正铲单斗液压挖掘机工作装置设计

1、机械设计（机械设计基础）-课程设计说明书设计题目： 正铲单斗液压挖掘机工作装置设计 学 院： 机械工程系 专 业： 机械制造工艺与设备 班 级： 机制一班 学 号： 20137709 姓 名： 刘鑫 指导老师： 温亚莲 完成日期： 2016年9月2日 机械原理设计任务书学生姓名 刘鑫 班级 机制一班 学号 20137709 设计题目： 正铲单斗液压挖掘机工作装置设计 一、设计题目简介正铲挖掘机的铲土动作形式。其特点是“前进向上，强制切土”。正铲挖掘力大，能开挖停机面以上的土，宜用于开挖高度大于2m的干燥基坑，正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要大一些，其工作装置直接决定其工作范围和工作能力。

2、二、 设计数据与要求题号铲斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半径卸载高度A4.2m33.05m20.6m16.3m11.2m三、 设计任务1、绘制挖掘机工作机构的运动简图，确定机构的自由度，对其驱动油缸在几种工况下的运动绘制运动线图；2、根据所提供的工作参数，对挖掘机工作机构进行尺度综合，确定工作机构各个杆件的长度；3、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。4、编写设计计算说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。5、在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。完成日期

3、： 2016 年 9 月 2 日 指导教师 温亚莲 摘要正铲挖掘机的开挖方式根据开挖路线与汽车相对位置的不同分为正向开挖、侧向装土以及正向开挖、后方装土两种，前者生产率较高。正铲的生产率主要决定于每斗作业的循环延续时间。为了提高其生产率，除了工作面高度必须满足装满土斗的要求之外，还要考虑开挖方式和与运土机械配合。尽量减少回转角度，缩短每个循环的延续时间。 反铲的开挖方式可以采用沟端开挖法，即反铲停于沟端，后退挖土，向沟一侧弃土或装汽车运走，也可采用沟侧开挖法，即反铲停于沟侧，沿沟边开挖，它可将土弃于距离沟较远的地方，如装车则回转角度较小，但边坡不易控制. 单斗液压挖掘机主要由动臂、斗杆、铲斗、

4、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸等组成。铲斗的斗底利用液压缸来开启，斗杆是铰接在动臂的顶端，由双作用的斗杆油缸使其转动。斗杆油缸的一端铰接在动臂上，另一端铰接在斗杆上。其铰接形式有两种：一种是铰接在斗杆的前端；另一种是铰接在斗杆的尾端。动臂均为单杆式，顶端呈叉形，以便与斗杆铰接。动臂有单节的和双节的两种。单节的动臂有长短两种备品，可根据需要更换。双节的动臂则由上、下两节拼装而成，根据拼装点的不同，动臂的工作长度也不同。一、 正铲挖掘机自由度计算根据下图所示的挖掘机结构简图，我们可以对其自由度进行计算。通过对机构简图的分析，可以看出该工作装置有11根杆件组成,其中包含15个运动副，即12个转动副，3

5、移动副，共包含15个低副，没有高副。自由度计算：n=11,PH=0,PL=15 则：F=3n-2PL-PH=3*11-2*15-0=3二、 挖掘机参数计算2.1、液压挖掘机基本参数液压挖掘机基本参数主要包括：标准斗容量：指挖掘级或密度为 的土壤时，代表该挖掘机登记的一种铲斗堆积容量。最大挖掘高度：指工作装置处于最大举升高度时，铲斗齿尖到停机地面的距离。最大挖掘半径：在挖掘机纵向中心平面上铲斗齿尖离机器回转中心的最大距离。最大挖掘深度：指动臂处在最低位置，且斗齿尖，铲斗与斗杆铰点，斗杆与动臂铰点三点在同一条垂直停机面的直线上，斗齿尖与停机面的最大距离。最大卸载高度：指动臂、斗杆处于最大举升高度，

