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0.3 m3 履带式 挖掘机 工作 装置 设计 CATIA 三维 CAD

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0.3m3履带式挖掘机工作装置设计含CATIA三维及7张CAD图,0.3,m3,履带式,挖掘机,工作,装置,设计,CATIA,三维,CAD

内容简介：

1、 毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数）1. 了解挖掘机工作原理、各部件的生产工艺流程，根据具体的生产要求并在考虑社会、环境、可持续发展等因素制定总体技术方案；2. 挖掘机的工作原理和稳定性分析；3. 根据设计标准，确定挖掘机工作装置主要参数；4. 建立挖掘机稳定性模型并进行分析，确定挖掘机的整机参数。5. 在满足参数的前提下，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素进行挖掘机整体结构方案设计；6. 能够组织各组成部分成员协调工作,利用三维设计软件完成挖掘机工作装置的全部设计工作,并能够对设备的开发和应用对社会、健康、安全、法律以及文化的影响；7. 根据结构方案和主要参数，进行工作装置主要零部件的设计并编写计算说明书；8. 根据计算结果绘制工作装置各零部件及总装配图；9. 主要技术参数 1）整体要求 整体布局合理、性能先进、造型美观、新颖实用； 满足野外作业需求； 能在多种作业间方便切换； 结构紧凑、合理； 操作容易、维护简便； 整机外部造型美观。 2） 主要技术参数：（1） 配置斗容量：0.3m3（2）最大垂直挖掘深度(mm)：3505（3）最大卸载高度(mm)：5015（4）最大挖掘高度(mm)：7150（5）最大挖掘深度(mm)：4100（6）停机面最大挖掘半径(mm)：6220（7）行走速度（km/h）：2.8/4.5（8）爬坡能力（%）：70/30（9）回转速度(rpm)：113）计算说明应准确无误、符合规范。 4）图纸符合国家标准。2、 毕业设计（论文）题目应完成的工作（含图纸数量） 对工作装置的工作原理进行分析，包含运动学分析，提出切实可行的方案； 进行设计计算（动臂、斗杆、挖斗等主要零部件）； 绘出全部图纸（总装图、部件图及主要零件图等）电子文档，其中出图折合A1图不少于6张，手工绘图1张A1； 写出计算说明书（字数不少于1万字），参考文献不少于8篇，其中外文文献不少于2篇； 翻译与课题相关的外文参考文献1篇，不少于5000印刷字符。三、毕业设计（论文）进程的安排序号设计（论文）各阶段任务日 期备 注1毕业实习1周2019.3.4-2019.3.82毕业实习、收集资料、英文翻译2周2019.3.11-2019.3.153拟订进度计划、完成英文翻译和实习报告3、4周2019.3.18-2019.3.294确定工作方案5周2019.4.1-2019.4.55进行初步计算，完成计算的主体部分6、7周2019.4.8-2019.4.196根据计算结构，绘制结构框架8周2019.4.22-2019.4.267中期检查9周2019.4.29-2019.5.38完成全部计算和仿真分析工作，完成工作装置总装图的绘制和部分零、部件图的绘制10、11周2019.5.6-2019.5.179完成设备零、部件图的绘制工作，修正和编写计算说明书，并于13周末提交全部设计成果由指导教师和评阅教师审阅12、13周2019.5.20-2019.5.3110指导教师和评阅教师审阅毕业设计成果14周2019.6.3-2019.6.711答辩15周2019.6.10-2019.6.14四、主要参考资料及文献阅读任务（含外文阅读翻译任务） 1 许镇宇 邱宣怀主编机械零件2机械设计手册机械工业出版社3 原思聪 编MATLAB 语言与应用技术西安建筑科技大学 20044 中国机械设计大典编委会中国机械设计大典江西科学技术出版社，2001 5工程机械底盘原理及构造主编 冶金工业出版社6 史美堂 主编金属材料及热处理 上海科技出版社7液压气动系统设计手册 主编 冶金工业出版社8实用机械机构图册主编 重庆大学出版社 9工程机械液压系统设计计算马永辉等编著 机械工业出版社 10 章宏甲等主编液压与气压传动机械工业出版社 11 李壮云等主编液压元件与系统机械工业出版社 12沟神-上海飞利浦斯建筑设备有限公司内部资料 13CASE滑移装载机-凯斯机械(上海)有限公司内部资料 14 原思聪 主编机械工程CAD技术陕西科学技术出版社 15 刘惟信 编著机械优化设计清华大学出版社 16 曹善华等 编著液压挖掘机同济大学出版社 17 王锡殿 谈筑路小型液压挖掘机的发展J. 森林工程，2001，17（1）:424318 阎季常 浅议小型挖掘机液压件的发展J.工程机械，2006，37（11）：4850五、任务执行日期自 2019 年 3 月 4 日起，至 2019 年 6 月 14 日止。六、审核批准意见 教研室主任签（章） 主管院长（主任）签（章） 摘 要随着科技的发展，中国挖掘机及液压行业也在飞速进步。而液压技术是现代挖掘机的技术基础，其性能的优劣决定着挖掘机工作性能的高低，其结构的合理性直接影响到液压挖掘机的工作性能和可靠性。本设计主要是对0.3m3履带式挖掘机的工作装置进行设计。首先论述了挖掘机液压系统的基本回路，其次设计了挖掘机液压系统，包括工作原理分析，系统工作循环和工作回路进行分析，其次总结了挖掘机工作装置性能要求和设计原则 ，然后对其工作装置进行了方案选择以及运动学分析，并确定各铰点之间的距离，用CATIA软件绘出其各个零部件模型。接着根据零部件模型并结合其他机械设计知识画出工作装置的二维图纸，最后根据图纸上的具体结构尺寸对工作装置的主要部件进行校核。