單斗反鏟挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)分析作業(yè)參數(shù)計(jì)算運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)動(dòng)包絡(luò)圖繪制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上反鏟挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄專心-專注-專業(yè)反鏟挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1. 設(shè)計(jì)任務(wù)1) 設(shè)計(jì)一款反鏟挖掘機(jī)的工作裝置，完成其工作裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)；2) 選定某個(gè)工況，進(jìn)行工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析并且完成該工況下的鉸接點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算；3) 反鏟工作裝置的主要作業(yè)參數(shù)計(jì)算；4) 選定某個(gè)工況，完成該工況下某幾個(gè)鉸接點(diǎn)的受力分析；5) 運(yùn)用三維建模軟件，完成工作裝置的三維建模工作；6) 運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，畫(huà)出工作裝置的挖掘包絡(luò)圖。2. 工作裝置主要部件的參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)方案的確定本設(shè)計(jì)過(guò)程以SY305C-9H履帶式挖掘機(jī)為樣機(jī)，采用該樣機(jī)的主要技術(shù)參

2、數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，相當(dāng)于一個(gè)設(shè)計(jì)反推工作。挖掘機(jī)反鏟工作裝置主要由支座、動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、斗桿、斗桿油缸、六連桿機(jī)構(gòu)、鏟斗和鏟斗油缸組成。圖1所示的是最常用的反鏟挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)形式，動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接點(diǎn)擺動(dòng)，完成挖掘、提升和卸土等工作。圖1 普通反鏟工作裝置由于本次設(shè)計(jì)工作對(duì)液壓系統(tǒng)沒(méi)有詳細(xì)要求，因此本章節(jié)內(nèi)容主要包括動(dòng)臂、斗桿、六連桿機(jī)構(gòu)和鏟斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。反鏟工作裝置的設(shè)計(jì)方法有解析計(jì)算法、幾何作圖法、比擬法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法和虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)法等。比擬法是通過(guò)尋找與待設(shè)計(jì)及其同類型樣機(jī)的比例關(guān)系，參照樣機(jī)來(lái)確定工作裝置各部件上的鉸接點(diǎn)位置。由于反

3、鏟挖掘機(jī)已經(jīng)是一個(gè)比較成熟的機(jī)械產(chǎn)品，因此，本設(shè)計(jì)過(guò)程采用比擬法來(lái)完成反鏟挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)，并利用虛擬樣機(jī)技術(shù)完成工作裝置的三維建模與運(yùn)動(dòng)分析。2.1.1 確定動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形式和動(dòng)臂油缸的布置方案動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式主要為整體式動(dòng)臂和組合式動(dòng)臂兩種，整體式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但適應(yīng)性較差。組合式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可滿足不同作業(yè)范圍和尺寸的要求。從動(dòng)臂結(jié)構(gòu)外形上看，又將整體式動(dòng)臂分為彎動(dòng)臂和直動(dòng)臂。整體式彎動(dòng)臂有利于反鏟地面以下的挖掘作業(yè)，但在結(jié)構(gòu)彎曲部位容易引起由于結(jié)構(gòu)和工藝問(wèn)題而導(dǎo)致的應(yīng)力集中等強(qiáng)度方面的問(wèn)題。雖然如此，通過(guò)分析比較和實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，在各類反鏟液壓挖掘機(jī)上，整體式彎動(dòng)臂仍得到了普遍應(yīng)用，因而是首選方

4、案。對(duì)于大中型挖掘機(jī)，動(dòng)臂油缸一般為雙缸，并布置與動(dòng)臂兩側(cè)；對(duì)于小型或微型挖掘機(jī)，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，在滿足使用要求的前提下，可以采用單動(dòng)臂油缸，并將動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)只與動(dòng)臂中部下方。參考SY305C-9H機(jī)型，本次設(shè)計(jì)對(duì)象采用整體式彎動(dòng)臂和雙動(dòng)臂油缸結(jié)構(gòu)。2.1.2 確定斗桿和斗桿油缸的布置斗桿的結(jié)構(gòu)方案有多種選擇。整體式斗桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但適應(yīng)性差，難以滿足不同作業(yè)尺寸的要求；組合式斗桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是適應(yīng)性較好。反鏟挖掘機(jī)的斗桿油缸一般布置與動(dòng)臂和斗桿的上方，這樣布置可以保證挖掘機(jī)在挖掘作業(yè)時(shí)斗桿油缸的大腔工作，以產(chǎn)生較大的挖掘力。根據(jù)SY305C-9H機(jī)型，采用整體式斗桿和單斗桿油缸，位于動(dòng)臂

