反铲液压挖掘机工作机构设计毕业设计.docx
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反铲液压挖掘机工作机构设计毕业设计
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本科毕业设计（论文）
题目：
反铲液压挖掘机工作机构设计
教学单位：
机电工程系
专业：
机械设计制造及其自动化
姓名：
刘寄吧
指导教师：
2012年6月
1
摘要
液压挖掘机是一种重要的工程机械，它的广泛应用对于减轻劳动量，保证工程质量，加快工程进度，提高劳动生产率起了巨大的作用。
反铲工作装置由动臂，斗杆，动臂液压缸，斗杆液压缸和铲斗液压缸组成。
本文根据液压挖掘机反铲装置的结构特点和工作原理，对其各主要机构进行了运动学分析。
并在此基础上，根据任务书的设计要求，结合各机构的工作特点和设计要求，在对各机构分析计算的同时，结合构件已知尺寸参数，算出各机构中构件的其它参数，为各构件的结构设计提供数据支撑。
挖掘力是衡量挖掘机挖掘能力的重要参数，挖掘力是由各液压缸中的油液压力提供的，是主动力。
最大挖掘力的实现受诸多因素的制约，它是工作装置各铰点受力分析的基础。
挖掘阻力不仅与铲斗的尺寸形状有关，还与挖掘对象有关，是两者的综合反映。
关键字：
液压挖掘机反铲装置运动分析参数设计力学分析
Abstract
Hydraulicexcavatorisanimportantengineeringmachinery.Itswideapplicationplayedatremendousroletoreducingthevolumeoflaborandtoensuringprojectqualityandtoacceleratingprogressandtoincreasing
productivity.Backhoeworkingdevicesismadeupofamovingarmandafighting
poleandshovelandathethisbasis,inaccordancewiththedesign
specificationdesignrequirements,withthebodiesofthecharacteristicsanddesignrequirements,intermsofthevariousagenciesatthesametime,combiningelementsofknownsizeparameters,calculatedinthecomponentagenciesofotherparameters,forvariouscomponents,Theshapeofdesigndatasupport.
Miningisameasureoftheabilityofexcavatorsdiggingtheimportantparameters.Miningisdonebythetheoil,isinitiative,thelargestexcavationoftherealizationbymanyfactors,itisalsoworkingdeviceto.Miningresistancenotonlyreflectthesizeofbucketshape,butalsowiththeexcavationoftheobject,isacomprehensivereflectionofthetwo.
Keywords：
analysis;parametersdesign;mechanicalanalysis
目
录
摘要................................................................................................................................................
I
第1章前言....................................................................................................................................
1
1.1
课题背景及研究意义......................................................................................................
1
1.2
国内外研究状况..............................................................................................................
1
1.3
论文构成及研究内容......................................................................................................
2
第2章
挖掘机工作装置的总体设计.............................................................................................
3
2.1
工作装置构成..................................................................................................................
3
2.2
动臂及斗杆的结构形式..................................................................................................
4
2.3
动臂油缸与铲斗油缸的布置..........................................................................................
4
2.4
铲斗与铲斗油缸的连接方式..........................................................................................
5
2.5
铲斗的结构选择..............................................................................................................
5
2.6
原始几何参数的确定......................................................................................................
6
第3章
挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析
.....................................................................7
3.1
动臂运动分析..................................................................................................................
7
3.2
斗杆的运动分析..............................................................................................................
9
3.3
铲斗的运动分析............................................................................................................
10
3.3.1
铲斗的传动比.....................................................................................................
10
3.3.2
最大卸载高度.....................................................................................................
10
3.3.3
最大挖掘半径.....................................................................................................
11
第4章工作装置各部分的基本尺寸计算和验证
.......................................................................12
4.1
铲斗各参数的确定........................................................................................................
12
4.1.1
铲斗结构形状的设计及基本要求
.....................................................................12
4.1.2
铲斗主要参数的确定.........................................................................................
12
4.2
动臂机构参数的确定....................................................................................................
13
4.3
斗杆机构基本参数的选择............................................................................................
14
4.4
铲斗机构基本参数的选择............................................................................................
15
4.4.1
转角范围.............................................................................................................
