理學反鏟式挖掘機挖掘機構設計

安徽工程大學畢業(yè)設計（論文）安徽工程大學本科畢業(yè)設計（論文）專 業(yè)： 車輛 工程 題 目：反鏟式挖掘機挖掘機構設計 Backhoe digging institutions design of anti-shovel excavator作 者 姓 名： 導師及職稱： 導師所在單位： 機械與汽車工程學院 2012年 6 月 16 日安徽工程大學本科畢業(yè)設計任務書2012 屆 機械與汽車工程學院車輛工程專業(yè)學生姓名： 畢業(yè)設計題目中文：反鏟式挖掘機挖掘機構設計英文：Backhoe digging institutions design of anti-shovel excavator 原始資料一、設計任務:設計反鏟式挖掘機挖掘機構，設計參數(shù)：斗容：0.4立方米；整機重量5噸；發(fā)動機功率60千瓦。二、參考資料：1 同濟大學等. 單斗液壓挖掘機M. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，19832 劉希平等 工程機械構造手冊M. 北京：機械工業(yè)出版社3 何挺繼，朝勇. 現(xiàn)代公路施工機械M.北京：人民交通出版社4 許福玲，陳堯明. 液壓與氣壓傳動M. 北京：機械工業(yè)出版社，20075 高鵬. 挖掘機工作機構設計D. 沈陽：遼寧工程技術大學6 金海薇. 液壓挖掘機反鏟裝置的CAD/CAM研究D. 沈陽：遼寧工程技術大學7 在圖書館、網(wǎng)絡上查找相關的教材、書籍和資料。 畢業(yè)設計（論文）任務內(nèi)容1、課題工程意義本選題培通過對挖掘機機構的設計，可以達到簡化結構，減少易損件，傳動性能改善，工作平穩(wěn)、安全可靠，傳動機構的布置更加合理緊湊，操作簡便，靈活，易于實現(xiàn)三化，提高質(zhì)量，降低成本，而且挖掘機的性能提高，工作裝置品種擴大，提高挖掘機的傳動效率。2、本課題研究的主要內(nèi)容：挖掘機構總體方案設計；挖掘機構詳細的機構運動學分析；各部分基本尺寸的計算與驗證；機構中主要部件的結構設計；液壓缸與液壓系統(tǒng)設計。3、提交的成果：（1）畢業(yè)設計（論文）正文；（2）挖掘機構總體方案設計圖和工作循環(huán)圖；液壓系統(tǒng)工作原理圖，相關的計算程序。（3）至少一篇引用的外文文獻及其譯文；（4）附不少于10篇主要參考文獻的題錄及摘要。指導教師（簽字） 教研室主任（簽字）批 準 日 期接受任務書日期完 成 日 期接受任務書學生（簽字）反鏟式挖掘機挖掘機構設計摘 要反鏟式挖掘機是一種重要的工程機械，廣泛應用于房屋建筑、筑路工程、水利建設、農(nóng)林開發(fā)、港口建設、國防工事等的土石方施工和礦山采掘工業(yè)中，對減輕繁重的體力勞動、保證工程質(zhì)量、加快建設速度、提高勞動生產(chǎn)率起著十分巨大的作用。隨著國家經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，單斗挖掘機的需求量將逐年大幅度增長，其在國民經(jīng)濟建設中的作用將越來越顯著。反鏟裝置作為單斗挖掘機工作裝置的一種主要形式，在工程實踐中占有重要地位。反鏟裝置的各組成部分有各種不同的外形，要根據(jù)設計要求選用適合的結構并對其作運動分析。然后，在滿足機構運動要求的基礎上對各機構參數(shù)進行理論計算，確定各機構尺寸參數(shù)，確定挖掘機反鏟裝置的基本輪廓。關鍵詞：反鏟式挖掘機；運動分析；機構設計；液壓系統(tǒng)Backhoe digging institutions design of anti-shovel excavatorAbstractAnti-shovel dou excavator is a kind of important engineering machinery, widely used in building, road engineering, water conservancy construction, forestry development, port construction, national defense construction and the conditions of fortifications mining extraction industries, to reduce heavy manual labor, ensuring the quality of projects and accelerate the construction speed and improve labor productivity plays an enormous role. With the continuous development of national economic construction, dou excavator demand will greatly increase year by year, its role in national economic construction will become more and more prominent.The