挖掘机机械臂设计说明书.docx

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挖掘机机械臂设计说明书

山西机电职业技术学院工种实习

挖掘机机械臂

设计说明书

系别：

机械工程系

班级：

机设0801

组别：

第3小组

成员：

崔云龙，史杰，武连成

挖掘机设计说明书

挖掘机功能介绍：

挖掘机是用来开挖土壤的施工机械。

它是用铲斗上的斗齿切削土壤并装入斗内，装满土后提升铲斗并回旋刀卸土地点卸土，然后再使转台回转、铲斗下降到挖掘面，进行下一次挖掘。

挖掘机在建筑、筑路、水利、电力、采矿、石油、天然气管道铺设和军事工程中被广泛地使用。

挖掘机主要用于筑路工程中的堑壕开挖，建筑工程中开挖基础，水利工程中开挖沟渠、运河和疏浚河道，采石场、露天开采等工程中剥离和矿石的挖掘等。

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。

此外，挖掘机更换工作装置后还可以进行浇筑、起重、安装、打桩、夯土和拔桩等作用，所以挖掘机兼有推土机、装载机、起重机等的功能，能代替这些机械工作。

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。

而其机械臂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。

国内外研究状况：

当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。

国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。

我国己经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号。

由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗液压挖掘机。

目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能;应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性;电子计算机监测与控制，实现机电一体化;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，单斗液压挖掘机有以下的趋势:

（1）向大型化发展的同时向微型化发展。

（2）更为普遍地采用节能技术。

（3）不断提高可靠性和使用寿命。

（4）工作装置结构不断改进，工作范围不断扩大。

（5）由内燃机驱动向电力驱动发展。

（6）液压系统不断改进，液压元件不断更新。

（7）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。

（8）增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。

（9）人机工程学在设计中的充分利用。

挖掘机的分类：

按作业过程分为单斗挖掘机（周期作业）、多斗挖掘机（连续作业）

按用途分为建筑型（通用型）、采矿型（专用型）

按动力分为电动、内燃机、混合型

按传动方式分为机械、液压、混合型

按行走装置分为履带式、轮胎式、汽车式

按工作装置分为正铲、反铲、拉铲、抓铲、吊装

挖掘机技术性能：

工作装置构成：

1-斗杆油缸；2-动臂；3-油管；4-动臂油缸；5-铲斗；6-斗齿；7-侧板；

8-连杆；9-曲柄：

10-铲斗油缸；11-斗杆.

工作装置组成图1

上图所示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铲斗5、连杆9、斗杆11、动臂2、相应的三组液压缸1,4,10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，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。

挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。

铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。

卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环.

挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。

各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。

根据以上特征，可以对工作装置进行适当简化处理[3]。

则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，处理的具体简图如2所示。

进一步简化得图如3所示。

图2

图3

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、铲斗油缸长度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。

动臂及斗杆的结构形式：

动臂采用整体式弯动臂，这种结构形式在中型挖掘机中应用较为广泛。

其结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻[3]，且有利于得到较大的挖掘深度。

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。

铲斗与铲斗油缸的连接方式：

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铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，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铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。

1-斗杆；2-连杆机构；3-铲斗

图4铲斗连接布置示意图

铲斗的结构选择：

铲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]：

（1）有利于物料的自由流动。

铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。

斗底的纵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）为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲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铲斗结构，基本结构如图5所示。

