液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置仿真設(shè)計(jì)【說明書+CAD+PROE+仿真】

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[4] 陳進(jìn), 張石強(qiáng), 李世六等. 正鏟液壓挖掘機(jī)四邊形機(jī)構(gòu)牽連運(yùn)動分析. 中國工程機(jī)械學(xué)報(bào).2007.1.pp1-4. [5] 張林艷.鄧子龍. 挖掘機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)的建立與動力學(xué)仿真，遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào).2008.9.pp44-49 [6] Yu. I. Berezhnoi and Yu. A. Potapov. Method for the intermittent optimization of the working of a block by a rotary excavator Refractories and Industrial Ceramics, 1982, Volume 23, Numbers 3-4, Pages 183-186. · 航空與機(jī)械工程 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 專業(yè)類 0881054 班 學(xué)生（簽名）： 填寫日期： 2012 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽名）： 助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 系主任（簽名）： 附注:任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書首頁。 學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他學(xué)位申請的論文或成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 作者簽名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： 液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置設(shè)計(jì) 系 別 航空工程工程系 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班級學(xué)號 088105409 學(xué)生姓名 付鵬達(dá) 指導(dǎo)教師 邢普 二O一二 年 四 月 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 目錄 1 前言 （1） 1.1課題研究的背景和意義 （1） 1.2 液壓挖掘機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) （1） 1.2.1 國外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) （2） 1.2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) （3） 1.3 本文研究的主要內(nèi)容 （5） 2液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動分析 （6） 2.1 液壓正鏟挖掘機(jī)的基本組成和工作原理 （6） 2.2 工作裝置結(jié)構(gòu)方案的確定 （7） 2.3 工作裝置運(yùn)動分析 （10） 2.3.1動臂運(yùn)動分析 （10） 2.3.2斗桿運(yùn)動分析 （12） 2.3.3斗齒尖的幾種特殊工作位置的計(jì)算 （13） 3 工作裝置尺寸的設(shè)計(jì)確定 （17） 3.1應(yīng)用舉例 （17） 3.1.2動臂及斗桿長度確定 …………………………………………………（17） 3.1.2機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定 （18） 3.2 油缸鉸點(diǎn)及行程確定 （19） 3.2.1動臂油缸的鉸點(diǎn)及行程確定 （19） 3.2.2 斗桿油缸鉸點(diǎn)及行程確定 （19） 3.2.3 鏟斗油缸鉸點(diǎn)及行程確定 （19） 3.3工作裝置的位置模型建立 （19） 3.3.1 動臂與平臺鉸點(diǎn)位置C的確定 （20） 3.3.2 動臂及斗桿長度的確定 （20） 3.3.3 機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定 （20） 3.4工作裝置油缸鉸點(diǎn)及行程確定 （25） 3.4.1動臂油缸的鉸點(diǎn)及行程確定 （25） 3.4.2斗桿油缸鉸點(diǎn)及行程確定 （28） 3.4.3鏟斗油缸鉸點(diǎn)及行程確定 （31） 3.5液壓正鏟挖掘機(jī)三維模型 （32） 4 結(jié)論 （34） 參考文獻(xiàn) （35） 致謝 （36） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： 液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置設(shè)計(jì) 系 別 航空工程工程系 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班級學(xué)號 088105409 學(xué)生姓名 付鵬達(dá) 指導(dǎo)教師 邢普 二O一二 年 四 月 1、 選題的依據(jù)及意義： 與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國重礦機(jī)械行業(yè)還存在不小的差距，主要表現(xiàn)為：產(chǎn)品總量供大于求，生產(chǎn)能力過剩；供需關(guān)系失衡，低檔產(chǎn)品積壓，現(xiàn)代重要技術(shù)裝備仍依靠進(jìn)口；科技和新產(chǎn)品開發(fā)能力薄弱，缺乏市場競爭力；企業(yè)多而散，經(jīng)濟(jì)效益低；經(jīng)營機(jī)制不適應(yīng)國際市場要求等。