YW0.2型小型液壓挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【含4張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】
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摘 要
挖掘機(jī)廣泛的應(yīng)用于建筑行業(yè)，排水灌溉，采礦，清除障礙和露天開(kāi)礦等各種場(chǎng)合。它對(duì)減輕繁重的體力勞動(dòng)，保證工程的質(zhì)量，加快建設(shè)的速度，提高勞動(dòng)的生產(chǎn)率起到了巨大的作用。
隨著液壓傳動(dòng)的技術(shù)在工程機(jī)械上廣泛應(yīng)用，單斗液壓挖掘機(jī)也有了迅速的發(fā)展。液壓挖掘機(jī)具有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、挖掘力大、操縱輕便，以及易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速和自動(dòng)控制等一系列的優(yōu)點(diǎn)。為了能滿足不同的作業(yè)要求，其工作裝置也有很多類(lèi)型。例如：正鏟，反鏟，牽引繩，塔式等。在上述的工作裝置中，反鏟挖掘機(jī)應(yīng)用的最為廣泛，因而合理設(shè)計(jì)工作裝置具有十分重要的意義。
本論文主要對(duì)由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)等組成的小型液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括以下的五部分: 挖掘機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)； 挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；工作裝置各部分的基本尺寸的計(jì)算和驗(yàn)證；工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)靜強(qiáng)度與動(dòng)強(qiáng)度分析，得出了工作裝置在靜載荷下結(jié)構(gòu)是安全的。并利用同類(lèi)機(jī)械的的參數(shù)做相應(yīng)的調(diào)試，得出一套較合理的參數(shù)，為后續(xù)的工作打好了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；液壓；動(dòng)臂；斗桿；鏟斗
ABSTRACT
Excavators are widely used in all branches of constructions, to drain and irrigate land, extract useful minerals, the removal of obstacle and the open-cast excavation of coal and ore. They play a tremendous role in relieving labor force, ensuring project quality, accelerating the speed of construction and improving the labor productivity.
With the great development of hydraulic technology, the single bucket
hydraulic excavator has been improving greatly. The hydraulic excavator is provided a great many advantages,such as light weight, small volume, compact structure, powerful dig force, easy operate, continuous variable velocity, automatic controls and so on.In order to meet the different requirements, the working device also has many types. For example: dipper shovel, pull shovel,dragline, jib crane, tower crane and so on.In the above work device, backhoe excavator is used most widely, so the rational design of work device is of great significance.
In this paper, mainly by the boom, bucket rod, bucket, excavator linkage component of small hydraulic excavator working device design. It includes the following several parts:the overall design of excavator work device; excavator working device detailed kinematics analysis; the basic size calculation and verification of each part of Working device ; Through the static strength and dynamic strength analysis, the device under static loading structure is safe. Use the same mechanical parameters of the commissioning, to derive a set of reasonable parameters, for the follow-up work to lay a good foundation.
KeyWord: Excavator; Hydraulic; Movable arm,Dipper,Bucket
第 1 頁(yè)
目錄
1 緒論 1
1.1 單斗液壓挖掘機(jī)的種類(lèi)特點(diǎn) 1
1.2 單斗挖掘機(jī)的主要用途是 2
1.3 挖掘機(jī)的發(fā)展概況 2
1.4 國(guó)外挖掘機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài) 3
1.5 本課題的研究目的及意義 5
1.6 主要研究對(duì)象及內(nèi)容 6
2 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 7
2.1 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn) 7
2.2 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的工作特點(diǎn) 7
2.2.1動(dòng)臂挖掘 7
2.2.2斗桿挖掘 7
2.2.3轉(zhuǎn)斗挖掘 8
2.3 反鏟裝置的設(shè)計(jì)原則 9
2.4 反鏟裝置的方案選擇 10
2.5 反鏟裝置各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 11
2.6 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 12
2.7 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析 15
3 挖掘阻力 16
3.1 挖掘阻力的分析 16
3.1.1 轉(zhuǎn)斗挖掘阻力的分析 16
3.1.2 斗桿挖掘阻力的分析 18
3.2.1 挖掘的概念 19
3.2.2 挖掘力的計(jì)算 20
4 鏟斗及單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置各機(jī)構(gòu)尺寸的確定 32
4.1動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇 33
4.1.1 與的選擇 33
4.1.2 與的計(jì)算 34
4.1.3 的計(jì)算 34
4.1.4 動(dòng)臂基本參數(shù)的校核 36
4.2挖掘機(jī)構(gòu)受力分析 37
4.2.1 對(duì)鏟斗及鏟斗連桿機(jī)構(gòu)受力分析 37
4.2.2 對(duì)斗桿及斗桿機(jī)構(gòu)的受力分析 41
4.2.3 動(dòng)臂及動(dòng)臂機(jī)構(gòu)的受力分析 43
4.3挖掘裝置的強(qiáng)度校核 45
4.3.1斗桿內(nèi)應(yīng)力校核 45
4.3.2動(dòng)臂的強(qiáng)度校核 47
5 總 結(jié) 50
6 參考文獻(xiàn) 51
7 致 謝 52
1 緒論
1.1 單斗液壓挖掘機(jī)的種類(lèi)特點(diǎn)
挖掘機(jī)是用來(lái)進(jìn)行土、石方開(kāi)挖的一種工程機(jī)械，按作業(yè)的特點(diǎn)分為周期性作業(yè)式和連續(xù)性作業(yè)式兩種，前者為單斗挖掘機(jī)，后者為多斗挖掘機(jī)。由于單斗挖掘機(jī)是挖掘機(jī)械的一個(gè)主要機(jī)種，也是各類(lèi)工程施工中普遍采用的機(jī)械，可以挖掘VI級(jí)以下的土層和爆破后的巖石，因此，我會(huì)對(duì)單斗挖掘機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)
單斗挖掘機(jī)可以按以下幾個(gè)方面來(lái)分類(lèi)：
1.按動(dòng)力裝置分類(lèi)分為電驅(qū)動(dòng)式、內(nèi)燃機(jī)式、復(fù)合驅(qū)動(dòng)式等；
2.按傳動(dòng)裝置分為機(jī)械傳動(dòng)式、半液壓傳動(dòng)式、全液壓傳動(dòng)式；
3.按行走機(jī)構(gòu)分為履帶式、輪胎式、汽車(chē)式；
4.按工作裝置在水平面可回轉(zhuǎn)的范圍可分為全回轉(zhuǎn)式（360°）和非全回式（270°）；
挖掘機(jī)的類(lèi)代號(hào)用字母W表示，主參數(shù)為整機(jī)的機(jī)重。如WLY表示輪胎式液壓挖掘機(jī)，WY100表示機(jī)重為10t的履帶式液壓挖掘機(jī)。不同廠家，挖掘機(jī)的代號(hào)表示方法各不相同。如圖1-1,1-2.
