20吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计.doc

山东交通学院 2012 届毕业生毕业论文（设计）届毕业生毕业论文（设计） 题目：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设 计 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 机械 085 学 号： 080610418 姓 名： 谷守领 指导教师： 张 鹏 二 o 一二年六月 1 摘摘 要要 挖掘机械是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场 的土方机械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。 液压挖掘机的工作装置是直接完成挖掘任务的装置，它由动臂、斗杆、铲斗等三部分 铰接而成；其工作过程是由动臂的上升下降，斗杆的伸出和回收，铲斗的挖土和卸土， 以及上部平台的 360回转等动作组成。从外观上看，挖掘机主要由工作装置、上部 转台和行走机构三部分组成。 本论文主要对挖掘机进行工作装置设计。首先，提出整机的方案并初步确定各 部件的结构尺寸，进而完成了动臂、斗杆、铲斗等部件的结构设计，并对工作装 置各部件进行了 各铰点之间的距离 计算和校核 以及挖掘机作业范围的计算 。最后， 运用 solidworks 三维软件绘制了挖掘机的整体三维效果图，实现了挖掘机的三维 动画。 关键词：挖掘机，工作装置， solidworks 三维软件 2 abstract excavator is a earth-moving machinery, witch is used to dig the material above or below the surface of bearing machine and load transport vehicles or unload to the yard by its bucket. excavated material is mainly soil, coal, sand, pre-loose soil and rocks. hydraulic excavator s working unit is the device of complete the mining task directly, which consists ， of boom, stick,and bucket ,the three parts are hinged together; the work process consists of the rise and fall of the boom, the stretch and recovery of stick , the excavation and dump of bucket, and the 360 rotary movement of the upper platform and so on. from the exterior view, excavator consist of three parts of working unit, the upper turret, and running gear of three parts. the paper mainly designs the overall structure and the working unit of the excavator. firstly, the paper must make sure the whole scheme and the initial size of parts structure, ， then complete the kinematic analysis of the boom, stick, bucket and other parts , and calculate and check the various components of the working unit. finally, the three-dimensional software of solidworks is used to draw three-dimensional renderings of the overall excavator, and achieve excavator s three-dimensional animation. ， keywords: excavator, working unit, the three-dimensional software of solidworks 3 目 录 1 绪 论 .1 1.1 选题的目的及意义.1 1.2 挖掘机工作原理概述.2 1.3 国内外研究现状.3 1.4 课题研究方法.4 1.5 论文构成及研究内容.5 2 挖掘机工作装置设计 .6 2.1 工作装置构成.6 2.2 动臂及斗杆的结构形式的初选.7 2.3 动臂与动臂油缸的布置.7 2.4 铲斗与铲斗油缸的连接方式.8 2.5 铲斗的结构选择.8 2.6 原始几何参数的初定.9 3 工作装置运动分析 11 3.1 动臂运动分析11 3.2 斗杆的运动分析12 3.3 铲斗的运动分析13 3.4 特殊工作位置计算18 4 工作装置的设计计算 21 4.1 斗形参数的确定21 4.2 动臂机构参数的确定21 4.2.1 与 a 点坐标的选取 21 4.2.2 l1 与 l2 的计算 .21 4.2.3 l41 与 l42 的计算 .22 4.2.4 l5 的计算 22 4.3 斗杆机构基本参数的确定23 4.4 铲斗机构基本参数的确定25 4.4.1 转角范围 25 4.4.2 铲斗机构其它基本参数的计算 25 5 三维实体设计.27 5.1 solidworks三维软件简介 .27 5.2 挖掘机实体建模27 5.2.1 绘制出零部件 .27 5.2.2 装配部件 28 5.4 分析运用solidworks软件得到的结果.29 结 论 .30 致 谢 .31 4 参考文献 32 山东交通学院毕业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1 选题的目的及意义 挖掘机械是一种集土方挖掘、装载、平整、拆除、抢险等作业的工程机械，广泛 应用于各类土石方工程施工、民用建筑、道路建设和市政工程场所，在工程机械中占 据着举足重要的地位。 