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机械毕业设计论文
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机械毕业设计652吨液压挖掘机的挖掘机构,机械毕业设计论文
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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埋，每班生产率大约相当于 300 400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。 nts 第 2 页 1.1 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 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盍时的驱动力矩大 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 1.0m3 液压挖掘机铲斗挖掘力 120 150KN，而同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。这种入选运动一般速度不高，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蹭传动，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nts 第 3 页 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 微处理器国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。 根据液压挖掘机种类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。通用通常，履带行走的液压挖掘机多为全液压传动。 轮胎式液压挖掘机具有行走速度快，机动性好，可在多种路面通行的特点。近年来，轮胎式挖掘机的生产量日渐增长。 悬挂式液压挖掘机是将工作装置安装在轮胎式或 履带式拖拉机上，可以达到一机多用的目的。这种挖掘机拆装方便，成本低廉。 汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车底盘，速度快，机动性好。 拖式液压挖掘机没有行走传动机构，行走时由拖拉机牵引， nts 第 4 页 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 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 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。 22 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。 1.2.2 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 W4 60、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nts 第 5 页 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窨，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 次设计斗容量为 0.2m3,全液压履带式挖掘机型号为 WLY20型，由于履带式液压挖掘机 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。 1.4 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 1 1所示。 图 1 1 整 体 式 弯 动 臂nts 第 6 页 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铲斗液压缸 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转斗液压缸实现的。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。 nts 第 7 页 2 总体 设计方案 2.1 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使于装拆和维修，尤其是易损件的更换。 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） 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返为机械能，实现各种动作。 nts 第 8 页 2.2.1 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 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。 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。 2.2.2 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，以充分发动机的动力性和燃油经济性。 nts 第 9 页 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，因此液压稭密封性能要好，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。 nts 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 3.1.1 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 3 1所示。 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，风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 2 1 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（或图 3 1 整 体 式 直 动 臂nts 第 11 页 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 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 2 4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。 3.1.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构 3.1.3.1 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。例如有人曾将两只 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 3 1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，nts 第 12 页 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，因此铲斗内臂不宜设置横向凸缘、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 铲 斗 对 比 试 验 结 果 表 3-1 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 2 19.05 40.6 42.6 22.68 100 53.3 在砂中 作 业 铲斗 1 铲斗 2 5.9 6.3 163.5 152.7 100 93.3 3为了使装进铲斗的物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗粒直 径之比应大于4： 1。当此比值大于 50： 1时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物料为匀质。 4装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便切入或破碎阻力较大有物料。挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。 3.1.3.2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 q 0.6m3时多采用螺栓连接（图 3 2a），斗容量 q 0.6m3时时多采用橡胶卡销结构（图 3 2b）。 