毕业设计说明书参考模版_挖掘机工作装置设.

. .本科毕业论文题目：挖掘机工作装置设计学 院:机械自动化学院专 业:机械工程及自动化学 号:3学生:汪乐指导教师:侯宇日 期:20XX6月43 / 48摘要液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械,作为工程机械的主力机种。出于液压挖掘机具有多品种,多功能,高质量及高效率等特点,因此受到了广大施工作业单位的青睐,其生产制造来了日益蓬勃发展。液压挖掘机主要由发动机、工作装置、回转装置、行走装置和、电气装置和液压系统等部分组成。本次设计主要是关于挖掘机工作装置设计,工作装置是直接完成挖掘任务的装置,进行工作装置的全面的通用性设计研究对推动国挖掘机发展具有十分重要的意义。本设计全面收集了国外挖掘机工作装置设计的资料,对挖掘机的各种工况进行了分析,总结了挖掘机工作装置的设计要求。分别对工作装置的各个组成部分进行了较为详细的设计,这其中就包括了动臂,斗杆和挖斗的选型,各种组成部分尺寸的计算及它们驱动装置的设计,驱动装置设计包括各种驱动装置的布置,行程,作用力的确定。最后对动臂和斗杆在一些特殊工况下进行了校核。关键字：挖掘机：工作装置：动臂：斗杆：挖斗AbstractHydraulic excavator is a kind of multifunction machine used widely inconstructionfieldIt is a primary kind of machineBecause of its multifunction,high quality and efficiency and various kinds,many company like to use itItsmanufacture is developing day by day Hydraulic excavator consist of engine working equipment,rotator,walking equipment , electric control part and hydraulic systemOne main partsworkingequipment designing make up of this articleWorking equipment is the first equipment to finish digging taskUsing universal and professional excavators working Equipments design methods,having a study of universal design with computer is very important to the development of domestic excavator In this article,collect most of the world excavators working equipmentsdesigning materialAnalyze various kinds of excavators working conditionsDetailed design the various components of working device separately, including the selection andcalculationof Boom, Stick and bucket and what they drive and design of their drive. The design of drive includesdetermineof their arrangement and travelling and force. At last checking theintensity of boom and stickin some special conditions. Keywords: excavator,working equipment,boom, stick , bucket目录1 绪论11.1 设计选题的意义11.2 国外液压挖掘机的发展动态和研究现状11.2.1 国外液压挖掘机的发展动态和研究现状11.2.2 国液压挖掘机的发展动态和研究现状21.3 当前液压挖掘机存在的主要问题31.4 本设计的主要容及目标41.4.1 设计的主要容41.4.2 设计的关键问题41.4.3 设计过程中的已知参数52 工作装置总体方案设计62.1 机型选择及特点分析62.1.1 所用机型的适用围62.2 工作装置构成62.3 动臂及斗杆的结构形式的初选82.3.1 动臂结构形式的初选82.3.2 斗杆结构形式的初选82.4 动臂与动臂油缸的布置82.5 铲斗与铲斗油缸的连接方式83动臂机构参数的计算及校核93.1 动臂机构参数的确定93.1.1 1 与A点坐标的选取93.1.2 、与的计算93.1.3 103.1.4 113.1.5 动臂其它相关尺寸的计算143.2 动臂基本数的校核143.2.1 动臂机构闭锁力的校核143.2.2 当满斗处最大挖掘半径时,动臂油缸提升力矩校核174 斗杆机构参数的计算及校核194.1 斗杆参数的计算及选择应考虑的因素194.2 