挖掘机挖掘机构设计

1、挖掘机挖掘机构设计 - 1 - 1 绪论 1.1 液压挖掘机的工作特点和基本类型 ..1 液压挖掘机的特点液压挖掘机的特点 液压挖掘机由于采用了液压传动装置而使其在结构、技术性能和使用效果等方面与 机械传动的单斗挖掘机相比具有很多特点，其优点综合叙述如下： 1.技术性能提高，工作装置品种扩大.单斗液压挖掘机与同级机重的机械挖掘机相比 挖掘力约提高一倍， 液压挖掘机最大挖掘力可达机重的1/2， 而机械挖掘机只达机重的1/4. 因此在整机参数不变下，可加大铲斗容量。提高生产率.抓斗可以强制切土和闭斗，使切 土力和闭斗力都提高。液压挖掘机的行走力和牵引力远远大于机械

2、挖掘机，爬披能力都 大为提高，还可换装加宽履带，使机械接地比压大大降低（甚至= 1 112.63 1.711.70 2.125 + = 所以最终以上数据的选取满足要求。 再由公式（3-10a）(3-10b)分别求取e10和eZ 1 22 2 10 1.701.700.8 1 10.75 2.632.63 2 1.700.80.8 ()() m e = + 22 2 1 2.902.900.8 1 10.009 2.632.63 22.900.80.8 ()() z m e = + 显然动臂油缸最大作用力臂为 1max5 0.8m el = 110 5 1 7 0.8 ()() 2.11 cos

3、cos68 l l = 此时 2222 175 1.95 2.11 0.8 m llL = 满斗时处在最大半径时动臂油缸应该有足够的提升力矩，工作装 置各个部件重量可以按3P78 表 2-7 估计 3.125= 10 0.75m e = 1 0.009 Z m e = 1max 0.8m e = 0 166 = 1 1.95m L = 0.437 0.391 GD T Gt Gt + = = 4 4.8 10 z M Nm = 5 2.4 10 T M Nm = 挖掘机挖掘机构设计 - 15 - 1.91.9 0.230.437 30.391 GD T Gqt Gqt + =

4、 = 31 1 41212 4 (0.7 )() 22 3.4920.678 0.450.437(3.4920.7 1.94)0.391 (3.4921.94) 22 4.84.8 10 zGDT ll MGGllG ll tmNm + =+ =+ = 经过对比参照后取 e=0.9m 1TZ MpeM= 22 665 0.15 25 100.921.5 100.652.4 10 44 T d MNm = 5 0.48 10 Tz MMNm= 所以所设计的动臂油缸满足要求 ..4 斗杆机构参数的选择斗杆机构参数的选择 ( (一一) )斗杆的运动分析斗杆的运动分析

5、 斗杆的位置参数是 1 L 和 L2的函数。这里暂时先讨论斗杆相对于动臂的运动，也 即只考虑 L2的影响。斗杆机构与动臂机构性质类似，它们都是四杆机构，但连杆比例不 同。在动臂机构中一般 L7L5,在斗杆机构中一般 L9l=0.96m。 图 3-16斗杆机构摆角计算简图 1.斗杆相对于动臂的摆角范围 2max = 222222 11 892max892min 2max2min 8989 os ()cos () 22 llLllL c llll + = （3-17） 3 挖掘机的工作装置设计 - 16 - 2 斗杆油缸的作用力臂 设 892 2 llL B + =，则 892 2 2 2() (

6、) ()BBlBlBL e L =（3-18） 22 ()ef L= 也是正弦曲线。当分别取 22min22max202z LLLLee=和时可得到和 。即 minmin8min9min2min 20 2min 2()()()BBlBlBL e L = （3-19a） maxmax8max9max2m 2 2max 2() () () ax z BBlBlBL e L = （3-19b） 显然，斗杆油缸最大作用力臂 122 9 2max92289 8 sin ( ), l elDFELll l = =，这是 （二）斗杆机构参数选择计算（二）斗杆机构参数选择计算 图 3-17斗杆机构参数计算简图

