挖掘机设计过程详述

1引言

1.1课题争论的背景和意义

目前我们国家露天矿的开采规模渐渐扩大，为了适应日益增大的矿用汽车铲装的

需要，这就需要较大斗容的挖掘机，由于挖掘机愈大，每单位土石方的施工成本愈低,

而液压挖掘机较机械式挖掘机有许多优点，但是国内对大型液压正铲挖掘机的争论较

少，液压挖掘机工作装置是完成挖掘机各项功能的主要构件，其结构的合理性直接影

响到挖掘机的工作性能和牢靠性，对其争论是整机开发的基础，对工作装置进行优化,

目的在于缩短争论和开发周期，降低产品成本，提高设计质量，本课题的任务就在于

此⑴。

现代化建设速度，在很大程度上取决于各种工程建设速度，而工程机械水平的凹凸，

又直接对工程建设速度发挥着促进或抑制作用。传统研发管理及设计方法只是被动地

重复分析产品的性能，而不是主动地设计产品的参数。作为一项设计，不仅要求方案

可行、合理，而且应是某些指标达到最优的抱负方案。随着电子计算机的应用，在机

械设计领域内，已经可以用现代化的设计方法和手段进行设计，米满意对机械产品提

出的要求。采用优化设计方法，人们就可以从众多的设计方案中查找出最佳设计方案,

从而大大提高设计效率和质量。牢靠性是我们国家工程机械的致命弱点，我们要正视

差距，增加科研开发力度，提高技术水平，更多地进展具有自主学问产权的高质量产

品，进一步促进工程机械的进展⑴。

1.2液压挖掘机争论现状及进展动态

挖掘机作为一种典型的土石方施工设施，在基础设施建设中起着特别重要的作

用，因此加强对挖掘机的争论具才特别重要的意义，随着能源的紧缺和人们对环保意

识的增加，节能技术争论成为同行学者关注的焦点没随着人类空间获活动的延长，以

及人类对挖掘机工作环境与功能要求的延长，在遥控挖掘机和机器人化挖掘机争论方

面正进行不懈努力，遥控挖掘机的争论离有用化已经不远，开发智能化的多功能挖掘

机并使之成为真正的挖掘机器人还是人们追求的目标。由于挖掘作业中负载变化猛

烈，有些学者己经开头将振动挖掘方式运用于削减挖掘阻力，减低功率消耗以及延长

机器使用寿命方面的争论。近年来，随着人类对自然的开发，挖掘机也朝着大型化大

功率化进展，从而满意人类对大型工程的需求。

国外的争论现状及进展动态

1)国外产品进展趋势

1950年在意大利生产了第一台液压挖掘机，由于其挖掘力量强、生产率高、通

用性好、操纵轻巧等特点，在工程建设施工中起着重要的作用。六十年月，随着西方

经济的进展，液压挖掘机需求数量急剧提升，但大多数属于中小型液压挖掘机。七十

年月开头，随着科学技术的进步和大型水电工程及大型露天矿建设的需要，液压挖掘

机向高速、高压、大斗容、大功率进展。随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩

大，世界上闻名的挖掘机生产商纷纷采纳各种高籽技术，来提高产品的竞争力。国外

的一些公司开头研制大型矿用液压挖掘机，其中以德国、法国产品居多。

在液压挖掘机产品功能方面，液压挖掘机工作装置向多功能化的方向进展。当液压挖

掘机配置不同的作业装置时，可以用来吊、夹、推、舌IJ、松、挖、装、铳削、拆除、

清除和压实等作业，且大都采纳快换装置，驾驶员在驾驶室内就可以完成作业装置的

更换，一般在2分钟内就可以完成作业装置的更换。工作装置中动臂、斗杆结构变化

多样，扩展了主机的使用功能。随着传统型和通用型产晶样机削减，一些有特别构造

的、有特色的产品和多功能的产品备受用户的青睐，这些多用途作业装置大大扩展了

液压挖掘机的功用，提高了产品的施工适用性。同时也体现了各厂家市场差异化的产

品进展战略和各自的技术水平。所以，争论专业性的挖掘机设计理论、方法甚至是专

用软件，以便缩短设计周期、提高产品性能和牢靠性，快速响应市场和用户的要求.

