單斗正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計

1、正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計摘要液壓挖掘機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的多功能的建設(shè)施工機(jī)械，作為工程機(jī)械的主力機(jī)種。由于液壓挖掘機(jī)具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞，其生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。液壓挖掘機(jī)主要有發(fā)動機(jī)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置和電器控制等部分組成。本文主要研究其工作裝置。挖掘機(jī)的主要工作就是土壤的挖掘。工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置，許多挖掘機(jī)發(fā)達(dá)的國家廣泛采用新技術(shù)、新方法來不斷地提高液壓挖掘機(jī)的作業(yè)性能和生產(chǎn)率。正鏟裝置的各組成部分有各種不同的外形，要根據(jù)設(shè)計要求選用適合的結(jié)構(gòu)并對其作運動分析。然后，在滿足機(jī)構(gòu)運動要求的基礎(chǔ)上對各機(jī)

2、構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論計算，確定各機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)，確定挖掘機(jī)正鏟裝置的基本輪廓。挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘機(jī)性能參數(shù)的重要性能指標(biāo)，對其分析計算至關(guān)重要。挖掘阻力主要與挖掘?qū)ο蠹白陨沓叽鐓?shù)有關(guān)，而挖掘力則受眾多條件限制，危險工況的分析是關(guān)鍵點。在挖掘力分析基礎(chǔ)上，可對各桿件鉸接點進(jìn)行力的分析計算，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性分析。關(guān)鍵詞：正鏟挖掘機(jī)，工作裝置，平面連桿機(jī)構(gòu)，運動分析 第二章 液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置的總體設(shè)計2.1 液壓正鏟挖掘機(jī)的基本組成和工作原理液壓正鏟挖掘機(jī)由工作裝置，上部轉(zhuǎn)臺和行走裝置三大部分組成，如圖 2.1 所示。其中上部轉(zhuǎn)臺包括動力裝置、傳動機(jī)構(gòu)的主要部分、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕

3、駛室；工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗及動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸組成，如圖 2.2 所示。 圖 2.1 液壓正鏟挖掘機(jī)的基本組成圖 2.2 液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置挖掘作業(yè)時，操縱動臂油缸使動臂下降至鏟斗接觸挖掘面，然后操縱斗桿油缸和鏟斗油缸，使斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，操縱動臂油缸，使鏟斗升高離開挖掘面，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)的驅(qū)動下，使鏟斗回轉(zhuǎn)到卸載地點，然后操縱斗桿和鏟斗油缸使鏟斗轉(zhuǎn)動至合適位置，再回縮開斗油缸轉(zhuǎn)動鏟斗，使斗前、斗后分開卸載物料。卸載后，開斗油缸伸長使斗前、斗后閉合，將工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘地點進(jìn)行第二次循環(huán)挖掘工作。轉(zhuǎn)移工作場地時，操縱行走馬達(dá)，驅(qū)動行走機(jī)構(gòu)完成移動工作4。 在實際挖

4、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。2.2 工作裝置結(jié)構(gòu)方案的確定正鏟工作裝置的構(gòu)造：正鏟工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗、工作液壓缸和連桿機(jī)構(gòu)等組成。動臂是焊接的箱形結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度鋼板焊成，也有的是鑄造的混合結(jié)構(gòu)，和反鏟工作裝置相比，正鏟動臂較短且是單節(jié)的。動臂下端和轉(zhuǎn)臺鉸接，動臂油缸一般為雙缸，在布置上動臂的下鉸點高于動臂油缸的下鉸點且靠后。這種布置方案能保證動臂具有一定的上傾角和下傾角，以滿足挖掘和卸載的需要，同時也保證動臂機(jī)構(gòu)具有必要的提升力矩和閉鎖力矩。 斗桿也是焊接箱形結(jié)構(gòu)或

