挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙裝訂線三、履帶式液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)圖 3.1 工作裝置總體結(jié)構(gòu)圖工作裝置的設(shè)計(jì)要滿足任務(wù)書的要求以及結(jié)構(gòu)上的合理， 根據(jù)要求確定其結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)而確定其各部件的尺寸以及鉸點(diǎn)位置，最后還應(yīng)對(duì)其作業(yè)尺寸和工作臂的強(qiáng)度以及挖掘力的大小進(jìn)行校核，確保其滿足要求。一、確定工作裝置的幾何尺寸工作裝置是液壓挖掘機(jī)的重要組成部分之一，一般包括：動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿以及油缸等。 要使各參數(shù)合理協(xié)調(diào)， 同時(shí)，要確保工作裝置的作業(yè)尺寸能滿足任務(wù)書的要求。1斗形參數(shù)的選擇選擇斗形參數(shù)時(shí)，一般考慮以下兩個(gè)因素：（ 1）、轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)盡量使挖掘阻力小些；（ 2）、轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)盡量降低其挖掘能容量。鏟

2、斗的四個(gè)主要參數(shù)為斗容量q，平均斗寬 B，轉(zhuǎn)斗挖掘半徑R 和轉(zhuǎn)斗挖據(jù)裝滿轉(zhuǎn)角 2。 R、 B 及 2與 q 之間有以下幾何關(guān)系：共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙q1R2 B(2 sin 2 )ks2當(dāng) q 一定時(shí)最大挖掘阻力 W1max 及轉(zhuǎn)斗挖掘能容量 E 隨著 R 的增大而下降。但 B和 R 大到一定程度， 綜合反映到 2<90 °后， W1max 和 E 下降漸緩，且 B 的增大，使2 =90°附加載荷引起的對(duì)工作裝置的扭矩和水平轉(zhuǎn)矩隨之增大全面考慮。可取100 °， 若 2太大；若 2 <90°則 B 或 R 太大。>100

3、76; 則W1max在 q 0.25m3時(shí) R 和 B 對(duì) W1max 的影響差不多。從能量的觀點(diǎn)看，不論q 如何，B 對(duì) E 的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 R，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧 W1max 和 E 兩方面，希望兩者都小些，因此R 和 B 兩值不宜相差懸殊。裝綜合考慮，選取：2=98 °，B=1.25， ks =1.25依據(jù)公式q1 R2 B(2sin 2)ks訂2計(jì)算確定 R=1.33m。2動(dòng)臂及油缸鉸點(diǎn)的布置11及 l5 取值對(duì)挖掘機(jī)性能有影響。 l5 取值過大將使油缸力臂值增大，回轉(zhuǎn)支承線受力變大，閉鎖力上升，動(dòng)臂擺角減小，作業(yè)范圍減小，且使動(dòng)臂座尺寸變大，給制ks 值增大，提升能力下降。造和安

4、裝帶來不便；11 的值取的過大，使特性系數(shù)類比其它樣機(jī)，一般取 l 5 （ 300450mm（小挖）；600800mm（中挖）；經(jīng)實(shí)地測量 q 1.05 m3的玉柴 YC230LC-8相關(guān)參數(shù)，類比，取 l5 =720 ；11 （65°左右）；所以，經(jīng)類比及設(shè)計(jì)需要，取11 =65°。A 點(diǎn)位置的確定：xAD200 mm 左右D回轉(zhuǎn)支承外徑2yA平臺(tái)離地高度 +150mm左右類比后取平臺(tái)離地高度（600650 mm（小挖）；11001150mm（中挖）；共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙由 D=0.453 22 1261.2mm ，查有關(guān)資料， 目前市場上有 回轉(zhuǎn)支承外徑 D=

