挖掘機工作裝置設(shè)計計算說明書

［在此處鍵入［在此處鍵入］［在此處鍵入［在此處鍵入］摘要液壓挖掘機是工程機械的一種主要類型，廣泛應(yīng)用在房屋建筑、筑路工程、水利建設(shè)、港口建設(shè)、國防工程等土石方施工和礦山采掘之中。反鏟液壓挖掘機是挖掘機械中最重要的機種之一，主要應(yīng)用于挖掘停機面以下的土壤。液壓挖掘機反鏟裝置是完成液壓挖掘機各項功能的主要部分，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到液壓挖掘機的工作性能和可靠性。本文根據(jù)液壓挖掘機反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點，工作原理以及對典型工況的分析，總結(jié)了挖掘機工作裝置性能要求和設(shè)計原則，然后對其各主要構(gòu)件進行了方案選擇以及運動學(xué)分析，并確定各校點之間的距離，用Pro/e軟件繪出其連桿模型。接著根據(jù)連桿模型并結(jié)合其他機械設(shè)計知識畫出工作裝置的二維圖紙，最后根據(jù)圖紙上的具體結(jié)構(gòu)尺寸對工作裝置的主要部件進行校核。關(guān)鍵詞：液壓挖掘機，工作裝置，運動學(xué)分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計AbtractAsoneofimportantconstructionmachineryandequipments,hydraulicexcavatoriswidelyusedinearthworkconstructionandmineexploitation,suchasinarchitecture,roadengineering,waterconservancy,portbuilding,nationaldefenseproject,etc.Theexcavatorwithabackhoedismainlyusedtoexcavatetheearthunderground.BackhoeEquipmentofHydraulicExcavatorisoneimportantdevicetoperformmanyfunctions.Theworkingperformanceandreliabilityofthewholemachineisinfluencedbytherationalityofitsstructure.Firstly,thispaper,whichisbasedonthestructuralfeaturesofhydraulicbackhoeexcavatorbeworkedprincipleandtheanalysisoftypicalconditions,summeduptheexcavatorworkingequipmentperformancerequirementsanddesignprinciples.Secondly,beselectedtheprogramandconductthekinematicanalysisofallthemajorcomponentsofworkingequipment,andbedeterminedthedistancebetweenthehingepoints,andthenusedthePro/esoftwaretodrawthelinkmodel;Thirdly,drewtwo-dimensionaldrawingsoftheworkequipments;Finally,accordingtothedrawings'specificdimensions,checthemaincomponensofworkingdevice.Keywords:hydraulicexcavator;workingequipment;kinematicanalysis;structuraldesign目錄TOC\o"1-5"\h\z1緒論-1--1-\o"CurrentDocument"1.2挖掘機發(fā)展簡史-1--1--2--2--3-\o"CurrentDocument"1.5論文構(gòu)成及研究內(nèi)容-3-2總體方案設(shè)計-4-\o"CurrentDocument"工作裝置構(gòu)成及原理-4-\o"CurrentDocument"工作裝置坐標設(shè)定〔見圖2-2］-6-\o"CurrentDocument"工作裝置各部分方案選擇-7-\o"CurrentDocument"動臂種類選擇及油缸布置方案選擇-7-\o"CurrentDocument"斗桿種類選擇-8--8-\o"CurrentDocument"液壓挖掘機工礦分析-10-\o"CurrentDocument"液壓挖掘機工作裝置設(shè)計要求-14-\o"CurrentDocument"幾何尺寸要求-15-\o"CurrentDocument"液壓挖掘機工作裝置的設(shè)計原則-18-\o"CurrentDocument"設(shè)計基本參數(shù)以及設(shè)計作業(yè)范圍-18-\o"CurrentDocument"3工作裝置運動學(xué)分析-19-\o"CurrentDocument"動臂運動分析-19-\o"CurrentDocument"斗桿的運動分析-21-\o"CurrentDocument"鏟斗的運動分析-22-\o"CurrentDocument"特殊工作位置計算-24-4基本尺寸確實定-28-\o"CurrentDocument"斗形參數(shù)的選擇-28-\o"CurrentDocument"動臂機構(gòu)參數(shù)的選擇-29-\o"CurrentDocument"斗桿機構(gòu)基本參數(shù)的選擇-31-\o"CurrentDocument"連桿及鏟斗機構(gòu)基本參數(shù)的選擇-32-\o"CurrentDocument"5工作裝置結(jié)構(gòu)受力分析與校核-38-\o"CurrentDocument"挖掘阻力分析-38-\o"CurrentDocument"工作裝置各部分油缸作用力確實定~~-39--39--42--43-\o"CurrentDocument"工作裝置結(jié)構(gòu)強度校核的工況介紹-44-斗桿的力學(xué)分析-45-斗桿強度校核-51-動臂力學(xué)分析-56-動臂強度校核-58-6結(jié)論-62-參考文獻-63-附錄錯誤！未定義書簽。致謝錯誤！未定義書簽。1緒論題背景及目的挖掘機在國民經(jīng)濟建設(shè)的許多行業(yè)被廣泛地采用，如工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利電氣工程、農(nóng)田改造、礦山采掘以及現(xiàn)代化軍事工程等等行業(yè)的機械化施工中。據(jù)統(tǒng)計，一般工程施工中約有60%勺土方量、露天礦山中80%勺剝離量和采掘量是用挖掘機完成的。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入和在建設(shè)中挖掘機的廣泛應(yīng)用，挖掘機市場有著廣闊的發(fā)展空間，因此發(fā)展?jié)M足我國國情所需要的挖掘機是十分必要的。而工作裝置作為挖掘機的重要組成部分，對其研究和控制是對整機開發(fā)的基礎(chǔ)。單斗液壓挖掘機工作裝置是一個較復(fù)雜的空間機構(gòu)，國內(nèi)外對其運動分析、機構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方面都作了較深入的研究，具體的設(shè)計特別是小型挖掘機的設(shè)計已經(jīng)趨于成熟。而關(guān)于單斗液壓挖掘機的相關(guān)文獻也很多，這些文獻從不同側(cè)面對工作裝置的設(shè)計進行了論述。而筆者的設(shè)計知識和水平能力只是初學(xué)者，進行本課題的設(shè)計是為對挖掘機的工作裝置設(shè)計有一些大體的認識，穩(wěn)固所學(xué)的知識和提高設(shè)計能力。1.2挖掘機發(fā)展簡史挖掘機械的最早雛形，主要用于河道。港口的疏浚工作，第一臺有確切記載的挖掘機械是1796年英國人發(fā)明的蒸汽“挖泥鏟”。而能夠模擬人的掘土工作，在陸地上使用的蒸汽機驅(qū)動的“動力鏟”于1835年在美國誕生，主要用于修筑鐵路的繁重工作，被認為是現(xiàn)代挖掘機的先驅(qū)，距今已有170多年歷史。1950年，德國研制出世界上第一臺全液壓挖掘機。由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料不斷在挖掘機上得到應(yīng)用，尤其是電子技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用使得液壓挖掘機在作業(yè)效率、可靠性、安全性和操作舒適性以節(jié)能、環(huán)保等方面有了長足的進步。目前液壓挖掘機已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，成為土石方施工不可缺少的重要機械設(shè)備。工業(yè)發(fā)達國家的液壓挖掘機生產(chǎn)較早，產(chǎn)品線齊全，技術(shù)成熟。