0.3m3履帶式挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)（含CATIA三維+CAD二維）

0.3m3履帶式挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)（含CATIA三維+CAD二維）,m3,履帶式,挖掘機(jī),工作,裝置,設(shè)計(jì),catia,三維,cad,二維 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書[在此處鍵入]西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目： 0.3m3履帶式挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)院（系）： 機(jī)械電子工程系專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名： 趙佳賓學(xué) 號(hào)： 201506040231指導(dǎo)教師（簽名）：主管院長(zhǎng)（主任）（簽名）：時(shí) 間： 2019 年 3 月 4 日畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書[在此處鍵入]摘 要隨著科技的發(fā)展，中國(guó)挖掘機(jī)及液壓行業(yè)也在飛速進(jìn)步。而液壓技術(shù)是現(xiàn)代挖掘機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)，其性能的優(yōu)劣決定著挖掘機(jī)工作性能的高低，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到液壓挖掘機(jī)的工作性能和可靠性。本設(shè)計(jì)主要是對(duì) 0.3m3 履帶式挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先論述了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本回路，其次設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)，包括工作原理分析，系統(tǒng)工作循環(huán)和工作回路進(jìn)行分析，其次總結(jié)了挖掘機(jī)工作裝置性能要求和設(shè)計(jì)原則 ，然后對(duì)其工作裝置進(jìn)行了方案選擇以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并確定各鉸點(diǎn)之間的距離，用 CATIA 軟件繪出其各個(gè)零部件模型。接著根據(jù)零部件模型并結(jié)合其他機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)畫出工作裝置的二維圖紙，最后根據(jù)圖紙上的具體結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)工作裝置的主要部件進(jìn)行校核。關(guān)鍵詞:液壓系統(tǒng)，工作裝置，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模型畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書[在此處鍵入]AbtractWith the development of science and technology, China's excavator and hydraulic industry is also making rapid progress. Hydraulic technology is the technological foundation of modern excavators. Its performance determines the working performance of excavators. The rationality of its structure directly affects the working performance and reliability of hydraulic excavators. This design mainly designs the working device of 0.3m3 crawler excavator. Firstly, the basic circuit of excavator hydraulic system is discussed. Secondly, the hydraulic system of excavator is designed, including working principle analysis, system working cycle analysis and working circuit analysis. Secondly, the performance requirements and design principles of excavator working device are summarized. Then, the scheme selection and kinematics analysis of excavator working device are carried out, and the distance between various hinges is determined. CATIA is used to analyze the working device. The software draws the models of each component. Then, according to the parts model and other mechanical design knowledge, the two-dimensional drawings of the working device are drawn. Finally, the main parts of the working device are checked according to the specific structural dimensions on the drawings.Key words：hydraulic system, working device, kinematics analysis, structural design, model畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書[在此處鍵入]目錄摘 要 .- 2 -Abtract .- 3 -第一章 緒 論 61.1 課題研究的背景 61.2 挖掘機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r .61.2.1 國(guó)外液壓挖掘機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r .61.2.2 國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r .61.3 課題研究的意義 .71.4 挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)分類 71.5 研究的方法及思路 .81.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 8第二章 挖掘機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 92.1 工作裝置的組成 .92.2 工作裝置的結(jié)構(gòu)方案選擇 .112.2.1 動(dòng)臂布置方案選擇 112.2.2 斗桿布置方案選擇 132.2.3 油缸布置方案選擇 .132.2.4 挖斗結(jié)構(gòu)形式確定 142.3 挖掘機(jī)的工作裝置運(yùn)動(dòng)分析 142.3.1 挖掘過程分析 .162.3.2 舉升回轉(zhuǎn)過程 .182.3.3 卸載過程 182.3.4 空載回轉(zhuǎn)過程 182.3.5 整機(jī)移動(dòng)過程 18畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書[在此處鍵入]2.4 工作裝置的設(shè)計(jì)要求 .192.4.1 幾何尺寸要求 192.4.2 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性要求 202.4.