机械毕业设计（论文）-小型无尾液压挖掘机总体设计【全套图纸】 .doc

目录全套图纸，加1538937061.2国内外小型挖掘机的发展情况11.2.1国内小型液压挖掘机的发展状11.2.2国外挖掘机目前水平及发展动向21.2.3小型液压挖掘机的类型31.3液压挖掘机发展方向42方案构思与选择102.1基本原理及主要工艺102.2主要构思方案102.3本方案特点112.4总体结构布局设计113挖掘工作机构123.1主要参数选择的方案123.2主参数的设计123.2.1机体参数确定123.2.2挖掘装置的设计143.3动臂和斗杆结构的选取163.3.1动臂设计163.3.2斗杆设计163.3.3铲斗的结构选择求173.4动臂和斗杆油缸布置形式的选取173.4.1挖掘装置油缸铰点位置的确定173.4.2动臂油缸的布置183.4.3斗杆油缸的布置183.5工作装置线性尺寸选取183.5.1动臂长193.5.2斗杆长193.5.3斗长度193.5.4臂铰离地高度203.5.5臂铰与液压缸铰距和倾角203.5.6工作装置工作尺寸的确定203.6挖斗参数的选择213.6.1额定斗容量213.6.2转斗挖掘半径213.6.3转斗挖掘装满角213.6.5斗形的尺寸确定223.7 运动分析233.7.1 机构自身几何参数233.7.2 动臂的运动233.7.3 斗杆的运动253.7.4 铲斗的运动263.8 工作装置设计计算273.8.1转斗挖掘阻力计算273.8.2 动臂机构参数的选择283.8.3 铲斗机构的参数选择313.8.4 斗杆机构的参数选择323.9挖掘机构受力分析343.9.1挖掘装置的受力分析343.9.2计算工况的选择353.9.3铲斗最大挖掘力353.9.4挖掘机构的受力计算373.10.2轴的设计453.11挖掘装置的强度校核453.11.1斗杆内应力校核463.11.2动臂的强度校核474.动力系统504.1牵引力和牵引功率平衡504.2发动机的功率544.3发动机的选定564.3.1发动机型号的确定564.3.2发动机的额定转矩565.液压挖掘机回转支承装置的设计585.1对回转机构的基本要求585.2回转滚盘的结构形式及选择595.3回转支承型号的选择605.4回转机构传动设计615.4.1传动方式的选择615.4.2回转小齿轮的设计615.4.3回转机构参数的计算626转台及行走架的设计636.1转台基本尺寸的确定636.1.1转台的布置及配重的确定636.2行走架的设计647.驾驶室的设计657.1驾驶室的外型设计657.1.1驾驶室的外型的尺寸设计657.1.2驾驶室外形及颜色设计657.2驾驶室的宜人性设计667.3驾驶室的通风677.4驾驶室的隔热677.5驾驶室的密封677.6驾驶室的防护措施678.单斗液压挖掘机的稳定性计算688.1作业稳定性698.2自身稳定性709. 液压挖掘机的使用及维护、及故障分析729.1维修保养注意事项729.2故障检测与分析739.3挖掘机的维护保养799.3.1维护保养注意事项799.3.2电气系统的维护和保养注意事项819.3.3液压系统的保养注意事项819.3.4易损和关键零件的定期更换819.3.5挖掘机的液压系统发热的故障诊断8110.结论与展望8410.1结论8410.2本课题展望84参考文献85附录1：无尾式小型液压挖掘机主要性能参数86附录2：图纸清单及编号88致谢89 第 87 页1绪论1.1引言液压挖掘机是工程机械的主要机种之一，是土石方开挖的主要机械设备,广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利水电工程，农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等的机械化施工中。由于机电一体化的运用, 挖掘机在近些年发展很快，挖掘机的性能得到很大的提高。现代挖掘机具有各种工作装置与功能,去掉挖斗的挖掘机是一个工作平台.随着我国经济建设的飞速发展,特别是国家逐步增加对高等级公路、铁路、住宅和水利设施的投入，挖掘机越来越显示出适应性强、作业效率高等优越性。小型多功能液压挖掘机通常指标准斗容在0.25m3以下，或指机重在8t以内的挖掘机产品，产品归类为小型工程机械，在世界工程机械市场，属销量最大的工程机械产品之一。小型无尾液压挖掘机的尾部长度为零，可以在狭窄地段方便的作业。受施工场地限制较少，在建筑物间、城市道路、园林绿化、挖掘沟槽等小型土方施工中比大中型挖掘机更有优势，即使在仅靠墙根时也能方便的进行回转和挖掘，与大型挖掘机相比，小型挖掘机设备的购买投入较少，使用成本相对较低。它与挖斗、推土铲、液压破碎锤等多种作业装置配套使用后，具有挖掘、装载、清沟、破碎等多种功能。