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采礦作業(yè)的機(jī)械化及自動(dòng)化
采石挖掘機(jī)工作裝置的模型
E. V. Gaisler, A. P. Mattis, E. A. Mochalov,and S. V. Shishaev
我們用由安裝在一面墻上的沖級(jí)快驅(qū)動(dòng)裝有刀片的桶開發(fā)出了一個(gè)露天礦場使用的挖掘機(jī)數(shù)學(xué)模型。
鏟斗操作如下：當(dāng)鏟斗與巖石表面接觸時(shí)，它被破壞的力大于鏟齒所受的總摩擦力和驅(qū)動(dòng)裝置給于它的驅(qū)動(dòng)力，使沖擊塊帶有動(dòng)能。沖擊塊的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致鏟齒鏟入巖石中，并在巖石表面形成深深的痕跡。減小位于鏟齒下方的受力面積，于是就形成了所謂的“破壞結(jié)合區(qū)”。破壞這個(gè)區(qū)所需要的力比破壞完整的塊要小的多
利用這些活動(dòng)的塊，巖石將可以在不利用preloosening的情況下被挖掘
描述鏟斗開挖過程中的主要參數(shù)包括巖石的力學(xué)性能，外力影響下各力學(xué)屬性的變化，驅(qū)動(dòng)裝置的工作特性和設(shè)備的參數(shù)，在挖掘過程中產(chǎn)生的兩種破壞方式：切割和沖擊破壞
作用在各鏟齒表面的幾何方向上的力表現(xiàn)在挖入過程中的阻力，映射在沖擊塊軸向的力的總和為P1。垂直軸方向的力的總和為P2.垂直于鏟齒運(yùn)動(dòng)方向上的 力的中和為零。因?yàn)閴毫咽菈K的主要破壞方式。
以下是為了描述鏟斗運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型的設(shè)想：
--鏟斗內(nèi)巖石的重心和鏟斗的重心是相對(duì)固定的
--鏟齒是連續(xù)分開排列的
--各鏟齒的負(fù)載相等的
--鏟齒切入巖石的瞬間沖擊
--鏟斗內(nèi)部物體的阻力忽略
--相對(duì)于動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)軸的瞬間摩擦力忽略
通過以上假設(shè)，鏟斗的運(yùn)動(dòng)就可以用在外力作用下的二維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來表示，它包括壓力裝置的驅(qū)動(dòng)力和提升裝置的產(chǎn)生的力，重力和巖石表面產(chǎn)生的阻力。任一時(shí)間段斗的位置由坐標(biāo)r（t）來定義，距離（oc）和~（t）--斗桿與boom之間的角度，該裝置的動(dòng)力由" = ('~ + m") ~,-~ + JT' (1)來表示。其中m1表示巖石和鏟斗的重量，m2表示斗桿和空鏟斗的質(zhì)量，J表示鏟斗加巖石和斗桿相對(duì)于其旋轉(zhuǎn)軸的瞬間慣性。
Y = ml (r ~ + lCBii)+ J~ + mi((r-- rl) 2 + IGA]~), (2)
其中J1是指空斗與斗桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，r-r1是空斗重心與斗桿重心的在坐標(biāo)內(nèi)的距離。
在鏟斗中的巖石的質(zhì)量m取決于鏟斗前沿的運(yùn)動(dòng)路線和巖石表面的初始形狀。為了寫出一個(gè)表示巖石質(zhì)量增長率的表達(dá)式。我們將考慮使用圖2中的方案，入股鏟斗前沿在時(shí)間t內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路線用曲線 f2 (r2，~ 2)來表示，巖石的初始形狀用曲線 f3 》 (r3，~ 3)表示，r2, ~, r3, ~3是在零點(diǎn)位置的極坐標(biāo)，在時(shí)間t內(nèi)，鏟斗前沿走過了ICDI的閉合路線：在這種情況下，當(dāng)d~ 2 = d~ 3在時(shí)間t內(nèi)質(zhì)量的增長則有dm1=1/2pb(∣OC∣·∣OD∣-∣OA∣·∣OB∣)sindα來決定。
dm~ = T ~,B (I OC l" I OD I --I OA [. I OB I) sin da 2，其中o是巖石的密度，B是鏟斗邊緣的寬度。我們從簡圖中可以看出：loci = r~, ION{ = r= § dr~, IOAI = r~, IOBI = r~ § dr3.考慮到sin da~ ~ da 2和忽略面積的微小變量，我們寫出以下公式：
增量da2等于斗臂在時(shí)間t內(nèi)的角速度和時(shí)間增量t的乘積。i.e., d~ 2 = da 3 = &dt.，于是質(zhì)量的增長率則由………….3
表達(dá)出來了。單位時(shí)間t內(nèi)陷入鏟斗中的巖石質(zhì)量則由表達(dá)，這里面的m1只是時(shí)間t的一個(gè)函數(shù)。
利用一個(gè)質(zhì)量變化動(dòng)力學(xué)的基本方程式，我們可以證明拉格朗日方程式是適合關(guān)聯(lián)重心的絕對(duì)速度等于零的變量點(diǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的。
考慮到一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包含n個(gè)由以速度vi運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量為m1，m2……的材料的重心。
拉格朗日方程式中的m1=在[2, p. 340]中衍生出的常數(shù)?？紤]到m i = mi(t)的情況，在下述的[2]中，我們引入廣義的坐標(biāo) q，于是。
其中ri是質(zhì)心的位置向量，于是
其中qj是廣義速度，在任何時(shí)間的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)能由表示
我們發(fā)現(xiàn)關(guān)于整個(gè)坐標(biāo)的動(dòng)能的偏導(dǎo)數(shù)qj廣義速度.qj：
我們區(qū)分這相對(duì)于時(shí)間的表達(dá)式
考慮到第一數(shù)據(jù)，考慮到動(dòng)態(tài)變量的基本方程-相關(guān)聯(lián)塊質(zhì)心的絕對(duì)速度為零[2, p. 143]
其中P是作用于點(diǎn)而產(chǎn)生的力，通過材料的變量，我們得出
其中R是適用于its點(diǎn)的反作用力，于是得出
第二數(shù)據(jù)是，實(shí)際上，8T/Sqj [2, p. 342]。我們得出：
對(duì)于具有固定的完美約束系統(tǒng)QjR = 0
它是包含變量的機(jī)械系統(tǒng)的拉格朗日方程—相關(guān)聯(lián)塊的絕對(duì)速度為零的假想質(zhì)心，這等同于派生恒體積的材質(zhì)分屬于機(jī)械系統(tǒng)的拉格朗日方程這一機(jī)制的拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程
其中Q1，Q2是作用于替代的和，如下：
圖1活動(dòng)斗挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)方案
圖2鏟斗內(nèi)巖石質(zhì)量增量的計(jì)算
其中是F1和F2兩個(gè)力之間的角度—由驅(qū)動(dòng)器和升降機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力
挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和提升裝置的參數(shù)確定了瞬間作用在電機(jī)軸和其轉(zhuǎn)速的關(guān)系。所以
f1(~) 和 f2(~, &)的函數(shù)組成取決于驅(qū)動(dòng)器的特性和壓力機(jī)制與提升機(jī)制間的傳動(dòng)比。Ql 和Q2的表達(dá)式包括力 Pl 和 P2。他們是挖掘阻力的組成，他們可以利用數(shù)學(xué)模型來估算--澤萊寧、 韋特羅夫，巴洛夫涅夫和費(fèi)德羅三世等的邏輯模型。通常，挖掘阻力取決于土層的物理性質(zhì)，鏟齒的幾何形狀，挖掘角度和剪切層的密度，我們應(yīng)該考慮到最后兩個(gè)參數(shù)必須絕對(duì)的取決于時(shí)間：
