挖掘装载机反铲工作装置结构设计

第 70 页1 绪论1.1 挖掘装载机综述根据GB10186-88挖掘装载机术语，挖掘装载机（backhoe loader）的形式定义为：一种机前部装有装载装置，机体后有反铲挖掘装置的自行式机械。其基本功能分别能完成挖掘机和装载机的工作，因此俗称“两头忙”。作为反铲挖掘使用时，是通过铲斗向机械方向运动进行地平面以下的挖掘。铲斗在提升、回转和卸料时，机体固定不动。作为装载机使用时，通过机体向前运动，装载斗进行装载或挖掘，并可提升、运料和卸料。它广泛应用于农田水利建设、工业和民用建筑、市政建设、园林、公路养护、港口、油田及电力建设等领域，主要用于基槽、基坑、管沟等小型土方工程的开挖和回填，特别是通过快换装置装上多种工作附具，其用途更加广泛。目前已开发的工作附具多达几十种，成为名副其实的多功能小型工程机械。纵观世界各国生产的挖掘装载机，普遍采用轮胎式行走装置，其总体构成或者按拖拉机形式配置，即发动机前置，偏转车轮转向，或者按转载机形式配置，即发动机后置，采用铰接车架，或者按混合结构式配置，即发动机后置，采用铰接车架。采用拖拉机型式底盘需要增设专用于联接工作装置的加强车架，使机器工作时产生的扭转载荷和弯曲载荷由车架承受，而不会传到传动装置。采用铰接车架底盘工作时前后车架用液压缸定位，可减小转弯半径和回转半径，提高了机械的机动性，但转向时稳定性稍差。在传动和转向系构成方面，现代挖掘装载机普遍采用液力变矩器和动力换档变速箱的液力机械式传动，全轮驱动，全液压转向。采用负载传感转向系统保证全液压转向系统转向的稳定性。液压系统也采用负荷传感控制，保证发动机在各种转速范围内装载斗切削刃上能产生最大切削力，根据挖掘阻力保证自动地获得所需功率，缩短作业循环时间，并能在调节液压缸活塞运动速度时消除工作液的节流现象。在工作装置方面，除可安装反铲铲斗和装载斗外，还可安装多种附属装置。如在狭窄条件下施工时，可装挖沟器，螺旋式装载器；用于市政工程时可安装清扫器，螺旋扫雪器和街道扫雪器；用于公路维护时，可安装铣刨机、石屑撒布机和破冰装置；用于农业工程时，可安装肥料，草料的运输和装载装置，饲料切碎机等。所有这些机具都可以通过快速更换接头在短时间内换装完成。近几年来，随着我国经济的快速发展，装载挖掘机市场也逐渐升温，为业内人士普遍看好。从目前情况分析，我国正处在道路交通、能源水利、城市建设等各方面基础建设的高峰期，而前些年大量投入使用的高速公路等基础设施，正越来越多地进入维护保养期，同时城市建设也由“大拆大建”逐渐向“精雕细刻”转变，所以小型化的土方工程施工肯定会越来越多，挖掘装载机的用武之地也会越来越多；另一方面，社会发展趋势是朝机械施工替代人工的方向发展的，并首先从经济发达地区的大城市及周边地区开始。1.1.1 目前挖掘装载机的基本配置结构如下(1) 车架车架有整体式和铰接式两种，其中主流产品都是采用整体式车架，铰接式车架是在小型装载机的基础上改装的，仅有少数几家公司采用这一结构。铰接式车架最大缺陷是在挖掘作业时的刚性差。(2) 传动系统目前主要采用液力机械传动，变速箱有同步换档变速箱和动力换档变速箱，档位一般是前四后四，液力变矩器后带有动力换向装置，可在行进过程中改变行驶方向，装载时提高了作业的效率。驱动方式目前一般都有两种模式，两轮驱动和四轮驱动。这两种模式可通过电磁阀任意切换，在公路上行驶采用两轮驱动，越野和装载作业时采用四轮驱动,提高作业时的牵引力。转向采用液压助力偏转前轮转向。(3) 液压系统有两种主流配置：定量液压系统和变量液压系统。CASE 和JCB等多数公司均采用定量液压系统，而CATERPILLAR 和VOLVO 则采用负荷敏感变量液压系统。变量系统可根据负载的大小调整泵的排量，因此降低了油耗，液压系统的发热量减小，但价格较高，对系统的清洁度要求很高；定量系统功率利用率较低，系统发热量大，但是价格便宜。目前销量最大的挖掘装载机还是采用定量系统。液压操纵主要还是采用手动操纵的模式。(4) 工作装置装载工作装置一般都采用八连杆机构，带机械调平或液压调平机构，装载斗多用“4 合1”斗，可选装“6 合1”斗。挖掘装置可分为侧移式和中轴式安装。侧移式是挖掘装置可在车架上左右移动，中轴式挖掘装置在车架上不能左右移动。挖掘动臂可分为弯臂和直臂结构，弯臂结构类似挖掘机的结构。工作装置都有快换装置可选，有多种附具可选，适应多工作环境的需要。(5) 制动一般都采用后桥制动，制动助力方式有真空助力湿式制动和全液压湿式制动。1.1.2 液压挖掘机的工作特点和基本类型(1) 液压挖掘机的主要优点液压挖掘机在动力装置和工作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以达到1000：1。