国外发达国家和地区的大规模的基础建设早已于20世纪60年代结束，从1970年以后起国际上已形成小型液压挖掘机的需求市场。小型液压挖掘机的发展虽然只有30多年的生产历史，但其发展非常迅速。1.2国内外小型挖掘机的发展情况1.2.1国内小型液压挖掘机的发展状挖掘机市场在国内比装载机等工程机械起步晚，小型液压挖掘机则更晚。尽管近几年小型液压挖掘机在国内市场的发展速度很快，主要生产厂家已有几十家，市场销售增长率很高，但仍处于起步阶段。在国内小型液压挖掘机生产企业中，以广西玉柴为首，山河智能、江西南特、山东临挖、杭州军联等企业组成的中国小型液压挖掘机团队已经初具规模。国内小型液压挖掘机目前已形成1.5t至8t全系列产品，并占有国内市场的主要份额，且有少数出口。国内小型液压挖掘机目前的整体技术水平处于国际二十世纪八十年代末九十年代初的水平，与国际先进技术的差距主要体现在整机匹配、微操作性能、维修性、可靠性及外观质量上。现阶段我国的挖掘机仍处于仿制阶段，缺乏自主开发能力和发掘自身优势的意识。目前国产品牌的优势仍主要建立在价格和服务优势上，技术上还无法与国际先进水平相提并论。未来的发展将在很长一段时间内受制于两大主要配件，一是动力，二是液压件。国产动力要抗衡进口动力尚需时日，而国产液压件取代进口液压件更需巨大努力。1.2.2国外挖掘机目前水平及发展动向工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40 m3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。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。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01 m3。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。（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控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。（3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新c系列ls-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了caps（计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。（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，并将疲劳损伤累积理论、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率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性住处处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速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。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量来裣，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增长率加；采用三回路液压系统。产生三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速成运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。（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，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机口音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、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，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。总之，国外小挖目前水平与发展动向国外小挖目前水平完全可以称之为渐趋完美、渐入佳境，其功能的可靠性，操作的流畅性和舒适性不必详述，即使其驾驶室内的美观与质感也几可与国产轿车蓖美。