單斗正鏟液壓挖掘機工作裝置設(shè)計

1、正鏟液壓挖掘機工作裝置設(shè)計摘要液壓挖掘機是一種應用廣泛的多功能的建設(shè)施工機械,作為工程機械的主力機種。由于液壓挖掘機具有多品種,多功能,高質(zhì)量及高效率等特點,因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞,其生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。液壓挖掘機主要有發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置和電器控制等部分組成。本文主要研究其工作裝置。挖掘機的主要工作就是土壤的挖掘。工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置,許多挖掘機發(fā)達的國家廣泛采用新技術(shù)、新方法來不斷地提高液壓挖掘機的作業(yè)性能和生產(chǎn)率。正鏟裝置的各組成部分有各種不同的外形,要根據(jù)設(shè)計要求選用適合的結(jié)構(gòu)并對其作運動分析。然后,在滿足機構(gòu)運動要求的基礎(chǔ)上對各機

2、構(gòu)參數(shù)進行理論計算,確定各機構(gòu)尺寸參數(shù),確定挖掘機正鏟裝置的基本輪廓。挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘機性能參數(shù)的重要性能指標,對其分析計算至關(guān)重要。挖掘阻力主要與挖掘?qū)ο蠹白陨沓叽鐓?shù)有關(guān),而挖掘力則受眾多條件限制,危險工況的分析是關(guān)鍵點。在挖掘力分析基礎(chǔ)上,可對各桿件鉸接點進行力的分析計算,并進行機構(gòu)設(shè)計的合理性分析。關(guān)鍵詞:正鏟挖掘機,工作裝置,平面連桿機構(gòu),運動分析第二章液壓正鏟挖掘機工作裝置的總體設(shè)計2.1 液壓正鏟挖掘機的基本組成和工作原理液壓正鏟挖掘機由工作裝置,上部轉(zhuǎn)臺和行走裝置三大部分組成,如圖 2.1 所示。其中上部轉(zhuǎn)臺包括動力裝置、傳動機構(gòu)的主要部分、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室

3、;工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗及動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸組成,如圖 2.2 所示。 圖 2.1 液壓正鏟挖掘機的基本組成 圖 2.2 液壓正鏟挖掘機工作裝置挖掘作業(yè)時,操縱動臂油缸使動臂下降至鏟斗接觸挖掘面,然后操縱斗桿油缸和鏟斗油缸,使斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后,操縱動臂油缸,使鏟斗升高離開挖掘面,在回轉(zhuǎn)馬達的驅(qū)動下,使鏟斗回轉(zhuǎn)到卸載地點,然后操縱斗桿和鏟斗油缸使鏟斗轉(zhuǎn)動至合適位置,再回縮開斗油缸轉(zhuǎn)動鏟斗,使斗前、斗后分開卸載物料。卸載后,開斗油缸伸長使斗前、斗后閉合,將工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘地點進行第二次循環(huán)挖掘工作。轉(zhuǎn)移工作場地時,操縱行走馬達,驅(qū)動行走機構(gòu)完成移動工作4。在實際挖掘作

4、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。2.2 工作裝置結(jié)構(gòu)方案的確定正鏟工作裝置的構(gòu)造:正鏟工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗、工作液壓缸和連桿機構(gòu)等組成。動臂是焊接的箱形結(jié)構(gòu),由高強度鋼板焊成,也有的是鑄造的混合結(jié)構(gòu),和反鏟工作裝置相比,正鏟動臂較短且是單節(jié)的。動臂下端和轉(zhuǎn)臺鉸接,動臂油缸一般為雙缸,在布置上動臂的下鉸點高于動臂油缸的下鉸點且靠后。這種布置方案能保證動臂具有一定的上傾角和下傾角,以滿足挖掘和卸載的需要,同時也保證動臂機構(gòu)具有必要的提升力矩和閉鎖力矩。斗桿也是焊接箱形結(jié)構(gòu)或鑄造混

5、合結(jié)構(gòu)。斗桿的一端與動臂的上端鉸接,斗桿油缸的兩端分別與動臂和斗桿的下緣鉸接,形成了斗桿機構(gòu)。由于正鏟常以斗桿挖掘為主,這樣的結(jié)構(gòu)布置適合于向前推壓,液壓缸大腔進油可以發(fā)揮較大的挖掘力。正鏟斗鉸接在斗桿的端部,鏟斗油缸的兩端分別與斗桿中部和連桿裝置連接,形成轉(zhuǎn)斗機構(gòu),一般為六連桿機構(gòu)。有時鏟斗缸的活塞桿直接和鏟斗鉸接形成四連桿機構(gòu)。挖掘機正鏟的鏟斗根據(jù)結(jié)構(gòu)和卸土方式可分為前卸式和底卸式兩大類。前卸式鏟斗卸土時直接靠鏟斗油缸使斗翻轉(zhuǎn),土鑲從斗的前方卸出。這種構(gòu)造簡單,斗體是整體結(jié)構(gòu),剛度和強度都比較好,并且不需要另設(shè)卸土油缸,但是為了能將土卸盡,要求卸土時前壁與水平夾角大于45度,因而要求鏟斗的

