机械课程设计-15t履带悬挂式液压挖掘机反铲工作装置设计.doc

太原科技大学课程设计说明书15t履带悬挂式液压挖掘机反铲工作装置设计姓 名 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 指导教师 2013年01月14日 太原科技大学课程设计任务书学院（直属系）： 机械工程学院 时间：2012 年12月25日学 生 姓 名指 导 教 师设计（论文）题目15t履带悬挂式液压挖掘机反铲工作装置设计主要研究内容1）工作装置结构方案设计；2）确定工作装置铰接点几何位置参数使其满足主要工作尺寸；3）工作装置运动分析；4）绘制挖掘包络图并标出主要工作姿态和动臂、斗杆、铲斗的转角范围；5）确定工作油缸主参数及闭锁压力；6）计算典型工况的整机理论最大挖掘力和并对工作装置进行受力分析。研究方法 采用比拟法求解各构件参数，静力学原理和机构几何学原理，对挖掘工作装置进行运动分析、受力分析。主要技术指标(或研究目标)整机重量：15t；反铲斗容量0.6m3；液压系统工作压力32MP；要求实现最大挖掘高度6400mm，最大挖掘深度4700mm，最大挖掘半径8300mm，最大卸载高度4250mm。 对工作装置的参数和几何构进行研究；对液压缸闭锁力进行验算，采用合适的方法调整使其达到要求；主要工作尺寸误差不得大于3%。说明书1.5万字以上，设计图纸1张A3。教研室意见同意教研室主任（专业负责人）签字：2013年1月12日说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。摘 要本次课程设计题目是15t单斗液压挖掘机反铲工作装置。主要方法是应用比拟法和解析法，对工作装置机构的几何参数和各铰点位置进行初选，然后对动臂缸在典型工况下的举升力、液压缸闭锁力进行验算，对铲斗缸和斗杆缸及相应的整机的理论挖掘力进行了计算；对动臂，斗杆，铲斗连杆进行受力分析，了解其受力情况。在满足工作范围的和挖掘动力的前提下，绘制了挖掘包络图。作为工程机械的学生，认真完成好课程设计，有助于对专业课程的理论知识的总结和理解，并锻炼学生对工程实际复杂问题的观察、分析和判断能力。关键字：液压挖掘机；反铲；工作装置AbstractThe curriculum design topics 15t track single bucket hydraulic excavator backhoe working device. The main method is the application of analogy method and analytic method, the geometric parameters of the working device and hinge point position primaries, and then checking the locking force of the lifting force of the typical operating conditions, the hydraulic cylinder boom cylinder, the bucket cylinder and arm cylinder and the whole theory of digging force calculation; boom, arm, bucket linkage stress analysis to understand the circumstances of its force. Meet the scope of work and digging powered premise, draw the mining envelope diagram.Completed a good course design as a student of engineering machinery, seriously, help summarize and understanding of the theoretical