毕业论文：挖掘机挖掘机构设计

液压挖掘机的反铲装置由动臂，斗杆，铲斗，以及动臂油缸，斗杆油缸，铲斗油缸和连杆机构组成。

其构造特点是各部件之间的连接全部采用铰接，通过油缸的伸缩来实现挖掘工作中的各种动作。

动臂的小铰点与回转平台铰接，并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小铰点转动而升降。

斗杆铰接于动臂的上端，斗杆与动臂的相对位置由斗杆油缸来控制，当斗杆油缸伸缩时，斗杆便可绕动臂上焦铰点转动。

铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗绕该点转动。

为增大铲斗的转角，通常以连杆机构与铲斗连接。

反铲装置工作特点反铲主要用于挖掘停机面以下的土壤。

其挖掘轨迹决定于各油缸的运动及其相互配合的情况。

当采用动臂油缸工作并进行挖掘时斗杆油缸和铲斗油缸不工作可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。

此时铲斗的挖掘轨迹是以动臂下铰点为中心，斗齿尖至该铰点的距离为半径而做的圆弧线，其极限挖掘高度和深度不是最大挖掘深度即圆弧线之起点终点，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角动臂对水平线的夹角，也即决定于动臂油缸的行程。

由于这种挖掘方式时间长并且由于稳定条件限制挖掘力的发挥，实际工作中基本不采用。

在实际挖掘工作过程中，往往需要采用各种油缸的联合工作。

如当挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑时，则采用动臂与斗杆两种油缸同时工作。

当挖掘坑底，挖掘行程将结束为加速将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变铲斗与切削角等情况下，则要求采用斗杆与铲斗油缸共同工作。

显然此时挖掘机的挖掘轨迹是由相应油缸分别工作时的轨迹组合而成。

当然，这种动作能否实现决定于液压系统的设计。

当液压挖掘机反铲装置的结构形式机构尺寸定时包括动臂，斗杆，铲斗尺寸，饺点位置，相对的允许转角或各油缸的行程等，即可用作图法求得挖掘机挖掘轨迹的包络图，即挖掘机在任意正常工作周位置时，控制到的工作范围，图上各控制尺寸即液压挖掘机的工作尺寸。

对于反铲装置的只要工作尺寸为最大挖掘深度和最大挖掘半径，包络图中可能有部分区间靠近甚至深入到挖掘机停机点以下，这范围的土壤虽然能挖掘但可能引起土壤的崩塌而影响机械的稳定性和安全性，除有条件的挖沟作业般不使用。

故有的挖掘机工作尺寸图上标明有效的工作范围，或以虚线表明此段的挖掘轨迹。

图反铲挖掘范围示意图挖掘机反铲装置的最大挖掘力决定于液压系统的工作压力，油缸尺寸，以及油缸间作用力影响斗杆，动臂油缸的闭锁压力及力臂外。

还决定与整机的稳定和地面的附着情况。

反铲挖掘机速度结构尺寸已定的条件下决定于液压系统对工作油缸的供油量，对动臂油缸和斗杆油缸为提高其单独工作的挖掘速度，在液压系统中可采用合流供油措施来保证。

液压反铲都采用转斗卸土，卸载较准确，平稳，便于装车工作。

挖掘机的工作装置设计确定动臂斗杆铲斗的结构形式确定动臂的结构形式动臂是反铲工作装置的主要部件，斗杆的结构形式往往取决与动臂的机构形式。

目前采用得多的是整体式动臂，组合式动臂用在作业工况复杂多变的场合，现般作为特殊配置。

整体式动臂的优点是结构简单，轻巧，质量轻而刚度大。

其缺点是更换的工作装置少，通用性较差。

多用于长期作业条件相似的挖掘机上。

整体式动臂又可分为直动臂和挖掘机的工作装置设计弯动臂两种。

其中的直动臂结构简单质量轻制造方便，主要用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，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的要求。

图整体直动臂图整体弯动臂经比较，选择整体弯动臂。

确定斗杆的结构形式斗杆也有整体式和组合式两种，大多挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆比时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设计个可供调节的孔。

图整体式斗杆图组合式斗杆经比较，选择整体式斗杆。

确定铲斗的结构形式和斗齿的安装结构基本要求铲斗的纵向剖面形状应适应挖掘过程各种物料在斗中运动规律，有利于物料的流动，使装土阻力最小，有利于将铲斗充满。

装设斗齿，以增大铲斗对挖掘物料的线比压，斗齿及斗形参数具有较小的单位切削阻力，便于切入及破碎土壤。

斗齿应耐磨易于更换。

为使装进铲斗的物料不易掉出，斗宽与物料直径之比应大于。

物料易于卸净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。

反铲用的铲斗形状尺寸与其作业对象有很大关系。

为了满足各种挖掘作业的需要，在同台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗，图图分别为反铲用铲斗的基本形式和常用形式。

铲斗的斗齿采用装配式，其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式，附录，半自动液压挖掘机控制系统弘和阿拉亚，正幸鹿儿岛机械工程研究实验室，神户制钢有限公司，西神户兵库县，日本接受年月日摘要种液压挖掘机的半自动控制系统已经研制成功。

