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中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 1 页 摘 要 本次结业设计的题目是轮胎式液压挖掘机与其它类型的挖掘机相比,这 种类型的挖掘机有很多优点,它使用汽车底盘.因此,行驶速度较履带式更快,此 外,它还有很好的适应性,可以市区中行走,其引它采用液压传动,这改善了 挖掘机的整机性能,使其更可靠,再次可以在多个方向上工作,并准确卸载, 且可方便卸载. 本次设计的主要参数是给出了斗容量:1m3 .本次主要设计挖掘机的工作 装置,回转驱动装置,液压传动原理. 在设计中,我采用了汽车盘并加以改一个更大的范围内工作,因造以满足 要求,上部转台是全回转式,因此它可在采用了液压传动控制而使整机性能 得以改善.与机械式挖掘机相经,其挖掘机力提高了很多,整机质量约 26 吨, 挖掘力 140KN,卸载高度约 4.59m,挖掘深度 5.089m,挖掘半径 9.075m. 关键词关键词: :液压挖掘机; 液压控制; 液压系统; 全回转; 卸载; 铲斗. 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 2 页 ABSTRACT This time topic which graduates a design is tire type the liquid press to scoop out machine and other types of the excavation machine compare, the excavation machine of this kind of type contain a lot of advantages, it uses car bedrock.Therefore drive speed to compare with track type, sooner, in addition, it still has good adaptability, can with run about in the downtown, it leads it to adopt a liquid to press to spread to move, this whole machine function which improves excavation machine, make it more dependable, can work on several directions again, and accurate unload, and convenient unload. The main parameter of this time design is to give bucket capacity:1m3 .This the main design scoop out machine of work device, the turn-over drives device, the liquid presses to spread to move principle. In the design, I adopted car dish and take in to change a work inside the larger scope, because of build to satisfy a request, upper parts turning set is a whole turn-over type, so it can Be adopting a liquid to press to spread to move control but canning make the whole machine function improve.Scoop out machine with machine type mutually through, the its excavation machine dint raised a lot of, the whole machine quality is about 26 ton, the excavation dint 140 KN, unload height about 4.59 m, the excavation depth 5.089 m, scoop out a radius 9.075 m. 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 3 页 Keyword: the liquid press to scoop out machine; the liquid presses a control; the liquid presses system; whole turn-overs; unload; bucket. 