單斗液壓挖掘機(jī)總體與工作裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . 單斗液壓挖掘機(jī)總體與工作裝置設(shè)計(jì)1緒論 1.1設(shè)計(jì)選題的意義我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，在遼闊的國(guó)土上正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，這就需要大量的土方施工機(jī)械為其服務(wù)，而液壓挖掘機(jī)是最重要的一類土方施工機(jī)械。因此，可以肯定液壓挖掘機(jī)的發(fā)展空間很大?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的需求量將逐年大幅度增長(zhǎng)。今后幾年我國(guó)液壓挖掘機(jī)行業(yè)將會(huì)有一個(gè)很大的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的年產(chǎn)量將會(huì)以高于20%的速度增長(zhǎng)。中國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)自1997年開(kāi)始已進(jìn)入一個(gè)較快的發(fā)展時(shí)期，2000年與2000年比較，全國(guó)挖掘機(jī)的產(chǎn)、銷量分別增長(zhǎng)55%和56%。截止到2002年8月底全國(guó)挖掘機(jī)的銷量已超過(guò)130

2、00臺(tái)，超2001年全年的銷售數(shù)。顯然挖掘機(jī)在整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長(zhǎng)最快的機(jī)種之一。而在挖掘機(jī)中最為重要的就是關(guān)于工作裝置設(shè)計(jì)，因?yàn)橥诰驒C(jī)的工作裝置能偶最為明顯的體現(xiàn)機(jī)器的工作能力和工作壽命，所以設(shè)計(jì)工作可靠，性能好，成本低，效率高，維護(hù)使用方便的工作裝置就顯得格外重要。1.2國(guó)外液壓挖掘機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀最早在液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)類比、查表、理論計(jì)算初步確定性能參數(shù)以后，還需要花大量的時(shí)間對(duì)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析，計(jì)算量大，而且在設(shè)計(jì)過(guò)程中，大多選取幾個(gè)特殊位置進(jìn)行檢討計(jì)算，其精度當(dāng)然較低。當(dāng)今計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)得到了很快的發(fā)展。針對(duì)

3、液壓挖掘機(jī)工作裝置的CAD軟件也已經(jīng)有了不少的研究。1.2.1國(guó)外液壓挖掘機(jī)發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀國(guó)外挖掘機(jī)生產(chǎn)歷史較長(zhǎng)，液壓挖掘技術(shù)的不斷成熟使挖掘機(jī)得到全面的發(fā)展。德國(guó)是世界上較早開(kāi)發(fā)研究挖掘機(jī)的國(guó)家，1954年和1955年德國(guó)的徳馬克和利渤海爾公司分別開(kāi)發(fā)了全液壓挖掘機(jī)；美國(guó)是繼德國(guó)以后聲場(chǎng)挖掘機(jī)歷史最長(zhǎng)、數(shù)量最大、品種最多和技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位的國(guó)家；日本挖掘機(jī)制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)展上起來(lái)的，其主要特點(diǎn)在引進(jìn)、消化先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)大膽創(chuàng)新發(fā)展起來(lái)的；國(guó)式液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)的后起之秀。從20世紀(jì)后期開(kāi)始，國(guó)際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展：（1）、開(kāi)發(fā)

4、多品種、多功能、高質(zhì)量與高效率的挖掘機(jī)。（2）、迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。（3）、采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)、加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。（4）、更新設(shè)計(jì)理論，提高可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。美、英、日等國(guó)家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷積累論、 斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，促進(jìn)了產(chǎn)品的

5、優(yōu)質(zhì)高效和競(jìng)爭(zhēng)力。（5）、加強(qiáng)對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件。液壓挖掘機(jī)采用帶有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)和傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾。（6）、進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。（7）、迅速拓展電子化、自動(dòng)化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。隨著對(duì)液壓挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機(jī)電液一體化在挖掘機(jī)的應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍。1.2.2國(guó)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀早在1985年我國(guó)便開(kāi)始了液壓挖掘機(jī)的研制開(kāi)發(fā)工作，隨后開(kāi)發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品， 如Wy100、WY60、WY250等。當(dāng)時(shí)由于受配件如發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓件與

