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WY100液压履带挖掘机总体及工作装置设计及运动仿真【Solidworks三维图+动画仿真】【8张CAD图纸+毕业论文】

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关键词：: WY100液压履带挖掘机总体工作装置设计运动仿真 solidworks三维cad图纸毕业论文

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WY100液压履带挖掘机总体及工作装置设计及运动仿真论

73页 30000字数+说明书+任务书+开题报告+Solidworks三维图+动画仿真+8张CAD图纸【详情如下】

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摘要

液压挖掘机是工程机械的重要产品之一，具有较高的技术含量。工作机构是液压挖掘机的主要装备，机构各铰点以及其具体结构的设计将是决定工作机构性能水平的重要因素，决定了液压挖掘机的工作性能，影响其最终使用性能的好坏，所以对液压挖掘机工作机构的研究是十分有必要的。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。

本次设计的题目是WY100液压履带挖掘机总体及工作装置设计及运动仿真。这种类型的挖掘机与其它类型的挖掘机相比，因有良好的性能而应用最广，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。

本次设计完成的主要任务有：挖掘机的类型及发展概况、液压挖掘机的总体设计液压挖掘机工作阻力的计算、液压挖掘机工作装置的设计、液压挖掘机工作装置的受力分析和强度校核、挖掘机工作装置液压系统的设计、挖掘机工作装置的运动仿真

本次设计的主要参数是斗容量1.0m3,它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作装置及进行运动仿真。挖掘机的工作装置是直接完成挖掘任务的装置，本设计对工作装置的各个组成部分进行了较为详细的设计，这其中包括了动臂、斗杆和铲斗及其驱动装置的设计。

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2～3倍，整机质量为25吨，最大卸载高度约为4.53m，最大挖掘深度5.99m，最大挖掘半径约为9.795m，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。

关键词：液压挖掘机工作装置液压系统运动仿真

ABSTRACT

Construction machinery hydraulic excavator is one of the most important products which has high technical content. Working mechanism is the main equipment of hydraulic excavator, each joint point and the design of the concrete structure are important factors to decide the working mechanism of the performance level, determining the working performance of hydraulic excavator, which influence the use performance is good or bad, so the research of hydraulic excavator is very necessary. The main characteristics of hydraulic excavator is as follow: It has a stepless speed regulation and wide speed range, it can obtain stable low speed, when action quickly, the hydraulic parts produce a small inertia and good acceleration performance, and it can be used for high speed reversal, produce smooth transmission, simple structure, can absorb the impact and vibration, labor-saving operation, it is easy to control automatically and realize the standardization, seriation and generalization.

The topic of the design is the design of WY100 hydraulic crawler excavator overall and the working device and motion simulation for the working device. Compared with the other types of excavator this type of excavator have good performance so used widely, it can reduce ground pressure by widening, lengthening and floating crawler for soft ground or marshes. The main tasks of the design are: Types and the development of the excavator, the overall design of hydraulic excavator, the working resistance calculation of the hydraulic excavator, the design of the working device ,stress analysis and strength check calculation of the working device, the hydraulic system design of the excavator working device , the motion simulation of excavator working device

The main parameter of the design is bucket capacity 1.0m3, it belongs to the small and medium-sized hydraulic excavator, the main tasks are the design and motion simulation of working device of excavator. The working device is the equipment that completes the task of mining directly, all the design of the work device components are designed in detail including the design of the boom, stick and bucket and a driving device.

This design used the crawler walking device to meet the requirements of the excavator. The upper part of the excavator is a full rotation swivel table so it can work in a greater scope. Because of the use of hydraulic drive control and make the machine performance can be improved. Compared with the mechanical excavators, the mining capacity increased to 2 ~ 3 times, the quality of the machine is 25 tons, the maximum discharge height is about 4.53M, the maximum digging depth is 5.99M, maximum digging radius of about 9.795m, can be seen from the operation ability has been greatly improved, not only the mining capacity but the light weight, smooth transmission, high efficiency and compact structure.

Keywords: hydraulic excavator working device hydraulic system motion simulation

第1章绪论1

1.1挖掘机作用及其发展概况1

1.2挖掘机的分类·2

1.3单斗液压挖掘机的特点、类型3

1.4设计题目简介·4

第2章总体设计8

2.1 总体设计内容及原则8

2.2 选择确定总体参数·8

第3章挖掘机工作阻力·15

3.1 工作液压缸的理论挖掘力·15

3.2 整机挖掘力·16

3.3整机实际挖掘力·17

第4章工作装置设计18

4.1 设计要求18

4.2 反铲工作装置结构方案的确定18

4.3铲斗设计·24

4.4动臂机构设计27

4.5斗杆机构的设计·31

4.6铲斗连杆机构的设计32

第5章工作装置受力分析和强度验算35

5.1铲斗及铲斗连杆机构分析35

5.2斗杆及斗杆机构分析36

5.3动臂及动臂机构分析43

第6章工作装置液压系统设计49

6.1挖掘机工况特点和对液压系统的要求·49

6.2液压系统主要类型和特点51

6.3液压挖掘机的基本回路和辅助回路52

6.4液压系统图54

第7章运动仿真·56

7.1 引言·56

7.2 Solidworks模拟仿真的基本概述56

7.3 Solidworks动画模拟仿真的概述57

7.4 液压挖掘机工作装置的三维实体建模57

7.5 液压挖掘机工作装置的三维实体装配62

第8章毕业设计小结64

第9章致谢·66

参考文献·国外元件来设计，这种经过改型或新设计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化国外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。

国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，其原因除了国内挖掘机加工水平落后之外，挖掘机设计水平与发达国家相比也有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了其设计软件，他们的研究基本上局限于解决某些问题，即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。关于工作装置设计参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能使用于挖掘机工作装莺的一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通用性。特别是国内，CAD在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用CAD进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能达到设计需要，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。经过近十年的研究，获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结果已进入实际应用过程中。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于，为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，即大多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限进行的，在这种情况下开发出一个专业的工作装置设计工具和软件显得非常的重要。

国内液压挖掘机的研究和发展动向应该体现在以下几个方面：（1）提高效率，降低能耗。（2）提高技术性能和控制性能。（3）发展集成、复合、小型化、轻化元件。（4）开展液压自动控制技术方面的研究与开发。（5）加强以提高安全性和环境保护为目的研究工作开发。（6）提高液压元件和系统的工作可靠性。（7）标准化和多样化。（8）开展液压系统设计理论和系统性能分析研究。掘机的国家，1954年和1955年德国的德马克和利渤海尔公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展上起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国是液压挖掘机生产的后起之秀，20世纪70年代开始引进技术，由于产业政策进入国际市场，并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。

20世纪60年代，挖掘机进入成熟期，各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其它技术相结合，使产品适应性得到了较快的发展，产品寿命和质量不断得到提高，操纵更加舒适，产品更加节能。例如美国卡特彼勒公司1955年以后推出的300B系列液压挖掘机，采用一种命名为maestro的系统，通过载荷传感液压装置，控制发动机的输出功率，实现与液压泵的严格匹配。Maestro控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态，允许用户自行决定功率工况模式。再如韩国现代公司生产的ROBEX450-3型液压挖掘机，有四种功率模式，通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参数，使得发动机、液压泵的速度及液压用液压系统压力与实际工况相适应，从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗。此种技术在日本松、日立建机、神钢、韩国大宇重工、德国的利渤海尔、英国的JCB等到公司均得到普遍应用，代表了当代液压挖掘机的最高水平。

当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。我国已经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号。

由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能；应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性；电子计算机检测与控制，实现机电一体化；提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，单斗液压挖掘机有以下的趋势：

（1）向大型化发展的同时向微型化发展。

（2）更为普遍地采用节能技术。

（3）不断提高可靠性和使用寿命。

（4）工作装置结构不断改进，工作范围不断扩大。

（5）由内燃机驱动向电力驱动发展。

（6）液压系统不断改进，液压元件不断更新。

（7）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。

（8）增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。

（9）人机工程学在设计中的充分利用。

参考文献

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［3］高衡,张全根.液压挖掘机.北京：中国建筑工业出版社，1981

［4］阎书文.机械式液压挖掘机.北京：机械工业出版社，1982

［5］天津工程机械研究所.单斗液压挖掘机.北京：中国建筑工业出版社，1976

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［9］张平格.液压传动与控制.北京：冶金工业出版社，2004

