2噸液壓挖掘機的挖掘機構設計【9張CAD圖紙】

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中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 中 國 礦 業(yè) 大 學 本 科 生 畢 業(yè) 論 文 姓 名： 學 號： 學 院： 應用技術學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 論文題目： 2 噸液壓挖掘機的挖掘機構 專 題： 指導教師： 職 稱： 2007 年 6 月 徐州 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文任務書 學院專業(yè)年級學生姓名 任 務 下 達 日 期 ： 2007 年 1 月 11 日 畢業(yè)論文日期：2007 年 3 月 25 日至 2007 年 6 月 20 日 畢業(yè)論文題目：2 噸液壓挖掘機的挖掘機構 畢業(yè)論文專題題目： 畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求： 1.設計參數(shù)： 標準斗容：0.2m 3；挖掘力 2 噸 挖掘級及以下土壤。 2.設計要求： 通過畢業(yè)實習、查閱資料，制定總體方案，完成主要部件 裝配圖設計，設計總圖量不少于 3 張 0 號圖。 3.按畢業(yè)設計指導書要求編寫設計說明書。 院長簽字： 指導教師簽字： 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文指導教師評閱書 指導教師評語（基礎理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的 能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點； 工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意 答辯等）： 成 績： 指導教師簽字： 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文評閱教師評閱書 評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合 運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果 及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題； 是否同意答辯等）： 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文評閱教師評閱書 評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合 運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果 及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題； 是否同意答辯等）： 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文答辯及綜合成績 答 辯 情 況 回 答 問 題 提 出 問 題 正 確 基 本 正 確 有 一 般 性 錯 誤 有 原 則 性 錯 誤 沒 有 回 答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 學院領導小組綜合評定成績： 學院領導小組負責人： 年 月 日 摘 要 本次設計的題目是履帶式液壓挖掘機挖掘機構。與其它類型的挖掘機 相比，這種類型的挖掘機因有良好通過性能應用最廣，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。 液壓挖掘機的主要特點為：能無級調(diào)速且調(diào)速范圍大，能得到較低的 穩(wěn)定轉速，快速作用時，液壓元件產(chǎn)生的運動慣性小，加速性能好，并可 作高速反轉，傳動平穩(wěn)，結構簡單，可吸收沖擊和振動，操縱省力，易實 現(xiàn)自動化控制，易于實現(xiàn)標準化、系列化、通用化。 本次設計的主要參數(shù)是斗容量 0.2m3,它屬于中小型液壓挖掘機，主要 設計挖掘機的工作裝置、液壓傳動原理。 在設計中，采用了履帶式行走裝置，來滿足要求。上部轉臺是全回轉 式，因此它可在一個更大的范圍內(nèi)工作。又因采用液壓傳動控制而使整機 性能得以改善。與機械式挖掘機相比，其挖掘力提高到 23 倍，整機質量 約為 5 噸，挖掘力約為 30kN，最大卸載高度約為 2.65m，最大挖掘深度 4.2m，最大挖掘半徑約為 5.728m，從中可以看出整機作業(yè)能力有了很大的 改進，不僅挖掘力大，且機器重量輕，傳動平穩(wěn)，作業(yè)效率高，結構緊湊。 另外，還對挖掘機的工作裝置提出基于結構推理的機構方案創(chuàng)新設計方法。 關鍵詞：液壓挖掘機 ；挖掘機構 ；液壓系統(tǒng) 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 ABSTRACT This designed topic is the marching hydraulic excavator excavational organization. Compared with other types excavators, this kind of type excavator used very universal that because has good through theperformance, also may use to lengthens widens as well as the floating type caterpillar band to reduce pressure for the soft ground or the bogregion. The hydraulic excavator main characteristic is: not only can adjust s the stepless speed but also can adjust scope very big, can obtain a lower stable rotational speed, when action quickly, the hydraulic parts produce inertia small, accelerational theperformance good,and may make the high speed reverse, the transmission steady,structure simple, may absorb attacks and vibrates, the operation reduces effort, and to be easy to realize the automated control, is easy to realize the standardization, the seriation, the universalization. This designed main parameter is scoop capacity 0.2m3, it is long to the middle and small scale hydraulic excavator, mainly design the excavator， s the work installment and the hydraulic transmissionprinciple. In the design, used marching walked the installment to satisfied request. Upside the turnplate is the entire rotation , thereof it may work in a greater scope. And further because uses the hydraulicsteering to enable the entire machine performance to improve. Compared with