本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：反鏟液壓挖掘機工作機構(gòu)設(shè)計教學單位： 機電工程系 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學 號： 0912010339 姓 名： 劉寄吧 指導教師： 2012年 6月摘 要液壓挖掘機是一種重要的工程機械，它的廣泛應(yīng)用對于減輕勞動量，保證工程質(zhì)量，加快工程進度，提高勞動生產(chǎn)率起了巨大的作用。反鏟工作裝置由動臂，斗桿，動臂液壓缸，斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸組成。 本文根據(jù)液壓挖掘機反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，對其各主要機構(gòu)進行了運動學分析。并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)書的設(shè)計要求，結(jié)合各機構(gòu)的工作特點和設(shè)計要求，在對各機構(gòu)分析計算的同時，結(jié)合構(gòu)件已知尺寸參數(shù)，算出各機構(gòu)中構(gòu)件的其它參數(shù)，為各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。挖掘力是衡量挖掘機挖掘能力的重要參數(shù)，挖掘力是由各液壓缸中的油液壓力提供的，是主動力。最大挖掘力的實現(xiàn)受諸多因素的制約，它是工作裝置各鉸點受力分析的基礎(chǔ)。挖掘阻力不僅與鏟斗的尺寸形狀有關(guān)，還與挖掘?qū)ο笥嘘P(guān)，是兩者的綜合反映。關(guān)鍵字： 液壓挖掘機 反鏟裝置 運動分析 參數(shù)設(shè)計 力學分析33AbstractHydraulic 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 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,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 various 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 device 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.Keywords： hydraulic excavator;backhoe device;motion analysis;parameters design; mechanical analysis目 錄摘 要I第1章 前言11.1 課題背景及研究意義11.2 國內(nèi)外研究狀況11.3 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容2第2章 挖掘機工作裝置的總體設(shè)計32.1 工作裝置構(gòu)成32.2 動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式42.3 動臂油缸與鏟斗油缸的布置42.4 鏟斗與鏟斗油缸的連接方式52.5 鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇52.6 原始幾何參數(shù)的確定6第3章 挖掘機的工作裝置詳細的機構(gòu)運動學分析93.1 動臂運動分析93.2 斗桿的運動分析103.3 鏟斗的運動分析113.3.1 鏟斗的傳動比113.3.2 最大卸載高度133.3.3 最大挖掘半徑14第4章 工作裝置各部分的基本尺寸計算和驗證154.1 鏟斗各參數(shù)的確定154.1.1 鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計及基本要求154.1.2 鏟斗主要參數(shù)的確定154.2 動臂機構(gòu)參數(shù)的確定164.3 斗桿機構(gòu)基本參數(shù)的選擇184.4 鏟斗機構(gòu)基本參數(shù)的選擇194.4.1 轉(zhuǎn)角范圍194.4.2 鏟斗機構(gòu)其它基本參數(shù)的計算19第5章 工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計215.1 斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計215.1.1 斗桿的受力分析215.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸的計算265.2 鏟斗的設(shè)計275.2.1 鏟斗斗形尺寸的設(shè)計275.2.2 鏟斗斗齒的結(jié)構(gòu)計算275.3 銷軸與襯套的設(shè)計285.3.1 銷軸的設(shè)計285.3.2 襯套的設(shè)計28結(jié) 論29致 謝30參考文獻31附錄：零件截圖32西京學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章 前言1.1 課題背景及研究意義20世紀40年代在拖拉機上配裝的懸掛的懸掛式反鏟液壓挖掘機，20世紀50年代初期和中期相繼出現(xiàn)了拖式全回轉(zhuǎn)液壓機和履帶式液壓挖掘機。初期的液壓挖掘機采用飛機和機床專用的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機各種工況的液壓元件，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定，配套也不齊全。