第二章挖掘装置动力学及运动学分析.

设计计算DESIGN & CALCULATION挖掘机工作装置运动和疲劳强度分析武慧杰1，杨建伟1，张志强2（1. 北京建筑大学 机电与车辆学院，北京 100044；2. 中交路桥北方工程有限公司，北京 100024）［摘要］针对挖掘机工作装置的疲劳损伤，利用Pro/E 及ANSYS 进行三维建模及有限元分析。

通过Pro/E 平台中的机构模块分析工作装置的极限位姿以及运动参数，然后利用工作装置位姿转换，基于力矩平衡关系，对斗杆挖掘和铲斗挖掘工况下的铰点进行受力分析，获取工作装置各铰点的最大载荷。

在此基础上，利用ANSYS 疲劳强度分析得出挖掘机最小疲劳全寿命。

研究结果可为挖掘机工作装置结构设计提供理论参考。

［关键词］挖掘机；运动分析；疲劳强度；全寿命［中图分类号］TU621 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2015）06-0089-05Kinematics and fatigue strength analysis of excavator working deviceWU Hui -jie ，YANG Jian -wei ，ZHANG Zhi -qiang本文在Pro/E 软件中对挖掘机整机进行实体三维建模，并运用Pro/E 的机构运动分析模块对挖掘机工作装置的包络图及铲斗齿尖的位移、速度和加速度进行仿真模拟。

然后基于ANSYS 软件，结合工作装置位姿关系计算工作装置各铰点承受的最大载荷，在此基础上对挖掘机动臂、斗杆进行应力和全寿命分析，得到挖掘机工作强度和使用寿命的校核结果，为挖掘机工作装置强度和可靠性分析提供了高效的解决办法。

１ 挖掘机三维建模与虚拟仿真1.1 工作装置原理与结构液压挖掘机的作业过程包括铲土挖掘、满载回转、举升卸载、空斗返回等，其中反铲作业设备是液压挖掘机的主要工作装置［1］，由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、连杆等组成，其结构如图1所示。

硬岩掘进机（TBM）的动力学分析与振动控制发表时间：2018-02-02T14:35:21.403Z 来源：《防护工程》2017年第28期作者：高敏吴文雯[导读] 硬岩掘进机（TBM）是隧道掘进的主要设备，广泛应用于铁路、公路、水利、市政建设等。

中国葛洲坝集团第三工程有限公司陕西西安 710000摘要：硬岩掘进机（TBM）是隧道掘进的主要设备，广泛应用于铁路、公路、水利、市政建设等。

TBM 推进系统机械结构主要包括刀盘、主梁、后支撑、鞍架和撑靴等。

TBM用刀盘转动技术以实现破岩掘进，排渣的同时进行隧道支护，使隧道全断面一次成型。

在TBM作业中，滚刀引起的岩石破碎的强烈冲击会引起推进系统的剧烈振动，严重影响了工作的正常进行。

传统的动力吸振器必须有足够的附加质量才能达到良好的减振效果，但是TBM系统质量庞大安装空间有限，减振器的附加质量难以大幅度提高。

因此本文提出应用杠杆机构来实现放大吸振器的附加质量的方案，并设计了适用于 TBM 推进系统的动力吸振器。

关键词：硬岩掘进机；动力学；振动特性；动力吸振器；优化一、TBM的发展现状1846年开始就出现了第一台简单的硬岩掘进机，从而开始了隧道掘进机机械化的探究。

到1851年一个美国的工程师设计出了世界第一台可以连续工作的TBM，由于当时的技术条件不是很方便，在很多方面的技术问题都不能够被解决，所以没有办法和当时新出现的钻爆法技术相媲美，很难有效地应用。

之后从1952年到1956年，美国的James S. Robbins 和Charles Wilson 想到方法一点一点的解决了滚刀、刀盘驱动及支撑推进等问题，使TBM技术和应用得到了迅速的发展。

