第 1 章 绪论
1.1 研究的背景及意义
自新中国成立以来，国家的综合实力日益增强，中国工程机械制造业在政府政策的激励下不断发展。中国工程机械制造业包括18 个小行业，挖掘机就是其中之一。在核心技术方面，中国工程机械比西方发达国家落后 10-15 年，处于国际先进水平的产品只有一小部分，然而以国产挖掘机为代表的一批工程机械产品，以高的性价比得到了许多发展中国家的一致好评[1-2]。近几年来，一方面工程机械行业的良好发展带动了挖掘机行业高速发展，使其成为整个工程机械行业中产量和销量增长速度最快的机种之一。另一方面是因为自实施改革开放的基本国策以来，中国的经济和综合实力飞速发展。尤其是近年来，国家在交通、能源、水利和环保等方面实施了一系列重点项目，拉动工程施工量大幅增长，极大的促进了挖掘机产业的发展。最近几年，中国挖掘机的销售量一直处于世界领先水平；此外，随着许多国际著名的挖掘机公司在中国的建厂，中国挖掘机的年产量已经可以与老牌挖掘机强国相媲美。在国际市场上，挖掘机是应用范围最广以及市场占有比例最大的工程机械细分产品之一。2008 年挖掘机的年生产量达到 36 万台，世界工程机械 50 强中有 52%的企业生产挖掘机。在 2006 与 2007 年国内挖掘机销量增长速度达到了 40%-60%，2008与 2009 年挖掘机销售量分别为 7.8 万台和 9.5 万台，均比上一年增长 16%和 23%。我国内液压挖掘机行业存在整体技术水平落后，作业环境恶劣，工作载荷变化范围大等问题，导致大量功率被浪费，能量的利用率较低，目前常用来提高作业能力的方法是增大整机的装机功率[3-6]。因此，提出一种使挖掘机在作业时能量消耗低、挖掘效率高以及作业能力更强的方案，对于促进液压挖掘机综合性能的提升具有重要价值。挖掘机具有应用范围广，保有量大，创造高经济价值的特点，在工程机械领域占据十分重要的地位。液压挖掘机具有较大的社会需求和较高的技术含量，是工程机械行业的标志性产品。然而，液压挖掘机的挖掘效率和能耗问题一直是世界各国亟待解决的问题，国家十二五计划就特别强调要加快重点工程项目的实施，大力推广高效节能产品的开发和普及。本项目以挖掘机斗齿为研究对象，利用仿生学原理与逆向工程技术，仿照土壤动物獾的爪趾，设计出具有挖掘效率高，使用寿命长的铲斗的斗齿，不仅能给用户带来经济效益，而且还为国家能源的节约贡献力量。
........
1.2 国内外研究现状
1.2.1 挖掘机斗齿的研究现状
挖掘机是用铲斗上的斗齿切削土壤并装入斗内，装满土后提升铲斗并回转到卸土地点完成卸土，然后再使转台回转、铲斗下降到挖掘面，进行下一次挖掘[7-10]。挖掘机是工程机械的主要产品之一，具有较高的技术含量， 并被广泛应用于矿山开采、道路施工、国防建设、农业水利等基本建设之中。铲斗是挖掘机在工作过程中的主要耗能部件[11-12]。它是挖掘机工作装置( 铲斗、斗杆、动臂) 3 大部件之一，是主要的承载件，其中斗齿是铲斗上最关键的部位，斗齿位于挖掘机铲斗的末端，是其主要触土部件。工作时，斗齿以一定角度楔入土壤，破坏土壤界面层，使铲斗以较小的阻力进入土壤，其性能直接影响挖掘机铲斗乃至挖掘机的挖掘性能，减小斗齿土壤切削阻力可有效提高挖掘机的挖掘效率。常见的几种提高斗齿性能的方法有改进斗齿构形、提高斗齿材料的耐磨性以及优化斗齿的挖掘轨迹等[13-15]。斗齿结构主要包括安装角度、斗齿形状等，可以通过仿真软件模拟斗齿工作环境，并根据模拟结果优化斗齿结构，以增强斗齿的机械性能，延长使用寿命。近年来，ESC0 公司开发出应用于不同工作环境的斗齿，如 A 型、C 型、P 型、F 型和 H型等[16]，并简化了斗齿的安装形式，提高了工作效率，降低了企业生产成本。杨烈等将横装式斗齿卡销上的卡簧改成压缩弹簧以及在齿座与齿套间加硅油橡胶减振垫套弥合间隙（图 1.1、图 1.2），一方面可以减小冲击力对液压和电器系统的影响，有效减少齿座与齿套之间因相互作用产生的粘着氧化，防止生锈；另一方面可以防止齿销脱落，具有防脱自锁功能[17]。
..........
