挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)

1、第一章工作裝置總體方案的選擇研究?jī)?nèi)容：1、工作裝置機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)2、各主要工作尺寸驗(yàn)算3、工作裝置各部件運(yùn)動(dòng)及受力分析、工作裝置挖掘性能分析4、各液壓缸閉鎖力驗(yàn)算5、動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6、動(dòng)臂、斗桿強(qiáng)度校核研究方法：采用靜力學(xué)原理和機(jī)構(gòu)幾何學(xué)原理，對(duì)挖掘工作裝置進(jìn)行應(yīng)用研究原始參數(shù)：表1-1 原始參數(shù)表名稱值名稱值整機(jī)重12.8t最大挖掘深度700mm斗容量0.2 m3最大挖掘半徑4000mm發(fā)動(dòng)機(jī)功率55KW最大卸載高度2900mm液壓系統(tǒng)壓力35MPa挖取距離2150mm技術(shù)要求：對(duì)工作裝置的參數(shù)和幾何構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)尺寸達(dá)到要求；主要工作尺 寸誤差不得大3%對(duì)動(dòng)臂、斗桿

2、進(jìn)行強(qiáng)度校核。工作裝置應(yīng)滿足以下要求：1. 主要工作尺寸及工作范圍滿足使用要求。在設(shè)計(jì)反鏟裝置時(shí)要考慮與同類 型機(jī)器相比的先進(jìn)性，考慮國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并注意到運(yùn)動(dòng)參數(shù)受機(jī)構(gòu)碰 撞限制等的可能性。2. 整機(jī)挖掘力的大小及其分布情況應(yīng)滿足使用要求，并且有一定的先進(jìn)性。3作業(yè)條件復(fù)雜，使用情況多變時(shí)應(yīng)考慮工作裝置的通用性， 采用變鉸點(diǎn)結(jié) 構(gòu)或配套機(jī)構(gòu)時(shí)，要注意分清主次。要滿足使用要求的前提下，力求替換 構(gòu)件種類少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換裝方便。4.工作裝置結(jié)構(gòu)形式和布置要便于裝卸和維修，尤其應(yīng)便于易損件的更換。第一節(jié)動(dòng)臂和斗桿總體方案的選擇動(dòng)臂是工作裝置的主要構(gòu)件，反鏟動(dòng)臂可分為整體式和組合式兩類。整 體式動(dòng)

3、臂有直動(dòng)臂和彎動(dòng)臂兩種。直動(dòng)臂構(gòu)造簡(jiǎn)單，輕巧，布置緊湊，主要 用于懸掛式挖掘機(jī)。整體式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量輕于 組合式動(dòng)臂。動(dòng)臂液壓缸的布置方案如圖所示，動(dòng)臂液壓缸裝于動(dòng)臂的上方 這個(gè)方案的特點(diǎn)是動(dòng)臂下降幅度較大，在挖掘時(shí)動(dòng)臂液壓缸往往處于受壓狀 態(tài)，閉鎖能力較強(qiáng)。動(dòng)臂提升時(shí)液壓缸小腔進(jìn)油，提升速度也較快。為了統(tǒng)一缸徑和液壓缸的閉鎖能力，雙動(dòng)臂液壓缸的方案采用漸多。有些懸 掛式動(dòng)臂液壓缸布置時(shí)考慮到不破壞動(dòng)臂箱型截面，且不與斗桿液壓缸碰撞，也 采用雙缸，斗桿液壓缸一般只用一個(gè)。但大多數(shù)動(dòng)臂液壓缸還是采用單缸。本設(shè) 計(jì)采用在上方布置的單動(dòng)臂液壓缸。第二節(jié)鏟斗總體方案的選擇鏟斗與

4、鏟斗液壓缸的連接有三種形式，如下圖所示，其區(qū)別主要在于液壓缸 活塞桿端部與鏟斗的連接方式不同。圖 a為直接連接，鏟斗，斗桿與液壓缸組成 四連桿機(jī)構(gòu)。圖b中鏟斗液壓缸通過(guò)搖桿1和連桿2與鏟斗相連，它們與斗桿一 起組成六連桿機(jī)構(gòu)。圖d與圖b類似，區(qū)別在于前者液壓缸活塞桿端鉸接于搖桿 兩端之間，圖c的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比與b相同，只是鏟斗擺角位置向順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)了 一個(gè)角度。六連桿方式與四連桿方式相比在同樣的液壓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。六連桿中方式 b和d在液壓缸行程相同時(shí)，后者能 得到更大的鏟斗轉(zhuǎn)角。但其鏟斗挖掘力的平均值較小。鏟斗液壓缸一般用一個(gè)， 因傳動(dòng)比小，單液壓缸作用力足

