1、摘 要 将液压挖掘机引入 冻结法 立井施工领域，可以 加快施工速度、降低工人的劳动强度 ，具有广阔的应用前景。 本 文采用现代设计理论和方法对立井施工新型液压挖掘机进行设计研究，以期能研制 出 满足市场需求、高性能的产品 ， 提高立井井筒冻结表土段掘进的机械化程度 。 本文首先进行方案论证，决定采用 电力驱动，从根本上消除了柴油机废气的危害 ；以 日本小松 PC50UU- 小型柴油驱动挖掘机作为研制的母机进行技术改造，明确了本文的研究重点为 工作装置优化和液压系统重新设计两方面。 通过对 立井施工 新型液压挖掘机 反铲装置运动学和 动 力学分析， 得到 了 动臂、斗杆、铲斗及其连杆机构的运动方
2、程和 几种典型工况下的挖掘力计算方法。在此基础上本文 根据 立井施工新型液压挖掘机 反铲工作装置的工作特点和性能要求，将确定工作装置各铰点的几何参数作为优化设计变量，用反铲工作装置的挖掘能力作为优化目标函数，对反铲工作装置实施优化设计。 采用博世力士乐的 LUDV 技术，本文重新设计了 立井施工新型液压挖掘机液压系统 。 本文进一步建立了挖掘机液压系统中电动机、泵、阀、缸和马达的数学模型，研究工作机构与其液压回路数学模型之间的耦合，然后 利用 AMESim 仿真软件对新型挖掘机定点挖掘过程 中工作装置的液压系统和机构动力学进行 综合 仿真， 运动学仿真结果 表明工作装置能很好的实现挖掘范围要求
3、，机构无干涉；力学仿真结果表明液压系统稳定，整个工作过程中挖掘力很好的 逼近其挖掘阻力 曲线要求，挖掘性能优异。 最后进行了样机试制和工业性试验， 实践检验 证明了立井施工新型液压挖掘的设计是正确和可靠的，完全能满足现场施工要求。 关键词： 电动液压挖掘机 立井施工 工作装置 液压系统 优化设计与仿真 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 课题的提出 . 1 1.2 液压挖掘机概述 . 2 1.2.1 液压挖掘 机主要组成 . 2 1.2.2 液压挖掘机工作循环过程 . 3 1.2.3 电动液压挖掘机 . 3 1.3 液压挖掘机的发展和 研究现状 . 4 1.3.1 国外发展与研究现状 . 4
4、1.3.2 国内发展与研究现状 . 7 1.4 虚拟样机技术在本课题中的应用 . 7 1.5 课题主要研究内容 . 9 1.6 本章小结 . 9 2 新型液压挖掘机工作装置优化设计研究 . 11 2.1 新型 液压挖掘机反铲工作装置的运动学分析 . 11 2.1.1 动臂运动分析 . 11 2.1.2 斗杆运动分析 .12 2.1.3 铲斗运动分析 .13 2.1.4 斗齿尖运 动分析 .14 2.1.5 特殊工作尺寸 .15 2.2 新型液压挖掘机反铲工作装置受力分析 . 16 2.2.1 挖掘阻力 .16 2.2.2 挖掘力的分析 .18 2.3 新型液压挖掘机反铲工作装置优化设计 . 2
5、3 2.3.1 设计变量的确定 .24 2.3.2 目标函数的建立 .24 2.3.3 约束条件的确定 .25 2.3.4 优化设计及结果分析 .29 2.4 本章小结 . 31 3 新型液压挖掘机液压系统的 设计研究 . 33 3.1 新型液压挖掘机液压系统概述 . 33 3.1.1 基本组成及其设计要求 .33 3.1.2 液压系 统形式分析选择 . 34 3.1.3 负荷敏感液压系统技术 . 37 3.2 立井施工新型液压挖掘机液压系统设计 .39 3.2.1 多路阀液压系统 . 39 3.2.2 液压泵控制系统 . 41 3.2.3 各液压作业元件子系统 . 42 3.2.4 多路阀先
6、导操纵系统 . 45 3.2.5 系统其它功能阀 . 45 3.3 元件选型 .46 3.4 本章小结 .46 4 新型液压挖掘机工作装置仿真 研究 .49 4.1 挖掘机液压系统建模仿真理论 .49 4.1.1 建模步骤和仿真基本方程 . 49 4.1.2 液压系统建模 . 51 4.1.3 负荷传感控制系统建模 . 56 4.1.4 液压系统模型与机械系统的关联集成 . 56 4.2 工作装置 AMEsim 仿真 .58 4.2.1 AMEsim 仿真软件简介 . 58 4.2.2 工作装置仿真模型的建立 . 60 4.2.3 系统仿真参数的确定 . 61 4.2.4 仿真结果分析 . 6
7、3 4.3 本章小结 .68 6 结论 .79 参考文献 .81 附 录 .83 作者简历 .85 学位论文原创性声明 .87 学位论文数据集 .89 第 1 章 绪 论 - 1 - 1 绪论 1 Introduction 1.1 课题的提出（ Proposing the Project） 工程机械是实现施工高速度、高质量、低成本、高效益的重要手段 ， 它广泛应用于国民经济各部门，世界各国历来都十分重视工程机械的发展。 液压 挖掘机是工程机械的一个主要机种，它利用铲斗挖掘、铲装土壤和石块，装满后提升铲斗并回转到卸土地点卸土，然后再使转台回转、铲斗下降到挖掘面，进行下一次挖掘。 液压 挖掘机广泛
