20噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計

1、山東交通學院2012 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計）屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設計） 題目：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化班 級： 機械 085 學 號： 080610418 姓 名： 谷守領 指導教師： 張 鵬 二 o 一二年六月1摘摘 要要挖掘機械是用鏟斗挖掘高于或低于承機面的物料，并裝入運輸車輛或卸至堆料場的土方機械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及經(jīng)過預松后的土壤和巖石。液壓挖掘機的工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置，它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成；其工作過程是由動臂的上升下降，斗桿的伸出和回收，鏟斗的挖土和卸土，以及上部平臺的 360回轉等動作組

2、成。從外觀上看，挖掘機主要由工作裝置、上部轉臺和行走機構三部分組成。本論文主要對挖掘機進行工作裝置設計。首先，提出整機的方案并初步確定各部件的結構尺寸，進而完成了動臂、斗桿、鏟斗等部件的結構設計，并對工作裝置各部件進行了 各鉸點之間的距離 計算和校核 以及挖掘機作業(yè)范圍的計算 。最后，運用 solidworks 三維軟件繪制了挖掘機的整體三維效果圖，實現(xiàn)了挖掘機的三維動畫。關鍵詞：挖掘機，工作裝置， solidworks 三維軟件2abstractexcavator is a earth-moving machinery, witch is used to dig the material a

3、bove or below the surface of bearing machine and load transport vehicles or unload to the yard by its bucket. excavated material is mainly soil, coal, sand, pre-loose soil and rocks. hydraulic excavator s working unit is the device of complete the mining task directly, which consists ，of boom, stick

4、,and bucket ,the three parts are hinged together; the work process consists of the rise and fall of the boom, the stretch and recovery of stick , the excavation and dump of bucket, and the 360 rotary movement of the upper platform and so on. from the exterior view, excavator consist of three parts o

5、f working unit, the upper turret, and running gear of three parts.the paper mainly designs the overall structure and the working unit of the excavator. firstly, the paper must make sure the whole scheme and the initial size of parts structure, ，then complete the kinematic analysis of the boom, stick

6、, bucket and other parts , and calculate and check the various components of the working unit. finally, the three-dimensional software of solidworks is used to draw three-dimensional renderings of the overall excavator, and achieve excavator s three-dimensional animation.，keywords: excavator, workin

7、g unit, the three-dimensional software of solidworks3目 錄1 緒 論 .11.1 選題的目的及意義.11.2 挖掘機工作原理概述.21.3 國內外研究現(xiàn)狀.31.4 課題研究方法.41.5 論文構成及研究內容.52 挖掘機工作裝置設計 .62.1 工作裝置構成.62.2 動臂及斗桿的結構形式的初選.72.3 動臂與動臂油缸的布置.72.4 鏟斗與鏟斗油缸的連接方式.82.5 鏟斗的結構選擇.82.6 原始幾何參數(shù)的初定.93 工作裝置運動分析 .113.1 動臂運動分析.113.2 斗桿的運動分析.123.3 鏟斗的運動分析.133.4 特

8、殊工作位置計算.184 工作裝置的設計計算 .214.1 斗形參數(shù)的確定.214.2 動臂機構參數(shù)的確定.214.2.1 與 a 點坐標的選取 .214.2.2 l1 與 l2 的計算 .214.2.3 l41 與 l42 的計算 .224.2.4 l5 的計算 .224.3 斗桿機構基本參數(shù)的確定.234.4 鏟斗機構基本參數(shù)的確定.254.4.1 轉角范圍 .254.4.2 鏟斗機構其它基本參數(shù)的計算 .255 三維實體設計.275.1 solidworks三維軟件簡介 .275.2 挖掘機實體建模.275.2.1 繪制出零部件 .275.2.2 裝配部件 .285.4 分析運用solid

9、works軟件得到的結果.29結 論 .30致 謝 .314參考文獻 .32山東交通學院畢業(yè)設計（論文）11 緒 論1.1 選題的目的及意義挖掘機械是一種集土方挖掘、裝載、平整、拆除、搶險等作業(yè)的工程機械，廣泛應用于各類土石方工程施工、民用建筑、道路建設和市政工程場所，在工程機械中占據(jù)著舉足重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，世界范圍內各種土方工程約有 6070%的土方工作由挖掘機械來完成的。因此，在世界范圍內，挖掘機也是產(chǎn)銷量最大、應用最多的一類工程機械。尤其近年來我國挖掘機械的產(chǎn)銷量每年均有 1530%的爆炸式增長，2010 年更是達到了驚人的74.5%的增長。可以說挖掘機械式工程機械行業(yè)中最重要的機種之