国外小挖目前的发展动向主要体现在：以一机多能为目标的多功能化；以提高操作性能为目标的智能化；以节能为目标的功率模式控制；以动态设计分析为基础的可靠性设计；以人为本的驾驶室设计；基于微电子技术的自动监控系统的发展。1.2.3小型液压挖掘机的类型根据小型挖掘机基本功能要求，为了更能适应作业形态和工作要求，经淘汰化，目前有以下三种形式。1）标准型是最早生产的挖掘机机种，其结构特点是挖掘机前部工作装置和后部平衡部分都突出在履带宽度之外。机体较宽敞驾驶室居住性好，重心布置得当，稳定性好，作业性能优良。在以前标准型是小型挖掘机的主力机种。但由于后部突出较大，在工作过程中易出现后部碰撞事故。因此今年它的发展受到了限制，在长期的设计和使用实践中其液压系统有了较大改进，工作装置重量减轻了，作业范围扩大了。2）超小回转型其主要特点是工作装置在收缩状态可收到履带宽度之内，其后不平衡部分也在履带宽度之内，即整个上部回转体轮廓的最小回转半径小于履带宽度。它主要用于在非常狭窄场所下施工，例如管道施工等。为了回转半径小，要求动臂举升角大，这给动臂带来了困难，要挖侧沟，不能采用动臂偏转方式，而要将动臂分成两段，中间采用平行连杆机构，即偏置式挖侧沟形式。3）后部小回转型回转机构后部设计成圆弧形，它的外廓旋转半径在履带宽度范围之内。这种小挖掘机具有接近标准型的作业能力和接近超小回转型的回转性能。其主要优点是作业时注意力可集中于工作装置，不用担心后部与外界碰撞，安全性能好，作业效率也高，且运输型是三种小挖掘机中最好的，目前已替代标准型成为小挖掘机中的主力机种。1.3液压挖掘机发展方向单斗液压挖掘机的研制和改进主要的发展方向在于：1、发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效功，其中包括动力装置与液压传动的最佳匹配，提高传动效率，能量回收，高效液压系统的研究等；2、铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标，目前通过优化程序实现工作装置铰点最佳布置，采用高压与超高压技术，提高整机稳定性等方面进行研究；3、缩短工作循环周期，提高机械生产率，包括整机性能研究(作业循环、回转和行走性能的研究)，发展专用机械和工作装置以及机械大型化和小型化等；4、机械可靠性研究，是各国十分重视的一项内容，关键在于设计的合理化和材料工艺的研究，包括摩擦磨损机理的研究和新材料的应用，在试验手段方面，进行挖掘机整机和液压传动的快速试验研究，以及结构件快速疲劳试验和寿命预测的研究等，从而保证整机的可靠性，延长维修周期，加快维修进程，降低维修费用，降低成本；5、司机室安全舒适性以及维护保养的方便性对挖掘机的有效利用有极大影响，从人体生理学和环境工程的观点来研究操作舒适性和振动噪音对司机和环境的影响，以及控制空气的污染等，各国已做了大量工作，国内也逐渐予以注意；6、加快产品开发速度，满足快速多变的市场需求；7、采用微电子技术使液压挖掘机自动化、机电一体化和智能化进程加快2方案构思与选择2.1基本原理及主要工艺对于一般的工程机械来说，都必须将包括动力系统、传动系统、底盘行走系统、操作控制系统和执行系统这五大基本系统。动力系统主要采用的是柴油发动机，其原因是由于它不受电源、电缆的限制，使得工程机械移动、行驶方便且功率大、工作可靠、燃料经济性好、排气污染小。工程机械的传动系统的类型有：机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动。在本设计中采用的是液压传动系统，液压传动系统的主要优点是能够实现无级变速且变速范围大，车辆可以实现微动；变速和变向操作简单，一根操作杆即可；可以利用液压传动系统实现制动；采用左右轮分别驱动系统，能够方便的实现车辆的弯道行驶和原地转向；便于实现自动化操作和远距离操作；省去了变速箱、主传动和轮边减速器等机械传动部件，使得传动系统简单。液压传动系统的主要缺点是：噪声大；传动效率低；液压元件密封困难，如果密封不好，将出现“站一站，漏一片；走一走，划条线”的漏油现象。底盘行走系统主要类型有轮式和履带式。履带式液压挖掘机具有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，还可通过加宽和加长履带来降低接地比压。为防止对路面的碾压破坏，通常行走的液压挖掘机多为全液压传动。操作控制系统一般包括底盘操作系统和工作装置操作系统两个部分。执行系统主要包括各种类型的工作装置和机构。根据这五大基本系统，来选择机型，确定总体布置方案。