大型矿用挖掘机工作效率高、施工稳定性好、环境适应能力强,一直被广泛应用于煤矿、铁矿等露天矿场的作业中。但是长期以来挖掘机的操作完全依赖工人经验,不仅挖掘效率低,而且挖掘能耗高。因此针对大型矿用挖掘机的优化设计已逐渐成为各国相关研究机构的研究热点。传统的挖掘机优化设计主要是针对前端工作机构的轻量化设计,以主要机械结构尺寸为设计变量,以重量为优化目标,以应力和疲劳寿命为约束条件;而控制优化上,多是在取得最优结构之后,进行最优控制设计。这种设计方法往往只能实现结构设计或控制参数的局部最优,而不能实现二者同时最优。因此,本文提出了一种挖掘能耗最低、挖掘效率最高的优化方法,并在综合考虑矿场料堆堆角分布的基础上,对挖掘机前端工作装置结构参数和控制参数进行了一体化优化设计。本文主要研究内容如下:首先,深入研究了挖掘过程中铲斗与被挖掘物料之间相互作用阻力特性,并综合考虑了物料和铲斗重力、铲斗与物料间的摩擦力以及挖掘速度和铲斗两侧物料对挖掘阻力的影响,构建了一种大型矿用挖掘机的动态挖掘阻力计算模型。通过与实际挖掘阻力进行对比,此模型具有较高精度,可以满足后续挖掘机的优化设计需求。其次,深入研究了大型矿用挖掘机的挖掘轨迹数学模型,分析了传统挖掘机轨迹规划中对数螺旋线轨迹理论的不完善之处,并结合机构运动学方法对挖掘机提升速度和推压速度进行合成与分解,从而得到了与挖掘机控制参数相关的挖掘轨迹数学模型。并依托新的挖掘轨迹模型,进行了切削角、挖掘后角、挖掘厚度、挖掘体积等数学模型的推导。再次,运用提出的挖掘阻力计算模型,从多种不同堆角的料堆出发,以挖掘单位质量物料的能耗与单次挖掘作业时间的乘积为目标函数,综合考虑结构和性能约束建立优化模型。并应用于WK-55挖掘机的控制参数优化,得到了挖掘不同料堆时的最优控制参数。最后,分析了影响挖掘机性能的主要结构参数,并以结构参数和控制参数为设计变量,以挖掘机针对堆角为38~?、43~?、48~?的料堆进行挖掘作业时的单位挖掘能耗和挖掘时间的乘积为优化目标函数,在考虑挖掘机性能参数和挖掘工艺参数约束的基础上进行了优化设计。相对于传统的挖掘机优化设计方法,将结构参数和控制参数一同优化的思路可以取得更好的优化结果。