液压挖掘机正铲工作装置装设计

1、太原科技大学本科毕业设计说明书EXS 3500液压挖掘机正铲工作装置装设计The Working Device Design of EXS 3500 Crawler Face-shovel Bucket Hydraulic Excavator学 院 (系 :机械工程学院专 业:机械制造及自动化(工机学 生 姓 名:学 号:指 导 教 师:史青录评 阅 教 师:太原科技大学Taiyuan University of Science and Technology太原科技大学毕业设计(论文任务书(由指导教师填写发给学生学院(直属系 :机械工程 时间: 15年 3月 9 日 摘 要挖掘机械是工程作业机

2、械的一种重要类型,是开挖土石方的主要机械设备,正铲单斗 液压挖掘机是一种以铲斗进行挖掘作业并采用液压传动的机械设备。工作装置是液压挖掘机的执行机构,从总体来看常见的正铲工作装置属于平面连杆机 构,铲斗、动臂和斗杆之间采用铰接的方式,在液压缸推力的作用下各部件围绕铰接点摆 动,完成卸土、挖掘和提升等动作,常用的液压挖掘机的工作装置有正铲,反铲,装载, 抓斗和起重装置。本次设计主要内容是 EXS 3500正铲液压挖掘机工作装置的设计,主要对挖掘机工作 装置机构的几何参数进行计算设计,采用合适的调整方法使其达到设计要求;对动臂、斗 杆进行强度校核和载荷分析,使其满足使用要求。在本次设计中应该注意工作

3、装置设计的原则,在满足各部件要求的条件下实现 6.06米最大挖掘深度, 15.81米最大挖掘半径, 12.42米最大卸载高度, 17.17米最大挖掘高度, 以实现挖掘的功能。关键词:设计;挖掘机;强度校核;正铲工作装置the Working Device Design of EXS 3500 Crawler Face-shovel Hydraulic ExcavatorAbstractShovel machinery is a major type of construction Machinery, which is major earth excavation equipment. Sin

4、gle Bucket Hydraulic shovel is a mechanical which reliance on hydraulic transmission with the bucket to carry out excavation work. Hydraulic shovel working device are commonly backhoe, hoe, loading, grab and lifting gear.The design principal is to design an EXS 3500 crawler face-shovel hydraulic exc

5、avator working device. And major working device geometry parameters are designed; checked hydraulic cylinder locking power .Use the appropriate method of adjustment to meet the requirement. Check boom and rod strength to meet the requirements.Design principles work should be noted in the design of d

6、evice. all components must be meet the conditions, machine for maximum digging depth of 6.06 meters, radius of the largest mining of 15.81 meters, uninstall the greatest height of 12.42 meters, maximum cutting height of 17.17 meters, to achieve the functions of excavation.Keyword :Design;Excavator;

7、Strength Check; face-shovel working device目 录摘要 . . II Abstract . I II 第 1章 引言 . 1 1.1挖掘机和工作装置概述 . . 1 1.2国内外研究现状 . . 1 1.3液压挖掘机的发展前景 . . 2第 2章 原始数据及设计要求 . 4 2.1原始参数 . . 4 2.2工作装置设计原则 . . 5第 3章 工作装置总体方案选择 . 6 3.1工作装置构成 . . 6 3.2动臂及斗杆的结构形式的初选 . . 7 3.3动臂与动臂油缸的布置 . . 7 3.4铲斗与铲斗油缸的连接方式 . . 8第 4章 工作装置机构

8、参数的选择 . 9 4.1最大挖掘深度1h 校核 . 104.2最大挖掘高度2h 校核: . 114.3最大卸载高度3h 校核 . 134.4最大挖掘半径1r 校核 . 144.5斗杆最大挖掘力aF 校核 . 154.6铲斗最大挖掘力bEXS 3500液压挖掘机正铲工作装置装设计参考文献 (35附录A 文献翻译原文 (36附录B 文献翻译中文 (44致谢 (49第1章引言1.1挖掘机和工作装置概述挖掘机在农田水利以及快速抢修等物料挖掘、搬移方面以及机场、港口、矿山、油田、城乡建设中得到了充分的利用,发挥了其他机械不可替代的关键作用。尤其是随着城镇化建设的加速和市政维护工程的广度和深度的进一步增

