2吨液压挖掘机的挖掘机构设计（履带式液压挖掘机）（全套含CAD图纸）
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F E. M. C. J. W. A. a a of an in of by be as of I a on a in as a of in is of to of 1. of On a or on a of to to in a is of a is to a on of a a a 2, 3, 4a a 1/5th of to on a 4, 5. , PI)by be as of I 6, 7; a IP on in of 8to as a in In of a of a of a so as to a of In in 4. is of is of a 4, 5, ,of of by on a a 9 of is by of , of + R. is Hz 6 by is an to : of to , of 5 , be no to be as of or is to is on of 1000 1000 of an of to no of by is to of is to is to In a to is to a to of is to of of In be to is to or In 1 i ( i = 1,2,3,4of of of is to of to 10. is on is of an in of as is 9 X,Y,Z of a at of = 1+2+3, is 9. i i i)i) 123 = 1 + 2 + 3).X = X 1)Y = Y 2)1 = Y X( X )2 = Y 2 )3 = 1 2 (5)4 = )of a (CP)a (is In be as to : up to P be v0 vf is to be In is,v = (1St) t T (7)St is a 0 T = 1. St at a at a to at a In of 1/T. By t = t/of a 00 mm 50 2is up to 270,150,0) an 80 TP is TP to at 100,100,400). is 600,100,700) an 30 of of of an in to of an in a 11, 12, 13, 14a of in ; a to in a to to IP an so be of to of a or a 6, 7a a ID is to of by in is to An a to is 15IP is a a ID or or In to of 6, 7a of an IP on of 8, 8) ykn ukm p1,k p2,k k = k k k = k k yk uk k(i = 1,2,.,n) k(j = 1,.,m)to of a it is to 8)to 8) is, = k (9) is ykn+1 ukm+1 + yd,k is yd,k is by of d, h by 9, 16 by, f0,k . ,k g1,k . ,k kI,k lk is at by or of a to a as a of k, d, h to 9, to lk at IP 6, of is by IP a of on a In 17,a + , an of yk is a in 1000, a1,as is no 0. In 11000 800 600 400 200 0 200 400 600 800 : of b a so b in IP = 1, to IP In to a PI 6, to I As be IP to to = 2, IP as in 9. Of an to be to a I of an in IP of in In by a 0 or on as 3 of a in 3 of of a In a of 8) k 0 k 10)k = 06 1k = 06 + 0 100 110 120 130 140 15020020406080 90 100 110 120 130 140 150100050005001000: f0,k g1,k kI,k 11)f0,k, g1,k kI,k at in of a of 94, it is IP I to in a a of in 4 to in 3)is of in It to of 本科生毕业设计（论文） 外文翻译 中文题目： 1/5 号规格自动挖掘机的线性、非线性 和经典的控制器 英文题目： of a 1/5 毕业设计外文翻译 1 1/5 号规格 自动挖掘 机的线性、非线性和经典的控制器 摘要 ： 这篇 论文是研究 机械手 各种控制系统的论文， 介绍了一种自动操作器的规格模式。机器人臂膀已经在兰开斯特 大学机械研究教学里得到发展。论文考虑了经典和现代两种方法的应用，包括： 由传统 则控制的比例积分 (制 ;线性比例积分正 (制 ,它可以理解为对传统 法的合理 扩展 ;还有一个建立在一半线性模式结构上的新型非线性 计，其中参数作为一个变量改变的函数而变化 有为提高闭环性的潜力。 建筑是对于许多工业部门的主要经济上的意义。激烈的竞争，熟练劳力的不足和科技的进步都是落后于建筑业快速变化的主要力量，也是自 动化的一个动机 1。基于操作上的挖掘机的例子包括一般的运土、挖掘和打板桩。 一个小的规模，挖掘和打桩结构 正需要发展并 限制挖掘机。全自动化或部分自动化能够提供诸多好处，它可以降低对操作员技术的依靠性，而且会降低操作员的劳动负荷，这两者都可能会在连续性和质量的提高上作出不小的贡献。 然而，对于开发者们一直持续的绊脚石就是在自动控制下如何作到足够快地运作。这里，一个主要研究问题是去获得在熟练人工操作员提高的基础上的电脑控制反应时间。这就为设计者提供了一个极大的挑战，研究者们正在选择使用 众多方法的一个很宽的范围；可 见例子 2， 3， 4。 此论文考虑到了一个实验机械手，是更广泛知名的兰开斯特大学计算机智能挖掘机 （ 的 1/5 规格的代表，而它已经发展为建筑地 4， 5上作为挖掘工具。 不管它的小规格和轻重量， 1/5 模式与 有相似的运动学和动力学上的道具，因此也为新控制策略的发展提供了一个富有价值的实验床。