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第1章 概述3
1.1引言3
1.2国内外液压挖掘机现状、特点3
1.3液压挖掘机发展趋势5
1.4 本章小结6
第2章 挖掘机结构设计7
2.1液压挖掘机方案的确定7
2.1.1按底盘结构分类7
2.1.2 按变幅机构分类8
2.1.3确定设计方案9
2.2变幅机构的特点及设计原则9
2.2.1 反铲装置的工作特点9
2.2.2反铲装置的设计原则10
2.3本章小结11
第3章 挖掘机运动分析与有限元分析12
3.1 SoildWorks在挖掘机设计中的应用12
3.2挖掘机反铲装置的运动分析12
3.3挖掘机反铲装置的动力学分析14
3.3.1 液压挖掘机的理论挖掘阻力14
3.3.2液压挖掘机的动力学仿真与有限元分析14
3.4挖掘机反铲装置的静力学分析16
3.4.1 铲斗的受力分析16
3.4.2斗杆的受力分析18
3.4.3副动臂的受力分析21
3.4.4主动臂的受力分析23
3.5本章小结25
第4章 整机稳定性分析26
4.1 稳定性及计算方法26
4.1.1 稳定性26
4.1.2稳定性校核26
4.2接地比压计算28
4.3本章小结29
第5章 液压系统设计30
5.1液压系统的形式30
5.2液压回路设计30
5.2.2卸荷回路的设计31
5.2.3回转回路的设计31
5.2.4节流调速和背压回路的设计31
5.2.5行走限压回路的设计31
5.2.6辅助回路的设计32
5.3 重要液压元件的选型设计32
5.3.1 回转液压马达的选型设计32
5.3.2 工作机构液压缸的选型设计32
5.4液压原理图32
5.5本章小结：33
结 论34
参考文献35
致谢36
第1章 概述
1.1引言
液压挖掘机是交通运输、能源开发以及城镇建设等各项工程建设的重要施工装备，它的使用也反映了这些部门的施工机械化水平。因此，重视和加速挖掘机改进创新，稳定提高产品质量，满足用户需求，对加速现代化工程建设有着重大的意义。
液压挖掘机反铲装置是完成液压挖掘机各项功能的主要部分，其结构的合理性直接影响到液压挖掘机的工作性能和可靠性。本文根据液压挖掘机反铲装置的结构特点和工作原理，通过类比各种型号挖掘机和其他工程车辆，将挖掘机的动臂设计为组合式动臂结构，大大扩大了挖掘范围，增加了机械工作效率。
1.2国内外液压挖掘机现状、特点
近十年来，液压挖掘机总的发展趋势是围绕提高可靠性和效率、降低成本为核心，继续向大型化发展的同时向微型化发展；并着眼于动力、传动系统的改进以达到高效节能。由于微电子技术的应用，使其自动化、机电一体化和智能化的进程加快。为适应应用范围和使用条件的不断扩大，标准化、组件化成为必要的条件，另外动力也不仅限于柴油机，也可以电力为动力。以全寿命理论为导向，延长维修周期、加快维修进度和降低维修费用；以人机工程学为基础，更好地设计和装备驾驶室，提高机械作业性能，降低振动和噪声，消除公害，是这液压挖掘机得以成功发展的关键。最近几年，各地对液压挖掘机的需求量日益增加，液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是不可回避的事实。其主要特点是：
（1）结构紧凑、机动灵活、零部件少、成本低、工作重量轻、生产能力高、挖掘高度高；下挖准确，具有良好的选采性能；功能多样，完成挖掘作业后可以迅速转化为辅助作业，如可自行清理场地，保持工地平整等。
（2）中小型液压挖掘机通用性强，既可以进行强力挖掘作业，也可以完成地表平整等轻巧作业，近年来还发展到装有碎石器，进行建筑物拆除和大块矿岩破碎等作业；用途广泛，依靠人机系统操纵和控制，使发动机功率最大限度地灵活运用，从而发挥机器的强大挖掘力，快速作业，且操作轻巧。
