挖掘机手臂的设计及其运动仿真和分析

任务书设计题目：挖掘机手臂的设计及其运动仿真和分析1设计（论文）的主要任务及目标本课题基于Pro/E软件对某型号挖掘机手臂进行设计建模，运用Pro/E软件的分析模块对所建的部件模型进行分析，通过分析结果来判定设计的合理性。2设计（论文）的基本要求和内容（1）掌握Pro/E软件的使用方法；（2）了解Pro/E软件分析模块的使用方法；（3）了解机械产品的优化设计方法；（4）完成挖掘机手臂的建模与分析；（5）完成相应的工程图（6）毕业设计说明书；（7）答辩用PPT演示幻灯片一份；（8）其他校、系规定内容。3主要参考文献1成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2004.2王旭，王积生.机械设计课程设计M.北京：机械工业出版社.2003。3纪明刚，陈国定。机械设计M.北京:高等教育出版社,2007。4张沛颀等著.Pro/ENGINEER2001高级攻略M.北京.人民邮电出版社.20025钟建林.Pro/Engineer典型机械设计M.北京.机械工业出版社.20026东岳等著.Pro/ENGINEER2000i零件设计实训教程M.北京希望电子出版社.20024进度安排设计（论文）各阶段名称起止日期1查阅相关材料，撰写开题报告2014年3月31之前2掌握Pro/E软件的使用方法2014年4月1日2014年4月153完成挖掘机手臂的建模与分析2014年4月16日2014年5月164完成相应的工程图设计说明书等整体设计2014年5月17日2014年5月315校订毕业设计说明书，说明书装订，PPT制作2014年6月1日2014年6月16挖掘机手臂的设计及其运动仿真和分析摘要:挖掘机在农业工程及民用建筑、交通运输、矿山采掘等领域起着非常重要的作用。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。挖掘机的工作装置是直接完成挖掘任务的装置，本设计对工作装置的各个组成部分进行了较为详细的设计，这其中包括了动臂、斗杆和铲斗的设计。文章主要阐述应用Pro/ENGINEER进行挖掘机手臂零部件的三维造型、运动仿真，三维造型采用参数化的草图建模方法，这样可以方便地实行零件的修改及改变机型的设计，缩短设计周期，从而产生了巨大的社会效益和经济效益。关键词：结构设计，挖掘机手臂，Pro/ENGINEER，运动仿真，受力分析ExcavatorarmsdesignandmovementsimulationandanalysisABSTRAC：Theexcavatorindomainsandsoonagriculturalengineeringandcivilconstruction,transportation,mineexcavationisplayingtheveryvitalrole.Thisdesignisthemainparametersofacapacityof0.2,itbelongstosmallandmedium-sized3mhydraulicexcavator,themaindesignofhydraulicexcavatorworkingdevice.Theworkofanexcavatordeviceisdonedirectlythetaskofminingequipment,thedesignofthedevicetoworkeachcomponentofadetaileddesign,includingthearm,thestemandabucketdesign.ThearticlemainelaborationcarriesontheexcavatorarmsparepartusingPro/ENGINEERthethreedimensionalmodelling,theinterferenceinspectionandthemovementsimulation,thethreedimensionalmodellingusestheparametrizationtheschematicdiagrammodellingmethod,likethismayimplementthecomponentsconvenientlytherevisionandthechangetypedesign,reducesthedesigncycle,thushashadthehugesocialefficiencyandtheeconomicefficiency.Keywords:Structuraldesign，excavatorarm，Pro/ENGINEER，movementsimulation，Stressanalysis目录1绪论-11.1液压挖掘机的工作特点-11.2液压挖掘机的基本类型及主要特点-21.3液压挖掘机的发展概况-31.3.1国外液压挖掘机目前水平及发展趋势-31.3.2国内液压挖掘机的发展概况-31.4论文构成及研究内容-41.5反铲装置的工作原理-41.6本次设计任务-52挖掘机工作装置的总体设计方案-62.1工作装置设计方案原则-62.2确定动臂的结构形式-62.3确定斗杆的结构形式-72.4铲斗总体方案的选择-72.4.1确定铲斗的结构形式-72.4.2铲斗与铲斗液压缸的连接方式-82.5确定动臂斗杆铲斗油缸的铰点位置-92.5.1动臂油缸的位置-92.5.2斗杆油缸的位置-92.5.3铲斗油缸的位置-93动臂斗杆铲斗机构参数的选择-113.1反铲装置总体方案的选择-113.2机构自身几何参数-113.3斗杆参数的选择-143.3.1铲斗主要参数的选择-143.3.2斗形尺寸计算-153.3.3动臂机构参数的选择-163.3.4斗杆机构参数的选择-193.3.5连杆摇臂参数的选择-214挖掘机液压缸作用力的确定-224.1铲斗油缸作用力的确定-224.2斗杆油缸作用力的确定-234.3动臂油缸作用力的确定-245工作装置的强度计算-265.1斗杆的计算-265.2动臂的计算-336挖掘机手臂仿真分析-356.1运动部件的构建及主要运动部件的介绍-356.1.1大臂的结构介绍-356.1.2斗杆的结构介绍-366.1.3铲斗的结构介绍-366.2挖掘机手臂的装配图-376.3仿真分析-376.4挖掘机运动仿真分析的意义-396.5力学分析-406.5.1大臂液压缸受力分析-406.5.2斗杆液压缸受力分析-41结论-42参考文献-43致谢-4501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，可用来挖掘土坑、排水沟，拆除废旧建筑物，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。