5、以保證斗齒所需的挖掘力。本設(shè)計(jì)采用圖b的方案。第三章反鏟工作裝置幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算第一節(jié)斗型參數(shù)的選擇斗容量q,平均斗寬B,轉(zhuǎn)斗挖掘半徑R和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角2是鏟斗的四個(gè)主要參數(shù)。R,B及2三者與q之間有以下幾何關(guān)系 式中q 標(biāo)準(zhǔn)斗容量即堆尖斗容，q =0.2m3 ；B 平均斗寬，選取 R= 750mm ；R轉(zhuǎn)斗挖掘半徑；Ks 土壤松散系數(shù)，取1.25;2 挖掘裝滿角，全面考慮有關(guān)因素，可以取2=90°100°,取2=96°。 將以上各值代入式計(jì)算得R二790mm 800mm。鏟斗上兩個(gè)鉸點(diǎn)K和Q的間距太大將影響鏟斗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性，太小則影l(fā) kq響鏟斗結(jié)構(gòu)剛度，

6、一般取特性參數(shù)心=2二一巴=0.30.38。取K 0.375。l3QV則 KQ =0.375QV =0.375 800 =300一般地，取爲(wèi)io = KQV =95 115，取 口0 = 100第二節(jié)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇確定動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù) 心J1。對(duì)于一定的工作尺寸而 言，動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比可以在很大的范圍內(nèi)選擇。由樣機(jī)，初選K1=1.46。據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大挖掘半徑R1值一般與11 12 13的和值很接近。因此由要求的 R，已定的13和K1可按下列近似經(jīng)驗(yàn)公式初選11和12 :由原始參數(shù)給定最大挖掘半徑為R"i = 4000mm，|3 = R = 800mm代入公式得12=1

7、300mm， l1=1900mm。動(dòng)臂液壓缸全伸與全縮時(shí)的力臂比 K4按不同情況選取，以反鏟為主的通用 挖掘機(jī)要適當(dāng)顧及其他換用裝置要求在地面以上作業(yè)時(shí)有足夠的提升力矩可取K4=0.81.1。初選 K4=0.9o：-11的取值對(duì)參數(shù)特性K4，最大挖掘深度H1max有影響。加大：-11會(huì)使K4減 小或使H1max增大，這正符合反鏟作業(yè)要求。因此基本用作反鏟的小型機(jī)取 "1 > 60° 初選"1=60°。根據(jù)液壓系統(tǒng)工作壓力，流量，系統(tǒng)回路，供油方式，工廠制造條件和三 化的要求確定液壓缸的伸縮比入。增大液壓缸伸縮比1可以增大動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角；：max，但由于

8、受油缸穩(wěn)定性的限制，1 一般取1.61.7o初選動(dòng)臂液壓缸的伸縮比'1 =1.67。由機(jī)體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表及線尺寸參數(shù)公式：Li = kiiVG(m)l 5可得l5=AC=400mm.由樣機(jī)，初選無(wú)因次比例系數(shù)p =0.8，則由 可得L1 minL1 min =500mm,動(dòng)臂在上極限位置時(shí)由厶CABi得cos： - p動(dòng)臂和動(dòng)臂液壓缸鉸點(diǎn)位置的幾何關(guān)系動(dòng)臂在下極限位置時(shí)由厶CAB得令 cos ：二 M又由 CABi得15sinLi minsin 二15 si nLimin由厶CAB2得15sinLi max15.si n 二Lim a xsi n：于是動(dòng)臂在上，下極限位置時(shí)液