使用这个系统，不熟练的操作者可以轻松而准确地控制液压挖掘机。

个以控制器控制液压挖掘机的数学模型，构建个由模拟控制算法开发。

该算法被应用于液压挖掘机，并且对它的有效性进行了评价。

控制精度高和高稳定性能得以实现是由于前馈加反馈控制，非线性补偿的实现，状态反馈和增益调度。

关键词工程机械液压铲前馈状态反馈运行介绍液压挖掘机是工程机械，可以看做是个关节机器人。

在挖掘和装载作业时候，使用这台机器需要个高层次的技能，即使是个熟练的操作者也会感到相当疲劳。

另方面，操作者年龄的增长，以及熟练的操作人员数量也因此减少。

这种局势要求液压挖掘机可以被任何个人轻松的操作。

操作液压挖掘机需要高度的技巧的原因，有以下几个方面两个以上的操纵杆在很多情况下需要同时运行和调整。

操纵杆操作的方向与铲的运动的很不同的。

例如，在用液压挖掘机平整地面时候，我们必须同时操作个操作杆来移动铲斗的顶部使其水平移动。

在这种情况下，操纵杆的运动指示了执行器的方向，但这个方向不同于工作方向。

如果经操作者只用个杠杆并且其他自由度都是自动操作，操作就会变得非常容易。

我们称这个系统为半自动控制系统。

要开发这个半自动控制系统，这两个技术问题必须解决我们必须使用普通控制阀来实现自动控制。

我们必须补偿液压铲动态特性，提高控制精度。

我们已经制定了控制算法来解决这些技术问题，并确认了这实验与实际液压挖掘机控制算法的影响。

使用此控制算法，我们已经完成了对液压挖掘机进行半自动控制的系统。

然后，我们报告这些项目。

液压铲模型学习控制算法，我们要分析的液压挖掘机数值模型。

液压挖掘机的动臂，斗杆和铲斗都是液压驱动。

该模型的细节描述如下。

动态模型假如每个附件是个坚实的身体从运动拉格朗日方程，得到以下表达式液压模型每个节点驱动液压缸的流量是由滑阀控制。

我们可以设想如下个开放的面积比例阀的阀芯位移。

没有漏油。

当液压油通过管道时候不发生压力下降。

附录在头和杆双方的气缸的有效截面积相同。

角控制系统角是基本控制遵循的的地址反馈参考角度。

为了获得更精确的控制，状态反馈和非线性补偿被添加到位置反馈。

我们将讨论这些算法的细节如下非线性补偿在普通的自动化控制系统，新的控制设备例如伺服阀被采用。

在我们的半自动化系统，为了实现手动和自动操作并存，我们必须使用主控制阀是在手动操作中使用。

在这些阀中，阀芯位移和开放区域面积的关系是非线性的。

然而，在自动操作中，利用这种关系，阀芯位移是与所需的空地成反比计算出来的，并且是非线性补偿。

状态反馈根据在第节讨论的模型，如果角控制臂的动态特性，在个标准的条件下附近线性化，闭环传递函数可表示为加上这因素，对的系数变大，因此，系统趋于稳定。

这样，加速度反馈是有效改善响应特性。

不过，人们普遍难以准确检测加速度。

为了克服这困难，气缸采用力反馈，而不是加速度反馈。

在这种情况下，汽缸力的计算方法是检测气缸压力，并在其低频率部分的过滤。

这就是所谓的压力反馈。

伺服控制系统当个关节是手动操作，另外的个关节是通过跟随手工操作来实现控制自动的时候，个伺服控制系统就是必需的。

例如，如图所示，在水平控制中，通过控制动臂以保持高度由和计算出来。

为了获得更精确的控制，下面的控制行动进行了介绍。

图框图控制系统根据姿势自适应增益调度对于铰接式机如液压挖掘机，动态特性要很容易的跟随操作者的意识而改变。

因此，在恒定增益的情况下它很难稳定地控制机器的所有姿势。

为了解决这个问题，根据自适应增益调度的态度是成倍增加反馈回路图。

自适应增益或被作为两个变量，是指动臂的高度结果和现场分析测试我们用该系统进行试验。

我们证实，该系统工作正常，在第和部分所描述的控制算法的影响确定如下。

个别附件自动化控制测试对于每个附件如动臂，斗杆，以及铲斗，参考角度逐步由初始值变了正负，并测定了反应，因此，在第三章所描述的控制算法的影响得以确定。

结论本文表明，状态反馈和前馈控制相结合使我们能够精确地控制液压挖掘机，并表明，非线性补偿使得它可以使用普通的自动调节阀控制。

这些控制技术的使用使不熟练操作者轻松的操作液压挖掘机。

我们将运用这些技术来控制的其他工程机械如履带式起重机，提高传统工程机械使其可以由任何人很容易地操作。

致谢绪论液压挖掘机的工作特点和基本类型液压挖掘机的特点液压挖掘机由于采用了液压传动装置而使其在结构技术性能和使用效果等方面与机械传动的单斗挖掘机相比具有很多特点，其优点综合叙述如下技术性能提高，工作装置品种扩大单斗液压挖掘机与同级机重的机械挖掘机相比挖掘力约提高倍，液压挖掘机最大挖掘力可达机重的，而机械挖掘机只达机重的因此在整机参数不变下，可加大铲斗容量。

提高生产率抓斗可以强制切土和闭斗，使切土力和闭斗力都提高。

液压挖掘机的行走力和牵引力远远大于机械挖掘机，爬披能力都大为提高，还可换装加宽履带，使机械接地比压大大降低甚至。

简化结构减少易损件。

采用液压传动后省去了机械挖掘机复杂的中间传动零部件，简化结构并减少易损件。

由于传动装置紧凑，重量减少导致转台底架等结构件的尺寸和重量都相应降低，故同级液压挖掘机可比机械挖掘机总重量减轻。

传动性能改善，工作平稳安全可靠。

采用液压传动后能无级调速且调速范围大最高与最低速度之比可达，能得到较低的稳定转速，液压元件的运动惯性较小并可作高速反转，因此在挖掘饥工作中换向频繁的情况下动作平稳冲击很小，而且液压油还能吸收部分冲击能量减少机械的冲击振动。

机构布置合理紧凑由于液