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求 21第三章 工作裝置的結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析 223.1 動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析 .223.2 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析 .233.3 挖斗的運(yùn)動(dòng)分析 .243.4 極限位置的校核 .263.4.1 最大挖掘半徑 263.4.2 最大挖掘深度 263.4.3 最大卸載高度 .273.4.4 最大挖掘高度 28第四章 主要零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 294.1 挖斗的設(shè)計(jì) .304.2 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇 .304.3 斗桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇 .324.4 連桿機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選擇 .33第五章 工作裝置的受力分析與校核 385.1 挖掘過程受力分析 .385.2 工作裝置油缸作用力的確定 .405.2.1 挖斗油缸作用力的確定 .405.2.2 斗桿油缸作用力的確定 .415.2.3 動(dòng)臂油缸作用力的確定 .425.3 工作裝置的強(qiáng)度校核 435.4 斗桿的力學(xué)分析 .44畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書[在此處鍵入]5.5 斗桿的強(qiáng)度校核 .495.6 動(dòng)臂的力學(xué)分析 .545.7 動(dòng)臂的強(qiáng)度校核 .56總 結(jié) 59參考文獻(xiàn) 60致 謝 61本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]第一章 緒 論1.1 課題研究的背景挖掘機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的許多行業(yè)被廣泛地采用，如工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水利電氣工程、農(nóng)田改造、礦山采掘以及現(xiàn)代化軍事工程等等行業(yè)的機(jī)械化施工中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般工程施工中約有 60%的土方量、露天礦山中 80%的剝離量和采掘量是用挖掘機(jī)完成的。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入和在建設(shè)中挖掘機(jī)的廣泛應(yīng)用，挖掘機(jī)市場(chǎng)有著廣闊的發(fā)展空間，因此發(fā)展?jié)M足我國(guó)國(guó)情所需要的挖掘機(jī)是十分必要的。而工作裝置作為挖掘機(jī)的重要組成部分，對(duì)其研究和控制是對(duì)整機(jī)開發(fā)的基礎(chǔ)。單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置是一個(gè)較復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其運(yùn)動(dòng)分析、機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面都作了較深入的研究，具體的設(shè)計(jì)特別是小型挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟。而關(guān)于單斗液壓挖掘機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)也很多，這些文獻(xiàn)從不同側(cè)面對(duì)工作裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述。而筆者的設(shè)計(jì)知識(shí)和水平能力只是初學(xué)者，進(jìn)行本課題的設(shè)計(jì)是為對(duì)挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)有一些大體的認(rèn)識(shí)，鞏固所學(xué)的知識(shí)和提高設(shè)計(jì)能力。1.2 挖掘機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.2.1 國(guó)外液壓挖掘機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，產(chǎn)品線齊全，技術(shù)成熟。美國(guó)、德國(guó)和日本是液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)，具有較高市場(chǎng)占有率。20 世紀(jì)后期開始，國(guó)際上液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)從產(chǎn)品規(guī)格上看，在穩(wěn)定和完善主力機(jī)型的基礎(chǔ)上向大型化、微型化方向發(fā)展；從產(chǎn)品性能上看，向高效節(jié)能化、自動(dòng)化、信息化、智能化的方向發(fā)展。世界上較早開發(fā)研制挖掘機(jī)的國(guó)家，1954 年和 1955 年德國(guó)的德馬克和利渤海爾兩家公司分別開發(fā)了全液壓挖掘機(jī)；美國(guó)是繼德國(guó)以后生產(chǎn)挖掘機(jī)歷史最長(zhǎng)、數(shù)量最大、品種最多和技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位的國(guó)家；日本挖掘機(jī)制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)展起來的，其主要特點(diǎn)是在引進(jìn)、消化先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的；韓國(guó)是液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)的后起之秀，20 世紀(jì) 70 年代開始引進(jìn)技術(shù)，于產(chǎn)業(yè)政策支持，很快進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，并已擠入國(guó)際液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)之一。1.2.2 國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]我國(guó)從 1967 年開始研制液壓挖掘機(jī)。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機(jī)械廠的WY100、貴陽(yáng)礦山機(jī)器廠的 W4－60、合肥礦山機(jī)器廠的 WY60 等。到 20 世紀(jì) 70 年代末 80年代初，長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠和杭州重型機(jī)械研制成功了 WY160 和 WY250 等液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。從 1994 年開始，美國(guó)的卡特彼勒公司、日本的神戶制鋼所、日本的小松制作所、日本的日立建機(jī)株式會(huì)社、韓國(guó)大宇重工、韓國(guó)現(xiàn)代重工業(yè)以及德國(guó)利勃海爾、德國(guó)雪孚、德國(guó)阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司先后在中國(guó)建立了中外合資、外商獨(dú)資挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)具有世界先進(jìn)水平的多種型號(hào)和規(guī)格的液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。近年來我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速，液壓挖掘機(jī)市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大，形成了巨大的挖掘機(jī)市場(chǎng)空間，但該行業(yè)主要由合資企業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國(guó)內(nèi)一些工程機(jī)械待業(yè)的上市股分公司合資的方式介入了挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)國(guó)內(nèi)還有眾多的企業(yè)也在生產(chǎn)液壓挖掘機(jī)，但在生產(chǎn)規(guī)模、品種、質(zhì)量等方面與國(guó)外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展民族挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，必須瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平，圍繞國(guó)內(nèi)外兩個(gè)市場(chǎng)，在充分利用國(guó)際化配套的國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)自主創(chuàng)新意識(shí)，掌握核心設(shè)計(jì)制造技術(shù)，發(fā)揮性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，把我國(guó)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品做大做強(qiáng)。