the mechanical type excavator, its excavation strength enhance to 2 3 times, the entire machine weight approximately is 5 tons,the excavation strength approximately is 30kN, the biggest unloading high approximately is 2.65m, biggest digging depth is 4.2m, the biggest excavation radius approximately is 5.728m, thus can see the entire machine work ability to have the very big improvement, not only excavation strength big, but also machine weight light, transmission steadyly, work 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 efficiency is high, the structure is compact. Moreover, but also proposes to the excavator work installment based on the structureinference organization plan innovation design method. Key word：Hydraulic excavator；Excavation organization；Hydraulic system 目 錄 1 緒論 .1 1.1 液壓挖掘機的工作特點和基本類型 .2 1.1.1 液壓挖掘機的主要優(yōu)點 .2 1.1.2 液壓挖掘機的基本類型及主要特點 .3 1.2 液壓挖掘機的發(fā)展概況 .4 1.2.1 國外液壓挖掘機目前水平及發(fā)展趨勢 .4 1.2.2 國內(nèi)液壓挖掘機的發(fā)展概況 .4 1.3 本次設計概述 .5 1.4 反鏟裝置的工作原理 .5 1.5 本次設計任務 .6 2 總體設計方案 .7 2.1 工作裝置設計方案原則 .7 2.2 液壓系統(tǒng)設計方案原則（總體） .7 2.2.1 單斗液壓挖掘機作業(yè)過程 .8 2.2.2 對液壓系統(tǒng)作業(yè)動作要求 .8 2.2.3 對液壓系統(tǒng)基本的要求 .8 3 挖掘機的工作裝置設計 .10 3.1 確定動臂、斗桿、鏟斗的結構形式 .10 3.1.1 確定動臂的結構形式 .10 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 3.1.2 確定斗桿的結構形式 .11 3.1.3 確定鏟斗的結構形式和斗齒安裝結構 .11 3.1.4 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式 .13 3.2 確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點布置 .14 3.2.1 動臂油缸的布置 .14 3.2.2 斗桿油缸的布置 .16 3.2.3 鏟斗油缸的布置 .16 3.3 動臂、斗桿、鏟斗機構參數(shù)的選擇 .17 3.3.1 反鏟裝置總體方案的選擇 .17 3.3.2 機構自身幾何參數(shù) .18 3.3.3 斗形參數(shù)的選擇 .20 3.3.4 動臂機構參數(shù)的選擇 .24 3.3.5 斗桿機構參數(shù)的選擇 .29 3.3.6 連桿、搖臂參數(shù)的選擇 .31 4 挖掘機液壓系統(tǒng)設計 .32 4.1 確定液壓系統(tǒng)類型 .32 4.2 液壓系統(tǒng)的計算和液壓元件的選擇 .33 4.2.1 系統(tǒng)主參數(shù)的確定 .33 4.2.2 挖掘機液壓缸作用力的確定 .33 4.3 液壓系統(tǒng)初步計算 .41 4.3.1 工作裝置傳動計算 .41 4.3.2 行走機構傳動計算 .43 4.3.3 回轉機構傳動計算 .45 4.3.4 液壓泵參數(shù)選擇和發(fā)動機功率計算 .45 4.3.5 主油管管徑和油箱容量 .46 5 工作裝置的強度計算 .48 5.1 斗桿的計算 .48 5.2 動臂的計算 .57 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 6 液壓挖掘機機構結構創(chuàng)新設計 .59 6.1 基于結構推理的方案創(chuàng)新設計過程模型 .59 6.2 液壓挖掘機機構方案創(chuàng)新設計 .60 結 論 .67 參考文獻 .68 致 謝 .69 中 國 礦 業(yè) 大 學 本 科 生 畢 業(yè) 論 文 姓 名： 學 號： 學 院： 應用技術學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 論文題目： 2 噸液壓挖掘機的挖掘機構 專 題： 指導教師： 職 稱： 2007 年 6 月 徐州 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文任務書 學院專業(yè)年級學生姓名 任 務 下 達 日 期 ： 2007 年 1 月 11 日 畢業(yè)論文日期：2007 年 3 月 25 日至 2007 年 6 月 20 日 畢業(yè)論文題目：2 噸液壓挖掘機的挖掘機構 畢業(yè)論文專題題目： 畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求： 1.設計參數(shù)： 標準斗容：0.2m 3；挖掘力 2 噸 挖掘級及以下土壤。 2.設計要求： 通過畢業(yè)實習、查閱資料，制定總體方案，完成主要部件 裝配圖設計，設計總圖量不少于 3 張 0 號圖。 3.按畢業(yè)設計指導書要求編寫設計說明書。 院長簽字： 指導教師簽字： 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文指導教師評閱書 指導教師評語（基礎理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的 能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點； 工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意 答辯等）： 成 績： 指導教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文評閱教師評閱書 評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合 運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果 及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題； 是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文評閱教師評閱書 評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合 運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果 及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題； 是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文答辯及綜合成績 答 辯 情 況 回 答 問 題 提 出 問 題 正 確 基 本 正 確 有 一 般 性 錯 誤 有 原 則 性 錯 誤 沒 有 回 答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學院領導小組綜合評定成績： 學院領導小組負責人： 年 月 日 摘 要 本次設計的題目是履帶式液壓挖掘機挖掘機構。與其它類型的挖掘機 相比，這種類型的挖掘機因有良好通過性能應用最廣，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。 