7、 根据斗杆挖掘阻力计算，并参考有关资料，查的挖掘力值， 按要求的最大挖掘力确定斗杆油缸的最大作用力臂 l9。 查找资料确定挖掘机斗杆挖掘力，定该斗杆挖掘力值为 max 28.6 G PKN= 根据【2】P79 公式（2-52） 即 max23 2max9 2 () G Pll el P + = 又有 23max 1.94 ,0.678 ,28.6 G lm lm PKN= 2 625 2 3.14 0.11 21.5 10/2.04 10 4 PN mN = max 28.6 G PKN= 5 2 2.04 10PN= 2max 0.367em= 2max 90= 挖掘机挖掘机构设计 - 17

8、 - 所以 4 2max9 5 2.86 10(1.940.678) 0.367 2.04 10 elm + = 假设斗杆摆角范围为 2max 90 ,90= 即 在三角形 0Z E E F中已知0.367 ,lm= 0 901.54 z E Em=可得 选择油缸 2min 1.03Lm= ，则 2max 1.56Lm= 2max 2 2min 1.56 1.5 1.03 L L = 由【2】P75 公式（2-54） 即： 22 2max 82min92min9 22 2cos() 2 90 1.030.3672 1.03 0.367 cos() 2 1.3 lLlLl + =+ + =+ =

9、 由前面公式可得 892max max 892min min 1.30.3671.56 1.61 22 1.30.3671.03 1.34 22 llL B llL B + = + = 再有公式（3-19a） （3-19b）可求得 20 2 21.34 (1.34 1.3) (1.340.367) (1.34 1.03) 0.24 1.03 21.61 (1.61 1.3) (1.610.367) (1.61 1.56) 0.23 1.56 z e e = = 显然，斗杆油缸最大作用力臂 2max9 0.367elm= 这时 11 9 2 8 2222 289 0.367 sin ( )sin

10、 ()16 1.3 1.30.3671.24 l DFE l lllm = = = 8 1.3lm= max min 1.61 1.34 B B = = 20 2 0.24 0.23 Z e e = = 2 2 16 1.24lm = = 3 挖掘机的工作装置设计 - 18 - 图 3-18 斗杆三维效果图 ..5 铲斗机构参数的选择铲斗机构参数的选择 （一）铲斗运动分析 铲斗相对于 X-Y 坐标系的运动是 L1,L2和 L3的函数，西那在讨论铲斗相对于斗杆的 运动。如图 3-19 所示，G 点为铲斗油缸与斗杆的铰点。F 点为斗杆与动臂的铰点 Q 点为 铲斗与

11、斗杆的铰点，V 点为铲斗的斗齿点，K 点为连杆与斗杆的铰点，N 点是曲柄与斗 杆的铰点，M 点为铲斗油缸 与曲柄铰点，H 点为曲柄与连杆的铰点。 图 3-19 铲斗连杆机构传动比计算简图 挖掘机挖掘机构设计 - 19 - （二）铲斗参数设计 1，斗形参数的选择 斗容 q,平均斗宽 B，挖掘半径和转斗挖掘装满角度2是铲斗 的四个主要参数。他们间的关系为 2 1 (2sin2 ) 2 s qR BK= 一般土壤松散系数 3 1.25;0.23 s Kqm= 由【2】P75 表（2-6）比较取 B=0.7m，取2 90= 。则可以求出 R 22 0.23 0.96 (2sin2 )0.7(1.57s

12、in90 ) 1.25 s q Rm BK = 铲斗上两铰点 K 与 Q 间距 24 l 24 2 3 l K l = 由【2】P75 知，取 23 0.35,0.678Klm= 则 242 3 0.35 0.6780.2373 ,lK lm= 取 24 l =0.3m 图 3-20铲斗三维效果图 3 1.25 0.23 s K qm = = B=0.7m 0.96Rm= 3 0.678lm= 24 l =0.3m 4.动臂、斗杆的结构强度校核计算分析 4.1 计算工况的选择及斗杆的强度计算 1.液压挖掘机在工作过程中外载荷复杂多变， 工作装置各构件的内力随各组油缸力 及运动变量的改变而变化。