5、和斗桿上方。2.1.3 確定鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式挖掘機(jī)的連桿主要有四桿機(jī)構(gòu)、六桿共點(diǎn)機(jī)構(gòu)和六桿非共點(diǎn)機(jī)構(gòu)三類。目前大多數(shù)挖掘機(jī)上采用的是六點(diǎn)連桿結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)參考SY305C-9H機(jī)型，確定本次設(shè)計(jì)連桿結(jié)構(gòu)采用六桿共點(diǎn)連桿機(jī)構(gòu)。2.2 鏟斗結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定鏟斗的主參數(shù)有斗容量q（這里取0.6m3），轉(zhuǎn)斗挖掘半徑和平均斗寬b，它們與轉(zhuǎn)斗挖掘機(jī)裝滿轉(zhuǎn)角（90°110°之間取值，這里取為100°）之間的公式如下。鏟斗主參數(shù)如圖2所示。圖2 鏟斗主參數(shù)式中：松散系數(shù)，范圍在1.241.3之間，這里取1.28； q斗容量，參考SY305C-9H機(jī)型，取1.4m3； b斗寬，

6、參考一些其他的機(jī)型，取1500mm。計(jì)算求得：，這里取1240mm。主參數(shù)選定之后，接下來(lái)考慮鏟斗的結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)和具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括鏟斗上兩鉸接點(diǎn)的距離、KQV，鏟斗的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 鏟斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所以取。KQV一般在95°105°范圍選取，這里取為100°。2.3 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1) 確定動(dòng)臂油缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括伸縮臂、動(dòng)臂油缸的最短長(zhǎng)度和行程；2) 確定動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式，包括動(dòng)臂長(zhǎng)度、彎角及上下動(dòng)臂的長(zhǎng)度；3) 確定動(dòng)臂及動(dòng)臂油缸在轉(zhuǎn)臺(tái)上的鉸接點(diǎn)C及A的位置坐標(biāo)；4) 確定動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)B在動(dòng)臂上的位置坐標(biāo)；5) 計(jì)

7、算動(dòng)臂的擺角范圍及動(dòng)臂油缸的作用力臂2.3.2 具體的設(shè)計(jì)步驟第一步：參照底盤(pán)及轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)情況布置鉸接點(diǎn)A的位置，該點(diǎn)一般在轉(zhuǎn)臺(tái)上前端，在垂直方向要適當(dāng)高于轉(zhuǎn)臺(tái)地面，初步確定A點(diǎn)坐標(biāo)：。根據(jù)SY305C-9H機(jī)型，最大挖掘半徑為11050mm，又因?yàn)椋瑒?dòng)臂斗桿長(zhǎng)度比取2.33，根據(jù)上式確定動(dòng)臂長(zhǎng)度，。第二步：確定動(dòng)臂油缸的最大長(zhǎng)度和最小長(zhǎng)度：參照SY305C-9H機(jī)型和設(shè)計(jì)手冊(cè)初選動(dòng)臂油缸的伸縮比（這里先取1.6），動(dòng)臂油缸行程，則動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度計(jì)算如下：第三步：AC長(zhǎng)度AC與水平面的傾角：以反鏟為主的通用機(jī)，因此，這里取。第四步：確定動(dòng)臂彎角，參考范圍在110°170°之間，

8、這里取值。上下動(dòng)臂的比值，初步定為，則上下動(dòng)臂長(zhǎng)度計(jì)算如下。在（如圖4所示）中，由余弦定理得：對(duì)于普通反斗動(dòng)臂來(lái)說(shuō)U點(diǎn)和B點(diǎn)很接近，因此不妨認(rèn)為B點(diǎn)和U點(diǎn)重合，則可以確定：圖4 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)及鉸接點(diǎn)的位置參數(shù)第五步：根據(jù)前面的設(shè)計(jì)確定動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)B點(diǎn)的位置。對(duì)于彎動(dòng)臂結(jié)構(gòu)且采用雙動(dòng)臂油缸的情況，動(dòng)臂油缸均對(duì)稱布置于動(dòng)臂的兩側(cè)，動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)B一般位于動(dòng)臂彎曲部位，且與動(dòng)臂折彎點(diǎn)U比較接近或重合，因此初選時(shí)就可以將B點(diǎn)與U點(diǎn)重合。因此，BC距離， 第六步：校核動(dòng)臂機(jī)構(gòu)三角形ABC的運(yùn)動(dòng)情況，檢查是否存在干涉問(wèn)題。這可根據(jù)動(dòng)臂油缸在兩個(gè)極限長(zhǎng)度、時(shí)，三角形ABC是否成立進(jìn)行判斷。

