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机械自动化论文2018年精选范文一：挖掘机工作装置的斗齿仿生及动臂优化研究
第 1章 绪论
1.1 研究背景与意义
随着国民经济的快速发展，液压挖掘机被广泛使用在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中。液压挖掘机是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工装备，是各国经济建设中不可替代的装备。挖掘机使用状况也反映了国家的施工机械化水平。
目前，挖掘机技术整体水平发展缓慢，挖掘装载作业环境比较差，载荷变化频率大，对挖掘机工作性能提出了更高要求。因此，提高挖掘机的工作效率，改善挖掘机工作装置的挖掘性能，对提高挖掘机整机的整体性能、促进工程机械的快速发展有着重要的理论价值和现实意义。
液压挖掘机以液压传动为动力，驱动工作装置进行物料的挖掘，工作装置的设计优劣直接影响到整机作业性能。液压挖掘机的工作装置是由动臂、斗杆、铲斗和相应的三组油缸以及连杆机构组成的一种多杆机构，通过控制三组油缸的伸缩来实现各种挖掘动作。挖掘机工作装置的性能参数主要包括斗齿的切削性能、动臂的几何尺寸、运动参数等。挖掘机工作装置斗齿及动臂尺寸参数直接影响挖掘机作业范围、挖掘力的发挥等。
斗齿是挖掘机的重要组成部分之一，是工作装置中直接与物料接触并进行挖掘的主要部件，同时也是挖掘过程中使用最频繁，受力最大、磨损最严重的部件，其结构形状对挖掘机的生产制造和使用有着重要的影响。1960年提出的仿生学为斗齿的仿生优化提供了一种崭新思路，具有优异挖掘功能的蝼蛄，其经过上万年进化的爪趾必然处于最优化状态，它的构形也有助于挖掘功能的实现。通过对其爪趾构形的拟合，设计出仿生斗齿。
工作装置的动臂主要用来支配挖斗的挖掘、装车等动作，动臂结构一般都有一定的弯曲，这样能更好地针对停机面以上土壤进行强行挖掘。其弯曲处的圆弧角度和半径对工作装置的工作范围有显著影响。借助虚拟样机技术通过对比仿真结果，优化带有仿生铲斗的挖掘机工作装置的动臂，进而优化整个挖掘机工作装置，将会提升整机的作业性能，对于提高反铲挖掘机的设计水平推动国内挖掘机行业的发展具有十分重要的意义。
1.2 仿生学理论
1960 年，美国人 Jacksteele 提出了仿生学（(bionic）的概念，拉丁词“BIOS”意为“生命方式”，后缀“NIC”意味着“具有…的性质”，他认为仿生学是模拟生命系统功能的科学，拥有生物系统的一些特征或与生物特征相似的人造技术，是生物学与其它技术结合起来的一门综合性的边缘科学。仿生学是一门以自然界生物的优良特性为灵感，指导工程设计和制造的学科，它的出现把机械学、生物学、材料学、电子信息学等多种科学技术紧密联系在一起，为科技创新提供了新原理、新方法和新思路。
耦合仿生学是仿生学的最新发展之一，是仿生学的重要组成部分，它将促进仿生学从单元向多元，从形似向神似，从单场单相向几何、物理、化学、生物等多场多相优质交融的方向发展。基于生物耦合的机理与规律而进行的仿生，称为“耦合仿生”。耦合仿生是模仿生物多因素相互耦合、协同作用的仿生，不同与传统的仿生，是与实际更接近的生物仿生。该仿生理念从概念、内容到方法上都是全新的，有望解决传统仿生学难以解决的问题。其具体研究对象是从考查仿生对象的某一特别显著的特征入手，将影响生物各种功能的不同因素及其相互之间作用的一般规律作为研究对象，从而设计制造出能更接近或超越生物本身功能的仿生产品。通过全面分析可能影响生物功能的各种因素，耦合仿生研究生物功能与因素间的内在联系及其在特定条件下因素间的协同应用，从而揭示生物耦合的机理及其特征规律，这些成果是我们进行多元耦合仿生必不可少的生物学基础。
第2章 反铲挖掘机及其工作装置概述及运动学和动力学理论分析
2.1 挖掘机的概述
反铲液压挖掘机是工程机械中最重要、结构最复杂、用途最广泛的机种。在工程应用中，单斗、全液压挖掘机用得比较多。单斗挖掘机，因为其工作范围的不同，其工作装置分为正铲和反铲。正铲挖掘机工装装置主要用于停机面以上的土壤挖掘以及爆破后岩石散状物的装载，而反铲挖掘机工作装置一般是斗容量小于1.6m3的中小型液压挖掘机，其主要作业范围在停机面以下。
单斗液压挖掘机的总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等，如图所示 2.1。
常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。因此又可将单斗反铲液压挖掘机概括成工作装置、上部转台和行走机构等三部分。但对悬挂式或半回转单斗液压挖掘机来说，一般没有上部转台。
2.1.1 挖掘机工作原理及其主要参数
挖掘机主要是靠发动机提供动力。发动机的动力除了维持自身运转需要还把动力输出给与它相连接的主泵，带动主泵运转，主泵再带动液压油箱的液压油到主控阀，然后由驾驶室的操作手柄控制先导系统，从而控制主控阀各个阀门的位置来控制各种油路的通断，最后实现挖掘机的各种动作。其主要工作过程是由动臂的上升下降、斗杆的伸出和回收、铲斗的挖土和卸土以及上部平台的 360°回转等动作组成。多数挖机采用 360°回转方式，但小型挖掘机及挖掘机装载机一般采用半回转式，而且多数只能是工作装置部分回转.