圖1-1 機(jī)械式單斗挖掘機(jī)工作裝置主要型式 圖1-2單斗液壓挖掘機(jī)工作裝 a）正鏟；b）反鏟；c）拉鏟；d）抓斗 置主要形式 a)反鏟；b）正鏟;
c)抓斗；d)起重
1.2 單斗挖掘機(jī)的主要用途是
在筑路工程中用來(lái)開(kāi)挖塹壕，在建筑工程中用來(lái)開(kāi)挖基礎(chǔ)，在水利工程中用來(lái)開(kāi)挖溝渠 、運(yùn)河和疏通河道，在采石場(chǎng)。露天采礦等工程中用于礦石的剝離和挖掘等；此外可對(duì)碎石、煤等松散物料進(jìn)行裝載作業(yè)；更換工作裝置后還可進(jìn)行起重、澆筑、安裝、打樁、拔樁等工作。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展特別是國(guó)家加大公路、鐵路、住宅和水利設(shè)施的投資，挖掘機(jī)越來(lái)越顯示出在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的巨大作用。
單斗挖掘機(jī)工作裝置主要有正鏟、反鏟、拉鏟和抓斗等形式他們都屬于循環(huán)作業(yè)式機(jī)械。每一個(gè)工作循環(huán)包括挖掘、回轉(zhuǎn)、卸料、和返回四個(gè)過(guò)程。
日常生活中最常用的是反鏟工作裝置，所以此次的設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)挖掘機(jī)的反鏟工作裝置進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)。
1.3 挖掘機(jī)的發(fā)展概況
挖掘機(jī)械的最早雛形，遠(yuǎn)在十六世紀(jì)于意大利威尼斯用于運(yùn)河的疏浚工作。隨著工業(yè)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，單斗挖掘機(jī)也由于新技術(shù)、新工藝的采用而不斷地發(fā)展改進(jìn),但它的基本工作原理至今未變。動(dòng)力裝置以及控制方式的不斷革新，基本上反映了挖掘機(jī)發(fā)展的以下幾個(gè)階段：
1、蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的挖掘機(jī)，從發(fā)明到廣泛應(yīng)用，大約經(jīng)歷了100 年。當(dāng)時(shí)主要用于開(kāi)
挖運(yùn)河和修建鐵路。結(jié)構(gòu)型式由軌道行走的半回轉(zhuǎn)式，發(fā)展到履帶行走的全回轉(zhuǎn)式。
2、挖掘機(jī)傳動(dòng)型式的液壓化，是挖掘機(jī)由機(jī)械傳動(dòng)型式的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的一次躍進(jìn)。隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展，四十年代至五十年代初挖掘機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于液壓傳動(dòng)，并且由半液壓發(fā)展到全液壓傳動(dòng)。產(chǎn)量日益增長(zhǎng)，六十年代初期液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量占挖掘機(jī)總產(chǎn)量的15%，發(fā)展到七十年代初期占總產(chǎn)量90%左右，近年來(lái)，西歐市場(chǎng)出售的挖掘機(jī)幾乎己全部采用液壓傳動(dòng)。與此同時(shí)，斗輪挖掘機(jī)、輪斗挖溝機(jī)等工作裝置和臂架升降等部分也采用了液壓傳動(dòng)。大型礦用挖掘機(jī)在基本傳動(dòng)型式不變的情況下，其工作
裝置也改為液壓驅(qū)動(dòng)。
3、控制方式的不斷革新，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制，無(wú)線電遙控。最近又出現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制，控制人員可在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場(chǎng)的集中控制室內(nèi)通過(guò)工業(yè)電視監(jiān)視數(shù)臺(tái)挖掘機(jī)工作。
我國(guó)挖掘機(jī)生產(chǎn)起步于60年代，第一代產(chǎn)品為機(jī)械式挖掘機(jī)。進(jìn)入70年代，開(kāi)始研制液壓挖掘機(jī)，并形成了系列產(chǎn)品，標(biāo)志著我國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)已經(jīng)形成。80年代中期，隨著我國(guó)改革開(kāi)放的深入和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)一些大型挖掘機(jī)企業(yè)分別引進(jìn)了德國(guó)利渤海爾、德馬克等公司的先進(jìn)制造技術(shù)，使我國(guó)的挖掘機(jī)在技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)管理上都有了很大的提高。涌現(xiàn)出諸如長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠、撫順挖掘機(jī)廠、上海建筑機(jī)械制造廠、合肥礦山機(jī)器廠、北京建筑機(jī)械廠和貴陽(yáng)礦山機(jī)器廠等一批實(shí)力較強(qiáng)的骨干企業(yè)，為我國(guó)挖掘機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。
進(jìn)入90年代，挖掘機(jī)市場(chǎng)需求迅速擴(kuò)大，一些企業(yè)紛紛看好這一市場(chǎng)，挖掘機(jī)行業(yè)如雨后春筍，新企業(yè)不斷涌現(xiàn)，一些原本生產(chǎn)其它工程機(jī)械的企業(yè)，也紛紛加入到挖掘機(jī)行業(yè)。國(guó)外一些大公司也把目光瞄準(zhǔn)了中國(guó)市場(chǎng)，短短的幾年內(nèi)，先后有日本、韓國(guó)、德國(guó)等十余家公司與中國(guó)企業(yè)進(jìn)行了合資，還有的在中國(guó)獨(dú)資辦企業(yè)生產(chǎn)挖掘機(jī)，使得我國(guó)從原有的六大骨干廠，一下猛增到44家。企業(yè)性質(zhì)由原來(lái)的單一國(guó)有企業(yè)，變成了國(guó)有、合資、獨(dú)資、股份制、鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體等多種形式。
目前，擺在挖掘機(jī)行業(yè)面前的是挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存。今后幾年中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，無(wú)疑會(huì)給工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)無(wú)限商機(jī)，挖掘機(jī)是工程機(jī)械的主要產(chǎn)品之一，許多工程都離不開(kāi)挖掘機(jī)械的參與。據(jù)中國(guó)機(jī)電報(bào)報(bào)道，“九五”期間國(guó)家計(jì)劃新建鐵路6000多公里，增建復(fù)線3000多公里，電氣化改造4000多公里，到2000年鐵路運(yùn)營(yíng)將達(dá)到6.8萬(wàn)公里，平均每年投入資金500億元?！熬盼濉逼陂g還將投資5500億元，新建公路11萬(wàn)公里，其中高速公路6000公里；港口將新建萬(wàn)噸以上的舶位100個(gè)，新增吞吐能力2百多萬(wàn)噸；同時(shí)還要大力發(fā)展原油、天然氣管道建設(shè)；在能源工業(yè)方面，將新建20座大型水電站，若干大型露天煤礦，石油的開(kāi)采也逐步加大；另外，冶金、礦山的開(kāi)采，“九五”期間要新建9座大型露天鐵礦；還有農(nóng)田水利工程，改造黃河流域10大水系，南水北調(diào)、疏竣河道，特別是98年遭受特大洪水災(zāi)害后，對(duì)堤壩、圍堰的整修、加固、和綜合治理工作將會(huì)加大力度。所有這些領(lǐng)域的巨大發(fā)展都需要大量的挖掘機(jī)械，為我國(guó)挖掘機(jī)械的發(fā)展提供了廣闊前景。預(yù)計(jì)近幾年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)每年需求挖掘機(jī)12000-15000臺(tái)。因此，要使挖掘機(jī)的產(chǎn)量滿足市場(chǎng)需求，只有把產(chǎn)品質(zhì)量搞上去，提高產(chǎn)品的可靠性，切實(shí)做好售后服務(wù)，才能在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，在市場(chǎng)上占有重大份額。
1.4 國(guó)外挖掘機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)
