反铲液压挖掘机工作机构设计方案计算

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Ｘx学院本科毕业设计（论文）题目：反铲液压挖掘机工作机构设计计算教学单位：机电工程系专业:机械设计制造及其自动化学号：xxxxｘxxｘxxxｘ姓名：xxxｘ指导教师:王俭2011年6月PAGE29摘要液压挖掘机的主要特点为：能大范围的无级调速,较低的稳定转速,快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作高速反转，传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动,操作省力，易实现自动化控制,易于实现标准化、系列化、通用化。本次设计的主要参数是斗容量0.2ｍ３,它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作机构。本次设计中，采用了履带式行走机构,来满足要求。上部转台是全回转式，因此它可在一个更大的范围内工作。又因采用液压传动控制而使整机性能得以改善。与机械式挖掘机相比,其挖掘力提高到2~３倍,整机质量约为５吨，挖掘力约为3０kN，最大卸载高度约为2.５ｍ，最大挖掘深度4．5m，最大挖掘半径约为5。5m，从中可以看出整机作业能力有了很大的改进，不仅挖掘力大,且机器重量轻,传动平稳,作业效率高,结构紧凑。关键词：反铲液压挖掘机工作机构AＢSＴＲＡCＴＴhemaｉncｈarａcterｉsticsofｈyｄraｕｌicexcavaｔoraｒefｏr:ｉtiscontｉnuousｌyviａbｌeanｄtｈｅｓcopeｏfｔhesｐｅｅｄ-cｏｎtrolislａrge，ｃａnobｔａiｎａlｏwｅrｓtａｂlerｏｔatｉonａlspｅed，ｗheｎitmoveｓquickly，ｔheｈydrａuliｃpａrtｓwillpｒｏducesmａｌlｉnｅrtia，thｅfunｃtｉonoｆacｃelｅraｔiｏｎisｇoｏd，ａｎdmａymaｋetｈｅhigh—speedrｅｖeｒｓiｏn,ｔhｅtransｍissiｏnsｔeady,ｔhestruｃtureissiｍple，itmａyaｂsorbatｔａｃkｓanｄviｂｒａｔｅｓ,theｏｐerａｔｉoniseａsy，aｎdiｔｉｓeａsytorｅalizetheautoｍａteｄｃｏntｒolaｎdｔhestａndａrdiｚａtｉon,theseriａｌizaｔｉonandthegenerａｌiｚation.Ｔhemainparameteｒoftｈｉsdeｓｉgｎiｓascoopanditscapａcｉtyｉｓ0．2m3，iｔbelongstoｔhemｅdｉum—sｉzeｄｈyｄrauｌicexcａｖａtｏr。Tｈepapermaｉnlｙｄesignｅdｔheexｃａvaｔｏr，workinsｔalｌmｅnt。Ｉnthedｅsign，thehyｄraｕliｃｅxcaｖａｔｏｒusｅdmaｒｃhingｗalｋedtｈｅinstallmentｔosatｉsfiedtherｅqｕeｓt．Thｅupｓidｅsｗiveltａbｌｅistheentiｒerotaｔiｏｎ,sｏiｔcanｗorｋｉnagreａterscope.Ａnｄbecausｅoｆｕｓｉngtｈehydraulictraｎsｍｉssｉonｍakesｔhｅperformａncｅoｆeｎtiｒemachineimpｒove.Comｐaredwiththemecｈａnicalｅｘcavator，thestｒengｔhofｔhｅｈydｒauliｃｅxcａvatiｏneｎhaｎcesto2～３timｅs，ｔheweiｇhｔofｅntireｍaｃhinｅｉｓaboｕt5tons，ｔｈeｅxｃａｖatiｏnsｔrｅngtｈｉsａbout30kN,theｍａｘｉmumunloａdｉｎｇheiｇｈｔiｓaｂouｔ2．5ｍ，andtｈｅmaxｉmumdｉｇｇingdeｐthis4.５m，ｔｈelａｒｇｅstradiuseｘｃaｖaｔiｏｎiｓaboｕt5.5ｍ。Tｈuｓwｅcanseｅthｅaｂｉlｉtyoftｈemacｈiｎｅhasaｖerｙbigimｐrovemｅnt。Ｎｏtｏｎlythestrｅｎｇｔｈisbｉg，buｔaｌｓotheweiｇhtｉslight，ｔhetransｍiｓsｉoｎisstｅａdy，thewoｒkｅfficiencyishｉghａndｔhesｔｒｕｃｔureｉｓcoｍpaｃt．Ｋｅyｗoｒd:AntｉｓｈoｖｅlHｙdｒａuliｃprｅsｓuｒｅexcａvaｔorExcavａtｉonｏrgａｎｉｚatioｎ目录ＴOＣ＼o＂1－3"＼h\z\uＨＹＰERLINK\ｌ"_Toc294650４８8"摘要ﻩPAGEREF_Tｏc294650488\hIＨＹPＥＲLINＫ\l＂_Toc29465０489"ＡBSＴRAＣT PAGＥＲEF_Toc29465０48９＼hIＩHYＰERLＩNＫ\l＂_Tｏｃ294６50４90”1绪论ﻩPAGＥＲEF_Toc2９465０490＼h1HＹＰERLＩNK＼ｌ＂_Ｔoｃ2９4650４91＂１。１液压挖掘机的工作特点和基本类型 PＡGEＲEＦ＿Ｔｏｃ２94６5０491＼ｈ1HYＰＥRLIＮＫ＼ｌ＂_Tｏc２9465０４92”１．１。１液压挖掘机的特点 ＰAＧＥRＥF＿Ｔｏc2９4６５0４92\ｈ1ＨＹＰERLIＮＫ\l”_Toc29465０４９3＂1。１。