5、鑄造混合結(jié)構(gòu)。斗桿的一端與動臂的上端鉸接，斗桿油缸的兩端分別與動臂和斗桿的下緣鉸接，形成了斗桿機(jī)構(gòu)。由于正鏟常以斗桿挖掘為主，這樣的結(jié)構(gòu)布置適合于向前推壓，液壓缸大腔進(jìn)油可以發(fā)揮較大的挖掘力。 正鏟斗鉸接在斗桿的端部，鏟斗油缸的兩端分別與斗桿中部和連桿裝置連接，形成轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)，一般為六連桿機(jī)構(gòu)。有時鏟斗缸的活塞桿直接和鏟斗鉸接形成四連桿機(jī)構(gòu)。挖掘機(jī)正鏟的鏟斗根據(jù)結(jié)構(gòu)和卸土方式可分為前卸式和底卸式兩大類。    前卸式鏟斗卸土?xí)r直接靠鏟斗油缸使斗翻轉(zhuǎn)，土鑲從斗的前方卸出。這種構(gòu)造簡單，斗體是整體結(jié)構(gòu)，剛度和強(qiáng)度都比較好，并且不需要另設(shè)卸土油缸，但是為了能將土卸盡，要求

6、卸土?xí)r前壁與水平夾角大于45度,因而要求鏟斗的轉(zhuǎn)角加大，結(jié)果導(dǎo)致所需的鏟斗油缸功率增加，或者造成轉(zhuǎn)斗挖掘力下降或卸土?xí)r間延長。此外，前卸式鏟斗還影響有效卸載高度。    底卸式鏟斗靠打開斗底卸土。所示的鏟斗是靠專門的油缸起閉斗底。挖掘時斗底關(guān)閉，卸土?xí)r斗底打開，土城從底部卸出。這類結(jié)構(gòu)的卸土性能較好，要求鏟斗的轉(zhuǎn)角也小，但必須增設(shè)卸土油缸，此外，斗底打開后也影響到有效卸載高度。這類開斗方式現(xiàn)在已少用，目前挖掘機(jī)上采用較多的是另一種底卸式鏟斗，鏟斗由兩半組成，靠上部 的鉸連接。卸土油缸裝在斗的后壁中。油缸收縮時通過杠桿系統(tǒng)使斗前壁(順板)向上翹起，將土壤從底部卸出。

7、用這種方式卸載，卸載高度大，卸載時間較短，裝車時鏟斗得以更靠近車休并且還可以有控制地打開額板，使土或石塊比較緩慢地卸出，因而減少了對車輛的撞擊，延長了車輛的使用壽命。另外這種斗還能用于挑選石塊，很受歡迎，但鏟斗的重量加大較多，因而在工作裝置尺寸、整機(jī)穩(wěn)定性相同的情況下斗容量有所減少，并且由于斗由兩部分組成，受力情況較差。采用底卸式鏟斗結(jié)構(gòu)，鏟斗的轉(zhuǎn)角可以減小，因而有些挖掘機(jī)已取消了鏟斗油缸的連桿裝置，鏟斗油缸直接與斗體相連接，簡化了結(jié)構(gòu)，并在一定程度上加大了轉(zhuǎn)斗挖掘力5。    當(dāng)挖掘機(jī)挖掘比較松軟的對象、或用于裝載散粒物料時，正鏟斗可以換成裝載斗，在整機(jī)重量基本

8、不變的情況下，這種斗的容量可以大大增加，因而提高了生產(chǎn)率。裝載斗一般都是前卸式，不裝斗齒，以減小挖掘松散物料時的挖掘阻力。本設(shè)計中我采用圖2.3這一結(jié)構(gòu)。圖 2.3 液壓正鏟挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)圖 2.4 液壓正鏟挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖圖2.4所示是5 m3正鏟挖掘機(jī)工作裝置的示意圖，采用直動臂、直斗桿形式，鏟斗為前卸式。動臂和動臂油缸在轉(zhuǎn)臺上的鉸點分別為C和A，它們的位置以停機(jī)面為X軸，整機(jī)回轉(zhuǎn)中心線為Y軸(圖b)的直角坐標(biāo)值來表示。這臺挖掘機(jī)的主要工作油缸共5只，其中動臂油缸兩只，置于動臂的兩側(cè)；斗桿油缸一只,置于斗桿的中部；鏟斗油缸兩只，鉸于斗桿中部。主要工作油缸的主要參數(shù)列于表21中。表 2.1 5m3

9、正鏟液壓挖掘機(jī)主要油缸的主要參數(shù)油缸名稱工作壓力/MPa全縮時長度/mm全伸時長度/mm行程/mm動臂油缸28158026601080斗桿油缸28160026601060鏟斗油缸2814002320920第三章 液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析3.1動臂運動分析動臂CF的位置由動臂油缸AB的長度決定。和動臂水平傾角之間的關(guān)系可用下式表示 （2-1） （2-2）從上式看出，a11-a2對的影響很大，當(dāng)動臂和油缸的參數(shù)不變時，a11-a2愈大動臂提升高度愈小。設(shè)動臂油缸全縮時動臂傾角為；動臂油缸全伸時動臂傾角為，那么在動臂油缸由全縮到全伸，動臂總的轉(zhuǎn)角為： （2-3）為了便于運算和比較，仍用無

