文 献 综 述 一、 选题的背景 挖掘机是一种重要的工程机械，它广泛地应用于房屋的建设、筑路工程、水利建设、农林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业在中、对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着重要的作用。我国土地面积大，目前正处于蓬勃发展过程中，因此对挖掘机的需求量比较大。而我国的挖掘机生产起步也比较晚，与发达国家的发展水平还有很大的差距。国际上挖掘机的生产正在向着微型化、专用话、多功能化等方向发展。而我国目前的水平实在没法和国外相比，因此我们应该在挖 掘机身上多下功夫，研究并发展下去。我国要想成为世界挖掘行业的强国，还是有一段漫长的路在前方。我坚信，不久之后，我国挖掘行业一定可以在世界挖掘行业中占据一席之地。 二、挖掘机的发展与现状 1、世界挖掘机的发展 挖掘机从已经有178年的历史，从人力到蒸汽又到了液压驱动。作为工程机械行业里的大哥，挖掘机的发明和发展对节省人力提高工作效率发挥了巨大作用。 最早的挖掘机是以人力或畜力为动力，用于挖深河底的浚泥船，铲斗容量一般不超过0.2～O.3立方米。 1833～1836年，美国人奥蒂斯设计和制造了第一台蒸汽机驱动的单斗挖掘机，生产率为35立方米／时，但是因为经济性比较差所以没有应用。19世纪70年代经过改进的蒸汽铲正式生产并应用于露天矿剥离。1880年又出现了第一批以拖拉机为底盘的半回转式蒸汽铲。 20世纪初至40年代末，挖掘机得动力和行走装置越来越多样化。1910年，出现了第一台电机驱动的单斗挖掘机；1912年出现了汽油机和煤油机驱动的全回转式单斗挖掘机；1916年出产了柴油发电机驱动的单斗挖掘机；1924年柴油机直接驱动开始用于单斗挖掘机上；履带式行走装置于1910年开始采用。轮胎式行走装置随着汽车工业的发展，广泛用于小型挖掘机。30年代又出现了步行行走装置。 50年代中期，德国和法国相继研制出全回转式液压挖掘机，从此挖掘机的发展进入了一个新阶段。 多斗挖掘机的历史也有100多年了。法国在1860年生产出了世界上最早的、结构比较成熟的多斗挖掘机，用于苏伊士运河开挖工程。1889年，美国生产的多斗挖沟机可挖宽0.29米、深1.4米的沟渠。 19世纪末，斗轮挖掘机在德国褐煤采掘中得到广泛应用，到了1958年，每个铲斗的容量已经达到了3600升。1977年，联邦德国制造出了当时世界上最大的斗轮挖掘机，它的生产率为24万立方米/日。 由于技术的进步，液压技术开始运用到制造领域。20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式机械，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压机械。 初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于机械各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国机械制造厂和品种增加很快，产量猛增。 2、中国挖掘机的发展 1954年，抚顺挖掘机厂生产出属于中国人的第一台机械式单斗挖掘机，看来起步并不算晚。经过对前苏联产品的测绘仿制，到上世纪60年代，我国已先后建立起十多家挖掘机生产厂。 1967年，中国就开始了对液压挖掘机的自主研究。当时的上海建筑机械厂、贵阳矿山机器厂、合肥矿山机器厂以及随后出现的长江挖掘机厂和杭州重型机械厂都成功试制出了中国的首批液压挖掘机。 到20世纪80年代的时候，我国的挖掘机行业也进行了一轮技术的引进。但是不同于一机部对于装载机技术”一揽子”的统筹协同引进方式，隶属于建设口的挖掘机最终未能开花结果。随着国外知名企业纷纷进驻中国市场兼并收购、投资办厂，本土企业却因国企包袱重，转制困难重重，渐渐全线溃退。 上世纪90年代末，中国的挖掘机市场已经沦为世界工程机械豪强们肆意瓜分的蛋糕，外资企业市场份额长期保持在95%左右，留下一段中国工程机械历史无法抹去的梦魇。 直至2005年前后，以柳工、厦工、三一等为代表的本土工程机械企业向外资挖掘机厂商发起了一场”自卫反击战”，中国的挖掘机行业历史方才逐渐翻开新的篇章。 如今看来，挖掘机无疑是中国工程机械未来最具增长空间的产品之一，其市场容量巨大。而我国挖掘机从2009年四季度开始强势爆发，至2010年底，以16.5万台的销量已经成为全球最大的挖掘机市场，而且有人预计，在接下来的5~10年中，我国的挖掘机市场总量将会迎来约每年50万台的历史顶点。与此同时,中国本土挖掘机制造商已经在替代进口的道路上大步前进，并以一种不可阻挡之势迅速将市场份额提升至2011年上半年的37.7%。 三、CAD系统的发展与现状 1、CAD系统的发展 CAD技术起步于50年代后期，CAD是指以计算机为辅助手段来完成整个产品的设计过程。