1.3 課題研究的意義隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，液壓挖掘機(jī)在各種工程建設(shè)領(lǐng)域，特別是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中所起的作用越來越明顯，液壓挖掘機(jī)作為一類快速、高效的施工機(jī)械愈來愈被人們所認(rèn)識(shí)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003 年我國(guó)挖掘機(jī)總銷售量突破 6 萬(wàn)臺(tái)，其中國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)銷量總和達(dá)到 萬(wàn)臺(tái)，成為世界第一大挖掘機(jī)市場(chǎng)。 挖掘機(jī)的發(fā)展與液壓技術(shù)密不可分，二者相互促進(jìn)，一方面，液壓技術(shù)是現(xiàn)代挖掘機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)，另一方面，挖掘機(jī)的發(fā)展又促進(jìn)了液壓技術(shù)的提高。挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)復(fù)雜，其性能的優(yōu)劣決定著挖掘工作性能的高低，可以說目前液壓傳動(dòng)的許多先進(jìn)技術(shù)都體現(xiàn)在挖掘機(jī)上。近年來，有關(guān)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的文獻(xiàn)并不少見，但文獻(xiàn)的內(nèi)容大多針對(duì)某一專題進(jìn)行研究，系統(tǒng)地論述現(xiàn)代液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的論文卻較少，因此研究挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。1.4 挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)分類單斗液壓挖掘機(jī)可按用途及其主要裝置的特征進(jìn)行分類。按液壓挖掘機(jī)主要用途及工作裝置的不同分為通用型和專用型兩種。中小型挖掘機(jī)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]大多數(shù)為通用型，即以挖掘土壤容重 18000N/m3為標(biāo)準(zhǔn)反挖斗的主要裝置外，還配有適于挖掘各種輕重土質(zhì)和挖掘幅度的反鏟、正鏟、抓斗、裝載、起重等多種可換裝置。而大型液壓挖掘機(jī)則以礦用正鏟為主要裝置外，一般亦配有挖掘輕重土、石料和各種挖掘幅度的正、反鏟等裝置。主要用于礦山采掘和裝載、稱采礦或礦用型。按工作裝置的結(jié)構(gòu)不同分為鉸接式和伸縮臂式挖掘機(jī)，常用者均為鉸接式，伸縮臂式挖掘機(jī)因可用于平整清理場(chǎng)地和坡道等作業(yè)，故有挖掘平地機(jī)之稱。按行走裝置的不同，液壓挖掘機(jī)分為履帶式、輪胎式、汽車式、懸掛式及拖式等種類。屐帶式因有良好通過性能應(yīng)用最廣，對(duì)松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長(zhǎng)及以浮式履帶來降低接地比壓。輪式挖掘機(jī)具有行走速度快，機(jī)動(dòng)性好、可在城市道路通行，故近年來在中小型液壓挖掘機(jī)中發(fā)展較快。汽車式、懸掛式是以汽車及拖拉機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)械(底盤)裝設(shè)挖掘或裝載工作裝置的小型挖掘機(jī)。適用于城建小量土方工程及農(nóng)村建筑。拖式則沒有行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)移時(shí)由牽引車牽引，主要優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。按回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)角的不同，液壓挖掘機(jī)有全回轉(zhuǎn)和半回轉(zhuǎn)兩類。大部分液壓挖掘機(jī)是全回轉(zhuǎn)式的，小型液壓挖掘機(jī)如懸掛式等工作裝置僅能作 180°左右的回轉(zhuǎn)，為半回轉(zhuǎn)式。按主要機(jī)構(gòu)是否全部采用液壓傳動(dòng)又分為全液壓式與半液壓式兩種。兩者區(qū)別在于半液壓傳動(dòng)挖掘機(jī)的行走機(jī)構(gòu)采用機(jī)械傳動(dòng)，少數(shù)挖掘機(jī)僅工作裝置采用液壓傳動(dòng)，如大型礦用挖掘機(jī)等。目前國(guó)產(chǎn)輪胎式液壓挖掘機(jī)多采用半液壓式。1.5 研究的方法及思路（1）通過查閱相關(guān)資料，掌握液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù)。（2）充分考慮已有液壓挖掘機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)來確定液壓挖掘機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)現(xiàn)有裝置的不足進(jìn)行分析。（3）對(duì)設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)進(jìn)行修改和優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出能滿足要求的液壓挖掘機(jī)。（4）根據(jù)題目和原始數(shù)據(jù)查看相關(guān)資料，了解當(dāng)今國(guó)內(nèi)外液壓挖掘機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報(bào)告。（5）根據(jù)產(chǎn)品功能和技術(shù)要求提出多種設(shè)計(jì)方案，對(duì)各種方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從中選擇較好的方案，再對(duì)所選擇的方案做進(jìn)一步的修改或優(yōu)化，最終確定總體設(shè)計(jì)方案。（6）具體設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置、工作裝置等。 （7）對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中的重要零件進(jìn)行校核計(jì)算，如齒輪、軸、軸承等，保證設(shè)計(jì)的合理性和可行性。 ；本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]（8）繪制零件圖、裝配圖，完成要求的圖紙量；（9）整理各項(xiàng)設(shè)計(jì)資料，撰寫論文。1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)斗容量為 0.3m3,全液壓履帶式挖掘機(jī)工作裝置，由于履帶式液壓挖掘機(jī)有良好通過性能應(yīng)用最廣，對(duì)松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長(zhǎng)以及浮式履帶來降低接地比壓。本論文主要對(duì)由動(dòng)臂、斗桿、挖斗、連桿機(jī)構(gòu)組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括以下四部分:（1）挖機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)。（2）挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。（3）工作裝置各部分的基本尺寸的計(jì)算和驗(yàn)證。（4）工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第二章 挖掘機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)2.1 工作裝置的組成圖 1-1 工作裝置組成圖 其中 1-挖斗；2-斗齒；3-連桿； 4-搖桿； 5-挖斗油缸； 6-斗桿；7-動(dòng)臂；8-動(dòng)臂油缸；9-斗桿油缸圖 1-1 為液壓挖掘機(jī)工作裝置基本組成及傳動(dòng)示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由挖本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]斗連桿、斗桿、動(dòng)臂、相應(yīng)的三組液壓缸等組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而挖斗鉸接于斗桿前端，通過挖斗缸和連桿則使挖斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了增大挖斗的轉(zhuǎn)角，挖斗液壓缸一般通過連桿機(jī)構(gòu)（即連桿和搖桿）與挖斗連接。