DWY25多功能全液压挖掘机设计【石油】【12张CAD图纸与说明书全套资料】
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12张CAD图纸与说明书全套资料
DWY25
多功能
液压
挖掘机
设计
12
CAD
图纸
说明书
全套
资料
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【温馨提示】====设计包含CAD图纸 和 DOC文档，均可以在线预览，所见即所得，，dwg后缀的文件为CAD图，超高清，可编辑，无任何水印，，充值下载得到【资源目录】里展示的所有文件======课题带三维，则表示文件里包含三维源文件，由于三维组成零件数量较多，为保证预览的简洁性，店家将三维文件夹进行了打包。三维预览图，均为店主电脑打开软件进行截图的，保证能够打开，下载后解压即可。======详情可咨询QQ：414951605
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DWY25多功能全液压挖掘机 课题来源 成都神钢公司指导教师 赵伟民教授答辩人 廖刚2009 6 1概述 近几年来 国家加大了对交通方面的投资力度 尤其是在金融危机下 我国政府采取扩大内需宏观经济政策 以应对复杂多变的形势 在拉动内需的措施中加强了对铁路 高速公路 城乡道路的建设 这就为工程机械的的发展 提供前所未有的机遇 而作为交通运输 能源开发以及城镇建设等各项工程建设的挖掘机就显示出他的巨大作用 因此 重视和加速挖掘机改进创新 稳定提高产品质量 对加速现代化工程建设有着重大的意义 国内外挖掘机的发展情况 挖掘机在国外早已形成系列 技术比较成熟 生产厂家主要有美国的卡特彼勒公司 O K newholland公司 德国的利勃海尔公司 而我国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 国内专业生产吊管机起步较晚 而且吨位都很小 生产的机械质量 性能 吊重等还远远不能满足管道建设需要 在设计和制造上的差距很难与国外厂家形成竞争 图1 1履带式挖掘机 图1 2轮胎式挖掘机 图1 3浮式挖掘机 图1 4汽车式挖掘机 图1 5轨道式挖掘机 图1 6步履式挖掘机 2 DWY25挖掘机方案及原理 2 1挖掘机的结构DWY25多功能全液压挖掘机主要由履带底盘 铲斗 组合式动臂 斗杆组成 DWY25挖掘机整机建模如图2 1所示 挖掘机模型图 2 2DWY25多功能挖掘机的工作原理 1 变幅运动通过各个液压缸的伸缩实现变幅动作 2 回转运动履带地盘采用全回转底盘 上车和下车通过中心回转支承连接 使得上车能实现360 回转 可以方便快速改变工作方向 3 工作机构的运动分析与校核 3 1反铲装置运动分析采用solidworks软件对液压挖掘机的顺序工作方式进行运动学仿真 在各个液压缸添加驱动函数 这里采用阶跃函数 具体设置如下 主动臂液压缸驱动函数 step time 9 0 15 700 step time 32 0 41 5 1250 step time 51 5 0 57 5 550 斗杆液压缸驱动函数 step time 0 0 6 850 step time 15 0 27 1000 step time 39 0 41 5 70 step time 44 5 0 51 5 930 铲斗液压缸驱动函数 step time 6 0 9 600 step time 27 0 32 600 step time 41 5 0 44 5 600 副动臂液压缸驱动函数 step time 13 0 15 100 step time 32 0 41 5 200 step time 51 5 0 57 5 100 从而得出挖掘机的包络曲线 图3 1 图3 1挖掘机包络曲线图 最大挖掘半径7510mm最大挖掘深度4702mm最大挖掘高度7242mm最大卸载高度3495mm 3 2反铲装置的动力学分析 挖掘机在挖掘机过程中作用在铲斗刃口上的挖掘阻力有物料的重力G 其方向始终垂直向下 位置在铲斗斗齿上 切向挖掘阻力W1与法向挖掘阻力的方向相互垂直 并定义在铲斗中齿上 其中切向挖掘阻力的方向始终沿铲斗轨迹的切线指向铲斗斗齿 法向挖掘阻力W2始终垂直于铲斗轨迹的切线指向铲斗斗齿 它们的方向相对于地面是随着铲斗的转动而不断的变化 但相对于铲斗是不变的 以挖掘机复合动作方式的作业循环时间为依据 用系统提供的STEP函数设定挖掘机在一个工作循环中的各个液压缸的驱动函数及受力函数具体设置如下 液压缸驱动函数同3 1 切向挖掘阻力函数 step time 9 0 32 22000 step time 32 0 59 22000 法向挖掘阻力函数 step time 9 0 32 9240 step time 32 0 59 92400 重力函数 step time 9 0 32 5000 step time 32 0 41 5 0 step time 41 5 0 44 5 5000 从而测出各个液压缸的受力情况 图3 2到3 5所示 图3 2主动臂油缸反作用曲线图 图3 3副动臂油缸反作用曲线图 图3 4斗杆油缸反作用力曲线 图3 5铲斗油缸反作用力曲线图 3 3反铲装置的有限元分析3 3 1铲斗的设计校核铲斗在挖掘过程中受到土壤的阻力 其阻力分为切向挖掘阻力和法向挖掘阻力 因为该铲斗所要涉及的工矿大多为 级土壤 计算的切向分力W1 K0bh 22000N W2 0 42W1 在solidworks中的载荷和网格约束 如图3 6 图3 6铲斗载荷和网格划分 a 应力图 b 位移图 图3 7铲斗分析结果 铲斗材料为Q235 由结果可知铲斗的设计符合强度要求 3 3 2斗杆的设计校核计算位置1的条件为 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为90度 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 侧齿遇障碍作用有侧向力 计算位置2的条件为 1 动臂位于动臂液压缸对铰点有最大作用力臂处 2 斗杆液压缸作用力臂最大 3 铲斗位于发挥最大挖掘力位置 4 正常挖掘 即挖掘阻力对称于铲斗 无侧向力作用 a 斗杆计算位置1应力图 b 斗杆计算位置2应力图 材料为Q235 由应力结果分布可以看出斗杆设计符合强度设计要求 图3 8斗杆结果分析 3 3 3组合式动臂的有限元分析计算位置1其应满足以下条件 1 动臂油缸全缩 2 斗齿尖 铲斗与斗杆铰点 斗杆与副动臂铰点在同一条直线 3 铲斗挖掘时 斗齿边遇到障碍 该工况也就是最大挖掘深度工况 计算位置2其满足以下条件 1 动臂油缸的作用力臂最大 2 斗杆的作用力臂最大 3 铲斗进行正常挖掘 铲斗位于最大挖掘力位置 a 副动臂网格划分和载荷 b 副动臂计算位置1应力图 c 副动臂计算位置2应力图 图3 9副动臂分析结果 副动臂材料为Q345 