2)国外液压挖掘机设计方法争论现状

(1)设计理论和方法争论及应用。国外生产企业在产品的设计和研制过程中，

广泛推广采纳有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲惫

损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机掌握的电液伺服疲惫试

验技术、疲惫强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度争论方面，促进了产

品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设“分析方法，并创立

了猜测产品失效和更新的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了

牢靠性处理系统。借助于现代设计理论和方法，缩短了新产品的研发周期，加速了液

压挖掘机更新换代的进程，提高其牢靠性和耐久性。例如，德国Demag公司的H485型

液压挖掘机，0&K公司的RH-400型液压挖掘机，Liebher的8994型液压挖掘机，法国

Poclain公司的1000CK型液压挖掘机，都是应用现代设计理论和方法设计的新型机型。

（2）重视试验争论和电子计算机技术的应用。近年来，国外液压挖掘机产量急剧

提升，结构逐步完善，在工程建设和施工行业中占有很重要的位置。液压挖掘机快速

进展的根本缘由，在于机械本身的优越性，也由于下述几个因素：①重视试验争论工

作，液压挖掘机的研制除了保证机械技术性能以外，特别重视挖掘机的使用经济性和

工作牢靠性，研制过程中，进行各种性能试验和牢靠性试验，包括构件强度试验、系

统试验、操纵试验、耐久性试验等，要通过严格的科学试验和用户评价，才进行定型

生产；②重视电子计算机技术的应用，设计制造更轻巧的工作装置，而不减弱其强度,

其实对挖掘机工作装置的争论已经特别成熟。它的应用加快了新产品的进展速度，使

新产品从设计到批量生产的周期缩短到2〜3年左右。

（3）采纳新结构和新材料，采用现代设计技术和先进制造技术，仍是保证和提高

液压挖掘机性能的一个较重要的途径⑵。

国内的争论现状及进展动态

自20世纪80年月以来，国外一些先进商用有限元、多体系统动力学软件进入我

们国家，如ANSYS,ADAMS,MEDYNA,MOCAL,ALGOR等,应用于液压挖掘机的结构分析、

仿真和优化。国内对于挖掘机工作装置设计理论与方法的争论可归纳如下：

（1）工作装置的运动分析。对工作装置的运现分析，关系到挖掘机的力学分析，

是其他分析与设计的基础。文献［15］采用个人编制的软件对液压小型反铲挖掘机各种

静态姿势角度下的理论挖掘力进行了分析与仿真：文献［16］采用矩阵变换原理对单斗

反铲液压挖掘机进行了详尽的阐述；文献［17］对液压挖掘机反铲工作装置各主要构件

进行了运动学和动力学分析，得到了反铲装置各关键点的坐标和实现挖掘力的限制条

件；文献［18］采用拉格朗日第方程对液压挖掘机的工作装置建立了挖掘作业过程中的

动力学模型，对其动能、势能和挖掘力进行计算，为分析挖掘作业工作装置所受到的

力和运动之间关系、掌握作业规划和仿真供应了理论基础。

（2）工作装置的优化。优化设计方法己在我们国家工程设计领域得到广泛运用。

(3)工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证。

(4)工作装置主要部件的结构设计。

(5)销轴的设计及螺栓等标准件进行选型

2液压正铲挖掘机工作装置的运动分析

2.1液压正铲挖掘机的基本组成和工作原理

液压正铲挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图2.1所

示。其中上部转台包括动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、帮助设施和驾驶

室；工作装置由动臂、斗杆、铲斗及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成，如图2.2

所示。

图2.1液压正铲挖掘机的基本组成

图2.2液压正铲挖掘机工作装置

挖掘作业时，操纵动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和