9、壓缸作用力臂相應(yīng)為L(zhǎng) i maxLimin、i M 2丄=0.91 -M令取無(wú)因次比例系數(shù)丄，把它們代入上式得出Li minLi min得二=i.7得 丨 7 二 750mm從厶cab2和厶CABi中可以看到-，之間的關(guān)系：匚2.5 >=i.67;= 0.9 V 1。符合要求<i - P二大于，此時(shí)17 > 15。懸掛式動(dòng)臂連接方案即屬于此類。 顯然，動(dòng)臂的擺角為-=49.55斗桿液壓缸全縮時(shí).CFQ最大，常選.CFQ =160 180初選為仃0。當(dāng)懸掛式動(dòng)臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸全縮， QV連線處于垂直狀態(tài)時(shí)可以 得到最大卸載高度狀態(tài)，由圖知最大卸載高度的表達(dá)式為： H3m

10、ax =Yc li sin :： FCUl2sin :：: FCU -100 一|3 初選 BF=13002 2 2 2 2 2l1 l7 -Ibf 1900 750 -1300c一cosBCF0.864由余弦疋理2l1|72 1900 750因此:-=29.4將以上所得代入式（310）可得當(dāng)懸掛式動(dòng)臂液壓缸全伸，F(xiàn)QV三點(diǎn)同直線并處于垂直狀態(tài)時(shí)可以得到最大 挖掘深度狀態(tài)，第三節(jié)斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇確定斗桿液壓缸的鉸點(diǎn)位置，行程及力臂比時(shí)應(yīng)考慮以下因素： 1保證斗桿液壓缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。液壓缸作用力臂最大時(shí)產(chǎn)生的最大斗 齒挖掘力應(yīng)大于要求克服的最大挖掘阻力。2. 保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能

11、力。對(duì)于以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鞯闹行⌒头寸P，選擇斗桿機(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)內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓缸的挖掘力能得到充分的發(fā)揮。3. 保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍大致在105° 125°之間。在滿足工作范 圍和運(yùn)輸要求的前提下此值應(yīng)盡可能取的小些。一般說(shuō)斗桿愈長(zhǎng)，其擺角范圍也可稍小。斗桿上.EFQ的大小取決于結(jié)構(gòu)因素，并考慮到工作范圍一般在130 170之間。本設(shè)計(jì)取.EFQ =140。參考國(guó)內(nèi)同類機(jī)型機(jī)器斗桿挖掘力值 Pg max = 40KN，按要求的最大挖掘力確 定斗桿液壓缸的最大作用力臂19。初選斗桿液壓缸型號(hào)HSG缸筒內(nèi)徑為140mm，桿徑

12、為80mm,伸縮比2=1.67?？刹榈?，液壓缸的推力為246.3KN，拉力為165.88KN。401300800“則 e2max=k341mm215.46斗桿的擺角在105 125之間，取2max -110 '斗桿液壓缸初始力臂e20與最大力臂e2max之比是斗桿擺角2max的余弦函數(shù)。設(shè) e20 =e2z，貝U如圖所示19已定時(shí)；：2max愈大，e20和e2z就愈小，平均挖掘力也就越小。(p2max219 sin12min =833mm，則 l2max 二 1392mm畫2 -1解得 l8 =1130mm挖掘機(jī)在最大卸載高度處，斗桿液壓缸全縮，此時(shí)第四節(jié)鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇作機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇

13、時(shí)，已知待選的參數(shù)還有7個(gè)即l 10 = FG ,丨15 = GN,l13 = MN,l12 = MK,l21 = NQ 以及 L 3max, L3 min 等。如前所述，鏟斗在挖掘過(guò)程中的轉(zhuǎn)角大致為 90° 100°，為了要滿足開挖和 最后卸載及運(yùn)輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉(zhuǎn)角往往要達(dá)到 150° 180°,本設(shè)計(jì)初 選3 max =160。FQ延長(zhǎng)線上，或者在其上如圖所示，設(shè)|3二L3min時(shí)斗齒尖為 V，則V肯能在側(cè)的0° 30°處，本設(shè)計(jì)初選 V。在其上側(cè)20°處，此時(shí) V0QV1為仰角鏟斗液壓缸伸縮比應(yīng)當(dāng)在允許的范圍內(nèi)