液壓挖掘機的主要特點為：能無級調(diào)速且調(diào)速范圍大，能得到較低的 穩(wěn)定轉速，快速作用時，液壓元件產(chǎn)生的運動慣性小，加速性能好，并可 作高速反轉，傳動平穩(wěn)，結構簡單，可吸收沖擊和振動，操縱省力，易實 現(xiàn)自動化控制，易于實現(xiàn)標準化、系列化、通用化。 本次設計的主要參數(shù)是斗容量 0.2m3,它屬于中小型液壓挖掘機，主要 設計挖掘機的工作裝置、液壓傳動原理。 在設計中，采用了履帶式行走裝置，來滿足要求。上部轉臺是全回轉 式，因此它可在一個更大的范圍內(nèi)工作。又因采用液壓傳動控制而使整機 性能得以改善。與機械式挖掘機相比，其挖掘力提高到 23 倍，整機質量 約為 5 噸，挖掘力約為 30kN，最大卸載高度約為 2.65m，最大挖掘深度 4.2m，最大挖掘半徑約為 5.728m，從中可以看出整機作業(yè)能力有了很大的 改進，不僅挖掘力大，且機器重量輕，傳動平穩(wěn)，作業(yè)效率高，結構緊湊。 另外，還對挖掘機的工作裝置提出基于結構推理的機構方案創(chuàng)新設計方法。 關鍵詞：液壓挖掘機 ；挖掘機構 ；液壓系統(tǒng) ABSTRACT This designed topic is the marching hydraulic excavator excavational organization. Compared with other types excavators, this kind of type excavator used very universal that because has good through theperformance, also may use to lengthens widens as well as the floating type caterpillar band to reduce pressure for the soft ground or the bogregion. The hydraulic excavator main characteristic is: not only can adjust s the stepless speed but also can adjust scope very big, can obtain a lower stable rotational speed, when action quickly, the hydraulic parts produce inertia small, accelerational theperformance good,and may make the high speed reverse, the transmission steady,structure simple, may absorb attacks and vibrates, the operation reduces effort, and to be easy to realize the automated control, is easy to realize the standardization, the seriation, the universalization. This designed main parameter is scoop capacity 0.2m3, it is long to the middle and small scale hydraulic excavator, mainly design the excavator， s the work installment and the hydraulic transmissionprinciple. In the design, used marching walked the installment to satisfied request. Upside the turnplate is the entire rotation , thereof it may work in a greater scope. And further because uses the hydraulicsteering to enable the entire machine performance to improve. Compared with the mechanical type excavator, its excavation strength enhance to 2 3 times, the entire machine weight approximately is 5 tons,the excavation strength approximately is 30kN, the biggest unloading high approximately is 2.65m, biggest digging depth is 4.2m, the biggest excavation radius approximately is 5.728m, thus can see the entire machine work ability to have the very big improvement, not only excavation strength big, but also machine weight light, transmission steadyly, work efficiency is high, the structure is compact. Moreover, but also proposes to the excavator work installment based on the structureinference organization plan innovation design method. Key word：Hydraulic excavator；Excavation organization；Hydraulic system 目 錄 1 緒論 .1 1.1 液壓挖掘機的工作特點和基本類型 .2 1.1.1 液壓挖掘機的主要優(yōu)點 .2 1.1.2 液壓挖掘機的基本類型及主要特點 .3 1.2 液壓挖掘機的發(fā)展概況 .4 1.2.1 國外液壓挖掘機目前水平及發(fā)展趨勢 .4 1.2.2 國內(nèi)液壓挖掘機的發(fā)展概況 .4 1.3 本次設計概述 .5 1.4 反鏟裝置的工作原理 .5 1.5 本次設計任務 .6 2 總體設計方案 .7 2.1 工作裝置設計方案原則 .7 2.2 液壓系統(tǒng)設計方案原則（總體） .7 2.2.1 單斗液壓挖掘機作業(yè)過程 .8 2.2.2 對液壓系統(tǒng)作業(yè)動作要求 .8 2.2.3 對液壓系統(tǒng)基本的要求 .8 3 挖掘機的工作裝置設計 .10 3.1 確定動臂、斗桿、鏟斗的結構形式 .10 3.1.1 確定動臂的結構形式 .10 3.1.2 確定斗桿的結構形式 .11 3.1.3 確定鏟斗的結構形式和斗齒安裝結構 .11 3.1.4 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式 .13 3.2 確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點布置 .14 3.2.1 動臂油缸的布置 .14 3.2.2 斗桿油缸的布置 .16 3.2.3 鏟斗油缸的布置 .16 3.3 動臂、斗桿、鏟斗機構參數(shù)的選擇 .17 3.3.1 反鏟裝置總體方案的選擇 .17 3.3.2 機構自身幾何參數(shù) .18 3.3.3 斗形參數(shù)的選擇 .20 3.3.4 動臂機構參數(shù)的選擇 .24 3.3.5 斗桿機構參數(shù)的選擇 .29 3.3.6 連桿、搖臂參數(shù)的選擇 .31 4 挖掘機液壓系統(tǒng)設計 .32 4.1 確定液壓系統(tǒng)類型 .32 4.2 液壓系統(tǒng)的計算和液壓元件的選擇 .33 4.2.1 系統(tǒng)主參數(shù)的確定 .33 4.2.2 挖掘機液壓缸作用力的確定 .33 4.3 液壓系統(tǒng)初步計算 .41 4.3.1 工作裝置傳動計算 .41 4.3.2 行走機構傳動計算 .43 4.3.3 回轉機構傳動計算 .45 4.3.4 液壓泵參數(shù)選擇和發(fā)動機功率計算 .45 4.3.5 主油管管徑和油箱容量 .46 5 工作裝置的強度計算 .48 5.1 斗桿的計算 .48 5.2 動臂的計算 .57 6 液壓挖掘機機構結構創(chuàng)新設計 .59 6.1 基于結構推理的方案創(chuàng)新設計過程模型 .59 6.2 液壓挖掘機機構方案創(chuàng)新設計 .60 結 論 .67 參考文獻 .68 致 謝 .69 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 1緒論 液壓挖掘機是在機械傳動挖掘機的基礎上發(fā)展起來的。