3687 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）

3687 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）,小型,液壓,挖掘機(jī),設(shè)計(jì),工作,裝置 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)城南 學(xué)院 機(jī)制 專業(yè) 班題 目 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）任務(wù)起止日期： 2009 年 2 月 23 日 ～ 2009 年 6 月 12 日學(xué) 生 姓 名指 導(dǎo) 教 師胡剛黃東勝學(xué) 號(hào) 200521250319教研 室主任 年 月 日審查院 長(zhǎng) 年 月 日批準(zhǔn)一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題內(nèi)容小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)。隨著我國(guó)公路建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，對(duì)挖掘機(jī)的需求也與日俱增，但小型液壓挖掘機(jī)品種規(guī)格相對(duì)較少，且大多價(jià)格昂貴。本課題開(kāi)發(fā)一種價(jià)格較低廉，性能較好 ，功能較齊備，適合中小型工程施工和公路養(yǎng)護(hù)部門(mén)使用的小型液壓挖掘機(jī)。主要內(nèi)容：小型單斗液壓挖掘機(jī)總體方案設(shè)計(jì)，總體參數(shù)計(jì)算確定（斗容量、最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大挖掘半徑、最大卸載高度、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、最大挖掘力、爬坡度、最大牽引力、行走速度、挖掘軌跡等），整機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（液壓系統(tǒng)工作壓力、各油缸行程，液壓系統(tǒng)圖），液壓油箱總成及零部件設(shè)計(jì)。課題任務(wù)要求任務(wù)：小型液壓挖掘機(jī)總體設(shè)計(jì)與計(jì)算液壓傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)工作裝置總體設(shè)計(jì)液壓油箱零部件設(shè)計(jì)要求：1. 深入了解現(xiàn)行公路施工與設(shè)計(jì)的實(shí)際情況2. 廣泛收集相關(guān)技術(shù)資料3. 按計(jì)劃認(rèn)真完成設(shè)計(jì)任務(wù)課題完成后應(yīng)提交的資料（或圖表、設(shè)計(jì)圖紙）1.2.開(kāi)題報(bào)告，不少于 2000 字設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)一本，不少于 1００００字1)2)3)4)5)英文摘要總體設(shè)計(jì)的方案和計(jì)算液壓傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與計(jì)算液壓元件選型設(shè)計(jì)總結(jié)3.4.相關(guān)英文資料及譯文設(shè)計(jì)圖紙1)2)3)4)總體設(shè)計(jì)圖液壓系統(tǒng)圖挖掘軌跡圖液壓油箱總成圖和零件圖主要參考文獻(xiàn)與外文翻譯文件（由指導(dǎo)教師選定）1. 黃東勝、邱斌 現(xiàn)代挖掘機(jī)械[M] 北京：人民交通出版社，20032 何挺繼、朝勇 . 現(xiàn)代公路施工機(jī)械[M] 北京：人民交通出版社，19993 朱齊平 . 進(jìn)口工程機(jī)械使用維修手冊(cè)[M] 沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，20014 趙顯新 . 工程機(jī)械液壓傳動(dòng)裝置原理與檢修[M] 沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，20005 單斗液壓挖掘機(jī)[M] 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，19806 J. of Mechanical Engineering[J]同組設(shè)計(jì)者注：1. 此任務(wù)書(shū)由指導(dǎo)教師填寫(xiě)。如不夠填寫(xiě)，可另加頁(yè)。2. 此任務(wù)書(shū)最遲必須在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)始前一周下達(dá)給學(xué)生。3. 此任務(wù)書(shū)可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)表格下載區(qū)下載序號(hào)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）工 作 任 務(wù)工 作 進(jìn) 度 日 程 安 排周次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 201 畢業(yè)實(shí)習(xí) - - -2 查閱資料，翻譯英文文獻(xiàn) - -3 總體方案設(shè)計(jì) - -4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) - -5 零部件設(shè)計(jì) － - -6 修改設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)及圖紙 - -7 整理說(shuō)明書(shū) -8 準(zhǔn)備答辯 -9 答辯 -10二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)度計(jì)劃表注：1. 此表由指導(dǎo)教師填寫(xiě)；2. 此表每個(gè)學(xué)生人手一份，作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）檢查工作進(jìn)度之依據(jù)；3. 進(jìn)度安排請(qǐng)用“一” 在相應(yīng)位置畫(huà)出。時(shí)間 第 一 階 段 第 二 階 段 第 三 階 段內(nèi)容 組織紀(jì)律 完成任務(wù)情況 組織紀(jì)律 完成任務(wù)情況 組織紀(jì)律 完成任務(wù)情況檢查記錄教師簽字 簽字 日期 簽字 日期 簽字 日期三、學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）階段任務(wù)情況檢查表注：1. 此表應(yīng)由指導(dǎo)教師認(rèn)真填寫(xiě)。階段分布由各學(xué)院自行決定。2. “組織紀(jì)律”一檔應(yīng)按《長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)生學(xué)籍管理實(shí)施辦法》精神，根據(jù)學(xué)生具體執(zhí)行情況，如實(shí)填寫(xiě)。3. “完成任務(wù)情況” 一檔應(yīng)按學(xué)生是否按進(jìn)度保質(zhì)保量完成任務(wù)的情況填寫(xiě)。包括優(yōu)點(diǎn)，存在的問(wèn)題與建議4. 對(duì)違紀(jì)和不能按時(shí)完成任務(wù)者，指導(dǎo)教師可根據(jù)情節(jié)輕重對(duì)該生提出忠告并督促其完成。四、學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）裝袋要求：1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）按以下排列順序印刷與裝訂成一本（撰寫(xiě)規(guī)范見(jiàn)教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)）。(1) 封面(3) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)(5) 英文摘要(7) 正文(9) 致謝(11) 附件 1：開(kāi)題報(bào)告（文獻(xiàn)綜述）(2) 扉 頁(yè)(4) 中文摘要(6) 目錄(8) 參考文獻(xiàn)(10) 附錄（公式的推演、圖表、程序等）(12) 附件 2：譯文及原文影印件2. 需單獨(dú)裝訂的圖紙（設(shè)計(jì)類(lèi)）按順序裝訂成一本。3. 修改稿（經(jīng)、管、文法類(lèi)專業(yè)）按順序裝訂成一本。4.《畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 成績(jī)?cè)u(píng)定冊(cè)》一份。5．論文電子文檔[由各學(xué)院收集保存]。學(xué)生送交全部文件日期學(xué)生（簽名）指導(dǎo)教師驗(yàn)收（簽名）小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）第一章 緒論1.1 設(shè)計(jì)的背景和意義我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，在其遼闊的土地上正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，這就需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù)，而液壓挖掘機(jī)是最重要的一類(lèi)土石方施工機(jī)械。它正以其適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高等優(yōu)越性越來(lái)越受到施工單位的重視。因此，在我國(guó)存在著一個(gè)巨大的液壓挖掘機(jī)的現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)和更為巨大的潛在市場(chǎng)。近年來(lái)，我國(guó)液壓挖掘機(jī)的產(chǎn)量在不斷增加，1994 年全國(guó)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量為 2010臺(tái)，1995 年為 2366 臺(tái)，1996 年產(chǎn)量達(dá)到 3104 臺(tái)，1997 年為 3341 臺(tái)，1998 年產(chǎn)量達(dá)到 4021 臺(tái)，而 1999 年全國(guó)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量近 6000 臺(tái)，比 1998 年增長(zhǎng)近40％。從 1994 年到 1999 年近 5 年時(shí)間，全國(guó)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量翻了兩番。