knowledge of professional courses and training students for engineering complex issues of observation, analysis and judgment.Keywords: Hydraulic excavator， backhoe，suspension type ，working deviceII目 录摘 要IIAbstractII第1章 工作装置设计原则2第2章 反铲工作装置结构方案设计22.1 总体方案的设计22.1.1 反铲工作装置结构选择22.1.2 反铲工作装置自身几何参数22.1.3 建立坐标系22.2 动臂机构参数选择22.2.1 设计的主要要求22.2.2 动臂机构设计的内容及步骤22.3 斗杆机构的参数选择22.3.1 设计的主要要求22.3.2 总体方案的选择22.4 铲斗机构的参数选择22.4.1 设计的主要要求22.4.2 铲斗机构设计的内容及步骤22.4.3 斗形参数的选择2 第3章 液压缸作用力及闭锁力的确定23.1 液压缸的作用力23.1.1 计算动臂液压缸的提升力23.2 液压缸的闭锁力2第4章 工作装置运动分析及包络图的绘制24.1 动臂运动分析2 4. 2 斗杆运动分析4.3 铲斗运动分析24.4 包络图的绘制2第5章 整机理论挖掘力的确定25.1 附着条件确定的理论挖掘力25.2 整机稳定性确定的理论挖掘力2第6章 工作装置受力分析26.1 斗杆受力计算26.2 动臂受力计算26.3 连杆机构受力计算2参考文献2总 结25715t履带悬挂式液压挖掘机反铲工作装置设计第1章 工作装置设计原则设计合理工作装置应满足以下要求：1. 主要工作尺寸及工作范围满足使用要求。在设计反铲装置时要考虑与同类型机器相比的先进性，考虑国家标准的规定，并注意到运动参数受机构碰撞限制等的可能性。2. 整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并且有一定的先进性。3. 功率利用尽可能好，理论工作循环时间尽可能短。4. 定铰点布置结构形式和截面尺寸形状是尽可能使受力状态有利，在保证强度，刚度和连结刚性的条件下尽量减轻结构自重。5. 作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性，采用变铰点结构或配套机构时，要注意分清主次。要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。6. 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。7. 工作装置液压缸应考虑三化：采用系列参数，尽可能减少液压缸零件种类，尤其是易损件。8. 工作装置结构形式和布置要便于装卸和维修，尤其应便于易损件的更换。9. 要采取合理措施来满足特殊使用要求。第2章 反铲工作装置结构方案设计反铲工作装置的工作原理，是动臂、斗杆、铲斗通过铰接的方式联系在一起，由动臂缸、斗杆缸和铲斗缸的伸长和缩短以驱动整个工作装置上的各点在平面坐标系内移动（尤其是铲斗），以期达到工作时的使用要求。反铲工作装置总体方案的选择主要依据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，并照顾到其他装置的性能。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的性能。2.1 总体方案的设计2.1.1 反铲工作装置结构选择1、动臂及动臂缸的布置确定用组合式或整体式动臂，以及组合式动臂的组合方式，整体式动臂的形状，确定液压缸的布置为悬挂式或为下置式。(此处选择整体式直动臂，液压缸悬挂式)。2、斗杆和斗杆的布置。确定整体式或组合式斗杆，以及组合式动臂的组合方式或整体式斗杆是否采用变节点调节。（此处采用整体式，非变节点调节）。3、确定动臂与斗杆的长度比，特性参数=1.8。4、确定铲斗的种类、斗容量及主要参数，并考虑铲斗连杆机构传动比是否需要调节。