為此，國家將重礦機(jī)械行業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃的目標(biāo)確定為：提高產(chǎn)品技術(shù)水平和成套能力，提高生產(chǎn)技術(shù)水平和裝備現(xiàn)代化，提高集約化生產(chǎn)程度和管理水平，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，使之盡快成為能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，并具有參與國際競爭能力的行業(yè)。在這種國內(nèi)外挖掘機(jī)發(fā)展的大情形下，我們進(jìn)行挖掘機(jī)工作裝置的合理性分析是有必要的，這有利于國內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展，為我國發(fā)挖掘機(jī)行業(yè)在國際競爭中立于不敗之地打好基礎(chǔ)。 二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）： 從20世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、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(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)。為滿足市政建設(shè)和農(nóng)田建設(shè)的需要，國外發(fā)展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘機(jī)，最小的斗容量僅在0.01m3。另外，數(shù)量最的的中、小型挖掘機(jī)趨向于一機(jī)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(jī)，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機(jī)等。 2）迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了良好的前提。 3）重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如，德國阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)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(jī)安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動功率的浪費(fèi)。還安裝了CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能。 4）更新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，促進(jìn)了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效率和競爭力。 5）加強(qiáng)對駕駛員的勞動保護(hù)，改善駕駛員的勞動條件。液壓挖掘機(jī)采用帶有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)和傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾。 6）進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢。因?yàn)樽兞肯到y(tǒng)在油泵工作過程中，壓力減小時和增大流量來襝，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機(jī)可經(jīng)常性地充分利用油泵的最大功率。當(dāng)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(chǎn)生三個互不成影響的獨(dú)立工作運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)達(dá)機(jī)械的功率匹配。將第三泵在其他工作運(yùn)動上接通，成為開式回路第二個獨(dú)立的快速成運(yùn)動。此外，液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上普遍使用，為電子技術(shù)、自動控制技術(shù)在挖掘機(jī)的應(yīng)用與推廣創(chuàng)造了條件。 7）迅速拓展電子化、自動化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。20世紀(jì)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(jī)的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機(jī)口音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應(yīng)用電子和自動控制技術(shù)。