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。1.1液压挖掘机的工作特点（1）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。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。1易于实现标准化、系列化、通用化。（2）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0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，而同级机械传动挖掘机只3有100kN左右。7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。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。1.2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。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。根据整机质量，驱动功率和铲斗容量分类表1.1按整机质量、驱动功率和铲斗容量分类分类整机质量/t驱动功率/kW铲斗容量/m3小型机6t以下（含6t）小于400.2-0.22中小型机大于6t小于13t大于40小于850.20-0.6大型机大于等于13t小于50t大于85-2600.6-2.5超大型机大于100大于350大于5.011.3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。1.3.1国外液压挖掘机目前水平及发展趋势国外挖掘机生产企业，利用有限元与优化设计相结合进行结构的形状优化。它使液压挖掘机的设计从经验的、静止的、随意性较大的传统设计逐步发展到自动化程度高，设计周期短，设计方案优越，计算精度高的现代化设计。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。1.3.2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2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，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。1.4论文构成及研究内容本论文主要对由大臂、斗杆、铲斗、销轴、连杆、摇杆机构组成挖掘机手臂部分进行设计。具体内容包括以下五部分:(1)挖掘机手臂部分的总体设计。(2)挖掘机手臂部分详细的机构运动学分析。(3)工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证。(4)工作装置主要部件的结构设计。(5)挖掘机手臂的运动仿真。1.5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。3图1.1整体式弯动臂液压反铲工作装置一般由动臂、动臂液压缸、斗杆液压缸、斗杆、铲斗液压缸、铲斗、连杆和摇杆等组成。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。动臂的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸来支承动臂，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杆液压缸控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。铲斗则铰接于斗杆的末端，通过铲斗液压缸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（即连杆和摇杆）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。1.6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。42挖掘机工作装置的总体设计方案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便于装拆和维修，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确定动臂的结构形式大臂是挖掘机手臂中的主要构件，斗杆的结构形式往往取决于大臂的结构形式。反铲大臂可分为整体式和组合式两类。整体式大臂有直大臂和弯大臂两种。直大臂构造简单，轻巧，布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。整体式大臂结构简单，价廉，刚度相同时结构重量较组合式大臂轻。5大臂液压缸的布置方案如图2.1所示，大臂液压缸装于大臂的下方或后方，称为“悬挂式液压缸”。这个方案的特点是大臂下降幅度较大，在挖掘时，尤其在挖掘深度较大时大臂液压缸往往处于受压状态，闭锁能力较强。