液压挖掘机工作装置结构的优化设计

148研究与探索Research and Exploration ·工艺流程与应用中国设备工程 2024.03 (下)1 挖掘机液压系统基本原理和组成结构1.1 液压系统的工作原理挖掘机液压系统是一种基于液压原理实现动力传输和控制的系统。

它利用液体介质（通常是油）作为能量传递媒介，通过液压泵将机械能转化为液压能，并通过液压缸、阀门等液压元件将液压能转换为机械能，实现挖掘机的各项工作功能。

液压系统的基本原理是帕斯卡定律，即在封闭的液压系统中，液体传递的压力作用于液体的各个部分，并且在所有方向上都均匀传递。

根据这一原理，液压系统通过液压泵产生高压油液，将其送入液压缸中，通过液压缸的运动实现机械的起升、伸缩、旋转等动作。

同时，液压系统通过阀门控制油液的流动方向、流量和压力，以实现对挖掘机动作的精确控制。

1.2 液压系统的组成部件1.2.1 液压泵液压泵是液压系统的核心部件，其作用是将机械能挖掘机液压系统的优化设计与性能分析王宗昌（中国铝业广西分公司，广西 百色 531400）摘要：挖掘机液压系统是挖掘机重要的动力传动和控制系统，其优化设计和性能分析对提高挖掘机的工作效率和可靠性具有重要意义。

因此，本文旨在研究挖掘机液压系统的优化设计和性能分析方法，以提高工作效率和节能性，同时，本文的研究成果也将为相关领域的学术研究和工程实践提供有益的参考，推动挖掘机液压技术的进一步发展和应用。

关键词：挖掘机液压系统；优化设计；性能分析中图分类号：TU621 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2024）03（下）-0148-03转化为液压能，通过压力油液的输出实现系统的动力传递。

液压泵通常采用齿轮泵、柱塞泵或叶片泵等类型，根据挖掘机的工作需求和性能要求进行选择。

1.2.2 液压缸液压缸是液压系统的执行部件，它负责将液压能转化为机械能，实现挖掘机的动作功能。

液压缸通常由活塞、缸筒和密封件组成，通过液压系统中的油液压力作用于活塞上，推动活塞的运动，从而带动挖掘机的工作部件完成相应的动作。

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。

图1 Fig． 1 标准挖掘工况下工作装置前 8 阶模态振型 device under standard mining condition
（ a） 1 阶模态 （态 （ c） 3 阶模态 （ g） 7 阶模态 （ d） 4 阶模态 （ h） 8 阶模态
The first eight order modal vibration mode of working
第 6 阶模态频率出现时， 该阶频率对应的主振 E、 K 为轴心， 型以 C 、 以工作装置姿态位置为平衡位 置的对称复合扭转运动。 第 7 阶模态频率出现时， 该阶频率对应的主振 型为 XOY 平面的弯曲振动以及以 XOY 平面为对称 面， 且过动臂与转台铰接销轴中间截面圆心 C 内外 摆动。 第 8 阶模态频率出现时， 该阶频率对应的主振
表1 Tab． 1
阶次 1 2 3 4
标准挖掘工况下的模态前 8 阶固有频率 The first eight order mode natural frequency
in the cases of standard mining condition
频率 / Hz 3. 792 8. 626 12. 696 27. 182 阶次 5 6 7 8 频率 / Hz 32. 585 42. 924 52. 521 62. 941
引言
液压挖掘机工作时， 各机构频繁启动、 回转、 伸 臂、 挖掘、 提升卸料、 制动且进行复杂的复合运动， 使 液压挖掘机结构承受强烈的冲击和振动 。随着液压 挖掘机向着重载、 高精度、 轻量化发展， 工作装置结 构在动载荷作用下的振动问题变得日益突出 。 因 ［1 ］ 此， 对工作装置进行动态优化设计 ， 改进其动态 性能， 减小振动， 提高其工作平稳性， 具有重要意义。 模态是构成各种工程结构复杂振动的最基本的 振动形态， 通过模态分析可得到结构的固有频率和 是结构动态性能分析和优化设计的基 主要振型， ［2 － 3 ］ 。国内外许多学者基于模态技术对机械结构 础 ［4 － 7 ］ ， 但现有针对关键模态频率对 进行了结构优化 动态性能以及灵敏度的影响关系研究还不够深入 ， 对动态优化设计的方法有待进一步提高 。 本文以液压挖掘机工作装置为研究对象， 利用 模态分析技术得到工作装置的各阶模态频率和模态 特性，确定影响液压挖掘机工作装置动态性能的关 ［8 ］ 键模态频率 。将此模态频率作为优化目标， 通过 对主要结构参数进行灵敏度分析， 得到工作装置动 态优化的设计变量。 确定工作装置几何约束、 性能 ［9 ］ 约束等约束条件， 最后采用扩展拉格朗日乘子法 对工作装置结构进行动态优化设计 。

液压挖掘机工作装置静力学模型集成优化设计朱明娟;纪爱敏【摘要】针对液压挖掘机工作装置的优化设计问题,对在铲斗挖掘工况下的工作装置轻量化进行了研究,提出利用ISIGHT优化平台,同时调用Solidworks和ANSYS 的方法,对挖掘机工作装置静力学模型进行集成优化.采用全局优化算法和梯度优化算法相结合的组合优化策略,对设计问题进行智能化探索,不断选择新的设计初始值,从而进行自动地仿真和优化.研究结果表明,该方法不仅可以利用ISIGHT优化软件自动搜索到满足工作装置性能要求的最优解,而且在此基础上,进一步减小了工作装置的整体体积,达到工作装置轻量化的目的,为工程实际应用提供了一定的参考.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】4页(P57-60)【关键词】液压挖掘机;工作装置;ISIGHT;集成优化【作者】朱明娟;纪爱敏【作者单位】河海大学机电工程学院,江苏常州213022;河海大学机电工程学院,江苏常州213022【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH122近年来，液压挖掘机的优化设计问题得到了越来越多学者的关注和研究。

文献[1]利用ANSYS Workbench里面的拓扑优化模块，对挖掘机工作装置的动臂和斗杆进行减重优化，进而使得总体轻量化。

文献[2]利用VB编制优化程序，对动臂和斗杆进行减重优化。

文献[3]利用ADAMS的优化功能对动臂和斗杆结构进行优化。

文献[4]采用一种离散单元法对挖掘机的挖掘轨迹进行优化研究。

文献[5]通过建立一个由不同指标构成的多目标函数，对挖掘机的工作速度、挖掘力等进行优化设计，具有一定的指导意义。

文献[6]针对挖掘机动臂的约束中存在的不足，提出一种文化算法对动臂进行优化设计。

文献[7]采用ANSYS中的优化模块对动臂进行轻量化研究，达到了动臂减重的目的。

但是上述大部分的研究仅对挖掘机的单个零部件进行优化设计。

在实际工作中，工作装置的各零部件之间是相互制约、相互影响的，因此必须把它看成一个统一的整体进行优化分析，这样才有可能得到较为实用的优化设计方案。