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畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目 液壓挖掘機反鏟工作裝置設(shè)計 專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 學(xué) 號 078105222 學(xué) 生 姓 名 盧越 指 導(dǎo) 教 師 邢普 填 表 日 期 2011 年 5 月 20日 一、選題的依據(jù)及意義： 液壓挖掘機反鏟挖掘裝置大大改善了挖掘機的技術(shù)性能，挖掘力大、牽引力大，機器重量，傳動平穩(wěn)，作用效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。液壓挖掘機反鏟工作裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤，如挖掘溝壕、基坑等，其挖掘軌跡取決于各液壓缸的運動及其組合。反鏟液壓挖掘機的工作過程為，先下放動臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動斗桿及鏟斗，當挖掘至裝滿鏟斗時，提升動臂使鏟斗離開土壤，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，因此挖掘機的最大挖掘力一般由轉(zhuǎn)斗液壓缸實現(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。在實際工作中，熟練的液壓挖掘機人員可根據(jù)實際情況，合理操縱各個液壓缸，往往是各液壓缸聯(lián)合　工作，實現(xiàn)最有效的挖掘作業(yè)。 工作裝置是工程機械進行生產(chǎn)作業(yè)的裝置，該裝置直接影響到整機的生產(chǎn)率和經(jīng)濟性，因此合理的設(shè)計有著重大意義，尤其是土方工程機械，作業(yè)過程中動力裝置的大部分能量消耗在挖掘土壤上。由于工作裝置的重量和成本只占整個機械的很小部分，因此，要降低挖掘土壤的能耗，提高效率，從研究工作裝置入手，在通常情況下，僅耗用較少的材料和費用就能明顯地提高機械的性能，而機械的結(jié)構(gòu)無需作重大改變。 工程施工對工程機械的工作裝置提出的高效、多能，能適應(yīng)各種作業(yè)條件的要求，促使工作裝置在結(jié)構(gòu)形式和材料選用上不斷提高改進，許多工作裝置的操縱已采用液壓伺服系統(tǒng)或自動控制，是機械的操縱力大大減小，生產(chǎn)效率利用顯著提高，取得了良好的效果。在眾多的工作裝置中，裝載機的工作裝置的設(shè)計具有一定的典型性 二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：　　 第一臺手動挖掘機問世至今已有130多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動半回轉(zhuǎn)挖掘機到電力驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動全回轉(zhuǎn)挖掘機、應(yīng)用機電液一體化技術(shù)的全自動液壓挖掘機的逐步發(fā)展過程。 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)第一臺斗容量為1m3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30～40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。1967年開始，我國自主研制液壓挖掘機。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機械廠的WYl00型、貴陽礦山機器廠的W4-60型、合肥礦山機器廠的WY60型挖掘機等。隨后又出現(xiàn)了長江挖掘機廠的WYl60型和杭州重型機械廠的WY250型挖掘機等。它們?yōu)槲覈簤和诰驒C行業(yè)的形成和發(fā)展邁出了極其重要的一步。 到20世紀80年代末，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)量等與國際先進水平相比，有很大的差距。我國單斗液壓挖掘機應(yīng)向全液壓方向發(fā)展；斗容量宜控制在0.1-15 m³；而對于大型及多斗挖掘機，由于液壓元件的制造、裝配精度要求高，施工現(xiàn)場維修條件差等，則仍以機械式為主。應(yīng)著手研究、運用電液控制技術(shù)，以實現(xiàn)液壓挖掘機操縱的自動化。 　改革開放以來，積極引進、消化、吸收國外先進技術(shù)，以促進我國挖掘機行業(yè)的發(fā)展。例如，中國第一拖拉機工程機械公司、廣西玉柴股份有限公司、柳州工程機械廠等。這些企業(yè)經(jīng)過幾年的努力已達到一定的規(guī)模和水平。　　業(yè)內(nèi)人士指出，我國單斗液壓挖掘機應(yīng)向全液壓方向發(fā)展；斗容量宜控制在0.1-15 m3；而對于大型及多斗挖掘機，由于液壓元件的制造、裝配精度要求高，施工現(xiàn)場維修條件差等，則仍以機械式為主。應(yīng)著手研究、運用電液控制技術(shù)，以實現(xiàn)液壓挖掘機操縱的自動化。 　　　　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3.5-40 m3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。例如，美國馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量50-150 m3的剝離用挖掘機，斗容量132 m3的步行式拉鏟挖掘機；B-E(布比賽路斯一伊利)公司生產(chǎn)的斗容量168.2 m3的步行式拉鏟挖掘機，斗容量107 m3的剝離用挖掘機等，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。 　 