第 2 章 獾爪趾轮廓曲线的提取与斗齿模型的建立
2.1 獾爪趾简介
如图 2.1 所示，獾爪趾的内外轮廓由两条光滑的曲线组成，趾尖呈圆弧状，这更利于其刺入土壤。其中 a 是爪趾的长度，即趾尖到趾根的距离，a 的长度范围为21.8-26.1mm；b 是爪趾根部的长度，长度范围为 6.2-6.9mm。所以，a/b 的取值范围是 3.16-4.21。
........
2.2 獾爪趾轮廓曲线的提取及拟合
利用手持式三维激光扫描仪（Handyscan700，加拿大 creaform 公司生产），获取獾右前爪三个爪趾的三维点云，即外形轮廓。将扫描结果导入逆向工程软件中，经过去除孤点、修剪、去除特征、填充孔、减少噪声、划分网格、构造曲面、构造格栅以及拟合曲面等一系列处理得到NURBS曲面，最终将处理结果以igs格式导出。再将此文件导入三维设计软件 Solidworks13 中，生成实体模型，将实体模型放大 20倍，建立基准面获取獾爪的纵剖面，并在纵剖面上建立基准坐标系，在其纵剖面轮廓曲线处取点。将获取的数据点坐标输入到 Origin8.0 软件中，进行曲线拟合，得到獾爪趾内外表面的拟合方程。
2.2.1 三维激光扫描仪及逆向工程介绍
逆向工程(reverse engineering，RE)也被称为反求工程，是相对于传统的产品设计流程即正向工程(forward engineering，FE)而提出的[64-67]。 逆向工程是指根据实物模型测得的数据构造出 CAD 模型，继而将这些模型和设计表征用于产品的分析和制造，并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或优化，以满足后续的加工要求，是从数字化点的产生到CAD模型的一个推理过程[68]，如图 2.2 所示。三维扫描仪大体分为接触式和非接触式两种类型，其中非接触式三维扫描仪又分为光栅三维扫描仪和激光扫描仪。而光栅三维扫描又有白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描仪又有点激光、线激光、面激光的区别。数据采集的途径主要有接触测量和非接触测量，接触测量需要利用传感器去接触被测物体表面从而获取被测点的具体位置，其测量精确性较高，但测量效率却很低，而非接触测量在保证测量效率的同时，还能够测量足够多细节信息[69]。本文对獾爪趾表面进行数据采集采用手持式三维激光扫描仪（非接触测量方式），如图 2.3 所示。
...........
