挖掘機的挖掘工作裝置設(shè)計.doc

畢業(yè)設(shè)計挖掘機工作機構(gòu)的設(shè)計the design of excavators working mechanism學(xué)生姓名學(xué)院名稱專業(yè)名稱指導(dǎo)教師20*年05月27日 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計摘要本文設(shè)計的是一種挖掘機的挖掘裝置，在為工業(yè)、民用上有特殊用途的挖掘裝載機，它可以用于煤礦井下狹小空間清理、裝載、運輸?shù)裙ぷ鳎部梢杂糜谝苯?、礦山、隧道建設(shè)等場合的挖掘裝載工作。在本設(shè)計中，通過對國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)的了解和分析，利用任務(wù)書上所給定的挖掘機鏟斗額定裝載載荷，先計算出鏟斗的斗容，而后選用標(biāo)準(zhǔn)容量鏟斗，根據(jù)所選出的標(biāo)準(zhǔn)鏟斗，計算出挖掘機的最大鏟取阻力、最大卸載高度、最小卸載距離等一些設(shè)計所必需用到的量。通過對工作機構(gòu)上九個鉸接點位置的確定來設(shè)計出動臂的模型及動臂上各點的受力，然后計算出舉臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的內(nèi)徑、活塞桿的桿徑，選出標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸。關(guān)鍵詞：鏟斗；液壓缸；動臂；挖掘機abstractin this paper, the design is a mini-excavators, as for the industry, there are special-purpose civilian loading machinery, it can be used in underground coal mines to clear a narrow space, loading, transport, etc., can also be used for metallurgy, mining, occasions, such as tunnel construction excavation work load.in this design, both at home and abroad through the understanding of existing technology and analysis, the use of task books given by the excavator bucket load rated load, calculate the first bucket of the bucket capacity, and then choose the standard size of the bucket, elected in accordance with standard bucket, to calculate the largest excavator shovel access resistance, the maximum unloading height, minimum distance, such as unloading the design used in the volume necessary. through the work of nine institutions to determine the location of hinge points out to design the model and the moving arm arm stress points, and then calculate the fuel tank and to fight the diameter of the fuel tank, the rod diameter rod, the election a standard hydraulic cylinders. keywords: bucket hydraulic cylinder boom excavatori徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計目 錄1緒論11.1課題背景及目的11.2 挖掘機發(fā)展簡史11.3 挖掘機的基本類型11.4 國內(nèi)外研究狀況21.5 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容32 總體方案設(shè)計42.1 工作裝置構(gòu)成42.2 動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式62.3 鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇62.4 液壓挖掘機工礦分析62.5 液壓挖掘機工作裝置設(shè)計要求102.6 液壓挖掘機工作裝置的設(shè)計原則133工作裝置運動學(xué)分析143.1 動臂運動分析143.2 斗桿的運動分析153.3 鏟斗的運動分析163.4 特殊工作位置計算：194 反鏟裝置的設(shè)計224.1 挖掘裝載機工作裝置典型工況分析確定224.2 挖掘裝載機工作裝置的基本參數(shù)的選擇234.3 油缸基本參數(shù)的選擇和計算295 挖掘裝置受力計算和強度計算345.1、挖掘阻力的計算345.1.1鏟斗挖掘阻力的計算345.1.2斗桿挖掘阻力計算355.2 工作液壓缸的理論挖掘力355.2.1鏟斗挖掘時，鏟斗缸的理論挖掘力355.2.2斗桿挖掘時，斗桿油缸的理論挖掘力365.3 整機理論挖掘力365.3.2鏟斗挖掘406 總結(jié)43致謝44參考文獻45461緒論 1.1課題背景及目的挖掘機在國民經(jīng)濟建設(shè)的許多行業(yè)被廣泛地采用，如工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利電氣工程、農(nóng)田改造、礦山采掘以及現(xiàn)代化軍事工程等等行業(yè)的機械化施工中。