关键词:液压系统，工作装置，运动学分析，结构设计，模型AbtractWith the development of science and technology, Chinas excavator and hydraulic industry is also making rapid progress. Hydraulic technology is the technological foundation of modern excavators. Its performance determines the working performance of excavators. The rationality of its structure directly affects the working performance and reliability of hydraulic excavators. This design mainly designs the working device of 0.3m3 crawler excavator. Firstly, the basic circuit of excavator hydraulic system is discussed. Secondly, the hydraulic system of excavator is designed, including working principle analysis, system working cycle analysis and working circuit analysis. Secondly, the performance requirements and design principles of excavator working device are summarized. Then, the scheme selection and kinematics analysis of excavator working device are carried out, and the distance between various hinges is determined. CATIA is used to analyze the working device. The software draws the models of each component. Then, according to the parts model and other mechanical design knowledge, the two-dimensional drawings of the working device are drawn. Finally, the main parts of the working device are checked according to the specific structural dimensions on the drawings.Key words：hydraulic system, working device, kinematics analysis, structural design, model目录摘 要- 2 -Abtract- 3 -第一章 绪 论61.1课题研究的背景61.2 挖掘机的国内外发展状况61.2.1国外液压挖掘机的发展状况61.2.2国内液压挖掘机的发展状况61.3 课题研究的意义71.4挖掘机的结构分类71.5 研究的方法及思路81.6设计的主要内容8第二章 挖掘机总体结构方案设计92.1 工作装置的组成92.2 工作装置的结构方案选择112.2.1 动臂布置方案选择112.2.2 斗杆布置方案选择132.2.3油缸布置方案选择132.2.4 挖斗结构形式确定142.3 挖掘机的工作装置运动分析142.3.1挖掘过程分析162.3.2举升回转过程182.3.3 卸载过程182.3.4 空载回转过程182.3.5 整机移动过程182.4 工作装置的设计要求192.4.1 几何尺寸要求192.4.2 运动和动力特性要求202.4.3 结构强度要求21第三章 工作装置的结构及力学分析223.1 动臂运动分析223.2 斗杆的运动分析233.3 挖斗的运动分析243.4 极限位置的校核263.4.1 最大挖掘半径263.4.2 最大挖掘深度263.4.3最大卸载高度273.4.4 最大挖掘高度28第四章 主要零部件的设计与计算294.1 挖斗的设计304.2 动臂机构的参数选择304.3 斗杆机构的参数选择324.4 连杆机构基本参数的选择33第五章 工作装置的受力分析与校核385.1 挖掘过程受力分析385.2 工作装置油缸作用力的确定405.2.1挖斗油缸作用力的确定405.2.2斗杆油缸作用力的确定415.2.3动臂油缸作用力的确定425.3 工作装置的强度校核435.4 斗杆的力学分析445.5 斗杆的强度校核495.6 动臂的力学分析545.7 动臂的强度校核56总 结59参考文献60致 谢61 第一章 绪 论1.1课题研究的背景挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业与民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等等行业的机械化施工中。据统计，一般工程施工中约有60%的土方量、露天矿山中80%的剥离量和采掘量是用挖掘机完成的。随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖掘机的广泛应用，挖掘机市场有着广阔的发展空间，因此发展满足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的。而工作装置作为挖掘机的重要组成部分，对其研究和控制是对整机开发的基础。单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是小型挖掘机的设计已经趋于成熟。