液压挖掘机反铲工作装置设计毕业论文

1、毕业设计（论文）题 目： 液压挖掘机反铲工作装置设计 学 院： 航空制造工程学院专业名称： 机械设计制造及其自动化班级学号： 08031717学生姓名： 指导教师： 二O一二 年 六 月 液压挖掘机反铲装置设计 摘要：液压挖掘机是一种重要的工程机械，它的广泛应用对于减轻劳动量，保证工程质量，加快工程进度，提高劳动生产率起了巨大的作用。反铲工作装置由动臂，斗杆，动臂液压缸，斗杆液压缸和铲斗液压缸组成。 本文根据液压挖掘机反铲装置的结构特点和工作原理，对其各主要机构进行了运动学分析。并在此基础上，根据设计说明书的设计要求，结合各机构的工作特点和设计要求，在对各机构分析计算的同时，结合构件已知尺寸参

2、数，算出各机构中构件的其它参数，为各构件的结构设计提供数据支撑。挖掘力是衡量挖掘机挖掘能力的重要参数。挖掘力是由各液压缸中的油液压力提供的，是主动力。最大挖掘力的实现受诸多因素的制约，它是工作装置各铰点受力分析的基础。挖掘阻力不仅与铲斗的尺寸形状有关，还与挖掘对象有关，是两者的综合反映。 关键词： 液压挖掘机 反铲装置 运动分析 参数设计 力学分析 指导老师签名： The Design for Backhoe Equipment of the Hydraulic ExcavatorStudent name : Dong Chen xi Class: 080317 Supervisor: Xin

3、g PuAbstract: Hydraulic excavator is an important engineering machinery. Its wide application played a tremendous role to reducing the volume of labor and to ensuring project quality and to accelerating progress and to increasing productivity. Backhoe working devices is made up of a moving arm and a

4、 fighting pole and shovel and a hydraulic tank of moving arm and a hydraulic tank of fighting pole and a hydraulic tank of shovel. Based on the hydraulic excavator backhoe device characteristics and the structure of principle , to all the major institutions of the kinematic analysis . On this basis

5、, in accordance with the design specification design requirements , with the bodies of the characteristics and design requirements , in terms of the various agencies at the same time , combining elements of known size parameters , calculated in the component agencies of other parameters , for variou

6、s components , The shape of design data support.Mining is a measure of the ability of excavators digging the important parameters. Mining is done by the hydraulic cylinder of the pressure on the oil , is initiative , the largest excavation of the realization by many factors , it is also working devi

7、ce to hinge point Analysis of the foundation . Mining resistance not only reflect the size of bucket shape , but also with the excavation of the object , is a comprehensive reflection of the two.Keyword： hydraulic excavator backhoe device motion analysis design parameters mechanical Signature of Sup

8、ervisor:目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc15795 1 前言 HYPERLINK l _Toc19159 课题背景及目的 PAGEREF _Toc19159 1 HYPERLINK l _Toc23236 1.2 国内外研究状况 PAGEREF _Toc23236 1 HYPERLINK l _Toc3808 1.3 论文构成及研究内容 PAGEREF _Toc3808 3 HYPERLINK l _Toc26901 2 挖掘机工作装置的总体设计 HYPERLINK l _Toc20558 2.1 工作装置构成 PAGEREF _Toc20558 4

9、HYPERLINK l _Toc27848 2.2 动臂及斗杆的结构形式 PAGEREF _Toc27848 5 HYPERLINK l _Toc17885 2.3 动臂油缸与铲斗油缸的布置 PAGEREF _Toc17885 6 HYPERLINK l _Toc70 2.4 铲斗与铲斗油缸的连接方式 PAGEREF _Toc70 6 HYPERLINK l _Toc19586 2.5 铲斗的结构选择 PAGEREF _Toc19586 7 HYPERLINK l _Toc20503 2.6 原始几何参数的确定 PAGEREF _Toc20503 8 HYPERLINK l _Toc15463

