10吨的挖掘机工作装置设计（含全套CAD图纸）

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 西安建筑科技大学华清学院 毕业设计 (论文 ) 院（系）： 机械电子工程系 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 日 期 ： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 I 页 摘 要 单斗挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。随着国家经济建设的不断发展，单斗挖掘机的需求量将大幅度增长，其在国民经济建设中的作用将越来 越显著。 反铲装置作为单斗挖掘机工作装置的一种主要形式，在工程实践中占有重要地位。反铲装置的各组成部分有各种不同的外形，要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机反铲装置的基本轮廓。 挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关重要。挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的分析是关键点。在挖掘力分析基础上，可对各杆件铰接点进行力的分析计算，并进行机 构设计的合理性分析 。 关键词 ： 单斗挖掘 机 运动学分析 力学分析 强度校核 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 I 页 is a of in of to of an of by in as a of a in an of of a of to of on of of of of is on is by is on in to on of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 I 页 目录 1绪论 . 1 . 1 . 1 题研究方法 . 2 文构成及研究内容 . 2 2总体方案设计 . 3 作装置构成 . 3 臂及斗杆的结构形式 . 5 臂油缸与铲斗油缸的布置 . 5 斗与铲斗油缸的连接方式 . 6 斗的结构选择 . 6 始几何参数的确定 . 7 3 工作装置运动学分析 . 9 臂运动分析 . 9 杆的运动分析 . 10 斗的运动分析 . 11 殊工作位置计算 . 14 4 工作装置结构尺寸的确定 . 16 号约定与坐标系的建立 . 16 斗结构尺寸的确定 . 17 斗主要结构尺寸的确定 . 17 斗其他结构尺寸的确定 . 18 臂结构尺寸的确定 . 21 杆结构尺寸的确定 . 25 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 斗连杆机构结构尺寸的确定 . 28 5工作装置结构设计 . 30 . 30 . 30 构尺寸的计算 . 38 . 40 . 40 二工况位置 . 44 . 47 斗的设计 . 52 . 52 . 53 6 液压缸的设计 . 54 . 54 . 54 . 54 . 55 5钢的无缝钢管且要调质 . 55 . 55 外径的计算 . 56 . 56 塞杆直径的计算 . 57 7 销轴与衬套的设计 . 60 轴的设计 . 60 轴用螺栓的设计 . 60 套的设计 . 60 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 8 结论 . 61 9 参考文献 . 62 致谢 . 63 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 页 1 绪论 题背景及目的 挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业与民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等等行业的机械化施工中。据统计，一般工程施工中约有 60%的土方量、露天矿山中 80%的剥离量和采掘量是用挖掘机完成的。 随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖掘机的广泛应用，挖掘机市场有着广阔的发展空间，因此发展 满足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的。而工作装置作为挖掘机的重要组成部分，对其研究和控制是对整机开发的基础。 反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是中型挖掘机的设计已经趋于成熟。而关于反铲式单斗液压挖掘机的相关文献也很多，这些文献从不同侧面对工作装置的设计进行了论述。而笔者的设计知识和水平还只是一个学步的孩子，进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设计有一些大体的认识，巩固所学的知识和提高设计能力。 内 外研究状况 当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。我国己经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号。 由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗液压挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能 ;应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展 ，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性 ;电子计算机监测与控制，实现机电一体化 ;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，单斗液压挖掘机有以下的趋势 : （ 1）向大型化发展的同时向微型化发展。 （ 2）更为普遍地采用节能技术。 （ 3）不断提高可靠性和使用寿命。 （ 4）工作装置结构不断改进，工作范围不断扩大。 （ 5）由内燃机驱动向电力驱动发展。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 页 （ 6）液压系统不断改进，液压元件不断更新。 （ 7）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。 （ 8）增大铲斗容量， 加大功率，提高生产效率。 （ 9）人机工程学在设计中的充分利用。 题研究方法 本文作者在老师的给定的任务书中，取得了工作装置的大体数据资料。再结合同济大学出版的单斗液压挖掘机，利用旋转矢量法和力学知识分别对单斗液压挖掘机的工作装置进行运动学分析和力学计算。根据运动学分析和力学计算的结果得到工作装置的基本尺寸和结构尺寸。然后用 件进行平面三视图的绘制。 文构成及研究内容 本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、销轴、连杆机构组成挖掘机工作装置进行设计。具体内容包括以下五部分 : (1) 挖机 工作装置的总体设计。 (2) 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析。 (3) 工作装置各部分的基本尺寸的计算。 (4) 工作装置主要部件的结构设计。 (5) 销轴的设计及螺栓等标准件进行选型。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 页 2 总体方案设计 作装置构成 12- 动臂； 3 4 5 6 78 9 10 11 图 2作装置组成图 图 2液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，如图所示反 铲工作装置由铲斗 5、连杆 9、斗杆 11、动臂 2、相应的三组液压缸 1, 4,10 等组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。 挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂 抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。 在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。 挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。根据以上特征，可以对工作买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 4 页 装置进行适当简化处理。则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油 缸、铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，处理的具体简图如 2示。进一步简化得图如 2示。 图 2作装置结构简图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 5 页 图 2作装置结构简化图 挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是 3，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度 杆油缸长度 斗油缸长度定，当 某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定 2。 臂及斗杆的结构形式 动臂采用整体式弯动臂，这种结构形式在中型挖掘机中应用较为广泛。其结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻，且有利于得到较大的挖掘深度。 斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式斗杆。 臂油缸与铲斗油缸的布置 动臂油缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）设在转台回转中心之前并稍高于转台平面，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽 然削弱了动臂的结构强度，但不影响动臂的下降幅度。并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双动臂在结构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足。具体结构如图 2示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 6 页 1 2图 2臂油缸铰接示意图 斗与铲斗油缸的连接方式 本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特 性。该布置中 1 杆与 2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。如图 2示。 1 2 3图 2斗连接布置示意图 斗的结构选择 铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下的要求： 1、有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 2、要使物料易于卸尽。 