9、加,公路的维护和建设工作的加重,抢修、排险、破碎拆卸等特殊情况的作业和临时性作业频次的不断增加,人们所面临的问题不再是单纯的,而是要整合挖掘作业工作。人们需要考虑的不仅仅是完成主要作业任务的工作效率,而更需要考虑的是如何去调度设备频繁的运送,而整体工作的效率也取决于机器是否具有足够的机动性,灵活性、是否可以自行进入作业区,挖掘机也正是在这种特殊情况下显示出了其独特的优势。工作装置是挖掘机非常重要的组成部分,对其控制和研究是对整机开发研究的基础工作。正铲单斗液压挖掘机的工作装置是一个非常复杂的空间机构,国内外对其机构几何参数优化设计和运动仿真分析等方面都作了非常深入的研究,针对挖掘机的具体的优化

10、设计也已经不断趋于成熟。而且关于正铲单斗液压挖掘机的相关文献也比较多,这些文献从不同方面对液压挖掘机工作装置的设计进行了介绍。而作为本次设计者,我本人的知识水平还处于学习成长阶段,进行本次课题的设计是为了对挖掘机的工作装置有更经一步的认识,巩固所学的理论知识和提高设计能力。1.2国内外研究现状当前,国际挖掘机的设计生产正向着微型化、大型化、专用化和多能化方向发展。单斗正铲液压挖掘机的发展正着眼于传动系统和动力的不断改进以达到高效节能;成本不断降低,应用范围不断扩大,向模块化、标准化方向发展,以提高配件、零件的可靠性能,从而保证整个挖掘机的可靠性;电子计算机的控制和监测,实现机电液一体化;提高机

11、械作业性能,减少维修时间,降低噪声,提高不同场合的适应能力。纵观未来,单斗正铲液压挖掘机有以下几大发展趋势:(1不断向微型化发展的同时向也在向大型化发展。(2普遍地采用节能环保技术。(3不断提高机器的可靠性和使用寿命。(4工作装置的结构不断优化,工作范围适应范围不断扩大。(5由内燃机向电力驱动方向发展。(6液压系统不断升级改进,液压元器件不断更新换代。(7应用气、微电子、液等机电液一体化综合技术。(8增大斗容量,增加功率,提高生产作业效率。(9人机工程学在设计制造中得到了的充分应用。我国的挖掘机生产设计起步较晚,从1955年抚顺挖掘机厂生产的第一台机械动力挖掘机至今,大体经历了一下三个阶段:测

12、绘仿制、自主研发和发展提高。在新中国成立初期,以仿制前苏联20 世纪3050 年代的机械式挖掘机为主,开始了我国挖掘机的生产历史,由于当时国家经济生产建设的需要,先后不断建立了十几家挖掘机厂,到了20 世纪90 年代末,我国的中型和小型液压挖掘机已逐渐形成了系列,但是从总体上来说,我国的挖掘机生产量小,产品的质量不是很稳定,并且与国际发达国家先进水平相比,还是有很大差距。改革开放以来,我国的挖掘机生产企业积极主动的引进、消化、吸收国外发达国家先进生产技术,极大的促进了我国挖掘机行业的繁荣发展,目前我国生产的液压挖掘机的产品性能已经达到了20 世纪80 年代发达国家的水平,部分产品性能达到了90

13、 年代水平。国外挖掘机生产历史比较长,液压技术的不断发展成熟极大促进了液压挖掘机的发展。德国是世界上少数几个比较早的开发研制挖掘机的国家,1955 年和1956 年德国的利渤海尔和德马克两家挖掘机公司分别开发了全液压挖掘机;而美国是继德国之后生产液压挖掘机数量最大、历史最长、品牌最多和生产制造技术水平处于世界领先地位的国家;亚洲的日本挖掘机是在第二次世界大战之后发展起来的,其主要的特点是在引进、消化吸收世界先进挖掘机技术的基础上,通过不断的大胆创新发展起来的;韩国是挖掘机市场的后起之星,20 世纪80 年代开始引进国外先进技术,由于得到了产业政策的支持,很快进入了国际市场,并且挤入了国际挖掘机

