正铲液压挖掘机工作装置设计D讲解

1、机械设计课程设计 设计题目： 正铲液压挖掘机工作装置设计 院 系：机械工程系 专 业： 09 级铁道车辆 2 班 姓 名：陈 明 学 号： 20097836 指导教师：何 俊 机械原理设计任务书 学生姓名 陈 明 班级 铁车 2 班 学号 20097836 设计题目： 正铲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。 设计数据与要求 题号 铲斗容量 挖掘深度 挖掘高度 挖

2、掘半径 卸载高度 D 2.5 2.44 9.24 8.26 6.63 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、MATLA、B ADAMS或 SOLIDWORK等S 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 ： 20

3、12 年 6 月 16 日 指导教师 何俊 、概述 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 . 单斗液压挖掘机的正铲结构如

4、图 1.1 所示，主要由动臂、斗杆、铲斗、动臂油 图 2.1 正铲液压挖掘机结构简图 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。 二、正铲挖掘机自由度计算 根据图 2.1 所示的挖掘

5、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 9 根杆件组成 ,其中包含 12 个运 动副，即 9 个转动副， 3 移动副，共包 含 12 个低副，没有高副。 自由度计算： 错误！未找到引用源。 则错误！未找到引用源。 ： 三、挖掘机参数设计 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 错误！未找到引用源。：指挖掘级或密度为 错误！未找到引用源。 的 土壤时，代表该挖掘机登记的一种铲斗堆积容量。 最大挖掘高度错误！未找到引用源。 ：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。 最大挖掘半径错误！未找到引用源。 ：

6、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 错误！未找到引用源。： 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 错误！未找到引用源。：指动臂、斗杆处于最大举升高度，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、机构设计 该挖掘机工作装置为正铲装置，采用如下结构方案 （1）采用整体式弯动臂，动臂油缸下置式。 （ 2）采用整体式斗杆。 （3）动臂与斗杆的长度比，即特性参数 错误！未找到引用源。 。 （ 4）油缸最大长度与最小长度的长度比： 错误！未找到引用源。

7、，i 表示驱动油缸 错误！ 未找到引用源。 （5）铲斗挖掘时与停机面的所成的为 错误！未找到引用源。，其中 错误！未找到引用源。 3、动臂、斗杆的长度参数设计 铲斗容量 q 错误！ 未找到引用源。 挖掘深度 错误！ 未找到引用源。 (m) 挖掘高度 错误！ 未找到引用源。 (m) 挖掘半径 错误！未 找到引用源。 (m) 卸载高度 H(m) 4.0 3.2 9.52 9.06 7.91 根据已知工作参数，就市场上现有各种型号的挖 掘机进行调查，发现标准斗容为 错 误！未找到引用源。 或在错误！未找到引用源。 左右的挖掘机，只有 5 家公司的 12个 型号符合。其中 7 个型号为反铲挖掘机。下表

8、为正铲液压挖掘机的参数： 品牌型号 标准斗容(斗容范围) 挖掘深度 m 挖掘高度 m 挖掘半径 m 卸载高度 m 小松 PC1250-7 4 （3.2-5.2 ） 12.98 15.975 19.47 11.32 邦立重机 CED750-7 4.5 （ 4-5.5 ） 2.68 9.745 9.28 7.68 邦立重机 CED650-6 4 （3.5-5.0 ） 3.2 9.521 9.061 7.911 邦立重机 CE750-7 4.5 （ 4-5.5 ） 2.68 9.745 9.28 7.68 邦立重机 CE650-6 4 （3.5-5.0 ） 3.2 9.521 9.061 7.911

