挖掘机的机械手臂的设计毕业设计

1、挖掘机的机械手臂的设计摘要挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主 力机种。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，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。挖掘机的主要特点为：能无级调速且调速范围大，能得到较低的稳定 转速，快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作高 速反转，传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动，操纵省力，易实现自 动化控制，易于实现标准化、系列化、通用化。本次设计的主要参数是斗 容量 0.2m3 它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作装置。挖掘 机的工作装置是直接完成挖掘任务的装置，本设计对工作

2、装置的各个组成 部分进行了较为详细的设计，这其中包括了动臂、斗杆和铲斗及其驱动装 置的设计。挖掘力约为 30kN，最大卸载高度约为 2.65m，最大挖掘深度 4.2m， 最大挖掘半径约为 5.728m，从中可以看出整机作业能力有了很大的改进， 不仅挖掘力大，且机器重量轻，传动平稳，作业效率高，结构紧凑。关键词 挖掘机，机械手臂；斗杆目录摘 要 I第1章 绪论 1.1.1 课题来源 1.1.2 课题的研究的背景和意义 1.1.3 国内外的发展与现状 2.1.4 本次设计概诉 3.第 2章 机械手臂的设计 5.2.1 设计方案原则 5.2.2 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式 5.2.2.1 确定动

3、臂的结构形式 5.2.2.2 确定斗杆的结构形式 6.2.2.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构 6.2.2.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 8.2.3 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置 9.2.3.1 动臂油缸的布置 9.2.3.2 斗杆油缸的布置 1.02.3.3 铲斗油缸的布置 1.02.4 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择 1. 12.4.1 反铲装置总体方案的选择 1. 12.4.2 机构自身几何参数 1.22.4.3 斗形参数的选择 1.32.4.4 动臂机构参数的选择 1.62.4.5 斗杆机构参数的选择 2.12.4.6 连杆、摇臂参数的选择 2.2第 3章 工作装置的强度计

4、算 2.33.1 斗杆的计算 2.3.3.2 动臂的计算 2.8.结论 3.0.参考文献 3.1.致谢 3.2.第1章 绪论1.1 课题来源在学校组织的金工实习期间，对挖掘机的机械手臂的结构和工作原理 有了一定的了解，本课题来源于此。1.2 课题的研究的背景和意义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 的掘土工作，在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”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

5、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。挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程 是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后 的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此，压挖掘机是一种周期 作业的土方机械。液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建 筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有

6、着广泛的应 用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。在建筑工程中， 可用来挖掘土坑、排水沟，拆除废旧建筑物，平整场地等。更换工作装置 后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。在水利施工中，可用来 开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深原 有河道等。在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和 开挖路旁排水沟等。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用 来挖掘电缆沟和管道等。在露天采矿场上，可用来剥离矿石或煤，也可用 来进行堆弃、装载和钻孔等作业。在军事工程中，或用来筑路、挖壕沟和 掩体、建造各种军事建筑物 1 。所以，挖掘机作为工程机械的一

7、个重要品种，对于减轻工人繁重的体 力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发 展，都 起着很大的作用。据建筑施工部门统计，一台斗容量 1.0m3 的液压 挖掘机挖掘级土壤时，每班生产率大约相当于300 400 个工人一天的工作量。因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国 民经济的发展具有重要意义。本文主要设计液压式挖掘机机械手臂。1.3 国内外的发展与现状工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全， P 技术成熟。美 国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高市场占有率。 20 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

8、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。18331836 年，美国人奥蒂斯设计和制造了第一台蒸汽机驱动、铁木 混合结构、半回转、轨行式的单斗挖掘机，生产率为 35 立方米时，但 由于经济性差没有应用。 19 世纪 70 年代经过改进的蒸汽铲正式生产并应 用于露天矿剥离。 1880 年又出现了第一批以拖拉机为底盘的半回转式蒸汽 铲。 20 世纪初至 40 年代末，挖掘机进入动力和行走装置多样化的阶段。 1910 年，出现了第一台电机驱动的单斗挖掘机； 1912 年出现了汽油机和 煤油机驱动的全回转式单斗挖掘机； 1916 年出产了柴油发

