普通挖掘机反铲装置的结构设计与研究

1、普通挖掘机反铲装置的结构设计与研究摘要 挖掘机在建设的时候有着不可动摇的地位，它能帮助我们节省劳动力，能在较短的时间里完成我们不能完成的事。 普通的挖掘机主要是通过液压缸来完成反铲工作装置的运动，由于挖掘机使用时的受力很大，所以其寿命不是很长，我这次设计的是先对挖掘机进行一些简单的计算，用PRO/E绘制挖掘机的图，再通过ADAMS软件和ANSYS软件进行分析，并运用ANSYS软件对挖掘机中变形量大的零件进行优化改进和对应力集中的地方进行优化改进，对比未进行改进与改进后的变形量、应力、应变的大小后发现优化改进非常的成功,达到优化的效果。关键词： 挖掘机 工作装置 铲斗 动臂 斗杆 Structu

2、re design and research general Excavator Backhoe device Abstract:Excavator in construction of time have an unshakable position. It can help us save labor, can finish what we cannot finish in a short time.Ordinary excavator is mainly through the hydraulic cylinder to complete the motion of the backho

3、e working device, due to the excavator using the force is very big, so the life is not very long, I the design is first, some simple calculations of the excavator, excavator drawing using pro/e graph, by Adams and ANSYS software were analyzed, and the use of ANSYS software of excavator deformation o

4、f parts for improvement and Optimization on the stress concentration of the local optimization and improvement were comparison of improvement and improved after deformation, the magnitude of the stress and strain after found improved very successful and achieve the optimization effect.Keywords :exca

5、vator Working device bucket Movable arm The bucket rod目录第一章 前言4 1.1课题背景5 1.2挖掘机现状5 1.3研究的目的和内容5 1.4设计方法6第二章 反铲工作装置结构设计7 2.1、总体设计方案7 2.1.1、设计依据7 2.2、动力的选择7 2.3、工作装置的结构确定7 2.3.1.、斗杆和斗杆液压缸的位置确定8 2.3.2、铲斗结构参数的确定8 2.3.3、动臂机构的设计11 2.3.4、反铲斗杆参数的确定12 2.3.5、铲斗连杆结构的设计13 2.3.6、反铲工作装置设计的混合法14 2.3.7、最大挖掘阻力的计算18

6、2.3.8、物料重力加载18第三章 基于PRO/E的液压挖掘机建模19 3.1、对动臂建模19 3.2、对斗杆的建模20 3.3、对铲斗建模21 3.4、对整体进行装配23第四章 对挖掘机分析25 4.1、用ADAMS进行分析25 4.1.1、用ADAMS的目的25 4.1.2、对ADAMS软件进行介绍25 4.1.3、用ADAMS软件对挖掘机工作装置进行分析25 4.2、用ANSYS进行分析32 4.2.1、用ANSYS的目的32 4.2.2、对ANSYS软件进行介绍32 4.2.3、ANSYS对挖掘机工作装置进行分析32 4.2.3.1、分析的主要路线32第五章 挖掘机反铲装在优化39 5

7、.1、针对反铲的齿尖进行优化39 5.2、对零件进行倒圆角优化40 5.3、其他的优化方法41第六章 改良后的挖掘机的静力学验证43第七章 总结46致谢47第一章 前言1.1课题背景 随着我国的快速发展，人们的生活水平在不断的提高，人们对生活质量的要求也变得越来越高，致使现在的高速路、铁道、高楼大厦、隧道、河坝的修建越来越多，挖掘机也在快速的发展。在我选择这个课题之前虽然已经有一部分的学长、学姐选择相关与这个的题目，但他们大多数都是选着纯计算的方式进行设计与校核验证，或只用单个的ANSYS软件或单个的ADAMS软件对挖掘机整体或动臂进行设计与研究，从而使他们设计的也现实的相差很大；所以我选择的

8、普通挖掘机的设计是结合ANSYS软件和ADAMS软件对普通挖掘机进行设计和优化使其模拟现实挖掘机的情况，使其设计更接近于实际设计。1.2挖掘机现状 挖掘机是一款省劳动力的工具，自从有了挖掘机以后人们不用再一点一点地搬运石头或泥土，我国机械式挖掘机是在20世纪60年代初期开始设计开发的。我国挖掘机销售主要是国外独资和合资公司所占领，而我国的挖掘机也是借着与国外公司合资而快速从无发展到有的。 国内的挖掘机市场越来越大，我国的西部大开发、西气东输的计划加快了我过挖掘机的发展，从1994年的2150台，到现在的月销售8278台。虽然挖掘机的数目在快速的增长，但是我国挖掘机在整体结构方面以及管道的布局等