在这点上，本论文提出了经典和现代两种方法，包括：由传统 则 毕业设计外文翻译 2 控制的比例积分 (制 ;线性比例积分正 (制 , 它可以理解为对传统 6， 7的合理扩展 ;还有一个 建立在一半线性模式结构上的新型非线性 计，其中参数作为一个变量改变的函数而变化 8。 对这个研究更进一步，文章简要地介绍了 机械手的应用， 作为 一个工具用于在 兰开斯特大学 有关机械的学习和教育。实际上，实验室指示者为大学生和研究生都提供了众多的学习机会和单独的研究方案。完善挖掘系统的发展需要对技术领域有一个完备的知识认识，包括传感器、激发器、计算机硬件、电子学、水力学、机械学和智能控制。 这里，控制系统设计需要一个 有关决定适当末端受动器轨线的高级规则的分等级方法，以致挖掘一个指定尺寸的沟渠。在实践中，控制 器也应该包括安全模数和在土壤中处理障碍物的工具 4。最后，高级的运算法则外加每个联接点的适当低级 控制，是当前论文的着重点。 机械手与 ， 5有一个相似的排列，除了用于采沙坑的挖掘和工作台的实验室 1/5 规格模式。与图 由四个联接点构成，包括 箍用角条 、 俯角条 、 回转角和铲角。它们中的三个是由水压汽缸开动，而只有 回转链接是基于一个与简约变速器有关的水压旋转激励器：详细资料见 9。 联接器的速度由实用电压信号手段控制。因此，整个钻探设备已经由多重输入输出异步实时控制系统支持， 它考虑到了通过在写入 +中密码有标准组件的多重任务处理的程序。 计算机硬件有一个 96个人电脑。 联接角直接由与每一个联接枢轴同中心的装备旋转分压计测量。每 一个分压器的输出信号同地面线路来传输，伴随有由于环境电子噪声造成的最小信号畸变。 毕业设计外文翻译 3 图 1：显示有四个控制联接的实验挖掘机原理图 这些信号发送给高级线性仪器中有在促进 A/D 转换的训练卡里的放大器中。这里，输入信号的范围在训练之后就不会超过 5V。这个 A/D 转换器是一个高性能的 16 通道多元的连续近似 值转换器，具有在 小于 25转换的能力。目前仅有八个可利用的通道在被使用。因此将来，合并另外的传感器进入系统将不成问题；例如一个探测障碍物的照相机，可以作为高级控制系统的一部分，或者压力传感器。 电子管标度实际上提供了一个有意义的输入值的臂联接。这个标度是基于满足输入要求的每一个联接的正常输入电压，范围是从最高可能向下速度的1000。这里，零的输入要求对应于无运动。注明，没有这种电子管标度，臂会由于每一个联接运载的载荷而逐渐 松驰下去。 在开环模式 中 ， 臂是 用手驱动去挖掘沟渠的， 操作员运用两个相似的操作杆，每个都有两个自由度。第一个操作杆被用作去驱动 箍用角链接和回转链接而另一个用做移动浸渍联接和铲联接。照这样，一个熟练的操作员为完成任务同时地移动四个联接。比较下，这里的目的是去设计一个无人工干涉的自动挖掘计算机控制系统 。 运动学平衡的目的是考虑到在三维空间中铲的空间位置和方向的控制。既 毕业设计外文翻译 4 然这样，工具端可能会跟随计划 轨道编程，同时铲角分别与控制和释放沙子相谐调。在这点上，图 1 显示的是实验挖掘机和它的尺寸， (联接角 )和接长度），这里 i=1， 2， 3， 4 分别为箍用角条 、俯角条、回转角和铲角。任何一个操作员的运动学分析通常需要同类的臂的工具结构变换矩阵的发展。这被用做找到有关同等系统的铲的位置、方向、速度和加速度，在特定的联合变换向量 10。这种分析代表性地基于著名的 定，而它主要用于由一个每一个接合点都有一个自由度的开环构成的机械操作者，如此9。 在轨线计划程序中指定 X,Y,Z ,如末端受动器的方位利用一个等同系统在工作台上初始化 ,不有铲的方向 ,随之的反转运动学运算法则 由 于 而得 出。 这里 的 ,且 同时 道计划 一个沟渠的挖掘机在挖掘操作过程中需要两个“连续通道”（ 一个更简单的“点 动，此时铲子为了卸载而从沟渠中搬出。特别的是，每个挖掘周期都可以被分成四个明显的阶段，如下：布置铲来穿透土层（ 挖掘过程沿着指定的空间长度（ 一个水平垂直线上； 掘起从空 毕业设计外文翻译 5 间中收集到的沙子到卸载的一边（ 卸下沙子（ 图 划 对于当前的例子， 设 和 分别表示末端受动器的最初和最后的位置，而此运动需在 然这样，工具端统一直线轨迹是， 这里 处 和 。特别的是，速度剖面第一个斜面在进行到一个恒定速度之前以一个等加速度向上移动，最后以一个等减速度向下滑到零。在统一的直线运动的过程中，速度剖面是 来成形。通过求积分，速度分配函数将是 。 对于这个特别的应用，实验挖掘机有所约束，只允许挖掘铲的长度和深度分别不会超过 60050 解出铲的预定轨道。值得注意的是每一个挖掘轨道由掘地点（ 270， 150， 0）跟随，利用 80度的方向。这个过程由另一个 卸载区以 毕业设计外文翻译 6 坐标（ 100， 100， 400） 定位铲。挖掘周期的最后一步是卸载过程，有一个 30度方位的坐标（ 600， 100， 700）。 工程教育最重要的特征之一是将理论知识和实践经验得到结合。因此，实验室实验在支持学生学习中扮有非常重要的角色。然而，还有几个因素通常阻碍学生们与机械系统得到“从做中学”的 机会。这包括它们的高费用、熟练技术支持的较弱而必需的供应。 虽然如此，机械的利用却潜在地为许多不同的工程学科包括机械学、电子学、控制学和计算机工程提供了一个极好的基础，见例 11， 12， 13， 14。自动机械为基础工程问题的示范提供了一个很好的工具，而它们也促进了在创造力、集体谐做、工程设计、系统统合和问题解决等方面技术的发展。 在这点上， 规格示例在兰开斯特大学机械学上提供了研究和教学的支持。它是为信号处理和实时控制 各种方法中的一个实验台；而且为大学生和研究生提供了许多学习机会和单独的计划。例如，因为在开环模式下仅有几秒来收集实验数据，机械臂为示范比较对于系统识别的机械的和数据库两种方法提供了一个很好的实验例子。 关于控制系统设计，各种各样经典和现代的方法都是可行的。但是，当前的作者们认为 一个对现代控制 理论提供了一个具有深刻见解的介绍。这里，非最小状态空间（ 式都用公式表示了，以便通过控制过程测定的输入输出信号使完整的变态数回馈控制得到实现， 而不会对确定性状态的重建器或一个随机的 6， 7。的确，智能控制中 用机械臂只是作为一个设计例子。 每一个联接点的基准 系统被 毕业设计外文翻译 7 置于比例控制下而且通过渐多的增益有稳定性的限制直至获得永久的振动。在这种方式下获得的“最终增益”随后也用作确定控制增益。另一种方法是运用一个 15描述。 线性 时另外的动态回馈和输 入补偿在过程有第二个指令或更高动态或大于一个采样间隔的单纯时间托延时被引入 。