13、 因此， 合理的确定计算工况是进行工作装置强度计算的前提。 斗杆的计算工况为：动臂位于最低；斗杆油缸作用力臂最大；斗齿尖位于铲斗与斗 4 动臂、斗杆的结构强度校核计算分析 - 20 - 杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上；侧齿遇到障碍作用有横向力 WK. 图 4-1斗杆计算图 2铲斗所受的侧向力决定于液压挖掘机的制动力矩，其值为 z s M P r = 式中： S P 铲斗所受的最大侧向力 Z M 液压挖掘机回转机构的制动力矩 r侧向力作用点至回转中心的距离 在距离铰点 B 为 lc 的截面 Cx 的在和，其轴向力有下式求得： cos()sin sin bbb NPdraSPag= 式中：b

14、g-截面 Cx 以左部分的斗杆重量； -斗杆对水平线的倾角 截面上任意一点的正应力安下式求得： xy McyM cxN JJF =+ 式中：x， y-从截面中心线 y-y,xx 到所求点的距离 x J ， y J -截面对 y-y,xx 轴惯性矩 F-截面面积 截面上任意一点的切应力可按照下式求得： 22 nn MkpQxSy FJy =+ 挖掘机挖掘机构设计 - 21 - 图 4-2斗杆危险截面 图 4-3 斗杆截面图 3截面图形的几何性质 截面 1 截面面积F=304.5 2 cm 截面对参数轴的静矩 2 983.5 x Scm= 截面形心3.23 x c S Ycm F = 截面的惯性矩

15、 4 3795.6 x Jcm= 抗弯截面模数 3 max 3795.6 313.6 12.1 x x J Wcm y = 截面的惯性矩 4 3218.3 y Jcm= 抗弯截面模数 3 max 3218.3 214.5 15 y y J Wcm x = 4 动臂、斗杆的结构强度校核计算分析 - 22 - 截面 2 截面面积F=154.5 2 cm 截面的惯性矩 4 34445.3 x Jcm= 抗弯截面模数 3 max 34445.3 4592.7 7.5 x x J Wcm x = 截面的惯性矩 4 5853.3 y Jcm= 抗弯截面模数 3 max 5853.3 296.3 19.75

16、 y y J Wcm y = 截面 3 截面面积F=126 2 cm 截面对参数轴的静矩 2 863.1 x Scm= 截面形心 863.1 6.85 126 x c S Ycm F = 截面的惯性矩 4 19979.2 x Jcm= 抗弯截面模数 3 max 19979.2 1331.9 15 x x J Wcm y = 截面的惯性矩 4 4549.5 y Jcm= 抗弯截面模数 3 max 4549.5 606.6 7.5 y y J Wcm x = 4.2、强度计算 斗杆材料选择为 16Mn 根据图示的斗杆各铰点的受离情况，斗杆上截面 1、截面 2、截面 3 应力值为： 1截面 1 弯矩

17、： 3 (cos )4.9 10 xbda c MP llap hg brR lNSNm=+= 3 3.28 10 y MNm= 轴力： 5 4.8 10NN= 切力： 4 7.63 10QN= 截面 1 的应力 挖掘机挖掘机构设计 - 23 - 3 2 3 3 2 3 5 2 2 4 2 2 4.9 10 1563.7/ 313.6 3.28 10 1531.2/ 214.5 4.8 10 1582.6/ 304.5 7.63 10 250.6/ 304.5 x x x y y y N MNm N cm Wcm M Nm N cm Wcm NN N cm Fcm QN N cm Fm = =

18、 = = 按第四强度理论其合成应力为： 22222 4 346773 250.64697.01/46.9 r N cmMPa=+=+ = 2截面 2 弯矩： 5 4.01 10 x MNm= 6334 y MNm= 轴力： 5 3.47 10NN= 切力： 5 1.13 10QN= 截面上的应力 5 2 3 2 3 5 2 2 5 2 2 4.01 10 8736/ 4592.7 6334 2138/ 296.3 3.47 10 2250/ 154.5 1.13 10 735/ 154.5 x x x y y y N MNm N cm Wcm M Nm N cm Wcm NN N cm Fcm

19、 QN N cm Fcm = = = = 按第四强度理论其合成应力为： 222242 4 3131243 7351.32 10/132 r N cmMPa=+=+ = 3截面 3 弯矩： 4 8.32 10 x MNm= 4 1.05 10 y MNm= 轴力： 5 2.36 10NN= 切力： 4 7.25 10QN= 4 动臂、斗杆的结构强度校核计算分析 - 24 - 截面上的应力 4 2 3 4 2 3 5 2 2 4 2 2 8.32 10 6250/ 1331.9 1.05 10 1763/ 606.6 2.36 10 1873/ 126 7.25 10 576/ 126 x x x

