大型正铲液压挖掘机工作装置的多目标优化设计方法研究

发布时间：2020-08-13 09:16

【摘要】：大型正铲液压挖掘机作为工程机械和矿山开采设备中具有代表性的高端机械装备,其设计研发能力反映了一个国家装备制造业的整体技术水平。目前国内大型液压挖掘机技术产品虽发展迅猛但仍处于起步阶段,与国际顶尖水平相比存在着较大差距,对大型正铲液压挖掘机的设计理论、技术和方法进行研究,对于提高国内液压挖掘机的设计水平,推动国内挖掘机行业产业的发展,提升我国工程机械装备的国际竞争力具有重要意义。本文基于多目标进化算法这一先进的计算智能方法对大型正铲液压挖掘机工作装置的多目标优化设计问题进行研究。建立了正铲液压挖掘机工作装置的理论模型与分析框架,包括运动学模型、力学模型、挖掘阻力计算模型和挖掘性能评价方法,对正铲工作装置的作业参数、特殊工况、挖掘力、推压力、提升力、挖掘阻力和图谱叠加标准等技术指标和设计依据进行分析介绍。基于水平推压性能、斗杆挖掘力和铲斗挖掘力三个目标函数建立了简单型挖掘装载装置的多目标优化模型。基于动态拥挤排序策略、差分进化算子和随机变异算子提出了一种改进的非支配排序遗传算法,算法测试的结果表明改进算法的收敛性和分布性均优于原算法,能够很好地处理具有复杂帕累托前沿的优化问题。基于改进算法对简单型挖掘装载装置进行优化设计,并利用理想解法筛选得到了符合设计要求的正铲工作装置设计方案。针对强力三角型正铲工作装置的功能特点,建立了以水平推压性能、平移提升性能、等力矩提升性能、斗杆挖掘力和铲斗挖掘力为目标函数的高维多目标优化模型;提出了一种改进的分解类多目标进化算法求解强力三角型正铲工作装置优化问题,并与6种多目标进化算法的优化结果进行对比,最后筛选得到了能同时实现水平推压、平移提升和等力矩提升的强力三角型正铲工作装置设计方案,验证了所提出算法的有效性。基于三副摇杆型正铲工作装置的功能特点,建立了以水平推压性能、平移提升性能、水平推压力、斗杆挖掘力和铲斗挖掘力为目标函数的高维多目标优化模型;提出一种改进的基于参考点的多目标进化算法对三副摇杆型正铲工作装置进行优化设计,并与13种具有代表性的多目标进化算法的优化结果进行对比,验证了所提出算法的先进性,最后筛选得到了满意的三副摇杆型正铲工作装置设计方案。基于与某工程机械企业的合作研发项目,设计开发了80t级三副摇杆型正铲液压挖掘机样机,样机的性能指标和运动特性很好的符合了设计预期,验证了本文设计方法的有效性。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU621
【图文】：

a) 反铲机型 图 1-2 利勃海尔 RFig. 1-2 R9800 hydrau日立公司在 1965 年涉足液压挖掘机领1979 年日立开发了当时世界最大的液压挖斯顿举办的美国工程机械展(CONExpo)上市场。1986 年起日立逐步推出了 EX 系列的机型。目前 EX 系列中最大的挖掘机是日这也是日本制造的最大挖掘机，EX8000 刚了最新的 EX8000-6 型号，机重已增加到

a) 反铲机型 b) 正铲机型图 1-2 利勃海尔 R9800 型液压挖掘机Fig. 1-2 R9800 hydraulic excavator of Liebherr日立公司在 1965 年涉足液压挖掘机领域，推出了日本首台液压挖掘机 UH03。1979 年日立开发了当时世界最大的液压挖掘机 UH50，机重 157t，并于 1981 年在休斯顿举办的美国工程机械展(CONExpo)上展出，受到了极大的关注，成功打入全球市场。1986 年起日立逐步推出了 EX 系列挖掘机，取代原来的 UH 系列，成为畅销的机型。目前 EX 系列中最大的挖掘机是日立在 2004 年研制的 EX8000 液压挖掘机，这也是日本制造的最大挖掘机，EX8000 刚推出时机重不到 800t，只有正铲机型，到了最新的 EX8000-6 型号，机重已增加到 820t，且有正反铲两种机型，如图 1-3 所示。