9、圖5所示的即為兩種極限情況，校核過(guò)程如下。圖5 動(dòng)臂油缸兩極限長(zhǎng)度時(shí)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)三角形的幾何關(guān)系根據(jù)三角形存在定理檢查三角形ABC運(yùn)動(dòng)是否干涉。 13 46其中。此處我們列出動(dòng)臂幾何尺寸表如表1：表1 動(dòng)臂幾何尺寸表對(duì)象長(zhǎng)度(mm)AC(l5)1250BC(l7)3300BF4125CF(l1)6860L1max4000L1min2500將數(shù)據(jù)帶入式1-34-6，不等式成立，動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉。因此，動(dòng)臂機(jī)構(gòu)不存在干涉問(wèn)題，初步設(shè)計(jì)通過(guò)。第七步：確定動(dòng)臂相對(duì)于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的擺角范圍。如圖6工作裝置鉸接點(diǎn)示意圖所示，CF與停機(jī)面的夾角為：式中：AC與停機(jī)面的夾角，依據(jù)前文取值 結(jié)構(gòu)角動(dòng)臂最大仰角：動(dòng)臂最大俯

10、角：動(dòng)臂的擺角變化范圍：圖6 工作裝置鉸接點(diǎn)示意圖2.4 斗桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.4.1 反鏟斗桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1) 確定斗桿油缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括伸縮臂、斗桿油缸的最短長(zhǎng)度和行程；2) 確定斗桿油缸在動(dòng)臂上的鉸接點(diǎn)D的位置坐標(biāo)；3) 確定斗桿后部長(zhǎng)度及E點(diǎn)在斗桿上的位置坐標(biāo)；4) 計(jì)算斗桿的擺角范圍；5) 確定斗桿的具體參數(shù)。2.4.2 斗桿具體設(shè)計(jì)步驟第一步：確定斗桿油缸的最大長(zhǎng)度和最小長(zhǎng)度。參照SY305C-9H機(jī)型和設(shè)計(jì)手冊(cè)初選斗桿油缸的伸縮臂，行程，計(jì)算過(guò)程與動(dòng)臂油缸一樣，得。第二步：確定斗桿油缸的最大力臂，斗桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。因?yàn)樽畲罅Ρ鄣拇_定涉及到斗桿的最大挖掘力，即與斗桿液壓

11、缸有關(guān)。因此本處采用比擬法，參照SY305C-9H機(jī)型，初步確定。圖7斗桿結(jié)構(gòu)參數(shù)圖第三步：確定斗桿油缸在動(dòng)臂上的鉸接點(diǎn)D的位置。按照?qǐng)D6所示的幾何關(guān)系，推得斗桿油缸和動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)D與斗桿和動(dòng)臂鉸接點(diǎn)F的距離表達(dá)式為：式中：斗桿的擺角范圍，參考范圍為105°125°，這里取115°。所以。D點(diǎn)的確切位置應(yīng)根據(jù)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)情況及斗桿油缸的裝配關(guān)系來(lái)定。D點(diǎn)位于上動(dòng)臂的上翼板之上，高度應(yīng)該保證斗桿油缸的拆裝，并使其能順利擺動(dòng)，但也不應(yīng)高出太多。第四步：確定斗桿前后端的夾角，其參考范圍在130°170°之間，這里選取中間值150°。第五步：檢驗(yàn)

12、斗桿機(jī)構(gòu)是否存在干涉問(wèn)題。與動(dòng)臂干涉檢驗(yàn)的方法一致，這里檢驗(yàn)的是斗桿油缸與斗桿機(jī)構(gòu)組成的，檢驗(yàn)結(jié)果不存在干涉。斗桿初步設(shè)計(jì)合理。第六步：確定斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的擺角的范圍。如圖6所示的工作裝置鉸接點(diǎn)示意圖，以逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)，計(jì)算公式如下：式中： 結(jié)構(gòu)角，取為150°因?yàn)橛止识窏U相對(duì)于動(dòng)臂的最大仰角：斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的最小俯角：所以斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的擺角范圍：2.5 反鏟鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)由2.1節(jié)確定本次設(shè)計(jì)采用六桿共點(diǎn)機(jī)構(gòu)的連桿形式。反鏟鏟斗連桿設(shè)計(jì)要保證鏟斗有足夠的轉(zhuǎn)角范圍；要使鏟斗斗齒上能產(chǎn)生足夠大的挖掘力；要保證機(jī)構(gòu)不發(fā)生干涉。以下采用解析法來(lái)完成連桿機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)。第一