据统计，世界范围内各种土方工程约有 6070%的土方工作由挖掘机械来完成的。 因此，在世界范围内，挖掘机也是产销量最大、应用最多的一类工程机械。尤其近年 来我国挖掘机械的产销量每年均有 1530%的爆炸式增长，2010 年更是达到了惊人的 74.5%的增长。可以说挖掘机械式工程机械行业中最重要的机种之一，工程机械之王， 甚至可以说得挖掘机械者得工程机械天下。 液压挖掘机与其他工程机械相比，具有更高作业效率、更加节能特点，其科技含 量和信息化程度高，是工程机械中技术难度大，具有标志性的重要产品之一，它的制 造技术水平和生产能力反映了国家的工程机械的整体水平，不夸张的说也反映了国家 的装备制造业水平。 液压挖掘机是结构复杂的终端机械产品，整机的零部件高达 2000 多种 3000 多件， 覆盖机械、液压传动、冶金、石油化工、电气等多行业。它的发展将全面带动相关产 业的快速发展，为国民经济增长起到相当重要的促进意义 中国挖掘机行业从形成、发展到壮大，成为世界工程机械大国，经历了短短的 40 余年，特别是改革开放 30 年来，发展尤为迅速，以液压挖掘机为例，1993 年我国液压 挖掘机总销量为 2349 台，17 年后的 2010 年我国液压挖掘机的总销量高达 165000 台， 17 年增长 60 倍，2010 年更是达到了同比增长 74.5%惊人速度。2010 年 12 月，国内主 要 23 家主要挖掘机制造公司实际累计销售挖掘机 13500 台，打破历年 12 月销售记录； 在过去的 2010 年，我国挖掘机行业延续了上年发展态势，在政府加大基建投资、推进 城镇化建设等多种政策叠加效应的作用拉动下，实际累计销售总量超过 165000 万台， 销量再创新高。 据中国挖掘机械网 cema 中国市场挖掘机实销量数计库统计，2010 年中国自主品牌 挖掘机实际累计销售挖掘机 47600 台，较去年同期大幅增长 92%，远高于行业平均增长 水平。自主品牌占当年挖掘机销售总量的 28.74%，比上年提高 2.72%。2010 销售最大 占第一位的是江苏省，其余依次是四川、安徽、山东、内蒙、排名与往年不大。再从 国内市场分十大用户行业来说，公路建设挖掘机需求量占全年销售量的 18.7%，矿山开 采占 18.4%，市政建设（包括房地产业）占 25.3%，这三大行业占了总需求量 60%以上， 未来这三大行业将继续发展，铁路建设、水利水电等行业将作为重点发展行业需求前 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 2 景看好。 从 2010 年开始，随着经济的逐步复苏，公路建设、房地产建设、铁路建设等领域 直接拉动了对挖掘机的需求。受国家推动的大规模基建计划和房地产行业投资景气的 影响，中国挖掘机市场将会有进一步的增长。未来挖掘机行业前景看好，中西部地区 和东北地区随着经济建设的加快和施工项目的增多，对挖掘机的需求量也将逐年增大。 在过去 10 年，伴随着中国经济长期持续的高速增长，中国市场对挖掘机的需求不 断攀升，成为当今全球最大的、赢利水平最好和竞争最激烈的市场之一。全球挖掘机 制造商的未来也因此与中国市场紧密的联系在一起。随着全球挖掘机市场新格局的形 成，可以预见的是，中国的挖掘机市场也逐渐成为一股影响全局的力量。 2010 年，挖掘机引领了工程机械行业“新潮流” ，在国内固定资产投资和房地产开 发较快增长的背景下，工程机械行业呈现高速增长态势，挖掘机表现尤为突出，业内 人士普遍对 2011 年的挖掘机增长前景看好。2011 年虽然房地产面临国家调控的压力， 但高铁、保障性住房、水利等领域的基础建设仍将给挖掘机带来较大的增长机会，国 产品牌的增速将明显高于行业平均水平。 中国工程机械行业必须具有长远眼光，在积极攻占内地市场同时，加快对海外工 程机械市场的进军步伐，加快节能减排步伐，在危机中不断寻找企业转型发展的新契 机。核心零部件受制于人始终是国产挖掘机的短板。液压泵、液压阀、马达、液压油 缸甚至发动机等主要零部件的供应常常控制在少数几家供应商手中，它们根据自己公 司的生产情况量产，并非随着制造商产量的增长扩大生产。关键零部件短缺，仍是国 内品牌的主机制造企业心中的“痛” 。所以，大投入和研发、攻国内外市场、核心技术 和关键零部件的科研上取得突破对国内挖掘机品牌来说其重要意义不言而喻，是我们 努力的方向和目标 1.2 挖掘机工作原理概述 液压挖掘机的工作装置是直接完成挖掘任务的装置，它由动臂、斗杆、铲斗等三 部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。回转 与行走装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置和传动系统。其工作过程是 由动臂的上升下降，斗杆的伸出和回收，铲斗的挖土和卸土，以及上部平台的 360回 转等动作组成。发动机是液压挖掘机的动力源，大多采用柴油要在方便的场地，也可 改用电动机。液压传动系统通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执 行元件，推动工作装置动作，从而完成挖掘机的挖掘、满斗举升回转、卸载、空斗返 回等各种工况动作。 