【摘要】：近年來,隨著基礎設施建設的推進,工程機械行業(yè)發(fā)展迅猛。液壓挖掘機作為一種多功能機械,在水利工程、交通運輸、電力工程和礦山采掘等機械施工中應用廣泛,特別是在礦山采掘中,常需要重量比較大的大型挖掘機來進行作業(yè)。由于大型液壓挖掘機存在油耗高、排放差等問題,在能源短缺、油價上漲的時代背景下,挖掘機節(jié)能技術得到了重點研究。工作裝置是挖掘機的執(zhí)行機構,負責完成各種挖掘作業(yè),對工作裝置進行輕量化研究對實現(xiàn)挖掘機節(jié)能具有重要意義。大型液壓挖掘機在進行礦山采掘等作業(yè)時,由于其挖掘工況比較復雜,隨時要面臨多變的工況,所以工作裝置上各個鉸點的受力也更加復雜。因此在對工作裝置進行輕量化設計時,必須保證作業(yè)過程的安全。針對上述問題,本文首先對工作裝置的結構性能進行研究,對其強度、剛度進行校核,然后根據(jù)分析結果對工作裝置進行輕量化設計,最后對輕量化設計前后的強度、剛度進行對比分析。主要研究內容如下:(1)工作裝置三維模型的建立。在分析挖掘機整機與工作裝置的結構組成及工作原理的基礎上,參考本文研究機型的尺寸等相關參數(shù),利用Solidworks建立7個參數(shù)的動臂參數(shù)化模型和5個參數(shù)的斗桿參數(shù)化模型,建立其他部件的簡化模型,最后完成整個工作裝置的裝配模型。(2)工作裝置各部件鉸點力的計算。首先,研究液壓挖掘機工作裝置的運動工況,在分析常見的危險工況基礎上選擇鏟斗挖掘、斗桿挖掘和復合挖掘三種危險工況并建立三個工況的各部件位置圖作為后文的分析依據(jù);然后,根據(jù)液壓系統(tǒng)參數(shù)計算出各理論挖掘力并施加到對應挖掘工況上;最后,依據(jù)力矩平衡和力平衡原理計算出三個工況下各鉸點的受力,為后文有限元分析和輕量化設計做準備。(3)工作裝置的有限元分析。建立Solidworks與ANSYS Workbench之間的無縫連接,對工作裝置中動臂、斗桿進行有限元靜力學分析,根據(jù)分析得到的應力云圖和位移云圖分析其強度和剛度。根據(jù)分析結果得到三個工況下動臂的最大應力為239.88MPa,最大位移為14.164mm,斗桿的最大應力為178.17MPa,最大位移為4.6420mm,均小于許用應力和許用位移,強度和剛度均符合設計要求。驗證了模型的正確性,證明了存在輕量化的空間。(4)工作裝置的輕量化研究。根據(jù)優(yōu)化理論分別建立動臂和斗桿的優(yōu)化數(shù)學模型,依據(jù)響應面優(yōu)化原理利用ANSYS Workbench中的響應面優(yōu)化模塊分別對動臂的7個板厚和斗桿的5個板厚進行尺寸優(yōu)化,根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)解選擇一組進行圓整取值,得到板厚的最優(yōu)尺寸,優(yōu)化后的動臂質量減少了8.1%,斗桿質量減少了7.2%。(5)輕量化前后工作裝置有限元分析結果對比。根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)解分別在Solidworks對動臂、斗桿進行尺寸參數(shù)修改建立新的動臂和斗桿模型,對輕量化設計后的動臂、斗桿再次利用ANSYS Workbench進行有限元分析,并與原模型有限元分析結果進行對比。研究發(fā)現(xiàn)輕量化后的動臂和斗桿最大應力和最大位移變化不大,且強度和剛度仍符合設計要求,驗證輕量化設計的正確性。根據(jù)以上研究結果,總結出一套適用于挖掘機工作裝置輕量化設計的研究方法。
【圖文】：

功率達3360KW[18,19]。圖1-2分別為日立的EX8000(機重780t)和卡特彼勒的6120BHFS（機重1270t）。日立EX8000(機重780t) 卡特彼勒6120BHFS（機重1270t）圖1-2 超大型液壓挖掘機Figure1-2 Super large hydraulic excavator根據(jù)不同的形式，挖掘機分為多斗挖掘機和單斗挖掘機，也可以分為機械傳動和液壓傳動兩類，，大型液壓挖掘機主要由底盤行走機構、回轉支撐機構、挖掘工裝機構三個部分組成[20]。根據(jù)整機質量的不同又有以下分類[21]：表1-1 液壓挖掘機整機質量分類Table1-1 Quality classification of hydraulic excavator質量 小于6t 6t~13t 13t~20t 大于50t機型 小型機 中小型機 中型機 大型機

2.1.1 反鏟液壓挖掘機的結構組成反鏟液壓挖掘機主要由行走裝置、回轉平臺和工作裝置三部分組成，其具體組成如圖2-1所示：圖2-1 普通反鏟液壓挖掘機的基本結構組成Figure2-1 Basic structure composition of general backhoe hydraulic excavator
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TD422.2

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本文編號：2623254