15
4.4.2
铲斗机构其它基本参数的计算.........................................................................
15
第5章
工作装置结构设计...........................................................................................................
17
5.1
斗杆的结构设计............................................................................................................
17
5.1.1
斗杆的受力分析.................................................................................................
17
5.1.2
结构尺寸的计算.................................................................................................
21
5.2
铲斗的设计....................................................................................................................
22
5.2.1
铲斗斗形尺寸的设计.........................................................................................
22
5.2.2
铲斗斗齿的结构计算.........................................................................................
22
5.3
销轴与衬套的设计........................................................................................................
23
5.3.1
销轴的设计.........................................................................................................
23
5.3.2
衬套的设计.........................................................................................................
23
结论..............................................................................................................................................
24
致谢..............................................................................................................................................
25
参考文献........................................................................................................................................
26
附录：
零件截图
............................................................................................................................
27
第1章前言
1.1课题背景及研究意义
20世纪40年代在拖拉机上配装的悬挂的悬挂式反铲液压挖掘机，
20世纪50年
代初期和中期相继出现了拖式全回转液压机和履带式液压挖掘机。
初期的液压挖掘机采用飞机和机床专用的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造
质量不够稳定，配套也不齐全。
从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段。
反铲式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。
我国挖掘机械行业近年来虽有很大的发展，但从产品的种类、数量和技术性能及制造质量上都还不能满足现代化建设发展的要求，迅速地提高挖掘机械的设计、研究和生产的技术水平是当前挖掘机械行业所面临的迫切而艰巨的任务。
本设计有助于提高挖掘机工作装置的可靠性，对结构进行优化、减轻工作装置重量、提高工作效率、减少能耗，从而提高挖掘机生产企业的设计水平和自主开发能力。
1.2国内外研究状况
1.国内研究情况
我国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产的第一台斗容量为1
的机械式单斗挖掘机至今，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。
新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪30～40年代的W501、W502、W1001、
W1002等型机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史。
到
20世纪80
年代，我国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达40余种。
但总的来说，我国挖
掘机生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量与国际先进睡睡水平相比，有很大
差距。
2.国外研究情况
工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容
量3.5～40单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘
机。
是世界上目前最大的挖掘机。
从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。
1.3论文构成及研究内容
本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、销轴、连杆机构组成挖掘机工作装置进行
设计。
具体内容包括以下五部分:
（1）挖掘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及仿真设计。
（5）销轴的设计及螺栓等标准件进行选型。
第2章挖掘机工作装置的总体设计
液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃切削土壤并将土装入斗内。
斗装满后
提升，回转到卸土位置进行卸土。
卸完后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘。
本文主要对工作装置的反铲装置进行分析。
2.1工作装置构成
液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，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，液压挖掘机的工作装置组图如图2.1所示。
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；
图2.1工作装置组成图
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。
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。
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。
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，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动臂及斗杆的结构形式
动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构型式往往取决于动臂的结构型式。
反铲动臂可以分为整体式和组合式两类。
整体式动臂有直动式和组合式两类。
直动式臂结构简单，轻巧，布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。
采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。
整体式弯动臂在
弯曲处的结构形式和强度值得注意，近年来悬挂式挖掘机出现了小弯臂的结构形式，是直动臂的改良，动臂的箱型结构可以不用开口，动臂和斗杆油缸及管路的布置也比较方便。
整体式动臂结构简单，价廉。
刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。
它的缺点是替换工作装置较少，通用性较差。
而组合式动臂工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化调整，较合理的满足各种类型作业装置的参数和结构要求，装车运输比较方便。
由于所设计的是中型液压挖掘机，综上选用整体式动臂。
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，故采用整体式斗杆。
2.3动臂油缸与铲斗油缸的布置
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，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
臂在结构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足，所以动臂油缸和铲斗油缸的布
置为是下置式，具体结构示意图如图2.2动臂油缸铰接示意图。
1-动臂；2-动臂油缸
图2.2动臂油缸铰接示意图
2.4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。
如图
2.3所
示。
1-曲柄；2-连杆
图2.3铲斗连接布置示意图
2.5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）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，小于50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。
综上考虑，选
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