小型液压挖掘机设计(工作装置设计)

1、小型液压挖掘机设计（工作装置设计）第一章 绪论 1.1 设计的背景和意义 我国是一个发展中国家，在其辽阔的土地上正在进行大规模的经济建设，这就需要大量的土石方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土石方施 工机械。它正以其适应性强、作业效率高等优越性越来越受到施工单位的重视。 因此，在我国存在着一个巨大的液压挖掘机的现实市场和更为巨大的潜在市场。 近年来，我国液压挖掘机的产量在不断增加，1994 年全国液压挖掘机产量为 2010 台，1995 年为 2366 台，1996 年产量达到 3104 台，1997 年为 3341 台，1998 年 产量达到 4021 台，而 1999 年全国液

2、压挖掘机产量近 6000 台，比 1998 年增长近 40。从 1994 年到 1999 年近 5 年时间，全国液压挖掘机产量翻了两番。另一方 面，现在广大用户，各级施工单位对液压挖掘机在施工作业中的重要性或不可缺 少性认识越来越清晰，用液压挖掘机在众多场合替代装载机、推土机进行施工作 业的合理性也越来越明显。因此，可以肯定液压挖掘机的发展空间很大。随着国家经济建设的不断发展，液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。可 以预料，今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展，液压挖掘机的年 产量将会以高于 20的速度增长。国内市场，主要由以下诸多领域组成：首先 是交通运输工业领域，其次是能源工业领

3、域，第三个领域是原材料工业领域。科学在发展，社会在进步，对挖掘机的各方面的性能的要求也在不断的提高 。 国内外各个生产厂家都在积极采用新技术、新工艺、新结构来提高其性能。例如 德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最 适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新 C 系列 LS-5800 型液压 挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。 还安装了 CAPS （计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥 液压系统的功能。液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部 分组成。工作装置是直接完成挖掘任务

4、的装置，它由动臂、斗杆、铲斗等三部分 铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。工作 装置是液压挖掘机的重要组成部分，直接影响着挖掘机械的工作状态，本毕业设 计将围绕液压挖掘机的工作装置来进行，以推动国内挖掘机行业的迅速发展。1.2 挖掘机的行业现状自 20 世纪 90 年代以来，中国经济快速发展，中国工程机械行业也步入了快 速发展期。近几年来，小型工程机械作为后起之秀，在施工中，开始部分取代中 大型机械的位置，受到用户的普遍欢迎。目前，我国小型挖掘机市场正处在高速 发展阶段。随着我国城镇化进程向深度和广度的发展，道路和市政设施的修缮维 护及城市小型工程项目的增多，其工

5、程业务量占社会施工总量的比重越来越大。 据测算，一台 10 吨位小型挖掘机的作业效率可以替代 3050 个劳动力，极大地 降低了施工成本和管理成本，使得多功能小型挖掘机的需求量不断上升。2002第 1 页 共 66 页达到了 2 万余台，增长了十几倍，2008 年刚刚过去几个月，就已经呈现出了长 足增长的态势。许多国外企业在中国加大投资，进军小挖产业正是他们看好中国工程机械市场 的具体表现。从市场份额来讲，国内小型挖掘机主要还是以斗山、现代、小松、 日立等日韩品牌为主，约占行业销量的一半以上。本土小型挖掘机经过山河智能 、 玉柴等供应商多年的努力，正在逐步扩大市场占有率，目前中国本土小挖企业市

6、 场份额每年都在大幅攀升。近几年，小型挖掘机市场持续强力增长，特别是在出口方面，小型挖掘机对我 国工程机械行业出口市场起到了一定引领作用。我国本土小型挖掘机质优价廉， 性价比方面具有比较高的优势，受到海外市场的普遍青睐。2007 年我国小型挖 掘机市场销量首次突破 2 万台大关，其中近 20左右小挖销量是出口海外市场 的，其中国内某些小挖制造商的出口比例达到 40以上，甚至某些企业生产的 小型挖掘机全部用来出口，满足海外市场的需求。目前出口正成为拉动国内小型 挖掘机行业业绩增长的一个主要动力，前景十分看好。1.3 挖掘机的技术发展趋势从 20 世纪后期开始，挖掘机的生产向多功能化、专用化和自动