反鏟液壓挖掘機(jī)的工作過程為:先下放動(dòng)臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)斗桿及挖斗，當(dāng)挖掘至裝滿挖斗時(shí)，提升動(dòng)臂使挖斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作位置開始下一次作業(yè)循環(huán) [2]。液壓挖掘機(jī)的反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下土壤(基坑、溝壕等)。其挖掘軌跡決定于各油缸的運(yùn)動(dòng)及其相互配合情況。通常情況下，分為動(dòng)臂挖掘、斗桿挖掘、轉(zhuǎn)斗挖掘等幾種情況。（1）動(dòng)臂挖掘當(dāng)采用動(dòng)臂油缸工作來進(jìn)行挖掘時(shí)(斗桿和挖斗油缸不工作)可以得到最大的挖掘半徑和最長(zhǎng)的挖掘行程。此時(shí)挖斗的挖掘軌跡系以動(dòng)臂下鉸點(diǎn)為中心，斗齒至該鉸點(diǎn)的距離為半徑所作的圓弧線。其極限挖掘高度和挖掘深度(不是最大挖掘深度)即圓弧線之起終點(diǎn)，分別決定于動(dòng)臂的最大上傾角和下傾角(動(dòng)臂與水平線之夾角)，也即決定于動(dòng)臂油缸的行程。由于這種挖掘方式時(shí)間長(zhǎng)而且由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實(shí)際工作中基本上不采用。（2）斗桿挖掘當(dāng)僅以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)，挖斗的挖掘軌跡為圓弧線，弧線的長(zhǎng)度與包角決定于斗桿油缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂位于最大下傾角，并以斗桿油缸進(jìn)行挖掘工作時(shí)，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，能夠保證裝滿挖斗，故挖掘機(jī)實(shí)際工作中常以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘。（3）轉(zhuǎn)斗挖掘當(dāng)僅以挖斗油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)，挖斗的挖掘軌跡也為圓弧線，弧線的包角及弧長(zhǎng)決定于挖斗油缸的行程。顯然，以挖斗油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)的挖掘行程較短，如使挖斗在挖掘行程結(jié)束時(shí)裝滿土壤，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤。所以一般挖掘機(jī)的斗齒最大挖掘力都在采用挖斗油缸工作時(shí)實(shí)現(xiàn)。采用挖斗油缸挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率。因此，在一般土方工程挖掘中，轉(zhuǎn)斗挖掘較常采用。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各種油缸的聯(lián)合工作。挖掘機(jī)工作裝置各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿，對(duì)工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理如圖 2-2 所示。圖 2-2 工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡(jiǎn)化后實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是 3，即工作裝置的幾何位置由動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度 L1、斗桿油缸長(zhǎng)度 L2、挖斗油缸長(zhǎng)度 L3決定，當(dāng)L1、L 2、L 3為某一確定的值時(shí)，工作裝置的位置也就能夠確定。2.2 工作裝置的結(jié)構(gòu)方案選擇 主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) （1）配置斗容量：0.3m3（2）最大垂直挖掘深度(mm)：3505（3）最大卸載高度(mm)：5015（4）最大挖掘高度(mm)：7150（5）最大挖掘深度(mm)：4100（6）停機(jī)面最大挖掘半徑(mm)：6220本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]（7）行走速度（km/h）：2.8/4.5（8）爬坡能力（%）：70/30o（9）回轉(zhuǎn)速度(rpm)：112.2.1 動(dòng)臂布置方案選擇動(dòng)臂是反鏟工作裝置的主要部件，一般可以分為組合式和整體式， 目前采用得多的是整體式動(dòng)臂。組合式動(dòng)臂如圖 2-3 所示，組合式動(dòng)臂用輔助連桿或液壓缸或螺栓連接而成。上、下動(dòng)臂之間的夾角可用輔助連桿或液壓缸來調(diào)節(jié)，雖然使結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜化，但在挖掘機(jī)作業(yè)中可隨時(shí)大幅度調(diào)整上、下動(dòng)臂之間的夾角，從而提高挖掘機(jī)的作業(yè)性能，尤其在用反鏟或抓斗挖掘窄而深的基坑時(shí)，容易得到較大距離的垂直挖掘軌跡，提高挖掘質(zhì)量和生產(chǎn)率。組合式動(dòng)臂的優(yōu)點(diǎn)是，可以根據(jù)作業(yè)條件隨意調(diào)整挖掘機(jī)的作業(yè)尺寸和挖掘力，且調(diào)整時(shí)間短。此外，它的互換工作裝置多，可滿足各種作業(yè)的需要，裝車運(yùn)輸方便。其缺點(diǎn)是質(zhì)量大，制造成本高 ,故本次設(shè)計(jì)不采用。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]圖 2-3 組合式動(dòng)臂整體式動(dòng)臂的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕巧，質(zhì)量輕而剛度大。其缺點(diǎn)是更換的工作裝置少，通用性較差。多用于長(zhǎng)期作業(yè)條件相似的挖掘機(jī)上。整體式動(dòng)臂又可分為直動(dòng)臂和彎動(dòng)臂兩種。其中的直動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、制造方便，主要用于懸掛式液壓挖掘機(jī)，但它不能使挖掘機(jī)獲得較大的挖掘深度，不適用于通用挖掘機(jī)；彎動(dòng)臂是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式，與同長(zhǎng)度的直動(dòng)臂相比，可以使挖掘機(jī)有較大的挖掘深度，但降低了卸土高度，這正符合挖掘機(jī)反鏟作業(yè)的要求 [5]。經(jīng)比較，選擇整體彎動(dòng)臂。動(dòng)臂油缸一般布置在動(dòng)臂的前下方，有兩種具體布置方式，油缸前傾布置方案，即當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉伸至上極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)前方傾斜；油缸后傾布置方案，即當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉伸至上極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)后方傾斜，兩種方案中，在動(dòng)臂油缸作用力相同時(shí)，后傾方案能得到較大的動(dòng)臂作用力矩 [2],因此，本次設(shè)計(jì)采用油缸后傾布置方案。臂與動(dòng)臂油缸活塞桿端部的鉸點(diǎn)布置通常有兩種形式，一種是單動(dòng)臂布置在端部彎角的下部，小型挖掘機(jī)常見；另一種是雙動(dòng)臂油缸布置在動(dòng)臂箱體的中部，這樣的雙動(dòng)臂油缸在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)筋的作用，提升力也大大增加。由于本次設(shè)計(jì)的是小型挖掘機(jī)，故本次設(shè)計(jì)采用單動(dòng)臂油缸。2.2.2 斗桿布置方案選擇斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體式斗桿。在本設(shè)計(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長(zhǎng)度，故也采用整體式斗桿。