由应力结果知副动臂设计符合强度要求 图3 10主动臂网格划分 a 主动臂计算位置1应力图 b 主动臂计算位置2应力图 图3 11主动臂分析结果 主动臂材料为HQ60 由结果可知主动臂设计符合强度要求 第4章稳定性分析 4 1稳定性分析挖掘机的稳定性是指在最不利的倾覆线上的稳定力矩之和大于或等于倾覆力矩之和 一般用稳定性系数K 1 0 1 25 来表示起重机的稳定性 a 挖掘失稳状态1b 挖掘失稳状态2 c 挖掘失稳状态3 图4 1挖掘机失稳状态图 根据挖掘机的三种极限工况进行稳定性计算 结果都能使得K 1 符合挖掘机的稳定性要求 第5章液压系统设计 1 限压回路整个系统设置一个限压回路用来限制系统的压力 使系统压力不超过调定的值 用溢流阀来实现限压 2 卸荷回路卸荷回路采用换向阀中位卸荷 3 回转回路在挖掘机回转机构的回路上设有缓冲阀 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 4 节流调速和背压回路在液压缸的回油路上装以单向节流阀 形成节流限速回路 为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险 其大腔回油路上装以单向节流阀 使动臂下降速度受节流控制 在各个液压缸的进油和回油路上装以背压阀 实现各个液压缸的安全工作 5 行走限压回路利用节流阀调节马达回油速度 防止挖掘机超速溜坡 图5 1液压原理图 展望 1 运用优化设计 有限元分析等手段对结构优化 2 对模型进行试验研究 3 根据试验结果进一步改进设计及其建模工作 谢谢 敬请各位老师多提宝贵意见 大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目 LXW80轮式底盘旋挖钻机设计专业 机自05-03班 学号 050401140328 姓名 程德考主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 主要内容轮式底盘旋挖钻机的总体设计；进行钻桅及其调整机构的设计与结构分析；进行动力减速器的设计与动力特性分析；进行液压系统设计;进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册；b、相关专业机械书籍；c、相关专业机械文章、专利资料；d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3月31日6月22日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目 YC600液压桩锤设计专业 机自05-06班 学号 050401140617 姓名 张乃天主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 主要内容YC600液压桩锤的总体设计；YC600液压桩锤结构设计；液压系统设计；振动缓冲机构的设计；整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册；b、相关专业机械书籍；c、相关专业机械文章、专利资料；d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3月31日6月22日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目 SQY200随车起重机设计专业 机自05-06班 学号 050401140602 姓名 杨 阳主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 主要内容随车起重机的总体设计；随车起重机起重臂的结构设计；随车起重机平衡机构的分析；进行液压系统设计；进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册；b、相关专业机械书籍；c、相关专业机械文章、专利资料；d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3月31日6月22日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目 GKC20高空作业车设计专业 机自05-06 班 学号 050401140622 姓名 牛 双主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 主要内容高空作业车的总体设计；高空作业车动臂的动力特性和结构分析；液压系统设计；高空作业车的稳定性分析；2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册；b、相关专业机械书籍；c、相关专业机械文章、专利资料；d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3月31日6月22日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2009 年 3月 13 日大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目 DWY25多功能全液压挖掘机设计专业 机自05-02班 学号 050401140230 姓名 廖 刚主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 主要内容多功能全液压挖掘机总体设计；多功能全液压挖掘机的结构设计分析；液压系统设计进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册；b、相关专业机械书籍；c、相关专业机械文章、专利资料；d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3月31日6月22日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目 SLZ600双轴螺旋钻孔机专业 机制05-02班 学号 050401140227 姓名 吕晓志主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 主要内容双轴螺旋钻孔机的总体设计；双轴螺旋钻孔机的结构分析与设计；液压系统的设计分析；整机稳定性的计算。