挖掘机挖掘机构设计.doc

挖掘机挖掘机构设计1绪论1.1液压挖掘机的工作特点和基本类型1.1.1 液压挖掘机的特点液压挖掘机由于采用了液压传动装置而使其在结构、技术性能和使用效果等方面与机械传动的单斗挖掘机相比具有很多特点，其优点综合叙述如下：1.技术性能提高，工作装置品种扩大.单斗液压挖掘机与同级机重的机械挖掘机相比挖掘力约提高一倍，液压挖掘机最大挖掘力可达机重的1/2，而机械挖掘机只达机重的1/4. 因此在整机参数不变下，可加大铲斗容量。提高生产率.抓斗可以强制切土和闭斗，使切土力和闭斗力都提高。液压挖掘机的行走力和牵引力远远大于机械挖掘机，爬披能力都大为提高，还可换装加宽履带，使机械接地比压大大降低（甚至L5,在斗杆机构中一般L9l=0.96m。图3-16 斗杆机构摆角计算简图1.斗杆相对于动臂的摆角范围= （3-17）2斗杆油缸的作用力臂设，则 （3-18）也是正弦曲线。当分别取。即 （3-19a） （3-19b）显然，斗杆油缸最大作用力臂（二）斗杆机构参数选择计算图3-17 斗杆机构参数计算简图根据斗杆挖掘阻力计算，并参考有关资料，查的挖掘力值，按要求的最大挖掘力确定斗杆油缸的最大作用力臂l9。查找资料确定挖掘机斗杆挖掘力，定该斗杆挖掘力值为根据【2】P79公式（2-52）即 又有所以假设斗杆摆角范围为在三角形选择油缸，则由【2】P75公式（2-54）即：由前面公式可得再有公式（3-19a）（3-19b）可求得显然，斗杆油缸最大作用力臂这时图3-18 斗杆三维效果图3.3.5铲斗机构参数的选择（一）铲斗运动分析铲斗相对于X-Y坐标系的运动是L1,L2和L3的函数，西那在讨论铲斗相对于斗杆的运动。如图3-19所示，G点为铲斗油缸与斗杆的铰点。F点为斗杆与动臂的铰点Q点为铲斗与斗杆的铰点，V点为铲斗的斗齿点，K点为连杆与斗杆的铰点，N点是曲柄与斗杆的铰点，M点为铲斗油缸与曲柄铰点，H点为曲柄与连杆的铰点。图3-19 铲斗连杆机构传动比计算简图（二）铲斗参数设计1，斗形参数的选择斗容q,平均斗宽B，挖掘半径和转斗挖掘装满角度是铲斗的四个主要参数。他们间的关系为一般土壤松散系数由【2】P75表（2-6）比较取B=0.7m，取。则可以求出R铲斗上两铰点K与Q间距由【2】P75知，取则取=0.3m图3-20 铲斗三维效果图B=0.7m=0.3m4.动臂、斗杆的结构强度校核计算分析4.1计算工况的选择及斗杆的强度计算1.液压挖掘机在工作过程中外载荷复杂多变，工作装置各构件的内力随各组油缸力及运动变量的改变而变化。因此，合理的确定计算工况是进行工作装置强度计算的前提。斗杆的计算工况为：动臂位于最低；斗杆油缸作用力臂最大；斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上；侧齿遇到障碍作用有横向力WK.图4-1 斗杆计算图2铲斗所受的侧向力决定于液压挖掘机的制动力矩，其值为式中：铲斗所受的最大侧向力 液压挖掘机回转机构的制动力矩 侧向力作用点至回转中心的距离在距离铰点B为lc的截面Cx的在和，其轴向力有下式求得：式中：-截面Cx以左部分的斗杆重量； -斗杆对水平线的倾角截面上任意一点的正应力安下式求得： 式中：x， y-从截面中心线y-y,xx到所求点的距离 ，-截面对y-y,xx轴惯性矩 F-截面面积截面上任意一点的切应力可按照下式求得： 图4-2 斗杆危险截面图4-3 斗杆截面图3截面图形的几何性质截面1截面面积 F=304.5截面对参数轴的静矩截面形心 截面的惯性矩 抗弯截面模数 截面的惯性矩 抗弯截面模数 截面2截面面积 F=154.5截面的惯性矩 抗弯截面模数 截面的惯性矩 抗弯截面模数 截面3截面面积 F=126截面对参数轴的静矩截面形心 截面的惯性矩 抗弯截面模数 截面的惯性矩 抗弯截面模数 4.2、强度计算斗杆材料选择为16Mn根据图示的斗杆各铰点的受离情况，斗杆上截面1、截面2、截面3应力值为：1截面1弯矩： 轴力：切力：截面1的应力按第四强度理论其合成应力为：2截面2弯矩： 轴力：切力：截面上的应力按第四强度理论其合成应力为：3截面3弯矩： 轴力：切力：截面上的应力按第四强度理论其合成应力为：从以上四个截面应力可知，用16Mn 为材料强度极限=180Mpa，各截面应力均小于，强度要求可以满足。4.3动臂的强度计算动臂最大受力位置的确定动臂强度计算，同样应该按照挖掘工作中的可能出现的最大载荷来选定计算位置。一般认为最大载荷发生在铲斗油缸挖掘到最大深度的时候，如果这是由于挖掘机的稳定性或斗杆油缸承载能力的限制，在铲斗切削刃不能实现最大挖掘力，那么计算位置就应该选择使斗杆转过一些角度的时候。图4-4 动臂挖掘力分布图整体式弯动臂对弯曲部分的断面进行强度计算时，颖考虑按曲梁进行设计，即在弯曲平面内的应力按照下式计算 =式中：F-断面面积 r-断面弯曲处的曲率半径 y-断面重心至计算点的距离，该点在曲率中心与断面重心之间为负，反之为正k-断面形状及曲梁曲率有关系数k=- 图4-5 动臂截面图图4-6 挖掘力力臂图示 图4-7 挖掘力力臂测量A点及B点的受力计算A点：取整个工作装置为隔离体，由于挖掘力（42.5KN）的作用点距A点的力臂333cm和动臂油缸距A点的力臂为65.3cm。由此可得动臂油缸受力为：（2）B点：取铲斗，斗杆为隔离体，由图量的斗杆油缸距B点的力臂为34cm，挖掘力（42500N）到B点的距离为144cm。从而得斗杆油缸受力：动臂横截断面的形式及主要符号的意义图4-8 动臂截面图示横截断面截面积 横截面面绕X轴的惯性矩横截面绕X轴的截面模数横截面面绕Y轴的惯性矩 横截面绕Y轴的截面模数横截面中心线所包围的面积机器制动力矩(9926400Ncm) 侧向力、由机器制动力矩所引起挖掘力均匀作用于各斗齿引起的正应力挖掘力作用于一个边齿引起的应力剪切应力b=70cm铲斗宽所取截面受力计算：剖面所取部位如图所示。