毕业设计说明书参考模版-挖掘机工作装置设

本科毕业论文 题目 挖掘机工作装置设计 学 院 机械自动化学院 专 业 机械工程及自动化 学 号 3 学生姓名 汪乐 指导教师 侯宇 日 期 2010 年 6 月 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 I 摘要摘要 液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械 作为工程机械的主力机种 出于液压挖掘机具有多品种 多功能 高质量及高效率等特点 因此受到了广大施工 作业单位的青睐 其生产制造来了日益蓬勃发展 液压挖掘机主要由发动机 工作装置 回转装置 行走装置和 电气装置和液压 系统等部分组成 本次设计主要是关于挖掘机工作装置设计 工作装置是直接完成挖 掘任务的装置 进行工作装置的全面的通用性设计研究对推动国内挖掘机发展具有十 分重要的意义 本设计全面收集了国内外挖掘机工作装置设计的资料 对挖掘机的各种工况进行 了分析 总结了挖掘机工作装置的设计要求 分别对工作装置的各个组成部分进行了 较为详细的设计 这其中就包括了动臂 斗杆和挖斗的选型 各种组成部分尺寸的计 算及它们驱动装置的设计 驱动装置设计包括各种驱动装置的布置 行程 作用力的 确定 最后对动臂和斗杆在一些特殊工况下进行了校核 关键字关键字 挖掘机 工作装置 动臂 斗杆 挖斗 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 II Abstract Hydraulic excavator is a kind of multifunction machine used widely in construction field It is a primary kind of machine Because of its multifunction high quality and efficiency and various kinds many company like to use it Its manufacture is developing day by day Hydraulic excavator consist of engine working equipment rotator walking equipment electric control part and hydraulic system One main parts working equipment designing make up of this article Working equipment is the first equipment to finish digging task Using universal and professional excavator s working Equipment s design methods having a study of universal design with computer is very important to the development of domestic excavator In this article collect most of the world excavator s working equipment s designing material Analyze various kinds of excavator s working conditions Detailed design the various components of working device separately including the selection and calculation of Boom Stick and bucket and what they drive and design of their drive The design of drive includes determine of their arrangement and travelling and force At last checking the intensity of boom and stick in some special conditions Keywords excavator working equipment boom stick bucket 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 III 目 录 1 绪论 1 1 1 设计选题的意义 1 1 2 国内外液压挖掘机的发展动态和研究现状 1 1 2 1 国外液压挖掘机的发展动态和研究现状 1 1 2 2 国内液压挖掘机的发展动态和研究现状 2 1 3 当前液压挖掘机存在的主要问题 3 1 4 本设计的主要内容及目标 4 1 4 1 设计的主要内容 4 1 4 2 设计的关键问题 4 1 4 3 设计过程中的已知参数 5 2 工作装置总体方案设计 6 2 1 机型选择及特点分析 6 2 1 1 所用机型的适用范围 6 2 2 工作装置构成 6 2 3 动臂及斗杆的结构形式的初选 8 2 3 1 动臂结构形式的初选 8 2 3 2 斗杆结构形式的初选 8 2 4 动臂与动臂油缸的布置 8 2 5 铲斗与铲斗油缸的连接方式 8 3 动臂机构参数的计算及校核 9 3 1 动臂机构参数的确定 9 3 1 1 1 与 A 点坐标的选取 9 3 1 2 与的计算 9 1 l 2 l 3 l 3 1 3 10 4142 ll与的计算 3 1 4 11 5 l 的计算 3 1 5 动臂其它相关尺寸的计算 14 3 2 动臂基本数的校核 14 3 2 1 动臂机构闭锁力的校核 