【JX17-36】小型斗轮式挖掘机结构设计（二维+论文）
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JX17-36
【JX17-36】小型斗轮式挖掘机结构设计二维+论文
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1 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 2 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 3 目 录 摘 要.1 ABSTRACT2 目 录.3 1 绪论.5 1.1 课题研究的背景与意义.5 1.2 本次设计概述.5 1.3 本次设计任务.6 2 总体设计方案.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 挖掘机的工作装置设计.10 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.12 3.2 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置.13 3.2.1 动臂油缸的布置.14 3.2.2 斗杆油缸的布置.17 3.2.3 铲斗油缸的布置.17 3.3 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择.18 3.3.1 反铲装置总体方案的选择.18 3.3.2 机构自身几何参数.19 3.3.3 斗形参数的选择.22 3.3.4 动臂机构参数的选择26 3.3.5 斗杆机构参数的选择.32 3.3.6 连杆、摇臂参数的选择.34 4 4 工作装置的强度计算.35 4.1 斗杆的计算.35 4.2 动臂的计算.44 5 挖掘机液压系统设计.46 5.1 确定液压系统类型.46 5.2 液压系统的计算和液压元件的选择.47 5.2.1 系统主参数的确定.47 5.2.2 挖掘机液压缸作用力的确定.47 5.3 液压系统初步计算.55 5.3.1 工作装置传动计算.55 5.3.2 行走机构传动计算.57 5.3.3 回转机构传动计算.59 5.3.4 液压泵参数选择和发动机功率计算.59 5.3.5 主油管管径和油箱容量.60 结 论.62 参考文献.63 致 谢.64 5 1 绪论 1.1 课题研究的背景与意义课题研究的背景与意义 液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。本实用新型的 工作过程是用桶的切边切土，将桶装满，然后抬起并旋转至卸荷位置。因 此，液压挖掘机是一种循环机械。 液压挖掘机和机械挖掘机，广泛应用于工业和民用建筑，交通运输， 水利建设，采矿和现代军事工程，是土方工程建设中不可缺少的重要设备。 在施工项目中，可用于挖坑、排水、拆除旧楼、整平场地等。更换工 作装置后，可用于装卸、安装、打桩、拔出树根。 在水利施工中，可以用来挖水库、水渠、水电站大坝基坑、排水渠或 灌溉沟渠、挖挖原有河道等。 在铁路和公路的建设中，用于开挖土方、修筑路基、形成地面和路边 排水沟的开挖。 在石油、电力、通信基础设施和市政建设中，用于开挖电缆沟和管道 等。 露天矿可以用来清除矿石或煤，也可用于堆放、装载和钻井作业。 在军事工程中，或用于修筑道路，挖掘战壕和掩体，建造军事结构。 因此，液压挖掘机是工程机械的重要品种。它对于减轻重体力劳动， 提高机械化施工水平，加快施工进度，促进建筑业的发展起着重要的作用。 据施工部门统计，一台液压挖掘机生产速度相当于300至400名工人工作一 天。因此，开发液压挖掘机提高劳动生产率，促进国民经济的发展具有重 要意义。 1.2 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 6 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。 1.3 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 III 级以下土壤。 