14、生产的主要国之一。20 世纪70 年代,全球挖掘机生产进入了成熟期,各国的挖掘机生产长商纷纷采用液压技术与其它新型技术相结合,使挖掘机的适用性得到很快发展,产品的寿命和质量不断提高改进操纵性能更加舒适,产品更加节能环保。例如美国的卡特彼勒公司1996 年推出的300A系列全液压挖掘机,采用了一种称为maestr 的系统,通过载荷传感器液压装置来控制发动机的输出功率,实现了与液压泵的严格匹配。Maestr 控制面板在不同的机型上安装为两种功率模式和四种不同的工况状态,这样就允许用户自行决定功率的工况模式。再比如韩国现代生产的ROBEX450-3 液压挖掘机,有四种不同的功率模式,通过高度集成化的

15、电子控制系统自行确定最佳的液压泵的输出参数和发动机转速,使液压泵、发动机的速度及液压系统的压力与实际工况情况相适应,从而获得最高的生产效率和最少的燃油消耗。此种新型技术在日本小松、神钢、日立建机、英国的JCB、德国的利渤海尔等公司都得到了普遍的应用,代表了当今液压挖掘机的最高发展水平。1.3液压挖掘机的发展前景液压挖掘机是工程机械产品的一个非常重要的种类,是一种广泛应用于铁路、建筑、公路、采矿、水利等建设工程的作业机械。液压挖掘机采用液压元件(液压马达、液压泵、液压缸等来带动各种机构构件的动作,具有以下特点:结构紧凑,功率密度大,重量轻,能无级调速,调速范围大;启动性能好,可以实现快速正反转;

16、安装布置灵活,不受总体结构限制;运转平稳可靠,可以实现自行润滑,使用寿命长;有过载保护等功能;容易实现高度自动化,操作简单方便省力等。因此,液压挖掘机对减轻作业工人沉重的体力劳动,提高现场施工的机械化水平,提高施工速度,加快各项建设事业的发展,具有非常重要的意义。液压挖掘机是在传统机械式传动挖掘机的基础上不断发展壮大起来的。它的工作过程可以分为:铲斗切削土壤,铲斗装载提升、回转,卸空。然后的铲斗再回到初始挖掘位置再经行下一次的作业。所以,液压挖掘机是周期作业的工程机械。第2章原始数据及设计要求2.1原始参数表2.1 EXS 3500挖掘机正铲工作装置设计原始数据型号EXS 3500整机重(吨3

17、30.00斗容量(m318机身重(吨248.2机身重心水平位置(m-2.15发动机功率(Kw2×609系统压力(Mpa29.4工作油泵(两台双联变量柱塞泵(l/min6×550工作油缸最大压力(Mpa33回转系统最大压力(Mpa29.4履带接地长度(m6660履带中心距(m5500土壤容重(Kg/ m31800附着系数0.85铲斗最大挖掘力(KN1030斗杆最大挖掘力(KN1177平台高度(m 2.515最大挖掘深度(m 6.060最大挖掘半径(m15.810最大挖掘高度(m17.170最大卸载高度(m12.420水平推压距离(m 5.470动臂缸(缸数/缸径/杆径(mm(

18、推荐值2/360/260斗杆缸(缸数/缸径/杆径(mm(推荐值1/300/220铲斗缸(缸数/缸径/杆径(mm(推荐值2/280/200卸料缸(缸数/缸径/杆径(mm(推荐值2/225/130水平缸(缸数/缸径/杆径(mm(推荐值1/360/260动臂重量(kg(参考值290002.2工作装置设计原则合理的工作装置设计应满足以下要求:1主要的作业范围和工作尺寸必须满足使用要求。在设计正铲工作装置的同时要考虑与相同等级机器、相同类型相比的先进性,考虑国标的规定,并且考虑到运动参数将受装置结构的干涉限制的可能性。2整机实际挖掘力的大小要满足使用要求,并且要具有一定的先进性。3功率利用率尽可能高,理

19、论上的工作循环时间应尽量短。4确定铰点的布置、结构形式和横截面尺寸形状时尽量使受力在保证结构强度、刚度和稳定性的条件下减轻结构自身重量。5在作业条件复杂,使用情况多变的情况下应尽量考虑工作装置的通用性。采用可变铰点构件时要注意分清主次。必须在满足使用要求的前提下才能力求替换构件种类少,换装方便,结构简单。6停放和运输时挖掘机的工作装置应有合理的姿态,不仅要使运输尺寸小,行驶稳定性高。而且要保证运输的安全可靠,尽可能使液压缸卸载。7工作装置液压缸的设计应注意三化,采用系列参数,尽量减少液压缸零件种类,尤其是容易损坏的零件。8工作装置的布置和结构型式要便于装配与维修,尤其是易损件应便于更换。9要采