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册；b、相关专业机械书籍；c、相关专业机械文章、专利资料；d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3月31日6月22日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目 MGZ100型锚杆钻机设计专业 机制05-05班 学号 050401140501 姓名 吴丽娟主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 主要内容锚杆钻机的总体设计；锚杆钻机钻桅及其调整机构的设计分析；进行动力装置和装卸锚杆机构的动力特性分析与设计；进行液压系统设计；进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册；b、相关专业机械书籍；c、相关专业机械文章、专利资料；d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3月31日6月22日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目 DNXW100铁路公路两用旋挖钻机专业 机制05-02班 学号 050401140225 姓名 许建刚主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 主要内容铁路公路两用旋挖钻机的总体设计；铁路公路两用旋挖钻机结构分析；液压系统的设计分析；进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册；b、相关专业机械书籍；c、相关专业机械文章、专利资料；d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3月31日6月22日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2009 年 3 月 13日大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目 WT50物探钻机专业 机制05-02班 学号050401140201 姓名 金 鑫主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 主要内容物探钻机的总体设计；物探钻机钻具的设计与结构分析；液压系统的设计分析；进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；设计计算书1.5万字；外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册；b、相关专业机械书籍；c、相关专业机械文章、专利资料；d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3月31日6月22日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院学生开题报告表课题名称DWY25多功能全液压挖掘机课题来源课题类型A导 师赵伟民学生姓名廖刚学 号050401140230专 业机械设计制造及其自动化一、调研资料的准备经过两周的调研，已经收集了大量有关挖掘机的期刊文摘，为接下来的毕业设计作好了充分的资料准备。同时，在查阅这些期刊文摘以及有关专业书籍和手册时，对挖掘机也有了初步的认识，对目前国内外液压挖掘机发展现状及其特点有所了解。二、设计目的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。而提起国外液压挖掘机，许多人都会想到卡特彼勒、小松、日立、现代等公司的产品，这些公司液压挖掘机都有一个共同的特点：动臂与斗杆是铰接的，其挖掘范围是受动臂与斗杆限制的。组合式动臂挖掘机具有生产率高、灵活可靠、适应性强等优点。根据我国挖掘机当前现状，本次设计的液压挖掘机应该具有生产率高、灵活可靠、适应性强等优点。三、设计要求 充分运用大学以来所学的机械专业知识，查阅世界各地有关挖掘机的资料，了解当前国内外挖掘机的发展状况，分析我国挖掘机水平与国外的差距，熟练运用SolidWorks进行挖掘机的实体建模，并能运用COSMOS对挖掘机进行分析等。 具体要求如下：1.多功能全液压挖掘机总体设计；2.多功能全液压挖掘机的结构设计分析；3.液压系统设计4.进行整机稳定性分析。四、设计思路1.查阅国内外有关挖掘机的资料，以及挖掘机的发展状况，分析我国挖掘机当前水平与国外的差距和主要不足。 2.整理资料，提出可行的总体设计方案；3.根据设计方案，运用SolidWorks对挖掘机进行实体建模；4.运用COSMOS对挖掘机的反铲机构进行有限元分析；5.根据实体建模与有限元分析得出的结果数据，分析设计方案的可行性；6.整体稳定性计算并设计液压系统； 7.整理设计资料与设计数据，对确定方案进行计算分析，编写设计说明书。五、设计预期成果1.完成液压挖掘机整体建模；2.实现挖掘机构的创新设计组合式动臂的设计；3.完成0号图纸五张，说明书一本。4.外文资料翻译3000字。六、时间安排 68周，收集资料，讨论确定方案；910周，总体设计；1115周，挖掘机机构分析计算与设计；1617周，论文写作，修改；编写答辩提纲18周，参加毕业答辩。七、完成设计所具备的条件因素 对机械设计、制造、机电液综合控制等全方位有充分的认识，有查各种专业手册、期刊等资料的能力，较高的实践动手能力，充分认识液压挖掘机的构造、运动、工作等，有敏锐的创新意识，熟练运用设计时所需的软件，如SolidWorks、caxa等软件。 指导教师签名： 日期：1、课题来源：课题来源分为真实课题和自拟课题两种，真实课题要填写确切基金项目、企事业单位项目，不能写横向、纵向课题等。2、课题类型：A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研究。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）第 1 章 概述 .31.1 引言 .31.2 国内外液压挖掘机现状、特点 .31.3 液压挖掘机发展趋势 .51.4 本章小结.6第 2 章 挖掘机结构设计 .72.1 液压挖掘机方案的确定 .72.1.1 按底盘结构分类 .72.1.2 按变幅机构分类.82.1.3 确定设计方案 .92.2 变幅机构的特点及设计原则 .92.2.1 反铲装置的工作特点.92.2.2 反铲装置的设计原则 .102.3 本章小结 .11第 3 章 挖掘机运动分析与有限元分析 .123.1 SOILDWORKS在挖掘机设计中的应用 .123.2 挖掘机反铲装置的运动分析 .123.3 挖掘机反铲装置的动力学分析 .143.3.1 液压挖掘机的理论挖掘阻力.143.3.2 液压挖掘机的动力学仿真与有限元分析 .143.4 挖掘机反铲装置的静力学分析 .163.4.1 铲斗的受力分析.163.4.2 斗杆的受力分析 .183.4.3 副动臂的受力分析 .213.4.4 主动臂的受力分析 .233.5 本章小结 .25第 4 章 整机稳定性分析 .264.1 稳定性及计算方法.264.1.1 稳定性.264.1.2 稳定性校核 .264.2 接地比压计算 .284.3 本章小结 .29第 5 章 液压系统设计 .305.1 液压系统的形式 .305.2 液压回路设计 .305.2.2 卸荷回路的设计 .315.2.3 回转回路的设计 .315.2.4 节流调速和背压回路的设计 .315.2.5 行走限压回路的设计 .315.2.6 辅助回路的设计 .325.3 重要液压元件的选型设计.32大庆石油学院本科生毕业设计（论文）25.3.1 回转液压马达的选型设计.325.3.2 工作机构液压缸的选型设计.325.4 液压原理图 .325.5 本章小结： .33结 论 .34参考文献 .35致谢 .36大庆石油学院本科生毕业设计（论文）3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。