山东交通学院毕业设计（论文） 3 1-斗杆油缸；2- 动臂； 3-油管； 4-动臂油缸； 5-铲斗； 6-斗齿； 7-侧板； 8-连杆； 9-摇杆； 10-铲斗油缸； 11-斗杆 图 1.1 工作装置组成图 fig.1.1 work device of operation 1.3 国内外研究现状 从 20 世纪后期开始，国际上挖掘机的研发向大型化、微型化、多功能化、专用化 和自动化的方向发展。1）多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。2）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。3）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。4）设计理论， 提高可靠性，延长使用寿命。5）对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。6） 步改进液压系统。7）拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。8）环境保护， cat、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。 早在 1958 年国内便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成 熟的产品。当时出于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量 远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。到了 80 年代末和 90 年 代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅速的提高，突出表现在追求 高效率(同一机重的挖掘机功率普遍提高，液压系统流量增大，作业循环时间减小，作 业效率大大提高)；高可靠性和追求司机操作的舒适性。 一些挖掘机专业生产厂为了生存和发展，利用自身的实力和丰富的挖掘机生产经 验，纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的新开发的产 品(也包括某些已生产多年的老产品)为了提高作业的可靠性，干脆采用了进口的液压 件和发动机，甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计，这种经过改型或新设 计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化国 外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 4 挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多 不足，其原因除了国内挖掘机加工水平落后之外，挖掘机设计水平与发达国家相比也 有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多的研究人员和单位 对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了其设计软件，他们的研究基本上 局限于解决某些问题，即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。关于工 作装置设计参数分析和在 cad 上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的 软件缺少通用性，不能使用于挖掘机工作装莺的一些通用问题的解决，对工程机械这 个行业不具有通用性。特别是国内，cad 在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然 也有部分企业用 cad 进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但 是远远不能达到设计需要，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。 经过近十年的研究，获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结果已进入实 际应用过程中。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于，为了使挖掘机设计人 员从繁忙的计算中解脱出来，现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，即大 多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限地进行的。在这样一种 情况下，开发一个专业化的工作装置的设计工具和软件显得非常必要。 目前，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，液压挖掘机技 术研发有以下的趋势： （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）液压系统不断改进，液压元件不断更新。 （6）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。 （7）增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。 （8）人机工程学在设计中的充分利用。 1.4 课题研究方法 本次毕业设计对日立 zx200 中型履带式液压挖掘机进行了现场测绘，取得了工作 装置、回转装置、行走装置以及挖掘机整体的大体数据资料。