20、用合理可行的措施来满足特殊使用场合。第3章工作装置总体方案选择正铲挖掘机工作装置总体方案的选择主要根据设计任务书规定的使用要求,以此来决定工作装置是通用还是是专用的。以正铲为主的通用装置应该保证正铲的使用要求,并要考虑到其他装置的性能。专用装置应该依照实际作业条件决定最终的结构方案,在满足主要作业条件的同时照顾到其它装置的性能。3.1工作装置构成正铲工作装置主要由斗杆、动臂、铲斗、和相应的三组液压缸组成。动臂的下铰点连接在回转台上,通过动臂油缸的伸缩,来使动臂和同整个工作装置围绕动臂的下铰点转动。通过斗杆液压缸使斗杆围绕动臂的上铰点来转动,而铲斗铰接在斗杆的末端,通过铲斗液压缸使铲斗围绕斗杆前

21、端的铰点转动。在挖掘作业时,接通液压回转马达、转动转台,使挖掘机的工作装置转到合适的挖掘位置,同时操纵动臂油缸使小腔进油,液压缸回缩,动臂下降到铲斗斗尖触地后再操纵斗杆缸或铲斗液压油缸,液压缸大腔进油伸长,使铲斗进行挖掘或者装载作业。铲斗装满后,铲斗油缸和斗杆油缸就停止运动并操纵动臂油缸使大腔进油,动臂抬起,然后接通液压回转马达,使工作装置旋转到卸载的位置,再操纵使铲斗缸或斗杆液压缸回缩,使铲斗翻转来进行卸土。卸载完成后,工作装置再次回转到挖掘位置进行第二次的挖掘循环。由于在实际挖掘工作中,挖掘面条件、土质情况以及挖掘机液压系统都会有不同,所以正铲装置三种液压缸在挖掘作业中的配合也是随机的、多

22、样的。上述介绍的过程仅为参考的理想过程。液压挖掘机工作装置的斗杆和动臂是变截面的箱型结构,铲斗则是由钢板焊接而成。各个油缸可以看作是只承受拉压的二力杆。根据以上所述特征,可以对液压挖掘机的工作装置进行恰当的简化处理。液压挖掘机的工作装置可以看作是由动臂、铲斗、斗杆、斗杆油缸、动臂油缸、铲斗油缸组成的具有三个自由度的六连杆机构,简化得图如3.1所示。经上面的简化后挖掘机的工作装置实质是一个平面连杆机构,自由度为3,即工作装置的位置由动臂油缸L1、铲斗油缸L3、斗杆油缸L2决定,当L1、L2、L3的长度为某一个确定的值时,工作装置的位置也就随之确定。 1-动臂;2-斗杆;3-铲斗;L1-动臂油缸;

23、L2-斗杆油缸;L3-铲斗油缸图3.1 工作装置结构简化图3.2动臂及斗杆的结构形式的初选挖掘机动臂采用整体弯动臂,这种结构在大型挖掘机中的应用较为广泛。并且其结构简单、价格便宜,刚度相同时结构重量比合式动臂更轻,且更有利于得到更大的挖掘深度。缺点是可以更换的工件少,通用性能比较差。长期的使用经验显示,长期用于工作条件近似的正铲液压挖掘机,采用整体式动臂比较好。斗杆也有组合式和整体式两种,大多数液压挖掘机采用的是整体式斗杆。在本次设计中由于斗杆的长度不需要调节,故也采用了整体式斗杆。3.3动臂与动臂油缸的布置动臂油缸装在动臂的下方,动臂的下支承点(即转台和动臂的铰接点设计在回转中心前面并稍高于

24、转台的平面。动臂液压油缸的布置如图3.2所示。 1-动臂;2-动臂油缸图3.2 动臂油缸铰接示意图3.4铲斗与铲斗油缸的连接方式铲斗油缸的布置如图3.3所示。 1-斗杆;2-铲斗油缸;3-铲斗图3.3 铲斗连接布置示意图第4章 工作装置机构参数的选择正铲挖掘机工作装置是几个连杆组合机构。在斗容量、发动机功率、整机重量等主要几何参数以及工作装置的结构形式已经确定的情况下,连杆机构的铰接点位置和油缸缸径参数选择的是否恰当,会对挖掘机的性能和产生很大影响,下面就铲斗、动臂、斗杆三大机构进行讨论。本设计是参阅相关机型采用几何作图法,来确定工作装置几何铰接点的位置,并在此基础上来校核挖掘力和正铲液压挖掘

