毕业设计--2吨液压挖掘机的挖掘机构设计.doc

中 国 矿 业 大 学 本科生毕业论 文 姓 名： 学 号： 学 院： 应用技术学院应用技术学院 专 业： 机械工程及自动化机械工程及自动化 论文题目： 2 2 吨液压挖掘机的挖掘机构吨液压挖掘机的挖掘机构 专 题： 指导教师： 职 称： 2007 年 6 月 徐州 中国矿业大学毕业论文任务书 学院专业年级 学生姓名 任任务务下下达达日日期期：2007 年年 1 月月 11 日日 毕业论文日期：毕业论文日期：2007 年年 3 月月 25 日至日至 2007 年年 6 月月 20 日日 毕业论文题目：毕业论文题目：2 吨液压挖掘机的挖掘机构吨液压挖掘机的挖掘机构 毕业论文专题题目：毕业论文专题题目： 毕业论文主要内容和要求：毕业论文主要内容和要求： 1.设计参数： 标准斗容：0.2m3；挖掘力 2 吨 挖掘级及以下土壤。 2.设计要求： 通过毕业实习、查阅资料，制定总体方案，完成主要部件 装配图设计，设计总图量不少于 3 张 0 号图。 3.按毕业设计指导书要求编写设计说明书。 院长签字： 指导教师签字： 中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书 指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的 能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点； 工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意 答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合 运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果 及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题； 是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合 运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果 及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题； 是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 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 0.2m3,它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 23 倍，整机质量 约为 5 吨，挖掘力约为 30kN，最大卸载高度约为 2.65m，最大挖掘深度 4.2m，最大挖掘半径约为 5.728m，从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。 另外，还对挖掘机的工作装置提出基于结构推理的机构方案创新设计方法。 关键词：液压挖掘机 ；挖掘机构 ；液压系统 ABSTRACT This designed topic is the marching hydraulic excavator excavational organization. Compared with other types excavators, this kind of type excavator used very universal that because has good through theperformance, also may use to lengthens widens as well as the floating type caterpillar band to reduce pressure for the soft ground or the bogregion. The hydraulic excavator main characteristic is: not only can adjust s the stepless speed but also can adjust scope very big, can obtain a lower stable rotational speed, when action quickly, the hydraulic parts produce inertia small, accelerational theperformance good,and may make the high speed reverse, the transmission steady,structure simple, may absorb attacks and vibrates, the operation reduces effort, and to be easy to realize the automated control, is easy to realize the standardization, the seriation, the universalization. This designed main parameter is scoop capacity 0.2m3, it is long to the middle and small scale hydraulic excavator, mainly design the excavator，s the work installment and the hydraulic transmissionprinciple. In the design, used marching walked the installment to satisfied request. Upside the turnplate is the entire rotation , thereof it may work in a greater scope. And further because uses the hydraulicsteering to enable the entire machine performance to improve. Compared with the mechanical type excavator, its excavation strength enhance to 2 3 times, the entire machine weight approximately is 5 tons,the excavation strength approximately is 30kN, the biggest unloading high approximately is 2.65m, biggest digging depth is 4.2m, the biggest excavation radius approximately is 5.728m, thus can see the entire machine work ability to have the very big improvement, not only excavation strength big, but also machine weight light, transmission steadyly, work efficiency is high, the structure is compact. Moreover, but also proposes to the excavator work installment based on the structureinference organization plan innovation design method. Key word：Hydraulic excavator ；Excavation organization ；Hydraulic system 目 录 1 1 绪论绪论 1 1 1.1 液压挖掘机的工作特点和基本类型.2 1.1.1 液压挖掘机的主要优点 .2 1.1.2 液压挖掘机的基本类型及主要特点 .3 1.2 液压挖掘机的发展概况.4 1.