挖掘机工作装置设计计算说明书

1、挖掘机工作装置设计计算说明书标准化文件发布号：（9556-EUATWKMWUBWUNNINNULDDQTYKII-1 -摘要液压挖掘机是工程机械的一种主要类型，广泛应用在房屋建筑、筑路工 程.水利建设、港口建设、国防工程等土石方施工和矿山釆掘之中。反铲液压 挖掘机是挖掘机械中最重要的机种之一，主要应用于挖掘停机面以下的土壤。 液压挖掘机反铲装置是完成液压挖掘机各项功能的主要部分，其结构的合理性 直接影响到液压挖掘机的工作性能和可靠性。本文根据液压挖掘机反铲装置的结构特点，工作原理以及对典型工况的分 析，总结了挖掘机工作装置性能要求和设计原则，然后对其各主要构件进行了 方案选择以及运动学分析，并

2、确定各钱点之间的距离，用Pro/e软件绘出其连 杆模型。接着根据连杆模型并结合其他机械设计知识画出工作装置的二维图 纸，最后根据图纸上的具体结构尺寸对丄作装置的主要部件进行校核。关键词:液压挖掘机，工作装置，运动学分析，结构设计AbtractAs one of important construction machinery and equipments, hydraulic excavator is widely used in earthwork construction and mine exploitation, such as in architecture, road engine

3、ering, water conservancy, port building, national defense project, etc. The excavator with a backhoe d is mainly used to excavate the earth underground. Backhoe Equipment of Hydraulic Excavator is one important device to perform many functions. The working performanee and reliability of the whole ma

4、chi ne is in fluenced by the rati on ality of its structure.Firstly, this paper, which is based on the structural features of hydraulic backhoe excavator be worked principle and the analysis of typical conditions, summed up the excavator working equipment performance requirements and design principl

5、es Secondly, be selected the program and conduct the kinematic analysis of all the major comp on ents of working equipme nt, and be determined the distance between the hinge points, and then used the Pro/e software to draw the link model ； Thirdly, drew two-dimensional drawings of the work equipment

6、s； Finally, according to the drawings spec讦ic dimensions, check the main comp on ents of working device Key words: hydraulic excavator： working equipment； kinematic analysis; structural design目录1绪论 .-111课题背景及目的 .-11.2挖掘机发展简史.-21.2.1国外液压挖掘机目前水平及发展趋势 .-21.2.2国内液压挖掘机的发展概况 .-213液压挖掘机的基本类型 .-31.4本次设计概述 .

7、-51.5论文构成及研究内容 .-52总体方案设计 .-62.1 I作装置构成及原理 .-62.2 11作装置坐标设定（见图22） .-92.3工作装置各部分方案选择.-102.3.1动臂种类选择及油缸布置方案选择 .-102.3.2斗杆种类选择 .-122.3.3铲斗种类选择及油缸布置方案选择 .-122.4液压挖掘机工矿分析.-142. 5液压挖掘机工作装置设计要求.-192. 5. 1儿何尺寸要求.-192.6液压挖掘机工作装置的设计原则.-222.7设计基本参数以及设计作业范围.-233工作装置运动学分析 .-243. 1动臂运动分析.-243. 2斗杆的运动分析.-263.3铲斗的运

8、动分析.-273.4特殊工作位置计算.-304基本尺寸的确定.-344. 1斗形参数的选择.-344. 2动臂机构参数的选择.-354. 3斗杆机构基本参数的选择.-374.4连杆及铲斗机构基本参数的选择.-39-4-5工作装置结构受力分析与校核 .-45-5. 1挖掘阻力分析.-45-5.2工作装置各部分油缸作用力的确定.-47-5. 2. 1铲斗油缸作用力的确定 .-48-5. 2. 2斗杆油缸作用力的确定 .-50-5. 2. 3动臂油缸作用力的确定 .-51-5.3工作装置结构强度校核的工况介绍.-52 -5. 4斗杆的力学分析 .54 -5. 5斗杆强度校核 .-60 -5.6动臂力

