挖掘装载机设计(附CAD图纸)

1、摘 要 本文设计是一种挖掘装载机的挖掘装置，在为工业、民用上有特殊用途的挖掘装载机，它可以用于煤矿井下狭小空间清理、装载、运输等工作，也可用于冶金、矿山、隧道建设等场合的挖掘装载工作。在本设计中，通过对国内外现有技术的了解和分析，利用任务书上所给定的挖掘机铲斗额定装载载荷，先计算出铲斗的斗容，而后选用标准容量铲斗，根据所选出的标准铲斗，算出挖掘机的最大铲取阻力、最大卸载高度、最小卸载距离等一些设计必需用到的量。通过对工作机构上九个铰接点位置的确定来设计出动臂模型及动臂上各点的受力，然后计算出举臂油缸和转斗油缸的内径、活塞杆的杆径，选出标准的液压缸。 运用CAD制图。关键词：铲斗、液压缸、动臂、

2、挖掘机AbstractIn this paper, the design is a mini-excavators, as for the industry, there are special-purpose civilian loading machinery, it can be used in underground coal mines to clear a narrow space, loading, transport, etc., can also be used for metallurgy, mining, occasions, such as tunnel constru

3、ction excavation work load.In this design, both at home and abroad through the understanding of existing technology and analysis, the use of task books given by the excavator bucket load rated load, calculate the first bucket of the bucket capacity, and then choose the standard size of the bucket, e

4、lected in accordance with standard bucket, to calculate the largest excavator shovel access resistance, the maximum unloading height, minimum distance, such as unloading the design used in the volume necessary. Through the work of nine institutions to determine the location of hinge points out to de

5、sign the model and the moving arm arm stress points, and then calculate the fuel tank and to fight the diameter of the fuel tank, the rod diameter rod, the election a standard hydraulic cylinders. Keywords: bucket, hydraulic cylinder, boom, excavator目录摘 要- -Abstract- -前 言- 1 -第一章 挖掘装载机整机概论- 3 - 3 -

6、3 - 4 -1.4国内、外挖掘装载机的市场现状- 4 -第二章 反铲装置的设计- 7 -2.1 挖掘装载机工作装置典型工况分析确定- 7 -（1）铲斗油缸挖掘- 7 -（2）斗杆油缸挖掘- 8 -（3）动臂油缸挖掘- 8 -2.2、挖掘装载机工作装置的基本参数的选择- 8 -（1）原始几何参数的给定- 8 -（2）斗行参数的选择- 9 -（3）当工作装置处于最大挖掘半径时- 11 -（4）、 满斗处于最大高度时，动臂提升力矩的校核- 13 - (5)在最大卸载高度工况下- 15 -2.3、油缸基本参数的选择和计算- 16 -（1）动臂油缸参数的确定- 16 -（2）斗杆油缸参数的确定- 18

7、 -（3）铲斗油缸参数的确定- 19 -第三章、挖掘装置受力计算和强度计算- 21 -3.1、挖掘阻力的计算- 21 -（1）铲斗挖掘阻力的计算- 21 -（2）斗杆挖掘阻力计算- 22 -3.2、 工作液压缸的理论挖掘力- 22 -（1）铲斗挖掘时，铲斗缸的理论挖掘力- 22 -（2）斗杆挖掘时，斗杆油缸的理论挖掘力- 24 -3.3、 整机理论挖掘力- 24 - (1)斗杆挖掘- 24 - (2)铲斗得运动分析- 28 -第四章主要部件反铲的三维造型- 34 - 4.1 Pro/E 简介- 35 - 4.2 生成零件实体- 35 -（1） 利用三维参数化设计- 35 -（2） 建立各种特征

8、的方法步骤- 36 - 4.3 相关部件的装配- 37 - 4.4 三维实体造型实例- 38 - 动臂三维实体造型- 38 - 铲斗三维实体造型- 42 -第五章 工作装置的建模和仿真- 51 - 5.1 工作装置建模- 51 - （1）启动ADAMS/View 程序- 51 -（2） 检查和设置建模基本环境- 51 -（3） 工作装置的几何建模和施加约束- 51 - 5.2、ADAMS对挖掘装置的运动学仿真分析- 51 -（1）动臂油缸挖掘- 56 -（2）斗杆油缸挖掘- 56 -（3）铲斗油缸挖掘- 57 -第六章总结- 59 -参考文献- 60 -附录- 61 -致 谢- 62 -前 言

9、挖掘装载机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，并作为工程机械的重要机种。由于挖掘装载机可快速更换多种作业装置多品种，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。此型挖掘装载机主要有发动机、液压系统、挖掘装置、装载装置、行走装置和电器控制等部分组成。本论文由两大部分组成，包括挖掘工作装置和液压系统设计。 经文献考察，目前，科研院所、国内厂家、高等学校对装载机工作装置、挖掘装载机装置的研究较多，技术也相对成熟；但是对挖掘装载机挖掘机构的研究相对较少，而且在工程实践中，挖掘装载机机构出现的问题也较多。同时，很多厂家及科研院所在对挖掘装载机反铲装置进行优化设计