隨著對挖掘機(jī)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(jī)電一體化在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍。20世紀(jì)80年代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器和檢測儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和推廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，亦即目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè)有發(fā)動機(jī)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)。 3、 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案： 主體工作：挖掘機(jī)工作原理分析，動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸選型設(shè)計(jì)，斗桿挖掘工況挖掘性能分析，斗桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制相關(guān)圖紙。 挖掘機(jī)工作裝置主要有動臂、斗桿和鏟斗，斗桿有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)斗采用整體式斗桿，當(dāng)需要調(diào)節(jié)斗桿長度或杠桿比時采用更換斗桿的辦法，或者在都趕上設(shè)置2-4個可供調(diào)節(jié)時選擇的與動臂端不鉸接的孔。由于工作半徑、最大高度和最大深度的不同工作裝置都有不同的參數(shù)。通過計(jì)算算出一個工況的工作參數(shù)，再通過編程算出各個工況的工作參數(shù)。 首先用已知數(shù)據(jù)計(jì)算出一個工況的合理性之后，再運(yùn)用matlab軟件模擬出各個工況的工作參數(shù)曲線，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的動臂、斗桿和鏟斗的參數(shù)都是合理的。在這里主要模擬出斗桿的工作參數(shù)在各個工況都是合理的。 最后通過合理的設(shè)計(jì)分析，選擇最優(yōu)的工作參數(shù)，使得挖掘機(jī)的工作裝置能夠適合多種復(fù)雜的工況，低功耗，高功率。特別是通過斗桿挖掘工況挖掘性能的分析，使得挖掘機(jī)的斗桿更進(jìn)一步的優(yōu)化。 四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度 1-2周：搜集資料，熟悉挖掘機(jī)的工作原理，整體結(jié)構(gòu)，完成開題報(bào)告的寫作，摘要。 3周：完成挖掘機(jī)主體參數(shù)的選擇。 4-6周：完成挖掘機(jī)動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸的選型設(shè)計(jì)和斗桿挖掘工況挖掘性能的分析 7-8周：完成工作裝置的繪制。 9周：開始設(shè)計(jì)說明書的整理，各種資料的確定。 10周：細(xì)化設(shè)計(jì)說明書，完成電子版本的說明書。 11周：做最后設(shè)計(jì)的完善。 12-13周：準(zhǔn)備答辯 5、 參考文獻(xiàn) [1]透視我國挖掘機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢[J].工程機(jī)械，2008（39） [2] 陳軍科.挖掘機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展動向[J].社科論壇 [3] 寧高平.建設(shè)長期健康發(fā)展的挖掘機(jī)行業(yè)[J].工程機(jī)械,2010 [4] 李克青.2008年國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展回顧[J].工程建設(shè),2009,(41) [5] 曹善華.單斗挖掘機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 1 引言 1.1課題研究的背景和意義 目前我國露天礦的開采規(guī)模逐漸擴(kuò)大，為了適應(yīng)日益增大的礦用汽車鏟裝的需要，這就需要較大斗容的挖掘機(jī)，由于挖掘機(jī)愈大，每單位土石方的施工成本愈低，而液壓挖掘機(jī)較機(jī)械式挖掘機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是國內(nèi)對大型液壓正鏟挖掘機(jī)的研究較少，液壓挖掘機(jī)工作裝置是完成挖掘機(jī)各項(xiàng)功能的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到挖掘機(jī)的工作性能和可靠性，對其研究是整機(jī)開發(fā)的基礎(chǔ)，對工作裝置進(jìn)行優(yōu)化，目的在于縮短研究和開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，本課題的任務(wù)就在于此。 現(xiàn)代化建設(shè)速度，在很大程度上取決于各種工程建設(shè)速度，而工程機(jī)械水平的高低，又直接對工程建設(shè)速度發(fā)揮著促進(jìn)或抑制作用。