14 3 2 2 当满斗处最大挖掘半径时 动臂油缸提升力矩校核 17 4 斗杆机构参数的计算及校核 19 4 1 斗杆参数的计算及选择应考虑的因素 19 4 2 斗杆基本参数的确定 19 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 IV 4 2 1 斗杆液压缸的最大作用力臂及的计算 19 9 l 8 l 4 2 2 斗杆其它相关尺的计算 21 4 3 斗杆的结构设计和强度校核 21 4 3 1 斗杆的受力分析 21 4 3 2 第一工况位置的受力分析 21 4 3 3 第二工况位置的受力分析 29 4 3 4 斗杆内力图的绘制 30 4 3 5 斗杆宽度 钢板厚度 许用应力的选取 34 4 3 6 斗杆危险截面处高度 h 的计算 34 5 铲斗机构的选型及基本参数的确定 36 5 1 铲斗的选型 36 5 2 铲斗结构基本参数的计算 37 5 2 1 铲斗主要参数的计算 37 5 2 2 斗形尺寸的计算 37 5 2 3 转角范围确定 39 5 2 4 铲斗机构其它基本参数的计算 39 6 销轴与衬套的设计 41 6 1 销轴的设计 41 6 2 衬套的设计 41 7 总结 42 7 1 设计成果 42 7 2 存在不足及改进 42 7 3 设计展望 42 参考文献 43 致谢 44 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 1 1 绪论绪论 1 1 设计选题的意义设计选题的意义 我国是一个发展中国家 在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设 这就需要 大量的土石方施工机械为其服务 而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机械 因 此 可以肯定液压挖掘机的发展空间很大 可以预见 随着国家经济建设的不断发展 液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长 今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很 大的发展 液压挖掘机的年产量将会以高于 20 的速度增长 中国挖掘机市场自 1997 年开始已进入了一个较快的发展时期 2001 年与 2000 年 比较 全国挖掘机的产 销量分别增长 55 和 56 截止到 2002 年 8 月底全国挖掘 机的销量已超过 13000 台 超过了 2001 年全年的销售数 2003 年全国液压挖掘机的销 售量超过 18000 台 显然 挖掘机在整个工程机械行业中是产 销量增长最快的机种 之一 而在挖掘机中最为重要的就是关于工作装置设计 因为挖掘机的工作装置能够最 为明显的体现机器的工作能力和工作寿命 所以设计工作可靠 性能好 成本低 效 率高 维护使用方便的工作装置就显得格外重要 1 2 国内外液压挖掘机的发展动态和研究现状国内外液压挖掘机的发展动态和研究现状 最早在液压挖掘机工作装置设计时 设计人员通过类比 查表 理论计算初步确 定性性能参数以后 还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析 计算量大 而且 在设计过程中 大都选取几个特殊位置进行检讨计算 其精度当然较低 当今计算机 广泛应用于机械设计中 挖掘机工作装置设计得到了很快的发展 针对液压挖掘机工 作装置的CAD软件也已经有了不少的研究 1 2 1 国外液压挖掘机的发展动态和研究现状国外液压挖掘机的发展动态和研究现状 国外挖掘机生产历史较长 液压挖技术的不断成熟使挖掘机得到全面的发展 德 国是世界上较早开发研制挖掘机的国家 1954 年和 1955 年德国的德马克和利渤海尔公 司分别开发了全液压挖掘机 美国是继德国以后生产挖掘机历史最长 数量最大 品 种最多和技术水平处于领先地位的国家 日本挖掘机制造业是在二次大战后发展上起 来的 其主要特点是在引进 消化先进技术的基础上 通过大胆创新发展起来的 韩 国是液压挖掘机生产的后起之秀 20 世纪 70 年代开始引进技术 由于产业政策进入国 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 2 际市场 并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一 20 世纪 60 年代 挖掘机进入成熟期 各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其 它技术相结合 使产品适应性得到了较快的发展 产品寿命和质量不断得到提高 操 纵更加舒适 产品更加节能 例如美国卡特彼勒公司 1955 年以后推出的 300B 系列液 压挖掘机 采用一种命名为 maestro 的系统 通过载荷传感液压装置 控制发动机的 输出功率 实现与液压泵的严格匹配 Maestro 控制面板在机型上安装两种功率模式和 四种工况状态 允许用户自行决定功率工况模式 再如韩国现代公司生产的 ROBEX450 3 型液压挖掘机 有四种功率模式 通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机 转速和液压泵的输出参数 使得发动机 液压泵的速度及液压用液压系统压力与实际 工况相适应 从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗 此种技术在日本松 日立建 机 神钢 韩国大宇重工 德国的利渤海尔 英国的 JCB 等到公司均得到普遍应用 代表了当代液压挖掘机的最高水平 当前 国际上挖掘机的生产正向大型化 微型化 多能化和专用化的方面发展 由于使用性能 技术指标上的优越 