斗杆基本参数的确定194.2.1 斗杆液压缸的最大作用力臂及的计算194.2.2 斗杆其它相关尺的计算214.3 斗杆的结构设计和强度校核214.3.1 斗杆的受力分析214.3.2 第一工况位置的受力分析214.3.3 第二工况位置的受力分析294.3.4 斗杆力图的绘制304.3.5 斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取344.3.6 斗杆危险截面处高度h的计算345 铲斗机构的选型及基本参数的确定365.1 铲斗的选型365.2 铲斗结构基本参数的计算375.2.1 铲斗主要参数的计算375.2.2 斗形尺寸的计算375.2.3转角围确定395.2.4 铲斗机构其它基本参数的计算396销轴与衬套的设计416.1 销轴的设计416.2 衬套的设计417总结427.1设计成果427.2 存在不足及改进427.3 设计展望42参考文献43致441 绪论1.1 设计选题的意义我国是一个发展中国家,在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设,这就需要大量的土石方施工机械为其服务,而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机械。因此,可以肯定液压挖掘机的发展空间很大。可以预见,随着国家经济建设的不断发展,液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展,液压挖掘机的年产量将会以高于20的速度增长。中国挖掘机市场自1997年开始已进入了一个较快的发展时期, 20XX与20XX比较,全国挖掘机的产、销量分别增长55和56。截止到20XX8月底全国挖掘机的销量已超过13000台,超过了20XX全年的销售数。20XX全国液压挖掘机的销售量超过18000台。显然,挖掘机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。而在挖掘机中最为重要的就是关于工作装置设计,因为挖掘机的工作装置能够最为明显的体现机器的工作能力和工作寿命,所以设计工作可靠,性能好,成本低,效率高,维护使用方便的工作装置就显得格外重要。1.2 国外液压挖掘机的发展动态和研究现状最早在液压挖掘机工作装置设计时,设计人员通过类比、查表、理论计算初步确定性性能参数以后,还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析,计算量大,而且在设计过程中,大都选取几个特殊位置进行检讨计算,其精度当然较低。当今计算机广泛应用于机械设计中,挖掘机工作装置设计得到了很快的发展。针对液压挖掘机工作装置的CAD软件也已经有了不少的研究。1.2.1国外液压挖掘机的发展动态和研究现状国外挖掘机生产历史较长,液压挖技术的不断成熟使挖掘机得到全面的发展。德国是世界上较早开发研制挖掘机的国家,1954年和1955年德国的德马克和利渤海尔公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展上起来的,其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上,通过大胆创新发展起来的；国是液压挖掘机生产的后起之秀,20世纪70年代开始引进技术,由于产业政策进入国际市场,并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。20世纪60年代,挖掘机进入成熟期,各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其它技术相结合,使产品适应性得到了较快的发展,产品寿命和质量不断得到提高,操纵更加舒适,产品更加节能。例如美国卡特彼勒公司1955年以后推出的300B系列液压挖掘机,采用一种命名为maestro的系统,通过载荷传感液压装置,控制发动机的输出功率,实现与液压泵的严格匹配。Maestro控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态,允许用户自行决定功率工况模式。再如国现代公司生产的ROBEX450-3型液压挖掘机,有四种功率模式,通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参数,使得发动机、液压泵的速度及液压用液压系统压力与实际工况相适应,从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗。此种技术在日本松、日立建机、神钢、国大宇重工、德国的利渤海尔、英国的JCB等到公司均得到普遍应用,代表了当代液压挖掘机的最高水平。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面发展。由于使用性能、技术指标上的优越,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；应用围不断扩大,成本不断降低,向标准化、模块化发展,以提高部件、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向大型化发展的同时向微型化发展。