766挖掘装载机挖掘端工作装置的设计_本科生毕业设计.pdf

本科生毕业设计本科生毕业设计 中文题目中文题目 766 挖掘装载机挖掘端工作装置设计 英英文题目文题目 the design of 766 loader-diggers dig-device 学生姓名学生姓名 班级班级 机械一班 学号学号 41090103 学学 院院 机械科学与工程学院 专专 业业 机械工程及自动化 指导教师指导教师 刘昕晖 职称职称 教授 目录目录 摘 要 i abstract . ii 第 1 章 挖掘装载机概述 . 1 1.1 挖掘装载机简述 1 1.1.1 挖掘装载机定义 . 1 1.1.2 挖掘装载机构成 . 1 1.2 挖掘装载机现状及未来发展 2 1.2.1 挖掘装载机现状 . 2 1.2.2 挖掘装载机未来发展趋势 . 2 第 2 章 挖掘装载机挖掘端工作装置结构设计 . 3 2.1 挖掘工作装置结构形式确定 3 2.1.1 挖掘工作装置构成 . 3 2.1.2 确定 766 挖掘装载机工作装置结构形式 . 7 2.2 766 挖掘装载机挖掘端工作装置铰接点几何设计 . 8 2.2.1 766 挖掘装载机挖掘端工作参数的确定 . 8 2.2.2 766 挖掘装载机挖掘端铰接点位置及各部件尺寸的确定 10 2.3 766 挖掘装载机挖掘包络图的绘制 20 第 3 章 挖掘装载机挖掘端工作装置受力分析 23 3.1 工作液压缸理论挖掘力 . 23 3.1.1 动臂液压缸理论挖掘力 23 3.1.2 斗杆液压缸理论挖掘力 23 3.1.3 铲斗液压缸理论挖掘力 23 3.2 工作装置铰点受力分析 . 25 第 4 章 766 挖掘装载机挖掘端工作装置静强度分析 27 4.1 静强度分析的方法及其判定依据 . 27 4.1.1 静强度分析方法概述 27 4.1.2 静强度分析判定依据 27 4.2 动臂静强度分析 . 28 4.3 斗杆静强度分析 . 30 4.4 铲斗静强度分析 . 31 4.5 工作装置静强度结果分析 . 32 结论 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 附录一 766 挖掘装载机挖掘端工作装置 catia 模型图 37 附录二 766 挖掘装载机挖掘端工作装置 cad 图纸 39 附录三 毕业设计任务书 40 摘摘 要要 挖掘装载机俗称“两头忙” ，是目前应用比较广泛的工程机械。在此次毕业 设计中，主要针对 766 挖掘装载机挖掘端工作装置的结构进行设计，考虑到整机 性能，综合分析挖掘端的工作范围、挖掘力、作业功率消耗等参数，最终确定挖 掘装载机挖掘端工作装置的结构及其相应尺寸。在本次设计中，在参考已有挖掘 机挖掘端结构形式的基础上， 主要借鉴了柳工 766 挖掘装载机的工作装置结构和 它的作业尺寸，题目的设计方向也大体与此机的构成相仿。由于挖掘端工作装置 是多个结构协调动作，不能孤立的求解任意一个部分的尺寸，因此本次设计采用 了与软件计算相结合的分析方法，通过 catia 建模，应用结构有限元分析模块求 解各结构件受力状态，同时从实体模型中也可以看到机构运动的干涉情况，并且 可以很方便地求出挖掘端的作业尺寸，观察挖掘工作装置在任意位置时的状态。 最后在分析所有的限制因素之后，给出最佳结构形式和尺寸，求出所设计的工作 装置作业范围，绘制挖掘端的装配图和零件图。 关键词 ： 挖掘装载机 挖掘工作装置 catia 有限元 i abstract loader-digger has a universal definition-busying in two directions. its a kind of construction machinery which is used in wide field. in this graduation project, we mainly design the structure of digging device of 766 loader-digger. take the performance of the whole machine into account, comprehensively analyzing digging scope digging force and working power, at last, obtaining digging devices structural form and size. in this designing, on the basis of some existing excavators form and size, we mainly consult 766 loader-digger, including of its constitute and working dimensions. the general direction of this subject is similar to it. because of digging devices coordinated actions of multiple