3686 小型液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計

3686 小型液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計,小型,液壓,挖掘機(jī),工作,裝置,設(shè)計 第 1 頁 共 55 頁小型液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計引 言挖掘機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的許多行業(yè)被廣泛地采用，如工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利電氣工程、農(nóng)田改造、礦山采掘以及現(xiàn)代化軍事工程等等行業(yè)的機(jī)械化施工中。據(jù)統(tǒng)計，一般工程施工中約有 60%的土方量、露天礦山中 80%的剝離量和采掘量是用挖掘機(jī)完成的。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入和在建設(shè)中挖掘機(jī)的廣泛應(yīng)用，挖掘機(jī)市場有著廣闊的發(fā)展空間，因此發(fā)展?jié)M足我國國情所需要的挖掘機(jī)是十分必要的。而工作裝置作為挖掘機(jī)的重要組成部分，對其研究和控制是對整機(jī)開發(fā)的基礎(chǔ)。反鏟式單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置是一個較復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，國內(nèi)外對其運動分析、機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方面都作了較深入的研究，具體的設(shè)計特別是中型挖掘機(jī)的設(shè)計已經(jīng)趨于成熟。關(guān)于反鏟式單斗液壓挖掘機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)也很多，這些文獻(xiàn)從不同側(cè)面對工作裝置的設(shè)計進(jìn)行了論述。而筆者的設(shè)計知識和水平還只是一個學(xué)步的孩子，進(jìn)行本課題的設(shè)計是為對挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計有一些大體的認(rèn)識，掌握實際工程設(shè)計的流程、方法，鞏固所學(xué)的知識和提高設(shè)計能力。第 2 頁 共 55 頁一、緒論(一）國內(nèi)外研究狀況當(dāng)前，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化和專用化的方向發(fā)展。國外挖掘機(jī)行業(yè)重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料，加快了向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展的步伐。我國己經(jīng)形成了挖掘機(jī)的系列化生產(chǎn)，近年來還開發(fā)了許多新產(chǎn)品，引進(jìn)了國外的一些先進(jìn)的生產(chǎn)率較高的挖掘機(jī)型號。由于使用性能、技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上的優(yōu)越，世界上許多國家，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國家，都在大力發(fā)展單斗液壓挖掘機(jī)。目前，單斗液壓挖掘機(jī)的發(fā)展著眼于動力和傳動系統(tǒng)的改進(jìn)以達(dá)到高效節(jié)能;應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，成本不斷降低，向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，以提高零部件、配件的可靠性，從而保證整機(jī)的可靠性;電子計算機(jī)監(jiān)測與控制，實現(xiàn)機(jī)電一體化;提高機(jī)械作業(yè)性能，降低噪音，減少停機(jī)維修時間，提高適應(yīng)能力，消除公害，縱觀未來，單斗液壓挖掘機(jī)有以下的趨勢:1、向大型化發(fā)展的同時向微型化發(fā)展。2、更為普遍地采用節(jié)能技術(shù)。3、不斷提高可靠性和使用壽命。4、工作裝置結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，工作范圍不斷擴(kuò)大。5、由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動向電力驅(qū)動發(fā)展。6、液壓系統(tǒng)不斷改進(jìn)，液壓元件不斷更新。7、應(yīng)用微電子、氣、液等機(jī)電一體化綜合技術(shù)。8、增大鏟斗容量，加大功率，提高生產(chǎn)效率。9、人機(jī)工程學(xué)在設(shè)計中的充分利用。（二）論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、銷軸、連桿機(jī)構(gòu)組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計。具體內(nèi)容包括以下五部分:1、 挖機(jī)工作裝置的總體設(shè)計。2、 挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析。第 3 頁 共 55 頁3、 工作裝置各部分的基本尺寸的計算和驗證。4、 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。5、 銷軸的設(shè)計及螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型。