2更为普遍地采用节能技术。3不断的提高可靠性和使用寿命。4工作装置结构图不断的改进,工作围不断扩大。5由燃机驱动向电力驱动发展。6液压系统不断改进,液压元件不断更新。7应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。8增大铲斗的容量,加大功率,提高生产效率。9人机工程学在设计中的充分应用。1.2.2国液压挖掘机的发展动态和研究现状早在1958年国便开始了液压挖掘机的研制开发工作,随后开发出一系列比较成熟的产品。当时出于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响,其质量和产量远未达到应有的水平,与国外同类产品相比也存在较大差距。到了80年代末和90年代初,世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅速的提高,突出表现在追求高效率；高可靠性和追求司机操作的舒适性。国原有的数家挖掘机专业生产厂为了生存和发展,利用自身的实力和丰富的挖掘机生产经验,纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的新开发的产品为了提高作业的可靠性,干脆采用了进口的液压件和发动机,甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计,这种经过改型或新设计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样,引进和消化国外的不少技术,在技术方面都有了长足的进步。国液压挖掘机行业近年来虽有很大发展,但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足,其原因除了国挖掘机加工水平落后之外,挖掘机设计水平与发达国家相比也有较大的差距,尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究,开发了其设计软件,他们的研究基本上局限于解决某些问题,即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。关于工作装置设计参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有。因此,开发出的软件缺少通用性,不能使用于挖掘机工作装莺的一些通用问题的解决,对工程机械这个行业不具有通用性。特别是国,CAD在许多企业还停留在辅助制图的程度上,当然也有部分企业用CAD进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力,但是远远不能达到设计需要,对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。经过近十年的研究,获得了一些成果,但是研究还不够深入,有些研究结果已进入实际应用过程中。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于,为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来,现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计,即大多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限进行的,在这种情况下开发出一个专业的工作装置设计工具和软件显得非常的重要。国液压挖掘机的研究和发展动向应该体现在以下几个方面：1提高效率,降低能耗。2提高技术性能和控制性能。3发展集成、复合、小型化、轻化元件。4开展液压自动控制技术方面的研究与开发。5加强以提高安全性和环境保护为目的研究工作开发。6提高液压元件和系统的工作可靠性。7标准化和多样化。8开展液压系统设计理论和系统性能分析研究。1.3 当前液压挖掘机存在的主要问题虽然液压挖掘机的发展很快,但是液压挖掘机仍然存在着各种问题：（1） 控制精度的要求并不高,多数在100mm之,并不像其它领域机器人运动控制要求到10mm之,或者更高。首先,挖掘机本身的机构尺寸通常都比较大；其次,挖掘机进行土木施工的精度与一些工业加工比较起来要低得多,相对较低的精度仍然能够满足挖掘机在实际工作中的需要。多数研究者在实现以上控制精度时,铲斗末端速度比较低,最快的也在150mm/s之,而这个重要参数直接影响挖掘机的工作效率,所以,保证控制精度的情况下提高铲斗末端速度是本文需要解决的问题之一。（2） 虽然世界各国的研究水平参差不齐,但是多数处在实验室阶段,或从成本的角度考虑采用伺服阀进行控制,与工程实际差距较大；对挖掘机工作装置的研究是在静态下进行的,忽略惯性项的影响,所以在实际工程中也是不适用的；多数研究中都没有考虑到系统的节能问题,很难将研究结果在实际中进行推广。（3） 挖掘机工作装置作为一种典型的工程机械复杂机电液系统,由于其自身的特点,该项研究是比较困难的工作。主要在于：在机构运动过程中,惯性力负载的多变性；电液比例系统数学模型中的参数多与机构的姿态有关,属于时变参数,准确地得到每个参数的值非常困难；整个系统存在大量不确定量不确定参数及不确定的非线性模型,例如在不同温度下液压油的弹性模量和黏性等,均属于不确定参数；工作过程中,由于与地面接触而产生的扰动等不能准确建立数学模型的量,均属于不确定的非线性模型。