挖掘机工作机构设计工程技术大学毕业论文毕业设计学位论文范文模板参考资料.doc

xx工程技术大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 挖掘机械在国民经济中的作用及其发展概况1.1.1 挖掘机械在国民经济建设中的作用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2000030000m的土方，山区路基则可能达到50000 m以上的土方量;水电工程大型上石坝施工中，每日填筑量可达10万m，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，所藉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。据统计，采用一台1.0 m斗容量的单斗挖掘机，挖掘级以下的土壤时，每班生产率大约相当300400个工人一天的工作量，而一台日产20万m的大型斗轮挖掘机，则可代替56万人的劳动。由此可见，挖掘机在现代化建设工程中的功用。 各种土方工程，采掘工业(包括煤炭、矿石和建筑材料的巨大采掘量)和大面积的农田改造等，迫切要求提供大批各种类型的挖掘机械。例如:冶金工业的采掘要求提供一批大斗容的单斗挖掘机；煤炭、有色金属等的开采和大型水利工程，要求提供高效的斗轮式挖掘机，石油及城市建设中的管道工程，要求提供多斗挖掘机；而大量的土建工程则要求提供大批量通用的中小型挖掘机，城镇建筑工程和农田改造则要求提供小型、多用的挖掘机；现代化国防工程也迫切要求提供机动性好、效率高、性能先进的轮式与快速履带式挖掘机等1。挖掘机械在工程机械发展中占有很大比重和重要的地位，据统计约占工程机械总产的25%50%，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作土石方的挖掘工作，而且通过工作装置的更换，还可以用作起重、装载、抓取、打桩、钻孔等多种作业。通用型挖掘机占挖掘机总数的90%以上，它在各种工程施工中广泛使用，己成为不可缺少的重要机械设备2。1.1.2 挖掘机械发展概况1）国外挖掘机第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动半回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动全回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。 由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。19681970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83，目前已接近100。工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容量3.540 m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50-150 m的剥离用挖掘机，斗容量132 m的步行式拉铲挖掘机；b-e(布比赛路斯一伊利)公司生产的斗容量168.2 m的步行式拉铲挖掘机，斗容量107 m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。 2）国内挖掘机我国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m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、w1001、w1002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机。从早期开发成功的产品开始，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30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 m等12个等级、20多种型号。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，以促进我国挖掘机行业的发展。各机械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。由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。 业内人士指出，我国单斗液压挖掘机应向全液压方向发展；斗容量宜控制在0.1-15 m3；而对于大型及多斗挖掘机，由于液压元件的制造、装配精度要求高，施工现场维修条件差等，则仍以机械式为主。应着手研究、运用电液控制技术，以实现液压挖掘机操纵的自动化。 1.2 挖掘机的类型、特点1.2.1 液压挖掘机的基本类型 单斗液压挖掘机可按用途及其主要装置的特征进行分类。 按液压挖掘机主要用途及工作装置的不同分为通用型和专用型两种。中小型挖掘机大多数为通用型，即以挖掘土壤容重18000n/m为标准反铲斗的主要装置外，还配有适于挖掘各种轻重土质和挖掘幅度的反铲、正铲、抓斗、装载、起重等多种可换装置。而大型液压挖掘机则以矿用正铲为主要装置外，一般亦配有挖掘轻重土、石料和各种挖掘幅度的正、反铲等装置。