挖掘機(jī)在技術(shù)發(fā)展的階段上經(jīng)歷了三次飛躍。第一次是柴油機(jī)的出現(xiàn)，使挖掘機(jī)有了較理想的動(dòng)力裝置；第二次是液壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使挖掘機(jī)有了較理想的控制系統(tǒng)；第三次是機(jī)電液一體化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，使挖掘機(jī)面貌煥然一新。挖掘機(jī)具有挖掘、裝載、卸載和整機(jī)移動(dòng)等功能，可連續(xù)高效地工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各種土方作業(yè)中約有65%-70%的土方量是由挖掘機(jī)來(lái)完成的。從20 世紀(jì)后期開(kāi)始，國(guó)際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專(zhuān)用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。主要發(fā)展方向是采用遙控及微機(jī)控制的自動(dòng)化技術(shù)，整個(gè)機(jī)組具有以下主要特點(diǎn)：功率增大；獨(dú)立作業(yè)性強(qiáng)；配件標(biāo)準(zhǔn)化；能降低噪聲、振動(dòng)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法的發(fā)展，有限元方法在機(jī)械結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛應(yīng)用，取得了令人矚目的成果。有限元分析法已成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重要工具。資料文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，國(guó)外不論在挖掘機(jī)的整機(jī)還是部件的設(shè)計(jì)上都有比較成熟的技術(shù)。國(guó)外挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，利用有限元與優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化。它使液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)的、靜止的、隨意性較大的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)逐步發(fā)展到自動(dòng)化程度高，設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)方案優(yōu)越，計(jì)算精度高的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)。我國(guó)從1958 年開(kāi)始研制液壓挖掘機(jī)，逐步形成了中小型液壓挖掘機(jī)系列。然而在液壓挖掘機(jī)機(jī)電一體化進(jìn)程中，我國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于技術(shù)先進(jìn)國(guó)家。我國(guó)液壓挖掘機(jī)工業(yè)在1983年以后采用引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的方法，加快了液壓挖掘機(jī)的發(fā)展，這種引進(jìn)技術(shù)的方式，是在較高的起點(diǎn)上，在較短的時(shí)間內(nèi)，用較少的資金提高技術(shù)水平，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的捷徑。計(jì)算機(jī)技術(shù)在液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、研制中的作用愈來(lái)愈大。但是由于受客觀條件的限制，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中大多采用傳統(tǒng)的方法和理論。引進(jìn)挖掘機(jī)技術(shù)時(shí)，只注意了整機(jī)技術(shù)，將有限元分析方法應(yīng)用到挖掘機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化還不是很多，往往都是靜態(tài)分析，特別是通過(guò)完整的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證就更少?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外正在通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究的設(shè)法提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，以求在根本上保證產(chǎn)品的動(dòng)強(qiáng)度和可靠性，另外振動(dòng)和噪聲被認(rèn)為是工程機(jī)械作業(yè)時(shí)的兩大公害，隨著動(dòng)臂強(qiáng)度要求越來(lái)越高，機(jī)械重量如何減輕也顯得越來(lái)越重要，因此對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證以及進(jìn)一步優(yōu)化，顯得越來(lái)越迫切。挖掘機(jī)的有限元分析是伴隨著有限元理論和有限元軟件的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展起來(lái)的，特別是自20 世紀(jì)八十年代以來(lái)，隨著國(guó)外幾種商用有限元軟件進(jìn)入我國(guó)，挖掘機(jī)有限元分析的研究己初具規(guī)模。在眾多有限元軟件中，比較可靠的有國(guó)外的ANSYS，NASTRAN，MOCAL，ALGOR 等，國(guó)內(nèi)真正通用的還幾乎沒(méi)有，所能做到的只是一些用于某種單元或是某個(gè)機(jī)構(gòu)的有限元分析。目前，利用有限元軟件對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行分析，其所做的工作可以歸納為以下幾個(gè)方面：
1、工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析
對(duì)工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析，關(guān)系到挖掘機(jī)的力學(xué)分析，是其它分析與設(shè)計(jì)(如控制)的基礎(chǔ)。這方面的研究成果很多，理論基礎(chǔ)也比較成熟。
2、有限元的分析
自國(guó)外幾家大型有限元軟件在我國(guó)投放以來(lái)，有限元分析在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。其中有很多是挖掘機(jī)的有限元分析。一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)分析主要集中在對(duì)某些部件的研究上。對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析既可以提高我國(guó)設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)水平，反過(guò)來(lái)又可以利用有限元分析來(lái)解決挖掘機(jī)在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題。
總之，由于有限元單元法在我國(guó)應(yīng)用比較晚，且主要集中在力學(xué)領(lǐng)域，因此對(duì)挖掘機(jī)的有限元分析還存在一定的局限性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著大型和超大型挖掘機(jī)的不斷涌現(xiàn)，合理地設(shè)計(jì)各構(gòu)件更加重要。同Pro/Mechanica 分析軟件相比，絕大部分有限元分析軟件(如ANSYS 分析軟件)的幾何建模功能比較弱，這些有限元軟件通常通過(guò)IGES 格式或者S T EP 格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而這樣做最大的弊端在于容易造成數(shù)據(jù)的丟失，因此常常需要花費(fèi)
大量的時(shí)間與精力進(jìn)行幾何模型的修補(bǔ)工作。而利用Pro/Mechanica 進(jìn)行分析，恰好可以克服上述缺點(diǎn)，Pro/Mechanica 作為Pr o/Engineer 集成模塊，是設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行有限元
計(jì)算強(qiáng)有力的工具。且實(shí)踐證明其分析的結(jié)果也較精確，完全可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。
1.5 本課題的研究目的及意義
中國(guó)國(guó)土面積大，各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)正處于蓬勃發(fā)展過(guò)程中，對(duì)挖掘機(jī)的需求量大。世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家著名的挖掘機(jī)制造商幾乎全部進(jìn)入中國(guó)，不少?lài)?guó)有和民營(yíng)企業(yè)也看好中國(guó)的挖掘機(jī)市場(chǎng)，紛紛進(jìn)入挖掘機(jī)行業(yè)，進(jìn)行挖掘機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)，而且產(chǎn)品的產(chǎn)量隨著市場(chǎng)的需求量的提高而不斷增長(zhǎng)。中國(guó)已成為世界最大的挖掘機(jī)市場(chǎng)，正在成為世界挖掘機(jī)的制造中心。但是必須注意，
