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沈阳建筑大学 毕业设计说明书 毕业设计题目 DH 60 液压挖掘机工作装置及回转机构设计 所在学院 机械工程学院专业班级 机械工程 1502 学生姓名 王正强学号 1508500206 指导教师 朱春霞职称 副教授 2019年 6 月 18 日 沈阳建筑大学毕业设计 摘 要 单斗液压挖掘机是一种以开挖土石方为主要用途的通用机械设备 是工程建筑机 械的主要机种之一 广泛应用于交通运输工程 矿山采掘 港口建设 农业工程 林 业工程及国防建设等工程中 在节省人力 减轻体力劳动 缩短工期 保证工程质 量 降低造价以及提高劳动生产率等方面起着十分重要的作用 反铲工作装置和回转机构是挖掘机的重要组成部分 对它们的研究是对整机开发 的基础 工作装置的各组成部分有不同的结构方案 对其的选择设计应以设计要求为 基础 结构方案确定后对其做运动分析 之后对工作装置主要尺寸进行设计计算 确 定工作装置的具体结构参数并对主要结构件进行强度校核 回转机构具有不同的选择 方案 应根据设计要求和具体工作条件选择合适的方案并进行相关的设计计算 本课题是在参考现有机型挖掘机的基础上 对挖掘机工作装置及回转机构进行设 计 使其结构更加简单 性价比优越 性能更加优良 关键词 液压挖掘机 工作装置 回转机构 设计计算 沈阳建筑大学毕业设计 Abstract The single bucket hydraulic excavator is a kind of excavation of earth for the main purpose of general machinery and equipment is one of the main types of construction equipment widely used in transportation engineering mining and mining port construction agricultural engineering forestry engineering and national defense construction and other projects plays a very important role in saving manpower reduce manual labor shorten the construction period to ensure project quality reduce cost and increase labor productivity and so on Backhoe Equipment and slewing mechanism is an important part of the excavator the study of them is the basis of the whole development Operating means of the components have different program structures it should be designed in order to design choice based on the requirements the structure of the program is determined to exercise its analysis then the main dimensions of the working device design calculations to determine the specific structure of the operating device The main structure parameters and strength check Slewing mechanism with different options select the appropriate option based on design requirements and specific working conditions and the associated design calculations This paper is based on a reference to the existing models of excavators excavator working device and slewing mechanism is designed to make it more simple structure excellent value for money performance is more excellent Keywords Hydraulic excavator Working device Slewing mechanism Design calculations 沈阳建筑大学毕业设计 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 概述 1 1 2 挖掘机械的分类 1 1 3 挖掘机的发展现状 2 1 4 挖掘机械的发展趋势 2 1 5 