主要用于矿山采掘和装载、称采矿或矿用型。按工作装置的结构不同分为铰接式和伸缩臂式挖掘机，常用者均为铰接式，伸缩臂式挖掘机因可用于平整清理场地和坡道等作业，故有挖掘平地机之称。按行走装置的不同，液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式等种类。屐带式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、加长及以浮式履带来降低接地比压。轮式挖掘机具有行走速度快，机动性好、可在城市道路通行，故近年来在中小型液压挖掘机中发展较快。汽车式、悬挂式是以汽车及拖拉机为基础机械(底盘)装设挖掘或装载工作装置的小型挖掘机。适用于城建小量土方工程及农村建筑。拖式则没有行走驱动机构，转移时由牵引车牵引，主要优点为结构简单、成本低。按回转部分转角的不同，液压挖掘机有全回转和半回转两类。大部分液压挖掘机是全回转式的，小型液压挖掘机如悬挂式等工作装置仅能作180左右的回转，为半回转式。按主要机构是否全部采用液压传动又分为全液压式与半液压式两种。两者区别在于半液压传动挖掘机的行走机构采用机械传动，少数挖掘机仅工作装置采用液压传动，如大型矿用挖掘机等。目前国产轮胎式液压挖掘机多采用半液压式。1.2.2 液压挖掘机的特点 液压挖掘机由于采用了液压传动装置而使其在结构、技术性能和使用效果等方面与机械传动的单斗挖掘机相比具有很多特点，其优点综合叙述如下:1）技术性能提高，工作装置品种扩大。单斗液压挖掘机与同级机重的机械挖掘机相比挖掘力约提高一倍，液压挖掘机最大挖掘力可达机重的1/2，而机械挖掘机只达机重的1/4。因此在整机参数不变下，可加大铲斗容量、提高生产率。抓斗可以强制切土和闭斗，使切土力和闭斗力都提高。液压挖掘机的行走牵引力与机重之比大大高于机械挖掘机，行速、爬坡能力都大为提高，还可换装加宽履带、使机械接地比压大大降低（甚至10kpa）。当液压挖掘机陷于淤泥或土坑中时，可以利用工作装置进行自救或逾越沟渠等障碍物，两履带可独立驱动、实现就地转向，使通过能力大为提高。工作装置由于采用液压传动使构造布置方便、灵活，而且工作装置的种类大为增加，新的结构不断出现，如组合动劈、加长斗杆、双瓣铲斗，底卸式装载斗以及伸缩式动臂等。小型液压挖掘机带有三、四十种工作装置，以适应各种作业要求(最多达150种)，而且工作装置调换方便，从而扩大了机械使用性能。 2）简化结构、减少易损件、机重小。采用液压传动后省去了机械挖掘机复杂的中间传动零部件，简化了结构并减少易损件:由于传动装置紧凑，重量减少导致转台、底架等结构件的尺寸和重量都相应降低，故同级的液压挖掘机可比机械挖掘机总重量减轻3040%。3）传动性能改善，工作平稳、安全可靠。采用液压传动后能无级调速且调速范围大(最高与最低速度之比可达1000：1 )；能得到较低的稳定转速(采用柱塞式液压马达，稳定转速可低到i转/分)；液压元件的运动惯性较小并可作高速反转(电动机运动部分的惯性力矩比其他驱动装置大50%，而液压马达则不大于5%。加速中等功率电动机需1秒钟以上，而加速液压马达只需0.1秒)，因此在挖掘机工作中换向频繁的情况下动作平稳、冲击很小，而且液压油还能吸收部分冲击能量减少机械的冲击、振动。液压系统中还设置了各种安全溢流阀，在机械工作过载或误操作时不致发生事故或机械损坏，并使机械结构件受力情况改善。4）机构布置合理紧凑。由于液压传动采用油管连接，各机构部件之间相互位置不受传动关系的影响限制，布置可较灵活，设计时可使机构的布置既满足传动要求，也满足结构件受力均衡、维护修理方便，附加平衡重尽可少等条件，做到结构紧凑、外形美观，同时也易于改进、变型发展。5）操作简便、灵活。液压传动比机械传动操纵轻便而灵活，尤以现在采用的液压伺服(先导阀)操纵，手柄操纵力小于20n，而机械挖掘机操纵力达80200n，采用先导阀后操纵杆数大为减少，主操纵手柄为2个，故操纵轻便司机的劳动强度大为减轻；驾驶室与机棚完全隔开，噪音减小、视野良好，振动减轻，改善了司机的工作条件。6）易实现“三化”、提高质量。液压元件易于实现标准化、系列化、通用化。便于组织专业化生产，进一步提高产品质量、降低成本。也便于产品的更新换代。 7）易于实现自动化。便于与电、气动联合组成自动控制和遥控系统。1.3 设计内容概述本毕业设计主要对由动臂、斗杆、铲斗、摇杆、连杆机构组成的挖掘机工作机构进行设计。具体内容包括以下几部分:1）挖掘机工作机构总体设计。2）反铲工作装置设计。3）行走机构设计。4）挖掘机的使用和维修。1.4 设计的意义和目的小型多功能液压挖掘机通常指标准斗容在0.25m以下，或指机重在8t以内的挖掘机产品，产品归类为小型工程机械，在世界工程机械市场，属销量最大的工程机械产品之一。其主要适用场合为公路养护、园林绿化、小区建设、市政工程及农田建设等。小挖机动能力强、体积小，适合于各种土方量分散、作业范围狭窄的工况。道路养护已经常规化，园林绿化有序进行，小区建设工程渐增，市政工程不断升级，农田建设正趋向机械化，小挖的应用优势恰得其所地得以发挥。它与挖斗、推土铲、液压破碎锤等多种作业装置配套使用后，具有挖掘、装载、清沟、破碎等多种功能。随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖掘机的广泛应用，挖掘机市场有着广阔的发展空间，因此发展满足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的。