再结合网络资料以及与 挖掘机设计相关书籍，用力学知识对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 山东交通学院毕业设计（论文） 5 cad 软件进行了三维图和二维图的绘制。 1.5 论文构成及研究内容 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。具体内容包括以下四部分： （1）挖掘机工作装置的总体运动学分析。 （2）挖掘机的工作装置的运动学设计。 （3）工作装置的基本尺寸的计算和校验。 （4）挖掘机的三维图和二维图的绘制。 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 6 2 挖掘机工作装置设计 2.1 工作装置构成 1-斗杆油缸；2- 动臂； 3-油管； 4-动臂油缸； 5-铲斗； 6-斗齿； 7-侧板； 8-连杆； 9-摇杆； 10-铲斗油缸； 11-斗杆 图 2.1 工作装置组成图 fig.2.1 work device of operation 图 2.1 为所选的单斗液压挖掘机的反铲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、摇杆 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。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。上述过程仅为一 般的理想过程。 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，处理的 具体简图如 2.2 所示。进一步简化得图如 2.3 所示。 山东交通学院毕业设计（论文） 7 图 2.2 工作装置结构简图 fig.2.2 the equipment structure diagram 1-铲斗；2-连杆；3-斗杆；4-动臂；5-铲斗油缸；6-斗杆油缸 图 2.3 工作装置结构简化图 fig.2.3 the equipment structure simplified diagram 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 l1、斗杆油缸长度 l2、铲斗油缸长度 l3决定，当 l1、l2、l3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。 2.2 动臂及斗杆的结构形式的初选 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。缺 点是可更换工装少，通用性较差。使用经验说明，长期用于作业条件近似的反铲，以 采用整体臂较好。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。 2.3 动臂与动臂油缸的布置 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 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 8 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 2.4 所示。 fig.2.4 arm oil cylinder hinged schemes 2.4 铲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 2.5 所示。 1-斗杆； 2-连杆机构； 3-铲斗 图 2.5 铲斗连接布置示意图 fig.2.5 connect the bucket decorate schemes 2.5 铲斗的结构选择 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）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 1-动臂； 2-动臂油缸 图 2.4 动臂油缸铰接示意图 山东交通学院毕业设计（论文） 9 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 2.6 所示。 图 2.6 铲斗 fig. 2.6 bucket 2.6 原始几何参数的初定 （1）动臂与斗杆的长度比 k1由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，k1取在 1.52.0 之间，初步选取 k1=1.8，即 l1/l2=1.8。 动臂下铰点到动臂与连杆连接的铰点的距离 1 l 斗杆与动臂连接的铰点到斗杆与铲斗连接的铰点的距离 2 l （2）铲斗斗容与主参数的选择 斗容：q =0.9m3 按经验公式和比拟法初选：l3 =1550mm （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“要求以及初步估 取的液压缸受力。初选动臂油缸内径 d1=120mm，活塞杆的直径 d1=90mm。斗杆油缸 的内径 d2=120mm，活塞杆的直径 d2=90mm。铲斗油缸的内径 d3=90mm，活塞杆的直 径 d3=63mm。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程 l1=1375mm，斗杆油 缸行程 l2=1450mm，铲斗油缸行程 l3=1250mm。并按经验公式初选各油缸全伸长度与 全缩长度之比：1=2=3=1.6。 