10、因次比例系數(shù)表示，即； （2-4）代入式(22)可以得到動臂油缸全縮和全伸時相應(yīng)的動臂傾角值 （2-5） （2-6）而動臂總轉(zhuǎn)角為 （2-7）動臂油缸伸縮時對C點的力臂也在不斷變化，由圖可知 （2-8）顯然，當(dāng)ABAC時有最大值，此時，而相應(yīng)的油缸長度為：=此時的動臂傾角為若用動臂油缸相對力臂（即來表示油缸長為時的力臂，則 （2-9）綜上所述，動臂傾角、力臂和都是的參數(shù)。3.2斗桿運動分析斗桿FQ的位置由動臂CF和斗桿油缸DE的長度所決定。但是動臂的位置隨動臂油缸的伸縮而變化，為了便于分析斗桿油缸對頭桿位置的影響，假定動臂不動，那么斗桿鉸點F以及斗桿油缸在動臂上的鉸點D就可以看作為固定基座。與

11、斗桿、動臂夾角之間的關(guān)系為 （2-10） （2-11）設(shè)斗桿油缸全縮時動臂與頭桿的夾角為，全伸時為，那么當(dāng)油缸由全縮到全伸時斗桿總的轉(zhuǎn)角為 （2-12）斗桿油缸的作用力臂也是可變值。 （2-13）當(dāng)EFDE時有最大值，即，這時相應(yīng)的油缸長度為相應(yīng)的斗桿轉(zhuǎn)角為 （2-14）用斗桿油缸相對力臂值（即）來表示時的力臂，則 （2-15）2.3.3斗齒尖的幾種特殊工作位置的計算 上圖為正鏟挖掘機(jī)作業(yè)范圍圖，以下為幾種特殊工作位置的分析與計算。（1）最大挖掘半徑(圖2.5)這時C、Q、V在同一條水平線上，而且斗桿油缸全伸，即；最大挖掘半徑為 （2-16）最大挖掘半徑處的挖掘高度相應(yīng)為 圖 2.5 最大挖掘

12、半徑（2）最大挖掘高度(圖2.6) 圖 2.6 最大挖掘高度最大挖掘高度為： （2-17）最大挖掘高度時的挖掘半徑 （2-18）如果最大轉(zhuǎn)斗角度不能保證QV垂直向上，即，則應(yīng)根據(jù)實際的值求相應(yīng)的挖掘高度，如圖左上角所示，此時 （2-19）（3）最大挖掘深度(圖2.7) 這時動臂油缸全縮，頭桿FQ及QV垂直向下，即，。 最大挖掘深度為 （2-20）最大挖掘深度時的挖掘半徑為 （2-21）假若，則FQ不可能呈垂直狀態(tài)，此時必須根據(jù)具體情況計算實際的最大挖掘深度6。圖 2.7 最大挖掘深度（4）停機(jī)平面上的最大挖掘半徑(圖2.8)這是指斗齒靠在地面上、斗桿全部伸出而斗底平面與停機(jī)平面平行的工況。此時

13、QV線與地面交成角(角是一個重要的鏟斗參數(shù)，設(shè)計中應(yīng)認(rèn)真確定)，根據(jù)這種定義可知圖 2.8 停機(jī)平面上的最大挖掘半徑；，其中 （2-22） （2-23）這時停機(jī)平面上的最大挖掘半徑為 （2-24） 如果，則必須根據(jù)具體情況重新進(jìn)行計算。第四章 工作裝置各部分基本尺寸計算確定現(xiàn)從動臂與轉(zhuǎn)臺鉸點A出發(fā)，借助各相關(guān)轉(zhuǎn)角q 1、q 2和q 3，建立各關(guān)鍵點B、C、DV的位置模型，得到各關(guān)鍵點的坐標(biāo)，從而為下一步的分析提供依據(jù)。 以地面為橫坐標(biāo)，以回轉(zhuǎn)中心線為縱坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系XOY如圖2.4所示。 4.1 動臂與平臺鉸點位置C的確定對由反鏟挖掘機(jī)改裝的正鏟來說，動臂鉸座往往就沿用反鏟動臂的鉸座。一