而工作装置作为挖掘机的重要组成部分，对其研究和控制是对整机开发的基础。反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是中型挖掘机的设计已经趋于成熟。而关于反铲式单斗液压挖掘机的相关文献也很多，这些文献从不同侧面对工作装置的设计进行了论述。而本人的知识和设计水平在初步阶段，进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设计进一步深入的认识，巩固所学的关于机械原理、机械设计方面的知识以及提高机械绘图等能力，并为将来工作奠定一定的基础。2 挖掘机工作机构总体设计2.1 挖掘机的主要参数及选择 液压挖掘机的主要参数(或称基本参数)有以下几类： 1）尺寸参数 如工作尺寸、机体外形尺寸和工作装置尺寸等； 2）质量参数 (习惯称重量参数) 如整机重、各主要部件(或总成)的重等； 3）功率参数 如发动机、液压系统及主要机构功率、力和速度等； 4）经济指标的参数 如作业周期、生产率等。液压挖掘机主要参数中最重要的参数有三个，即斗容量、机重和发动机功率。因为通过这三个参数可以从使用要求、机械本身的技术性能和技术经济指标、动力装置的配套、国际上统一的标准以及传统习惯等方面反映液压挖掘机的级别。故有主参数之称。为促进我国液压挖掘机制造业的发展，新修订的液压挖掘机基本参数标准，采用机重与标准斗容为标志，液压挖掘机新产品设计或老产品的改进、整顿、变型设计等形式和参数的确定都应符合标准规定。依据上述标准，在满足实用性、可能性、经济性和先进性的条件下，通过类比法（见表2-1）、经验公式法、理论分析计算法（见小型液压挖掘机基本参数与整机质量关系3）的理解，初步选定本次设计的主参数：标准斗容0.2m；整机重量5300kg。表2-1 6t级小型挖掘机国内外同类机型性能规格对照表table 2-1 6t-level performance of similar models excavator at home and abroad specifications table生产商日本日本美国瑞典小松日立卡特彼勒沃尔沃产品型号pc56-7zx60306ec55b pro工作重量kg5300585057755600额定功率kw34.640.540.538.8标准斗容m0.20.220.220.2性能最大行走速度高速km/h4.14.54.84.1低速km/h2.62.532.2铲斗挖掘力kn39.841.438.642斗杆挖掘力kn24.428.425.528尺寸全长mm5935606059255920全宽mm1960208019501840全高mm2550247025452560工作范围最大挖掘半径mm6120625061106110最大挖掘深度mm3800385037803820最大挖掘高度mm5850580055305770最大卸载高度mm4160408038904090发动机名称-s4d873-1isuzu cc-4jg14m40d3.1a排量l2.4343.0592.843.054续表 生产商中国韩国日本美国三一重工现代神钢凯斯产品型号sy55c-9r60-9sk55srcx55b工作重量kg5780566052605300额定功率kw39.53929.330.2标准斗容m0.210.070.240.20.080.28性能最大行走速度高速km/h4.0644.64.6低速km/h2.752.22.82.8铲斗挖掘力kn4538.535.335.3斗杆挖掘力kn332926.326.3尺寸全长mm5925590047105230全宽mm2000192017001960全高mm2585255025702800工作范围最大挖掘半径mm6090615058905890最大挖掘深度mm3800382035903590最大挖掘高度mm5710578052105210最大卸载高度mm3950405036803680发动机名称-五十铃4jg1洋马4tnv94l洋马4tnv88洋马4tnv88排量l3.0593.0542.1892.189根据经验公式计算法，线尺寸参数： （2-1）其中，kli尺寸经验系数，查机体尺寸和工作尺寸经验系数表。得出：最大挖掘半径r1=5.2316.277m 最大挖掘深度h1max=3.3174.010m 最大挖掘高度h2max=3.6625.580m 最大卸载高度h3max=2.0933.317m经过对比后最终选定r1=5.89m；h1max=3.59m；h2max=5.21m；h3max=3.68m据统计，最大挖掘半径r1数值一般与动臂长、斗杆长和铲斗长的和值很接近，由经验公式 （2-2）对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度可在很大范围内选择。由于所设计的挖掘机适用性较强，一般不替换构件或可调结构，故取中间比例方案，其k1取在1.52.0之间，初步选取k1=1.8，即l1/l2=1.8。代入并对比后得l1=3m，l2=1.6m。最后根据液压系统工作压力、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全伸长度和全缩长度之比，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=1.61.7；2=1.61.7；3=1.51.74。