shovel device as a single dou excavator working device of a main form in engineering practice, occupies an important position. The shovel device of each component of a variety of different shape, according to the design requirements for the selection of the structure and kinematic analysis. Then, on the basis of the requirement of motion parameters of various institutions, organizations, and determine the size parameters of the shovel device determine excavator basic outline.Key Words: Anti-shovel excavator;Motion analysis;Insitiutions design;Hydraulic system目 錄引言8第1章液壓挖掘機的簡介91.1挖掘機的類型91.2液壓挖掘機的基本組成和工作原理101.3反鏟式挖掘機11第2章反鏟式挖掘機傳動機構的設計152.1反鏟式挖掘機傳動機構方案的設計152.2反鏟式挖掘機的運動分析192.3特殊尺寸312.4挖掘力的計算34第3章液壓系統(tǒng)的設計383.1元件的選擇383.2系統(tǒng)分析39結論與展望41致謝42參考文獻43附錄A圖紙44附錄B主要參考文獻摘要45插圖清單圖1-1機械式單斗挖掘機10圖1-2連續(xù)作業(yè)式挖掘機10圖1-3單斗液壓挖掘機11圖1-4液壓挖掘機基本組成與傳動示意圖12圖1-5反鏟式挖掘機13圖1-6 液壓挖掘機反鏟裝置13圖1-7反鏟式挖掘機機構簡圖14圖2-1整體式直動臂16圖2-2整體彎動臂16圖2-3整體式直動臂結構簡圖17圖2-4整體式彎動臂結構簡圖17圖2-5整體式斗桿18圖2-6組合式斗桿19圖2-7整體式斗桿結構簡圖19圖2-8組合式斗桿結構簡圖19圖2-9反鏟式鏟斗基本形式20圖2-10反鏟式鏟斗常用形式20圖2-11鏟斗主要參數(shù)示意圖21圖2-13反鏟機構自身幾何參數(shù)的計算簡圖22圖2-15F點坐標計算簡圖24圖2-16斗桿機構擺角計算簡圖26圖2-17鏟斗連桿機構傳動比計算簡圖28圖2-18斗齒尖坐標方程推導簡圖30圖2-19最大挖掘深度計算簡圖33圖2-20最大卸載高度計算簡圖33圖2-21最大挖掘半徑及停機面最大挖掘半徑計算簡圖34圖3-1雙泵雙回路液壓系統(tǒng)圖39圖1挖掘機液壓原理圖44圖2挖掘機運動方案圖45圖3挖掘機運動循環(huán)圖46表格清單表1-1設計參數(shù)14表1-2挖掘機機體尺寸與工作尺寸15表2-1挖掘機機構的參數(shù)23表3-1主油泵相關參數(shù)38表3-2齒輪泵CB-B20相關參數(shù)38引 言挖掘機被稱為機械之王，在國家建設中起到舉足輕重的作用。反鏟式挖掘機只是挖掘機其中的一種，回顧我國挖掘機發(fā)展歷史：我國的挖掘機生產(chǎn)起步較晚，從1954年撫順挖掘機廠生產(chǎn)第一臺斗容量為1m3;的機械式單斗挖掘機至今，大體上經(jīng)歷了測繪仿制、自主研制開發(fā)和發(fā)展提高等三個階段。9WV鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)新中國成立初期，以測繪仿制前蘇聯(lián)20世紀3040年代的W501、W502、W1001、W1002等型機械式單斗挖掘機為主，開始了我國的挖掘機生產(chǎn)歷史。由于當時國家經(jīng)濟建設的需要，先后建立起十多家挖掘機生產(chǎn)廠。1967年開始，我國自主研制液壓挖掘機。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機械廠的WYl00型、貴陽礦山機器廠的W4-60型、合肥礦山機器廠的WY60型挖掘機等。隨后又出現(xiàn)了長江挖掘機廠的WYl60型和杭州重型機械廠的WY250型挖掘機等。它們?yōu)槲覈簤和诰驒C行業(yè)的形成和發(fā)展邁出了極其重要的一步。9WV鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)至20世紀80年代末，我國挖掘機生產(chǎn)廠已有30多家，生產(chǎn)機型達40余種。中、小型液壓挖掘機已形成系列，斗容有0.12.5 m3等12個等級、20多種型號，還生產(chǎn)0.5-4.0m3以及大型礦用10m3、12m3機械傳動單斗挖掘機，1m3隧道挖掘機，4m3長臂挖掘機，1000m3h 的排土機等，還開發(fā)了斗容量O.25m3的船用液壓挖掘機，斗容O.4m3、O.6 m3、0.8 m3的水陸兩用挖掘機等。