10、 3 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析 HYPERLINK l _Toc17022 动臂运动分析 PAGEREF _Toc17022 11 HYPERLINK l _Toc32410 斗杆的运动分析 PAGEREF _Toc32410 12 HYPERLINK l _Toc4308 铲斗的运动分析 PAGEREF _Toc4308 13 HYPERLINK l _Toc12651 3.3.1铲斗的传动比 PAGEREF _Toc12651 13 HYPERLINK l _Toc2306 3.3.2最大卸载高度 PAGEREF _Toc2306 15 HYPERLINK l _Toc2267

11、6 3.3.3最大挖掘半径 PAGEREF _Toc22676 16 HYPERLINK l _Toc8076 4 工作装置各部分的基本尺寸计算和验证 HYPERLINK l _Toc16270 4.1 铲斗各参数的确定 PAGEREF _Toc16270 17 HYPERLINK l _Toc32505 4.1.1铲斗结构形状的设计及基本要求 PAGEREF _Toc32505 17 HYPERLINK l _Toc10193 4.1.2铲斗主要参数的确定 PAGEREF _Toc10193 17 HYPERLINK l _Toc26544 4.2 动臂机构参数的确定 PAGEREF _To

12、c26544 18 HYPERLINK l _Toc10825 4.3 斗杆机构基本参数的选择 PAGEREF _Toc10825 20 HYPERLINK l _Toc23391 4.4 铲斗机构基本参数的选择 PAGEREF _Toc23391 21 HYPERLINK l _Toc8684 4.4.1转角范围 PAGEREF _Toc8684 21 HYPERLINK l _Toc23623 4.4.2铲斗机构其它基本参数的计算 PAGEREF _Toc23623 21 HYPERLINK l _Toc28903 5 工作装置结构设计 HYPERLINK l _Toc24291 5.1

13、挖掘阻力分析 PAGEREF _Toc24291 23 HYPERLINK l _Toc27784 5.1.1转斗挖掘阻力计算 PAGEREF _Toc27784 23 HYPERLINK l _Toc27454 5.1.2斗杆挖掘阻力计算 PAGEREF _Toc27454 24 HYPERLINK l _Toc11482 5.2 斗杆的结构设计 PAGEREF _Toc11482 25 HYPERLINK l _Toc20663 5.2.1斗杆的受力分析 PAGEREF _Toc20663 25 HYPERLINK l _Toc1342 5.2.2结构尺寸的计算 PAGEREF _Toc1

14、342 30 HYPERLINK l _Toc14528 5.3 动臂结构设计 PAGEREF _Toc14528 32 HYPERLINK l _Toc22181 5.3.1第一工况位置 PAGEREF _Toc22181 33 HYPERLINK l _Toc4262 5.3.2第二工况位置 PAGEREF _Toc4262 36 HYPERLINK l _Toc12482 5.3.3内力图和弯矩图的求解 PAGEREF _Toc12482 39 HYPERLINK l _Toc2692 5.4 铲斗的设计 PAGEREF _Toc2692 43 HYPERLINK l _Toc8624

15、5.4.1铲斗斗形尺寸的设计 PAGEREF _Toc8624 43 HYPERLINK l _Toc14023 5.4.2铲斗斗齿的结构计算 PAGEREF _Toc14023 44 HYPERLINK l _Toc20446 5.5 挖掘机工作装置油缸推力 PAGEREF _Toc20446 44 HYPERLINK l _Toc6205 PAGEREF _Toc6205 44 HYPERLINK l _Toc4001 5.5.2斗杆油缸推力 PAGEREF _Toc4001 45 HYPERLINK l _Toc31497 5.5.3动臂油缸推力 PAGEREF _Toc31497 45

16、 HYPERLINK l _Toc7815 5.6 销轴与衬套的设计 PAGEREF _Toc7815 46 HYPERLINK l _Toc13213 5.6.1销轴的设计 PAGEREF _Toc13213 46 HYPERLINK l _Toc9107 5.6.2销轴用螺栓的设计 PAGEREF _Toc9107 46 HYPERLINK l _Toc31802 5.6.3衬套的设计 PAGEREF _Toc31802 46 HYPERLINK l _Toc5660 6 结论 HYPERLINK l _Toc17572 参考文献 PAGEREF _Toc17572 48 HYPERLIN

