畢業(yè)設(shè)計（論文）-挖掘機(jī)液壓缸設(shè)計計算.doc

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1、沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘 要 液壓挖掘機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的多功能的建設(shè)施工機(jī)械，作為工程機(jī)械的主力機(jī)種。由于液壓挖掘機(jī)具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點(diǎn)，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞，其生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。液壓挖掘機(jī)主要有發(fā)動機(jī)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置和電器控制等部分組成。本論文由主要設(shè)計挖掘機(jī)的工作裝置。挖掘機(jī)的主要工作就是土壤的挖掘。工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置，許多挖掘機(jī)發(fā)達(dá)的國家廣泛采用新技術(shù)、新方法來不斷地提高液壓挖掘機(jī)的作業(yè)性能和生產(chǎn)率。通過通用性及專業(yè)的挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計方法，進(jìn)行工作裝置的全面計算機(jī)通用性設(shè)計研究對推動國內(nèi)挖掘機(jī)發(fā)展具有十分重

2、要的意義。小型挖掘機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、挖掘力大、操作簡便以及容易實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點(diǎn)。本論文所研究的是斗容量為0.1，型號為徐工XE65D的履帶式全液壓小型單斗挖掘機(jī)。通過設(shè)計工作裝置的液壓缸的尺寸、材料、制造工藝以及進(jìn)行三維建模，完成挖掘機(jī)工作裝置的鏟斗缸、斗桿缸、動臂缸的設(shè)計，最后對所設(shè)計的液壓缸進(jìn)行有限元分析。 關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；工作裝置；液壓缸；三維建模；有限元分析Abstract Hydraulic excavator is a widely used the construction of multi-function construction machinery, as eng

3、ineering machinery of main type of machine. Because of hydraulic excavator has many varieties, multi-functional, high quality and high efficiency and other characteristics, so by many construction work unit of favor, its production and manufacturing the vigorous development. Hydraulic excavator are

4、main engine, hydraulic system, work device, and turn to device, walk device and electric control components. This paper mainly design excavator by work device. Excavator the main work is soil mining. Work device is done directly the task of mining equipment, many excavator developed country widely a

5、dopted new technology, new methods to constantly improve hydraulic excavator homework performance and productivity. Through the general and specialized excavator working device design method, the comprehensive work device to promote universal design study computer domestic excavator development has

6、the very vital significance. Small excavators with compact structure, smooth transmission, mining, simple operation and strength to achieve automatic control, etc. This paper studies the capacity for a 0.1 , type of caterpillar full hydraulic pressure XE65D xu gong small-business single excavator. T

7、hrough the design of the device the size of the hydraulic cylinder, materials, manufacturing process and 3 d modeling, complete excavator working device bucket cylinder, measures stem cylinder, moving arm cylinder of design, and finally the design of hydraulic cylinder in finite element analysis.Key

8、 words：cylinder jacket；disc spring；bulge spring；spindle；FEM目 錄摘 要IAbstractII1. 緒論11.1 小型挖掘機(jī)的概述11.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述21.3 小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述11.4 選題背景和研究意義22. 液壓缸設(shè)計方案的確定42.1 挖掘機(jī)型號及主要參數(shù)42.2 液壓缸各部件材料選擇及其技術(shù)要求52.3 鏟斗缸的尺寸設(shè)計72.3.1 鏟斗缸各部件尺寸設(shè)計42.3.2 缸筒、活塞桿強(qiáng)度校核42.3.3 缸筒、活塞桿穩(wěn)定性校核5 2.4 斗桿缸的尺寸設(shè)計和校核7 2.5 動臂缸的尺寸設(shè)計和校核7 2.6 液壓缸的安裝方

9、式及結(jié)構(gòu)確定73. 液壓缸三維模型的建立103.1 Pro/e繪圖軟件及其介紹103.1.1 Pro/e軟件簡介103.1.2 Pro/e軟件的特點(diǎn)103.2 挖掘機(jī)液壓缸三維模型建立143.2.1 缸筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計143.2.2 活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計153.2.3 活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計143.2.4 前端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計153.2.5 后端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計15 3.3 液壓缸部件組合裝配164. 液壓缸主要部件的有限元分析184.1 有限元分析的必要性184.2 ANSYS軟件介紹19結(jié) 論38致 謝39參考文獻(xiàn)40附 錄A41附 錄B47IV沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1 緒論1.1 小型挖掘機(jī)的概述小型挖掘機(jī)主要用

10、于城市、狹窄地區(qū)，代替人力勞動。主要作業(yè)是挖掘、裝載、整地、起重等，用于城市管道工程、道路、住宅建設(shè)、基礎(chǔ)工程和園林作業(yè)等。小型挖掘機(jī)體積小，機(jī)動靈活，并趨向于一機(jī)多能，配備多種工作裝置，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、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時，發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī)，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機(jī)等。總之它是一種多用途萬能型的城市建設(shè)機(jī)械。由于這種機(jī)械的特點(diǎn)很靠近人，因此在設(shè)計上除了要求耐久性、可靠性和作業(yè)效率等，還需著重考慮人、機(jī)、環(huán)境的協(xié)調(diào)，特別要注意以下幾點(diǎn)：1.安