13、步：初選反鏟鏟斗的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。這在2.2節(jié)中已經(jīng)都有說(shuō)明。第二步：確定鏟斗油缸的最大長(zhǎng)度和最小長(zhǎng)度。參考同類機(jī)型SY305C-9H，確定鏟斗油缸伸縮比和形成：，則鏟斗油缸的最大長(zhǎng)度和最小長(zhǎng)度分別為：。第三步：初選鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)。圖8為六桿非共點(diǎn)機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)結(jié)構(gòu)圖。圖8鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)六桿共點(diǎn)機(jī)構(gòu)MH點(diǎn)重合，即。連桿機(jī)構(gòu)尺寸確定：，。3. 反鏟工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析及坐標(biāo)計(jì)算3.1 符號(hào)約定與坐標(biāo)系的建立如圖6所示，在運(yùn)動(dòng)分析之前，對(duì)鉸接點(diǎn)和坐標(biāo)系的符號(hào)約定如下：A動(dòng)臂油缸與機(jī)身的鉸接點(diǎn)；B動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)；C動(dòng)臂與機(jī)身的鉸接點(diǎn)；D斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)；E斗桿油缸與斗桿的鉸

14、接點(diǎn)；F動(dòng)臂與斗桿的鉸接點(diǎn)；G鏟斗油缸與斗桿的鉸接點(diǎn)；M鏟斗油缸與搖臂的鉸接點(diǎn)；N搖臂與斗桿的鉸接點(diǎn)；K鏟斗與連桿的鉸接點(diǎn)；V處于縱向?qū)ΨQ中心面內(nèi)的斗齒尖；Q斗桿與鏟斗的鉸接點(diǎn)；a回轉(zhuǎn)平臺(tái)底面距停機(jī)面的垂直距離，參照SY305C-9H機(jī)型，取1.15m；bC點(diǎn)至回轉(zhuǎn)平臺(tái)底面的垂直距離，這里取1.12m；c工作裝置對(duì)稱平面內(nèi)C點(diǎn)至回轉(zhuǎn)中心的水平距離，這里取0.25m；坐標(biāo)系OXYZ固結(jié)于履帶式接地中心隨整機(jī)一起移動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)系；坐標(biāo)系分別為固結(jié)于上部轉(zhuǎn)臺(tái)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗上的動(dòng)坐標(biāo)系；轉(zhuǎn)臺(tái)繞Z軸的轉(zhuǎn)角，動(dòng)臂相對(duì)于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)角，斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的擺角和鏟斗相對(duì)于斗桿的擺角，均以逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)

15、。3.2 反鏟工作裝置工況的選定根據(jù)2.3與2.4節(jié)的計(jì)算可知，參考文獻(xiàn)可知鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍如圖9所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，因此。圖9 鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍 因此初步選定工況為：。3.3 回轉(zhuǎn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分析及坐標(biāo)計(jì)算如圖6所示，在沒(méi)有坡度的情況下，為回轉(zhuǎn)平臺(tái)相對(duì)于基本地面坐標(biāo)系OXYZ的Z軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度。在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，C點(diǎn)和A點(diǎn)的位置相對(duì)不變，因此可根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)出這兩點(diǎn)的計(jì)算公式： 式中：分別為AC兩點(diǎn)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值：；坐標(biāo)系遠(yuǎn)點(diǎn)在OXYZ坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。選定工況的，則AC兩點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算如下：3.4 動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)分析及坐標(biāo)計(jì)算動(dòng)臂在OXYZ坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)可以看做是以下過(guò)程形成的：1) 隨動(dòng)臂坐標(biāo)系繞

