小型液压挖掘机总体及底盘设计.doc

毕业设计计算说明书摘 要本文主要对小型履带式液压挖掘机总体设计进行了阐述，对于工作装置的各个结构尺寸的确定、油缸的确定以及油缸铰点的确定都做了比较详细的描述，然后对于挖掘性能做了比较详细的验算。然后对于行走装置部分做了比较系统的计算。小型液压挖掘机主要由结构件、覆盖件、工作装置、行走装置、回转装置、液压系统、动力系统、电器系统等部分构成最关键核心的是液压系统和动力系统。本文对小型液压挖掘机做了简要介绍，分析了液压挖掘机的主要动作，并根据动作要求设计了挖掘机的工作装置和底盘总成。同时对回转装置、液压系统和各液压缸的参数进行初步估算。关键词：挖掘机，工作装置，地盘总成，液压缸AbstractThis paper mainly discusses the overall design of small hydraulic excavator, working device structure for the determination, cylinder and cylinder hinge point determined determined to do a more detailed description, and then for the mining performance of the calculation in detail. Then for a walking device part is calculated system.This paper mainly discusses the overall design of small hydraulic excavator, working device structure for the determination, cylinder and cylinder hinge point determined determined to do a more detailed description, and then for the mining performance of the calculation in detail. Then for a walking device part is calculated system.Keywords：Excavator，Working device，Land assembly，Hydraulic urn目录绪论41.1设计选题的意义41.2国内外液压挖掘机的发展动态和研究现状41.2.1国外液压挖掘机发展动态和研究现状41.2.2国内液压挖掘机的发展动态和研究现状51.3当前液压挖掘机存在的主要问题6第一章 履带式液压挖掘机总体设计81. 1整机总体参数的初步确定81.1.1设计参数指标的合理性分析81.1.2重量参数的初步确定81.2机体尺寸的初步确定91.3整机及各部分结构型式的初步确定101.3.1动臂结构型式的初步确定101.3.2斗杆结构型式的初步确定111.3.3传动型式的初步确定121.3.4回转机构结构型式的初步确定131.4功率参数及发动机的初步选定131.4.1整机功率参数的初步确定131.4.2发动机的初步选定131.5回转速度、工作循环时间及生产率的估算14第二章 履带式液压挖掘机工作装置设计152.1确定工作装置的几何尺寸152.1.1斗形参数的选择152.1.2动臂及油缸铰点的布置162.1.3动臂尺寸参数的确定172.1.4斗杆机构的尺寸参数的确定172.1.5铲斗连杆机构设计182.2挖掘阻力、油缸作用力、闭锁力挖掘力计算192.2.1铲斗挖掘阻力192.2.2斗杆挖掘阻力计算222.2.3铲斗、斗杆、动臂油缸缸径的确定222.2.4铲斗、斗杆理论挖掘力计算252.2.5动臂油缸作用力计算292.2.6液压缸闭锁力计算31第三章 挖掘机回转机构的设计353.1 回转机构参数的选择353.2 最佳转速计算363.3 回转功率的计算及回转马达的选取373.4. 回转支承结构的选择373.5回转机构齿轮传动设计383.6回转循环时间计算38第四章 液压挖掘机行走装置设计404.1行走装置尺寸参数的确定404.1.1履带板的选取404.1.2回转驱动轮齿数、节圆直径404.1.3导向轮外径404.1.4支重轮参数选取414.1.5托链轮直径414.1.6行走装置布置414.2承载能力计算414.3牵引力和牵引功率计算424.4行走马达的选用424.5挖掘机行走机构性能校核434.5.1原地转弯能力的校核434.5.2爬坡能力校核44第五章 液压挖掘机液压系统设计455.1液压系统主参数的确定455.2液压泵和马达的选取455.3液压系统回路组合465.4液压系统验算465.5液压冲击47总结49致谢50参考文献51绪论1.1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，这就需要大量的土方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土方施工机械。