液压挖掘机开题报告

目录

目录 (1)

一、选题的目的和意义： (2)

二、国内外研究现状（文献综述） (2)

2.1挖掘机的机器人化 (2)

2.2 遥控挖掘机的研究 (3)

2.3 挖掘机节能技术的研究 (4)

2.4 振动挖掘机理研究 (5)

三、市场发展状况（市场分析） (6)

3.1挖掘机的多功能化 (6)

3.2挖掘机的智能化 (7)

3.3挖掘机的实用型设计 (7)

四、选题研究的内容： (8)

五、选题研究的技术路线、研究方法和要解决的主要问题： (8)

六、研究工作进度： (9)

七、参考文献： (9)

1

一、选题的目的和意义：

挖掘机械是一种集土方挖掘、装载、平整、拆除、抢险等作业的工程机械，广泛应用于各类土石方工程施工、民用建筑、道路建设和市政工程场所。近年来伴随着我国经济的快速增长，大规模的基础设施建设对挖掘机提出了强劲的市场需求，我国挖掘机械的产销量每年均有15%~30%的爆炸式增长，2011年更是达到了70%，另一方面，挖掘机作为技术复杂的终端机械产品，其开发和制造涉及机械、液压传动、冶金、石油化工、电气等众多行业，已经形成了一个庞大的产业集群。因此，大力开展对液压挖掘机的研究和探索，对于提升国家整体工业水平和加速国民经济的发展具有重大的促进意义。

二、国内外研究现状（文献综述）

2.1挖掘机的机器人化

为延伸人类在复杂、恶劣、危险环境中的作业，世界各国对机器人化挖掘机的研发工作非常重视，国外在这方面研究比较早，较为典型的有：

①Carnegie Mellon大学的自主装载系统(Au—tonomous Loading System，ALS)t'Jt~ ALS系统使用两个激光扫描测距仪，对车辆进行确认和准确定位、观测土壤表面情况、识别障碍物等。该系统还提出一种用于实时轨迹规划和执行复杂挖掘机器人运动的参数化控制方法。相同情况下，普通挖掘机熟练的操作手装满一卡车需要120 S，而使用该系统也不超过150 S，完成一个装载循环的时间小于1 min，与熟练的操作手的操作速度基本相当。因此该系统能满足连续重复挖掘装载的工况要求。关于该系统的具体说明见于下面两篇论文：Peyret F，Jurasz J．The Compu~r Integrated Road Construction pmject[J]．Automation in Construction，2000(9) Singh S，Cannon H_Multi-Resolution Planning for Earthmoving．Proceedings International Conference on Robotics and Automation[C]．Leuven，Belgium，1998

②国内机器人化挖掘机的研究国内在这方面研究相对较迟，浙江大学冯培恩教授从上世纪80年代开始率先着手研究挖掘机机电一体化技术，首先实现挖掘机器人作业过程的分级规划和局部自主控制圈。但是他们在任务

2

规划层面上只停留在仿真阶段，还没有提出显著的实现方案。20世纪末由戴炬负责的863计划项目“挖掘机器人工作装置控制系统研究与开发”，以挖掘臂轨迹和工作循环的自动／半自动控制为目标，开发研制相应的控制装置，安装在挖掘机上形成挖掘机器人产品，研制出台挖掘机器人功能样机。湖南山河智能机械股份有限公司(以下简称山河智能)研究的机电一体化挖掘机，具有激光高程定位、图形导引、自动轨迹控制阿(水平挖掘、坡度挖掘、挖掘深度控制)等功能，将挖掘机的自动化研究推向实用化，在2005年上海国际工业博览会与2006年巴黎INTERMAT展览会上赢得观众青睐。具体成果见于以下两篇论文：张强．挖掘机器人规划控制方法与技术的研究．杭州：浙江大学，2002．张大庆，何清华，郝鹏，等．液压挖掘机铲斗轨迹跟踪控制【J】．吉林大学学报(工学版)，2005(5)．

2.2 遥控挖掘机的研究

世界各国对用于各种场合机器人遥控系统的研发工作都非常重视，并取得了大量遥控机器人的研究成果。上世纪80年代初，美国KraftTeleRobtics 公司和John Deere公司等都相继成功开发出遥控挖掘机。其中，比较典型的是John Deere公司的690CR型遥控液压挖掘机，该机无线遥控作业范围达1 525m，也可以用同轴电缆在305 m的范围内完成作业。控制台包括图像／声音接收器，以及为处理输入信号所需要的译码装置，这类挖掘机遥控系统可以对被控车辆的工作状态借助摄像机，将有关图像传递给操作者。但事实上由于工程车辆工作现场环境恶劣，灰尘量大，摄像头容易被遮挡，故障诊断监控系统的信息却未能真正反馈给操纵人员，从而影响了正常工作效果。