9、 表 1 其中邦立重机 CED750-7和邦立重机 CED650-6是电动液压挖掘机， 在这里也就不考 虑。经过参数的对比，邦立重机 CE650-6的参数与题目参数最接近，所以这里我选择邦 立重机 CE650-6 的参数进行设计 邦立重机 CE650-6 的参数如下表： 整机重量 46 标准斗容 2.5 最大挖掘半径 mm 8260 最大挖掘深度 mm 2440 最大挖掘高度 mm 9240 最大卸载高度 mm 6630 斗杆最大推压力 kN 243 铲斗最大破碎力 kN 230 表 2 根据2 中的公式错误！未找到引用源。 以及表 1-3 可知： 相关系数 斗杆长 0.9 0.747 名称

10、系数代号 推荐值 范围 所选值 臂铰离回转中心 0.15 0.1 臂铰离地高度 0.63 0.6 臂长 1.2 1.14 斗杆长 0.9 0.747 最小挖掘半径 0.85 0.85 表 3 于是，动臂长度 错误！未找到引用源。 ，斗杆长度 错误！未找到引用源。 ，由错误！未找 到引用源。 可得错误！未找到引用源。 ，符合 错误！未找到引用源。 这个条件，所以该 参数设计合理。 则 A、 C点的最大距离： 当动臂与斗杆成最大角（即 错误！未找到引用源。 ）时错误！未找到引用源。 的大小： 4、动臂的转角范围以及铰点 A 根据表 3 以及错误！未找到引用源。 可知： 铰点 A的横坐标错误！未找到

11、引用源。 ，纵坐标 错误！未找到引用源 由公式（ 1）可知： 铲斗挖掘半径： 动臂转角范围： 由公式（ 2）可知： 因为错误！未找到引用源。 ，所以 BC能呈垂直状态 再由公式（ 5）可知： 5、铲斗的转角范围确定 根据最大挖掘半径高度确定 根据最大挖掘卸载高度确定 6. 斗杆的转角范围确定 根据表 3 以及错误！未找到引用源。 可知： 因为错误！未找到引用源。 ，并且 错误！未找到引用源。 则，整理可得： 四、仿真 以下截图为用 SolidWorks 做的三维建模 .0 血IMBM MAO XJUO WOW O S3 号 ij 8 QQEO II,Q !仃 I e; 01(?；% / %(-

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13、6 等(J 5S6 0()6 2()e ()IT4 HM SOgPM 柵 2 OO/S 个 OD/S 1S1 因为用 SolidWorks 做的三维模型不好倒入 Adams，所以本文就以一个简化模型还做 仿真，但是数据都是用上文所计算的数据。以下就是仿真的截图，只要为铲斗的运行轨 迹 经过仿真，得到以下数据： D的 y坐标的值 A 为（0，0） AD 的距离 面是试验台模型搭建： 五、液压系统的设计 液压系统设计作为液压挖掘机设计的重要组成部分， 设计时必须满足挖掘机工作循 环所需的全部技术要求， 且静动态性能好、 效率高、结构简单、工作安全可靠、 寿命长、 经济性好、使用维护方便。其中液压系

14、统的设计作为挖掘机总体设计的一部分，必须要 满足整机工作要求，并要求进行相关参数的计算与分析验证，选取合适的各液压元件。 1液压挖掘机的工况分析 液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作 : 动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、 转台回转、整机行走以及其它辅助动作。除了辅助动作 ( 例如整机转向等 ) 不需全功率 驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。 挖掘机的典型作业流程 : (1) 整机移动至合适的工作位置 (2) 回转平台，使用工作装置处于挖掘位置 (3) 动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置 (4) 斗杆、铲斗挖掘作业 (5) 动臂升起 (6) 回转工作装置至卸载位置 (

15、7) 操纵斗杆、铲斗卸载 2. 液压缸主要几何尺寸的计算 挖掘机各驱动和传动系统包括：发动机、液压泵、液压马达、电液比例换向阀、动 臂缸、斗杆缸及齿轮传动。本设计主要对动臂缸进行相关设计。 ( 1) 动臂液压缸内径尺寸与活塞杆直径的确定 由表 4.1、表 4.2 可知，大型挖掘机液压系统在斗杆最大推压力 F推 =243KN ，铲斗 最大破碎力 F破=230KN 前提下，考虑到铲斗容量为 2.5m3 ，所以宜取液压缸的工作压力 P 30106 Pa ，负载 Fb =240KN ，液压缸选用单杆式，并在工作时进行差动连接。此时 液压缸无杆腔工作面积 A1应为有杆腔工作面积 A2 的两倍。由于液压缸