尽管在大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。图2.1整体式大臂液压缸的布置方案2.3确定斗杆的结构形式斗杆也有整体式和组合式两种，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。2.4铲斗总体方案的选择2.4.1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6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。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。（2）要使物料易于卸净。（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。2.4.2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四种形式，如图2.2所示，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a为直接连接，铲斗，二臂与液压缸组成四连杆机构。图b中铲斗液压缸通过摇杆和连杆与铲斗相连，它们与二臂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杆两端之间，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。abcd图2.2铲斗与铲斗液压缸的连接形式7六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。六连杆中方式b和d在液压缸行程相同时，后者能得到7更大的铲斗转角。但其铲斗挖掘力的平均值较小。铲斗液压缸一般用一个，因传动比小，单液压缸作用力足以保证斗齿所需的挖掘力。本设计采用共点六连杆，如图b。总体方案如图2.1。2.5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。2.5.1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。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。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。本设计选用动臂油缸前倾布置方案。2.5.2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。（1）保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。（2）保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取100130。2.5.3铲斗油缸的布置确定铲斗油缸铰点应考虑以下因素。8(1)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。(2)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2.3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1525，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。(3)铲斗从位置到位置时（图2.3），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。图2.3铲斗摆角范围7451050293动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择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。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。1.5321LK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1.5叶属于短动1K1K1臂长斗杆方案。在1.52之间称为中间比例方案。1本设计采用中间比例方案,取1.5。1（4）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10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1臂摆角和铰点布置要求可以取1.75，而取11.61.7，1.61.7。7233.2机构自身几何参数11图3.1反铲机构自身几何参数的计算简图表3.1反铲机构自身几何参数表机构参数组成铲斗斗杆大臂机体参数分类符号意义原始参数L3=QV，L2=MHL13=MN，L14=HNL24=QK，L25=KVL2=KHL2=FQ，L9=CDL10=FG，L11=EGL15=GN，L16=FNL21=NGL1=CF，L6=CDL7=CB，L8=DFL22=BF.L4=CP，L5=CAL17=CI，L19=CTL30=CS，L38=JTL39=JI推导参数9=NMH，10=KQV4=EFG，5=GNF6=GFN7=NQF8=NFQ2=BCF3=DFC11=CAP12=TCPK5=L2/L9，L2K3=L42/L41，L11=CEF=L7/L5特性参数K2=L24/L3，L3K1=L1/L211备L2为二臂长L1为大臂长悬挂式12注1为大臂转角11=ACV表3.2反铲工作液压缸运动参数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1eL10mineLzeL1max=min1axL斗杆液压缸220inz2ax=in2ax铲斗液压缸3eLzeL2minzeL3max=min3La3.3斗形参数的选择3.3.1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（这里令qBR2）是铲斗的四个主要参数。