9、方面还是存在许许多多的不足，致使我国自己生产的挖掘机的销售远远的落后于国外挖掘机的销售情况，具不完全体统计：我国自己生产的挖掘机在全行业的占有不到10%。 面对我国目前的状况，我国应该大力的发展我国在挖掘机方面的技术，我国的挖掘机生产商一点都不缺钱，何不用这些钱去发展自己的技术，让自己的挖掘机在国际市场上去占一席之地。除了技术发展以外，我们还要注意进行市场调查，结合实际，开发出更能满足市场需要的产品；生产商也应注意自己的服务态度，学习国外先进的销售手段和管理理念，提升自己的信誉，从而深入人心。1.3研究的目的和内容 、研究目的：通过ADAMS软件和ANSYS软件对挖掘机进行模拟分析，用这两个软

10、件分析得到相关数据，进行优化改进，使设计的挖掘机受到的的力减弱，延长挖掘机的寿命。、研究方法：明确题目要求和目的，通过互联网及图书馆相关书籍和数据库查找普通挖掘机的相关结构参数，查找有关机型，选择其中一些数据，进行简单计算得到画图所需的数据，用ADAMS软件对其分析，观察挖掘机的情况（每两个零件间的力、零件位子、零件的角速度、角速度），在用ADAMS软件制作视频；用ANSYS软件对设计的反铲部分进行模拟分析，找出变形量大的以及应力应变集中的地方，进行具体的优化设计。在此过程中可以利用proe、auto cad ADAMS、ANSYS等计算机辅助设计工具进行结构设计及运动分析和受力分析，并在导师

11、指导下完善改进以获得最优结果。、技术路线：1.分析原工作结构：挖掘机的工作装置就是挖掘时所用的部分。它包含动臂、斗杆、铲斗三部分。由于挖掘机的工作装置拥有各种形状不同，所以它能够胜任很多不同的作业工作。2. 设计构思：1）了解知道研究对象普通挖掘机的反铲装置； 2）总体的分析与选择；3）进行参数选择及计算； 4）用PROE画挖掘机工作装置的三维图；5）用ADAMS软件与ANSYS软件对挖掘机进行模拟分析； 6）进行优化设计；7）制作运动仿真和CAD图纸；1.4设计方法 初步计算出工作装置：动臂、斗杆以及铲斗，用PROE画挖掘机的实物图，应用ANSYS软件对其进行模拟分析，通过软件ADAMS对其

12、进行运动分析，找出其中的不足，进行优化改进；本文研究的难点在于ADAMS软件和ANSYS软件的学习与运用。第二章 反铲工作装置结构设计反铲工作装置的工作原理，是动臂与斗杆、斗杆与铲斗通过互相连在一起，动臂、斗杆和铲斗在平面坐标系内移动（尤其是铲斗）都是由各自的油缸进行带动，从而使挖掘装置运动起来进行挖掘。2.1、总体设计方案、设计依据 由于要绘制挖掘机的三维图，但在网上及查阅的资料中无法找到具体绘制三维图时所用的参数，所以只能借鉴一部分的数据，设计一部分的数据；我设计时所借鉴的参数大多是从WY200中找到的，而其外形情况也是通过WY200的外形来绘制的。 设计参数有：铲斗容量：1.0 ， 油缸

13、一般取其伸缩比为=1.6-1.7 ，液压缸的D=140mm,d=90mm。、总体设计原则 1、应使设计的尺寸达到工作时的要求。在设计的时候尽可能的考虑国家的要求，尽量少出现或不会出现机构的碰撞。2、尽量是挖掘机的挖掘力分布均匀，满足工作装置应有的要求。3、把挖掘机挖掘时的的效率增大，把挖掘所用的时间降低。4、定铰点的位置和其形状、大小设计时尽可能让它受到的力差不多大，在满足工作要求的条件下尽量减轻自身重量。5、由于作业有时要求很高，有时要求很低，使用时尽量考虑各个零件的通用性，用铰点或配套机构时，一定要应注意他们主次。在满足使用要求的前提下，尽可能使让其零件不要替换；让要替换的结构简单，互换的

