液压挖掘机是现代工程施工中的核心装备之一。其具有结构紧凑、操控灵活、作业能力强、工作效率高、功能复合性强、适用范围广等诸多优点,已广泛应用于农田水利、交通运输、应急救援和勘探采掘等工程领域。然而,实际作业过程中常出现的挖掘能力不足、“挖不动”、排放高、关键结构件早期失效破坏等现象不仅降低了工程施工效率,也制约了挖掘机向高性能、低污染、长寿命方向发展。挖掘过程中铲斗所受负载具有不确定性多变特性,而现有的挖掘性能评价理论与方法和指导挖掘机工作装置机构、结构设计和操作方式、挖掘轨迹评估的准则不能反映这种不确定性是造成上述现象发生的主要原因之一。另外,不合理的操作方式或挖掘轨迹也是造成挖掘机潜在性能难以充分发挥、关键结构件损伤及挖掘过程耗能低效的一个重要原因。因此,研究液压挖掘机挖掘性能综合量化评估理论与方法及其在挖掘机设计与轨迹规划中的应用,具有很高的理论意义及工业应用价值。本论文从探索铲斗—土壤互作用机理入手,建立了完整的挖掘过程动力学模型;并基于铲斗负载特性构建了挖掘性能综合评价体系,形成了一套指导液压挖掘机整机作业性能评价,工作装置机构、结构优化设计,操作方式评估和轨迹分析、规划的通用准则;最后研究了面向高性能挖掘机工作装置设计及高性能挖掘轨迹操作实现的理论与方法。本论文的具体研究内容和主要研究成果如下:1)研究集成铲斗—土壤互作用机制的挖掘过程动力学模型。基于经典土壤力学原理,建立了全面囊括相关影响因素的铲斗—土壤互作用集总参数模型,导出了铲斗阻力空间切向挖掘阻力、法向挖掘阻力和阻力矩的统一解析表达式,揭示了挖掘阻力和阻力矩产生的内在机理;通过将切向挖掘阻力、法向挖掘阻力和阻力矩解析表达式与工作装置多刚体系统动力学模型集成,建立了完备的挖掘过程动力学模型,并将动力学仿真结果与合作企业的36t反铲液压挖掘机水平面自由挖掘过程的实验测试结果进行对比,验证了所建立模型的正确性和有效性。该部分研究为铲斗负载特性分析,静、动态挖掘能力计算,挖掘过程动力学轨迹规划奠定了理论基础。2)构建反铲液压挖掘机挖掘性能综合评价指标体系。研究了铲斗阻力空间负载作用的不确定特性,得出了负载惯常作用区间。在综合考虑液压缸驱动力限制、整机稳定与附着限制以及负载惯常作用区间限制的前提下,建立了基于可行域构造法的挖掘能力计算模型,提出了惯常挖掘能力多边形和惯常挖掘能力多面体的概念,并在此基础之上,构建了挖掘性能综合评价指标体系,实现了对挖掘机挖掘能力、机构机械效率、机构与液压系统匹配程度、各限制因素对挖掘能力发挥影响程度等性能的量化表达,并且该体系囊括了适用于单一挖掘姿态和全工作域的性能指标,从而为挖掘机整机性能分析、工作装置设计、操作方式评估和挖掘轨迹分析与规划提供了通用准则。3)研究挖掘性能综合评价指标体系在高性能工作装置机构设计中创新应用的理论与方法。分别提出了以基于挖掘能力多边形定义的性能指标为设计准则和以基于惯常挖掘能力多面体定义的性能指标为设计准则的工作装置机构优化模型,模型的目标函数为最大化包括液压挖掘机的整机挖掘能力、主动工作液压缸驱动力充分发挥比例的性能指标以及包括工作装置力传动效率和机构与液压驱动力匹配特性的机构设计合理性指标。两个优化模型中,前者能够反映二维铲斗力全空间各向挖掘性能,适用于面向不确定性、非结构化环境及复杂作业工况的工作装置机构优化设计;后者则偏向于反映与负载惯常作用区间相匹配的三维铲斗力空间的挖掘性能,因此该模型适合于面向常态挖掘且主要施力空间性能提升的工作装置机构优化设计。两个优化实例的结果均表明优化后的工作装置机构具有更优越的综合挖掘性能。4)研究基于任务空间的最佳挖掘性能动力学轨迹规划理论与方法。基于可行域构造法,在考虑挖掘力和挖掘力矩做功限制条件下,提出了动态挖掘性能量化模型及指标;采用B样条曲线参数化任务空间轨迹,在任务空间至关节空间逆运动学模型中引入自运动参数,轨迹规划过程中通过对B样条控制点及自运动参数的调整,实现对任务空间及关节空间轨迹的联合调控,增强了任务导向功能;建立了面向最佳挖掘性能主动操作实现以及面向实际作业过程智能化实现的动力学轨迹规划模型,并分别实现了最大化理论挖掘效率和最短时间、最低能耗、最小机械损伤的动力学轨迹规划,得到了相应的最佳挖掘轨迹。5)提出基于极限理论挖掘能力模型的全参数化工作装置结构高强度轻量化设计方法。基于惯常挖掘能力多面体,提出了极限理论挖掘能力计算模型;建立了全参数化工作装置优化模型与系统;探寻了在国标GBT9141-88规定的四种典型工况下,工作装置动臂和斗杆结构最大应力随惯常挖掘能力多面体内极限理论挖掘力和挖掘力矩(或挖掘阻力系数和阻力矩系数)的变化关系;采用最大应力评价法和优化法分别确定了动臂和斗杆结构的危险工况和设计载荷;采用混合离散变量遗传算法展开工作装置结构优化,设计出了能够适应于不确定性多变负载条件的质轻高强的工作装置结构,解决了以传统设计载荷为依据得出的工作装置结构因强度不足而容易发生早期失效破坏的问题。