17、K l _Toc19828 致 谢 PAGEREF _Toc19828 49 HYPERLINK l _Toc6910 附录：三维建模,装配截图 PAGEREF _Toc6910 50液压挖掘机反铲装置设计1前言 液压挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等行业的机械化施工中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。 反铲式液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是中型挖掘机的设计已经趋于成熟。

18、我国挖掘机械行业近年来虽有很大的发展，但从产品的种类、数量和技术性能及制造质量上都还不能满足现代化建设发展的要求，迅速地提高挖掘机械的设计、研究和生产的技术水平是当前挖掘机械行业所面临的迫切而艰巨的任务。所以非常有必要提高挖掘机工作装置的可靠性，对结构进行优化、减轻工作装置重量、提高工作效率、减少能耗，从而提高挖掘机生产企业的设计水平和自主开发能力。我国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产的第一台斗容量为1 SKIPIF 1 0 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

19、、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WY100型、贵阳矿山机器厂的WY60型、合肥矿山机器厂的WY60挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的WY160型和杭州重型机械厂的WY250型挖掘机等。他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。 SKIPIF 1 0 以及大型矿用10 SKIPIF 1 0 、12 SKIPIF 1 0 机械传动单斗挖掘机，1 SKIPIF 1 0 隧道挖掘机，4 SKIPIF 1

20、 0 长臂挖掘机，1000 SKIPIF 1 0 每小时的排土机等。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与国际先进睡睡水平相比，有很大差距。工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容量3.540 SKIPIF 1 0 单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。 是世界上目前最大的挖掘机。 从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。（1）、开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。（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

21、纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。（3）、采用新技术、新工艺、新结构、系列化、通用化发展速度。(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，并将疲劳损伤积累论、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和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并建立了预测产品失效和更新理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程度周期，加快了液压

22、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。（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，为了节省能源消耗减少对环境污染，是挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘机上应用电子和自动控制技术。随着对液压挖掘机的工作效率、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，促使了机电液一

23、体化在挖掘机的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。1.3 论文构成及研究内容本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、销轴、连杆机构组成挖掘机工作装置进行设计。具体内容包括以下五部分:(1) 挖机工作装置的总体设计。(2) 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析。(3) 工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证。(4) 工作装置主要部件的结构设计及仿真设计。(5) 销轴的设计及螺栓等标准件进行选型。2 挖掘机工作装置的总体设计液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃切削土壤并将土装入斗内。斗装满后提升，回转到卸土位置进行卸土。卸完后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘。本文主要对工作装置的反铲装置进行分析。2.1

24、工作装置构成液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，反铲工作装置由铲斗、连杆、斗杆、动臂、相应的三组液压缸等组成，液压挖掘机的工作装置组图如图2-1所示。1-斗杆油缸；2- 动臂； 3-油管； 4-动臂油缸； 5-铲斗； 6-斗齿； 7-侧板；8-连杆； 9-曲柄： 10-铲斗油缸； 11-斗杆.图2-1 工作装置组成图 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

25、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。 挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。根据以上特征，可以对工作装置进行适当简化处理。则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，三维装配图如图2-2。图2-2 挖掘机三维装配图 挖掘机的工作装置

26、经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、铲斗油缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。2.2 动臂及斗杆的结构形式动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构型式往往取决于动臂的结构型式。反铲动臂可以分为整体式和组合式两类。整体式动臂有直动式和组合式两类。直动式臂结构简单，轻巧，布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。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式和强度值得注意，近年来悬挂式挖掘机出现了小弯臂的结构形式，是直动臂的改良，动臂的箱型结构

27、可以不用开口，动臂和斗杆油缸及管路的布置也比较方便。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较少，通用性较差。而组合式动臂工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化调整，较合理的满足各种类型作业装置的参数和结构要求，装车运输比较方便。由于所设计的是中型液压挖掘机，综上选用整体式动臂。斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故采用整体式斗杆。2.3 动臂油缸与铲斗油缸的布置动臂油缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）设在转台回转中心之前并稍高于转台平面，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。油缸