16、轉(zhuǎn)動(dòng)；2) 隨固結(jié)于轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)坐標(biāo)系繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；因此，動(dòng)臂上各點(diǎn)在固定坐標(biāo)系OXYZ中的位置坐標(biāo)表達(dá)式如下：式中：動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在動(dòng)坐標(biāo)系中的位置； 動(dòng)臂上各鉸接點(diǎn)繞軸旋轉(zhuǎn)作用。根據(jù)3.2節(jié)選定的工況，計(jì)算B、D、F三點(diǎn)的坐標(biāo)如下：（1）B點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算： 如圖6所示，在動(dòng)坐標(biāo)系中，B點(diǎn)坐標(biāo)可以在中由以及計(jì)算求得。（2）F點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算：在中，F(xiàn)點(diǎn)在軸上，因此。（3）D點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算：在中，D點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算：，因此，。所以，D點(diǎn)的坐標(biāo)換算為：3.5 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析及坐標(biāo)計(jì)算斗桿上各點(diǎn)在固定坐標(biāo)系OXYZ中的位置坐標(biāo)可以看做經(jīng)過(guò)以下過(guò)程形成：1) 隨斗桿坐標(biāo)系繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；2) 隨動(dòng)臂坐標(biāo)系繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；3) 隨固結(jié)于轉(zhuǎn)臺(tái)

17、的動(dòng)坐標(biāo)系繞轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，斗桿上各點(diǎn)在固定坐標(biāo)系OXYZ中的位置坐標(biāo)表達(dá)式如下：式中：斗桿坐標(biāo)系原點(diǎn)在動(dòng)臂坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置； 斗桿上各交接點(diǎn)繞軸的旋轉(zhuǎn)作用。（1）斗桿上E點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算：如圖6所示，斗桿上E點(diǎn)在斗桿坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值與EF（）和有關(guān)。所以。根據(jù)3.2節(jié)選定的工況，E點(diǎn)在OXYZ坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)計(jì)算如下：（2）斗桿上Q點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算： 如圖6所示，斗桿Q點(diǎn)在軸上，因此。所以： （3）斗桿上G點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算：如圖6所示，斗桿上G點(diǎn)在坐標(biāo)系中坐標(biāo)位置的計(jì)算與FG長(zhǎng)度和角度值有關(guān)，在2.4節(jié)斗桿設(shè)計(jì)中并未涉及到這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算，因此在后續(xù)建模的時(shí)候得以確定，。所以，G點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算： （4）斗桿上N點(diǎn)

18、的坐標(biāo)計(jì)算：如圖6所示，N點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)計(jì)算與（225mm）和N點(diǎn)到軸的垂直距離有關(guān)，計(jì)算為：。所以。因此，N點(diǎn)的坐標(biāo)換算為： 3.6 連桿及鏟斗的運(yùn)動(dòng)分析及坐標(biāo)計(jì)算圖10所示的是六桿共點(diǎn)機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系示意圖，圖中GM即為鏟斗油缸，MN為搖臂，MK為連桿。由3.2節(jié)選取的工況，即鏟斗油缸處于全縮狀態(tài)，也即。圖10 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系示意圖根據(jù)坐標(biāo)變化方法，可以得到M點(diǎn)在OXYZ坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表達(dá)式如下：其中N點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置已知，下面說(shuō)明的計(jì)算。式中：結(jié)構(gòu)角，中運(yùn)用余弦定理求得為19.08°； 結(jié)構(gòu)角，中運(yùn)用余弦定理求得136.24°； 結(jié)構(gòu)角，中運(yùn)用余弦定理求

19、得43.17°； 中， 所以： 所以， K點(diǎn)在OXYZ坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)計(jì)算：式中：斗桿坐標(biāo)系原點(diǎn)在動(dòng)臂坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置； 斗桿上各交接點(diǎn)繞軸的旋轉(zhuǎn)作用； K點(diǎn)在鏟斗坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。根據(jù)3.2節(jié)選定工況，K點(diǎn)的坐標(biāo)換算如下： 4. 反鏟工作裝置作業(yè)參數(shù)計(jì)算根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，反鏟單斗液壓挖掘機(jī)的主要幾何作業(yè)參數(shù)通常有以下幾個(gè)：1) 最大挖掘深度；2) 最大挖掘高度；3) 最大挖掘半徑；4) 最大卸載高度；5) 停機(jī)面上的最大挖掘半徑；6) 最大垂直挖掘深度；7) 水平底面為2.5m時(shí)的最大挖掘深度。下面分別計(jì)算說(shuō)明，并將計(jì)算結(jié)果與SY305C-9H機(jī)型的同類型參數(shù)

