挖掘机工作装置的设计

1、毕业设计（论文）报告纸装订线三、履带式液压挖掘机工作装置设计图 3.1 工作装置总体结构图工作装置的设计要满足任务书的要求以及结构上的合理， 根据要求确定其结构方案，进而确定其各部件的尺寸以及铰点位置，最后还应对其作业尺寸和工作臂的强度以及挖掘力的大小进行校核，确保其满足要求。一、确定工作装置的几何尺寸工作装置是液压挖掘机的重要组成部分之一，一般包括：动臂、斗杆、铲斗、连杆以及油缸等。 要使各参数合理协调， 同时，要确保工作装置的作业尺寸能满足任务书的要求。1斗形参数的选择选择斗形参数时，一般考虑以下两个因素：（ 1）、转斗挖掘时尽量使挖掘阻力小些；（ 2）、转斗挖掘时尽量降低其挖掘能容量。铲

2、斗的四个主要参数为斗容量q，平均斗宽 B，转斗挖掘半径R 和转斗挖据装满转角 2。 R、 B 及 2与 q 之间有以下几何关系：共页第页毕业设计（论文）报告纸q1R2 B(2 sin 2 )ks2当 q 一定时最大挖掘阻力 W1max 及转斗挖掘能容量 E 随着 R 的增大而下降。但 B和 R 大到一定程度， 综合反映到 2<90 °后， W1max 和 E 下降渐缓，且 B 的增大，使2 =90°附加载荷引起的对工作装置的扭矩和水平转矩随之增大全面考虑。可取100 °， 若 2太大；若 2 <90°则 B 或 R 太大。>100

3、76; 则W1max在 q 0.25m3时 R 和 B 对 W1max 的影响差不多。从能量的观点看，不论q 如何，B 对 E 的影响远远大于 R，设计时应兼顾 W1max 和 E 两方面，希望两者都小些，因此R 和 B 两值不宜相差悬殊。装综合考虑，选取：2=98 °，B=1.25， ks =1.25依据公式q1 R2 B(2sin 2)ks订2计算确定 R=1.33m。2动臂及油缸铰点的布置11及 l5 取值对挖掘机性能有影响。 l5 取值过大将使油缸力臂值增大，回转支承线受力变大，闭锁力上升，动臂摆角减小，作业范围减小，且使动臂座尺寸变大，给制ks 值增大，提升能力下降。造和安

4、装带来不便；11 的值取的过大，使特性系数类比其它样机，一般取 l 5 （ 300450mm（小挖）；600800mm（中挖）；经实地测量 q 1.05 m3的玉柴 YC230LC-8相关参数，类比，取 l5 =720 ；11 （65°左右）；所以，经类比及设计需要，取11 =65°。A 点位置的确定：xAD200 mm 左右D回转支承外径2yA平台离地高度 +150mm左右类比后取平台离地高度（600650 mm（小挖）；11001150mm（中挖）；共页第页毕业设计（论文）报告纸由 D=0.453 22 1261.2mm ，查有关资料， 目前市场上有 回转支承外径 D=

5、1244mm 的产品 计算，所以，得出 :xA =1244200822mm，取 xA =820mm;2yA =1100+150=1250mm。C 点位置的确定：xCxAl 5 cos11 ，所以 x C820720cos65515yCyAsin11 ，所以 yC1250sin 65900.6计算得出 x=515 ， yC=900。C3动臂尺寸参数的确定装推荐采用整体式弯动臂，考虑挖深及结构强度，取动臂弯角为（因为1 =130 °，l1根据作业要求，（ 1.5-2） ,取 1.65。1 一般取 130°左右）；特性参数 k1 =l2订确定动臂及斗杆 l1 、 l2 的长度，要