世界上许多国家 特别是工业发达国家 都在大 力发展单斗液压挖掘机 目前 单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进 以达到高效节能 应用范围不断扩大 成本不断降低 向标准化 模块化发展 以提 高部件 配件的可靠性 从而保证整机的可靠性 电子计算机监测与控制 实现机电 一体化 提高机械作业性能 降低噪音 减少停机维修时间 提高适应能力 消除公 害 纵观未来 单斗液压挖掘机有以下的趋势 1 向大型化发展的同时向微型化发 展 2 更为普遍地采用节能技术 3 不断的提高可靠性和使用寿命 4 工作装 置结构图不断的改进 工作范围不断扩大 5 由内燃机驱动向电力驱动发展 6 液压系统不断改进 液压元件不断更新 7 应用微电子 气 液等机电一体化综合 技术 8 增大铲斗的容量 加大功率 提高生产效率 9 人机工程学在设计中的 充分应用 1 2 2 国内液压挖掘机的发展动态和研究现状国内液压挖掘机的发展动态和研究现状 早在1958年国内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 当时出于受配件如发动机 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 到了80年代末和90年代初 世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅速 的提高 突出表现在追求高效率 同一机重的挖掘机功率普遍提高 液压系统流量增大 作业循环时间减小 作业效率大大提高 高可靠性和追求司机操作的舒适性 国内原有的数家挖掘机专业生产厂为了生存和发展 利用自身的实力和丰富的挖 掘机生产经验 纷纷在工厂的技术改造 试验研究 新产品开发方面下大功夫 有的 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 3 新开发的产品 也包括某些已生产多年的老产品 为了提高作业的可靠性 干脆采用了 进口的液压件和发动机 甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计 这种经过 改型或新设计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高 这样 引 进和消化国外的不少技术 在技术方面都有了长足的进步 国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展 但与国外挖掘机行业发达国家相比仍 存在许多不足 其原因除了国内挖掘机加工水平落后之外 挖掘机设计水平与发达国 家相比也有较大的差距 尤其是一些先进设计技术的掌握和应用 国内众多的研究人 员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究 开发了其设计软件 他们的研 究基本上局限于解决某些问题 即工作装置的几何参数 运动参数和力参数等的解决 关于工作装置设计参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有 因此 开发 出的软件缺少通用性 不能使用于挖掘机工作装莺的一些通用问题的解决 对工程机 械这个行业不具有通用性 特别是国内 CAD在许多企业还停留在辅助制图的程度上 当然也有部分企业用CAD进行空间布置设计 虽然部分软件也有一定的分析计算能力 但是远远不能达到设计需要 对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很 少 经过近十年的研究 获得了一些成果 但是研究还不够深入 有些研究结果已进 入实际应用过程中 目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于 为了使挖掘机设 计人员从繁忙的计算中解脱出来 现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计 即大多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限进行的 在这种情 况下开发出一个专业的工作装置设计工具和软件显得非常的重要 国内液压挖掘机的研究和发展动向应该体现在以下几个方面 1 提高效率 降 低能耗 2 提高技术性能和控制性能 3 发展集成 复合 小型化 轻化元件 4 开展液压自动控制技术方面的研究与开发 5 加强以提高安全性和环境保护为 目的研究工作开发 6 提高液压元件和系统的工作可靠性 7 标准化和多样化 8 开展液压系统设计理论和系统性能分析研究 1 3 当前液压挖掘机存在的主要问题当前液压挖掘机存在的主要问题 虽然液压挖掘机的发展很快 但是液压挖掘机仍然存在着各种问题 1 控制精度的要求并不高 多数在100mm之内 并不像其它领域机器人运动控 制要求到10mm之内 或者更高 首先 挖掘机本身的机构尺寸通常都比较 大 其次 挖掘机进行土木施工的精度与一些工业加工比较起来要低得多 相对较低的精度仍然能够满足挖掘机在实际工作中的需要 多数研究者在实 现以上控制精度时 铲斗末端速度比较低 最快的也在150mm s之内 而这 个重要参数直接影响挖掘机的工作效率 所以 保证控制精度的情况下提高 铲斗末端速度是本文需要解决的问题之一 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 4 2 虽然世界各国的研究水平参差不齐 但是多数处在实验室阶段 或从成本的 角度考虑采用伺服阀进行控制 与工程实际差距较大 对挖掘机工作装置的 研究是在静态下进行的 忽略惯性项的影响 所以在实际工程中也是不适用 的 多数研究中都没有考虑到系统的节能问题 很难将研究结果在实际中进 行推广 3 