机械原理课程设计说明书

1、机械原理课程设计设计说明书设计主题：反铲工作装置设计设计师：胡国哲等级：机床四级学位：指导老师：2011年10月10日目录1 .设计主题11.1设计目的11.2设计主题概要12 .液压挖掘机的概要12.1单斗液压挖掘机12.2挖掘机机构的自由度计算22.3主要设计参数介绍43 .液压挖掘机工作装置设计53.1斗形参数的选择53.2动臂机构参数的选定63.3斗杆机构参数的选定83.4铲斗机构参数的选定93.5机体尺寸参数的选定10基于Pro/E的机构建模和运动仿真分析134.1零件建模134.2部件组件134.3运动学仿真分析144.3.1顺序动作仿真分析144.3.2复合动作模拟分析16基于A

2、DAMS的挖掘机虚拟样机运动学和动力学分析185.1基于ADAMS的液压挖掘机作业机的运动学分析205.2液压挖掘机的挖掘力分析255.3基于ADAMS的液压挖掘机工作装置动力学分析266 .基于6.ANSYS工作台的机构有限元仿真分析276.1动臂的静力学分析和模态分析286.2附件的有限元模拟分析307 .个人总结32参考文献321 .设计主题1.1设计目的机械设计根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各零件的材料和形状尺寸和润滑方式等进行构想、分析和计算，变成制造所依据的工作流程。机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，全过程包括创新和

3、发明。为了综合利用机械原理课程的理论知识，分析、解决与本课程相关的实际问题，进一步加强和深化所学知识，参加了这次机械原理课程设计。1.2设计主题介绍反铲式是我们见过的最常见的，向后方，强制挖土。 可用于停机工作面以下的挖掘。 基本的作业方式有沟端挖掘、沟侧挖掘、直线挖掘、曲线挖掘、一定角度挖掘、超深沟挖掘、沟开挖掘等。 反铲装置是液压挖掘机的重要作业装置，适合批量生产或中小批量生产，是可改变动作程序的自动搬运和操作设备，操作环境恶劣，劳动强度大，操作单调频繁，可以使用。1.3设计数据和任务要求标题铲斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半径卸载高度铲斗挖掘力c.c0.3 m33.45 m米6.35 m米5

4、.97 m米3.86 m米45KN1 .绘制挖掘机工作机构的运动图，确定机构的自由度，并绘制其驱动缸在某些情况下的运动线图2 .根据所提供的作业参数，对挖掘机的作业机构进行缩放整合，并确定作业机构各部件的长度3 .用软件(VB、MATLAB、ADAMS、SOLIDWORKS等)进行致动器的运动模拟，画出输出机构的位移、速度、加速度线图。4 .制作设计计算书。 其中应包括设计构想、计算和运动模型的建立过程和效果分析等。5、在机械基础实验室用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。2 .液压挖掘机的概要2.1单斗液压挖掘机单斗液压挖掘机是一个铲斗进行挖掘作业的机器，由作业装置、上部转台和行走装置三大

5、部分组成。 反铲装置主要用于挖掘停止面以下的土壤。 铲斗容量小于1.6M3的小型液压挖掘机通常选择反铲装置，可分为整体臂式和组合臂式。 其中，长期工作条件相似的挖掘机反铲装置，多采用整体的鹅毛式起重臂结构。 采用这种起重臂有利于增加挖掘深度，结构简单，价格低廉。 刚性相同时，其重量比组合臂轻，是目前应用最广泛的挖掘机工作装置的结构形式。动臂反铲工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、斗杆连杆、销等构成。 在装置的各运动部件之间采用销接头，用动臂油缸支撑动臂的倾斜，使其变化，通过动臂油缸的伸缩使动臂围绕下铰链转动，实现动臂的升降。 斗杆枢装在动臂的上端，斗杆和动臂的相对角度

