挖掘机 工作装置各部分的基本尺寸计算和验证

三 工作装置各部分的基本尺寸计算和验证 反铲装置的合理设计问题至今尚未理想地解决 以往多按经验 采取统计和作周试凑 的方法 现在则尽可能采用数解分析方法 液压挖掘机基本参数是表示和衡量挖掘机性能 的重要指标 本文主要计算和验证铲斗 动臂 斗杆的尺寸 一 反铲装置总体方案的选择 反铲装量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动臂液 压缸的布置为悬挂式或是下置式 2 斗杆及斗杆液压缸的布置 确定用整体式或组合式斗扦 以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗扦是否采用变铰 点调节 3 确定动臂与斗杆的长度比 即特性参数 112 Kl l 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范围内选择 般当 K1 2 时 有的反铲取 K1 3 称为长动臂短斗杆方案 当 K1 1 5 时属于短动比长斗杆力案 K1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 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 根据液压系统工作压力 流量 系统回路供油方式 工厂制造条件等确定各液压缸 缸数 缸径 全伸长度与全纳长度之比 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 取 2 1 6 1 7 3 1 5 1 7 二 斗形主要参数的确定 当铲斗容量 q 一定时 挖掘转角2 挖掘半径 R 和平均斗宽 B 之间存在一定的关系 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 于是斗容量可按下式 计算 2 1 2sin2 2 s qR BK 4 1 式中 s K 土壤松散系数 取 1 25 s K 一般取 B 1 0 1 4 4 2 3 q R 的取值范围 R 1 3 1 6 4 3 3 q 式中 q 铲斗容量 3 m B 铲斗平均宽度 m 可根据表 4 3 根据斗容选取 B 值 根据式 4 1 可得 值 铲斗两个铰点 K Q 之间的间距 l24 4太大将影响机构的传动特性 太小则影响铲斗的 结构刚度 一般取 0 3 0 38 由经验公式知 2243 kll 3 3 1 55lq 当铲斗的转角较大 而 k2的取值较小 一般 10 KQV 95 115 三 动臂机构参数的确定 一般动臂转角可取 1 120 140 弯角太小会对结构强度不利 弯臂转折处的长度比 ZF ZC 要根据结构和液压缸铰点 B 的位置来考虑 初步设计时可取 1 1 1 3 或 3 K 3 K BC 7 l 1 1 的计算和 21 ll 据统计 最大挖掘半径 1max R值一般与 123 lll 的值很接近 因此要求 1max R 已知的 3 l和 1 K可按下列近似经验公式初定 1 l和 2 l 即 由 1max123 Rlll 112 lK l 可得 1max3 2 1 1 Rl l K l1 k1l2 2 2 的计算和 4241 ll 在中已知 1 l 可得 C ZF 1 3 K 1 41 2 331 12cos l l KK 423 41 lK l 222 42141 39 421 cos 2 lll ZFCarc ll 计算得 41 l 42 l CFZCZFZFC 180 图 3 1 最大挖掘半径时动臂机构计算简图 3 3 的计算 5 l 动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比按不同的情况选取 专用反铲取 0 8 所以这里 4 K 4 K 我取 0 4 4 K 加大 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 可能BCZ 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 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 1max3211min112511 sin sin A HllllY 3 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 1max3max11max1min21max sin 88 6 sin 88 6 sin 10HHllB 3 4 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 2311min1max 5 11 sin sin A lllAYH l 而与满足以下方程 1min 1max 3 22222 751min 1min 7 5 1 arccos arccos 22 llL l l 7 222222 751max 1max 7 5 arccos arccos 22 llL l l 3 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 图 3 3 最大挖掘深度时动臂机构计算简图 至此 动臂机构的各主要基本参数已初步确定 四 斗杆机构基本参数的选择 四 斗杆机构基本参数的选择 1 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 第三 保证斗杆的摆角范围 斗杆的摆角范围大致在 之间 在满足 105 125 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 2 2 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 可得斗杆油缸最大作用 9 l 力臂的表达式为 max23 2max9 2 G Pll el P 图 4 1 斗杆机构参数计算简图 如图 4 1 所示图中 D 斗杆油缸的下铰点 E 铲斗油缸的上铰点 F 动臂的上铰点 2 斗杆的摆角 l8 斗杆油缸的最大作用力臂 斗杆油缸的初始位置力臂 e20与最大力臂 e2max有以下关系 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 要得到较大的的平均 9 l 2max 2 e 20 e 挖掘力 就要尽量减少 初取 2max 2max 90 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 而 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 3 3 斗杆其它相关尺的计算 斗杆其它相关尺的计算 斗杆上 EFQ 取决于结构因素和工作范围 一般在 130 170 之间 初定 EFQ 150 动臂上 DFZ 也是结构尺寸 按结构因素分析 可初选 DFZ 10 l8 2995 mm 五 铲斗机构基本参数的选择 五 铲斗机构基本参数的选择 1 1 铲斗主要参数的计算 铲斗主要参数的计算 铲斗的主要参数包括铲斗的宽度 b 切削半径 这两个参数都可以用经验公 D R 式进行计算 铲斗宽度的计算 3 3 1 11 1 0 81020bqm 铲斗切削半径的计算 3 3 1 441 44 0 81448 D Rqmm 2 2 斗形尺寸的计算 斗形尺寸的计算 根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形其它的结构尺寸 如图 5 3 所示 图 5 3 反铲铲斗计算尺寸 图中三角形 OGE 为等腰三角形 OA 段直线 AB 弧为抛物线 A 点到直线 EB 的距离为 H 抛物线定点高度为 L 一般取 H L 根据一般的取值范围 斗尖角 22 斗侧臂角 包角 40 108 表 5 1 斗容量斗容量 q 3 m 参数参数 mm 0 651 0 b 1100 1400 D R 1250 1370 m 180 230 R 1070 1140 X1 341 300 X2 840 996 X3 1280 1410 L 855 960 常见铲斗斗形参数 参照表 5 1 可以计算的挖掘机铲斗的各种参数 3 0 8qm 3 3 转角范围确定 转角范围确定 由最大挖掘高度和最大卸载高度的分析 可以得到初始转角 2max H 3max H DO 2max3max3 sin 1 DO HHl 代入数值得 847058501448 sin1 DO 解得 50 DO 最大转角 其不易太大 太大会使斗齿平均挖掘力降低 初选 3max0 V QV 3max 165 4 4 铲斗机构其它基本参数的计算铲斗机构其它基本参数的计算 摇臂的长度 连杆的长度 铲斗的长度 斗杆的长度 F 斗杆的下铰点 12 l 29 l 3 l 2 l G 铲斗油缸的下铰点 N 摇臂与斗杆的铰接点 K 铲斗的上铰点 Q 铲斗的下铰点 图 5 4 铲斗机构计算简图 其中由设计经验可知 24 2 3 0 3 l K l 则有 2432 1448 0 3434 4llKmm 和的确定 3max L 3min L 铲斗的最大挖掘力阻力应该等于斗杆的最大挖掘力 即 3 maxJ F 3 max 130 J FKN 粗略的计算斗杆挖掘平均阻力 3 max 130 65 2 J FKN 挖掘阻力所做的功 3 maxJ F 3J W 33max 33maxJ WFl 55 3 14 6 5 101 448 1652 7 10 180 Nm 5 1 由图 5 4 可知 铲斗油缸推力所做的功 3 W 333min WPL 626 3min 34 104010L 5 2 由功能守恒知铲斗油缸推力所做的功应该等于铲斗挖