毕业设计（论文）-25t液压挖掘机主铲工作装置与驱动系统设计.doc

25t液压挖掘机主铲工作装置与驱动系统设计 毕 业 设 计（论 文）题目：25t液压挖掘机主铲工作装置与驱动系统设计（英文）：Design of Working Mechanism and Drive System on the 25t Hydraulic Excavator院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 69 25t液压挖掘机主铲工作装置 与驱动系统设计摘要液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，是工程机械的主力机种。由于液压挖掘机具有多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置和控制系统等部分组成。根据课题要求，设计内容由两大部分组成，包括工作装置和驱动系统设计。液压挖掘机工作装置由动臂机构、斗杆机构、铲斗机构三部分组成，这些主要机构经常启动、制动、换向，外负载变化很大，工作条件恶劣，冲击和振动多，因此对液压挖掘机的工作装置提出了较高的设计要求。在几何尺寸上，需要满足合理的挖掘范围分布，在整个作业范围内的任何位置都要求实现最大挖掘力并不经济，而要求挖掘机在主要挖掘区内能实现最大挖掘力。在满足各部分结构正常工作的情况下，要保证工作装置的强度和刚度特性。在收集的基础上对国内外挖掘机工作装置的有关设计资料进行了综合，对挖掘机工作装置原理、结构特点进行了分析，总结了挖掘机工作装置与驱动系统的设计要求，提出了传统设计方法与基于计算机仿真设计方法相结合的设计方法。在确定结构尺寸参数的基础下，对工作装置进行运动仿真，并进行受力分析。接着仔细分析了挖掘机的几种典型工况，介绍了液压系统基本类型、回路，同时考虑到工作装置驱动系统的设计要求，最后设计出符合要求的驱动系统。关键词：挖掘机；工作装置；驱动系统；平面连杆机构Design of Working Mechanism and Drive System on the 25t Hydraulic ExcavatorABSTRACTHydraulic excavator is a kind of multifunction machine used widely in construction field, and it is a primary kind of construction machinery. Because of its characteristics: multifunction, high quality and efficiency, many companies like to use it, and its manufacturing is developing day by day.Hydraulic excavator composed of the parts like engine, hydraulic system, working equipment, rotary device, walking mechanism and control system and so on. Two main parts: working mechanisms and hydraulic systems designing make up of this article.Hydraulic excavator consists of three parts, swing arm, bucket arm, scraper bucket. These major mechanism often start, brake, reversing, the external load they withstood changes a lot, poor working conditions, and much shock and vibration, all this to the high designing requirements of the working mechanism of the hydraulic excavator, On the geometric dimensions, need to meet the reasonable excavating area of distribution. At any position in the entire excavating area, required to achieve maximum excavating force is not economy, but in the major excavating area, the excavator can achieve maximum excavating force. In the premise of meet structure of each part to working properly, ensure the strength and stiffness characteristics of the working mechanism.The paper comprehensive collected of design information of the excavator