本课题研究的目的及意义 3 第二章第二章 液压挖掘机工作装置总体设计液压挖掘机工作装置总体设计 4 2 1 主要性能参数的确定 4 2 2 反铲工作装置结构方案的确定 5 2 2 1 动臂结构形式的确定及动臂与动臂液压缸的布置方案 5 2 2 2 斗杆结构形式的确定及斗杆与斗杆液压缸的布置方案 6 2 2 3 铲斗结构形式的确定及铲斗油缸的布置方案 7 2 2 4 确定铲斗连杆机构的结构形式 7 2 3 动臂与斗杆长度比的确定 8 2 4 确定各液压缸的缸径 数目及伸缩比 8 第三章第三章 液压挖掘机工作装置的机构运动学分析液压挖掘机工作装置的机构运动学分析 9 3 1 符号约定 9 3 2 动臂的运动分析 10 3 3 斗杆的运动分析 11 3 4 铲斗及铲斗连杆机构的运动分析 12 第四章第四章 工作装置主要尺寸设计计算工作装置主要尺寸设计计算 15 4 1 建立坐标系并构造基准线 15 4 2 铲斗结构参数的确定 16 4 2 1 铲斗主参数的确定 16 4 2 2 铲斗其它结构参数的确定 17 4 3 动臂和斗杆的长度及摆角范围 18 4 4 动臂结构形式及动臂机构其余铰接点位置的布置 19 4 5 斗杆机构及其余铰接点位置确定 21 沈阳建筑大学毕业设计 4 4 铲斗连杆机构设计 23 4 5 工作装置油缸作用力分析 25 4 5 1 铲斗油缸作用力的确定 26 4 5 2 斗杆油缸作用力的确定 29 4 5 3 动臂油缸作用力的确定 30 第五章第五章 工作装置主要结构件的强度计算工作装置主要结构件的强度计算 33 5 1 斗杆 动臂受力计算及强度校核 33 5 1 1 斗杆受力计算及强度校核 34 5 1 2 动臂受力计算及强度校核 38 5 2 铲斗受力计算及强度校核 42 5 3 摇臂 连杆及销轴强度校核 44 5 3 1 摇臂强度校核 44 5 3 2 连杆强度校核 44 5 3 3 销轴强度校核 45 第六章第六章 液压挖掘机回转机构设计液压挖掘机回转机构设计 46 6 1 回转机构总体方案设计 46 6 2 回转支承装置的选型计算 47 6 3 回转支承装置的校核 52 6 3 1 转台最大转矩计算 52 6 3 2 回转支承齿圈的最大圆周力校核 57 6 3 3 回转支承连接螺栓计算 57 6 4 回转驱动装置的选型计算 59 6 4 1 内啮合小齿轮参数的确定 59 6 4 2 高速液压马达与减速器的选型计算 59 6 5 内啮合小齿轮强度校核 60 第七章第七章 技术经济分析技术经济分析 63 第八章第八章 结论结论 64 参考文献参考文献 65 谢辞谢辞 66 附录一 外文资料中文译文 1 沈阳建筑大学毕业设计 1 DHDH6060 液压挖掘机工作装置及回转机构设计液压挖掘机工作装置及回转机构设计 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 概述概述 挖掘机械是一种以开挖土石方为主要用途的通用机械设备 是工程建筑机械的主 要机种之一 广泛应用于水利水电工程 交通运输工程 工业与民用建筑 矿山采 掘 港口建设 林业工程 农业工程及国防建设等工程中 在减轻体力劳动 节省人 力 缩短工期 保证工程质量 降低造价以及提高劳动生产率等方面起着十分重要的 作用 挖掘机械可分两大类 连续作业式 多斗 挖掘机与间歇作业式 单斗 挖掘 机 间歇作业式挖掘机包括机械式挖掘机和液压挖掘机两类 目前工程施工中应用最 广的是间歇作业式单斗挖掘机 单斗挖掘机中应用最广的是液压挖掘机 由于液压挖 掘机多功能 多品种 高质量及高效率等优点 因此受到广大施工作业单位的青睐 1 21 2 挖掘机械的分类挖掘机械的分类 按挖掘机的作业循环方式可分为连续作业式和周期作业式两大类 将挖掘 运 载 卸载等作业依次重复进行的称为周期作业式挖掘机 单斗挖掘机属于这一类 将 挖掘 运载 卸载等作业同时连续进行的称为连续作业式挖掘机 可将上述两大类简 称为单斗挖掘机与多斗挖掘机 按用途可将单斗挖掘机分为采矿型 建筑型及剥离 型 建筑型单斗挖掘机可装置不同的工作装置 进行多种作业 因此又称通用型 采 矿型和剥离型挖掘机只能装单种工作装置 专用于某种作业 又称专用型 按动力装 置的不同 挖掘机可分为内燃机驱动 电驱动及复合驱动等 按传动方式的不同 挖 掘机可分为液压传动式 机械传动式及混合传动式 按行走装置的不同 挖掘机可分 为履带式 轮胎式 轨道式 步行式 拖式 汽车式等 液压挖掘机的工作装置可概括为反铲 正铲 装载 抓斗 起重和破碎等 反铲 工作装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置 主要用于停机面以下土壤的挖掘 沈阳建筑大学毕业设计 2 1 31 3 挖掘机的发展现状挖掘机的发展现状 国外发展现状 近年来 随着竞争的加剧 市场需求的增加以及各种新技术的不 断发展 挖掘机的设计制造技术也不断提高 这大大缩短了新产品的研发周期及老产 品的更新换代周期并扩大了挖掘机的使用范围 为了保证挖掘机的质量 产量和利 润 国外挖掘机的生产专业化程度在不断提高 近年来 国外单斗液压挖掘机的技术 现状和发展特点可概括为以下几点 1 生产专业化程度在不断提高 产品标准化 通用化 系列化和模块化日渐成 熟 2 产量大 品种多 功能越来越多 3 注重司机的安全性和操纵舒适性及维修保养的便捷性 