6、满足作业要求。根据经验公式：98001400l2R1l3，得l 21 1.653169.8 mm线1k1l1k1l2 ，得 l11.65 3169.85230.17mm将 计算的 l1、2 圆整，取l1；2。l=3170mml=5230mm由于反铲挖掘机以挖掘深度为主指标，故取特性参数k31.3。在 CZF 中（见前图）根据1 ， l1 求：l1l 4152302504.3mml41，得2212k3 cos111.32cos65k3l42k3l 41,得 l 421.32504.3 3255.6mm；39ZFCarc cosl422l12l 412，得3921.5 ；2l 42l1共页第页毕业

7、设计（论文）报告纸所以ZCF23.5 ，暂取BCZ5.5 ，所以，BCF18 。油缸铰点的布置综合考虑了结构件的强度、油缸本身以及安装特性， 经作图凑出：l 6=3393mm，l7=3330mm，l 8=2600mm，l22=285mm7。4斗杆机构的尺寸参数的确定斗杆机构的设计应满足：（1）、斗杆机构应满足斗杆转角的要求， 摆角应在 105° 125°之间， 在满足工作范围等前提下本机取 108°；（2）斗杆油缸全伸时，铲斗任意转动不得碰动臂；（3）保证足够得挖掘力及必要得闭锁能力。确定斗杆油缸下铰点：D 点与动臂间得距离应尽量小些，为使动臂与斗杆油缸不发生干涉

8、。油缸与动臂装之间应留有 10mm左右得间隙。斗杆尾部半径 l9 从闭锁考虑，可按经验公式：11订（ 8491125），取l 9950mm ；l9 ( ) (l2 l3)l 945.3斗杆上EFQ 取决于结构因素，并考虑到其作作范围一般在130° 170°，所以，取EFQ =150°。线斗杆相对于动臂得初始位置不能超过动臂中心延长线，可取其夹角为5°至 8°左右，本设计中取 8°。5铲斗连杆机构设计：（1）铲斗连杆机构设计时应满足：转角要求为了满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗的最大转角3max 一般在 150° 18

9、0°，本设计中取3max =180°。铲斗在挖掘过程中转角大致为 90° 110°。铲斗仰角范围一般为 0° 45°。这样还可以适应挖掘深沟及垂直侧壁得作业要求，不使斗底先于斗齿接触土地。共页第页毕业设计（论文）报告纸装图 3.2铲斗的最大转角订同时，铲斗的转角范围还应该满足，当动臂油缸处于最短即：L1 =L1min，斗杆油缸处于最短即： L 2=L2min ，铲斗油缸处于最长即3 3max 时，铲斗l3 与地面的夹角L =L 45o。挖掘力的变化与阻力变化一致线铲斗机构最大理论挖掘力应与最大挖掘阻力相适应，一般在-10 °

10、开挖，最大挖掘力出现在 25°35°处。几何相容连杆机构设计还需要满足几何相容， 要保证连杆机构三角形、 四边形在油缸得全行程中任一瞬时斗不被破坏，并且各个构件间不发生干涉碰撞。根据验算，本设计各项均满足以上要求。（2）铲斗连杆机构的型式选择反铲铲斗机构有四连杆的，也有六连杆的，本设计采用四连杆机构。（3）铲斗连杆机构的参数选择为满足几何相容条件，由经验公式可计算连杆各构件的尺寸参数。共页第页毕业设计（论文）报告纸l24KQ0.3 0.38 l 31 l 33得， l24KQ0.3 0.38 140011400 466.7mm ，类比，取l 24490mm3FQN0080

11、，通过类比本设计中取5°；10950 1150 ，通过类比本设计中取108°；l21(0.7 0.8)l24 =450mm ，通过类比本设计取 450mm；l291.5l24 =735mm,580mm ；通过类比本设计取通过类比 确定 l 14=600mm 。铲斗油缸在伸缩过程中，由于设计过程中油缸及斗杆间留由10mm 左右得间隙，使两者不发生干涉。装铲斗油缸下铰点位置的确定也通过同类机型类比及作图得：l11EG =1188mm；l10FG =720mm。订6. 作业范围和挖掘包络图由以上计算， 动臂和斗杆的基本长度和弯角已经确定， 其它各部分未定的具体参数，参照卡特 32

