正鏟單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計說明

1、機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計設(shè)計題目：正鏟單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計院 系： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械105班 姓 名： 祖兵 學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 立新 機(jī)械原理設(shè)計任務(wù)書學(xué)生 祖兵 班級 機(jī)械105班 學(xué)號設(shè)計題目：正鏟單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計一、設(shè)計題目簡介正鏟挖掘機(jī)的鏟土動作形式。其特點是“前進(jìn)向上，強制切土”。正鏟挖掘力大，能開挖停機(jī)面以上的土，宜用于開挖高度大于2m的干燥基坑，正鏟的挖斗比同當(dāng)量的反鏟的挖掘機(jī)的斗要大一些，其工作裝置直接決定其工作圍和工作能力。二、 設(shè)計數(shù)據(jù)與要求題號鏟斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半徑卸載高度D2.52.449.248.266.63三、 設(shè)計任務(wù)1、繪制挖掘機(jī)

2、工作機(jī)構(gòu)的運動簡圖，確定機(jī)構(gòu)的自由度，對其驅(qū)動油缸在幾種工況下的運動繪制運動線圖；2、根據(jù)所提供的工作參數(shù)，對挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度綜合，確定工作機(jī)構(gòu)各個桿件的長度；3、用軟件SOLIDWORKS對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動仿真，并畫出輸出機(jī)構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。4、編寫設(shè)計計算說明書，其中應(yīng)包括設(shè)計思路、計算與運動模型建立過程以與效果分析等。5、在機(jī)械基礎(chǔ)實驗室應(yīng)用機(jī)構(gòu)綜合實驗裝置驗證設(shè)計方案的可行性。完成日期： 2014 年 3 月 16 日 指導(dǎo)教師 立新 18 / 18一、概述正鏟挖掘機(jī)的開挖方式根據(jù)開挖路線與汽車相對位置的不同分為正向開挖、側(cè)向裝土以與正向開挖、后方裝土兩種，前者生產(chǎn)率

3、較高。正鏟的生產(chǎn)率主要決定于每斗作業(yè)的循環(huán)延續(xù)時間。為了提高其生產(chǎn)率，除了工作面高度必須滿足裝滿土斗的要求之外，還要考慮開挖方式和與運土機(jī)械配合。盡量減少回轉(zhuǎn)角度，縮短每個循環(huán)的延續(xù)時間。 反鏟的開挖方式可以采用溝端開挖法，即反鏟停于溝端，后退挖土，向溝一側(cè)棄土或裝汽車運走，也可采用溝側(cè)開挖法，即反鏟停于溝側(cè)，沿溝邊開挖，它可將土棄于距離溝較遠(yuǎn)的地方，如裝車則回轉(zhuǎn)角度較小，但邊坡不易控制.單斗液壓挖掘機(jī)的正鏟結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，主要由動臂、斗桿、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸等組成。鏟斗的斗底利用液壓缸來開啟，斗桿是鉸接在動臂的頂端，由雙作用的斗桿油缸使其轉(zhuǎn)動。斗桿油缸的一端鉸接在動臂上，

4、另一端鉸接在斗桿上。其鉸接形式有兩種：一種是鉸接在斗桿的前端；另一種是鉸接在斗桿的尾端。動臂均為單桿式，頂端呈叉形，以便與斗桿鉸接。動臂有單節(jié)的和雙節(jié)的兩種。單節(jié)的動臂有長短兩種備品，可根據(jù)需要更換。雙節(jié)的動臂則由上、下兩節(jié)拼裝而成，根據(jù)拼圖1.1液壓正鏟挖掘機(jī)裝點的不同，動臂的工作長度也不同。二、正鏟挖掘機(jī)自由度計算根據(jù)圖2.1所示的挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖，我們可以對其自由度進(jìn)行計算。通過對機(jī)構(gòu)簡圖的分析，可以看出該工作裝置有9根桿件組成,其中包含12個運動副，即9個轉(zhuǎn)動副，3移動副，共包含12個低副，沒有高副。 圖2.1 正鏟液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖自由度計算：則：三、 挖掘機(jī)參數(shù)設(shè)計1、液壓挖掘機(jī)基本