4 可靠性 节能效果和环保指标日益增高 5 机 液 电 信息化集成技术日趋成熟 6 重视实验和研究工作 加大产品早期研发的投入 7 外形更加美观 结构更加紧凑 各项综合性能更加完善 国内发展现状 改革开放以来 国产液压挖掘机行业进入了快速发展阶段 相继 出现了一批实力较雄厚的挖掘机生产企业如柳州工程机械厂 广西玉柴股份有限公司 等 他们生产的一部分产品已经出口 打破了多年来由少数几家国外挖掘机企业垄断 国内市场的局面 使国产液压挖掘机的质量和产量都上了一个新台阶 总的来说 目 前外资挖掘机制造企业在中国市场占据着主导地位 但可喜的是 我国民族自主品牌 挖掘机企业近年来也有了快速发展 市场占有率快速提升 竞争力一步步增强 在今 后的一段时间里 随着我国对基础设施和基础建设投资规模的日益扩大 国内的用户 对高水平 高质量 高效率的液压挖掘机的需求会越来越迫切 因此 迅速研发具有 自主知识产权的核心技术同时提高设计制造水平 积极研究发展高性能液压挖掘机是 目前我国挖掘机行业所面临的迫切而又艰巨的任务 1 41 4 挖掘机械的发展趋势挖掘机械的发展趋势 挖掘机的发展在技术上经历了三次飞跃 第一次是柴油机的出现 这使挖掘机有 了较理想的动力装置 第二次是液压技术的广泛应用 这使挖掘机传动方式更加趋于 沈阳建筑大学毕业设计 3 合理 第三次是控制技术的广泛应用 这使液压挖掘机的控制系统变得更加完善 同 时向智能化 自动化方向发展 今后 液压挖掘机研究和发展的重点在于高精度液压 控制元件的设计制造及对其控制系统的发展与完善 液压挖掘机的发展方向主要在于 以下几个方面 1 机 液 电 信一体化技术在液压挖掘机上的应用 其是将计算机技术 传 感器技术和电子技术与液压挖掘机相结合 以实现机械的自动监视 控制和处理 这 在液压挖掘机上的应用越来越广泛 2 电子 液压集成技术的应用 电子 液压集成技术是将液压控制技术和电子控 制技术相结合 其在液压挖掘机上的应用可以提高液压挖掘机系统的可靠性 扩展系 统功能 有利于系统的维护及现代化管理 3 传感器技术的应用 有利于液压挖掘机的智能化发展 4 虚拟现实技术的研发与应用 液压挖掘机不仅要实现各功能部件的自动控 制 而且还需要实现整机的自动控制和以智能控制作为基础的整体综合控制 5 其他重要相关技术的应用 如 CAD CAM技术 外观造型与人机工程技术以 及机械振动技术的研究应用 1 51 5 本课题研究的目的及意义本课题研究的目的及意义 液压挖掘机在交通运输 水利水电工程 工业建设 矿山采掘 农林业发展及国 防建设中有着广泛的应用 据统计 土石方施工工程中大约有 60 以上的土石方量是 用挖掘机来完成的 城市建设 大型水利工程 采矿业等许多土建工程都需要大量通 用的中小型挖掘机 农田改造和城镇建设则需要多功能 小型的挖掘机 挖掘机在工 程建设机械里战友很大的比重 对交通 建筑和能源等工业的发展起着非常重要的作 用 目前 我国各项建设正处于蓬勃发展的过程中 随着今后我国对基础设施及基础 建设投资规模的扩大 国内用户对高水平 高效率 高质量的液压挖掘机的需求量会 越来越大 因此 迅速研发拥有自主知识产权的技术同时提高液压挖掘机的设计制造 水平 大力发展高性能液压挖掘机已成为目前我国挖掘机行业的首要任务 作为液压 挖掘机的重要组成部分 工作装置与回转机构的研究与发展对整机的研究与发展有着 十分重要的影响 对液压挖掘机工作装置的研究与发展是对整机研发的基础 沈阳建筑大学毕业设计 4 第二章第二章 液压挖掘机工作装置总体设计液压挖掘机工作装置总体设计 2 12 1 主要性能参数的确定主要性能参数的确定 按国家颁布的液压挖掘机型式和基本参数系列标准规定的数值范围确定相关参数 的数值 如表 2 1 所示 即按标准选定法 表 2 1 原始数据 名称数据单位 整机工作重量 5550kg 标准斗容 0 2m3 发动机功率 38 1KW 最大挖掘高度 5706mm 最大卸载高度 4030mm 最大挖掘深度 3820mm 最大挖掘半径 6150mm 动臂长度 3000mm 斗杆长度 1600mm 斗杆挖掘力 28 4KN 铲斗挖掘力 37 7KN 斗容量范围 0 09 0 2m3 履带宽度 400mm 履带长度 2540mm 尾部回转半径 1650mm 最小离地间隙 350mm 上车平台宽度 1885mm 下车平台宽度 1880mm 驾驶室总高度 2575mm 沈阳建筑大学毕业设计 5 2 22 2 反铲工作装置结构方案的确定反铲工作装置结构方案的确定 反铲工作装置主要由动臂 铲斗 斗杆 动臂液压缸 铲斗液压缸 斗杆液压缸 及斗齿组成 相对于司机室前部来说 动臂铰点位置主要有后缩和前凸两种 这两种 结构的选择主要取决于平台的宽度 一般 8t 以上的挖掘机采用后缩结构 8t 以下挖掘 机多采用前凸结构 本次设计的为 6t液压挖掘机 因此采用前凸结构 2 2 12 2 1 动臂结构形式的确定及动臂与动臂液压缸的布置方案动臂结构形式的确定及动臂与动臂液压缸的布置方案 动臂的结构形式主要有整体式动臂和组合式动臂两种 整体式动臂结构简单但是 适应性较差 组合式动臂结构复杂但其可以满足不同作业范围和尺寸的要求 整体式 动臂又可分为弯动臂和直动臂两种 整体式弯动臂有利于地面以下的挖掘作业 但其 比直动臂结构复杂并且在动臂弯曲部位易引起由于工艺和结构问题而导致的应力集中 