目 录 1 1 概述概述1 1.1 机械发展的特点 1 1.2 挖掘机械的类型 2 1.3 单斗液压挖掘机的基本组成和工作原理 2 1.4 本次设计任务 2 2 2 设计方案设计方案3 2.1 工作装置方案设计 3 2.1.1 工作装置设计原则 3 2.1.2 反铲装置的组成及构造特点 3 2.1.3 具体结构方案 4 2.2 回转机构方案设计 5 2.2.1 对回转机构的基本要求 5 2.2.2 回转机构的选择 5 2.2.3 制动器的选择 6 2.3 液压系统方案设计 6 2.3.1 单斗液压挖掘机的作业过程包括下列几个间歇动作 6 2.3.2 对液压系统的要求 6 3 3 工作装置设计计算工作装置设计计算 7 3.1 尺寸估计 7 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 4 页 3.2 运动分析 8 3.2.1 机构自身几何参数 8 3.2.2 动臂的运动 8 3.2.3 斗杆的运动12 3.2.4 铲斗的运动13 3.3 工作装置的设计计算14 3.3.1 斗形参数选择14 3.3.2 转斗挖掘阻力计算14 3.3.3 动臂机构参数的选择15 3.3.4 铲斗机构的参数选择20 3.3.5 铲斗机构载荷分析21 3.3.6 斗杆机构的参数选择22 3.3.7 动臂液压缸，斗杆液压缸，铲斗液压缸初步设计估算24 4 4 回转装置设计计算回转装置设计计算 25 4.1 滚动轴承式回转支承的选型计算25 4.2 回转起动力矩和制动力矩计算31 4.3 行星减速器设计32 4.3.1 齿形及精度33 4.3.2 齿轮材料及其性能33 4.3.3 计算传动比33 4.3.4 分配传动比33 4.3.5 高速级设计计算34 4.3.6 低速级的计算45 4.3.7 轴的设计47 5 5 转台布置和整机稳定性转台布置和整机稳定性 47 5.1 转台布置47 5.2 整机稳定性计算48 6 6 液压系统设计液压系统设计 50 6.1 液压系统基本回路50 6.2 系统初步计算和液压元件的选用54 结论结论56 参考文献参考文献57 致谢致谢58 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 5 页 1 概述 1.1 机械发展的特点 1)挖掘机品种和产量剧增并向多功能,高效发展 为适应各种工程对象的要求以及国际市场的竞争,七年内品种增加 1015 倍,达 600 多种以上.为扩大机械的使用性能,中小型单斗挖掘机还附 有多达数十种可换工作装置.大型挖掘机和斗轮挖掘机由于生产率高,经济 效果显著也发展很快. 2)液压挖掘机迅速发展 液压挖掘机由于使用性能,技术指标和经济指标上的优越,六十年代即开 始蓬勃发展,六十年代末世界各国液压挖掘机产量与挖掘机总产量之比平均 值已达到时 80%以上. 3)普遍重视产品的标准化、系列化、通用化以及新技术、新工艺、新结 构和新材料的采用 产品的“三化”不仅可大大缩短新产品的设计研制周期和老产品改进更 新换代周期,有利发展品种,并且便于大批量生产、提高产量和质量、降低 成本、有利用用户的使用修理以及配件的生产和供应.它已是组织与管理现 代化生产的重要手段.挖掘机主要生产国美、日、法、西德和苏联等除有国 家标准外各大公司还有自己的系列标准. 4)生产专业化程度不断提高,并重视质量管理 加强挖掘机及其零部件生产的专业化,使工厂集中精力于承担有限部分 的加工工艺,为大批量生产保证产品的质量、降低成本增加利润并便于产品 的变型发展.采用主机零件厂分工协作,由几个专业厂专门为主机厂配套. 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 6 页 国外制造挖掘机各公司对质量的管理都非常重视,认为是影响企业生存 和发展的重要环节.各企业都没设有质量管理部并自成管理体系. 5)重视试验与研究工作、提高科技人员的比例 为了不断提高挖掘机产品质量,改进产品性能和发展新产品,各国普遍重 视试验研究工作.各国大的公司企业或由国家投资建立工程机械、挖掘机的 试验中心、试验研究所或室等. 1.2 挖掘机械的类型 挖掘机械的类型与构造型式繁多，可按照挖掘工作原理与过程、用途、 构造特征等进行划分。 按照用途，单斗挖掘机分为：建筑型、采矿型和剥离型等。建筑型挖掘 机一般可装置各种不同的工作装置，进行多种作业，故又称通用式。 按照动力装置，挖掘机有电驱动、内燃机驱动和复合驱动等，以一台发 动机带支挖掘机全部机构者为单机驱动式，以若干发动机分别带动各个主 要机构者为多机驱动式。 按照传动方式，挖掘机分为机械传动式、液压传动式和混合传动式。 挖掘机的行走装置型式有：履带式、轮胎式、汽车式、步行式、轨道式、 拖式等。 单斗挖掘机工作装置的型式很多，常用的基本型式，对于机械传动的挖 掘机有：正铲、反铲、拉铲和起重吊钩等。 本次设计斗容量为 1m3,由于轮胎式液压挖掘机的诸多优点,其应用领域 很广泛,轮胎式液压挖掘机传动性能好,工作平稳,行走速度快,对路面没有 破坏,机构布置合理紧凑,操作简便灵活易实现“三化”. 1.3 单斗液压挖掘机的基本组成和工作原理 单斗液压挖掘机为了实现周期性作业要求,设有下列基本组成部分:工作 装置、回转机构、动力装置、传动操纵机构、行走装置和辅助设备等.常用 是全回转式挖掘机,其动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助设 备和驾驶室等都装在可回转的平台上,简称为上部转台.因而常又常把这类 机械概括成由工作装置,上部转台和行走装置三大部分组成.挖掘机的基本 性能也就决定各组成部分的构造和性能. 液压挖掘机由柴油机驱动液压泵,把高压油输送到各阀,再到有关液压执 行元件驱动机构进行工作. 1.4 本次设计任务 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 7 页 本次设计斗容量 1m3的液压挖掘机,挖掘级及以下土壤.设计任务:工 作装置的运动分析,整体设计,回转装置设计,零件图设计,液压传动系统的 原理设计. 2 设计方案 2.1 工作装置方案设计 2.1.12.1.1 工作装置设计原则工作装置设计原则 设计合理的工作装置应满足下列要求： 1)主要工作尺寸及作业范围能满足要求。在设计通用反铲装置时要考虑 与同类型，同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意到参 数受结构碰撞限制等的可能性。 2)整机挖掘力的大小及其分布情况应用满足使用要求并具有一定的先进 性。 