铲斗油缸，使斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，操纵动臂油缸，使铲斗提升离开

挖掘面，在回转马达的驱动卜\使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲斗油缸使

铲斗转动至合适位置，再回缩开斗油缸转动铲斗，使斗前、斗后分开卸载物料。卸载

后，开斗油缸伸长使斗前、斗后闭合，将工作装置转到挖掘地点进行其次次循环挖掘

工作。转移工作场地时，操纵行走马达，驱动行走机构完成移动工作⑷。

在实际挖掘作业中，由于土质状况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反

铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作协作可以是多样的、随机的。上述过程仅为一

般的抱负过程。

2.2工作装置结构方案的确定

正铲工作装置的构造：正铲工作装置由动臂、斗杆、铲斗、工作液压缸和连杆机

构等组成。动臂是焊接的箱形结构，由高强度钢板焊成，也有的是铸造的混合结构，

和反铲工作装置相比，正铲动臂较短且是单节的。动臂下端和转台钱接，动臂油缸一

般为双缸，在布置上动臂的下钱点高于动臂油缸的下钱点且靠后。这种布置方案能保

证动臂具有肯定的上倾角和下倾角，以满意挖掘和卸载的需要，同时也保证动臂机构

具有必要的提升力矩和用锁力矩。

斗杆也是焊接箱形结构或铸造混合结构。斗杆的一端与动臂的上端钱接，斗杆油

缸的两端分别与动臂和斗杆的下缘钱接，形成了斗杆机构。由于正铲常以斗杆挖掘为

主，这样的结构布置适合于向前推压，液压缸大腔进油可以发挥较大的挖掘力。

正铲斗较接在斗杆的端部，铲斗油缸的两端分别与斗杆中部和连杆装置连接，形

成转斗机构，一般为六连杆机构。有时铲斗缸的活塞杆直接和铲斗较接形成四连杆机

构。

挖掘机正铲的铲斗依据结构和卸土方式可分为前卸式和底卸式两大类。

前卸式铲斗卸土时直接靠铲斗油缸使斗翻转，土镶从斗的前方卸出。这种构

造简洁，斗体是整体结构，刚度和强度都比较好，并且不需要另设卸土油缸，但是为

了能将土卸尽，要求卸土时前壁与水平夹角大于45度，因而要求铲斗的转角加大，结

果导致所需的铲斗油缸功率增加，或者造成转斗挖掘力下降或卸土时间延长，此外，

前卸式铲斗还影响有效卸载高度。

底卸式铲斗靠打开斗底卸土。所示的铲斗是靠特地的油缸起闭斗底。挖掘时斗底

关闭，卸土时斗底打开，土城从底部卸出。这类结构的卸土性能较好，要求铲斗的转

角也小，但必需增设卸土油缸，此外，斗底打开后也影响到有效卸载高度。这类开斗

方式现在已少用，目前挖掘机上采纳较多的是另一种底卸式铲斗，铲斗由两半组成，

靠上部的钱连接。卸土油缸装在斗的后壁中。油缸收缩时通过杠杆系统使斗前壁（顺

板）向上翘起，将土壤从底部卸出。用这种方式卸载，卸载高度大，卸载时间较短，

装车时铲斗得以更靠近车体并且还可以有掌握地打开额板，使土或石块比较缓慢地卸

出，因而削减了对年辆的撞击，延长了年辆的使用寿命。此外这种斗还能用于选择石

块，很受欢迎，但铲斗的重量加大较多，因而在工作装置尺寸、整机稳定性相同的状

况下斗容量有所削减，并且由于斗由两部分组成，受力状况较差。采纳底卸式铲斗结

构，铲斗的转角可以减小，因而有些挖掘机已取消了铲斗油缸的连杆装置，铲斗油缸

直接与斗体相连接，简化了结构，并在肯定程度上加大了转斗挖掘力⑸。

当挖掘机挖掘比较松软的对象、或用于装载散粒物料时，正铲斗可以换成装

载斗，在整机重量基本不变的状况下，这种斗的容量可以大大增加，因而提高了生产

率。装载斗一般都是前卸式，不装斗齿，以减小挖掘松散物料时的挖掘阻力，

本设计中我采纳图2.3这一结构。

图2.3液压正铲挖掘机结构

图2.4液压正铲挖掘机机构简图

图2.4所示是5m3正铲挖掘机工作装置的示意图，采纳直动臂、直斗杆形式，铲

斗为前卸式。动臂和动臂油缸在转台上的较点分别为C和A,它们的位置以停机面为

X轴，

整机回转中心线为丫轴（图b）的直角坐标值来表示。这台挖掘机的主要工作油缸共

5只，其中动臂油缸两只，置于动臂的两侧；斗杆油缸一只，置于斗杆的中部；铲斗油

缸两只，较于斗杆中部，主要工作油缸的主要参数列于表2—1中。

表2.15n/正铲液压挖掘机主要油缸的主要参数

内松工作物全辆的长度全仲时般反谯

油配名却a我

(mm)(MP)(mm)(mm)集米)