而关于单斗液压挖掘机的相关文献也很多，这些文献从不同侧面对工作装置的设计进行了论述。而笔者的设计知识和水平能力只是初学者，进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设计有一些大体的认识，巩固所学的知识和提高设计能力。1.2 挖掘机的国内外发展状况1.2.1国外液压挖掘机的发展状况工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高市场占有率。20世纪后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。世界上较早开发研制挖掘机的国家，1954 年和 1955 年德国的德马克和利渤海尔两家公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国是液压挖掘机生产的后起之秀，20 世纪 70 年代开始引进技术，于产业政策支持，很快进入国际市场，并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。1.2.2国内液压挖掘机的发展状况我国从1967年开始研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WY100、贵阳矿山机器厂的W460、合肥矿山机器厂的WY60等。到20世纪70年代末80年代初，长江挖掘机厂和杭州重型机械研制成功了WY160和WY250等液压挖掘机产品。从1994年开始，美国的卡特彼勒公司、日本的神户制钢所、日本的小松制作所、日本的日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔沃等公司先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近年来我国经济增长迅速，液压挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场空间，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械待业的上市股分公司合资的方式介入了挖掘机产业，同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机，但在生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内外两个市场，在充分利用国际化配套的国外先进技术的基础上，增强自主创新意识，掌握核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强。1.3 课题研究的意义随着国民经济的快速发展，液压挖掘机在各种工程建设领域，特别是基础设施建设中所起的作用越来越明显，液压挖掘机作为一类快速、高效的施工机械愈来愈被人们所认识。据统计，2003 年我国挖掘机总销售量突破 6 万台，其中国内挖掘机生产企业销量总和达到 万台，成为世界第一大挖掘机市场。 挖掘机的发展与液压技术密不可分，二者相互促进，一方面，液压技术是现代挖掘机的技术基础，另一方面，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。挖掘机的液压系统复杂，其性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。近年来，有关挖掘机液压系统方面的文献并不少见，但文献的内容大多针对某一专题进行研究，系统地论述现代液压挖掘机液压系统的论文却较少，因此研究挖掘机液压系统具有重要的现实意义和理论意义。1.4挖掘机的结构分类单斗液压挖掘机可按用途及其主要装置的特征进行分类。 按液压挖掘机主要用途及工作装置的不同分为通用型和专用型两种。中小型挖掘机大多数为通用型，即以挖掘土壤容重18000N/m为标准反挖斗的主要装置外，还配有适于 挖掘各种轻重土质和挖掘幅度的反铲、正铲、抓斗、装载、起重等多种可换装置。而大型液压挖掘机则以矿用正铲为主要装置外，一般亦配有挖掘轻重土、石料和各种挖掘幅度的正、反铲等装置。主要用于矿山采掘和装载、称采矿或矿用型。 按工作装置的结构不同分为铰接式和伸缩臂式挖掘机，常用者均为铰接式，伸缩臂式挖掘机因可用于平整清理场地和坡道等作业，故有挖掘平地机之称。 按行走装置的不同，液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式等种类。屐带式因有良好通过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长及以浮式履带来降低接地比压。轮式挖掘机具有行走速度快，机动性好、可在城市道路通行，故近年来在中小型液压挖掘机中发展较快。汽车式、悬挂式是以汽车及拖拉机为基础机械(底盘)装设挖掘或装载工作装置的小型挖掘机。适用于城建小量土方工程及农村建筑。拖式则没有行走驱动机构，转移时由牵引车牵引，主要优点为结构简单、成本低。 按回转部分转角的不同，液压挖掘机有全回转和半回转两类。大部分液压挖掘机是全回转式的，小型液压挖掘机如悬挂式等工作装置仅能作180左右的回转，为半回转式。 按主要机构是否全部采用液压传动又分为全液压式与半液压式两种。两者区别在于半液压传动挖掘机的行走机构采用机械传动，少数挖掘机仅工作装置采用液压传动，如大型矿用挖掘机等。目前国产轮胎式液压挖掘机多采用半液压式。1.5 研究的方法及思路（1）通过查阅相关资料，掌握液压挖掘机的主要参数。（2）充分考虑已有液压挖掘机的优缺点来确定液压挖掘机的总体设计方案，对现有装置的不足进行分析。（3）对设计的液压挖掘机进行修改和优化，最终设计出能满足要求的液压挖掘机。（4）根据题目和原始数据查看相关资料，了解当今国内外液压挖掘机的发展现状及发展前景，撰写文献综述和开题报告。（5）根据产品功能和技术要求提出多种设计方案，对各种方案进行综合评价，从中选择较好的方案，再对所选择的方案做进一步的修改或优化，最终确定总体设计方案。