［10］成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2002

［11］吴相宪,王正为,黄玉堂.实用机械设计手册。徐州：中国矿业大学出版社，1993

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OCT.22,1968

［19］R.K.Tessmann,I.T.Hong,Hydraulic Pump Performance as a Function

Of Speed and Pressure,SAE961741

内容简介：: 河北建筑工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称WY100液压履带挖掘机总体及工作装置设计及运动仿真系别：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化班级：机094 学生姓名：肖海那学号： 2009307402 指导教师：王少雷课题来源导师课题课题类别工程设计一、论文资料的准备 1.履带式挖掘机机简介挖掘机械是工程机械的一种主要类型，是土石方开掘的主要机械设备，包括有各种类型与功能的挖掘机。据统计，采用一台1.0m3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m3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，而挖掘机完成各项功能的主要构件又是挖掘机的工作装置，所以对于挖掘机工作装置的设计和研究就显得极为重要了。工程施工中约有60%以上的土石方量，系有挖掘机来完成的。挖掘机从诞生到现在已经有170多年的历史，期间经历了由蒸汽机驱动，利用杠杆原理，有轨式的挖掘机，到电力驱动及内燃机驱动的全回转挖掘机，最后发展到现在生产的电控式、半智能化挖掘机。挖掘机械的最早雏形，远在十六世纪于意大利威尼斯用于运河的疏浚工作。模拟人的掘土工作，以蒸汽机驱动的“动力铲”诞生于十九世纪（1836年）。挖掘机的发展经历了四个阶段，第一阶段：机械式挖掘机，由蒸汽机或柴油机提供动力利用杠杆原理进行机械传动，行走方式为有轨式移动，有的可以在小范围内回转有的不能回转。其中由柴油机提供动力的挖掘机是挖掘机发展史上的飞跃。第二阶段：液压挖掘机，1950年液压挖掘机在德国开始发展，液压技术的运用是挖掘机发展史的第二次飞跃。第三阶段：电控式挖掘机，1970年世界知名厂家开始生产，电控技术应用是挖掘机发展史的第三次飞跃。第四阶段：智能型挖掘机（未来挖掘机的发展方向）。 2.履带式挖掘机的发展现状目前市场上应用最广泛的就是反铲式单斗液压挖掘机，也是最常见的。反铲装置是液压挖掘机重要的工作装置，是一种适用于成批或中小批量生产的、可以改变动作程序的自动搬运和操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间结构，挖掘机工作装置主要有动臂、斗杆和铲斗，斗杆有整体式和组合式两种，大多数挖掘机斗采用整体式斗杆，国内外对其运动分析，机构和结构参数优化设计方面都做了比较深入的研究，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。当前，国际上挖掘机的生产正向大型化，微型化，多能化和专业化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。液压挖掘机由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，因而世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗液压挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能;应用范围不断扩大，不断降低成本，实现标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性;电子计算机监测与控制，实现机电一体化;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，其趋势为:向大型化发展的同时向微型化发展。更为普遍地采用节能技术。不断提高可靠性和使用寿命。工作装置结构不断改进，工作范围不断扩大。由内燃机驱动向电力驱动发展。液压系统不断改进，液压元件不断更新。应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。在液压挖掘机产品功能方面，液压挖掘机工人机工程学在设计中的充分利用。二、本课题的目的（重点及拟解决的关键问题）本课题针对WY100液压履带式挖掘机的总体设计、工作装置设计及其运动仿真进行了重点研究。目的在于阐明WY100液压履带式挖掘机铲斗挖掘时的受力状况，总体及工作装置的设计，根据对挖掘阻力的分析，对挖掘机进行动力学仿真，为进一步分析研究挖掘机工作装置的强度提供证据。液压挖掘机工作装置是完成液压挖掘机各项功能的主要构件,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。因此，对挖掘机的设计和研究就显得非常重要。利用CAD对设计的模型进行仿真操作，在模拟真实环境中的工作状况并对其进行分析和判断，让设计者尽早发现设计的缺陷和潜在的失败可能并及时修改与优化，这样既能缩短产品的设计周期、提高产品的可靠性，又能实现产品的优化设计，从而减少后期修改付出的昂贵代价。利用此软件能够进行快速正确的分析计算，形象直观、操作简单，当改变参数时只要在计算机的有关界面上简单操作就能达到修改的目的，从而实现减少用户的工作强度。同时对产品进行运动仿真，能够形象生动地进行产品的运动模拟，使仿真运动更加清晰地展现在设计人员和用户面前，对于挖掘机的研究有非常重要意义。三、主要内容、研究方法、研究思路主要内容：1、结合资料进行分析，了解液压挖掘机工作装置的工作原理。 2、按一定比例运用CAD绘制液压挖掘机工作装置的各零部件。 3、运用所学会的装配方法将各零部件进行装配。 4、运用CAD的仿真运动系统实现其运动仿真。研究方法：挖掘机工作装置主要有动臂、斗杆和铲斗，斗杆有整体式和组合式两种，大多数挖掘机斗采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆比时采用更换斗杆的办法，或者在都赶上设置2-4个可供调节时选择的与动臂端不铰接的孔。由于工作半径、最大高度和最大深度的不同工作装置都有不同的参数。通过计算算出一个工况的工作参数，再通过编程算出各个工况的工作参数。首先用已知数据计算出一个工况的合理性之后，再运用软件CAD模拟出各个工况的工作参数曲线，以验证所设计的动臂、斗杆和铲斗的参数都是合理的。在这里主要模拟出斗杆的工作参数在各个工况都是合理的。最后通过合理的设计分析，选择最优的工作参数，使得挖掘机的工作装置能够适合多种复杂的工况，低功耗，高功率。特别是通过斗杆挖掘工况挖掘性能的分析，使得挖掘机的斗杆更进一步的优化。研究思路：1、工作装置结构形式的选择。2、工作装置运动和受力分析。3、工作装置运动仿真。四、总体安排和进度（包括阶段性工作内容及完成日期）2013.3.21-2013.3.31 英文资料翻译2013.4.1-2013.4.10 写开题报告2013.4.11-2013.4.25 方案选择及总体设计2013.4.26-2013.5.9 绘制总图2013.5.10-2013.5.23 工作装置设计2013.5.24-2013.6.13 工作装置运动及受力分析计算2013.6.14-2013.6.22 绘制零件图纸2013.6.23-2013.6.27 准备论文及答辩五、主要参考文献1 吴永平等.工程机械设计机北京化学工业出版社 2007. 2 李宏、张钦良. 卡特挖掘机设计技术.北京,化学工业出版社,2007.3 吴庆鸣何小新工程机械设计武汉武汉大学出版社 2006.4 杨国平现代工程机械技术北京机械工业出版社 2006.5 高佳宏,王琳,朱梅玲.液压挖掘机工作装置的三维设计.西安,西安工业大学, 19866 戴群亮计算机科学与技术系北京清华大学章二平蔡登生广西柳工机械股份有限公司智能化液压挖掘机的研究与应用7 工程机械设计8 杨彦龙液压挖掘机工作装置的虚拟样机仿真分析9 杨武成液压挖掘机工作装置的虚拟样机研究10 张卫国液压挖掘机工作装置动力学仿真分析及研究11 张仁敬基于ANSYS和Proe的WY22挖掘机工作装置的分析 12 吴宗泽、罗圣国机械设计课程设计手册高等教育出版社，2006.5 13 濮良贵、纪名刚机械设计高等教育出版社，2000.12 14 吴宗泽主编. 机械设计师手册机械工业出版社，2002 15 周四新和青芳著.Pro/ENGINGEER Wildfire 3.0基础设计M.北京电子工业出版社2007.1 16 秦长海夏素民白乔等.Pro/ENGINGEER Wildfire 3.0 中文版范例教M.北京清华大学出版社,2007.10 17 梁玲赵春章.中文版Pro/ENGINGEER Wildfire 4.0 实用教程M.北京清华大学出版社2008.2 18 孔德文等.液压挖掘机-工程机械设计与维修丛书M.北京化学工业出版社2007.1 19 陈军科.液压挖掘机行业现状及发展方向.中小企业管理与科技2009.5:139 指导教师意见：、指导教师签名：日期：教研室意见：教研室主任签名：日期：系意见：系领导签名：日期：系盖章课题来源：导师课题、社会实践、自选、其他课题类别：工程设计、施工技术、新品开发、软件开发、科学实验、毕业论文。河北建筑工程学院本科毕业设计（论文）题目WY100液压履带挖掘机总体及工作装置设计及运动仿真学科专业机械设计制造及其自动化班级姓名指导教师辅导教师摘要液压挖掘机是工程机械的重要产品之一，具有较高的技术含量。工作机构是液压挖掘机的主要装备，机构各铰点以及其具体结构的设计将是决定工作机构性能水平的重要因素，决定了液压挖掘机的工作性能，影响其最终使用性能的好坏，所以对液压挖掘机工作机构的研究是十分有必要的。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。本次设计的题目是WY100液压履带挖掘机总体及工作装置设计及运动仿真。这种类型的挖掘机与其它类型的挖掘机相比，因有良好的性能而应用最广，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。本次设计完成的主要任务有：挖掘机的类型及发展概况、液压挖掘机的总体设计液压挖掘机工作阻力的计算、液压挖掘机工作装置的设计、液压挖掘机工作装置的受力分析和强度校核、挖掘机工作装置液压系统的设计、挖掘机工作装置的运动仿真本次设计的主要参数是斗容量1.0m3,它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作装置及进行运动仿真。挖掘机的工作装置是直接完成挖掘任务的装置，本设计对工作装置的各个组成部分进行了较为详细的设计，这其中包括了动臂、斗杆和铲斗及其驱动装置的设计。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，整机质量为25吨，最大卸载高度约为4.53m，最大挖掘深度5.99m，最大挖掘半径约为9.795m，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。