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，并可作高速反转。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要1s到数秒的时间，而加速液压马达只需要0.1s的时间。传动平稳，结构简单，可以吸收冲击和振动，操纵省力，比较容易实现自动化控制。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，机器重量轻，传动平稳，作业效率高，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%。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，无论驱动功率有多大，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结构，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。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。(2) 液压挖掘机基本类型液压挖掘机种类繁多，可以从不同角度对其进行划分。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，则称为全液压挖掘机。若液压挖掘机中的某一个机构采用机械传动，则称其为非全液压挖掘机。一般说来，这种区别主要表现在行走机构上。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，悬挂式以及拖式。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，作业时不需要设支腿，使用范围较大。在土质松软或沼泽地带作业的液压挖掘机，还可通过加宽和加长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。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。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，可以分为铰接式和伸缩式挖掘机。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，伸缩臂可在主臂内伸缩，还可以变幅。伸缩臂前端装有铲斗，适合于进行平整和清理作业。1.2 挖掘装载机国内外发展现况20世纪60年代前后，世界各国竞相掀起开发挖掘装载机的热潮，直到今天仍未停止。第一代挖掘装载机是在拖拉机前安一个装载斗，后端装一个挖掘斗。随着挖掘装载机技术的迅速发展，围绕着挖掘装载机的多功能，世界各国著名制造商包括凯斯、特雷克斯、JCB、山猫、迪尔、沃尔沃、九保田等都开发出了各具特色的产品。挖掘装载机在北美比较受欢迎，其市场容量稳定在3.2万台。在欧洲也有一个成熟的市场，其中需求量最大的是西班牙，其次是法国和意大利。相反，在日本和远东地区使用挖掘装载机较少。国外这类产品较多，而国内挖掘装载机只有WZ3025、WZ2520等少数品种。挖掘装载机的生产商主要是一些美国(Caterpillar、Case、John Deere) 和西欧(JCB)的著名工程机械厂商。Case 公司的挖掘装载机产量居世界第一位，达26000 台。先后推出了480E、580F、680K、680H、580D、580K、580L 等各种型号的挖掘装载机，又于1999 年将其整个挖掘装载机系列产品进行了升级。JCB 公司是挖掘装载机品种和型号最多的公司。该公司创立于1946 年，原生产农业拖拉机。从50 年代开始从事综合建筑机械的开发生产，该公司在开发了液压挖掘机的基础上，研制了世界上第一台挖掘装载机。其挖掘装载机产量占世界第二位，达14700 台，产品包括1CX、2CX、3CX 和4CX 系列。Caterpillar 公司挖掘装载机年产量达12200 台，主要产品有428C、416C、426C、436C、438C、446B 等。John Deere 公司挖掘装载机年产量达10500 台，该公司于70 年代开始生产挖掘装载机，1982 年以后每年推出一种，目前共有7 种型号。发动机功率4678kW，整机质量59009900kg。挖掘装载机的主要市场也在欧美。