11、全性即機(jī)械作業(yè)過程中不要與周圍的人和物相碰撞，防傾翻穩(wěn)定性好。2.低公害即排放要求高、低震動、低噪音，聲音要比較悅耳。3.與周圍環(huán)境能調(diào)和，形象要美觀，形體和色彩不要引起人們不愉快感，對人有親和感。4.盡量擴(kuò)大其使用功能，可裝多種附屬裝置，應(yīng)成為城市萬能型工程機(jī)械。5.操縱簡便，任何人一學(xué)就會，都能操縱。小型挖掘機(jī)具有中型挖掘機(jī)的多項功能，又具有便于運(yùn)輸、能耗低、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，非常適用于空間狹小的施工場地作業(yè)，而且價格低、質(zhì)量輕、保養(yǎng)維修方便，所以在小型土石方工程、市政工程、路面修復(fù)、混凝土破碎、電纜埋設(shè)、自來水管道的鋪設(shè)、園林栽培等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于滿足基本的挖掘、裝載、整

12、地、起重等功能外，必須考慮到工作空間小(人力所不能至)、地形復(fù)雜、方便操作、可控，目前市場對小型挖掘機(jī)性能要求如下：1.改進(jìn)挖掘機(jī)可控性和控制精確性以及復(fù)合動作。2.簡化液壓系統(tǒng)、降低成本，達(dá)到大作業(yè)量與低油耗的動態(tài)平衡。3.改進(jìn)工作可靠性。4.改進(jìn)駕駛操作舒適性及降低勞動強(qiáng)度，提高單位生產(chǎn)率。5.改進(jìn)操作安全性。6.低振動、低噪音適用生活區(qū)工作。同時，小型挖掘機(jī)的設(shè)計原則是確保設(shè)備可以在狹窄、復(fù)雜，也就是大型挖掘機(jī)不能進(jìn)入的地區(qū)進(jìn)行高效施工。小型挖掘機(jī)因使用環(huán)境的特殊要求，它必須具有如起重機(jī)的精細(xì)作業(yè)等特性，此有別于中大型挖掘機(jī)。中國的小挖市場(指機(jī)重13t以下)在中國挖掘機(jī)行業(yè)過去的十年，

13、關(guān)鍵配套液壓件等的先天性國產(chǎn)缺損，導(dǎo)致了在中大型挖掘機(jī)市場被韓、日、美、歐等外資企業(yè)瓜分了90%以上的分額。經(jīng)十年艱苦奮斗，國內(nèi)企業(yè)奪回了近27%份額，特別是大型和小型液壓挖掘機(jī)上，近兩年已有較大起色。中國小型挖掘機(jī)市場上人們好像又看到了中國制造的“曙光”，正在奪回和擴(kuò)大國產(chǎn)小挖市場。國內(nèi)小挖制造企業(yè)正由少數(shù)幾家發(fā)展到60余家，這不能不說這是行業(yè)的大發(fā)展，而且出現(xiàn)了許多年產(chǎn)銷量超千臺企業(yè)。1.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述按照挖掘機(jī)工作裝置和各個機(jī)構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來就組成一個挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)。它是以油液為工作介質(zhì)、利用液壓泵將發(fā)動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗懿⑦M(jìn)行傳送，然后通過液

14、壓缸和液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，進(jìn)而實現(xiàn)挖掘機(jī)的各種動作。按照不同的功能可將挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)分為三個基本部分：工作裝置系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)。挖掘機(jī)的工作裝置主要由動臂、斗桿、鏟斗及相應(yīng)的液壓缸組成，它包括動臂、斗桿、鏟斗三個液壓回路?；剞D(zhuǎn)裝置的功能是將工作裝置和上部轉(zhuǎn)臺向左或向右回轉(zhuǎn)，以便進(jìn)行挖掘和卸料，完成該動作的液壓元件是回轉(zhuǎn)馬達(dá)?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)工作時必須滿足如下條件：回轉(zhuǎn)迅速、起動和制動無沖擊、振動和搖擺，與其它機(jī)構(gòu)同時動作時，能合理地分配去各機(jī)構(gòu)的流量。行走裝置的作用是支撐挖掘機(jī)的整機(jī)質(zhì)量并完成行走任務(wù)，多采用履帶式和輪胎式機(jī)構(gòu)，所用的液壓元件主要是行走馬達(dá)。行走系統(tǒng)的設(shè)計要

15、考慮直線行駛問題，即在挖掘機(jī)行走過程中，如果某一工作裝置動作，不致于造成挖掘機(jī)發(fā)生行走偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。挖掘機(jī)的動作復(fù)雜，主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向，負(fù)載變化大，沖擊和振動頻繁，而且野外作業(yè)，溫度和地理位置變化大，因此挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：（1）要保證挖掘機(jī)動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動作，也可以相互配合實現(xiàn)復(fù)合動作。（2）工作裝置的動作和轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)既能單獨(dú)進(jìn)行，又能復(fù)合動作，以提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)率。（3）履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶分別驅(qū)動，使挖掘機(jī)行走方便、轉(zhuǎn)向靈活，并且可就地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機(jī)的靈活性。（4）保證挖掘機(jī)工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)等）良好的過載保護(hù)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

