2吨液压挖掘机的挖掘机构设计【9张CAD图纸与说明书全套资料】
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中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页中 国 矿 业 大 学本科生毕业论 文姓 名： 学 号：学 院： 应用技术学院应用技术学院 专 业： 机械工程及自动化机械工程及自动化 论文题目： 2 2 吨液压挖掘机的挖掘机构吨液压挖掘机的挖掘机构 专 题： 指导教师： 职 称： 2007 年 6 月 徐州 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页中国矿业大学毕业论文任务书学院专业年级学生姓名 任任务务下下达达日日期期：2007 年年 1 月月 11 日日毕业论文日期：毕业论文日期：2007 年年 3 月月 25 日至日至 2007 年年 6 月月 20 日日毕业论文题目：毕业论文题目：2 吨液压挖掘机的挖掘机构吨液压挖掘机的挖掘机构毕业论文专题题目：毕业论文专题题目：毕业论文主要内容和要求：毕业论文主要内容和要求：1.设计参数：标准斗容：0.2m3；挖掘力 2 吨挖掘级及以下土壤。2.设计要求：通过毕业实习、查阅资料，制定总体方案，完成主要部件装配图设计，设计总图量不少于 3 张 0 号图。3.按毕业设计指导书要求编写设计说明书。院长签字： 指导教师签字： 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要本次设计的题目是履带式液压挖掘机挖掘机构。与其它类型的挖掘机相比，这种类型的挖掘机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、加长以及浮式履带来降低接地比压。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。本次设计的主要参数是斗容量 0.2m3,它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作装置、液压传动原理。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，整机质量约为 5 吨，挖掘力约为 30kN，最大卸载高度约为 2.65m，最大挖掘深度4.2m，最大挖掘半径约为 5.728m，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。另外，还对挖掘机的工作装置提出基于结构推理的机构方案创新设计方法。关键词：液压挖掘机 ；挖掘机构 ；液压系统 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页ABSTRACTThis designed topic is the marching hydraulic excavator excavational organization. Compared with other types excavators, this kind of type excavator used very universal that because has good through theperformance, also may use to lengthens widens as well as the floating type caterpillar band to reduce pressure for the soft ground or the bogregion.The hydraulic excavator main characteristic is: not only can adjust s the stepless speed but also can adjust scope very big, can obtain a lower stable rotational speed, when action quickly, the hydraulic parts produce inertia small, accelerational theperformance good,and may make the high speed reverse, the transmission steady,structure simple, may absorb attacks and vibrates, the operation reduces effort, and to be easy to realize the automated control, is easy to realize the standardization, the seriation, the universalization.This designed main parameter is scoop capacity 0.2m3, it is long to the middle and small scale hydraulic excavator, mainly design the excavator，s the work installment and the hydraulic transmissionprinciple.In the design, used marching walked the installment to satisfied request. Upside the turnplate is the entire rotation , thereof it may work in a greater scope. And further because uses the hydraulicsteering to enable the entire machine performance to improve. Compared with the mechanical type excavator, its excavation strength enhance to 2 3 times, the entire machine weight approximately is 5 tons,the excavation strength approximately is 30kN, the biggest unloading high approximately is 2.65m, biggest digging depth is 4.2m, the biggest excavation radius approximately is 5.728m, thus can see the entire machine work ability to have the very big improvement, not only excavation strength big, but also machine weight light, transmission steadyly, work 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页efficiency is high, the structure is compact. Moreover, but also proposes to the excavator work installment based on the structureinference organization plan innovation design method.Key word：Hydraulic excavator；Excavation organization；Hydraulic system目 录1 1绪论绪论 .1 11.1 液压挖掘机的工作特点和基本类型.21.1.1 液压挖掘机的主要优点 .21.1.2 液压挖掘机的基本类型及主要特点 .31.2 液压挖掘机的发展概况.41.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势 .41.2.2 国内液压挖掘机的发展概况 .41.3 本次设计概述.51.4 反铲装置的工作原理.51.5 本次设计任务.62 2总体设计方案总体设计方案 .7 72.1 工作装置设计方案原则.72.2 液压系统设计方案原则（总体）.72.2.1 单斗液压挖掘机作业过程 .82.2.2 对液压系统作业动作要求 .82.2.3 对液压系统基本的要求 .83 3挖掘机的工作装置设计挖掘机的工作装置设计 .10103.1 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式.103.1.1 确定动臂的结构形式 .10 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页3.1.2 确定斗杆的结构形式 .113.1.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构.113.1.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 .133.2 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置.143.2.1 动臂油缸的布置 .143.2.2 斗杆油缸的布置 .163.2.3 铲斗油缸的布置 .163.3 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择.173.3.1 反铲装置总体方案的选择 .173.3.2 机构自身几何参数 .183.3.3 斗形参数的选择 .203.3.4 动臂机构参数的选择.243.3.5 斗杆机构参数的选择 .293.3.6 连杆、摇臂参数的选择 .314 4挖掘机液压系统设计挖掘机液压系统设计 .32324.1 确定液压系统类型.324.2 液压系统的计算和液压元件的选择.334.2.1 系统主参数的确定 .334.2.2 挖掘机液压缸作用力的确定 .334.3 液压系统初步计算.414.3.1 工作装置传动计算 .414.3.2 行走机构传动计算 .434.3.3 回转机构传动计算 .454.3.4 液压泵参数选择和发动机功率计算 .454.3.5 主油管管径和油箱容量 .465 5 工作装置的强度计算工作装置的强度计算 .48485.1 斗杆的计算.485.2 动臂的计算.57 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页6 6 液压挖掘机机构结构创新设计液压挖掘机机构结构创新设计 .59596.1 基于结构推理的方案创新设计过程模型.596.2 液压挖掘机机构方案创新设计.60结结 论论 .6767参考文献参考文献 .6868致致 谢谢 .6969中 国 矿 业 大 学本科生毕业论 文姓 名： 学 号：学 院： 应用技术学院应用技术学院 专 业： 机械工程及自动化机械工程及自动化 论文题目： 2 2 吨液压挖掘机的挖掘机构吨液压挖掘机的挖掘机构 专 题： 指导教师： 职 称： 2007 年 6 月 徐州中国矿业大学毕业论文任务书学院专业年级学生姓名 任任务务下下达达日日期期：2007 年年 1 月月 11 日日毕业论文日期：毕业论文日期：2007 年年 3 月月 25 日至日至 2007 年年 6 月月 20 日日毕业论文题目：毕业论文题目：2 吨液压挖掘机的挖掘机构吨液压挖掘机的挖掘机构毕业论文专题题目：毕业论文专题题目：毕业论文主要内容和要求：毕业论文主要内容和要求：1.设计参数：标准斗容：0.2m3；挖掘力 2 吨挖掘级及以下土壤。2.设计要求：通过毕业实习、查阅资料，制定总体方案，完成主要部件装配图设计，设计总图量不少于 3 张 0 号图。3.按毕业设计指导书要求编写设计说明书。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要本次设计的题目是履带式液压挖掘机挖掘机构。与其它类型的挖掘机相比，这种类型的挖掘机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、加长以及浮式履带来降低接地比压。