20、 y y y N MNm N cm Wcm M Nm N cm Wcm NN N cm Fcm QN N cm Fcm = = = = 按第四强度理论其合成应力为： 22222 4 398863 5769936/99.36 r N cmMPa=+=+ = 从以上四个截面应力可知，用 16Mn 为材料强度极限 2 18000/ b N cm= =180Mpa，各截面应力均小于 b ，强度要求可以满足。 4.3 动臂的强度计算 动臂最大受力位置的确定 动臂强度计算，同样应该按照挖掘工作中的可能出现的最大载荷来选定计算位置。 一般认为最大载荷发生在铲斗油缸挖掘到最大深度的时候， 如果这是由于挖掘机的

21、稳定 性或斗杆油缸承载能力的限制，在铲斗切削刃不能实现最大挖掘力，那么计算位置就应 该选择使斗杆转过一些角度的时候。 图 4-4 动臂挖掘力分布图 挖掘机挖掘机构设计 - 25 - 整体式弯动臂对弯曲部分的断面进行强度计算时，颖考虑按曲梁进行设计，即在弯 曲平面内的应力按照下式计算 = 1 1 NMy FFrkyr + + 式中：F-断面面积 r-断面弯曲处的曲率半径 y-断面重心至计算点的距离，该点在曲率中心与断面重心之间为负，反之 为正 k-断面形状及曲梁曲率有关系数 k=- 1y dF Fyr+ 图 4-5动臂截面图 4 动臂、斗杆的结构强度校核计算分析 - 26 - 图 4-6挖掘力力

22、臂图示 图 4-7挖掘力力臂测量 A 点及 B 点的受力计算 A 点： 取整个工作装置为隔离体， 由于挖掘力 （42.5KN） 的作用点距 A 点的力臂 333cm 和动臂油缸距 A 点的力臂为 65.3cm。由此可得动臂油缸受力为： 挖掘机挖掘机构设计 - 27 - 42500 333 14500 2008050 220900 256 141670 65.3 PN = （2）B 点：取铲斗，斗杆为隔离体，由图量的斗杆油缸距 B 点的力臂为 34cm，挖 掘力（42500N）到 B 点的距离为 144cm。从而得斗杆油缸受力： 42500 333900 5710000 8 214719 65.

23、3 PN = 动臂横截断面的形式及主要符号的意义 图 4-8动臂截面图示 i F 横截断面截面积 iX I 横截面面绕 X 轴的惯性矩 iX W 横截面绕 X 轴的截面模数 iy I 横截面面绕 Y 轴的惯性矩 iy w 横截面绕 Y 轴的截面模数 im A 横截面中心线所包围的面积 T M 机器制动力矩(9926400Ncm) k P 侧向力、由机器制动力矩所引起 i 中挖掘力均匀作用于各斗齿引起的正应力 i 侧挖掘力作用于一个边齿引起的应力 i Z 剪切应力 b=70cm铲斗宽 所取截面受力计算： 剖面所取部位如图所示。 （图中剖面位置尺寸分别为和 B、A 点的距离尺寸单位为 cm） 动臂

24、材料为 16Mn. 挖掘力均匀的作用于铲斗的个斗齿上或者仅作用于斗齿上 4 动臂、斗杆的结构强度校核计算分析 - 28 - 11 截面 a=35,h=24,1.5t= 2 1 33 4 1 3 1 2 1 1.5 35 2 1.5 (243) 2168 35 2432 21 15624 1212 15624 1302 24/ 2 35800046500 120 4464/ 2001302 x X Fcm Icm wcm N cm = += = = =+= 22 截面 a=33, h=49.8,1.5t= 2 2 2 33 4 2 3 2 2 1.5 35 21.5 (49.83) 2242.4

25、 35 49.83245.8 104034 1212 104034 4178 49.8/ 2 35800046500 180 3793/ 2004178 X X Fcm Icm wcm N cm =+= = = =+= 33 截面 a=35,h=30,1.5t= 3 2 3 33 4 3 3 3 2 35 303227186 35 303227 26262 1212 26262 1750.8 30/ 2 52600043500046500 3004350004035000 75 16406.7/ 2751750.8 X X Fcm Icm wcm N cm = = = + =+= 44 截面