它的工作過程 是以鏟斗的切削刃切削土壤，鏟斗裝滿后提升、回轉至卸土位置，卸空后 的鏟斗再回到挖掘位置并開始下一次的作業(yè)。因此，液壓挖掘機是一種周 期作業(yè)的土方機械。 液壓挖掘機與機械傳動挖掘機一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、 水利施工、露天采礦及現(xiàn)代化軍事工程中都有著廣泛的應用，是各種土石 方施工中不可缺少的一種重要機械設備。 在建筑工程中，可用來挖掘苦坑、排水溝，拆除舊有建筑物，平整場 地等。更換工作裝置后，可進行裝卸、安裝、打樁和拔除樹根等作業(yè)。 在水利施工中，可用來開挖水庫、運河、水電站堤壩的基坑、排水或 灌溉的溝渠，疏浚和挖深原有河道等。 在鐵路、公路建設中，用來挖掘土方、建筑路基、平整地面和開挖路 旁排水溝等。 在石油、電力、通信業(yè)的基礎建設及市政建設中，用來挖掘電纜溝和 管道等。 在露天采礦場上，可用來剝離礦石或煤，也可用來進行堆棄、裝載和 鉆孔等作業(yè)。 在軍事工程中，或用來筑路、挖壕溝和掩體、建造各種軍事建筑物。 所以，液壓挖掘機作為工程機械的一個重要品種，對于減輕工人繁重 的體力勞動，提高施工機械化水平，加快施工進度，促進各項建設事業(yè)的 發(fā)展，都起著很大的作用。據(jù)建筑施工部門統(tǒng)計，一臺斗容量1.0m 3的液 壓挖掘機挖掘級土壤時，每班生產(chǎn)率大約相當于300400個工人一 天的工作量。因此，大力發(fā)展液壓挖掘機，對于提高勞動生產(chǎn)率和加速國 民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 1.1 液壓挖掘機的工作特點和基本類型 1.1.1 液壓挖掘機的主要優(yōu)點 液壓挖掘機在動力裝置之間采用容積式液壓靜壓傳動，即靠液體的壓 力能進行工作。液壓傳動與機械傳動相比有許多優(yōu)點。 能無級調(diào)速且調(diào)速范圍大，例如液壓馬達的最高轉速與最低轉速之 比可達10001。 能得到較低的穩(wěn)定轉速，例如柱塞式液壓馬達的穩(wěn)定轉速可低達 1r/min。 快速作用時，液壓元件產(chǎn)生的運動慣性小，加速性能好，并可作調(diào) 整反轉。例如電動機在啟動時的慣性力矩比其平穩(wěn)運轉時的驅動力矩大 50%，而液壓馬達則不大于5%，加速中等功率電動機需1s到數(shù)秒，而加速液 壓馬達只需0.1s。 傳動平穩(wěn)，結構簡單，可吸收沖擊和振動，操縱省力，易實現(xiàn)自動 化控制。 易于實現(xiàn)標準化、系列化、通用化。 基于液壓傳動的上述優(yōu)點，液壓挖掘機與機械傳動挖掘機相比，具有 下列主要特點： 大大改善了挖掘機的技術性能，挖掘力大、牽引力大，機器重量， 傳動平穩(wěn)，作用效率高，結構緊湊。液壓挖掘機與同級機械傳動挖掘機相 比，挖掘力約高30%，例如1.0m 液壓挖掘機鏟斗挖掘力120150kN，而同3 級機械傳動挖掘機只有100kN左右。 挖掘機在工作時的主要動作包括行走、轉臺回轉和工作裝置的作業(yè)動 作，其中動作最頻繁的是回轉和工作裝置的循環(huán)往復運動。這種往復運動 一般速度不高，而所需作用力卻很大，要求在短時間內(nèi)通過變速或換向來 完成各種復雜動作。機械傳動挖掘機完成上述運動需通過磨擦離合器、減 速器、制動器、逆轉機構、提升和推壓機構等配合來完成。因此，機械傳 動挖掘力不僅結構復雜，而且還要產(chǎn)生很大的慣性力和沖擊載荷。而液壓 挖掘機則不需要龐大和復雜的中間傳動，大大簡化了結構，也減少了易損 件。由于結構簡化，液壓挖掘機的質量大約比相同斗容量的機械傳動挖掘 機輕30%，不僅節(jié)省了鋼材，而且降低了接地比壓。液壓挖掘機上的各種液 壓元件可相對獨立布置，使整機結構緊湊、外形美觀，同時也易于改進或 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 變型。 液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有防止過載的能力，所以使用安全可靠，操 縱簡便。由于可采用液壓先導控制，無論驅動功率多大，操縱均很靈活、 省力，司機的工作條件得到改善。更換工作裝置時，由于不牽連轉臺上部 的其他機構，因此更換工作裝置容易，而機械式挖掘機則受到提升機構和 推壓機構的牽連和限制。 由于液壓傳動易于實現(xiàn)自動控制，因此現(xiàn)代液壓挖掘機普遍采用了 以微處理器為核心的電子控制單元（ECU），使發(fā)動機、液壓泵、控制閥和 執(zhí)行元件在最佳匹配狀態(tài)下工作，以實現(xiàn)節(jié)能和提高作業(yè)效率，同時還可 實現(xiàn)整機狀態(tài)參數(shù)的電子監(jiān)控和故障診斷。 液壓元件易于實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，便于組織大規(guī)模專業(yè) 化生產(chǎn)，進一步提高質量和降低成本。 1.1.2 液壓挖掘機的基本類型及主要特點 液壓挖掘機種類繁多，可以從不同角度對其類型進行劃分。 根據(jù)液壓挖掘機主要機構傳動類型劃分。 根據(jù)液壓挖掘機主要機構是否全部采用液壓傳動，分為全液壓傳動和 非全液壓（或稱半液壓）傳動兩種。若挖掘、回轉、行走等幾個主要機構 的動作均為液壓傳動，則為全液壓挖掘機。若液壓挖掘機中的某一個機構 采用機械傳動，則稱其為非全液壓（或半液壓）挖掘機。一般說來，這種 區(qū)別主要表現(xiàn)在行走機構上。對液壓挖掘機來說，工作裝置及回轉機構必 須是液壓傳動，只有行走機構有的為液壓傳動，有的為機械傳動。 根據(jù)行走機構的類型劃分 根據(jù)行走機構的不同，液壓挖掘機可分為履帶式、輪胎式、汽車式、 懸掛式及拖式。 履帶式液壓挖掘機應用最廣，在任何路面行走均有良好的通過性，對 土壤有足夠的附著力，接地比壓小，作業(yè)時不需設支腿，適用范圍較大。 在土質松軟或沼澤地帶作業(yè)的液壓挖掘機，還可通過加寬履帶來降低接地 比壓。為防止對路面的碾壓破壞、有些液壓挖掘機還采用了橡膠履帶。通 常，履帶行走的液壓挖掘機多為全液壓傳動。 輪胎式液壓挖掘機具有行走速度快，機動性好，可在多種路面通行的 特點。近年來，輪胎式挖掘機的生產(chǎn)量日漸增長。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 懸掛式液壓挖掘機是將工作裝置安裝在輪胎式或履帶式拖拉機上，可 以達到一機多用的目的。這種挖掘機拆裝方便，成本低廉。 汽車式液壓挖掘機一般采用標準的汽車底盤，速度快，機動性好。 拖式液壓挖掘機沒有行走傳動機構，行走時由拖拉機牽引， 根據(jù)工作裝置劃分 根據(jù)工作裝置結構不同，可分為鉸接式和伸縮臂式挖掘機。鉸接式工 作裝置應用較為普遍。這種挖掘機的工作裝置靠各構件繞鉸點轉動來完成 作業(yè)動作。伸縮臂式挖掘機的動臂由主臂及伸縮臂組成，伸縮臂可在主臂 臂內(nèi)伸縮，還可以變幅。伸縮臂前端裝有鏟斗，適于進行平整和清理作業(yè)， 尤其是修整溝坡。 1.2 液壓挖掘機的發(fā)展概況 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，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 科學技術的飛速發(fā)展，各種新技術、新材料不斷在挖掘機上得到應用，尤 其是電子技術和信息技術的應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)得到廣泛應用，成為土石方施工不可缺少的重要機械 設備。 1.2.1 國外液壓挖掘機目前水平及發(fā)展趨勢 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。