小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計）

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畢業(yè)設計（論文）任務書 城南  學院  機制  專業(yè)  班 題  目  小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 任務起止日期：  2009 年  2  月 23 日 ～  2009 年  6  月  12  日 學 生 姓 名 指 導 教 師   學 號 教研 室主任  年  月  日審查 院  長  年  月  日批準 一、畢業(yè)設計（論文）任務 課題內容 小型液壓挖掘機設計。 隨著我國公路建設的大規(guī)模發(fā)展，對挖掘機的需求也與日俱增，但小型液壓挖 掘機品種規(guī)格相對較少，且大多價格昂貴。本課題開發(fā)一種價格較低廉，性能較好 ， 功能較齊備，適合中小型工程施工和公路養(yǎng)護部門使用的小型液壓挖掘機。 主要內容：小型單斗液壓挖掘機總體方案設計，總體參數(shù)計算確定（斗容量、 最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大挖掘半徑、最大卸載高度、發(fā)動機功率、最大 挖掘力、爬坡度、最大牽引力、行走速度、挖掘軌跡等），整機液壓傳動系統(tǒng)設計 （液壓系統(tǒng)工作壓力、各油缸行程，液壓系統(tǒng)圖），液壓油箱總成及零部件設計。 課題任務要求 任務：小型液壓挖掘機總體設計與計算 液壓傳動系統(tǒng)總體設計 工作裝置總體設計 液壓油箱零部件設計 要求： 1. 深入了解現(xiàn)行公路施工與設計的實際情況 2. 廣泛收集相關技術資料 3. 按計劃認真完成設計任務 課題完成后應提交的資料（或圖表、設計圖紙） 1. 2.  開題報告，不少于 2000 字 設計計算說明書一本，不少于 1００００字 1) 2) 3) 4) 5) 英文摘要 總體設計的方案和計算 液壓傳動系統(tǒng)總體設計與計算 液壓元件選型 設計總結 3. 4. 相關英文資料及譯文 設計圖紙 1) 2) 3) 4) 總體設計圖 液壓系統(tǒng)圖 挖掘軌跡圖 液壓油箱總成圖和零件圖 主要參考文獻與外文翻譯文件（由指導教師選定） 1. 黃東勝、邱斌 現(xiàn)代挖掘機械[M] 北京：人民交通出版社，2003 2 何挺繼、朝勇 . 現(xiàn)代公路施工機械[M] 北京：人民交通出版社，1999 3 朱齊平 . 進口工程機械使用維修手冊[M] 沈陽：遼寧科學技術出版 社，2001 4 趙顯新 . 工程機械液壓傳動裝置原理與檢修[M]  沈陽：遼寧科學 技術出版社，2000 5 單斗液壓挖掘機[M] 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1980 6 J. of Mechanical Engineering[J] 同組設計者 注：1. 此任務書由指導教師填寫。如不夠填寫，可另加頁。 2. 此任務書最遲必須在畢業(yè)設計（論文）開始前一周下達給學生。 3. 此任務書可從教務處網頁表格下載區(qū)下載 二、畢業(yè)設計（論文）工作進度計劃表 注：1. 此表由指導教師填寫； 2. 此表每個學生人手一份，作為畢業(yè)設計（論文）檢查工作進度之依據； 3. 進度安排請用“一”在相應位置畫出。序 號 畢 業(yè) 設 計（論 文）工 作 任 務 工 作 進 度 日 程 安 排 周 次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 畢業(yè)實習 - - - 2 查閱資料，翻譯英文文獻 - - 3 總體方案設計 - - 4 液壓系統(tǒng)設計 - - 5 零部件設計 － - - 6 修改設計計算說明書及圖紙 - - 7 整理說明書 - 8 準備答辯 - 9 答辯 - 10 三、學生完成畢業(yè)設計（論文）階段任務情況檢查表 注：1. 此表應由指導教師認真填寫。階段分布由各學院自行決定。 2. “組織紀律”一檔應按《長沙理工大學學生學籍管理實施辦法》精神，根據學生具體執(zhí)行情況，如實填寫。 3. “完成任務情況”一檔應按學生是否按進度保質保量完成任務的情況填寫。包括優(yōu)點，存在的問題與建議 4. 對違紀和不能按時完成任務者，指導教師可根據情節(jié)輕重對該生提出忠告并督促其完成。時間 第 一 階 段 第 二 階 段 第 三 階 段 內容 組織紀律 完成任務情況 組織紀律 完成任務情況 組織紀律 完成任務情況 檢 查 記 錄 教師 簽字 簽字 日期 簽字 日期 簽字 日期 四、學生畢業(yè)設計（論文）裝袋要求： 1. 畢業(yè)設計（論文）按以下排列順序印刷與裝訂成一本（撰寫規(guī)范見教務處網頁）。 (1) 封面 (3) 畢業(yè)設計（論文）任務書 (5) 英文摘要 (7) 正文 (9) 致謝 (11) 附件 1：開題報告（文獻綜述）  (2) 扉 頁 (4) 中文摘要 (6) 目錄 (8) 參考文獻 (10) 附錄（公式的推演、圖表、程序等） (12) 附件 2：譯文及原文影印件 2. 需單獨裝訂的圖紙（設計類）按順序裝訂成一本。 3. 修改稿（經、管、文法類專業(yè)）按順序裝訂成一本。 4.《畢業(yè)設計(論文)成績評定冊》一份。 5．論文電子文檔[由各學院收集保存]。 學生送交全部文件日期 學生（簽名） 指導教師驗收（簽名） 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 初選鏟斗液壓缸一支，缸徑 100mm，桿徑 50mm。則鏟斗液壓缸大腔推力 125.6KN， 鏟斗液壓缸小腔推力 94.2KN， 為確定各液壓缸的閉鎖壓力，選用以下三個計算位置： 1.動臂處于最低位置，斗桿呈垂直狀態(tài)，轉斗挖掘，其作用力臂為最大（圖 4—2）。 因此鏟斗液壓缸產生的挖掘力為最大，挖掘阻力對動臂鉸點 C，斗桿鉸點 F 所造 成的力矩均接近最大值，而動臂液壓缸的力臂值為最小。 表 4-5 第一種工況時各作用力的近似力臂值表（mm） 轉斗液壓缸挖掘力  可通過對 Q 點的力矩平衡方程求得： 從可能出現(xiàn)的最不利的情況出發(fā)，假設存在法向阻力，其值取 各力對 F 點取矩，可得到斗桿液壓缸所受的被動作用力  ＇ 第 23 頁  共 66 頁 233 269 215 127 174 1487 1677 1873 2000 1233 3927 253 429 418 置設計） B 開題報告 一、本課題設計（研究）的目的： 挖掘機作為我國工程機械的主力機種，特別是小型液壓挖掘機被廣泛應用于建 筑，市政，供水，供氣，供電農林建設等工程。小型液壓挖掘機產品的核心技術就是 液壓系統(tǒng)設計，由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作復雜，于是它對液壓系 統(tǒng)設計提出了很高的要求，特別是對工作裝置液壓系統(tǒng)的設計。因此，對挖掘機工作 裝置液壓系統(tǒng)的分析設計對推動我國挖掘機發(fā)展具有十分重要的意義。 本課題的主要目的：通過畢業(yè)設計，使學生掌握工程機械產品設計的基本方法、 基本技巧和基本過程，熟悉計算機輔助設計和技術文件的寫作方法。掌握小型液壓挖 掘機工作裝置的動力總體設計及計算和主要零部件的設計技巧。 二、設計（研究）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（文獻綜述）： 由次貸危機引發(fā)的全球金融危機導致原起重機主產地和主體市場——歐洲各國 以及日本整體經濟下滑，在沒有得到相應的政策性投資和經濟復蘇跡象呈現(xiàn)之前，中 國等經濟基礎相對比較穩(wěn)定的發(fā)展中國家成為挖掘機甚至是整個工程機械市場爭奪 的焦點。因而，國際品牌開始不斷加大對國內市場的投入。一方面在中國建立生產工 廠和改制工廠，并建立相關的供應、銷售、服務體系、降低制造成本，實現(xiàn)本地化生 產；另一方面加大對中國市場的研究力度，相繼推出與中國市場相適應的產品。 挖掘機是工程機械的標志性產品，部分中國工程機械企業(yè)也正以小挖為突破口， 進軍挖掘機產業(yè)，并由此擴展到其他小型工程機械。中國挖掘機產業(yè)基本走出了宏觀 調控帶來的不利影響，而且產品結構和區(qū)域結構發(fā)生了顯著的變化。小挖產業(yè)近兩年 的需求變化也說明這一點。 許多國外企業(yè)在中國加大投資，進軍小挖產業(yè)也證實他 們看好中國這個工程機械大市場。