10、时，一般是参照液压挖掘机工作装置的优化设计进行，这样很难得到经济性和可靠性均较好的最佳方案。虽然挖掘装载机与挖掘机的工作性能及挖掘原理相似，但是也存在着很多的差异。其中主要是以下几个方面：1.挖掘装载机向前倾翻点为前轮着地点，向后倾翻点为支腿着地点，而履带式挖掘机则分别为履带式的前后着地点。挖掘装载机装置装置的重力对反铲作业时整机的稳定性也有影响。2.挖掘装载机动臂液压缸的布置为悬挂式，而一般挖掘机的布置为支撑式。在设计铲斗液压缸的实际挖掘力，考虑动臂液压缸的闭锁力时，动臂缸处于受压状态，而非挖掘机的受拉状态。3.优化设计目标函数不仅要考虑挖掘力的充分发挥，还要考虑反铲装置不工作时，整机运输状

11、态或装载装置作业时的稳定性，即应使静止状态位置的反铲装置的质心尽量靠近机体。随着国内经济水平的提高以及施工技术、施工对象的变化，国内小型工程机械市场前景非常的广阔。挖掘装载机的用途非常广泛，在欧美的小型工程机械市场中，挖掘装载机居第二位。特别是挖掘装载机具有挖掘和装载的功能，同时有多种工作装置供选择，市政工程、建筑市场、公路维护等对其的需求量将非常大。开发出适合市场需求的挖掘装载机对企业具有十分重要的意义。因此，国内众多工程机械厂商都纷纷推出自己的挖掘装载机产品。目前，国内研制的挖掘装载机主要的配置及技术水平与国际先进技术水平差距逐渐缩小。但是，由于投入的精力、经验及研究深度的局限性，对系统的

12、特征研究涉及很浅，掌握可供参考的理论和经验甚少，整机技术水平还有较大的差距，特别是对挖掘装载机特性的研究与国际先进水平还有较大的差距，特别是对挖掘装载机挖掘特性的研究与国际先进水平差距更大。这成为了制约国内挖掘装载机发展的技术瓶颈之一。确保挖掘装载机技术跻身于世界先进水平的重要方面，是取决于挖掘装载机的挖掘的性能是否提高。本课题主要以挖掘装载机的制动性能的分析为研究目标，.在此过程中也对挖掘装载机总体设计进行了分析。严格分析了挖掘装载机挖掘装置的特殊工作位置以及工作情况。对特殊的工作情况做了进一步的分析。通过本文的研究和分析，进一步说明了挖掘装载机的合理性和可靠性。第一章 挖掘装载机整机概论挖

13、掘装载机俗称“两头忙” ，因为它是具有装载、挖掘两种功能。根据GB10186-88（挖掘装载机术语），挖掘装载机（backhoe loader）定义为：一种机体前部有装载装置，机体后部有反铲装置的自行式机械。作为反铲挖掘使用时，是通过铲斗机械方向运动进行地平以下的挖掘。作为装载机使用时，通过机体向前运动，装载斗进行装载或挖掘，并可提升、运料和卸料。图1-1 WZ25-20挖掘装载机。用途的大体概述挖掘装载机是一种多用途工程机械，它广泛应用与农田水利建设、工业和民用建筑、市政建筑、园林、公路养护、港口、油田及电力建设等领域，主要用于基槽、基坑、管沟等小型土方工程的开挖和回填，特别是通过快换装置上

14、多种工作附具，其用途更加广泛。挖掘装载机的基本结构：1.车架：车架有整体式和铰接式两种，其中主流产品都是采用整机式车架，铰接式车架是在小型装载机的基础上改装的，仅有少数几家公司采用这一结构。铰接式车架最大的缺陷是在挖掘作业时的刚性差。2.工作装置：装置工作装置一般采用八连杆机构，带机械调平或液压调平机构，装载斗多用“四合一”斗，可选装“六合一”斗。挖掘装置可分为侧移式和中轴式安装，侧移式是挖掘装置可在车架上左右移动，中轴式挖掘装置在车架上不能左右移动。挖掘动臂可分为弯臂和直臂结构，弯臂结构类似挖掘机的结构。工作装置都有快递装置可选，有多种附具可选，适应多工作环境的需要。3.传动系统：主要采用液