挖掘机工作装置作为一种典型的工程机械复杂机电液系统 由于其自身的特 点 该项研究是比较困难的工作 主要在于 在机构运动过程中 惯性力负 载的多变性 电液比例系统数学模型中的参数多与机构的姿态有关 属于时 变参数 准确地得到每个参数的值非常困难 整个系统存在大量不确定量 不确定参数及不确定的非线性模型 例如在不同温度下液压油的弹性模量 和黏性等 均属于不确定参数 工作过程中 由于与地面接触而产生的扰动 等不能准确建立数学模型的量 均属于不确定的非线性模型 以上各类不确 定量都将对系统控制的稳定性和动态特性产生极大的影响 1 4 本设计的主要内容及目标本设计的主要内容及目标 1 4 1 设计的主要内容设计的主要内容 1 分析和拟定设计任务书 确定设计思想和原则 并提出设计结构方案的初 步思想 2 挖掘机主要参数的确定 3 挖掘机工作装置各主要机构的结构方案的确定 4 挖掘机工作装置各主要结构力的分析与计算 5 挖掘机工作装置各主要机构的强度校核 1 4 2 设计的关键问题设计的关键问题 1 关于挖掘机总体设计 就是各种整体参数和局部参数的计算 这中间就 包括动臂 斗杆及挖斗的主要参数的计算 2 液压挖掘机工作装置各主要机构结构方案的确定 这包括几方面的内容 首 先就是关于动臂和斗杆的选型 其次就是动臂 斗杆和挖斗的油缸的布置如 何确定 第三就是各个铰链点如何确定 3 作用力的计算 这其中包括油缸的作用力 还有各种挖掘力 4 各种强度的校核 其中动臂的校核尤为重要 还有斗杆的强度校核 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 5 1 4 3 设计过程中的已知参数设计过程中的已知参数 铲斗容量 0 8 立方米 最大挖掘力 130KN 整体质量 20 吨 工作装置液压回路最大压力 34MP 最大挖掘半径 7 42 米 最大挖掘高度 8 41 米 最大挖掘深度 5 12 米 最大卸料高度 4 62 米 发动机功率 98KW 发动机转速 2300r m 工作装置液压系统主参数的初步选择 各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和 三化 要求以及初步估取 的液压缸受力 初选动臂油缸内径 D1 120mm 活塞杆的直径 斗杆油 1 80dmm 缸的内径 D2 120mm 活塞的直径 铲斗油缸的内径 D3 80mm 活塞 2 80dmm 杆的直径 又由按经验公式选各缸全伸长度与全缩长度之比 3 50dmm 参照猫画虎任务书的要求选择工作装置液压系统的工作压力为 123 1 6 闭锁压力 与相同类型的挖掘机相比可知动臂油缸的 3 50dmm 1 137 4PPMp 行程 斗杆油缸的行程 铲斗油缸的行程 1 1347Lmm 2 1420Lmm 3 1220Lmm 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 6 2 工作装置总体方案设计工作装置总体方案设计 2 1 机型选择及特点分析机型选择及特点分析 本设计中 我选的是单斗液压挖掘机 其工作装置采用反铲装置 单斗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机械 它是机械 传动单斗挖掘机的基础上发展而来的 是目前挖掘机中重要的品种 2 1 1 所用机型的适用范围所用机型的适用范围 在建筑工程 交通工程 露天工程 水利施工及现代军事工程中都广泛采用 是各种土石方施工中重要的机械设备 由液压挖掘机在构造和性能上有较多的优越性 因此近年来发展迅速 在中小型单斗挖掘机中 已取代了机械传动单斗挖掘机 成为 工程机械的主要机种 2 2 工作装置构成工作装置构成 铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式 动臂 斗杆和铲斗等主要部 件彼此铰接 在液压缸的作用下各部件绕铰点摆动 完成挖掘 提升和卸土等动作 图2 1为挖掘机最常用的反铲工作装置 1 油管 2 动臂 3 斗杆油缸 4 动臂油缸 5 铲斗 6 斗齿 7 侧齿 8 连杆 9 摇杆 10 铲斗油缸 11斗杆 图2 1 挖掘机反铲工作装置 挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构 铲斗是由厚度很薄的钢 板焊接而成 各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆 根据以上特征 可以对工作 装置进行适当简化处理 则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂 斗杆 铲斗 动臂油缸 斗杆油缸 铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 7 六杆机构 处理具体简图2 2所示 进一步简化图如2 3所示 图 2 2 工作装置的结构简图 1 铲斗 2 连杆 3 斗杆 4 动臂 5 铲斗油缸 6 斗杆油缸 图 2 3 工作装置结构简化图 挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构 自由度是 3 即工作 装置的几何位置由动臂油缸长度 L1 斗杆油缸长度 L2 铲斗油缸长度 L3 决定 当 L1 L2 L3 为某一确定的值时 工作装置的位置也就能够确定 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 8 2 3 动臂及斗杆的结构形式的初选动臂及斗杆的结构形式的初选 2 3 1 动臂结构形式的初选动臂结构形式的初选 动臂采用整体式弯动臂 这种结构形式目前应用最广泛 其主要特点是制造方 便 成本低 质量轻 能有较大的动臂弯角 装载作效率高 挖掘深度也比较大 配 