等强度方面的问题 通过实践检验和分析比较 在各种反铲液压挖掘机上 整体式弯 动臂仍应用广泛 可作为首选方案 整体式直动臂结构简单但影响挖掘深度 组合式 动臂按连接方式的不同可有多种组合方式 目前应用最广的结构形式是弯动臂 在同 长度的条件下 它比直动臂具有较大的挖掘深度 同时降低了卸料高度 这符合挖掘 机反铲作业的要求 整体式弯动臂是反铲挖掘机动臂的主要结构形式 整体式弯动臂是左右对称的封 闭式中空箱型焊接结构 一般前后两端为铸钢件 中间部分为高强度优质钢板 动臂 整体而成 向下弯曲主要是为了达到较大挖掘深度 左右两块腹板在中间部分一般为 平行布置 便于加工 为改善局部刚度和强度 减小应力集中 将上下翼板与左右腹 板取不同厚度 在动臂的内部一般焊有筋板 以增加局部强度 一般来说 长期用于 反铲的挖掘机多采用整体式弯动臂 本次设计的为 6t 小型液压挖掘机 以反铲为主 因此 动臂结构选用整体式弯动 臂 动臂液压缸连接着动臂和机身 是举升物料及整个工作装置的动力元件 动臂与 动臂液压缸铰接点的布置对整机的受力及作业性能有十分重要的作用 按结构条件和 工作要求 动臂液压缸的布置一般有上置式和下置式两种方案 在动臂油缸下置式方 案中 动臂液压缸置于动臂的前下方 水平方向 动臂和动臂油缸的下支点可以在转 沈阳建筑大学毕业设计 6 台回转中心之后或之前 垂直方向 要略高于转台底面 由于反铲挖掘机对挖掘深度 的要求 动臂油缸及动臂的下铰点一般在回转中心之前 以反铲为主的中小型挖掘机 大多采用动臂支点靠前的方案 动臂油缸下铰点也置于转台前部凸缘上 且动臂油缸 的下铰点在垂直方向应低于动臂的下铰点 动臂液压缸与动臂的铰接点也有两种方案 一种为动臂液压缸铰接于动臂中部的 方案 此方案一般是双动臂油缸 分别置于动臂的两侧 中大型挖掘机多采用这种方 案 另一种方案为动臂液压缸铰接于动臂的下翼板 此方案对动臂断面强度没有影 响 但会影响动臂下降幅度 降低了挖掘深度 小型挖掘机多采用此方案 动臂液压 缸还可分为前倾布置方案和后倾布置方案 在前倾布置方案中 当动臂油缸全伸出 时 动臂油缸的轴线向转台前方倾斜 在后倾布置方案中 当动臂油缸全伸出时 动 臂油缸轴线向后方倾斜 由于此次设计的挖掘机为 6t 小型液压挖掘机 参考斗山 DH60 等同类型挖掘机 选用动臂油缸下置式方案 动臂油缸铰接于动臂下翼板 当动臂油缸全伸时 动臂油 缸的轴线向转台前方倾斜 2 2 22 2 2 斗杆结构形式的确定及斗杆与斗杆液压缸的布置方案斗杆结构形式的确定及斗杆与斗杆液压缸的布置方案 反铲挖掘机斗杆一般是宽度相等 左右对称 直的整体式封闭箱型焊接结构 斗 杆结构形式也有整体式和组合式两种 多数挖掘机采用整体式斗杆 当需要改变作业 尺寸或挖掘范围时 一般用更换斗杆的方法 或在斗杆上设置若干可供选择的与动臂 端部铰接的孔 本次设计方案采用整体式斗杆 对普通反铲工作装置 斗杆油缸一般置于斗杆上部 因为反铲挖掘机的挖掘方式 为向下向后挖掘 此时斗杆油缸大腔为工作腔 可以产生较大的挖掘力 当铲斗油缸 单独进行挖掘作业时 斗杆油缸大腔闭锁 也可产生足够的闭锁力 当铲斗装满物料 进行提升时 斗杆要回摆 这时斗杆液压缸小腔变为工作腔 到最上部时其回摆力臂 会很小 因此要能产生足够的回摆力矩 确定斗杆油缸铰点位置时应考虑使斗杆油缸能产生足够的斗齿挖掘力同时要保证 斗杆具有一定的摆角范围 铰点位置的确定需反复进行 在计算时初定铰点位置 如 果不合理 应进行适当修改直至满足要求为止 沈阳建筑大学毕业设计 7 2 2 32 2 3 铲斗结构形式的确定及铲斗油缸的布置方案铲斗结构形式的确定及铲斗油缸的布置方案 因为物料的复杂性 同种铲斗很难适应不同物料 因此 反铲铲斗结构形式及尺 寸与其所作业的对象有很大的联系 为了满足不同的作业需要 同一台挖掘机上常常 要配以多种结构形式的铲斗 铲斗整体为纵向对称结构 可分为斗刃 斗齿 斗腔 支座和加强部分 其整体 为焊接结构 斗腔由斗底和侧壁组成 为便于切削物料及物料的顺利进入和卸出 斗 底一般为流线形 斗口略宽于斗底 斗前部略宽于后部 斗刃为平面 其后的斗底是 与斗刃相切的圆弧斗底 斗由平面和半径逐渐过渡而且相切的两段或更多圆弧或曲面 组成 斗侧壁为平面结构 当需要导向性能良好或挖沟时 需在斗侧壁接近斗前端上 部装设侧齿 这会增加挖掘阻力 因此 若非必要 一般情况下不要装设侧齿 斗侧 壁上部有加厚的侧壁边缘 其可以保证铲斗的耐磨性 强度及刚度 斗刃由高强度耐 磨材料制成 其前端焊有齿座 齿座是开叉形结构 叉口处和斗刃相焊接 斗刃与斗 齿一般用螺栓或橡胶卡销连接 铲斗后部焊有左右对称的两个耳板 耳板上的铰接孔 用于与连杆和斗杆相连 为保证耳板的刚度 强度及铲斗的抗扭能力 在斗后和耳板 中间及两侧焊有横梁 同时为进一步保证铲斗刚度 耐磨性及强度 铲斗斗底一般焊 有加强筋 铲斗油缸铰接点的布置位置应保证在转斗挖掘时能产生足够大的斗齿挖掘力 同 时使铲斗具有一定的摆角范围 铰点位置的确定需反复进行 在计算时初定铰点位 置 如果不合理 应进行适当修改直至满足要求为止 2 2 42 2 4 确定铲斗连杆机构的结构形式确定铲斗连杆机构的结构形式 铲斗连杆机构有铲斗液压缸直接连铲斗的四连杆机构及通过连杆与摇臂连接铲斗 的六连杆机构两种形式 如图 3 1a b c d 所示 图 a 