单斗液压挖掘机的设计

第3章单单斗液压压挖掘机机的设计计3.1单斗液压压挖掘机机的主参参数及其其选择3.1.1单斗液压压挖掘机机的总体体设计3.1.2单斗液压压挖掘机机的主参参数3.1.3单斗液压压挖掘机机主参数数的选择择3.2反铲工作作装置设设计3.2.1反铲工作作装置的的运动分分析3.2.2挖掘力分分析3.2.3挖掘阻力力计算3.2.4设计合理理性分析析3.2.5反铲工作作装置设设计3.3正铲工作作装置设设计3.3.1正铲工作作装置的的运动分分析3.3.2挖掘力分分析3.3.3正铲工作作装置设设计第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机13.1单斗液压压挖掘机机的主参参数及其其选择3.1.1单斗液压压挖掘机机的总体体设计分析和拟拟定任务务书，确确定设计计原则、、机型及及整机结结构方案案；确定液压压挖掘机机的主参参数；确定液压压挖掘机机各个主主要机构构的结构构方案及及其相应应主参数数；分析计算算各主要要机构的的作用力力、速度度及功率率；确定液压压系统方方案并设设计液压压系统；；分析计算算液压挖挖掘机的的稳定性性、生产产率及各各项总体体性能。。应根据市市场需求求状况在在充分调调查研究究的基础础上结合合企业自自身的实实际情况况首先进进行总体体设计，，其主要要内容如如下：第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机23.1.2单斗液压压挖掘机机的主参参数单斗液压压挖掘机机的主要要参数有有以下几几类：1）尺寸参参数：工工作尺寸寸、机体体外形尺尺寸、工工作装置置尺寸；；2）质量参参数：整整机重及及各主要要部件的的重量；；3）功率参参数：发发动机功功率、液液压系统统功率、、最大挖挖掘力；；4）经济技技术指标标参数：：作业周周期、生生产率。。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机3第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机整机质量量（工作作重量））：整机机处于工工作状态态下的质质量。指指机体配配备标准准反铲铲或正铲铲工作装装置，加加注燃油油、液压压油、润润滑油、、冷却系系统液体体以及随随机工具具和一名名司机后的工作作质量，，单位为为“Kg”或“吨””。主机质量量：不不含工作作装置的的机身部部分质量量，单位位为“Kg”或“吨””。标准斗容容量：指指挖掘三三级或容容重为1800Kg/m3的土时的的铲斗堆堆尖斗容容量(m3)。发动机功功率：指指发动机机的额定定功率（（12小时）。。在给定定转速和和标准工工况下除除发动机机自身及及全部附附件（包包括风扇扇、水箱箱、空气气滤清器器、消声声器、发发电机、、空压机机等）消消耗以外外的净功功率，单单位为““KW”。挖掘机的的部分主主要参数数的意义义：4液压系统统形式：：根据由由液压泵泵的形式式确定的的定量系系统或变变量系统统。液压系统统压力：：指主油油路安全全阀的溢溢流压力力，单位位为“MPa”。液压系统统流量：：指油泵泵所能提提供的最最大流量量，单位位为l/min。最大挖掘掘力：指指按照系系统压力力工作时时铲斗油油缸或斗斗杆油缸缸所能发发挥的斗斗齿最大大切向挖挖掘力，，单位为为“KN”。对反铲装装置，有有斗杆最最大挖掘掘力与铲铲斗最大大挖掘力力之分；；对正铲装置，有最大大推压力力与最大大掘起力力（破碎碎力）之之分。爬坡能力力：在行行驶状态态下所能能爬的最最大坡度度，单位位为%或角度度。接地比压压：单位位接地面面积上承承受的机机器重量量，其单单位一般般为KPa。工作尺寸寸：主要要指作业业尺寸。。回转时间间：指转转台的回回转速度度，单位位一般为为r/min。行驶速度度：不同同工况下下的行驶驶速度，，单位一一般为km/h。运输尺寸寸：指运运输状态态下机身身的总长长度、总总宽度和和总高度度等，单单位一般般为mm。挖掘机的的部分主主要参数数的意义义：第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机53.1.3单斗液压压挖掘机机的主参参数的选选择1）主参数数选择的的基本依依据设计市场场需求或或任务书书的要求求；与同类机机型的比比较；参照国际际、国家家或企业业的标准准；根据理论论分析与与经验计计算；工作环境境、用户户要求和和设计制制造能力力。2）主参数数选择应应符合的的条件实用性——满足使用用要求；；可行性——设计和制制造条件件允许；；经济性——性价比高高、生产产率高；；可靠性——各部件应应满足可可能的使使用环境境要求并并具有足足够的寿寿命。先进性——与同时期期、同类类产品相相比具有有先进的的技术和和性能。。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机63.1.3单斗液压压挖掘机机的主参参数的选选择3）主参数数选择的的基本方方法a)比拟法以相似理理论为基基础，利利用得出出的一系系列相似似公式进进行对比比确定。。