計(jì)算出動(dòng)能的導(dǎo)數(shù)之后，將他們代入拉格朗日方程式內(nèi)，我們得出：
其中Q1和Q2已在方程式6中定義。該機(jī)制的運(yùn)動(dòng)可由方程式8表達(dá)出來。這些方程式的初始條件為：
表一：特別的破壞能量
地面
溫度.t /°C
含水率
斗桿能量
特別破壞的能量
E01*1/100KW·H/m3
參考
砂
＿4＿25
16＿23
1.5
0.0970＿0.3038
[6]
壤土砂
＿4＿25
11＿21
1.5
0.0803＿0.4141
[6]
壤土粘土
＿4＿25
16＿40
1.5
0.1807＿0.3521
[6]
粘土
＿4＿25
18＿31
1.5
0.2991＿0.4015
[6]
壤土粘土
＿7
＿
1.3
0.2048
*
壤土砂
＿7
＿
1.3
0.1026
*
壤土砂
＿7＿15
15＿18
2.2
0.1357＿0.1979
[7]
煤
＿
＿
6.0＿7.0
0.1700＿0.1704
[8]
--------來自采礦協(xié)會(huì)，西伯利亞分院，蘇聯(lián)科學(xué)研究院的研究資料。
在巖壁的工作中，有三種主要的操作模式：1.在完整的巖床上切割，2.沖擊和移動(dòng)鏟斗以鏟齒侵入一定的深度，3.切割干擾結(jié)合區(qū)域。
等式2-8及初始條件9組成一個(gè)數(shù)學(xué)模型用來描述在切割的挖掘方式的工作過程。
我們將描述在操作模式2中鏟斗的運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間t1間從模式1到模式2的狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是
其中u是摩擦系數(shù)。這個(gè)行程是在時(shí)間t2=t1+T1+T2中完成的。T1是裝置的啟動(dòng)時(shí)間，T2沖擊的循環(huán)時(shí)間，當(dāng)產(chǎn)生沖擊的時(shí)候，鏟齒鏟入巖石內(nèi)部的一段長度為巖石的一個(gè)性質(zhì)函數(shù)，鏟齒的幾何形狀，和沖擊能量?，F(xiàn)場研究和在實(shí)驗(yàn)室測量在沖擊時(shí)鏟齒的鏟入情況，由采礦研究院，工程機(jī)械研究院，Skochinski研究院和卡拉干達(dá)理工學(xué)院【4-6】進(jìn)行指導(dǎo)，建議用巖床被壓裂的特殊情況來評(píng)估壓裂效果的某些特征。對(duì)于壓裂的能量單位這種特征可以利用和衡量每單位巖床的能量e.g.。巖石的最終抗壓強(qiáng)度，i.e.。
其中A是獨(dú)立的—沖擊能量，J,K0是巖床上沖擊能量的傳遞系數(shù)。X是一次沖擊時(shí)鏟齒的穿透深度。m；F3是壓裂的橫切面積m的平方。a是巖石的最終抗壓強(qiáng)度，千牛/平方米。
E0的估算取決于巖床的機(jī)械性能和它的環(huán)境。在凍土層用對(duì)稱的契狀工具每次沖擊的破壞能量的變化，由工程設(shè)計(jì)研究院給出的單一的沖擊密集度來確定。已在表一中給出，鏟斗的侵入深度可以用一下公式定義：
此外，E0可以由實(shí)驗(yàn)測得也可以從【7-9】的報(bào)告中的數(shù)據(jù)來估算。沖擊之后，鏟斗的運(yùn)動(dòng)再次用方程式2和8來表達(dá)。但是由于條件
的限制，直到鏟斗前沿的運(yùn)動(dòng)距離X。
圖3
斗桿的旋轉(zhuǎn)角度相對(duì)時(shí)間的坐標(biāo)系（1-沖擊后不對(duì)C進(jìn)行削弱調(diào)整的挖掘，2-一次弱化的C，3-二次弱化的C，4-實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，1-3-巖石（f=5，C1=30*1000000H/平方米，。）。4-粉砂巖，【
】。
方式3中的條件轉(zhuǎn)變表示為：
………（12）
滿足條件（12）后，方式3中的切割就開始了。
巖石的抗破壞阻力通常由非正式的表達(dá)式表達(dá)：
………….（13）
其中是標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)，是內(nèi)摩擦角，C是巖石的粘合力，莫爾-可以通過函數(shù)方程式10計(jì)算的破壞載荷作用下的主應(yīng)力的庫倫準(zhǔn)則：
……………..(14)
其中是相對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變曲線的最大主應(yīng)力。
根據(jù)和還有方程（13）（14）來表示的 和。我們獲得一個(gè)關(guān)于粘結(jié)力最終單軸抗壓強(qiáng)度的函數(shù)表達(dá)式C：
……………(15)
表達(dá)式（15）體現(xiàn)了巖石體在沖擊后主要特征粘結(jié)力的變化是降低的，巖床的結(jié)合力可由一下方程式表達(dá)：
……….（16）
其中C1是一塊巖石的結(jié)合力，是巖床的削弱系數(shù)。它是一個(gè)平均塊大小的函數(shù)，主要的破裂網(wǎng)絡(luò)和在方程式8中提出的挖掘方向。
沖擊之后，結(jié)合力其中λ是代表沖擊載荷作用下的巖床上附加的削弱系數(shù)。在沖擊載荷作用點(diǎn)上，巖石被壓碎，根據(jù)定理（7），λ2.在沖擊之后的的影響降至0.0005，鏟齒鏟過破壞結(jié)合區(qū)時(shí)，在特定模式下它提升到的初始值（研究C=f（x）的特性是一門獨(dú)立的學(xué)科）。在第一次逼近的時(shí)候，該區(qū)域的面積和結(jié)合力的大小可以通過表達(dá)式7-9估算出來，鏟斗在破壞結(jié)合區(qū)的那一刻可以用表達(dá)式2-10表達(dá)，加上加在C（巖石結(jié)合力）上的附加系數(shù)。隨著C的遞增，P1和P2的數(shù)值也逐漸增大，鏟斗的下一步運(yùn)動(dòng)是遵循模式1還是2，取決于是否滿足條件（10）.
方程式2-8適用于所有鏟斗的運(yùn)動(dòng)模式，加上P1。,P2和C的各自參數(shù)的限制，模式的轉(zhuǎn)換取決于是否滿足條件9和10。。由等式4,6,8組成的描述挖掘機(jī)鏟斗的工作進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型，由非線性的微分方程組組成?？梢宰詣?dòng)進(jìn)行選擇和能精確控制的一個(gè)改良版的莫森運(yùn)算法則被用來解決這個(gè)系統(tǒng)中的問題。
這個(gè)模型已被互交換模式的計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序化，在解決的過程中，鏟斗的運(yùn)動(dòng)軌跡可有所選擇的升降機(jī)構(gòu)和壓力機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)整。i.e.。通過選擇適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)式：。它相當(dāng)于控制挖掘機(jī)的實(shí)際進(jìn)程。
幾個(gè)可供選擇的方案用于估算這個(gè)模型，結(jié)果在圖三中很明確的表示出來了。
在第一種情況下，壓裂完全是由沖擊載荷引起的。單一的沖擊能量是不足以創(chuàng)建“破壞結(jié)合去”的（曲線1）.其他兩種情況是不同形式的的在“破壞結(jié)合區(qū)”的弱化銜接（2.一次弱化3.二次弱化）。模擬結(jié)果是：與在kemerovougol的克拉斯諾戈?duì)査箍藚^(qū)分部的粉砂巖層進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)（圖三中的虛線）比較，在實(shí)際進(jìn)程與模型之間觀察到相似之處（誤差不超過30%）。最小的差異是通過在“破壞結(jié)合區(qū)”結(jié)合力的線性削弱得出的。
通過這個(gè)數(shù)學(xué)模型，我們可以調(diào)查各種不同工作進(jìn)程中的參數(shù)，這些機(jī)構(gòu)的挖掘條件設(shè)置應(yīng)滿足不同的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)和挖掘目標(biāo)。
參考資料
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10. R. Goodman, Hard Rock Mechanics [Russian translation], Stroiizdat, Moscow (1987).