28、活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影响动臂的下降幅度。并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双动臂在结构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足，所以动臂油缸和铲斗油缸的布置为是下置式，具体结构示意图如图2-3动臂油缸铰接示意图。1-动臂； 2-动臂油缸图2-3 动臂油缸铰接示意图2.4 铲斗与铲斗油缸的连接方式本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗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。该布置中1杆与2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。如图2-4所示。1-曲柄； 2-连杆

29、图2-4 铲斗连接布置示意图2.5 铲斗的结构选择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，其应满足以下的要求：有利于物料的自由流动。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于各种物料的运动规律。要使物料易于卸尽。为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应大于4，大于50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图2-5所示。图2-5 铲斗斗齿的安装连接采用橡胶卡销式，结构示意图如2-6所示。1-卡销 ；2 橡胶卡销；3 齿座； 4斗齿图2-6 卡销式斗齿结构示意图2.6 原始几何参数的确定（1）动臂与斗

30、杆的长度比K1由于所设计的挖机适用性较强，一般不替换工作装置，故取中间比例方案，K1取在1.52.0之间，初步选取K1=1.8，即l1/l2=1.8。（2） 铲斗斗容与主参数的选择斗容：q =0.9 m3按经验公式和比拟法初选：l3=1550mm（3） 工作装置液压系统主参数的初步选择各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力。初选动臂油缸内径D1=140mm，活塞杆的直径d1=90mm。斗杆油缸的内径D2=140mm，活塞杆的直径d2=90mm。铲斗油缸的内径D3=110mm，活塞杆的直径d3=80mm。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程L1=1000mm，斗杆油缸行程L2=1

31、450mm，铲斗油缸行程L3=1250mm。并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比：1=2=3=1.6。参照要求选择工作装置液压系统的工作压力P=31.4MPa，闭锁压力Pg=34.3MPa。由上绘出图2-7工作装置结构简图和表一后面设计中所需的参数。此上，后续设计所需参数已给定，液压挖掘机的总体设计基本完成。 图2-7：工作装置结构简图表一 ：反铲机构自身几何参数表参 数 分 类机 构 组 成铲 斗斗 杆动 臂机 体符 号 意 义原始参数 SKIPIF 1 0 =QV , SKIPIF 1 0 =MH , SKIPIF 1 0 =MN , SKIPIF 1 0 =HN, SKIPIF

32、1 0 =QK, SKIPIF 1 0 =KV, SKIPIF 1 0 =KH SKIPIF 1 0 =FQ, SKIPIF 1 0 =EF, SKIPIF 1 0 =FG, SKIPIF 1 0 =EG, SKIPIF 1 0 =GN, SKIPIF 1 0 =FN, SKIPIF 1 0 =NQ SKIPIF 1 0 =CF, SKIPIF 1 0 =CD, SKIPIF 1 0 =CB, SKIPIF 1 0 =DF, SKIPIF 1 0 =BF SKIPIF 1 0 =CP, SKIPIF 1 0 =CA, SKIPIF 1 0 =CI, SKIPIF 1 0 =CT, SKIPIF

33、 1 0 =CS, SKIPIF 1 0 =JT, SKIPIF 1 0 =JI推 导参 数 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 ，

34、 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 特 性 参 数 SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 备 注 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 3 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析反铲装置的具体结构型按运动学分析，在运动学上能以通用的数学表达式表示。本文通过直角坐标系对典型结构型式作运动分析的方法反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度 SKIPIF 1 0 、

35、斗杆液压缸的长度 SKIPIF 1 0 和铲斗液压缸的长度 SKIPIF 1 0 。3.1 动臂运动分析动臂是液压挖掘机的主要部件，前面选定整体式动臂，动臂上任意一点在任一时刻也都是L1的函数。 SKIPIF 1 0 动臂油缸的最短长度； SKIPIF 1 0 动臂油缸的伸出的最大长度；A：动臂油缸的下铰点；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点.图3-1 动臂摆角范围计算简图如图3-1所示，1是L1的函数，图中 SKIPIF 1 0 动臂油缸的最短长度； SKIPIF 1 0 动臂油缸的伸出的最大长度； SKIPIF 1 0 动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值； SKIPIF 1

