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湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文
題 目： 液壓挖掘機工作裝置設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
學 號： 2010962903
姓 名： 張飄
指導教師： 劉柏希
完成日期： 2014年5月26日
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）任務書
論文（設計）題目： 液壓挖掘機工作裝置結構設計
學號： 2010962903 姓名： 張飄 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
指導教師： 劉柏希 系主任： 劉柏希
一、主要內容及基本要求
本設計的主要內容為：
1．擬定挖掘機挖掘動作的結構方案；
2. 按照方案的要求進行結構參數(shù)的計算及工藝參數(shù)的選擇；
3. 關鍵零部件的設計計算；
4．根據(jù)參數(shù)查找結構設計方面的書籍，進行工作裝置整體結構設計。
本設計的基本要求如下：
1．掌握挖掘機動臂、斗桿、鏟斗的結構參數(shù)的計算及各工藝參數(shù)的選擇；
2．掌握利用裝配圖、零件圖表達設計意圖。
二、重點研究的問題
本設計的重點研究問題有兩個：
1．工作裝置結構設計。對各種實現(xiàn)方案進行對比，從中選擇最佳結構；
2．挖掘動作實現(xiàn)方案設計。對挖掘機工作裝置可達工作空間的分析。
三、進度安排
序號
各階段完成的內容
完成時間
1
查閱相關資料
第1周
2
確定工作裝置整體結構
第2－3周
3
零部件的強度、剛度校核
第4－6周
4
根據(jù)選定的一種結構設計方案，用計算機或手工繪制系統(tǒng)傳動圖、裝配圖、主要零件圖
第7－11周
5
翻譯相關英文資料一份3000字左右
第12周
6
撰寫畢業(yè)論文（設計）說明書
第13周
7
8
四、應收集的資料及主要參考文獻
【1】《液壓挖掘機》 ： 高衡 張全根 同編??? 中國建筑工業(yè)出版社?? 1981年
【2】《單斗液壓挖掘機》 ： 同濟大學主編??? 中國建筑工業(yè)出版社?? 1986年
【3】《液壓傳動》 ： 章宏甲，黃誼主編????? 機械工業(yè)出版社?????2002年
【4】《工程機械優(yōu)化設計》 ；?陳育儀編著?? 中國鐵道出版社???????1987年
【5】《工程機械構造圖冊》 ；劉希平主編??? 機械工業(yè)出版社?????? 1990年
【6】《新編機械設計手冊》 ；??蔡春源主編?? 遼寧科學技術出版社??? 1993年
【7】《液壓元件與系統(tǒng)設計》 ；李玉琳主編??北京航空航天大學出版社 1991年
【8】《液壓挖掘機反鏟工作裝置整機理論復合挖掘力的計算模型及其應用研究》 ；榮洪均主編 重慶大學出版社 2007年
【9】《液壓挖掘機工作裝置結構性能分析》 ； 任友良主編 2010年
【10】《工程機械結構與設計》 ； 靳同紅，王勝春主編 化學工業(yè)出版社 2009年
【11】《液壓挖掘機構造與維修手冊》 ； 王曉偉，張青等主編 化學工業(yè)出版社 2007年
【12】《機械設計》（第八版） ； 濮良貴，紀名剛主編 高等教育出版社 2006年
【13】《材料力學》(第4版) ； 劉鴻文主編 高等教育出版社 2004年
【14】《理論力學》（Ⅰ） ；哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編 高等教育出版社 2009年
【15】《工程機械》、《建筑機械化》等有關學術雜志在近年來發(fā)表的相關文獻。
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）評閱表
學號 2010962903 姓名 張飄 專業(yè) 機械設計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設計）題目：液壓挖掘機工作裝置結構設計
評價項目
評 價 內 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；
2.難度、份量是否適當；
3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。
能力
1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；
4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；
5.工科是否有經濟分析能力。
論文
（設計）質量
1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
評閱人：
2014年5月 日
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）鑒定意見