9、学分析.-66 -5. 7动臂强度校核 .-69-6结论 .-72一参考文献 .-73-附录.错误!未定义书签。致谢.错误!未定义书签。-1 -1绪论1课题背景及目的挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业与民用建筑、交 通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等等行业的 机械化施工中据统计，一般工程施工中约有60%的土方量、露天矿山中80% 的剥离量和采掘量是用挖掘机完成的。随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖掘机的广泛应用，挖掘机市场 有着广阔的发展空间，因此发展满足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的。 而工作装置作为挖掘机的重要组成部分，对其研究和控制是对整

10、机开发的基 础。单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分 析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是小 型挖掘机的设计已经趋于成熟。而关于单斗液压挖掘机的相关文献也很多，这 些文献从不同侧面对工作装置的设计进行了论述。而笔者的设计知识和水平能 力只是初学者.进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设计有一些大体的 认识，巩固所学的知识和提高设计能力。1.2挖掘机发展简史挖掘机械的最早雏形，主要用于河道港口的疏浚工作，第一台有确切记 载的挖掘机械是1796年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”。而能够模拟人的掘土工 -2 -作，在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲

11、”于1835年在美国诞生，主要用于修 筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有170多年历史。 1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的飞速发展， 各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的 应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以节能、环保 等方面有了长足的进步。目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用. 成为土石方施工不可缺少的重要机械设备n1. 2. 1国外液压挖掘机目前水平及发展趋势工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全.技术成熟。美国、德 国和曰本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高市场占有率。20

12、世纪后期开 始.国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看.在稳定和完善主力机型的基础 上向大型化、微型化方向发展；从产品性能上看.向高效节能化、自动化、信 息化、智能化的方向发展。1. 2. 2国内液压挖掘机的发展概况我国从1967年开始研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建 筑机械厂的WY100、贵阳矿山机器厂的W4-60、合肥矿山机器厂的WY60等。 到20世纪70年代末80年代初，长江挖掘机厂和杭州重型机械研制成功了 WY160和WY250等液压挖掘机产品。从1994年开始，美国的卡特彼勒公司、日 本的神户制钢所、曰本的小松制作所、曰本的曰立建机株式会社、韩国大宇重 工、韩国现代重工

13、业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔 沃等公司先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业，生产具有世 -3 -界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近年来我国经济增长迅速. 液压挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场空间，但该行业主要 由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械待业的上市股分公司合资的 方式介入了挖掘机产业，同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机，但在 生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族 挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内外两个市场，在充分利用国际 化配套的国外先进技术的基础上，増强自主创新意识，

14、掌握核心设计制造技 术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强n1.3液压挖掘机的基本类型单斗液压挖掘机可按用途及其主要装置的特征进行分类。-4-按液压挖掘机主要用途及工作装置的不同分为通用型和专用型两种。中小 型挖掘机大多数为通用型，即以挖掘土壤容重18000N/m3为标准反铲斗的主要 装置外，还配有适于挖掘各种轻重土质和挖掘幅度的反铲、正铲、抓斗、装载、起重等多种可 换装置。而大型液压挖掘机则以矿用正铲为主要装置外，一般亦配有挖掘轻重 土、石料和各种挖掘幅度的正、反铲等装置。主要用于矿山采掘和装载、称采 矿或矿用型。按工作装置的结构不同分为较接式和伸缩臂式挖掘机，常用

15、者均为较接 式，伸缩臂式挖掘机因可用于平整清理场地和坡道等作业，故有挖掘平地机之 称。按行走装置的不同，液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及 拖式等种类。屐带式因有良好通过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可 采用加宽、加长及以浮式履带来降低接地比压。轮式挖掘机具有行走速度快. 机动性好、可在城市道路通行，故近年来在中小型液压挖掘机中发展较快。汽 车式、悬挂式是以汽车及拖拉机为基础机械（底盘）装设挖掘或装载工作装置的 小型挖掘机。适用于城建小量土方工程及农村建筑。拖式则没有行走驱动机 构，转移时由牵引车牵引，主要优点为结构简单、成本低。按回转部分转角的不同，液压挖掘机有全回转和半回