以上各类不确定量都将对系统控制的稳定性和动态特性产生极大的影响。1.4 本设计的主要容及目标1.4.1设计的主要容 1分析和拟定设计任务书,确定设计思想和原则,并提出设计结构方案的初步思想。 2挖掘机主要参数的确定。 3挖掘机工作装置各主要机构的结构方案的确定。 4挖掘机工作装置各主要结构力的分析与计算。 5挖掘机工作装置各主要机构的强度校核。1.4.2 设计的关键问题1关于挖掘机总体设计,就是各种整体参数和局部参数的计算,这中间就包括动臂,斗杆及挖斗的主要参数的计算。2液压挖掘机工作装置各主要机构结构方案的确定,这包括几方面的容,首先就是关于动臂和斗杆的选型。其次就是动臂,斗杆和挖斗的油缸的布置如何确定。第三就是各个铰链点如何确定。3作用力的计算,这其中包括油缸的作用力,还有各种挖掘力。4各种强度的校核。其中动臂的校核尤为重要,还有斗杆的强度校核。1.4.3设计过程中的已知参数 铲斗容量：0.8立方米最大挖掘力130KN整体质量：20吨工作装置液压回路最大压力：34MP最大挖掘半径：7.42米最大挖掘高度：8.41米最大挖掘深度：5.12米最大卸料高度：4.62米发动机功率：98KW发动机转速：2300r/m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以及初步估取的液压缸受力,初选动臂油缸径D1=120mm,活塞杆的直径。斗杆油缸的径D2=120mm,活塞的直径。铲斗油缸的径D3=80mm,活塞杆的直径,又由按经验公式选各缸全伸长度与全缩长度之比。参照猫画虎任务书的要求选择工作装置液压系统的工作压力为,闭锁压力;与相同类型的挖掘机相比可知动臂油缸的行程；斗杆油缸的行程；铲斗油缸的行程。2 工作装置总体方案设计2.1 机型选择及特点分析 本设计中,我选的是单斗液压挖掘机,其工作装置采用反铲装置。 单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业机械,它是机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的,是目前挖掘机中重要的品种。2.1.1 所用机型的适用围 在建筑工程,交通工程,露天工程,水利施工及现代军事工程中都广泛采用,是各种土石方施工中重要的机械设备。由液压挖掘机在构造和性能上有较多的优越性,因此近年来发展迅速,在中小型单斗挖掘机中,已取代了机械传动单斗挖掘机,成为工程机械的主要机种。2.2 工作装置构成铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式,动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接,在液压缸的作用下各部件绕铰点摆动,完成挖掘、提升和卸土等动作,图2.1为挖掘机最常用的反铲工作装置1-油管；2-动臂；3-斗杆油缸；4-动臂油缸；5-铲斗；6-斗齿；7-侧齿；8-连杆； 9-摇杆 10-铲斗油缸 11斗杆图2.1 挖掘机反铲工作装置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。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,处理具体简图2.2所示。进一步简化图如2.3所示。图2.2工作装置的结构简图 1-铲斗 2-连杆 3-斗杆 4-动臂 5-铲斗油缸 6-斗杆油缸图2.3 工作装置结构简化图挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构,自由度是3,即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、铲斗油缸长度L3决定,当L1、L2、L3为某一确定的值时,工作装置的位置也就能够确定。2.3 动臂及斗杆的结构形式的初选2.3.1动臂结构形式的初选动臂采用整体式弯动臂,这种结构形式目前应用最广泛,其主要特点是制造方便,成本低,质量轻,能有较大的动臂弯角,装载作效率高,挖掘深度也比较大；配用加长可调斗杆,可以很好地完成垂直壁面的挖掘作业,而且所挖掘的壁面平直整洁。2.3.2斗杆结构形式的初选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,故也采用整体式直斗杆。2.4 动臂与动臂油缸的布置动臂油缸一般布置在动臂的前下方,下端与回转平台铰接,支承点设在转台回转中心之前并稍高于转台平面,这样的布置有利于反铲的挖掘深度。油自由式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,但不影响以、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,这样的双臂在结构上起到加强盘作用,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 1-斗杆 2-连杆机构 3铲斗图2.4 铲斗连接布置图图2-5 铲斗连接布置图2.5 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的铲斗平均挖掘力。