學號： 2010962903 姓名： 張飄 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設計說明書） 35 頁 圖 表 6 張
論文（設計）題目： 液壓挖掘機工作裝置結構設計
內容提要：
小型液壓挖掘機工作裝置的設計。
液壓挖掘機是一個周期性作業(yè)的自行式土方機械，其工作運動包括鏟斗、斗桿和動
臂的動作，平臺的回轉及整機的移動。它的基本作業(yè)過程是；鏟斗切削土壤并將土壤裝
入斗內。鏟斗裝滿后動臂和斗桿動作，將其提升到適當高度，然后平臺回轉至卸土位置
進行卸土（轉斗）。鏟斗卸空后再回轉下降到原來的位置進行下次挖掘以此循環(huán)。當完
成一段土方后機器行走移位，以便繼續(xù)工作。液壓挖掘機整機可分為：工作裝置、回轉
平臺、行走底盤三大部分。工作裝置的主要任務是完成挖掘、提升、卸載等動作。工作
裝置設計是否合理，選配是否恰當，直接關系到挖掘機的作業(yè)范圍、挖掘力和生產率。
應用最多的是反鏟作業(yè)裝置，其基本結構都是采用三組液壓缸（動臂油缸、斗桿油缸、
鏟斗油缸）。這三組油缸可以單獨動作，也可以同時動作（復合動作）。如斗桿油缸伸出
做挖土動作時，鏟斗油缸可做伸出或縮回動作以調整切削角度，充分發(fā)揮挖掘力，使挖
掘動作順利完成。要保證挖掘機動臂、斗桿和鏟斗既可以各自單獨動作，又可以互相配
合實現(xiàn)復合動作。工作裝置的動作和轉臺的回轉既可以單獨進行，又能做復合動作，以
提高挖掘機的生產率。通過本次設計能達到以綜合訓練為目的，有利于培養(yǎng)學生獨立工
作能力，鞏固和提高所學知識,增強學生機械創(chuàng)新的設計能力。
指導教師：
年 月 日
答辯簡要情況及評語
答辯小組組長：
年 月 日
答辯委員會意見
答辯委員會主任：
年 月 日
8
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
1緒 論 4
1.1本課題的目的和意義 4
1.2國內外液壓挖掘機的發(fā)展情況 4
1.3設計概述 5
2總體方案 7
2.1設計任務 7
2.2工作裝置設計原則 7
2.3液壓挖掘機的總體結構 7
2.4整體設計 8
3工作裝置的設計 11
3.1 工作裝置總體方案的選擇 11
3.2工作裝置結構尺寸的確定 15
4工作裝置的強度校核 19
4.1挖掘力的計算 19
4.2工況的選擇 19
4.3力的計算 20
4.4斗桿、動臂的強度校核 24
5工作裝置零件建模與整機裝配 29
5.1工作裝置零件建模 29
5.2整機裝配 31
6結 論 33
參考文獻 34
致 謝 35
35
液壓挖掘機工作裝置結構設計
摘 要
液壓挖掘機是工程機械的重要產品之一，具有較高的技術含量。工作機構是液壓挖掘機的主要裝備，機構各鉸點以及其具體結構的設計將是決定工作機構性能水平的重要因素，決定了液壓挖掘機的工作性能，影響其最終使用性能的好壞，所以對液壓挖掘機工作機構的研究是十分有必要的。利用SolidWorks軟件先建模后分析，可以大大縮短設計周期和設計工作量，能快速適應市場競爭的需求，有著重大的社會價值和經濟價值。
本次設計完成的主要任務有：
1） 挖掘機工作機構類型的綜合分析和選用；
2） 液壓挖掘機工作裝置的結構設計和尺寸計算；
3） 工作裝置部分的液壓系統(tǒng)設計；
4） 對主要零部件進行力學分析和計算；
5） 駕駛室、三組油缸、鏟斗、動臂、斗桿、搖桿的三維建模；
6） 挖掘機整體建模與裝配設計；
關鍵詞： 液壓挖掘機；工作機構；液壓系統(tǒng)；力學分析；
The Design and Motion Analysis of Hydraulic Excavator's Working Mechanism
Abstract
The hydraulic excavator is one of the most important construction machineries, and includes the higher technical specification. Working device is the main equipment of the Hydraulic Excavator. The design of hinge points and concrete structures is an important factor which has a decisive influence on the use of working device. And it affects the quality of the end-use performance. Therefore, the research of the hydraulic excavator is necessary. Motion simulation is down after modeling by SolidWorks .This method of design can greatly reduce the design cycle. Also it can quickly adapt to the needs of market competition, has significant social value and economic value.