用加长可调斗杆 可以很好地完成垂直壁面的挖掘作业 而且所挖掘的壁面平直整洁 2 3 2 斗杆结构形式的初选斗杆结构形式的初选 斗杆也有整体式和组合式两种 大多数挖掘机采用整体式斗杆 在本设计中由 于不需要调节斗杆的长度 故也采用整体式直斗杆 2 4 动臂与动臂油缸的布置动臂与动臂油缸的布置 动臂油缸一般布置在动臂的前下方 下端与回转平台铰接 支承点设在转台回转 中心之前并稍高于转台平面 这样的布置有利于反铲的挖掘深度 油自由式活塞杆端 部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间 这样虽然削弱了动臂的结构强度 但不影响以 动臂的下降幅度 并且布置中 动臂油缸在动臂的两侧各装一只 这样的双臂在结构 上起到加强盘作用 以弥补前面的不足 具体结构如图 2 4 所示 1 动臂 2 动臂油缸 1 斗杆 2 连杆机构 3 铲斗 图 2 4 铲斗连接布置图 图 2 5 铲斗连接布置图 2 5 铲斗与铲斗油缸的连接方式铲斗与铲斗油缸的连接方式 本方案中采用六连杆的布置方式 相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸 行程下能得到较大的铲斗转角 改善了机构的传动特性 该布置 1 杆与 2 杆的铰接位 置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够的铲斗平均挖掘力 如图 2 5 所示 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 9 3 动臂机构参数的计算及校核动臂机构参数的计算及校核 3 1 动臂机构参数的确定动臂机构参数的确定 我是根据在前面的图 2 2 即工作装置的结构简图来计算出动臂 斗杆 连杆及铲 斗的基本参数 3 1 1 1 与与 A 点坐标的选取点坐标的选取 动臂的弯角 1 如图 2 2 所示 一般可取为 1 120 140 弯角太小会 对结构强度不利 般取 1 120 由经验统计参考其它同斗容机型 初选牲参数 K3 1 2 其中 42 3 41 l K l 铰点 A 点坐标的选择 由底盘和转台结构 并结合同斗容其它机型的测绘 初选 400 1300 A A Xmm Ymm 3 1 2 与与 的计算的计算 1 l 2 l 3 l 由统计分析可知 最大挖掘半径 R1 的值与 的值很接近 由已经给定的 1 l 2 l 3 l 最大挖掘径 R1和通过与 K1 计算与选取就可以得到另外两个尺寸 3 l 取 K1 1 8 其中 1 1 2 l K l 由经验公式知 取 其中 q 是斗容量 3 3 1 55lq 代入 q 0 8mm 可得 1448mm 3 l 最大挖掘半径 1123 Rlll 则 13 2 1 7420 1448 2132 86 11 1 8 Rl lmm K 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 10 所以 11 2 1 8 2132 863839 15lK lmm 3 1 3 4142 ll与的计算 参看图 3 1 中可知 在 CZF 中知道了 1 就可以容易的求得 13 lK与 4142 ll与 的计算公式如下 41 l 1 41 2 331 41 2 12cos 3839 15 1 1 22 1 2 cos120 l l KK l 代入数值可得 2010 02mm 41 l 423 41 1 2 2012 022412 02lK lmm 同样在 CZF 中 由余弦定律得 222 42141 39 4242 222222 42141 39 4242 39 coscos 2 2412 023839 152010 02 arccosarccos 22 2412 02 3839 15 arccos0 8918226 9 lll ZFC ll lll ll ZCF 则 解上式可得 同样可以得到 18012026 933 1ZCF 图 3 1 最大挖掘半径时动臂机构计算简图 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 11 3 1 43 1 4 5 l 的计算 动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比按不同的情况选取 如前所述 专用反铲 4 K 取 0 8 所以这里我取 0 4 4 K 4 K 1141max2max H 的取值对特性参数K和最大挖掘深度H及最大挖掘高度有影响 1141max11 60KH 加大会使减少或使增大 这是符合反铲作业要求 因此基本用作反铲的小型机常取 根据要求可以初选 11 62 5 斗杆液压缸全缩时最大 如图 3 2 所示 常选 328 CFQ 328 max 160 180 根据本设计的要求可选择 328 max 160 图 3 2 最大卸载高度时动臂机构计算简图 取决于液压缸布置形式 如图 3 1 所示 动臂又液压缸结构中这一夹角较小 可BCZ 能为零 动臂单液压缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼缘加耳座上 B 在 Z 的下面 初定 则在 CZF 中可以得到 5BCZ 2 33 1526 1BCFZCFBCZ 由图 3 2 得最大卸载高度的表达式为 3max11max112232max1max81123 sin sin 180 C HYlll 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 12 也可以写成以下式子 3max511max112232max1max81123 sinsin sin 180 A HYllll 3 1 由图 3 3 得到最大挖掘深度绝对值的表达式 1max11min11223 