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统的手工绘图，此时的CAD技术的出发点是传统的三视图方法来表达零件，以图纸来进行交流，这就是CAD技术。70年代后，CAD技术一直在平稳地发展着，在今天的CAD用户，二维绘图仍占相 20世纪70年代以后，随着CNC技术的不断发展，数控系统存数容量和计算速度的提高，尤其是计算机成本的大幅度下降，DNC发展为分布式数字控制，其最大的优点在于DNF中的各数控机床具有自治的能力，主控计算机一旦出现故障，系统中的各数控机床扔可继续工作，而且投资小、见效快。20世纪80年代初CAD开始全面打入市场。微型计算机和超级微型机的使用系统成本大大降低，应用CAD系统投资效益更加显著，市场需求猛增，企业之间的竞争也越来越厉害。这个事情的图形软件更加完善，以前在中型或小型计算机上才能运行的软件，也可以在微型机上运行。这样一来就基本上能够满足工厂的要求，进一步普及CAD系统技术的应用。 20世纪90年代信息技术取得了巨大的进展，信息高速公路和互联网的发现，使世界在20世纪的最后十年里发生了巨大的变化。计算机硬件、软件、通信技术的进步把制造业带到了新的发展阶段。从而CAD技术也得到了更多的应用。 CAD技术20世纪50年代起源于美国，经过了近50年的发展，这技术和水平已经达到了一个相当成熟的阶段了。日本、发过、德国等也在机械制造、航空航天、汽车工业等行业中广泛应用了CAD技术。目前CAD技术在发达国家已经成为了重要的支柱。 2、我国CAD系统的现状 2.1 目前我国CAD系统仅仅作为绘图工具，缺乏设计方法和设计理论的指导 我国CAD软件开发虽然已形成了几个系统，但基本上都是二维绘图软件，开发者在技术上没有什么创新，缺乏设计方法和设计理论上的研究，因此所开发出的软件稳定性和可靠性差，自然在市场上就无竞争力。另外，图形CAD系统只能将设计过程的最后阶段#8212;#8212;绘图阶段搬到计算机上，而设计过程仍然在设计师头脑中完成，这样设计效率并没有太大的提高。 在应用方面，很多企业也只是把CAD作为一个绘图工具，企业应用中也缺乏对产品设计理论和设计方法的研究，因此企业产品和创新产品少，在市场上缺乏竞争力。 2.2 我国三维CAD系统还不成熟，必须加快开发 　　真正解决产品设计问题的是三维CAD系统，而目前我国自主开发的三维CAD系统还未真正形成商品软件。在今年8月份国家863/CIMS项目”基于线框、曲面、实体和特征表示的产品造型和设计系统”的招标中，有五家参加了投标，都开发了原型系统，但其功能、成熟性都不理想。而这类CAD系统国外软件早已占领中国市场，除了三维工作站CAD系统外，近几年来PC机和Windows/95/98/NT环境下的三维CAD系统也进入了中国市场。如Solidworks、Autodesk公司的MDT、Cimatron等。一些原来工作站系统的三维CAD软件系统也推出了PC机Windows平台的版本。 2.3 我国CAD技术开发创新少、仿制多 　　没有创新就没有竞争力，只仿制就不能开发出有竞争力的产品。从我国二维CAD到目前研制的三维CAD都存在这一问题。回顾一下历史，早在”七五”攻关时用户就提出了”参数设计问题”、”数据管理问题”及数控编程中的有关要求即现在的”特征造型问题”这些技术，我国CAD研究开发者也都知道，但都没有引起注意。而国外的CAD后起之秀PTC公司抓住了用户需求的时机，快速推出了参数化特征造型CAD系统#8212;#8212;Pro/Engineer，一举占领了国际市场，至今仍在国际年销售额方面名列第一。 3、CAD系统在挖掘机上的应用 在引入了大量的CAD技术之前，挖掘机的设计主要都是凭借着过去已经开发的产品还有以前的设计师的经验，都是人工完成的，开发周期长、效率也很低，而且在结构上也会有许多不合理的设计，但是这些都只有在样机生产和装配的时候才能够发现，因而CAD技术的引入是挖掘机设计发展的必然趋势。相对而言，国外的CAD技术在挖掘机上的研究比较早，且很多成果也有在实际生产中用到。其中人机工程、性能仿真、挖掘机智能化为研究主流。新西兰人对挖掘机驾驶室的舒适性进行了研究，并且对驾驶室的CAD做了大量的研究。德国人对挖掘机的控制系统进行了建模、仿真和分析设计。英国的一个计算机工程学院对只能挖掘机机器人做了很多的研究，并且借助CAD技术开发了计算机控制智能挖掘机。国内的挖掘机CAD研究大多都集中在对液压挖掘机的研究上，解放军理工大学的杨小强、刘宝印等人在对液压挖掘机工作装置建模的基础上，开发了挖掘机工作装置CAD系统，可以进行挖掘轨迹图的绘制。朱志辉等人使用UG建立了液压挖掘机工作装置的三维模型，还在ADAMS中建立了虚拟样机模型并且进行了动力学仿真分析，求出了挖掘机工作过程中工作装置关键点处的变化规律，为有限元分析提供了依据。金海藏，李东伟用矩阵变换进行了图形建模，开发了一套液压挖掘机反铲工作装置的计算机辅助设计与仿真软件，可以对工作装置进行一定的优化设计。浙江大学机械设计研究所在液压挖掘机CAD方面研究的比较早，大量人力与物力的投入，最终也取得了较大的研究成果，开发了一系列的液压挖掘机设计软件。