如韓國斗山、現(xiàn)代在中國實現(xiàn)年銷 2000 臺小挖目 標的基礎上加大技改與新產品研發(fā)，目標直指年產 5000 臺。日本石川島也在廈門建 廠生產小挖圖謀 10%的市場份額。全球銷量第一的日本久保田也希望能占領 20%的份 額，目前年銷 200 臺左右。美國特雷克斯兼并了合肥卓爾及北建，成立了三河工程機 械公司。2006 年目標產銷 300 臺，2007 年目標為 1200 臺。JCB、CASE 也都加大中 第 63 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 國市場的開拓力度，而國內工程機械企業(yè)也想抓住目前的好時機進行調整，紛紛加強 技術改造，調整小挖產能。如廣西玉柴工程機械公司投資 2.1 億元技改完成 5000 臺小 挖生產能力，2005 年產銷 1946 臺，出口 648 臺，已占據國內小挖第一把交椅。湖南 山河智能機械股份有限公司加大技改，調整出三條裝配線，年產能力也達 3000 臺 ，2005 年產銷也已超千臺，而且大批出口。廣西玉林開元機器第一期投入 4000 萬，2006 年 投入試制，2007 年產銷目標 500 臺，最終目標 4000 臺。其他企業(yè)如廣西桂林華力重 工、廣西柳工集團、江西南特集團、大連黑貓、湖南九五重工、江西南昌華工等都在 緊跟市場調整結構，力爭在最短時間躍上新臺階，向行業(yè)前列挺進。 但是，國內眾多的小型挖掘機制造企業(yè)普遍存在機制、資金、人才、管理等綜合 實力的不足，難以形成核心競爭力和規(guī)?；l(fā)展。原因是小型液壓挖掘機的技術壁壘 較高、設備投資較大、生產專業(yè)性強等特點，產業(yè)準入門檻比較高。達不到一定的經 濟批量，就無法保證企業(yè)的經濟效益和持續(xù)發(fā)展的動力。 小型挖掘機主要由結構件總成、覆蓋件總成、行走裝置、回轉裝置、液壓系統(tǒng)、 動力系統(tǒng)、電器系統(tǒng)和空調裝置等 8 大部分構成,其中最為關鍵核心的是液壓系統(tǒng)和動 力系統(tǒng)。小型挖掘機的工作性能和作業(yè)可靠性主要取決于液壓和動力這兩大系統(tǒng)的設 計和品質，其他零部件的技術相對較低。小型挖掘機的液壓系統(tǒng)中泵、閥、馬達等關 鍵技術、工藝和知識產權基本掌握在日本、德國等少數(shù)國家的廠商手中，采購成本約 占據了整機成本的 40%。與挖掘機相配套的小型發(fā)動機技術也掌握在日本、美國、德 國等發(fā)達國家手中。 目前，我國小型挖掘機的關鍵部件必須依賴進口，通過國際化采購提高了整機性 能和可靠性。隨著國內小挖市場的持續(xù)升溫，國產小挖關鍵配套件缺失的矛盾進一步 升級，無奈選擇進口國外關鍵零部件的小挖生產企業(yè)，同時面臨采購“瓶頸”。據了解， 多數(shù)小挖企業(yè)目前都面臨供不應求的局面，市場持續(xù)升溫讓生產企業(yè)們不斷調整生產 計劃，但關鍵零部件的缺失，令這些企業(yè)不得以而為之。眾所周知，制約我國工程機 械品質提升的一個重要因素，就是基礎配套件的落后以及上游供應鏈的薄弱。迫于競 爭的加劇，挖掘機制造企業(yè)對配套件質量的要求越來越高，國產小挖企業(yè)幾乎都選擇 進口外國的關鍵零部件。而小型液壓挖掘機的工作裝置的生產設計就往往依靠于各種 零部件的設計制造。 第 64 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 三、設計（研究）的重點與難點，擬采用的途徑（研究手段）： 一.小型液壓挖掘機設計開發(fā)重點是工作裝置設計，工作裝置的設計包括以下幾 個內容： 1.動臂結構的設計，根據實際要求合理選擇動臂的結構形式，因為動臂是工作 裝置的主要構件，斗桿等的結構形式往往取決于動臂的結構形式。 2.鏟斗的選型，根據挖掘機的工作環(huán)境與對象決定鏟斗的形狀與大小。 3.斗柄的結構設計。 二.而本課題的難點是挖掘機液壓裝置的選型與設計，液壓挖掘機是采用液 壓傳動裝置來傳遞動力的，有液壓泵、液壓電動機、液壓油缸、控制閥以及各種液壓 管路等液壓元件組成。 三.解決途徑： 設計過程中，要求查閱搜集大量國內外資料，密切聯(lián)系同組其他同學，在原有 的設計基礎上，認真了解小型挖掘機各個型號的設計要求。然后根據指導老師要求， 應用解析法與 CAD 制圖結合必須時應用 PRO/E 軟件進行繪圖及仿真模擬，使設計更 加準確合理。 四、設計（研究）進度計劃： 第 1-3 周 計思想 現(xiàn)場單位學習與收集查閱期刊資料，并進行歸納總結，初步形成設 第 4-6 周 做好液壓挖掘機工作裝置設計的準備工作，翻譯外文文獻，撰寫開題報告 第 7-9 周 第 10-14 周 第 15-16 周 第 17 周 完成工作裝置設計、參數(shù)的制定和部件計算方案初稿 完成工作裝置設計方案的修改，繪制總圖 完善工作裝置設計和編寫畢業(yè)設計說明書 整理資料，進行畢業(yè)答辯 第 65 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 五、參考文獻： [1]  黃東勝、邱斌  現(xiàn)代挖掘機械[M]  北京：人民交通出版社，2003 [2] [3]  何挺繼、朝勇 . 現(xiàn)代公路施工機械[M] 北京：人民交通出版社，1999 朱齊平 . 進口工程機械使用維修手冊[M] 沈陽：遼寧科學技術出版社，2001 [4] 2000  趙顯新 . 工程機械液壓傳動裝置原理與檢修[M]  沈陽：遼寧科學技術出版社， [5] [6] [7] [8] [9]  單斗液壓挖掘機[M] 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1980 J. of Mechanical Engineering[J] 李自光 展朝勇.公路施工機械(第二版) 北京：人民交通出版社，2008 吳慶鳴 何小新.工程機械設計[M] 武漢：武漢大學出版社，2006.4 劉文伯 陳國威 機械工程手冊（第二版） 機械零部件設計卷 北京：機械工業(yè) 出版社，1996 [10] 葉偉等《挖掘機工作裝置液壓操縱回路 (一)》建筑機械.2003. [11] 黃誼等.《液壓傳動》.機械工業(yè)出版社.2000.9 第 66 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 摘要 20世紀八九十年代以來，小型工程機械在市政工程、交通等施工中發(fā)揮了較 大優(yōu)勢并得以迅速發(fā)展。小型挖掘機在這些工程中為節(jié)省人力、物力做出了較大 貢獻，滿足了城市各種作業(yè)要求，在城市狹窄的工作空間內能夠最大限度地發(fā)揮 其生產能力，逐步成為城市施工中具有代表性的施工機械。 小型挖掘機體積小、機動靈活，非常適用于城鎮(zhèn)的各種管道開挖、基礎施工 、 公用事業(yè)以及房屋維修等作業(yè)。小型挖掘機緊湊的體積、特殊的設計使其能夠在 大型挖掘機無法施工的環(huán)境中進行作業(yè)。 本次的主要目的是熟悉機械設計的一般過程，提高理論知識和實踐知識的綜 合運用能力。挖掘機是一種重要的工程機械，它的廣泛應用對于減輕勞動量，保 證工程質量，加快工程進度，提高勞動生產率起了巨大的作用。反鏟工作裝置由 動臂，斗桿，動臂液壓缸，斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸組成。 