9、电机驱动的开始 采用。轮胎式行走装置随着汽车工业的发展，广泛用于小型挖掘机 1 。我国的挖掘机生产起步较晚，从 1954 年抚顺挖掘机厂生产第一台斗 容量为 1m&sup3；的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自 主研制开发和发展提高等三个阶段。新中 国成 立初期，以测绘仿制前苏联 20 世纪 3040 年 代的 W501.W502.W1001.W1002 等型机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖 掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机 生产厂。 1967 年开始，我国自主研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主 要有上海建筑机械厂的 WYl00 型、贵

10、阳矿山机器厂的 W4-60 型、合肥矿 山机器厂的 WY60 型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的 WYl60 型 和杭州重型机械厂的 WY250 型挖掘机等。它们为我国液压挖掘机行业的 形成和发展迈出了极其重要的一步。到 20 世纪 80 年代末，我国挖掘机生 产厂已有 30 多家，生产机型达 40 余种。中、小型液压挖掘机已形成系 列，斗容有 0.12.5m&sup3；等 12 个等级、 20 多种型号，还生产 0.5 4.0m&sup3；以及大型矿用 10m&sup3、 12m&sup3；机械传动单斗挖掘机， 1m3 隧道挖掘机， 4m3 长臂挖掘机，

11、1000m&sup3/h 的排土机等，还开发了 斗 容 量 0.25m&sup3 ； 的 船 用 液 压 挖 掘 机 ， 斗 容 量 0.4m&sup3 、 0.6m&sup3、0.8m&sup3；的水陆两用挖掘机等。但总的来说，我国挖掘机 生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，有很 大的差距。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

12、、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，增强自主创新意识，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。1.4 本次设计概诉本文通过对挖掘机的机械机械手臂的观察和了解，对挖掘机机械手臂 进行研究，对挖掘机的动力臂尺寸设计，铲斗容量等进行设计，实现挖掘 机机械手臂的运动与循环工作。图 1-1 整体式弯动臂液压反铲工作装置一般由动臂 1、动臂液压缸 2、斗杆液压缸 3、斗杆 4、铲斗液压缸 5、铲斗 6、连杆 7 和摇杆 8 等组成。其

13、构造特点是各构件 之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各 种动作。动臂 1 的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸 2 来支承动臂，通 过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。斗杆 4 铰 接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由斗杆液压缸 3 控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。铲斗 6 则铰接 于斗杆 4 的末端，通过铲斗液压缸 5 的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增 大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆 7 和摇杆 8）与铲 斗连接。液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟 壕、基坑等，其

14、挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。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，然后再回转至工作装置开始下一次作业循环。动臂液压缸主 要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可 获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短，为使铲斗 在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的 土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由铲斗液压缸实现的。由于挖掘力大 且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中，熟练的液压挖掘机人

15、员可根据实际情况，合理操纵各 个液压缸，往往是各液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖 掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，则采用动臂 和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗， 或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。 本次设计斗容量 0.2m3挖掘机的机械手臂 2 。第 2章 机械手臂的设计2.1 设计方案原则设计合理的工作装置应能满足下列要求：1主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要 考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意 到结构参数受结构碰撞限制等的可能性。2具有一定的先

16、进性。3功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短。4确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有 利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重。5作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用 变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求 替换构件种类少，结构简单，换装方便。6装置的结构型式和布置便于装拆和维修，尤其是易损件的更换。7要采取合理措施来满足特殊使用要求 3 。2.2 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式2.2.1 确定动臂的结构形式动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往决定于动臂的结 构形式。反铲动臂分为整体式和组合式两类。

17、直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机 ,如图 3-1 所示。图 2-1 整体式直动臂采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的 常见形式。整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意，有时采用 三节变动臂有利于降低弯曲处的应力集中。整体式动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。 它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。为了扩大机械通用性，提高其 利用率。往往需要配备几套完全不通用的工作装置。一般说，长期用于作 业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。如图 2-1 所示。组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类，一类用辅助连杆 （或液压缸）连接，

18、另一类用螺栓连接。组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作 业条件。组合式动臂的主要优点是：1工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用螺 栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级 调节。2较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单 地解决主要构件的统一化问题。因此其替换工作装置较多，替换也方便。 一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换。3装车运输比较方便。4由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了 较广泛的应用。尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂 较为合适。本次设计作业条件比较