sin C HYlll 也可以写成以下的表达式 3 1max3211min112511 sin sin A HllllY 2 将式 3 1 和 3 2 相加 消去得 5 l 1max3max11max21121min32max11821111min22 sin sin sin HHllll 3 3 同时令 112 A 832max BA 根据以上求得的数据代入得 可知 62 526 188 6 88 616071 4 A B 将 A 与 B 的值代入到式 3 3 中则得到以下式子 3 4 1max3max11max1min21max sin 88 6 sin 88 6 sin 10HHllB 又知特性参数 3 5 1max 4 11min sin sin K 则有关 3 6 1max 1min 41 2 1max 1min 22 41 sin sin sin cos1 K K 将式 3 6 代入式 3 4 中则得一元函数 式中是在设计任 1max 0f 1max3max HH与 务书要求的 就是已知的 A 和 B 都先已选出或算出 由此式可解得 1 l 2 l 1min 1max 26 5 163 4 再由式 3 2 可求得为 5 l 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 13 2311min1max 5 11 sin sin A lllAYH l 代入数值得 5 14482132 863839 15sin 88 626 5 13005120 624 31 sin62 5 lmm 而与满足以下方程 1min 1max 3 22222 751min 1min 7 5 1 arccos arccos 22 llL l l 7 3 222222 751max 1max 7 5 arccos arccos 22 llL l l 8 所以 0 895 0 958 22 1 2 cos26 5 222 2 cos163 4 一般情况下选择是 则解上式就可以得到 和 1 2953 0 3437 对求得的值进行验算 和 1 6391 6 0 95161 则 的值满足这两个经验公式 说明了的值是可行的 和 和 由 3 7 和 3 8 两式可知 5 1min 1max1min 71min 624 31 1816 44 0 3437 1 6 1816 442906 30 1 2953 1816 442352 83 l Lmm LLmm lLmm 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 14 图 3 3 最大挖掘深度时动臂机构计算简图 3 1 5 动臂其它相关尺寸的计算动臂其它相关尺寸的计算 前面已经确定了动臂的选型为整体弯动臂 则还要一个重要的参数是在动臂转弯 处的高度 通过对相同容量的挖掘机进行类比可知 初定这个高度为 H 800mm 对此 动臂机构的全部参数初步选出 3 2 动臂基本数的校核动臂基本数的校核 3 2 1 动臂机构闭锁力的校核动臂机构闭锁力的校核 正常挖掘力 1J W 3 1 35 max 1 max cos 1 cos J WC RBAZXD 9 在式 3 9 中 切削阻力的切向分力 1J W C 土壤的硬度系数 对不同的土壤条件取值不同 这里设挖掘机用于 III 级土壤的挖掘 取值为 120 R 铲斗与斗杆铰点到斗齿尖距离 即转斗切削半径其在前面已经初步 确定取值为 1448mm 某一挖掘位置时铲斗总转角的一半 这里取值为 50 max 某一挖掘位置处转斗的瞬时转角 在此处由于是求平均挖掘阻力 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 15 故初取值与相同为 50 max B 切削刃宽度影响系数 B 1 2 6b 1 2 6 1 448 4 76m A 切削角变化影响系数 取值为 1 3 Z 带有斗齿白唇红系数 取值为 0 75 X 斗侧臂厚影响系数 X 1 0 03S 其中要为侧臂百度 由于是初步 设计 故预取值为 1 15 D 切削刃挤压土壤的力 根据经验统计和斗容量的大小选取 D 1 3 N 4 10 将以上的数值代入到式 3 9 中可以解得 0 2 N 1J W 5 10 值的求取 C Y 如图 3 5 所示 当斗杆油缸全缩时 E Q V 三点共线 且斗齿尖 V 和铰点 C 在 同一水平线上 22 401max11max132max 2 cosLLRLL RL 代入数值得 22 40 3839 15 74203839 15 2 3839 15 74203839 15 cos1687379Lmm 则 7420 7379 41mm 30 l 由图 3 4 可知 511 sin CA YYl 代入数值得 1300 62462 5 1853mm C Ysin 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 16 图 3 4 最大挖掘半径计算简图 由图 3 5 知 最大挖掘深度时的挖掘力力矩 1J M 3 10 111max JJC MWHY 0 2 5 12 1 853 1 39N 1J M 5 10 5 10 动臂油缸的闭锁力 6226 111 37 4 10 6040 10FPS 解之得 2 35N 1 F 5 10 其中为动臂油缸小腔作用面积 锁紧压力 1 S 1 1 151 15 3437 4PPMP 最大挖掘半径工作装置自身重力所产生的力矩为 G M 要求力矩 自行应该需要知道作用力和作用力臂 在此处 则是先要求出工作装 置各个部分的重量 由经验统计 初步估计工作装置各部分质量如下 动臂 斗杆 1 1173Gkg 2 622Gkg 铲斗 斗杆 3 622Gkg 4 178Gkg 铲斗缸 连杆机构 动臂油缸 5 115Gkg 6 