优化设计理论下的小型挖掘机设计研究

优化设计理论下的小型挖掘机设计研究

张艳秋

（森松集团上海市200000）

摘要：在我国机械化和工业化不断发展的新时期，小型挖掘机的应用越加广泛。然而传统设计小型挖掘机方法已经达不到对挖掘机的性能要求，为此要以优化设计理论为基础，设计液压轮式的小型挖掘机，能够在狭小区域建设市政基础工程、开挖管道，也能实施旋挖、拆除、破碎和压实等工作，方便装载与运输。本文主要介绍优化设计理论的内涵、设计流程和设计原则，并研究优化设计小型挖掘机的措施，提升小型挖掘机的工作性能。

关键词：优化设计理论；小型挖掘机；工作参数

前言

我国的挖掘机技术已经慢慢成熟，增加了小型挖掘机规格，其功能也更加强大，在挖掘机领域中一直占据重要地位。小型挖掘机的主要优势是：其一，实用性较为广泛，小型挖掘机在多个工作领域都能应用。其二，功能较多，小型挖掘机有液压动力系统，能安装辅助作业的工具，增加了功能。其三，方便运输与转移工作。

1.简述优化设计理论

优化设计是新出现的一种学科，优化理论是建立基础。优化设计理论借助计算机的程序设计与数学中的规划理论，经由计算机数值的计算，从可能方案中选择最佳方案。优化设计在国防、商业、农业和工业等部门得到广泛应用，能够优化多方面的问题，比如控制系统、设计工业过程、设计产品、利用能源、管理经济和规划生产等方面，是推动技术发展，提升国民经济的有效方法[1]。优化设计移植与应用到设计机械的领域就是机械优化设计，依照规定约束条件，对设计参数进行优化，优化设计指标。

优化设计主要流程是：（1）构建优化设计数学模型。（2）选用合适优化方式，借助计算机得出计算结果。（3）明确必要数据，借助计算机得出计算结果。（4）整理和分析计算结果。简而言之，优化设计包括的问题是：其一，把设计问题变成数学模型，通过数学模型反映出问题实质，同时能进行优化计算。其二，得到数学模型优化解。相比传统设计方法，优化设计的主要优势是：（1）优化设计是其设计思想，要构建数学模型，从而反映设计所要解决问题。（2）优化是设计方式，对设计参数进行改变，从而使计算机向着最优方案自动实施的。（3）计算机是其设计手段，计算机的运算速度较快，在对一个方案进行分析和计算时仅仅需要几秒钟甚至更短，就能在大量方案内选择最优化方案，工作质量与工作效率能够大幅度提升。因此，在设计问题的设计指标、设计要求可以采用数学形式进行表达的时候，就能借助计算机实施优化设计，使设计时间减少，小型挖掘机的技术、性能、质量都得到大幅度提升，成本也得到大大降低，经济和技术效果较为显著。

2.小型挖掘机设计

小型挖掘机主要在农田建设、挖埋上下水管道、道路施工和城市基础建设的地槽等工程中应用，主要作业是：挖掘一级到四级土壤、装载、开沟和平整，也包括比停车场水平面低的挖掘工程。小型挖掘机主要的适用环境是：海拔要低于或等于3000米；涉水深度要小于或等于500毫米；环境温度在-15摄氏度到40摄氏度范围之间；要求地面条件坚实且平整。

2.1总体方案设计

在设计小型挖掘机时，结合技术经济方面的指标要求和设计经验，设计小型挖掘的总体方案需要考虑以下问题：（1）小型挖掘机的经济指标主要有材料消耗量、动力饱和度、蓄电池容电量、单位生产率等。（2）要想提升小型挖掘机的生产率，可以采取的主要措施是缩短工作循环所用时间、提升起重量。不过这两种措施会导致结构刚度增强，同时会受限于液压传动装置的工作能力、人机工程学方面的要求。（3）要想简化小型挖掘机的结构，可以安装液压传动装置，同时这一装置使小型挖掘机的操纵系统更加简单。（4）小型挖掘机借助液压实施抓斗与抓料等工作，假如取料的时候震动物料，会取得更好的作用效果。（5）设计与操作小型挖掘机的一个关键要求就是确定挖掘机在工作时保持稳定。（6）小型挖掘机在进行作业与技术检查的时候，都需要尽可能安全与方便。在小型挖掘机的人机工程方面，其基础性要求就是自动化操作过程。（7）小型挖掘机在卸货的时候，假如必要的情况下，要确定货物完整。（8）小型挖掘机的自重要达到材料消耗量降低的要求，确保货物铲取的作业条件良好，确保作业稳定[2]。（9）在设计小型挖掘机的时候，需要考虑作业条件、货物形式、挖掘机的轴距、起升高度、尺寸伸出的距离、构件应力、起重量、生产率等条件。（10）借助自行挖掘机能得到高工作质量和高效益。

设计的小型挖掘机，需要考虑经济性、作业范围、生产率、生产速度、运行速度、起升速度、起升高度与重量等，另外还包括操作时的操纵性、稳定性、可靠性与安全性，适应周围环境的能力。因此，设计小型挖掘机的基本原则是：（1）出发点是设计。（2）明确系统的功能。（3）提升小型挖掘机的经济性与可靠性。（4）确保使用小型挖掘机的安全性。小型挖掘机的工作过程如图一所示：