中國(guó)目前雖然已成為挖掘機(jī)需求和生產(chǎn)的大國(guó)，但決不是強(qiáng)國(guó)。國(guó)際水平的研發(fā)中心不在中國(guó)，挖掘機(jī)關(guān)鍵配套零部件也不在中國(guó)。在挖掘機(jī)關(guān)鍵的核心技術(shù)研究與掌握方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)與國(guó)外企業(yè)差距很大，特別是國(guó)內(nèi)企業(yè)在挖掘機(jī)的基礎(chǔ)理論研究方面投入的人力、財(cái)力嚴(yán)重不足。這些年來(lái)，我們?nèi)〉昧碎L(zhǎng)足的進(jìn)步，大大縮小了與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距，但如果今后技術(shù)創(chuàng)新(包括設(shè)計(jì)技術(shù)和制造技術(shù)等方面上稍有懈怠，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距
仍然會(huì)拉大，因此可以說(shuō)今后國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)企業(yè)的任務(wù)仍然十分艱巨。由于歷史的原因，原本的國(guó)有挖掘機(jī)企業(yè)因?yàn)槿瞬帕魇?，資金不足，技術(shù)不高，造成自主研發(fā)能力不高，設(shè)計(jì)方法落后；而改革開(kāi)放后的合資企業(yè)和外資企業(yè)，只是根據(jù)國(guó)外的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行批量生產(chǎn)，基本不進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以中國(guó)的挖掘機(jī)設(shè)計(jì)手段比較落后，常常憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，造成生產(chǎn)的挖掘機(jī)存在一些缺陷，在三包期間常出現(xiàn)故障，做不到等壽命設(shè)計(jì)，對(duì)廠商和買(mǎi)家造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。以往液壓挖掘機(jī)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程是前期設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行樣機(jī)試制，然后經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)挖掘試驗(yàn)或強(qiáng)度測(cè)試，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題→改進(jìn)→再試驗(yàn)→再修改，復(fù)修改直到滿足設(shè)計(jì)要求后，再批量投產(chǎn)。這種開(kāi)發(fā)過(guò)程的周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、上市慢，限制了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)在設(shè)計(jì)挖掘機(jī)時(shí)仍以測(cè)繪類(lèi)比為主，強(qiáng)度計(jì)算仍采用材料力學(xué)方法，對(duì)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件應(yīng)力分布情況缺乏定量的了解。并且，挖掘機(jī)作業(yè)外載荷又復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的材料力學(xué)方法難以滿足設(shè)計(jì)上的需要。所以非常有必要將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和有限元方法應(yīng)用于挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析，以提高挖掘機(jī)工作裝置的可靠性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、減輕工作裝置重量、提高工作效率、減少能耗，從而提高挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)水平和自主開(kāi)發(fā)能力。
1.6 主要研究對(duì)象及內(nèi)容
1、根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作條件及設(shè)計(jì)參數(shù)要求，參考挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)資料及國(guó)內(nèi)外各液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，選定液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的設(shè)計(jì)方案。
2、在了解液壓挖掘機(jī)反鏟裝置工作原理和方案選擇的基礎(chǔ)上，用幾何法分別對(duì)動(dòng)臂、機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)和鏟斗機(jī)構(gòu)做動(dòng)力學(xué)分析。
3、在定性分析的基礎(chǔ)上，用解析法對(duì)反鏟裝置各機(jī)構(gòu)的尺寸作了定量計(jì)算，為作圖提供了尺寸依據(jù)，也為進(jìn)一步用計(jì)算機(jī)編程及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提供了數(shù)學(xué)模型。
4、對(duì)反鏟裝置的挖掘力及挖掘阻力進(jìn)行了分析計(jì)算，并著重分析計(jì)算了挖掘機(jī)復(fù)合挖掘時(shí)最大挖掘力實(shí)現(xiàn)的各種限制條件。
5、對(duì)各機(jī)構(gòu)的桿件及鉸點(diǎn)進(jìn)行了受力分析。
2 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
2.1 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)
反鏟的工作過(guò)程：
（1）先將鏟斗向前伸出，讓動(dòng)臂帶著鏟斗落在工作面上（I）。
（2）將鏟斗向著挖掘機(jī)方向拉動(dòng)，于是他就在動(dòng)臂和鏟斗等重力以及牽引索的拉力作用下完成挖掘。
（3）將鏟斗保持所示狀態(tài)連同動(dòng)臂一起提升，在回轉(zhuǎn)至卸料處進(jìn)行卸料。
反鏟有斗底可開(kāi)啟式和不可開(kāi)啟式兩種。
反鏟挖掘機(jī)適宜于挖掘停機(jī)面以下的土，例如挖掘機(jī)基坑及溝槽等。機(jī)械傳動(dòng)的反鏟挖掘過(guò)程由于只是依靠鏟斗自身重力切土，所以只適宜于挖掘輕級(jí)和中級(jí)土壤。
2.2 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的工作特點(diǎn)
液壓挖掘機(jī)的反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下土壤(基坑、溝壕等)。其挖掘軌跡決定于油缸的運(yùn)動(dòng)及其相互配合情況。通常情況下，分為動(dòng)臂挖掘、斗桿挖掘、轉(zhuǎn)斗挖掘等幾種。
2.2.1動(dòng)臂挖掘
當(dāng)采用動(dòng)臂油缸工作來(lái)進(jìn)行挖掘時(shí)(斗桿和鏟斗油缸不工作)可以得到最大的挖掘半徑和最長(zhǎng)的挖掘行程。此時(shí)鏟斗的挖掘軌跡系以動(dòng)臂下鉸點(diǎn)為中心，斗齒至該鉸點(diǎn)的距離為半徑所作的圓弧線。其極限挖掘高度和挖掘深度(不是最大挖掘深度)即圓弧線之起終點(diǎn)，分別決定于動(dòng)臂的最大上傾角和下傾角(動(dòng)臂與水平線之夾角)，也即決定于動(dòng)臂油缸的行程。由于這種挖掘方式時(shí)間長(zhǎng)而且由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實(shí)際工作中基本上不采用。
2.2.2斗桿挖掘
當(dāng)僅以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)，鏟斗的挖掘軌跡為圓弧線，弧線的長(zhǎng)度與包角決定于斗桿油缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂位于最大下傾角，并以斗桿油缸進(jìn)行挖掘工作時(shí)，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，能夠保證裝滿鏟斗，故挖掘機(jī)實(shí)際工作中常以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘。
2.2.3轉(zhuǎn)斗挖掘
當(dāng)僅以鏟斗油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)，鏟斗的挖掘軌跡也為圓弧線，弧線的包角及弧長(zhǎng)決定于鏟斗油缸的行程。顯然，以鏟斗油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)的挖掘行程較短，如使鏟斗在挖掘行程結(jié)束時(shí)裝滿土壤，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤。所以一般挖掘機(jī)的斗齒最大挖掘力都在采用鏟斗油缸工作時(shí)實(shí)現(xiàn)。采用鏟斗油缸挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率。因此，在一般土方工程挖掘中，轉(zhuǎn)斗挖掘較常采用。在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各種油缸的聯(lián)合工作如當(dāng)挖掘基坑時(shí)由于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁時(shí)，則需采用動(dòng)臂與斗桿兩種油缸的同時(shí)工作，當(dāng)挖掘坑底，挖掘行程將結(jié)束為加速將鏟斗裝滿土，以及挖掘過(guò)程需要改變
