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安徽挖掘机发展概述挖掘机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，包括各种类型与功能的挖掘机。挖掘机的最早雏形，远在十六世纪于意大利威尼斯用于运河的疏浚工程。模拟人的掘土工作，以蒸汽机驱动的“动力铲”诞于1836年，发展至今已有170多年的历史。最早的挖掘机主要应用于铁路建设， 蒸汽机为动力源，沿着铺设的铁道运动。当时挖掘机械的动臂、斗杆、挖斗的尺寸完全是按照人体构造来模仿的。今天挖掘机的工作装置各个部分尺寸比倒与当时的尺寸基本上没有多大变化，总之挖掘机械是将人的手工作业变成丁机械化作业。以后为了机械能实现移动，将铁轨与枕木卷起来，形成无限轨道，即履带技术被开发，随着履带的出现使挖掘机械的通用性得到大大提高，自诞生以来当中一直不断地在飞跃发展。随着工业发展、科技技术的进步，单斗挖掘机也由于新技术，新工艺的采用而不断地发展改进。但它的基本工作原理至今未变。动力装置以及控制方式的不断革新、基本上反映了挖掘机发展的几个阶段：1.蒸汽机驱动的单斗挖掘机从发明到广泛应用大约经历100年。当时主要应用于挖运河和修建铁路。结构型式由轨道行走的半回转式，发展到履带行走的全回转式。2.内燃机与电动机驱动的单斗挖掘机发展于本世纪初。1899年出现第一台电动挖掘机。第一次世界大战后汽油机和柴油机先后用于轮胎式与履带式单斗挖掘机上，改善了挖掘机却越野和机动性能，扩大了使用范围。3.挖掘机传动型式的液压化，是挖掘机有机械传动传统结构发展到现代结构的一次跃进。随着液压传动技术的迅速发展，四十年代末至五十年代初挖掘机开始应用液压传动，并且由半液压传动发展到全液压传动。产量日益增长，六十年代初期液压挖掘机产量占挖掘机产量15%到七十年代初期占总产量的90%左右。近年来，市场出售的单斗挖掘机几乎已全部采用液压传动。与此同时，斗轮挖掘机、轮斗挖沟机，铣切式挖掘机的工作装置和臂架升降等部分也采用了液压传动。大型矿用挖掘机在基本传动型式不变的情况下，其工作装置也改为液压驱动。4.控制方式的不断革新使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、压抑伺服操纵和电气控制、无线电遥控，最近又在研制国外从世界上最早出现挖掘机雏形的l6世纪中叶算起至今已有440年的历史近5个世纪来挖掘机械经历了由手动到机动由蒸汽机驱动到内燃机或电动机驱动由单一机械传动到中小型机全都藏压化大型机采用适应工况特点的最佳传动方式由杠杆操纵到遥挖遥测及至机电一体化全新产品的发展过程全部发展史大体上经过了萌芽(15451834年)、发展期(19世纪末 1938年)、成熟期(1946 1975年)、现代化期(1980年后)四十阶段。世界挖掘机制遣业发展到本世纪70年代中期，产品基本成熟并逐步向现代化方向迈进。日本称现代化期为国际化期，其主要特点是：(1)产品进一步完善逐步高技术化。在补全系列的基础上，加快更新换代的速度。一大批节能新产品i舀现在市场上。(2)争相扩大出口，努力占领国际市场(日本8O年代出I：l率达37 )，加强售后服务，提高产品信誉。(3)普遍重视基础理论的研究工作计算机辅助设计与制造获得普遍应用，机电一体化新产品开始出现。(4)新工作原理的探讨受到重视，出现了无斗的铣切式挖掘机，利用高频振动法破土、利用高压气流挖土、微孔挖土、爆破挖土等(5)中小型单斗挖掘机继续增加适应工况特点的工作装置，实现一机多垌。(6)基础配套零部件的生产进一步社会化 技术不断革新，动力装置由柴油机、电动机发展到有燃气轮机、燃料电池等多种型式，液压元件性能进一步改善，压力等级提高，部分元件实现集成化，功能增加 泄漏减少。世界上专业批量生产挖掘机的制造厂家据粗略统计已有300多家，多数集中在几个主要工业发达国家，如美国有1 dd家、日本有26家、原苏联有25家、原西德有60家、意大利有11家、法国有5家、英国有9家 品种总数约600700种 全世界挖掘机年总产量约1520万台，其中液压挖掘机约105l85万台，绝大多数由美国、原西德、日本、法国、原苏联等国生产，如日本为58万台(其中50 为外销)、原苏联d2万台、美国3万台、原西德25万台，其他各国均不足1万台1 0t以下的小型液压挖掘 产量约2万台以上，以日本产量最高。