但總的來說，我國挖掘機生產(chǎn)的批量小、分散，生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量等與國際先進水平相比，有很大的差距。9WV鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)改革開放以來，積極引進、消化、吸收國外先進技術，以促進我國挖掘機行業(yè)的發(fā)展。其中貴陽礦山機器廠、上海建筑機械廠、合肥礦山機器廠、長江挖掘機廠等分別引進德國利勃海爾(Liebherr)公司的A912、R912、R942、A922、R922、R962、R972、R982型液壓挖掘機制造技術。稍后幾年，杭州重型機械廠引進德國德瑪克(Demag)公司的H55和H85型液壓挖掘機生產(chǎn)技術，北京建筑機械廠引進德國奧加凱(0&K)公司的RH6和MH6型液壓挖掘機制造技術。與此同時，還有山東推土機總廠、黃河工程機械廠、江西長林機械廠、山東臨沂工程機械廠等聯(lián)合引進了日本小松制作所的PC100、PC120、PC200、PC220、PC300、PC400型液壓挖掘機(除發(fā)動機外) 的全套制造技術。這些廠通過數(shù)年引進技術的消化、吸收、移植，使國產(chǎn)液壓挖掘機產(chǎn)品性能指標全面提高到20世紀80年代的國際水平，產(chǎn)量也逐年提高。由于國內(nèi)對液壓挖掘機需求量的不斷增加且多樣化，在國有大、中型企業(yè)產(chǎn)品結構的調(diào)整，牽動了一些其他機械行業(yè)的制造廠加入液壓挖掘機行業(yè)。9WV鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)近年來，隨著基礎設施建設力度在全國各地的日益加大，中國挖掘機市場進入蓬勃發(fā)展階段，亟須掌握專業(yè)知識技能的優(yōu)秀挖掘機操作手。”中國工程機械工業(yè)協(xié)會會長祁俊日前指出，我國堪稱“世界上最大的建設工地”，我國挖掘機市場也進入高速發(fā)展階段。與此同時，挖掘機的節(jié)能降耗的重要性也愈發(fā)明顯。節(jié)能環(huán)保成工程機械發(fā)展方向：節(jié)能減排、綠色環(huán)保已成為每個行業(yè)的熱點話題，工程機械行業(yè)也不例外，中國工程機械企業(yè)紛紛推出蘊含“技術創(chuàng)新”、“環(huán)保”、“再制造”等概念的新產(chǎn)品，意味著整個行業(yè)向綠色、智能轉型的同時，節(jié)能減排、綠色環(huán)保已經(jīng)滲入到整個行業(yè)的發(fā)展中。第1章 液壓挖掘機1.1挖掘機的類型 挖掘機械的類型與構造形式繁多，可按照挖掘工作原理與過程、用途、構造特征進行劃分。 按照用于，單斗挖掘機分為：建筑型、采礦型和剝離型等。建筑型挖掘機一般可裝置各種不同的工作裝置，進行多種作業(yè)，故又稱通用式。 按照動力裝置，挖掘機有電驅動、內(nèi)燃機驅動和符合驅動等，以一臺發(fā)動機帶支挖掘機全部機構為單機驅動式，以若干發(fā)動機分別帶動各個主要機構為多驅動式。按照傳動方式，挖掘機分為機械傳動式、液壓傳動式和混合傳動式。挖掘機的行走裝置型式有：履帶式、輪胎式、汽車式、步行式、軌道式、拖式等。單斗挖掘機工作裝置的型式很多，常用的基本型式，對于機械挖掘機有：正鏟、反鏟、拉鏟和起重吊鉤等以下如圖所示挖掘機基本類型：1圖1-1機械式單斗挖掘機2圖1-2連續(xù)作業(yè)式挖掘機3圖1-3單斗液壓挖掘機1.2 液壓挖掘機的基本組成和工作原理液壓挖掘機的種類很多，單斗液壓挖掘機算是其中一個代表,如圖1-4。單斗挖掘機是一種采用液壓傳動并以一個鏟斗進行挖掘作業(yè)的機械。它是在機械傳動單斗挖掘機的基礎上發(fā)展而來的，是目前挖掘機中重要的品種。它的作業(yè)過程是以鏟斗的切削刃切削土壤并將土裝入斗內(nèi)，斗裝滿后提升，回轉至卸土的位置進行卸土，卸空后鏟斗再回轉并下降到挖掘面進行下一次挖掘。當挖掘機挖完一段土后，機械移位，以便繼續(xù)工作，因此，是一種周期作業(yè)的自行式土方機械。1.2.1 單斗液壓挖掘機的基本組成單斗液壓挖掘機為了實現(xiàn)以上周期工作，液壓挖掘機必須有以下基本結構：工作裝置、回旋機構、傳動裝置（液壓部分）、操作裝置、行走裝置等。單斗液壓挖掘機基本組成：由轉臺及轉臺上部的結構、底架及行走系、工作裝置等三大部分組成。回轉平臺：由回轉平臺、液壓傳動裝置、伺服操縱裝置、動力裝置、司機室、空調(diào)系統(tǒng)、電器系統(tǒng)等組成。 工作裝置：由動臂、斗桿、鏟斗、連桿、搖桿、油缸等組成。行走裝置：由車架、支重輪、托鏈輪、導向輪、張緊裝置、履帶、行走機構、回轉接頭等組成 。 動作（五個動作及其復合）動臂升降、斗柄轉動、挖斗轉動、轉臺回轉及行走。1.2.2 單斗液壓挖掘機的工作原理液壓挖掘機與機械挖掘機的主要區(qū)別在于傳動裝置的不同，以及由于傳動的改變而一起的工作裝置機構形式的不同。液壓挖掘機的液壓傳動系統(tǒng)由液壓泵、液壓馬達、液壓缸、控制閥及油管等液壓元件組成。并且采用液壓分配器及各種控制閥來控制各種機構的運動。圖1-4所示為液壓挖掘機基本組成及傳動示意圖。