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液压挖掘机是土方机械的一种,在建筑施工、水利工程及矿山开采中可进行基坑、沟槽、表面剥离等作业,因此在各类工程机械中具有十分重要的地位。如果更换其工作装置,还可利用它进行破碎、装卸、起重、打桩、拆除等作业。所以,其工作装置的设计质量决定了整机的性能优劣。工作装置工作时的失效在很大程度上是由于设计不合理造成的,究其原因在于传统的设计方法和手段不能适应工程需要,基于目前对挖掘机工作装置设计中运动学及动力学优化研究的共性问题,本文以某型号的反铲液压挖掘机作为研究对象,通过编程对工作装置的作业性能进行了可视化分析,并对其进行了性能参数和结构的运动综合优化研究。应用Matlab软件的GUI设计,完成了“反铲挖掘机工作装置可视化分析与优化设计”模块,主要研究内容如下:(1)运用Denavit-Hartenberg奇次坐标变换方法建立了工作装置的运动学理论数学模型,得到其关键铰点位置的位姿?,,?TX Y Z的函数表达式。并通过几何法分析了工作装置三大部件的运动状况,利用各铰点间的作用关系,建立D-H坐标系,运用Lagrange建模方法建立工作装置的动力学模型,并求解出了其函数表达式。并在MATLAB环境下编写运动学仿真程序,为其设计了GUI界面,为后续章节的可视化性能分析和混合算法综合优化做了必要准备。(2)在PRO/E中运用经典的bottom-up建模设计方法,构造了工作装置的三维模型,装配后将其导入ADAMS中建立工作装置的虚拟样机,进行虚拟样机运动学仿真试验和研究,同时通过运动学数学模型在MATLAB环境下编写了运动仿真GUI模块,与虚拟样机仿真结果相符。(3)建立了斗杆液压缸和铲斗液压缸的理论挖掘力模型,同时在充分考虑挖掘阻力,油缸的闭锁,整机的稳定性和地面附着性能等限制条件下,重新推导了斗杆挖掘和铲斗挖掘的整机理论挖掘力模型。并分析了在整机理论挖掘力下主要铰接点的最大受力情况,编写了相应MATLAB GUI计算模块,为挖掘性能的可视化分析提供了分析工具与设计手段。以某型号挖掘机为例进行了分析。(4)建立了工作装置综合优化数学模型,在MATLAB环境下使用模拟退火惩罚函数混合算法编写了工作装置优化模块,并针对上一章通过云图分析所提出的问题进行了优化,优化结果表明整机平均挖掘力有了明显的提升,同时,闭锁限制区域有所减少,主动挖掘区域有所扩大,整机作业性能有了大幅提升。将工作装置优化模块设计成GUI用户界面,将优化设计工作进一步模块化与简洁化,通过函数句柄调用挖掘力云图模块与运动仿真模块,可将优化前后结果进行可视化图形对比,简捷直观的了解工作装置作业性能的变化,为采取下一步措施提供了理论依据。