适合于于结构形形式、液液压系统统、工作作对象和和环境基基本相同同的机型型。b)经验公式式计算法法以液压挖挖掘机的的机重为为基本参参数，用用概率方方法得出出其它主主要参数数的经验验系数，，并用经经验公式式初步确确定其它它各主要要参数。。e)虚拟样机机设计技技术虚拟样机机技术包包括计算算机辅助助三维建建模技术术、有限限元分析析技术、、机电液液控制技技术以及及最优化化技术等等相关技技术，其其核心是是利用计计算机进进行模拟拟。c)按标准准选定定法按国家家或国国际标标准颁颁布的的液压压挖掘掘机型型式和和基本本参数数系列列标准准规定定的数数值范范围，，结合合拟采采用的的结构构特点点选定定参数数值。。d)理论分分析计计算法法按拟定定的结结构特特点，，在理理论分分析和和试验验数据据的基基础上上进行行分析析计算算得出出相应应主参参数值值。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机73.2反铲工工作装装置设设计3.2.1反铲工工作装装置的的运动动分析析（1）坐标标系绝对坐坐标系系绝对坐坐标系系与大大地即即停机机面固固结，，X、Y轴所在在的平平面与与停机机面重重合，，Y轴水平平向右右为正正，Z轴过与与回转转中心心线重重合向向上为为正，，X轴垂直直于Y、Z轴组成成的平平面，，如图图方向向为正正，坐坐标系系符合合右手手规则则。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机OYZXYOZYOOYX8（1）坐标标系相对坐坐标系系相对坐坐标系系与各各部件件固结结，随随所属属部件件运动动，其其方位位如图图所示示。各各相对对坐标标系的的对应应坐标标轴的的初始始方位位与绝绝对坐坐标系系各坐坐标轴轴分别别平行行。相相对坐坐标系系同样样符合合右手手规则则。3.2.1反铲工工作装装置的的运动动分析析第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机cba1o3ll21lzzzzyyyyxxx32332210001MVQKNHGFEDCBAXZYOx19中间斗斗齿尖的坐坐标3.2.1反铲工工作装装置的的运动动分析析a)中间斗斗齿尖尖在坐坐标系系x3y3z3中的坐坐标：：b)中间斗斗齿尖尖在坐坐标系系x2y2z2中的坐坐标：c)中间斗斗齿尖尖在坐坐标系系x1y1z1中的坐坐标：：（2-1）（2-2）（2-3）第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机10中间斗斗齿尖的坐坐标3.2.1反铲工工作装装置的的运动动分析析d)中间斗斗齿尖尖在坐坐标系系x0y0z0中的坐坐标：：（2-4）第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机11中间斗斗齿尖的坐坐标3.2.1反铲工工作装装置的的运动动分析析e)中间斗斗齿尖尖在绝绝对坐坐标系系XYZ中的坐坐标：：（2-5）第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机12令：式（2-5）变为为以下下新式式：上式说说明，，在结结构参参数已已知的的情况况下，，斗齿齿尖的的绝对对坐标标取决决于转转角φ0、φ1、φ2、φ3的值，，一组组角度度值唯唯一确确定斗斗齿尖尖的一一组坐坐标值值，反反之，，则不不然。。（2-6）第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机13（2）工作作装置置的几几何运运动关关系（（参见见教材材P59~67）a）动臂臂机构构的几几何运运动关关系（（普通通反铲铲）三角形形ABC中∠ACB为：（2-7）（2-8）第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机11114l6l21l5l1L7lD铅垂线水平线F1z10eeCBBAl8CF连线与水平线的夹角

为：14动臂的的最大大仰角角：动臂的的最大大俯角角：动臂的的摆角角范围围：动臂上上各铰铰接点点的坐坐标动臂B点的坐坐标：：动臂D点的坐坐标：：动臂F点的坐坐标：：第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机15b）斗杆机构的的几何何运动动关系系三角形形DEF中∠DFE为：斗杆相相对于于动臂臂的转转角为为φ2为：（2-9）（2-10）第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机F水平线Dl1l8El9l2QNGl6KMV16斗杆的的最大大摆角角：斗杆的的最小小摆角角：斗杆的的摆角角范围围：斗杆上上各铰铰接点点的坐坐标斗杆E点的坐坐标：：斗杆G点的坐坐标：：动臂N点的坐坐标：：第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