、及三者与之间有以下几何关系。maxB2q(式3.1)sin21R13其中：0.2m3(已知)，铲斗斗容量；q铲斗挖掘半径，单位；R铲斗斗宽，单位B铲斗挖掘装满转角，一般取90100，取952221.658rad（式33)0.54.(GRL3.2）取m8.33把R、q、代入式(3.1)得：295sin6.1.0B解得：B0.827m铲斗上两个铰点与的间距（图3.1）太大将影响铲斗传动特性，太小则KQ24l影响铲斗结构刚度，一般取特性=/=0.30.38,取3l0.34/0.34，=0.855m,得出=0.273m。当转角较大时取较小值，2k24l3R242k一般取=95115，取=108。V10KV3.3.2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3.2所示。图中三角形为等腰三角形，段为直线，弧段为抛物线。点至直线的距离OGEOABAEB为，抛物线定点高度为，一般取。斗尖角取值范围一般为HLHL2030，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状的斗形。EG斗形尺寸根据比拟法B=0.827m(已知)、=0.855m(已知),得出：DR=0.294m;=0.534m;=0.87;1x2x3x=0.7324m;=0.0706m;Rm=40;=23;=108=0.56m.HL14图3.2反铲斗计算尺寸3.3.3动臂机构参数的选择由于铲斗容量，根据国内外液压挖掘机有关设计标准，通过类比法，3m2.0q选出参数机重5t。G又根据经验公式计算法，参考机体尺寸和工作尺寸经验系数表，线尺寸参数:=m7（式3.3）iLik3得出:最大挖掘半径=3.45=5.899m；R135最大挖掘深度=2.4=4.104m；Hmax最大卸载高度1.6=2.73m；33据统计，最大挖掘半径值一般与+的和值很接近。因此由要求1l12l3，已定的和可按下列经验公式初选、：R13l1K（式21213llKLR3.4）其中：=5.899m；1.5；R11K经计算得出：=2.018m；l2=1.51.759=3.026m1在三角形CZF中，、和都可以根据经验初选出：1l3y=ax2+bcly=K3(X-R)X32X1kCOGAYmRD15其中：动臂的弯角，采用弯角能增加挖掘深度，但降低了卸载高度，1但太小对结构的强度不利，一般取120130，取130；1前面已算出为3.026m；l1动臂转折处的长度比，一般根据结构和液压缸铰点B的3KZCF位置来考虑，初步设计取1.11.2，取1.2；33K图3.4动臂实际尺寸因此根据公式：可以算出、41l239（式412439414213-arcosZFCKinllll3.5）经计算得出：=1.516m；=1.820m；=22.6Z41lZ42lZFC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0.8；K4K以反铲为主的通用机，0.81.1；斗容量1m3左右的通用机，则可取41。4K本设计中取0.9。4的取值对特性参数、最大挖掘深度和最大挖高有影响。14KHmax1Hmax2加大会使减小或使增大，这下符合反铲作业要求，因此基本用作反Hmax1铲的小型机取。76051本设计中取60。斗杆液压缸全缩时=最大（图3.5），常选CFQ83216=160180.max832)(本设计中取（）170。7832max取决于液压缸布置形式，（图3.4），动臂液压缸结构中这一夹角较小，BCZ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3.5最大卸载高度时动臂机构计算简图B在Z的下面。初定BCZ13，根据已知CZF27.4；解得BCF14.4。由图3.5得最大卸载高度的表达式为sin(iYH21max15Amax3）ll（式38ax32)80s(l3.6）由图3.6得最大挖掘深度绝对值的表达式为（式AYlll152min1123max1si)si(3.7）将这两式相加，消去，5l并令，+-，得到：A12BA8max32（式01sinsinsin-max12i1max1ax3max1BllH3.8）又特性参数：17（式min1ax4sK3.9）图3.6最大挖掘深度时动臂机构计算简图因此（式214maxmin114axin1si-cosK3.10）将上式代入(式3.8）则得到一元函数f()=0。式中和已根据经max1Hmax1ax3验公式计算法求出，经计算得出：29.1；91.96min1ax1最后由式（式3.7）求为5l2C1UL1minZAYYFQVl23H1maxX18（式1max1min1235s)i(HYAllA3.11）60sin104.7).294.8(02.387.0.608m（其中：=3.026m；2.018m；82.4）1l2lA由于履带总高0.40.684，近似取=0.70m）35Y然后，解下面的联立方程，可求和：=arcos()=arc()min1572min12lLl21=arcos()=arc()（式ax1572ax12ll23.12）于是：min17ax15inLl（式3.13）经计算得出：1.54；0.71；=0.953m；=1.75；min1L1.67m；=1.47mmax1L7l得到的结果符合下列几何条件：+=2.25；|-=0.8313.3.4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19斗杆在挖掘过程中总转角=5080,取65，在这转角过程中，铲斗被gg装满，这时半齿的实际行程为：grs01745.其中：斗杆挖掘时的切削半径，；grgrFV斗杆挖掘转角（为为斗杆最大转角max32ga1302）取2.0180.8552.873mmaxFV32lSgBKqhSgBKrq01745.