據(jù)統(tǒng)計，一般工程施工中約有60%的土方量、露天礦山中80%的剝離量和采掘量是用挖掘機完成的。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入和在建設(shè)中挖掘機的廣泛應(yīng)用，挖掘機市場有著廣闊的發(fā)展空間，因此發(fā)展?jié)M足我國國情所需要的挖掘機是十分必要的。而工作裝置作為挖掘機的重要組成部分，對其研究和控制是對整機開發(fā)的基礎(chǔ)。反鏟式單斗液壓挖掘機工作裝置是一個較復(fù)雜的空間機構(gòu)，國內(nèi)外對其運動分析、機構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方面都作了較深入的研究，具體的設(shè)計特別是中型挖掘機的設(shè)計已經(jīng)趨于成熟。而關(guān)于反鏟式單斗液壓挖掘機的相關(guān)文獻也很多，這些文獻從不同側(cè)面對工作裝置的設(shè)計進行了論述。而筆者的設(shè)計知識和水平還只是一個學(xué)步的孩子，進行本課題的設(shè)計是為對挖掘機的工作裝置設(shè)計有一些大體的認(rèn)識，鞏固所學(xué)的知識和提高設(shè)計能力。1.2 挖掘機發(fā)展簡史第一臺手動挖掘機問世至今已有130多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動半回轉(zhuǎn)挖掘機到電力驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動全回轉(zhuǎn)挖掘機、應(yīng)用機電液一體化技術(shù)的全自動液壓挖掘機的逐步發(fā)展過程。由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，20世紀(jì)40年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機，20世紀(jì)50年代初期和中期相繼研制出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機和腰帶式全液壓挖掘機。初期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機各種工況的液壓元件，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定，配套件也不齊全1819。從20世紀(jì)60年代起，液壓挖掘機進入推廣和蓬勃發(fā)展階段、各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產(chǎn)旦猛增。19681970年間，液壓挖掘機產(chǎn)量已占挖掘機總產(chǎn)量的83，目前已接近100。1.3. 挖掘機的基本類型液壓挖掘機也和機械式挖掘機一樣，由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置等三大部分組成1。所以，我們可以從這三大部件的結(jié)構(gòu)特點、功能和通用范圍等方面來區(qū)分它的類型。就液壓挖掘機構(gòu)整機結(jié)構(gòu)而言，全部采用液壓傳動者稱為全液壓挖掘機；部分采用液壓傳動者則稱為半液壓挖掘機(多數(shù)情況下是行走裝置用機械傳功，其余均為液壓傳動。也有機體為機械傳動，而僅工作裝置采用液壓傳動的)；能在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)360o的稱為全回轉(zhuǎn)挖掘機，否則就是非全回轉(zhuǎn)式挖掘機。就工作裝置來說，根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)型式可以區(qū)分為“通用”與“專用”22。般中小型液壓挖掘機都是通用的，多帶有正鏟、反鏟、裝載、抓斗、起重等五種工作裝置。大型液壓挖掘機往往專門用于建筑材料露天礦或其它金屬與非金屬露天礦作裝載和挖掘工作，故只裝正鏟，成為專用；根據(jù)工作裝置的結(jié)構(gòu)特征，可以區(qū)分為鉸接式和伸縮臂式。普通的液壓挖掘機均為鉸接式(動臂、斗桿和鏟斗均可繞鉸點轉(zhuǎn)動，完成各種作業(yè)動作)，而伸縮臂式挖掘機的動臂由主臂和伸縮臂兩部分組成，伸縮臂可在主臂內(nèi)伸縮也可以變幅，臂端裝有鏟斗，適于作平整和清理工作，特別是修理溝坡。就行走裝置的型式而言，液壓挖掘機可以制成履帶式、輪胎式、輪胎履帶式、汽車式和懸掛式。懸掛式挖掘機用拖拉機作底盤，配裝若干個工作裝置(通常是一端裝反鏟、另一端為裝載鏟或推土板)。除上述基本類型外，還有一些結(jié)構(gòu)比較特殊的液壓挖掘機。無行走驅(qū)動裝置的雙輪拖式挖掘機(亦稱步履式挖掘機)制造簡單、價格低廉，特別適用于狹窄地帶和小型土方施工工地；輪胎可以收放的無支腿式挖掘機工作時不用支腿支撐，而將支承轉(zhuǎn)臺的底架全部落地，在360o的范圍內(nèi)自由回轉(zhuǎn)進行作業(yè)。仲縮臂式挖掘機也可裝上鉸接式斗桿，滿足作業(yè)過程中某些腕動式作業(yè)的要求。1.4國內(nèi)外研究狀況當(dāng)前，國際上挖掘機的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化和專用化的方向發(fā)展。國外挖掘機行業(yè)重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料，加快了向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展的步伐。