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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目 液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置設(shè)計(jì)
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級 學(xué) 號 078105222
學(xué) 生 姓 名 盧越
指 導(dǎo) 教 師 邢普
填 表 日 期 2011 年 5 月 20日
一、選題的依據(jù)及意義：
液壓挖掘機(jī)反鏟挖掘裝置大大改善了挖掘機(jī)的技術(shù)性能，挖掘力大、牽引力大，機(jī)器重量，傳動(dòng)平穩(wěn)，作用效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下的土壤，如挖掘溝壕、基坑等，其挖掘軌跡取決于各液壓缸的運(yùn)動(dòng)及其組合。反鏟液壓挖掘機(jī)的工作過程為，先下放動(dòng)臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)斗桿及鏟斗，當(dāng)挖掘至裝滿鏟斗時(shí)，提升動(dòng)臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作裝置開始下一次作業(yè)循環(huán)。動(dòng)臂液壓缸主要用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨(dú)直接挖掘土壤；斗桿挖掘可獲得較大的挖掘行程，但挖掘力小一些。轉(zhuǎn)斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束時(shí)裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，因此挖掘機(jī)的最大挖掘力一般由轉(zhuǎn)斗液壓缸實(shí)現(xiàn)的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此轉(zhuǎn)斗挖掘可用于清除障礙或提高生產(chǎn)率。在實(shí)際工作中，熟練的液壓挖掘機(jī)人員可根據(jù)實(shí)際情況，合理操縱各個(gè)液壓缸，往往是各液壓缸聯(lián)合 工作，實(shí)現(xiàn)最有效的挖掘作業(yè)。
工作裝置是工程機(jī)械進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的裝置，該裝置直接影響到整機(jī)的生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性，因此合理的設(shè)計(jì)有著重大意義，尤其是土方工程機(jī)械，作業(yè)過程中動(dòng)力裝置的大部分能量消耗在挖掘土壤上。由于工作裝置的重量和成本只占整個(gè)機(jī)械的很小部分，因此，要降低挖掘土壤的能耗，提高效率，從研究工作裝置入手，在通常情況下，僅耗用較少的材料和費(fèi)用就能明顯地提高機(jī)械的性能，而機(jī)械的結(jié)構(gòu)無需作重大改變。
工程施工對工程機(jī)械的工作裝置提出的高效、多能，能適應(yīng)各種作業(yè)條件的要求，促使工作裝置在結(jié)構(gòu)形式和材料選用上不斷提高改進(jìn)，許多工作裝置的操縱已采用液壓伺服系統(tǒng)或自動(dòng)控制，是機(jī)械的操縱力大大減小，生產(chǎn)效率利用顯著提高，取得了良好的效果。在眾多的工作裝置中，裝載機(jī)的工作裝置的設(shè)計(jì)具有一定的典型性
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
第一臺手動(dòng)挖掘機(jī)問世至今已有130多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動(dòng)半回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)到電力驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)、應(yīng)用機(jī)電液一體化技術(shù)的全自動(dòng)液壓挖掘機(jī)的逐步發(fā)展過程。
我國的挖掘機(jī)生產(chǎn)起步較晚，從1954年撫順挖掘機(jī)廠生產(chǎn)第一臺斗容量為1m3的機(jī)械式單斗挖掘機(jī)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(gè)階段。 新中國成立初期，以測繪仿制前蘇聯(lián)20世紀(jì)30～40年代的W501、W502、W1001、W1002等型機(jī)械式單斗挖掘機(jī)為主，開始了我國的挖掘機(jī)生產(chǎn)歷史。1967年開始，我國自主研制液壓挖掘機(jī)。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機(jī)械廠的WYl00型、貴陽礦山機(jī)器廠的W4-60型、合肥礦山機(jī)器廠的WY60型挖掘機(jī)等。隨后又出現(xiàn)了長江挖掘機(jī)廠的WYl60型和杭州重型機(jī)械廠的WY250型挖掘機(jī)等。它們?yōu)槲覈簤和诰驒C(jī)行業(yè)的形成和發(fā)展邁出了極其重要的一步。 到20世紀(jì)80年代末，我國挖掘機(jī)生產(chǎn)廠已有30多家，生產(chǎn)機(jī)型達(dá)40余種。但總的來說，我國挖掘機(jī)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(jìn)水平相比，有很大的差距。我國單斗液壓挖掘機(jī)應(yīng)向全液壓方向發(fā)展；斗容量宜控制在0.1-15 m³；而對于大型及多斗挖掘機(jī)，由于液壓元件的制造、裝配精度要求高，施工現(xiàn)場維修條件差等，則仍以機(jī)械式為主。應(yīng)著手研究、運(yùn)用電液控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)操縱的自動(dòng)化。