6、由斗杆油缸控制。 斗杆油缸伸缩时，斗杆以动臂上的铰链为中心转动，铲斗铰链到斗杆前端，铲斗油缸伸缩使铲斗转动。 为了增大铲斗的转角，通常使用摇臂的连杆机构与铲斗连接。图2-1是液压挖掘机的作业装置的基本结构和传动示意图，反铲作业装置由铲斗5、连杆9、臂11、动臂2、对应的三组液压缸1、4、10等构成。 动臂下铰链被铰接在转台上，通过动臂油缸的伸缩，使动臂与工作装置整体一起绕动臂下铰链转动。 通过斗杆油缸使斗杆在动臂上铰链转动，铲斗在斗杆前端铰链，通过铲斗油缸和连杆使铲斗在斗杆前端铰链转动。挖掘作业时，接通旋转马达，旋转转台，在将作业机转到挖掘位置的同时，向动臂油缸的小室中注入油，使动臂缩短到铲斗

7、接地，然后操作斗杆油缸或铲斗油缸，向油缸的大室中加油并伸长，然后再使动臂伸出铲斗装满后，铲斗油缸和斗杆油缸停止，给动臂油缸室加油，提升动臂，接通旋转马达，把作业机转到卸载位置，操作铲斗油缸或斗杆油缸后退，使铲斗反转，卸下土。 卸下后，工作装置再次移动到挖掘位置进行第二次挖掘循环。在实际的挖掘作业中，根据土质状况、挖掘面条件、挖掘机的液压系统，反向铲装置的3种液压缸在挖掘循环中的动作多样且随机。 上述过程是一般的理想过程。2.2挖掘机机构的自由度计算挖掘机工作装置的臂和臂为截面不同的箱梁结构，铲斗用厚度薄的钢板焊接。 各气缸可以看作是仅承受拉伸载荷的杆。 根据以上的特征，能够对作业装置进行适当的

8、简化处理。 附件是由11个部件构成的3自由度机构，其中的3自由度是3个气缸的运动。 工作装置的结构形式和机构尺寸决定后，其动作范围决定，铲斗齿顶的运动轨迹由动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的运动决定。运动副是元件之间物理连接的模型。 运动副可分为平面运动副和空间运动副，或低副和高副。 机构由运动副和部件构成。在将挖掘机的作业装置作为平面机构处理的情况下，其部件和运动副的结构如图2-2所示，图中有12个旋转副，3个圆柱副，低副数为15，可以根据平面机构的计算式求出自由度，如式(2-1)所示，3个自由度是3个液压缸的原动机F=3n-2Pl-Ph=311-215-0=3 (2-l )式中f1平面机构的自

9、由度n1机构中可动部件的数量pl1机构中的低副数ph1机构中的高副数。图2-2机构的动作的概略图在导入了ADAMS的三维模型中也用上述方法设置运动副的话，就会发生冗馀现象，用空间机构的自由度的公式可以计算的自由度如式(2-2)所示为-6。f=3n-5 p5p4p3p2p1=311-5124300=-6(2-2)式中f-空间机构的自由度n-机构中可动零件的数量Pk(k=l、2、5)-机构中包含的I、ii、iii、iv、v级副的个数。挖掘机工作装置运动副的实际设置情况，是用圆柱副连接液压缸和油压杆之间，其馀各部件之间的连接都采用旋转副，与平面机构的设置情况相同。 式(2-2)表示，挖掘机机构存在过

10、约束，过约束主要以虚约束的形式存在，虚约束改善了构件的力，提高了机构整体的稳定性。 但是，为了通过ADAMS软件使作业装置能够顺利地进行模拟，需要解除制约。 用于安装作业装置的空间机构包括共计4个旋转副、3个折动副、4个圆柱副、4个球面副，具体的设置状况参照后述的ADAMS仿真分析。 旋转副和折射副是v级副，圆柱副是iv级副，球面副是iii级副，可以用式(2-2)求出F=611-57-44-34=3，满足机构的自由度。2.3主要设计参数介绍a-停止面上的最大挖掘半径、b-最大挖掘深度、c-最大挖掘高度e-最大卸载高度，f-最大挖掘半径图2-3基本设计参数标题铲斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半径卸载