如图2.5所示。3 动臂机构参数的计算及校核3.1动臂机构参数的确定我是根据在前面的图2.2,即工作装置的结构简图来计算出动臂,斗杆,连杆及铲斗的基本参数。3.1.11与A点坐标的选取动臂的弯角1如图2.2所示,一般可取为1=120140。弯角太小会对结构强度不利。般取1=120。 由经验统计参考其它同斗容机型,初选牲参数K3=1.2,其中铰点A点坐标的选择：由底盘和转台结构,并结合同斗容其它机型的测绘,初选：3.1.2、与的计算 由统计分析可知,最大挖掘半径R1的值与+的值很接近,由已经给定的最大挖掘径R1和通过与K1计算与选取就可以得到另外两个尺寸。取K1=1.8 其中由经验公式知：取 其中q是斗容量代入q=0.8mm可得：=1448mm最大挖掘半径则 所以 3.1.3参看图3.1中可知,在CZF中知道了1、就可以容易的求得。的计算公式如下：代入数值可得：=2010.02mm同样在CZF中,由余弦定律得：同样可以得到图 3.1 最大挖掘半径时动臂机构计算简图3.1.4 动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比按不同的情况选取,如前所述,专用反铲取0.8,所以这里我取=0.4。,根据要求可以初选斗杆液压缸全缩时最大,如图3.2所示,常选根据本设计的要求可选择 图3.2 最大卸载高度时动臂机构计算简图取决于液压缸布置形式,如图3.1所示。动臂又液压缸结构中这一夹角较小,可能为零。动臂单液压缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼缘加耳座上,B在Z的下面,初定,则在CZF中可以得到：由图3.2得最大卸载高度的表达式为：也可以写成以下式子： 3-1由图3.3得到最大挖掘深度绝对值的表达式：也可以写成以下的表达式；3-2将式3-1和3-2相加,消去得： 3-3同时令 根据以上求得的数据代入得,可知：将A与B的值代入到式3-3中则得到以下式子： 3-4又知特性参数： 3-5则有关 3-6将式3-6代入式3-4中则得一元函数。式中是在设计任务书要求的,就是已知的,、A和B都先已选出或算出,由此式可解得：再由式3-2可求得为：代入数值得：而与满足以下方程：3-73-8所以：=0.895 = -0.958一般情况下选择是：则解上式就可以得到。 对求得的值进行验算：则的值满足这两个经验公式,说明了的值是可行的。由3-7和3-8两式可知：图 3.3 最大挖掘深度时动臂机构计算简图3.1.5 动臂其它相关尺寸的计算 前面已经确定了动臂的选型为整体弯动臂,则还要一个重要的参数是在动臂转弯处的高度,通过对相同容量的挖掘机进行类比可知,初定这个高度为H=800mm。 对此,动臂机构的全部参数初步选出。3.2 动臂基本数的校核3.2.1 动臂机构闭锁力的校核正常挖掘力3-9 在式3-9中切削阻力的切向分力； C土壤的硬度系数,对不同的土壤条件取值不同,这里设挖掘机用于III级土壤的挖掘,取值为120； R铲斗与斗杆铰点到斗齿尖距离,即转斗切削半径其在前面已经初步确定取值为1448mm；某一挖掘位置时铲斗总转角的一半,这里取值为50；某一挖掘位置处转斗的瞬时转角,在此处由于是求平均挖掘阻力,故初取值与相同为50； B切削刃宽度影响系数,B=1+2.6b=1+2.61.448=4.76m； A切削角变化影响系数,取值为1.3； Z带有斗齿白唇红系数,取值为0.75； X斗侧臂厚影响系数,X=1+0.03S,其中要为侧臂百度,由于是初步设计,故预取值为1.15； D切削刃挤压土壤的力,根据经验统计和斗容量的大小选取D=1.3N；将以上的数值代入到式3-9中可以解得：=0.2N值的求取：如图3.5所示,当斗杆油缸全缩时,E,Q,V三点共线,且斗齿尖V和铰点C在同一水平线上,代入数值得：则=7420-7379=41mm由图3.4可知 代入数值得：=1300+62462.5 =1853mm图3.4 最大挖掘半径计算简图由图3.5知,最大挖掘深度时的挖掘力力矩； 3-10=0.25.12+1.853=1.39N动臂油缸的闭锁力 解之得： =2.35N其中为动臂油缸小腔作用面积,锁紧压力：最大挖掘半径工作装置自身重力所产生的力矩为 要求力矩,自行应该需要知道作用力和作用力臂。在此处,则是先要求出工作装置各个部分的重量；由经验统计,初步估计工作装置各部分质量如下：动臂 斗杆 铲斗 斗杆 铲斗缸 连杆机构 动臂油缸 当处于最大挖掘深度时：由前面的计算可知=另外根据经验公式斗土重=由图3.5可知：代入数值得：动臂油缸的闭锁力与工作装置重力所产生的力矩对C点的矩：由前面的计算可知：=则这说明动臂油缸的闭锁力与工作装置重力所产生的力矩略大于平均挖掘姐力满足要求。图3.5 最大挖掘深度计算简图3.2.2 当满斗处最大挖掘半径时,动臂油缸提升力矩校核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 P-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-铲斗斗齿尖图3.6最大挖掘半径时工作装置结构简图工作装置重量级 ：代入数值得： 按经验公式取土的重量：当处最大挖掘半径时,工作装置简图如图3.6所示,则有：代入数值得：动臂油缸的推力：如前图所示：在CAB中同样在CAB当中由余弦定律可知：代入数值得：由等面积的方法可知以下等式： 则力臂代入数值可知：则此时动臂油缸的提升力矩为：故满足要求。