機械畢業(yè)設計（論文）-單斗液壓挖掘機設計【全套圖紙】

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1、中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 1 頁 摘 要 本次結業(yè)設計的題目是輪胎式液壓挖掘機與其它類型的挖掘機相比,這 種類型的挖掘機有很多優(yōu)點,它使用汽車底盤.因此,行駛速度較履帶式更快,此 外,它還有很好的適應性,可以市區(qū)中行走,其引它采用液壓傳動,這改善了 挖掘機的整機性能,使其更可靠,再次可以在多個方向上工作,并準確卸載, 且可方便卸載. 本次設計的主要參數是給出了斗容量:1m3 .本次主要設計挖掘機的工作 裝置,回轉驅動裝置,液壓傳動原理. 在設計中,我采用了汽車盤并加以改一個更大的范圍內工作,因造以滿足 要求,上部轉臺是全回轉式,因此它可在采用了液壓傳動控制而使整機性能 得以改

2、善.與機械式挖掘機相經,其挖掘機力提高了很多,整機質量約 26 噸, 挖掘力 140KN,卸載高度約 4.59m,挖掘深度 5.089m,挖掘半徑 9.075m. 關鍵詞關鍵詞: :液壓挖掘機; 液壓控制; 液壓系統(tǒng); 全回轉; 卸載; 鏟斗. 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706153893706 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 2 頁 ABSTRACT This time topic which graduates a design is tire type the liquid press to scoop out machine and other types of

3、 the excavation machine compare, the excavation machine of this kind of type contain a lot of advantages, it uses car bedrock.Therefore drive speed to compare with track type, sooner, in addition, it still has good adaptability, can with run about in the downtown, it leads it to adopt a liquid to pr

4、ess to spread to move, this whole machine function which improves excavation machine, make it more dependable, can work on several directions again, and accurate unload, and convenient unload. The main parameter of this time design is to give bucket capacity:1m3 .This the main design scoop out machi

5、ne of work device, the turn-over drives device, the liquid presses to spread to move principle. In the design, I adopted car dish and take in to change a work inside the larger scope, because of build to satisfy a request, upper parts turning set is a whole turn-over type, so it can Be adopting a li

6、quid to press to spread to move control but canning make the whole machine function improve.Scoop out machine with machine type mutually through, the its excavation machine dint raised a lot of, the whole machine quality is about 26 ton, the excavation dint 140 KN, unload height about 4.59 m, the ex

7、cavation depth 5.089 m, scoop out a radius 9.075 m. 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 3 頁 Keyword: the liquid press to scoop out machine; the liquid presses a control; the liquid presses system; whole turn-overs; unload; bucket. 目 錄 1 1 概述概述1 1.1 機械發(fā)展的特點 1 1.2 挖掘機械的類型 2 1.3 單斗液壓挖掘機的基本組成和工作原理 2 1.4 本次設計任務 2 2 2

8、設計方案設計方案3 2.1 工作裝置方案設計 3 2.1.1 工作裝置設計原則 3 2.1.2 反鏟裝置的組成及構造特點 3 2.1.3 具體結構方案 4 2.2 回轉機構方案設計 5 2.2.1 對回轉機構的基本要求 5 2.2.2 回轉機構的選擇 5 2.2.3 制動器的選擇 6 2.3 液壓系統(tǒng)方案設計 6 2.3.1 單斗液壓挖掘機的作業(yè)過程包括下列幾個間歇動作 6 2.3.2 對液壓系統(tǒng)的要求 6 3 3 工作裝置設計計算工作裝置設計計算 7 3.1 尺寸估計 7 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 4 頁 3.2 運動分析 8 3.2.1 機構自身幾何參數 8 3.2.2

9、動臂的運動 8 3.2.3 斗桿的運動12 3.2.4 鏟斗的運動13 3.3 工作裝置的設計計算14 3.3.1 斗形參數選擇14 3.3.2 轉斗挖掘阻力計算14 3.3.3 動臂機構參數的選擇15 3.3.4 鏟斗機構的參數選擇20 3.3.5 鏟斗機構載荷分析21 3.3.6 斗桿機構的參數選擇22 3.3.7 動臂液壓缸，斗桿液壓缸，鏟斗液壓缸初步設計估算24 4 4 回轉裝置設計計算回轉裝置設計計算 25 4.1 滾動軸承式回轉支承的選型計算25 4.2 回轉起動力矩和制動力矩計算31 4.3 行星減速器設計32 4.3.1 齒形及精度33 4.3.2 齒輪材料及其性能33 4.3

10、.3 計算傳動比33 4.3.4 分配傳動比33 4.3.5 高速級設計計算34 4.3.6 低速級的計算45 4.3.7 軸的設計47 5 5 轉臺布置和整機穩(wěn)定性轉臺布置和整機穩(wěn)定性 47 5.1 轉臺布置47 5.2 整機穩(wěn)定性計算48 6 6 液壓系統(tǒng)設計液壓系統(tǒng)設計 50 6.1 液壓系統(tǒng)基本回路50 6.2 系統(tǒng)初步計算和液壓元件的選用54 結論結論56 參考文獻參考文獻57 致謝致謝58 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 5 頁 1 概述 1.1 機械發(fā)展的特點 1)挖掘機品種和產量劇增并向多功能,高效發(fā)展 為適應各種工程對象的要求以及國際市場的競爭,七年內品種增加 1