6、翻转卸土，斗齿尖处在最低位置时，斗齿尖到停机面的距离。2.2、液压正铲挖掘机工作装置机构运动学分析2.2.1动臂运动分析动臂AD的位置由动臂油缸MC的长度决定。和动臂水平倾角之间的关系可用下式表示 （2-1） （2-2）从上式看出，a11-a2对的影响很大，当动臂和油缸的参数不变时，a11-a2愈大动臂提升高度愈小。设动臂油缸全缩时动臂倾角为；动臂油缸全伸时动臂倾角为，那么在动臂油缸由全缩到全伸，动臂总的转角为： （2-3）为了便于运算和比较，仍用无因次比例系数表示，即； （2-4）代入式(22)可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值 （2-5） （2-6）而动臂总转角为 （2-7）动臂

7、油缸伸缩时对A点的力臂也在不断变化，由图可知 （2-8）显然，当ABAC时有最大值，此时，而相应的油缸长度为：=此时的动臂倾角为若用动臂油缸相对力臂（即来表示油缸长为时的力臂，则 （2-9）综上所述，动臂倾角、力臂和都是的参数。2.2.2斗杆运动分析斗杆DJ的位置由动臂AD和斗杆油缸BE的长度所决定。但是动臂的位置随动臂油缸的伸缩而变化，为了便于分析斗杆油缸对头杆位置的影响，假定动臂不动，那么斗杆铰点D以及斗杆油缸在动臂上的铰点B就可以看作为固定基座。与斗杆、动臂夹角之间的关系为 （2-10） （2-11）设斗杆油缸全缩时动臂与头杆的夹角为，全伸时为，那么当油缸由全缩到全伸时斗杆总的转角为 （

8、2-12）斗杆油缸的作用力臂也是可变值。 （2-13）当MCAD时有最大值，即，这时相应的油缸长度为相应的斗杆转角为 （2-14）用斗杆油缸相对力臂值（即）来表示时的力臂，则 （2-15）2.2.2斗齿尖的几种特殊工作位置的计算 上图为正铲挖掘机作业范围图，以下为几种特殊工作位置的分析与计算。（1）最大挖掘半径(图2.5)这时C、Q、V在同一条水平线上，而且斗杆油缸全伸，即；最大挖掘半径为 （2-16）最大挖掘半径处的挖掘高度相应为 图 2.5 最大挖掘半径（2）最大挖掘高度(图2.6) 图 2.6 最大挖掘高度最大挖掘高度为： （2-17）最大挖掘高度时的挖掘半径 （2-18）如果最大转斗角

9、度不能保证GJ垂直向上，即，则应根据实际的值求相应的挖掘高度，如图左上角所示，此时 （2-19）（3）最大挖掘深度(图2.7) 这时动臂油缸全缩，头杆DG及GJ垂直向下，即，。 最大挖掘深度为 （2-20）最大挖掘深度时的挖掘半径为 （2-21）假若，则DG不可能呈垂直状态，此时必须根据具体情况计算实际的最大挖掘深度。图 2.7 最大挖掘深度（4）停机平面上的最大挖掘半径(图2.8)这是指斗齿靠在地面上、斗杆全部伸出而斗底平面与停机平面平行的工况。此时QV线与地面交成角(角是一个重要的铲斗参数，设计中应认真确定)，根据这种定义可知图 2.8 停机平面上的最大挖掘半径；，其中 （2-22） （2

10、-23）这时停机平面上的最大挖掘半径为 （2-24） 如果，则必须根据具体情况重新进行计算。2.3 工作装置各部分基本尺寸计算确定现从动臂与转台铰点A出发，借助各相关转角q 1、q 2和q 3，建立各关键点B、C、DV的位置模型，得到各关键点的坐标，从而为下一步的分析提供依据。 以地面为横坐标，以回转中心线为纵坐标，建立直角坐标系XOY如图2.4所示。 2.3.1 动臂与平台铰点位置A的确定对由反铲挖掘机改装的正铲来说，动臂铰座往往就沿用反铲动臂的铰座。一般，铰座都在转台中心的前方(0)，近来大型正铲的铰座却有向后移(靠近回转中心线)的趋势。设计时，可用类比法确定或根据经验统计公式初步选取，在

