挖掘机工作装置设计

1、第一章工作装置总体方案的选择研究内容：1、工作装置机构的几何参数设计2、各主要工作尺寸验算3、工作装置各部件运动及受力分析、工作装置挖掘性能分析4、各液压缸闭锁力验算5、动臂机构、斗杆机构的结构设计6、动臂、斗杆强度校核研究方法：采用静力学原理和机构几何学原理，对挖掘工作装置进行应用研究原始参数：表1-1原始参数表名称值名称值整机重12.8t最大挖掘深度700mm斗容量0.2 m3最大挖掘半径4000mm发动机功率55KW最大卸载高度2900mm液压系统压力35MPa挖取跑离2150mm技术要求：对工作装置的参数和几何构进行研究设计，设计尺寸达到要求；主要工作尺 寸误差不得大3%对动臂、斗杆进

2、行强度校核。工作装置应满足以下要求：1 .主要工作尺寸及工作范围满足使用要求。在设计反铲装置时要考虑与同类 型机器相比的先进性，考虑国家标准的规定，并注意到运动参数受机构碰 撞限制等的可能性。2 .整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并且有一定的先进性。3 .作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性， 采用变钱点结 构或配套机构时，要注意分清主次。要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。4 .工作装置结构形式和布置要便于装卸和维修，尤其应便于易损件的更换第一节动臂和斗杆总体方案的选择动臂是工作装置的主要构件，反铲动臂可分为整体式和组合式两类。整 体式

3、动臂有直动臂和弯动臂两种。直动臂构造简单，轻巧，布置紧凑，主要 用于悬挂式挖掘机。整体式动臂结构简单，价廉，刚度相同时结构重量轻于 组合式动臂。动臂液压缸的布置方案如图所示，动臂液压缸装于动臂的上方 这个方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时动臂液压缸往往处于受压状 态，闭锁能力较强。动臂提升时液压缸小腔进油，提升速度也较快。为了统一缸径和液压缸的闭锁能力，双动臂液压缸的方案采用渐多。有些悬 挂式动臂液压缸布置时考虑到不破坏动臂箱型截面，且不与斗杆液压缸碰撞，也 采用双缸，斗杆液压缸一般只用一个。但大多数动臂液压缸还是采用单缸。本设 计采用在上方布置的单动臂液压缸。第二节铲斗总体方案的选择铲斗

4、与铲斗液压缸的连接有三种形式，如下图所示，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d与图b类似，区别在于前者液压缸活塞杆端较接于摇杆 两端之间，图c的机构传动比与b相同，只是铲斗摆角位置向顺时针方向转动了 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。六连杆中方式 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。铲斗液压缸一般用一个， 因传动比小，单液压缸作用力

5、足以保证斗齿所需的挖掘力。本设计采用图b的方案。第三章反铲工作装置几何参数的设计验算第一节斗型参数的选择斗容量q,平均斗宽B,转斗挖掘半径R和转斗挖掘装满转角2 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1 2q -R2B 2 sin2 KS式中 q一标准斗容量即堆尖斗容，q 0.2m3;B平均斗宽，选取 R 750mm;R一转斗挖掘半径；Ks土壤松散系数，取1.25;2 一挖掘装满角，全面考虑有关因素，可以取2 =90°100°,取2 =96°。 将以上各值代入式计算得 R 790mm 800mm。铲斗上两个钦点K和Q的间距太大将影响铲斗机构的传

6、动特性，太小则影响铲斗结构刚度，一般取特性参数K2 l24 m 0.3 0.38 0 >K2 0.375。l3 QV则 KQ 0.375QV0.375 800 300一般地，取10 KQV 95 115 ,取 10100第二节动臂机构参数选择确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数Ki % 。对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆的长度比可以在很大的范围内选择。由样机，初选Ki 1.46。据统计，最大挖掘半径Ri值一般与li 12 13的和值很接近。因此由要求的R,已定的l3和Ki可按下列近似经验公式初选|1和|2：,Ri |3I 2i K iII Ki|2由原始参数给定最大挖掘半径为Ri 400