如圖所示，柴油機驅動兩個液壓泵，把高壓油輸送給兩個分配閥，操作控制閥，將高壓油再送往有關液壓執(zhí)行元件（液壓缸或液壓馬達）驅動相應的機構工作。液壓挖掘機的工作原理采用連桿機構原理，而各部分的運動則通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。圖1-4所示為液壓挖掘機最常用的工作裝置反鏟裝置。它由鏟斗1、斗桿2、動臂8、連桿4以及相應的三組液壓缸5、6、7組成。動臂下鉸點鉸接在轉臺上，利用動臂液壓缸的伸縮，使動臂繞動臂下鉸點。挖掘作業(yè)時，接通回轉機構液壓馬達，轉動上部轉臺，使工作裝置轉到挖掘地點，同時操縱動臂液壓缸，小腔進油液壓缸回縮，使動臂下降至鏟斗接觸挖掘面為止，然后操縱斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。斗裝滿后，將斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸停動并操縱動臂液壓缸大腔進油，使動臂升離挖掘面，隨之接通回轉馬達，使斗轉到卸載地點，再操縱，斗桿和鏟斗液壓缸回縮，使鏟斗反轉進行卸土。卸完后，將工作裝置轉至挖掘地點進行第二次挖掘工作。4圖1-4液壓挖掘機基本組成與傳動示意圖1鏟斗； 2斗桿 ；3動臂； 4連桿 ；5、6、7液壓缸；挖掘裝置 ；回轉裝置；行走裝置； 1.3反鏟式挖掘機反鏟式挖掘機是最常見的挖掘機一種，廣泛用于建筑領域，主要用于平整路面、深挖基坑等。以下我們介紹一下反鏟式挖掘機。圖1-5為反鏟式挖掘機5圖1-5反鏟式挖掘機1.3.1反鏟式挖掘機的反鏟裝置反鏟裝置是中小型液壓挖掘機的主要工作裝置。如圖1-6所示。目前廣泛應用的斗容在1.6m3以下。6圖1-6 液壓挖掘機反鏟裝置1-動臂；2-斗桿；3-鏟斗；4、5、6-動臂、斗桿及鏟斗液壓缸；7-連桿機構液壓挖掘機反鏟裝置由動臂1、斗桿2、鏟斗8以及動臂液壓缸4、斗桿液壓缸5、液壓缸6和連桿機構7等組成。其構造特點是各部件之間的聯(lián)系全部采用鉸接，通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。反鏟式挖掘機的機構簡圖7圖1-7反鏟式挖掘機機構簡圖自由度的計算活動構件數(shù)n=9低副PL=12 高副PH=0厡動機件有3自由度F=3n-2PL-PH (1-1) =3×9-2×12=3 1.3.2反鏟式挖掘機主要參數(shù)及參數(shù)選擇液壓挖掘機主要參數(shù)中最重要的參數(shù)有三個，即斗容、整機重量、和發(fā)動機功率。標準斗容量：指挖掘機三級或容量為18000 N/m3的土壤時，鏟斗堆尖時的斗容量。為充分發(fā)揮挖掘機的挖掘力，對于不同等級或容量的土壤可以配備相應不同的斗容量的鏟斗。整機重量：是指帶標準反鏟或正鏟工作裝置和標準行走裝置時的整機工作質(zhì)量。發(fā)動機功率：指發(fā)動機的額定功率（12小時工作），即正常運轉條件下本身消耗以外的輸出凈功率。由設計任務書給出以上主要參數(shù)：斗容：0.4立方米；整機重量5噸；發(fā)動機功率60千瓦。 參考卡特CT85-7B挖掘機參數(shù)設定挖掘機的參數(shù)如下1表1-1設計參數(shù)鏟斗容量整機重量發(fā)動機功率0.4m³5t60KW尺寸參數(shù)的選擇以液壓挖掘機的機重為指標，用以下公式近似確定：線尺寸參數(shù)：=面積參數(shù)：=體積參數(shù)： = (1-2)式中， ，分別是各個線向、面積、體積尺寸經(jīng)驗系數(shù)，查單斗液壓挖掘機表1-4。列計算后所得機體尺寸和工作尺寸數(shù)據(jù)在下表。2表1-2挖掘機機體尺寸與工作尺寸名 稱尺寸（米）名 稱尺寸（米）履帶接地長度2.35軌距1.36司機室頂高1.7轉臺離地高0.68尾部半徑1.624機棚高1.36最小離地間隙0.24履帶寬0.50臂鉸與油缸鉸距0.548履帶總高0.48臂鉸離地高1.111臂鉸離回轉中心0.37前部離回轉中心0.60動臂長度3.00斗桿長1.36鏟斗長0.85第二章 反鏟式挖掘機傳動機構的設計 2.1反鏟式挖掘機傳動機構方案的設計2.1.1挖掘機動臂選擇 8圖2-1整體式直動臂9圖2-2整體彎動臂整體式動臂有直動和彎動兩種,如下為整體式直動臂與彎動臂的結構簡圖10圖2-3整體式直動臂結構簡圖11圖2-4整體式彎動臂結構簡圖如上圖分析可知整體式直動臂的自由度F1=3×8-2×10-1=3整體式彎動臂的自由度F2=3n-2PL-PH (2-1) =3×9-2×12=3 采用整體式彎動臂有利于得到較大的挖掘深度，它是專用反鏟裝置常見的如圖（2-2）整體式彎動臂在彎曲處的結構形狀和強度值得注意。整體式動臂結構簡單、價廉，剛度相同時結構重量較組合式動臂輕。它的缺點是替換工作裝置較少，通用性較差。為了擴大機械的通用性，提高其利用率。往往需要配備幾套完全不通用的工作裝置。一般說，長期用于作業(yè)條件相似的反鏟采用整體動臂結構比較合適。整體式彎動臂與整體式直動動臂相比各有優(yōu)缺點，它們分別適用于不同的作業(yè)條件。組合式動臂的主要優(yōu)點：1. 工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化進行調(diào)整。