26、a=35,h=47.9,1.5t= 4 2 4 33 4 4 3 4 2 35 47.93244.93113.3 35 47.93244.9 79164.5 1212 79164.5 3526.2 44.9/ 2 52600043500046500 3004350004435000 75 11673.4/ 303526 X X Fcm Icm wcm N cm =+= = = + =+= 2)挖掘力仅作用于旁边的一个斗齿上，并有侧向力 K P的作用。 挖掘机挖掘机构设计 - 29 - 图 4-9侧向力力臂图示 图 4-10侧向力力臂测量 由图量得侧向力距离回转中心的距离为 310cm 8590

27、000 27709.6 310310 T K M PN= 11 截面 4 动臂、斗杆的结构强度校核计算分析 - 30 - 33 4 1 3 11 2 1 2 1 2 1 22222 11 24 3521 32 28406 1212 /35/ 21623.2 (353) (243)672 28406 44644481.5/ 1623.2 31500 310 109620 50 2125/ 2 672 1.5 134481.53 21255799.1/ y yy m Icm wJcm Acm N cm N cm N cm = = = =+= = =+=+ = 22 截面 33 4 2 3 22 2

28、 2 2 2 2 2 2222 22 49.8 3546.8 32 50136 1212 /35/ 22864.9 (49.83) (353)1497.6 50136 37933810.5/ 2864.9 31500 310 109620 50 953.5/ 2 1497.6 1.5 233810.53 953.54152.9/ y yy m Icm wJcm Acm N cm N cm N c = = = =+= = =+ =+ = 2 m 33 截面 33 4 3 3 33 2 3 2 3 2 3 22222 33 30 3527 32 33459.5 1212 /35/ 21911.9

29、(353) (303)864 33459.5 16406.716445.5/ 864 31500 310 109620 50 1652.7/ 2 864 1.5 3316445.53 1652.716692.7/ y yy m Icm wJcm Acm N cm N cm N cm = = = =+= = =+=+ = 44 截面 挖掘机挖掘机构设计 - 31 - 33 4 4 3 44 2 4 2 4 2 4 2222 44 47.9 3544.9 32 48535.7 1212 /35/ 22773.4 (353) (47.93)1436.8 48535.7 11673.411690.9/

30、 2773.4 31500 310 109620 50 994.1/ 2 1436.8 1.5 4311690.93 994.11 y yy m Icm wJcm Acm N cm N cm = = = =+= = =+=+ = 2 1817.0/N cm 动臂材料为 16Mn. b =33000 2 /N cm ,经过对动臂的静强度计算，可知动臂的强 度满足要求。 5. 5. 5. 5.油泵、油缸的选择计算油泵、油缸的选择计算油泵、油缸的选择计算油泵、油缸的选择计算 5.1 油泵的选择要求 1.压力、流量、转速等参数必须合理选择； 2.要有较好的调速性能并能适应负载居变的工况； 3.使用可靠

31、、耐久 4.对污染的敏感性较小 5.力求降低噪音； 各种类型油泵的主要特点： 轴向柱塞泵通称为柱塞泵。柱塞泵与齿轮泵，叶片泵相比，结构紧凑，寿命长， 噪 音小，效率高，单位重量功率大（即在同样的情况下，体积重量较小，可获得较高的压 力和较大的流量） ，流量和输油方向可调。目前，单斗液压挖掘机所用的柱塞泵，工作 压力在 250320kg/cm 2以上。 轴向柱塞泵与径向柱塞泵想比较， 当功率与转速相同时， 径向尺寸较小， 结构紧凑， 转动部分惯性较距较小， 单位功率所消耗的金属少， 泵的径向作用力小， 变量调节方便； 缺点是轴向尺寸较大，结构比较复杂，轴向作用力大。制造困难，价格较高。 齿轮泵结