a) WYD260 b) WYD390图 1-5 太重 WYD 系列液压挖掘机Fig. 1-5 WYD series hydraulic excavators of TZ四川邦立重机有限责任公司的前身便是长江液压挖掘机厂，在上世纪七八十年代引进的利勃海尔液压挖掘机技术的基础上经过多年的消化吸收和技术改进，邦立重机形成了自己的 CE(D)系列化液压挖掘机产品，产品覆盖 40~220t 级中大型液压挖掘机，目前CE(D)系列最大的型号便是2012年推出的CED2200-7电动型液压挖掘机，有正反铲两种机型，其中正铲机型机重 215t，斗容为 9~15m3，如图 1-6 所示。

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘文国;周宏兵;吴伟胜;杨梅钦;;挖掘机工作装置挖掘力及铰点受力仿真分析[J];机械科学与技术;2015年10期

2 陈进;任志贵;吕梁;雍彬;;基于阻力特性的液压挖掘机复合挖掘力建模[J];东北大学学报(自然科学版);2015年07期

3 陈烨;李爱峰;李光;谭磊;陈永春;佘翊妮;宁晓斌;;大型液压挖掘机斗杆挖掘阻力的离散元素法研究[J];机电工程;2015年06期

4 任志贵;陈进;王树春;庞晓平;;液压挖掘机挖掘阻力特性研究[J];东北大学学报(自然科学版);2015年04期

5 陈进;庆飞;庞晓平;;基于组合挖掘的反铲液压挖掘机工作装置优化设计[J];浙江大学学报(工学版);2014年09期

6 谢良喜;让勇;赵刚;;挖掘机多体系统有限元分析与疲劳寿命预测[J];矿山机械;2014年07期

7 张桂菊;肖才远;谭青;袁文华;莫有瑜;;基于虚拟样机技术挖掘机工作装置动力学分析及仿真[J];中南大学学报(自然科学版);2014年06期

8 丁华锋;曹宇;杨真真;马利;;基于D-H法的多连杆正铲挖掘机运动学分析与包络图绘制[J];燕山大学学报;2014年03期

9 刘征;陈谊超;丁华锋;;一种新型矿用正铲液压挖掘机的运动学分析[J];机械工程学报;2014年15期

10 卜祥建;侯亮;郭涛;钱尧一;林森泉;;基于广义既约梯度算法的反铲工作装置优化设计[J];厦门大学学报(自然科学版);2014年03期

相关博士学位论文 前6条

1 田野;基于进化算法的复杂多目标优化问题求解[D];安徽大学;2018年

2 黄鹏;平面多环耦合机构构型综合理论与技术的研究[D];燕山大学;2016年

3 李冰;提高液压挖掘机优化设计效率的策略研究[D];浙江大学;2016年

4 任志贵;反铲液压挖掘机挖掘性能实验及理论研究[D];重庆大学;2014年

5 潘宇晨;多自由度可控机构式新型工程机械设计理论与方法研究[D];广西大学;2013年

6 吴亮红;多目标动态差分进化算法及其应用研究[D];湖南大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 钟星;自动挖掘机的平滑挖掘规划研究[D];华侨大学;2018年

2 朱国烽;挖掘机轨迹规划及优化[D];华侨大学;2018年

3 雷睿;液压挖掘机铲斗挖掘效率优化设计研究[D];浙江大学;2018年

4 唐剑波;新型变胞挖掘机构设计与瞬态动力学研究[D];广西大学;2017年

5 任琛;基于多体动力学与颗粒动力学耦合的挖掘机工作仿真分析[D];长安大学;2017年

6 霍亚东;大型正铲液压挖掘机工作装置机液联合仿真及优化[D];燕山大学;2017年

7 孙玉玉;新型正铲挖掘机工作装置的动态特性分析[D];燕山大学;2016年

8 张涛;基于作业效率的反铲液压挖掘机工作装置机构优化设计[D];重庆大学;2016年

9 王龙;新型三自由度可控机构式挖掘机的型综合与分析[D];广西大学;2015年

10 熊森冰;液压挖掘机工作装置动态特性研究及挖掘力优化设计[D];湘潭大学;2015年

本文编号：2791807