2液压挖掘机的基本类型及其主要特点ﻩPAGEＲEF_Toｃ29465０493＼h2HＹPＥRLINK＼ｌ＂_Toc2９465049４”１.2液压挖掘机的发展概况 ＰAGEREF_Toｃ294650494\h3ＨＹＰＥRLINK\ｌ”＿Toｃ２9４650495＂1。２.1国外液压挖掘机的发展现状及发展趋势ﻩPAGEREF_Ｔoc294650４95\h３HＹPＥRLＩNK\l”_Toｃ２9４65０４96"1.2。2国内液压挖掘机的发展概况ﻩＰAGEREF＿Toc29４6５04９６\h4HYＰERLIＮK＼l"_Ｔoc２94650４９7"1．３小型液压挖掘机发展趋势 PＡGEREＦ＿Toc294６５049７＼h4HYＰEＲＬINＫ\l＂_Ｔｏc2９4６50498＂１.4反铲挖掘机构的工作原理ﻩＰAGＥREF_Ｔoｃ2946５0498\h5HYPＥRLINK\l"＿Ｔｏc2946504９9”１．5本次设计主要内容ﻩPＡＧＥＲＥＦ_Toc29４6504９9\ｈ6ＨYPEＲLIＮK＼l”_Toc２９４6５０500＂2工作机构设计分析ﻩPＡGEREF＿Ｔoc2946５0５００\h7HＹＰEＲLＩＮＫ\l”_Ｔoc２946５０５０1”2。1工作机构设计方案分析ﻩＰＡGERＥF＿Toｃ294６5０50１\h７HYPERＬIＮＫ\l”_Toc294６505０２”2。2液压系统设计方案分析ﻩPAＧEＲEＦ＿Tｏｃ294650５０2\h7HYPERＬINK＼ｌ”_Toc２9４650503＂2．２.1单斗液压挖掘机作业过程简介ﻩPAGEＲＥF_Ｔoc2９４6505０3\h7HYPERＬＩNK＼ｌ”_Ｔｏｃ２94650５04"2．２。2液压系统工作要求ﻩＰAGＥREＦ_Toc294６５０50４\ｈ8HYＰERLＩＮK＼ｌ＂_Ｔoｃ294650505＂2．２。２液压系统的基本要求ﻩPAGＥREF_Toｃ29４650505\h８ＨYPＥRＬＩＮK\l＂_Toc294６５０５06”3工作机构的设计计算 PAGEREF_Tｏc2９４65０5０6\h10ＨYＰERLINK\ｌ”_Toc2９４６5０50７＂3。１动臂、斗杆、铲斗结构形式的确定 ＰAGERＥＦ＿Tｏｃ2946５0507＼ｈ10ＨYPERＬＩNK\l＂＿Tｏｃ29４６5０５0８"３．1。1动臂结构形式的确定ﻩPAGEREF_Ｔoc２９4６５０508\ｈ1０ＨＹPERLINK＼l＂_Toc29４650509"３．1。２斗杆结构形式的确定ﻩＰAGＥＲEＦ＿Ｔoc294650５09\h10ＨYPEＲLＩNＫ\l＂＿Toｃ２9４６505１0＂３．１．3铲斗结构形式和斗齿的装配ﻩPAＧERＥF_Ｔｏｃ294650510\h11HYPEＲLＩＮK\ｌ"＿Ｔoc２946５0５1１"３．１.４铲斗与铲斗液压缸的连接形式ﻩPＡGEＲEＦ＿Tｏc２94６５05１1\h1２ＨYＰERLＩNK＼ｌ"_Toｃ2９4６5０５1２"3。2动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置 PAGEＲＥＦ_Tｏc29４65051２\h13HYＰＥRLINＫ\l”_Tｏc29４650５1３＂3．２．1动臂油缸的布置ﻩPAGEＲＥＦ_Toc29４６５０5１３\ｈ１3HＹPERLＩNK3．2。2斗杆油缸的布置ﻩＰAGEＲEF_Tｏｃ2９４6５０514＼h１4HＹPERＬINＫ３.３。1反铲机构总体方案的确定ﻩPAＧEＲEＦ_Toc29４6５０５17\h15ＨYPEＲＬINK\l＂_Ｔoc294６５0５１8”３．3。2机构几何参数的确定ﻩＰAGＥＲEF_Ｔoc２９4６5０518＼h16HＹＰERLINK\l”_Tｏｃ29４650５19"3。３。3铲斗参数的确定 PＡGＥRＥF＿Ｔoｃ２94６５0519＼h18HＹPERLINK\l”＿Ｔｏｃ2９46505２0”３。3．４动臂机构参数的选择ﻩPAＧEREＦ_Tｏc2９465０5２0\ｈ21HYPERLINK\l”_Ｔoc2946５０521”3．3．５斗杆机构参数的选择ﻩPＡＧＥREF＿Tｏｃ294６5０521\h２5HＹPERＬＩNK\l"_Toc２946505２2"3.３。6连杆和摇臂参数的选择ﻩＰAＧＥRＥF_Tｏc29４65０5２2\h2７HＹＰERLIＮＫ＼l＂_Ｔｏc294６５0５２3”总结 PAGEＲEF_Ｔoｃ2９4６５0523＼h2８ＨYPＥRＬINK\l”_Toc29４6５05２4"致谢 PＡGＥREF_Toｃ294650524\h29HYPEＲＬINＫ\ｌ”_Ｔｏc29465０525＂参考文献ﻩPAGEREF_Toｃ２94６5052５＼ｈ３０HYＰＥＲLIＮＫ＼ｌ”_Ｔoｃ294１６８63８＂附录（图）ﻫxxxxx学院本科毕业设计（论文）１绪论液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置,卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。液压挖掘机与机械传动挖掘机一样,在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。在建筑工程中，可用来挖掘苦坑、排水沟，拆除旧有建筑物，平整场地等。更换工作机构后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业.在水利施工中,可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠,疏浚和挖深原有河道等。在铁路、公路建设中,用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟和管道等.在露天采矿场上，可用来剥离矿石或煤,也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业.