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挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)與仿真
摘要:開發(fā)出了一種應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)，即使是不熟練的操作者也能容易和精確地操控液壓挖掘機(jī)。構(gòu)造出了具有控制器的液壓挖掘機(jī)的精確數(shù)學(xué)控制模型，同時(shí)通過模擬實(shí)驗(yàn)研發(fā)出了其控制算法，并將其應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)上，由此可以估算出它的工作效率。依照此法，可通過正反饋及前饋控制、非線性補(bǔ)償、狀態(tài)反饋和增益調(diào)度等各種手段獲得較高的控制精度和穩(wěn)定性能。
關(guān)鍵詞：施工機(jī)械;液壓挖掘機(jī)；前饋；狀態(tài)反饋；操作。
1引言
液壓挖掘機(jī)，被稱為大型鉸接式機(jī)器人，是一種施工機(jī)械。采用這種機(jī)器進(jìn)行挖掘和裝載操作，要求司機(jī)要具備高水平的操作技能，即便是熟練的司機(jī)也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的疲勞。另一方面，隨著操作者年齡增大，熟練司機(jī)的數(shù)量因而也將會(huì)減少。開發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機(jī)就非常必要了。液壓挖掘機(jī)之所以要求較高的操作技能，其理由如下：
1.液壓挖掘機(jī)的操作，至少有兩個(gè)操作手柄必須同時(shí)操作并且要協(xié)調(diào)好。
2.操作手柄的動(dòng)作方向與其所控的臂桿組件的運(yùn)動(dòng)方向不同。
例如，液壓挖掘機(jī)的反鏟水平動(dòng)作，必須同時(shí)操控三個(gè)操作手柄（動(dòng)臂，斗柄，鏟斗）使鏟斗的頂部沿著水平面（圖1）運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的動(dòng)作方向，但是這種方向與工作方向不同。
圖1挖掘機(jī)反鏟水平動(dòng)作與機(jī)架模型
如果司機(jī)只要操控一個(gè)操作桿，而其它自由桿臂自動(dòng)的隨動(dòng)動(dòng)作，操作就變得非常簡(jiǎn)單。這就是所謂的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。
開發(fā)這種半自動(dòng)控制系統(tǒng)，必須解決以下兩個(gè)技術(shù)難題。
自動(dòng)控制系統(tǒng)必須采用普通的控制閥。
液壓挖掘機(jī)必須補(bǔ)償其動(dòng)態(tài)特性以提高其控制精度。
現(xiàn)已經(jīng)研發(fā)一種控制算法系統(tǒng)來解決這些技術(shù)問題，通過在實(shí)際的液壓挖掘機(jī)上試驗(yàn)證實(shí)了該控制算法的作用。而且我們已采用這種控制算法，設(shè)計(jì)出了液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。
2液壓挖掘機(jī)的模型
為了研究液壓挖掘機(jī)的控制算法,必須分析液壓挖掘機(jī)的數(shù)學(xué)模型。液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗柄、鏟斗都是由液壓力驅(qū)動(dòng)，其模型如圖2.1所示。模型的具體描述如下：
圖2.1液壓挖掘機(jī)模型
2.1 動(dòng)態(tài)模型
假定每一臂桿組件都是剛體，由拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程可得以下表達(dá)式
其中
g是重力加速度；θi鉸接點(diǎn)角度；τi是提供的扭矩；li組件的長(zhǎng)度；lgi轉(zhuǎn)軸中心到重心之距；mi組件的質(zhì)量；Ii是重心處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(下標(biāo)i=1-3;依次表示動(dòng)臂，斗柄，鏟斗)。
2.2 挖掘機(jī)模型
每一臂桿組件都是由液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸的流量是滑閥控制的，如圖3所示?？勺魅缦录僭O(shè)：
1.液壓閥的開度與閥芯的位移成比例。
2.系統(tǒng)無液壓油泄漏。
3.液壓油流經(jīng)液壓管道時(shí)無壓力損失。
4.液壓缸的頂部與桿的兩側(cè)同樣都是有效區(qū)域。
在這個(gè)問題上，對(duì)于每一臂桿組件，從液壓缸的壓力流量特性可得出以下方程：
其中，Ai是液壓缸的有效橫截面積;hi是液壓缸的長(zhǎng)度;Xi是滑芯的位置；Psi是供給壓力;P1i是液壓缸的頂邊壓力；P2i是液壓缸的桿邊壓力；Vi是在液壓缸和管道的油量；Bi是滑閥的寬度；γ是油的密度；K是油分子的黏度；c是流量系數(shù)。
圖2.2 液壓缸和滑閥模型
2.3 連桿關(guān)系
在圖1所示模型中，液壓缸長(zhǎng)度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下：
(1) 動(dòng)臂
(2)斗柄
(3)鏟斗
2.4 扭矩關(guān)系
從2.3節(jié)的連桿關(guān)系可知，考慮到液壓缸的摩擦力，提供的扭矩τi如下
其中，Cci是粘滯摩擦系數(shù);Fi是液壓缸的動(dòng)摩擦力。
2.5 滑閥的反應(yīng)特性
滑閥動(dòng)作對(duì)液壓挖掘機(jī)的控制特性產(chǎn)生會(huì)很大的影響。因而，假定滑閥相對(duì)參考輸入有以下的一階延遲。
其中，是滑芯位移的參考輸入；是時(shí)間常數(shù)。
3 角度控制系統(tǒng)
如圖3.1所示，θ角基本上由隨動(dòng)參考輸入角θγ通過位置反饋來控制。為了獲得更精確的控制，非線性補(bǔ)償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。以下詳細(xì)討論其控制算法。
圖3.1控制系統(tǒng)方框圖
3.1 非線性補(bǔ)償
在普通的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常使用如伺服閥這一類新的控制裝置。在半自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)自控與手控的協(xié)調(diào)，必須使用手動(dòng)的主控閥。這一類閥中，閥芯的位移與閥的開度是非線性的關(guān)系。因此，自動(dòng)控制操作中，利用這種關(guān)系，閥芯位移可由所要求的閥的開度反推出來。同時(shí)，非線性是可以補(bǔ)償?shù)模▓D3.2）。
（a）滑閥行程與開度關(guān)系圖 （b）補(bǔ)償函數(shù)
圖3.2非線性補(bǔ)償
3.2 狀態(tài)反饋
建立在第2節(jié)所討論的模型的基礎(chǔ)上，若動(dòng)臂角度控制動(dòng)態(tài)特性以一定的標(biāo)準(zhǔn)位置逼近而線性化（滑芯位移X 10，液壓缸壓力差P 110，動(dòng)臂夾角 θ10），則該閉環(huán)傳遞函數(shù)為
其中，Kp是位置反饋增益系數(shù)；
由于系統(tǒng)有較小的系數(shù)a1,所以反應(yīng)是不穩(wěn)定的。例如，大型液壓挖掘機(jī)SK-16中。X10是0，給出的系數(shù)a0=2.710,a1=6.010,a2=1.210.加上加速度反饋放大系數(shù)Ka，因而閉環(huán)的傳遞函數(shù)就是
加入這個(gè)因素,系數(shù)S就變大，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定?？梢姡眉铀俣确答亖硖岣叻磻?yīng)特性效果明顯。
但是，一般很難精確的測(cè)出加速度。為了避免這個(gè)問題，改用液壓缸力反饋取代加速度反饋。于是，液壓缸力由測(cè)出的缸內(nèi)的壓力計(jì)算而濾掉其低頻部分[7，8]。這就是所謂的壓力反饋。
4 伺服控制系統(tǒng)
當(dāng)一聯(lián)軸器是手動(dòng)操控，而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動(dòng)作控制時(shí)，這必須使用伺服控制系統(tǒng)。例如，如圖6所示，在反鏟水平動(dòng)作控制中，動(dòng)臂的控制是通過保持斗柄底部Z（由θ1與θ2計(jì)算所得）與Zr 的高度。為了獲得更精確的控制引入以下控制系統(tǒng)。
4.1 前饋控制
由圖1計(jì)算Z，可以得到
將方程（8）兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到以下關(guān)系式，
右邊第一個(gè)式子看作是表達(dá)式（反饋部分）將替換成1，右邊第二個(gè)式子是表達(dá)式（前饋部分）計(jì)算當(dāng)θ2手動(dòng)地改變時(shí)，θ1的改變量。
實(shí)際上，用不同的△θ2值可確定1。通過調(diào)整改變前饋增益Kff，可實(shí)現(xiàn)最佳的前饋率。
采用測(cè)量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代測(cè)斗柄的角速度，因?yàn)轵?qū)動(dòng)斗柄的角速度與操作手柄的位置近似成比例。
4.2 根據(jù)位置自適應(yīng)增益調(diào)度
類似液壓挖掘機(jī)的鉸接式機(jī)器人，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益穩(wěn)定的控制機(jī)器是困難的。為了解決這個(gè)難題，根據(jù)位置的自適應(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中（圖4.1）。如圖4.2所示，自適應(yīng)放大系數(shù)（KZ或Kθ）作為函數(shù)的兩個(gè)變量，2和Z 、2表示斗柄的伸長(zhǎng)量，Z是表示鏟斗的高度。
圖4.1 控制系統(tǒng)方框圖
圖4.2根據(jù)位置的增益調(diào)度
5. 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論
反鏟水平動(dòng)作控制的模擬實(shí)驗(yàn)是將本文第4節(jié)所描述的控制算法用在本文第2節(jié)所討論的液壓挖掘機(jī)的模型上。（在SK-16大型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。）圖5.1表示其中一組結(jié)果?？刂葡到y(tǒng)啟動(dòng)5秒以后，逐步加載擾動(dòng)。圖5.2表示使用前饋控制能減少控制錯(cuò)誤的產(chǎn)生。
圖5.1反鏟水平運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論
圖5.2前饋控制在減少Z錯(cuò)誤方向的作用圖
6 半自動(dòng)控制系統(tǒng)
建立在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，半自動(dòng)控制系統(tǒng)已制造出來，應(yīng)用在SK-16型挖掘機(jī)上試驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可驗(yàn)證其操作性。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。
6.1 結(jié)構(gòu)
圖6.1的例子中，控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機(jī)接口和液壓系統(tǒng)組成。
控制器是采用16位的微處理器，能接收來自動(dòng)臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號(hào)，控制每一操作手柄的位置，選擇相應(yīng)的控制模式和計(jì)算其實(shí)際改變量，將來自放大器的信號(hào)以電信號(hào)形式輸出結(jié)果。液壓控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生的液壓力與電磁比例閥的電信號(hào)成比例，主控閥的滑芯的位置控制流入液壓缸液壓油的流量。
圖6.1控制系統(tǒng)略圖
為獲得高速度、高精度控制，在控制器上采用數(shù)字處理芯片，傳感器上使用高分辨率的磁編碼器。除此之外，在每一液壓缸上安裝壓力傳感器以便獲得壓力反饋信號(hào)。