7 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 一个合理的工作装置的设计应符合下列要求： 主要工作工作的规模和范围都能满足要求，在普通反铲装置的设计， 应考虑同类型和同一类先进的机。考虑到国家标准，结构参数，如结构的 影响约束的可能性。 整机挖掘力的大小和分布应满足使用要求，具有一定的先进性。 功率利用率尽可能好，理论工作时间尽可能短。 在保证强度、刚度和连接刚度的条件下，尽可能地确定铰链布置、结 构型式和截面尺寸形状，使受力状态良好，并使结构的重量最小。 操作条件复杂，使用时应考虑工作装置的通用性。当使用变铰点或支 撑构件时，应注意区分主、次。在满足使用要求的前提下，应尽量少更换 零件，结构简单，装夹方便。 运输或停车装置应具有合理的工作态度，使运输体积小，行驶稳定性 好，保证安全可靠，并尽可能使液压缸卸荷或卸荷。 液压缸设计工作装置应考虑三。采用了一系列的参数，以尽量减少液 压缸零件，特别是磨损部件的种类。 工作装置的结构和布局，便于拆装和维修，特别是易损件的更换。 我想采取合理的措施来满足特殊要求。 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） 根据挖掘机各机构和装置的传动要求，采用管道连接的各种液压元件 的组合称为挖掘机液压系统。液压系统的作用是将发动机的机油以机械能 转化为液压油作为介质，可由液压泵发出，然后通过液压缸转换成机械能 和液压马达的执行机构，实现各种动作。 8 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 液压挖掘机的工作过程包括几个间歇操作如下：动臂升降，斗杆和铲 斗、装载机、回转、行走，和其他副作用，除辅助行动不需要电力驱动， 另一个是挖掘机的主要作用，考虑全功率驱动。 由于挖掘机的工作对象和工作条件相差很大，对主机的工作有两个特 殊要求： 当主运动实现时，阻力和运行速度随时发生变化。因此，液压缸和液 压马达的压力和流量也可以相应地改变。 为了充分利用发动机功率，缩短操作周期，工作过程往往需要两个主 要动作同时进行，称为复合动作，这两个要求需要液压系统来保证。 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 液压挖掘机的作用机制是复杂的，经常启动、制动、换向负载变化， 冲击和振动频率，和野外工作，温度变化的条件下，地域的差异，因此， 应根据液压挖掘机和环境特点，提出了不同于液压系统的其他应用一些基 本的要求。 液压挖掘机液压系统应满足下列操作要求。 确保液压挖掘机、吊杆、斗、斗可单独操作，或相互配合实现复合动 作。 为了保证工作装置的运动和回转平台的回转动作，可以进行单独的动 作和复合动作，以提高液压挖掘机的运行效率。 履带式液压挖掘机的左右履带分别驱动，使挖掘机行走转弯灵活方便， 实现局部转向，提高挖掘机的机动性。 确保液压挖掘机的安全性和可靠性，并完善所有机构和液压执行机构 的安全保护措施。例如，旋转机构和行走装置具有可靠的制动和限速功能， 防止移动臂自重下降过快，防止机器超速和斜坡坡度。 2.2.3 对液压系统基本的要求对液压系统基本的要求 根据液压挖掘机的工作和环境特点，对液压系统。 液压挖掘机的液压系统应具有较高的效率，以充分发挥发动机的动力 9 性和燃油经济性。 液压系统和液压元件在大负载和大振动冲击的情况下应具有足够的可 靠性。 选择冷却、冷却系统轻、适用、耐振动，降低系统总热值，使液压系 统工作温度和温升达到规定范围。 由于液压挖掘机工作场所粉尘多，液压油受到污染，因此液压系统的 密封性能较好，整个液压系统应设置机油滤清器和防尘装置。 必要时采用液压先导或电液伺服控制装置，提高液压挖掘机的舒适性， 降低操作者的劳动强度。 采用先进的液压系统自动控制技术，提高液压挖掘机的技术性能，液 压挖掘机具有节能、高效、自动适应负载特性变化的优点。 10 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 3-1 所示。 图 3-1 整体式直动臂 采用整体弯臂可获得较大的掘进深度。弯曲时，应注意整体弯曲臂的 形状和强度，有时臂的三节有助于减小弯曲处的应力集中。 吊杆整体结构简单，造价便宜，结构比复合臂轻。其缺点是工作设备 更换少，通用性差。为了提高机器的通用性，提高其利用率。通常需要有 几个完全非通用的工作单元。一般来说，长时间使用类似工作的铲臂比较 合适。