在军事工程中，或用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种,对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平,加快施工进度，促进各项建设事业的发展,都起着很大的作用。据建筑施工部门统计,一台斗容量１。０ｍ3的液压挖掘机挖掘Ⅰ~Ⅳ级土壤埋，每班生产率大约相当于3０0～400个工人一天的工作量。因此，大力发展液压挖掘机,对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。１．1液压挖掘机的工作特点和基本类型１。1．１液压挖掘机的特点液压挖掘机由于采用了液压传动机构而使其在结构、技术性能和使用效果等方面与机械传动的单斗挖掘机相比具有很多特点，其优点综合叙述如下：1.技术性能提高，工作机构品种扩大.单斗液压挖掘机与同级机重的机械挖掘机相比挖掘力约提高一倍，液压挖掘机最大挖掘力可达机重的1／2，而机械挖掘机只达机重的１/4。因此在整机参数不变下，可加大铲斗容量。提高生产率。抓斗可以强制切土和闭斗,使切土力和闭斗力都提高.液压挖掘机的行走力和牵引力远远大于机械挖掘机，爬披能力都大为提高，还可换装加宽履带,使机械接地比压大大降低(甚至〈1０kPa)。２.简化结构、减少易损件。采用液压传动后省去了机械挖掘机复杂的中间传动零部件,简化结构并减少易损件。由于传动机构紧凑，重量减少导致转台、底架等结构件的尺寸和重量都相应降低，故同级液压挖掘机可比机械挖掘机总重量减轻３０-40％。３．传动性能改善,工作平稳、安全可靠。采用液压传动后能无级调速且调速范围大(最高与最低速度之比可达10００:１)，能得到较低的稳定转速,液压元件的运动惯性较小并可作高速反转，因此在挖掘机工作中换向频繁的情况下动作平稳、冲击很小,而且液压油还能吸收部分冲击能量减少机械的冲击、振动。４.机构布置合理紧凑.由于液压传动采用油管连接，各机构部件之间相互位置可不受传动关系的影响限制，布置可较灵活。５．操作简便、灵活。液压传动比机械传动操作轻便而灵活，采用先导阀后，操作杆数大为减少，主操作手柄为2个,故操作轻便司机的劳动强度大为减轻，驾驶室与机棚完全隔开，噪音减小、视野良好,振动减径,改善了司机的工作条件。6.易实现“三化"、提高质量.液压元件易于实现标准化、系列化、通用化。便于组织专业化生产,进一步提高产品质量、降低成本.液压挖掘机的主要缺点是：1。对液压元件加工精度要求高，要求严格，制造较为困难.使用中系统出现故障,现场进行排除较困难,维修条件和修理调整的技术都要求较高。2.液压油的粘度受温度影响较大，总效率较低，同时液压系统容易漏油,掺入空气后产生噪音和振动,动作不稳，并对液压元件产生腐蚀作用。1.1．2液压挖掘机的基本类型及其主要特点单斗液压挖掘机可按用途及其主要机构的特征进行分类。按液压挖掘机主要用途及工作机构的不同分为通用型和专用型两种.中小型挖掘机大多数为通用型，以挖掘土攘容重18００0N，1m3为标准反铲斗的主要机构外，还配有道于挖掘各种轻重土质和挖掘幅度的反铲、正铲、抓斗、起重等多种机构而大型液压挖掘机则以矿用正铲为主要机构外，一般亦配有挖掘轻重土、各种挖掘幅度的正、反铲等机构。主要用于矿山采掘和装载、称采矿或矿用型。按工作机构的结构不同分为铰接式和伸缩臂式挖掘机，常用者均为铰接式，伸缩臂式挖掘机因可用于平整清理场地等作业，所以有挖掘平地机之称.按行走机构的不同，液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式等种。履带式因有良好通过性能应用最广,对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履带来降低接地比应。轮式挖掘机具有行走速度快，机动性好、可在城市道路边行，故近年来在中小型挖掘机中发展较快。汽车式、悬挂式是以汽车及拖拉机为基础机械装设挖掘或装载工作机构的小型挖掘机。适用于城建小量土方工程及农村建筑。拖式则没有行走驱动机构,转移时由牵引车牵引，主要优点为结构简单、成本低。按回转部分转角的不同，液压挖掘机有全回转和半回转两类。大部分液压挖掘机是全回转式的，小型液压挖掘机如悬挂式等工作机构仅能作1800左右的回转,为半回转式.液压挖掘机按主要机构是否全部采用液压传动又分为全液压式与半液压式两种。两者区别在于半液压传动挖掘机的行走机构采用机械传动,少数挖掘机仅工作机构采用液压传动,如大裂矿用挖掘机等.目前国产轮胎式液压挖掘机多采用半压式.１。２液压挖掘机的发展概况1.２。1国外液压挖掘机的发展现状及发展趋势第一台手动挖掘机问世至今已有13０多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动半回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动全回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机,20世纪5０年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机.初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从２0世纪6０年代起,液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段,各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。