我國己經(jīng)形成了挖掘機的系列化生產(chǎn)，近年來還開發(fā)了許多新產(chǎn)品，引進了國外的一些先進的生產(chǎn)率較高的挖掘機型號1。由于使用性能、技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)上的優(yōu)越，世界上許多國家，特別是工業(yè)發(fā)達國家，都在大力發(fā)展單斗液壓挖掘機。目前，單斗液壓挖掘機的發(fā)展著眼于動力和傳動系統(tǒng)的改進以達到高效節(jié)能;應(yīng)用范圍不斷擴大，成本不斷降低，向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，以提高零部件、配件的可靠性，從而保證整機的可靠性;電子計算機監(jiān)測與控制，實現(xiàn)機電一體化;提高機械作業(yè)性能，降低噪音，減少停機維修時間，提高適應(yīng)能力，消除公害，縱觀未來，單斗液壓挖掘機有以下的趨勢:（1）向大型化發(fā)展的同時向微型化發(fā)展。（2）更為普遍地采用節(jié)能技術(shù)。（3）不斷提高可靠性和使用壽命。（4）工作裝置結(jié)構(gòu)不斷改進，工作范圍不斷擴大。（5）由內(nèi)燃機驅(qū)動向電力驅(qū)動發(fā)展。（6）液壓系統(tǒng)不斷改進，液壓元件不斷更新。（7）應(yīng)用微電子、氣、液等機電一體化綜合技術(shù)。（8）增大鏟斗容量，加大功率，提高生產(chǎn)效率。（9）人機工程學(xué)在設(shè)計中的充分利用。1.5 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機構(gòu)組成挖掘機工作裝置進行設(shè)計。具體內(nèi)容包括以下四部分:(1) 挖機工作裝置的總體設(shè)計。(2) 挖掘機的工作裝置詳細的機構(gòu)運動學(xué)分析。(3) 工作裝置各部分的基本尺寸的計算和驗證。(4) 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。2 總體方案設(shè)計2.1 工作裝置構(gòu)成1-斗桿油缸；2- 動臂； 3-油管； 4-動臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒； 7-側(cè)板；8-連桿； 9-曲柄： 10-鏟斗油缸； 11-斗桿.圖2-1 工作裝置組成圖 圖2-1為液壓挖掘機工作裝置基本組成及傳動示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗5、連桿9、斗桿11、動臂2、相應(yīng)的三組液壓缸1, 4,10等組成。動臂下鉸點鉸接在轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉(zhuǎn)動，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉(zhuǎn)動。挖掘作業(yè)時，接通回轉(zhuǎn)馬達、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮，動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進行第二次挖掘循環(huán)2。在實際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機的。上述過程僅為一般的理想過程。挖掘機工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，可以對工作裝置進行適當(dāng)簡化處理3。則可知單斗液壓挖掘機的工作裝置可以看成是由動臂、斗桿、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機構(gòu)，處理的具體簡圖如2-2所示。進一步簡化得圖如2-3所示。圖2-2 工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖 1-鏟斗；2-連桿；3-斗桿；4-動臂；5-鏟斗油缸；6-斗桿油缸圖2-3 工作裝置結(jié)構(gòu)簡化圖挖掘機的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實質(zhì)是一組平面連桿機構(gòu)，自由度是3，即工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度l1、斗桿油缸長度l2、鏟斗油缸長度l3決定，當(dāng)l1、l2、l3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定2。2.2 動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式動臂采用整體式彎動臂，這種結(jié)構(gòu)形式在中型挖掘機中應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)簡單、價廉，剛度相同時結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕3，且有利于得到較大的挖掘深度。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機采用整體式斗桿。在本設(shè)計中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長度，故也采用整體式斗桿。2.3 鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機的作業(yè)效果影響很大，其應(yīng)滿足以下的要求1：（1） 有利于物料的自由流動。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合于各種物料的運動規(guī)律。