最终确定本设计的主要性能规格，见表2-2。表2-2 本设计的主要性能规格table 2-2 the main performance specifications of the design产品型号 wj53工作重量/kg5300全宽/mm1950标准斗容/m0.2全高/mm2610额定功率/kw30.2最大挖掘半径/mm5890最高行驶速度/kmh-14.6最大挖掘深度/mm3590最低行驶速度/kmh-12.8最大挖掘高度/mm5210铲斗挖掘力/kn36.4最大卸载高度/mm3680斗杆挖掘力/kn25.3发动机名称洋马4tnv88全长/mm6080发动机排量/l2.1892.2 反铲工作装置构成图2-1为液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图。如图所示，反铲工作装置由铲斗5、连杆6、斗杆9、动臂3、相应的三组液压缸1,4,8等组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。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。1-斗杆油缸；2-油管；3-动臂；4-动臂油缸；5-铲斗；6-连杆；7-曲柄：8-铲斗油缸；9-斗杆.图2-1 反铲装置组成图figure 2-1 backhoe device to form figure挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，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，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。2.3 反铲装置结构方案的确定2.3.1 反铲装置结构型式的确定1）确定动臂的结构型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。整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。整体式弯动臂结构简单、低廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。为了扩大机械通用性，提高其利用率。往往需要配备几套完全不通用的工作装置。一般说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。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。它的工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整，较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而简单地解决主要结构的统一化问题，装车运输也比较方便。出于对设计整体和难易程度的分析，选用整体式弯动臂。2）确定斗杆的结构型式斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆，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。在设计中由于不需要调节斗杆的长度，故采用整体式斗杆。3）确定铲斗的结构型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，其应满足以下的要求：有利于物料的自由流动。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于各种物料的运动规律。要使物料易于卸净。为了使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料颗粒直径之比应大于4：1。为此比值大于50：1时，颗粒尺寸的影响颗不考虑，视物料为均质。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的物料。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。目前，国产挖掘机斗齿安装方式主要有两类，斗容量q0.6m时多采用螺栓连接，斗容量q0.6m时多采用橡胶卡销结构。本次设计斗容量为0.2m，故采用安装方式为螺栓连接的斗齿制成的铲斗，其切削前缘中间略微突出，不带侧齿，侧壁略微呈凹形的中小型挖掘机常用铲斗。2.3.2 反铲装置布置方案的确定1）确定动臂与动臂油缸的连接方式动臂油缸装于动臂的前下方，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，当动臂油缸全伸出时，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，当动臂油缸全伸出时，将动臂举升至上极限位置，动臂油缸轴线向转台后防倾斜。动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）可以设在转台回转中心之前，并稍高于转台平面5。它也可以设在转台回转中心之后，以改善转台的受力情况，但是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。