然而，与经典的方法形成对比， 法的范围，这里人工调谐的奇特之处由电极分配或线性二次（ 计所替代 6， 7。 最后，许多最近的出版物都为非线性 建立在对随之的态独立参量（ 式 8的识别上。 这里 别是输出和输入变量，而 a i （ i=1,2, ,n）和 j=1, ,m）是态独立参量。后者假定为一个非最小状态向量 的函数。 对于 通常对限制模式（ 8）是足够的，状态如。（ 8）中的 这里非最小状态参量定义如下 而且 是命令输入 和输出 之间的积分误差。 依靠这个积分误差状态，固有的模式 1伺服机构性能得到引入。为了简短， 毕业设计外文翻译 8 这里被省略了但在例 9， 16中被定义。 状态变量回馈控制运算法则 随后被定义为 这里 在每一个采样距离通过可电极分配或一个 线性 于后一种方法，最近的研究用一种“冻结参数”系统定义为一个 去定义 9， 离散时间代数 最后，要注明的是当 6得到发展 ,对非线性 对于线性 环实验是第一个为应用电压和最初环境范围的操作，全部都建立在一个 此情况下， 简化精确的工具变数 (算法则 17,提出了一个 采样时间延续的第一指令线性模式 ,见 ,yk=a1 bT 一个对每一个联接点的近似表示 1000范围之内的规则电压值 ,同时 a1,时间不变参量 为一个综合者，因规格化的电压已经被校准以使当 时无移动。事实上， 1被确定为一个初值，以使仅仅分子参量 是在实际中为线性 毕业设计外文翻译 9 图 化 就 浸入角和铲角联接在控制利用线性 然这样，运算法则处于 此执行结果与利用经典频率方法调谐的将被预期的一样， 经典的和 些不同仅涉及到为将运算法则去迎合规定的控制目标而作的相关放松。 按照，有 回转和箍用联接运用 于许多早期出版物）后一种自动地运用增加的时间差 9。当然，一个对于这个问题可选择的解决方案将会引入一个 究者们目前正在调查与 然而，对于开环数据的进一步分析在上面的线性模式中显示出了局限性。尤其是， 的值被 10或更多的一个因素来改变，依靠于被应 用的电压值，如果图 3表示出箍用的情形。这里，许多实验都在一个范围内的应用电压值内操作，在每种情况下， 3图示了对 结构化这些估计与阶式信号输入量是相反的（可靠的轨迹表现了一个简单的多项式格式）。 毕业设计外文翻译 10 实际上， 的形式， 这里 图 4：上部：线性 线），非线性 线）和命令输入（虚线） 对应于箍用角条，相对结构的采样号。箍用角：相等于控制输入。 图 5： 上部：线性 线） ，非线性 线）和命令输入（虚线）对应于俯角，相对结构的采样号。箍用角：相等于控制输入 。 毕业设计外文翻译 11 这里增益 f0,k,g1,k和 kI,种方法的完整详细资料和相对的俯 角、铲角和回转联接 算法则 ，由 出 。 箍用臂的典型执行结果在图 里很明显 算法则比固定的增益有更加精确，线性 算法则（可者相对的经典 制器）在控制水平下有发展了很多。此外，非线性方法产生出了一个相当平滑控制输入信号 。 指出的是线性和非线性控制器被设计去产生出一个在理论状态下的响应的相似速度， 在图 4 中可以看到的不同就归于在 3）中的变化，此处仅考虑到在 态中。应该指出，这个例子的反应时间已经被故意增加到对精确的线性 计的实际限制，只是为了强调这些不同。 图 5 是一个相似的实验中俯臂的控制。尽管线性与非线性方法之间的不同通常在每一个联接点在检测时都相当小，在空中运动都是孤立的，如图 5，这些不同在铲角位置最后在采沙坑中撤离时会增加。在这点上，表 种方法 的反应时间， 表现出去完成三个完整沟渠的秒数，每个包括 9 个挖掘过程。这里，改良的联接角控制考虑到了一个快速的 型地产生出一个在挖掘时间里有 10 的提高 表 1：完成一个沟渠的时间 最后，图 行结果 ，是铲子的一个循环，显示了一个末端受动器的 3D 纵坐标结构。这个图显示了铲在第一低速下进入随后才 毕业设计外文翻译 12 将沙子提取，移位，释放好容易才完成。 图 间中末端受动器的处理位置 X， Y， Z，还有沿直线的移动点（ 这篇论文已经清 楚地描述了实验当中机械斗杆的控制问题，代表了自动挖掘机的 1/5号规格模式，为兰开斯特大学的科研和教学提供了发展的机遇。与以前的研究项目相比，发表的这篇文章充分考虑了矿用自动挖掘机的完全控制系统的执行。 古典和现代方法都采用了关联控制，包括齐格勒 性比例积分控制和一个最近开始流行的基于国家统一规定参数模型鉴定的非线性比例积分控制。这里，线性比例积分运算法则已被有调整性的运用到古典和初期为了控制斗干和铲斗运动角度而出现的现代比例积分控制当中。反过来说，回转和箍条连接是 比可能会延迟装卸时间的高度集中线性比例积分控制要好的一种控制方法。 然而，在这些所有联接点的固有非线性有疑问地证实了当反馈控制器与运动学方程相结合时，去控制末端受动器的位置，尤其是一旦铲在沙子中移动。事实上，非线性 法增加的复杂在这里表现出来了假定出改良的闭环性能。特别的是，完成整个挖掘过程的时间减少了大约 10 。最后，利用实验 毕业设计外文翻译 13 挖掘机获得的经验最近已经被开发，一个整个的振动层系统中被运用为在一个建筑地点的地面改善，见例 16。 感谢 非常感谢工程和物理科学研究会（ 支持。 在本论文中使用过的统计工具已经组合为一个 具箱 18，在 件环境中，下载可得用网址： 包含有 纸和说明书 ,咨询 摘 要 本次设计的题目是履带式液压挖掘机挖掘机构。与其它类型的挖掘机相比，这种类型的挖掘机因有良好通过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履带来降低接地比压。 液压挖掘机的主要特点为：能无级调速且调速范围大，能得到较低的稳定转速，快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作高速反转，传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动，操纵省力，易实现自动化控制，易于实现标准化、系列化、通用化。 本次设计的主要参数是斗容量 属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作 装置、液压传动原理。 在设计中，采用了履带式行走装置，来满足要求。上部转台是全回转式，因此它可在一个更大的范围内工作。又因采用液压传动控制而使整机性能得以改善。与机械式挖掘机相比，其挖掘力提高到 2 3 倍，整机质量约为 5 吨，挖掘力约为 30大卸载高度约为 大挖掘深度 大挖掘半径约为 中可以看出整机作业能力有了很大的改进，不仅挖掘力大，且机器重量轻，传动平稳，作业效率高，结构紧凑。 