另一方面，現(xiàn)在廣大用戶，各級(jí)施工單位對(duì)液壓挖掘機(jī)在施工作業(yè)中的重要性或不可缺少性認(rèn)識(shí)越來(lái)越清晰，用液壓挖掘機(jī)在眾多場(chǎng)合替代裝載機(jī)、推土機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)的合理性也越來(lái)越明顯。因此，可以肯定液壓挖掘機(jī)的發(fā)展空間很大。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的需求量將逐年大幅度增長(zhǎng)?？梢灶A(yù)料，今后幾年我國(guó)液壓挖掘機(jī)行業(yè)將會(huì)有一個(gè)很大的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的年產(chǎn)量將會(huì)以高于 20％的速度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，主要由以下諸多領(lǐng)域組成：首先是交通運(yùn)輸工業(yè)領(lǐng)域，其次是能源工業(yè)領(lǐng)域，第三個(gè)領(lǐng)域是原材料工業(yè)領(lǐng)域?？茖W(xué)在發(fā)展，社會(huì)在進(jìn)步，對(duì)挖掘機(jī)的各方面的性能的要求也在不斷的提高 。國(guó)內(nèi)外各個(gè)生產(chǎn)廠家都在積極采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)來(lái)提高其性能。例如德國(guó)阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求的速度來(lái)工作；美國(guó)林肯貝爾特公司新 C 系列 LS-5800 型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。還安裝了 CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能。液壓挖掘機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置，它由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。動(dòng)臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)都用往復(fù)式雙作用液壓缸控制。工作裝置是液壓挖掘機(jī)的重要組成部分，直接影響著挖掘機(jī)械的工作狀態(tài)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)將圍繞液壓挖掘機(jī)的工作裝置來(lái)進(jìn)行，以推動(dòng)國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展。1.2 挖掘機(jī)的行業(yè)現(xiàn)狀自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)也步入了快速發(fā)展期。近幾年來(lái)，小型工程機(jī)械作為后起之秀，在施工中，開(kāi)始部分取代中大型機(jī)械的位置，受到用戶的普遍歡迎。目前，我國(guó)小型挖掘機(jī)市場(chǎng)正處在高速發(fā)展階段。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程向深度和廣度的發(fā)展，道路和市政設(shè)施的修繕維護(hù)及城市小型工程項(xiàng)目的增多，其工程業(yè)務(wù)量占社會(huì)施工總量的比重越來(lái)越大。據(jù)測(cè)算，一臺(tái) 10 噸位小型挖掘機(jī)的作業(yè)效率可以替代 30～50 個(gè)勞動(dòng)力，極大地降低了施工成本和管理成本，使得多功能小型挖掘機(jī)的需求量不斷上升。2002第 1 頁(yè) 共 66 頁(yè)年行業(yè)銷(xiāo)售量只有 1400 多臺(tái)，到 2006 年達(dá)到了 1.7 萬(wàn)余臺(tái)，到 2007 年就已經(jīng)達(dá)到了 2 萬(wàn)余臺(tái)，增長(zhǎng)了十幾倍，2008 年剛剛過(guò)去幾個(gè)月，就已經(jīng)呈現(xiàn)出了長(zhǎng)足增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。許多國(guó)外企業(yè)在中國(guó)加大投資，進(jìn)軍小挖產(chǎn)業(yè)正是他們看好中國(guó)工程機(jī)械市場(chǎng)的具體表現(xiàn)。從市場(chǎng)份額來(lái)講，國(guó)內(nèi)小型挖掘機(jī)主要還是以斗山、現(xiàn)代、小松、日立等日韓品牌為主，約占行業(yè)銷(xiāo)量的一半以上。本土小型挖掘機(jī)經(jīng)過(guò)山河智能 、玉柴等供應(yīng)商多年的努力，正在逐步擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，目前中國(guó)本土小挖企業(yè)市場(chǎng)份額每年都在大幅攀升。近幾年，小型挖掘機(jī)市場(chǎng)持續(xù)強(qiáng)力增長(zhǎng)，特別是在出口方面，小型挖掘機(jī)對(duì)我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)出口市場(chǎng)起到了一定引領(lǐng)作用。我國(guó)本土小型挖掘機(jī)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，性價(jià)比方面具有比較高的優(yōu)勢(shì)，受到海外市場(chǎng)的普遍青睞。2007 年我國(guó)小型挖掘機(jī)市場(chǎng)銷(xiāo)量首次突破 2 萬(wàn)臺(tái)大關(guān)，其中近 20％左右小挖銷(xiāo)量是出口海外市場(chǎng)的，其中國(guó)內(nèi)某些小挖制造商的出口比例達(dá)到 40％以上，甚至某些企業(yè)生產(chǎn)的小型挖掘機(jī)全部用來(lái)出口，滿足海外市場(chǎng)的需求。目前出口正成為拉動(dòng)國(guó)內(nèi)小型挖掘機(jī)行業(yè)業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)的一個(gè)主要?jiǎng)恿?，前景十分看好?.3 挖掘機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)從 20 世紀(jì)后期開(kāi)始，挖掘機(jī)的生產(chǎn)向多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。1）開(kāi)發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)。為滿足市政建設(shè)和農(nóng)田建設(shè)的需要，國(guó)外發(fā)展了斗容量在 0.25m3以下的微型挖掘機(jī)，最小的斗容量?jī)H在 0.01m3。另外，數(shù)量最多的中、小型挖掘機(jī)趨向于一機(jī)多能，配備了多種工作裝置——除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤(pán)、振搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤(pán)及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時(shí)，發(fā)展專門(mén)用途的特種挖掘機(jī) ，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機(jī)等。2）迅速發(fā)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(jiǎn)單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無(wú)線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無(wú)線電操縱，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)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了良好的前提。3）重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如，德國(guó)阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求的速度來(lái)工作；美國(guó)林肯貝爾特公司新 C 系列 LS-5800 型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。還安裝了 CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產(chǎn)的 FJ 系列五種新型號(hào)挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗，并處長(zhǎng)了零部件的使用壽命；德國(guó)奧加凱（O&K）公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)的油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神鋼公司在新型的 904、905、907、909 型液壓挖掘機(jī)上采用智能第 2 頁(yè) 共 66 頁(yè)型控制系統(tǒng)，即使無(wú)經(jīng)驗(yàn)的駕駛員也能進(jìn)行復(fù)雜的作業(yè)操作；德國(guó)利勃海爾公司開(kāi)發(fā)了 ECO（電子控制作業(yè)）的操縱裝置，可根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)挖掘機(jī)的作業(yè)性能，取得了高效率、低油耗的效果；美國(guó)卡特匹勒公司在新型 B 系統(tǒng)挖掘機(jī)上采用最新的 3114T 型柴油機(jī)以及扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)、功率方式選擇器等，進(jìn)一步提高了挖掘機(jī)的作業(yè)效率和穩(wěn)定性。韓國(guó)大宇公司在 DH280 型挖掘機(jī)上采用了EPOS---電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，即發(fā)動(dòng)機(jī)始終以全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣既充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、提高挖掘機(jī)的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動(dòng)機(jī)因過(guò)載而熄火。