挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)計(jì)算說明書

1、摘要液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一種主要類型， 廣泛應(yīng)用在房屋建筑、 筑路工程、 水利建設(shè)、港口建設(shè)、國防工程等土石方施工和礦山采掘之中。反鏟液壓挖掘 機(jī)是挖掘機(jī)械中最重要的機(jī)種之一，主要應(yīng)用于挖掘停機(jī)面以下的土壤。液壓 挖掘機(jī)反鏟裝置是完成液壓挖掘機(jī)各項(xiàng)功能的主要部分，其結(jié)構(gòu)的合理性直接 影響到液壓挖掘機(jī)的工作性能和可靠性。本文根據(jù)液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) , 工作原理以及對典型工況的分 析，總結(jié)了挖掘機(jī)工作裝置性能要求和設(shè)計(jì)原則 ，然后對其各主要構(gòu)件進(jìn)行了 方案選擇以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并確定各鉸點(diǎn)之間的距離，用 Pro/e 軟件繪出其連 桿模型。接著根據(jù)連桿模型并結(jié)合其他機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)畫出工作裝置

2、的二維圖紙， 最后根據(jù)圖紙上的具體結(jié)構(gòu)尺寸對工作裝置的主要部件進(jìn)行校核。關(guān)鍵詞: 液壓挖掘機(jī)，工作裝置，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AbtractAs one of important construction machinery and equipments， hydraulic excavator is widely used in earthwork construction and mine exploitation, such as in architecture, road engineering, water conservancy, port building, national de

3、fense project, etcThe excavator with a backhoe d is mainly used to excavate the earth undergroundBackhoe Equipment of Hydraulic Excavator is one important device to perform many functions. The working performance and reliability of the whole machine is influenced by the rationality of its structure.

4、Firstly ，this paper, which is based on the structural features of hydraulic backhoe excavator、be worked principle and the analysis of typical conditions, summed up the excavator working equipment performance requirements and design principles. Secondly, be selected the program and conduct the kinema

5、tic analysis of all the major components of working equipment，and be determined the distance between the hinge points，and then used the Pro/e software to draw the link mode；l Thirdly ， drew two-dimensional drawings of the work equipments ； Finally, according to the drawings specific dimensions, chec

6、tkhe main componenst of working device.Key words：hydraulic excavator；working equipment；kinematic analysis；structural design目錄1 緒論 . - 1 -1.1 課題背景及目的 . - 1 -1.2 挖掘機(jī)發(fā)展簡史 - 1 -1.2.1 國外液壓挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展趨勢 - 1 -1.2.2 國內(nèi)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況 - 2 -1.3 液壓挖掘機(jī)的基本類型 - 2 -1.4 本次設(shè)計(jì)概述 - 3 -1.5 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 . - 3 -2 總體方案設(shè)計(jì) - 4 -2.1

7、工作裝置構(gòu)成及原理 - 4 -2.2 工作裝置坐標(biāo)設(shè)定（見圖 2-2 ）. - 6 -2.3 工作裝置各部分方案選擇 - 6 -2.3.1 動(dòng)臂種類選擇及油缸布置方案選擇 - 6 -2.3.2 斗桿種類選擇 - 8 -2.3.3 鏟斗種類選擇及油缸布置方案選擇 . - 8 -2.4 液壓挖掘機(jī)工礦分析 - 9 -2.5 液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求 - 14 -2.5.1 幾何尺寸要求 - 14 -2.6 液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)原則 - 17 -2.7 設(shè)計(jì)基本參數(shù)以及設(shè)計(jì)作業(yè)范圍 - 18 -3 工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 . - 19 -3.1 動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析 - 19 -3.2 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析 -

8、 21 -3.3 鏟斗的運(yùn)動(dòng)分析 - 22 -3.4 特殊工作位置計(jì)算 - 23 -4 基本尺寸的確定 - 27 -4.1 斗形參數(shù)的選擇 - 27 -4.2 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇 - 28 -4.3 斗桿機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選擇 - 30 -4.4 連桿及鏟斗機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選擇 - 31 -5 工作裝置結(jié)構(gòu)受力分析與校核 - 37 -5.1 挖掘阻力分析 - 37 -5.2 工作裝置各部分油缸作用力的確定 - 38 -5.2.1 鏟斗油缸作用力的確定 - 38 -5.2.2 斗桿油缸作用力的確定 - 40 -5.2.3 動(dòng)臂油缸作用力的確定 - 41 -5.3 工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的工況介紹 - 4

9、2 -5.4 斗桿的力學(xué)分析 5.5 斗桿強(qiáng)度校核 5.6 動(dòng)臂力學(xué)分析 5.7 動(dòng)臂強(qiáng)度校核 6 結(jié)論 . 參考文獻(xiàn) . 附錄 . - 43 - 49 - 54 - 56 - 60 - 61 - 錯(cuò)誤！未定義書簽。 錯(cuò)誤！未定義書簽。致謝 . 1 緒論1.1課題背景及目的挖掘機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(jī)械化施工中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jī)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(jī)的廣泛應(yīng)用，挖掘機(jī)市場 有著廣闊的發(fā)