当前宅世界挖掘机械保有量约5070万台 国外挖掘机生产的一重要特点是备件的产量占相当比重，美国挖掘机备件产量约占总产量的50 各厂家由于国内外市场竞争的需要，普遍重视产品质量、可靠性和使用寿命，整机寿命一般可达10000小时，如卡特彼勒公司的正铲挖掘机的使用寿命为l 000018000小时英国JCB公司3Clll型挖掘装载机的使用寿命为11 000小时，大 的使用寿命可达20000小时，如法国鲍克兰公司新产品350CK型液压挖掘机的整机使用寿命为16000小时，其新设计的600型液压挖掘机的整机寿命高达30000小时。美国是世界上生产挖掘机历史最久、数量最大 品种最多，技术上处于领先地位的国家。日本的挖掘机制造业是战后逐步形成的，其主要特点是大量引进国外技术，发展速度很快，以生产中小型单斗挖掘机为主。原苏联十月革命后才开始生产挖掘机，以机械式单斗挖掘机为主近年开：发 ，-一些半液压或全液压挖掘机但品种 、质量差、寿命低。原西德是世界上最早开始研制液压挖掘机和斗轮挖掘机的国家，经过半个多世纪的发展，现在多数已进入第三代或第四代，产品效率高、寿命长、可靠耐用，同时还向国外输出制造技术。法国主要生产中小型液压单斗挖掘机，用于建筑施工。国内挖掘机在我国起步较晚，所 其发展步伐须加快。从工程机械的产量和钢产量的比例来看，我国远低于发达国家，发达国家挖掘机为1528台万吨钢，而我国挖掘机为0.26台万吨铜#从产量看，发达国家挖掘机产量万台以上，而我国不足1 500台；我国工程机械的社会保有量也很低挖掘机只有2万台。据有关资料统汁，仅19571983年我国进口挖掘机dl52台；1983年后特别是近5年挖掘机进13量迅速增加，仅广东一个省通过广东海关分署1989年进口264台，1990年d61台，l 991年l5月是515台；另从其他海关仅1991年16月叉进口587台。这两年半中共进口1827台，全部用在广东省境内的深圳、珠海、惠州、汕头、湛江等地的建设工程施工所用。据行业部门预测，1990年挖掘机年总需求量为2450台，按自然增长率法预测到1995年需求量为d515台。又据有关专家根据当前我国钢产量等各项经济发展情况预测到l 995年挖掘机需求量可达6000台。为加速国内大型露天矿的开发和建设，就要首先发展先进、高效和使用可靠的大型技术装备，大型矿用挖掘机便是关键设备之一 从70年代开始，我国自行开发研制了铲斗容量为1Ol dm 的机械式单斗挖掘机，作为年产l 000万吨级大型露天矿山的主采设备，经“六五”期间的关键技术攻关研究，并通过国家技术鉴定后，投入一定批量生产。近几年来，我国通过引进国外挖掘机先进技术，结合挖掘机在矿山工业试验的实际情况，不断地进行改进和完善。太原重型机器厂与抚搬西露天煤矿和南芬露天铁矿等有关单位于1974年联合开发研制了国内第一台铲斗容量为812m=的wKlO型矿用挖掘机。1979年两台样机制成，先后在该两矿进行工业性试验，并参照国外挖掘机的先进技术和结构进行了改进和完善。“六五 期间又按照国家重点科技攻关的要求，进行了关键技术的攻关和完善。1984年底wK一10型挖掘机通过了部级技术鉴定，1985年用WK一10A型挖掘机取代了wKl0型机，获国家科技进步二等奖，经一年的工业性试验，采矿岩5040000t，年产能力相当于国际同类设备水平，机械结构、材料、配件及制造、使用、维修都符合我国国情。wK一10A型挖掘机的性能、结构、生产能力、可开动率(达87 )、主要零部件的使用寿命、物耗指标和人机工作条件等，从总体上看与美国P8LH公司和BE公司的同类产品基本相同，达到了当代国际水平，在产品销售价格和备件价格上占绝对优势，在国际市场上具有一定的竞争能力，井于1987年9月通过了国家鉴定。这样我国1000万吨级露天矿主要设备完全可以立足国内，不需再进口。该机后又增添了抗严寒设计机型，还可进行组件整机组合。因此1987年底又改型为wK10B型，同时设计开发了wP一6型长臂上装挖掘机。抚顺挖掘机厂和大连电机厂等单位协作，设计制造了铲斗容量为l2 的wD一1200型机械式单斗挖掘机，1977年样机制成，1980年通过国家技术鉴定，并已投产。1985年太原重型机械厂与美国PH公司合作制造了铲斗容量为l6m。的PH2300XP型矿用挖掘机，采用引进的国外先进技术，样机于1986年通过国家验收，并在首都钢铁公司水厂铁矿和德江铜矿投入使用。第一重型机器厂与美国egd-I公司合作制造了铲斗容量为28m。的附I2B00xP型矿用挖掘机，正在平朔露天煤矿使用。PH2300XP和PI2800XP型矿用挖掘机是我国“七五”期间计坷发展的l2套重大技术装备之一。两机型图纸通用率高达6O% ，零部件的通用率达40% ，电机电控部分的通用率达9O%.目前，我国挖掘机社会保有量约2万多台，这十数字对我们这样一个大国来说是撅不相称的，这说明我国挖掘机行业发展速度是不尽人意前。