11、此基础上推荐以履带轴距L为基本长度。履带轴距L=3.123.66 （2-25）式中：为斗容量，取L=3.6m2.3.2 动臂及斗杆长度的确定同上转斗半径也可用类比法确定或根据经验统计公式初步选取，在此基础上推荐以履带轴距L为基本长度。2.3.3 机构转角范围确定在动臂长度、斗杆长度、转斗半径及动臂油缸与平台铰点C初步确定之后，根据挖掘机工作尺寸的要求利用解析法求各机构转角范围，其中包括动臂机构转角、斗杆机构转角、铲斗机构转角范围。(1) 斗杆转角和的确定可根据最大挖掘半径确定。最大转角应当不小于 (2-26)根据停机平面上最小挖掘半径确定。所谓停机平面上的最小挖掘半径依不同工作情况而异，有的是

12、指铲斗最靠近机体(斗杆油缸全缩)、斗齿尖处于停机平面而斗底平行于地面，在这种状态下开始挖掘时的挖掘半径。图 2.9 停机平面上的最小挖掘半径如图2.9所示，这时斗杆和动臂间的夹角为最小()，铲斗与地面相交成角(见图2.7)，而斗齿尖V到回转中心的距离为。从几何推导可知 (2-27)式中、Q点的横坐标和纵坐标，且=； (2-28) (2-29) (2-30) 带入式（2-29）整理后得 (2-31) 有些挖掘机不要求铲斗水平铲入，而往往以一定的后角开始挖掘，因而最小挖掘半径可能比前一种小，加大了停机平面上的挖掘范围。在这种情况下QV与水平的夹角将增至。根据有的资料介绍，为使铲斗容易切人土壤，开始

13、挖掘时的后角可取为。应该注意不论铲斗开始挖掘时的位置如何，必须以不碰撞履带板为原则，因此（） (2-32)式中 R驱动轮半径(毫米)；履带行走装置水平投影的对角线与纵轴问的夹角； 考虑转斗机构连杆装置及余隙在内的间隙，初步设计时可取200400毫米。(2) 动臂倾角和的确定动臂最大倾角根据最大挖掘高度确定。由图2.5并根据式(217)和(218)经过运算得出 (2-33)因此先确定后，再根据可得。动臂最小倾角。根据最大挖掘深度确定。由图2.5和式(220)得到 (2-34)（3）铲斗转角和的确定 转斗机构应满足以下要求：满足工作尺才的要求，即保证所要求的、等参数能够实现；挖掘过程中能够调整切削

14、后角，保证工作正常进行，满足挖掘过程结束时的转斗要求及卸载要求。A.必须满足工作尺寸的要求为满足挖掘高度要求(图2.5) (2-35)为满足最大挖掘半径要求(图2.4) (2-36)为满足停机平面上最小挖掘半径要求(图2.8) (2-37) (2-38) (2-39) (2-40)为满足最大挖掘深度要求(图2.6)B必须满足挖掘过程中调整切削后角的要求挖掘过程中随着铲斗向前运动，斗的切削后角也不断发生改变，为了保证挖掘正常进行，斗底不应与地面发生摩擦，即0，为此必须使（图2.10）又 将式代入，整理后得到 (2-41)图 2.10 铲斗运动方向与切削后角C必须满足卸载要求由于前卸式铲斗和底卸式

