挖掘装载机设计

6.5t 悬挂式液压挖掘装载机反铲挖掘工作装置设计摘 要本次毕业设计的主要目的是熟悉机械设计的一般过程，提高理论知识和实践知识的综合运用能力。挖掘机是一种重要的工程机械，它的广泛应用对于减轻劳动量，保证工程质量，加快工程进度，提高劳动生产率起了巨大的作用。反铲工作装置由动臂，斗杆，动臂液压缸，斗杆液压缸和铲斗液压缸组成。 关键词：挖掘机 工作装置ABSTRACTThe main purpose of the topic of design project for graduation is to be familiar with the general process of mechanical design and to enhance the comprehensive capacity of using theoretical and practical knowledge. Excavator is an important engineering machinery. Its wide application played a tremendous role to reducing the volume of labor and to ensuring project quality and to accelerating progress and to increasing productivity. Backhoe working devices is made up of a moving arm and a fighting pole and shovel and a hydraulic tank of moving arm and a hydraulic tank of fighting pole and a hydraulic tank of shovel. Key words: Excavator Working devices前 言单斗液压挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用在房屋建筑，道路工程，水利建设，农田开发，港口建设，国防公事等的土方施工机械和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度，提高劳动生产率起到巨大作用。单斗挖掘机分机械传动和液压传动两种。机械传动挖掘机已有一百多年历史。近一二十年来，随着液压传动技术在工程机械上的广泛应用，单斗液压挖掘机有了迅速发展，在中小型单斗挖掘机中，液压挖掘机几乎取代了机械传动挖掘机，大型单斗液压挖掘机也应用日广，这是由于液压挖掘机具有重量轻，体积小，结构紧凑，挖掘力大，传动平稳，操纵简便，以及容易实现无级变速和自动控制等一系列优点。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的机械。是目前挖掘机中重要的品种。它的作业过程是以铲斗的切削刃（通常装有斗齿）切削土壤并将土装入斗内，都装满后提升，回转至卸土位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械位移以便继续工作，因此，是一种周期作业的咨询式土方机械。按行走装置的不同，液压挖掘机分为履带式，轮胎式，汽车式，悬挂式及托式等种类。汽车式，悬挂式是以汽车及拖拉机为基础机械（底盘）装设挖掘或装载工作装置的小型挖掘机。按回转部分转角的不同，液压挖掘机有全回转和半回转两类。大部分液压挖掘机是全回转式的，小型液压挖掘机如悬挂式等工作装置仅能作 180左右的回转，为半回转式。由于我的水平有限，对单斗液压挖掘机的研究不够深入，说明书中难免存在缺点和错误，恳切地希望老师批评指正。