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 1.2.2 國內(nèi)液壓挖掘機的發(fā)展概況 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 WY60 等。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 WY160 和 WY250 等液壓挖掘機產(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的 基礎上，增強自主創(chuàng)新意識，掌握核心設計制造技術，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。 1.3 本次設計概述 本次設計斗容量為 0.2m3,全液壓履帶式挖掘機型號為 WY20 型，由于 履帶式液壓挖掘機有良好通過性能應用最廣，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。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 1.4 反鏟裝置的工作原理 反鏟工作裝置是液壓挖掘機的一種主要工作裝置，如圖 11 所示。 圖 11整體式彎動臂 液壓反鏟工作裝置一般由動臂 1、動臂液壓缸 2、斗桿液壓缸 3、斗桿 4、鏟斗液壓缸 5、鏟斗 6、連桿 7 和搖桿 8 等組成。其構造特點是各構件 之間全部采用鉸接連接，并通過改變各液壓缸行程來實現(xiàn)挖掘過程中的各 種動作。動臂 1 的下鉸點與回轉平臺鉸接，并以動臂液壓缸 2 來支承動臂， 通過改變動臂液壓缸的行程即可改變動臂傾角，實現(xiàn)動臂的升降。斗桿 4 鉸接于動臂的上端，可繞鉸點轉動，斗桿與動臂的相對轉角由斗液壓缸 5 控制，當斗桿液壓缸伸縮時，斗桿即可繞動臂上鉸點轉動。鏟斗 6 則鉸接 于斗桿 4 的末端，通過鏟斗液壓缸 5 的伸縮來使鏟斗繞鉸點轉動。為了增 大鏟斗的轉角，鏟斗液壓缸一般通過連桿機構（即連桿 7 和搖桿 8）與鏟斗 連接。液壓挖掘機反鏟工作裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤，如挖掘 溝壕、基坑等，其挖掘軌跡取決于各液壓缸的運動及其組合。反鏟液壓挖 掘機的工作過程為，先下放動臂至挖掘位置，然后轉動斗桿及鏟斗，當挖 掘至裝滿鏟斗時，提升動臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉至卸載位置， 轉斗卸出土壤，然后再回轉至工作裝置開始下一次作業(yè)循環(huán)。動臂液壓缸 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。轉斗挖掘的行程較短，為使鏟 斗在轉斗挖掘結束時裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度 的土壤，因此挖掘機的最大挖掘力一般由鏟斗液壓缸實現(xiàn)的。由于挖掘力 大且挖掘行程短，因此轉斗挖掘可用于清除障礙或提高生產(chǎn)率。在實際工 作中，熟練的液壓挖掘機人員可根據(jù)實際情況，合理操縱各個液壓缸，往 76543 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 往是各液壓缸聯(lián)合工作，實現(xiàn)最有效的挖掘作業(yè)。例如，挖掘基坑時由于 挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁，則采用動臂和斗桿同時工 作；當挖掘基坑底時，挖掘行程將結束，為加速裝滿鏟斗，或挖掘過程中 調(diào)整切削角時，則需要鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸同時工作。 1.5 本次設計任務 本次設計斗容量 0.2m3挖掘機的工作裝置及液壓系統(tǒng)，采用履帶式行 走裝置，全液壓驅動，挖及以下土壤。 2總體設計方案 2.1 工作裝置設計方案原則 設計合理的工作裝置應能滿足下列要求： 主要工作尺寸及作業(yè)范圍能滿足要求，在設計通用反鏟裝置時要考 慮與同類型、同等級機器相比的先進性。考慮國家標準的規(guī)定，并注意到 結構參數(shù)受結構碰撞限制等的可能性。 整機挖掘力的大小及其分布情況應滿足使用要求，并具有一定的先 進性。 功率利用情況盡可能好，理論工作時間盡可能短。 確定鉸點布置，結構型式和截面尺寸形狀時盡可能使受力狀態(tài)有利， 在保證強度、剛度和連接剛性的條件下盡量減輕結構自重。 作業(yè)條件復雜，使用情況多變時應考慮工作裝置的通用性。采用變 鉸點構件或配套構件時要注意分清主次，在滿足使用要求的前提下力求替 換構件種類少，結構簡單，換裝方便。 運輸或停放時工作裝置應有合理的姿態(tài)，使運輸尺寸小，行駛穩(wěn)定 性好，保證安全可靠，并盡可能使液壓缸卸載或減載。 工作裝置液壓缸設計應考慮三化。采用系列參數(shù)，盡可能減少液壓 缸零件種類，尤其是易損件的種類。 工作裝置的結構型式和布置便于裝拆和維修，尤其是易損件的更換。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 要采取合理措施來滿足特殊使用要求。 2.2 液壓系統(tǒng)設計方案原則（總體） 按照挖掘機各個機構和裝置的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機 連接起來的組合體叫做挖掘機的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的功能是把發(fā)動機的 機械能以油液為介質，利用液壓泵轉變?yōu)橐簤耗苓M行傳送，然后通過液壓 缸和液壓馬達等執(zhí)行元件轉換為機械能，實現(xiàn)各種動作。 2.2.1 單斗液壓挖掘機作業(yè)過程 液壓挖掘機的作業(yè)過程包括下列幾個間歇動作：動臂升降、斗桿收放、 鏟斗裝載、轉臺回轉、整機行走，以及其它輔助動作，除輔助動作不需要 功率驅動外，其它都是挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅動。 由于挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊 要求： 實現(xiàn)各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化。因此，要求液壓 缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應變化。 為了充分利用發(fā)動機功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要 求有兩個主要動作同時進行，叫做復合動作，這兩項要求需要由液壓系統(tǒng) 來保證。 2.2.2 對液壓系統(tǒng)作業(yè)動作要求 液壓挖掘機的動作復雜，機構經(jīng)常啟動、制動、換向，負載變化大， 沖擊和振動頻繁，而且野外施工作業(yè)，溫度變化和地理條件差別大，因此， 應根據(jù)液壓挖掘機的工作特點和環(huán)境特點，對其液壓系統(tǒng)提出一些有別于 其他應用的基本要求。 液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)應滿足的作業(yè)動作要求如下。 保證液壓挖掘機動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨動作，也可以相互 配合實現(xiàn)復合動作。 保證工作裝置的動作與回轉平臺的回轉動作既能單獨動作，又能作 復合動作，以提高液壓挖掘機的作業(yè)效率。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 履帶式液壓挖掘機的左、右履帶應能分別驅動，使挖掘機行走轉彎 方便靈活，并能實現(xiàn)原地轉向，以提高挖掘機的機動性。 保證液壓挖掘機工作安全可靠，對各機構及液壓執(zhí)行元件應具有完 善的安全保護措施。例如，對回轉機構和行走裝置有可靠的制動和限速； 防止動臂因自重而下降過快；防止機器下坡行駛時超速溜坡等。 