关键词：液压挖掘机工作装置液压系统运动仿真ABSTRACTConstruction machinery hydraulic excavator is one of the most important products which has high technical content. Working mechanism is the main equipment of hydraulic excavator, each joint point and the design of the concrete structure are important factors to decide the working mechanism of the performance level, determining the working performance of hydraulic excavator, which influence the use performance is good or bad, so the research of hydraulic excavator is very necessary. The main characteristics of hydraulic excavator is as follow: It has a stepless speed regulation and wide speed range, it can obtain stable low speed, when action quickly, the hydraulic parts produce a small inertia and good acceleration performance, and it can be used for high speed reversal, produce smooth transmission, simple structure, can absorb the impact and vibration, labor-saving operation, it is easy to control automatically and realize the standardization, seriation and generalization.The topic of the design is the design of WY100 hydraulic crawler excavator overall and the working device and motion simulation for the working device. Compared with the other types of excavator this type of excavator have good performance so used widely, it can reduce ground pressure by widening, lengthening and floating crawler for soft ground or marshes. The main tasks of the design are: Types and the development of the excavator, the overall design of hydraulic excavator, the working resistance calculation of the hydraulic excavator, the design of the working device ,stress analysis and strength check calculation of the working device, the hydraulic system design of the excavator working device , the motion simulation of excavator working deviceThe main parameter of the design is bucket capacity 1.0m3, it belongs to the small and medium-sized hydraulic excavator, the main tasks are the design and motion simulation of working device of excavator. The working device is the equipment that completes the task of mining directly, all the design of the work device components are designed in detail including the design of the boom, stick and bucket and a driving device.This design used the crawler walking device to meet the requirements of the excavator. The upper part of the excavator is a full rotation swivel table so it can work in a greater scope. Because of the use of hydraulic drive control and make the machine performance can be improved. Compared with the mechanical excavators, the mining capacity increased to 2 3 times, the quality of the machine is 25 tons, the maximum discharge height is about 4.53M, the maximum digging depth is 5.99M, maximum digging radius of about 9.795m, can be seen from the operation ability has been greatly improved, not only the mining capacity but the light weight, smooth transmission, high efficiency and compact structure.Keywords: hydraulic excavator working device hydraulic system motion simulation目录第1章绪论1 1.1挖掘机作用及其发展概况1 1.2挖掘机的分类21.3单斗液压挖掘机的特点、类型31.4设计题目简介4第2章总体设计82.1 总体设计内容及原则82.2 选择确定总体参数8第3章挖掘机工作阻力153.1 工作液压缸的理论挖掘力153.2 整机挖掘力163.3整机实际挖掘力17第4章工作装置设计184.1 设计要求184.2 反铲工作装置结构方案的确定184.3铲斗设计244.4动臂机构设计274.5斗杆机构的设计314.6铲斗连杆机构的设计32第5章工作装置受力分析和强度验算355.1铲斗及铲斗连杆机构分析355.2斗杆及斗杆机构分析365.3动臂及动臂机构分析43第6章工作装置液压系统设计496.1挖掘机工况特点和对液压系统的要求496.2液压系统主要类型和特点516.3液压挖掘机的基本回路和辅助回路526.4液压系统图54第7章运动仿真567.1 引言567.2 Solidworks模拟仿真的基本概述567.3 Solidworks动画模拟仿真的概述577.4 液压挖掘机工作装置的三维实体建模577.5 液压挖掘机工作装置的三维实体装配62第8章毕业设计小结64第9章致谢66参考文献67河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：王少雷设计题目：WY100液压履带挖掘机总体及工作装置设计及运动仿真设计人：肖海那设计项目计算与说明结果挖掘机的作用及其发展概况挖掘机的分类单斗液压挖掘机的特点，类型设计题目简介国外发展现状国内发展概况第1章绪论1.1 挖掘机的作用及其发展概况液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。在建筑工程中，可用来挖掘土坑、排水沟，拆除废旧建筑物，平整场地等。更换工作装置后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深原有河道等。在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟和管道等。在露天采矿场上，可用来剥离矿石或煤，也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。在军事工程中，或用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用。据建筑施工部门统计，一台斗容量1.0m3的液压挖掘机挖掘级土壤时，每班生产率大约相当于300400个工人一天的工作量。因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。挖掘机械的最早雏形，主要用于河道。港口的疏浚工作，第一台有确切记载的挖掘机械是1796年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”。而能够模拟人的掘土工作，在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”于1835年在美国诞生，主要用于修筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有170多年历史。1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的飞速发展，各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以节能、环保等方面有了长足的进步。目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用，成为土石方施工不可缺少的重要机械设备。1.2 挖掘机的分类液压挖掘机种类繁多，可以从不同角度对其类型进行划分。根据液压挖掘机主要机构传动类型划分。根据液压挖掘机主要机构是否全部采用液压传动，分为全液压传动和非全液压（或称半液压）传动两种。若挖掘、回转、行走等几个主要机构的动作均为液压传动，则为全液压挖掘机。若液压挖掘机中的某一个机构采用机械传动，则称其为非全液压（或半液压）挖掘机。一般说来，这种区别主要表现在行走机构上。对液压挖掘机来说，工作装置及回转机构必须是液压传动，只有行走机构有的为液压传动，有的为机械传动。根据行走机构的类型划分根据行走机构的不同，液压挖掘机可分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式。履带式液压挖掘机应用最广，在任何路面行走均有良好的通过性，对土壤有足够的附着力，接地比压小，作业时不需设支腿，适用范围较大。在土质松软或沼泽地带作业的液压挖掘机，还可通过加宽履带来降低接地比压。为防止对路面的碾压破坏、有些液压挖掘机还采用了橡胶履带。通常，履带行走的液压挖掘机多为全液压传动。轮胎式液压挖掘机具有行走速度快，机动性好，可在多种路面通行的特点。近年来，轮胎式挖掘机的生产量日渐增长。悬挂式液压挖掘机是将工作装置安装在轮胎式或履带式拖拉机上，可以达到一机多用的目的。这种挖掘机拆装方便，成本低廉。汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车底盘，速度快，机动性好。拖式液压挖掘机没有行走传动机构，行走时由拖拉机牵引，根据工作装置划分根据工作装置结构不同，可分为铰接式和伸缩臂式挖掘机。铰接式工作装置应用较为普遍。这种挖掘机的工作装置靠各构件绕铰点转动来完成作业动作。伸缩臂式挖掘机的动臂由主臂及伸缩臂组成，伸缩臂可在主臂臂内伸缩，还可以变幅。伸缩臂前端装有铲斗，适于进行平整和清理作业，尤其是修整沟坡。1.3 单斗液压挖掘机的特点、类型单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是以在机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机械中重要的品种。它由下列基本部分组成：工作装置、回转机构、动力装置、传动操纵机构、行走装置和辅助设备。常用的全回转式（转角大于360）挖掘机，其动力装置，传动机构的主要部分，回转机构，辅助设备和驾驶室等都可装在可回转的平台上，简称为上部平台。因此常又把这类机械概括成有工作装置，上部平台和行走装置三大部分组成。挖掘机的基本性能也就决定于各组成部分的构造和性能。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其工作装置的不同可分为通用型和专用型两种。中小型多数为通用型，即以挖掘土壤容重18000Nm3为标准反铲斗的主要装置外，还配有适于挖掘机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（同样V=18000 Nm3为标准型）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。主要用于矿山挖掘和装载，称采矿或矿用型。按工作装置的机构不同分为铰接式和伸缩臂式挖掘机，常用者均为铰接式，伸缩臂式挖掘机可因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，液压挖掘机可分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式等多种。1.4 设计题目简介1.4.1国外发展现状国外挖掘机生产历史较长，液压挖技术的不断成熟使挖掘机得到全面的发展。德国是世界上较早开发研制挖掘机的国家，1954年和1955年德国的德马克和利渤海尔公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展上起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国是液压挖掘机生产的后起之秀，20世纪70年代开始引进技术，由于产业政策进入国际市场，并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。20世纪60年代，挖掘机进入成熟期，各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其它技术相结合，使产品适应性得到了较快的发展，产品寿命和质量不断得到提高，操纵更加舒适，产品更加节能。例如美国卡特彼勒公司1955年以后推出的300B系列液压挖掘机，采用一种命名为maestro的系统，通过载荷传感液压装置，控制发动机的输出功率，实现与液压泵的严格匹配。Maestro控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态，允许用户自行决定功率工况模式。再如韩国现代公司生产的ROBEX450-3型液压挖掘机，有四种功率模式，通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参数，使得发动机、液压泵的速度及液压用液压系统压力与实际工况相适应，从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗。此种技术在日本松、日立建机、神钢、韩国大宇重工、德国的利渤海尔、英国的JCB等到公司均得到普遍应用，代表了当代液压挖掘机的最高水平。当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。我国已经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号。由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能；应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性；电子计算机检测与控制，实现机电一体化；提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，单斗液压挖掘机有以下的趋势：（1）向大型化发展的同时向微型化发展。（2）更为普遍地采用节能技术。（3）不断提高可靠性和使用寿命。（4）工作装置结构不断改进，工作范围不断扩大。（5）由内燃机驱动向电力驱动发展。（6）液压系统不断改进，液压元件不断更新。（7）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。（8）增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。（9）人机工程学在设计中的充分利用。1.4.2国内发展概况早在1958年国内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。当时出于受配件如发动机、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。到了80年代末和90年代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅速的提高，突出表现在追求高效率(同一机重的挖掘机功率普遍提高，液压系统流量增大作业循环时间减小，作业效率大大提高)；高可靠性和追求司机操作的舒适性。国内原有的数家挖掘机专业生产厂为了生存和发展，利用自身的实力和丰富的挖掘机生产经验，纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的新开发的产品(也包括某些已生产多年的老产品)为了提高作业的可靠性，干脆采用了进口的液压件和发动机，甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计，这种经过改型或新设计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化国外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，其原因除了国内挖掘机加工水平落后之外，挖掘机设计水平与发达国家相比也有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了其设计软件，他们的研究基本上局限于解决某些问题，即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。关于工作装置设计参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能使用于挖掘机工作装莺的一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通用性。特别是国内，CAD在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用CAD进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能达到设计需要，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。经过近十年的研究，获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结果已进入实际应用过程中。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于，为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，即大多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限进行的，在这种情况下开发出一个专业的工作装置设计工具和软件显得非常的重要。国内液压挖掘机的研究和发展动向应该体现在以下几个方面：（1）提高效率，降低能耗。（2）提高技术性能和控制性能。（3）发展集成、复合、小型化、轻化元件。（4）开展液压自动控制技术方面的研究与开发。（5）加强以提高安全性和环境保护为目的研究工作开发。（6）提高液压元件和系统的工作可靠性。（7）标准化和多样化。（8）开展液压系统设计理论和系统性能分析研究。69河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：王少雷设计题目：WY100液压履带挖掘机总体及工作装置设计及运动仿真设计人：肖海那设计项目计算与说明结果总体设计的内容及设计原则液压挖掘机的主要参数和选择单斗液压挖掘机的主要参数总体参数的确定初选履带其他参数的选择与计算工作液压缸的理论挖掘力铲斗油缸的理论挖掘力斗杆油缸的理论挖掘力整机挖掘力整机实际挖掘力设计要求确定动臂的结构形式确定斗杆的结构形式斗杆油缸的布置动臂与斗杆长度比的确定确定铲斗的结构形式的斗齿的安装结构铲斗与铲斗液压缸的连接形式液压缸参数的确定铲斗的设计动臂机构的设计斗杆机构的设计铲斗连杆机构的设计铲斗及铲斗连杆机构分析连杆摇杆销轴斗杆及斗杆机构分析动臂及动臂机构分析挖掘机工况特点和对液压系统的要求挖掘机工况特点对液压系统的要求液压系统主要类型和特点定量系统变量系统液压挖掘机的基本回路和辅助回路基本回路辅助回路液压系统图第2章总体设计2.1 总体设计的内容及设计原则根据液压挖掘机设计任务的有关要求，应在充分调查研究的基础上进行液压挖掘机的总体设计工作。总体设计主要内容如下：1.分析或拟定设计任务书，确定设计思想和原则，并提出整机结构方案的初步设想。2.液压挖掘机主要参数的确定。3.液压挖掘机各主要机构的结构方案确定。4.各主要机构作用力、速度、功率等分析计算。5.液压系统的确定。6.液压挖掘机的平衡、稳定、生产率以及其他总体特性的分析计算等。通过总体设计对所设计的液压挖掘机作出初步的全面规划，提出有关数据、资料、总体图等，为下一步设计分析计算提出依据。2.2液压挖掘机的主要参数和选择单斗液压挖掘机的主要参数表明了挖掘机的规格和主要技术性能，因此在挖掘机总体设计中必须确定。主要参数及选择基本依据是：1）设计任务书所规定的铲斗容量、用途和作业要求，工作条件等；2）有关国内外同类型、同等级液压挖掘机的技术资料，国家及企业的系列标准；3）理论分析和经验计算；4）主要单位的要求和制造厂的生产条件等。主要参数的选择是液压挖掘机总体方案设计中重要的环节。它与挖掘机各主要机构的结构形式和布置方案密切相关。在确定主要参数时，必须正确处理先进性、可靠性和经济性之间的关系，正确处理相互制约的有关参数间的关系。要实事求是的分析和满足各项性能的要求。盲目的提高和消弱某些参数都将带来不良的结果。因为挖掘机是一个有机的整体，其性能的优劣不仅与各部件的性能有关，更重要的是取决于各部件结构特性的协调匹配。合理的主要参数应符合以下条件：1)满足使用要求实用性。2）适用于生产厂商的制造条件可能性。3）充分利用发动机的功率经济性。