本次设计也采用了动臂油缸前倾布置方案。2）确定斗杆与斗杆油缸的连接方式在确定斗杆油缸铰点时应考虑：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撑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，该数值可以取得小一些；保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取100130。在斗杆油缸和铲斗油缸同时伸出最长时，铲斗前臂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。在计算中再初定铰点位置，如不够合理，应进行适当修改。3）确定铲斗与铲斗油缸的连接方式铲斗与铲斗液压缸有三种形式，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，分别为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构；铲斗液压缸通过摇杆和连杆与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构；第三种与第二种类似，区别在于前者液压缸活塞杆端铰接于摇杆两端之间。本次设计中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗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。如图2-2所示，该布置中1杆与2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。图2-2铲斗与铲斗油缸的连接方式，1-摇杆、2-连杆figure 2-2 bucket cylinder is connected with the bucket, 1-joystick, 2-link2.4 行走装置形式选择挖掘机的行走装置是整个机械的支撑部分，它承受机械的自重及工作装置挖掘时的反力，使挖掘机稳定地支持在地面上工作。同时又使挖掘机能在工作时作场内运行及转移工地时作运输性（轮式行走装置）运行。因而，设计单斗液压挖掘机的行走装置时应尽量满足下列要求：1）单斗式液压挖掘机的行走装置应有较大的牵引力，使挖掘机在湿软地面或高低不平的地面上行走时具有良好的越野性能，并有较强的爬坡和转弯能力；2）在不增高行走装置总高度的前提下应使行走装置具有较大的离地间隙，使挖掘机在不平地面上行走具有良好的通过性能；3）要降低挖掘机的接地比压或具有较大的支撑面积，以提高挖掘机的稳定性；4）挖掘机在斜坡下行时不发生超速滑坡现象，挖掘时不发生下滑，提高工作时的安全可靠性；5）挖掘机的行走装置外形尺寸应符合道路运输的要求。单斗液压挖掘机的行走装置按照结构的不同可分履带式和轮胎式两大类。履带式行走装置的特点是牵引力大（通常每条履带的牵引力达机重的3545%），接地比压小（40150kpa），因而越野性能好，爬坡能力大（一般为5080%，最大的达到100%），且转弯半径小、机动灵活。轮胎式行走装置的特点是机动性好，运行速度快（通常达20km/h）本次设计选用履带式行走装置。2.5 挖掘机的液压系统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地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返为机械能，实现各种动作。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、铲斗装卸、转台回转、整机行走，以及其他辅助动作。除辅助动作不需全功率驱动以外，其他都是挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。由于挖掘机的作出对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特殊要求：1）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；2）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（例如挖掘与提升、提升与回转）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。液压系统根据系统压力和液压泵特性可以分为1）中高压定量系统，大多采用外啮合齿轮泵，系统工作压力为16mpa左右，这种液压泵具有结构简单，工作可靠，尺寸小，重量轻等特点，但是效率低。2）高压定量系统，采用径向偏心柱塞泵，系统工作压力为32mpa左右。这种液压泵结构不复杂，工作可靠，耐冲击和振动，压力高，寿命长，但调速困难。3）高压变量系统，大多采用横功率调节的轴向柱塞泵，系统工作压力为32mpa左右，当外负荷变化时液压泵能够自动调节流量，达到充分利用发动机功率的目的，而且效率高，在中型和大型挖掘机中得到广泛的应用。由于本次设计为中小型挖掘机，故采用中高压定量系统。3 反铲工作装置的设计整个工作装置由动臂、斗杆、铲斗及油缸和连杆机构组成。通过对挖掘机工作装置结构的选取（结构方案：1采用整体式弯动臂，动臂油缸下置式；2采用整体式斗杆；3采用反铲装置）和运动分析（反铲装置的具体结构型式虽多，但常见的只有十多种，按运动学分析，其中有实质差别故机构型式不过几种，且它们之间还存在着许多共同点。