液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置仿真設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：付鵬達(dá) 班級(jí)：088105409
指導(dǎo)老師：邢普
摘要：近年來，隨著鋼鐵業(yè)、煤炭業(yè)、電力業(yè)的持續(xù)迅猛發(fā)展，挖掘機(jī)等工程機(jī)械的需求日益增加，并廣泛地運(yùn)用于房屋建筑、筑路工程、水利建設(shè)、農(nóng)林開發(fā)、港口建設(shè)、國防工事的土石方施工和礦山采掘工業(yè)中。由于其作業(yè)工況復(fù)雜多變，挖掘方式往往是憑借操作者的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際作業(yè)工況決定，為了減小操作者的挖掘經(jīng)驗(yàn)對(duì)挖掘效果的影響，就迫切需要建立起鏟斗挖掘軌跡與各液壓缸的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)操作的自動(dòng)化。同時(shí)由于挖掘機(jī)的工作環(huán)境的復(fù)雜性及工況的多變性，就要求液壓挖掘機(jī)本身結(jié)構(gòu)要根據(jù)環(huán)境的不同作相應(yīng)的調(diào)整，這就決定了挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的平凡性、重復(fù)性。然而液壓挖掘機(jī)的工作裝置又是一個(gè)多自由度的多桿系統(tǒng)，各鉸點(diǎn)的確定非常復(fù)雜，這些因素就造成了液壓挖掘機(jī)的投資大、設(shè)計(jì)周期長，嚴(yán)重地影響了廠商的經(jīng)濟(jì)效益及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
本文主要的設(shè)計(jì)工作主要有以下幾個(gè)方面：在現(xiàn)場測繪及參考有關(guān)資料的基礎(chǔ)上了解液壓挖掘機(jī)的工作方式及工作環(huán)境。確定液壓挖掘機(jī)各個(gè)工作裝置的結(jié)構(gòu)，查找相關(guān)資料并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的總體進(jìn)行設(shè)計(jì)，用比例法和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出工作裝置各部分的基本尺寸并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，然后繪制出其二維CAD圖紙，繼而用PRO/E畫出各裝置的三維模型。將各裝置裝配后對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真。
關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；工作裝置；CAD;PRO/E;運(yùn)動(dòng)仿真
指導(dǎo)老師簽名：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置仿真設(shè)計(jì)
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
主要對(duì)由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、銷軸、連桿機(jī)構(gòu)組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括以下五部分:
(1) 挖掘機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)。
(2) 挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，運(yùn)動(dòng)模擬。
(3) 工作裝置各部分的基本尺寸的計(jì)算和驗(yàn)證。
(4) 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。仿真設(shè)計(jì)。
(5) 銷軸的設(shè)計(jì)及螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型。
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1. 查找資料，外文資料翻譯（不少于2000字符），開題報(bào)告 第1 周-第2周
2．運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 第3 周-第5周
3．總裝配圖設(shè)計(jì) 第6 周-第8周
4．工作裝置各部分基本尺寸設(shè)計(jì) 第9 周-第10周
5. 用UG/Solidworks對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模和設(shè)計(jì) 第11周-第12周
6. 繪制零、部件圖 第13周-第14周
7. 畢業(yè)論文撰寫 第15周-第16周
8 .答辯準(zhǔn)備及論文答辯 第17周-第19周
Ⅳ 、主 要參考資料：
[1] 李愛峰.6.5M^3液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置的仿真分析 重工科技 2001.1.pp43-46
[2]郭曉寧. 基于ADAMS 的液壓挖掘機(jī)機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化模型.中國工程機(jī)械學(xué)報(bào).2008.12.pp433-437
[3] 張正兵. 正鏟液壓挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及生產(chǎn)率研究.重慶大學(xué)碩士論文2008.4.
[4] 陳進(jìn), 張石強(qiáng), 李世六等. 正鏟液壓挖掘機(jī)四邊形機(jī)構(gòu)牽連運(yùn)動(dòng)分析. 中國工程機(jī)械學(xué)報(bào).2007.1.pp1-4.
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[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.
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航空與機(jī)械工程 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)類 0881054 班
學(xué)生（簽名）：
填寫日期： 2012 年 月 日
指導(dǎo)教師（簽名）：
助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系主任（簽名）：
附注:任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書首頁。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置設(shè)計(jì)
系 別 航空工程工程系
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào) 088105409
學(xué)生姓名 付鵬達(dá)
指導(dǎo)教師 邢普
二O一二 年 四 月
1、 選題的依據(jù)及意義：
與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國重礦機(jī)械行業(yè)還存在不小的差距，主要表現(xiàn)為：產(chǎn)品總量供大于求，生產(chǎn)能力過剩；供需關(guān)系失衡，低檔產(chǎn)品積壓，現(xiàn)代重要技術(shù)裝備仍依靠進(jìn)口；科技和新產(chǎn)品開發(fā)能力薄弱，缺乏市場競爭力；企業(yè)多而散，經(jīng)濟(jì)效益低；經(jīng)營機(jī)制不適應(yīng)國際市場要求等。為此，國家將重礦機(jī)械行業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃的目標(biāo)確定為：提高產(chǎn)品技術(shù)水平和成套能力，提高生產(chǎn)技術(shù)水平和裝備現(xiàn)代化，提高集約化生產(chǎn)程度和管理水平，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，使之盡快成為能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，并具有參與國際競爭能力的行業(yè)。在這種國內(nèi)外挖掘機(jī)發(fā)展的大情形下，我們進(jìn)行挖掘機(jī)工作裝置的合理性分析是有必要的，這有利于國內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展，為我國發(fā)挖掘機(jī)行業(yè)在國際競爭中立于不敗之地打好基礎(chǔ)。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
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。
1）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)，最小的斗容量僅在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。與此同時(shí)，發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī)，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機(jī)等。
2）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。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了良好的前提。
3）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。例如，德國阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。還安裝了CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），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。
4）更新設(shè)計(jì)理論，提高可靠性，延長使用壽命。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)高效率和競爭力。
5）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。
6）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。因?yàn)樽兞肯到y(tǒng)在油泵工作過程中，壓力減小時(shí)和增大流量來襝，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機(jī)可經(jīng)常性地充分利用油泵的最大功率。當(dāng)外阻力增大時(shí)則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長率加；采用三回路液壓系統(tǒng)。產(chǎn)生三個(gè)互不成影響的獨(dú)立工作運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)達(dá)機(jī)械的功率匹配。將第三泵在其他工作運(yùn)動(dòng)上接通，成為開式回路第二個(gè)獨(dú)立的快速成運(yùn)動(dòng)。此外，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。