我国挖掘机年总产量1985年为1300台，1988年为1431台，1989年,l495台，1990年为l054台，1991年为l400台，始终不足1500台。根据粗略统计，1992年挖掘机年总产量已突破1500台大关，向2000台进军了 从上述一些数字可看出，我国挖掘机年产量受国民经济发展情况所左右。我国液压挖掘机主要生产厂家有6家一贵阳矿山机器厂 年产500台以上、合肥矿山机器厂、北京建筑机城厂、上海建筑机械厂(这三厂年产200台以上)、长江挖掘机厂、抚顺挖掘机广，这六个厂年产量共约1400台左右；全国只有贵阳矿山机器厂一家能批量生产轮胎式挖掘机。为了提高我国液压挖掘机产品设计和制造水平，自1983年以来，我国各生产厂家先后引进了利勃海尔、德马克、奥伦斯泰困一科佩尔等公司的先进制造技术+使我国液压挖掘机基本上达到国标8O年代中期水平。随着消化吸收和自制率的增大，也为出口打下了坚实的基础。近年来，国内已有不少工厂开始生产各类液压挖掘机，包括轮胎式液压挖掘机、水陆两用挖掘机和微型挖掘机等。t983年l2月杭州重型机械厂与原西德德马克公司签订了H55、H85型液压挖掘机技术转让和合作生产合同，1984年后合作生产液压挖掘机H55型9台、H85型2台。l987年9月中德双方共同对H55、H85型液压挖掘机进行了验收。这两种型号的液压挖掘机具有结构先进、挖掘力大，操作灵活、生产效率高等特点，适应于露天采矿，水电，港口、交通和国防等工程I-I55型液压挖掘机配有正铲，反铲，抓铲、液压锤、起重等多种作业装置，H85璺液压挖掘机配有正铲、反铲、抓铲等多种作业装置和水下作业装置等。国产和引进的中、小型液压挖掘机主要技术参敷详见附表我国小型微型挖掘机开发更晚。1989年北京举办建筑机城展览会上展出了北京建筑机械厂生产的一种小型挖掘机，之后又有山东等厂家用小型拖拉机改装成小型挖掘机，但由于多种原因限制均未形成批量生产。只有广西玉林柴油机厂引进国外发动机和底盘的先进技术经消化吸收研制成WY18(WY4)微型液压挖掘机(斗容量004m ，功率132马力)并于1990年7月正式投 。产品投放东南亚等国际市场，很受外商欢迎，如新加坡一外商一次就签订包情3600台台同。该机主要特点是结构紧凑、重量轻、摆线泵和马达成本低、国产化程度高，橡胶履带性能好整机用2吨载重汽车装上就可更换作业地点，并具有挖、抓、铲、钻、打桩，碎石和推土等多种功能。中国第一拖拉机工程机械公司于1993年初试制成东方红一wY32型履带式液压挖掘机是在总结了我国液压挖掘机发展经验的基础上，吸取国外先进技术，结台我国国情和市场需求，自主开发的新产品。该机可换装正铲，抓斗，液压锤等多种工作装置，可广泛用于工业、农业、民用建筑，道路施工、市政工程，农田水利、油田，矿山，港口，机场建设等土石方工程。该机整机质量为32t，标准铲斗容量为125m，发动机标定功率为125kW(170马力)最大挖掘半径105m，最大挖掘深度686m，最大卸料高度69m，采用了高压双泵、双回路总功率变量和先导伺服操纵的液压系统，并可实现阀外合流。驾驶室门窗宽大，视野开阏，前窗为滑动式开启结构，驾驶室内装有通风采暖设备和收放机。操纵系统集中在驾驶椅两边扶手的两个手柄上，并配有各种仪表及监控装置。驾驶椅应用了人机工程学的知识，为仿人体外形的可调式，使驾驶员工作环境舒适、安全、操纵灵活方便。大大提高工作效率。现已投放市场。水陆两用挖掘机和挖掘装载机在我国正在加速发展中水陆两用挖掘机目前国内主要有贵阳矿山机器厂、抚顺挖掘机厂 上海建筑机械厂，江苏水利机械厂、金湖水总船厂，西南车辆厂、江苏水建船厂等七家生产。挖掘装载机目前国内主要有北京工程挖掘机厂福建建筑机械厂，烟台工程机械厂、中国第一拖拉机工程机械公司、山东广饶液压机械厂等五家生产。近年来我国挖掘机行业又增加了一些新厂家，且有一定的批量生产，如山东泰安工程机械厂、江西长林机器厂等。总体尺寸全长 8470mm全宽 2530mm全高 3030mm主要性能的选择根据安徽建筑工业学院 毕业设计(论文)任务书的要求与数据可得出以下主要工作尺寸：斗容量最大挖掘深度5300mm最大挖掘半径8630mm最大挖掘高度6025mm最大卸载高度4480mm最大挖掘力10800N总体参数的选择重量参数（1）整机重量根据合肥矿山机械厂WY60液压挖掘机的实际重量，确定整机重量为15T。（2）各主要部件的重量工作装置以整机重G=15.3 T，斗容量 0.6机型为样机，相似系数，平台上的各部件以合肥矿上机械厂制造的WY60为样机，相似系数k = 1.