4 斗杆机构参数的计算及校核4.1 斗杆参数的计算及选择应考虑的因素 第一：保证斗杆液压缸有足够的斗齿挖掘力。一般来说希望液压缸在全行程中产生的斗齿挖掘力始终大于正常挖掘阻力；液压缸全伸时的作用力矩应足以支撑满载斗和斗杆静止不动；液压缸作用力臂最大时产生的的最大斗齿挖掘力大于要求克服的最大挖掘阻力。 第二：保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力。对于以转斗挖掘力为主的中小型反铲,选择斗杆机构参数时必须注意转斗挖掘时斗杆液压缸的闭锁能力,要求在主要挖掘区转斗液压缸的挖掘力能得到充分的发挥。 第三：保证斗杆的摆角围。斗杆的摆角围大致在之间。大在满足工作围和运输要求的前提下此值应尽可能小些,对以斗杆挖掘为主的中型机更应注意到这一点。一般说斗杆愈长,其摆角也可稍小。当斗杆液压缸和转斗液压缸同时伸出最长时,铲斗前壁与动臂之间的距离应大于10cm。4.2 斗杆基本参数的确定4.2.1 斗杆液压缸的最大作用力臂及的计算 根据斗杆挖掘阻力计算,并参考国外同型机器斗杆挖掘力值,按要求的最大挖掘力确定斗杆液压缸的最大作用力臂,取整个斗杆为研究对象,可得斗杆油缸最大作用力臂的表达式为： = =726.73 mm 图4.1 斗杆机构参数计算简图如图4.1所示,斗杆液压缸初始力臂与最大力臂之比是斗杆摆角的余弦函数,则存在以下式子。可见已定时愈大,和就愈小,即平均挖掘力就越小。要得到较大的的平均挖掘力,就要尽量减少,初取= 由图4.1的几何关系有： = =1712.92 mm而 =1.61712.92=2740.67 mm同样由图4.1所示可知,由余弦定律知： = =2285.32 mm4.2.2 斗杆其它相关尺的计算 斗杆上取决于结构因素和工作围如图2.2,一般在之间,初定=,同样的动臂上的也是结构尺寸,并按结构因素分析,可初选=。4.3 斗杆的结构设计和强度校核4.3.1 斗杆的受力分析 斗杆要受到弯矩的作用,故要找出斗杆的最大弯矩进行设计计算。根据分析和以往的实验表明,在铲斗进行挖掘时,产生最大弯矩的工况可能能有以下两个； 第一工况位置,其满足以下条件：1） 动臂处于最低位置,即动臂油缸全缩。2） 斗杆油缸的力臂最大。3） 铲斗齿尖在动辟与斗杆铰点和斗杆与铲斗铰点的连线上。4） 侧齿挖掘时受到横向力的作用。第二工况位置,其满足的以下条件：1） 动臂位于动臂油缸对铰点A的最大作用力臂处。2） 斗杆油缸的力臂最大。3） 铲斗齿尖位于F,Q两铰眯的连线上或铲斗位于最挖掘力的位置。4） 挖掘阻力对称于铲斗,无侧向力的作用。4.3.2 第一工况位置的受力分析 在这个工况下斗杆可能存在最大的矩,受到的应力也可能最大。 该工况的具体简图如图4.2所示,取工作装置为研究对象,如图4.3所示,在该工况下存在的力有：工作装置各部件所受到的重力；作用在铲斗上的挖掘力,包括切向阻力,法向阻力,侧向阻力。HK-连杆 HN-摆杆 C-动臂下铰点 A-动臂油缸下铰点 B-动臂与动臂油缸的交点 F-动臂上铰点 D-斗杆油缸上铰点 E-斗杆油缸下铰点 G-铲斗油缸下铰点 Q-铲斗下铰点 K-铲斗上铰点 V-铲斗斗齿尖图4.2 斗杆第二工况时的工作装置简图当液压缸全缩时,则动臂处于摆摆角最小处,由图4.4可知以下的角度关系。根据前面的已知的角度可求得：=,由图4.2所示可知,向量CF可以表示为：向量 =NH-摇臂 HK-连杆图4.3铲斗受力分析简图图4.4 F点坐标计算简图由前面的计算结果可知,在中=通过上式可解得=同样在前面我已经确定了 在四边形CDEF中=由以上的角度关系可表达出向量FV,设向量FV与X轴的夹角为,则根据图2.2可知： 则取正值就是向量 FV= =3580.86连杆机构的总传动比为r,铲斗油缸对N点的作用力臂为； 连杆HK对N点的作用力臂为； 连杆对Q点的作用力臂为； 铲斗对Q点的作用力臂；则可得此时铲斗的理论挖掘力：切向阻力： 铲斗的重心到Q点的水平距离为=取铲斗为研究对象,如图4.3所示,并对Q点取矩,则有：代入数值可得：法向阻力的求解：工作装置所受重力对C点的力矩有：把,的值代入上式得：到C点的距离为： = =2808.89 mm到C点的距离为：法向阻力决定于动臂油缸闭锁力,取整个工作装置为研究对象,则有：即 把以上求得的数值全部该式可求得：N斗杆油缸作用力的求解： 向量FQ在X轴上的模量： = =如图4.2所示,取斗杆带斗和连杆机构为研究对象,则有： 将已知量代入数值可得：解得： =2.3N而些时的斗杆闭锁力为：,略大于说明闭锁力中够横向挖掘力的求解： 横向挖掘力由回转机构制动器所承受,即的最大值决定于回转平台的制动力矩,故先要计算出制动力矩。