挖掘机辅助装置设计与模型制作
挖掘机工作装置数学建模及控制研究
2） 容腔总容积
Vt 液压缸有效面积 （活塞行程+阀至缸间管路折算距离） =A ( H 0.015) =4.40 10-3 （0.585+0.015） =2.64 10-3m3 3） 液压缸固有频率
4 7 108 4.40 103 4 e A2 h 202.65 Vt m 2.64 103 500
2
动
臂液压缸的传递函数
斗杆液压缸的缸径 D 80mm 、活塞杆直径 d 450mm 、形成 H 660mm ，活塞杆及 负载的质量 m 500kg 。 1）活塞平均面积
2 2 A (D d ) 2 2 (0.08 0.045 )
4
4
3.44 103 m2
第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍
1.1 单斗液压挖掘机的机械模型简介
本次课程设计的液压挖掘机是针对学校的实验室用的样机模型，其容量为 0.01 立方 米，动臂和斗杆为四连杆机构，动臂、斗杆和铲斗均由液压缸驱动，它们之间以销轴连 接。在动臂和斗杆的销轴上分别安装了角度传感器，用以检测相对位角。模型不具备回 转机构，无回转功能。其结构简图如图 1-1 所示，其参数如表 1-1 所示。
根据上述方程，可得出斗尖的在每一点时的动臂、斗杆的角度序列。利用 matlab 解上述 方程组，得到 10 组数值解如表 2-2 所示。 表 2-2 运动学逆问题求解 y z
2
3
-131.18 -130.40 -129.46 -128.37 -127.14 -125.79 -124.32 -122.73 -121.04 -119.25
为获取斗尖包络区域，为下面轨迹位置选择提供参考，取动臂转角范围为 50 ~ 67 步长为 1 ；斗杆转角范围为 140 ~ 23 ，步长为 1 ，利用 Matlab 做出斗尖所能达到的位 置，如图 2-2。
挖掘机工作装置的简单设计方法
- - 图 $ 中的 ’(、 *+、 +- 、 .- 以及 %(、 %.、 %0 等均为假想的辅助线，但在进行运算时视为真 实杆进行运算。 %(、 %+、 %.、 %0 等几条辅助线 是进行表 $ 中前 3 个三角形运算以后，用来计算 0 点在 1%2 坐标系中的坐标参数所设置的。由最后
万方数据 — !& —
图 %& 挖斗尖点工作位置图
4 ! ( + 0 . "2
!" 速度分析与挖掘力计算
矢量三角形法可以方便地计算出所有三角形中 每个杆的速度（ 沿杆长方向长度变化率） 、角速度 以及加速度和角加速度。由功率平衡原理有 ! " "" ’ ! # "# 则 & ! # ’ ! " "" # "# 式中& !" — — —工作液压缸压力 & & & !# — — —挖斗尖的挖掘力 & & & "" — — —工作液压缸活塞杆的运行速度 & & & "# — — —挖斗尖的线速度 若设 "" ’ " ，则在数值上 ! # ’ ! " # "# 可见，只要计算出挖斗尖的速度，即可方便地 计算出挖掘力的大小。挖掘力通常是由挖斗液压缸 工作时所产生的。在进行速度分析时，设液压缸 )" 和 )# 的工作速度为零，液压缸 )% 的工作速度 为 " ，通过 速 度 分 析 可 得 出 杆 $% 的 角 速 度 ! $% ， 用 $% 表示其杆长，则挖斗尖点 $ 的线速度 " $ 为： " $ ’ ! $% * $% （+） 若计算液压缸 )# 单独工作时挖斗尖点产生的 挖掘力，由于液压缸 )% 视为静止不动，所以此时 , 点至 $ 点之间的杆相对位置都是不变的，$ 点是 绕 , 点转动的，在计算出 &’ 杆的角速度 ! &’ 和 &’ 杆的长度之后，就可参照式（ + ） 计算出 $ 点的速 度，进而计算出挖掘力。同理也可计算液压缸 )" 万方数据 & #224 （ "" ） 《 起重运输机械》 （(）
前装挖掘机智能辅助控制系统的设计与实现
前装挖掘机智能辅助控制系统的设计与实现前装挖掘机是工程施工中常用的机械设备，其工作效率和作业质量直接影响到工程进度和质量。