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。本次设计的主要参数是斗容量 0.2m3,它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作装置、液压传动原理。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，整机质量约为 5 吨，挖掘力约为 30kN，最大卸载高度约为 2.65m，最大挖掘深度4.2m，最大挖掘半径约为 5.728m，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。另外，还对挖掘机的工作装置提出基于结构推理的机构方案创新设计方法。关键词：液压挖掘机 ；挖掘机构 ；液压系统 ABSTRACTThis designed topic is the marching hydraulic excavator excavational organization. Compared with other types excavators, this kind of type excavator used very universal that because has good through theperformance, also may use to lengthens widens as well as the floating type caterpillar band to reduce pressure for the soft ground or the bogregion.The hydraulic excavator main characteristic is: not only can adjust s the stepless speed but also can adjust scope very big, can obtain a lower stable rotational speed, when action quickly, the hydraulic parts produce inertia small, accelerational theperformance good,and may make the high speed reverse, the transmission steady,structure simple, may absorb attacks and vibrates, the operation reduces effort, and to be easy to realize the automated control, is easy to realize the standardization, the seriation, the universalization.This designed main parameter is scoop capacity 0.2m3, it is long to the middle and small scale hydraulic excavator, mainly design the excavator，s the work installment and the hydraulic transmissionprinciple.In the design, used marching walked the installment to satisfied request. Upside the turnplate is the entire rotation , thereof it may work in a greater scope. And further because uses the hydraulicsteering to enable the entire machine performance to improve. Compared with the mechanical type excavator, its excavation strength enhance to 2 3 times, the entire machine weight approximately is 5 tons,the excavation strength approximately is 30kN, the biggest unloading high approximately is 2.65m, biggest digging depth is 4.2m, the biggest excavation radius approximately is 5.728m, thus can see the entire machine work ability to have the very big improvement, not only excavation strength big, but also machine weight light, transmission steadyly, work efficiency is high, the structure is compact. Moreover, but also proposes to the excavator work installment based on the structureinference organization plan innovation design method.Key word：Hydraulic excavator；Excavation organization；Hydraulic system目 录1 1绪论绪论 .1 11.1 液压挖掘机的工作特点和基本类型.21.1.1 液压挖掘机的主要优点 .21.1.2 液压挖掘机的基本类型及主要特点 .31.2 液压挖掘机的发展概况.41.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势 .41.2.2 国内液压挖掘机的发展概况 .41.3 本次设计概述.51.4 反铲装置的工作原理.51.5 本次设计任务.62 2总体设计方案总体设计方案 .7 72.1 工作装置设计方案原则.72.2 液压系统设计方案原则（总体）.72.2.1 单斗液压挖掘机作业过程 .82.2.2 对液压系统作业动作要求 .82.2.3 对液压系统基本的要求 .83 3挖掘机的工作装置设计挖掘机的工作装置设计 .10103.1 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式.103.1.1 确定动臂的结构形式 .103.1.2 确定斗杆的结构形式 .113.1.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构.113.1.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 .133.2 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置.143.2.1 动臂油缸的布置 .143.2.2 斗杆油缸的布置 .163.2.3 铲斗油缸的布置 .163.3 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择.173.3.1 反铲装置总体方案的选择 .173.3.2 机构自身几何参数 .183.3.3 斗形参数的选择 .203.3.4 动臂机构参数的选择.243.3.5 斗杆机构参数的选择 .293.3.6 连杆、摇臂参数的选择 .314 4挖掘机液压系统设计挖掘机液压系统设计 .32324.1 确定液压系统类型.324.2 液压系统的计算和液压元件的选择.334.2.1 系统主参数的确定 .334.2.2 挖掘机液压缸作用力的确定 .334.3 液压系统初步计算.414.3.1 工作装置传动计算 .414.3.2 行走机构传动计算 .434.3.3 回转机构传动计算 .454.3.4 液压泵参数选择和发动机功率计算 .454.3.5 主油管管径和油箱容量 .465 5 工作装置的强度计算工作装置的强度计算 .48485.1 斗杆的计算.485.2 动臂的计算.576 6 液压挖掘机机构结构创新设计液压挖掘机机构结构创新设计 .59596.1 基于结构推理的方案创新设计过程模型.596.2 液压挖掘机机构方案创新设计.60结结 论论 .6767参考文献参考文献 .6868致致 谢谢 .6969 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页1绪论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，可用来挖掘苦坑、排水沟，拆除旧有建筑物，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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页1.1 液压挖掘机的工作特点和基本类型液压挖掘机的工作特点和基本类型1.1.1 液压挖掘机的主要优点液压挖掘机的主要优点液压挖掘机在动力装置之间采用容积式液压静压传动，即靠液体的压力能进行工作。液压传动与机械传动相比有许多优点。能无级调速且调速范围大，例如液压马达的最高转速与最低转速之比可达10001。能得到较低的稳定转速，例如柱塞式液压马达的稳定转速可低达1r/min。快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作调整反转。例如电动机在启动时的惯性力矩比其平稳运转时的驱动力矩大50%，而液压马达则不大于5%，加速中等功率电动机需1s到数秒，而加速液压马达只需0.1s。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。基于液压传动的上述优点，液压挖掘机与机械传动挖掘机相比，具有下列主要特点：大大改善了挖掘机的技术性能，挖掘力大、牵引力大，机器重量，传动平稳，作用效率高，结构紧凑。液压挖掘机与同级机械传动挖掘机相比，挖掘力约高30%，例如1.0m 液压挖掘机铲斗挖掘力120150kN，而同3级机械传动挖掘机只有100kN左右。挖掘机在工作时的主要动作包括行走、转台回转和工作装置的作业动作，其中动作最频繁的是回转和工作装置的循环往复运动。这种往复运动一般速度不高，而所需作用力却很大，要求在短时间内通过变速或换向来完成各种复杂动作。机械传动挖掘机完成上述运动需通过磨擦离合器、减速器、制动器、逆转机构、提升和推压机构等配合来完成。因此，机械传动挖掘力不仅结构复杂，而且还要产生很大的惯性力和冲击载荷。而液压挖掘机则不需要庞大和复杂的中间传动，大大简化了结构，也减少了易损件。由于结构简化，液压挖掘机的质量大约比相同斗容量的机械传动挖掘机轻30%，不仅节省了钢材，而且降低了接地比压。液压挖掘机上的各种液压元件可相对独立布置，使整机结构紧凑、外形美观，同时也易于改进或 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页变型。液压挖掘机的液压系统有防止过载的能力，所以使用安全可靠，操纵简便。由于可采用液压先导控制，无论驱动功率多大，操纵均很灵活、省力，司机的工作条件得到改善。更换工作装置时，由于不牵连转台上部的其他机构，因此更换工作装置容易，而机械式挖掘机则受到提升机构和推压机构的牵连和限制。由于液压传动易于实现自动控制，因此现代液压挖掘机普遍采用了以微处理器为核心的电子控制单元（ECU），使发动机、液压泵、控制阀和执行元件在最佳匹配状态下工作，以实现节能和提高作业效率，同时还可实现整机状态参数的电子监控和故障诊断。液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，便于组织大规模专业化生产，进一步提高质量和降低成本。