鏟斗切削角等情況下，則要求采用斗桿與鏟斗油缸同時(shí)工作。雖然此時(shí)挖掘機(jī)的挖掘軌跡是由相應(yīng)油缸分別工作時(shí)的軌跡組合而成。顯然，這種動(dòng)作能夠?qū)崿F(xiàn)還決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸己定時(shí)(包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗尺寸、鉸點(diǎn)位置，相對(duì)的允許轉(zhuǎn)角或各油缸的行程等)，即可用作圖法求得挖掘機(jī)挖掘軌跡的包絡(luò)圖，即挖掘機(jī)在任一正常工作位置時(shí)所 控制到的工作范圍上各控制尺寸即液壓挖掘機(jī)的工作尺寸。對(duì)于反鏟裝置圖2-2 反鏟裝置工作示意圖。主要的工作尺寸為最大挖掘深度和最大挖掘半徑。包絡(luò)圖中可能有部分區(qū)間靠近甚至深入到挖掘機(jī)停機(jī)點(diǎn)底下，這一范圍的土壤雖可挖及，但可能引起土壤的崩塌而影響機(jī)械的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)外一般不使用。挖掘機(jī)反鏟裝置的最大的挖掘力決定于液壓系統(tǒng)的工作壓力、油缸尺寸，以及各油缸間作用力之影響(斗桿、動(dòng)臂油缸的閉鎖壓力及力臂)外，還決定于整機(jī)的穩(wěn)定和地面附著情況。因此反鏟裝置不可能在任何位置
圖2-1 反鏟挖掘工作裝置示意圖
2.3 反鏟裝置的設(shè)計(jì)原則
1、主要工作尺寸及作業(yè)范圍的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮與同類(lèi)型相比時(shí)的先進(jìn)性，性能與主參數(shù)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定。
2、滿足整機(jī)挖掘力大小及分布情況的要求
3、功率利用情況好，理論工作循環(huán)時(shí)間短。
4、確定各個(gè)鉸點(diǎn)布置，結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證剛度和強(qiáng)度的前提下，重量越輕越好。
5、應(yīng)考慮到通用性和穩(wěn)定性。
6、運(yùn)輸或停放時(shí)應(yīng)有合理的姿態(tài)。
7、液壓缸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮三化，采用系列參數(shù)。
8、工作裝置應(yīng)安全可靠，拆裝方便。
9、滿足特殊使用要求。
2.4 反鏟裝置的方案選擇
反鏟方案選擇的主要依據(jù)是設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)規(guī)定的使用要求，據(jù)以決定工作裝置是通用還是專(zhuān)用的。以反鏟為主的通用裝置應(yīng)保證反鏟使用要求，并照顧到其它裝置的性能，專(zhuān) 用裝置應(yīng)根據(jù)作業(yè)條件決定結(jié)構(gòu)方案，在滿足主要作業(yè)條件要求的同時(shí)照顧其它條件下的性能。反鏟裝量總體方案的選擇包括以下方面：
1、動(dòng)臂及動(dòng)臂液壓缸的布置
確定用組合式或整體式動(dòng)臂，以及組合式動(dòng)臂的組合方式或整體式動(dòng)臂的形狀,動(dòng)臂液壓缸的布置為懸掛式或是下置式。
2、斗桿及斗桿液壓缸的布置確定用整體式或組合式布置，以及組合式斗桿的組合方式或整體式斗桿是否采用變鉸點(diǎn)調(diào)節(jié)。
3、確定動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù) K1 =l1/l2。
對(duì)于一定的工作尺寸而言，動(dòng)臂與斗桿之間的長(zhǎng)度比可在很大范圍內(nèi)選擇。—般當(dāng)K1＞2 時(shí)(有的反鏟取 K1 ＞3)稱(chēng)為長(zhǎng)動(dòng)臂短斗桿方案，當(dāng) K 1＜1．5 時(shí)屬于短動(dòng)臂長(zhǎng)斗桿方案。 K1在1．5～2 之間稱(chēng)為中間比例方案。要求適用性較強(qiáng)而又無(wú)配套替換構(gòu)件或可調(diào)結(jié)構(gòu)的反鏟常取中間比例方案。相反當(dāng)用配套替換構(gòu)件或可調(diào)鏈接來(lái)適應(yīng)不同作業(yè)條件時(shí)，不同的配置或鉸點(diǎn)連接情況可組成各種比例方案。在使用條件單一，作業(yè)對(duì)象明確的條件下采用整體動(dòng)臂和斗桿固定鉸接， K1 值由作業(yè)條件確定。從作業(yè)范圍看，在挖高、挖深與挖掘半徑均相同的條件下， K1 值越大作業(yè)范圍愈窄。從挖掘方式看K1 值大宜用斗桿挖掘?yàn)橹鳎蚱鋭偠容^易保證。而K1 值小宜用轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鳌耐诰蜍壽E看， K1 值小易得到接近于直線的運(yùn)動(dòng)軌跡，因而它用于平整和清理作業(yè)，在挖掘窄而深的溝渠或基坑時(shí)挖掘軌跡也較易控制，向挖掘質(zhì)量和裝卸效率比抓高。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度看，K1值大結(jié)構(gòu)重心離機(jī)體近。
4、確定配套鏟斗的種類(lèi)、斗容量及其主參數(shù)，并考慮鏟斗連扦機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比是否需要調(diào)節(jié)。
5、根據(jù)液壓系統(tǒng)工作壓力、流量、系統(tǒng)回路供油方式、工廠制造條件和三化要術(shù)等確定各液壓缸缸數(shù)、缸徑、全伸長(zhǎng)度與全納長(zhǎng)度之比 ?？紤]到結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動(dòng)余量、穩(wěn)定性和構(gòu)件運(yùn)幅度等因素一般取λ1＝1.6～1.7，個(gè)別情況下因動(dòng)臂擺角和鉸點(diǎn)布置要求可以取λ1≤1.75。取λ2＝1.6～1.7，λ2＝1.5～1.7。
2.5 反鏟裝置各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
反鏟裝置的幾何位置取決于動(dòng)臂液壓缸的長(zhǎng)度 L1 、斗桿液壓缸的長(zhǎng)度 L2和鏟斗液壓缸的長(zhǎng)度 L3 。顯然，當(dāng) L1 、 L2 和 L 3為某一組確定值時(shí)反鏟裝置就相應(yīng)處于某一確定的幾何
位置。如圖(2—3)設(shè)計(jì)平面直角坐標(biāo)系，使X 軸與地平面重合，Y 軸與挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)中心重合。則斗齒尖V 所在的X 坐標(biāo)值V X 就表示挖掘半徑，Y 坐標(biāo)值V Y 為正值時(shí)就表示挖掘高度，為負(fù)值時(shí)表示挖掘深度。必須注意，當(dāng) L1 、 L2 和 L 3為一組定值時(shí)只有一組V X 和V Y值與其對(duì)應(yīng)，反之對(duì)于V X 和V Y 的一組定值卻有許多組 L1 、 L2 和 L 3值與其相應(yīng)。
圖2-2 挖掘機(jī)實(shí)物圖（現(xiàn)代）
2.6 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
圖2-3 挖掘機(jī)總裝圖
1-斗桿油缸； 2-動(dòng)臂； 3-油管； 4-動(dòng)臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒；
7-側(cè)齒； 8-連桿； 9-搖桿； 10-鏟斗油缸； 11斗桿
圖2-4
圖2-5動(dòng)臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖
圖 2-6 動(dòng)臂擺角范圍計(jì)算簡(jiǎn)圖
L1 min : 動(dòng)臂油缸的最短長(zhǎng)度; L1 max : 動(dòng)臂油缸的伸出的最大長(zhǎng)度;
A:動(dòng)臂油缸的下鉸點(diǎn);B:動(dòng)臂油缸的上鉸點(diǎn);C:動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)。
φ1 是 L1 的函數(shù).動(dòng)臂上任意一點(diǎn)在任一時(shí)刻也都是 L1 的函數(shù).如圖 3-1 所示,圖 中 L1 min : 動(dòng)臂油缸的最短長(zhǎng)度; L1 max : 動(dòng)臂油缸的伸出的最大長(zhǎng)度;θ1 min : 動(dòng)臂油缸兩鉸 點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最小值; θ1 max : 動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線 夾角的最大值;A:動(dòng)臂油缸的下鉸點(diǎn);B:動(dòng)臂油缸的上鉸點(diǎn);C:動(dòng)臂的下鉸點(diǎn). 則有: 在三角形 ABC 中:
（2-1）
在三角形 BCF 中:
(2-2)
由圖 3-3 所示的幾何關(guān)系,可得到α 的表達(dá)式:
= （2-3） 當(dāng) F 點(diǎn)在水平線 CU 之下時(shí) 為負(fù),否則為正.