3)功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短。 4)确定铰点布置，结构形式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利。 在保证强度、刚度和连刚性的条件下尽量减轻结构自重。 5)作业条件复杂使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点 构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构 件各类少，结构简单，换装方便。 6)运输或停放时工作装置应有合理的姿态，使运输尺寸小，行驶稳定性 好，保证安全可靠并尽可能性使液压缸载呀减载。 7)工作装置液压缸设计应考虑三化，采用系列参数，尽可能减少液压缸 零件种类，尤其是易损件的种类。 8)工作装置的结构形式和布置要使于装拆和维修，尤其是易损件的更换。 9)要采取合理措施来满足特殊使用要求。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 8 页 2.1.22.1.2 反铲装置的组成及构造特点反铲装置的组成及构造特点 反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置，目前广泛应用的斗容在 1.6m3 以下。 液压挖掘机反铲装置由动臂、斗杆、铲斗以及动臂液压缸、斗杆液压缸、 铲斗液压缸和连杆机构等组成，其构造特点是各构件之间的联系全部采用 铰接通过液压缸的伸缩来实现挖掘过程的各个动作。 动臂的下铰点与回转平台铰接并以动臂液压缸来支承和改变动臂的倾角 通过动臂液压缸的伸缩可使动臂绕下铰点转动而升降斗杆铰接于动臂的上 端，斗杆与动臂的相对位置由斗杆液压缸控制。当斗杆液压缸伸缩时，斗 杆便可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接并通过铲斗液压缸伸缩使 铲斗绕该点转动。为增大铲斗的转角通常以连杆机构与铲斗连接。反铲主 要用于挖掘停机面以下地壤，其挖掘轨迹决定于各液压缸的运动及其相互 配合的情况，当采用动臂液压缸工作来进行挖掘时，可以得到最大的挖掘 半径和最长的挖掘行程。 当动臂位于最大下倾角并以斗杆液压缸进行挖掘工作时可以得到最大的 挖掘深度尺寸，并且也有较大工业挖掘行程。在轻坚硬的士质条件下工作 时能够证装满铲斗帮中小型挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸工作进行 挖掘，以铲斗液压缸工作进行挖掘时挖掘行程较短，如使用权铲斗在挖掘 行程结束时能装满土壤需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤。 所以一般土方工程挖掘中转斗挖掘最常采用。实际挖掘工作中往往需要采 用各种液压缸的联合工作。 2.1.32.1.3 具体结构方案具体结构方案 1)动臂及斗杆的结构形式 动臂是工作装置的主要构件，斗杆的结构型式往往取决于动臂的结构形 式反铲动臂分为整体式和组合式两类。整体式动臂结构简单。价廉，刚度 相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置较少，通用性 较差为了扩大机械通用性，提高其利用率，往往需要配备几套不通用的工 作装置。一般说长期用于作业条件相似的反铲采用整体动臂结构比较合适。 因此，考虑到国内的现代化建设中的西部大开发及南水北调工程。本设计 采用整体式动臂。 2)动臂液压缸和斗杆液压缸的布置 动臂液压缸的连接，一般有两种布置方案：一种是动臂液压缸装于动臂 的前下方动臂下支承点，可以调在转台回转达中心之前，并稍高于转台平 面，它也可以设在转台回转中心之后，以改善转达台的受力情况，但使用 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 9 页 反铲作业装置时动臂支点靠后布置会影响挖掘深度。大部分中小型液压挖 掘机以反铲作业为主，因此采用动臂支点靠前布置的方案，动臂液压缸支 于转台中点靠前处，以增加作业上方和后主，有的称之谓是挂式液压缸， 这种方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时，尤其在挖深较大压缸往 往处于受压状态，闭锁能力较强，尽管在动臂提升时液压缸小腔进 油提升 力矩一般尚够用，提升速度也较快帮作为专用的反铲装置这种方案仍然可 取。 3)铲斗的联接 铲斗与铲斗液压缸的连接有三各形式，其区别主要在于液压缸活塞端部 与铲头号、斗杆与铲斗的连接方式不同。 4)铲斗的结构特点 对各种铲斗结构形状的共同要求是： 有利二物料的自由流动，因此铲斗内壁不宜设置横向缘，棱角等斗底 的纵向剖面形状要适合各种物料的运动规律。 要使物料易于卸净，用于粘于的铲斗装卸时不易卸净，因此延长了作 业循环时间，降低了有效斗容量，因此可采用强制卸土板的粘土铲斗。 为了便于物料的铲装，装入物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗料直径 之比应大于 4：1，当此比值大于 50：1 时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物 料为均质。 装设计齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便函切入 或破碎阴力较的物料。 2.2 回转机构方案设计 单斗液压挖掘机回转机构的回转时间约占整个工作循环时间的 5040%。回转液压油路的发热量约占液压系统总发热量的 3040%。