7）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)70年代，為了節(jié)省能源消耗和減少對(duì)環(huán)境的污染，使挖掘機(jī)的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機(jī)口音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應(yīng)用電子和自動(dòng)控制技術(shù)。隨著對(duì)挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機(jī)電一體化在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍。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，亦即目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。
3、 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：
主體工作：挖掘機(jī)工作原理分析，動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸選型設(shè)計(jì)，斗桿挖掘工況挖掘性能分析，斗桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制相關(guān)圖紙。
挖掘機(jī)工作裝置主要有動(dòng)臂、斗桿和鏟斗，斗桿有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)斗采用整體式斗桿，當(dāng)需要調(diào)節(jié)斗桿長度或杠桿比時(shí)采用更換斗桿的辦法，或者在都趕上設(shè)置2-4個(gè)可供調(diào)節(jié)時(shí)選擇的與動(dòng)臂端不鉸接的孔。由于工作半徑、最大高度和最大深度的不同工作裝置都有不同的參數(shù)。通過計(jì)算算出一個(gè)工況的工作參數(shù)，再通過編程算出各個(gè)工況的工作參數(shù)。
首先用已知數(shù)據(jù)計(jì)算出一個(gè)工況的合理性之后，再運(yùn)用matlab軟件模擬出各個(gè)工況的工作參數(shù)曲線，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的參數(shù)都是合理的。在這里主要模擬出斗桿的工作參數(shù)在各個(gè)工況都是合理的。
最后通過合理的設(shè)計(jì)分析，選擇最優(yōu)的工作參數(shù)，使得挖掘機(jī)的工作裝置能夠適合多種復(fù)雜的工況，低功耗，高功率。特別是通過斗桿挖掘工況挖掘性能的分析，使得挖掘機(jī)的斗桿更進(jìn)一步的優(yōu)化。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
1-2周：搜集資料，熟悉挖掘機(jī)的工作原理，整體結(jié)構(gòu)，完成開題報(bào)告的寫作，摘要。
3周：完成挖掘機(jī)主體參數(shù)的選擇。
4-6周：完成挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸的選型設(shè)計(jì)和斗桿挖掘工況挖掘性能的分析
7-8周：完成工作裝置的繪制。
9周：開始設(shè)計(jì)說明書的整理，各種資料的確定。
10周：細(xì)化設(shè)計(jì)說明書，完成電子版本的說明書。
11周：做最后設(shè)計(jì)的完善。
12-13周：準(zhǔn)備答辯
5、 參考文獻(xiàn)
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[2] 陳軍科.挖掘機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向[J].社科論壇
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置設(shè)計(jì)
系 別 航空工程工程系
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào) 088105409
學(xué)生姓名 付鵬達(dá)
指導(dǎo)教師 邢普
二O一二 年 四 月
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1 引言
1.1課題研究的背景和意義
目前我國露天礦的開采規(guī)模逐漸擴(kuò)大，為了適應(yīng)日益增大的礦用汽車鏟裝的需要，這就需要較大斗容的挖掘機(jī)，由于挖掘機(jī)愈大，每單位土石方的施工成本愈低，而液壓挖掘機(jī)較機(jī)械式挖掘機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是國內(nèi)對(duì)大型液壓正鏟挖掘機(jī)的研究較少，液壓挖掘機(jī)工作裝置是完成挖掘機(jī)各項(xiàng)功能的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到挖掘機(jī)的工作性能和可靠性，對(duì)其研究是整機(jī)開發(fā)的基礎(chǔ)，對(duì)工作裝置進(jìn)行優(yōu)化，目的在于縮短研究和開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，本課題的任務(wù)就在于此。
現(xiàn)代化建設(shè)速度，在很大程度上取決于各種工程建設(shè)速度，而工程機(jī)械水平的高低，又直接對(duì)工程建設(shè)速度發(fā)揮著促進(jìn)或抑制作用。傳統(tǒng)研發(fā)管理及設(shè)計(jì)方法只是被動(dòng)地重復(fù)分析產(chǎn)品的性能，而不是主動(dòng)地設(shè)計(jì)產(chǎn)品的參數(shù)。作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)，不僅要求方案可行、合理，而且應(yīng)該是某些指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的理想方案。隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)可以用現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法和手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，來滿足對(duì)機(jī)械產(chǎn)品提出的要求。利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，人們就可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，從而大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量?？煽啃允俏覈こ虣C(jī)械的致命弱點(diǎn)，我們要正視差距，增強(qiáng)科研開發(fā)力度，提高技術(shù)水平，更多地發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)量產(chǎn)品，進(jìn)一步促進(jìn)工程機(jī)械的發(fā)展。
1.2 液壓挖掘機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)
挖掘機(jī)作為一種典型的土石方施工設(shè)備，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起著十分重要的作用，因此加強(qiáng)對(duì)挖掘機(jī)的研究具有十分重要的意義，隨著能源的緊缺和人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，節(jié)能技術(shù)研究成為同行學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)沒隨著人類空間獲活動(dòng)的延伸，以及人類對(duì)挖掘機(jī)工作環(huán)境與功能要求的延伸，在遙控挖掘機(jī)和機(jī)器人化挖掘機(jī)研究方面正進(jìn)行不懈努力，遙控挖掘機(jī)的研究離實(shí)用化已經(jīng)不遠(yuǎn)，開發(fā)智能化的多功能挖掘機(jī)并使之成為真正的挖掘機(jī)器人還是人們追求的目標(biāo)。由于挖掘作業(yè)中負(fù)載變化劇烈，有些學(xué)者已經(jīng)開始將振動(dòng)挖掘方式運(yùn)用于減少挖掘阻力，減低功率消耗以及延長機(jī)器使用壽命方面的研究。近年來，隨著人類對(duì)自然的開發(fā)，挖掘機(jī)也朝著大型化大功率化發(fā)展，從而滿足人類對(duì)大型工程的需求。
1.2.1 國外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)
1）國外產(chǎn)品發(fā)展趨勢
1950 年在意大利生產(chǎn)了第一臺(tái)液壓挖掘機(jī)，由于其挖掘能力強(qiáng)、生產(chǎn)率高、通用性好、操縱輕便等特點(diǎn)，在工程建設(shè)施工中起著重要的作用。六十年代，隨著西方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)需求數(shù)量急劇上升，但大多數(shù)屬于中小型液壓挖掘機(jī)。七十年代開始，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和大型水電工程及大型露天礦建設(shè)的需要，液壓挖掘機(jī)向高速、高壓、大斗容、大功率發(fā)展。隨著液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴(kuò)大，世界上著名的挖掘機(jī)生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術(shù)，來提高產(chǎn)品的競爭力。國外的一些公司開始研制大型礦用液壓挖掘機(jī)，其中以德國、法國產(chǎn)品居多。
在液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品功能方面，液壓挖掘機(jī)工作裝置向多功能化的方向發(fā)展。當(dāng)液壓挖掘機(jī)配置不同的作業(yè)裝置時(shí)，可以用來吊、夾、推、刮、松、挖、裝、銑削、拆除、清除和壓實(shí)等作業(yè)，且大都采用快換裝置，駕駛員在駕駛室內(nèi)就可以完成作業(yè)裝置的更換，一般在2分鐘內(nèi)就可以完成作業(yè)裝置的更換。工作裝置中動(dòng)臂、斗桿結(jié)構(gòu)變化多樣，擴(kuò)展了主機(jī)的使用功能。隨著傳統(tǒng)型和通用型產(chǎn)品樣機(jī)減少，一些有特殊構(gòu)造的、有特色的產(chǎn)品和多功能的產(chǎn)品備受用戶的青睞，這些多用途作業(yè)裝置大大擴(kuò)展了液壓挖掘機(jī)的功用，提高了產(chǎn)品的施工適用性。同時(shí)也體現(xiàn)了各廠家市場差異化的產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略和各自的技術(shù)水平。所以，研究專業(yè)性的挖掘機(jī)設(shè)計(jì)理論、方法甚至是專用軟件，以便縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品性能和可靠性，快速響應(yīng)市場和用戶的要求。