15、力机械传动。变速箱有同步换挡变速箱和动力换挡变速箱，挡位一般是前四后四。液力变矩器带有动力换向装置，可在行进过程中改变行使方向，装载时提高了作业的效率。驱动方式目前一般都有两种模式，即两轮驱动和四论驱动，在公路上行使采用两轮驱动，越野和装载作业采用四轮驱动。4.制动：一般都采用后桥制动，制动助力方式有真空助力湿式制动和全液压湿式制动。5.液压系统：有两种主流配置：定量液压系统变量液压系统。CASE和JCB等多家公司均采用定量液压系统，而CATERPILLAR和VOLVO则采用负荷敏感变量液压系统变量系统可根据负荷的大小调整泵的排量，因此降低了油耗，液压系统的发热量减小，但价格较高，对系统的清洁

16、度要求很高；定量系统功率利用率降低，系统发热量大，但是价格便宜。1.4国内、外挖掘装载机的市场现状近年来，随着经济的发展，挖掘装载机在国的国内使用量也日益增加，市场潜力巨大，行情看涨。我国挖掘装载机的发展速度较为缓慢。国内第一台挖掘装载机是在1966年以东方红-40型拖拉机为底盘开发出来的。目前生产企业有十多家，年产量在300台左右，产品的技术水平、技术含量、可靠性等与国外先进水平相比都还有较大的差距。目前，国内市场上挖掘装载机的主要机型有：.JCB 1CX型挖掘装载机：世界上第一种真正的滑移转向挖掘机，车宽仅1.4m，但车架稳定性极佳。其额定装载能力610，挖掘深度2.5m挖掘端和装载端的速

17、换器使主机能装备多种工作装置，工况通用性好，适用于园林绿化、市政建设和道路维护风各类行业建设。被益为“狭窄工况作业冠军。.帕尔泽尼挖掘装载机：意大利帕尔泽（PALAZZANI）公司生产的，主要机型PB80.2和PB90.2铰接式挖掘装载机。该产品装有高性能、低损耗的静压传动装置，可以自动选择操作方式，具有360°的全方位视野。.徐工WZ25-20及WZ16-16型挖掘装载机：徐工与国内高校共同开发的产品，采用了发动机前置，噪声大大降低，动力强劲，节能环保。动力采用液力机械方式传递。经有优化设计的高强度车架结构，保证了整机具有宽的挖掘范围、高的掘起力和提升及可靠耐久性。360°

18、;全景可视驾驶室。该类产品除具有装载机的功能外，还可用于水泥砼和沥青路面的开凿破碎，更换机具后还利用于挖掘和开沟，是一种多功能中型工程机械。.凯斯695 SUPER M型挖掘装载机：一种多用途、易操作的设备，可以在艰苦的条件下表现出最佳性能，特别适合野外粗糙地面的作业。提高了三种转向方式，即前轮转向及“蟹行”模式，此功能在很大范围提高了该设备的性能。.沃尔沃BL71型挖掘装载机：秉承了沃尔沃轮式装载机的高强度和简单易用，同时具有沃尔沃挖掘装载机的超强动力和卓越性能。挖掘系统大臂为封闭式箱型结构，零部件少，焊缝少，而强度高。.常林WZ30-25型挖掘装载机：引进国际先进技术生产的，可替代小型装载

19、机和小挖掘机的工作。配有液压破碎锤、液压夯等多种机具，附件可在现场快速更换。该机在路面与管道维护、挖掘路面及电缆铺设等工作中有着其他机械不可比拟的有优势。.北方重汽WZ25-20液压挖掘机：北方重汽股份公司与吉林大学合作开发的多用途工程机械。在专用底盘前配置装置工作装置，后面配反铲挖掘装置；挖掘侧可配装扫地机、挖掘抓斗，箱式平地机、抓斗等多种附具。装载作业能高于国外同类产品，反铲挖掘作业性能达到国外同类产品水平。.澳柳HUAEACH955E型挖掘装载机：应用国际主流先进挖掘装载机设计技术，结合中国工程施工实际特点而开发研制的。具有高生产率、多应用性和可靠性等优点。四合一铲斗的标准配置，使机器具

20、有更多功能与用途挖掘装载机在国外以有五十多年的发展历史，从总体来说，国外挖掘装载机的整机技术水平都发展到了很高的程度。整机的可靠性、操作性、舒服性、环保性能、安全性能，以及节能降耗等方面都得到了极大的改善。譬如：采用了新型ROPS/FOPS安全认证的驾驶室和全新底排放发动机；实现了微电子控制的智能化操作及智能化液压系统；挖掘装载带有防回转冲击功能。最早的挖掘装载机是JCB和CASE分别在拖拉机的基础上改装而来的。 目前国内挖掘装载机市场容量也就400600台/年。然而，在未来几年，乐观地估计，国内挖掘装载机将达到70008000台/年。挖掘装载机中高档产品销量也会增加，而以拖拉机底盘生产的挖掘