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年开始已进入一个较快的发展时期，2000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2001年全年的销售数。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偶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，大多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国外液压挖掘机发展动态和研究现状国外挖掘机生产历史较长，液压挖掘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究挖掘机的国家，1954年和1955年德国的徳马克和利渤海尔公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后声场挖掘机历史最长、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；韩国式液压挖掘机生产的后起之秀。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展：（1）、开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。（2）、迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。（3）、采用新技术、新工艺、新结构、加快标准化、系列化、通用化发展速度。（4）、更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤积累论、 断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效和竞争力。（5）、加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。（6）、进一步改进液压系统。（7）、迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。随着对液压挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电液一体化在挖掘机的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。1.2.2国内液压挖掘机的发展动态和研究现状早在1985年我国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， 如Wy100、WY60、WY250等。当时由于受配件如发动机、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。自改革开放以来，国产液压挖掘机行业进入了一个快速发展的重要阶段。出现了一批实力比较雄厚的生产企业如中国一拖、柳州工程机械厂、黄河工程机械厂、广西玉柴股份有限公司等。它们生产的部分产品已出口，打破了多年来主要由少数几家国外挖掘机制造企业垄断国内市场的局面，使国产液压挖掘机的产量和质量都上了一个新台阶。90年代以来，随着迅速发展的微电子技术、计算机技术、控制技术、通信技术等新技术日益渗透到液压挖掘机技术中，世界各工业发达国家的液压挖掘机技术水平得以迅速提高， 使一度与国外技术水平缩小的国产液压挖掘机再次与国外液压挖掘机差距拉大了。因此，国内液压挖掘机市场大部分被国外产品所占据的局面长期得不到改善。随着我国改革开放的进一步深入，国家对基础建设和基础设施投资的规模日益扩大，国内用户对高质量、高水平、高效率的液压挖掘机的需求愈来愈迫切。据权威部门估计，到2005年我国用于购置工程机械的费用约为800多亿元（含国产和进口），其中液压挖掘机的年需求量为12000-14000台，这无疑对国产液压挖掘机的发展既是机遇，又是挑战。