地面附着力矩： = =在所设计的液压挖掘机中采用的是液压制动,由经验公式求得回转机构的最制动力矩：Q点作用力与作用力矩,的求解：取连杆机构为研究对象,如图4.5所示,则有：NH-摇臂 HK-连杆 G3-铲斗油缸推力RK-连杆的作用力 RN-摇臂的作用力图4.5连杆机构的计算简图 即 即其中将这些数值代入到上式中就可以得到：解上两式得：如图4.4所示,取整个铲斗为研究对象,以V点为新坐标的原点,VQ为轴,过V点与VQ垂直的直线为,建立坐标,则有： 即 代入数值得：解得： 即代入数值得：解得：即代入数值得：解得：即代入数值得：解得：N点的作用力与力矩,及的求解：取曲柄和连杆为研究对象,如图4.6所示：则有：NH-摇臂 HK-连杆 F3-铲斗油缸推力RK-连杆沿HK方向的作用力RNy-摇臂没HK方向的作用力图4.6 曲柄和连杆的受力图即 代入数值得： 如图可知： 同样根据图可知： 代入数值得：F点作用力与作用力矩的求解： 以斗杆为研究对家,进行受力分析计算,以F为原点,FN为X轴,以垂直FN的FY为Y轴进行分析： 即 即 另外 代入数值得：同样由图可知： = = = =则总力矩M： = =4.3.3 第二工况位置的受力分析 在这个工况位置下斗杆可能存在最大弯矩,受到的应力也可能最大具体如图4.7所示。取工作装置为研究对象,如图4.7所示,在该工况下存在的力有：工作装置各部件所受的重力；作用在铲斗上的挖掘阻力,包括切向阻力；法向阻力。HK-连杆 HN-摆杆 C-动臂下铰点 A-动臂油缸下铰点 B-动臂与动臂油缸的交点 F-动臂上铰点 D-斗杆油缸上铰点 E-斗杆油缸下铰点 G-铲斗油缸下铰点 Q-铲斗下铰点 K-铲斗上铰点 V-铲斗斗齿尖图4.7 第二工况工作装置计算简图同第一工况的分析一样,可以得到以下的向量： 向量FC=3839.15 向量FV=2132.83同理可得斗杆和铲斗的力其分别解得：各种参数意义如前面一致。4.3.4 斗杆力图的绘制 根据第一工况第二工况的所求出的斗杆所受到的力和力矩,可以分别绘制出在第一工况下和第二工况下的力图。对于第一工况,斗杆的力图包括横向力,斗杆平面外的弯矩和剪力,以及扭矩；对于第二工况,斗杆力侧仅有斗杆的轴向力,斗杆平面的弯矩和剪力,第一工况下斗杆的轴向力N图,如图4.8单位：N 图4.8 第一工况下斗杆N图第一工况斗杆的图,如图4.9单位：N 图4.9 第一工况下斗杆图第一工况下斗杆的图,如图4.10单位：图4.10 第一工况下斗杆的第二工况下斗杆的轴向力N图,如图4.11单位：N图4.11 第二工况下斗杆的N图第二工况下斗杆图,如图4.12单位：N图4.12 第二工况下斗杆的图第二工况斗杆的图,如图4.12所示单位：图4.12 第二工况下斗杆图由前面的受力分析知,在第二工况下所受到的弯矩和力均要比第一工况中要小,故用第一工况进行计算,而用第二截面校核。 由以上图分析可知在通过F点且与斗杆下底板垂直的截面所受到的应力最大,是危险截面,故首先要对该截面进行计算,然后以此为基础再求解其它尺寸。4.3.5斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取由经验统计和其它同斗容机型的测绘,取斗杆宽度挖掘机所用的钢板的厚度在我国一般为815 mm,初选底板厚度侧板厚度 如图4.13所示如图4.13 斗杆截面在挖掘机选用的结构钢材一般选16Mn,其有足够的屈服极限和良好的机械性能,其屈服极限,在斗杆中安全系数,则斗杆的许用应力为：4.3.6 斗杆危险截面处高度h的计算危险截面的有效面积为： = =4.1该截面对Z轴的惯性矩4.2 =该截面对Y轴的惯性矩：.4.3 =横截面的总面积：4.4该横截面受到的最大正应力：4.5该截面受到最大的弯曲正应力,。4.64.7则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有：4.8由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要上得多,为简化计算,在计算中简应力忽略不计,仅在校核中用,则有：4.9由式4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9可解得：有了危险截面的结构尺寸,再结合前面的基本心尺寸,就可以利用软件斗杆绘制出。这样斗杆的所有尺寸就已经基本确定。5 铲斗机构的选型及基本参数的确定5.1 铲斗的选型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,铲斗臂不宜设置横向下凸幽缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状适合于各种物料的运动规律。2） 要使物料易于卸尽。3） 为了使装进铲斗的物料不易于卸出,铲斗的宽度与物料的粒经之比应大于4,大于50时,颗粒尺寸不考虑,视物料为均质。 综上考虑,选用中型挖掘机常用的铲斗结构,基本结构如下图5.1、5.2所示： 图5.1 铲斗三维图的左视图 图5.2 铲斗三维视图的仰视图5.2 铲斗结构基本参数的计算5.2.1 铲斗主要参数的计算 铲斗的主要参数包括铲斗的宽度b,切削半径。这两个参数都可以用经验公式进行计算： 铲斗宽度的计算： 铲斗切削半径的计算：5.2.2 斗形尺寸的计算 根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形其它的结构尺寸,如图5.3所示图5.3 反铲铲斗计算尺寸图中三角形OGE为等腰三角形,OA段直线,AB弧为抛物线,A点到直线EB的距离为H,抛物线定点高度为L,一般取H=L,根据一般的取值围,斗尖角=斗侧臂角,包角。