Main contents contained in the article are following:
1) The comprehensive analysis and selection of excavator working mechanism type;
2) The structure design and size calculation of hydraulic excavator working equipment;
3) The hydraulic system design of working device;
4) The analysis and calculation of the ma the typical parts;
5) The 3D modeling of operator cab, three groups of oil cylinder, bucket, boom, arm and bucket;
6) Excavator overall modeling and assembly design;
Key Words：Hydraulic Excavator；Working Device；Hydraulic System；Mechanical Analysis；Motion Analysis
1緒 論
1.1本課題的目的和意義
液壓挖掘機是一種周期作業(yè)的土石方施工機械，在交通運輸、民用建筑、礦山開采和市政工程等場所得到廣泛應用，是各種土石方工程中非常常用的一種重要工程機械。主要用于建筑工程中拆除和開挖地基，水利工程中開挖坑槽和疏通河道，道路建設中道路平整和巖石破碎，市政建設中鋪設管道和破碎路面，現(xiàn)在一些新型挖掘機可以水下作業(yè)。由于施工環(huán)境有時比較惡劣，對挖掘機的技術性能要求比較高，所以液壓挖掘機的科技含量比較高，是工程機械中最重要的產品之一?？梢哉f液壓挖掘機的制造技術水平和生產能力反映了一個國家的工程機械的整體水平，不夸張的說也能反映這個國家的裝備制造業(yè)水平[1]。
液壓挖掘機結構非常復雜，整機的零部件高達3000多件，覆蓋機械、液壓、石油化工和電氣等行業(yè)，其發(fā)展可以帶動這些產業(yè)的發(fā)展并且對國民經濟的發(fā)展有重要影響。目前我國正處于經濟建設的上升期，各地都在大興土木進行建設，并且隨著“十二五”計劃的開始，我國城鎮(zhèn)化建設在未來一段時間內將駛上快車道，對于在土方施工以及工程建設方面起重要作用的挖掘機械產品，必將隨之保持著繁榮景象。挖掘機行業(yè)在未來幾年必會迅猛發(fā)展，現(xiàn)在能掌握這門技術就顯得更為有意義。
1.2國內外液壓挖掘機的發(fā)展情況
1、國內液壓挖掘機的發(fā)展和現(xiàn)狀
挖掘機的生產在我國開始的比較晚，在1954年撫順重型機器廠才仿照前蘇聯(lián)的機械式挖掘機W10012和W5012生產了我國第一臺斗容量為1m3的機械式單斗挖掘機[2]，而液壓挖掘機到1967年才開始，這都遠遠落后于西方發(fā)達國家。最近幾年隨著改革開放的深入，液壓挖掘機在我國得到大力發(fā)展，許多液壓挖掘機生產廠商如雨后春筍般的出現(xiàn)，并形成了一定的規(guī)模。
目前，國內挖掘機整體技術水平處于國際二十世紀八十年代末九十年代初水平，與國外先進技術的差距還十分明顯，許多關鍵技術都還沒能突破，尤其是液壓挖掘機更是任重而道遠這。近幾年，我國的挖掘機行業(yè)發(fā)展迅速，特別是中、小型液壓挖掘機的發(fā)展，現(xiàn)在都已形成系列。在這些生產企業(yè)中，以三一重工為首，玉柴重工、柳工、福田雷沃、山河智能等企業(yè)組成的中國挖掘機團隊已達到一定的規(guī)模和水平。但是我國至今仍然未能開發(fā)出完全自主的液壓挖掘機，其關鍵技術還得依靠外國，國內市場主要被外企占據(jù)，即使那些比較有名的國產品牌還得需要與外企合作，沒有自主開發(fā)的產品?？偠灾?，近幾年我國液壓挖掘機發(fā)展迅速，但要達到國際水平還任重道遠。
2、國外液壓挖掘機的發(fā)展和現(xiàn)狀
在國外，挖掘機的最早雛形出現(xiàn)在十六世紀的意大利威尼斯，當時還是人力驅動主要用于運河的疏浚工程。到1836年出現(xiàn)了以蒸汽機驅動的“動力鏟”，它可以模擬人的掘土工作。到1899年人們開始將電動機應用到挖掘機上從而出現(xiàn)了電動挖掘機。第一次世界大戰(zhàn)后，人們開始將汽油機和柴油機用于挖掘機，這大大改善了挖掘機的使用性能和范圍，使得挖掘機得到大力發(fā)展。
進入二十世紀，由于液壓技術的應用，使得挖掘機得到質的改變。20世紀40年代液壓技術開始應用于挖掘機，出現(xiàn)了半液壓傳動的挖掘機。到20世紀50年代研制出了全液壓傳動的挖掘機。盡管初期研制的液壓挖掘機的液壓技術不夠成熟，主要是是采用機床和飛機的液壓技術。其液壓元件的制造質量也不夠穩(wěn)定，但是液壓技術的應用還是讓挖掘機得到了一次飛躍式發(fā)展。尤其是到了60年代，開始出現(xiàn)完全為挖掘機設計的液壓技術和液壓元件，液壓挖掘機正式進入了蓬勃發(fā)展的階段，隨著經濟發(fā)展的加快，挖掘機制造廠商和品種增加迅速，挖掘機產量也迅猛增加[3]。到七十年代，液壓挖掘機已成為主流挖掘機產品，產量已占據(jù)絕大份額。到目前，液壓挖掘機幾乎已經占領挖掘機市場，特別是中、小型挖掘機?！ ?