图5

斗齿的安装连接采用橡胶卡销式，结构示意图如6所示。

1-卡销；2–橡胶卡销；3–齿座；4–斗齿

图6卡销式斗齿结构示意图

铲斗三维视图：

主视图

左视图

仰视图

工作范围（此以斗山大宇挖掘机为例）：

动臂长度5,900mm斗杆长度3000mm

A最大挖掘半径10,290mm

B地面最大挖掘半径10,110mm

C最大挖掘深度7,020mm

D最大挖掘高度10,040mm

E最大卸料高度7,130mm

F可挖掘最大垂直臂高度6,320mm

基本参数；整机质量24,400kg

铲斗堆装容量PCSA0.81-1.29立方米

机动性能接地比压0.49bar

行驶速度0-5.0/0-3.2km/h

爬坡能力35度最小离地间隙460mm

运输尺寸全长10,110mm全宽2,600mm全高3,400mm

挖掘力铲斗166kn166kn169kn

斗杆125kn140kn108kn

履带全长4635mm全宽3200mm履带板宽600mm

驾驶挖掘机注意事项：

    1、挖掘机工作时，应停放在坚实、平坦的地面上。

轮胎式挖掘机应把支腿顶好。

    2、挖掘机工作时应当处于水平位置，并将走行机构刹住。

若地面泥泞、松软和有沉陷危险时，应用枕木或木板、垫妥。

    3、铲斗挖掘时每次吃土不宜过深，提斗不要过猛，以免损坏机械或造成倾覆事故。

铲斗下落时，注意不要冲击履带及车架。

    4、配合挖掘机作业，进行清底、平地、修坡的人员，须在挖掘机回转半径以内工作。

若必须在挖掘机回转半径内工作时，挖掘机必须停回转，并将回转机构刹住后，方可进行工作。

同时，机上机下人员要彼此照顾，密切配合，确保安全。

    5、挖掘机装载活动范围内，不得停留车辆和行人。

若往汽车上卸料时，应等汽车停稳，驾驶员离开驾驶室后，方可回转铲斗，向车上卸料。

挖掘机回转时，应尽量避免铲斗从驾驶室顶部越过。

卸料时，铲斗应尽量放低，但又注意不得碰撞汽车的任何部位。

    6、挖掘机回转时，应用回转离合器配合回转机构制动器平稳转动，禁止急剧回转和紧急制动。

    7、铲斗未离开地面前，不得做回转、走行等动作。

铲斗满载悬空时，不得起落臂杆和行走。

    8、拉铲作业中，当拉满铲后，不得继续铲土，防止超载。

拉铲挖沟、渠、基坑、等项作业时，应根据深度、土质、坡度等情况与施工人员协商，确定机械离便坡的距离。

    9、反铲作业时，必须待臂杆停稳后再铲土，防止斗柄与臂杆沟槽两侧相互碰击。

    10、履带式挖掘机移动时，臂杆应放在走行的前进方向，铲斗距地面高度不超过1米。

并将回转机构刹住。

    11、挖掘机上坡时，驱动轮应在后面，臂杆应在上面；挖掘机下坡时，驱动轮应在前面，臂杆应在后面。

上下坡度不得超过20°。

下坡时应慢速行驶，途中不许变速及空挡滑行。

挖掘机在通过轨道、软土、粘土路面时，应铺垫板。

    12、在高的工作面上挖掘散粒土壤时，应将工作面内的较大石块和其他杂物清除，以免塌下造成事故。

若土壤挖成悬空状态而不能自然塌落时，则需用人工处理，不准用铲斗将其砸下或压下，以免造成事故。

    13、挖掘机不论是作业或走行时，都不得靠近架空输电线路。

如必须在高低压架空线路附近工作或通过时，机械与架空线路的安全距离，必须符合附表一所规定的尺寸。

雷雨天气，严禁在架空高压线近旁或下面工作。

附件一

一、本课题设计（研究）的目的：

挖掘机的工作装置是挖掘机中最重要也是技术含量要求最高的部分。

在设计中我们定位于20t中型履带挖掘机。

这是因为中型挖机中20～22吨系列占到整个挖机销量的70%～80%，且履带式行走方式通过性和稳定性好.通过挖掘机工作装置设计应该要达到以下目的：

1）所设计的挖掘机工作装置要能够制造出来。

这是设计的原则也是最终目的。

在设计中不仅要能够实现设计任务书上的要求，而且在原材料、工艺性、加工精度等方面都需要加以考虑。

2）了解挖掘机工作装置设计的各种方法以及所采用的新技术、新工艺。

在挖掘机的设计方法中除了传统的经验公式和图解法外，还出现了计算机辅助设计，如PRE、ANSYS等设计和仿真软件在工作装置设计中的应用。

3）加强PRE等绘图和分析软件的操作熟练程度。

PRE的掌握是一个机械学生所要具备的基本技能。

在设计中特别在图纸的绘制时，需要我们去加强熟练运用它们。

4）重新回顾和认识所学的专业知识，特别是材料力学、理论力学、机制工艺学，以便在设计中所用。

如整个工作装置的设计可以说是材料力学和理论力学的综合应用。

5）寻求较为简便的设计方法。

由于工作装置有三个自由度，且要求在满足受力条件，这使计算十分复杂，故需要一种较简便的设计方法以减少设计强度。

二、设计（研究）现状和发展趋势：

我国的挖掘机行业经过50余年的发展，从无到有，从小到大，目前发展十分迅速，初具规模，现在主要厂家有徐挖、柳工、常林、玉柴、南特、抚挖、临工、詹阳、振宇、三一、山河智能等。

其中贵阳詹阳机械有限公司主要产品是轮胎式挖掘机，玉柴、山河智能主要以小型挖掘机为主并大部分用于出口。

而徐挖、抚挖是挖掘机制造的领头羊，徐挖的挖机销售在国内厂家中领先。

南特、振宇在最近几年中异军突起，发展很快。

国产挖机在经历上世际九十年代的低谷后开始蓬勃发展,主要是新一代产品采用了从国外进口的名牌关键配套零部件和当代国际上某些先进技术使整机性能和可靠性得以大大提高，而产品价格又比合资、独资企业同类机型低10万元人民币以上，因此深受用户欢迎。