2000 年欧洲销售量达17855 台，世界年产量更达6.5 万台。作为装载机多种作业化品种之一，挖掘装载机在我国起步较晚，但发展较快，已有十余家企业生产这种装载机。尤其近年来，由于应用领域日渐扩大，挖掘装载机得到了不断发展。我国在“九五”期间在工程机械行业投资13 万亿元人民币，比“八五”完成投资大2 倍，而且建筑业已逐步成为国民经济的支柱产业，这将刺激工程机械迈入新的经济增长期。今后十五年，国家将集中必要的力量，在水利、能源、交通、通信和重要原材料工业方面，建设一批大型工程。由于今后从事笨重施工体力劳动的人员日渐减少，机械化施工程度逐年提高，以往靠人海战术及小型机械装备的施工方式，将逐步被采用大批较先进的中大型工程机械的施工方式所替代。工程机械产品在今后5 年、10 年以至更长的时间，将具有更广阔的市场。挖掘装载机作为工程机械新型品种，市场开发具有很大潜力。虽然国内生产挖掘装载机的厂家逐渐增多，但目前国内在挖掘装载机反铲装置的研究还很少。目前我国挖掘装载机的生产企业有20余家，主要是山工、烟工、辽宁朝阳、柳工、厦工、常林、北建、徐工等。这些厂家挖掘装载机的生产能力很强，因此在今后一段时间内国内挖掘装载机市场将保持供过于求的局面。目前该产品年产量大约在400台左右。从我国小型、多功能挖装机械从无到有的发展历史看，大量的工程机械生产厂家在发展过程中积累了丰富的经验和较成熟的生产技术，均会在今后几年看上这块潜在的市场，预计新产品、新技术将不断出现，产品质量也将迅速提高，这将会导致多功能挖装机械市场的激烈竞争。 由于我国的挖掘装载机起步晚，不论在产品品种、性能参数以及使用可靠性、售后服务等方面，与国外相比均存在着相当大的差距。因此，其发展趋势是引进国外的先进技术，开发高质量、多功能、多品种、多规格的系列产品，加强基础元件、部件的生产，尤其是提高液压元件的质量，以达到在满足产品可靠性的前提下，降低产品成本，并提高产品的售后服务水平。 1.3 挖掘装载机发展趋势在未来10年左右，乐观地估计，国内挖掘装载机将达到800010000台，中高档产品销量也会增加，而以拖拉机底盘生产的低档产品销量将逐渐下降。因此，国内挖掘装载机的市场前景是非常广阔的。但由于该行业国内起步较晚，同时，因为社会和经济发展等方方面面的原因，其普及程度远远落后于发达国家。但随着社会的发展和工程机械行业的高速增长的势头，该行业也将会出现快速增长。据专家预测，目前这种状态可能已处于导入期临近结束、成长期就要启动的关键时期，但这种启动可能并不是爆发性的，特别是在成长期的前期，可能还会以一种不紧不慢的逐渐加速来启动。所以也不能在短时间内寄予过高的期望，尤其是今后几年，市场将基本维持在原有基础上，有一定的增长，但幅度不会过大。挖掘装载机发展的总体趋势是：1. 液压挖掘机的大型化和微型化整机的体积更小，功率更大，转向半径更小。主要是为了满足狭窄作业场地的需要，功率增加可提高装载性能。四轮驱动四轮转向。大型液压挖掘机主要用于大型露天矿山可开采及大型基础建设，多数为正铲为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25以下的微型液压挖掘机，最小的斗容量仅为0.01。2. 液压挖掘机的多功能化除了传统的快换多功能铲斗、松土器、液压锤、扫雪器、土钻等多种工作附具以外，还通过研究用户实际作业情况，开发新型工作附具，如起重，抓斗，平坡斗，装载斗，破碎锥，麻花钻，电磁吸盘，振捣器，推土器，推土板，冲击铲，高空作业架，绞盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低接地比压，低噪声，水下专用和水陆两用液压挖掘机等。3. 更重视环保。采用低排放发动机；元部件材料的可回收再利用，零部件的以旧换新；整机噪音更低，驾驶室噪音可达71 分贝，机外噪音101 分贝。4. 提高操作环境的安全性和舒适性，降低操作者的劳动强度如采用全视野驾驶室，增大驾驶室尺寸，液压系统采用先导操纵，动力换档变速箱简化了换档操纵，外观造型更加美观等。国外先进的液压挖掘机普遍采用带有落物保护结构和滚翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，操纵机构采用液压先导控制或电液比例控制，操作轻快，省力，操作环境的设计更加符合人机工程学。5. 液压挖掘机的电子化，信息化 世界上各大液压挖掘机生产厂商在应用新技术，新工艺，新结构，加快标准化，系列化，通用化发展速度的过程中，重视电子技术，信息技术在挖掘机上的应用，使挖掘机向高效，节能，安全，环保以及操作方便舒适的方向发展。