6、企業(yè)自身?xiàng)l件的影響，其質(zhì)量和產(chǎn)量遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的水平，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比也存在較大差距。自改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)產(chǎn)液壓挖掘機(jī)行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的重要階段。出現(xiàn)了一批實(shí)力比較雄厚的生產(chǎn)企業(yè)如中國(guó)一拖、工程機(jī)械廠、黃河工程機(jī)械廠、玉柴股份等。它們生產(chǎn)的部分產(chǎn)品已出口，打破了多年來(lái)主要由少數(shù)幾家國(guó)外挖掘機(jī)制造企業(yè)壟斷國(guó)市場(chǎng)的局面，使國(guó)產(chǎn)液壓挖掘機(jī)的產(chǎn)量和質(zhì)量都上了一個(gè)新臺(tái)階。90年代以來(lái)，隨著迅速發(fā)展的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等新技術(shù)日益滲透到液壓挖掘機(jī)技術(shù)中，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的液壓挖掘機(jī)技術(shù)水平得以迅速提高， 使一度與國(guó)外技術(shù)水平縮小的國(guó)產(chǎn)液壓挖掘機(jī)再次與國(guó)外液壓挖掘機(jī)差距拉大了。

7、因此，國(guó)液壓挖掘機(jī)市場(chǎng)大部分被國(guó)外產(chǎn)品所占據(jù)的局面長(zhǎng)期得不到改善。隨著我國(guó)改革開(kāi)放的進(jìn)一步深入，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施投資的規(guī)模日益擴(kuò)大，國(guó)用戶對(duì)高質(zhì)量、高水平、高效率的液壓挖掘機(jī)的需求愈來(lái)愈迫切。據(jù)權(quán)威部門(mén)估計(jì)，到2005年我國(guó)用于購(gòu)置工程機(jī)械的費(fèi)用約為800多億元（含國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口），其中液壓挖掘機(jī)的年需求量為12000-14000臺(tái)，這無(wú)疑對(duì)國(guó)產(chǎn)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展既是機(jī)遇，又是挑戰(zhàn)。積極發(fā)展高性能國(guó)產(chǎn)液壓挖掘機(jī)已迫在眉睫。目前， 液壓挖掘機(jī)的研究與發(fā)展應(yīng)致力解決三個(gè)基本問(wèn)題：（1）著眼于動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)以達(dá)到高效節(jié)能，提高機(jī)器的生產(chǎn)率和降低工作損耗，減少對(duì)環(huán)境的污染；（2）局部操作控制自

8、動(dòng)化到整機(jī)完全自動(dòng)化甚至智能化發(fā)展；（3）改善操作者的勞動(dòng)條件和操作安全性。1.3當(dāng)前液壓挖掘機(jī)存在的主要問(wèn)題雖然液壓挖掘機(jī)的發(fā)展很快，但是液壓挖掘機(jī)仍然存在著各種問(wèn)題：（1）控制精度的要求并不高，多數(shù)在100mm之，并不像其它領(lǐng)域機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制要求到10mm之，或者更高。首先，挖掘機(jī)本身的機(jī)構(gòu)尺寸通常都比較大；其次，挖掘機(jī)進(jìn)行土木施工的精度與一些工業(yè)加工比較起來(lái)要低得多，相對(duì)較低的精度仍然能夠滿足挖掘機(jī)在實(shí)際工作中的需要。多數(shù)研究者在實(shí)現(xiàn)以上控制精度時(shí)，鏟斗末端速度比較低，最快的也在150mm/s之，而這個(gè)重要參數(shù)直接影響挖掘機(jī)的工作效率，所以，保證精度的情況下，提高鏟斗末端速度是本文需要解

9、決的問(wèn)題之一。（2）雖然世界各國(guó)的研究水平參差不齊，但是多數(shù)處在實(shí)驗(yàn)室階段，或從成本的角度考慮采用伺服閥進(jìn)行控制，與工程實(shí)際差距較大；對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的研究是在靜態(tài)下進(jìn)行的，忽略慣性的影響，所以在實(shí)際工程中也是不是用的；多數(shù)研究中都沒(méi)有考慮到系統(tǒng)的節(jié)能問(wèn)題，很難將研究結(jié)果在實(shí)際中進(jìn)行推廣。（3）挖掘機(jī)工作裝置作為一種典型的工程機(jī)械復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)，由于其自身的特點(diǎn)，該項(xiàng)研究是比較困難的工作。主要在于：在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，慣性力負(fù)載的多變性；電液比例系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)多與機(jī)構(gòu)的狀態(tài)有關(guān)，屬于時(shí)變參數(shù)，準(zhǔn)備地得到每個(gè)參數(shù)的值非常困難；整個(gè)系統(tǒng)存在大量不確定量（不確定參數(shù)與不確定的非線性模型），例如在