10、展空間，因此發(fā)展?jié)M足我國國情所需要的挖掘機(jī)是十分必要的。 而工作裝置作為挖掘機(jī)的重要組成部分， 對其研究和控制是對整機(jī)開發(fā)的基礎(chǔ)。單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置是一個(gè)較復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)， 國內(nèi)外對其運(yùn)動(dòng)分析、 機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面都作了較深入的研究，具體的設(shè)計(jì)特別是小型挖 掘機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟。而關(guān)于單斗液壓挖掘機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)也很多，這些文 獻(xiàn)從不同側(cè)面對工作裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述。而筆者的設(shè)計(jì)知識(shí)和水平能力只 是初學(xué)者，進(jìn)行本課題的設(shè)計(jì)是為對挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)有一些大體的認(rèn)識(shí)， 鞏固所學(xué)的知識(shí)和提高設(shè)計(jì)能力。1.2 挖掘機(jī)發(fā)展簡史挖掘機(jī)械的最早雛形，主要用于河道。港口的疏浚工作，第一臺(tái)有確切記

11、載的挖掘機(jī)械是 1796 年英國人發(fā)明的蒸汽“挖泥鏟” 。而能夠模擬人的掘土工 作，在陸地上使用的蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的“動(dòng)力鏟”于 1835 年在美國誕生，主要用于 修筑鐵路的繁重工作，被認(rèn)為是現(xiàn)代挖掘機(jī)的先驅(qū)，距今已有 170 多年歷史。 1950年，德國研制出世界上第一臺(tái)全液壓挖掘機(jī)。由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展， 各種新技術(shù)、新材料不斷在挖掘機(jī)上得到應(yīng)用，尤其是電子技術(shù)和信息技術(shù)的 應(yīng)用使得液壓挖掘機(jī)在作業(yè)效率、可靠性、安全性和操作舒適性以節(jié)能、環(huán)保 等方面有了長足的進(jìn)步。目前液壓挖掘機(jī)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用， 成為土石方施工不可缺少的重要機(jī)械設(shè)備。1.2.1 國外液壓挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展趨勢

12、工業(yè)發(fā)達(dá)國家的液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，產(chǎn)品線齊全，技術(shù)成熟。美國、德 國和日本是液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國， 具有較高市場占有率。 20 世紀(jì)后期開始， 國際上液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)從產(chǎn)品規(guī)格上看，在穩(wěn)定和完善主力機(jī)型的基礎(chǔ)上向 大型化、微型化方向發(fā)展；從產(chǎn)品性能上看，向高效節(jié)能化、自動(dòng)化、信息化、 智能化的方向發(fā)展。1.2.2 國內(nèi)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況我國從 1967 年開始研制液壓挖掘機(jī)。 早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機(jī)械廠的WY100貴陽礦山機(jī)器廠的 W4-60、合肥礦山機(jī)器廠的 WY6（等。到20 世紀(jì)70年代末80年代初，長江挖掘機(jī)廠和杭州重型機(jī)械研制成功了WY16C和WY25C等液壓挖掘機(jī)產(chǎn)

13、品。從1994年開始，美國的卡特彼勒公司、日本的神戶 制鋼所、日本的小松制作所、日本的日立建機(jī)株式會(huì)社、韓國大宇重工、韓國 現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾、德國雪孚、德國阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司 先后在中國建立了中外合資、外商獨(dú)資挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)具有世界先進(jìn)水 平的多種型號(hào)和規(guī)格的液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。近年來我國經(jīng)濟(jì)增長迅速，液壓挖掘 機(jī)市場需求不斷擴(kuò)大，形成了巨大的挖掘機(jī)市場空間，但該行業(yè)主要由合資企 業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國內(nèi)一些工程機(jī)械待業(yè)的上市股分公司合資的方式介入 了挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)國內(nèi)還有眾多的企業(yè)也在生產(chǎn)液壓挖掘機(jī)，但在生產(chǎn)規(guī)模、 品種、質(zhì)量等方面與國外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展

14、民族挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)， 必須瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)水平，圍繞國內(nèi)外兩個(gè)市場，在充分利用國際化配套的國外 先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)自主創(chuàng)新意識(shí)，掌握核心設(shè)計(jì)制造技術(shù)，發(fā)揮性價(jià)比 優(yōu)勢，提高產(chǎn)品競爭力，把我國液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品做大做強(qiáng)。1.3 液壓挖掘機(jī)的基本類型單斗液壓挖掘機(jī)可按用途及其主要裝置的特征進(jìn)行分類。 按液壓挖掘機(jī)主要用途及工作裝置的不同分為通用型和專用型兩種。中小型挖掘機(jī)大多數(shù)為通用型，即以挖掘土壤容重18000N/m為標(biāo)準(zhǔn)反鏟斗的主要裝 置外，還配有適于挖掘各種輕重土質(zhì)和挖掘幅度的反鏟、正鏟、抓斗、裝載、起重等多種可 換裝置。而大型液壓挖掘機(jī)則以礦用正鏟為主要裝置外，一般亦配有挖掘輕重 土、石料和各種挖