8、应用于矿山开采、道路工程、国防施工、农田水利等基础建设之中，对减轻繁重的体力劳动，加快施工进度，提高劳动生产率具有十分显著的意义。 在立井施工领域，冻结法凿井技术得到了越来越多的应用，我国在这一方面 已跨入世界先进行列，冻结深度从最早的 105 米发展到目前的 700 余米，相应的冻结表土层也由最初的几十米发展到今天的近 600 米 。 随着冻结深度的增加，冻土的挖掘 愈加困难， 目前冻结井筒普遍采用风镐掘进 施工 方法，即人工操作风镐破土、抓岩机抓土装罐 。这种 方法占用人员多、劳动强度大、施工效率低， 造成工期、 冻结送冷时间的延长 ，进而导致施工 成本的大幅度增加。因此，尽快开发出用于冻
9、土挖掘的专业施工设备，提高立井井筒冻结表土段掘进的机械化程度 、 加快施工速度、降低工人的劳动强度已成为一个重要的现实课题。 液压挖掘机 作 为 一种 常用机械 设备，操作方便、故障率低且易于维修， 据统计，各种土石方作业中约有 60 70的土方量是由它完成的 。 借鉴地面土石方工程中利用液压挖掘机破碎和挖（装）土的成功经验，如能研制出（ 1）尺寸小，满足井下工作面狭小空间施工要求；（ 2）挖掘力和斗容满足施工产量需求；（ 3）回转速度满足中心抓岩机装料效率需求；（ 4）设备性能好，维修率低；（ 5）排放尽可能少，满足环保和职业健康要求的立井井筒冻结表土层掘进施工用新型液压挖掘机，则可以大大提
10、高冻土掘进速度， 取得 十分显著的经济和社会效益，同时也是对立井机械化施工技术的一个很好补充 。基于上述考虑， 中煤第五建设公司第三工程处 在参考市场上同类先进机型基础上，进行 了 斗容量为 0.21m3 的立井施工用新型电动液压挖掘机的 开发 ，改 传统 柴油机驱动为 电动机 驱动， 保留 液压传动和反铲工作装置。 新产品设计过程中要 解决如何在符合 正常的液压挖掘机操作习惯 下， 与市场上同规格内燃机驱动机型相比尺寸、重量尽可能小 ， 以适应井下工作环境 ；如何保证 采用电 机 驱动后不降低 挖掘力 、不影响机械回转装 料效率，而且还要 安全 、节能、可靠等难题 。 鉴于这种情况，本 文
11、结合该项目 ，采用现代设计理论和方法对 立井施工新型液压挖掘机进行设计研究，以 期能研制 出 满足市场需求、高性能的产品。 硕士学位论文 - 2 - 1.2 液压挖掘机概述（ Introduction of the Hydraulic Excavator） 本节以常见的单斗反铲液压挖掘机 为例 ， 介绍 其 基本组成结构、工作原理。 1.2.1 液压挖掘 机主要组成 (Primary Structure of Hydraulic Excavator) 液压挖掘机 由 动力装置、传动系统、操纵机构、回转机构、工作装置、行走机构和辅助设备等 几部分组成 ，外形如图 1-1所示 。 其中动力装置、传
12、动系统的主要部分、操纵机构、回转机构、辅助设备和驾驶室 等都安装在可回转的平台上，总称上车部分，它与行走机构（又称下车部分）用回转支撑相连，平台可以围绕中央回转轴作 360回转。常见的液压挖掘机多采用柴油发动机作为原动力，履带或轮胎行走， 斗容量小于 1.6m3的中小型液压挖掘机通常选用整体鹅颈式动臂 反铲 装置 ，它的主要运动如整机行走、转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗转动等都靠液压传动，把发动机的机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等转变为机械能，再传动各执行机构，实现各种运动和工作过程。 整体鹅颈式动臂 反铲 液压挖掘机工作装置主要由动臂 1、动 臂油缸 2、斗
13、杆 3、斗杆油缸 4、铲斗 5、铲斗油缸 6、摇臂连杆 7 等组成， 如图 1-1 所示 。装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，其中动臂铰接于回转平台，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下铰点转动实现动臂的升降；斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂的相对角度；铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动，为增大铲斗的转角，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联结。 图 1-1 液压挖掘机的主要组成 Figure1-1 Primary Structure of the Hydraulic Excavator 1-动臂； 2-动臂油缸； 3-斗杆； 4-斗杆油缸；