16、和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因自重而快速下降和整機(jī)超速溜坡。為此，液壓系統(tǒng)應(yīng)做到：（1）有高的傳動效率，以充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的動力性和燃料使用經(jīng)濟(jì)性。（2）液壓系統(tǒng)和液壓元件在變化大的負(fù)載、急劇的振動作用下，具有足夠的可靠性。（3）設(shè)置輕便耐振的冷卻器，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使主機(jī)持續(xù)工作時的液壓油溫不超過 80，或溫升不超過 45。（4）由于挖掘機(jī)作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油容易被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性能要好，液壓元件對油液污染的敏感性要低，整個液壓系統(tǒng)要設(shè)置濾油器和防塵裝置。1.3 小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)工作裝置工況分析 挖掘機(jī)的工作裝置主要由動臂、動臂油缸、斗桿、斗桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、擺

17、動桿和連桿等組成。工作裝置液壓系統(tǒng)的功能就是控制動臂油缸，斗桿油缸和鏟斗油缸的各自動作或復(fù)合動作，從而獲得理想的挖掘動力和挖掘軌跡。挖掘機(jī)工作時一個完整的挖掘過程主要包括:挖掘一滿斗舉升一卸載一空斗返回。1.3.1 挖掘工況 通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別進(jìn)行單獨(dú)挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘。因此，在挖掘過程中主要是鏟斗和斗桿有復(fù)合動作，必要時配以動臂動作。平整土地和切削斜坡時，須同時操縱動臂和斗桿，使斗尖能沿直線移動，此時斗桿收回和動臂抬起，希望斗桿和動臂保證彼此獨(dú)立、互不干擾，并要求泵供油流量小、油缸動作慢，容易控制，使鏟斗保持一定切削角并按一定軌跡進(jìn)行切削，或用斗底來壓整地面，則需鏟斗、

18、斗桿、動臂三者同時作用完成復(fù)合動作。鏟斗單獨(dú)挖掘時，也有采用雙泵合流(特別是大型挖掘機(jī))。采用多泵的主要目的是為了防止復(fù)合動作時的相互干擾。1.3.2 滿斗舉升工況 滿斗舉升回轉(zhuǎn)的運(yùn)動時間約占整個作業(yè)循環(huán)時間的50%70%。挖掘結(jié)束后，動臂缸將動臂頂起、滿斗提升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺旋向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。動臂舉升和回轉(zhuǎn)同時動作時，兩者要求在速度上匹配，要求回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動舉升到正確的卸載高度?；剞D(zhuǎn)起動時由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢出，此時應(yīng)將溢流的油供給動臂。在回轉(zhuǎn)舉升時除了動臂舉升外，斗桿要同時外放，有時還需對鏟斗進(jìn)行調(diào)整，此時是

19、回轉(zhuǎn)、動臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動作。1.3.3 卸載工況 轉(zhuǎn)到卸載位置時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑和卸荷高度，鏟斗液壓缸回縮進(jìn)行鏟斗卸荷。為了調(diào)整卸荷位置，還要有動臂液壓缸的配合。因此卸荷時主要是斗桿和鏟斗的復(fù)合動作，兼以動臂動作。1.3.4 空斗返回工況 卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時動臂缸和斗桿缸相互配合動作，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)。此工況是回轉(zhuǎn)、動臂和斗桿復(fù)合動作。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，為防止動臂因重力作用迅速下降、動臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補(bǔ)油，利用重力將動臂缸無桿腔的油供至有桿腔。1.3 選題背景和研究意義 隨著國民

20、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，液壓挖掘機(jī)作為一類快速、高效的施工機(jī)械愈來愈廣地泛使用在各種工程建設(shè)領(lǐng)域，特別是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中所起的重要作用越來越重要。液壓技術(shù)是挖掘機(jī)動力技術(shù)的基礎(chǔ)，極大地促進(jìn)了挖掘機(jī)的發(fā)展;另一方面液壓挖掘機(jī)的發(fā)展也促進(jìn)了液壓技術(shù)的提高。自從德國研制的第一臺液壓挖掘機(jī)誕生以來，液壓技術(shù)被證明是挖掘機(jī)最適合的傳動方式。多年來人們對挖掘機(jī)的液壓傳動技術(shù)及控制理論的研究就從來沒有中斷過。液壓元件的技術(shù)進(jìn)步和高質(zhì)量、高水平的專業(yè)化生產(chǎn)，國內(nèi)外高等院校和科研院所的深入研究，挖掘機(jī)主機(jī)廠的產(chǎn)品研發(fā)及不斷更新?lián)Q代，使挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)及其控制技術(shù)水平不斷提高。近年來隨著電子技術(shù)尤其是計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展

21、，給液壓控制技術(shù)賦予了新的內(nèi)涵。液壓技術(shù)給挖掘機(jī)帶來了一個飛躍，計算機(jī)控制技術(shù)給挖掘機(jī)插上高科技的翅膀。 雖然我國正成為世界上最大的挖掘機(jī)市場，然而在我國挖掘機(jī)產(chǎn)品中，約有90%左右的市場份額被合資和外資企業(yè)占有。據(jù)統(tǒng)計2003年國內(nèi)主要企業(yè)挖掘機(jī)銷量增長66%，市場需求增幅高達(dá)172%，國內(nèi)需求量已經(jīng)超過6萬臺;2005年液壓挖掘機(jī)銷量增幅在20%左右。但2003年最突出的工程機(jī)械進(jìn)口設(shè)備是二手挖掘機(jī)。隨著國外新型挖掘機(jī)和二手挖掘機(jī)大量進(jìn)入中國市場，中國用戶對國外挖掘機(jī)的性能(如作業(yè)可靠性、工作效率、節(jié)能性等)有了較深入的了解，也認(rèn)識到國產(chǎn)挖掘機(jī)在制造質(zhì)量、外觀造型、技術(shù)性能、作業(yè)可靠性、作