从20世纪80年代开始，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机，微处理器，传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机均装有电子控制单元，用于发动机和泵阀的电子调速器，自动怠速系统，电子功率优化系统和电子油门控制系统等。泵阀电子控制系统主要有功率控制系统，流量控制系统和负荷传感控制系统等。卡特彼勒和阿特拉斯等公司开发了挖掘机车载卫星全球定位系统，用户可以通过电信数据中心和国际互联网随时了解挖掘机的工作位置和工作环境，并通过对各种参数的分析了解挖掘机的工作状况，以确保安全使用和提高工作效率。6. 液压挖掘机的液压系统得到进一步改进 国外液压挖掘机液压系统总的发展趋势是高压，高速，大流量，低成本，高质量和高可靠性。国外知名公司的主流机型广泛采用双泵变量系统，液压先导控制，负荷传感控制等新技术，例如卡特彼勒公司新推出的挖掘机系统压力最大为35MPa。卡特彼勒的D系统挖掘机提供两种性能设定模式，标准操作模式和经济操作模式，以增强操作人员对机器性能与施工需要相匹配的控制能力。在标准操作模式中，可获得高生产和燃油效率，在市政建设等建设等较轻的作业中，可切换到经济模式，耗油量可降低15%。2 装载机反铲工作装置研究2.1 挖掘装载机反铲工作装置的结构特点介绍反铲工作装置是中小型液压挖掘机最主要的工作装置。结构方案的选择也及其重要。反铲工作装置的结构方案很多，这里仅介绍几种典型的结构形式和布置方案。通过对比，选取适合于WZ25-20的结构方案设计样机。2.2 动臂和斗杆的结构形式动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的型式往往取决于动臂的结构型式。反铲动臂可分为整体式和组合式两类。整体式动臂可分为直动臂和弯动臂。直动臂结构简单、轻巧、结构紧凑，主要用于悬挂式挖掘机（如图21）。采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，但一般不用于挖掘装载机，所以不详细介绍。 图2-1 图2-2近年来悬挂式挖掘机上出现了小弯臂的结构形式(如图22)，是直动臂的改良，动臂的箱形结构可以不用开口，动臂和斗杆油缸及管路的布置也比较方便。对于WZ25-20，我们选用直动臂形式（如图21）。2.3 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。第一种如图23中a和b所示，动臂液压缸装于动臂的前下方。动臂下支承点(即与转台的铰点)可以设在转台回转中心之前，并稍高于转台平面。它也可以设在转台回转中心之后，以改善转台的受力情况，但使用反铲作业装置时动臂支点靠后布置会影响挖掘强度。大部分中小型液压挖掘机以反铲作业为主，因此都采用动臂支点靠前布置的方案。动臂液压缸一般都支于转台前部凸缘上。动臂液压缸活塞杆端部与动臂的铰点通常也有两种布置方案。一种是铰点设在动臂封闭箱形体下方的凸缘上，如图a所示。另一种是铰点设在动臂箱体中间，如图b所示。后一种方案用单只动臂液压缸时，动臂底面开口，使活塞杆可以伸入连接；用两只动臂液压缸时，则两缸分置于动臂两侧，在结构上有加强筋保证强度。铰点布置a不削弱动臂结构强度，但影响动臂下降幅度，b则与之相反，但对动臂双液压缸则较合适。第二种方案如图23中c和d所示，动臂液压缸装于动臂的上方或后方，有的称之谓“悬挂式液压缸”。这个方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时，尤其在挖深较大时动臂液压缸往往处于受压状态，闭锁能力较强。尽管在动臂提升时液压缸小腔进油，提升力矩一般尚够用，提升速度也较快。故作为专用的反铲装置这种方案仍然可取。图22图2-3WZ25-20选取c方案（图23），即所谓的“悬挂式液压缸”。2.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式铲斗与铲斗液压缸的连接有三种型式其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同。 图2-4图a为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。图b中铲斗液压缸通过摇扦1和连扦2与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构。图d与图b类似，区别在于前者液压缸活塞杆端铰接于摇扦两端之间。