structures, we cannot isolate design any section. as a result, we take the measure of linking engineering computer software technology, according to build model in catia, calculating every parts stress in finite element of catia. at the same time, we can seek out the interference of digging device in entity model, calculate its working scope easily and observe its condition in any posture. finally, after analysis all the restrict factor, assigning the best structural style and size, calculating its working scope, drawing its assembling drawing and part drawing. keywords : loader-digger digging device catia finite element ii 第第 1 1 章章 挖掘装载机概述挖掘装载机概述 1.11.1 挖掘装载机简述挖掘装载机简述 1.1.1 1.1.1 挖掘装载机定义挖掘装载机定义 挖掘装载机俗称 “两头忙” ， 可以同时进行挖掘和铲运任务。 根据gb10186-88， 挖掘装载机定义为：一种机体后部有反铲装置，机体前部部有装载装置的自行式 机械。反铲装置主要实现地面以下的挖掘动作，并能实现物料的铲运与移动；装 载装置主要实现地面以上物体的装卸工作，并能完成提举、运料、卸料。 1.1.2 1.1.2 挖掘装载机构成挖掘装载机构成 挖掘装载机主要由挖掘装置、半回转装置、装载装置、动力总成、驾驶室、 支架、行走机构、液压系统等构成。挖掘装置主要实现地面以下挖掘作业，由动 臂、斗杆、铲斗、连杆、摇臂、液压系统等构成；装在装置主要实现地面以上物 料装卸、转运的功能，由铲斗、拉杆、摇臂、动臂、机架、液压装置构成；动力 总成实现整机的运动并为工作装置提供动力；行走机构实现整机的移动，完成物 料输运和转移。图 1.1 为挖掘装载机的主要构成。 图 1.1 挖掘装载机结构 1 1.21.2 挖掘装载机现状及未来发展挖掘装载机现状及未来发展 1.2.1 挖掘装载机现状挖掘装载机现状 世界上第一台挖掘装载机于 1957 年但属于美国凯斯公司，由于当时它具备 机动性能好、结构紧凑、作业所需空间小、功能齐全及性价比高等特点，迅速被 人们所接受并占有大部分市场。30 年之后，出现了以凯斯、jcb 为代表的多家挖 掘装载机研发和生产基地，生产出了多种系列和型号的挖掘装载机。我国挖掘装 载机起步较晚，20 世纪 70 年代首先由北京建筑机械厂研制成功 wz2a 和 wz2b 型 液压挖掘装载机4。目前我国有山工、辽宁朝阳、柳工、厦工等十几家挖掘装 载机生产企业。年生产能力 500 台左右，也生产出了不同型号和系列的产品，但 是挖掘装载机的种类较少，型号短缺，发展较为落后。现在国内的挖掘装载机发 展缓慢，研究能力不足，自主研发机型很少，制造和销售水平有限，且核心部件 的生产不得不依赖进口，现阶段以其代替挖掘机和装载机还很难。 我国国内挖掘装载机的总体性能与国外还有一定的差距。 国外已经有高速多 功能挖掘装载机， 具有很高的驾驶稳定性， 加强了远距离作业和抢修抢建的功能。 国内贵州詹阳公司与外企合作的高速挖掘装载机最高时速可以达到 100km/h，并 且有很好的稳定性和舒适性，但是国内却没有知识产权，价格很高。国内虽然也 有类似的产品，但在机动性、操纵性等方面存在很大差距。 1.2.2 挖掘装载机未来发展趋势挖掘装载机未来发展趋势 随着工程机械的不断发展，挖掘装载机越来越朝着更新的技术方面演化。现 在许多研究中心开始在挖掘装载机中增加无线遥控和无人驾驶技术。 由于在许多 场合，例如核污染区、地质塌方地区进行作业，如果是人来操控会有很大危险， 通过无人驾驶及无线操控技术可以大大提高安全性。 其次是提高行驶速度以及高 速驾驶稳定性，这在远距离作业方面用处很大。对于一般的挖掘装载机，通产采 用其它运输工具进行整机作业地点转移，这在民用方面很不合算，因此提高挖掘 机自身机动性能是很有必要的。在环境污染极其严重的现代社会，环境友好型机 械产品备受青睐，现在挖掘装载机正朝着绿色设计方向发展，并着重于整机的造 型设计，提高驾驶员的舒适性。 2 第第 2 2 章章 挖掘装载机挖掘端工作装置结构设计挖掘装载机挖掘端工作装置结构设计 2.12.1 挖掘工作装置结构形式确定挖掘工作装置结构形式确定 2.1.1 挖掘工作装置构成挖掘工作装置构成 挖掘机的工作装置通常有正铲、反铲、抓斗、起重、装载、平整、夹钳等多 种作业机具。