隨著液壓技術的進一步成熟以及計算機技術、自動化控制技術和機電一體化技術等的快速發(fā)展，國際上液壓挖掘機的生產和研制正在朝向更加節(jié)能高效化、小型化、多功能化和人性化的方向發(fā)展[4]。
1.3設計概述
本設計為液壓挖掘機工作機構設計。液壓挖掘機的類型較多，其工作裝置又可分為正鏟式和反鏟式。由于目前市場上中、小型挖掘機大多采用反鏟式，只有一些大型挖掘機和有特殊要求的挖掘機才采用正鏟式，所以本次設計的挖掘機類型為反鏟式單斗液壓挖掘機。
本次設計的任務是設計一個標準斗容為0.92m3，挖掘Ⅳ級及以下土壤的液壓挖掘機。它屬于中型液壓挖掘機，主要設計挖掘機的工作裝置。 2總體方案
2.1設計任務
分析挖掘工作對工作機構的要求，然后進行挖掘機工作機構類型的綜合分析和選用并進行各主要零部件的尺寸設計，再進行工作裝置液壓系統(tǒng)的設計，在上面各零部件設計的基礎上，進行挖掘機的整體裝配設計和裝配干涉分析，再對各主要零部件進行強度計算檢驗設計的合理性。
2.2工作裝置設計原則
本次設計的液壓挖掘機工作裝置為反鏟式，而要設計合理的反鏟裝置必須滿足以下要求：
1)、主要的工作尺寸和工作范圍能滿足使用要求，
2)、整機挖掘力的大小和分布情況應滿足使用標準，同時機器應具有一定的先進性。
3)、確定各個鉸點位置，各零部件的結構形式和截面尺寸形狀時應盡可能使受力狀態(tài)有利，并盡量減輕各個結構的重量。
4)、工作裝置的液壓缸設計應考慮三化，采用系列參數(shù)。
5)、工作裝置的結構形式和布置要易于裝拆和維修，尤其是那些易損壞的零部件的更換。
6）、采取合理有效的方法來達到特殊使用要求[5]。
2.3液壓挖掘機的總體結構
液壓挖掘機的總體結構包括動力裝置、工作裝置、回轉機構、操縱機構、傳動系統(tǒng)、行走機構和輔助設備等[6]。其主要零部件名稱如圖2-1所示：
圖2-1液壓挖掘機的基本構造
1.動臂缸 2.斗桿缸 3.鏟斗缸 4.動臂 5.斗桿 6.鏟斗
7.搖桿 8.連桿 9.駕駛室 10.上部機構 11.下部機構 12.行走機構
2.4整體設計
參照【2】P46，根據(jù)經驗公式計算法估算出整機各部分尺寸和工作裝置尺寸。
給定的設計參數(shù)：鏟斗斗容量q=0.92m3。
根據(jù)經驗公式，估算整機質量為G=2179+20147q=20.7噸。
根據(jù)經驗公式求各線性尺寸參數(shù)：
Li=（m） （2-1）
式中 Kli——線向尺寸經驗系數(shù)，
G——為整機質量。
參照【2】P47表1-3 機體尺寸和工作尺寸經驗系數(shù)表 選取適當系數(shù)來計算各部分尺寸：
1) 轉臺底部離地高：；
2) 履帶長度：；
3) 軌 距：
4) 底架離地高：；
5) 司機室總高：
6) 臂鉸離地高： ；
7) 臂鉸離回轉中心：；
8) 臂鉸與液壓缸鉸距：；
9) 臂長：標準臂尺寸系數(shù)范圍1.7～1.9, 推薦值。
所以標準臂；
10) 標準斗桿：推薦系數(shù),；
11) 鏟斗長度：推薦系數(shù),；
1）動臂轉角:；
2）斗桿轉角:；
3）鏟斗轉角:；
4）最大挖掘半徑：KR=3.35，R=9.198m；
5）最大挖掘深度：，；
6）最大挖掘高度：，；
7）最大卸載高度：，；
根據(jù)經驗公式求工作裝置各部分的重量：
（2-2）
式中 ——各部分重量系數(shù)；
G——整機重量。
根據(jù)【2】P48表1-4，可以估算整個工作裝置的重量噸。再由P83表2-7確定工作裝置各部分的重量為：（單位：噸）
表2-1 工作裝置各部分的重量G
名稱 重量（噸）
動臂 1.5
斗桿 0.8
鏟斗 0.8
3工作裝置的設計
工作裝置的設計需根據(jù)要求確定其結構方案，進而確定其各部件的尺寸以及鉸點位置，最后還應對其作業(yè)尺寸和工作臂的強度以及挖掘力的大小進行校核，確保其滿足要求。
3.1 工作裝置總體方案的選擇