22、業(yè)效率、油耗與污染、以及操作性和舒適性等方面，與國外液壓挖掘機(jī)相比存在一定差距。不少用戶為了追求高效率的作業(yè)以保證工期的按時完成，投入更多的資金來購買進(jìn)口挖掘機(jī)或者跟國產(chǎn)新挖掘機(jī)價格相當(dāng)?shù)ぷ骺煽啃匀匀惠^高的國外二手挖掘機(jī)。近幾年國外二手挖掘機(jī)的進(jìn)口和銷售走紅就是這個原因。巨大的挖掘機(jī)市場和國產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)落后，國外先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品不斷引進(jìn)、充斥國內(nèi)市場的現(xiàn)狀，己經(jīng)引起國家有關(guān)部門的高度重視，因此必須對挖掘機(jī)進(jìn)行細(xì)致深入地分析研究。 我國工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展規(guī)劃中把液壓挖掘機(jī)作為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品，同時對挖掘機(jī)的節(jié)能、高效、操作簡化和舒適等方面的研究，也被列為挖掘機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)分析重點(diǎn)研發(fā)內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)。挖

23、掘機(jī)智能化研究可以帶動其他工程機(jī)械機(jī)電一體化的發(fā)展，自主開發(fā)研制智能化節(jié)能挖掘機(jī)也必將獲得更多的市場份額。 隨著世界性的技術(shù)進(jìn)步，當(dāng)今全液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)將高效、節(jié)能、操作舒適、安全、可靠作為其主要追求目標(biāo)，相繼開發(fā)出多種形式的液壓系統(tǒng)和元件。 工作裝置是液壓挖掘機(jī)的主要組成部分之一，是直接完成挖掘任務(wù)的裝置。工作裝置的作業(yè)是三個油缸的復(fù)合動作對土壤的作用。作為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件之一的多路閥，除了要滿足對動臂、斗桿、鏟斗三組液壓缸以及回轉(zhuǎn)，左、右行走馬達(dá)等六個執(zhí)行元件進(jìn)行換向、單動、復(fù)合動作，雙泵合流供油控制以及對元件的過載保護(hù)等功能外，當(dāng)今液壓挖掘機(jī)對多路閥還提出了向主泵提供流量控制信

24、號，節(jié)能、行駛與作業(yè)復(fù)合動作，主安全閥兩級壓力控制等多種功能的要求。 通過對各節(jié)流口的開口面積的調(diào)整，就可以調(diào)整流過各節(jié)流口的流量，而不會隨著各自負(fù)載壓力的高低而變。只要泵的輸出流量足夠，就可以避免低負(fù)載過快、高負(fù)載停止的現(xiàn)象。 除傳統(tǒng)型挖掘機(jī)工作裝置的動臂、斗桿和鏟斗三元件構(gòu)成的通用型產(chǎn)品迅速發(fā)展外，由大臂、中臂、斗桿和快換作業(yè)裝置四元件構(gòu)成的產(chǎn)品也迅速發(fā)展，這既體現(xiàn)了各個廠家市場差異化的產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略，也體現(xiàn)了各自的技術(shù)水平和實力。液壓挖掘機(jī)多用途工作裝置是國際挖掘機(jī)的一個發(fā)展方向。多執(zhí)行器負(fù)載敏感系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用于車輛、工程機(jī)械以及其他機(jī)械的一種節(jié)能型液壓系統(tǒng)。由于系統(tǒng)在僅由單泵供油的情

25、況下，通過壓力補(bǔ)償同時控制多個具有不同負(fù)載壓力的執(zhí)行器，因而可以僅通過改變各操作閥的操作量來調(diào)整各執(zhí)行器的速度，使控制速度不隨負(fù)載壓力而變。2 液壓缸設(shè)計方案的確定2.1 挖掘機(jī)型號及主要參數(shù) 本人所選擇設(shè)計的挖掘機(jī)的型號為“徐工XE65D”型小型挖掘機(jī)，小型液壓挖掘機(jī)主要用于城市等狹窄地區(qū)，代替人力勞動，在世界工程機(jī)械市場，屬于銷量最大的工程機(jī)械產(chǎn)品之一。近來又由于社會的發(fā)展，市場條件的變化，社會對全液壓小型、微型挖掘機(jī)又有了新的需求，其生產(chǎn)制造也日益蓬勃發(fā)展。該挖掘機(jī)的具體參數(shù)如下： 鏟斗容量 0.25， 鏟斗寬度 700， 操作重量 6200（7 t）， 發(fā)動機(jī): 型號 YANMAR 4