有些不同点在运动学上还能以通用的数学表达式表示。现介绍一种通过直角坐标系对典型结构型式作运动分析的方法，以便借助于电子计算机进行方案比较和参数选择。反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度l1、斗杆液压缸的长度l2和铲斗液压缸的长度l3。显然，当l1 、l2 和l3为某一组确定值时反铲装置就相应处于一个确定的几何位置。设计平面直角坐标系，使x轴与地平面重合，y轴与挖掘机回转中心线重合。则斗齿尖v所在的x坐标值xv就表示挖掘半径，y标值yv为正值时就表示挖掘高度，为负值时表示挖掘深度。必须注意，当l1 、l2 和l3为一组定值时只有一组xv和yv组值与其对应，反之，对于xv和yv的一组定值却有许多组l1 、l2 和l3值与其相应。）来确定机构自身几何参数（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，这里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他特性参数。具体见表3-1、表3-2和图3-1）然后对其初步选取来进行分析，确定这些结构件的结构尺寸，而这就必须要对其结构进行受力分析。要进行受力分析，首先要确定结构件最不利的工况，并找到在该工况下的最危险截面，以作为受力分析的依据。但结构件不利的工况和在该工况下的危险截面往往不止一个，这需要分别计算出尺寸再综合考虑，取其中的最大值作为最后的确定尺寸。由于影响挖掘机挖掘力的因素很多，如三个工作液压缸的匹配。整机稳定问题等，并且同样的反铲装置还有较多的形式，对计算位置的选择，看法很不一致，更无统一的规定。随着电子计算机的普及应用，目前已有可能对挖掘机的所有上况及其挖掘过程中指定的千百个位置进行作用力分析和对各结构件进行较多的可能危险断面进行应力计算，再结合样的应力测定，使工作装置结构设计有可能得到比较可行而又经济的结构尺寸和形状，对工作装置中结构复杂的构件以及对结构中断而突变或应力集中的部分可以采用有限元法进行计算，以提高分析计算的精确度。表3-1反铲机构自身几何参数表table 3-1 backhoe institutions themselves geometry table参数分类机构组成铲斗斗杆动臂机体符号意义原始参数l3=qv,l12=mh,l13=mn,l14=hn,l24=qk,l25=kv,l29=khl2=fq,l9=ef,l10=fg,l11=eg,l15=gn,l16=fn,l21=nql1=cf,l6=cd,l7=cb,l8=df,l22=bfl4=cp,l5=ca,l17=ci,l19=ct,l30=cs,l38=jt,l39=ji推导参数9=nmh10=kqv4=efg5=gnf6=gfn7=nqf8=nfq2=bcf3=dfc11=cap12=tcp特性参数k2=l24/l3,l3k2=l2/l9,l3k2=l42/l41,l31=czf=l7/l511k1=l1/l2备注l2斗杆长l1动臂长1动臂弯角悬挂式11=acu表3-2反铲工作液压缸运动参数表table 3-2 backhoe hydraulic cylinder motion parameter table液压缸种类参数意义瞬时长度瞬时力臂全缩长度全缩力臂全伸长度全缩力臂性能参数参数符号动臂液压缸l1/e1l1min/e10l1max/e1z1=l1max/l1min斗杆液压缸l2/e2l2min/e20l2max/e2z2=l2max/l2min铲斗液压缸l3/e3l3min/e30l3max/e3z3=l3max/l3min图3-1反铲机构自身几何参数计算简图figure 3-1 backhoe institutions themselves geometry calculation diagram3.1 铲斗机构的设计3.1.1 铲斗机构的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3-2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，h点为曲柄与连杆的铰点。图3-2 铲斗连杆机构传动比计算简图 figure 3-2 bucket linkage calculation diagram of the transmission ratio1）铲斗连杆机构的传动比i当给定了铲斗液压缸长度l3 ，由原始参数及推导参数表出发，利用几何关系可求得图3-2中的某些参数，如在三角形hgn中 （3-1） （3-2）铲斗液压缸对n点的作用力臂为 （3-3）连杆hk对n点的作用力臂为 （3-4）连杆hk对q点作用力臂为 （3-5）铲斗连杆机构的总传动比为 （3-6）显然i是铲斗油缸长度l3的一元函数。用l3min 代入上式可得到初传动比i0 ，用l3max 代入上式可得到终传动比iz 。为了求最大传动比imax 及发生时的l3 在理论上可以取，解得l3 ,然后代入上式求得imax ，实际计算较困难。如采用优化方法可以很快得到足够精确的结果。2）铲斗相对于斗杆的摆角范围3max铲斗的瞬时位置转角为 （3-7）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 （3-8）3.1.2 铲斗机构参数的确定标准斗容q、平均斗宽b，铲斗挖掘半径r和转斗挖掘装满转角2（这里令=max）是铲斗的四个主要参数。