然而，传统的前装挖掘机操作方式为手动控制，工作效率低下、易受操作人员水平影响等问题普遍存在。
为了提高前装挖掘机的工作效率和自动化水平，智能化技术得到了广泛的应用和推广。
本文将重点介绍前装挖掘机智能辅助控制系统的设计与实现。
一、概述前装挖掘机智能辅助控制系统是采用计算机控制技术和自动化技术将前装挖掘机实现智能化操作和协同控制的系统。
主要包括图像采集模块、传感器模块、运动控制模块、通信模块和人机交互模块等几大模块。
其中，图像采集模块负责通过摄像头或雷达等设备实时获取挖掘机周围的环境信息。
传感器模块负责获取挖掘机的姿态、速度、加速度等信息。
运动控制模块通过控制挖掘机的动力系统和液压系统来驱动挖掘机做出相应的动作，以达到完成给定任务的目的。
通信模块负责将各个模块获取的数据通过网络传输到中心控制器并进行实时处理分析。
人机交互模块则是挖掘机操作员向智能辅助控制系统发出指令，对系统进行控制和监控。
通过这些模块的协同工作，智能辅助控制系统可以实时对挖掘机的动态状态进行监控，从而准确地掌握挖掘机的运行情况，为挖掘机的操作和控制提供有效的参考和支持。
二、系统设计前装挖掘机智能辅助控制系统的设计包括两个方面，一是算法设计，二是系统硬件设计。
算法设计算法是智能辅助控制系统的核心之一，它在系统中占据着至关重要的地位。
本系统中，采用了支持向量机(SVM)、神经网络、遗传算法等多种算法进行数据处理和分类等操作。
具体来讲，运用支持向量机对采集到的图像信号进行分类分析，对前装挖掘机前面和旁边的障碍物进行识别和判断，从而指导挖掘机的操作方向。
同时，采用神经网络对挖掘机的动态参数进行分析和预测，以实现挖掘机行动轨迹的优化和运动控制。
此外，还运用遗传算法对系统进行优化和改进，提高系统的适应性和智能化水平。
系统硬件设计系统硬件设计包括了人机交互模块、图像采集模块和运动控制模块三部分。
挖掘机工作装置的优化设计与分析
挖掘机工作装置的优化设计与分析随着工程机械的迅猛发展和技术的不断创新，挖掘机作为一种重要的建筑工程设备，在各个行业中应用广泛。
挖掘机的工作装置是其核心组成部分之一，对于挖掘机的性能和效率起着至关重要的作用。
本文将从挖掘机工作装置的结构、功能以及优化设计三个方面进行探讨，并分析其对挖掘机整体性能的影响。
挖掘机工作装置的结构主要包括臂架、斗杆、斗杆缸和斗杆油缸。
臂架是挖掘机工作装置的主支架，负责支撑挖掘机的重要零件。
而斗杆则是挖掘机工作装置中的伸缩部分，负责根据需要调整工作范围和深度。
斗杆缸和斗杆油缸是控制斗杆伸缩和旋转的核心液压元件。
这些部件相互配合，构成了挖掘机工作装置的完整结构。
挖掘机工作装置的功能主要有两个方面：一是挖掘和填埋，二是装载和运输。
在挖掘过程中，挖掘机工作装置通过支撑零件和伸缩部分的组合运动，可以根据需要进行不同范围和深度的挖掘。
在填埋过程中，挖掘机工作装置可以将挖掘出来的土石料重新倒入地下或者其他指定位置。
而在装载和运输过程中，挖掘机工作装置可以将挖掘出来的物料装入到运输车辆中，然后进行运输。
挖掘机工作装置的优化设计是提高挖掘机性能和效率的重要手段。
一方面，优化设计可以通过改变工作装置结构和组件的材料、形状和尺寸等因素，提高工作装置的强度和稳定性，减少振动和噪音。
另一方面，通过优化设计可以改进工作装置的液压系统，提高其对液压油的利用率，减少能量损失，降低工作装置的能耗。
此外，优化设计还可以提高工作装置的操作性和控制性，使操作员更加方便和灵活地控制挖掘机。
此外，挖掘机工作装置的优化设计还需要综合考虑挖掘机的使用环境和工作要求。
例如，在油气管道和电力管线等狭小空间内作业时，挖掘机工作装置需要更加灵活和精确，以便在有限空间内完成复杂的挖掘任务。
而在大型土地开垦和矿山开采等开放空间作业时，挖掘机工作装置则需要更加稳定和耐久，以应对高强度和长时间的工作。
综上所述，挖掘机工作装置是挖掘机的核心组成部分，对挖掘机的性能和效率起着至关重要的作用。
小型挖掘机工作装置三维建模及有限元分析