二、總體方案設(shè)計（一）工作裝置構(gòu)成1-斗桿油缸；2- 動臂； 3-油管； 4-動臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒； 7-側(cè)板；8-連桿； 9-曲柄： 10-鏟斗油缸； 11-斗桿圖 2.1 工作裝置組成圖 圖 2.1 為液壓挖掘機(jī)工作裝置基本組成及傳動示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗 5、連桿 9、斗桿 11、動臂 2、相應(yīng)的三組液壓缸 1, 4,10 等組成。動臂下鉸點鉸接在轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉(zhuǎn)動，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉(zhuǎn)動。挖掘作業(yè)時，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮，動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進(jìn)油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。第 4 頁 共 55 頁在實際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機(jī)的。上述過程僅為一般的理想過程。挖掘機(jī)工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗是由厚度薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，可以對工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡化處理。則可知單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看成是由動臂、斗桿、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)，處理的具體簡圖如 2.2 所示。進(jìn)一步簡化得圖如 2.3 所示。圖 2.2 工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖第 5 頁 共 55 頁1-鏟斗；2-連桿；3-斗桿；4- 動臂；5-鏟斗油缸； 6-斗桿油缸圖 2.3 工作裝置結(jié)構(gòu)簡化圖挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是 3，即工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度 L1、斗桿油缸長度 L2、鏟斗油缸長度 L3決定，當(dāng)L1、L 2、L 3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定。(二）動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式動臂采用整體式彎動臂，這種結(jié)構(gòu)形式在小型挖掘機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)簡單、價廉，剛度相同時結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕，且有利于得到較大的挖掘深度。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體式斗桿。在本設(shè)計中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長度，故也采用整體式斗桿。（三）動臂油缸與鏟斗油缸的布置動臂油缸裝在動臂的前下方，動臂的下支承點（即動臂與轉(zhuǎn)臺的鉸點）設(shè)在轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺平面，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。大部分中小型液壓挖掘機(jī)以反鏟作業(yè)為主，常采用動臂支點靠前布置的方案。油缸活塞桿端部與動臂的鉸點設(shè)在動臂箱體下底板的凸緣上，雖然這樣會影響動臂的下降幅度，但不會削弱動臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且使動臂的受力更加合理。對于斗容量為 0.25 m3的小型液壓挖掘機(jī)，單只動臂液壓缸即可滿足工作要求。具體結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。（四）鏟斗與鏟斗油缸的連接方式本方案中采用六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在相同的鏟斗油缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動特性。該布置中 1 桿與 2 桿的鉸接位第 6 頁 共 55 頁置雖然使鏟斗的轉(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠大的鏟斗平均挖掘力。如圖 2.4 所示。1-斗桿； 2-連桿機(jī)構(gòu)； 3-鏟斗圖 2.4 鏟斗連接布置示意圖（五）鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響很大，合適的鏟斗應(yīng)滿足以下要求：1、有利于物料的自由流動。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合于各種物料的運動規(guī)律。2、要使物料易于卸盡。3、為使裝進(jìn)鏟斗的物料不易于卸出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應(yīng)大于 4，大于 50 時，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質(zhì)。