26、TNV94L 總排量 3.045 L 額定輸出功率 39kw/2200 rpm 最大挖掘高度：5660 最大卸載高度：3970 最大挖掘深度：3830 最大挖掘半徑：6130 最小回轉(zhuǎn)半徑：2452 鏟斗挖掘力：43.2 KN 斗桿挖掘力：31.5 KN 動臂挖掘力：50.4 KN 系統(tǒng)工作壓力：30MPa 系統(tǒng)流量：160 L/min 液壓泵類型：2個變量柱塞泵1個齒輪泵 主泵流量：25942 L/min 燃油箱容量：120 L 主溢流閥壓力：24.5 （MPa）該挖掘機(jī)的圖片如下： 圖2.1 小型挖掘機(jī)示意圖2.2 液壓缸各部件材料選擇及加工技術(shù)要求 端蓋：端蓋裝在缸筒兩端，與缸筒形成封閉

27、油腔，同樣承受很大的液壓力，因此端蓋及其連接件都應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。當(dāng)工作壓力P10MPa時，也使用HT20HT40、HT25HT47、等鑄鐵。P20MPa時使用無縫鋼管，P20MPa時使用鑄鋼或鍛鋼。缸蓋常用35鋼、45鋼的鍛件或鑄造毛坯。缸蓋技術(shù)要求如下：I 缸蓋內(nèi)控尺寸公差一般取H8，粗糙度不低于0.8 um ；II 缸蓋內(nèi)孔與止口外徑D的圓柱度誤差不大于直徑公差的一半，軸線的圓跳動，在直徑100上不大于0.04。 缸筒：缸筒毛坯材料可選用25鋼，35鋼，45鋼等，普遍采用退火的冷拔或熱軋無縫鋼管，對于工作溫度低于-50度的液壓缸缸筒，必須用35鋼、45鋼，且要調(diào)質(zhì)處理 ，對于較厚壁的毛坯仍

28、用鑄鐵或鍛件。 缸筒技術(shù)要求如下： I 用足夠的強(qiáng)度，能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)試驗壓力而不致產(chǎn)生永久變形。 II 有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。 III 尺寸公差等級和形位公差等級足以保證活塞密封件的密封性。 活塞：活塞材料用高強(qiáng)度鑄鐵HT200HT300或球墨鑄鐵。 活塞的技術(shù)要求如下： I 活塞的外徑基本偏差一般采用f、g、h等；橡膠密封活塞公差等級可選用7、8、9級 ； II 缸筒與活塞一般采用基孔制的間隙配合； III 外徑對內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02，端面與軸線的垂直度公差不大于0.04/10，外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公差的一半，

29、表面粗糙度視結(jié)構(gòu)形式不同而各異。 活塞桿：一般用中碳鋼（如45鋼、40Cr等），調(diào)質(zhì)處理241286HB。對活塞桿通常要求淬火5258HRC，淬火深度一般為0.51，或活塞桿直徑每毫米淬深0.03，再校直，再磨，再鍍鎳鍍鉻，再拋光。 活塞桿技術(shù)要求如下 ： I 其圓柱度和圓度公差大于直徑公差的一半。安裝活塞的軸頸與外圓的同軸度公差不大于0.01。安裝活塞的軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04/10； II 活塞桿外圓粗糙度值Ra值一般為0.10.3um.為了防銹，活塞桿表面需進(jìn)行鍍鉻處理，鍍層厚為0.030.05，并進(jìn)行拋光和磨削加工。 導(dǎo)向套：金屬導(dǎo)向套一般采用摩擦因數(shù)小，耐磨性好

30、的青銅材料制作。端蓋式直接導(dǎo)向型的導(dǎo)向套材料用灰鑄鐵、球墨鑄鐵、氧化鑄鐵等。 導(dǎo)向套技術(shù)要求如下： I 導(dǎo)向套外圓與端蓋內(nèi)孔的配合為H8/f7，內(nèi)孔與活塞桿外圓的配合多為H9/f9，外圓與內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.03 ，圓度和圓柱度公差不大于直徑公差的一半，內(nèi)孔中的環(huán)形油槽和直油槽要淺而寬，以保證良好的潤滑。 2.3 鏟斗缸的尺寸設(shè)計 2.3.1 鏟斗缸各部件尺寸確定 (1) 根據(jù)鏟斗缸的最大外負(fù)載，可以設(shè)計計算鏟斗缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 當(dāng)推力驅(qū)動工作負(fù)載時： F=Wmax=/4D2（PP0）d2P0 由此可求出缸筒內(nèi)徑為： 其中Wmax=43200 N， P為系統(tǒng)最高壓力 P=30MPa 因為上

31、式中系統(tǒng)背壓，所以取P0為1MPa， 取速比=2， 為機(jī)械效率，取 =0.95， 將各值代入上式中，得 D=44， 根據(jù)查表GB/T23481993，得到D=50 (2) 活塞桿的直徑為： 所以直徑d=35.35, 查表GB/T2348-1993規(guī)定的活塞桿尺寸圓整為d=36 (3) 最大工作行程為： 當(dāng)=2時，行程 S=10D=500， 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-1980規(guī)定的液壓缸行程系列圓整到S=500 (4) 活塞有效計算長度液壓缸的安裝尺寸，可查設(shè)計手冊得： 安裝尺寸=L1S =280+500 =780 當(dāng)液壓缸的活塞桿全部滲出來時，有效計算長度為： L=L1+2S =280+500+5

