机械原理课程设计——反铲挖掘机工作装置设计.doc

西 南 交 通 大 学机械设计说明书设计题目：反铲挖掘机工作装置设计姓 名：钟树建学 号：20107066班 级：机电一班指导老师：冯鉴18目录摘要1一、机械原理设计任务书21.1设计题目简介21.2设计任务2二、液压挖掘机的简介及工作原理32.1挖掘机的类型32.2液压挖掘机的基本组成和工作原理32.2.1单斗反铲液压挖掘机的基本组成3 2.2.2单斗反铲液压挖掘机的工作原理3三、反铲挖掘机的机构运动简图、机构自由度及运动线图43.1反铲挖掘机的机构运动简图及自由度计算43.2反铲挖掘机的运动线图5四、反铲挖掘机特殊工作位置分析54.1最大挖掘深度54.2最大挖掘高度64.3最大挖掘半径64.4最大卸载高度74.5最大挖掘力7五、工作机构尺寸综合及计算75.1执行机构计算简图75.2 斗形参数的选择85.3 动臂机构参数的选择8 5.3.1动臂摆角9 5.3.2动臂机构参数选择与计算9 5.4 斗杆机构参数的选择10 5.5 铲斗机构参数的选择11 5.6 机体尺寸参数的选择12六、执行机构的Pro/E建模和SolidWorks运动仿真136.1执行机构的三维建模及顺序仿真136.2 SolidWorks运动复合仿真14七、个人总结15八、参考文献15 摘 要挖掘机被称为机械之王，在国家建设中起到举足轻重的作用。反铲式挖掘机是我们见过最常见的。本文首先分析了反铲挖掘机执行机构的工作原理，画出了它的机构运动简图并计算出了机构自由度，并给出了其运动线图，然后运用连杆机构综合的方法，通过把整个执行机构分为几个小的连杆机构，再分别分析它们在最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸载高度、最大挖掘半径和最大挖掘力情况下所处的机构位置关系，利用AutoCAD画出其机构计算简图，运用正弦定理、余弦定理及一些经验公式计算出了执行机构的各个杆件的长度和必要的角度，然后利用这些数据，通过Pro/E建立了反铲挖掘机的三维模型，装配后导入SolidWorks并进行了运动仿真，输出了其速度线图、位移线图、加速度线图，通过这些图形有效验证了前面所求出的各个杆件长度的合理性。本文最大的特点在于把执行机构分解成几个小构件，通过运用数学定理和经验公式，成功的把复杂的计算简单化，逐步计算出了执行机构的杆件长度。关键字：自由度、连杆机构综合、三维建模、运动仿真一、机械原理设计任务书设计题目： 反铲液压挖掘机工作装置设计 1.1设计题目简介反铲式是我们见过最常见的，向后向下，强制切土。可以用于停机作业面以下的挖掘，基本作业方式有：沟端挖掘、沟侧挖掘、直线挖掘、曲线挖掘、保持一定角度挖掘、超深沟挖掘和沟坡挖掘等。反铲装置是液压挖掘机重要的工作装置，是一种适用于成批或中小批量生产的、可以改变动作程序的自动搬运和操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。设计数据与要求：题号铲斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半径卸载高度铲斗挖掘力C0.3 m3.45 m6.35 m5.97 m3.86 m45KN1.2设计任务1、绘制挖掘机工作机构的运动简图，确定机构的自由度，对其驱动油缸在几种工况下的运动绘制运动线图；2、根据所提供的工作参数，对挖掘机工作机构进行尺度综合，确定工作机构各个杆件的长度；3、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。4、编写设计计算说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。5、在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。二、液压挖掘机的简介及工作原理2.1挖掘机的类型 挖掘机械的类型与构造形式繁多，可按照挖掘工作原理与过程、用途、构造特征进行划分。 按照用于，单斗挖掘机分为：建筑型、采矿型和剥离型等。建筑型挖掘机一般可装置各种不同的工作装置，进行多种作业，故又称通用式。 按照动力装置，挖掘机有电驱动、内燃机驱动和符合驱动等，以一台发动机带支挖掘机全部机构为单机驱动式，以若干发动机分别带动各个主要机构为多驱动式。按照传动方式，挖掘机分为机械传动式、液压传动式和混合传动式。