working device at home and abroad, analyzed the principle, structural features, and typical working condition, summarized the design requirements of excavator working device and drive system. And then put forward the new designing methods which combined the traditional designing methods with the designing methods based on computer simulation. On the basis of determine the size parameters of working device, simulated motion and analyze stress. Then careful analyze of several typical working conditions of the excavator, and describes the basic types of hydraulic systems, loop, taking into the designing requirements of drive system, finally the drive system which meet the requirements was designed.Key words: excavator; working mechanism; drive system; plane and link organ目 录1绪论11.1挖掘机的研究现状11.2本课题的研究意义与目的21.3国内外挖掘机生产现状及发展趋势32挖掘机工作装置设计72.1挖掘机工作装置82.1.1反铲装置结构形式82.1.2反铲装置工作特点142.2工作装置结构方案的确定172.2.1动臂结构及动臂油缸的布置172.2.2斗杆及斗杆液压缸的布置182.2.3确定动臂与斗杆的长度比182.2.4确定铲斗连杆机构的结构形式192.2.5确定各液压缸的数目、缸径及伸缩比192.3铲斗的设计192.4动臂结构的设计222.5斗杆机构的设计232.6铲斗连杆机构的设计252.7工作装置运动分析262.8工作装置受力分析282.8.1铲斗连杆机构及斗杆的受力分析282.8.2 动臂的受力分析332.8.3 轴的设计计算353液压系统设计433.1挖掘机工况分析433.1.2挖掘机典型工况433.1.3满斗举升回转工况分析453.1.4卸载工况分析453.1.5空斗返回工况分析463.2挖掘机工作装置对液压系统的要求463.3液压系统的类型473.3.1定量系统473.3.2变量系统473.4液压系统的基本回路473.4.1限压回路473.4.2卸荷回路493.4.3调速和限速回路493.5液压系统图503.5.1液压系统工作原理图503.5.2液压系统电气控制原理图523.6液压系统计算及元件的选择523.6.1液压缸的设计计算及选择523.6.2液压泵的主要参数的确定及选择593.6.3管路和管接头的选择613.6.4油箱的设计623.7液压系统性能验算633.8液压系统油液温升验算644结论665参考文献676致谢6825t液压挖掘机主铲工作装置与驱动系统设计1绪论挖掘机械是工程机械的一种主要类型，是土石方开挖的主要机械设备，包括有各种类型与功能的挖掘机。 各种类型的挖掘机已广泛应用在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程，农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等的机械化施工中。据统计，工程施工中约有60%以上的土石方量，系由挖掘机来完成。在上述各种工程中，土石方工程量占有很大的比重例如，铁路建筑中，每一公里路基平均要完成2000030000立方米的土方。山区路基则可能达到50000以上的土方量；水电工程大型土石坝施工中，每日填筑量可达10万，采掘工业，包括煤炭、矿石和建筑材料的采掘等，在国民经济中占有很大比重，其剥离作业及采掘工作量则更大。 根据统计，在建筑工程中，若土方工程全部由人工来完成，那么，所需劳动力约占全部工程所需劳动力总数的50以上。在露天矿场和采料场中，若用人工采掘，则所需劳动力约占90。 为节省劳动力、减轻繁重体力劳动，提高劳动生产率、加快建设速度，保证工程质量和降低成本，采用机械化施工是根本的措施。它对尽早发挥建设投资效果，促进国民经济的高速度发展有很大的作用。1.1挖掘机的研究现状从20世纪50年代开始生产第一台液压挖掘机至今，挖掘机工作装置己经发展到了相当成熟的阶段。随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力。 近几年来，国外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在工程建设和施工行业中占有很重要的位置。