吨液压挖掘机挖掘工作装置设计.doc

5.0吨液压挖掘机工作装置设计 5.0吨液压挖掘机挖掘工作装置设计 摘要挖掘机是工程机械的一种主要类型，是土石开挖的主要机械设备，包括有各种类型与功能的挖掘机。液压挖掘机是一种用途广泛的土石方施工机械，被大量应用于道路工程、矿山采掘、水利建设和农田开发的施工作业当中。在这种国内外挖掘机发展的大情形下，我们进行挖掘机工作装置的合理性分析是有必要的，这有利于国内挖掘机行业的发展，为我国发挖掘机行业在国际竞争中立于不败之地打好基础。工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一。因用途不同，工作装置的种类繁多，以满足不同的作业要求，例如：正铲，反铲，牵引绳，鹤式，塔式等。在上述工作装置中，反铲挖掘机应用最为广泛，因此合理设计工作装置具有十分重要的意义。 本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、连杆机构组成挖掘机工作装置进行设计。具体内容包括以下五部分: 挖机工作装置的总体设计； 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析；工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证；工作装置主要部件的结构设计。最后在几种姿态下，提出施工操作结构改进时应注意的一些问题。通过静强度与动强度分析，得出了工作装置在静载荷下结构是安全的。关键词：挖掘机，动臂，斗杆 ，铲斗THE HYDRAULIC EXCAVATOR OF 5 TONS WORKING DEVICE STRUCTURE DESIGNABSTRACTThe excavator is the project machinery one kind of predominant type, is main mechanical device which the earth stone excavates, embody each kind of type and function excavator. Each kind of type excavator widespread application in industry and civil construction, transportation, water conservation electric power project, agricultural transformation, mine purchase as well as modernization military engineering and so on in mechanized construction.In case the domestic excavator development, rationality analysis we excavator working device is necessary, This is conducive to the development of domestic excavator industry, as Chinas Excavator Industry in international competition remain invincible to lay a good foundation.The working device is one of the main parts in hydraulic excavator. Due to the use of different types of work, for many, to satisfy the different requirements of operating, for example: shovel, hoe, a traction rope, crane, tower etc. In the above work device, backhoe excavator is most widely used, so the rational design of work device has a very important significance.This paper mainly carries on the design to the excavator working device is composed of a movable arm, bucket, bucket rod, connecting rod mechanism. Specific content includes the following five parts: The overall design of excavator working device of excavator working device; analysis of kinematics of the detailed calculation and verification; basic dimensions of each part of the working device; structural design of the main components of working device. Finally, then under the several poses, we give some advise on operating and framework improving of the excavator. After the analysis of static and dynamic strength, we get the working devices construction is safe on the static loading.Key Word: Excavator, movable arm, dipper, bucket 目录1绪论11.1课题背景及意义61.2国内外发展现状21.3挖掘机的技术发展趋势2总体方案设计错误！