19、单一，所以动臂选用整体式动臂 4 。2.2.2 确定斗杆的结构形式斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用整体式斗杆，当 需要调节斗杆长度或杠杆时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置24个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。有些反铲采用组合式斗杆。2.2.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构1确定铲斗的结构形式 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。铲斗 的作业对象繁多，作业条件也不同，用一个铲斗来适应任何作业对象和条 件较困难。为了满足各种特定情况，尽可能提高作业效率，通用反铲装置 常配有甚至十多种斗容量不同，结构形式各异的铲斗。目前，对铲斗结构形式的研究还处于现场试

20、验、实验室试验或模型试 验阶段，未建立起较系统的理论。将两只 0.6m3 容量而斗型不同的反铲斗 装在 RH6 液压挖掘机上进行对比试验，结果如表 2-1 所示。由于砂的挖掘 阻力较小，对铲斗设计的合理性反映不灵敏，所以这两种铲斗的试验结果 差别不大。而对页岩作业效果就大不一样，其中一个铲斗的切削前缘中间 略微凸出，不带侧齿，侧臂略呈凹形，这些因素使页岩挖掘阻力降低。另 一个铲斗的情况则相反。对各种铲斗结构形状的共同要求是：（1）有利于物料的自由流动，因此铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱 角等。斗底的纵向剖面形状要适合各种物料的运动规律。（2）要使物料易于卸净。用于粘土的铲斗卸载时不易卸净，因此延

21、 长了作业循环时间，降低了有效斗容量。国外采用设有强制卸土的粘土铲 斗。（3）为了使装进铲斗的物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗粒直径之 比应大于 4： 1。当此比值大于 50：1 时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物料 为匀质。（4）装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便 切入或破碎阻力较大有物料。挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。 斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求 是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。表 2-1 反铲斗对比试验结果 a）在页岩中作业作业条件铲斗编号铲斗充满时间（s）生产率 （10kN/h ）效率（ %）在页岩中作业铲斗 119.0542.

22、6100铲斗 240.622.6853.3b）在页砂中作业作业条件铲斗编号铲斗充满时间（s）生产率（ 10kN/h ）效率（ % ）在页砂中作业铲斗 15.9163.5100铲斗 26.3152.793.32确定斗齿安装方式目前，国产挖掘机斗齿安装方式主要有两类，斗容量q0.6m3 时多采用螺栓连接图 2-2a，斗容量 q0.6m3 时时多采用橡胶卡销结构图 2-2b。本次设计斗容量为 0.2 m3挖掘机，所以斗齿安装方式为螺栓连接 5图 2 2 斗齿的设计a) 螺栓连接方式； b) 橡胶卡销连接方式1-卡销； 2-橡胶卡销； 3-齿座； 4-斗齿2.2.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式铲斗与铲

23、斗液压缸有三种型式图 2-3，其区别主要在于液压缸活塞杆 端部与铲斗的连接方式不同，图 a 为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸 组成四连杆机构。图 b 中铲斗液压缸通过摇杆 1 和连杆 2 与铲斗相连，它 们与斗杆一起组成六连杆机构。图 a 和图 b 类似，区别在于前者液压缸活 塞杆端接于摇杆两端之间。图 c 的机构传动比与 b 差不多，但铲斗摆角位 置顺时针方向转动了一个角度。六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲 斗转角，改善了机构的传动特性。六连杆方式 b 和 d 在液压缸行程相同 时，后者能得到更大的铲斗转角，但其铲斗挖掘力的平均值较小。连接方 式如下图。图 2-

24、3 铲斗与铲斗液压缸的连接方式2.3 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。在发动机功率、整机质 量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的情况下，工作装 置各铰点在布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘 机的实际挖掘能力。2.3.1 动臂油缸的布置 动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两 种具体布置方式。1油缸前倾布置方案，如图 2-4 所示，动臂油缸与动臂铰接于 E 点。当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置，动臂油缸轴线向转台 前方倾斜。2油缸后倾布置方案，如图 2-4 所示，当动臂油缸全伸出，将动臂举