6、轉(zhuǎn)角加大,結(jié)果導致所需的鏟斗油缸功率增加,或者造成轉(zhuǎn)斗挖掘力下降或卸土時間延長。此外,前卸式鏟斗還影響有效卸載高度。底卸式鏟斗靠打開斗底卸土。所示的鏟斗是靠專門的油缸起閉斗底。挖掘時斗底關(guān)閉,卸土時斗底打開,土城從底部卸出。這類結(jié)構(gòu)的卸土性能較好,要求鏟斗的轉(zhuǎn)角也小,但必須增設(shè)卸土油缸,此外,斗底打開后也影響到有效卸載高度。這類開斗方式現(xiàn)在已少用,目前挖掘機上采用較多的是另一種底卸式鏟斗,鏟斗由兩半組成,靠上部的鉸連接。卸土油缸裝在斗的后壁中。油缸收縮時通過杠桿系統(tǒng)使斗前壁(順板向上翹起,將土壤從底部卸出。用這種方式卸載,卸載高度大,卸載時間較短,裝車時鏟斗得以更靠近車休并且還可以有控制地打開

7、額板,使土或石塊比較緩慢地卸出,因而減少了對車輛的撞擊,延長了車輛的使用壽命。另外這種斗還能用于挑選石塊,很受歡迎,但鏟斗的重量加大較多,因而在工作裝置尺寸、整機穩(wěn)定性相同的情況下斗容量有所減少,并且由于斗由兩部分組成,受力情況較差。采用底卸式鏟斗結(jié)構(gòu),鏟斗的轉(zhuǎn)角可以減小,因而有些挖掘機已取消了鏟斗油缸的連桿裝置,鏟斗油缸直接與斗體相連接,簡化了結(jié)構(gòu),并在一定程度上加大了轉(zhuǎn)斗挖掘力5。當挖掘機挖掘比較松軟的對象、或用于裝載散粒物料時,正鏟斗可以換成裝載斗,在整機重量基本不變的情況下,這種斗的容量可以大大增加,因而提高了生產(chǎn)率。裝載斗一般都是前卸式,不裝斗齒,以減小挖掘松散物料時的挖掘阻力。本設(shè)

8、計中我采用圖2.3這一結(jié)構(gòu)。 圖 2.3 液壓正鏟挖掘機結(jié)構(gòu) 圖 2.4 液壓正鏟挖掘機機構(gòu)簡圖圖2.4所示是5 m3正鏟挖掘機工作裝置的示意圖,采用直動臂、直斗桿形式,鏟斗為前卸式。動臂和動臂油缸在轉(zhuǎn)臺上的鉸點分別為C 和A ,它們的位置以停機面為X 軸,整機回轉(zhuǎn)中心線為Y 軸(圖b的直角坐標值來表示。這臺挖掘機的主要工作油缸共5只,其中動臂油缸兩只,置于動臂的兩側(cè);斗桿油缸一只,置于斗桿的中部;鏟斗油缸兩只,鉸于斗桿中部。主要工作油缸的主要參數(shù)列于表21中。表 2.1 5m 3正鏟液壓挖掘機主要油缸的主要參數(shù) 第三章 液壓正鏟挖掘機工作裝置機構(gòu)運動學分析動臂CF 的位置由動臂油缸AB 的長

9、度1L 決定。1L 和動臂水平傾角1之間的關(guān)系可用下式表示11257212527112cos a a l l L l l -+-+=- (2-2 從上式看出,a 11-a 2對1的影響很大,當動臂和油缸的參數(shù)不變時,a 11-a 2愈大動臂提升高度愈小。設(shè)動臂油缸全縮時動臂傾角為min 1;動臂油缸全伸時動臂傾角為max 1,那么在動臂油缸由全縮到全伸,動臂總的轉(zhuǎn)角為:min 1max 11-= (2-3為了便于運算和比較,仍用無因次比例系數(shù)、表示,即min 1max 1L L =;5min 1l L=;57l l = (2-4代入式(22可以得到動臂油缸全縮和全伸時相應的動臂傾角值11222

10、1min21cos a a -+-+=- (2-5 1122221max21cos a a -+ -+=- (2-6 而動臂總轉(zhuǎn)角為-+- -+=-21cos 21cos 22122211 (2-7 動臂油缸伸縮時對C 點的力臂也在不斷變化,由圖可知BCA l l L e =sin 5711 -+=5721255715712arccos sin l l L l l L l l e (2-8 顯然,當AB AC 時1e 有最大值,此時5max 1l e =,而相應的油缸長度1L '為: 1L '=2527l l - 此時的動臂傾角為11275arccos a a l l -+=&