如图 2-1 所示。 组合臂一般为弯臂式。有两种类型的组合。一个由辅助连杆（或液压 缸）连接，另一个由螺栓连接。 与整体臂架相比，复合臂有其优缺点。合并后的繁荣的主要优点是： 11 1 工作尺寸和挖掘力可根据工作条件的变化进行调整。当螺栓或连杆连接时， 调整时间仅为十分钟，可用于液压缸的无级调节。 2、满足各种操作设备的参数要求和结构要求，从而解决各主要部件的统一 问题。更换工作装置更方便，更换更方便。一般情况下，下臂可适应各种 操作设备要求，无需拆卸。 3、装卸运输更方便。由于上述优点，复合材料臂架结构比整体吊杆更加复 杂，但得到了广泛的应用。特别是中小型液压挖掘机，使用条件较长，使 用更合适的组合臂。 设计的操作条件相对单一，故采用整体弯臂。 3.1.2 确定斗杆的结构形式确定斗杆的结构形式 有一个整体斗杆式和二型，大部分挖掘机采用整体斗杆，当调整斗杆 长度或杠杆需要更换斗杆，或设置 2 到 4 个选择可以调整和可动臂铰接的 孔结束斗杆。一些挖掘利用组合式斗。 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 3.1.3.1 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运行有很大影响。桶有 许多对象和不同的工作条件。要使铲斗适应任何物体和状态是困难的。为 了满足特定的条件下，尽可能的提高运行效率，一般的挖掘通常装有 10 多 桶桶容量和不同结构的不同。 目前，斗式结构的研究还停留在现场试验、实验室试验或模型试验阶 段，还没有建立系统的理论。对比测试是配备了两个不同类型 0.6m3 桶桶 桶 RH6 液压挖掘机进行，结果见表 2-1。由于开挖阻力小，铲斗的设计对 设计的合理性不敏感，所以这两个桶的结果没有很大的差别。页岩作业的 效果是非常不同的，其中一个桶中间的切削刃略突出，没有侧齿，侧臂稍 凹陷，这些因素使页岩开挖阻力降低。另一桶则相反。 各种铲斗形状的共同要求是： 1。有利于物料的自由流动，所以铲斗壁不应有横向法兰、边角等。斗 12 底纵剖面形状应适用于各种物料的运动。 2。使物料易于卸货。卸料时，粘土桶难以卸荷，延长了作业周期，降 低了有效斗容。国外采用强制卸土粘土桶。 反反 铲铲 斗斗 对对 比比 试试 验验 结结 果果 表表 3-1 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、为了使铲斗进入斗料不易脱落，铲斗的宽度和物料粒径比应大于 4:1。当比值大于 50:1，颗粒大小的影响，可以不考虑，根据不同的材料为 均匀。 4、设置斗齿有利于增加铲斗和物料接触时的开采线比压，这样才能切 断或断裂，阻力较大，有材料。当挖硬土或碎石时，石头也可以从土壤中 挖出来。斗齿的材质、形状、安装结构和尺寸参数值得研究。主要的要求 是它具有小电阻，耐磨和易于改变。 3.1.3.2 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 3-2a） ，斗容量0.6m3时时多采用橡胶卡销结构（图 3-q 2b） 。 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. 13 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 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 3-3b 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 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 b 差不多， 图 3-2 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。 与四连杆法相比，在相同的液压缸行程下，六连杆法可以实现较大的 铲斗转角，提高了机构的传动特性。当气缸行程相同时，六连杆 B 和 D 可 以实现更大的铲斗角度。但铲斗平均挖掘力较小。 本设计中选用图 3-3b 的连接方式。 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 14 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一个组合的多连杆机构。