10、一，工程機械之王，甚至可以說得挖掘機械者得工程機械天下。液壓挖掘機與其他工程機械相比，具有更高作業(yè)效率、更加節(jié)能特點，其科技含量和信息化程度高，是工程機械中技術難度大，具有標志性的重要產(chǎn)品之一，它的制造技術水平和生產(chǎn)能力反映了國家的工程機械的整體水平，不夸張的說也反映了國家的裝備制造業(yè)水平。液壓挖掘機是結構復雜的終端機械產(chǎn)品，整機的零部件高達 2000 多種 3000 多件，覆蓋機械、液壓傳動、冶金、石油化工、電氣等多行業(yè)。它的發(fā)展將全面帶動相關產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為國民經(jīng)濟增長起到相當重要的促進意義中國挖掘機行業(yè)從形成、發(fā)展到壯大，成為世界工程機械大國，經(jīng)歷了短短的 40余年，特別是改革開放 3

11、0 年來，發(fā)展尤為迅速，以液壓挖掘機為例，1993 年我國液壓挖掘機總銷量為 2349 臺，17 年后的 2010 年我國液壓挖掘機的總銷量高達 165000 臺，17 年增長 60 倍，2010 年更是達到了同比增長 74.5%驚人速度。2010 年 12 月，國內主要 23 家主要挖掘機制造公司實際累計銷售挖掘機 13500 臺，打破歷年 12 月銷售記錄；在過去的 2010 年，我國挖掘機行業(yè)延續(xù)了上年發(fā)展態(tài)勢，在政府加大基建投資、推進城鎮(zhèn)化建設等多種政策疊加效應的作用拉動下，實際累計銷售總量超過 165000 萬臺，銷量再創(chuàng)新高。據(jù)中國挖掘機械網(wǎng) cema 中國市場挖掘機實銷量數(shù)計庫統(tǒng)

12、計，2010 年中國自主品牌挖掘機實際累計銷售挖掘機 47600 臺，較去年同期大幅增長 92%，遠高于行業(yè)平均增長水平。自主品牌占當年挖掘機銷售總量的 28.74%，比上年提高 2.72%。2010 銷售最大占第一位的是江蘇省，其余依次是四川、安徽、山東、內蒙、排名與往年不大。再從國內市場分十大用戶行業(yè)來說，公路建設挖掘機需求量占全年銷售量的 18.7%，礦山開采占 18.4%，市政建設（包括房地產(chǎn)業(yè)）占 25.3%，這三大行業(yè)占了總需求量 60%以上，未來這三大行業(yè)將繼續(xù)發(fā)展，鐵路建設、水利水電等行業(yè)將作為重點發(fā)展行業(yè)需求前谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計2景看好。從

13、2010 年開始，隨著經(jīng)濟的逐步復蘇，公路建設、房地產(chǎn)建設、鐵路建設等領域直接拉動了對挖掘機的需求。受國家推動的大規(guī)?；ㄓ媱澓头康禺a(chǎn)行業(yè)投資景氣的影響，中國挖掘機市場將會有進一步的增長。未來挖掘機行業(yè)前景看好，中西部地區(qū)和東北地區(qū)隨著經(jīng)濟建設的加快和施工項目的增多，對挖掘機的需求量也將逐年增大。在過去 10 年，伴隨著中國經(jīng)濟長期持續(xù)的高速增長，中國市場對挖掘機的需求不斷攀升，成為當今全球最大的、贏利水平最好和競爭最激烈的市場之一。全球挖掘機制造商的未來也因此與中國市場緊密的聯(lián)系在一起。隨著全球挖掘機市場新格局的形成，可以預見的是，中國的挖掘機市場也逐漸成為一股影響全局的力量。2010 年，

14、挖掘機引領了工程機械行業(yè)“新潮流” ，在國內固定資產(chǎn)投資和房地產(chǎn)開發(fā)較快增長的背景下，工程機械行業(yè)呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，挖掘機表現(xiàn)尤為突出，業(yè)內人士普遍對 2011 年的挖掘機增長前景看好。2011 年雖然房地產(chǎn)面臨國家調控的壓力，但高鐵、保障性住房、水利等領域的基礎建設仍將給挖掘機帶來較大的增長機會，國產(chǎn)品牌的增速將明顯高于行業(yè)平均水平。中國工程機械行業(yè)必須具有長遠眼光，在積極攻占內地市場同時，加快對海外工程機械市場的進軍步伐，加快節(jié)能減排步伐，在危機中不斷尋找企業(yè)轉型發(fā)展的新契機。核心零部件受制于人始終是國產(chǎn)挖掘機的短板。液壓泵、液壓閥、馬達、液壓油缸甚至發(fā)動機等主要零部件的供應常?？刂圃谏贁?shù)