36、 0 动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最大值；在三角形AB0C中： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 动臂的瞬时转角为: SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 图 3-2 F点坐标计算简图 当F点在水平线CU之下时21 = UCB为负，否则为正。(图 3-2 F点坐标计算简图)F点的坐标为 XF = l30+l1cos21 YF = l30+l1Sin21 C点的坐标为 XC = XA+l5COS11 = l30 YC = YA+l5Sin11 动臂油缸的力臂e1 e1 = l5SinCAB 显然动臂油缸的最大作用力臂e1max= l53.2

37、斗杆的运动分析如下图3-3所示，D点为斗杆油缸与动臂的铰点点，F点为动臂与斗杆的铰点，E点为斗杆油缸与斗杆的铰点。斗杆的位置参数是l2，这里只讨论斗杆相对于动臂的运动，即只考虑L2的影响。D-斗杆油缸与动臂的铰点点； F-动臂与斗杆的铰点；E-斗杆油缸与斗杆的铰点； 斗杆摆角.图3-3 斗杆机构摆角计算简图由上图的几何关系知 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 斗杆的瞬时转角为: SKIPIF 1 0 则斗杆的作用力臂 e2 =l9SinDEF 显然斗杆的最大作用力臂 e2max = l93. 3 铲斗的运动分析3.3.1 铲斗的传动比铲斗相对于XY坐标系的运动是 SKIPIF 1 0

38、 、 SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 的函数，情况较复杂。现先讨论铲斗相对于斗杆的运动。图 3-4 铲斗连杆机构计算简图 当给定了铲斗液压缸长度 SKIPIF 1 0 ，由表一原始参数及推导参数出发，利用几何关系可依次求得图34中 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ S

39、KIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）等值。由图3-4铲斗液压缸对N点的作用力臂为 SKIPIF 1 0 连杆HK对N点作的用力臂为 SKIPIF 1 0 连杆HK对Q点作的用力臂为 SKIPIF 1 0 铲斗连杆机构的总传动比为 SKIPIF 1 0 铲斗相对于斗杆的摆角范围 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 当取上 SKIPIF

40、1 0 和 SKIPIF 1 0 时可分别求得 SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 。于是得： SKIPIF 1 0 斗齿尖坐标方程斗齿尖V的坐标值 SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 是 SKIPIF 1 0 、 SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 的函数。 只要推导出 SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 的函数表达式，那么整机作业范围就可以确定。现按图 35 推导如下。结合表一以及前面计算得到的有关参数值，通过几何和三角函数运算，可依次求得： SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0

41、 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）、 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 ）等最后得到: SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 图3-5最大卸载高度计算简图图3-6 最大挖掘深度计算简图3.3.2 最大卸载高度当动臂液压缸全伸，斗杆液压缸全缩，铲斗液压缸处于适当位置使QV连线处于垂直状态时得到最大卸载高度为： SKIPIF 1 0 故Q点坐

42、标为： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 式中： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 因此V点坐标为： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 就是最大卸载高度 SKIPIF 1 0 当斗杆液压缸全缩，铲斗液压缸处于适当位置使QV转到CQ的延长线上，CV水平时得到最大挖掘半径： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 就是最大挖掘半径。 最大挖掘半径时的工况是水平面最大挖掘半径工况下C、V连线绕C点转到水平面而成的。通过两者的几何关系，我们可计算得到：l 30 = 85mm ；l 40 = 9800mm； SKIPIF 1

43、0 =9885mm此上，已对液压挖掘机的动臂、斗杆、铲斗的机构运动学作了分析。4 工作装置各部分的基本尺寸计算和验证液压挖掘机基本参数是表示和衡量挖掘机性能的重要指标，本文主要计算和验证铲斗、动臂、斗杆的尺寸。4.1 铲斗各参数的确定4.1.1 铲斗结构形状的设计及基本要求对于液压挖掘机，考虑到现实工作状况和查阅相关文献资料，对铲斗结构形状的设计有以下基本要求：（1）、要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，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。 （3）、为使装进铲斗的物料不易掉出，斗宽与物料直径之比应不