11、#39;若用動臂油缸相對力臂(即max11e e 來表示油缸長為1L 時的力臂,則 -+=5721252717max112arccos sin l l L l l L l e e (2-9 綜上所述,動臂傾角1、力臂1e 和max11e e 都是1L 的參數(shù)。斗桿FQ 的位置由動臂CF 和斗桿油缸DE 的長度2L 所決定。但是動臂的位置隨動臂油缸的伸縮而變化,為了便于分析斗桿油缸對頭桿位置的影響,假定動臂不動,那么斗桿鉸點F 以及斗桿油缸在動臂上的鉸點D 就可以看作為固定基座。2L 與斗桿、動臂夾角2之間的關(guān)系為(34298292822cos2a a l l l l L -+-+= (2-10

12、 349822292822arccos a a l l L l l +- -+= (2-11設(shè)斗桿油缸全縮時動臂與頭桿的夾角為min 2,全伸時為max 2,那么當油缸由全縮到全伸時斗桿總的轉(zhuǎn)角為min 2max 22-= (2-12斗桿油缸的作用力臂2e 也是可變值。DFE l l L e =sin 98222csc sin(982229282982l l L l l os ar L l l e -+= (2-13當EF DE 時2e 有最大值,即92l e =,這時相應的油缸長度2L '為 29282l l L -='相應的斗桿轉(zhuǎn)角為43892arccos a a l l-

13、+=' (2-14 用斗桿油缸相對力臂值(即max22e e 來表示2L 時的力臂,則2csc sin(9822292828max22l l L l l os ar L l e e -+=(2-15 這時C 、Q 、V 在同一條水平線上,而且斗桿油缸全伸,即max 22=; =max 2max 442251sin arcsin l l a ;283a += 最大挖掘半徑為C X l l R +=3max 44max (2-16最大挖掘半徑處的挖掘高度相應為C R Y H = 圖 2.5 最大挖掘半徑 圖 2.6 最大挖掘高度最大挖掘高度為:(C Y l a l H +-=326max

14、1max 44max 2sin (2-17最大挖掘高度時的挖掘半徑(26max 1max 442cos a l X R C H -+= (2-18如果最大轉(zhuǎn)斗角度不能保證QV 垂直向上,即21max 325-<,則應根據(jù)實際的max 3值求相應的挖掘高度,如圖左上角所示,此時(C Y l a l H +-+-=2sin sin(max 3max 2max 1326max 1max 442 (2-19這時動臂油缸全縮,頭桿FQ 及QV 垂直向下,即min 11=,min 122-=,=3。最大挖掘深度為32min 11max 2sin l l l Y H C -+ (2-20最大挖掘深度時

15、的挖掘半徑為min 111cos l X R C H = (2-21 假若min 1max 22-<,則FQ 不可能呈垂直狀態(tài),此時必須根據(jù)具體情況計算實際的最大挖掘深度6。 圖 2.7 最大挖掘深度這是指斗齒靠在地面上、斗桿全部伸出而斗底平面與停機平面平行的工況。此時QV 線與地面交成角(角是一個重要的鏟斗參數(shù),設(shè)計中應認真確定,根據(jù)這種定義可知 圖 2.8 停機平面上的最大挖掘半徑=2max 2;a a -=261,其中 -=max 443sin arcsin l l Y a C (2-221max 232-= (2-23這時停機平面上的最大挖掘半徑為cos cos 3max 44m

16、ax l a l X R C O += (2-24如果1max 232-<,則必須根據(jù)具體情況重新進行計算。第四章 工作裝置各部分基本尺寸計算確定現(xiàn)從動臂與轉(zhuǎn)臺鉸點A 出發(fā),借助各相關(guān)轉(zhuǎn)角 1、 2和 3,建立各關(guān)鍵點B 、C 、D V 的位置模型,得到各關(guān)鍵點的坐標,從而為下一步的分析提供依據(jù)。以地面為橫坐標,以回轉(zhuǎn)中心線為縱坐標,建立直角坐標系XOY 如圖2.4所示。4.1 動臂與平臺鉸點位置C 的確定對由反鏟挖掘機改裝的正鏟來說,動臂鉸座往往就沿用反鏟動臂的鉸座。一般,鉸座都在轉(zhuǎn)臺中心的前方(C X >0,近來大型正鏟的鉸座卻有向后移(靠近回轉(zhuǎn)中心線的趨勢。設(shè)計時,C Y 、

17、C X 可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計公式初步選取,在此基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L 為基本長度。履帶軸距L37.23.2(q L =3.123.66 (2-25式中:q 為斗容量,3m4.2 動臂及斗桿長度的確定同上轉(zhuǎn)斗半徑321l l l 、也可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計公式初步選取,在此基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L為基本長度。 4.3 機構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定在動臂長度1l 、斗桿長度2l 、轉(zhuǎn)斗半徑3l 及動臂油缸與平臺鉸點C 初步確定之后,根據(jù)挖掘機工作尺寸的要求利用解析法求各機構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍,其中包括動臂機構(gòu)轉(zhuǎn)角、斗桿機構(gòu)轉(zhuǎn)角、鏟斗機構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍6。(1 斗桿轉(zhuǎn)角max 2和min 2的確定max 2可根據(jù)最