4）与国内外同类型产品相比有较先进的技术经济指标和可靠性的工作性能先进性。基本参数的确定方法：1）比拟法（或称类比法）：通过同类机型的比较得出参数值。2）经验公式法（或称查表法）：即按概率统计归纳得到的经验公式进行概略的计算，得到参数。3）按标准选定法：即按国家颁发的液压挖掘机形式与基本参数系列标准规定的数值范围，给定拟采用的结构特点选定参数值。4）理论分析计算法：即按拟定的结构特点，在理论分析与实验数据的基础上进行分析计算，得出参数值。本设计采用类比法、经验公式法和标准法相结合，有的参数还通过理论分析校核来确定。2.2.1 单斗液压挖掘机的主要参数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主要参数有三个：斗容量、机重和发动机功率。如斗容量直接反映了机械本身的挖掘能力和效果。机重则直接反映了机械本身的重量级，它对技术参数指标影响很大，因挖掘机挖掘能力的发挥，功率的充分利用，机械的稳定性都要以一定的机重来保证，因此机重反映了挖掘机的实际工作能力，可用性的标志。功率反映了机械的动力级，与其他参数有函数关系。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和标准斗容为标志，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。我国液压挖掘机标准所规定的主参数的定义为：标准斗容量：指挖掘机容重18000 Nm3的土壤时，铲斗堆尖时的斗容量（m3）。为充分发挥挖掘机的挖掘力，对于不同等级或容重的土壤可以配备相应不同斗容量的铲斗（m3）。机重：是指带标准反铲或正铲工作装置和标准行走装置时的整机工作质量（t）。发动机功率：指发动机的额定功率（12小时工作），即正常运转条件下本身消耗以外的输出净功率（KW）。2.2.2 总体参数的确定总体参数的确定主要是履带接地比压和履带尺寸的确定。履带式挖掘机的承载能力大小决定于机器运行时的通过性和工作时的稳定性。若挖掘机的两条履带与土壤表面完全接触，并且挖掘机重心近似于支撑面中心，则挖掘机对土壤产生的压力称为土壤的平均比压：或式中G挖掘机的工作重量（）；履带的支撑长度（cm）；b履带的宽度（cm）；h0履带的高度（cm）；平均比压是履带式挖掘机的一个重要指标，可以与同类型产品做比较。但实际工作时由于地面不平，两条履带不完全与地面接触。例如，一条履带与地面完全接触，另一条履带在某一点上。此外由于整机重心的偏移，履带上的压力是不均匀的。其中一端的比压最大为，另一端比压最小，甚至为零。最大接地比压决定了挖掘机能否在松软地面上工作。因此与重心位置的关系对正确设计履带行走装置是非常重要的。挖掘机的合力G将按作用的位置分配在两条履带上。设一条履带所受的荷重为P偏心距为e，则履带两端的最大最小比压为考虑到横向稳定极限条件，设挖掘力合力G位于长度等于履带宽度B的二分之一的半径上，半径与行走装置的纵向夹角为。重心对截面重心O点的力矩为将此力矩沿履带方向及垂直于履带方向为M及M；，。在一般结构的挖掘机中很小（24），近似为零，故可以认为履带最大比压发生在工作装置顺履带方向的位置，可由上述公式的从上式可看出：比值LB不应太小，否则会加大值，一般情况下LB为1.21.4。如用在软地面工作则可加长履带长度和加大履带宽度来降低最大比压值。最小离地间隙h也是一个重要的参数。这是除履带外机械最低点与地面之间的距离，它表明挖掘机通过地面障碍物（石头，树等）的能力。离地间隙要适当，因为它影响到机械的重心位置，稳定性以及机械机构等。对液压挖掘机通常取。2.2.3初选履带关于履带选择的一些要求 1.在往链轨节上装销套时，其两端的突出部分对称度不得超过0.5mm，销轴与链轨的压装部分应匀等。 2.履带组装后，每节应能灵活转动，不得有卡死现象。 3.履带组装后，每十节内的直线度不得大于4mm，履带全长不得大于8mm。 4.履带或零件，自装机使用之日起，在符合说明书的规定的条件下，所有零件均不得损坏。 5.履带的选择，型号LD229，履带的名义节距为229mm，履带节距为228.60mm，履带板宽度为600mm。合理使用履带应注意以下几点： 1.正确选用履带板宽度。 2.正确调整履带的张紧度。 3.避免机器做不必要的高速后退与前进。 4.避免单边转向。 5.避免长期倾斜作业。履带行走机构零部件之间相互接触、相对运动就产生摩擦。磨损的快慢，除了与材料本身性能有关外，还与相对运动速度、接触的负荷大小成正比。由于履带销之间的节距大于驱动齿轮的节距，所以使驱动齿轮磨尖。使履带张得过紧，负荷会很大。2.2.4其他参数的选择与计算经验公式计算法（查表法）是以液压挖掘机的机重为指标，对现代液压挖掘机的总体参数用概率方法得到各主要参数的经验系数，以公式来确定挖掘机的各种参数。根据任务书可知：G=25t1）线尺寸参数及线长度的确定线尺寸参数：由工程机械设计表1-3，取：标准臂系数： K1=1.8 标准斗杆系数： Kl2=0.8 斗长度系数： Kl3=0.5 将上述系数分别代入上式中，得：臂长： l1=5263mm 斗杆长： l2=2339mm 斗长度： l3=1462mm2)质量参数及质量的确定质量参数主要包括各部分重，机体重心位置等，可以按下式确定：(1)各机构重量：见表2-1其中，为各部分质量系数，见工程机械设计表1-4 表2-1各机构重量各机构重量质量参数质量系数K计算得参数值机体质量（吨）0.826.642底盘质量（吨）0.423.402转台质量（吨）0.181.458配重质量（吨）0.201.62反铲质量（吨）0.151.215 (2)机体重心位置：机体重心与回转中心的距离：其中，Ket为机体重心离中心距系数，查书表1-4，取Ket=0.30则将其代入上式得 et= 0.877m机体离重心高度其中，Kyt为机体重心离地面位置系数，查书表1-4，取Kyt=0.32则将其代入上式得 yt= 0.936m(3)挖掘力参数：反铲斗齿最大转斗挖掘力：（KN）由工程机械设计表1-5，取： Kf=0.5代入上式得 Pf=122.5KN（4）回旋机构参数表2-2：表2-2 回旋机构参数回转机构参数经验参数系数K计算得参数值转台启动力矩（Nm）96070716转台制动力矩（Nm）1500109651转动惯量（Nms2）1000213747制动减速度（rad/s）1.50.513转台速度（r/min）13.57.895回转时间（s）5.39.06理论周期（s）1017.10第3章挖掘机工作阻力挖掘力是衡量反铲工作装置挖掘性能的重要指标之一。关于挖掘力的概念目前国内外尚无统一的定义，因此可行性较差。为便于进行设计方案的分析比较，对挖掘机概念规定如下。反铲装置挖掘机可按下列情况分为工作液压缸的理论挖掘力，整机的理论挖掘力和整机的实际挖掘力。3.1 工作液压缸的理论挖掘力反铲装置主要采用斗杆液压缸或铲斗液压缸进行挖掘。假定不考虑以下因素：1.工作装置自重和土重；2.液压系统和连杆机构的效率；3.工作液压缸的背压；工作液压缸外伸时由该油缸理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力称为工作液压缸的理论挖掘力。3.1.1铲斗油缸的理论挖掘力铲斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力为式中P3铲斗液压缸的理论推力，P3=F3p，F3为铲斗液压缸大腔作用面积，p为液压系统工作压力；r1、r2、r3力臂值（参见图3-1）可由式（2-14）、（2-15）和（2-16）求得r1、r2和r3，再由（2-17）求得传动比i。对于已定的工作装置铲斗液压缸理论挖掘力是该液压缸瞬时长度L3的函数，显然当i=imax时POD=PODmax，即得到铲斗液压缸的最大理论挖掘力。3.1.2 斗杆油缸的理论挖掘力斗杆液压缸的理论挖掘力为式中P2铲斗液压缸的理论推力，P2=F2p，F2为铲斗液压缸大腔作用面积，p为液压系统工作压力；r5、r6力臂值对于已定的工作装置r5是L2的函数，r6是L3的函数，因此POG是L2和L3的二元函数。当r5=EF= l9时，且L3=L3max时可以得到POG的最大值，但在这一位置用斗杆液压缸挖掘已无实际意义，因为斗壁将先于斗齿与土壤接触。当F，Q，V三点处于一直线时r6= r6max，同时如果r5= r5min（此时L2=L2min或L2=L2max）则可得POG的最小值。当取L3为定值时POG=f（L2）曲线是一条正弦曲线。对反铲装置，动臂液压缸的理论挖掘力一般不予考虑。3.2 整机挖掘力液压挖掘机处于某一工况下工作液压缸的主动挖掘力能否实现主要取决于下列条件：1. 工作液压缸的闭锁能力；2. 整机的工作稳定性；3. 整机与地面的附着能力；4. 土壤（或其他作业对象）的阻力；5. 工作装置的结构强度。当全面考虑这些条件后得到的工作液压缸能实现的挖掘力值就是挖掘机在该工况下的挖掘力。求整机挖掘力按下列假定进行：1.考虑整机自重，有相对运动的构件重量分别计算；2.在挖掘过程中斗中土重视为主动液压缸长度的分机线性函数，其重心与铲斗重心一致；3.不考虑液压系统和连杆机构的效率；4.不考虑液压缸小腔背压；5.不考虑土壤阻力和工作装置结构强度的限制；6.不考虑其他因素如停机坡度、风力、惯性力、动载等的影响。求得的挖掘力值称为整机的理论挖掘力。3.3 整机实际挖掘力如果考虑到整机理论挖掘力计算时假定忽略的某些因素，则可求得整机的实际挖掘力。当用于特殊作业条件时求整机的挖掘力必须考虑坡度、风力等影响。如果不用近似的作图法，而全部用数解法来求计算机整机挖掘力，则相当繁琐。用电子计算机分析比较各种设计方案的挖掘性能或验算已制成的挖掘性能，并与机器的使用或测试结果相对照，即可为改进设计提供依据，又可检验理论计算的正确程度，对在大量机型进行计算分析的基础上即可为优化设计积累资料和提供简化依据。第4章工作装置设计4.1设计要求挖掘机的工作装置应满足下列要求：1.斗的运动轨迹符合作业要求，即要满足铲、装载的要求，希望铲掘力大，易于装满料，并要求动臂在提升过程中物料散落。2.满足挖掘深度和挖掘半径的要求，并保证在任意位置都能卸净铲斗中的物料。3.在满足作业要求的前提下，工作装置结构简单，自重轻，机构合理，受力好，强度高。4.保证驾驶员有良好的工作条件，确保工作安全，视野良好，操作简单，维修方便。4.2反铲工作装置结构方案的确定4.2.1确定动臂的结构形式1.动臂的结构形式图4-1 整体式直动臂（左）和整体式弯动臂（右）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见图4-1。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。整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意。整体式动臂结构简单、价廉，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。综合考虑本次设计选择整体式弯动臂。2.动臂油缸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，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，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。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，后倾方案得到较大的动臂作用力矩，这是其优点。本次设计根据设计要求参数，综合考虑，采用动臂油缸前倾布置方案。动臂与动臂油缸活塞杆端部的铰点布置通常有两种形式，一种是单动臂在端部弯角的下部，小型挖掘机常见；另一种是双臂油缸布置在动臂箱体的中部，这样的双动臂油缸在结构上起到加强筋的作用，提升力也大大增加。