机17斗杆Q点的坐坐标：：c）铲斗机构的的几何何运动动关系系（普普通反反铲））三角形形GMN中∠GNM为：（2-11）第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机24l29ll9α13l12l15l3L10α2y2z6α8α7α3φ3lα5θ3l2EGFMKQNVH1418求∠MNQ为：求铰接接点M的坐标标直线MN与y2轴的夹夹角为为：M点的坐坐标为为：第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机12l15l3L2y2z3ll2EGFMKQNVH19求∠HNQ为：求铰接接点H的坐标标直线HN与y2轴的夹夹角为为：H点的坐坐标为为：第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机20求铲斗斗的转转角φ3在∆HNQ中HQ的距离离为：在∆HNQ中∠NQH为：在∆HQK中∠HQK为：（2-11）铲斗的的转角角φ3：第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机21（3）挖掘掘包络络图挖掘包包络图图是指指斗齿齿尖能能达到到的最最大范范围所所形成成的封封闭图图形，，它与与工作作装置置的几几何参参数及及工作作油缸缸的伸伸缩长长度或或范围围有关关。通通过挖挖掘包包络图图能够够从几几何上上直观观地反反映挖挖掘机机最大大的作作业范范围、、在极极限位位置上上工作作装置置各部部件的的几何何位置置关系系以及及机构构的干干涉情情况，，这些些信息息在一一定程程度上上反映映了工工作装装置几几何参参数设设计的的合理理性和和整机机的几几何性性能。。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机22（4）反铲铲挖掘掘机的的主要要作业业尺寸寸最大挖挖掘深深度（（maximumdiggingdepth）最大挖挖掘高高度（（maximumheightofcuttingedge）最大挖挖掘半半径（（maximumreach）最大卸卸载高高度（（maximumdumpingheight）停机面面上的的最大大挖掘掘半径径（maximumreachatGRP）最大垂垂直挖挖掘深深度（（maximumverticaldiggingdepth）水平底底面为为2.5m时的最最大挖挖掘深深度（（maximumdiggingdepthat2.5mfloorlength）第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机23（4）反铲挖掘掘机的主要要作业尺寸寸H1—最大挖掘深深度H2—最大挖掘高高度R1—最大挖掘半半径H3—最大卸载高高度R0—停机面上的的最大挖掘掘半径H4—最大垂直挖挖掘深度H5—水平底面为为2.5m时的最大挖挖掘深度第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机24（5）本部分小小结及问题题和作业工作装置的的几何关系系取决于部部件的几何何位置参数数，这些参参数大约有有30个；挖掘机工作作装置具有有4个自由度，，分别取决决于转台的的回转角φ1、动臂油缸缸的长度L1、斗杆油缸缸的长度L2和铲斗油缸缸的长度L3；在结构参数数给定的情情况下，φ1、L1、L2和L3唯一确定斗斗齿尖的位位置坐标，，反之，则则不然；1）本部分小小结2）问题和作作业决定反铲工工作装置的的具体几何何位置参数数有哪些？？分别是什什么？b)在运动分析析过程中主主要运用了了相对坐标标系和矩阵阵、矢量运运算的方法法，比起传传统的解析析方法来，，这有什么么优点！c)根据以上方方法试分析析推导悬挂挂式反铲工工作装置的的运动几何何参数，作作出包络图图并标注主主要作业参参数（机型型参数自定定）。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机253.2.2挖掘力计算算挖掘力是反反映挖掘机机作业性能能的重要参参数之一，，也是生产产厂商和用用户最为关关注的性能能参数之一一，为此，，国内外都都给出了相相应的试验验标准。在在理论上对该项参数数的计算是在一定假假设条件下下进行的。。对于反铲铲挖掘机，，通常有斗斗杆挖掘力力和铲斗挖挖掘力之分分，按标准准其具体定定义如下：：挖掘力（diggingforce）：对于装装有反铲或或正铲装置置的挖掘机机，其挖掘掘力是在单单独操作铲铲斗液压缸缸或斗杆液液压缸时，，在铲斗齿齿尖上所产产生的实际际作用力。。对于装有有抓铲工作作装置的挖挖掘机，其其挖掘力（（或称抓铲铲闭合力））是抓铲闭闭合时，在在抓铲的切切削刃（或或齿尖）运运动轨迹切切线方向上上所产生的的实际作用用力。破碎挖掘力力（铲斗挖挖掘力）（（breakoutforce）：单独操操作铲斗液液压缸时，，在铲斗斗斗齿尖端运运动轨迹的的切线方向向上所产生生的最大挖挖掘力。