18、大挖掘半徑max R 確定。最大轉(zhuǎn)角max 2應當不小于-+2123max 2221max22(arccos l l X l R l l C (2-26 max 2根據(jù)停機平面上最小挖掘半徑max O R 確定。所謂停機平面上的最小挖掘半徑依不同工作情況而異,有的是指鏟斗最靠近機體(斗桿油缸全縮、斗齒尖處于停機平面而斗底平行于地面,在這種狀態(tài)下開始挖掘時的挖掘半徑。 圖 2.9 停機平面上的最小挖掘半徑如圖2.9所示,這時斗桿和動臂間的夾角為最小(min 2,鏟斗與地面相交成角(見圖2.7,而斗齒尖V 到回轉(zhuǎn)中心的距離為min O R 。從幾何推導可知222max 44(C Q Q C X X

19、 Y Y l -+-= (2-27式中Q X 、Q Y Q 點的橫坐標和縱坐標,且Q X =cos 3min l R O -;sin 3l Y Q = (2-28(23min 2sin 32min 44cos (C O C X l R l Y l -+-= (2-29m i n 22122212m i n 44cos 2l l l l l -+= (2-30帶入式(2-29整理后得-+213min 232221min22cos (sin (arccos l l X l R l Y l l C O C (2-31有些挖掘機不要求鏟斗水平鏟入,而往往以一定的后角1開始挖掘,因而最小挖掘半徑min

20、O R 可能比前一種小,加大了停機平面上的挖掘范圍。在這種情況下QV 與水平的夾角將增至1+=。根據(jù)有的資料介紹,為使鏟斗容易切人土壤,開始挖掘時的后角1可取為4550。應該注意不論鏟斗開始挖掘時的位置如何,必須以不碰撞履帶板為原則,因此+ +cos cos 123min l R L R O (mm (2-32式中 R 驅(qū)動輪半徑(毫米;履帶行走裝置水平投影的對角線與縱軸問的夾角;考慮轉(zhuǎn)斗機構(gòu)連桿裝置及余隙在內(nèi)的間隙,初步設(shè)計時可取=200400毫米。(2 動臂傾角max 1和min 1的確定動臂最大傾角max 1根據(jù)最大挖掘高度max 2H 確定。由圖2.5并根據(jù)式(217和(218經(jīng)過運算

21、得出+-max 44max 22max 443max 2max 1sin arcsin arcsin l l l Y l H C (2-33因此先確定max 2后,再根據(jù)max 2H 可得max 1。動臂最小傾角min 1。根據(jù)最大挖掘深度max 1H 確定。由圖2.5和式(220得到+-132max 1min 1arcsin l l l Y H C (2-34 (3鏟斗轉(zhuǎn)角max 3和min 3的確定轉(zhuǎn)斗機構(gòu)應滿足以下要求:滿足工作尺才的要求,即保證所要求的max 2H 、max 1H 、max R 、min O R 等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn);挖掘過程中能夠調(diào)整切削后角,保證工作正常進行,滿足挖掘過程

22、結(jié)束時的轉(zhuǎn)斗要求及卸載要求。max 2max 1max 325- (2-35max44max2128max 3sin arcsinl l a +=+ (2-3621228max 3+a (2-37=min 2min 44128sin arcsin ll a (2-38 -= -=min 448min 44sin arcsin arcsin 1l l Y l Y Y C Q C (2-39 -=22-+min 3B .3必須滿足挖掘過程中調(diào)整切削后角的要求2min 31a又3129max 3a a +=312329sin arcsin a ll a 313123max 3sin arcsin a

23、 a ll += 將式231+a 代入,整理后得到+-cos arcsin 2323max 3l l (2-41圖 2.10 鏟斗運動方向與切削后角C .3必須滿足卸載要求由于前卸式鏟斗和底卸式鏟斗的卸載方法不同,因此對轉(zhuǎn)角的要求也不同。 為使卸斗于凈,前卸式鏟斗在卸土時要求斗底與水平相交成45以上的角(見圖2.11a,因此從圖2.5及式(235得 +-4225max 2max 1min 3 -m a x 2m a x 1m i n 347(2-42 圖 2.11 不同卸載方式對3的影響底卸式鏟斗卸土時可假定斗的后壁接近于垂直枚態(tài),斗底按近于水平位置(圖2.11b,因此要求-225max 2m

24、ax 1min 3-max 2max 1min 32 (2-43對比(242和(243可見,從卸土要求來看,底卸式鏟斗的轉(zhuǎn)角可比前卸式少45左右。D .3必須滿足挖掘結(jié)束時鏟斗后傾的要求'+-+(28max 3a a-+-+ min 443min 2min 441max 3sin arcsin sin arcsin l l Y l l C +' (2-44根據(jù)以上所得的公式(235(244就可以初步確定動臂、斗桿、鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍。但是求出這些參數(shù)后還必須校接所規(guī)定的其它工作參數(shù),如最大卸載高度、最大卸載高度時的卸載半徑、最大挖掘高度時的挖掘半徑等,如不能滿足則應加以修正。 圖