25、机的主要几个作业尺寸等性能参数是否满足设计使用要求。 图4.1 EXS3500交接点确定示意图如表4.1经测量和经验初步确定各个交接点位置,油缸长度和伸缩比 动臂长度1l =7847.6动臂油缸全伸长度1max L =7865.4 动臂油缸全缩长度1min L =4302.6 动臂油缸伸缩比1=1.83 斗杆长度2l =5055.1斗杆油缸全伸长度2max L =6159.2 斗杆油缸全缩长度2min L =3623.1 斗杆油缸伸缩比2=1.7 铲斗长度3l =3436.1 铲斗油缸全伸长度3max L =6323 铲斗油缸全缩长度3min L =4001.9 铲斗油缸伸缩比3=1.58 表

26、4.1 动臂斗杆铲斗和各油缸的长度4.1 最大挖掘深度 1h 校核正铲液压挖掘机的最大挖掘深度 1h 是指动臂液压缸全缩,即此时动臂最低, F,Q,V 三 点一线并且垂直于基准地面时,斗齿距基准地面的垂直距离,如图 4.2所示。 图 4.2 最大挖掘深度示意图如图所示在 ABC 中, ABC 为:式中 1min L 动臂液压缸全缩长度;其余参数如图 22所示。动臂液压缸俯角 计算公式为:1min 2111 =5+4129 =17'=+-式中 11 CA 连线与 x y 平面夹角;2 FCB, 为结构角,是固定值 。222751min 175222=29l l L l l '+-

27、+- 图 4.3 最大挖掘深度动臂位置示意图按照图 33所示几何关系,正铲最大挖掘深度 1h 的计算公式为:l l l a=+-+-4.2 最大挖掘高度 2h 校核:正铲液压挖掘机最大挖掘高度 2h 是指下置式动臂液压缸全伸,即此时动臂仰角最大, 下置式斗杆液压缸全缩且 Q 、 V 垂直向上,如图 4.4所示。 图 4.4 最大挖掘高度示意图如图 22所示,在 BCA 中 BCA 为:222751max 175222=105.4l l L l l +-+- 式中 1max L 动臂液压缸全伸长度,其余参数如图 33,动臂最大仰角 1max 计算公式为:1max 1112=105.4-41-5

28、=59.4=-式中 11 CA 连线与 x y 平面夹角;2 FCB, 为结构角,是固定值。 图 4.5 最大挖掘高度动臂位置示意图如图 33所示,在 DEF 中,根据余弦定力, DFE 的计算公式为:222982max 289222=111l l L l l +-+- 式中 2max L 动臂液压缸全伸长度。其余参数如图 4.5.根据图 4.6所示的几何关系,斗杆相对于与动臂的转角 2max 的计算公式为 :2max =32QFE +=8.8+15.6+111 =135.5式中 QFE 斗杆上的结构角,为固定值;3动臂上的结构角,为固定值。 图 4.6 最大挖掘高度斗杆位置示意图按照图 33

29、所示的几何关系,最大挖掘高度的计算公式为:2311max 21max 2max sin sin(180=+-+-4.3 最大卸载高度 3h 校核按照图 4.7所示的几何关系,正铲最大卸载高度 3h 的计算公式为=11502.3h a l l cmm =+-+- 图 4.7 最大卸载高度示意图4.4 最大挖掘半径 1r 校核正铲液压挖掘机最大挖掘半径是指斗杆液压缸全伸, C 、 Q 距离最大且 C 、 Q 、 V 三点 一线并与基准地面平行时斗齿距回转中心的最大距离,如图 4.9所示,此时动臂液压缸和 铲斗液压缸长度不在极限长度上。如图 4.8所示在 CFQ 中,根据几何关系利用余弦定理22ma

30、x 12122max=+-=+= 图 4.8 最大挖掘半径动臂斗杆位置示意图按照图 4.9所示的几何关系,正铲最大挖掘半径的计算公式为:1max 3 图4.9 最大挖掘半径示意图4.5斗杆最大挖掘力a F 校核如图4.10所示斗杆挖掘力的计算公式为:(3a 2222233e F F e F e r r e '''=+/- 式中 1e 动臂液压缸对C 点的作用力臂(m ;2e 斗杆液压缸对F 点的作用力臂(m ;2e '水平液压缸对F 点的作用力臂(m ; 3e '铲斗液压缸对F 点的作用力臂(m ; 3e 铲斗液压缸对Q 点的作用力臂(m ;a F 推压