图一：小型挖掘机工作过程

2.2参数确定

决定小型挖掘机性能的参数主要有额定牵引力（PH表示）、整机质量（G表示）、附着重量（Gφ表示）、行驶速度（V）、额定功率、传动系统各档和与档位数之间的传动比。

2.2.1确定额定牵引力

小型挖掘机在作业和行驶中，需要遵循牵引力的平衡，也就是说小型挖掘机在作业和行驶中所有瞬间，挖掘机的牵引力都要和全部阻力之和相等[3]。小型挖掘机在运输与牵引中，牵引力可能不完全相等，所以额定牵引力选择计量作业与行驶的工作较大量。小型挖掘机在水平地面进行直线等速运动的时候，牵引工况中，有较低的行驶速度，能将风阻忽略掉，其计算公式为：，其中，PK表示牵引力，PT表示土壤被挖掘、推所受阻力，Pf表示滚动阻力。运输中，工作阻力可以当做不存在，而行驶速度（V）偏高，在计算中不能忽略掉风阻问题，其计算公式是：，其中，K表示流行型系数，一般取值是0.06到0.07之间，f表示滚动阻力的系数，VT表示行驶速度，F表示机械的迎风面积。

2.2.2明确附着重量与整机质量

在牵引工况中，牵引力平衡可发现，水平地面内机械进行直线等速运动的时候，将PH=PKP，并代入，可以知道，其中，PT表示土壤被挖掘与推移时所受的阻力，φH（0.63~0.66）表示附着量利用系数的额定值。设λ为附着重量、整机质量的比值，也就是，可以得到，假如轮式机械是全轮驱动，在这个时候λ为1。

2.2.3明确行驶速度

在牵引工况的条件之下，从理论方面来说，工作的最低档速度为VTr，这和操纵系统的形式、设计工艺、工作装置有较大的关系。轮式工程机械在通常情况下，VTr为每小时三千米到每小时四千米之间。在运输工况的条件之下，从理论方面来说，最高行驶速度可以用VTmax来表示。在运输工况的条件之下，轮式机械通常处于作业状态，运距长、行驶速度高，这些都会使生产率不同。所以，假如具有较高的行驶速度，受限于操纵形式与悬架，同时运距明确的时候，在加快行驶的时候，才可以提高小型挖掘机的生产率。，VTmax在通常情况下取值在每小时三十千米到每小时五十千米范围之内。

2.2.4明确发动机额定功率

结合运输工况条件下、牵引工况条件下的功率公式，把需要的功率分别算出来，依照较大数值确定发动机功率。在牵引工况下，计算额定功率的公式是：，其中，ηM表示机

械传动的系统效率，取值为0.9到0.92；ηT表示机械系统传动，取值为1；是利用功率的系数；ηP（0.75~0.85）表示油泵与其驱动系统的效率。在运输工况下，计算最高行驶速度，其计算公式为：。

2.2.5确定传动系统档位数与各档传动比

确定I档的总传动比（ir），计算轮式机械的理论速度公式是：km/h，在公式中，rk表示驱动轮的动力半径，单位是m。那么传动比（ir）就是：，其中，neH表示额定的发动机转速，表示传动系统的总传动比，VTr表示理论上的最低档速度。在运输工况的条件之下，明确在最高速度时的总传动比，其公式为：。

2.3优化设计

2.3.1优化设计发动机

在选择发动机的形式上，工程机械往往会使用内燃机作为发动机，其类型为柴油机。和汽油机不同，柴油机的优势主要是：其一，柴油机有较高的热效率、较好的燃料经济性、低油耗、价格低廉。其二，工作可靠性高，有较好的耐久性，不用点火系统，出现的故障比较少，具有较长的使用寿命。其三，缸径大、增压度高，能使柴油机功率得到提升。其四，较低的排气污染。发动机的汽缸排列方式为直列式，使用四缸。发动机的冷却方式采用水冷式，散热性能好，可靠性高，噪声小。发动机参数中的一部分，如表1所示：

表1：发动机部分参数

2.3.2优化设计工作装置

在优化设计动臂结构中，主要是降低或增加单元厚度，要重新分配结构材料的属性，尽可能提升结构全局的刚度，降低最大的应力，实现结构性能的最优化[4]。如图二所示是动臂结构优化之前的示意图，如图三所示是优化设计之后的动臂结构示意图：

图二：优化前动臂结构

图三：优化后动臂机构

2.4设计结果

在本文优化设计方案中，各个功能载体的设计是：动力输出选择内燃式；挖掘机移动选择轮胎式；落斗挖掘选择普通斗反铲；转向卸载为机械全回转；起升重量为液压式。这一优化理论下的设计方案会输出较比较大的动力，在短时间就会改变工作场地，作业效率高，容易进行标准化设计。

结束语

挖掘机未来的发展方向是节能化、智能化、人性化和先进化，将挖掘机变成具有综合性能的一类工程机械。在优化设计小型挖掘机中，要明确挖掘机的各项参数，优化主要功能载体，提高降低小型挖掘机的使用成本，提高小型挖掘机工作性能。

参考文献：

[1]禚玉柱，王克车.基于优化设计理论的小型挖掘机设计[J].中国科技投资，2014（A19）：246-246.

[2]范素蓉.基于差异化战略的小型挖掘机优化设计[D].燕山大学，2016.

[3]王宜前，王允，朱庆轩.小型挖掘机主控阀设计[J].液压气动与密封，2016，36（7）：70-72.

[4]邢延晨.浅谈小型挖掘机电气系统的基本构成及设计[J].中国科技纵横，2013（8）：115-115.

作者简介：

张艳秋，1974.11，女，汉族，辽宁沈阳市人，中级工程师职称，本科学历，毕业于哈尔滨理工大学，硕士学历，于2006年开始参加工作，从事机械设备制造与设计相关工作。