是铲斗液压缸直接与铲斗铰接 铲斗油缸 斗杆 铲斗构成四连杆机构 图 b 为铲斗油缸通过连杆与摇臂和铲斗相连 它们一起与斗杆 构成六连杆机构 在这个机构中 铲斗油缸和摇臂的铰接中心以及连杆和摇臂的铰接 中心共线 因此也被称为六连杆共点机构 图 c d 为铲斗油缸和摇臂的铰接点和连杆 与摇臂的铰接点不重合情况 为非共点机构 四连杆机构结构简单 可以产生较大的 挖掘力 但是转角范围受到较大影响 很难满足使用要求 在反铲工作装置中少采用 沈阳建筑大学毕业设计 8 图 2 1 反铲铲斗连杆机构结构形式 1 铲斗油缸 2 斗杆 3 摇臂 4 连杆 5 铲斗 目前 使用较多的为六连杆机构 如图 3 1b c d 所示 其中 b 图的共点机构较为常 见 因为该结构形式不仅可以满足铲斗转角范围的要求 还可以发挥较大的铲斗挖掘 力 参考国内相关机型多数采用六连杆共点机构 2 32 3 动臂与斗杆长度比的确定动臂与斗杆长度比的确定 根据文献 1 和相关文献 动臂长度和斗杆长度的比值 K1 l1 l2是反映工作装置的 特性的重要参数 其选择范围会因作业要求的不同而变化很大 当 K1 2 时是长动臂短 斗杆方案 当 K1 1 5 时为短动臂长斗杆方案 当 K1在 1 5 2 之间时为中间比例方案 2 42 4 确定各液压缸的缸径 数目及伸缩比确定各液压缸的缸径 数目及伸缩比 当系统压力和最大流量确定的情况下 可根据主机工况及结构特点以及参考同类 机型初选液压缸的数目 参照标准初选液压缸缸径及活塞杆直径 根据机构运动情况 以及油缸稳定性要求选择油缸的伸缩比 参照文献 1 对动臂液压缸一般取其伸缩比 为 1 1 6 1 7 特殊情况下考虑动臂摆角范围要求 可将 1增大至 1 75 对于斗杆液压 缸 推荐其伸缩比为 2 1 6 1 7 对于铲斗液压缸 推荐其伸缩比 3 1 5 1 7 选择的 原则是在满足部件运动范围的条件下尽可能利用液压缸的全部行程 并且避免出现机 械干涉以及油缸失稳状况 沈阳建筑大学毕业设计 9 第三章第三章 液压挖掘机工作装置的机构运动学分析液压挖掘机工作装置的机构运动学分析 3 13 1 符号约定符号约定 如图 3 1 所示 在运动分析之前 首先对部件铰接点的符号约定如下 A点 动臂液压缸与机身的铰接点 B点 动臂液压缸与动臂的铰接点 C点 机身与动臂的铰接点 D点 动臂与斗杆液压缸的铰接点 E 点 斗杆与斗杆液压缸的铰接点 F点 动臂与斗杆的铰接点 G点 斗杆与铲斗液压缸的铰接点 M点 铲斗液压缸与摇臂的铰接点以及连杆与摇臂的铰接点 N点 斗杆与摇臂的铰接点 K点 连杆与铲斗的铰接点 Q点 铲斗与斗杆的铰接点 V点 处于纵向对称平面内的斗齿尖 其他符号的意义标于图中 这些符号的意义将贯穿说明书 后面不再重复说明 图 3 1 工作装置铰接点符号约定与坐标系示意图 坐标系 OXYZ 是固结于履带接地中心的坐标系 其原点 O 和转台回转中心线与地 沈阳建筑大学毕业设计 10 面上的铰点重合 Y 轴和 Z 轴所在的平面为纵向对称平面 Y 轴水平向前为正 Z 轴垂 直向上为正 而 X轴则垂直于 YZ 平面 坐标系 o1x1y1z1是固结于动臂的动坐标系 原点 o1与 C 点重合 y1轴由 C 点指向 F 点为正 z1轴垂直于 y1轴 x1轴垂直于 y1z1平面 坐标系 o2x2y2z2是固结于斗杆的动坐标系 原点 o2和 F 点重合 y2轴由 F 点指向 Q 点为正 z2轴垂直于 y2轴 x2轴垂直于 y2z2平面 坐标系 o3x3y3z3是固结于铲斗上的动坐标系 原点 o3与 Q 点重合 y3轴由 Q 点指 向 V点为正 z3轴垂直于 y3轴 x3轴垂直于 y3z3平面 以上坐标系均符合右手规则 设 1为动臂相对于回转平台的转角 1 0 时 x1y1与 XY 平面平行 1以逆时针为正 值 反之为负 2 为斗杆相对于动臂的摆角 2 0 时 y2轴和 y1轴重合即 C F Q 三 点一线的姿态 2逆时针为正 反之为负 斗杆相对动臂为最小摆角时斗杆油缸长度 最大 当斗杆相对动臂出现最大摆角时 斗杆 油缸长度最短 3为铲斗相对于斗杆的 转角 3 0 时 y3轴与 y2轴相重合即 F Q V 三点一线 3逆时针为正 反之为负 铲斗相对斗杆最小摆角对应着铲斗液压缸的最大长度 铲斗相对于斗杆最大摆角则对 应斗杆液压缸的最短长度 3 23 2 动臂的运动分析动臂的运动分析 本次动臂的运动分析主要内容为推导动臂摆角及动臂的极限摆角 如图 3 1 在三角形 ABC 中 设 AC 的长度为 l5 BC 的长度为 l7 ACB 为 1 则当动臂液压缸的瞬时长度为L1时 三角形 ABC 中 ACB 为 1 75 2 1 2 7 2 5 2 arccos ll Lll 3 1 CF连线与停机面间的夹角 1为 211 75 2 1 2 7 2 5 21111 2 arccos ll Lll 3 2 式中 11 CA 连线与 XY 平面的夹角 2 BCF 为结构角 是固定值 当动臂与动臂液压缸铰接点 B 位于图示 CF 连线左侧时 2取正值 若位于右侧 则取负值 另外 若动臂摆角 1为正值时 表 沈阳建筑大学毕业设计 11 示 CF连线在过 C点与停机面平行的平面上方 若反之 则位于其下方 将动臂液压缸最大长度 L1max代入式 3 2 可得动臂的最大仰角计算公式为 211 75 2 max1 2 7 