綜上考慮，選用小型挖掘機(jī)常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖 2.5 所示。圖 2.5 鏟斗斗齒的安裝連接采用橡膠卡銷式，結(jié)構(gòu)示意圖如 2.6 所示。323第 7 頁 共 55 頁1-卡銷 ；2 橡膠卡銷；3 齒座； 4斗齒圖 2.6 卡銷式斗齒結(jié)構(gòu)示意圖(六) 原始幾何參數(shù)的確定1、動臂與斗桿的長度比 K1由于所設(shè)計的挖掘機(jī)適用性較強(qiáng)，作業(yè)對象明確，一般不替換工作裝置，故取中間比例方案，K 1 取在 1.52.0 之間?？紤]到 K1 值大，工作裝置結(jié)構(gòu)重心離機(jī)體近。初步選取 K1=2，即 l1 / l2=2。2、鏟斗斗容與主參數(shù)的選擇斗容量在任務(wù)書中已經(jīng)給出：q =0.25 m 3按經(jīng)驗公式和比擬法初選：l 3=900mm，鏟斗平均寬度 B=800mm，鏟斗切削半徑 R= l3=900mm,鏟斗裝滿轉(zhuǎn)角 。65.923、工作裝置液壓系統(tǒng)主參數(shù)的初步選擇各工作油缸的缸徑選擇要考慮到液壓系統(tǒng)的工作壓力和“三化“要求。初選動臂油缸內(nèi)徑 D1=125mm，活塞桿的直徑 d1=80mm。斗桿油缸的內(nèi)徑 D2=90mm，活塞桿的直徑 d2=63mm。鏟斗油缸的內(nèi)徑 D3=100mm，活塞桿的直徑 d3=70mm。按經(jīng)驗公式初選各油缸全伸長度與全縮長度之比： 1=2=3=1.6。參照任務(wù)書的要求選擇工作裝置液壓系統(tǒng)的工作壓力 P=20MPa，閉鎖壓力 Pg=21MPa。三、工作裝置運動學(xué)分析第 8 頁 共 55 頁（一） 動臂運動分析動臂油缸的最短長度； 動臂油缸的伸出的最大長度；:min1L:max1LA：動臂油缸的下鉸點；B：動臂油缸的上鉸點；C：動臂的下鉸點.圖 3.1 動臂擺角范圍計算簡圖動臂擺角 1是 L1 的函數(shù)。動臂上任意一點在任一時刻的坐標(biāo)值也都是 L1 的函數(shù)。如圖 3.1 所示，圖中 動臂油缸的最短長度； 動臂油缸的伸出的最大長度；:minL:max1L動臂油缸兩鉸點分別與動臂下鉸點連線夾角的最小值； 動臂油缸兩鉸點分:min1 :max1別與動臂下鉸點連線夾角的最大值；A：動臂油缸的下鉸點；B：動臂油缸的上鉸點；C：動臂的下鉸點。則有：在三角形 ABC 中：15725721 cos)(llL(3-1)arcos57211lL第 9 頁 共 55 頁圖 3.2 F、C 點坐標(biāo)計算簡圖在三角形 BCF 中：20172172 cos)(lll(3-2)arcos17220l由圖 3.2 所示的幾何關(guān)系，可得到 21 的表達(dá)式：(3-3)1212當(dāng) F 點在水平線 CU 之下時 21 為負(fù)，否則為正。F 點的坐標(biāo)為XF = l30+l1cos21YF = l30+l1sin21 (3-4)C 點的坐標(biāo)為3015cosllXACYC = YA+l5sin11 (3-5)動臂油缸的力臂 e1(3-6)157sinLl顯然動臂油缸的最大作用力臂 e1max= l5第 10 頁 共 55 頁(二）斗桿的運動分析如下圖 3.3 所示， D 點為斗桿油缸與動臂的鉸點點， F 點為動臂與斗桿的鉸點， E點為斗桿油缸與斗桿的鉸點。斗桿的位置參數(shù)是 l2，這里只討論斗桿相對于動臂的運動，即只考慮 L2的影響。D-斗桿油缸與動臂的鉸點點； F-動臂與斗桿的鉸點；E-斗桿油缸與斗桿的鉸點； 2-斗桿擺角.圖 3.3 斗桿機(jī)構(gòu)擺角計算簡圖在三角形 DEF 中2982982 cos)(llL(3-7)arcos9822lL由上圖的幾何關(guān)系知斗桿相對于動臂的擺角范圍 2max2max =2 max-2min (3-8)則斗桿的作用力臂(3-9)2982sinLle顯然斗桿的最大作用力臂 e2max = l9，此時 。892arcosl第 11 頁 共 55 頁（三）鏟斗的運動分析鏟斗相對于 XOY 坐標(biāo)系的運動是 L1、 L2、 L3 的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對于斗桿的運動，如圖 3-4 所示，G 點為鏟斗油缸與斗桿的鉸點， F 點為斗桿與動臂的鉸點 Q 點為鏟斗與斗桿的鉸點，v 點為鏟斗的斗齒尖點 ， K 點為連桿與鏟斗的餃點，N 點為曲柄與斗桿的鉸點，M 點為鏟斗油缸與曲柄的鉸點，H 點為曲柄與連桿的鉸點。圖 3.4 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比計算簡圖1、鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比 i利用圖 3.4，可以求得以下參數(shù)：在三角形 HGN 中 )2arcos(1452312 lLlHNG)r(153230 l32 = GMN = - MNG - MGN = -22-30 (3-10)第 12 頁 共 55 頁在三角形 HNQ 中2321321427 cos)( lll(3-11)arcos(2714lNHQ在三角形 QHK 中(3-12)2arcos(279427 llK在四邊形 KHNQ 中 NHK= NHQ+ QHK (3-13)鏟斗油缸對 N 點的作用力臂 r1(3-14)sin(30213l連桿 HK 對 N 點的作用力臂 r2r2 = l13Sin NHK 連桿 HK 對 Q 點的作用力臂 r3(3-15)29243sinl連桿機(jī)構(gòu)的總傳動比 i(3-16)321iL顯然 3-17 式中可知，i 是鏟斗油缸長度 L3 的函數(shù)，用 L3min 代入可得初傳動比i0，L 3max 代入可得終傳動比 iz。