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 铲斗与铲斗液压缸有三种型式（图 3 3），其区别主要在于液压缸活塞杆nts 第 13 页 端部与铲斗的连接方式不同，图 3 3a 为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。图 3 3b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 3 3d和 图 3 3b类似，区别在于前者液 图 3 2 斗齿安装方式 压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。图 3 3c的机构传动比与 b差不多，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 3 3b的连接方式。 3.2 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) 螺 栓 连 接 方 式 ； 橡胶卡销连接方式1 - 卡 销 ； 2 - 橡 胶 卡 销 ； 3 - 齿 座 ； 4 - 斗 齿a)nts 第 14 页 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。 3.2.1 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 3 4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 3 5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。 当两方案的动臂油缸安装尺寸 DE、铲斗最大挖掘高度 H和地面最大挖掘半径 R相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即 2h 1h 。此外，在后倾方案 中，动臂 EF部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。以上为动臂油缸后倾方案的缺点。然而，后倾方案动臂下铰点 C 与动臂油缸下铰点 D的距离 CD双前倾方案的大，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，在动臂油缸作用国相同时，后倾方案得到较大的动臂作用力矩，这量其优点。 图 3 3 铲 斗 与 铲 斗 液 压 缸 的 连 接 方 式nts 第 15 页 图 3 4 动 臂 油 缸 前 倾 布 置图 3 5 动 臂 油 缸 后 倾 布 置 方 案nts 第 16 页 为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘机将长动臂 CE F改换成短动 臂 CE F（图 3 5），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 2h 2h 。 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测试。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 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。油缸全伸时的偷税漏税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 100 130。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 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 140 160，在特殊作业时可以大于 180，摆角位置可以按图 3-7布置。当铲斗油缸全缩时，铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于 10 ,常取 15 25，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 3 6），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，正好斗齿挖掘 nts 第 17 页 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 30 50，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 3.3.1 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。 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。 图 3 - 6 铲 斗 摆 角 范 围 4 5 1 4 0 5 0 1 5 2 5 nts 第 18 页 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杆。 3.确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数 1K =21ll。 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 1K 2时，（有反铲取 1K 3）称为长动臂短斗杆方案，当 1K 1.5叶属于短动臂长斗杆方案。 1K 在 1.5 2之间称为中间比例方案。 要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例方案。相反，当用配套替换构件或可调连接适应不同作业条件时，不同的配置或铰点连接情况可组成各种比例方案。在使用条件单一，作业对象明确的条件下采用整体式动臂和斗杆固定铰接， 1K 值由作业条件确定。从作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下， 1K 愈大作业范围愈窄，从挖掘方式看 1K大宜用于斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而 1K 值小宜用于以转斗挖掘为主。 本设计采用中间比例方案 ,取 1K 1.8。 4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 1.6 1.7，个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取 1 1.75，而取 2 1.6 1.7，3 1.61.7。 3.3.2 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，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。 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。 nts 第 19 页 aaaaaaaaaallllllllllllllllllllllllLLLV FK QNHMGEDBZCATJIlll图3-7反铲机构自身几何参数的计算简图nts 第 20 页 反 铲 机 构 自 身 几 何 参 数 表 表 3-2 参数分类 机 构 组 成 铲斗 斗杆 动臂 机体 符 号 意 义 原始参数 l3=QV,l12=MH l13=MN,l14=HN l24=QK,l25=KV l29=KH l2=FQ,l9=EF l10=FG,l11=EG l15=GN,l16=FN l21=NQ l1=CF,l6=CD l7=CB,l8=DF l22=BF l4=CP,l5=CA l17=CI,l19=CT l30=CS,l38=JT l39=JI 推导参数 9 NMH 10 KQV 4 EFG 5 GNF 6 GFN 7 NQF 8 NFQ 2 BCF 3 DFC 11 CAP 9 TCP 特性参数 K2=324ll,l3 K2=92ll,l3 K2=4142ll,l3 1 CZF =57ll 11 K1=21ll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 3 3 3.3.3 斗形参数的选择 3.3.3.1 铲斗主要参数的选择 斗 容量 q 、平均斗宽 B ，转斗挖掘半径 R 和转斗挖掘装满转角 2 （这里令 max ）是铲斗的四个主要参数。 R 、 B 及 2 三者与 q 之间有以下几何关系（图 3 8） . nts 第 21 页 q = SKBR )2s in2(21 2 式 (3 1) 其中： q 0.2m 其中： q =0.2m3(已知 )，铲斗斗容量； R 铲斗挖掘半径，单位 m； B 铲斗斗宽，根据反 铲斗平均斗宽统计值和推荐范 围，查表 2 6 ，取 B 0.75m； 2 铲斗挖掘装满转角，一般取 2 90 100，取 2 95 1.658rad 把 q 、 B 、 2 代入式 (3 1)得： 0.221 2R 0.75 （ 1.658 sin95） SK解得： R 0.803m 铲斗上两个铰点 K 与 Q 的间距 24l （图 3 7）太大将影响铲斗传动特性，太小则影响铲斗结构刚度，一般取特性 2k =324ll=0.3 0.38,取 2k 0.34324ll 0.34， R =0.803m,得出 24l =0.273m。