正铲液压挖掘机工作装置设计DWord格式.doc
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一、概述
正铲挖掘机的开挖方式根据开挖路线与汽车相对位置的不同分为正向开挖、侧向装土以及正向开挖、后方装土两种，前者生产率较高。
正铲的生产率主要决定于每斗作业的循环延续时间。
为了提高其生产率，除了工作面高度必须满足装满土斗的要求之外，还要考虑开挖方式和与运土机械配合。
尽量减少回转角度，缩短每个循环的延续时间。
反铲的开挖方式可以采用沟端开挖法，即反铲停于沟端，后退挖土，向沟一侧弃土或装汽车运走，也可采用沟侧开挖法，即反铲停于沟侧，沿沟边开挖，它可将土弃于距离沟较远的地方，如装车则回转角度较小，但边坡不易控制.
单斗液压挖掘机的正铲结构如图1.1所示，主要由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸等组成。
铲斗的斗底利用液压缸来开启，斗杆是铰接在动臂的顶端，由双作用的斗杆油缸使其转动。
斗杆油缸的一端铰接在动臂上，另一端铰接在斗杆上。
其铰接形式有两种：
一种是铰接在斗杆的前端；
另一种是铰接在斗杆的尾端。
动臂均为单杆式，顶端呈叉形，以便与斗杆铰接。
动臂有单节的和双节的两种。
单节的动臂有长短两种备品，可根据需要更换。
双节的动臂则由上、下两节拼装而成，根据拼图1.1液压正铲挖掘机
装点的不同，动臂的工作长度也不同。
二、正铲挖掘机自由度计算
根据图2.1所示的挖掘机结构简图，我们可以对其自由度进行计算。
通过对机构简图的分析，可以看出该工作装置有9根杆件组成,其中包含12个运动副，即9个转动副，3移动副，共包含12个低副，没有高副。
图2.1正铲液压挖掘机结构简图
自由度计算：
则：
三、挖掘机参数设计
1、液压挖掘机基本参数
液压挖掘机基本参数主要包括：
标准斗容量：
指挖掘Ⅲ级或密度为的土壤时，代表该挖掘机登记的一种铲斗堆积容量。
最大挖掘高度：
指工作装置处于最大举升高度时，铲斗齿尖到停机地面的距离。
最大挖掘半径：
在挖掘机纵向中心平面上铲斗齿尖离机器回转中心的最大距离。
最大挖掘深度：
指动臂处在最低位置，且斗齿尖，铲斗与斗杆铰点，斗杆与动臂铰点三点在同一条垂直停机面的直线上，斗齿尖与停机面的最大距离。
最大卸载高度：
指动臂、斗杆处于最大举升高度，翻转卸土，斗齿尖处在最低位置时，斗齿尖到停机面的距离。
2、机构设计
该挖掘机工作装置为正铲装置，采用如下结构方案
（1）采用整体式弯动臂，动臂油缸下置式。
（2）采用整体式斗杆。
（3）动臂与斗杆的长度比，即特性参数。
（4）油缸最大长度与最小长度的长度比：
，i表示驱动油缸。
（5）铲斗挖掘时与停机面的所成的为，其中。
3、动臂、斗杆的长度参数设计
铲斗容量q
挖掘深度（m）
挖掘高度（m）
挖掘半径（m）
卸载高度H（m）
4.0
3.2
9.52
9.06
7.91
根据已知工作参数，就市场上现有各种型号的挖掘机进行调查，发现标准斗容为或在左右的挖掘机，只有5家公司的12个型号符合。
其中7个型号为反铲挖掘机。
下表为正铲液压挖掘机的参数：
品牌型号
标准斗容（斗容范围）
挖掘深度m
挖掘高度m
挖掘半径m
卸载高度m
小松PC1250-7
4（3.2-5.2）
12.98
15.975
19.47
11.32
邦立重机CED750-7
4.5（4-5.5）
2.68
9.745
9.28
7.68
邦立重机CED650-6
4（3.5-5.0）
9.521
9.061
7.911
邦立重机CE750-7
邦立重机CE650-6
表1
其中邦立重机CED750-7和邦立重机CED650-6是电动液压挖掘机，在这里也就不考虑。
经过参数的对比，邦立重机CE650-6的参数与题目参数最接近，所以这里我选择邦立重机CE650-6的参数进行设计。