25、2.12 鏟斗后傾示意圖但是由于設(shè)計說明中已經(jīng)給出所需要的鏟斗轉(zhuǎn)角范圍為145°265°確定動臂油缸及其鉸點位置時首先應滿足動臂變幅時力短和轉(zhuǎn)角的要求。圖2.13中設(shè)動臂油缸全縮和全伸時的位置為1AB 和2AB ,則m i n 11L AB =;max 22L AB =。再假定鉸點B 不在動臂中心線CF 上,且2a FCB =(當B 在CF 線下方時2a 為“十”,反之為“一”。那么由幾何推導可以求出工作時動臂油缸的起始力臂q e 1和終了力臂c e 1的值:(min 12117min 1211min 15771sin sin(sin +-=+-='=a a l a

26、 a L l l l e q (2-45 (max 12117max 1211max 15771sin sin(sin +-=+-=''=a a l a a L l l l e o (2-46 式中各參數(shù)可見表210、211及公式(257。如果CF 線處于水平線以下則min 1用負值代入。 圖 2.13 動臂提升機構(gòu)計算示意圖設(shè)起始力臂和終了力臂的比值為K ,則(max 1211min 121111sin sin +-+-=a a a a e e K o q(2-47 或 sin(sin(min 1211max 1211+-=+-a a K a a(2-48 展開并整理后得到

27、-=-max 1min 1min 1max 1211cos cos sin sin arctan K K a a (2-49 對式(248、(249可作如下分析:(1公式表示了、K 、11a 、max 1、min 1諸值之間存在著一定的依賴關(guān)系。當其它數(shù)值不變,降低11a 值則K 值下降,因而對上部挖掘有利;當、K 不變,降低11a 值會使max 1加大而min 1減小,對挖高有利。這些都說明正鏟的11a 值應當比反鏟的小。但是如果工作尺寸已定,過多降低11a 值會對下部挖掘不利,甚至在下部挖掘時不能提起滿載斗;此外為了保證max 1、min 1和K ,降低11a 值就必須加大值,加大了油缸行

28、程,對油缸的穩(wěn)定性也有影響。所以當確定11a 值時必須全面考慮,籠統(tǒng)地給定正鏟或反鏟的11a 值是不恰當?shù)摹?2當、K 等值固定,11a 與2a 之間也存在一定的關(guān)系,即211a a -為常數(shù)。在反鏟上由于需要提高地面以下的挖掘性能,2a 值往往都是負值。因此加大11a 可以減小動臂的彎曲程度,對動臂的結(jié)構(gòu)強度有利。而正鏟動臂一般不采用反鏟那樣大曲率的彎臂,2a 角主要按油缸在動臂上的鉸接方式而定,有時油缸鉸在動留下緣的耳板上(動臂截面不致削弱;有時靠兩個鐘形座鉸于動臂兩側(cè)(在雙缸方案中常采用等等,因而2a 角有正有負,但角度一般部不大,因此對11a的影響也不很大。綜合上述兩點,建議在初步設(shè)計

29、中先確定動臂結(jié)構(gòu),初選2a 值,然后根據(jù)工作尺寸的需要,在確定max 1、min 1基礎(chǔ)上按公式(249求合理的11a 值。一般情況下正鏟的11a 值不大干45。(3值主要應從油缸的穩(wěn)定性出發(fā)選用,建議取=1.61.7。(4由于正鏟主要挖掘地面以上土,終了力臂不能忽視,故K 值可建議在0.901.14的范圍內(nèi)選取。用公式(24代入得(max 1211222cos 21+-+=a a (2-52(min 121122cos 21+-+=a a (2-53令=+-max 1211a a ,=+-min 1211a a 代人上式,解聯(lián)立方程后得到 (1214cos 2cos 2cos 2cos 22

30、22222-+-= (2-54cos 212-= (2-55以上我們根據(jù)動臂轉(zhuǎn)角需要和K 值確定了、等比例系數(shù)和21a 值,因此只要進一步求出7l 、5l 、min 1L 、max 1L 中任一值就可以求得其它各參數(shù)。對于正鏟來說動臂油缸的主要作用是將滿載斗由任何可能挖掘的位置舉升到卸載點。而在最大挖掘半徑下舉升滿載斗時的提升力矩往往接近最大值,此時油缸的作用力臂也接近于最大值max 1e ,且m a x 1e =5l 。另一方面油缸的缸徑一般部按照系列選用,并且還要考慮與其它油缸通用等問題,因此缸徑?jīng)]有很多選擇的余地。鑒于以上情況可以在預先確定油缸數(shù)目和缸徑的前提下初步選擇鉸點距離AC(5l

