山东交通学院毕业设计（论文）
2 挖掘机虚拟样机技术
2.1 挖掘机的发展及研究现状
2.1.1 国外发展动态及研究现状
液压挖掘机的生产水平反映机械化施工的水平和能力。国外，特别是西欧几个国家从50年代开始研制液压挖掘机，到60年代中小型液压挖掘机已成批生产；70年代初液压挖掘机斗容已发展到8m3，开始进入矿山开采：80年代大型液压挖掘机技术已成熟，生产斗容16-35m3、机重达650t。目前国外已停止斗容8m3以下机械挖掘机的生产，斗容大于16m3的挖掘机是机械挖掘机的强大竞争对手。国外各制造公司正在研制微机控制的智能化液压挖掘机，并有所突破。建筑和矿用液压挖掘机的销售量在机械设备市场上占有显著的地位。据不完全统计，1990年建筑和矿用设备在全球销售额约为450亿美元，而液压挖掘机的销售额以100亿美元高居榜首。据推测，大型和微型液压挖掘机年增长率分别为24%，35%。1990年全世界建筑和矿用液压挖掘机(履带式)的产量已达9．23万台，其中76%是日本生产的，欧洲产量占有17%。近年来，大型液压挖掘机越来越多地占领了机械挖掘机的市场。液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。 2.1.2 国内发展动态及研究现状
我国从1958年开始研制液压挖掘机，逐步形成了1-2.5m3小型液压挖掘机系列，具有一定生产规模。斗容l-7.5m3的液压挖掘机年产量超过1000台。1983年以后采用引进技术方式进行生产，加快了液压挖掘机的发展，上海建筑机械厂按德国利伯赫尔公司许可证生产了R942。相继又生产了R962、R972、R982等液压挖掘机。杭州重机厂与德国德马克公司合作生产H55和H85等液压挖掘机。太原重型机器厂与德马克公司合作生产14121型液压挖掘机。北京建筑机械厂引进德国公司制造技术生产Rtt6型液压挖掘机。所有这些与国外合作生产德液压挖掘机比国内现用的液压挖掘机生产效率高25%、机重轻10%。国产化率逐年提高，设备利用率为90%。
长江挖掘机厂在引进国外技术的基础上生产斗容1.6-2.5m3的V160型液压挖掘机，采用Deutz公司柴油机、减速机和液压元件。装有正铲、反铲、梅花抓斗等多种工作装置。天津工程机械研究所与泰安工程机械厂生产的WY32型液压挖掘机，机重32t于1993年8月通过鉴定。该机结构紧凑、机动灵活、生产效率高。能充分利用发动机功率、节能效果好。但目前国产液压挖掘机数量少，多为斗容2．5m3以下的小型设备，中型设备较少，大型设备在我国尚属空白。从品种、规格、数量上满足不了国内市场需要。从产品技术水平、可靠性、制造质量与国外液压挖掘有较大差距。对于大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段。试验研究工作薄弱，短期内难以完成设计开发工作。柴油机、液压和密封元件等配套件的质量和可靠性差，使用寿命短。高强度的原材料缺乏，制造技术落后，装备水平低。计算机技术在液压挖掘机上应用正在研制过程中。需要解决的关
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键技术较多：如履带行走装置中履带扳和链轨节的轧制和模锻技术；支重轮、托轮均采用浮动密封，其制造技术、耐磨技术和密封技术；铲斗设计合理性、耐磨性以及高强度钢板焊接技术：液压系统和元件的设计技术、大尺寸高压油缸的制造技术；电子监控与检测技术：整机性能参数的测试技术，大型结构件加工质量控制与制造技术等基础技术和关键技术靠自行研制和测绘仿制势必旷日持久，满足不了国民经济重点工程发展的需要。
纵观我国液压挖掘机30余年的发展历史[5]，大致可以分成以下几个阶段：
(1)开发阶段(1967年～1977年)。以测绘仿制为主的开发，通过多年坚持不懈的努力，克服一个一个的困难，有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功，为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。
(2)液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(1978～1986年)。这个阶段通过各主机生产厂引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)的消化、吸收和移植，使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际70年代末80年代初期的水平。全国液压挖掘机平均年产量达到1230台。