美國、德國和日本是液壓挖掘機的主要生產(chǎn)國，具有較高市場占有率。20世紀后期開始,國際上液壓挖掘機的生產(chǎn)從產(chǎn)品規(guī)格上看，在穩(wěn)定和完善主力機型的基礎(chǔ)上向大型化、微型化方向發(fā)展；從產(chǎn)品性能上看，向高效節(jié)能化、自動化、信息化、智能化的方向發(fā)展。我國從1967年開始研制液壓挖掘機。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機械廠的WY100貴陽礦山機器廠的W460、合肥礦山機器廠的WY6/。到20世紀70年代末80年代初，長江挖掘機廠和杭州重型機械研制成功了WY160ffiWY25/液壓挖掘機產(chǎn)品。從1994年開始，美國的卡特彼勒公司、日本的神戶制鋼所、日本的小松制作所、日本的日立建機株式會社、韓國大宇重工、韓國現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾、德國雪孚、德國阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司先后在中國建立了中外合資、外商獨資挖掘機生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)具有世界先進水平的多種型號和規(guī)格的液壓挖掘機產(chǎn)品。近年來我國經(jīng)濟增長迅速，液壓挖掘機市場需求不斷擴大，形成了巨大的挖掘機市場空間，但該行業(yè)主要由合資企業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國內(nèi)一些工程機械待業(yè)的上市股分公司合資的方式介入了挖掘機產(chǎn)業(yè)，同時國內(nèi)還有眾多的企業(yè)也在生產(chǎn)液壓挖掘機，但在生產(chǎn)規(guī)模、品種、質(zhì)量等方面與國外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展民族挖掘機產(chǎn)業(yè)，必須瞄準國際先進水平，圍繞國內(nèi)外兩個市場，在充分利用國際化配套的國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強自主創(chuàng)新意識，掌握核心設(shè)計制造技術(shù)，發(fā)揮性價比優(yōu)勢，提高產(chǎn)品競爭力，把我國液壓挖掘機產(chǎn)品做大做強。單斗液壓挖掘機可按用途及其主要裝置的特征進行分類。按液壓挖掘機主要用途及工作裝置的不同分為通用型和專用型兩種。中小型挖掘機大多數(shù)為通用型，即以挖掘土壤容重18000N/m妁標準反鏟斗的主要裝置外，還配有適于挖掘各種輕重土質(zhì)和挖掘幅度的反鏟、正鏟、抓斗、裝載、起重等多種可換裝置。而大型液壓挖掘機則以礦用正鏟為主要裝置外，一般亦配有挖掘輕重土、石料和各種挖掘幅度的正、反鏟等裝置。主要用于礦山采掘和裝載、稱采礦或礦用型。按工作裝置的結(jié)構(gòu)不同分為較接式和伸縮臂式挖掘機，常用者均為較接式,伸縮臂式挖掘機因可用于平整清理場地和坡道等作業(yè)，故有挖掘平地機之稱。按行走裝置的不同，液壓挖掘機分為履帶式、輪胎式、汽車式、懸掛式及拖式等種類。屐帶式因有良好通過性能應(yīng)用最廣，對松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長及以浮式履帶來降低接地比壓。輪式挖掘機具有行走速度快，機動性好、可在城市道路通行，故近年來在中小型液壓挖掘機中發(fā)展較快。汽車式、懸掛式是以汽車及拖拉機為基礎(chǔ)機械（底盤）裝設(shè)挖掘或裝載工作裝置的小型挖掘機。適用于城建小量土方工程及農(nóng)村建筑。拖式則沒有行走驅(qū)動機構(gòu)，轉(zhuǎn)移時由牽引車牽引，主要優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單、成本低。按回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)角的不同，液壓挖掘機有全回轉(zhuǎn)和半回轉(zhuǎn)兩類。大部分液壓挖掘機是全回轉(zhuǎn)式的，小型液壓挖掘機如懸掛式等工作裝置僅能作180°左右的回轉(zhuǎn)，為半回轉(zhuǎn)式。按主要機構(gòu)是否全部采用液壓傳動又分為全液壓式與半液壓式兩種。兩者區(qū)別在于半液壓傳動挖掘機的行走機構(gòu)采用機械傳動，少數(shù)挖掘機僅工作裝置采用液壓傳動，如大型礦用挖掘機等。目前國產(chǎn)輪胎式液壓挖掘機多采用半液壓式。本次設(shè)計斗容量為0.3m3,全液壓履帶式挖掘機型號為YW0.3型，由于履帶式液壓挖掘機有良好通過性能應(yīng)用最廣，對松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長以及浮式履帶來降低接地比壓。1.5論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機構(gòu)組成挖掘機工作裝置進行設(shè)計具體內(nèi)容包括以下四部分：〔1〕挖機工作裝置的總體設(shè)計?！?〕挖掘機的工作裝置詳細的機構(gòu)運動學(xué)分析?！?〕工作裝置各部分的基本尺寸的計算和驗證?！?〕工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。［在此處鍵入［在此處鍵入］2總體方案設(shè)計2.1工作裝置構(gòu)成及原理圖1-1工作裝置組成圖其中1-鏟斗；2-斗齒；3-連桿；4-搖桿；5-鏟斗油缸；6-斗桿；7-動臂；8-動臂油缸；9-斗桿油缸圖1-1為液壓挖掘機工作裝置基本組成及傳動示意圖，如下圖反鏟工作裝置由鏟斗連桿、斗桿、動臂、相應(yīng)的三組液壓缸等組成。動臂下較點較接在轉(zhuǎn)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欽點轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上欽點轉(zhuǎn)動，而鏟斗較接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前欽點轉(zhuǎn)動。為了增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，鏟斗液壓缸一般通過連桿機構(gòu)〔即連桿和搖桿〕與鏟斗連接。反鏟液壓挖掘機的工作過程為：先下放動臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動斗桿及鏟斗，當挖掘至裝滿鏟斗時，提升動臂使鏟斗［在此處鍵入］［在此處鍵入［在此處鍵入］［在此處鍵入［在此處鍵入］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)至工作位置開始下一次作業(yè)循環(huán)［2］。液壓挖掘機的反鏟裝置主要用于挖掘停機面以下土壤（基坑、溝壕等）。其挖掘軌跡決定于各油缸的運動及其相互配合情況。通常情況下，分為動臂挖掘、斗桿挖掘、轉(zhuǎn)斗挖掘等幾種情況?！?〕動臂挖掘當采用動臂油缸工作來進行挖掘時（斗桿和鏟斗油缸不工作）可以得到最大的挖掘半徑和最長的挖掘行程。此時鏟斗的挖掘軌跡系以動臂下欽點為中心，斗齒至該欽點的距離為半徑所作的圓弧線。具極限挖掘高度和挖掘深度（不是最大挖掘深度）即圓弧線之起終點，分別決定于動臂的最大上傾角和下傾角（動臂與水平線之夾角），也即決定于動臂油缸的行程。由于這種挖掘方式時間長而且由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實際工作中基本上不采用?！?〕斗桿挖掘當僅以斗桿油缸工作進行挖掘時，鏟斗的挖掘軌跡為圓弧線，弧線的長度與包角決定于斗桿油缸的行程。當動臂位于最大下傾角，并以斗桿油缸進行挖掘工作時，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。在較堅硬的土質(zhì)條件下工作時，能夠保證裝滿鏟斗，故挖掘機實際工作中常以斗桿油缸工作進行挖掘?！?〕轉(zhuǎn)斗挖掘當僅以鏟斗油缸工作進行挖掘時，鏟斗的挖掘軌跡也為圓弧線，弧線的包角及弧長決定于鏟斗油缸的行程。顯然，以鏟斗油缸工作進行挖掘時的挖掘行程較短，如使鏟斗在挖掘行程結(jié)束時裝滿土壤，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤。所以一般挖掘機的斗齒最大挖掘力都在采用鏟斗油缸工作時實現(xiàn)。采用鏟斗油缸挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率。因此，在一般土方工程挖掘中，轉(zhuǎn)斗挖掘較常采用。在實際挖掘工作中，往往需要采用各種油缸的聯(lián)合工作。挖掘機工作裝置各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿，對工作裝置進行適當簡化處理如圖2-2所示。