4）更新設(shè)計(jì)理論，提高可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。美、英、日等國(guó)家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、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)高效率和競(jìng)爭(zhēng)力。美國(guó)提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，并創(chuàng)立了預(yù)測(cè)產(chǎn)品失效和更新的理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序，研制了可靠性住處處理系統(tǒng)。在上述基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，借助于大量試驗(yàn)，縮短了新產(chǎn)品的研究周期，加速了液壓挖掘機(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)率達(dá)到 85%-95%，使用壽命超過(guò) 1 萬(wàn)小時(shí)。5）加強(qiáng)對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)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。6）進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢(shì)。因?yàn)樽兞肯到y(tǒng)在油泵工作過(guò)程中，壓力減小時(shí)和增大流量變化，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機(jī)可經(jīng)常性地充分利用油泵的最大功率。當(dāng)外阻力增大時(shí)則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長(zhǎng)率加 ；采用三回路液壓系統(tǒng)。產(chǎn)生三個(gè)互不影響的獨(dú)立工作運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)達(dá)機(jī)械的功率匹配。將第三泵在其他工作運(yùn)動(dòng)上接通，成為開(kāi)式回路第二個(gè)獨(dú)立的快速運(yùn)動(dòng)。此外，液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上普遍使用，為電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在挖掘機(jī)的應(yīng)用與推廣創(chuàng)造了條件。7）迅速拓展電子化、自動(dòng)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)省能源消耗和減少對(duì)環(huán)境的污染，使挖掘機(jī)的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機(jī)口音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應(yīng)用電子和自動(dòng)控制技術(shù)。隨著對(duì)挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機(jī)電一體化在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍 。20 世紀(jì) 80 年代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器和檢測(cè)儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動(dòng)了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和推廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，亦即目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速及油門(mén)控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。1.4 存在問(wèn)題我國(guó)小挖發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，但依然存在很多問(wèn)題。一、國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)水平、質(zhì)量、可靠性參差不齊，僅有少數(shù)企業(yè)質(zhì)量技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平接近，這主要是國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)的體系建設(shè)相對(duì)落后所致。國(guó)內(nèi)第 3 頁(yè) 共 66 頁(yè)眾多的小型挖掘機(jī)制造企業(yè)普遍存在機(jī)制、資金、人才、管理等綜合實(shí)力不足的現(xiàn)象，難以形成核心競(jìng)爭(zhēng)力和規(guī)模化發(fā)展。目前小型挖掘機(jī)零部件國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到70％，占采購(gòu)成本的 50％。各大挖掘機(jī)制造商背后都有世界知名的零部件商作技術(shù)支撐，零部件技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)整機(jī)性能和可靠性的提高。小型挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)中泵、閥、馬達(dá)等關(guān)鍵技術(shù)、工藝和知識(shí)產(chǎn)權(quán)基本掌握在日本、德國(guó)等少數(shù)國(guó)家的廠商手中，采購(gòu)成本約占據(jù)了整機(jī)成本的 40％。與挖掘機(jī)相配套的小型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也掌握在日本、美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家手中。隨著國(guó)內(nèi)小挖市場(chǎng)的持續(xù)升溫，國(guó)產(chǎn)小挖關(guān)鍵配套件缺失的矛盾進(jìn)一步升級(jí)。制約我國(guó)工程機(jī)械品質(zhì)提升的一個(gè)重要因素，就是基礎(chǔ)配套件的落后以及上游供應(yīng)鏈的薄弱。迫于競(jìng)爭(zhēng)的加劇，挖掘機(jī)制造企業(yè)對(duì)配套件質(zhì)量的要求越來(lái)越高，國(guó)產(chǎn)小挖企業(yè)幾乎都選擇進(jìn)口的關(guān)鍵零部件。從國(guó)外進(jìn)口零部件，不僅供貨期不能保證，導(dǎo)致企業(yè)無(wú)法進(jìn)一步提高產(chǎn)量。同時(shí)，從國(guó)外采購(gòu)的全套液壓系統(tǒng)，占到了整機(jī)成本的 30％ ，而且價(jià)格沒(méi)有商量的余地。加上售前、售后服務(wù)不到位等因素，大大制約了國(guó)產(chǎn)小挖的快速發(fā)展。二、進(jìn)口二手挖掘機(jī)對(duì)國(guó)內(nèi)小型挖掘機(jī)行業(yè)的影響也很大。目前國(guó)內(nèi)存在大量進(jìn)口的二手設(shè)備，以挖掘機(jī)數(shù)量最為巨大，其中包括了相當(dāng)比例的小型挖掘機(jī)，對(duì)國(guó)內(nèi)本行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了相當(dāng)大的沖擊。第 4 頁(yè) 共 66 頁(yè)第二章 液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)2.1 引言單斗液壓挖掘機(jī)是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動(dòng)進(jìn)行挖掘作業(yè)的機(jī)械。它是目前挖掘機(jī)械中重要的機(jī)種之一。單斗液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程是以鏟斗(一般裝有斗齒)的切削刃切削土壤并將土裝入斗內(nèi)，斗滿后提升?；剞D(zhuǎn)至卸上位置進(jìn)行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到地面進(jìn)行下一次挖掘。當(dāng)挖掘機(jī)挖完一段土后，機(jī)械移動(dòng)一段距離，以便繼續(xù)作業(yè)。因此單斗液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的自行式土方機(jī)械。2.2 液壓挖掘機(jī)的基本組成分析與工作原理單斗液壓挖掘機(jī)為實(shí)現(xiàn)周期性作業(yè)的要求，設(shè)有下列基本組成部分:工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)、行走裝置和輔助設(shè)備等。常用的全回轉(zhuǎn)式(轉(zhuǎn)角 >3600)挖掘機(jī)，其動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要部分、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室等都在轉(zhuǎn)臺(tái)上，稱上部轉(zhuǎn)臺(tái)。因而這種挖掘機(jī)也可概括為由工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺(tái)和行走裝置三大部分組成，而挖掘機(jī)的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果。圖 2-1 為液壓挖掘機(jī)基本組成及傳動(dòng)示意圖，如圖所示，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵 ，操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達(dá))驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，各部分的運(yùn)動(dòng)通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。