挖掘机的行走装置型式有：履带式、轮胎式、汽车式、步行式、轨道式、拖式等。单斗挖掘机工作装置的型式很多，常用的基本型式，对于机械挖掘机有：正铲、反铲、拉铲和起重吊钩等。2.2液压挖掘机的基本组成和工作原理液压挖掘机的种类很多，单斗液压挖掘机算是其中一个代表,如图1-4。单斗挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是在机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机中重要的品种。它的作业过程是以铲斗的切削刃切削土壤并将土装入斗内，斗装满后提升，回转至卸土的位置进行卸土，卸空后铲斗再回转并下降到挖掘面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移位，以便继续工作，因此，是一种周期作业的自行式土方机械。2.2.1单斗反铲液压挖掘机的基本组成单斗液压挖掘机为了实现以上周期工作，液压挖掘机必须有以下基本结构：工作装置、回旋机构、传动装置（液压部分）、操作装置、行走装置等。单斗液压挖掘机基本组成：由转台及转台上部的结构、底架及行走系、工作装置等三大部分组成。回转平台：由回转平台、液压传动装置、伺服操纵装置、动力装置、司机室、空调系统、电器系统等组成。 工作装置：由动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆、油缸等组成。行走装置：由车架、支重轮、托链轮、导向轮、张紧装置、履带、行走机构、回转接头等组成 。 动作（五个动作及其复合）动臂升降、斗柄转动、挖斗转动、转台回转及行走。2.2.2单斗反铲液压挖掘机的工作原理反铲式挖掘机是最常见的挖掘机一种，广泛用于建筑领域，主要用于平整路面、深挖基坑等。反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置，液压挖掘机反铲装置由动臂、斗杆、铲斗以及动臂液压缸、斗杆液压缸、液压缸和连杆机构等组成。其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，通过液压缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。反铲液压挖掘机的工作原理采用连杆机构原理，而各部分的运动则通过液压缸的伸缩来实现。图1所示为液压挖掘机最常用的工作装置反铲装置。它由铲斗1、斗杆2、动臂8、连杆4以及相应的三组液压缸5、6、7组成。动臂下铰点铰接在转台上，利用动臂液压缸的伸缩，使动臂绕动臂下铰点。挖掘作业时，接通回转机构液压马达，转动上部转台，使工作装置转到挖掘地点，同时操纵动臂液压缸，小腔进油液压缸回缩，使动臂下降至铲斗接触挖掘面为止，然后操纵斗杆液压缸和铲斗液压缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。斗装满后，将斗杆液压缸和铲斗液压缸停动并操纵动臂液压缸大腔进油，使动臂升离挖掘面，随之接通回转马达，使斗转到卸载地点，再操纵，斗杆和铲斗液压缸回缩，使铲斗反转进行卸土。卸完后，将工作装置转至挖掘地点进行第二次挖掘工作。1图1液压挖掘机基本组成与传动示意图1铲斗； 2斗杆 ；3动臂； 4连杆 ；5、6、7液压缸；挖掘装置 ；回转装置；行走装置；三、反铲挖掘机的机构运动简图、机构自由度及运动线图3.1反铲挖掘机的机构运动简图及自由度计算通过AutoCAD绘图软件绘出其机构运动简图，如图2.图2机构运动简图把挖掘机工作装置作为平面机构来处理时，图中共有11个构件，12个转动副，3个圆柱副，低副数为15，没有高副，则通过平面机构计算公式F=3n-2PL-PH（见【1】P13）可求得自由度为3：F=3n-2PL-PH=311-215=3 3.2反铲挖掘机的机构运动线图四、反铲挖掘机特殊工作位置分析4.1最大挖掘深度当液压杆L1全缩，L2、L3全伸，斗臂与斗杆油缸铰接点、斗臂与铲斗铰接点、铲斗齿尖在同一直线上且垂直于挖掘面时，挖掘机处于最深挖掘位置处，如图3所示。该位置处，L1达到最短、L2达到最长。图3最大挖掘深度由图可得：l17cos1-H1+l7+l8=H2max l1min2=l42+l52-2l4l5cos5 l2max2=l122+l102-2l12l10cos64.2最大挖掘高度最大挖掘高度是当L1全伸，L2、L3全缩时斗齿尖距离基准地面的距离，如图4。