16、转两类。大部分液压 挖掘机是全回转式的，小型液压挖掘机如悬挂式等工作装置仅能作180。左右的 -5 -回转，为半回转式。按主要机构是否全部采用液压传动又分为全液压式与半液压式两种。两者 区别在于半液压传动挖掘机的行走机构采用机械传动，少数挖掘机仅工作装置 采用液压传动，如大型矿用挖掘机等。目前国产轮胎式液压挖掘机多采用半液 压式。1.4本次设计概述本次设计斗容量为0. 3m3,全液压履带式挖掘机型号为YW0. 3型，由于履带 式液压挖掘机有良好通过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采用加 宽、加长以及浮式履带来降低接地比压。1.5论文构成及研究内容本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、连杆机构组

17、成挖掘机工作装置进行设 计。具体内容包括以下四部分：(1)挖机工作装置的总体设计。(2)挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析。(3)工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证。(4)工作装置主要部件的结构设计。2工作装置构成及原理2总体方案设计图1T工作装潼组成图-7 -其中1-铲斗；2-斗齿；3-连杆；4-摇杆；5-铲斗油缸；6-斗杆；7-动臂；8-动臂油缸；9-斗杆油缸图1-1为液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，如图所示反铲工作 装置由铲斗连杆、斗杆、动臂、相应的三组液压缸等组成。动臂下较点餃接在 转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下较点转动。依 靠斗杆缸使斗杆绕动臂的

18、上较点转动，而铲斗较接于斗杆前端，通过铲斗缸和 连杆则使铲斗绕斗杆前较点转动。为了増大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过 连杆机构（即连杆和摇杆）与铲斗连接。反铲液压挖掘机的工作过程为:先下 放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使 铲斗离开土壤.边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤.然后再回转至工作 位置开始下一次作业循环。液压挖掘机的反铲装置主要用于挖掘停机面以下 土壤（基坑、沟壕等）。其挖掘轨迹决定于各油缸的运动及其相互配合情况。通 常情况下，分为动臂挖掘、斗杆挖掘、转斗挖掘等几种情况。（1）动臂挖掘当采用动臂油缸工作来进行挖掘时（斗杆和铲斗油缸不工作）可以得到最

19、大 的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时铲斗的挖掘轨迹系以动臂下较点为中心， 斗齿至该较点的距离为半径所作的圆弧线。其极限挖掘高度和挖掘深度（不是 最大挖掘深度）即圆弧线之起终点，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角（动 臂与水平线之夹角），也即决定于动臂油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长 而且由于稳定条件限制挖掘力的发挥.实际工作中基本上不采用。-8 -(2) 斗杆挖掘当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的长度 与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗杆油缸进行挖 掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。在较坚 硬的土质条件下工作时，能够

20、保证装满铲斗，故挖掘机实际工作中常以斗杆油 缸工作进行挖掘。(3) 转斗挖掘当仅以铲斗油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧线的包 角及弧长决定于铲斗油缸的行程。显然，以铲斗油缸工作进行挖掘时的挖掘行 程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤.需要有较大的挖掘力以保证能 挖掘较大厚度的土壤n所以一般挖掘机的斗齿最大挖掘力都在采用铲斗油缸工 作时实现。采用铲斗油缸挖掘常用于清除障碍.挖掘较松软的土壤以提高生产 率。因此，在一般土方工程挖掘中，转斗挖掘较常采用。在实际挖掘工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作。挖掘机工作装置各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆，对工作装置进行适 当简化处理如

21、图2-2所示。-9 -图2-2工作装置结构简图挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3,即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L：、斗杆油缸长度L：、铲斗油缸长 度匚决定，当匚、匚、匚为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。2.2工作装置坐标设定（见图2-2）图中的各参数的含义说明如下：A表示动臂油缸与回转平台的餃点；8表 示动臂油缸与动臂的餃点；C表示动臂与回转平台的较点；。表示斗杆油缸与 动臂的较点；E表示斗杆油缸与斗杆的餃点；F表示动臂与斗杆的较点；G表示 铲斗油缸与斗杆的较点；M表示铲斗油缸与连杆机构的较点；N表示连杆机构 与斗杆的较点；0表示斗杆与铲斗的较点

22、；K表示连杆机构与铲斗的较点；V表 示铲斗的齿尖。所建立的总体坐标系的x轴是停机水平面.Y轴通过回转平台 -10 -的回转中心并垂直于x轴，o点为总体坐标系的原点也即x轴与Y轴的交点。2.3工作装置各部分方案选择2. 3. 1动臂种类选择及油缸布置方案选择动臂是反铲工作装置的主要部件，一般可以分为组合式和整体式，目前 采用得多的是整体式动臂。组合式动臂如图2-3所示，组合式动臂用辅肋连杆或液压缸或螺栓连接而 成。上、下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节，虽然使结构和操作 复杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下动臂之间的夹角.从而提 高挖掘机的作业性能，尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深