从结构和功能来看，现代液压挖掘机的工作装置结构及受力更加合 理动作灵活性明显提高。对于挖掘机，常用的即为反铲工作装置，以下简单介绍 反铲工作装置的构成及原理。 反铲工作装置总体来看属于平面连杆机构，各部件之间采用铰接方式（如图 1.1 所示） ，在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等 动作。在这种结构中，动臂液压缸可以置于动臂之下，也可以采用悬挂式反铲工 作装置，此时动臂油缸位于工作装置之上，这种结构形式多用于小型挖掘机上， 提升力矩较小，但结构简单，且由于提升时动臂油缸小腔进油，可以加快提升速 度。挖掘装载机大都是小型的工作机，具有较小的挖掘力和挖掘工作范围，因此 大部分挖掘装载机都采用悬挂式动臂。 下图 2.1 是 766 挖掘装载机挖掘工作装置 的结构图。主要由动臂、斗杆、铲斗、回转支座、油缸、连杆、摇臂等构成。 图 2.1 766 挖掘装载机挖掘端工作装置结构图 2.1.1.1 动臂结构形式 动臂是反铲工作装置的主要部件之一，按其数量特征分，有整体式和组合式 两种，啊其外形特征分有直动臂和弯动臂之分。 整体式动臂的优点是结构简单，质量轻而刚度大，缺点是可要更换的工作装 置少、 通用性差， 多用于长期作业条件相似的挖掘机。 直动臂结构简单、 重量轻、 便于制造， 但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度， 主要用于悬挂式液压挖掘机， 不适用于通用挖掘机。弯动臂是目前应用比较广泛的结构形式，与同长度的直动 臂相比可以使挖掘机有较大的挖掘深度。但降低了卸料高度，这比较符合反铲挖 掘机的要求。组合式动臂可以使同一台挖掘机适应不同的作业范围和尺寸要求， 3 能够改变工作装置的尺寸，但结构较为复杂。组合式动臂可以采用辅助连杆或辅 助油缸来实现动臂长度及弯角的调节，由于增加了调节部分，降低了动臂的刚度 和稳定性。 在 766 挖掘装载机中， 由于挖掘工作装置作业范围较小， 挖掘力不大， 为了简化设计，采用整体式直动臂的焊接结构，如图 2.2 所示。 图 2.2 766 挖掘装载机动臂 766 挖掘装载机动臂采用整体式钢板焊接而成的直动臂，在与斗杆铰接点采 用加强钢板提高其强度，在动臂与机身铰接处采用钢制套筒焊接而成，在保证强 度的前提下，简化了焊接结构。 2.1.1.2 动臂油缸的布置 动臂液压缸连接着机身（回转装置）和动臂，是举升整个工作装置及物料的 动力元件， 在挖掘过程中它还必须有足够的闭锁力以保证挖掘力的正常发挥和挖 掘过程的顺利进行，由于这些原因，其承受的载荷很大，并且会通过与机身（回 转装置）的铰接点传至车架，因此，动臂及动臂油缸铰接点布置对作业性能和整 机的受力起着十分重要的作用。按照工作要求和结构条件，对动臂油缸的布置一 般有下置式和上置式两种方案。 下置式动臂油缸一般应用于挖掘力较大，卸料高度较高的场合，动臂油缸下 铰点位于机身靠前部位，一般位于动臂与机身铰接点之前。上置式动臂油缸动臂 液压缸位于动臂的后上方，通常称为悬挂式方案。该方案的主要优点在于提升工 作装置是动臂油缸小腔进油，提升速度快，其次是可以使动臂具有较大的下降幅 度。 挖掘作业时， 动臂一般处于受压状态， 闭锁能力较强， 有利于挖掘力的发挥。 但由于提升时小腔进油，提升力矩受到一定影响，但一般尚够。该结构的另一问 题是在进行地面以下挖掘作业时，由于动臂液压油缸处于伸长和受压状态，带来 了细长杆的受压试问问题，因此中大型挖掘机一般不采用此方案，而多用于小型 挖掘上，如挖掘装载机的挖掘端工作装置中。 766 挖掘装载机采用悬挂式动臂油缸布置方案（如图 2.2 所示） ，通过以上 分析可知，此种方案可以增大挖掘深度，提高举升速度，结构更加紧凑，比较适 合小型挖掘机，如本次设计的 766 挖掘装载机。 2.1.1.3 斗杆的结构形式 4 根据的现有的资料及机型来看， 反铲挖掘机斗杆一般为左右对称、 宽度相等、 值得整体式封闭箱型焊接结构件。采用直的形式结构简单，同时也可达到较大的 挖掘范围。 斗杆也可以采用组合式， 一种是在原有基础上加长斗杆来改变其长度， 一种可以通过改变螺栓连接方式来实现变换。组合式斗杆有较大的工作范围，但 组合式斗杆强度较低。在 766 挖掘装载机中，可以采用整体式箱型斗杆，结构简 单，且可以达到要求工作范围。下图为 766 挖掘装载机工作装置结构图。 图 2.3 766 挖掘装载机斗杆结构图 如图2.3所示为766挖掘装载机斗杆结构图， 采用钢板焊接而成的整体斗杆。 1、4 铰接点采用翼板与斗杆上侧板焊接为一体连接，3、8 铰接点采用隔套与斗 杆各板焊接成一个整体，在箱型内部焊有垂直于轴线的肋板，提高斗杆的抗弯和 抗扭强度。 2.1.1.4 动臂与斗杆的连接方式 如前所述，动臂与斗杆的连 接方式为铰接，但从具体结构上 来说，有斗杆夹动臂与动臂夹斗 杆之分。考虑到动臂一般相对不 变，斗杆可根据作业要求进行更 换，因此，通常采用动臂夹斗杆 的方案（如图 2.4） 。在这种方案 中，动臂的前端为开叉形的（如 图 2.2） 。 