14、 5-铲斗； 6-铲斗油缸； 7-摇臂连杆； 8-上部转台； 9-行走机构 第 1 章 绪 论 - 3 - 1.2.2 液压挖掘 机 工作循环过程 (Working Cycle of the Hydraulic Excavator) 液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，原动机驱动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀，通过司机的操作，将压力油单独或同时送往液压执行元件 (液压马达和液压油缸 )驱动执行机构工作。 其工作循环过程如下 ： 首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运输车辆倒车、调整，停靠在挖掘机的侧方或后方。挖掘机司机扳动操纵手柄，使
15、回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，配合动作以加快作业进度，进行复合动作的挖掘和装载 ； 铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动 臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使斗杆高度稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使平台
16、反转并降低动臂，直至铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环 。 1.2.3 电动液压挖掘 机 (Introduction of the Electric-driven Hydraulic Excavator) 柴油机驱动的液压挖掘机虽然具有无可比拟的优点，但柴油机废气、烟雾、热辐射及噪声却严重地污 染了地下作业环境。而如果把柴油机驱动改为电力驱动，则可在保留液压挖掘机大部分优点的情况下，从根本上消除了柴油机废气的危害，同时电动机工作温度比柴油机低，噪声小，因而有利于环境的保护和井下作业人员的健康，可节省添加通风系统的大量资金耗费。表 1是类比瑞典波立登（ Boliden）公司所属矿山对电力驱
17、动铲运机与柴油驱动铲运机进行的生产对比试验而完成的两种驱动形式液压挖掘机的对比分析，可以看出，立井施工新型液压挖掘机应采用电力驱动 3。 电力驱动的挖掘机在国内外的应用多为大吨位（ 400 以上）、机械式，普通吨位液压传 动的电动挖掘机国内也只有四川邦立在做，但它的产品没有针对为在诸如竖井、隧道或地下等狭窄空间的挖掘作业而进行优化，所以要开发出完全适应立井施工用液压挖掘机还有很多工作要做 4。 硕士学位论文 - 4 - 表 1-1 电力驱动和柴油机驱动的挖掘机对比分析 Table1-1 Comparative Analysis between Electric-driven and Diese
18、l-driven Excavator 对比项目 对比分析 结论 设备总投资 电动挖掘机不需要柴油机及其相关附件，也不需要燃油箱，但需要电动机，还增加了供 电电缆、电缆卷筒及传动装置、电控箱，考虑到低污染柴油机价格贵，综合考虑来看两者设备总投资基本持平。 基本持平 生产费用 生产费包括能源费、修理费和司机工资，后一项对两种挖掘机相同，不予比较。电能比柴油便宜，类比瑞典波立登公司所属矿山对电力驱动和柴油机驱动铲运机生产对比试验，电动挖掘机比柴油挖掘机能源费低一半。且柴油机需要一笔不低的修理保养费，而三相鼠笼电动机在其服务期间几乎不需任何维修，电动机的寿命通常比挖掘机本身的寿命长。使用电动挖掘机，井
19、下不需增加通风费用。 电动挖掘机生产费用远低于柴油挖掘机 设备 能力和生产率 使用三相鼠笼电动机的挖掘机，其过载能力是额定扭矩的2 倍，且牵引功率和回转速度与柴油挖掘机一样，而柴油机不可能承受高于额定值的负载，由于具有这些特点，电动挖掘机理论上应比同级柴油挖掘机生产率高。 电动挖掘机同样能达到柴油挖掘机的生产率 作业环境 电动挖掘机不排放废气，而柴油机会排放出大量对人体有害气体，严重污染作业环境。电动机的热效率也比柴油机高的多，这样它的热辐射也远低于柴油机。据测定资料，在司机座附件，电动挖掘机的噪声比柴油机驱动挖掘机低20dB。 电动挖掘机优于柴油挖掘机 机动性 电动 挖掘机受到拖曳电缆的限制