31、 。(=p d n G M s M l i C 42115 (2-56 式中 M 提升力矩,圖214,(i G M =C M ,即各部分重量對C 點的力矩和,其中包括動臂重量1G 、斗桿重量2G 、斗和土壤的重量3G 、連桿裝置重量6G 以及油缸重量4G 、5G 等。初步設(shè)計時這些重量和重心位置可根據(jù)類比法確定;s 油缸推力, s =p d n 411,其中1n 、1d 分別為動臂油缸數(shù)目和缸徑;p 是系統(tǒng)的工作壓力;油缸和鉸點的機械效率,在初步設(shè)計時可取=0.85。將式(2110和(2111的結(jié)果代人式(257,就能求得其余參數(shù)值。 動臂機構(gòu)還必須按以下兩種情況進行校核; 1動筒在上部或下部

32、極限位置時的舉升能力;2主要挖掘范圍內(nèi)挖掘時動臂油缸能提供的閉鎖能力(借助電算結(jié)合整機挖掘力分析進行。選擇斗桿油缸在動臂和斗桿上的鉸點D 和E 并確定斗桿油缸的長度min 2L 和max 2L 。如圖215所示,假設(shè)斗桿油缸全縮和全伸時的長度為1DE 和2DE ,則1DE =min 2L 。2DE =max 2L ,對F 點的相應力臂為q e 2和o e 2。也取比例系數(shù) 圖 2.14 確定提升機構(gòu)的示意圖 圖 2.15 斗桿機構(gòu)計算示意圖min 2max2L L =;9min 2l L =;98l l =則初始與終了力臂比K 為 K=(43max 2min 29843min 2max 298

33、22sin sin a a L l l a a L l le e o q +-+-=(2-57 或 (43max 243min 2sin (sin a a K a a +-=+-最后得到 -=+max 2min 2max 2min 243cos cos sin sin arctan K K a a (2-58式中3a 和4a 相應為DF 、FC 的夾角和EF 、FQ 的夾角。若CF 或FQ 落在DEF 的外側(cè),則夾角為正,反之為負。因此在初步設(shè)計中如果根據(jù)動臂和斗桿的結(jié)構(gòu)形式及鉸點的固定方式預先確定一個角,則可按公式求出第二個角,或者根據(jù)所求的43a a +值結(jié)合具體結(jié)構(gòu)情況分別確定各值。計算

34、斗桿機構(gòu)時建議K 值取0.91,以使開始挖掘和挖掘終了時作用力臂大致相同。值仍建議取1.61.7。同樣,由1DFE 和2DFE 可列出聯(lián)立方程(cos243max 29829282max 2a a l l l l L +-+= (2-59 (cos243min 29829282min 2a a l l l l L +-+= (2-60令=+-(43max 2a a ,=+-(43min 2a a ,并將、代人上式,解聯(lián)立方程后得到 (1214cos 2cos 2cos 2cos 2222222-+-= (2-61cos 212-+= (2-62下面介紹一種根據(jù)挖掘作功的理論確定斗桿油缸參數(shù)的方

35、法。設(shè)斗桿油缸挖掘時需要克服的切向挖掘阻力為1W ,那么h b K W =01 (2-64式中 b 切削寬度(厘米;h 平均切削深度(厘米;0K 挖掘比阻力,取設(shè)計任務所規(guī)定的最硬土壤的挖掘比阻力值(公斤/厘米。假設(shè)鏟斗在行程L(厘米中裝滿,那么在裝斗過程中消耗到挖掘土壤上的功為600110=sS k K q K L bh K L W A (米公斤 (2-65 式中 q 斗容量(3米;S K 、s k 鏟斗的充滿系數(shù)和土壤的松散系數(shù)。顯然這個功由斗桿油缸來完成,而在此期間斗桿油缸所作的功為'='=2222224L p d n L S A (2-66式中 S 斗桿油缸推力,222

36、4=p d S ,其中2n ,2d 是斗桿油缸數(shù)量和缸徑,p 是系統(tǒng)工作壓力;2油缸和鉸點的機械效率,在初步設(shè)計時建議取2=0.85;'2L 油缸挖掘行程。在正鏟上一般認為鏟斗應在斗桿油缸60%的行程內(nèi)裝滿,則'2L =26.0L 其中2L 是斗桿油缸全行程。因此從作功出發(fā)可列出平衡方程式'222224L p d n =6010sS k K q K (2-67 2L =22226046.010p d n k K q k s S (2-68 確定斗桿油缸行程之后,不難求出其全縮和全伸時的長度,即2min 211L L -= (2-69 2max 21L L -=(2-70

