单斗挖掘机反铲装置设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘要： 液压 挖掘机是一种重要的工程机械，它的广泛应用对于减轻劳动量，保证工程质量，加快工程进度，提高劳动生产率起了巨大的作用。反铲工作装置由动臂，斗杆，动臂液压缸，斗杆液压缸和铲斗液压缸组成。 本文根据液压挖掘机反铲装置的结构特点和工作原理，对其各主要机构进行了运动学分析。并在此基础上，根据设计说明书的设计要求，结合各机构的工作特点和设计要求，在对各机构分析计算的同时，结合构件已知尺寸参数，算出各机构中构件的其它参数，为各构件的结构设计提供数据支撑。 挖掘力是衡量挖掘机挖掘能力的重要参数。挖掘力是由 各液压缸中的油液压力提供的，是主动力。最大挖掘力的实现受诸多因素的制约，它是工作装置各铰点受力分析的基础。挖掘阻力不仅与铲斗的尺寸形状有关，还与挖掘对象有关，是两者的综合反映 。 关键词： 液压挖掘机 反铲装置 运动分析 参数设计 力学分析 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is an a to of to to to is up of a a a of a of a of on of to of On in of in of at of in of of is a of of is by of on is of by it is to of of of is a of 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 1 前言 题背景及目的 . 1 内外研究状况 . 1 文构成及研究内容 . 3 2 挖掘机工作装置的总体设计 作装置构成 . 4 臂及斗 杆的结构形式 . 5 臂油缸与铲斗油缸的布置 . 6 斗与铲斗油缸的连接方式 . 6 斗的结构选择 . 7 始几何参数的确定 . 8 3 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析 臂运动分析 . 11 杆的运动分析 . 12 斗的运动分析 . 13 . 13 . 15 . 16 4 工作装置各部分的基本尺寸 计算和验证 斗各参数的确定 . 17 . 17 . 17 臂机构参数的确定 . 18 杆机构基本参数的选择 . 20 斗机构基本参数的选择 . 21 . 21 . 21 5 工作装置结构设计 掘阻力分析 . 23 . 23 . 24 杆的结构设计 . 25 . 25 . 30 臂结构设计 . 32 . 33 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 . 36 . 39 斗的设计 . 43 . 43 . 44 掘机工作装置油缸推力 . 44 . 44 . 45 . 45 轴与衬套的设计 . 46 . 46 . 46 . 46 6 结论 参考文献 . 48 致 谢 . 49 附录：三维建模 ,装配截图 . 50 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 液压挖掘机反铲装置设计 1 前言 液压挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于工业与民用建筑、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行业的机械化施工中，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。 反铲式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。我国挖掘机械行业近年来虽有很大的发展，但从产品的种类、数量和技术性能及制造质量上都还不能满足现代化建设发展的要求，迅速地提高挖掘机械的设计、研究和生产的技术水平是当前挖掘机械行业所面临的迫切而艰巨的任务。所以非常有必要提高挖掘机工作装置的可靠性，对结构进行优化、减轻工作装置重量、提高工作效率、减少能耗，从而提高挖掘机生产企业的设计水 平和自主开发能力。 我国的挖掘机生产起步较晚，从 1954 年抚顺挖掘机厂生产的第一台斗容量为1 3m 的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。 新中国成立初期，以测绘仿制前苏联 20世纪 30 40年代的 1002等型机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂。 1967 年开始，我国自主研制液压挖掘机。早期开发成 功的产品主要有上海建筑机械厂的 阳矿山机器厂的 肥矿山机器厂的 掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的 们为我国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。 到 20世纪 80年代，我国挖掘机生产厂已有 30多家，生产机型达 40 余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容量有 25 立方米等 12个等级、 20 多种型号，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 还生产 m 以及大型矿用 10 3m 、 12 3m 机械传动单斗挖掘机， 1 3m 隧道挖掘机， 4 3m 长臂挖掘机， 1000 3m 每小时的排土机等。但总的来说，我国挖掘机生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量与国际先进睡睡水平相比，有很大差距。 工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、40 3m 单斗液压挖掘机的主要生产国，从 20世纪 80年代开始生产特大型挖掘机。 