（图中剖面位置尺寸分别为和B、A点的距离尺寸单位为cm）动臂材料为16Mn.挖掘力均匀的作用于铲斗的个斗齿上或者仅作用于斗齿上11截面a=35,h=24,22截面a=33, h=49.8, 33截面a=35,h=30, 44截面a=35,h=47.9, 2)挖掘力仅作用于旁边的一个斗齿上，并有侧向力的作用。图4-9 侧向力力臂图示图4-10 侧向力力臂测量由图量得侧向力距离回转中心的距离为310cm11截面22截面33截面44截面动臂材料为16Mn. =33000,经过对动臂的静强度计算，可知动臂的强度满足要求。5.油泵、油缸的选择计算5.1 油泵的选择要求1.压力、流量、转速等参数必须合理选择；2.要有较好的调速性能并能适应负载居变的工况；3.使用可靠、耐久4.对污染的敏感性较小5.力求降低噪音；各种类型油泵的主要特点：轴向柱塞泵通称为柱塞泵。柱塞泵与齿轮泵，叶片泵相比，结构紧凑，寿命长，噪音小，效率高，单位重量功率大（即在同样的情况下，体积重量较小，可获得较高的压力和较大的流量），流量和输油方向可调。目前，单斗液压挖掘机所用的柱塞泵，工作压力在250320kg/cm2以上。轴向柱塞泵与径向柱塞泵想比较，当功率与转速相同时，径向尺寸较小，结构紧凑，转动部分惯性较距较小，单位功率所消耗的金属少，泵的径向作用力小，变量调节方便；缺点是轴向尺寸较大，结构比较复杂，轴向作用力大。制造困难，价格较高。齿轮泵结构简单，工作可靠，维护方便，但是漏油较多，效率低，吸油高度一般不大于500毫米，轴承负荷较大，磨损较剧烈，寿命较低，不能实现变量。叶片泵结构紧凑，外形尺寸较小，运转平稳，输油量均匀，噪音小，耐久性好。但是叶片泵压力较低，耐冲击载荷较差。轴向柱塞泵分为斜盘式和斜轴式两种，斜盘式轴向柱塞泵由于强度较低，工作条件要求教高，对污染叫敏感等，故在挖掘机上较少应用。5.2油缸的设计1.油缸设计时应该考虑以下几点：在保证获得所需往复运动速度和推力的前提下，应该尽量叫嚣油缸的外廓尺寸；挖掘机由于受重量和安装位置的限制，对此要求更高。要有良好的密封防尘装置。高压容积的密封是一切液压部件与正常工作的决定因素，一切液压部件都不允许有漏油，而减少内漏是提高油缸溶剂效率所必须的。挖掘机的油缸活塞经常伸出缸筒外面，而暴露于大气中致使其表面沾染灰尘杂物。影响使用寿命，为避免把灰尘污物带进油缸而污染液压油，并且防止摩擦表面尽快的磨损，必须注意防尘。能够及时将油缸内的空气排除出去 。保证活塞杆只受中心拉压，不受偏心力作用。应该根据工作要求采取必要的缓冲措施。油缸很长时，活塞杆的挠度不应该过大，以影响密封效果。油缸的主要参数（包括缸体内径，壁厚，活塞杆外径和油缸行程等），应根据其工作要求按照有关标准要求来确定。然后对其强度和活塞的稳定性进行演算。2.油缸内径D的确定已知油泵的流量由3P114初步选取油缸内径为140mm，外径为180mm材料为45号钢经过调质处理，油压为21.5MP。无杆腔速度为则 有杆腔速度为初步估计活塞直径为70mm，根据对比其他挖掘机参数次速度符合要求。3.油缸外径D外计算（油缸壁厚）初步估计油缸外径为180mm，油缸壁厚50mm，选取油缸体为锻造=115MP根据【4】P17265,即=0.080.3时，壁厚按下式计算式中 缸桶外径公差余量，通常C=12(mm); -腐蚀余量D 油缸内径（mm）;油缸实验压力（MP）约比最大工作压力p大20%30%，即=（1.21.3）p油缸材料许用应力（MP）取则4.活塞杆直径的确定式中： D-缸桶内径 -速比，根据表17-6-3选取=2；则有 取d=100mm5.活塞杆强度计算活塞杆在稳定工况下，只受推力和拉力，可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算：式中：F-活塞杆的作用力 d-活塞杆直径 -材料的许用应力，MPa 无缝钢管=100110MPa于是有：所以，活塞杆满足强度要求。6.活塞杆稳定性验算受压活塞杆稳定条件表示为临界力 ；安全系数 ，一般取=3。当 时活塞杆计算长度，=1800mmJ活塞杆横截面的惯性矩， 活塞杆横截面的回转半径 ，长度系数。取=1.1活塞杆材料弹性模数。对于钢取取活塞杆材料为45钢调质处理，则=350MP=3500kg/cm2因为 所以显然，所以活塞杆满足稳定性要求。7油缸端盖法兰的设计发兰的结构有四种，通过比较对照优先选用端盖式加导向环法兰，其参数根据其选定。图4-1 油缸法兰三维效果图法兰与缸体用六个内六角螺栓紧固，其公称直径10mm查【5】P45选择螺钉GB70-85 M10=115MPC=12(mm)=（1.21.3）pd=80mm=3=1.1m=2 6.小型液压挖掘机的技术发展趋势小型挖掘机的技术发展顺应全球多样化施工现场的需求，经历了三十多年的历史演变过程，经历不断的改进，在技术性能，作业功能，作业效率，安全，环保，节能和维护保养等方面有了大幅度提高，形成了比较一致的技术标准和作业规范。主要体现在一下几个方面： 1.无尾回转和动臂偏转技术 作为小挖基本概念的动臂偏转和无尾回转功能与20世纪90年代中后期面向世界推出，无尾回转结构的应用，使其在狭窄的地带作业时无需担心尾部的碰撞。其设计难点在于回转平台的总体布置，以及整机稳定性的解决。2.新型液压控制技术 新型液压控制技术具有作业效率高，操作性能好，具有良好经济性和环境适应性，可进行高效率，强有力的作业。新的液压系统不受负荷大小的影响，完全根据操纵杆的幅度分配所需液压油的流量，完全柑橘操作人员的意图轻松完成作业。3.安全性能 设备的安全性能给操作者提供安心作业的环境，提高操作人员的安全性。