32、00 =1280S-液壓缸的安裝尺寸（查設(shè)計手冊得到）（5） 活塞寬度： 查表得 B=（0.61.0）D =(3050)此時選取活塞桿的寬度 B=40式中 D為液壓缸缸筒的內(nèi)徑(6) 最小導(dǎo)向長度 當(dāng)S=10D時，查設(shè)計手冊，得最小導(dǎo)向距離H50 (7) 缸筒壁厚： 因為缸筒材料選用無縫鋼管45，所以b=800MPa, n-安全系數(shù)，一般取 n=5 該材料的許用應(yīng)力計算為： =b/n =800/5 =160MPa 由壁厚計算公式 所以查標(biāo)準(zhǔn)壁厚表，取=9 (8) 缸筒外頸 De=D+2 =68 因為液壓缸的缸筒是無縫鋼管，因此加工內(nèi)部要留出（510）的加工余量 （9） 鏟斗缸的流量計算：（設(shè)計

33、要求每缸伸縮速度Vmax=6000/min） 當(dāng)活塞桿前進(jìn)時： Q= D2V/4 =11.775 L/min 當(dāng)活塞桿后退時： Q=(D2d2)V/4 =6.00 L/min (10) 鏟斗缸運(yùn)動時間計算： a. 鏟斗油缸全伸最短時間T1計算： T1 = D2S/ 4Q =5.08 (秒) b. 鏟斗油缸全縮最短時間T2計算： T2 = （D2d2）S/4Q =5.004 (秒) 2.3.2 缸筒、活塞桿強(qiáng)度校核 （1） 已知尺寸參數(shù)如下： 缸筒內(nèi)徑 D=50 , 活塞桿直徑 d= 36， 行程 S=500， 缸筒內(nèi)壁厚 = 9， 有效計算長度 L=1280(2) 活塞桿應(yīng)力校核： = PgD

34、2/ d2 （Pg 為油缸最大閉鎖壓力） =57.87MPa 活塞桿的材質(zhì)采用45調(diào)質(zhì)處理，查表得該材料的強(qiáng)度極限 b = 800MPa ， 所以該材料的許用應(yīng)力為： = b/n =800/5 =160MPa (n為安全系數(shù)，一般n=5)由此可見， ，應(yīng)力狀況滿足要求。 （3） 缸筒強(qiáng)度驗算： 因為壁厚 = 9，缸筒內(nèi)徑 D = 50 ，所以壁厚與缸筒內(nèi)徑之比： 3.2D/ = 5.5 16 ,屬于中等壁厚缸筒，可按材料學(xué)第二強(qiáng)度理論驗算。 = 4.025 ， 上式中 P-為系統(tǒng)最高壓力 P = 30MPa， 所以 1 ，該缸筒強(qiáng)度滿足要求。 2.3.3 缸筒、活塞桿穩(wěn)定性校核 （1） 活塞桿

35、的壓穩(wěn)定性校核： 活塞桿斷面最小慣性矩： =0.073710-6 （m4） 活塞桿橫斷面的回轉(zhuǎn)半徑： =0.00875 m =8.75 活塞桿柔性系數(shù)： =147.13 147 式中 -為長度折算系數(shù)，對于兩端鉸接約束方式一般取 1， L-為有效計算長度 鋼材柔度極限值： =60.7760.8 式中 P-45號鋼材的比例極限； E-為材料的彈性模量，E = 2.06105MPa； 根據(jù)上面的計算可知，1時，用歐拉公式計算臨界力 FK =0.867105 (N) 式中 -為長度折算系數(shù)，對于兩端鉸接約束方式一般取 1， L-為有效計算長度 油缸最大閉鎖力： =5.9104 （N） 式中 Pg-油

36、缸最大閉鎖壓力 D-為缸筒內(nèi)徑 求該活塞桿穩(wěn)定性系數(shù)： = 2.406 1 所以，該活塞桿的穩(wěn)定性滿足要求。2.4 斗桿缸的尺寸設(shè)計及校核 2.4.1 斗桿缸各部件尺寸確定 (1) 根據(jù)斗桿缸的最大外負(fù)載，可以設(shè)計計算鏟斗缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 當(dāng)推力驅(qū)動工作負(fù)載時： F=Wmax=/4D2（PP0）d2P0 由此可求出缸筒內(nèi)徑為： 其中Wmax=31500 N， P為系統(tǒng)最高壓力 P=30MPa 因為上式中系統(tǒng)背壓，所以取P0為1MPa， 取速比=2， 為機(jī)械效率，取 =0.95， 將各值代入上式中，得 D=37.83， 根據(jù)查表GB/T23481993，得到D=40 (2) 活塞桿的直徑為： 所以

37、直徑d=28.2, 查表GB/T2348-1993規(guī)定的活塞桿尺寸圓整為d=28 (3) 最大工作行程為： 當(dāng)=2時，行程 S=10D=400， 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-1980規(guī)定的液壓缸行程系列圓整到S=400 (4) 活塞有效計算長度液壓缸的安裝尺寸，可查設(shè)計手冊得： 安裝尺寸=L1S =255+400 =655 當(dāng)液壓缸的活塞桿全部滲出來時，有效計算長度為： L=L1+2S =255+400+400 =1055S-液壓缸的安裝尺寸（查設(shè)計手冊得到）（6） 活塞寬度： 查表得 B=（0.61.0）D =(2440)此時選取活塞桿的寬度 B = 35式中 D為液壓缸缸筒的內(nèi)徑(7) 最小導(dǎo)向

