正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)D課件

1、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)院 系： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 09級(jí)鐵道車輛2班 姓 名： 陳 明 學(xué) 號(hào)： 20097836 指導(dǎo)教師： 何 俊 機(jī)械原理設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名 陳 明 班級(jí) 鐵車2班 學(xué)號(hào) 20097836 設(shè)計(jì)題目： 正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介正鏟挖掘機(jī)的鏟土動(dòng)作形式。其特點(diǎn)是“前進(jìn)向上，強(qiáng)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范圍和工作能力。二、 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與要求題號(hào)鏟斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半徑卸載高度D2.52.449.

2、248.266.63 三、  設(shè)計(jì)任務(wù)1、繪制挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，確定機(jī)構(gòu)的自由度，對(duì)其驅(qū)動(dòng)油缸在幾種工況下的運(yùn)動(dòng)繪制運(yùn)動(dòng)線圖；2、根據(jù)所提供的工作參數(shù)，對(duì)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(gè)桿件的長(zhǎng)度；3、用軟件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jì)計(jì)算說明書，其中應(yīng)包括設(shè)計(jì)思路、計(jì)算及運(yùn)動(dòng)模型建立過程以及效果分析等。5、在機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。完成日期： 2012 年 6 月 16 日 指導(dǎo)教師 何俊 一、概述

3、正鏟挖掘機(jī)的開挖方式根據(jù)開挖路線與汽車相對(duì)位置的不同分為正向開挖、側(cè)向裝土以及正向開挖、后方裝土兩種，前者生產(chǎn)率較高。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(shí)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(yùn)土機(jī)械配合。盡量減少回轉(zhuǎn)角度，縮短每個(gè)循環(huán)的延續(xù)時(shí)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(yùn)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(dòng)臂、斗桿、鏟斗、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸等

4、組成。鏟斗的斗底利用液壓缸來開啟，斗桿是鉸接在動(dòng)臂的頂端，由雙作用的斗桿油缸使其轉(zhuǎn)動(dòng)。斗桿油缸的一端鉸接在動(dòng)臂上，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(dòng)臂均為單桿式，頂端呈叉形，以便與斗桿鉸接。動(dòng)臂有單節(jié)的和雙節(jié)的兩種。單節(jié)的動(dòng)臂有長(zhǎng)短兩種備品，可根據(jù)需要更換。雙節(jié)的動(dòng)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(diǎn) 的不同，動(dòng)臂的工作長(zhǎng)度也不同。二、正鏟挖掘機(jī)自由度計(jì)算根據(jù)圖2.1所示的挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，我們可以對(duì)其自由度進(jìn)行計(jì)算。通過對(duì)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)運(yùn)動(dòng)副，即9個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，3移動(dòng)

5、副，共包含12個(gè)低副，沒有高副。 圖2.1 正鏟液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖自由度計(jì)算： 則：三、 挖掘機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)1、液壓挖掘機(jī)基本參數(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(jí)或密度為 的土壤時(shí)，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(shí)，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(dòng)臂處在最低位置，且斗齒尖，鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)，斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)三點(diǎn)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(dòng)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(shí)，斗齒尖到停機(jī)面的距離。

6、2、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)臂，動(dòng)臂油缸下置式。（2）采用整體式斗桿。（3）動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù)。（4）油缸最大長(zhǎng)度與最小長(zhǎng)度的長(zhǎng)度比：，i表示驅(qū)動(dòng)油缸。（5）鏟斗挖掘時(shí)與停機(jī)面的所成的為，其中。3、動(dòng)臂、斗桿的長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)計(jì)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(chǎng)上現(xiàn)有各種型號(hào)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(gè)型號(hào)符合。其中7個(gè)型號(hào)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(hào)標(biāo)準(zhǔn)斗容（斗容范圍）挖掘深度m挖掘

7、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)CED750-74.5（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(dòng)液壓挖掘機(jī)，在這里也就不考慮。經(jīng)過參數(shù)的對(duì)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)

8、CE650-6的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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中的公式以及表1-3可知：相關(guān)系數(shù)斗桿長(zhǎng)0.90.747名稱系數(shù)代號(hào)推薦值范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(zhǎng)1.21.14斗桿長(zhǎng)0.90.747最小挖掘半徑0.850.85表 3于是，動(dòng)臂長(zhǎng)度，斗桿長(zhǎng)度，由可得，符合這個(gè)條件，所以該參數(shù)設(shè)計(jì)合理。則A、C點(diǎn)的最大距離：當(dāng)動(dòng)臂與斗桿成最大角（即）時(shí)的大?。?、動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角

9、范圍以及鉸點(diǎn)A 根據(jù)表3以及可知：鉸點(diǎn)A的橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)。由公式（1）可知：鏟斗挖掘半徑：動(dòng)臂轉(zhuǎn)角范圍：由公式（2）可知： 因?yàn)?，所以BC能呈垂直狀態(tài)。再由公式（5）可知：5、鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍確定根據(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)角范圍確定根據(jù)表3以及可知：因?yàn)椋⑶覄t，整理可得：4、 仿真以下截圖為用SolidWorks做的三維建模因?yàn)橛肧olidWorks做的三維模型不好倒入Adams，所以本文就以一個(gè)簡(jiǎn)化模型還做仿真，但是數(shù)據(jù)都是用上文所計(jì)算的數(shù)據(jù)。以下就是仿真的截圖，只要為鏟斗的運(yùn)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的距離下面是試

