挖掘机工作装置设计计算说明书文档格式.doc
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2.1工作装置构成及原理 -4-
2.2工作装置坐标设定（见图2-2） -6-
2.3工作装置各部分方案选择 -6-
2.3.1动臂种类选择及油缸布置方案选择 -6-
2.3.2斗杆种类选择 -8-
2.3.3铲斗种类选择及油缸布置方案选择 -8-
2.4液压挖掘机工矿分析 -9-
2.5液压挖掘机工作装置设计要求 -14-
2.5.1几何尺寸要求 -14-
2.6液压挖掘机工作装置的设计原则 -17-
2.7设计基本参数以及设计作业范围 -18-
3工作装置运动学分析 -19-
3.1动臂运动分析 -19-
3.2斗杆的运动分析 -21-
3.3铲斗的运动分析 -22-
3.4特殊工作位置计算 -23-
4基本尺寸的确定 -27-
4.1斗形参数的选择 -27-
4.2动臂机构参数的选择 -28-
4.3斗杆机构基本参数的选择 -30-
4.4连杆及铲斗机构基本参数的选择 -31-
5工作装置结构受力分析与校核 -37-
5.1挖掘阻力分析 -37-
5.2工作装置各部分油缸作用力的确定 -38-
5.2.1铲斗油缸作用力的确定 -38-
5.2.2斗杆油缸作用力的确定 -41-
5.2.3动臂油缸作用力的确定 -42-
5.3工作装置结构强度校核的工况介绍 -43-
5.4斗杆的力学分析 -44-
5.5斗杆强度校核 -50-
5.6动臂力学分析 -55-
5.7动臂强度校核 -57-
6结论 -61-
参考文献 -62-
附录 -63-
致谢 -64-
1绪论
1.1课题背景及目的
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挖掘机发展简史
挖掘机械的最早雏形，主要用于河道。
港口的疏浚工作，第一台有确切记载的挖掘机械是1796年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”。
而能够模拟人的掘土工作，在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”于1835年在美国诞生，主要用于修筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有170多年历史。
1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。
由于科学技术的飞速发展，各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以节能、环保等方面有了长足的进步。
目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用，成为土石方施工不可缺少的重要机械设备。
1.2.1国外液压挖掘机目前水平及发展趋势
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。
1.2.2国内液压挖掘机的发展概况
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W4－60、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液压挖掘机的基本类型
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/m³
为标准反铲斗的主要装置外，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。
1.4本次设计概述
本次设计斗容量为0.3m3,全液压履带式挖掘机型号为YW0.3型，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。
1.5论文构成及研究内容
本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、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。
2总体方案设计
2.1工作装置构成及原理
图1-1工作装置组成图
其中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铲斗连杆、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。
为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆和摇杆）与铲斗连接。
反铲液压挖掘机的工作过程为:
先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，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（斗杆和铲斗油缸不工作）可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。
此时铲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，铲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，能够保证装满铲斗，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
当仅以铲斗油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧线的包角及弧长决定于铲斗油缸的行程。
显然，以铲斗油缸工作进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲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铲斗油缸工作时实现。
采用铲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、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。
2.2工作装置坐标设定（见图2-2）
图中的各参数的含义说明如下：
A表示动臂油缸与回转平台的铰点；
B表示动臂油缸与动臂的铰点；
C表示动臂与回转平台的铰点；
D表示斗杆油缸与动臂的铰点；
E表示斗杆油缸与斗杆的铰点；
F表示动臂与斗杆的铰点；
G表示铲斗油缸与斗杆的铰点；
M表示铲斗油缸与连杆机构的铰点；
N表示连杆机构与斗杆的铰点；
Q表示斗杆与铲斗的铰点；
K表示连杆机构与铲斗的铰点；
V表示铲斗的齿尖。
所建立的总体坐标系的x轴是停机水平面，Y轴通过回转平台的回转中心并垂直于x轴，o点为总体坐标系的原点也即x轴与Y轴的交点。
2.3工作装置各部分方案选择
2.3.1动臂种类选择及油缸布置方案选择
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。
2.3.2斗杆种类选择
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。
2.3.3铲斗种类选择及油缸布置方案选择
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）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2-4所示。
图2-4铲斗
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。
图2-5铲斗连接布置示意图
1-斗杆；
2-连杆机构；
3-铲斗
2.3.4铲斗结构形式及斗齿的安装形式
铲斗结构的基本要求
1.铲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，有利于将铲斗充满。
2.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。
3为使装进铲斗的物料不易掉出，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，并提高铲斗有效容积。
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
本次设计的标准铲斗容量为0.3立方米故选择螺栓连接安装形式。
2.4液压挖掘机工矿分析
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、铲斗装卸、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、铲斗至合适位置；
（4）斗杆、铲斗挖掘作业；
（5）动臂升起；
（6）回转工作装置至卸载位置；
（7）操纵斗杆、铲斗卸载。
图2-7液压挖掘机的工作运动
1-动臂升降；
2-斗杆收放；
3-铲斗装卸；
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：
通常以铲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，在此过程中主要是铲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，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。
为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，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。
2.4.1典型挖掘工况
液压挖掘机典型的挖掘工况包括如下3种。
（1）铲斗挖掘工况：
由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况，采用铲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）铲斗挖掘最常用。
（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，为了能够装满铲斗，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：
由铲斗、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。
当单独采用铲斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定铲斗液压缸的行程。
以铲斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较短，为了能够装满铲斗，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铲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，铲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
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