15、幾家供應商手中，它們根據(jù)自己公司的生產(chǎn)情況量產(chǎn)，并非隨著制造商產(chǎn)量的增長擴大生產(chǎn)。關鍵零部件短缺，仍是國內品牌的主機制造企業(yè)心中的“痛” 。所以，大投入和研發(fā)、攻國內外市場、核心技術和關鍵零部件的科研上取得突破對國內挖掘機品牌來說其重要意義不言而喻，是我們努力的方向和目標1.2 挖掘機工作原理概述液壓挖掘機的工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置，它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。動臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉動都用往復式雙作用液壓缸控制。回轉與行走裝置是液壓挖掘機的機體，轉臺上部設有動力裝置和傳動系統(tǒng)。其工作過程是由動臂的上升下降，斗桿的伸出和回收，鏟斗的挖土和卸土，以及上部平臺的 360回轉等動

16、作組成。發(fā)動機是液壓挖掘機的動力源，大多采用柴油要在方便的場地，也可改用電動機。液壓傳動系統(tǒng)通過液壓泵將發(fā)動機的動力傳遞給液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行元件，推動工作裝置動作，從而完成挖掘機的挖掘、滿斗舉升回轉、卸載、空斗返回等各種工況動作。山東交通學院畢業(yè)設計（論文）31-斗桿油缸；2- 動臂； 3-油管； 4-動臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒； 7-側板；8-連桿； 9-搖桿； 10-鏟斗油缸； 11-斗桿圖 1.1 工作裝置組成圖fig.1.1 work device of operation1.3 國內外研究現(xiàn)狀從 20 世紀后期開始，國際上挖掘機的研發(fā)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動

17、化的方向發(fā)展。1）多品種、多功能、高質量及高效率的挖掘機。2）發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。3）采用新技術、新工藝、新結構，加快標準化、系列化、通用化發(fā)展速度。4）設計理論，提高可靠性，延長使用壽命。5）對駕駛員的勞動保護，改善駕駛員的勞動條件。6）步改進液壓系統(tǒng)。7）拓展電子化、自動化技術在挖掘機上的應用。8）環(huán)境保護，cat、小松等廠家紛紛推出滿足三次排放要求的挖掘機。早在 1958 年國內便開始了液壓挖掘機的研制開發(fā)工作，隨后開發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。當時出于受配件

18、如發(fā)動機、液壓件及企業(yè)自身條件的影響，其質量和產(chǎn)量遠未達到應有的水平，與國外同類產(chǎn)品相比也存在較大差距。到了 80 年代末和 90 年代初，世界各工業(yè)發(fā)達國家液壓挖掘機技術水平得到了迅速的提高，突出表現(xiàn)在追求高效率(同一機重的挖掘機功率普遍提高，液壓系統(tǒng)流量增大，作業(yè)循環(huán)時間減小，作業(yè)效率大大提高)；高可靠性和追求司機操作的舒適性。一些挖掘機專業(yè)生產(chǎn)廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實力和豐富的挖掘機生產(chǎn)經(jīng)驗，紛紛在工廠的技術改造、試驗研究、新產(chǎn)品開發(fā)方面下大功夫。有的新開發(fā)的產(chǎn)品(也包括某些已生產(chǎn)多年的老產(chǎn)品)為了提高作業(yè)的可靠性，干脆采用了進口的液壓件和發(fā)動機，甚至于整個傳動系統(tǒng)都按照采用國外元

19、件來設計，這種經(jīng)過改型或新設計開發(fā)的液壓挖掘機其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。這樣，引進和消化國外的不少技術，在技術方面都有了長足的進步。谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計4挖掘機行業(yè)近年來雖有很大發(fā)展，但與國外挖掘機行業(yè)發(fā)達國家相比仍存在許多不足，其原因除了國內挖掘機加工水平落后之外，挖掘機設計水平與發(fā)達國家相比也有較大的差距，尤其是一些先進設計技術的掌握和應用。國內眾多的研究人員和單位對液壓挖掘機工作裝置設計進行了不少研究，開發(fā)了其設計軟件，他們的研究基本上局限于解決某些問題，即工作裝置的幾何參數(shù)、運動參數(shù)和力參數(shù)等的解決。關于工作裝置設計參數(shù)分析和在 cad 上其

20、自動設計的綜合研究文獻還沒有。因此，開發(fā)出的軟件缺少通用性，不能使用于挖掘機工作裝鶯的一些通用問題的解決，對工程機械這個行業(yè)不具有通用性。特別是國內，cad 在許多企業(yè)還停留在輔助制圖的程度上，當然也有部分企業(yè)用 cad 進行空間布置設計。雖然部分軟件也有一定的分析計算能力，但是遠遠不能達到設計需要，對液壓挖掘機進行分析的大型通用軟件目前市場上還很少。經(jīng)過近十年的研究，獲得了一些成果，但是研究還不夠深入，有些研究結果已進入實際應用過程中。目前研究液壓挖掘機工作裝置設計的重點在于，為了使挖掘機設計人員從繁忙的計算中解脫出來，現(xiàn)有工作裝置機構的計算機輔助計算和優(yōu)化設計，即大多數(shù)的液壓挖掘機工作裝置