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。1.2。２国内液压挖掘机的发展概况我国的挖掘机生产起步较晚，从１954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为１ｍ3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3０～40年代的Ｗ5０１、Ｗ５02、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。到２0世纪8０年代末,我国挖掘机生产厂已有3０多家,生产机型达40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0．1～2.5m３等１2个等级、２０多种型号,还生产０。5—4m３以及大型矿用１0m３、１2ｍ3机械传动单斗挖掘机,1m3隧道挖掘机，4ｍ3长臂挖掘机,100０m３/h的排土机等，还开发了斗容量０。25ｍ３的船用液压挖掘机，斗容量0。4ｍ3、０．6ｍ3、0．8m3的水陆两用挖掘机等。业内人士指出,我国单斗液压挖掘机应向全液压方向发展;斗容量宜控制在0．１～１５m３;而对于大型及多斗挖掘机，由于液压元件的制造、装配精度要求高，施工现场维修条件差等，则仍以机械式为主。应着手研究、运用电液控制技术，以实现液压挖掘机操作的自动化。1.３小型液压挖掘机发展趋势小型挖掘机的技术发展顺应全球多样化施工现场的需求，经历了三十多年的历史演变过程,经历不断的改进,在技术性能，作业功能，作业效率,安全,环保，节能和维护保养等方面有了大幅度提高,形成了比较一致的技术标准和作业规范。主要体现在一下几个方面:1.无尾回转和动臂偏转技术作为小挖基本概念的动臂偏转和无尾回转功能与２０世纪9０年代中后期面向世界推出,无尾回转结构的应用,使其在狭窄的地带作业时无需担心尾部的碰撞。其设计难点在于回转平台的总体布置,以及整机稳定性的解决.2.新型液压控制技术新型液压控制技术具有作业效率高，操作性能好，具有良好经济性和环境适应性,可进行高效率，强有力的作业。新的液压系统不受负荷大小的影响,完全根据操作杆的幅度分配所需液压油的流量,完全柑橘操作人员的意图轻松完成作业。３.安全性能设备的安全性能给操作者提供安心作业的环境，提高操作人员的安全性.小型挖掘机的安全性主要体现在驾驶室的设计上，在驾驶室的使用中,应满足一下性能要求:可满足必须的能量吸收；可满足必须的抗载荷；成员安全区域足够大。４。环保技术主要体现在高功率，低油耗,清洁排放发动机的应用上。新型发动机同时降低了震动和噪声,有易于环境保护和操作人员的健康。5.人机工程技术司机室符合人机工程徐原理,内部宽敞,造型美观,操作方便，省力，仪表显示直观准确,能给驾驶员提供一种舒适的操作环境,充分减轻驾驶员的疲劳。1．４反铲挖掘机构的工作原理反铲工作机构是液压挖掘机的一种主要工作机构，如图1-1所示液压反铲工作机构一般由动臂1、动臂液压缸２、斗杆液压缸3、斗杆4、铲斗液压缸5、铲斗6、连杆7和摇杆8等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作.动臂1的下铰点与回转平台铰接,并以动臂液压缸2来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角,实现动臂的升降。斗杆4铰接于动臂的上端,可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由铲斗液压缸5控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动.铲斗６则铰接于斗杆4的末端,通过铲斗液压缸5的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构(即连杆7和摇杆８)与铲斗连接.液压挖掘机反铲工作机构主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲液压挖掘机的工作过程为，先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置,转斗卸出土壤,然后再回转至工作机构开始下一次作业循环。动臂液压缸主要用于调整工作机构的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤;斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程,但挖掘力小一些.转斗挖掘的行程较短,为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由转斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中,熟练的液压挖掘机人员可根据实际情况，合理操作各个液压缸,往往是各液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖掘基坑时由于挖掘深度较大,并要求有较陡而平整的基坑壁,则采用动臂和斗杆同时工作;当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗,或挖掘过程中调整切削角时,则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。图１－１整体式弯动臂1。5本次设计主要内容本次设计斗容量为0．