11、015 倍,達 600 多種以上.為擴大機械的使用性能,中小型單斗挖掘機還附 有多達數十種可換工作裝置.大型挖掘機和斗輪挖掘機由于生產率高,經濟 效果顯著也發(fā)展很快. 2)液壓挖掘機迅速發(fā)展 液壓挖掘機由于使用性能,技術指標和經濟指標上的優(yōu)越,六十年代即開 始蓬勃發(fā)展,六十年代末世界各國液壓挖掘機產量與挖掘機總產量之比平均 值已達到時 80%以上. 3)普遍重視產品的標準化、系列化、通用化以及新技術、新工藝、新結 構和新材料的采用 產品的“三化”不僅可大大縮短新產品的設計研制周期和老產品改進更 新換代周期,有利發(fā)展品種,并且便于大批量生產、提高產量和質量、降低 成本、有利用用戶的使用修理以及配

12、件的生產和供應.它已是組織與管理現 代化生產的重要手段.挖掘機主要生產國美、日、法、西德和蘇聯等除有國 家標準外各大公司還有自己的系列標準. 4)生產專業(yè)化程度不斷提高,并重視質量管理 加強挖掘機及其零部件生產的專業(yè)化,使工廠集中精力于承擔有限部分 的加工工藝,為大批量生產保證產品的質量、降低成本增加利潤并便于產品 的變型發(fā)展.采用主機零件廠分工協作,由幾個專業(yè)廠專門為主機廠配套. 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 6 頁 國外制造挖掘機各公司對質量的管理都非常重視,認為是影響企業(yè)生存 和發(fā)展的重要環(huán)節(jié).各企業(yè)都沒設有質量管理部并自成管理體系. 5)重視試驗與研究工作、提高科技人員的

13、比例 為了不斷提高挖掘機產品質量,改進產品性能和發(fā)展新產品,各國普遍重 視試驗研究工作.各國大的公司企業(yè)或由國家投資建立工程機械、挖掘機的 試驗中心、試驗研究所或室等. 1.2 挖掘機械的類型 挖掘機械的類型與構造型式繁多，可按照挖掘工作原理與過程、用途、 構造特征等進行劃分。 按照用途，單斗挖掘機分為：建筑型、采礦型和剝離型等。建筑型挖掘 機一般可裝置各種不同的工作裝置，進行多種作業(yè)，故又稱通用式。 按照動力裝置，挖掘機有電驅動、內燃機驅動和復合驅動等，以一臺發(fā) 動機帶支挖掘機全部機構者為單機驅動式，以若干發(fā)動機分別帶動各個主 要機構者為多機驅動式。 按照傳動方式，挖掘機分為機械傳動式、液壓

14、傳動式和混合傳動式。 挖掘機的行走裝置型式有：履帶式、輪胎式、汽車式、步行式、軌道式、 拖式等。 單斗挖掘機工作裝置的型式很多，常用的基本型式，對于機械傳動的挖 掘機有：正鏟、反鏟、拉鏟和起重吊鉤等。 本次設計斗容量為 1m3,由于輪胎式液壓挖掘機的諸多優(yōu)點,其應用領域 很廣泛,輪胎式液壓挖掘機傳動性能好,工作平穩(wěn),行走速度快,對路面沒有 破壞,機構布置合理緊湊,操作簡便靈活易實現“三化”. 1.3 單斗液壓挖掘機的基本組成和工作原理 單斗液壓挖掘機為了實現周期性作業(yè)要求,設有下列基本組成部分:工作 裝置、回轉機構、動力裝置、傳動操縱機構、行走裝置和輔助設備等.常用 是全回轉式挖掘機,其動力裝

15、置、傳動機構的主要部分、回轉機構、輔助設 備和駕駛室等都裝在可回轉的平臺上,簡稱為上部轉臺.因而常又常把這類 機械概括成由工作裝置,上部轉臺和行走裝置三大部分組成.挖掘機的基本 性能也就決定各組成部分的構造和性能. 液壓挖掘機由柴油機驅動液壓泵,把高壓油輸送到各閥,再到有關液壓執(zhí) 行元件驅動機構進行工作. 1.4 本次設計任務 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 7 頁 本次設計斗容量 1m3的液壓挖掘機,挖掘級及以下土壤.設計任務:工 作裝置的運動分析,整體設計,回轉裝置設計,零件圖設計,液壓傳動系統(tǒng)的 原理設計. 2 設計方案 2.1 工作裝置方案設計 2.1.12.1.1 工作裝

16、置設計原則工作裝置設計原則 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)范圍能滿足要求。在設計通用反鏟裝置時要考慮 與同類型，同等級機器相比的先進性。考慮國家標準的規(guī)定，并注意到參 數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用滿足使用要求并具有一定的先進 性。 3)功率利用情況盡可能好，理論工作時間盡可能短。 4)確定鉸點布置，結構形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