15、掘幅度的正、反鏟等裝置。主要用于礦山采掘和裝載、稱采 礦或礦用型。按工作裝置的結(jié)構(gòu)不同分為鉸接式和伸縮臂式挖掘機(jī)， 常用者均為鉸接式， 伸縮臂式挖掘機(jī)因可用于平整清理場地和坡道等作業(yè)，故有挖掘平地機(jī)之稱。按行走裝置的不同，液壓挖掘機(jī)分為履帶式、輪胎式、汽車式、懸掛式及 拖式等種類。屐帶式因有良好通過性能應(yīng)用最廣，對松軟地面或沼澤地帶還可 采用加寬、加長及以浮式履帶來降低接地比壓。輪式挖掘機(jī)具有行走速度快， 機(jī)動(dòng)性好、可在城市道路通行，故近年來在中小型液壓挖掘機(jī)中發(fā)展較快。汽 車式、懸掛式是以汽車及拖拉機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)械 （ 底盤） 裝設(shè)挖掘或裝載工作裝置的 小型挖掘機(jī)。 適用于城建小量土方工程及農(nóng)村

16、建筑。拖式則沒有行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 轉(zhuǎn)移時(shí)由牽引車牽引，主要優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、成本低。按回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)角的不同，液壓挖掘機(jī)有全回轉(zhuǎn)和半回轉(zhuǎn)兩類。大部分液壓 挖掘機(jī)是全回轉(zhuǎn)式的， 小型液壓挖掘機(jī)如懸掛式等工作裝置僅能作 180左右的回轉(zhuǎn)，為半回轉(zhuǎn)式按主要機(jī)構(gòu)是否全部采用液壓傳動(dòng)又分為全液壓式與半液壓式兩種。兩者 區(qū)別在于半液壓傳動(dòng)挖掘機(jī)的行走機(jī)構(gòu)采用機(jī)械傳動(dòng)，少數(shù)挖掘機(jī)僅工作裝置 采用液壓傳動(dòng)，如大型礦用挖掘機(jī)等。目前國產(chǎn)輪胎式液壓挖掘機(jī)多采用半液 壓式。1.4 本次設(shè)計(jì)概述本次設(shè)計(jì)斗容量為0.3m3,全液壓履帶式挖掘機(jī)型號(hào)為 YW0.3型，由于履帶 式液壓挖掘機(jī)有良好通過性能應(yīng)用最廣， 對松軟地面或沼澤

17、地帶還可采用加寬、 加長以及浮式履帶來降低接地比壓。1.5 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本論文主要對由動(dòng)臂、 斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括以下四部分 :（1）挖機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)。（2）挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。（3）工作裝置各部分的基本尺寸的計(jì)算和驗(yàn)證。（4）工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2總體方案設(shè)計(jì)2.1工作裝置構(gòu)成及原理其中1-鏟斗；2-斗齒；3-連桿；4-搖桿；5-鏟斗油缸；6-斗桿；7-動(dòng)臂；8- 動(dòng)臂油缸；9-斗桿油缸圖1-1為液壓挖掘機(jī)工作裝置基本組成及傳動(dòng)示意圖，如圖所示反鏟工作 裝置由鏟斗連桿、斗桿、動(dòng)臂、相應(yīng)的三組液壓缸等組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)

18、鉸接在 轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依 靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，鏟斗液壓缸一般通過 連桿機(jī)構(gòu)（即連桿和搖桿）與鏟斗連接。反鏟液壓挖掘機(jī)的工作過程為：先下放動(dòng)臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)斗桿及鏟斗，當(dāng)挖掘至裝滿鏟斗時(shí)，提升動(dòng)臂使鏟 斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作位 置開始下一次作業(yè)循環(huán)2。液壓挖掘機(jī)的反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下土壤 （基坑、溝壕等）。其挖掘軌跡決定于各油缸的運(yùn)動(dòng)及其相互配合情況。通常情 況下，分為動(dòng)臂挖掘、斗桿挖掘

19、、轉(zhuǎn)斗挖掘等幾種情況。（1）動(dòng)臂挖掘當(dāng)采用動(dòng)臂油缸工作來進(jìn)行挖掘時(shí)（斗桿和鏟斗油缸不工作）可以得到最大 的挖掘半徑和最長的挖掘行程。此時(shí)鏟斗的挖掘軌跡系以動(dòng)臂下鉸點(diǎn)為中心， 斗齒至該鉸點(diǎn)的距離為半徑所作的圓弧線。 其極限挖掘高度和挖掘深度 （ 不是最 大挖掘深度 ） 即圓弧線之起終點(diǎn)，分別決定于動(dòng)臂的最大上傾角和下傾角 （ 動(dòng)臂 與水平線之夾角 ） ，也即決定于動(dòng)臂油缸的行程。 由于這種挖掘方式時(shí)間長而且 由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實(shí)際工作中基本上不采用。（2）斗桿挖掘 當(dāng)僅以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)，鏟斗的挖掘軌跡為圓弧線，弧線的長度 與包角決定于斗桿油缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂位于最大下傾角，并以