（2） 要使物料易于卸盡。（3） 為使裝進鏟斗的物料不易于卸出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應(yīng)大于4，大于50時，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質(zhì)。綜上考慮，選用中型挖掘機常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。圖2-6 鏟斗2.4 液壓挖掘機工礦分析液壓挖掘機的主要運動功能包括以下幾個動作56：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機行走以及其它輔助動作，如圖2-1所示。除了輔助動作(例如整機轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，一般要進行全功率驅(qū)動研究。挖掘機的典型作業(yè)流程：(1)整機移動至合適工作位置；(2)平臺回轉(zhuǎn)，使工作裝置處于挖掘位置；(3)動臂下降，并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置；(4)斗桿、鏟斗挖掘作業(yè)；(5)動臂升起；(6)回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置；(7)操縱斗桿、鏟斗卸載。圖2-1液壓挖掘機的工作運動1-動臂升降；2-斗桿收放；3-鏟斗裝卸；4-轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)；5-整機行走由于液壓挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，對主機的工作有兩項要求：實現(xiàn)各種主要動作時，隨著阻力與作業(yè)速度的變化，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應(yīng)變化；為了充分利用發(fā)動機功率，縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作(例如挖掘與動臂下降、提升與回轉(zhuǎn))同時進行復(fù)合動作。液壓挖掘機一個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復(fù)合主要包括：（1）挖掘：通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進行挖掘，或兩者配合進行挖掘。因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動作，必要時，配以動臂動作。（2）滿斗舉升回轉(zhuǎn)：挖掘結(jié)束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載位置，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。（3）卸載：轉(zhuǎn)到卸載位置時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟斗的復(fù)合動作，兼以動臂動作。（4）空斗返回：卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點，此時是回轉(zhuǎn)和動臂或斗桿的復(fù)合動作。（5）整機移動工況：將整機移動至合適的工作位置。（6）姿態(tài)調(diào)整與保持工況：滿足停放、運輸、檢修等需要。（7）其他輔助作業(yè)工況：輔助工作裝置作業(yè)工況。2.4.1 典型挖掘工況液壓挖掘機典型的挖掘工況包括如下3種。2324(1)鏟斗挖掘工況：由鏟斗液壓缸單獨動作進行挖掘的工況，采用鏟斗液壓缸進行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率，因此，在一般土方工程挖掘中(iii級土以下土壤的挖掘)鏟斗挖掘最常用。(2)斗桿挖掘工況：由斗桿液壓缸單獨動作進行挖掘的工況，在較堅硬的土質(zhì)條件下工作時，為了能夠裝滿鏟斗，中小型液壓挖掘機在實際工作中常以斗桿液壓缸進行挖掘。(3)聯(lián)合挖掘工況：由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動作進行挖掘的工況，必要時還需配以動臂液壓缸的動作。主要用于需要軌跡控制的情況。當(dāng)單獨采用鏟斗液壓缸進行挖掘時，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定鏟斗液壓缸的行程。以鏟斗液壓缸進行挖掘時的挖掘行程較短，為了能夠裝滿鏟斗，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，所以一般挖掘機的斗尖最大挖掘力都在采用鏟斗液壓缸挖掘時實現(xiàn)。當(dāng)單獨采用斗桿液壓缸進行挖掘時，挖掘軌跡以動臂與斗桿的鉸點為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于斗桿液壓缸的行程。當(dāng)動臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進行挖掘時，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。 a-水平地面的挖削； b-斜坡地面的挖削 a-水平地面的切削； b-斜坡地面的切削圖2-2 斗尖直線挖削 圖2-3 地面的切削和壓整一般認(rèn)為斗容量小于0.5m3在土質(zhì)松軟時以轉(zhuǎn)斗挖掘為主，否則以斗桿挖掘為主。這兩種情況的挖掘阻力不同。在實際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)合工作。