未定义书签。2.1 工作装置构成92.2 动臂及斗杆的结构形式112.3 动臂油缸与铲斗油缸的布置122. 4 铲斗与铲斗油缸的连接方式62.5 铲斗的结构选择132.6 原始几何参数的确定错误！未定义书签。3 工作装置运动学分析83.1 动臂运动分析83.2 斗杆的运动分析93. 3 铲斗的运动分析104基本尺寸的确定134.1 斗形参数的确定134.2 动臂机构参数的选择134.2.1 1与A点坐标的选取134.2.2 l1与l2的选择144.2.3 l41与l42的计算144.2.4 l5的计算144.3 动臂机构基本参数的校核164.3.1 动臂机构闭锁力的校核164.3.2 满斗处于最大挖掘半径时动臂油缸提升力矩的校核184.3.3 满斗处于最大高度时,动臂提升力矩的校核194.4 斗杆机构基本参数的选择194.5 铲斗机构基本参数的选择204.5.1 转角范围204.5.2 铲斗机构其它基本参数的计算215工作装置结构设计235.1斗杆的结构设计235.1.1 斗杆的受力分析235.1.2 结构尺寸的计算305.2动臂结构设计325.2.1第一工况位置325.2.2 第二工况位置365.2.3内力和弯矩的求解395.3 铲斗的设计45 5.3.1铲斗斗形尺寸的设计45 5.3.1铲斗斗齿的结构计算.456 总结47参考文献48致谢49附件A 开题报告附件B 外文翻译1绪论 1.1课题背景及意义国家将机械行业“十五”发展规划的目标确定为：提高产品技术水平和成套能力，提高生产技术水平和装备现代化，提高集约化生产程度和管理水平，提高经济运行质量和经济效益，使之尽快成为能满足国民经济发展要求，并具有参与国际竞争能力的行业。液压挖掘机是一种用途广泛的土石方施工机械，被大量应用于道路工程、矿山采掘、水利建设和农田开发的施工作业当中。在这种国内外挖掘机发展的大情形下，我们进行挖掘机工作装置的合理性分析是有必要的，这有利于国内挖掘机行业的发展，为我国发挖掘机行业在国际竞争中立于不败之地打好基础。反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是中型挖掘机的设计已经趋于成熟。但目前国内挖掘机制造企业多采用类比法进行工作装置设计，工程应用中常出现动臂或斗杆开裂失效、挖掘区域不合理货机体干涉以及工作装置铰点销轴早期断裂等故障。而关于反铲式单斗液压挖掘机的相关文献也很多，这些文献从不同侧面对工作装置的设计进行了论述。本文作者的设计知识水平还只是一处于学习的初级阶段，进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设计在流程上有一些大体的认识，对于计算的熟练，技术规范的掌握，并巩固所学的知识以此来提高设计的能力。 1.2国内发展现状（1）我国的挖掘机生产起步较晚，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进我国挖掘机行业的发展。通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平，产量也逐年提高。（2）虽说国内品牌挖机在这些年的增长速度很快，但从国内品牌市场占有率来看主要还是以小挖为主，而中大型挖机特别是大挖只是占其中的很小一部分。在20t及以上机型挖掘机所包揽的超过60的份额里，国内品牌所占比例最高的年份也仅为10。（3）由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。有关业内人士指出，我国单斗液压挖掘机应向全液压方向发展；斗容量宜控制在0.1-15 m3；而对于大型及多斗挖掘机，由于液压元件的制造、装配精度要求高，施工现场维修条件差等，则仍以机械式为主。应着手研究、运用电液控制技术，以实现液压挖掘机操纵的自动化。1.3挖掘机的技术发展趋势当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。我国己经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号。由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗液压挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能;应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性;电子计算机监测与控制，实现机电一体化;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，单斗液压挖掘机有以下的趋势： （1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01m。