在主要参数工作装置 的基本形式和发动机功率的初步测定，斗容量是否合理将直接影响到液压 挖掘机的实际生产能力质量的条件下，气缸布置和参数选择的工作装置铰 点。 图 3-3 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 3.2.1 动臂油缸的布置动臂油缸的布置 动缸一般设置在吊杆的前部和底部，下端与回转平台铰接。有两种具 体的布置气缸的方法。 气缸向前布局计划，如图 3-4 所示，吊杆缸和臂铰接在 E 点。当吊杆 缸完全伸出时，将移动臂举到极限，吊杆缸轴倾斜到转盘前部。 油缸后倾的布置如图 3-5 所示。当吊杆伸出时，活动臂提升到上限位置， 臂筒的轴线向后倾斜。 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 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 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 a) b) c) 2 1 2 1 d) 15 矩也比3-4 动臂油缸前倾布置方案 图 3-5 动臂油缸后倾布置方案 16 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 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。 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 在确定铲斗、油缸、铰链、冲程和杆臂比的比例时，应考虑下列因素。 确保桶筒产生足够的铲斗齿挖铲斗。也就是说，当圆柱体从最短的长 度开始推拉时，当圆柱体伸出最大时，斗齿的挖掘力应大于正常开挖阻力。 在汽缸的完全延伸的扭矩应足以支持桶和桶在休息充分负荷。当油缸臂的 最大力最大时，最大铲斗的挖掘力应大于要求，最大挖掘范围可以变小。 保证铲斗摆动角度范围。铲斗的摆动角度通常在 100 到 130 度之间。 当动臂油缸、铲斗油缸同时达到最大长度、铲斗前壁和动臂之间的距离应 大于 10cm。一般来说，桶越长，摆角越小。 铰链位置的确定需要重复。在计算初始点位置时，如缺乏合理，应适 当修改。 3.2.3 铲斗油缸的布置铲斗油缸的布置 在确定铲斗油缸铰接点时应考虑下列因素。 铲斗挖掘时，铲斗挖掘力应足够大，即铲斗筒在整个工作行程中的挖 掘力应大于正常工作状态下的挖掘阻力。当铲斗的作用臂为最大时，最大 铲斗开挖将使满负荷铲斗保持静止。 保证铲斗摆动角度范围。铲斗摆动角度范围一般取140度到160度，在 特殊操作下可大于180度，摆角位置可按图2-6布置。当铲斗油缸收缩时，斗 17 杆和斗杆的轴角（轴上）应大于10度，通常从15度到25度，铲斗油缸全伸 出，铲斗全旋，应从铲斗上卸下土壤。 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 图3-6 铲斗摆角范围 掘力也最大。事实上，铲斗的切削角度是可变的。在许多情况下，特别是 在采取复合动作时，铲斗的切削角度一般小于100度，铲斗在初始位置不总 是被挖掘。因此，一般位置的角度I到II的位置是30度到50度，在角度范围 可以照顾的桶可以更好地适应在挖掘过程中挖掘阻力的变化，并可以使铲 斗在挖掘开始将有一些挖掘力。 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 3.3.1 反铲装置总体方案的选择反铲装置总体方案的选择 对挖掘方案的选择主要是根据在设计任务书规定的使用要求，从而确 定工作装置是通用的或专用的。反铲型通用装置应保证挖掘机的使用和照 顾其他器件的性能。特种设备应根据操作条件确定结构方案，并在满足主 要操作条件时，注意其他条件。 反铲装置的总体方案包括以下： 1 排列。动臂油缸 45 140 50 1525 18 确定组合式或整体式臂架的形式，以及组合臂或整体臂的组合。确定 吊杆液压缸的布置为悬挂或下置。 确定了前臂，臂液压缸的布置较低。 2 排列。斗桶液压缸 确定是否采用组合或组合斗，并结合铲斗联动，或整体铲斗，是否采 用变铰点调节。 前铲斗已被用作整体。 3.