17、各類少，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性使液壓缸載呀減載。 7)工作裝置液壓缸設計應考慮三化，采用系列參數，盡可能減少液壓缸 零件種類，尤其是易損件的種類。 8)工作裝置的結構形式和布置要使于裝拆和維修，尤其是易損件的更換。 9)要采取合理措施來滿足特殊使用要求。 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 8 頁 2.1.22.1.2 反鏟裝置的組成及構造特點反鏟裝置的組成及構造特點 反鏟裝置是中小型液壓挖掘機的主要工作裝置，目前廣泛應用的斗容在 1.6m3 以下。 液壓挖掘機反鏟裝置由動臂、斗桿、鏟斗以及動臂

18、液壓缸、斗桿液壓缸、 鏟斗液壓缸和連桿機構等組成，其構造特點是各構件之間的聯系全部采用 鉸接通過液壓缸的伸縮來實現挖掘過程的各個動作。 動臂的下鉸點與回轉平臺鉸接并以動臂液壓缸來支承和改變動臂的傾角 通過動臂液壓缸的伸縮可使動臂繞下鉸點轉動而升降斗桿鉸接于動臂的上 端，斗桿與動臂的相對位置由斗桿液壓缸控制。當斗桿液壓缸伸縮時，斗 桿便可繞動臂上鉸點轉動。鏟斗與斗桿前端鉸接并通過鏟斗液壓缸伸縮使 鏟斗繞該點轉動。為增大鏟斗的轉角通常以連桿機構與鏟斗連接。反鏟主 要用于挖掘停機面以下地壤，其挖掘軌跡決定于各液壓缸的運動及其相互 配合的情況，當采用動臂液壓缸工作來進行挖掘時，可以得到最大的挖掘 半徑

19、和最長的挖掘行程。 當動臂位于最大下傾角并以斗桿液壓缸進行挖掘工作時可以得到最大的 挖掘深度尺寸，并且也有較大工業(yè)挖掘行程。在輕堅硬的士質條件下工作 時能夠證裝滿鏟斗幫中小型挖掘機在實際工作中常以斗桿液壓缸工作進行 挖掘，以鏟斗液壓缸工作進行挖掘時挖掘行程較短，如使用權鏟斗在挖掘 行程結束時能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。 所以一般土方工程挖掘中轉斗挖掘最常采用。實際挖掘工作中往往需要采 用各種液壓缸的聯合工作。 2.1.32.1.3 具體結構方案具體結構方案 1)動臂及斗桿的結構形式 動臂是工作裝置的主要構件，斗桿的結構型式往往取決于動臂的結構形 式反鏟動臂分為整體式

20、和組合式兩類。整體式動臂結構簡單。價廉，剛度 相同時結構重量較組合式動臂輕。它的缺點是替換工作裝置較少，通用性 較差為了擴大機械通用性，提高其利用率，往往需要配備幾套不通用的工 作裝置。一般說長期用于作業(yè)條件相似的反鏟采用整體動臂結構比較合適。 因此，考慮到國內的現代化建設中的西部大開發(fā)及南水北調工程。本設計 采用整體式動臂。 2)動臂液壓缸和斗桿液壓缸的布置 動臂液壓缸的連接，一般有兩種布置方案：一種是動臂液壓缸裝于動臂 的前下方動臂下支承點，可以調在轉臺回轉達中心之前，并稍高于轉臺平 面，它也可以設在轉臺回轉中心之后，以改善轉達臺的受力情況，但使用 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計

21、第 9 頁 反鏟作業(yè)裝置時動臂支點靠后布置會影響挖掘深度。大部分中小型液壓挖 掘機以反鏟作業(yè)為主，因此采用動臂支點靠前布置的方案，動臂液壓缸支 于轉臺中點靠前處，以增加作業(yè)上方和后主，有的稱之謂是掛式液壓缸， 這種方案的特點是動臂下降幅度較大，在挖掘時，尤其在挖深較大壓缸往 往處于受壓狀態(tài)，閉鎖能力較強，盡管在動臂提升時液壓缸小腔進 油提升 力矩一般尚夠用，提升速度也較快幫作為專用的反鏟裝置這種方案仍然可 取。 3)鏟斗的聯接 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接有三各形式，其區(qū)別主要在于液壓缸活塞端部 與鏟頭號、斗桿與鏟斗的連接方式不同。 4)鏟斗的結構特點 對各種鏟斗結構形狀的共同要求是： 有利二物料的

22、自由流動，因此鏟斗內壁不宜設置橫向緣，棱角等斗底 的縱向剖面形狀要適合各種物料的運動規(guī)律。 要使物料易于卸凈，用于粘于的鏟斗裝卸時不易卸凈，因此延長了作 業(yè)循環(huán)時間，降低了有效斗容量，因此可采用強制卸土板的粘土鏟斗。 為了便于物料的鏟裝，裝入物料不易掉出，鏟斗寬度與物料顆料直徑 之比應大于 4：1，當此比值大于 50：1 時顆粒尺寸的影響可不考慮，視物 料為均質。 裝設計齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時的挖掘線比壓，以便函切入 或破碎陰力較的物料。 2.2 回轉機構方案設計 單斗液壓挖掘機回轉機構的回轉時間約占整個工作循環(huán)時間的 5040%?；剞D液壓油路的發(fā)熱量約占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的 3040%