5、1244mm 的產(chǎn)品 計(jì)算，所以，得出 :xA =1244200822mm，取 xA =820mm;2yA =1100+150=1250mm。C 點(diǎn)位置的確定：xCxAl 5 cos11 ，所以 x C820720cos65515yCyAsin11 ，所以 yC1250sin 65900.6計(jì)算得出 x=515 ， yC=900。C3動(dòng)臂尺寸參數(shù)的確定裝推薦采用整體式彎動(dòng)臂，考慮挖深及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，取動(dòng)臂彎角為（因?yàn)? =130 °，l1根據(jù)作業(yè)要求，（ 1.5-2） ,取 1.65。1 一般取 130°左右）；特性參數(shù) k1 =l2訂確定動(dòng)臂及斗桿 l1 、 l2 的長度，要

6、滿足作業(yè)要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：98001400l2R1l3，得l 21 1.653169.8 mm線1k1l1k1l2 ，得 l11.65 3169.85230.17mm將 計(jì)算的 l1、2 圓整，取l1；2。l=3170mml=5230mm由于反鏟挖掘機(jī)以挖掘深度為主指標(biāo)，故取特性參數(shù)k31.3。在 CZF 中（見前圖）根據(jù)1 ， l1 求：l1l 4152302504.3mml41，得2212k3 cos111.32cos65k3l42k3l 41,得 l 421.32504.3 3255.6mm；39ZFCarc cosl422l12l 412，得3921.5 ；2l 42l1共頁第頁畢業(yè)

7、設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙所以ZCF23.5 ，暫取BCZ5.5 ，所以，BCF18 。油缸鉸點(diǎn)的布置綜合考慮了結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、油缸本身以及安裝特性， 經(jīng)作圖湊出：l 6=3393mm，l7=3330mm，l 8=2600mm，l22=285mm7。4斗桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)的確定斗桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：（1）、斗桿機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足斗桿轉(zhuǎn)角的要求， 擺角應(yīng)在 105° 125°之間， 在滿足工作范圍等前提下本機(jī)取 108°；（2）斗桿油缸全伸時(shí)，鏟斗任意轉(zhuǎn)動(dòng)不得碰動(dòng)臂；（3）保證足夠得挖掘力及必要得閉鎖能力。確定斗桿油缸下鉸點(diǎn)：D 點(diǎn)與動(dòng)臂間得距離應(yīng)盡量小些，為使動(dòng)臂與斗桿油缸不發(fā)生干涉

8、。油缸與動(dòng)臂裝之間應(yīng)留有 10mm左右得間隙。斗桿尾部半徑 l9 從閉鎖考慮，可按經(jīng)驗(yàn)公式：11訂（ 8491125），取l 9950mm ；l9 ( ) (l2 l3)l 945.3斗桿上EFQ 取決于結(jié)構(gòu)因素，并考慮到其作作范圍一般在130° 170°，所以，取EFQ =150°。線斗桿相對(duì)于動(dòng)臂得初始位置不能超過動(dòng)臂中心延長線，可取其夾角為5°至 8°左右，本設(shè)計(jì)中取 8°。5鏟斗連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：（1）鏟斗連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足：轉(zhuǎn)角要求為了滿足開挖和最后卸載及運(yùn)輸狀態(tài)的要求，鏟斗的最大轉(zhuǎn)角3max 一般在 150° 18

9、0°，本設(shè)計(jì)中取3max =180°。鏟斗在挖掘過程中轉(zhuǎn)角大致為 90° 110°。鏟斗仰角范圍一般為 0° 45°。這樣還可以適應(yīng)挖掘深溝及垂直側(cè)壁得作業(yè)要求，不使斗底先于斗齒接觸土地。共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙裝圖 3.2鏟斗的最大轉(zhuǎn)角訂同時(shí)，鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍還應(yīng)該滿足，當(dāng)動(dòng)臂油缸處于最短即：L1 =L1min，斗桿油缸處于最短即： L 2=L2min ，鏟斗油缸處于最長即3 3max 時(shí)，鏟斗l3 與地面的夾角L =L 45o。挖掘力的變化與阻力變化一致線鏟斗機(jī)構(gòu)最大理論挖掘力應(yīng)與最大挖掘阻力相適應(yīng)，一般在-10 °

