液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕題目：液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置設(shè)計(jì)學(xué)院：航空制造工程學(xué)院專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化班級學(xué)號：08031717學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：二O一二年六月液壓挖掘機(jī)反鏟裝置設(shè)計(jì)摘要：液壓挖掘機(jī)是一種重要的工程機(jī)械，它的廣泛應(yīng)用對于減輕勞動量，保證工程質(zhì)量，加快工程進(jìn)度，提高勞動生產(chǎn)率起了巨大的作用。反鏟工作裝置由動臂，斗桿，動臂液壓缸，斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸組成。本文根據(jù)液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，對其各主要機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。并在此根底上，根據(jù)設(shè)計(jì)說明書的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合各機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，在對各機(jī)構(gòu)分析計(jì)算的同時(shí)，結(jié)合構(gòu)件尺寸參數(shù)，算出各機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的其它參數(shù)，為各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。挖掘力是衡量挖掘機(jī)挖掘能力的重要參數(shù)。挖掘力是由各液壓缸中的油液壓力提供的，是主動力。最大挖掘力的實(shí)現(xiàn)受諸多因素的制約，它是工作裝置各鉸點(diǎn)受力分析的根底。挖掘阻力不僅與鏟斗的尺寸形狀有關(guān)，還與挖掘?qū)ο笥嘘P(guān)，是兩者的綜合反映。關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)反鏟裝置運(yùn)動分析參數(shù)設(shè)計(jì)力學(xué)分析指導(dǎo)老師簽名：TheDesignforBackhoeEquipmentoftheHydraulicExcavatorStudentname:DongChenxiClass:080317Supervisor:XingPuAbstract:Hydraulicexcavatorisanimportantengineeringmachinery.Itswideapplicationplayedatremendousroletoreducingthevolumeoflaborandtoensuringprojectqualityandtoacceleratingprogressandtoincreasingproductivity.Backhoeworkingdevicesismadeupofamovingarmandafightingpoleandshovelandahydraulictankofmovingarmandahydraulictankoffightingpoleandahydraulictankofshovel.Basedonthehydraulicexcavatorbackhoedevicecharacteristicsandthestructureofprinciple,toallthemajorinstitutionsofthekinematicanalysis.Onthisbasis,inaccordancewiththedesignspecificationdesignrequirements,withthebodiesofthecharacteristicsanddesignrequirements,intermsofthevariousagenciesatthesametime,combiningelementsofknownsizeparameters,calculatedinthecomponentagenciesofotherparameters,forvariouscomponents,Theshapeofdesigndatasupport.Miningisameasureoftheabilityofexcavatorsdiggingtheimportantparameters.Miningisdonebythehydrauliccylinderofthepressureontheoil,isinitiative,thelargestexcavationoftherealizationbymanyfactors,itisalsoworkingdevicetohingepointAnalysisofthefoundation.Miningresistancenotonlyreflectthesizeofbucketshape,butalsowiththeexcavationoftheobject,isacomprehensivereflectionofthetwo.Keyword：hydraulicexcavatorbackhoedevicemotionanalysisdesignparametersmechanicalSignatureofSupervisor:目錄TOC\o"1-3"\h\u157951前言191591.1課題背景及目的 1232361.2國內(nèi)外研究狀況 138081.3論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 3269012挖掘機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)205582.1工作裝置構(gòu)成 4278482.2動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式 5178852.3動臂油缸與鏟斗油缸的布置 6702.4鏟斗與鏟斗油缸的連接方式 6195862.5鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇 7205032.6原始幾何參數(shù)確實(shí)定 8154633挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析170223.1動臂運(yùn)動分析 11324103.2斗桿的運(yùn)動分析 1243083.3鏟斗的運(yùn)動分析 13126513.3.1鏟斗的傳動比 1323063.3.2最大卸載高度 15226763.3.3最大挖掘半徑 1680764工作裝置各局部的根本尺寸計(jì)算和驗(yàn)證162704.1鏟斗各參數(shù)確實(shí)定 17325054.1.1鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計(jì)及根本要求 17101934.1.2鏟斗主要參數(shù)確實(shí)定 17265444.2動臂機(jī)構(gòu)參數(shù)確實(shí)定 18108254.3斗桿機(jī)構(gòu)根本參數(shù)的選擇 20233914.4鏟斗機(jī)構(gòu)根本參數(shù)的選擇 2186844.4.1轉(zhuǎn)角范圍 21236234.4.2鏟斗機(jī)構(gòu)其它根本參數(shù)的計(jì)算 21289035工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)242915.1挖掘阻力分析 23277845.1.1轉(zhuǎn)斗挖掘阻力計(jì)算 23274545.1.2斗桿挖掘阻力計(jì)算 24114825.2斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25206635.2.1斗桿的受力分析 2513425.2.2結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算 30145285.3動臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 32221815.3.1第一工況位置 3342625.3.2第二工況位置 36124825.3.3內(nèi)力圖和彎矩圖的求解 3926925.4鏟斗的設(shè)計(jì) 4386245.4.1鏟斗斗形尺寸的設(shè)計(jì) 43140235.4.2鏟斗斗齒的結(jié)構(gòu)計(jì)算 44204465.5挖掘機(jī)工作裝置油缸推力 4462055.5.1鏟斗油缸推力4440015.5.2斗桿油缸推力 45314975.5.3動臂油缸推力 4578155.6銷軸與襯套的設(shè)計(jì) 46132135.6.1銷軸的設(shè)計(jì) 4691075.6.2銷軸用螺栓的設(shè)計(jì) 46318025.6.3襯套的設(shè)計(jì) 4656606結(jié)論17572參考文獻(xiàn)4819828致謝496910附錄：三維建模,裝配截圖50液壓挖掘機(jī)反鏟裝置設(shè)計(jì)1前言1.1課題背景及目的液壓挖掘機(jī)是一種重要的工程機(jī)械，廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水利電氣工程、農(nóng)田改造、礦山采掘以及現(xiàn)代化軍事工程等行業(yè)的機(jī)械化施工中，對減輕繁重的體力勞動、保證工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度、提高勞動生產(chǎn)率起著十分巨大的作用。