以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲(chǔ)器上，可以從通信端口中讀出。
6.2 控制功能
控制系統(tǒng)有三種控制模式，能根據(jù)操作桿和選擇開關(guān)自動(dòng)切換。其具體功能如下。
（1）反鏟水平動(dòng)作模式：用水平反鏟切換開關(guān)，在手控斗柄推動(dòng)操作中，系統(tǒng)自動(dòng)的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，當(dāng)斗柄操作桿開始操控時(shí)，其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。對(duì)動(dòng)臂操作桿的手控操作能暫時(shí)中斷自動(dòng)控制，因?yàn)槭挚夭僮鞯膬?yōu)先級(jí)高于自動(dòng)控制。
（2）鏟斗水平舉升模式：用鏟斗水平舉升切換開關(guān)，在手控動(dòng)臂舉升操作中，系統(tǒng)自動(dòng)控制鏟斗。保持鏟斗角度等于其剛開始舉升時(shí)角度以阻止原材料從鏟斗中泄漏。
（3）手控操作模式：當(dāng)既沒有選擇反鏟水平動(dòng)作模式，也沒有選擇鏟斗水平舉升模式時(shí)，動(dòng)臂，斗柄，鏟斗都只能通過手動(dòng)操作。
系統(tǒng)主要采用C語言編程來實(shí)現(xiàn)這些功能，以構(gòu)建穩(wěn)定模組提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
7. 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析
通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)該系統(tǒng)能準(zhǔn)確工作。核實(shí)本文第3、4節(jié)所闡述的控制算法的作用，如下所述。
7.1 單個(gè)組件的自動(dòng)控制測(cè)試
對(duì)于動(dòng)臂、斗柄、鏟斗每一組件，以±5o的梯度從最初始值開始改變其參考角度值，測(cè)量其反應(yīng)，從而確定第3節(jié)所描述的控制算法的作用。
7.1.1 非線性補(bǔ)償?shù)淖饔?
圖7.1 表明動(dòng)臂下降時(shí)的測(cè)試結(jié)果。因?yàn)殡娨合到y(tǒng)存在不靈敏區(qū)，當(dāng)只有簡(jiǎn)單的位置反饋而無補(bǔ)償時(shí)穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤仍然存在。加入非線性補(bǔ)償后能減少這種錯(cuò)誤的產(chǎn)生。
圖7.1動(dòng)臂轉(zhuǎn)角非線性補(bǔ)償?shù)淖饔?
7.1.2 狀態(tài)反饋控制的作用
對(duì)于斗柄和鏟斗，只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應(yīng)，但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度。以動(dòng)臂為例，僅只有位置反饋時(shí)，響應(yīng)趨向不穩(wěn)定。加入加速度或壓力反饋后，響應(yīng)的穩(wěn)定性得到改進(jìn)。例如，圖7.2表示動(dòng)臂下降時(shí)，采用壓力反饋補(bǔ)償時(shí)的測(cè)試結(jié)果。
圖7.2動(dòng)臂轉(zhuǎn)角壓力反饋控制的作用
7.2 反鏟水平控制測(cè)試
在不同的控制和操作位置下進(jìn)行控制測(cè)驗(yàn)，觀察其控制特性，同時(shí)確定最優(yōu)控制參數(shù)。
7.2.1 前饋控制作用
在只有位置反饋的情況下，增大放大系數(shù)Kp，減少△Z錯(cuò)誤，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)延時(shí)，例如圖7.3所示的“關(guān)”，也就是Kp不能減小。采用第4.1節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能減少錯(cuò)誤而不致于增大Kp。
圖7.3關(guān)于控制Z錯(cuò)誤的前饋控制作用
7.2.2 位置的補(bǔ)償作用
當(dāng)反鏟處在上升位置或者反鏟動(dòng)作完成時(shí)，反鏟水平動(dòng)作趨于不穩(wěn)定。不穩(wěn)定振蕩可根據(jù)其位置改變放大系數(shù)Kp來消除，如第4.2節(jié)所討論的。圖7.4表示其作用，表明反鏟在離地大約2米時(shí)水平動(dòng)作結(jié)果。與不裝補(bǔ)償裝置的情況相比較，圖中的關(guān)表示不裝時(shí)，開的情況具有補(bǔ)償提供穩(wěn)定響應(yīng)。
圖7.4關(guān)于控制Z錯(cuò)誤的自適應(yīng)放大控制的作用
7.2.3 控制間隔的作用
關(guān)于控制操作的控制間隔的作用，研究結(jié)果如下：
1.當(dāng)控制間隔設(shè)置在超過100ms時(shí)，不穩(wěn)定振蕩因運(yùn)動(dòng)的慣性隨位置而加劇。
2.當(dāng)控制間隔低于50ms時(shí)，其控制操作不能作如此大提高。
因此，考慮到計(jì)算精度，控制系統(tǒng)選定控制間隔為50ms。
7.2.4 受載作用
利用控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)執(zhí)行實(shí)際挖掘動(dòng)作，以研究其受載時(shí)的影響。在控制精度方面沒有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時(shí)有很大的不同。
8 結(jié)論
本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合，使精確控制液壓挖掘機(jī)成為可能。同時(shí)也證實(shí)了非線性補(bǔ)償能使普通控制閥應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中。因而應(yīng)用這些控制技術(shù)，允許即使是不熟練的司機(jī)也能容易和精確地操控液壓挖掘機(jī)。
將這些控制技術(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機(jī)器上，如履帶式起重機(jī)，能使普通結(jié)構(gòu)的機(jī)器改進(jìn)成為可讓任何人容易操控的機(jī)器。
目 錄
1 緒 論 1
1.1課題的研究背景 1
1.2挖掘機(jī)械發(fā)展概況 1
1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4
2 總體設(shè)計(jì)方案 5
2.1小型挖掘機(jī)工作裝置簡(jiǎn)介 5
2.2工作裝置設(shè)計(jì)方案原則 6
3挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì) 7
3.1確定動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的結(jié)構(gòu)形式 7
3.1.1確定動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式 7
3.1.2確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式 8
3.1.3確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式和斗齒安裝結(jié)構(gòu) 8
3.1.4鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式 10
3.2確定動(dòng)臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點(diǎn)布置 10
3.2.1動(dòng)臂油缸的布置 10
3.2.2斗桿油缸的布置 12
3.2.3鏟斗油缸的布置 12
3.3動(dòng)臂、斗桿、鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇 13
3.3.1反鏟裝置總體方案的選擇 13
3.3.2機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù) 14
3.3.3斗形參數(shù)的選擇 16
3.3.4 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇 20
3.3.5斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇 24
3.3.6連桿、搖臂參數(shù)的選擇 25
4挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28
4.1確定液壓系統(tǒng)類型 28
4.2液壓元件的選擇 29
4.2.1系統(tǒng)主參數(shù)的確定 29
4.2.2挖掘機(jī)液壓缸作用力的確定 30
4.3液壓元件的選擇 36
5工作裝置的強(qiáng)度校核計(jì)算 37
5.1斗桿力學(xué)分析 37
5.1.1位置Ⅰ的計(jì)算 37
5.1.2位置Ⅱ的計(jì)算 40
5.1.3斗桿位置Ⅰ受力計(jì)算以及內(nèi)力圖的繪制 41
5.1.4斗桿位置Ⅱ受力計(jì)算以及內(nèi)力圖的繪制 43
5.1.5斗桿強(qiáng)度校核 43
5.2動(dòng)臂力學(xué)分析 47
6挖掘機(jī)工作裝置基于PRO-E的仿真優(yōu)化 50
6.1挖掘機(jī)三維模型的建立 50
6.2仿真優(yōu)化 51
7 結(jié)論與展望 53
參考文獻(xiàn) 54
致 謝 55
挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)與仿真
摘要：液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一種主要類型，廣泛應(yīng)用在房屋建筑、筑路工程、水利建設(shè)、港口建設(shè)、國防工程等土石方施工和礦山采掘之中。反鏟液壓挖掘機(jī)是挖掘機(jī)械中最重要的機(jī)種之一，主要應(yīng)用于挖掘停機(jī)面以下的土壤。液壓挖掘機(jī)反鏟裝置是完成液壓挖掘機(jī)各項(xiàng)功能的主要部分，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到液壓挖掘機(jī)的工作性能和可靠性。
①本文根據(jù)液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),工作原理以及對(duì)典型工況的分析，總結(jié)了挖掘機(jī)工作裝置性能要求和設(shè)計(jì)原則。②然后對(duì)其各主要構(gòu)件進(jìn)行了方案選擇，并確定各鉸點(diǎn)之間的距離，用CAD軟件繪出其連桿模型。③根據(jù)連桿模型并結(jié)合其他機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)畫出工作裝置的二維圖紙，最后根據(jù)圖紙上的具體結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)工作裝置的主要部件進(jìn)行校核。
關(guān)鍵詞:液壓挖掘機(jī)；工作裝置；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
The structural design and kinematic analysis of the small crawler hydraulic excavator
Abtract：As one of important construction machinery and equipments，hydraulic excavator is widely used in earthwork construction and mine exploitation, such as in architecture, road engineering, water conservancy, port building, national defense project, underground．Backhoe Equipment of Hydraulic Excavator is one important device to perform many functions. The working performance and reliability of the whole machine is influenced by the rationality of its structure.
