挖掘机工作装置设计说明书文档格式.docx
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structuraldesignofthemaincomponentsofworkingdevice.Finally,thenundertheseveralposes,wegivesomeadviseonoperatingandframeworkimprovingoftheexcavator.Aftertheanalysisofstaticanddynamicstrength,wegettheworkingdevice’sconstructionissafeonthestaticloading.
KeyWord:
Excavator,movablearm,dipper,bucket
目录
1绪论 1
1.1课题背景及意义 6
1.2国内外发展现状 2
1.3挖掘机的技术发展趋势
2总体方案设计 错误！
未定义书签。
2.1工作装置构成 9
2.2动臂及斗杆的结构形式 11
2.3动臂油缸与铲斗油缸的布置 12
2.4铲斗与铲斗油缸的连接方式 6
2.5铲斗的结构选择 13
2.6原始几何参数的确定 错误！
3工作装置运动学分析 8
3.1动臂运动分析 8
3.2斗杆的运动分析 9
3.3铲斗的运动分析 10
4基本尺寸的确定 13
4.1斗形参数的确定 13
4.2动臂机构参数的选择 13
4.2.1α1与A点坐标的选取 13
4.2.2l1与l2的选择 14
4.2.3l41与l42的计算 14
4.2.4l5的计算 14
4.3动臂机构基本参数的校核 16
4.3.1动臂机构闭锁力的校核 16
4.3.2满斗处于最大挖掘半径时动臂油缸提升力矩的校核 18
4.3.3满斗处于最大高度时,动臂提升力矩的校核 19
4.4斗杆机构基本参数的选择 19
4.5铲斗机构基本参数的选择 20
4.5.1转角范围 20
4.5.2铲斗机构其它基本参数的计算 21
5工作装置结构设计 23
5.1斗杆的结构设计 23
5.1.1斗杆的受力分析 23
5.1.2结构尺寸的计算 30
5.2动臂结构设计 32
5.2.1第一工况位置 32
5.2.2第二工况位置 36
5.2.3内力和弯矩的求解 39
5.3铲斗的设计 45
5.3.1铲斗斗形尺寸的设计 45
5.3.1铲斗斗齿的结构计算 45
6总结 47
参考文献 48
致谢 49
附件A开题报告附件B外文翻译
1绪论
1.1课题背景及意义
国家将机械行业“十五”发展规划的目标确定为：
提高产品技术水平和成套能力，提高生产技术水平和装备现代化，提高集约化生产程度和管理水平，提高经济运行质量和经济效益，使之尽快成为能满足国民经济发展要求，并具有参与国际竞争能力的行业。
液压挖掘机是一种用途广泛的土石方施工机械，被大量应用于道路工程、矿山采掘、水利建设和农田开发的施工作业当中。
在这种国内外挖掘机发展的大情形下，我们进行挖掘机工作装置的合理性分析是有必要的，这有利于国内挖掘机行业的发展，为我国发挖掘机行业在国际竞争中立于不败之地打好基础。
反铲式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，具体的设计特别是中型挖掘机的设计已经趋于成熟。
但目前国内挖掘机制造企业多采用类比法进行工作装置设计，工程应用中常出现动臂或斗杆开裂失效、挖掘区域不合理货机体干涉以及工作装置铰点销轴早期断裂等故障。
而关于反铲式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。
本文作者的设计知识水平还只是一处于学习的初级阶段，进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设计在流程上有一些大体的认识，对于计算的熟练，技术规范的掌握，并巩固所学的知识以此来提高设计的能力。
1.2国内发展现状
（1）我国的挖掘机生产起步较晚，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。
改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进我国挖掘机行业的发展。
通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平，产量也逐年提高。
（2）虽说国内品牌挖机在这些年的增长速度很快，但从国内品牌市场占有率来看主要还是以小挖为主，而中大型挖机特别是大挖只是占其中的很小一部分。
在20t及以
上机型挖掘机所包揽的超过60％的份额里，国内品牌所占比例最高的年份也仅为10。
（3）由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。
有关业内人士指出，我国单斗液压挖掘机应向全液压方向发展；
斗容量宜控制在0.1-15 m3；
而对于大型及多斗挖掘机，由于液压元件的制造、装配精度要求高，施工现场维修条件差等，则仍以机械式为主。
应着手研究、运用电液控制技术，以实现液压挖掘机操纵的自动化。
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）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。
为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m³
以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在
0.01m³
。
另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置—
—除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘等，以满足各种施工的需要。
与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。
（2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。
在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。
所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。
3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。
例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作。
还安装了CAPS（计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。
4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。
美、英、日等国家推广采用有限
寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。
5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。
液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。
6）进一步改进液压系统。
中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。
因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量来裣，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。
7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。
随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。
目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。