工作裝置總體方案的選擇主要包括工作裝置總體結構的選擇,動臂、斗桿和鏟斗結構形式的選擇以及各個油缸鉸點的布置形式的選擇。
1、 工作裝置的總體結構
圖3-1 工作裝置總體結構圖
1.斗桿油缸 2.動臂 3.液壓油管 4.動臂油缸 5.鏟斗
6.斗齒 7.側齒 8.連桿 9.搖桿 10.鏟斗油缸 11.斗桿
2、動臂、斗桿和鏟斗結構形式的選擇
a).確定動臂的結構形式
動臂是挖掘機工作裝置的主要部件，可分為整體式和組合式。整體式動臂結構簡單，重量輕而強度好具有良好的工作性能；組合式動臂重量大，制造成本也高，現(xiàn)一般僅作為特殊配置使用。所以選用整體式動臂。
整體式動臂又有整體直動臂和整體彎動臂這兩種。其中整體直動臂構造簡單、重量輕、容易生產，主要用于懸掛式挖掘機，但不能獲得較大的挖掘深度，不適用于通用挖掘機；整體彎動臂是目前應用最廣泛的結構形式，可獲得較大的挖掘深度，但降低了卸土高度，這個正符合挖掘機反鏟作業(yè)的要求[7]。所以，本次設計選用整體彎動臂。
b).確定斗桿的結構形式
斗桿也有整體式和組合式這兩種形式。其中組合式不常用，大多數(shù)挖掘機都采用整體式，當需要調節(jié)斗桿長度或杠桿比時采用更換斗桿或設置2～4個鉸鏈孔的方法。因此也采用整體式。
c).確定鏟斗的結構形式
反鏟式挖掘機采用的鏟斗形式，其形狀和尺寸參數(shù)的合理性選擇對挖掘機的作業(yè)效果往往有很大影響。挖掘機的作業(yè)工況各種各樣，只用一個鏟斗很難完成所有的工況作業(yè)。所以為了滿足不同工況的作業(yè)需求，并能盡可能的提高作業(yè)效率，在同一反鏟裝置上可配幾種甚至幾十種不同結構和容量的鏟斗，如圖3-2為本次設計所采用的反鏟斗常用鏟斗形式。
圖3-2鏟斗的常用形式
1.齒座 2.斗齒 3.橡膠卡銷 4.卡銷 5.6.7.斗口板
裝設斗齒可以增大鏟斗挖掘時所產生的壓力，從而增大切削力，使鏟斗更好的破碎或挖掘物料。鏟斗的斗齒大都采用裝配形式，其結構形式有螺栓連接式和橡膠卡銷式[8]如圖3-3(a)和(b)所示。
圖3-3斗齒連接方式
（a) 螺栓連接式 （b) 橡膠卡銷式
經比較（a）的結構構造簡單，強度和剛度都比較好，所以選擇（a)安裝方式。
3、確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點布置
a).動臂油缸的鉸點布置方式如圖3-4所示：
3-4 幾種動臂油缸的布置方式
其中，a和b比較常見，c和d不常見。a的特點是不會消弱動臂的結構強度，但會影響動臂的運動范圍，b則與之相反，并能產生較大的挖掘力，但要采用雙液壓缸形式?？紤]到本次設計的挖掘機需要較大的挖掘力，所以動臂油缸的布置方式選用b,使用雙油缸。
b).斗桿油缸的鉸點布置
斗桿油缸的布置方式如圖3-5所示：
圖3-5 斗桿油缸的布置方式
C).鏟斗油缸的鉸點布置
鏟斗與鏟斗液壓缸的連接形式有四連桿機構和六連桿機構這兩種，如圖3-6所示。其中四連桿機構的連接方式是鏟斗直接鉸接于鏟斗液壓缸，特點是鏟斗轉角較小，但可以獲得較大的工作力矩；六連桿機構的連接方式是鏟斗通過連桿與鏟斗液壓缸鉸接，其特點是當液壓缸活塞桿行程相同時，鏟斗能夠得到較大的轉角從而來改善整個機構的傳動特性。
圖3-6 鏟斗的連接方式
圖3-7（a）為直接連接，鏟斗、斗桿與鏟斗液壓缸組成四連桿機構。圖3-7（b）中液壓缸通過一個搖桿和一個連桿與鏟斗相連，與斗桿組成六連桿機構。圖3-7（c）和（d）的鉸接形式相似相似，與（b）的區(qū)別在于前者液壓缸活塞桿鉸接于搖桿兩端之間。因為（b）形式能讓鏟斗獲得較大挖掘力，所以選用（b）圖所示的連接方式。
3.2工作裝置結構尺寸的確定
工作裝置的結構尺寸主要包括鏟斗、斗桿和動臂的尺寸以及各鉸點的位置。
1、鏟斗參數(shù)的選擇
圖3-7 斗形示意圖
斗容量q，平均斗寬B，轉斗挖掘半徑R和轉斗挖掘裝滿轉角（這里令）四者之間有以下幾何關系：（見【2】P73）
（3-1）
