随着我国经济建设的迅猛发展,对重大工程技术装备的需求越来越大,正铲液压挖掘机作为工程机械中重大装备的一种,在面对复杂地质、恶劣工况时优势突出,尤其在大型露天矿山开采、水利建设、国防建设等工程中可发挥重要作用。但因国外知识产权的垄断以及国内研究尚不成熟,导致国内市场正铲挖掘机产品单一。工作装置是正铲液压挖掘机完成各种作业任务最主要的部件,其创新设计在整机性能的提升方面具有不可磨灭的作用。因此,本文对正铲液压挖掘机工作装置进行了构型综合研究,并选取一种新构型展开了性能分析及优化设计。主要研究内容如下:在叠加法基础上将正铲液压挖掘机工作装置构型部分筛选原则作为约束条件,基于平面机构的自由度公式通过添加II级基本杆组的方式对12杆正铲液压挖掘机工作装置展开了构型综合研究。根据添加基本杆组后其两个构件为二副杆、三副杆、四副杆等特征,分五种情况进行了综合,获得了一系列满足自由度要求的12杆工作装置构型。改进的叠加法简化了构型综合的过程,大大降低了构型综合完成后优异构型筛选的工作量。最后从综合结果中选取了一种新构型,针对其多环耦合的结构特点,对其自由度进行了验证。根据正铲液压挖掘机工作装置的运动性质,将其结构分为两大部分:机架、动臂、斗杆、铲斗组成的串联部分和三组液压缸部分。采用D-H法建立了串联部分各关节转角与铲斗末端位姿之间的解析关系式,然后根据液压缸与串联部分之间的几何关系,推导了三组液压缸长度与串联部分各关节转角之间的关系,进而完成了新构型的运动学正解分析,并分析了正铲液压挖掘机的主要作业参数和主要工况下的运动学性能。同时采用力矩平衡法推导了新构型液压缸理论挖掘力、整机理论挖掘力的解析表达式,并分析了主要工况下新构型的主动力。在运动学和挖掘力分析的基础上,将工作装置主要铰接点之间的尺寸参数和液压缸长度作为新构型优化设计的决策变量,综合考虑机构运动学性能和挖掘力建立了5个优化目标函数,根据工作装置的结构特征和关于关节转角的经验公式确定了约束条件,并通过比拟法和经验公式法给出了100吨以上大型正铲液压挖掘机相关尺寸参数取值参考范围。然后采用RW算法对工作装置进行多目标优化设计,获得了优化后的尺寸参数。最后根据优化结果建立了工作装置新构型的三维模型,基于Adams软件对其进行了运动学仿真分析,并与优化前的工作装置进行了对比,结果表明优化后工作装置在动臂举升、斗杆挖掘、水平推压工况下的运动学性能均得到了提升。