傳統(tǒng)研發(fā)管理及設(shè)計(jì)方法只是被動地重復(fù)分析產(chǎn)品的性能，而不是主動地設(shè)計(jì)產(chǎn)品的參數(shù)。作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)，不僅要求方案可行、合理，而且應(yīng)該是某些指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的理想方案。隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)可以用現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法和手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，來滿足對機(jī)械產(chǎn)品提出的要求。利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，人們就可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，從而大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量?？煽啃允俏覈こ虣C(jī)械的致命弱點(diǎn)，我們要正視差距，增強(qiáng)科研開發(fā)力度，提高技術(shù)水平，更多地發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)量產(chǎn)品，進(jìn)一步促進(jìn)工程機(jī)械的發(fā)展。 1.2 液壓挖掘機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 挖掘機(jī)作為一種典型的土石方施工設(shè)備，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起著十分重要的作用，因此加強(qiáng)對挖掘機(jī)的研究具有十分重要的意義，隨著能源的緊缺和人們對環(huán)保意識的增強(qiáng)，節(jié)能技術(shù)研究成為同行學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)沒隨著人類空間獲活動的延伸，以及人類對挖掘機(jī)工作環(huán)境與功能要求的延伸，在遙控挖掘機(jī)和機(jī)器人化挖掘機(jī)研究方面正進(jìn)行不懈努力，遙控挖掘機(jī)的研究離實(shí)用化已經(jīng)不遠(yuǎn)，開發(fā)智能化的多功能挖掘機(jī)并使之成為真正的挖掘機(jī)器人還是人們追求的目標(biāo)。由于挖掘作業(yè)中負(fù)載變化劇烈，有些學(xué)者已經(jīng)開始將振動挖掘方式運(yùn)用于減少挖掘阻力，減低功率消耗以及延長機(jī)器使用壽命方面的研究。近年來，隨著人類對自然的開發(fā)，挖掘機(jī)也朝著大型化大功率化發(fā)展，從而滿足人類對大型工程的需求。 1.2.1 國外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 1）國外產(chǎn)品發(fā)展趨勢 1950 年在意大利生產(chǎn)了第一臺液壓挖掘機(jī)，由于其挖掘能力強(qiáng)、生產(chǎn)率高、通用性好、操縱輕便等特點(diǎn)，在工程建設(shè)施工中起著重要的作用。六十年代，隨著西方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)需求數(shù)量急劇上升，但大多數(shù)屬于中小型液壓挖掘機(jī)。七十年代開始，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和大型水電工程及大型露天礦建設(shè)的需要，液壓挖掘機(jī)向高速、高壓、大斗容、大功率發(fā)展。隨著液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴(kuò)大，世界上著名的挖掘機(jī)生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術(shù)，來提高產(chǎn)品的競爭力。國外的一些公司開始研制大型礦用液壓挖掘機(jī)，其中以德國、法國產(chǎn)品居多。 在液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品功能方面，液壓挖掘機(jī)工作裝置向多功能化的方向發(fā)展。當(dāng)液壓挖掘機(jī)配置不同的作業(yè)裝置時，可以用來吊、夾、推、刮、松、挖、裝、銑削、拆除、清除和壓實(shí)等作業(yè)，且大都采用快換裝置，駕駛員在駕駛室內(nèi)就可以完成作業(yè)裝置的更換，一般在2分鐘內(nèi)就可以完成作業(yè)裝置的更換。工作裝置中動臂、斗桿結(jié)構(gòu)變化多樣，擴(kuò)展了主機(jī)的使用功能。隨著傳統(tǒng)型和通用型產(chǎn)品樣機(jī)減少，一些有特殊構(gòu)造的、有特色的產(chǎn)品和多功能的產(chǎn)品備受用戶的青睞，這些多用途作業(yè)裝置大大擴(kuò)展了液壓挖掘機(jī)的功用，提高了產(chǎn)品的施工適用性。同時也體現(xiàn)了各廠家市場差異化的產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略和各自的技術(shù)水平。所以，研究專業(yè)性的挖掘機(jī)設(shè)計(jì)理論、方法甚至是專用軟件，以便縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品性能和可靠性，快速響應(yīng)市場和用戶的要求。 