2.2主要构思方案根据任务书提出的主要参数和要求，参考同类型机械，广泛的征求各方的意见，搜集市场信息，多方搜集产品资料，进行分析比较，选择合理机型，吸取国内外的先进技术，我们要制定出技术先进、使用性能良好、制造成本低、易于维修、经久耐用和竞争力强的设计方案，我们仿照yc系列液压挖掘机的整体结构和整机系统，拟定构思方案如下：1）动力系统采用增压式柴油发动机；2）传动系统采用液压传动系统；3）底盘行走系统采用履带式行走机构，车架采用整体是行走架；4）操作控制系统采用全液压控制系统；5）执行系统主要包括挖掘工作系统；6）驾驶室人性化的设计； 在此次设计任务中，本人主要承担的设计任务是：1）动力系统的设计、2)车架回转装置设计、3）挖掘工作机构的设计、4)驾驶室的设计四个方面，其余设计有同组其他成员负责。2.3本方案特点 整机结构紧凑，采用整体式行走架，具有构造简单、布置紧凑、质量轻、刚性好等一系列优点。2.4总体结构布局设计 1.底盘 2.驾驶室 3.工作装置图2-1整机总体结构布局设计3挖掘工作机构3.1主要参数选择的方案1选择液压挖掘机主要参数的基本依据1)设计任务书所规定的铲斗容量、用途、作业要求、工作条件；2)类比国内、外技术成熟的同类机器的性能参数，取得参考值；3)对现有国内、外同类机器的某种性能参数进行统计分析，找出规律或综合成经验公式来处理；4)进行一定的模拟实验，以实验结果作为设计依据；5)采用相似原理的方法，根据现有的同类机器的主要参数，按一定的比例关系放大或缩小来确定相对应的参数。2主要参数选择的方案1)比拟法（或称类比法）：通过同类机械的比拟（类比）得到参数值；2)经验公式计算法（或称查表法）：按概率统计归纳得到的经验公式进行概略的计算得到参数值；3)按标准选定法：按国家颁布的液压挖掘机型式与基本参数系列标准规定的数值范围，结合你采用的特点选定参数值；4)理论分析计算法：按你定的结构特点，在理论分析与经验数据的基础上进行分析计算得到参数值。鉴于以上各种方案的前提条件，由于没有样机和相关国家规定的标准系列手册，所以本次设计选拔用方案经验公式计算法，通过查表法来确定液压挖掘机的挖掘部分内相关参数。3.2主参数的设计3.2.1机体参数确定根据国家新修订的液压挖掘机的基本参数标准，采用机重和标准斗容为标志确定挖掘机基本参数，见单斗挖掘机pp表1-2，结合任务书的设计要求，选择斗容q=0.12，部分参数参照下表3-1：表3-1 q=0.12m液压挖掘机的基本参数项目整机重量发动机功率斗容量液压系统履带行走装置操纵力主要作业参数反铲标准斗容斗容范围系统型式压力等级最大行走速度爬坡能力接地比压踏板式手柄式最大挖掘半径最大挖掘深度最大挖掘力单位tkwmmmpakm/h%kpannmmkn参数值420250.120.100.20定量103024773515020453418参照单斗液压挖掘机pp相关信息估算整机部分尺寸如下：线尺寸参数： (m) (3-1) 为线向尺寸经验系数，g为整机质量。1)履带长度： ；2）轨距： ；3）转台总宽： ；4）司机室总高： ；5)转台底部离地高： ；6）前部离回转中心：；7）滚盘外径： ；8）机棚总高： ；9）履带总高： ；10)底架离地高： ；11)臂铰离地高： ；12)臂铰离回转中心: ；13)臂铰与液压缸铰距:；14)臂铰与液压缸倾角：；15)缸铰离地高度： ；16）履带板宽： b=300mm=0.3m；3.2.2挖掘装置的设计工作装置是挖掘机的主要组成部分之一，它利用液压缸伸缩来完成动臂升降、斗杆推拉和转斗。因用途不同，工作装置种类繁多，常用的有反铲装置、正铲装置、起重装置和抓斗装置等，其中反铲装置是中小型液压挖掘机最主要的工作装置，本设计采用反铲装置。1.工作装置的设计原则设计合理的工作装置应该满足下列要求：1)主要工作尺寸及作业范围能满足使用要求。再设计通用反铲时考虑到同类型同级别机器相比的先进性，考虑国家标准的规定，并注意到运动参数受结构碰撞限制的可能性。2)整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并有一定的先进性。3)功率利用情况尽可能好，理论工作循环时间尽可能短。4)确定铰点布置，结构形式和断面尺寸形状时尽可能是受力状态有利。在保证强度、刚度和连接刚度的条件下尽量减轻结构自重。5)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的种类，尤其是易损零件的种类。6)工作装置的结构形式和布置便于装拆和维修，尤其应便于易损件的更换。2.反铲工作装置的组成及动作的实现液压反铲工作装置一般由动臂、斗杆、连杆、摇杆、铲斗以及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸等组成。其结构图如3-1所示：1. 机架 2.动臂 3.动臂油缸 4.斗杆油缸 5.斗杆 6.铲斗油缸 7.摇杆8.摇杆 9.