液压挖掘机迅速发展的根本原因，在于机械本身的优越性(重量轻、挖掘能力大、生产率高)、通用性好、操纵轻便，也由于下述几个因素:(1)重视试验研究工作，液压挖掘机的研制除了保证机械技术性能以外，十分重视挖掘机的使用经济性和工作可靠性，研制过程中，进行各种性能试验和可靠性试验，包括构件强度试验、系统试验、操纵试验、耐久性试验等等，要通过严格的科学试验和用户评价，才进行定型生产；(2)重视电子计算机技术的引用，加快了新产品的发展速度，国外发展有总体、工作装置、液压系统等的设计程序，出现了总体优化设计方法和适合于计算机数据处理的数学模型描述液压系统和元件特性的程序，这样，就可以利用计算机在很短的时间内进行总体设计，新产品从设计到批量生产的周期缩短到23年左右。 当前液压挖掘机的研制和改进主要着眼于:(1)发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效的功，其中包括动力装置与液压系统的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构功率的回收，高效液压系统的研究等;(2)铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标。1.2本课题的研究意义与目的挖掘机械是工程机械的一种主要类型，是土石方开挖的主要机械设备，包括有各种类型与功能的挖掘机。 各种类型的挖掘机已广泛应用在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程，农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等的机械化施工中。据统计，工程施工中约有60%以上的土石方量，系由挖掘机来完成。在上述各种工程中，土石方工程量占有很大的比重例如，铁路建筑中，每一公里路基平均要完成2000030000的土方山区路基则可能达到50000以上的土方量；水电工程大型土石坝施工中，每日填筑量可达10万立方米，采掘工业，包括煤炭、矿石和建筑材料的采掘等，在国民经济中占有很大比重，其剥离作业及采掘工作量则更大。根据统计，在建筑工程中，若土方工程全部由人工来完成，那么，所需劳动力约占全部工程所需劳动力总数的50以上。在露天矿场和采料场中，若用人工采掘，则所需劳动力约占90。 为节省劳动力、减轻繁重体力劳动，提高劳动生产率、加快建设速度，保证工程质量和降低成本，采用机械化施工是根本的措施。它对尽早发挥建设投资效果，促进国民经济的高速度发展有很大的作用。 第二次世界大战以后，各工业先进的国家为加速经济发展，加快建设速度，无不致力于不断提高施工机械化的水平，为了满足施工机械化不断增长的需要，高度重视了工程机械的发展。例如：二次大战后英国工程机械年平均增长率为9，法国为15.9，联邦德国为11.9，苏联1949年1980年，年平均增长约为20，美国1967年1976年年平均增长率为12，日本1955年1980年平均增长率达29.1。国民经济中的三大支柱能源、交通和建筑工业的发展均与工程机械的发展有着密切的关系。 为了实现四个现代化宏伟目标，我国基本建设的任务将是巨大而繁重的，它要求工程机械行业提供足够数量并具有先进技术水平的各种类型工程机械，以满足施工机械化的迫切需要。挖掘机械在工程机械发展中占有很大的比重和重要的地位，据统计约占工程机械总产值的2550，是重点发展的机械品种之一。尤其是中小型、通用的单斗挖掘机不仅用于土石方的挖掘工作，而且通过工作装置的更换，还可以用作起重、装载、抓取、打桩等多种作业。通用型挖掘机占抢掘机总数的90以上，它在各种工程施工中广泛使用，已成为不可缺少的重要机械设备。 我国挖掘机械行业近年来虽有很大的发展，但从产品的种类、数量和技术性能以及制造质量上都还不能满足四个现代化建设发展的要求，迅速地提高挖掘机械的设计、研入和生产的技术水平是当前挖掘机械行业所面临的迫切而艰巨的任务。1.3国内外挖掘机生产现状及发展趋势我国的挖掘机生产起步铰唤，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。 新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪3040年代的W501、W502等型机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂。 1967年开始，我国自主研制液压挖掘饥。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WY100型、贵阳矿山机器厂的W460型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型和杭州重型机械厂的WY250型挖掘机等。它们为我国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。到20世纪80年代末，我国挖掘机生产厂已有36多家，生产机型达40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0.12.5等12个等级、20多种型号，还生产0.54.0以及大型矿用10、12机械传动单斗挖掘机，1隧道挖掘机，4长臂挖掘机，1000/h的排土机等，还开发了斗容量0.25的船用液压挖掘机、斗容量0.4、0.60.8的水陆两用挖掘机等。但总的来说，我国挖掘机生产的批量小分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，有很大的差距。