23、的基坑时，容易得到较 大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产率。组合式动臂的优点是，可以 根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘力，且调整时间短。此外，它 的互换工作装置多，可满足各种作业的需要，装车运输方便n其缺点是质量 大，制造成本高，故本次设计不采用。-11 -图2-3组合式动臂整体式动臂的优点是结构简单，轻巧，质量轻而刚度大。其缺点是更换的 工作装置少，通用性较差。多用于长期作业条件相似的挖掘机上。整体式动臂 又可分为直动臂和弯动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便. 主要用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用 于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最

24、广泛的结构型式，与同长度的直动臂相 比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度.这正符合挖掘机反 铲作业的要求。经比较，选择整体弯动臂。动臂油缸一般布置在动臂的前下方，有两种具体布置方式,油缸前倾布置方案，即当动臂油缸全伸出，将动臂举伸至上极限位置时, 动臂油缸轴线向转台前方倾斜；油缸后倾布置方案.即当动臂油缸全伸出，将 动臂举伸至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台后方倾斜，两种方案中，在动 臂油缸作用力相同时，后倾方案能得到较大的动臂作用力矩订因此，本次设计 采用油缸后倾布置方案n-12 -臂与动臂油缸活塞杆端部的较点布置通常有两种形式，一种是单动臂布置 在端部弯角的下部，小型挖掘机常

25、见；另一种是双动臂油缸布置在动臂箱体的 中部，这样的双动臂油缸在结构上起到加强筋的作用，提升力也大大増加。由 于本次设计的是小型挖掘机，故本次设计采用单动臂油缸。2. 3. 2斗杆种类选择斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计 中由于不需要调节斗杆的长度.故也采用整体式斗杆。2. 3. 3铲斗种类选择及油缸布置方案选择铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足 以下的要求：(1) 有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗 底的向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。(2) 要使物料易于卸尽。(3) 为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲

26、斗的宽度与物料的粒径之比应 大于4,大于50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图2-4所示。-13 -图2-4铲斗本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。该布置中1杆与2杆的餃接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。如图2-5所示。图2-5铲斗连接布置示意图1-斗杆；2-连杆机构；3-铲斗2. 3.4铲斗结构形式及斗齿的安装形式铲斗结构的基本要求-14 -1. 铲斗的纵向剖面形状应适应挖掘过程各种物料在斗中运动规律，有利于 物料的流动，使装土阻力

27、最小，有利于将铲斗充满。2. 装设斗齿，以增大铲斗对挖掘物料的线比压，斗齿及斗形参数具有较小 的单位切削阻力，便于切入及破碎土壤斗齿应耐磨、易于更换。3为使装进铲斗的物料不易掉出，斗宽与物料直径之比应大于4 : 1。4.物料易于卸净.缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。铲斗的斗齿采用装配式，国产挖机其形式有螺栓连接式和橡胶卡销式，如 图2-6所示。斗容量小于或等于0.6立方米时多采用前者.斗容量q大于或等 于0.6立方米时多采用后者图2-6斗齿安装形式本次设计的标准铲斗容量为0. 3立方米故选择螺栓连接安装形式。2. 4液压挖掘机工矿分析液压挖掘机的主要运动功能包括以下儿个动作：动臂升降、斗杆收

28、放、铲 斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作，如图2-7所示。除了辅助动 作(例如整机转向等)不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作， 一般要进行全功率驱动研究。挖掘机的典型作业流程：(1) 整机移动至合适工作位置；(2) 平台回转，使工作装置处于挖掘位置；(3) 动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置：(4) 斗杆、铲斗挖掘作业：15(5) 动臂升起；(6) 回转工作装置至卸载位置;(7) 操纵斗杆、铲斗卸载。1-动臂升降；2-斗杆收放；3-铲斗装卸；4-转台回转；5-整机行走由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，对主机的工作有两项要 求：1 实现各种主要动作时，随着阻力