改革開放以來，積極引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，以促進(jìn)我國挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展。例如，中國第一拖拉機(jī)工程機(jī)械公司、廣西玉柴股份有限公司、柳州工程機(jī)械廠等。這些企業(yè)經(jīng)過幾年的努力已達(dá)到一定的規(guī)模和水平?！ I(yè)內(nèi)人士指出，我國單斗液壓挖掘機(jī)應(yīng)向全液壓方向發(fā)展；斗容量宜控制在0.1-15 m3；而對于大型及多斗挖掘機(jī)，由于液壓元件的制造、裝配精度要求高，施工現(xiàn)場維修條件差等，則仍以機(jī)械式為主。應(yīng)著手研究、運(yùn)用電液控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)操縱的自動(dòng)化。
工業(yè)發(fā)達(dá)國家的挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本等是斗容量3.5-40 m3單斗液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國，從20世紀(jì)80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。例如，美國馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量50-150 m3的剝離用挖掘機(jī)，斗容量132 m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)；B-E(布比賽路斯一伊利)公司生產(chǎn)的斗容量168.2 m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)，斗容量107 m3的剝離用挖掘機(jī)等，是世界上目前最大的挖掘機(jī)。
從20世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。
三、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：
主要對由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括以下四部分:
1．挖掘機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)。
工作裝置是液壓挖掘機(jī)的主要組成部分之一。因用途不同，工作裝置的種類繁多，其中最主要的有反產(chǎn)裝置，正鏟裝置，起重裝置和抓斗裝置等。而同一種裝置也可以有許多種結(jié)構(gòu)形式，有的多達(dá)數(shù)十種，以適應(yīng)各種不同的作業(yè)條件。主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容有動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式。動(dòng)臂是工作裝置中的主要構(gòu)件，斗桿的結(jié)構(gòu)型式往往取決于動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)型式。反鏟動(dòng)臂可以分為整體式和組合式兩類。整體式動(dòng)臂有直動(dòng)式和組合式兩類。
直動(dòng)式臂結(jié)構(gòu)簡單，輕巧，布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機(jī)。采用整體式彎動(dòng)臂有利于得到較大的挖掘深度，它是專用反鏟裝置的常見形式。整體式彎動(dòng)臂在彎曲處的結(jié)構(gòu)形式和強(qiáng)度值得注意，近年來懸掛式挖掘機(jī)出現(xiàn)了小彎臂的結(jié)構(gòu)形式，是直動(dòng)臂的改良，動(dòng)臂的箱型結(jié)構(gòu)可以不用開口，動(dòng)臂和斗桿油缸及管路的布置也比較方便。
整體式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)廉。剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕。它的缺點(diǎn)是替換工作裝置較少，通用性較差。
而組合式動(dòng)臂有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）．工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化調(diào)整。
（2）．較合理的滿足各種類型作業(yè)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求。
（3）．裝車運(yùn)輸比較方便。
綜上選用組合式方案
2．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。