关键词 ：液压挖掘机 ；挖掘机构 ；液压系统 包含有 纸和说明书 ,咨询 is of to as as to or s a to be to is to is it is to s In to is it in a to to 3 0to is is 含有 纸和说明书 ,咨询 目 录 1 绪论 1 压挖掘机的工作特点和基本类型 2 压挖掘机的主要优点 2 压挖掘机的基本类型及主要特点 3 压挖掘机的发展概况 3 外液压挖掘机目前水平及发展趋势 4 内液压挖掘机的发展概况 4 铲装置的工作原理 4 2 总体设计方案 6 作装置设计方案原则 6 压系统设计方案原则（总体） 6 斗液压挖掘机作业过程 6 液压系统作业动作要求 7 液压系统基本的要求 7 3 挖掘机的工作装置设计 8 定动臂、斗杆、铲斗的结 构形式 8 定动臂的结构形式 8 定斗杆的结构形式 9 定铲斗的结构形式和斗齿安装结构 9 斗与铲斗液压缸的连接方式 11 定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置 11 臂油缸的布置 11 杆油缸的布置 13 斗油缸的布置 13 臂、斗杆、铲斗机构参数的选择 14 铲装置总体方案的选择 14 构自身几何参数 15 形参数的选择 18 臂机构参数的选择 20 杆机构参数的选择 25 杆、摇臂参数的选择 26 4 挖掘机液压系统设计 27 定液压系统类型 27 压系统的计算和液压元件的选择 28 统主参数的确定 28 掘机液压缸作用力的确定 28 压系统初步计算 35 作装置传动计算 35 走机构传动计算 37 包含有 纸和说明书 ,咨询 转机构传动计算 38 压泵参数选择和发动机功率计 38 油管管径和油箱容量 39 5 工作装置的强度校核计算 40 杆的计算 40 臂的计算 48 结束语 50 参考文献 51 包含有 纸和说明书 ,咨询 1 绪论 液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。 液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。 在建筑工程中，可用来挖掘苦坑、排水沟，拆除旧有建筑物，平整场地等。更换工作装置后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根 等作业。 在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深原有河道等。 在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。 在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟和管道等。 在露天采矿场上，可用来剥离矿石或煤，也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。 在军事工程中，或用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。 所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度， 促进各项建设事业的发展，都 起着很大的作用。据建筑施工部门统计，一台斗容量 级土壤埋，每班生产率大约相当于 300 400个工人一天的工作量。因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。 包含有 纸和说明书 ,咨询 压挖掘机的工作特点和基本类型 压挖掘机的主要优点 液压挖掘机在动力装置之间采用容积式液压静压传动，即靠液体的压力能进行工作。液压传动与机械传动相比有许多优点。 能无级调速且调速范围大，例如液压马达的最高转速与最低转速之比可达 1000 1。 能得到较低的稳定转速，例如柱塞式液压马达的稳定转速可低达 1r/快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作调整反转。例如电动机在启动时的惯性力矩比其平稳盍时的驱动力矩大 50%，而液压马达则不大于 5%，加速中等功率电动机需 1加速液压马达只需 传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动，操纵省力，易实现自动化控制。 易于实现标准化、系列化、通用化。 基于液压传动的上述优点，液压挖掘机与机械传动挖掘机相比，具有下列主要特点。 大大改善了挖掘机的技术性 能，挖掘力大、牵引力大，机器重量，传动平稳，作用效率高，结构紧凑。液压挖掘机与同级机械传动挖掘机相比，挖掘力约高 30%，例如 20 150同级机械传动挖掘机只有 100 挖掘机在工作时的主要动作包括行走、转台回转和工作装置的作业动作，其中动作最频繁的是回转和工作装置的循环往复运动。这种入选运动一般速度不高，而所需作用力却很大，要求在短时间内通过变速或换向来完成各种复杂动作。机械传动挖掘机完成上述运动需通过磨擦离合器、减 速器、制动器、逆转机构、提升和推压机构等配合来完成。因此，机械传动挖掘力不仅结构复杂，而且还要产生很大的惯性力和冲击载荷。而液压挖掘机则不需要庞大和复杂的蹭传动，大大简化了结构，也减少了易损件。由于结构简化，液压挖掘机的质量大约比相同斗容量的机械传动挖掘机轻 30%，不仅节省了钢材，而且降低了接地比压。液压挖掘机上的各种液压元件可相对独立布置，使整机结构紧凑、外形美观，同时也易于改进或变型。 液压挖掘机的液压系统有防止过载的能力，所以使用安全可靠，操纵简便。由于可采用液压先导控制，无论驱动功率多大，操纵均很 灵活、省力，司机的工作条件得到改善。更换工作装置时，由于不牵连转台上部的其他机构，因此更换工作装置容易，而机械式挖掘机则受到提升机构和推压机构的牵连和限制。 由于液压传动易于实现自动控制，因此现代液压挖掘机普遍采用了以微处理器国核心的电子控制单元（ 使发动机、液压泵、控制阀和执行元件在最佳匹配状态下工作，以实现节能和提高作业效率，同时还可实现整机状态参数的电子监控和故障诊断。 液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，便于组织大规模专业化生产，进一步提高质量和降低成本。 包含有 纸和说明书 ,咨询 压挖掘机 的基本类型及主要特点 液压挖掘机种类繁多，可以从不同角度对其类型进行划分。 