20、斗桿油缸進(jìn)行挖 掘工作時(shí)，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。在較堅(jiān) 硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，能夠保證裝滿鏟斗，故挖掘機(jī)實(shí)際工作中常以斗桿油 缸工作進(jìn)行挖掘。（3）轉(zhuǎn)斗挖掘 當(dāng)僅以鏟斗油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)，鏟斗的挖掘軌跡也為圓弧線，弧線的包 角及弧長決定于鏟斗油缸的行程。顯然，以鏟斗油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)的挖掘行 程較短，如使鏟斗在挖掘行程結(jié)束時(shí)裝滿土壤，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(jī)的斗齒最大挖掘力都在采用鏟斗油缸工 作時(shí)實(shí)現(xiàn)。采用鏟斗油缸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，轉(zhuǎn)斗挖掘較常采用。在實(shí)際挖掘工作中

21、，往往需要采用各種油缸的聯(lián)合工作。 挖掘機(jī)工作裝置各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿，對工作裝置進(jìn)行適 當(dāng)簡化處理如圖 2-2 所示。圖2-2工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實(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)臂油缸長度 Li、斗桿油缸長度L2、鏟斗油缸長度La 決定，當(dāng)Li、L2、La為某一確定的值時(shí)，工作裝置的位置也就能夠確定。2.2工作裝置坐標(biāo)設(shè)定（見圖2-2）圖中的各參數(shù)的含義說明如下：A表示動(dòng)臂油缸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)的鉸點(diǎn)；B表示 動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)；C表示動(dòng)臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)的鉸點(diǎn)；D表示斗桿油缸與動(dòng)臂 的鉸點(diǎn)；E表示斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)；F表示動(dòng)臂與斗桿的

22、鉸點(diǎn)；G表示鏟斗 油缸與斗桿的鉸點(diǎn)；M表示鏟斗油缸與連桿機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)；N表示連桿機(jī)構(gòu)與斗桿 的鉸點(diǎn)；Q表示斗桿與鏟斗的鉸點(diǎn)；K表示連桿機(jī)構(gòu)與鏟斗的鉸點(diǎn)；V表示鏟斗 的齒尖。所建立的總體坐標(biāo)系的x軸是停機(jī)水平面，丫軸通過回轉(zhuǎn)平臺(tái)的回轉(zhuǎn)中 心并垂直于x軸，o點(diǎn)為總體坐標(biāo)系的原點(diǎn)也即x軸與丫軸的交點(diǎn)。2.3工作裝置各部分方案選擇 2.3.1動(dòng)臂種類選擇及油缸布置方案選擇動(dòng)臂是反鏟工作裝置的主要部件， 一般可以分為組合式和整體式，目前采 用得多的是整體式動(dòng)臂。組合式動(dòng)臂如圖2-3所示，組合式動(dòng)臂用輔助連桿或液壓缸或螺栓連接而 成。上、下動(dòng)臂之間的夾角可用輔助連桿或液壓缸來調(diào)節(jié)，雖然使結(jié)構(gòu)和操作 復(fù)雜化，

23、但在挖掘機(jī)作業(yè)中可隨時(shí)大幅度調(diào)整上、下動(dòng)臂之間的夾角，從而提 高挖掘機(jī)的作業(yè)性能，尤其在用反鏟或抓斗挖掘窄而深的基坑時(shí)，容易得到較 大距離的垂直挖掘軌跡，提高挖掘質(zhì)量和生產(chǎn)率。組合式動(dòng)臂的優(yōu)點(diǎn)是，可以 根據(jù)作業(yè)條件隨意調(diào)整挖掘機(jī)的作業(yè)尺寸和挖掘力，且調(diào)整時(shí)間短。此外，它 的互換工作裝置多，可滿足各種作業(yè)的需要，裝車運(yùn)輸方便。其缺點(diǎn)是質(zhì)量大， 制造成本高，故本次設(shè)計(jì)不采用。圖2-3組合式動(dòng)臂整體式動(dòng)臂的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，輕巧，質(zhì)量輕而剛度大。其缺點(diǎn)是更換的 工作裝置少，通用性較差。多用于長期作業(yè)條件相似的挖掘機(jī)上。整體式動(dòng)臂 又可分為直動(dòng)臂和彎動(dòng)臂兩種。其中的直動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、制造方便， 主

24、要用于懸掛式液壓挖掘機(jī)，但它不能使挖掘機(jī)獲得較大的挖掘深度，不適用 于通用挖掘機(jī)；彎動(dòng)臂是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式，與同長度的直動(dòng)臂相比, 可以使挖掘機(jī)有較大的挖掘深度，但降低了卸土高度，這正符合挖掘機(jī)反鏟作 業(yè)的要求呵。經(jīng)比較，選擇整體彎動(dòng)臂。動(dòng)臂油缸一般布置在動(dòng)臂的前下方，有兩種具體布置方式，油缸前傾布置方案，即當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉伸至上極限位置時(shí)， 動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)前方傾斜；油缸后傾布置方案，即當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將 動(dòng)臂舉伸至上極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)后方傾斜，兩種方案中，在動(dòng) 臂油缸作用力相同時(shí)，后傾方案能得到較大的動(dòng)臂作用力矩2,因此，本次設(shè)計(jì)采用油缸后傾布置方案。臂與