圖2-2工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖挖掘機的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實質(zhì)是一組平面連桿機構(gòu)，自由度是3,即工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度Li、斗桿油缸長度L2、鏟斗油缸長度L3決定，當Li、L2、L3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定。工作裝置坐標設(shè)定〔見圖2-2〕圖中的各參數(shù)的含義說明如下：A表示動臂油缸與回轉(zhuǎn)平臺的欽點；B表示動臂油缸與動臂的欽點；C表示動臂與回轉(zhuǎn)平臺的欽點；D表示斗桿油缸與動臂的欽點；E表示斗桿油缸與斗桿的欽點；F表示動臂與斗桿的欽點；G表示鏟斗油缸與斗桿的欽點；M表示鏟斗油缸與連桿機構(gòu)的欽點；N表示連桿機構(gòu)與斗桿的欽點；Q表示斗桿與鏟斗的欽點；K表示連桿機構(gòu)與鏟斗的欽點；V表示鏟斗的齒尖。所建立的總體坐標系的x軸是停機水平面，Y軸通過回轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)中心并垂直于x軸，o點為總體坐標系的原點也即x軸與Y軸的交點。［在此處鍵入［在此處鍵入］工作裝置各部分方案選擇動臂種類選擇及油缸布置方案選擇動臂是反鏟工作裝置的主要部件，一般可以分為組合式和整體式，目前采用得多的是整體式動臂。組合式動臂如圖2-3所示，組合式動臂用輔助連桿或液壓缸或螺栓連接而成。上、下動臂之間的夾角可用輔助連桿或液壓缸來調(diào)節(jié)，雖然使結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜化，但在挖掘機作業(yè)中可隨時大幅度調(diào)整上、下動臂之間的夾角，從而提高挖掘機的作業(yè)性能，尤其在用反鏟或抓斗挖掘窄而深的基坑時，容易得到較大距離的垂直挖掘軌跡，提高挖掘質(zhì)量和生產(chǎn)率。組合式動臂的優(yōu)點是，可以根據(jù)作業(yè)條件隨意調(diào)整挖掘機的作業(yè)尺寸和挖掘力，且調(diào)整時間短。止匕外，它的互換工作裝置多，可滿足各種作業(yè)的需要，裝車運輸方便。其缺點是質(zhì)量大，制造成本高，故本次設(shè)計不采用。圖2-3組合式動臂整體式動臂的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，輕巧，質(zhì)量輕而剛度大。其缺點是更換的工作裝置少，通用性較差。多用于長期作業(yè)條件相似的挖掘機上。整體式動臂［在此處鍵入］［在此處鍵入［在此處鍵入］［在此處鍵入［在此處鍵入］又可分為直動臂和彎動臂兩種。其中的直動臂結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、制造方便，主要用于懸掛式液壓挖掘機，但它不能使挖掘機獲得較大的挖掘深度，不適用于通用挖掘機；彎動臂是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式，與同長度的直動臂相比,可以使挖掘機有較大的挖掘深度，但降低了卸土高度，這正符合挖掘機反鏟作業(yè)的要求［5］。經(jīng)比較，選擇整體彎動臂。動臂油缸一般布置在動臂的前下方，有兩種具體布置方式，油缸前傾布置方案，即當動臂油缸全伸出，將動臂舉伸至上極限位置時，動臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺前方傾斜；油缸后傾布置方案，即當動臂油缸全伸出，將動臂舉伸至上極限位置時，動臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺后方傾斜，兩種方案中，在動臂油缸作用力相同時，后傾方案能得到較大的動臂作用力矩［2］,因此，本次設(shè)計采用油缸后傾布置方案。臂與動臂油缸活塞桿端部的欽點布置通常有兩種形式，一種是單動臂布置在端部彎角的下部，小型挖掘機常見；另一種是雙動臂油缸布置在動臂箱體的中部，這樣的雙動臂油缸在結(jié)構(gòu)上起到加強筋的作用，提升力也大大增加。由于本次設(shè)計的是小型挖掘機，故本次設(shè)計采用單動臂油缸。斗桿種類選擇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。在本設(shè)計中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長度，故也采用整體式斗桿。鏟斗結(jié)構(gòu)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(yīng)滿足以下的要求：〔1〕有利于物料的自由流動。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的向剖面形狀要適合于各種物料的運動規(guī)律?！?〕要使物料易于卸盡?！?〕為使裝進鏟斗的物料不易于卸出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應(yīng)大于4,大于50時，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質(zhì)。綜上考慮，選用中型挖掘機常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4鏟斗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(zhuǎn)角，改善了機構(gòu)的傳動特性。該布置中1桿與2桿的較接位置雖然使鏟斗的轉(zhuǎn)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。圖2-5鏟斗連接布置示意圖1-斗桿；2-連桿機構(gòu)；3-鏟斗2.3.4鏟斗結(jié)構(gòu)形式及斗齒的安裝形式鏟斗結(jié)構(gòu)的基本要求.鏟斗的縱向剖面形狀應(yīng)適應(yīng)挖掘過程各種物料在斗中運動規(guī)律，有利于物料的流動，使裝土阻力最小，有利于將鏟斗充滿。.裝設(shè)斗齒，以增大鏟斗對挖掘物料的線比壓，斗齒及斗形參數(shù)具有較小的單位切削阻力，便于切入及破碎土壤。斗齒應(yīng)耐磨、易于更換。3為使裝進鏟斗的物料不易掉出，斗寬與物料直徑之比應(yīng)大于4:1。4.物料易于卸凈，縮短卸載時間，并提高鏟斗有效容積。