（6）具体设计液压挖掘机的驱动装置、工作装置等。 （7）对所设计的机械结构中的重要零件进行校核计算，如齿轮、轴、轴承等，保证设计的合理性和可行性。；（8）绘制零件图、装配图，完成要求的图纸量；（9）整理各项设计资料，撰写论文。1.6设计的主要内容 本次设计斗容量为0.3m3,全液压履带式挖掘机工作装置，由于履带式液压挖掘机有良好通过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履带来降低接地比压。本论文主要对由动臂、斗杆、挖斗、连杆机构组成挖掘机工作装置进行设计。具体内容包括以下四部分:（1）挖机工作装置的总体设计。（2）挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析。（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。第二章 挖掘机总体结构方案设计2.1 工作装置的组成 图1-1 工作装置组成图 其中1-挖斗；2-斗齿；3-连杆； 4-摇杆； 5-挖斗油缸； 6-斗杆；7-动臂；8-动臂油缸； 9-斗杆油缸图1-1为液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，如图所示反铲工作装置由挖斗连杆、斗杆、动臂、相应的三组液压缸等组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而挖斗铰接于斗杆前端，通过挖斗缸和连杆则使挖斗绕斗杆前铰点转动。为了增大挖斗的转角，挖斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆和摇杆）与挖斗连接。反铲液压挖掘机的工作过程为:先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及挖斗，当挖掘至装满挖斗时，提升动臂使挖斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作位置开始下一次作业循环2。液压挖掘机的反铲装置主要用于挖掘停机面以下土壤(基坑、沟壕等)。其挖掘轨迹决定于各油缸的运动及其相互配合情况。通常情况下，分为动臂挖掘、斗杆挖掘、转斗挖掘等几种情况。（1）动臂挖掘当采用动臂油缸工作来进行挖掘时(斗杆和挖斗油缸不工作)可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时挖斗的挖掘轨迹系以动臂下铰点为中心，斗齿至该铰点的距离为半径所作的圆弧线。其极限挖掘高度和挖掘深度(不是最大挖掘深度)即圆弧线之起终点，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角(动臂与水平线之夹角)，也即决定于动臂油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长而且由于稳定条件限制挖掘力的发挥，实际工作中基本上不采用。（2）斗杆挖掘当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，挖斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的长度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗杆油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。在较坚硬的土质条件下工作时，能够保证装满挖斗，故挖掘机实际工作中常以斗杆油缸工作进行挖掘。（3）转斗挖掘当仅以挖斗油缸工作进行挖掘时，挖斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧线的包角及弧长决定于挖斗油缸的行程。显然，以挖斗油缸工作进行挖掘时的挖掘行程较短，如使挖斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤。所以一般挖掘机的斗齿最大挖掘力都在采用挖斗油缸工作时实现。采用挖斗油缸挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率。因此，在一般土方工程挖掘中，转斗挖掘较常采用。在实际挖掘工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作。挖掘机工作装置各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆，对工作装置进行适当简化处理如图2-2所示。图2-2 工作装置结构简图挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、挖斗油缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。2.2 工作装置的结构方案选择 主要设计技术参数 （1）配置斗容量：0.3m3（2）最大垂直挖掘深度(mm)：3505（3）最大卸载高度(mm)：5015（4）最大挖掘高度(mm)：7150（5）最大挖掘深度(mm)：4100（6）停机面最大挖掘半径(mm)：6220（7）行走速度（km/h）：2.8/4.5（8）爬坡能力（%）：70/30（9）回转速度(rpm)：11 2.2.1 动臂布置方案选择动臂是反铲工作装置的主要部件，一般可以分为组合式和整体式， 目前采用得多的是整体式动臂。组合式动臂如图2-3所示，组合式动臂用辅助连杆或液压缸或螺栓连接而成。