①Firstly， this paper, which is based on the structural features of hydraulic backhoe excavator、working principle and the analysis of typical conditions, summed up the excavator working equipment performance requirements and design principles. ②Secondly, selected the program and conduct the kinematic analysis of all the major components of working equipment，and determined the distance between the hinge points，and then used the CAD software to draw the link eodel ；③Thirdly，drew two-dimensional drawings of the work equipments；Finally, according to the drawings’ specific dimensions, check the main components of working device.
Key words：hydraulic excavator；working equipment；kinematic analysis；structural design
III
1 緒 論
1.1課題的研究背景
挖掘機(jī)械是工程機(jī)械的一種主要類型，是土石方開挖的主要機(jī)械設(shè)備。各種類型的挖掘機(jī)已廣泛應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水利電力工程，農(nóng)田改造、礦山采掘以及現(xiàn)代化軍事工程等的機(jī)械化施工中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程施工中約有60%以上的土石方量，由挖掘機(jī)來完成。
為節(jié)省勞動(dòng)力、減輕繁重體力勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、加快建設(shè)速度，保證工程質(zhì)量和降低成本，采用機(jī)械化施工是一項(xiàng)有利措施。它對(duì)促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展有很大的作用。
挖掘機(jī)械在工程機(jī)械發(fā)展中占有很大比重和重要地位，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占工程機(jī)械總產(chǎn)的25%~50%，是重點(diǎn)發(fā)展的機(jī)械品種之一。尤其是中小型、通用的單斗挖掘機(jī)不僅可用于土石方的挖掘工作，而且通過工作裝置的更換，還可用于起重、裝載、抓取、打樁、鉆孔等多種作業(yè)。通用型挖掘機(jī)占挖掘機(jī)總數(shù)的90%以上，它在各種工程施工中廣泛使用，己成為不可缺少的重要機(jī)械設(shè)備。
1.2挖掘機(jī)械發(fā)展概況
工業(yè)發(fā)達(dá)國家的挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量3.5-40m3單斗液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國，從20世紀(jì)80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。例如，美國馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量50-150m3剝離用挖掘機(jī)，斗容量132m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)；B-E（布比賽路斯-伊利）公司生產(chǎn)的斗容量168.2m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)，斗容量107m3的剝離用挖掘機(jī)等，是世界上目前最大的挖掘機(jī)。
(1)國外挖掘機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
從20世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。
開發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)。為滿足市政建設(shè)和農(nóng)田建設(shè)的需要，國外發(fā)展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘機(jī)，最小的斗容量?jī)H在0.01m3。另外，數(shù)量最的的中、小型挖掘機(jī)趨向于一機(jī)多能，配備了多種工作裝置——除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。
迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制
重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度，提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能。
更新設(shè)計(jì)理論。提高可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，促進(jìn)了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效率和競(jìng)爭(zhēng)力。???
加強(qiáng)對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件。液壓挖掘機(jī)采用帶有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)和傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾。
進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢(shì)。液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上普遍使用，為電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在挖掘機(jī)的應(yīng)用與推廣創(chuàng)造了條件。
迅速拓展電子化、自動(dòng)化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器和檢測(cè)儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動(dòng)了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和推廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。
(2) 國內(nèi)研究情況及發(fā)展動(dòng)態(tài)
早在1954年我國就已開始生產(chǎn)機(jī)械式挖掘機(jī),當(dāng)時(shí)的撫順重型機(jī)器廠(撫順挖掘機(jī)廠前身)引進(jìn)前蘇聯(lián)的機(jī)械式挖掘機(jī)W10012和W5012等國際20世紀(jì)30－40年代的產(chǎn)品。由于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要,后又發(fā)展H10余家廠生產(chǎn),到1966年12年全國共生產(chǎn)了機(jī)械式挖掘機(jī)3000余臺(tái),后又延續(xù)生產(chǎn)到八十年代初。在80年代初引進(jìn)德國系列液壓挖掘機(jī)制造技術(shù)（例如有德國Liebherr公司、Demag公司和O&P公司），浙江大學(xué)的馮培恩教授開始率先著手研究挖掘機(jī)機(jī)電一體化技術(shù)，首先實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)器人作業(yè)過程的分級(jí)規(guī)劃和局部自主控制。但是他們?cè)谌蝿?wù)規(guī)劃層面上只停留在仿真階段，還沒有提出顯著的實(shí)現(xiàn)方案。
20世紀(jì)90年代初國內(nèi)幾家新進(jìn)入挖掘機(jī)待業(yè)的企業(yè)以“技貿(mào)結(jié)合，合作生產(chǎn)”的方式聯(lián)合引進(jìn)日本小松制作所的PC系列挖掘機(jī)制造技術(shù)，由于 中國建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)的擴(kuò)大，隨后不久在挖掘機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域出現(xiàn)了一個(gè)外資企業(yè)進(jìn)入中國的浪潮。從1994、1995年開始，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的著名挖掘機(jī)制造企業(yè)先后在中國建立眾多的中外合資或外商獨(dú)資 挖掘機(jī)制造企業(yè)，生產(chǎn)世界一流水平的多種型號(hào)的挖掘機(jī)產(chǎn)品。截止至2001年年底，包括國有企業(yè)在內(nèi)，中國境內(nèi)生產(chǎn)液壓挖掘機(jī)的企業(yè)總數(shù)達(dá)20個(gè)左右，共生產(chǎn)挖掘機(jī)整機(jī)質(zhì)量從1.3-45t，100余個(gè)不同型號(hào)和規(guī)格的產(chǎn)品。2000年全國生產(chǎn)各種型號(hào)、規(guī)格的液壓挖掘機(jī)8111臺(tái)，共銷售7926臺(tái)，其中包括出口119臺(tái)。2001年全生產(chǎn)12569臺(tái)，銷售12397臺(tái)，其中包括出口468臺(tái)。