如在平整土地或切削斜坡時，需要同時操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運動，見圖2-2所示。此時斗桿收回，動臂抬起，需要保證彼此動作獨立，相互之間無干擾。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進行切削時，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時，就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復(fù)合動作，這些動作決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計，見圖2-3所示。當(dāng)進行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進行切削，因此需要回轉(zhuǎn)機構(gòu)和斗桿機構(gòu)復(fù)合動作。單獨采用斗桿挖掘時，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個別也有采用三泵合流。單獨采用鏟斗挖掘時，也有采用雙泵合流的情況。當(dāng)動臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運動時，為了防止同一油泵向多個液壓作用元件供油時動作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個油泵單獨對一個液壓作用元件供油較好。對于雙泵系統(tǒng)，復(fù)合動作時各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進行流量分配，流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅硬障礙物，往往由于挖不動而需要短時間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時增壓，能提高主壓力閥的壓力。2.4.2 滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況滿斗舉升回轉(zhuǎn)的運動約占整個作業(yè)循環(huán)時間的50%70%，能量消耗占25%50%，回轉(zhuǎn)液壓回路的發(fā)熱量占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%50%，因此要求盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)時間。挖掘結(jié)束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)馬達的復(fù)合動作。動臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機相對卸載的位置而變，因此動臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達的回轉(zhuǎn)速度的相對關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動臂的提升速度慢些?；剞D(zhuǎn)起動時，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時應(yīng)該將溢流的油供給動臂。在回轉(zhuǎn)和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進行調(diào)整。這時是回轉(zhuǎn)馬達、動臂、斗桿和鏟斗進行復(fù)合動作。2.4.3 卸載工況回轉(zhuǎn)至卸載位置時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動作，兼有動臂動作。2.4.4 空斗返回工況當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點。此工況是回轉(zhuǎn)馬達、動臂和斗桿復(fù)合動作。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿。發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。特點與滿載回轉(zhuǎn)類似，但轉(zhuǎn)動慣量比滿足時減小。2.4.5 整機移動工況挖掘機一般不作長距離行走，只在工地范圍行走，作業(yè)時用來調(diào)整整機位置。基本要求：左右履帶可獨立操縱，可調(diào)速，具有直線行走功能，具有一定的行走速度(25km/h)和爬坡能力(坡度大約在35o左右)，具有制動能力。在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件(如回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗)進行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達供油、另一個油泵為右行走馬達供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側(cè)行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當(dāng)挖掘機進行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故。為了保證挖掘機的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達分別由一個油泵單獨供油，另一個油泵向其它液壓作用元件(如動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn))供油。