10、開挖，最大挖掘力出現(xiàn)在 25°35°處。幾何相容連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要滿足幾何相容， 要保證連桿機(jī)構(gòu)三角形、 四邊形在油缸得全行程中任一瞬時(shí)斗不被破壞，并且各個(gè)構(gòu)件間不發(fā)生干涉碰撞。根據(jù)驗(yàn)算，本設(shè)計(jì)各項(xiàng)均滿足以上要求。（2）鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的型式選擇反鏟鏟斗機(jī)構(gòu)有四連桿的，也有六連桿的，本設(shè)計(jì)采用四連桿機(jī)構(gòu)。（3）鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇為滿足幾何相容條件，由經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算連桿各構(gòu)件的尺寸參數(shù)。共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙l24KQ0.3 0.38 l 31 l 33得， l24KQ0.3 0.38 140011400 466.7mm ，類比，取l 24490mm3FQN0080

11、，通過類比本設(shè)計(jì)中取5°；10950 1150 ，通過類比本設(shè)計(jì)中取108°；l21(0.7 0.8)l24 =450mm ，通過類比本設(shè)計(jì)取 450mm；l291.5l24 =735mm,580mm ；通過類比本設(shè)計(jì)取通過類比 確定 l 14=600mm 。鏟斗油缸在伸縮過程中，由于設(shè)計(jì)過程中油缸及斗桿間留由10mm 左右得間隙，使兩者不發(fā)生干涉。裝鏟斗油缸下鉸點(diǎn)位置的確定也通過同類機(jī)型類比及作圖得：l11EG =1188mm；l10FG =720mm。訂6. 作業(yè)范圍和挖掘包絡(luò)圖由以上計(jì)算， 動(dòng)臂和斗桿的基本長度和彎角已經(jīng)確定， 其它各部分未定的具體參數(shù)，參照卡特 32

12、3DL、小松 PC220-8、三一 SY215C-8和玉柴 YC230LC-8這四種中型液壓挖掘機(jī)， 對(duì)本次設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)進(jìn)行類比做仿形設(shè)計(jì)， 并結(jié)合任務(wù)書對(duì)作業(yè)參數(shù) （停線機(jī)面最大挖掘半徑、最大挖掘深度和最大卸載高度）和挖掘力的要求，用AutoCAD進(jìn)行建模，對(duì)起鉸點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，得停機(jī)面最大挖掘半徑為9876mm，當(dāng) CF在水平59°夾角時(shí)有最大卸載高度6520mm，當(dāng) CF 在水平面以下并成 50°夾角面以上并成時(shí)有最大挖掘深度 6690mm，如下圖。共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙裝訂線圖 3.3最大挖掘半徑、最大挖掘深度和最大卸載高度示意圖此時(shí)，工作裝置的基本尺寸和鉸

13、點(diǎn)位置已基本確定，各部分的結(jié)構(gòu)尺寸如下：表 3.1工作裝置各機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)鏟斗斗桿動(dòng)臂機(jī)體QV=1400mmFQ=3170mmCF=5230mmCA=730mmQK=490mmEF=950mmCD=3393mmKH=580mmFG=720mmCB=3330mmHN=600mmGN=2145mmDF=2600mmQN=450mmBF=2857mmEG=1188mmCZ=2505mmZF=3255mm共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙Z=130o在確定挖掘機(jī)各機(jī)構(gòu)參數(shù)后，繪制出本臺(tái)挖掘機(jī)的挖掘包絡(luò)圖，如下：裝訂線圖 3.4挖掘包絡(luò)圖二、挖掘阻力、油缸作用力、閉鎖力挖掘力計(jì)算1. 鏟斗挖掘阻力轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)，