14、般，鉸座都在轉(zhuǎn)臺中心的前方(>0)，近來大型正鏟的鉸座卻有向后移(靠近回轉(zhuǎn)中心線)的趨勢。設(shè)計時，可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計公式初步選取，在此基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L為基本長度。履帶軸距L=3.123.66 （2-25）式中：為斗容量，取L=3.6m4.2 動臂及斗桿長度的確定同上轉(zhuǎn)斗半徑也可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計公式初步選取，在此基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L為基本長度。4.3 機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定在動臂長度、斗桿長度、轉(zhuǎn)斗半徑及動臂油缸與平臺鉸點C初步確定之后，根據(jù)挖掘機(jī)工作尺寸的要求利用解析法求各機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍，其中包括動臂機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角、斗桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角、鏟斗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍6。(1) 斗桿轉(zhuǎn)角和的確定

15、可根據(jù)最大挖掘半徑確定。最大轉(zhuǎn)角應(yīng)當(dāng)不小于 (2-26)根據(jù)停機(jī)平面上最小挖掘半徑確定。所謂停機(jī)平面上的最小挖掘半徑依不同工作情況而異，有的是指鏟斗最靠近機(jī)體(斗桿油缸全縮)、斗齒尖處于停機(jī)平面而斗底平行于地面，在這種狀態(tài)下開始挖掘時的挖掘半徑。圖 2.9 停機(jī)平面上的最小挖掘半徑如圖2.9所示，這時斗桿和動臂間的夾角為最小()，鏟斗與地面相交成角(見圖2.7)，而斗齒尖V到回轉(zhuǎn)中心的距離為。從幾何推導(dǎo)可知 (2-27)式中、Q點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，且=； (2-28) (2-29) (2-30) 帶入式（2-29）整理后得 (2-31) 有些挖掘機(jī)不要求鏟斗水平鏟入，而往往以一定的后角開始挖掘

16、，因而最小挖掘半徑可能比前一種小，加大了停機(jī)平面上的挖掘范圍。在這種情況下QV與水平的夾角將增至。根據(jù)有的資料介紹，為使鏟斗容易切人土壤，開始挖掘時的后角可取為。應(yīng)該注意不論鏟斗開始挖掘時的位置如何，必須以不碰撞履帶板為原則，因此（） (2-32)式中 R驅(qū)動輪半徑(毫米)；履帶行走裝置水平投影的對角線與縱軸問的夾角； 考慮轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)連桿裝置及余隙在內(nèi)的間隙，初步設(shè)計時可取200400毫米。(2) 動臂傾角和的確定動臂最大傾角根據(jù)最大挖掘高度確定。由圖2.5并根據(jù)式(217)和(218)經(jīng)過運算得出 (2-33)因此先確定后，再根據(jù)可得。動臂最小傾角。根據(jù)最大挖掘深度確定。由圖2.5和式(220

17、)得到 (2-34)（3）鏟斗轉(zhuǎn)角和的確定 轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：滿足工作尺才的要求，即保證所要求的、等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)；挖掘過程中能夠調(diào)整切削后角，保證工作正常進(jìn)行，滿足挖掘過程結(jié)束時的轉(zhuǎn)斗要求及卸載要求。A.必須滿足工作尺寸的要求為滿足挖掘高度要求(圖2.5) (2-35)為滿足最大挖掘半徑要求(圖2.4) (2-36)為滿足停機(jī)平面上最小挖掘半徑要求(圖2.8) (2-37) (2-38) (2-39) (2-40)為滿足最大挖掘深度要求(圖2.6)B必須滿足挖掘過程中調(diào)整切削后角的要求挖掘過程中隨著鏟斗向前運動，斗的切削后角也不斷發(fā)生改變，為了保證挖掘正常進(jìn)行，斗底不應(yīng)與地面發(fā)生摩擦，即