對于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式：一個油泵并聯(lián)向左、右行走馬達供油，另一個油泵向其他液壓作用元件供油，其多余的油液通過單向閥向行走馬達供油；雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達和作業(yè)裝置液壓作用元件同時供油。2.4.6 姿態(tài)調(diào)整與保持工況液壓挖掘機工作裝置及其他功能運動的制動與鎖定，要滿足接地比壓要求，并保證合適的停放、運輸尺寸、姿態(tài)及其特殊的檢查姿態(tài)，圖2-4 挖掘機姿態(tài)調(diào)整保持工況圖2.5 液壓挖掘機工作裝置設(shè)計要求液壓挖掘機工作裝置由動臂機構(gòu)、斗桿機構(gòu)、鏟斗機構(gòu)三部分組成，是一種具有多自由度的工程機械。這些主要機構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向，外負載變化很大，工作條件惡劣，沖擊和振動多，因此對液壓挖掘機的工作裝置提出了較高的設(shè)計要求。根據(jù)液壓挖掘機的工作特點，其工作裝置的設(shè)計需要滿足以下要求。2.5.1 幾何尺寸要求液壓挖掘機工作裝置的幾何尺寸要求滿足一定的作業(yè)范圍和合適的運輸尺寸，挖掘機作業(yè)范圍圖如圖2-5，幾何尺寸之間要求不要干擾。 圖2-5 挖掘機作業(yè)范圍主要挖掘區(qū)域rmax-最大挖掘半徑；hmax-最大挖掘深度工作裝置的幾何尺寸要求滿足合理的挖掘力分布特性，在整個作業(yè)范圍內(nèi)的任何位置都要求實現(xiàn)最大挖掘力并不經(jīng)濟，而要求挖掘機在主要挖掘區(qū)內(nèi)能實現(xiàn)最大挖掘力。主要挖掘區(qū)是指用最合理最經(jīng)常的挖掘方式，最經(jīng)常進行挖掘的區(qū)域。對液壓挖掘機來說最合理最經(jīng)常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向機身運動的挖掘方式，用這種方式挖掘充斗效率高，循環(huán)時間短，也便于卸土，裝車，司機視野無阻，因此生產(chǎn)率高而又安全。最經(jīng)常的挖掘區(qū)域大致為圖2-5的灰色部分。作業(yè)范圍圖(如圖2-5所示)有部分區(qū)間深入到挖掘機停機點地下，這一范圍的土壤雖能挖掘，但可能引起土壤的崩塌而影響挖掘機的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)以外一般不使用。此外，工作裝置的幾何尺寸還必須滿足停放和行走時的整機穩(wěn)定性要求。2.5.2 運動和動力特性要求液壓挖掘機各功能運動的動力特性要求和常見復(fù)合運動要求，如表2-1和2-2所示。表2-1各功能運動的動力特性要求一覽表功能運動名稱應(yīng)用工況功率需求變速要求制動及鎖定要求鏟斗正轉(zhuǎn)挖掘、姿勢調(diào)整大不大鏟斗反轉(zhuǎn)卸載、姿勢調(diào)整不大不大最好有鎖定斗桿正轉(zhuǎn)挖掘、姿勢調(diào)整大高最好有鎖定斗桿反轉(zhuǎn)姿勢調(diào)整不大較高最好有鎖定動臂舉升舉升、姿態(tài)調(diào)整較大高動臂下降姿態(tài)調(diào)整、輔助作業(yè)一般較高回轉(zhuǎn)運動挖掘與卸載轉(zhuǎn)位高高行走運動場內(nèi)轉(zhuǎn)位、調(diào)整作業(yè)位置高高表2-2常見復(fù)合運動要求一覽表復(fù)合運動應(yīng)用工況特點與要求說明鏟斗正轉(zhuǎn)+斗桿正轉(zhuǎn)復(fù)合挖掘功率需求大、變速要求高鏟斗反轉(zhuǎn)+斗桿反轉(zhuǎn)卸載功率需求較小斗桿正轉(zhuǎn)+動臂舉升平整土地要求操縱興性能好動臂舉升+回轉(zhuǎn)運動挖掘與卸載轉(zhuǎn)位功率需求大，變速要求高，動力分配可調(diào)整動臂下降+回轉(zhuǎn)運動返回向挖掘處兩者載荷差別大、速度要求高2.5.3 結(jié)構(gòu)強度要求液壓挖掘機結(jié)構(gòu)強度是工作裝置設(shè)計的關(guān)鍵之一，工作裝置的結(jié)構(gòu)和所承受的載荷是十分復(fù)雜的。要求滿足工作裝置各部分的受力的情況下，保證工作裝置的強度和剛度特性。在設(shè)計液壓挖掘機的工作裝置時，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增加了構(gòu)件強度，而且縮短制造周期，降低了成本。要求動臂下支點及動臂油缸支承在平臺主梁的整塊鋼板上，這不僅增加構(gòu)件強度而且減少焊接，而且防止焊接變形。斗桿要求采取整塊鋼板下料。為了減少焊接變形及焊接應(yīng)力，要求采用型鋼及壓型等結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)件設(shè)計中為求等強度，要求采取局部加強的措施。動臂、斗桿要求改為焊鑄結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力較高的部位以鑄代焊，這樣大大提高了結(jié)構(gòu)件的沖擊和疲勞強度。為確保焊接強度，要求所有鉸接部均采用鑄鋼件。結(jié)構(gòu)件的破壞主要是由于沖擊疲勞，因此實際破壞時常不在負荷最大部位，而是應(yīng)力集中部位。為減少應(yīng)力集中，應(yīng)使焊縫與應(yīng)力集中部位錯開，在主要受力鉸接支承處采用鑄鋼件。2.5.4 經(jīng)濟性要求液壓挖掘機經(jīng)濟性評價指標(biāo)有能量指標(biāo)、作業(yè)循環(huán)時間減小、機重輕、延長維修周期和挖掘機壽命周期、加快維修進度和降低維修費用、司機操作的舒適性等。