反鏟工作裝置由鏟斗 1、斗桿 2、動(dòng)臂 3、連桿 4 及相應(yīng)的三組液壓缸 5. 6. 7組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng);而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過(guò)鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮;動(dòng)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(zhǎng)，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(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)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。卸完后 ，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。在實(shí)際挖掘作業(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(dòng)作配合可以是多樣的、隨機(jī)的。上述過(guò)程僅為一般的理想過(guò)程?？傊?，液壓挖掘機(jī)采用三組液壓缸使工作裝置具有三個(gè)自由度，鏟斗可實(shí)現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動(dòng)，加上液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使鏟斗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大到有限的空間，再通過(guò)行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地?cái)U(kuò)大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。第 5 頁(yè) 共 66 頁(yè)0）圖 2-1 液壓挖掘機(jī)基本組成及傳動(dòng)示意圖1-鏟斗 2 斗桿 3-動(dòng)臂 4-連桿 5、6、7-液壓油缸Ⅰ-挖掘裝置 Ⅱ-回轉(zhuǎn)裝置 Ⅲ-行走裝置2.3 反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案工作裝置是液壓挖掘機(jī)的主要組成部分之一。反鏟裝置是中小型液壓挖掘機(jī)的主要工作裝置，也是建筑型挖掘機(jī)的主要工作裝置。2.3.1 結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1)動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式由于整體式彎動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕，并且有利于得到較大的挖掘深度，故該反鏟液壓挖掘機(jī)采用整體式彎動(dòng)臂。同時(shí)采用整體式可調(diào)節(jié)斗桿以增大作業(yè)適應(yīng)性。(2)動(dòng)臂及斗桿油缸的布置動(dòng)臂油缸裝于動(dòng)臂的前下方，下支承點(diǎn)設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心之前，并稍高于轉(zhuǎn)臺(tái)平面。兩動(dòng)臂油缸活塞桿分別鉸接動(dòng)臂兩側(cè)，在結(jié)構(gòu)上有加筋保證強(qiáng)度。而斗桿油缸鉸接于動(dòng)臂上端，活塞桿鉸接于斗桿大端。(3)鏟斗與鏟斗油缸的連接方式鏟斗油缸通過(guò)搖桿和連桿與鏟斗相連，它們與斗桿一起組成六連桿機(jī)構(gòu)，因此較四連桿連接方式在相同的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(dòng)特性。(4)鏟斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由于鏟斗的作業(yè)對(duì)象繁多，作業(yè)條件也不同，鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對(duì)挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響很大。采用切削前緣齊平，帶側(cè)齒，側(cè)壁微凸形鏟斗以增大對(duì)巖石的作業(yè)效果。2.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的選擇第 6 頁(yè) 共 66 頁(yè)裝置設(shè)計(jì)）反鏟方案選擇的主要依據(jù)是設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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(yīng)保證反鏟使用要求，并照顧到其他裝置的性能。專用裝置應(yīng)根據(jù)作業(yè)條件決定結(jié)構(gòu)方案，在滿足主要作業(yè)條件要求的同時(shí)，照顧其他條件的性能。反鏟裝置總體方案的選擇包括以下方面：(1)動(dòng)臂及動(dòng)臂油缸的布置確定用組合式或整體式動(dòng)臂，以及組合式動(dòng)臂的組合方式或整體式動(dòng)臂的形狀。確定動(dòng)臂油缸的布置為懸掛式或是下置式。本設(shè)計(jì)采用整體式動(dòng)臂，動(dòng)臂彎角 a1?? 150? (其推薦范圍：150°～170°)，動(dòng)臂油缸采取下置式布置。(2)斗桿及斗桿油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(diǎn)調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用整體式斗桿，不采用變鉸點(diǎn)調(diào)節(jié)。(3)確定動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù) k1?? l1 l 2 。對(duì)于一定的工作尺寸而言，動(dòng)臂與斗桿之間的長(zhǎng)度比可在很大范圍內(nèi)選擇。一般當(dāng) k1>2 時(shí)稱為長(zhǎng)動(dòng)臂短斗桿方案，當(dāng) k1<1.5 時(shí)屬于短動(dòng)臂長(zhǎng)斗桿方案。k1在 1.5-2 之間稱為中間比例方案。本設(shè)計(jì)特性參數(shù) k1?? l1 l 2 =1.46，從作業(yè)范圍來(lái)看，在挖高、挖深、挖掘半徑均相同的條件下，k1 越大，工作范圍越窄。從挖掘方式來(lái)看，k1 大宜用于斗桿挖掘?yàn)橹鳎蚱鋭偠纫妆ＷC。而 k1 值小宜用于鏟斗挖掘?yàn)橹鞯取?4)確定配套鏟斗的種類(lèi)，斗容量及其主要參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)選定其斗容量為 0.2m3。2.4 本章小結(jié)本章首先介紹了液壓挖掘機(jī)的整體組成及工作原理，重點(diǎn)分析了反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)組成和工作特點(diǎn)，然后分別對(duì)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的選擇，以便借助于電子計(jì)算機(jī)及相關(guān)資料進(jìn)行方案比較和參數(shù)選擇。第 7 頁(yè) 共 66 頁(yè)參數(shù)分類(lèi)機(jī)構(gòu)參數(shù)組成鏟斗 斗桿 動(dòng)臂 機(jī)體符號(hào)意義小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）第三章 工作裝置的主要參數(shù)選擇及驗(yàn)算3.1 工作裝置的設(shè)計(jì)原則與參數(shù)說(shuō)明反鏟裝置的合理設(shè)計(jì)問(wèn)題至今尚未理想的解決。以往多按經(jīng)驗(yàn)，采取統(tǒng)計(jì)和作圖試湊的方法，現(xiàn)在盡可能采用數(shù)解分析方法，并利用電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。3.1.1 工作裝置的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)合理的工作裝置應(yīng)滿足下列要求：(1)主要工作尺寸及作業(yè)范圍能滿足使用要求。在設(shè)計(jì)通用反鏟裝置時(shí)要考慮與同類(lèi)型，同等級(jí)及其相比的先進(jìn)性，考慮國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并注意到運(yùn)動(dòng)參數(shù)受結(jié)構(gòu)碰撞限制等的可能性。(2)整機(jī)挖掘力的大小及其分布情況應(yīng)滿足使用要求，并具一定的先進(jìn)性。(3)功率利用情況盡可能好，理論工作循環(huán)時(shí)間盡可能短。(4)確定鉸點(diǎn)布置，結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸形狀時(shí)盡可能使受力狀態(tài)有利。在保證強(qiáng)度，剛度和連接剛性的條件下盡量減輕結(jié)構(gòu)自重。(5)作業(yè)條件復(fù)雜，使用情況多變時(shí)應(yīng)考慮工作裝置的通用性。采用變鉸點(diǎn)構(gòu)件或配套構(gòu)件時(shí)要注意分清主次。在滿足使用要求的前提下力求替換構(gòu)件種類(lèi)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換裝方便。(6)運(yùn)輸或停放時(shí)工作裝置應(yīng)有合理的的姿態(tài)，使運(yùn)輸尺寸小，行駛穩(wěn)定性好。保證安全可靠，并盡可能使油缸卸載或減載。(7)工作裝置油缸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮三化，采用系列參數(shù)，盡可能減少油缸零件種類(lèi)，尤其是易損件的種類(lèi)。(8)工作裝置的結(jié)構(gòu)型式和布置要便于裝拆和維修，尤其應(yīng)便于易損壞的更換。(9)采用合理措施來(lái)滿足特殊使用要求。3.1.2 機(jī)構(gòu)自身的幾何參數(shù)機(jī)構(gòu)的自身幾何參數(shù)有三類(lèi)：第一類(lèi)是決定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的必要參數(shù)，稱原始參數(shù)，這里主要選擇長(zhǎng)度參數(shù)作為原始參數(shù)；第二類(lèi)是由第一類(lèi)參數(shù)推算出來(lái)的參數(shù)，稱推倒參數(shù)，多為運(yùn)算中需要的角度參數(shù)；第三類(lèi)是作方案分析比較所需要的其他特性參數(shù)。