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势 .4 1.2.2 国内液压挖掘机的发展概况 .4 1.3 本次设计概述.5 1.4 反铲装置的工作原理.5 1.5 本次设计任务.6 2 2 总体设计方案总体设计方案 7 7 2.1 工作装置设计方案原则.7 2.2 液压系统设计方案原则（总体）.7 2.2.1 单斗液压挖掘机作业过程 .8 2.2.2 对液压系统作业动作要求 .8 2.2.3 对液压系统基本的要求 .8 3 3 挖掘机的工作装置设计挖掘机的工作装置设计 1010 3.1 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式10 3.1.1 确定动臂的结构形式 10 3.1.2 确定斗杆的结构形式 11 3.1.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构11 3.1.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 13 3.2 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置14 3.2.1 动臂油缸的布置 14 3.2.2 斗杆油缸的布置 16 3.2.3 铲斗油缸的布置 16 3.3 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择17 3.3.1 反铲装置总体方案的选择 17 3.3.2 机构自身几何参数 18 3.3.3 斗形参数的选择 20 3.3.4 动臂机构参数的选择24 3.3.5 斗杆机构参数的选择 29 3.3.6 连杆、摇臂参数的选择 31 4 4 挖掘机液压系统设计挖掘机液压系统设计 3232 4.1 确定液压系统类型32 4.2 液压系统的计算和液压元件的选择33 4.2.1 系统主参数的确定 33 4.2.2 挖掘机液压缸作用力的确定 33 4.3 液压系统初步计算41 4.3.1 工作装置传动计算 41 4.3.2 行走机构传动计算 43 4.3.3 回转机构传动计算 45 4.3.4 液压泵参数选择和发动机功率计算 45 4.3.5 主油管管径和油箱容量 46 5 5 工作装置的强度计算工作装置的强度计算 4848 5.1 斗杆的计算48 5.2 动臂的计算57 6 6 液压挖掘机机构结构创新设计液压挖掘机机构结构创新设计 5959 6.1 基于结构推理的方案创新设计过程模型59 6.2 液压挖掘机机构方案创新设计60 结结 论论 6767 参考文献参考文献 6868 致致 谢谢 6969 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页 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1.0m3的液 压挖掘机挖掘级土壤时，每班生产率大约相当于300400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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 1.1 液压挖掘机的工作特点和基本类型液压挖掘机的工作特点和基本类型 1.1.1 液压挖掘机的主要优点液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10001。 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/min。 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运转时的驱动力矩大 50%，而液压马达则不大于5%，加速中等功率电动机需1s到数秒，而加速液 压马达只需0.1s。 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1.0m 液压挖掘机铲斗挖掘力120150kN，而同 3 级机械传动挖掘机只有100kN左右。 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。这种往复运动 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中间传动，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 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 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 以微处理器为核心的电子控制单元（ECU），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。 1.1.2 液压挖掘机的基本类型及主要特点液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 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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 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。 1.2 液压挖掘机的发展概况液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。 1.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势国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。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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 1.2.2 国内液压挖掘机的发展概况国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 WY100、贵阳矿山机器厂的 W460、合肥矿山机器厂的 WY60 等。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 WY160 和 WY250 等液压挖掘机产品。从 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 掘机市场空间，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。 1.3 本次设计概述本次设计概述 本次设计斗容量为 0.2m3,全液压履带式挖掘机型号为 WY20 型，由于履带式 液压挖掘机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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页 1.4 反铲装置的工作原理反铲装置的工作原理 反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置，如图 11 所示。 图 11 整体式弯动臂 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铲斗液压缸实现的。