随着矿山大庆石油学院本科生毕业设计（论文）4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。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）51.3 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大庆石油学院本科生毕业设计（论文）6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。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）7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）汽车式挖掘机大庆石油学院本科生毕业设计（论文）8 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。2.1.2 按变幅机构分类变幅机构可分为整体式和组合式，其中组合式包括伸缩式和非伸缩式结构。如图 2-2 所示。 a) 整体式动臂+整体式斗杆结构 b) 组合式动臂+整体式斗杆结构大庆石油学院本科生毕业设计（论文）9 c) 整体式动臂+伸缩式斗杆结构 图 2-2 按变幅机构分类 整体式结构简单、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较少、通用性较差，一般适用于作业条件相似的反铲装置。组合式结构的工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整；能够较合理地满足各类作业装置的参数和结构要求，从而较简单的解决主要构件的统一化问题，下动臂一般可以适应各种作业装置要求，不需拆换；装车运输也比较方便。2.1.3 确定设计方案根据不同类型底盘和动臂斗杆结构的优缺点确定本次设计方案为：底盘选用履带式，采用组合式动臂和整体式斗杆变幅机构的反铲装置。主动臂下铰点铰接在转台上，通过主动臂缸的伸缩，使主动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动，副动臂下铰点铰接在主动臂上，通过副动臂缸的伸缩，使副动臂连同斗杆绕主动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕副动臂的上铰点转动，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。底盘采用利勃海尔 R317 结构，回转支撑采用内齿式回转支撑，发动机用 Cat C15 ACERT，采用全回转机构的高速方案，此类型挖掘机操作轻便灵活、安全可靠，能满足挖掘、挖沟等作业施工要求。2.2 变幅机构的特点及设计原则2.2.1 反铲装置的工作特点液压挖掘机的反铲装置主要用于挖掘停机面以下土壤（基坑、沟壕等） 。其挖掘轨迹决定于各油缸的运动及其相互配合情况。通常情况下，分为动臂挖掘、斗杆挖掘、转斗挖掘等几种情况3。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）10（1）动臂挖掘：当采用动臂油缸工作来进行挖掘时（斗杆和铲斗油缸不工作）可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时铲斗的挖掘轨迹系以动臂下铰点为中心，斗齿至该铰点的距离为半径所作的圆弧线。其极限挖掘高度和挖掘深度（不是最大挖掘深度）即圆弧线之起终点，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角(动臂与水平线之夹角)，也即决定于动臂油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长而且由于稳定条件限制挖掘力的发挥，实际工作中基本上不采用。（2）斗杆挖掘：当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的长度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗杆油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。在较坚硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗，故挖掘机实际工作中常以斗杆油缸工作进行挖掘。（3）转斗挖掘：当仅以铲斗油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧线的包角及弧长决定于铲斗油缸的行程。显然，以铲斗油缸上作进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤。所以一般挖掘机的斗齿最大挖掘力都在采用铲斗油缸工作时实现。采用铲斗油缸挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率。因此，在一般土方工程挖掘中，转斗挖掘较常采用。在实际挖掘工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作。如当挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁时，则需采用动臂与斗杆两种油缸的同时工作，当挖掘坑底，挖掘行程将结束为加速将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变铲斗切削角等情况下，则要求采用斗杆与铲斗油缸同时工作。虽然此时挖掘机的挖掘轨迹是由相应油缸分别工作时的轨迹组合而成。显然，这种动作能够实现还决定于液压系统的设计。当反铲装置的结构形式及结构尺寸已定时（包括动臂、斗杆、铲斗尺寸、铰点位置，相对的允许转角或各油缸的行程等） ，即可用 SolidWorks 运动分析求得挖掘机挖掘轨迹的包络图，即挖掘机在任一正常工作位置时所控制到的工作范围。