44、大于：1.（4）、装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘比压，以便切人或破碎阻力较大的物料。挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。对斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数的基本要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。4.1.2 铲斗主要参数的确定 当铲斗容量q一定时，挖掘转角，挖掘半径和平均斗宽b之间存在一定的关系，即具有尺寸和b的铲斗转过角度所切下的土壤刚好装满铲斗，于是斗容量可按下式计算： (4.1) 式中：铲斗充满系数；土壤松散系数。（查表 SKIPIF 1 0 ）一般取: (4.2)的取值范围： (4.3)式中： q铲斗容量，； b铲斗平均宽度，m。 因为 SKIPIF 1 0 ，查表跟

45、经验公式取 b=1040mm.按经验统计和参考同斗容的其它型号的机械，初选 = 1450mm 得出 铲斗挖掘体积土壤所消耗的能量称为切削能容量。反铲铲斗的主要参数，即平均铲斗宽度b，切削转角和挖掘半径对转斗底切削能容量有直接影响，可用下式表示： (4.4) 式中： 铲斗切削能容量， SKIPIF 1 0 ； 考虑切削过程中其他影响因素的系数；（理想状态取 SKIPIF 1 0 ） 具有应力因次的系数，在铲斗容量1时，取； 具有容积质量因次的系数，在铲斗容量1时，取。显然，在设计铲斗时，在满足铲斗容量q的条件下，应使铲斗切削能容量E最小。由上式可以看出，减小角，增大铲斗宽度b和切削半径能够减低E

46、，计算得 E = 1554.81 SKIPIF 1 0 铲斗两个铰点K、Q之间的间距l24和l3的比值k2的选取：l24太大将影响机构的传动特性，太小则影响铲斗的结构刚度，初选特性参数k2 = 0.29。由于铲斗的转角较大，而k2的取值较小，故初选10 = KQV =1104.2 动臂机构参数的确定初选动臂转角1 = 120 由经验统计和参考其它同斗容机型，初选特性参数k3 = 1.4 （k3 = L42/L41）铰点A坐标的选择：由底盘和转台结构，并结合同斗容其它机型的测绘，初选：XA = 430 mm ；YA = 1200mm4.2.1 SKIPIF 1 0 据统计，最大挖掘半径值一般与的

47、值很接近。因此要求，已知的和可按下列近似经验公式初定和，即：由: 其中 K1 l3=1550mm 且 = 9885mm 可解得： l2 = （R -l3）/（1+ k1）= （9885-1550）/（1+）= 3000mm l1 = k1l2 = 3000 = 5400mm4.2.2 SKIPIF 1 0 在 SKIPIF 1 0 中已知 SKIPIF 1 0 、 SKIPIF 1 0 可得： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 计算得 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 3 9 = 24.54.2.3 SKIPIF 1 0 由经验和反铲工作装置对闭锁力的

48、要求初取k4初选11。斗杆油缸全缩时，CFQ =32 8最大，依经验统计和便于计算，初选（32 8）max = 160 。由于采用双动臂油缸，BCZ的取值较小，初取BCZ = 5 如上图4-1所示，在三角形CZF中：ZCF= -1-39BCF=3=ZCF-ZCB最大卸载高度的表达式为：H3max = YC+l1Sin（1-20-11）l2l3 最大挖掘深度绝对值的表达式为：H1max = l2+l3+l1Sin（11-1min+2）- l5 Sin11- YA) 令 A =2+11 = 30.5 + 62.5 = 93 B = A + （32 8）max = 93 +（-160）=-67H1m

49、ax + H3max - l1Sin（1max-93）+ Sin（93 -1min） + l2 Sin（1max +67）+1= 0 又特性参数 SKIPIF 1 （1 + ）/ = 4.1 1/2.51 = 1.64 （= 1.6） 、满足经验条件，说明、的取值是可行的。则 l7 = l5 = 2335mm L1min =l5 =1880mm L1max =1 L1min = 3010mm 至此，动臂机构的各主要基本参数已初步确定。4.3 斗杆机构基本参数的选择取整个斗杆为研究对象，可得斗杆油缸最大作用力臂的表达式：e2max = l9 = PGmax （l2 + l3 ）/ P2 = 94