2）國外液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀 （1）設(shè)計(jì)理論和方法研究及應(yīng)用。國外生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制過程中，廣泛推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，促進(jìn)了產(chǎn) 品的優(yōu)質(zhì)高效率和競爭力。美國提出了考核動強(qiáng)度的動態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，并創(chuàng)立 了預(yù)測產(chǎn)品失效和更新的理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評定程序，研制了可靠性處理系統(tǒng)。借助于現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，加速了液壓挖掘機(jī)更新?lián)Q代的進(jìn)程，提高其可靠性和耐久性。例如，德國Demag公司的H485型液壓挖掘機(jī)，0&K公司的RH-400型液壓挖掘機(jī)，Liebher的8994型液壓挖掘機(jī)，法國Poclain公司的1000CK型液壓挖掘機(jī)，都是應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法設(shè)計(jì)的新型機(jī)型。 （2）重視實(shí)驗(yàn)研究和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。近年來，國外液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量急劇上升，結(jié)構(gòu)逐步完善，在工程建設(shè)和施工行業(yè)中占有很重要的位置。液壓挖掘機(jī)迅速發(fā)展的根本原因，在于機(jī)械本身的優(yōu)越性，也由于下述幾個因素：①重視試驗(yàn)研究工作，液壓挖掘機(jī)的研制除了保證機(jī)械技術(shù)性能以外，十分重視挖掘機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性和工作可靠性，研制過程中，進(jìn)行各種性能試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)，包括構(gòu)件強(qiáng)度試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)、操縱試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)等，要通過嚴(yán)格的科學(xué)試驗(yàn)和用戶評價，才進(jìn)行定型生產(chǎn)；②重視電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)制造更輕便的工作裝置，而不削弱其強(qiáng)度，其實(shí)對挖掘機(jī)工作裝置的研究已經(jīng)十分成熟。它的應(yīng)用加快了新產(chǎn)品的發(fā)展速度，使新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)的周期縮短到2～3年左右。 （3）采用新結(jié)構(gòu)和新材料，利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，仍是保證和提高液壓挖掘機(jī)性能的一個較重要的途徑[2]。 1.2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 自20世紀(jì)80年代以來，國外一些先進(jìn)商用有限元、多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件進(jìn)入我國，如ANSYS，ADAMS，MEDYNA，MOCAL，ALGOR等，應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)分析、仿真和優(yōu)化。國內(nèi)對于挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)理論與方法的研究可歸納如下： （1）工作裝置的運(yùn)動分析。對工作裝置的運(yùn)動分析，關(guān)系到挖掘機(jī)的力學(xué)分析，是其他分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[15]利用個人編制的軟件對液壓小型反鏟挖掘機(jī)各種靜態(tài)姿態(tài)角度下的理論挖掘力進(jìn)行了分析與仿真；文獻(xiàn)[16]利用矩陣變換原理對單斗反鏟液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了詳盡的闡述；文獻(xiàn)[17]對液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置各主要構(gòu)件進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，得到了反鏟裝置各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)和實(shí)現(xiàn)挖掘力的限制條件；文獻(xiàn)[18]利用拉格朗日第方程對液壓挖掘機(jī)的工作裝置建立了挖掘作業(yè)過程中的動力學(xué)模型，對其動能、勢能和挖掘力進(jìn)行計(jì)算，為分析挖掘作業(yè)工作裝置所受到的力和運(yùn)動之間關(guān)系、控制作業(yè)規(guī)劃和仿真提供了理論基礎(chǔ)。 （2）工作裝置的優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法己在我國工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。它是建立在近代數(shù)學(xué)最優(yōu)化方法和計(jì)算機(jī)程序之上，解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題的一種有效工具，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)應(yīng)用中的一個重要方面。它運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，能根據(jù)產(chǎn)品的要求，合理地確定和計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，以其達(dá)到最佳設(shè)計(jì)目標(biāo)。文獻(xiàn)[19]應(yīng)用變換矩陣來建立數(shù)學(xué)模型，編制挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)軟件對挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行快速有效的計(jì)算。文獻(xiàn)[20]針對液壓挖掘機(jī)鏟斗連桿機(jī)構(gòu)采用復(fù)合形法進(jìn)行優(yōu)化求解，并且給出了程序設(shè)計(jì)的流程框圖。文獻(xiàn)[21]提出了利用優(yōu)化方法分析計(jì)算挖掘機(jī)在各種工況下的穩(wěn)定系數(shù)和具體解決方法，找出并分析了挖掘機(jī)在特定工況下的最不穩(wěn)定姿態(tài)，為挖掘機(jī)的穩(wěn)定性分析提供了理論計(jì)算公式和具體分析手段。文獻(xiàn)[22]開發(fā)了液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置通用分析軟件，只能對現(xiàn)有的機(jī)型進(jìn)行分析，沒有從原理出發(fā)對工作裝置參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行優(yōu)化。國內(nèi)太原重型機(jī)械學(xué)院和浙江大學(xué)在這方面做出了突出的貢獻(xiàn)，浙江大學(xué)1988年開發(fā)了一個用于液壓挖掘機(jī)CAD的大型軟件系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上于90年代初開發(fā)了液壓挖掘機(jī)的集成化智能CAD系統(tǒng)；此外太原重型機(jī)械有限公司研究所利用UG開發(fā)計(jì)算6～8m挖掘機(jī)的三維仿真軟件；徐州工程機(jī)械研究所利用I-DEAS軟件完成WY20整機(jī)、WY20A工作裝置的三維實(shí)體造型等。但是由于受客觀條件的限制，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中大部分工作還是采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和理論，雖然采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，但主要針對國內(nèi)小型液壓反鏟挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)做了大量工作。 （3）正鏟工作裝置設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。由于礦山條件惡劣，液壓挖掘機(jī)在礦山?jīng)]有得到廣泛應(yīng)用，因此國內(nèi)對液壓正鏟挖掘機(jī)的研究很少，沒有形成自己的設(shè)計(jì)體系。近年來隨著液壓技術(shù)的發(fā)展及液壓元件質(zhì)量的提高，大型液壓正鏟挖掘機(jī)在礦山才得到應(yīng)用，合理地設(shè)計(jì)工作裝置的主要構(gòu)件是行業(yè)發(fā)展的需要。 目前研究液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于：①提高工作裝置結(jié)構(gòu)件的可靠性和耐久性；②對工作裝置機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高挖掘機(jī)的挖掘性能，同時使挖掘機(jī)設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算中解脫出來。因此，開發(fā)一個專業(yè)化的工作裝置設(shè)計(jì)的工具軟件顯得非常必要。 1.3 本文研究的主要內(nèi)容 本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、銷軸組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括以下五部分: (1) 挖掘機(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)。 (5) 銷軸的設(shè)計(jì)及螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型 2液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動分析 2.1 液壓正鏟挖掘機(jī)的基本組成和工作原理 液壓正鏟挖掘機(jī)由工作裝置，上部轉(zhuǎn)臺和行走裝置三大部分組成，如圖 2.1 所示。