图c的机构传动比与b差不多，但铲斗摆角位置向顺时针方向转动了一个角度。本样机采用b的方案，因为六连杆机构与四连杆机构在同样的液压行程中能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。但其铲斗挖掘力的平均值较小。因传动比较小，所以铲斗液压缸一般都用一个。2.5 铲斗的结构特点及斗容量计算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几种甚至十多种斗容量不同，结构型式各异的铲斗。斗容量的计算是选取挖斗的关键。我国关于斗容量标定的标准早已制定。标准中规定了液压挖掘机斗容量标定值，是铲斗内壁尺寸所确定的平装斗容量和堆尖部分体积之和，即 （1）2.6 主要零部件设计2.6.1 铲斗设计（1）铲斗主要参数当铲斗容量一定时，切削转角2，切削半径R和切削宽度b之间存在着一定的关系，即具有尺寸R和b的铲斗转过2角度所切下的土壤刚好装满铲斗（如图）。于是斗容量可按下式计算：(2sin2）式中铲斗充满系数；土壤松散系数。铲斗挖掘1体积土壤所耗费的能量称为切削能容量。试验研究结果表明，反铲铲斗的主要参数，即平均铲斗宽度b，切削半径R和却削转角2对转斗挖掘的切削能容量有直接影响，可表示为E=+100R式中 E铲斗切削能容量Nm/； K1考虑切削过程中其他影响因素的系数； K2具有应力因次的系数，在铲斗容量q=0.151时，取=1.5； K3具有容积质量因次的系数，在铲斗容量q=0.151时，取=0.07。显然，设计铲斗时，在满足铲斗容量q的前提下，应使铲斗切削能容量E最小。由上式可以看出，减小角，增大铲斗宽度b和切削半径R能够降低E，但受到铲斗结构的限制，一般取b=(1.01.4) 式中 q铲斗容量，； b铲斗平均宽度，m。考虑到铲土切削入土和出土的余量，一般取2140。同时考虑到在转斗速度一定时，转斗角度太大会增加挖掘阻力，降低生产率，因此一般取2=90110。在确定铲斗宽度和转斗角度后，根据前式即可导出铲斗转斗切削半径 R= ()式中 b 铲斗宽度，m； 铲斗转斗角度的一半； 土壤松散系数； 铲斗充满系数，这里可以取1。当铲斗宽度b和转斗角度在上述推荐范围内时，R的取值范围为 R=(1.31.6) （2）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他结构尺寸，如图所示。图中三角形OGE为等腰三角形，OA为段为直线，AB弧段为抛物线。A点至直线EB的距离为H，抛物线定点高度为L，一般取H=L。斗尖角取值范围一般为2025，斗侧壁角取3050，包角取180。常见铲斗斗形参数见下表。改变三角形OGE的形状可获得不同的斗形。设计铲斗时，还应综合考虑铲斗的主要用途和挖掘对象，合理选择铲斗主要参数，使铲斗的挖掘阻力最小，作业效率最高。常见铲斗斗形参数见附录（二）2.6.2 铲齿设计铲斗的结构设计按最大弯矩进行设计,由力学分析知在与铲斗斗体连接处的弯矩最大,如图所示，由以下公式有: a : 斗齿厚度 b : 斗齿宽度: 挖掘阻力 r : 斗齿尖到斗体的距离t : 铲斗的厚度 : 斗齿的许用应力代入值解得a=60 mma : 斗齿厚度 : 挖掘阻力r : 斗齿尖到斗体的距离 t : 铲斗的厚度斗齿计算简图2.6.3 焊接结构设计焊接结构设计原则：1 不受铸，锻，铆接件的结构形式所约束焊接结构设计的自由度大，充分发挥它的特点，就有可能设计出更好更省的新型结构。2 尽量多使用轧材轧制的板，管和型材质量可靠，尺寸较精确，表面平整光洁，价格低廉，可以直接下料使用。也可以先经冷弯，热弯，折边，冲压后再使用。后者是机械制造中许多焊接结构效率最高，成本最低的方法。低如锅炉主体的全部，汽车除发动机和传动部件外的大部（底盘，车身，车轮等）都是用冲压和弯曲件焊成的。3 减少焊缝数和熔焊金属量减少焊缝数和熔焊金属量，可以减少焊接件的变形和应力，同时也减少焊接工作量。为了减少焊缝数，可采用槽钢，工字钢，钢管等各种型材，也可以采用冲压件代替部分焊接件，还可以把板材弯曲成形后焊接。4 选取适当的截面形状5 避免焊缝聚集当焊缝聚集在一起或各焊缝相互交叉，接近时，将产生较剧烈的变形和应力，甚至产生裂纹，设计时应当避免。6 使焊缝受力合理对于承受载荷的焊缝，设计时要使焊缝受力合理，既力流较平缓，受力较均匀。此外，焊缝要根据构件受力情况合理布局。例如受弯时，应将焊缝底面强度较弱的一边放在受压一侧。当焊接件受扭时，应采用封闭截面，避免采用开口截面。7 合理布置焊缝可以采取以下措施：（1）焊缝对称布局，并尽量使其接近中性轴，有利于减少焊接变形。