面對(duì)目前這種發(fā)展?fàn)顩r，國產(chǎn)挖掘機(jī)如何才能走出夾縫中求生存的困境?國產(chǎn)挖掘機(jī)究竟路在何方?業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，現(xiàn)在國內(nèi)挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)真正缺乏的不是錢，面是技術(shù)以及為謀求技術(shù)進(jìn)步所需要的耐心和決心。針對(duì)國產(chǎn)挖掘機(jī)機(jī)能質(zhì)量，作業(yè)效率與可靠性均低的現(xiàn)狀，國內(nèi)企業(yè)首先需要從組織結(jié)構(gòu)調(diào)整入手，在國內(nèi)聯(lián)合組建新一代國產(chǎn)液壓挖掘機(jī)企業(yè)集團(tuán)，建立強(qiáng)有力的技術(shù)研發(fā)中心，從日本、德國等國家引進(jìn)必要的先進(jìn)軟硬件，以確保國產(chǎn)挖掘機(jī)擁有優(yōu)良的質(zhì)量和性能，從而打開國產(chǎn)挖掘機(jī)的市場(chǎng)，進(jìn)而促進(jìn)國產(chǎn)挖掘機(jī)的大批量生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，還要考慮以下幾點(diǎn)：
?國內(nèi)挖掘機(jī)生產(chǎn)要不斷研究市場(chǎng)需求、開發(fā)新品和變型產(chǎn)品，以適應(yīng)市場(chǎng)需要。前幾年大量投入使用的高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施，越來越多地進(jìn)入維修保養(yǎng)期，城市建設(shè)也從“大拆大建”逐漸向“精雕細(xì)刻”轉(zhuǎn)變，小型化的土方工程施工越來越多，因此小型挖掘機(jī)的需求量增加較快。關(guān)注國內(nèi)市場(chǎng)的同時(shí)，生產(chǎn)商還應(yīng)該加大國際市場(chǎng)力度。
??挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)既要樹立為用戶服務(wù)的思想，也要具備相應(yīng)的能力和條件，不斷學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)管理理念和手段，提升自身的服務(wù)水平和競(jìng)爭(zhēng)能力，切實(shí)滿足挖掘機(jī)用戶的施工需求。這就要求挖掘機(jī)業(yè)務(wù)人員既精通業(yè)務(wù)知識(shí)，又要成為挖掘機(jī)用戶的好參謀；挖掘機(jī)服務(wù)人員不僅要為用戶服務(wù)好，同時(shí)還要協(xié)助客戶（尤其是那些缺乏經(jīng)驗(yàn)的客戶）做好設(shè)備管理、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度、安全檢查等工作；挖掘機(jī)出現(xiàn)故障要在最短的時(shí)間內(nèi)修復(fù)……從而實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)企業(yè)與用戶在利益上的雙贏。
國內(nèi)挖掘機(jī)生產(chǎn)商要不斷研究市場(chǎng)需求、開發(fā)新品和變型產(chǎn)品。開發(fā)新一代液壓挖掘機(jī)的變型產(chǎn)品（如焊接車、高原型等），針對(duì)市場(chǎng)和用戶的個(gè)性化要求，及時(shí)開發(fā)出國內(nèi)外用戶所需要的各種機(jī)型和專用工作機(jī)具，擴(kuò)大產(chǎn)品品種和數(shù)量，涉足一直靠國外進(jìn)口的大型液壓挖掘機(jī)的市場(chǎng)，培育和培植市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)。與此同時(shí)，和產(chǎn)商還樹立用戶服務(wù)意識(shí)和品牌意識(shí)，提高服務(wù)質(zhì)量，爭(zhēng)取企業(yè)與用戶雙贏。只有這樣，挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)才有可能把已經(jīng)失去的市場(chǎng)份額逐漸奪回來。
1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本次所設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)為小型反鏟液壓挖掘機(jī)。主要內(nèi)容是工作裝置的設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定了其它零部件設(shè)計(jì)的質(zhì)量，也決定了整機(jī)的性能。合理的、全面的總體設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)順利完成的保證。因此，對(duì)整體設(shè)計(jì)必須從一個(gè)更高的層次出發(fā)，對(duì)整體設(shè)計(jì)必須提出更高的要求。
總體設(shè)計(jì)主要是對(duì)小型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行深入地分析，并提出切實(shí)可行的方案，對(duì)整體參數(shù)、整體布局、整體結(jié)構(gòu)、整機(jī)系統(tǒng)及其主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最后再將其建模裝配。工作裝置的設(shè)計(jì)必須考慮全面，比如外形尺寸、形狀、鉸點(diǎn)布置、工作過程中不能相互干涉、強(qiáng)度、剛度合理等等。此次工作裝置主要采用反鏟裝置，動(dòng)臂部分主要采用整體式彎動(dòng)臂，這樣有利于得到較大的挖掘深度。斗桿部分主要采用整體式直動(dòng)斗桿。
本文完成的主要工作有：
（1）建立了液壓挖掘機(jī)工作裝置的數(shù)學(xué)模型；
（2）針對(duì)工作裝置的計(jì)算工況，建立了相關(guān)的力學(xué)模型；
（3）確定了液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)方案，完成了主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算；
（4）對(duì)工作裝置的鉸點(diǎn)和關(guān)鍵部位進(jìn)行力學(xué)分析和計(jì)算；
（5）對(duì)工作裝置的相關(guān)部件進(jìn)行校核計(jì)算；
（6）對(duì)工作裝置進(jìn)行三維建模并且仿真優(yōu)化。
2 總體設(shè)計(jì)方案
2.1小型挖掘機(jī)工作裝置簡(jiǎn)介
反鏟工作裝置是液壓挖掘機(jī)的一種主要工作裝置，如圖2－1所示。
2.1工作裝置簡(jiǎn)圖
液壓反鏟工作裝置一般由動(dòng)臂1、動(dòng)臂液壓缸2、斗桿液壓缸3、斗桿4、鏟斗液壓缸5、鏟斗6、連桿7和搖桿8等組成。其構(gòu)造特點(diǎn)是各構(gòu)件之間全部采用鉸接連接，并通過改變各液壓缸行程來實(shí)現(xiàn)挖掘過程中的各種動(dòng)作。動(dòng)臂1的下鉸點(diǎn)與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接，并以動(dòng)臂液壓缸2來支承動(dòng)臂，通過改變動(dòng)臂液壓缸的行程即可改變動(dòng)臂傾角，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂的升降。斗桿4鉸接于動(dòng)臂的上端，可繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，斗桿與動(dòng)臂的相對(duì)轉(zhuǎn)角由鏟斗液壓缸5控制，當(dāng)斗桿液壓缸伸縮時(shí)，斗桿即可繞動(dòng)臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。鏟斗6則鉸接于斗桿4的末端，通過鏟斗液壓缸5的伸縮來使鏟斗繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，鏟斗液壓缸一般通過連桿機(jī)構(gòu)（即連桿7和搖桿8）與鏟斗連接。液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下的土壤，如挖掘溝壕、基坑等，其挖掘軌跡取決于各液壓缸的運(yùn)動(dòng)及其組合。反鏟液壓挖掘機(jī)的工作過程為，先下放動(dòng)臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)斗桿及鏟斗，當(dāng)挖掘至裝滿鏟斗時(shí)，提升動(dòng)臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作裝置開始下一次作業(yè)循環(huán)。動(dòng)臂液壓缸主要用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨(dú)直接挖掘土壤；斗桿挖掘可獲得較大的挖掘行程，但挖掘力小一些。轉(zhuǎn)斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束時(shí)裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，因此挖掘機(jī)的最大挖掘力一般由轉(zhuǎn)斗液壓缸實(shí)現(xiàn)的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此轉(zhuǎn)斗挖掘可用于清除障礙或提高生產(chǎn)率。在實(shí)際工作中，熟練的液壓挖掘機(jī)人員可根據(jù)實(shí)際情況，合理操縱各個(gè)液壓缸，往往是各液壓缸聯(lián)合 工作，實(shí)現(xiàn)最有效的挖掘作業(yè)。例如，挖掘基坑時(shí)由于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁，則采用動(dòng)臂和斗桿同時(shí)工作；當(dāng)挖掘基坑底時(shí)，挖掘行程將結(jié)束，為加速裝滿鏟斗，或挖掘過程中調(diào)整切削角時(shí)，則需要鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸同時(shí)工作。