14、，對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)可取，3=1.451.65。本設(shè)計(jì)初選，3=1.46。最大挖掘阻力F3j按經(jīng)驗(yàn)估計(jì)為40KN，挖掘阻力所做的功 鏟斗油缸推力做功 W3=F3( ' -1)L3min W3j =W3可以求得L3mi n=788mm,L3max=1150mm.由結(jié)構(gòu)確確定 G 點(diǎn)位置，初選 FG=400mm,<GFQ=60°。傳動(dòng)角應(yīng)在允許的范圍內(nèi)任何瞬間各構(gòu)件之間都不應(yīng)有 干涉，碰撞現(xiàn)象。不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)，即 L mn +L mk >L KQ +L NQ 通過(guò)作圖法設(shè)計(jì)出一組數(shù)據(jù)，L MK =400,L MN =613,L fn =726,L nq =574.由此基本確定了

15、工作裝置各結(jié)構(gòu)的尺寸。第五節(jié)各主要工作尺寸驗(yàn)算整個(gè)工作裝置幾何尺寸確定以后，應(yīng)校核最大挖掘深度，最大卸載高度及最 大挖掘半徑。最大挖掘深度符合要求最大挖掘半徑最大卸載高度求得 H3max =1300+1900sin52.54°+1300sin42.54°-800=2900mm第三章刮板運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)第一節(jié)概述采掘下來(lái)的煤只有運(yùn)出礦井才有使用價(jià)值。因此，運(yùn)輸是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的一部分。刮板輸送機(jī)是煤炭裝運(yùn)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，刮板輸送機(jī)的輸送能力在很大程度上決定了采煤工作面的生產(chǎn)能力和效率。然而，井下運(yùn)輸在工作面和巷道中進(jìn)行，巷道是根據(jù)煤層條件，按開采方法的需要，綜合各種

16、要求， 在煤層或巖石中開鑿出的。因此，井下運(yùn)輸條件的特點(diǎn)是：在有限斷面的巷道內(nèi) 運(yùn)行，環(huán)境濕度大。由此可見刮板輸送機(jī)在使用中，要承受拉、壓、沖擊、摩擦 和腐蝕等多種作用，必須要有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨和耐腐蝕性。由于它的運(yùn) 輸方式是物料和刮板鏈都在槽內(nèi)滑行，運(yùn)行阻力和磨損都很大。但是，在采煤工作面運(yùn)煤，目前還沒(méi)有更好的機(jī)械可代替。只能從結(jié)構(gòu)上、強(qiáng)度上和制造工藝上 不斷研究改進(jìn)，使它更加完善、耐用。由此可見，刮板輸送機(jī)是煤炭等礦物運(yùn)輸 中必不可少的運(yùn)輸機(jī)械。第二節(jié)方案選定刮板輸送機(jī)鏈條在溜槽內(nèi)布置方式， 常用的有中單鏈、中雙鏈及邊雙鏈。其 特點(diǎn)分別是：a. 中單鏈。刮板在溜槽內(nèi)起導(dǎo)向作用，一條鏈

17、條位于刮板中心。其特點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，彎曲性能好，鏈條受力均勻，溜槽磨損小。其缺點(diǎn)是過(guò)煤空間小，機(jī) 頭尺寸較大，能量消耗較大。b. 邊雙鏈。鏈條和連接環(huán)起向?qū)ё饔?，鏈條位于刮板兩端。其特點(diǎn)是過(guò)煤 空間大，消耗能量小。其缺點(diǎn)是水平彎曲時(shí)鏈條受力不均勻，溜槽磨損較大。c. 中雙鏈。刮板在溜槽內(nèi)起向?qū)ё饔?，兩條鏈條在刮板中間，其間距不小 于槽寬的20%其特點(diǎn)是鏈條受力均勻，溜槽磨損小，水平彎曲性能好，機(jī)頭尺 寸較小，單股鏈條斷時(shí)處理方便。缺點(diǎn)是過(guò)煤空間小，能量消耗大。由于本設(shè)計(jì)中不存在刮板機(jī)構(gòu)的彎曲， 又考慮到過(guò)煤量較大選用邊雙鏈型刮板輸 送機(jī)。第三節(jié)刮板輸送機(jī)的整體設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)書要求：運(yùn)輸能力：Q=30t/h，鏈速：V=1m/s最大轉(zhuǎn)彎半徑7000mm.按連續(xù)運(yùn)行的計(jì)算公式，其運(yùn)輸能力為式中運(yùn)行物料的斷面積 F,與中部槽的規(guī)格及其承載能力有關(guān)。式中