改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进我国拉掘机行业的发展。其中贵阳矿山机器厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂等分别引进德国利勃海尔(Liebherr)公司的A912、R912；R942；A922、R922；以及R962、R972、R982型液压挖掘机制造技术。稍后几年，抗州重型机械厂引进德国德玛克(Demag)公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术，北京建筑机械厂引进德国奥加凯(O&K)公司的RG6和MH6型液压挖掘机制造技术。与此同时，还有山东推土机总厂、黄河工程机械厂、江苏长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的PC100、PC120、PC200、PC220、PC300、PC400型液压挖掘机(除发动机外)的全套制造技术。这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平、产量也逐年提高。工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、英国、俄罗斯、日本等是斗容量3.540单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50150的剥离用挖掘机，斗容量132的步行式拉铲挖掘机；B-E(布比赛路斯-伊利)公司生产的斗容量168.2的步行式拉铲挖掘机，斗容量107的剥离用挖掘机等。是世界上目前最大的挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。（一）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅0.01。另外，数量最多的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、庶花钻、电磁吸盆、振捣器、推土扳、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低噪声、水下专用和水陆两用挖掘机等。（二）迅速发展全液压挖掘机，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，在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好前提。（三）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作，美国林肯-贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统、可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装CAPS(计算机辅助功率系统)，提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命；德国奥加凯(O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的904、905、907、909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了ECO(电子控制作业)的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效宰、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭短载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。（四）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的理沦。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统。在上述基础理论的指导，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程。并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%95%，使用寿命超过l万小时。（五）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。（六）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势，因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时用增大流量来补偿，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量(降低速度)，使挖掘力成倍增加；采用三回路液压系统。产生三个互不影响的独立工作运动。实现与回转机构的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。