2.2工作裝置設(shè)計(jì)方案原則
設(shè)計(jì)合理的工作裝置應(yīng)能滿足下列要求：
①主要工作尺寸及作業(yè)范圍能滿足要求，在設(shè)計(jì)通用反鏟裝置時(shí)要考慮與同類型、同等級(jí)機(jī)器相比的先進(jìn)性?？紤]國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并注意到結(jié)構(gòu)參數(shù)受結(jié)構(gòu)碰撞限制等的可能性。
②整機(jī)挖掘力的大小及其分布情況應(yīng)滿足使用要求，并具有一定的先進(jìn)性。
③功率利用情況盡可能好，理論工作時(shí)間盡可能短。
④確定鉸點(diǎn)布置，結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸形狀時(shí)盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證強(qiáng)度、剛度和連接剛性的條件下盡量減輕結(jié)構(gòu)自重。
⑤作業(yè)條件復(fù)雜，使用情況多變時(shí)應(yīng)考慮工作裝置的通用性。采用變鉸點(diǎn)構(gòu)件或配套構(gòu)件時(shí)要注意分清主次，在滿足使用要求的前提下力求替換構(gòu)件種類少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換裝方便。
⑥運(yùn)輸或停放時(shí)工作裝置應(yīng)有合理的姿態(tài)，使運(yùn)輸尺寸小，行駛穩(wěn)定性好，保證安全可靠，并盡可能使液壓缸卸載或減載。
⑦工作裝置液壓缸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮三化。采用系列參數(shù)，盡可能減少液壓缸零件種類，尤其是易損件的種類。
⑧工作裝置的結(jié)構(gòu)型式和布置便于裝拆和維修，尤其是易損件的更換。
⑨要采取合理措施來滿足特殊使用要求。
3挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)
3.1確定動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的結(jié)構(gòu)形式
3.1.1確定動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式
動(dòng)臂是工作裝置中的主要構(gòu)件，斗桿的結(jié)構(gòu)形式往往決定于動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式。反鏟動(dòng)臂分為整體式和組合式兩類。
圖3.1 整體式彎動(dòng)臂
直動(dòng)臂構(gòu)造簡(jiǎn)單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機(jī)。采用整體式彎動(dòng)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(dòng)臂在彎曲處的結(jié)構(gòu)形狀和強(qiáng)度值得注意，有時(shí)采用三節(jié)變動(dòng)臂有利于降低彎曲處的應(yīng)力集中。
整體式變動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，風(fēng)度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕。它的缺點(diǎn)是替換工作裝置少，通用性較差。為了擴(kuò)大機(jī)械通用性，提高其利用率。往往需要配備幾套完全不通用的工作裝置。一般來說，長(zhǎng)期用于作業(yè)相似的反鏟采用整體式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)比較合適。如圖3－1所示。
組合式動(dòng)臂一般都為彎臂形式。其組合方式有兩類，一類用輔助連桿（或液壓缸）連接，另一類用螺栓連接。
組合式動(dòng)臂與整體式動(dòng)臂相比各有優(yōu)缺點(diǎn)，它們分別適用于不同的作業(yè)條件。組合式動(dòng)臂的主要優(yōu)點(diǎn)是：
①工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)采用螺栓或連桿連接時(shí)調(diào)整時(shí)間只需十幾分鐘，采用液壓缸連接時(shí)可以進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。
②較合理地滿足各種類型作業(yè)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求，從而較簡(jiǎn)單地解決主要構(gòu)件的統(tǒng)一化問題。因此其替換工作裝置較多，替換也方便。一般情況下，下動(dòng)臂可以適應(yīng)各種作業(yè)裝置要求，不需拆換。
③裝車運(yùn)輸比較方便。
由于上述優(yōu)點(diǎn)，組合式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)雖比整體式動(dòng)臂復(fù)雜，但得到了較廣泛的應(yīng)用。尤以中小型通用液壓挖掘機(jī)作業(yè)條件多時(shí)采用組合式動(dòng)臂較為合適。
本次設(shè)計(jì)作業(yè)條件比較單一，所以選用整體式彎動(dòng)臂。
3.1.2確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式
斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)都采用整體式斗桿，當(dāng)需要調(diào)節(jié)斗桿長(zhǎng)度或杠桿時(shí)采用更換斗桿的辦法，或者在斗桿上設(shè)置2～4個(gè)可供調(diào)節(jié)時(shí)選擇的與動(dòng)臂端部鉸接的孔。有些反鏟采用組合式斗桿。
本次設(shè)計(jì)采用整體式斗桿。
3.1.3確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式和斗齒安裝結(jié)構(gòu)
（1).確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式
鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對(duì)挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響比較大。鏟斗的作業(yè)對(duì)象繁多，作業(yè)條件也不同，用一個(gè)鏟斗來適應(yīng)任何作業(yè)對(duì)象和條件比較困難。為了滿足各種特定情況，盡可能提高作業(yè)效率，通用反鏟裝置常配有幾種甚至十多種斗容量不同，結(jié)構(gòu)形式各異的鏟斗。
目前，對(duì)鏟斗結(jié)構(gòu)形式的研究還處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或模型試驗(yàn)階段，未建立起比較系統(tǒng)的理論。例如有人曾將兩只0.6m3容量而斗型不同的反鏟斗裝在RH6液壓挖掘機(jī)上進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表3－1所示。由于砂的挖掘阻力較小，對(duì)鏟斗設(shè)計(jì)的合理性反映不靈敏，所以這兩種鏟斗的試驗(yàn)結(jié)果差別不大。而對(duì)頁巖作業(yè)效果就大不一樣，其中一個(gè)鏟斗的切削前緣中間略微凸出，不帶側(cè)齒，側(cè)臂略呈凹形，這些因素使頁巖挖掘阻力降低。另一個(gè)鏟斗的情況則相反。
表3-1 反 鏟斗對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果
作業(yè)條件
鏟斗
編號(hào)
鏟斗充滿時(shí)間
（s）
生產(chǎn)率
（10KN/h）
效率
（%）
在頁巖中
作 業(yè)
鏟斗1
鏟斗2
19.05
40.6
42.6
22.68
100
53.3
在砂中
作 業(yè)
鏟斗1
鏟斗2
5.9
6.3
163.5
152.7
100
93.3
對(duì)各種鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的共同要求是：
①有利于物料的自由流動(dòng)，因此鏟斗內(nèi)臂不宜設(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(yùn)動(dòng)規(guī)律。
②要使物料易于卸凈。用于粘土的鏟斗卸載時(shí)不易卸凈，因此延長(zhǎng)了作業(yè)循環(huán)時(shí)間，降低了有效斗容量。國外采用設(shè)有強(qiáng)制卸土的粘土鏟斗?！?
③為了使裝進(jìn)鏟斗的物料不易掉出，鏟斗寬度與物料顆粒直徑之比應(yīng)大于4：1。當(dāng)此比值大于50：1時(shí)顆粒尺寸的影響可不考慮，視物料為勻質(zhì)。
④裝設(shè)斗齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時(shí)的挖掘線比壓，以便切入或破碎阻力較大有物料。挖硬土或碎石時(shí)還能把石塊從土壤中耙出。斗齒的材料、形狀、安裝結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù)都值得研究，對(duì)它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更換。
（2)確定斗齒安裝方式
目前，國產(chǎn)挖掘機(jī)斗齒安裝方式主要有兩類，斗容量q≤0.6m3時(shí)多采用螺栓連接（圖3－2a），斗容量q≥0.6m3時(shí)時(shí)多采用橡膠卡銷結(jié)構(gòu)（圖3－2b）。
圖3.2a 螺栓連接結(jié)構(gòu)斗齒 圖3.2b橡膠卡銷結(jié)構(gòu)斗齒
本次設(shè)計(jì)斗容量為0.18 m3挖掘機(jī)，所以斗齒安裝方式為螺栓連接.