翻有感215630158026601080

斗肝确119730160026601060

产斗油枇21563014002320920

2.3工作装置运动分析

2.3.1动臂运动分析

动臂CE的位置由动臂油缸AB的长度乙打算。乙和动臂水平倾角〃之间的关系

可用下式表示

•/L：=I；+1；-2/5/7cos®%1)(2-1)

从上式看出，a「也对包的影响很大，当动臂和油缸的参数不变时，愈大动

臂提提升度愈小。关于这点在以后还要争论⑹。

设动臂油缸全缩时动臂倾角为4„向；动臂油缸全伸时动臂倾角为先侬，那么在

动臂油缸由全缩到全伸，动臂总的转角为：

夕I=°lmax一仇min(2-3)

为了便于运算和比较，仍用无因次比例系数7、夕、b表示，即

4二5"：夕=〃.；0=2(2-4)

Lmin’515

代入式(2—2)可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值

a-ifo-2+l-p2、

盘访=cos+〃2—1(2-5)

I2。,

0+]-/I/2\

®max=COS+%(2-6)

I2b

而动臂总转角为

“+”尤21

OS-匚匕互(2-7)

01=cos1------2-b-----J-c<

12o)

动臂油缸伸缩时对C点的力臂也在不断变化,由图可知

L}=/7J5sinZBCA

(’5+『

.03Lsinarccos-——---L(2-8)

l2弘)

明显，当AB_LAC时，有最大值,此时Gmax=J5,而相应的油缸长度分为：

小正Y

此时的动臂倾角为

l

=arccos—5+-a,.

，7，

若用动臂油缸相对力臂（即上-)来表示油缸长为右时的力臂，则

，maX

,'/；+R-L；)

sinarccos----:----L(2-9)

I2弘J

€\maxL]

综上所述，动臂倾角4、力臂G和都是4的参数。

,1max

2.3.2斗杆运动分析

斗杆FQ的位置由动臂CF和斗杆油缸DE的长度4所打算。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

么斗杆较点F以及斗杆油缸在动臂上的较点D就可以看作为固定基座。

G与斗杆、动臂夹角仇之间的关系为

=/；+Z；-2x&xZ9cos®2+4一%)(2-10)

7+/2

0-,-arcco?—---------\-a4+a3(2-11)

<2•4・，9)

设斗杆油缸全缩时动臂与头杆的夹角为名min，全伸时为名max，那么当油缸由全

缩到全伸时斗杆总的转角为

。2=^2max-<92min(2-12)

斗杆油缸的作用力臂0也是可变值。

,/e2L2=/8-sinZ.DFE

；.e、=''sin(tzrcseas'+八———)(2-13)

h2人

当EF_LDE时g有最大值，即6=，9,这时相应的油缸长度以为

=4I；一〃

相应的斗杆转角为

=arccos—+(2-14)

4

用斗杆油缸相对力臂值（即4）来表示4时的力臂，则

,2max

e

2_4sin(〃cscoJ；+4-B)(2-15)

L2248.h

2.3.3斗齿尖的几种特别工作位置的计算

（1）最大挖掘半径（图2.5）

这时C、Q、V在同一条水平线上，而且头杆油缸全伸,

即02=®2max

l2sh)2max

0、=a八=arcsin;。3=冗+外8

(’44max

最大挖掘半径为

Knax=，44max+Z3+X(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：

^2max=LmaxSinMimax-〃26）+4+匕（2-17）

最大挖掘高度时的挖掘半径

RH?=Xc+,C0S（^lmax-^26）（2-18）

假如最大转斗角度不能保证QV垂直向上，即乃-4-4,则应依据实际

的4max值求相应的挖掘高度，如图左上角所示，此时

Z++

H2=&maxw山（仇max一〃26）+3（仇max^2max4max-24）十%⑵⑼

（3）最大挖掘深度（图2.7）

这时动臂油缸全缩，头杆FQ及QV垂直向下，即可=%而，^2°3=兀。

最大挖掘深度为

“2max+%+6Sin9]min-/2-/3（2-20）

最大挖掘深度时的挖掘半径为

RHI=XCZICOS%(2-21)

假如"max＜工-仇min，则FQ不行能呈垂直状态，此时必需依据具体状况计算实

―1114*1111III

际的最大挖掘深度⑹。

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线与地面交成二角匕角是一个重要的铲斗参数，设计中应仔细确定），依据这种