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 8 7 6 5 4 3 2 1 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页 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。 1.5 本次设计任务本次设计任务 本次设计斗容量 0.2m3挖掘机的工作装置及液压系统，采用履带式行 走装置，全液压驱动，挖及以下土壤。 2 总体设计方案 2.1 工作装置设计方案原则工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便于装拆和维修，尤其是易损件的更换。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页 要采取合理措施来满足特殊使用要求。 2.2 液压系统设计方案原则（总体）液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换为机械能，实现各种动作。 2.2.1 单斗液压挖掘机作业过程单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。 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。 2.2.2 对液压系统作业动作要求对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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页 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。 2.2.3 对液压系统基本的要求对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，以充分发挥发动机的动力 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，因此液压系统的 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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页 3 挖掘机的工作装置设计 3.1 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式 3.1.1 确定动臂的结构形式确定动臂的结构形式 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 31 所示。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页 图 3-1 整体式直动臂 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，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。如图 11 所示。 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。 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。 3.1.2 确定斗杆的结构形式确定斗杆的结构形式 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 24 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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 12 页 3.1.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构 3.1.3.13.1.3.1 确定铲斗的结构形式确定铲斗的结构形式 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。将两只 0.6m3容量而斗型不同的反铲斗装 在 RH6 液压挖掘机上进行对比试验，结果如表 31 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。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。 反反 铲铲 斗斗 对对 比比 试试 验验 结结 果果 表表 3-13-1 作业条件 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 19.05 40.6 42.6 22.68 100 53.3 在砂中 作 业 铲斗 1 铲斗 2 5.9 6.3 163.5 152.7 100 93.3 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 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 13 页 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。 3.1.3.23.1.3.2 确定斗齿安装方式确定斗齿安装方式 目前，国产挖掘机斗齿安装方式主要有两类，斗容量0.6m3时多采q 用螺栓连接（图 32a） ，斗容量0.6m3时时多采用橡胶卡销结构（图q 32b） 。 本次设计斗容量为 0.2 m3挖掘机，所以斗齿安装方式为螺栓连接. 3.1.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式铲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 33） ，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 33a 为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗 液压缸组成四连杆机构。图 33b 中铲斗液压缸通过摇杆 1 和连杆 2 与铲 斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构。图 33d 和图 33b 类似，区 a) 1 2 3 4 b) a)螺栓连接方式；b)橡胶卡销连接方式 1-卡销；2-橡胶卡销；3-齿座；4-斗齿 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 14 页 别在于前者液压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。图 33c 的机构传动比与 b 差不多， 图 32 斗齿安装方式 但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 33b 的连接方式。 3.2 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置确定动臂、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。 图 3-3 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 a) b) c) 2 1 2 1 d) 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 15 页 3.2.1 动臂油缸的布置动臂油缸的布置 动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两 种具体布置方式。 