挖掘机工作装置各部分的基本尺寸计算和验证.docx
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挖掘机工作装置各部分的基本尺寸计算和验证
三、工作装置各部分的基本尺寸计算和验证
反铲装置的合理设计问题至今尚未理想地解决。
以往多按经验，采取统计和作周试凑的
方法，现在则尽可能采用数解分析方法。
液压挖掘机基本参数是表示和衡量挖掘机性能的重
要指标，本文主要计算和验证铲斗、动臂、斗杆的尺寸。
（1）反铲装置总体方案的选择
反铲装量总体方案的选择包括以下方面：
1、动臂及动臂液压缸的布置
确定用组合式或整体式动臂，以及组合式动臂的组合方式或整体式动臂的形状动臂液压缸的布置为悬挂式或是下置式。
2、斗杆及斗杆液压缸的布置
确定用整体式或组合式斗扦，以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗扦是否采用变铰点调节。
3、确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数KiIJI2。
对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度比可在很大范围内选择。
一般当Ki>2时（有的反铲取Ki>3）称为长动臂短斗杆方案，当Kiv1.5时属于短动比长斗杆力案。
K在1.5~2之间称为中间比例方案。
要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例方案。
4、确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数，并考虑铲斗连杆机构传动比是否需要调节。
5、根据液压系统工作压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件等确定各液压缸
缸数、缸径、全伸长度与全纳长度之比入。
考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动
幅度等因素一般取入=1.6~1.7。
取俭=1.6~1.7;力=1.5~1.7。
（2）斗形主要参数的确定
当铲斗容量q—定时，挖掘转角2，挖掘半径R和平均斗宽B之间存在一定的关系,
即具有尺寸R和B的铲斗转过2角度所切下的土壤刚好装满铲斗，于是斗容量可按下式计
12
q-RB（2sin2）Ks
算：
2（4.1）
式中：
Ks――土壤松散系数。
（取Ks1.25）
一般取：
B=（1.0~1.4）3q（4.2）
R的取值范围：
R=（1.3~1.6）3q（4.3）
式中：
q铲斗容量，m3;
B――铲斗平均宽度，m。
可根据表4-3根据斗容选取B值。
根据式（4.1）可得$值
B叭
C.L
0,15
（L2
0.25
仇9
0.6
1
J.9
1
f--\
英旳-\
欧韭l勿种
0.3
4.4
0.52
fl.72
n.Ft
o+5d
1.
1.25
L5
l.ES
H本砒种
4.3
I
0-5
K67
1
kDfi
1.Li
1,27
he
1.77
苏麻各种
0.65
（1,7K
口M
：
.1fi
中苗12种
0.51
九關
I
0,9
o.g】
l.ja
其怡
0+9
Ki
—
ue
低限
Sb
0.7
0,7
O.fi
1,0
R2
L.n
庇限
C.6
0,7
0.8
0.9
l.G
i.e
铲斗两个铰点K、Q之间的间距|2腹大将影响机构的传动特性，太小则影响铲斗的结
构刚度，一般取k2124：
〕3=0.3~0.38。
由经验公式知：
l31.553q；
当铲斗的转角较大，而k2的取值较小，一般ao=/KQV=95°115°
（三）动臂机构参数的确定
一般动臂转角可取a=120~140°弯角太小会对结构强度不利。
弯臂转折处的长度比
K3=ZF/ZC。
要根据结构和液压缸铰点B的位置来考虑，初步设计时可取K3=1.1~1.3或
BC=l7
1、ll和*的计算
和K!
可按下列近似经验公式初定h和l2，即：
由：
Rmaxl1l2l3l1K1l2
—r/口.Rmaxl3...