斗杆挖掘力力（armcrowdforce）：单独操操作斗杆液液压缸时，，在铲斗斗斗齿尖端运运动轨迹的的切线上方方向所产生生的最大挖挖掘力。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机26（1）工作油缸缸的理论挖挖掘力在工作装置置结构参数数确定之前前，通过预预估工作油油缸的理论论挖掘力可可以初步掌掌握挖掘机机的性能并并对后续的的结构设计计提供基础础。在对工工作油缸理理论挖掘力力的计算之之前首先作作如下假设设：假设条件：：不考虑部件件外形结构构参数不计工作装装置的自重重和土重不计液压系系统和连杆杆机构的效效率不计液压缸缸的回油背背压定义：工作作液压缸伸伸缩时，由由该油缸的的理论推力力（或拉力力）所能产产生的在斗斗齿运动切切线方向的的挖掘力称称为工作液液压缸的理理论挖掘力力。计算方法：：根据几何何关系求解解第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机27铲斗连杆机机构的传动动比i第一步：隔隔离摇臂HMN对其建力矩矩平衡方程程：由得第二步：隔隔离铲斗对对其建力矩矩平衡方程程：由得其中（2-12）式中：a)铲斗油缸的的理论挖掘掘力将以上两式式合并得：：,,第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机28铲斗油缸的的挖掘力曲曲线铲斗缸行程斗齿切向挖掘力几何关系图从该铲斗机机构的挖掘掘力曲线可可以看出：：铲斗油缸缸的挖掘力力在整个油油缸的行程程由最短至至最长的变变化过程中中呈现出凸凸函数的形形态，且到到铲斗挖掘掘的后期，，挖掘力很很小，这一一规律基本本符合挖掘掘过程要求求和挖掘阻阻力的变化化规律。注：图中考考虑了部件件的重量和和斗中的土土重第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机29b)斗杆油缸的的理论挖掘掘力隔离斗杆及及其铲斗连连杆机构对对F点建立力矩矩平衡方程程得式中，θ6是斗杆油缸缸长度L2的函数，r6是铲斗油缸长度度L3的函数在结构参数数给定的情情况下，斗斗杆油缸挖挖掘力是斗杆油缸缸长度L2和铲斗油缸长度度L3的函数。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机30斗杆油缸的的挖掘力曲曲线斗杆油缸挖掘范围斗杆油缸最大挖掘力变化曲线由于阻力臂臂受铲斗向向对于斗杆杆的摆角即即铲斗油缸缸长度的影影响，所以以，当铲斗斗相对于斗斗杆的摆角角不同时，，将会得出出不同的斗斗杆油缸最最大挖掘力力变化曲线线。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机31斗杆油缸的的挖掘力与与铲斗油缸缸挖掘力的的对比121—铲斗缸挖掘力曲线2—斗杆缸挖掘力曲线注：只有在在力方向相相同时，比比较才有实实际意义！！第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机32（2）整机的理理论挖掘力力假设条件：：不计液压系系统和连杆杆机构的效效率不计液压缸缸的回油背背压不考虑土壤壤阻力和工工作装置结结构强度的的限制不考虑部件件的速度、、加速度、、坡度、风风力、惯性性力、动载载等其它因因素整机理论挖挖掘力为考考虑各种限限制因素后后所能达到到的最大计计算挖掘力力整机的理论论挖掘力通通常有斗杆杆挖掘力和和铲斗挖掘掘力之分计入部件的的重量和土土重考虑油缸的的闭锁能力力考虑整机的的稳定性（（前倾和后后倾）考虑整机与与地面的附附着性能除上述因素素外，整机机的理论挖挖掘力还与与以下因素素有关：工作装置各各部件的相相对位置即即工作装置置的姿态各油缸的工工作状态（（主动或闭闭锁）各部件的结结构参数及及强度条件件液压系统压压力第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机33a)铲斗油缸主主动发挥时时的挖掘力力,概括来讲，，整机的理理论挖掘力力就是在考考虑了主动动油缸的发发挥能力、、被动油缸缸的限制条条件、整机机与地面的的附着情况况及整机的的前、后倾倾稳定性后后在特定姿姿态和作业业方式下发发挥在斗齿齿上的最大大挖掘力，，其方向沿沿着斗齿运运动的切线线方向。铲斗油缸主主动发挥时时的整机挖挖掘力具体体受以下因因素限制：：铲斗油缸大大腔的最大大推力铲斗连杆机机构的传动动比斗杆油缸的的闭锁能力力—当斗杆油缸缸闭锁不住住时起作用用动臂油缸的的闭锁能力力—当动臂油缸缸闭锁不住住时起作用用整机与地面面的附着力力—当整机沿地地面开始滑滑移时起作作用整机的前倾倾稳定性—当整机发生生前倾失稳稳时起作用用整机的后倾倾稳定性—当整机发生生后倾失稳稳时起作用用第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机34挖掘机整机机受力分析析图图中的φ1、φ2和φ3分别为动臂臂向对于XY平面、斗杆杆相对于动动臂、铲斗斗向对于斗斗杆的摆角角，以逆时时针转向为为正。