16、回油路上必须具 6 有背压力存在，以防止挖掘机卸土后突然前冲，由表 4.3, 可取 P1 1.2 106 Pa。 表 4.1 按负载选择执行元件工作压力 负载 F/N 50000 工作压力 p/MPa 57 表 4.2 按主机类型选择执行元件工作压力 主机类型 机床 农业机械 小型工程机械 工程机械辅助机构 液压机 中、大挖掘机 重型机械 起重运输机构 磨床 组合机床 龙门刨床 拉床 工作压力 p/Mpa 2 35 8 810 1016 2032 表 4.3 执行元件背压力 系统类型 背压力 /Mpa 简单系统或轻载节流调速系统 0.2 0.5 回油路带调速阀的系统 0.4 0.6 回油路设置

17、有背压阀的系统 0.5 1.5 用补油泵的闭式回路 0.8 1.5 回油路较复杂的工程机械 1.2 3 回油路较短，且直接回油箱 可忽略不计 根据 (3.5) (3.6) (3.7) 由于是差动式单杆连接，所以活塞杆直径 d 与缸筒直径 D的关系为 d=0.707D 公式 A1 PFP1 2 240000 1.26 =81.63cm2 (30 ) 106 D= 4A1 / =101.78mm，d=0.707D=71.96mm 2 故有 当按 GB/T23481993 将这些直径圆整成就近标准值时得： D=110mm , d =72mm，由此求得液压缸两腔的实际有效面积为 AD2/4 95.03

18、cm2A2(D2 d2)/4 54.32cm2 2) 液压缸行程的确定 液压缸行程主要依据机构的运动要求而定。但为了简化工艺和降低成本，应尽量采 用 GB/T2348-1993 标准的液压缸行程，则根据技术要求，取行程为 900mm。 3. 液压缸结构参数的计算 1) 缸筒壁厚的计算 对于低压系统或 D/ 16时，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算，公式如下： (3.8) PyD 2 式中 液压缸缸筒厚度 Py 试验压力 (Mpa)，当工作压力 P16 Mpa时，Py =1.5P，当工作压力 31.5 P16 Mpa时， Py =1.25P，当工作压力 P31.5Mpa时， Py =1.15P，这

19、里应取 Py =1.25P =37.5Mpa。 D 液压缸内径 (m) 缸体材料的许用应力 (Mpa)，可通过下面公式求得： (3.9) b 缸体材料的抗拉强度 (Mpa) n 安全系数， n =3.55，一般取 n=5 但对于锻钢 45的许用应力 一般都取 =110(Mpa) 37.5 110 2 110 18.75mm 根据机械设计手册 ，取液压外缸直径为 D1 =130mm (2) 液压缸油口直径的计算 液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度 v 和油口最高液流速度 v0而定，公式如 下： d0 0.13D v/v0(3.10) 式中d 0 液压缸油口直径 (m) D 液压缸内径 (m)

20、v 液压缸最大输出速度 (m/min) v 0 油口液流速度 (m/min)，根据机械设计手册 ，取 v0 =7m/min 同时对于单杆油塞式液压差动联接时，活塞的外伸速度为 : Qv v 60 (3.11) A3 式中v 液压缸差动联接时，活塞外伸的速度，可视为油口液流的速度(m/min) Qv液压泵流量 ( m3 /s)，根据邦立 CE正铲挖掘机相关数据取： Qv 2 400 37 837L / min A3 活塞杆面积，其公式如下 : 2 A3 4 d (3.12) 22 式中 d 活塞杆直径 (m) 所以 A3 4 d2 0.407 10 2 代入数据，解析以上公式得： d0 0.13