2、鏟斗相對于斗桿的擺角 3鏟斗的瞬時位置轉(zhuǎn)角為(3-17)1026473 FQV其中，在三角形 NFQ 中(3-18)arcos(21627 llN當(dāng)鏟斗油缸長度 L3 分別取 L3max 和 L3min 時，可分別求得鏟斗的最大和最小轉(zhuǎn)角3max 和 3min，于是得鏟斗的擺角范圍: 3 = 3max-3min (3-19)第 13 頁 共 55 頁3、斗齒尖運動分析見圖 3.5 所示，斗齒尖 V 點的坐標(biāo)值 XV 和 YV，是 L1 、L 2、L 3 的函數(shù)只要推導(dǎo)出XV 和 YV 的函數(shù)表達(dá)式，那么整機(jī)作業(yè)范圍就可以確定，現(xiàn)推導(dǎo)如下:由 F 點知：32= CFQ= 2 3 4 6 2 (3-20)在三角形 CDF 中：DCF 由后面的設(shè)計確定，在DCF 確定后則有：(3-21)DCFlll cos)(1621628(3-22)38(3-23)2arcos(18263 llDFC在三角形 DEF 中2982982 cs)(llL圖 3.5 齒尖坐標(biāo)方程推導(dǎo)簡圖 1第 14 頁 共 55 頁則可以得斗桿瞬間轉(zhuǎn)角 2 (3-24)arcos(9822lLl4、 6 在設(shè)計畫圖中確定。由三角形 CFN 知：l28 = Sqr（ l162 + l12 - 2cos32l16l1） (3-25)由三角形 CFQ 知：l23 = Sqr（ l22 + l12 - 2cos32l2l1） (3-26)由 Q 點知：35= CQV= 2 33 24 10 (3-27)在三角形 CFQ 中：3322321 cos)(lll(3-28)arcos1323l在三角形 NHQ 中：24217217213 cos)( lll(3-29)ar(217324 lNQH在三角形 HKQ 中：2624724729 cos)( lll(3-30)ar(247924 lHQK在四邊形 HNQK：NQH = 24 + 26 (3-31)20 = KQV，其在后面的設(shè)計中確定。在列出以上的各線段的長度和角度之間的關(guān)系后，利用矢量坐標(biāo)我們就可以得到各坐標(biāo)點的值。第 15 頁 共 55 頁（四） 特殊工作位置計算1、最大挖掘深度 H1maxNH-搖臂； HK-連桿；C -動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖.圖 3.6 最大挖掘深度計算簡圖如圖 3.6 示，當(dāng)動臂全縮時，F(xiàn), Q, V 三點共線且處于垂直位置時，得最大挖掘深度為: H1max = YV = YFmin l2 l3 = YC + L1 Sin2 1min l2 l3= YC + l1 Sin（ 1 20 11） l2 l3 (3-32)第 16 頁 共 55 頁2、最大卸載高度 H3maxNH-搖臂； HK-連桿；C -動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖圖3.7 最大卸載高度計算簡圖如圖 3.7 所示，當(dāng)斗桿油缸全縮，動臂油缸全伸時，QV 連線處于垂直狀態(tài)時，得最大卸載高度為:(3-33)sin()sin( 12132121max3 MAXMAXCQllYH3、水平面最大挖掘半徑 R1maxNH-搖臂； HK-連桿；C -動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿第 17 頁 共 55 頁油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖圖 3.8 停機(jī)面最大挖掘半徑計算簡圖如圖 3.8 所示，當(dāng)斗桿油缸全縮時，F(xiàn) 、 Q、 V 三點共線，且斗齒尖 v 和鉸點 C在同一水平線上，即 YC = YV，得到最大挖掘半徑 R1max 為:R1max=XC+L40 (3-34)式中：L40 = Sqr（L 1+L2+L3） 2 2（L 2+L3）L 1COS32max (3-35)4、最大挖掘半徑 R2maxNH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點； A -動臂油缸下鉸點；B -動臂與動臂油缸鉸點；F -動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點； G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖圖 5.1 最大挖掘半徑時工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖最大挖掘半徑時的工況是水平面最大挖掘半徑工況下 C、 V 連線繞 C 點轉(zhuǎn)到水平面而成的。通過兩者的幾何關(guān)系，我們可計算得到：l 30 = 350mm ；l 40 = 5650mm。5、最大挖掘高度 H2max最大挖掘高度工況是最大卸載高度工況中鏟斗繞 Q 點旋轉(zhuǎn)直到鏟斗油缸全縮而形成的。具體分析方法和最大卸載高度工況的分析類似。第 18 頁 共 55 頁四、 挖掘阻力分析（一）轉(zhuǎn)斗挖掘阻力計算挖掘阻力可分為切向分力 與法向分力 ,其中法向分力相對很小，一般為1F2(4-1)2).0(F(4-2)DBAZXRC35.1max1cos在式(4-2)中，F(xiàn) 1 切削阻力的切向分力；C土壤的硬度系數(shù)，對不同的土壤條件取值不同，這里設(shè)挖機(jī)用于級土壤的挖掘，取值為 90；R鏟斗與斗桿鉸點到斗齒尖距離，即轉(zhuǎn)斗切削半徑其在前面已經(jīng)初步確定，取值為 90 cm；max挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半；現(xiàn)初定總轉(zhuǎn)角為 110，則 max = 55某一挖掘位置處轉(zhuǎn)斗的瞬時轉(zhuǎn)角，B切削刃寬度影響系數(shù)，B = 1 + 2.6b = 1 + 2.60.8 = 3.08；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，單位為 cm 。初步設(shè)計時取 X = 1.15 ；D切削刃擠壓土壤的力，根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計和斗容量的大小選取 D = 0.8 104N。