对于反铲装置主要的工作尺寸为最大挖掘深度、最大卸载高度和最大挖掘半径。包络图中有部分区间靠近甚至深入到挖掘机停机点底下，这一范围的土壤虽可挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响机械的稳定和安全上作，除有条件的挖沟作业外一般不使用。挖掘机反铲装置的最大的挖掘力决定于液压系统的工作压力、油缸尺寸，以及各油缸间作用力之影响（斗杆、动臂油缸的闭锁压力及力臂）外，还决定于整机的稳定和地面附着情况。因此反铲装置不可能在任何位置都能发挥最大挖掘力4。2.2.2 反铲装置的设计原则（1）主要工作尺寸及作业范围的要求，在设计时应考虑与同类型相比时的大庆石油学院本科生毕业设计（论文）11先进性，性能与主参数应符合国家标准之规定。（2）满足整机挖掘力大小及分布情况的要求。（3）功率利用情况好，理论工作循环时间短。（4）确定各个铰点布置，结构形状应尽可能使受力状态有利，在保证刚度和强度的前提下，重量越轻越好。（5）应考虑到通用性和稳定性。（6）运输或停放时应有合理的姿态。（7）液压缸设计应考虑三化，采用系列参数。（8）作装置应安全可靠，拆装方便。（9）满足特殊使用要求。2.3 本章小结 本章主要介绍了各种挖掘机，通过对比最终确定了挖掘机的方案，借鉴其他挖掘机的优点来确定要设计的结构形式，变幅机构采用油缸变幅，其次介绍了挖掘机的结构组成及其工作原理。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）12第 3 章 挖掘机运动分析与有限元分析3.1 SoildWorks 在挖掘机设计中的应用在挖掘机设计中的应用在挖掘机工作装置设计中，最困难的工作就是运动机构的设计与运动轨迹校核，目前多采用轨迹图法或根据几何约束条件建立方程组进行求解，但对于运动部件多于三个的机构，设计起来就要麻烦得多，并且设计工作不直观，设计结果也不尽人意。而美国 SoildWorks 公司开发的基于 SoildWorks 操作系统的三维设计软件 SoildWorks，则能充分解决上述问题，该软件是集设计、运动轨迹校核及有限元分析于一体的强大应用软件，其建模速度快，直观，并能充分显示出各部件运动中相互之间的协调关系5。3.2 挖掘机反铲装置的运动分析挖掘机反铲装置的运动分析本章仅对工作装置进行仿真分析，因此，在 solidworks 中建立液压挖掘机工作装置的三维实体模型（如图 3-1 所示） ，按照是否存在相对运动(暂时不考虑行走运动、回转装置)将挖掘机划分为：动臂、斗杆、铲斗、铲斗摇杆、铲斗连杆、主动臂液压缸、副动臂液压缸、斗杆液压缸、左履带、右履带。图 3-1 挖掘机模型图大庆石油学院本科生毕业设计（论文）13液压挖掘机的基本参数是标示和衡量挖掘机性能的重要指标，同时也是挖掘机仿真与优化样机效能评估参数的组成之一。为测量液压挖掘机工作范围的主要作业尺寸，如最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸载高度等参数，这里采用 solidworks 软件对液压挖掘机的顺序工作方式进行运动学仿真。在各个液压缸添加驱动函数，这里采用阶跃函数即 STEP 函数6。具体设置如下：主动臂液压缸驱动函数：step(time,9,0,15,700)+step(time,32,0,41.5,-1250)+step(time,51.5,0,57.5,550)；斗杆液压缸驱动函数：step(time,0,0,6,850)+step(time,15,0,27,1000)+step(time,39,0,41.5,70)+step(time,44.5,0,51.5,930)；铲斗液压缸驱动函数：step(time,6,0,9,600)+step(time,27,0,32,-600)+step(time,41.5,0,44.5,600)；副动臂液压缸驱动函数：step(time,13,0,15,100)+step(time,32,0,41.5,-200)+step(time,51.5,0,57.5,100)。从而，得出液压挖掘机工作范围的包络曲线图（如图 3-2 所示） 。仿真过程依次为：从图 3-2 工作范围的 A 点（此时铲斗液压缸和斗杆液压缸处于全缩状态）开始调整主动臂液压缸到全缩状态（AB 弧线） ，调整斗杆液压缸由全缩到全伸（BC 弧线） ，调整铲斗液压缸由全缩到全伸状态（CD 弧线） ，调整主动臂液压缸和副动臂液压缸由全缩到全伸（DE 弧线） 、调整铲斗液压缸由全伸到全缩（EF 弧线） 、调整斗杆液压缸由全伸到全缩（FG 弧线） 、调整主动臂液压缸和副动臂液压缸由全伸到全缩（GA 弧线）,在运动轨迹的包络图中可能有部分区间靠近甚至深入到挖掘机停机点底下，这一范围的 土壤虽能挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响挖掘机的稳定和安全工作，除有条件的挖沟作业（作业宽度小于挖掘机履带内侧距离）外一般不使用。由图 3-2 可得出挖掘机的主要作业尺寸的仿真值：最大挖掘半径的仿真值是 7510mm；最大挖掘深度的仿真值是 4702mm；最大挖掘高度的仿真值是 7242mm；最大卸载高度的仿真值是 3495mm。图 3-2 挖掘机包络图大庆石油学院本科生毕业设计（论文）143.3 挖掘机反铲装置的动力学分析3.3.1 液压挖掘机的理论挖掘阻力挖掘机的挖掘力是指液压缸力通过相应构件传递给斗齿，用来切削土壤的作用力挖掘力是挖掘机的主要性能参数，它与液压缸的推力、各铰点的位置有关根据挖掘机挖掘方式的不同，挖掘过程可以分为：铲斗液压缸挖掘，斗杆液压缸挖掘及作复合动作挖掘一般认为斗容量小于 0.5m，中小型的液压单斗反铲挖掘机或在土质松软时以铲斗挖掘为主，而斗杆挖掘主要适用于正铲大功率装置和一些坚硬的土壤或破碎岩石7（1）斗杆挖掘时挖掘阻力 （3-1）sgggKrqKBhKW600101745. 0式中： 挖掘比阻力； 斗杆挖掘时的切削厚度；B切削刃0Kgh宽度影响系数，； 铲斗的平均宽度； 斗杆挖掘时的切削bB21b6r半径； 土壤的松散系数； 斗杆挖掘过程中的总转角； 斗SKgq容量。（2）铲斗挖掘时挖掘阻力 （3-2）DBAZXRCW35. 1maxmax1cos1 式中： 土壤的硬度系数，对不同的土壤条件取值不同，这里设挖机C用于级土壤的挖掘，取值为 4； 铲斗与斗杆铰点到斗齿尖距离； R某一挖掘位置时铲斗总转角的一半； 某一挖掘位置处转斗的瞬时max转角； 切削刃宽度影响系数，； 切削角变化影响系数；BbB21A 带有斗齿的系数； 斗侧壁厚影响系数，,其中为侧ZXSX03. 01S壁厚度 ；切削刃挤压土壤的力。D（3）复合动作挖掘时挖掘阻力切向挖掘阻力，法向挖掘阻力1bhKW01WW2其中：挖掘比阻力；斗宽；挖掘深度；挖掘阻力0Kbh系数。由于液压挖掘机大都采用复合动作挖掘，根据设计参数可知斗宽=650mm，挖掘深度=0.2=130mm，因为该铲斗所要涉及的工矿最多为级bhb土壤，计算得=22000N。