目 录第一章 设计任务 6第二章 工作装置总体方案的选择 7第一节 工作装置选择总原则7第二节 动臂和斗杆总体方案的选择 8第三节 铲斗总体方案的选择9第三章 工作装置的主要参数选择及验算10第一节 反铲工作装置自身几何参数10第二节 斗型参数的选择 11第三节 动臂机构参数选择12第四节 斗杆机构参数选择17第五节 铲斗机构参数选择19第六节 各主要工作尺寸验算20第四章 工作装置各部件运动及受力分析23第一节 动臂液压缸的作用力计算23第二节 液压缸的闭锁压力计算25第五章 斗杆机构的结构设计与校核 34第一节 斗杆机构的结构设计34第二节 斗杆机构的校核41第六章 动臂机构的结构设计与校核48第一节 动臂机构的结构设计48第二节 动臂机构的校核 53第七章 其他重要部件的计算及校核 60第一节 销的强度计算及校核 60 第二节 摇杆和连杆的强度计算及校核 61第三节 铲斗的结构设计 63参考文献65致谢 66第一章 设计任务设计题目：6.5t 悬挂式液压挖掘装载机反铲挖掘工作装置设计研究内容：1、工作装置机构的几何参数设计2、各主要工作尺寸验算3、工作装置各部件运动及受力分析、工作装置挖掘性能分析4、各液压缸闭锁力验算5、动臂机构、斗杆机构的结构设计6、动臂、斗杆强度校核研究方法：采用静力学原理和机构几何学原理，对挖掘工作装置进行应用研究。原始参数：表 1-1 原始参数表 名 称 值 名 称 值整机重 6.5t 最大挖掘深度 4.0m斗容量 0.2 m3 最大挖掘半径 5.5m发动机功率 18KW 最大卸载高度 3.0m液压系统压力 14MPa技术指标：对工作装置的参数和几何构进行研究；对液压缸闭锁力进行验算，采用合适的方法调整使其达到要求；主要工作尺寸误差不得大 3%；对动臂、斗杆进行强度校核，应满足。第二章 工作装置总体方案的选择第一节 工作装置选择总原则设计合理工作装置应满足以下要求：1. 主要工作尺寸及工作范围满足使用要求。在设计反铲装置时要考虑与同类型机器相比的先进性，考虑国家标准的规定，并注意到运动参数受机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满足使用要求，并且有一定的先进性。3. 功率利用尽可能好，理论工作循环时间尽可能短。4. 定铰点布置结构形式和截面尺寸形状是尽可能使受力状态有利，在保证强度，刚度和连结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，采用变铰点结构或配套机构时，要注意分清主次。要满足使用要求的前提下，力求替换构件种类少，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，并尽可能使液压缸卸载或减载。7. 工作装置液压缸应考虑三化：采用系列参数，尽可能减少液压缸零件种类，尤其是易损件。8. 工作装置结构形式和布置要便于装卸和维修，尤其应便于易损件的更换。9. 要采取合理措施来满足特殊使用要求。第二节 动臂和斗杆总体方案的选择动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往取决于动臂的结构形式。反铲动臂可分为整体式和组合式两类。整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。直动臂构造简单，轻巧，布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。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。动臂液压缸的布置方案如图 21 所示，动臂液压缸装于动臂的上方或后方，称为“悬挂式液压缸” 。这个方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时，尤其在挖掘深度较大时动臂液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。图 21 动臂液压缸的布置方案为了统一缸径和液压缸的闭锁能力，双动臂液压缸的方案采用渐多。有些悬挂式动臂液压缸布置时考虑到不破坏动臂箱型截面，且不与斗杆液压缸碰撞，也采用双缸，斗杆液压缸一般只用一个。但大多数动臂液压缸还是采用单缸。本设计采用在上方布置的单动臂液压缸。第三节 铲斗总体方案的选择铲斗与铲斗液压缸的连接有三种形式，如图 22 所示，其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同。图 a 为直接连接，铲斗，斗杆与液压缸组成四连杆机构。图 b 中铲斗液压缸通过摇杆 1 和连杆 2 与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构。