可得：
l2l1=k1l2
1K1
2、I41和l42的计算
在CZF中已知1、l1、K3可得：
l41j”1
J1k|2K3cos1
计算得141142
ZFC180CZFCFZ
图3.1最大挖掘半径时动臂机构计算简图
3、I5的计算
动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比K4按不同的情况选取，专用反铲取K4<0.8，所以这里我
取K4=0.4。
11的取值对特性参数K4和最大挖掘深度Hmax及最大挖掘高度H2max有影响，加大
加大H会使K4减少或使Umax增大这是符合反铲作业要求因此基本用作反铲的小型机常取n60
根据要求可以初选1162.5
斗杆液压缸全缩时CFQ328最大，如图3.2所示，常选328max160〜180
max
根据本设计的要求可选择328max160
max
图3.2最大卸载高度时动臂机构计算简图
3.1所示。
动臂又液压缸结构中这一夹角较小，可能Z的下面，初定
BCZ取决于液压缸布置形式，如图
为零。
动臂单液压缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼缘加耳座上,
BCZ5，则在△CZF中可以得到：
BCF2ZCF
BCZ33.1526.1
由图3.2得最大卸载高度的表达式为:
H3maxYChsin（1max112）
l2sin（32max1max
11
180）I3
也可以写成以下式子:
H3maxYAl5sinl1sin（1max
112）〔2sin（32max
1max
112180）13
（3-1）
由图3.3得到最大挖掘深度绝对值的表达式:
H1maxYChsin（1min11
2）l2l3
也可以写成以下的表达式;
H1max
l3
l2l1sin（
1min
11
2）I5sin
11ya
（3-2）
将式（3-1）和
（3-2）相加，消去15得:
HLJ
1max3max
l1sin（1max211）
l2sin（
1min
32max
118
l1sin（11
1min2）l2
（3-3）
同时令
A112
32max
根据以上求得的数据代入得，可知:
A62.526.188.6
B88.616071.4
将A与B的值代入到式
3-3）中则得到以下式子:
1min）2n（tB）10
H1maxH3maxhsin（1max88.6）sin（88.6
又知特性参数:
K4
sin1max
1sin1min
则有关
sin1min
COS1min
sin1max
K41
2
（Sin
（K：
1max
2
1
（3-4）
（3-5）
（3-6）
务书要求的，就是已知的，li、I2、A和B都先已选出或算出，由此式可解得:
imin
26.5
imax
i63.4
再由式（3-2）可求得15为:
sin11
而imin与imax满足以下方程:
（3-8）
i.2953
0.3437
i.6
i.639
0.95i6
则禾口的值满足这两个经验公式，说明了禾口的值是可行的。
由（3-7）和（3-8）两式可知:
Limin
Is624.3i
0.3437
i8i6.44mm
Limax
Limini.6i8i6.442906.30mm
Limin
i.2953i8i6.442352.83mm
图3.3最大挖掘深度时动臂机构计算简图
至此，动臂机构的各主要基本参数已初步确定。
（四）斗杆机构基本参数的选择
1、斗杆参数的计算及选择应考虑的因素
第一：
保证斗杆液压缸有足够的斗齿挖掘力。
一般来说希望液压缸在全行程中产生
的斗齿挖掘力始终大于正常挖掘阻力；液压缸全伸时的作用力矩应足以支撑满载斗和斗杆静
止不动；液压缸作用力臂最大时产生的的最大斗齿挖掘力大于要求克服的最大挖掘阻力。
第二：
保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力。
对于以转斗挖掘力为主的中小型反铲，选择斗杆机构参数时必须注意转斗挖掘时斗杆液压缸的闭锁能力，要求在主要挖掘区内转斗
液压缸的挖掘力能得到充分的发挥。
第三：
保证斗杆的摆角范围。
斗杆的摆角范围大致在105—125之间。
在满足工
作范围和运输要求的前提下此值应尽可能小些，对以斗杆挖掘为主的中型机更应注意到这一
点。
一般说斗杆愈长，其摆角也可稍小。
当斗杆液压缸和转斗液压缸同时伸出最长时，铲斗
前壁与动臂之间的距离应大于10cm。
2、斗杆液压缸的最大作用力臂19及18的计算
根据斗杆挖掘阻力计算，并参考国内外同型机器斗杆挖掘力值，按要求的最大挖掘
力确定斗杆液压缸的最大作用力臂19,取整个斗杆为研究对象，可得斗杆油缸最大作用
力臂的表达式为：
1巳max（1213）
e2max19—
P2
图4.1斗杆机构参数计算简图
如图4-1所示图中，D:
斗杆油缸的下铰点；E:
铲斗油缸的上铰点；F动臂的上铰点；
“2:
斗杆的摆角；18：
斗杆油缸的最大作用力臂。
斗杆油缸的初始位置力臂e20与最大力臂
e2max有以下关系：
可见I9已定时2max愈大，e?