式中：——土壤松散系數(shù),近似值取1.35。
因我國標準斗容q指堆尖容量，所以裝滿系數(shù)可不再考慮。平均斗寬B可根據(jù)【2】P75表2-6（反鏟斗平均斗寬統(tǒng)計值和推薦范圍）查得q=0.92m3時，取B=1.25m。又因為q一定時W1max和E隨著B和R的變大而減小。但B和R大到一定程度，綜合反應到﹤900以后W1max 和E的減小減緩。顯然B和R無限增大會導致q=0，鏟斗變?yōu)槠桨濉Ｇ褺的增大使附加載荷引起的對工作裝置的扭矩和水平彎矩隨之增大，從而對工作裝置的結構強度和剛度的要求更高。全面考慮有關因素，可取=900～1000。如果﹥1000 則W1max太大；如果﹤900，則B和R太大。所以取=960。
因此由式3-1得：
R=
所以R=1.36m。
式中 W1max——鏟斗挖掘阻力，
E——鏟斗挖掘時挖掘1m3容積的土所耗費的能量稱為鏟斗挖掘能容量。
鏟斗上兩個鏟點K與Q之間距離，太大影響鏟斗機構傳動特性，太小則影響鏟斗結構剛度，一般取特性參數(shù)=/R=0.3～0.38。當鏟斗轉角較大時，取較小值。一般取。根據(jù)實際情況取=0.43,。即==0.43×1.36=0.5848m。
2、動臂和斗桿尺寸的確定
動臂與斗桿的長度比為K1,當K1＞2時稱為長動臂短斗桿方案，當K1＜1.5時屬于短動臂長斗桿布置方案，K1在1.5～2之間稱為中間比例方案[9]。對于沒有特殊要求的挖掘機，一般取中間比例方案，即取特性參數(shù)。K1= =1.5～2，這里取K1=1.8。
根據(jù)前面經驗公式計算結果并參考現(xiàn)代ROBEX 215-7型液壓挖掘機的作業(yè)參數(shù)，初步選取最大挖掘半徑R1=9500mm，據(jù)統(tǒng)計，最大挖掘半徑R1值一般于的和很接近，因此在和值已定時可根據(jù)【2】P80經驗公式計算：
(3-2)
(3-3)
式中： ——動臂長，即尺寸CF長,mm；
——斗桿長，即尺寸FQ長，mm；
——鏟斗尺寸QV,即R,mm；
R1 ——最大挖掘半徑，mm。
由此計算得:
, 初步選定；
，初步選定。
動臂的彎角一般可取=1200～1400，彎角大可增加挖掘深度，但降低了卸載高度，太小則對強度不利，針對實際情況，可初步確定=1200。
圖 3-8 各鉸點位置
到此，動臂和斗桿的基本長度和彎角已經確定，其余各部分的具體參數(shù)，可參照現(xiàn)代ROBEX系列液壓挖掘機進行類比做仿形設計，并結合本次設計要求，運用SolidWorks三維技術對工作裝置進行建模分析，優(yōu)化各鉸點的位置如圖3-8所示，進而得到各部分的尺寸如下表所示：
表3-1 各部件鉸點的距離
工作裝置組成 距離（mm）
鏟斗 QV=1630 KQ=590 HN=600 HK=700
斗桿 FQ=2900 FE=948 FG=878 QN=600 GN=1867 EG=1429 GQ=2452 EQ=3810
動臂 CF=5200 CD=3405 CB=2495 DF=2384 BF=3256 BD=1022
機體 AC=488
至此，工作裝置的基本尺寸和鉸點位置已全部確定。
4工作裝置的強度校核
液壓挖掘機主工作裝置在作業(yè)時其各結構件的受力情況會隨著其位置的變化而不同，所以在這里僅計算在最不利工況情況下工作裝置的受力，進而對主要零部件進行強度校核。
4.1挖掘力的計算
液壓挖掘機反鏟裝置工作時既可用鏟斗液壓缸挖掘（簡稱轉斗挖掘），也可用斗桿液壓缸挖掘（簡稱斗桿挖掘），或作復合動作挖掘。一般認為當挖掘機的斗容量小于0.5m3或在土質松軟地作業(yè)時以轉斗挖掘為主，反之則以斗桿挖掘為主[16]。本次設計的挖掘機斗容為0.92m3且要求挖掘Ⅳ土壤，所以本設計中以斗桿挖掘為主。在不同的位置挖掘阻力也不同，這里僅選阻力最大的位置。
根據(jù)【2】P71可知斗桿挖掘阻力可用下式表示：
（5-1）