25、動(dòng)臂油缸活塞桿端部的鉸點(diǎn)布置通常有兩種形式，一種是單動(dòng)臂布置 在端部彎角的下部，小型挖掘機(jī)常見；另一種是雙動(dòng)臂油缸布置在動(dòng)臂箱體的 中部，這樣的雙動(dòng)臂油缸在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)筋的作用，提升力也大大增加。由 于本次設(shè)計(jì)的是小型挖掘機(jī)，故本次設(shè)計(jì)采用單動(dòng)臂油缸。2.3.2斗桿種類選擇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。在本設(shè)計(jì) 中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長度，故也采用整體式斗桿。233鏟斗種類選擇及油缸布置方案選擇鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響很大，其應(yīng)滿足 以下的要求：（1）有利于物料的自由流動(dòng)。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底 的向剖面形狀要適合于各種物料

26、的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（2）要使物料易于卸盡。（3）為使裝進(jìn)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(shí)，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(jī)常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4鏟斗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相同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。該布置中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大的鏟斗平均挖掘力。如圖2-5所示。圖2-5鏟斗連接布置示意圖1-斗桿；2-連桿機(jī)構(gòu)；3-鏟斗2.3.4鏟斗結(jié)構(gòu)形式及斗齒的安裝形式鏟斗結(jié)構(gòu)的基本要求1. 鏟斗的縱向剖面形狀應(yīng)適應(yīng)挖掘過程

27、各種物料在斗中運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有利于 物料的流動(dòng)，使裝土阻力最小，有利于將鏟斗充滿。2. 裝設(shè)斗齒，以增大鏟斗對挖掘物料的線比壓，斗齒及斗形參數(shù)具有較小 的單位切削阻力，便于切入及破碎土壤。斗齒應(yīng)耐磨、易于更換。3為使裝進(jìn)鏟斗的物料不易掉出，斗寬與物料直徑之比應(yīng)大于4: 1。4.物料易于卸凈，縮短卸載時(shí)間，并提高鏟斗有效容積。鏟斗的斗齒采用裝配式，國產(chǎn)挖機(jī)其形式有螺栓連接式和橡膠卡銷式，如 圖2-6所示。斗容量小于或等于0.6立方米時(shí)多采用前者，斗容量 q大于或等 于0.6立方米時(shí)多采用后者圖2-6斗齒安裝形式本次設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)鏟斗容量為0.3立方米故選擇螺栓連接安裝形式。2.4液壓挖掘機(jī)工礦分析液壓挖

28、掘機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)功能包括以下幾個(gè)動(dòng)作：動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動(dòng)作，如圖2-7所示。除了輔助動(dòng)作（例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等）不需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼鳎?一般要進(jìn)行全功率驅(qū)動(dòng)研究。挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程：(1) 整機(jī)移動(dòng)至合適工作位置；(2) 平臺(tái)回轉(zhuǎn)，使工作裝置處于挖掘位置；(3) 動(dòng)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(dòng)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。15圖2-7液壓挖掘機(jī)的工作運(yùn)動(dòng)1-動(dòng)臂升降；2-斗桿收放；3-鏟斗裝卸；4-轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)；5-整機(jī)行走 由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對象

29、和工作條件變化較大，對主機(jī)的工作有兩項(xiàng)要 求：1實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，隨著阻力與作業(yè)速度的變化，要求液壓缸和液壓 馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化；2.為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，縮短作業(yè)循環(huán) 時(shí)間，工作過程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼?例如挖掘與動(dòng)臂下降、提升與回轉(zhuǎn)) 同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。液壓挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)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(jìn)行挖掘， 或兩者配合進(jìn)行挖掘。 因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)，配以動(dòng)臂動(dòng)作。(2) 滿斗舉升回轉(zhuǎn)：挖掘結(jié)束，動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起，滿斗提升，同時(shí)回 轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載位置，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作

30、。(3) 卸載：轉(zhuǎn)到卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，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(dòng)臂液壓缸的配合，此時(shí)是斗桿和鏟斗的復(fù)合動(dòng)作，兼以動(dòng)臂動(dòng)作。(4) 空斗返回：卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合， 把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。(5) 整機(jī)移動(dòng)工況：將整機(jī)移動(dòng)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(yùn)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241典型挖掘工況液壓挖掘機(jī)典型的挖掘工況包括如下 3種。(1) 鏟斗挖掘工況：由鏟斗液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況， 采用鏟斗液壓 缸進(jìn)

31、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(山 級(jí)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(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，在較堅(jiān)硬的土 質(zhì)條件下工作時(shí)，為了能夠裝滿鏟斗，中小型液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗 桿液壓缸進(jìn)行挖掘。(3) 聯(lián)合挖掘工況：由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，必要時(shí) 還需配以動(dòng)臂液壓缸的動(dòng)作。主要用于需要軌跡控制的情況。當(dāng)單獨(dú)采用鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)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(jìn)行挖掘 時(shí)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