29、与作业速度的变化，要求液压缸和液压 马达的压力和流量也能相应变化；2为了充分利用发动机功率，缩短作业循环 时间，工作过程中往往要求有两个主要动作(例如挖掘与动臂下降、提升与回 转)同时进行复合动作。液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括：(1) 挖掘：通常以铲斗液压缸或斗杆液圧缸进行挖掘，或两者配合进行挖 掘。因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动 作。(2) 满斗举升回转：挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同时 回转液压马达使转台转向卸载位置，此时主要是动臂和回转的复合动作。(3) 卸载：转到卸载位置时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然 后铲斗

30、液压缸回缩，铲斗卸载。为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配 合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，兼以动臂动作。(4) 空斗返回：卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配 合，把空斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。(5) 整机移动工况：将整机移动至合适的工作位置。(6) 姿态调整与保持工况：满足停放、运输、检修等需要。-16 -图2-8斗尖直线挖削图2-9地面的切削和压整(7)其他辅助作业丄况：辅助工作装置作业工况。2.4.1典型挖掘工况液压挖掘机典型的挖掘工况包括如下3种。(1) 铲斗挖掘工况：由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况，釆用铲斗液 压缸进行挖掘常用于清除障碍，

31、挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一 般土方工程挖掘中(III级土以下土壤的挖掘)铲斗挖掘最常用。(2) 斗杆挖掘工况：由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况，在较坚硬的 土质条件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以 斗杆液压缸进行挖掘。(3) 联合挖掘工况：山铲斗.斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要 时还需配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。当单独釆用铲斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的较点为中 心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定铲斗液压缸的行程。以铲斗液圧缸进行 挖掘时的挖掘行程较短，为了能够装满铲斗，需要有较大的挖掘力以保证能挖 掘较大厚

32、度的土壤，所以一般挖掘机的斗尖最大挖掘力都在釆用铲斗液压缸挖 掘时实现。当单独釆用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的较点为中 心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位 于最小长度并以斗杆液圧缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较 大的挖掘行程。a水平地面的挖削；b斜坡地面的挖削a水平地面的切削；b斜坡地面的切削一般认为斗容量小于05n?在土质松软时以转斗挖掘为主，否则以斗杆挖 掘为主。这两种情况的挖掘阻力不同。在实际挖掘工作中，往往需要釆用各液压缸的复合工作。如在平整土地或 切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图2-8所

33、 17示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。如 果需要铲斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗 斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作，这些 动作决定于液圧系统的设计，见图2-9所示。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削 时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力， 保持铲斗贴紧侧壁进行切削，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般釆用双泵合流，个别也有 采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压

34、作用元件 供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件 供油较好。对于双泵系统，复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能 性大，因此需要釆用节流等措施进行流量分配，流量分配要求和三泵系统相 同。挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往山于挖不动而需 要短时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主圧力阀的圧力。2. 4.2满斗举升回转工况满斗举升回转的运动约占整个作业循环时间的50%70%,能量消耗占 25%50孰回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的30%50陰因此要求 尽可能地缩短转台的回转时间。挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转

35、液压马达使转台 转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同 时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自 动提升到合适的卸载高度。山于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对 卸载的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是 可调整的。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。回转起动时，曲于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢流，此 时应该将溢流的油供给动臂。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还 需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。2. 4.3卸载工况回转至卸载位置

36、时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗 油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和 铲斗复合动作，兼有动臂动作。2. 4.4空斗返回工况当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作， -18 -把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。山于动臂 下降有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该 工况的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给 动臂，少部分油经节流阀供给斗杆。发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂 油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回

37、路，利用重力将动臂油缸无杆 腔的油供至有杆腔。特点与满载回转类似，但转动惯量比满足时减小。2. 4. 5整机移动工况挖掘机一般不作长距离行走，只在工地范围行走，作业时用来调整整机位 置。基本要求：左右履带可独立操纵，可调速，具有直线行走功能，具有一定 的行走速度（25km/h）和爬坡能力（坡度大约在35左右），具有制动能力。在行走的过程有可能要求对作业装置液压元件（如回转机构、动臂、斗杆 和铲斗）进行调整。在双泵系统中，一个油泵为左行走马达供油、另一个油泵 为右行走马达供油，此时如果某一液压元件动作，使某一油泵分流供油，就会 造成一侧行走速度降低，影响直线行驶性，特别是当挖掘机进行装车运输或上