23、。因此 合理地確定回轉機構的液壓油路和結構方案，正確選擇回轉機構諸參數， 對提高生產率，改善司機的勞動條件，減少工作裝置的沖擊等具有十分重 要的意義 2.2.12.2.1 對回轉機構的基本要求對回轉機構的基本要求 1)在加速度和回轉力矩不超過允許值的前提下，應盡可能縮短回時間。 在回轉部分慣性已知的情況下，角加速度的大小變最大的回轉扭掩蔽的限 制該扭矩不應超過行走部分與地面的附著力矩。 2)回轉機構的動載荷系數不應超過允許值，非全回轉的挖掘機回轉時， 工作裝置不應碰撞定位器。 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 10 頁 3)回轉能量損失最小 2.2.22.2.2 回轉機構的選擇回轉機

24、構的選擇 回轉機構分為全回轉式和半回轉式，懸掛式液壓挖掘機通常采用半回轉 的的回轉機構，回轉角度一般等于或小于 180o本次設計為履帶式液壓挖掘 機，因此采用全回轉式回轉機構。 全回轉的回轉機構，按液動機的結構形式可分為高速方案和低速方案兩類。 由高速液壓馬達經齒輪減速成器帶動回轉小支承上的回定齒圈動，促使轉 臺轉的稱為高速方案。其低速大扭矩液壓馬達直接帶支回轉小齒輪促使轉 臺回轉的稱為低速方案。在高速方案中，通常采用行星齒輪減速成箱減速。 行星齒輪減速成箱，雖然加工要求較高，但可用一般漸開線齒廓的模數銑 刀進行加工，結構也比較緊湊，速成比大，受力好。因此獲得廣泛的應用， 高速方案一般采用斜軸

25、式液壓馬達驅動的回轉機構。此方案結構比較緊湊， 速比大，受力好，回此在液壓挖掘機中獲得廣泛的應用，本次設計將采用 斜軸式液壓馬達驅動的回轉機構。高速方案還有以上優(yōu)點：高速成液壓馬 達體積小，效率高，不需要背壓補油，便函于設置小制支器發(fā)熱和功率損 失小，工作可靠。 2.2.32.2.3 制動器的選擇制動器的選擇 制動器應滿足工作安全可靠，制動平穩(wěn)，操縱輕便靈敏等要求，在對回 轉機構采用了鉗盤式制動器。因為通過試驗與蹄式制動器相比，它具有下 優(yōu)點： 1)鉗盤式制支器所產生的制動力矩比較半穩(wěn)由于它無增力作用其效率系 數 K 與磨擦系數 u 為直線關系。 2)由于制動盤都暴露在外，因此通風良好，旋轉時

26、還有自潔作用，熱穩(wěn) 定性好，基本上無熱衰退現象，在連續(xù)多次使用情況下制動力矩變化很小， 甚至在惡劣工況下仍能正常使用。 3)維修方便，不需要經常調整間隙。 4)制動磨擦襯片磨擦均勻，使用壽命也比較長。但其也存在一些缺點， 需采取措施減小及至消除。 2.3 液壓系統(tǒng)方案設計 按照挖掘機各個機構和裝置的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機地 連接想來的組合體叫做挖掘機的液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的功能是把發(fā)動機的 機械能以油液為介質，利用液壓泵轉變?yōu)橐簤耗苓M行傳送，然后通過液壓 缸和液壓馬達等執(zhí)行元件轉返為機械能實現各種動作。 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 11 頁 2.3.12.3.1 單斗

27、液壓挖掘機的作業(yè)過程包括下列幾個間歇動作單斗液壓挖掘機的作業(yè)過程包括下列幾個間歇動作 動臂升降，斗桿收放，鏟斗裝卸轉臺回轉，整機行走，以及其它輔助動 作，除輔助動作不需全功率驅動外，其它都是挖掘機的主要動作，要考慮 全功率驅動。由于挖掘機的作出對象和工作條件變化較大，主機的工作有 兩項特殊要求：第一，實現各種主要動作時，陰力與作業(yè)速度隨時變化， 因此，要求液壓缸和液壓 馬達的壓力和流量也能相應變化。第二，為了充 分利用發(fā)動機功率縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動 作同時進行叫做復合動作，這兩項要求需要動作同時進行叫做復合動作， 這兩項要求需要由液壓系統(tǒng)來保證。 2.3.22.3.

28、2 對液壓系統(tǒng)的要求對液壓系統(tǒng)的要求 單斗液壓挖掘機動作繁雜，主要機構經常超支、制動、換向、外負荷變 化很大，沖擊和振動多，而且野外我作，溫度和環(huán)境變化大，所以對液壓 系統(tǒng)的要喜慶是多方面的。 1)動臂、斗桿和鏟斗的傳動要保證工作裝置的各部分可單獨動作，也可 以互相配合實現復合動作。 2)主機工作過程中，要求工作裝置的動作和轉臺的回轉既能單獨進行， 又能作復合動作，以提高機械生產率。 3)挖掘機的一切動作都是可逆的，而且要求無級變速。 4)要求機械工作安全可靠，各種作業(yè)油缸要有良好的過載保護，回轉機 械和行走裝置要有可靠的制動和限速成，要防止動臂因自重而快速成下降 和整機超速溜坡。 5)充分利