（七）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电液一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志亦即目前先进的挖掘上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功跑优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。2挖掘机工作装置设计液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃(通常装有斗齿)切削土壤并将土装入斗内。斗装满后提升，回转到卸土位置进行卸土。卸完后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘。当挖完一段土后，机械移位，以便继续工作。液压挖掘机为了实现上述周期性作业动作的完成，装备有下列基本组成部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动操作机构，行走装置和辅助设备。挖掘机根据工作装置的不同可以分为正铲挖掘机和反铲挖掘机，其中反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置。考虑到设计的需要，本文将从设计的角度主要对单斗液压挖掘机的反铲工作装置进行讨论。如图2.1，该挖掘机的工作装置为反铲工作装置，主要由动臂、斗杆、铲斗以及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成。动臂、斗杆和铲斗均由高强度钢板焊接而成的箱形结构，动臂根部用一根销轴铰接在平台前端中部，由两只铰接在转台前部的动力油缸支撑。油缸作伸缩运动，动臂作升降运动。图2.1 反铲工作装置1-斗杆油缸；2-动臂；3-液压管路；4-动臂油缸；5-铲斗；6-斗齿；7-侧齿；8-连杆；9-摇杆；10-铲斗油缸；11-斗杆工作装置由斗杆油缸、斗杆、动臂、铲斗油缸、动臂油缸、摇杆、连杆和铲斗组成。其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，动臂下铰点铰接在转台上，利用动臂油缸的伸缩，使动臂绕动臂下铰点转动，依靠斗杆油缸使斗杆绕动臂的上铰点摆动。而铲斗铰接于斗杆前端，并通过铲斗油缸和连杆使铲斗绕斗杆前铰点转动。为增大铲斗转角，通常以连杆机构与铲斗连接。从而通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种工作尺寸。2.1挖掘机工作装置2.1.1反铲装置结构形式反铲工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一,反铲工作装置是中小型液压挖掘机最主要的工作装置。1、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取决于动臂的结构形式口反铲动臂可分为整体式和组合式两类。整体式动臂的优点是结构简单，质量轻而刚度大。其缺点是更换的工作装置少，通用性较差，多用于长期作业条件相似的挖掘机上。整体式动臂又可分为直动臂和弯动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便。主要用于悬挂式液压挖掘机，但它 （a）组合式动臂 （b）组合式动臂图 2.2 组合式动臂液压缸铰接方案1下动臂；2动臂液压缸；3整液压缸;4动臂；5斗杆液压缸；6铲斗液压缸；7斗杆；8铲斗不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机，弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，与同长度的直动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类:一类用液压缸连接，另一类用螺栓连接。液压缸铰接方案，如图2.2所示,其上、下动臂之间夹角可以借助液压缸调节。图2.2（a）所示结构中为调整液压缸3布置在下动臂1前下方的形式，图2.2(b)所示为调整液压缸3布置在下动臂1后上方的形式。调整液压缸3在停业过程中可随时调整上、下动臂夹角，从而提高机械的工作性能。特别在用抓斗或反铲挖掘窄而深的基坑时，容易得到较长距离的垂直挖掘轨迹，便于实现各种复杂的挖掘轨迹。由于调整液压缸受力较大，其直轻也要求较大，与其他下作液压缸缸径不易统一。图2.2所示动臂的两种结构方式各有特点。图2.2(a)结构能够将上、下动臂夹角调节到180，形成直臂，相当于长动臂工作。由于液压缸位置的限制，致使上、下动臂夹角伸缩不如组合式动臂灵活。图2.2(b)所示结构由于液压缸布置，而限制了上、下动臂间的夹角，使其不能处于同一直线上。当调整液压缸3全部收回时上、下动臂夹角最大，当调整液压缸全伸时上、下动臂夹角较小，以利地面以下深处作业。此结构的下动臂l、调整液压缸3和上动臂4的下部组成近似的刚性三角形结构，受力情况得到改善。图 2.3 采用螺栓连接的组合式动臂1-动臂液压缸；2-下动臂；3-调整螺栓；4-上动臂；5-斗杆液压缸；6-铲斗液压缸；7-斗杆；8-铲斗 从受力状态考虑，动臂液压缸的活塞杆端与动臂连接的铰点最好与上、下动臂交点重合。