14、时候比较容易。6、尽量让所用的液压缸相同，选择材料是尽量选择能承受较大压强的材料。2.2、动力的选择 为了使挖掘机行驶方便，具有较大的动力，所以选取柴油机作为挖掘机的动力。2.3、工作装置的结构确定 动臂的结构有整体式与组合式两种，整体式的结构比较的好设计与制造但用到的地方不多，组合式的结构复杂但适合大多数的工作环境要求，所以组合式是大多数设计者的首选，动臂与机身的铰接点一般会布置在回转平台的前部，动臂油缸和机身的连接点的地方与动机(动臂与机身）的连接点地方有密切联系，一般设计在动臂与机身铰接点前下方、回转平台的最前方，并不能低于平台底部，以满足动臂的提升力矩与闭锁力矩的要求。.、斗杆和斗杆液

15、压缸的位置确定斗杆油缸布置于斗杆的上部位，要考虑反铲挖掘机的挖掘方式为向下向后挖掘方式，这时斗杆油缸大腔为工作腔，有较大的挖掘力。在只有斗杆油缸及斗杆在运动时，斗杆油缸的大腔闭锁，它有满足要求的闭锁压力。 .1、动臂与斗杆长度比的确定动臂的长度与斗杆的长度的比值K1=L1/L2大小能够反应挖掘机的挖掘能力。看了一下关于挖掘机设计的书发现，当K12时，动臂就会比较长而斗杆相比一下就会比较短；当K1400MP，而且我们在分析时发现动臂和机身的铰接处没有出现应力、应变以及变形量非常大的情况，动臂处的厚度达到要求。即使在ADAMS软件中分析受力最大，但达的到要求。 第五章 挖掘机反铲装在优化5.1、针

16、对反铲的齿尖进行优化 首先我进行的优化改进的是齿尖部分，对齿尖部凹槽分设计的置原理与铁铲一样，他能减小接触面的应力，减小其冲击压强。下面是其受到齿尖切力时的图，如图图5-1、图5-2、图5-3所示。. 图5-1 受齿尖切力变形云图图5-2 受齿尖切力等效弹性应变云图图5-3 受齿尖切力等效应力云图 上图与第四章中未进行优化的图进行对比知道：变形量从2.314cm变为2.2028cm，其变形量减小了1.112mm，从而达到优化效果，并且挖掘机中的应力、应变明显变小了，从前面的400MPa，减小到现在的351.04MPa,达到了优化的效果。 5.2、对零件进行倒圆角优化 对斗杆油缸与连杆、连接他们

17、的销钉的进行倒圆角后的图以及可能受力集中的面进行倒圆角得到如下图图5-4、图5-4、图5-6、图5-7所示。图5-4 受齿尖切力变形云图 经过把受力集中的面与可能受力集中的面进行倒圆角后，我们会发现发生形变的面不会发生改变，依然会是那个面发生形变，但是发生最大的形变量明显发生了很大的改变，从2.314cm减到2.2486cm减小了0.3914mm. 图5-5 受齿尖切力等效应力云图 图5-6 受齿尖切力等效弹性应变云图图5-7 应力集中部位 从前面的应变、应力集和现在的对比我们发现了应力集中的数值以及部位也发生了相应的变化，我们能够发现现在在销钉处的应力集中已经消失，现在应力最大的在动臂上，并

18、且动臂的下面的应力最大为391.16MPa，比前面的411.58MPa减小了20.42MPa。 5.3、其他的优化方法 根据上面的优化方法和一些现实当中的实力。我们还有许许多多的有优化方法，如我们可以改变其材料，使用一些刚度强，而韧性也比较好的材料；对其危险的截面或结构、零件对其加加强筋；增大零件的壁厚等。第六章 改良后的挖掘机的静力学验证 优化前后的静力学对比分析如下表表6-1所示。 表6-1 优化前后对比优化前优化后齿尖受切力最大变形量为23.14mm最大变形量为20.463mm最大弹性应变量为0.0021203mm最大弹性应变量为0.0018656mm应力集中在铲斗油缸与连接杆、销钉的连