3.1.4鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式
圖3.3 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式
鏟斗與鏟斗液壓缸連接有三種型式（圖3－3），其區(qū)別主要在于液壓缸活塞桿端部與鏟斗的連接方式不同，圖3－3a為直接連接，鏟斗、斗桿與鏟斗液壓缸組成四連桿機(jī)構(gòu)。圖3－3b中鏟斗液壓缸通過搖桿1和連桿2與鏟斗相連，它們與斗桿一起組成六連桿機(jī)構(gòu)。圖3－3d和圖3－3b類似，區(qū)別在于前者液壓缸活塞桿端接于搖桿兩端之間。圖3－3c的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比與b差不多，但鏟斗擺角位置順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)角度。
六連桿方式與四連桿方式相比在同樣的液壓缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性。六連桿方式b和d在液壓缸行程相同時(shí)，后者能得到更大的鏟斗轉(zhuǎn)角。但其鏟斗挖掘力的平均值較小。
本設(shè)計(jì)中選用圖3－3b的連接方式。
3.2確定動(dòng)臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點(diǎn)布置
反鏟工作裝置實(shí)際上是多個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的組合。在發(fā)動(dòng)機(jī)功率、整機(jī)質(zhì)量和鏟斗容量等主要參數(shù)及工作裝置基本形式初步確定的情況下，工作裝置各鉸點(diǎn)在布置及各工作油缸參數(shù)的選擇是否合理，會(huì)直接影響液壓挖掘機(jī)的實(shí)際挖掘能力。
3.2.1動(dòng)臂油缸的布置
圖3.4油缸前傾布置方案 圖3.5油缸后傾布置方案
動(dòng)臂油缸一般布置在動(dòng)臂前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接，常見的有兩種具體布置方式。
①油缸前傾布置方案，如圖3－4所示，動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂鉸接于E點(diǎn)。當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉升至上極限位置，動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)前方傾斜。
②油缸后傾布置方案，如圖3－5所示，當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉升到上極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸軸線向后方傾斜。
當(dāng)兩方案的動(dòng)臂油缸安裝尺寸DE′、鏟斗最大挖掘高度H和地面最大挖掘半徑R相等時(shí)，后傾方案的最大挖掘深度比前傾方案小，即＜。此外，在后傾方案中，動(dòng)臂EF部分往往比前傾方案的長(zhǎng)，因此動(dòng)臂所受彎矩也比較大。以上為動(dòng)臂油缸后傾方案的缺點(diǎn)。然而，后傾方案動(dòng)臂下鉸點(diǎn)C與動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)D的距離CD比前傾方案的大，則動(dòng)臂在上下兩極位置時(shí)，動(dòng)臂油缸的作用力臂Cp也較大。因此，在動(dòng)臂油缸作用力相同時(shí)，后傾方案得到較大的動(dòng)臂作用力矩，這是其優(yōu)點(diǎn)。
為了增大后傾方案的挖掘深度，有的挖掘機(jī)將長(zhǎng)動(dòng)臂CE′F′改換成短動(dòng)臂CE′F″（圖3－5），并配以長(zhǎng)斗桿。在最大深度處挖掘時(shí)，采用鏟斗挖掘而不是斗桿挖掘，這樣得到的最大挖掘深度為′＞。
顯然，不論是動(dòng)臂油缸前傾還是后傾方案，當(dāng)C、D兩鉸點(diǎn)位置和CE長(zhǎng)度均不變時(shí)，通過加大動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度可以增大動(dòng)臂仰角，從而增大最大挖掘高度，但會(huì)影響到最大挖掘測(cè)試。所以，在布置油缸時(shí)，應(yīng)綜合考慮動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)、工作裝置的作業(yè)尺寸及動(dòng)臂舉升力的挖掘力等因素。
本設(shè)計(jì)選用動(dòng)臂油缸前傾布置方案。
3.2.2斗桿油缸的布置
確定斗桿油缸鉸點(diǎn)、行程及斗桿力臂比時(shí)應(yīng)該考慮下列因素。
保證斗桿油缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。即油缸從最短長(zhǎng)度開始推伸時(shí)和油缸最大伸出時(shí)產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)該大于正常挖掘阻力。油缸全伸時(shí)的力矩應(yīng)該足以支承滿載鏟斗和斗桿靜止不動(dòng)。油缸力臂最大時(shí)產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)大于要求克服的最大挖掘范圍。
保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍一般取100°～130°。在斗桿油缸和轉(zhuǎn)斗油缸同時(shí)伸出最長(zhǎng)時(shí)，鏟斗前壁和動(dòng)臂之間的距離應(yīng)大于10cm。一般來說，斗桿越長(zhǎng)，則其擺角范圍可以取得越小一些。
鉸點(diǎn)位置的確定需要反復(fù)進(jìn)行。在計(jì)算中初定鉸點(diǎn)位置，如不夠合理，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修改。
3.2.3鏟斗油缸的布置
確定鏟斗油缸鉸點(diǎn)應(yīng)考慮以下因素。
①保證轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)產(chǎn)生足夠大的斗齒挖掘力，即在鏟斗油缸全行程中產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)大于正常工作情況下的挖掘阻力。當(dāng)鏟斗油缸作用力臂最大時(shí)，所產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)能使?jié)M載鏟斗靜止不動(dòng)
②保證鏟斗的擺角范圍。鏟斗的擺角范圍一般取140°～160°，在特殊作業(yè)時(shí)可以大于180°。當(dāng)鏟斗油缸全縮時(shí)，鏟斗與斗桿軸線夾角（在軸線上方）應(yīng)大于10°,常取15°～25°，鏟斗油缸全伸、鏟斗滿載回轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)使土壤不從斗中撒落。
③鏟斗從位置Ⅰ到位置Ⅱ時(shí)（圖3－6），鏟斗油缸作用力臂最大，這里能得到斗齒最大切削角度的1/2左右，即當(dāng)鏟斗挖掘深度最大時(shí)，正好斗齒挖掘力也最大。實(shí)際上鏟斗的切削轉(zhuǎn)角是可變的。在許多情況下，特別是進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)，鏟斗的切削轉(zhuǎn)角一般都小于100°，而且鏟斗也不一定都在初始位置Ⅰ開始挖掘。因此，目前一般取位置Ⅰ至位置Ⅱ的轉(zhuǎn)角為30°～50°，在這個(gè)角度范圍內(nèi)可以照顧到鏟斗在挖掘過程中能較好地適應(yīng)挖掘阻力的變化，又可以使鏟斗在開始挖掘時(shí)就有一定的挖掘力。
圖3.6 鏟斗轉(zhuǎn)角范圍
3.3動(dòng)臂、斗桿、鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇
3.3.1反鏟裝置總體方案的選擇
反鏟方案選擇的主要依據(jù)是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定的使用要求決定工作裝置是通用或是專用的。以反鏟為主的通用裝置應(yīng)保證反鏟使用要求，并照顧到其它裝置的性能。專用裝置應(yīng)根據(jù)作業(yè)條件決定結(jié)構(gòu)方案，在滿足主要作業(yè)條件要求的同時(shí)照顧其它條件下的性能。
反鏟裝置總體方案的選擇包括以下方面：
①動(dòng)臂及動(dòng)臂液壓缸的布置
確定用組合式或整體式動(dòng)臂，以及組合式動(dòng)臂的組合方式或整體式動(dòng)臂的形狀。確定動(dòng)臂液壓缸的布置為懸掛式或是下置式。
前面已確定采用整體式動(dòng)臂，動(dòng)臂液壓缸的布置為下置式。
②斗桿及斗桿液壓缸的布置
確定用整體式或組合式斗桿，以及組合式斗桿的組合方式或整體式斗桿是否采用變鉸點(diǎn)調(diào)節(jié)。
前面已確定采用整體式斗桿，不采用變鉸點(diǎn)調(diào)節(jié)。
③確定動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù)=。
對(duì)于一定的工作尺寸而言，動(dòng)臂與斗桿之間的長(zhǎng)度比可在很大范圍內(nèi)選擇。一般當(dāng)＞2時(shí)，（有反鏟?。?）稱為長(zhǎng)動(dòng)臂短斗桿方案，當(dāng)＜1.5時(shí)屬于短動(dòng)臂長(zhǎng)斗桿方案。在1.5～2之間稱為中間比例方案。
要求適用性較強(qiáng)而又無配套替換構(gòu)件或可調(diào)結(jié)構(gòu)的反鏟常取中間比例方案。相反，當(dāng)用配套替換構(gòu)件或可調(diào)連接適應(yīng)不同作業(yè)條件時(shí)，不同的配置或鉸點(diǎn)連接情況可組成各種比例方案。在使用條件單一，作業(yè)對(duì)象明確的條件下采用整體式動(dòng)臂和斗桿固定鉸接，值由作業(yè)條件確定。從作業(yè)范圍看，在挖高、挖深與挖掘半徑均相同的條件下，愈大作業(yè)范圍愈窄，從挖掘方式看大宜用于斗桿挖掘?yàn)橹鳎蚱鋭偠容^易保證。而值小宜用于以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鳌?
本設(shè)計(jì)采用中間比例方案,?。?.8。
④確定配套鏟斗的種類、斗容量及其主參數(shù)，并考慮鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比是否需要調(diào)節(jié)。
⑤根據(jù)液壓缸系統(tǒng)壓力、流量、系統(tǒng)回路供油方式、工廠制造條件和三化要求等確定各液壓缸缸數(shù)、缸徑、全伸長(zhǎng)度與全縮長(zhǎng)度之比?？紤]到結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動(dòng)余量、穩(wěn)定性和構(gòu)件運(yùn)動(dòng)幅度等因素一般?。?.6～1.7，個(gè)別情況下因動(dòng)臂擺角和鉸點(diǎn)布置要求可以取≤1.75，而?。?.6～1.7，＝1.6～1.7。
3.3.2機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)
圖3.7 反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)的計(jì)算圖
機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)有三類，第一類是決定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的必要參數(shù)，稱原始參數(shù)，本次設(shè)計(jì)主要選擇長(zhǎng)度參數(shù)作為原始參數(shù)；第二類是由第一類參數(shù)推算出來的參數(shù)，稱推導(dǎo)參數(shù)，多為運(yùn)算中需要的角度參數(shù)；第三類是方案分析比較所需要的其它特性參數(shù)。
反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)的計(jì)算圖及有關(guān)符號(hào)如圖3-7所示。
反鏟機(jī)構(gòu)各部分原始參數(shù)、推導(dǎo)參數(shù)和部分特性參數(shù)見表3-2所示。
表3-2 反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)表
參數(shù)分類
機(jī) 構(gòu) 組 成
鏟斗
斗桿
動(dòng)臂
機(jī)體
符 號(hào) 意 義
原始參數(shù)
l3=QV,l12=MH
l13=MN,l14=HN
l24=QK,l25=KV
l29=KH
l2=FQ,l9=EF
l10=FG,l11=EG
l15=GN,l16=FN
l21=NQ
l1=CF,l6=CD
l7=CB,l8=DF
l22=BF
l4=CP,l5=CA
l17=CI,l19=CT
l30=CS,l38=JT
l39=JI
推導(dǎo)參數(shù)
α9＝∠NMH
α10＝∠KQV
α4＝∠EFG
α5＝∠GNF
α6＝∠GFN
α7＝∠NQF
α8＝∠NFQ
α2＝∠BCF
α3＝∠DFC
α11＝∠CAP
α9＝∠TCP
特性參數(shù)
K2=,l3
K2=,l3
K2=,l3
α1＝∠CZF
σ=
α11
K1=
備注
l—斗桿長(zhǎng)
l1—?jiǎng)颖坶L(zhǎng)
α1—?jiǎng)颖蹚澖?