當采用連桿連接時調(diào)整時間只需十幾分鐘，采用液壓缸連接時可以隨時進行無級調(diào)節(jié)。2. 較合理地滿足各種類型的作業(yè)裝置的參數(shù)和結構要求，從而較簡單地解決主要構件的變化問題。因此其替換工作裝置較多，替換也方便，一般情況下，下動臂可以適應各種工作裝置的要求，不需要拆換。3. 裝車運輸比較方便。由于上述優(yōu)點，組合式動臂結構比整體式動臂復雜，但得到較廣泛的應用。以中小型通用液壓挖掘機作業(yè)條件多變時采用整體式彎動動臂較為合適。如圖2-2所示。2.2.2確定斗桿結構形式斗桿有整體式和組合式兩種，如下圖分別是整體式和組合式斗桿的簡圖12圖2-5整體式斗桿13圖2-6組合式斗桿14圖2-7整體式斗桿結構簡圖15圖2-8組合式斗桿結構簡圖整體斗桿的自由度F1=2, 組合式斗桿自由度F2=3n-2PL-PH=1 (2-2)由于組合式斗桿通用性比較好，自由度為1，所以選擇組合式斗桿2.1.2定鏟斗的結構形式和斗齒的安裝結構一，基本要求：1.裝設斗齒，以增大鏟斗對挖掘物料的線比壓，斗齒及斗形參數(shù)具有較小的削阻力，便于切入及破碎的土壤。斗齒應該耐磨、易于更換。2.為使裝進鏟斗的物料不易掉出，斗寬與物料直徑之比應大于4：1.3.物料易于裝卸干凈，縮短卸載時間，并提高鏟斗有效容積。反鏟式的鏟斗的形狀、尺寸與其作業(yè)對象有很大的關系。為了滿足各種挖掘業(yè)的需要，在同一臺挖掘機上可配以多種結構型式的鏟斗。圖2-9、圖2-10分別為反鏟用鏟斗的基本形式和常用形式。16圖2-9反鏟式鏟斗基本形式17圖2-10反鏟式鏟斗常用形式二，斗型參數(shù)的選擇斗容量q，平均斗寬B，轉斗挖掘半徑R和轉斗挖掘裝滿轉角2（這里令 max）是鏟斗的四個主要參數(shù)。R、B及2三者與q之間有以下幾何關系（圖2-11）18圖2-11鏟斗主要參數(shù)示意圖q= （2-3）式中土壤松散系數(shù)KS的近似值取1.25.因我國標準斗容量q指堆尖容量，所以裝滿系數(shù)可以不再考慮。令q=0.4,R=0.7, 2=90°，則由（2-3）可以求出B=1.46。顯然，B過大會造成最大挖掘阻力和轉斗挖掘能容量E增大，不利于提高效率。于是增大R，使R=0.96 得出B=0.78，合適。 2.2反鏟式挖掘機的運動分析反鏟裝置的具體結構型式雖多，但常見的只有十幾種，按運動分析，其中有實質(zhì)差別的機構型式不過幾種，且它們之間還存在著許多共同點。有些不同點在運動學上還能以通用的數(shù)學表達式表示?，F(xiàn)介紹一種通過直角坐標系對典型結構型式作運動分析的方法，以便借助于電子計算機進行方案比較和參數(shù)的選擇。反鏟裝置的幾何位置取決于動臂液壓缸的長度L1、斗桿液壓缸的長度L2和鏟斗液壓缸的長度L3.顯然，當L1 、L2、L3為某一組確定值時反鏟裝置就相當于處于一個確定的幾何位置。如圖2-12設計平面直角坐標系，使X軸與地面重合，Y軸與挖掘機回轉中心線重合。則斗齒尖V所在的X坐標值XV就表示挖掘半徑，Y坐標值YV為正值時就表示挖掘高度，為負值時表示挖掘深度。必須注意，當L1 、L2和L3為一組定值時只有一組XV和YV值與其對應，反之對于XV和YV的一組定值卻有許多組L1L2和L3與其相應。圖2-12設計平面直角坐標系2.2.1機構自身幾何參數(shù)機構自身幾何參數(shù)有:第一類是決定機構運動特性的必要參數(shù),稱為原是參數(shù),這里主要選擇長度參數(shù)作為原是參數(shù);第二類是由第一類參數(shù)推算出來的參數(shù),稱推導參數(shù),多為運算中需要的角度參數(shù);第三類是作為方案分析比較所需要的其他特性參數(shù)。反鏟機構自身的幾何參數(shù)的計算簡圖及其有關符號如圖2-13所示。19圖2-13反鏟機構自身幾何參數(shù)的計算簡圖3表2-1挖掘機機構的參數(shù) 參數(shù)分類機 構 組 成鏟斗斗桿動臂機體符 號 意 義原始參數(shù)l3=QV,l12=MH,l13=MN,l14=HNl24=QK,l25=KV,l29=KHl2=FQ,l9=EF,l10=FG,l11=EG,l15=GN,l16=FN,l21=NQl1=CF,l6=CD,l7=CB,l8=DF,l22=BFl4=CP,l5=CA,l17=CI,l19=CT,l30=CS,l38=JT,l39=JI推導參數(shù)1=NMH10=KQV4=EFG6=GNF9=GFN7=NQF8=NFQ2=BCF3=DFC11=CAF12=TCP2.2.2動臂運動不難列出動臂上任意一點的坐標方程?，F(xiàn)在以F點為例，由圖2-15得10=BCU=111= （2-4）20圖2-14動臂擺角范圍計算簡圖21圖2-15F點坐標計算簡圖動臂機構參數(shù)的選擇與計算選取動臂彎角1=120°，取動臂特性參數(shù)K3（K3=）=1.2取K1（K1為動臂長/斗桿長K1=）=1.8，根據(jù)最大挖掘半徑一般與動臂長、斗桿長和鏟斗長的和值相等=（m）m （2-5）m （2-6）39=ZFC=27.41 ° （2-7）在三角形ZCF中ZCF=33°取K4=0.96,11=60°,l5=0.665m基本用于反鏟。斗桿全縮時FQV為最大值，取為160°?？