式中 K——挖掘比阻力，K=20～30N/cm2；
q——鏟斗容量；
——斗桿挖掘時的切削半徑，由CAD建?？芍?4.05m；
——斗桿在挖掘過程中的總轉角，一般=～，取=；
Ks——土壤松散系數(shù)，1.26～1.37，取Ks=1.37。
當K取最大值時得最大挖掘阻力，計算得：=38KN。
4.2工況的選擇
液壓挖掘機的工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗、連桿、搖桿和各種液壓缸組成。在對這些零部件進行強度校核前，首先應該確定工作裝置的最不利工況，即在這工況下對某一零部件出現(xiàn)最大的應力，將這個工況作為校核該零部件的依據(jù)[17]。
由于本次設計的挖掘機以斗桿挖掘為主，即斗桿挖掘力大于鏟斗挖掘力，所以應選取斗桿液壓缸挖掘作為計算工況。參考文獻【2】，本次設計采用以下位置(圖5-1)進行計算：
（1）動臂位于動臂液壓缸對鉸點A有最大力臂處；
（2）斗桿位于斗桿液壓缸作用力臂最大處；
（3）鏟斗位于能夠產生最大挖掘力的位置；
該工況下工作裝置位置如圖5-1所示。圖中各參數(shù)如下（未注單位為mm）：
，，，，，，，，，，，，，，，，，，
圖5-1 最不利工況尺寸圖
4.3力的計算
在此工況下挖掘機工作裝置上的作用力僅有工作裝置各部分的自身重量(動臂重G1、斗桿重G2、鏟斗重G3)和作用于鏟斗齒上的挖掘阻力。各液壓油缸的工作狀態(tài)為：斗桿液壓缸液壓缸以主動力F2工作，鏟斗液壓缸承受被動作用力F3，動臂液壓缸承受閉鎖力Fl。
各液壓缸所能產生的最大力按下式計算：
(5-2)
式中 D——液壓缸的缸徑mm，
p——液壓油作用力MP。
已知各液壓缸的缸徑均為100mm，系統(tǒng)壓力p=25MP，因此各液壓缸所能產生的最大力為：
將鏟斗作為獨立體，按對鉸點H的力矩平衡方程，求出鏟斗液壓缸的挖掘力。
將整個工作機構作為整體體，按對動臂底部鉸點A的力矩平衡方程
求出鏟斗液壓缸的另一個挖掘力。
將斗桿作為獨立體，按對鉸點F的力矩平衡方程求出斗桿油缸在被動狀態(tài)下的作用力：
而斗桿液壓缸的閉鎖力，由，說明FW2的值不能夠實現(xiàn)。計算時取代入計算得到。
再將鏟斗取出作為獨立體，視連桿QM為二力桿，其對鉸點M作用力的方向沿QM方向，按對鉸點H的力矩平衡方程，可求出鉸點M處受力FM。
由鏟斗在水平X方向和豎直Y方向上的合力分別平衡和,可求出鏟斗在鉸點H處受到的水平力和豎直力。
根據(jù)鉸點Q處的力平衡，可求得搖桿QG對鉸點Q的水平力和。
將斗桿作為獨立體，根據(jù)斗桿的力平衡方程可以求得在鉸點F處斗桿受到的水平力和豎直力。
將整個工作裝置作為整體，按對鉸點A的力矩平衡方程可求出動臂缸的作用力，再按力的平衡方程可求出動臂在鉸點A處受到的水平力和豎直力。
到此，各鉸點的受力均已求出。
4.4斗桿、動臂的強度校核
1、 斗桿的強度校核
斗桿為變截面箱形結構，用鋼板焊接而成，有時為了增強剛度還在內部加隔板。根據(jù)《機械設計手冊》第一卷第三章，斗桿的材料選用Q345（即原先的16Mn），其屈服極限。其特點是綜合機械性能好，尤其是低溫韌性、冷沖壓性能、焊接性能及切削性能方面[18]。應用廣泛，價格便宜。用于礦山、運輸、化工等各種機械特別是需要承受沖擊和動載的焊接結構。
斗桿形狀復雜各個截面內力的合成情況也較復雜，而且斗桿斷面的變化也較大，因此合成應力最大的危險斷面很難準確確定。一般要選取幾個斷面進行強度校核，如圖5-2,5-3所示。
圖5-2 斗桿危險截面
圖5-3 危險截面示意圖（單位：cm）
a).截面1的強度校核
在該截面上的力有軸力、剪切力、彎矩,
截面面積
截面對參數(shù)軸的靜矩 ,
截面型心 ,
截面的慣性矩 ，
截面上的應力
按第四強度理論進行校核為：。
b).截面2的強度校核
在該截面上的力有軸力、剪切力Q=150.3KN 、彎矩,
截面面積
截面對參數(shù)軸的靜矩 ,
截面型心 ,