邦立重机CE650-6的参数如下表：
整机重量
46
标准斗容
最大挖掘半径
mm
8260
最大挖掘深度
2440
最大挖掘高度
9240
最大卸载高度
6630
斗杆最大推压力
kN
243
铲斗最大破碎力
230
表2
根据[2]中的公式以及表1-3可知：
相关系数
斗杆长
0.9
0.747
名称
系数代号
推荐值
范围
所选值
臂铰离回转中心
0.15
0.1
臂铰离地高度
0.63
0.6
臂长
1.2
1.14
最小挖掘半径
0.85
表3
于是，动臂长度，斗杆长度，由可得，符合这个条件，所以该参数设计合理。
则A、C点的最大距离：
当动臂与斗杆成最大角（即）时的大小：
4、动臂的转角范围以及铰点A
根据表3以及可知：
铰点A的横坐标，纵坐标。
由公式
（1）可知：
铲斗挖掘半径：
动臂转角范围：
由公式
（2）可知：
因为，所以BC能呈垂直状态。
再由公式（5）可知：
5、铲斗的转角范围确定
根据最大挖掘半径高度确定
根据最大挖掘卸载高度确定
6.斗杆的转角范围确定
因为，并且
则，整理可得：
四、仿真
以下截图为用SolidWorks做的三维建模
因为用SolidWorks做的三维模型不好倒入Adams，所以本文就以一个简化模型还做仿真，但是数据都是用上文所计算的数据。
以下就是仿真的截图，只要为铲斗的运行轨迹。
经过仿真，得到以下数据：
D的y坐标的值A为（0，0）
AD的距离
下面是试验台模型搭建：
五、液压系统的设计
液压系统设计作为液压挖掘机设计的重要组成部分，设计时必须满足挖掘机工作循环所需的全部技术要求，且静动态性能好、效率高、结构简单、工作安全可靠、寿命长、经济性好、使用维护方便。
其中液压系统的设计作为挖掘机总体设计的一部分，必须要满足整机工作要求，并要求进行相关参数的计算与分析验证，选取合适的各液压元件。
1．液压挖掘机的工况分析
液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作:
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。
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，要考虑全功率驱动。
挖掘机的典型作业流程:
（1）整机移动至合适的工作位置
（2）回转平台，使用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
2.液压缸主要几何尺寸的计算
挖掘机各驱动和传动系统包括：
发动机、液压泵、液压马达、电液比例换向阀、动臂缸、斗杆缸及齿轮传动。
本设计主要对动臂缸进行相关设计。
（1）动臂液压缸内径尺寸与活塞杆直径的确定
由表4.1、表4.2可知，大型挖掘机液压系统在斗杆最大推压力，铲斗最大破碎力前提下，考虑到铲斗容量为，所以宜取液压缸的工作压力＝30×
，负载，液压缸选用单杆式，并在工作时进行差动连接。
此时液压缸无杆腔工作面积应为有杆腔工作面积的两倍。
由于液压缸回油路上必须具有背压力存在，以防止挖掘机卸土后突然前冲，由表4.3,可取＝1.2×
。
表4.1按负载选择执行元件工作压力
负载F/N
<
5000
5000～10000
10000～30000
30000～50000
>
50000
工作压力p/MPa
0.8～1
1.5～2
2.5～4
4～5
5～7
表4.2按主机类型选择执行元件工作压力
主机类型
机床
农业机械
小型工程机械
工程机械辅助机构
液压机
中、大挖掘机
重型机械
起重运输机构
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力
p/Mpa
≤2
3～5
≤8
8～10
10～16
20～32