部件样机重（kg）相似系数初定值（kg）铲斗5421.176637斗杆5421.176637动臂10161.1761200斗杆缸1561.176183铲斗缸881.176104动臂缸2701.176318连杆摇杆1021.176120尺寸参数根据合肥矿山机械厂WY60及以上数据，初定出以下数值.全长9280mm全宽2650mm全高3220mm功率参数采用变量泵时 ，取= 3.8发动机功率=93 马力确定选用HinoDS50发动机，其具体参数如下：P=74 kw n=1600 r/m挖掘机总体设计（一）工作装置 挖掘机工作装置方案选择： 根据铲斗布置形式不同，挖掘机的工作装置可分为正铲式和反铲式。如图1。（a） 反铲挖掘机 （b）正铲挖掘机1.动臂 2斗杆 3.铲斗图 1 正、反铲挖掘机这里我们选择反铲形式，接着我们选择具体的工作装置形式:(1) 动臂及斗杆的结构形式 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。动臂结构有整体式和组合式两种。图1所示的反铲挖掘机即采用的是整体式动臂，组合式动臂如图2。整体式动臂优点是结构简单，价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。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，它是专用反铲装黄的常见形式。1.下动臂 2.上动臂 3.连杆或液压缸图 2 组合式动臂这里我们选择整体式弯动臂。斗杆是连接动臂和铲斗的部分，是主要受力部件。斗杆构件是用优质钢材焊接而成。结构为箱型体，内部加有隔板。前端下面的筋条，除增加斗杆的刚度外，也防止铲斗装满后有石块碰撞，以保护斗杆。斗杆也分整体型和组合型，整体型最为常见，如图3（a）。目前，有些挖掘机厂家也推出滑伸式斗杆，这种斗杆与标准型斗杆挖掘机相比，实现了更太的作业范围。可满足大范作业的需求如机器体积大小受限制的建筑基础工程、竖桩挖掘及坡面作业、河川的疏竣作业等。斗杆的滑动部位上采用了游隙小的变叉支撑方式。如图2（b）。（a） （b）1.摇杆 2.连杆图 3 斗杆形式由于任务书中没有特殊要求，故选择作常用的整体型斗杆。(2) 动臂液压缸和斗杆液压缸的布置动臂液压缸的连接，一般有两种布置方案。第一种：动臂液压缸装于动臂的下，方如图4。第二种：动臂液压缸装于动臂的上方或后方，如图5。此方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时，尤其在图 4动臂液压缸的布置方案一挖深较大时动臂液压缸往往处于受压状态，闭锁能力较强.综上所述，动臂液压缸的布置形式选择第一种形式，即动臂液压缸装于动臂的下方。 图5 动臂液压缸的布置方案二由于在最大挖掘深度和最大挖掘半径相等的条件下，前倾式比后倾式能获得更大的挖深，且动臂受的弯矩也较小，前倾式方案还可以改善转台受力。而任务书中要求对挖掘深度要求较高，故选择前倾式方案好些。考虑到动臂缸的闭锁问题，采用双缸。前倾式与后倾式方案如图4所示。以上两图均是在动臂油缸杆全伸时的位置。综上所述，动臂液压缸为双缸、前倾式布置。(3)斗杆与铲斗连接方式选择铲斗与铲斗油缸的连接形式有三种形式见图7。a）为直接连接铲斗斗杆和铲斗液压缸组成四连杆机构，b)中铲斗液压缸通过摇杆l和连杆2与铲斗相连。他们与斗杆一起组成六连杆机构，d)与b)类似，区别在于前者液压缸活塞杆端铰接于摇杆两端之问。C)的机构传动比与b)差不多，但斗牛下摆角位簧向顺时针方向转动了一个角度。 图 7 斗杆、铲斗缸和铲斗的连接形式六连杆与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善机构的传动特性，六连杆方式b和d在液压缸行程相同时，后者能得到更大的铲斗转角，但铲斗挖掘力的平均值较小，根据任务书的要求，故拟选d)方案。(3) 铲斗方案选择铲斗结构形状和参数的合理性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，通用反铲装置配有几种甚至十多种斗容量不同，结构形式各异的铲斗，图213为反铲常用铲斗形式。 1一齿座；2一斗齿；3一橡胶卡销；4一卡销；5、6、7一斗齿板图 8 反铲铲斗装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘比压，以便切入或破碎阻力比较大的物料。为了满足各种挖掘作业的需要，在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗。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214所示。(a)螺栓连接； (b)橡胶卡销连接1.卡销 2.橡胶卡销 3.齿座 4.斗齿图 9 斗齿安装形式此处我们选择常用反铲铲斗，因斗容量为，故采用橡胶卡销连接。至此挖掘机工作装置选型全部完毕。(二)回转机构滚动轴承式回转支撑广泛用于全回转的挖掘机、起重机和其它机械上。它是在普通滚动轴承基础上发展起来的，结构上相当于放大了的滚动轴承，具有尺寸小，结构紧凑，承载能力大，回转摩擦力小，滚动体与滚道之间的间隙小，维护方便、使用寿命长，易于实现“三化”等一系列优点，因而得到广泛应用。根据设计任务书的要求选用交叉滚柱式轴承，如图6所示。图6 单排交叉滚柱式内齿式回转支承交叉滚柱式轴承的滚动体呈圆柱形或圆锥形，相邻滚柱按轴线交叉排列，滚道为平面，接触角通常为，同样可以传递不同方向的轴向载荷，径向载荷和倾覆力矩，滚柱与滚道理论上是线接触，滚动接触应力分布于整个滚道上，比滚球式集中在一条狭窄带上的疲劳寿命要高。此外，平面滚边也易于加工，但对连杆构件的刚性和安装精度的要求比滚球式高。（三）行走机构 单斗液压挖掘机的行走装置是整个机械的支承部分，它承受机械的自重及工作装置挖掘时的反力，使挖掘的稳定地支承在地面上工作。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：.单斗液压挖掘机应有较大的牵引力，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。.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。.要降低挖掘机的接地比压或具有较大的支承面积，以提高挖掘机的稳定性。.挖掘机在斜坡下行时不发生超速溜坡现象，挖掘时不发生下滑，提高工作时的安全可靠性。.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（40150），因而越野性能好，爬坡能力大（一般为5080%，最大的达100%），且转弯半径小、机动灵活。目前履带式行走装置零部件已标准化，普遍采用工业拖拉机型的结构型式，提高行走性能，有利于批量生产，降低成本。轮胎式行走装置与履带式相比，最大的优点是机动性好，运行速度快（通常达20km/h）。它的缺点是接地比压较大（150500），爬坡能力较小（通常不超过65%）。挖掘时需用专门的支腿支承使机身稳定。综上所述，根据本次设计的要求选用履带式，如图7所示。图7 履带式行走装置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。单斗液压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。单斗液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合，如图8所示。图8 液压挖掘机的液压作业循环组成它包括：.挖掘 通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，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。.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。.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，间以动臂动作。.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。单斗液压挖掘机的动作繁复，主要机构经常起动、制动，换向，外负荷变化很大，冲击和振动多，而且野外工作，温度和环境变化大，所以对液压系统的要求是多方面的。根据挖掘机的工作特点，液压系统要满足主机正常工作要求，即：.动臂、斗杆和铲斗的传动，要保证可以各自单独动作，也可以互相配合实现复合动作；.主机工作过程中，要求工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能作复合动作，以提高机械生产率；.履带式挖掘机的左、右履带要求分别驱动，使机械行走方便，转向灵活，并且可以原地转弯；.挖掘机的一切动作都是可逆的，而且要求无级变速；.要求机械工作安全可靠，各种作业油缸要有良好的过载保护，回转机构和行走装置要有可靠的制动和限速，要防止动臂因自重而快速下降和整机超速溜坡。