21、設計研究在現(xiàn)有機構的基礎上局限地進行的。在這樣一種情況下，開發(fā)一個專業(yè)化的工作裝置的設計工具和軟件顯得非常必要。目前，液壓挖掘機的發(fā)展著眼于動力和傳動系統(tǒng)的改進以達到高效節(jié)能;應用范圍不斷擴大，成本不斷降低，向標準化、模塊化發(fā)展，以提高零部件、配件的可靠性，從而保證整機的可靠性;電子計算機監(jiān)測與控制，實現(xiàn)機電一體化；提高機械作業(yè)性能，降低噪音，減少停機維修時間，提高適應能力，消除公害，縱觀未來，液壓挖掘機技術研發(fā)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。（3）不斷提高可靠性和使用壽命。（4）工作裝置結構不斷改進，工作范圍不斷擴大。（5）液壓系統(tǒng)不斷改進，

22、液壓元件不斷更新。（6）應用微電子、氣、液等機電一體化綜合技術。（7）增大鏟斗容量，加大功率，提高生產(chǎn)效率。（8）人機工程學在設計中的充分利用。1.4 課題研究方法本次畢業(yè)設計對日立 zx200 中型履帶式液壓挖掘機進行了現(xiàn)場測繪，取得了工作裝置、回轉裝置、行走裝置以及挖掘機整體的大體數(shù)據(jù)資料。再結合網(wǎng)絡資料以及與挖掘機設計相關書籍，用力學知識對液壓挖掘機的工作裝置進行運動學分析和力學計算。根據(jù)運動學分析和力學計算的結果得到工作裝置的基本尺寸和結構尺寸。然后用山東交通學院畢業(yè)設計（論文）5cad 軟件進行了三維圖和二維圖的繪制。1.5 論文構成及研究內容本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、銷軸、連

23、桿機構組成挖掘機工作裝置進行設計。具體內容包括以下四部分：（1）挖掘機工作裝置的總體運動學分析。（2）挖掘機的工作裝置的運動學設計。（3）工作裝置的基本尺寸的計算和校驗。（4）挖掘機的三維圖和二維圖的繪制。谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計62 挖掘機工作裝置設計2.1 工作裝置構成 1-斗桿油缸；2- 動臂； 3-油管； 4-動臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒； 7-側板；8-連桿； 9-搖桿； 10-鏟斗油缸； 11-斗桿圖 2.1 工作裝置組成圖fig.2.1 work device of operation圖 2.1 為所選的單斗液壓挖掘機的反鏟工作裝置基本組成及傳動示

24、意圖，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗 5、搖桿 9、斗桿 11、動臂 2、相應的三組液壓缸 1、4、10 等組成。動臂下鉸點鉸接在轉臺上，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動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉動，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動。挖掘作業(yè)時，接通回轉馬達、轉動轉臺，使工作裝置轉到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮，動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉馬達，使工作裝置轉到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿

25、缸回縮，使鏟斗翻轉進行卸土。卸完后，工作裝置再轉至挖掘位置進行第二次挖掘循環(huán)。在實際挖掘作業(yè)中，由于土質情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統(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、隨機的。上述過程僅為一般的理想過程。挖掘機工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結構，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，可以對工作裝置進行適當簡化處理，則可知單斗液壓挖掘機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、鏟斗油缸及連桿機構組成的具有三自由度的六桿機構，處理的具體簡圖如 2.2 所示。進一步簡化得圖如 2.3 所示。山東交通學院畢

26、業(yè)設計（論文）7圖 2.2 工作裝置結構簡圖fig.2.2 the equipment structure diagram1-鏟斗；2-連桿；3-斗桿；4-動臂；5-鏟斗油缸；6-斗桿油缸圖 2.3 工作裝置結構簡化圖fig.2.3 the equipment structure simplified diagram挖掘機的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實質是一組平面連桿機構，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l1、l2、l3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定。2.2 動臂及斗桿的結構形式的初選動臂采用整體式彎動臂，這種結構

27、形式在中型挖掘機中應用較為廣泛。其結構簡單、價廉，剛度相同時結構重量較組合式動臂輕，且有利于得到較大的挖掘深度。缺點是可更換工裝少，通用性較差。使用經(jīng)驗說明，長期用于作業(yè)條件近似的反鏟，以采用整體臂較好。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機采用整體式斗桿。2.3 動臂與動臂油缸的布置動臂油缸裝在動臂的前下方，動臂的下支承點（即動臂與轉臺的鉸點）設在轉臺回轉中心之前并稍高于轉臺平面，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。油缸活塞桿端谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計8部與動臂的鉸點設在動臂箱體的中間，這樣雖然削弱了動臂的結構強度，但不影響動臂的下降幅度。并且布置中，動臂油缸在動臂