三、研究內(nèi)容及實驗方案： 主要對由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機構(gòu)組成挖掘機工作裝置進行設(shè)計。具體內(nèi)容包括以下四部分: 1．挖掘機工作裝置的總體設(shè)計。 工作裝置是液壓挖掘機的主要組成部分之一。因用途不同，工作裝置的種類繁多，其中最主要的有反產(chǎn)裝置，正鏟裝置，起重裝置和抓斗裝置等。而同一種裝置也可以有許多種結(jié)構(gòu)形式，有的多達數(shù)十種，以適應(yīng)各種不同的作業(yè)條件。主要設(shè)計的內(nèi)容有動臂及斗桿的結(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。 而組合式動臂有以下優(yōu)點： （1）．工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化調(diào)整。 （2）．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。 （3）．裝車運輸比較方便。 綜上選用組合式方案 2．挖掘機的工作裝置詳細的機構(gòu)運動學(xué)分析。 通過研究平面四桿機構(gòu)的運動分析與曲柄滑塊機構(gòu)的規(guī)律，綜合利用作圖法與解析法，得出各構(gòu)件的長度與位置。作圖法精度不夠，只是一種近似的計算方法。 3．工作裝置各部分的基本尺寸的計算和驗證。 動臂機構(gòu)參數(shù)的選擇 （1）．動臂機構(gòu)的鉸點位置的選擇。 （2）．動臂液壓缸作用力及閉鎖力的確定 斗桿機構(gòu)參數(shù)的選擇 確定斗桿液壓缸的鉸點位置，行程及力臂比時應(yīng)該考慮以下因素： （1）．保證斗桿液壓缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。 （2）．保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力。 （3）．保證斗桿的擺角范圍。 鏟斗機構(gòu)的參數(shù)選擇 反鏟鏟斗及機構(gòu)有四桿機構(gòu)的，也有六桿機構(gòu)的。作為機構(gòu)的桿長參數(shù)一般都預(yù)先選定。這些參數(shù)必須滿足以下要求： （1）．鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍 （2）．鏟斗機構(gòu)的載荷分析 4．工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 對由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機構(gòu)組成挖掘機工作裝置進行設(shè)計。 二 設(shè)計方案 反鏟裝置的合理設(shè)計問題至今尚未理想的解決。以往多按經(jīng)驗，采用統(tǒng)計和作圖試湊的方法，現(xiàn)在則盡可能采用數(shù)解分析方法，并利用電子計算機輔助設(shè)計。 反鏟方案的選擇主要依據(jù)是設(shè)計任務(wù)書規(guī)定的使用要求，據(jù)以決定工作裝置是通用或是專用。此處確定為通用工作裝置。以反鏟為主的通用裝置應(yīng)保證反鏟使用要求，并照顧到其他裝置的性能。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)條件的同時照顧其它條件下的性能。 設(shè)計方法主要是通過利用經(jīng)驗公式計算設(shè)計量，動臂，斗桿，轉(zhuǎn)斗。將計算得到的設(shè)計量帶入精確的計算公式來驗證設(shè)計量是否得當。若有出入，則再修改設(shè)計量。直到由設(shè)計量計算出的最大挖掘深度，挖掘半徑。最大卸載高度與給定的參數(shù)相吻合。具體步驟如下 1． 動臂及動臂液壓缸的布置 確定用組合式或整體式動臂，以及組合式動臂的組合式方式，確定動筆液壓缸的布置為懸掛式或是下置式。 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調(diào)節(jié)。 3． 確定動臂與斗桿的長度比，及特性參數(shù)K1=L1/L2。 對于一定的工作尺寸而言，動臂與斗桿之間的長度比可以在很大的范圍內(nèi)選擇。一般當K1>2時稱為長動臂短斗桿方案，當K1<1.5時屬于短動臂長斗桿方案。K1在1.5~2之間稱為中間比例方案。 4． 確定配套鏟斗的種類,斗容量及其主要參數(shù)，并考慮鏟斗連桿機構(gòu)傳動比是否需要調(diào)節(jié)。 5． 根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力，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，全伸長度與全縮長度之比λ，考慮到結(jié)構(gòu)尺寸，運動余量，穩(wěn)定性和構(gòu)件運動幅度等因素，一般取λ1=1.6~1.7，個別情況下因動臂擺角和鉸點布置要求可以取λ1<=1.75 6． 斗桿機構(gòu)參數(shù)的選擇 對于以轉(zhuǎn)斗挖掘為主的中小型反鏟，選擇斗桿參數(shù)時必須注意轉(zhuǎn)斗挖掘時斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖掘區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓缸的挖掘力能得到充分發(fā)揮。而斗桿的擺角范圍大致在105~125之間。