图 d 与图 b 类似，区别在于前者液压缸活塞杆端铰接于摇杆两端之间，图 c 的机构传动比与 b 差不多，但铲斗摆角位置向顺时针方向转动了一个角度。图 22 铲斗与铲斗液压缸的连接形式六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。六连杆中方式 b 和 d 在液压缸行程相同时，后者能得到更大的铲斗转角。但其铲斗挖掘力的平均值较小。铲斗液压缸一般用一个，因传动比小，单液压缸作用力足以保证斗齿所需的挖掘力。本设计采用共点六连杆，如图 b。总体方案如图 21。第 3 章 工作装置的主要参数选择及验算第一节 反铲工作装置自身几何参数第一类参数是决定运动机构运动特性的必要参数，称原始参数，主要为长度参数；第二类参数为推导出来的参数，称推导参数；第三类参数是作方案比较所需的其它特征参数。表 3-1 反铲机构自身几何参数 机构参数组成铲斗 斗杆 动臂 机体参数分类 符号意义原始参数L3=QV， L 2=MHL13=MN，L 14=HNL24=QK，L 25=KVL2=KHL2=FQ，L 9=CDL10=FG，L 11=EGL15=GN，L 16=FNL21=NGL1=CF，L 6=CDL7=CB，L 8=DFL22=BF.L4=CP， L5=CAL17=CI，L 19=CTL30=CS，L 38=JTL39=JI推导参数 9=NMH， 10= KQV 4=EFG， 5=GNF 6=GFN 7=NQF 8=NFQ 2=BCF 3=DFC 11=CAP 12=TCPK5=L2/L9， L 2 K3=L42/L41，L1 1=CEF=L 7/L5特性参数K2=L24/L3， L 3K1=L1/L2 11备注L2为斗杆长 L1为动臂长 1为动臂转角悬挂式 11=ACVGACBDHEEFF反铲机构自身几何参数的计算简图反铲工作液压缸运动参数 参数意义瞬 时 力 臂瞬 时 长 度 全 缩 力 臂全 缩 长 度 全 伸 力全 伸 长 度特性参数液压缸种类参数符号动臂液压缸 L1/E1 L1min/E10 L1max/E1z =L1max/L1min斗杆液压缸 L2/E2 L2min/E20 L2max/E2z =L2max/L2min铲斗液压缸 L3/E3 L3min/E30 L3max/E3z =L3max/L3min第二节 斗型参数的选择斗容量 q，平均斗宽 B，转斗挖掘半径 R 和转斗挖掘装满转角 （令 =2max）是铲斗的四个主要参数。R,B 及 三者与 q 之间有以下几何关系2SKBRqsin21（31）式中 标准斗容量即堆尖斗容， ；32.0mq平均斗宽，查表 261，选取 ；BmR750转斗挖掘半径；R土壤松散系数，取 1.25；sK挖掘装满角，全面考虑有关因素，可以取 =90o100 o，取2 22 =96o。将以上各值代入式(31) ，计算得 。mR8079铲斗上两个铰点 K 和 Q 的间距 太大将影响铲斗机构的传动特性，太小24l则影响铲斗结构刚度，一般取特性参数 。取38.0324QVKl。375.02K则 30875.0. V一般地，取 ，取191KQ10第三节 动臂机构参数选择确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数 。对于一定的工作尺寸21lK而言，动臂与斗杆的长度比可以在很大的范围内选择。由样机，初选 。46.1K据统计，最大挖掘半径 值一般与 的和值很接近。因此由要求1R321ll的 ，已定的 和 可按下列近似经验公式初选 和 ：1R3l1K212ll(32)由原始参数给定最大挖掘半径为 ，mR501mRl803代入公式（32）得 =1810mm， =2610mm。2ll1 参考文献175 页动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比 按不同情况选取，以反铲为主的通4K用挖掘机要适当顾及其他换用装置要求在地面以上作业时有足够的提升力矩可取 =0.81.1。4K初选 =0.9。的取值对参数特性 ，最大挖掘深度 有影响。加大 会使14Kmax1H1减小或使 增大，这正符合反铲作业要求。因此基本用作反铲的小型机4max1H取 60，有的甚至取 80。初选 =80。1 11根据液压系统工作压力，流量，系统回路，供油方式，工厂制造条件和三化的要求等确定液压缸的伸缩比 。