反鏟式液壓挖掘機(jī)工作裝置是一個(gè)較復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，國內(nèi)外對其運(yùn)動分析、機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面都作了較深入的研究，具體的設(shè)計(jì)特別是中型挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟。我國挖掘機(jī)械行業(yè)近年來雖有很大的開展，但從產(chǎn)品的種類、數(shù)量和技術(shù)性能及制造質(zhì)量上都還不能滿足現(xiàn)代化建設(shè)開展的要求，迅速地提高挖掘機(jī)械的設(shè)計(jì)、研究和生產(chǎn)的技術(shù)水平是當(dāng)前挖掘機(jī)械行業(yè)所面臨的迫切而艱巨的任務(wù)。所以非常有必要提高挖掘機(jī)工作裝置的可靠性，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、減輕工作裝置重量、提高工作效率、減少能耗，從而提高挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)水平和自主開發(fā)能力。1.2國內(nèi)外研究狀況我國的挖掘機(jī)生產(chǎn)起步較晚，從1954年撫順挖掘機(jī)廠生產(chǎn)的第一臺斗容量為1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)和開展提高等三個(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。由于當(dāng)時(shí)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，先后建立起十多家挖掘機(jī)生產(chǎn)廠。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WY100型、貴陽礦山機(jī)器廠的WY60型、合肥礦山機(jī)器廠的WY60挖掘機(jī)等。隨后又出現(xiàn)了長江挖掘機(jī)廠的WY160型和杭州重型機(jī)械廠的WY250型挖掘機(jī)等。他們?yōu)槲覈簤和诰驒C(jī)行業(yè)的形成和開展邁出了極其重要的一步。到20世紀(jì)80年代，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。中、小型液壓挖掘機(jī)已形成系列，斗容量有0.1～25立方米等12個(gè)等級、20多種型號，還生產(chǎn)0.5～4.0以及大型礦用10、12機(jī)械傳動單斗挖掘機(jī)，1隧道挖掘機(jī)，4長臂挖掘機(jī)，1000每小時(shí)的排土機(jī)等。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)量與國際先進(jìn)睡睡水平相比，有很大差距。工業(yè)興旺國家的挖掘機(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)。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、專用化和自動化的方向開展。〔1〕、開發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)?！?〕、迅速開展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡單的杠桿操縱開展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動化?！?〕、采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)、系列化、通用化開展速度。(4)、更新設(shè)計(jì)理論，提高可靠性，延長使用壽命。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷積累論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，促進(jìn)了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效和競爭力。美國提出了考核動強(qiáng)度的動態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，并建立了預(yù)測產(chǎn)品失效和更新理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評定程度周期，加快了液壓挖掘機(jī)更新?lián)Q代的進(jìn)程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率到達(dá)85%～95%，使用壽命超過1萬小時(shí)?！?〕、加強(qiáng)對駕駛員的勞動保護(hù)，改善駕駛員的勞動條件。液壓挖掘機(jī)采用帶有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)和傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾?！?〕、進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)?！?〕、迅速拓展電子化、自動化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，為了節(jié)省能源消耗減少對環(huán)境污染，是挖掘機(jī)的操作輕便和平安作業(yè)，降低挖掘機(jī)噪音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘機(jī)上應(yīng)用電子和自動控制技術(shù)。隨著對液壓挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、平安舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機(jī)電液一體化在挖掘機(jī)的應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍。1.3論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、銷軸、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)容包括以下五局部:(1)挖機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)。(2)挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析。(3)工作裝置各局部的根本尺寸的計(jì)算和驗(yàn)證。(4)工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真設(shè)計(jì)。(5)銷軸的設(shè)計(jì)及螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型。2挖掘機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)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(zhuǎn)到卸土位置進(jìn)行卸土。