此处采用标准铲斗，斗容为0.6m3，平均斗宽1.00m，六连杆共点机构。5、根据液压系统工作压力、工厂制造条件和三化的要求等确定各液压缸的缸数、缸径、全伸长与全缩长之比。2.1.2 反铲工作装置自身几何参数 图2-1 反铲机构自身几何参数的计算简图表2.1 反铲机构自身几何参数参数分类机构参数组成铲斗斗杆动臂机体符号意义原始参数L3=QV=1200,L13=MK=400L14=MN=400,L24=QK=400L=KV=1330，L2=FQ=2480,L9=EF=588L10=FG=884，L11=EG=1187L15=GN=1777,L16=FN=2142L1=CF=3620，L6=CD=1687L7=CB=2070，L8=DF=1950L22=BF=1828.L5=CA=740注：表2.1数据均为参考厦工GX765履带液压反铲挖掘机，用比拟法得来。2.1.3 建立坐标系 如图2-1，以回转中心投影到停机面的点为原点，工作装置伸展方向为Y轴方向，铅垂方向为Z轴方向建立直角坐标系。表2.2 反铲工作液压缸运动参数液压缸种类参数意义特性参数动臂液压缸L1/E1L1min/E10L1max/E1z=L1max/L1min=1.67斗杆液压缸L2/E2L2min/E20L2max/E2z=L2max/L2min=1.67铲斗液压缸L3/E3L3min/E30L3max/E3z=L3max/L3min=1.45第一类参数是决定运动机构运动特性的必要参数，称原始参数，主要为长度参数；第二类参数为推导出来的参数，称推导参数；第三类参数是作方案比较所需的其它特征参数。1.动臂和摆角的计算方法图2-2 动臂摆角范围计算简图图2-3 斗杆机构摆角计算简图2、动臂的摆角范围和各点瞬时坐标根据余弦定理可得：当和时得=300 （2-1） =1140 （2-2）动臂摆角范围=840。和动臂计算方法一样，求出斗杆的摆角范围： （2-3） 2.2 动臂机构参数选择反铲工作装置是几组连杆机构的组合。在发动机功率、机重和斗容量等主参数以及工作装置结构形式既定的情况下，连杆机构铰点位置和油缸参数选择是否得当，会对挖掘性能和生产率带来很大影响，下面就动臂、斗杆、铲斗三大机构进行讨论。2.2.1 设计的主要要求1、满足作业尺寸和挖掘范围（几何尺寸）；2、满足提升力和闭锁要求（性能）；3、结构布置及结构型式要合理紧凑，无干涉，无功率浪费。2.2.2 动臂机构设计的内容及步骤1、动臂下铰点C位置坐标的确定。表2.3 机体尺寸和工作尺寸经验系数表3机 体 尺 寸 系 数名称推荐值范围转台底部离地高0.400.37-0.42关于尺寸参数可按下式近似求的: (2-8)由样机XG765测得C点到转台距离以及AC的距离，由比拟法的设计机型点C到转台的距离为100mm，Xc=1000mm，AC=740mm。由于机重G=15t，由表2.3可查得出： 2、的确定：的取值对最大挖掘深度和最大挖掘高度都有影响。加大该值会增大挖掘深度，但减小了最大挖掘高度；减小了该值则会减小最大挖掘深度而增大最大挖掘高度。由于本设计考虑为以反铲为主的通用挖掘机且由XG675，取。3、动臂缸下铰点A位置的确定图2-5 动臂铰点与液压缸铰点简图所以 4、初步确定动臂长度原始参数给定最大挖掘半径为, 动臂和斗杆的夹角最大角即。根据样机则取取图2-6 最大挖掘半径计算简图最大挖掘半径R1 (2-9)选动臂与斗杆的长度比，最大挖掘半径R1一般和CF+FQ+QV的值很接近。因此可按经验公式初选l1和l2。 mm 符合要求小于3%。5、动臂缸的伸缩比的确定考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动幅度等因素，一般的，取=1.67。 6、动臂及动臂液压缸铰点的几何关系可按图32用公式表达：由样机，初选无因次比例系数=0.5，则由可得=1480mm, 动臂在上极限位置时由得 （3-4） （3-5）动臂在下极限位置时由得 （3-6）令 （3-7）又由得 由得 于是动臂在上，下极限位置时液压缸作用力臂相应为力臂比=0.9 （3-8）取无因次比例系数，把它们代入式（35）和式（37），得出 （3-9）将式（39）代入式（38）得 由式（39）（36）（37）得 从和中可以看到之间的关系：；1。