小型挖掘机的安全性主要体现在驾驶室的设计上，在驾驶室的使用中，应满足一下性能要求：可满足必须的能量吸收；可满足必须的抗载荷；成员安全区域足够大。4.环保技术 主要体现在高功率，低油耗，清洁排放发动机的应用上。新型发动机同时降低了震动和噪声，有易于环境保护和操作人员的健康。5.人机工程技术 司机室符合人机工程徐原理，内部宽敞，造型美观，操作方便，省力，仪表显示直观准确，能给驾驶员提供一种舒适的操作环境，充分减轻驾驶员的疲劳。参考文献1张宏，工程机械，徐工研究院， 2007，38（4）2单斗液压挖掘机.中国建筑工业出版社.天津工程机械研究所3单斗液压挖掘机.中国建筑工业出版社.同济大学4机械设计手册.化学工业出版社.第四版，第四卷5 罗圣国机械设计课程设计手册.高等教育出版社.第三版.清华大学吴宗泽，北京科技大学6徐工集团挖掘机产品.XE系列挖掘机7邱宣怀.机械设计. 高等教育出版社.第四版 8杨福增 杜白石 胡国田.机械设计习题集.西北农林科技大学.第九次修订 9杜白石.Pro/Engineer Wildfire 三维机械设计基础教程西北农林科技大学.第四版 10李金琦.挖土机械工作部件(苏)北京.中国农业机械出版社11高衡.液压挖掘机北京.中国建筑工业出版社. 12阮九章.轮斗挖掘机的工作装置.北京.煤炭工业出版社13陈亚.中型反铲挖掘机液压系统设计中的参数计算.科技信息2009年第31期 14楼磊.关于小型液压挖掘机开发过程的探讨 中国科技博览2010年第2期. 15朱春华.液压挖掘机斗杆挖掘力分析现代商贸工业2009年第24期 16Qing-hua He, Xiang-yu He, Jian-xin ZhuJournal of Central South University of TechnologyVolume 15, Number 5 / 2008年10月17S. E. Salcudean, S. Tafazoli, K. Hashtrudi-Zaad, P. D. Lawrence, C. RebouletExperimental Robotics VVolume 232/199818Jun Gu, James Taylor, Derek Seward.Journal of Control Theory and Applications10.1007/s11768-006-6180-219Hirokazu Araya, Masayuki Kagoshima Mechanical Engineering Research Laboratory, Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271, Japan 27 June 2000 附录：Semi-automatic control system for hydraulic shovelHirokazu Araya, Masayuki KagoshimaMechanical Engineering Research Laboratory, Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271, JapanAccepted 27 June 2000Abstract:A semi-automatic control system for a hydraulic shovel has been developed. Using this system, unskilled operators can operate a hydraulic shovel easily and accurately. A mathematical control model of a hydraulic shovel with a controller was constructed and a control algorithm was developed by simulation. This algorithm was applied to a hydraulic shovel and its effectiveness was evaluated. High control accuracy and high-stability performance were achieved by feedback plus feedforward control, nonlinear compensation, state feedback and gain scheduling according to the attitude. q2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.Keywords: Construction machinery; Hydraulic shovel; Feedforward; State feedback; Operation1. IntroductionA hydraulic shovel is a construction machinery that can be regarded as a large articulated robot. Digging and loading operations using this machine require a high level of skill, and cause considerable fatigue even in skilled operators. On the other hand, operators grow older, and the number of skilled operators has thus decreased. The situation calls for hydraulic shovels, which can be operated easily by any person The reasons why hydraulic shovel requires a high level of skill are as follows. 