從20世紀60年代起，液壓挖掘機進入推廣和蓬勃發(fā)展階段。反鏟式液壓挖掘機工作裝置是一個較復雜的空間機構(gòu)，國內(nèi)外對其運動分析、機構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方面都作了較深入的研究，具體的設(shè)計特別是中型挖掘機的設(shè)計已經(jīng)趨于成熟。我國挖掘機械行業(yè)近年來雖有很大的發(fā)展，但從產(chǎn)品的種類、數(shù)量和技術(shù)性能及制造質(zhì)量上都還不能滿足現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展的要求，迅速地提高挖掘機械的設(shè)計、研究和生產(chǎn)的技術(shù)水平是當前挖掘機械行業(yè)所面臨的迫切而艱巨的任務(wù)。本設(shè)計有助于提高挖掘機工作裝置的可靠性，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、減輕工作裝置重量、提高工作效率、減少能耗，從而提高挖掘機生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計水平和自主開發(fā)能力。1.2 國內(nèi)外研究狀況1.國內(nèi)研究情況我國的挖掘機生產(chǎn)起步較晚，從1954年撫順挖掘機廠生產(chǎn)的第一臺斗容量為1的機械式單斗挖掘機至今，大體上經(jīng)歷了測繪仿制、自主研制開發(fā)和發(fā)展提高等三個階段。新中國成立初期，以測繪仿制前蘇聯(lián)20世紀3040年代的W501、W502、W1001、W1002等型機械式單斗挖掘機為主，開始了我國的挖掘機生產(chǎn)歷史。到20世紀80年代，我國挖掘機生產(chǎn)廠已有30多家，生產(chǎn)機型達40余種。但總的來說，我國挖掘機生產(chǎn)的批量小、分散，生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量與國際先進睡睡水平相比，有很大差距。2.國外研究情況工業(yè)發(fā)達國家的挖掘機生產(chǎn)較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本等是斗容量3.540單斗液壓挖掘機的主要生產(chǎn)國，從20世紀80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機。 是世界上目前最大的挖掘機。從20世紀后期開始，國際上挖掘機的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展。1.3 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、銷軸、連桿機構(gòu)組成挖掘機工作裝置進行設(shè)計。具體內(nèi)容包括以下五部分:(1) 挖掘機工作裝置的總體設(shè)計。(2) 挖掘機的工作裝置詳細的機構(gòu)運動學分析。 (3) 工作裝置各部分的基本尺寸的計算和驗證。(4) 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真設(shè)計。(5) 銷軸的設(shè)計及螺栓等標準件進行選型。第2章 挖掘機工作裝置的總體設(shè)計液壓挖掘機的作業(yè)過程是以鏟斗的切削刃切削土壤并將土裝入斗內(nèi)。斗裝滿后提升，回轉(zhuǎn)到卸土位置進行卸土。卸完后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到挖掘面進行下次挖掘。本文主要對工作裝置的反鏟裝置進行分析。2.1 工作裝置構(gòu)成液壓挖掘機工作裝置基本組成及傳動示意圖，反鏟工作裝置由鏟斗、連桿、斗桿、動臂、相應(yīng)的三組液壓缸等組成，液壓挖掘機的工作裝置組圖如圖2.1所示。1-斗桿油缸；2- 動臂； 3-油管； 4-動臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒； 7-側(cè)板；8-連桿； 9-曲柄： 10-鏟斗油缸； 11-斗桿；圖2.1 工作裝置組成圖 動臂下鉸點鉸接在轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉(zhuǎn)動，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉(zhuǎn)動。挖掘作業(yè)時，接通回轉(zhuǎn)馬達、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮，動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進行卸土。挖掘機工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，可以對工作裝置進行適當簡化處理。則可知單斗液壓挖掘機的工作裝置可以看成是由動臂、斗桿、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機構(gòu)。挖掘機的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實質(zhì)是一組平面連桿機構(gòu)，自由度是3，工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度L1、斗桿油缸長度L2、鏟斗油缸長度L3決定，當L1、L2、L3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定。