18、0，為此必須使（圖2.10）又 將式代入，整理后得到 (2-41)圖 2.10 鏟斗運動方向與切削后角C必須滿足卸載要求由于前卸式鏟斗和底卸式鏟斗的卸載方法不同，因此對轉(zhuǎn)角的要求也不同。為使卸斗于凈，前卸式鏟斗在卸土?xí)r要求斗底與水平相交成以上的角(見圖2.11a)，因此從圖2.5及式(235)得 (2-42)圖 2.11 不同卸載方式對的影響底卸式鏟斗卸土?xí)r可假定斗的后壁接近于垂直枚態(tài)，斗底按近于水平位置(圖2.11b)，因此要求 (2-43)對比(242)和(243)可見，從卸土要求來看，底卸式鏟斗的轉(zhuǎn)角可比前卸式少左右。D必須滿足挖掘結(jié)束時鏟斗后傾的要求為了使鏟斗在挖掘結(jié)束時脫離工作面并在

19、提升過程中使斗內(nèi)物科不致撒落，鏟斗必須后傾。根據(jù)裝裁機(jī)的要求鏟斗裝滿后斗底必須向上傾斜角， 顯然這時QV連線也必然向上翹起角。結(jié)合圖2.7和2.12可知+ (2-44)根據(jù)以上所得的公式(235)(244)就可以初步確定動臂、斗桿、鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍。但是求出這些參數(shù)后還必須校接所規(guī)定的其它工作參數(shù)，如最大卸載高度、最大卸載高度時的卸載半徑、最大挖掘高度時的挖掘半徑等，如不能滿足則應(yīng)加以修正。圖 2.12 鏟斗后傾示意圖但是由于設(shè)計說明中已經(jīng)給出所需要的鏟斗轉(zhuǎn)角范圍為145°265°4.4動臂油缸的鉸點及行程確定確定動臂油缸及其鉸點位置時首先應(yīng)滿足動臂變幅時力短和轉(zhuǎn)角的要求。圖

20、2.13中設(shè)動臂油缸全縮和全伸時的位置為和，則；。再假定鉸點B不在動臂中心線CF上，且(當(dāng)B在CF線下方時為“十”，反之為“一”)。那么由幾何推導(dǎo)可以求出工作時動臂油缸的起始力臂和終了力臂的值： (2-45) (2-46)式中各參數(shù)可見表210、211及公式(257)。如果CF線處于水平線以下則用負(fù)值代入。圖 2.13 動臂提升機(jī)構(gòu)計算示意圖設(shè)起始力臂和終了力臂的比值為K，則 (2-47)或 （2-48）展開并整理后得到 (2-49)對式(248)、(249)可作如下分析：(1)公式表示了、K、諸值之間存在著一定的依賴關(guān)系。當(dāng)其它數(shù)值不變，降低值則K值下降，因而對上部挖掘有利；當(dāng)、K不變，降低

21、值會使加大而減小，對挖高有利。這些都說明正鏟的值應(yīng)當(dāng)比反鏟的小。但是如果工作尺寸已定，過多降低值會對下部挖掘不利，甚至在下部挖掘時不能提起滿載斗；此外為了保證、和K，降低值就必須加大值，加大了油缸行程，對油缸的穩(wěn)定性也有影響。所以當(dāng)確定值時必須全面考慮，籠統(tǒng)地給定正鏟或反鏟的值是不恰當(dāng)?shù)摹?2)當(dāng)、K等值固定，與之間也存在一定的關(guān)系，即為常數(shù)。在反鏟上由于需要提高地面以下的挖掘性能，值往往都是負(fù)值。因此加大可以減小動臂的彎曲程度，對動臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有利。而正鏟動臂一般不采用反鏟那樣大曲率的彎臂，角主要按油缸在動臂上的鉸接方式而定，有時油缸鉸在動留下緣的耳板上(動臂截面不致削弱)；有時靠兩個鐘形座

22、鉸于動臂兩側(cè)(在雙缸方案中常采用)等等，因而角有正有負(fù)，但角度一般部不大，因此對的影響也不很大。綜合上述兩點，建議在初步設(shè)計中先確定動臂結(jié)構(gòu)，初選值，然后根據(jù)工作尺寸的需要，在確定、基礎(chǔ)上按公式(249)求合理的值。一般情況下正鏟的值不大干。(3)值主要應(yīng)從油缸的穩(wěn)定性出發(fā)選用，建議取1.61.7。(4)由于正鏟主要挖掘地面以上土，終了力臂不能忽視，故K值可建議在0.901.14的范圍內(nèi)選取。設(shè)計動臂機(jī)構(gòu)時合理地確定A、B、C三點的位置非常重要。從和中(圖2.13)還能得到如下關(guān)系式 (2-50) (2-51)用公式(24)代入得 (2-52) (2-53)令，代人上式，解聯(lián)立方程后得到 (2