反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)的計(jì)算簡(jiǎn)圖及相關(guān)符號(hào)見(jiàn)圖 3-1所示。表 3-1 反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)第 8 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）原始參數(shù)L3=QV， l12=MHl13=MN，l14=HNl24=QK，l25=KVl29=KHL2=FQ ， l10=FG ， L1=CF，l6=CDl11=EG, l15=GN ， l7=CB，l8=DFl16=FN l22=BF.l4=CP， l5=CAα9=∠NMH ， α4=∠EFG， α2=∠BCF α11=∠CAP推 α10=∠ KQV α5=∠GNF α3=∠DFC α12=∠ACP導(dǎo)參數(shù)α6=∠GFNα7=∠NQFα8=∠NFQ特 K2=l24/l3， L3 K5=l2/l9， L2 L1 α11性參數(shù)α1=∠CFUσ=L7/L5K1=L1/L2備注L2 為斗桿長(zhǎng) L1 為動(dòng)臂長(zhǎng)α1 為動(dòng)臂轉(zhuǎn)角下置式圖 3-1 反鏟工作裝置機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖3.2 斗型參數(shù)的選擇第 9 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）斗容量 q，平均斗寬 B，轉(zhuǎn)斗挖掘半徑 R 和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角 2? （令2? =? max）是鏟斗的四個(gè)主要參數(shù)。R,B 及 2? 三者與 q 之間有以下幾何關(guān)系（3—1）式中 q—標(biāo)準(zhǔn)斗容量即堆尖斗容, q?? 0.2m3 ;B—平均斗寬，查表 2—6，選取 B=750mm；R—轉(zhuǎn)斗挖掘半徑；—土壤松散系數(shù)，取 1.25；—挖掘裝滿角，全面考慮有關(guān)因素，可以取 2? =90o～100o，取 2? =96o。將以上各值代入式(3—1) ，計(jì)算得 R?? 790mm?≈ 800mm。鏟斗上兩個(gè)鉸點(diǎn) K 和 Q 的間距 太大將影響鏟斗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性，太小則影 響 鏟 斗 結(jié) 構(gòu) 剛 度 ， 一 般 取 特 性 參 數(shù) k 2?? l 24l3? KQQV ? 0.3 ~ 0.38 。取.則 KQ?? 0.375QV ? 0.375?800?? 300mm一般地，取 a10???∠KQV?? 95? ~ 115? ，取 a10?? 10003.3 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇確定動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù) K1?? l1 l2。對(duì)于一定的工作尺寸而言，動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比可以在很大的范圍內(nèi)選擇。由樣機(jī)，初選 K1?? 1.46。據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大挖掘半徑 R1 值一般與 l1?? l 2?? l3 的和值很接近。因此由要求的R1 ，已定的 l3 和 K1可按下列近似經(jīng)驗(yàn)公式初選 l1和 l 2 ：l 2?? R1?? l 31? K1 (3—2)l1?? K1l2第 10 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）由原始參數(shù)給定最大挖掘半徑為 R1?? 5500mm ， l3?? R?? 800mm代入公式（3—2）得 l 2 =1810mm， l1=2610mm。動(dòng)臂液壓缸全伸與全縮時(shí)的力臂比 按不同情況選取，以反鏟為主的通用挖掘機(jī)要適當(dāng)顧及其他換用裝置要求在地面以上作業(yè)時(shí)有足夠的提升力矩可取K 4 =0.8~1.1。初選 K 4 =0.9。a11的取值對(duì)參數(shù)特性 K4 ，最大挖掘深度 H1max 有影響。加大 a11 會(huì)使 K 4 減小或使 H1max 增大，這正符合反鏟作業(yè)要求。因此基本用作反鏟的小型機(jī)取 a11 ＞60°，有的甚至取 a11＞80° 。初選 a11=80°。根據(jù)液壓系統(tǒng)工作壓力，流量，系統(tǒng)回路，供油方式，工廠制造條件和三化的要求等確定液壓缸的伸縮比λ。增大液壓缸伸縮比 ??1 可以增大動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角? max ，但由于受油缸穩(wěn)定性的限制， ??1 一般取 1.6~1.7。初選動(dòng)臂液壓缸的伸縮比 ??1 =1.67。由機(jī)體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表及線尺寸參數(shù)公式：（3—3）由公式（3—3）可得 l 5=AC=560mm如圖 3—1。第 11 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 3—1 AC 計(jì)算簡(jiǎn)圖動(dòng)臂及動(dòng)臂液壓缸鉸點(diǎn)的幾何關(guān)系可按圖 3—2 用公式表達(dá)：由樣機(jī)，初選無(wú)因次比例系數(shù) ρ=0.5，則由 ???? l 5l1min可得 L1min =1120mm,動(dòng)臂在上極限位置時(shí)由△ CAB1得(3—4）（3—5）圖 3—2 動(dòng)臂和動(dòng)臂液壓缸鉸點(diǎn)位置的幾何關(guān)系動(dòng)臂在下極限位置時(shí)由△ CAB 得（3—6）（3—7）又由 △ CAB1得 l 5sin?? L? 1maxsin a ∴ sin???? l5L1maxsin??由 △ CAB 得 l5sin?? L? 1maxsin?? ∴ sin???? l 5L1maxsin??第 12 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）于是動(dòng)臂在上，下極限位置時(shí)液壓缸作用力臂相應(yīng)為力臂比 K 4?? e ze0? L1max 1?? p 2L1max 1? M 2? 1 1? p 2? 1? M2? 0.9 （3—8）取無(wú)因次比例系數(shù) ???? l5L1min， ??? l7L1min，把它們代入式（3—5）和式（3—7） ，得出p?? ? 2???? 2?? 122?? M?? ? 2???? 2????22?? （3—9）將式（3—9）代入式（3—8）得 ??? 1.4由式（3—9）,（3—6）,（3—7）得 l 7?? 1568 mm從△ CAB 和△ CAB1中可以看到 ?? ,?? ,? 之間的關(guān)系：??????? 1.9?????? 1.67 ；??????? 0.9?? 1。符合要求? 大于 ?? ，此時(shí) l7?? l5 。懸掛式動(dòng)臂連接方案即屬于此類(lèi)。由式（3—4）和（3—6）得顯然，動(dòng)臂的擺角為 ?? -??? 84?斗桿液壓缸全縮時(shí)?∠CFQ ?? a32?? a8 最大，常選（a32?? a8 ) max?? 160?? ~ 180? 。初選（a32?? a 8 ) max?? 170?。第 13 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）當(dāng)懸掛式動(dòng)臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸全縮，QV 連線處于垂直狀態(tài)時(shí)可以得到最大卸載高度狀態(tài)，如圖 3—3。由圖知最大卸載高度的表達(dá)式為：H 3max?? Yc?? sin( a11????1min?? a2 )?? l 2 sin( a32max????1min?? a8?? a11?? a2?? 180? )?? l3(3-10)初選 a1?? 130? ，則圖 3—3 最大卸載高度計(jì)算簡(jiǎn)圖由正弦定理得， l1sin a1? l 22sin a2，因此 a 2?? 23? , a39?? 180???? a1?? a2?? 27?將以上所得代入式（3—10）可得Y c ?? 780 mm當(dāng)懸掛式動(dòng)臂液壓缸全伸，F(xiàn)QV 三點(diǎn)同直線并處于垂直狀態(tài)時(shí)可以得到最大挖掘深度狀態(tài)，如圖 3—4。由圖知最大挖掘深度的表達(dá)式為：第 14 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 3—4 最大挖掘深度計(jì)算簡(jiǎn)圖3.4 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇確定斗桿液壓缸的鉸點(diǎn)位置，行程及力臂比時(shí)應(yīng)考慮以下因素：1.保證斗桿液壓缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。一般來(lái)說(shuō)希望液壓缸在全行程中產(chǎn)生的斗齒挖掘力始終大于正常挖掘阻力；液壓缸全伸時(shí)的作用力矩應(yīng)足以支承滿載斗和斗桿靜止不動(dòng)；液壓缸作用力臂最大時(shí)產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)大于要求克服的最大挖掘阻力。2.保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力。對(duì)于以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鞯闹行⌒头寸P，選擇斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)時(shí)必須注意轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖掘區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓缸的挖掘力能得到充分的發(fā)揮。3.保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍大致在 105°~125°之間。在滿足工作范圍和運(yùn)輸要求的前提下此值應(yīng)盡可能取的小些。一般說(shuō)斗桿愈長(zhǎng)，其擺角范圍第 15 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）也可稍小。