10、不同溫度下液壓油的彈性模量和粘性等，均屬于不確定參數(shù)；工作過(guò)程中，由于與地面接觸而禪城的擾動(dòng)等不能準(zhǔn)確建立數(shù)學(xué)模型的量，均屬于不確定的非線性模型。以上各類不確定量都將對(duì)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。1.4本設(shè)計(jì)的主要容與目標(biāo)1.4.1設(shè)計(jì)的主要容（1）分析和擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，確定設(shè)計(jì)思想和原則，并提出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案的初步思想。（2）挖掘機(jī)主要參數(shù)的確定。（3）挖掘機(jī)工作裝置各主要機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的確定。（4）挖掘機(jī)工作裝置各主要結(jié)構(gòu)力的分析與計(jì)算。（5）挖掘機(jī)工作裝置各主要機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核。1.4.2設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題（1）關(guān)于挖掘機(jī)總體設(shè)計(jì)，就是各種整體參數(shù)和局部參數(shù)的計(jì)算，這中間就包括動(dòng)臂

11、，斗桿與挖斗的主要參數(shù)的計(jì)算。（2）液壓挖掘機(jī)工作裝置各主要機(jī)構(gòu)方案的確定，這包括幾方面的容，首先就是關(guān)于動(dòng)臂和斗桿的選型。其次就是動(dòng)臂，斗桿和挖斗的油缸的布置如何確定。第三就是各個(gè)鉸鏈點(diǎn)如何確定。（3）作用力的計(jì)算，這其中包括油缸作用力，還有斗桿的強(qiáng)度校核。1.4.3設(shè)計(jì)過(guò)程中的已知參數(shù)鏟斗容量：1立方米最大挖掘力：130KN整體質(zhì)量：23T工作裝置液壓回路最大壓力：40Mpa停機(jī)面最大挖掘半徑：9800mm最大挖掘深度：6600mm最大卸載高度：6700mm動(dòng)力裝置功率：113.5Kw工作裝置液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的初步選擇：各工作裝置的缸徑選擇要考慮到液壓系統(tǒng)的工作壓力和“三化”要求以與初步估

12、取的液壓缸受力，初選動(dòng)臂油缸徑=120mm，活塞缸的直徑=85mm。斗桿油缸的徑=140mm，活塞的徑=120mm。鏟斗油缸的徑=120mm,活塞桿的直徑=85mm，又由按經(jīng)驗(yàn)公式選各缸全伸長(zhǎng)度與全縮長(zhǎng)度之比。參照任務(wù)書(shū)要求，選擇工作裝置液壓系統(tǒng)的工作壓力為，閉鎖壓力。2工作裝置總體方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)型選擇與特點(diǎn)分析本設(shè)計(jì)中，我選的是單斗液壓挖掘機(jī)，其工作裝置采用反鏟裝置。單斗液壓挖掘機(jī)是一種采用液壓傳動(dòng)并以一個(gè)鏟斗進(jìn)行挖掘工作的機(jī)械，它是機(jī)械傳動(dòng)單斗挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是目前挖掘機(jī)中重要的品種。2.1.1所用機(jī)型的適用圍在建筑工程，交通工程，露天工程，水利設(shè)施與現(xiàn)代軍事工程中都廣泛采用，

13、是各種土方施工中重要的機(jī)械設(shè)備。由液壓挖掘機(jī)在構(gòu)造和性能上有較多的優(yōu)越性，因此近年來(lái)發(fā)展迅速，在中小型單斗挖掘機(jī)中，以取代了機(jī)械傳動(dòng)單斗挖掘機(jī)，成為工程機(jī)械的主要機(jī)種。2.2工作裝置構(gòu)成鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機(jī)最常用的結(jié)構(gòu)形式，動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等重要部件彼此鉸接，在液壓挖掘機(jī)的作用下各部件饒鉸點(diǎn)擺動(dòng)，完成挖掘，提升和卸土等動(dòng)作，圖2.1為挖掘機(jī)最常用的反鏟工作裝置。 圖2.1挖掘機(jī)反鏟工裝裝置挖掘機(jī)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(duì)工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。則可知但斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看成是由動(dòng)