图 2.4 766 挖掘装载机动臂与斗杆的连接 2.1.1.5 反铲铲斗连杆机构 铲斗油缸的作用力或直接作用在铲斗上，或通过铲斗连杆机构传至铲斗。从 现有机型来看，大多数反铲挖掘机的铲斗油缸不直接与铲斗相连，而是通过中间 不见（摇臂和连杆）与铲斗相连。根据有无中间部件及中间部件的结构形式，一 般将铲斗连杆机构分为四连杆机构和六连杆机构。 铲斗油缸与铲斗直接铰接，铲斗油缸、铲斗、斗杆构成四连杆机构（铲斗油 缸为两个部件） 。这种方案铲斗结构简单，但铲斗转角范围小，工作力矩变化较 5 大。图 2.1 为铲斗油缸通过摇臂 7 和连杆 8 与铲斗相连，它们与斗杆一起构成六 连杆机构。在此机构中，铲斗油缸与摇臂的交接中心及摇臂与连杆的铰接中心共 线，此结构也被称为六连杆共点机构。当以上两点不重合时，即六连杆非共点机 构。比较而言，非共点与共点机构无本质区别，但在其他相同的情况下，铲斗向 顺时针方向转动了一个角度。 如铲斗转角一定则铲斗油缸的最大长度可适当减小， 但这种方案会影响铲斗的开挖角，该方案目前较少见。总的来说，采用铲斗油缸 与铲斗直接相连的四连杆机构，结构简单，但铲斗的转角范围较小，工作力矩变 化较大。采用六连杆共点机构，较四连杆复杂，但铲斗的转角范围易于保证，工 作力矩变化平稳。采用六连杆非共点机构，结构较为复杂，当铲斗油缸的力臂较 小时（与连杆的力臂相比）可获得较大的铲斗极限摆角，但会降低发挥在斗齿尖 上的挖掘力，反之，则虽然可增大挖掘力，但同时也会增加铲斗油缸的行程。因 此，通过理论分析与长期的实践，经过权衡比较，目前大多数挖掘机上采用的是 六连杆共点机构。 766 挖掘机铲斗连杆机构采用六连杆共点机构，通过以上分析，可以发现它 的优点，更加适合小型挖掘机较大工作范围的场合。 图 2.6 766 挖掘装载机铲斗连杆机构 2.1.1.6 反铲铲斗的结构形式 由于物料的复杂性，同一种铲斗很难适应不同的物料，因而，反铲铲斗的结 构形式和尺寸与其作业对象有很大的关系，对作业效果影响很大。所以，为了满 足不同的作业需要，在同一台挖掘机上往往配以多种结构形式的铲斗。图 2.7 为 反铲常用铲斗结构形式，各部件名称如图中标示。其结构特点如下： 铲斗整体一般为纵向对称结构，可分为 5 部分，即斗腔、斗刃、斗齿、支座 和加强部分， 整体为焊接结构。 其中斗腔为装土的容器， 主要由斗底和侧壁组成。 为了便于切削物料和物料的顺利进入及卸出， 斗底做成流线型， 斗口略宽于斗底， 斗的前部略宽于后部。斗刃部分为平面，稍后的斗底部分为与斗刃相切的圆弧斗 6 底。斗底一般由平面和半径逐渐过渡且相切的两段或更多的圆弧或曲面组成。斗 侧壁为平面结构，当挖沟或要求导向性能较好时，需要在斗侧壁接近于斗前端上 部装上侧齿，但这会增加挖掘阻力， 因此，除非必要，一般情况下不应装 设侧齿。在斗侧壁边缘，其作用不仅 在于保证铲斗的轻度和耐磨性，同时 还要保证铲斗的刚度，以减小作业过 程中的变形。斗刃有高强度耐磨材料 做成，在其前端一般焊有齿座。齿座 为开叉形结构，叉口处与斗刃用焊接 方式连接，它与斗齿一般用橡胶卡销 或螺栓连接。在铲斗的后部焊有左、 右对称的两个耳板，其上的铰接孔用 来与斗杆和连杆相连。为了保证耳板 的强度和刚度以及颤抖的抗扭能力， 在斗后部及耳板的中间和两侧焊有横 梁。除此之外，为了进一步保证铲斗 的强度、刚度及耐磨性，在铲斗的斗 底一般焊有加强筋。 图 2.7 反铲常用铲斗结构形式 2.1.2 2.1.2 确定确定 766766 挖掘装载机工作装置结构形式挖掘装载机工作装置结构形式 由以上分析可以得到 766 挖掘装载机挖掘端的基本结构形式为：半回转工作 装置，悬挂式动臂结构，整体式焊接动臂，斗杆液压缸上置，整体式焊接箱型斗 杆，标准铲斗，铲斗六连杆共点机构。通过与已有 766 挖掘装载机挖掘端结构形 式的对比可以发现本次设计所采用的挖掘端工作装置结构基本与之相同。 7 2.2 2.2 766766 挖掘装载机挖掘端工作装置铰接点几何设计挖掘装载机挖掘端工作装置铰接点几何设计 如图 2.8 所示，在铰接点设计之前，为了方便计算和讨论分析，首先对各部 件铰接点的符号约定如下： a 点动臂液压缸与机身的铰接点 b 点动臂液压缸与动臂的铰接点 c 点动臂与机身的铰接点 d 点斗杆液压缸与动臂的铰接点 e 点斗杆液压缸与斗杆的铰接点 f 点动臂与斗杆的铰接点 g 点铲斗液压缸与斗杆的铰接点 m 点铲斗液压缸与摇臂的铰接点 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 a动臂与机身铰接点距离地面的距离 l1、l2、l3动臂、斗杆、铲斗的长度 1、2、3动臂相对于地面、 斗杆相对于动臂、 铲斗相对于斗杆的转角， 均以逆时针为正，顺时针为负 图 2.8 工作装置铰接点符号约定与坐标系示意图 2.2.1 7662.2.1 766 挖掘装载机挖掘端工作参数的确定挖掘装载机挖掘端工作参数的确定 1 2 3 8 根据国际标准和国家标准以及行业标准，反铲单斗液压挖掘机的主要集合作 业参数通常有以下几个： （1） 最大挖掘深度h1 (maximum digging depth) （2） 最大挖掘高度h2 (maximum height of cutting edge) （3） 最大挖掘半径r1 (maximum reach) （4） 最大卸载高度h3 (maximum dumping height) 图 2.9 反铲挖掘主要几何作业尺寸 2.2.1.1 最大挖掘深度h1 反铲最大挖掘深度h1是指悬挂式动臂油缸全伸即动臂最低，f、q、v 三点一 线并垂直于基准地平面时，斗齿尖距基准地面的垂直距离，如图 2.9 所示。 