和€^0就愈小，即平均挖掘力就越小。
要得到较大的的平均挖
掘力，就要尽量减少2max，初取2max=90
由图4.1的几何关系有：
L2min
2L2min2.Sin（驚）
2max\
2l9sin（）
L2min
2
21
而L2max
L2min2
同样由图4.1所示可知，由余弦定律知:
2
L2minl92L2minl9cos（
3、斗杆其它相关尺的计算
斗杆上/EFQ取决于结构因素和工作范围，一般在130°-170。
之间初定ZEFCM50
动臂上/DFZ也是结构尺寸，按结构因素分析，可初选ZDFZ=10°
|8=2995mm
（五）铲斗机构基本参数的选择
1、铲斗主要参数的计算
铲斗的主要参数包括铲斗的宽度b，切削半径Rd。
这两个参数都可以用经验公式
进行计算：
铲斗宽度的计算：
b1.13q1.130.81020m
铲斗切削半径的计算：
Rd1.443q1.4430.81448mm
2、斗形尺寸的计算
5.3所示
根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形其它的结构尺寸，如图
图5.3反铲铲斗计算尺寸
图中三角形OGE为等腰三角形，OA段直线，AB弧为抛物线，A点到直线EB的距离为H，抛物线定点高度为L,一般取H=L，根据一般的取值范围，斗尖角=22
斗侧臂角40，包角108。
表5.1
参数/mm
3
斗容量q/m
0.65
1.0
b
1100
1400
Rd
1250
1370
m
180
230
R'
1070
1140
X1
341
300
X2
840
996
X3
1280
1410
L
855
960
常见铲斗斗形参数
参照表5.1可以计算q0.8m3的挖掘机铲斗的各种参数。
3、转角范围确定
DO
由最大挖掘高度H2max和最大卸载高度Hsmax的分析，可以得到初始转角
解得：
DO50
最大转角3maxV0QV，其不易太大，太大会使斗齿平均挖掘力降低，初选3max=165
4、铲斗机构其它基本参数的计算
ll2-摇臂的长度，129-连杆的长度；13-铲斗的长度；J-斗杆的长度；F-斗杆的下铰点;
G-铲斗油缸的下铰点；N-摇臂与斗杆的铰接点；K-铲斗的上铰点；Q-铲斗的下铰点。
图5.4铲斗机构计算简图
其中由设计经验可知：
K2-240.3
l3
则有：
l24l3K214480.3434.4mm
L3max和L3min的确定
铲斗的最大挖掘力阻力F3Jmax应该等于斗杆的最大挖掘力，即
130
粗略的计算斗杆挖掘平均阻力F3Jmax65KN
2
挖掘阻力F3Jmax所做的功W3J:
叫JF3max133max
=6.51051.4481653142.7105N?
m（5.1）
180
由图5.4可知，铲斗油缸推力所做的功W3:
626
W3l~3L3min=34104010L3min（5.2）
由功能守恒知铲斗油缸推力所做的功W3应该等于铲斗挖掘阻力所做的功W3J；
（5.3）
W3JW3
将式5.1和式5.2代入5.3中计算可得:
L3min1580.65mm
则：
L3maxL3min1580.651.62529.03mm
剩余未选定的基本尺寸大部分为连杆机构尺寸，其应满足以下几个条件:
HK445mmHN533mmNQ610mm
FNl2NQ2132.866101522.86mm
GF711mm
在三角形GFN中利用余弦定律：
222
GNFNGF2FNGFcosGFN
代入数值得：
GN1319.80mm
至此，工作装置的基本尺寸均已初步确定。
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