2 5 max1 2 arccos ll Lll 3 3 式中L1max 动臂液压缸最大长度 将动臂液压缸最短长度 L1min代入式 3 2 可得动臂的最大俯角计算公式为 211 75 2 min1 2 7 2 5 min1 2 arccos ll Lll 3 4 式中L1min 动臂液压缸最小伸缩长度 动臂的摆角范围可按下式计算 min1max11 3 5 2 arccos 2 arccos 75 2 min1 2 7 2 5 75 2 max1 2 7 2 5 ll Lll ll Lll 3 33 3 斗杆的运动分析斗杆的运动分析 斗杆的运动不仅受到斗杆油缸限制 同时还会受到动臂液压缸与转台的转动的限 制 参照图 3 1 在三角形 DEF 中 设 DF 的长度为 l8 EF 的长度为 l9 DFE 2 则根据余弦定理 DFE可按下式计算 2 arccos 98 2 2 2 9 2 8 2 ll Lll 3 6 式中L2 斗杆油缸瞬时长度 沈阳建筑大学毕业设计 12 根据图 3 1 设 CFD 3 则斗杆相对动臂的转角 2可按下式计算 EFQ 322 3 7 式中 3 动臂上的 CFD 是结构角 固定值 当动臂与斗杆液压缸铰接点 D 位 于如图所示 CF连线左侧时 3取正值 若位于右侧 取负值 EFQ 斗杆上的结构角 是一个固定值 由前面所说 斗杆相对动臂的最小摆角 2min对应着斗杆液压缸的最大长度 L2max 可按下式计算 2 arccos 98 2 max2 2 9 2 8 3min2 ll Lll EFQ 3 8 式中L2max 斗杆油缸最大伸缩长度 斗杆相对动臂的最大摆角 max2 对应着斗杆油缸的最小伸缩长度 L2min 可按下式计 算 2 arccos 98 2 min2 2 9 2 8 3max2 ll Lll EFQ 3 9 式中L2min 斗杆油缸最小伸缩长度 斗杆相对动臂的最大摆角范围可按下式计算 min2max22 2 arccos 2 arccos 98 2 max2 2 9 2 8 98 2 min2 2 9 2 8 ll Lll ll Lll 3 10 3 43 4 铲斗及铲斗连杆机构的运动分析铲斗及铲斗连杆机构的运动分析 铲斗与连杆机构的几何关系比较复杂 因为铲斗相对斗杆的运动连杆机构传递而 沈阳建筑大学毕业设计 13 不是铲斗液压缸直接连在铲斗上 如图 3 2 所示 铲斗油缸的运动通过摇臂 HN 和连 杆 HK 传至铲斗 推动铲斗绕点 Q转动 实现挖掘动作 图 3 2铲斗连杆机构几何关系示意图 如图 3 2 所示 在三角形 GHN 中 设 GN 的长度为 l11 HN 的长度为 l12 GNM 3 则根据余弦定理可求得 GNH 为 2 arccos 1211 2 3 2 12 2 11 3 ll Lll 3 11 式中l11 铰接点 G 与 N的连线长度 l12 铰接点 H与 N的连线长度 L3 铲斗油缸的瞬时长度 铲斗相对于斗杆的摆角 3是铲斗 QV 连线相对 y2轴的摆角 若 F Q V 三点一 线 则 3 0 3逆时针为正 反之为负 图 3 2 所示位置 360 甚至可大于 80 以反铲为主的通用机常取 11 50 正 反铲通 沈阳建筑大学毕业设计 21 用机取 11 45 以正铲或挖掘装载为主的通用机可取 11 40 45 对于专用正铲 可 以进一步减小 铰接点 A与 C 距离 l5的长度通常为动臂液压缸最短长度 L1min的 0 5 0 6 倍 综上所述 结合 CAD 制图软件 最终确定动臂弯角 1 120 k2 1 2 11 54 均符合上述要求 确定上述参数后在图 4 5 中相应位置标记出 校核动臂油缸长度比 1 67 1070 1790 min max 1 1 1 l l 该计算值在 1 6 1 7之间 符合设计要求 4 4 5 5 斗杆机构斗杆机构及其余铰接点位置确定及其余铰接点位置确定 参考同类机型和设计手册初选斗杆油缸伸缩比 2 1 66 斗杆油缸数目 n1 1 按要 求的斗杆最大挖掘力来确定斗杆油缸的最大力臂 l9 l9为斗杆油缸与斗杆铰接点 E 和动 臂与斗杆铰接点 F的距离 初选斗杆油缸缸径为 D2 125mm 则 l9 lEF 490mm 由 CAD 制图软件结合公式法 得出 计算斗杆油缸最短长度 L2min 最大长度 L2max及其行程 L2max 斗杆油缸行程与斗 杆摆角范围和 l9有关 参考范围在 105 125 斗杆实际挖掘转角在 1 2 1 3 因为斗杆油缸在最短和最长两个状态时相对摆角很小 则可认为两状态下油缸力 臂相等 则 min22max2 1 LL 2 sin2 max2 9 l4 17 min2 L 1 2 sin2 2 max2 9 l 4 18 min2 L 1 2 sin2 2 max2 92 l 4 19 沈阳建筑大学毕业设计 22 初取 2max 110 2 1 66 l9 490mm 代入上式可得 mmL1216 min2 mmL2019 max2 斗杆油缸与动臂铰接点 D与动臂与斗杆的铰接点 F 距离 l8的表达式为 8 l 2 sin2 max2 max29 2 max2 2 9 LlLl 4 20 55sin201949022019490 22 1641mm D点位于上动臂上翼板上 其高度要保证斗杆油缸的拆装 斗杆挖掘阻力计算及斗杆挖掘力校核 