5、參數(shù)液壓挖掘機(jī)基本參數(shù)主要包括：標(biāo)準(zhǔn)斗容量：指挖掘級或密度為 的土壤時，代表該挖掘機(jī)登記的一種鏟斗堆積容量。最大挖掘高度：指工作裝置處于最大舉升高度時，鏟斗齒尖到停機(jī)地面的距離。最大挖掘半徑：在挖掘機(jī)縱向中心平面上鏟斗齒尖離機(jī)器回轉(zhuǎn)中心的最大距離。最大挖掘深度：指動臂處在最低位置，且斗齒尖，鏟斗與斗桿鉸點，斗桿與動臂鉸點三點在同一條垂直停機(jī)面的直線上，斗齒尖與停機(jī)面的最大距離。最大卸載高度：指動臂、斗桿處于最大舉升高度，翻轉(zhuǎn)卸土，斗齒尖處在最低位置時，斗齒尖到停機(jī)面的距離。2、機(jī)構(gòu)設(shè)計該挖掘機(jī)工作裝置為正鏟裝置，采用如下結(jié)構(gòu)方案（1）采用整體式彎動臂，動臂油缸下置式。（2）采用整體式斗桿。（3

6、）動臂與斗桿的長度比，即特性參數(shù)。（4）油缸最大長度與最小長度的長度比：，i表示驅(qū)動油缸。（5）鏟斗挖掘時與停機(jī)面的所成的為，其中。3、動臂、斗桿的長度參數(shù)設(shè)計鏟斗容量q挖掘深度(m)挖掘高度(m)挖掘半徑(m)卸載高度H(m)4.03.29.529.067.91根據(jù)已知工作參數(shù)，就市場上現(xiàn)有各種型號的挖掘機(jī)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)斗容為或在左右的挖掘機(jī)，只有5家公司的12個型號符合。其中7個型號為反鏟挖掘機(jī)。下表為正鏟液壓挖掘機(jī)的參數(shù)：品牌型號標(biāo)準(zhǔn)斗容（斗容圍）挖掘深度m挖掘高度m挖掘半徑m卸載高度m小松PC1250-74（3.2-5.2）12.9815.97519.4711.32邦立重機(jī)CED7

7、50-74.5（4-5.5）2.689.7459.287.68邦立重機(jī)CED650-64（3.5-5.0）3.29.5219.0617.911邦立重機(jī)CE750-74.5（4-5.5）2.689.7459.287.68邦立重機(jī)CE650-64（3.5-5.0）3.29.5219.0617.911表 1其中邦立重機(jī)CED750-7和邦立重機(jī)CED650-6是電動液壓挖掘機(jī)，在這里也就不考慮。經(jīng)過參數(shù)的對比，邦立重機(jī)CE650-6的參數(shù)與題目參數(shù)最接近，所以這里我選擇邦立重機(jī)CE650-6的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。邦立重機(jī)CE650-6的參數(shù)如下表：整機(jī)重量46標(biāo)準(zhǔn)斗容2.5最大挖掘半徑mm8260最大挖掘

8、深度mm2440最大挖掘高度mm9240最大卸載高度mm6630斗桿最大推壓力kN243鏟斗最大破碎力kN230表 2根據(jù)2中的公式以與表1-3可知：相關(guān)系數(shù)斗桿長0.90.747名稱系數(shù)代號推薦值圍所選值臂鉸離回轉(zhuǎn)中心0.150.1臂鉸離地高度0.630.6臂長1.21.14斗桿長0.90.747最小挖掘半徑0.850.85表 3于是，動臂長度，斗桿長度，由可得，符合這個條件，所以該參數(shù)設(shè)計合理。則A、C點的最大距離：當(dāng)動臂與斗桿成最大角（即）時的大?。?、動臂的轉(zhuǎn)角圍以與鉸點A根據(jù)表3以與可知：鉸點A的橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)。由公式（1）可知：鏟斗挖掘半徑：動臂轉(zhuǎn)角圍：由公式（2）可知： 因為，所

9、以BC能呈垂直狀態(tài)。再由公式（5）可知：5、鏟斗的轉(zhuǎn)角圍確定根據(jù)最大挖掘半徑高度確定根據(jù)最大挖掘卸載高度確定6.斗桿的轉(zhuǎn)角圍確定根據(jù)表3以與可知：因為，并且則，整理可得：4、 仿真以下截圖為用SolidWorks做的三維建模因為用SolidWorks做的三維模型不好倒入Adams，所以本文就以一個簡化模型還做仿真，但是數(shù)據(jù)都是用上文所計算的數(shù)據(jù)。以下就是仿真的截圖，只要為鏟斗的運行軌跡。經(jīng)過仿真，得到以下數(shù)據(jù)：D的y坐標(biāo)的值 A為（0，0） AD的距離五、 液壓系統(tǒng)的設(shè)計液壓系統(tǒng)設(shè)計作為液壓挖掘機(jī)設(shè)計的重要組成部分，設(shè)計時必須滿足挖掘機(jī)工作循環(huán)所需的全部技術(shù)要求，且靜動態(tài)性能好、效率高、結(jié)構(gòu)簡