表 2.1 挖掘机参数 tab.2.1 excavator parameters 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 10 整机工作质量20000kg 标准斗容0.9m3 动臂长度5400mm 斗杆长度3000mm 最大挖掘半径r9885mm 最大挖掘深度 1max h 7150mm 最大挖掘高度 2max h 7260mm 行走速度5.3km/h 回转速度11rad/min 回转角度360 动臂转角40 斗杆转角160 铲斗转角160 爬坡能力35 山东交通学院毕业设计（论文） 11 3 工作装置运动分析 3.1 动臂运动分析 ：动臂油缸的最短长度；：动臂油缸的伸出的最大长度； min1 l max1 l 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 3.1 动臂摆角范围计算简图 fig.3.1 moving arm angular range calculation diagram 是的函数。动臂上任意一点在任一时刻也都是的函数。如图 3.1 所示，图 1 1 l 1 l 中：动臂油缸的最短长度；：动臂油缸的伸出的最大长度；：动臂油缸 min1 l max1 l min1 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 max1 点连线夹角的最大值。 则在abc 中： 157 2 5 2 7 2 1 cos2lllll (3-1) 1222 17517 5 cos() 2llll l 在bcf 中： 217 2 1 2 7 2 22 cos2lllll (3-2) 1222 271227 1 cos2llll l 由图 3.3 所示的几何关系，可得到的表达式： 21 (3-3) 112121 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 12 当 f 点在水平线 cu 之下时为负，否则为正。 21 f 点的坐标为 21130 cosllxf (3-4) 21130 cosllyf c 点的坐标为 511 cos ca xxl (3-5) 115sin lyy ac 动臂油缸的力臂 1 e (3-6) cablesin 51 显然，动臂油缸的最大作用力臂，又令,。这时： 5max1 le 15min ll 75 ll 1 2 5 2 5 2 71 llll (3-7) 1 1 cos 1 3.2 斗杆的运动分析 如下图 3.2 所示，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，e 点为斗杆油缸与斗杆的铰点。斗杆的位置参数是 l2，这里只讨论斗杆相对于动臂的运 动，即只考虑 l2的影响。 d-斗杆油缸与动臂的铰点点； f-动臂与斗杆的铰点； e-斗杆油缸与斗杆的铰点； 斗杆摆角。 图 3.2 斗杆机构摆角计算简图 fig.3.2 measures stem institutions put the angle calculation diagram 在def 中， 222 2898 92 2cosllll l (3-8) 1222 28928 9 cos () 2llll l 山东交通学院毕业设计（论文） 13 由上图的几何关系知 (3-9) 2max2max2min 则斗杆的作用力臂 (3-10) 29sin eldef 显然，斗杆的最大作用力臂,此时。 2max9 el 122 298289 cos (),lllll 3.3 铲斗的运动分析 铲斗相对于 xoy 坐标系的运动是 l1、l2、l3的函数，现讨论铲斗相对于斗杆的 运动，如图 3.5 所示，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 点为摇 杆与斗杆的铰点，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 和铲斗缸的当量作用力臂 3 e 利用图 3.3，可以知道求得以下的参数： 在mng 中 1222 221513315 13 cos () 2mngllll l 1222 30315133 15 cos () 2mgnllll l 322230 mngmngmgn (3-11) 在hnq 中： 222 27132113 2123 2cosllll l (3-12) 1222 21142721 14 cos () 2nhqllll l 在qhk 中 (3-13) 1222 2729272429 27 cos () 2qhkllll l 在khqn 中 (3-14) 282127 nhknhqqhn 铲斗油缸对 n 点的作用力臂 r1 (3-15) 11332 sinrl 连杆 hk 对 n 点的作用力臂 r2 (3-16) 213sin rlnhk 连杆 hk 对 q 点的作用力臂 r3 r3 = l24 铲斗对 q 点的作用力臂 r4 r4 = l3 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 14 连杆机构的总传动比 (3-17) 1324 () ()iiiii 显然 3-17 式中可知，i 是铲斗油缸长度 l2的函数，用代入可得初传动比， 2min l 0 i 代入可得终传动比 iz。 2max l (3-18) qv lie 3 显然 i 、和 都是 的一元函数。 3 e 1 r 2 r 3 r 3 l （2）铲斗相对于斗杆的摆角 3 铲斗的瞬时位置转角为 (3-19) 37242610 其中，在nfq 中 (3-20) 1222 721216 21 2 cos () 2nqfllll l 暂时未定，其在后面的设计中可以得到。 10 当铲斗油缸长度 l3分别取 l3max和 l3min时，可分别求得铲斗的最大和最小转角 和，于是得铲斗的瞬间转角: 3max 3min (3-21) 33max3min 铲斗的摆角范围 33max3min 图 3.3 铲斗连杆机 构传动比计 算简图 fig.3.3 loader transmissio n linkage mechanism calculation diagram （3）斗齿尖运动分析 见图 3.4 所示，斗齿尖 v 点的坐标值 xv和 yv，是 l1 、l2、l3的函数只要推导出 xv和 yv的函数表达式，即 = ( ), = ()。