38、 下卡车行走时，行驶偏斜会造成事故。为了保证挖掘机的直线行驶性，在三泵供油系统中，左右行走马达分别山 一个油泵单独供油，另一个油泵向其它液压作用元件（如动臂、斗杆、铲斗和 回转）供油。对于双泵系统，目前采用以下供油方式：一个油泵并联向左、 右行走马达供油，另一个油泵向其他液压作用元件供油，其多余的油液通过单 向阀向行走马达供油；双泵合流并联向左、右行走马达和作业装置液压作用 元件同时供油。2. 4.6姿态调整与保持工况液压挖掘机工作装置及其他功能运动的制动与锁定，要满足接地比压要 求，并保证合适的停放、运输尺寸、姿态及其特殊的检查姿态，如图2-10所 示O.19图2-10挖掘机姿态调整保持工况

39、图2.5液压挖掘机工作装置设计要求液压挖掘机工作装置由动臂机构、斗杆机构、铲斗机构三部分组成，是一 种具有多自山度的工程机械。这些主要机构经常启动、制动、换向，外负载变 化很大，工作条件恶劣，冲击和振动多，因此对液压挖掘机的工作装置提出了 较高的设计要求。根据液压挖掘机的丄作特点，其工作装置的设计需要满足以 下要求。2. 5. 1几何尺寸要求液压挖掘机工作装置的儿何尺寸要求满足一定的作业范围和合适的运输尺 寸，挖掘机作业范圉图如图2-lb儿何尺寸之间要求不要干扰。-20 -图2-11挖掘机作业范围主要挖掘区域Rmax-最大挖掘半径；Hmax-最大挖掘深度工作装置的儿何尺寸要求满足合理的挖掘力分

40、布特性，在整个作业范圉内 的任何位置都要求实现最大挖掘力并不经济，而要求挖掘机在主要挖掘区内能 实现最大挖掘力。主要挖掘区是指用最合理最经常的挖掘方式，最经常进行挖 掘的区域。对液压挖掘机来说最合理最经常的挖掘方式是指挖掘地面以下，山 下向上，向机身运动的挖掘方式，用这种方式挖掘充斗效率高，循环时间短， 也便于卸土，装车，司机视野无阻，因此生产率高而乂安全。最经常的挖掘区 域大致为图2-5的灰色部分。作业范围图（如图2-5所示）有部分区间深入到挖 掘机停机点地下，这一范围的土壤虽能挖掘，但可能引起土壤的崩塌而影响挖 掘机的稳定和安全工作，除有条件的挖沟作业以外一般不使用。此外，工作装置的儿何尺

41、寸还必须满足停放和行走时的整机稳定性要求。2. 5. 2运动和动力特性要求液压挖掘机各功能运动的动力特性要求和常见复合运动要求，如表2-1和2-2所示。-21表2-1各功能运动的动力特性要求一览表功能运动名称应用工况功率需 求变速要求制动及锁也要求铲斗正转挖掘、姿势调整大不大铲斗反转卸载、姿势调整不大不大最好有锁定斗杆正转挖掘、姿势调整大髙最好有锁左斗杆反转姿势调整不大较髙最好有锁泄动臂举升举升、姿态调整较大高动臂下降姿态调整、辅助作业一般较髙回转运动挖掘与卸载转位高高行走运动场内转位、调整作业位置髙高表2-2常见复合运动要求一览表复合运动应用工况特点与要求说明铲斗正转十斗杆正转复合挖掘功率需

42、求大、变速要求髙铲斗反转+斗杆反转卸载功率需求较小斗杆正转十动臂举升平整土地要求操纵兴性能好动臂举升十回转运动挖掘与卸载转位功率需求大，变速要求高，动力分配可调整动臂下降十回转运动返回向挖掘处两者载荷差别大、速度要求高2. 5. 3结构强度要求液压挖掘机结构强度是工作装置设计的关键之一，工作装置的结构和所承 受的载荷是十分复杂的。要求满足工作装置各部分的受力的情况下，保证工作 装置的强度和刚度特性。在设计液压挖掘机的工作装置时，要求尽可能减少焊缝和变形，这不仅增 加了构件强度，而且缩短制造周期，降低了成本。要求动臂下支点及动臂油缸 支承在平台主梁的整块钢板上，这不仅增加构件强度而且减少焊接，而