摇杆图3-1 液压挖掘装置动臂、斗杆和铲斗均是采用高轻度钢板焊接而成的箱型结构，重量轻、强度高。动臂2根部用一根销轴铰接在平台前端中部，由一只铰接在转台前部的动臂液压缸5来支撑油缸座伸缩运动，动臂则作升降运动。斗杆5铰接于动臂的上端，另一端铰接着铲斗和摇杆。斗杆的回收和伸出靠铰接在动臂上的斗杆液压缸4来实现。铲斗8则铰接于斗杆末端，通过铲斗液压缸的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸通过连杆机构（如连杆7和摇杆9等）与铲斗连接。工作装置的各个销轴采用合金制造，经渗碳淬火处理，强度较高。而各个铰点都设有油杯，用油抢注入润滑脂润滑。工作装置各铰点处均设有限位块，以减少对油缸的冲击。斗齿部分由齿座和斗齿组成。斗齿套在齿座上用弹性销固定，斗齿磨损后可以更换。3.3动臂和斗杆结构的选取3.3.1动臂设计动臂是工作装置的主要构件，斗杆的结构一般取决于动臂，反铲装置的动笔可分为整体式和组合式两类。组合式动臂一般都为弯动式，其组合方式分为两类：一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。整体式有直动臂和弯动臂两种方案。直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，适用于专业正铲和悬挂式挖掘机，且反铲工作装置只能得到较小的挖掘深度。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，在现在常用的中小型反铲挖掘机中主要采用这种结构形式，这种整体式动臂结构简单、廉价、视觉美观，在刚度相同的同时重量较轻。其结构坚固耐用，工作范围较大，与同长度的直动式动臂相比，可以使挖掘机由较大的挖掘深度，但降低了卸料高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。其缺点为替换工作装置少，通用性较差，在增加挖掘深度的同时降低了卸料高度，且在弯曲处的结构形状和强度值得注意。通过对两种方案的比较，结合任务书对挖掘深度和卸料高度淀粉要求，可以看出，直动臂明显不适用，所以采用整体式弯动臂，可通过solideworks三维建模及动态仿真，提高动臂设计的可行性和可靠性，保证其工作范围和运动的流畅。其结构可采用钢板焊接而成的矩形变截面箱形结构，内部加隔板以增加强度和刚度。3.3.2斗杆设计斗杆游整体式和组合式两种方案。大多数挖掘机都采用整体式斗杆。整体式斗杆在运动中有很多优点：油缸布置简单；挖掘效率高；耐用性好；可根据工作状况来调节斗杆长度以实现优化作业；且现在市场上的挖掘机主要采用整体式斗杆。通过以上的分析可知，这里采用整体式斗杆较为适宜，其结构采用有钢板焊接而成的变截面箱型结构。3.3.3铲斗的结构选择求铲斗的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.有利于物料的自动流动。铲斗内壁不宜设置横向凸台缘，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，视物料为匀质。综上考虑，选小型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图3-2所示图3-2 铲斗结构示意图3.4动臂和斗杆油缸布置形式的选取3.4.1挖掘装置油缸铰点位置的确定选择液压缸布置铰点位置时，应考虑以下因素：1工作臂液压缸长度应尽量短，即在保证动臂所需转交的前提下，液压缸行程要小，这有利于结构的布置，减轻自重，提高液压缸自身的稳定性。2在动臂转角范围内，液压缸作用力臂变化不要太大，要求动臂在处于附件工作状态时，作用力比较大，在动臂提升最高时，也可保证有一定的作用臂。3符合结构要求，如车架的动臂受力情况，结构布置上的可能性。考虑以上因素，采用液压缸直立的布置方式，液压缸下端与车架铰接的方式。3.4.2动臂油缸的布置动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转台交接，常见的有两种具体布置形式。有岗前倾和油缸后倾布置方案，动臂油缸与动臂铰点铰接于e点，当动臂油缸全伸出，将动臂提升至上极限时，动臂油缸轴线向转台前方倾斜为前倾方案，向转台后倾斜则为后倾方案。当两种方案的油缸安装尺寸、最大挖掘高度和最大挖掘半径相同时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即hh此外后倾方案动臂所受的弯矩一般比前倾方案要大。但是当动臂油缸作用力相同时，后倾方案能得到较大的动臂作用力矩。通过以上对两种方案的对比分析，结合任务书作业尺寸要求中要求的最大挖掘深度较大，可选取前倾布置方案。