116Gkg 7 178Gkg 当处于最大挖掘深度时 11min 212111 2 26 5 26 54662 511 由前面的计算可知 21 10 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 17 另外根据经验公式斗内土重 0 G 33 1 6101 6 0 8 101280qkg 由图 3 5 可知 1 234560121 cos 2 G G MGGGGGG gl 代入数值得 5 586 5622622 178 102 116 1280 9 8 3 839cos10 1 32 10 G G M MNM 动臂油缸的闭锁力与工作装置重力所产生的力矩 对 C 点的矩 171min 3 min 5 3 555 3 2sin 2 2 35 100 625 sin26 5 1 816 0 72 101 32 102 02 10 G G Fl MM L MM MNM 由前面的计算可知 1J M 5 1 39 10 NM 则 31J MM 这说明动臂油缸的闭锁力与工作装置重力所产生的力矩略大于平均挖掘姐力满足要求 图 3 5 最大挖掘深度计算简图 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 18 3 2 2 当满斗处最大挖掘半径时 动臂油缸提升力矩校核当满斗处最大挖掘半径时 动臂油缸提升力矩校核 NH 摇臂 HK 连杆 C 动臂下铰点 A 动臂油缸下铰点 B 动臂与动臂油缸铰点 P 动臂上铰点 D 斗杆油缸上铰点 E 斗杆下铰点 G 铲斗油缸下铰点 Q 铲斗下铰点 K 铲斗上铰点 V 铲斗斗齿尖 图 3 6 最大挖掘半径时工作装置结构简图 工作装置重量级 2356G D GGGGG 代入数值得 622622 115 1161475 G D Gkg 按经验公式取土的重量 3 0 1 6101280Gqkg 当处最大挖掘半径时 工作装置简图如图 3 6 所示 则有 1 1 412123 1 0 7 22 ZG DT l MGGllG lll 代入数值得 5 1 4481 448 1173 178 101475 10 3 839150 7 2 13286 1280 10 3 839152 13286 22 1 74 10 Z Z M MNm 动臂油缸的推力 6265 11 34 1060103 96 10FPSN 如前图所示 在CAB 中 21121 26 162 5088 6ACB 同样在CAB 当中由余弦定律可知 2222 1 2cosLABACBCACBCACB 代入数值得 2222 1575 7 1 2cos6242352 832 624 2352 83cos88 6 2419 Llll lACB Lmm 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 19 由等面积的方法可知以下等式 1 15 7 sinsinLeACBCACBl lACB 则力臂 5 7 1 1 sinl lACB e L 代入数值可知 1 624 2352 83sin88 6 606 5 2429 emm 则此时动臂油缸的提升力矩为 55 1 1 3 96 102 0 60654 8 10 TZ MFeNmM 故满足要求 4 斗杆机构参数的计算及校核斗杆机构参数的计算及校核 4 1 斗杆参数的计算及选择应考虑的因素斗杆参数的计算及选择应考虑的因素 第一 保证斗杆液压缸有足够的斗齿挖掘力 一般来说希望液压缸在全行程中 产生的斗齿挖掘力始终大于正常挖掘阻力 液压缸全伸时的作用力矩应足以支撑满载 斗和斗杆静止不动 液压缸作用力臂最大时产生的的最大斗齿挖掘力大于要求克服的 最大挖掘阻力 第二 保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力 对于以转斗挖掘力为主的中小型反 铲 选择斗杆机构参数时必须注意转斗挖掘时斗杆液压缸的闭锁能力 要求在主要挖 掘区内转斗液压缸的挖掘力能得到充分的发挥 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 20 第三 保证斗杆的摆角范围 斗杆的摆角范围大致在 之间 大在105 125 满足工作范围和运输要求的前提下此值应尽可能小些 对以斗杆挖掘为主的中型机更 应注意到这一点 一般说斗杆愈长 其摆角也可稍小 当斗杆液压缸和转斗液压缸同 时伸出最长时 铲斗前壁与动臂之间的距离应大于 10cm 4 2 斗杆基本参数的确定斗杆基本参数的确定 4 2 1 斗杆液压缸的最大作用力臂斗杆液压缸的最大作用力臂 及及 的计算的计算 9 l 8 l 根据斗杆挖掘阻力计算 并参考国内外同型机器斗杆挖掘力值 按要求的最大 挖掘力确定斗杆液压缸的最大作用力臂 取整个斗杆为研究对象 可得斗杆油缸 9 l 最大作用力臂的表达式为 max23 2max9 2 G Pll el P 33 626 78 10 2132 86 1448 10 10346010 726 73 mm 图 4 1 斗杆机构参数计算简图 如图 4 1 所示 斗杆液压缸初始力臂与最大力臂之比是斗杆摆角的余弦 20 e 2max e 2max 函数 则存在以下式子 2max 8 202max 2max9 cos 2 cos 2 l e el 可见已定时愈大 和就愈小 即平均挖掘力就越小 要得到较大的的平 9 l 2max 2 e 20 e 均挖掘力 就要尽量减少 初取 2max 2max 90 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 21 由图 4 1 的几何关系有 2max 2min22min9 2max 9 2min 2 2 sin 2 2sin 2 1 LLl l L 90 2 726 73 sin 2 1 6 1 