20、進(jìn)行對(duì)比。4.1 最大挖掘深度計(jì)算反鏟最大挖掘深度是指動(dòng)臂油缸全縮即動(dòng)臂最低，F(xiàn)、Q、V三點(diǎn)一線并垂直于基準(zhǔn)地平面時(shí)，斗齒尖距基準(zhǔn)地平面的垂直距離，如圖11所示。圖11 最大挖掘深度示意圖 圖12 最大挖掘高度示意圖4.2最大挖掘高度計(jì)算反鏟最大挖掘高度是指動(dòng)臂油缸全伸即動(dòng)臂仰角最大，斗桿油缸和鏟斗油缸全縮時(shí)斗齒尖距基準(zhǔn)地平面的垂直距離，如圖12所示。4.3最大挖掘半徑計(jì)算最大挖掘半徑是指斗桿油缸全縮，C、Q距離最大且C、Q、V三點(diǎn)一線并平行于基準(zhǔn)地平面時(shí)斗齒尖距回轉(zhuǎn)中心線的最大距離，如圖13所示。此時(shí)，動(dòng)臂油缸和鏟斗油缸的長(zhǎng)度不在極限長(zhǎng)度上。圖13 最大挖掘半徑示意圖在中，由余弦定理：，所以

21、：。4.4 停機(jī)面上的最大挖掘半徑停機(jī)面上的最大挖掘半徑是指斗桿油缸全縮，C、Q距離最大且C、Q、V三點(diǎn)一線，同時(shí)斗齒觸底時(shí)斗齒尖距回轉(zhuǎn)中心線的最大垂直距離，如圖14所示。此時(shí)，動(dòng)臂油缸與鏟斗油缸的長(zhǎng)度不一定在極限長(zhǎng)度上。其中：圖14 停機(jī)面最大挖掘半徑示意圖4.5 最大卸載高度最大卸載高度是指在Z坐標(biāo)軸方向上，鏟斗鉸軸處于最高位置時(shí)，鏟斗可達(dá)到的最低點(diǎn)至GRP平面之間的距離。當(dāng)動(dòng)臂油缸全縮即動(dòng)臂仰角最大、斗桿油缸全縮以及鏟斗上Q、V連線垂直于基準(zhǔn)地平面時(shí)，斗齒尖距停機(jī)面的垂直距離即為最大卸載高度，如圖15所示。圖15 最大卸載高度示意圖 圖16 最大垂直挖掘深度4.6 最大垂直挖掘深度最大垂

22、直挖掘深度是指在Z軸方向上，切削刃垂直于GRP平面時(shí)所能達(dá)到的最深點(diǎn)距GRP平面之間的距離，如圖16所示。對(duì)的具體求解應(yīng)該分以下兩類情況進(jìn)行，并取其中的最大值。（1） 當(dāng)三組油缸全縮、而斗刃仍無(wú)法達(dá)到垂直于GRP平面時(shí)，計(jì)算如下：式中：切削刃外側(cè)底面與QV連線的夾角，參考SY305C-9H機(jī)型取值為50°；（2） 當(dāng)三組油缸全縮、斗刃可以達(dá)到垂直于GRP平面時(shí)，分為以下兩種方法達(dá)到斗刃垂直于GRP平面的狀態(tài)：a. 保持動(dòng)臂油缸最短、斗桿油缸最短，而只調(diào)整鏟斗油缸長(zhǎng)度，此時(shí)b. 保持動(dòng)臂油缸最短、鏟斗油缸最短而只調(diào)整斗桿油缸長(zhǎng)度，此時(shí)綜合以上的計(jì)算結(jié)果，。4.7 水平底面為2.5m時(shí)的

23、最大挖掘深度按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，水平底面為2.5m時(shí)的最大挖掘深度是指在Z坐標(biāo)軸方向上，切削刃在平行于Y坐標(biāo)軸方向上有2.5m水平底面時(shí)，其至GRP平面之間的距離，如圖17所示。該參數(shù)反應(yīng)了挖掘機(jī)能挖出2.5m寬底面的最大深度，其值越大，作業(yè)范圍越寬，挖掘深度越大。圖17 水平底面為2.5m時(shí)的最大挖掘深度4.8 計(jì)算結(jié)果對(duì)比將上述計(jì)算過(guò)程得到的工作裝置各個(gè)作業(yè)參數(shù)，與參考機(jī)械SY305C-9H機(jī)型的作業(yè)參數(shù)對(duì)比，得到對(duì)比表格表2。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，根據(jù)參考機(jī)型設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)，由于設(shè)計(jì)比較粗糙，沒(méi)有考慮液壓部分挖掘力的參數(shù)，因此各個(gè)作業(yè)參數(shù)上都存在一定的出入，尤其是最大挖掘高度和最大卸載高度，出入較大?？傮w上