积极发展高性能国产液压挖掘机已迫在眉睫。目前， 液压挖掘机的研究与发展应致力解决三个基本问题：（1）着眼于动力、传动系统的改进以达到高效节能，提高机器的生产率和降低工作损耗，减少对环境的污染；（2）局部操作控制自动化到整机完全自动化甚至智能化发展；（3）改善操作者的劳动条件和操作安全性。1.3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。（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，忽略惯性的影响，所以在实际工程中也是不是用的；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状态有关，属于时变参数，准备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粘性等，均属于不确定参数；工作过程中，由于与地面接触而禅城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。第一章 履带式液压挖掘机总体设计1. 1整机总体参数的初步确定1.1.1设计参数指标的合理性分析液压挖掘机的主要参数有尺寸参数、重量参数、功率参数、经济性指标参数，其中最重要的是斗容量，机重和发动机功率1 主要参数的选择选择确定液压挖掘机主要参数的基本依据：（1） 设计任务书所规定的铲斗容量、用途和作业要求、工作条件等；（2） 有关国内外同类型、同等级液压挖掘机的技术资料，国家以及企业的系列标准等；（3） 理论分析或经验计算；（4） 使用单位的要求和制造厂商的生产条件等；2 合理的主要参数应该符合以下条件（1） 满足实际使用要求实用性；（2） 适合于生产厂的制造条件可能性；（3） 充分发挥发动机功率经济性；（4） 与国内外同类型产品相比较有较先进的技术经济指标和可靠的工作性能先进性。1.1.2重量参数的初步确定重量参数包括整机重量及各总成的重量1 整机重量初步确定整机重量可以通过类比国内外同类型样机得出（必须有同类型样机23个）类比公式：= 设计机重：4t 额定斗容q=0.15m31） 徐工集团xe40液压挖掘机 整机重量4.05t 斗容q=0.14m32） 小松KOMATSU_PC35MR-2_挖掘机 整机重量3.915t 斗容q=0.11m3取样机机重G2=3.98t q2=0.13m3 据计算的设计机重G1=4.6t2 各总成重量的初步确定各总成重量包括：反铲作业装置、底盘和平台重量参数，由经验公式： 确定。 式中各部分重量系数。反铲作业装置重量参数k=0.15；底盘重量参数k=0.42；平台重量参数k=0.18反铲作业装置重量G=0.69t；底盘重量G=1.93t；平台重量G=0.83t1.2机体尺寸的初步确定机体尺寸包括：机体的外形尺寸、工作装置尺寸和工作尺寸等。根据经验公式： 确定。表1.1 机体外形尺寸名称机体尺寸系数计算结果(m)取值(m)履带长度1.372.27842.280轨距1.101.82941.830转台宽度0.921.53011.530司机棚高度1.001.66311.665转台底部离地高0.390.64860.650尾部半径1.001.66311.665前部离回转中心0.420.69850.700机棚总高0.801.33051.330履带总高0.330.54880.550底架离地隙0.150.24950.250臂铰离回转中心0.150.24950.250臂铰与液压缸铰距0.280.46570.465臂铰与液压缸铰倾角45履带板宽0.40.66520.665滚盘外径0.450.74830.750臂铰离地高0.651.08101.080 表1.2 反铲作业尺寸名称代号计算结果取值臂长=1.82.99362.995斗杆长=0.81.33051.330斗长度=0.50.83160.830动臂转角=-5040斗杆转角=50160铲斗转角=50180最大挖掘半径=3.305.48825.650最大挖掘深度=2.103.49253.750最大卸载高度=1.502.49473.450最大挖掘高度=2.454.07464.075以上参数的选取是主要依据经验公式计算，同时参照样机，做出的初步参数选定，这些参数只是初步选定，仍需做进一步改动、调整。1.3整机及各部分结构型式的初步确定1.3.1动臂结构型式的初步确定 反铲动臂可分为整体式和组合式两类 1)整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。