紤]結構尺寸、運動余量、穩(wěn)定性構件運動幅度等因素，取 因： (2-8)得：1max=125° 又因： （2-9） （2-10）得： 符合下列幾何條件： （2-11）即得： （2-12） （2-13） （2-14）這樣，動臂機構的全部參數(shù)初步選出2.2.3斗桿的運動斗桿的位置參數(shù)是L1和L2的函數(shù)。討論斗桿相對于動臂的運動，也即只考慮L2的影響。斗桿機構與動臂機構的性質(zhì)類似，它們都是四連桿機構，但連桿不同，在動臂機構中一般L7>L5,斗桿機構中一般L9<L8。斗桿相對于動臂的擺角范圍2max由圖2-16 22圖2-16斗桿機構擺角計算簡圖2max=2max1min = （2-15）斗桿液壓缸的作用力臂設B=則e2= （2-16）當L2以L2min和L2max代入，得e20和e21.斗桿液壓缸的最大作用力臂e2max=l9，此時L2=。e20= （2-17）e22= （2-18）斗桿參數(shù)的選擇和計算查找資料該挖掘機斗桿的最大挖掘力為PGmax=46.6kN根據(jù)公式即e2max=又有l(wèi)2=1.36m,l3=0.85m,PGmax=46.6KNe2max=(m)假設斗桿擺角范圍為90°，即°在三角形中，已知l9=0.505m, =90°可得E0EZ=0.68（m）選擇油缸L2min=1.03m則L2max=1.71m（m） (2-19)由前面的公式可知 (2-20) （2-21） （2-22）e20= （2-23）e22= （2-24）這時=DEF=25° （2-25）2.2.4鏟斗的運動 鏟斗相對于X-Y坐標系的運動是L1、L2和L3的函數(shù)，情況較復雜。現(xiàn)在先討論23圖2-17鏟斗連桿機構傳動比計算簡圖1.鏟斗連桿機構的傳動比i當給定了鏟斗液壓缸長度L3，由原始參數(shù)及推導參數(shù)出發(fā)，利用幾何關可依次求得圖2-17中5，22，30，23，L26，24，25，L27，26，28，27和29等值。鏟斗液壓缸對N點的作用力臂為r1=l13×sin2； （2-26）連桿HK對N點的作用力臂為r2=l14×sin2；連桿HK對Q點的作用力臂為r3=l34×sin2；鏟斗連桿機構的總傳動比為i= （2-27）顯然i是L3的一元函數(shù)。用L3min代入上式可得到初傳動比i0，用L3max代入上式則得終傳動比i0.為了求最大傳動比imax及其發(fā)生時的L3，在理論可以取，解得L3，求得imax。實際計算較困難。如采用優(yōu)化方法以很快得到結果。I0=0.5代入數(shù)據(jù)可以得出對于斗桿的擺角范圍max鏟斗瞬時位置轉角為3=FQV=7+24+26+10 （2-28）當取L3=L3max和L3min時可分別求得3min和3max。于是得3max=3max3min （2-29）2.2.5整機作業(yè)范圍1.斗齒尖的坐標方程斗齒尖V的坐標值Xv和Yv是l1、l2和l3的函數(shù)。只要推導出Xv和Yv的函數(shù)表達式，那么整機的作業(yè)范圍就可以確定。圖2-18推導如下24圖2-18斗齒尖坐標方程推導簡圖由F點出發(fā)，結合前面計算得到的有關參數(shù)值，通過幾何和三角函數(shù)運算可依次求得32，l28，33，l23,34，35，l37，36等最后得到Xv=l30+l37×cos(21-34-36) （2-30）Yv=l19×cos12+l37×sin(21-34-36) （2-31）2.參數(shù)運算斗形參數(shù)的選擇斗容q，平均斗寬B，挖掘半徑和轉斗挖掘裝滿角度2是鏟斗的四個主要參數(shù)它們之間的關系如下q=一般土壤松散系數(shù)KS=1.25;q=0.4m3由上面得出B=0.76m，2=90°求出挖掘半徑Rm （2-32）鏟斗上兩鉸點K與Q間距l(xiāng)24K2=由鏟斗長度l3=0.7m，K2=0.35,l24=0.245m取l24=0.4(m)L3max 與L3min 的確定鏟斗的最大挖掘阻力F3J max 應該等于斗桿的最大挖掘力，即F3J max = 138KN。粗略計算知斗桿挖掘平均阻力F3J max = F3J max /2 = 69 KN 挖掘阻力F3J 所做的功W3J：W3J = F3J max l3 3max （2-33）= 6.9×105×0.7×165×/180= 1.39×105 N.m由圖4-4知，鏟斗油缸推力所做的功W3：W3 = F3 （2-1）L3min （2-34）= 31.4×106××552×10-6×0.6×L3min由功的守恒知鏟斗油缸推力所做的功W3 應該等于鏟斗挖掘阻力所做的功W3J ：W3 = W3J L3min = 0.781(m)則L3max =3 L3min =1.25(m) （2-35）剩余未選定的基本尺寸大部分為連桿機構尺寸，其應滿足以下幾個條件：挖掘力的要求：鏟斗油缸的挖掘力應與轉斗最大挖掘阻力相適應，當斗齒尖處于V1時，斗桿油缸的理論挖掘力應不低于最大挖掘阻力的80% 1，79-80。 即PD080% PD0max；當處于最大理論挖掘力位置時V1QV應為30°幾何相容。保證GFN、GHN、HNQK在l3的任意一行程下都不被破壞。