２m3,全液压履带式挖掘机,由于履带式液压挖掘机因有良好通过性能应用最广,对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履带来降低接地比压。见表1－1。表1—１本次设计的挖掘机主要参数铲斗容量最大挖掘深度最大挖掘半径最大挖掘高度最大挖掘力整机质量0.20（）4．５０（m)5.５0(m）2.50(m）３0。0（KＮ)约5吨ﻩ2工作机构设计分析2。1工作机构设计方案分析设计合理的工作机构应能满足下列要求:①主要工作尺寸及作业范围能满足要求,在设计通用反铲机构时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结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,并具有一定的先进性。③功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短.④确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利,在保证强度、刚度和连接刚性的条件意分清主次，在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。⑥运输或停放时工作机构应有合理的姿态，使运输尺寸小，行驶稳定性好，保证安全可靠,并尽可能使液压下尽量减轻结构自重。⑤作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作机构的通用性.采用变铰点构件或配套构件时要注缸卸载或减载。⑦工作机构液压缸设计应考虑三化。采用系列参数,尽可能减少液压缸零件种类,尤其是易损件的种类。⑧工作机构的结构型式和布置使于装拆和维修,尤其是易损件的更换。⑨要采取合理措施来满足特殊使用要求.2.２液压系统设计方案分析按照挖掘机各个机构和机构的传动要求,把各种液压元件用管路有机连接起来的组合体叫做挖掘机的液压系统。液压系统的功能是把发动机的机械能以油液为介质，利用液压泵转变为液压能进行传送，然后通过液压缸和液压马达等执行元件转返为机械能，实现各种动作。２。2。1单斗液压挖掘机作业过程简介液压挖掘机的作业过程包括下列几个间歇动作：动臂升降、斗杆收放、铲斗装载、转台回转、整机行走,以及其它辅助动作，除辅助动作不需要功率驱动外，其它都是挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。由于挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特殊要求：①实现各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化。因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化.②为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作同时进行，叫做复合动作,这两项要求需要由液压系统来保证.2.2。2液压系统工作要求液压挖掘机的动作复杂，机构经常启动、制动、换向,负载变化大,冲击和振动频繁，而且野外施工作业，温度变化和地理条件差别大，因此，应根据液压挖掘机的工作特点和环境特点,对其液压系统提出一些有别于其他应用的基本要求。液压挖掘机的液压系统应满足的作业动作要求如下。①保证液压挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。②保证工作机构的动作与回转平台的回转动作既能单独动作,又能作复合动作，以提高液压挖掘机的作业效率。③履带式液压挖掘机的左、右履带应能分别驱动，使挖掘机行走转弯方便灵活,并能实现原地转向，以提高挖掘机的机动性.④保证液压挖掘机工作安全可靠,对各机构及液压执行元件应具有完善的安全保护措施。例如，对回转机构和行走机构有可靠的制动和限速;防止动臂因自重而下降过快；防止机器下坡行驶时超速溜坡等。2．２.2液压系统的基本要求根据液压挖掘机的作业动作和环境特点，对液压系统提出如下要求。①液压挖掘机的液压系统应具有较高效率，以充分发动机的动力性和燃油经济性.②液压系统和液压元件在大负载和剧烈振动冲击作用下,应具有足够的可靠性.③选择轻便、适用、耐振的冷却散热系统,减少系统总发热量,使液压系统工作温度及温升在规定范围内.④由于液压挖掘机作业现场尘土多，液压油被污染，因此液压稭密封性能要好，整个液压系统要设置滤油器和防尘机构。⑤在必要时采用液压先导或电液伺服操作机构，提高液压挖掘机操作的舒适性，减轻操作人员的劳动强度。⑥在液压系统中采用先进的自动控制技术，提高液压挖掘机的技术性能指标，使液压挖掘机具有节能、高效和自动适应负载变化的特点。3工作机构的设计计算3.1动臂、斗杆、铲斗结构形式的确定3。1。1动臂结构形式的确定动臂是反铲工作机构的主要部件,斗杆的结构形式往往取决与动臂的机构形式。目前采用得多的是整体式动臂,组合式动臂用在作业工况复杂、多变的场合,现一般作为特殊配置。如图3－１、3-2所示。整体式动臂的优点是结构简单,轻巧,质量轻而刚度大.其缺点是更换的工作机构少，通用性较差。多用于长期作业条件相似的挖掘机上。整体式动臂又可分为直动臂和弯动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便，主要用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最广泛的结构型式,与同长度的直动臂相比,可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。