32、保證能挖掘較 大厚度的土壤，所以一般挖掘機(jī)的斗尖最大挖掘力都在采用鏟斗液壓缸挖掘時(shí) 實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)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(dòng)臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較 大的挖掘行程。(a)(b)a-水平地面的挖削；b-斜坡地面的挖削圖2-8斗尖直線挖削(a)(b)a-水平地面的切削；b-斜坡地面的切削圖2-9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(shí)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鳎駝t以斗桿挖掘 為主。這兩種情況的挖掘阻力不同。在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)

33、合工作。如在平整土地或 切削斜坡時(shí)，需要同時(shí)操縱動(dòng)臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運(yùn)動(dòng)，見圖2-8所示。此時(shí)斗桿收回，動(dòng)臂抬起，需要保證彼此動(dòng)作獨(dú)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(jìn)行切削時(shí)，或者需要用鏟斗 斗底壓整地面時(shí)，就需要鏟斗、斗桿、動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)作，這些 動(dòng)作決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，見圖 2-9 所示。當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削 時(shí)，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力， 保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗桿機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作。單獨(dú)采用斗桿挖掘時(shí)，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個(gè)別也有 采用三泵合流。單獨(dú)采用

34、鏟斗挖掘時(shí)，也有采用雙泵合流的情況。當(dāng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止同一油泵向多個(gè)液壓作用元件 供油時(shí)動(dòng)作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個(gè)油泵單獨(dú)對一個(gè)液壓作用元件 供油較好。對于雙泵系統(tǒng)，復(fù)合動(dòng)作時(shí)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(jìn)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(jiān)硬障礙物，往往由于挖不動(dòng)而需 要短時(shí)間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時(shí)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(yùn)動(dòng)約占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)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%

35、- 50%，因此要求盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)時(shí)間挖掘結(jié)束后，動(dòng)臂油缸將動(dòng)臂頂起，滿斗舉升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái) 轉(zhuǎn)向卸載處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作。動(dòng)臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同 時(shí)動(dòng)作時(shí)，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，動(dòng)臂和鏟斗自 動(dòng)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(jī)相對 卸載的位置而變，因此動(dòng)臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)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(dòng)臂的提升速度慢些。回轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，由于慣性較大，油壓會(huì)升得很高，有可能從溢流閥溢流，此 時(shí)應(yīng)該將溢流的油供給動(dòng)臂。在回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂提升的同時(shí)，斗桿要外放，有時(shí)還 需要

36、對鏟斗進(jìn)行調(diào)整。這時(shí)是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。2.4.3 卸載工況 回轉(zhuǎn)至卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，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?jiǎng)颖叟浜蟿?dòng)作。卸載時(shí)，主要是斗桿和 鏟斗復(fù)合動(dòng)作，兼有動(dòng)臂動(dòng)作。2.4.4 空斗返回工況 當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)臂油缸和斗桿油缸相互配合動(dòng)作， 把空斗放在新的挖掘點(diǎn)。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作。由于動(dòng)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(gè)油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一油泵的大部分油供給 動(dòng)臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿。發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)油

37、泵供油量小，為防止動(dòng)臂因重力作用迅速下降和動(dòng)臂 油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動(dòng)臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動(dòng)臂油缸無桿 腔的油供至有桿腔。特點(diǎn)與滿載回轉(zhuǎn)類似，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比滿足時(shí)減小。2.4.5 整機(jī)移動(dòng)工況挖掘機(jī)一般不作長距離行走，只在工地范圍行走，作業(yè)時(shí)用來調(diào)整整機(jī)位 置?；疽螅鹤笥衣膸Э瑟?dú)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35左右），具有制動(dòng)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(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿和 鏟斗 ）進(jìn)行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個(gè)油泵為左行走馬達(dá)供油、另一個(gè)油泵為右 行走馬達(dá)供油，此時(shí)如果某一液壓元件動(dòng)作，使

38、某一油泵分流供油，就會(huì)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(jī)進(jìn)行裝車運(yùn)輸或上下卡 車行走時(shí)，行駛偏斜會(huì)造成事故。為了保證挖掘機(jī)的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達(dá)分別由 一個(gè)油泵單獨(dú)供油，另一個(gè)油泵向其它液壓作用元件 （如動(dòng)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(gè)油泵并聯(lián)向左、右行 走馬達(dá)供油，另一個(gè)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(dá)供油；雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件 同時(shí)供油。2.4.6 姿態(tài)調(diào)整與保持工況液壓挖掘機(jī)工作裝置及其他功能運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)與鎖定， 要滿足接地比壓要求， 并保證合適的停

39、放、運(yùn)輸尺寸、姿態(tài)及其特殊的檢查姿態(tài)，如圖 2-10 所示。圖2-10挖掘機(jī)姿態(tài)調(diào)整保持工況圖2.5液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求液壓挖掘機(jī)工作裝置由動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)、鏟斗機(jī)構(gòu)三部分組成，是一 種具有多自由度的工程機(jī)械。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、換向，外負(fù)載變 化很大，工作條件惡劣，沖擊和振動(dòng)多，因此對液壓挖掘機(jī)的工作裝置提出了 較高的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，其工作裝置的設(shè)計(jì)需要滿足以 下要求。2.5.1 幾何尺寸要求液壓挖掘機(jī)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(yùn)輸尺 寸，挖掘機(jī)作業(yè)范圍圖如圖2-11，幾何尺寸之間要求不要干擾。圖2-11挖掘機(jī)作業(yè)范圍主要挖掘區(qū)域 R