是世界上目前最大的挖掘机。 从 20 世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。 （ 1）、开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。 （ 2）、迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。 （ 3）、采用 新技术、新工艺、新结构、系列化、通用化发展速度。 (4)、更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤积累论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并建立了预测产品失效和更新理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程度周期，加快了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠 性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到 85% 95%，使用寿命超过 1万小时。 （ 5）、加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。 （ 6）、进一步改进液压系统。 （ 7）、迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。 20 世纪 70 年代，为了节省能源消耗减少对环境污染，是挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘机上应用电子和自动控制技术。随着对液压挖掘机的工作效率、节能环保、操 作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电液一体化在挖掘机的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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和验证。 (4) 工作装置主要部件的结构设计及仿真设计。 (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 2 挖掘机工作装置的总体设计 液 压挖掘机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，回转到卸土位置进行卸土。卸完后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘。本文主要对工作装置的反铲装置进行分析。 作装置构成 液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，反铲工作装置由铲斗、连杆、斗杆、动臂、相应的三组液压缸等组成，液压挖掘机的工作装置组图如图 2 12- 动臂； 3 4 5 6 7 8 9 10 11 图 2作装置组成图 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，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 再操纵铲斗 缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。 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，三维装配图如图 2 图 2掘机三维装配图 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，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 2、 某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。 臂及斗杆的结构形式 动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构型式往往取决于动臂的结构型式。反铲动臂可以分为整体式和组合式两类。整体式动臂有直动式和组合式两类。 直动式臂结构简单，轻巧，布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。整体式弯动臂在弯曲处的结构形式和强度值得注意，近年来悬挂式挖掘机出现了小弯臂的结构形式，是直动臂的改良，动臂的箱型结构可以不用开口，动臂 和斗杆油缸及管路的布置也比较方便。 整体式动臂结构简单，价廉。刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置较少，通用性较差。而组合式动臂工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 的变化调整，较合理的满足各种类型作业装置的参数和结构要求，装车运输比较方便。 由于所设计的是中型液压挖掘机，综上选用整体式动臂。 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，所以 动臂油缸和铲斗油缸的布置为是下置式，具体结构示意图如图 2臂油缸铰接示意图。 