29、用發(fā)動機功率，提高傳動效率。 6)系統(tǒng)和元件應保證在外負荷變化大和急劇振動沖擊作用下具有足夠的 可靠性。 7)系統(tǒng)密封性好。 8)為了減輕司機操作強度，要考慮采用液壓或電液伺服操裝置。 本次設計將考慮選用高壓變量系統(tǒng)，雙泵雙回路，全功率變量系統(tǒng)，后續(xù) 部分將對其詳細說明。 3 工作裝置設計計算 3.1 尺寸估計 參照單斗液壓挖掘估算整機各部分尺寸和工作裝置尺寸。 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 12 頁 根椐經驗公式求尺寸參數。 線尺寸參數： (m) 3 GkL lii Kli為線向尺寸經驗系數，G 為整機質量。 1)轉臺離地高：mLF18. 1264 . 0 3 2)底架離地高：

30、mLg41 . 0 2614. 0 3 3)臂鉸離地高：mLH866. 12663 . 0 3 3)臂鉸離回轉中心:mLx444 . 0 2615 . 0 3 4)臂鉸與液壓缸鉸距:mLe888. 0263 . 0 3 5)臂鉸與液壓缸傾角： 0 40 0 50 6)缸鉸離地高度：mSinLLH eH 238 . 1 450 7)臂長：標準臂尺寸系數推薦值,范圍 1.71.98 . 1 1 l K 標準臂mGkl li 33 . 5 268 . 1 33 1 8)斗桿：推薦系數8 . 0 2 l K 推薦：37 . 2 268 . 0 33 22 GkL l 9)鏟斗：推薦系數, 5 . 0

31、3 l KmL48 . 1 265 . 0 3 3 10)動臂轉角： 0 50 0 40 11)斗桿轉角： 0 50 0 160 12)鏟斗轉角： 0 50 0 180 13)最大挖掘半經：系數,35. 3 f kmR92 . 9 14)最大挖掘深度：系數，05 . 2 z kmH1 . 6 max1 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 13 頁 15)最大挖掘高度：系數, 25. 2 H kmH67 . 6 max2 16)最大卸載高度：系數, 55 . 1 Q kmH59 . 4 max3 3.2 運動分析 反鏟裝置的幾何位置取決于動臂液壓缸的長度 L1斗桿液壓缸的長度 L2 和鏟

32、斗液壓缸的長度 L3 ，顯然，當 L1 、L2 、L3 為某一組確定值時，反 鏟裝置就相應處于一個確定的幾何位置。建立坐標系：X 軸與地面重合，Y 軸與挖掘機回轉中心線重合，則斗齒尖 V 所在的 X 坐標值就表示挖掘半經 Y 坐標，YV為正值表示挖掘高度，為負值表示挖掘深度。 3.2.13.2.1 機構自身幾何參數機構自身幾何參數 機構自身幾何參數分三類：原始參數，推導參數，特征參數，各參數見圖 3-1 3.2.23.2.2 動臂的運動動臂的運動 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 14 頁 圖 3-1 反鏟機構自身幾何參數的計算簡圖 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 15

33、頁 1)動臂的擺角范圍 1max和各點瞬時坐標（圖 3-2） ，1max是 L1的函數， 動臂上任意一點在任一時刻的坐標值也是 L1的函數，根據全余弦定理，當 L1=L1min和 L1= L1msc時得 1min=ACB0=arccos( ) (3-1) 57 2 1min 2 5 2 7 2 L- ll ll 1max=ACB0=arccos( )(3-2) 57 2 1max 2 5 2 7 2 L- ll ll 動臂的擺角范圍： 1max=1max-1min 1 1 1 圖 3-2 動臂擺角范圍計算簡圖 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 16 頁 1 a2 a20 a21 a1

34、1 圖 3-3 F 點的坐標計算簡圖 動臂的瞬時擺角：= arccos()- 1min 1 57 2 1 2 5 2 7 2ll lll 列動臂 F 點坐標方程。 圖 3-3 中 =BCU= 1 - = arccos()- (3-3) 20 11 57 2 1 2 5 2 7 2ll Lll 11 F 點在水平線 CU 之下時為負,否則為正。 21 F 點坐標方程： (3-4) 21130 cosllXF (3-5) 211 sinlYY CF C 點坐標可由圖示 2-22 求得 (3-6) 115 sinlYY AC 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 17 頁 2)動臂液壓缸作用力

35、臂 當動臂液壓缸長度為 L1時,動臂液壓缸作用力臂 1= (3-7) 1 157 sin L ll 當分別取和時,可得動臂機構的起始和終了力臂 10和 1 L min1 L max1 L 1z。顯然動臂液壓缸的最大作用力臂，此時 5max1 le 2 5 2 71 llL 3.2.33.2.3 斗桿的運動斗桿的運動 斗桿的位置參數是 L1 和 L2的函數，此外討論斗桿相對于動臂的運動， 也即只考慮 L2的影響，斗桿機構與動臂機構性質類似，它們是四連桿機構， 但連桿比不同，在動臂機構中，一般 L1L5, 斗桿機構中一般 L9L8. 1)斗桿相對于動臂的擺角范圍 max2 由圖 3-4 得 =-