根据挖掘机的工作环境和条件，液压系统还应满足下列要求：.充分利用发动机功率，提高传动效率；.系统和元件应保证在外负荷变化大和急剧的振动冲击作用下，具有足够的可靠性；.力求减少系统总发热量，设置轻便耐振的冷却装置，使主机持续工作时，油温不超过85 ，或温升不大于45 ；.系统的密封性能要好。由于工作场地尘土多，油污容易污染，要求所用元件对油液污染的敏感性低，整个系统要设置滤油器和防尘装置；.为了减轻司机操作强度，要考虑采用液压或电液伺服操纵装置。液压系统方案的设计：（1）.回路组合方式：单斗液压挖掘机的回路组合方式有并联、串联和顺序单动等几种。由于单动顺序回路和并联回路难于实现复合动作，而在串联回路中，每个执行元件都利用了油泵的全油量，当个执行压力差之总和小于油泵的出口压力时，可以实现复合动作，它适合于高压系统，根据设计的WY60液压挖掘机的动作特点，选用串联回路较合适。（2）.变量系统：我国规定，单斗液压挖掘机机重12t（标准斗容量0.4）以下的等级，采用定量系统；机重35t（标准斗容量1.6）以上的等级，采用变量系统；两者之间的等级，定量和变量均可采用。WY60是处于中间等级的，所以两种系统都可以采用。由于在变量系统中，流量不固定，可以通过外负荷变化而变化流量大小，负荷小时可以提高作业速度，功率也可以得到充分利用，所以本次设计选用变量系统。为了满足挖掘机作业要求，采用双泵双回路系统，该系统中，把一切执行元件按照作业要求分两组，各由一台油泵供油，分别构成独立回路。这种系统不管每条回路组合方式如何，可以保证至少有两个动作能够同时进行，基本上满足了挖掘机的作业要求。这种系统的动作正确，操作方便，功率利用好，所以是目前中小型液压挖掘机普遍采用的一种形式。（3）.合流方式：为了提高机械生产率，要求动臂提升、斗杆收放和铲斗转动有较快的工作速度，因此，需要考虑双泵合流。合流有手控和自动两种方式，拟采用手控合流的方式，该方式工作可靠，灵活性大，缺点是增加一个操作动作。（液压系统总图 见图纸）工作装置设计（一） 斗形参数的确定 (1)斗容量，平均斗宽，转斗挖掘半径和转斗挖掘装满转角是铲斗的四个主要参数. 、及三者与之间有一下几何关系，如图（）图(2.4) （1）1.当一定时铲斗最大挖掘阻力(切向)和传能容量随着和平板。且的增大使附加载荷引起的对工作装置的扭矩和水平弯矩随之增大，从而对工作装置的结构强度的要求更高。全面考虑有关因素，可以去。如果，则太大。如果，则或太大。2.在时和对的影响差不多，在时的变化对的影响比大。从能量观点看，不论q大小如何，对的影响是远远大于。因此和两值不宜相差悬殊。(2)综上所述，为了获得较小的和，取，。且，。将数据代入式（1）得（3）斗容量计算 根据铲斗形状的分析：铲斗的切削前缘中间略微凸出，不带侧齿，侧壁略呈凹形，这些因素土壤的挖掘阻力降低。所以采用P57页铲斗形式e）.如图（），将铲斗纵向中心剖面位置内面积分成五部分根据P20页分析，角度参数选用:,，尺寸参数：，根据资料P9页知，平装斗容量：,铲斗斗尖的那部分面积可以看成梯形,所以 即解得： （，舍去）斗深取 所以 锥尖斗容量: 所以 则，实际斗容量： 可见设计的铲斗满足要求。（二） 工装转角P47页表1-3推荐值： 动臂转角： 斗杆转角： 铲斗转角：设计的转角确定为： （三） 动臂铰点位置确定动臂上的三铰点的布置直接影响着动臂的受力情况，整机稳定性和工装油缸的稳定性，几何学的布置，角度和力的关系。（1）铰点AA的位置主要根据结构而定，一般要求在回转平台的前缘。增加的值会使动臂油缸全缩时与全伸时的力臂比增大，或使最大挖深增加，这正符合反铲作业要求。因此，基本用作反铲的小型机可取。以反铲为主的通用机取。故选： 以地面为x轴，回转中心为y轴。令铰点A和铰点C的坐标分别为， 由表1-3查得，。根据经验公式计算方法，以机重吨为指标。则 选用 选用 选用 选用 选用即A点坐标为。（2）铰点C 铰点C的选择应满足：1.最大挖掘深度和最大挖掘半径,2.对于反铲装置应力求使动臂油缸的作用力臂在动臂处于地面以下时为较大值,3.考虑动臂的受力情况，4.由C点变化引起转角、动臂缸作用力臂的变化合理。 考虑以上因素，以A点为圆心，AC为半径，调整C点的坐标，直至达到要求。所以C点坐标定为。（四） 动臂、斗杆尺寸（1）初定动臂、斗杆长为、 确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数。 当成为长动臂短斗杆方案，该方案作用范围窄，从挖掘方式看，它易于以斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。