符合要求大于，此时。悬挂式动臂连接方案即属于此类。由式（34）和（36）得则动臂摆角为840。2.3 斗杆机构的参数选择斗杆的结构型式往往取决于动臂的结构型式，此次设计采用整体式斗杆。2.3.1 设计的主要要求1、保证足够的斗齿挖掘力和闭锁力；2、保证斗杆的摆角范围DFE最大=105125。 A、满足挖高，一般使CFQ约=160180； B、斗杆缸全伸，转斗缸全伸时，斗齿与动臂之间距离。2.3.2 总体方案的选择表2.4 同类机型对比表型号铲斗挖掘力（KN）斗杆挖掘力（KN）机重（t）XE150D857514 1、 参考样机斗杆挖掘力初选斗杆缸缸径 液压系统工作压力是32Mpa，假定液压泵到液压缸的压力损失是500Kpa，液压缸回油背压是1000Kpa。 2、预选斗杆缸伸缩比，取 斗杆的摆角范围 取 3、根据几何关系确定和 设 全缩和全伸时斗杆缸作用力对F点的力臂，则有： (2-13) 则 得出： 4、求 D为斗杆缸与动臂之铰点 (2-14) 求得：mm5、由几何位置确定EFQ=130170。斗杆上取决于结构因素，并考虑到工作范围，取。2.4 铲斗机构的参数选择反铲铲斗机构有四连杆的，也有六连杆的。此次设计采用六连杆共点机构。2.4.1 设计的主要要求1、必要的转角范围 必要的开挖角（水平面以上030） 必要的挖掘转角（90110） 必要的挖掘装满转角（铲斗的总转角=150180）2、符合载荷变化情况 开挖角范围内及处大于等于平均挖掘阻力 2535之间大于等于最大挖掘阻力 之后可不考虑，只要挖掘力大于零就行3、机构运动无干涉（避免转斗缸全伸时斗齿尖碰撞斗杆下缘的现象）2.4.2 铲斗机构设计的内容及步骤图2-10 连杆机构设计在铲斗主要参数已知的情况下： 取1、初选 取2、初选 共点时 此次设计采用共点时， 3、初选铲斗缸伸缩比 取4、作图确定和当转斗处于两个极限位置时，作图求出由于-MM1,查资料在油缸行程系列中取672mm，即：求得： 5、铲斗油缸的选取由表2.4取铲斗最大挖掘力转斗机构最大理论挖掘力应与转斗最大挖掘阻力相适应，常布置在处。最大挖掘力则大致出现在035处，此次设计取15，作图测得： l3=1200 因此 初取铲斗油缸缸经，由，可知所选油缸缸径合适。2.4.3 斗形参数的选择铲斗的主要参数有四个，分别是标准斗容量q、平均斗宽B、转斗挖掘半径R和转斗挖掘装满角2。四者的关系： (2-13)式中 标准斗容量，q=0.6m3；平均斗宽，取B=1.00m；转斗挖掘半径； 土壤松散系数，取近似值为1.25；挖掘装满角，全面考虑有关因素，可以取=90o100o，取2=96o。将以上各值代入上式，计算得R=1200mm。铲斗的特性参数 ，太大将影响传动性，太小将影响刚度，当铲斗转角较大时取较小值。取=0.3333。KQ=0.351200=400mm一般取，取=100 第3章 液压缸作用力及闭锁力的确定由要求达到的动臂液压缸作用力和被动闭锁力，就能确定出液压缸满足要求的缸径。3.1 液压缸的作用力动臂液压缸应保证反铲作业过程中在任何位置上都能提起带有满载铲斗的工作装置到达最高和最远的位置。斗内土重 取 反铲工作装置各构件质量近似值参考文献3.P89.表2-7。由于此次设计的斗容量是q=0.6m，采用插值法确定各构件的重量，如下表 表3.1 工作装置各构件质量表动臂（G1）斗杆（G2）铲斗（G3）斗杆缸（G4）铲斗缸（G5）连杆摇杆（G6）动臂缸（G7）机重（G）0.7170.5750.2760.1850.1720.060.18512.833.1.1 计算动臂液压缸的提升力依据以下三个位置动臂液压缸的举升力：1、工况一：从最大挖掘深度处提起满载斗时所需要的动臂缸举升力，图上所有重心位置及到C点的所在纵轴线的距离都是通过AutoCAD作图测绘按1:80放大求得，如图3-1所示。