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 1 2买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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，选用中型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图 2 图 2斗 斗齿的安装连接采用橡胶卡销式，结构示意图如 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 般不替换工作装置，故取中间比例方案， 步选取 l1/ （ 2） 铲斗斗容与主参数的选择 斗容： q =0.9 经验公式和比拟法初选： 550 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。初选动臂油缸内径40塞杆的直径 0杆油缸的内径 40塞杆的直径 0斗油缸的内径 10塞杆的直径 0由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程 000杆油缸行程 450斗油缸行程 250按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比： 1=2=3=照要求选择工作装置液压系统的工作压力 P=锁压力 由上绘出图 2 此上，后续设计所需参数已给定，液压挖掘机的总体设计基本完成。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 表一 ：反铲机构自身几何参数表 参 数 分 类 机 构 组 成 铲 斗 斗 杆 动 臂 机 体 符 号 意 义 原 始 参 数 3l = 12l = 13l = 14l =24l =25l =29l =l = 9l =10l = 11l =15l =16l =21l =l =6l =7l =8l =22l =l =5l =17l =18l =30l =38l =39l = 导 参 数 9 = ， 10 = 4 = ， 5 = ， 6 = ， 7 = ， 8 = 2 = ， 3 = 11 = ， 12 = 特 性 参 数 2423 lK l , 3l 259lK l , 2l 42341lK l , 1l , 1 l 11 112lK l 备 注 2 斗杆长臂长臂弯角 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析 反铲装置的具体结构型按运动学分析，在运动学上能以通用的数学表达式表示。本文通过直角坐标系对典型结构型式作运动分析的方法反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度1L、斗杆液压缸的长度2斗液压缸的长度3L。 臂运动分析 动臂是 液压挖掘机 的主要部件， 前面选定整体式动臂， 动臂上任意一点在任一时刻也都是 :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 如图 3 1是 中 :臂油缸的最短长度； :臂油缸的伸出的最大长度； :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；在三角形 2 2 27 5 1 m i n1 m i n 075a r c c o s 2l l B 2 2 27 5 1 m a x1 m a x 275a r c c o s 2l l B 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 动臂的瞬时转角为 : 2 2 27 5 1 m a r c c o s 2l l 1 当 F 点在水平线 下时 21 = 负，否则为正。 (图 3F 点坐标计算简图 ) l1F = XA+ C = YA+ 动臂油缸的力臂 e1 显然动臂油缸的最大作用力臂 杆的运动分析 如下图 3示， D 点为斗杆油缸与动臂的铰点点， F 点为动臂与斗杆的铰点， 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 11 3买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 斗杆摆角 . 图 3杆机构摆角计算简图 由上图的几何关系知 2 2 28 9 2 m i n2 m i n 089a r c c o s 2l l E 2 2 28 9 2 m a x2 m a r c c o s 2Z l l E 斗杆的瞬时转角为 : 2 2 28 9 22 2 m i r c c o s 2l l 则斗杆的作用力臂 显然斗杆的最大作用力臂 . 3 铲斗的运动分析 斗的传动比 铲斗相对于 X Y 坐标系的运动是 1L 、 2L 和 3L 的函数，情况较复杂。现先讨论铲斗相对于斗杆的运动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 当给定了铲斗液压缸长度 3L ，由 表一原 始参数及推导参数出发，利用几何关系可依次求得图 3 4中 5 （ ）、 32 （ ）、 30 （ ）、 23 （ ）、 26l （ 24 （ ）、 25 （ ）、 27l （ 、 26 （ ）、 27 （ ）、28 （ ）、 29 （ ）等值。由图 3斗液压缸对 1 1 3 3 2 3 0s i n s i N M N G M G N l 连杆 点作的用力臂为 2 1 4 2 8s i n s i H N H K l 连杆 点作的用力臂为 3 2 4 2 9s i n s i K Q K H l 铲斗连杆机构的总传动比为 1 3 2 4 3 2 3 0 2 9132 3 3 1 4 2 8s i n s i ns i l l l 铲斗相对于斗杆的摆角范围 3 3 7 2 4 2 6 1 8F Q V F Q N N Q M M Q K K Q V 当取上3 33 3可分别求得 3和 3。于是得： 3 m a x 3 m a x 3 m i n 斗齿尖坐标方程 斗齿尖 X 和 1L 、 2L 和 3L 的函数。 只要推导出 函数表达式，那么整机作业范围就可以确定。现按图 3 5 推导如下。 