24、，可以認(rèn)為符合實(shí)際工況和作業(yè)要求的。表2 工作裝置作業(yè)參數(shù)對(duì)比作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)機(jī)型（mm）參考機(jī)型SY305C-9H（mm）最大挖掘深度-6690-7410最大挖掘高度867510100最大挖掘半徑1083411050最大卸載高度40357025最大垂直挖掘深度-6224-61705. 某工況下鉸點(diǎn)K、Q的受力分析5.1 工況選定 挖掘機(jī)工作裝置的受力分析是設(shè)計(jì)各部件具體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，只有在掌握了其受力情況的前提下才能使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)得到最大性能的發(fā)揮。由于挖掘過(guò)程中各部件的動(dòng)作速度較小，受力較大，因此，這節(jié)內(nèi)容從靜力學(xué)的角度分析挖掘機(jī)工作裝置的受力。首先要做以下的己知和假設(shè)條件。 己知條件和假設(shè)： （

25、1） 己知各部件的幾何鉸接點(diǎn)位置坐標(biāo)及重量和重心位置坐標(biāo)； （2） 不考慮鉸接點(diǎn)的摩擦，即傳遞效率； （3） 不考慮工作裝置的運(yùn)動(dòng)加速度及其慣性力；（4） 不考慮偏載和橫向載荷；（5） 假設(shè)斗齒尖所受挖掘阻力在工作裝置縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，其方向沿著斗齒運(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向，其值己知。選定工況：為了便于受力計(jì)算，仍選定3.2節(jié)中的工況，這樣各點(diǎn)的坐標(biāo)可以利用第三節(jié)中的計(jì)算結(jié)果。5.2 鉸點(diǎn)K、Q的受力分析如圖18所示。在不計(jì)部件重量的情況下，可把二連桿HK當(dāng)做二力桿，其兩端的受力沿著連桿HK兩鉸接中心連線方向。此時(shí)，根據(jù)受力平衡條件，由鏟斗油缸大腔主動(dòng)發(fā)揮決定的鏟斗液壓缸的理論挖掘力按下式計(jì)算：圖18

26、鉸接點(diǎn)Q、K受力分析圖式中：油缸數(shù)目； 鏟斗油缸缸徑這里取120mm； 系統(tǒng)壓力，取35 MPa； 動(dòng)臂相對(duì)于停機(jī)面的轉(zhuǎn)角； 斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的擺角； 鏟斗相對(duì)于斗桿的轉(zhuǎn)角。由于該工況下各點(diǎn)在OXYZ坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)均已知，如表3中所示。表3 選定工況下各點(diǎn)的坐標(biāo)值點(diǎn)坐標(biāo)A（0，875，1187.47）B(0，2128.62，4938.08)C(0，250，2270)D(0，3040.95，5584.46)E(0，6190.75，6714.98)F(0，6190.93，5700)Q(0，7665.76，3145.3)K(0，7805.97，3530.56)M(0，7675.77，3486.07

27、)G(0，7103.75，5996.66)N(0，7675.77，3188.13)根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)不難算出的力臂，由于連桿在簡(jiǎn)化的模型中受力分析可知是二力桿，那么受力的方向必定沿著桿件方向。這樣可以算得Q、K點(diǎn)的受力如下：由于斗桿鏟斗等的重量都是自己取值，沒(méi)有正確的參考依據(jù)，因此這里就只計(jì)算了一個(gè)鉸接點(diǎn)的受力分析，其余鉸接點(diǎn)的受力分析可以參考Q、K點(diǎn)的計(jì)算方法。6. 工作裝置主要部件的三維建模針對(duì)前面的設(shè)計(jì)分析，本節(jié)內(nèi)容主要是完成工作裝置主要零部件的三維建模工作，由于上述的設(shè)計(jì)工作只確定主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而在三維建模時(shí)，這些參數(shù)還不足以將零部件的三維形狀完全表達(dá)。因此，一些不涉及到結(jié)構(gòu)重要外形的參數(shù)則