7、化的方向发 展。1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农 田建设的需要，国外发展了斗容量在 0.25m以下的微型挖掘机，最小的斗容量 仅在 0.01m。另外，数量最多的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种 工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、 破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、 铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机 ， 如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的 杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、

8、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、 电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计 算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有 这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展 速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置， 使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新 C 系列 LS- 5800 型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动 功率的浪费。还安装了 CAPS （计算机辅助功率系统），提高挖掘

9、机的作业功率， 更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的 FJ 系列五种新型号挖掘机配 有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃 油、发动机功率和液压功率的消耗，并处长了零部件的使用寿命；德国奥加凯 （O&K）公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工 作效率；日本神钢公司在新型的 904、905、907、909 型液压挖掘机上采用智能第 2 页 共 66 页开发了 ECO （电子控制作业）的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性 能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型 B 系统挖掘机上采 用最新的 3114T 型柴油机

10、以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一 步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。韩国大宇公司在 DH280 型挖掘机上采用了 EPOS-电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的 功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这 样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载 而熄火。4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采 用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累 积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验 技术、疲劳强度分析方法等先进技术

11、应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了 产品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创 立了预测产品失效和更新的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序， 研制了可靠性住处处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短 了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠性和耐 久性。例如，液压挖掘机的运转率达到 85%-95%，使用寿命超过 1 万小时。5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带 有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施 降低噪声干扰。6）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘

12、机的液压系统有向变量系统转 变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量变化， 使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵 的最大功率。当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增长率加 ； 采用三回路液压系统。产生三个互不影响的独立工作运动。实现与回转达机械的 功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速运 动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机 的应用与推广创造了条件。7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20 世纪 70 年代，为 了节省能源消耗和减少对环境的污染，使

13、挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖 掘机口音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着 对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要 求的提高，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃 。 20 世纪 80 年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传 感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推 广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自 动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系 统。1.4 存在问题我国小挖发展态势良好，但依然存

14、在很多问题。一、国内企业技术水平、质量、可靠性参差不齐，仅有少数企业质量技术水平 与国际先进水平接近，这主要是国内大部分企业的体系建设相对落后所致。国内第 3 页 共 66 页众多的小型挖掘机制造企业普遍存在机制、资金、人才、管理等综合实力不足的 现象，难以形成核心竞争力和规模化发展。目前小型挖掘机零部件国产化率达到 70，占采购成本的 50。各大挖掘机制造商背后都有世界知名的零部件商作 技术支撑，零部件技术的进步带动整机性能和可靠性的提高。小型挖掘机的液压 系统中泵、阀、马达等关键技术、工艺和知识产权基本掌握在日本、德国等少数 国家的厂商手中，采购成本约占据了整机成本的 40。与挖掘机相配套

15、的小型 发动机技术也掌握在日本、美国、德国等发达国家手中。随着国内小挖市场的持 续升温，国产小挖关键配套件缺失的矛盾进一步升级。制约我国工程机械品质提 升的一个重要因素，就是基础配套件的落后以及上游供应链的薄弱。迫于竞争的 加剧，挖掘机制造企业对配套件质量的要求越来越高，国产小挖企业几乎都选择 进口的关键零部件。从国外进口零部件，不仅供货期不能保证，导致企业无法进 一步提高产量。同时，从国外采购的全套液压系统，占到了整机成本的 30 ， 而且价格没有商量的余地。加上售前、售后服务不到位等因素，大大制约了国产 小挖的快速发展。 二、进口二手挖掘机对国内小型挖掘机行业的影响也很大。目前国内存在大量

16、 进口的二手设备，以挖掘机数量最为巨大，其中包括了相当比例的小型挖掘机， 对国内本行业的发展产生了相当大的冲击。第 4 页 共 66 页第二章 液压挖掘机反铲工作装置结构方案设计 2.1 引言单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械。它是 目前挖掘机械中重要的机种之一。单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗(一般装有斗齿 的切削刃切削土壤并 将土装入斗内，斗满后提升。回转至卸上位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下 降到地面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继 续作业。因此单斗液压挖掘机是一种周期作业的自行式土方机械。2.2 液压挖掘机的基本组成分析与工作原