11、高度铲斗挖掘力c.c0.3 m33.45 m米6.35 m米5.97 m米3.86 m米45KN液压挖掘机的基本参数主要包括：标准铲斗容量：在挖掘iii级或密度1800公里/米3的土壤时，表示在该挖掘机上注册的铲斗堆积容量。发动机功率：发动机的额定功率。工作周期时间：挖掘机以一定的旋转角度完成整个工作周期所需要的时间。最大挖掘高度：工作装置处于最大升程高度时，铲斗齿顶到停止地的距离。最大挖掘半径：在挖掘机的纵向中心平面上，铲斗的齿顶距机械旋转中心的最大距离。最大挖掘深度：动臂位于最低位置，铲斗和斗杆铰链、斗杆和斗杆铰链3点位于同一垂直停止面的直线上，是指铲斗和停止面的最大距离。最大卸载高度：指

12、动臂、臂处于最大升程高度，翻转土，齿顶处于最低位置时，从齿顶到停止面的距离。最大挖掘力：根据液压系统的动作压力而动作的铲斗油缸(或斗杆油缸)能够发挥的最大铲斗切线挖掘力，相对于反铲作业机，铲斗最大挖掘力和斗杆最大挖掘力有差异。3 .附件设计该挖掘机作业装置是反铲装置，采用以下结构一、采用一体型动臂，把动臂油缸放在下面。二、采用一体型臂。三、动臂和斗杆的长度比，即特性参数k1=l1l2在1.52之间。 设为k1=1.8，采用长动臂短臂方案。图3-1机构参数计算概略图3.1斗形参数的选择图3-2铲斗主参数图铲斗容量q、平均铲斗宽度b、铲斗挖掘半径r和铲斗拮抗全角2是铲斗的四个主要参数。 r、b、2

13、三者与q之间有以下几何关系： (2)参照p25 )q=12R2B(2-sin2)Ks其中，q-铲斗容量(已知0.3 m3 )r-铲斗挖掘半径，单位m根据逆时段平均时段宽度的统计值和建议范围，b时段宽度不要太大。2-铲斗挖掘满足转角，通常为2=90100，单位rad。ks土壤松弛系数的近似值为1.25，中国的标准斗容指的是山尖的容量，所以不考虑装满系数。如果代入q=0.3、q=0.3、2=90，则可以用上述公式求出B=1.69，可知b过大会最大挖掘阻力和铲斗挖掘能量容量e增大，不利于效率提高。 因此，当增大r值，设R=1.06m时，优选求出B=0.75。3.2动臂机构参数的选定图3-3动臂摆动角

14、度范围计算概略图图3-4 F点坐标计算概略图1 .动臂的摆角动臂的摆动角1max是动臂缸长度L1的函数，动臂上的任意时刻的坐标值也是L1的函数。 如果特性参数=L1minl5，=l7l5，则如图3-14所示，在L1=L1min时获得在ACB中，根据馀弦定理1 min=AHHHHK0=cos-1l72l 52-L1 min 22 l7 l5=cos-1 (21 -22) (3-1)L1=L1max的情况1max=22222喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓6动臂的摆动角度范围是1 max=1 max -1 min=cos-1 (2 -1222)-cos-1 (2 -22) (3-3)动臂的瞬时

15、旋转角是1=cos-1 (2-(l1/l1min )22)-cos-1 (2 -22) (3-4)可以简单列举动臂上任意点的坐标方程式，现在只能导出f点的坐标方程式。 以3-2得到20=82222222222222222222020000设21=UCF=20-2 (3-6)f点在水平线CU下时21为负，否则为正。f点的x坐标方程式是XF=l30 l1cos21 (3-7a )f点的y坐标方程式是YF=YC l1sin21 (3-7b )这里，c点的y坐标值可以从图中获得YC=l19sin12 (3-8)2 .机构参数的选择和计算动臂油缸的最大作用斗杆为e1max=l5，此时L1=l72-l52=l52-11=cos-1(12)选择动臂角度1=120、特性参数k3=l42l41=1.2、k1=l1l2=1.8一般特性参数k2=l24l3=0.30.38通过使用k2=l24l3=0.34、R=l3=1.06m、l24=0.34m、最大挖掘半径R1=5.97m、参考文献【2】P76式求出L2=(R1-L3 ) 1k1=5.97-1.061.8=1.78米l1=k1l2=1.81.78=3.204ml41=l11k32-2k3cos1=3.2041年1.22-21.2cos120=1.68ml42=k3l41=1.21.68=2.02m39=AAAAAAAAMMMMMMMM