因此 合理地确定回转机构的液压油路和结构方案，正确选择回转机构诸参数， 对提高生产率，改善司机的劳动条件，减少工作装置的冲击等具有十分重 要的意义 2.2.12.2.1 对回转机构的基本要求对回转机构的基本要求 1)在加速度和回转力矩不超过允许值的前提下，应尽可能缩短回时间。 在回转部分惯性已知的情况下，角加速度的大小变最大的回转扭掩蔽的限 制该扭矩不应超过行走部分与地面的附着力矩。 2)回转机构的动载荷系数不应超过允许值，非全回转的挖掘机回转时， 工作装置不应碰撞定位器。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 10 页 3)回转能量损失最小 2.2.22.2.2 回转机构的选择回转机构的选择 回转机构分为全回转式和半回转式，悬挂式液压挖掘机通常采用半回转 的的回转机构，回转角度一般等于或小于 180o本次设计为履带式液压挖掘 机，因此采用全回转式回转机构。 全回转的回转机构，按液动机的结构形式可分为高速方案和低速方案两类。 由高速液压马达经齿轮减速成器带动回转小支承上的回定齿圈动，促使转 台转的称为高速方案。其低速大扭矩液压马达直接带支回转小齿轮促使转 台回转的称为低速方案。在高速方案中，通常采用行星齿轮减速成箱减速。 行星齿轮减速成箱，虽然加工要求较高，但可用一般渐开线齿廓的模数铣 刀进行加工，结构也比较紧凑，速成比大，受力好。因此获得广泛的应用， 高速方案一般采用斜轴式液压马达驱动的回转机构。此方案结构比较紧凑， 速比大，受力好，回此在液压挖掘机中获得广泛的应用，本次设计将采用 斜轴式液压马达驱动的回转机构。高速方案还有以上优点：高速成液压马 达体积小，效率高，不需要背压补油，便函于设置小制支器发热和功率损 失小，工作可靠。 2.2.32.2.3 制动器的选择制动器的选择 制动器应满足工作安全可靠，制动平稳，操纵轻便灵敏等要求，在对回 转机构采用了钳盘式制动器。因为通过试验与蹄式制动器相比，它具有下 优点： 1)钳盘式制支器所产生的制动力矩比较半稳由于它无增力作用其效率系 数 K 与磨擦系数 u 为直线关系。 2)由于制动盘都暴露在外，因此通风良好，旋转时还有自洁作用，热稳 定性好，基本上无热衰退现象，在连续多次使用情况下制动力矩变化很小， 甚至在恶劣工况下仍能正常使用。 3)维修方便，不需要经常调整间隙。 4)制动磨擦衬片磨擦均匀，使用寿命也比较长。但其也存在一些缺点， 需采取措施减小及至消除。 2.3 液压系统方案设计 按照挖掘机各个机构和装置的传动要求，把各种液压元件用管路有机地 连接想来的组合体叫做挖掘机的液压系统，液压系统的功能是把发动机的 机械能以油液为介质，利用液压泵转变为液压能进行传送，然后通过液压 缸和液压马达等执行元件转返为机械能实现各种动作。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 11 页 2.3.12.3.1 单斗液压挖掘机的作业过程包括下列几个间歇动作单斗液压挖掘机的作业过程包括下列几个间歇动作 动臂升降，斗杆收放，铲斗装卸转台回转，整机行走，以及其它辅助动 作，除辅助动作不需全功率驱动外，其它都是挖掘机的主要动作，要考虑 全功率驱动。由于挖掘机的作出对象和工作条件变化较大，主机的工作有 两项特殊要求：第一，实现各种主要动作时，阴力与作业速度随时变化， 因此，要求液压缸和液压 马达的压力和流量也能相应变化。第二，为了充 分利用发动机功率缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动 作同时进行叫做复合动作，这两项要求需要动作同时进行叫做复合动作， 这两项要求需要由液压系统来保证。 2.3.22.3.2 对液压系统的要求对液压系统的要求 单斗液压挖掘机动作繁杂，主要机构经常超支、制动、换向、外负荷变 化很大，冲击和振动多，而且野外我作，温度和环境变化大，所以对液压 系统的要喜庆是多方面的。 1)动臂、斗杆和铲斗的传动要保证工作装置的各部分可单独动作，也可 以互相配合实现复合动作。 2)主机工作过程中，要求工作装置的动作和转台的回转既能单独进行， 又能作复合动作，以提高机械生产率。 3)挖掘机的一切动作都是可逆的，而且要求无级变速。 4)要求机械工作安全可靠，各种作业油缸要有良好的过载保护，回转机 械和行走装置要有可靠的制动和限速成，要防止动臂因自重而快速成下降 和整机超速溜坡。 5)充分利用发动机功率，提高传动效率。 6)系统和元件应保证在外负荷变化大和急剧振动冲击作用下具有足够的 可靠性。 7)系统密封性好。 8)为了减轻司机操作强度，要考虑采用液压或电液伺服操装置。 本次设计将考虑选用高压变量系统，双泵双回路，全功率变量系统，后续 部分将对其详细说明。 3 工作装置设计计算 3.1 尺寸估计 参照单斗液压挖掘估算整机各部分尺寸和工作装置尺寸。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 12 页 根椐经验公式求尺寸参数。 线尺寸参数： (m) 3 GkL lii Kli为线向尺寸经验系数，G 为整机质量。 1)转台离地高：mLF18. 1264 . 0 3 2)底架离地高：mLg41 . 0 2614. 0 3 3)臂铰离地高：mLH866. 12663 . 0 3 3)臂铰离回转中心:mLx444 . 0 2615 . 0 3 4)臂铰与液压缸铰距:mLe888. 0263 . 0 3 5)臂铰与液压缸倾角： 0 40 0 50 6)缸铰离地高度：mSinLLH eH 238 . 1 450 7)臂长：标准臂尺寸系数推荐值,范围 1.71.98 . 1 1 l K 标准臂mGkl li 33 . 5 268 . 1 33 1 8)斗杆：推荐系数8 . 0 2 l K 推荐：37 . 