第 3 章 斗齿的静力学仿真试验...... 19
3.1 本章简介 ............ 19
3.2 斗齿切削过程分析...... 19
3.3 斗齿的静力学仿真试验 ....... 21
3.4 仿真结果与分析.......... 23
3.5 本章小结 .......... 32
第 4 章 斗齿入土试验仿真与土壤切削试验..... 33
4.1 本章简介 ............ 33
4.2 斗齿入土试验仿真...... 33
4.3 仿真结果及分析.......... 36
4.4 土壤切削试验..... 37
4.4.1 试验设备及方法 .......... 37
4.4.2 土壤切削试验结果与分析 ............ 38
4.5 本章小结 ............ 39
第 5 章 斗齿挖掘试验............. 41
5.1 本章简介 ............ 41
5.2 试验设备及方法.......... 41
5.3 斗齿挖据土壤工作原理 ....... 44
5.4 试验结果及分析.......... 46
5.5 本章小结 ............ 50
第 5 章 斗齿挖掘试验
5.1 本章简介
本章节主要进行挖掘试验台的搭建，将挖掘机斗齿试样安装在扭矩传感器的一端，测定挖掘机斗齿挖掘土壤时的扭矩[93-95]。由于斗齿的工作轨迹是一条曲线，工作阻力很难测定，所以通过测定斗齿挖土时的扭矩来反映阻力的大小。挖掘试验台主要有交流电机﹑皮带轮﹑联轴器﹑扭矩传感器﹑斗齿﹑变频器﹑扭矩功率仪和计算机等几部分组成，如图 5.1 所示。通过变频器将交流电机的转速调整到预期值，并驱动小带轮转动，小带轮与大带轮之间通过 V 带传递能量，大带轮驱动动力轴转动，这样安装在传动轴末端的斗齿转动，并进行挖掘土壤。在挖掘机斗齿和大带轮之间安装有扭矩传感器，扭矩传感器两端安装有联轴器，与传动轴连接。这样挖掘机斗齿旋转挖土时，扭矩传感器就可以接收到传动轴的信息，并将信号传递给扭矩功率仪，扭矩功率仪的工作平面上即可以显示出转速﹑扭矩等信息。扭矩功率仪通过数据线 RS232 将数据传递到计算机，计算机通过串口助手软件记录扭矩的数值。
.........
结论
为解决挖掘机斗齿入土阻力大，易断裂的问题，该文利用 Handyscan700 扫描仪获取獾右前爪中趾表面的三维点云，提取獾爪趾的侧面轮廓曲线，并进行拟合得到曲线方程，将获取的曲线方程运用到斗齿的设计中，利用三维软件建立斗齿模型。运用有限元分析软件对仿生斗齿和 80 型斗齿的力学性能和切土过程进行数值模拟，对比分析了力学性能的差异以及能量损耗与切土深度的关系。采用快速成型加工技术加工出了仿生斗齿与 80 型斗齿试样。利用电子万能试验机对 4 种试样进行了楔土试验，测定了楔入阻力与楔入深度的关系。以下是本文得出的主要结论：
（1）将获得的拟合曲面导入到三维建模软件 Solidworks 2013 中生成实体，建立基准参考面，并获得獾爪趾的纵剖面，并在纵剖面上建立基准坐标系，在其纵剖面轮廓曲线周围拾取坐标点，将获取的数据点坐标输入到数据处理软件 Origin8.0 软件中，进行曲线拟合，得到獾爪趾内表面曲线拟合方程。
（2）当施加在 80 型斗齿和仿生斗齿上的正压力相同时，80 型斗齿受到的最大等效应力值最大，仿生斗齿 3 次之，仿生斗齿 2 更小，仿生斗齿 1 最小，且随着施加在斗齿工作面压力值的增大，斗齿受到的最大等效应力亦随之增大，且呈现正比例关系。80 型斗齿材料发生塑性屈服是的正压力是 10MPa，仿生斗齿 1﹑仿生斗齿2 和仿生斗齿 3 的分别是 14MPa﹑12MPa 和 11MPa，说明以獾爪趾为原型设计的仿生斗齿力学性能较优，失效的可能性较小。
（3）斗齿最大等效形变量的位置是斗齿安装端的内部。当施加在 80 型斗齿和仿生斗齿上的正压力相同时，80 型斗齿的最大等效形变量最大，仿生斗齿 2 次之，仿生斗齿 3 更小，仿生斗齿 1 最小，说明仿生斗齿更不易变形，不易发生疲劳破坏，更加安全。随着施加压力的增大斗齿的最大等效应变量亦随之增大，且呈现正比例关系。
..........
参考文献（略）