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。 （2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。 3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作。还安装了CAPS（计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。 4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。 6）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量来裣，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。2总体结构方案设计2.1 工作装置构成液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。臂下铰点铰接在转台上，通过动臂钢的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆钢使斗杆绕动臂的上铰点转动；而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环2。在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。上述过程仅为一般的理想过程。挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。根据以上特征，可以对工作装置进行适当简化处理3。则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，处理的具体简图如2-2所示。进一步简化得图如2-3所示。1-铲斗；2-斗齿；3-连杆； 4-摇杆； 5-铲斗油缸； 6-斗杆；7-动臂；8-动臂油缸； 9-斗杆油缸图2 工作装置结构简图图3 工作装置结构简化图总之，液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走（移位）使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业的要求。2.2 动臂及斗杆的结构形式整体式动臂的优点是结构简单，轻巧，质量轻而刚度大。其缺点是更换的工作装置少，通用性较差。多用于长期作业条件相似的挖掘机上。整体式动臂又可分为直动臂和弯动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便，主要用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，与同长度的直动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。经比较，选择整体弯动臂。图4 整体直动臂 图5 整体弯动臂斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式斗杆。2.3 动臂油缸和斗杆油缸的布置方案动臂油缸一般布置在动臂的前下方，有两种具体布置方式，油缸前倾布置方案，即当动臂油缸全伸出，将动臂举伸至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台前方倾斜；油缸后倾布置方案，即当动臂油缸全伸出，将动臂举伸至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台后方倾斜，两种方案中，在动臂油缸作用力相同时，后倾方案能得到较大的动臂作用力矩,因此，本次设计采用油缸后倾布置方案。动臂油缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）设在转台回转中心之前并稍高于转台平面3，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影响动臂的下降幅度。并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双动臂在结构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足。具体结构如图2-4所示。 1-动臂； 2=动臂油缸 图6 动臂油缸铰接示意图2. 4 铲斗与铲斗油缸的连接方式本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。该布置中1杆与2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。如图2-5所示。2 1-斗杆； 2-连杆机构； 3-铲斗图7 铲斗连接布置示意图2.5 铲斗的结构特点铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下的要求： (1)有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 (2)物料易于卸净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。