28、在三維建模時(shí)直接確定。本節(jié)主要介紹動(dòng)臂、斗桿、連桿和鏟斗的三維建模，采用的三維軟件是Solidworks2014。6.1 零部件的三維建模動(dòng)臂的簡(jiǎn)化三維建模主要是依據(jù)動(dòng)臂上鉸接點(diǎn)C、B、F、D的相對(duì)位置關(guān)系來(lái)完成的，主要是的三邊和三角來(lái)實(shí)現(xiàn)建模尺寸的確定。在solidworks中的三維模型如圖19所示。斗桿的簡(jiǎn)化三維模型主要根據(jù)斗桿上鉸接點(diǎn)E、F、G、N、Q的相對(duì)尺寸關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)，三維模型如圖20所示。連桿的簡(jiǎn)化三維模型如圖21所示。圖19 動(dòng)臂的簡(jiǎn)化三維模型圖20 斗桿的簡(jiǎn)化三維模型圖21 連桿的簡(jiǎn)化三維模型鏟斗的簡(jiǎn)化三維模型主要根據(jù)鏟斗的各項(xiàng)參數(shù)比如轉(zhuǎn)斗挖掘半徑和平均斗寬b等確定。具體的三維

29、模型如圖22所示。動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸的簡(jiǎn)化三維模型類似，只是缸徑和長(zhǎng)度有所差別，以動(dòng)臂油缸為例建模，如圖23所示。搖臂的簡(jiǎn)化三維模型如圖24所示。底座的簡(jiǎn)化三維模型建立主要依據(jù)底座上AC兩點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系建立的，如圖25所示。圖22 鏟斗的簡(jiǎn)化三維模型圖23 動(dòng)臂油缸的簡(jiǎn)化三維模型圖24 搖臂的簡(jiǎn)化三維模型圖25 底座的簡(jiǎn)化三維模型6.2 整體三維模型將已經(jīng)建成的各主要零部件的三維模型按照一定的約束關(guān)系建立裝配體，如圖26所示。至此，創(chuàng)建本次設(shè)計(jì)的工作裝置的簡(jiǎn)化三維模型的工作全部完成。圖26 工作裝置的簡(jiǎn)化三維模型7. 包絡(luò)圖的繪制7.1 ADAMS軟件簡(jiǎn)介ADAMS軟件是有美國(guó)me

30、chanical dynamics inc公司研制的集建模、求解、可視化技術(shù)與一體的虛擬樣機(jī)軟件，是世界上目前使用范圍最廣、最負(fù)盛名的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件。本節(jié)內(nèi)容主要運(yùn)用了ADAMS軟件運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)反鏟工作裝置包絡(luò)圖的繪制工作。7.2 Solidworks模型導(dǎo)入ADAMS步驟由于ADAMS軟件不是專業(yè)的三維建模軟件，因此復(fù)雜零部件的仿真一般是在專業(yè)三維軟件中建立模型，然后導(dǎo)入到ADAMS中完成運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。因此，對(duì)于本次設(shè)計(jì)的反鏟工作裝置同樣采用這種方法，將第六節(jié)內(nèi)容中完成的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，然后再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。具體的導(dǎo)入步驟如下：1) 在solidworks軟

31、件中將反鏟工作裝置的裝配體另存為parasolid格式，并將文件拷貝到ADAMS的工作目錄下；2) 在ADAMS的“文件>導(dǎo)入”中選擇文件類型為parasolid（*.x_t）文件，再選中第一步中創(chuàng)建的文件；3) 編輯各個(gè)物體的屬性，右擊修改；4) 修改各個(gè)物體的名稱，右擊重命名；圖27顯示了反鏟工作裝置導(dǎo)入到ADAMS后的模型。圖27 反鏟工作裝置在ADAMS中的模型7.3反鏟工作裝置的ADAMS挖掘包絡(luò)圖繪制步驟第一步：添加運(yùn)動(dòng)約束。ADAMS中的約束有很多種，比如固定約束、旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副、圓柱副、萬(wàn)向節(jié)副、螺旋副等。分析反鏟裝置的運(yùn)動(dòng)可知反鏟工作裝置中的運(yùn)動(dòng)約束只有三種：固定約束、旋轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副。固定約束存在于：底座與GROUND之間；旋轉(zhuǎn)副存在于：動(dòng)臂與底座之間；動(dòng)臂與斗桿之間；斗桿與搖臂之間；