各构件到动臂铰点的力臂值见表3.2表3.2 各作用力的近似力臂值表（mm）土动臂斗杆铲斗斗杆缸铲斗缸连杆摇杆动臂缸力臂2610.91656.23011.62610.916133458.63168.34937.33563.02图3-1 动臂液压缸作用力计算简图（工况一）对动臂铰点C点取矩有： 即：求得：2、工况二：从最大挖掘半径处提起满载斗时所需要的动臂缸举升力，图上所有重心位置及到C点的所在纵轴线的距离都是通过AutoCAD作图测绘按1:80放大求得，如图3-2所示。各构件到动臂铰点的力臂值见表3.3。表3.3 各作用力的近似力臂值表（mm）土动臂斗杆铲斗斗杆缸铲斗缸连杆摇杆动臂缸力臂5822.41831.630105822.42371.65210.56286.5877.74716.5图3-2 动臂液压缸作用力计算简图（工况二）对动臂铰点C点取矩有： 即：求得：3、 工况三：从最大卸载高度处提起满载斗时所需要的动臂缸举升力，图上所有重心位置及到C点的所在纵轴线的距离都是通过AutoCAD作图测绘按1:80放大求得，如图3-3所示。各构件到动臂铰点的力臂值见表3.4。 表3.4 各作用力的近似力臂值表（mm）土动臂斗杆铲斗斗杆缸铲斗缸连杆摇杆动臂缸力臂42561009.127764256136032584439286.7567图3-3 动臂液压缸作用力计算简图（工况三）对动臂铰点C点取矩有： 即：求得：3.2 液压缸的闭锁力确定合理的液压缸闭锁能力是保证挖掘力得到充分发挥的基本条件之一。选择适当的动臂液压缸闭锁压力既能起到保护元件的目的又能保证主动油缸发挥最大挖掘力使正常作业顺利进行。过大的闭锁压力不但起不到保护液压系统及其元件的作用，而且会对系统提出过高的要求，这样既不经济，也无必要，还可能损坏元件。合理的闭锁压力是保证在主要挖掘范围内使主动液压缸能发挥出最大挖掘力的同时还能起到保护元件的作用。初选动臂液压缸一支，缸径140mm，杆径80mm。则动臂液压缸大腔推力P1=487.2KN；初选斗杆液压缸一支，缸径100mm，杆径50mm。则斗杆液压缸大腔推力P2=248.3KN；初选铲斗液压缸一支，缸径100mm，杆径50mm。则铲斗液压缸大腔推力P3=248.3KN；常选定以下三个工况进行闭锁力分析：.动臂最低，斗杆铅垂，转斗挖掘，其作用力臂最大；.动臂最低，F、Q、V三点一线，斗杆挖掘且作用力臂最大 ；.动臂最低，挖掘深度最大，F、Q、V三点一线，铲斗挖掘，克服平均阻力 。工况一：铲斗液压缸产生的挖掘力最大，挖掘阻力对动臂铰点C，斗杆铰点F所造成的力矩均接近最大值，而动臂液压缸的力臂值为最小表3.5 各作用力的近似力臂值表（mm）（工况一）r1837416267.293004.4170128033033165652862484634.7810.6注： =390mm转斗液压缸可通过对Q点的力矩平衡方程求得： 从可能出现的最不利情况出发，假设存在法向阻力，其值取各点对F点取矩，可得到斗杆液压缸所受的被动作用力 图3-5 液压缸闭锁压力计算简图（工况一） 若在此工况下若闭锁力不足，斗杆缸则会出现回缩现象，为了防止斗杆液压缸被动回缩，其大腔限压阀的调定压力与液压缸工作压力相比较，超出的百分比为： 说明斗杆缸大腔闭锁压力不足，超压16.8%。同样对动臂在平台上的铰点C取矩，求得动臂液压缸所受的被动作用力， P1使动臂液压缸受压缩（大腔为高压腔）。由于420小于487.2。所以不会回缩。工况二：这种情况下斗杆液压缸产生最大挖掘力，挖掘阻力对动臂铰点C的力矩接近最大值，而动臂液压缸的力臂为最小。表3.6 各作用力的近似力臂值表（mm）（工况二）r44003.2236.43680153.829653154165630575599563.6588注：各点对F点取矩，此时斗杆液压缸所受的主动作用力求得图3-6 液压缸闭锁压力计算简图（工况二）从可能出现的最不利情况出发，假设存在法向阻力，其值取铲斗液压缸可通过对Q点的力矩平衡方程求得： 求得若在此工况下铲斗缸大腔闭锁力不足，会出现回缩现象，为防止其被动回缩，大腔限压阀的调定压力与其工作压力相比较，超出的百分比为： 说明铲斗缸大腔闭锁力满足，富余15.4%。