21、装载机低档产品销量将逐渐下降。因此，国内挖掘装载机的市场前景是非常广阔的。但由于该行业国内起步较晚，同时，因为社会和经济发展等方方面面的原因，其普及程度远远落后于发达国家。但随着社会的发展，该行业也将会出现快速增长。从我国小型、多功能挖装机械从无到有的发展历史看，我国挖掘装载机一直处于较为落后的状态，其发展速度缓慢。我国在上世纪70年代初才开始自行开发设计，首先由北京建筑机械厂研制成功WZ2A和WZ2B型挖掘装载机，1987年烟台工程机械厂试制成功ZL15WJ型挖掘装载机。之后福建建筑机械厂、一施、山东广饶液压机械厂先后研制出WZ25型、DFH-904WZ型、T55Z/W型挖掘装载机，到199

22、2年柳州挖掘装载机厂、柳州工程机械股份 分别研制出WZ30-25型和WZ25-20型挖掘装载机。山东工程机械厂2001年7月成功研制出WZ30-25型挖掘装载机，之后常林、徐工等相继加入了此行列。第二章 反铲装置的设计 2.1 挖掘装载机工作装置典型工况分析确定挖掘装载机的反铲装置实质是一组平面连杆机构，其结构特点是个部件均采用铰销连接，通过液压缸的伸缩运动来完成挖掘过程的各种作业动作。动臂CBF小铰点C与车架铰接，由动臂液压缸L1支撑并改变动臂倾角，使动臂绕下铰点C转动，达到动臂的升或降。斗杆铰接在动臂上端F点，斗杆与动臂的相对位置由斗杆缸L2控制。铲斗铰接在斗杆前端Q点，铲点缸L3活塞伸缩

23、即可使铲都绕斗杆杆端部伸缩。图2-1挖掘装载机反铲工作装置结构简图反铲挖掘装置主要挖掘停机面以下的土壤，挖掘轨迹决定于各液压缸的运动及相互配合的情况。通常采用动臂油缸挖掘、斗杆油缸挖掘、铲斗油缸挖掘等作业方式。（1）铲斗油缸挖掘以铲斗油缸工作进行挖掘，挖掘轨迹则以铲斗与斗杆的铰点Q为中心，该铰点Q至斗齿尖V的距离|QV|为半径所做的圆弧线的包角（铲斗的转角）及弧长决定与铲斗液压缸的行程（|GH|max-|GH|min）。以铲斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时能够装满土壤，需要有较大的挖掘力保证能够挖掘厚度的土壤。所以，一般挖掘机构的斗齿最大挖掘力在采用铲斗缸挖掘时实现。

24、在实际挖掘中，往往需要采用各种液压缸的联合工作，例如当挖掘基坑时，由于挖掘深度较大，并且要求有陡而且平整基坑时，需要采用动臂与斗杆两种液压缸的同时工作；当挖掘到坑低时，挖掘行程结束，为加速将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变斗杆与铲斗的液压缸同时工作。（2）斗杆油缸挖掘以斗杆液压缸进行挖掘，铲斗的挖掘轨迹系以动臂与斗杆铰点F为中心，斗尖V至F的距离|FV|为半径所做的圆弧线。弧线的长度与包角决定与斗杆液压缸的行程（|DE|max-|DE|min）。当动臂位于最大下倾角时，可以得到最大挖掘深度，并且有较大的挖掘行程，在较硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗。中小型挖掘机构在实际工作中常以斗杆挖掘

25、进行工作。（3）动臂油缸挖掘采用动臂液压缸工作进行挖掘（斗杆、铲斗液压缸不工作），可以得到最大的挖掘半径和最大的挖掘行程，此时铲斗的挖掘轨迹以挖掘轨迹系以动臂下铰接点C为中心，斗尖V至C的距离|CV|为半径而作的圆弧线，其极挖掘高度和挖掘深度（不是最大挖掘深度），分别决定于动臂上倾角1min（动臂对水平线的夹角），也即决定于动臂液压缸的行程（|AB|max-|AB|min）。这种挖掘方式时间长，并且稳定条件限制了挖掘力的发挥，实际工作中基本上不采用。2.2、挖掘装载机工作装置的基本参数的选择（1）原始几何参数的给定 1)动臂与斗杆的长度比 Kl 由于所设计的挖掘装机适用性较强，一般不替换工作装

26、置，故取中间比例方案， Kl 取在 1 . 5 一 2 . 0 之间，初步选取k1 l . 8 ，即 l1/l2 = 1 . 8 。-动臂下铰点到动臂与连杆连接的铰点的距离-斗杆与动臂连接的铰点到斗杆与铲斗连接的铰点的距离 2 ）铲斗斗容与主参数的选择3 , 按经验公式和比拟法初选：=910mm 3 ）工作装置液压系统主参数的初步选择 各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化“要求以及初步估取的液压缸受力。初选动臂油缸内径 Dl = 140mm ，活塞杆的直径 dl=90mm 。斗杆油缸的内径D2= 140mm ，活塞杆的直径d2=90mm 。铲斗油缸的内径 D3 = 90mm