2.2 動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式動臂是工作裝置中的主要構(gòu)件，斗桿的結(jié)構(gòu)型式往往取決于動臂的結(jié)構(gòu)型式。反鏟動臂可以分為整體式和組合式兩類。整體式動臂有直動式和組合式兩類。直動式臂結(jié)構(gòu)簡單，輕巧，布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機。采用整體式彎動臂有利于得到較大的挖掘深度，它是專用反鏟裝置的常見形式。整體式彎動臂在彎曲處的結(jié)構(gòu)形式和強度值得注意，近年來懸掛式挖掘機出現(xiàn)了小彎臂的結(jié)構(gòu)形式，是直動臂的改良，動臂的箱型結(jié)構(gòu)可以不用開口，動臂和斗桿油缸及管路的布置也比較方便。整體式動臂結(jié)構(gòu)簡單，價廉。剛度相同時結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕。它的缺點是替換工作裝置較少，通用性較差。而組合式動臂工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化調(diào)整，較合理的滿足各種類型作業(yè)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求，裝車運輸比較方便。由于所設(shè)計的是中型液壓挖掘機，綜上選用整體式動臂。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機采用整體式斗桿。在本設(shè)計中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長度，故采用整體式斗桿。2.3 動臂油缸與鏟斗油缸的布置動臂油缸裝在動臂的前下方，動臂的下支承點（即動臂與轉(zhuǎn)臺的鉸點）設(shè)在轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺平面，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。油缸活塞桿端部與動臂的鉸點設(shè)在動臂箱體的中間，這樣雖然削弱了動臂的結(jié)構(gòu)強度，但不影響動臂的下降幅度。并且布置中，動臂油缸在動臂的兩側(cè)各裝一只，這樣的雙動臂在結(jié)構(gòu)上起到加強筋的作用，以彌補前面的不足，所以動臂油缸和鏟斗油缸的布置為是下置式，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.2動臂油缸鉸接示意圖。1-動臂；2-動臂油缸圖2.2 動臂油缸鉸接示意圖2.4 鏟斗與鏟斗油缸的連接方式本方案中采用六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在相同的鏟斗油缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機構(gòu)的傳動特性。該布置中1桿與2桿的鉸接位置雖然使鏟斗的轉(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠大的鏟斗平均挖掘力。如圖2.3所示。1-曲柄； 2-連桿圖2.3 鏟斗連接布置示意圖2.5 鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機的作業(yè)效果影響很大，其應(yīng)滿足以下的要求：(1)有利于物料的自由流動。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖)面形狀要適合于各種物料的運動規(guī)律。(2)要使物料易于卸盡。(3)為使裝進鏟斗的物料不易于卸出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應(yīng)大于4，小于50時，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質(zhì)。綜上考慮，選用中型挖掘機常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4 鏟斗2.6 原始幾何參數(shù)的確定（1）動臂與斗桿的長度比K1由于所設(shè)計的挖機適用性較強，一般不替換工作裝置，故取中間比例方案，K1取在1.52.0之間，初步選取K1=1.8，即l1/l2=1.8。（2） 鏟斗斗容與主參數(shù)的選擇斗容：q =0.9 m3按經(jīng)驗公式和比擬法初選：I3=1550mm（3） 工作裝置液壓系統(tǒng)主參數(shù)的初步選擇各工作油缸的缸徑選擇要考慮到液壓系統(tǒng)的工作壓力。初選動臂油缸內(nèi)徑D1=140mm，活塞桿的直徑d1=90mm。斗桿油缸的內(nèi)徑D2=140mm，活塞桿的直徑d2=90mm。鏟斗油缸的內(nèi)徑D3=110mm，活塞桿的直徑d3=80mm。又由經(jīng)驗公式和其它機型的參考初選動臂油缸行程L1=1000mm，斗桿油缸行程L1=1450mm，鏟斗油缸行程L3=1250mm。并按經(jīng)驗公式初選各油缸全伸長度與全縮長度之比：1=2=3=1.6。參照要求選擇工作裝置液壓系統(tǒng)的工作壓力P=31.4MPa，閉鎖壓力Pg=34.3MPa。由上繪出圖2.5工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖和表2.1后面設(shè)計中所需的參數(shù)。