直动臂结构简单轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机，一般不采用；整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，符合反铲作业要求。整体式动臂结构简单、低廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置较少，通用性较差。用于长期作业条件相似的挖掘机。图1.1 整体式动臂结构图1-斗杆油缸 2-动臂 3-油管 4-动臂油缸 5-铲斗 6-斗齿 7-加强板 8-连杆9-摇臂 10-铲斗油缸 11-斗杆2)组合式动臂主要优点有：工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整，采用液压缸连接时可以随时进行无级调节；可以较合理的各类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单的解决主要构件的统一化问题；装车运输比较方便。其缺点是结构复杂，制造成本高。根据挖掘要求、作业条件、挖掘机成本等，初步选择整体式弯动臂。1.3.2斗杆结构型式的初步确定斗杆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比时采用跟换斗杆的办法，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。这里采用整体式斗杆。图1.2 整体式斗杆1.3.3传动型式的初步确定液压系统根据系统压力和液压泵特性可以分为中高压和高压定量系统、高压变量系统。中高压定量大多采用外啮合齿轮泵，这种液压泵结构简单，工作可靠，尺寸小，重量轻，但是效率低；高压定量系统采用径向偏心柱塞泵，这种液压泵结构不复杂，工作可靠，耐冲击和振动，压力高，寿命长，单调速困难；高压变量系统大多采用恒功率调节的轴向柱塞泵，当外负荷变化时液压泵能够自动调节流量，达到充分利用发动机的目的，而且效率高。在中型和大型挖掘机中得到广泛应用。参考徐工集团xe40液压挖掘机和中联重科ZE60E-l液压挖掘机初步选定高压变量系统。单斗液压挖掘机的变量系统大多是双泵双回路，根据两个回路的变量有无关联，分为分功率和全功率变量两种，分功率变量系统的功率利用较好，然而由于各回路的流量要分别调整，动作的配合比较困难，尤其是挖掘机行走时，司机必须经常手控调速，使两条履带动作协调；全功率变量系统的功率利用很好，两泵流量始终相等，司机易于掌握调速。初步选用全功率变量系统因此，初步选用双泵双回路全功率高压变量液压系统。图1.3 双泵高压变量液压系统1.3.4回转机构结构型式的初步确定 全回转的回转机构，按液压机的结构型式可分为“高速方案”和“低速方案”两类。高速液压马达具有体积小，效率高，不需背压补油，便于设置小制动器，发热和功率损失小，工作可靠，可以与轴向柱塞泵的零件通用等优点，低速大扭矩液压马达具有零件少，传动简单，起动制动性能好，使用寿命长等优点。在高速方案中采用弯轴式轴向柱塞液压马达占多数，回转支承分为单排滚球式、双排滚球式、交叉滚柱式和组合滚子式。使用最广泛的是单排滚球式、双排滚球式、交叉滚柱式三种，其中双排滚球式采用较多。初选高速弯轴式轴向柱塞液压马达，双排滚球式回转支承。1.4功率参数及发动机的初步选定1.4.1整机功率参数的初步确定发动机功率；液压功率发动机功率、液压功率N=kG发动机功率N=5*4.6=23kw 液压功率N=4*4=16kw1.4.2发动机的初步选定型号、生产厂家、性能指标小松 3D88E-5发动机 生产厂家：小松集团表1.3 发动机参数发动机型号:小松 3D88E-5额定功率(Kw/rpm):21.7/2400排量(L):1.642冷却方式:水冷工作形式:4冲程、水冷直列式、直喷发动机，行程:102.4mm,缸径:87mm。1.5回转速度、工作循环时间及生产率的估算依据经验公式：1、 回转速度： Kn=15得n=11.6（r|min）2、工作循环时间： 其中kz0=10得tz0=12.90s3、理论生产率： 其中q=0.15m3得Q0=41.86（m3|h） 以上参数都是经验公式的初步估算，如有需要可适当调整。第二章 履带式液压挖掘机工作装置设计工作装置的设计要满足任务书的要求以及结构上的合理。挖掘机的工作装置包括动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、连杆机构，本设计要求确定挖掘机的工作范围，并且对各个液压缸进行计算校核。