當(dāng)斗桿液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸同時(shí)伸出最長(zhǎng)時(shí)，鏟斗前臂與動(dòng)臂之間的距離應(yīng)大于 10cm。斗桿上?∠EFQ 的大小取決于結(jié)構(gòu)因素，并考慮到工作范圍一般在130? ~ 170?之間。本設(shè)計(jì)取?∠EFQ?? 140?? 。參考國(guó)內(nèi)同類(lèi)機(jī)型機(jī)器斗桿挖掘力值 ，按要求的最大挖掘力確定斗桿液壓缸的最大作用力臂 。初選斗桿液壓缸缸筒內(nèi)徑為 140mm，桿徑為80mm，伸縮比 ??2?? 1.67?？刹榈?，液壓缸的推力為 215.46KN，拉力為 145.04KN。e2 max?? l 9??則 e2 max?? l 9??PG max ( l2?? l3 )P240? (1810?? 800 )215.46 ? 484.5mm（3—11）斗桿的擺角在105?～125? 之間，取 ?? 2max?? 110?斗桿液壓缸初始力臂 e20 與最大力臂 e2 max 之比是斗桿擺角 ? 2max 的余弦函數(shù)。設(shè) e20?? e2 Z ，則可見(jiàn) l9 已定時(shí) ?? 2max 愈大， e20 和 e2 Z 就愈小。如圖 3—5 所示，平均挖掘力也就越小。第 16 頁(yè) 共 66 頁(yè)2l9sin小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 3—5由圖 3—5，取 e20?? e2 Z ，求得斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖l 2min??? 2max2?2??1 ? 1185mml 2max?? 1978.5mml8?? l 22min?? l92?? 2l 2min l 9 cos ?????2 max2 (3—12)將所得結(jié)果代入式(3—12)得挖掘機(jī)在最大卸載高度處，斗桿液壓缸全縮,此時(shí)3.5 鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇作機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇時(shí)，已知待選的參數(shù)還有 7 個(gè)（見(jiàn)圖 3—6）即。第 17 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 3—6 鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇如前所述，鏟斗在挖掘過(guò)程中的轉(zhuǎn)角大致為 90°~100°，為了要滿足開(kāi)挖和最后卸載及運(yùn)輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉(zhuǎn)角往往要達(dá)到 150°~180°，本設(shè)計(jì)初選 ? 3max?? 160? 。如圖 3—7 所示，設(shè) l3?? l3 min 時(shí)斗齒尖為 V0 ，則V0肯能在 FQ 延長(zhǎng)線上，或者在其上側(cè)的 0°~30°處，本設(shè)計(jì)初選V 0 在其上側(cè) 15°處，此時(shí)?⊥ V 0QV1 為仰角。圖 3—7 鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇要求鏟斗液壓缸伸縮比應(yīng)當(dāng)在允許的范圍內(nèi)，對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)可取 ?? 3?? 1 .45 ~ 1 .65 。本設(shè)計(jì)初選 ??3?? 1.46。由圖得， MM 1?? S?? 517mm ，即轉(zhuǎn)斗液壓缸的行程。則第 18 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）則可測(cè)的?∠GFQ?? 60? , GF?? 567mm。由結(jié)構(gòu)確定 G 點(diǎn)位置，必須保證鏟斗六連桿機(jī)構(gòu)在 l3 全行程中任一瞬時(shí)都不會(huì)被破壞，即保證??GFQ ,??GNM 在任何瞬時(shí)都成立。l 3 全行程中機(jī)構(gòu)都不應(yīng)出現(xiàn)死點(diǎn) ，且傳動(dòng)角應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。在任何瞬間各構(gòu)件之間都不應(yīng)有干涉，碰撞現(xiàn)象。3.6 本章小結(jié)前述機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇計(jì)算是初步的。所謂“設(shè)計(jì)要求” 只考慮了工作尺寸和各油缸的作用力矩及其變化規(guī)律兩方面。接著應(yīng)考察各油缸作用力矩的均衡性，整機(jī)挖掘穩(wěn)定性，整機(jī)與地面的附著性，滿足結(jié)構(gòu)和布置的可能性等，以綜合比較各初選方案，從而確定最佳的機(jī)構(gòu)參數(shù)。第 19 頁(yè) 共 66 頁(yè)斗容 動(dòng)臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動(dòng)臂缸0.2 0.223 0.179 0.086 0.055 0.051 0.017 0.055小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）第四章 液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置受力分析4.1 引言本章主要討論液壓挖掘機(jī)反鏟裝置設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)工況及計(jì)算位置的選擇，載荷的分析和計(jì)算圖式等。工作裝置主要由鏟斗，斗桿，動(dòng)臂以及連桿機(jī)構(gòu)的各種工作由缸組成。對(duì)這些結(jié)構(gòu)件的分析計(jì)算，首先應(yīng)確定各結(jié)構(gòu)的最不利工況，即在這工況下對(duì)某一結(jié)構(gòu)件可能出現(xiàn)的最大應(yīng)力，以這工況作為設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)的依據(jù)，也就是強(qiáng)度設(shè)計(jì)中計(jì)算位置的選擇，計(jì)算圖式和載荷的確定問(wèn)題。由于影響挖掘機(jī)挖掘力的因素很多，如三個(gè)工作油缸的匹配，整機(jī)穩(wěn)定問(wèn)題等，并且同樣的反鏟裝置還有較多的形式，因此對(duì)計(jì)算位置的選擇，看法很不一致，更無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定。隨著電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，目前已有可能對(duì)挖掘機(jī)的所有工況及其挖掘過(guò)程中指定的千百個(gè)位置進(jìn)行作用力分析和對(duì)各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行較多的可能危險(xiǎn)斷面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，再結(jié)合樣機(jī)的應(yīng)力測(cè)試，使工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有可能得到比較可靠而又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀。4.2 動(dòng)臂液壓缸的作用力計(jì)算動(dòng)臂液壓缸應(yīng)保證反鏟作業(yè)過(guò)程中在任何位置上都能提起帶有滿載鏟斗的工作裝置達(dá)到最高和最遠(yuǎn)的位置?？蛇x用三個(gè)計(jì)算位置：1.從最大挖掘深度處提起滿載斗（圖 4—1 a）2.最大挖掘半徑時(shí)舉起滿載斗（圖 4—1 b）3.最大卸載高度時(shí)提起滿載斗（圖 4—1 c）根據(jù)斗容量查參考資料確定工作裝置各部分重量：表 4-1 反鏟裝置的構(gòu)造近似質(zhì)量表4.2.1.從最大挖掘深度處提起滿載斗表 4-2 最大挖掘深度處各重量的近似力臂值表（mm ）土 動(dòng)臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動(dòng)臂缸 力臂第 20 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）1703 1253 2163 1873 1613 2323 2093 743 429由 有：圖 4—1 動(dòng)臂液壓缸的作用力計(jì)算簡(jiǎn)圖第 21 頁(yè) 共 66 頁(yè)土 動(dòng)臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動(dòng)臂缸 力臂4050 1200 3010 4340 1540 3830 4540 490 542土 動(dòng)臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動(dòng)臂缸 力臂3953 773 2393 4153 943 3043 4063 193 403小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）4.2.2.從最大挖掘半徑處提起滿載斗表 4-3 最大挖掘半徑處各重量的近似力臂值表（mm ）由 M c?? 0 有：4.2.3.從最大卸載高度處提起滿載斗表 4-4 最大卸載高度處各重量的近似力臂值表（mm ）由 M c?? 0 有：4.3 液壓缸的閉鎖壓力計(jì)算確定合理的液壓缸閉鎖能力是保證挖掘力得到充分發(fā)揮的條件之一。在挖掘范圍內(nèi)當(dāng)工作裝置處于不同位置時(shí)各液壓缸所受到的被動(dòng)作用力值也不同，要全面地確定各位置下的液壓缸被動(dòng)作用力，既很繁瑣，又無(wú)必要。一般常選定幾個(gè)反鏟作業(yè)主要工況作為計(jì)算位置來(lái)計(jì)算各液壓缸應(yīng)有的閉鎖力，使之在該工況下不發(fā)生液壓缸被動(dòng)回縮或伸長(zhǎng)的現(xiàn)象，從而保證了工作液壓缸作用力的發(fā)揮。根據(jù)參考資料初選動(dòng)臂液壓缸一支，缸徑 140mm，桿徑 80mm。則動(dòng)臂液壓缸大腔推力 246.2KN，動(dòng)臂液壓缸小腔推力 165.8KN，初選斗桿液壓缸一支，缸徑 100mm，桿徑 50mm。則斗桿液壓缸大腔推力 125.6KN，斗桿液壓缸小腔推力 94.2KN，第 22 頁(yè) 共 66 頁(yè)233 269 215 127 174 1487 1677 1873 2000 1233 3927 253 429 418小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）初選鏟斗液壓缸一支，缸徑 100mm，桿徑 50mm。