25、升到上极限位置时，动臂油缸轴线向后方倾斜。油缸全收缩时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即h1 <h2。此外，在后倾方案中，动臂 EF 部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受 弯矩也比较大。以上为动臂油缸后倾方案的缺点。然而，后倾方案动臂下 铰点C与动臂油缸下铰点 D的距离 CD比前倾方案的大，则动臂在上下两 极位置时，动臂油缸的作用力臂 Cp 也较大。因此，在动臂油缸作用力相 同时，后倾方图为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘机将长动臂 CEF改换成短动臂 CEF，并配以长斗杆。在最大深度处挖掘时， 采用铲斗挖掘而还是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为h1>h2。显然，不论是动

26、臂油缸前倾还是后倾方案，当C、 D 两铰点位置和CE 长度均不变时，通过加大动臂油缸长度可以增大动臂仰角，从而增大 最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘深度。所以，在布置油缸时，应综合 考虑动臂的结构、工作装置的作业尺寸及动臂举升力的挖掘力等因素。本设计选用动臂油缸前倾布置方案。2.3.2 斗杆油缸的布置确定斗杆油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。 1保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推 伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。油缸全 伸时的力矩应该足以支承满载铲斗和斗杆静止不动。油缸力臂最大时产生 的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘范围可以取

27、得越小一些。2保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取100° 130°。在斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于 10cm。一般来说，斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。铰点位置的确定需要反复进行。在计算中初定铰点位置，如不够合 理，应进行适当修改。2.3.3 铲斗油缸的布置确定铲斗油缸铰点应考虑以下因素。 1保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在铲斗油缸全行程 中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘应能使满载铲斗静止不动。2保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取140°

28、160 ，在特殊作业时可以大于 180°，摆角位置可以按图 2-5 布置。当铲斗油缸全缩 时，铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于 10°,常取 15°25°，铲斗 油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。3铲斗从位置到位置时图 2-5，铲斗油缸作用力臂最大，这里能 得到斗齿最大切削角度的 1/2 左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿 挖掘力也最大。实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下，特别是 进行复合动作挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于100°，而且铲斗也不一定都在初始位置开始挖掘。因此，目前一般取位置至位置的转角为30&#

29、176;50°，在这个角度范围内可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好地适应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力 6图 2-5 铲斗摆角范围2.4 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择2.4.1 反铲装置总体方案的选择反铲方案选择的主要依据是设计任务书规定的使用要求，据以决定工 作装置是通用或是专用的。以反铲为主的通用装置应保证反铲使用要求， 并照顾到其它装置的性能。专用装置应根据作业条件决定结构方案，在满 足主要作业条件要求的同时照顾其它条件下性能。反铲装置总体方案的选择包括以下方面：1动臂及动臂液压缸的布置确定用组合式或整体式动臂，以及组合式动臂的组合方式或整体式动 臂的

30、形状。确定动臂液压缸的布置为悬挂式或是下置式。前面已确定采用整体式动臂，动臂液压缸的布置为下置式。2斗杆及斗杆液压缸的布置 确定用整体式或组合式斗杆，以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗 杆是否采用变铰点调节。前面已确定采用整体式斗杆。3确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数 K1=l1 l2。对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的 长度比可在很大内选择。一般当 K1 2 时，（有反铲取 K1 3）称为长动臂短 斗杆方案，当 K1 1.5 叶属于短动臂长斗杆方案。 K1 在 1.52 之间称为中 间比例方案。要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例 方案。相反，当用配套替换构件

31、或可调连接适应不同作业条件时，不同的 配置或铰点连接情况可组成各种比例方案。在使用条件单一，作业对象明 确的条件下采用整体式动臂和斗杆固定铰接， K1 值由作业条件确定。从作 业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下， K1 愈大作业范围愈 窄，从挖掘方式看 K1 大宜用于斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而 K1 值小宜用于以转斗挖掘为主。本设计采用中间比例方案 ,取 K1=1.8。4确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数，并考虑铲斗连杆机构 传动比是否需要调节。5根据液压缸系统压力、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液压缸缸数、缸径、全伸长度与全缩长度之比 。考 虑