17、理单斗液压挖掘机为实现周期性作业的要求，设有下列基本组成部分:工作装 置、回转装置、动力装置、传动操纵机构、行走装置和辅助设备等。常用的全回 转式(转角3600 挖掘机，其动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助 设备和驾驶室等都在转台上，称上部转台。因而这种挖掘机也可概括为由工作装 置、上部转台和行走装置三大部分组成，而挖掘机的基本性能决定于各部分的构 造、性能及其综合的效果。图 2-1 为液压挖掘机基本组成及传动示意图，如图所示，柴油机驱动液压泵 ， 操纵分配阀，将高压油送给各液压执行元件(液压缸或液压马达 驱动相应的机构 进行工作。液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通

18、过液压缸的伸缩 来实现。反铲工作装置由铲斗 1、斗杆 2、动臂 3、连杆 4 及相应的三组液压缸 5. 6. 7 组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置 绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动; 而铲斗铰接于斗杆 前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达，转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操 纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩; 动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗 缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸 和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作 装置转到

19、卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后 ， 工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同 ， 反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。上述过程 仅为一般的理想过程。总之，液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现 有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间， 再通过行走马达驱动行走(移位 ，使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从 而满足挖掘作业的要求。第 5 页 共 66 页图 2-1 液压挖掘机基本组成及传动示意图 1-铲斗 2 斗杆 3

20、-动臂 4-连杆 5、6、7-液压油缸-挖掘装置 -回转装置 -行走装置2.3 反铲工作装置结构设计方案工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一。反铲装置是中小型液压挖掘机 的主要工作装置，也是建筑型挖掘机的主要工作装置。由于整体式弯动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻， 并且有利于得到较大的挖掘深度，故该反铲液压挖掘机采用整体式弯动臂。同时 采用整体式可调节斗杆以增大作业适应性。(2动臂及斗杆油缸的布置动臂油缸装于动臂的前下方，下支承点设在转台回转中心之前，并稍高于转 台平面。两动臂油缸活塞杆分别铰接动臂两侧，在结构上有加筋保证强度。而斗 杆油缸铰接于动臂上端，活塞杆铰接于斗杆

21、大端。(3铲斗与铲斗油缸的连接方式铲斗油缸通过摇杆和连杆与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构，因 此较四连杆连接方式在相同的油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的 传动特性。(4铲斗的结构特点由于铲斗的作业对象繁多，作业条件也不同，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。采用切削前缘齐平，带侧齿，侧壁微凸形铲斗 以增大对岩石的作业效果。第 6 页 共 66 页装置的性能。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，照顾其他条件的性能。反铲装置总体方案的选择包括以下方面： (1动臂及动臂油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

22、式或整体式动臂的形 状。确定动臂油缸的布置为悬挂式或是下置式。本设计采用整体式动臂，动臂弯角 a 1 = 150 (其推荐范围：150170 ，动臂油缸采取下置式布置。(2斗杆及斗杆油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。本设计采用整体式斗杆，不采用变铰点调节。 (3确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数 k 1 = l12 一般当 k 12 时称为长动臂短斗杆方案，当 k 1 = 1.67 ； 0.9 l5 。悬挂式动臂连接方案即属于此类。 由式（34）和（36）得斗杆液压缸全缩时 CFQ = a32 a8 最大，常选（a 32 a8 max

23、 = 160 180 。初选（a 32 a8 max = 170。 显然，动臂的摆角为 - = 84第 13 页 共 66 页 到最大卸载高度状态，如图 33。 由图知最大卸载高度的表达式为：H 3max = Yc + sin( a11 1min a2 + l 2 sin( a32max 1min a8 + a11 a2 180 l3(3-10将以上所得代入式（310）可得Y c = 780 mm当悬挂式动臂液压缸全伸，FQV 三点同直线并处于垂直状态时可以得到最大 挖掘深度状态，如图 34。由图知最大挖掘深度的表达式为：第 14 页 共 66 页初选 a 1 = 130 ，则 图 33 最大

24、卸载高度计算简图l 1 l 22由正弦定理得， ，因此 a 2 = 23 , a39 = 180 a1 a2 27sin a1 sin a 2 3.4 斗杆机构参数选择确定斗杆液压缸的铰点位置，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。一般来说希望液压缸在全行程中 产生的斗齿挖掘力始终大于正常挖掘阻力；液压缸全伸时的作用力矩应足以支承 满载斗和斗杆静止不动；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