(3)为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应大于4，大于50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。(4)装设斗齿，以增大铲斗对挖掘物料的线比压，斗齿及斗形参数具有较小的单位切削阻力，便于切入及破碎土壤。斗齿应耐磨、易于更换。铲斗的斗齿采用装配式，国产挖机其形式有螺栓连接式和橡胶卡销式，如图所示。斗容量小于或等于0.6立方米时多采用前者，斗容量q大于或等于0.6立方米时多采用后者。挖粘性软土的斗齿一般比较细长，挖硬土岩石的斗齿为粗短。a) 螺栓连接方式；b)橡胶卡销连接方式1-卡销；2-橡胶卡销；3-齿座；4-斗齿图8 斗齿安装结构示意图本次设计的标准铲斗容量为0.18立方米故选择螺栓连接安装形式（a）。综上考虑，选用小中型挖掘机常用的铲斗结构，斗齿状况为三个齿，基本结构如图所示。图9 铲斗2.6设计基本参数以及设计作业范围基本参数为：整机重量4.91T，斗容量0.18 m3，铲斗挖掘力30.3kN，斗杆挖掘力26.7kN，最大牵引力37.7kN。设计作业范围：最大挖掘半径5884mm，最大挖掘高度5365mm，最大卸载高度3792mm ，最大挖掘深度3582mm。2.7 原始几何参数的确定（1）动臂与斗杆的长度比K1由于所设计的挖机适用性较强，一般不替换工作装置，故取中间比例方案，K1取在1.52.0之间，初步选取K1=1.8，即l1/l2=1.8。（2） 工作装置液压系统主参数的初步选择？各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化“要求。初选动臂油缸内径D1=140mm，活塞杆的直径d1=90mm。斗杆油缸的内径D2=140mm，活塞杆的直径d2=90mm。铲斗油缸的内径D3=110mm，活塞杆的直径d3=80mm。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程L1=1000mm，斗杆油缸行程L2=1450mm，铲斗油缸行程L3=1250mm。并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比：1=2=3=1.6。 3 工作装置运动学分析3.1 动臂运动分析动臂油缸的最短长度；动臂油缸的伸出的最大长度；A：动臂油缸的下铰点；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点.图10 动臂摆角范围计算简图1是L1的函数。动臂上任意一点在任一时刻也都是L1的函数。如图3-1所示，图中动臂油缸的最短长度；动臂油缸的伸出的最大长度；动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值；动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最大值；A：动臂油缸的下铰点；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点。则有：在三角形ABC中：L12 = l72+l52-2l7l5 COS11 = COS-1（l72+l52- L12）/2l7l5 在三角形BCF中：L222 = l72+l12-2COS20l7l120 = COS-1（l72+ l12- L222）/2l7l1 由图3-3所示的几何关系，可得到21的表达式：21 =20+11-1 当F点在水平线CU之下时21为负，否则为正。F点的坐标为 XF = l30+l1cos21 YF = l30+l1Sin21 C点的坐标为 XC = XA+l5COS11 = l30 YC=YA+l5Sin11 动臂油缸的力臂e1 = l5SinCAB 显然动臂油缸的最大作用力臂e1max= l5，又令 = l1min/ l5, = l7/ l5。这时L1 = Sqr（l72-l52）= l5 Sqr（2-1）1 = cos-11/ 3.2 斗杆的运动分析斗杆的位置参数是L1和L2的函数。这里暂时先讨论斗杆相对于动臂的运动，也即只考虑L的影响。斗杆机构与动臂机构性质类似，它们都是四杆机构，但连杆比例不同。如下图所示，D点为斗杆油缸与动臂的铰点点，F点为动臂与斗杆的铰点，E点为斗杆油缸与斗杆的铰点。D-斗杆油缸与动臂的铰点点； F-动臂与斗杆的铰点；E-斗杆油缸与斗杆的铰点； 斗杆摆角.图11 斗杆机构摆角计算简图其中D-斗杆油缸与动臂的铰点点； F-动臂与斗杆的铰点；E油缸与斗杆的铰点； 斗杆摆角.当斗杆油缸全伸时，取得：当斗杆油缸全缩时，取得： 摆角 斗杆的作用力臂e2: 斗杆油缸最大作用力臂，取得：3. 3 铲斗的运动分析铲斗相对于XOY坐标系的运动是L1、L2、L3的函数，现讨论铲斗相对于斗杆的运动，G点为铲斗油缸与斗杆的铰点，F点为斗杆与动臂的铰点Q点为铲斗与斗杆的铰点，v点为铲斗的斗齿尖点，K点为连杆与铲斗的饺点，N点为曲柄与斗杆的铰点，M点为铲斗油缸与曲柄的铰点，H点为曲柄与连杆的铰点1。