14、臂，斗桿，鏟斗，動(dòng)臂油缸，斗桿油缸，鏟斗油缸，鏟斗油缸與連桿機(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)，處理具體見(jiàn)圖2.2所示。圖2.2工作裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖2.3工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡(jiǎn)化后實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是3，即工作裝置的幾何位置由動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度L1、斗桿油缸長(zhǎng)度L2、鏟斗油缸長(zhǎng)度L3決定，當(dāng)L1、L2、L3為某一確定值的時(shí)，工作裝置也就能夠確定。2.3動(dòng)臂與斗桿的結(jié)構(gòu)形式的初選2.3.1動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形式的初選動(dòng)臂分為整體式和組合式，因整體式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)廉，剛度一樣時(shí)結(jié)構(gòu)重量輕，所以大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體式動(dòng)臂。整體式動(dòng)臂分為直動(dòng)臂和彎動(dòng)臂。整體式直動(dòng)臂構(gòu)造簡(jiǎn)單輕巧、布

15、置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機(jī)。所以動(dòng)臂采用整體式彎動(dòng)臂，這種結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用最廣泛，其主要特點(diǎn)是制造方面，成本低，質(zhì)量輕，能有較大的動(dòng)臂彎角，裝載作效率高，挖掘深度較大，配用加長(zhǎng)可調(diào)斗桿，可以很好地完成垂直壁面的挖掘作業(yè)，而且所挖掘的壁面平直整潔。2.3.2斗桿結(jié)構(gòu)形式的初選斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體式斗桿。本設(shè)計(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長(zhǎng)度，故也采用整體式直斗桿。2.4動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸的布置動(dòng)臂油缸一般布置在動(dòng)臂的前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接，支承點(diǎn)設(shè)在回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺(tái)平面，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。由自由式活塞桿端部與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)設(shè)在動(dòng)臂箱體的中間，這樣雖然削

16、弱了動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但不影響以、動(dòng)臂的下降幅度。并且布置中，油缸在動(dòng)臂的兩側(cè)各裝一只，這樣的雙動(dòng)臂在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)盤(pán)作用，以彌補(bǔ)前面的不足，具體結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸布置圖2.5鏟斗與鏟斗油缸的連接方式本方案中采用六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在一樣的鏟斗油缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性。該布置1桿與2桿的鉸接位置雖然使鏟斗的轉(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠的鏟斗平均挖掘力。3動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算與校核3.1動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定根據(jù)圖2.2，即工作裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖來(lái)計(jì)算出動(dòng)臂，斗桿，連桿與鏟斗的基本參數(shù)。3.1.1和A點(diǎn)坐標(biāo)的選取動(dòng)臂的彎角，如圖2.2所示，

17、一般可取為=120140。彎角太小會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不利。一般取。由經(jīng)驗(yàn)公式參考其它同斗容機(jī)型，初選特性參數(shù)鉸點(diǎn)A單坐標(biāo)的選擇：由底盤(pán)和轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合同斗容其它機(jī)型的測(cè)繪，初選：3.1.2、的計(jì)算由統(tǒng)計(jì)分析可知，最大挖掘半徑的值與的值很近，由已經(jīng)給定的最大挖掘半徑和與計(jì)算與選取就可以得到另外兩個(gè)尺寸。特性參數(shù),對(duì)于一定的工作尺寸而言，動(dòng)臂與斗桿之間的長(zhǎng)度可在很大圍選擇。>2時(shí)稱為長(zhǎng)動(dòng)臂短斗桿方案，當(dāng)<1.5時(shí)屬于短動(dòng)臂長(zhǎng)斗桿方案。在1.52之間稱為中間比例。要求適用性強(qiáng)而又無(wú)配套替換構(gòu)件的或可調(diào)結(jié)構(gòu)的反鏟常取中間比例方案。相反，當(dāng)用配套替換構(gòu)件或可調(diào)連接來(lái)適應(yīng)不同作業(yè)條件時(shí)，不同的配置

18、或鉸點(diǎn)連接情況可組成各種比例方案。取其中。由經(jīng)驗(yàn)公式知：取其中q是斗容量代入q=1可知最大挖掘半徑則 所以 3.1.3與的計(jì)算參看圖3.1中可知，在中，知道了、與就可以容易的求得與。的計(jì)算公式如下：代入數(shù)值可得=2780mmmm同樣在中，由余弦定律得：解上式可得同樣可以得到3.1.4的計(jì)算動(dòng)臂液壓缸全伸與全縮時(shí)的力臂按不同的情況下選取，如前所述，專用反鏟取<0.8，所以在這里取。的取值對(duì)特性參數(shù)和最大挖掘深度與最大挖掘高度有影響，加大會(huì)使減少或增大，這是符合反鏟作業(yè)要求，因此基本用作反鏟的小型機(jī)常取。根據(jù)要求初選。斗桿液壓缸全縮時(shí)最大，如圖3.2所示，常選根據(jù)本設(shè)計(jì)要求。取決于液壓缸布置