7、0mm , I3 R 800mm代入公式得|2=i300mm, Ii=i900mm。动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比 K4按不同情况选取，以反铲为主的通用 挖掘机要适当顾及其他换用装置要求在地面以上作业时有足够的提升力矩可取K4=0.8i.i。初选 心=0.9。ii的取值对参数特性K4,最大挖掘深度Himax有影响。加大ii会使K4减 小或使Himax增大，这正符合反铲作业要求。因此基本用作反铲的小型机取 ii > 60° 初选 ii=60° 。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的要求确定液压缸的伸缩比入。增大液压缸伸缩比i可以增大动臂的

8、转角max ,但由于受油缸稳定性的限制，i 一般取i.6i.7o初选动臂液压缸的伸缩 比 i=i.67。由机体尺寸和工作尺寸经验系数表及线尺寸参数公式：Li kiVG (m)| 5 一可得|5=AC=400mm.由样机，初选无因次比例系数p=0.8,则由 可得Li minLi min =500mm,Li maxi Li min i.67 500 835mm动臂在上极限位置时由 CABi得222222| 7| 52Li min2常数cosLmin|5| 721517cos2|5|7cos动臂和动臂液压缸较点位置的几何关系动臂在下极限位置时由 CAB得2.2.2.L1max151721517cos

9、2221 71 52L1 max2cos常数21517cos又由 CABi得15 sinLi minsinsin15 sinLi min由 CAB2得上 sinL1 maxsinsin回sinLi max于是动臂在上，下极限位置时液压缸作用力臂相应为ez17 sin17 15.sinLi min17 ""L i min17 15eo17 sin sinLi max17 1 5 ：-2i ML i maxK4空e0Li Li max - i p2Li min - i M 2i p22=0.9i M1.7得 17 750mm 从CAB2和CAB1中可以看到， 之间的关系:2.5

10、 >1.67;0.9 <1。符合要求大于，止匕时17 >15悬挂式动臂连接方案即属于此类。cos1 7 21 52Llmin22151738.047502 4002 5002 0.7872 400 750cos17 2 152Llmax221 51787.597502 4002 83520.0422 400 750显然,动臂的摆角为49.55斗杆液压缸全缩时CFQ最大，常选 CFQ 160 180初选为170。当悬挂式动臂液压缸全缩，斗杆液压缸全缩， QV连线处于垂直状态时可以 得到最大卸载高度状态，由图知最大卸载高度的表达式为： H3max Yc 1i sin FCU12

11、sin FCU 10013初选 BF=1300Himax I3 I2 LsinFCU Yc800 1300 1900 sin 2.5 1300717 mm700 717700100%2.4%,小于 3%第三节斗杆机构参数选择确定斗杆液压缸的较点位置，行程及力臂比时应考虑以下因素：1保证斗杆液压缸产生足够的斗齿挖掘力。液压缸作用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阻力。2 .保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力。对于以转斗挖掘为主的中小型反铲，选择 斗杆机构参数时必须注意转斗挖掘时斗杆液压缸的闭锁能力，要求在主要挖掘区内转斗液压缸的挖掘力能得到充分的发挥。3 .保证斗杆的摆角范围。

12、斗杆摆角范围大致在105° 125°之间。在满足工作范围和运输要求的前提下此值应尽可能取的小些。一般说斗杆愈长，其摆角范围也 可稍小。斗杆上 EFQ的大小取决于结构因素，并考虑到工作范围一般在130 170之间。本设计取 EFQ 140。参考国内同类机型机器斗杆挖掘力值 PG max 40 KN，按要求的最大挖掘力确 定斗杆液压缸的最大作用力臂l9。初选斗杆液压缸型号HSG缸筒内径为140mm, 杆径为80mm,伸缩比2 1.67。可查得，液压缸的推力为 246.3KN ,拉力为 165.88KN。e2 maxl 9PG max l 2 l 3P2341mm40 1300

13、800e2 max 19215.46斗杆的摆角在105 125之间，取2max 110斗杆液压缸初始力臂e20与最大力臂e2max之比是斗杆摆角2max的余弦函数设 e20e2z,则e2019 cos2 maxe2 max192 maxcos2如图所示19已定时2max愈大，e20和e2z就愈小，平均挖掘力也就越小E2I9 sin1 2min2 max2=833mm,则 12max1392mm1822max19212min19 cos2解得 18 1130mm挖掘机在最大卸载高度处，斗杆液压缸全缩，此时cos EFDEFDDFC360251 8219 2 L2 min 20.90521 819