挖掘阻力垂直分力bhKW01。NWW924022000%4212大庆石油学院本科生毕业设计（论文）153.3.2 液压挖掘机的动力学仿真与有限元分析作用在铲斗刃口上的挖掘阻力可分为两种情况：1)对称载荷；2)偏心载荷。这里只研究对称载荷的情况，物料的重力 G 的方向始终垂直向下，位置在铲斗的中部切向挖掘阻力 Wl与法向挖掘阻力的方向相互垂直，并定义在铲斗中齿上。其中切向挖掘阻力的方向始终沿铲斗轨迹的切线指向铲斗斗齿，法向挖掘阻力W2始终垂直于铲斗轨迹的切线指向铲斗斗齿，它们的方向相对于地面是随着铲斗的转动而不断的变化，但相对于铲斗是不变的。以挖掘机复合动作方式的作业循环时间为依据，用系统提供的 STEP 函数设定挖掘机在一个工作循环中的各个液压缸的驱动函数及受力函数。具体如下：主动臂液压缸驱动函数：step(time,9,0,15,700)+step(time,32,0,41.5,-1250)+step(time,51.5,0,57.5,550)；斗杆液压缸驱动函数：step(time,0,0,6,850)+step(time,15,0,27,1000)+step(time,39,0,41.5,70)+step(time,44.5,0,51.5,930)；铲斗液压缸驱动函数：step(time,6,0,9,600)+step(time,27,0,32,-600)+step(time,41.5,0,44.5,600)；副动臂液压缸驱动函数：step(time,13,0,15,100)+step(time,32,0,41.5,-200)+step(time,51.5,0,57.5,100)；切向挖掘阻力函数：step(time,9,0,32,22000)+step(time,32,0,59,-22000)；法向挖掘阻力函数：step(time,9,0,32,9240)+step(time,32,0,59,-92400)；重力函数：step(time,9,0,32,5000)+step(time,32,0,41.5,0)+step(time,41.5,0,44.5,-5000)。下面采用 COSMOS/Motion 对挖掘机复合挖掘进行动力学分析仿真，计算出各个液压缸的受力曲线图（图 3-3 到 3-6 所示） 。 图 3-3 主动臂油缸反作用力曲线 图 3-4 副动臂油缸反作用力曲线大庆石油学院本科生毕业设计（论文）16 图 3-5 斗杆油缸反作用力曲线 图 3-6 铲斗油缸反作用力曲线由反作用力曲线可知，主动臂油缸的最大受力为 274012N，副动臂油缸的最大受力为 388821N，斗杆油缸的最大受力为 250254N，铲斗油缸的最大受力为111380N，此结果为液压系统变幅油缸的选型设计提供了理论依据。3.4 挖掘机反铲装置的静力学分析由文献8可以计算得出铲斗的基本尺寸，并在 solidworks 中建立铲斗的三维模型并进行受力分析。3.4.1 铲斗的受力分析 铲斗的理论挖掘阻力由于液压挖掘机大都采用复合动作挖掘，根据设计参数可知斗宽 =650mm，b挖掘深度=0.2 =130mm，因为该铲斗所要涉及的工矿最多为级土壤，计算得hb=22000N。挖掘阻力垂直分力。bhKW01NWW924022000%42 铲斗有限元分析（1）零件材料表 3-1 铲斗零件材料零件序号零件名称材料质量体积1斗齿Q345-A2.41414 kg0.0003005383m2铲斗Q235475.406 kg0.06174113m（2）载荷、约束信息（如图 3-7）表 3-2 载荷、约束信息制约-1 于 4 面 铰接。力/扭矩-1 于 5 面 应用法向力 22000 N 使用均匀分布 力/扭矩-2 于 5 面 应用法向力 9240N 使用均匀分布 大庆石油学院本科生毕业设计（论文）17图 3-7 载荷、约束信息（3）结果分析（如图 3-8）表 3-3 铲斗分析结果名称类型最小位置最大位置应力 1VON:von Mises 应力0.13965 N/mm2 (MPa)节: 49120(-7005.21 mm,6898.55 mm,-349.116 mm)110.22 /mm2 (MPa)节: 56308(-6301.46 mm,6609.16 mm,320.935 mm)位移 1URES:合位移0 m节: 8483(-6444.92 mm,6204.93 mm,320.955 mm)0.00222229 m节: 3391(-7387.03 mm,7305.64 mm,136.055 mm)应变 1ESTRN :对等应变5.57997e-007 单元: 7534(-6424.99 mm,7168.73 mm,84.5544 mm)0.00036976 单元: 29763(-6303.45 mm,6610.32 mm,313.435 mm)表 3-4 约束处反作用力选择组单位总和 X总和 Y总和 Z合力4 个面N-20186.36112.53-111.3221091.7最后，将铲斗载荷传递到连杆机构，并计算出每个连杆的受力情况。其中连杆和摇杆均为二力杆。 a) 铲斗应力图 b）铲斗位移图大庆石油学院本科生毕业设计（论文）18c）铲斗应变图图 3-8 铲斗分析结果由以上设计结果，可知铲斗设计合理，取铲斗安全系数为 2.8，由得，所以符合挖掘机械设计要求。nsMPaMPa2 .1105 .1238 . 23453.4.2 斗杆的受力分析反铲装置的斗杆强度主要为弯矩所控制，故其计算位置可跟据反铲工作中挖掘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，危险断面最大应力发生在采用转斗挖掘的工况下。其计算位置可按以下条件确定，一般取以下两个位置9：计算位置 1，如图 3-9 所示，条件为：（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为 90 度） ；（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）侧齿遇障碍作用有侧向力。这时，工作装置上的作用力有工作装置各部分的重量，作用于斗侧齿上的挖掘阻力（包括切向分力，法向分力和侧向力） 。1W2WkW （3-3）TkMWr式中： 横向阻力与回转中心间的距离；回转平台制动器可承受rkWTM的最大力矩。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）19图 3-9 斗杆计算位置 I 图 3-10 计算位置 2计算位置 2，如图 3-10 所示，条件为：（1）动臂位于动臂液压缸对铰点有最大作用力臂处；（2）斗杆液压缸作用力臂最大；（3）铲斗位于发挥最大挖掘力位置；（4）正常挖掘，即挖掘阻力对称于铲斗，无侧向力作用。此时工作装置上的作用力仅为工作装置的自重及斗齿上的作用力及。 