25、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。斗杆摆角范围大致在 105125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，其摆角范围第 15 页 共 66 页图 34 最大挖掘深度计算简图距离应大于 10cm 。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 。，按要求的最大挖掘力确参考国内同类机型机器斗杆挖掘力值定斗杆液压缸的最大作用力臂 。初选斗杆液压缸缸筒内径为 140mm ，杆径为 80mm ，伸缩比 2 = 1.67。可查得，液压缸的推力为 215.46KN ，

26、拉力为 145.04KN 。G max23 （311） e 2 max = l 9 = P 2= 484.5mm 则 e 2 max = l 9 =215.46 斗杆的摆角在105125之间，取 2max = 110斗杆液压缸初始力臂 e 20 与最大力臂 e 2 max 之比是斗杆摆角 2max 的余弦函数。设 e 20 = e2 Z ，则可见 l 9 已定时 2max 愈大， e 20 和 e 2 Z 就愈小。如图 35 所示，平均挖掘力也就越 小。第 16 页 共 66 页 l 2max = 1978.5mm l 8 = l + l92 2l 2min l 9 cos图 35斗杆机构参数

27、计算简图由图 35，取 e 20 = e2 Z ，求得2l 9sin l 2min = 1185mm 2 1(312 2max+ 2 max2将所得结果代入式(312 得 挖掘机在最大卸载高度处，斗杆液压缸全缩, 此时 3.5 铲斗机构参数选择作机构参数选择时，已知待选的参数还有 7 个（见图 36）即。第 17 页 共 66 页 图 36 铲斗机构参数选择如前所述，铲斗在挖掘过程中的转角大致为 90100，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 150180，本设计初 选 3max = 160 。如图 37 所示，设 l 3 = l3 min 时斗齿尖为 V 0

28、，则V 0肯能在 FQ 延长线上，或者在其本设计初选 3 = 1.46。由图得， MM 1 = S = 517mm ，即转斗液压缸的行程。则第 18 页 共 66 页上侧的 030处，本设计初选V 0 在其上侧 15处，此时 V 0QV 1 为仰角。图 37 铲斗机构参数选择要求铲斗液压缸伸缩比应当在允许的范围内，对铲斗机构可取 3 = 1 .45 1 .65 。 则可测的 GFQ = 60 , GF = 567mm 。 由结构确定 G 点位置，必须保证铲斗六连杆机构在 l 3 全行程中任一瞬时都不会被破坏，即保证 GFQ , GNM 在任何瞬时都成立。l 3 全行程中机构都不应出现死点 ，

29、且传动角应在允许的范围内。在任何瞬间各构件之间都不应有干涉，碰撞现象。3.6 本章小结前述机构参数的选择计算是初步的。所谓设计要求只考虑了工作尺寸和 各油缸的作用力矩及其变化规律两方面。接着应考察各油缸作用力矩的均衡性， 整机挖掘稳定性，整机与地面的附着性，满足结构和布置的可能性等，以综合比 较各初选方案，从而确定最佳的机构参数。第 19 页 共 66 页 第四章 液压挖掘机反铲工作装置受力分析4.1 引言本章主要讨论液压挖掘机反铲装置设计计算时工况及计算位置的选择，载荷 的分析和计算图式等。工作装置主要由铲斗，斗杆，动臂以及连杆机构的各种工作由缸组成。对这 些结构件的分析计算，首先应确定各结

30、构的最不利工况，即在这工况下对某一结 构件可能出现的最大应力，以这工况作为设计该结构的依据，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。由于影响挖掘机挖掘力的因素很多，如三个工作油缸的匹配，整机稳定问题 等，并且同样的反铲装置还有较多的形式，因此对计算位置的选择，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试，使工作装置的结构设 计有可能得到比较可靠而又经济的结构尺寸和形状。4.2 动臂液压缸的作用力计算动臂液压缸应保证反

31、铲作业过程中在任何位置上都能提起带有满载铲斗的 工作装置达到最高和最远的位置。可选用三个计算位置： 1. 从最大挖掘深度处提起满载斗（图 41 a） 2. 最大挖掘半径时举起满载斗（图 41 b） 3. 最大卸载高度时提起满载斗（图 41 c）根据斗容量查参考资料确定工作装置各部分重量：表 4-1 反铲装置的构造近似质量表 表 4-2 最大挖掘深度处各重量的近似力臂值表（mm ）动臂 斗杆 铲斗第 20 页 共 66 页斗杆缸 铲斗缸连杆摇杆 动臂缸 1703 1253 由 2163 1873 有： 1613 2323小型液压挖掘机设计（工作装置设计） 2093 743 429 图 41 动臂