40、max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(gè)作業(yè)范圍內(nèi) 的任何位置都要求實(shí)現(xiàn)最大挖掘力并不經(jīng)濟(jì)，而要求挖掘機(jī)在主要挖掘區(qū)內(nèi)能 實(shí)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(jìn)行挖 掘的區(qū)域。對液壓挖掘機(jī)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(jī)身運(yùn)動(dòng)的挖掘方式，用這種方式挖掘充斗效率高，循環(huán)時(shí)間短， 也便于卸土，裝車，司機(jī)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(jī)停機(jī)點(diǎn)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

41、挖 掘機(jī)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(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性要求。2.5.2運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性要求液壓挖掘機(jī)各功能運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性要求和常見復(fù)合運(yùn)動(dòng)要求，如表2-1和2-2所示。表2-1各功能運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性要求一覽表功能運(yùn)動(dòng)名稱應(yīng)用工況功率需 求變速要求制動(dòng)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)整不大較咼最好有鎖定動(dòng)臂舉升舉升、姿態(tài)調(diào)整較大高動(dòng)臂下降姿態(tài)調(diào)整、輔助作業(yè)一般較咼回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)挖掘與卸載轉(zhuǎn)位高高行走運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)

42、要求一覽表復(fù)合運(yùn)動(dòng)應(yīng)用工況特點(diǎn)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、變速要求咼鏟斗反轉(zhuǎn)+斗桿反轉(zhuǎn)卸載功率需求較小斗桿正轉(zhuǎn)+動(dòng)臂舉升平整十地要求操縱興性能好動(dòng)臂舉升+回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)挖掘與卸載轉(zhuǎn)位功率需求大，變速要求咼，動(dòng)力分配可調(diào)整動(dòng)臂下降+回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)返回向挖掘處兩者載何差別大、速度要求咼2.5.3結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是工作裝置設(shè)計(jì)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(qiáng)度和剛度特性。在設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置時(shí)，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增 加了構(gòu)件強(qiáng)度，而且縮短制造周期，降低了成本。要求動(dòng)臂下支點(diǎn)及動(dòng)臂

43、油缸 支承在平臺(tái)主梁的整塊鋼板上，這不僅增加構(gòu)件強(qiáng)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(jì)中為求等強(qiáng)度，要求采取局部加強(qiáng)的措 施。動(dòng)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(qiáng)度。為確保焊接強(qiáng)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(shí)際破壞時(shí)常不在負(fù)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(cuò)開，在主要 受力鉸接支承處采用鑄鋼件。2.5.4 經(jīng)濟(jì)性要求液壓挖掘機(jī)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)有能量指標(biāo)、作業(yè)循環(huán)時(shí)間減小、機(jī)

44、重輕、延 長維修周期和挖掘機(jī)壽命周期、加快維修進(jìn)度和降低維修費(fèi)用、司機(jī)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(jià)土方機(jī)械技術(shù)經(jīng)濟(jì)效 率的通用準(zhǔn)則，但由于工作裝置單位重量和價(jià)格相對整機(jī)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(jī)的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度高。決定挖掘機(jī)生產(chǎn)率的基本因素是工作循環(huán)時(shí)間包括挖掘時(shí)間、向卸載點(diǎn)運(yùn) 行時(shí)間、卸載時(shí)間、向工作面返回時(shí)間。挖掘時(shí)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

45、度將增加操作人員的緊張和疲勞程度。為減少 運(yùn)行時(shí)間和返回時(shí)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70180,最佳角度為90?；剞D(zhuǎn)角度過小時(shí)，由于達(dá)不到最大回轉(zhuǎn)速度， 不能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，從而增加運(yùn)行和返回時(shí)間。卸載時(shí)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(jī)的工作裝置除了滿足上述基本設(shè)計(jì)要求之外，還需要滿足其它 的一般性能要求。例如，通過實(shí)現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化和通用化，降低挖 掘機(jī)的制造成本；提高液壓挖掘機(jī)各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足 液壓挖掘機(jī)作業(yè)條件惡劣的要求； 降低振動(dòng)和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性等。2.6 液壓挖掘機(jī)工

46、作裝置的設(shè)計(jì)原則對于液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)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(jì)時(shí)應(yīng)考慮與同 類機(jī)型相比時(shí)的先進(jìn)性，性能與主參數(shù)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定。運(yùn)輸或停放時(shí) 應(yīng)有合理的姿態(tài)。(2) 運(yùn)動(dòng)特性：功率利用情況好，理論工作循環(huán)時(shí)間短。(3) 動(dòng)力特性：滿足整機(jī)挖掘力大小及分布情況的要求； 應(yīng)考慮到整機(jī)穩(wěn)定 性。(4) 結(jié)構(gòu)特性：確定各鉸點(diǎn)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(qiáng)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(jì)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。2.7 設(shè)計(jì)基本參數(shù)以