當(dāng) 時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)斗挖掘最大切向分力 ，其值為：maxmax1F(4-3)DBAZXRCF35.1max1cos將各參數(shù)代入式(4-3)得第 19 頁 共 55 頁NFmxa 407815.703.8)5cos1(903.11 轉(zhuǎn)斗平均挖掘阻力按平均挖掘深度下的阻力計算，平均切削厚度為(4-4)sin180)2(Rh平均挖掘阻力為(4-5) DBAZXCFp 35.11 )sin80416.3(29將各參數(shù)代入上式得 NFp7（二）斗桿挖掘阻力計算斗桿在挖掘過程中總轉(zhuǎn)角一般為 ，現(xiàn)取 。斗齒尖的行程實際上80665S是斗桿轉(zhuǎn)角 所對應(yīng)的弧長 ，根據(jù)經(jīng)驗公式有SSl（4-6）Rl01745.斗桿挖掘時切削半徑，斗桿與動臂鉸點至斗齒尖距離，單位 mSR斗桿挖掘時切削厚度按如下公式計算（4-7）SBlqhq鏟斗容量 ，B鏟斗切削寬度 m3m斗桿挖掘阻力計算公式如下：（4-8）SdRKqhKF00218式（4-8）中 為挖掘阻力比，由附表 010 查得，對于級土取0,對于 ，初步設(shè)計時取 ,將各參數(shù)代入式2501cmNKS mlS34.290)(32（4-8）得NFd 1846534.210802取整為 ，斗桿挖掘阻力比轉(zhuǎn)斗挖掘阻力要小一些，這是由于斗桿挖Nd2第 20 頁 共 55 頁掘行程較長，切削厚度較小的緣故。五、基本尺寸的確定（一）斗形參數(shù)的確定斗容量 q ：在設(shè)計任務(wù)書中已給出 q = 0.25 m3平均斗寬 B：在設(shè)計任務(wù)書中已給出 B = 0.8 m挖掘半徑 R：按經(jīng)驗統(tǒng)計和參考同斗容的其它型號的機(jī)械，初選 R = 900mm 轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角（2）：R、B 及 2 三者與 q 之間有以幾何關(guān)系q = 0.5 R2B（ 2-Sin2） KS在上式中：K S 為土壤的松散系數(shù)，近似取值為 1.25。將 q = 0.25 m3 和 B = 0.8m 代入上式有： 325.46.92鏟斗兩個鉸點 K、Q 之間的間距 l24 和 l3 的比值 k2 的選取：l24 太大將影響機(jī)構(gòu)的傳動特性，太小則影響鏟斗的結(jié)構(gòu)剛度 3，一般取特性參數(shù)。初選特性參數(shù) k2 = 0.3。38.0324一般取 。由于鏟斗的轉(zhuǎn)角較大，而 k2 的取值較小，故初1591KV選 。10Q(二）動臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇1、1 與 A 點坐標(biāo)的選取初選動臂彎角 。130由經(jīng)驗統(tǒng)計和參考其它同斗容機(jī)型，初選特性參數(shù) k3 = 1.65（k 3 = L42/L41）鉸點 A 坐標(biāo)的選擇：第 21 頁 共 55 頁由底盤和轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，并結(jié)合同斗容其它機(jī)型的測繪，初選：XA = 560 mm ；Y A = 700mm 2、 l1 與 l 2 的選擇 經(jīng)統(tǒng)計分析，最大挖掘半徑 R1值與 l1+l2+l3 的值很接近，由已給定的最大挖掘半徑 R1、已初步選定的 l3 和 k1，結(jié)合如下經(jīng)驗公式：； 12Kl21l式中： l1 為動臂長， l 2 為斗桿長，k 1 為動臂斗桿長度比將各參數(shù)代入上式得：；ml702ml3407213、 l 41與 l42的計算如圖 5.1 所示，在三角形 CZF 中：NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F -動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點； K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖圖 5.1 最大挖掘半徑時工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖mkl1407130cos65.2.3314l42 = k3l41 = 1.651407 = 2321 mm第 22 頁 共 55 頁5.18)2arcos(42129 llZFC4、l 5 的計算對于以反鏟為主的通用挖掘機(jī)要適當(dāng)考慮其他的換用裝置（如正鏟、起重等） ，而且要求在地面以上作業(yè)時能有足夠的提升力矩，故初取 k4 = 0.8511 的取值對特性參數(shù) k4、最大挖掘深度 H1max 和最大挖高 H2max 均有影響，增大11 會使 k4 減少或使 H1max 增大，這符合反鏟作業(yè)的要求，初選 。601斗桿液壓油缸全縮時， CFQ =32 8 最大，根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計和便于計算，初選（ 32 8）max = 。160由于采用單動臂液壓缸，因此BCZ 的取值較大，初取 BCZ = 5.1如上圖 5.1 所示，在三角形 CZF 中： ZCF = 1 39 = - - = 80135.8.3 BCF = 2 = ZCF - ZCB 20.