此上，后續(xù)設(shè)計所需參數(shù)已給定，液壓挖掘機的總體設(shè)計基本完成。 圖2.5 工作裝置結(jié)構(gòu)參 數(shù) 分 類機 構(gòu) 組 成鏟 斗斗 桿動 臂機 體符 號 意 義原始參數(shù)=QV , =MH ,=MN , =HN,=QK, =KV,=KH=FQ, =EF,=FG, =EG,=GN, =FN,=NQ=CF, =CD,=CB, =DF,=BF=CP, =CA,=CI, =CT,=CS, =JT,=JI推 導參 數(shù)=，=，=，=，=，=，=，=特 性 參 數(shù), , , , 備 注表2.1 反鏟機構(gòu)自身幾何參數(shù)表第3章 挖掘機的工作裝置詳細的機構(gòu)運動學分析反鏟裝置的具體結(jié)構(gòu)型按運動學分析，在運動學上能以通用的數(shù)學表達式表示。本文通過直角坐標系對典型結(jié)構(gòu)型式作運動分析的方法反鏟裝置的幾何位置取決于動臂液壓缸的長度、斗桿液壓缸的長度和鏟斗液壓缸的長度。3.1 動臂運動分析動臂是液壓挖掘機的主要部件，前面選定整體式動臂，動臂上任意一點在任一時刻也都是L1的函數(shù)。動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度；A：動臂油缸的下鉸點；B：動臂油缸的上鉸點；C：動臂的下鉸點.圖3.1 動臂擺角范圍計算簡圖如圖3.1所示，1是L1的函數(shù)，圖中動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度；動臂油缸兩鉸點分別與動臂下鉸點連線夾角的最小值；動臂油缸兩鉸點分別與動臂下鉸點連線夾角的最大值；在三角形AB0C中： 動臂的瞬時轉(zhuǎn)角為:=圖 3.2 F點坐標計算簡圖 當F點在水平線CU之下時21 = UCB為負，否則為正。(圖 3.2 F點坐標計算簡圖)F點的坐標為 XF = l30+l1cos21 YF = l30+l1Sin21 C點的坐標為 XC = XA+l5COS11 = l30 YC = YA+l5Sin11 動臂油缸的力臂e1 e1 = l5SinCAB 顯然動臂油缸的最大作用力臂e1max= l53.2 斗桿的運動分析如下圖3.3所示，D點為斗桿油缸與動臂的鉸點點，F(xiàn)點為動臂與斗桿的鉸點，E點為斗桿油缸與斗桿的鉸點。斗桿的位置參數(shù)是l2，這里只討論斗桿相對于動臂的運動，即只考慮L2的影響。D-斗桿油缸與動臂的鉸點點； F-動臂與斗桿的鉸點；E-斗桿油缸與斗桿的鉸點； 斗桿擺角.圖3.3 斗桿機構(gòu)擺角計算簡圖由圖3.3的幾何關(guān)系知 斗桿的瞬時轉(zhuǎn)角為: 則斗桿的作用力臂 e2 =l9SinDEF 顯然斗桿的最大作用力臂 e2max = l93.3 鏟斗的運動分析3.3.1 鏟斗的傳動比鏟斗相對于XY坐標系的運動是、和的函數(shù)，情況較復雜?，F(xiàn)先討論鏟斗相對于斗桿的運動。圖 3.4 鏟斗連桿機構(gòu)計算簡圖當給定了鏟斗液壓缸長度，由表一原始參數(shù)及推導參數(shù)出發(fā)，利用幾何關(guān)系可依次求得圖3.4中（）、（）、（）、（）、（）、 （）、（）、 （）、（）、 （）、（）、（）等值。由圖3-4鏟斗液壓缸對N點的作用力臂為 連桿HK對N點作的用力臂為 連桿HK對Q點作的用力臂為 鏟斗連桿機構(gòu)的總傳動比為 鏟斗相對于斗桿的擺角范圍 當取上和時可分別求得和。于是得： 斗齒尖坐標方程斗齒尖V的坐標值和是、和的函數(shù)。 只要推導出和的函數(shù)表達式，那么整機作業(yè)范圍就可以確定?，F(xiàn)按圖 3.5 推導如下。結(jié)合表一以及前面計算得到的有關(guān)參數(shù)值，通過幾何和三角函數(shù)運算，可依次求得：（）、（）、（）、（）、（）、（）、（）、（）等最后得到:圖3.5最大卸載高度計算簡圖圖3.6 最大挖掘深度計算簡圖 3.3.2 最大卸載高度當動臂液壓缸全伸，斗桿液壓缸全縮，鏟斗液壓缸處于適當位置使QV連線處于垂直狀態(tài)時得到最大卸載高度為： 故Q點坐標為： 式中： 因此V點坐標為： 就是最大卸載高度3.3.3 最大挖掘半徑當斗桿液壓缸全縮，鏟斗液壓缸處于適當位置使QV轉(zhuǎn)到CQ的延長線上，CV水平時得到最大挖掘半徑： 就是最大挖掘半徑。 最大挖掘半徑時的工況是水平面最大挖掘半徑工況下C、V連線繞C點轉(zhuǎn)到水平面而成的。通過兩者的幾何關(guān)系，我們可計算得到：l 30 = 85mm ；l 40 = 9800mm；=9885mm此上，已對液壓挖掘機的動臂、斗桿、鏟斗的機構(gòu)運動學作了分析。第4章 工作裝置各部分的基本尺寸計算和驗證液壓挖掘機基本參數(shù)是表示和衡量挖掘機性能的重要指標，本文主要計算和驗證鏟斗、動臂、斗桿的尺寸。4.1 鏟斗各參數(shù)的確定4.1.1 鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計及基本要求對于液壓挖掘機，考慮到現(xiàn)實工作狀況和查閱相關(guān)文獻資料，對鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計有以下基本要求：（1）、要有利于物料的自由流動，因此，鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合各種物料的運動規(guī)律。（2）、要使物料易于卸凈，縮短卸載時間，并提高鏟斗有效容積。 （3）、為使裝進鏟斗的物料不易掉出，斗寬與物料直徑之比應(yīng)不大于：1.