23、-54) (2-55)以上我們根據(jù)動臂轉(zhuǎn)角需要和K值確定了、等比例系數(shù)和值，因此只要進(jìn)一步求出、中任一值就可以求得其它各參數(shù)。對于正鏟來說動臂油缸的主要作用是將滿載斗由任何可能挖掘的位置舉升到卸載點。而在最大挖掘半徑下舉升滿載斗時的提升力矩往往接近最大值，此時油缸的作用力臂也接近于最大值，且。另一方面油缸的缸徑一般部按照系列選用，并且還要考慮與其它油缸通用等問題，因此缸徑?jīng)]有很多選擇的余地。鑒于以上情況可以在預(yù)先確定油缸數(shù)目和缸徑的前提下初步選擇鉸點距離AC()。 (2-56)式中 M提升力矩，圖214，即各部分重量對C點的力矩和，其中包括動臂重量、斗桿重量、斗和土壤的重量、連桿裝置重量以及油

24、缸重量、等。初步設(shè)計時這些重量和重心位置可根據(jù)類比法確定；s油缸推力， s，其中、分別為動臂油缸數(shù)目和缸徑；p是系統(tǒng)的工作壓力；油缸和鉸點的機(jī)械效率，在初步設(shè)計時可取=0.85。 將式(2110)和(2111)的結(jié)果代人式(257)，就能求得其余參數(shù)值。動臂機(jī)構(gòu)還必須按以下兩種情況進(jìn)行校核； 1)動筒在上部或下部極限位置時的舉升能力；2)主要挖掘范圍內(nèi)挖掘時動臂油缸能提供的閉鎖能力(借助電算結(jié)合整機(jī)挖掘力分析進(jìn)行)。 4.5斗桿油缸鉸點及行程確定選擇斗桿油缸在動臂和斗桿上的鉸點D和E并確定斗桿油缸的長度和。如圖215所示，假設(shè)斗桿油缸全縮和全伸時的長度為和，則。=，對F點的相應(yīng)力臂為和。也取比

25、例系數(shù)圖 2.14 確定提升機(jī)構(gòu)的示意圖圖 2.15 斗桿機(jī)構(gòu)計算示意圖；則初始與終了力臂比K為K= (2-57)或 最后得到 (2-58)式中和相應(yīng)為DF、FC的夾角和EF、FQ的夾角。若CF或FQ落在的外側(cè)，則夾角為正，反之為負(fù)。因此在初步設(shè)計中如果根據(jù)動臂和斗桿的結(jié)構(gòu)形式及鉸點的固定方式預(yù)先確定一個角，則可按公式求出第二個角，或者根據(jù)所求的值結(jié)合具體結(jié)構(gòu)情況分別確定各值。計算斗桿機(jī)構(gòu)時建議K值取0.91，以使開始挖掘和挖掘終了時作用力臂大致相同。值仍建議取1.61.7。 同樣，由和可列出聯(lián)立方程 (2-59) (2-60)令，并將代人上式，解聯(lián)立方程后得到 (2-61) (2-62)下面

26、介紹一種根據(jù)挖掘作功的理論確定斗桿油缸參數(shù)的方法。設(shè)斗桿油缸挖掘時需要克服的切向挖掘阻力為，那么 (2-64)式中 b切削寬度(厘米)； h平均切削深度(厘米)； 挖掘比阻力，取設(shè)計任務(wù)所規(guī)定的最硬土壤的挖掘比阻力值(公斤厘米)。假設(shè)鏟斗在行程L(厘米)中裝滿，那么在裝斗過程中消耗到挖掘土壤上的功為（ (2-65)式中 q斗容量()； 、鏟斗的充滿系數(shù)和土壤的松散系數(shù)。顯然這個功由斗桿油缸來完成，而在此期間斗桿油缸所作的功為 (2-66)式中 S斗桿油缸推力，其中，是斗桿油缸數(shù)量和缸徑，是系統(tǒng)工作壓力； 油缸和鉸點的機(jī)械效率，在初步設(shè)計時建議取=0.85； 油缸挖掘行程。在正鏟上一般認(rèn)為鏟斗應(yīng)