（2）避免焊缝汇交和密集，让次要焊缝中断，主要焊缝连续，这有利于主要焊缝自动焊接。（3）使焊缝让开最高应力处，应力集中部位，加工面和表面热处理面。（4）宽垫板要防止中部拱起，应开孔加塞焊。本设计中有多处焊接：1动臂和斗杆结构为钢板焊接而成的矩形变截面封闭箱形梁。2动臂和斗杆内部加隔板以增加强度和刚度。3动臂与斗杆铰接处有用到焊接。4动臂，斗杆和铲斗上也有多处铰接，都要用焊接。按照被焊接件的相互位置，焊接接头分为：对接接头，搭接接头，丁字接头和十字接头，角接接头四种形式。本设计中，动臂以及斗杆的矩形变截面封闭箱形梁用角接接头；其内部的三个加强板用角接接头；动臂与斗杆铰接处用搭接接头。焊接过程中要注意对于承受载荷的焊缝，例如受弯时，应奖焊缝底面强度较弱的一边放在受压一侧。用到搭接接头的地方由于应力集中比对接接头严重，等腰三角形焊缝的力流不平缓。为了减小应力集中，对受变载荷的焊接件制成凹三角形或非等腰三角形。非等腰三角形的两边长之比常取为1.5:12:1。2.7液压挖掘机工作装置油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要的举升力。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缸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。当油缸工作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阀压力。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的状态下的作用力。液压挖掘机工作装置上设置的油缸主要有三种：1. 铲斗油缸2. 斗杆油缸3. 动臂油缸在组合式动臂中有时为了能在工作过程中改变动臂的形状，还设有辅助油缸。正铲铲斗有时还设有斗底开启油缸。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。通用式挖掘机工作装置油缸作用力的确定主要以反铲装置为主，进行分析选定后再按照正铲及装载装置等进行验算。以正铲为主的采矿型液压挖掘机，则以正铲装置为主进行分析选定。2.7.1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，并按照反铲最主要的工作位置最大挖掘深度时能保证具有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。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 （N）式中 铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂； 对铲斗与斗杆铰点的力臂；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 （N）式中斗杆油缸闭锁力对摇臂与斗杆铰点的力臂；对斗杆与动臂铰点的力臂；对斗杆与动臂铰点的力臂；挖掘阻力的法向分力，动臂油缸闭锁力应满足 （N）式中 动臂油缸闭锁力对铰点的力臂； 对动臂下铰点的力臂； 对铰点的力臂；此外，最大铲斗挖掘力在其工作位置能否实现，还受到挖掘机稳定性的限制，因为有可能当挖掘力尚未达到最大值时，挖掘机已经失去稳定（如前支点已经被抬起）。因此，选取铲斗油缸最大推力时，应以保证挖掘机的稳定性为前提条件。2.7.2斗杆油缸作用力的确定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。斗杆油缸的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，即对斗杆产生最大作用力矩，并使斗齿尖和铰点在一条直线。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因素，此时斗杆油缸作用力为 （N）而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满足 （N）动臂油缸闭锁力应满足 （N）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。2.7.3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。此时，动臂油缸作用力为； （N）式中铲斗及其装载土壤的重力；斗杆所受重力；动臂所受重力；铲斗质心到动臂下铰点的水平距离；斗杆质心到动臂下铰点的水平距离；动臂质心到动臂下铰点的水平距离。