斗杆挖掘阻力为：(式sggrhW001.3.14)式中挖掘比阻力，由表1-7-5查得，20（级土壤以下）0K0K7土壤松散系数近似值取1.3。7s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要求，2l3lminFV铲斗的总转角往往要达到150180。（式32in0cosll3.15）0.86685.01.2.2minFV计算得：1.347mmingrin把、代入式3.14得0Kqi6sK2.014kN3ax110.65347.1.20gW20第二步确定斗杆液压缸的最大作用力臂。m23max9max2)(PlleG427.096.1385024.）（其中：根据经验公式计算法得出13.96kN72斗杆液压缸初始力臂与最大力臂之比是斗杆摆角的余弦函数。20emaxemax2设,则ze20（式9max2max20cosl2csax3.16）由图313，取，求得ze201.289m1sin2max9min2lL16.5sin470（其中斗杆摆角范围大致在120130，取130）max2（式)cos(2a9min92min8lLllDF3.17）=）2130cos(289.147.02.89.1=1.618m3.3.5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、及四边3lGFNM形在任何瞬间皆成立。根据铲斗六连杆机构的要求，借助电子计算机选出HNQK可行的方案：0.27m；0.312m；0.310mHN214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。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。4.1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。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：（式gdclFmax14.1）式中铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂长度），gdl=0.3m；对铲斗与斗杆铰点的力臂，0.761m；clmax1FC22最大铲斗挖掘阻力，N；max1F最大铲斗挖掘阻力为：（式DBAZXRC35.1maxax1)cos1(4.2）式中土壤硬实密实计打击次数，对级土壤，90150，对C级土壤，160350；本设计取150。7铲斗与斗杆铰点齿尖距离，即铲斗的转斗切削半径，m；R0.855m.挖掘过程中总转角的一半，即最大转斗挖掘力位置，；前ax面设计已得出47.5。m切削刃宽度影响系数，为铲斗平均宽度BbB6.210.827m。m5.387.0621切削角变化影响系数，取1.3；AA斗齿的影响系数，取0.75（无齿时取1）；ZZZ前边斗齿对地面倾斜角度的影响系数，取1.15；XXD切削刃挤压土壤的力，根据斗容大小在D=1000017000N的范围内选取，斗容小于0.25m3时，D应小于10000N。取D=9999N。得出：103.80kNmax1F因此把103.80KN、=0.30m、0.761m代入（式4.1）得：max1Fgdlcl=263.31kN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（式gBglFl2max14.3）式中斗杆油缸闭锁力对斗杆与动臂铰点的力臂，0.407m；gBlgFgBl对斗杆与动臂铰点的力臂，2.2.873m；max1FBBl对斗杆与动臂铰点的力臂，1.076m；l2挖掘阻力的法向分力，取（0.10.2）10.38020.76kN2max1F23取13kN；2F因此1893.07kNg动臂油缸闭锁力应满足：（式525max1blFlA4.4）式中动臂油缸闭锁力对铰点的力臂，0.608m；5lbFA5l对动臂下铰点的力臂，7.464m；Amax1F对铰点的力臂，0.3m；l2Al因此1280.7kNb4.2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一条直线上。C、B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(式4.5)gBlmax1式中：对斗杆与动臂铰点B的力臂，2.873m；Blmax1FBl斗杆油缸闭锁力对斗杆与动臂铰点的力臂，0.38m；ggFgBl得出：784.78kNg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满足dF（式dgCmax1l4.6)式中：挖铲的挖掘长度，0.855m；ClCl24铲斗油缸闭锁力对铲斗与斗杆铰点的力臂，0.3m；gCldFgCl得出：295.83kNd动臂油缸闭锁力应满足：b(式4.7)dF32max1lA式中：斗齿尖对动臂根铰点的距离，3.94m；AlAl由CAD做图得，可忽略不记；Al动臂根铰点对动臂液压缸根铰点的距离，0.608m5l5l得出：672.65kNdF斗杆最大挖掘力也受到挖掘机稳定性条件的限制。4.3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，其计算简图4.1所示，此时动臂油缸作用力为：(式4.8)(15bAgdAtblGllF式中：铲斗及其装载土壤的重力，N；dtG斗杆所受重力，N；g动臂所受重力，N；b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；g动臂质心到动臂下铰点的水平距离，m；bl由CAD做图得1.355m；3.63m；4.82m；AgAldAl查表2.77由比拟法得出:=2.23kN；1.79kN；bGg200.8620.86kN其中斗内土重=20kN,铲斗重=0.86kN；dtG把、0.45m代入上式得：AlgbAl