卸完后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到挖掘面進(jìn)行下次挖掘。本文主要對工作裝置的反鏟裝置進(jìn)行分析。2.1工作裝置構(gòu)成液壓挖掘機(jī)工作裝置根本組成及傳動示意圖，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，液壓挖掘機(jī)的工作裝置組圖如圖2-1所示。1-斗桿油缸；2-動臂；3-油管；4-動臂油缸；5-鏟斗；6-斗齒；7-側(cè)板；8-連桿；9-曲柄：10-鏟斗油缸；11-斗桿.圖2-1工作裝置組成圖動臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個(gè)工作裝置繞動臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿那么使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動臂缸小腔進(jìn)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(jìn)油而伸長，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進(jìn)油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。挖掘機(jī)工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，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(jìn)行適當(dāng)簡化處理。那么可知單斗液壓挖掘機(jī)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(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)，三維裝配圖如圖2-2。圖2-2挖掘機(jī)三維裝配圖挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是3，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(dāng)L1、L2、L3為某一確定的值時(shí)，工作裝置的位置也就能夠確定。2.2動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式動臂是工作裝置中的主要構(gòu)件，斗桿的結(jié)構(gòu)型式往往取決于動臂的結(jié)構(gòu)型式。反鏟動臂可以分為整體式和組合式兩類。整體式動臂有直動式和組合式兩類。直動式臂結(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，是直動臂的改進(jìn)，動臂的箱型結(jié)構(gòu)可以不用開口，動臂和斗桿油缸及管路的布置也比較方便。整體式動臂結(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。而組合式動臂工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化調(diào)整，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，裝車運(yùn)輸比較方便。由于所設(shè)計(jì)的是中型液壓挖掘機(jī)，綜上選用整體式動臂。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體式斗桿。在本設(shè)計(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長度，故采用整體式斗桿。2.3動臂油缸與鏟斗油缸的布置動臂油缸裝在動臂的前下方，動臂的下支承點(diǎn)〔即動臂與轉(zhuǎn)臺的鉸點(diǎn)〕設(shè)在轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺平面，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。油缸活塞桿端部與動臂的鉸點(diǎn)設(shè)在動臂箱體的中間，這樣雖然削弱了動臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但不影響動臂的下降幅度。并且布置中，動臂油缸在動臂的兩側(cè)各裝一只，這樣的雙動臂在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)筋的作用，以彌補(bǔ)前面的缺乏，所以動臂油缸和鏟斗油缸的布置為是下置式，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-3動臂油缸鉸接示意圖。1-動臂；2-動臂油缸圖2-3動臂油缸鉸接示意圖2.4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(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠大的鏟斗平均挖掘力。如圖2-4所示。1-曲柄；2-連桿圖2-4鏟斗連接布置示意圖2.5鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響很大，其應(yīng)滿足以下的要求：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。斗底的縱向剖面形狀要適合于各種物料的運(yùn)動規(guī)律。要使物料易于卸盡。為使裝進(jìn)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(shí)，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(jī)常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，根本結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5鏟斗斗齒的安裝連接采用橡膠卡銷式，結(jié)構(gòu)示意圖如2-6所示。1-卡銷；2–橡膠卡銷；3–齒座；4–斗齒圖2-6卡銷式斗齒結(jié)構(gòu)示意圖2.6原始幾何參數(shù)確實(shí)定〔1〕動臂與斗桿的長度比K1由于所設(shè)計(jì)的挖機(jī)適用性較強(qiáng)，一般不替換工作裝置，故取中間比例方案，K1取在1.5～2.0之間，初步選取K1=1.8，即l1/l2=1.8?！?〕鏟斗斗容與主參數(shù)的選擇斗容：q=0.9m3按經(jīng)驗(yàn)公式和比較法初選：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。初選動臂油缸內(nèi)徑D1=140mm，活塞桿的直徑d1=90mm。斗桿油缸的內(nèi)徑D2=140mm，活塞桿的直徑d2=90mm。鏟斗油缸的內(nèi)徑D3=110mm，活塞桿的直徑d3=80mm。又由經(jīng)驗(yàn)公式和其它機(jī)型的參考初選動臂油缸行程L1=1000mm，斗桿油缸行程L2=1450mm，鏟斗油缸行程L3=1250mm。并按經(jīng)驗(yàn)公式初選各油缸全伸長度與全縮長度之比：λ1=λ2=λ3=1.6。參照要求選擇工作裝置液壓系統(tǒng)的工作壓力P=31.4MPa，閉鎖壓力Pg=34.3MPa。由上繪出圖2-7工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖和表一后面設(shè)計(jì)中所需的參數(shù)。此上，后續(xù)設(shè)計(jì)所需參數(shù)已給定，液壓挖掘機(jī)的總體設(shè)計(jì)根本完成。圖2-7：工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖圖2-7：工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖表一：反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)表參數(shù)分類機(jī)構(gòu)組成鏟斗斗桿動臂機(jī)體符號意義原始參數(shù)=QV,=MH,=MN,=HN,=QK,=KV,=KH=FQ,=EF,=FG,=EG,=GN,=FN,=NQ=CF,=CD,=CB,=DF,=BF=CP,=CA,=CI,=CT,=CS,=JT,=JI推導(dǎo)參數(shù)=，==，=，=，=，==，==，=特性參數(shù),,,,備注3挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析反鏟裝置的具體結(jié)構(gòu)型按運(yùn)動學(xué)分析，在運(yùn)動學(xué)上能以通用的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。