同样根据受力平衡可求出斗杆油缸闭锁力和铲斗油缸闭锁力。根据以上分析所确定的各油缸作用力及选定的工作压力，可以初步选定各油缸的直径。然后，再选取上述计算位置所求得各油缸闭锁力中较大者，按照初选各油缸直径计算其所需过载压力。过载安全阀压力与工作压力之比值不宜过大，一般取1.11.15，否则将导致工作装置结构自重的增大。如果计算出某油缸所需过载压力太大时，则应该通过调整该工作装置部件的结构尺寸或改变铰点位置等措施来改善受力情况。一般来说，液压挖掘机反铲工作装置斗齿最大挖掘力一般由铲斗油缸实现。由于受到斗杆及动臂油缸闭锁力以及挖掘机稳定条件的限制，反铲液压挖掘机不可能在任何挖掘位置都实现最大挖掘力。至于最大挖掘力可能实现的工作尺寸范围，可以按动臂以及斗杆处于不同转角位置时逐点分析验证。2.8斗杆缸设计2.8.1活塞杆的选用液压缸活塞往复运动时的速度之比 速比可参考20-6-3选定由于公称压力大于20,所以取2。活塞杆是液压缸传递力的重要零件,它承受拉力,压力,弯曲力和振动冲击等多种作用力,必须有足够的强度和刚度。对于双作用单边活塞杆液压缸,其活塞杆直径d可根据往复运动速度比(即面积比)确定 d取56mm2.8.2活塞杆的强度计算活塞杆在稳定工况下,只受轴向推力或拉力,可以近似地用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算: = 经校核强度合格F 活塞杆的作用力,Nd 活塞杆直径,m 材料的许用应力, 2.8.3活塞与密封圈的选用由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。设计活塞时，主要任务就是确定活塞的结构形式。本设计选用整体式活塞。活塞与活塞杆之间采用卡环式连接。两半卡环卡入卡环槽后会松脱，需套上卡环帽，再装上弹性挡圈。装拆方便，低速时使用广泛。活塞尺寸及加工公差活塞宽度一般为活塞外径的0.61.0倍。活塞外径的配合一般采用f9，外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm，端面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半。O型圈密封具有简单，密封性能良好和可靠等一系列优点，现已成为广泛使用的一种密封件。O型圈可用橡胶，塑料和金属制成。橡胶O型圈已可达到下列性能指标：工作压力：静密封 100N/ 动密封 35 N/工作温度：-60+120 轴径： 小于 3m密封面线速度： 小于3m/sO型圈具有双向密封能力，可做为静密封和动密封件使用。国家标准规定了公称内径2485，公称外径5500，截面直径1.98.6的橡胶O型圈共171个规格，并规定了相应的沟槽形式尺寸。沟槽内直径大于O型圈在安装时处于拉伸状态。伸长率为a： 式中 W自由状态的O型圈截面直径，mm； d自由状态的O型圈内径，mm； 沟槽内直径，mm。沟槽内外壁对O型圈施加的挤压程度用压缩率K表征： K=式中沟槽外直径，mm； 沟槽内直径，mm。(1)沟槽间隙 在高压下，O型圈的一部分被挤压进入沟槽的间隙内，因此被咬伤或者剪切撕裂。防止挤出破坏的方法是采用挡圈，应正确选择胶料硬度和沟槽间隙。沟槽主要尺寸：常用的矩形槽尺寸如下：矩形槽深度：H=（1-K）W宽度：B=W+（0.30.5）W本设计选用： W=5.30.13由于是往复密封，伸长率取1.02，压缩率取15%。矩形槽深度：H=（1-0.15）5.3=4.5 宽度：B=5.3+(0.30.5) 5.3=6.98 取8沟槽外径 80沟槽内径 804.52=713 反铲工作装置设计计算3.1 基本参数确定主要参数的选择确定是挖掘装载机总体方案设计中重要的环节，它与挖掘装载机整体和各主要机构的结构型式有密切关系。在确定主要参数时，必须正确处理先进性、可靠性、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，例如过分地减轻机重，将影响机械挖掘力的发挥并导致有效工作尺寸的减小，甚至影响机械的强度和刚度。反之，则必然导致机械过于笨重，经济性很差。因此要实事求是地分析和满足对各项性能指标的要求，盲目地提高或削弱共些参数都将带来不良的结果，因为挖掘装载机是个有机的整体，其性能的优劣不仅与各部件性能有关、更重要的是决定于各部件结构特性的协调匹配。按照WZ25-20的基本参数要求，参考液压挖掘机的设计，我们得到挖掘装载机的基本参数。