上、下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节，虽然使结构和操作复杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下动臂之间的夹角，从而提高挖掘机的作业性能，尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深的基坑时，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产率。组合式动臂的优点是，可以根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘力，且调整时间短。此外，它的互换工作装置多，可满足各种作业的需要，装车运输方便。其缺点是质量大，制造成本高 ,故本次设计不采用。 图2-3 组合式动臂 整体式动臂的优点是结构简单，轻巧，质量轻而刚度大。其缺点是更换的工作装置少，通用性较差。多用于长期作业条件相似的挖掘机上。整体式动臂又可分为直动臂和弯动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便，主要用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，与同长度的直动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求5。经比较，选择整体弯动臂。动臂油缸一般布置在动臂的前下方，有两种具体布置方式，油缸前倾布置方案，即当动臂油缸全伸出，将动臂举伸至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台前方倾斜；油缸后倾布置方案，即当动臂油缸全伸出，将动臂举伸至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台后方倾斜，两种方案中，在动臂油缸作用力相同时，后倾方案能得到较大的动臂作用力矩2,因此，本次设计采用油缸后倾布置方案。臂与动臂油缸活塞杆端部的铰点布置通常有两种形式，一种是单动臂布置在端部弯角的下部，小型挖掘机常见；另一种是双动臂油缸布置在动臂箱体的中部，这样的双动臂油缸在结构上起到加强筋的作用，提升力也大大增加。由于本次设计的是小型挖掘机，故本次设计采用单动臂油缸。2.2.2 斗杆布置方案选择 斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式斗杆。2.2.3油缸布置方案选择 挖斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下的要求： （1）有利于物料的自由流动。挖斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 （2）要使物料易于卸尽。 （3）为使装进挖斗的物料不易于卸出，挖斗的宽度与物料的粒径之比应大于4，大于50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。 综上考虑，选用中型挖掘机常用的挖斗结构，基本结构如图2-4所示。 图2-4 挖斗本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的挖斗油缸行程下能得到较大的挖斗转角，改善了机构的传动特性。该布置中1杆与2杆的铰接位置虽然使挖斗的转角减少但保证能得到足够大的挖斗平均挖掘力。如图2-5所示。图2-5 挖斗连接布置示意图1-斗杆； 2-连杆机构； 3-挖斗2.2.4 挖斗结构形式确定挖斗结构的基本要求1.挖斗的纵向剖面形状应适应挖掘过程各种物料在斗中运动规律，有利于物料的流动，使装土阻力最小，有利于将挖斗充满。2.装设斗齿，以增大挖斗对挖掘物料的线比压，斗齿及斗形参数具有较小的单位切削阻力，便于切入及破碎土壤。斗齿应耐磨、易于更换。3为使装进挖斗的物料不易掉出，斗宽与物料直径之比应大于4：1。4.物料易于卸净，缩短卸载时间，并提高挖斗有效容积。挖斗的斗齿采用装配式，国产挖机其形式有螺栓连接式和橡胶卡销式，如图2-6所示。斗容量小于或等于0.6立方米时多采用前者，斗容量q大于或等于0.6立方米时多采用后者 图2-6 斗齿安装形式本次设计的标准挖斗容量为0.3立方米故选择螺栓连接安装形式。2.3 挖掘机的工作装置运动分析液压挖掘机的主要运动功能包括以下几个动作：动臂升降、斗杆收放、挖斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作，如图2-7所示。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，一般要进行全功率驱动研究。挖掘机的典型作业流程：(1)整机移动至合适工作位置；(2)平台回转，使工作装置处于挖掘位置；(3)动臂下降，并调整斗杆、挖斗至合适位置；(4)斗杆、挖斗挖掘作业；(5)动臂升起；(6)回转工作装置至卸载位置；(7)操纵斗杆、挖斗卸载。图2-7液压挖掘机的工作运动1-动臂升降；2-斗杆收放；3-挖斗装卸；4-转台回转；5-整机行走由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，对主机的工作有两项要求：1.实现各种主要动作时，随着阻力与作业速度的变化，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化；2.为了充分利用发动机功率，缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作(例如挖掘与动臂下降、提升与回转)同时进行复合动作。液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括：(1)挖掘：通常以挖斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或两者配合进行挖掘。因此，在此过程中主要是挖斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。