本文通過直角坐標(biāo)系對典型結(jié)構(gòu)型式作運(yùn)動分析的方法反鏟裝置的幾何位置取決于動臂液壓缸的長度、斗桿液壓缸的長度和鏟斗液壓缸的長度。3.1動臂運(yùn)動分析動臂是液壓挖掘機(jī)的主要部件，前面選定整體式動臂，動臂上任意一點(diǎn)在任一時(shí)刻也都是L1的函數(shù)。動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度；A：動臂油缸的下鉸點(diǎn)；B：動臂油缸的上鉸點(diǎn)；C：動臂的下鉸點(diǎn).圖3-1動臂擺角范圍計(jì)算簡圖如圖3-1所示，φ1是L1的函數(shù)，圖中動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度；動臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最小值；動臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最大值；在三角形AB0C中：動臂的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角為:=—圖3-2F點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算簡圖圖3-2F點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算簡圖當(dāng)F點(diǎn)在水平線CU之下時(shí)α21=∠UCB為負(fù)，否那么為正。(圖3-2F點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算簡圖)F點(diǎn)的坐標(biāo)為XF=l30+l1×cosα21YF=l30+l1×Sinα21C點(diǎn)的坐標(biāo)為XC=XA+l5×COSα11=l30YC=YA+l5×Sinα11動臂油缸的力臂e1e1=l5×Sin∠CAB顯然動臂油缸的最大作用力臂e1max=l53.2斗桿的運(yùn)動分析如以下圖3-3所示，D點(diǎn)為斗桿油缸與動臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為動臂與斗桿的鉸點(diǎn)，E點(diǎn)為斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)。斗桿的位置參數(shù)是l2，這里只討論斗桿相對于動臂的運(yùn)動，即只考慮L2的影響。D-斗桿油缸與動臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)；F-動臂與斗桿的鉸點(diǎn)；E-斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)；θ斗桿擺角.圖3-3斗桿機(jī)構(gòu)擺角計(jì)算簡圖由上圖的幾何關(guān)系知斗桿的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角為:那么斗桿的作用力臂e2=l9Sin∠DEF顯然斗桿的最大作用力臂e2max=l93.3鏟斗的運(yùn)動分析3.3.1鏟斗的傳動比鏟斗相對于X—Y坐標(biāo)系的運(yùn)動是、和的函數(shù)，情況較復(fù)雜。現(xiàn)先討論鏟斗相對于斗桿的運(yùn)動。圖3-4鏟斗連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖圖3-4鏟斗連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖當(dāng)給定了鏟斗液壓缸長度，由表一原始參數(shù)及推導(dǎo)參數(shù)出發(fā)，利用幾何關(guān)系可依次求得圖3—4中〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕等值。由圖3-4鏟斗液壓缸對N點(diǎn)的作用力臂為連桿HK對N點(diǎn)作的用力臂為連桿HK對Q點(diǎn)作的用力臂為鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的總傳動比為鏟斗相對于斗桿的擺角范圍當(dāng)取上和時(shí)可分別求得和。于是得：斗齒尖坐標(biāo)方程斗齒尖V的坐標(biāo)值和是、和的函數(shù)。只要推導(dǎo)出和的函數(shù)表達(dá)式，那么整機(jī)作業(yè)范圍就可以確定。現(xiàn)按圖3—5推導(dǎo)如下。結(jié)合表一以及前面計(jì)算得到的有關(guān)參數(shù)值，通過幾何和三角函數(shù)運(yùn)算，可依次求得：〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕、〔〕等最后得到:圖3-5最大卸載高度計(jì)算簡圖圖3-6最大挖掘深度計(jì)算簡圖3.3.2最大卸載高度圖3-5最大卸載高度計(jì)算簡圖圖3-6最大挖掘深度計(jì)算簡圖當(dāng)動臂液壓缸全伸，斗桿液壓缸全縮，鏟斗液壓缸處于適當(dāng)位置使QV連線處于垂直狀態(tài)時(shí)得到最大卸載高度為：故Q點(diǎn)坐標(biāo)為：式中：因此V點(diǎn)坐標(biāo)為：就是最大卸載高度3.3.3最大挖掘半徑當(dāng)斗桿液壓缸全縮，鏟斗液壓缸處于適當(dāng)位置使QV轉(zhuǎn)到CQ的延長線上，CV水平時(shí)得到最大挖掘半徑：就是最大挖掘半徑。最大挖掘半徑時(shí)的工況是水平面最大挖掘半徑工況下C、V連線繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)到水平面而成的。通過兩者的幾何關(guān)系，我們可計(jì)算得到：l30=85mm；l40=9800mm；=9885mm此上，已對液壓挖掘機(jī)的動臂、斗桿、鏟斗的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)作了分析。4工作裝置各局部的根本尺寸計(jì)算和驗(yàn)證液壓挖掘機(jī)根本參數(shù)是表示和衡量挖掘機(jī)性能的重要指標(biāo)，本文主要計(jì)算和驗(yàn)證鏟斗、動臂、斗桿的尺寸。4.1鏟斗各參數(shù)確實(shí)定4.1.1鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計(jì)及根本要求對于液壓挖掘機(jī)，考慮到現(xiàn)實(shí)工作狀況和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，對鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計(jì)有以下根本要求：〔1〕、要有利于物料的自由流動，因此，鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合各種物料的運(yùn)動規(guī)律?！?〕、要使物料易于卸凈，縮短卸載時(shí)間，并提高鏟斗有效容積。〔3〕、為使裝進(jìn)鏟斗的物料不易掉出，斗寬與物料直徑之比應(yīng)不大于：1.〔4〕、裝設(shè)斗齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時(shí)的挖掘比壓，以便切人或破碎阻力較大的物料。挖硬土或碎石時(shí)還能把石塊從土壤中耙出。對斗齒的材料、形狀、安裝結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù)的根本要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更換。4.1.2鏟斗主要參數(shù)確實(shí)定當(dāng)鏟斗容量q一定時(shí)，挖掘轉(zhuǎn)角，挖掘半徑和平均斗寬b之間存在一定的關(guān)系，即具有尺寸和b的鏟斗轉(zhuǎn)過角度所切下的土壤剛好裝滿鏟斗，于是斗容量可按下式計(jì)算：(4.1)式中：——鏟斗充滿系數(shù)；——土壤松散系數(shù)?！膊楸怼骋话闳?(4.2)的取值范圍：(4.3)式中：q——鏟斗容量，；b——鏟斗平均寬度，m。