截面的慣性矩 ，
截面上的應力
按第四強度理論進行校核為：。
c).截面3的強度校核
在該截面上的力有軸力、剪切力、彎矩,
截面面積
截面對參數(shù)軸的靜矩 ,
截面型心 ,
截面的慣性矩 ，
截面上的應力
按第四強度理論進行校核為：。
上述計算均按靜載進行分析，而實際工作中，斗桿要承受比較大的沖擊和振動載荷，并且變化不定。所以在計算時一般采用降低許用應力的辦法來考慮沖擊和動載的影響，即在強度校核時采用提高安全系數(shù)的辦法來解決[19]。因此許用應力為：
(5-3)
式中 ——鋼材的屈服極限，
——安全系數(shù)，n=2～2.5。
根據(jù)【2】P269表7-1（工作裝置結構件的安全系數(shù)）這里取n最大時，即n=2.5,所以。經校核計算三個危險截面的應力均小于最小許用應力。
所以，斗桿的強度滿足要求。
2、動臂的強度校核
動臂材料仍采用Q345鋼板，厚度為15mm。通過分析可知，在鉸點C處動臂受的彎矩最大，而且此處有彎角，容易產生應力集中，所以該截面為危險截面。具體參數(shù)如圖5-4所示。
圖5-4 動臂危險截面尺寸圖（單位：cm）
在該截面上的力有軸力、剪切力、力矩為。
其截面面積為:
抗彎截面系數(shù)為：
截面所受的正應力為：
這里n最大為1.8，則動臂的最小許用應力。
所以，動臂的強度也滿足要求。
5工作裝置零件建模與整機裝配
5.1工作裝置零件建模
本次設計所繪制的零件三維圖都是用SolidWorks2010完成的。
圖5-1 駕駛室
圖5-2 斗桿
圖5-3 動臂
圖5-4 鏟斗
圖5-5動臂液壓油缸
圖5-6斗桿液壓油缸
圖5-7鏟斗液壓油缸
圖5-8 搖桿
圖5-9連桿
5.2整機裝配
通過SolidWorks2010將各個零部件裝配在一起形成整體三維裝配體。
圖5-10整機裝配圖
6結 論
本次設計主要進行了反鏟式液壓挖掘機工作裝置的機構設計。在設計過程中，通過查找相關的設計資料和詳細的計算過程，確定了主工作裝置的結構形式和結構尺寸并對主要部件進行了強度校核，最后用soildworks這個軟件對工作裝置進行運動分析。設計結果能滿足作業(yè)尺寸以及挖掘力的要求。
挖掘機工作裝置是挖掘機的核心部分，其結構的力學分析和計算十分復雜，難度也很大，但是通過本次設計，鞏固了大學所學的課程，掌握了一些基本的設計思路，為今后從事設計工作打下了良好的基礎。由于本人的時間和能力有限，盡管在老師和同學們的幫助下解決了不少問題，但設計中難免還有一些不完善的地方。還請老師們批評指正。
參考文獻
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【5】《工程機械構造圖冊》 ；劉希平主編??? 機械工業(yè)出版社?????? 1990年
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【11】《液壓挖掘機構造與維修手冊》 ； 王曉偉，張青等主編 化學工業(yè)出版社 2007年
【12】《機械設計》（第八版） ； 濮良貴，紀名剛主編 高等教育出版社 2006年
【13】《材料力學》(第4版) ； 劉鴻文主編 高等教育出版社 2004年
【14】《理論力學》（Ⅰ） ；哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編 高等教育出版社 2009年
【15】《工程機械》、《建筑機械化》等有關學術雜志在近年來發(fā)表的相關文獻。
致 謝
本文是在導師劉老師的精心指導、細致安排和全力支持下完成的。從本論文的選題、定方案、方案的論證及論文的書寫，劉老師都給予了無私的關懷和幫助。劉老師的幫助使我從一片茫然到歡喜鼓舞，從不懂到理解，漸漸了解課題的設計步驟和程序。他淵博的知識、開闊的視野和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，