14、土壤切削阻力隨挖掘深度改變而明顯變化。切削阻力的切向分力：cos maxW11.35BAZX DC R1cos( max)其中C表示土壤硬度的系數(shù)，對(duì) III 級(jí)土宜取 C=90150；取 C=120；R轉(zhuǎn)斗切削半徑； R=l =140(厘米）；3共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙max 挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半；查資料，取max =110°；鏟斗的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角；B切削刃寬度影響系數(shù)， B=1+2.6b，其中 b 為鏟斗平均寬度，單位為 m；算得 B=1+2.6×1.25=4.25 ；A切削角變化影響系數(shù)，取 A=1.3；Z帶有斗齒的系數(shù)， Z=0.75（無斗齒時(shí)， Z=1）；有

15、斗齒，取 Z=0.75 ；X斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)， X=1+0.03s，其中 s 為側(cè)壁厚度，單位為 cm，初步設(shè)計(jì)時(shí)可取 X=1.15；D切削刃擠壓土壤的力， 根據(jù)斗容量大小在 10000-17000N 范圍內(nèi)選取。當(dāng)斗容量 q0.5m3 時(shí) D 應(yīng)小于 10000N。本次設(shè)計(jì)中取 D=12000N（由推薦 8000N裝（小挖） 12000 N（中挖）。取不同的一組列表計(jì)算鏟斗挖掘阻力 W1。所得數(shù)據(jù)見表 3.2轉(zhuǎn)斗挖掘裝土阻力的切向分力：W1'q cos訂式中密實(shí)狀態(tài)下土壤容重，單位為 N / m3 ；挖掘起點(diǎn)和終點(diǎn)間連線ab 方向與水平線的夾角；土壤與鋼的摩擦系數(shù)。線/與 W1 相

16、比很小，可忽略不計(jì)。當(dāng)max ，0 時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)斗挖掘計(jì)算表明： W1最大切向分力 W1max ：W1maxC R(1 cos max )1.35BAZX D代以上數(shù)據(jù)算得 W1m ax =154.8KN 。試驗(yàn)表明法向挖掘阻力 W2的指向是可變的，數(shù)值也較小，一般W2 0 0.2W1 。土質(zhì)愈均勻， W2 愈小。從隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的角度看，取法向分力W2 為零來簡化計(jì)算是允許的。這樣 W1max 就可看作為轉(zhuǎn)斗挖掘的最大阻力。轉(zhuǎn)斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力計(jì)算。也即把半月形切削斷面看作等面積的的條形斷面， 條形斷面長度等于斗齒轉(zhuǎn)過的圓弧長度與其相應(yīng)之弦的平均值，平均切削厚度為：共頁第頁畢業(yè)設(shè)

17、計(jì)（論文）報(bào)告紙R2R2sin 2R90 sin 2h1802180 sinRsin180代以上數(shù)據(jù)算得h=385.7mm；平均挖掘阻力為 :R 3.141690 sin 21.35W1JC180 sinbAZXD3.1416代以上數(shù)據(jù)算得W1 j=91.2KN ；式中用角度代入，一般所謂平均阻力是指裝滿鏟斗的全過程阻力平均值，因此應(yīng)取max =55°。裝2. 斗桿挖掘阻力計(jì)算斗桿挖掘時(shí)切削行程較長， 切土厚度在挖掘過程中可視為常數(shù)。 一般取斗桿在挖掘過程中的總轉(zhuǎn)角為50 80 ，在轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。這時(shí)斗齒的實(shí)際行g(shù)程為：訂S0.01745 r6g ，代數(shù)算得 S=478.5m