圖2-6斗齒安裝形式本次設(shè)計的標準鏟斗容量為0.3立方米故選擇螺栓連接安裝形式。2.4液壓挖掘機工礦分析液壓挖掘機的主要運動功能包括以下幾個動作：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機行走以及其它輔助動作，如圖2-7所示。除了輔助動作(例如整機轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，一般要進行全功率驅(qū)動研究。挖掘機的典型作業(yè)流程：(1)整機移動至合適工作位置；(2)平臺回轉(zhuǎn)，使工作裝置處于挖掘位置；(3)動臂下降，并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置；(4)斗桿、鏟斗挖掘作業(yè)；(5)動臂升起；(6)回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置；(7)操縱斗桿、鏟斗卸載。圖2-7液壓挖掘機的工作運動1-動臂升降；2-斗桿收放；3-鏟斗裝卸；4-轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)；5-整機行走由于液壓挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，對主機的工作有兩項要求：1.實現(xiàn)各種主要動作時，隨著阻力與作業(yè)速度的變化，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應(yīng)變化；2.為了充分利用發(fā)動機功率，縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作(例如挖掘與動臂下降、提升與回轉(zhuǎn))同時進行復(fù)合動作。液壓挖掘機一個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復(fù)合主要包括：(1)挖掘：通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進行挖掘，或兩者配合進行挖掘。因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動作，必要時，配以動臂動作。(2)滿斗舉升回轉(zhuǎn)：挖掘結(jié)束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載位置，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。(3)卸載：轉(zhuǎn)到卸載位置時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟斗的復(fù)合動作，兼以動臂動作。(4)空斗返回：卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點，此時是回轉(zhuǎn)和動臂或斗桿的復(fù)合動作。(5)整機移開工況：將整機移動至合適的工作位置。(6)姿態(tài)調(diào)整與保持工況：滿足停放、運輸、檢修等需要。(7)其他輔助作業(yè)工況：輔助工作裝置作業(yè)工況。2.4.1典型挖掘工況液壓挖掘機典型的挖掘工況包括如下3種。(1)鏟斗挖掘工況：由鏟斗液壓缸單獨動作進行挖掘的工況，采用鏟斗液壓缸進行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率，因此，在一般土方工程挖掘中(III級土以下土壤的挖掘)鏟斗挖掘最常用。(2)斗桿挖掘工況：由斗桿液壓缸單獨動作進行挖掘的工況，在較堅硬的土質(zhì)條件下工作時，為了能夠裝滿鏟斗，中小型液壓挖掘機在實際工作中常以斗桿液壓缸進行挖掘。(3)聯(lián)合挖掘工況：由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動作進行挖掘的工況，必要時還需配以動臂液壓缸的動作。主要用于需要軌跡控制的情況。當單獨采用鏟斗液壓缸進行挖掘時，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的欽點為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定鏟斗液壓缸的行程。以鏟斗液壓缸進行挖掘時的挖掘行程較短，為了能夠裝滿鏟斗，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，所以一般挖掘機的斗尖最大挖掘力都在采用鏟斗液壓缸挖掘時實現(xiàn)。當單獨采用斗桿液壓缸進行挖掘時，挖掘軌跡以動臂與斗桿的欽點為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于斗桿液壓缸的行程。當動臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進行挖掘時，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。㈤⑻㈤(blI■II■aii|||iii|,a-水平地面的挖削；b-斜坡地面的挖削a-水平地面的切削；b-斜坡地面的切削圖2-8斗尖直線挖削圖2-9地面的切削和壓整3在土質(zhì)松軟時以轉(zhuǎn)斗挖掘為主，否則以斗桿挖掘為主。這兩種情況的挖掘阻力不同。在實際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)合工作。如在平整土地或切削斜坡時，需要同時操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運動，見圖2-8所示。此時斗桿收回，動臂抬起，需要保證彼此動作獨立，相互之間無干擾。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進行切削時，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時，就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復(fù)合動作，這些動作決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計，見圖2-9所示。當進行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進行切削，因此需要回轉(zhuǎn)機構(gòu)和斗桿機構(gòu)復(fù)合動作。單獨采用斗桿挖掘時，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個別也有采用三泵合流。單獨采用鏟斗挖掘時，也有采用雙泵合流的情況。當動臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運動時，為了防止同一油泵向多個液壓作用元件供油時動作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個油泵單獨對一個液壓作用元件供油較好。對于雙泵系統(tǒng)，復(fù)合動作時各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進行流量分配，流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅硬障礙物，往往由于挖不動而需要短時間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時增壓，能提高主壓力閥的壓力。滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況滿斗舉升回轉(zhuǎn)的運動約占整個作業(yè)循環(huán)時間的50%-70%能量消耗占25%-50%回轉(zhuǎn)液壓回路的發(fā)熱量占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%-50%因此要求盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)時間。挖掘結(jié)束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉開，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)馬達的復(fù)合動作。動臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機相對卸載的位置而變，因此動臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達的回轉(zhuǎn)速度的相對關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動臂的提升速度慢些?；剞D(zhuǎn)起動時，由于慣性較大，油壓會開得很高，有可能從溢流閥溢流，此時應(yīng)該將溢流的油供應(yīng)動臂。在回轉(zhuǎn)和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進行調(diào)整。這時是回轉(zhuǎn)馬達、動臂、斗桿和鏟斗進行復(fù)合動作。卸載工況回轉(zhuǎn)至卸載位置時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動作，兼有動臂動作?？斩贩祷毓r當卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點。此工況是回轉(zhuǎn)馬達、動臂和斗桿復(fù)合動作。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達，另一油泵的大部分油供應(yīng)動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供應(yīng)斗桿。發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。特點與滿載回轉(zhuǎn)類似，但轉(zhuǎn)動慣量比滿足時減小。整機移開工況挖掘機一般不作長距離行走，只在工地范圍行走，作業(yè)時用來調(diào)整整機位置?；疽螅鹤笥衣膸Э瑟毩⒉倏v，可調(diào)速，具有直線行走功能，具有一定的行走速度（2?5km/h）和爬坡能力（坡度大約在35o左右），具有制動能力。在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件（如回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗）進行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達供油、另一個油泵為右行走馬達供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側(cè)行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當挖掘機進行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故。為了保證挖掘機的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達分別由一個油泵單獨供油，另一個油泵向其它液壓作用元件（如動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)）供油。對于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式：①一個油泵并聯(lián)向左、右行走馬達供油，另一個油泵向其他液壓作用元件供油，其多余的油液通過單向閥向行走馬達供油；②雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達和作業(yè)裝置液壓作用元件同時供油。姿態(tài)調(diào)整與保持工況液壓挖掘機工作裝置及其他功能運動的制動與鎖定，要滿足接地比壓要求,并保證合適的停放、運輸尺寸、姿態(tài)及其特殊的檢查姿態(tài)，如圖2-10所示。圖2-10挖掘機姿態(tài)調(diào)整保持工況圖液壓挖掘機工作裝置設(shè)計要求液壓挖掘機工作裝置由動臂機構(gòu)、斗桿機構(gòu)、鏟斗機構(gòu)三部分組成，是一種具有多自由度的工程機械。這些主要機構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向，外負載變化很大，工作條件惡劣，沖擊和振動多，因此對液壓挖掘機的工作裝置提出了較高的設(shè)計要求。根據(jù)液壓挖掘機的工作特點，其工作裝置的設(shè)計需要滿足以下要求。