（4）、裝設(shè)斗齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時的挖掘比壓，以便切人或破碎阻力較大的物料。挖硬土或碎石時還能把石塊從土壤中耙出。對斗齒的材料、形狀、安裝結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù)的基本要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更換。4.1.2 鏟斗主要參數(shù)的確定 當鏟斗容量q一定時，挖掘轉(zhuǎn)角，挖掘半徑和平均斗寬b之間存在一定的關(guān)系，即具有尺寸和b的鏟斗轉(zhuǎn)過角度所切下的土壤剛好裝滿鏟斗，于是斗容量可按下式計算： (4.1)式中：鏟斗充滿系數(shù)；土壤松散系數(shù)。（查表）一般取: (4.2)的取值范圍： (4.3)式中： q鏟斗容量，； b鏟斗平均寬度，m。 因為q=0.9，查表跟經(jīng)驗公式取 b=1040mm.按經(jīng)驗統(tǒng)計和參考同斗容的其它型號的機械，初選 = 1450mm得出 = 95/2 = 47.5鏟斗挖掘體積土壤所消耗的能量稱為切削能容量。反鏟鏟斗的主要參數(shù)，即平均鏟斗寬度b，切削轉(zhuǎn)角和挖掘半徑對轉(zhuǎn)斗底切削能容量有直接影響，可用下式表示： (4.4) 式中： 鏟斗切削能容量，； 考慮切削過程中其他影響因素的系數(shù)；（理想狀態(tài)?。?具有應(yīng)力因次的系數(shù)，在鏟斗容量q=0.151時，取=1.5； 具有容積質(zhì)量因次的系數(shù)，在鏟斗容量q=0.151時，取=0.07。顯然，在設(shè)計鏟斗時，在滿足鏟斗容量q的條件下，應(yīng)使鏟斗切削能容量E最小。由上式可以看出，減小角，增大鏟斗寬度b和切削半徑能夠減低E，計算得 E =1554.81鏟斗兩個鉸點K、Q之間的間距l(xiāng)24和l3的比值k2的選取：l24太大將影響機構(gòu)的傳動特性，太小則影響鏟斗的結(jié)構(gòu)剛度，初選特性參數(shù)k2 = 0.29。由于鏟斗的轉(zhuǎn)角較大，而k2的取值較小，故初選10 =KQV =1104.2 動臂機構(gòu)參數(shù)的確定初選動臂轉(zhuǎn)角1=120由經(jīng)驗統(tǒng)計和參考其它同斗容機型，初選特性參數(shù)k3 =1.4（k3 = L42/L41）鉸點A坐標的選擇：由底盤和轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，并結(jié)合同斗容其它機型的測繪，初選：XA = 430 mm ；YA = 1200mm: 最大挖掘半徑值一般與的值很接近。因此要求，已知的和可按下列近似經(jīng)驗公式初定和，即：由: 其中:K1=1.8 l3=1550mm 且 = 9885mm 可解得：l2 = （R -l3）/（1+ k1）=（9885-1550）/（1+1.8）= 3000mm l1 = k1l2 = 1.8 3000 = 5400mm: 在中已知、可得： 計算得 3 9 =24.5:由經(jīng)驗和反鏟工作裝置對閉鎖力的要求初取k4 = 0.4初選11 = 62.5。斗桿油缸全縮時，CFQ =32 8最大，依經(jīng)驗統(tǒng)計和便于計算，初選（32 8）max = 160。由于采用雙動臂油缸，BCZ的取值較小，初取BCZ=5如上圖4.1所示，在三角形CZF中：ZCF= -1-39 =35.5BCF=3=ZCF-ZCB =30.5最大卸載高度的表達式為：H3max= YC+l1Sin（1-20-11）l2l3 最大挖掘深度絕對值的表達式為：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）=-67H1max + H3max - l1Sin（1max-93）+ Sin（93 -1min） + l2 Sin（1max +67）+1= 0 又特性參數(shù)：可得： 1max =152 1min = 46.1 H1max = l2+l3+l1Sin（11-1min+2）- l5 Sin11-YA L5 = l2+l3+l1Sin（11-1min+2）- YA - H1max / Sin11 =750mm而1min與1max需要滿足以下條件1min = COS-1（2+1-2）/2 1max = COS-1（2+1-122）/2 = 2.51 = 3.1 1 而+ 1 = 2.51 + 1 = 3.51 > （1 + ）/ = 4.1 1/2.51 = 1.64 > （= 1.6） 、滿足經(jīng)驗條件，說明、的取值是可行的。則l7=l5= 2335mm L1min =l5=1880mm L1max =1 L1min =3010mm至此，動臂機構(gòu)的各主要基本參數(shù)已初步確定。4.3 斗桿機構(gòu)基本參數(shù)的選擇取整個斗桿為研究對象，可得斗桿油缸最大作用力臂的表達式：e2max = l9 = PGmax （l2 + l3 ）/ P2 = 940 mm 由圖4.1所示圖中，斗桿油缸的初始位置力臂e20與最大力臂e2max有以下關(guān)系:e20/e2max = l9COS(2max/2)/l9 = COS (2max/2)由圖4.1知, 2max越大,則e20越小,即平均挖掘阻力越小.要得到較大的平均挖掘力,就要盡量減少2max,初取2max = 90。EFQ取決于結(jié)構(gòu)因素和工作范圍,一般在 130170之間。初定 EFQ=150,動臂上DFZ也是結(jié)構(gòu)尺寸,按結(jié)構(gòu)因素分析,可初選 DFZ=10。D：斗桿油缸的下鉸點；E：鏟斗油缸的上鉸點；F動臂的上鉸點；2：斗桿的擺角；l：斗桿油缸的最大作用力臂。