能量指標(biāo)(即消耗于單位土方的能量)雖不宜作為評價土方機械技術(shù)經(jīng)濟效率的通用準(zhǔn)則，但由于工作裝置單位重量和價格相對整機而言都較小，常用能量指標(biāo)來表征工作裝置結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化的程度，這種符合能量指標(biāo)的工作裝置應(yīng)能完全滿足技術(shù)與使用要求，且足夠可靠。從能量指標(biāo)角度來看，要求液壓挖掘機的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度高。決定挖掘機生產(chǎn)率的基本因素是工作循環(huán)時間包括挖掘時間、向卸載點運行時間、卸載時間、向工作面返回時間。挖掘時間取決于挖掘速度的高低(合理值約為0.75m/s)，過高的挖掘速度將增加操作人員的緊張和疲勞程度。為減少運行時間和返回時間應(yīng)在允許的情況下盡量減小回轉(zhuǎn)角?；剞D(zhuǎn)角的合理范圍一般為70o180o，最佳角度為90o?；剞D(zhuǎn)角度過小時，由于達不到最大回轉(zhuǎn)速度，不能充分利用發(fā)動機的功率，從而增加運行和返回時間。卸載時間主要取決于鏟斗的結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)。2.5.5 其它性能要求液壓挖掘機的工作裝置除了滿足上述基本設(shè)計要求之外，還需要滿足其它的一般性能要求。例如，通過實現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化和通用化，降低挖掘機的制造成本；提高液壓挖掘機各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足液壓挖掘機作業(yè)條件惡劣的要求；降低振動和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性等。2.6 液壓挖掘機工作裝置的設(shè)計原則對于液壓挖掘機工作裝置的設(shè)計，一般應(yīng)考慮以下幾個原則：（1）位置特性：滿足主要工作尺寸及作業(yè)范圍的要求，在設(shè)計時應(yīng)考慮與同類機型相比時的先進性，性能與主參數(shù)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定。運輸或停放時應(yīng)有合理的姿態(tài)。（2）運動特性：功率利用情況好，理論工作循環(huán)時間短。（3）動力特性：滿足整機挖掘力大小及分布情況的要求；應(yīng)考慮到整機穩(wěn)定性。（4）結(jié)構(gòu)特性：確定各鉸點布置，結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證剛度和強度的前提下，重量越輕越好；工作裝置應(yīng)安全可靠，拆裝維修方便；液壓缸設(shè)計應(yīng)盡量采用系列參數(shù)。（5）特殊使用要求：附屬裝置如破碎捶等。3工作裝置運動學(xué)分析3.1 動臂運動分析動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度；a：動臂油缸的下鉸點；b：動臂油缸的上鉸點；c：動臂的下鉸點.圖3-1 動臂擺角范圍計算簡圖1是l1的函數(shù)。動臂上任意一點在任一時刻也都是l1的函數(shù)。如圖3-1所示，圖中動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度；動臂油缸兩鉸點分別與動臂下鉸點連線夾角的最小值；動臂油缸兩鉸點分別與動臂下鉸點連線夾角的最大值；a：動臂油缸的下鉸點；b：動臂油缸的上鉸點；c：動臂的下鉸點。則有：在三角形abc中：l12 = l72+l52-2cos1l7l51 = cos-1（l72+l52- l12）/2l7l5 式(3-1)在三角形bcf中：l222 = l72+l12-2cos20l7l120 = cos-1（l72+ l12- l222）/2l7l1 式(3-2)由圖3-3所示的幾何關(guān)系，可得到21的表達式： 21 =20+11-1 式(3-3)當(dāng)f點在水平線cu之下時21為負，否則為正。f點的坐標(biāo)為 xf = l30+l1cos21 yf = l30+l1sin21 式(3-4)c點的坐標(biāo)為 xc = xa+l5cos11 = l30 yc = ya+l5sin11 式(3-5)動臂油缸的力臂e1 e1 = l5sincab 式(3-6)顯然動臂油缸的最大作用力臂e1max= l5，又令 = l1min/ l5, = l7/ l5。這時l1 = sqr（l72-l52）= l5 sqr（2-1）1 = cos-11/ 式(3-7)3.2 斗桿的運動分析如下圖3-2所示，d點為斗桿油缸與動臂的鉸點點，f點為動臂與斗桿的鉸點，e點為斗桿油缸與斗桿的鉸點。斗桿的位置參數(shù)是l2，這里只討論斗桿相對于動臂的運動，即只考慮l2的影響。d-斗桿油缸與動臂的鉸點點； f-動臂與斗桿的鉸點；e-斗桿油缸與斗桿的鉸點； 斗桿擺角.圖3-2 斗桿機構(gòu)擺角計算簡圖在三角形def中l(wèi)22 = l82+ l92-2cos2l8l92 = cos-1（l22- l82-l92）/2l8l9 式(3-8)由上圖的幾何關(guān)系知2max =2 max-2min 式(3-9)則斗桿的作用力臂e2 =l9sindef 式(3-10)顯然斗桿的最大作用力臂e2max = l9，此時2 = cos-1（l9/l8），l2 = sqr（l82-l92）3.3 鏟斗的運動分析鏟斗相對于xoy坐標(biāo)系的運動是l1、l2、l3的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對于斗桿的運動，如圖3-5所示，g點為鏟斗油缸與斗桿的鉸點，f點為斗桿與動臂的鉸點q點為鏟斗與斗桿的鉸點，v點為鏟斗的斗齒尖點，k點為連桿與鏟斗的餃點，n點為曲柄與斗桿的鉸點，m點為鏟斗油缸與曲柄的鉸點，h點為曲柄與連桿的鉸點1。