27、，活塞杆的直径d3= 63mm 。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程 LI 二 1377mm ，斗杆油缸行程 L2 二 1450mm , 铲斗油缸行程L3=1250mm 。并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比：1=2=3=1.6。参照任务书的要求选择工作装置液压系统的工作压力P=16Mpa。最大挖掘半径R R= 4570 mm最大挖掘深度 Hlmax Hlmax = 3600mm 最大挖掘高度H2max H2max= 5080mm 最大卸载高度H3max H3max 3480mm（2）斗行参数的选择图2-2铲斗主参数示意图平均斗宽B、转斗挖掘半径R、斗容量q和转斗挖掘装满转角

28、（这里令=）是铲斗的四个主要参数。R、B及三者与q之间有如下集合关系 （2-1）其中土壤松散系数的近似值取1.2，根据表2-6（反铲平均斗宽统计值和推荐范围）可根据斗容量q=0.0.25 m和E随着B和R的增大而下降。但B和R大到一定程度，综合反应到<以后，和E的下降减缓。综合考虑，可取。如果>则太大。如果<，则B或R太大。所以取=。则可根据式2-1可得=即： R=910 mm铲斗上两个铲点K与Q之间距离，太大将影响铲斗机构传动特性，太小则影响铲斗结构刚度。一般取特性参数=0.30.38.当铲斗转角较大时，取较小值，一般取=KQV=。根据实际情况取=0.33，=即：=910=

29、273 mm（3）当工作装置处于最大挖掘半径时图2-3最大挖掘半径时动臂机构计算简图据统计，最大挖掘半径值一般与的值很相近。因此由要求的，一定的和可以按下列近似经验公式选择和= （2-2）= （2-3）式中为动臂与斗杆的长度比，对一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度比可在很大范围内选择。一般当>2时，称为长动臂短斗杆方案；当<1.5时，属于短动臂长斗杆方案；在1.52之间称为中间比列方案。根据设计作业机械的实际情况，选取短动臂长斗杆方案。选取=865 mm，=4.57m=4570mm则把公式2-2、2-3联立可得出：=2995mm，=1664 mm动臂油缸全伸与全缩时的力臂比=

30、按不同情况选取。考虑到以反铲为主的通用机应适当顾及替换装置（如正铲）在地面以上对动臂油缸力矩的要求，可取=0.81.1 左右的通用机往往对正、反铲并重，可取=1. 的取值对特性参数、最大挖掘深度和最大挖掘高度有影响，加大会使减小或使增大，这也正符合反铲作业要求，因此基本用作反铲的小型机取>60.所以取。 图2-4最大卸载高度时动臂机构计算简图斗杆油缸全缩时CFQ=-最大，如图2-4，常选=。选取=170°BCF取决于油缸的布置形式，双动臂油缸这一夹角很小，可能为零。单动臂油缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼附加耳座上，根据三角形CBF可得： （2-4）代入数据可求得： =16&#

31、176;（4）、 满斗处于最大高度时，动臂提升力矩的校核当斗杆在最大高度时的工况类似于图 3 一 6 ，此时动臂油缸全伸，斗杆油缸全缩。 则 式中 一 NF 与水平轴线成的角则工作装置所受重力和土的重力所产生的载荷力矩 : 此时对于动臂油缸而言 可求得此时的动臂油缸的力臂 此时动臂油缸的提升力矩> 图2-5最大挖掘深度计算简图当动臂油缸全缩时，FQV三点痛直线并处于垂直状态时的到最大挖掘深度 =- （2-5）这时.可由= 取则可求得 ： =942 mm(5)在最大卸载高度工况下 图 2-6最大卸载高度计算简图当动臂油缸全缩，偶感油缸全伸时，QV连线处于垂直状态时，最大卸载高度表达式为：

32、（2-6）由图2-3最大挖掘深度绝对值表达式为： (2-7)由式2-6、2-7相加，消去，并令A=,B=得到 (2-8)又特性参数 （2-9）因此： （2-10a） （2-10b）将式2-10代入式2-8则可得到一元函数和是设计任务书所要求的。、A和B都先已选出或算出，由此看解出然后由式2-8求得，为：， 又因为 ： =所以： =900 mm根据以上计算可得出挖掘装载机挖掘工作装置主要结构尺寸如下表： 2.3、油缸基本参数的选择和计算（1）动臂油缸参数的确定根据液压系统工作压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件和三化要求等确定各油缸缸数、缸径、全伸长度与全缩长度之比。考虑到结构尺寸、运动余