32、到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动幅度等因素一般取1=1.61.7，个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取1 1.75，而取 2=1.61.7， 3=1.61.7 7 。2.4.2 机构自身几何参数机构自身几何参数有三类，第一类是决定机构运动特性的必要参数， 称原始参数，本次设计主要选择长度参数作为原始参数；第二类是由第一 类参数推算出来的参数，称推导参数，多为运算中需要的角度参数；第三 类是作方案分析比较所需要的其它特性参数。反铲机构各部分原始参数、推导参数和部分特性参数见表 2-2 所示。表 2-2 反铲机构自身几何参数表参数分类机构组成铲斗斗杆动臂符号意义原始参数l3=QV，l12

33、=MH， l13=MN ， l 14=HN ， l24=QK，l25=KV， l29=KHl2=FQ， l9=EF， l10=FG， l11=EG ， l15=GN， l16=FN， l21=NQl1=CF，l6=CD l7=CB，l8=DF， l 22= BF推导参数9 NMH 10 KQV4 EFG 5 GNF 6 GFN 7 NQF 8 NFQ2 BCF3 DFC特性参数K2= l24 ， l32 l3 3K2= l2 ， l3 l9l42K2= 42l41 l31 CZF =l7l5K1= l1l2备注L2斗杆长l1动臂长1动臂弯角2.4.3 斗形参数的选择1.铲斗的主要参数的选择斗容

34、量 q、平均斗宽 B，转斗挖掘半径 R 和转斗挖掘装满转角 2 这里 令 = max 是铲斗的四个主要参数。 R、B 及 2 三者与 q 之间有以下几何关 系图 2-68 。12 q R2 B(2 sin2 )KS(2-1)其中 q0.2m3 其中： q=0.2m3(已知)，铲斗斗容量；R 铲斗挖掘半径，单位 m；B 铲斗斗宽，根据反铲斗平均斗宽统计值和推荐范围，查表2-67取 B0.75m；2 铲 斗 挖 掘 装 满 转 角 ， 一 般 取 2 90 ° 100 °， 取2 =95°=1.658rad把 q、B、2 代入式 (2-1)得：10.2 0.75 1.

35、658 sin95 K S2S 解得： R=0.803m图 2-6 铲斗主参数示意图铲斗上两个铰点 K 与 Q的间距 l24图 2-5 太大将影响铲斗传动特性， 太小则影响铲斗结构刚度。一般取特性：K2=l24 l3=0.30.38取 K20.34l24 l3=0.34，R=0.803m，得出 l24=0.273m。 当转角较大时 K2 取较小值，一般取 10= KQV=95°115°， 取 KQV =105°。2 .斗形尺寸计算根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形其尺寸，如图 2-7 所示。图 中三角形 OGE 为等腰三角形， OA 段为直线， AB 弧段为抛物

36、线。 A 点至 直线 EB 的距离为 H，抛物线定点高度为 L，一般取 HL。斗尖角 取值 范围一般为 20°30°，斗侧壁角为 取 30°50°，包角 取 108°。常见铲斗 斗形参数参考表 2-2。改变三角形 OEG 的形状可以获得不同的形状的斗 形。斗形尺寸根据比拟法 D=0.75m（已知）、 RD=0.803m（已知 ），得出： 1=0.294m； 2=0.534m； 3=0.87； R=0.7324m；m=0.0706m；=40°； =23°； =108°；HL=0.56m。图 2-7 反铲斗计算尺寸3.

37、初选斗齿的几何形状 铲斗的几何形状应对挖掘比阻力达到最小值。铲斗及切削时的主要参 数，如图 2-7 所示，图中铲斗容量 q、长度 L、宽度 B、高度 H、切削角 、刃角 和后角 等参数的选择都对挖掘比阻力有直接影响。斗齿在铲 斗上的布置（齿宽和齿距）也是一个重要参数 9 。为使斗侧壁不参与切削，铲斗应装有侧齿。一般齿宽：b 0.11 q 0.113 0.20.064m；齿长：l 0.26 q 0.263 0.20.152m；齿距为：a 2.5 3.5 b0.160.192 m；取 a=0.18m斗前臂与切削面的间隙取： ? =0.7b=0.0448m 又由于铲斗宽度 B=0.75m,齿宽与齿距