1.1.2 液压挖掘机的基本类型及主要特点液压挖掘机的基本类型及主要特点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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页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。1.2 液压挖掘机的发展概况液压挖掘机的发展概况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。1.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势国外液压挖掘机目前水平及发展趋势工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高市场占有率。20 世纪后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页1.2.2 国内液压挖掘机的发展概况国内液压挖掘机的发展概况我国从 1967 年开始研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的 WY100、贵阳矿山机器厂的 W460、合肥矿山机器厂的 WY60等。到 20 世纪 70 年代末 80 年代初，长江挖掘机厂和杭州重型机械研制成功了 WY160 和 WY250 等液压挖掘机产品。从 1994 年开始，美国的卡特彼勒公司、日本的神户制钢所、日本的小松制作所、日本的日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔沃等公司先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近年来我国经济增长迅速，液压挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场空间，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械待业的上市股分公司合资的方式介入了挖掘机产业，同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机，但在生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内外两个市场，在充分利用国际化配套的国外先进技术的基础上，增强自主创新意识，掌握核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强。1.3 本次设计概述本次设计概述本次设计斗容量为 0.2m3,全液压履带式挖掘机型号为 WY20 型，由于履带式液压挖掘机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、加长以及浮式履带来降低接地比压。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页1.4 反铲装置的工作原理反铲装置的工作原理反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置，如图 11 所示。图 11整体式弯动臂液压反铲工作装置一般由动臂 1、动臂液压缸 2、斗杆液压缸 3、斗杆4、铲斗液压缸 5、铲斗 6、连杆 7 和摇杆 8 等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。动臂 1 的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸 2 来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。斗杆 4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由斗液压缸 5控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。铲斗 6 则铰接于斗杆 4 的末端，通过铲斗液压缸 5 的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆 7 和摇杆 8）与铲斗连接。液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲液压挖掘机的工作过程为，先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作装置开始下一次作业循环。动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由铲斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中，熟练的液压挖掘机人员可根据实际情况，合理操纵各个液压缸，往87654321 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页往是各液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，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，则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。1.5 本次设计任务本次设计任务本次设计斗容量 0.2m3挖掘机的工作装置及液压系统，采用履带式行走装置，全液压驱动，挖及以下土壤。2总体设计方案2.1 工作装置设计方案原则工作装置设计方案原则设计合理的工作装置应能满足下列要求：主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结构碰撞限制等的可能性。整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并具有一定的先进性。功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短。确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重。作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便。运输或停放时工作装置应有合理的姿态，使运输尺寸小，行驶稳定性好，保证安全可靠，并尽可能使液压缸卸载或减载。工作装置液压缸设计应考虑三化。采用系列参数，尽可能减少液压缸零件种类，尤其是易损件的种类。工作装置的结构型式和布置便于装拆和维修，尤其是易损件的更换。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页要采取合理措施来满足特殊使用要求。2.2 液压系统设计方案原则（总体）液压系统设计方案原则（总体）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换为机械能，实现各种动作。2.2.1 单斗液压挖掘机作业过程单斗液压挖掘机作业过程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、铲斗装载、转台回转、整机行走，以及其它辅助动作，除辅助动作不需要功率驱动外，其它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：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。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，叫做复合动作，这两项要求需要由液压系统来保证。2.2.2 对液压系统作业动作要求对液压系统作业动作要求液压挖掘机的动作复杂，机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外施工作业，温度变化和地理条件差别大，因此，应根据液压挖掘机的工作特点和环境特点，对其液压系统提出一些有别于其他应用的基本要求。液压挖掘机的液压系统应满足的作业动作要求如下。保证液压挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。保证工作装置的动作与回转平台的回转动作既能单独动作，又能作复合动作，以提高液压挖掘机的作业效率。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页履带式液压挖掘机的左、右履带应能分别驱动，使挖掘机行走转弯方便灵活，并能实现原地转向，以提高挖掘机的机动性。保证液压挖掘机工作安全可靠，对各机构及液压执行元件应具有完善的安全保护措施。例如，对回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而下降过快；防止机器下坡行驶时超速溜坡等。2.2.3 对液压系统基本的要求对液压系统基本的要求根据液压挖掘机的作业动作和环境特点，对液压系统提出如下要求。液压挖掘机的液压系统应具有较高效率，以充分发挥发动机的动力性和燃油经济性。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。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。由于液压挖掘机作业现场尘土多，液压油被污染，因此液压系统的密封性能要好，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。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。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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页3挖掘机的工作装置设计3.1 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式3.1.1 确定动臂的结构形式确定动臂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。直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机,如图31 所示。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页图 3-1整体式直动臂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，有时采用三节变动臂有利于降低弯曲处的应力集中。整体式变动臂结构简单、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。如图 11 所示。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。组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。组合式动臂的主要优点是：1工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用螺栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级调节。2较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的统一化问题。因此其替换工作装置较多，替换也方便。一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换。3装车运输比较方便。由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用。尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂较为合适。本次设计作业条件比较单一，所以选用整体式弯动臂。