一般可取斗杆挖掘总转角 g 50 80 在此 行程中 斗齿的实际行程为 gg rs 式中 rg 斗杆挖掘切削半径 rg l3 g 斗杆挖掘转角 以弧度代入 斗杆挖掘切削厚度 hg 切削宽度 B 切削行程 s 和斗容量 q满足如下关系 sgsBK hq 式中Ks 物料松散系数 取 Ks 1 27 则斗杆切削厚度为 Sggs g BKr q sBK q h 4 21 斗杆挖掘阻力为 sgg gg Kr qK BhKW 0 0 4 22 式中K0 挖掘比阻力 取 g 55 由参考文献 1 表 1 7 5 取 K0 16N cm2 把 K0 q rg g Ks代入式 4 22 中得 沈阳建筑大学毕业设计 23 KNWg11 29 29 1 180 55 2303 102 061 4 斗杆挖掘阻力小于斗杆挖掘力 则满足要求 将上面所求得的各个焦点位置关系绘制到如图 4 4 所示 4 44 4 铲斗连杆机构设计铲斗连杆机构设计 铲斗的结构参数以基本确定 铲斗挖掘回转半径 l3 880mm 斗宽 b 700mm 铲斗 上两铰点距离 lKQ 270mm KQV 100 转斗挖掘装满转角 2 max 除此之外 反铲铲 斗连杆机构的其它主要参数还有 铲斗油缸缸径 D3 活塞杆直径 d3 最短长度 L3min 铲斗油缸伸缩比 3 铲斗油缸行程 L3 铰接点 G 的位置 摇臂长度 lMN 连杆长度 lMK 以及铰接点 N的位置 参考同类机型和国家标准初选铲斗油缸缸径 D3 63mm 活塞杆直径为 32mm 因 为所选连杆机构为六连杆共点机构 则 HN KQ HK MN NQ 0 7 0 8 HN lKQ 300mm 则 lHN 330mm lHK 285mm 取 lNQ 230mm 摇臂与斗杆铰接点 N 的位置一般在斗杆腹板的中部附近 可根据连杆机构的运动 要求做微小的上下调整 初定其位置 测得 NQF 12 设铲斗的开挖仰角为 31 32 8 当铲斗油缸长度最短时 在三角形 KQN 中 lKQ 300mm lNQ 230mm KQN可由下式求得 31 NQFKQVKQN 2 8321110180 2 53 KQNlllll NQKQNQKQKN cos2 22 4 23 2 53cos2303002230300 22 mm92 521 沈阳建筑大学毕业设计 24 NQKN KQNQKN ll lll KNQ 2 arccos 222 4 24 23092 5212 03023092 521 arccos 222 55 68 在三角形 MKN中 lMN 300mm lMK 300mm lKN 204 25mm 则 KNMN MKKNMN ll lll MNK 2 arccos 222 4 25 92 5210302 85292 521330 arccos 222 59 66 在三角形 MNG中 lGN 1300mm lMN 300mm FNQKNQMNKMNG 24 26 式中 FNQ 166 HNG 27 由结构确定 MNGllllL MNGNMNGN cos2 22 min3 4 27 27cos033130020331300 22 mm1017 06 初取 L3min 1017mm 铲斗油缸伸缩比 3 1 55 则 min33max3 LL mm5701101755 1 当铲斗油缸长度最大时 在三角形 GNH中 沈阳建筑大学毕业设计 25 HNG 03313002 57010333001 arccos 222 140 92 在三角形 HNQ中 NQFGNFHNGHNQ 24 29 式中 GNF 结构角 固定值 GNF 20 78 HNG 结构角 固定值 FNQ 140 92 则 140 9220 78166360HNQ 9 32 在三角形 MQK中 QKMQ MKQKMQ ll lll HQK 2 arccos 222 4 31 030108 822 030030108 82 arccos 222 021 当铲斗油缸分别为最小长度和最大长度时 机构不发生干涉 则设计合理 4 54 5 工作装置油缸作用力分析工作装置油缸作用力分析 工作装置各油缸作用力应保证在挖掘过程中 斗齿有足够挖掘力 在卸载时能把 满斗土壤举升到最大高度 当油缸两腔分别接高低压油路时推动机构运动的力称为主动作用力 其最大值取 沈阳建筑大学毕业设计 26 决于油路的工作压力及油缸缸径 作用于闭锁状态的油缸的作用力称为被动作用力 其最大值取决于油路的过载溢流阀压力以及承载活塞面积 4 5 14 5 1 铲斗油缸作用力的确定铲斗油缸作用力的确定 以反铲最主要的工作位置即最大挖掘深度时可以保证具有最大挖掘力作为计算位 置来分析铲斗油缸的工作力 这时 计算位置为动臂到最低位置 铲斗油缸作用力对 铲斗和斗杆的铰点具有最大力臂 如图 4 1 所示 图 4 5 铲斗油缸作用力分析 为了简单 可忽略斗和土的质量 并且可忽略各构件质量和连杆机构效率影响因 素 这时铲斗油缸作用力为 d Q d l lF F max1 4 34 沈阳建筑大学毕业设计 27 式中ld 铲斗油缸作用力对摇臂和斗杆铰接点力臂 此时为摇臂长度 m lQ F1max对铲斗和斗杆铰接点 Q 的力臂 m 可由 CAD作图得出 F1max 转斗挖掘最大切分力 F1max可按下式求得 DBAZXRCF 35 1 maxmax1 cos1 4 35 式中C 土壤硬度系数 