(2)满斗举升回转：挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸载位置，此时主要是动臂和回转的复合动作。(3)卸载：转到卸载位置时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后挖斗液压缸回缩，挖斗卸载。为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和挖斗的复合动作，兼以动臂动作。(4)空斗返回：卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。(5)整机移动工况：将整机移动至合适的工作位置。(6)姿态调整与保持工况：满足停放、运输、检修等需要。(7)其他辅助作业工况：辅助工作装置作业工况。2.3.1挖掘过程分析液压挖掘机典型的挖掘工况包括如下3种。(1)挖斗挖掘工况：由挖斗液压缸单独动作进行挖掘的工况，采用挖斗液压缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中(III级土以下土壤的挖掘)挖斗挖掘最常用。(2)斗杆挖掘工况：由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况，在较坚硬的土质条件下工作时，为了能够装满挖斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘。(3)联合挖掘工况：由挖斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。当单独采用挖斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以挖斗与斗杆的铰点为中心，挖斗斗尖所作的圆弧线的长度决定挖斗液压缸的行程。以挖斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较短，为了能够装满挖斗，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，所以一般挖掘机的斗尖最大挖掘力都在采用挖斗液压缸挖掘时实现。当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，挖斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。 a-水平地面的挖削； b-斜坡地面的挖削 a-水平地面的切削； b-斜坡地面的切削图2-8 斗尖直线挖削 图2-9 地面的切削和压整一般认为斗容量小于0.5m3在土质松软时以转斗挖掘为主，否则以斗杆挖掘为主。这两种情况的挖掘阻力不同。在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。如在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图2-8所示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。如果需要挖斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用挖斗斗底压整地面时，就需要挖斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作，这些动作决定于液压系统的设计，见图2-9所示。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力，保持挖斗贴紧侧壁进行切削，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有采用三泵合流。单独采用挖斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。当动臂、斗杆和挖斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油较好。对于双泵系统，复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能性大，因此需要采用节流等措施进行流量分配，流量分配要求和三泵系统相同。挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要短时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主压力阀的压力。2.3.2举升回转过程满斗举升回转的运动约占整个作业循环时间的50%70%，能量消耗占25%50%，回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的30%50%，因此要求尽可能地缩短转台的回转时间。挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和挖斗自动提升到合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对卸载的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整的。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。回转起动时，由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢流，此时应该将溢流的油供给动臂。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还需要对挖斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和挖斗进行复合动作。