那么整机作业范围 v x x f 123 ,l l l v y y f 123 ,l l l 就可以确定，现推导如下: 山东交通学院毕业设计（论文） 15 由 f 点知： (3-23) 323462 cfq 在cdf 中：由后面的设计确定，在确定后则有：dcfdcf 3 dfc (3-24) 222 8616 1 2cosllll ldcf 222 6818 13 2cosllll l (3-25) 1222 38168 1 cos () 2llll l 在def 中 298 2 9 2 8 2 2 cos2lllll 图 3.4 齿尖坐标方程推导简图 fig.3.4 tooth is pointed coordinates equation diagram 则可以得斗杆瞬间转角 2 (3-26) 1222 28928 9 cos () 2llll l 、在设计中确定。 4 6 由cfn 知 (3-27) 32116 2 1 2 1628 cos2lllll 由cfq 知 (3-28) 3212 2 1 2 223 cos2lllll 由 q 点知 (3-29) 10243335 2cqv 在cfq 中 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 16 l12 = l232 + l32 - 2cos33l23l3 33 = cos-1（l232+l32- l12）/2l23l3 (3-30) 在nhq 中 242127 2 21 2 27 2 13 cos2lllll (3-31)2)( cos 2127 2 13 2 21 2 27 1 24 lllllnqh 在hkq 中 262427 2 24 2 27 2 29 cos2lllll (3-32)2)( cos 2427 2 29 2 24 2 27 1 26 lllllhkq 在 hnqk (3-33) 2624 nqv ，其在后面的设计中确定。kqv 10 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。 由前面的分析可知：动臂相对于水平面的瞬时转角 、斗杆相对于动臂的瞬时转 1 角 和铲斗相对于斗杆的瞬时转角与相应的油缸长度是一一对应的。因此，斗齿尖 2 3 坐标值也是 、及的函数。只要知道瞬时的一组,，相应的斗齿尖坐标就 1 2 3 1 2 3 确定了。这样斗齿尖的坐标系(如图 3.4)可表示如下： 112123 coscos()cos() vcffqqvc xlllx 112123 sinsin()sin() vcffqqvc yllly 对于反铲装置上的其它点的坐标可采用同样方法求出。v 点的 x 和 y 坐标表示 为 和，其它点的坐标表示方法与 v 点相同，而对各运动构件的重心坐标则用相 v x v y 应构件的重量代号作下标来替换。经分析可知：动臂上任意一点(除去 c 点)在任一时 刻的坐标值是 的函数；斗杆上任意一点(除去 f 点)在任一时刻的坐标值是和的 1 1 2 函数；铲斗和连杆机构(除去 q 点外)其它各点坐标值是 、和的函数，以后在使 1 2 3 用到这些点坐标时，就将其作为已知数据，不再作特别的介绍。 山东交通学院毕业设计（论文） 17 3.4 特殊工作位置计算 图 3.5 挖掘机作业范围 fig.3.5 excavator work range 表 3.1 挖掘机作业范围 tab.3.1 excavator work range 作 业 范 围 a 最大挖掘高度（mm） b 最大卸载高度（mm） c 最大挖掘深度（mm） d 最大垂直壁挖掘深度（mm） e 挖出 2400mm 水平面时的最大挖掘深度（mm） f 最大挖掘距离（mm） g 在地平面的最大挖掘距离（mm） h 最小回转半径（mm） i 最小回转半径时的最大高度（mm） （） 最大挖掘深度 1max h 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 18 nh-摇臂；hk-连杆；c-动臂下铰点；a -动臂油缸下铰点；b-动臂与动臂油缸铰点;f-动臂上铰点；d-斗杆油缸上铰 点;e-斗杆下铰点；g-铲斗油缸下铰点；q-铲斗下铰点;k-铲斗上铰点;v-铲斗斗齿尖 图 3.6 最大挖掘深度计算简图 fig.3.6 the biggest mining depth calculation diagram 如图 3.6 示，当动臂全缩时，f, q, v 三点共线且处于垂直位置时， 得最大挖掘深度为: 32minmax1 llyyh fv 32min211sin lllyc (3-34) 3211211 )sin(lllyc （） 最大卸载高度 h3max nh-摇臂；hk-连杆；c-动臂下铰点；a -动臂油缸下铰点;b-动臂与动臂油缸铰点;f-动臂上铰点；d-斗杆油缸上铰点； e-斗杆下铰点；g-铲斗油缸下铰点；q-铲斗下铰点；k-铲斗上铰点;v-铲斗斗齿尖 图 3.7 最大卸载高度计算简图 fig.3.7 the biggest uninstall height computation diagram 如图 3.7 所示，当斗杆油缸全缩，动臂油缸全伸时，qv 连线处于垂直状态时，得 最大卸载高度为: qmax yh max33112132211211 )sin()sin(llly maxmaxmaxc 山东交通学院毕业设计（论文） 19 (3-35) （） 水平面最大挖掘半径 max1 r nh-摇臂；hk-连杆；c-动臂下铰点；a -动臂油缸下铰点；b-动臂与动臂油缸铰点;f-动臂上铰点；d-斗杆油缸上铰 点；e-斗杆下铰点;g-铲斗油缸下铰点;q-铲斗下铰点；k-铲斗上铰点;v-铲斗斗齿尖 图 3.8 停机面最大挖掘半径计算简图 fig.3.8 stop face biggest mining radius calculation diagram 如图 3.8 所示，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 yc= yv，得到最大挖掘半径为: max1 r (3-36) 40max1 lxr c 式中： (3-37) max32132 2 32140 cos)(2)(lllllll （） 最大挖掘半径 r 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： 。