由式（3-33）和式（3-34）有H3max = YC+ l1 Sin（ 1 20 11） l 2 l3 (5-1)= YA+ l5 Sin11+ l1 Sin（ 1max 2 11）+ l 2 Sin（ 1max+32 max 11 8 2 180） l3 H1max = l2 + l3 + l1 Sin（ 11 1min+ 2） l5 Sin11 YA ) (5-2)由式（5-1） 、 （5-2）有：H1max + H3max = l1 Sin（ 1max 2 11）+ l2 Sin（ 1max+ 32 max 11 8 2 180）+ l1 Sin（ 11 1min+ 2）+ l 2 (5-3)令 A = 2+ 11 = + = 0680B = A + （ 32 8） max = +（ ）=1790將 A、B 的值代入式（5-3）中有H1max + H3max l1 Sin（ 1max ） Sin（ 1min ） + l2 Sin （ 1max + ）08901=0 又由第 23 頁 共 55 頁特性參數(shù) (5-4)min1ax4sK則有 Sin 1min = Sin1max 1 k4 = Sin1max1.36 (5-5)(5-6)2max1in1in)36.s(co將式（5-5） 、式（5-6）代入到式（5-4）中得3500+3600-3400Sin（ 1max ） Sin（ 1min ）+l 2Sin（ 1max + ）1 = 8080900 解之： 1max = ； 1min = 15.4由式(5-2)有H1max = l2 + l3 + l1 Sin（ 11- 1min + 2）- l 5 Sin11- YA l5 = l2 + l3 + l1 Sin（ 11- 1min + 2）- Y A - H1max Sin11 = 1700 + 900 + 3400Sin（ ）- 800- 3500 Sin.408 60= 534.3mm1min 與 1max 需要滿足以下條件(5-7)21arcos(min1(5-8)r(21ax1 將 1max 、 1min 的值代入式（5-7） 、式（5-8）中得： = 0.482 = 1.316而 (5-9)6.1(798.142.036.1(5-10)3、 滿足 5-9、5-10 兩個經(jīng)驗條件，說明 、 的取值是可行的。(5-11)mlL109482.53min1 (5-12)76inax第 24 頁 共 55 頁(5-13)mLl 1459036.1min7 至此，動臂機(jī)構(gòu)的各主要基本參數(shù)已初步確定。（三） 動臂機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的校核1、動臂機(jī)構(gòu)閉鎖力的校核由第四章的計算可知，轉(zhuǎn)斗的平均挖掘力 NFp 511032.57由圖 5-2 知，最大挖掘深度時的挖掘阻力力矩 M1J：M1J = （ H1max + YC） (5-14)pF1式中，Y C 為 C 點的 Y 軸坐標(biāo)值 mlA 7.1620sin3.5470sin15 將各參數(shù)代入式（5-14）得M1J = 0.312 105（3.5+1.162）= 1.4510 5 N.m 動臂油缸的閉鎖力 F1F1 = PgS1 （S 1：動臂油缸小腔的作用面積）=2.1107（62.5 2 402）10 -6= 1.5105 N 最大挖掘深度工作裝置自身重力所產(chǎn)生的力矩 MG ：要求力矩，首先應(yīng)該需要知道作用力和作用力臂。在此處，則是先要求出工作裝置各部分的重量，由經(jīng)驗統(tǒng)計，初步估計工作裝置的各部分重量如下：動臂 G1 = 223kg 斗桿 G2 = 179kg鏟斗 G3 = 86kg 斗桿缸 G4 = 55kg鏟斗缸 G5 = 51kg 連桿機(jī)構(gòu) G6 = 17kg動臂缸 G7 = 55kg 第 25 頁 共 55 頁圖 5.2 最大挖掘深度計算簡圖當(dāng)處于最大挖掘深度時：1 = 1min = .405.396025122由圖 5.2 有MG （G 1/2 +G2 +G3 +G4 +G5 +G6+ G7）10 l 1 cos (5-15)5.39(=（111.5+179 +86 +55 +51 +17+55）103.4 cos .= 1.5104N.m 動臂油缸的閉鎖力與工作裝置重力所產(chǎn)生的力矩（對 C 點的矩）：M3 = F1l7 l5 Sin1min l1min + MG (5-16)= 21.51.459105 0.5343Sin40.51.109 + 1.5104 = 1.67105 N.m M1J = 1.45105 N.m 在式（5-16）中說明動臂油缸的閉鎖力與工作裝置重力所產(chǎn)生的力矩略大于平均挖掘阻力力矩，滿足工作要求。2、滿斗處于最大挖掘半徑時動臂油缸提升力矩的校核第 26 頁 共 55 頁NH-搖臂； HK-連桿；C -動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B- 動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖圖 5.3 最大挖掘半徑時工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖為方便計算，現(xiàn)將工作裝置劃分為二個部分，動臂、動臂液壓缸和斗桿液壓缸作為一部分，該部分重量以表示 GB 表示；其余的工作裝置構(gòu)件作為第二部分，重量以GG+D 表示，于是有：GB=G1 +G4 +G7 =223 + 55 + 55 = 333kgGG+D =G2 +G3 +G5 +G6 = 179 + 86 + 51 + 17=333kg按經(jīng)驗公式取土的重量：GT = (1.6 1.8) q103 = 1.80.25 103 = 450kg當(dāng)處于最大挖掘半徑時，工作裝置簡圖如圖 5.3 所示，則有：MZ = 9.8GB l1 /2 + GG+D（l 1 + 0.7l2）+ G T （l 1 + l2 + l3 /2）= 9.83333.42+ 333（3.4+0.7 1.7）+ 450（3.4+1.7-0.9 2）= 0.45105 N.m 動臂油缸的推力： F 1 = P1 S1 = 210762.5 210- 6 = 2.45105 N在如圖 5.3 所示，在三角形 CAB 中：(5-17)2(arcos(123121CVlll ACB =2 +11 +21 (5-18)1第 27 頁 共 55 頁將各參數(shù)分別代入式（5-17）和式（5-18）得7.82117.8mll BCABCAL35.2.cos752752L1=1.542mL1 e1 = ACBCSinACB (5-19) ml 4.50.542.17.8sin309.sin157 則此時動臂油缸提升力矩:MT = F1 e1= 2.451050.5054 =1.24105 N.m M Z = 0.45105 N.m 故鏟斗處于最大挖掘半徑時動臂油缸提升力矩滿足工作要求。3、滿斗處于最大高度時,動臂提升力矩的校核當(dāng)斗桿在最大高度時的工況類似于圖 3.7，此時動臂油缸全伸，斗桿油缸全縮。