2）國外液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀
（1）設(shè)計(jì)理論和方法研究及應(yīng)用。國外生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制過程中，廣泛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)高效率和競爭力。美國提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，并創(chuàng)立
了預(yù)測產(chǎn)品失效和更新的理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序，研制了可靠性處理系統(tǒng)。借助于現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，加速了液壓挖掘機(jī)更新?lián)Q代的進(jìn)程，提高其可靠性和耐久性。例如，德國Demag公司的H485型液壓挖掘機(jī)，0&K公司的RH-400型液壓挖掘機(jī)，Liebher的8994型液壓挖掘機(jī)，法國Poclain公司的1000CK型液壓挖掘機(jī)，都是應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法設(shè)計(jì)的新型機(jī)型。
（2）重視實(shí)驗(yàn)研究和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。近年來，國外液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量急劇上升，結(jié)構(gòu)逐步完善，在工程建設(shè)和施工行業(yè)中占有很重要的位置。液壓挖掘機(jī)迅速發(fā)展的根本原因，在于機(jī)械本身的優(yōu)越性，也由于下述幾個(gè)因素：①重視試驗(yàn)研究工作，液壓挖掘機(jī)的研制除了保證機(jī)械技術(shù)性能以外，十分重視挖掘機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性和工作可靠性，研制過程中，進(jìn)行各種性能試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)，包括構(gòu)件強(qiáng)度試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)、操縱試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)等，要通過嚴(yán)格的科學(xué)試驗(yàn)和用戶評(píng)價(jià)，才進(jìn)行定型生產(chǎn)；②重視電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)制造更輕便的工作裝置，而不削弱其強(qiáng)度，其實(shí)對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的研究已經(jīng)十分成熟。它的應(yīng)用加快了新產(chǎn)品的發(fā)展速度，使新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)的周期縮短到2～3年左右。
（3）采用新結(jié)構(gòu)和新材料，利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，仍是保證和提高液壓挖掘機(jī)性能的一個(gè)較重要的途徑[2]。
1.2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)
自20世紀(jì)80年代以來，國外一些先進(jìn)商用有限元、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)入我國，如ANSYS，ADAMS，MEDYNA，MOCAL，ALGOR等，應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)分析、仿真和優(yōu)化。國內(nèi)對(duì)于挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)理論與方法的研究可歸納如下：
（1）工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析。對(duì)工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析，關(guān)系到挖掘機(jī)的力學(xué)分析，是其他分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[15]利用個(gè)人編制的軟件對(duì)液壓小型反鏟挖掘機(jī)各種靜態(tài)姿態(tài)角度下的理論挖掘力進(jìn)行了分析與仿真；文獻(xiàn)[16]利用矩陣變換原理對(duì)單斗反鏟液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了詳盡的闡述；文獻(xiàn)[17]對(duì)液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置各主要構(gòu)件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，得到了反鏟裝置各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)和實(shí)現(xiàn)挖掘力的限制條件；文獻(xiàn)[18]利用拉格朗日第方程對(duì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置建立了挖掘作業(yè)過程中的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其動(dòng)能、勢能和挖掘力進(jìn)行計(jì)算，為分析挖掘作業(yè)工作裝置所受到的力和運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系、控制作業(yè)規(guī)劃和仿真提供了理論基礎(chǔ)。
（2）工作裝置的優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法己在我國工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。它是建立在近代數(shù)學(xué)最優(yōu)化方法和計(jì)算機(jī)程序之上，解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題的一種有效工具，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)應(yīng)用中的一個(gè)重要方面。它運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，能根據(jù)產(chǎn)品的要求，合理地確定和計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，以其達(dá)到最佳設(shè)計(jì)目標(biāo)。文獻(xiàn)[19]應(yīng)用變換矩陣來建立數(shù)學(xué)模型，編制挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)軟件對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行快速有效的計(jì)算。文獻(xiàn)[20]針對(duì)液壓挖掘機(jī)鏟斗連桿機(jī)構(gòu)采用復(fù)合形法進(jìn)行優(yōu)化求解，并且給出了程序設(shè)計(jì)的流程框圖。文獻(xiàn)[21]提出了利用優(yōu)化方法分析計(jì)算挖掘機(jī)在各種工況下的穩(wěn)定系數(shù)和具體解決方法，找出并分析了挖掘機(jī)在特定工況下的最不穩(wěn)定姿態(tài)，為挖掘機(jī)的穩(wěn)定性分析提供了理論計(jì)算公式和具體分析手段。文獻(xiàn)[22]開發(fā)了液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置通用分析軟件，只能對(duì)現(xiàn)有的機(jī)型進(jìn)行分析，沒有從原理出發(fā)對(duì)工作裝置參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行優(yōu)化。國內(nèi)太原重型機(jī)械學(xué)院和浙江大學(xué)在這方面做出了突出的貢獻(xiàn)，浙江大學(xué)1988年開發(fā)了一個(gè)用于液壓挖掘機(jī)CAD的大型軟件系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上于90年代初開發(fā)了液壓挖掘機(jī)的集成化智能CAD系統(tǒng)；此外太原重型機(jī)械有限公司研究所利用UG開發(fā)計(jì)算6～8m挖掘機(jī)的三維仿真軟件；徐州工程機(jī)械研究所利用I-DEAS軟件完成WY20整機(jī)、WY20A工作裝置的三維實(shí)體造型等。但是由于受客觀條件的限制，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中大部分工作還是采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和理論，雖然采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，但主要針對(duì)國內(nèi)小型液壓反鏟挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)做了大量工作。
（3）正鏟工作裝置設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。由于礦山條件惡劣，液壓挖掘機(jī)在礦山?jīng)]有得到廣泛應(yīng)用，因此國內(nèi)對(duì)液壓正鏟挖掘機(jī)的研究很少，沒有形成自己的設(shè)計(jì)體系。近年來隨著液壓技術(shù)的發(fā)展及液壓元件質(zhì)量的提高，大型液壓正鏟挖掘機(jī)在礦山才得到應(yīng)用，合理地設(shè)計(jì)工作裝置的主要構(gòu)件是行業(yè)發(fā)展的需要。
目前研究液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于：①提高工作裝置結(jié)構(gòu)件的可靠性和耐久性；②對(duì)工作裝置機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高挖掘機(jī)的挖掘性能，同時(shí)使挖掘機(jī)設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算中解脫出來。因此，開發(fā)一個(gè)專業(yè)化的工作裝置設(shè)計(jì)的工具軟件顯得非常必要。
1.3 本文研究的主要內(nèi)容