19、形式，如圖3.1所示。動(dòng)臂液壓缸結(jié)構(gòu)中這一夾角較小，可能為零。動(dòng)臂液壓缸在動(dòng)臂上的鉸點(diǎn)一般置于動(dòng)臂下翼緣加耳座上，B在Z的下面，初定，則在中可以得到：由圖3.2得最大卸載高度的表達(dá)式為：也可以寫(xiě)成以下式子： （3-1）由圖3.3得到最大挖掘深度絕對(duì)值的表達(dá)式：也可以寫(xiě)成以下的表達(dá)式： （3-2）將式（3-1）和（3-2）相加，消去得： （3-3）同時(shí)令 根據(jù)以上求得的數(shù)據(jù)代入得，可知：將A與B的值代入到式（3-3）中則可以得到以下式子： (3-4)又知特性參數(shù)： (3-5) (3-6)將式（3-6）代入（3-4）中則得一元函數(shù)。式中與是在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求的，就是已知的，、A和B都已算出，由此可解

20、得：再由式（3-2）可求得為：代入數(shù)值得：mm而與滿足以下方程： （3-7） （3-8）一般情況下選擇是：，則上式可以得到和：對(duì)求得的和進(jìn)行驗(yàn)算：則和的值滿足這兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，說(shuō)明了和的值是可行的。由（3-7）和（3-8）兩式可知：3.1.5動(dòng)臂其它相關(guān)尺寸的計(jì)算前面已經(jīng)確定了動(dòng)臂的選型為整體彎動(dòng)臂，則還要一個(gè)重要的參數(shù)是在動(dòng)臂轉(zhuǎn)彎處的高度，通過(guò)一樣容量的挖掘機(jī)進(jìn)行類比可知，初步定這個(gè)高度為。對(duì)此動(dòng)臂機(jī)構(gòu)的全部參數(shù)初步選出。3.2動(dòng)臂基本參數(shù)的校核3.2.1動(dòng)臂機(jī)構(gòu)閉鎖力的校核鏟斗挖掘阻力 （3-9）鏟斗正常挖掘阻力，N土壤硬度實(shí)際打擊次數(shù)，對(duì)III級(jí)土壤，取鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)到斗齒尖距離，m某一挖

21、掘位置時(shí)鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半，這里取值為，即最大轉(zhuǎn)斗挖掘力位置。切削刃寬度影響系數(shù)，m切削角變化影響系數(shù)，取帶有斗齒的系數(shù)，斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，其中S為側(cè)壁厚度，由于初步設(shè)計(jì)時(shí)可取解得：值的求取：如圖3.4所示，當(dāng)斗桿油缸全縮時(shí)，E,Q,V三點(diǎn)共線，且斗齒尖V和鉸點(diǎn)C在同一水平線上，解得由圖3.5知，最大挖掘深度時(shí)的挖掘力矩：動(dòng)臂油缸的閉鎖壓力：其中為動(dòng)臂油缸小腔作用面積，鎖緊壓力：最大挖掘半徑工作裝置自身重力所產(chǎn)生的力矩為,要求力矩，自行需要知道作用力和作用力臂。在此處，則是先要求出工作裝置各個(gè)部分的重量;由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，初步估計(jì)工作裝置各部分質(zhì)量如下：動(dòng)臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿動(dòng)臂

22、缸當(dāng)處于最大挖掘深度時(shí)：另外根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式土壤質(zhì)量：由圖3.5知： 解得動(dòng)臂油缸的閉鎖力與工作裝置重力所產(chǎn)生的力矩（對(duì)C點(diǎn)的矩）：其中動(dòng)臂液壓缸的作用力臂，由前面的計(jì)算可知:這說(shuō)明動(dòng)臂油缸的閉鎖力與工作裝置重力所產(chǎn)生的力矩略大于最大挖掘阻力所產(chǎn)生的力矩，滿足要求。3.2.2當(dāng)滿斗除最大挖掘半徑時(shí)，動(dòng)臂油缸提升力矩校核當(dāng)處于最大挖掘半徑時(shí)，重力力矩代入數(shù)值解得：動(dòng)臂油缸的推力：在中由余弦定理可知：滿足要求4斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算與校核4.1斗桿參數(shù)的計(jì)算與算則因考慮的因素：第一：保證斗桿液壓缸有足夠的斗齒挖掘力。一般來(lái)說(shuō)希望液壓缸在全行程中產(chǎn)生的斗齒挖掘力始終大于正常挖掘阻力；液壓缸全伸時(shí)的作用力矩應(yīng)