在滿足工作范圍和運輸要求的條件下此值盡可能的取得小些，對以斗桿挖掘為主的中型機更應(yīng)注意到這一點。一般說斗桿愈長，其擺角范圍可稍小。當斗桿液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸同時伸出最長時，鏟斗前臂與動臂之間的距離應(yīng)大于10cm。 根據(jù)斗桿挖掘阻力計算，并參照國內(nèi)外同類型機器斗桿挖掘力值，按要求的最大挖掘力確定斗桿液壓缸的最大作用力臂值l9。斗桿上∠EFQ取決于結(jié)構(gòu)因素，并考慮到工作范圍，一般在130o~170o之間。動臂上∠DFZ也是結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)結(jié)構(gòu)因素預(yù)先估計。 斗桿機構(gòu)參數(shù)最后還必須按閉鎖性能校核。 7.鏟斗機構(gòu)的參數(shù)選擇 反鏟鏟斗及機構(gòu)有四桿機構(gòu)的，也有六桿機構(gòu)的。轉(zhuǎn)角范圍大致為90o~110o，為了滿足開挖和最后卸載及運輸狀態(tài)的要求，鏟斗總轉(zhuǎn)角往往要達到150o~180o。為了挖掘深溝及垂直側(cè)壁的要求，不使斗底先于斗齒接觸土壤，常采用大仰角機構(gòu)，總轉(zhuǎn)角必須選擇適當，不宜過大。設(shè)計時還要避免當鏟斗液壓缸全伸時斗齒尖碰撞斗桿下緣的現(xiàn)象。 四、目標、主要特色及工作進度 （1） 工作進度表 1. 查找資料，外文資料翻譯（不少于6000字符），開題報告 第1周-第2周 2．運動及動力參數(shù)計算 第3周-第4周 3．總裝配圖設(shè)計 第5周-第6周 4. 工作裝置各部分基本尺寸設(shè)計 第7周-第8周 5．用UG/proe對系統(tǒng)進行實體建模和設(shè)計 第9周-第11周 6. 繪制零、部件圖 第12周-第13周 7. 畢業(yè)論文撰寫 第14周-第16周 8 .答辯準備及論文答辯 第17周-第17周 （2） 挖掘機反鏟工作裝置主要特點： 反鏟主要用于挖掘停機面以下的土壤。其挖掘軌跡決定于各油缸的運動及其相互配合的情況。當采用動臂油缸工作并進行挖掘時（斗桿油缸和鏟斗油缸不工作）可以得到最大的挖掘半徑和最長的挖掘行程。此時鏟斗的挖掘軌跡是以動臂下鉸點為中心，斗齒尖至該鉸點的距離為半徑而做的圓弧線，其極限挖掘高度和深度（不是最大挖掘深度即圓弧線之起點、終點，分別決定于動臂的最大上傾角和下傾角（動臂對水平線的夾角），也即決定于動臂油缸的行程。由于這種挖掘方式時間長并且由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實際工作中基本不采用。 在實際挖掘工作過程中，往往需要采用各種油缸的聯(lián)合工作。如當挖掘基坑時由于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑時，則采用動臂與斗桿兩種油缸同時工作當挖掘坑底，挖掘行程將結(jié)束為加速將鏟斗裝滿土，以及挖掘過程需要改變鏟斗與切削角等情況下，則要求采用斗桿與鏟斗油缸共同工作。顯然此時挖掘機的挖掘軌跡是由相應(yīng)油缸分別工作時的軌跡組合而成。當然，這種動作能否實現(xiàn)決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計絡(luò)圖，即挖掘機在任意正常工作周位置時，控制到的工作范圍，圖上各控制尺寸即液壓挖掘機的工作尺寸。 對于反鏟裝置的只要工作尺寸為最大挖掘深度和最大挖掘半徑，包絡(luò)圖中可能有部分區(qū)間靠近甚至深入到挖掘機停機點以下，這一范圍的土壤雖然能挖掘但可能引起土壤的崩塌而影響機械的穩(wěn)定性和安全性，除有條件的挖溝作業(yè)一般不使用。故有的挖掘機工作尺寸圖上標明有效的工作范圍，或以虛線表明此段的挖掘軌跡如圖所示。 圖一 挖掘機反鏟裝置的最大挖掘力決定于液壓系統(tǒng)的工作壓力，油缸尺寸，以及油缸間作用力影響（斗桿，動臂油缸的閉鎖壓力及力臂）外。還決定與整機的穩(wěn)定和地面的附著情況。反鏟挖掘機速度結(jié)構(gòu)尺寸已定的條件下決定于液壓系統(tǒng)對工作油缸的供油量，對動臂油缸和斗桿油缸為提高其單獨工作的挖掘速度，在液壓系統(tǒng)中可采用合流供油措施來保證。液壓反鏟都采用轉(zhuǎn)斗卸土，卸載較準確，平穩(wěn)，便于裝車工作。 五、參考文獻 [1]成大先主編.機械設(shè)計手冊(第三版,第三卷),第十四篇[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1992年 [2]付 越，鄧子龍. 基于ProE的液壓挖掘機反鏟工作裝置運動仿真，遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報.2007..6.pp50-53. [3] 鄧子龍，劉杰，高財?shù)摰?挖掘機鏟斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化.機械與電子.2009.1.pp13-16. [4] 李濱城，何允紀.液壓挖掘機反鏟工作裝置運動的模擬.華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報.1995.6.pp74-80 [5] 劉玉強，王學(xué)軍.液壓挖掘機反鏟工作裝置優(yōu)化設(shè)計，機械產(chǎn)品與科技.1997.1.pp12-15 [6] Yu. I. Berezhnoi and Yu. A. Potapov. Method for the intermittent optimization of the working of a block by a rotary excavator Refractories and Industrial Ceramics, 1982, Volume 23, Numbers 3-4, Pages 183-186 ·