r.b及2三者与q之间有以下几何关系： （3-9）其中 q=0.2m；b铲斗斗宽，根据反铲斗平均斗宽统计值和推荐范围，取b=0.75m；2铲斗挖掘装满转角，一般取90到100，取2=95=1.658rad；ks土壤的松散系数的近似值取ks=1.25。铲斗上两个铰点k与q的间距l24太大将影响铲斗传动特性，太小则影响铲斗结构刚度，一般取特性参数，取k2=0.34,r=l3=0.805m，得出l24=0.274m。当转角较大时k2取较小值，一般取10=kqv=95115，取kqv=1106。如图3-1所示，斗形的三个基本参数已经确定：l3=0.805m；l24=0.274m；kqv=110由最大挖掘高度h2max和最大卸载高度h3max的分析，可以得到初始转角d0： （3-10） 最大转角为3max=v0qvz =150180，其不易太大，太大会使斗齿平均挖掘力降低，初选3max=165l3max 与l3min 的确定铲斗的最大挖掘阻力f3j max 应该等于斗杆的最大挖掘力，由3-27得f3j max = 2.85kn。粗略计算知斗杆挖掘平均阻力 （3-11）挖掘阻力f3j 所做的功w3j： （3-12）铲斗油缸推力所做的功w3： （3-13） 其中 p3铲斗油缸理论推力，f3为铲斗液压缸大腔作用面积，p为液压系统工作压力；3铲斗液压缸全伸长度和全缩长度之比，一般取3=1.451.65由能量守恒知铲斗油缸推力所做的功w3 应该等于铲斗挖掘阻力所做的功w3j ：即 （3-14）则由式3-12,3-13,3-14得：得： （3-15）剩余未选定的基本尺寸大部分为连杆机构尺寸，其应满足以下几个条件：1）挖掘力的要求：铲斗油缸的挖掘力应与转斗最大挖掘阻力相适应，当斗齿尖处于v1时，斗杆油缸的理论挖掘力应不低于最大挖掘阻力的80%。 即pd080% pd0max；当处于最大理论挖掘力位置时v1qv应为30。2）几何相容。保证gfn、ghn、hnqk在l3的任意一行程下都不被破坏。如图3-2所示，在图3-2中，l12：摇臂的长度；l29：连杆的长度；l3：铲斗的长度；l2：斗杆的长度；f：斗杆的下铰点；g：铲斗油缸的下铰点；n：摇臂与斗杆的铰接点；k：铲斗的上铰点；q：铲斗的下铰点。在保证以上两个条件，通过经验公式和同斗容的其它机型的测绘对照并根据cad进行图形绘制，初步选定剩余的基本尺寸如下： 至此，铲斗机构以及铲斗液压缸的尺寸已基本确定。3.1.3 铲斗斗形的结构设计根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形的尺寸，如图3-3所示。图中三角形oge为等腰三角形，oa段为直线，ab弧段为抛物线。a点至直线eb的距离为h，抛物线定点高度为l，一般取h=l。斗尖角取值范围一般为2030取23，斗侧壁角为取值范围一般为3050取40，包角取108（参考常见铲斗斗形参数参考表）。改变三角形oeg的形状可以获得不同的形状的斗形。反铲的铲斗的斗形与尺寸，有较常用的经验统计公式，用户可以根据实际需要进行配制7。根据经验公式和电子计算，可以求得其中的未知参数。图3-3反铲斗尺寸计算简图figure 3-3 backhoe size calculation diagram斗形尺寸得出： 3.1.4 铲斗斗齿的结构设计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有铲斗容量q、长度l、宽度b、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。齿宽 （3-16）齿长 （3-17）齿距 （3-18）取斗前臂与切削面的间隙 （3-19）由于铲斗宽度，齿宽与齿距之和为 （3-20）因此铲斗装有4个齿。齿尖应保持锐利，否则挖掘力将急剧增加。新铸造（或锻造）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，挖掘阻力将增加50100%。因此，为避免这种超载挖掘，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。3.2 斗杆机构的设计3.2.1 斗杆机构的运动分析斗杆的位置参数是l1和l2的函数。这里暂时先讨论斗杆相对于动臂的运动，也即只考虑l2的影响。斗杆机构与动臂机构性质类似，它们都是四连杆机构，但连杆比例不同。d-斗杆油缸与动臂的铰点；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3-4 斗杆机构摆角计算简图figure 3-4 dipper stick agencies swivel angle calculation diagram1）斗杆相对于动臂的摆角范围2max在三角形def中 （3-21） （3-22）由图3-4中的几何关系知 （3-23）2）斗杆液压缸的作用力臂 （3-24）当l2分别取l2min和l1max时，可得到动臂机构的起始和终了力臂值e20和e2z，显然动臂液压缸最大作用力臂， 此时3.2.2 斗杆机构参数的确定计算斗杆挖掘阻力，为求取斗杆液压缸最大作用力臂做准备。 图3-5 斗杆挖掘阻力计算简图figure 3-5 dipper stick digging resist