因?yàn)閝=0.9，查表跟經(jīng)驗(yàn)公式取b=1040mm.按經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和參考同斗容的其它型號的機(jī)械，初選=1450mm得出φ=95/2=47.5°鏟斗挖掘體積土壤所消耗的能量稱為切削能容量。反鏟鏟斗的主要參數(shù)，即平均鏟斗寬度b，切削轉(zhuǎn)角和挖掘半徑對轉(zhuǎn)斗底切削能容量有直接影響，可用下式表示：(4.4)式中：——鏟斗切削能容量，；——考慮切削過程中其他影響因素的系數(shù)；〔理想狀態(tài)取〕——具有應(yīng)力因次的系數(shù)，在鏟斗容量q=0.15～1時(shí)，取=1.5；——具有容積質(zhì)量因次的系數(shù)，在鏟斗容量q=0.15～1時(shí)，取=0.07。顯然，在設(shè)計(jì)鏟斗時(shí)，在滿足鏟斗容量q的條件下，應(yīng)使鏟斗切削能容量E最小。由上式可以看出，減小角，增大鏟斗寬度b和切削半徑能夠減低E，計(jì)算得E=1554.81鏟斗兩個(gè)鉸點(diǎn)K、Q之間的間距l(xiāng)24和l3的比值k2的選取：l24太大將影響機(jī)構(gòu)的傳動特性，太小那么影響鏟斗的結(jié)構(gòu)剛度，初選特性參數(shù)k2=0.29。由于鏟斗的轉(zhuǎn)角較大，而k2的取值較小，故初選α10=∠KQV=110°4.2動臂機(jī)構(gòu)參數(shù)確實(shí)定初選動臂轉(zhuǎn)角α1=120°由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和參考其它同斗容機(jī)型，初選特性參數(shù)k3=1.4〔k3=L42/L41〕鉸點(diǎn)A坐標(biāo)的選擇：由底盤和轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，并結(jié)合同斗容其它機(jī)型的測繪，初選：XA=430mm；YA=1200mm4.2.1據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大挖掘半徑值一般與的值很接近。因此要求，的和可按以下近似經(jīng)驗(yàn)公式初定和，即：由:其中K1=1.8l3=1550mm且=9885mm可解得：l2=〔R-l3〕/〔1+k1〕=〔9885-1550〕/〔1+1.8〕=3000mml1=k1l2=1.8×3000=5400mm4.2.2在中、、可得：計(jì)算得α39=24.5°4.2.3由經(jīng)驗(yàn)和反鏟工作裝置對閉鎖力的要求初取k4=0.4初選α11=62.5。斗桿油缸全縮時(shí)，∠ CFQ=α32–α8最大，依經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和便于計(jì)算，初選〔α32–α8〕max=160°。由于采用雙動臂油缸，∠BCZ的取值較小，初取∠BCZ=5°如上圖4-1所示，在三角形CZF中：∠ZCF=π-α1-α39=35.5°∠BCF=α3=∠ZCF-∠ZCB=30.5°最大卸載高度的表達(dá)式為：H3max=YC+l1Sin〔θ1-α20-α11〕–l2–l3最大挖掘深度絕對值的表達(dá)式為：H1max=l2+l3+l1Sin〔α11-θ1min+α2〕-l5Sinα11-YA)令A(yù)=α2+α11=30.5+62.5=93B=A+〔α32–α8〕max=93+〔-160〕=-67H1max+H3max-l1[Sin〔θ1max-93〕+Sin〔93-θ1min〕]+l2Sin[〔θ1max+67〕+1]=0又特性參數(shù)可得：θ1max=152θ1min=46.1H1max=l2+l3+l1Sin〔α11-θ1min+α2〕-l5Sinα11-YAl5=[l2+l3+l1Sin〔α11-θ1min+α2〕-YA-H1max]/Sinα11=750mm而θ1min與θ1max需要滿足以下條件θ1min=COS-1[〔σ2+1-ρ2〕/2σ]θ1max=COS-1[〔σ2+1-λ12ρ2〕/2σ]ρ=2.51σ=3.11而ρ+1=2.51+1=3.51>σ〔1+σ〕/ρ=4.11/2.51=1.64>λ〔λ=1.6〕ρ、σ滿足經(jīng)驗(yàn)條件，說明ρ、σ的取值是可行的。那么l7=σl5=2335mmL1min=ρl5=1880mmL1max=λ1L1min=3010mm至此，動臂機(jī)構(gòu)的各主要根本參數(shù)已初步確定。4.3斗桿機(jī)構(gòu)根本參數(shù)的選擇取整個(gè)斗桿為研究對象，可得斗桿油缸最大作用力臂的表達(dá)式：e2max=l9=PGmax〔l2+l3〕/P2=940mm如圖4-1所示圖中，D：斗桿油缸的下鉸點(diǎn)；E：鏟斗油缸的上鉸點(diǎn)；F動臂的上鉸點(diǎn)；ψ2：斗桿的擺角；l8：斗桿油缸的最大作用力臂。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(ψ2max/2)/l9=COS(ψ2max/2)由4.24知,ψ2max越大,那么e20越小,即平均挖掘阻力越小.要得到較大的平均挖掘力,就要盡量減少ψ2max,初取ψ2max=90°∠EFQ取決于結(jié)構(gòu)因素和工作范圍,一般在130°～170°之間.初定∠EFQ=150°,動臂上∠DFZ也是結(jié)構(gòu)尺寸,按結(jié)構(gòu)因素分析,可初選∠DFZ=10°.D：斗桿油缸的下鉸點(diǎn)；E：鏟斗油缸的上鉸點(diǎn)；F動臂的上鉸點(diǎn)；ψ2：斗桿的擺角；l9：斗桿油缸的最大作用力臂.圖4-1斗桿機(jī)構(gòu)根本參數(shù)計(jì)算簡圖由圖4-2的幾何關(guān)系有:L2min=2×l9×Sin(ψ2max/2)/(λ2-1)=2215mmL2max=L2min+2×l9×Sin(ψ2max/2)=3545mml82=L22min+l29+2×L2min×l9×COS[(π-ψ2max)/2]l8=2995mm4.4鏟斗機(jī)構(gòu)根本參數(shù)的選擇4.4.1轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角φD0：H2max-H3max=l3〔SinφD0+1〕得φD0=55°最大轉(zhuǎn)角φ3max：φ3max=∠V0QVZ，不易太大，太大會使斗齒平均挖掘力降低，初選φ3max=165。4.4.2鏟斗機(jī)構(gòu)其它根本參數(shù)的計(jì)算在圖4-2中，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(diǎn)；G：鏟斗油缸的下鉸點(diǎn)；N：搖臂與斗桿的鉸接點(diǎn)；K：鏟斗的上鉸點(diǎn)；Q：鏟斗的下鉸點(diǎn)。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(diǎn)；G：鏟斗油缸的下鉸點(diǎn)；N：搖臂與斗桿的鉸接點(diǎn)；K：鏟斗的上鉸點(diǎn)；Q：鏟斗的下鉸點(diǎn).圖4-2鏟斗機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖那么有：l24=KQ=k2l3=1550mm鏟斗的最大挖掘阻力F3Jmax應(yīng)該等于斗桿的最大挖掘力，即F3Jmax=138KN。粗略計(jì)算知斗桿挖掘平均阻力F3Jmax=F3Jmax/2=69KN挖掘阻力F3J所做的功W3J：W3J=F3Jmaxl3φ3max=3.08×105N.m 由圖4-3知，鏟斗油缸推力所做的功W3：W3=F3〔λ2-1〕L3min由功的守恒知W3=W3J計(jì)算可得：L3min=1720mm那么L3max=λ3L3min=2750mm通過經(jīng)驗(yàn)公式和同斗容的其它機(jī)型的參考，初步選定剩余的根本尺寸如下：HK=600mm；HN=640mm；NQ=400mm；FN=l2-NQ=2600mm；GF=800mm；由預(yù)選∠GFN=60°那么GN2=FN2+GF2–2×COS∠GFN×FN×GFGN=2300mm至此，工作裝置的根本尺寸均已初步確定。5工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗及油缸和連桿機(jī)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(jìn)行受力分析。要進(jìn)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(xiǎn)截面，以作為受力分析的依據(jù)。5.1挖掘阻力分析液壓挖掘機(jī)反鏟裝置工作時(shí)既可用鏟斗液壓缸挖掘(簡稱轉(zhuǎn)斗挖掘)，也可用斗桿液壓缸挖掘(簡稱斗桿挖掘)，或作復(fù)合動作挖掘。