根据液压挖掘机种类主要机构传动类型划分。 根据液压挖掘机主要机构是否全部采用液压传动，分为全液压传动和非全液压（或称半液压）传动两种。若挖掘、回转、行走等几个主要机构的动作均为液压传动，则为全液压挖掘机。若液压挖掘机中的某一个机构采用机械传动，则称其为非全液压（或半液压）挖掘机。一般说来，这种 区别主要表现在行走机构上。对液压挖掘机来说，工作装置及回转机构必须是液压传动，只有行走机构有的为液压传动，有的为机械传动。 根据行走机构 的类型划分 根据行走机构的不同，液压挖掘机可分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式。 履带式液压挖掘机应用最广，在任何路面行走均有良好的通过性，对土壤有足够的附着力，接地比压小，作业时不需设支腿，适用范围较大。在土质松软或沼泽地带作业的液压挖掘机，还可通过加宽履带来降低接地比压。为防止对路面的碾压破坏、有些液压挖掘机还采用了橡胶履带。通用通常，履带行走的液压挖掘机多为全液压传动。 轮胎式液压挖掘机具有行走速度快，机动性好，可在多种路面通行的特点。近年来，轮胎式挖掘机的生产量日渐增长。 悬挂式液压挖掘机是将 工作装置安装在轮胎式或履带式拖拉机上，可以达到一机多用的目的。这种挖掘机拆装方便，成本低廉。 汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车底盘，速度快，机动性好。 拖式液压挖掘机没有行走传动机构，行走时由拖拉机牵引， 根据工作装置划分 根据工作装置结构不同，可分为铰接式和伸缩臂式挖掘机。铰接式工作装置应用较为普遍。这种挖掘机的工作装置靠各构件绕铰点转动来完成作业动作。伸缩臂式挖掘机的动臂由主臂及伸缩臂组成，伸缩臂可在主臂臂内伸缩，还可以变幅。伸缩臂前端装有铲斗，适于进行平整和清理作业，尤其是修整沟坡。 压挖 掘机的发展概况 挖掘机械的最早雏形，主要用于河道。港口的疏浚工作，第一台有确切记载的挖掘机械是 1796年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”。而能够模拟人的掘土工作，在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”于 1835 年在美国诞生，主要用于修筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有 170多 年历史。 1950 年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的飞速发展，各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以包含有 纸和说明书 ,咨询 节能、环保等方面有了 长足的进步。目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用，成为土石方施工不可缺少的重要机械设备。 外液压挖掘机目前水平及发展趋势 工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高市场占有率。 22 20世纪后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型 的基础上向大型化、微型化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。 内液压挖掘机的发展概况 我国从 1967 年开始研制液压挖掘 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 60、合肥矿山机器厂的 。到 20 世纪 70 年代末 80年代初，长江挖掘机厂和杭州重型机械研制成功了 1994年开始，美国的卡特彼勒公司、日本的神户制钢所、日本的小松制作所、日本的日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔沃等公司先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近年 来我国经济增长迅速，液压挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场窨，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械待业的上市股分公司合资的方式介入了挖掘机产业，同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机，但在生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内外两个市场，在充分利用国际化配套的国外先进技术的基础上，增强自主创新意识，掌握核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强。 铲装置的工作 原理 反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置，如图 1 1所示。 液压反铲工作装置一般由动臂 1、动臂液压缸 2、斗杆液压缸 3、斗杆 4、铲斗液压缸5、铲斗 6、连杆 7和摇杆 8等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。动臂 1的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸 2来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。斗杆 4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由铲斗液压缸 5控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。铲斗 6则铰接于斗杆 4的末端，通过铲斗液压缸 5的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通包含有 纸和说明书 ,咨询 过连杆机构（即连杆 7 和摇杆 8）与铲斗连接。液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲液压挖掘机的工作过程为，先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作装置开始下一次作业循环。