2.2.3 油缸布置方案選擇挖斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對(duì)挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響很大，其應(yīng)滿足以下的要求：（1）有利于物料的自由流動(dòng)。挖斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的向剖面形狀要適合于各種物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（2）要使物料易于卸盡。（3）為使裝進(jìn)挖斗的物料不易于卸出，挖斗的寬度與物料的粒徑之比應(yīng)大于 4，大于 50 時(shí)，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質(zhì)。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]綜上考慮，選用中型挖掘機(jī)常用的挖斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示。圖 2-4 挖斗本方案中采用六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在相同的挖斗油缸行程下能得到較大的挖斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性。該布置中 1 桿與 2 桿的鉸接位置雖然使挖斗的轉(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠大的挖斗平均挖掘力。如圖 2-5 所示。圖 2-5 挖斗連接布置示意圖1-斗桿； 2-連桿機(jī)構(gòu)； 3-挖斗2.2.4 挖斗結(jié)構(gòu)形式確定挖斗結(jié)構(gòu)的基本要求1.挖斗的縱向剖面形狀應(yīng)適應(yīng)挖掘過程各種物料在斗中運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有利于物料的流動(dòng)，使裝土阻力最小，有利于將挖斗充滿。2.裝設(shè)斗齒，以增大挖斗對(duì)挖掘物料的線比壓，斗齒及斗形參數(shù)具有較小的單位切削阻力，便于切入及破碎土壤。斗齒應(yīng)耐磨、易于更換。3 為使裝進(jìn)挖斗的物料不易掉出，斗寬與物料直徑之比應(yīng)大于 4：1。4.物料易于卸凈，縮短卸載時(shí)間，并提高挖斗有效容積。挖斗的斗齒采用裝配式，國(guó)產(chǎn)挖機(jī)其形式有螺栓連接式和橡膠卡銷式，如圖 2-6 所示。斗容量小于或等于 0.6 立方米時(shí)多采用前者，斗容量 q 大于或等于 0.6 立方米時(shí)多本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]采用后者圖 2-6 斗齒安裝形式本次設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)挖斗容量為 0.3 立方米故選擇螺栓連接安裝形式。2.3 挖掘機(jī)的工作裝置運(yùn)動(dòng)分析液壓挖掘機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)功能包括以下幾個(gè)動(dòng)作：動(dòng)臂升降、斗桿收放、挖斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動(dòng)作，如圖 2-7 所示。除了輔助動(dòng)作(例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼?，一般要進(jìn)行全功率驅(qū)動(dòng)研究。挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程：(1)整機(jī)移動(dòng)至合適工作位置；(2)平臺(tái)回轉(zhuǎn)，使工作裝置處于挖掘位置；(3)動(dòng)臂下降，并調(diào)整斗桿、挖斗至合適位置；(4)斗桿、挖斗挖掘作業(yè)；(5)動(dòng)臂升起；(6)回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置；(7)操縱斗桿、挖斗卸載。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]圖 2-7 液壓挖掘機(jī)的工作運(yùn)動(dòng)1-動(dòng)臂升降；2-斗桿收放；3-挖斗裝卸；4-轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)；5-整機(jī)行走由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大，對(duì)主機(jī)的工作有兩項(xiàng)要求：1.實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，隨著阻力與作業(yè)速度的變化，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化；2.為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼?例如挖掘與動(dòng)臂下降、提升與回轉(zhuǎn))同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。液壓挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合主要包括：(1)挖掘：通常以挖斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或兩者配合進(jìn)行挖掘。因此，在此過程中主要是挖斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)，配以動(dòng)臂動(dòng)作。(2)滿斗舉升回轉(zhuǎn)：挖掘結(jié)束，動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起，滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載位置，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。(3)卸載：轉(zhuǎn)到卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后挖斗液壓缸回縮，挖斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動(dòng)臂液壓缸的配合，此時(shí)是斗桿和挖斗的復(fù)合動(dòng)作，兼以動(dòng)臂動(dòng)作。(4)空斗返回：卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。(5)整機(jī)移動(dòng)工況：將整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置。(6)姿態(tài)調(diào)整與保持工況：滿足停放、運(yùn)輸、檢修等需要。(7)其他輔助作業(yè)工況：輔助工作裝置作業(yè)工況。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]2.3.1 挖掘過程分析液壓挖掘機(jī)典型的挖掘工況包括如下 3 種。(1)挖斗挖掘工況：由挖斗液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，采用挖斗液壓缸進(jìn)行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率，因此，在一般土方工程挖掘中(III 級(jí)土以下土壤的挖掘)挖斗挖掘最常用。(2)斗桿挖掘工況：由斗桿液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，為了能夠裝滿挖斗，中小型液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘。(3)聯(lián)合挖掘工況：由挖斗、斗桿液壓缸復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，必要時(shí)還需配以動(dòng)臂液壓缸的動(dòng)作。主要用于需要軌跡控制的情況。當(dāng)單獨(dú)采用挖斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以挖斗與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，挖斗斗尖所作的圓弧線的長(zhǎng)度決定挖斗液壓缸的行程。以挖斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)的挖掘行程較短，為了能夠裝滿挖斗，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，所以一般挖掘機(jī)的斗尖最大挖掘力都在采用挖斗液壓缸挖掘時(shí)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，挖斗斗尖所作的圓弧線的長(zhǎng)度決定于斗桿液壓缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂液壓缸位于最小長(zhǎng)度并以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。