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机35—Q点指向工作装置各部件重心位置的矢量在y坐标的分量—铲斗油缸对Q点的力矩a)铲斗油缸的的主动发挥挥限制的最最大挖掘力力式中D3—铲斗油缸缸缸筒内径d3—铲斗油缸活活塞杆直径径P0—系统压力PH—回油背压第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机、—Q点指向V的矢量在y、z坐标的分量—Q点指向V的矢量在y、z坐标的分量—Q点指向V的矢量在y、z坐标的分量—Q点指向V的矢量在y、z坐标的分量—Q点指向V的矢量在y、z坐标的分量36b)动臂油缸缸闭锁压压力限制制的最大大挖掘力力当动臂油缸受压时当动臂油缸受拉时、——纵向对称平面内Q、V的距离，即铲斗的长度n1、D1、d1、PB、PH——动臂缸数目、缸径、杆径、闭锁压力和回油背压

式中—动臂油缸对C点的力矩—C点指向工作装置各部件重心位置的矢量在y坐标的分量、—C点指向V的矢量在y、z坐标的分量第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机37c）斗杆油油缸闭锁锁压力限限制的斗斗齿切向向挖掘力力当斗杆油缸受压时：当斗杆油缸受拉时：式中，n2、D2、d2、PS、PH——分别为动动臂缸数数目、缸缸径、杆杆径、闭闭锁压力力和回油油背压式中——F点指向工作装置各部件重心位置的矢量在y坐标的分量——斗杆油缸对F点的力矩、—F点指向V的矢量在y、z坐标的分量第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机38d)整机前倾倾失稳限限制的最最大挖掘掘力e)整机后倾倾失稳限限制的挖挖掘力式中

——I点指向工作装置各部件重心位置的矢量在y坐标的分量。——I点指向斗齿尖V的矢量在y、z坐标的分量。、式中

——J点指向工作装置各部件重心位置的矢量在y坐标的分量。——J点指向斗齿尖V的矢量在y、z坐标的分量。、第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机39f)整机水平平滑移限限制的挖挖掘力综合上述述影响因因素及其其计算公公式，所所得整机机在该工工况下的的最大理理论挖掘掘力应取取这6个公式计计算出的的最小值值，即——附着系数——整机重量<0时有前移趋势；〉0时有后移趋势；式中当时第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机403.2.3挖掘阻力力计算（1）转斗挖挖掘阻力力计算第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机——挖掘转角φ处的挖掘厚度；R——纵向对称平面内铲斗与斗杆铰接点至斗齿尖的距离，即转斗切削半径，单位为cm；φ——铲斗瞬时转角；φmax——铲斗挖掘装满总转角的一半；B——切削刃宽度系数，

其中b为铲斗平均斗宽，单位为m；式中C——表示土壤壤硬度的的系数，，对II级土壤宜宜取C=50~80，对III级土壤宜宜取C=90~150，对IV级土壤宜宜取C=160~320；A——切削角变变化影响响系数，，取A=1.3；Z——带有斗齿齿的系数数，Z=0.75（无斗齿齿时，Z=1）；X——斗侧壁厚厚度影响响系数，，X=1+0.03s，其中s为侧壁厚厚度，单单位为cm，初步设设计时可可取X=1.15；D——切削刃挤挤压土壤壤的力，，根据斗斗容量大大小在D=10000~17000N范围内选选取。当斗容量量q<0.25m3时，D应小于10000N。41转斗挖掘掘装土阻阻力的切切向分力力只与挖挖掘起点点和终点点的位置置有关？？转斗挖掘掘装土阻阻力的切切向分力力按下式式计算：：转斗挖掘掘的平均均阻力：：第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机转斗挖掘掘的平均均阻力可可按平均均挖掘深深度下的的阻力计计算，即即把月牙牙形切割割断面看看作相等等面积的的条形断断面，条条形断面面长度等等于斗齿齿转过的的圆弧长长度与其其相应之之弦的平平均值42（2）斗杆挖挖掘阻力力计算斗杆挖掘掘阻力按按等切削削厚度计计算，其其切削长长度就等等于斗齿齿所走过过的弧线线长度，，即：斗杆挖掘掘阻力参参考下式式计算：：由于物料料种类、、结构和和性态的的复杂性性以及铲铲斗和物物料之间间的相互互作用关关系的复复杂性，，很难用用具体的的数学公公式详细细刻画其其间的物物理关系系，所以以，关于于挖掘阻阻力的计计算目前前还存在在很多困困难，现现实的方方法只能能在考虑虑具体物物料和铲铲斗结构构型式的的基础上上借助于于实验来来确定。。