按照图 2.9 所示几何关系、结合图 2.8，反铲最大挖掘深度h1按下式计算： h1=a+b+l1sin1min-l2-l3 （2-1） 2.2.1.2 最大挖掘高度h2 9 反铲最大挖掘高度h2是指悬挂式动臂油缸全缩即动臂仰角最大、斗杆油缸全 以及铲斗油缸全缩时斗齿尖距基准地平面的垂直距离，如图 2.9 所示。 按照图 2.9 所示几何关系、结合图 2.8，反铲最大挖掘高度h2按下式计算： h2=a+b+l1sin1max+l2sin(1max+ 2max)+ l3sin(1max+ 2max+ 3max) (2-2) 2.2.1.3 最大挖掘半径r1 反铲最大挖掘半径r1是指斗杆油缸全缩，c、q 距离最大且 c、q、v 三点一线 并平行于基准地平面时斗齿尖距动臂支点的最大距离，如图 2.9 所示。此时，动 臂油缸和铲斗油缸的长度不在极限长度上。 按照图 2.9 所示几何关系、结合图 2.8，反铲最大挖掘高度r1按下式计算： r1=l12+ l22 2l1l2cos( + 2max)+l3 (2-3) 2.2.1.4 最大卸载高度h3 最大卸载高度h3是指在 z 坐标轴方向上，铲斗铰轴处于最高位置时，铲斗可 达到的最低点置水平地面之间的距离。 当悬挂式动臂油缸全缩， 即动臂仰角最大、 斗杆油缸全缩以及铲斗上 q、v 连线垂直于基准地平面时，斗齿尖距停机面的垂 直距离即为最大卸载高度，如图 2.9 所示。 按照图 2.9 所示几何关系、结合图 2.8，反铲最大挖掘高度r1按下式计算： h3=a+b+l1sin1max+l2sin(1max+ 2max)-l3 （2-4） 通过查询 766 挖掘装载机技术手册，获得 766 挖掘装载机的主要技术参数如 下： 表 2.1 766 挖掘装载机挖掘端工作参数 挖掘深度 挖掘半径 卸载高度 挖掘高度 挖掘装置回转角度 4330mm 5350mm 2691mm 5200mm 90 整机参数如下： 表 2.2 766 挖掘装载机整机参数 整机重量 整机长度 整机宽度 整机高度 最大牵引力 额定功率 8000300kg 711850mm 228050mm 351850mm 61.6kn 70kw 2.2.2 2.2.2 766766 挖掘装载机挖掘端铰接点位置及各部件尺寸的确定挖掘装载机挖掘端铰接点位置及各部件尺寸的确定 2.2.2.1 铲斗结构参数的设计 10 不同级别和特性的土壤要求不同结构形式的配套铲斗，这样有利于充分发挥 挖掘机的能力并提高作业效率。现行的挖掘机大多配置了多种挖掘铲斗，当工作 尺寸较小或土质较软时采用大容量铲斗，而当工作尺寸较大或土质较硬时则采用 小容量铲斗。在某些情况下如土壤黏性较大时，铲斗很难完全卸料，这时需要采 用具有强制卸土功能的铲斗。 图 2.10 铲斗主参数 如图 2.10 所示，铲斗的主要结构参数有斗容量 q、铲斗挖掘半径l3和平均斗 宽 b，他们都与铲斗挖掘装满转角 2max之间存在如下数学关系： q=0.5l32b(2max-sin2max)ks (2-5) 式中，ks为松散系数，与土的类别及其状态有关。参考文献6，对级土，其 范围在 1.241.3 之间，初选取值为 1.28。式 2-5 中，挖掘装满转角2max是指 铲斗从开始接触土壤到挖掘结束并脱离土壤的转角， 。试验和统计结果显示，该 值一般在 90110之间，在此取值为 100。为了满足开挖、卸载及运输的 要求，铲斗的总转角一般要达到 180左右。 根据 766 挖掘装载机的作业参数和工作要求，选定铲斗容量 q 为 0.3m3计算 挖掘端的机构及尺寸。 在初选了铲斗容量 q、铲斗挖掘装满转角2max及物料松散系数ks的情况下， 可以通过式（2-5）分析转斗挖掘半径l3和斗宽 b 的关系。有文献2，取铲斗切 削后角为 30，斗口斗底的倾角为 3，取铲斗挖掘半径l3及斗宽 b 之间的关 系为： l3/b=11.2 （2-6） 已知铲斗斗容取 0.3m3， 根据下图 2.11 计算铲斗的挖掘半径l3、 斗宽 b 及其他结 11 构参数过程如下： 由式 2-5 及其它已知参数可知 l3=（1.31.6）q 3 m （2-7） b= (11.5) q 3 m （2-8） 根据经验值取l3=1.0m b=0.8m 如图 2.11 所示，铲斗侧面积 s 为： 3 2 1 r 23 3 r 2 + 3r + 23 3 r1 r 23 3 r + 3 6 r2+ 5 12 r2= s （2-9） 计算得，r=0.45m 图 2.11 铲斗参数计算简图 在已知铲斗以上参数的基础上，接下来就可以确定铲斗的一些其它结构尺寸 参数，如铲斗上两铰接点的距离 lkq,kqv以及斗底几何形状、斗齿形状、斗齿 的排列方式等。 