32、构简单，工作可靠，维护方便，但是漏油较多，效率低，吸油高度一般不 大于 500 毫米，轴承负荷较大，磨损较剧烈，寿命较低，不能实现变量。 叶片泵结构紧凑，外形尺寸较小，运转平稳，输油量均匀，噪音小，耐久性好。 但 是叶片泵压力较低，耐冲击载荷较差。 轴向柱塞泵分为斜盘式和斜轴式两种，斜盘式轴向柱塞泵由于强度较低，工作条件 要求教高，对污染叫敏感等，故在挖掘机上较少应用。 5 油泵、油缸的选择计算 - 32 - 5.2 油缸的设计 1.油缸设计时应该考虑以下几点： 在保证获得所需往复运动速度和推力的前提下，应该尽量叫嚣油缸的外廓尺寸； 挖 掘机由于受重量和安装位置的限制，对此要求更高。 要有良好

33、的密封防尘装置。高压容积的密封是一切液压部件与正常工作的决定因 素，一切液压部件都不允许有漏油，而减少内漏是提高油缸溶剂效率所必须的。挖掘机 的油缸活塞经常伸出缸筒外面，而暴露于大气中致使其表面沾染灰尘杂物。影响使用寿 命，为避免把灰尘污物带进油缸而污染液压油，并且防止摩擦表面尽快的磨损，必须注 意防尘。 能够及时将油缸内的空气排除出去 。 保证活塞杆只受中心拉压，不受偏心力作用。 应该根据工作要求采取必要的缓冲措施。 油缸很长时，活塞杆的挠度不应该过大，以影响密封效果。 油缸的主要参数（包括缸体内径，壁厚，活塞杆外径和油缸行程等） ，应根据其工 作要求按照有关标准要求来确定。然后对其强度和活

34、塞的稳定性进行演算。 2.油缸内径 D 的确定 已知油泵的流量 min155500min/9 . 9 6 . 35552mlLQ=+= 由3P114 初步选取油缸内径为 140mm，外径为 180mm 材料 为 45 号钢经过调质处理，油压为 21.5MP。 无杆腔速度为v1 则 22 1 155500 90% 909.5/min15.15 3.14 14 44 QQ cmcm s Ds v = 有杆腔速度为v2 初步估计活塞直径为 70mm 2222 2 155500 90% 1212.7/ min20.2 ()3.14 (147 ) 44 Q cmcm s Qd v = scm v 15.

35、15 1 = ， scm v 2 .20 2 = 根据对比其他挖掘机参数次速度符合要求。 3.油缸外径 D 外计算（油缸壁厚） 初步估计油缸外径为 180mm，油缸壁厚 50mm，选取油缸体为 155500 min Q ml = 1 15.1cm s v = 2 20.2cm s v = =115MP 0.2778 D = 挖掘机挖掘机构设计 - 33 - 锻造=115MP 2778 . 0 180 50 = D 根据【4】P17265, 即 /D =0.080.3 时，壁厚按下式计算 )( 3 . 2 21 max p max 3 mmCC D p p + = 式中 1 C 缸桶外径公差余量

36、，通常 C=12(mm); 2 C -腐蚀余量 D 油缸内径（mm）; max P 油缸实验压力（MP）约比最大工作压力 p 大 20%30%，即 max P =（1.21.3）p p 油缸材料许用应力（MP） 6 66 21.5 101.2 0.18 0.0010.0010.025.2 2.3 115 103 21.5 10 m =+= 取 mm25= 则 2140225190DDmm=+ =+ = 4.活塞杆直径的确定 1 dD = 式中： D-缸桶内径 -速比，根据表 17-6-3 选取=2； 则有 2 1 14098.9 2 dmm = 取 d=100mm 5.活塞杆强度计算 活塞杆在

37、稳定工况下，只受推力和拉力，可以近似的用直杆 承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算： C=12(mm) max P= （1.21.3）p 25mm= d=80mm nk =3 5 15.9 10 k Np= 64 4.9 10Jm = 0.025m i = =1.1 cmE kg 26 10 1 . 2= 5 油泵、油缸的选择计算 - 34 - 6 2 10 4 p F d = 式中：F-活塞杆的作用力 d-活塞杆直径 p -材料的许用应力，MPa 无缝钢管 p =100110MPa 于是有： 626 2 21.5 100.1410 4 42.14100 0.1 4 p = 所以，活塞杆满足