1W2W 斗杆计算位置 1 有限元分析（1）零件材料表 3-5 斗杆零件材料零件序号零件名称材料质量体积体积1斗杆Q345-A533.63 千克0.069 3m（2）载荷、约束、网格信息（如图 3-11）图 3-11 计算位置 I 网格和载荷（3）结果分析（如图 3-12）表 3-6 斗杆分析结果名称类型最小位置最大位置应力 1VON:von Mises 应力0N/mm2 (MPa)节: 31856(-2958.01 mm,-2925.19 mm,149.9N/mm2 (MPa)(-3007.62 mm,-2476.9 mm,大庆石油学院本科生毕业设计（论文）20-689.39 mm)节: 11516-829.553 mm)位移 1URES:合位移3.598 e-008 m节: 42(-2849.69 mm,-968.946 mm,-749.553 mm)0.001158 m节: 22147(-1046.08 mm,-4666.95 mm,-614.528 mm)应变 1ESTRN :对等应变6.191e-018 单元: 15837(-2974.52 mm,-2918.17 mm,-778.183 mm)0.003401m 单元: 7889(-3009.53 mm,-2469.3 mm,-838.276 mm)表 3-7 约束处反作用力选择组单位总和 X总和 Y总和 Z合力面 1N54230.2572000.2920005.2185420.38面 2N-11300.25-63500.37-70.474200.46 a）应力图 b）位移图c）应变图图 3-12 斗杆分析结果由分析结果可知斗杆最大应力为 158.5MPa，取斗杆安全系数为 2，由得=345/2=172.5158.5MPa，设计符合要求。ns 斗杆计算位置 2 有限元分析（1）零件材料如表 3-9 所示。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）21（2）载荷、约束、网格信息（如图 3-13 所示）图 3-13 计算位置 2 网格和载荷（3）结果分析（图 3-14）a）应力图 b）合位移图c）应变图图 3-14 分析结果图由计算结果可知，斗杆最大应力为 149.9MPa，取斗杆安全系数为 2，由得=345/2=172.5MPa149.9MPa，所以设计符合强度要求。ns3.4.3 副动臂的受力分析大庆石油学院本科生毕业设计（论文）22计算位置 1（如图 3-15） ，其应满足以下条件：（1）动臂油缸全缩；（2）斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与副动臂铰点在同一条直线；（3）铲斗挖掘时，斗边点遇到障碍；该工况也就是最大挖掘深度工况。计算位置 2（如图 3-10） ，其满足以下条件：（1）动臂油缸的作用力臂最大；（2）斗杆的作用力臂最大；（3）铲斗进行正常挖掘，铲斗位于最大挖掘力位置10。图 3-15 计算位置 副动臂有限元分析（1）零件材料表 3-9 副动臂零件材料零件序号零件名称材料质量体积体积1副动臂Q345A686 千克0.0873 3m（2）网格划分和结果（图 3-16 和 3-17） a）网格划分 b）副动臂计算位置 1 应力图大庆石油学院本科生毕业设计（论文）23 C）副动臂计算位置 1 位移图 d）副动臂计算位置 1 应变图 图 3-16 副动臂计算位置 1 结果a）副动臂计算位置 2 应力图 b）副动臂计算位置 2 位移图b）副动臂计算位置 2 应变图图 3-17 副动臂计算位置 2 分析结果图由分析结果可知副动臂最大应力为 240.7MPa，取副动臂安全系数为 1.2，由得=345/1.2=288MPa240.7MPa，所以设计符合强度要求。ns3.4.4 主动臂的受力分析计算位置 1（如图 3-15） ，其应满足以下条件：（1）动臂油缸全缩；大庆石油学院本科生毕业设计（论文）24（2）斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与副动臂铰点在同一条直线；（3）铲斗挖掘时，斗边点遇到障碍；该工况也就是最大挖掘深度工况。计算位置 2（如图 3-10） ，其满足以下条件：（1）动臂油缸的作用力臂最大；（2）斗杆的作用力臂最大；（3）铲斗进行正常挖掘，铲斗位于最大挖掘力位置10。 主动臂有限元分析（1）零件材料表 3-10 副动臂零件材料零件序号零件名称材料质量体积体积1主动臂HQ60587 千克0.0778 3m（2）网格划分和分析结果（图 3-18 和 3-19） a）主动臂网格划分 b）主动臂计算位置 1 应力图 c）主动臂计算位置 1 位移图 d）主动臂计算位置 1 应变图图 3-18 主动臂计算位置 1 分析结果大庆石油学院本科生毕业设计（论文）25 a）主动臂计算位置 2 应力图 b）主动臂计算位置 2 位移图c）主动臂计算位置 2 应变图图 3-19 主动臂计算位置 2 分析结果由结果可知副动臂最大应力为 374MPa，取主动臂安全系数为 1.5，由得 =600/1.5=400MPa374MPa，所以设计符合强度要求。ns3.5 本章小结本章通过运动分析，计算出挖掘机的包络图，为挖掘机的工作范围提供了理论依据，并进行动力学分析计算出各个液压缸的受力情况，最后通过有限元分析计算了各个危险工况工作装置的受力情况。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）26第 4 章 整机稳定性分析4.1 稳定性及计算方法4.1.1 稳定性挖掘机的稳定性是指在最不利的倾覆线上的稳定力矩之和大于或等于倾覆力矩之和。挖掘机的所有零部件、总成由于自重引起的力矩和配重外伸引起的力矩都作为稳定力矩。对于可以变更的或者可以移动的零部件、凡是对挖掘机稳定性有影响的重力，均要考虑其最不利的值和最不利的位置。倾覆力矩主要是由铲斗内的重物和工作装置自重引起的11。4.1.2 稳定性校核挖掘机的稳定性根据工况的不同可以分为作业稳定性、自身稳定性、行走稳定性。本文以作业稳定性作为稳定性计算。挖掘机在挖掘过程中有两种失稳状态即挖掘失稳和卸载失稳状态。本文主要以挖掘失稳状态作为校核。 挖掘失稳状态校核反铲液压挖掘机的失稳状态有以下三种工况：（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，法向阻力指向机体，此时倾覆边缘在履带前端（如图 4-1） 。在 solidworks 中测出各个零件的质量和重心的位置，并测出各个零件的重心到履带前端的距离。图 4-1 失稳状态 1大庆石油学院本科生毕业设计（论文）27采用平衡法计算许用稳定系数：n= (4-1)倾覆力矩稳定力矩LWLWLgLGiii2714151式中 底盘和上车总重；1GNG201020010201021、分别表示铲斗、斗杆、副动臂、主动臂的重量，1g2g3g4g=3570N，=5740N，=6870N，= 9490N。