由图可得：H1+l5sin5+l6sin4+l7sin3+l8sin2=H3max l1max2=l42+l52-2l4l5cos1 l2min2=l122+l102-2l12l10cos2图4最大挖掘高度4.3最大挖掘半径 当液压杆L3全缩，铲斗齿尖、斗杆与铲斗铰接点及斗杆与斗杆油缸铰接点这三点处于同一直线上，且B、F连线水平，则挖掘机达到最大挖掘半径处，如图5。图5最大挖掘半径由图可得：Rmax=l5cos6+l6+(l7+l8)cos84.4最大卸载高度当液压杆L1全伸，L2、L3全缩，QV连线竖直向下时，有最大卸载高度，如图6。由图可得：H4max=H1+l5cos5+l6cos4+l7cos3-l8图6最大卸载高度4.5最大挖掘力 当大臂、斗杆最大受力的位置出现在动臂油缸全缩，斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直斗杆油缸，类似图3所示。此时动臂与斗杆都有最大的力矩，即出现最大挖掘力。五、工作机构尺寸综合及计算5.1执行机构计算简图图7 机构计算简图5.2 斗形参数的选择查资料得斗容量计算公式（见【2】P25）：q=12R2B(2-sin2)Ks其中：q铲斗斗容量，R铲斗挖掘半径，B铲斗斗宽2铲斗挖掘装满转角，取2=90100Ks土壤松散系数，取值为1.25 已知q=0.3，2=90，由于B过大会造成最大挖掘阻力和转斗挖掘能容量E增大，不利于提高效率，使R=1.05m，则求出B=0.8。5.3 动臂机构参数的选择图8动臂计算简图图95.3.1.动臂的摆角设=L1minl4 ,=l5l4 ，如图8所示，在ACB中，由 l1min2=l42+l52-2l4l5cos5得： 5=arccosl52+l42-L1min22l5l4=arccos(2+1-22) 由l1max2=l42+l52-2l4l5cos1得： 1=arccosl52+l42-L1max22l5l4=arccos(2+1-1222) 所以动臂的摆角范围为： 1=5-1=arccos(2+1-1222)-arccos(2+1-22) 由图得：20=1-11=arccosl52+l42-L122l5l4-11 ，由图知：F点的坐标方程为：XF=l24+l17cos21,YF=YC+l17sin21由图得到：YC=H1=l26sin125.3.2动臂机构参数选择与计算动臂油缸的最大作用力臂为l4 ,则：L1=l52-l42=l42-1 ,1=cos-1(12) 查阅相关资料知，取1=120 ，动臂与斗杆的长度比k1=l17l7=1.78, k2=l20l8=0.33,k3=l16l15=1.18 使R=l8=1.05m,得：l20=0.35m，最大挖掘半径Rmax=5.97m,由【2】P76公式得：l7=(Rmax-l8)1+k1=5.97-1.051+1.78=1.77m l17=k1l7=1.781.77=3.151m l15=l171+k32-2k3cos1=3.1511+1.182-21.18cos120=1.667m l16=k3l15=1.181.667=1.967m ZFC=arccosl162+l172-l2822l16l17=27.3 取动臂油缸全伸与全缩的力臂比k4=e2e1=1 ,l5=1.86m , l4=0.8m，l14=2.24m，l25=0.7m，l26=1.5m。根据对油缸的设计可知L1max=2.9m , L1min=1.7m，则通过计算得：5=arccosl52+l42-L1min22l5l4=50 ，1=arccosl52+l42-L1max22l5l4=170 1=arccosl4l5=68， L1=l52-l42=1.68m。所以动臂摆角范围1=5-1=170-50=120 。验证k4时的合理性：当k4=1时：1=L1maxL1min=2.91.7=1.7 ，则=L1minl4=1.70.8=2.125=l5l4=1.860.8=2.325 ，所以+1=3.325=2.325所以以上数据满足要求。