当时，属于短动臂长斗杆方案。值小，且易用于转斗挖掘为主。从挖掘轨迹看，值小易于得到接近于直线的运动轨迹，因而易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。从结构强度看，值大结构重心离机体近。在之间称为中间比例方案。我选用中间比例方案，且确定。由表1-3选取，则 元整： 元整：（2）动臂参数动臂的角一般可取为。小对增大挖掘深度有利，但对结构强度不利。所以，取。初步设计时弯臂转折处的长度比。取。则（3）作图确定作业参数图(五)铲斗连杆机构几何尺寸和铲斗油缸布置为了获得合适的传动比，使铲斗转过。此时，得到最大阻力，设计的连杆机构此时应有最大的传动比，也就是油缸此时发挥最大理论挖掘力。初始角一般取为获得较大的挖掘包络图，且图6铲斗机构参数示意图图7铲斗机构参数选择要求卸料干净，所以取。,一般取。取。开挖角一般在，取开挖角为。的间距太大将影响铲斗机构传动特性，太小则影响铲斗结构刚度，一般取特性参数。当铲斗转角较大时取较小值，一般取，取，则 圆整因为，所以。因则为获得较大的传动比，取，则，选用三菱重工MS070为样机，它的值如下： ，则 元整作图得到：，而在之间，满足要求。（六）斗杆几个尺寸、斗杆油缸布置斗杆摆角范围大致在之间。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。一般说斗杆愈长，其摆角范围也可稍小。当斗杆液压缸和转斗液压缸同时伸出最长时，铲斗前臂与动臂之间的距离应大于10cm。斗杆机构的参数选择可按下述步骤：（参考图8斗杆机构参数计算简图）图8斗杆机构参数计算简图根据斗杆挖掘阻力计算，并参考国内外同类型机器斗杆挖掘力值，按要求的最大挖掘力确定斗杆液压缸的最大作用力臂在此根据经验公式确定斗杆液压缸的最大作用力臂 则 圆满因，取，则 圆整 圆整（七）动臂油缸长度的确定是的函数，动臂上任意一点在任一时刻的坐标值也都是的函数。根据余弦定理，当和时得，如图9动臂的摆角范围为动臂的瞬时转角为其中， 根据动臂总转角: 当时 当时 ，在之间，满足要求。挖掘阻力、理论挖掘力、油缸作用力、（一）转斗挖掘阻力计数当铲斗瞬时转角等于挖掘过程中铲斗总转角的一半，挖掘起点和终点间连线方向与水平线的夹角时出现转斗挖掘最大切向分力，其值为式中 土壤硬度系数，取； 铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，； 挖掘过程中铲斗总转角的一半，取； 切削刃宽度影响系数，； 切削角变化影响系数，取； 带有斗齿的系数，； 斗侧壁厚度影响系数，； 切削刃挤压土壤的力，。则 平均挖掘阻力为 (二)斗杆挖掘阻力计算斗杆挖掘阻力为式中 挖掘比阻力，由表0-10查得，正常挖掘土壤的，挖掘的最硬土质； 斗容量，；斗杆挖掘时单斗切削半径，；斗杆挖掘过程中的总转角，取；松散系数，由表0-6查得，正常挖掘土壤的，挖掘最硬土质；斗杆正常挖掘阻力 斗杆最大挖掘阻力 （三）铲斗油缸作用力、缸径确定 的值由得表1080040573672898459892923939749292384598672894057310800铲斗液压缸推力 假定系统最大压力为 取系列值 符合要求0.1050.1210.1420.1760.19252920609847156888704967680.2040.1880.1610.1340.11710281694752811446753658968(四） 斗杆理论挖掘力由前面计算得 所以 考虑到油缸的互换性，取，若系统压力(最大) 符合要求根据角度的变化，可以得到不同的值，由此列出下表：0.0980.1170.1360.1610.1720.1695022259959696968250788145866080.1670.1590.1430.1350.1020.085855838148373283691845227243560由上表可以看出，所有位置所以，符合要求。（五）动臂油缸作用力及缸径确定设计原则：应在任何位置都能满足提升要求，计算位置如下：. 最大挖深时，满斗提升。. 最大卸高时，满斗提升。. 最大挖深半径时，满斗提升。由上述三个工况计算出三个动臂油缸能够发挥的力，选择其中最大者校核所选的油缸缸径和系统最大压力。查表06：所以，以工作装置为研究对象，考虑偏安全起见，不考虑动臂油缸的重力分力。