懸掛式α11＝∠ACU
3.3.3斗形參數(shù)的選擇
（1)鏟斗主要參數(shù)的選擇
斗容量、平均斗寬，轉(zhuǎn)斗挖掘半徑和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角（這里令＝）是鏟斗的四個(gè)主要參數(shù)。、及三者與之間有以下幾何關(guān)系（圖3－8）。
圖3.8 鏟斗簡(jiǎn)圖
(3－1)
其中：=0.18m3(已知)，鏟斗斗容量；
—鏟斗挖掘半徑，單位m；
—鏟斗斗寬，根據(jù)反鏟斗平均斗寬統(tǒng)計(jì)值和推薦范圍，查表3—3，?。?.65m；
—鏟斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角，一般?。?0°～100°，取＝100°＝1.744rad
把、、代入式(3－1)得：
0.18＝0.5××0.75×（1.744－sin100°）×
表3—3 反鏟斗平均斗寬統(tǒng)計(jì)值和推薦范圍
解得：＝0.7639m
鏟斗上兩個(gè)鉸點(diǎn)與的間距（圖3－9）太大將影響鏟斗傳動(dòng)特性，太小則影響鏟斗結(jié)構(gòu)剛度，一般取特性==0.3～0.38,?。?.34＝，=0.7639m,得出=0.273m。當(dāng)轉(zhuǎn)角較大時(shí)取較小值，一般取=95°～115°，取=105°。
圖3.9 鏟斗示意圖
（2)斗形尺寸計(jì)算
根據(jù)鏟斗主要參數(shù)可進(jìn)一步設(shè)計(jì)計(jì)算斗形其尺寸，如圖3-10所示。圖中三角形為等腰三角形，段為直線，弧段為拋物線。，拋物線頂點(diǎn)高度為。斗尖角c取值范圍一般為20°～30°，斗側(cè)壁角為b取30°～50°，包角b取108°。改變?nèi)切蔚男螤羁梢垣@得不同的形狀的斗形。
斗形尺寸根據(jù)比擬法=0.65m(已知)、=0.7639m(已知)以及參考表3—4, 得出：
B= 0.65；l3= 0.7639；m=0.0682；R’=0.707；X1=0.284；X2=0.516；X3=0.840；L=0.54
解得方程組為
y1 =1.96x
y2 =-0.593x2+0.402x+0.491
y3=3.1（x-0.707）
表3—4 斗形尺寸參考表
參數(shù)/mm
斗容量 q/
0.65
1.0
b
1100
1400
1250
1370
m
180
230
R’
1070
1140
X1
341
300
X2
840
996
X3
1280
1410
L
855
960
圖3.10 斗形尺寸計(jì)算圖
（3)初選斗齒的幾何形狀
鏟斗及切削時(shí)的主要參數(shù)，如圖3-11所示，圖中鏟斗容量q、長(zhǎng)度L、寬度B、高度H、切削角、刃角β和后角γ等參數(shù)的選擇都對(duì)挖掘比阻力有直接影響。斗齒在鏟斗上的布置（齒寬和齒距）也是一個(gè)重要參數(shù)。
為使斗側(cè)壁不參與切削，鏟斗應(yīng)裝有側(cè)齒。
一般齒寬＝0.11=0.062m; 齒長(zhǎng)＝0.26＝0.147m;
齒距為：=(2.5～3.5)=(0.16～0.192)m,取=0.155m
斗前臂與切削面的間隙取=0.7=0.0434m
又由于鏟斗寬度B=0.65m,齒寬與齒距之和為0.062+0.155=0.217m
=5.01
因此鏟斗裝有5個(gè)齒。
另外齒尖應(yīng)保持銳利，否則挖掘阻力將急劇增加。新鑄（或鍛）的齒只有
一個(gè)小的圓弧尖連續(xù)工作后，齒尖將逐漸磨損，并變鈍。通常，挖掘Ⅱ～Ⅲ級(jí)土壤，齒尖顯著磨鈍后，挖掘阻力將增加50～100%。因此，為避免這種超載挖掘，應(yīng)及時(shí)更換或在齒刃口上堆焊硬質(zhì)合金層。
斗齒做成楔入式或組合式，以便快速更換和修補(bǔ)。
切削角對(duì)切削阻力影響也很大。通常，挖Ⅰ～Ⅲ級(jí)土?xí)r，斗切削角為＝20°～35°（較大值適用于硬土，小值適用于一般土），常用切削角為＝30°，本次設(shè)計(jì)?。?0°，后角不應(yīng)小于5°，刃角取25°。
圖3.11 斗齒參數(shù)圖
3.3.4 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇
根據(jù)說明書知：鏟斗容量＝0.18m3
最大挖掘半徑—=4000mm；
最大挖掘深度—=2800mm；
最大卸載高度—＝2800mm；
據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大挖掘半徑值一般與+ + 的和很接近。因此由已知的，和可按下列經(jīng)驗(yàn)公式初選、：
＝ ?。?-2）
=K
其中：=4m；
一般取1.1至1.8，此處為加長(zhǎng)斗桿方案，取1.8。
經(jīng)計(jì)算得出：=1.471m；
= =1.2×1.471=2.648m
在三角形CUF中，、和都可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選出：
其中：—?jiǎng)颖鄣膹澖牵捎脧澖悄茉黾油诰蛏疃龋档土诵遁d高度，但太小對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不利，一般取120°～140°，?。?40°；—前面已算出為2.648m；—?jiǎng)颖坜D(zhuǎn)折處的長(zhǎng)度比，一般根據(jù)結(jié)構(gòu)和液壓缸鉸點(diǎn)B的位置來考慮，初步設(shè)計(jì)?。?.1～1.3，取＝1.2；因此根據(jù)公式及圖3—12：可以算出、、
圖3.12 動(dòng)臂示意圖
l＝
l＝K l （3-3）
α=∠UFC＝arccos()
經(jīng)計(jì)算得出：UC= =0.984m；
UF= =1.930m；
∠UCF = =18.1°
動(dòng)臂液壓缸全伸與全縮時(shí)的力臂比K4按不同情況選取，專用反鏟可?。?.8；以反鏟為主的通用機(jī)，＝0.8～1.1；斗容量1m3左右的通用機(jī)，則可?。?。
本設(shè)計(jì)中?。?。
的取值對(duì)特性參數(shù)、最大挖掘深度和最大挖高度有影響。
加大會(huì)增大，縮小?；居米鞣寸P的小型機(jī)?。?0°。
本設(shè)計(jì)中取＝70°。
斗桿液壓缸全縮時(shí)=最大（圖3－13），常選（）=
160°～180°。本設(shè)計(jì)中?。ǎ?70°。
圖3.13 最大卸載高度時(shí)動(dòng)臂計(jì)算簡(jiǎn)圖
取決于液壓缸布置形式，動(dòng)臂液壓缸結(jié)構(gòu)中這一夾角較小，可能為零。動(dòng)臂單液壓缸在動(dòng)臂上的鉸點(diǎn)一般置于動(dòng)臂下翼耳座上，B在Z的下面。初定∠BCZ＝5°，根據(jù)已知∠ZCF＝18.1° ，解得∠BCF＝13.1°
由圖3-13得最大卸載高度的表達(dá)式為
?。?-4）
由圖3-14得最大挖掘深度絕對(duì)值的表達(dá)式為
（3-5）
將這兩式相加，消去，
并令＝＋，＝+-，得到：
＋－［- -A)+［-1］=0 （3-6）
圖3.14最大挖掘深度時(shí)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖
又特性參數(shù)：
＝ （3-7）
因此 ?。?
=) （3-8）
將上式代入式（3-6）則得到一元函數(shù)f()=0。式中和已根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法求出，
經(jīng)計(jì)算得出：＝21.42°；＝144.25°
最后由式（3-5）求為
?。健 。?-9）
＝0.5403m
（其中：=2.648m；＝1.471m；＝83.1°；
通過參考其他機(jī)型以及經(jīng)驗(yàn)公式取=0.701m）
然后，解下面的聯(lián)立方程，可求σ和ρ：
=arcos()=arc()
=arcos()=arc() （3-10）
于是： =
= λ1 （3-11）
=σ·
經(jīng)計(jì)算得出：＝1.24；＝0.65；=0.8193m；
λ1=1.6 ＝1.310m；=1.023m
得到的結(jié)果符合下列幾何條件：+=1.89≥λ1；|- ︳=0.0.42≤1
3.3.5斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇
第一步計(jì)算斗桿挖掘阻力：
斗桿挖掘過程中，切削行程較長(zhǎng)，切土厚度在挖掘過程中視為常數(shù)，一般取斗桿在挖掘過程中總轉(zhuǎn)角（參考圖3-15）∠VFV2==50°～80°,?。?5°，在這轉(zhuǎn)角過程中，鏟斗被裝滿，這時(shí)斗齒的實(shí)際行程為：
圖3.15 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)圖
其中：rg斗桿挖掘時(shí)的切削半徑，rg；
?。剑?.471＋0.7639＝2.235m
斗桿挖掘時(shí)的切土厚度可按下式計(jì)算：
?。?