2 268 . 0 33 22 GkL l 9)铲斗：推荐系数, 5 . 0 3 l KmL48 . 1 265 . 0 3 3 10)动臂转角： 0 50 0 40 11)斗杆转角： 0 50 0 160 12)铲斗转角： 0 50 0 180 13)最大挖掘半经：系数,35. 3 f kmR92 . 9 14)最大挖掘深度：系数，05 . 2 z kmH1 . 6 max1 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 13 页 15)最大挖掘高度：系数, 25. 2 H kmH67 . 6 max2 16)最大卸载高度：系数, 55 . 1 Q kmH59 . 4 max3 3.2 运动分析 反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度 L1斗杆液压缸的长度 L2 和铲斗液压缸的长度 L3 ，显然，当 L1 、L2 、L3 为某一组确定值时，反 铲装置就相应处于一个确定的几何位置。建立坐标系：X 轴与地面重合，Y 轴与挖掘机回转中心线重合，则斗齿尖 V 所在的 X 坐标值就表示挖掘半经 Y 坐标，YV为正值表示挖掘高度，为负值表示挖掘深度。 3.2.13.2.1 机构自身几何参数机构自身几何参数 机构自身几何参数分三类：原始参数，推导参数，特征参数，各参数见图 3-1 3.2.23.2.2 动臂的运动动臂的运动 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 14 页 图 3-1 反铲机构自身几何参数的计算简图 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 15 页 1)动臂的摆角范围 1max和各点瞬时坐标（图 3-2） ，1max是 L1的函数， 动臂上任意一点在任一时刻的坐标值也是 L1的函数，根据全余弦定理，当 L1=L1min和 L1= L1msc时得 1min=ACB0=arccos( ) (3-1) 57 2 1min 2 5 2 7 2 L- ll ll 1max=ACB0=arccos( )(3-2) 57 2 1max 2 5 2 7 2 L- ll ll 动臂的摆角范围： 1max=1max-1min 1 1 1 图 3-2 动臂摆角范围计算简图 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 16 页 1 a2 a20 a21 a11 图 3-3 F 点的坐标计算简图 动臂的瞬时摆角：= arccos()- 1min 1 57 2 1 2 5 2 7 2ll lll 列动臂 F 点坐标方程。 图 3-3 中 =BCU= 1 - = arccos()- (3-3) 20 11 57 2 1 2 5 2 7 2ll Lll 11 F 点在水平线 CU 之下时为负,否则为正。 21 F 点坐标方程： (3-4) 21130 cosllXF (3-5) 211 sinlYY CF C 点坐标可由图示 2-22 求得 (3-6) 115 sinlYY AC 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 17 页 2)动臂液压缸作用力臂 当动臂液压缸长度为 L1时,动臂液压缸作用力臂 1= (3-7) 1 157 sin L ll 当分别取和时,可得动臂机构的起始和终了力臂 10和 1 L min1 L max1 L 1z。显然动臂液压缸的最大作用力臂，此时 5max1 le 2 5 2 71 llL 3.2.33.2.3 斗杆的运动斗杆的运动 斗杆的位置参数是 L1 和 L2的函数，此外讨论斗杆相对于动臂的运动， 也即只考虑 L2的影响，斗杆机构与动臂机构性质类似，它们是四连杆机构， 但连杆比不同，在动臂机构中，一般 L1L5, 斗杆机构中一般 L9L8. 1)斗杆相对于动臂的摆角范围 max2 由图 3-4 得 =- min2max2max2 ) 2 arccos( 98 2 max2 2 9 2 8 ll Lll ) 2 arccos( 98 2 min2 2 9 2 8 ll Lll 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 18 页 2 2 2 图 3-4 斗杆机构摆角计算简图 2)斗杆液压缸的作用力臂 2= （3-8） 2298 sinLll 当以 L2min 和 L2max代入得 20和 2z斗杆液压缸的最大作用力臂 2 l ,此时 9max2 le 2 9 2 82 lll 3.2.43.2.4 铲斗的运动铲斗的运动 铲斗相对于 X-Y 坐标系的运动是 L1 L2 和 L3的函数，情况较复杂，现 先讨论铲斗相对于斗杆的运动。 （图 3-5）铲斗液压缸对 N 点的作用力臂为 (3-9)sin( 3022131 lr 连杆 HK 对 N 点作用力臂为 (3-10) 28142 sin lr 连杆 HK 对 Q 点作用力臂为 29243 sin lr 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 19 页 5 30 22 26 29 28 27 25 9 23 24 10 图 3-5 铲斗机构参数示意图 铲斗连杆机构的总传动比(3-11) i=(3-12) 32 31 lr rr 28143 2930222413 sin sin)sin( ll ll 铲斗相对于斗杆的摆角范围 max3 铲斗瞬时位置转角为 （3-13） 10262473 FQV 当取时可分求得，于是得= max33min33 LLLL和 max3min3 和 max3 min3max3 3.3 工作装置设计计算 3.3.13.3.1 斗形参数选择斗形参数选择 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 20 页 斗容量 q，平均宽度 B，转斗挖掘半经 R 和转斗挖掘满转角是铲斗的2 四个主参数，R，B，三者之间有下几何关系：2 (3-14) s KBRq)2sin2( 2 1 2 式中土壤松散系数 KS近似值 1.25，q=0.4，确定，根据上式可由 R，B，中作任两值求相应第三值。