1. More than two levers must be operated simultaneously and adjusted well in such operations.2. The direction of lever operations is different from that of a shovels attachment movement.For example, in level crowding by a hydraulic shovel, we must operate three levers simultaneously to move the top of a bucket along a level surface. In this case, the lever operation indicates the direction of the actuator, but this direction differs from the working direction.If an operator use only one lever and other freedoms are operated automatically, the operation becomes very easily. We call this system a semi-automatic control system.When we develop this semi-automatic control system, these two technical problems must be solved.1. We must use ordinary control valves for automatic control.2. We must compensate dynamic characteristics of a hydraulic shovel to improve the precision of control.We have developed a control algorithm to solve these technical problems and confirm the effect of this control algorithm by experiments with actual hydraulic shovels. Using this control algorithm, we have completed a semi-automatic control system for hydraulic shovels. We then report these items.2. Hydraulic shovel modelTo study control algorithms, we have to analyze numerical models of a hydraulic shovel. The hydraulic shovels boom, arm, and bucket joints are hydraulically driven. The details of the model are described in the following.2.1. Dynamic model Supposing that each attachment is a solid body, from Lagranges equations of motion, the following expressions are obtained:2.2. Hydraulic modelEach joint is driven by a hydraulic cylinder whose flow is controlled by a spool valve. We can assume the following:1. The open area of a valve is proportional to the spool displacement.2. There is no oil leak.3. No pressure drop occurs when oil flows through piping.4. The effective sectional area of the cylinder is the same on both the head and the rod sides.3. Angle control systemThe angle is basically controlled to follow the reference angle by position feedback. In order to obtain more accurate control, nonlinear compensation and state feedback are added to the position feedback. We will discuss details of thes