反铲液压挖掘机的液压系统实现了机身的回转和行走以及挖掘机工作装置的各种动作，其中工作装置主要采用了连杆机构的原理，而各部分的运动主要是通过液压缸的伸缩实现的，进而实现挖掘机的挖掘功能。挖掘机作业时，接通回转马达，转动转台将工作装置定位至挖掘地点，同时操纵动臂油缸收缩至铲斗接触到挖掘面，接着操纵斗杆油缸和铲斗油缸使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，关闭斗杆油缸和铲斗油缸，操纵提升动臂油缸，同时接通回转马达转至卸载地点，操纵斗杆油缸和铲斗油缸进行卸载。至此，完成了一个作业循环。
2.2 反铲液压挖掘机工作装置
液压挖掘机的工作装置一般有正铲、反铲、抓斗、起重、转载、平整、夹钳、推土、液压锤等多种作业机具。反铲工作装置是挖掘机最主要的工作装置之一，其设计的优劣与挖掘机机性能的好坏直接相关。一般情况下，反铲工作装置属于平面连杆机构，各部件之间采用铰接方式。反铲工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗、动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸及斗齿组成 。
反铲工作装置主要挖掘水平面以下的工作介质。
在挖掘方式上，反铲挖掘分为斗杆挖掘和铲斗挖掘。斗杆挖掘的半径较大，挖掘轨迹比较长，切削断面较薄，而铲斗挖掘正好相反。反铲工作装置的布置形式主要取决于平台宽度、是否需要偏转、运输高度等条件。
2.2.1 动臂
动臂是反铲工作装置的主要部件之一，按其数量特征分为整体式和组合式两种，按其外形分有直动臂和弯动臂。本文主要采用整体式弯动臂。
整体式动臂的优点是结构简单，质量轻而刚度大。其缺点是可更换的工作装置少，通用性一般较差，长期作业条件相似的挖掘机上应用较多。整体式动臂又可分为直动臂和弯曲动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量较轻、制造方便，主要用于悬挂式挖掘机，但它不能式挖掘机获得较大的挖掘深度不适用于通用挖掘机；目前应用最广泛的结构形式是弯动臂，与同长度的直动臂相比可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业。
反铲液压挖掘机的斗杆一般为左右对称、宽度相等、直的整体式封闭箱型焊接结构件。采用直的形式时，结构简单，同时也可达到较大的挖掘范围。动臂与斗杆的连接方式为铰接，从具体结构可分为两种：斗杆夹动臂，动臂夹斗杆。因为斗杆可以根据作业要求随时更换而动臂一般相对不变，所以本文采用动臂夹斗杆的连接方案。
2.2.2 铲斗
土壤切削装置有两种：刀型装置和斗形装置。
刀型装置是具有各种形状和尺寸的刀具。刀具用楔形切削刃切削土壤，切下的碎土屑堆积在刀具前，在刀具向前推移力的作用下运输土壤。例如铲、犁、推土板等都属于刀型装置。
（1）切削刃的角度参数：切削角γ、 刃角θ和后角γ1。
（2）刀具的几何参数：长度 L或者直径D、高度H、刀面的曲率半径 r等。
斗形装置是由斗唇、斗侧壁和斗底组成的各种形状的铲斗。斗唇上可装有斗齿或无齿的弧形切削刃。铲斗用斗唇切削土壤，在切削过程中同时将切下的土屑装入斗内，铲斗装满后举升离开挖掘面，将土卸到位。挖掘机铲斗属于斗形装置。斗形装置的主要参数包括： （1）角度参数：切削角γ、 刃角θ和后角γ1.
（2）几何参数：斗高：H、斗宽 B、斗长度 q。对于圆弧形铲斗，还