關鍵詞：小型液壓挖掘機，液壓，工作裝置，設計 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） Abstract Since the 20th century , sma ll and med ium-sized construction machiner y in the municipa l engineer ing, transportation and other construction pla y a large and rapid development . Mini-exca vator which is in these projects in ordered to save ma npower and materia led to make a greater contribution for the city to meet various operationa l requirements, in a city within a narrow working space to ma ximize its production capacity to gradua lly become the city with the construction of construction machinery. Small excavators have sma ll size and flexible, It is very applicable to the various channels of urban excavation, foundation construction, utilities and housing ma intena nce operation. The size of sma ll compact excavators, specia l design to enable it to in large excavators can not carry out construction work environment. The ma in purpose of the design project for graduation is to be familia r with the genera l process of mecha nical design and to enhance the comprehensive capacity of using theoretica l and practica l knowledge. Excavator is an important engineer ing machinery. Its wide applica tion plays a tremendous role to reducs the volume of labor and to ensurs project quality and to accelera ts progress and to increas es 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：Sma ll hydraulic excavator Hydraulic Working device Design 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 目錄 第一章 緒論 …………………………………………………………………………………1 1.1 設計的背景和意義……………………………………………………………………1 1.2 挖掘機的行業(yè)現(xiàn)狀……………………………………………………………………2 1.3 挖掘機的技術發(fā)展趨勢………………………………………………………………2 1.4 存在問題………………………………………………………………………………3 第二章 液壓挖掘機反鏟工作裝置結構方案設計……………………………………4 2.1 引言……………………………………………………………………………………4 2.2 液壓挖掘機的基本組成分析與工作原理……………………………………………4 2.3 反鏟工作裝置結構方案設計…………………………………………………………5 2.3.1 結構形式及結構特點……………………………………………………………5 2.3.2 結構設計方案的選擇……………………………………………………………6 2.4 本章小結………………………………………………………………………………7 第三章 工作裝置的主要參數(shù)選擇及驗算 ……………………………………………7 3.1 工作裝置的設計原則與參數(shù)說明……………………………………………………7 3.1.1 工作裝置的設計原則……………………………………………………………7 3.1.2 機構自身的幾何參數(shù)……………………………………………………………7 3.2 斗形參數(shù)的選擇………………………………………………………………………8 3.3 動臂機構的參數(shù)選擇…………………………………………………………………9 3.4 斗桿機構的參數(shù)選擇 ………………………………………………………………15 3.5 鏟斗連桿機構的參數(shù)選擇 …………………………………………………………17 3.6 本章小結 ……………………………………………………………………………18 第四章 液壓挖掘機反鏟工作裝置受力分析…………………………………………19 4.1 4.2  引言…………………………………………………………………………………19 動臂液壓缸作用力計算……………………………………………………………19 4.3 液壓缸的閉鎖壓力計算 ……………………………………………………………21 4.4 本章小結 ……………………………………………………………………………29 第五章 液壓挖掘機反鏟工作裝置強度分析…………………………………………29 5.1 引言 …………………………………………………………………………………29 5.2 有限元法分析簡介 …………………………………………………………………30 5.3 不同工況下姿態(tài)的選取原則 ………………………………………………………30 5.3.1 鏟斗最高位置處的姿態(tài) ………………………………………………………30 5.3.2 最高卸載位置處的姿態(tài) ………………………………………………………30 5.3.3 停機面最大挖掘半徑處的姿態(tài) ………………………………………………31 5.3.4 最深挖掘位置處的姿態(tài) ………………………………………………………31 5.3.5 油缸全縮位置處的姿態(tài) ………………………………………………………32 5.3.6 動臂、斗桿最大受力位置處的姿態(tài) …………………………………………32 5.4 各姿態(tài)的強度分析……………………………………………………………………32 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4  鏟斗最高位置的強度分析……………………………………………………32 最高卸載位置的強度分析……………………………………………………33 最大挖掘半徑的強度分析……………………………………………………34 最深挖掘位置的強度分析……………………………………………………34 5.4.5 動臂最大受力位置的強度分析 ………………………………………………35 5.4.6 油缸全縮位置的強度分析 ……………………………………………………36 5.5 本章小結 ……………………………………………………………………………37 第六章 設計總結 …………………………………………………………………………38 參考文獻 ……………………………………………………………………………………39 致 謝…………………………………………………………………………………………40 附 錄…………………………………………………………………………………………41 A 英文資料與中文翻譯 …………………………………………………………………41 B 開題報告 ………………………………………………………………………………62 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 圖 4—2  第一種工況液壓缸閉鎖壓力計算簡圖 其中， G2 —斗桿，轉斗液壓缸及連桿機構總重 ＇使斗桿液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設此時限壓閥調定壓 力等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 125.6KN，而小于  ＇ =128KN，顯然液壓缸會回縮。 為了防止液壓缸回縮，限壓閥的調定壓力應高于液壓缸工作壓力，超出的百分比 為： 第 24 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 第一章 緒論 1.1 設計的背景和意義 我國是一個發(fā)展中國家，在其遼闊的土地上正在進行大規(guī)模的經濟建設，這 就需要大量的土石方施工機械為其服務，而液壓挖掘機是最重要的一類土石方施 工機械。它正以其適應性強、作業(yè)效率高等優(yōu)越性越來越受到施工單位的重視。 因此，在我國存在著一個巨大的液壓挖掘機的現(xiàn)實市場和更為巨大的潛在市場。 