早期国外对TBM的广泛应用，使中国也开始注重TBM的研究，我国随着施工技术的不断完善和成熟，在1964年开始对全断面TBM进行研究工作。

在改革开放之后，国外的TBM制造商都来到中国要与我国的生产厂商进行合作。

1996年 Wirth 公司与铁道部宝鸡工程机械厂合作生产用于秦岭隧道的 Wirth TB880E掘进的后配套设备。

多自由度可控新型机械式挖掘机构的运动学和静力学研究
的开题报告
1. 研究背景与意义：
目前使用较多的挖掘机构设计通常为单自由度结构，只能控制一种运动，如：挖掘臂的位置、深度等。

这种结构存在效率低、适应性差等问题。

为解决这些问题，本
论文拟研究一种多自由度可控的新型机械式挖掘机构，通过掌握其运动学和静力学知识，为今后机械式挖掘机构的设计提供新的思路和方法。

2. 研究内容与目标：
本论文需要解决的问题有：多自由度可控新型机械式挖掘机构的运动学分析、运动轨迹规划；静力学分析、受力分析和扭矩优化等。

通过建立运动学和静力学的数学
模型，分析研究其可控程度和设计优化程度。

最终达到的目标是提供一种新型的、高
效的、适应性强的机械式挖掘机构设计思路。

3. 研究方法和技术路线：
本论文的研究方法为理论分析和仿真研究相结合，主要通过以下步骤展开：（1）建立多自由度可控新型机械式挖掘机构的运动学和静力学模型，研究机构的运动控制
与受力分析。

（2）利用仿真软件进行数值仿真，优化机械结构设计。

（3）搭建实验
平台进行实验验证，提出改进建议。

技术路线为运用机械制图、计算机辅助设计、solidworks和ANSYS有限元分析等技术手段进行分析研究。

4. 预期研究成果及应用：
通过本论文的研究，预期可以达到以下成果：（1）建立多自由度可控新型机械
式挖掘机构的运动学和静力学模型及控制算法；（2）设计高效、稳定的机械式挖掘机构，利用仿真软件进行验证；（3）通过实验验证，提出改进措施，为机械式挖掘机构的应用提供技术支持。

以上为本论文的开题报告。

农用挖掘机铲斗机构的多体运动学与动力学研究
1、引言
农用挖掘机铲斗机构是常见的农用机械设备，它利用铲斗颚的动力来完成施工土方的作业。

此外，它还能够实现运输、施工、装载和填埋等作业，能大大提高作业效率。

它的整体结构分为机壳、升降系统和相关附件等部件。

由于它的作业过程较为复杂，因此必须对其多体运动学及动力学问题进行深入研究，从而及时发现和解决它在使用过程中可能产生的问题，提高作业效率。

2、多体运动学
农用挖掘机铲斗机构的多体结构是铲斗颚、升降系统和立柱三部分组成的，其它部件如连接杆也可视为平衡受力的构件。

多体运动学的研究主要涉及铲斗机构每个组件在空间受力有限的情况下，相对于固定基础的运动学特性和物理关系。

解决该问题需要建立铲斗机构各组件的多体运动学模型，从而研究铲斗机构对基础及其他一些组件的作用和反作用，以此为基础运算出机构的受力分布，并结合实验结果进行实际计算。

3、动力学
动力学研究旨在了解铲斗机构的动力特性，特别是机构各连接轴的传动特性和受力特性，以及机构作业过程中各轴和机构整体的动力学特性。

特别是铲斗机构作业前后机构和各个轴系受力分类、空间运动特性以及施加在机构各个轴上的转矩和力分析。

铲斗机构动力学研究可有效地帮助企业了解机构结构、提高设计质量与生产设备制造水平，从而改善设备性能，提高生产效率。

4、结论
农用挖掘机铲斗机构的多体运动学与动力学研究是运用其空间分析和动力学分析的基础。

通过把多体运动学和动力学理论运用到机构结构中，可有效地协助完善设计、优化结构，提高操作性能、降低制造物的损耗等，从而提高农用挖掘机铲斗机构的地形调整精度和作业效率。