2.3.3 卸载过程回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用挖斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和挖斗复合动作，兼有动臂动作。2.3.4 空载回转过程当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给动臂，少部分油经节流阀供给斗杆。发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。特点与满载回转类似，但转动惯量比满足时减小。2.3.5 整机移动过程挖掘机一般不作长距离行走，只在工地范围行走，作业时用来调整整机位置。基本要求：左右履带可独立操纵，可调速，具有直线行走功能，具有一定的行走速度(25km/h)和爬坡能力(坡度大约在35o左右)，具有制动能力。在行走的过程有可能要求对作业装置液压元件(如回转机构、动臂、斗杆和挖斗)进行调整。在双泵系统中，一个油泵为左行走马达供油、另一个油泵为右行走马达供油，此时如果某一液压元件动作，使某一油泵分流供油，就会造成一侧行走速度降低，影响直线行驶性，特别是当挖掘机进行装车运输或上下卡车行走时，行驶偏斜会造成事故。为了保证挖掘机的直线行驶性，在三泵供油系统中，左右行走马达分别由一个油泵单独供油，另一个油泵向其它液压作用元件(如动臂、斗杆、挖斗和回转)供油。对于双泵系统，目前采用以下供油方式：一个油泵并联向左、右行走马达供油，另一个油泵向其他液压作用元件供油，其多余的油液通过单向阀向行走马达供油；双泵合流并联向左、右行走马达和作业装置液压作用元件同时供油。2.4 工作装置的设计要求液压挖掘机工作装置由动臂机构、斗杆机构、挖斗机构三部分组成，是一种具有多自由度的工程机械。这些主要机构经常启动、制动、换向，外负载变化很大，工作条件恶劣，冲击和振动多，因此对液压挖掘机的工作装置提出了较高的设计要求。根据液压挖掘机的工作特点，其工作装置的设计需要满足以下要求。2.4.1 几何尺寸要求液压挖掘机工作装置的几何尺寸要求满足一定的作业范围和合适的运输尺寸，挖掘机作业范围图如图2-11，几何尺寸之间要求不要干扰。 图2-11 挖掘机作业范围主要挖掘区域Rmax-最大挖掘半径；Hmax-最大挖掘深度工作装置的几何尺寸要求满足合理的挖掘力分布特性，在整个作业范围内的任何位置都要求实现最大挖掘力并不经济，而要求挖掘机在主要挖掘区内能实现最大挖掘力。主要挖掘区是指用最合理最经常的挖掘方式，最经常进行挖掘的区域。对液压挖掘机来说最合理最经常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向机身运动的挖掘方式，用这种方式挖掘充斗效率高，循环时间短，也便于卸土，装车，司机视野无阻，因此生产率高而又安全。最经常的挖掘区域大致为图2-5的灰色部分。作业范围图(如图2-5所示)有部分区间深入到挖掘机停机点地下，这一范围的土壤虽能挖掘，但可能引起土壤的崩塌而影响挖掘机的稳定和安全工作，除有条件的挖沟作业以外一般不使用。此外，工作装置的几何尺寸还必须满足停放和行走时的整机稳定性要求。2.4.2 运动和动力特性要求液压挖掘机各功能运动的动力特性要求和常见复合运动要求，如表2-1和2-2所示。表2-1各功能运动的动力特性要求一览表功能运动名称应用工况功率需求变速要求制动及锁定要求挖斗正转挖掘、姿势调整大不大挖斗反转卸载、姿势调整不大不大最好有锁定斗杆正转挖掘、姿势调整大高最好有锁定斗杆反转姿势调整不大较高最好有锁定动臂举升举升、姿态调整较大高动臂下降姿态调整、辅助作业一般较高回转运动挖掘与卸载转位高高行走运动场内转位、调整作业位置高高表2-2常见复合运动要求一览表复合运动应用工况特点与要求说明挖斗正转+斗杆正转复合挖掘功率需求大、变速要求高挖斗反转+斗杆反转卸载功率需求较小斗杆正转+动臂举升平整土地要求操纵兴性能好动臂举升+回转运动挖掘与卸载转位功率需求大，变速要求高，动力分配可调整动臂下降+回转运动返回向挖掘处两者载荷差别大、速度要求高2.4.3 结构强度要求液压挖掘机结构强度是工作装置设计的关键之一，工作装置的结构和所承受的载荷是十分复杂的。要求满足工作装置各部分的受力的情况下，保证工作装置的强度和刚度特性。在设计液压挖掘机的工作装置时，要求尽可能减少焊缝和变形，这不仅增加了构件强度，而且缩短制造周期，降低了成本。要求动臂下支点及动臂油缸支承在平台主梁的整块钢板上，这不仅增加构件强度而且减少焊接，而且防止焊接变形。斗杆要求采取整块钢板下料。为了减少焊接变形及焊接应力，要求采用型钢及压型等结构。在结构件设计中为求等强度，要求采取局部加强的措施。动臂、斗杆要求改为焊铸结构，在应力较高的部位以铸代焊，这样大大提高了结构件的冲击和疲劳强度。为确保焊接强度，要求所有铰接部均采用铸钢件。结构件的破坏主要是由于冲击疲劳，因此实际破坏时常不在负荷最大部位，而是应力集中部位。为减少应力集中，应使焊缝与应力集中部位错开，在主要受力铰接支承处采用铸钢件。第三章 工作装置的结构及力学分析3.1 动臂运动分析图3-1 动臂摆角范围计算简图图3-2 F点坐标计算简图动臂的摆角是动臂油缸长度L1的函数，动臂上任意一点在任意时刻的坐标值也都是L1的函数。图3-1中动臂油缸的最短长度；动臂油缸的伸出的最大长度；动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值；动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最大值；A：动臂油缸的下铰点；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点。设特性参数=/，=/ 如图所示，当L1= L1min时得在ACB中，据余弦定理知： = 当=时则得：= 动臂的摆角范围为：=-=- 动臂的瞬时转角为：= 不难列出动臂上任意一点的坐标方程，现在只推导F点的坐标方程。 