近年來，我國液壓挖掘機的產量在不斷增加，1994 年全國液壓挖掘機產量為 2010 臺，1995 年為 2366 臺，1996 年產量達到 3104 臺，1997 年為 3341 臺，1998 年 產量達到 4021 臺，而 1999 年全國液壓挖掘機產量近 6000 臺，比 1998 年增長近 40％。從 1994 年到 1999 年近 5 年時間，全國液壓挖掘機產量翻了兩番。另一方 面，現(xiàn)在廣大用戶，各級施工單位對液壓挖掘機在施工作業(yè)中的重要性或不可缺 少性認識越來越清晰，用液壓挖掘機在眾多場合替代裝載機、推土機進行施工作 業(yè)的合理性也越來越明顯。因此，可以肯定液壓挖掘機的發(fā)展空間很大。 隨著國家經濟建設的不斷發(fā)展，液壓挖掘機的需求量將逐年大幅度增長?？? 以預料，今后幾年我國液壓挖掘機行業(yè)將會有一個很大的發(fā)展，液壓挖掘機的年 產量將會以高于 20％的速度增長。國內市場，主要由以下諸多領域組成：首先 是交通運輸工業(yè)領域，其次是能源工業(yè)領域，第三個領域是原材料工業(yè)領域。 科學在發(fā)展，社會在進步，對挖掘機的各方面的性能的要求也在不斷的提高 。 國內外各個生產廠家都在積極采用新技術、新工藝、新結構來提高其性能。例如 德國阿特拉斯公司生產的挖掘機裝有新型的發(fā)動機轉速調節(jié)裝置，使挖掘機按最 適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新 C 系列 LS-5800 型液壓 挖掘機安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費。 還安裝了 CAPS（計算機輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮 液壓系統(tǒng)的功能。 液壓挖掘機主要由發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部 分組成。工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置，它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分 鉸接而成。動臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉動都用往復式雙作用液壓缸控制。工作 裝置是液壓挖掘機的重要組成部分，直接影響著挖掘機械的工作狀態(tài)，本畢業(yè)設 計將圍繞液壓挖掘機的工作裝置來進行，以推動國內挖掘機行業(yè)的迅速發(fā)展。 1.2 挖掘機的行業(yè)現(xiàn)狀 自 20 世紀 90 年代以來，中國經濟快速發(fā)展，中國工程機械行業(yè)也步入了快 速發(fā)展期。近幾年來，小型工程機械作為后起之秀，在施工中，開始部分取代中 大型機械的位置，受到用戶的普遍歡迎。目前，我國小型挖掘機市場正處在高速 發(fā)展階段。隨著我國城鎮(zhèn)化進程向深度和廣度的發(fā)展，道路和市政設施的修繕維 護及城市小型工程項目的增多，其工程業(yè)務量占社會施工總量的比重越來越大。 據測算，一臺 10 噸位小型挖掘機的作業(yè)效率可以替代 30～50 個勞動力，極大地 降低了施工成本和管理成本，使得多功能小型挖掘機的需求量不斷上升。2002 第 1 頁  共 66 頁 年行業(yè)銷售量只有 1400 多臺，到 2006 年達到了 1.7 萬余臺，到 2007 年就已經 達到了 2 萬余臺，增長了十幾倍，2008 年剛剛過去幾個月，就已經呈現(xiàn)出了長 足增長的態(tài)勢。 許多國外企業(yè)在中國加大投資，進軍小挖產業(yè)正是他們看好中國工程機械市場 的具體表現(xiàn)。從市場份額來講，國內小型挖掘機主要還是以斗山、現(xiàn)代、小松、 日立等日韓品牌為主，約占行業(yè)銷量的一半以上。本土小型挖掘機經過山河智能 、 玉柴等供應商多年的努力，正在逐步擴大市場占有率，目前中國本土小挖企業(yè)市 場份額每年都在大幅攀升。 近幾年，小型挖掘機市場持續(xù)強力增長，特別是在出口方面，小型挖掘機對我 國工程機械行業(yè)出口市場起到了一定引領作用。我國本土小型挖掘機質優(yōu)價廉， 性價比方面具有比較高的優(yōu)勢，受到海外市場的普遍青睞。2007 年我國小型挖 掘機市場銷量首次突破 2 萬臺大關，其中近 20％左右小挖銷量是出口海外市場 的，其中國內某些小挖制造商的出口比例達到 40％以上，甚至某些企業(yè)生產的 小型挖掘機全部用來出口，滿足海外市場的需求。目前出口正成為拉動國內小型 挖掘機行業(yè)業(yè)績增長的一個主要動力，前景十分看好。 1.3 挖掘機的技術發(fā)展趨勢 從 20 世紀后期開始，挖掘機的生產向多功能化、專用化和自動化的方向發(fā) 展。 1）開發(fā)多品種、多功能、高質量及高效率的挖掘機。為滿足市政建設和農 田建設的需要，國外發(fā)展了斗容量在 0.25m3以下的微型挖掘機，最小的斗容量 僅在 0.01m3。另外，數(shù)量最多的中、小型挖掘機趨向于一機多能，配備了多種 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、振搗器、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 ， 如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機等。 2）迅速發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的 杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、 電子計算機綜合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計 算機控制接收器和激光導向相結合，實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。所有 這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了基礎和創(chuàng)造了良好的前提。 3）重視采用新技術、新工藝、新結構，加快標準化、系列化、通用化發(fā)展 速度。例如，德國阿特拉斯公司生產的挖掘機裝有新型的發(fā)動機轉速調節(jié)裝置， 使挖掘機按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新 C 系列 LS- 5800 型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調節(jié)流量，避免了驅動 功率的浪費。還安裝了 CAPS（計算機輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機的作業(yè)功率， 更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產的 FJ 系列五種新型號挖掘機配 有與液壓回路連接的計算機輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃 油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并處長了零部件的使用壽命；德國奧加凱 （O&K）公司生產的挖掘機的油泵調節(jié)系統(tǒng)具有合流特性，使油泵具有最大的工 作效率；日本神鋼公司在新型的 904、905、907、909 型液壓挖掘機上采用智能 第 2 頁  共 66 頁 型控制系統(tǒng)，即使無經驗的駕駛員也能進行復雜的作業(yè)操作；德國利勃海爾公司 開發(fā)了 ECO（電子控制作業(yè)）的操縱裝置，可根據作業(yè)要求調節(jié)挖掘機的作業(yè)性 能，取得了高效率、低油耗的效果；美國卡特匹勒公司在新型 B 系統(tǒng)挖掘機上采 用最新的 3114T 型柴油機以及扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)、功率方式選擇器等，進一 步提高了挖掘機的作業(yè)效率和穩(wěn)定性。