幾何尺寸要求液壓挖掘機工作裝置的幾何尺寸要求滿足一定的作業(yè)范圍和合適的運輸尺寸，挖掘機作業(yè)范圍圖如圖2-11,幾何尺寸之間要求不要干擾。圖2-11挖掘機作業(yè)范圍主要挖掘區(qū)域Rmax最大挖掘半徑；Hmax最大挖掘深度工作裝置的幾何尺寸要求滿足合理的挖掘力分布特性，在整個作業(yè)范圍內(nèi)的任何位置都要求實現(xiàn)最大挖掘力并不經(jīng)濟，而要求挖掘機在主要挖掘區(qū)內(nèi)能實現(xiàn)最大挖掘力。主要挖掘區(qū)是指用最合理最經(jīng)常的挖掘方式，最經(jīng)常進行挖掘的區(qū)域。對液壓挖掘機來說最合理最經(jīng)常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向機身運動的挖掘方式，用這種方式挖掘充斗效率高，循環(huán)時間短，也便于卸土，裝車，司機視野無阻，因此生產(chǎn)率高而又安全。最經(jīng)常的挖掘區(qū)域大致為圖2-5的灰色部分。作業(yè)范圍圖（如圖2-5所示）有部分區(qū)間深入到挖掘機停機點地下，這一范圍的土壤雖能挖掘，但可能引起土壤的崩塌而影響挖掘機的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)以外一般不使用。此外，工作裝置的幾何尺寸還必須滿足停放和行走時的整機穩(wěn)定性要求。

運動和動力特性要求液壓挖掘機各功能運動的動力特性要求和常見復(fù)合運動要求，如表2-1和2-2所示。表2-1各功能運動的動力特性要求一覽表功能運動名稱應(yīng)用工況功率需求變速要求制動及鎖定要求鏟斗正轉(zhuǎn)挖掘、姿勢調(diào)整大不大鏟斗反轉(zhuǎn)卸載、姿勢調(diào)整不大不大最好有鎖定斗桿正轉(zhuǎn)挖掘、姿勢調(diào)整大高最好有鎖定斗桿反轉(zhuǎn)姿勢調(diào)整不大較局最好有鎖定動臂舉升舉升、姿態(tài)調(diào)整較大高動臂下降姿態(tài)調(diào)整、輔助作業(yè)較局回轉(zhuǎn)運動挖掘與卸載轉(zhuǎn)位高高行走運動場內(nèi)轉(zhuǎn)位、調(diào)整作業(yè)位置高高表2-2常見復(fù)合運動要求一覽表復(fù)合運動應(yīng)用工況特點與要求說明鏟斗正轉(zhuǎn)+斗桿正轉(zhuǎn)復(fù)合挖掘功率需求大、變速要求局鏟斗反轉(zhuǎn)+斗桿反轉(zhuǎn)卸載功率需求較小斗桿正轉(zhuǎn)+動臂舉升平整土地要求操縱興性能好動臂舉升+回轉(zhuǎn)運動挖掘與卸載轉(zhuǎn)位功率需求大，變速要求局，動力分配可調(diào)整動臂下降+回轉(zhuǎn)運動返回向挖掘處網(wǎng)者載荷差異大、速度要求同結(jié)構(gòu)強度要求液壓挖掘機結(jié)構(gòu)強度是工作裝置設(shè)計的關(guān)鍵之一，工作裝置的結(jié)構(gòu)和所承受的載荷是十分復(fù)雜的。要求滿足工作裝置各部分的受力的情況下，保證工作裝置的強度和剛度特性。在設(shè)計液壓挖掘機的工作裝置時，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增加了構(gòu)件強度，而且縮短制造周期，降低了成本。要求動臂下支點及動臂油缸支承在平臺主梁的整塊鋼板上，這不僅增加構(gòu)件強度而且減少焊接，而且防止焊接變形。斗桿要求采取整塊鋼板下料。為了減少焊接變形及焊接應(yīng)力，要求采用型鋼及壓型等結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)件設(shè)計中為求等強度，要求采取局部加強的措施。動臂、斗桿要求改為焊鑄結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力較高的部位以鑄代焊，這樣大大提高了結(jié)構(gòu)件的沖擊和疲勞強度。為確保焊接強度，要求所有校接部均采用鑄鋼件。結(jié)構(gòu)件的破壞主要是由于沖擊疲勞，因此實際破壞時常不在負荷最大部位,而是應(yīng)力集中部位。為減少應(yīng)力集中，應(yīng)使焊縫與應(yīng)力集中部位錯開，在主要受力較接支承處采用鑄鋼件。經(jīng)濟性要求液壓挖掘機經(jīng)濟性評價指標有能量指標、作業(yè)循環(huán)時間減小、機重輕、延長維修周期和挖掘機壽命周期、加快維修進度和降低維修費用、司機操作的舒適性等。能量指標（即消耗于單位土方的能量）雖不宜作為評價土方機械技術(shù)經(jīng)濟效率的通用準則，但由于工作裝置單位重量和價格相對整機而言都較小，常用能量指標來表征工作裝置結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化的程度，這種符合能量指標的工作裝置應(yīng)能完全滿足技術(shù)與使用要求，且足夠可靠。從能量指標角度來看，要求液壓挖掘機的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度高。決定挖掘機生產(chǎn)率的基本因素是工作循環(huán)時間包括挖掘時間、向卸載點運行時間、卸載時間、向工作面返回時間。挖掘時間取決于挖掘速度的高低（合理值約為0.75m/s）,過高的挖掘速度將增加操作人員的緊張和疲勞程度。為減少運行時間和返回時間應(yīng)在允許的情況下盡量減小回轉(zhuǎn)角。回轉(zhuǎn)角的合理范圍一般為70°~180°,最正確角度為90°?；剞D(zhuǎn)角度過小時，由于達不到最大回轉(zhuǎn)速度，不能充分利用發(fā)動機的功率，從而增加運行和返回時間。卸載時間主要取決于鏟斗的結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)。其它性能要求液壓挖掘機的工作裝置除了滿足上述基本設(shè)計要求之外，還需要滿足其它的一般性能要求。例如，通過實現(xiàn)零部件的標準化、組件化和通用化，降低挖掘機的制造成本；提高液壓挖掘機各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足液壓挖掘機作業(yè)條件惡劣的要求；降低振動和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性等。液壓挖掘機工作裝置的設(shè)計原則對于液壓挖掘機工作裝置的設(shè)計，一般應(yīng)考慮以下幾個原則：(1)位置特性：滿足主要工作尺寸及作業(yè)范圍的要求，在設(shè)計時應(yīng)考慮與同類機型相比時的先進性，性能與主參數(shù)應(yīng)符合國家標準之規(guī)定。運輸或停放時應(yīng)有合理的姿態(tài)。(2)運動特性：功率利用情況好，理論工作循環(huán)時間短。(3)動力特性：滿足整機挖掘力大小及分布情況的要求；應(yīng)考慮到整機穩(wěn)定性。(4)結(jié)構(gòu)特性：確定各校點布置，結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證剛度和強度的前提下，重量越輕越好；工作裝置應(yīng)安全可靠，拆裝維修方便；液壓缸設(shè)計應(yīng)盡量采用系列參數(shù)。(5)特殊使用要求：附屬裝置如破碎捶等。設(shè)計基本參數(shù)以及設(shè)計作業(yè)范圍基本參數(shù)為：工作質(zhì)量8000Kg,斗容量0.3m3。設(shè)計作業(yè)范圍：最大挖掘高度：>4500mm最大挖掘深度：>3000mm行走速度〔km/h〕：3.6/1.8。動臂、斗桿材料使用Q345B3工作裝置運動學(xué)分析3.1動臂運動分析圖3-1動臂擺角范圍計算簡圖圖3-2F點坐標計算簡圖動臂的擺角imax是動臂油缸長度L1的函數(shù)，動臂上任意一點在任意時刻的坐標值也都是L1的函數(shù)。圖3-1中L1min：動臂油缸的最短長度；L1max：動臂油缸的伸出的最大長度；1min:動臂油缸兩較點分別與動臂下欽點連線夾角的最小值；1max：動臂油缸兩較點分別與動臂下較點連線夾角的最大值；A：動臂油缸的下欽點；B:動臂油缸白上欽點；C：動臂的下欽點設(shè)特性參數(shù)P=L1min/l5,6=17/15如下圖，當L產(chǎn)L1min時得在△AC-,據(jù)余弦定理知：TOC\o"1-5"\h\z,2.2.21l7l5L1min1min=ACBo=COS[—2171s]當L1=L1max時則得：2221max=ACBz=cos[1715LG]1715動臂的擺角范圍為：221212=--..=cos1(11)-cos()1max1max1mincos(2)'2動臂的瞬時轉(zhuǎn)角為:

21,

=cos(—1 \21,

=cos(—1 \1(Li/Limin)1,1、)cos()不難列出動臂上任意一點的坐標方程，現(xiàn)在只推導(dǎo)F點的坐標方程。21UCF201 1120BCU11cos1(lI22l不難列出動臂上任意一點的坐標方程，現(xiàn)在只推導(dǎo)F點的坐標方程。21UCF201 1120BCU11cos1(lI22l25l721) 11cos1^2I122I7I1222當F點在水平線CU之下時21為負，否則為正。F點的內(nèi)標方程為：XfYcI1cos21f點的丫坐標方程為：YfYcI1sin21這里C點的丫坐標值可由圖3-2得到：Xc=Xa-I5XCOS11Yc=Ya+I5XSinn動臂油缸的作用力臂：e1=I5XSidCAB顯然動臂油缸的作大作用力臂為e1maxI5,這時L1\'i2I2Is、'21。3.2斗桿的運動分析斗桿的位置參數(shù)是L1和L2的函數(shù)。這里暫時先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(gòu)與動臂機構(gòu)性質(zhì)類似，它們都是四桿機構(gòu)，但連桿比例不同。如下列圖3-3所示，D點為斗桿油缸與動臂的錢點點，F(xiàn)點為動臂與斗桿的欽點，E點為斗桿油缸與斗桿的欽點。

圖3-3斗桿機構(gòu)擺角計算簡圖其中D-斗桿油缸與動臂的欽點點；F-動臂與斗桿的欽點；E油缸與斗桿的欽點；9斗桿擺角.當斗桿油缸全伸時，取得：2maxCOSY2maxCOSY24當斗桿油缸全縮時，取得:一，/l8l9L2min2mincos()2min2ll

819擺角22max2min斗桿的作用力臂”e2l9sinDEF斗桿油缸最大作用力臂e2*取得:2DFEsin1（與，L2l；l2l83.3鏟斗的運動分析鏟斗相對于XOY^標系的運動是Li、L2、L3的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對于斗桿的運動，如圖3-4所示，Q點為鏟斗與斗桿的欽點，v點為鏟斗的斗齒尖點，K點為連桿與鏟斗的餃點，N點為搖桿與斗桿的欽點，H點為搖桿，油缸與連桿的欽點。圖3-4鏟斗的運動(1〕傳動比計算利用上圖，可以知道求得以下的參數(shù)：鏟斗油缸對N點的力臂r尸NHKsin/GHN222其中GHNCOS1(--),NH和HG由設(shè)計時確定。2NHHG連桿HKMN點的力臂「2=NHXsin/KHN其中：/KHN=TNHQ+KHQNHQCOSNH2HQNHQCOSNH2HQ2NQ22NHHG2 2 2QH2NH2NQ22NHNQCOSHNQHNQFNGGNHFNGCOS1(-FNFNGCOS1(-FN2 2NG2FG2FNNG)，F(xiàn)N,NG,GF均在設(shè)計中得到KHQCOS1(HK22HHQ2HQK2)HK,QH均在設(shè)計中得到連桿HK中的力對Q點的力臂為r3=l24Xsin/HKQHKQCFOS1(22HK2QK2HQ2HKQK2-)挖掘阻力對Q點的力臂為r4=l3=QV連桿機構(gòu)傳動比i=〔門＞T3〕/〔「2刈4〕顯然上式中可知，i是鏟斗油缸長度L3（即GH珀函數(shù)，用L3min代入可得初傳動比i0,L3max代入可得終傳動比iz。鏟斗相對于斗桿的擺角小3鏟斗的瞬時位置轉(zhuǎn)角為：93=/NQK+KQV,/KQV?設(shè)計確定。當鏟斗油缸長度L3分別取L3max和kmin時，可分別求得鏟斗的最大和最小轉(zhuǎn)角03max禾口93min,于是得鏟勺舜I可轉(zhuǎn)發(fā)（：（J）3=03-93min3.4特殊工作位置計算其中C-動臂下欽點；A其中C-動臂下欽點；A-動臂油缸下欽點；B-動臂與動臂油缸較點；F-動臂上欽點；D-斗桿油缸上欽點；E-斗桿下欽點；G-鏟斗油缸下欽點；Q-鏟斗下較點；K-鏟斗上欽點；V-鏟斗斗齒尖如圖3-5所示，當斗桿油缸全縮時，F(xiàn)、Q.、V三點共線，且斗齒尖v和較點C在同一水平線上，即YC=Yv,得到最大挖掘半徑R1為：R1=Xc+Jl12 (I2 I3)2 2(I2 IJ 11COS32max3.4.2最大挖掘深度H1max圖3-6最大挖掘深度計算簡圖其中NH-ffi臂；HK-連桿；C-動臂下欽點；A-動臂油缸下欽點；B-動臂與動臂油缸欽點；F-動臂上欽點；D-斗桿油缸上欽點；E-斗桿下欽點；G-鏟斗油缸下欽點；Q-鏟斗下欽點；K-鏟斗上欽點；V-鏟斗斗齒尖.如圖3-6示，當動臂全縮時，F(xiàn),Q,V三點共線且處于垂直位置時，得最大挖掘深度為：-Hlmax=YVmin=YFmin42T3=Yc+LlSin21min-1243=YC+1lSin(削min-02-M1)42^3H3max