20、，机动性不如柴油机驱动的液压挖掘机 电动挖掘机 机动性差 1.3 液压挖掘机的发展和研究现状（ Development and Research Status of the Hydraulic Excavator） 立井施工新型液压挖掘机的研发必须有高起点，要借鉴目前市场上同规格机型的最先进技术，并考虑其工作环境，采用现代设计理论和方法去设计 ， 这样才能大幅度提高产品性能、缩短开发周期、节省原材料、降低产品成本进而获得较高的经济效益。所以研发前必须首先对液压挖掘机国内外研究现状、发展趋 势有比较深刻的认识。 1.3.1 国 外发展与研究现状 (External Situation) 液压挖掘
21、机在国际上已达到相当高的水平，工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量 3.5 40m3单斗液压挖掘机的主要生产国，第 1 章 绪 论 - 5 - 从 20 世纪 80 年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量 50150m3剥离用挖掘机 、 斗容量 132m3的步行式拉铲挖掘机； B-E（布比赛路斯伊利）公司生产的斗容量 168.2m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量 107m3的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘 机。从 20 世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展，可归结为： （ 1） 整机设计侧重于多用途
22、性 。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在 0.25m3以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在 0.01m3。 为了在狭小场地作业，国外一些大挖掘机厂商（如卡特彼勒、 OK、小松、凯斯、 JCB 等）推出了无尾型挖掘机，其特点是后部短，回转运动在履带宽度范围内，因此非常适合狭窄空间的作业。 另外，数量最多的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置 除正铲、反铲外，还配备了起重、抓 斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。 如 瑞典 Engcon 公司生产 的 Tiltrotator 挖
23、掘机附加装置，模拟人的手腕功能，能回转 360 ，左右 40 摆动 /回转 /侧倾，内装快速更换器， 可 在任 何 角度接装 各 种附加作业装置，为 3 32t 挖掘机配套。德国 SMP 公司、 Indexator 公司也 有类似的产品。 与此相适应，国外一些先进 挖掘机上 还 配置了快速更换系统，新 型 的更换装置能够在 正 常液 压 系统的 压 力下自动快速更换 各 种装置，司机无须 离开司机室。如 Riedlberg 公司 的“ Coupfix”作 业装置液 压快 速更换系统，能在 10 15s内 完成任务， 10 根液压软管在液压油高压全流量下全自动接管。 与此同时， 国外还 发展专门
24、用途的特种挖掘机， 如 卡特彼勒 的 MC325CMH 和利勃海尔 的 A904C、 A944B-HD 专用于工业材料装卸，利勃海尔 934B VD-HD 为破碎拆除专用挖掘机， Mecalac 公司714er 系列采用特殊底盘和作业装置，专用于城市建筑工地。 （ 2）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉 斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新 C 系列 LS-5800 型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了 CAPS（计算机辅助功
25、率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的 FJ 系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并 延 长了零部件的使用寿命；德国奥加凯（ O&K)公司生产的挖掘机油泵调节系统 具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型 904、 905、 907、909 型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了 ECO（电子控制作业）操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在