结合 表一 以及前面计算得到的有关参数值，通过几何和三角函数运算，可依次求3斗 连杆机构计算简图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 得： 32 （ ）、 28l （ 、 33 （ ）、 23l （ 34 （ ）、 35 （ ）、37l （ 、 36 （ ）等最后得到 : 3 0 3 7 2 1 3 4 3 6c o l l 1 9 1 2 3 7 2 1 3 4 3 6c o s s i l l 大卸载高度 当动臂液压缸全伸，斗杆液压缸全缩，铲斗液压缸处于适当位置使 线处于垂直状态时得到最大卸载高度 为： 3 7 2 1 3 2 8C F N Q F N F C Q 故 2 3 7c o l 2 3 7s i l 式中： m a x 1 2 1c o l m a x 1 2 1c o l 图 2 - 1 0 最 大 卸 载 高 度 简 图1大卸载高度计算简图 13231 m i i 大挖掘深度计算简图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 因此 m a x 3V V Y l 是最大卸载高度 2大挖掘半径 当斗杆液压缸全缩，铲斗液压缸处于适当位置使 到 延长线上， 1 m a x 4 0 3 0 4 0 X l l l 是最大挖掘半径。 最大挖掘半径时的工况是水平面最大挖掘半径工况下 C、 V 连线绕 C 点转到水平面而成的。通过两者的几何关系，我们可计算得到： l 30 = 85 l 40 = 980019885上，已对液压挖掘机的动臂、斗杆、铲斗的机构运动学作了分析。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 工作装置各部分的基本尺寸计算和验证 液压挖掘机基本参数是表示和衡量挖掘机性能的重要指标，本文主要计算和验证铲斗、动臂、斗杆的尺寸。 斗各参数的确定 斗结构形状的设计及基本要求 对于液压挖掘机，考虑到现实工作状况和查阅相关文献资料，对铲斗结构形状的设计有以下基本要求： （ 1）、要有利于物料的自由流动，因此，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各种物料的运动规律。 （ 2）、要使物料易于卸净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。 （ 3）、为使装进铲斗的 物料不易掉出，斗宽与物料直径之比应不大于 4 ： 1. （ 4）、装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘比压，以便切人或破碎阻力较大的物料。挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。对斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数的基本要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。 斗主要参数的确定 当铲斗容量 掘转角 2 ，挖掘半径 平均斗宽 具有尺寸 角度所切下的土壤刚好装满铲斗，于是斗容量可按下式计算： 21 2 s i n 22 b K(式中： 铲斗充满系数； 土壤松散系数。（查表 k ） 一般取 : 31 . 0 1 . 4 (取值范围： 31 . 3 1 . 6 (式中： q 铲斗容量， 3m ； b 铲斗平均宽度， m。 因为 q=m ，查表跟经验公式取 b=纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 型号的机械，初选 = 1450出 = 95/2 = 铲斗挖掘 31m 体积土壤所消耗的能量称为切削能容量。反铲铲斗的主要参数，即平均铲斗宽度 b，切削转角 2 和挖掘半径 转斗底切削能容量有直接影响，可用下式表示： 21232000 s i n c o s 1 . 5 s i n 2 2 c o 0 02 s i n 2 2 s i n 2k R (中： E 铲斗切削能容量， 3 ； 1k 考虑切削过程中其他影响因素的系数；（理想状态取 11k ） 2k 具有应力因次的系数，在铲斗容量 q=1 3m 时，取 2k = 3k 具有容积质量因次的系数，在铲斗容量 q=1 3m 时，取 3k = 显然，在设计铲斗时，在满足铲斗容量 使铲斗切削能容量 上式可以看出，减小 角，增大铲斗宽度 b 和切削半径 够减低 E，计算得 E = 3 铲斗两个铰点 K、 Q 之间的间距 比值 选取： 大将影响机构的传动特性，太小则影响铲斗的结构刚度，初选特性参数 由于铲斗的转角较大，而 取值较小，故初选 10 = 110 臂机构参数的确定 初选动臂转角 1 = 120 由经验统计和参考其它同斗容机型，初选特性参数 41） 铰点 A 坐标的选择： 由底盘和转台结构，并结合同斗容其它机型的测绘，初选： 430 ； 1200 的计算和 21 据统计，最大挖掘半径 1一般与1 2 3l l l的值很接近。因此要求 1已知的 3l 和 1K 可按下列近似经验公式初定 1l 和 2l ，即： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 由 : 1 m a x 1 2 3R l l l 其中 550 且1 1 2 l K l 1= 9885 1 m a x 32 11可解得： （ R （ 1+ = （ 9885（ 1+= 3000mm 3000 = 5400 的计算和 4241 在 中已知 1 、 1l 、 3K 可得： 14123 3 11 2 c o 42 3 41l K l 2 2 24 2 1 4 1394 2 1c o s 2l l C a r c 计算得 l l 3 9 = 的计算5 选 11 = 斗杆油缸全缩时， 32 8 最大，依经验统计和便于计算，初选