3.1.2 确定斗杆的结构形式确定斗杆的结构形式斗杆也有整体式和合式两种，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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 12 页3.1.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构3.1.3.13.1.3.1 确定铲斗的结构形式确定铲斗的结构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。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 31 所示。由于砂的挖掘阻力较小，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。对各种铲斗结构形状的共同要求是：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。反反铲铲斗斗对对比比试试验验结结果果表表 3-13-1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 25.96.3163.5152.710093.33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 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 13 页大于 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。3.1.3.23.1.3.2 确定斗齿安装方式确定斗齿安装方式目前，国产挖掘机斗齿安装方式主要有两类，斗容量0.6m3时多采q用螺栓连接（图 32a） ，斗容量0.6m3时时多采用橡胶卡销结构（图q32b） 。本次设计斗容量为 0.2 m3挖掘机，所以斗齿安装方式为螺栓连接.3.1.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式铲斗与铲斗液压缸的连接方式铲斗与铲斗液压缸有三种型式（图 33） ，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，图 33a 为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。图 33b 中铲斗液压缸通过摇杆 1 和连杆 2 与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构。图 33d 和图 33b 类似，区a)1234b)a)螺栓连接方式；b)橡胶卡销连接方式1-卡销；2-橡胶卡销；3-齿座；4-斗齿 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 14 页别在于前者液压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。图 33c 的机构传动比与b 差不多，图 32斗齿安装方式但铲斗摆角位置顺时针方向转动了一个角度。六连杆方式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，改善了机构的传动特性。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。但其铲斗挖掘力的平均值较小。本设计中选用图 33b 的连接方式。3.2 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的情况下，工作装置各铰点在布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。图 3-3铲斗与铲斗液压缸的连接方式a)b)c)2121 d) 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 15 页3.2.1 动臂油缸的布置动臂油缸的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，如图 34 所示，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，如图 35 所示，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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 16 页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 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 17 页挖掘半径 R 相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即。2h1h 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 18 页此外，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3-4动臂油缸前倾布置方案 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 19 页图 3-5动臂油缸后倾布置方案较大。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，后倾方图为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘机将长动臂 CEF改换成短动臂 CEF（图 35） ，并配以长斗杆。在最大深度处挖掘时，采用铲斗挖掘而还是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为。2h2h显然，不论是动臂油缸前倾还是后倾方案，当 C、D 两铰点位置和 CE长度均不变时，通过加大动臂油缸长度可以增大动臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘深度。所以，在布置油缸时，应综合考虑动臂的结构、工作装置的作业尺寸及动臂举升力的挖掘力等因素。本设计选用动臂油缸前倾布置方案。3.2.2 斗杆油缸的布置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。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承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可以取得越小一些。保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取 100130。在斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁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。在计算中初定铰点位置，如不够合理，应进行适当修改。3.2.3 铲斗油缸的布置铲斗油缸的布置确定铲斗油缸铰点应考虑以下因素。保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在铲斗油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘应能使满载铲斗静止不动。保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取140160，在特殊作业时可以大于180，摆角位置可以按图3-6布置。当铲斗油缸全缩时， 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 20 页铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于10,常取1525，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。铲斗从位置到位置时（图36） ，铲斗油缸作用力臂最大，这里能得到斗齿最大切削角度的1/2左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿挖图3-6铲斗摆角范围掘力也最大。实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下，特别是进行复合动作挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于100，而且铲斗也不一定都在初始位置开始挖掘。因此，目前一般取位置至位置的转角为3050，在这个角度范围内可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好地适应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力。3.3 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择3.3.1 反铲装置总体方案的选择反铲装置总体方案的选择反铲方案选择的主要依据是设计任务书规定的使用要求，据以决定工作装置是通用或是专用的。以反铲为主的通用装置应保证反铲使用要求，并照顾到其它装置的性能。专用装置应根据作业条件决定结构方案，在满足主要作业条件要求的同时照顾其它条件下性能。45140501525 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 21 页反铲装置总体方案的选择包括以下方面：1.动臂及动臂液压缸的布置确定用组合式或整体式动臂，以及组合式动臂的组合方式或整体式动臂的形状。确定动臂液压缸的布置为悬挂式或是下置式。前面已确定采用整体式动臂，动臂液压缸的布置为下置式。2.斗杆及斗杆液压缸的布置确定用整体式或组合式斗杆，以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗杆是否采用变铰点调节。前面已确定采用整体式斗杆。3.确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数=。1K21ll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内选择。一般当2 时， （有反铲取3）称为长动臂短斗杆方案，当1.51K1K1K叶属于短动臂长斗杆方案。在 1.52 之间称为中间比例方案。1K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1K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1K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1K1K小宜用于以转斗挖掘为主。本设计采用中间比例方案,取1.8。1K4确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数，并考虑铲斗连杆机构传动比是否需要调节。5根据液压缸系统压力、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缸数、缸径、全伸长度与全缩长度之比。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1.61.7，个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取1.75，11而取1.61.7，1.61.7。233.3.2 机构自身几何参数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， 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 22 页称原始参数，本次设计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它特性参数。