26、新型 B硕士学位论文 - 6 - 系统挖掘机上采用最新的 3114T 型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性 ； 韩国大宇公司在 DH280 型挖掘机上采用了 EPOS 电子功率优化系统，根据发动机负荷的变 化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。 （ 3）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法
27、、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质 、 高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设 计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研 发 周期，加速了液压挖掘机的更新换代，并提高 了 其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85% 95%，使用寿命超过 1万小时。 （ 4）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节
28、的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。 （ 5）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系 统 有普遍装备负荷传感系统 的明显趋势。 负荷传感系统在液压挖掘机上的优点是显而易见的，能实现对 不 同负载压力的多个执行元件同时进行快速和精确的控制，各个执行元件 互不干 涉 ， 操作性能好，轻便舒适，便于驾驶员集中精力操作。负荷传感 可 以采用单泵并联系统，系统 紧凑 、接管少，安装使用成本低，并易于通过选用阀片增加执行元件数量，实现挖掘机的多功能。小松、 卡 特彼勒，利勃海尔、沃尔沃，阿特拉斯、山猫、大宇、 Schaeff、 Mce1co、 JCB、 Fiat-Kolbeco 等公司都 有 多种
29、采用负荷传感系统的挖掘 机产品 。 （ 7）迅速拓展电 子化、自动化技术在挖掘机上的应用。 20世纪 70年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机操作轻便和作业安全，降低挖掘机 噪 音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘 机 上应用电子和自动控制技术。 20 世纪 80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志 。 目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。 装配这些 控制系统 后，可以 显著地提高 挖掘机
30、生 产率、降低成本。通常挖掘 一 个整洁的工作平 面可 以比“手工”挖掘少 3到 4个过程，挖沟渠 可 节省 10% 20%作业时间，从而加快施工进程，节省燃油，减少磨损。借助电子控制驾驶员 可 以精确快速操作铲斗，测量杆成为多余，驾驶员也无须为第 1 章 绪 论 - 7 - 了测量而经常离开驾驶室或中断工作。 1.3.2 国内 发展与研究现状 (Domestic Situation) 我国从 1958 年开始生产液压挖掘机，逐步形成了 1 2.5m3小型液压挖掘机系列，具有一定生产规模，斗容 1 7.5m3的液压挖掘机年产量超过 1000 台。 1983 年以后采用引进技术方式进行生 产，加快了液压挖掘机的发展。但国内挖掘机研发水平、制造技术、 产品 质量与韩国、日 本 、美国、欧洲等发达国家相比存在很大的差距 。 我国挖掘机市场很大，但几乎被外资垄断 ， 据统计，目前行业七家独资与合资企业产品销售量占全行业的比例由 1996 年的 70%左右迅速上升到 2003 年的 90%。 除了贵州詹阳公司生产的轮胎液压挖掘机仍是国内品牌 之外， 可以说目前国外独资与 合 资企业在我国液压挖掘机行业中已占据主要地位 ， 国外品牌液压挖掘机已占领了国内的主要市场。 1.4 虚拟样机技术在本课题中的应用（ Application of Virtua