对于lkq， 参考文献2， 其取值范围一般为lkq= （0.30.38） l3， 在此取 0.35， 则lkq=0.35l3=0.35m。该值小时有利于扩大铲斗的转角范围，但增大了该处的受 力， 但对铲斗的结构强度不利； 反之， 则影响铲斗的转角范围和铲斗的传动特性。 该值的选择原则是要在满足挖掘力要求的情况下，使铲斗有足够大的转角范围， 同时还应保证铲斗的结构强度和刚度，并避免铲斗连杆机构的干涉。 对于kqv，则涉及铲斗的具体结构情况，一般在 95105范围选取。过 小的值不利于物料在铲斗内的流动；反之，则不利于铲斗挖掘力的正常发挥，并 使斗容量过大。此参数的选择在其它结构参数选定后选取。 2.2.2.2 反铲动臂机构的设计 动臂机构的参数设计涉及以下三类问题： （1） 动臂的结构形状及动臂机构上 3 个铰接点位置的布置问题 （2） 主要作业尺寸如最大挖掘高度、最大挖掘深度、最大挖掘半径等 （3） 动臂油缸的举升能力及挖掘作业时的闭锁能力 反铲动臂机构设计的主要内容如下： （1） 确定动臂油缸的结构参数包括伸缩比1、动臂油缸缸径d1、活塞杆直 12 径d1以及动臂油缸的最短长度l1min和行程l1 （2） 确定动臂的结构形式，包括动臂长度等。 （3） 确定动臂油缸与动臂的铰接点 b 在动臂上的位置 （4） 计算动臂的摆角范围及动臂油缸的作用力臂和作用力矩 （5） 确定动臂的具体结构参数 图 2.12 动臂机构参数及铰接点位置示意图 参考同类机型，确定挖掘端工作装置动臂与机身铰接点 c 距水平地面的距离 为 0.5m，取定 ac 与水平面的夹角为 80，铰接点 b、c 之间距离l7为 1600mm， 铰接点 a 距水平地面的距离为 0.9m，由此求得lac为 0.41m。根据同类机型及设计 手册，初选动臂油缸的伸缩比1=1.6、动臂油缸数目n1=1、缸径d1=160mm、活塞 杆直径d1=90mm，动臂油缸最短长度l1min和行程l1由计算初选。 有文献1，动臂与斗杆的长度比k1=1.11.3，在此取值为k1=1.2 。然后 根据最大挖掘半径r1近似确定动臂及斗杆的长度，具体过程如下： 图 2.13 动臂斗杆长度计算简图 初步选取动臂与斗杆的最大夹角为2max=165，如图 2.13 所示，计算挖掘 13 半径r1， r1=l12+ l22 2l1l2cos2max+l3 (2-10) 计算得，l1=2.4m，l2=2m 。 结合图 2.8、2.9、2.12，根据最大挖掘深度计算动臂最低俯角位置时动臂液 压缸的最大长度l1max=1.96m 。 结合图 2.8、2.9、2.12，根据最大挖掘高度计算动臂最高仰角位置时动臂液 压缸的最小长度l1min=1.2m。 根据动臂液压缸的计算长度得到动臂液压缸参数为： 表 2.3 动臂液压缸基本参数 液压缸内径 最短长度l1min 最大长度l1max 行程l1 基本长度 xc 160mm 1237.5mm 1960mm 622.5 515mm 以上步骤完成后，首先要校核动臂机构三角形 abc 是否存在干涉问题，即需 要检验动臂油缸伸长过程中该三角形是否会发生 a、b、c 三点一线或动臂油缸力 臂为零的情况。这可根据动臂油缸在两个极限位置长度l1min和l1max时三角形 abc 是否成立进行判断。 在结构上，动臂采用钢板焊接构成。铰点 c 采用钢管制成的结构与动臂焊接 在一起并在两侧厚钢板增加动臂根部的强度，铰点 d、b 均采取在两侧钢板处开 孔方式获得，并在铰点两侧焊接凸台，铰点 f 外侧贴加强钢板提高强度。在动臂 内侧焊有加强筋，提高动笔的抗弯及抗扭刚度。766 挖掘装载机动臂实体三维结 构模型轴侧图如下图 2.14 所示， 图 2.14 766 挖掘装载机动臂轴侧图 2.2.2.3 反铲斗杆机构的设计 反铲斗杆机构的参数设计涉及以下三类问题： （1） 斗杆的结构形式及斗杆机构各铰接点位置的布置问题 （2） 主要作业尺寸如最大挖掘个高度、最大挖掘深度、最大挖掘半径等 14 （3） 斗杆油缸的挖掘力回摆力矩及铲斗挖掘时斗杆油缸的闭锁能力 反铲斗杆机构设计的主要内容如下: （1） 确定斗杆油缸的结构参数包括伸缩比2、斗杆油缸缸径d2、活塞杆直 径d2，以及斗杆油缸的最短长度l2min和行程l2 （2） 确定斗杆后部长度l9及 e 点在斗杆上的位置 （3） 确定斗杆的摆角范围及斗杆油缸的作用力臂和作用力矩 （4） 确定都干得具体结构方案 参照同类机型和设计手册初选斗杆油缸的伸缩比2=1.6，斗杆油缸数目n2=1， 缸径d2=125mm，活塞杆直径d2=70mm，选取斗杆转角为-15-140，斗杆摆角 范围2max=125。 图 2.15 斗杆结构参数的确定 按要求的斗杆最大挖掘力确定斗杆油缸的最大力臂l9，该值应等于斗杆油缸 和斗杆的铰接点 e 与斗杆和动臂的铰接点 f 的距离，如图 2.15 所示。此时，假 定 f、q、v 三点一线，即阻力臂为斗杆长度l2与铲斗回转半径l3之和，主动力臂 即为 e、f 之距l9，则由力矩方程得： l9=e2max=fgmax (l2+l3) fde = 4fgmax(l2+l3) n2d22p0d22d22p2 (2-11) 式中 fgmax斗杆最大挖掘力 15 fde斗杆油缸最大推力 p0斗杆油缸进油压力 p2斗杆油缸回油背压 初步选定液压系统压力 24mp，回油背压 3mp，根据前面所述液压缸参数，经计算 得， l9=0.5m 。 