经比较，选择整体弯动臂.图３－1整体直动臂图3－2整体弯动臂3.1。2斗杆结构形式的确定斗杆也有整体式和组合式两种，大多挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆比时采用更换斗杆的办法,或者在斗杆上设计2－４个可供调节的孔.经比较,选择整体式斗杆。如图3－３、３－4所示图３－3整体式斗杆图３－4组合式斗杆３。1。3铲斗结构形式和斗齿的装配基本要求1)铲斗的纵向剖面形状应适应挖掘过程各种物料在斗中运动规律，有利于物料的流动，使装土阻力最小，有利于将铲斗充满。2)装设斗齿，以增大铲斗对挖掘物料的线比压，斗齿及斗形参数具有较小的单位切削阻力,便于切入及破碎土壤.斗齿应耐磨、易于更换。3）为使装进铲斗的物料不易掉出,斗宽与物料直径之比应大于4：1.4）物料易于卸净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。反铲用的铲斗形状、尺寸与其作业对象有很大关系.为了满足各种挖掘作业的需要,在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗,图3—5、图3－6分别为反铲用铲斗的基本形式和常用形式。铲斗的斗齿采用装配式，其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式,如图3－7所示,经比较,选择a安装形式图3-5反铲用铲斗基本形式图3-６反铲用铲斗常用结构图３—7斗齿安装形式3。1．4铲斗与铲斗液压缸的连接形式铲斗与液压缸连接的结构型式有四连杆机构和六连杆机构,如图3—8所示。其中的四连杆机构方式是铲斗直接铰接于液压缸，使铲斗转角较小，工作力矩变化较大；六连杆机构连接方式的特点是,在液压缸活塞杆行程相同条件下,铲斗可获得较大转角,并改善机构的传动特性。图3—８a为直接连接,铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构.图3—8ｂ中铲斗液压缸通过摇抨１和连杆２与铲斗相连，与斗杆组成六连杆机构。图3-8ｄ与图3-8b类似,区别在于前者液压缸与活塞杆端铰接于摇杆两端之间．经比较：选用b结构。虽然．六连抨中方式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。铲斗液压缸一般都只有一个，因为传动比小,单油缸作用力足以保证斗齿所需作用力.图3-8铲斗的连接形式3。２动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置３.2.1动臂油缸的布置动臂液压缸的连接,一般有两种布置方褒.第一种如图3—9ａ和b所示,动臂液压缸装于动臂的前下方，动臂下支承点（即与转台的铰点>可以设在转台回转中心之前。，并稍高于转台平面，也可以设置在转台之后,改善受力状况。a图中，铰点设在动臂箱体下方的凸缘上,ｂ图中，设在动臂箱体中间，铰点布置a不削弱动臂结构强度，但影响动臂下降幅度，ｂ则与之相反,但对动臂双液压缸则较合适。C和ｄ动臂、动臂液压缸位于动臂的上方或后方,有的称之为“悬挂式液压缸”.由此,选定方案ａ为动臂油缸的布置方案。图3—９动臂油缸的布置３。2．２斗杆油缸的布置确定斗杆油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。①保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。油缸全伸时的偷税漏税力矩应该足以支承满载铲斗和斗杆静止不动.油缸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范围可以取得越小一些。②保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取１0０°～1３0°。在斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于１０cｍ。一般来说,斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。铰点位置的确定需要反复进行.在计算中初定铰点位置,如不够合理,应进行适当修改.反铲斗杆油缸的布置如图3－10所示。图3-10斗杆油缸的布置3．2.3铲斗油缸的布置确定铲斗油缸铰点应考虑以下因素。①保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力,即在铲斗油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘应能使满载铲斗静止不动②保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取１40°~16０°，在特殊作业时可以大于180°，摆角位置可以按图３—12布置.当铲斗油缸全缩时，铲斗与斗杆轴线夹角(在轴线上方）应大于10°,常取1５°～25°,铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。③铲斗从位置Ⅰ到位置Ⅱ时（图3－11），铲斗油缸作用力臂最大，这里能得到斗齿最大切削角度的1／2左右，即当铲斗挖掘深度最大时,正好斗齿挖掘力也最大。实际上铲斗的切削转角是可变的.在许多情况下,特别是进行复合动作挖掘时,铲斗的切削转角一般都小于100°,而且铲斗也不一定都在初始位置Ⅰ开始挖掘.