32、液压缸的作用力计算简图第 21 页 共 66 页 表 4-3 最大挖掘半径处各重量的近似力臂值表（mm ） 表 4-4 最大卸载高度处各重量的近似力臂值表（mm ）4.3 液压缸的闭锁压力计算确定合理的液压缸闭锁能力是保证挖掘力得到充分发挥的条件之一。在挖掘 范围内当工作装置处于不同位置时各液压缸所受到的被动作用力值也不同，要全 面地确定各位置下的液压缸被动作用力，既很繁琐，又无必要。一般常选定几个 反铲作业主要工况作为计算位置来计算各液压缸应有的闭锁力，使之在该工况下 不发生液压缸被动回缩或伸长的现象，从而保证了工作液压缸作用力的发挥。根据参考资料初选动臂液压缸一支，缸径 140mm ，杆径

33、 80mm 。则动臂液压缸大腔推力 246.2KN ， 动臂液压缸小腔推力 165.8KN ，初选斗杆液压缸一支，缸径 100mm ，杆径 50mm 。则斗杆液压缸大腔推力 125.6KN ， 斗杆液压缸小腔推力 94.2KN ，第 22 页 共 66 页初选铲斗液压缸一支，缸径 100mm ，杆径 50mm 。则铲斗液压缸大腔推力 125.6KN ， 铲斗液压缸小腔推力 94.2KN ，为确定各液压缸的闭锁压力，选用以下三个计算位置：1. 动臂处于最低位置，斗杆呈垂直状态，转斗挖掘，其作用力臂为最大（图 42）。 因此铲斗液压缸产生的挖掘力为最大，挖掘阻力对动臂铰点 C ，斗杆铰点 F 所造

34、 成的力矩均接近最大值，而动臂液压缸的力臂值为最小。表 4-5 第一种工况时各作用力的近似力臂值表（mm ）转斗液压缸挖掘力 可通过对 Q 点的力矩平衡方程求得： 从可能出现的最不利的情况出发，假设存在法向阻力，其值取各力对 F 点取矩，可得到斗杆液压缸所受的被动作用力 第 23 页 共 66 页 图 42 第一种工况液压缸闭锁压力计算简图其中， G 2 斗杆，转斗液压缸及连杆机构总重使斗杆液压缸受压缩（液压缸的大腔为高压腔）。假设此时限压阀调定压 力等于液压缸的工作压力，则大腔的闭锁力等于其作用力 125.6KN ，而小于 =128KN，显然液压缸会回缩。为了防止液压缸回缩，限压阀的调定压力

35、应高于液压缸工作压力，超出的百分比 为：第 24 页 共 66 页 同样对动臂在平台上的支撑点 C 取矩，求得动臂液压缸所受的被动作用力 P 1 使动臂液压缸受压缩（液压缸的大腔为高压腔）。假设此时限压阀调定压力 等于液压缸的工作压力，则大腔的闭锁力等于其作用力 246.2KN ，而小于 =249.7KN，显然液压缸会回缩。为了防止液压缸回缩，限压阀的调定压力应高于液压缸工作压力，超出的百分比 为：2. 动臂处于最低位置，斗杆与动臂铰点 F ，斗与斗杆铰点 Q ，斗齿尖 V 三点共线 ， 斗杆挖掘，其作用力臂最大（图 43）。这种情况下斗杆液压缸产生最大挖掘力 ， 挖掘阻力对动臂铰点 C 的力

36、矩接近最大值，而动臂液压缸的力臂值为最小。表 4-6 第二种工况时各作用力的近似力臂值表（mm ） 仍取W 2 = 0.2W 1 = 0.2 22.6 = 4.52KN第 25 页 共 66 页图 43 第二种工况液压缸闭锁压力计算简图对动臂在平台上的支撑点 C 取矩：P 1 使动臂液压缸受压缩（液压缸的大腔为高压腔）。假设此时限压阀调定压力等于液压缸的工作压力，则大腔的闭锁力等于其作用力 246.2KN ，而大于 P 1 =236.72KN，显然能锁住。第 26 页 共 66 页富余的百分比为： 各力对 Q 点取矩，可得到铲斗液压缸所受的被动作用力 P 3 ： P 3使铲斗液压缸受压缩（液压

