【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，对减轻繁重的人工劳动， 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。根据建设部门的统计，一个液压挖掘机挖掘生产速度相当于300到400 个工人工作一天。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 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。 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。 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。 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。 9 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。 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 利用整体弯曲臂可以获得较大的挖掘深度。应注意弯曲时整体弯曲臂 的形状和强度，有时臂的三段有助于减小弯曲处的应力集中。 动臂整体结构简单、便宜，同时结构重量轻于组合臂。其缺点是工作 装置更换少，通用性差。为了提高机器的通用性，提高其利用率。经常需 要配备几套完全非通用工作装置。一般来说，长期使用类似工作的铲臂采 用整体结构较为合适。如图 2-1 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。 11 与整体式臂架相比，组合臂有其优缺点。联合吊杆的主要优点是： 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，可用于液压缸无级调节。 2 满足各类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。因此，更换工作装置更方便，更换也方便。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，组合臂架结构比整体吊杆更加复杂， 但已得到广泛应用。特别是在小型和中型液压挖掘机使用条件较长的时间 使用更合适的手臂组合。 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。 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 21 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。 12 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 3-1 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 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。 3.1.3.2 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。 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 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个连杆机构。在主要参数和发 动机功率的工作装置的基本形式，初步确定，对工作缸的布置和参数选择 的铰点工作装置的情况下，容量水桶质量是否合理将直接影响到液压挖掘 机的实际开采能力。 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 3-4 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 3-5 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。 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 a) b) c) 2 1 2 1 d) 15 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 16 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 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 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2-6布置。当铲斗油缸全缩时，铲斗 17 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。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 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 反铲方案选择的主要依据是设计任务书规定的使用要求，据以决定工 作装置是通用或是专用的。以反铲为主的通用装置应保证反铲使用要求， 并照顾到其它装置的性能。专用装置应根据作业条件决定结构方案，在满 足主要作业条件要求的同时照顾其它条件下性能。 反铲装置总体方案的选择包括以下方面： 1.动臂及动臂液压缸的布置 45 140 50 1525 18 确定用组合式或整体式动臂，以及组合式动臂的组合方式或整体式动 臂的形状。确定动臂液压缸的布置为悬挂式或是下置式。 前面已确定采用整体式动臂，动臂液压缸的布置为下置式。 2.斗杆及斗杆液压缸的布置 确定用整体式或组合式斗杆，以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗 杆是否采用变铰点调节。 前面已确定采用整体式斗杆。 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 要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例 方案。相反，当用配套替换构件或可调连接适应不同作业条件时，不同的 配置或铰点连接情况可组成各种比例方案。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，值由作业条件确定。从作 1 K 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 1 K 窄，从挖掘方式看大宜用于斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而值 1 K 1 K 小宜用于以转斗挖掘为主。 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 机构自身几何参数有三类，第一类是决定机构运动特性的必要参数， 称原始参数，本次设计主要选择长度参数作为原始参数；第二类是由第一 类参数推算出来的参数，称推导参数，多为运算中需要的角度参数；第三 类是作方案分析比较所需要的其它特性参数。 19 反铲机构自身几何参数的计算图式及有关符号于图 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件包括：工作装置、回转平台和底盘车架 等。由于本次设计侧重点在工作装置，因此只对工作装置这部分进行强度 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。 结构构件的分析和计算，首先要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，根据条件结构的设计，也就是计算位置选择 的强度设计、图式和荷载的确定。 影响挖掘机挖掘力的因素很多，如三个工作缸的匹配。整个机器的稳 定性等，并同反铲装置有多种选择的位置计算，观点的不一致，没有
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