反铲机构自身几何参数的计算图式及有关符号于图 3-7 所示。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 23 页图 3-7 反铲机构自身几何参数的计算简图aaaaaaaaaallllllllllllllllllllllllLLLV FK QNHMGEDBZCATJIlll 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 24 页反铲机构各部分原始参数、推导参数和部分特性参数见表 3-2 所示。反铲机构自身几何参数表反铲机构自身几何参数表 表表 3-23-2机构组成铲斗斗杆动臂机体参数分类符号意义原始参数l3=QV,l12=MH,l13=MN,l14=HN,l24=QK,l25=KV,l29=KHl2=FQ,l9=EF,l10=FG,l11=EGl15=GN,l16=FNl21=NQ l1=CF,l6=CDl7=CB,l8=DFl22=BFl4=CP,l5=CAl17=CI,l19=CTl30=CS,l38=JTl39=JI推导参数9NMH10KQV4EFG5GNF6GFN7NQF8NFQ2BCF3DFC11CAP9TCPK2=,l392llK2=,l34142ll1CZF=57ll特性参数K2=,l3324llK1=21ll11备注L2斗杆长l1动臂长1动臂弯角悬挂式11ACU各液压缸运动参数的意义见表 333.3.3 斗形参数的选择斗形参数的选择3.3.3.13.3.3.1 铲斗主要参数的选择铲斗主要参数的选择斗容量、平均斗宽，转斗挖掘半径和转斗挖掘装满转角（这qBR2里令）是铲斗的四个主要参数。、及三者与之间有以下maxRB2q几何关系（图 38）. 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 25 页 反铲工作液压缸运动参数表反铲工作液压缸运动参数表表表 3 33 3参 数 意 义瞬时力臂瞬时长度全缩力臂全缩长度全缩力臂全伸长度特性参数液压缸种类参 数 符 号动臂液压缸11eL101mineLzeL11max=min11maxLL斗杆液压缸22eL202mineLzeL22max=min22maxLL铲斗液压缸33eLzeL22minzeL33max=min33LLman= (31)qSKBR)2sin2(212其中：0.2m 其中：=0.2m3(已知)，铲斗斗容量；qq 铲斗挖掘半径，单位m；R铲斗斗宽，根据反铲斗平均斗宽统计值和推荐B范围，查表 26，取0.75m；B 铲斗挖掘装满转角，一般取90100，22取951.658rad2把、代入式(31)得：qB20.20.75（1.658sin95）212RSK 解得：0.803mR 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 26 页图 3-8铲斗主参数示意图铲斗上两个铰点与的间距（图 37）太大将影响铲斗传动特性，KQ24l太小则影响铲斗结构刚度，一般取特性=0.30.38,取0.342k324ll2k0.34，=0.803m,得出=0.273m。当转角较大时取较小值，一324llR24l2k般取=95115，取=105。KQV10KQV3.3.3.2 斗形尺寸计算斗形尺寸计算根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形其尺寸，如图 3-9 所示。图中三角形为等腰三角形，段为直线，弧段为抛物线。点至直OGEOAABA线的距离为，抛物线定点高度为，一般取。斗尖角取值范EBHLHL围一般为 2030，斗侧壁角为取 3050，包角取 108。常见铲斗斗形参数参考表 3-1。改变三角形的形状可以获得不同的形OEG状的斗形。 斗形尺寸根据比拟法=0.75m(已知)、=0.803m(已知), 得出：bDRmaxR 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 27 页 =0.294m;=0.534m;=0.87;1x2x3x =0.7324m;=0.0706m;Rm =40; =23; =108 =0.56m.HL图 3-9反铲斗计算尺寸3.3.3.3 初选斗齿的几何形状初选斗齿的几何形状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，如图 3-10 所示，图中铲斗容量 q、长度 L、宽度 B、高度 H、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。 一般齿宽0.11=0.11=0.064m;bq32 . 0 齿长 0.260.260.152m;lq32 . 0 齿距为：=(2.53.5)=(0.160.192)m,取=0.18maba 斗前臂与切削面的间隙取=0.7=0.0448mfb 又由于铲斗宽度 B=0.75m,齿宽与齿距之和为 0.064+0.18=0.244m =3.07 因此铲斗装有 3 个齿。baB244. 075. 0y=ax2+bx+cly=K3(X-R)X3X2X1y=k1xCXOG AYmRRD 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 28 页另外齿尖应保持锐利，否则挖掘阻力将急剧增加。新铸（或锻）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，挖掘阻用将增加 50100%。因此，为避免这种超图 3-10铲斗的基本参数载挖掘，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。切削角对切削阻力影响也很大。通常，挖级土时，斗切削角为2035（较大值适用于硬土，小值适用于一般土） ，常用切削角为30，本次设计取30，后角不应小于 5，刃角取 25。3.3.4 动臂机构参数的选择动臂机构参数的选择由于铲斗容量0.2m3,根据国内外液压挖掘机有关设计标准，通过类q比法，选出参数机重5 吨。G又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表，线尺寸参数: =m1LLik3GA-AflLqBHaB-Bb 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 29 页 得出:最大挖掘半径=3.35=5.728m；R135 最大挖掘深度=2.05=3.505m；Hmax135 最大卸载高度1.55=2.65m；Hmax335据统计，最大挖掘半径值一般与+ + 的和值很接近。因此R1l1l2l3由要求，已定的和可按下列经验公式初选、：R13l1Kl1l2 （3-l21311KLR2） =l1Kl2其中：=5.728m；1.8；R11K经计算得出：=1.759m；l2 = =1.81.759=3.166ml11Kl2在三角形 CZF 中，、和都可以根据经验初选出：1l13K其中：动臂的弯角，采用弯角能增加挖掘深度，但降1低了卸载高度，但太小对结构的强度不利，一般取 120140，取140；1前面已算出为 3.166m；l1动臂转折处的长度比，一般根据结构和3KZCZF液压缸铰点 B 的位置来考虑，初步设计取1.11.3，取1.2；3K3K5B17.9140ZFC 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 30 页图 3-11动臂实际尺寸因此根据公式：可以算出、41l42l3941l13231cos21KKl 42l413lK（3-3）arccos()ZCF39142241212422lllll经计算得出：= =1.529m；ZC41l =1.834m； ZF42l =17.939如图 311 所示。动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比按不同情况选取，专用反铲可取4K0.8；以反铲为主的通用机，0.81.1；斗容量 1m3左右的通用4K4K机，则可取1。4K本设计中取1。4K的取值对特性参数、最大挖掘深度和最大挖高有影114KHmax1Hmax2响。加大会使减小或使增大，这下符合反铲作业要求，因此基本11Hmax1用作反铲的小型机取60。11本设计中取70。11 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 31 页斗杆液压缸全缩时=最大（图 312） ，常选CFQ832=160180.max832)( 本设计中取（）170。832max取决于液压缸布置形式， （图 3-11） ，动臂液压缸结构中这一夹BCZ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加耳座上，图 3-12最大卸载高度时动臂机构计算简图B 在 Z 的下面。初定BCZ5，根据已知CZF22.1 ，解得BCF17.1。 由图 3-12 得最大卸载高度的表达式为）211max11115Amax3sin(sinYHll （3-32118max1max322)180sin(ll4）由图 3-13 得最大挖掘深度绝对值的表达式为 AYllllH1152min111123max1sin)sin(（3-5）11328XYOH3maxl3VQFBZl1UL1maxAyAl5C2max 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 32 页将这两式相加，消去，5l并令，+-，得到：A112BA8max32- -A)Hmax1Hmax3l1)sin(max1Asin(min1 +-1=0 2l)Bsin(max1（3-6）又特性参数： （3-4Kmin11max1sinsin7）图 3-13最大挖掘深度时动臂机构计算简图2C111U11L1minZAYYAFQVl2l3H1maxX 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 33 页因此sinmin114max1sinK=) （3-cosmin12124max12sin(1K8） 将上式代入式（3-6）则得到一元函数 f()=0。式中和max1Hmax1已根据经验公式计算法求出，Hmax3经计算得出：29.6；73.5min1max1最后由式（3-5）求为5l （3-5l11max1min1123sin)sin(HYAlllA9）70sin505. 365. 0)6 .291 .97sin(166. 3562. 20.638m（其中：=3.166m；1.759m；97.1；1l2lA由于履带总高0.320.547，近似取=0.65m）35AY然后，解下面的联立方程，可求 和 ：=arcos()=arc()min1572min125272 llLll2122 =arcos()=arc() （3-max1572max125272 llLll222210）于是：=min1L5l 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 34 页 =x max1Lmin1L（3-11） =1Lmin1L经计算得出：1.63；0.67；=0.952m；min1L1.52m；=1.61mmax1L7l得到的结果符合下列几何条件：+=2.36；|- =0.9613.3.5 斗杆机构参数的选择斗杆机构参数的选择第一步计算斗杆挖掘阻力：斗杆挖掘过程中，切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中视为常数，一般取斗杆在挖掘过程中总转角=5080,取65，在这转角过gg程中，铲斗被装满，这时半齿的实际行程为：grs601745. 0其中：斗杆挖掘时的切削半径，；6r6rFV取1.7590.8032.562mmaxFV32ll 斗杆挖掘时的切土厚度可按下式计算：ghSgBSKqh SgBKrq601745. 0斗杆挖掘阻力为： (312)sgggKrqKBhKW600101745. 