a-水平地面的挖削； b-斜坡地面的挖削 a-水平地面的切削； b-斜坡地面的切削圖 2-8 斗尖直線挖削 圖 2-9 地面的切削和壓整本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]一般認(rèn)為斗容量小于 0.5m3在土質(zhì)松軟時(shí)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹?，否則以斗桿挖掘?yàn)橹?。這兩種情況的挖掘阻力不同。在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)合工作。如在平整土地或切削斜坡時(shí)，需要同時(shí)操縱動(dòng)臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運(yùn)動(dòng)，見圖 2-8 所示。此時(shí)斗桿收回，動(dòng)臂抬起，需要保證彼此動(dòng)作獨(dú)立，相互之間無(wú)干擾。如果需要挖斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進(jìn)行切削時(shí)，或者需要用挖斗斗底壓整地面時(shí)，就需要挖斗、斗桿、動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)作，這些動(dòng)作決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，見圖 2-9 所示。當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時(shí)，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持挖斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗桿機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作。單獨(dú)采用斗桿挖掘時(shí)，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個(gè)別也有采用三泵合流。單獨(dú)采用挖斗挖掘時(shí)，也有采用雙泵合流的情況。當(dāng)動(dòng)臂、斗桿和挖斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止同一油泵向多個(gè)液壓作用元件供油時(shí)動(dòng)作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個(gè)油泵單獨(dú)對(duì)一個(gè)液壓作用元件供油較好。對(duì)于雙泵系統(tǒng)，復(fù)合動(dòng)作時(shí)各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進(jìn)行流量分配，流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅(jiān)硬障礙物，往往由于挖不動(dòng)而需要短時(shí)間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時(shí)增壓，能提高主壓力閥的壓力。2.3.2 舉升回轉(zhuǎn)過程滿斗舉升回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)約占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)間的 50%～70%，能量消耗占 25%～50%，回轉(zhuǎn)液壓回路的發(fā)熱量占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的 30%～50%，因此要求盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)時(shí)間。挖掘結(jié)束后，動(dòng)臂油缸將動(dòng)臂頂起，滿斗舉升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作。動(dòng)臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，動(dòng)臂和挖斗自動(dòng)提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機(jī)相對(duì)卸載的位置而變，因此動(dòng)臂提升速度本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度的相對(duì)關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動(dòng)臂的提升速度慢些。回轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，由于慣性較大，油壓會(huì)升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時(shí)應(yīng)該將溢流的油供給動(dòng)臂。在回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂提升的同時(shí)，斗桿要外放，有時(shí)還需要對(duì)挖斗進(jìn)行調(diào)整。這時(shí)是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂、斗桿和挖斗進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。2.3.3 卸載過程回轉(zhuǎn)至卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用挖斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要?jiǎng)颖叟浜蟿?dòng)作。卸載時(shí)，主要是斗桿和挖斗復(fù)合動(dòng)作，兼有動(dòng)臂動(dòng)作。2.3.4 空載回轉(zhuǎn)過程當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)臂油缸和斗桿油缸相互配合動(dòng)作，把空斗放在新的挖掘點(diǎn)。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作。由于動(dòng)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，因此該工況的供油情況為一個(gè)油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一油泵的大部分油供給動(dòng)臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿。發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)油泵供油量小，為防止動(dòng)臂因重力作用迅速下降和動(dòng)臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動(dòng)臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔的油供至有桿腔。特點(diǎn)與滿載回轉(zhuǎn)類似，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比滿足時(shí)減小。2.3.5 整機(jī)移動(dòng)過程挖掘機(jī)一般不作長(zhǎng)距離行走，只在工地范圍行走，作業(yè)時(shí)用來調(diào)整整機(jī)位置。基本要求：左右履帶可獨(dú)立操縱，可調(diào)速，具有直線行走功能，具有一定的行走速度(2～5km/h)和爬坡能力(坡度大約在 35o左右)，具有制動(dòng)能力。在行走的過程有可能要求對(duì)作業(yè)裝置液壓元件(如回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿和挖斗)進(jìn)行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個(gè)油泵為左行走馬達(dá)供油、另一個(gè)油泵為右行走馬達(dá)供油，此時(shí)如果某一液壓元件動(dòng)作，使某一油泵分流供油，就會(huì)造成一側(cè)行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行裝車運(yùn)輸或上下卡車行走時(shí)，行駛偏斜會(huì)造成事故。為了保證挖掘機(jī)的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達(dá)分別由一個(gè)油泵單獨(dú)供油，另一個(gè)油泵向其它液壓作用元件(如動(dòng)臂、斗桿、挖斗和回轉(zhuǎn))供油。