37、缸的大腔为高压腔）。假设此时限压阀调定压力等于液压缸的工作压力，则大腔的闭锁力等于其作用力 125.6KN ，而大于 P 1 =98KN，显然能锁住。 富余的百分比为：3. 动臂处于最低位置，挖掘深度最大，F 、Q 、V 三点共线，铲斗挖掘，要求能克 服平均挖掘阻力（图 44）。在这种挖掘状态下，挖掘阻力对动臂铰点 C 必将 造成最大的挖掘阻力矩。它会要求液压缸缸径加大，或闭锁力过分增高，这种过 分要求被认为是不合理的。因此在这种位置挖掘时要求只克服平均挖掘阻力。 首先计算最大挖掘阻力：（41） W 1max = C R (1 cos maxl 35 BAZX + D 式中 C 土壤硬质系数。

38、对于 III 级土宜取 C = 90 150 ,取 C=100。 铲斗与斗杆铰点到斗齿齿距离，单位为 cm 。取 R = l 3 = 80cm 。 2max 挖掘过程中铲斗总转角的一半， max = 48B 切削刃宽度影响系数， B = 1+ 2.6b ， b 为铲斗平均宽度，单位为 m 。A 切削角变化影响系数，取 A = 1.3。 斗的侧壁厚度影响系数，初选 X = 1 .15cm 。Z 带有斗齿的系数，Z=0.75。第 27 页 共 66 页。 D 切削刃挤压土壤的力，根据斗容大小在 D=1000017000N 的范围内选 取，斗容小于 0.25m 3 时，D 应小于 10000N 。取

39、 D=8000N。铲斗平均挖掘阻力：取W 1J = 30kN 表 4-7 第三种工况时各作用力的近似力臂值表（mm ） p 1 使动臂液压缸受压缩（液压缸的大腔为高压腔）。假设此时限压阀调定压力 等于液压缸的工作压力，则大腔的闭锁力等于其作用力 246.2KN ，而小于 p 1 =281.4KN，显然液压缸会回缩。为了防止液压缸回缩，限压阀的调定压力应高于液压缸工作压力，超出的百分比1为： 1 246.2 100 = 14.3 P 1第 28 页 共 66 页图 44 第三种工况液压缸闭锁压力计算简图同理，对 F 点取矩得：P 2使斗杆液压缸受压缩（液压缸的大腔为高压腔）。假设此时限压阀调定压

40、力等于液压缸的工作压力，则大腔的闭锁力等于其作用力 125.6KN ，而小于 P 2 =150.9KN，显然液压缸会回缩。第 29 页 共 66 页 为： 表 4-8 液压缸闭锁力计算结果汇总表 4.4 本章小结从反铲挖掘机的工作原理分析可知，它是靠油缸力来进行挖掘工作的，而且 为了克服铲斗上的阻力矩，各个工作油缸在各个位置上必须要提供最大的推力。 其工作过程可分为挖掘过程和提升过程，其中挖掘工作是由铲斗油缸或斗杆油缸 完成的，提升工作由动臂油缸完成。挖掘力是衡量挖掘机反铲装置性能的重要性 能指标之一，挖掘力又可以分为工作油缸的理论挖掘力、整机理论挖掘力和整机 实际挖掘力，本章主要计算的是动臂

41、，斗杆及铲斗与各油缸之间的作用力。第 30 页 共 66 页 第五章 液压挖掘机反铲工作装置强度分析 5.1 引言液压挖掘机反铲工作装置的主要构件一般由不同厚度的进口 16Mn 钢焊接而 成，该钢材综合性能、焊接性及低温韧性、冷冲压及切削性均好很好，但缺口敏 感性较碳钢差，价廉，广泛用于大型船舶、车辆、桥梁、锅炉、压力容器、起重 及矿山设备、电站及承受动负荷等的焊接结构，材料的性能决定了挖掘机的工作 尺寸，并影响挖掘机的工作性能和整体稳定性。但对于挖掘机这种复杂动作的机 械来说，每一个姿态下的受力情况都相差很大，因而对不同姿态工作装置的建模 存在很大差异。以下将不同的姿态位置对工作影响较大的受