21、 8 10 2 837 103 /(0.407 10 2 7) 5.6 102m， 故取 d0 56mm (3) 下盖联接螺钉强度校核计算 螺钉联接可采用高强度螺钉 M161.5(GB/T70.1-2000)联接 ,两端数量均为 24 件，螺钉精度等级为 10.9 级，其强度校核，公式如下： 4kF 拉应力： 2 =7.7Mpa (3.15) Zd 02 k1kFd0 剪应力： 3 =3.1Mpa (3.16) 0.2zd13 式中k ：螺纹拧紧系数，此处取 k =1.25 k1: 螺纹摩擦系数 ,一般取 k1=0.12 d0 ：螺纹外径，根据机械设计手册 ，取 d0=16mm d1：螺纹内径

22、，根据机械设计手册 ，取d1=d0-1.0825 1.514.4mm z ：数量为 24 ：螺钉材料屈服强度，取 45钢，则 =110Mpa 得： n 2 3 1.3 10.01Mpa ，符合工况要求，则验证合格，可取。 4) 活塞杆柔度校核计算 活塞杆细比计算如下： =4L2 (3.17) d 此处： L 为折算长度，导向套中心至吊头尺寸，约 630mm，活塞杆直径 d=63mm， 活塞杆许用细长比，按规定拉力杆此处 100。 计算得 4 630 / 3.14 40.96 10 4 19.6 ，故满足要求，则活塞 杆长度和缸筒长度的取值合格。 六、选择各执行元件 1. 液压泵的选择 根据现有

23、产品的相关数据，取主泵的压力为 Pp1 30Mpa ，最大流量为 qv1 400 2L/min ；齿轮泵的压力为 Pp2 21Mpa ，最大流量为 qv2 350L / min 。 根据机械设计手册，可查阅得：此液压泵可采用 NB3-G20F 双联柱塞泵，主泵由 2 个 柱塞式串联变量柱塞泵组成。 2. 柴油发动机的选择 取泵的总效率 p =0.8 ，泵的总驱动功率为： Pp1qv1 Pp2qv2 w=241.87KW(5.1) p 考虑安全系数 ,故取 246KW 3. 液压阀的选择 选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。 液压阀的作用是控制液压系统 的油流方向、压力和流量，从而控制

24、整个液压系统。系统的工作压力，执行机构的动作 顺序，工作部件的运动速度、方向，以及变换频率，输出力和力矩等。 ( 1) 根据液压阀额定压力来选择 选择的液压阀应使系统压力适当低于产品标明的额定值。对液压阀流量的选择，可 以按照产品标明的公称流量为依据，根据产品有关流量曲线来确定 2）液压阀的安装方式的选择 液压阀与系统的管路或其他阀的进出油口的连接方式， 一般有三种，螺纹连接方式， 板式连接方式，法兰连接方式。安装方式的选择要根据液压阀的规格大小，以及系统的 简繁及布置特点来确定。 （ 3）液压阀的控制方式的选择 液压阀的控制方式一般有四种，有手动控制，机械控制，液压控制，电气控制。根 据系统

25、的操纵需要和电气系统的配置能力进行选择。 （ 4） 液压阀的结构形式的选择 液压阀的结构方式分为：管式结构，板式结构。一般按照系统的工作需要来确定液 压阀的结构形式。 4. 其他液压元件的选择 （1）胶管的选择 根据工作压力和按公式得管子的内径选择胶管的尺寸规格。 高压胶管的工作压力对 不正常使用的情况下可提高 20%；对于使用频繁，经常扭变的要降低 40%。胶管在使 用及设计中应主要下列事项： 1）胶管的弯曲半径不宜过小，一般不应小于 320，胶管与管接头联接处应留有一 段直的部分，此段长不应小于管外径的两倍。 2） 胶管的长度应考虑到胶管在通入压力油后，长度方向将发生收缩变形，一般收 缩是取 3%4%，胶管安装时避免处于拉紧状态。 3）胶管安装是应保证不发生扭转变形，为便于