36、min2max2max2 ) 2 arccos( 98 2 max2 2 9 2 8 ll Lll ) 2 arccos( 98 2 min2 2 9 2 8 ll Lll 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 18 頁 2 2 2 圖 3-4 斗桿機構擺角計算簡圖 2)斗桿液壓缸的作用力臂 2= （3-8） 2298 sinLll 當以 L2min 和 L2max代入得 20和 2z斗桿液壓缸的最大作用力臂 2 l ,此時 9max2 le 2 9 2 82 lll 3.2.43.2.4 鏟斗的運動鏟斗的運動 鏟斗相對于 X-Y 坐標系的運動是 L1 L2 和 L3的函數，情況較復雜，

37、現 先討論鏟斗相對于斗桿的運動。 （圖 3-5）鏟斗液壓缸對 N 點的作用力臂為 (3-9)sin( 3022131 lr 連桿 HK 對 N 點作用力臂為 (3-10) 28142 sin lr 連桿 HK 對 Q 點作用力臂為 29243 sin lr 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 19 頁 5 30 22 26 29 28 27 25 9 23 24 10 圖 3-5 鏟斗機構參數示意圖 鏟斗連桿機構的總傳動比(3-11) i=(3-12) 32 31 lr rr 28143 2930222413 sin sin)sin( ll ll 鏟斗相對于斗桿的擺角范圍 max3 鏟

38、斗瞬時位置轉角為 （3-13） 10262473 FQV 當取時可分求得，于是得= max33min33 LLLL和 max3min3 和 max3 min3max3 3.3 工作裝置設計計算 3.3.13.3.1 斗形參數選擇斗形參數選擇 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 20 頁 斗容量 q，平均寬度 B，轉斗挖掘半經 R 和轉斗挖掘滿轉角是鏟斗的2 四個主參數，R，B，三者之間有下幾何關系：2 (3-14) s KBRq)2sin2( 2 1 2 式中土壤松散系數 KS近似值 1.25，q=0.4，確定，根據上式可由 R，B，中作任兩值求相應第三值。2 3.3.23.3.2 轉

39、斗挖掘阻力計算轉斗挖掘阻力計算 轉斗挖掘時，土壤切削阻力隨挖掘深度改變而有明顯的變化 （3-15）DBAZXRCW 35 . 1 max max 1 )cos( cos 1 C表示土壤硬度的系數，TV 級土取 C=160320； R鏟斗與斗桿鉸點至斗齒尖距離，即轉斗切削半經， R3=L3=1480mm； 轉斗在挖掘過程中總轉角的一半； max 鏟斗瞬時轉角； B切削刃寬度影響系數，B=1+2.6b,其中 b 為鏟斗平均寬度，單位為 厘米； A切削角變化影響系數，A=1.3; Z帶有斗齒的系數 Z=0.75; X斗側壁厚度影響系數初步設計時，X=1.15; 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設

40、計第 21 頁 D切削刃擠壓土壤分力，據斗容量大小在 D=1000020000N 范圍內 選取； 3.3.33.3.3 動臂機構參數的選擇動臂機構參數的選擇 反鏟工作裝置是由幾組連桿機構組合而成，在發(fā)動機功率，機重等主參 數以及工作裝置結構形式即寶的條件下連桿機構鉸點，位置和油缸參數選 擇是否得當，會對挖掘機性能和生產率帶來很大影響，以下對動臂，斗桿， 鏟斗三個機構進行討論。動臂和動臂液壓缸的布置方案很多，本設計中動 臂液壓缸置于下前方。采用彎臂能增加挖掘深度但降低了卸載高度，動臂 彎角一般可取12001400，彎角大小會對結構強度不利本設計中 1 1350 1 增大液壓缸全伸時的長度比可以增

41、大動臂的轉角，但由于受油缸 1 max 穩(wěn)定條件的限制一般取在 1.61.7 的范圍內通用挖掘機中，L5取值通常 1 駐為 0.50.6L1main 據統(tǒng)計最大挖掘半徑 R1值一般與的值很接近，因此，由要 321 lll 求的 R1，已定的和，在三角形 CZF(圖 3-6)中，已知可求得： 2 l 1 k 1 l 3 l m kk l l62 . 2 135cos2 . 122 . 11 33. 5 cos21 02 13 2 3 1 41 mlkl155 . 3 62 . 2 2 . 1 41342 0 22 222 142 2 41 2 1 2 42 39 3 . 20) 33 . 5 1

42、55 . 3 2 62 . 2 33 . 5 155. 3 arccos() 2 arccos( ll lll ZFC 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 22 頁 0000 7 . 24 3 . 20135180ZCF 39 8+32 11 2 1 圖 3-6 最大挖掘半徑時動臂機構計算簡圖 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 4 k 通用機=0.81.1，本設計取=1，取。 4 k 4 k 11 o 45 斗桿液壓缸全縮時，最大，常選 832 CFQ ，本設計取，取決于液壓缸布置形 oo 180160)( max832 o 170BCZ 式，動臂雙液壓缸結構

43、中這一夾角較小，為 0,本設計中?。▓D 3- o 21 2 6） 。 由圖 3-7 得最大卸載高度的表達式為： 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 23 頁 12 11 32-8 圖 3-7 最大卸載高度時動臂機構計算簡圖 11 2 1 圖 3-8 最大挖掘挖掘深度時動臂機構計算圖 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 24 頁 32118max1max322211max11115max2 )180sin()sin(sinllllYH o A （3-16） 由圖 3-8 得最大挖掘深度絕對值的表達式為： YAllllH 1132min11123max1 sin)sin( （3-1