1983年3月，日本小松制作所以PC200—2型液压挖掘机为基本机型进行遥控挖掘机研制，实现了各工作装置的微动控制和复合动作的无线电操纵。改装成功后的PC200R-2型挖掘机可以进入恶劣环境、救灾工程等危险现场并利用无线遥控操作进行作业。该系统没有进行双向数据通讯，出现较大意外负载的情况不能及时被遥控操作者所发现，采用伺服电机驱动耗电量较大，本身不具备自调节功能而影响正常工作。

德国HBC公司于1987年研制成功应用于工程。车辆领域的工业无线电

3

遥控装置，这种遥控装置采用了先进的数字化通讯技术，传输的比例控制信号安全、可靠、实用。近年来，HBC对于矿山机械、混凝土泵车、随车起重机和移动式汽车起重机等工程机械提出了一系列无线遥控作业的解决方案。

浙江大学在1996年初研制成了一种结构简单、价格低廉的液压挖掘机近距离无线遥控系统，该系统遥控半径在20m左右，通过目测进行遥控作业完成简单作业。中南大学与山河智能合作也在无线遥控、GPS／GPRS、无线网络远程监控等方面进行了研究，目前的无线遥控半径为100 m左右。2.3 挖掘机节能技术的研究

液压挖掘机作为一种灵活的多功能工程机械，节能性一直是其追求的目标。传统工程机械的能量利用率较低，仅为20％左右。各大公司均把节能技术作为科技重点发展目标，以提高其产品在世界市场上的竞争力（纪云锋，陈欠根，吴烨，等．挖掘机电子控制新思路【J】建筑机械，2004(1)）。在技术上，一方面对液压系统及液压元件进行改善（栾新立，张建宗．浅谈液压挖掘机的节能技术及发展趋势【J】．矿山机械，2001(8)：19—21．）；另一方面，从功率链的思想出发，研究分析发动机与泵、液压系统与负载的功率匹配问题，从而达到整机功率的优化设置（Jim Sumitani，Kiyoharu Anzai．Powertrain Control—Sys—tem Development Support【J】．Technical Reports，2001(6)：25—27）。

上世纪80年代后，美、13、德等国在液压系统节能的基础上，纷纷开始研制电子节能的液压挖掘机。如日本小松公司开发研制的新型节能控制器(OLSS系统)，可使燃油节省23％；日立公司对UH16型挖掘机的动力系统实施电子控制，生产效率提高20％，使其燃料消耗降低12％～18％；美国卡特彼勒公司采用的卡特电子功率控制系统，能够平衡发动机功率和泵的输出，在大幅度提高生产率的同时能使发动机功率的98％转换为液压能。上世纪80年代末期，3档功率预选模式节能控制系统的出现，使系统平均节能效果提高20％左右。其后日立公司的电子负载传感ELLE系统，以及德国利勃海尔公司在1990年推出的942型挖掘机，可获得全部的液压功率，起到较好的节能效果。目前，以微机或微处理器为核心的电子控制系统在国外液压挖

4

掘机中应用相当普及，并已成为现代高性能液压挖掘机不可缺少的组成部分。

上世纪90年代初，国内开始了工程机械的智能控制和节能理论技术的研究，并取得了一定成果。浙江大学冯培恩教授在挖掘机器人节能控制器方面做过较为深入的研究。在动力系统节能控制方面，1994年浙江大学与广西玉林柴油机厂合作开发的20 t节能控制液压挖掘机是目前国内机电一体化技术在挖掘机上实施的一个商品化产品，已通过实际挖掘试验。浙江大学与长江挖掘机厂合作开发的集远程无线遥控、故障监控、节能控制于一体的实用型液压挖掘机，也已经从原理上进行了试验。目前，浙江大学机械设计研究所自行研制成功一台试验性挖掘机器人，利用挖掘机器人对其节能性和操纵性进行了实际挖掘试验，取得了良好的控制效果（蔺化军．液压挖掘机功率控制系统的研究【D】.长春：吉林工业大学，2000）。

吉林大学在赵丁选教授的带领下，首次将发动机、变量泵和负载作为一个整体进行了研究，采用模糊控制技术实现了发动机与变量泵的全功率匹配，克服了国内外挖掘机节能控制中普遍应用的单纯转速控制或压力控制的不足，并且成功地实现了2级溢流控制，通过台架试验取得了良好的节能效果(国香恩．液压挖掘机节能模糊控制系统的研究．长春：吉林大学.2004)。