28、的兩側各裝一只，這樣的雙動臂在結構上起到加強筋的作用，以彌補前面的不足。具體結構如圖 2.4 所示。fig.2.4 arm oil cylinder hinged schemes2.4 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角，改善了機構的傳動特性。該布置中 1 桿與 2 桿的鉸接位置雖然使鏟斗的轉角減少但保證能得到足夠大的鏟斗平均挖掘力。如圖 2.5 所示。1-斗桿； 2-連桿機構； 3-鏟斗圖 2.5 鏟斗連接布置示意圖fig.2.5 connect the bucket decorate schemes2.5

29、鏟斗的結構選擇 鏟斗結構形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機的作業(yè)效果影響很大，其應滿足以下的要求：（1）有利于物料的自由流動。鏟斗內壁不宜設置橫向凸緣、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）于卸出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應大于 4，大于 50 時，顆粒尺寸不考1-動臂； 2-動臂油缸圖 2.4 動臂油缸鉸接示意圖山東交通學院畢業(yè)設計（論文）9慮，視物料為均質。綜上考慮，選用中型挖掘機常用的鏟斗結構，基本結構如圖 2.6 所示。圖 2.6 鏟斗fig. 2.6 bucket2.6 原始幾何參數(shù)的初定（1）動臂與斗桿的長度比 k1由于所設計的挖機適用性較

30、強，一般不替換工作裝置，故取中間比例方案，k1取在 1.52.0 之間，初步選取 k1=1.8，即 l1/l2=1.8。動臂下鉸點到動臂與連桿連接的鉸點的距離1l斗桿與動臂連接的鉸點到斗桿與鏟斗連接的鉸點的距離2l（2）鏟斗斗容與主參數(shù)的選擇斗容：q =0.9m3按經(jīng)驗公式和比擬法初選：l3 =1550mm（3）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“要求以及初步估取的液壓缸受力。初選動臂油缸內徑 d1=120mm，活塞桿的直徑 d1=90mm。斗桿油缸的內徑 d2=120mm，活塞桿的直徑 d2=90mm。鏟斗油缸的內徑 d3=90mm，活塞桿

31、的直徑 d3=63mm。又由經(jīng)驗公式和其它機型的參考初選動臂油缸行程 l1=1375mm，斗桿油缸行程 l2=1450mm，鏟斗油缸行程 l3=1250mm。并按經(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。表 2.1 挖掘機參數(shù)tab.2.1 excavator parameters谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計10整機工作質量20000kg標準斗容0.9m3動臂長度5400mm斗桿長度3000mm最大挖掘半徑r9885mm最大挖掘深度1maxh7150mm最大挖掘高度2maxh7260mm行走速度5.3km/h回轉速度11rad/min回轉角度360動

32、臂轉角40斗桿轉角160鏟斗轉角160爬坡能力35山東交通學院畢業(yè)設計（論文）113 工作裝置運動分析3.1 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；min1lmax1la：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fig.3.1 moving arm angular range calculation diagram是的函數(shù)。動臂上任意一點在任一時刻也都是的函數(shù)。如圖 3.1 所示，圖11l1l中：動臂油缸的最短長度；：動臂油缸的伸出的最大長度；：動臂油缸min1lmax1lmin1兩鉸點分別與動臂下鉸點連線夾角的最小值；

33、：動臂油缸兩鉸點分別與動臂下鉸max1點連線夾角的最大值。則在abc 中：157252721cos2lllll (3-1)122217517 5cos() 2llll l在bcf 中：2172127222cos2lllll (3-2)1222271227 1cos2llll l由圖 3.3 所示的幾何關系，可得到的表達式：21 (3-3)112121谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計12當 f 點在水平線 cu 之下時為負，否則為正。21f 點的坐標為21130cosllxf (3-4)21130cosllyfc 點的坐標為 511coscaxxl (3-5)115sinly

34、yac動臂油缸的力臂1e (3-6)cablesin51顯然，動臂油缸的最大作用力臂，又令,。這時：5max1le15minll75ll12525271llll (3-7)11cos 13.2 斗桿的運動分析如下圖 3.2 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； 斗桿擺角。圖 3.2 斗桿機構擺角計算簡圖fig.3.2 measures stem institutions put the

35、 angle calculation diagram在def 中，2222898 922cosllll l (3-8)122228928 9cos () 2llll l山東交通學院畢業(yè)設計（論文）13由上圖的幾何關系知 (3-9)2max2max2min則斗桿的作用力臂 (3-10)29sineldef顯然，斗桿的最大作用力臂,此時。2max9el122298289cos (),lllll3.3 鏟斗的運動分析鏟斗相對于 xoy 坐標系的運動是 l1、l2、l3的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對于斗桿的運動，如圖 3.5 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