3、为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应大于 4 大于 50 时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。 综上考虑，选用小型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图 2示。 3 2 3 1 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 7 页 图 2斗 斗齿的安装连接采用橡胶卡销式，结构示意图如 2示。 1； 2 橡胶卡销； 3 齿座； 4斗齿 图 2销式斗齿结构示意图 始几何参数的确定 （ 1）动臂与斗杆的长度比 于所设计的挖机适用性较强，一般不替换工作装置，故取中间比例方案， 在 间，初步选取 l1/ （ 2） 铲斗斗容与主参数的选择 斗容在任务书中已经给出： q =经验公式和比拟法初选： 003 （ 3） 工作装置液压系统主参数的初步选择 各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化“要求。初 选动臂油缸内径 211 ，活塞杆的直径 61 。斗杆油缸的内径212 ，活塞杆的直径 62 。铲斗油缸的内径 213 ，活塞杆的直买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 8 页 径 63 。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行 0001 ，斗杆油缸行程 4502 ，铲斗油缸行程 2503 。并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比： 。参照任务书的要求选择工作装置液压系统的工作压力 4 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 9 页 3 工作装置运动学分析 臂运动分析 :臂油缸的最短长度； :臂油缸的伸出的最大长度； A：动臂油缸的下铰点； B：动臂油缸的上铰点； C：动臂的下铰点 . 图 3臂摆角范围计算简图 1 是 函数。动臂上任意一点在任一时刻也都是 函数。如图 3中 :臂油缸的最短长度； :度；:动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值； :动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最大值； A：动臂油缸的下铰点； B：动臂油缸的上铰点； C：动臂的下铰点。 则有： 在三角形 ： = l71 = 12） /2l7 (3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 10 页 在三角形 ： l720 = 222） /2l7 (3 由图 3示的几何关系，可得到 21 的表达式： 21 =20+11 (3 当 F 点在水平线 下时 21 为负，否则为正。 F 点的坐标为 l1F = (3 C 点的坐标为 XA+ C = YA+ (3动臂油缸的力臂 e1 (3显 然动臂油缸的最大作用力臂 又令 = = 时 Sq r（ = Sq r（ 2 1 = (3 杆的运动分析 如下图 3D 点为斗杆油缸与动臂的铰点点， F 点为动臂与斗杆的铰点， E 点为斗杆油缸与斗杆的铰点。斗杆的位置参数是 里只讨论斗 杆相对于动臂的运动，即只考虑 影响。 斗杆摆角 . 图 3杆机构摆角计算简图 在三角形 l8 2 = l8 (3 由上图的几何关系知 22 (3 则斗杆的作用力臂 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 11 页 (3 显然斗杆的最大作用力臂 时 2 = l9/ 斗的运动分析 铲斗相对于 标系的运动是 函数，现讨论 铲斗相对于斗杆的运动，如图 3示， G 点为铲斗油缸与斗杆的铰点， F 点为斗杆与动臂的铰点 Q 点为铲斗与斗杆的铰点， v 点为铲斗的斗齿尖点 ， K 点为连杆与铲斗的饺点， N 点为曲柄与斗杆的铰点， M 点为铲斗油缸与曲柄的铰点， H 点为曲柄与连杆的铰点 1。 铲斗连杆机构传动比 i 利用图 3以知道求得以下的参数： 在三角形 22 = 30 = L332 = - (3在三角形 = 2 272） /2 (3 在三角形 27 = (3 在四边形 (3 铲斗油缸对 N 点的作用力臂 r1 (3 连杆 N 点的作用力臂 r2 (3 而由 3 连杆机构的总传动比 i = （ r1（ r2 (3 显然 3中可知， i 是铲斗油缸长度 函数，用 入可得初传动比 入可得终传动比 铲斗相对于斗杆的摆角 3 铲斗的瞬时位置转角为 3 =7+24+26+10 (3 其中，在三角形 7 = (3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 12 页 10暂时未定，其在后面的设计中可以得到。 当铲斗油缸长度 别取 ，可分别求得铲斗的最大和最小转角 33是得铲斗的瞬间转角 :3 = 3 (3铲斗的摆角范围 : 3 = 3 (3图 3斗连杆机构传动比斗齿尖运动分析 见图 3示，斗齿尖 V 点的坐标值 函数只要 推导出 函数表达式，那么整机作业范围就可以确定，现推导如下 : 由 F 点知： 32= 3 (3 在三角形 ： 后面的设计确定，在 定后则有： 2l1 (3 2l1 3 = l1 (3 在三角形 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 13 页 2l8 图 3尖坐标方程推导简图 则可以得斗杆瞬间转角 2 2 = 22） /2l8 (3 4、 6 在设计中确定。 