表5.1参数/mm斗容量 q/0.651.0b 1100 1400 1250 1370 m 180230 R 1070 1140 X1 341 300 X2 840 996 X3 1280 1410 L 855 960常见铲斗斗形参数参照表5.1可以计算的挖掘机铲斗的各种参数。5.2.3转角围确定由最大挖掘高度和最大卸载高度的分析,可以得到初始转角 代入数值得： 解得：最大转角,其不易太大,太大会使斗齿平均挖掘力降低,初选=5.2.4铲斗机构其它基本参数的计算-摇臂的长度,-连杆的长度；-铲斗的长度；-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5.4 铲斗机构计算简图其中由设计经验可知：则有：和的确定 铲斗的最大挖掘力阻力应该等于斗杆的最大挖掘力,即 粗略的计算斗杆挖掘平均阻力 挖掘阻力所做的功： =5.1由图5.4可知,铲斗油缸推力所做的功： =5.2由功能守恒知铲斗油缸推力所做的功应该等于铲斗挖掘阻力所做的功；5.3 将式5.1和式5.2代入5.3中计算可得：则： 剩余未选定的基本尺寸大部分为连杆机构尺寸,其应满足以下几个条件：在三角形GFN中利用余弦定律：代入数值得：6销轴与衬套的设计6.1 销轴的设计由于销轴与衬套的配合间隙较小,故以剪应力强度作为销轴的基本尺寸的设计,抗压强度与抗弯强度用于校核用。 由于则 6.1在设计计算时,应以所有工况中销轴所受到的剪应力最大值对销轴进行设计。在本设计中,销轴所选用的材料为40CrMnMo,其耐磨,在热处理后有着良好的综合机械性能。销轴设计成一端带轴肩,另一端设计成成带有螺纹盲孔,与六角法兰式螺栓连接,由于销轴在重载的较恶劣工况中工作,故选择=160MPa。代入到式6.1中得：动臂各锁轴的尺寸：斗杆各销轴的尺寸：六角法兰式螺栓选用由销轴的直径进行选择。销轴的设计如图6.1所示： 图6.1 销轴6.2 衬套的设计为使衬套耐磨,减震与润滑性能好,选择衬套的材料为铜基合金。衬套的厚度为5mm与销轴和圆筒分别采用间隙和过盈配合。则各销轴的尺寸为：动臂各衬套的尺寸： 斗杆各衬套的尺寸：7总结7.1 设计小结 本次设计基本完成了挖掘机工作装置各个部分的设计,并且也对其中重要机构进行了各种校核。 设计中主要进行了挖掘机总体结构方案的设计,液压挖掘机主要参数的确定,另外对挖掘机各个组成部分的参数进行了计算及校核,这其中主包括了动臂的选型,动臂参数的计算及校核；斗杆机构的选型,斗杆机构参数的计算及校核；挖斗机构的各种尺寸参数的计算。同时也包括了动臂,斗杆,挖斗驱动装置的设计。 通过本次设计,一方面巩固和加深了所学的理论知识,提高了对理论知识的综合和应用能力及计算能力,绘图能力,熟悉了规和标准,同时对各科相关课程有了全面的复习,独立思考的能力也有了提高。也培养了自我的创新意识,在创新能力方面得到了一定的锻炼和提高。7.2 存在不足及改进 由于挖掘机反铲装置的合理设计问题至今尚未理想的解决。以往多按经验,采取统计和作图试凑的方法,所以本次设计也不例外,在计算中和校核中有很多地方采用了经验公式大或者是与相同斗容的挖掘机进行类比的方法,这样就造成了很多的计算出来的数据不是很准确,但是必须是满足校核的要求, 其实以上的缺陷也可以通过一定的方法进行改进,那就是在设计的过程中应尽可能的采用数解分析方法,并利用电子计算机辅助设计。这样就可以大的提高设计精度,各种计算数据的准确性也会很大的提高。7.3 设计展望通过本次毕业设计,我感到自己应用基础知识及专业知识解决问题的能力有了很大的提高,并且这次毕业设计的选题,是一个非常典型的工程机械,因此,是在我即将工作之前,一次很重要的演练。我想,通过这次毕业设计,到了工作单位后,我将能够更快的适应工作岗位和工作要求。我对自己充满信心。总之,这次毕业设计对我而言是受益匪浅的。参考文献1 孔德文 克利 徐宁生 液压挖掘机 化工工业2006。2 铁 液压挖掘机结构原理及使用 石油大学2002。3 黄 邱斌 现代挖掘机械 人民交通 20034 国平 龙国键 现代工程机械技术 中国工业20035 工程机械研究所 单斗液压挖掘机 中国建设筑工业1977.6 工业大学阎书文 机械式挖掘机设计 机械工业 1982.7 同济大学 单斗液压挖掘机 中国建设筑工业 1986.8 善华 单斗挖掘机 机械工业 1989.9 本学 液压挖掘机反铲工作装置的有限元分析 长安大学 200310 段鹏飞 毛君. 工程机械 华侨 200211 M-H.chiang Experimental implementation of complex path tracking controlFor large robotic hydraulic excavatorsJ Int J Adv Manuf Techno 23:126-13212 Operating and Maintenance Instructions UNC-060.V.Edition,1989.13J.E.Shigley. MechanicalEngineeringDesign. McGraw-Hill,1997.14 Haug EJ.Arora JS. AppliedOptimal Design. Awiley-IntersciencePubli-Caterpillarion,1979.15Johnson RC.Mechan