38、長度 當(dāng)S=10D時，查設(shè)計手冊，得最小導(dǎo)向距離H50 (7) 缸筒壁厚： 因為缸筒材料選用無縫鋼管45，所以b=800MPa, n-安全系數(shù)，一般取 n=5 該材料的許用應(yīng)力計算為： =b/n =800/5 =160MPa 由壁厚計算公式 所以查標(biāo)準(zhǔn)壁厚表，取=8.5 (8) 缸筒外頸 De=D+2 =57 因為液壓缸的缸筒是無縫鋼管，因此加工內(nèi)部要留出（510）的加工余量 （9） 斗桿缸的流量計算：（設(shè)計要求每缸伸縮速度Vmax=6000/min） 當(dāng)活塞桿前進(jìn)時： Q= D2V/4 =7.563 L/min 2.4.2 缸筒、活塞桿強(qiáng)度校核 （1） 已知尺寸參數(shù)如下： 缸筒內(nèi)徑 D=40

39、 , 活塞桿直徑 d= 28， 行程 S=400， 缸筒內(nèi)壁厚 = 8.5， 有效計算長度 L=1055(2) 活塞桿應(yīng)力校核： = PgD2/ d2 （Pg 為油缸最大閉鎖壓力） =61.22MPa 活塞桿的材質(zhì)采用45調(diào)質(zhì)處理，查表得該材料的強(qiáng)度極限 b = 800MPa ， 所以該材料的許用應(yīng)力為： = b/n =800/5 =160MPa (n為安全系數(shù)，一般n=5)由此可見， ，應(yīng)力狀況滿足要求。 （3） 缸筒強(qiáng)度驗算： 因為壁厚 = 8.5，缸筒內(nèi)徑 D = 40 ，所以壁厚與缸筒內(nèi)徑之比： 3.2D/ = 4.70 10 ,屬于中等壁厚缸筒，可按材料學(xué)第二強(qiáng)度理論驗算。 = 3.

40、80 ， 上式中 P-為系統(tǒng)最高壓力 P = 30MPa， 所以 1 ，該缸筒強(qiáng)度滿足要求。 2.4.3 缸筒、活塞桿穩(wěn)定性校核 （1） 活塞桿的壓穩(wěn)定性校核： 活塞桿斷面最小慣性矩： =0.0310-6 （m4） 活塞桿橫斷面的回轉(zhuǎn)半徑： =0.0069 m =6.9 活塞桿柔性系數(shù)： 170 式中 -為長度折算系數(shù)，對于兩端鉸接約束方式一般取 1， L-為有效計算長度 鋼材柔度極限值： =60.7760.8 式中 P-45號鋼材的比例極限； E-為材料的彈性模量，E = 2.06105MPa； 根據(jù)上面的計算可知，1時，用歐拉公式計算臨界力 FK =0.4105 (N) 式中 -為長度折算

41、系數(shù)，對于兩端鉸接約束方式一般取 1， L-為有效計算長度 油缸最大閉鎖力： =3.8104 （N） 式中 Pg-油缸最大閉鎖壓力 D-為缸筒內(nèi)徑 求該活塞桿穩(wěn)定性系數(shù)： = 1.05 1 所以，該活塞桿的穩(wěn)定性滿足要求2.5 動臂缸的尺寸設(shè)計及校核 2.5.1 動臂缸各部件尺寸確定 (1) 根據(jù)動臂缸的最大外負(fù)載，可以設(shè)計計算動臂缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 當(dāng)推力驅(qū)動工作負(fù)載時： F=Wmax=/4D2（PP0）d2P0 由此可求出缸筒內(nèi)徑為： 其中Wmax=50400 N， P為系統(tǒng)最高壓力 P=30MPa 因為上式中系統(tǒng)背壓，所以取P0為1MPa， 取速比=2， 為機(jī)械效率，取 =0.95， 將各值

42、代入上式中，得 D=47.8， 根據(jù)查表GB/T23481993，得到D=63 (2) 活塞桿的直徑為： 所以直徑d=38.8, 查表GB/T2348-1993規(guī)定的活塞桿尺寸圓整為d=45 (3) 最大工作行程為： 當(dāng)=2時，行程 S=10D=630， 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-1980規(guī)定的液壓缸行程系列圓整到S=630 (4) 活塞有效計算長度液壓缸的安裝尺寸，可查設(shè)計手冊得： 安裝尺寸=L1S =295+630 =925 當(dāng)液壓缸的活塞桿全部滲出來時，有效計算長度為： L=L1+2S =295+630+630 =1555S-液壓缸的安裝尺寸（查設(shè)計手冊得到）（7） 活塞寬度： 查表得 B=

