矿用电铲(Electric shovel,ES)是指在露天开采中使用的,针对已爆破物料进行挖掘的大型机械式正铲挖掘机,它是露天矿山开采系统的核心装备,反映了一个国家的装备制造业水平。矿用电铲庞大复杂的机身结构、料堆表面的多变形貌等使挖掘轨迹设计困难重重,以至于传统的人工操作很难实现最优挖掘轨迹作业,引起挖掘效率低下、挖掘不平稳、挖掘不节能等问题。而矿用电铲智能化是一个很好的解决方案,因此本文以WK-55为研究对象,针对矿用电铲智能化过程中亟需解决的、与挖掘轨迹相关的基础性问题,建立了面向矿用电铲挖掘过程的动态挖掘阻力计算模型;提出了一种适用于典型堆面挖掘轨迹的结构—轨迹一体化设计方法;建立了一种实现智能矿用电铲针对复杂堆面的挖掘轨迹在线快速规划方法。主要研究内容如下:1)研究矿用电铲挖掘作业的特点,通过对挖掘过程中物料累积体积采用动态建模的方法,建立了矿用电铲挖掘过程的动态挖掘阻力的改进型计算模型,该模型除了考虑物料重力、铲斗斗壁与物料之间的摩擦力等,同时也考虑了挖掘速率对物料属性与惯性力的影响;通过挖掘实验,证明该模型相比于传统挖掘阻力计算模型在精度方面提高了 1 4%以上;并针对所建立的挖掘阻力计算模型进行参数灵敏度分析。2)采用解析法建立矿用电铲的前端工作机构的三维有限元模型,应用该模型进行静力学与动力学计算耗时分别为0.75s与4.40s,所得的应力分布与振动等情况与相关文献结果一致,证明了该模型的计算高效性与精确性,因此针对前端工作机构所建立的解析法有限元模型,可为后续轨迹设计中考虑振动与结构安全等方面奠定理论与模型基础。3)针对智能矿用电铲自动化挖掘过程对典型挖掘轨迹的要求,考虑到矿用电铲结构与其可执行挖掘轨迹之间的相互作用特点,提出一种对其结构与轨迹进行同步处理的一体化设计方法(Codesign);由于当前的轨迹设计方法难以满足Codesign方法的同步性要求,首先建立一种基于RBF代理模型技术的挖掘轨迹设计方法,从而将传统时序问题转化为空间点集问题;进而建立矿用电铲面向典型堆面的Codesign方法通用模型,结果相比于传统顺序设计方法能耗降低7.85%;并实验验证Codesign方法的优越性4)为实现智能矿用电铲对复杂堆面的自动化挖掘,基于离散化思想建立一种把传统最优控制问题转化为非线性规划问题的轨迹在线快速规划方法:并通过数值实验验证该方法针对不同类型复杂堆面的快速规划能力,结果显示其能在确保合适能耗与足够满斗率的情况下保持较高的计算效率,用时均低于10s,证明了该方法的高效性与高适用性。