定义可知

图2.8停机平面上的最大挖掘半径

=/max；d=。26一。，其中

(2-22)

max

―—仇…巧(2-23)

这时停机平面上的最大挖掘半径为

R()max=X。+/44maxCOSC+^COSS(2-24)

假如为＜2兀-q-，，则必需依据具体状况重新进行计算。

3工作装置尺寸的设计确定

3.1应用举例

本章以液压正铲5〃『挖掘机为例，对工作装置参数进行初步设计。

结合2.4.1节的分析，初选动臂与平台较点A的坐标：Xo=0.65m,Ko=2.56mo

3.1.1动臂及斗杆长度确定

由式(2-25)得L=4.1〃？

由阅历公式计算结果如表3.1所示。

表3-1

卜算摄］

计算微计算方诙计算结杲懿取值

动营长感1W)经验公觥=(0.98〜1.DL4.0〜4.54.25

斗什长度2(m)经验公魁(0.8~0.95)_3.3〜3.93.40

转斗辛做3(曾)疆公式法3=(0.48-0.60)L2.0〜2.52.50

动臂三维模型

斗杆三维模型

3.1.2机构转角范围确定

液压正铲5〃/挖掘机的工作尺寸如表3.2所示。

表3.2

动臂、斗杆及铲斗机构的转角范围如表3.3所示。

表3.3

530127°

114。262°

3.2油缸较点及行程确定

3.2.1动臂油缸的较点及行程确定

初取动臂油缸全伸和全缩时的力臂比勺=1.1，油缸全伸和全缩时的长度比

4=1.6,%=0。

由动臂油缸钦点及行程计算得卬=30。，由于A钦点在平台的端部，计算得

lAC=796，〃/〃，lCB=28(1)mm,lBF=1450nvn,Llmin=158()nun,Lln)ax=2660mm,动

臂油缸行程4=Lximin=1侬"

斗杆油缸钦点及行程确定

初取斗杆油缸全伸和全缩时的力臂比k2=\.\,油缸全伸和全缩时的长度比:

Z,=1.65»%=3°。

经斗杆油缸较点及行程计算得：/in=1600〃"〃，max=2660〃"〃，斗杆油缸行

程L\=^2max-L2.nin=1060〃期。

铲斗油缸钦点及行程确定

初取斗杆油缸全伸和全缩时的力臂比k2=\A,油缸全伸和全缩时的长度比：

1161

22=1.6o

经铲斗油缸被点及行程计算得：L.Im■■IiIIn=1400/7^7,人ma■x八=2320〃〃〃，斗杆油缸行

程L\=4max-L3min=92。〃〃〃。

3.3工作装置的位置模型建立

现从动臂与转台较点A动身，借助各相关转角01、02和03，建立各关键点B、

C、D……V的位置模型，得到各关键点的坐标，从而为下一步的分析供应依据。

以地面为横坐标，以回转中心线为纵坐标，建立直角坐标系X0Y如图2.4所示。

3.3.1动臂与平台较点位置C的确定

对由反铲挖掘机改装的正铲来说，动臂较座往往就沿用反铲动臂的较座，一般，

校座都在转台中心的前方（Xc>0）,近来大型正铲的被座却有向后移（靠近回转中心线）

的趋势。

设计时，X。、丫。可用类比法确定或依据阅历统计公式初步选取，在此基础上推

举以履带轴距L为基本长度。

履带轴距L

L二（2.3〜2.7所（2-25）

式中：q为斗容量，〃/

3.3.2动臂及斗杆长度的确定

同上转斗半径卜小4也可用类比法确定或依据阅历统计公式初步选取，在此基

础上推举以履带轴距L为基本长度。

3.3.3机构转角范围确定

在动臂长度八斗杆长度乙、转斗半径4及动臂油缸与平台较点C初步确定之后，

依据挖掘机工作尺寸的要求采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⑹。

（1）斗杆转角氏z和2mm的确定

可依据最大挖掘半径Rmax确定。最大转角/max应不小于

arc”)+4芍:(2-26)

%3依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

依不同工作状况而异，有的是指铲斗最靠近机体（斗杆油缸全缩）、斗齿尖处于停机平

面而斗底平行于地面，在这种状态下开头挖掘时的挖掘半径。

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4角

（见图2.7）,而斗齿尖V到回转中心的距离为R。*。从儿何推导可知

Cmax=(%-4)2+(X「Xc)2(2-27)