36、點，v 點為鏟斗的斗齒尖點，k 點為連桿與鏟斗的餃點，n 點為搖桿與斗桿的鉸點，m 點為鏟斗油缸與曲柄的鉸點，h 點為曲柄與連桿的鉸點。（1）鏟斗連桿機構傳動比 i 和鏟斗缸的當量作用力臂3e利用圖 3.3，可以知道求得以下的參數(shù)：在mng 中1222221513315 13cos () 2mngllll l 122230315133 15cos () 2mgnllll l 322230mngmngmgn (3-11)在hnq 中： 22227132113 21232cosllll l (3-12)122221142721 14cos () 2nhqllll l在qhk 中 (3-13)122

37、22729272429 27cos () 2qhkllll l 在khqn 中 (3-14)282127nhknhqqhn 鏟斗油缸對 n 點的作用力臂 r1 (3-15)11332sinrl連桿 hk 對 n 點的作用力臂 r2 (3-16)213sinrlnhk連桿 hk 對 q 點的作用力臂 r3r3 = l24鏟斗對 q 點的作用力臂 r4r4 = l3谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計14連桿機構的總傳動比 (3-17)1324() ()iiiii顯然 3-17 式中可知，i 是鏟斗油缸長度 l2的函數(shù)，用代入可得初傳動比，2minl0i代入可得終傳動比 iz。2m

38、axl (3-18)qvlie3顯然 i 、和 都是 的一元函數(shù)。3e1r2r3r3l（2）鏟斗相對于斗桿的擺角3鏟斗的瞬時位置轉角為 (3-19)37242610其中，在nfq 中 (3-20)122272121621 2cos () 2nqfllll l 暫時未定，其在后面的設計中可以得到。10當鏟斗油缸長度 l3分別取 l3max和 l3min時，可分別求得鏟斗的最大和最小轉角和，于是得鏟斗的瞬間轉角:3max3min (3-21)33max3min鏟斗的擺角范圍 33max3min 圖 3.3 鏟斗連桿機構傳動比計算簡圖fig.3.3 loader transmission linka

39、ge mechanism calculation diagram（3）斗齒尖運動分析見圖 3.4 所示，斗齒尖 v 點的坐標值 xv和 yv，是 l1 、l2、l3的函數(shù)只要推導出xv和 yv的函數(shù)表達式，即 = ( ), = ()。那么整機作業(yè)范圍vxxf123,l l lvyyf123,l l l就可以確定，現(xiàn)推導如下:山東交通學院畢業(yè)設計（論文）15由 f 點知： (3-23)323462cfq 在cdf 中：由后面的設計確定，在確定后則有：dcfdcf3dfc (3-24) 2228616 12cosllll ldcf2226818 132cosllll l (3-25)1222381

40、68 1cos () 2llll l在def 中298292822cos2lllll圖 3.4 齒尖坐標方程推導簡圖fig.3.4 tooth is pointed coordinates equation diagram則可以得斗桿瞬間轉角 2 (3-26)122228928 9cos () 2llll l、在設計中確定。46由cfn 知 (3-27)321162121628cos2lllll由cfq 知 (3-28)3212212223cos2lllll由 q 點知 (3-29)102433352cqv在cfq 中谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計16l12 = l232

41、 + l32 - 2cos33l23l333 = cos-1（l232+l32- l12）/2l23l3 (3-30)在nhq 中 242127221227213cos2lllll (3-31)2)( cos2127213221227124lllllnqh在hkq 中 262427224227229cos2lllll (3-32)2)( cos2427229224227126lllllhkq在 hnqk (3-33)2624nqv，其在后面的設計中確定。kqv10在列出以上的各線段的長度和角度之間的關系后，利用矢量坐標我們就可以得到各坐標點的值。由前面的分析可知：動臂相對于水平面的瞬時轉角 、

42、斗桿相對于動臂的瞬時轉1角 和鏟斗相對于斗桿的瞬時轉角與相應的油缸長度是一一對應的。因此，斗齒尖23坐標值也是 、及的函數(shù)。只要知道瞬時的一組,，相應的斗齒尖坐標就123123確定了。這樣斗齒尖的坐標系(如圖 3.4)可表示如下：112123coscos()cos()vcffqqvcxlllx112123sinsin()sin()vcffqqvcyllly對于反鏟裝置上的其它點的坐標可采用同樣方法求出。v 點的 x 和 y 坐標表示為 和，其它點的坐標表示方法與 v 點相同，而對各運動構件的重心坐標則用相vxvy應構件的重量代號作下標來替換。經(jīng)分析可知：動臂上任意一點(除去 c 點)在任一時刻