18、m ；式中r6 斗桿挖掘時(shí)的切削半徑， r6FV。斗桿挖掘時(shí)的切削厚度 hg 可按下式計(jì)算：線hgqq，代數(shù)算得 hg =167.2BSKs0.01745r6g B斗桿挖掘阻力為：W1gK 0 h0 BK 0 q0.01745 r6g K s當(dāng)取級(jí)土壤時(shí)， K 010， K s1.25 。所以，K 0 q=1010616.7KNW1 g K 0h0 B0.01745457601.250.01745r6 g K s式中K 0 挖掘比阻力，當(dāng)取主要挖掘土壤的K 0 時(shí)可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土質(zhì)K0 值時(shí)則得最大挖掘阻力。共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙g 斗桿挖掘時(shí)鏟斗轉(zhuǎn)角， 該轉(zhuǎn)角主

19、要為避免挖掘時(shí)， 斗底接觸土壤，一般 g =50° 80°，本設(shè)計(jì)取 g =60°。裝訂線3. 鏟斗、斗桿、動(dòng)臂油缸缸徑的確定液壓缸推薦選用工程機(jī)械用內(nèi)卡鍵式液壓缸， 動(dòng)臂、斗桿、鏟斗三組油缸均通過測量同類機(jī)型，類比選用（最后選取缸徑 140mm，桿徑 86mm）。4、鏟斗、斗桿理論挖掘力計(jì)算（ 1）反鏟裝置主要采用斗桿液壓缸或鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘。假定不考慮下列因素：工作裝置自重和土重；液壓系統(tǒng)和連桿機(jī)構(gòu)的效率；工作液壓缸的背壓；不考慮其他因素如停機(jī)面坡度、分力、慣性力、動(dòng)載等因素的影響。工作液壓缸外伸時(shí)由該液壓缸理論推力所能產(chǎn)生的斗齒切向挖掘力稱為工作液壓缸的理

20、論挖掘力。圖 3.5鏟斗理論挖掘力計(jì)算示意圖共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙（）如圖所示，鏟斗挖掘時(shí)鏟斗液壓缸的理論挖掘力為：Pr1r3P if ( L)P0D3l 333r2式中P3 鏟斗液壓缸的理論推力，P F ? p ， F3 為鏟斗液壓桿大腔作用33面積， F3 =（ 140/2)2=15386 mm2 ； p 為液壓系統(tǒng)工作壓力取p =30MPa ；所以 P3=462r1 、 r2 、 r3 力臂值。由于鏟斗的轉(zhuǎn)角從 0°到 180°，做出鏟斗每轉(zhuǎn) 10°的挖掘圖（中間部分取 5°），測量各力臂值，如下表：表 3.2鏟斗理論挖掘力 P和挖掘阻力

21、W 計(jì)算結(jié)果oD1裝角度r 1r 2r 3r 4=l 3P (KN)PoDW310°110219239140046239.6010°265290289140046287.120.820°3743583411400462117.6100.830°4634223881400462140.5116.7訂40°5254744301400462157.2145.850°5665144551400462165.3153.455°5845324691400462169.9154.860°5915524781400462168.9

22、153.870°5975624821400462169.0145.880°5965704891400462168.7128.7線90°5885904921400462161.8100.8100°5735994811400462151.859.6110°5476034641400462138.9120°5115914391400462125.3130°4895924121400462112.3140°452582379140046297.1150°416581347140046282.0160°3

23、74581314140046266.7170°338579282140046254.3180°308582252140046244.0將鏟斗理論挖掘力P 和挖掘阻力 W 繪制在同一張坐標(biāo)紙上，比較兩者的大小oD1及變化趨勢，如下表 :表 3.3轉(zhuǎn)斗理論挖掘力與挖掘阻力圖共頁第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙裝由上圖可看出，鏟斗理論挖掘力PoD 始終大于挖掘阻力 W1，并且兩者隨角度變化趨勢基本一致，同時(shí)， PoD與 W幾乎都在 55°時(shí)達(dá)到最大值（設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)1從-25 °開挖），符合挖掘要求。（3）斗桿液壓缸的理論挖掘力的計(jì)算：訂斗桿液壓缸的理論挖掘力為：P0QP2r5f (L2