在保證以上兩個條件，通過經(jīng)驗公式和同斗容的其它機型的測繪對照，初步選定剩余的基本尺寸如下：MK = 0.6(m)； MN = 0.64(m)；NQ = 0.4(m)； FN = l2-NQ = 2.6（m）； GF = 0.8(m)；由預選GFN = 60°則 GN2 = FN2 + GF2 2×COSGFN×FN×GF （2-36） GN = 1.3(m)至此，工作裝置的基本尺寸均已初步確定2.3特殊工作尺寸做方案設計時首先要考慮滿足對特殊工作尺寸的要求，如果最大挖掘深度，最大挖掘半徑，停機面最大挖掘半徑，最大卸載高度等等。這些特殊工作尺寸計算式如下2.3.1最大挖掘深度當下置式動臂液壓缸全縮或者懸掛式動臂液壓缸全伸，F(xiàn)QV三點同直線并處于垂直狀態(tài)下得到最大挖掘深度如圖2-19所示25圖2-19最大挖掘深度計算簡圖H1max=Yvmin=YFminl2l3 （2-37）這時Xv=XF。YFmin可由上式求得。取L1=L1min代入數(shù)據(jù)得出H1max=5.931m2.3.2最大卸載高度（圖2-20）當下置式動臂液壓缸全伸或者懸掛式動臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸全縮，QV連線處于垂直狀態(tài)下時可以求得最大卸載高度。26圖2-20最大卸載高度計算簡圖37=CFNQFN(3.1416FCU)=21+3283.1416 （2-38）因此Q點坐標為XQ=XF+L2×cos37 （2-39）YQ=YF+L2×sin37 （2-40）式中XF 和YF，這時取L=L1max，V點的坐標值XV=XQYV=YVmax=YQL3YV就是最大卸載高度Hmax代入數(shù)據(jù)得出Hmax=3.95m2.3.3最大挖掘半徑（圖2-21）當斗桿油缸全縮，F(xiàn)QV三點同一直線，而且=0時可以得到停機面最大挖掘半徑，27圖2-21最大挖掘半徑及停機面最大挖掘半徑計算簡圖當斗桿液壓缸全縮，轉斗液壓缸全縮，CV水平時得到最大挖掘半徑此時XV=R1max=Xc+l40=l30+l40 （2-41）YV=YCR1max就是最大挖掘半徑代入數(shù)據(jù)算出R1max=5.21m2.3.4停機面最大挖掘半徑（圖2-21）當斗桿液壓缸、轉斗液壓缸處于最大挖掘半徑狀態(tài)面鏟斗斗齒尖V靠在停機面上得到停機面最大挖掘半徑，此時R0max=XV= （2-42）代入數(shù)據(jù)得出R0max=4.52(m)2.4挖掘力的計算反鏟裝置挖掘力可按以下情況分為工作油缸的理論挖掘力、整機的理論挖掘力。2.4.1工作油缸的理論挖掘力反鏟裝置主要采用鏟斗油缸進行挖掘。假定不考慮以下因素：工作裝置自重和土重；液壓系統(tǒng)和連桿機構效率；工作油缸的背壓。鏟斗挖掘時，鏟斗油缸的理論挖掘力： （t） （2-43）式中，鏟斗油缸大腔作用面積：F3 =F1=122.656cm2鏟斗油缸的理論推力： （2-44）液壓系統(tǒng)工作壓力：p=250kg/cm鏟斗連桿機構的總傳動比：。對于反鏟裝置動臂油缸的理論挖掘力一般不予考慮。2.4.2整機的理論挖掘力假定挖掘力的方向為斗齒運動軌跡的切線方向，如圖工況為鏟斗油缸挖掘，鏟斗油缸主動作用產(chǎn)生的挖掘力為POD，大小已知。-可得到整機的理論挖掘力 （2-45）式中，鏟斗加土和連桿機構自重對Q點的作用力矩：P03能克服的最大挖掘阻力W03大小與P03相等，方向相反，即：=15.477t在作用下斗桿油缸受壓，動臂油缸受拉。設動臂油缸不被拉長的條件所限制的挖掘阻力為W01。取整個工作裝置為隔離體，列出對C點的力矩平衡方程式：(引用單斗液壓挖掘機)式中，Gi各裝置的大小（t）；動臂油缸對C點的作用力臂（m）； W01對C點的作用力臂（m）；各裝置作用力臂（m）?？傻茫?（2-46）同理： =9.801 t式中，對F點的作用力臂（m）；各裝置對F點的力矩(t*m)；斗桿油缸對F點的作用力臂（m）。取整機為隔離體，列出對傾翻支點I的力矩平衡方程式，得整機穩(wěn)定條件所允許的挖掘阻力最大值： （2-47）式中，rIWW06對I點的作用力臂（m）；工作裝置總重（T）；rIGGG對I點的作用力臂（t）；GS機體重量（t）； rSGS對I點的作用力臂（m）。附著條件所限制的挖掘阻力值可由整機受力的坐標投影平衡方程求得： （2-48）式中，整機重量（t）；行走裝置與地面附著系數(shù)；挖掘阻力的水平傾角，取為20°。綜上所述，只有在主動油缸產(chǎn)生的挖掘力同時滿足下列條件才可能實現(xiàn)：動臂油缸閉鎖條件斗桿油缸閉鎖條件整機與地面附著條件整機穩(wěn)定條件第3章 液壓系統(tǒng)設計根據(jù)國家公稱壓力及流量系列, 選用系統(tǒng)壓力為250Kg/cm2。已計算系統(tǒng)流量為2×1升/分。 3.1 元件選擇一、油缸的選擇動臂油缸、鏟斗和斗桿油缸均為單缸，缸徑均為125mm。二、油泵的選擇油泵功率：=63.13 （馬力） （3-1）式中，油泵的最大工作壓力（Kg/cm2）；油泵的流量（L/min）；油泵的總效率，取為0.88；R變量系數(shù)，取為2.5。