10、驗(yàn)臺(tái)模型搭建：五、 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的重要組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)態(tài)性能好、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作安全可靠、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性好、使用維護(hù)方便。其中液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為挖掘機(jī)總體設(shè)計(jì)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(jì)算與分析驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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。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?，要考慮全功率驅(qū)動(dòng)。挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程:(1) 整機(jī)

11、移動(dòng)至合適的工作位置(2) 回轉(zhuǎn)平臺(tái)，使用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2.液壓缸主要幾何尺寸的計(jì)算挖掘機(jī)各驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、電液比例換向閥、動(dòng)臂缸、斗桿缸及齒輪傳動(dòng)。本設(shè)計(jì)主要對(duì)動(dòng)臂缸進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。（1） 動(dòng)臂液壓缸內(nèi)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(shí)進(jìn)行差動(dòng)連接。此時(shí)

12、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)行元件工作壓力負(fù)載F/N<500050001000010000300003000050000>50000工作壓力p/MPa<0.811.522.5445>57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(yùn)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(jiǎn)單

13、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(bǔ)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(jì)由于是差動(dòng)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 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(shí)得：D=110mm , d =72mm，由此求得液壓缸兩腔的實(shí)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(yùn)動(dòng)要求而定。但為了簡(jiǎn)化工藝和降低

14、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(jì)算（1） 缸筒壁厚的計(jì)算對(duì)于低壓系統(tǒng)或16時(shí)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計(jì)算，公式如下： (3.8)式中 液壓缸缸筒厚度 試驗(yàn)壓力(Mpa)，當(dāng)工作壓力P16 Mpa時(shí)，=1.5P，當(dāng)工作壓力31.5P16 Mpa時(shí)，=1.25P，當(dāng)工作壓力P31.5Mpa時(shí)，=1.15P，這里應(yīng)取=1.25P =37.5Mpa。 液壓缸內(nèi)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(qiáng)度(Mpa) 安全系數(shù)，=3.55，一般取=5但對(duì)于鍛鋼45的許用

15、應(yīng)力一般都取=110(Mpa)則根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取液壓外缸直徑為=130mm。（2）液壓缸油口直徑的計(jì)算液壓缸油口直徑應(yīng)根據(jù)活塞最高運(yùn)動(dòng)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) 液壓缸內(nèi)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(jì)手冊(cè)，取=7m/min同時(shí)對(duì)于單桿油塞式液壓差動(dòng)聯(lián)接時(shí)，活塞的外伸速度為: (3.11)式中 液壓缸差動(dòng)聯(lián)接時(shí)，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)

16、據(jù)，解析以上公式得：，故取（3）下蓋聯(lián)接螺釘強(qiáng)度校核計(jì)算螺釘聯(lián)接可采用高強(qiáng)度螺釘M16×1.5(GB/T70.1-2000)聯(lián)接,兩端數(shù)量均為24件，螺釘精度等級(jí)為10.9級(jí)，其強(qiáng)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=0.12：螺紋外徑，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取=16mm：螺紋內(nèi)徑，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取=-1.0825×1.514.4mm：數(shù)量為24B：B螺釘材料屈服強(qiáng)度，取45鋼，則 =110Mpa得：，符合工況要求，則驗(yàn)證合格，可取。（4） 活塞桿柔度校核

17、計(jì)算活塞桿細(xì)比計(jì)算如下： = (3.17)此處：L為折算長(zhǎng)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(zhǎng)比，按規(guī)定拉力桿此處100。計(jì)算得，故滿足要求，則活塞桿長(zhǎng)度和缸筒長(zhǎng)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(jì)手冊(cè)，可查閱得：此液壓泵可采用NB3-G20F雙聯(lián)柱塞泵，主泵由2個(gè)柱塞式串聯(lián)變量柱塞泵組成。2.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇取泵的總效率=0.8，泵的總驅(qū)動(dòng)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

18、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(gè)液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序，工作部件的運(yùn)動(dòng)速度、方向，以及變換頻率，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(duì)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，以及系統(tǒng)的簡(jiǎn)繁及布置特點(diǎn)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

19、四種，有手動(dòng)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內(nèi)徑選擇膠管的尺寸規(guī)格。高壓膠管的工作壓力對(duì)不正常使用的情況下可提高20%；對(duì)于使用頻繁，經(jīng)常扭變的要降低40%。膠管在使用及設(shè)計(jì)中應(yīng)主要下列事項(xiàng)：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(zhǎng)不應(yīng)小于管外徑的兩倍。2) 膠管的長(zhǎng)度應(yīng)考慮到膠管在通入壓力油后，長(zhǎng)度方向?qū)l(fā)生收縮變形，一般收縮是取3%4%，膠管安裝時(shí)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(zhǎng)涂以色紋，以便檢查。4) 膠管的接頭軸線，應(yīng)盡量放置在運(yùn)動(dòng)的平面內(nèi)，避免兩端互相運(yùn)動(dòng)時(shí)膠管受力。5) 膠管應(yīng)避免與機(jī)械上的尖角部分想接觸和摩擦，以免管子