38、强度要求。 6.活塞杆稳定性验算 受压活塞杆稳定条件表示为 K k P p n pk 临界力 ；nk安全系数 ，一般取nk=3。 当 1 = i l 时 kg EJ l pk )( 2 2 = l 活塞杆计算长度，l=1800mm J活塞杆横截面的惯性矩， 44 64 3.14 4.9 6464 0.1 10 d Jm = i 活塞杆横截面的回转半径 ， 0.1 0.025 44 d m i = 长度系数。取 =1.1 E 活塞杆材料弹性模数。对于钢取 62 2.1 10kgcmE = 取活塞杆材料为 45 钢调质处理，则 s=350MP=3500kg/cm 2 m=2 1 76.9 = 79

39、.2 = 5 8.6 10 k k N p n = 5 3.3 10 N P = 挖掘机挖掘机构设计 - 35 - 9 .76 3500 1 .2 14.3 10 6 1 = = s E 2 .79 25 18001 .1 = = i l 因为1所以 22106 5 22 6 2.59 10 3.14 2.1 10 4.9 10 2.59 10 ()(1.1 1.8) k EJ Kg N p l = = N n p k k 106.8 3 1059.2 5 6 = 625 21.5 100.14 3.3 10 4 N P = 显然 n p P k k ，所以活塞杆满足稳定性要求。 7油缸端盖法

40、兰的设计 发兰的结构有四种，通过比较对照优先选用端盖式加导 向环法兰，其参数根据其选定。 图 4-1油缸法兰三维效果图 法兰与缸体用六个内六角螺栓紧固，其公称直径 10mm 查【5】P45 选择螺钉 GB70-85 M10 60 6.小型液压挖掘机的技术发展趋势 小型挖掘机的技术发展顺应全球多样化施工现场的需求， 经历了三十多年的历史演 变过程，经历不断的改进，在技术性能，作业功能，作业效率，安全，环保，节能和维 护保养等方面有了大幅度提高，形成了比较一致的技术标准和作业规范。主要体现在一 下几个方面： 1.无尾回转和动臂偏转技术作为小挖基本概念的动臂偏转和无尾回转功能与20 世纪 90 年代

41、中后期面向世界推出，无尾回转结构的应用，使其在狭窄的地带作业时无 需担心尾部的碰撞。其设计难点在于回转平台的总体布置，以及整机稳定性的解决。 6 小型液压挖掘机的技术发展趋势 - 36 - 2.新型液压控制技术新型液压控制技术具有作业效率高，操作性能好，具有良好 经济性和环境适应性，可进行高效率，强有力的作业。新的液压系统不受负荷大小的影 响，完全根据操纵杆的幅度分配所需液压油的流量，完全柑橘操作人员的意图轻松完成 作业。 3.安全性能设备的安全性能给操作者提供安心作业的环境， 提高操作人员的安全 性。小型挖掘机的安全性主要体现在驾驶室的设计上，在驾驶室的使用中，应满足一下 性能要求：可满足必

42、须的能量吸收；可满足必须的抗载荷；成员安全区域足够大。 4.环保技术主要体现在高功率，低油耗，清洁排放发动机的应用上。新型发动机 同时降低了震动和噪声，有易于环境保护和操作人员的健康。 5.人机工程技术司机室符合人机工程徐原理，内部宽敞，造型美观，操作方便， 省力，仪表显示直观准确，能给驾驶员提供一种舒适的操作环境，充分减轻驾驶员的疲 劳。 挖掘机挖掘机构设计 - 37 - 参考文献 1张宏， 工程机械 ，徐工研究院， 2007，38（4） 2单斗液压挖掘机.中国建筑工业出版社.天津工程机械研究所 3单斗液压挖掘机.中国建筑工业出版社.同济大学 4机械设计手册.化学工业出版社.第四版，第四卷

43、5 罗圣国机械设计课程设计手册.高等教育出版社.第三版.清华大学吴宗泽，北京科技 大学 6徐工集团挖掘机产品.XE 系列挖掘机 7邱宣怀.机械设计. 高等教育出版社.第四版 8杨福增 杜白石 胡国田.机械设计习题集.西北农林科技大学.第九次修订 9杜白石.Pro/EngineerWildfire 三维机械设计基础教程西北农林科技大学.第四版 10李金琦.挖土机械工作部件(苏)北京.中国农业机械出版社 11高衡.液压挖掘机北京.中国建筑工业出版社. 12阮九章.轮斗挖掘机的工作装置.北京.煤炭工业出版社 13陈亚.中型反铲挖掘机液压系统设计中的参数计算.科技信息2009 年第 31 期 14楼磊