10、單、工作安全可靠、壽命長、經(jīng)濟(jì)性好、使用維護(hù)方便。其中液壓系統(tǒng)的設(shè)計作為挖掘機(jī)總體設(shè)計的一部分，必須要滿足整機(jī)工作要求，并要求進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計算與分析驗證，選取合適的各液壓元件。1液壓挖掘機(jī)的工況分析液壓挖掘機(jī)的主要功能運動包括以下幾個動作:動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以與其它輔助動作。除了輔助動作 (例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要動作，要考慮全功率驅(qū)動。挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程:(1) 整機(jī)移動至合適的工作位置(2) 回轉(zhuǎn)平臺，使用工作裝置處于挖掘位置(3) 動臂下降，并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置(4) 斗桿、鏟斗挖掘作業(yè)(5) 動臂升起(6) 回

11、轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置(7) 操縱斗桿、鏟斗卸載2.液壓缸主要幾何尺寸的計算挖掘機(jī)各驅(qū)動和傳動系統(tǒng)包括：發(fā)動機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、電液比例換向閥、動臂缸、斗桿缸與齒輪傳動。本設(shè)計主要對動臂缸進(jìn)行相關(guān)設(shè)計。（1） 動臂液壓缸徑尺寸與活塞桿直徑的確定由表4.1、表4.2可知，大型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)在斗桿最大推壓力，鏟斗最大破碎力前提下，考慮到鏟斗容量為，所以宜取液壓缸的工作壓力30，負(fù)載，液壓缸選用單桿式，并在工作時進(jìn)行差動連接。此時液壓缸無桿腔工作面積應(yīng)為有桿腔工作面積的兩倍。由于液壓缸回油路上必須具有背壓力存在，以防止挖掘機(jī)卸土后突然前沖，由表4.3,可取1.2。表4.1 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件工作壓力

12、負(fù)載F/N50000工作壓力p/MPa57表4.2 按主機(jī)類型選擇執(zhí)行元件工作壓力主機(jī)類型機(jī)床農(nóng)業(yè)機(jī)械小型工程機(jī)械工程機(jī)械輔助機(jī)構(gòu)液壓機(jī)中、大挖掘機(jī)重型機(jī)械起重運輸機(jī)構(gòu)磨床組合機(jī)床龍門刨床拉床工作壓力p/Mpa235881010162032表4.3 執(zhí)行元件背壓力系統(tǒng)類型背壓力/Mpa簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)0.20.5回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)0.40.6回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)0.51.5用補油泵的閉式回路0.81.5回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械1.23回油路較短，且直接回油箱可忽略不計由于是差動式單桿連接，所以活塞桿直徑d與缸筒直徑D的關(guān)系為d=0.707D。根據(jù)公式=81.63 (3.5)故有

13、D=101.78mm，d=0.707D=71.96mm (3.6)當(dāng)按GB/T23481993將這些直徑圓整成就近標(biāo)準(zhǔn)值時得：D=110mm , d =72mm，由此求得液壓缸兩腔的實際有效面積為 (3.7)（2） 液壓缸行程的確定液壓缸行程主要依據(jù)機(jī)構(gòu)的運動要求而定。但為了簡化工藝和降低成本，應(yīng)盡量采用GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸行程，則根據(jù)技術(shù)要求，取行程為900mm。3.液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算（1） 缸筒壁厚的計算對于低壓系統(tǒng)或16時，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算，公式如下： (3.8)式中 液壓缸缸筒厚度試驗壓力(Mpa)，當(dāng)工作壓力P16 Mpa時，=1.5P，當(dāng)工作壓力3

14、1.5P16 Mpa時，=1.25P，當(dāng)工作壓力P31.5Mpa時，=1.15P，這里應(yīng)取=1.25P =37.5Mpa。液壓缸徑(m)缸體材料的許用應(yīng)力（Mpa），可通過下面公式求得： (3.9)缸體材料的抗拉強度(Mpa)安全系數(shù)，=3.55，一般取=5但對于鍛鋼45的許用應(yīng)力一般都取=110(Mpa)則根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，取液壓外缸直徑為=130mm。（2）液壓缸油口直徑的計算液壓缸油口直徑應(yīng)根據(jù)活塞最高運動速度和油口最高液流速度而定，公式如下： (3.10)式中 液壓缸油口直徑(m)液壓缸徑(m)液壓缸最大輸出速度(m/min)油口液流速度(m/min)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，取=7m/mi