增大液压缸伸缩比 可以增大动臂的转角 ，但1max由于受油缸稳定性的限制， 一般取 1.61.7。初选动臂液压缸的伸缩比1=1.67。1由机体尺寸和工作尺寸经验系数表 2及线尺寸参数公式： ）（ mGkLlii3（33）由公式（33）可得 =AC=560mm 如图 31。5l图 31 AC 计算简图2 参考文献147 页动臂及动臂液压缸铰点的几何关系可按图 32 用公式表达：由样机，初选无因次比例系数 =0.5，则由 可得 =1120mm,min15Llin1mL187026.min1ax1 动臂在上极限位置时由 得CABcos755in122ll（34）常 数75min172cos2lLl令 p（35）图 32 动臂和动臂液压缸铰点位置的几何关系由样机，初选无因次比例系数 =0.5，则由 可得 =1120mm,min15Llin1mL18706.min1ax1 动臂在上极限位置时由 得CABcos2755in12ll（34）常 数75min17cos22lLl令 p（35）动臂在下极限位置时由 得CABcos2755max12llL（36） 常 数75max17cos22lLl令 M（37）又由 得 1CABsinim15Ll sinsim15Ll由 得 isiax15liiax15l于是动臂在上，下极限位置时液压缸作用力臂相应为 2min157min1577ssi pLlllez 2ax157ax15770i Mlll 力臂比 =0.9 22min1ax04 1pLpeKz （38）取无因次比例系数 ， ，把它们代入式（35）和式（37） ，min15lmin17Ll得出2p 2M（39）将式（39）代入式（38）得 4.1由式（39） （36） （37）得 ml5687从 和 中可以看到 之间的关系：CAB1， ；.1。符合要求90大于 ，此时 。悬挂式动臂连接方案即属于此类。7l5由式（34）和（36）得0 864.015602282cos275min17lLl14 1.87s 2222275ax17ll显然，动臂的摆角为 4斗杆液压缸全缩时 最大，常选 。832CFQ1806max832初选 。170max832当悬挂式动臂液压缸全缩，斗杆液压缸全缩，QV 连线处于垂直状态时可以得到最大卸载高度状态，如图 33。由图知最大卸载高度的表达式为：30218min1ax32inmax 8sinslllYcH（310）初选 ，则01mBFl ll346643.015822cos271222图 33 最大卸载高度计算简图由正弦定理得， ，因此21sinill 271802319，将以上所得代入式（310）可得mYc780当悬挂式动臂液压缸全伸，FQV 三点同直线并处于垂直状态时可以得到最大挖掘深度状态，如图 34。由图知最大挖掘深度的表达式为：符 合 要 求 小 于 %3,5.104390 780)21409sin(2618max113maxYcllH图 34 最大挖掘深度计算简图第四节 斗杆机构参数选择确定斗杆液压缸的铰点位置，行程及力臂比时应考虑以下因素：A.保证斗杆液压缸产生足够的斗齿挖掘力。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承满载斗和斗杆静止不动；液压缸作用力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘阻力。B.保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力。对于以转斗挖掘为主的中小型反铲，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，要求在主要挖掘区内转斗液压缸的挖掘力能得到充分的发挥。C.保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围大致在 105125之间。在满足工作范围和运输要求的前提下此值应尽可能取的小些。一般说斗杆愈长，其摆角范围也可稍小。当斗杆液压缸和转斗液压缸同时伸出最长时，铲斗前臂与动臂之间的距离应大于 10cm。斗杆上 的大小取决于结构因素，并考虑到工作范围一般在EFQ之间。1703本设计取 。