一般認(rèn)為斗容量小于或在土質(zhì)松軟時(shí)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹?，反之那么以斗桿挖掘?yàn)橹鳌＿@兩種情況的挖掘阻力不同。5.1.1轉(zhuǎn)斗挖掘阻力計(jì)算轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)，土壤切削阻力隨挖掘深度改變而有明顯變化。切削阻力與切削深度根本上成正比。但總的說前半過程切削阻力較后半過程高，因前半過程的切削角不利，產(chǎn)生了較大的切削阻力，對斗形切削刃所作的大曲率切削有同樣結(jié)果，其切削阻力的切向分力可以用以下公式表達(dá)：〔5.1〕式中:C——表示土壤硬度的系數(shù)，對II級土宜取C＝50~80，對III級土宜取C=90~150，對IV級土宜取C=160~320；R——鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)至斗齒尖距離，即轉(zhuǎn)斗切削半徑，R＝，單位為cm；——挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半；——鏟斗瞬時(shí)轉(zhuǎn)角；B——切削刃寬度影響系數(shù)，，其中b為鏟斗平均寬度；A——切削角變化影響系數(shù),取A＝1．3;Z——帶有斗齒的系數(shù),Z＝0.75(無斗齒時(shí)，Z＝1)；X——斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，X＝1+0.03s，其中s為側(cè)壁厚度，單位為cm，初步設(shè)計(jì)時(shí)可取X＝1.15；D——切削刃擠壓土壤的力，根據(jù)斗容量大小在D=10000~1700范圍內(nèi)選取，當(dāng)斗容量時(shí)，D應(yīng)小于10000N。轉(zhuǎn)斗挖掘裝土〔5.2〕式中：——密實(shí)狀態(tài)下土壤容重，單位為N／；——挖掘起點(diǎn)和終點(diǎn)間連線ab方向與水平線的夾角；——土壤與鋼的摩擦系數(shù)。計(jì)算說明：與相比很小，可忽略不計(jì)。當(dāng)，時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)斗挖掘最大切向分力，其值為：〔5.3〕試驗(yàn)說明法向挖掘阻力的指向是可變的，數(shù)值也較小，一般＝0~0.2，土質(zhì)愈均勻，愈小。從隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的角度看，取法向分力為零來簡化計(jì)算是允許的。這樣就可看作為轉(zhuǎn)斗挖掘的最大阻力。轉(zhuǎn)斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力計(jì)算。也即把半月形切削斷面看作相等面積的條形斷面，條形斷面長度等于斗齒轉(zhuǎn)過的圓弧長度與其相應(yīng)之弦的平均值，那么平均切削厚度為：〔5.4〕平均挖掘阻力為:〔5.5〕式中:用度數(shù)代表，一般所謂平均阻力是指裝滿鏟斗的全過程阻力平均值，因此應(yīng)取。顯然這一計(jì)算方法是近以的，國外有試驗(yàn)認(rèn)為平均挖掘阻力為最大挖掘阻力的70～80％，可作為參考。5.1.2斗桿挖掘阻力計(jì)算斗桿挖掘時(shí)切削行程較長，切土厚度在挖掘過程中可視為常數(shù)。一般取斗桿在挖掘過程中的總轉(zhuǎn)角為，在這轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。這時(shí)斗齒的實(shí)際行程為：〔5.6〕斗桿挖掘時(shí)的切削厚度可按下式計(jì)算：〔5.7〕斗桿挖掘阻力為：〔5.8〕式中：——斗桿挖掘時(shí)的切削半徑，=FV?！诰虮茸枇Γ?dāng)取主要挖掘土壤的值時(shí)可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土質(zhì)值時(shí)那么得最大挖掘阻力。一般斗桿挖掘阻力比轉(zhuǎn)斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度較小。5.2斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.2.1斗桿的受力分析斗桿主要受到彎矩的作用，故要找出斗桿中的最大彎矩進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)受力分析和以往的實(shí)驗(yàn)說明，在鏟斗進(jìn)行挖掘時(shí)，產(chǎn)生最大彎矩的工況可能有以下兩個(gè)：第一工況位置，其滿足以下條件：動臂處于最低位置。即動臂油缸全縮。斗桿油缸的力臂最大。鏟斗齒尖在動臂與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)的連線上。側(cè)齒挖掘時(shí)受到橫向力Wk的作用第二工況位置，該工況滿足以下條件：動臂位于動臂油缸對鉸點(diǎn)A的最大作用力臂e1max處。斗桿油缸的力臂最大。鏟斗齒尖位于F、Q兩鉸點(diǎn)的連線上或鏟斗位于最大挖掘力位置。挖掘阻力對稱于鏟斗，無側(cè)向力Wk的作用。Ⅰ.第一工況位置的受力分析在這個(gè)工況下斗桿可能存在最大彎矩，受到的應(yīng)力也可能最大。該工況的具體簡圖如圖5-1所示。取工作裝置為研究對象，如圖5-2所示。在該工況下存在的力有：工作裝置各部件所受到的重力Gi；作用在鏟斗上的挖掘阻力，包括切向阻力W1、法向阻力W2、側(cè)向阻力W3。DBDBCYCYEAEAFGXFGXNNHQHQKKVVNH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點(diǎn)；A-動臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)；F-動臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-鏟斗下鉸點(diǎn)；K-鏟斗上鉸點(diǎn)；V-鏟斗斗齒尖圖5-1斗桿第一工況時(shí)的工作裝置簡圖當(dāng)斗桿油缸全縮時(shí)，通過前面可以得出α21=45，由圖5-1可知CF的向量可以表示為：FC=5400[COS〔180-45〕+Sin〔180-45〕]=5400〔COS135+Sin135〕由前面的章節(jié)計(jì)算結(jié)果知：∠ZFC=24.5，并初選DF=3000mm。在△DEF中∠DEF=90COS∠EFD=EF/DF=940/3000解得∠EFD=72在□CDEF中∠EFC=∠ZFC+∠DFZ+∠EFD=106.5∠EFQ在前面已經(jīng)初定為150FV=4500〔COS122.5+Sin122.5〕OV=OC+CF+FV那么XV=1542mmFFNNQPdQPdW1HW1HKKW2W2G3HK-連桿HN-搖臂N-搖臂與斗桿的鉸接點(diǎn)Q-斗桿與鏟斗的鉸接點(diǎn)圖5-2鏟斗受力分析簡圖由〔3.15〕式可i=0.336那么可得此時(shí)鏟斗的理論挖掘力：F0D=FDi=2.98×105×0.336=1.0×105N初選該工況下鏟斗重心到鉸點(diǎn)Q的水平距離r2′=l3COS〔-122〕/2=274mm取鏟斗為研究對象，如圖5-2所示，并對Q點(diǎn)取矩，那么有∑MQ=0〔F0D-W1〕l3–G3r2′=0W1=105N工作裝置所受重力對C點(diǎn)取矩有∑MC〔Gi〕=G1×X1+〔G2+G5〕×X2+G3×X3+G4×0.7XF+G6×X2=0.76×105NW1到C點(diǎn)的距離r0=l2+l3–CFCOS∠CFV=3280mmW2到C點(diǎn)的距離r1=CFSin∠CFV=5400×Sin103.5=5249mm法向阻力W2決定于動臂油缸的閉鎖力F1′，取整個(gè)工作裝置為研究對象，那么有∑MC=0F1′e1+∑MC〔Gi〕-W1r0-W2r1=0得W2=0.32×105N斗桿有油缸作用力P2g′的求解：FQ向量在X軸上的模值：XFN=FQCOS-122=3000×0.53=1590mm如圖5-1所示，取斗桿〔帶斗和連桿機(jī)構(gòu)〕為研究對象，那么有：∑MC=0P2g′×EF-W1〔l2+l3〕-G3〔XFN+r2′〕-G2XFN/2=0P2g′=5.04×105N而此時(shí)的斗桿閉鎖力P2′=34.3×π×〔70〕2=5.28×105N，略大于P2g′，說明閉鎖力足夠。橫向挖掘力WK由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動器所承受，即WK的最大值決定于回轉(zhuǎn)平臺的制動力矩。