19、接处,出现的最大应力为411.58MPa应力集中出现在动臂与斗杆油缸的铰接处，动臂侧面等地方，并且最大应力为364.35MPa受到物料重力最大变形量为22.486mm最大变形量为23.14mm最大弹性应变量为0.0017913mm最大弹性应变量为0.0013342mm应力集中在铲斗油缸与连接杆、销钉的连接处,出现的最大应力为345.98MPa应力集中出现在动臂与斗杆油缸的铰接处，动臂侧面等地方，并且最大应力为281.53MPa注：颜色从下到上指的是其值在逐渐增大，即红色代表最大的值，蓝色代表最小的值从上面的比较分析得到：(1)、从变形量来说 在只收到齿尖切力的情况下，未优化时铲斗的最大形变量是

20、23.14mm，而经过优化改进后其形变量发生了很大的改变，减小了2.577mm,减到了20.563；而在收到物料重力的情况未优化时，铲斗和连接杆的最大形变量是22.486mm,经过优化后其值变成了15.098mm,减小了7.389mm,经过齿尖改进后，能使铲斗挖掘的时候受力很平稳，挖掘泥土时受到的切向应力减小；而在连接处的进行倒圆角能减小零件与零件之间的摩擦力。（2）、从弹性等效应变量来讲 只受到切力时原来出现出现的弹性应变集最大的地方变小了，而另外出现的最大弹性应变的地方的弹性应变最大值也比未优化时的减小0.0002547mm未优化前是0.0021203mm，优化后是0.0018656mm）

21、；只受到物料重力时减小了0.0165788mm（未优化前是0.0017913mm，优化后是0.0013342mm）。（3） 、从应力分布来分析只受到齿尖的切向力的时候，其受到的最大应力大小为411.58MPa，而齿尖进行优化改进后，其受到的最大应力大小为364.35MPa，减小了43.23MPa，并且未优化时受到应力最大的应力集中的地方已经基本消失；受到其物料重力时，最大应力为345.98MPa，经过优化改进后，其值变小到281.53MPa,所以优化很成功。而观察其应力大小，选择的是Q345B，其密度为7.85g/cm，其屈服强度在275-345MPa,抗拉强度在450-600MPa，延伸率大

22、于17%。第七章 总结 本学期通过做毕业设计，我学到了很多的东西，感触特别的深，让我感觉很累但很充实；在本学期我经常和两位同学经常到实验室去做我们的毕业设计，利用实验室里的高配置电脑对ADAMS软件和ANSYS软件进行学习，解决在学习过程中的种种问题；在次过程中我们遇到过导入模型不成功、零件的质心消失、对零件的网格划分不成功等问题；也运到过软件的证书被360自动删除系统性问题，虽然我们在此过程中很累，但它也给我们带来了成功解决问题后的快乐和每天都学到东西的充实感。 在这次的毕业设计中，我通过运用ADAMS软件对挖掘机运动状态进行模拟分析，让我们进一步的了解到挖掘机的运动轨迹；通过运用ANSYS

23、软件对挖掘机进行静力分析，让我们了解到变形量与应力、应变。结合ADAMS软件和ANSYS软件结合使用，使挖掘机的分析更加的接近实际情况，分析出来的数据更有依据性，结合分析时得到的数据进行优化改进，使设计出来的挖掘机工作装置更加合理性，但由于本人的能力有限不能对挖掘机的工作装置进行整体的优化改进。 致谢我的毕业论文在刘艳华老师的尽心尽力指导下顺利完成，她严谨的思想态度，开阔的事业，以及对工作精益求精的态度，让我们受益匪浅；这几年感谢成都理工机械系的老师对专业知识培养，你们在教学上的严谨态度和严厉、严格地对待我们每一次的考试，让我们打下了深厚的底子；在此还要感谢我的班主任老师赵老师，虽然他只给我们

24、上过金工的课，但他在思想上给我们鼓舞和关怀，让我们度过一个又一个困境，在此对赵老师致以最真诚的谢意和真挚的祝福。感谢这四年来关心我的朋友以及机械一班30位的同学对我的关心以及对我在学习上的帮助，是你们让我在这四年中感觉到时温暖而不是寂寞与寒冷。马上大家就要各自到各自的工作地方去了，在此我真诚祝福你们一路顺风，前途无限。除了上面的感谢外，我要向能百忙之中抽时间来对本人的毕业进行审阅的各位老师表示衷心的感谢，祝你们天天开心。参考文献1 连晋毅主编.铲土运输机械设计M.北京：机械工业出版社.2012年. 2 史青录主编.液压挖掘机M.北京：机械工业出版社.2012年. 3 同济大学编.铲土运输机械M.第二版.北京：