4参考国内同类机型机器斗杆挖掘力值 ，按要求的最大挖掘力KNPG40max确定斗杆液压缸的最大作用力臂 。初选斗杆液压缸缸筒内径为 140mm，杆径9l为 80mm，伸缩比 。可查得，液压缸的推力为 215.46KN，拉力为67.12145.04KN。23max9max2PlleG（311）则 mle5.486.150849max2 斗杆的摆角在 之间，取210ax2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。0ememax2设 ，则ze202coscsmax9axmax2 l可见 已定时 愈大， 和 就愈小。如图 35 所示，平均挖掘力也就越9lax20ez小。图 35 斗杆机构参数计算简图由图 35，取 ，求得ze20=1185mm，则 1978.5mm1sin2max9minll max2lcosax29min292in8 lll(312)将所得结果代入式(312)得 ml1608挖掘机在最大卸载高度处，斗杆液压缸全缩,此时 251704253609.cos98min22 CFQEFDDCEFlLl第五节 铲斗机构参数选择作机构参数选择时，已知 10,180,30,80 102243 KQVmFQlmKlQVl 待选的参数还有 7 个（见图 36）即。等以 及 min3,ax2112131510 , LNQlMKllGNlFl 图 36 铲斗机构参数选择如前所述，铲斗在挖掘过程中的转角大致为 90100，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 150180，本设计初选 。160max3如图 37 所示，设 时斗齿尖为 ，则 肯能在 FQ 延长线上，或者min3Ll 0V0在其上侧的 030处，本设计初选 在其上侧 15处，此时 为仰角。10QV图 37 铲斗机构参数选择要求铲斗液压缸伸缩比应当在允许的范围内，对铲斗机构可取 。65.143本设计初选 。46.13由图得， =517mm，即转斗液压缸的行程。则SMmLmLS35201746.0ax3in3 inini3ax则可测的 。76GFQ，由结构确定 G 点位置，必须保证铲斗六连杆机构在 全行程中任一瞬时都不会3l被破坏，即保证 在任何瞬时都成立。 全行程中机构都不应出现NM,死点，且传动角应在允许的范围内。在任何瞬间各构件之间都不应有干涉，碰撞现象。 符 合 要 求 。GlMN3第六节 各主要工作尺寸验算整个工作装置，几何尺寸确定以后，应校核最大挖掘深度，最大卸载高度及最大挖掘半径。最大挖掘深度：如图 34 所示符 合 要 求 小 于 %3,5.104390 780)2109sin(2618max113maxYcllH最大卸载高度：如图 35 所示30218min1ax32inmax 8sinslllYcH0307i18640符合要求。最大挖掘半径：如图 38 所示图 38 最大挖掘半径计算简图在 中，根据余弦定理CFQ符 合 要 求 。 ，误 差 小 于即%3%36.015025248401026817cosmax 22mRXQVCCQFFc第四章 工作装置各部件运动及受力分析第 1 节 动臂液压缸的作用力计算动臂液压缸应保证反铲作业过程中在任何位置上都能提起带有满载铲斗的工作装置达到最高和最远的位置。可选用三个计算位置：1.从最大挖掘深度处提起满载斗（图 41 a）2.最大挖掘半径时举起满载斗（图 41 b）3.最大卸载高度时提起满载斗（图 41 c）根据斗容量查课本表 2-7 确定工作装置各部分重量：表 4-1 反铲装置的构造近似质量表 斗容 动臂 斗杆 铲斗 斗杆缸 铲斗缸 连杆摇杆 动臂缸3mtG1t2tG3t4tG5t6tG70.2 0.223 0.179 0.086 0.055 0.051 0.017 0.055tqtt 34.027.1.,)86(初 选斗 内 土 重1.从最大挖掘深度处提起满载斗表 4-2 最大挖掘深度处各重量的近似力臂值表（mm） 土 动臂 斗杆 铲斗 斗杆缸 铲斗缸 连杆摇杆 动臂缸 力臂tr12r3r4r56r7r1e1703 1253 2163 1873 1613 2323 2093 743 429由 有：0cM0654321 trGrGrreP KNtet 8.3.1图 41 动臂液压缸的作用力计算简图2.