0式中挖掘比阻力，由表 010查得，20（级土壤0K0K以下） 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 35 页土壤松散系数近似值取 1.25。sK斗杆与铲斗和之间，为了满足开挖和最后卸载及运输状态的2l3lminFV要求，铲斗的总转角往往要达到 150180，322min2322230cosllFVll0.866803. 0759. 12803. 0759. 12min22FV计算得：1.137mmin6rminFV把、代入式 3-12 得0Kqmin6rgsK2.48kN3max11025. 165137. 101745. 02 . 020gW第二步确定斗杆液压缸的最大作用力臂。m232max9max2)(PllPleG455. 096.13803. 0759. 148. 2）（ 其中：根据经验公式计算法得出13.96kN2P斗杆液压缸初始力臂与最大力臂之比是斗杆摆角的余弦20emax2emax2函数。设,则zee2209max29max2202cosllee2cosmax2由图 313，取，求得zee2201.203m12sin22max29min2lL16 . 15 .52sin455. 02 （其中斗杆摆角范围大致在 105125，取105）max2 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 36 页 )2cos(2max29min2292min28lLlLl =）2105cos(455. 02455. 0203. 122 =1.588m3.3.6 连杆、摇臂参数的选择连杆、摇臂参数的选择从几何可容性与结构布置的角度对铲斗机构的要求考虑，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、3lGFN及四边形在任何瞬间皆成立。根据铲斗六连杆机构的要求，GNMHNQK借助电子计算机选出可行的方案：0.27m；0.156m；0.195m；0.312m；0.3mQNMHNMHKHN 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 37 页4挖掘机液压系统设计按照液压挖掘机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，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、辅助元件和液压油。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，驱动负载做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、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、定值控制阀和比例阀。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。液压系统设计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，操作简便，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。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 38 页4.1 确定液压系统类型确定液压系统类型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。根据参考定型产品，选择双泵单回路定量系统可以满足工况要求4.2 液压系统的计算和液压元件的选择液压系统的计算和液压元件的选择4.2.1 系统主参数的确定系统主参数的确定系统工作压力，流量，以及两者的乘积，即系统液压功率是pQyN液压系统的主参数。在系统设计中，往往是先选定工作压力，然后根据p各执行元件的运动速度，来确定流量。Q系统工作压力要根据技术要求、经济效果和制造可能性等三方面来p确定。在外负荷已定情况下，系统压力选得愈高，各液压元件的几何尺寸就越小，可以获得比较轻巧紧凑的结构，对大型挖掘机来说，更为重要，所以，一般应尽可能选取较高的工作压力。但是，压力的选择还要考虑制造、装配、密封、维修等因素，压力太高，密封要求也高、制造维修困难，增大了液压振动与冲击，影响了元件寿命和可靠性，此外，压力增高太多，元件与管道的壁厚相应增加，尺寸与重量的减少率交款愈来愈小。现有单斗液压挖掘机所用工作压力有：1中高压压力小于 20000kPa,常用于机重小于 15t，液压功率 40kW以下的小型机。2高压压力小于 32000kPa，是目前 15t 级以上的中型、大型机最普遍采用的压力等级，根据目前生产水平，压力再进一步提高，经济上不能带来相应的优越性。3超高压压力超过 32000kPa，很多液压元件需要专门制造，采用这种压力等级的只占挖掘机总数的 10%左右。本设计中由于机重小于 15t,液压功率小于 40kW，工作压力选用中高 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 39 页压，取16000 kPa。p4.2.2 挖掘机液压缸作用力的确定挖掘机液压缸作用力的确定工作装置各油缸作用力的分析和确定是液压挖掘机工作装置设计的重要内容之一。显然，各油缸的作用力应保证工作装置在挖掘过程中，斗齿有足够的挖掘力，以及保证在卸载时能把满斗土壤举升到最大幅度和高度所需的举升力。工作装置各油缸作用力有以下两种情况。当油缸两腔分别接高低压油路时产生推动机构进行运动的作用力称为主动作用力（简称作用力或者工作力） ，其最大值取决于该油路的工作压力和油缸直径（活塞作用面积） 。工作装置工作时作用于闭锁状态（即油缸两腔与高低压油路断开）的油缸上的作用力称为被动作用力，其最大值则取决于该油缸油路的过载溢流阀压力和承载活塞面积。当油缸作用力大于外载荷的作用力的时候，该油缸便无回缩现象；否则由于过载溢流阀打开而溢流，便使油缸发生回缩。确定工作装置各油缸的作用力和可能产生的被动作用力后，便可以按照选定的液压系统的工作压力确定油缸所需的缸径以及过载溢流压力。油缸的行程则由工作装置机构方案所确定，它与工作装置的结构方案及铰点位置有关，而机构方案也决定了各油缸在主动和被动状态下的作用力。液压挖掘机工作装置上设置的油缸主要有三种：铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸。这些油缸作用力的确定，则取决于工作装置的形式和工作情况。铲斗油缸作用力的确定铲斗油缸作用力的确定反铲装置在作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗油缸设计的依据。初步设计时按额定斗容量及工作条件（土壤级别） ，参考有关资料可初选斗齿最大挖掘力，并按反铲最主要的工作装置最大挖掘浓度深度时能保证最大挖掘力来分析确定铲斗油缸的工作力。此时计算位置为动臂下放到最低位置，铲斗油缸作用力对铲斗与斗杆铰点有最大力臂，如图 41 所示。为了简单，可以忽略斗和土的质量，并且忽略了各构件质量及连杆机构效率影响因素，此时铲斗油缸作用力为： 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 40 页gdcdllFFmax1式中铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂gdl长度） ，=0.24m；gdl对铲斗与斗杆铰点的力臂，m；clmax1FC最大铲斗挖掘阻力，N；max1F最大铲斗挖掘阻力为：17000)cos1 (501235. 1maxmax1XZABDkkkkRCF式中土壤硬实密实计打击次数，对级土壤，915，CC对级土壤，1635；本设计取15。CC 铲斗与斗杆铰点齿尖距离，即铲斗的转斗切削半径，DRm；0.803m.DR 挖掘过程中总转角的一半，即最大转斗挖掘力位置，max（） ；前面设计已得出47.5。max切削刃宽度影响系数，12.6b,b 为铲斗宽度BkBk0.75m；2.95m；Bk切削角变化影响系数，取1.3；AkAk斗齿的影响系数，取0.75（无齿时取1） ；zkzkzk前边斗齿对地面倾斜角度的影响系数，取1.15；XkXk 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 41 页得出：57.455kNmax1F为了简单，可以忽略斗和土的质量，并且忽略了各构件质量及连杆机构效率影响因素，此时铲斗油缸作用力为： (41)gdcdllFFmax1式中铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂gdl长度） ，=0.24m；gdl对铲斗与斗杆铰点的力臂，参考图 41，由 CAD 得clmax1FC出0.705m；cl最大铲斗挖掘阻力，N；max1F AlA=5.255l5lbA=1.445GblB=0.97BlgA=2.25lB=2.565lgB=0.42GdldA=2.55C 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 42 页图 4-1铲斗油缸作用力分析最大铲斗挖掘阻力为：17000)cos1 (501235. 1maxmax1XZABDkkkkRCF式中土壤硬实密实计打击次数，对级土壤，915，对CC级土壤，1635；本设计取15。CC 铲斗与斗杆铰点齿尖距离，即铲斗的转斗切削半径，DRm；0.803m.DR挖掘过程中总转角的一半，即最大转斗挖掘力位置，max（） ；前面设计已得出47.5。max切削刃宽度影响系数，12.6b,b 为铲斗宽度BkBk0.75m；2.95m；Bk切削角变化影响系数，取1.3；AkAk斗齿的影响系数，取0.75（无齿时取1） ；zkzkzk前边斗齿对地面倾斜角度的影响系数，取1.15；XkXk得出：57.455kNmax1F因此把57.455KN、=0.24m、0.705m 代入式 41 得：max1Fgdlcl =168.77kNdF而这时斗杆及动臂油缸均处于闭锁状态，斗杆油缸闭锁力应满足gF 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 43 页gFgBBgBBllFllF2max1式中斗杆油缸闭锁力对斗杆与动臂铰点的力臂，参考图 41gBlgF由 CAD 得出0.42m；gBl对斗杆与动臂铰点的力臂，由 CAD 做图得2.565m；Blmax1FBBl对斗杆与动臂铰点的力臂，由 CAD 做图得0.98m；Bl2FBBl 挖掘阻力的法向分力，取（0.10.2）2F2F5.745511.491kN,取8.5kN；max1F2F因此400.7kNgF 动臂油缸闭锁力应满足：bF525max1llFllFAA式中动臂油缸闭锁力对铰点的力臂，0.638m；5lbFA5l对动臂下铰点的力臂，5.255m；Almax1FAAl对铰点的力臂，0.3m；Al2FAAl因此478.7kNbF 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 44 页斗杆油缸作用力的确定斗杆油缸作用力的确定图 4-2斗杆油缸作用力分析当挖掘机以斗杆挖掘时，其最大挖掘力则由斗杆油缸来保证。斗杆油缸最大作用力计算位置为动臂下放到最低位置，斗杆油缸作用力对斗杆与动臂铰点有最大力臂，即对斗杆产生最大力矩，并使斗齿尖和铰点在C、B一条直线上，如图 42 所示。与前面推导铲斗油缸作用力一样，忽略各构件及斗中土壤质量和连杆机构效率的影响，此时斗杆油缸作用力为：gF (42)gFgBBllFmax1式中：由 CAD 做图得，2.07m；BlBl由 CAD 做图得，0.36m；gBlgBl得出：330.34kNgFl3lA=4.52F2FmaxlC=0.8lB=2.07lgB=0.36GgcBGbGdA 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 45 页而此时铲斗油缸及动臂油缸处于闭锁状态，所以铲斗油缸闭锁力应dF满足dFgdCllFmax1式中：由 CAD 做图得，0.8m；ClCl由 CAD 做图得，0.42m；gdlgdl 得出：109.438kNdF动臂油缸闭锁力应满足：bFdF32max1llFlFAA式中：由 CAD 做图得，4.52m；AlAl由 CAD 做图得，可忽略不记；AlAl由 CAD 做图得，0.638m5l5l 得出：407.05kNdF 斗杆最大挖掘力也受到挖掘机稳定性条件的限制。