3.4.3斗杆油缸的布置斗杆油缸的布置应保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力，同时保证斗杆的摆角范围。铰点布置和油缸行程的确定应结合作业尺寸及挖掘力的要求反复进行，在保证作业要求的前提下，使其结构更合理，材料更节省。3.5工作装置线性尺寸选取根据单斗液压挖掘机pp相关的信息：经验公式计算法（查表法）是以液压挖掘机的机重为指标，对现代挖掘机的总体参数用概率方法得到的各种主要参数的经验系数，以公式来确定挖掘机的各种线性尺寸参数。根据单斗液压挖掘机p公式l=k (3-2)式中l为线性尺寸； k为线性尺寸经验系数，根据单斗液压挖掘机p表1-3选取； g液压挖掘机机重；g=4t；3.5.1动臂长根据单斗液压挖掘机p表1-3选取试取标准臂推荐值：k=1.8； g=4t；代入数据计算得到l=1.8=2857mm；3.5.2斗杆长根据单斗液压挖掘机p表1-3选取试取标准臂推荐值：k=0.8； g=4t；代入数据计算得到l=0.8=1270mm； 3.5.3斗长度根据单斗液压挖掘机p表1-3选取试取斗长度推荐值：k=0.5； g=4t；代入数据计算得到l=0.46=794mm；3.5.4臂铰离地高度根据单斗液压挖掘机p表1-3选取试取臂铰离地高度推荐值：k=0.63； g=4t；代入数据计算得到k=0.63=1000mm；3.5.5臂铰与液压缸铰距和倾角根据单斗液压挖掘机p表1-3选取试取推荐值：k=0.3； g=4t；代入数据计算得到k=0.3=476mm；臂铰与液压缸倾角试取推荐参数值：=503.5.6工作装置工作尺寸的确定根据单斗液压挖掘机p表1-3的参数及经验公式：1）动臂转角： -5040；2）斗杆转角： 50160；3）铲斗转角： 50180；4）最大挖掘半径： 系数=3.25，r=；5）最大挖掘深度： 系数，；6）最大挖掘高度： 系数，；7）最大卸载高度： 系数，；3.6挖斗参数的选择3.6.1额定斗容量由设计任务书给定q的范围为0.080.15，选定斗容q=0.12m；3.6.2转斗挖掘半径根据前面的计算可知转斗挖掘半径就是斗长度，即r=l=794mm；3.6.3转斗挖掘装满角根据单斗液压挖掘机p全面考虑有关因素，2=90100，结合成型机械试取：2=90。3.6.4平均斗宽根据单斗液压挖掘机p公式2-40q=rb（2sin2）k转换得到转斗平均宽度b= （3-3）式中：b转斗平均宽度； r转斗挖掘半径；r=794mm； k土壤松散系数；k=1.25； 2转斗装满转角；2=90=1.5708； q铲斗额定斗容量；q=0.12 m；代入计算得到b=0.534m=534mm；根据液压挖掘机p表2-6，插值计算得q=0.12m时，b的取值基本合适。3.6.5斗形的尺寸确定根据液压挖掘机p相关信息通过铲斗主要参数进一步进行计算斗形其他机构尺寸，如液压挖掘机p图3-14所示，图中三角形oge等腰三角形，oa为直线，ab为抛物线。a点至直线eb的距离为h，抛物线顶点高度为l，一般取h=l。斗尖角取值范围一般为2025，斗侧臂角取3050，包角一般取106。常见的铲斗斗形参数见液压挖掘机p表3-1，改变三角形oge的形状可以获得不同的斗形。设计时，综合考虑铲斗的主要用途和挖掘对象，合理选择铲斗主要参数，使铲斗的挖掘力最小，作业效率最高。结合上述分析及设计任务书的要求，试取相关斗形参数如表3-3表3-3斗型参数参数br2mh斗齿单位mmmm。mmmmmmmmmmmm个数值0.125347949022.5401064275028044080054243.7 运动分析反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度l1斗杆液压缸的长度l2和铲斗液压缸的长度l3 ，显然，当l 、l 、l 为某一组确定值时，反铲装置就相应处于一个确定的几何位置。建立坐标系：x轴与地面重合，y轴与挖掘机回转中心线重合，则斗齿尖v所在的x 坐标值就表示挖掘半经y坐标，yv为正值表示挖掘高度，为负值表示挖掘深度。3.7.1 机构自身几何参数机构自身几何参数分三类：原始参数，推导参数，特征参数，各参数见图3-4图3-4 反铲机构自身几何参数计算简图3.7.2 动臂的运动1.动臂的摆角范围和各点瞬时坐标（图3.5），是l1的函数，动臂上任意一点在任一时刻的坐标值也是l1的函数，根据全余弦定理，当l1=和l1=时得=acb0=arccos() =acb0=arccos( ) 动臂的摆角范围： =-； 图3-5 动臂摆角范围计算简图图3-6 f点的坐标计算简图动臂的瞬时摆角： = arccos()-； 列动臂f点坐标方程。 图3-6中：=bcu=-= arccos()- 令ucf=f点在水平线cu之下时为负,否则为正。