实际上由于结构限制。切实可行的选择原则是在主要工况下应使动臂液压缸作用力线通过上、下动臂的铰点。采用螺栓连接上、下动臂的结构形式如图2.3所示。为了调节上、下动臂的夹角和上动臂的有效伸出长度。在下动臂2上设置了a、a和b三个连接栓孔，a和a两孔至b孔的距离相等。在上动臂4上设置了直线排列，间距等于ab的四个连接孔。这两组孔之间组成了六种连接位置。当下动臂2采用a、b两孔连接时在上动臂4的四个孔上可以得到三种位置，使上动臂的伸出长度不同，此时上、下动臂之间夹角相同；当下动臂2采用a、b两孔连时同样可以得到另外三个位置，但上、下动臂之间夹角比采用a、b两孔时要小。在实际作业中.当土质松软或要求工作尺寸较大时可以采用上动臂4伸出较长的位置，当土质坚硬或采用大容量铲斗挖掘时可以取上动臂4伸出较短的位置；当要求较大挖掘深度时可以取a、b孔连接；当要求较大挖掘高度或卸载高度时则取a、b孔连接。作正铲用时一般不取上动臂4最大伸出位置，因为这时机械稳定性和液压缸作用力都不能保证满足挖掘要求。2、斗杆的结构形式斗杆也有整体式和组合式两种，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口。如图2.4（a）所示，把加长杆拆去即成短斗杆2.4（b）所示为伸缩式斗杆，它有伸、缩两种状态。 （a） (b)图2.4斗杆的结构形式3、动臂油缸和斗杆油缸的布置 动臂油缸的连接一般有两种布置方案。第一种如图2.5(a)和(b)所示，动臂油缸装于动臂的前下方。动臂下支承点(即与转台的铰点)可以设在转台回转中心之前，并稍高于转台平面。它也可以设在转台回转中心之后，以改善转台的受力情况，但使用反铲作业装置时动臂支点靠后布置会影响挖掘深度。大部分中小型液压挖掘机以反铲作业为主，因此都采用动臂支点靠前布置的方案。动臂油缸一般都支于转台前部凸缘上。动臂油缸活塞杆端部与动臂的铰点通常也有两种布置方案。一种是铰点设在动臂封闭箱形体下方的凸缘上，如图2.5(a)所示。另种是铰点设在动臂箱体中间，如图2.5(b)所示。后一种方案用单只动臂油缸时，动臂底面需开口，使活塞扦可以伸入连接；用两只动臂油缸时，则两缸分置于动臂两侧，在结构上有加筋保证强度。铰点布置(a)不削弱动臂结构强度，但影响动臂下降幅度，(b)则与之相反，但对双动臂油缸则较合适。（a） （b） （c） （d）图2.5 动臂油缸的布置方案第二种方案如图2.5(c)和(d)所示，动臂油缸装于动臂的上方或后方，有的称之谓“悬挂式油缸”。这个方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时，尤其在挖深较大时动臂油缸往往处于受压状态，闭锁能力较强。尽管在动臂提升时油缸小腔进油，提升力矩一般尚够用，提升速度也较快。故作为专用的反铲装置这种方案仍然可取。为了统一缸径和保证油缸的闭锁能力，双动臂油缸的方案采用渐多。有些悬挂式动臂油缸布置时考虑到不破坏动臂箱形截面且不与斗杆油缸碰撞，也采用双缸。斗杆油缸一般只用一个，大型反铲有的动臂和斗杆油缸均用双缸。4、铲斗与铲斗油缸的连接方式反铲斗杆油缸的布置如图2.7所示。铲斗与铲斗油缸的连接有三种型式(图2.6)，其区别主要在于油缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同。 图2.6（a）为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗油缸组成四连杆机构。图2.6（b）中铲斗油缸通过摇杆l和连杆2与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆共点机构。图2.6（d）与图2.6（b）类似，区别在于前者油缸活塞杆端铰接于摇杆两端之间。图2.6（c）的机构传动比与（b）差不多，但铲斗摆角位置向顺时针方向转动了一个角度。图2.6 铲斗与铲斗油缸的连接方式六连杆方式与四连杆方式相比在同样的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。六连杆中方式（b）和（d）在油缸行程相同时，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。通过理论分析和长期的实践，目前大多数挖掘机上采用的是六连杆共点机构。5、铲斗的结构特点 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几种甚至十多种斗容量不同，结构型式各异的铲斗。图2.7 斗杆油缸的布置方案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，因此延长了作业预环时间，降低了有效斗容量。国外采用设有强制卸土板的粘土铲斗。图2.8表示两种粘土斗的卸土原理，其中图a采用可以活动的铲斗后壁，它可绕着铲斗与斗杆的铰点销轴在一定范围内自由转动，转动范围用限位块1和2限制。图中所示限位块2起作用时，满图2.8强制卸土的铲土斗 载铲斗由位置转到的过程中后壁不动，进行强制卸土。当铲斗由位置I反向(逆时针)转动时后壁随之转动，直至其与限位块1相碰为止。图b所示结构采用活动斗底，该斗底与连杆连成一体。卸土时铲斗液压缸缩短，铲斗沿顺时针方向往上拍，活动斗底板则相对向下摆动，实现强制冲土。