2.4 振动挖掘机理研究

挖掘机挖掘作业中负载变化急剧，突然增加的重载荷对机器产生巨大的冲击力会对机器的结构件及液压元件造成很大的损害，当外界阻力大于最大挖掘力时，挖掘机将无能为力，因此减小挖掘阻力、降低功率消耗以及延长机器的使用寿命是人们追求的目标。

在挖掘过程的切削机理研究上，美国的Mogam和Kubo通过在沙地的试验发现振动会使土壤表层间的摩擦减小，出现振动剪切面，从而更有利于土壤挖掘。随后各国学者通过建立振动挖掘模型，研究振动参数对挖掘阻力和功率消耗的影响。1967年Boyd和NMezny模拟铲刃水平振动时的挖掘情况。试验结果表明，在给定的挖掘速度下铲刃以正弦振动方式对压实沙土进行挖掘时，实际挖掘阻力减小为不振动情况下的25％。并得出当振动的频率接近于土壤的固有频率时，能量的利用率最大，即能耗最小。1976年Yow

5

和Smith对一维的正弦振动挖掘铲进行了理论和试验研究。他们得出结论：振动挖掘的总能量大于不振动的总能量，增加部分的能量是用于实现挖掘铲的振动，但最大挖掘阻力减小了4JD％。Buston和Maclntyre发现，采用振动挖掘时，一般情况下都需要增大总功率消耗，但牵引力最多可减小50％。

日本T．Muro等人针对振动切削凝灰岩石进行了试验研究。经测定，振动时的水平切削阻力与无振动时的水平切削阻力之比随着振动频率的增加呈双曲线急速下降呈正弦波振动时的挖掘比呈三角波振动的挖掘效率明显提高。

国内吉林工业大学殷涌光、王国强等人研究发现采用二维振动切削土壤不仅可大幅度降低插入阻力，而且可大幅度降低能耗。在影响功耗的各参数中，插入速度对功耗的影响最为显著，其次是频率，再次是振幅。

中国矿业大学荆元昌、李润成等人，在自行设计的实验室振动截煤试验台上，通过改变振动频率、振幅、振动波形等参数来研究各参数对实际主截割力及单位能耗的影响，结论是在垂直层理截割时的截割力可降低22％左右，截割单位能耗可降低29％左右。在平行层理截割时的截割力可降低45％左右，截割单位能耗可降低36％左右，即平行层理截割优于垂直层理截割。

中南大学与山河智能公司合作对挖掘机的振动挖掘机理进行研究(杨成云，朱建新．基于比例阀的液压挖掘机振动掘削,控制系统设计【J】．凿岩机械气动工具，2005(1)．朱建新，赵崇友，邹湘伏．液压挖掘机振动掘削土体参数在线辨识【J】．中南大学学报(自然科学版)，2006 (3)．)，通过对岩土特性的分析，对振动掘削岩土的机理进行探讨，并通过计算机仿真，验证了振动掘削相对于静态掘削的优越性；开发了挖掘机振动掘削控制系统，通过现场试验表明：振动掘削能大幅降低挖掘机的工作阻力，因而可有效提高其作业能力和施工效率，是一种极具潜力的挖掘机新型掘削方法。

三、市场发展状况（市场分析）

3.1挖掘机的多功能化

未来的挖掘机将不仅仅作为一种挖掘工具来使用，他将在工程机械中扮演一个多样化的平台，2012年4月16-21日，国际著名的三大展会之一的

6

INTERMAT工程机械展在巴黎举行，在这里我们看到挖掘机除了挖土之外还可以执行破碎，剪切，开沟，割草等闻所未闻的工作，国内厂商在这些方面与国际厂商相比差距较大，归其原因大概有两点，一是国内配套商缺乏，国外采购价格高，用户不易接受；另一个就是主机厂宣传不够，用户还不知挖掘机原来可以这么用。值得一提的是，还有很多厂家推出了特殊工作装置，如小松PC350LC加长臂工作装置，包括配有快换接头的可以整体更换的工作装置。配有这种加长臂等特殊工作装置的挖掘机可用在拆除等施工作业中，大大超过了普通工作装置的作业范围，可实现更高层的建筑拆除作业。