43、的坐標值是 的函數(shù)；斗桿上任意一點(除去 f 點)在任一時刻的坐標值是和的112函數(shù)；鏟斗和連桿機構(除去 q 點外)其它各點坐標值是 、和的函數(shù)，以后在使123用到這些點坐標時，就將其作為已知數(shù)據(jù)，不再作特別的介紹。山東交通學院畢業(yè)設計（論文）173.4 特殊工作位置計算圖 3.5 挖掘機作業(yè)范圍fig.3.5 excavator work range表 3.1 挖掘機作業(yè)范圍tab.3.1 excavator work range作 業(yè) 范 圍a 最大挖掘高度（mm）b 最大卸載高度（mm）c 最大挖掘深度（mm）d 最大垂直壁挖掘深度（mm）e 挖出 2400mm 水平面時的最大挖掘深度

44、（mm）f 最大挖掘距離（mm）g 在地平面的最大挖掘距離（mm）h 最小回轉半徑（mm）i 最小回轉半徑時的最大高度（mm）（） 最大挖掘深度 1maxh谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計18nh-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fig.3.6 the biggest mining depth calculation diagram如圖 3.6 示，當動臂全縮時，f, q, v

45、三點共線且處于垂直位置時，得最大挖掘深度為: 32minmax1llyyhfv 32min211sinlllyc (3-34)3211211)sin(lllyc（） 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fig.3.7 the biggest uninstall height computation diagram如圖 3.7 所示，當斗桿油缸全縮，動臂油缸全伸時，qv 連線

46、處于垂直狀態(tài)時，得最大卸載高度為: qmaxyhmax33112132211211)sin()sin(lllymaxmaxmaxc山東交通學院畢業(yè)設計（論文）19 (3-35)（） 水平面最大挖掘半徑max1rnh-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 3.8 停機面最大挖掘半徑計算簡圖fig.3.8 stop face biggest mining radius calculation diagram如圖 3.8 所示，當斗桿油缸

47、全縮時，f. 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，得到最大挖掘半徑為:max1r (3-36)40max1lxrc式中： (3-37)max32132232140cos)(2)(lllllll（） 最大挖掘半徑 r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 點轉到水平面而成的。通過兩者的幾何關系，我們可計算得到： 。mml980040（） 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。谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置

48、三維設計204 工作裝置的設計計算4.1 斗形參數(shù)的確定斗容量 q ： q = 0.9 m3；平均斗寬 b：其可以由經(jīng)驗公式和差分法選擇；當 q = 1.0 m3時， b = 1.16m；當 q = 0.6 m3時， b = 0.91m；則當 q = 0.9m3時，b = 0.91+（1.16-0.91）0.30.4= 1.112m；再參考其它機型的平均斗寬預初定 b =1.04m=1040mm；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械，初選 r =1450mm 。轉斗挖掘滿轉角（2）：在經(jīng)驗公式 q = 0.5 r2b（2-sin2）ks中，ks為土壤的松散系數(shù)，取值為 1.25

49、，將 q = 0.9 m3和 b = 1.04m 代入上式有：2-sin2 = 0.66 = 95/2 = 47.5鏟斗兩個鉸點 k、q 之間的間距 l24和 l3的比值 k2的選?。禾髮⒂绊憴C構的傳24l動特性，太小則影響鏟斗的結構剛度，初選特性參數(shù) k2 = 0.29。由于鏟斗的轉角較大，而 k2的取值較小，故初選 10 =kqv=110。4.2 動臂機構參數(shù)的確定我們根據(jù)在第 2 章中的圖 2.2，即工作裝置結構簡圖來計算出動臂、斗桿、連桿及鏟斗的基本參數(shù)。4.2.1 與 a 點坐標的選取初選動臂轉折處軸線夾角 = 1201由經(jīng)驗統(tǒng)計和參考其它同斗容機型，初選特性參數(shù) k3 = 1.4

50、 （k3 = ）鉸點 a4142ll坐標的選擇：由底盤和轉臺結構，并結合同斗容其它機型的測繪，初選：xa = 430 mm ya = 1200mm4.2.2 l1 與 l2 的計算由統(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距離 r1、已初步選定的 l3和 k1，結合經(jīng)驗公式有：l2 =mmlr3000)8 . 11 ()15509885()8 . 11 ()(3山東交通學院畢業(yè)設計（論文）21則： mmlkl540030008 . 12114.2.3 l41 與 l42 的計算如圖 2.2 所示，在czf 中241133112cosllkk 254001

