随着城镇化建设不断推进,城市建设中的小型土方工程也日益增多。由于小型挖掘机具有移动灵活,功能多样等特点,十分适合在人口密度大、交通复杂的城市环境中作业。因此,小型挖掘机是城市建设中不可或缺的工程机械。然而,目前大部分工程机械都以柴油机作为动力源,利用液压系统控制工作装置,不仅存在油液温升,漏油等问题,由于液压管路较复杂,还导致日常维护保养十分繁琐;同时,液压系统的可靠性及适用范围受作业环境影响和限制较大,同时液压精密元件的制造成本也较高,部分核心液压元器件依旧依赖进口,这些情况都制约了小型液压挖掘机的技术发展和市场推广。针对液压挖掘机存在的上述问题,本文以挖掘机为研究对象,提出了一种新型变胞挖掘机构,通过锁定变胞方式减少了驱动源数量,在不影响工作特性的前提下,缩小了可控机构式挖掘机工作装置的安装空间,使得结构更加紧凑。用电动缸代替液压缸作为驱动源,不仅免去了复杂的液压管路系统,彻底解决了液压工作系统存在的诸多问题,使得维护保养更加方便,还有效地解决了传统挖掘机能耗高,尾气污染严重的问题。本文具体工作内容包括以下几个方面:(1)基于图论对传统挖掘机进行了构型综合,从得到的78种拓扑结构中筛选出最优方案,并对其进行改进,从减少驱动源的目的出发,提出了一种锁定变胞方法,得到本文的新型变胞挖掘机构,并对其进行了三维建模;利用邻接矩阵法对该机构的拓扑结构变换进行了分析,计算了各构态自由度,并通过运动简图描述了各工况运动。(2)利用闭环矢量法建立了该机构各个构态的运动学数学模型,得到了各个构态下位姿、速度等的正逆解方程;将运动学方程的数值计算结果与利用三维软件Creo得到的仿真测量值进行对比,验证了该机构运动学数学模型的正确性。(3)利用拉格朗日方程对该机构的满斗提升工况、铲斗挖掘工况和斗杆挖掘工况进行了刚体动力学分析。以玉柴YC08-8的作业系统参数(见附录)作为参考,通过动力学方程得到驱动力矩及电动缸驱动力的表达式。(4)利用 ANSYS Workbench 中的瞬态动力学模块(Transient Structural),将该机构简化为刚柔耦合多体系统,进行了冲击载荷作用下的力学分析。将挖掘工况分解为斗杆挖掘和铲斗挖掘两个动作进行分析,证明了该机构在满足强度设计要求的前提下,能够顺利完成传统液压挖掘机的动作。