对 级土壤取 C 50 80 对 级土壤取 C 90 150 对 级土壤取 C 16 35 由于设计为小型挖掘机 则取 C 60 R 转斗切削半径 cm R 88cm max 转斗挖掘装满总转角的一半 前面取 max 45 5 B 切削刃宽度系数 bB6 21 b为铲斗平均宽度 m b 0 7m 则mB2 827 06 21 A 切削角变化影响系数 取 A 1 3 Z 带斗齿系数 Z 0 75 X 斗侧壁厚度的影响系数 X 1 0 003s s 为侧壁厚度 cm X 1 15 D 切削刃挤压土壤的力 当斗容量 q 0 25m3时 D应小于 10000N 取 D 12000N 将各个参数代入式中得 1200015 175 03 12 8245 5cos18860 35 1 max1 F KN27 72 由 CAD 作图得 ld 0 33m lQ 0 88m 则 3 0 88 027 72 d F KN74 04 此时斗杆和动臂油缸都处于闭锁状态 斗杆油缸闭锁力应 Fg1满足 1g F g F g F l lF l lF 12max1 4 36 式中lg 斗杆油缸闭锁力对斗杆和动臂铰接点的力臂 m lF F1max对斗杆与动臂铰接点 F 的力臂 m 沈阳建筑大学毕业设计 28 lF1 2 F对斗杆与动臂铰接点 F 的力臂 m F2 挖掘阻力的法向分力 取 F2 0 2F1max N F2 0 2 27 72 103 5542 9N 由 CAD 作图得 lg 0 415m lF 2 36m lF1 0 75m 将各参数代入上式可求得 415 0 75 05543 9 415 0 2 361027 72 3 1 g F 167 65KN 动臂油缸闭锁力 Fb1要满足 b C b C b l lF l lF F 12max1 1 4 37 式中lb 动臂油缸闭锁力对铰接点 C的力臂 m lC F1max对动臂下铰点 C 的力臂 m 1C l 2 F对动臂下铰点 C 的力臂 m 由 CAD 作图得 lb 0 380m lC 4 908m lC1 3 102m 则 197 0 3 275543 9 197 0 3 781027 72 3 1 b F 623 9KN 沈阳建筑大学毕业设计 29 4 5 24 5 2 斗杆油缸作用力的确定斗杆油缸作用力的确定 图 4 2 斗杆油缸作用力分析 挖掘机斗杆挖掘时 其最大挖掘力由斗杆油缸来保证 斗杆油缸最大作用力的计 算位置为动臂下放到最低位置 斗杆液压缸作用力对动臂和斗杆铰点有最大力臂 同 时 斗齿尖和铰点 F Q 共线 如图 4 2 所示 忽略各构件 斗 土壤重量及连杆机构效率影响 这时斗杆油缸作用力 Fg为 g F g l lF F max1 4 38 沈阳建筑大学毕业设计 30 式中 各参数意义如前所述 由 CAD 作图得 lF 2 48m lg 0 48m 斗杆最大挖掘力 为 13 4KN 则 499 0 2 4891038 3 g F KN189 54 此时铲斗油缸及动臂油缸处于闭锁状态 铲斗油缸的闭锁力 Fd1应满足 d F d l lF F max1 1 4 39 由 CAD 作图得 lF 0 88m ld 0 307m 则 307 0 88 01027 72 3 1 d F KN79 46 动臂油缸闭锁力 Fb1应满足 b CC b l lFlF F 12max1 1 4 40 有 CAD 作图得 lC 3 5m lC1 2 83m lb 0 197m 则 197 0 2 835543 93 51027 72 3 1 b F KN572 1 4 5 34 5 3 动臂油缸作用力的确定动臂油缸作用力的确定 动臂油缸作用力 以能将铲斗内装满土壤的工作装置提升至最大卸载距离位置 卸载来确定 如图 4 3 所示 沈阳建筑大学毕业设计 31 图 4 3 动臂油缸作用力分析 此时动臂油缸作用力为 bCbgCgdCdt b b lGlGlG l F 1 4 41 式中Gdt 铲斗及斗内土的重力 N Gg 斗杆所受重力 N Gb 动臂所受重力 N ldC 铲斗质心到动臂下铰点 C 的水平距离 m lgC 斗杆质心到动臂下铰点 C 的水平距离 m lbC 动臂质心到动臂下铰点 C 的水平距离 m 参考相关机型及表格按比拟法得到 动臂质量 mb 504kg 斗杆质量 mg 288kg 铲斗质量 md 300kg 斗内土重 mt 1 6 1 8 q 512 576 kg 则 取 mt 500kg 则 Gdt 7840N Gg 2882N Gb 4939N 由 CAD作图得到 ldC 4 41m lgC 3 545m lbC 1 09m lb 0 43m 则 1 0949393 54528824 4107840 403 0 1 b F KN123 9 沈阳建筑大学毕业设计 32 铲斗油缸闭锁力 Fd1满足 d Qdt d l lG F 1 4 42 由 CAD 作图得 lQ 0 132m ld 0 092m 则 092 0 132 07840 1 d FKN11 25 斗杆油缸闭锁力 Fg1满足 g gFgdFdt g l lGlG F 1 4 43 由 CAD 作图得 ldF 1 48m lgF 0 615m lg 0 294m 代入式中 则 294 0 0 61528221 487840 1 g FKN45 37 综上所述 选取铲斗