韓國大宇公司在 DH280 型挖掘機上采用了 EPOS---電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據發(fā)動機負荷的變化，自動調節(jié)液壓泵所吸收的 功率，使發(fā)動機轉速始終保持在額定轉速附近，即發(fā)動機始終以全功率運轉，這 樣既充分利用了發(fā)動機的功率、提高挖掘機的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動機因過載 而熄火。 4）更新設計理論，提高可靠性，延長使用壽命。美、英、日等國家推廣采 用有限壽命設計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累 積理論、斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗 技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機的強度研究方面，促進了 產品的優(yōu)質高效率和競爭力。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法，并創(chuàng) 立了預測產品失效和更新的理論。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序， 研制了可靠性住處處理系統(tǒng)。在上述基礎理論的指導下，借助于大量試驗，縮短 了新產品的研究周期，加速了液壓挖掘機更新?lián)Q代的進程，并提高其可靠性和耐 久性。例如，液壓挖掘機的運轉率達到 85%-95%，使用壽命超過 1 萬小時。 5）加強對駕駛員的勞動保護，改善駕駛員的勞動條件。液壓挖掘機采用帶 有墜物保護結構和傾翻保護結構的駕駛室，安裝可調節(jié)的彈性座椅，用隔音措施 降低噪聲干擾。 6）進一步改進液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉 變的明顯趨勢。因為變量系統(tǒng)在油泵工作過程中，壓力減小時和增大流量變化， 使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機可經常性地充分利用油泵 的最大功率。當外阻力增大時則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長率加 ； 采用三回路液壓系統(tǒng)。產生三個互不影響的獨立工作運動。實現(xiàn)與回轉達機械的 功率匹配。將第三泵在其他工作運動上接通，成為開式回路第二個獨立的快速運 動。此外，液壓技術在挖掘機上普遍使用，為電子技術、自動控制技術在挖掘機 的應用與推廣創(chuàng)造了條件。 7）迅速拓展電子化、自動化技術在挖掘機上的應用。20 世紀 70 年代，為 了節(jié)省能源消耗和減少對環(huán)境的污染，使挖掘機的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖 掘機口音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應用電子和自動控制技術。隨著 對挖掘機的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要 求的提高，促使了機電一體化在挖掘機上的應用，并使其各種性能有了質的飛躍 。 20 世紀 80 年代，以微電子技術為核心的高新技術，特別是微機、微處理器、傳 感器和檢測儀表在挖掘機上的應用，推動了電子控制技術在挖掘機上應用和推 廣，并已成為挖掘機現(xiàn)代化的重要標志，亦即目前先進的挖掘機上設有發(fā)動機自 動怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電控系 統(tǒng)。 1.4 存在問題 我國小挖發(fā)展態(tài)勢良好，但依然存在很多問題。 一、國內企業(yè)技術水平、質量、可靠性參差不齊，僅有少數(shù)企業(yè)質量技術水平 與國際先進水平接近，這主要是國內大部分企業(yè)的體系建設相對落后所致。國內 第 3 頁  共 66 頁 眾多的小型挖掘機制造企業(yè)普遍存在機制、資金、人才、管理等綜合實力不足的 現(xiàn)象，難以形成核心競爭力和規(guī)?；l(fā)展。目前小型挖掘機零部件國產化率達到 70％，占采購成本的 50％。各大挖掘機制造商背后都有世界知名的零部件商作 技術支撐，零部件技術的進步帶動整機性能和可靠性的提高。小型挖掘機的液壓 系統(tǒng)中泵、閥、馬達等關鍵技術、工藝和知識產權基本掌握在日本、德國等少數(shù) 國家的廠商手中，采購成本約占據了整機成本的 40％。與挖掘機相配套的小型 發(fā)動機技術也掌握在日本、美國、德國等發(fā)達國家手中。隨著國內小挖市場的持 續(xù)升溫，國產小挖關鍵配套件缺失的矛盾進一步升級。制約我國工程機械品質提 升的一個重要因素，就是基礎配套件的落后以及上游供應鏈的薄弱。迫于競爭的 加劇，挖掘機制造企業(yè)對配套件質量的要求越來越高，國產小挖企業(yè)幾乎都選擇 進口的關鍵零部件。從國外進口零部件，不僅供貨期不能保證，導致企業(yè)無法進 一步提高產量。同時，從國外采購的全套液壓系統(tǒng)，占到了整機成本的 30％ ， 而且價格沒有商量的余地。加上售前、售后服務不到位等因素，大大制約了國產 小挖的快速發(fā)展。 二、進口二手挖掘機對國內小型挖掘機行業(yè)的影響也很大。目前國內存在大量 進口的二手設備，以挖掘機數(shù)量最為巨大，其中包括了相當比例的小型挖掘機， 對國內本行業(yè)的發(fā)展產生了相當大的沖擊。 第 4 頁  共 66 頁 第二章  液壓挖掘機反鏟工作裝置結構方案設計 2.1 引言 單斗液壓挖掘機是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動進行挖掘作業(yè)的機械。它是 目前挖掘機械中重要的機種之一。 單斗液壓挖掘機的作業(yè)過程是以鏟斗(一般裝有斗齒)的切削刃切削土壤并 將土裝入斗內，斗滿后提升。回轉至卸上位置進行卸土，卸空后鏟斗再轉回并下 降到地面進行下一次挖掘。當挖掘機挖完一段土后，機械移動一段距離，以便繼 續(xù)作業(yè)。 因此單斗液壓挖掘機是一種周期作業(yè)的自行式土方機械。 2.2 液壓挖掘機的基本組成分析與工作原理 單斗液壓挖掘機為實現(xiàn)周期性作業(yè)的要求，設有下列基本組成部分:工作裝 置、回轉裝置、動力裝置、傳動操縱機構、行走裝置和輔助設備等。常用的全回 轉式(轉角>3600)挖掘機，其動力裝置、傳動機構的主要部分、回轉機構、輔助 設備和駕駛室等都在轉臺上，稱上部轉臺。因而這種挖掘機也可概括為由工作裝 置、上部轉臺和行走裝置三大部分組成，而挖掘機的基本性能決定于各部分的構 造、性能及其綜合的效果。 圖 2-1 為液壓挖掘機基本組成及傳動示意圖，如圖所示，柴油機驅動液壓泵 ， 操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達)驅動相應的機構 進行工作。 液壓挖掘機的工作裝置采用連桿機構原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮 來實現(xiàn)。 反鏟工作裝置由鏟斗 1、斗桿 2、動臂 3、連桿 4 及相應的三組液壓缸 5. 6. 7 組成。動臂下鉸點鉸接在轉臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置 繞動臂下鉸點轉動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉動;而鏟斗鉸接于斗桿 前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉動。 挖掘作業(yè)時，接通回轉馬達，轉動轉臺，使工作裝置轉到挖掘位置，同時操 縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮;動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗 缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸 和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉馬達，使工作 裝置轉到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉進行卸土。卸完后 ， 工作裝置再轉至挖掘位置進行第二次挖掘循環(huán)。 