（1） 鏟斗連桿機構(gòu)傳動比i利用圖3-3，可以知道求得以下的參數(shù)：在三角形hgn中 22 = hng = cos-1（l152+l142-l32）/2l15l1430 = hgn = cos-1（l32+ l152- l142）/2l3l1432 = hng = - mng - mgn = -22-30 式(3-11)在三角形hnq中l(wèi)272 = l132 + l212 + 2cos23l13l21nhq = cos-1（l212+l142- l272）/2l21l14 式(3-12)在三角形qhk中27 = qhk= cos-1（l292+l272-l242）/2l29l27 式(3-13)在四邊形khqn中nhk=nhq+qhk 式(3-14)鏟斗油缸對n點的作用力臂r1r1 = l13sin32 式(3-15)連桿hk對n點的作用力臂r2r2 = l13sin nhk 式(3-16)而由r3 = l24，r4 = l3 有3連桿機構(gòu)的總傳動比i = （r1r3）/（r2r4） 式(3-17)顯然3-17式中可知，i是鏟斗油缸長度l2的函數(shù)，用l2min代入可得初傳動比i0，l2max代入可得終傳動比iz。（2） 鏟斗相對于斗桿的擺角3鏟斗的瞬時位置轉(zhuǎn)角為 3 =7+24+26+10 式(3-18)其中，在三角形nfq中7 = nqf= cos-1（l212+l22- l162）/2l21l2 式(3-19)10暫時未定，其在后面的設(shè)計中可以得到。當(dāng)鏟斗油缸長度l3分別取l3max和l3min時，可分別求得鏟斗的最大和最小轉(zhuǎn)角3max和3min，于是得鏟斗的瞬間轉(zhuǎn)角:3 = 3-3min (3-20) 鏟斗的擺角范圍: 3 = 3max-3min 式(3-21) 圖3-3 鏟斗連桿機構(gòu)傳動比計算簡圖（3） 斗齒尖運動分析見圖3-4所示，斗齒尖v點的坐標(biāo)值xv和yv，是l1 、l2、l3的函數(shù)只要推導(dǎo)出xv和yv的函數(shù)表達式，那么整機作業(yè)范圍就可以確定，現(xiàn)推導(dǎo)如下:由f點知：32= cfq= 3-4-6-2 式(3-22)在三角形cdf中：dcf由后面的設(shè)計確定，在dcf確定后則有：l82 = l62 + l12 - 2cosdcfl1l6 式(3-23)l62 = l82 + l12 - 2cos3l1l8 3 = cos-1（l82+l12l62）/2l1l8 式(3-24)在三角形def中l(wèi)22 = l82 + l92 - 2cos2l8l9 圖3-4 齒尖坐標(biāo)方程推導(dǎo)簡圖1則可以得斗桿瞬間轉(zhuǎn)角2 2 = cos-1（l82+l92- l22）/2l8l9 式(3-25)4、6在設(shè)計中確定。由三角形cfn知：l28 = sqr（l162 + l12 - 2cos32l16l1） 式(3-26)由三角形cfq知：l23 = sqr（l22 + l12 - 2cos32l2l1） 式(3-27)由q點知：35= cqv= 233-24-10 式(3-28)在三角形cfq中：l12 = l232 + l32 - 2cos33l23l3 33 = cos-1（l232+l32- l12）/2l23l3 式(3-29)在三角形nhq中：l132 = l272 + l212 - 2cos24l27l21 24 =nqh=cos-1l272+l212 -l132）/2l27l21 式(3-30)在三角形hkq中：l292 = l272 + l242 - 2cos26l27l24 26 =hqk=cos-1l272+l242l292）/2l27l24 式(3-31)在四邊形hnqk：nqh =24 +26 式(3-32)20 = kqv，其在后面的設(shè)計中確定。在列出以上的各線段的長度和角度之間的關(guān)系后，利用矢量坐標(biāo)我們就可以得到各坐標(biāo)點的值。3.4 特殊工作位置計算：（1） 最大挖掘深度h1maxnh-搖臂；hk-連桿；c-動臂下鉸點；a -動臂油缸下鉸點；b-動臂與動臂油缸鉸點；f-動臂上鉸點；d-斗桿油缸上鉸點；e-斗桿下鉸點；g-鏟斗油缸下鉸點；q-鏟斗下鉸點；k-鏟斗上鉸點；v-鏟斗斗齒尖.圖3-5 最大挖掘深度計算簡圖如圖3-5示，當(dāng)動臂全縮時，f, q, u三點共線且處于垂直位置時，得最大挖掘深度為: h1max = yv = yfminl2l3 = yc+l1sin21minl2l3 = yc+l1sin（1-20-11）l2l3 式(3-33)（2） 最大卸載高度h3maxnh-搖臂；hk-連桿；c-動臂下鉸點；a -動臂油缸下鉸點；b-動臂與動臂油缸鉸點；f-動臂上鉸點；d-斗桿油缸上鉸點；e-斗桿下鉸點；g-鏟斗油缸下鉸點；q-鏟斗下鉸點；k-鏟斗上鉸點；v-鏟斗斗齒尖圖3-6 最大卸載高度計算簡圖如圖3-6所示，當(dāng)斗桿油缸全縮，動臂油缸全伸時，qv連線處于垂直狀態(tài)時，得最大卸載高度為: 式(3-34)（3） 水平面最大挖掘半徑r1maxnh-搖臂；hk-連桿；c-動臂下鉸點；a -動臂油缸下鉸點；b-動臂與動臂油缸鉸點；f-動臂上鉸點；d-斗桿油缸上鉸點；e-斗桿下鉸點；g-鏟斗油缸下鉸點；q-鏟斗下鉸點；k-鏟斗上鉸點；v-鏟斗斗齒尖圖3-7 停機面最大挖掘半徑計算簡圖如圖3-7所示，當(dāng)斗桿油缸全縮時，f. q. v三點共線，且斗齒尖v和鉸點c在同一水平線上，即yc= yv，得到最大挖掘半徑r1max為:r1max=xc+l40 式(3-35)式中：l40 = sqr（l1+l2+l3）2-2（l2+l3）l1cos32max 式(3-36)（4） 最大挖掘半徑r 最大挖掘半徑時的工況是水平面最大挖掘半徑工況下c、v連線繞c點轉(zhuǎn)到水平面而成的。通過兩者的幾何關(guān)系，我們可計算得到：l 30 = 85mm ；l 40 = 9800mm。（5） 最大挖掘高度h2max最大挖掘高度工況是最大