2.2.3 對液壓系統(tǒng)基本的要求 根據(jù)液壓挖掘機的作業(yè)動作和環(huán)境特點，對液壓系統(tǒng)提出如下要求。 液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)應具有較高效率，以充分發(fā)揮發(fā)動機的動力 性和燃油經(jīng)濟性。 液壓系統(tǒng)和液壓元件在大負載和劇烈振動沖擊作用下，應具有足夠 的可靠性。 選擇輕便、適用、耐振的冷卻散熱系統(tǒng)，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使液 壓系統(tǒng)工作溫度及溫升在規(guī)定范圍內(nèi)。 由于液壓挖掘機作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油被污染，因此液壓系統(tǒng)的 密封性能要好，整個液壓系統(tǒng)要設置濾油器和防塵裝置。 在必要時采用液壓先導或電液伺服操縱裝置，提高液壓挖掘機操作 的舒適性，減輕操作人員的勞動強度。 在液壓系統(tǒng)中采用先進的自動控制技術，提高液壓挖掘機的技術性 能指標，使液壓挖掘機具有節(jié)能、高效和自動適應負載變化的特點。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 3挖掘機的工作裝置設計 3.1 確定動臂、斗桿、鏟斗的結構形式 3.1.1 確定動臂的結構形式 動臂是工作裝置中的主要構件，斗桿的結構形式往往決定于動臂 的結構形式。反鏟動臂分為整體式和組合式兩類。 直動臂構造簡單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機,如圖 31 所示。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 圖 3-1整體式直動臂 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構形狀和強度值得注意，有時采用 三節(jié)變動臂有利于降低彎曲處的應力集中。 整體式變動臂結構簡單、價廉，剛度相同時結構重量較組合式動臂輕。 它的缺點是替換工作裝置少，通用性較差。為了擴大機械通用性，提高其 利用率。往往需要配備幾套完全不通用的工作裝置。一般說，長期用于作 業(yè)相似的反鏟采用整體式動臂結構比較合適。如圖 11 所示。 組合式動臂一般都為彎臂形式。其組合方式有兩類，一類用輔助連桿 （或液壓缸）連接，另一類用螺栓連接。 組合式動臂與整體式動臂相比各有優(yōu)缺點，它們分別適用于不同的作 業(yè)條件。組合式動臂的主要優(yōu)點是： 1工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化進行調(diào)整。當采用螺栓 或連桿連接時調(diào)整時間只需十幾分鐘，采用液壓缸連接時可以進行無級調(diào) 節(jié)。 2較合理地滿足各種類型作業(yè)裝置的參數(shù)和結構要求，從而較簡單地 解決主要構件的統(tǒng)一化問題。因此其替換工作裝置較多，替換也方便。一 般情況下，下動臂可以適應各種作業(yè)裝置要求，不需拆換。 3裝車運輸比較方便。 由于上述優(yōu)點，組合式動臂結構雖比整體式動臂復雜，但得到了較廣 泛的應用。尤以中小型通用液壓挖掘機作業(yè)條件多時采用組合式動臂較為 合適。 本次設計作業(yè)條件比較單一，所以選用整體式彎動臂。 3.1.2 確定斗桿的結構形式 斗桿也有整體式和合式兩種，大多數(shù)挖掘機都采用整體式斗桿， 當需要調(diào)節(jié)斗桿長度或杠桿時采用更換斗桿的辦法，或者在斗桿上設置 24 個可供調(diào)節(jié)時選擇的與動臂端部鉸接的孔。有些反鏟采用組合式斗桿。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 3.1.3 確定鏟斗的結構形式和斗齒安裝結構 3.1.3.1 確定鏟斗的結構形式 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。鏟斗 的作業(yè)對象繁多，作業(yè)條件也不同，用一個鏟斗來適應任何作業(yè)對象和條 件較困難。為了滿足各種特定情況，盡可能提高作業(yè)效率，通用反鏟裝置 常配有甚至十多種斗容量不同，結構形式各異的鏟斗。 目前，對鏟斗結構形式的研究還處于現(xiàn)場試驗、實驗室試驗或模型試 驗階段，未建立起較系統(tǒng)的理論。將兩只 0.6m3容量而斗型不同的反鏟斗裝 在 RH6 液壓挖掘機上進行對比試驗，結果如表 31 所示。由于砂的挖掘阻 力較小，對鏟斗設計的合理性反映不靈敏，所以這兩種鏟斗的試驗結果差 別不大。而對頁巖作業(yè)效果就大不一樣，其中一個鏟斗的切削前緣中間略 微凸出，不帶側齒，側臂略呈凹形，這些因素使頁巖挖掘阻力降低。另一 個鏟斗的情況則相反。 對各種鏟斗結構形狀的共同要求是： 1有利于物料的自由流動，因此鏟斗內(nèi)壁不宜設置橫向凸緣、棱角等。 斗底的縱向剖面形狀要適合各種物料的運動規(guī)律。 2要使物料易于卸凈。用于粘土的鏟斗卸載時不易卸凈，因此延長了 作業(yè)循環(huán)時間，降低了有效斗容量。國外采用設有強制卸土的粘土鏟斗。 反鏟斗對比試驗結果表 3-1 作業(yè)條件 鏟斗編號 鏟斗充滿 時間 （s） 生產(chǎn)率 （10kN/h） 效率 （%） 在頁巖中 作 業(yè) 鏟斗 1 鏟斗 2 19.05 40.6 42.6 22.68 100 53.3 在砂中 作 業(yè) 鏟斗 1 鏟斗 2 5.9 6.3 163.5 152.7 100 93.3 3為了使裝進鏟斗的物料不易掉出，鏟斗寬度與物料顆粒直徑之比應 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 大于 4：1。當此比值大于 50：1 時顆粒尺寸的影響可不考慮，視物料為勻 質。 4裝設斗齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時的挖掘線比壓，以便切入 或破碎阻力較大有物料。挖硬土或碎石時還能把石塊從土壤中耙出。斗齒 的材料、形狀、安裝結構及其尺寸參數(shù)都值得研究，對它的主要要求是挖 掘阻力小，耐磨，易于更換。 3.1.3.2 確定斗齒安裝方式 目前，國產(chǎn)挖掘機斗齒安裝方式主要有兩類，斗容量 0.6m 3時多采q 用螺栓連接（圖 32a） ，斗容量 0.6m 3時時多采用橡膠卡銷結構（圖q 32b） 。 本次設計斗容量為 0.2 m3挖掘機，所以斗齒安裝方式為螺栓連接. 3.1.4 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式 鏟斗與鏟斗液壓缸有三種型式（圖 33） ，其區(qū)別主要在于液壓缸活塞 桿端部與鏟斗的連接方式不同，圖 33a 為直接連接，鏟斗、斗桿與鏟斗 液壓缸組成四連桿機構。圖 33b 中鏟斗液壓缸通過搖桿 1 和連桿 2 與鏟 斗相連，它們與斗桿一起組成六連桿機構。圖 33d 和圖 33b 類似，區(qū)a)1234b)a)螺 栓 連 接 方 式 ； b橡 膠 卡 銷 連 接 方 式1-卡 銷 ； 2橡 膠 卡 銷 ； 3-齒 座 ； 4斗 齒 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 14 頁 別在于前者液壓缸活塞桿端接于搖桿兩端之間。圖 33c 的機構傳動比與 b 差不多， 圖 32斗齒安裝方式 但鏟斗擺角位置順時針方向轉動了一個角度。 六連桿方式與四連桿方式相比在同樣的液壓缸行程下能得到較大的鏟 斗轉角，改善了機構的傳動特性。六連桿方式 b 和 d 在液壓缸行程相同時， 后者能得到更大的鏟斗轉角。但其鏟斗挖掘力的平均值較小。 本設計中選用圖 33b 的連接方式。 3.2 確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點布置 反鏟工作裝置實際上是多個連桿機構的組合。在發(fā)動機功率、整機 質量和鏟斗容量等主要參數(shù)及工作裝置基本形式初步確定的情況下，工作 裝置各鉸點在布置及各工作油缸參數(shù)的選擇是否合理，會直接影響液壓挖 掘機的實際挖掘能力。 圖 3-3鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式 a)b)c)2121 d) 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 3.2.1 動臂油缸的布置 動臂油缸一般布置在動臂前下方，下端與回轉平臺鉸接，常見的有 兩種具體布置方式。 