(3)液压挖掘机生产企业数量增加，新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合，合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术(1987年～1993年)。由于国内对挖掘机需求量的不断提高，新加入挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术，其产品批量或小批量的投放国内市场或出口，打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面，引进了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到2000余台。
(4)国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大，广大用户为了提高施工质量和按期完成施工任务，对使用高质量、高水平、高效率挖掘机的兴趣日趋浓厚。国外各著名挖掘机制造厂商纷纷前来中国创办合资、独资挖掘机生产企业(1994～至今)。从1994年开始，特别到1995年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。其中美国卡特彼勒公司率先在徐州金山桥开发区建立了生产液压挖掘机的合资企业，随后日本小松制作所、日立建机株式会社、神户制钢所、韩国大宇重工业、现代重工业以及德国利勃海尔公司等都相继在中国建立了合资、独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机。 2.1.3 挖掘机开发重点方向
液压挖掘机的开发着重围绕[6]：
1．加快产品开发速度。满足快速多变的市场需求；
2．提高产品可靠性和效率，降低生产成本，向微型化发展的同时向大型化发展； 3．着眼于动力、传动系统的改进以达到高效、节能；
4．精心设计，精心制造以提高产品零部件的可靠性，从而保证整机的可靠性，延长维修周期，加快维修进程，降低维修费用，降低成本；
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5．采用微电子技术使液压挖掘机自动化、机电一体化和智能化进程加快； 6．考虑人机工程，改善司机劳动条件。
2.2 挖掘机虚拟样机技术的提出
挖掘机具有普通机械产品生产必须满足市场所提出要求的共性。所以要缩短以设计、试制为主要内容的投入期。节省投入成本，尽快进入利润丰厚的成熟期。此外由于传统物理样机开发模式在人力、物力和时间上的巨大浪费往往与产品的复杂程度成正比，因此液压挖掘机作为复杂工程机械的特殊性，对开发的时效性要求更高。在现有挖掘机产品进入衰退期之前，就应考虑现有产品的改进或新产品的开发。虚拟样机在挖掘机设计的全过程都可发挥重要的作用。参与从初始概念直至最终成品的全过程。在制造之前，虚拟样机可用来确定挖掘机外形，检查设计规划和工程进程，支持方案可行性分析，进入装配和人机工程的研究。在挖掘机开发的投入期应用虚拟样机技术能缩短设计周期，节约设计经费。在挖掘机产品制成之后又可以进行虚拟样机仿真试验，代替物理样机试验进行子系统及参数的优化。挖掘机进入衰退期，利用原有的数字虚拟样机可以修改原型，实现挖掘机产品快速创新设计[7]。
2.3 挖掘机虚拟样机技术的意义
1 在提高挖掘机设计质量的应用
挖掘机的设计水平关系到最终产品的质量，而设计过程中技术的先进与否、数字化程度的高低，很大程度上决定了机械产品设计开发的周期、质量和成本。在工程设计中已得到广泛应用的有限元分析技术(FEA)和计算机辅助技术(CAD)就是这些先进技术的代表。FEA技术可以帮助设计人员分析零件的应力状态，解决了传统材料力学所无法处理的工程问题。CAD技术则利用计算机强大的计算和数据存储处理功能，加上设计师丰富经验和主观创造性进行产品开发。改变了以经验为主的传统设计方法．以修改方便的高质量三维计算机绘图取代了繁琐、重复的手工平面绘图，节省了设计人员真正用于创造性工作的时间和精力，提高了设计质量。目前挖掘机设计中广泛地采用了FEA和CAD技术，虚拟样机地生成就是依赖FEA和CAD技术的结果。