mml9800 40 （） 最大挖掘高度 h2max 最大挖掘高度工况是最大卸载高度工况中铲斗绕 q 点旋转直到铲斗油缸全缩而形 成的。具体分析方法和最大卸载高度工况的分析类似。 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 20 4 工作装置的设计计算 4.1 斗形参数的确定 斗容量 q ： q = 0.9 m3； 平均斗宽 b：其可以由经验公式和差分法选择； 当 q = 1.0 m3时， b = 1.16m； 当 q = 0.6 m3时， b = 0.91m； 则当 q = 0.9m3时，b = 0.91+（1.16-0.91）0.30.4= 1.112m； 再参考其它机型的平均斗宽预初定 b =1.04m=1040mm； 挖掘半径 r：按经验统计和参考同斗容的其它型号的机械，初选 r =1450mm 。 转斗挖掘满转角（2）：在经验公式 q = 0.5 r2b（2-sin2）ks中，ks为土壤 的松散系数，取值为 1.25，将 q = 0.9 m3和 b = 1.04m 代入上式有： 2-sin2 = 0.66 = 95/2 = 47.5 铲斗两个铰点 k、q 之间的间距 l24和 l3的比值 k2的选取：太大将影响机构的传 24 l 动特性，太小则影响铲斗的结构刚度，初选特性参数 k2 = 0.29。由于铲斗的转角较大， 而 k2的取值较小，故初选 10 =kqv=110。 4.2 动臂机构参数的确定 我们根据在第 2 章中的图 2.2，即工作装置结构简图来计算出动臂、斗杆、连杆及 铲斗的基本参数。 4.2.1 与 a 点坐标的选取 初选动臂转折处轴线夹角 = 120 1 由经验统计和参考其它同斗容机型，初选特性参数 k3 = 1.4 （k3 = ）铰点 a 4142 ll 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： xa = 430 mm ya = 1200mm 4.2.2 l1 与 l2 的计算 由统计分析，最大挖掘半径 r1值与 l1+l2+l3的值很接近，由已给定的最大挖掘距 离 r1、已初步选定的 l3和 k1，结合经验公式有： l2 =mmlr3000)8 . 11 ()15509885()8 . 11 ()( 3 山东交通学院毕业设计（论文） 21 则： mmlkl540030008 . 1 211 4.2.3 l41 与 l42 的计算 如图 2.2 所示，在czf 中 2 411331 12cosllkk 2 54001 1.42 1.4 cos120 2585mm l42 = k3l41 = 1.42585 = 3620mm 39= zfc = 5 . 242cos 142 2 41 2 1 2 42 1 lllll 4.2.4 l5 的计算 由经验和反铲工作装置对闭锁力的要求初取 k4 = 0.4。 的取值对特性参使 k4减少或使 h1max 增大，这符合反铲作业的要求，初选= 11 11 62.5 。 斗杆油缸全缩时，cfq =最大，依经验统计和便于计算，初选： 328 ，160 max832 cfn 32 qfn 8 由于采用双动臂油缸，bcz 的取值较小，初取bcz = 5 如上图 2.2 在czf 中 5 . 35 5 . 24120180 391 zcf 2 35.5530.5bcfzcfzvb 由 3-34 和 3-35 有 311max1322112max11max3 sinsinlllyh c (4-1) 311max1322112max11115 sinsinsinllllya 32112min11max1 sinlllyh c (4-2) 115min1112132 sinsinlylll a 由 4-1、4-2 式有： (4-3) 22min1111 28113212112max11max3max1 sin sinsin ll llhh manman 令 93 5 . 625 .30 112 a 6716093 832nax ab 将 a、b 的值代入 4-3 式中有 谷守领：20 吨履带式单斗液压挖掘机工作装置三维设计 22 (4-4)0167sin93sin93sin max12min1max11max3max1 llhh 又特性参数 41max11min sinsink 则有 41max1min1 sinsink (4-5) 65 . 0 sin max1 (4-6) 2 1min1min cos1 sin 2 1max 1 (sin0.65) 将 4-5、4-6 代入到 4-4 式中 (4-7)067sin93sin93sin540066306485 max12min1max1 l 解之： 1 . 46 152 min1 max1 由 4-2 式有 115min1112132max1 sinsinlylllh a 11max12min1111325 sinsinhyllll a 5 .62sin663012004693sin540030001550 mm750 而 1min与 1max需要满足