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机433.2.4反铲工作装置置的设计计（一）工工作装置置的设计计原则满足主要要工作尺尺寸与作作业范围围要求满足最大大挖掘力力及挖掘掘力分布布的合理理性要求求满足作业业稳定性性和行驶驶稳定性性要求功率利用用要尽可可能好，，工作循循环时间间要尽可可能短满足结构构强度和和刚度要要求自重要尽尽可能小小应考虑工工作装置置的通用用性运输姿态态要合理理、尺寸寸要尽可可能小应考虑零零部件的的标准化化、系列列化和通通用化要要求便于拆装、维维修和保养考虑特殊要求求第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机44a)动臂的结构形式及动臂液压缸缸的布置动臂的结构形形式：组合式式或整体式动臂油缸的布布置形式：下下置式或悬挂挂式b）斗杆的结构构形式及斗杆杆液压缸的布布置斗杆的结构形形式：组合式式或整体式斗斗杆斗杆油缸的布布置形式：下下置式或上置置式c)动臂与斗杆的的长度比K1K1大，作业范围围小；K1小，作业范围围大，易得到到接近于直线线的运动轨迹迹、便于进行行平整作业。。K1大，宜宜用斗斗杆挖挖掘为为主；；K1小宜用用铲斗斗挖掘掘为主主。d)确定配配套铲铲斗的的种类类、结结构形形式、、斗容容量和和铲斗斗连杆杆机构构的结结构形形式[四连杆杆机构构或六六连杆杆机构构（共共点或或非共共点））]。e)根据作作业要要求（（范围围和挖挖掘力力）、、液压压系统统形式式、结结构布布置条条件和和稳定定性条条件等等确定定各组组液压压缸的的缸数数、缸缸径及及伸缩缩比。。（二））反铲铲工作作装置置总体体方案案的确确定第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机45铲斗的的主要要参数数：斗斗容量量q、平均均斗宽宽B、转斗斗挖掘掘半径径R和转斗斗挖掘掘装满满转角角2φ应满足足如下下数学学关系系：对标准准铲斗斗，平平均斗斗宽B、转斗斗挖掘掘半径径R相差不不宜太太大；；转斗挖挖掘装装满转转角2φ一般取取90~100º；对标准准铲斗斗，初初选可可取k2=l24/l3=0.3~0.38对标准准铲斗斗，初初选可可取∠KQV=95~115º；（三））斗形形参数数的选选择注：针对不不同的的作业业对象象，斗斗形结结构参参数相相差较较大，，上述述只适适合标标准铲铲斗的的选择择计算算，实实际应应用中中应针针对不不同的的物料料结合合试验验来确确定不不同底底的斗斗形结结构参参数。。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机46一般按按以下下范围围选取取：专用反反铲：：以反铲铲为主主的通通用机机：正、反反铲基基本通通用：：专用正正铲：：动臂弯弯角一般取取为：：（四）反反铲工工作装装置机机构参参数的的确定定动臂转转折处处的长长度比比（近近似于于上下下动臂臂之比比）:特性参参数：：专用反反铲：：动臂油油缸缸缸伸缩缩比：：以反铲铲为主主的通通用机机：正、反反铲通通用机机：铰接点点AC之距：：动臂上上C、B之距：：1.动臂机机构的的铰点点位置置选择择依据据和范范围第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机47第一步步：根根据底底盘和和转台台结构构初步步确定定动臂臂油缸缸的下下饺点点A的位置置坐标标；第二步步：参参考样样机根根据比比拟法法初选选铲斗斗结构构参数数、动动臂与与斗杆杆的长长度比比k1和动臂臂油缸缸的伸伸缩比比λ1；初选动动臂弯弯角α1（=120~140º）和动动臂转转折处处的长长度比比k3=ZF/ZC（=1.1~1.3）；初选角角度α11和力臂臂比k4，其范范围参参照前前述或或样机机；根据机机构运运动特特性初初选动动臂与与斗杆杆的最最大夹夹角即即参数数∠CFQmax=160~180º；根据结结构情情况初初选∠∠BCZ。2.动臂机机构参参数选选择步步骤第三步步：按按近似似计算算公式式计算算动臂臂和斗斗杆长长度；；已知条条件：：作业业尺寸寸要求求，即即最大大挖掘掘深度度、最最大挖挖掘高高度，，最大大挖掘掘半径径和最最大卸卸料高高度等等。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机48第四步步：由由三角角形CZF中的几几何关关系求求l41、l42和α39（图2-47）第五步步：根根据最最大挖挖掘高高度和和最大大挖掘掘深度度时的的几何何关系系求∠ACB的最大大值θ1max、最小小值θ1min和l5。由得出：：(2-53)，和将其回回代到到时（（2-53）就可可得出出的的一元元方程程，解解此方方程可可求得得。。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机49第七步步：由由以下下各式式计算算L1min、L1max和l7。由求得由最大大挖掘掘深度度表达达式求求得l5如下（（式2-56）：第六步步：求求长度度比ρ(=l5/L1min)和σ（=l7/L1min）（参参见公公式2-57）第八步步：考考虑油油缸的的伸缩缩速度度并参参考同同类机机型和和标准准手册册等初初选动动臂油油缸的的缸数数、缸缸径和和活塞塞杆直直径。。