38、之和为 a+b 因此：B 0.753.07a b 0.24避免这种超载挖掘，应及时更换或在齿刃口上堆焊硬质合金层，斗齿做成楔入式或组合式，以便快速更换和修补。图 2-8 铲斗的基本参数斗装有 3 个齿。 另外齿尖应保持锐利，否则挖掘阻力将急剧增加。新铸（或锻）的齿 只有一个小的圆弧尖连续工作后，齿尖将逐渐磨损，并变钝。通常，挖掘 级土壤，齿尖显著磨钝后，挖掘阻用将增加50100%。因此，为切削角 对切削阻力影响也很大。通常，挖级土时，斗切削角 为 20°35°（较大值适用于硬土，小值适用于一般土） ，常用切削角为 30°，本次设计取 30°，后角 不应小

39、于 5°，刃角取 25°。2.4.4 动臂机构参数的选择由于铲斗容量 q0.2m3,根据国内外液压挖掘机有关设计标准，通过类 比法，选出参数机重 G 5t。又根据经验公式计算法，参考表 1-3 机体尺寸和工作尺寸经验系数表7 ，线尺寸参数：L1 KLl3 G m 得出:最大挖掘半径：R1 3.35 3 5 5.728 m；最大挖掘深度：H1max 2.05 3 5 3.505m；最大卸载高度：H 3max 1.55 3 5 2.65m据统计，最大挖掘半径 R1值一般与 l1+ l2+ l3的和值很接近。因此由要 求 R1，已定的 l3和 K1可按下列经验公式初选 l1、l2

40、：l1 K 2l 2 (2-2)其中：R1=5.728m；K11.8；l2R1 L31 K1经计算得出：l 2=1.759m；l1= K1 l2=1.8×1.759=3.166m在三角形 CZF 中， 1、l1和 K3都可以根据经验初选出： 其中 1 动臂的弯角，采用弯角能增加挖掘深度，但降低了卸载高 度，但太小对结构的强度不利，一般取 120°140°，取 1140°7 ； l1 前面已算出为 3.166m；K3 动臂转折处的长度比 ZF ZC，一般根据结构和液压缸铰点 B 的位置来考虑，初步设计取 K31.11.3，取 K31.2；图 2-9动臂实际

41、尺寸因此根据公式：ll1l411 K 232K 3 cosl42K3l412 2 2l 42 l1 l41 arccos2 l42 l139ZCF(2-3)可以算出 l41、l42、 经计算得出：39ZC l 41 1.529 m；ZF l42 1.834 m；39 =17.9 °如图 2-9 所示动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比 K4 按不同情况选取， 专用反铲可取 K4 0.8；以反铲为主的通用机， K4 0.8 1.1；斗容量 1m3 左右的通用机，则可取 K41。本设计中取 K41。11 的取值对特性参数 K4、最大挖掘深度 H 1max和最大挖高 H 2max 有影 响。加大

42、 11会使减小或使 H 1max增大，这下符合反铲作业要求，因此基本 用作反铲的小型机取 11 60°。本设计中取 1170°。斗杆液压缸全缩时 CFQ= 32- 8 最大图 2-10，常选 ( 32- 8)=160 ° 180°本设计中取( 32- 8)max170°。BCZ 取决于液压缸布置形式，图 2-5，动臂液压缸结构中这一夹角 较小，可能为零。动臂单液压缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼加耳座 上 B 在 Z 的下面。初定 BCZ5°，根据已知 CZF22.1 °10 。解得：BCF17.1°。由图 2-1

43、0 得最大卸载高度的表达式为：H3maxYAl5 sin 11 l1 sin( 1max 11 2)l2 sin( 32max1max11 2 180 ) l3 (2-4)由图 2-11 得最大挖掘深度绝对值的表达式为H1max l3 l2 l1 sin( 11 将这两式相加，消去 l5， 并令 A 11H1maxl2 sin又特性参数：2，BA+ 8- 32max，H 3max l1 sin1max B 11max01min 2 )l5 sin 11得到：A sin 1min AK4sin 1max1 sin 1min(2-5)(2-6)(2-7)sin 1minsin 1maxK4 1co