当以斗杆油缸进行挖掘时，由于其作用力臂的变化、结构自身的影响以及铲斗相对斗杆位置的变化，其斗齿挖掘力也随之变化。动臂油缸作用力的确定动臂油缸作用力的确定动臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升铲斗内装满土壤的工作装置至最大卸载距离位置进行卸载来确定，其计算简图 43 所示，此时动臂油缸作用力为： (43)(15bAbgAgdAdtblGlGlGlF 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 46 页式中：铲斗及其装载土壤的重力，N；dtG斗杆所受重力，N；gG动臂所受重力，N；bG铲斗质心到动臂下铰点的水平距离，m；dAlA 斗杆质心到动臂下铰点的水平距离，m；gAlA 动臂质心到动臂下铰点的水平距离，m；bAlA由 CAD 做图1.155m；3.33m；4.72m；bAlgAldAl查表 27由比拟法得出: =2.23kN；1.79kN；bGgG200.8620.86kN 其中斗内土重=20kN,铲斗重=0.86kN；dtG把、0.61m 代入上式得：dAlgAlbAlbGgGdtG5l ）23. 2155. 179. 133. 386.2072. 4(38. 01bF =281.57kN 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 47 页图 4-3动臂油缸作用力分析4.3 液压系统初步计算液压系统初步计算小型履带式液压挖掘机的主要参数如下，根据不同形式的液压泵和压力进行初步计算。机械总重5t动臂液压缸推力281.57kN 斗杆液压缸推力330.34kN铲斗液压缸推力168.77kN4.3.1 工作装置传动计算工作装置传动计算采用定量泵，系统工作压力kPa16000p工作液压缸缸径根据液压缸推力决定，假定液压缸到液压缸的压力损R9ldA=4.72lgA=3.33lbA=1.155GbGgGdtCBAl5=0.38 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 48 页失500kPa,液压缸回油背压1000kPa，液压缸大小腔作用面积之比1p1p为（为大腔作用面积，为小腔作用面积） ，根据公式02AA A0A0211 . 0)( 1 . 0ApAppF0.1（16000500）0.11000A0A1500A求得：动臂液压缸：281.57kNbF15.46150041bFD 150014. 32815704 取系列值 16斗杆液压缸：330.34kNgF16.75150042gFD 150014. 33303404取系列值 17铲斗液压缸：330.34kNdF150043dFD 150014. 3168770411.97取系列值 12假设在不合流情况下，动臂与斗杆液压缸的伸出速度为 9cm/s,铲斗液压缸的伸出速度为 12cm/s，则根据公式vAQv100060vDv41000602式中液压缸的容积效率，取 0.98v当动臂液压缸单独动作时所需流量 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 49 页91Q41698. 01000602110.73 L/min当斗杆液压缸单独动作时所需流量92Q41798. 01000602125.01 L/min当动臂液压缸单独动作时所需流量122Q41298. 0100060283.05L/min因此，各泵流量均取系列值 125L/min、125L/min、100L/min动臂液压缸实际的伸出速度：AQvv601000114156098. 012510002=11.56m/s斗杆液压缸实际的伸出速度：AQvv601000224176098. 012510002=9m/s铲斗液压缸实际的伸出速度：AQvv601000334126098. 010010002=14.45m/s 根据计算初选 CBFA18CFL（C）型齿轮双泵，排量 18.32ml/r,额定转速 1800r/min,最高转速 2400r/min,额定压力 14MPa,最高转速 17.5MPa4.3.2 行走机构传动计算行走机构传动计算假定履带行走装置终传动链轮节距0.15m，齿数21，两齿跨一节tz距，则链轮转速 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 50 页21.2r/min21ztvn60210.15100022终传动链轮与行走马达间的传动比100，则马达转速i100=2120r/minnn左、右履带各装一个行走马达，设行走装置总牵引力等于机重的 80%，则每条履带的牵引力为：0.4105000G104 . 0F20000N作用在链轮上的扭矩为：1M2DF20.842200004820Nm式中：链轮节圆直径（0.482m） 。DD行走马达的输出转矩为：0.91004820iMM53.5Nm式中：行走传动的机械效率，取 0.9。假定取行走马达两腔压力差15000kPa,则行走马达排量：p95. 01500053.562806280pMq=23.6 mL/r式中： 液压马达机械效率，取 0.95。左、右履带各装一个排量 23.6mL/r 的高速马达，每个马达所需流量vnqQ1000 0.98100021206 .2361 L/min式中：液压马达容积效率，取 0.98。v根据计算初选 CMD32CFL 型液压马达，排量 33.64ml/r,额定转速 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 51 页1800r/min,最大转速 2400r/min,额定进口压力 10MPa,最大进口压力14MPa，额定转矩 53.5Nm。4.3.3 回转机构传动计算回转机构传动计算假定转台以上总转动惯量Nms2,回转角加速度25000J0.35rad/ s2,则挖掘机回转部分惯性阻力矩dtd250000.35dtdJM18750 Nm假定回转支承阻力矩1000 Nm2M则总阻力矩：87501000M1M2M9750 Nm根据回转速度转/分，回转机构传动比200，算出回转马达转10ni速20010=2000r/minnin回转马达输出力矩：iMM0.95200975051.32Nm式中：回转机构效率，取 0.95。比较马达回转马达的、和行走马达的、，可以看到，两者MnMn基本相同，所以，本挖掘机考虑回转马达与行走马达规格相同。4.3.4 液压泵参数选择和发动机功率计算液压泵参数选择和发动机功率计算根据以上计算，选用工作压力kPa,流量125L/min 定量泵16000pQ 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 52 页两台。发动机输出功率60000pQN 0.856000021251600078.4kW式中：泵的总效率，取 0.854.3.5 主油管管径和油箱容量主油管管径和油箱容量液压挖掘机中，主管路的油液流速视系统压力而定，中高压为 57m/s,取m/s；高压为 712m/s，取10m/s。本设计中取m/s。据以计6vv6v算主油管管径。定量泵：动臂液压缸油管管径：111100601000vQd56.11100601251000=1.34取1.51d斗杆液压缸油管管径：222100601000vQd9100601251000=2.3 取2.51d铲斗液压缸油管管径：333100601000vQd45.14100601001000=1.07取1.21d油箱容量可以取为液压泵总流量的 12 倍，假定取 1.5 倍，则V定量系统油箱容量：1.52125375LV 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 53 页将上述结果列表比较如下：项目定量系统项目定量系统工作压力（kPa）总流量（L/min）发动机功率（kW）动臂液压缸缸径（cm）斗杆液压缸缸径（cm）16000125278.41617铲斗液压缸缸径（cm）动臂液压缸主油管管径（cm）斗杆液压缸主油管管径（cm）铲斗液压缸主油管管径（cm）油箱容量（L）121.52.51.2375 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 54 页5 工作装置的强度计算单斗液压挖掘机的主要结构件包括：工作装置、回转平台和底盘车架等。由于本次设计侧重点在工作装置，因此只对工作装置这部分进行强度校核计算。工作装置由铲斗、斗杆、动臂以及连杆机构和各种工作液压缸组成。对这些结构件的分析计算，首先应确定各结构件的不利工况，即在这工况下对某一结构件可能出现最大的应力，以这工况作为设计该结构件的依据，也就是强度设计中计算位置的选择，计算图式和载荷的确定问题。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工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，再结合样机的应力测定，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面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。5.1 斗杆的计算斗杆的计算反铲装置的斗杆（尤以标准和加长斗杆）强度主要为弯矩所控制，故其计算位置可根据反铲工作中挖掘阻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手试验说明，斗杆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：1按反铲装置作用力分析的电算结果选定。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 55 页2近似计算时，一般取以下两个位置：计算位置（图 51） ，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） ；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）侧齿遇障碍作用有横向力。kW这时，工作装置上的作用力有工作装置各部分的重量（铲斗重，斗dG杆重和动臂重） ，作用于斗侧齿上的挖掘阻力（包括切向力为，法gGbG1W向分力和侧向力） 。2WkW铲斗挖掘时，铲斗液压缸工作力所能克服的切向阻力可取铲斗为dP1W隔离体，按对铰点的 力矩平衡方程0 求得ccM (51)(126671rGrrrPlWddd式中：由图 51 画图得，0.766m；dldlArB=0.325r1=3.16ld=0.23Pgl2=1.56Gbrb=1.36ld=0.766r6=0.423r=1.28W2EGgPdlb=0.46r3=0.49rd=1.1r4=1.39r2=0.142r5=0.3B 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 56 页图 5-1斗杆计算位置由图 51 画图得，0.3m；5r5r由图 51 画图得，0.423m；6r6r由图 51 画图得，0.268m；7r7r由图 51 画图得，0.142m；2r2r把、代入式 51 得：dl5r6r7r）0.1420.860.4230.30.26877.168(766. 011W求得：41.718kN1W 法向阻力决定于动臂液压缸的闭锁力，可取工作装置为隔离体，按2WBP对动臂底部铰点的力矩平衡方程0 求得：AAM (52)01A12)GGM1rWGrPrWdgbBB（式中：动臂液压缸的闭锁力，286kN；BPBP工作装置各部分重量对点的力矩之和，相应的)G(dgbAGGMA力臂值由图 51 确定为：由图 51 画图得，1.36m；brbr由图 51 画图得，1.99m；grgr由图 51 画图得，1.1m；drdr 由图 51 画图得，0.325m；BrBr 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 57 页 由图 51 画图得，3.16m；1r1r 由图 51 画图得，2.05m；0r0r 把、代入式 52 得：brgrdrBr1r0r2.0541.7181.10.861.991.791.362.230.32528616. 