式中X。、YQ——Q点的横坐标和纵坐标，且

XQ=R〃min—/3COS，；YQ=/3sin(2-28)

••^44min=(%—，3sin《+(/?0［面一'3cos，—X。)(2-29)

匕min=/：+/；—2化cos%*(2-30)

带入式(2-29)整理后得

八二/印也一化一""）一（"（2_31）

2“1」2

有些挖掘机不要求铲斗水平铲入，而往往以肯定的后角力开头挖掘，因而最小

挖掘半径％min可能比前一种小，加大了停机平面上的挖掘范围。在这种状况下QV与

水平的夹角将增至夕=7+%。依据有的资料介绍，为使铲斗简洁切人土壤，开头挖

掘时的后角力可取为45°〜50°o

应留意不论铲斗开头挖掘时的位置如何，必需以不碰撞履带板为原则，因此

>(mm)

八。min+/3cos^4-A(2-32)

式中R——驱动轮半径（毫米）；

5一—履带行走装置水平投影的对角线与纵轴间的夹角；

△一—考虑转斗机构连杆装置及余隙在内的间隙，初步设计时可取八二？。。〜

400毫米。

⑵动臂倾角和%m的确定

动臂最大倾角仇max依据最大挖掘高度”2max确定。由图2.5并依据式（2—17）和（2

一18）经过运算得出

^2maxkSin®2max

4maxNarcsi+arcs(2-33)

’44max,■44inax

因此先确定％max后，再依据“2max可得4max。

动臂最小倾角％”依据最大挖掘深度储max确定。由图2.5和式（2—20）得到

一匕、十十

0]min<arcsinj”^,(2-34)

（3）铲斗转角4m”和4mM的确定

转斗机构应满意以下要求：满意工作尺才的要求，即保证所要求的H…

R^in等参数能够实现；挖掘过程中能够调整切削后角，保证工作正常进行，

满意挖掘过程结束时的转斗要求及卸载要求。

A.%必需满意工作尺寸的要求

为满意挖掘高度要求（图2.5）

4max?1一4max一夕2max（2-35）

为满意最大挖掘半径要求（图2.4）

arCSU1

4maxN乃+%8=乃+一—（2-36）

*44max

为满意停机平面上最小挖掘半径要求（图2.8）

Umax?1+。28+Nl+N2（2-37）

(2-38)

(2-39)

35

―!-sinamin+九Y(2-40)

•••"max之arcsin>2mm

’44min

为满意最大挖掘深度要求（图2.6）

名min4不

B.么必需满意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，斗的切削后角力也不断发生转变，为了保证挖

掘正常进行，斗底不应与地面发生摩擦，即外＞0,为此必需使（图2.10）

%max="+a29+a3l

%9=arcsii

4max=〃+arcs

将式〃31+7工工代入，整理后得到

(2-41)

才打泊M您再时

图2.10铲斗运动方向与切削后角

C.为必需满意卸载要求

由于前卸式铲斗和底卸式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45。以上的角（见图

2.11a）,因此从图2.5及式（2—35）得

一%

(2-42)

图2.11不同卸载方式对名的影响

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

57T

®3min

&2乃一amax-^ma、..Q-43)

对比(2—42)和(2—43)可见，从卸土要求来看，底卸式铲斗的转角可比前卸式少

45。左右。

D.4必需满意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

必需后倾。依据装裁机的要求铲斗装满后斗底必需向上倾斜夕k4(r〜45。角，明

显这时QV连线也必定向上翘起夕角。结合图2.7和2.12可知

“max2〃28+。+(乃-G+夕

+7-

•••^max^arcsin「JSin夕2mm+乃一：+夕(2-44)

444min\^44min

依据以上所得的公式(2—35)〜(2—44)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需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，如不能满意则应加以修正。

%

3.4工作装置油缸较点及行程确定

3.4.1动臂油缸的钦点及行程确定

确定动臂油缸及其较点位置时首先应满意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A坊和AB2,则/=^2max。

再假定皎点B不在动臂中心线CF上，且=当B在CF线下方时外为“十”,

反之为“一”)o

那么由几何推导可以求出工作时动臂油缸的起始力臂也和终了力臂」的值：

q=/7sin^=sin(q]一%+4min)=乙sin(外一的+4mm)(2-45)