其中上部轉(zhuǎn)臺包括動力裝置、傳動機(jī)構(gòu)的主要部分、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室；工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗及動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸組成，如圖 2.2 所示。 圖 2.1 液壓正鏟挖掘機(jī)的基本組成 圖 2.2 液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置 挖掘作業(yè)時，操縱動臂油缸使動臂下降至鏟斗接觸挖掘面，然后操縱斗桿油缸和鏟斗油缸，使斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，操縱動臂油缸，使鏟斗升高離開挖掘面，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)的驅(qū)動下，使鏟斗回轉(zhuǎn)到卸載地點(diǎn)，然后操縱斗桿和鏟斗油缸使鏟斗轉(zhuǎn)動至合適位置，再回縮開斗油缸轉(zhuǎn)動鏟斗，使斗前、斗后分開卸載物料。卸載后，開斗油缸伸長使斗前、斗后閉合，將工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘地點(diǎn)進(jìn)行第二次循環(huán)挖掘工作。轉(zhuǎn)移工作場地時，操縱行走馬達(dá)，驅(qū)動行走機(jī)構(gòu)完成移動工作[4]。 在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)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(jī)的。上述過程僅為一般的理想過程。 2.2 工作裝置結(jié)構(gòu)方案的確定 正鏟工作裝置的構(gòu)造：正鏟工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗、工作液壓缸和連桿機(jī)構(gòu)等組成。動臂是焊接的箱形結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度鋼板焊成，也有的是鑄造的混合結(jié)構(gòu)，和反鏟工作裝置相比，正鏟動臂較短且是單節(jié)的。動臂下端和轉(zhuǎn)臺鉸接，動臂油缸一般為雙缸，在布置上動臂的下鉸點(diǎn)高于動臂油缸的下鉸點(diǎn)且靠后。這種布置方案能保證動臂具有一定的上傾角和下傾角，以滿足挖掘和卸載的需要，同時也保證動臂機(jī)構(gòu)具有必要的提升力矩和閉鎖力矩。 斗桿也是焊接箱形結(jié)構(gòu)或鑄造混合結(jié)構(gòu)。斗桿的一端與動臂的上端鉸接，斗桿油缸的兩端分別與動臂和斗桿的下緣鉸接，形成了斗桿機(jī)構(gòu)。由于正鏟常以斗桿挖掘?yàn)橹?，這樣的結(jié)構(gòu)布置適合于向前推壓，液壓缸大腔進(jìn)油可以發(fā)揮較大的挖掘力。 正鏟斗鉸接在斗桿的端部，鏟斗油缸的兩端分別與斗桿中部和連桿裝置連接，形成轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)，一般為六連桿機(jī)構(gòu)。有時鏟斗缸的活塞桿直接和鏟斗鉸接形成四連桿機(jī)構(gòu)。 挖掘機(jī)正鏟的鏟斗根據(jù)結(jié)構(gòu)和卸土方式可分為前卸式和底卸式兩大類。 ??? 前卸式鏟斗卸土?xí)r直接靠鏟斗油缸使斗翻轉(zhuǎn)，土鑲從斗的前方卸出。這種構(gòu)造簡單，斗體是整體結(jié)構(gòu)，剛度和強(qiáng)度都比較好，并且不需要另設(shè)卸土油缸，但是為了能將土卸盡，要求卸土?xí)r前壁與水平夾角大于45度,因而要求鏟斗的轉(zhuǎn)角加大，結(jié)果導(dǎo)致所需的鏟斗油缸功率增加，或者造成轉(zhuǎn)斗挖掘力下降或卸土?xí)r間延長。此外，前卸式鏟斗還影響有效卸載高度。 底卸式鏟斗靠打開斗底卸土。所示的鏟斗是靠專門的油缸起閉斗底。挖掘時斗底關(guān)閉，卸土?xí)r斗底打開，土城從底部卸出。這類結(jié)構(gòu)的卸土性能較好，要求鏟斗的轉(zhuǎn)角也小，但必須增設(shè)卸土油缸，此外，斗底打開后也影響到有效卸載高度。這類開斗方式現(xiàn)在已少用，目前挖掘機(jī)上采用較多的是另一種底卸式鏟斗，鏟斗由兩半組成，靠上部 的鉸連接。卸土油缸裝在斗的后壁中。油缸收縮時通過杠桿系統(tǒng)使斗前壁(順板)向上翹起，將土壤從底部卸出。用這種方式卸載，卸載高度大，卸載時間較短，裝車時鏟斗得以更靠近車休并且還可以有控制地打開額板，使土或石塊比較緩慢地卸出，因而減少了對車輛的撞擊，延長了車輛的使用壽命。另外這種斗還能用于挑選石塊，很受歡迎，但鏟斗的重量加大較多，因而在工作裝置尺寸、整機(jī)穩(wěn)定性相同的情況下斗容量有所減少，并且由于斗由兩部分組成，受力情況較差。采用底卸式鏟斗結(jié)構(gòu)，鏟斗的轉(zhuǎn)角可以減小，因而有些挖掘機(jī)已取消了鏟斗油缸的連桿裝置，鏟斗油缸直接與斗體相連接，簡化了結(jié)構(gòu)，并在一定程度上加大了轉(zhuǎn)斗挖掘力[5]。 ??? 當(dāng)挖掘機(jī)挖掘比較松軟的對象、或用于裝載散粒物料時，正鏟斗可以換成裝載斗，在整機(jī)重量基本不變的情況下，這種斗的容量可以大大增加，因而提高了生產(chǎn)率。裝載斗一般都是前卸式，不裝斗齒，以減小挖掘松散物料時的挖掘阻力。 本設(shè)計(jì)中我采用圖2.3這一結(jié)構(gòu)。 圖 2.3 液壓正鏟挖掘機(jī)結(jié)構(gòu) 圖 2.4 液壓正鏟挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖 圖2.4所示是5 m3正鏟挖掘機(jī)工作裝置的示意圖，采用直動臂、直斗桿形式，鏟斗為前卸式。