确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数=。 1 K 2 1 l l 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2 时， （有反铲取3）称为长动臂短斗杆方案，当1.5 1 K 1 K 1 K 叶属于短动臂长斗杆方案。在 1.52 之间称为中间比例方案。 1 K 本实用新型适用于频繁的适用性和不匹配的替换部件或可调结构，挖 掘和中间比例方案。与此相反，不同的配置或铰链连接可用于形成各种规 模的计划时，匹配更换组件或可调连接到不同的操作条件。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，值由作业 1 K 条件确定。从作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下， 愈大作业范围愈窄，从挖掘方式看大宜用于斗杆挖掘为主，因其刚度 1 K 1 K 较易保证。而值小宜用于以转斗挖掘为主。 1 K 本设计采用中间比例方案，取1.8。 1 K 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 1.61.7，个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取1.75，而 1 1 取1.61.7，1.61.7。 2 3 3.3.2 机构自身几何参数机构自身几何参数 该机构的几何参数有三种，第一种是确定运动特性的必要参数，根据 主要设计参数的原始参数作为原始长度参数；第二类是由第一类参数计算 的参数，以便获得在操作角度参数；第三一类是其他程序的分析和比较的 19 特征参数。 对挖掘及其相关的符号的几何参数的计算方案在图 3-7 所示。 20 图 3-7 反铲机构自身几何参数的计算简图 a a a a a a a a a a l l l l l l l l l ll l l l l l l l l l l l l l L L L V F K Q N H M G E D B Z C A T JI l l l 21 反铲机构各部分原始参数、推导参数和部分特性参数见表 3-2 所示。 反铲机构自身几何参数表反铲机构自身几何参数表 表表 3-2 机 构 组 成 铲斗斗杆动臂机体参数分类 符 号 意 义 原始参数 l3=QV，l12=MH， l13=MN，l14=HN， l24=QK，l25=KV， l29=KH l2=FQ，l9=EF ， l10=FG，l11=E G l15=GN，l16=F N l21=NQ l1=CF，l6=CD l7=CB，l8=DF l22=BF l4=CP，l5=CA l17=CI，l19=CT l30=CS，l38=JT l39=JI 推导参数 9NMH 10KQV 4EFG 5GNF 6GFN 7NQF 8NFQ 2BCF 3DFC 11CAP 9TCP K2=，l3 9 2 l l K2=，l3 41 42 l l 1CZF = 5 7 l l 特性参数 K2=，l3 3 24 l l K1= 2 1 l l 11 备注 L2斗杆长l1动臂长 1动臂弯角 悬挂式 11ACU 各液压缸运动参数的意义见表 3-3 3.3.3 斗形参数的选择斗形参数的选择 3.3.3.1 铲斗主要参数的选择铲斗主要参数的选择 斗容量、平均斗宽，转斗挖掘半径和转斗挖掘装满转角（这qBR2 里令）是铲斗的四个主要参数。、及三者与之间有以下 max RB2q 22 几何关系（图 3-8） 。 反铲工作液压缸运动参数表反铲工作液压缸运动参数表 表表 3-3 参 数 意 义 瞬时力臂 瞬时长度 全缩力臂 全缩长度 全缩力臂 全伸长度 特性参数液压缸种类 参 数 符 号 动臂液压缸 1 1 e L 10 1min e L z e L 1 1max= min1 1max L L 斗杆液压缸 2 2 e L 20 2min e L z e L 2 2max = min2 2max L L 铲斗液压缸 3 3 e L z e L 2 2min z e L 3 3max = min3 3 L L man = (3-1)q S KBR)2sin2( 2 1 2 其中：0.2m 其中：=0.2m3(已知)，铲斗斗容量；qq 铲斗挖掘半径，单位m；R 铲斗斗宽，根据反铲斗平均斗宽统计值和推荐B 范 围，查表 26，取0.75m；B 铲斗挖掘装满转角，一般取90100，22 取951.658rad2 把、代入式(31)得：qB2 0.20.75（1.658sin95） 2 1 2 R S K 23 解得：0.803mR 图 3-8 铲斗主参数示意图 铲斗上两个铰点与的间距（图 3-7）太大将影响铲斗传动特性，KQ 24 l 太小则影响铲斗结构刚度，一般取特性=0.30.38，取0.34 2 k 3 24 l l 2 k 0.34，=0.803m，得出=0.273m。