對(duì)于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式：①一個(gè)油泵并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)供油，另一個(gè)油泵向本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]其他液壓作用元件供油，其多余的油液通過單向閥向行走馬達(dá)供油；②雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件同時(shí)供油。2.4 工作裝置的設(shè)計(jì)要求液壓挖掘機(jī)工作裝置由動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)、挖斗機(jī)構(gòu)三部分組成，是一種具有多自由度的工程機(jī)械。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、換向，外負(fù)載變化很大，工作條件惡劣，沖擊和振動(dòng)多，因此對(duì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置提出了較高的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，其工作裝置的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求。2.4.1 幾何尺寸要求液壓挖掘機(jī)工作裝置的幾何尺寸要求滿足一定的作業(yè)范圍和合適的運(yùn)輸尺寸，挖掘機(jī)作業(yè)范圍圖如圖 2-11，幾何尺寸之間要求不要干擾。圖 2-11 挖掘機(jī)作業(yè)范圍主要挖掘區(qū)域Rmax-最大挖掘半徑；Hmax-最大挖掘深度工作裝置的幾何尺寸要求滿足合理的挖掘力分布特性，在整個(gè)作業(yè)范圍內(nèi)的任何位置都要求實(shí)現(xiàn)最大挖掘力并不經(jīng)濟(jì)，而要求挖掘機(jī)在主要挖掘區(qū)內(nèi)能實(shí)現(xiàn)最大挖掘力。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]主要挖掘區(qū)是指用最合理最經(jīng)常的挖掘方式，最經(jīng)常進(jìn)行挖掘的區(qū)域。對(duì)液壓挖掘機(jī)來說最合理最經(jīng)常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向機(jī)身運(yùn)動(dòng)的挖掘方式，用這種方式挖掘充斗效率高，循環(huán)時(shí)間短，也便于卸土，裝車，司機(jī)視野無(wú)阻，因此生產(chǎn)率高而又安全。最經(jīng)常的挖掘區(qū)域大致為圖 2-5 的灰色部分。作業(yè)范圍圖(如圖 2-5 所示)有部分區(qū)間深入到挖掘機(jī)停機(jī)點(diǎn)地下，這一范圍的土壤雖能挖掘，但可能引起土壤的崩塌而影響挖掘機(jī)的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)以外一般不使用。此外，工作裝置的幾何尺寸還必須滿足停放和行走時(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性要求。2.4.2 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性要求液壓挖掘機(jī)各功能運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性要求和常見復(fù)合運(yùn)動(dòng)要求，如表 2-1 和 2-2 所示。表 2-1 各功能運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性要求一覽表功能運(yùn)動(dòng)名稱 應(yīng)用工況 功率需求變速要求 制動(dòng)及鎖定要求挖斗正轉(zhuǎn) 挖掘、姿勢(shì)調(diào)整 大 不大挖斗反轉(zhuǎn) 卸載、姿勢(shì)調(diào)整 不大 不大 最好有鎖定斗桿正轉(zhuǎn) 挖掘、姿勢(shì)調(diào)整 大 高 最好有鎖定斗桿反轉(zhuǎn) 姿勢(shì)調(diào)整 不大 較高 最好有鎖定動(dòng)臂舉升 舉升、姿態(tài)調(diào)整 較大 高動(dòng)臂下降 姿態(tài)調(diào)整、輔助作業(yè) 一般 較高回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 挖掘與卸載轉(zhuǎn)位 高 高行走運(yùn)動(dòng) 場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)位、調(diào)整作業(yè)位置 高 高表 2-2 常見復(fù)合運(yùn)動(dòng)要求一覽表復(fù)合運(yùn)動(dòng) 應(yīng)用工況 特點(diǎn)與要求說明挖斗正轉(zhuǎn)+斗桿正轉(zhuǎn) 復(fù)合挖掘 功率需求大、變速要求高本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]2.4.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是工作裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，工作裝置的結(jié)構(gòu)和所承受的載荷是十分復(fù)雜的。要求滿足工作裝置各部分的受力的情況下，保證工作裝置的強(qiáng)度和剛度特性。在設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置時(shí)，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增加了構(gòu)件強(qiáng)度，而且縮短制造周期，降低了成本。要求動(dòng)臂下支點(diǎn)及動(dòng)臂油缸支承在平臺(tái)主梁的整塊鋼板上，這不僅增加構(gòu)件強(qiáng)度而且減少焊接，而且防止焊接變形。斗桿要求采取整塊鋼板下料。為了減少焊接變形及焊接應(yīng)力，要求采用型鋼及壓型等結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中為求等強(qiáng)度，要求采取局部加強(qiáng)的措施。動(dòng)臂、斗桿要求改為焊鑄結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力較高的部位以鑄代焊，這樣大大提高了結(jié)構(gòu)件的沖擊和疲勞強(qiáng)度。為確保焊接強(qiáng)度，要求所有鉸接部均采用鑄鋼件。結(jié)構(gòu)件的破壞主要是由于沖擊疲勞，因此實(shí)際破壞時(shí)常不在負(fù)荷最大部位，而是應(yīng)力集中部位。為減少應(yīng)力集中，應(yīng)使焊縫與應(yīng)力集中部位錯(cuò)開，在主要受力鉸接支承處采用鑄鋼件。第三章 工作裝置的結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析3.1 動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析挖斗反轉(zhuǎn)+斗桿反轉(zhuǎn) 卸載 功率需求較小斗桿正轉(zhuǎn)+動(dòng)臂舉升 平整土地 要求操縱興性能好動(dòng)臂舉升+回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 挖掘與卸載轉(zhuǎn)位 功率需求大，變速要求高，動(dòng)力分配可調(diào)整動(dòng)臂下降+回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 返回向挖掘處 兩者載荷差別大、速度要求高本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]圖 3-1 動(dòng)臂擺角范圍計(jì)算簡(jiǎn)圖圖 3-2 F 點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)圖動(dòng)臂的擺角 是動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度 L1 的函數(shù)，動(dòng)臂上任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻的坐標(biāo)值也max1?都是 L1 的函數(shù)。圖 3-1 中 動(dòng)臂油缸的最短長(zhǎng)度； 動(dòng)臂油缸的伸出的最大長(zhǎng)度；:in1L:max1L動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最小值； 動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別:min1? ?與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最大值；A：動(dòng)臂油缸的下鉸點(diǎn)；B：動(dòng)臂油缸的上鉸點(diǎn)；C：動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)。