当F点在水平线CU之下时为负，否则为正。F点的X坐标方程为： F点的Y坐标方程为： 这里C点的Y坐标值可由图3-2得到：XC = XA-l5COS11 YC = YA+l5Sin11 动臂油缸的作用力臂： e1 = l5SinCAB 显然动臂油缸的作大作用力臂为，这时。3.2 斗杆的运动分析斗杆的位置参数是L1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L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。如下图3-3所示，D点为斗杆油缸与动臂的铰点点，F点为动臂与斗杆的铰点，E点为斗杆油缸与斗杆的铰点。图3-3 斗杆机构摆角计算简图其中D-斗杆油缸与动臂的铰点点； F-动臂与斗杆的铰点；E油缸与斗杆的铰点； 斗杆摆角.当斗杆油缸全伸时，取得：当斗杆油缸全缩时，取得： 摆角 斗杆的作用力臂e2: 斗杆油缸最大作用力臂，取得：3.3 挖斗的运动分析挖斗相对于XOY坐标系的运动是L1、L2、L3的函数，现讨论挖斗相对于斗杆的运动，如图3-4所示， Q点为挖斗与斗杆的铰点，v点为挖斗的斗齿尖点，K点为连杆与挖斗的饺点，N点为摇杆与斗杆的铰点， H点为摇杆，油缸与连杆的铰点。图3-4 挖斗的运动(1）传动比计算利用上图，可以知道求得以下的参数：挖斗油缸对N点的力臂r1=NHsinGHN 其中, NH和HG由设计时确定。连杆HK对N点的力臂r2=NHsinKHN其中：KHN=NHQ+KHQ , FN,NG,GF均在设计中得到。HK,QH均在设计中得到连杆HK中的力对Q点的力臂为r3 = l24sinHKQ 挖掘阻力对Q点的力臂为r4=l3=QV连杆机构传动比i = （r1r3）/（r2r4） =0.309显然上式中可知，i是挖斗油缸长度L3(即GH)的函数，用L3min代入可得初传动比i0，L3max代入可得终传动比iz。挖斗相对于斗杆的摆角3挖斗的瞬时位置转角为： 3 =NQK+KQV ，KQV由设计确定。当挖斗油缸长度L3分别取L3max和L3min时，可分别求得挖斗的最大和最小转角3max和3min，于是得挖斗的瞬间转角:3 = 3-3min 3.4 极限位置的校核3.4.1 最大挖掘半径 图3-5 最大挖掘半径计算简图 其中C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-挖斗油缸下铰点；Q-挖斗下铰点；K-挖斗上铰点；V-挖斗斗齿尖 如图3-5所示，当斗杆油缸全缩时，F、 Q.、V三点共线，且斗齿尖v和铰点C在同一水平线上，即YC= YV，得到最大挖掘半径R1为:R1=XC+ 3.4.2 最大挖掘深度图3-6 最大挖掘深度计算简图其中NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-挖斗油缸下铰点；Q-挖斗下铰点；K-挖斗上铰点；V-挖斗斗齿尖.如图3-6示，当动臂全缩时，F, Q, V三点共线且处于垂直位置时，得最大挖掘深度为: -H1max = YVmin = YFminl2l3 = YC+L1Sin21minl2l3 =YC+l1Sin(1min-2-11)l2l3 3.4.3最大卸载高度图3-7 最大卸载高度计算简图如图3-7所示，当斗杆油缸全缩，动臂油缸全伸时，QV连线处于垂直状态时，得最大卸载高度为: 3.4.4 最大挖掘高度 最大挖掘高度工况是最大卸载高度工况中挖斗绕Q点旋转直到挖斗油缸全缩为止，如下图3-8所示： 图3-8 最大挖掘高度计算简图第四章 主要零部件的设计与计算4.1 挖斗的设计图4-1 斗型示意图 斗容q,平均斗宽B，挖掘半径R和转斗挖掘装满角度是挖斗的四个主要参数。他们间的关系为： 一般土壤松散系数=1.25，因为我国标准斗容指堆尖容量，所以装满系数不再考虑。（斗型如图4-1）斗容量q：设计主参数已经给出q=0.3立方米平均都宽B：查文献5的P75表-以及文献2的P28的公式3-11即B=（1.01.4），取B=0.66m。挖掘装满角度：根据文献5的P75及文献2的P28取2=100故由前面公式计算得到R= 0.99m，从而l3=R=1000mm。根据经验公式有：=(0.30.38) =0.381000 =380mm =KQV一般取95105；本次设计取=1004.2 动臂机构的参数选择1.11的取值对特性参数k4、最大挖掘深度H1max和最大挖高H2max均有影响，增大11会使k4减少或使H1max 增大，这符合反铲作业的要求，初选11 = 62。参考文献5的P76取动臂弯角1 = 120，动臂转折处的长度比k3 = 1.2（k3 = L42/L41），参考文献5的P72取k1=1.5.A点由底盘和转台结构决定，初选：XA = 811mm,YA = 920mm, 初取l5=436mm,则由前面公式得 XC = XA-l5COS11 =600mm，YC = YA+l5Sin11 =1320mm。 2.动臂长度与斗杆长度的选择参照文献5的P80知道斗杆油缸全缩时，CFQ =32最大，常选32max = 160180，本次设计取32max=160 由初定定的最大挖掘半径R1=6188mm、最大挖掘深度3800mm、最大卸载高度4200mm、已初步选定的l3和k1，在最大挖掘半径处，简图如4-2下：图4-2 最大挖掘半径时根据余弦定理得， 上式中只有l2是未知的，因而解之得，l2=2075mm，则l1 = k1l2 = 1.5 2075= 3182mm3.l41与l42的计算如图4-2，在三角形DCF中： 代入得：lDC=1939mmlDF = 1940 mm39= DFC = COS-1（l422+l12l412）/2l1l42 =34.68参照文献5的P80取k4 = 0.3（反铲k40.8）由于采用动臂单液压缸初取BCD = 8如图4-2，在三角形CZF中：DCF= -1-39