从最大挖掘半径处提起满载斗表 4-3 最大挖掘半径处各重量的近似力臂值表（mm） 土 动臂 斗杆 铲斗 斗杆缸 铲斗缸 连杆摇杆 动臂缸 力臂tr12r3r4r56r7r1e4050 1200 3010 4340 1540 3830 4540 490 542由 有：0cM0654321 trGrGrreP KNtet54.13.从最大卸载高度处提起满载斗表 4-4 最大卸载高度处各重量的近似力臂值表（mm） 土 动臂 斗杆 铲斗 斗杆缸 铲斗缸 连杆摇杆 动臂缸 力臂tr12r3r4r56r7r1e3953 773 2393 4153 943 3043 4063 193 403由 有：0cM0654321 trGrGrreP KNtet64.1第 2 节 液压缸的闭锁压力计算确定合理的液压缸闭锁能力是保证挖掘力得到充分发挥的条件之一。在挖掘范围内当工作装置处于不同位置时各液压缸所受到的被动作用力值也不同，要全面地确定各位置下的液压缸被动作用力，既很繁琐，又无必要。一般常选定几个反铲作业主要工况作为计算位置来计算各液压缸应有的闭锁力，使之在该工况下不发生液压缸被动回缩或伸长的现象，从而保证了工作液压缸作用力的发挥。根据广州伟基机械有限公司的液压油缸标准系列目录初选动臂液压缸一支，缸径 140mm，杆径 80mm。则动臂液压缸大腔推力246.2KN，动臂液压缸小腔推力 165.8KN，初选斗杆液压缸一支，缸径 100mm，杆径 50mm。则斗杆液压缸大腔推力125.6KN，斗杆液压缸小腔推力 94.2KN，初选铲斗液压缸一支，缸径 100mm，杆径 50mm。则铲斗液压缸大腔推力125.6KN，铲斗液压缸小腔推力 94.2KN，为确定各液压缸的闭锁压力，选用以下三个计算位置：1.动臂处于最低位置，斗杆呈垂直状态，转斗挖掘，其作用力臂为最大（图 42） 。因此铲斗液压缸产生的挖掘力为最大，挖掘阻力对动臂铰点 C，斗杆铰点F 所造成的力矩均接近最大值，而动臂液压缸的力臂值为最小。表 4-5 第一种工况时各作用力的近似力臂值表（mm） 1r23r56r78r101r314r81e2233 269 215 127 174 1487 1677 1873 2000 1233 3927 253 429 418转斗液压缸挖掘力 可通过对 Q 点的力矩平衡方程求得：1WKNlrGP5.29801276.80623.13523从可能出现的最不利的情况出发，假设存在法向阻力，其值取 kNW9.5212各力对 F 点取矩，可得到斗杆液压缸所受的被动作用力 2PKNerGrWP12841817402.1706.709.54705.9 43326238712 图 42 第一种工况液压缸闭锁压力计算简图其中， 斗杆，转斗液压缸及连杆机构总重2Gt247.01.05.179.使斗杆液压缸受压缩（液压缸的大腔为高压腔） 。假设此时限压阀调定压力2P等于液压缸的工作压力，则大腔的闭锁力等于其作用力 125.6KN，而小于 2P=128KN，显然液压缸会回缩。为了防止液压缸回缩，限压阀的调定压力应高于液压缸工作压力，超出的百分比为： %9.106.12582 P同样对动臂在平台上的支撑点 C 取矩，求得动臂液压缸所受的被动作用力 1PKNerGrWr7.249 429 230.20147.018306.39271.53105. 410428 使动臂液压缸受压缩（液压缸的大腔为高压腔） 。假设此时限压阀调定压力1P等于液压缸的工作压力，则大腔的闭锁力等于其作用力 246.2KN，而小于 1P=249.7KN，显然液压缸会回缩。为了防止液压缸回缩，限压阀的调定压力应高于液压缸工作压力，超出的百分比为： %4.102.46791 P2.动臂处于最低位置，斗杆与动臂铰点 F，斗与斗杆铰点 Q，斗齿尖 V 三点共线，斗杆挖掘，其作用力臂最大（图 43） 。这种情况下斗杆液压缸产生最大挖掘力，挖掘阻力对动臂铰点 C 的力矩接近最大值，而动臂液压缸的力臂值为最小。表 4-6 第二种工况时各作用力的近似力臂值表（mm） 1r23r45r67r101r314r81e2248 282 300 133 448 318 2620 2448 2268 1233 1676 4621 429 480同理，对 F 点取矩得kNrGePW6.226048106.38147.810.5375362