通過研究平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的規(guī)律，綜合利用作圖法與解析法，得出各構(gòu)件的長度與位置。作圖法精度不夠，只是一種近似的計(jì)算方法。
3．工作裝置各部分的基本尺寸的計(jì)算和驗(yàn)證。
動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇
（1）．動(dòng)臂機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)位置的選擇。
（2）．動(dòng)臂液壓缸作用力及閉鎖力的確定
斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇
確定斗桿液壓缸的鉸點(diǎn)位置，行程及力臂比時(shí)應(yīng)該考慮以下因素：
（1）．保證斗桿液壓缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。
（2）．保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力。
（3）．保證斗桿的擺角范圍。
鏟斗機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇
反鏟鏟斗及機(jī)構(gòu)有四桿機(jī)構(gòu)的，也有六桿機(jī)構(gòu)的。作為機(jī)構(gòu)的桿長參數(shù)一般都預(yù)先選定。這些參數(shù)必須滿足以下要求：
（1）．鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍
（2）．鏟斗機(jī)構(gòu)的載荷分析
4．工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
對由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。
二 設(shè)計(jì)方案
反鏟裝置的合理設(shè)計(jì)問題至今尚未理想的解決。以往多按經(jīng)驗(yàn)，采用統(tǒng)計(jì)和作圖試湊的方法，現(xiàn)在則盡可能采用數(shù)解分析方法，并利用電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
反鏟方案的選擇主要依據(jù)是設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定的使用要求，據(jù)以決定工作裝置是通用或是專用。此處確定為通用工作裝置。以反鏟為主的通用裝置應(yīng)保證反鏟使用要求，并照顧到其他裝置的性能。專用裝置應(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)條件的同時(shí)照顧其它條件下的性能。
設(shè)計(jì)方法主要是通過利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算設(shè)計(jì)量，動(dòng)臂，斗桿，轉(zhuǎn)斗。將計(jì)算得到的設(shè)計(jì)量帶入精確的計(jì)算公式來驗(yàn)證設(shè)計(jì)量是否得當(dāng)。若有出入，則再修改設(shè)計(jì)量。直到由設(shè)計(jì)量計(jì)算出的最大挖掘深度，挖掘半徑。最大卸載高度與給定的參數(shù)相吻合。具體步驟如下
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)臂的組合式方式，確定動(dòng)筆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斗桿，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)臂與斗桿的長度比，及特性參數(shù)K1=L1/L2。
對于一定的工作尺寸而言，動(dòng)臂與斗桿之間的長度比可以在很大的范圍內(nèi)選擇。一般當(dāng)K1>2時(shí)稱為長動(dòng)臂短斗桿方案，當(dāng)K1<1.5時(shí)屬于短動(dòng)臂長斗桿方案。K1在1.5~2之間稱為中間比例方案。
4． 確定配套鏟斗的種類,斗容量及其主要參數(shù)，并考慮鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比是否需要調(diào)節(jié)。
5． 根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力，流量，系統(tǒng)回路供油方式。工廠制造條件和三化要求等確定各液壓缸缸數(shù)，缸徑，全伸長度與全縮長度之比λ，考慮到結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)動(dòng)余量，穩(wěn)定性和構(gòu)件運(yùn)動(dòng)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
6． 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇
對于以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鞯闹行⌒头寸P，選擇斗桿參數(shù)時(shí)必須注意轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖掘區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓缸的挖掘力能得到充分發(fā)揮。而斗桿的擺角范圍大致在105~125之間。在滿足工作范圍和運(yùn)輸要求的條件下此值盡可能的取得小些，對以斗桿挖掘?yàn)橹鞯闹行蜋C(jī)更應(yīng)注意到這一點(diǎn)。一般說斗桿愈長，其擺角范圍可稍小。當(dāng)斗桿液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸同時(shí)伸出最長時(shí)，鏟斗前臂與動(dòng)臂之間的距離應(yīng)大于10cm。
根據(jù)斗桿挖掘阻力計(jì)算，并參照國內(nèi)外同類型機(jī)器斗桿挖掘力值，按要求的最大挖掘力確定斗桿液壓缸的最大作用力臂值l9。斗桿上∠EFQ取決于結(jié)構(gòu)因素，并考慮到工作范圍，一般在130o~170o之間。動(dòng)臂上∠DFZ也是結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)結(jié)構(gòu)因素預(yù)先估計(jì)。
斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)最后還必須按閉鎖性能校核。
7.鏟斗機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇
反鏟鏟斗及機(jī)構(gòu)有四桿機(jī)構(gòu)的，也有六桿機(jī)構(gòu)的。轉(zhuǎn)角范圍大致為90o~110o，為了滿足開挖和最后卸載及運(yùn)輸狀態(tài)的要求，鏟斗總轉(zhuǎn)角往往要達(dá)到150o~180o。為了挖掘深溝及垂直側(cè)壁的要求，不使斗底先于斗齒接觸土壤，常采用大仰角機(jī)構(gòu)，總轉(zhuǎn)角必須選擇適當(dāng)，不宜過大。設(shè)計(jì)時(shí)還要避免當(dāng)鏟斗液壓缸全伸時(shí)斗齒尖碰撞斗桿下緣的現(xiàn)象。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
（1） 工作進(jìn)度表
1. 查找資料，外文資料翻譯（不少于6000字符），開題報(bào)告 第1周-第2周
2．運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 第3周-第4周
3．總裝配圖設(shè)計(jì) 第5周-第6周
4. 工作裝置各部分基本尺寸設(shè)計(jì) 第7周-第8周
5．用UG/proe對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模和設(shè)計(jì) 第9周-第11周
6. 繪制零、部件圖 第12周-第13周
7. 畢業(yè)論文撰寫 第14周-第16周
8 .答辯準(zhǔn)備及論文答辯 第17周-第17周
（2） 挖掘機(jī)反鏟工作裝置主要特點(diǎn)：
反鏟主要用于挖掘停機(jī)面以下的土壤。其挖掘軌跡決定于各油缸的運(yùn)動(dòng)及其相互配合的情況。當(dāng)采用動(dòng)臂油缸工作并進(jìn)行挖掘時(shí)（斗桿油缸和鏟斗油缸不工作）可以得到最大的挖掘半徑和最長的挖掘行程。此時(shí)鏟斗的挖掘軌跡是以動(dòng)臂下鉸點(diǎn)為中心，斗齒尖至該鉸點(diǎn)的距離為半徑而做的圓弧線，其極限挖掘高度和深度（不是最大挖掘深度即圓弧線之起點(diǎn)、終點(diǎn)，分別決定于動(dòng)臂的最大上傾角和下傾角（動(dòng)臂對水平線的夾角），也即決定于動(dòng)臂油缸的行程。由于這種挖掘方式時(shí)間長并且由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實(shí)際工作中基本不采用。
在實(shí)際挖掘工作過程中，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時(shí)，則采用動(dòng)臂與斗桿兩種油缸同時(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，以及挖掘過程需要改變鏟斗與切削角等情況下，則要求采用斗桿與鏟斗油缸共同工作。顯然此時(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。當(dāng)然，這種動(dòng)作能否實(shí)現(xiàn)決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)絡(luò)圖，即挖掘機(jī)在任意正常工作周位置時(shí)，控制到的工作范圍，圖上各控制尺寸即液壓挖掘機(jī)的工作尺寸。
對于反鏟裝置的只要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)以下，這一范圍的土壤雖然能挖掘但可能引起土壤的崩塌而影響機(jī)械的穩(wěn)定性和安全性，除有條件的挖溝作業(yè)一般不使用。故有的挖掘機(jī)工作尺寸圖上標(biāo)明有效的工作范圍，或以虛線表明此段的挖掘軌跡如圖所示。
圖一
挖掘機(jī)反鏟裝置的最大挖掘力決定于液壓系統(tǒng)的工作壓力，油缸尺寸，以及油缸間作用力影響（斗桿，動(dòng)臂油缸的閉鎖壓力及力臂）外。還決定與整機(jī)的穩(wěn)定和地面的附著情況。反鏟挖掘機(jī)速度結(jié)構(gòu)尺寸已定的條件下決定于液壓系統(tǒng)對工作油缸的供油量，對動(dòng)臂油缸和斗桿油缸為提高其單獨(dú)工作的挖掘速度，在液壓系統(tǒng)中可采用合流供油措施來保證。液壓反鏟都采用轉(zhuǎn)斗卸土，卸載較準(zhǔn)確，平穩(wěn)，便于裝車工作。
五、參考文獻(xiàn)
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