当转角较大时取较小值，一般 3 24 l l R 24 l 2 k 取=95115，取=105。KQV10KQV 3.3.3.2 斗形尺寸计算斗形尺寸计算 根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形其尺寸，如图 3-9 所示。图中 三角形为等腰三角形，段为直线，弧段为抛物线。点至直线OGEOAABA 的距离为，抛物线定点高度为，一般取。斗尖角取值范围EBHLHL 一般为 2030，斗侧壁角为取 3050，包角取 108。常见铲斗斗 形参数参考表 3-1。改变三角形的形状可以获得不同的形状的斗形。OEG 斗形尺寸根据比拟法=0.75m(已知)、=0.803m(已知)， 得出：b D R max R 24 =0.294m;=0.534m;=0.87; 1 x 2 x 3 x =0.7324m;=0.0706m;Rm =40; =23; =108 =0.56m.HL 图 3-9 反铲斗计算尺寸 3.3.3.3 初选斗齿的几何形状初选斗齿的几何形状 铲斗的几何形状应对挖掘比阻力达到最小值。铲斗及切削时的主要参 数，如图 3-10 所示，图中铲斗容量 q、长度 L、宽度 B、高度 H、切削角 、刃角 和后角 等参数的选择都对挖掘比阻力有直接影响。斗齿在铲斗 上的布置（齿宽和齿距）也是一个重要参数。 为使斗侧壁不参与切削，铲斗应装有侧齿。 一般齿宽0.11=0.11=0.064m;bq 3 2 . 0 齿长 0.260.260.152m;lq 3 2 . 0 齿距为：=(2.53.5)=(0.160.192)m，取=0.18maba 斗前臂与切削面的间隙取=0.7=0.0448mfb 又由于铲斗宽度 B=0.75m，齿宽与齿距之和为 0.064+0.18=0.244m =3.07 因此铲斗装有 3 个齿。 ba B 244 . 0 75 . 0 y=ax2+bx+c l y=K3(X-R) X3 X2 X1 y=k1x C X O G A Y m R RD 25 另外齿尖应保持锐利，否则挖掘阻力将急剧增加。新铸（或锻）的齿只 有 一个小的圆弧尖连续工作后，齿尖将逐渐磨损，并变钝。通常，挖掘 级土壤，齿尖显著磨钝后，挖掘阻用将增加 50100%。因此，为避 免这种超 图 3-10 铲斗的基本参数 载挖掘，应及时更换或在齿刃口上堆焊硬质合金层。 斗齿做成楔入式或组合式，以便快速更换和修补。 切削角对切削阻力影响也很大。通常，挖级土时，斗切削角 为2035（较大值适用于硬土，小值适用于一般土） ，常用切削角为 30，本次设计取30，后角不应小于 5，刃角取 25。 3.3.4 动臂机构参数的选择动臂机构参数的选择 由于铲斗容量0.2m3，根据国内外液压挖掘机有关设计标准，通过q 类比法，选出参数机重5 吨。G 又根据经验公式计算法，参考表 1-3 机体尺寸和工作尺寸经验系数表 ，线尺寸参数: =m 1 L Li k 3 G 得出:最大挖掘半径=3.35=5.728m；R 1 3 5 A-A f l L q B H a B-B b 26 最大挖掘深度=2.05=3.505m；H max1 3 5 最大卸载高度1.55=2.65m；H max3 3 5 据统计，最大挖掘半径值一般与+ + 的和值很接近。