1g2g3g4g各个工作机构相对于履带前端的距离，其中iL=3675mm，=4047mm，=2837mm，=500mm，=3000mm1L2L3L4L5L，=500mm，=2832mm。6L7L切向挖掘阻力=22000N，法向挖掘阻力=9240N。1W2W将以上数据代入公式 (5-1)中得：n=1.8n=1所以该工况挖掘机稳定性符合要求。（2）在最大挖掘深度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，倾覆边缘在履带的后端（图 4-2） 。在 solidworks 中测出各个零件的质量和重心的位置，并测出各个零件的重心到履带后端的距离。图 4-2 失稳状态 2采用平衡法计算许用稳定系数：n= (4-2)倾覆力矩稳定力矩721541LWHWLGLgiii式中 、意义同（4-1） ，挖掘最大深度，H=4702mm，igiG1W2WH大庆石油学院本科生毕业设计（论文）28=5699mm，=5270mm，=4926mm，=3873mm，=800mm，=51L2L3L4L5L7L102mm。将以上数据代入（4-2）得：n=2.1n=1所以该工况稳定性符合要求。（3）在停机面上最大挖掘半径处用铲斗液压缸挖掘，挖掘阻力有使整机后倾覆的趋势，倾覆边缘在履带的后端（图 4-3） 。在 solidworks 中测出各个零件的质量和重心的位置，并测出各个零件的重心到履带后端的距离。图 4-3 失稳状态 3采用平衡法计算许用稳定系数：n= （4-3）倾覆力矩稳定力矩615141LWLGLgii式中 、意义同（4-1） ，igiG1W=8948mm，=7509mm，=5698mm，=3430mm，=800mm，=86201L2L3L4L5L6Lmm。将以上数据代入（4-3）得：n=1.7n=1所以该工况稳定性符合要求。4.2 接地比压计算挖掘机由于作业条件和环境比较恶劣,因此计算接地比压十分重要。接地比压,是指公称(平均)接地比压。它等于机器的总重力与两条履带接地大庆石油学院本科生毕业设计（论文）29面积的比值,用公式表示为12: (4-4) bLGP2式中 公称接地比压，MPa；P机器的总重力，=250000N；GG履带接地长度，=3310mm；LL履带板宽度，=650mm。bb由式 4-4 计算的接地比压是理想的平均比压（如图 4-4） 。图 4-4 接地比亚将数据代入公式(4-4)，解得=0.58MPa。P通过计算可以得出的结论是挖掘机在工作时，路面承受压力的平均能力必须大于 0.58MPa。4.3 本章小结本章进行了稳定性计算，包括抗倾覆性计算和接地比压计算两部分。抗倾覆性计算需要稳定性力矩大于倾覆力矩，防止挖掘机在额定载荷作用下发生翻车事故。接地比压计算求出挖掘机在工作时候的平均接地比亚，为挖掘机的稳定工作提供了依据。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）30第第 5 5 章章 液压系统设计液压系统设计5.1 液压系统的形式1.开式、闭式系统 按油液循环方式不同，液压系统可分为开式系统和闭式系统。 开式系统是指液压泵从油箱中吸油，把压力油输给执行元件，执行元件排出的油则直接流回油箱。开式系统结构简单，液压油能够得到较好的冷却，油液中杂质易沉淀，但油箱尺寸较大，空气、脏物容易进入系统中去，会导致工作机构运动的不平稳。在实际应用中多用于发热较多的液压系统，如具有节流调速回路的系统。 闭式系统是指液压泵的排油腔直接与执行元件的进油管相连，执行元件的回油管直接与液压泵的吸油管相连，油液在系统的管路中进行封闭循环。闭式系统油箱尺寸小、结构紧凑、执行元件回油管和液压泵吸油腔直接连通，减少了空气及脏物进入系统的机会，但油液的冷却条件差，需要辅助泵进行换油冷却和补偿漏油，结构比较复杂。一般情况下，闭式系统中的执行元件若采用双作用单活塞杆液压缸时，由于两腔流量不等，在工作中会使功率利用下降。所以闭式系统的执行元件一般为马达13。2.单泵、多泵系统 按系统中的液压泵数量，液压系统可分为单泵系统和多泵系统。 单泵系统是指由一个液压泵向一个或一组执行元件供油的液压系统。单泵系统适合于不需要进行多种复合动作的工程机械，如推土机等铲土运输机械的液压系统。 多泵系统是多个单泵系统的组合。每台泵可以分别向各自回路中的执行元件供油。每台泵的功率是根据各自回路中的功率而定。例如:当系统中只需要进行单个动作而又要充分利用发动机功率时，可采用合流供油方式，即几个液压泵流量同时供给一个执行元件，这样可使工作机构的运动速度加快。5.2 液压回路设计由于执行机构较多、工作环境恶劣、控制精度要求高等特点，挖掘机的液压大庆石油学院本科生毕业设计（论文）31系统的设计应考虑多方面的要求。挖掘机的工作装置全部采用液压驱动。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、铲斗装载、转台回转、整机行走、以及其他辅助动作14。挖掘机主机的工作由两项特殊要求：1、实现各种主要动作时阻力于作业速度随时变化，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同时进行，这叫做复合动作。这两项要求需要由液压系统保证。因此本次设计采用双泵单回路，全功率变量系统的开式液压回路，该系统中两个油泵由一个总功率调节机构调节平衡使两个泵的流量相同。5.2.1 限压回路设计整个系统设置一个限压回路用来限制系统的压力，使系统压力不超过调定的值，用溢流阀来实现限压。5.2.2 卸荷回路的设计卸荷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，采用换向阀中位卸荷。5.2.3 回转回路的设计在挖掘机回转机构的回路上设有缓冲阀，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。5.2.4 节流调速和背压回路的设计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，为了工作的安全在液压缸的回油路上装以单向节流阀，形成节流限速回路。为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险，其大腔回油路上装以单向节流阀，使动臂下降速度受节流控制。在各个液压缸的进油和回油路上装以背压阀，实现各个液压缸的安全工作。5.2.5 行走限压回路的设计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补油，使液压马达转速控制在安全容许范围内。利用节流阀调节马达回油速度，挖掘机一旦超速，进油供应不及，压力降低，控制大庆石油学院本科生毕业设计（论文）32油压力也随着降低，防止了超速溜坡。5.2.6 辅助回路的设计挖掘机的作业操作回路主要是操作换向阀移位，以改变各个机构的动作方向和
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