31、力(KN ,与挖掘阻力互为作用力与反作用力; 2r a F 对F 点的作用力臂(m ; 3r a F 对Q 点的作用力臂(m ; 2F 斗杆液压缸推力2F '水平液压缸推力 图4.10 斗杆最大挖掘力示意图现在选取几个极限位置对斗杆最大挖掘力进行校核。当动臂液压缸对C 点的作用力臂1e 最长,斗杆液压缸,水平液压缸对F 点的作用力臂2e 、2e '最长,a F 对F 点的作用力臂2r 最短时,如图4.10上式各个参数经CAD 软件测量可得如表4.2: 图4.10 斗杆最大挖掘力位置示意图1e2e2e '3e '3e2r3r2.881.981.41 0.770.4

32、76.82.39表4.2 斗杆最大挖掘力位置参数斗杆液压缸推力:2222640.333104=2332.6F D PKN =式中 2D 斗杆液压缸缸径 P 工作油缸最大压力 斗杆挖掘力:(3=/- =2332.61.98/- =水平缸和动臂缸缸径一样为360mm ,而动臂缸数是2,水平缸数是1.故水平液压缸推力:21/2F F '=241=/2 9987.9/2 2.88 =1069KNa F F r e '=式中: 4r a F 对C 点的作用力臂(m ,(3a222'''=/- =10691.41/- =12 =998+311 =1399KNa a

33、a F F F =+ 4.6铲斗最大挖掘力b F 校核铲斗挖掘力的计算公式为333b F e F r =式中参数如图4.10所示当3e 最大时,如图4.11,各参数经测量得表4.3 图4.11 铲斗最大挖掘力位置示意图3e3r9603436.1表4.3 铲斗最大挖掘力位置参数2332624 0.28331024 =4063F D P KN =式中 3D 斗杆液压缸缸径 P 工作油缸最大压力33320329603436.1 =1135KNb F e F r =第5章 工作装置运动分析及包络图的绘制5.1动臂运动分析如图所示在ABC ,ABC 为式中 1min L 动臂液压缸全缩长度其余参数如图5

34、.1所示 动臂液压缸俯角计算公式为:1min 2111 =5+4129 =17'=+- 式中 11CA 连线与x y 平面夹角;2FCB,为结构角,是固定值。 图5.1 动臂最大俯角示意图如图22所示,在BCA 中BCA 为:222751max175222=105.4l l L l l +-+- 222751min175222=29l l L l l '+-+-式中 1max L 动臂液压缸全伸长度,其余参数如图5.2,动臂最大仰角1max 计算公式为:1max 1112=105.4-41-5 =59.4=-式中 11CA 连线与x y 平面夹角;2FCB,为结构角,是固定值。

35、 图5.2 动臂最大仰角示意图动臂摆角范围的计算公式为:11max 1min59.417 =76.4=+=+5.2 斗杆运动分析如图33所示,在DEF 中,根据余弦定力,DFE 的计算公式为:222982max 289222=111l l L l l +-+- 式中 2max L 动臂液压缸全伸长度。其余参数如图33。根据图5.3所示的几何关系,斗杆相对于与动臂的转角2max 的计算公式为:2max =32QFE +=8.8+111+15.6 =135.5式中 QFE 斗杆上的结构角,为固定值;3动臂上的结构角,为固定值。 图5.3 斗杆最大仰角示意图同理可得:2min 32222982min

36、 389222=55.4QFEl l L QFE l l '+-+-斗杆相对于动臂最大摆角范围的计算公式为:22max 2min=-=+5.3 包络图的绘制缸的伸缩长度和工作装置的几何参数密切相关。通过挖掘包络图可以从几何上非常直观地反映挖掘机最大作业范围、在极限位置各部件挖掘机的包络图是指铲斗斗齿尖所能达到的最大范围所形成的封闭图形,它与工作油的几何位置关系和工作装置以及各个机构的干涉情况,这些信息在一定程度上比较完整的反映了挖掘机工作装置的几何参数设计的合理性以及整机的作业性能。运用计算机CAD软件得出挖掘包络图,如下: 图5.4 挖掘机包络图第6章 工作装置主要部件的结构校核主要