液压挖掘机是复杂的工程机械，零部件多，运动方式多，须从系统层面评价其性能的优劣。随着技术的发展，人们认识到即使传统的技术手段使得挖掘机中的每个零部件都是最优的，并不能保证整个挖掘机的性能是最好的，即系统整机的优化不是所有部件优化的简单叠加。液压挖掘机的设计还存在许多有别于其他机械行业的特点，其中最重要的一点是它涉及的学科很多，包括机械运动学与动力学、液压流体传动、机电控制、热力学、人机工程学、美学等。要获取挖掘机的综合最优解不仅需要各学科专家的共同努力，更需要他们工作上的协同。
虚拟样机技术是现阶段实现上述目标的最佳手段。虚拟样机的生成依赖于CAD、
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FEA技术，并超越了传统的CAD和FEA技术的局限。但由于在设计开发的最后阶段前无法得到整个样机，所以设计过程中，各小组或各个进程往往把注意力集中在本学科的优化上，而忽略了其他学科乃至整机系统性能。最终没能获得整机性能的晟优解。虚拟样机技术不仅利用了并行工程的长处，还通过将各并行过程和并行小组的工作集成到同一个虚拟样机之上，提供同时对挖掘机的外形、机械系统、液压系统、控制系统等多方面评价的可能，因此具备了整机性能评估的条件，兼顾了各个学科，真正做到了全系统、全性能的优化，解决了上述难题。
液压挖掘机有别于其他机械的另一个特点是：工作环境恶劣，通常工作在地质情况复杂、载荷情况多变、大气条件差的条件下。液压挖掘机物理样机试验必须模拟不同工况，费时费力。另外挖掘机造价很高，尤其是附带各种检测设备的物理样机单机成本极高。而试验的破坏性往往很大，反复试验不仅延长设计周期，还容易造成损坏，无形中提高了设计成本。采用虚拟样机技术，可使设计人员在虚拟环境中真实地模拟各种挖掘机的工作情况，快速分析多种设计方案，帮助设计人员完成无数次物理样机无法进行的危险试验，在整个仿真过程中，可以随时按照优化建议或市场用户需求修改参数，得到改进的虚拟样机，反复这个过程宣至获得系统优化级的整机设计方案。我国挖掘机开发还有一个独特的特点，就是先引进、消化、再设计，但效果总不佳，原因就是以前的仿制过程仅是拆机，照抄零件，对引进的挖掘机缺乏系统上的理解，设计人员没有吃透样机。采用虚拟样机技术，技术人员便可以进行系统层面的详细研究，追踪样机的设计思想来指导其设计。从另一角度看，以往先引进、消化、再设计过程由于是从零件着手，设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计，注意力往往集中在细节而忽略了整体。而借助于虚拟样机技术设计挖掘机时，可以根据用户要求确定系统参数，优化设计在早期设计阶段完成。早期虚拟样机的仿真结果还可以作为零件设计的参考。
2 在挖掘机现代制造模式中的应用
现代制造模式的发展趋势为：制造智能化、制造敏捷化、制造虚拟化、制造全球化、制造网络化。虚拟样机技术为挖掘机现代制造模式的实现提供了技术支持。虚拟样机技术以虚拟样机为媒介，直接将人类在挖掘机领域的创造能力、设计师积累的丰富设计经验与计算机存储的诸多方案结合，利用计算机模拟设计方案的实现。形成优势互补、人机融合的挖掘机产品开发制造环境，实现制造系统中人机一体的集成智能决策机制。市场的需求和新技术的出现都要求挖掘机的制造敏捷、迅速，其途径就是样机的柔性化和制造工艺的柔性化。其中样机柔性化需要依靠虚拟样机实现。数字化的挖掘机虚拟样机能快速修改，具备了产品对市场的快速响应能力，是实现挖掘机敏捷制造的基础。制造工艺的柔性化则有赖于挖掘机虚拟制造的实现。虚拟制造是以CSCW支持的系统建模技术和仿真技术为核心，将真实的制造环境以及制造过程通过建立样机计算机模型，流水线计算机模型等映射到计算机技术所支撑的虚拟环境中，在虚拟环境中模拟制造环境及制造过程。并通过这一过程对产品的可制造性进行预测和评价。因此虚拟制造是实现
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敏捷制造的关键。而虚拟样机是虚拟制造中不可或缺的产品性能评估和可制造性评价的对象。
2.4 本章小结
本章主要叙述了挖掘机虚拟样机技术在挖掘机生产及其设计的应用以及未来挖掘机虚拟样机的研究方向。主要用于提高虚拟样机技术在挖掘机当中的应用价值，提高对挖掘机的设计。
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