圖3-7最大卸載高度計算簡圖如圖3-7所示，當斗桿油缸全縮，動臂油缸全伸時，QV4線處于垂直狀態(tài)時,得最大卸載高度為：H2maxYqMAX13YC11sin(IMAX211)12sin(32maxIMAX211)13sin(13sin(32MAX1MAX2 11x)其中x為QV與斗桿軸線的夾角。3.4.4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(zhuǎn)直到鏟斗油缸全縮為止，如下列圖3-8所示：H2max YqMAX 13YCH2max YqMAX 13YC11sin(IMAX圖3-8 最大挖掘高度計算簡圖11) 12sin(32MAX1MAX2 11 )13sin(32MAXIMAX2 11x)其中x為QV與斗桿軸線的夾角。4基本尺寸確實定4.1斗形參數(shù)的選擇圖4-1斗型示意圖斗容q,平均斗寬B,挖掘半徑R和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿角度2?是鏟斗的四個主要參數(shù)。他們問的關(guān)系為：12q—R2B(2sin2)Ks2一般土壤松散系數(shù)九=1.25,因為我國標準斗容指堆尖容量，所以裝滿系數(shù)不再考慮?！捕沸腿鐖D4-1〕~1.4〕赤，取B=0.66mi挖掘裝滿角度2?:根據(jù)文獻5的P75及文獻2的P28取2?=100°故由前面公式計算得到R=0.99m,從而l3=R=1000mm根據(jù)經(jīng)驗公式有：lkq=(0.3~0.38)13lkqX1000KQlKQ=380mm8=/KQ5般取95o~105o；本次設(shè)計取8=1000動臂機構(gòu)參數(shù)的選擇0C11的取值對特性參數(shù)卜4、最大挖掘深度Hlmax和最大挖圖H2max均有影響,增大a11會使k4減少或使Hlmax增大，這符合反鏟作業(yè)的要求，初選a11=62參考文獻5的P76取動臂彎角a1=1200,動臂轉(zhuǎn)折處的長度比k3=1.2［k3=L42/L41〕,參考文獻5的P72取k1=1.5.A點由底盤和轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)決定，初選：Xa=811mm,YA=920mm,初取15=436mmW由前面公式得Xc=XA-l5xCOSii=600mmYc=YA+l5XSina11=1320mm參照文獻5的P80知道斗桿油缸全縮時，/CFQ=a32最大，常選a32max=160°~180°,本次設(shè)計取a32max=160°由初定定的最大挖掘半徑R=6188mm最大挖掘深度H1max3800mm最大卸載高度H3max4200mm已初步選定的一和k1,(1R據(jù)余/仲2)2(l2l3)22(l213)(Ki12)COS32max上式中B6188mm,Xc600mm,K11.5,l31000mm,上2點中只60l2是未知的，因而解之得，l2=2075mm,WJ1i=k1l2=1.52075=3182mm41與142的計算如圖4-2,在三角形DCF中:DF卜31DC.2.2J1CD+1df-21cd1dfCOSocMOMDC1dc=1939mm1df=1940mmC39=/DFC=COS-1〔1422+112H412〕/2KX142o參照文獻5的P80取k4=0.3〔反鏟k4<0.8〕由于采用動臂單液壓缸初取/BCD=80如圖4-2,在三角形CZF中：/DCF二7-01-0(39=180-120-270=330%=/BCF=x3=/DCF-/DCB=33-80=25由前面的計算有H3max=Yc+llSin〔削max-建-Ml〕+12Sin〔0lmax+0(32max-0C11-0(2-冗〕T3-Hlmax=Yc+LiSin21min七%=Yc+1lSin(削min-02-di)」2d3兩式相減，并令A(yù)=a2+aii=25+620=87°,B=A-o32max87-160=-73°,得Himax+H3maxHi[Sin〔例max-A〕-Sin〔01min-A〕]-12[1-Sin〔Smax-B〕]=0又特性參數(shù)k4=Sinimax/ISinimin聯(lián)立以上方程，解方程解得：0lmax=155,0lmin=48.99而amin與《max需要滿足以下條件0lmin=COS1[[(t+1-(：2]/2d0lmax=COS-1[〔,+1-?i2/〕/2將6max、0min的值代入以上公式中得：TOC\o"1-5"\h\zp=3.37d9而+1=4.37〉o-①[1+/p=25〉為〔/i=1.6〕②P、6滿足①、②兩個經(jīng)驗條件，說明P、6的取值是可行的貝以7=同=2.69義436=1454mmLimin=P51=3.37X436=1517mmLimax=1Limin=X1517=2426mm初取/DFB=7。至此，動臂機構(gòu)的各主要基本參數(shù)已初步確定。斗桿機構(gòu)基本參數(shù)的選擇圖4-3斗桿機構(gòu)基本參數(shù)計算簡圖其中D:斗桿油缸的下欽點；E:鏟斗油缸的上校點；F:動臂的上欽點；？2：斗桿的擺角；19：斗桿油缸的最大作用力臂.由初定，斗桿挖掘力PGma=35kN設(shè)斗桿油缸的油壓為18MPa缸徑為110mm則斗桿油缸的工作推力P2181063.140.11170973N取整個斗桿為研究對象，根據(jù)文獻5的P86可得斗桿油缸最大作用力臂的表達式：e2max=19=PGmax〔|2+13〕/P2=35X103X〔2075+1000/170973=629mm=630mm又文獻5的P86知斗桿油缸的初始位置力臂e20與最大力臂e2max有以下關(guān)系：e20/e2max=l9COS(?2max/2)/19=COS(?2max/2)