动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤 ；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由转斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中，熟练的液压挖掘机人员可根据实际情况，合理操纵各个液压缸，往往是各液压缸联合 工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗， 或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。 2 总体设计方案 图 1 1 整 体 式 弯 动 臂包含有 纸和说明书 ,咨询 0 作装置设计方案原则 设计合理的工作装置应能满足下列要求： 主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结构碰撞限制等的可能性。 整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并具有一定的先进性。 功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短。 确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重。 作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便。 运输或停放时工作装置应有合理的姿态，使运输尺寸小，行驶稳定性好，保证安全可靠，并尽可能使液压缸卸载或减载。 工作装置液压缸设计应考虑三化。采用系列参数，尽可能减少液压缸零件种类，尤其是易损件的种类。 工作装置的结构型式和布置使于装拆和维修，尤其是易损件的更换。 要采取合理措施来满足特殊使用要求。 压系统设计方案原则（总体） 按照挖掘机各个机构和装置的传动要求，把各种液压元件用管路有机连接起来的组合体叫做挖掘机的液压系统。液压系统的功能是把发动机的机械能以油液为介质，利用液压泵转变为液压能进行传送，然后通过液压缸和液压马达等执行元件转返为机械能，实现各种动作。 斗液压挖掘机作业过程 液压挖掘机的作业过程 包括下列几个间歇动作：动臂升降、斗杆收放、铲斗装载、转台回转、整机行走，以及其它辅助动作，除辅助动作不需要功率驱动外，其它都是挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。 由于挖掘机的作业对象和 工作条件变化较大，主机的工作有两项特殊要求： 实现各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化。因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化。 包含有 纸和说明书 ,咨询 1 为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作同时进行，叫做复合动作，这两项要求需要由液压系统来保证。 液压系统作业动作要求 液压挖掘机的动作复杂，机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外施工作业，温度变化和地理条件差别大，因此，应根据液压挖掘机的工作特点和环境特点，对其液压系统提出一些有别于其他应用 的基本要求。 液压挖掘机的液压系统应满足的作业动作要求如下。 保证液压挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。 保证工作装置的动作与回转平台的回转动作既能单独动作，又能作复合动作，以提高液压挖掘机的作业效率。 履带式液压挖掘机的左、右履带应能分别驱动，使挖掘机行走转弯方便灵活，并能实现原地转向，以提高 挖掘机的机动性。 保证液压挖掘机工作安全可靠，对各机构及液压执行元件应具有完善的安全保护措施。例如，对回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而下降过快；防 止机器下坡行驶时超速溜坡等。 液压系统基本的要求 根据液压挖掘机的作业动作和环境特点，对液压系统提出如下要求。 液压挖掘机的液压系统应具有较高效率，以充分发动机的动力性和燃油经济性。 液压系统 和液压元件在大负载和剧烈振动冲击作用下，应具有足够的可靠性。 选择轻便、适用、耐振的冷却散热系统，减少系统总发热量，使液压系统工作温度及温升在规定范围内。 由于液压挖掘机作业现场尘土多，液压油被污染，因此液压稭密封性能要好，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。 在必要时采用液压先导或电液伺服操纵 装置，提高液压挖掘机操作的舒适性，减轻操作人员的劳动强度。 在液压系统中采用先进的自动控制技术，提高液压挖掘机的技术性能指标，使液压挖掘机具有节能、高效和自动适应负载变化的特点。 包含有 纸和说明书 ,咨询 2 3 挖掘机的工作装置设计 定动臂、斗杆、铲斗的结构形式 定动臂的结构形式 动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往决定于动臂的结构形式。反铲动臂分为整体式和组合式两类。 直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机 ,如图 3 1 所示。 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状和强度值得注意，有时采用三节变动臂有利于降低弯曲处的应力集中。 整体式变动臂结构简单、价廉，风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少，通用性较差。为了扩大机械通用性，提高其利用率。往往需要配备几套完全 不通用的工作装置。一般说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。 组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。 