（3）产品规格以中小型为主，逐渐向微型化发展，同时兼顾发展大斗容、大功率液压挖掘机。例如在日本，由于缺乏劳动力，为降低施工成本而大力发展微型液压挖掘机，它们可在环境狭窄、恶劣施工条件下代替人工劳动。随着矿山开采的大型化，在欧洲发展了一批大型液压挖掘机。德马克公司6251的H485型、O&K公司5201的RH300型、利勃海尔公司5301的R996型和日本神户公司4201的SMEC4500型等液压挖掘机均可以与矿用载重汽车配套。
（4）应用微电子技术，实现机电一体化和智能化。以液压挖掘机为主体，传感检测、信息处理、执行机构和接口等部分组合在一起，用微机和检测装置进行记录、优选和显示挖掘机系统重要参数，自动调节功率分配，节省燃料、减少磨损、提高效率和可靠性。液压挖掘机智能化的最终结果是机器人化，甚至实现无人操纵或遥控，以便在人们无法接近的危险条件下作业。目前国外各制造公司竞相研制智能化的液压挖掘机，可获得巨大的经济效益和社会效益[1]。
（5）改善司机工作环境，不断提高操作舒适性。设有全封闭防噪声、隔灰尘的驾驶室，与车架的连接采用抗振橡胶垫块，提高耐振性和舒适性，使工作噪声降到80dB以下。室内色彩协调、温度适宜、视野开阔、弹性座椅可调、自动化操作省力。装有可靠的驾驶室翻转支撑机构，给维修带来极大的方便并大大提高安全性能。
早在1958年我国便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品，如WY100、WY60、WY250等。当时由于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。自改革开放以来，国产液压挖掘机行业进入了一个快速发展的重要阶段。出现了一批实力比较雄厚的生产企业如中国一拖、柳州工程机械厂、黄河工程机械厂、广西玉柴股份有限公司等。它们生产的部分产品已出口，打破了多年来主要由少数几家国外挖掘机制造企业垄断国内市场的局面，使国产液压挖掘机的产量和质量都上了一个新台阶。90年代以来，随着迅速发展的微电子技术、计算机技术、控制技术、通信技术等新技术日益渗透到液压挖掘机技术中，世界各工业发达国家的液压挖掘机技术水平得以迅速提高，使一度与国外技术水平缩小的国产液压挖掘机再次与国外液压挖掘机差距拉大了。因此，国内液压挖掘机市场大部分被国外产品所占据的局面长期得不到改善。
随着我国改革开放的进一步深入，国家对基础建设和基础设施投资的规模日益扩大，国内用户对高质量、高水平、高效率的液压挖掘机的需求愈来愈迫切。尤其是在城市建设中，对于中小型液压挖掘机的需求与日俱增。
对美国、日本和德国等工业发达国家工程机械的发展研究表明，他们在上述技术方面都有不同程度的发展，特别是微电子技术和液压挖掘机相结合的机电一体化技术更是发展迅速，促进了液压挖掘机控制技术的飞速发展。
国内液压挖掘机总的来说是机型和规格少，数量少、斗容量小，技术性能较低，可靠性和质量总的来说不如国外，品种、规格上满足不了国内市场需要。在中国城市建设飞速发展的过程中，对于中小型挖掘机的外形尺寸，以及行走机构都有一定的限制。所以现在面临的问题就是开发研究新型液压挖掘机。
1.3液压挖掘机发展趋势
液压挖掘机问世以来，经历了探索、发展和提高等阶段，目前，不少国家液压挖掘机的使用在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中已越来越占有重要的位置;也是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工装备，是各国经济建设不可替代的装备。液压挖掘机的使用反映了这些国家的施工机械化水平。重视和加速挖掘机改进创新，稳定提高产品质量，满足用户需求，已成为生产和研制部门的重大课题[2]。
（1）整机的发展趋势
