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1绪论
1.1设计选题的意义
我国是一个发展中国家，在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设，这就需要大量的土方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土方施工机械。因此，可以肯定液压挖掘机的发展空间很大。可以预见，随着国家经济建设的不断发展，液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展，液压挖掘机的年产量将会以高于20%的速度增长。
中国挖掘机市场自1997年开始已进入一个较快的发展时期，2000年与2000年比较，全国挖掘机的产、销量分别增长55%和56%。截止到2002年8月底全国挖掘机的销量已超过13000台，超2001年全年的销售数。显然挖掘机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。
而在挖掘机中最为重要的就是关于工作装置设计，因为挖掘机的工作装置能偶最为明显的体现机器的工作能力和工作寿命，所以设计工作可靠，性能好，成本低，效率高，维护使用方便的工作装置就显得格外重要。
1.2国内外液压挖掘机的发展动态和研究现状
最早在液压挖掘机工作装置设计时，设计人员通过类比、查表、理论计算初步确定性能参数以后，还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大多选取几个特殊位置进行检讨计算，其精度当然较低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置设计得到了很快的发展。针对液压挖掘机工作装置的CAD软件也已经有了不少的研究。
1.2.1国外液压挖掘机发展动态和研究现状
国外挖掘机生产历史较长，液压挖掘技术的不断成熟使挖掘机得到全面的发展。德国是世界上较早开发研究挖掘机的国家，1954年和1955年德国的徳马克和利渤海尔公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后声场挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展上起来的，其主要特点在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国式液压挖掘机生产的后起之秀。
从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展：
（1）、开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。
（2）、迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。
（3）、采用新技术、新工艺、新结构、加快标准化、系列化、通用化发展速度。
（4）、更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤积累论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效和竞争力。
（5）、加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。
（6）、进一步改进液压系统。
（7）、迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。随着对液压挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电液一体化在挖掘机的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。
1.2.2国内液压挖掘机的发展动态和研究现状
早在1985年我国便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品，如Wy100、WY60、WY250等。当时由于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。自改革开放以来，国产液压挖掘机行业进入了一个快速发展的重要阶段。出现了一批实力比较雄厚的生产企业如中国一拖、柳州工程机械厂、黄河工程机械厂、广西玉柴股份有限公司等。它们生产的部分产品已出口，打破了多年来主要由少数几家国外挖掘机制造企业垄断国内市场的局面，使国产液压挖掘机的产量和质量都上了一个新台阶。90年代以来，随着迅速发展的微电子技术、计算机技术、控制技术、通信技术等新技术日益渗透到液压挖掘机技术中，世界各工业发达国家的液压挖掘机技术水平得以迅速提高，使一度与国外技术水平缩小的国产液压挖掘机再次与国外液压挖掘机差距拉大了。因此，国内液压挖掘机市场大部分被国外产品所占据的局面长期得不到改善。
随着我国改革开放的进一步深入，国家对基础建设和基础设施投资的规模日益扩大，国内用户对高质量、高水平、高效率的液压挖掘机的需求愈来愈迫切。据权威部门估计，到2005年我国用于购置工程机械的费用约为800多亿元（含国产和进口），其中液压挖掘机的年需求量为12000-14000台，这无疑对国产液压挖掘机的发展既是机遇，又是挑战。积极发展高性能国产液压挖掘机已迫在眉睫。
目前，液压挖掘机的研究与发展应致力解决三个基本问题：
（1）着眼于动力、传动系统的改进以达到高效节能，提高机器的生产率和降低工作损耗，减少对环境的污染；
（2）局部操作控制自动化到整机完全自动化甚至智能化发展；
（3）改善操作者的劳动条件和操作安全性。
1.3当前液压挖掘机存在的主要问题
虽然液压挖掘机的发展很快，但是液压挖掘机仍然存在着各种问题：
（1）控制精度的要求并不高，多数在100mm之内，并不像其它领域机器人运动控制要求到10mm之内，或者更高。首先，挖掘机本身的机构尺寸通常都比较大；其次，挖掘机进行土木施工的精度与一些工业加工比较起来要低得多，相对较低的精度仍然能够满足挖掘机在实际工作中的需要。多数研究者在实现以上控制精度时，铲斗末端速度比较低，最快的也在150mm/s之内，而这个重要参数直接影响挖掘机的工作效率，所以，保证精度的情况下，提高铲斗末端速度是本文需要解决的问题之一。
（2）虽然世界各国的研究水平参差不齐，但是多数处在实验室阶段，或从成本的角度考虑采用伺服阀进行控制，与工程实际差距较大；对挖掘机工作装置的研究是在静态下进行的，忽略惯性的影响，所以在实际工程中也是不是用的；多数研究中都没有考虑到系统的节能问题，很难将研究结果在实际中进行推广。
（3）挖掘机工作装置作为一种典型的工程机械复杂机电液系统，由于其自身的特点，该项研究是比较困难的工作。主要在于：在机构运动过程中，惯性力负载的多变性；电液比例系统数学模型中的参数多与机构的状态有关，属于时变参数，准备地得到每个参数的值非常困难；整个系统存在大量不确定量（不确定参数及不确定的非线性模型），例如在不同温度下液压油的弹性模量和粘性等，均属于不确定参数；工作过程中，由于与地面接触而禅城的扰动等不能准确建立数学模型的量，均属于不确定的非线性模型。以上各类不确定量都将对系统控制的稳定性和动态特性