3.2挖掘机的智能化

随着机电一体化技术在工程机械上的广泛应用，智能化已经成为工程机械的一种发展趋势。很多的主机制造商也非常注重挖掘机的信息化研究、故障记录及诊断系统。在这方面做得比较突出的如小松，采取了远程故障诊断与故障分析系统，提供多种模式的故障判读与解决方式，可通过远程的故障诊断系统，实时的对整机的状态进行监控，并及时与机主或者操作手联系，保养或者排除故障，而其售后的技术人员还配有手持式的终端，通过手持终端与整机的控制系统联接后，下载所有的故障数据，进行离线分析，了解整机状态，提供合理的建议及解决方案。节能成为挖掘机的突出竞争点之一。

中大型挖掘机传统方法普遍采用电喷发动机，多数都具有功率模式控制，基本原理是采用多挡的功率模式供选择，操作手可以利用自身的经验，在不同的工况下采用不同的功率模式，达到充分利用发动机功率、降低油耗的目标，有效地提高了整机的燃油经济性，自动怠速功能早已成为常见功能。因此，新能源新技术在挖掘机行业上有着广阔的市场前景，混合动力技术成为各主机厂家争相研发的核心之一。阿特拉斯曾展示过一款动臂势能回收轮ATLAS 160W，该机型工作装置为三节臂及油缸为标准配置，只采用一个蓄能器，增加了一套独立的配油系统，和一个中央控制器，将动臂下降的势能进行回收储存，通过智能控制程序在挖掘机需要动力时进行释放。

3.3挖掘机的实用型设计

事实上，对于多数用户来说，挖掘机并不需要包含太高的科技，由于挖

7

掘机多工作在环境恶劣的工况下，因此对挖掘机本身的质量和耐用度有较高的要求，也要能充分保证乘员的安全，同时要求挖掘机具备良好的舒适性和简单的操作性。另一方面，在全球能源危机的背景下，燃油费成了一笔不可忽视的费用，节能技术将是一个竞争的重点，由于各项排放法规的出台，挖掘机也必须具备更高的环保性，在诸如这些方面，国有制造商还大有潜力可挖。

四、选题研究的内容：

该论题研究的内容主要是以下几个方面：

（一）、挖掘机的整体设计

1、挖掘机的工作原理

2、挖掘机各机构的整体布置

3、挖掘机二维草图的测绘

（二）、挖掘机回转机构的设计

1、回转机构的构造和工作原理

2、回转机构的运动分析

3、回转机构装配图的绘制

（三）、挖掘机行走机构的设计

1、行走机构的构造和工作原理

2、行走机构的参数分析

3、行走机构装配图的绘制

五、选题研究的技术路线、研究方法和要解决的主要问题：

研究技术路线：首先，了解本论题的研究状况，形成文献综述和开题报告。其次，进一步搜集阅读资料并研读文本，做好相关的记录，形成论题提纲。第三，深入研究，写成初稿。最后，反复修改，完成定稿。

研究方法：运用文献分析法、文本细读法、比较法、综合分析法等进行研究。

要解决的关键问题：1、细致了解挖掘机的基本构造和工作原理

8

2、了解设计工作的基本流程和细致方法

3、明确基本的设计方向和设计要素

六、研究工作进度：

2013年3月8日——3月20日确定选题、收集相关资料

2012年3月20日——4月10日撰写开题报告与开题2012年4月10日——4月30日收集资料，开展研究，形成写作提纲2012年4月30日——5月15日深入研究，形成论文初稿

2012年5月15日——6月5日论文修改、定稿、打印、答辩

七、参考文献：

[1].张强．挖掘机器人规划控制方法与技术的研究[D].杭州：浙江大学，2002．

[2]. 张大庆，何清华，郝鹏，等．液压挖掘机铲斗轨迹跟踪控制[J]．吉林大学学报(工学版)，2005(5)．

[3].纪云锋，陈欠根，吴烨，等．挖掘机电子控制新思路[J].建筑机械，2004(1)．

[4].栾新立，张建宗．浅谈液压挖掘机的节能技术及发展趋势[J]．矿山机械，2001(8)：19—21

[5]. 蔺化军．液压挖掘机功率控制系统的研究[D]．长春：吉林工业大学，2000

[6].国香恩．液压挖掘机节能模糊控制系统的研究[D].长春：吉林大学。2004

[7]. 杨成云，朱建新．基于比例阀的液压挖掘机振动掘削控制系统设计[J]．凿岩机械气动工具，2005(1)．

[8].朱建新，赵崇友，邹湘伏．液压挖掘机振动掘削土体参数在线辨识[J]．中南大学学报(自然科学版)，2006(3)

9