在實際挖掘作業(yè)中，由于土質情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統(tǒng)的不同 ， 反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機的。上述過程 僅為一般的理想過程。 總之，液壓挖掘機采用三組液壓缸使工作裝置具有三個自由度，鏟斗可實現(xiàn) 有限的平面轉動，加上液壓馬達驅動回轉運動，使鏟斗運動擴大到有限的空間， 再通過行走馬達驅動行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴大，從 而滿足挖掘作業(yè)的要求。 第 5 頁  共 66 頁 0） 圖 2-1 液壓挖掘機基本組成及傳動示意圖 1-鏟斗 2 斗桿 3-動臂 4-連桿 5、6、7-液壓油缸 Ⅰ-挖掘裝置 Ⅱ-回轉裝置 Ⅲ-行走裝置 2.3 反鏟工作裝置結構設計方案 工作裝置是液壓挖掘機的主要組成部分之一。反鏟裝置是中小型液壓挖掘機 的主要工作裝置，也是建筑型挖掘機的主要工作裝置。 2.3.1 結構形式及結構特點 (1)動臂及斗桿的結構形式 由于整體式彎動臂結構簡單、價廉，剛度相同時結構重量較組合式動臂輕， 并且有利于得到較大的挖掘深度，故該反鏟液壓挖掘機采用整體式彎動臂。同時 采用整體式可調節(jié)斗桿以增大作業(yè)適應性。 (2)動臂及斗桿油缸的布置 動臂油缸裝于動臂的前下方，下支承點設在轉臺回轉中心之前，并稍高于轉 臺平面。兩動臂油缸活塞桿分別鉸接動臂兩側，在結構上有加筋保證強度。而斗 桿油缸鉸接于動臂上端，活塞桿鉸接于斗桿大端。 (3)鏟斗與鏟斗油缸的連接方式 鏟斗油缸通過搖桿和連桿與鏟斗相連，它們與斗桿一起組成六連桿機構，因 此較四連桿連接方式在相同的油缸行程下能得到較大的鏟斗轉角，改善了機構的 傳動特性。 (4)鏟斗的結構特點 由于鏟斗的作業(yè)對象繁多，作業(yè)條件也不同，鏟斗結構形狀和參數(shù)的合理選 擇對挖掘機的作業(yè)效果影響很大。采用切削前緣齊平，帶側齒，側壁微凸形鏟斗 以增大對巖石的作業(yè)效果。 2.3.2 結構設計方案的選擇 第 6 頁  共 66 頁 裝置設計） 反鏟方案選擇的主要依據是設計任務書規(guī)定的使用要求，據以決定工作裝置 是通用或是專用的。以反鏟為主的通用裝置應保證反鏟使用要求，并照顧到其他 裝置的性能。專用裝置應根據作業(yè)條件決定結構方案，在滿足主要作業(yè)條件要求 的同時，照顧其他條件的性能。 反鏟裝置總體方案的選擇包括以下方面： (1)動臂及動臂油缸的布置 確定用組合式或整體式動臂，以及組合式動臂的組合方式或整體式動臂的形 狀。確定動臂油缸的布置為懸掛式或是下置式。本設計采用整體式動臂，動臂彎 角 a1 = 150° (其推薦范圍：150°～170°)，動臂油缸采取下置式布置。 (2)斗桿及斗桿油缸的布置 確定用整體式或組合式斗桿，以及組合式斗桿的組合方式或整體式斗桿是否 采用變鉸點調節(jié)。本設計采用整體式斗桿，不采用變鉸點調節(jié)。 (3)確定動臂與斗桿的長度比，即特性參數(shù) k1 = l1  l 2 。 對于一定的工作尺寸而言，動臂與斗桿之間的長度比可在很大范圍內選擇。 一般當 k1>2 時稱為長動臂短斗桿方案，當 k1<1.5 時屬于短動臂長斗桿方案。k1 在 1.5-2 之間稱為中間比例方案。本設計特性參數(shù) k1 = l1  l 2 =1.46，從作業(yè)范圍 來看，在挖高、挖深、挖掘半徑均相同的條件下，k1 越大，工作范圍越窄。從挖 掘方式來看，k1 大宜用于斗桿挖掘為主，因其剛度易保證。而 k1 值小宜用于鏟 斗挖掘為主等。 (4)確定配套鏟斗的種類，斗容量及其主要參數(shù)。 根據設計要求本設計選定其斗容量為 0.2m3。 2.4 本章小結 本章首先介紹了液壓挖掘機的整體組成及工作原理，重點分析了反鏟工作裝 置結構組成和工作特點，然后分別對各機構進行結構方案的選擇，以便借助于電 子計算機及相關資料進行方案比較和參數(shù)選擇。 第 7 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 第三章  工作裝置的主要參數(shù)選擇及驗算 3.1 工作裝置的設計原則與參數(shù)說明 反鏟裝置的合理設計問題至今尚未理想的解決。以往多按經驗，采取統(tǒng)計和 作圖試湊的方法，現(xiàn)在盡可能采用數(shù)解分析方法，并利用電子計算機輔助設計。 3.1.1 工作裝置的設計原則 設計合理的工作裝置應滿足下列要求： (1)主要工作尺寸及作業(yè)范圍能滿足使用要求。在設計通用反鏟裝置時要考 慮與同類型，同等級及其相比的先進性，考慮國家標準的規(guī)定，并注意到運動參 數(shù)受結構碰撞限制等的可能性。 (2)整機挖掘力的大小及其分布情況應滿足使用要求，并具一定的先進性。 (3)功率利用情況盡可能好，理論工作循環(huán)時間盡可能短。 (4)確定鉸點布置，結構型式和截面尺寸形狀時盡可能使受力狀態(tài)有利。在 保證強度，剛度和連接剛性的條件下盡量減輕結構自重。 (5)作業(yè)條件復雜，使用情況多變時應考慮工作裝置的通用性。采用變鉸點 構件或配套構件時要注意分清主次。在滿足使用要求的前提下力求替換構件種類 少，結構簡單，換裝方便。 (6)運輸或停放時工作裝置應有合理的的姿態(tài)，使運輸尺寸小，行駛穩(wěn)定性 好。保證安全可靠，并盡可能使油缸卸載或減載。 (7)工作裝置油缸設計應考慮三化，采用系列參數(shù)，盡可能減少油缸零件種 類，尤其是易損件的種類。 (8)工作裝置的結構型式和布置要便于裝拆和維修，尤其應便于易損壞的更 換。 (9)采用合理措施來滿足特殊使用要求。 3.1.2 機構自身的幾何參數(shù) 機構的自身幾何參數(shù)有三類：第一類是決定機構運動特性的必要參數(shù)，稱原 始參數(shù)，這里主要選擇長度參數(shù)作為原始參數(shù)；第二類是由第一類參數(shù)推算出來 的參數(shù)，稱推倒參數(shù)，多為運算中需要的角度參數(shù)；第三類是作方案分析比較所 需要的其他特性參數(shù)。反鏟機構自身幾何參數(shù)的計算簡圖及相關符號見圖 3-1 所示。 表 3-1 反鏟機構自身幾何參數(shù) 第 8 頁  共 66 頁 參 數(shù) 分 類 機構參數(shù)組成 鏟斗 斗桿 動臂 機體 符號意義 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 原 始 參 數(shù) L3=QV， l12=MH l13=MN，l14=HN l24=QK，l25=KV l29=KH L2=FQ ， l10=FG ， L1=CF，l6=CD l11=EG, l15=GN ， l7=CB，l8=DF l16=FN l22=BF. l4=CP，l5=CA α9=∠NMH，  α4=∠EFG，  α2=∠BCF  α11=∠CAP 推 α10=∠ KQV α5=∠GNF α3=∠DFC α12=∠ACP 導 參 數(shù) α6=∠GFN α7=∠NQF α8=∠NFQ 特  K2=l24/l3， L3  K5=l2/l9， L2  L1  α11 性 參 數(shù) α1=∠CFU σ=L7/L5 K1=L1/L2 備 注 L2 為斗桿長 L1 為動臂長 α1 為動臂轉角 下置式 圖 3-1 反鏟工作裝置機構自身幾何參數(shù)計算簡圖 3.2 斗型參數(shù)的選擇 第 9 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 斗容量 q，平均斗寬 B，轉斗挖掘半徑 R 和轉斗挖掘裝滿轉角 2? （令 2? =? max） 是鏟斗的四個主要參數(shù)。R,B 及 2? 三者與 q 之間有以下幾何關系 （3—1） 式中  q—標準斗容量即堆尖斗容, q = 0.2m3 ; B—平均斗寬，查表 2—6，選取 B=750mm； R—轉斗挖掘半徑； —土壤松散系數(shù)，取 1.25； —挖掘裝滿角，全面考慮有關因素，可以取 2? =90o～100o，取 2? =96o。 將以上各值代入式(3—1)，計算得 R = 790mm ≈ 800mm。 鏟斗上兩個鉸點 K 和 Q 的間距  太大將影響鏟斗機構的傳動特性，太小 則影 響 鏟 斗 結 構 剛 度 ， 一 般 取 特 性 參 數(shù) k 2 =  l 24 l 3  =  KQ QV  = 0.3 ~ 0.38  。取 . 