2 3.3.23.3.2 转斗挖掘阻力计算转斗挖掘阻力计算 转斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显的变化 （3-15）DBAZXRCW 35 . 1 max max 1 )cos( cos 1 C表示土壤硬度的系数，TV 级土取 C=160320； R铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削半经， R3=L3=1480mm； 转斗在挖掘过程中总转角的一半； max 铲斗瞬时转角； B切削刃宽度影响系数，B=1+2.6b,其中 b 为铲斗平均宽度，单位为 厘米； A切削角变化影响系数，A=1.3; Z带有斗齿的系数 Z=0.75; X斗侧壁厚度影响系数初步设计时，X=1.15; 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 21 页 D切削刃挤压土壤分力，据斗容量大小在 D=1000020000N 范围内 选取； 3.3.33.3.3 动臂机构参数的选择动臂机构参数的选择 反铲工作装置是由几组连杆机构组合而成，在发动机功率，机重等主参 数以及工作装置结构形式即宝的条件下连杆机构铰点，位置和油缸参数选 择是否得当，会对挖掘机性能和生产率带来很大影响，以下对动臂，斗杆， 铲斗三个机构进行讨论。动臂和动臂液压缸的布置方案很多，本设计中动 臂液压缸置于下前方。采用弯臂能增加挖掘深度但降低了卸载高度，动臂 弯角一般可取12001400，弯角大小会对结构强度不利本设计中 1 1350 1 增大液压缸全伸时的长度比可以增大动臂的转角，但由于受油缸 1 max 稳定条件的限制一般取在 1.61.7 的范围内通用挖掘机中，L5取值通常 1 驻为 0.50.6L1main 据统计最大挖掘半径 R1值一般与的值很接近，因此，由要 321 lll 求的 R1，已定的和，在三角形 CZF(图 3-6)中，已知可求得： 2 l 1 k 1 l 3 l m kk l l62 . 2 135cos2 . 122 . 11 33. 5 cos21 02 13 2 3 1 41 mlkl155 . 3 62 . 2 2 . 1 41342 0 22 222 142 2 41 2 1 2 42 39 3 . 20) 33 . 5 155 . 3 2 62 . 2 33 . 5 155. 3 arccos() 2 arccos( ll lll ZFC 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 22 页 0000 7 . 24 3 . 20135180ZCF 39 8+32 11 2 1 图 3-6 最大挖掘半径时动臂机构计算简图 动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比按不同情况选取，以反铲为主的 4 k 通用机=0.81.1，本设计取=1，取。 4 k 4 k 11 o 45 斗杆液压缸全缩时，最大，常选 832 CFQ ，本设计取，取决于液压缸布置形 oo 180160)( max832 o 170BCZ 式，动臂双液压缸结构中这一夹角较小，为 0,本设计中取（图 3- o 21 2 6） 。 由图 3-7 得最大卸载高度的表达式为： 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 23 页 12 11 32-8 图 3-7 最大卸载高度时动臂机构计算简图 11 2 1 图 3-8 最大挖掘挖掘深度时动臂机构计算图 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 24 页 32118max1max322211max11115max2 )180sin()sin(sinllllYH o A （3-16） 由图 3-8 得最大挖掘深度绝对值的表达式为： YAllllH 1132min11123max1 sin)sin( （3-17） 将两式相加，消去并令，得： 5 l max328211 ,ABA 01)sin()sin()sin( max12min1max11max3max1 BlAAlHH （3-18） 又特征参数（3-19） min11 max1 4 sin sin k 因此， 14max1min1 /sinsink (3-20) sin (1cos 2 1 2 4 2 min1 max1 k 将上式代入（3-18）刚得到一元函数0)( max1 f 整理得： A k AAlHHcos sin sincoscos(sin 14 max1 max1max11max3max1 （3-0) 1sincoscos(sin)sin) sin (1 max1max12 2 14 2 max1 BBlA k 21） 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 25 页 式中mH1 . 6 max1 mH59 . 4 max3 O A 7 . 69 O B 3 . 100 1 4 k7 . 1ml3 . 