由于本次设计的是中小型挖掘机，故本次设计采用单动臂油缸。4.2.2确定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。4.2.3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。a.保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。一般来说希望液压缸在全行程中产生的斗齿挖掘力始终大于正常挖掘阻力；液压缸全伸时的作用力矩应该足以支承满载斗和斗杆静止不动；液压缸作用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阻力。b.保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力。对于以转斗挖掘为主的中小型反铲，选择斗杆机构参数时必须注意转斗挖掘时斗杆液压缸的闭锁能力，要求在主要挖掘区内转斗液压缸的挖掘力能得到充分的发挥。c.保证斗杆摆角范围。斗杆摆角范围大致在105125之间。在满足工作范围和运输要求的前提下此值应尽可能取得小些，对以斗杆挖掘为主的中型机更应注意到这一点。一般来说，斗杆越长，其摆角范围也可稍小。当斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，斗前壁与动臂之间的距离应大于10cm。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。4.2.4动臂与斗杆长度比的确定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。一般当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。而值小宜用于以转斗挖掘为主。本设计采用中间比例方案,取2。4.2.5确定铲斗的结构形式的斗齿的安装结构基本要求：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。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。图4-2 反铲用铲斗常用结构构图4-3反铲用铲斗基本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。图4-2、图4-3分别为反铲用铲斗的常用形式和基本形式。铲斗的斗齿采用装配式，其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式，如图4-4所示。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41所示。由于砂的挖掘阻力较图4-4斗齿安装形式小，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。表4-1 反铲斗对比试验结果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219.0540.642.622.6810053.3在砂中作业铲斗1铲斗25.96.3163.5152.7100铲斗与铲斗液压缸的连接形式铲斗与铲斗液压缸的连接形式有四连杆和六连杆机构，如图4-5所示。其中的四连杆机构是铲斗直接铰接于液压缸，使铲斗转角较小，工作力矩变化较大；六连杆机构连接方式的优点是，在液压缸活塞杆行程相同的条件下，铲斗可获得较大转角，并改善机构的传动特性。图4-5a为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。图4-5b中铲斗液压缸通过摇杆1和连杆2与铲斗相连，图4-5 铲斗的连接形式它们与斗杆一起组成六连杆机构。图4-5d与4-5b类似，区别在于前者液压缸活塞杆端铰接于摇杆两端之间。比较：选用b结构。虽然六连杆中方式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。铲斗液压缸一般都只有一个，因为传动比小，单油缸作用力足以保证斗齿所需作用力。4.2.7液压缸参数的确定因为发动机功率为110KW，所以液压功率为0.8110=88KW，反铲挖掘力Pf=KfG(KN）=0.5245=122.5KN，所以采用动臂液压缸数为2，斗杆缸、转斗缸各为1，缸径为125mm，初选=1.64.3 铲斗的设计图4-6铲斗主参数示意图斗容量q、平均斗宽B、转斗挖掘半径R和转斗挖掘装满角2（这里=max）是铲斗的四个主要参数见图4-6。R、B及2三者与q之间有以下关系：其中q斗容量1m3R铲斗挖掘半径，单位mmB铲斗斗宽，查表2-6，取B=1180mm2铲斗挖掘装满转角，一般取2=90110，取2=95=1.658radKs土壤松散系数，取近似值1.25把q、B、2和Ks代入上式，得 R=1431mm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K2=0.3-0.38，取K2=0.34,则l24=l30.34=14620.34=497mm铲斗的运动铲斗相对于X-Y坐标系的运动是L1、L2和L3的函数，情况较复杂。现先讨论铲斗相对于斗杆的运动。图4-7铲斗连杆机构传动比计算简图1、铲斗连杆机构的传动比i当给定了液压挖掘机长度L3，由表2-4原始参数及推导参数出发，利用几何关系可依次求得图4-7中等值。铲斗液压缸对N点的作用力臂为连杆HK对N点作用力臂为连杆HK对Q点作用力臂为铲斗连杆机构的总传动比为显然i是L3的一元函数。用L3min代入上式可得到初传动比io，用L3max代入上式则可得到终传动比iz。为了求最大传动比imax及其发生时的L3，在理论上可以取，解得L3，然后代入上式求得imax。2、铲斗相对于斗杆的摆角范围铲斗瞬时位置转角为当取L3=L3min和L3max时可分别求得。于是得4.4动臂机构的设计由于已知G=25t，q=1m3，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得出：最大挖掘半径最大挖掘深度最大卸载高度据统计，最大挖掘半径值一般与l1+l2+l3的值很接近。因此由要求的R1，已知的l3和K1可按参考文献【1】P80公式2-49初选l1和l2：式中R1最大挖掘半径，R1=9795mm l3斗长度，l3=1462mm K1动臂与斗杆长度比值，取2.25代入数据求得：l1=5769mm l2=2564mm图4-8最大挖掘半径时动臂机构计算简图如图4-8所示，在三角形CZF中, 都可以根据经验初选出：其中：动臂的弯角，采用弯角能增加挖掘深度，但降低了卸载高度，但太小对结构的强度不利，一般取120140，取=140K3动臂转折处的长度比ZFZC，一般根据结构和液压缸铰点B的位置来考虑，初步设计选取K3=1.11.3，取K3=1.2在三角形CZF中，已知=140，l1=5263mm，K3=1.2,根据参考文献【1】P80公式2-50得：l41=2544mm l42=3053mm=18.1动臂液压缸全伸和全缩时的力臂比K4已经计算出为1,符合以铲斗为主的通用机的要求（K4=0.81.1）的取值对特性参数K4、最大挖掘深度H1max和最大挖掘高度H2max有影响。加大会使K4减小或使H1max增大，这符合反铲作业要求，因此基本作用反铲的小型机选取60，有的甚至选取80。以反铲为主的通用机取50。正铲或装载装置要求K4或H2max大些，则应减小，因此1m3左右的正、反铲通用机可取。本次设计取=45斗杆液压缸全缩时CFQ=最大，常选取（）max=160180,本次设计中选取170。在三角形ZCF中ZCF=180-140-18.1=21.9BCZ取决于液压缸的布置形式（图4-8）。动臂双液压缸结构中这一夹角较小，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缘附加耳座上B在Z的下面，本次设计为动臂单液压缸，初定BCZ=5则BCF=21.9-5=16.9图4-9最大卸载高度时动臂机构计算简图由图4-9得到的最大卸载高度的表达式为由图4-10得到的最大挖掘深度绝对值表达式为将这两式相加，消去l3，图4-10最大挖掘深度时动臂机构计算简图并令A=，B=，得到又特性参数因此将代入上式则得到一元函数f(1max)=0。式中H1max和H3max是计算任务书所要求的。l1、l2、A和B都已求出，由此式解得=123.9=31.2最后求得l5为式中，YA取值为650mm，代入其他数据求得 l5=1618mm然后联立下面的方程组代入数据求得和：=1.78=0.81检验符合要求于是图4-11动臂和动臂液压缸铰点位置的关系图在图4-11中由三角形CABz得得=23由三角形CAB得得=20动臂在上下极限位置时液压缸作用力臂为：4.5斗杆机构的设计图4-12斗杆机构参数计算简图根据斗杆挖掘阻力计算，并参考有关资料，查的挖掘力值，按要求的最大挖掘力确定斗杆油缸的最大作用力臂l9。查找资料确定挖掘机斗杆挖掘力，确定该斗杆挖掘力值为PGmax=110KN根据参考文献【1】P86公式2-60又有l2=2339mm，l3=1462mm, PGmax=25KN为了保证斗杆的摆角大致在105125之间，本次设计初选2max=110由图4-12，取e20=e2z，求得式中2=1.6，代入其他数据求得L2min= 7318.3mm 则 11709.3mm将L2min，代入式中求得 l8=11180.8mm斗杆上EFQ取决于机构因素，并考虑到工作范围，一般在130170之间，本次设计选取150。动臂上DFZ也是结构尺寸，根据结构因素本次设计估取54.6 铲斗连杆机构的设计铲斗连杆机构的设计要求从几何性能与机构布置的角度对铲斗机构的要求：1.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、及四边形在任何瞬间皆成立；2.液压缸全伸和全缩长度之比应当在允许的范围内，对铲斗机构可取；3. 全行程中机构都不应该出现死点，且传动角应当在允许的范围内；4.在任何瞬间各构件之间都不应该有干涉、碰撞现象。根据以上三方面的要求设计铲斗六连杆机构，一般借助电子计算机可以较快的选出若干组的可行的方案供比较和选择；当前也有用优化设计的方法来解决连杆机构的设计问题。图4-13铲斗连杆机构计算简图反铲铲斗机构有四连杆的，也有六连杆的，一般后一种占绝大多数。如图4-13做机构参数选择时l3=1462mm，l24=497 mm，l2=2339mm和=105都已选定，待选参数是以及等。这些参数的选择如下：转斗的转角范围90110，为了满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗总转角往往要达到150180。本设计中取160，在L3=L3min时，斗齿尖为V0在FQ延长线上侧15处，考虑挖斗的长度、摇臂、摇杆和斗杆的理想长度，并参考日立建机ZX60机型，通过CAD作图得N到FQ的距离为16mm第5章工作装置的受力分析和强度计算5.1铲斗及铲斗连杆机构分析一、连杆铲斗油缸全缩时进行挖掘，连杆与铲斗夹角较小，所受作用力最大。如图5-1所示：图5-1铲斗油缸全缩铲斗油缸主动挖掘力为53.37吨。按机械原理平面四杆机构的设计方法图解法求得连杆作用力为55.60吨。连杆主要作用力为拉压，按正压力进行校核。安全系数取n=3，材料16Mn的屈服极限s=350MPa，则许用应力式中，S连杆截面面积（米2）满足要求。二、摇杆铲斗油缸全伸时进行挖掘，摇杆与铲斗夹角最小，所受作用力最大。如图5-2所示：图5-2铲斗油缸全伸铲斗油缸主动挖掘力为53.37吨。按图解法求得连杆作用力为55.60吨。