43、且防止 焊接变形。斗杆要求采取整块钢板下料。为了减少焊接变形及焊接应力，要求采用型钢及压型等结构。在结构件设计中为求等强度，要求采取局部加强的措 施。动臂、斗杆要求改为焊铸结构，在应力较高的部位以铸代焊，这样大大提 高了结构件的冲击和疲劳強度。为确保焊接强度，要求所有较接部均采用铸钢 件。结构件的破坏主要是由于冲击疲劳，因此实际破坏时常不在负荷最大部 -22 -位，而是应力集中部位。为减少应力集中，应使焊缝与应力集中部位错开，在 主要受力狡接支承处釆用铸钢件。2. 5. 4经济性要求液压挖掘机经济性评价指标有能量指标、作业循环时间减小、机重轻、延 长维修周期和挖掘机寿命周期、加快维修进度和降低

44、维修费用、司机操作的舒 适性等。能量指标(即消耗于单位土方的能量)虽不宜作为评价土方机械技术经济效 率的通用准则，但山于工作装置单位重量和价格相对整机而言都较小，常用能 量指标来表征工作装置结构现代化的程度，这种符合能量指标的工作装置应能 完全满足技术与使用要求，且足够可靠。从能量指标角度来看，要求液压挖掘 机的挖掘力大，工作装置的重量轻，挖掘速度高。决定挖掘机生产率的基本因素是工作循环时间包括挖掘时间、向卸载点运 行时间、卸载时间、向工作面返回时间。挖掘时间取决于挖掘速度的高低(合 理值约为0. 75m/s),过高的挖掘速度将增加操作人员的紧张和疲劳程度。为减 少运行时间和返回时间应在允许的

45、情况下尽量减小回转角。回转角的合理范圉 一般为70。180。，最佳角度为90。回转角度过小时，由于达不到最大回转速 度，不能充分利用发动机的功率，从而增加运行和返回时间。卸载时间主要取 决于铲斗的结构和土壤性质。2. 5. 5其它性能要求液压挖掘机的工作装置除了满足上述基本设计要求之外，还需要满足其它 的一般性能要求。例如，通过实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低挖 掘机的制造成本；提高液压挖掘机各功能部件的工作可靠性和耐久性，以满足 液压挖掘机作业条件恶劣的要求；降低振动和噪声，重视其作业中的环保性 等。2.6液压挖掘机工作装置的设计原则对于液压挖掘机工作装置的设计，一般应考虑以下儿个原

46、则：(1) 位置特性：满足主要工作尺寸及作业范围的要求，在设计时应考虑与 同类机型相比时的先进性，性能与主参数应符合国家标准之规定。运输或停放 时应有合理的姿态。(2) 运动特性：功率利用情况好，理论工作循环时间短。(3) 动力特性：满足整机挖掘力大小及分布情况的要求；应考虑到整机稳 定性。-23 -(4) 结构特性：确定各較点布置，结构形状应尽可能使受力状态有利，在 保证刚度和强度的前提下，重量越轻越好；工作装置应安全可幕，拆装维修方 便；液压缸设计应尽量釆用系列参数。(5) 特殊使用要求：附属装置如破碎捶等。2.7设计基本参数以及设计作业范围基本参数为：工作质量SOOOKg,斗容量0. 3

47、 m3o设计作业范围：最大挖掘高度：4500mm ；最大挖掘深度：3000mm行走速度(km/h) : 3. 6/1. 8O动臂、斗杆材料使用Q345BC-24 -3工作装置运动学分析3动臂运动分析动臂的摆角n疵是动臂油缸长度L1的函数，动臂上任意一点在任意时刻 的坐标值也都是L1的函数。图3-1中厶：动臂油缸的最短长度；厶_：动臂 油缸的伸出的最大长度；Gmin：动臂油缸两较点分别与动臂下较点连线夹角的-25 -最小值；lmax:动臂油缸两较点分别与动臂下餃点连线夹角的最大值；A ：动臂油缸的下较点；B :动臂油缸的上较点；C :动臂的下餃点。设特性参数p二乙-/厶，li/Is如图所示，当L