按照标准斗容量的分级方式，我们可以预先选取如下参数：整机质量：8t 发动机功率：3545kW最大挖掘半径：56m 最大挖掘深度：3.54m最大挖掘力不小于:30kN按照附表一的经验数据，通过经验公式，我们可以算出各项参数。功率参数：发动机功率： =（kw）液压功率：（0.750.88）=（kw）反铲斗齿最大转斗挖掘力： （kw）各部分重量： 按照公式 (t) （2）反铲工作装置： 尺寸参数： 关于尺寸参数可按下式近似求得:线尺寸参数： (m) （3）面积参数：() （4）体积参数： () （5）式中分别为各种线向、面积、体积尺寸经验系数，见附表一臂长：斗杆长：3.2 总体布置及主要结构简介3.2.1总体布置WZ25-20挖掘装载机是在参考国外同类产品的基础上,运用CAD技术、优化设计等先进设计方法开发研制的。该产品采用液力传动、动力换挡、全轮驱动、发动机前置、防滚翻驾驶室、装载装置在前、挖掘装置在后的总体布置方案。发动机动力经变速箱后分成前、后输出,经传动轴最后到驱动桥。液压系统的动力取自变速箱后端。为了提高该车的通过性,轮胎选用宽基低压胎,以适应任何路况的工作。3.2.2主要结构主要结构参照国内WZ2520 生产产商的配置。经过对比选择，我们可以选用如下的配置：1)发动机 选用美国康明斯4BT39-C型增压水冷柴油机。该发动机具有性能优越、质量可靠、体积小、重量轻和油耗低等特点。2)变速箱 选用德国ZF公司的ZFWG92型变速箱。这种变速箱功能的可选性很强,液力变矩器能自动闭锁,并有液力缓速装置,挡位的组合种类很多,取力的数量及接口型式可供用户自由选择。3)驱动桥 选用德国ZF公司的产品,前桥为MS-2520型、后桥为MT-2075型。前桥为转向桥,全密封式,限滑差速和内置式转向油缸；后桥为制动桥,内置湿式盘式制动,带差速锁。4)车架结构型式为箱型框架结构,材料选用优质结构钢。车架一端与挖掘工作装置铰接,且其两侧又与支腿铰接,支腿型式为箱型结构蛙式支腿；车架另一端在中上部与装载工作装置铰接。车架与前桥由销轴铰接,与后桥由螺栓联接。5)挖掘工作装置由回转体、动臂、斗杆和铲斗组成,材料选用优质结构钢。回转体由钢板拼焊而成,通过左右回转油缸的作用使其带动整个挖掘工作装置在190范围内左右回转，动臂变幅范围为-6880。斗杆为封闭式变断面矩形箱形焊接结构，其变幅范围为-5448。动臂与斗杆均在应力集中区域进行局部加强处理。6)装载工作装置由动臂、斗杆、摇臂、连杆和铲斗组成,材料选用优质结构钢。动臂为封闭式箱形曲线形焊接结构,摇臂和连杆均为单板结构。7)驾驶室防滚翻型(ROPS)驾驶室内设空调、可调回转座椅,操作人员可十分容易地在装载和挖掘操作之间转换。另外,驾驶室设计美观大方、舒适、视野良好,驾驶室内部各个操纵杆件、踏板及仪表的布置符合人体工程学,确保司机操纵的舒适性。8)电气系统 包括控制系统、仪表系统、报警监测系统、车辆工况显示系统及灯光系统等。系统电压24V,电气系统的关键件均国际化配套,以确保系统工作的可靠性。9)液压系统 采用定量齿轮泵供油的开式系统。主要实现挖掘及装载工作装置作业、车辆转向、装载铲斗防过翻与自动放平等动作。液压系统采用了当今最为先进的Ultronics电子液压组合总线控制系统,该系统由两组阀块、两个座位安装的手柄组成。一组阀块控制挖掘动作,另一组阀块控制装载动作,通过操纵安装在座位扶手上的手柄将工作指令输入到带有CPU的ECU装置,由组合总线将指令传送至相应的阀(Canbus)来控制各油缸的动作,完成挖掘或装载的工作。另外,Ultronics电子液压组合总线控制系统还配备有自动检测程序,可将错误信息显示在驾驶室内的显示器或小型的LED阵列上。系统内的先导阀都是一样的,一旦发生先导故障可简单地将阀换掉,非专业人员即可完成。先导阀变更程序自动执行,系统自动完成数据下载、排气和试用。3.2.3总体结构及作业方式挖掘工作装置3种极限工作位置图如图3-1、图3-2、图3-3所示。图3-1 图3-2 图3-3 3.3 坐标系的建立 图3-4 反铲工作装置结构图1.结构尺寸符号图ACCDCFCBBFDFEFEGFG1235678910尺寸（mm）490957231015297811490445418418符号图FNGNNQNMFQMKKQVQVK111415162122242529尺寸（mm）14451580350485179057238011375722油缸尺寸符号图ABDEGMCL1L2L3MinMaxMinMaxMinMaxXCYC尺寸（mm）1180198010801780118019804006303油缸直径名称转斗缸直径斗杆缸直径动臂缸直径工作压力备压尺寸80mm100mm90mm（2只）21M