当转角较大时 2k 取较小值，一般取 KQV10 =95 115，取 KQV =105。 max图 3 8 铲 斗 主 参 数 示 意 图nts 第 22 页 反铲工作液压缸运动参数表 表 3 3 液压缸种类 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 参 数 符 号 动臂液压缸 11Le101minLeze11maxL =min11maxLL斗杆液压缸 22Le202minLeze22maxL =min22maxLL铲斗液压缸 33Leze22minLze33maxL =min33LLman3.3.3.2 斗形尺寸计算 根据铲斗主要参数可进一 步设计计算斗形其尺寸，如图 3-9 所示。图中三角形 OGE 为等腰三角形， OA 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20 30，斗侧壁角为 取 30 50，包角 取 108。常见铲斗斗形参数参考表 3-1 。改变三角形 OEG 的形状可以获得不同的形状的斗形。 斗形尺寸根据比拟法 b =0.75m(已知 )、 DR =0.803m(已知 ), 得出： 1x =0.294m; 2x =0.534m;3x=0.87; R =0.7324m;m =0.0706m; =40 ; =23 ; =108 H L =0.56m. nts 第 23 页 3.3.3.3 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 b 0.11 q =0.11 3 2.0 =0.064m; 齿长 l 0.26 q 0.26 3 2.0 0.152m; 齿距为： a =(2.5 3.5)b =(0.16 0.192)m,取 a =0.18m 斗前臂与切削面的间隙取 f =0.7b =0.0448m 又由于铲斗宽度 B=0.75m,齿宽与齿距之和为 0.064+0.18=0.244m baB=244.0 75.0=3.07 因此铲斗装有 3 个齿。 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 50 100%。因此，为避免这种超 Oy = a x 2 + b x + c)l图 3 9 反 铲 铲 斗 计 算 尺 寸nts 第 24 页 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 20 35（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 由于铲斗容量 q 0.2m3,根据国内外液压挖掘机有关设计标准，通过类比法，选出参数机重 G 5吨。 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 :Li=Lik 3Gm 得出 :最大挖掘半径 R 1 =3.35 35 =5.728m； 最大挖掘深度 Hmax1=2.05 35 =3.505m； 最大卸载高度 Hmax3 1.55 35 =2.65m； 据统计，最大挖掘半径 R 1 值一般与 l 1+ l 2 + l3的和值很接近。因此由要求 R 1 ，已定的3l和 1K 可按下列经验公式初选 l 1、 l 2 ： l 图 3 1 0 铲 斗 的 基 本 参 数nts 第 25 页 l21311 KLR式（ 3-2） l 1=K l 2 其中： R 1 =5.728m； 1K 1.8； 经计算得出： l 2 =1.759m； l1= 1K l 2 =1.8 1.759=3.166m 在三角形 CZF中， 1 、 l 1和3K都可以根据经验初选出： 其中： 1 动臂的弯角，采用弯角能增加挖掘深度，但降低了卸载高度，但太小对结构的强 度不利，一般取120 140，取 1 140； l 1 前面已算出为 3.166m； 3K 动臂转折处的长度比 ZCZF ，一般根据结构和液压缸铰点 B 的位置来考虑，初步设计取3K 1.11.3，取3K 1.2； 因此根 据公式：可以算出 41l 、 42l 、395 B17.9140ZC F图 3 1 1 动 臂 实 际 尺 寸nts 第 26 页 l41 13231c o s21 KKll42 K3l41 式（ 3-3） 39= ZCF arccos(142241212422 lllll ) 经计算得出： ZC=41l =1.529m； ZF= 42l =1.834m； 39=17.9 如图 3 11所示。 动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比 K4按不同情况选取，专用反铲可取 4K 0.8；以反铲为主的通用机， 4K 0.8 1.1；斗容量 1m3 左右的通用机，则可取 4K 1。 本设计中取 4K 1。 11的取值对特性参数 4K 、最大挖掘深度 Hmax1和最大挖高 Hmax2有影响。 加大11会使减小或使 Hmax1增大，这下符合反铲作业要求，因此基本用作反铲的小型机取11 60。 本设计中取11 70。 斗杆液压缸全缩时 CFQ =832 最大（图 3 12），常选 （832 ）max= 160 180 . 本设计中取 （832 ）max 170。 nts 第 27 页 BCZ 取决于液压缸布置形式，（图 3-11），动臂液压缸结构中这一夹角较小，可能为零。动 臂单液压缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼加耳座上， B在 Z的下面。初定 BCZ 5，根据已知 CZF 22.1 ，解得 BCF 17.1。 由图 3-12得最大卸载高度的表达式为 ） 211max11115Amax3 s in (s inYH ll 32118max1max322 )180s in ( ll 式（ 3-4） 由图 3-13得最大挖掘深度绝对值的表达式为 AYllllH 1152m i n111123max1 s in)s in ( 式（ 3-5） 将这两式相加，消去5l， 并令 A 11 2 ， B A +8-max32，得到： H max1 Hmax3 l 1 )sin(max1 A- sin( min1 -A) +2l )Bsin(max1 -1 =0 式（ 3-6） 又特性参数： 图 3 1 2 最 大 卸 载 高 度 时 动 臂 机 构 计 算 简 图1 11 2 32 8XYOnts 第 28 页 4K min11max1sinsin 式（ 3-7） 因此 sin min1 14max1sin Kcos min1 =2124max12sin(1 K ) 式（ 3-8） 将上式代入式（ 3-6）则得到一元函数 f(max1)=0。式中 Hmax1和 Hmax3已根据经验公式计算法求出， 经计算得出： min1 29.6；max1 73.5 图 3 1 3 最 大 挖 掘 深 度 时 动 臂机构计算简图 11 2 11 1nts 第 29 页 最后由式 （ 3-5）求5l为 5l11m a x1m i n1123 s in )s in ( HYAlll A 式（ 3-9） 70s in 505.365.0)6.291.97s in (166.3562.2 0.638m （其中： 1l =3.166m； 2l 1.759m； A 97.1； 由于履带总高 0.32 35 0.547，近似取 AY =0.65m） 然后，解下面的联立方 程，可求和： min1 =arcos(572 min125272 llLll )=arc(2122 ) max1=arcos(572 max125272 llLll )=arc(2222 ) 式（ 3-10） 于是： min1L =5lmax1L= x min1L 式（ 3-11） 1L = min1L 经计算得出： 1.63； 0.67； min1L =0.952m； max1L 1.52m；7l=1.61m 得到的结果符合下列几何条件： + =2.36 ； | - =0.96 1 3.3.5 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nts 第 30 页 取斗杆在挖掘过程中总转角g=50 80 ,取g 65，在这转角过程中，铲斗被装满，这时半齿的实际行程为： grs 601745.0其中：6r 斗杆挖掘时的切削半径，6r FV； 取maxFV32 ll 1.759 0.803 2.562m 斗杆挖掘时的切土厚度gh可按下式 计算： Sg BSKqh Sg BKrq601745.0斗杆挖掘阻力为： sggg KrqKBhKW6001 0 1 7 4 5.0式 (3 12) 式中0K 挖掘比阻力，由表 0 10 查得，0K 20（级土壤以下） sK 土壤松散系数近似值取 1.25。 斗杆 2l 与铲斗3l和 minFV 之间，为了满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗的总转角往往要达到 150 180 ， 322m i n2322230c o s llFVll 0.866803.0759.12 803.0759.12m in22 FV计算得：min6
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