液压挖掘机的整机发展，趋向于大型化、微型化、多能化和专用化。大型矿用全液压挖掘机在短短几年内已由100吨级发展到420吨级，功率提高到2352马力，斗容达30立方米，目前发展仍是方兴未艾。大型机的特征是动力源采用两台或多台柴油机联合驱动，采用了节省能源、回收功率和积蓄能等功率有效利用的措施。结合城市建设和农村建筑的需要，国外发展了微型挖掘机，斗容量一般在0.25立方米以下，最小的达0.01立方米。微型机的特点是结构简单，轻便灵活，零部件尽量提高标准化程度。数量最庞大的中型机和小型机趋于一机多能的途径，有的国家统计，非建筑用的中、小型机已占30%左右，主要是在冶金工业和林业中作物料装卸和其他用途。中型机和小型机的特点是发展多种专业装置进行不同的作业(也有通过液压接头，带动装在工作装置旁的油马达，驱动另一输送设备)，不断提高性能，贯彻三化和提高单位机重的功率等。发展专门用途的特种挖掘机，可以提高工作效率，解决特殊施工困难，例如，目前发展有步履式、履带低比压式、低噪音、水下专用、水陆两用等品种。配合水下资源的开发，对水下专用挖掘机更较重视，开展了无线电遥控、电液遥控和同步显示控制技术在水下挖掘机中应用的研究。
（2）工作装置的发展趋势
工作装置的型式进一步扩大，除了常用的正铲、反铲以外，发展了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击工具、集装叉、高空作业架、绞盘与拉铲等几十种品种。工作装置的更换快速而简便，甚至在司机室内按动电钮，几秒钟即可换好，并且通过挖掘过程的研究，来控制工作装置的挖掘轨迹。目前正在研究连杆式、仿形式、套筒伸缩式、斗杆追随式和具有运算输入装置的轨迹控制装置。
（3）控制技术的发展
将飞速发展的电子技术运用于控制领域，通过可编程控制元件、总线控制技术的成功运用、大幅度减化控制系统、提高操纵控制性能和安全性能，使大型挖掘机的操纵变得越来越容易、越来越灵敏，更具人性化。各种带有总线接口的发动机、变速箱、液压阀、油泵、马达等控制和执行元件已较为成熟，成为挖掘机发展的重要支撑 。
（4）智能化
随着挖掘机吨位的增大，智能化显得越来越重要，主要是指故障自诊断和自动安全保护功能的不断扩展和提升。由于可编程控制技术的逐渐成熟，这类功能的实现显得越来越容易，也必将成为挖掘机发展的重要趋势。
1.4 本章小结
本章主要介绍了挖掘机在交通运输、能源开发以及城镇建设等各项工程建设中起到越来越大的作用，随着国家对道路建设的需求迅速增长，挖掘机的应用巨大市场，以及国内外挖掘机的发展情况及目前的发展趋势，为本次设计的挖掘机提供了行业应用基础。
第2章 挖掘机结构设计
2.1液压挖掘机方案的确定
多功能全液压挖掘机适用于房屋建筑、道路工程、水利建设、农田开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量，加快建设速度，提高劳动生产率起到巨大作用。根据行走装置结构、动臂和斗杆的不同形式大致可以划分成以下两种类型。
2.1.1按底盘结构分类
按底盘结构方式可分为履带式、轮胎式、汽车式、步履式、轨道式、拖式、浮式等液压挖掘机，如图2-1所示。
a) 履带式液压挖掘机 b) 轮胎式液压挖掘机
C）浮式挖掘机 d）汽车式挖掘机
e）轨道式挖掘机 f）步履式挖掘机
图2-1按底盘结构分类
履带式液压挖掘机的优点是履带式重心低，在进行作业时也可以移动，驱动力大，接地比压小，越野性能好，稳定性好，爬坡能力大，转弯半径小，灵活性好。缺点是履带式的行走制造成本高，运行速度低，功率消耗大，零件磨损快，长距离运行时要用运输车辆。
轮胎式液压挖掘机运行速度快，机动性好，不损坏路面，但是接地比压大，爬坡能力小，作业时需要用专门支腿，稳定性和安全性稍差。
轮胎式液压挖掘机运行速度快，机动性好，不损坏路面，但是接地比压大，爬坡能力小，作业时需要用专门支腿，稳定性和安全性稍差。
汽车式挖掘机机动灵活，行驶速度高。汽车式挖掘机突出的缺点是汽车前方为挖掘作业盲区，影响挖掘性能的发挥。
步履式、轨道式、浮式挖掘机适用于特殊工作，实用性不够广泛。
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