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机503.动臂液压缸缸作用用力（（主动动）和和闭锁锁力的的确定定1).动臂液压缸缸作用用力（（主动动）的的确定定要求：：动臂臂液压压缸应应保证证在任任何位位置都都能提提起带带有满满载铲铲斗的的工作作装置置选择如如下3个位置置计算算动臂臂缸的的提升升力矩矩Ⅰ.从最大大挖掘掘深度度处提提起满满载斗斗；Ⅱ.在最大大挖掘掘半径径处举举起满满载斗斗；Ⅲ.在最大大卸载载高度度处提提动满满载斗斗。参照右右图的的3个工况况，隔隔离整整个工工作装装置并并对动动臂下下铰点点取矩矩可求求得动动臂油油缸需需要产产生的的提升升力。。注：式式中的的部件件重量量及重重心位位置需需根据据参考考文献献预先先估计计ⅠⅢⅡ第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机512).动臂液压缸缸闭锁锁力及及闭锁锁压力力的确确定选择适适当的的动臂臂液压压缸闭闭锁压压力既既能起起到保保护元元件的的目的的又能能保证证主动动油缸缸发挥挥最大大挖掘掘力使使正常常作业业顺利利进行行。过过大的的闭锁锁压力力不但但起不不到保保护液液压系系统及及其元元件的的作用用，而而且会会对系系统提提出过过高的的要求求，这这样既既不经经济，，也无无必要要，还还可能能损坏坏元件件。合合理的的闭锁锁压力力是保保证在在主要要挖掘掘范围围内使使主动动液压压缸能能发挥挥出最最大挖挖掘力力的同同时还还能起起到保保护元元件的的作用用。通常按按照右右图的的3种工况况来确确定动动臂油油缸的的闭锁锁压力力。Ⅰ.动臂最最低，，斗杆杆铅垂垂，转转斗挖挖掘，，其作作用力力臂最最大；；Ⅱ.动臂最低低，F、Q、V三点一线线，斗杆杆挖掘且且作用力力臂最大大；Ⅲ.动臂最低低，挖掘掘深度最最大，F、Q、V三点一线线，铲斗斗挖掘，，克服平平均阻力力。ⅠⅡⅡⅢⅢFQV第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机52上式中，如如则则动臂缸缸大腔受受压；否否则，动动臂缸受受拉，小小腔闭锁锁。针对对动臂缸缸不同的的受力状状态，计计算闭锁锁压力时时应带以以不同的的作用油油缸面积积，按下下式计算算。2).动臂液压缸闭闭锁力及及闭锁压压力的确确定工况Ⅰ各部件重重力及挖挖掘阻力力对C点形成的的合力矩矩按下式式计算第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机53式中，——动臂油缸缸数目；；——动臂油缸缸作用面面积；当MCB<0时，当MCB>0时，工况2、3的分析过过程可参参照上述述过程进进行，此此处略。。由上述过过程得出出的动臂臂油缸闭闭锁压力力是保证证这些指指定工况况下主动动油缸能能发挥最最大挖掘掘力的最最低限定定压力。。实际分分析计算算中难以以对所有有的工况况计算油油缸应产产生的闭闭锁压力力，事实实上，对对所有的的工况都都保证主主动油缸缸能充分分发挥其其最大挖挖掘力是是不现实实的，也也是不可可取的，，因为，，某些工工况下所所需的闭闭锁压力力可能会会很大，，如照此此工况设设定闭锁锁压力，，将会对对系统带带来更高高甚至难难以达到到的要求求，所以以，比较较合理的的闭锁压压力设定定值应如如前面所所述，能能保证主主要工况况下在较较大范围围内主动动油缸的的最大挖挖掘力能能充分发发挥就行行了。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机544.斗杆机构构参数的选择1）对斗杆杆机构的的要求：：保证斗杆杆液压缸缸有足够够的挖掘掘力；保证斗杆杆液压缸缸有足够够的闭锁锁力矩；；保证斗杆杆液压缸缸有足够够的回摆摆力矩；；保证斗杆杆的摆角角范围（（105~125ºº）；第一步：：初步选择择斗杆摆摆角范围围φ2max（105~125º）及斗杆杆油缸伸伸缩比λ2（1.6~1.7）；第三步：：求斗杆杆油缸最最短长度度L1min和DF距离l8（参见图图2-53）2）斗杆机机构的选选择步骤骤第二步：：按要求求的斗杆杆油缸最最大挖掘掘力由公公式初步步确定l9；第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机55第四步：：参考样样机根据据结构情情况初选选斗杆结结构角度度∠EFQ和∠DFZ。第五步：：考虑油油缸的伸伸缩速度度并参考考同类机机型和标标准手册册等初选选斗杆油油缸的缸缸数、缸缸径和活活塞杆直直径。3）按照前述述要求选选择适当当的工况况计算斗杆油缸缸挖掘力力、闭锁锁力、闭闭锁压力力及回摆摆力矩。。5.铲斗机构参数数的选择1）对铲斗斗机构的的要求：：保证铲斗斗液压缸缸在铲斗斗转角的的特定范范围内有有足够的的挖掘力力；保证铲斗斗液压缸缸有足够够的闭锁锁力矩；；保证铲斗斗油缸有有足够的的回摆力力矩；保证铲斗斗的摆角角范围（（150~180º）；保证铲斗斗机构在在铲斗的的整个转转角范围围内不发发生干涉涉现象、、不出现现死点和和连杆机机构几何何特征被被破坏等等几何不不相容现现象。