AminP

=/7sine”=6>lmax)=-^sin(«H-a2+^lmax)(2-46)

maxS

式中各参数可见表2—10、2—11及公式(2—57)。假如CF线处于水平线以下则

仇加用负值代入。

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

.sin(即一…“)

K^L(247)

==%sin(4[_%+4max)

或sin(4”一生十%皿)=<sin(4i一2+%面)

(2-48)

1\

绽开并整理后得到

Si11当噌min

aa

\\-2=arctar"2"(2-49)

三侬八一COS仇max

A

对式(2—48)、(2—49)可作如下分析：

(1)公式表示了4、K、叫「"max、诸值之间存在着肯定的依靠关系。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a、K不变，降低4“值

会使加大而4mm减小，对挖高有利。这些都说明正铲的即值应比反铲的小。但

是假如工作尺寸已定，过多降低町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dmax、dmin和K，降低〃”值就必需加大；I值，加大了油缸

行程，对油缸的稳定性也有影响。所以当确定句值时必需全面考虑，笼统地给定正

铲或反铲的即值是不恰当的。

(2)当。、%、K等值固定，4“与旧之间也存在肯定的关系，即a”-的为常数。

在反铲上山于需要提高地面以下的挖掘性能，巴值往往都是负值。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纳反铲那样大曲

率的弯臂，生角主要按油缸在动臂上的钱接方式而定，有时油缸较在动留下缘的耳

板上（动臂截面不致减弱）；有时靠两个钟形座较于动臂两侧（在双缸方案中常采纳）

等等，因而凡角有正有负，但角度一般部不大，因此对卬的影响也不很大。综合上

述两点，建议在初步设计中先确定动臂结构，初选的值，然后依据工作尺寸的需要,

在确定4max、基础上按公式般一49）求合理的知值。一般状况下正铲的句值不

大干45。。

（3）义值主要应从油缸的稳定性动身选用，建议取4=1.6〜1.7。

（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0.90〜

1.14的范围内选取。

设计动臂机构时合理地确定A、B、C三点的位置特别重要。从A/1C/和AACB2中

(图2.13)还能得到如下关系式

《max=4+4-2•A；，&COS(〃||一(2-50)

L；min=丐+《一2・。4COS(fllI~a2+仇min)(2-51)

用公式(2-4)代入得

+[_2CCC4〃”-勺+%uax)(2-52)

P~=/+1-2bcos(〃”一4+〃min)(2-53)

令%-%+%想、=2，。“-出+优^=/代人上式，解联立方程后得到

(2A2cos/7—2cos(z)+^/(2/l2cos/7-2cos(z)2—4(Z2—1)'

(2-54)

p=^(j2-l-2crcos/7(2-55)

以上我们依据动臂转角需要和K值确定了。、p、4等比例系数和〃2i值，因此只

要进一步求出Lmin、Lmax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,max，且Gmax=。另一方而油缸的缸径一般部依据系列选用，

并且还要考虑与其它油缸通用等问题，因此缸径没有许多选择的余地。鉴于以上状况

可以在预先确定油缸数目和缸径的前提下初步选择校点距离AC(，5)。

.丝=卫国(2.56)

s"%•与.PF

式中M——提升力矩，图2—14,M=ZMC(G)，即各部分重量对C点的力矩和,

其中包括动臂重量Gr斗杆重量G2、斗和土壤的重量G3、连杆装置

重量G6以及油缸重量5等。初步设计时这些重量利重心位置可

依据类比法确定；

s——油缸推力，s=p,其中〃1、&分别为动臂油缸数目和缸径；

P是系统的工作压力；

T]——油缸和钦点的机械效率，在初步设计时可取85。

将式(2-110)和(2-111)的结果代人式(2-57),就能求得其余参数值。

动臂机构还必需按以下两种状况进行校核；1)动筒在上部或下部极限位置时

的举升力量；2)主要挖掘范围内挖掘时动臂油缸能供应的闭锁力量(借助电算结合整

机挖掘力分析进行)。

3.4.2斗杆油缸钱点及行程确定

选择斗杆油缸在动臂和斗杆上的较点D和E并确定斗杆油题的长度和

^2max0

如图2—15所示，假设斗杆油缸全缩和全伸时的长度为和则06=

L2minoDE2=L2max,对F点的相应力臂为期和6。也取比例系数

图2.M确定提升机构的示意图

图2.15斗杆机构计算示意图

二

p=Azmin.0k

^/2min*/9/”9

则初始与终了力臂比K为

K—%q_，8，，9，>2max，$出[。2|1而一(，3+〃4)]