15、n同時對于單桿油塞式液壓差動聯(lián)接時，活塞的外伸速度為: (3.11)式中 液壓缸差動聯(lián)接時，活塞外伸的速度，可視為油口液流的速度(m/min)液壓泵流量(/s)，根據(jù)邦立CE正鏟挖掘機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)?。夯钊麠U面積，其公式如下:(3.12)式中 活塞桿直徑(m) 所以代入數(shù)據(jù)，解析以上公式得：，故?。?）下蓋聯(lián)接螺釘強度校核計算螺釘聯(lián)接可采用高強度螺釘M161.5(GB/T70.1-2000)聯(lián)接,兩端數(shù)量均為24件，螺釘精度等級為10.9級，其強度校核，公式如下：拉應(yīng)力：=7.7Mpa (3.15)剪應(yīng)力： =3.1Mpa (3.16)式中 ：螺紋擰緊系數(shù)，此處取=1.25: 螺紋摩擦系數(shù),一般取=

16、0.12：螺紋外徑，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，取=16mm：螺紋徑，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，取=-1.08251.514.4mm：數(shù)量為24B：B螺釘材料屈服強度，取45鋼，則 =110Mpa得：，符合工況要求，則驗證合格，可取。（4） 活塞桿柔度校核計算活塞桿細(xì)比計算如下： = (3.17)此處：L為折算長度，導(dǎo)向套中心至吊頭尺寸，約630mm，活塞桿直徑d=63mm，活塞桿許用細(xì)長比，按規(guī)定拉力桿此處100。計算得，故滿足要求，則活塞桿長度和缸筒長度的取值合格。六、 選擇各執(zhí)行元件1.液壓泵的選擇根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)，取主泵的壓力為，最大流量為；齒輪泵的壓力為，最大流量為。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，可查閱得：

17、此液壓泵可采用NB3-G20F雙聯(lián)柱塞泵，主泵由2個柱塞式串聯(lián)變量柱塞泵組成。2.柴油發(fā)動機(jī)的選擇取泵的總效率=0.8，泵的總驅(qū)動功率為：=241.87KW (5.1)考慮安全系數(shù),故取246KW3.液壓閥的選擇選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。液壓閥的作用是控制液壓系統(tǒng)的油流方向、壓力和流量，從而控制整個液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作順序，工作部件的運動速度、方向，以與變換頻率，輸出力和力矩等。（1） 根據(jù)液壓閥額定壓力來選擇選擇的液壓閥應(yīng)使系統(tǒng)壓力適當(dāng)?shù)陀诋a(chǎn)品標(biāo)明的額定值。對液壓閥流量的選擇，可以按照產(chǎn)品標(biāo)明的公稱流量為依據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品有關(guān)流量曲線來確定。（2）液壓閥的

18、安裝方式的選擇液壓閥與系統(tǒng)的管路或其他閥的進(jìn)出油口的連接方式，一般有三種，螺紋連接方式，板式連接方式，法蘭連接方式。安裝方式的選擇要根據(jù)液壓閥的規(guī)格大小，以與系統(tǒng)的簡繁與布置特點來確定。（3）液壓閥的控制方式的選擇液壓閥的控制方式一般有四種，有手動控制，機(jī)械控制，液壓控制，電氣控制。根據(jù)系統(tǒng)的操縱需要和電氣系統(tǒng)的配置能力進(jìn)行選擇。（4） 液壓閥的結(jié)構(gòu)形式的選擇液壓閥的結(jié)構(gòu)方式分為：管式結(jié)構(gòu)，板式結(jié)構(gòu)。一般按照系統(tǒng)的工作需要來確定液壓閥的結(jié)構(gòu)形式。4.其他液壓元件的選擇（1）膠管的選擇根據(jù)工作壓力和按公式得管子的徑選擇膠管的尺寸規(guī)格。高壓膠管的工作壓力對不正常使用的情況下可提高20%；對于使用頻繁，經(jīng)常扭變的要降低40%。膠管在使用與設(shè)計中應(yīng)主要下列事項：1）膠管的彎曲半徑不宜過小，一般不應(yīng)小于320，膠管與管接頭聯(lián)接處應(yīng)留有一段直的部分，此段長不應(yīng)小于管外徑的兩倍。2) 膠管的長度應(yīng)考慮到膠管在通入壓力油后，長度方向?qū)l(fā)生收縮變形，一般收縮是取3%4%，膠管安裝時避免處于拉緊狀態(tài)。3) 膠管安裝是應(yīng)保證不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，為便于安裝，可沿管長涂以色紋，以便檢查。4) 膠管的接頭軸線，應(yīng)盡量放置在運動的平面，避免兩端互相運動時膠管受力。5) 膠管應(yīng)避免與機(jī)械上