圖4.1斗桿機構(gòu)基本參數(shù)計算簡圖由圖4.1的幾何關(guān)系有:L2min = 2l9Sin (2max/2)/(2-1) = 2215 mmL2max = L2min + 2l9Sin (2max/2) = 3545 mml82 = L22min + l29 + 2L2minl9COS(-2max)/2l8 = 2995 mm4.4 鏟斗機構(gòu)基本參數(shù)的選擇4.4.1 轉(zhuǎn)角范圍由最大挖掘高度H2max和最大卸載高度H3max的分析，可以得到初始轉(zhuǎn)角D0：H2max-H3max = l3（SinD0 +1） 得 D0 = 55最大轉(zhuǎn)角3max：3max = V0QVZ，不易太大，太大會使斗齒平均挖掘力降低，初選3max =165 4.4.2 鏟斗機構(gòu)其它基本參數(shù)的計算在圖4.2中，l12：搖臂的長度；l29：連桿的長度；l3：鏟斗的長度；l2：斗桿的長度；F：斗桿的下鉸點；G：鏟斗油缸的下鉸點；N：搖臂與斗桿的鉸接點；K：鏟斗的上鉸點；Q：鏟斗的下鉸點。l12：搖臂的長度；l29：連桿的長度；l3：鏟斗的長度；l2：斗桿的長度；F：斗桿的下鉸點；G：鏟斗油缸的下鉸點；N：搖臂與斗桿的鉸接點；K：鏟斗的上鉸點；Q：鏟斗的下鉸點。圖4.2 鏟斗機構(gòu)計算簡圖則有：l24 = KQ = k2 l3 = 1550 mm鏟斗的最大挖掘阻力F3J max 應(yīng)該等于斗桿的最大挖掘力，即F3J max = 138KN。粗略計算知斗桿挖掘平均阻力F3J max = F3J max /2 = 69 KN 挖掘阻力F3J 所做的功W3J：W3J = F3J max l3 3max = 3.08105 N.m 由圖4.2知，鏟斗油缸推力所做的功W3：W3 = F3 （2-1）L3min 由功的守恒知 W3 = W3J 計算可得：L3min = 1720mm 則L3max =3 L3min =2750mm通過經(jīng)驗公式和同斗容的其它機型的參考，初步選定剩余的基本尺寸如下：HK = 600mm； HN = 640mm；NQ = 400mm； FN = l2-NQ = 2600mm； GF = 800mm；由預選GFN = 60則 GN2 = FN2 + GF2 2COSGFNFNGF GN = 2300mm至此，工作裝置的基本尺寸均已初步確定。第5章 工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計整個工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗及油缸和連桿機構(gòu)組成，要確定這些結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸，必須要對其結(jié)構(gòu)進行受力分析。要進行受力分析，首先要確定結(jié)構(gòu)件最不利的工況，并找到在該工況下的最危險截面，以作為受力分析的依據(jù)。5.1 斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1.1 斗桿的受力分析斗桿主要受到彎矩的作用，故要找出斗桿中的最大彎矩進行設(shè)計計算。根據(jù)受力分析和以往的實驗表明，在鏟斗進行挖掘時，產(chǎn)生最大彎矩的工況可能有以下兩個：第一工況位置，其滿足以下條件：（1）動臂處于最低位置。即動臂油缸全縮。（2）斗桿油缸的力臂最大。（3）鏟斗齒尖在動臂與斗桿鉸點和斗桿與鏟斗鉸點的連線上。（4）側(cè)齒挖掘時受到橫向力Wk的作用。第二工況位置，該工況滿足以下條件：（1）動臂位于動臂油缸對鉸點A的最大作用力臂e1max處。（2）斗桿油缸的力臂最大。（3）鏟斗齒尖位于F、Q兩鉸點的連線上或鏟斗位于最大挖掘力位置。（4）挖掘阻力對稱于鏟斗，無側(cè)向力 Wk的作用。 1.第一工況位置的受力分析在這個工況下斗桿可能存在最大彎矩，受到的應(yīng)力也可能最大。該工況的具體簡圖如圖5.1所示。取工作裝置為研究對象，如圖5.2所示。在該工況下存在的力有：工作裝置各部件所受到的重力Gi；作用在鏟斗上的挖掘阻力，包括切向阻力W1、法向阻力W2、側(cè)向阻力W3。DBCYEAFGXNHQKVNH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖圖5.1 斗桿第一工況時的工作裝置簡圖當斗桿油缸全縮時，通過前面可以得出21 = 45，由圖5.1可知CF的向量可以表示為：FC = 5400COS（180-45）+Sin（180-45） = 5400（COS135+Sin135）由前面的章節(jié)計算結(jié)果知：ZFC = 24.5，并初選DF = 3000mm。在DEF中 DEF = 90 COSEFD = EF/DF = 940/3000解得EFD = 72 在矩形CDEF中EFC = ZFC+DFZ+EFD= 106.5EFQ在前面已經(jīng)初定為150FV = 4500（COS122.5+Sin122.5） OV = OC + CF + FV 則XV=1542mm FPdNHQKW1W2G3HK-連桿 HN-搖臂N-搖臂與斗桿的鉸接點 Q-斗桿與鏟斗的鉸接點圖5.2 鏟斗受力分析簡圖 由（3.15）式可i= 0.336則可得此時鏟斗的理論挖掘力：F0D =F D i = 2.981050.336=1.0105 N初選該工況下鏟斗重心到鉸點Q的水平距離r2= l3 COS（-122）/2=274mm取鏟斗為研究對象，如圖5.2所示，并對Q點取矩，則有MQ = 0（F0D- W1）l3 G3 r2 = 0W1 = 105 N工作裝置所受重力對C點取矩有MC（Gi）= G1X1 +（G2 +G5）X2 + G3X3+G40.7XF+ G6X2= 0.76105 NW1到C點的距離 r0 = l2 + l3CFCOSCFV= 3280mmW2到C點的距離 r1 = CFSinCFV = 5400Sin103.5 = 5249mm法向阻力W2決定于動臂油缸的閉鎖力F1，取整個工作裝置為研究對象，則有MC = 0F1 e1+ MC（Gi）- W1 r0 - W2 r1 = 0 則有MC = 0得 W2 = 0.32105 N 斗桿有油缸作用力P2g的求解：FQ向量在X軸上的模值：XFN = FQ COS-122 = 30000.53 = 1590mm如圖5.1所示，取斗桿（帶斗和連桿機構(gòu)）為研究對象，則有：MC = 0P2gEF- W1 （l2+l3）- G3（XFN +r2）- G2XFN /2 = 0P2g= 5.04105 N 而此時的斗桿閉鎖力P2= 34.3（70）2= 5.28105 N，略大于P2g，說明閉鎖力足夠。橫向挖掘力WK由回轉(zhuǎn)機構(gòu)的制動器所承受，即WK的最大值決定于回轉(zhuǎn)平臺的制動力矩。故要先計算出制動力矩。地面附著力矩M：M = 5000G4/3 （其中 = 0.5） = 1.32105 N GRNP3NHX2KQY2RkNH-搖臂 HK-連桿G3-鏟斗油缸的推力 RK連桿的作用力 RN搖臂的作用力圖5.3 連桿機構(gòu)計算簡圖在所設(shè)計的液壓挖掘機中采用的是液壓制動，由經(jīng)驗公式可求得回轉(zhuǎn)機構(gòu)的最大制動力矩MB： MB= 0.6M=0.79105 NWK = MB / XV = 0.79105/1.432 = 0.55105 N取連桿機構(gòu)為研究對象，如圖5.3所示，則有：X2 = 0 P3COSGHX2-RNCOSHNX2-RkCOSHKX2 = 0Y2 = 0 P3SinGHX2-RNSinHNX2-RkSinHKX2 = 0得: RN = -0.51105 N ； Rk =3.3105 N如圖5.2所示，取整個鏟斗為研究對象，以V點為新坐標的原點，VK為X3軸，過V點與VK垂直的直線為Y3，建立X3O3Y3坐標，則有：X3 = 0 W2 -RQx -Rk COS11.5= 0RQx = -2.91105NY3 = 0 RQy +W1- Rk Sin11.5= 0RQy = -0.34105 NMQY3 = 0 MQy -WK l3- W2 b/2= 0 MQy = 105 NmMQX3 = 0 MQxW1b/2= 0 MQx = W1b/2=0.5 3105 NmN點作用力與作用力矩RNx 、RNy的求解：取曲柄和連桿為研究對象，如圖5.4所示，則有：HKKRNxRNyF3RkN H-搖臂 HK-連桿F3-鏟斗油缸的推力 RK連桿的作用力 RX搖臂的作用力沿HK連線上的分力RY搖臂的作用力沿HK連線垂直方向上的分力圖5.4 曲柄和連桿受力圖X2 = 0 RNX + Rk COS11.5- F3 = 0RNX = 0.27105 NRNy = RNX tanFNH = 0.27105tan57.5=0.43105 N 2.第二工況位置的受力分析在這個工況位置下斗桿可能存在最大彎矩，受到的應(yīng)力也可能最大。具體簡圖如圖5-5所示。取工作裝置為研究對象，如圖5-5所示。在該工況下存在的力有：工作裝置各部件所受到的重力Gi；作用在鏟斗上的挖掘阻力，包括切向阻力W1、法向阻力W2。 同第一工況的分析一樣，可以得到以下向量：FC = 5400（COS163+Sin163)FV = 4550（COS-93.5+Sin-93.5）0V = OC + CF + FV則 XV = 4971mm同理也可以求得在該工況下作用在斗桿和鏟斗上的力，其分別為：W1 = 1105 N W2 = 0.48105 NRk2 = 3.3105 N WN2 = -0.5105 NRQx =-2.75105 N RQy= -0.34105 NMQx = 0.5105 Nm MQy = 0.24105 Nm5.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸的計算由前面的受力分析知，在第二工況下所受到的彎矩和內(nèi)力均要比第一工況中要小，故用第一工況進行計算，而用第二截面校核。由前面的受力分析知，在通過F點且與斗桿下底板垂直的截面所受到的應(yīng)力最大，是危險截面。故首先要對該截面進行計算，然后以此為基礎(chǔ)再求解其它尺寸。 斗桿寬度、鋼板厚度、許用應(yīng)力的選取:由經(jīng)驗統(tǒng)計和其它同斗容機型的測繪，處取斗桿的寬度。挖掘機所用鋼板的厚度在我國一般為，初選底板厚度m=14mm,n=12mm如圖5.5所示。在挖掘機中選用的結(jié)構(gòu)鋼材一般為16Mn，其有足夠大的屈服極限和良好的機械性能。其屈服極限。在斗桿中取安全系數(shù)，則斗桿的許用安全應(yīng)力為： NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖圖5.5 第二工況下工作裝置計算簡圖5.2 鏟斗的設(shè)計5.2.1 鏟斗斗形尺寸的設(shè)計反鏟的鏟斗的斗形與尺寸，有較常用的經(jīng)驗統(tǒng)計公式，用戶可以根據(jù)實際需要進行配制。由經(jīng)驗公式初選：則下底板的斗形方程為： 上頂板的斗形方程為：同理計算出鏟斗拋物線部分的方程為：5.2.2 鏟斗斗齒的結(jié)構(gòu)計算鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計按最大彎矩進行設(shè)計,由力學分析知在與鏟斗斗體連接處的彎矩最大,如圖5.6所示，由公式5.1有: (5.1)a : 斗齒厚度 b : 斗齒寬度 : 挖掘阻力 r : 斗齒尖到斗體的距離 t : 鏟斗的厚度 : 斗齒的許用應(yīng)力代入值解得a=110 mma:斗齒厚度:挖掘阻力r:斗齒尖到斗體的距離t:鏟斗的厚度圖5.6斗齒計算簡圖5.3 銷軸與襯套的設(shè)計5.3.1 銷軸的設(shè)計由于銷軸與襯套的配合間隙較小，故以剪應(yīng)力強度作為銷軸的基本尺寸的設(shè)計，抗壓強度與抗彎強度用于校核用。