5 1 ml37. 2 2 可求得， 0 min1 0 max1 7 . 31,115 解下列方程可求，和 （3-22） ) 2 1 arccos( ) 2 1 arccos( 22 1 2 max1 22 min1 所以，满足35 . 2 ,58 . 1 1 ,1 由式，又因 min11max1 5min1 57 LL lL ll ml888.0 5 所以，mlmlml542 . 3 ,147 . 2 ,08. 2 max1min17 3.3.43.3.4 铲斗机构的参数选择铲斗机构的参数选择 预先设定：mlkkQlmQNl5 . 048 . 1 34 . 0 ,48 . 1 32243 ml37 . 2 2 转斗的转角范围，为了满开足开挖和最后卸载及运输状态的 00 11090 要求，铲斗的总转角往往要达到本设计中取，在 00 180150 0 160 时，斗齿尖为在 FQ 延长线上侧处，由 CAD 作图（图 3-9）得 min33 ll 0 V 0 15 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 26 页 mml1945 min3 mml2687 max3 图图 3-93-9 图图 3-103-10 3.3.53.3.5 铲斗机构载荷分析铲斗机构载荷分析 转斗机构挖掘过程为大曲率切削，挖掘过程中，因土壤厚度的变化较大， 所以 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 27 页 阻力的变化也很大，然而在挖掘机实际作业过程中转斗挖掘土壤的纵断面 形式是多种多样的其阻力变化情况也各不相同。 转斗机构最大理论挖掘力应与转斗最大挖掘阻力相适应，常在 处，由 0 5 . 47 式 3-24 求得NW 9 . 141083 max1 由 CAD 作图（3-10）得，mmrmmrmmr476,539,438 321 铲斗液压缸的作用力： NW rr rl p 1 . 503343 9 . 141083 438476 5391480 max1 31 23 3 取系统实际工作压力为 P=24.5Mpa,液压缸大腔工作，油缸机械效率 ，大腔面积为：95 . 0 i 2 6 3 0216 . 0 95 . 0 10 5 . 24 1 .503343 m P P A i m A D16 . 0 14 . 3 0216 . 0 44 3.3.63.3.6 斗杆机构的参数选择斗杆机构的参数选择 考虑因素：a.保证斗杆液压缸产生足够的斗齿挖掘力 b.保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力 c.保证半杆的摆角范围 00 12595 首先计算斗杆挖掘阻力： 斗杆挖掘过程中，切削行程较长，切土壤厚度在挖掘过程中为常数，一 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 28 页 般取斗杆在挖掘过程中总转角，在这转角过程中， 000 60,8050 gg 取 铲斗被装满，这时斗齿的实际行程为：（3-23） g rS 6 01745 . 0 式中-半杆挖掘时的切削半径， 6 rFVr 6 取mllFV85 . 3 48. 137. 2 32max 斗杆挖掘时的切土厚度可按下式计算： g h m Br q h g g 06897 . 0 ) 16 . 21 (6085. 301745. 0 1 01745 . 0 6 斗杆挖掘阻力： （3-24） sg gg BKr qk BhkW 6 0 01 01745. 0 -挖掘比阻力，查得 0 k31 0 k 斗杆与铲斗垂直时最小 2 l 3 l 6 r KNW g 92.9910 25 . 1 6037 . 2 0145 . 0 131 4 max1 参考铲斗液压缸作用力KNWPNPP gG 92.99, 1 . 503343 max1max32 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 29 页 代入（3-25） 2 32max 9max2 )( P llP le G mme764 1 . 503343 )14802370(1092.99 3 max2 由图 3-11 得： mmll mm l l 373765 . 1 2265 165 . 1 2 125 sin8302 1 2 sin2 minmax2 0 2 max2 9 min2 mmlllll3000) 2 cos(2 max2 9 min2 2 9 2 min28 2 图 3-11 斗杆机构参数计算简图 3.3.73.3.7 动臂液压缸，斗杆液压缸，铲斗液压缸初步设计估算动臂液压缸，斗杆液压缸，铲斗液压缸初步设计估算 由以上计算得： mmlmmlmml1395,3542,2147 1max1min 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 30 页 mmlmmlmml1482,3737,2265 2max2min2 mmlmmlmml742,2687,1954 3max3min3 初取液压缸 D=160mm 4 回转装置设计计算 4.1 滚动轴承式回转支承的选型计算 1)当量负荷的计算方法 d C 交叉滚柱式)(5 . 2 5 . 4 0 KNH D M GC Ppd -作用在回转支承上的总轴向力 p G)(KN -作用在回转支承上的总倾负力矩M)(mKN -在力矩 M 作用平面内的总径向力 P H)(KN 对于单斗液压挖掘机，作用在回转支承上的外负荷应根据 PP HMG和, 挖掘工况算出，根据不同的挖掘工况算出若干组值，选择其中最大作为 d C 当量负荷。 