同样对动臂在平台上的支撑点C取矩，求得动臂液压缸所受的被动作用力，由于动臂液压缸大腔的闭锁力等于487.2KN，大于373，所以能锁住。富余的百分比：工况三：在这种挖掘状态下，挖掘阻力对动臂铰点C必将造成最大的挖掘阻力矩，它会要求液压缸缸径增大，或闭锁压力过分增高，这种过分的要求往往被认为是不合理的。因此在这种情况下挖掘时只要求能克服平均挖掘阻力表3.7 各作用力的近似力臂值表（mm）（工况三）312.33374.3981282553677030933221165629655754564587图3-7 液压缸闭锁压力计算简图（工况三）最大挖掘阻力： (3-3)式中 土壤硬质系数。对于III级土宜取，取C=100铲斗与斗杆铰点到斗齿齿距离，单位为cm， R=l3=120.0cm挖掘过程中铲斗总转角的一半，切削刃宽度影响系数，为铲斗平均宽度，单位为m切削角变化影响，取斗的侧壁厚度影响系数，为侧壁厚度单位为cm，初步设计时可取X=1.15带有斗齿的系数，Z=0.75D切削刃挤压土壤的力，根据斗容大小在D=1000017000N的范围内选取，斗容小于0.25m3 时，D应小于10000N。取D=15000N求得：铲斗平均挖掘阻力取从可能出现的最不利情况出发，假设存在法向阻力，其值取各点对F点取矩，可得到斗杆液压缸所受的被动作用力若在此工况下斗杆缸大腔闭锁力不足，会出现回缩现象，为防止其回缩，大腔限压阀的调定压力与其工作压力相比较，超出的百分比为： 同样对动臂在平台上的支撑点C取矩，求得动臂液压缸所受的被动作用力，若在此工况下动臂缸大腔闭锁力不足，会出现回缩现象，为防止其被动回缩，限压阀的调定压力与其工作压力相比较，超出的百分比为： 表3.8 液压缸闭锁力计算结果汇总表 液压缸种类液压缸参数液压缸闭锁压力（Mp）只数缸径杆径行程大腔推力第工况第工况第工况mmKN闭锁压力超压闭锁压力超压闭锁压力超压动臂缸114080980487.227.2-13.7%22.4-23%34.59.3%斗杆缸110060962248.338.316.8%34.48.9%铲斗缸110060515248.326.8-15.4% 由上述过程得出的被动油缸闭锁压力是保证三种典型工况下主动油缸能发挥最大挖掘力的最低限定压力。选定液压油工作压力为32MP，可将三组油缸的闭锁限压阀压力调高17%，即可满足要求闭锁力要求。实际分析计算中难以对所有的工况计算油缸应产生的闭锁压力，所以，比较合理的闭锁压力设定值应如前面所述，能保证主要工况下在较大范围内主动油缸的最大挖掘力能充分发挥就行了。限压阀闭锁压力调整后得到各闭锁腔的闭锁压力分别为38MPa。 第4章 工作装置运动分析及包络图的绘制4.1 动臂分析 动臂油缸的最小长度；动臂油缸的伸出的最大长度；A：动臂油缸的下铰点；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点.图4-1 动臂摆角范围计算简图在三角形ABC中：L12 = l72+l52-2l7l5 COS11 = COS-1（l72+l52- L12）/2l7l5 (4-1)可得1min=30o。1max=114o由=11+2+1可得动臂摆角范围为84o4.2 斗杆运动分析如下图4-2所示，D点为斗杆油缸与动臂的铰点点，F点为动臂与斗杆的铰点，E点为斗杆油缸与斗杆的铰点。斗杆的位置参数是l2，这里只讨论斗杆相对于动臂的运动，即只考虑L2的影响。D-斗杆油缸与动臂的铰点点； F-动臂与斗杆的铰点；E-斗杆油缸与斗杆的铰点； 斗杆摆角.图4-2 斗杆机构摆角计算简图在三角形DEF中L22 = l82+ l92-2COS2l8l92 = COS-1（L22- l82-l92）/2l8l9 (4-8)由上图的几何关系知2max =2 max-2min =120 (4-9)显然斗杆的最大作用力臂e2max = l9，此时2 = COS-1（l9/l8），L2 =4.3 铲斗运动分析铲斗相对于XOY坐标系的运动是L1、L2、L3的函数，现讨论铲斗相对于斗杆的运动，如图4-3所示，G点为铲斗油缸与斗杆的铰点，F点为斗杆与动臂的铰点Q点为铲斗与斗杆的铰点，v点为铲斗的斗齿尖点，K点为连杆与铲斗的饺点，N点为曲柄与斗杆的铰点，M点为铲斗油缸与曲柄的铰点。 