1 =1max = 32 =32max = 2 = 8160021 = 1-（ 2 + 11） 38)2(837 = 32 -（- 21） 則工作裝置所受重力和土的重力所產(chǎn)生的載荷力矩 MZ：MZ= )2coss()2coss(2cos8.9 372137211 lllGllGl TDB (5-20)mN.10298. )9.08cos7.13cos4(5 8.43.5 此時對于動臂油缸而言：L1 = L1max =1774 mm 1 =1max = 8同式（5-19）的計算可求得此時的動臂油缸的力臂mle 3.074.1sin5309.sinmax1572 第 28 頁 共 55 頁此時動臂油缸的提升力矩 MT 可參考式（5-20）求得：MT = F1 e1 = 20106 50210-60.388= 0.61105 N.m M Z = 0.298105 N.m 說明滿斗處于最大高度時,動臂提升力矩滿足工作要求。（四）斗桿機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選擇D：斗桿油缸的下鉸點；E：鏟斗油缸的上鉸點；F 動臂的上鉸點； 2：斗桿的擺角；l 9：斗桿油缸的最大作用力臂.圖 5.4 斗桿機(jī)構(gòu)基本參數(shù)計算簡圖取整個斗桿為研究對象，可得斗桿油缸最大作用力臂的表達(dá)式：e2max = l9 = F2d（l 2 + l3 ）/ P 2= 2104 （1700+900）10 -3/2010645 210-6= 409 mm (5-21)如圖 5.4 所示圖中，D：斗桿油缸的下鉸點；E：斗桿油缸的上鉸點；F 動臂的上鉸點； 2：斗桿的擺角；l 9：斗桿油缸的最大作用力臂。斗桿油缸的初始位置力臂 e20與最大力臂 e2max 有以下關(guān)系:e20 /e2max = l9 cos(2max /2)/l9 = cos (2max /2) (5-22)由 5-22 可知, 2max 越大,則 e20 越小,即平均挖掘阻力越小.要得到較大的平均挖掘力,就要盡量減少 2max,初取 2max = 110由上圖 5.43 的幾何關(guān)系有:L2min = 2l9cSin (2max/2)/(2-1)= 2409Sin 55/(1.6 -1)= 1116.8 mm (5-23)DFE2Zl8l9 2maxE20第 29 頁 共 55 頁L2max = L2min 2= 1116.81.6= 1787 mm (5-24)l82 = L22min + l29 -2L2minl9cos( +2max)/2= 1116.82+ 4092 + 21116.8409cos145 (5-25) l8 = 1470.6 mm EFQ 取決于結(jié)構(gòu)因素和工作范圍,一般在 130170之間，初定 EFQ=160,動臂上 DFZ 也是結(jié)構(gòu)尺寸,按結(jié)構(gòu)因素分析,可初選 DFZ=10。（五）鏟斗機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選擇1、轉(zhuǎn)角范圍由最大挖掘高度 H2max 和最大卸載高度 H3max 的分析，可以得到初始轉(zhuǎn)角 ：0dH2max-H3max = l3（Sin + 1.6） (5-26)0d將各參數(shù)代入式(5-26)得：5800-3600 = 900 （Sin + 1.6） ， = 530d0d最大轉(zhuǎn)角 3max = V0QVZ，值太大會使斗齒平均挖掘力降低，常在 150180之間選取，初選 3max = 163。2、鏟斗機(jī)構(gòu)其它基本參數(shù)的計算l12：搖臂的長度；l 29：連桿的長度；l 3：鏟斗的長度；l 2：斗桿的長度；F：斗桿的下鉸點；G：鏟斗油缸的下鉸點；N：搖臂與斗桿的鉸接點；K：鏟斗的上鉸點；Q：鏟斗的下鉸點.圖 5.5 鏟斗機(jī)構(gòu)計算簡圖在圖 5.5 中有：GFKVL3l3l2 l21l29l24l12QNM第 30 頁 共 55 頁l24 = KQ = k2 l3 = 0.3900 = 270mmL3max 與 L3min 的確定：由第四章的計算可知轉(zhuǎn)斗平均挖掘阻力 NFp 511032.57挖掘阻力 F1P 所做的 W1p(5-27) mlPp .8.69.032. 55max31 由圖 5-5，鏟斗油缸推力所做的功 W3：W3 = F3 （ 3-1）L 3min= 2010650 210-60.6L3min (5-28)由功的守恒知鏟斗油缸推力所做的功 W3 應(yīng)該等于鏟斗挖掘阻力所做的功 W1p：即 W3 = W1p (5-29)將 5-27、5-28 式代入 5-29 中計算可得：L3min = 849mm 圓整為 850mm則 L3max =3 L3min =1360mm剩余未選定的基本尺寸大部分為連桿機(jī)構(gòu)尺寸，其應(yīng)滿足以下幾個條件：1）挖掘力的要求：鏟斗油缸的挖掘力應(yīng)與轉(zhuǎn)斗最大挖掘阻力相適應(yīng)，當(dāng)斗齒尖處于 V1 時，斗桿油缸的理論挖掘力應(yīng)不低于最大挖掘阻力的 80% 。 即 PD080% PD0max；當(dāng)處于最大理論挖掘力位置時V 1QV 應(yīng)為 30。2）幾何相容。必須保證鏟斗六連桿機(jī)構(gòu)在 l3 全行程中任一瞬時都不會被破壞，即保證GFN 、 GHN 以及四邊形 HNQK 在任何瞬時皆成立。3）l 3 全行程中機(jī)構(gòu)都不應(yīng)出現(xiàn)死點，且傳動角應(yīng)當(dāng)在允許的范圍內(nèi)。根據(jù)以上三個方面的要求，通過經(jīng)驗公式和同斗容的其它機(jī)型的測繪對照，初步選定剩余的基本尺寸如下：HK = 352mm； HN = 407mm；NQ = 300mm； FN = l 2-NQ = 1400mm； GF =432mm；預(yù)選GFN = 60則 GN 2 = FN 2 + GF 2 2COS GFNFNGFGN = 1242mm第 31 頁 共 55 頁至此，工作裝置的基本尺寸均已初步確定。