F 點(diǎn)的坐標(biāo)為
(2-4)
C 點(diǎn)的坐標(biāo)為
(2-5)
動(dòng)臂油缸的力臂
=∠CAB (2-6)
顯然動(dòng)臂油缸的最大作用力臂,又令.這時(shí) ( 2-7)
2.7 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析
如下圖 2-7 所示,D 點(diǎn)為斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn),F 點(diǎn)為動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn),E 點(diǎn) 為斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn).斗桿的位置參數(shù)是,這里只討論斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng), 即只考慮的影響。
D-斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)； F-動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)
E-斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)； -斗桿擺角
圖 2-7 斗桿機(jī)構(gòu)擺角的計(jì)算簡(jiǎn)圖
在三角形 DEF 中
(2-8)
由上圖的幾何關(guān)系知
(2-9)
則斗桿的作用力臂
Sin∠DEF (2-10)
顯然斗桿的最大作用力臂,此時(shí)
3 挖掘阻力
3.1 挖掘阻力的分析
反鏟裝置工作時(shí)，即可用鏟斗油缸挖掘（簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)斗挖掘），也可用斗桿油缸挖掘（簡(jiǎn)稱(chēng)斗桿挖掘），或做復(fù)合動(dòng)作挖掘。
3.1.1 轉(zhuǎn)斗挖掘阻力的分析
圖3-1 轉(zhuǎn)斗挖掘阻力計(jì)算簡(jiǎn)圖
1-鏟斗油缸，2-斗桿油缸，3-動(dòng)臂油缸
轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)，土壤切削力隨挖掘深度改變而有明顯變化，經(jīng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)的切削阻力與切削深度基本上成正比。但總的來(lái)說(shuō)，前半過(guò)程切削阻力較后半過(guò)程高，因前半過(guò)程的切削角不利，產(chǎn)生了較大的切削阻力。切削阻力的切向分力與土壤硬度、轉(zhuǎn)斗切削半徑、挖掘過(guò)程中鏟斗總轉(zhuǎn)角、鏟斗轉(zhuǎn)角切削刃寬度、切削角、斗側(cè)壁厚度和切削刃擠壓土壤的力有關(guān)。轉(zhuǎn)斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力計(jì)算，也把半月形切削斷面看作相等面積的條形斷面，條形斷面的長(zhǎng)度可看作成斗齒轉(zhuǎn)過(guò)的圓弧長(zhǎng)度與其相應(yīng)之弦的平均值。一般所謂平均阻力是指裝滿鏟斗的全過(guò)程阻力平均值，國(guó)外有試驗(yàn)認(rèn)為平均挖掘阻力的80%。轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)，挖掘阻力的切向分力可表示為：
在 式中—— 切削阻力的切向分力;
C——土壤的硬度系數(shù),對(duì)不同的土 壤條件取值不同,這里設(shè)挖機(jī)用于Ⅲ級(jí)土壤的挖掘,取值為 120;
R——鏟斗與斗桿鉸點(diǎn) 到斗齒尖距離,即轉(zhuǎn)斗切削半徑其在前面已經(jīng)初步確定,取值為 850mm；
ψmax——某一 挖掘位置時(shí)鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半45;
ψ——某一挖掘位置處轉(zhuǎn)斗的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角,在此處由于是 求平均挖掘阻力,故初取 ψmax =ψ = 45
B——切削刃寬度影響系數(shù),B = 1 + 2.6b= 1 + 2.6×0.776= 3.02m;
A——切削角變化影響系數(shù),取 A = 1.3.;
Z——帶有斗齒的系數(shù), 取 Z =0.75;
X——斗側(cè)壁厚影響系數(shù),X = 1+0. 03S,其中 S 為側(cè)壁厚度,由于是初 步設(shè)計(jì),故預(yù)取 X = 1.15 ;
D——切削刃擠壓土壤的力,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì) 和斗容量的大 小選取 D = 8000N.
將以上的數(shù)值代入到式中可以解得:
=33.25KN
轉(zhuǎn)斗挖掘裝土阻力的切向分力為:
式中 ：
q ——密實(shí)狀態(tài)下土壤容重，單位為N／；
——挖掘起點(diǎn)和終點(diǎn)間連線方向與水平線的夾角；
μ ——土壤與鋼的摩擦系數(shù)。
計(jì)算表明：
與W1相比很小，可忽略不計(jì)。當(dāng)φ=,=時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)斗挖掘最大
切向分力，其值為：
試驗(yàn)表明法向挖掘阻力
的指向是可變的，數(shù)值也較小，一般 ＝00.2 ，土質(zhì)愈
均勻， 愈小。從隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的角度看，取法向分力為零來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算是允許的。這樣就可看作為轉(zhuǎn)斗挖掘的最大阻力。
轉(zhuǎn)斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力計(jì)算。也即把半月形切削斷面看作相等面積的條形斷面，條形斷面長(zhǎng)度等于斗齒轉(zhuǎn)過(guò)的圓弧長(zhǎng)度與其相應(yīng)之弦的平均值，則平均切削厚度為：
平均挖掘阻力為:
39.16
式中:
用度數(shù)代表，一般所謂平均阻力是指裝滿鏟斗的全過(guò)程阻力平均值， 因此應(yīng)取。顯然這一計(jì)算方法是近以的，國(guó)外有試驗(yàn)認(rèn)為平均挖掘阻力為最大挖掘阻力的70～80％，可作為參考。
3.1.2 斗桿挖掘阻力的分析
斗桿挖掘時(shí)切削行程較長(zhǎng)，切土厚度在挖掘過(guò)程中可視為常數(shù)。一般取斗桿在挖掘過(guò)程中的總轉(zhuǎn)角為，在這轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。這時(shí)斗齒的實(shí)際行程為：
式中：
——斗桿挖掘時(shí)的切削半徑， =FV。
斗桿挖掘時(shí)的切削厚度g h 可按下式計(jì)算：
斗扦挖掘阻力為
式中： ——挖掘比阻力，當(dāng)取主要挖掘土壤的值時(shí)可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土質(zhì)值時(shí)則得最大挖掘阻力。
一般斗桿挖掘阻力比轉(zhuǎn)斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度較小。
顯然，研究挖掘阻力的目的是確定需要的斗齒挖掘力及其變化規(guī)律，以便在工作裝置設(shè)計(jì)中給予保證。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖掘力太大或者其變化規(guī)律與阻力的變化不適應(yīng)，則功率利用率要降低。
由于計(jì)算方法尚不成熟，挖掘力的計(jì)算值只供參考，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量考慮到工作裝置實(shí)際使用條件下的土質(zhì)情況及同類(lèi)型其它機(jī)器的實(shí)際作業(yè)情況。
3.2.1 挖掘的概念
挖掘力是衡量反鏟裝置挖掘性能的重要指標(biāo)之一。關(guān)于挖掘力的概念目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的定義，因此可比性較差。為便于進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的分析比較， 對(duì)挖掘力概念規(guī)定如下。反鏟裝置挖掘力可按下列情況分為工作液壓缸的理論挖掘力，整機(jī)的理論挖掘力和整機(jī)的實(shí)際挖掘力三類(lèi)。