本論文主要對(duì)由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、銷軸組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括以下五部分:
(1) 挖掘機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)。
(2) 挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。
(3) 工作裝置各部分的基本尺寸的計(jì)算和驗(yàn)證。
(4) 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(5) 銷軸的設(shè)計(jì)及螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型
2液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析
2.1 液壓正鏟挖掘機(jī)的基本組成和工作原理
液壓正鏟挖掘機(jī)由工作裝置，上部轉(zhuǎn)臺(tái)和行走裝置三大部分組成，如圖 2.1 所示。其中上部轉(zhuǎn)臺(tái)包括動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要部分、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室；工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸組成，如圖 2.2 所示。
圖 2.1 液壓正鏟挖掘機(jī)的基本組成
圖 2.2 液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置
挖掘作業(yè)時(shí)，操縱動(dòng)臂油缸使動(dòng)臂下降至鏟斗接觸挖掘面，然后操縱斗桿油缸和鏟斗油缸，使斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，操縱動(dòng)臂油缸，使鏟斗升高離開挖掘面，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，使鏟斗回轉(zhuǎn)到卸載地點(diǎn)，然后操縱斗桿和鏟斗油缸使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)至合適位置，再回縮開斗油缸轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗，使斗前、斗后分開卸載物料。卸載后，開斗油缸伸長使斗前、斗后閉合，將工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘地點(diǎn)進(jìn)行第二次循環(huán)挖掘工作。轉(zhuǎn)移工作場地時(shí)，操縱行走馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)完成移動(dòng)工作[4]。
在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動(dòng)作配合可以是多樣的、隨機(jī)的。上述過程僅為一般的理想過程。
2.2 工作裝置結(jié)構(gòu)方案的確定
正鏟工作裝置的構(gòu)造：正鏟工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、工作液壓缸和連桿機(jī)構(gòu)等組成。動(dòng)臂是焊接的箱形結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度鋼板焊成，也有的是鑄造的混合結(jié)構(gòu)，和反鏟工作裝置相比，正鏟動(dòng)臂較短且是單節(jié)的。動(dòng)臂下端和轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，動(dòng)臂油缸一般為雙缸，在布置上動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)高于動(dòng)臂油缸的下鉸點(diǎn)且靠后。這種布置方案能保證動(dòng)臂具有一定的上傾角和下傾角，以滿足挖掘和卸載的需要，同時(shí)也保證動(dòng)臂機(jī)構(gòu)具有必要的提升力矩和閉鎖力矩。
斗桿也是焊接箱形結(jié)構(gòu)或鑄造混合結(jié)構(gòu)。斗桿的一端與動(dòng)臂的上端鉸接，斗桿油缸的兩端分別與動(dòng)臂和斗桿的下緣鉸接，形成了斗桿機(jī)構(gòu)。由于正鏟常以斗桿挖掘?yàn)橹?，這樣的結(jié)構(gòu)布置適合于向前推壓，液壓缸大腔進(jìn)油可以發(fā)揮較大的挖掘力。
正鏟斗鉸接在斗桿的端部，鏟斗油缸的兩端分別與斗桿中部和連桿裝置連接，形成轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)，一般為六連桿機(jī)構(gòu)。有時(shí)鏟斗缸的活塞桿直接和鏟斗鉸接形成四連桿機(jī)構(gòu)。
挖掘機(jī)正鏟的鏟斗根據(jù)結(jié)構(gòu)和卸土方式可分為前卸式和底卸式兩大類。
??? 前卸式鏟斗卸土?xí)r直接靠鏟斗油缸使斗翻轉(zhuǎn)，土鑲從斗的前方卸出。這種構(gòu)造簡單，斗體是整體結(jié)構(gòu)，剛度和強(qiáng)度都比較好，并且不需要另設(shè)卸土油缸，但是為了能將土卸盡，要求卸土?xí)r前壁與水平夾角大于45度,因而要求鏟斗的轉(zhuǎn)角加大，結(jié)果導(dǎo)致所需的鏟斗油缸功率增加，或者造成轉(zhuǎn)斗挖掘力下降或卸土?xí)r間延長。此外，前卸式鏟斗還影響有效卸載高度。
底卸式鏟斗靠打開斗底卸土。所示的鏟斗是靠專門的油缸起閉斗底。挖掘時(shí)斗底關(guān)閉，卸土?xí)r斗底打開，土城從底部卸出。這類結(jié)構(gòu)的卸土性能較好，要求鏟斗的轉(zhuǎn)角也小，但必須增設(shè)卸土油缸，此外，斗底打開后也影響到有效卸載高度。這類開斗方式現(xiàn)在已少用，目前挖掘機(jī)上采用較多的是另一種底卸式鏟斗，鏟斗由兩半組成，靠上部 的鉸連接。卸土油缸裝在斗的后壁中。油缸收縮時(shí)通過杠桿系統(tǒng)使斗前壁(順板)向上翹起，將土壤從底部卸出。用這種方式卸載，卸載高度大，卸載時(shí)間較短，裝車時(shí)鏟斗得以更靠近車休并且還可以有控制地打開額板，使土或石塊比較緩慢地卸出，因而減少了對(duì)車輛的撞擊，延長了車輛的使用壽命。另外這種斗還能用于挑選石塊，很受歡迎，但鏟斗的重量加大較多，因而在工作裝置尺寸、整機(jī)穩(wěn)定性相同的情況下斗容量有所減少，并且由于斗由兩部分組成，受力情況較差。采用底卸式鏟斗結(jié)構(gòu)，鏟斗的轉(zhuǎn)角可以減小，因而有些挖掘機(jī)已取消了鏟斗油缸的連桿裝置，鏟斗油缸直接與斗體相連接，簡化了結(jié)構(gòu)，并在一定程度上加大了轉(zhuǎn)斗挖掘力[5]。
??? 當(dāng)挖掘機(jī)挖掘比較松軟的對(duì)象、或用于裝載散粒物料時(shí)，正鏟斗可以換成裝載斗，在整機(jī)重量基本不變的情況下，這種斗的容量可以大大增加，因而提高了生產(chǎn)率。裝載斗一般都是前卸式，不裝斗齒，以減小挖掘松散物料時(shí)的挖掘阻力。
本設(shè)計(jì)中我采用圖2.3這一結(jié)構(gòu)。
圖 2.3 液壓正鏟挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)
圖 2.4 液壓正鏟挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖
圖2.4所示是5 m3正鏟挖掘機(jī)工作裝置的示意圖，采用直動(dòng)臂、直斗桿形式，鏟斗為前卸式。動(dòng)臂和動(dòng)臂油缸在轉(zhuǎn)臺(tái)上的鉸點(diǎn)分別為C和A，它們的位置以停機(jī)面為X軸，
整機(jī)回轉(zhuǎn)中心線為Y軸(圖b)的直角坐標(biāo)值來表示。這臺(tái)挖掘機(jī)的主要工作油缸共5只，其中動(dòng)臂油缸兩只，置于動(dòng)臂的兩側(cè)；斗桿油缸一只,置于斗桿的中部；鏟斗油缸兩只，鉸于斗桿中部。主要工作油缸的主要參數(shù)列于表2—1中。
表 2.1 5m3正鏟液壓挖掘機(jī)主要油缸的主要參數(shù)
2.3 工作裝置運(yùn)動(dòng)分析
2.3.1動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析
動(dòng)臂CF的位置由動(dòng)臂油缸AB的長度決定。和動(dòng)臂水平傾角之間的關(guān)系可用下式表示
（2-1）
（2-2）
從上式看出，a11-a2對(duì)的影響很大，當(dāng)動(dòng)臂和油缸的參數(shù)不變時(shí)，a11-a2愈大動(dòng)臂提升高度愈小。關(guān)于這點(diǎn)在以后還要討論[6]。
設(shè)動(dòng)臂油缸全縮時(shí)動(dòng)臂傾角為；動(dòng)臂油缸全伸時(shí)動(dòng)臂傾角為，那么在動(dòng)臂油缸由全縮到全伸，動(dòng)臂總的轉(zhuǎn)角為：
（2-3）
為了便于運(yùn)算和比較，仍用無因次比例系數(shù)表示，即
；； （2-4）
代入式(2—2)可以得到動(dòng)臂油缸全縮和全伸時(shí)相應(yīng)的動(dòng)臂傾角值
（2-5）
（2-6）
而動(dòng)臂總轉(zhuǎn)角為
（2-7）
動(dòng)臂油缸伸縮時(shí)對(duì)C點(diǎn)的力臂也在不斷變化，由圖可知
（2-8）
顯然，當(dāng)ABAC時(shí)有最大值，此時(shí)，而相應(yīng)的油缸長度為：
=
此時(shí)的動(dòng)臂傾角為
若用動(dòng)臂油缸相對(duì)力臂（即來表示油缸長為時(shí)的力臂，則
（2-9）
綜上所述，動(dòng)臂傾角、力臂和都是的參數(shù)。
2.3.2斗桿運(yùn)動(dòng)分析
斗桿FQ的位置由動(dòng)臂CF和斗桿油缸DE的長度所決定。但是動(dòng)臂的位置隨動(dòng)臂油缸的伸縮而變化，為了便于分析斗桿油缸對(duì)頭桿位置的影響，假定動(dòng)臂不動(dòng)，那么斗桿鉸點(diǎn)F以及斗桿油缸在動(dòng)臂上的鉸點(diǎn)D就可以看作為固定基座。
與斗桿、動(dòng)臂夾角之間的關(guān)系為
（2-10）
（2-11）
設(shè)斗桿油缸全縮時(shí)動(dòng)臂與頭桿的夾角為，全伸時(shí)為，那么當(dāng)油缸由全縮到全伸時(shí)斗桿總的轉(zhuǎn)角為
（2-12）
斗桿油缸的作用力臂也是可變值。
（2-13）
當(dāng)EFDE時(shí)有最大值，即，這時(shí)相應(yīng)的油缸長度為
相應(yīng)的斗桿轉(zhuǎn)角為
（2-14）
用斗桿油缸相對(duì)力臂值（即）來表示時(shí)的力臂，則
（2-15）
2.3.3斗齒尖的幾種特殊工作位置的計(jì)算
（1）最大挖掘半徑(圖2.5)
這時(shí)C、Q、V在同一條水平線上，而且頭桿油缸全伸，即；；
最大挖掘半徑為
（2-16）
最大挖掘半徑處的挖掘高度相應(yīng)為
圖 2.5 最大挖掘半徑
（2）最大挖掘高度(圖2.6)
圖 2.6 最大挖掘高度
最大挖掘高度為：
（2-17）
最大挖掘高度時(shí)的挖掘半徑
（2-18）
如果最大轉(zhuǎn)斗角度不能保證QV垂直向上，即，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際的值求相應(yīng)的挖掘高度，如圖左上角所示，此時(shí)
（2-19）
（3）最大挖掘深度(圖2.7)
這時(shí)動(dòng)臂油缸全縮，頭桿FQ及QV垂直向下，即，，。
最大挖掘深度為
（2-20）
最大挖掘深度時(shí)的挖掘半徑為
（2-21）