51、 1.42 1.4 cos1202585mm l42 = k3l41 = 1.42585 = 3620mm39= zfc =5 .242cos142241212421lllll4.2.4 l5 的計算由經(jīng)驗和反鏟工作裝置對閉鎖力的要求初取 k4 = 0.4。的取值對特性參使 k4減少或使 h1max 增大，這符合反鏟作業(yè)的要求，初選= 111162.5 。斗桿油缸全縮時，cfq =最大，依經(jīng)驗統(tǒng)計和便于計算，初選：328 ，160max832cfn32qfn8由于采用雙動臂油缸，bcz 的取值較小，初取bcz = 5 如上圖 2.2 在czf 中5 .355 .24120180391zcf23

52、5.5530.5bcfzcfzvb 由 3-34 和 3-35 有 311max1322112max11max3sinsinlllyhc (4-1)311max1322112max11115sinsinsinllllya32112min11max1sinlllyhc (4-2)115min1112132sinsinlyllla由 4-1、4-2 式有： (4-3)22min111128113212112max11max3max1sinsinsinllllhhmanman令 935 .625 .30112a 6716093832naxab將 a、b 的值代入 4-3 式中有谷守領：20 噸履帶式

53、單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計22 (4-4)0167sin93sin93sinmax12min1max11max3max1llhh又特性參數(shù) 41max11minsinsink則有 41max1min1sinsink (4-5)65. 0sinmax1 (4-6)21min1mincos1 sin21max1 (sin0.65)將 4-5、4-6 代入到 4-4 式中 (4-7)067sin93sin93sin540066306485max12min1max1l解之： 1 .46152min1max1由 4-2 式有 115min1112132max1sinsinlylllha 11max1

54、2min1111325sinsinhylllla 5 .62sin663012004693sin540030001550 mm750而 1min與 1max需要滿足以下條件 (4-8)1221mincos12 (4-9)12221maxcos12 將 1max 、1min 的值代入 4-8、4-9 中得： = 2.51 = 3.56 (4-10)151. 21 （=1.6） （4-11）64. 151. 211. 41、滿足 4-10、4-11 兩個經(jīng)驗條件，說明 、 的取值是可行的。則l7 =l5 = 3.56750 = 2673mm (4-12)=l5 = 2.51750 =1880mm

55、(4-13)min1ll1max =1l1min =1.61880 = 3010mm (4-14)至此，動臂機構的各主要基本參數(shù)已初步確定。4.3 斗桿機構基本參數(shù)的確定山東交通學院畢業(yè)設計（論文）23d：斗桿油缸的下鉸點；e：鏟斗油缸的上鉸點；f 動臂的上鉸點；：斗桿的擺角；l9：斗桿油缸的最大作用力臂.2圖 4.2 斗桿機構基本參數(shù)計算簡圖fig.4.2 measures stem institutions basic parameters calculation diagram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式：e2max = l9 = pgmax （l2 + l3

56、）/ p2 =100103 （3000+1550）10-3/31.4(70)210-6 = 940mm (4-22)斗桿油缸的初始位置力臂 e20與最大力臂 e2max有以下關系: (4-23)202max92max92maxcos2cos2eell由 4-23 知, 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2max要盡量減少,初?。?max = 902max由上圖 4.2 的幾何關系有:2max2min22min92 sin2llll2min = 2940sin 45/(1.6-1) = 2215mml2max = 2215 + 2940sin45 = 3545m

57、ml82 = l22min + l29 -2l2minl9cos(-)/22max= 22152+ 9402 - 22215940cos135解得：l8 = 2995mm而efq 取決于結構因素和工作范圍,一般在 130170之間.初定efq=150,動臂上dfz也是結構尺寸，可初選dfz=10。谷守領：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設計244.4 鏟斗機構基本參數(shù)的確定4.4.1 轉角范圍由最大挖掘高度 h2max和最大卸載高度 h3max的分析，可以得到初始轉角 d0：h2max-h3max = l3（sind0 +1）9315-6485 =1550（sind0 +1）d0 =5

58、5最大轉角 3max：3max = v0qvz，其不易太大，太大會使斗齒平均挖掘力降低，初選 3max = 165。4.4.2 鏟斗機構其它基本參數(shù)的計算l12：搖臂的長度；l29：連桿的長度；l3：鏟斗的長度；l2：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 4.3 鏟斗機構計算簡圖fig.4.3 the bucket institutions calculation diagram如圖 4.3 所示，則有： l24 = kq = k2 l3 = 0.291550 = 449.5mml3max 與 l3min 的確定：鏟

59、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 =69kn 挖掘阻力 f3j 所做的功 w3j： (4-24)max33max33lfwj =56.9 101.55 165180 = 3.08106 n.m 由圖 4.4 知，鏟斗油缸推力所做的功 w3：333min1wfl = (4-25)6263min31.4 1045100.6l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 (4-26)山東交通學院畢業(yè)設計（論文）25將 4

60、-24、4-25 式代入 4-26 中計算可得：l3min = 1720mm則 l3max =3 l3min =2750mm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%。 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 在的任意一行程下都不被破壞。3l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：hk = 500mm；