f点坐标方程： c点坐标可由图示3-5求得： 2.动臂液压缸作用力臂当动臂液压缸长度为时,动臂液压缸作用力臂：= 当分别取和时,可得动臂机构的起始和终了力臂和。显然动臂液压缸的最大作用力臂，此时 3.7.3 斗杆的运动斗杆的位置参数是l 和l的函数，此外讨论斗杆相对于动臂的运动，也即只考虑l的影响，斗杆机构与动臂机构性质类似，它们是四连杆机构，但连杆比不同，在动臂机构中，一般l l,斗杆机构中一般l l。1.斗杆相对于动臂的摆角范围由图3-7得=- 图3-7 斗杆机构摆角计算简图2.斗杆液压缸的作用力臂= 当以和代入得和斗杆液压缸的最大作用力臂,此时3.7.4 铲斗的运动铲斗相对于x-y坐标系的运动是l1 l2 和l3的函数，情况较复杂，现先讨论铲斗相对于斗杆的运动。（图3-8）铲斗液压缸对n点的作用力臂为 连杆hk对n点作用力臂为 连杆hk对q点作用力臂为图3-8 铲斗机构参数示意图铲斗连杆机构的总传动比i=铲斗相对于斗杆的摆角范围铲斗瞬时位置转角为当取时可分求得，于是得=3.8 工作装置设计计算3.8.1转斗挖掘阻力计算转斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显的变化 （3-4）c表示土壤硬度的系数，取120；r铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削半经，r=794mm；转斗在挖掘过程中总转角的一半；铲斗瞬时转角；b切削刃宽度影响系数，b=1+2.6b,其中b为铲斗平均宽度，单位为厘米；a切削角变化影响系数，a=1.3; z带有斗齿的系数z=0.75;x斗侧壁厚度影响系数初步设计时，x=1.15;d切削刃挤压土壤分力，据斗容量大小选取范围d1000n。选取d=6000n；3.8.2 动臂机构参数的选择反铲工作装置是由几组连杆机构组合而成，在发动机功率，机重等主参数以及工作装置结构形式即宝的条件下连杆机构铰点，位置和油缸参数选择是否得当，会对挖掘机性能和生产率带来很大影响，以下对动臂，斗杆，铲斗三个机构进行讨论。动臂和动臂液压缸的布置方案很多，本设计中动臂液压缸置于下前方。采用弯臂能增加挖掘深度但降低了卸载高度，动臂弯角一般可取12001400，弯角大小会对结构强度不利本设计中120增大液压缸全伸时的长度比可以增大动臂的转角，但由于受油缸稳定条件的限制一般取在1.61.7的范围内通用挖掘机中，l5取值通常驻为0.50.6l。据统计最大挖掘半径r1值一般与的值很接近，因此，由要求的r，已定的和，在三角形czf(图3-9)中，已知可求得：25.7=180-120-25.7=34.3图3-9 最大挖掘半径时动臂机构计算简图动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比按不同情况选取，以反铲为主的通用机=0.81.1，本设计取=0.4，取65。斗杆液压缸全缩时，最大，常选，本设计取，取决于液压缸布置形式，动臂双液压缸结构中这一夹角较小，为0,本设计中取（图3-9）。由图3-10得最大卸载高度的表达式为：图3-11 最大卸载高度时动臂机构计算简图图3-12 最大挖掘深度时动臂机构计算简图 由图3-8得最大挖掘深度绝对值的表达式为： （3-5）将两式相加，消去并令，得： 又特征参数因此，将上式代入得到一元函数整理得：式中可求得，；解下列方程可求， 所以，满足；由式，又因；所以，；3.8.3 铲斗机构的参数选择预先设定：；转斗的转角范围，为了满开足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗的总转角往往要达到本设计中取，在时，斗齿尖为在fq延长线上侧处，由cad作图得3.8.3 铲斗机构载荷分析转斗机构挖掘过程为大曲率切削，挖掘过程中，因土壤厚度的变化较大，所以阻力的变化也很大，然而在挖掘机实际作业过程中转斗挖掘土壤的纵断面形式是多种多样的其阻力变化情况也各不相同。转斗机构最大理论挖掘力应与转斗最大挖掘阻力相适应，常在处，由此求得；由cad作图得，铲斗液压缸的作用力：取系统实际工作压力为p=24.5mpa,液压缸大腔工作，油缸机械效率，大腔面积为：3.8.4 斗杆机构的参数选择考虑因素：a.保证斗杆液压缸产生足够的斗齿挖掘力b.保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力c.