44、.关于小型液压挖掘机开发过程的探讨 中国科技博览2010 年第 2 期. 15朱春华.液压挖掘机斗杆挖掘力分析 现代商贸工业2009 年第 24 期 16Qing-hua He, Xiang-yu He, Jian-xin ZhuJournal of Central South University of Technology Volume15, Number 5 / 2008 年 10 月 17S. E. Salcudean, S. Tafazoli, K. Hashtrudi-Zaad,P.D. Lawrence, C. RebouletExperimental RoboticsVVolu

45、me 232/1998 18Jun Gu, James Taylor, Derek Seward. Journal of Control Theory and Applications 10.1007/s11768-006-6180-2 19Hirokazu Araya, Masayuki Kagoshima Mechanical Engineering Research Laboratory, Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271, Japan 27 June2000 附录 - 38 - 附录： Semi-automatic cont

46、rol system for hydraulic shovel Hirokazu Araya, Masayuki Kagoshima Mechanical Engineering Research Laboratory, Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271, Japan Accepted 27 June 2000 AbstractAbstractAbstractAbstract: : : : Asemi-automatic control system for a hydraulic shovel has been developed

47、. Using this system, unskilled operators can operate ahydraulic shovel easily and accurately. A mathematical control model of a hydraulic shovel with a controller wasconstructed and a control algorithm was developed by simulation. This algorithm was applied to a hydraulic shovel and its effectivenes

48、s was evaluated. High control accuracy and high-stability performance wereachieved by feedback plus feedforward control, nonlinear compensation, statefeedback and gain scheduling according to the attitude. q2001 Elsevier ScienceB.V. All rights reserved. Keywords:Construction machinery; Hydraulic sho

49、vel; Feedforward; State feedback;Operation 1. 1. 1. 1. IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction Ahydraulic shovel is a construction machinery that can be regarded as a large articulated robot. Digging and loading operations using this machine require ahigh level of skill, and cause considera

50、ble fatigue eveninskilled operators.On theother hand, operatorsgrow older, and the number of skilled operatorshas thus decreased. The situation calls for hydraulic shovels, which can be operated easily by any person Thereasonswhy hydraulic shovel requires a high level of skill are as follows. 1. Mor

51、ethan two levers must be operated simultaneously and adjusted wellinsuch operations. 2. Thedirection of lever operations is differentfrom that of a shovels attachment movement. Forexample,inlevel crowding by a hydraulic shovel, wemust operate threelevers simultaneously to movethe top of a bucket alo

52、ng a level surface. In this case, the lever operation indicates the direction of the actuator, but this direction differs from theworking direction. Ifan operator useonly onelever and other freedomsare operated automatically, the operation becomes very easily. Wecall this system a semi-automatic con

53、trol system. When wedevelop this semi-automatic control system, thesetwo technical problems must besolved. 1. Wemust useordinary control valves forautomatic control. 2. Wemust compensate dynamic characteristics of a hydraulic shovel to improve theprecision of control. Wehave developed a control algo

54、rithm to solve thesetechnical problems and confirm the effect of this control algorithm by experiments with actual hydraulic shovels. Using this control algorithm, wehave completed a semi-automatic control system for hydraulic shovels. Wethen report theseitems. 2. 2. 2. 2. HydraulicHydraulicHydrauli

55、cHydraulic shovelshovelshovelshovelmodelmodelmodelmodel To study control algorithms,wehave to analyze numerical models of a hydraulic shovel. The hydraulic shovelsboom,arm, and bucket joints are hydraulically driven. 挖掘机挖掘机构设计 - 39 - Thedetails of the model are describedinthe following. 2.1.Dynamic

56、model Supposing that each attachment is asolid body, from Lagranges equations of motion, the following expressions are obtained: 2.2.Hydraulic model Each joint is driven by ahydraulic cylinder whoseflow is controlled by a spool valve. We can assume thefollowing: 1. Theopen area of a valve is proportional to the spool displacement. 2. There is nooilleak. 3. No pressuredrop occurswhenoilflowsthroughpiping. 4. Theeffective sectional area of the cylinder is the sameon both the head and the