六、 工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計整個工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗及油缸和連桿機(jī)構(gòu)組成，要確定這些構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸，必須要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。要進(jìn)行受力分析，首先要確定構(gòu)件最不利的工況，并找到在該工況下的危險截面，以作為受力分析的依據(jù)。但構(gòu)件在不利的工況下危險截面往往不止一個，這就需要分別計算出各危險截面尺寸再綜合考慮，取其中的最大值作為最終的尺寸。（一）斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計1、斗桿的受力分析斗桿主要受到彎矩的作用，因此要找出斗桿中的最大彎矩進(jìn)行設(shè)計計算。根據(jù)受力分析和以往的實驗表明，在鏟斗進(jìn)行挖掘時，產(chǎn)生最大彎矩的工況滿足以下條件：1)動臂處于最低位置。即動臂油缸全縮。2)斗桿油缸的力臂最大。3)鏟斗齒尖在動臂與斗桿鉸點和斗桿與鏟斗鉸點的連線上。4)側(cè)齒挖掘時受到側(cè)向力 Wk 的作用。在這個工況下斗桿會存在最大彎矩，受到的應(yīng)力也會最大。該工況的具體簡圖如圖 6.1 所示。取工作裝置為研究對象，如圖 6.2 所示。在該工況下存在的力有：工作裝置各部件所受到的重力 Gi；作用在鏟斗上的挖掘阻力，包括切向阻力 W1、法向阻力 W2、側(cè)向阻力 W3。NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B -動臂與動臂油缸鉸點； F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖V第 32 頁 共 55 頁圖 6.1 斗桿危險工況時的工作裝置簡圖HK-連桿 HN-搖臂N-搖臂與斗桿的鉸接點 Q-斗桿與鏟斗的鉸接點圖 6.2 鏟斗受力分析簡圖當(dāng)動臂油缸全縮時，通過前面的章節(jié)可以得出 21 = 45，由圖 6.1 可知 CF 的向量可以表示為：FC = 3400COS（180-45）+Sin（180-45）= 3400（COS135+Sin135）由前面的章節(jié)計算結(jié)果知：ZFC =27，并初選 DF = 1470mm。在DEF 中DEF = 90COSEFD = EF/DF = 409/1470解得EFD = 73.8在CDEF 中EFC = ZFC+DFZ + EFD= 27+10+73.8 = 110.8EFQ 在前一章節(jié)已經(jīng)初定為 160由以上的角度關(guān)系知：FV = 2600Cos（360-110.8-160）+Sin（360-110.8-160） = 2600（Cos 89.2+Sin89.2） （6-1）FPdNHQKW1W2G3第 33 頁 共 55 頁OV = OC + CF + FV （6-2）= 1777（Cos 87+Sin87）+3400（Cos -45+Sin-45）+2600（Cos 89.2+Sin89.2） 則 XV = 1777Cos87 + 3400Cos（-45） + 2600 Cos（-89.2）= 1542 mm （6-3）由（3-16）式可 i= 0.336則可得此時鏟斗的理論挖掘力： F0D =F D i =1.651050.61 =1.0105 N切向阻力 W1：初選該工況下鏟斗重心到鉸點 Q 的水平距離 r2= l3 Cos（-89.2）/2=148mm取鏟斗為研究對象，如圖 6.2 所示，并對 Q 點取矩，則有MQ = 0（F 0D - W1）l 3 G3 r2 = 0（10 5- W1）0.9-8600.148 = 0W1 = 105 N法向阻力 W2 的求解：工作裝置所受重力對 C 點取矩有MC（ Gi） = G1X1 +（ G2 +G5） X2 + G3X3+G40.7XF+ G6X2=2.231031.513 +（179+51）103.068+8602.837+5500.73.157 +1703.068= 0.76105 N （6-4）W1 到 C 點的距離 r0r0 = l2 + l3CFCosCFV （6-5）= 1700+900-3400Cos（360-110.8-160）= 1481mm W2 到 C 點的距離 r1第 34 頁 共 55 頁r1 = CFSinCFV = 3400Sin89.2 = 3210mm （6-6）法向阻力 W2 決定于動臂油缸的閉鎖力 F1 ，取整個工作裝置為研究對象，則有MC = 0F1 e1+ MC（ Gi ） - W1 r0 - W2 r1 = 0 （6-7）將式（6-4） 、 （6-5） 、 （6-6）代入式（6-7）中解之得W2 = 0.32105 N 斗桿油缸作用力 P2g的求解：FQ 向量在 X 軸上的模值：XFN = FQ COS(-89.2) =17000.3291 = 560mm如圖 6.1 所示，取斗桿（鏟斗和連桿機(jī)構(gòu)）為研究對象，則有：M C = 0P2gEF- W1 （ l2+l3） - G3（ XFN +r2） - G2XFN /2 = 0P2g0.41 -1052.6-860（0.56+0.148）-17900.56/2=0P2g=1.31105 N （6-8）而此時的斗桿閉鎖力 P2=21（45） 2=1.34105 N，略大于 P2g，說明閉鎖力足夠。橫向挖掘阻力 WK 的求解：橫向挖掘力 WK 由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動器所承受，即 WK 的最大值決定于回轉(zhuǎn)平臺的制動力矩。故要先計算出制動力矩。地面附著力矩 M： M = 6000G4/3 （其中 = 0.5）= 60000.5564/3 = 1.26105 N （6-9）在所設(shè)計的液壓挖掘機(jī)中采用的是液壓制動，由經(jīng)驗公式可求得回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大制動力矩 MB：MB= 0.6M=0.756105 NWK = MB / XV = 0.756105/2.875 = 0.26105 N （6-10）Q 點作用力與作用力矩 RQx 、 RQy、 MQx、 MQy 的求解：取連桿機(jī)構(gòu)