表4.3执行元件背压力
系统类型
背压力/Mpa
简单系统或轻载节流调速系统
0.2～0.5
回油路带调速阀的系统
0.4～0.6
回油路设置有背压阀的系统
0.5～1.5
用补油泵的闭式回路
0.8～1.5
回油路较复杂的工程机械
1.2～3
回油路较短，且直接回油箱
可忽略不计
由于是差动式单杆连接，所以活塞杆直径d与缸筒直径D的关系为d=0.707D。
根据公式
=81.63（3.5）
故有 D==101.78mm，d=0.707D=71.96mm（3.6）
当按GB/T2348－1993将这些直径圆整成就近标准值时得：
D=110mm,
d=72mm，由此求得液压缸两腔的实际有效面积为
（3.7）
（2）液压缸行程的确定
液压缸行程主要依据机构的运动要求而定。
但为了简化工艺和降低成本，应尽量采用GB/T2348-1993标准的液压缸行程，则根据技术要求，取行程为900mm。
3.液压缸结构参数的计算
（1）缸筒壁厚的计算
对于低压系统或≥16时，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算，公式如下：
（3.8）
式中－液压缸缸筒厚度
－试验压力（Mpa），当工作压力P≤16Mpa时，=1.5P，当工作压力31.5≥P≥16Mpa时，=1.25P，当工作压力P≥31.5Mpa时，=1.15P，这里应取=1.25P=37.5Mpa。
－液压缸内径（m）
－缸体材料的许用应力（Mpa），可通过下面公式求得：
（3.9）
－缸体材料的抗拉强度（Mpa）
－安全系数，=3.5～5，一般取=5
但对于锻钢45的许用应力一般都取=110（Mpa）
则
根据《机械设计手册》，取液压外缸直径为=130mm。
（2）液压缸油口直径的计算
液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度和油口最高液流速度而定，公式如下：
（3.10）
式中－液压缸油口直径（m）
－液压缸内径（m）
－液压缸最大输出速度（m/min）
－油口液流速度（m/min），根据《机械设计手册》，取=7m/min
同时对于单杆油塞式液压差动联接时，活塞的外伸速度为:
（3.11）
式中－液压缸差动联接时，活塞外伸的速度，可视为油口液流的速度（m/min）
－液压泵流量（/s），根据邦立CE６５０－６正铲挖掘机相关数据取：
＝
－活塞杆面积，其公式如下:
（3.12）
式中－活塞杆直径（m）所以
代入数据，解析以上公式得：
，
故取
（3）下盖联接螺钉强度校核计算
螺钉联接可采用高强度螺钉M16×
1.5（GB/T70.1-2000）联接,两端数量均为24件，螺钉精度等级为10.9级，其强度校核，公式如下：
拉应力：
=7.7Mpa（3.15）
剪应力：
=3.1Mpa（3.16）
式中：
螺纹拧紧系数，此处取=1.25
:
螺纹摩擦系数,一般取=0.12
：
螺纹外径，根据《机械设计手册》，取=16mm
螺纹内径，根据《机械设计手册》，取=-1.0825×
1.5＝14.4mm
数量为24
B：
B螺钉材料屈服强度，取45钢，则[σ]=110Mpa
得：
，符合工况要求，则验证合格，可取。
（4）活塞杆柔度校核计算
活塞杆细比计算如下：
λ=≤[λ]（3.17）
此处：
L为折算长度，导向套中心至吊头尺寸，约630mm，活塞杆直径d=63mm，[λ]活塞杆许用细长比，按规定拉力杆此处[λ]≤100。
计算得，故满足要求，则活塞杆长度和缸筒长度的取值合格。
六、选择各执行元件
1.液压泵的选择
根据现有产品的相关数据，取主泵的压力为，最大流量为；
齿轮泵的压力为，最大流量为。
根据机械设计手册，可查阅得：
此液压泵可采用NB3-G20F双联柱塞泵，主泵由2个柱塞式串联变量柱塞泵组成。
2.柴油发动机的选择