斗桿挖掘阻力為：
(3－12)
式中—挖掘比阻力，＝20（Ⅲ級(jí)土壤以下）
—土壤松散系數(shù)近似值取1.25。
斗桿與鏟斗和之間，為了滿足開挖和最后卸載及運(yùn)輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉(zhuǎn)角往往要達(dá)到150°～180°。
計(jì)算得：＝＝0.895m
把、、、、代入式3-12得
?。?.837KN
第二步確定斗桿液壓缸的最大作用力臂。
?。?
其中：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法得出＝15.67KN
斗桿液壓缸初始力臂與最大力臂之比是斗桿擺角（其取值范圍為105°至125°，此處選擇110°）余弦函數(shù)。設(shè),則
?。?
由圖3－13，取，求得
＝0.824m
=λ2=1.602m
=1.645m
3.3.6連桿、搖臂參數(shù)的選擇
1.確定L3min，L3max的值
圖3.16鏟斗平均挖掘阻力示意圖
鏟斗的平均挖掘阻力為：
F1J=5012ChJ1.35BAZX+FD
其中C:土壤硬實(shí)密實(shí)計(jì)打擊次數(shù)，對(duì)Ⅲ級(jí)土壤，＝9～15，對(duì)Ⅳ級(jí)土壤，＝16～35；本設(shè)計(jì)?。?5。
hJ1.35：平均切削厚度。
B：切削刃寬度系數(shù)（m），B=1+2.6b=2.69
A：切削角變化影響系數(shù)，A=1.3
Z：帶有斗齒的系數(shù)，Z=0.75
X：斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，X=1.15cm
FD：切削刃擠壓土壤的力，此處取 FD=10KN
?max：鏟斗挖掘裝滿總轉(zhuǎn)角的一半，有前面選擇可知
?max=0.828rad
平均切削厚度hJ1.35=l32?max-0.5l32sin2?maxl3（?max+sin?max）=0.161
F1J=5012ChJ1.35BAZX+FD=46.51KN
挖掘阻力F1J所做的功W3J:
W3J=F1Jl3?3
=108.52KN?M
?3：為鏟斗總轉(zhuǎn)角，查閱資料取175°
鏟斗推力所做的功
由經(jīng)驗(yàn)公式知=306.25KN；又= W3J，=1.5。
解得：=0.7087m，L3max=1.063m。
2.連桿機(jī)構(gòu)確定
從幾何可容性與結(jié)構(gòu)布置的角度對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)的要求考慮，必須保證鏟斗六連桿機(jī)構(gòu)在全行程中任一瞬間時(shí)都不會(huì)被破壞，即保證△、△及四邊形在任何瞬間皆成立。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，推薦按下面比例關(guān)系初選鏟斗連桿結(jié)構(gòu)的主要尺寸：
KQ=l3/3=0.3201m，MN=KQ=MK=0.3201m，NQ=0.7MN=0.2241m
4挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
油管及管接頭、密封圈、壓力表、油位油溫計(jì)等。液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油按照液壓挖掘機(jī)工作裝置和各個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來的組合，稱為挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)。液壓挖掘機(jī)的基本液壓系統(tǒng)是由能使挖掘機(jī)完成基本作業(yè)動(dòng)作并以手動(dòng)控制為主的基本功能回路所構(gòu)成的液壓系統(tǒng)。
一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，即動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。動(dòng)力元件的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。執(zhí)行元件（如液壓缸和液壓馬達(dá)）的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？刂圃锤鞣N液壓閥）在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為溢流閥（安全閥）、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方向不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例閥。輔助元件包括油箱、濾油器等幾大類。
液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和液壓元件選擇。
液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，要滿足機(jī)械傳動(dòng)要求、并考慮動(dòng)作配合和運(yùn)動(dòng)速度，力求效率高，液壓元件容易制造或購置，此外，還要保證工作安全可靠，操作簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉和便于檢修。因此，必須充分了解所設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的工作條件、負(fù)荷大小與變化、動(dòng)作特性、元件配套和三化要求等。
4.1確定液壓系統(tǒng)類型
本次設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖如圖4.1所示，該系統(tǒng)為高壓定量雙泵開式系統(tǒng)，液壓泵1、2輸出的壓力油分別進(jìn)入兩組由三個(gè)手動(dòng)換向閥組成的多路換向閥A、B。進(jìn)入多路換向閥A的壓力油，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)、鏟斗缸，同時(shí)經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動(dòng)左行走馬達(dá)；進(jìn)入多路閥B的壓力油，驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂缸和斗桿缸，并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動(dòng)右行走馬達(dá)。從多路閥A、B流出的壓力油都要經(jīng)過限速閥進(jìn)入總回油管，再經(jīng)背壓閥、冷卻器、濾油器流回油箱。當(dāng)單個(gè)換向閥處于中間位置時(shí)，構(gòu)成卸載回路。
圖4.1 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖
4.2液壓元件的選擇
4.2.1系統(tǒng)主參數(shù)的確定
系統(tǒng)工作壓力，流量，以及兩者的乘積，即系統(tǒng)液壓功率是液壓系統(tǒng)的主參數(shù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往是先選定工作壓力，然后根據(jù)各執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度，來確定流量。
系統(tǒng)工作壓力要根據(jù)技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)效果和制造可能性等三方面來確定。在外負(fù)荷已定情況下，系統(tǒng)壓力選得愈高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，可以獲得比較輕巧緊湊的結(jié)構(gòu)，對(duì)大型挖掘機(jī)來說，更為重要，所以，一般應(yīng)盡可能選取較高的工作壓力。但是，壓力的選擇還要考慮制造、裝配、密封、維修等因素，壓力太高，密封要求也高、制造維修困難，增大了液壓振動(dòng)與沖擊，影響了元件壽命和可靠性，此外，壓力增高太多，元件與管道的壁厚相應(yīng)增加，尺寸與重量的減少率交款愈來愈小。
現(xiàn)有單斗液壓挖掘機(jī)所用工作壓力有：
①中高壓 壓力小于20000kPa,常用于機(jī)重小于15t，液壓功率40kW以下的小型機(jī)。
②高壓 壓力小于32000kPa，是目前15t級(jí)以上的中型、大型機(jī)最普遍采用的壓力等級(jí)，根據(jù)目前生產(chǎn)水平，壓力再進(jìn)一步提高，經(jīng)濟(jì)上不能帶來相應(yīng)的優(yōu)越性。
③超高壓 壓力超過32000kPa，很多液壓元件需要專門制造，采用這種壓力等級(jí)的只占挖掘機(jī)總數(shù)的10%左右。
本設(shè)計(jì)中由于機(jī)重小于15t,液壓功率小于40kW，工作壓力選用中高壓，取16000 kPa。
4.2.2挖掘機(jī)液壓缸作用力的確定
工作裝置各油缸作用力的分析和確定是液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。顯然，各油缸的作用力應(yīng)保證工作裝置在挖掘過程中，斗齒有足夠的挖掘力，以及保證在卸載時(shí)能把滿斗土壤舉升到最大幅度和高度所需的舉升力。
工作裝置各油缸作用力有以下兩種情況。
①當(dāng)油缸兩腔分別接高低壓油路時(shí)產(chǎn)生推動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的作用力稱為主動(dòng)作用力（簡(jiǎn)稱作用力或者工作力），其最大值取決于該油路的工作壓力和油缸直徑（活塞作用面積）。
②工作裝置工作時(shí)作用于閉鎖狀態(tài)（即油缸兩腔與高低壓油路斷開）的油缸上的作用力稱為被動(dòng)作用力，其最大值則取決于該油缸油路的過載溢流閥壓力和承載活塞面積。當(dāng)油缸作用力大于外載荷的作用力的時(shí)候，該油缸便無回縮現(xiàn)象；否則由于過載溢流閥打開而溢流，便使油缸發(fā)生回縮。
確定工作裝置各油缸的作用力和可能產(chǎn)生的被動(dòng)作用力后，便可以按照選定的液壓系統(tǒng)的工作壓力確定油缸所需的缸徑以及過載溢流壓力。油缸的行程則由工作裝置機(jī)構(gòu)方案所確定，它與工作裝置的結(jié)構(gòu)方案及鉸點(diǎn)位置有關(guān)，而機(jī)構(gòu)方