(1)铲斗连杆机构传动比i利用图10，可以知道求得以下的参数：在三角形HGN中 22 = HNG = COS-1（l152+l142-L32）/2l15l1430 = HGN = COS-1（L32+ l152- l142）/2L3l1432 = HNG = - MNG - MGN = -22-30 在三角形HNQ中L272 = l132 + l212 + 2COS23l13l21NHQ = COS-1（l212+l142- L272）/2l21l14 在三角形QHK中27 = QHK= COS-1（l292+l272-L242）/2l29l27 在四边形KHQN中NHK=NHQ+QHK 铲斗油缸对N点的作用力臂r1r1 = l13Sin32 连杆HK对N点的作用力臂r2r2 = l13Sin NHK 而由r3 = l24，r4 = l3 有3连杆机构的总传动比i = （r1r3）/（r2r4） 显然3-17式中可知，i是铲斗油缸长度L2的函数，用L2min代入可得初传动比i0，L2max代入可得终传动比iz。(2) 铲斗相对于斗杆的摆角3铲斗的瞬时位置转角为 3 =7+24+26+10 其中，在三角形NFQ中7 = NQF= COS-1（l212+l22- l162）/2l21l2 10暂时未定，其在后面的设计中可以得到。当铲斗油缸长度L3分别取L3max和L3min时，可分别求得铲斗的最大和最小转角3max和3min，于是得铲斗的瞬间转角:3 = 3-3min 铲斗的摆角范围: 3 = 3max-3min 图12 铲斗连杆机构传动比计算简图3.4 特殊工作位置计算3.4.1 最大挖掘半径R1图13 最大挖掘半径计算简图 其中C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖 如图11所示，当斗杆油缸全缩时，F、 Q.、V三点共线，且斗齿尖v和铰点C在同一水平线上，即YC= YV，得到最大挖掘半径R1为:R1=XC+ 3.4.2 最大挖掘深度H1max图14 最大挖掘深度计算简图其中NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖.如图12示，当动臂全缩时，F, Q, V三点共线且处于垂直位置时，得最大挖掘深度为: -H1max = YVmin = YFminl2l3 = YC+L1Sin21minl2l3 =YC+l1Sin(1min-2-11)l2l3 3.4.3最大卸载高度H3max图15 最大卸载高度计算简图如图13所示，当斗杆油缸全缩，动臂油缸全伸时，QV连线处于垂直状态时，得最大卸载高度为: 3.4.4 最大挖掘高度H2max最大挖掘高度工况是最大卸载高度工况中铲斗绕Q点旋转直到铲斗油缸全缩为止，如下图所示：图16 最大挖掘高度计算简图4基本尺寸的确定4.1 斗形参数的确定斗容q,平均斗宽B，挖掘半径R和转斗挖掘装满角度是铲斗的四个主要参数。他们间的关系2,5为： 一般土壤松散系数=1.25，因为我国标准斗容指堆尖容量，所以装满系数不再考虑。斗容量q：设计主参数已经给出q=0.18立方米平均斗宽B：查文献5的P75表-以及文献2的P28的公式3-11即B=（1.01.4），取B=0.7m。挖掘装满角度：根据文献5的P75及文献2的P28取2=90故由前面公式计算得到R= 0.72m，从而l3=R=720mm。4.2 动臂机构参数的选择4.2.1 1与A点坐标的选取11的取值对特性参数k4、最大挖掘深度H1max和最大挖高H2max均有影响，增大11会使k4减少或使H1max 增大，这符合反铲作业的要求1，初选11 = 62。参考文献5的P76取动臂弯角1 = 120，动臂转折处的长度比k3 = 1.2（k3 = L42/L41），参考文献5的P72取k1=1.8.A点由底盘和转台结构决定，初选：XA =850 mm, YA = 800mm 图17 外形尺寸简图4.2.2 l1与l2的选择由统计分析，最大挖掘半径R1值与l1+l2+l3的值很接近，由已给定的最大挖掘距离R1、已初步选定的l3和k1，结合经验公式有：l2 = （R -l3）/（1+ k1）= （5884-720）/（1+1.8）= 1844mm则l1 = k1l2 = 1.8 1798 = 3319mm4.2.3 l41与l42的计算l42 = k3l41 = 1.21696 = 2035 mm3 9= ZFC = COS-1（l422+l12l412）/2l1l42 = 274.2.4 l5的计算由经验和反铲工作装置对闭锁力的要求初取k4 = 0.411的取值对特性参数k4、最大挖掘深度H1max和最大挖高H2max均有影响，增大11会使k4减少或使H1max 增大，这符合反铲作业的要求，初选11 = 62。斗杆油缸全缩时，CFQ =32 8最大，依经验统计和便于计算，初选（32 8）max = 160 。由于采用动臂单液压缸初取BCZ = 8如图2，在三角形CZF中：ZCF= -1-39 = 180-120-27 =33a2=BCF=3=ZCF-ZCB =33-8 =25由前面的计算有H3max= Yc+l1Sin（1max-2-11）+l2 Sin（1max+32 max -11-2-） l3 -H1max =YC+L1Sin21minl2l3 = Yc+l1Sin(1min-2-11)l2l3 两式相减，并令 A =2+11=25+62=87,B = A -32 max 87-160=-73，得H1max + H3max l1 Sin（1max-A）-Sin（1min-A） -l2 1-Sin（1max - B）=0 又特性参数k4 = Sin1max/ 1Sin1min 则有 Sin1min = Sin1max/ 1 k4 =Sin1max/0.65 将数值带入可得： 3792+3582-3319Sin（1max-87）+ Sin（87 -1min） + 1798 Sin（1max +73） = 0联立以上方程，解方程解得： 1max = 154，1min = 43.3 由上式有H1max = l2+l3+l1Sin（11-1min+2）- l5 Sin11- YA l5 = l2+l3+l1Sin（11-1min+2）- YA - H1max / Sin11 = 1844+720 +3319Sin（62-43.3+25）- 800- 3792/ Sin62 = 345mm而1min与1max需要满足以下条件1min=COS-1（2+1-2）/2 1max= COS-1（2+1-122）/2 将1max 、1min 的值代入以上公式中得： = 2.26 = 3.25而+ 1= 3.26 （1 + ）/ = 4.25/2.26 =1.88 1 （1= 1.6）、满足以上公式两个经验条件，说明、的取值是可行的。则l7 = l5 = 3.25 345 = 1121mm L1min =l5 = 2.26 345 =780mmL1max =1 L1min = 1.6780 = 1248mm 初取DFZ=5。至此，动臂机构的各主要基本参数已初步确定。4.3斗杆机构基本参数的选择图17 斗杆机构基本参数计算简图其中D：斗杆油缸的下铰点；E：铲斗油缸的上铰点；F:动臂的上铰点；2：斗杆的摆角；l9：斗杆油缸的最大作用力臂.由给定的参数知，斗杆挖掘力PGmax=26.7kN 设斗杆油缸的油压为18MPa，缸径为110mm，则斗杆油缸的工作推力N取整个斗杆为研究对象，根据文献5的P86可得斗杆油缸最大作用力臂的表达式：e2max = l9 = PGmax （l2 + l3 ）/ P2 = 26.7103 （1844+720）/170973=414mm又文献5的P86知斗杆油缸的初始位置力臂e20与最大力臂e2max有以下关系:e20/e2max = l9COS(2max/2)/l9 = COS (2max/2) 由上式知, 2max越大,则e20越小,平均挖掘力也就越小.故初取2max = 120。如上图取e20=e2z则由几何关系有:L2min = 2l9Sin (2max/2)/(2-1) = 2414Sin 60/(1.7-1) = 1024mmL2max = L2min + 2l9Sin (2max/2) = 1024+2414Sin 60 = 1741mm在三角形DEF中，由余弦定理得当斗杆油缸力臂最大时，DEF=90，此时 =+ 2max =21.5+120=141.5 当斗杆油缸全缩时，EFD取最小值等于=21.5，CFQ取最大值等于160，由前面知ZFC=27，DFZ=5，故EFQ=360 - - EFQ - ZFC-DFZ=146.5根据文献5的P87知EFQ一般在130170之间，知EFQ满足设计要求。4.4 铲斗机构基本参数的选择l12：摇臂的长度；l29：连杆的长度；l3：铲斗的长度；l2：斗杆的长度；F：斗杆的下铰点；G：铲斗油缸的下铰点；N：摇臂与斗杆的铰接点；K：铲斗的上铰点；Q：铲斗的下铰点.图18 铲斗机构计算简图铲斗两个铰点K、Q之间的间距l24和l3的比值k2的选取：l24太大将影响机构的传动特性，太小则影响铲斗的结构刚度，一般取特性参数k2 = 0.30.385，本次设计取0.31, l24 = KQ = k2 l3 = 0.31850 = 264mm一般选10 = KQV =951155，本次设计取其等于105。连杆机构各个参数必须满足以下要求：1.铲斗的转角范围铲斗在挖掘过程中的转角大致为901105，为了要满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗的总转角往往要达到1401802,5，本次取155。如上图，当铲斗油缸全缩时，铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于10，常取15252，本次取15，故当铲斗油缸全伸时，NQV=180+20-155=45，满足要求.2.铲斗机构的载荷分析 铲斗从位到位置时,铲斗油缸作用力臂最大,这时能得到最大斗齿挖掘力,目前一般取位置到位置的转角为305023.从几何可容性与结构布置的角度对铲斗机构的要求a.必须保证铲斗六连杆机构在全行程中任一瞬时都不会被破坏,即保证GFN、GHN、HNQK在任意行程下都不被破坏。5b.液压缸全伸和全缩长度之比应在允许的范围内,对铲斗机构取3=1.51.7. 5c.全行程中机构不应出现死点.5根据以上几方面的要求,初步选取GFN=60, NQ=240mm,FN=l2 NQ=1798-240=1558, FG=450mm,在三角形GNF中,根据余弦定理得则 GN2 = FN2 + GF2 2COSGFNFNGF ， GN = 1389mm QK=290mm,HK=340mm,NH=370mm由此可知 NH+NQ QK+HK，即最短杆长度+最长杆长度其余两杆长度之和，最短杆NQ为机架，HNQK为双曲柄机构。L3max 与L3min 的确定铲斗油缸全缩时如下图所示：通过cad绘图得到L3min=1079mm。当铲斗油缸全伸时，如下图所示：通过cad绘图得到L3max=1692.97mm，得3=L3max /L3Mmin =1692.97/1079=1.6,满足要求。 至此，工作装置的基本尺寸均已初步确定。