（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的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，以便切人或破碎阻力较大的物料。挖硬士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。目前国产挖掘机斗齿安装方式主要有两类，斗容量q0.6时多采用螺栓连接(图2.9(a)，斗容量q0.6时多采用橡胶卡销结构(图2.9(b)。装有侧齿时正齿应超前于侧齿，有些正齿的中间齿亦超前于边齿。一般铲斗的前部比后部宽，顶部比底部宽。斗齿刃角愈小，挖掘阻力也愈小，但斗齿磨损较快，一般取2025。铲斗挖掘切削角一般为2025。铲斗前壁一般有一定长度的直线段，约500900mm。侧齿仅在挖沟或要求导向性能较好时装设，非必要时装侧齿将增大阻力。挖粘性软土的斗齿一般较为细长，挖硬土岩的斗齿略为粗短。清理用的铲斗采用平切削刃，不带齿。挖中硬或粘性成形土沟时可用带三角缺口的切削刃。（a）螺栓连接方式(b)橡胶卡销连接方式图2.9 斗齿安装结构示意图1-卡销；2-橡胶卡销；3-齿座；4-斗齿2.1.2反铲装置工作特点挖掘机反铲装置是由动臂、斗杆、铲斗、连杆及动臂油缸、铲斗油缸等组成。这种工作机械是模仿人的手臂而设计制造并实现与其同样的动作。举起的时候令动臂动作、拉近时斗杆动作、挖削时通过连杆使铲斗动作。铲斗部分除了可以安装标准铲斗以外，还可以安装松土器、破碎器和抓斗等任选附件。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，通过回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，动臂下降铲斗接触挖掘面后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘作业。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂升起，随即接通回转油路使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸回缩，使铲斗反转进行卸土。卸完后，工作装置再转到挖掘位置进行第二次挖掘循环。实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合是多样、随机的。上述仅为一般的理想过程。反铲工作装置的构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，通过液压缸的伸缩来实现挖掘过程的各种动作。从挖掘作业过程知，虽然从装土到卸土整个过程的运动是三维的，但在挖掘过程中，只有动臂缸、斗杆缸、铲斗缸的相互配合运动，整个工作装置是在一个平面内完成主要挖掘作业过程，因此，在此课题的分析中，不考虑整个工作装置的回转运动。液压挖掘机的反铲装置主要用于挖掘停机面以下土壤(基坑、沟壕等)。其挖掘轨迹决定于各油缸的运动及其相互配合情况。通常情况下，分为动臂挖掘、斗杆挖掘、转斗挖掘等几种情况。1 动臂挖掘当采用动臂油缸工作来进行挖掘时(斗杆和铲斗油缸不工作)可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时铲斗的挖掘轨迹系以动臂下铰点为中心，斗齿至该铰点的距离为半径所作的圆弧线。其极限挖掘高度和挖掘深度(不是最大挖掘深度)即圆弧线之起终点，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角(动臂与水平线之夹角)，也即决定于动臂油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长而且由于稳定条件限制挖掘力的发挥，实际工作中基本上不采用。2 斗杆挖掘当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的长度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗杆油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。在较坚硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗，故挖掘机实际工作中常以斗杆油缸工作进行挖掘。3转斗挖掘当仅以铲斗油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧线的包角及弧长决定于铲斗油缸的行程。显然，以铲斗油缸工作进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤。所以一般挖掘机的斗齿最大挖掘力都在采用铲斗油缸工作时实现。采用铲斗油缸挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率。因此，在一般土方工程挖掘中，转斗挖掘较常采用。在实际挖掘工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作。如当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时，则需采用动臂与斗杆两种油缸的同时工作，当挖掘坑底，挖掘行程将结束为加速将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变铲斗切削角等情况下，则要求采用斗杆与铲斗油缸同时工作。