查相關資料，主油泵采用埋油斜軸式軸向柱塞雙向變量泵, 參數(shù)如下：4表3-1主油泵相關參數(shù)型號公稱排量 mL/r額定壓力 Mpa額定轉速r/minZB-125,125EV125252200控制油路采用齒輪泵CB-B20,參數(shù)如下：5表3-2齒輪泵CB-B20相關參數(shù)型號公稱排量mL/r額定壓力MPa額定轉速r/min驅動功率KW重量Kg容積效率CB-B20202.514501.025.4>90三、馬達的選擇回轉馬達和行走馬達（在上述設計中已選定）型號均為GQM16-1600。四、發(fā)動機的選擇 由于變量系統(tǒng)油泵經(jīng)常在滿載或超載情況下工作，功率利用系數(shù)比較高，為了保證功率儲備，同時考慮到輔助設備的動力消耗，取發(fā)動機功率：78.91 （馬力）(1馬力等于0.7457122KW) （3-2）查相關資料，采用4120F型電動機。五、主油管管徑的計算挖掘機液壓系統(tǒng)主油管路的油液流速取為8m/s。=1.8 cm （3-3）六、油箱容量的計算油箱為開式，容量取為油泵總流量的1.5倍。=3.75 L （3-4）3.2 系統(tǒng)分析由電動機驅動液壓油泵,向工作裝置、轉臺回轉機構和行走裝置的執(zhí)行元件輸送液壓油。工作裝置包括動臂、斗桿和鏟斗，分別由液壓缸驅動；回轉機構和行走裝置由液壓馬達驅動。其工作循環(huán)是：以鏟斗切削土壤，裝滿后提升，回轉至卸土位置，卸空后的鏟斗再回到挖掘位置，開始下一次作業(yè)。液壓系統(tǒng)為雙泵雙回路液壓系統(tǒng)。根據(jù)挖掘機的作業(yè)要求，各個動作的符合大小和動作配合，將執(zhí)行元件合理分組是設計雙泵雙回路系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。例如履帶式液壓挖掘機的左、右履帶要求有獨立的驅動，以保證機械能夠克服左、右履帶的不同阻力，基本上實現(xiàn)直線行走、轉向和原地轉彎。又如，挖掘作業(yè)時，轉臺回轉和滿斗動臂提升需要同時進行，也有希望有獨立的驅動。單斗液壓挖掘機有六個主要執(zhí)行元件，即動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸、回轉馬達和兩個行走馬達，通常按三、三分組，即每三個元件構成一個獨立回路。如圖所示為3-1雙泵雙回路液壓系統(tǒng)圖28圖3-1雙泵雙回路液壓系統(tǒng)圖如圖3-1所示泵1和泵2各自構成并聯(lián)回路，兩個主回路有一條共同的回油回路第一回路：左行走馬達，回轉馬達，鏟斗液壓缸第二回路：右行走馬達，動臂油缸，斗桿液壓缸二、同步操作當兩主泵分別供油時，整個液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)同步操作：回轉與動臂、斗桿同步；鏟斗分別與動臂、斗桿同步。三、輔助元件回路中均設有過載安全閥和單向補油閥。主油路進油路上均設有單向閥保壓和防倒流。液壓油回油箱油路上設有冷油用的冷油器，以及防止油路堵塞的全流量濾清器。結論與展望這次我的畢業(yè)設計是挖掘機挖掘機構設計，雖然挖掘機很常見但我一直沒對它在意，甚至連它上面的部件名稱我都不知道，在拿到題目時我感覺一片茫然不知所措，開始找的資料有些太深奧我根本就看不懂，感覺大腦一片混亂，我才知道自己的水平處于什么位置。但我不灰心一邊看不懂就看兩遍不行再看，慢慢的就清晰了。這次設計綜合了大學四年的大多課程具有很強的綜合性，這些天我把相關課程又系統(tǒng)復習了一遍，感覺這些課程學得再好也未必就能做好畢業(yè)設計。這次設計的難點就是各個尺寸的確定，其中一些是根據(jù)經(jīng)驗公式得來的比較可靠。在作圖過程中我往周邊工地上跑了好幾次看看挖掘機工作裝置的構造，它們的結構形狀，盡管如此有些內(nèi)部結構也看不到，所以在設計圖中有些結構不完美。這次設計內(nèi)容很多，計算量很大，花費時間多，沒有一本書能把所有重點內(nèi)容包括在內(nèi)，我就想是否可以開發(fā)一種軟件，直接告訴它工作要求，它便能很快生成符合要求的最佳產(chǎn)品，大大減少設計時間，極大提高了生產(chǎn)率，我不知道這是否算瞎想，只是希望將來能有這樣一種大型軟件誕生。我覺得現(xiàn)在挖掘機還不夠完美，如果能找到一種新型超輕材料代替動臂、斗桿、鏟斗，機身重一點那么它的挖掘能力定會大大提高。只是自己現(xiàn)在做不到，希望自己將來能在這些方面做一點貢獻。這次設計為我繼續(xù)讀研究生打下了堅實的基礎。通過這次設計我學到了很多知識，第一次完全獨立的完成設計，沒有模板，沒有同學討論，有問題只能問老師或者上網(wǎng)搜。我喜歡畢業(yè)設計，它特別能鍛煉人多方面的能力，我喜歡這種感覺，但我知道自己的畢業(yè)設計做的不夠好，當中還是存在諸多問題的，并且這次設計還是在借鑒前人基礎上的，我覺得自己還差得很遠。但這也讓我更加認識自己的不足之處，成為我今后努力奮斗的動力。以后我將更加努力學習使自己的專業(yè)水平能不斷提高，將來能夠做一名好的機械設計人員，為我們的國家貢獻自己的一份力量。參考文獻1同濟大學,太原重型機械學院等編著. 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