47、及設(shè)計(jì)作業(yè)范圍基本參數(shù)為：工作質(zhì)量 8000Kg,斗容量0.3 m3。3000mm。設(shè)計(jì)作業(yè)范圍：最大挖掘高度：4500mm最大挖掘深度: 行走速度( km/h)： 3.6/1.8 。動(dòng)臂、斗桿材料使用 Q345B。3工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析圖3-1動(dòng)臂擺角范圍計(jì)算簡圖圖3-2 F點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算簡圖動(dòng)臂的擺角；：imax是動(dòng)臂油缸長度L1的函數(shù)，動(dòng)臂上任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻的 坐標(biāo)值也都是L1的函數(shù)。圖3-1中Llmin :動(dòng)臂油缸的最短長度；L1max :動(dòng)臂油 缸的伸出的最大長度；刁min ：動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最小值；1 max :動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連

48、線夾角的最大值；A：動(dòng)臂油缸的下鉸點(diǎn)；B:動(dòng)臂油缸的上鉸點(diǎn)；C:動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)設(shè)特性參數(shù)p =L1min/l5，C =17/丨5如圖所示，當(dāng)Li= Limin時(shí)得在 ACB中, 據(jù)余弦定理知：2 2 21751min711min ACB。 cos 2 b I5當(dāng)Li = Limax時(shí)則得:Smax= ACBz =1222cos - I 7 l 5 - L1 max 2勺7勺5動(dòng)臂的擺角范圍為:=/ - .1 max 1 max 1 min= cos（1 上）-cos(i)2xa動(dòng)臂的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角為:= cos乂亠 yin 廣1 2 ；）cos（二不難列出動(dòng)臂上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)方程，現(xiàn)在只推導(dǎo)F點(diǎn)的坐標(biāo)

49、方程。：21 = - UCF = ： 20 - 2 - 3 - 4 - 2丨2 +丨2 _ L2：20 二/BCU 一 片 一 ：11 二 cos（ 571/ l72 + l12：2 = cos 71L 2222l711當(dāng)F點(diǎn)在水平線CU之下時(shí)21為負(fù)，否則為正F點(diǎn)的X坐標(biāo)方程為：XF二Yc l1 cos鮎f點(diǎn)的丫坐標(biāo)方程為：Yf =Yc l1 sin 21這里C點(diǎn)的丫坐標(biāo)值可由圖3-2得到：Xc = Xa-15X COSa1Yc = Ya+IsX Sin 1a動(dòng)臂油缸的作用力臂:e1 = 15X SiM CAB顯然動(dòng)臂油缸的作大作用力臂為 6max討5，這時(shí)l l_l = l-3.2斗桿的運(yùn)

50、動(dòng)分析斗桿的位置參數(shù)是Li和L2的函數(shù)。這里暫時(shí)先討論斗桿相對于動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)，也即只考慮L2的影響。斗桿機(jī)構(gòu)與動(dòng)臂機(jī)構(gòu)性質(zhì)類似，它們都是四桿機(jī)構(gòu)，但 連桿比例不同。如下圖3-3所示，D點(diǎn)為斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為動(dòng)臂 與斗桿的鉸點(diǎn)，E點(diǎn)為斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)。其中D-斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)；F-動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)；E油缸與斗桿的鉸點(diǎn)；9斗桿擺角.當(dāng)斗桿油缸全伸時(shí)，取得：2max二 cos*l2921*9當(dāng)斗桿油缸全縮時(shí)，取得：I2 + |2 I2189 2min丁 2min =COS （ 一）2|8|9擺角 2 - Emax “2min斗桿的作用力臂62：e2 二 l9 sin / DEF斗

51、桿油缸最大作用力臂e l9，取得: DFE =sin 心）,L?I； _l；I 83.3鏟斗的運(yùn)動(dòng)分析鏟斗相對于XOY坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)是Li、L2、Lb的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對于斗桿 的運(yùn)動(dòng)，如圖3-4所示，Q點(diǎn)為鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)，v點(diǎn)為鏟斗的斗齒尖點(diǎn)，K 點(diǎn)為連桿與鏟斗的餃點(diǎn)，N點(diǎn)為搖桿與斗桿的鉸點(diǎn)，H點(diǎn)為搖桿，油缸與連桿 的鉸點(diǎn)。圖3-4鏟斗的運(yùn)動(dòng) （1 ）傳動(dòng)比計(jì)算利用上圖，可以知道求得以下的參數(shù)： 鏟斗油缸對N點(diǎn)的力臂ri=NH1 _x)其中出為QV與斗桿軸線的夾角。4基本尺寸的確定4.1斗形參數(shù)的選擇斗容q,平均斗寬B,挖掘半徑R和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿角度2 ?是鏟斗的四個(gè)主 要參數(shù)。他們間的關(guān)系為：1 qR2B(2-sin2 JKs2一般土壤松散系數(shù)Ks=1.25，因?yàn)槲覈鴺?biāo)準(zhǔn)斗容指堆尖容量，所以裝滿系 數(shù)不再考慮。(斗型如圖4-1 )斗容量q：設(shè)計(jì)主參數(shù)已經(jīng)給出q=0.3立方米平均都寬B:查文獻(xiàn)5的P75表