37、结构件的计算是指对动臂和斗杆在不利作业条件下进行受力分析,以计算其材料和结构的强度是否满足要求。6.1 斗杆正铲挖掘机斗杆的强度主要由弯矩决定。取以下两个特殊工况位置进行强度校核。1、动臂最低;2、斗杆液压缸作用的力臂最大;3、斗齿尖处在铲斗与斗杆铰接点和斗杆与动臂铰接点连线的延长线上;4、侧齿遇到障碍有横向的作用力。切向最大挖掘力1W 取决斗杆油缸的闭锁力'g P ,取斗杆为隔离体,按力矩平衡方程求得:d g d b g l l r G r G l P W +-=234'1式中,d g G G ,铲斗和斗杆的重量;2l 斗杆长度;d l 铲斗长度;3r 斗杆重力到斗杆与动臂铰

38、接点的作用力臂长度;4r 铲斗重力到斗杆与动臂铰接点的力臂长度;法向阻力决定于动臂油缸闭锁力'B P ,取整个工作装置为隔离体,由力矩平衡方程求得:'21011(,B B A b g d W P r M G G G W r r =+- 式中,0r 切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂长度;法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂长度;B r 动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂长度;,(d g b A G G G M 工作装置的各个部分对动臂下铰点的力矩之和。铲斗边齿遇阻力时,横向挖掘阻力k W 决定于回转平台的制动力矩T M :r M W Tk =式中,r 回转中心与横向挖掘阻力之间的距离。按图

39、解法和力的平衡方程求得斗杆所受的作用力。此外,铲斗与斗杆铰点处还受k W 和2W 产生的横向力矩'c M 作用:22'b W l W M d k c += 式中,b 铲斗宽度; 切向挖掘阻力1W 作用于斗边齿,造成对斗杆的扭矩KP M :21b W M KP = 按照以上作用力进行分析计算,作斗杆的内力图,包括斗杆平面内的剪力x Q ,轴力N ,和弯矩x M ,斗杆平面的外弯矩Y M 和剪力y Q ,以及扭矩T 如图5-1。 图5.1 斗杆截面内力图NQ xM xM yQ yT取弯矩最大处进行强度校核,横截面如图 5-3所示: 图 5.2斗杆横截面示意图断面面积为:410190

40、-=F m 2断面惯性矩:45.910Z I -=41.810Y I -=断面处压应力为:114.5NF=MP 斗杆平面内剪应力为:120.1x Q F=MP 斗杆平面内弯曲正应力:1maxmax 94.8x ZM y MP I =斗杆平面外剪应力为:22.8y Q F=MP 斗杆平面外弯曲正应力:2maxmax 64.3y YM Z MP I =按闭口薄壁杆件公式计算扭转剪应力:min2T =15.1 MP式中, 截面中线所围面积 m 2min 最小壁厚 m此时, 有附加载荷, 斗杆安全系数取为 2, 材料 16Mn 的屈服极限为 s =351MP , 则, 许用应力9. 174=ns MP

41、最大压应力max 1max max 171x y =+=MP <X 方向最大剪应力1max 35x =+=<2Y 方向最大剪应力2max 17.5y =+=<21、动臂处在动臂液压缸最大作用力臂处; 2、斗杆液压缸作用力臂最大;3、铲斗齿尖,动臂与斗杆铰接点,斗杆与铲斗铰接点三点处同一直线上; 4、经行正常挖掘,挖掘阻力对称于铲斗中心线,无横向阻力。 斗杆受力分析同工况一。切向最大挖掘力 1W 决定于斗杆液压缸的闭锁力 ' g P ,取斗杆为隔离体,按力矩平衡方 程求得:dg d b g l l r G r G l P W +=234' 1式中, d g G

42、G , 斗杆和铲斗的重量;2l 斗杆长度; d l 铲斗长度;3r 斗杆重力到动臂与斗杆铰点的力臂;4r 铲斗重力到动臂与斗杆铰点的力臂;法向阻力取决于动臂液压缸的闭锁力 ' B P , 取整个工作装置为隔离体, 由力矩平衡方程求得:=-+=01'12 , , (1r W G G G M r P r W d g b A B B 5(吨 式中, 0r 切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂;法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂;B r 动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂;, , (d g b AG G G M工作装置各个部分对动臂下铰点的力矩之和。按图解法和力的平衡方程求解得斗杆所受作用力。按以