油缸前傾布置方案，如圖 34 所示，動臂油缸與動臂鉸接于 E 點。 當動臂油缸全伸出，將動臂舉升至上極限位置，動臂油缸軸線向轉臺前方 傾斜。 油缸后傾布置方案，如圖 35 所示，當動臂油缸全伸出，將動臂舉 升到上極限位置時，動臂油缸軸線向后方傾斜。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 16 頁 當兩方案的動臂油缸安裝尺寸 DE、鏟斗最大挖掘高度 H 和地面最大 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 17 頁 挖掘半徑 R 相等時，后傾方案的最大挖掘深度比前傾方案小，即 。2h1 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 18 頁 此外，在后傾方案中，動臂 EF 部分往往比前傾方案的長，因此動臂所受彎 矩也比3-4動臂油缸前傾布置方案 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 19 頁 圖 3-5動臂油缸后傾布置方案 較大。以上為動臂油缸后傾方案的缺點。然而，后傾方案動臂下鉸點 C 與 動臂油缸下鉸點 D 的距離 CD 比前傾方案的大，則動臂在上下兩極位置時， 動臂油缸的作用力臂 Cp 也較大。因此，在動臂油缸作用力相同時，后傾方 圖為了增大后傾方案的挖掘深度，有的挖掘機將長動臂 CEF改換成短動 臂 CEF（圖 35） ，并配以長斗桿。在最大深度處挖掘時，采用鏟斗挖 掘而還是斗桿挖掘，這樣得到的最大挖掘深度為 。2h 顯然，不論是動臂油缸前傾還是后傾方案，當 C、D 兩鉸點位置和 CE 長度均不變時，通過加大動臂油缸長度可以增大動臂仰角，從而增大最大 挖掘高度，但會影響到最大挖掘深度。所以，在布置油缸時，應綜合考慮 動臂的結構、工作裝置的作業(yè)尺寸及動臂舉升力的挖掘力等因素。 本設計選用動臂油缸前傾布置方案。 3.2.2 斗桿油缸的布置 確定斗桿油缸鉸點、行程及斗桿力臂比時應該考慮下列因素。 保證斗桿油缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。即油缸從最短長度開始推伸 時和油缸最大伸出時產(chǎn)生的斗齒挖掘力應該大于正常挖掘阻力。油缸全伸 時的力矩應該足以支承滿載鏟斗和斗桿靜止不動。油缸力臂最大時產(chǎn)生的 最大斗齒挖掘力應大于要求克服的最大挖掘范圍可以取得越小一些。 保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍一般取 100130。在斗桿 油缸和轉斗油缸同時伸出最長時，鏟斗前壁和動臂之間的距離應大于 10cm。一般來說，斗桿越長，則其擺角范圍可以取得越小一些。 鉸點位置的確定需要反復進行。在計算中初定鉸點位置，如不夠合 理，應進行適當修改。 3.2.3 鏟斗油缸的布置 確定鏟斗油缸鉸點應考慮以下因素。 保證轉斗挖掘時產(chǎn)生足夠大的斗齒挖掘力，即在鏟斗油缸全行程中 產(chǎn)生的斗齒挖掘力應大于正常工作情況下的挖掘阻力。當鏟斗油缸作用力 臂最大時，所產(chǎn)生的最大斗齒挖掘應能使?jié)M載鏟斗靜止不動。 保證鏟斗的擺角范圍。鏟斗的擺角范圍一般取140160，在特 殊作業(yè)時可以大于180，擺角位置可以按圖3-6布置。當鏟斗油缸全縮時， 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 20 頁 鏟斗與斗桿軸線夾角（在軸線上方）應大于10,常取1525，鏟斗油 缸全伸、鏟斗滿載回轉時，應使土壤不從斗中撒落。 鏟斗從位置到位置時（圖36） ，鏟斗油缸作用力臂最大，這里 能得到斗齒最大切削角度的1/2左右，即當鏟斗挖掘深度最大時，正好斗齒 挖 圖3-6鏟斗擺角范圍 掘力也最大。實際上鏟斗的切削轉角是可變的。在許多情況下，特別是進 行復合動作挖掘時，鏟斗的切削轉角一般都小于100，而且鏟斗也不一定 都在初始位置開始挖掘。因此，目前一般取位置至位置的轉角為 3050，在這個角度范圍內(nèi)可以照顧到鏟斗在挖掘過程中能較好地適 應挖掘阻力的變化，又可以使鏟斗在開始挖掘時就有一定的挖掘力。 3.3 動臂、斗桿、鏟斗機構參數(shù)的選擇 3.3.1 反鏟裝置總體方案的選擇 反鏟方案選擇的主要依據(jù)是設計任務書規(guī)定的使用要求，據(jù)以決定工 作裝置是通用或是專用的。以反鏟為主的通用裝置應保證反鏟使用要求， 并照顧到其它裝置的性能。專用裝置應根據(jù)作業(yè)條件決定結構方案，在滿 足主要作業(yè)條件要求的同時照顧其它條件下性能。 45 10 50 2 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 21 頁 反鏟裝置總體方案的選擇包括以下方面： 1.動臂及動臂液壓缸的布置 確定用組合式或整體式動臂，以及組合式動臂的組合方式或整體式動 臂的形狀。確定動臂液壓缸的布置為懸掛式或是下置式。 前面已確定采用整體式動臂，動臂液壓缸的布置為下置式。 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 桿是否采用變鉸點調(diào)節(jié)。 前面已確定采用整體式斗桿。 3.確定動臂與斗桿的長度比，即特性參數(shù) = 。1K2l 對于一定的工作尺寸而言，動臂與斗桿之間的長度比可在很大內(nèi)選擇。 一般當 2 時， （有反鏟取 3）稱為長動臂短斗桿方案，當 1.51K1K1K 葉屬于短動臂長斗桿方案。 在 1.52 之間稱為中間比例方案。 要求適用性較強而又無配套替換構件或可調(diào)結構的反鏟常取中間比例 方案。相反，當用配套替換構件或可調(diào)連接適應不同作業(yè)條件時，不同的 配置或鉸點連接情況可組成各種比例方案。在使用條件單一，作業(yè)對象明 確的條件下采用整體式動臂和斗桿固定鉸接， 值由作業(yè)條件確定。從作1K 業(yè)范圍看，在挖高、挖深與挖掘半徑均相同的條件下， 愈大作業(yè)范圍愈1 窄，從挖掘方式看 大宜用于斗桿挖掘為主，因其剛度較易保證。而 值1K 1K 小宜用于以轉斗挖掘為主。 本設計采用中間比例方案,取 1.8。1 4確定配套鏟斗的種類、斗容量及其主參數(shù)，并考慮鏟斗連桿機構傳 動比是否需要調(diào)節(jié)。 5根據(jù)液壓缸系統(tǒng)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 。考慮 到結構尺寸、運動余量、穩(wěn)定性和構件運動幅度等因素一般取 1.61.7，個別情況下因動臂擺角和鉸點布置要求可以取 1.75，1 1 而取 1.6 1.7， 1.61.7。23 3.3.2 機構自身幾何參數(shù) 機構自身幾何參數(shù)有三類，第一類是決定機構運動特性的必要參數(shù)， 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 22 頁 稱原始參數(shù)，本次設計主要選擇長度參數(shù)作為原始參數(shù)；第二類是由第一 類參數(shù)推算出來的參數(shù)，稱推導參數(shù)，多為運算中需要的角度參數(shù)；第三 類是作方案分析比較所需要的其它特性參數(shù)。 反鏟機構自身幾何參數(shù)的計算圖式及有關符號于圖 3-7 所示。 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 23 頁 圖 3-7 反鏟機構自身幾何參數(shù)的計算簡圖 aaaa aaa ll llllL L L V FK QNHMGE DBZCATJ Ill 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 24 頁 反鏟機構各部分原始參數(shù)、推導參數(shù)和部分特性參數(shù)見表 3-2 所示。 