图4-3 铲斗连杆机构传动比计算简图1、 铲斗连杆机构传动比i利用图4-3，可以知道求得以下的参数： 在三角形MGN中 22 = MNG = COS-1（l152+l142-L32）/2l15l1430 = HMGN = COS-1（L32+ l152- l142）/2L3l1432 = - MNG - MGN = -22-30 (4-11) 在三角形MNQ中L272 = l132 + l212 + 2COS23l13l21NMQ = COS-1（l212+l142- L272）/2l21l14 (4-12)在三角形QHK中27 = QMK= COS-1（l292+l272-L242）/2l29l27 (4-13)在四边形KMQN中NMK=NMQ+QMK (4-14)铲斗油缸对N点的作用力臂r1r1 = l13Sin32 (4-15)连杆HK对N点的作用力臂r2r2 = l13Sin NMK (4-16)而由r3 = l24，r4 = l3 有3连杆机构的总传动比i = （r1r3）/（r2r4） (4-17)显然4-17式中可知，i是铲斗油缸长度L2的函数，用L2min代入可得初传动比i0，L2max代入可得终传动比iz。2、铲斗相对于斗杆的摆角3铲斗的瞬时位置转角为 3 =7+24+26+10 (4-18)其中，在三角形NFQ中7 = NQF= COS-1（l212+l22- l162）/2l21l2 (4-19）10暂时未定，其在后面的设计中可以得到。当铲斗油缸长度L3分别取L3max和L3min时，可分别求得铲斗的最大和最小转角3max和3min，于是得铲斗的瞬间转角:3 = 3-3min (4-20)铲斗的摆角范围: 3 = 3max-3min (4-21) 4.4 包络图的绘制挖掘包络图是指斗齿尖能达到的最大范围所形成的封闭图形，它与工作装置的几何参数及工作油缸的伸缩长度或范围有关。通过挖掘包络图能够从几何上直观地反映挖掘机最大的作业范围、在极限位置上工作装置各部件的几何位置关系以及机构的干涉情况，这些信息在一定程度上反映了工作装置几何参数设计的合理性和整机的几何性能。在挖掘机工作装置机构参数给定的情况下，不难绘制出挖掘机包络图。挖掘包络图的边界一般由八段圆弧曲线组成，各圆弧的交接点分别为V1、V2、V9。运用CAD得出挖掘包络图，绘图步骤及过程如下：V1-V2段：动臂液压缸最短，斗杆液压缸最短，铲斗液压缸由QV与FQ延长线夹角15伸到135，由斗齿尖绕Q1点以Q1V1=1200mm为半径转动形成。V2-V3段：动臂液压缸最短，铲斗液压缸最长，斗杆液压缸伸长，使CFQ=170转到CFQ=30，由斗齿尖绕F1点以F1V2为半径转动形成。V3-V4段：动臂液压缸最短，斗杆液压缸最长，铲斗液压缸缩短至斗齿尖位于C、Q2连线上为止，由斗齿尖绕Q2点以Q2V3=1200mm为半径转动形成。V4-V5段：斗杆液压缸最长，铲斗液压缸固定，动臂液压缸缩短，CAB=30缩至ACAB=114，由斗齿尖绕C点以CV4为半径转动形成。V5-V6段：动臂液压缸最长，斗杆液压缸最长，铲斗液压缸由原固定值缩至F、Q、V三点一线，即中V6位置，由斗齿尖绕Q3点以L3=1200mm为半径转动形成。V6-V7段：动臂液压缸最长，斗杆液压缸固定，F、Q、V三点一线，斗杆液压缸由最长缩至最短，由斗齿尖绕F2点以L2+L3=3680mm为半径转动形成。V7-V8段：动臂液压缸最长，斗杆液压缸最短，铲斗液压缸缩短，使F、Q、V三点一线的姿态缩至斗齿尖位于C、Q4连线的延长线上，即使C、Q、V三点一线为止，由斗齿尖绕Q4点以L3=1200mm为半径转动形成。V8-V9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CV8为半径转动形成。通过上述步骤后，将主要作业尺寸，各部件（动臂，斗杆，铲斗）的摆角范围及极限姿态标在包络图上，见附图1. 