2总体结构方案设计
2.1工作装置构成
液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。
臂下铰点铰接在转台上，通过动臂钢的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。
依靠斗杆钢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[2]。
在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。
上述过程仅为一般的理想过程。
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2-2所示。
进一步简化得图如2-3所示。
1-铲斗；
2-斗齿；
3-连杆；
4-摇杆；
5-铲斗油缸；
6-斗杆；
7-动臂；
8-动臂油缸；
9-斗杆油缸
图2工作装置结构简图
图3工作装置结构简化图
总之，液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走（移位）使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业的要求。
2.2动臂及斗杆的结构形式
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。
经比较，选择整体弯动臂。
图4 整体直动臂 图5 整体弯动臂
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。
2.3动臂油缸和斗杆油缸的布置方案
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,因此，本次设计采用油缸后倾布置方案。
臂在结
动臂油缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）设在转台回转中心之前并稍高于转台平面[3]，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。
油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影响动臂的下降幅度。
并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双动 构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足。
具体结构如图2-4所示。
1-动臂；
2=动臂油缸
图6动臂油缸铰接示意图
2.4铲斗与铲斗油缸的连接方式
2
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。
如图2-5所示。
1-斗杆；
2-连杆机构；
3-铲斗
图7铲斗连接布置示意图
2.5铲斗的结构特点
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）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）物料易于卸净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。
（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。
（4）装设斗齿，以增大铲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。
铲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。
挖粘性软土的斗齿一般比较细长，挖硬土岩石的斗齿为粗短。
a）螺栓连接方式；
b）橡胶卡销连接方式
1-卡销；
2-橡胶卡销；
3-齿座；
4-斗齿
图8斗齿安装结构示意图
本次设计的标准铲斗容量为0.18立方米故选择螺栓连接安装形式（a）。
综上考虑，选用小中型挖掘机常用的铲斗结构，斗齿状况为三个齿，基本结构如图所示。
图9铲斗
2.6设计基本参数以及设计作业范围
基本参数为：
整机重量4.91T，斗容量0.18m3，铲斗挖掘力30.3kN，斗杆挖掘力26.7kN，最大牵引力37.7kN。
设计作业范围：
最大挖掘半径5884mm，最大挖掘高度5365mm，最大卸载高度
3792mm，最大挖掘深度3582mm。
2.7原始几何参数的确定
（1）动臂与斗杆的长度比K1
由于所设计的挖机适用性较强，一般不替换工作装置，故取中间比例方案，K1取在1.5～2.0之间，初步选取K1=1.8，即l1/l2=1.8。
（2）工作装置液压系统主参数的初步选择？
？
各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化“要求。
初选动臂油缸内径D1=140mm，活塞杆的直径d1=90mm。
斗杆油缸的内径D2=140mm，活塞杆的直径d2=90mm。
铲斗油缸的内径D3=110mm，活塞杆的直径d3=80mm。
又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程L1=1000mm，斗杆油缸行程L2=1450mm，铲斗油缸行程
L3=1250mm。
并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比：
λ1=λ2=λ3=1.6。
3工作装置运动学分析
3.1动臂运动分析
L1min:
动臂油缸的最短长度；
L1max:
动臂油缸的伸出的最大长度；
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.
图10动臂摆角范围计算简图
φ1是L1的函数。
动臂上任意一点在任一时刻也都是L1的函数。
如图3-1所示，图中L1min:
L1max:
q1min:
动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值；
q1max:
动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点
连线夹角的最大值；
动臂的下铰点。
则有：
在三角形ABC中：
L12=l72+l52-2l7l5COSθ1
θ1=COS-1[（l72+l52-L12）/2×
l7×
l5]
在三角形BCF中：
22 7 1 20 7 1
L2=l2+l2-2×
COSα×
l×
l
7 1 22 7 1
α20=COS-1[（l2+l2-L2）/2×
l]
由图3-3所示的几何关系，可得到α21的表达式：
α21=α20+α11-θ1
当F点在水平线CU之下时α21为负，否则为正。
F点的坐标为
C点的坐标为
动臂油缸的力臂
XF=l30+l1×
cosα21YF=l30+l1×
Sinα21
XC=XA+l5×
COSα11=l30YC=YA+l5×
Sinα11
e1=l5×
Sin∠CAB
7 5 5
显然动臂油缸的最大作用力臂e1max=l5，又令ρ=l1min/l5,δ=l7/l5。
这时L1= Sqr（l2-l2）=l×
Sqr（δ2-1）
θ1=cos-11/δ
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。
如下图所示，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。
D-斗杆油缸与动臂的铰点点；
F-动臂与斗杆的铰点；
E-斗杆油缸与斗杆的铰点；
θ斗杆摆角.
图11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；
θ斗杆摆角.
当斗杆油缸全伸时，取得：
q = -1
l2+l2-L2
2max
cos（8 9 2max）
2l8l9
当斗杆油缸全缩时，取得：
2min
cos（8 9 2min）
摆角j2
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