1712 92 mm 而 1 6 1712 92 2740 67 mm 2max2min2 LL 同样由图 4 1 所示可知 由余弦定律知 2 2max 82min92min 9 2cos 2 lLlLl 22 18090 1712 92726 732 1712 92 726 73 cos 2 2285 32 mm 4 2 2 斗杆其它相关尺的计算斗杆其它相关尺的计算 斗杆上取决于结构因素和工作范围 如图 2 2 一般在 之EFQ 130 170 间 初定 同样的动臂上的也是结构尺寸 并按结构因素分析 EFQ 150 DFZ 可初选 DFZ 10 4 3 斗杆的结构设计和强度校核斗杆的结构设计和强度校核 4 3 1 斗杆的受力分析斗杆的受力分析 斗杆要受到弯矩的作用 故要找出斗杆的最大弯矩进行设计计算 根据分析和 以往的实验表明 在铲斗进行挖掘时 产生最大弯矩的工况可能能有以下两个 第一工况位置 其满足以下条件 1 动臂处于最低位置 即动臂油缸全缩 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 22 2 斗杆油缸的力臂最大 3 铲斗齿尖在动辟与斗杆铰点和斗杆与铲斗铰点的连线上 4 侧齿挖掘时受到横向力的作用 k W 第二工况位置 其满足的以下条件 1 动臂位于动臂油缸对铰点 A 的最大作用力臂处 1max e 2 斗杆油缸的力臂最大 3 铲斗齿尖位于 F Q 两铰眯的连线上或铲斗位于最挖掘力的位置 4 挖掘阻力对称于铲斗 无侧向力的作用 k W 4 3 2 第一工况位置的受力分析第一工况位置的受力分析 在这个工况下斗杆可能存在最大的矩 受到的应力也可能最大 该工况的具体简图如图 4 2 所示 取工作装置为研究对象 如图 4 3 所示 在该 工况下存在的力有 工作装置各部件所受到的重力 作用在铲斗上的挖掘力 包括 i G 切向阻力 法向阻力 侧向阻力 1 W 2 W 3 W A A C B D F E G V Q K N H HK 连 杆HN 摆 杆C 动 臂 下 铰 点A 动 臂 油 缸 下 铰 点B 动 臂 与 动 臂 油 缸 的 交 点F 动 臂 上 铰 点D 斗 杆 油 缸 上 铰 点E 斗 杆 油 缸 下 铰 点G 铲 斗 油 缸 下 铰 点Q 铲 斗 下 铰 点K 铲 斗 上 铰 点V 铲 斗 斗 齿 尖 HK 连杆 HN 摆杆 C 动臂下铰点 A 动臂油缸下铰点 B 动臂与动臂油缸的交点 F 动臂上铰点 D 斗杆油缸上铰点 E 斗杆油缸下铰点 G 铲斗油缸下铰点 Q 铲斗 下铰点 K 铲斗上铰点 V 铲斗斗齿尖 图 4 2 斗杆第二工况时的工作装置简图 当液压缸全缩时 则动臂处于摆摆角最小处 由图 4 4 可知以下的角度关系 2011min 21202 根据前面的已知的角度可求得 由图 4 2 所示可知 向量 CF 可以表示为 21 62 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 23 向量 3839 cos 62 sin 62 CF 3581 cos62sin62 H K Q N G3 F P W W 4 1 2 NH 摇 臂HK 连 杆 NH 摇臂 HK 连杆 图 4 3 铲斗受力分析简图 图 4 4 F 点坐标计算简图 由前面的计算结果可知 26 9ZFC 8 2285 32DFlmm 在中 DEF DEF 90 726 73 cos0 31799 2285 32 EF EFD DF 通过上式可解得 EFD 71 5 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 24 同样在前面我已经确定了 在四边形 CDEF 中150EFQ EFC 26 91071 5108 4 由以上的角度关系可表达出向量 FV 设向量 FV 与 X 轴的夹角为 则根据图 2 2 可知 180180 360108 4150 62 则取正值就是39 6 140 4 向量 FV 23 cos140 4sin140 4ll 3580 86 cos140 4sin140 4 连杆机构的总传动比为 r 铲斗油缸对 N 点的作用力臂为 连杆 HK 对 N 点的作 1 r 用力臂为 连杆对 Q 点的作用力臂为 铲斗对 Q 点的作用力臂 2 r 3 r 4 r 11332 232 324 43 sin533sin160182 sin533sin17 73162 35 424 4 1448 rlmm rlNHKmm rlmm rlmm 1 3 2 4 182 424 4 0 336 162 35 1448 rr i r r 则可得此时铲斗的理论挖掘力 34 130 100 3364 368 10 ODD FF iN 切向阻力 1 W 铲斗的重心到 Q 点的水平距离为 2 r 2 r 3 2 cos140 4 557 85 2 l rmm 取铲斗为研究对象 如图 4 3 所示 并对 Q 点取矩 则有 133 2 0 0 Q OD M FW lG r 代入数值可得 5 1 0 4368 10 1 4486220 0 557850W 5 1 0 4128 10WN 武汉科技大学本科毕业设计武汉科技大学本科毕业设计 25 法向阻力的求解 2 W 工作装置所受重力对 C 点的力矩有 1125233462 0 7 CiF MGG XGG XG XG XG X 444 121 1 1 173 100 901 0 6220 115 10 cos62cos39 6 0 622 10cos62 2 Ci MGlll 4 2123 11 cos39 60 622 10cos62 cos39 6cos39 6 22 llll 把 的值代入上式得 1 l 2 l 3 l 5 0 38 10 Ci MGN 到 C 点的距离为 1 W 0 r 023 cosrllCFCFV 1