假若，則FQ不可能呈垂直狀態(tài)，此時(shí)必須根據(jù)具體情況計(jì)算實(shí)際的最大挖掘深度[6]。
圖 2.7 最大挖掘深度
（4）停機(jī)平面上的最大挖掘半徑(圖2.8)
這是指斗齒靠在地面上、斗桿全部伸出而斗底平面與停機(jī)平面平行的工況。此時(shí)QV線與地面交成角(角是一個(gè)重要的鏟斗參數(shù)，設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真確定)，根據(jù)這種定義可知
圖 2.8 停機(jī)平面上的最大挖掘半徑
；，其中
（2-22）
（2-23）
這時(shí)停機(jī)平面上的最大挖掘半徑為
（2-24）
如果，則必須根據(jù)具體情況重新進(jìn)行計(jì)算。
3 工作裝置尺寸的設(shè)計(jì)確定
3.1應(yīng)用舉例
本章以液壓正鏟5挖掘機(jī)為例，對(duì)工作裝置參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。
結(jié)合 2.4.1 節(jié)的分析，初選動(dòng)臂與平臺(tái)鉸點(diǎn) A 的坐標(biāo)： =0.65m，=2.56m。 3.1.1 動(dòng)臂及斗桿長度確定
由式（3-1）得4.1
由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果如表 3.1 所示。
表3-1
圖 3.1動(dòng)臂三維模型
圖 3.2斗桿三維模型
3.1.2機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定
液壓正鏟5挖掘機(jī)的工作尺寸如表 3.2 所示。
表3.2
動(dòng)臂、斗桿及鏟斗機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角范圍如表 3.3 所示。
表3.3
3.2 油缸鉸點(diǎn)及行程確定
3.2.1動(dòng)臂油缸的鉸點(diǎn)及行程確定
初取動(dòng)臂油缸全伸和全縮時(shí)的力臂比 =1.1，油缸全伸和全縮時(shí)的長度比=1.6，。
由動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)及行程計(jì)算得，由于A鉸點(diǎn)在平臺(tái)的端部，計(jì)算得，，，，，動(dòng)臂油缸行程
3.2.2 斗桿油缸鉸點(diǎn)及行程確定
初取斗桿油缸全伸和全縮時(shí)的力臂比 ，油缸全伸和全縮時(shí)的長度比：，。
經(jīng)斗桿油缸鉸點(diǎn)及行程計(jì)算得：，，斗桿油缸行程。
3.2.3 鏟斗油缸鉸點(diǎn)及行程確定
初取斗桿油缸全伸和全縮時(shí)的力臂比 ，油缸全伸和全縮時(shí)的長度比：[16] 。
經(jīng)鏟斗油缸鉸點(diǎn)及行程計(jì)算得：，，斗桿油缸行程。
3.3工作裝置的位置模型建立
現(xiàn)從動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸點(diǎn)A出發(fā)，借助各相關(guān)轉(zhuǎn)角q 1、q 2和q 3，建立各關(guān)鍵點(diǎn)B、C、D……V的位置模型，得到各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，從而為下一步的分析提供依據(jù)。
以地面為橫坐標(biāo)，以回轉(zhuǎn)中心線為縱坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系XOY如圖2.4所示。
3.3.1 動(dòng)臂與平臺(tái)鉸點(diǎn)位置C的確定
對(duì)由反鏟挖掘機(jī)改裝的正鏟來說，動(dòng)臂鉸座往往就沿用反鏟動(dòng)臂的鉸座。一般，鉸座都在轉(zhuǎn)臺(tái)中心的前方(>0)，近來大型正鏟的鉸座卻有向后移(靠近回轉(zhuǎn)中心線)的趨勢。
設(shè)計(jì)時(shí)，可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式初步選取，在此基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L為基本長度。
履帶軸距L
（3-1）
式中：為斗容量，
3.3.2 動(dòng)臂及斗桿長度的確定
同上轉(zhuǎn)斗半徑也可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式初步選取，在此基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L為基本長度。
3.3.3 機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定
在動(dòng)臂長度、斗桿長度、轉(zhuǎn)斗半徑及動(dòng)臂油缸與平臺(tái)鉸點(diǎn)C初步確定之后，根據(jù)挖掘機(jī)工作尺寸的要求利用解析法求各機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍，其中包括動(dòng)臂機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角、斗桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角、鏟斗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍[6]。
(1) 斗桿轉(zhuǎn)角和的確定
可根據(jù)最大挖掘半徑確定。最大轉(zhuǎn)角應(yīng)當(dāng)不小于
(3-2)
根據(jù)停機(jī)平面上最小挖掘半徑確定。所謂停機(jī)平面上的最小挖掘半徑依不同工作情況而異，有的是指鏟斗最靠近機(jī)體(斗桿油缸全縮)、斗齒尖處于停機(jī)平面而斗底平行于地面，在這種狀態(tài)下開始挖掘時(shí)的挖掘半徑。
圖 3.3 停機(jī)平面上的最小挖掘半徑
如圖3.3所示，這時(shí)斗桿和動(dòng)臂間的夾角為最小()，鏟斗與地面相交成角(見圖2.7)，而斗齒尖V到回轉(zhuǎn)中心的距離為。從幾何推導(dǎo)可知
(3-3)
式中、——Q點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，且
=； (3-4)
(3-5)
(3-6)
帶入式（3-5）整理后得
(3-7)
有些挖掘機(jī)不要求鏟斗水平鏟入，而往往以一定的后角開始挖掘，因而最小挖掘半徑可能比前一種小，加大了停機(jī)平面上的挖掘范圍。在這種情況下QV與水平的夾角將增至。根據(jù)有的資料介紹，為使鏟斗容易切人土壤，開始挖掘時(shí)的后角可取為～。
應(yīng)該注意不論鏟斗開始挖掘時(shí)的位置如何，必須以不碰撞履帶板為原則，因此
（） (3-8)
式中 R——驅(qū)動(dòng)輪半徑(毫米)；
——履帶行走裝置水平投影的對(duì)角線與縱軸問的夾角；
——考慮轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)連桿裝置及余隙在內(nèi)的間隙，初步設(shè)計(jì)時(shí)可取＝200～400毫米。
(2) 動(dòng)臂傾角和的確定
動(dòng)臂最大傾角根據(jù)最大挖掘高度確定。由圖2.5并根據(jù)式(2—17)和(2—18)經(jīng)過運(yùn)算得出
(3-9)
因此先確定后，再根據(jù)可得。
動(dòng)臂最小傾角。根據(jù)最大挖掘深度確定。由圖2.5和式(2—20)得到
(3-10)
（3）鏟斗轉(zhuǎn)角和的確定
轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：滿足工作尺才的要求，即保證所要求的、、、等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)；挖掘過程中能夠調(diào)整切削后角，保證工作正常進(jìn)行，滿足挖掘過程結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)斗要求及卸載要求。
A.必須滿足工作尺寸的要求
為滿足挖掘高度要求(圖2.5)
(3-11)
為滿足最大挖掘半徑要求(圖2.4)
(3-12)
為滿足停機(jī)平面上最小挖掘半徑要求(圖2.8)
(3-13)
(3-14)
(3-15)
(3-16)
為滿足最大挖掘深度要求(圖2.6)
B．必須滿足挖掘過程中調(diào)整切削后角的要求
挖掘過程中隨著鏟斗向前運(yùn)動(dòng)，斗的切削后角也不斷發(fā)生改變，為了保證挖掘正常進(jìn)行，斗底不應(yīng)與地面發(fā)生摩擦，即＞0，為此必須使
又
將式代入，整理后得到
(3-17)
C．必須滿足卸載要求
由于前卸式鏟斗和底卸式鏟斗的卸載方法不同，因此對(duì)轉(zhuǎn)角的要求也不同。
為使卸斗于凈，前卸式鏟斗在卸土?xí)r要求斗底與水平相交成以上的角，因此從圖2.5及式(3—11)得
(3-18)
底卸式鏟斗卸土?xí)r可假定斗的后壁接近于垂直枚態(tài)，斗底按近于水平位置，因此要求
(3-19)
對(duì)比(2—42)和(2—43)可見，從卸土要求來看，底卸式鏟斗的轉(zhuǎn)角可比前卸式少左右。
D．必須滿足挖掘結(jié)束時(shí)鏟斗后傾的要求
為了使鏟斗在挖掘結(jié)束時(shí)脫離工作面并在提升過程中使斗內(nèi)物科不致撒落，鏟斗必須后傾。根據(jù)裝裁機(jī)的要求鏟斗裝滿后斗底必須向上傾斜～角， 顯然這時(shí)QV連線也必然向上翹起角。結(jié)合圖2.7和2.12可知
+ (3-20)
根據(jù)以上所得的公式(3—11)～(3—20)就可以初步確定動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍。但是求出這些參數(shù)后還必須校接所規(guī)定的其它工作參數(shù)，如最大卸載高度、最大卸載高度時(shí)的卸載半徑、最大挖掘高度時(shí)的挖掘半徑等，如不能滿足則應(yīng)加以修正。
3.4工作裝置油缸鉸點(diǎn)及行程確定
3.4.1動(dòng)臂油缸的鉸點(diǎn)及行程確定
確定動(dòng)臂油缸及其鉸點(diǎn)位置時(shí)首先應(yīng)滿足動(dòng)臂變幅時(shí)力短和轉(zhuǎn)角的要求。圖2.13中設(shè)動(dòng)臂油缸全縮和全伸時(shí)的位置為和，則；。再假定鉸點(diǎn)B不在動(dòng)臂中心線CF上，且(當(dāng)B在CF線下方時(shí)為“十”，反之為“一”)。
那么由幾何推導(dǎo)可以求出工作時(shí)動(dòng)臂油缸的起始力臂和終了力臂的值：
(3-21)
(3-22)
式中各參數(shù)可見表及公式(3—33)。如果CF線處于水平線以下則用負(fù)值代入。
圖 3.4 動(dòng)臂提升機(jī)構(gòu)計(jì)算示意圖
設(shè)起始力臂和終了力臂的比值為K，則
(3-23)
或 （3-24）
展開并整理后得到
(3-25)
對(duì)式(3—24)、(3—25)可作如下分析：
(1)公式表示了、K、、、諸值之間存在著一定的依賴關(guān)系。當(dāng)其它數(shù)值不變，降低值則K值下降，因而對(duì)上部挖掘有利；當(dāng)、K不變，降低值會(huì)使加大而減小，對(duì)挖高有利。這些都說明正鏟的值應(yīng)當(dāng)比反鏟的小。但是如果工作尺寸已定，過多降低值會(huì)對(duì)下部挖掘不利，甚至在下部挖掘時(shí)不能提起滿載斗；此外為了保證、和K，降低值就必須加大值，加大了油缸行程，對(duì)油缸的穩(wěn)定性也有影響。所以當(dāng)確定值時(shí)必須全面考慮，籠統(tǒng)地給定正鏟或反鏟的值是不恰當(dāng)?shù)摹?