則鏟斗液壓缸大腔推力 125.6KN，鏟斗液壓缸小腔推力 94.2KN，為確定各液壓缸的閉鎖壓力，選用以下三個(gè)計(jì)算位置：1.動(dòng)臂處于最低位置，斗桿呈垂直狀態(tài)，轉(zhuǎn)斗挖掘，其作用力臂為最大（圖 4—2）。因此鏟斗液壓缸產(chǎn)生的挖掘力為最大，挖掘阻力對(duì)動(dòng)臂鉸點(diǎn) C，斗桿鉸點(diǎn) F 所造成的力矩均接近最大值，而動(dòng)臂液壓缸的力臂值為最小。表 4-5 第一種工況時(shí)各作用力的近似力臂值表（mm ）轉(zhuǎn)斗液壓缸挖掘力 可通過(guò)對(duì) Q 點(diǎn)的力矩平衡方程求得：從可能出現(xiàn)的最不利的情況出發(fā)，假設(shè)存在法向阻力，其值取各力對(duì) F 點(diǎn)取矩，可得到斗桿液壓缸所受的被動(dòng)作用力 ＇第 23 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 4—2 第一種工況液壓缸閉鎖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖其中， G2 —斗桿，轉(zhuǎn)斗液壓缸及連桿機(jī)構(gòu)總重＇使斗桿液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設(shè)此時(shí)限壓閥調(diào)定壓力等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 125.6KN，而小于 ＇=128KN，顯然液壓缸會(huì)回縮。為了防止液壓缸回縮，限壓閥的調(diào)定壓力應(yīng)高于液壓缸工作壓力，超出的百分比為：第 24 頁(yè) 共 66 頁(yè)248 282 300 133 448 318 2620 2448 2268 1233 1676 4621 429 480小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）同樣對(duì)動(dòng)臂在平臺(tái)上的支撐點(diǎn) C 取矩，求得動(dòng)臂液壓缸所受的被動(dòng)作用力 P1 ＇＇使動(dòng)臂液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設(shè)此時(shí)限壓閥調(diào)定壓力等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 246.2KN，而小于 ＇=249.7KN，顯然液壓缸會(huì)回縮。為了防止液壓缸回縮，限壓閥的調(diào)定壓力應(yīng)高于液壓缸工作壓力，超出的百分比為：2.動(dòng)臂處于最低位置，斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn) F，斗與斗桿鉸點(diǎn) Q，斗齒尖 V 三點(diǎn)共線 ，斗桿挖掘，其作用力臂最大（圖 4—3）。這種情況下斗桿液壓缸產(chǎn)生最大挖掘力 ，挖掘阻力對(duì)動(dòng)臂鉸點(diǎn) C 的力矩接近最大值，而動(dòng)臂液壓缸的力臂值為最小。表 4-6 第二種工況時(shí)各作用力的近似力臂值表（mm ）同理，對(duì) F 點(diǎn)取矩得仍取W 2?? 0.2W1?? 0.2?? 22.6?? 4.52KN第 25 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 4—3 第二種工況液壓缸閉鎖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖對(duì)動(dòng)臂在平臺(tái)上的支撐點(diǎn) C 取矩：P1 ＇使動(dòng)臂液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設(shè)此時(shí)限壓閥調(diào)定壓力等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 246.2KN，而大于 P1 ＇=236.72KN，顯然能鎖住。第 26 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）富余的百分比為：各力對(duì) Q 點(diǎn)取矩，可得到鏟斗液壓缸所受的被動(dòng)作用力 P3 ＇：P3＇使鏟斗液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設(shè)此時(shí)限壓閥調(diào)定壓力等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 125.6KN，而大于 P1 ＇=98KN，顯然能鎖住。富余的百分比為：3.動(dòng)臂處于最低位置，挖掘深度最大，F(xiàn)、Q、V 三點(diǎn)共線，鏟斗挖掘，要求能克服平均挖掘阻力（圖 4—4）。在這種挖掘狀態(tài)下，挖掘阻力對(duì)動(dòng)臂鉸點(diǎn) C 必將造成最大的挖掘阻力矩。它會(huì)要求液壓缸缸徑加大，或閉鎖力過(guò)分增高，這種過(guò)分要求被認(rèn)為是不合理的。因此在這種位置挖掘時(shí)要求只克服平均挖掘阻力。首先計(jì)算最大挖掘阻力：W1max?? C[ R (1? cos? max)]l35 BAZX?? D （4—1）式中 C —土壤硬質(zhì)系數(shù)。對(duì)于 III 級(jí)土宜取 C?? 90 ~ 150 ,取 C=100。—鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)到斗齒齒距離，單位為 cm。取 R?? l 3?? 80cm 。? 2max —挖掘過(guò)程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半， ? max?? 48?B —切削刃寬度影響系數(shù)， B?? 1? 2.6b ， b 為鏟斗平均寬度，單位為 m。。A —切削角變化影響系數(shù)，取 A?? 1.3。—斗的側(cè)壁厚度影響系數(shù)，初選 X?? 1 .15cm 。Z —帶有斗齒的系數(shù)， Z=0.75。第 27 頁(yè) 共 66 頁(yè)248 279 299 70 140 2610 2069 2000 1233 2000 3940 429 484小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）D—切削刃擠壓土壤的力，根據(jù)斗容大小在 D=10000~17000N 的范圍內(nèi)選取，斗容小于 0.25m3 時(shí)，D 應(yīng)小于 10000N。取 D=8000N。鏟斗平均挖掘阻力：取W1J?? 30kN表 4-7 第三種工況時(shí)各作用力的近似力臂值表（mm ）對(duì)動(dòng)臂在平臺(tái)上的支撐點(diǎn) C 取矩：p1 ＇使動(dòng)臂液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設(shè)此時(shí)限壓閥調(diào)定壓力等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 246.2KN，而小于 p1 ＇=281.4KN，顯然液壓缸會(huì)回縮。為了防止液壓缸回縮，限壓閥的調(diào)定壓力應(yīng)高于液壓缸工作壓力，超出的百分比為： P1'?? P1P1? 281.4?? 246.2246.2 ? 100?????? 14.3????第 28 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 4—4 第三種工況液壓缸閉鎖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖同理，對(duì) F 點(diǎn)取矩得：P2＇使斗桿液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設(shè)此時(shí)限壓閥調(diào)定壓力等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 125.6KN，而小于 P2 ＇=150.9KN，顯然液壓缸會(huì)回縮。第 29 頁(yè) 共 66 頁(yè)液壓缸種類(lèi)液壓缸參數(shù) 液壓缸閉鎖壓力（Mp）只數(shù)缸徑 桿徑 行程 大腔推力 第Ⅰ工況 第Ⅱ工況 第Ⅲ工況mm KN 閉鎖壓力超壓 閉鎖壓力超壓 閉鎖壓力超壓動(dòng)臂缸 1 140 80 750 246.2 16.22 1.4% 15.38 3.8% 18.28 14.3%斗桿缸 1 100 50 794 125.6 16.31 1.9% ─ ＿ 19.22 20.1%轉(zhuǎn)斗缸 1 100 50 517 125.6 ─ ─ 12.49 -22% ─ ─小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）為了防止液壓缸回縮，限壓閥的調(diào)定壓力應(yīng)高于液壓缸工作壓力，超出的百分比為：表 4-8 液壓缸閉鎖力計(jì)算結(jié)果匯總表4.4 本章小結(jié)從反鏟挖掘機(jī)的工作原理分析可知，它是靠油缸力來(lái)進(jìn)行挖掘工作的，而且為了克服鏟斗上的阻力矩，各個(gè)工作油缸在各個(gè)位置上必須要提供最大的推力。其工作過(guò)程可分為挖掘過(guò)程和提升過(guò)程，其中挖掘工作是由鏟斗油缸或斗桿油缸完成的，提升工作由動(dòng)臂油缸完成。挖掘力是衡量挖掘機(jī)反鏟裝置性能的重要性能指標(biāo)之一，挖掘力又可以分為工作油缸的理論挖掘力、整機(jī)理論挖掘力和整機(jī)實(shí)際挖掘力，本章主要計(jì)算的是動(dòng)臂，斗桿及鏟斗與各油缸之間的作用力。第 30 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）第五章 液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置強(qiáng)度分析5.1 引言液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置的主要構(gòu)件一般由不同厚度的進(jìn)口 16Mn 鋼焊接而成，該鋼材綜合性能、焊接性及低溫韌性、冷沖壓及切削性均好很好，但缺口敏感性較碳鋼差，價(jià)廉，廣泛用于大型船舶、車(chē)輛、橋梁、鍋爐、壓力容器、起重及礦山設(shè)備、電站及承受動(dòng)負(fù)荷等的焊接結(jié)構(gòu)，材料的性能決定了挖掘機(jī)的工作尺寸，并影響挖掘機(jī)的工作性能和整體穩(wěn)定性。但對(duì)于挖掘機(jī)這種復(fù)雜動(dòng)作的機(jī)械來(lái)說(shuō)，每一個(gè)姿態(tài)下的受力情況都相差很大，因而對(duì)不同姿態(tài)工作裝置的建模存在很大差異。以下將不同的姿態(tài)位置對(duì)工作影響較大的受力及計(jì)算結(jié)果加以比較，來(lái)檢驗(yàn)工作裝置的強(qiáng)度。