下图为挖掘机的工作装置图。图2.1 挖掘机工作装置简图2.1确定工作装置的几何尺寸工作装置是液压挖掘机的重要组成部分之一，一般包括：动臂、斗杆、铲斗、连杆以及油缸等。2.1.1斗形参数的选择 选择斗形参数时，一般考虑以下两个因素：（1）、转斗挖掘时尽量使挖掘阻力小些；（2）、转斗挖掘时尽量降低其挖掘能容量。铲斗的四个主要参数为斗容量q，平均斗宽B，转斗挖掘半径R和转斗挖据装满转角2。R、B及2与q之间有以下几何关系： 当q一定时最大挖掘阻力及转斗挖掘能容量E随着R的增大而下降。但B和R大到一定程度，综合反映到100则太大；若90则B或R太大。在q0.25m时R和B对的影响差不多。从能量的观点看，不论q如何，B对E的影响远远大于R，设计时应兼顾和E两方面，希望两者都小些，因此R和B两值不宜相差悬殊。综合考虑，选取：，B=0.65，依据公式计算确定R=0.736结合经验公式计算所得及现有样机取R=0.82m，B=0.652.1.2动臂及油缸铰点的布置及取值对挖掘机性能有影响。l5取值过大将使油缸力臂值增大，回转支承受力变大，闭锁力上升，动臂摆角减小，作业范围减小，且使动臂座尺寸变大，给制造和安装带来不便；的值取的过大，使特性系数值增大，提升能力下降。类比其它样机，取（300450mm（小挖）；600800mm（中挖） （65左右）A点位置的确定： mm左右 D回转支承外径 平台离地高度+150mm左右类比后取平台离地高度（600650mm（小挖）；11001150mm（中挖）计算得出:、C点位置的确定： 计算得出、2.1.3动臂尺寸参数的确定推荐采用整体式弯动臂，考虑挖深及结构强度，取动臂弯角为（130左右）；特性参数=（1.65左右）。确定动臂及斗杆、的长度，要满足作业要求。根据经验公式： 其中为最大挖掘半径，由设计要求知，由前面机体尺寸的初步确定知，取代入公式中计算得，。圆整后取。由于反铲挖掘机以挖掘深度为主指标，故取特性参数1.3。在CZF中（见前图）根据，求： 将带入以上三式计算得。油缸铰点的布置综合考虑了结构件的强度、油缸本身以及安装特性，经作图凑出：l6、l7、l8、l22。2.1.4斗杆机构的尺寸参数的确定斗杆机构的设计应满足：（1）、斗杆机构应满足斗杆转角的要求，摆角应在105125之间，在满足工作范围等前提下本机去108；（2）斗杆油缸全伸时，铲斗任意转动不得碰动臂；（3）保证足够得挖掘力及必要得闭锁能力。确定斗杆油缸下铰点：D点与动臂间得距离应尽量小些，为使动臂与斗杆油缸不发生干涉。油缸与动臂之间应留有10mm左右得间隙。斗杆尾部半径从闭锁考虑，可按经验公式： 将有关数据代入计算得取斗杆上取决于结构因素，并考虑到共作范围一般在130170取EFQ=140。斗杆相对于动臂得初始位置不能超过动臂中心延长线，可取其夹角为1.2左右。2.1.5铲斗连杆机构设计（1）铲斗连杆机构设计时应满足：转角要求为了满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗的最大转角一般在150180。铲斗在挖掘过程中转角大致为90110。铲斗仰角范围一般为030。这样还可以适应挖掘深沟及垂直侧壁得作业要求，不使斗底先于斗齿接触土地。同时，铲斗的转角范围还应该满足，当动臂油缸处于最短即：L1=L1min，斗杆油缸处于最短即：L2=L2min ，铲斗油缸处于最长即L3=L3max时，铲斗l3与地面的夹角45。挖掘力的变化与阻力变化一致铲斗机构最大理论挖掘力应与最大挖掘阻力相适应，一般在-10开挖，最大挖掘力出现在2535处。几何相容连杆机构设计还需要满足几何相容，要保证连杆机构三角形、四边形在油缸得全行程中任一瞬时斗不被破坏，并且各个构件间不发生干涉碰撞。（2）铲斗连杆机构的型式选择反铲铲斗机构有四连杆的，也有六连杆的，推荐采用六连杆机构。（3）铲斗连杆机构的参数选择为满足几何相容条件，由经验公式可计算连杆各构件的尺寸参数。取；取FQN=0；取;取确定铲斗油缸在伸缩过程中，由于设计过程中油缸及斗杆间留由10mm左右得间隙，使两者不发生干涉。铲斗油缸下铰点位置的确定：2.2挖掘阻力、油缸作用力、闭锁力挖掘力计算2.2.1铲斗挖掘阻力转斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而明显变化。