15、铲斗的卸载方法不同，因此对转角的要求也不同。为使卸斗于净，前卸式铲斗在卸土时要求斗底与水平相交成以上的角(见图2.11a)，因此从图2.5及式(235)得 (2-42)图 2.11 不同卸载方式对的影响底卸式铲斗卸土时可假定斗的后壁接近于垂直枚态，斗底按近于水平位置(图2.11b)，因此要求 (2-43)对比(242)和(243)可见，从卸土要求来看，底卸式铲斗的转角可比前卸式少左右。D必须满足挖掘结束时铲斗后倾的要求为了使铲斗在挖掘结束时脱离工作面并在提升过程中使斗内物科不致撒落，铲斗必须后倾。根据装裁机的要求铲斗装满后斗底必须向上倾斜角， 显然这时QV连线也必然向上翘起角。结合图2.7和2

16、.12可知+ (2-44)根据以上所得的公式(235)(244)就可以初步确定动臂、斗杆、铲斗的转角范围。但是求出这些参数后还必须校接所规定的其它工作参数，如最大卸载高度、最大卸载高度时的卸载半径、最大挖掘高度时的挖掘半径等，如不能满足则应加以修正。图 2.12 铲斗后倾示意图2.3.4动臂油缸的铰点及行程确定确定动臂油缸及其铰点位置时首先应满足动臂变幅时力短和转角的要求。图2.13中设动臂油缸全缩和全伸时的位置为和，则；。再假定铰点B不在动臂中心线CF上，且(当B在CF线下方时为“十”，反之为“一”)。那么由几何推导可以求出工作时动臂油缸的起始力臂和终了力臂的值： (2-45) (2-46)

17、式中各参数可见表210、211及公式(257)。如果CF线处于水平线以下则用负值代入。图 2.13 动臂提升机构计算示意图设起始力臂和终了力臂的比值为K，则 (2-47)或 （2-48）展开并整理后得到 (2-49)对式(248)、(249)可作如下分析：(1)公式表示了、K、诸值之间存在着一定的依赖关系。当其它数值不变，降低值则K值下降，因而对上部挖掘有利；当、K不变，降低值会使加大而减小，对挖高有利。这些都说明正铲的值应当比反铲的小。但是如果工作尺寸已定，过多降低值会对下部挖掘不利，甚至在下部挖掘时不能提起满载斗；此外为了保证、和K，降低值就必须加大值，加大了油缸行程，对油缸的稳定性也有影

18、响。所以当确定值时必须全面考虑，笼统地给定正铲或反铲的值是不恰当的。(2)当、K等值固定，与之间也存在一定的关系，即为常数。在反铲上由于需要提高地面以下的挖掘性能，值往往都是负值。因此加大可以减小动臂的弯曲程度，对动臂的结构强度有利。而正铲动臂一般不采用反铲那样大曲率的弯臂，角主要按油缸在动臂上的铰接方式而定，有时油缸铰在动留下缘的耳板上(动臂截面不致削弱)；有时靠两个钟形座铰于动臂两侧(在双缸方案中常采用)等等，因而角有正有负，但角度一般部不大，因此对的影响也不很大。综合上述两点，建议在初步设计中先确定动臂结构，初选值，然后根据工作尺寸的需要，在确定、基础上按公式(249)求合理的值。一般情

19、况下正铲的值不大干。(3)值主要应从油缸的稳定性出发选用，建议取1.61.7。(4)由于正铲主要挖掘地面以上土，终了力臂不能忽视，故K值可建议在0.901.14的范围内选取。设计动臂机构时合理地确定A、B、C三点的位置非常重要。从和中(图2.13)还能得到如下关系式 (2-50) (2-51)用公式(24)代入得 (2-52) (2-53)令，代人上式，解联立方程后得到 (2-54) (2-55)以上我们根据动臂转角需要和K值确定了、等比例系数和值，因此只要进一步求出、中任一值就可以求得其它各参数。对于正铲来说动臂油缸的主要作用是将满载斗由任何可能挖掘的位置举升到卸载点。而在最大挖掘半径下举升