其相關(guān)材料性能如表 5-1 所示：表 5-1 16Mn 鋼的有關(guān)材料屬性表5.2 有限元法分析簡(jiǎn)介挖掘機(jī)的有限元分析是伴隨著有限元理論和有限元軟件的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展起來(lái)的，特別是自 20 世紀(jì)八十年代以來(lái)，隨著國(guó)外幾種商用有限元軟件進(jìn)入我國(guó)挖掘機(jī)有限元分析的研究已初具規(guī)模。在眾多有限元軟件中，比較可靠的有國(guó)外的 Ansys,NASTRAN,MOCAL,ALGOR 等，國(guó)內(nèi)真正通用的還幾乎沒(méi)有，所能做到的只是一些用于某種單元或是某個(gè)機(jī)構(gòu)的有限元分析。有限元的分析:自國(guó)外幾家大型有限元軟件在我國(guó)投放以來(lái)，有限元分析在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。其中有很多是挖掘機(jī)的有限元分析?？偟膩?lái)說(shuō)，這類(lèi)分析主要集中在對(duì)某些部件的研究上。對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析既可以提高我國(guó)設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)水平，反過(guò)來(lái)也可以利用有限元分析解決挖掘機(jī)在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題?？傊?，由于有限元單元法在我國(guó)應(yīng)用比較晚，且主要集中在力學(xué)領(lǐng)域，因此對(duì)挖掘機(jī)的有限元分析還存在一定的局限性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著大型和超大型挖掘機(jī)的不斷涌現(xiàn)，合理地設(shè)計(jì)各構(gòu)件更加重要。本論文利用大型有限元軟件 Ansys對(duì)履帶式單斗液壓挖掘機(jī)的整個(gè)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。5.3 不同工況下姿態(tài)的選取原則5.3.1 鏟斗最高位置處的姿態(tài)第 31 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 5-1 鏟斗最高位置鏟斗最高位置出現(xiàn)在動(dòng)臂油缸全伸，斗桿油缸和鏟斗油缸全縮時(shí)，如圖 5-1所示。目的是為了檢驗(yàn)卸載或空載過(guò)程中，工作裝置發(fā)生抖動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和頻率的影響，通常利用激勵(lì)法驗(yàn)證工作機(jī)構(gòu)的固有頻率也常選擇此位置來(lái)測(cè)試。5.3.2 最高卸載位置處的姿態(tài)圖 5-2 最高卸載位置當(dāng)工作裝置處于最高卸載高度處，此時(shí)動(dòng)臂與斗桿油缸全縮，鏟斗處在垂直工作地面向下的位置，如圖 5-2 所示。該位置挖掘機(jī)工作裝置先滿斗上升，到卸載位置處開(kāi)始卸載，其目標(biāo)是使裝載車(chē)達(dá)到盡可能多的物料裝載.其中涉及的運(yùn)動(dòng)包括，上升過(guò)程的加速與減速，卸載過(guò)程的抖動(dòng)卸料及卸載完后的加速下降.因此，該位置可以用以檢驗(yàn)受沖擊時(shí)工作裝置受到的影響，是求解與驗(yàn)證工作裝置動(dòng)強(qiáng)度和應(yīng)力的良好位置，也是驗(yàn)證物體能否發(fā)生共振的一個(gè)重要位置。5.3.3 停機(jī)面最大挖掘半徑處的姿態(tài)圖 5-3 停機(jī)面最大挖掘半徑在挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)范中，最大挖掘半徑是評(píng)價(jià)挖掘能力的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，它決定著挖掘機(jī)的挖掘范圍.因而，在設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員必須考慮清楚該位置的受力情況。該位置出現(xiàn)在斗桿油缸全縮，鏟斗齒尖、斗桿與鏟斗鉸接點(diǎn)及斗桿與斗桿油缸鉸接點(diǎn)這三點(diǎn)處于同一直線上，且大臂油缸縮進(jìn)使鏟斗齒尖處于地面上，如圖 5-3 所示。在該位置處，工作裝置下落時(shí)，挖掘機(jī)將會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力，在挖掘的過(guò)程中也將受到很大的土壤阻力。因此考慮此位置的受力與沖擊將是力學(xué)分析和強(qiáng)度檢驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。5.3.4 最深挖掘位置處的姿態(tài)第 32 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 5-4 最深挖掘位置此位置出現(xiàn)在動(dòng)臂油缸全縮，斗桿與斗桿油缸鉸接點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸接點(diǎn)及鏟斗齒尖在同一直線上且垂直于挖掘面，如圖 5-4 所示。該位置處，鏟斗中物料較多，土壤挖掘阻力較大，大臂、斗桿與鏟斗的受力都很大，同時(shí)該位置也是用于計(jì)算斗桿與鏟斗的危險(xiǎn)情況的典型受力位置。因而，此位置也是整個(gè)力學(xué)分析中較為重要的一個(gè)姿態(tài)。5.3.5 油缸全縮位置處的姿態(tài)圖 5-5 油缸全縮位置油缸全縮位置出現(xiàn)在動(dòng)臂油缸、斗桿油缸及鏟斗油缸全縮時(shí)，如圖 5-5 所示 。該位置也是當(dāng)前挖掘機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中的一個(gè)重要指標(biāo)，選擇此位置，用于檢驗(yàn)在不同挖掘角下，挖掘阻力對(duì)工作裝置的影響。5.3.6 動(dòng)臂、斗桿最大受力位置處的姿態(tài)圖 5-6 動(dòng)臂、斗桿最大受力位置動(dòng)臂、斗桿最大受力位置出現(xiàn)在動(dòng)臂油缸全縮，斗桿與斗桿油缸鉸接點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸接點(diǎn)及鏟斗齒尖在同一直線上且垂直斗桿油缸，如圖 5-6 所示。據(jù)計(jì)算，此位置對(duì)動(dòng)臂與斗桿都產(chǎn)生最大的力矩，是動(dòng)臂和斗桿出現(xiàn)危險(xiǎn)截面處的工況。相同挖掘力作用時(shí)，對(duì)動(dòng)臂、斗桿產(chǎn)生的作用力最大。對(duì)此位置進(jìn)行強(qiáng)度及第 33 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）模態(tài)分析有利于檢驗(yàn)動(dòng)臂與鏟斗的最大變形與最大受力，從中得出動(dòng)臂破壞的原因。5.4 各姿態(tài)的強(qiáng)度分析5.4.1 鏟斗最高位置的強(qiáng)度分析(1)單元?jiǎng)澐郑汗ぷ餮b置鏟斗最高位置，而且挖掘機(jī)按最大旋轉(zhuǎn)速度和最大角加速度工作。這時(shí)建立的有限元模型中，其節(jié)點(diǎn)的總數(shù)為 4944 個(gè)，單元的總數(shù)為 7388 個(gè)。單元的類(lèi)型有三角形，四邊形等單元。(2)受力分布：對(duì)此位置受力分析時(shí)，考慮的力有：工作裝置的重力和工作裝置上升的慣性力。風(fēng)載荷和各桿之間的摩擦力作用與上述兩種力相比很小，可經(jīng)忽略。(3)計(jì)算結(jié)構(gòu)與分析：經(jīng)分析得到的最大變形為 12.1mm，如圖 5-7 所示，最大應(yīng)力為 86.3MPa，如圖 5-8 所示。與許用應(yīng)力 345MPa 相比，此工況下工作裝置的受力是安全的。圖 5-7 最大變形云圖 圖 5-8 最大應(yīng)力云圖5.4.2 最高卸載位置的強(qiáng)度分析(1)單元?jiǎng)澐郑涸诠ぷ餮b置處于最高卸載位置時(shí)，建立有限元模型圖，劃分的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為 6438 個(gè)，單元總數(shù)為 9603 個(gè)。(2)受力分析：對(duì)其施加力，這時(shí)的力主要是各構(gòu)件的自重，物料的重量及滿斗時(shí)卸載過(guò)程的沖擊力和旋轉(zhuǎn)時(shí)兩者的慣性力，忽略風(fēng)載，摩擦等。(3)計(jì)算結(jié)果與分析：(3-1)在重力的作用下，工作裝置的最大變形出現(xiàn)在鏟斗與連桿機(jī)構(gòu)相鉸接的地方，且最大變形量為 42.3mm，此時(shí)的位移變形如圖 5-9 所示。(3-2)在重力與旋轉(zhuǎn)角速度的作用下，工作裝置的最大變形出現(xiàn)在鏟斗與連桿機(jī)構(gòu)相鉸接的地方，且最大變形量為 49.1mm，此時(shí)的位移變形如圖 5-10 所示 。(3-3)在重力的作用下，工作裝置的最大應(yīng)力出現(xiàn)在動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸的鉸接處，此時(shí)的最大應(yīng)力值為 185.3Mpa，如圖 5-11 所示，對(duì)于靜力分析來(lái)說(shuō)，工作裝置的應(yīng)力沒(méi)有超出其極限應(yīng)力與許用應(yīng)力的范圍。因而此情況下的設(shè)計(jì)是安全的。但是此時(shí)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在動(dòng)臂與鏟斗的鉸接處，就說(shuō)明這個(gè)位置的受力是最大的，當(dāng)處于動(dòng)載荷下有可能發(fā)生斷裂或破壞，要注意次位置的結(jié)構(gòu)及制造工藝。第 34 頁(yè) 共 66 頁(yè)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)）圖 5-9 重力作用下的變形云圖 圖 5-10 重力與角速度作用下的變形云圖圖 5-11 重力與角速度作用下的應(yīng)力云圖5.4.3 最大挖掘半徑時(shí)的強(qiáng)度分析(1)單元?jiǎng)澐郑涸谧畲笸诰虬霃教帲⒘斯ぷ餮b置的有限元模型，其單元總數(shù)為 7744 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為 6452 個(gè)。(2)受力分析：此處受到的靜力有重力和最大挖掘力。忽略了風(fēng)載荷與阻尼力的影響。(3)計(jì)算結(jié)果與分析：經(jīng)分析可得，最大的變形為 51.6mm，如圖 5-12 所示，最大應(yīng)力值為 284.2MPa，如圖 5-1