挖掘装载机装载工作装置动力分析、动态应力仿真研究及动臂结构拓扑优化一、本文概述本文旨在深入研究挖掘装载机装载工作装置的动力学特性，通过动态应力仿真分析，揭示装载工作装置在作业过程中的应力分布与变化规律，并在此基础上，对动臂结构进行拓扑优化，以提升其结构性能和使用寿命。

研究过程中，将结合理论分析、仿真模拟和实验验证等多种手段，构建全面、精确的动力学模型，并对模型的有效性进行验证。

本文的研究成果将为挖掘装载机的设计与优化提供重要的理论依据和技术支持，有助于提高装载机的作业效率和安全性能，促进挖掘机行业的持续发展。

在文章的结构安排上，首先将对挖掘装载机装载工作装置的动力学特性进行概述，为后续研究奠定基础。

接着，将详细介绍动态应力仿真分析的方法与过程，包括模型的建立、边界条件的设定、仿真结果的分析等。

在此基础上，将探讨动臂结构的拓扑优化方法，包括拓扑优化理论、优化模型的构建以及优化结果的评价等。

将通过实验验证仿真分析的有效性和拓扑优化的可行性，进一步说明研究成果的实用价值和应用前景。

本文将全面深入地挖掘装载机装载工作装置的动力学特性和动态应力变化规律，通过对动臂结构的拓扑优化，为挖掘装载机的设计与优化提供有力支持，推动挖掘机行业的技术进步和创新发展。

二、挖掘装载机装载工作装置动力分析挖掘装载机作为工程机械的重要组成部分，其装载工作装置的动力性能直接决定了机器的作业效率和稳定性。

因此，对挖掘装载机装载工作装置进行动力分析具有重要意义。

动力分析的主要目的是揭示装载工作装置在作业过程中的动力学特性，包括动态响应、振动特性以及能量传递等。

通过动力分析，可以深入了解装载工作装置在不同工况下的受力状态和运动规律，为后续的动态应力仿真研究和结构优化提供理论支持。

在动力分析过程中，通常采用多体动力学仿真软件建立装载工作装置的三维模型，并设置相应的约束条件和驱动函数。

通过仿真计算，可以模拟装载工作装置在实际作业过程中的动态行为，获得关键部件的动态位移、速度和加速度等动力学参数。

液压挖掘机是一种土石方施工机械，广泛应用于工程建设领域当中，并发挥着重要作用。

为了促进挖掘机朝着智能化方向发展，提升其自动化挖掘能力，应该对液压挖掘机运动轨迹进行科学规划。

国内外众多学者针对插值函数提出各种轨迹规划方法，在液压挖掘机运动学分析领域，包括杆组分析、适量代数和作图法等方法。

1　液压挖掘机工作装置运动学分析1.1　正运动学液压挖掘机相关机械装置具体包括四种自由度，为此需要在思维空间内展现出来，按照所选择的变量描述可划分成以下几个部分。

第一，由三组液压缸长度和回转马达夹角所构成的驱动结构空间；第二，由斗杆和铲斗两者夹角、动臂和斗杆夹角、回转平台和动臂夹角以及底座和回转平台夹角等部分形成关节空间；第三，由基础坐标系中的铲斗夹角状态和铲斗齿尖所形成的位姿空间。

创建液压挖掘机设备装置的运动学坐标系，随后根据相应的机器人坐标学原理能够了解到，空间坐标系中的任意一个向量都可以利用齐次转换矩阵转移至其他坐标系中，把转换矩阵与连杆坐标系进行相乘，能够获得铲斗齿尖坐标系。