因此,目前一般取位置Ⅰ至位置Ⅱ的转角为3０°～50°，在这个角度范围内可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好地适应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力图3-１１铲斗摆角范围３。3动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择3。３．1反铲机构总体方案的确定反铲方案选择的主要依据是设计任务书规定的使用要求,据以决定工作机构是通用或是专用的。以反铲为主的通用机构应保证反铲使用要求，并照顾到其它机构的性能.专用机构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它条件下性能。反铲机构总体方案的选择包括以下方面：１．动臂及动臂液压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式或整体式动臂的形状.确定动臂液压缸的布置为悬挂式或是下置式。前面已确定采用整体式动臂，动臂液压缸的布置为下置式.２。斗杆及斗杆液压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。前面已确定采用整体式杆。3．确定动臂与斗杆的长度比,即特性参数＝。对于一定的工作尺寸而言,动臂与斗杆之间的长度比可在很大内选择。一般当＞2时，(有反铲取>３)称为长动臂短斗杆方案，当<1.５叶属于短动臂长斗杆方案。在１。5~２之间称为中间比例方案。要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例方案.相反，当用配套替换构件或可调连接适应不同作业条件时，不同的配置或铰点连接情况可组成各种比例方案.在使用条件单一,作业对象明确的条件下采用整体式动臂和斗杆固定铰接，值由作业条件确定.从作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下，愈大作业范围愈窄，从挖掘方式看大宜用于斗杆挖掘为主,因其刚度较易保证。而值小宜用于以转斗挖掘为主。本设计采用中间比例方案，取＝1。8。4．确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数,并考虑铲斗连杆机构传动比是否需要调节。５．根据液压缸系统压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件和三化要求等确定各液压缸缸数、缸径、全伸长度与全缩长度之比。考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动幅度等因素一般取＝1．6～１.7,个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取≤1．７5,而取=1．6～1.７，＝１.６~１。7。3.3．2机构几何参数的确定机构自身几何参数有三类，第一类是决定机构运动特性的必要参数,称原始参数，本次设计主要选择长度参数作为原始参数；第二类是由第一类参数推算出来的参数,称推导参数,多为运算中需要的角度参数;第三类是作方案分析比较所需要的其它特性参数。反铲机构自身几何参数的计算图式及有关符号于图3—12所示。反铲机构各部分原始参数、推导参数和部分特性参数见表3-1所示。图３—12反铲机构几何参数的计算简图表3－1反铲机构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l３=QＶ,l12=MHｌ13＝MN,l１4=HNｌ24=ＱK，l25＝KＶｌ２9=ＫHl2＝FＱ，ｌ９＝ＥFｌ1０＝FＧ，l１1＝ＥGl15=ＧＮ,l16=ＦＮl２１=NQｌ1=CF，l6=CＤl７=CB,l８=DＦl２2=BFl4=CP，l5=CAl1７=CＩ，l１9=ＣTｌ3０＝CＳ,l3８=JTl39=ＪI推导参数α9=∠NＭHα１０=∠KQVα４=∠EFGα5=∠ＧＮＦα6=∠GＦNα7＝∠ＮQFα8＝∠NFＱα2=∠ＢＣFα3=∠DＦCα11=∠CAPα9=∠TＣP特性参数Ｋ2＝，l3K2＝，l3K２＝，l３α1＝∠CZＦσ=α11Ｋ1=备注ｌ-斗杆长ｌ1—动臂长α1—动臂弯角悬挂式α1１=∠ACＵ各液压缸运动参数的意义见表3-2３。3。３铲斗参数的确定a。铲斗主要参数的选择斗容量、平均斗宽，转斗挖掘半径和转斗挖掘装满转角（这里令=）是铲斗的四个主要参数。、及三者与之间有以下几何关系(图３－1３）。=(３－1)其中:—0。2m其中：＝0．2m3（已知），铲斗斗容量；—铲斗挖掘半径，单位ｍ；-铲斗斗宽,根据反铲斗平均斗宽统计值和推荐范围，查表，取=0.7５m；—铲斗挖掘装满转角，一般取=90°～１００°,取＝９5°=１.6５8rａｄ把、、代入式（3—1)得:０.2=××0．７5×（1。6５８－ｓin95°）×解得：=0.80３ｍ图3-１3铲斗主要参数示意图铲斗上两个铰点与的间距（图3-１2）太大将影响铲斗传动特性，太小则影响铲斗结构刚度，一般取特性＝＝0.3~0．3８，取＝0．34＝=＝０.３4，＝０。８03m,得出=0．2７3ｍ。当转角较大时取较小值，取=95°～115°,取=105°。表３—2铲工作液压缸运动参数表液压缸种类参数意义特性参数参数符号动臂液压缸λ=斗杆液压缸λ＝铲斗液压缸λ＝b。斗形尺寸计算根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形其尺寸,如图3—1４所示。图中三角形为等腰三角形，段为直线,弧段为抛物线。点至直线的距离为，抛物线定点高度为，一般取＝。