5.4 斗杆机构参数的选择由图10可知斗杆摆角范围：由l2max2=l122+l102-2l12l10cos6 ，l2min2=l122+l102-2l12l10cos2得：2=6-2=arccos(l122+l102-L2max22l12l10)-arccos(l122+l102-L2min22l12l10) 由图10得：DFE=arcsinl10l12， L2=l122-l102图10 斗杆计算简图查找资料取挖掘机斗杆挖掘力为FGmax=38KN.根据【2】P79公式：l10=FGmax(l7+l8)F2 ,又l7=1.77m ，l8=1.05m ，FGmax=38KN，F2=21.5106Nm23.140.12524=2.65105N 所以l10=3.8104（1.77+1.05）2.65105=0.404m取斗杆摆角范围2=90，l6=1.616m，在EOEZF中，l18=E1E2=0.561m取L2min=1.10m ,则L2max=1.661m ,l12=0.434m所以6=arccosl122+l102-L2max22l12l10=160，2=6-2=702=L2maxL2min=1.6611.10=1.51 由【2】P25公式得：l27=L2min2+l102-2L2minl10cos(+22)=1.41m 所以DFE=arcsinl1027=arcsin0.4041.41=16.7L2=l272-l102=1.412-0.4042=1.351m 5.5 铲斗机构参数的选择图11 铲斗机构计算简图由前面知，l8=R=1.05m B=0.8，l20=0.35m取k2=0.33，l23=1.42m，KQV=105，在KQV中，求得：l21=L202+l82-2l20l8cos105=1.19m对于四连杆机构，查阅相关资料得：取l11=0.400m，l22=0.430m， l19=0.18m，当铲斗油缸最大作用力臂为l11=0.400m时，此时L3=l232-l112=1.36m，取曲柄摆角范围3=120，当F、Q、V三点共线时，曲柄摆角最小，取3min=40,由余弦定理得L3min=1.06m ；同理，当角3max=3min+3=160时，L3max=1.73m。5.6 机体尺寸参数的选择由于之前已经将最大挖掘深度、最大卸载高度、最大挖掘高度的相关参数求出，现只讨论最大挖掘半径的情况。当斗杆油缸全缩，FQV三点同一直线，且V点位于停机面时可以得到停机面最大挖掘半径，如图12所示：图12 最大挖掘半径按计算出的尺寸画出机构运动简图，在确保设计参数相同的条件下测量得到机体尺寸：YA=0.907m , YC=1.32m , l24=0.523m，CAO=60。表1 反铲挖掘机工作机构铲 斗斗 杆动 臂机 体L3min=1.06mL3max=1.73mL3=1.36l8=1.05ml11=0.400ml19=0.18ml20=0.35ml21=1.19ml22=0.43mB=0.8mL2min=1.10mL2max=1.661mL2=1.351ml6=1.616ml7=1.77ml10=0.404ml12=0.434ml18=0.561ml23=1.42mL1max=2.9mL1min=1.7mL1=1.68ml5=1.86ml14=2.24ml15=1.667ml16=1.967ml17=3.151ml27=1.41mYA=0.907m H1=YC=1.32m l4=0.8ml17=2.36ml24=0.523ml25=0.7ml26=1.5mKQV=105KVQ=303min=403max=1603=120FEG=40EFQ=1432=706=1602=90CZF=120ZFC=27.31=505=1701=120CAO=60k2=l20l8=0.33k1=l17l7=1.78k3=l16l28=1.18k4=e2e1=1六、执行机构的Pro/E建模和SolidWorks运动仿真6.1执行机构的三维建模及顺序仿真1、首先运用Pro/E软件，按照1：2绘图，通过草绘、拉伸、旋转、镜像、阵列等工具绘制挖掘机执行机构的三维零件模型，然后通过新建装配文件、导入零件、添加约束，创建挖掘机的装配模型。参考【3】图13 底盘 图14 回转平台图15 斗臂 图16 斗杆 图17 液压油缸图18 铲斗连接件图19 铲斗图20 装配图2、装配完成后，如图21对模型添加运动、设置电机、设置运动时间等，可得到仿真。 图21 图223、如图22，点击测量工具，选定铲斗齿尖为测量点，选底盘中心为坐标系，选定类型分别为位移、速度、加速度，设置分量为模，生成图形，如图23、图24、图25。 图23 图24