取泵的总效率=0.8，泵的总驱动功率为：
=241.87KW（5.1）
考虑安全系数,故取246KW
3.液压阀的选择
选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。
液压阀的作用是控制液压系统的油流方向、压力和流量，从而控制整个液压系统。
系统的工作压力，执行机构的动作顺序，工作部件的运动速度、方向，以及变换频率，输出力和力矩等。
（1）根据液压阀额定压力来选择
选择的液压阀应使系统压力适当低于产品标明的额定值。
对液压阀流量的选择，可以按照产品标明的公称流量为依据，根据产品有关流量曲线来确定。
（2）液压阀的安装方式的选择
液压阀与系统的管路或其他阀的进出油口的连接方式，一般有三种，螺纹连接方式，板式连接方式，法兰连接方式。
安装方式的选择要根据液压阀的规格大小，以及系统的简繁及布置特点来确定。
（3）液压阀的控制方式的选择
液压阀的控制方式一般有四种，有手动控制，机械控制，液压控制，电气控制。
根据系统的操纵需要和电气系统的配置能力进行选择。
（4）液压阀的结构形式的选择
液压阀的结构方式分为：
管式结构，板式结构。
一般按照系统的工作需要来确定液压阀的结构形式。
4.其他液压元件的选择
（1）胶管的选择
根据工作压力和按公式得管子的内径选择胶管的尺寸规格。
高压胶管的工作压力对不正常使用的情况下可提高20%；
对于使用频繁，经常扭变的要降低40%。
胶管在使用及设计中应主要下列事项：
1）胶管的弯曲半径不宜过小，一般不应小于320，胶管与管接头联接处应留有一段直的部分，此段长不应小于管外径的两倍。
2）胶管的长度应考虑到胶管在通入压力油后，长度方向将发生收缩变形，一般收缩是取3%~4%，胶管安装时避免处于拉紧状态。
3）胶管安装是应保证不发生扭转变形，为便于安装，可沿管长涂以色纹，以便检查。
4）胶管的接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动时胶管受力。
5）胶管应避免与机械上的尖角部分想接触和摩擦，以免管子损坏。
（2）非橡胶管道的选择
本系统管路很复杂，取其中主要的几条来计算，按照公式：
（5.3）
－液体流量
－流速，对于吸油管=1~2m/s，一般取1m/s以下，对于压油管≤3~6m/s，对于回油管≤1.5~2.5m/s。
通过以下公式算出管道内径：
（5.4）
T式中T－液体流量
－流速
其设定值与计算数值如表5.1所示
表5.1计算数值
管路名称
通过流量（L/min）
允许流速（m/min）
管道内径（m）
实际取值（m）
大泵吸油管
20.4×
2
0.8
0.0421
0.045
小泵吸油胳
15
0.0142
0.021
大泵排油管
26.9×
4
0.017
小泵排油管
19.2
0.007
0.010
5.油箱容量的确定
初步确定油箱的有效容积,跟据经验公式来确定油箱的容量：
（5.5）
式中－液压泵每分钟排出的压力油的容积
－经验系数
已知所选泵的总流量为800L/min,这样,液压泵每分钟排出的压力油体积为800L，查表5.2
表5.2 油箱经验系数表
行走机械
低压系统
中压系统
锻压系统
冶金系统
1～2
2～4
6～12
10
得=3，故
V==3×
0.8=2.4
七、参考文献
[1]廖汉元.液压正铲挖掘机机构尺寸参数的确定方法.武汉钢铁学院
[2]同济大学主编.单斗液压挖掘机[M].中国建筑工业出版社，1986
[3]冯才.单斗正铲液压挖掘机的基本数学模型.华北水利水电学院
[4]谢迪.混合动力液压挖掘机动力系统研究.浙江大学机械与能源工程学院
[5]肖青.液压挖掘机混合动力系统的控制策略与参数匹配研究.浙江大学机械与能源工程学院
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