斗尖角取值范围一般为20°～30°，斗侧壁角为取30°~50°，包角取108°.常见铲斗斗形参数参考表3-1。改变三角形的形状可以获得不同的形状的斗形.斗形尺寸根据比拟法=0.75m(已知）、=０．803ｍ(已知）,得出：=0。294m；＝0．５３4m；=0。8７；＝0．７324ｍ；=０.０7０6m；＝４0°;=23°；=1０8°=＝0。５6m。图3-1４反铲铲斗计算尺寸c.初选斗齿的几何形状铲斗的几何形状应对挖掘比阻力达到最小值。铲斗及切削时的主要参数，如图3-１5所示，图中铲斗容量q、长度L、宽度Ｂ、高度H、切削角α、刃角β和后角γ等参数的选择都对挖掘比阻力有直接影响。斗齿在铲斗上的布置（齿宽和齿距)也是一个重要参数为使斗侧壁不参与切削,铲斗应装有侧齿。一般齿宽=0．１1=0。１1×=０．064m；齿长＝0.26＝０.26×=0．1５2m；斗前臂与切削面的间隙取＝0．7=0．0４48m又由于铲斗宽度B=０。７５m，齿宽与齿距之和为０．０６4+0。18=0。24＝=3.07因此铲斗装有3个齿。另外齿尖应保持锐利,否则挖掘阻力将急剧增加.新铸（或锻）的齿只有一个小的圆弧尖连续工作后,齿尖将逐渐磨损,并变钝。通常,挖掘Ⅱ～Ⅲ级土壤,齿尖显著磨钝后，挖掘阻用将增加50～10０％.因此，为避免这种超载挖掘，应及时更换或在齿刃口上堆焊硬质合金层。斗齿做成楔入式或组合式,以便快速更换和修补。切削角对切削阻力影响也很大.通常,挖Ⅰ～Ⅲ级土时,斗切削角为＝２0°～35°(较大值适用于硬土，小值适用于一般土)，常用切削角为=３０°，本次设计取=30°，后角不应小于5°，刃角取2５°。图３—１5铲斗的基本参数３。３.4动臂机构参数的选择由于铲斗容量=0.2m３，根据国内外液压挖掘机有关设计标准,通过类比法，选出参数机重=５吨。又根据经验公式计算法，机体尺寸和工作尺寸经验系数：＝m得出:最大挖掘半径—=3．35×=5．728m;最大挖掘深度-＝３。05×=４。505m；最大卸载高度—＝1．55×＝2．６5m；据统计，最大挖掘半径值一般与＋+的和值很接近。因此由要求，已定的和可按下列经验公式初选、：＝(3—2）=K其中:＝5.７2８ｍ；=1.８；经计算得出：＝１。7５９m；==1。8×１．759＝3.１６6m在三角形CZＦ中,、和都可以根据经验初选出：其中:-动臂的弯角，采用弯角能增加挖掘深度，但降低了卸载高度,但太小对结构的强度不利,一般取120°~1４0°，取＝1４0°;-前面已算出为3。１6６ｍ;-动臂转折处的长度比，一般根据结构和液压缸铰点B的位置来考虑,初步设计取＝1。1～1。３，取＝1。2；因此根据公式：可以算出、、l＝l＝Kl（３－3）α＝∠ＺCF＝arｃcｏｓ（）经计算得出：ZC＝=1.52９ｍ；ZＦ=＝1．834m;＝１７。9°如图3—1６所示.动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比Ｋ4按不同情况选取，专用反铲可取＜0。8;以反铲为主的通用机，=０.8~1．1;斗容量１ｍ3左右的通用机，则可取=1.本设计中取=１.的取值对特性参数、最大挖掘深度和最大挖高有影响。加大会使减小或使增大，这下符合反铲作业要求，因此基本用作反铲的小型机取＞60°。本设计中取＝７0°。斗杆液压缸全缩时=最大（图3—１2）,常选（)=160°~18０°.本设计中取（）=1７0°。取决于液压缸布置形式,(图3—16），动臂液压缸结构中这一夹角较小,可能为零。动臂单液压缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼加耳座上，B在Z的下面.初定∠BCＺ=5°,根据已知∠ＣZF=2２.1°，解得∠BCF＝17．１°。由图３－１7得最大卸载高度的表达式为(3—4）由图3－１8得最大挖掘深度绝对值的表达式为（3－5)将这两式相加,消去,并令=+，=+—，得到:+－［-—A）］+［－1]=０（3—6）又特性参数：=(３-７)因此==)(３-8）将上式代入式(3-6)则得到一元函数f（)=０.式中和已根据经验公式计算法求出,经计算得出：＝29.6°；＝７３。５°最后由式(3—5）求为==０。638m（3－９）(其中:=3.166ｍ;=１．７59ｍ;=97.1°；由于履带总高=0.3２·＝０。547，近似取＝0.６5ｍ）然后,解下面的联立方程，可求σ和ρ：＝aｒcｏｓ(）＝arc（)＝arcoｓ()=arc（)（3—10)于是：＝=λx（3—1１）=σ·经计算得出：＝１．63；＝0。67;=０。9５2m；=1.5２m；＝１。61m得到的结果符合下列几何条件:＋=2.３6≥;｜—︳＝０．96≤１图３-16动臂实际尺寸图3－１7最大卸载高度时动臂机构计算简图图３－１８最大挖掘深度时动臂机构计算简图3.3．5斗杆机构参数的选择第一步计算斗杆挖掘阻力：斗杆挖掘过程中，切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中视为常数，一般取斗杆在挖掘过程中总转角=5０°～80°,取＝６5°,在这转角过程中，铲斗被装满,这时半齿的实际行程为:其中:—斗杆挖掘时的切削半径，；取＝=１。759+０。803=2.5６２ｍ斗杆挖掘时的切土厚度可按下式计算：＝斗杆挖掘阻力为：（３－1２)式中—挖掘比阻力,由表查得，＝20(Ⅲ级土壤以下)—土壤松散系数近似值取1．２5.斗杆与铲斗和之间，为了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1５0°～180°，0。866＝计算得：=＝1．１37ｍ把、、、、代入式3—１2得=2。4８KN第二步确定斗杆液压缸的最大