但是大部分国产产品仍存在不足，如产品品种不齐，缺少大型挖掘机,智能化、自动监控方面还不能满足国内的需要,在这些方面还需要努力。

在上世际末，随着我国经济的持续发展和基础建设投入的加大，对挖机的需求加大。

进口挖机急剧上升。

另外国外著名产家纷纷到国内合资或独资建厂，主要有小松山推、合肥日立、卡特徐州、成都神钢、常州现代、大宇重工等，国外产家的进口或合资的销售额占到国内总销售额的70%～80%。

合资产品的主要型号有：

小松山推PC系列、合肥日立ZX系列、卡特徐州320B系列、成都神钢SK系列、常州现代R系列、大宇重工DH系列。

在国内合资或独资产品的技术质量隐患较少并有以下特点：

1）产品更新速度快。

各公司为巩固和提高市场占有率，不断提高产品的技术水平，加快更新换代，产品更新周期不超过三年。

2）实现了机电一体化和智能化。

各公司均利用微电技术、计算机技术、传感等高新技术进行控制和报警。

3）制造水平进一步提高。

新结构、新材料、新工艺广泛应用。

如WC（碳化钨）材料在斗杆中的运用，平底铲斗的应用等等。

4）安全性和技术先进性。

液压技术向高速和大功率发展，使结构简单化。

总之，虽然我国国内挖机产品水平相对要低，但是也取得了很大进步，如在作业性能、耐久性、安全性、节能与液压系统上。

国外大型挖掘机生产厂家较多，系列较全。

如德国利勃海尔，日本小松、神钢，美国卡特，韩国现代、大宇，瑞典沃尔沃等。

这些公司的产品体现了现有挖机的最高水平，如小松压力补偿系统，神钢的电脑控制系统，沃尔沃的ACS控制系统。

在节能、环保、信息化上都表现优秀，引导着国外挖掘机的潮流。

纵观未来，挖掘机将有以下趋势的发展趋势：

（1）大型化、小型化。

为满足生产的要求，挖掘机有两极化发展的趋势，小到斗容0.01m3，大到50m3。

大型挖机用于大型矿山和建筑工程中可以大幅度提高生产率，降低人工费用。

小型挖机则适合家庭用。

（2）节能技术的应用。

具体措施如采用分功率传动、电子负荷传感、发动机转速调节等。

（3）高作业性能，即在原有机型上提高性能。

国内许多企业对作业参数进行了优化，扩大了作业范围，提高了牵引力和行驶速度。

（4）高耐久性和可靠性。

国内外厂家采用了新结构、新材料以提高可靠性和耐久性。

如加强动臂和斗杆，采用箱型大截面结构，铲斗采用耐磨板加以保护及高强度钢的应用。

（5）保养维护方便。

越来越多的企业开始注重维护保养的方便性，以便省时省力。

（6）先进的液压系统和控制系统。

改进的液压系统使工作更平稳、快速、有力。

（7）新的电子控制系统改善了操作性，并降低了噪音和燃油消耗。

随着控制系统的改进，使挖机开始向挖掘机器人化发展。

如美国的卡内基大学开发的自动装车系统，其应用在25t的挖掘机上，不仅可以完成自动装车，而且还可以识别挖掘表面、自卸车和在工作区域中的障碍物。

（8）安全性、舒适性和环保。

挖掘机上存在噪音和尾气排放的两大问题。

在发动机的尾气排放上国外已经达到了较高水平，低噪音的挖机也在国外出现，我国的低噪音技术正在研究中。

安全性是很重要的因素，许多挖机上采用的防干涉、自动报警等电子系统大大提高了安全性。

在产品设计中，厂家也越来越注意到人机工程，使操作人员工作环境更舒适，操作更方便。

三、设计（研究）进度计划：

挖掘机机械臂设计：

第1周至第4周，毕业设计时间共4周，具体时间分配如下：

第1周：

调研、资料收集

学习毕业设计任务书，并分析设计任务书的要求。

并对课题设计对象进行调查分析、收集原始资料，查找相关文献，学习不了解的知识。

再进行可行性分析和需求分析，确定系统所需的功能和任务目标。

第2周：

方案确定

 按照设计任务书的要求和数据参数，进行系统分析，确定总体方案，即动臂与斗杆的形式等。

 第3周：

开始进行设计

在总体设计方案确定后，开始进行对动臂、斗杆、挖斗等各几何参数的计算；

进行结构设计，开始总装图的绘制。

绘制好总装图后，再进行各零部件的绘制。

第4周：

撰写设计说明书

  整理和编写挖挖掘机（机械臂）说明书。