則 KQ = 0.375QV  = 0.375×800 = 300mm 一般地，取 a10 = ∠KQV = 95° ~ 115° ，取 a10 = 1000 3.3 動臂機構參數(shù)選擇 確定動臂與斗桿的長度比，即特性參數(shù) K1 = l1  l2  。對于一定的工作尺寸而言， 動臂與斗桿的長度比可以在很大的范圍內選擇。由樣機，初選 K1 = 1.46。 據統(tǒng)計，最大挖掘半徑 R1 值一般與 l1 + l 2 + l3 的和值很接近。因此由要求的 R1 ，已定的 l3 和 K1可按下列近似經驗公式初選 l1和 l 2 ： l 2 =  R1 ? l 3 1+ K1  (3—2) l1 = K1l2 第 10 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 由原始參數(shù)給定最大挖掘半徑為 R1 = 5500mm ， l3 = R = 800mm 代入公式（3—2）得 l 2 =1810mm， l1=2610mm。 動臂液壓缸全伸與全縮時的力臂比  按不同情況選取，以反鏟為主的通用 挖掘機要適當顧及其他換用裝置要求在地面以上作業(yè)時有足夠的提升力矩可取 K 4 =0.8~1.1。 初選 K 4 =0.9。 a11的取值對參數(shù)特性 K4 ，最大挖掘深度 H1max 有影響。加大 a11 會使 K 4 減 小或使 H1max 增大，這正符合反鏟作業(yè)要求。因此基本用作反鏟的小型機取 a11 ＞60 °，有的甚至取 a11＞80°。初選 a11=80°。 根據液壓系統(tǒng)工作壓力，流量，系統(tǒng)回路，供油方式，工廠制造條件和三 化的要求等確定液壓缸的伸縮比λ。增大液壓缸伸縮比 ?1 可以增大動臂的轉角 ? max ，但由于受油缸穩(wěn)定性的限制， ?1 一般取 1.6~1.7。初選動臂液壓缸的伸縮 比 ?1 =1.67。 由機體尺寸和工作尺寸經驗系數(shù)表及線尺寸參數(shù)公式： （3—3） 由公式（3—3）可得 l 5=AC=560mm  如圖 3—1。 第 11 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 圖 3—1 AC 計算簡圖 動臂及動臂液壓缸鉸點的幾何關系可按圖 3—2 用公式表達： 由樣機，初選無因次比例系數(shù)ρ=0.5，則由 ? =  l 5 l1min  可得 L1min =1120mm, 動臂在上極限位置時由△ CAB1得 (3—4） （3—5） 圖 3—2  動臂和動臂液壓缸鉸點位置的幾何關系 動臂在下極限位置時由△ CAB 得 （3—6） （3—7） 又由△ CAB1得  l 5 sin ?  L = 1max sin a  ∴ sin ? =  l5 L1max  sin a 由△ CAB 得  l5 sin ?  L = 1max sin a  ∴ sin ? =  l 5 L1max  sin a 第 12 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 于是動臂在上，下極限位置時液壓缸作用力臂相應為 力臂比 K 4 =  e z e0  =  L1max 1 ? p 2 L1max 1? M 2  =  1 1? p 2 ? 1? M 2  = 0.9  （3—8） 取無因次比例系數(shù) ? =  l5 L1min  ，ó =  l7 L1min  ，把它們代入式（3—5）和式（3—7） ， 得出 p =  ó 2 + ? 2 ? 12 2ó?  M =  ó 2 + ? 2 ? ?2 2ó?  （3—9） 將式（3—9）代入式（3—8）得  ó = 1.4 由式（3—9）,（3—6）,（3—7）得  l 7 = 1568 mm 從△ CAB 和△ CAB1中可以看到 ó , ? ,? 之間的關系： ó + ? = 1.9 > ? = 1.67 ； ó ? ? = 0.9 < 1。符合要求 ó 大于 ? ，此時 l7 > l5 。懸掛式動臂連接方案即屬于此類。 由式（3—4）和（3—6）得 顯然，動臂的擺角為 a -á = 84° 斗桿液壓缸全縮時 ∠CFQ = a32 ? a8 最大，常選（a32 ? a8 ) max = 160 ° ~ 180° 。 初選（a32 ? a8 ) max = 170°。 第 13 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 當懸掛式動臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸全縮，QV 連線處于垂直狀態(tài)時可以得 到最大卸載高度狀態(tài)，如圖 3—3。 由圖知最大卸載高度的表達式為： H 3max = Yc + sin( a11 ? è1min ? a2 ) + l 2 sin( a32max ? è1min ? a8 + a11 ? a2 ? 180° ) ? l3 (3-10) 初選 a1 = 130° ，則 圖 3—3 最大卸載高度計算簡圖 由正弦定理得，  l1 sin a1  =  l 22 sin a 2  ，因此 a 2 = 23° , a39 = 180 ° ? a1 ? a2 ? 27° 將以上所得代入式（3—10）可得Y c = 780 mm 當懸掛式動臂液壓缸全伸，F(xiàn)QV 三點同直線并處于垂直狀態(tài)時可以得到最大 挖掘深度狀態(tài)，如圖 3—4。 由圖知最大挖掘深度的表達式為： 第 14 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 圖 3—4 最大挖掘深度計算簡圖 3.4  斗桿機構參數(shù)選擇 確定斗桿液壓缸的鉸點位置，行程及力臂比時應考慮以下因素： 1.保證斗桿液壓缸產生足夠的斗齒挖掘力。一般來說希望液壓缸在全行程中 產生的斗齒挖掘力始終大于正常挖掘阻力；液壓缸全伸時的作用力矩應足以支承 滿載斗和斗桿靜止不動；液壓缸作用力臂最大時產生的最大斗齒挖掘力應大于要 求克服的最大挖掘阻力。 2.保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力。對于以轉斗挖掘為主的中小型反鏟， 選擇斗桿機構參數(shù)時必須注意轉斗挖掘時斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖 掘區(qū)內轉斗液壓缸的挖掘力能得到充分的發(fā)揮。 3.保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍大致在 105°~125°之間。在滿足工作 范圍和運輸要求的前提下此值應盡可能取的小些。一般說斗桿愈長，其擺角范圍 第 15 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 也可稍小。當斗桿液壓缸和轉斗液壓缸同時伸出最長時，鏟斗前臂與動臂之間的 距離應大于 10cm。 斗桿上 ∠EFQ 的大小取決于結構因素，并考慮到工作范圍一般在130° ~ 170° 之間。 本設計取 ∠EFQ = 140 ° 。 參考國內同類機型機器斗桿挖掘力值  ，按要求的最大挖掘力確 定斗桿液壓缸的最大作用力臂  。初選斗桿液壓缸缸筒內徑為 140mm，桿徑為 80mm，伸縮比 ?2 = 1.67。可查得，液壓缸的推力為 215.46KN，拉力為 145.04KN。 e2 max = l 9 = 則 e2 max = l 9 =  PG max ( l2 + l3 ) P2 40× (1810 + 800 ) 215.46  = 484.5mm  （3—11） 斗桿的擺角在105°～125°之間，取 ? 2max = 110° 斗桿液壓缸初始力臂 e20 與最大力臂 e2 max 之比是斗桿擺角? 2max 的余弦函數(shù)。 設 e20 = e2 Z ，則 可見 l9 已定時 ? 2max 愈大， e20 和 e2 Z 就愈小。如圖 3—5 所示，平均挖掘力也就越 小。 第 16 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 圖 3—5 由圖 3—5，取 e20 = e2 Z ，求得 斗桿機構參數(shù)計算簡圖 l 2min =  ? 2max 2 ?2 ?1  = 1185mm l 2max = 1978.5mm l8 = l 22min + l92 ? 2l 2min l 9 cos  e + ?2 max 2  (3—12) 將所得結果代入式(3—12)得 挖掘機在最大卸載高度處，斗桿液壓缸全縮,此時 3.5  鏟斗機構參數(shù)選擇 作機構參數(shù)選擇時，已知 待選的參數(shù)還有 7 個（見圖 3—6）即 。 