摇杆主要作用力为拉压，弯曲影响可忽略，按正应力进行校核。安全系数取n=3，材料16Mn的屈服极限s=350MPa，则许用应力式中，S摇杆截面面积（米2）满足要求。三、销轴销轴主要承受剪力，按剪应力进行校核。斗杆油缸闭锁力最大时，销子所受剪力最大，Q=32.03吨。安全系数取n=2，材料45钢的屈服极限s=294MPa，则许用应力式中，S销子截面面积（米2）满足要求。5.2斗杆及斗杆机构分析反铲挖掘机斗杆的强度主要由弯矩控制。取以下两个工况位置进行强度校核。5.2.1工况一如图5-3所示：1、动臂位于最低；2、斗杆油缸作用力臂最大；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、侧齿遇障碍有横向作用力。图5-3动臂位置最低切向最大挖掘力W1取决斗杆油缸的闭锁能力Pg,取斗杆为隔离体，按力矩平衡求得：式中，斗杆和铲斗的重量（吨）； l2,ld斗杆和铲斗长（米）； r3斗杆重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）； r4铲斗重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）。取铲斗为隔离体，按力矩平衡求得铲斗油缸工作力：式中，r2铲斗重力到铲斗与斗杆铰点的距离（米）。 r5连杆到铲斗与斗杆铰点的距离（米）。r6连杆到摇杆与斗杆铰点的距离（米）。r7摇杆的长度（米）。法向阻力取决于动臂油缸的闭锁能力PB，取整个工作装置为隔离体，按力矩平衡求得：（吨）式中，r0切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）； r1法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）； rB动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂（米）；工作装置各个部分对动臂下铰点的力矩和。铲斗边齿遇障碍时，横向挖掘阻力Wk取决于回转平台的制动力矩MT：式中，r横向挖掘阻力与回转中心间的距离（米）。按图解法和力平衡方程求得斗杆所受作用力。此外，斗杆与铲斗铰点处还作用有Wk和W2产生的横向力矩Mc:式中，b铲斗宽（米）。切向挖掘阻力W1作用于斗齿边，造成对斗杆的扭矩MKP：按以上作用力分析，作斗杆内力图，包括轴力N，斗杆平面内的剪力Qx和弯矩Mx，斗杆平面外的剪力Qy和弯矩My，以及扭矩T如图5-4。图5-4斗杆内力图取弯矩最大处进行校核，断面如图5-5所示：图5-5斗杆断面图断面面积为：S=m2断面转动惯量：IZ= IY=断面处压应力为：=24.4113MP斗杆平面内剪应力为：=34.3500MP斗杆平面内弯曲正应力为：=64.8042MP斗杆平面外剪应力为：=4.7497MP斗杆平面外弯曲正应力为：=59.0218MP按闭口薄壁杆件公式计算扭矩剪应力为：25.5553MP式中，截面中心线所围面积m2最小壁厚m此时，有附加载荷，斗杆安全系数取为2，材料16Mn的屈服极限，则许用应力MPa最大压应力X方向最大剪应力59.9053MPY方向最大剪应力故，强度满足要求。5.2.2工况二如图5-6所示：1、动臂位于动臂油缸最大作用力臂处；2、斗杆油缸作用力臂最大；3、铲斗斗齿尖，动臂与斗杆铰点，斗杆与铲斗铰点三点位于同一直线；4、正常挖掘，挖掘阻力对称于铲斗，无横向力。图5-6动臂位于最大力臂处斗杆受力分析同工况一。切向最大挖掘力W1取决斗杆油缸的闭锁能力Pg,取斗杆为隔离体，按力矩平衡求得：式中，斗杆和铲斗的重量（吨）； l2,ld斗杆和铲斗长（米）； r3斗杆重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）； r4铲斗重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）。取铲斗为隔离体，按力矩平衡求得铲斗油缸工作力：式中，r2铲斗重力到铲斗与斗杆铰点的距离（米）。 r5连杆到铲斗与斗杆铰点的距离（米）。r6连杆到摇杆与斗杆铰点的距离（米）。r7摇杆的长度（米）。法向阻力取决于动臂油缸的闭锁能力PB，取整个工作装置为隔离体，按力矩平衡求得：（吨）式中，r0切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）； r1法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）； rB动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂（米）；工作装置各个部分对动臂下铰点的力矩和。按图解法和力平衡方程求得斗杆所受作用力。按以上作用力分析，作斗杆内力图，包括轴力N，斗杆平面内的剪力Q和弯矩M如图5-7。图5-7斗杆内力图取弯矩最大处进行校核，断面如图5-8所示：图5-8斗杆断面图受力分析同上。断面处压应力为：=24.4113MP斗杆平面内剪应力为：=34.3500MP斗杆平面内弯曲正应力为：=68.2856MP此时，为主载荷，斗杆安全系数取为2.5，材料16Mn的屈服极限，则许用应力MPa最大压应力最大剪应力故，强度满足要求。5.3动臂及动臂机构分析反铲装置动臂的强度校核按挖掘中动臂可能出现的最大载荷来选定计算位置。5.3.1工况一如图5-9所示：1、工作装置处于最大挖掘深度处；2、正常挖掘，无横向作用力。图5-9工作装置位于最大挖掘深度处切向最大挖掘力W1取决于斗杆油缸的闭锁能力Pg,取斗杆为隔离体，按力矩平衡求得：（吨）式中，斗杆和铲斗的重量（吨）； l2,ld斗杆和铲斗长（米）； r3斗杆重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）； r4铲斗重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）。法向阻力取决于动臂油缸的闭锁能力PB，取整个工作装置为隔离体，由力矩平衡求得：（吨）式中，r0切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）； r1法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）； rB动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂（米）；工作装置各个部分对动臂下铰点的力矩和。取铲斗和斗杆为隔离体，求得斗杆与动臂铰点处的作用力。再取动臂为隔离体，求得动臂下铰点的作用力。按以上作用力分析，作动臂内力图，包括轴力N，动臂平面内的剪力Q和弯矩M如图5-10。图5-10动臂内力图取动臂弯曲处进行强度校核，断面如图5-11：图5-11动臂断面图断面面积为：S=m2断面转动惯量：IZ= 取动臂安全系数为2，材料16Mn的屈服极限s=350MPa，则许用应力为：MPa断面处压应力为：MPa剪应力为：MPa弯曲正应力：MPa此处按曲梁进行验算，则且，故，强度满足。5.3.2工况二如图5-12所示：1、工作装置位于最大挖掘半径处；2、正常挖掘，无横向阻力。图5-12工作装置位于最大挖掘半径处切向最大挖掘力W1取决于斗杆油缸的闭锁能力Pg,取斗杆为隔离体，按力矩平衡求得：（吨）式中，斗杆和铲斗的重量（吨）； l2,ld斗杆和铲斗长（米）； r3斗杆重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）； r4铲斗重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）。法向阻力取决于动臂油缸的闭锁能力PB，取整个工作装置为隔离体，由力矩平衡求得：（吨）式中，r0切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）； r1法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）；rB动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂（米）；工作装置各个部分对动臂下铰点的力矩和。取铲斗和斗杆为隔离体，求得斗杆与动臂铰点处的作用力。再取动臂为隔离体，求得动臂下铰点的作用力。按以上作用力分析，作动臂内力图，包括轴力N，动臂平面内的剪力Q和弯矩M如图5-13。图5-13动臂内力图取动臂弯曲处进行强度校核，断面如图5-14：图5-14动臂内力图断面面积为：S=m2断面转动惯量：IZ= 取动臂安全系数为2，材料16Mn的屈服极限s=350MPa，则许用应力为：MPa断面处压应力为：MPa剪应力为：MPa弯曲正应力：MPa此处按曲梁进行验算，则且，故，强度满足。第6章工作装置液压系统设计6.1挖掘机工况特点和对液压系统的要求按照液压挖掘工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来的组合体，称为挖掘机的液压系统。液压挖掘机的基本液压系统是由能使挖掘机完成基本作业动作并以手动控制为主的基本功能回路所构成的液压系统。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压轴。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件如液压缸和液压马达的作用是将液体的压力能转换成机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。控制元件即各种液压阀，在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀、安全阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等。流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等。方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方向不同，液压阀可分为开关式控制阀、定制控制阀和比例阀。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。液压系统的主要内容是系统设计和液压元件选择。液压系统的合理设计，要满足机械传动的要求，并考虑动作配合和运动速度，力求效率高，液压元件容易制造或购置。此外，还要保证工作安全可靠，操作简单，造价低廉和便于检修。因此，必须充分了解所设计挖掘机的工作条件、负荷大小与变化、动作特性、元件配套和三化要求等。6.1.1挖掘机工况特点单斗液压挖掘机的工作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，以及其他辅助动作。除辅助动作（包括轮式挖掘机的支腿收放、整机转向等）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。由于挖掘机的作业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。单斗液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合，包括： 1挖掘通常以铲斗液压缸或单斗液压缸进行挖掘，或两者配合进行挖掘，因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。 2满斗回转挖掘结束动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸土处，此时，主要是动臂和回转的复合动作。 