切削阻力的切向分力：其中 C表示土壤硬度的系数，对III级土宜取C=90150；取C=120 R转斗切削半径；取 挖掘过程中铲斗总转角的一半；本设计中取铲斗的瞬时转角；B切削刃宽度影响系数，B=1+2.6b，其中b为铲斗平均宽度，单位为m；本设计中取b=0.54m，B=2.4A切削角变化影响系数，取A=1.3；Z带有斗齿的系数，Z=0.75（无斗齿时，Z=1）；X斗侧壁厚度影响系数，X=1+0.03s，其中s为侧壁厚度，单位为cm，初步设计时可取X=1.15；D切削刃挤压土壤的力，根据斗容量大小在10000-17000N范围内选取。当斗容量q0.5m3时D应小于10000N。（推荐8000N（小挖）12000 N（中挖）本设计中取D=8000N。取不同的一组j列表计算铲斗挖掘阻力W1。结果如表2.1所示。表2.1 不同位置切削阻力计算列表瞬时转角（）0102030405060708090切削阻力W1(N)8000177932655232376355103622734563303862340213591绘制铲斗切削阻力W1随瞬时转角的变化曲线图如图2.2所示（以铲斗油缸最短是0为起点）图2.2 切削阻力随瞬时转角变化曲线 转斗挖掘装土阻力的切向分力： 式中 密实状态下土壤容重，单位为； 挖掘起点和终点间连线ab方向与水平线的夹角； 土壤与钢的摩擦系数。计算表明：相比很小，可忽略不计。当，时出现转斗挖掘最大切向分力：试验表明法向挖掘阻力的指向是可变的，数值也较小，一般。土质愈均匀，愈小。从随机统计的角度看，取法向分力为零来简化计算是允许的。这样就可看作为转斗挖掘的最大阻力。转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算。也即把半月形切削断面看作等面积的的条形断面，条形断面长度等于斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值，平均切削厚度为：平均挖掘阻力为:式中用角度代入，一般所谓平均阻力是指装满铲斗的全过程阻力平均值，因此应取。计算得平均挖掘阻力为23837N2.2.2斗杆挖掘阻力计算斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数。一般取斗杆在挖掘过程中的总转角为，在转角行程中铲斗被装满。这时斗齿的实际行程为： 式中 斗杆挖掘时的切削半径，。在本设计中斗杆挖掘时的切削厚度可按下式计算：斗杆挖掘阻力为：当取级土壤时，。式中 挖掘比阻力，当取主要挖掘土壤的时可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土质值时则得最大挖掘阻力。 斗杆挖掘时铲斗转角，该转角主要为避免挖掘时，斗底接触土壤，一般=5080。本设计中取=60。将有关数据代入计算得2.2.3铲斗、斗杆、动臂油缸缸径的确定液压缸推荐选用工程机械用内卡键式液压缸，动臂、斗杆、铲斗三组油缸均通过类比选用（缸径80mm，杆径40mm左右）。确定的油缸参数列表。（1）动臂油缸的确定（如图2.3）将铲斗转到最大卸载高度和最大挖掘深度处，此时，动臂油缸分别处于最短和最长，最短处ACB=35，最长处ACB=127。缸径80mm，杆径40mm的油缸值大约为365mm以C为圆点画圆，直到，此时。同时也能确定动臂油缸铰点B的位置得出动臂油缸参数如表2.2所示：表2.2 动臂油缸参数列表型号缸径D杆径dL1maxL1min额定工作压力允许工作压力HSGK0280mm40mm1567mm966mm365mm20Mpa24.5Mpa图2.3 动臂油缸的确定（2）斗杆油缸的确定（如图2.4）在斗杆在初始位置和最大转角处斗杆油缸最短和最长，以两个位置斗杆的E点作圆，且满足两倍最短减去最长结果为365mm。得到的交点就是斗杆铰点D变化不同的半径得到合适的D点。通过作图得到斗杆油缸参数如表2.3所示表2.3 斗杆油缸参数列表型号缸径D杆径dL2maxL2min额定工作压力允许工作压力HSGK0280mm40mm1960mm1160mm360mm20Mpa24.5Mpa图2.4 斗杆油缸的确定（3）铲斗油缸的确定（如图2.5）取铲斗转角为170，使其在初始位置和最大转角处以H点为圆心画圆，且两圆半径满足两倍小圆半径减去大圆半径结果约为365，交点极为铲斗油缸铰点，以不同的半径作圆，直到出现合适的G点。通过作图法得到：；由图上测量出EG=370mm，FG=423mm。铲斗油缸参数如表3.4所示。表2.4 铲斗油缸参数列表型号缸径D杆径dL3maxL3min值额定工作压力最大工作压力HSGK0280mm40mm2040mm1200mm360mm20Kpa24.5Mpa图2.5 铲斗油缸的确定2.2.4铲斗、斗杆理论挖掘力计算反铲装置主要采用斗杆液压缸或铲斗液压缸进行挖掘。