48、x= Llnin时得在ZACB 中，据余弦定理知：6Ln 二 ZACB广 cosTm”2当厶1二厶imax时则得：O=ACB= cos“ /-心2X/7X/5动臂的摆角范围为：(P -0 0- cos-1 (- + 1 Z| pl) COS- () lma 5max 5mm2x72 X c=19643000mm该截面对形心轴的抗弯截面模量为WH二 J/yg 二28730000mm783mm 二 346385mmW兀二 J/z二 19643000mm/75mm二262000mm斗杆工况1应力计算：由前面的应力图知道在该截面处所受应力如下：轴力 N二 141355N;剪力 Q二20140N弯矩览二

49、 12760Nm, M:=4834Nm故各应力为：o=M：/W:c=4834Xm/346385mm3=13. 96MP&6二M：,/W兀二 12760m/262000mmJ48. 7MPaOx-=N/A= 141355N/10180mm2= 13. 89MPat =Q/A=2014ON/10180mm:= 1. 98MPa按第4强度理论合成应力为= y/a2 + 3r-64 -=J(u + b. + bj + 3尸=76. 6MPa-65 -94,Y -AL1厂O000T17CO同理可得斗杆在第二工况下该截面处得合成应力为4& 3MPao5. 5. 2截面2的几何性质以及应力计算200240图

50、5T3截面2 经计算截面2如图5-13截面面积A= 11340mm2该截面对Z轴的静矩S:=l 1000mm3截面形心 yc=s=/A lmmzc=0即形心坐标系与参数坐标系几乎重合。该截面对形心轴的惯性矩I：c=349000000mm9 rO9-66 -* 二34790000mnf该截面对形心轴的抗弯截面模量为%二 J/yg二349000000mm /330mm二 1058000mm W兀二34790000mm775mm=463870mm3斗杆工况1应力计算：由前面的应力图知道在该截面处所受应力如下：轴力 N二 132720N;剪力 Q二43500N弯矩堆二25520Nm,M:=43030N

51、m故各应力为：cr=Mz/Wzc=43030Nm/1058000mmM0. 67MPa cr=Mv/W=25520Nm/463870mm3=55. OOMPa crs=N/A= 132720N/11340mm:= 11. 70MPa t=Q/A=43500N/l 1340nun2=3. 84MPa 按第4强度理论合成应力为 b” =仃+ 3尸=+ b. + bj + 3尸=107. 6MPa同理可得斗杆在第二工况下该截面处得合成应力为73. 3MPa。5. 5. 3截面3的几何性质以及应力计算-67 -40卜 .120 r-200 o-n CN图5-14截面3经计算截面3如图5-14截面面积A

52、= 13800mm2该截面对Z轴的静矩S:=1052000mm3截面形心 yc=s=/A=76minzc=0该截面对形心轴的惯性矩1工二213500000mm1兀二33000000mm该截面对形心轴的抗弯截面模量为WH 二 J/y込二213500000mm7244mm二875000mmW.=I7C/二 33000000mm /75mm二440000mn?斗杆工况1应力计算：-68 -由前面的应力图知道在该截面处所受应力如下：轴力 N二 118800N;剪力 Q二 182950N弯矩 M7=28000Nm,M:=57000Nm故各应力为：iz=Mz/Wzc=57000Nm/875000mm3=6

53、5. 14MPacr=My/W=28000Nm/440000nim3=63. 63MPaGTN/A二 118800N/13800mm丄8. 60MPat-Q/A= 182950N/13800mm2= 13. 26MPa按第4强度理论合成应力为b” =+ 3r=(r. +(J. +(TX) + 3t = 139. 2!Pa同理可得斗杆在第二工况下该截面处得合成应力为89. 1MP&。构成斗杆的材料为Q345叫其屈服极限为345NfPa,取安全系数为2,得到斗杆 截面的许应力为345MP&/2二172. 5MPd。斗杆各危险斜面的应力均小于许用应 力，故斗杆是安全的。5. 6动臂力学分析5.6.1动臂工况1受力计算及内力图的绘制该工况简图如5-15下，取工作装置为研究对象，忽略工作装置的重力，