20、满载斗时的提升力矩往往接近最大值，此时油缸的作用力臂也接近于最大值，且。另一方面油缸的缸径一般部按照系列选用，并且还要考虑与其它油缸通用等问题，因此缸径没有很多选择的余地。鉴于以上情况可以在预先确定油缸数目和缸径的前提下初步选择铰点距离AC()。 (2-56)式中 M提升力矩，图214，即各部分重量对C点的力矩和，其中包括动臂重量、斗杆重量、斗和土壤的重量、连杆装置重量以及油缸重量、等。初步设计时这些重量和重心位置可根据类比法确定；s油缸推力， s，其中、分别为动臂油缸数目和缸径；p是系统的工作压力；油缸和铰点的机械效率，在初步设计时可取=0.85。 将式(2110)和(2111)的结果代人式

21、(257)，就能求得其余参数值。动臂机构还必须按以下两种情况进行校核； 1)动筒在上部或下部极限位置时的举升能力；2)主要挖掘范围内挖掘时动臂油缸能提供的闭锁能力(借助电算结合整机挖掘力分析进行)。 2.3.5斗杆油缸铰点及行程确定选择斗杆油缸在动臂和斗杆上的铰点D和E并确定斗杆油缸的长度和。如图215所示，假设斗杆油缸全缩和全伸时的长度为和，则。=，对F点的相应力臂为和。也取比例系数图 2.14 确定提升机构的示意图图 2.15 斗杆机构计算示意图；则初始与终了力臂比K为K= (2-57)或 最后得到 (2-58)式中和相应为DF、FC的夹角和EF、FQ的夹角。若CF或FQ落在的外侧，则夹角

22、为正，反之为负。因此在初步设计中如果根据动臂和斗杆的结构形式及铰点的固定方式预先确定一个角，则可按公式求出第二个角，或者根据所求的值结合具体结构情况分别确定各值。计算斗杆机构时建议K值取0.91，以使开始挖掘和挖掘终了时作用力臂大致相同。值仍建议取1.61.7。 同样，由和可列出联立方程 (2-59) (2-60)令，并将代人上式，解联立方程后得到 (2-61) (2-62)2.3.6计算结果所有杆长数据如下： （单位均为mm）固定点坐标：A(1000,5696) M(3000,2696)杆长：AB=3208 BC=1788.2 BD=6000 AD=8000 DG=6999.98 KG=49

23、99.25 DK=3001.46 DE=1999.97 FG=1000 GJ=1746 IJ=1021.38 IG=897.84 HI=1000 HF=1500 油缸：MC=3799.77 MC=2551.8 BE=5168.62 BE=4624.5 EH=5428.97 EH=4157 三、 工作装置主要部件的强度校核主要结构件的计算主要是指对斗杆和动臂在不利工况下进行载荷分析，以计算其材料与结构的强度。3.1斗杆反铲挖掘机斗杆的强度主要由弯矩控制。取以下两个工况位置进行强度校核。3.1.1 工况一1、动臂位于最低；2、斗杆油缸作用力臂最大；3、斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的

24、延长线上；4、侧齿遇障碍有横向作用力。切向最大挖掘力取决斗杆油缸的闭锁力，取斗杆为隔离体，按力矩平衡求得：式中，斗杆和铲斗的重量（吨）；斗杆和铲斗长（米）；斗杆重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）；铲斗重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）取铲斗为隔离体，按力矩平衡求得铲斗油缸工作力：式中，铲斗重力到铲斗与斗杆铰点的距离（米）；连杆到铲斗与斗杆铰点的距离（米）；连杆到摇杆与斗杆铰点的距离（米）；摇杆的长度（米）。法向阻力取决于动臂油缸的闭锁力，取整个工作装置为隔离体，由力矩平衡求得： (吨)式中，切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）；法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）；动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂

25、（米）；工作装置各个部分对动臂下铰点的力矩和。铲斗边齿遇障碍时，横向挖掘阻力取决于回转平台的制动力矩： (吨)式中，横向挖掘阻力与回转中心间的距离。按图解法和力平衡方程求得斗杆所受作用力。此外，斗杆与铲斗铰点处还作用有和产生的横向力矩：式中，b铲斗宽（米）。切向挖掘阻力作用于斗边齿，造成对斗杆的扭矩： (吨*米)按以上作用力分析，作斗杆内力图，包括轴力N，斗杆平面内的剪力和弯矩，斗杆平面外的剪力和弯矩，以及扭矩。取弯矩最大处进行校核，断面如图3-2所示： 图3-2断面面积为： 断面转动惯量： 断面处压应力为： 斗杆平面内剪应力为： 图3-3斗杆平面内弯曲正应力：斗杆平面外剪应力为： 斗杆平面外

26、弯曲正应力： 按闭口薄壁杆件公式计算扭转剪应力：=14.7 式中，截面中线所围面积 最小壁厚此时，有附加载荷，斗杆安全系数取为2，材料16Mn的屈服极限=350，则，许用应力最大压应力X方向最大剪应力Y方向最大剪应力故，强度满足。3.1.2工况二1、动臂位于动臂油缸最大作用力臂处；2、斗杆油缸作用力臂最大；3、铲斗斗齿尖，动臂与斗杆铰点，斗杆与铲斗铰点三点位于同一直线；4、正常挖掘，挖掘阻力对称于铲斗，无横向力。斗杆受力分析同工况一。切向最大挖掘力取决斗杆油缸的闭锁力，取斗杆为隔离体，按力矩平衡求得： (吨)式中，斗杆和铲斗的重量（吨）；斗杆和铲斗长（米）；斗杆重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）

27、；铲斗重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）取铲斗为隔离体，按力矩平衡求得铲斗油缸工作力： (吨)式中，铲斗重力到铲斗与斗杆铰点的距离（米）；连杆到铲斗与斗杆铰点的距离（米）；连杆到摇杆与斗杆铰点的距离（米）；摇杆的长度（米）。法向阻力取决于动臂油缸的闭锁力，取整个工作装置为隔离体，由力矩平衡求得：2.571(吨)式中，切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）；法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）；动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂（米）；工作装置各个部分对动臂下铰点的力矩和。按图解法和力平衡方程求得斗杆所受作用力。按以上作用力分析，作斗杆内力图， 包括轴力N，斗杆平面内的剪力，弯矩如图3-4。取弯矩最大

28、处进行校核，断面如图3-5所示： 图3-4受力分析同上。断面处压应力为： 斗杆平面内剪应力为： 斗杆平面内弯曲正应力：此时，为主载荷，斗杆安全系数取为2.5，材料16Mn的屈服极限=350，则，许用应力 最大压应力 图3-5最大剪应力故，强度满足。3.2 动臂反铲装置动臂的强度校核按挖掘中动臂可能出现的最大载荷来选定计算位置。3.2.1、工况一1、 工作装置处于最大挖掘深度处；2、 正常挖掘，无横向作用力。切向最大挖掘力取决斗杆油缸的闭锁力，取斗杆为隔离体，按力矩平衡求得： 式中，斗杆和铲斗的重量（吨）；斗杆和铲斗长（米）；斗杆重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）；铲斗重力到动臂与斗杆铰点的力臂（米）法向阻力取决于动臂油缸的闭锁力，取整个工作装置为隔离体，由力矩平衡求得： (吨)式中，切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）；法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂（米）；动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂（米）；工作装置各个部分对动臂下铰点的力矩和。取铲斗和斗杆为隔离体，求得斗杆与动臂铰点处的作用力。再取动臂为隔离体，求得动臂下铰点的作用力。按以上作用力分析，作动臂内力图，包括轴力N，动臂平面内的剪力和弯矩如图3-6。取动臂弯曲处进行强度校核，断面如图3-7：断面面积为： 断面转动惯量： 取动臂安