(2-57)

e2o4，，9./min,S^[^2max—+44)]

或sin[%-(％+&)]=—sin[ftmax-(a3+4)]

IX

最终得到

—sin6>2min-sin^2max

K

生+4=arctan(2-58)

\A

式中由和%相应为DF、FC的夹角和EF、FQ的夹角。若CF或FQ落在ADE1r的

外侧，则夹角为正，反之为负。因此在初步设计中假如依据动臂和斗杆的结构形式及

校点的固定方式预先确定一个角，则可按公式求出其次个角，或者依据所求的%+4

值结合具体结构状况分别确定各值。

计算斗杆机构时建议K值取0.9~1,以使开头挖掘和挖掘终了时作用力臂大致

相同。

2值仍建议取1.6〜1.7。

同样，由ADFE,和\DFE2可列出联立方程

=

^2max4+，9-2•4,%COS[(^2max—((73+%)1(2-59)

—

Emin=G2•/8•/9COS[®2min-(。3+^4)1(2-60)

令21皿-（。3+。4）=。，%nin-（。3+。4）="并将令"、b代人上式,解联立方

程后得到

(2A2cos/?-2cos«)+7(2^2cosp-2cosa)--4(22-1)"

2"(2-61)

p=yj(T~+1-2crcos£(2-62)

下面介绍一种依据挖掘作功的理论确定斗杆油缸参数的方法。

设斗杆油缸挖掘时需要克服的切向挖掘阻力为吗,那么

%=Kobh(2-64)

式中b——切削宽度（厘米）；

h一一平均切削深度（厘米）；

K。一一挖掘比阻力，取设计任务所规定的最硬土壤的挖掘比阻力值（公斤/

厘米）。

假设铲斗在行程L（厘米）中装满，那么在装斗过程中消耗到挖掘土壤上的功为

A=W1L=KQbhL=q(公斤・米)(2-65)

式中q斗容量(米D；

a、k,一一铲斗的布满系数和土壤的松散系数。

明显这个功由斗杆油缸来完成，而在此期间斗杆油缸所作的功为

A=S•%=〃2P,%•L2(2-66)

式中S——斗杆油缸推力，S=手〃・%，其中〃2，口是斗杆油缸数量知缸径，

p是系统工作压力；

%——油缸和钦点的机械效率，在初步设计时建议取％二0・85；

C一一油缸挖掘行程。在正铲上一般认为铲斗应在斗杆油缸60%的行程内

装满，则L/=O.6AL2其中AL2是斗杆油缸全行程。

因此从作功动身可列出平衡号程式

%*P-772M率呸•的奇」°6Q-67)

/.AL2=--------5------(2-68)

确定斗杆油缸行程之后，不难求顺生缩颦御帆•的长度，即

L2mm=^--^L2(2-69)

z71

L2max=-^L2(2-70)

将式(2—69)、(2-70)»(2-62)所得的结果代入。=?就可求出心"等值。

所选购油缸及斗杆机构的其它参数应按油缸极限位置时9能产生伪挖掘力进行验

算，此时斗杆油缸的挖掘力应不低于斗杆挖掘时遇到的正常挖掘阻力。

3.4.3铲斗油缸较点及行程确定

转斗机构应保证铲斗有肯定的挖掘力量，并具有必要的闭锁力量。但正铲上转斗

挖掘不是主要的挖掘方式，因此在参数选择时提出以下几点作为参考：

(1)在主要挖掘土壤中工作时，转斗机构应保证铲斗在70—100%的转斗行程内

挖满土；

(2)在最硬的土壤中工作时，转斗机构应保证在主要挖掘范围内用斗杆油缸挖掘

时铲斗油缸具有必要的用锁力量；

(3)参考前端装载机设计要求，建议在铲斗油缸全伸时斗齿上的挖掘力不低于满

斗士重的两倍。

依据以上几点，在初步设计时也可以用挖掘作功的理论来选择铲斗油缸参数。

与斗杆机构计算相类似，可直接列出铲斗油缸的行程

一”6