12、3DL、小松 PC220-8、三一 SY215C-8和玉柴 YC230LC-8这四种中型液压挖掘机， 对本次设计的挖掘机进行类比做仿形设计， 并结合任务书对作业参数 （停线机面最大挖掘半径、最大挖掘深度和最大卸载高度）和挖掘力的要求，用AutoCAD进行建模，对起铰点位置进行优化，得停机面最大挖掘半径为9876mm，当 CF在水平59°夹角时有最大卸载高度6520mm，当 CF 在水平面以下并成 50°夹角面以上并成时有最大挖掘深度 6690mm，如下图。共页第页毕业设计（论文）报告纸装订线图 3.3最大挖掘半径、最大挖掘深度和最大卸载高度示意图此时，工作装置的基本尺寸和铰

13、点位置已基本确定，各部分的结构尺寸如下：表 3.1工作装置各机构尺寸参数铲斗斗杆动臂机体QV=1400mmFQ=3170mmCF=5230mmCA=730mmQK=490mmEF=950mmCD=3393mmKH=580mmFG=720mmCB=3330mmHN=600mmGN=2145mmDF=2600mmQN=450mmBF=2857mmEG=1188mmCZ=2505mmZF=3255mm共页第页毕业设计（论文）报告纸Z=130o在确定挖掘机各机构参数后，绘制出本台挖掘机的挖掘包络图，如下：装订线图 3.4挖掘包络图二、挖掘阻力、油缸作用力、闭锁力挖掘力计算1. 铲斗挖掘阻力转斗挖掘时，

14、土壤切削阻力随挖掘深度改变而明显变化。切削阻力的切向分力：cos maxW11.35BAZX DC R1cos( max)其中C表示土壤硬度的系数，对 III 级土宜取 C=90150；取 C=120；R转斗切削半径； R=l =140(厘米）；3共页第页毕业设计（论文）报告纸max 挖掘过程中铲斗总转角的一半；查资料，取max =110°；铲斗的瞬时转角；B切削刃宽度影响系数， B=1+2.6b，其中 b 为铲斗平均宽度，单位为 m；算得 B=1+2.6×1.25=4.25 ；A切削角变化影响系数，取 A=1.3；Z带有斗齿的系数， Z=0.75（无斗齿时， Z=1）；有

15、斗齿，取 Z=0.75 ；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 cm，初步设计时可取 X=1.15；D切削刃挤压土壤的力， 根据斗容量大小在 10000-17000N 范围内选取。当斗容量 q0.5m3 时 D 应小于 10000N。本次设计中取 D=12000N（由推荐 8000N装（小挖） 12000 N（中挖）。取不同的一组列表计算铲斗挖掘阻力 W1。所得数据见表 3.2转斗挖掘装土阻力的切向分力：W1'q cos订式中密实状态下土壤容重，单位为 N / m3 ；挖掘起点和终点间连线ab 方向与水平线的夹角；土壤与钢的摩擦系数。线/与 W1 相

16、比很小，可忽略不计。当max ，0 时出现转斗挖掘计算表明： W1最大切向分力 W1max ：W1maxC R(1 cos max )1.35BAZX D代以上数据算得 W1m ax =154.8KN 。试验表明法向挖掘阻力 W2的指向是可变的，数值也较小，一般W2 0 0.2W1 。土质愈均匀， W2 愈小。从随机统计的角度看，取法向分力W2 为零来简化计算是允许的。这样 W1max 就可看作为转斗挖掘的最大阻力。转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算。也即把半月形切削断面看作等面积的的条形断面， 条形断面长度等于斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值，平均切削厚度为：共页第页毕业设