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｗ ｉ ｅ ａ ｄ ｔ ｈ ｒ ｉ ｇ ｄ ｖ ｃ ｆａ ｓ ｅ ｉ ｃ ｏ ｓ ｉ ｍａ ｌ ｉｅ ｈ ｄ ａ ｌ ｘ ａ ａ ｏ ， Ｄ ｔ ｒ ｇ ｒ ｏ ｔ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｅ ｉｅ ｏ ｐ ｃｆ ｄ ｍｅ ｔｃ ｓ ｌ ｓ ｚ ｙ ｒ ｕ ｉ ｅ ｃ ｖ ｔ ｒ ａ ３ ｈ ｉ — ｃ
中图 分 类 号 ：Ｔ １ Ｈ ７ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： ６ ２—５ ８ （０ １ ０ —０ ６ —０ １７ ５ １２ １ ） １ ０ ３ ５
Ｔｈｒ ｅ ｄｉ ｅ ｉ ｎａ ｏ ｌｎｇ ａｎｄ ｆ ｎｉｅ ｅ ｅ ｅ ｎａｌ ｉ ｎ ｅ － ｍ ｎｓ ｏ ｌｍ ｄｅ ｉ ｉ ｔ ｌ ｍ ｎｔ ａ ｙｓ ｓ ｏ ｗ ｏ ｋｉ ｖ ｃ ｓ ｆ ｒ ｓ ａ ｌｓ ｚ ｒ ｎｇ ｄｅ ｉ ｅ ｏ ｍ ｌ－ ｉ ｅ ｈｙｄ ａ ｉ ｘｃ ｖａ ｏ ｓ ｒ ｕｌｃ ｅ ａ ｔ ｒ
ｔ ｅ ａ ａ ｙ ｉ ｒ ｓ ｌ ｒ ｖ ｄ ｔ ｅ ｈ ｏ ｅ ｉａ ｂ ｓｓ ａ ｄ ｅ ｃ ｍａ ｋ ｎ ａ ａ ｏ ｔ ｅ ｈ ｓｃ ｌ ｘ ａ ａ ｏ ｈ ｎ ｌ ｓｓ ｅ ｕ ｔ ｐ ｏ ｉｅ ｈ ｔ ｅ ｒ ｔ ｌ ａ ｉ ｎ ｂ ｎ ｈ ｒ ｉ ｇ ｄ ｔ ｆ ｒ ｈ ｐ ｙ ｉ ａ ｓ ｃ ｅ ｃ ｖ ｔ ｒ
的建 模在 设计 图纸 的基 础 上 ， 主要 由动臂 、 杆 、 斗 、 斗 铲 油缸 等组 成 ．
Ｗ ＮＧ Ｊａ － ｎ，Ｆ Ｎ Ｇ ａ ｇｊｎ， Ｈ Ａ ｉ ｎｊ ｕ Ｅ Ｇ ｕ ｎ － ｉ Ｚ ＡＮＢ ．ｏ ｇ，Ｙ Ｊｎ －ｕ ｉ ｎ ｈ Ｉ ｉ ｇｙ
（ ｌ ｇ ｆＭ ｅ ｈ ｎｉａ ｇｎ ｅ ｉｇ ａ ｔｍａ ｉｎ，Ｈｕ ｑａ ｖｅ ｓｔ ，Ｘｉｍｅ ６１ ２１，Ｃｈｎ ） Ｃｏｌ ｅｏ ｃ ａ ｃ ｌ ｅ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｎｄＡｕ ｏ ｔｏ ａ ｉｏ Ｕｎｉ ｒ ｉｙ ａ ｎ３ ０ ｉａ
766挖掘装载机挖掘端工作装置的设计_本科生毕业设计
本科生毕业设计中文题目766挖掘装载机挖掘端工作装置设计英文题目 The design of 766 loader-digger’s Dig-device学生姓名班级机械一班学号41090103学院机械科学与工程学院专业机械工程及自动化指导教师刘昕晖职称教授目录摘要 (I)Abstract ........................................................... I I 第1章挖掘装载机概述.. (1)1.1 挖掘装载机简述 (1)1.1.1 挖掘装载机定义 (1)1.1.2 挖掘装载机构成 (1)1.2 挖掘装载机现状及未来发展 (2)1.2.1 挖掘装载机现状 (2)1.2.2 挖掘装载机未来发展趋势 (2)第2章挖掘装载机挖掘端工作装置结构设计 (3)2.1 挖掘工作装置结构形式确定 (3)2.1.1 挖掘工作装置构成 (3)2.1.2 确定766挖掘装载机工作装置结构形式 (7)2.2 766挖掘装载机挖掘端工作装置铰接点几何设计 (8)2.2.1 766挖掘装载机挖掘端工作参数的确定 (8)2.2.2 766挖掘装载机挖掘端铰接点位置及各部件尺寸的确定 (10)2.3 766挖掘装载机挖掘包络图的绘制 (20)第3章挖掘装载机挖掘端工作装置受力分析 (23)3.1 工作液压缸理论挖掘力 (23)3.1.1 动臂液压缸理论挖掘力 (23)3.1.2 斗杆液压缸理论挖掘力 (23)3.1.3 铲斗液压缸理论挖掘力 (23)3.2 工作装置铰点受力分析 (25)第4章 766挖掘装载机挖掘端工作装置静强度分析 (27)4.1 静强度分析的方法及其判定依据 (27)4.1.1 静强度分析方法概述 (27)4.1.2 静强度分析判定依据 (27)4.2 动臂静强度分析 (28)4.3 斗杆静强度分析 (30)4.4 铲斗静强度分析 (31)4.5 工作装置静强度结果分析 (32)结论 (33)致谢 (34)参考文献 (35)附录一 766挖掘装载机挖掘端工作装置CATIA模型图 (37)附录二 766挖掘装载机挖掘端工作装置CAD图纸 (39)附录三毕业设计任务书 (40)摘要挖掘装载机俗称“两头忙”，是目前应用比较广泛的工程机械。