组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业 条件。组合式动臂的主要优点是： 1工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用螺栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级调节。 图 3 1 整 体 式 直 动 臂包含有 纸和说明书 ,咨询 3 2较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的统一化问题。因此其替换工作装置较多，替换也方便。一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换。 3装车运输比较方便。 由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用。尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂较为 合适。 本次设计作业条件比较单一，所以选用整体式弯动臂。 定斗杆的结构形式 斗杆也有整体式和合式两种，大多数挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置 2 4 个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。有些反铲采用组合式斗杆。 定铲斗的结构形式和斗齿安装结构 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。铲斗的 作业对象繁多，作业条件也不同，用一个铲斗来适应任何作业对象和条件较困难。为了满足各种特定 情况，尽可能提高作业效率，通用反铲装置常配有甚至十多种斗容量不同，结构形式各异的铲斗。 目前，对铲斗结构形式的研究还处于现场试验、实验室试验或模型试验阶段，未建立起较系统的理论。例如有人曾将两只 压挖掘机上进行对比试验，结果如表 3 1 所示。由于砂的挖掘阻力较小，对铲斗设计的合理性反映不灵敏，所以这两种铲斗的试验结果差别不大。而对页岩作业效果就大不一样，其中一个铲斗的切削前缘中间略微凸出，不带侧齿，侧臂略呈凹形，这些因素使页岩挖掘阻力降低。另一个铲斗的情况则相反。 对 各种铲斗结构形状的共同要求是： 1有利于物料的自由流动，因此铲斗内臂不宜设置横向凸缘、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。用于粘土的铲斗卸载时不易卸净，因此延长了作业循环时间，降低了有效斗容量。国外采用设有强制卸土的粘土铲斗。 3为了使装进铲斗的物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗粒直径之比应大于 4： 1。当此比值大于 50： 1时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物料为匀质。 4装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便切入或破碎阻力较包含有 纸和说明书 ,咨询 4 大有物料。挖硬土或碎石时还能把石 块从土壤中耙出。斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。 反 铲 斗 对 比 试 验 结 果 表 3业条件 铲斗 编号 铲斗充满 时间（ s） 生产率 （ 10KN/h） 效率 （ %） 在页岩中 作 业 铲斗 1 铲斗 2 00 砂中 作 业 铲斗 1 铲斗 2 00 目前，国产挖掘机斗齿安装方式主要有两 类，斗容量 q 3 2a），斗容量 q 3 2b）。 本次设计斗容量为 0.2 以斗齿安装方式为螺栓连 ) 螺 栓 连 接 方 式 ； 橡胶卡销连接方式1 - 卡 销 ； 2 - 橡 胶 卡 销 ； 3 - 齿 座 ； 4 - 斗 齿a)包含有 纸和说明书 ,咨询 5 斗与铲斗液压缸的连接方式 铲斗与铲斗液压缸有三种型式（图 3 3），其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同，图 3 3a 为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。图 3 3和连杆 2与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构。图3 3d 和图 3 3b 类似，区 别在于前者液压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。图 3 3c 的机构传动比与 铲斗摆角位置顺时针方向转动了一个角度。 六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。六连杆方式 b 和 d 在液压缸行程相同时，后者能得到更大的铲斗转角。但其铲斗挖掘力的平均值较小。 本设计中选用图 3 3 定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置 反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的 情况下，工作装置各铰点在布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。 臂油缸的布置 动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式。 图 3 3 铲 斗 与 铲 斗 液 压 缸 的 连 接 方 式包含有 纸和说明书 ,咨询 6 油缸前倾布置方案，如图 3 4 所示，动臂油缸与动臂铰接于 E 点。当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。 油缸后倾布置方案，如图 3 5 所示，当动臂油缸全伸出，将动臂举升到上极限位置时，动臂油缸轴线向后方倾斜。 图 3 4 动 臂 油 缸 前 倾 布 置图 3 5 动 臂 油 缸 后 倾 布 置 方 案包含有 纸和说明书 ,咨询 7 当两方案的动臂油缸安装 尺寸 铲斗最大挖掘高度 相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即 2h 1h 。此外，在后倾方案中，动臂 此动臂所受弯矩也比较大。