14、25360 EFD EFQ CFQ140 17025第四节铲斗机构参数选择作机构参数选择时，已知13 QV 800mm,124 KQ 300 mm,12 FQ 1300 mm, 10 KQV 80待选的参数还有7个即 110 FG,115 GN,113 MN ,112 MK ,121 NQ以及 L3max, L 3min 等 o如前所述，铲斗在挖掘过程中的转角大致为 90° 100° ,为了要满足开挖和 最后卸载及运输状态的要求，铲斗的总转角往往要达到 1500 180° ,本设计初 选 3max 160 0如图所示，设13 L3min时斗齿尖为V。，则V0肯能在

15、FQ延长线上，或者在其上W3j F3jL3 3max 89300N铲斗油缸推力做功W3=F3(-1)L3min W3j W3可以求得L3min=788mm,L3max=1150mm.由结构确确定 G 点位置，初选FG=400mm,<GFQ=60°。传动角应在允许的范围内任何瞬间各构件之间都不应有干涉，碰撞现象。不会出现死点，即 L MN +L MK >L KQ+L NQ 通过作图法设计出一组数据，L MK =400,L MN =613,L FN =726,L nq=574. 由此基本确定了工作装置各结构的尺寸。第五节各主要工作尺寸验算整个工作装置几何尺寸确定以后，应校核最

16、大挖掘深度，最大卸载高度及最 大挖掘半径。最大挖掘深度H1max l3 l21sinFCU Yc800 1300 1900sin 2.5 1300717 mm700 717700100%2.4%,小于 3%符合要求最大挖掘半径cos CFQ CF：包CQ22 CF FQ19002 13002 CQ2即 cos170 2 1900 1300CQ 3188mmR CQ QV 3188 8003988mm3988 40004000误差小于3%,100%0.29%最大卸载高度H 3max Yc ksin FCULsin FCU100l3求得 H 3max=1300+1900sin52.540+1300

17、sin42.540-800=2900mm第三章 刮板运输机构的设计第一节 概述采掘下来的煤只有运出矿井才有使用价值。 因此， 运输是煤炭生产过程中非常重要的一部分。 刮板输送机是煤炭装运的第一个环节， 因此， 刮板输送机的输送能力在很大程度上决定了采煤工作面的生产能力和效率。 然而， 井下运输在工作面和巷道中进行，巷道是根据煤层条件，按开采方法的需要，综合各种要求，在煤层或岩石中开凿出的。 因此， 井下运输条件的特点是： 在有限断面的巷道内运行，环境湿度大。由此可见刮板输送机在使用中，要承受拉、压、冲击、摩擦和腐蚀等多种作用，必须要有足够的强度、刚度、耐磨和耐腐蚀性。由于它的运输方式是物料和刮

18、板链都在槽内滑行， 运行阻力和磨损都很大。 但是， 在采煤工作面运煤， 目前还没有更好的机械可代替。 只能从结构上、 强度上和制造工艺上不断研究改进，使它更加完善、耐用。由此可见，刮板输送机是煤炭等矿物运输中必不可少的运输机械。第二节 方案选定刮板输送机链条在溜槽内布置方式， 常用的有中单链、 中双链及边双链。 其特点分别是：a. 中单链。刮板在溜槽内起导向作用，一条链条位于刮板中心。其特点是结构简单，弯曲性能好，链条受力均匀，溜槽磨损小。其缺点是过煤空间小，机头尺寸较大，能量消耗较大。b. 边双链。链条和连接环起向导作用，链条位于刮板两端。其特点是过煤空间大，消耗能量小。其缺点是水平弯曲时链条受力不均匀，溜槽磨损较大。c. 中双链。刮板在溜槽内起向导作用，两条链条在刮板中间，其间距不小于槽宽的20%，其特点是链条受力均匀，溜槽磨损小，水平弯曲性能好，机头尺寸较小，单股链条断时处理方便。缺点是过煤空间小，能量消耗大。由于本设计中不存在刮板机构的弯曲， 又考虑到过煤量较大选用边