3卸载转到卸土点时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载，为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时，是斗杆和铲斗的复合动作，加以动臂动作。 4返回卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的挖掘点，此时，是回转和动臂或斗杆的复合动作。实践证明，除个别情况外，挖掘机工作时很少出现两种以上的复合动作。6.1.2对液压系统的要求根据液压挖掘机的作业工作和环境特点，对液压系统提出如下要求：1.液压挖掘机的液压系统应具有较高效率，以充分利用发动机的动力性和燃油经济性。2.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。3.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。4.由于液压挖掘机作业现场尘土多，液压油易被污染，因此液压系统密封性能要好，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。5.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。6.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。6.2液压系统主要类型和特点挖掘机的液压系统类型很多习惯上是按主油泵的数量、功率调节方式和回路的数量来分类。一般有六种基本形式：单泵或双泵单回路定量系统、双泵双路定量系统、多泵多路定量系统、双泵双路分功率调节变量系统、双泵双路全功率调节变量系统、多泵多路定量变量混合系统。另外，按液流循环方式的不同还可分为开式与闭式两种系统。6.2.1定量系统在定量系统中，流量固定，不能因外负荷变化而使流量作相应的变化，因此，负荷小时不能提高作业速度，功率得不到充分应用。为了满足作业要求，定量系统的发动机功率要根据最大外负载和作业速度来确定。由于定量泵简单可靠，价格低廉，耐冲击性能好，工作稳定；由于定量泵经常在非满负荷下工作，其寿命比变量泵相对长一些；由于定量系统流量固定，执行元件的速度也稳定，工作装置的轨迹容易控制，因此在小型液压挖掘机上定量系统得到较多应用，但是其缺点是系统功率得不到充分利用，泵的特性很硬，挖掘硬土时引起很大的溢流损失。6.2.2变量系统 20世纪60年代，液压挖掘机开始应用恒功率变量泵，其目的是既能充分利用发动机功率，又不会使发动机过载。大、中型液压挖掘机通常采用恒功率变量泵与定量马达等组成变量系统，一般为双泵双回路系统，它能随负载变化而自动改变液压泵的流量，使发动机经常接近于其设计功率工作。随着液压技术的发展，针对挖掘机作业循环中的各种动作，以提高复合动作的准确性为目的，将恒功率控制原理应用于双泵系统，可以组合成分功率调节系统、全功率调节系统和交叉功率调节系统等，其功能各有所长。6.3液压挖掘机的基本回路和辅助回路6.3.1基本回路基本回路是由一个或几个液压元件组成、能够完成特定的单一功能的典型回路，它是液压系统的组成单元。根据单斗液压挖掘机工作需要，可以采用若干个基本回路，组成完整的液压系统。（一）限压回路限压回路是用来限制压力，使其不超过某一设定值。限压的目的是：1）限制系统的最大压力，使系统和元件不因过载而损坏，通常用安全阔来实现，安全阀设置在主油泵出油口附近；2）根据工作需要，使系统中某部分压力保持在定值，或不超过某值，通常用溢流阀来实现，溢流阀可使系统按照调定压力工作，多余的流量通过此阀流回油箱，因此，溢流阀是常开的。（二）卸载回路卸载回路是挖掘机各个机构不工作时，使液压泵尽可能以最低功率消耗进行空转，而不是溢油回油。通常采用液压泵以最低压力进行空转的卸荷方式。根据回路组合形式，有换向阀中位卸荷和和穿越换向阀卸荷两种方式。（三）缓冲回路单斗液压挖掘机满斗回转时，由于上车转动惯量很大，在起动、制动和突然换向时，引起很大的液压冲击极大，使整个系统和元件产生振动和噪音，甚至引起破坏。所以在掘机回转机构的回路上通常设有缓冲阀。回转机构的缓冲回路就是利用缓冲阀使液压马达高压腔的油液超过一定压力时获得出路。（四）节流调速和节流限速回路节流调速就是利用节流阀的可变通流截面来改变流量，进行调速，通常用于定量系统中改变执行元件的流量。这种调速方式结构简单，能够获得稳定的低速，其缺点是功率损失大，效率低，温升大，系统发热，作业速度受外负荷变化的影响较大。根据节流阀的安装位置，有进油节流调速和回油节流调速等两种。单斗液压挖掘机的工作装置为了作业安全，常在液压缸回油回路上装以单向节流阀，形成节流限速回路。例如，为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险，其大腔回路上装以由单向阀和节流阀组成的单向节流阀，使动臂下降速度受节流控制。大型液压挖掘机中，这种安全措施更为重要。（五）行走限速回路履带式液压挖掘机下坡行驶时，因自重加速，可能导致超速溜坡事故，发生危险，此时，行走马达超速运转，发生吸空现象，甚至损坏。因此，履带行走装置必须考虑行走液压马达的限速和和补油，使马达转速控制在安全容许范围以内。限速回路就是利用限速阀控制通道大小，以限制马达转速。比较简单的限速方法就是使回油通过限速节流阀，挖掘机一旦超速，进油供应不及，压力降低，控制油压力也随着降低，限速节流阀的通道开度减小，回油节流，防止了超速溜坡。（六）支腿顺序回路和锁紧回路轮轮式单斗液压挖掘机中，为了保证机械的稳定性，前后支腿的收放有一定顺序，因此在支路回路中需要设置顺序阀，构成顺序回路，同时，支腿伸出以后，要求在外负荷作用下不软腿、不回缩、不发生窜动，通常由锁紧回路来保证。6.3.2辅助回路液压挖掘机的作业操纵回路主要是操纵换向阀移位，以改变各个机构的动作方向或速度。由于挖掘机工作时动作频繁，作业条件多变，需要经常变换各个换向阀的位置，尤其是大型挖掘机，操作频繁而费力，司机易于疲劳，工作效率随之降低，故一般要求手柄上操纵力小于4060N、踏板上操纵力低于80100N。液压挖掘机的操纵方式很多，而较多采用的是液压操纵，液压操纵分直接操纵和伺服操纵两种。6.4液压系统图用规定的液压元件符号和简要的图形来表示液压挖掘机的动力从油泵传递给各个执行元件的情况，叫做液压挖掘机的液压系统图。液压系统图只反映元件之间的相互关系，而不反映元件的具体结构和空间位置。液压系统图表达了单斗液压挖掘机的传动路线，因此，设计液压系统时，一方面要考虑主机各机构和装置的传功要求，另一方面要分析研究各种具有代表性的典型液压系统图，在此基础上，才能合理地设计出挖掘机的液压系统图。液压系统图如图6-1所示。图6-1液压系统图第7章运动仿真7.1 引言模拟仿真就是用模型（物理模型或数学模型）来模仿实际系统，代替实际系统来进行实验和研究。事实上，习惯定义的模拟仿真，即用模型来模仿实际系统进行实验和研究，从来就是产品开发中的常用技术手段。计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个重要分支，可以归入虚拟现实技术VR(Virtual Reality)的范畴，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、实时计算技术、人机接口技术等多项关键技术。作为一门新兴的高技术，己经成为工程技术领域计算机应用的重要方向。7.2 Solidworks模拟仿真的基本概述SolidWorks是世界上第一款完全基于Windows的3D CAD软件 ,自1995年问世以来 ,以其优异的三维设计功能 ,操作简单等一系列的优点 ,极大地提高了设计效率 ,在与同类软件的激烈竞争中已经确立了它的市场地位 ,已经成为三维机械设计软件的标准。利用SolidWorks不仅可以生成二维工程图，而且可以生成三维零件，用户可以利用这些三维零件来建立二维工程图及三维装配体。SolidWorks采用双向关联尺寸驱动机制，设计者可以指定尺寸和各实体间的几何关系，改变尺寸会改变零件的尺寸与形状，并保留设计意图。 Solidworks用户界面非常人性化,便于操作。在Solidworks的标准菜单中包含了各种用于创建零件特征和基准特征的命令。其中基础实体特征主要有拉伸凸台基体、旋转凸台基体等。在基础实体特征上可添加圆角、倒角、肋、抽壳、拔模及异型孔、线性阵列、圆角阵列、镜像等放置特征,这些特征的创建对于实体造型的完整性非常重要。在处理复杂的几何形状时还需要其他高级特征选项,包括扫描、放样凸台基体及参考几何体中基准轴、基准面这些定位特征等。通过以上特征造型技术在Solidwork中能设计出需要的实体特征。7.3 Solidworks动画模拟仿真的概述先启动 Animator 插件 , 单击菜单“工具”“插件”,单击Animator前的选项栏。此后出现Animator中第1个加入的零件十分重要,它是整个装配体的的工具栏。在Solidworks中Animator的操作都装配基础,Solidworks软件已默认第1个插入零件为是在工作区底部,可单击工作区底部的“模型”或者非运动体,其他所有的装配体零件都是以此为基础,“动画”的标签,单击模型或动画标签即可实现模型本装配选择传动轴为装配参照体。调入零件后,要或动画操作的切换。在生成仿真动画时,用Animator插件对液压挖掘机工作装置主要零件大致进行以下3 步操作: 切换到动画界面; 根据液压挖掘机工作装置运动的时间,拖动时间滑杆到相应的位置; 拖动螺旋杆和绞杠运动,使其达到动画序列末端应达到的新位置,这样就实现了工作原理的动态仿真仿真动画以 AVI 格式保存 ,可以得到很好的推广和应用。7.4 液压挖掘机工作装置的三维实体建模7.4.1铲斗的三维实体建模（1）单击标准工具栏中的“新建”工具，新建一个零件文件。 (2)在特征管理器设计树中选择“前视基准面”，单击“草图绘制”工具，进行铲斗草图的绘制。 (3)单击“直线”工具，过草图原点绘制一条直线，运用此方法，画出所需要的所有直线，以及确定它的尺寸。 (4) 单击“切线弧”画出与直线相切的圆角，然后根据图纸单击“智能尺寸”来设定圆角的半径，然后单击“确定”，绘制出铲斗草图如图7-1。（6）单击“退出草图”，单击“拉伸凸台/基体”进行拉伸生成实体，在选项中设定拉伸深度，然后单击“确定”，生成拉伸体，单击“拉伸切除”切除实体，生成铲斗实体。（7）右击铲斗实体，单击“编辑草图”，在铲斗边缘处画出斗齿草图和吊耳草图，按同图7-1铲斗草图样的方法进行“拉伸凸台/基体”和“拉伸切除”生成斗齿实体和吊耳实体，如图7-2所示。图7-2铲斗实体7.4.2动臂的三维实体建模(1)单击标准工具栏中的“新建”工具，新建一个零件文件。 (2)在特征管理器设计树中选择“前视基准面”，单击“草图绘制”工具，进行动臂草图的绘制。（3）按照绘制铲斗草图的步骤方法绘制出动臂的大概形状如图7-3所示。图7-3动臂草图 (4) 单击退出草图，单击“拉伸凸台/基体”进行拉伸生成实体，在选项中设定拉伸深度，然后单击“确定”，生成拉伸体。（5）右击动臂实体，单击“编辑草图”，在动臂上部和下部画出动臂与液压缸连接部分的草图，然后单击“确定”。（6）单击退出草图，单击“拉伸凸台/基体”进行拉伸生成实体，在选项中设定拉伸深度，然后单击“确定”，生成拉伸体，生成实体。（7）再次右击实体，单击“编辑草图”，进行草图绘制，插入参考几何体，选择基准面，选中动臂侧面，设定基准面与动臂侧面的距离，绘制圆形草图和矩形草图，单击“退出草图”，单击“拉伸切除”切除实体，在选项中设定切除方向为完全贯穿，然后单击“确定”，按同样的方法对另一个连接部分进行切除，生成实体如图7-4所示。图

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