37、將式(269、(270和(2-62所得的結(jié)果代入98l l =就可求出98l l 、等值。 所選購油缸及斗桿機構(gòu)的其它參數(shù)應按油缸極限位置時能產(chǎn)生偽挖掘力進行驗算,此時斗桿油缸的挖掘力應不低于斗桿挖掘時遇到的正常挖掘阻力。而這些數(shù)值作為已知條件,課題已給出。轉(zhuǎn)斗機構(gòu)應保證鏟斗有一定的挖掘能力,并具有必要的閉鎖能力。但正鏟上轉(zhuǎn)斗挖掘不是主要的挖掘方式,因此在參數(shù)選擇時提出以下幾點作為參考:(1在主要挖掘土壤中工作時,轉(zhuǎn)斗機構(gòu)應當保證鏟斗在70一100%的轉(zhuǎn)斗行程內(nèi)挖滿土;(2在最硬的土壤中工作時,轉(zhuǎn)斗機構(gòu)應保證在主要挖掘范圍內(nèi)用斗桿油缸挖掘時鏟斗油缸具有必要的閉鎖能力;(3參考前端裝載機設(shè)計要求

38、,建議在鏟斗油缸全伸時斗齒上的挖掘力不低于滿斗土重的兩倍。根據(jù)以上幾點,在初步設(shè)計時也可以用挖掘作功的理論來選擇鏟斗油缸參數(shù)。與斗桿機構(gòu)計算相類似,可直接列出鏟斗油缸的行程=3L 323360410p d n k K q k s S (2-71 式中 鏟斗油缸挖掘行程與全行程的比率,取7.0=1,其中大值適用于低卸式鏟斗,小值適用于前卸式鏟斗;0K 挖掘比阻力,建議采用主要挖掘土壤的0K 值;33d n 、鏟斗油缸數(shù)量及缸徑;s 油缸和鉸點的效率。在具有連桿裝置的情況下取s =0.80.85。 仍取油僅全伸和全縮時長度之比為6.1(=1.7,則鏟斗油缸長度為3min 311L L -= (2-

39、72 3max 31L L -=(2-73油缸的鉸點位置、連桿裝置的結(jié)構(gòu)形式及其鉸點布置在初步設(shè)計時可參考樣機或采用類比法預先確定,再根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)角及其與FQ 連線的相對位置進行校核。第五章 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要結(jié)構(gòu)件的計算主要是指對斗桿和動臂在不利工況下進行載荷分析,以計算其材料與結(jié)構(gòu)的強度。正鏟挖掘機斗桿的強度主要由彎矩控制。取以下兩個工況位置進行強度校核。一、工況一1、動臂位于最低;2、斗桿油缸作用力臂最大;3、斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上;4、側(cè)齒遇障礙有橫向作用力。切向最大挖掘力1W 取決斗桿油缸的閉鎖力'g P ,取斗桿為隔離體,按力矩

40、平衡求得:d g d b g l l r G r G l P W +-=234'1式中,d g G G ,斗桿和鏟斗的重量(噸;d l l ,2斗桿和鏟斗長(米; 3r 斗桿重力到動臂與斗桿鉸點的力臂(米; 4r 鏟斗重力到動臂與斗桿鉸點的力臂(米取鏟斗為隔離體,按力矩平衡求得鏟斗油缸工作力:65721r r r r G l W P d d d += 式中,2r 鏟斗重力到鏟斗與斗桿鉸點的距離(米;5r 連桿到鏟斗與斗桿鉸點的距離(米; 6r 連桿到搖桿與斗桿鉸點的距離(米; 7r 搖桿的長度(米。 法6r 向阻力取決于動臂油缸的閉鎖力'B P ,取整個工作裝置為隔離體,由力矩

41、平衡求得:'21011(,B B A b g d W P r M G G G W r r =+- (噸 式中,0r 切向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂(米;1r 法向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂(米; B r 動臂油缸作用力到動臂下鉸點的力臂(米; ,(d g b A G G G M工作裝置各個部分對動臂下鉸點的力矩和。 鏟斗邊齒遇障礙時,橫向挖掘阻力k W 取決于回轉(zhuǎn)平臺的制動力矩T M : rM W T k = (噸 式中,r 橫向挖掘阻力與回轉(zhuǎn)中心間的距離。按圖解法和力平衡方程求得斗桿所受作用力。此外,斗桿與鏟斗鉸點處還作用有k W 和2W 產(chǎn)生的橫向力矩'c M :22

42、9;b W l W M d k c += 式中,b 鏟斗寬(米。切向挖掘阻力1W 作用于斗邊齒,造成對斗桿的扭矩KP M :21bW M KP = (噸*米 按以上作用力分析,作斗桿內(nèi)力圖,包括軸力N ,斗桿平面內(nèi)的剪力x Q 和彎矩x M ,斗桿平面外的剪力y Q 和彎矩Y M ,以及扭矩T 如圖5-1。 取彎矩最大處進行校核,斷面如圖5-3所示: 圖5-3斷面面積為:410180-=F m 2 斷面轉(zhuǎn)動慣量:45.810Z I -=4Y I -= 斷面處壓應力為:114N F= MP 斗桿平面內(nèi)剪應力為:120x QF= MP圖5-2斗桿平面內(nèi)彎曲正應力:1maxmax 95x ZM y