23、足以支撐滿載逗和斗桿靜止不動(dòng)；液壓缸作用力臂最大時(shí)產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力大于要求客服的最大挖掘阻力。第二：保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力。對(duì)于以轉(zhuǎn)斗挖掘力為主的中小型反鏟，選擇都桿機(jī)構(gòu)參數(shù)時(shí)必須注意轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖掘區(qū)轉(zhuǎn)斗液壓缸的挖掘力能得到充分的發(fā)揮。第三：保證斗桿的擺角圍。斗桿的擺角圍大致在105125度之間。在滿足工作圍和運(yùn)輸要求的前提下此值應(yīng)盡可能小些，對(duì)以斗桿挖掘?yàn)橹鞯闹行蜋C(jī)更應(yīng)注意到這一點(diǎn)。一般斗桿越長(zhǎng)，其擺角也可稍小。當(dāng)斗桿液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸同時(shí)伸出最長(zhǎng)時(shí)，鏟斗前臂與動(dòng)臂之間的距離應(yīng)大于10cm。4.2斗桿基本參數(shù)的確定4.2.1斗桿液壓缸的最大作用力臂

24、和的計(jì)算根據(jù)斗桿挖掘阻力的計(jì)算，并參考國(guó)外同型機(jī)器斗桿挖掘力值，按要求的最大挖掘力確定斗桿液壓缸的最大作用力臂，取整個(gè)斗桿為研究對(duì)象，可得斗桿油缸最大作用力臂的表達(dá)式為：參考同型號(hào)挖掘機(jī)得挖掘力值代入已知數(shù)值得如圖4.1所示，斗桿液壓缸初始力臂和最大力臂之比是斗桿擺角的余弦函數(shù)，則存在以下式子：可見(jiàn)已定時(shí)愈大，和就愈小，即平均挖掘力就越小。要得到較大的平均挖掘力，就要盡量減少，除取由圖4.1的幾何關(guān)系有：而 同樣由圖4.1所示，由余弦定理知：解得 ：4.2.2斗桿其它相關(guān)尺寸的計(jì)算斗桿上取決于結(jié)構(gòu)因素和工作圍（如圖2.2），一般在之間，初定，同樣的動(dòng)臂上的也是結(jié)構(gòu)尺寸，并按結(jié)構(gòu)因素，可初選4.

25、3斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核4.3.1斗桿的受力分析斗桿要受到彎矩的作用，故要找出斗桿的最大彎矩進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)分析和以往的實(shí)驗(yàn)表明，在鏟斗進(jìn)行挖掘時(shí)，產(chǎn)生最大的彎矩的工況肯能有以下兩個(gè)：第一工況位置，其滿足以下條件：1）動(dòng)臂處于最低位置，即動(dòng)臂油缸全縮。2）斗桿油缸的力臂最大。3）鏟斗齒尖在動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)的連線上。4）側(cè)齒挖掘時(shí)收到橫向力的作用。第二工況位置，其滿足以下條件：1）動(dòng)臂位于動(dòng)臂油缸對(duì)鉸點(diǎn)A的最大作用力臂處。2）斗桿油缸的力臂最大。3）鏟斗齒尖位于F，Q兩鉸點(diǎn)的連線上或鏟斗位于最大大挖掘力的位置。4）挖掘阻力對(duì)稱于鏟斗，無(wú)側(cè)向力的作用。4.3.2第一工況位置的受力

26、分析在這個(gè)工況下斗桿可能存在最大的矩，受到的應(yīng)力也可能最大。該工況的具體情況如圖4.2所示，取工作裝置為研究對(duì)象，如圖4.3所示，在該工況下存在的力有：工作裝置各部件所受的重力；作用在鏟斗上的挖掘力，包括切向阻力，法向阻力，側(cè)向阻力。圖4.2斗桿第一工況時(shí)的工作裝置見(jiàn)圖當(dāng)液壓缸全縮時(shí)，則動(dòng)臂處于擺角最小處：如圖4.2所示可知，向量CF可以表示為：向量由前面的計(jì)算結(jié)果可知，因?yàn)榇藭r(shí)力臂最大，所以在中由以上的角度關(guān)系可表達(dá)出向量，設(shè)向量VF與X軸的夾角為，則根據(jù)圖2.2：向量連桿機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比，鏟斗油缸對(duì)N點(diǎn)作用力臂為，連桿HK對(duì)N點(diǎn)的作用力為，連桿對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂為，鏟斗對(duì)點(diǎn)的作用力臂為；連桿機(jī)構(gòu)