以上为动臂油缸后倾方案的缺点。然而，后倾方案动臂下铰点 C 与动臂油缸下铰点 D 的距离 前倾方案的大，则动臂在上下两极位置时，动臂油缸的作用力臂 较大。因此，在动臂油缸作用国相同时，后倾方案得到较大的动臂作用力矩，这量其优点。 为了增大后倾 方案的挖掘深度，有的挖掘机将长动臂 F改换成短动臂 F（图 3 5），并配以长斗杆。在最大深度处挖掘时，采用铲斗挖掘而还是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为 2h 2h 。 显然，不论是动臂油缸前倾还是后倾方案，当 C、 过加大动臂油缸长度可以增大动臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘测试。所以，在布置油缸时，应综合考虑动臂的结构、工作装置的作业尺寸及动臂举升力的挖掘力等因素 。 本设计选用动臂油缸前倾布置方案。 杆油缸的布置 确定斗杆油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。 保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。油缸全伸时的偷税漏税力矩应该足以支承满载铲斗和斗杆静止不动。油缸力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘范围可以取得越小一些。 保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取 100 130。在斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于 10般来说，斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。 铰点位置的确定需要反复进行。在计算中初定铰点位置，如不够合理，应进行适当修改。 斗油缸的布置 确定铲斗油缸铰点应考虑以下因素。 保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在铲斗油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘应能使满载铲斗静止不动 保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取 140 160，在特殊作业时可以大于 180，摆角位置可以按图 3铲斗油缸全缩时， 铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线包含有 纸和说明书 ,咨询 8 上方）应大于 10 ,常取 15 25，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。 铲斗从位置到位置时（图 3 6），铲斗油缸作用力臂最大，这里能得到斗齿最大切削角度的 1/2左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿挖掘力也最大。实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下，特别是进行复合动作挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于 100，而且铲斗也不一定都在初始位置开始挖掘。因此，目前一般取位置至位置的转角为 30 50，在这个角度范围内可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好 地适应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力。 杆、铲斗机构参数的选择 铲装置总体方案的选择 反铲方案选择的主要依据是设计任务书规定的使用要求，据以决定工作装置是通用或是专用的。以反铲为主的通用装置应保证反铲使用要求，并照顾到其它装置的性能。专用装置应根据作业条件决定结构方案，在满足主要作业条件要求的同时照顾其它条件下性能。 反铲装置总体方案的选择包括以下方面： 确定用组合式或整体式动臂，以及组合式动臂的组合方式或整体式动臂的形状。 确定动臂液压缸的布置为悬挂式或是下置式。 前面已确定采用整体式动臂，动臂液压缸的布置为下置式。 图 3 - 6 铲 斗 摆 角 范 围 4 5 1 4 0 5 0 1 5 2 5 包含有 纸和说明书 ,咨询 9 确定用整体式或组合式斗杆，以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗杆是否采用变铰点调节。 前面已确定采用整体式杆。 特性参数 1K =21 对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度比可在很大内选择。一般当 1K 2时，（有反铲取 1K 3）称为长动臂短斗杆方案，当 1K 12之间称为中间比例方案。 要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例方案。相反，当用配套替换构件或可调连接适应不同作业条件时，不同的配置或铰点连接情况可组成各种比例方案。在使用条件单一，作业对象明确的条件下采用整体式动臂和斗杆固定铰接， 1作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下， 1K 愈大作业范围愈窄，从挖掘方式看 1K 大宜用于斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而 1K 值小宜用于以转斗挖掘为主。 本设计采用中间比例方案 ,取 1K 4确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数，并考虑铲斗连杆机构传动比是否需要调节。 5 根据液压缸系统压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件和三化要求等确定各液压缸缸数、缸径、全伸长度与全缩长度之比 。考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动幅度等因素一般取 1 别情况下因动臂摆角和
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