第5章 整机理论挖掘力的确定整机的理论挖掘力就是在考虑了主动油缸的发挥能力、被动油缸的限制条件、整机与地面的附着情况及整机的前、后倾稳定性后在特定姿态和作业方式下发挥在斗齿上的最大挖掘力，其方向沿着斗齿运动的切线方向。由第六章闭锁力可知,整机理论挖掘力，因此闭锁力确定的理论挖掘力在此不再计算。5.1 附着条件确定的理论挖掘力附着条件所限制的挖掘阻力值,可由整机受力的X坐标投影平衡方程求得： (5-1)式中：G-整机重量 -行走装置与地面附着系数，取 -挖掘阻力的水平倾角，取因此求得：5.2 整机稳定性确定的理论挖掘力此处只考虑挖掘失稳状态。表5.1 液压挖掘机重心位置系数系数名称代号平均值范围重心离中心距0.300.26-0.34重心离地高0.320.28-0.40由经验公式可知：重心坐标：（-740，790）风载荷取，故取由于在挖掘过程中存在法向阻力，取1、斗杆垂直于地面，斗齿尖离地面以下0.5m，用铲斗挖掘，切向阻力垂直地面，法向阻力向机体，此时倾复边缘在履带前端，如图5-1所示。图5-1 挖掘失稳计算简图（工况一）稳定力矩：倾覆力矩：表5.2 工况一参数表g0g1g2g3l0lg1lg2lg3wh1287.175.752.7633082739479541311.441726为稳定状态，否则整机前倾失稳。 求得，取。2、最大挖掘深度为H时斗杆及铲斗处于垂直位置，用铲斗液压缸挖掘，此时挖掘阻力有使整机抬起的趋势，倾复边缘在履带的后端，如图5-2所示。稳定力矩：倾覆力矩： 表5.3 工况二参数表g1g2g3lg1lg2lg3l2Hhw7.175.752.761656324030972965470017261.44 图5-2 挖掘失稳计算简图（工况二）为稳定状态，否则整机前倾失稳。 求得，取。3、在停机面上最大挖掘半径处用铲斗液压缸挖掘，挖掘阻力W1和W2向上有使整机后倾的趋势、倾复边缘在履带的后端，如图5-3所示。稳定力矩：倾覆力矩：表5.4 工况三参数表g1g2g3wlg1lg2lg3r1r2h7.175.752.761.44286754777386812212281726为稳定状态，否则整机前倾失稳。求得，取 图5-3 挖掘失稳计算简图（工况三）由于此种工况在地面开挖时常见，并不严重，当铲斗转过一定角度后由于阻力臂迅速减小，倾覆力矩就减小，所以更稳定，故此工况忽略。第6章 工作装置受力分析6.1 斗杆受力计算反铲装置的斗杆（尤以标准和加长斗杆）强度主要为弯矩所控制，故其计算位置可根据反铲工作中挖掘阻力对斗杆可能产生的最大弯矩来确定。根据斗杆工作情况的分析和试验说明，斗杆危险截面最大应力发生在采用转斗挖掘的工况下。工作装置上的作用力有工作装置各部分的重量：动臂重 斗杆重 铲斗重还有作用于斗侧齿上的挖掘阻力，包括切向分力，法向分力，侧向力近似计算时，一般取以下两个位置：1、计算位置一，如图6-1所示，条件是： 1）动臂位于最低（动臂液压缸全缩） 2）斗杆液压缸作用力臂最大（斗杆液压缸与斗杆尾部夹角是90） 3）斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上 4）侧齿遇到障碍物作用有横向力铲斗挖掘时，铲斗液压缸工作力所能克服的切向分力可取铲斗为隔离体，按对铰点Q的力矩平衡方程，求得：法向阻力决定于动臂液压缸的闭锁力，可取工作装置为隔离体，按对动臂底部铰点A的力矩平衡方程，求得：图6-1 斗杆受力计算简图（位置一）取斗杆（带斗）为隔离体，列出对铰点F的力矩平衡方程，可求得斗杆液压缸作用力（被动状态），一般情况下，此力与其闭锁力值相近。 取摇杆连杆为研究对象，由传动比可知：铰点Q的作用力，可以取铲斗为研究对象，按作用力平衡方程式，如图6-2所示。由可知：求得，方向如6-2图所示。由可知 求得，方向如6-2图所示。 图6-2 Q点受力简图（一）斗杆上摇杆铰点N处的作用力可以摇杆为研究对象，按作用力平衡方程式，如图6-3所示。图6-3 N点受力简图（一）由可知：求得，方向如图6-3所示。由可知： 求得，方向如图所示。此外，边齿遇到障碍物时，有横向阻力，此力的最大值决定于回转平台的制动力矩。式中 横