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机565.铲斗机构构参数的选择2）铲斗机机构的载载荷与对对应转角角的关系系按理论分分析将铲铲斗挖掘掘切削形形状分为为四种，，即图2-56中的情况况，其对对应的载载荷变化化规律为为图2-57中的相应应曲线。。按此规规律，对对铲斗在在相应转转角处所所应发挥挥的挖掘掘力大致致应符合合以下规规律：0~30º：挖掘力力不小于于平均挖挖掘阻力力；30~80º：希望挖挖掘力较较大甚至至接近于于最大挖挖掘阻力力；80~120ºº：对挖掘掘力的要要求有所所降低；；〉120º：不考虑虑挖掘，，满足收收斗要求求即可。。3）铲斗机机构各参参数的初初步选择择第一步：：通过对资资料的统统计分析析，初选选时可按按照如下下关系确确定铲斗斗机构各各主要参参数：对非共点点机构：：，或，第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机57第二步：：根据铲斗斗的转角角范围要要求确定定连杆机机构NHKQ的几何运运动关系系并检查查机构的的合理性性。第三步：：确定铲斗斗油缸与与摇臂铰铰接点M的极限位位置和最最大直线线位移，，并由此此确定转转斗油缸缸的行程程。第四步：：根据铲铲斗的转转角范围围要求结结合斗杆杆的结构构情况确定铲斗斗油缸与与斗杆的的铰接点点G的位置。。第五步：：计算铲铲斗连杆杆机构的的传动比比并根据据最大挖挖掘力要要求确定定铲斗油缸缸应产生生的推力力（主动动和被动动）。第六步：：参考样样机和标标准初选选铲斗油缸缸的缸数数、缸径径及活塞塞杆直径径。注：按上上述过程程选择的的铲斗连连杆机构构参数仅仅是初选选值，须须首先满满足前述述对铲斗斗机构的的要求，，在此基基础上，，需要将将动臂机机构、斗斗杆机构构及铲斗斗机构结结合起来来并考虑虑整机的的其它影影响因素素对工作作装置整整体进行行性能分分析。如如某项性性能不满满足要求求，则需需要返回回前面对对相应参参数进行行修改。。这样反反复进行行，才可可能达到到比较满满意的效效果。第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机583.2.5工作装置置的设计计合理性性分析挖掘机工工作装置置是一个个多自由由度、多多参数的的复杂机机构，各各参数之之间具有有很强的的耦合关关系，并并具有很很强的非非线性特特性，设设计计算算过程复复杂，某某些步骤骤甚至无无法用人人工计算算完成，，因此，，对挖掘掘机工作作装置几几何铰点点位置及及其它几几何参数数的选择择和性能能的分析析，单靠靠上述过过程进行行人工设设计很难难达到满满意的效效果，有有效的方方法是把把理论和和实践经经验结合合起来，，并借助助于计算算机来完完成。对挖掘机机工作装装置的合合理性分分析是在在综合了了各种影影响因素素的情况况下对工工作装置置乃至整整机所进进行的性性能分析析，其主主要目的的是检验验挖掘机机工作装装置几何何设计是是否满足足前述要要求，反反铲工作作装置的的设计合合理性应应从以下下几方面面考虑：：挖掘范围围及主要要工作尺尺寸是否否满足要要求？整机理论论最大挖挖掘力的的值及其其分布区区域是否否满足要要求？影响整机机理论挖挖掘力的的因素及及其分布布区域如如何？各各影响因因素之间间是否达达到了合合理匹配配？作业过程程中的功功率利用用情况如如何？作作业循环环时间即即作业效效率如何何？工作装置置结构和和布置的的可行性性如何？？部件的的重量及及重心位位置是否否合理？？机构所所占据的的空间即即机构的的紧凑性性如何？？工作装置置乃至整整机的受受力状态态的合理理性及部部件的结结构强度度是否满满足要求求？第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机59按照标准准要求对对作业参参数的检检验主要要包括以以下几个个：H1—最大挖掘深深度H2—最大挖掘高高度R1—最大挖掘半半径H3—最大卸载高高度R0—停机面上的的最大挖掘掘半径H4—最大垂直挖挖掘深度H5—水平底面为为2.5m时的最大挖挖掘深度(一）通过挖挖掘包络图图检验作业业尺寸及各各部件运动动的可行性性除上述尺寸寸参数外，，还应检验验各部件的的运动范围围，各机构构自身以及及机构之间间的干涉情情况。在结结构上实现现的可行性性如何等相相关的问题题？第三章单斗液压挖掘机的设计

单斗液压挖掘机60(二）通过挖挖掘图检验验挖掘力发发挥情况、、功率利用用情况、影影响挖掘力力发挥的因因素及各因因素之间的的匹配情况况挖掘图是在在给定工况况下、斗齿齿在一系列列位置上所所能产生的的最大挖掘掘力（整机机最大理论论挖掘力））、消耗的最大大功率及影响响挖掘力发发挥的因素素等信息的的综合反映映。由于包包含的信息息多、计算算过程复杂杂、计算量量大，因此此，对挖掘掘图的绘制制一般借助助于计算机机来完成。。挖掘图的绘绘制方法如如下：1.选定机身姿姿态和