小型挖掘机工作装置设计
03 关键部件设计
斗杆
斗杆的设计需要考虑其强度、 刚度和耐磨性
斗杆是挖掘机的重要组成部 分，用于挖掘和装载物料
斗杆的材质通常为高强度钢 或合金钢
斗杆的形状和尺寸需要根据 挖掘机的工作条件和作业要
求进行优化设计
动臂
设计要点：强度、刚度、稳 定性、耐磨性
结构：由液压缸、连杆、轴 承等部件组成
作用：支撑挖掘机工作装置， 进行挖掘、装载等操作
价格策略：通过 制定合理的价格 策略，提高产品 的市场竞争力
竞争优势分析
成本优势：小型挖掘机设计成本相对较低，有利于降低产品价格，提高市场竞争力
技术优势：小型挖掘机设计技术先进，性能稳定，提高了工作效率和可靠性 市场需求：小型挖掘机市场需求量大，设计满足市场需求，提高市场竞争力 售后服务：提供完善的售后服务，提高客户满意度，增强市场竞争力
优化方法：根据测试结果，对 挖掘机的设计进行优化，提高 性能和可靠性。
测试结果分析
测试项目：挖掘 力、挖掘深度、 挖掘宽度等
测试方法：模拟 实际工况，进行 现场测试
测试结果：各项 性能指标均达到 设计要求
优化建议：针对测 试中发现的问题， 提出优化方案，提 高工作效率和可靠 性。
优化方案
提高工作效率： 通过优化设计提 高挖掘机的工作 效率，如改进液 压系统、优化传 动系统等。
降低能耗：通过 优化设计降低挖 掘机的能耗，如 改进发动机、优 化液压系统等。
提高安全性：通 过优化设计提高 挖掘机的安全性， 如改进安全防护 装置、优化控制 系统等。
提高舒适性：通 过优化设计提高 挖掘机的舒适性， 如改进驾驶室、 优化座椅等。
优化效果评估
工作效率：提高挖掘机的工作效率， 减少工作时间
液压挖掘机工作装置的建模与仿真分析
。
纵观我国液压挖掘机 30 余年的发展历史，大致可以分成以下几个阶段： (1)开发阶段(1967 年—1977 年)。以测绘仿制为主的开发，通过多年坚持不懈的努力，克服一个一 个的困难， 有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功， 为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重 要的一步。 (2)液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(1978~1986 年)。这个阶段通过各主机生产厂 引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)的消化、吸收和移植，使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提 高到国际 70 年代末 80 年代初期的水平。全国液压挖掘机平均年产量达到 1230 台。 (3)液压挖掘机生产企业数量增加，新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合，合作生产 方式联合引进日本挖掘机制造技术(1987 年～1993 年)。由于国内对挖掘机需求量的不断提高，新加入 挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术， 其产品批量或小批量的投放国内市场或出口， 打破 了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面， 引进了有益于提高产品质量、 性能 和产量的良性竞争。这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到 2000 余台。 (4)国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大，广大用户为了提高施工质量和按期完成施工任务，对使用 高质量、高水平、高效率挖掘机的兴趣日趋浓厚。国外各著名挖掘机制造厂商纷纷前来中国创办合资、 独资挖掘机生产企业。从 1994 年开始，特别到 1995 年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮. 其中美国卡特彼勒公司率先在徐州金山桥开发区建立了生产液压挖掘机的合资企业， 随后日本小松制作 所、日立建机株式会社、神户制钢所、韩国大宇重工业、现代重工业以及德国利勃海尔公司等都相继在 中国建立了合资、独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机[7]。
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作品效果图
• 挖掘机辅助机构采用四杆机 构，辅助臂装置与铲斗构成 夹钳，辅助臂铰接在挖掘机 的长臂上。其辅助臂呈弧线 型是由支撑轴通过若干个支 撑板链接构成，本装置能在 挖掘机铲料时候挡住物料控 制其在各个工作面作业和达 到预定效果。
设计说明
• 因本辅助装置主要针对挖掘机铲斗 机构进行改进。为了便于分析，对 该挖掘机铲斗四杆机构各铰接点进 行编号，四个铰点分别为E、F、M、 N，四个点所对应铰接点如左图所 示。
作品说明
由于整个机构是由铲斗液压缸 驱动，液压缸推杆的伸出和收回， 将带动机构正向和反向摆动，配 合铲斗的运动即可实现抓合和松 开的动作。如图11所示，当铲 斗油缸推杆伸出，铲斗内合，辅 助臂向下转动，配合铲斗抓紧物 料。当铲斗油缸推杆收回，铲斗 外张，辅助装置向上张开，不影 响挖掘机的挖掘作业。
辅助装置模型图
辅助臂采用铰接结构，辅 助臂与连接杆、斗杆和铲斗 摇杆共同组成一个摇杆机构。 为了便于分析现将各铰支点 分别以A、B、C、D命名。 机架为AD，连架杆为AB 和CD，连杆为BC，其对应 位置关系如（左下）图所示。
。
挖掘机铲斗机构及其辅助装置 运动分析
根据计算结果完成该机构的三维零件图形和装 配图，杆AB和CD为摇杆，同时是主要的 工作装置，起夹装作用。四杆机构中的连 杆根据上面计算得出。为保证抓卡效果， 辅助臂采用两侧布置（即设置两个爪齿）， 考虑到在施工当中可能会出现抓运的物资 形状不规则，从而导致两个辅助臂受力不 均的情况出现。这将会影响辅助装置的运 动稳定性，也可能会造成装置的损坏。所 以在辅助臂的中间铰支点处以销轴将两侧 的辅助臂连接在一起，以确保两侧的运动 时刻保持一致。
• 其中由于铲斗动作时是以斗柄为参 照的运动，所以在该四杆机构 中,MN应为机架，则FM、EN为连 杆架，EF为连杆。
辅助装置铰接点位置
辅助机构的运动范围定为，机构闭合时铲斗开口处应可 以与水平面平行，此时，斗柄应可以与水平面相垂直。这样 通过爪形辅助机构的辅助动作可以起到对物料的稳定作用， 而又不影响挖掘机移动物料的动作，保持铲斗不动，可通过 回转机构、行走装置和动臂的配合动作就可以实现物料的转 移。 所以该位置可以作为辅助机构的一个初始位置。并根据 此位置初步设计辅助机构的爪形臂形状和尺寸。
技术参数
• 强度分析
杆长参数满足后， 需对其各构件的强度 进行校核。这里是按 挖掘机实际尺寸进行 缩放制作模型，故本 项目按照实际工作情 况对挖掘机实物进行 计算。
• 倾翻分析
辅助装置的加装可以 带来载运物料增加的好处， 但由于装置的自重，以及 物料重量的增加，同样增 加了挖掘机工作过程中倾 翻的危险，所以这里通过 计算分析挖掘机不倾翻对 应的最大载运量。
挖掘机辅助装置 设计与模型制作
设计的意义和价值
• 挖掘机在工程施工中，存在夹持能力十分有 限，抓起的物料容易脱落，工作效率低；本 项目改进针对挖掘机作业时对物料的束缚力 有限，设计了工作辅助装置。
图中大块石料会造成挖掘 机难以铲装
设计的原理与预测功能
• 挖掘机辅助机构采用四杆机构 • 实现土石料、厢枕、铅丝笼等作业的高强 度、高性能化，极大拓展了挖掘机的应用 空间和业务领域。