假定不考虑下列因素：（1）工作装置自重和土重；（2）液压系统和连杆机构的效率；（3）工作液压缸的背压；（4）不考虑其他因素如停机面坡度、分力、惯性力、动载等因素的影响。工作液压缸外伸时由该液压缸理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力称为工作液压缸的理论挖掘力如图所示，铲斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力为：式中 铲斗液压缸的理论推力，为铲斗液压杆大腔作用面积，为液压系统工作压力； 、力臂值。借助CAD作图，在铲斗转到不同角度值时测量得到，如图2.6为铲斗转到40时的力臂值。图2.6 连杆机构力臂测量简图铲斗转不同角度下测量得到的力臂值以及计算如下表2.5所示（以铲斗油缸最短是为0起点）表2.5 铲斗连杆机构不同转角下的力臂值及理论挖掘阻力计算值铲斗转角计算02132131868322247810285253216832294052035828923883235628304143222578323992140454351273832426655048037528683244234604953982948324418370500417298832431788049743130083241801904884412978323971011045451228683230642130409463266832283901503574612438322274017030345021683217572 铲斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力随铲斗转角变化曲线如图2.7所示（以铲斗油缸最短是为0起点）。图2.7 理论挖掘力随铲斗转角变化的曲线将铲斗理论挖掘力与切削阻力绘制在一张图上如图2.8所示（以铲斗油缸最短是0起点）图2.8 铲斗理论挖掘力与切削阻力匹配关系图 从图中可以看出，从挖掘力与挖掘阻力相匹配来看，铲斗油缸及铲斗机构满足设计要求。斗杆液压缸的理论挖掘力为：式中 斗杆液压缸的理论推力，其中为斗杆液压缸大腔作用面积，为液压系统工作压力。N ，力臂值。借助CAD图，在斗杆转到不同角度时测量得到，如图2.9为斗杆转到80时测量值图2.9 斗杆机构力臂测量简图斗杆转到不同角度下测量得到的力臂值及理论挖掘力计算值见表3.6（以斗杆油缸最短是为0起点）表2.6 斗杆机构不同位置下的力臂值及理论挖掘力计算值斗杆转角2r5（mm）r6（mm）斗杆理论挖掘力03662652138732047326521793440499265218919604662652176638039326521489810029226521106810824926529440绘制斗杆理论挖掘力随斗杆瞬时转角的变化曲线如图2.10所示（以斗杆油缸最短是为0起点）。图2.10 斗杆理论挖掘力随斗杆瞬时转角变化曲线图将斗杆理论挖掘力与挖掘阻力绘制在一张图上如图2.11所示（以斗杆油缸最短是为0起点）图2.11 斗杆理论挖掘力与斗杆挖掘阻力匹配关系图从图中可以看出，斗杆油缸及尺寸参数满足设计要求。2.2.5动臂油缸作用力计算臂油液压缸应保证反铲作业过程中在任何位置上都能提起带有满载铲斗的工作装置到达最高和最远的位置。可选用三个计算位置：从最大挖掘深度处提起满载斗；最大挖掘半径时举起满载斗；最大卸载高度时提动满载斗。对动臂在转台上的铰点C取矩，可以得到各位置下所需的动臂液压缸作用力：式中 工作装置各构件的重量，初步设计时可通过经验公式法取用； 斗中土重；取土重为0.25t 和各构件及斗内土壤重心到点C的力臂。（1）、反铲工作装置各部分质量计算根据国内几种反铲装置的构件近似质量表，经类比法得出以下参数：项目斗容量（m）质量（t）动臂斗杆铲斗斗杆缸铲斗缸连杆摇杆动臂缸机重设计机型0.150.2230.1790.0860.0550.0510.0170.0555机型20.140.1780.1430.0690.0440.0410.0140.0444（2）、提升力计算（三种工况均作图分析）工况：最大挖深时满斗提升，此时动臂油缸全缩，斗杆垂直地面，铲斗转至水平，这时计土重和工装重。 通过作图得各个构件到C点的力臂，如图2.12。求得，N，动臂缸推力为100531N，提升力动臂缸推力。即工况一合格图2.12 工况一各个构件力臂值工况：最大卸载高度满斗提升 通过作图得各个构件到C点的力臂如图2.13。求得=19279N，动臂缸推力为100531N，提升力动臂缸推力。即工况二合格图2.13 工况二各个构件力臂值工况：最大卸载半径满斗提升 通过作图得到各个构件到C点的力臂如图2.14。