33、量、稳定性和构件运动副度等因数一般取=1.61.7，个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取=1.61.7，=1.51.7.图2-7动臂摆角范围计算简图如图2-7所示动臂的摆角范围是的函数，设特性参数，当=时可得 （2-11）则： = （2-12）代入原始数据可求得=1200 mm根据参考资料和实际情况而取动臂油缸全伸与全缩之比所以可根据可得： =2000 mm（2）斗杆油缸参数的确定斗杆的位置参数是和的函数。这里只考虑的影响。斗杆机构与动臂机构性质类似，他们是四连杆机构，但连杆比不同。在动臂机构中一般，在斗杆机构中。图2-8斗杆机构摆角计算简图和动臂油缸相类似根据公式 （2-13） （2-1

34、4）代入原始数据可求得： =1100mm再根据斗杆油缸伸缩比=1.61.7，取 =1764 mm（3）铲斗油缸参数的确定图2-9铲斗机构参数选择要求和油缸极限位置如图2-9所示，当=时，设斗齿尖为斗齿尖转到FQ延长线时为,令初始负角=Q，该角应满足使用要求，一般取0°30°，特殊情况下可小于0°或大于30°（即在之下）。=Q一般在130°180°之间，不宜太大，否则斗齿平均挖掘力要下降。铲斗油缸最大理论挖掘力应与转斗最大挖掘阻力相适应。当斗齿尖处于时，铲斗油缸理论挖掘力应不低于其最大值的80，即与相应的斗齿尖位置为，Q一般取25

35、76;35°为好。根据铲斗理论挖掘力和功的平衡可知 （2-15）可得：=840mm因为铲斗油缸伸缩比=1.51.7，取故： =1340mm根据以上计算过程可得油缸的基本尺寸如表2-2所示表2-2油缸尺寸 （单位：mm）ABDEGHMinMaxMinMaxMinMax120020001100174084013400 第三章 挖掘装置受力计算和强度计算3.1、挖掘阻力的计算 反铲装置工作时，既可用铲斗液压缸挖掘（简称转斗挖掘），也可用斗杆液压缸挖掘（简称斗杆挖掘），或作复合动作挖掘。一般认为，斗容量小于 0.5 米或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之以斗杆挖掘为主。（1）铲斗挖掘阻力的计算

36、参照单斗液压挖掘机2-35，转斗挖掘时，挖掘阻力的切向分力可表示为： (3-1)式中：C：表示土壤硬度系数，对二级土易取C=5080；R：铲斗与斗杆铰点至斗齿间距离，即转斗切削半径，R=，单位：mmB:切削刃宽度影响系数，B=1+2.6b，其中，b为铲斗平均宽度；：挖掘过程中铲斗总转角的一半；：铲斗瞬时转角；A：切削角变化影响系数，一般取A=1.3；Z：斗齿系数，有齿时取Z=0.75，无齿时取Z=1；X：斗侧壁厚度影响系数，X=1+0.03s，其中s为侧壁厚度，单位为厘米，初步设计时可取X=1.15;时，D=50008000.当=时，得到最大挖掘阻力 (3-2)平均挖掘力按平均厚度下的阻力计算

37、：近似取 W=(7080%)·W试验证明法向挖掘阻力 W的指向是可变的，数值也较小，一般W00.2 W土质越均匀W越小，从随机统计的角度看，取法向分力W为零来简化计算是可以的。这样W就可以看作为铲斗挖掘的最大阻力。（2）斗杆挖掘阻力计算 (3-3)式中：:挖掘比阻力，对二级土=613；：挖掘过程中的总转角，一般为=3.2、 工作液压缸的理论挖掘力挖掘力是指当反铲作业时在铲斗齿尖上可能主动发挥的挖掘能力，它是衡量反铲装置挖掘性能的重要指针之一。工作液压缸的理论挖掘力是指由该液压缸的理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力。（1）铲斗挖掘时，铲斗缸的理论挖掘力斗杆挖掘阻力:挖掘比阻力 ：斗杆切削

38、半径 ：斗杆挖掘过程总转角（50°80°）取整个斗杆为研究对象，可得斗杆油缸最大作用力臂的表达式：斗杆油缸的初始位置力臂 与最大力臂有以下关系：越大，越小，即平均挖掘阻力越小要得到较大的平均挖掘力，就要尽量减少，初取：。由上图 4 一 2 的几何关系有：而取决于结构因素和工作范围，一般在 150 °, 动臂上 也是结构尺寸，按结构因素分析，可初选. （3-4）式中：铲斗油缸的理论推力，为铲斗油缸大腔工作面积，p为液压系统工作压力；、：力臂值。对于已定的工作装置铲斗油缸理论挖掘力值是该油缸瞬时长度的函数。显然，当时即得到铲斗油缸最大理论挖掘力 (3-5)式中：为斗杆