(2)當(dāng)、、K等值固定，與之間也存在一定的關(guān)系，即為常數(shù)。在反鏟上由于需要提高地面以下的挖掘性能，值往往都是負(fù)值。因此加大可以減小動(dòng)臂的彎曲程度，對(duì)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有利。而正鏟動(dòng)臂一般不采用反鏟那樣大曲率的彎臂，角主要按油缸在動(dòng)臂上的鉸接方式而定，有時(shí)油缸鉸在動(dòng)留下緣的耳板上(動(dòng)臂截面不致削弱)；有時(shí)靠兩個(gè)鐘形座鉸于動(dòng)臂兩側(cè)(在雙缸方案中常采用)等等，因而角有正有負(fù)，但角度一般部不大，因此對(duì)的影響也不很大。綜合上述兩點(diǎn)，建議在初步設(shè)計(jì)中先確定動(dòng)臂結(jié)構(gòu)，初選值，然后根據(jù)工作尺寸的需要，在確定、基礎(chǔ)上按公式(2—49)求合理的值。一般情況下正鏟的值不大干。
(3)值主要應(yīng)從油缸的穩(wěn)定性出發(fā)選用，建議?。?.6～1.7。
(4)由于正鏟主要挖掘地面以上土，終了力臂不能忽視，故K值可建議在0.90～1.14的范圍內(nèi)選取。
設(shè)計(jì)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)時(shí)合理地確定A、B、C三點(diǎn)的位置非常重要。從和中還能得到如下關(guān)系式
(3-26)
(3-27)
用公式(2—4)代入得
(3-28)
(3-29)
令，代人上式，解聯(lián)立方程后得到
(3-30)
(3-31)
以上我們根據(jù)動(dòng)臂轉(zhuǎn)角需要和K值確定了、、等比例系數(shù)和值，因此只要進(jìn)一步求出、、、中任一值就可以求得其它各參數(shù)。
對(duì)于正鏟來說動(dòng)臂油缸的主要作用是將滿載斗由任何可能挖掘的位置舉升到卸載點(diǎn)。而在最大挖掘半徑下舉升滿載斗時(shí)的提升力矩往往接近最大值，此時(shí)油缸的作用力臂也接近于最大值，且＝。另一方面油缸的缸徑一般部按照系列選用，并且還要考慮與其它油缸通用等問題，因此缸徑?jīng)]有很多選擇的余地。鑒于以上情況可以在預(yù)先確定油缸數(shù)目和缸徑的前提下初步選擇鉸點(diǎn)距離AC()。
(3-32)
式中 M——提升力矩，圖2—14，，即各部分重量對(duì)C點(diǎn)的力矩和，其中包括動(dòng)臂重量、斗桿重量、斗和土壤的重量、連桿裝置重量以及油缸重量、等。初步設(shè)計(jì)時(shí)這些重量和重心位置可根據(jù)類比法確定；
s——油缸推力， s＝，其中、分別為動(dòng)臂油缸數(shù)目和缸徑；p是系統(tǒng)的工作壓力；
——油缸和鉸點(diǎn)的機(jī)械效率，在初步設(shè)計(jì)時(shí)可取=0.85。
將結(jié)果代人式(3—33)，就能求得其余參數(shù)值。
動(dòng)臂機(jī)構(gòu)還必須按以下兩種情況進(jìn)行校核； 1)動(dòng)筒在上部或下部極限位置時(shí)的舉升能力；2)主要挖掘范圍內(nèi)挖掘時(shí)動(dòng)臂油缸能提供的閉鎖能力(借助電算結(jié)合整機(jī)挖掘力分析進(jìn)行)。
3.4.2斗桿油缸鉸點(diǎn)及行程確定
選擇斗桿油缸在動(dòng)臂和斗桿上的鉸點(diǎn)D和E并確定斗桿油題的長度和。
如圖3—6所示，假設(shè)斗桿油缸全縮和全伸時(shí)的長度為和，則＝。=，對(duì)F點(diǎn)的相應(yīng)力臂為和。也取比例系數(shù)
圖 3.5 確定提升機(jī)構(gòu)的示意圖
圖 3.6 斗桿機(jī)構(gòu)計(jì)算示意圖
；；
則初始與終了力臂比K為
K= (3-33)
或
最后得到
(3-34)
式中和相應(yīng)為DF、FC的夾角和EF、FQ的夾角。若CF或FQ落在的外側(cè)，則夾角為正，反之為負(fù)。因此在初步設(shè)計(jì)中如果根據(jù)動(dòng)臂和斗桿的結(jié)構(gòu)形式及鉸點(diǎn)的固定方式預(yù)先確定一個(gè)角，則可按公式求出第二個(gè)角，或者根據(jù)所求的值結(jié)合具體結(jié)構(gòu)情況分別確定各值。
計(jì)算斗桿機(jī)構(gòu)時(shí)建議K值取0.9～1，以使開始挖掘和挖掘終了時(shí)作用力臂大致相同。
值仍建議取1.6～1.7。
同樣，由和可列出聯(lián)立方程
(3-35)
(3-36)
令，，并將代人上式，解聯(lián)立方程后得到
(3-37)
(3-38)
下面介紹一種根據(jù)挖掘作功的理論確定斗桿油缸參數(shù)的方法。
設(shè)斗桿油缸挖掘時(shí)需要克服的切向挖掘阻力為，那么
(3-39)
式中 b——切削寬度(厘米)；
h——平均切削深度(厘米)；
——挖掘比阻力，取設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定的最硬土壤的挖掘比阻力值(公斤／厘米)。
假設(shè)鏟斗在行程L(厘米)中裝滿，那么在裝斗過程中消耗到挖掘土壤上的功為
（ (3-40)
式中 q——斗容量()；
、——鏟斗的充滿系數(shù)和土壤的松散系數(shù)。
顯然這個(gè)功由斗桿油缸來完成，而在此期間斗桿油缸所作的功為
(3-41)
式中 S——斗桿油缸推力，，其中，是斗桿油缸數(shù)量和缸徑，是系統(tǒng)工作壓力；
——油缸和鉸點(diǎn)的機(jī)械效率，在初步設(shè)計(jì)時(shí)建議取=0.85；
——油缸挖掘行程。在正鏟上一般認(rèn)為鏟斗應(yīng)在斗桿油缸60％的行程內(nèi)裝滿，則=其中是斗桿油缸全行程。
因此從作功出發(fā)可列出平衡方程式
= (3-42)
= (3-43)
確定斗桿油缸行程之后，不難求出其全縮和全伸時(shí)的長度，即
(3-44)
(3-45)
將式(3—47)、(3—48)和（3-38）所得的結(jié)果代入就可求出等值。
所選購油缸及斗桿機(jī)構(gòu)的其它參數(shù)應(yīng)按油缸極限位置時(shí)能產(chǎn)生偽挖掘力進(jìn)行驗(yàn)算，此時(shí)斗桿油缸的挖掘力應(yīng)不低于斗桿挖掘時(shí)遇到的正常挖掘阻力。
3.4.3鏟斗油缸鉸點(diǎn)及行程確定
轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)保證鏟斗有一定的挖掘能力，并具有必要的閉鎖能力。但正鏟上轉(zhuǎn)斗挖掘不是主要的挖掘方式，因此在參數(shù)選擇時(shí)提出以下幾點(diǎn)作為參考：
(1)在主要挖掘土壤中工作時(shí)，轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)保證鏟斗在70一100％的轉(zhuǎn)斗行程內(nèi)挖滿土；
(2)在最硬的土壤中工作時(shí)，轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)保證在主要挖掘范圍內(nèi)用斗桿油缸挖掘時(shí)鏟斗油缸具有必要的閉鎖能力；
(3)參考前端裝載機(jī)設(shè)計(jì)要求，建議在鏟斗油缸全伸時(shí)斗齒上的挖掘力不低于滿斗土重的兩倍。
根據(jù)以上幾點(diǎn)，在初步設(shè)計(jì)時(shí)也可以用挖掘作功的理論來選擇鏟斗油缸參數(shù)。
與斗桿機(jī)構(gòu)計(jì)算相類似，可直接列出鏟斗油缸的行程
(3-46)
式中 ——鏟斗油缸挖掘行程與全行程的比率，取～1，其中大值適用于低卸式鏟斗，小值適用于前卸式鏟斗；
——挖掘比阻力，建議采用主要挖掘土壤的值；
——鏟斗油缸數(shù)量及缸徑；
——油缸和鉸點(diǎn)的效率。在具有連桿裝置的情況下取=0.8～0.85。
仍取油僅全伸和全縮時(shí)長度之比為～1.7），則鏟斗油缸長度為
(3-47)
(3-48)
油缸的鉸點(diǎn)位置、連桿裝置的結(jié)構(gòu)形式及其鉸點(diǎn)布置在初步設(shè)計(jì)時(shí)可參考樣機(jī)或采用類比法預(yù)先確定，再根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)角及其與FQ連線的相對(duì)位置進(jìn)行校核。
圖 3.7 鏟斗三維模型
3.5液壓正鏟挖掘機(jī)三維模型
本文中液壓正鏟挖掘機(jī)的三維模型是通過PRO/E三維建模設(shè)計(jì)出來的，里面主要包含四大部件—機(jī)體，動(dòng)臂，斗桿和鏟斗。其中動(dòng)臂，斗桿和鏟斗是其挖掘的主體運(yùn)動(dòng)裝置，通過三維建模并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，就能很清楚了解到正鏟挖掘機(jī)的工作原理和工作方式,如圖3.8—3.9:
圖3.8
圖3.9液壓正鏟挖掘機(jī)三維模型
4 結(jié) 論
工作裝置是液壓正鏟挖掘機(jī)的重要工作部件，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到挖掘機(jī)的工作性能，所以對(duì)工作裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化有著重要的意義。本文以大型液壓正鏟挖掘機(jī)的工作裝置為研究對(duì)象，初步設(shè)計(jì)工作裝置的相關(guān)幾何參數(shù)和力能參數(shù)，并將其應(yīng)用到液壓正鏟 5挖掘機(jī)工作裝置參數(shù)的設(shè)計(jì)中，主要結(jié)論如下：
（1）分析液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置的組成及工作特點(diǎn)，確定了工作裝置的結(jié)構(gòu)方案為挖掘裝載裝置。
（2）建立了工作裝置挖掘位置模型，并根據(jù)開采工藝參數(shù)、初始參數(shù)及邊界條件等，采用回歸方程法和原理設(shè)計(jì)法，確定出合理的動(dòng)臂、斗桿及鏟斗機(jī)構(gòu)的相關(guān)幾何參數(shù)和力能參數(shù)。
（3）當(dāng)鏟斗油缸挖掘時(shí)，鏟斗油缸挖掘力的變化規(guī)律更加符合挖掘阻力的變化規(guī)律。即鏟斗相對(duì)于斗桿轉(zhuǎn)角時(shí)，物料切向挖掘阻力值達(dá)到最大。
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致 謝
本文的研究工作是在我的導(dǎo)師邢普老師的精心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題，材料的收集，直到論文的多次修改，最后定稿，都傾注了導(dǎo)師的大量心血。在我的學(xué)業(yè)和論文的研究工作中無不傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和關(guān)心。導(dǎo)師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、無私奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理，在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。對(duì)導(dǎo)師的熱心輔導(dǎo)和幫助，在此表示重心的感謝！
同時(shí)，衷心感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加答辯的各位專家、教授！
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