27、在斗桿油缸60的行程內(nèi)裝滿，則=其中是斗桿油缸全行程。因此從作功出發(fā)可列出平衡方程式= (2-67) = (2-68)確定斗桿油缸行程之后，不難求出其全縮和全伸時的長度，即 (2-69) (2-70)將式(269)、(270)和（2-62）所得的結(jié)果代入就可求出等值。所選購油缸及斗桿機(jī)構(gòu)的其它參數(shù)應(yīng)按油缸極限位置時能產(chǎn)生偽挖掘力進(jìn)行驗算，此時斗桿油缸的挖掘力應(yīng)不低于斗桿挖掘時遇到的正常挖掘阻力。而這些數(shù)值作為已知條件，課題已給出。4.5鏟斗油缸鉸點及行程確定轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)保證鏟斗有一定的挖掘能力，并具有必要的閉鎖能力。但正鏟上轉(zhuǎn)斗挖掘不是主要的挖掘方式，因此在參數(shù)選擇時提出以下幾點作為參考：(1)

28、在主要挖掘土壤中工作時，轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)保證鏟斗在70一100的轉(zhuǎn)斗行程內(nèi)挖滿土；(2)在最硬的土壤中工作時，轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)保證在主要挖掘范圍內(nèi)用斗桿油缸挖掘時鏟斗油缸具有必要的閉鎖能力；(3)參考前端裝載機(jī)設(shè)計要求，建議在鏟斗油缸全伸時斗齒上的挖掘力不低于滿斗土重的兩倍。 根據(jù)以上幾點，在初步設(shè)計時也可以用挖掘作功的理論來選擇鏟斗油缸參數(shù)。與斗桿機(jī)構(gòu)計算相類似，可直接列出鏟斗油缸的行程 (2-71)式中 鏟斗油缸挖掘行程與全行程的比率，取1，其中大值適用于低卸式鏟斗，小值適用于前卸式鏟斗； 挖掘比阻力，建議采用主要挖掘土壤的值； 鏟斗油缸數(shù)量及缸徑； 油缸和鉸點的效率。在具有連桿裝置的情況下取=0.

29、80.85。仍取油僅全伸和全縮時長度之比為1.7），則鏟斗油缸長度為 (2-72) (2-73)油缸的鉸點位置、連桿裝置的結(jié)構(gòu)形式及其鉸點布置在初步設(shè)計時可參考樣機(jī)或采用類比法預(yù)先確定，再根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)角及其與FQ連線的相對位置進(jìn)行校核。第五章 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要結(jié)構(gòu)件的計算主要是指對斗桿和動臂在不利工況下進(jìn)行載荷分析，以計算其材料與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。§5.1斗桿正鏟挖掘機(jī)斗桿的強(qiáng)度主要由彎矩控制。取以下兩個工況位置進(jìn)行強(qiáng)度校核。一、工況一1、動臂位于最低；2、斗桿油缸作用力臂最大；3、斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上；4、側(cè)齒遇障礙有橫向作用力。切向最大

30、挖掘力取決斗桿油缸的閉鎖力，取斗桿為隔離體，按力矩平衡求得：式中，斗桿和鏟斗的重量（噸）；斗桿和鏟斗長（米）；斗桿重力到動臂與斗桿鉸點的力臂（米）；鏟斗重力到動臂與斗桿鉸點的力臂（米）取鏟斗為隔離體，按力矩平衡求得鏟斗油缸工作力：式中，鏟斗重力到鏟斗與斗桿鉸點的距離（米）；連桿到鏟斗與斗桿鉸點的距離（米）；連桿到搖桿與斗桿鉸點的距離（米）；搖桿的長度（米）。法向阻力取決于動臂油缸的閉鎖力，取整個工作裝置為隔離體，由力矩平衡求得： (噸)式中，切向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂（米）；法向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂（米）；動臂油缸作用力到動臂下鉸點的力臂（米）；工作裝置各個部分對動臂下鉸點的力矩和。