39、油缸的理论推力，其中为斗杆油缸大腔工作面积，p为液压系统工作压力；、：力臂值，其中是的函数，是的函数。（2）斗杆挖掘时，斗杆油缸的理论挖掘力 (3-5)式中：为斗杆油缸的理论推力，其中为斗杆油缸大腔工作面积，p为液压系统工作压力；、：力臂值，其中是的函数，是的函数。3.3、 整机理论挖掘力参见图 3-2，已知条件:整机重量 G，重心坐标(x，y)，斗容 q，地面附着系数，三组液压缸的工作压力 P 和闭锁压力 P，除反铲装置外机体重量 G及重心位置坐标(x，y)， G及重心位置坐标(x，y)，前轮及支腿着地点 O和 O的位反铲装置各零部件的重量置参数 x和 x，三组液压缸的缸径D、D和 D，活塞

40、杆直经 d、d和 d3，液压缸的伸缩比、和。 (1)斗杆挖掘：在给定工况(L，L，L)的情况下，计算斗杆的实际挖掘力时，应当考虑到下列因素的影响:动臂液压缸闭锁能力对斗杆挖掘力的限制。斗杆主动挖掘力的限制。铲斗液压缸闭锁能力对斗杆挖掘力的限制。整机向前倾翻对斗杆挖掘力的限制。整机向后倾翻对斗杆挖掘力的限制。整机对地面的前后滑移对斗杆挖掘力的限制。现分别计算如下：:1)动臂液压缸闭锁力限制的最大斗杆挖掘力 P液压缸闭锁力则指挖掘工况下某些液压缸被动状态所能承受的作用力，它是挖掘力发挥的重要影响因素之一。参见图 3-3，根据前面提到的几何尺寸计算，可以求出 F 和 V 点的坐标(X，Y)和(X，Y

41、)。 (3-6) (3-7) (3-8)当时，动臂液压缸小腔受压，此时小腔闭锁力对C点产生的力矩为 （3-9）有关重量对C产生的力矩为 (3-10)所以: (3-11)当时，动臂液压缸大腔受压，此时大腔闭锁力对c点产生的力矩为 （3-12） （3-13）2)斗杆液压缸主动挖掘力，参见图3-3，斗杆液压缸主动力对F点产生的力矩 （3-14）有关重量对F点产生的力矩为：所以3)铲斗液压缸闭锁力限制的最大斗杆挖掘力参见图3-3，对于 (3-15)当时，铲斗液压缸大腔受压，此时大腔闭锁力对Q点产生的力矩为 （3-16）其中:i3为铲斗连杆机构的总传动比 （3-17）其中：;图3-3斗杆液压缸理论挖掘力

42、结构简图有关重量对Q点产生的力矩为 (3-18)所以 (3-19)当时，铲斗液压缸小腔受压，此时小腔闭锁力对Q点产生的力矩为 (3-20)所以 (3-21)4)、整机向前倾翻限制的最大斗杆挖掘力参见图3-3，对于FVO 显然，当FVO90°，斗杆挖掘时，整机不可能产生前倾翻，只有FVO90°时，才有可能出现前倾现象。各部件重量对O点产生的力矩为： (3-22)所以 (3-23)5)、整机向后倾翻限制的最大斗杆挖掘力参见图3-3，对于FVO (3-24) (3-25)显然，当FVO90°，斗杆挖掘时，整机不可能产生后倾翻，只有FVO90时，才有可能出现后倾现象。各部

43、件重量对O点产生的力矩为: (3-26)所以 (3-27)6)、整机滑移限制的最大斗杆挖掘力 P参见图 3-4，设 FV 联机对水平线的夹角为，则： (3-28) (3-29)通过上述运算，我们知道 P至P中的最小值，就是在该工况下斗杆挖掘时，所能发挥的最大实际挖掘力。图3-4铲斗液压缸理论挖掘力计算简图 (2)铲斗得运动分析铲斗相对于XOY 坐标系的运动是、 的函数，现讨论铲斗相对于斗杆的运动，如图 3 5 所示， G 点为铲斗油缸与斗杆的铰点， F 点为斗杆与动臂的铰点 Q 点为铲斗与斗杆的铰点， M 点为铲斗油缸与曲柄的铰点， V 点为铲斗的斗齿尖点， K 点为连杆与铲斗的铰点， N 点

44、为摇杆与斗杆的铰点， H 点为曲柄与连杆的铰点。 l ）铲斗连杆机构传动比 i 和铲斗缸的当量作用力臂利用图 3 3 ，可以知道求得以下的参数：在 MNG 中 在HNQ中在QHN中在四边形KHNQ中铲斗油缸对 N 点的作用力臂r1： 连杆HK对 N 点的作用力臂r2： 连杆HK对 Q 点的作用力臂r3 铲斗对 Q 点的作用力臂r4连杆机构的总传动比显然由此式可知， i 是铲斗油缸长度L2的函数，用L2min代入可得初传动比 i0，L2max带入可得终传动比 iz 显然 i 、e3、 rl 、r2和r3都是 L3 的一元函数。2 ）铲斗相对于斗杆的摆角铲斗的瞬时位置转角为 其中，在 NFQ中 暂