因此由R 1 l 1 l 2 l 3 要求，已定的和可按下列经验公式初选、：R 13 l 1 Kl 1 l 2 （3-l 2 1 31 1K LR 2） =l 1 Kl 2 其中：=5.728m；1.8；R 11 K 经计算得出：=1.759m；l 2 = =1.81.759=3.166ml 11 Kl 2 在三角形 CZF 中，、和都可以根据经验初选出： 1 l 13 K 其中：动臂的弯角，采用弯角能增加挖掘深度，但降 1 低了卸载高度，但太小对结构的强度不利， 一般取 120140，取140； 1 前面已算出为 3.166m；l 1 动臂转折处的长度比，一般根据结构和 3 K ZC ZF 液压缸铰点 B 的位置来考虑，初步设计取 1.11.3，取1.2； 3 K 3 K 图 3-11 动臂实际尺寸 5 B 17.9 140 Z F C 27 因此根据公式：可以算出、 41 l 42 l 39 41 l 13 2 3 1 cos21KK l 42 l 413l K （3-3） arccos()ZCF 39 142 2 41 2 1 2 42 2ll lll 经计算得出：= =1.529m；ZC 41 l =1.834m； ZF 42 l =17.9 39 如图 3-11 所示。 动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比按不同情况选取，专用反铲可取 4 K 0.8；以反铲为主的通用机，0.81.1；斗容量 1m3左右的通用机， 4 K 4 K 则可取1。 4 K 本设计中取1。 4 K 的取值对特性参数、最大挖掘深度和最大挖高有影 11 4 KH max1 H max2 响。 加大会使减小或使增大，这下符合反铲作业要求，因此基本 11 H max1 用作反铲的小型机取60。 11 本设计中取70。 11 斗杆液压缸全缩时=最大（图 3-12） ，常选CFQ 832 28 =160180. max832 )( 本设计中取（）170。 832 max 取决于液压缸布置形式， （图 3-11） ，动臂液压缸结构中这一夹BCZ 角较小，可能为零。动臂单液压缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼加耳 座上， 图 3-12 最大卸载高度时动臂机构计算简图 B 在 Z 的下面。初定BCZ5，根据已知CZF22.1 ，解得BCF 17.1。 由图 3-12 得最大卸载高度的表达式为 ） 211max11115Amax3 sin(sinYHll （3- 32118max1max322 )180sin(ll 4） 由图 3-13 得最大挖掘深度绝对值的表达式为 （3- A YllllH 1152min111123max1 sin)sin( 5） 将这两式相加，消去， 5 l 11 328 X Y O H3max l3 V Q F BZ l1 U L1max A yA l5 C 2 max 29 并令，+-，得到：A 11 2 BA 8 max32 - -A)H max1 H max3 l 1 )sin( max1 Asin( min1 +-1=0 2 l)Bsin( max1 （3-6） 又特性参数： （3- 4 K min11 max1 sin sin 7） 图 3-13 最大挖掘深度时动臂机构计算简图 因此 sin min1 14 max1 sin K 2 C 11 1 U 11 L1min Z A Y YA F Q V l2 l3 H1max X 30 =) （3-cos min1 2 1 2 4 max1 2 sin (1 K 8） 将上式代入式（3-6）则得到一元函数 f()=0。式中和已 max1 H max1 H max3 根据经验公式计算法求出， 经计算得出：29.6；73.5 min1 max1 最后由式（3-5）求为 5 l （3- 5 l 11 max1min1123 sin )sin( HYAlll A 9） 70sin 505 . 3 65 . 0 ) 6 . 29 1 . 97sin(166 . 3 562 . 2 0.638m （其中：=3.166m；1.759m；97.1； 1 l 2 lA 由于履带总高0.320.547，近似取=0.65m） 3 5 A Y 然后，解下面的联立方程，可求 和 ： =arcos()=arc() min1 57 2 min1 2 5 2 7 2 ll Lll 2 1 22 =arcos()=arc() （3-10） max1 57 2 max1 2 5 2 7 2 ll Lll 2 222 于是： = min1 L 5 l =x max1 L min1 L （3-11） = 1 L min1 L 31 经计算得出：1.63；0.67；=0.952m； min1 L 1.52m；=1.61m max1 L 7 l 得到的结果符合下列几何条件：+=2.36；|- =0.961 3.3.5 斗杆机构参数的选择斗杆机构参数的选择 第一步计算斗杆挖掘阻力： 斗杆挖掘过程中，切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中视为常数， 一般取斗杆在挖掘过程中总转角=5080，取65，在这转角过程 g g 中，铲斗被装满，这时半齿的实际行程为： g rs 6 01745 . 