31、鏟斗邊齒遇障礙時，橫向挖掘阻力取決于回轉(zhuǎn)平臺的制動力矩： (噸)式中，橫向挖掘阻力與回轉(zhuǎn)中心間的距離。按圖解法和力平衡方程求得斗桿所受作用力。此外，斗桿與鏟斗鉸點處還作用有和產(chǎn)生的橫向力矩：式中，b鏟斗寬（米）。切向挖掘阻力作用于斗邊齒，造成對斗桿的扭矩： (噸*米)按以上作用力分析，作斗桿內(nèi)力圖，包括軸力N，斗桿平面內(nèi)的剪力和彎矩，斗桿平面外的剪力和彎矩，以及扭矩如圖5-1。取彎矩最大處進(jìn)行校核，斷面如圖5-3所示： 圖5-3斷面面積為： 斷面轉(zhuǎn)動慣量： 斷面處壓應(yīng)力為： 斗桿平面內(nèi)剪應(yīng)力為： 圖5-2斗桿平面內(nèi)彎曲正應(yīng)力：斗桿平面外剪應(yīng)力為： 斗桿平面外彎曲正應(yīng)力： 按閉口薄壁桿件公式計算

32、扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力：=14.7 式中，截面中線所圍面積 最小壁厚此時，有附加載荷，斗桿安全系數(shù)取為2，材料16Mn的屈服極限=350，則，許用應(yīng)力最大壓應(yīng)力<X方向最大剪應(yīng)力<Y方向最大剪應(yīng)力<故，強(qiáng)度滿足。二、工況二1、動臂位于動臂油缸最大作用力臂處；2、斗桿油缸作用力臂最大；3、鏟斗斗齒尖，動臂與斗桿鉸點，斗桿與鏟斗鉸點三點位于同一直線；4、正常挖掘，挖掘阻力對稱于鏟斗，無橫向力。斗桿受力分析同工況一。切向最大挖掘力取決斗桿油缸的閉鎖力，取斗桿為隔離體，按力矩平衡求得： (噸)式中，斗桿和鏟斗的重量（噸）；斗桿和鏟斗長（米）；斗桿重力到動臂與斗桿鉸點的力臂（米）；鏟斗重力到動臂與

33、斗桿鉸點的力臂（米）取鏟斗為隔離體，按力矩平衡求得鏟斗油缸工作力： (噸)式中，鏟斗重力到鏟斗與斗桿鉸點的距離（米）；連桿到鏟斗與斗桿鉸點的距離（米）；連桿到搖桿與斗桿鉸點的距離（米）；搖桿的長度（米）。法向阻力取決于動臂油缸的閉鎖力，取整個工作裝置為隔離體，由力矩平衡求得：2.571(噸)式中，切向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂（米）；法向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂（米）；動臂油缸作用力到動臂下鉸點的力臂（米）；工作裝置各個部分對動臂下鉸點的力矩和。按圖解法和力平衡方程求得斗桿所受作用力。按以上作用力分析，作斗桿內(nèi)力圖， 圖5-5包括軸力N，斗桿平面內(nèi)的剪力，彎矩如圖5-5。取彎矩最大處進(jìn)行校核

34、，斷面如圖5-6所示：受力分析同上。斷面處壓應(yīng)力為： 斗桿平面內(nèi)剪應(yīng)力為： 斗桿平面內(nèi)彎曲正應(yīng)力：此時，為主載荷，斗桿安全系數(shù)取為2.5，材料16Mn的屈服極限=350，則，許用應(yīng)力 圖5-6最大壓應(yīng)力<最大剪應(yīng)力<故，強(qiáng)度滿足。§5.2 動臂正鏟裝置動臂的強(qiáng)度校核按挖掘中動臂可能出現(xiàn)的最大載荷來選定計算位置。一、工況一1、 工作裝置處于最大挖掘深度處；2、 正常挖掘，無橫向作用力。切向最大挖掘力取決斗桿油缸的閉鎖力，取斗桿為隔離體，按力矩平衡求得： 式中，斗桿和鏟斗的重量（噸）；斗桿和鏟斗長（米）；斗桿重力到動臂與斗桿鉸點的力臂（米）；鏟斗重力到動臂與斗桿鉸點的力臂（米）法向阻力取決于動臂油缸的閉鎖力，取整個工作裝置為隔離體，由力矩平衡求得： (噸)式中，切向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂（米）；法向挖掘阻力到動臂下鉸點的力臂（米）；動臂油缸作用力到動臂下鉸點的力臂（米）；工作裝置各個部分對動臂下鉸點的力矩和。取鏟斗和斗桿為隔離體，求得斗桿與動臂鉸點處的作用力。再取動臂為隔離體，求得動臂下鉸