在机械式挖掘机设计方面，我国还在一直用着基于经验和模仿的设计方法。比如在设计挖掘机工作装置的时候，一般是先利用经验公式作出的一系列可行方案，然后对这些方案进行比较，最后再从这些当中选出一个比较好的进行生产。可见这样的方法其工作量巨大，而且设计周期很长，而且也容易出现差错，而且还需要满足结构与性能上的一些特定要求，这就更加增加了设计的难度了。 近年来随着计算机软件以及硬件的发展，计算机辅助设计在挖掘机设计领域扮演者一个重要的角色，国内挖掘机设计人员在对挖掘机零部件的有限元分析和机构优化仿真等一些方面已经取得了骄人的成绩。在用于机械式挖掘机的CAD方面，目前的研究还比较少，而且大多都是一些功能比较单一的孤立模板。在三维CAD软件的应用方面，国内挖掘机企业大都只是局限在软件本身提供的几何处理和工程分析功能上。太原重型机械集团有限公司设计研究所利用UG实现了6-8msup3;挖掘机三维建模和仿真。柳工机械股份有限公司在PRO/.E环境中建立了反铲挖掘机工作装置的三维模型，并且进行了工作装置的运动仿真。徐工工程机械研究所在SGI工作站上利用I=DEAS软件完成了WY20型整机、WY20A工作装置的三维实体造型。 四、单斗液压挖掘机工作装置 我毕业设计的题目是”挖掘机CAD系统#8212;动臂计算模块”的设计制作，因此我查阅了大量有关单斗液压挖掘机工作装置和单斗液压挖掘机动臂的资料。 4.1单斗液压挖掘机工作装置 工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一。由于用途的不同，人们设计制作了很多种类的工作装置。其中最主要的有正铲装置和反铲装置等。而同一种装置也可以有许多种的结构形式，有的多达数十种，用来对付不同的作业条件。 工作装置主要包括动臂、斗杆、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、回转支承、连杆等。 4.1.1 正铲工作装置 正铲工作装置由动臂、斗杆、铲斗、工作液压缸和连杆装置等组成。动臂有的是焊接箱形结构，有的是铸焊混合结构。和反铲动臂相比，正铲动臂比较短而且是单节的。一般来讲动臂铰接点高于液压缸铰并且靠后，这样的铰点不知能够保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，来满足挖掘和卸载的需要，同时也保证了动臂液压缸具有必要的作用力臂。 1-动臂；2-斗杆；3-铲斗；4-工作液压缸；5-连杆装置 4.1.2 反铲工作装置 液压挖掘机反铲装置由动臂、斗杆、铲斗以及动臂油缸、铲斗油缸和连杆机构等组成。其构成特点是各部件之间全部采用铰接，通过液压缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。 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、液压缸尺寸，以及各液压缸之间作用力之影响外，还决定于整机的稳定和地面附着情况，因此工作装置不可能在任何位置都发挥其最大挖掘力。 1-液压管路；2-动臂；3-斗杆油缸；4-动臂油缸；5-铲斗；6-斗齿；7-侧齿；8-连杆；9-摇杆；10-铲斗油缸；11-斗杆 4.2 单斗液压挖掘机动臂 动臂是工作装置的主要构件，斗杆的结构形式往往取决于动臂的结构形式。动臂可以分为整体式和组合式两类。 1、整体式动臂。 其优点是结构简单，质量轻而刚度大。缺点是更换的工作装置少，通用性较差。 2、组合式动臂 组合式动臂用辅助连杆或液压缸或螺栓连接而成。上、下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节，虽然使结构和操作复杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下动臂之间的夹角，从而提高挖掘机的作业性能，尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深的基坑时，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产率。组合式动臂的优点是，可以根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘力，且调整时间短。此外，它的互换工作装置多，可满足各种作业的需要，装车运输方便。其缺点是质量大，制造成本高。 参考文献 1.孔德文.液压挖掘机.化学工业出版社.2006； 2.濮良贵，纪名刚.机械设计.高等教育出版社.2006； 3.肖刚,李学志.机械CAD原理与实践.清华大学出版社.1999； 4.单斗液压挖掘机 同济大学 机械工业出版社； 5.机械设计手册 机械工业出版社； 6.孔德文.液压挖掘机.化学工业出版社.2006； 7.黄志峰. 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