液压挖掘机的优化设计主要集中在挖掘作业装置的哪些方面

优化设计是指机械设计理论与优化数学、计算机相互结合而形成的一种现代设计方法。它在机械设计领域中日益起着重要的作用,是机械设计的主要发展方向之一。在机械设计中采用优化设计能显著改善产品性能,降低产品成本。优化设计是机械设计中的一种崭新的现代化设计方法,它将机械设计问题抽象成为一个优化问题的数学模型,即根据机械设计理论建立起满足设计要求的数学表达式,利用数学中的优化方法,对这个数学模型求解,即选用适当的优化方法,利用计算机自动寻找最优方案。

优化设计的基本思路:将工程问题即优化设计所规定的格式建立数学模型,根据设计要求确定设计变量,即设计中必须最后确定的各个参数;从实际工程出发,根据设计变量的各种限制确定约束条件,主要包括不等式约束和等式约束;建立设计变量关系的数学表达式,确定优化目标函数,在建立优化设计数学模型的过程中,设计变量、日标函数相约束条件组成了优化设计同题的数学模型;选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解,得到工程设计问题的最优设计方案。

目前,对于液压挖掘机的优化设计主要集中在挖掘作业装置的性能优化方面,如作业范围、挖掘力特性等方面,进而对挖掘作业装置的机构、液压缸的布置进行优化设计,国内许多大学(如浙江大学、重庆大学等)开发了液压挖掘作业装置的优化设计软件;也有的开展了挖掘作业装置的结构优化设计工作,如:利用有限元方法及优化设计方法来提高结构强度,减小其结构质量和降低能耗等。

可靠性设计，可靠性设计( reliability design)是指以概率论和数理统计为理论基础,以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据,以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。可靠性设计是近几十年发展起来的一门重要学科,从20世纪60年代以来逐渐进入机械工程领域。可靠性是产品的一种属性。零件的可靠性设计是指在规定的时间内,规定的条件下,完成规定功能的能力。它将常规设计方法中所涉及的设计变量,如材料强度、疲劳寿命、尺寸、应力等看成服从某种分布的随机变量,根据产品的可靠性指标要求,用概率统计的方法得出零部件和元器件的主要结构参数和尺寸。

可靠性设计的基本思路是:在传统优化设计的基础上,将设计对象的设计荷载参数、材料性能、强度、零部件尺寸等与设计有关的参数、变量等处理为服从某种统计规律的随机变量,按可靠性设计准则建立概率优化数学模型,应用概率与数理统计理论及强度理论求出在给定设计条件下零部件产生破坏的概率公式,并应用这些公式,求出在给定可靠度下零部件的尺寸、寿命等,使其不仅符合工况运行要求,而且得出最优的设计参数。这样既弥补了常规设计和传统优化设计的不足,又使得设计方案更加贴近生产实际。目前,该设计方法广泛应用于飞机、汽车等重要产品及其他机械产品内重要部件的设计过程中。

通常液压挖掘机的可靠性设计包括以下几个方面的内容。(1)收集数据根据使用要求确定挖掘机的可靠性定量指标(如可靠度、平均无故障时间、失效率、可用度等),收集零部件的失效数据,确定系统的寿命周期。(2)系统可靠性建模系统常用的可靠性建模方式有:串联系统建模、并联系统建模、混联系统建模、k/n系统建模和储备系统建模。可通过这些数学模型并采用适当的算法来计算液压挖掘机系统的可靠性。(3)可靠性的分配可靠性分配的目的是提高产品设计质量、节约产品设计制造费用和时间。分配的原则根据机械产品各单元技术水平、复杂程度、重要程度及相关费用等条件来决定,总的来说都是为了获取系统的最高可靠性。现在常用的分配方法有等分发、再分发、 Agree分配法、相对失效法和相对概率法。(4)可靠性预测预测单元(机械单元、电气单元或混合单元)的可靠性,首先要确定单元的基本失效率,它们是在一定的环境条件下得出的,设计时可以从相关的手册、资料中查得,然后确定各单元的应用失效率。

液压挖掘机是一个集机械单元、动力单元、操作单元、电气单元和液压单元为一体的复杂系统,系统的可靠性设计是一个难点。可靠性设计的目的就是通过定量计算来分配和评价系统的可靠性,找出系统中可靠性最低的环节,并加以提高,从而提高整个系统的可靠性。如:工程机械整机故障的70%~80%是液压单元造成的,因此液压单元的可靠性往往对整机的可靠性产生很大的影响,如何进一步提高工作装置液压单元的可靠性水平是一个极具现实意义的课题。一些专家认为,未来机械产品竞争的焦点是可靠性、维修性、可用性和安全性。可靠性设计技术已逐步成为现代设计技术的一个重要组成部分。