312W4.15kN 取斗杆（带斗）为隔离体，列出对铰点力矩平衡方程0，可求BBM得斗杆液压缸作用力（被动状态） 。一般情况下，此力与其闭锁力值gP（按该液压缸闭锁压力决定）相近。 3421)(rGrGllWlPgddbg（53）式中： 由 CAD 做图得，=0.46m；blbl由 CAD 做图得，=1.56m；2l2l由 CAD 做图得，=0.766m；dldl由 CAD 做图得，=1.39m；4r4r由 CAD 做图得，=0.49m；3r3r把、代入式 53 得：bl2ldl4r3r 0.4641.718(1.56+0.766)+0.861.392.230.49gP解得：45.69kNgP铲斗边齿遇障碍时，横向挖掘阻力由回转机构的制动器承受，此力kW 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 58 页的最大值决定于回转平台的制动力矩，其值为： rMWTk（54）式中： 横向阻力与回转中心间的距离, 由 CAD 做图得，rkW=1.28m；r回转平台制动器可承受的最大力矩，4925.3Nm。TMTM把 、代入式（54）得：rTM =3.848kNkW计算位置（图 52） ，条件为：1) 动臂位于动臂液压缸对铰点有最大作用力臂处；AmaxBr2) 斗杆液压缸作用力臂最大；3) 铲斗斗齿尖位于、两铰点连线的延长线上，或铲斗位于发挥最BC大挖掘力位置（图 52 中位置） ；4) 正常挖掘，即挖掘阻力对称于铲斗，无侧向力作用。APgGbPgBPdGgEDCGdW1W2W1W2 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 59 页图 5-2斗杆计算位置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作用力的分析方法同上。切向阻力：)(126671rGrrrPlWddd法向阻力：01A12)GGM1rWGrPrWdgbBB（横向挖掘阻力：rMWTk通过 CAD 画图得：由图 52 画图得，0.423m；6r6r由图 52 画图得，0.29m；7r7r由图 52 画图得，0.14m；2r2r由图 52 画图得，1.52m；brbr由图 52 画图得，2.225m；grgr由图 52 画图得，1.36m；drdr 由图 52 画图得，0.56m；BrBr 由图 52 画图得，2.8m；1r1r 由图 52 画图得，0.45m；0r0r由图 52 画图得，=0.46m；blbl由图 52 画图得，=1.56m；2l2l 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 60 页由图 52 画图得，=0.77m；dldl由图 52 画图得，=1.39m；4r4r由图 52 画图得，=0.49m；3r3r 由图 52 画图得， =1.22m；rr 通过计算得出：63.51kN；6.45kN；4.037kN；1W2WkW根据以上位置的斗杆作用力分析，便可作出斗杆的内力图。对于计算位置，斗杆内力图包括斗杆轴向力，斗杆平面内、外的弯矩、NxM和剪力、，以及扭矩；对于计算位置或，斗杆内力yMxQyQKPM侧仅有，、。NxMxQ斗杆受载荷最严重的那一侧，危险断面为 m-m。作用在这个截面中心上载荷有：图 5-3斗杆受力图力可对斗齿取力矩平衡方程式来解得：2Tmmw1w2Gdfr1lbT2T1eT 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 61 页01121222)()2(1hTfrrGlrrGrTdbb=8 . 218. 0)4 . 0803. 0759. 1 (2)2214. 2803. 0759. 1 (15. 2759. 11=2.87kN垂直平面内的弯矩（y-z 平面内）)2(2)(2(02100012ClGebrWCrbhWbaWTMbbTkkyz2 . 0759. 1037. 44 . 0803. 02 . 018. 0037. 42 . 0036. 051.63287. 2(）（）)4 . 02214. 2215. 25 . 2（=81.35kN通过斗杆中心垂直于 yz 平面的 xz 平面中的弯矩为：)(21CrWMkxz =）（4 . 0803. 02037. 4 =0.8kNm沿斗杆轴向拉力为：02132brWTNk =2 . 0759. 1037. 45 . 232 =39.25kN这样斗杆危险断面上正应力为： FNWMWMyxzxyz 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 62 页 =036. 025.39618. 02 . 08 . 0618. 02 . 035.8122 =83MPa 式中：许用应力，取0.85； s斗杆梁的断面积。F斗杆还应根据危险断面上的内力进行整体稳定验算，其应力值为： myxzxyzFNWMWM式中：截面对 x-x 轴、y-y 轴的抗弯断面系数；yxWW 、斗杆梁横断面的毛面积；mF中心压杆许用应力折减系数，可根据斗杆梁的细长比来定。按下式求出：=3.34minrl527. 0759. 1上式中用下式求出minr=527minrmFJmin2 . 00.1810000式中： 斗杆的计算长度；l计算截面的最小回转半径；minr计算截面的最小转动惯量；minJ因此斗齿截面上的应力：82.45MPa 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 63 页对于承受扭力的单梁方型断面斗杆，还要计算其扭力矩：01hWaWMkn =63.510.44.0370.1826.13kNm其扭曲应力为：taaMn221 =03. 02 . 018. 0213.26 =120.97MPa 式中：、单梁方型断面相应边壁厚中心线距；1a2a 最薄处的壁厚。 t经验算，该斗杆符合要求。5.2 动臂的计算动臂的计算反铲装置动臂的强度计算同样应按挖掘工作中对动臂可能出现的最大载荷选定计算位置。除按电算结果进行选择外，一般近似计算可采用以下计算位置：动臂计算位置（图 53） ， ，条件为：1）动臂位于最低（动臂液压缸全缩） ；2）斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂铰点三点位将支座点产总反力铵两支座三个座标方向分解。支座总反力分解AAR为和AzR并平均分配作用于两支座。横向力引起动臂的弯矩和扭矩可AxRkW用支座反力和的形式来代替：TQ ZAMT （55） AMKQ 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 64 页（56）式中：支座处的横向弯矩；ZAMA支座处的扭矩（即） ；ZAMAxAM由于动臂支座内的侧向间隙，横向力可能同其中一个分支座（左边kW或右边的）来承受。这样，距动臂支座的截面的内力可按下列各式求得：nlxN垂直平面内的弯矩：lQRMAZN2横向弯矩：hRTlWMAxnKNZ2轴向力：sincos2KAZWTRN整体弯曲动臂对弯曲部分的断面进行强度计算时，应考虑按曲梁进行验算，即在弯曲平面内的应力按下式计算： )11 (ryykFMFNr（57）式中：断面积；F 断面弯曲处的曲率半径；r重心至计算点的距离，该点在曲率中心与断面重心之间为负，y反之为正；、断面形状及曲梁曲率有关系数；k(积分范围由断面中心轴至最边缘点)对简kdFryyF1单的几何图形（矩形圆形等）为无穷级数，可以近似计算之，k一般用替代，则；FryydFryyFryyFk1动臂计算位置，条件为： 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 65 页1）动臂位于动臂液压缸作用力臂最大值处（） ；maxBr2）斗杆液压缸作用力臂最大（斗杆液压缸与斗杆尾部轴部夹角 90时）；3）铲斗发挥最大挖掘力位置，进行正常挖掘。此位置相当于斗计算位置，工作装置上的作用力亦相同。 动臂的内力图，包括轴向力，动臂平面内的弯矩，剪力；NyMzQ平面外的弯矩，剪力和扭矩。zMyQKM6 液压挖掘机机构结构创新设计在机构设计过程中，最重要的阶段是机构方案构思一概念设计。在进行机构设计之初，设计者不但需要具有设计的知识，而且需要具有相当的工程经验、创造与直觉的能力、及许多其他方面的条件，才能够创造一种新型机构以完成所希望的功能。这是一种发明行为，这不仅是设计对过程中最富有创造性的部分，也是机械设计过程中最为困难的地方。到目前为止，尚未有学者提出系统化的方法以引导设计者有系统地进行创新机构。然而，大多数的机械设计实例(大约占机械设计实例的 70%)不是凭空创造新机构，而是在现有机构(该机构可能受专利保护)的基础上进行修改，创造出结构不同的新型机构，以提高机器的质量和性能，或者突破现有专利技术。下面结合液压挖掘机构的反铲装置，提出基于结构推理的机构方案创新设计方法。基于结构推理的机构方案创新设计是利用创造性发散原理，通过拓扑结构类型综合的方法，对现有的机械方案从拓扑联接方面进行变异创新，尽可能多的产生满足设计功能要求的结构变体，以便于寻找最优的功能载体，尤其是创造新型机构以回避专利保护机构应用方面更是结构推理之长。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 66 页6.16.1 基于结构推理的方案创新设计过程模型基于结构推理的方案创新设计过程模型由机构演化及编译原理可知，任何机构，包括齿轮机构、槽轮机构、凸轮机构以及它们的组合，都可以视为连杆机构的等效与变异，其原始型的构造皆可通过连杆机构的构造来获得。许多人在机构结构类型综合方面作了大量的工作，尤其是在非同构基本运动链的构造方面。按他们提出的方法，由计算机很容易自动生成满足给定设计任务要求的非同构运动链，而这些非同构运动链基本运动链是构造候选机构型的基础。下面所提出的基于结构推理的方案创新设计过程正是在这些研究基础上发展起来的。该方法可以划分四个阶段：首先是根据设计任务和要求确定相似的设计方案(原始机械方案)，然后对该原始方案进行抽象化表示，即将机构方案一般化为运动链，在抽象化表示过程中记录设计约束；其次根据机构方案一般化运动链，在运动链图谱库中找出与一般化运动链具有相同杆数、自由度数以及连杆类型相同的所有非同构的运动链，即运动链发散，并根据设计约束和适当的评价方法进行筛选；第三，对评价筛选后的每个非同构的运动链进行机构识别、驱动副识别以及杆组识别，形成用连杆表达的准可行机械方案元型，即运动链再生；最后一个阶段是将准可行机械方案元型根据实际设计需要，基于设计约束规则以及用户交互式方法进行类型替代，形成待评价的候选方案集转入下一阶段，并进行用户交互式模糊评价，产生最优方案。结构推理过程模型如图 6-1 所示。原始机械方案方案抽象化表示非同构运动链图谱库规则库推理机机械方案非同构结构确定机架确定驱动副机构方案元型集 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 67 页图 6-1基于结构推理的方案创新设计过程模型6.2.2 液压挖掘机机构方案创新设计液压挖掘机机构方案创新设计(1)液压挖掘机基本结构及其抽象化表示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，它由工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。工作装置作为液压挖掘机的三大组成部分之一，因用途不同，种类繁多，其中主要有反铲装置、正铲装置、挖掘装载装置、起重装置和抓斗装置等，由于本次设计侧重点在反铲装置，只创新设计应用最广泛的反铲装置。如图 2(a)所示，液压挖掘机反铲装置由动臂 1、斗杆 2、铲斗 3 以及动臂油缸 4、斗杆油缸 5、铲斗油缸 6 和连杆机构 7 等组成。其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，通过
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