2)反铲工作装置的计算位置和计算方法各参数说明： -用铲斗液压缸挖掘时，由整机挖掘力确定的切向挖掘力，本设计 1 W 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 31 页 中NW9 .141083 1 -用铲斗液压缸挖掘时，由整机挖掘力确定的法向挖掘阻力，从可 2 W 能出现的最不利情况出发，假设存在法向，其值取NWW78.282162 . 0 12 -转台上部自重 0 G)(KN KNG 8 . 96 0 ,-分别表示动臂液压缸，斗杆液压缸，铲斗液压缸自重 1 G 3 G 4 G ，)(KNNG2300 3 NG1300 4 -分别表示动臂和斗杆自重 52,G G NGNG8000,15000 52 -铲斗自重和斗内土重 6 G KNG268 . 11108 6 -相应的力臂 m,对各工作位置用 CAD 作图求得 80 rr k-回转支承工作条件系数，对挖掘机取 k=1.41.6，本设计中取 1.5 .斗杆垂直于地面，斗齿尖离地面以下 H 深处， （本设计中取 H=0.5m）,用铲斗缸挖掘使切向斗齿力垂直于地面（图 4-1） 。 由图（4-1）mmammamma265,500,441 321 切向力N la aaP W 8 . 79490 1480500 265441 1 . 503343 32 213 1 法向力NWW 2 . 158982 . 08 .794902 . 0 12 由图（4-1）知： mmrmmrmmrmmrmmr5849,6272,4623,2932,1945 54321 mmrmmrmmrmmr888,1648,4294,5176 0876 005544332211668271 )(rGrGrGrGrGrGrGrWrWkM 23001945102651761648 2 . 158984294 8 . 79490(5 . 1 3 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 32 页 3 10 8 . 96888800058491300627223004623150002932 mN 96.736400 O i iP GGGWkG 5 1 61 )( 33 108 .96800013002300150002300)10268 .79490(5 . 1 N 7 . 263448 NkWHP8 .21949 2 . 158985 . 1 2 当量载荷 P P d H D M GC5 . 2 5 . 4 0 N187.2470144 8 . 219495 . 2 88 . 1 96.73640045 7 .26448 NCfC daa 2 . 3211187187.24701443 . 1 0 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 33 页 图图 4-14-1 .在挖掘深度 H 处用铲斗液压缸挖掘由图（4-2） ，得 mmammamma408,404,225 321 切向力：NW 4 . 77279 4041480 4082251 .503343 1 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 34 页 法向力：NWW 9 . 15455 4 . 772792 . 02 . 0 12 由图（4-2）得： mmrmmrrmmrmmr5284,4348,3022,2046,888 43210 mmrmmrmmrmmr4902,6230,5201,4936 8765 005544332211668271 )(rGrGrGrGrGrGrGrWrWkM 20462300)102652016902 9 . 154556231 4 . 77279(5 . 1 3 88810 8 . 96493680005284130043842300302215000 3 MN 4 . 626180 O i iP GGGWkG 5 1 62 )( 33 10 8 . 9680001300150002300)1026 9 . 15455(5 . 1 N85.141060 NkWHP 6 . 106695 4 . 772795 . 1 1 P P d H D M GC5 . 2 5 . 4 0 N4 .5263336 .1066955 . 288 . 1 / 4 . 6261805 . 485.141060 KNC a 68424 .5263333 . 1 0 . 在停机面上最大挖掘半径处用铲斗液压缸挖掘（图 4-3） 由图 4-3 得， mmammamma408,404,225 321 切向力NW 4 . 77279 4041480 4082251 .503343 1 法向力：NWW 9 . 15455 4 . 772792 . 02 . 0 12 由图 4-3 得 mmrmmrmmrmmrmmr6840,4387,3111,1981,888 43210 0 8765 24,2984,8977,8684,6572mmrmmrmmrmmr 00554433221168271 )(rGrGrGrGrGrGrGrWrWkM 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 35 页 图 4-2 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 36 页 图 4-3 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 37 页 19812300)102696843334 9 . 154559394
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