故要先計(jì)算出制動力矩。地面附著力矩Mφ：Mφ=5000×φ×G4/3〔其中φ=0.5〕=1.32×105NGRNPGRNP3NNHHX2X2KQY2KQY2RRkNH-搖臂HK-連桿G3-鏟斗油缸的推力RK–連桿的作用力RN–搖臂的作用力圖5-3連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖在所設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)中采用的是液壓制動，由經(jīng)驗(yàn)公式可求得回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大制動力矩MB：MB=0.6×Mφ=0.79×105NWK=MB/XV=0.79×105/1.432=0.55×105N取連桿機(jī)構(gòu)為研究對象，如圖5-3所示，那么有：∑X2=0P3COS∠GHX2-RNCOS∠HNX2-RkCOS∠HKX2=0∑Y2=0P3Sin∠GHX2-RNSin∠HNX2-RkSin∠HKX2=0得:RN=-0.51×105N；Rk=3.3×105N如圖5-2所示，取整個(gè)鏟斗為研究對象，以V點(diǎn)為新坐標(biāo)的原點(diǎn)，VK為X3軸，過V點(diǎn)與VK垂直的直線為Y3，建立X3O3Y3坐標(biāo)，那么有：∑X3=0W2-RQx-RkCOS∠11.5=0RQx=-2.91×105N∑Y3=0RQy+W1-RkSin∠11.5=0RQy=-0.34×105N∑MQY3=0MQy-WKl3-W2b/2=0MQy=105Nm∑MQX3=0MQx–W1b/2=0MQx=W1b/2=0.53×105NmN點(diǎn)作用力與作用力矩RNx、RNy的求解：取曲柄和連桿為研究對象，如圖5-4所示，那么有：RNyF3RNyF3HNHNRRNxRkKRkKH-搖臂HK-連桿F3-鏟斗油缸的推力RK–連桿的作用力RX–搖臂的作用力沿HK連線上的分力RY–搖臂的作用力沿HK連線垂直方向上的分力圖5-4曲柄和連桿受力圖圖5-4曲柄和連桿受力圖∑X2=0RNX+RkCOS∠11.5-F3=0RNX=0.27×105NRNy=RNXtan∠FNH=0.27×105×tan∠57.5=0.43×105NⅡ.第二工況位置的受力分析在這個(gè)工況位置下斗桿可能存在最大彎矩，受到的應(yīng)力也可能最大。具體簡圖如圖5-5所示。取工作裝置為研究對象，如圖5-5所示。在該工況下存在的力有：工作裝置各部件所受到的重力Gi；作用在鏟斗上的挖掘阻力，包括切向阻力W1、法向阻力W2。同第一工況的分析一樣，可以得到以下向量：FC=5400〔COS163+Sin163°)FV=4550〔COS-93.5+Sin-93.5°〕0V=OC+CF+FV那么XV=4971mm同理也可以求得在該工況下作用在斗桿和鏟斗上的力，其分別為：W1=1×105NW2=0.48×105NRk2=3.3×105NWN2=-0.5×105NRQx=-2.75×105NRQy=-0.34×105NMQx=0.5×105NmMQy=0.24×105Nm5.2.2結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算由前面的受力分析知，在第二工況下所受到的彎矩和內(nèi)力均要比第一工況中要小，故用第一工況進(jìn)行計(jì)算，而用第二截面校核。由前面的受力分析知，在通過F點(diǎn)且與斗桿下底板垂直的截面所受到的應(yīng)力最大，是危險(xiǎn)截面。故首先要對該截面進(jìn)行計(jì)算，然后以此為根底再求解其它尺寸。Ⅰ.斗桿寬度、鋼板厚度、許用應(yīng)力的選取由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和其它同斗容機(jī)型的測繪，處取斗桿的寬度。挖掘機(jī)所用鋼板的厚度在我國一般為，初選底板厚度如圖5-15所示。在挖掘機(jī)中選用的結(jié)構(gòu)鋼材一般為16Mn，其有足夠大的屈服極限和良好的機(jī)械性能。其屈服極限。在斗桿中取平安系數(shù)，那么斗桿的許用平安應(yīng)力為：NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點(diǎn)；A-動臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)；F-動臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-鏟斗下鉸點(diǎn)；K-鏟斗上鉸點(diǎn)；V-鏟斗斗齒尖圖5-5第二工況下工作裝置計(jì)算簡圖12為斗桿側(cè)板的厚度；14為斗桿底板和頂板的厚度；275為底板的寬度圖5-15斗桿根本尺寸Ⅱ.斗桿危險(xiǎn)截面處高度的計(jì)算危險(xiǎn)截面的有效面積：該截面對y軸的慣性矩:該截面對z軸的慣性距:橫截面總面積:該危險(xiǎn)截面所受到的正應(yīng)力:該截面所受到的最大彎曲正應(yīng)力:那么截面所受到軸向拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力合成后有:(5.9)由于剪應(yīng)力的大小相對于彎矩所產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力要小得多，為簡化計(jì)算，在計(jì)算中簡應(yīng)力忽略不計(jì)，僅在校核中用，那么有：(5.10)解得h=800mm。有了危險(xiǎn)截面的結(jié)構(gòu)尺寸，再結(jié)合前面的根本尺寸，就可以利用CAD軟件將斗桿繪制出來。這樣斗桿的所有尺寸已經(jīng)根本確定。5.3動臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同斗桿的受力分析及結(jié)構(gòu)計(jì)算一樣，在動臂的計(jì)算。首先還是要分析計(jì)算動臂可能出現(xiàn)應(yīng)力的工況，并找出在該工況下的危險(xiǎn)截面，并計(jì)算出其尺寸。以此為根底，就可以計(jì)算出動臂上的其他尺寸。5.3.1第一工況位置在這工況下可能在動臂上出現(xiàn)最大載荷，其應(yīng)滿足以下條件：動臂油缸全縮。F、Q、V在同一條直線上，其連線與X軸垂直。鏟斗挖掘時(shí)，斗邊點(diǎn)遇到障礙。該工況也就是最大挖掘深度工況，具體工作裝置簡圖如5-6所示。NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點(diǎn)；A-動臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)；F-動臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-鏟斗下鉸點(diǎn)；K-鏟斗上鉸點(diǎn)；V-鏟斗斗齒尖圖5-6第一工況位置工作裝置簡圖由于K、Q、V在同一條直線上，連桿機(jī)構(gòu)的傳動比不變，而鏟斗的重力繞Q點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩相對于鏟斗油缸對C點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩而言可以忽略不計(jì)，故W1的值與前面兩工況一樣，W1=105N。在此工況下時(shí)而〔前面的計(jì)算中已經(jīng)得出〕求得為負(fù)值，知在此工況中鏟斗油缸的挖掘力不能得到最大的發(fā)揮。故需要轉(zhuǎn)動鉸點(diǎn)E直到鏟斗油缸發(fā)揮最大挖掘力為止。由計(jì)算知當(dāng)V點(diǎn)縱坐標(biāo)即=-3000mm時(shí)，鏟斗油缸能發(fā)揮最大的挖掘力。圖5-7工況是第Ⅰ工況下轉(zhuǎn)動斗桿油缸而得的。除第〔2〕點(diǎn)中的K、Q、V連線與X軸垂直修改成=-3000mm外，其他條件均不變，如圖5-17所示。在此工況中，動臂油缸全縮，由前面的計(jì)算有：NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點(diǎn)；A-動臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)；F-動臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-鏟斗下鉸點(diǎn)；K-鏟斗上鉸點(diǎn)；V-鏟斗斗齒尖圖5-7實(shí)際工作時(shí)第一工況位置工作裝置簡圖那么解之在△DEF中，由幾何關(guān)系那么有：得解得由于挖掘時(shí)為鏟斗油缸工作，而K、Q、V又在同一條直線上，故的值仍與前面的計(jì)算一樣，。