对应工作装置各部件距C点力臂列出下表：工况动臂斗杆铲斗斗杆缸铲斗缸摇杆单位G11956371933183104120kg235835463276324038343564mm6122934572497237804788mm234050947848325861386848mm力臂代号计算：工况：最大挖深，动臂油缸作用力的力臂值为=414 = 12828.5工况：最大卸高=520 =14810工况：最大挖深半径 =23186比较上述三种工况得：当选用d=100mm时，压力值为可见，压力值和缸径都足够。3. 油缸闭锁力校核（1）动臂油缸的闭锁力验算以工作装置为研究对象，对C点取距，为了偏安全起见，不考虑动臂油缸的重力，同时计工装质量而不计土重。动臂油缸闭锁力，可以计算以下几个位置：. 动臂最低三点一线，转斗挖掘，取 .不计土重。. 动臂最低，斗杆垂直于地面，转斗挖掘，转斗转到时取，.计工装而不计土重。 . 整个工装位于停机面最大挖掘半径，转斗挖掘,.不计土重。. 动臂最低，斗杆动力臂最大，斗杆挖掘取，。不计土重。根据各个工况得出下表：工况以毫米为单位23583546327632403834235835463384324038342358509478483258613823583240122423562610工况35647470333037927584143564423063545732114641479207920257437927587384023402346801358272414验算闭锁力：工况：动臂最低，转斗挖掘。 = 22273 = 26900kg工况： = 22876工况： = 19055工况： = 30比较上述四种工况得出最大。由于动臂油缸是小腔闭锁，所以当选用d = 100mm缸径时，F = 78.5。假定动臂缸闭锁力调定在350kg所以在最大挖深处，遇到（铲斗）最大挖掘阻力的工况动臂油缸闭锁不住。次于工况的值是工况的 kg可见其余工况均可闭锁住。（2）斗杆油缸闭锁力验算以斗杆为研究对象，对F点取距原则如上：工况也如上段中的前三工况，挖掘阻力值也同上。对应各部分重量重心矩F点之臂值如下表：工况G63763710412019846852225241580198725222523573171945031501548228641580计算：工况：= 15258 = 22113kg工况： = 22194 = 32165kg工况：= 13038 = 24600kg比较上述三工况得到最大的当选用d=100mm时，F=78.5可见，当斗杆油缸闭锁力选为320时，只有在最大挖深这个工况不能闭锁，其它工况都能满足。所以，得出以下结论：系统最大工作压力：250动臂油缸闭锁压力：350动臂油缸缸径： 斗杆油缸闭锁压力：320斗杆油缸缸径： 第四章 优化设计挖掘机的设计是一个繁复进行的过程，这个过程要经历以下各个阶段：所谓“优化”从系统工程的观点来看具有两种解释：1）广义地，是使一个决定或设计的系统尽可能地有效完善并得以发挥其功能所作出的努力与过程。2）狭义地，是一种特殊的方法，技术与过程，它用来在可能选择的方案中去决定一种特殊解答以满足一组判断的标准。液压挖掘机的反铲工作装置动作是相当复杂的，因此，它的优化问题是多目标优化问题，在建立数学模型时，应当满足下列条件：1）在特定条件下准确地、可行地说明设计问题所要达到的目的；2）尽量使计算过程简化。因而在设计当中注意到以下问题： 处理好局部优化和整体优化的关系当局部优化某参数受整体优化参数制约时，在局部优化时，应把这样的参数作为已知参数优化满足。 处理好次级系统中个参数间关系为了简化问题的复杂性，可以把仅由局部几个参数确定的性能参数作为次级系统的亚次级系统单独进行优化。反铲挖掘机在挖掘作业时，机体停在地面上不动，工作装置以一种油缸（铲斗油缸或斗杆油缸）为主动油缸进行挖掘，而其余两种油缸处于闭锁状态。中、小型挖掘机常以铲斗油缸挖掘为主，现以铲斗挖掘的要求，建立反铲作业装置优化设计的数学模型。铲斗油缸挖掘时，对工作装置性能要求如下：（1）斗型参数 . B. R根据转斗切削能容量最小的原则有：EminE是我们追求的一个目标。上式还应满足下面两个关系式：（2）铰点C 的优化如果要求满足最大挖深H，最大挖径R和最大卸高，由于反铲挖掘机对卸高要求并不大，为了抓住主要矛盾，我们考虑满足H和R就行了。可以根据要求和参照样机选取合适的比例方案，初定出、。值由minE优化而定，这样我们可以列出斗齿尖的坐标方程,AC增加（减小）或者增加（减小）都将影响到斗齿尖的坐标。这样，当我们寻找出最优的斗齿坐标方程后就可以确定合适的AC值和值。A点受平台离地高度和平台长度的限制，因此比较容易确定，参照样机定出A( ,)为已知值。C点的变动在xoy中坐