由三角形 ： Sq r（ 2 (3 由三角形 ： Sq r（ 2l2 (3 由 Q 点知： 35= 233 (3 在三角形 ： 2 33 = (3 在三角形 ： 2 24 = (3 在三角形 ： 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 14 页 26 = (3 在四边形 24 +26 (3 20 = 在后面的设计中确定。 在列出以上的各线段的长度和角度之间的关系后，利用矢量坐标我们就可以得到各坐标点的值。 殊工作位置计算 最大挖掘深度 算 简图A 图 3大挖掘深度计算简图 如图 3，当动臂全缩时， F, Q, U 三点共线且处于垂直位 置 时，得最大挖掘深度为 : l2= 1l2 YC+1l2 (3 最大卸载高度 s i n ()s i n ( 112132211211m a M (3买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 15 页 A 图 3大卸载高度计算简图 如图 3示，当斗杆油缸全缩，动臂油缸全伸时， 线处于垂直状态时，得最大卸载高度为 : 水 平面最大挖掘半径 图 3示，当斗杆油缸全缩时， F. Q. V 三点共线，且斗齿尖 v 和铰点C 在同一水平线上，即 到最大挖掘半径 : C+ (3 式中： 2+2 3） (3 摇臂； A 图 3机面最大挖掘半径计算简图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 16 页 4 工作装置结构尺寸的确定 符号约定与坐标系的建立 如图 4示，在对各结构参数进行计算之前，首先对部件铰接点符号作以下约束： 动臂油缸与机身的铰接点 ； 动臂油缸与动臂的铰接点； 动臂与机身的铰接点； 斗杆油缸与动臂的铰接点； 斗杆油缸与斗杆的铰接点； 动臂与斗杆的铰接点； 铲斗油缸与摇臂的铰接点； 摇臂与连杆的铰接点； M 点 - 铲斗油缸与摇臂的铰接点； N 点 - 摇臂与斗杆的铰接点； K 点 - 铲斗与连杆的铰接点； Q 点 - 斗杆与铲斗的铰接点； V 点 - 处于纵向对称中心平面内的斗齿尖； Z 点 - 动臂两段分界点 图 4作装置铰接点符号约定与坐标系示意图 挖掘机的工作装置在整个运动过程中可看作仅在 面内的上下摆动，它们是仅受拉压载荷的杆，因此，为了便于分析，可将图 4化为图 4化后的工作装置实际上是一组平面连杆机构，具有 3 个自由度：沿 y 轴的移动，沿 z 轴的移动和在 面内的转动。简化后各铰接点及 结构符号与上图保持一致。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 17 页 123456 7图 4作装置结构简图 铲斗结构尺寸的确定 铲斗主要结构尺寸的确定 如图 4示，铲斗的主要结构参数包括斗容量、转斗挖掘半径、平均斗宽以及转斗挖掘装满转角 2 图 4斗主要结构参数 其中 ，斗容量为本设计的目标参数 ,；转斗挖掘半径为待确定的参数；平均斗宽 可由表 4的推荐值选择得到，本设计选择；挖掘装满转角 2非铲斗的整个转角范围。统计结果显示，该值一般在之间。为了满足开挖、卸载及运输要求，铲斗的总转角一般要达到左右。本设计选择 20。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 18 页 表 4铲斗平均斗宽统计值及推荐范围 这四个参数满足下面的关系式： m a xm a s i (4式中与土壤的类别和状态有关。根据参考文献，对于级土壤，设计选择 各参数带入公式： 0s 23 （ 4 可得： 803 铲斗其他结构尺寸的确定 当确定了铲斗的主要结构参数之后，还需要知道铲斗的具体结构形状和具体结构参数，如图 4示： 斗容量 q/ 宽度 B/m 欧美120 种 本 50 种 苏联6 种 国 12 种 他 推荐 上线 推荐 下线 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 19 页 图 4斗结构参数 为铲斗上两铰接点的具体，其取值范围一般为 ,该值小时有利于扩大铲斗的转角范围，该值大时则可减小此处的受力，有利于铲斗的结构强度和刚度。该值的选择源泽是在满足挖掘力要求的情况下，使铲斗有足够大的转角范围，本设计中选择。 的大小也会影响铲斗的使用性能，该值多小时不利于物料的流动，过大时则不利于铲斗挖掘力的发挥，该值一般在之间，本次设计选择。 为了能够更加准确地绘制出铲斗的结构形状，之前所得到的参数并不够，还需要得到铲斗上一些特殊点之间的相对位置关系，为此，将铲斗的结构进一步简化， 以铲斗齿尖为坐标原点建立如图 4示的坐标系，求铲斗上坐标。图 4斗特殊点尺寸 设计时，斗尖角 一般为 00 2520 ，此处取 025 ，斗侧壁角 为 00 5030 ，此 处取 030 。 1X 、 2X 、 3X 、 m 以及 L 的大小可参考表 4用比拟法求得。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 20 页 表 4见铲斗斗型参数 参数 /容量 q/ 800 900 1100 1400 1800 10 1080 1250 1370 1530 m 80 120 180 230 290 R 830 960 1070 1140 1240 14 341 341 300 192 70 695 840 996 1300 30 1107 1280 1410 1610 L 640 750 855 940 1080 利用比拟法可得： m=80+(120( (m=80+(120( ( R=830+(960( (769 1x =314+(341( (x =570+(695( (3x=930+(1107( (=640+(750( (588 铲斗斗齿通常是可以拆卸的，这样当铲齿破坏或磨损到一定极限时便可以很容