3.2.1.1 工作液壓缸的理論挖掘力
反鏟裝置主要采用斗桿液壓缸或鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘。假定不考慮下列因素：
1、工作裝置自重和土重；
2、液壓系統(tǒng)和連桿機(jī)構(gòu)的效率；
3、工作液壓缸的背壓。
工作液壓缸外伸時(shí)由該液壓缸理論推力所能產(chǎn)生的斗齒切向挖掘力稱(chēng)為工作液壓缸的理論挖掘力。
3.2.1.2 整機(jī)的理論挖掘力
液壓挖掘機(jī)處于某一工況下工作液壓缸的主動(dòng)挖掘力能否實(shí)現(xiàn)主要取決于下列條件：
1、工作液壓缸的閉鎖能力；
2、整機(jī)的工作穩(wěn)定性；
3、整機(jī)與地面的附著性能；
4、土壤(或其它作業(yè)對(duì)象)的阻力；
5、工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
當(dāng)全面考慮這些條件后求得的工作液壓缸能實(shí)現(xiàn)的挖掘力值就是整機(jī)在該工況下的挖掘力。
求整機(jī)挖掘力按下列假定進(jìn)行：
1、考慮整機(jī)自重，有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件重量分別計(jì)算；
2、在挖掘過(guò)程中斗中土重視為主動(dòng)液壓缸長(zhǎng)度的分級(jí)線性函數(shù)，其重心與鏟斗重心一致；
3、不考慮液壓系統(tǒng)和連桿機(jī)構(gòu)的效率；
4、不考慮液壓缸小腔背壓；
5、不考慮土壤阻力和工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制；
6、不考慮其它因素如停機(jī)面坡度、風(fēng)力、慣性力、動(dòng)載等的影響。
求得的挖掘力值稱(chēng)為整機(jī)的理論挖掘力。
3.2.1.3 整機(jī)的實(shí)際挖掘力
如果考慮到整機(jī)理論挖掘力計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化假定中忽略的某些因素，則可求得整機(jī)的實(shí)際挖掘力。但用于特殊作業(yè)條件時(shí)求整機(jī)實(shí)際挖掘力必須考慮坡度、風(fēng)力等影響，如果不采用近似的作圖法，而全部用數(shù)解法來(lái)計(jì)算整機(jī)挖掘力，則相當(dāng)繁瑣。用電子計(jì)算機(jī)分析比較各種設(shè)計(jì)方案的挖掘性能或驗(yàn)算已制成的挖掘機(jī)的挖掘性能，并與機(jī)器的實(shí)用或測(cè)試結(jié)果相對(duì)照，既可為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，又可檢驗(yàn)理論計(jì)算的正確程度。在對(duì)大量機(jī)型進(jìn)行計(jì)算分析的基礎(chǔ)上可為優(yōu)化設(shè)計(jì)積累資料和提供簡(jiǎn)化根據(jù)。
3.2.2 挖掘力的計(jì)算
在考慮以上條件和假設(shè)的同時(shí)，在液壓挖掘機(jī)在實(shí)際復(fù)合挖掘的過(guò)程中，為了最大限度的發(fā)揮挖掘力，司機(jī)主要按照以下兩種工作方式進(jìn)行復(fù)合挖掘：
復(fù)合挖掘方式一：鏟斗油缸挖掘?yàn)橹?，斗桿油缸復(fù)合動(dòng)作；復(fù)合挖掘方式二：斗桿油缸挖掘?yàn)橹鳎P斗油缸復(fù)合動(dòng)作。
現(xiàn)以復(fù)合挖掘方式一為例，介紹整機(jī)符合挖掘力的計(jì)算方法。
圖3-2 受力及力臂計(jì)算簡(jiǎn)圖
如圖（3—2）所示，為了計(jì)算復(fù)合挖掘力，本文將作用在斗齒尖V 點(diǎn)復(fù)合挖掘力分解為垂直于QV 的切向分力和與QV 線平行的法向分力，并令 (其中η 是一個(gè)帶符號(hào)的系數(shù),當(dāng)η 取正則表示與圖示法向力同向，反之則反向)，這樣復(fù)合挖掘力的方向就確定了。計(jì)算任一挖掘位置整機(jī)理論復(fù)合挖掘力的步驟。
3.2.2.1 計(jì)算復(fù)合挖掘力對(duì)有關(guān)點(diǎn)的力矩及當(dāng)量力臂
如圖3—2 所示，令和對(duì)鉸點(diǎn)F 的力臂分別為、 ，對(duì)動(dòng)臂根部鉸點(diǎn)C 的力臂分別為、對(duì)前傾點(diǎn)T 的力臂分別為、及對(duì)后傾點(diǎn)I 的力臂分別為、；并令：
同理，該挖掘力對(duì)點(diǎn)C、T、I 的力矩分別用切向力分別表示為：
式中：
為復(fù)合挖掘力對(duì)F、C、T、I 點(diǎn)的當(dāng)量作用力臂。
求解當(dāng)量作用力臂關(guān)鍵是求任意工況下的切向力和法向力對(duì)應(yīng)各鉸點(diǎn)的力臂
下面分別計(jì)算它們對(duì)應(yīng)各鉸點(diǎn)的力臂值：
1、分別對(duì)動(dòng)臂根部鉸點(diǎn)C 的力臂
d1 、d10 的計(jì)算；
圖 3-3 力臂方向判斷簡(jiǎn)圖
構(gòu)造三角形CQV 如圖（3—2）中各圖所示，假設(shè)圖示和 的方向?yàn)檎?。?和 對(duì)于C 點(diǎn)的力矩延逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎粗疄樨?fù)，這樣就可以確定
1 d 、10 d 的正負(fù)。其正
負(fù)只與三角形的形狀有關(guān)，因此
d1 、d10 的大小只與斗桿和鏟斗液壓缸的長(zhǎng)度有關(guān)而與動(dòng)臂液壓缸長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。
式中∠CVQ 可通過(guò)反三角函數(shù)求出，當(dāng)∠CVQ<90°時(shí)， d1 >0；反之小于0。在上式中只求出了d10 的大小，其方向須進(jìn)一步加以判斷；點(diǎn)C、Q、V 的坐標(biāo)與任一工況的各油缸的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)，且法向力總是由V 指向Q 的，根據(jù)這些條件即可以確定d10 的正負(fù)。
如圖（3-3）所示，
和分別為不同工況下，工作裝置上鉸點(diǎn)，它們確定了兩條直線。當(dāng)點(diǎn)C 位于鏟斗與斗桿連接的鉸點(diǎn)Q 和斗齒尖V 連線的上方(如圖（3—4）中的直線f(x))，當(dāng)它們分別與圖中的Q、V 位置重合時(shí)，此時(shí)的法向挖掘力對(duì)C 點(diǎn)的力臂為負(fù)；反之當(dāng)它們分別與圖中的Q'、V'位置重合時(shí)，法向挖掘力對(duì)C 點(diǎn)的力臂為正。同理，若C 位于直線的下方，當(dāng)鉸點(diǎn)Q 和斗齒尖V 分別與圖中的 和 位置重合時(shí)，法向挖掘力 對(duì)C 點(diǎn)的力臂為正；然而當(dāng)它們分別與圖中的 和 位置重合時(shí)，法向挖掘力對(duì)C 點(diǎn)的力臂為負(fù)。
對(duì)于任一工況， 都是定值,從而可以得到它們所在直線的方程：
綜上所述，可以得到10 d 的大小及方向判斷方法：
a、 當(dāng)時(shí)
b、當(dāng)時(shí)
2、和分別對(duì)斗桿與動(dòng)臂連接鉸點(diǎn)F 的力臂 和 的計(jì)算；
,
,
如圖(3—2)所示,以三角形FQV為研究對(duì)象,同理取逆時(shí)針?lè)较虻牧貫檎?，假設(shè)切向和法向挖掘力的正向?yàn)閳D示方向，這樣就很容易判斷 和的正負(fù)。
其表達(dá)式為：
從上式可以看出， 、僅為鏟斗油缸 的函數(shù)。
3、和分別對(duì)前傾點(diǎn)T 的力臂為的計(jì)算；
以三角形TQV 為研究對(duì)象，由于前傾點(diǎn)T 和動(dòng)臂根部C 點(diǎn)均為固定點(diǎn)，因此的求解方式與
基本相同，只是假設(shè)條件不一樣，取順時(shí)針?lè)较虻牧貫檎瑏?lái)確
定 的方向。
同理，可以按以下a、b 兩種情況來(lái)確定40 d 的大小及方向：
a、 當(dāng)時(shí)
b、 當(dāng)時(shí)
4、和分別對(duì)后傾點(diǎn)I 的力臂為 d5 、 d50 的計(jì)算；
以三角形△IQV為研究對(duì)象，由于后傾點(diǎn)I和動(dòng)臂根部C 點(diǎn)以及前傾點(diǎn)T 均為固定點(diǎn)，
因此 d5 、d50 的求解方式與