42、力及计算结果加以比 较，来检验工作装置的强度。其相关材料性能如表 5-1 所示：表 5-1 16Mn 钢的有关材料属性表 5.2 有限元法分析简介挖掘机的有限元分析是伴随着有限元理论和有限元软件的广泛应用而迅速发展起来的，特别是自 20 世纪八十年代以来，随着国外几种商用有限元软件进 入我国挖掘机有限元分析的研究已初具规模。在众多有限元软件中，比较可靠的有国外的 Ansys,NASTRAN,MOCAL,ALGOR 等，国内真正通用的还几乎没有，所能做 到的只是一些用于某种单元或是某个机构的有限元分析。有限元的分析:自国外几家大型有限元软件在我国投放以来，有限元分析在很多领域得到应用。其中有很多

43、是挖掘机的有限元分析。总的来说，这类分析主 要集中在对某些部件的研究上。对整体机构进行有限元分析既可以提高我国设计 能力和设计水平，反过来也可以利用有限元分析解决挖掘机在使用中出现的问 题。总之，由于有限元单元法在我国应用比较晚，且主要集中在力学领域，因此 对挖掘机的有限元分析还存在一定的局限性。可以预见，随着大型和超大型挖掘 机的不断涌现，合理地设计各构件更加重要。本论文利用大型有限元软件 Ansys 对履带式单斗液压挖掘机的整个工作机构进行了有限元分析。5.3 不同工况下姿态的选取原则 图 5-1 铲斗最高位置第 32 页 共 66 页图 5-3 停机面最大挖掘半径 图 5-4 最深挖掘位

44、置动臂、斗杆最大受力位置出现在动臂油缸全缩，斗杆与斗杆油缸铰接点、斗 杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直斗杆油缸，如图 5-6 所示。据计 算，此位置对动臂与斗杆都产生最大的力矩，是动臂和斗杆出现危险截面处的工 况。相同挖掘力作用时，对动臂、斗杆产生的作用力最大。对此位置进行强度及第 33 页 共 66 页图 5-6 动臂、斗杆最大受力位置 因。 5.4 各姿态的强度分析(1单元划分：工作装置铲斗最高位置，而且挖掘机按最大旋转速度和最大 角加速度工作。这时建立的有限元模型中，其节点的总数为 4944 个，单元的总 数为 7388 个。单元的类型有三角形，四边形等单元。(2受力分布：对此

45、位置受力分析时，考虑的力有：工作装置的重力和工作 装置上升的惯性力。风载荷和各杆之间的摩擦力作用与上述两种力相比很小，可 经忽略。(3计算结构与分析：经分析得到的最大变形为 12.1mm ，如图 5-7 所示，最 大应力为 86.3MPa ，如图 5-8 所示。与许用应力 345MPa 相比，此工况下工作装 置的受力是安全的。 图 5-7 最大变形云图 图 5-8 最大应力云图(1单元划分：在工作装置处于最高卸载位置时，建立有限元模型图，划分 的节点总数为 6438 个，单元总数为 9603 个。(2受力分析：对其施加力，这时的力主要是各构件的自重，物料的重量及 满斗时卸载过程的冲击力和旋转时

46、两者的惯性力，忽略风载，摩擦等。(3计算结果与分析：(3-1在重力的作用下，工作装置的最大变形出现在铲斗与连杆机构相铰接的地方，且最大变形量为 42.3mm ，此时的位移变形如图 5-9 所示。(3-2在重力与旋转角速度的作用下，工作装置的最大变形出现在铲斗与连杆机构相铰接的地方，且最大变形量为 49.1mm ，此时的位移变形如图 5-10 所示 。(3-3在重力的作用下，工作装置的最大应力出现在动臂与动臂油缸的铰接处，此时的最大应力值为 185.3Mpa ，如图 5-11 所示，对于静力分析来说，工作 装置的应力没有超出其极限应力与许用应力的范围。因而此情况下的设计是安全 的。但是此时的最大应力出现在动臂与铲斗的铰接处，就说明这个位置的受力是 最大的，当处于动载荷下有可能发生断裂或破坏，要注意次位置的结构及制造工 艺。 第 34 页 共 66 页 图 5-9 重力作用下的变形云图 图 5-10 重力与角速度作用下的变形云图 图 5-11 重力与角速度作用下的应力云图 第 35 页 共 66 页 图 5-12 工作装置变形云图图 5-13 工作装置应力云图图 5-14 动臂应力云图(1单元划分：对最深挖掘位置处建立有限元模型，总共有两种单元：Shell63 单元和 Pi