工作裝置各局部受到的重力對C點(diǎn)的矩：取整個(gè)工作裝置為研究對象，那么有：也就是說此時(shí)僅是動臂與鏟斗油缸進(jìn)行挖掘。取斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)為研究對象，那么有：方向與軸平行，在軸的正方向上。鉸點(diǎn)的求解：對上下動臂附加彎矩與扭矩的求解：W與的夾角為，與的夾角為那么在坐標(biāo)系上沿坐標(biāo)軸的分力：那么所產(chǎn)生的橫向彎矩M：那么所產(chǎn)生的附加橫向彎矩M：所產(chǎn)生的附加橫向扭矩T：在坐標(biāo)系上沿坐標(biāo)軸的分力為：那么所產(chǎn)生的附加橫向彎矩：所產(chǎn)生的附加扭矩：5.3.2第二工況位置在此工況下，動臂所受到的應(yīng)力也可能最大，其滿足以下條件：動臂油缸的作用力臂最大斗桿的作用力臂最大鏟斗進(jìn)行正常挖掘，鏟斗位于最大挖掘力位置。此時(shí)的工作裝置的簡圖如圖5-8所示：NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點(diǎn)；A-動臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動臂與油缸鉸點(diǎn)；F-動臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-鏟斗下鉸點(diǎn)；K-鏟斗上鉸點(diǎn)；V-鏟斗斗齒尖圖5-8第二工況位置下工作裝置簡圖的求解：此時(shí)動臂油缸的力臂最大，即：取鏟斗為研究對象解之：的求解在此工況中，工作裝置所受重力對C點(diǎn)的矩：取整個(gè)工作裝置為研究對象，那么有：的校核：取斗桿和鏟斗為研究對象，那么有：這說明當(dāng)時(shí)，斗桿油缸的閉鎖力足夠，故取。取斗桿與鏟斗為研究對象，那么有：又取整個(gè)工作裝置為研究對象，那么有：：由圖的幾何關(guān)系知:那么在上動臂所產(chǎn)生的彎矩為:在上動臂所產(chǎn)生的扭矩為:同理,那么上沿坐標(biāo)軸所產(chǎn)生的分力矩為:在下動臂上所產(chǎn)生的彎矩為:在下動臂上所產(chǎn)生的扭矩為:5.3.3內(nèi)力圖和彎矩圖的求解Ⅰ.第Ⅰ工況中內(nèi)力和彎矩的求解在上動臂上所受到的軸向力:在上動臂上所受到的剪力:在上動臂上所受到的軸向彎矩:在下動臂上所受到的軸向力:在下動臂上所受到的剪力:在下臂上所受到的軸向彎矩：由計(jì)算可以得到在第一工況中的內(nèi)力和彎矩圖如圖5-9、5-10、5-11所示。C-動臂下鉸點(diǎn)F-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)C-動臂下鉸點(diǎn)F-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)Q-動臂油缸下鉸點(diǎn)Q-動臂油缸下鉸點(diǎn)圖5-9第一工況下N圖圖5-10第一工況下T圖C-動臂下鉸點(diǎn)F-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)Q-動臂油缸下鉸點(diǎn)圖5-11第一工況下M圖Ⅱ.第Ⅱ工況中內(nèi)力和彎矩的求解在上動臂上所受到的軸向力:在上動臂上所受到的應(yīng)有剪力：在下動臂上所受到的軸向力:在下動臂上所受到的剪力:在下臂上所受到的彎矩表達(dá)式：由計(jì)算可以得到在第二工況中的內(nèi)力和彎矩圖如圖5-12、5-13、5-14所示。C-動臂下鉸點(diǎn)F-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)C-動臂下鉸點(diǎn)F-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)Q-動臂油缸下鉸點(diǎn)Q-動臂油缸下鉸點(diǎn)圖5-12第二工況下N圖圖5-13第二工況下T圖C-動臂下鉸點(diǎn)F-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)Q-動臂油缸下鉸點(diǎn)圖5-14第二工況下M圖Ⅲ.結(jié)構(gòu)計(jì)算由以上兩工況的內(nèi)力圖分析和比較知，應(yīng)用第Ⅱ工況作為設(shè)計(jì)，而用第Ⅰ工況作為校核。由內(nèi)力彎矩圖分析知在動臂拐點(diǎn)處所受到的應(yīng)力可能最大，是危險(xiǎn)截面。選擇：動臂底板的寬度：底板的厚度：由于上動臂所受的載荷較大，故取上動臂側(cè)板的厚度，而下動臂所受的載荷相對要小，應(yīng)選擇下動臂的側(cè)板的厚度為。許用應(yīng)力的選?。簞颖垆摪逅x的材料為挖掘機(jī)中所普遍采用的低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn，其屈服極限，并初選平安系數(shù)那么許用應(yīng)力：應(yīng)力的計(jì)算與危險(xiǎn)截面尺寸的求?。何ｋU(xiǎn)截面所圍成的面積：危險(xiǎn)截面所圍成的有效面積：那么上動臂的有效面積：下動臂的有效面積：上動臂危險(xiǎn)截面對Y軸的慣性矩下動臂危險(xiǎn)截面對Y軸的慣性矩上動臂危險(xiǎn)截面對Z軸的慣性矩同理下動臂危險(xiǎn)截面對Z軸的慣性矩上動臂危險(xiǎn)截面中拉伸軸向力所產(chǎn)生的正應(yīng)力：彎曲所產(chǎn)生的正應(yīng)力：由應(yīng)力的合成有：解之：得到危險(xiǎn)截面的尺寸后，利用作圖法結(jié)合前面計(jì)算出來的尺寸就可以繪制出動臂圖，從而也就得到了整個(gè)動臂的尺寸。5.4鏟斗的設(shè)計(jì)5.4.1鏟斗斗形尺寸的設(shè)計(jì)反鏟的鏟斗的斗形與尺寸，有較常用的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配制。由經(jīng)驗(yàn)公式初選：那么下底板的斗形方程為：上頂板的斗形方程為：同理計(jì)算出鏟斗拋物線局部的方程為：5.4.2鏟斗斗齒的結(jié)構(gòu)計(jì)算鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按最大彎矩進(jìn)行設(shè)計(jì),由力學(xué)分析知在與鏟斗斗體連接處的彎矩最大,如圖5-15所示，由公式5.11有:(5.11)a:斗齒厚度b:斗齒寬度:挖掘阻力r:斗齒尖到斗體的距離t:鏟斗的厚度:斗齒的許用應(yīng)力代入值解得a=110mma:斗齒厚度:挖掘阻力r:斗齒尖到斗體的距離t:鏟斗的厚度圖5-15斗齒計(jì)算簡圖5.5挖掘機(jī)工作裝置油缸推力油缸作用力確實(shí)定，那么取決于工作裝置的形式和工作情況。如圖5-16，液壓缸示意圖，圖5-17，液壓缸截面圖。5.5.1鏟斗油缸推力反鏟裝置在作業(yè)過程中，當(dāng)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鲿r(shí)，其最大挖掘力為鏟斗油缸設(shè)計(jì)的依據(jù)。動臂下放到最低位置，鏟斗油缸作用力對鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)有最大力臂.由液壓缸推力計(jì)算公式〔5.12〕查表其中取=14.3MPa，=0.5MPa，=0.9得出F=120576N，由圖5-16液壓缸示意圖圖5-17液壓缸截面圖5.5.2斗桿油缸推力當(dāng)挖掘機(jī)以斗桿挖掘時(shí)，其最大挖掘力有斗桿油缸來保證。斗桿油缸放到最低位置，斗桿油缸作用力對斗桿與動臂鉸點(diǎn)有最大力臂，并使斗齒尖和鉸點(diǎn)F、Q在一條直線上。由公式5.12。查表其中取=11.1MPa，=0.6MPa，=0.9得出F=165321N，由5.5.3動臂油缸推力動臂油缸作用力，即最大提升力，以能提升鏟斗內(nèi)裝滿土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進(jìn)行卸載來確定，由公式5.12。查表其中取=12.93MPa，=0.6MPa，=0.9得出F=190755N，由5.6銷軸與襯套的設(shè)計(jì)5.6.1銷軸的設(shè)計(jì)由于銷軸與襯套的配合間隙較小，故以剪應(yīng)力強(qiáng)度作為銷軸的根本尺寸的設(shè)計(jì)，抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度用于校核用。由有[1]：〔6.1〕在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)以所有工況中銷軸所受到的剪應(yīng)力最大值對銷軸進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，