43、MP I =斗桿平面外剪應力為:22.7y Q F= MP斗桿平面外彎曲正應力: 2maxmax 63.2y YM Z MP I =按閉口薄壁桿件公式計算扭轉(zhuǎn)剪應力:min2T =14.7 MP式中,截面中線所圍面積m 2 m i n最小壁厚m 此時,有附加載荷,斗桿安全系數(shù)取為2,材料16Mn 的屈服極限s =350MP ,則,許用應力175=ns MP最大壓應力max 1max max 172x y =+=MP < X 方向最大剪應力1max 34.4x =+=<2Y 方向最大剪應力2max 17.4y =+=<2故,強度滿足。 二、工況二1、動臂位于動臂油缸最大作用力臂

44、處;2、斗桿油缸作用力臂最大;3、鏟斗斗齒尖,動臂與斗桿鉸點,斗桿與鏟斗鉸點三點位于同一直線;4、正常挖掘,挖掘阻力對稱于鏟斗,無橫向力。 斗桿受力分析同工況一。切向最大挖掘力1W 取決斗桿油缸的閉鎖力'g P ,取斗桿為隔離體,按力矩平衡求得:dg d b g l l r G r G l P W +=234'1 (噸式中,d g G G ,斗桿和鏟斗的重量(噸;d l l ,2斗桿和鏟斗長(米; 3r 斗桿重力到動臂與斗桿鉸點的力臂(米; 4r 鏟斗重力到動臂與斗桿鉸點的力臂(米取鏟斗為隔離體,按力矩平衡求得鏟斗油缸工作力:65721r r r r G l W P d d d

45、 -=(噸式中,2r 鏟斗重力到鏟斗與斗桿鉸點的距離(米;Iz5r 連桿到鏟斗與斗桿鉸點的距離(米; 6r 連桿到搖桿與斗桿鉸點的距離(米; 7r 搖桿的長度(米。 法6r 向阻力取決于動臂油缸的閉鎖力'B P ,取整個工作裝置為隔離體,由力矩平衡求得:=-+=01'12,(1r W G G G M r P r W d g b A B B 2.571(噸 式中,0r 切向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂(米;1r 法向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂(米;B r 動臂油缸作用力到動臂下鉸點的力臂(米;,(d g b AG G G M工作裝置各個部分對動臂下鉸點的力矩和。按圖解法和力平衡方程

46、求得斗桿所受作用力。按以上作用力分析,作斗桿內(nèi)力圖, 圖5-5F=F= MP 斗桿平面內(nèi)彎曲正應力:maxM y MP I =此時,為主載荷,斗桿安全系數(shù)取為 2.5,材料16Mn 的屈服極限s =350MP , 則,許用應力140=ns MP圖5-6 最大壓應力1max 110.7=+=MP < 最大剪應力max 19.7=<2故,強度滿足。 §5.2 動臂正鏟裝置動臂的強度校核按挖掘中動臂可能出現(xiàn)的最大載荷來選定計算位置。 一、工況一1、工作裝置處于最大挖掘深度處;2、正常挖掘,無橫向作用力。切向最大挖掘力1W 取決斗桿油缸的閉鎖力'g P ,取斗桿為隔離體,

47、按力矩平衡求得:dg d b g l l r G r G l P W +=234'1式中,d g G G ,斗桿和鏟斗的重量(噸;d l l ,2斗桿和鏟斗長(米; 3r 斗桿重力到動臂與斗桿鉸點的力臂(米; 4r 鏟斗重力到動臂與斗桿鉸點的力臂(米法向阻力取決于動臂油缸的閉鎖力'B P ,取整個工作裝置為隔離體,由力矩平衡求得:'21011(,B B A b g d W P r M G G G W r r =+- (噸 式中,0r 切向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂(米;1r 法向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂(米; B r 動臂油缸作用力到動臂下鉸點的力臂(米; ,(d g

48、 b AG G G M工作裝置各個部分對動臂下鉸點的力矩和。取鏟斗和斗桿為隔離體,求得斗桿與動臂鉸點處的作用力。再取動臂為隔離體,求得動臂下鉸點的作用力。按以上作用力分析,作動臂內(nèi)力圖,包括軸力N ,動臂平面內(nèi)的剪力Q 和彎矩M 如圖5-8。取動臂彎曲處進行強度校核,斷面如圖5-9:Iz斷面面積為:410204-=F m 2 斷面轉(zhuǎn)動慣量:47.610Z I -=取動臂安全系數(shù)為2,材料16Mn 的屈服極限s =350MP ,則許用應力為: 175=ns MPF= MP 剪應力為:17.6Q F= MP 圖5-8 彎曲正應力:maxM y MP I =此處按曲梁進行驗算,則+=r y y k Fr M F N 11=135.1< 且,max +< ,<2故,強度滿足。 二、工況二圖5-91、工作裝置位于最大挖掘半徑處;2、正常挖掘,無橫向阻力。切向最大挖掘力1W 取決斗桿油缸的閉鎖力'g P ,取斗桿為隔離體,按力矩平衡求得:dg d b g l l