由上式知，？2max越大，則e20初??？2max=120°、及=1.7。如上圖4-3取e20=e2z則由幾何關(guān)系有：L2min=2X19XSin(?2max/2)/(爪1)=2X629XSin60°/(1.7-1)=1556mmL2max=L2min+2X19XSin(?2max/2)=1556+629XSin60°=2100mm.1272一在三角形DLF帝，曲余弦定理得19cos(冗30)18=1df1556276292~21556629cos150=2124mm當斗桿浦能4臂最大時，/DEF=90,此時2min?COSCOS1EFDFCOS1l282min?COSCOS1EFDFCOS1l28l； L22min2181921.51629212472.72max=2min+?2max+1200°當斗桿油缸全縮時，/EFD?最小值等于2min°,/CFQ取最大值等于160°,由前面知/BFC=27°,/DFB=5°,故/EFQ=360°-2min-/EFQ-/ZFC-/DFZ=147°根據(jù)文獻5的P87知/EFQ一般在130°?170°之間，知/EFQ滿足設(shè)計要求。連桿及鏟斗機構(gòu)基本參數(shù)的選擇圖4-4機構(gòu)計算簡圖在圖4-4中，HN:搖臂的長度；HK連桿的長度；QV鏟斗的長度；FQ:斗桿的長度；F：斗桿的下錢點；G鏟斗油缸白^下銀點；N:搖臂與斗桿的較接點；K:鏟斗的上欽點；Q鏟斗的下欽點。鏟斗兩個欽點K、Q之間的間距Ikq和13的比值k2的選取：1KQ太大將影響機構(gòu)的傳動特性，太小則影響鏟斗的結(jié)構(gòu)剛度，一般取特性參數(shù)k2~0.38,本次設(shè)計取0.38,1KQ=KQ=k213X1000=380mm一般選d0=/KQV=95°—115°,本次設(shè)計取具等于1000連桿機構(gòu)各個參數(shù)必須滿足以下要求：(1)鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍鏟斗在挖掘過程中的轉(zhuǎn)角大致為900~110°,為了要滿足開挖和最后卸載及運輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉(zhuǎn)角往往要到達140°~180°,本次取155°。當鏟斗油缸全縮時，鏟斗與斗桿軸線夾角〔在軸線上方〕應(yīng)大于10°,常取15°~25°,本次取15°,故當鏟斗油缸全伸時，/NQV=180+20°-155°=450,滿足要求.(2)鏟斗機構(gòu)的載荷分析鏟斗從位I到位置R時，鏟斗油缸作用力臂最大，這時能得到最大斗齒挖掘力，目前一般取位置I到位置II的轉(zhuǎn)角為300~50°。(3)從幾何可容性與結(jié)構(gòu)布置的角度對鏟斗機構(gòu)的要求1)必須保證鏟斗六連桿機構(gòu)在全行程中任一瞬時都不會被破壞，即保證△GFNAGHNUHNQKE任意行程下都不被破壞。2)液壓缸全伸和全縮長度之比應(yīng)在允許的范圍內(nèi)，對鏟斗機構(gòu)取入3=1.5~1.7.3)全行程中機構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)死點.根據(jù)以上幾方面的要求，初步選取/GFN=60,NQ=350mm,FN=b-NQ=2075-350=1725mm,FG=580mm在三角形GNF中，根據(jù)余弦定理得lGN=：l2GFl2FN2lGFlFNcosGFN=1520mmQK=380mm,HK=490mm,NH=510mm由此可知NH+NQ<QK+HK即最短桿長度+最長桿長度&其余兩桿長度之和，最短桿NQ為機架，口HNQKJ雙曲柄機構(gòu)。鏟斗油缸全縮時如下列圖4-5所示：圖4-5鏟斗油缸全縮cad簡圖通過cad繪圖得到l_3Mmir=893.7mm當鏟斗油缸全伸時，如下列圖4-6所示:

圖4-6鏟斗油缸全伸cad簡圖通過cad繪圖得到kma)=1515.5mm得入3=L3max/L3Mmin=1515.5/893.7=1.7,滿足要最大挖掘高度Hmax的計算：通過最大卸載高度Hmax〔此時動臂油缸全伸，斗桿油缸全縮，斗桿與鏟斗的欽點和齒尖的連線垂直水平面〕以及鏟斗油缸全縮時QV與斗桿軸線的的夾角等等可以計算最大挖掘高度Hmax此時動臂油缸全伸，斗桿油缸全縮，斗桿油缸全縮〕如下列圖4-7:

圖4-7最大挖掘高度H2max運動簡圖21UCFimax112=160°—62°-25=73°故/IFM=73°,/WQL=QFW=IFM-/IFQ=73°-15°=58°,又由圖知道鏟斗油缸全縮時，鏟斗與斗桿軸線夾角等于20°,故/VQL=15+58°=73°,由圖20知：H2maxH3maxl4200%(1SinVQL)42001000(1sin73o)6116mm根據(jù)文獻2的P22以及P23知道當鏟斗油缸與搖桿HN垂直時，鏟斗挖掘獲得最大挖掘力，如圖4-8所示：

圖4-8鏟斗挖掘獲得最大挖掘力cad簡圖通過cad繪圖以及計算知道斗桿與鏟斗的欽點與齒尖的連線即QV與斗桿軸線的夾角為34。，滿足設(shè)計要求。此時也得到連桿機構(gòu)的最大傳動比ima=0.331至此，工作裝置的基本尺寸均已初步確定。5工作裝置結(jié)構(gòu)受力分析與校核整個工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗及油缸和連桿機構(gòu)組成，要確定這些結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸，必須要對其結(jié)構(gòu)進行受力分析。要進行受力分析，首先要確定結(jié)構(gòu)件最不利的工況，并找到在該工況下的最危險截面，以作為受力分析的依據(jù)。但結(jié)構(gòu)件不利的工況和在該工況下的危險截面往往不止一個，這需要分別計算出尺寸再綜合考慮，取其中的最大值作為最后確實定尺寸。5.1挖掘阻力分析反鏟裝置有鏟斗油缸挖掘（鏟斗挖掘）、斗桿油缸挖掘（斗桿挖掘）、或兩缸同時復(fù)合挖掘三種方式。通常在土質(zhì)松軟或者斗容量小于0.5m3時以鏟斗挖掘為主，反之則以斗桿挖掘為主。故本次設(shè)計的挖掘機以鏟斗挖掘為主。圖5-1鏟斗挖掘阻力簡圖鏟斗挖掘時，土壤切削阻力隨挖掘深度變化，鏟斗挖掘阻力計算簡圖圖如圖5-1所示。鏟斗的切削阻力的切向分力如下式所示：

Wx=ABCXZ\RWx=ABCXZ\R1K+￡>各個參數(shù)的含義說明如下：A:切削角變化影響系數(shù)，