油缸前倾布置方案，如图 34 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 35 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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 16 页 当两方案的动臂油缸安装尺寸 DE、铲斗最大挖掘高度 H 和地面最大 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 17 页 挖掘半径 R 相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即。 2 h 1 h 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 18 页 此外，在后倾方案中，动臂 EF 部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯 矩也比3-4 动臂油缸前倾布置方案 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 19 页 图 3-5 动臂油缸后倾布置方案 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 CD 比前倾方案的大，则动臂在上下两极位置时， 动臂油缸的作用力臂 Cp 也较大。因此，在动臂油缸作用力相同时，后倾方 图为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘机将长动臂 CEF改换成短动 臂 CEF（图 35） ，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。 2 h 2 h 显然，不论是动臂油缸前倾还是后倾方案，当 C、D 两铰点位置和 CE 长度均不变时，通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深度。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。 3.2.2 斗杆油缸的布置斗杆油缸的布置 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 100130。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 10cm。一般来说，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。 3.2.3 铲斗油缸的布置铲斗油缸的布置 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140160，在特 殊作业时可以大于180，摆角位置可以按图3-6布置。当铲斗油缸全缩时， 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 20 页 铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于10,常取1525，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36） ，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 图3-6 铲斗摆角范围 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 3050，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。 3.3 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择 工作装置各部分重量对点的力矩之和，相应的 )G( dgbA GGMA 力臂值由图 51 确定为： 由图 51 画图得，1.36m； b r b r 由图 51 画图得，1.99m； g r g r 45 140 50 1525 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 21 页 由图 51 画图得，1.1m； d r d r 由图 51 画图得，0.325m； B r B r 由图 51 画图得，3.16m； 1 r 1 r 整体弯曲动臂对弯曲部分的断面进行强度计算时，应考虑按曲梁进行 验算，即在弯曲平面内的应力按下式计算： ) 1 1 ( ry y kF M F N r （57） 式中： 断面积；F 断面弯曲处的曲率半径；r 重心至计算点的距离，该点在曲率中心与断面重心之间为负，反之为y 正；、 断面形状及曲梁曲率有关系数；k (积分范围由断面中心轴至最边缘点)对简k dF ry y F 1 单的几何图形（矩形圆形等）为无穷级数，可以近似计算之，k 一般用替代，则；F ry y dF ry y F ry y F k 1 动臂计算位置，条件为： 1）动臂位于动臂液压缸作用力臂最大值处（） ； maxB r 2）斗杆液压缸作用力臂最大（斗杆液压缸与斗杆尾部轴部夹角 90时） ； 3）铲斗发挥最大挖掘力位置，进行正常挖掘。 此位置相当于斗计算位置，工作装置上的作用力亦相同。 动臂的内力图，包括轴向力，动臂平面内的弯矩，剪力；平N y M z Q 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 22 页 面外的弯矩，剪力和扭矩。 z M y Q K M 6 液压挖掘机机构结构创新设计 在机构设计过程中，最重要的阶段是机构方案构思一概念设计。在进 行机构设计之初，设计者不但需要具有设计的知识，而且需要具有相当的 工程经验、创造与直觉的能力、及许多其他方面的条件，才能够创造一种 新型机构以完成所希望的功能。这是一种发明行为，这不仅是设计对过程 中最富有创造性的部分，也是机械设计过程中最为困难的地方。到目前为 止，尚未有学者提出系统化的方法以引导设计者有系统地进行创新机构。 然而，大多数的机械设计实例(大约占机械设计实例的 70%)不是凭空创造新 机构，而是在现有机构(该机构可能受专利保护)的基础上进行修改，创造 出结构不同的新型机构，以提高机器的质量和性能，或者突破现有专利技 术。下面结合液压挖掘机构的反铲装置，提出基于结构推理的机构方案创 新设计方法。基于结构推理的机构方案创新设计是利用创造性发散原理， 通过拓扑结构类型综合的方法，对现有的机械方案从拓扑联接方面进行变 异创新，尽可能多的产生满足设计功能要求的结构变体，以便于寻找最优 的功能载体，尤其是创造新型机构以回避专利保护机构应用方面更是结构 推理之长。 6.16.1 基于结构推理的方案创新设计过程模型基于结构推理的方案创新设计过程模型 由机构演化及编译原理可知，任何机构，包括齿轮机构、槽轮机构、凸轮 机构以及它们的组合，都可以视为连杆机构的等效与变异，其原始型的构 造皆可通过连杆机构的构造来获得。许多人在机构结构类型综合方面作了 大量的工作，尤其是在非同构基本运动链的构造方面。按他们提出的方法， 由计算机很容易自动生成满足给定设计任务要求的非同构运动链，而这些 非同构运动链基本运动链是构造候选机构型的基础。下面所提出的基于结 构推理的方案创新设计过程正是在这些研究基础上发展起来的。该方法可 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 23 页 以划分四个阶段：首先是根据设计任务和要求确定相似的设计方案(原始机 械方案)，然后对该原始方案进行抽象化表示，即将机构方案一般化为运动 链，在抽象化表示过程中记录设计约束；其次根据机构方案一般化运动链， 在运动链图谱库中找出与一般化运动链具有相同杆数、自由度数以及连杆 类型相同的所有非同构的运动链，即运动链发散，并根据设计约束和适当 的评价方法进行筛选；第三，对评价筛选后的每个非同构的运动链进行机 构识别、驱动副识别以及杆组识别，形成用连杆表达的准可行机械方案元 型，即运动链再生；最后一个阶段是将准可行机械方案元型根据实际设计 需要，基于设计约束规则以及用户交互式方法进行类型替代，形成待评价 的候选方案集转入下一阶段，并进行用户交互式模糊评价，产生最优方案。 结构推理过程模型如图 6-1 所示。 图