44、7） 將兩式相加，消去并令，得： 5 l max328211 ,ABA 01)sin()sin()sin( max12min1max11max3max1 BlAAlHH （3-18） 又特征參數（3-19） min11 max1 4 sin sin k 因此， 14max1min1 /sinsink (3-20) sin (1cos 2 1 2 4 2 min1 max1 k 將上式代入（3-18）剛得到一元函數0)( max1 f 整理得： A k AAlHHcos sin sincoscos(sin 14 max1 max1max11max3max1 （3-0) 1sincoscos(si

45、n)sin) sin (1 max1max12 2 14 2 max1 BBlA k 21） 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 25 頁 式中mH1 . 6 max1 mH59 . 4 max3 O A 7 . 69 O B 3 . 100 1 4 k7 . 1ml3 . 5 1 ml37. 2 2 可求得， 0 min1 0 max1 7 . 31,115 解下列方程可求，和 （3-22） ) 2 1 arccos( ) 2 1 arccos( 22 1 2 max1 22 min1 所以，滿足35 . 2 ,58 . 1 1 ,1 由式，又因 min11max1 5min1 57

46、 LL lL ll ml888.0 5 所以，mlmlml542 . 3 ,147 . 2 ,08. 2 max1min17 3.3.43.3.4 鏟斗機構的參數選擇鏟斗機構的參數選擇 預先設定：mlkkQlmQNl5 . 048 . 1 34 . 0 ,48 . 1 32243 ml37 . 2 2 轉斗的轉角范圍，為了滿開足開挖和最后卸載及運輸狀態(tài)的 00 11090 要求，鏟斗的總轉角往往要達到本設計中取，在 00 180150 0 160 時，斗齒尖為在 FQ 延長線上側處，由 CAD 作圖（圖 3-9）得 min33 ll 0 V 0 15 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第

47、 26 頁 mml1945 min3 mml2687 max3 圖圖 3-93-9 圖圖 3-103-10 3.3.53.3.5 鏟斗機構載荷分析鏟斗機構載荷分析 轉斗機構挖掘過程為大曲率切削，挖掘過程中，因土壤厚度的變化較大， 所以 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 27 頁 阻力的變化也很大，然而在挖掘機實際作業(yè)過程中轉斗挖掘土壤的縱斷面 形式是多種多樣的其阻力變化情況也各不相同。 轉斗機構最大理論挖掘力應與轉斗最大挖掘阻力相適應，常在 處，由 0 5 . 47 式 3-24 求得NW 9 . 141083 max1 由 CAD 作圖（3-10）得，mmrmmrmmr476,53

48、9,438 321 鏟斗液壓缸的作用力： NW rr rl p 1 . 503343 9 . 141083 438476 5391480 max1 31 23 3 取系統(tǒng)實際工作壓力為 P=24.5Mpa,液壓缸大腔工作，油缸機械效率 ，大腔面積為：95 . 0 i 2 6 3 0216 . 0 95 . 0 10 5 . 24 1 .503343 m P P A i m A D16 . 0 14 . 3 0216 . 0 44 3.3.63.3.6 斗桿機構的參數選擇斗桿機構的參數選擇 考慮因素：a.保證斗桿液壓缸產生足夠的斗齒挖掘力 b.保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力 c.保證半桿的擺角范

49、圍 00 12595 首先計算斗桿挖掘阻力： 斗桿挖掘過程中，切削行程較長，切土壤厚度在挖掘過程中為常數，一 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 28 頁 般取斗桿在挖掘過程中總轉角，在這轉角過程中， 000 60,8050 gg 取 鏟斗被裝滿，這時斗齒的實際行程為：（3-23） g rS 6 01745 . 0 式中-半桿挖掘時的切削半徑， 6 rFVr 6 取mllFV85 . 3 48. 137. 2 32max 斗桿挖掘時的切土厚度可按下式計算： g h m Br q h g g 06897 . 0 ) 16 . 21 (6085. 301745. 0 1 01745 . 0

50、 6 斗桿挖掘阻力： （3-24） sg gg BKr qk BhkW 6 0 01 01745. 0 -挖掘比阻力，查得 0 k31 0 k 斗桿與鏟斗垂直時最小 2 l 3 l 6 r KNW g 92.9910 25 . 1 6037 . 2 0145 . 0 131 4 max1 參考鏟斗液壓缸作用力KNWPNPP gG 92.99, 1 . 503343 max1max32 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 29 頁 代入（3-25） 2 32max 9max2 )( P llP le G mme764 1 . 503343 )14802370(1092.99 3 max2

51、 由圖 3-11 得： mmll mm l l 373765 . 1 2265 165 . 1 2 125 sin8302 1 2 sin2 minmax2 0 2 max2 9 min2 mmlllll3000) 2 cos(2 max2 9 min2 2 9 2 min28 2 圖 3-11 斗桿機構參數計算簡圖 3.3.73.3.7 動臂液壓缸，斗桿液壓缸，鏟斗液壓缸初步設計估算動臂液壓缸，斗桿液壓缸，鏟斗液壓缸初步設計估算 由以上計算得： mmlmmlmml1395,3542,2147 1max1min 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 30 頁 mmlmmlmml1482,