由有1： （5.2）在設(shè)計計算時，應(yīng)以所有工況中銷軸所受到的剪應(yīng)力最大值對銷軸進行設(shè)計。在本設(shè)計中，銷軸所選用的材料為40CrMnMo，其耐磨，在熱處理后有著良好的綜合機械性能。由于銷軸在重載的較惡劣工況中工作，故選擇。代入式5.2有：動臂各銷軸的尺寸：斗桿各銷軸的尺寸：5.3.2 襯套的設(shè)計為使襯套耐磨、減震與潤滑性能好，選擇襯套的材料為銅基合金襯套的厚度選擇為5mm，與銷軸和圓筒分別采用間隙和過盈配合，則各銷軸的尺寸為：動臂各襯套的尺寸：斗桿各襯套的尺寸：至此，已對液壓挖掘機的主要工作裝置結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和校核。結(jié) 論本論文以挖掘機反鏟裝置為研究對象，從反鏟裝置的工作特點開始，介紹了工作裝置的主要部件：動臂、斗桿、連桿機構(gòu)、鏟斗并對其進行了詳細的運動學分析。并在運動學分析的基礎(chǔ)上，對反鏟裝置各機構(gòu)參數(shù)進行了分析計算。討論了復合挖掘方式下限制挖掘力發(fā)揮的各種情況，并對該工況下機構(gòu)鉸接點進行了鉸點力的分析計算。本文主要工作和研究結(jié)論如下：1、首先對反鏟裝置進行了運動學分析，建立了動臂、斗桿和鏟斗轉(zhuǎn)角范圍與對應(yīng)液壓缸的關(guān)系式及各關(guān)鍵點的坐標描述，通過對整機作業(yè)范圍的分析，建立了反鏟裝置特殊工作位置的數(shù)學表達式。2、通過鏟斗參數(shù)的計算，確定了鏟斗結(jié)構(gòu)形式及尺寸；通過動臂機構(gòu)、斗桿機構(gòu)及鏟斗機構(gòu)的參數(shù)計算確定了各機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為下步的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。3、 用比例法和經(jīng)驗公式計算選擇出工作裝置各部分的基本尺寸。取q=0.9m3查表得平均斗寬b=1040mm，可計算出挖掘半徑RD=1450mm。4、確定斗桿油缸的最大作用力臂，由已知數(shù)據(jù)可得油缸最大作用力臂l8為2995mm。5、由最大挖掘高度和最大卸載高度可計算鏟斗轉(zhuǎn)角范圍0-165度，轉(zhuǎn)角太大會使斗齒挖掘力降低。6、對銷軸和襯套進行了材料的選擇和尺寸的計算，由于銷軸與襯套的配合間隙小，故以剪應(yīng)力強度作為銷軸的基本尺寸設(shè)計，抗壓強度與抗彎強度用于校核。 挖掘機工作裝置是挖掘機的核心部分，其結(jié)構(gòu)的力學分析和計算較復雜，難度也較大，而作者本身的設(shè)計知識也十分有限，不足之處還望各位老師、同學指正，以使設(shè)計不斷完善。致 謝本文的設(shè)計工作是在劉老師的精心指導和悉心關(guān)懷下完成的，在論文選題、總體方案的制定，具體研究方法及技術(shù)路線的設(shè)計以及論文的開展和撰寫過程中，得到了劉老師的大力支持和耐心細致的指導。劉老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，孜孜不倦、開拓進取的工作作風，使我受益終身。在我的學業(yè)和論文的設(shè)計工作中無不傾注著導師辛勤的汗水和關(guān)心。從尊敬的劉老師身上，我不僅學到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學到了做人的道理。在此我要向劉老師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 在此 感謝機電工程系所有無私傳授知識的老師。感謝各位同學的幫助和支持。參考文獻1同濟大學主編.單斗液壓挖掘機M.中國建筑工業(yè)出版社，19862天津工程機械研究所主編.單斗液壓挖掘機M.中國建筑工業(yè)出版社，19773張珊珊.挖掘機液壓系統(tǒng)的分析與研究D.上海:同濟大學機械工程學院，20054張鐵.液壓挖掘機結(jié)構(gòu)原理及使用M.石油大學出版社，20025楊一岳，高衡.土方工程機械工作裝置發(fā)展前景J.國外工程機械，1992. 5: 29-326黃宗益，葉偉，李興華.液壓挖掘機液壓系統(tǒng)概述J.建筑機械化，2003. 9: 12-167陳德沛.關(guān)于液壓挖掘機發(fā)展的一些狀況J.建設(shè)機械技術(shù)與管理，1992. 1: 33-358朱建新，鄒湘伏，黃志雄.談國產(chǎn)液壓挖掘機未來的發(fā)展趨勢J.鑿巖機械氣動工具，2003.3: 48-549吳永平.挖掘機作業(yè)機群配置技術(shù)研究J.工程機械，2002. 2: 15-1710劉應(yīng)杰，洪昌銀，蔡志軒.反鏟液壓挖掘機主參數(shù)優(yōu)化研究J.工程機械，2002. 2: 6-1011陳育儀.工程機械優(yōu)化設(shè)計J.中國鐵道出版社，198712何允紀，李濱城，崔紅.液壓挖掘機反鏟工作裝置的優(yōu)化設(shè)計J.工程機械，1994. 6: 6-1013劉玉強，王學軍.液壓挖掘機反鏟上作裝置優(yōu)化設(shè)計J.機械產(chǎn)品與科技，1997. 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