0 其中：斗杆挖掘时的切削半径，； 6 r 6 rFV 取1.7590.8032.562m max FV 32 ll 斗杆挖掘时的切土厚度可按下式计算： g h S g BSK q h SgBK r q 6 01745 . 0 斗杆挖掘阻力为： (312) sg gg Kr qK BhKW 6 0 01 01745 . 0 式中挖掘比阻力，由表 010查得，20（级土壤 0 K 0 K 以下） 土壤松散系数近似值取 1.25。 s K 斗杆与铲斗和之间，为了满足开挖和最后卸载及运输状态的 2 l 3 l min FV 要求，铲斗的总转角往往要达到 150180， 32 32 2 min 2 3 2 2 2 30cos ll FVll 0.866 803 . 0 759 . 1 2 803 . 0 759 . 1 2 min 22 FV 计算得：1.137m min6 r min FV 把、代入式 3-12 得 0 Kq min6 r g s K 2.48kN 3 max1 10 25 . 1 65137 . 1 01745 . 0 2 . 020 g W 第二步确定斗杆液压缸的最大作用力臂。 m 2 32max 9max2 )( P llP le G 455 . 0 96.13 803 . 0 759 . 1 48 . 2 ）（ 其中：根据经验公式计算法得出13.96kN 2 P 斗杆液压缸初始力臂与最大力臂之比是斗杆摆角的余弦 20 e max2 e max2 函数。设，则 z ee 220 9 max2 9 max2 202 cos l l e e 2 cos max2 由图 313，取，求得 z ee 220 1.203m 1 2 sin2 2 max2 9 min2 l L 16 . 1 5 . 52sin455 . 0 2 （其中斗杆摆角范围大致在 105125，取105） max2 ) 2 cos(2 max2 9min2 2 9 2 min2 8 lLlLl =） 2 105 cos(455 . 0 2455 . 0 203 . 1 22 33 =1.588m 3.3.6 连杆、摇臂参数的选择连杆、摇臂参数的选择 从几何可容性与结构布置的角度对铲斗机构的要求考虑，必须保证铲 斗六连杆机构在全行程中任一瞬间时都不会被破坏，即保证、 3 lGFN 及四边形在任何瞬间皆成立。根据铲斗六连杆机构的要求，GNMHNQK 借助电子计算机选出可行的方案： 0.27m；0.156m；0.195m；0.312m；0.3QNMHNMHKHN m 34 4 工作装置的强度计算 单斗液压挖掘机的主要结构包括：工作装置、回转平台和底盘、机架 等。由于设计侧重于工作装置，所以只能对这部分设备的工作强度校核计 算。 工作装置由铲斗、斗杆、活动臂、连杆机构和各种工作液压缸组成。 和构件的计算分析，我们必须首先确定结构的不利条件，这可能是在这种 状态下，结构构件的最大应力，在结构设计的基础上，确定强度设计，位 置的选择计算和负载模式。 影响挖掘机挖掘力的因素很多，如三个工作缸的匹配。整机、稳定性 等，和反铲装置有多种定位计算，选择意见不一致，没有统一的规定。随 着计算机应用的普及，可能有成千上万的受力结构的危险截面应力分析应 指定所有条件和挖掘机更计算的位置，结合原型应力测试、工作装置的结 构设计可以为经济结构的大小和形状，对于结构复杂的结构部分，断面突 变或应力集中可以通过有限元法计算，以提高分析精度。 4.1 斗杆的计算斗杆的计算 对挖掘机斗杆的强度是由弯矩为主，因此计算出的位置可根据最大阻 力在挖掘工作，挖掘阻力测定。根据斗式铲斗的手试，在铲斗挖掘的条件 下，得出斗杆危险截面的最大应力。其计算位置可确定如下： 1.通过挖掘计算受力分析结果。 2.近似计算，通常采取以下两个位置： 计算
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