52、3737,2265 2max2min2 mmlmmlmml742,2687,1954 3max3min3 初取液壓缸 D=160mm 4 回轉裝置設計計算 4.1 滾動軸承式回轉支承的選型計算 1)當量負荷的計算方法 d C 交叉滾柱式)(5 . 2 5 . 4 0 KNH D M GC Ppd -作用在回轉支承上的總軸向力 p G)(KN -作用在回轉支承上的總傾負力矩M)(mKN -在力矩 M 作用平面內的總徑向力 P H)(KN 對于單斗液壓挖掘機，作用在回轉支承上的外負荷應根據 PP HMG和, 挖掘工況算出，根據不同的挖掘工況算出若干組值，選擇其中最大作為 d C 當量負荷。 2)反

53、鏟工作裝置的計算位置和計算方法各參數說明： -用鏟斗液壓缸挖掘時，由整機挖掘力確定的切向挖掘力，本設計 1 W 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 31 頁 中NW9 .141083 1 -用鏟斗液壓缸挖掘時，由整機挖掘力確定的法向挖掘阻力，從可 2 W 能出現的最不利情況出發(fā)，假設存在法向，其值取NWW78.282162 . 0 12 -轉臺上部自重 0 G)(KN KNG 8 . 96 0 ,-分別表示動臂液壓缸，斗桿液壓缸，鏟斗液壓缸自重 1 G 3 G 4 G ，)(KNNG2300 3 NG1300 4 -分別表示動臂和斗桿自重 52,G G NGNG8000,15000 5

54、2 -鏟斗自重和斗內土重 6 G KNG268 . 11108 6 -相應的力臂 m,對各工作位置用 CAD 作圖求得 80 rr k-回轉支承工作條件系數，對挖掘機取 k=1.41.6，本設計中取 1.5 .斗桿垂直于地面，斗齒尖離地面以下 H 深處， （本設計中取 H=0.5m）,用鏟斗缸挖掘使切向斗齒力垂直于地面（圖 4-1） 。 由圖（4-1）mmammamma265,500,441 321 切向力N la aaP W 8 . 79490 1480500 265441 1 . 503343 32 213 1 法向力NWW 2 . 158982 . 08 .794902 . 0 12 由

55、圖（4-1）知： mmrmmrmmrmmrmmr5849,6272,4623,2932,1945 54321 mmrmmrmmrmmr888,1648,4294,5176 0876 005544332211668271 )(rGrGrGrGrGrGrGrWrWkM 23001945102651761648 2 . 158984294 8 . 79490(5 . 1 3 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 32 頁 3 10 8 . 96888800058491300627223004623150002932 mN 96.736400 O i iP GGGWkG 5 1 61 )( 33

56、 108 .96800013002300150002300)10268 .79490(5 . 1 N 7 . 263448 NkWHP8 .21949 2 . 158985 . 1 2 當量載荷 P P d H D M GC5 . 2 5 . 4 0 N187.2470144 8 . 219495 . 2 88 . 1 96.73640045 7 .26448 NCfC daa 2 . 3211187187.24701443 . 1 0 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 33 頁 圖圖 4-14-1 .在挖掘深度 H 處用鏟斗液壓缸挖掘由圖（4-2） ，得 mmammamma408,

57、404,225 321 切向力：NW 4 . 77279 4041480 4082251 .503343 1 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 34 頁 法向力：NWW 9 . 15455 4 . 772792 . 02 . 0 12 由圖（4-2）得： mmrmmrrmmrmmr5284,4348,3022,2046,888 43210 mmrmmrmmrmmr4902,6230,5201,4936 8765 005544332211668271 )(rGrGrGrGrGrGrGrWrWkM 20462300)102652016902 9 . 154556231 4 . 77279

58、(5 . 1 3 88810 8 . 96493680005284130043842300302215000 3 MN 4 . 626180 O i iP GGGWkG 5 1 62 )( 33 10 8 . 9680001300150002300)1026 9 . 15455(5 . 1 N85.141060 NkWHP 6 . 106695 4 . 772795 . 1 1 P P d H D M GC5 . 2 5 . 4 0 N4 .5263336 .1066955 . 288 . 1 / 4 . 6261805 . 485.141060 KNC a 68424 .5263333 .

59、1 0 . 在停機面上最大挖掘半徑處用鏟斗液壓缸挖掘（圖 4-3） 由圖 4-3 得， mmammamma408,404,225 321 切向力NW 4 . 77279 4041480 4082251 .503343 1 法向力：NWW 9 . 15455 4 . 772792 . 02 . 0 12 由圖 4-3 得 mmrmmrmmrmmrmmr6840,4387,3111,1981,888 43210 0 8765 24,2984,8977,8684,6572mmrmmrmmrmmr 00554433221168271 )(rGrGrGrGrGrGrGrWrWkM 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 35 頁 圖 4-2 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 36 頁 圖 4-3 中國礦業(yè)大學 2007 屆本科生畢業(yè)設計第 37 頁 19812300)102696843334 9 . 154559394