45、时未定，其在后面的设计中可以得到。当铲斗油缸长度 分别取和时，可分别求得铲斗的最大和最小转角和，于是得铲斗的瞬间转角：铲斗的最大摆角范围 3）斗齿尖运动分析 见图 3 一 4 所示，斗齿尖 V 点的坐标值XV和YV，是 L 1、 L2、 L 3的函数只要推导出XV和YV的函数表达式，即 X V=fx（L1,L2,L3）,YV=fy(L1,L2,L3)。那么整机作业范围就可以确定，现推导如下：由F点可知： 在 CDF中： DCF 由后面的设计确定，在 DCF 确定后则有： 在DEF中 则可以得到斗杆瞬间转角 、在设计中确定。由CFN知 由Q点可知 在CQV中 在NHQ中 在HKQ中 在四边形HN

46、KQ中 ,其在后面的设计中确定。 在列出以上的各线段的民度和角度之间的关系后，利用矢量坐标我们就可以得到各坐标点的值。由前而的分析可知：动臂相对于水平而的瞬时转角、斗杆相对于动臂的瞬时转角和铲斗相对于斗杆的瞬时转角与相应的油缸长度是一一对应的。因此，斗齿尖坐标值也是 、 及的函数。只要知道瞬时的一组 、 及 ，相应的斗齿尖坐标就确定了。这样斗齿尖的坐标系（如图 3 一 4 ）可表示如下： 对于反铲装置上的其它点的坐标可采用同样方法求出。 V 点的 X 和 Y 坐标表示为 和，其它点的坐标表示方法与 V 点相同，而对各运动构件的重心坐标则用相应构件的重量代号作下标来替换。经分析可知：动臂上任意点

47、（除去 C 点）在任 一时刻的坐标值是的函数；斗杆上任意点（除去 F 点）在任时刻的坐标值是 和夕的函数；铲斗和连杆机构（除去 Q 点外）其它各点坐标值是 、 及的函数，以后在使用到这些点坐标时，就将其作为已知数据。第四章主要部件反铲的三维造型4.1 Pro/E 简介Pro/ENGIEER 操作软件是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation,简称PCT）的主要产品。它提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念彻底改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念。Pro/E软件能将设计到制造的全过程集成在一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造

48、工作，即实现所谓的并行工程。从设计思想上看，Pro/E系统可以实现真正的全相关性，任何修改都会自动反映到所有相关对象；它具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力；具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图，可以极大地提高设计效率。从实用性上看，Pro/E系统界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。Pro/E作为一个功能强大的设计软件，与其他设计软件相比，有自己的建模方式和自己的一些定义。只有了解它的建模原理与基本概念，才能利用其强大的功能。建模原理：Pro/E 是一个实体建模器，它将模型建立成实体，并允许用户在三维的环境中设计

49、。用Pro/E所建立的模型具有体积和表面积，因此用户可直接由创建的几何设计来计算出质量特征。基本概念：特征是指所有的实体、嵌片和对象等，是构成零件的最基本部分。Pro/E利用每次独立构造的一个块模型方式来创建整体模型。改变与特征相关的形状或位置的定义，就可改变与模型相关的形位关系。如图6-1所示关联Pro/E系统采用单一数据库管理，不管是零件还是装配件，都共享同一数据库，并且系统使用了数据库关联的方法。所谓关联就是在任意层面上更改设计，系统就会自动在所在层面上做相应的改动。比如将某个零件进行修改，并且保存，那么所有包括此零件的模型都会相应的进行变化。参数化Pro/E是一个参数化系统。所谓参数化

50、就是将模型所有尺寸定义为参数形式。当修改参数的数值时，系统在保持模型拓扑关系不变的情况下，几何大小和相对比例将随着参数的修改而变化。用户可以定义各参数之间的相互关系，使特征之间存在依存关系，当修改某一单独特征参数时，同时会牵动与之存在依存关系的特征进行变更，以保持整体的设计意图4.2 生成零件实体 对零件的特征进行分析，得出每个特征的尺寸。 启动Pro/E，进入零件设计模式，为零件命名。 从菜单管理器中选择加材料命令，生成零件的基本特征。 随后在此基本特征上添加或修改特征，从而完善零件设计。 看零件是否满足要求，如果不满足继续修改或添加特征，如果满意，则存盘退出。经过以上几步完成零件的实体造型。（1） 利用三维参数化设计，其优点如下： 缩短总体与结构分析系统之间的协调时间与工作量。 加工成产品前即可实现数字化部装，即可提高装配的准确性又检验了各结构之间连接的正确性，同时合理的利用了时间。 尺寸为参数化驱动，为产品的系列化及结构设计修改提供了很大的方便。 可以通过输入零件密度的方法直接计算出结构分析系统的重量以及质心等，达到更优化的设计。利用P