事实上，按上式计算的l9偏大，原因是实际的斗杆油缸最大挖掘力并不是在 f、 q、 v 三点一线时发挥出来的， 即在推倒式 （2-11） 时假定了最大的阻力臂(l2+ l3)。 因此，更加符合实际情况的前提条件应该是斗杆油缸能进行挖掘时的最小阻力臂。 基于此， 可按图 2.15 中的位置姿态作为斗杆油缸产生最大挖掘力的姿态。 此时， 斗刃与斗齿的运动曲线相切，切削后角为零，则阻力臂按下式计算： rg2=l3cos( 2 )+(l22 (l3sin( 2 )2 (2-12) 式中 图中平面内斗刃与 qv 连线的夹角，该值可参考样机初步选定，对标 准铲斗，大致在 60左右 因此，根据力矩平衡方程，可推得l9的计算公式如下： l9=fgmax rg2 fde = 4fgmax(l3sin +(l22(l3cos )2) n2d22p0d22d22p2 (2-13) 图 2.16 斗杆机构参数计算 斗杆油缸的行程l2与斗杆的摆角范围2max及l9有关，其中2max和l9的取值 在上面已经给出，设计初始，斗杆油缸的参数可按以下方法近似得到， 如图 2.16 所示，斗杆的总行程为： l2max=l2max-l2min=(2 1)l2min (2-14) 16 由于斗杆油缸在最短和最长两个姿态时的相对摆角很小，因此可以认为这两个姿 态下油缸的力臂相等，即 d、e、e三点一线，则， l2max=(2 1)l2mindee=2l9sin 2max 2 (2-15) 经计算得， l2max=0.89m ， l2min 2l9sin 2max 2 21 (2-16) l2max 22l9sin 2max 2 21 (2-17) 将各已知参数代入，经计算得，l2min=1.5m ，l2max=2.4m ， 表 2.4 斗杆液压缸主要参数 液压缸内径 活塞杆直径 液压缸最短 液压缸行程 液压缸基本长度 xc 125mm 70mm 1500mm 900mm 600mm 按照图 2.16 所示的几何关系，推得斗杆油缸和动臂的铰接点 d 与斗杆和动 臂的铰接点 f 的距离l8的表达式如下： l8l92+ l2max 2 2l9l2maxsin 2max 2 (2-18) 代入已知参数，经计算得，l8=1.97m ， d 点的确切位置的确定还需根据斗杆的结构来定。一般情况下，d 点位于动 臂上部，其高度应能保证斗杆油缸的拆装，并使其在整个行程中能顺利摆动，高 出太多对 d 带你支座与动臂侧板强度不利。 图 2.17 斗杆实体三维轴测图 铲斗前后段的夹角efq 的取值可根据要求的斗杆摆角范围和发挥的挖掘力 来确定，参考范围在 130170之间。此外，选择该参数时还应该考虑斗杆相 对于动臂的两个极限位置的情况。其一是要避免斗杆油缸全伸状态下铲斗转动时 斗齿与动臂下部接触发生干涉，其二是在运输姿态下应保证铲斗前部能搭到机身 前端是工作装置不产生晃动。 17 铲斗的具体结构与动臂相同，均为钢板焊接结构，其中斗杆前部采用一张钢 板焊成开口箱型，再用一块钢板封闭成整体，其中加焊加强筋提高抗弯及抗扭刚 度，铲斗后部采用两块钢板与斗杆前部上侧板焊接成一体，在中间焊有加强筋， 其铰点的加工方法与动臂相同。斗杆的最终设计图形如图 2.17 所示。 2.2.2.4 反铲铲斗连杆机构的设计 铲斗连杆机构有四连杆和六连杆机构两种，由上文结构部分所述，766 挖掘 装载机挖掘端工作装置采用六连杆共点机构。 铲斗连杆机构设计要求： （1） 要保证铲斗有足够的转角范围。铲斗总转角包含开挖仰角、主要 挖掘区和收斗区，其中开挖仰角是为了在挖掘初始使铲斗顺利切 入土壤所必须的，一般为 30左右，如图 2.18 所示；主要挖掘 区大约为 6080 。 因此铲斗的实际挖掘转角范围大约为 110 左右；收斗区主要完成使物料充满铲斗并防止物料洒落的任务， 一般已无法进行挖掘，该范围一般为 3050 。为了避免铲 斗油缸全伸时斗齿尖由于斗杆下翼板相碰，铲斗的总转角也应该 太大。 （2） 要使铲斗斗齿上能产生足够大的挖掘力，且其变化规律要与挖掘 阻力的变化规律相一致。 图 2.18 铲斗连杆机构结构参数计算 铲斗连杆机构的主要参数包括：铲斗油缸的缸径d3、活塞杆直径d3、最短长 度l3min、铲斗油缸的行程l3、铲斗油缸的伸缩比3、铲斗油缸在斗杆上的铰接 点 g 的位置坐标、摇臂及连杆的长度等，如图 2.18 所示。 铲斗油缸的直径和活塞杆的直径可参考同类机型和国家标准进行初选，其余 尺寸参数可根据统计规律并参考现有机型初选。根据有关文献，参考图 2.18，推 荐按以下比例关系初选以上铲斗连杆机构的主要尺寸参数 【7】： 18 lkq1/3l3 lmnlkq lmk lmn lnq (0.70.8)lmn 铲斗油缸与斗杆的铰接点 g 在斗杆上的位置需要考虑斗杆的具体结构，尤其 是斗杆的截面尺寸，但这在斗杆的具体结构设计之前是无法知道的，为此，只能 根据同类机型利用比拟法估计。