虽然此时挖掘机的挖掘轨迹是由相应油缸分别工作时的轨迹组合而成。显然，这种动作能够实现还决定于液压系统的设计。当反铲装置的结构形式及结构尺寸己定时(包括动臂、斗杆、铲斗尺寸、铰点位置，相对的允许转角或各油缸的行程等)，即可用作图法求得挖掘机挖掘轨迹的包络图，即挖掘机在任一正常工作位置时所控制到的工作范围（如图2.10），图上各控制尺寸即液压挖掘机的工作尺寸。对于反铲装置主要的工作尺寸为最大挖掘深度和最大挖掘半径。图 2.10 反铲装置工作示意图包络图中可能有部分区间靠近甚至深入到挖掘机停机点底下，这一范围的土壤虽可挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响机械的稳定和安全工作，除有条件的挖沟作业外一般不使用。挖掘机反铲装置的最大挖掘力决定于液压系统的工作压力、液压缸尺寸，以及各液压缸间作用力之影响（斗杆缸、动臂缸的闭锁压力及力臂）外，还决定于整机的稳定和地面附着情况，因此，工作装置不可能在任意位置都能发挥其最大挖掘力。配有反铲工作装置的挖掘机的挖掘速度在结构尺寸一定条件下，决定于液压系统单位时间内对工作液压缸的供油量。当反铲装置的结构形式及尺寸已定时，即可用作图法求出挖掘包络图，即反铲挖掘装置在工作位置时，所能控制到的作业范围。对反铲工作装置而言，包络图中可能有部分区域靠近甚至深入到反铲挖掘装置停机点以下，这一范围的土壤虽能挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响作业的稳定性和安全性，除有条件的挖沟作业外，一般不使用。反铲工作装置一般采用转斗卸土，卸载较准确、平稳，便于装车工作。2.2工作装置结构方案的确定如前所述，反铲工作装置主要挖掘停机面以下的土壤，因此适合于建筑基坑、水利工程以及其他地面以下的土石方挖掘工程。但作为辅助功能，在加装各种辅助作业装置后，用反铲挖掘机进行破碎、起吊、拆除等辅助作业的情况也比较常见。一般情况，大多数反铲工作装置采用弯动臂、直斗杆、共点式铲斗六连杆机构、动臂油缸下置。这种结构形式有利于地面以下挖掘，同时还兼顾了最大卸料高度，提升力矩、铲斗转角范围等要求，因此是中、大型及小型反铲挖掘机普遍采用、同时也是比较成熟的基本结构和尺寸的工作装置，如加长动臂、加长斗杆以及各种结构的铲斗。2.2.1动臂结构及动臂油缸的布置由前述构造部分可知，动臂的结构形式主要为整体式动臂和组合式动臂两，整体式动臂结构简单但适应性差。组合式动臂结构复杂但可满足不同作业范围和尺寸要求。从动臂结构外形上看，整体式动臂又分为弯动臂和直动臂。整体式弯动臂有利于反铲地面以下的挖掘作业，但比起直动臂来结构复杂并在动臂弯曲部位容易引起由于结构和工艺问题而导致的应力集中等强度方面的问题。虽然如此，通过分析比较和实践检验，在各类反铲液压挖掘机上，整体式弯动臂仍得到了普遍的应用，因而，整体式弯动臂结构作为首先方案。对于大、中型挖掘机，动臂油缸一般为双油缸，并布置于动臂两侧，在增加了提升力矩的同时提高了动臂及整个工作装置在运动过程中的稳定性，对于小型挖掘机，为简化结构，在满足使用要求的前提下可采用单动臂油缸，并将动臂油缸与动臂的铰接点置于动臂中部下方。这样做既可满足小型机对对挖掘深度的要求，同时不致于影响动臂的结构强度，因而实际应用中较为多见。故本文采用双动臂油缸布置方案。2.2.2斗杆及斗杆液压缸的布置整体式斗杆结构简单，但适应性差，难以满足不同作业尺寸的要求，尤其是大范围、远距离挖掘作业。而组合式斗杆则可弥补这种不足，但组合式斗杆结构复杂，并有多种组合方式可选，如螺栓连接组合式斗杆、油缸连接组合式斗杆等，根据本文设计要求大范围作业，故采用组合式斗杆。斗杆油缸布置于斗杆的上部，反铲工作装置挖掘方式为向下向后挖掘方式，这时斗杆油缸大腔为工作腔，能产生较大的挖掘力。而铲斗油缸单独工作进行挖掘时，斗杆油罐大腔闭锁，也能产生足够的闭锁压力。值得注意的是当铲斗装满物料进行提升时，斗杆需要回摆，此时斗杆油缸小腔进油变为工作腔。而到最上部位置时其回摆力臂可能会很小，因此要保证能产生足够的回摆力矩。2.2.3确定动臂与斗杆的长度比根据文献1，动臂长度与斗杆长度的比值=/是反映工作装置特性的一个重要参数，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范围内选择。般当2时(有的反铲取3)称为长动臂短斗杆方案，当1.5时属于短动臂长斗杆方案。在1.52之间称为中间比例方案。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链接来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动臂和斗杆固定铰接，值由作业条件确定。从作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下，值越大作业范围愈窄。从挖掘方式看值大宜用斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而值小宜用转斗挖掘为主。从挖掘轨迹看，值小易得到接近于直线的运动轨迹，因而它用于平整和清理作业，在挖掘窄而深的沟渠或基坑时挖掘轨迹也较易控制，向挖掘质量和装卸效率比抓高。从结