50、0 mm 如图4-1所示图中，D：斗杆油缸的下铰点；E：铲斗油缸的上铰点；F动臂的上铰点；2：斗杆的摆角；l8：斗杆油缸的最大作用力臂。斗杆油缸的初始位置力臂e20与最大力臂e2max有以下关系:e20/e2max = l9COS(2max/2)/l9 = COS (2max/2) 由4.24知, 2max越大,则e20越小,即平均挖掘阻力越小.要得到较大的平均挖掘力,就要尽量减少2max,初取2max = 90EFQ取决于结构因素和工作范围,一般在 130170之间.初定 EFQ=150,动臂上DFZ也是结构尺寸,按结构因素分析,可初选 DFZ=10.D：斗杆油缸的下铰点；E：铲斗油缸的上铰

51、点；F动臂的上铰点；2：斗杆的摆角；l9：斗杆油缸的最大作用力臂.图4-1斗杆机构基本参数计算简图由图4-2的几何关系有:L2min = 2l9Sin (2max/2)/(2-1) = 2215 mmL2max = L2min + 2l9Sin (2max/2) = 3545 mml82 = L22min + l29 + 2L2minl9COS(-2max)/2 l8 = 2995 mm4.4 铲斗机构基本参数的选择4.4.1 转角范围由最大挖掘高度H2max和最大卸载高度H3max的分析，可以得到初始转角D0：H2max-H3max = l3（SinD0 +1） 得 D0 = 55最大转角3

52、max：3max = V0QVZ，不易太大，太大会使斗齿平均挖掘力降低，初选3max = 165 。4.4.2 铲斗机构其它基本参数的计算在图4-2中，l12：摇臂的长度；l29：连杆的长度；l3：铲斗的长度；l2：斗杆的长度；F：斗杆的下铰点；G：铲斗油缸的下铰点；N：摇臂与斗杆的铰接点；K：铲斗的上铰点；Q：铲斗的下铰点。l12：摇臂的长度；l29：连杆的长度；l3：铲斗的长度；l2：斗杆的长度；F：斗杆的下铰点；G：铲斗油缸的下铰点；N：摇臂与斗杆的铰接点；K：铲斗的上铰点；Q：铲斗的下铰点.图4-2 铲斗机构计算简图则有：l24 = KQ = k2 l3 = 1550 mm铲斗的最大挖

53、掘阻力F3J max 应该等于斗杆的最大挖掘力，即F3J max = 138KN。粗略计算知斗杆挖掘平均阻力F3J max = F3J max /2 = 69 KN 挖掘阻力F3J 所做的功W3J：W3J = F3J max l3 3max 105 N.m 由图4-3知，铲斗油缸推力所做的功W3：W3 = F3 （2-1）L3min 由功的守恒知 W3 = W3J 计算可得：L3min = 1720mm 则L3max =3 L3min =2750mm通过经验公式和同斗容的其它机型的参考，初步选定剩余的基本尺寸如下：HK = 600mm； HN = 640mm；NQ = 400mm； FN =

54、l2-NQ = 2600mm； GF = 800mm；由预选GFN = 60则 GN2 = FN2 + GF2 2COSGFNFNGF GN = 2300mm至此，工作装置的基本尺寸均已初步确定。5 工作装置结构设计 整个工作装置由动臂、斗杆、铲斗及油缸和连杆机构组成，要确定这些结构件的结构尺寸，必须要对其结构进行受力分析。要进行受力分析，首先要确定结构件最不利的工况，并找到在该工况下的最危险截面，以作为受力分析的依据。5.1 挖掘阻力分析液压挖掘机反铲装置工作时既可用铲斗液压缸挖掘(简称转斗挖掘)，也可用斗杆液压缸挖掘(简称斗杆挖掘)，或作复合动作挖掘。一般认为斗容量小于 SKIPIF 1