44、s 1min将上式代入式 (2-7)则得到一元函数根据经验公式计算法求出：f(2sin 1max( K 2 2 )K 4 11max)=0。式中 H1max 和2-8)H3max 已1min =29.6 最后由式 2-5 求 l5 为：l3 l2 l1 sin( A 1min ) l5sin 112.562 3.166 sin( 97.1 29.6 ) 0.65 3.505sin701max=73.5 °YAH1max2-9)=0.638m(其中 l1=3.166m；l2 1.759m； 近似取 YA=0.65m) 然后，解下面的联立方程，可求A=97.1 °；由于履带总高

45、 0.32 3 50.547 ，和 ：l 2 l 2l7 l 51min ar cos2l7l5minarc21arcos l72 l52arcosmax2l7l5L1minL1maxL1 经计算得出： =1.63； 得到的结果符合下列几何条件：2 2 2 arc2L1min .L =0.67；2.4.5 斗杆机构参数的选择(2-10)1minL1min= 0.952m；L1max=1.52m；l7=1.61m2.36 ；0.96 1 10 。第一步计算斗杆挖掘阻力： 斗杆挖掘过程中，切削行程较长， 一般取斗杆在挖掘过程中总转角 g 中，铲斗被装满，这时半齿的实际行程为： s 0.01745r

46、6 g r 6=FV ； l2 l3 1.759 0.803 2.562 m hg 可按下式计算： q BSKS切土厚度在挖掘过程中视为常数，=50° 80°,取 g65°，在这转角过程其中： r6斗杆挖掘时的切削半径， FVmax 斗杆挖掘时的切土厚度hg0.01745r6 gBK S斗杆挖掘阻力为：W1gK0hgBK0q0.01745r6 g K s(2-11)由表 0?10 查得， K020(级土壤以下)11。式中 K0 挖掘比阻力，KS 土壤松散系数近似值取 1.25斗杆 l2 与铲斗 l3 和 FVmin 之间，为了满足开挖和最后卸载及运输状态 的要求，

47、铲斗的总转角往往要达到cos300.866150°180°。l 2 l 2 FV 22 3 min2 l 2 l 32 2 21.7592 0.8032 FVm2in2 1.759 0.803计算得：FVmin 1.137 mr6min把 K0、q、r6min、 g、KS代入式 2-12 得：g、20 0.2103 2.48 kN0.01745 1.137 65 1.25 第二步确定斗杆液压缸的最大作用力臂。PGmax (l2 l3) 2.48 1.759 0.803P2W1g maxe2maxl 913.96 其中：根据经验公式计算法得出 P213.96kN 斗杆液压缸初

48、始力臂 e20与最大力臂 e2min 之比是斗杆摆角 函数，设 e20=e2max 则：0.455 m2min 的余弦2maxl9 cose2max由图 2-13，取2l9e20=e2max，求得：2max cos22-12)2max2max2)2l9 sin9 2 2 0.455 sin 52.5L2min2 1.203m2 1 1.6 1其中斗杆摆角范围大致在 105° 125°，取 2max105°22l8 L2min l92L2minl9 cos(1.2032 0.4552 2 0.455 cos( 105 )=1.588m2.4.6 连杆、摇臂参数的选择

49、从几何可容性与结构布置的角度对铲斗机构的要求考虑，必须保证铲 斗六连杆机构在 l3 全行程中任一瞬间时都不会被破坏，即保证 GFN、 GNM 及四边形 HNQK 在任何瞬间皆成立 12 。根据铲斗六连杆机构的要 求，借助电子计算机选出可行的方案为QN=7m；MH=156m；NM=95m；HK=12m；HN=3m。第 3章 工作装置的强度计算工作装置由铲斗、斗杆、动臂以及连杆机构和各种工作液压缸组成。 对这些结构件的分析计算，首先应确定各结构件的不利工况，即在这工况 下对某一结构件可能出现最大的应力，以这工况作为设计该结构件的依 据，也就是强度设计中计算位置的选择，计算图式和载荷的确定问题。由于