d 1、 d 10基本相同，取順時(shí)針?lè)较虻牧貫檎?，同理可確定d5 、
d 50的方向。
d 的大小及方向判斷如下：
a、當(dāng)時(shí):
c、 當(dāng) 時(shí)
當(dāng)液壓挖掘機(jī)工作裝置處于任一挖掘位置進(jìn)行挖掘時(shí)，各油缸的長(zhǎng)度都確定了，其工
作裝置上任一點(diǎn)的位置也固定。以上各推導(dǎo)過(guò)程的表達(dá)式中的所有的長(zhǎng)度和角度都可以通
過(guò)兩點(diǎn)間距離公式和反三角函數(shù)求出。這樣就能應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件編程求解工作裝置處于任
一工況下復(fù)合挖掘力對(duì)各鉸點(diǎn)的力臂和當(dāng)量作用力臂，為下一步計(jì)算打下了基礎(chǔ)。
3.2.2.2 計(jì)算切向挖掘力
及復(fù)合 對(duì)
1、動(dòng)臂液壓缸閉鎖力所限制的切向挖掘分力
如圖(3—4)所示，取整個(gè)工作裝置為隔離體。工作裝置處于不同的挖掘位置時(shí)復(fù)合挖
掘力對(duì)C 點(diǎn)的當(dāng)量作用力臂 的大小和方向也隨之不斷變化。以下分別按
兩種情況來(lái)求。
a 、當(dāng) 時(shí)；
復(fù)合挖掘力產(chǎn)生力矩有使整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂根部鉸點(diǎn)C 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。動(dòng)臂液壓缸在這種情況下處于受拉狀態(tài)，其抗拉能力取決于小腔閉鎖力 ，設(shè) 為動(dòng)臂液壓缸過(guò)載閥調(diào)定壓力， 為動(dòng)臂液壓缸小腔作用面積，則。動(dòng)臂液壓缸不被拉長(zhǎng)所限制的挖掘力的切向分力為 。
圖 3-4 力臂簡(jiǎn)圖
由對(duì)C 點(diǎn)的力矩平衡方程得：
式中：
——?jiǎng)颖塾透组]鎖力；
e1 ——F 對(duì)鉸點(diǎn)C 的力臂；
——?jiǎng)颖?、斗桿、鏟斗、斗桿油缸、鏟斗油缸和連桿機(jī)構(gòu)的重量；
—對(duì)C 點(diǎn)的作用力臂。
b、 時(shí)
在復(fù)合挖掘力所產(chǎn)生的力矩，有使整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂鉸點(diǎn)C 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。此時(shí)動(dòng)臂液壓缸處于受壓狀態(tài)，其抗壓能力取決于大腔閉鎖力 ，設(shè) 為動(dòng)臂液壓缸大腔過(guò)載閥調(diào)定壓力， 為動(dòng)臂液壓缸大腔作用面積，則=。
動(dòng)臂液壓缸不被壓縮所限制的挖掘力的切向分力 ：
由對(duì)C 點(diǎn)的力矩平衡方程得：
2、斗桿液壓缸主動(dòng)所能發(fā)揮的切向挖掘分力(2)
圖3-5
如圖(3—5)所示，取斗桿、鏟斗缸、鏟斗和連桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，由F 點(diǎn)的力矩平衡方程得：
式中：
——斗桿油缸的最大推力，F(xiàn)2 = p2 A2；
A2 ——斗桿油缸大腔面積；
p2 ——液壓系統(tǒng)調(diào)定壓力；
e2 —— F2 對(duì)鉸點(diǎn)F 的力臂；
、、 —— 、 、 對(duì)F 點(diǎn)的作用力臂。
3、鏟斗液壓缸主動(dòng)所能發(fā)揮的切向挖掘分力以鏟斗為研究對(duì)象，由Q 點(diǎn)的力矩平衡方程得：
式中： F3 ——鏟斗斗油缸主動(dòng)推力，
A3 ——鏟斗液壓缸的大腔面積；
i——連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；
R Q3 、R Q6 —— G3 、G3 對(duì)Q 點(diǎn)的作用力臂；
L QV ——鏟斗Q(chēng)V 的距離。
4、整機(jī)附著條件所限制的切向挖掘分力
=
式中： G——整機(jī)重量；
μ ——行走裝置與地面的附著系數(shù)；
α ——復(fù)合挖掘力與水平方向的夾角；
圖3-6 前傾穩(wěn)定性所限制的挖掘力計(jì)算簡(jiǎn)圖
5、整機(jī)前傾穩(wěn)定性所限制的切向挖掘分力；以整機(jī)為研究對(duì)象，如圖(3—6)所示，如果要使整機(jī)向前傾覆，那么合力矩必須為順時(shí)針?lè)较颍捎谇懊媲骴4 、d40 時(shí)假設(shè)復(fù)合挖掘力延順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，那么整機(jī)要產(chǎn)生前傾的必要條件就是D T >0。
本文也按以下a、b 兩種情況確定 的值。
a.、當(dāng)DT ≤0 時(shí)
此時(shí)無(wú)論 取多大的正值液壓挖掘機(jī)都不會(huì)出現(xiàn)整機(jī)前傾的情況，為了便于判斷，在這種情況下本文?。?
(5) =∞
圖3-7 后傾穩(wěn)定性所限制的挖掘力計(jì)算簡(jiǎn)圖
b、.當(dāng)DT >0 時(shí)
由前傾支點(diǎn)T 的力矩平衡方程得：
式中
G ——機(jī)體重量；
R TS —— G S 對(duì)T 點(diǎn)的作用力臂；
G0 ——?jiǎng)颖塾透字亓浚?
——的重心至T 點(diǎn)的水平距離，即作用力臂；
6、整機(jī)后前傾穩(wěn)定性所限制的切向挖掘分力；
的計(jì)算方法和基本相同，如圖(3—7)所示。
a．當(dāng)D I ≤0 時(shí)，此時(shí)挖掘機(jī)不會(huì)出現(xiàn)后傾現(xiàn)象，此時(shí)?。?
=∞
b．當(dāng)
D I >0 時(shí)：
由前傾支點(diǎn)I 的力矩平衡方程得：
式中：
R IS —— G S 對(duì)I 點(diǎn)的作用力臂；
——的重心至I 點(diǎn)的水平距離，即作用力臂；
3.2.2.3 整機(jī)理論復(fù)合挖掘力的計(jì)算
整機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的理論復(fù)合挖掘力的切向分力為：
復(fù)合挖掘力為：
2
這樣就求出了按照鏟斗主動(dòng)挖掘，斗桿復(fù)合動(dòng)作的挖掘方式下的整機(jī)理論復(fù)合挖掘力。
挖掘方式二復(fù)合挖掘力的計(jì)算方法與上相同，在此不作說(shuō)明
4 鏟斗及單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置各機(jī)構(gòu)尺寸的確定
圖4-1挖掘機(jī)反鏟工作裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖
圖4-2動(dòng)臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖
4.1動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇
圖4-3 最大挖掘半徑時(shí)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖
動(dòng)臂參數(shù)的選擇：
初選,
初取 ,其中
,
,
4.1.1 與的選擇
據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大挖掘半徑值一般與的和值很接近，因此有要求的，已定的和可按下列近是經(jīng)驗(yàn)公式初選和：,
,
,
,,,
4.1.2 與的計(jì)算
圖4-4最大挖掘半徑時(shí)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖
4.1.3 的計(jì)算
由經(jīng)驗(yàn)和反鏟工作裝置對(duì)閉鎖力的要求初取=0.4
的取值對(duì)特性參數(shù)，最大挖掘深度和最大挖掘高度都有影響，增大會(huì)使減少或使增大，這符合反鏟作業(yè)的要求，初選=65.
斗桿油缸全縮時(shí)，最大，依經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和便于計(jì)算，初選。
由于采用雙臂油缸，的取值較小，初取
如圖所示，在三角形CFZ中：
由圖2-48最大卸載高度的表達(dá)式為：
由圖2-49最大挖掘深度絕對(duì)值的表達(dá)式為：
將這兩式相加，消去，
并令 ，
得
有特性參數(shù)
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