55、0 或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之则以斗杆挖掘为主。这两种情况的挖掘阻力不同。5.1.1 转斗挖掘阻力计算转斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显变化。 切削阻力与切削深度基本上成正比。但总的说前半过程切削阻力较后半过程高，因前半过程的切削角不利，产生了较大的切削阻力，对斗形切削刃所作的大曲率切削有同样结果，其切削阻力的切向分力可以用下列公式表达： SKIPIF 1 0 （5.1）式中: C表示土壤硬度的系数， 对II级土宜取C5080， 对III级土宜取C=90150，对IV级土宜取C=160320； R铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削半径，R SKIPIF 1 0 ，单位为

56、cm； SKIPIF 1 0 挖掘过程中铲斗总转角的一半； SKIPIF 1 0 铲斗瞬时转角；B切削刃宽度影响系数， SKIPIF 1 0 ，其中b为铲斗平均宽度；A切削角变化影响系数,取A13;Z带有斗齿的系数,Z0.75(无斗齿时，Z1)； X斗侧壁厚度影响系数，X1+0.03s，其中s为侧壁厚度，单位为cm，初步设计时可取X1.15； D切削刃挤压土壤的力，根据斗容量大小在D=100001700范围内选取，当斗容量 SKIPIF 1 0 时，D应小于10000N。转斗挖掘装土 SKIPIF 1 0 （5.2）式中 ： SKIPIF 1 0 密实状态下土壤容重，单位为N SKIPIF 1

57、 0 ； SKIPIF 1 0 挖掘起点和终点间连线ab方向与水平线的夹角； SKIPIF 1 0 土壤与钢的摩擦系数 。计算表明： SKIPIF 1 0 与 SKIPIF 1 0 相比很小，可忽略不计。当 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 时出现转斗挖掘最大切向分力 SKIPIF 1 0 ，其值为： SKIPIF 1 0 （5.3）试验表明法向挖掘阻力 SKIPIF 1 0 的指向是可变的，数值也较小，一般 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 ，土质愈均匀， SKIPIF 1 0 愈小。从随机统计的角度看，取法向分力 SKIPIF 1 0 为零来简化计算是允许的。这样

58、SKIPIF 1 0 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相等面积的条形断面，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，则平均切削厚度为： SKIPIF 1 0 （5.4）平均挖掘阻力为: SKIPIF 1 0 （5.5）式中: SKIPIF 1 0 用度数代表，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 SKIPIF 1 0 。显然这一计算方法是近以的，国外有试验认为平均挖掘阻力为最大挖掘阻力的7080，可作为参考。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

59、转角为 SKIPIF 1 0 ，在这转角行程中铲斗被装满。这时斗齿的实际行程为： SKIPIF 1 0 （5.6） 斗杆挖掘时的切削厚度 SKIPIF 1 0 可按下式计算： SKIPIF 1 0 （5.7）斗杆挖掘阻力为： SKIPIF 1 0 （5.8）式中： SKIPIF 1 0 斗杆挖掘时的切削半径， SKIPIF 1 0 =FV。 SKIPIF 1 0 挖掘比阻力，当取主要挖掘土壤的 SKIPIF 1 0 值时可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土质 SKIPIF 1 0 值时则得最大挖掘阻力。一般斗杆挖掘阻力比转斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度较小。5.2.1 斗杆的受力分析斗

60、杆主要受到弯矩的作用，故要找出斗杆中的最大弯矩进行设计计算。根据受力分析和以往的实验表明，在铲斗进行挖掘时，产生最大弯矩的工况可能有以下两个：第一工况位置，其满足以下条件：动臂处于最低位置。即动臂油缸全缩。斗杆油缸的力臂最大。铲斗齿尖在动臂与斗杆铰点和斗杆与铲斗铰点的连线上。侧齿挖掘时受到横向力Wk的作用第二工况位置，该工况满足以下条件：动臂位于动臂油缸对铰点A的最大作用力臂e1max处。斗杆油缸的力臂最大。铲斗齿尖位于F、Q两铰点的连线上或铲斗位于最大挖掘力位置。挖掘阻力对称于铲斗，无侧向力 Wk的作用。 .第一工况位置的受力分析在这个工况下斗杆可能存在最大弯矩，受到的应力也可能最大。该工况