第 17 頁  共 66 頁 2l9sin 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 圖 3—6  鏟斗機構參數(shù)選擇 如前所述，鏟斗在挖掘過程中的轉角大致為 90°~100°，為了要滿足開挖和 最后卸載及運輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉角往往要達到 150°~180°，本設計初 選? 3max = 160° 。 如圖 3—7 所示，設 l3 = l3 min 時斗齒尖為 V0 ，則V0肯能在 FQ 延長線上，或者在其 上側的 0°~30°處，本設計初選V0 在其上側 15°處，此時 ⊥ V 0QV1 為仰角。 圖 3—7 鏟斗機構參數(shù)選擇要求 鏟斗液壓缸伸縮比應當在允許的范圍內，對鏟斗機構可取 ? 3 = 1 .45 ~ 1 .65 。 本設計初選 ?3 = 1.46。 由圖得， MM 1 = S = 517mm ，即轉斗液壓缸的行程。則 第 18 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 則可測的 ∠GFQ = 60° , GF = 567mm。 由結構確定 G 點位置，必須保證鏟斗六連桿機構在 l3 全行程中任一瞬時都不會被 破壞，即保證 ?GFQ, ?GNM 在任何瞬時都成立。l3 全行程中機構都不應出現(xiàn)死點 ， 且傳動角應在允許的范圍內。在任何瞬間各構件之間都不應有干涉，碰撞現(xiàn)象。 3.6 本章小結 前述機構參數(shù)的選擇計算是初步的。所謂“設計要求”只考慮了工作尺寸和 各油缸的作用力矩及其變化規(guī)律兩方面。接著應考察各油缸作用力矩的均衡性， 整機挖掘穩(wěn)定性，整機與地面的附著性，滿足結構和布置的可能性等，以綜合比 較各初選方案，從而確定最佳的機構參數(shù)。 第 19 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 第四章 液壓挖掘機反鏟工作裝置受力分析 4.1 引言 本章主要討論液壓挖掘機反鏟裝置設計計算時工況及計算位置的選擇，載荷 的分析和計算圖式等。 工作裝置主要由鏟斗，斗桿，動臂以及連桿機構的各種工作由缸組成。對這 些結構件的分析計算，首先應確定各結構的最不利工況，即在這工況下對某一結 構件可能出現(xiàn)的最大應力，以這工況作為設計該結構的依據，也就是強度設計中 計算位置的選擇，計算圖式和載荷的確定問題。 由于影響挖掘機挖掘力的因素很多，如三個工作油缸的匹配，整機穩(wěn)定問題 等，并且同樣的反鏟裝置還有較多的形式，因此對計算位置的選擇，看法很不一 致，更無統(tǒng)一的規(guī)定。隨著電子計算機的普及應用，目前已有可能對挖掘機的所 有工況及其挖掘過程中指定的千百個位置進行作用力分析和對各結構件進行較 多的可能危險斷面進行應力計算，再結合樣機的應力測試，使工作裝置的結構設 計有可能得到比較可靠而又經濟的結構尺寸和形狀。 4.2  動臂液壓缸的作用力計算 動臂液壓缸應保證反鏟作業(yè)過程中在任何位置上都能提起帶有滿載鏟斗的 工作裝置達到最高和最遠的位置?？蛇x用三個計算位置： 1.從最大挖掘深度處提起滿載斗（圖 4—1 a） 2.最大挖掘半徑時舉起滿載斗（圖 4—1 b） 3.最大卸載高度時提起滿載斗（圖 4—1 c） 根據斗容量查參考資料確定工作裝置各部分重量： 表 4-1 反鏟裝置的構造近似質量表 4.2.1.從最大挖掘深度處提起滿載斗 表 4-2 最大挖掘深度處各重量的近似力臂值表（mm） 土 動臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動臂缸 力臂 第 20 頁  共 66 頁 斗容 動臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動臂缸 0.2 0.223 0.179 0.086 0.055 0.051 0.017 0.055 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 1703  1253  2163  1873  1613  2323  2093  743  429 由  有： 圖 4—1 動臂液壓缸的作用力計算簡圖 第 21 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 4.2.2.從最大挖掘半徑處提起滿載斗 表 4-3 最大挖掘半徑處各重量的近似力臂值表（mm） 由 M c = 0  有： 4.2.3.從最大卸載高度處提起滿載斗 表 4-4 最大卸載高度處各重量的近似力臂值表（mm） 由 M c = 0  有： 4.3 液壓缸的閉鎖壓力計算 確定合理的液壓缸閉鎖能力是保證挖掘力得到充分發(fā)揮的條件之一。在挖掘 范圍內當工作裝置處于不同位置時各液壓缸所受到的被動作用力值也不同，要全 面地確定各位置下的液壓缸被動作用力，既很繁瑣，又無必要。一般常選定幾個 反鏟作業(yè)主要工況作為計算位置來計算各液壓缸應有的閉鎖力，使之在該工況下 不發(fā)生液壓缸被動回縮或伸長的現(xiàn)象，從而保證了工作液壓缸作用力的發(fā)揮。 根據參考資料 初選動臂液壓缸一支，缸徑 140mm，桿徑 80mm。則動臂液壓缸大腔推力 246.2KN， 動臂液壓缸小腔推力 165.8KN， 初選斗桿液壓缸一支，缸徑 100mm，桿徑 50mm。則斗桿液壓缸大腔推力 125.6KN， 斗桿液壓缸小腔推力 94.2KN， 第 22 頁  共 66 頁 土 動臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動臂缸 力臂 4050 1200 3010 4340 1540 3830 4540 490 542 土 動臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動臂缸 力臂 3953 773 2393 4153 943 3043 4063 193 403 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 初選鏟斗液壓缸一支，缸徑 100mm，桿徑 50mm。則鏟斗液壓缸大腔推力 125.6KN， 鏟斗液壓缸小腔推力 94.2KN， 為確定各液壓缸的閉鎖壓力，選用以下三個計算位置： 1.動臂處于最低位置，斗桿呈垂直狀態(tài)，轉斗挖掘，其作用力臂為最大（圖 4—2）。 因此鏟斗液壓缸產生的挖掘力為最大，挖掘阻力對動臂鉸點 C，斗桿鉸點 F 所造 成的力矩均接近最大值，而動臂液壓缸的力臂值為最小。 表 4-5 第一種工況時各作用力的近似力臂值表（mm） 轉斗液壓缸挖掘力  可通過對 Q 點的力矩平衡方程求得： 從可能出現(xiàn)的最不利的情況出發(fā)，假設存在法向阻力，其值取 各力對 F 點取矩，可得到斗桿液壓缸所受的被動作用力  ＇ 第 23 頁  共 66 頁 233 269 215 127 174 1487 1677 1873 2000 1233 3927 253 429 418 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 圖 4—2  第一種工況液壓缸閉鎖壓力計算簡圖 其中， G2 —斗桿，轉斗液壓缸及連桿機構總重 ＇使斗桿液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設此時限壓閥調定壓 力等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 125.6KN，而小于  ＇ =128KN，顯然液壓缸會回縮。 為了防止液壓缸回縮，限壓閥的調定壓力應高于液壓缸工作壓力，超出的百分比 為： 第 24 頁  共 66 頁 小型液壓挖掘機設計（工作裝置設計） 同樣對動臂在平臺上的支撐點 C 取矩，求得動臂液壓缸所受的被動作用力 P1 ＇ ＇使動臂液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設此時限壓閥調定壓力 等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 246.2KN，而小于  ＇ =249.7KN，顯然液壓缸會回縮。 為了防止液壓缸回縮，限壓閥的調定壓力應高于液壓缸工作壓力，超出的百分比 為： 2.動臂處于最低位置，斗桿與動臂鉸點 F，斗與斗桿鉸點 Q，斗齒尖 V