根据液压挖掘机各种运行参数，能够计算出基础坐标系中的铲斗齿尖位置，从关节向量空间朝着铲斗位姿空间实施正向转化。

在抛除液压挖掘机实施回转运动条件下，绘制出液压挖掘机装置包络图，从理论上讲，铲斗齿尖理论能够囊括包络图限制范围内各个边界区域。

液压挖掘机相关正向运动即通过机械臂连杆参数对执行器末端位姿进行准确计算，建立D —H 坐标系。

挖掘机的铲斗齿尖是执行器末端，通过对变换矩阵进行研究发现，只有铲斗、斗杆和动臂之间转角关节为未知。

利用图形界面通过D —H 法绘制液压挖掘机运行软件，导出为单独运行软件。

将液压挖掘机装置连杆长度、机械臂动臂长度和简化后的机械臂斗杆长度输入软件当中，点击函数运算，便可以由软件主界面直接转移到函数绘制模块。

把液压挖掘机执行器末端位姿代表公式输入绘制界面中的CALLBACK 函数内，并对其他按钮函数进行科学设置，参考现有挖掘机参数测试软件性能，将现实状况和软件形成的液压挖掘机运行区域进行比较分析可以发现，软件绘制出来的挖掘机工作区域较为准确。

机械工程中的运动学与动力学分析机械工程是一门研究机械设备的设计、制造和运行的学科，它涵盖了广泛的领域，从汽车工业到航空航天，从机器人技术到能源领域。

在机械工程中，运动学和动力学是两个重要的分析方法，它们帮助工程师理解和优化机械系统的运动和能量转换。

运动学是研究物体运动的学科，它关注的是物体的位置、速度和加速度等运动特性。

在机械工程中，运动学分析对于设计和优化运动部件非常重要。

例如，在机器人技术中，运动学分析可以帮助工程师确定机器人的关节角度和末端执行器的位置。

在汽车工业中，运动学分析可以用于研究车辆的悬挂系统和转向系统，以提高车辆的稳定性和操控性能。

动力学是研究物体运动的原因和规律的学科，它关注的是力、质量和加速度之间的关系。

在机械工程中，动力学分析可以帮助工程师理解和优化机械系统的能量转换过程。

例如，在航空航天领域，动力学分析可以用于研究火箭发动机的推力和飞行器的轨迹。

在能源领域，动力学分析可以用于研究发电机的转速和发电效率。

运动学和动力学分析通常是紧密相关的，它们共同构成了机械工程中对机械系统进行全面分析的基础。

在实际工程应用中，工程师经常需要同时考虑运动学和动力学因素，以确保机械系统的设计和运行符合要求。

除了运动学和动力学分析，机械工程还涉及许多其他重要的技术和概念。

例如，材料力学是研究材料的力学性质和行为的学科，它对于机械工程中材料的选择和设计至关重要。

热力学是研究能量转换和传递的学科，它在机械工程中应用广泛，例如在汽车发动机和发电机中。

流体力学是研究流体运动和力学性质的学科，它在航空航天和水力发电等领域中有着重要的应用。

总之，机械工程中的运动学和动力学分析是理解和优化机械系统运动和能量转换的重要工具。

它们帮助工程师设计和改进各种机械设备，从而提高效率、可靠性和安全性。

随着科技的不断进步，机械工程将继续发展和创新，为人类社会带来更多的机械设备和技术的突破。

挖掘机运动学分析新方法董明晓，张明勤（山东建筑工程学院机械系，山东济南250014）［摘要］分析了挖掘机的结构特点，应用D-H变换矩阵法建立运动学模型，推导出逆运动学算法，介绍在MATLAB5.3上建立仿真实验系统，以验证该算法的有效性。

［关键词］挖掘机；运动学；逆运动学；D-H变换矩阵；位姿［中图分类号］T U621［文献标识码］A［文章编号］1001-1366（2001）05-0049-03Kinematics anal y sis and simulation for excavatorsDONG Min g-xiao，ZHANG Min g-c in（Shandon g lnstitute of Architecture and En g ineerin g，Shandon g Jinan250014，China）Abstract：This p a p er anaI y ses the feature of excavators.The kinematics modeI is estabIished usin g D-H transformation matrix method and the inverse kinematics aI g orithm is inferred.A com p uter simuIation ex p erimentaI s y stem isdeveIo p ed in MATLAB5.3Ian g ua g es.The simuIation resuIts show that the aI g orithm is effective.Ke y words：excavator；kinematics；inverse kinematics：D-H transformation matrix；p osition and p osture!1引言挖掘机的运动学分析是轨迹规划、障碍回避、动力学分析的基础，其正确与否直接影响着作业的快速性与准确性，因此有着非常重要的意义。