50、影响挖掘机挖掘力的因素很多，如三个工作液压缸的匹配。整机 稳定问题等，并且同样的反铲装置还有较多的形式，对计算位置的选择， 看法很不一致，更无统一的规定。随着电子计算机的普及应用，目前已有 可能对挖掘机的所有工况及其挖掘过程中指定的千百个位置进行作用力分 析和对各结构件进行较多的可能危险断面进行应力计算，再结合样机的应 力测定，使工作装置结构设计有可能得到比较可行而又经济的结构尺寸和 形状，对工作装置中结构复杂的构件以及对结构中断面突变或应力集中的 部分可以采用有限元法进行计算，以提高分析计算的精确度13 。3.1 斗杆的计算反铲装置的斗杆（尤以标准和加长斗杆）强度主要为弯矩所控制，故 其计算

51、位置可根据反铲工作中挖掘阻力对斗杆可能产生的最大弯矩来确 定。根据斗杆工作情况的手试验说明，斗杆危险断面最大应力发生在采用 转斗挖掘的工况下。其计算位置可按以下条件确定：计算位置图 3-1，条件为：1动臂位于最低（动臂液压缸全缩） ；2斗杆液压缸作用力臂最大（斗杆液压缸与斗杆尾部夹角为90°）；3斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上； 4侧齿遇障碍作用有横向力 Wk。这时，工作装置上的作用力有工作装置各部分的重量 （铲斗重 Gd，斗 杆重 Gg 和动臂重 Gb），作用于斗侧齿上的挖掘阻力 （包括切向力为 W1，法 向分力 W2和侧向力 Wk） 14。铲斗挖掘时，铲斗

52、液压缸工作力 Pd 所能克服的切向阻力 W1 可取铲斗 为隔离体，按对铰点的 c力矩平衡方程 MC0 求得W1 1 （ Pd ·r7·r6 Gd ·r2）ldr6（3-1）式中 l d由图 3-1 画图得，液压缸与斗臂两铰点距 ld0.766m； r5 铲斗上两铰点间距离 r50.3m r 6铲斗上的铰点 E 与斗臂上的铰点 D 间距离 r60.423m r7 动力臂与斗臂两铰点距为 r70.268m；把 ld、r5、r6、r7代入式 (3-1)得：1 0.268 0.3(168.770.86 0.142) 41.718 kN0.766 0.423法向阻力 W2

53、决定于动臂液压缸的闭锁力 P B，可取工作装置为隔离W1体，按对动臂底部铰点 A的力矩平衡方程 MA0 求得：1W2PB ·rB M (A Gb·Gg·G d) W1·r02 r1 B B A b g d 1 0式中 P B动臂液压缸的闭锁力， PB286kN； MA(GbGgGd)工作装置各部分重量对 A 点的力矩之和，相应的力臂值由图 3-1 确定 为：rb 由图 3-1 画图得， rb1.36m；rg1.99m；rd1.1m；rB0.325m； r13.16m；r02.05m 把 rb、rg、1rd、rB、r1、r0 代入式 5-2 得：(3-2)

54、W2286 0.3252.23 1.361.792 3.16=4.15kN取斗杆(带斗)为隔离体，列出对铰点 求得斗杆液压缸作用力(被动状态) (按该液压缸闭锁压力决定)相近。1.990.86 1.141.718 2.05B 力矩平衡方程 MB 0 ，可 般情况下，此力 Pg 与其闭锁力值Pglb W1(l2 ld ) Gd r4 Ggr33-3) 式 中 rb 由 图 3-1 画 图 得 ， rb =0.46m； r2=1.56m ； r d=0.766m ； r 4=1.39m； r 3=0.49m；把 rb、r2、rd、r4、r3 代入式 (3-3)得： Pg=0.4641.718(1.56+0.766)+0.86×1.392.23×0.49 =45.69kN铲斗边齿遇障碍时，横向挖掘阻力 Wk 由回转机构的制动器承受，此 力的最大值决定于回转平台的制动力矩，其值为：Wk MTr(3-4)式中 r 横向阻力 Wk 与回转中 心间 的距离 , 由 CAD 做图得， r =1.28m；MT 回转平台制动器可承受的最大力矩， MT4925.3N·m。把 r 、MT 代入式 (3-4) 得： Wk=3.848kN5 计算位