保证半杆的摆角范围首先计算斗杆挖掘阻力：斗杆挖掘过程中，切削行程较长，切土壤厚度在挖掘过程中为常数，一般取斗杆在挖掘过程中总转角，在这转角过程中，铲斗被装满，这时斗齿的实际行程为：式中半杆挖掘时的切削半径，取斗杆挖掘时的切土厚度可按下式计算：斗杆挖掘阻力：其中：-挖掘比阻力，查得斗杆与铲斗垂直时最小参考铲斗液压缸作用力代入 （3-6）由图3-11得：图3-11斗杆机构参数计算简图3.9挖掘机构受力分析3.9.1挖掘装置的受力分析挖掘机工作装置截面采用箱型结构形式，两侧布置有加强钢板，以提高工作臂的强度与高度，以便于布置液压缸的铰接点，同时可减轻整个工作装置的重量。液压挖掘机工作装置的强度计算，通常采用材料力学的方法，把动臂和斗杆假定为梁，计算若干截面的弯曲强度。但由于动臂和斗杆的结构形式与理想的梁相差甚远，受力也比较复杂，按梁来计算显然会有较大的误差，并且无法反映结构整体的变形和受力情况，难以知道计算。为此，在进行挖掘机工作设计时，采用计算工况来计算动臂和斗杆的强度，以准确校核其强度，评估设计的合理性。3.9.2计算工况的选择据分析表明，危险截面最大应力发生在采用铲斗挖掘的工况下，因此计算位置按以下条件进行确定： (1)动臂位于动臂液压缸作用力臂最大处；(2)斗杆位于斗杆液压缸作用力臂最大处；(3)铲斗位于发挥最大挖掘力的位置；在计算工况中，铲斗液压缸gh产生主动力，根据其最大推力确定挖掘机的最大挖掘力w，也即挖掘时所受到的最大挖掘力，此时，工作装置所受到的力也最大。3.9.3铲斗最大挖掘力1.切削阻力的切向分力铲斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显的变化，其切削阻力基本上与切削深度成正比。但总的来说，前半过程切削阻力较后半过程高。因为前半过程的切削角不利，产生了交大的切削阻力。根据单斗液压挖掘机pp的公式2-35切削阻力的切向分力可用下列公式表达：=c （3-4）式中 c表示土壤硬度的系数；试取c=120:； r铲斗与斗杆铰点至铲斗尖距离，即铲斗切削半径r=l=794mm； 铲斗挖掘过程中的瞬时转角； b切削刃宽度影响系数，b=1+2.6b，其中b为铲斗平均宽度，单位为米。铲斗平均宽度b=794mm=0.730m，得到b=1+2.6； a切削角变化影响系数，取a=1.3；z带有斗齿的系数，z=0.75；x斗侧壁厚影响系数，x=1.15；d切削刃挤压土壤的力；当时，d10000n，试取d=6000n；转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算。也即把半月形切削断面看做相等面积的条形断面，条形断面长度等于斗齿转过的圆弧长度与其相应的弦的平均值，故平均挖掘阻力为： （3-5）代入数据计算得到：=18.65kn；2.铲斗挖掘装土阻力的切向分力根据单斗液压挖掘机pp的公式2-38转斗挖掘装土阻力的切向分力式中 表示密实状态下土壤容量，单位为n/m； 表示挖掘起点和终点间连线方向与水平线的夹角； 表示土壤与钢的摩擦系数；经计算后表明， 与相比很小，可忽略不计。3.铲斗最大挖掘阻力当，时出现转斗挖掘最大切向分力；根据单斗液压挖掘机p的公式2-36 （3-7）式中 铲斗最大挖掘阻力； c土壤硬度系数；试取c=120； r铲斗挖掘半径；r=0.794m； 铲斗挖掘过程中总转角的一半；=45； b切削刃宽度影响系数，b=1+2.6b，其中b为铲斗平均宽度，单位为米。铲斗平均宽度b=534mm=0.534m，得到b=1+2.6； a切削角变化影响系数，取a=1.3；z带有斗齿的系数，z=0.75；x斗侧壁厚影响系数，x=1.15；d切削刃挤压土壤的力；当时，d10000n，试取d=6000n；代入数据计算得到：= =28.5kn；实验表明法向挖掘阻力的指向是可变的，数值也会较小，一般=00.2。土质愈均匀，愈小。从随即系统的角度看，取法向分力为零来简化计算是允许的。这样就可以看作为转斗挖掘的最大阻力。3.9.4挖掘机构的受力计算 对于挖掘机，主工作装置的受力计算应从铲斗出发，依次计算，从而计算出各个铰点和各个液压缸所受的最大拉力、压力，然后根据各拉、压力进行后续的设计。1.求f，f（对铲斗受力分析）根据受力分析图如图3-12，由理论力学相关知识进行计算。图3-12 铲斗和斗杆部分受力示意图根据单斗液压挖掘机p页表2-7国内几种反铲装置的构建近似质量，由q=0.12m；这里试取铲斗重；斗杆重；动臂重；忽略连杆、摇杆、斗杆液压缸，动臂液压缸，铲斗液压缸及铲斗中物料的重量。铲斗最大受力时以铲斗挖掘过程中总转角的一半计算，忽略铲斗重力和铲斗中物料的重量，此时挖掘阻力最大。土壤对铲斗的力即最大挖掘阻力：；1）求铲斗对k点的最用力f；即铲斗对连杆的作用力；2）求铲斗对q铰点的作用力f将f沿坐标原点为q,x轴与vq重合，y轴垂直vq的坐标系中分解为、两个分力如图3-13， 图3-13 铲斗各力在q点的分析带入相应的数据得到： 2.求f、f（对铰点h的受力分析） 根据理论力学的相关知识 以h点作为坐标原点建立直角坐标系，x轴与hg重合，y