27、尺寸根據(jù)現(xiàn)實(shí)挖掘機(jī)得來(lái)：則可以得此時(shí)鏟斗的理論挖掘阻力：切向阻力的求解：鏟斗的重心到Q點(diǎn)的水平距離為：取鏟斗為研究對(duì)象，如圖4.3所示，并對(duì)Q點(diǎn)取矩，則有代入數(shù)值可得：法向阻力的求解：工作裝置所受重力對(duì)C點(diǎn)的力矩有：代入已知數(shù)值解得：到C點(diǎn)的距離為：到C點(diǎn)的距離為：法向阻力決定于動(dòng)臂油缸閉鎖力：前面以求得取整個(gè)工作裝置為研究對(duì)象，則有即帶入求得的數(shù)值得：斗桿油缸作用力的求解：向量FQ在X軸上的模量：如圖4.2所示，取斗桿為研究對(duì)象，則有： 即 代入已知數(shù)值解得：而此時(shí)斗桿的閉鎖力為：說(shuō)明閉鎖力中足夠，滿足要求。橫向挖掘力的求解：橫向挖掘力由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)器所承受，即的最大值決定于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的制動(dòng)力

28、矩，故先要計(jì)算出制動(dòng)力矩。地面附著力矩（其中）在所設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)中采用的液壓制動(dòng)，由經(jīng)驗(yàn)公式求得回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大制動(dòng)力矩：Q點(diǎn)作用力與作用力矩的求解：取連桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，如圖4.3所示則有： 圖4.3連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖即即其中將這些數(shù)值代入到上式中就可以得到：如圖4.2所示，取整個(gè)鏟斗為研究對(duì)象，以V點(diǎn)為新坐標(biāo)的原點(diǎn)，VQ為軸，過(guò)V點(diǎn)與垂直的直線為，建立坐標(biāo)，則有：即即即代入得即N點(diǎn)的作用力與力矩的求解：取曲柄和連桿為研究對(duì)象，如圖4.4所示，則有：圖4.4曲柄連桿的受力圖即代入得：如圖可知：同樣根據(jù)圖可知：F點(diǎn)作用力與作用力矩的求解：以斗桿為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析計(jì)算，以F為原點(diǎn)，F(xiàn)N為X

29、軸，以垂直FN的FY為Y軸進(jìn)行分析：即即另外同樣由圖可知：4.3.3第二工況位置的受力分析在這個(gè)工況位置下斗桿可能存在最大彎矩，受到的應(yīng)力也可能最大，據(jù)圖如圖4.5所示。取工作裝置為研究對(duì)象，如圖4.7所示，在這個(gè)工況下，在該工況下存在的力有：工作裝置各部件所受的重力；作用在鏟斗的挖掘阻力，包括切向阻力；法向阻力。圖4.5第二工況工作裝置計(jì)算簡(jiǎn)圖同第一工況的分析一樣，可以得到以下的向量：向量向量同理可得斗桿和鏟斗的力分別解得：各種參數(shù)意義如工況一一樣。4.3.4斗桿力分析根據(jù)第一工況第二工況的所求出的斗桿所受的力和力矩，可以看出第二工況下所受到的彎矩和力均要比第一工況下，故用第一工況進(jìn)行計(jì)算，

30、而用第二工況校核。然后為此為基礎(chǔ)，參照工程機(jī)械構(gòu)造圖冊(cè)求得其它尺寸。4.3.5斗桿寬度、鋼板厚度、許用應(yīng)力的選取由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和其它同斗容機(jī)型的測(cè)繪，取斗桿寬度挖掘機(jī)所用的鋼板在我國(guó)一般為815mm，初選地板厚度，側(cè)板厚度在挖掘機(jī)選用的結(jié)構(gòu)一般選Q345，其有足夠的屈服極限和良好的機(jī)械性能，其屈服極限，在斗桿中安全系數(shù)，則斗桿的許用應(yīng)力：5鏟斗機(jī)構(gòu)的選型與參數(shù)的確定5.1鏟斗的選型鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對(duì)挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響很大，其滿足要求：1）有利于物料的自動(dòng)流動(dòng)，鏟斗臂不宜設(shè)置橫向下凸緣、棱角。斗底的縱向剖面形狀適合于各種物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2）要使物料易于卸盡。3）為了使裝進(jìn)鏟斗的物料不易