設(shè)特性參數(shù) ρ= min1/l5，σ= 7/l5 如圖所示，當(dāng) L1= L1min時(shí)得在△ACB 中，據(jù)余弦定理知：?in1 = ACB0?=cos1?[ ]2275minl??當(dāng) L= max時(shí)則得：1= z= [ l572ax] 1?動(dòng)臂的擺角范圍為： ?max1=?a- min1= - 2211cos()??????221cos()?????動(dòng)臂的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角為： 1= — 221in/)cos(L???221()?不難列出動(dòng)臂上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)方程，現(xiàn)在只推導(dǎo) F 點(diǎn)的坐標(biāo)方程。212012UCF??????57101cos()???lBLcos2??ll2721本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]當(dāng) F 點(diǎn)在水平線 CU 之下時(shí) ?21為負(fù)，否則為正。F點(diǎn)的X坐標(biāo)方程為： 21cos???FXYlF點(diǎn)的Y坐標(biāo)方程為： in1C 這里 C 點(diǎn)的 Y 坐標(biāo)值可由圖 3-2 得到：XC = XA-l5×COSα11 YC = YA+l5×Sinα11 動(dòng)臂油缸的作用力臂：e1 = l5×Sin∠ CAB 顯然動(dòng)臂油缸的作大作用力臂為 l5max1?，這時(shí) 125271???lL。3.2 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析斗桿的位置參數(shù)是 L1和 L2的函數(shù)。這里暫時(shí)先討論斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)，也即只考慮 L2的影響。斗桿機(jī)構(gòu)與動(dòng)臂機(jī)構(gòu)性質(zhì)類似，它們都是四桿機(jī)構(gòu)，但連桿比例不同。如下圖 3-3 所示，D 點(diǎn)為斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)，F(xiàn) 點(diǎn)為動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)，E 點(diǎn)為斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)。圖 3-3 斗桿機(jī)構(gòu)擺角計(jì)算簡(jiǎn)圖其中 D-斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)； F-動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)；E 油缸與斗桿的鉸點(diǎn)； θ 斗桿擺角.當(dāng)斗桿油缸全伸時(shí)，取得： 22189max2maxcos()????lL當(dāng)斗桿油缸全縮時(shí)，取得： 22189min2mincs()?l本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]擺角 ?2?max2in??斗桿的作用力臂 e2:9s??lDEF斗桿油缸最大作用力臂 ，取得：9?l2192 88sin(),?????lDFEL3.3 挖斗的運(yùn)動(dòng)分析挖斗相對(duì)于 XOY 坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)是 L1、L 2、L 3的函數(shù)，現(xiàn)討論挖斗相對(duì)于斗桿的運(yùn)動(dòng)，如圖 3-4 所示， Q 點(diǎn)為挖斗與斗桿的鉸點(diǎn)，v 點(diǎn)為挖斗的斗齒尖點(diǎn)，K 點(diǎn)為連桿與挖斗的餃點(diǎn)，N 點(diǎn)為搖桿與斗桿的鉸點(diǎn)， H 點(diǎn)為搖桿，油缸與連桿的鉸點(diǎn)。圖 3-4 挖斗的運(yùn)動(dòng)(1）傳動(dòng)比計(jì)算利用上圖，可以知道求得以下的參數(shù)：挖斗油缸對(duì) N 點(diǎn)的力臂 r1=NH×sin∠GHN其中 , NH 和 HG 由設(shè)計(jì)時(shí)確定。22()??????HGNGCOS連桿 HK 對(duì) N 點(diǎn)的力臂 r2=NH×sin∠KHN其中：∠KHN=∠NHQ+∠KHQ21)?????QQSN22HHCOSNQNFG???, 221()COSN?????FN,NG,GF 均在設(shè)計(jì)中得到。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]221()??????HKQQCOSHK,QH 均在設(shè)計(jì)中得到連桿 HK 中的力對(duì) Q 點(diǎn)的力臂為 r3 = l24×sin∠HKQ221()FSHK?????挖掘阻力對(duì) Q 點(diǎn)的力臂為 r4=l3=QV連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比 i = （r 1×r3）/（r 2×r4） =0.309顯然上式中可知，i 是挖斗油缸長(zhǎng)度 L3(即 GH)的函數(shù)，用 L3min代入可得初傳動(dòng)比i0，L 3max代入可得終傳動(dòng)比 iz。挖斗相對(duì)于斗桿的擺角 φ3挖斗的瞬時(shí)位置轉(zhuǎn)角為：θ 3 =∠NQK+∠KQV ，∠KQV 由設(shè)計(jì)確定。當(dāng)挖斗油缸長(zhǎng)度 L3分別取 L3max和 L3min時(shí)，可分別求得挖斗的最大和最小轉(zhuǎn)角 θ 3max和 θ 3min，于是得挖斗的瞬間轉(zhuǎn)角:φ 3 = θ 3-θ 3min 3.4 極限位置的校核3.4.1 最大挖掘半徑圖 3-5 最大挖掘半徑計(jì)算簡(jiǎn)圖 其中 C-動(dòng)臂下鉸點(diǎn)；A -動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)；F-動(dòng)臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-挖斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-挖斗下鉸點(diǎn)；K-挖斗上鉸點(diǎn)；V-挖斗斗齒尖 如圖 3-5 所示，當(dāng)斗桿油缸全縮時(shí)，F(xiàn)、 Q.、V 三點(diǎn)共線，且斗齒尖 v 和鉸點(diǎn) C 在同一水平線上，即 YC= YV，得到最大挖掘半徑 R1為:R1=XC+ 22132332maxllllCOS?????（ ） （ ）3.4.2 最大挖掘深度本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]圖 3-6 最大挖掘深度計(jì)算簡(jiǎn)圖其中 NH-搖臂；HK-連桿；C-動(dòng)臂下鉸點(diǎn)；A -動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)；F-動(dòng)臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-挖斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-挖斗下鉸點(diǎn)；K-挖斗上鉸點(diǎn)；V-挖斗斗齒尖.如圖 3-6 示，當(dāng)動(dòng)臂全縮時(shí)，F(xiàn), Q, V 三點(diǎn)共線且處于垂直位置時(shí)，得最大挖掘深度為: -H1max = YVmin = YFmin–l2–l3 = YC+L1Sinα21min–l2–l3=YC+l1Sin(θ1min-α2-α11)–l2–l3 3.4.3 最大卸載高度本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]圖 3-7 最大卸載高度計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 3-7 所示，當(dāng)斗桿油缸全縮，動(dòng)臂油缸全伸時(shí)，QV 連線處于垂直狀態(tài)時(shí)，得最大卸載高度為:2max312123121321sin()sin( ))QMAXC MAXxxHYll lV????????????其 中 為 與 斗 桿 軸 線 的 夾 角 。3.4.4 最大挖掘高度最大挖掘高度工況是最大卸載高度工況中挖斗繞 Q 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)直到挖斗油缸全縮為止，如下圖 3-8 所示：本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）[在此處鍵入]圖 3-8 最大挖掘高度計(jì)算簡(jiǎn)圖2max312123121321sin()sin( ))QMAXC MAXxxHYll lV????????????其 中 為 與 斗 桿 軸 線 的 夾 角 。第四章 主要零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算