确定改点的位置时通常还应考虑铲斗油缸的外径 并应当使其与斗杆的上翼板保持一定的间隙，以便于安装和铲斗油缸的顺利摆 动。摇臂与斗杆的铰接点 n 的位置一般位于斗杆腹板的中部附近，这样可以提高 斗杆的强度，其确切位置可以根据实际需要进行调整。 初步选定铲斗开挖仰角为 30，最大俯角为 155 。铲斗油缸与斗杆的铰 接点 g 的位置为la=475mm，lb=1695mm。lkq=350mm，lmn=370mm，lmk=400mm， lnq=280mm。 根据图 2.18 铲斗的两个极限位置计算铲斗油缸的最短长度l3min和行程l3， 为： l3min=900mm l3=650mm 表 2.5 铲斗液压缸主要参数 液压缸内径 活塞杆直径 液压缸最短 液压缸行程 液压缸基本长度 xc 100mm 55mm 900mm 650mm 430mm 19 2.3 2.3 766766 挖掘装载机挖掘包络图的绘制挖掘装载机挖掘包络图的绘制 从理论上来说，反铲挖掘机的作业范围指的是铲斗斗齿所能达到的最大范围， 但受到来自自身几何限制、作业对象特性、作业场地要求及安全性能等方面的影 响，其实际的作业范围会受到一定的限制。为了直观的表述反铲挖掘机的作业范 围，我们绘制了反铲挖掘机的挖掘包络图，通过包络图，观察挖掘机的几何作业 参数和相关性能。 挖掘包络图指的是铲斗斗齿所能达到的最远位置所形成的封闭的区域。它由 一组首尾相连的、连续的封闭曲线或圆弧构成，在其所包围的区域内即为铲斗斗 齿尖理论上所能达到的位置，因此，挖掘包络图的最外边界层是构成包络图的最 主要因素。通过挖掘包络图能过反映整机的主要作业尺寸、各部件的转角范围和 极限位置、机构干涉情况、挖掘总面积和主要挖掘区的分布情况。 图 2.19 766 挖掘装载机挖掘包络图 下面简述挖掘包络图的行程过程： （1） v1v2段： 动臂液压缸最长、斗杆液压缸最短、铲斗液压缸由 最短伸至最长，由铲斗斗齿绕动臂与铲斗铰接点以l3为半径旋转 而成 （2） v2v3段： 动臂液压缸最长、铲斗液压缸最长、斗杆液压缸由 最短伸到最长，由铲斗斗齿尖绕动臂与斗杆的铰接点以 fv 为半 径旋转而成 20 （3） v3v4段： 动臂液压缸最长、斗杆液压缸最长、铲斗液压缸由 最长缩至斗齿尖位于 cq 连线上， 由铲斗斗齿尖绕 q 点以l3为半径 旋转而成 （4） v4v5段： 斗杆液压缸最长、铲斗液压缸固定、动臂液压缸由 最长缩至最短，由斗齿尖绕 c 点以半径 cv 旋转而成 （5） v5v6段： 动臂液压缸最短、斗杆液压缸最长、铲斗液压缸由 原固定位置缩至 f、q、v 三点一线，由斗齿尖绕 q 点以半径l3旋 转而成 （6） v6v7段： 动臂液压缸最短、铲斗液压缸固定，铲斗斗杆保持 上述（5）中相对姿势，斗杆液压缸由最长缩至最短、由斗齿尖 绕 f 点以半径（l2+ l3）旋转而成 （7） v7v8段： 动臂液压缸最短、斗杆液压缸最短、铲斗液压缸由 上述姿势缩至斗齿尖位于 cq 连线的延长线上， 斗齿尖绕 q 点以l3 为半径旋转而成 （8） v8v9段： 斗杆液压缸最短、 铲斗液压缸为上一弧段时的状态、 动臂液压缸由最短伸至最长，由斗齿尖绕 c 点以半径 cv 旋转而 成 挖掘包络图绘制完成后，我们可以根据以上设计的工作装置结构尺寸和挖掘 包络图对工作装置的工作范围进行验算。为简化计算，我们略去了繁琐的理论上 的几何尺寸运算，采用软件测量的方法来校核其最终的工作范围。为方便说明， 将所得的包络图及工作范围图重绘如下： 图 2.20 766 挖掘装载机挖掘工作范围校核 21 根据上图所示，挖掘端工作装置作业范围基本上能够满足要求，本次设计的 766 挖掘装载机挖掘端工作装置的结构合格。 22 第第 3 3 章章 挖掘装载机挖掘端工作装置挖掘装载机挖掘端工作装置受力分析受力分析 3.13.1 工作液压缸理论挖掘力工作液压缸理论挖掘力 3.1.13.1.1 动臂液压缸理论挖掘力动臂液压缸理论挖掘力 动臂液压缸对动臂的力臂和力矩与动臂液压缸的长度有关，根据图 3.1，动 臂液压缸驱动力臂为： 图 3.1 动臂液压缸驱动力臂计算简图 e1=l1sinabc (3-1) cosabc=l7 2+l12l52 2l7l1 (3-2) 动臂油缸提升力矩， m1=f1e1=f1l1(1-cosabc2) (3-3) 3.1.23.1.2 斗杆液压缸理论挖掘力斗杆液压缸理论挖掘力 与动臂液压缸力臂计算类似，参考图 2.8，计算斗杆挖掘时斗杆液压缸的驱 动力臂为： e2=ldfsinedf (3-4) 斗杆挖掘时驱动力矩， m2=f2e2=f2e2(1-cosedf2) (3-5) 3.1.3 3.1.3 铲斗液压缸理论挖掘力铲斗液压缸理论挖掘力 23 参考图 2.8，计算铲斗挖掘时铲斗液压缸的等效驱动力臂为： e3=sin mgn sin mkq lgn lkq sin kmn lmn (3-6) 铲斗挖掘时驱动力矩， m3=f3e3=f3 sin mgn sin mkq lgnlkq sin kmn lmn （3-7） 其中 cosmgn=l3 2+lgn2lmn2 2l3lgn (3-8) cosmng=lgn