17、计（论文）报告纸R2R2sin 2R90 sin 2h1802180 sinRsin180代以上数据算得h=385.7mm；平均挖掘阻力为 :R 3.141690 sin 21.35W1JC180 sinbAZXD3.1416代以上数据算得W1 j=91.2KN ；式中用角度代入，一般所谓平均阻力是指装满铲斗的全过程阻力平均值，因此应取max =55°。装2. 斗杆挖掘阻力计算斗杆挖掘时切削行程较长， 切土厚度在挖掘过程中可视为常数。 一般取斗杆在挖掘过程中的总转角为50 80 ，在转角行程中铲斗被装满。这时斗齿的实际行g程为：订S0.01745 r6g ，代数算得 S=478.5m

18、m ；式中r6 斗杆挖掘时的切削半径， r6FV。斗杆挖掘时的切削厚度 hg 可按下式计算：线hgqq，代数算得 hg =167.2BSKs0.01745r6g B斗杆挖掘阻力为：W1gK 0 h0 BK 0 q0.01745 r6g K s当取级土壤时， K 010， K s1.25 。所以，K 0 q=1010616.7KNW1 g K 0h0 B0.01745457601.250.01745r6 g K s式中K 0 挖掘比阻力，当取主要挖掘土壤的K 0 时可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土质K0 值时则得最大挖掘阻力。共页第页毕业设计（论文）报告纸g 斗杆挖掘时铲斗转角， 该转角主

19、要为避免挖掘时， 斗底接触土壤，一般 g =50° 80°，本设计取 g =60°。装订线3. 铲斗、斗杆、动臂油缸缸径的确定液压缸推荐选用工程机械用内卡键式液压缸， 动臂、斗杆、铲斗三组油缸均通过测量同类机型，类比选用（最后选取缸径 140mm，杆径 86mm）。4、铲斗、斗杆理论挖掘力计算（ 1）反铲装置主要采用斗杆液压缸或铲斗液压缸进行挖掘。假定不考虑下列因素：工作装置自重和土重；液压系统和连杆机构的效率；工作液压缸的背压；不考虑其他因素如停机面坡度、分力、惯性力、动载等因素的影响。工作液压缸外伸时由该液压缸理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力称为工作液压缸的理

20、论挖掘力。图 3.5铲斗理论挖掘力计算示意图共页第页毕业设计（论文）报告纸（）如图所示，铲斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力为：Pr1r3P if ( L)P0D3l 333r2式中P3 铲斗液压缸的理论推力，P F ? p ， F3 为铲斗液压杆大腔作用33面积， F3 =（ 140/2)2=15386 mm2 ； p 为液压系统工作压力取p =30MPa ；所以 P3=462r1 、 r2 、 r3 力臂值。由于铲斗的转角从 0°到 180°，做出铲斗每转 10°的挖掘图（中间部分取 5°），测量各力臂值，如下表：表 3.2铲斗理论挖掘力 P和挖掘阻力

21、W 计算结果oD1装角度r 1r 2r 3r 4=l 3P (KN)PoDW310°110219239140046239.6010°265290289140046287.120.820°3743583411400462117.6100.830°4634223881400462140.5116.7订40°5254744301400462157.2145.850°5665144551400462165.3153.455°5845324691400462169.9154.860°5915524781400462168.9

22、153.870°5975624821400462169.0145.880°5965704891400462168.7128.7线90°5885904921400462161.8100.8100°5735994811400462151.859.6110°5476034641400462138.9120°5115914391400462125.3130°4895924121400462112.3140°452582379140046297.1150°416581347140046282.0160°3

23、74581314140046266.7170°338579282140046254.3180°308582252140046244.0将铲斗理论挖掘力P 和挖掘阻力 W 绘制在同一张坐标纸上，比较两者的大小oD1及变化趋势，如下表 :表 3.3转斗理论挖掘力与挖掘阻力图共页第页毕业设计（论文）报告纸装由上图可看出，铲斗理论挖掘力PoD 始终大于挖掘阻力 W1，并且两者随角度变化趋势基本一致，同时， PoD与 W几乎都在 55°时达到最大值（设计的挖掘机1从-25 °开挖），符合挖掘要求。（3）斗杆液压缸的理论挖掘力的计算：订斗杆液压缸的理论挖掘力为：P0QP2r5f (L2