机械式挖掘机具有剥离力强、工作效率高和施工灵活等优点,因此在露天矿山开采中被广泛的使用。随着中国经济的发展,我国矿石的需求量快速增长。面对矿藏挖掘高效率、低成本的要求,机械式挖掘机需要不断的更新和改进。本文以抚矿集团FWK-4A机械式挖掘机的工作装置为研究对象,对工作装置进行设计和优化,由原来的4.6m3机械式挖掘机改进为5.6m3机械式挖掘机。本文主要研究内容为:（1）首先对机械式挖掘机在挖掘过程中的挖掘阻力进行了分析与计算,确定了机械式挖掘机的四种工况和5.6m3机械式挖掘机工作装置的参数。然后计算出四种工况下需要的提升力和推压力,进而得到提升与推压电机的功率。最后为了方便设计,编写了 5.6m3机械式挖掘机计算系统。（2）参照原有结构建立5.6m3机械式挖掘机工作装置的三维模型,使用Ansys软件对四种工况下的铲斗、斗杆、动臂进行了静力学分析,确定了高应力所在的危险位置。通过静力学分析,得出工作装置原有结构不能满足5.6m3机械式挖掘机的工作要求,需要进行改进的结论。（3）对工作装置的铲斗以及斗杆进行结构优化。使用workbench对铲斗参数化建模后,分析了吊耳孔位置和铲斗最大应力、总形变之间的关系,确定了铲斗吊耳孔的最佳位置。同时改进了铲斗危险位置处的零件结构,对铲斗进行重新建模和静力学分析。对于斗杆所受弯矩进行了分析,依据等强度原理对斗杆进行重新设计,建立等强度斗杆的三维模型并且进行静力学分析。优化后的铲斗安全系数为1.54,斗杆为2.05,满足要求。（4）针对动臂轻量化设计,提出了代理模型与差分进化算法相结合的优化方法。首先通过拉丁超立方设计方法得到训练点和测试点,建立了多项式响应面模型、径向基函数模型、克里金模型以及谢别德模型,依据评价标准确定了动臂质量、最大应力、总形变的模型类型。然后使用差分进化算法确定满足最大应力以及总形变约束条件下动臂质量最小时的设计参数并且进行了验证。此外,对代理模型优化后的动臂进行拓扑优化。经过差分进化算法优化和拓扑优化后,动臂的总质量一共降低了 12.8%,且强度和刚度均满足设计要求。（5）对斗杆和动臂分别进行了模态分析。结果表明,斗杆和动臂不会和工作装置中的推压电机和提升电机产生共振现象。由于优化后机械式挖掘机的质量发生了改变,为了防止倾覆进行了稳定性分析。