求得=18336N，动臂缸推力为100531N，提升力动臂缸推力。即工况三合格图2.14 工况三各个构件力臂值2.2.6液压缸闭锁力计算确定合理的液压缸闭锁能力是保证挖掘力得到充分发挥的基本条件之一。在挖掘范围内当工作装置处于不同位置时各液压缸所受到的被动作用力值也不同，一般常选定几个反铲作业的主要工况作为计算位置来计算各液压缸应用的闭锁力，使之在该工况下不发生液压缸被动回缩或伸长的现象，从而保证了工作液压缸作用力的发挥。为确定各液压缸的闭锁压力，选用以下三个计算位置：在主要挖掘区内对以下几种工况的油缸闭锁力进行校核（三种工况均作图分析）。工况：动臂最低，斗杆垂直于地面，铲斗挖掘最大，并且作用力臂最大。动臂缸小腔闭锁（如图2.15）由工况下的、0.1，求得，判断是否油缸的闭锁压力，判断该工况下动臂油缸是否闭锁。对F点取矩计算斗杆油缸闭锁压力，斗杆油缸大腔闭锁。可得到斗杆液压缸所受的被动作用力式中：G3铲斗质量，G3=860N； G2斗杆、转斗液压缸及连杆机构总重，G2=2470N。通过CAD作图得各个力臂值（如图3.14）将各个数据代入计算得,使斗杆液压缸受压缩（液压缸的大腔为高压腔）。假设此时限压阀调定压力等于液压缸的工作压力，则大腔的闭锁力等于其作用力100531N，而小于117320N，先染液压缸会回缩。为防止液压缸回缩，限压阀的调定压力应高于液压缸工作压力，超出百分比为同时对C点取矩，求得动臂液压缸所受的被动作用力G3动臂、斗杆油缸总重，G1=2230N通过CAD作图得到各个构件力臂值（如图3.14）将各个数据代入计算得此时动臂液压缸受拉（液压缸小腔为高压腔）。假若限压阀的调定压力等于液压缸的工作压力，则液压缸小腔的闭锁力就等于75398N，小于90327N，液压缸就会伸长。为了防止其伸长，限压阀的调定压力应高于其工作压力，超出百分比为图2.15 工况一各力臂值测量图工况：动臂油缸最低，斗杆与动臂的铰点F,斗与斗杆铰点Q，斗齿尖V点三点共线，斗杆挖掘，其作用力臂为最大。动臂油缸小腔闭锁由工况下的、0.1，通过CAD作图测得各个力臂值，如图2.16所示。代入计算的Pb1=19Mpa20Mpa，即实际压力小于允许压力，满足闭所要求。对Q点取矩可计算铲斗油缸闭锁压力，铲斗油缸大腔闭锁。计算20Mpa，即实际压力小于允许压力，满足闭锁要求。图2.16 工况二各力臂值测量示意图工况：动臂处于最低位置，挖掘深度为最大，FQV三点共线，铲斗挖掘，并要求能克服平均挖掘阻力。动臂小腔闭锁由工况下的、0.1，动臂缸小腔闭锁通过CAD作图测得各力臂值，如图2.17，计算得20Mpa，即实际压力小于允许压力，满足闭所要求。对F点取矩可计算斗杆油缸闭锁能力，油缸大腔闭锁。计算pb2=18Mpa20Mpa，即实际压力小于允许压力，满足闭锁要求。图2.17 工况三各力臂值测量示意图第三章 挖掘机回转机构的设计单斗液压挖掘机回转机构的回转时间约占整个工作循环时间的5070，能量消耗约占2540,回转液压油路的发热占系统总发热量的3040,因此合理选择回转机构诸参数,对提高生产率,减少冲击,改善司机的劳动条件有十分重要的作用。对回转机构的要求是：1.在角加速度和回转力矩不超过允许值的条件下,尽可能缩短回转时间。在回转部分惯性已知的情况下，角加速度的大小受最大回转扭矩的销限制，改扭矩不应超过行走部分与地面的附着力矩。2.回转时工作装置的动载系数不应超过允许值。 3.回转能量损失应最小。3.1 回转机构参数的选择在总体设计阶段，计算转台最佳转速时需要预先确定转台的转动惯量，起动力矩和制动力矩，转角范围，这些参数的正确选择、对回转机构的运动特性是有决定意义的。（1）转台的转动惯量 根据最常用工作装置和最常遇到的工况来估算转台的转动惯量，根据经验公式计算满斗回转和空斗回转转动惯量。本机采用的是反铲工作装置，可按下列经验公式估算。满斗回转： 将G=4.6t代入，计算得空斗回转： 将G=4.6t代入，计算得（2）回转起动和制动力矩的确定回转最大起动力矩和最大制动力矩不应超过行走部分和地面的附着力矩。当机械制动时可取,仅靠液压制动时可取，为作用在转台上的最大制动力矩。履带式液压挖掘机对地面的附着力矩可按下式求得： 式中 整机重量（t）附着力矩，对平履带板取0.3，对带筋履带板取0.5。挖掘机的履带板推荐为带筋履带板，0.5。将G=4.6t代入计算得在实际设计中，仅靠液压制动，所以其制动力矩，确切的取。计算得作用在转台上的最大起动力矩一般小于最大制动力矩，其比值对纯液压制动为，当采用高速油马达时取=0.78，当采用低速大扭矩油马达时取=0.85。本设计中采用高速马达，所以计算得（3）