43、（0.61.0）D =(37.863)此時選取活塞桿的寬度 B=50式中 D為液壓缸缸筒的內(nèi)徑(8) 最小導(dǎo)向長度 當(dāng)S=10D時，查設(shè)計手冊，得最小導(dǎo)向距離H50 (7) 缸筒壁厚： 因為缸筒材料選用無縫鋼管45，所以b=800MPa, n-安全系數(shù)，一般取 n=5 該材料的許用應(yīng)力計算為： =b/n =800/5 =160MPa 由壁厚計算公式 所以查標(biāo)準(zhǔn)壁厚表，取=7.5 (8) 缸筒外頸 De=D+2 =78 因為液壓缸的缸筒是無縫鋼管，因此加工內(nèi)部要留出（510）的加工余量 （9） 動臂缸的流量計算：（設(shè)計要求每缸伸縮速度Vmax=6000/min） 當(dāng)活塞桿前進(jìn)時： Q= D2V/

44、4 =18.67 L/min 當(dāng)活塞桿后退時： Q=(D2d2)V/4 =9.156 L/min (10) 動臂缸運(yùn)動時間計算： a. 鏟斗油缸全伸最短時間T1計算： T1 = D2S/ 4Q =10.1 (秒) b. 鏟斗油缸全縮最短時間T2計算： T2 = （D2d2）S/4Q =6.30 (秒) 2.5.2 缸筒、活塞桿強(qiáng)度校核 （1） 已知尺寸參數(shù)如下： 缸筒內(nèi)徑 D=63 , 活塞桿直徑 d= 45， 行程 S=630， 缸筒內(nèi)壁厚 = 7.5， 有效計算長度 L=1540(2) 活塞桿應(yīng)力校核： = PgD2/ d2 （Pg 為油缸最大閉鎖壓力） =58.8MPa 活塞桿的材質(zhì)采用

45、45調(diào)質(zhì)處理，查表得該材料的強(qiáng)度極限 b = 800MPa ， 所以該材料的許用應(yīng)力為： = b/n =800/5 =160MPa (n為安全系數(shù)，一般n=5)由此可見， ，應(yīng)力狀況滿足要求。 （3） 缸筒強(qiáng)度驗算： 因為壁厚 = 7.5，缸筒內(nèi)徑 D = 63 ，所以壁厚與缸筒內(nèi)徑之比： 3.2D/ = 8.4 16 ,屬于中等壁厚缸筒，可按材料學(xué)第二強(qiáng)度理論驗算。 = 6.056 ， 上式中 P-為系統(tǒng)最高壓力 P = 30MPa， 所以 1 ，該缸筒強(qiáng)度滿足要求。 2.5.3 缸筒、活塞桿穩(wěn)定性校核 （1） 活塞桿的壓穩(wěn)定性校核： 活塞桿斷面最小慣性矩： =0.20110-6 （m4）

46、活塞桿橫斷面的回轉(zhuǎn)半徑： =0.01124 m =11.24 活塞桿柔性系數(shù)： =137.01 137 式中 -為長度折算系數(shù)，對于兩端鉸接約束方式一般取 1， L-為有效計算長度 鋼材柔度極限值： =60.7760.8 式中 P-45號鋼材的比例極限； E-為材料的彈性模量，E = 2.06105MPa； 根據(jù)上面的計算可知，1時，用歐拉公式計算臨界力 FK =1.721105 (N) 式中 -為長度折算系數(shù)，對于兩端鉸接約束方式一般取 1， L-為有效計算長度 油缸最大閉鎖力： =9.3104 （N） 式中 Pg-油缸最大閉鎖壓力 D-為缸筒內(nèi)徑 求該活塞桿穩(wěn)定性系數(shù)： = 1.85 1

47、所以，該活塞桿的穩(wěn)定性滿足要求。2.6 液壓缸安裝方式及結(jié)構(gòu)確定 由于小型挖掘機(jī)工作裝置液壓缸需要直線運(yùn)動，并實際參觀挖掘機(jī)液壓桿的安裝方式，最終確定三個均采用鉸接的方式，其中液壓缸活塞桿上端開有螺紋，和帶有鉸接安裝方式的螺帽配合，液壓缸底端蓋采用帶有鉸接的單耳環(huán)形式，其具體結(jié)構(gòu)在第三章中會具體介紹。其中單耳環(huán)用柱銷尺寸系列： 型號缸筒內(nèi)徑（） 額定作用（N）柱銷長最小值（）柱銷直徑()102580002910123212500371216402000045142050320006620256350000662030808000087284010012500010736501252000001

48、29456016050000014956 圖2.2 單耳環(huán)用柱銷尺寸系列 液壓缸前端蓋和缸筒采用螺栓聯(lián)接，缸筒和后端蓋采用螺釘聯(lián)接，后端蓋開有螺紋孔，前端蓋裝有一個防塵槽和兩個密封槽，活塞和活塞桿的聯(lián)接也采用螺紋固定，活塞外壁和缸筒內(nèi)壁帶有密封槽。 整個液壓缸通過銷和動臂鉸接在一起，實現(xiàn)液壓缸的直線往復(fù)運(yùn)動。 3 液壓缸三維模型建立3.1 Pro/e繪圖軟件及其介紹3.1.1 Pro/e軟件簡介 1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過了10余年的發(fā)展，Pro/ENINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已

49、經(jīng)發(fā)布了Pro/ENINEER5.0.PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計和機(jī)械設(shè)計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。3.1.2 Pro/e軟件特性 全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用?；谔卣鞯膮?shù)化造型：

50、Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學(xué)科的工程師同時對同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進(jìn)行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“