31、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(shí)，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質(zhì)。綜上所述，選用中型挖掘機(jī)常用的鏟斗結(jié)構(gòu)。5.2鏟斗結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算5.2.1鏟斗形狀尺寸圖5.1反鏟鏟斗計(jì)算尺寸圖中三角形OGE為等腰三角形，OA段直線，AB弧為拋物線，A點(diǎn)到直線EB的距離為H，拋物線定點(diǎn)高度為L(zhǎng)，一般取H=L，根據(jù)一般的取值圍，斗尖尖角，斗側(cè)臂角，包角。參數(shù)/mm斗容量/0.250.40.651.01.6800900110014001800910108012501370153080120180230290830960107011401240314341341300192570695840

32、9961300930110712801410161064075085594010805.2.2轉(zhuǎn)角圍的確定由最大挖掘高度和最大卸載高度的分析，可以得到初始轉(zhuǎn)角代入數(shù)值得：最大轉(zhuǎn)角，起不宜太大，否則降低挖掘力，初選5.2.3鏟斗機(jī)構(gòu)其他基本參數(shù)的計(jì)算圖5.2鏟斗機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖其中由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知：則有：和的確定鏟斗的最大挖掘力阻力應(yīng)等于斗桿的最大挖掘力，即粗略的計(jì)算斗桿挖掘平均阻力挖掘阻力所做的功： （5-1）由圖5.4可知，鏟斗油缸推力所做的功： （5-2）由于功守恒： （5-3）將（5-1）（5-2）代入(5-3)得則剩余未選定的基本參數(shù)大部分是連桿機(jī)構(gòu)尺寸：6銷軸與襯套的設(shè)計(jì)6.1銷軸的設(shè)計(jì)由

33、于銷軸與稱套的配合間隙較小，故以剪應(yīng)力強(qiáng)度作為銷軸的基本尺寸的設(shè)計(jì)，抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度用于校核用。由于則 （6-1）在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)以所有工況中銷軸所受到的剪應(yīng)力最大值對(duì)銷軸進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，銷軸所選用的材料為，其耐磨，在熱處理后有著良好的綜合機(jī)械性能。銷軸設(shè)計(jì)成一端帶軸肩，另一端設(shè)計(jì)成帶有螺紋盲孔，與六角法蘭式螺栓連接，由于銷軸在重載的較惡劣工況中工作，故選擇。代入（6-1）中得：動(dòng)臂各銷軸的尺寸：斗桿各銷軸的尺寸：6.2襯套的設(shè)計(jì)為使辰套耐磨，減震與潤(rùn)滑性能好，與銷軸和圓筒分別采用間隙和過(guò)盈配合。則各稱套的尺寸：動(dòng)臂各襯套的尺寸：斗桿各襯套的尺寸：7總結(jié)本論文以挖掘機(jī)反鏟裝置為研究對(duì)象

34、，從反鏟裝置的工作特點(diǎn)開(kāi)始，介紹了工作裝置的主要部件：動(dòng)臂、斗桿、連桿機(jī)構(gòu)、鏟斗并對(duì)其進(jìn)行了全面詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)。并在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)反鏟裝置各機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算。同時(shí)，本論文還對(duì)挖掘阻力和挖掘力進(jìn)行了分析計(jì)算，在此基礎(chǔ)上討論了復(fù)合挖掘方式下限制挖掘力發(fā)揮的各種情況，并對(duì)該工況下機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)進(jìn)行了鉸點(diǎn)力的分析計(jì)算。本文主要工作和研究結(jié)論如下：（1）、首先對(duì)反鏟裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了動(dòng)臂、斗桿和鏟斗轉(zhuǎn)角圍與對(duì)應(yīng)液壓缸的關(guān)系式與各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)描述，通過(guò)對(duì)整機(jī)作業(yè)圍的分析，建立了反鏟裝置特殊工作位置的數(shù)學(xué)表達(dá)式。（2）、通過(guò)鏟斗參數(shù)的計(jì)算，確定了鏟斗結(jié)構(gòu)形式與尺寸；通過(guò)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)與鏟斗機(jī)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算確定了各機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為下步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。（3）、分析了轉(zhuǎn)斗挖掘阻力