43、上作用力经行分析,作斗杆内 力图,其中包括斗杆平面内的剪力 Q ,轴力 N ,弯矩 M 如图 5.3。 图 5.3 动臂横截面内力图取弯矩最大处进行验算,横截面如图 5.4所示:受力分析同上。 图 5.4 斗杆横截面示意图断面处压应力为:114.8NF=MP 斗杆平面内剪应力为:max 20QF=MP 斗杆平面内弯曲正应力:maxmax 96.5ZM y MP I =此时为主载荷,斗杆的安全系数取 2.5,材料 16Mn 的屈服极限 s =351MP , 则,许用应力141=ns MP最大压应力1max 110.5=+=MP <最大剪应力max 19.5=<2故,强度满足。6.2

44、动臂正铲工作装置动臂的强度校核要按照挖掘作业中动臂可能出现的最大载荷来确定计 算位置。1、工作装置处于最大挖掘深度处; 2、正常经行挖掘作业,无横向阻力。切向最大挖掘力 1W 决定于斗杆油缸的闭锁力 ' g P , 取斗杆为隔离体, 按力矩平衡方程求得:dg d b g l l r G r G l P W +=234' 1式中, d g G G , 斗杆和铲斗的重量;d l l , 2斗杆和铲斗长;3r 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 ' B P ,取整个工作装置为隔离体,由力矩平衡求得:'2

45、1011(, , B B A b g d W P r M G G G W r r =+- (吨 式中, 0r 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;B r 动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂(米;, , (d g b AG G G M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 Q 和弯矩 M 如图 5.5。 图 5.5 动臂内力图取动臂弯曲处进行强度校核,横截面如图5.6: 图5.6 动臂横截面示意图断面面

46、积为:410204-=F m 2断面惯性矩:47.610Z I -=取动臂安全系数为2,材料16Mn 的屈服极限s =350MP ,则许用应力为:175=ns MP断面处压应力为:116.6NF=MP 剪应力为:17.6Q F=MP 弯曲正应力:maxmax 143.7ZM y MP I =此处按曲梁进行验算,则+=r y y k Fr M F N 11=135.1< 且,max +<,<2故,强度满足。1、工作装置位于最大挖掘半径处;2、正常挖掘,无横向阻力。切向最大挖掘力1W 取决斗杆油缸的闭锁力'g P ,取斗杆为隔离体,按力矩平衡求得:dg d b g l l

47、 r G r G l P W +=234'1式中,d g G G ,斗杆和铲斗的重量;2l 斗杆长度; d l 铲斗长度;3r 斗杆重力到动臂与斗杆铰点的力臂;铲斗重力到动臂与斗杆铰点的力臂法向阻力决定于动臂液压缸的闭锁力'B P ,取整个工作装置为隔离体,由力矩平衡方程求解得:'21011(,B B A b g d W P r M G G G W r r =+- 式中,0r 切向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂;法向挖掘阻力到动臂下铰点的力臂;B r 动臂油缸作用力到动臂下铰点的力臂;,(d g b AG G G M工作装置不同部分对动臂下铰点的作用力矩之和。取都干涸铲斗为

48、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,包括动臂平面内的剪力Q ,轴力N 和弯矩M 如图5.7。取动臂弯曲处进行强度校核,横截面如图5.8: 图5.7 动臂内力图 图5.8 动臂横截面图断面面积为:410304-=F m 2断面惯性矩:48.610Z I -=将动臂安全系数取为2,材料16Mn 的屈服极限s =351MP 则,许用应力为:9.174=ns MP断面处压应力为:111.7NF=MP 剪应力为:16.8Q F=MP 弯曲正应力:maxmax 154ZM y MP I =此处按曲梁进行验算,则+=r y y k Fr M F N 11=138.2< 且,max +<,<2故,强度满足。6.3 销轴校核销轴主要承受剪力,应该按剪应力进行校核。斗杆液压缸闭锁力处于最大时,销子所承受的剪力最大,Q=20.8吨。 销子材料为45钢,s =295MP 安全系数取n=2,则许用应力:ns =146MPSQ=47 MP< 式中,S 销子截面面积(米2。 故满足设计要求总结本次设计的题目是EXS 3500履带液压挖掘机正铲工作装置的设计,其目的就是让我们灵活运用四年所学的理论知识,继续巩固所学的知识在实际设计中的应用,提高自己的动手能力,锻炼独立分析问题、