反鏟機構自身幾何參數(shù)表 表 3-2 機構組成 鏟斗 斗桿 動臂 機體參數(shù)分類 符號意義 原始參數(shù) l3=QV,l12=MH, l13=MN,l14=HN, l24=QK,l25=KV, l29=KH l2=FQ,l9=EF, l10=FG,l11=EG l15=GN,l16=FN l21=NQ l1=CF,l6=CD l7=CB,l8=DF l22=BF l4=CP,l5=CA l17=CI,l19=CT l30=CS,l38=JT l39=JI 推導參數(shù) 9NMH 10KQV 4EFG 5GNF 6GFN 7NQF 8NFQ 2BCF 3DFC 11CAP 9TCP K2= ,l39 K2= ,l341 1CZF = 57l 特性參數(shù) K2= ,l34 K1= 2 11 備注 L2斗桿長 l1動臂長 1動臂彎角 懸掛式 11ACU 各液壓缸運動參數(shù)的意義見表 33 3.3.3 斗形參數(shù)的選擇 3.3.3.1 鏟斗主要參數(shù)的選擇 斗容量 、平均斗寬 ，轉斗挖掘半徑 和轉斗挖掘裝滿轉角 （這qBR2 里令 ）是鏟斗的四個主要參數(shù)。 、 及 三者與 之間有以下max B2q 幾何關系（圖 38）. 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 25 頁 反鏟工作液壓缸運動參數(shù)表表 33 參 數(shù) 意 義瞬 時 力 臂瞬 時 長 度 全 縮 力 臂全 縮 長 度 全 縮 力 臂全 伸 長 度 特性參數(shù)液壓缸種類 參 數(shù) 符 號 動臂液壓缸 1eL10mineLze L1max= min1axL 斗桿液壓缸 220 inz2ax= in2ax 鏟斗液壓缸 3e LzeL2minzeL3max = min3La = (31)qSKBR)sin(21 其中： 0.2m 其中： =0.2m3(已知)，鏟斗斗容量；q 鏟斗挖掘半徑，單位 m； 鏟斗斗寬，根據(jù)反鏟斗平均斗寬統(tǒng)計值和推薦 范 圍，查表 26 ，取 0.75m；B 鏟斗挖掘裝滿轉角，一般取 90100，22 取 951.658rad 把 、 、 代入式(31)得：qB 0.2 0.75（1.658sin95）21RSK 解得： 0.803m 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 26 頁 圖 3-8鏟斗主參數(shù)示意圖 鏟斗上兩個鉸點 與 的間距 （圖 37）太大將影響鏟斗傳動特性，KQ24l 太小則影響鏟斗結構剛度，一般取特性 = =0.30.38,取 0.342k34l2k 0.34， =0.803m,得出 =0.273m。當轉角較大時 取較小值，一324lR24l 2 般取 =95115，取 =105。KQV10 KQV 3.3.3.2 斗形尺寸計算 根據(jù)鏟斗主要參數(shù)可進一步設計計算斗形其尺寸，如圖 3-9 所示。圖 中三角形 為等腰三角形， 段為直線， 弧段為拋物線。 點至直O(jiān)GEOABA 線 的距離為 ，拋物線定點高度為 ，一般取 。斗尖角 取值范BHLHL 圍一般為 2030，斗側壁角為 取 3050，包角 取 108。常 見鏟斗斗形參數(shù)參考表 3-1 。改變?nèi)切?的形狀可以獲得不同的形EG 狀的斗形。 斗形尺寸根據(jù)比擬法 =0.75m(已知)、 =0.803m(已知), 得出：bDR maxR 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 27 頁 =0.294m; =0.534m; =0.87;1x2x3x =0.7324m; =0.0706m;Rm =40; =23; =108 =0.56m.HL 圖 3-9反鏟斗計算尺寸 3.3.3.3 初選斗齒的幾何形狀 鏟斗的幾何形狀應對挖掘比阻力達到最小值。鏟斗及切削時的主要參 數(shù)，如圖 3-10 所示，圖中鏟斗容量 q、長度 L、寬度 B、高度 H、切削角 、刃角 和后角 等參數(shù)的選擇都對挖掘比阻力有直接影響。斗齒在 鏟斗上的布置（齒寬和齒距）也是一個重要參數(shù) 為使斗側壁不參與切削，鏟斗應裝有側齒。 一般齒寬 0.11 =0.11 =0.064m;bq32.0 齒長 0.26 0.26 0.152m;l 齒距為： =(2.53.5) =(0.160.192)m,取 =0.18maba 斗前臂與切削面的間隙取 =0.7 =0.0448mf 又由于鏟斗寬度 B=0.75m,齒寬與齒距之和為 0.064+0.18=0.244m = =3.07 因此鏟斗裝有 3 個齒。ba B24.075 y=ax2+bc ly=K3(X-R )X3X2X1y=k1xCOG AY mR D 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 28 頁 另外齒尖應保持銳利，否則挖掘阻力將急劇增加。新鑄（或鍛）的齒只 有 一個小的圓弧尖連續(xù)工作后，齒尖將逐漸磨損，并變鈍。通常，挖掘 級土壤，齒尖顯著磨鈍后，挖掘阻用將增加 50100%。因此，為避 免這種超 圖 3-10鏟斗的基本參數(shù) 載挖掘，應及時更換或在齒刃口上堆焊硬質合金層。 斗齒做成楔入式或組合式，以便快速更換和修補。 切削角 對切削阻力影響也很大。通常，挖級土時，斗切削角 為 2035（較大值適用于硬土，小值適用于一般土） ，常用切削角 為 30，本次設計取 30，后角 不應小于 5，刃角取 25。 3.3.4 動臂機構參數(shù)的選擇 由于鏟斗容量 0.2m 3,根據(jù)國內(nèi)外液壓挖掘機有關設計標準，通過類q 比法，選出參數(shù)機重 5 噸。G 又根據(jù)經(jīng)驗公式計算法，參考表 1-3 機體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗系數(shù)表 ，線尺寸參數(shù): = m1Lik3 A-flLqBHaBb 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 29 頁 得出:最大挖掘半徑 =3.35 =5.728m；R135 最大挖掘深度 =2.05 =3.505m；Hmax 最大卸載高度 1.55 =2.65m；a335 據(jù)統(tǒng)計，最大挖掘半徑 值一般與 + + 的和值很接近。因此R1l12l3 由要求 ，已定的 和 可按下列經(jīng)驗公式初選 、 ：R13lK12 （3-213L 2） =l1K2 其中： =5.728m； 1.8；R1 經(jīng)計算得出： =1.759m；l2 = =1.81.759=3.166m1K 在三角形 CZF 中， 、 和 都可以根據(jù)經(jīng)驗初選出：1l3 其中： 動臂的彎角，采用彎角能增加挖掘深度，但降 低了卸載高度，但太小對結構的強度不利， 一般取 120140，取 140；1 前面已算出為 3.166m；l1 動臂轉折處的長度比 ，一般根據(jù)結構和3KZCF 液壓缸鉸點 B 的位置來考慮，初步設計取 1.11.3，取 1.2；33K5B17.9140ZFC 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 30 頁 圖 3-11動臂實際尺寸 因此根據(jù)公式：可以算出 、 、41l239 41l 132cosKl 42l413l （3-3） arccos( )ZCF39142ll 經(jīng)計算得出： = =1.529m；41l = =1.834m； Z2 =17.939 如圖 311 所示。 動臂液壓缸全伸與全縮時的力臂比 按不同情況選取，專用反鏟可取4K 0.8；以反鏟為主的通用機， 0.81.1；斗容量 1m3左右的通用4K 機，則可取 1。4 本設計中取 1。 的取值對特性參數(shù) 、最大挖掘深度 和最大挖高 有影14KHmax1Hmax2 響。 加大 會使減小或使 增大，這下符合反鏟作業(yè)要求，因此基本1Hmax1 用作反鏟的小型機取 60。 本設計中取 70。1 中國礦業(yè)大學 07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 31 頁 斗桿液壓缸全縮時 = 最大（圖 312） ，常選CFQ832 =160180.max832)( 本設計中?。?） 170。832 max 取決于液壓缸布置形式， （圖 3-11） ，動臂液壓缸結構中這一夾BCZ 角較小，可能為零。動臂單液壓缸在動臂上的鉸點一般置于動臂下翼加耳 座上， 圖 3-12最大卸載高度時動臂機構計算簡圖 B 在 Z 的下面。初定BCZ5，根據(jù)已知CZF22.1 ，解得BCF 17.1。 由圖 3-12 得最大卸載高度的表達式為 ） 21max15Amax3 sin(siYH