動臂和動臂油缸在轉(zhuǎn)臺上的鉸點(diǎn)分別為C和A，它們的位置以停機(jī)面為X軸， 整機(jī)回轉(zhuǎn)中心線為Y軸(圖b)的直角坐標(biāo)值來表示。這臺挖掘機(jī)的主要工作油缸共5只，其中動臂油缸兩只，置于動臂的兩側(cè)；斗桿油缸一只,置于斗桿的中部；鏟斗油缸兩只，鉸于斗桿中部。主要工作油缸的主要參數(shù)列于表2—1中。 表 2.1 5m3正鏟液壓挖掘機(jī)主要油缸的主要參數(shù) 2.3 工作裝置運(yùn)動分析 2.3.1動臂運(yùn)動分析 動臂CF的位置由動臂油缸AB的長度決定。和動臂水平傾角之間的關(guān)系可用下式表示 （2-1） （2-2） 從上式看出，a11-a2對的影響很大，當(dāng)動臂和油缸的參數(shù)不變時，a11-a2愈大動臂提升高度愈小。關(guān)于這點(diǎn)在以后還要討論[6]。 設(shè)動臂油缸全縮時動臂傾角為；動臂油缸全伸時動臂傾角為，那么在動臂油缸由全縮到全伸，動臂總的轉(zhuǎn)角為： （2-3） 為了便于運(yùn)算和比較，仍用無因次比例系數(shù)表示，即 ；； （2-4） 代入式(2—2)可以得到動臂油缸全縮和全伸時相應(yīng)的動臂傾角值 （2-5） （2-6） 而動臂總轉(zhuǎn)角為 （2-7） 動臂油缸伸縮時對C點(diǎn)的力臂也在不斷變化，由圖可知 （2-8） 顯然，當(dāng)ABAC時有最大值，此時，而相應(yīng)的油缸長度為： = 此時的動臂傾角為 若用動臂油缸相對力臂（即來表示油缸長為時的力臂，則 （2-9） 綜上所述，動臂傾角、力臂和都是的參數(shù)。 2.3.2斗桿運(yùn)動分析 斗桿FQ的位置由動臂CF和斗桿油缸DE的長度所決定。但是動臂的位置隨動臂油缸的伸縮而變化，為了便于分析斗桿油缸對頭桿位置的影響，假定動臂不動，那么斗桿鉸點(diǎn)F以及斗桿油缸在動臂上的鉸點(diǎn)D就可以看作為固定基座。 與斗桿、動臂夾角之間的關(guān)系為 （2-10） （2-11） 設(shè)斗桿油缸全縮時動臂與頭桿的夾角為，全伸時為，那么當(dāng)油缸由全縮到全伸時斗桿總的轉(zhuǎn)角為 （2-12） 斗桿油缸的作用力臂也是可變值。 （2-13） 當(dāng)EFDE時有最大值，即，這時相應(yīng)的油缸長度為 相應(yīng)的斗桿轉(zhuǎn)角為 （2-14） 用斗桿油缸相對力臂值（即）來表示時的力臂，則 （2-15） 2.3.3斗齒尖的幾種特殊工作位置的計(jì)算 （1）最大挖掘半徑(圖2.5) 這時C、Q、V在同一條水平線上，而且頭桿油缸全伸，即；； 最大挖掘半徑為 （2-16） 最大挖掘半徑處的挖掘高度相應(yīng)為 圖 2.5 最大挖掘半徑 （2）最大挖掘高度(圖2.6) 圖 2.6 最大挖掘高度 最大挖掘高度為： （2-17） 最大挖掘高度時的挖掘半徑 （2-18） 如果最大轉(zhuǎn)斗角度不能保證QV垂直向上，即，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際的值求相應(yīng)的挖掘高度，如圖左上角所示，此時 （2-19） （3）最大挖掘深度(圖2.7) 這時動臂油缸全縮，頭桿FQ及QV垂直向下，即，，。 最大挖掘深度為 （2-20） 最大挖掘深度時的挖掘半徑為 （2-21） 假若，則FQ不可能呈垂直狀態(tài)，此時必須根據(jù)具體情況計(jì)算實(shí)際的最大挖掘深度[6]。 圖 2.7 最大挖掘深度 （4）停機(jī)平面上的最大挖掘半徑(圖2.8) 這是指斗齒靠在地面上、斗桿全部伸出而斗底平面與停機(jī)平面平行的工況。此時QV線與地面交成角(角是一個重要的鏟斗參數(shù)，設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真確定)，根據(jù)這種定義可知 圖 2.8 停機(jī)平面上的最大挖掘半徑 ；，其中 （2-22） （2-23） 這時停機(jī)平面上的最大挖掘半徑為 （2-24） 如果，則必須根據(jù)具體情況重新進(jìn)行計(jì)算。 3 工作裝置尺寸的設(shè)計(jì)確定 3.1應(yīng)用舉例 本章以液壓正鏟5挖掘機(jī)為例，對工作裝置參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。 結(jié)合 2.4.1 節(jié)的分析，初選動臂與平臺鉸點(diǎn) A 的坐標(biāo)： =0.65m，=2.56m。 3.1.1 動臂及斗桿長度確定 由式（3-1）得4.1 由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果如表 3.1 所示。 表3-1 圖 3.1動臂三維模型 圖 3.2斗桿三維模型 3.1.2機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定 液壓正鏟5挖掘機(jī)的工作尺寸如表 3.2 所示。 表3.2 動臂、斗桿及鏟斗機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角范圍如表 3.3 所示。 表3.3 3.2 油缸鉸點(diǎn)及行程確定 3.2.1動臂油缸的鉸點(diǎn)及行程確定 初取動臂油缸全伸和全縮時的力臂比 =1.1，油缸全伸和全縮時的長度比=1.6，。 由動臂油缸鉸點(diǎn)及行程計(jì)算得，由于A鉸點(diǎn)在平臺的端部，計(jì)算得，，，，，動臂油缸行程 3.2.2 斗桿油缸鉸點(diǎn)及行程確定 初取斗桿油缸全伸和全縮時的力臂比 ，油缸全伸和全縮時的長度比：，。 經(jīng)斗桿油缸鉸點(diǎn)及行程計(jì)算得：，，斗桿油缸行程。 3.2.3 鏟斗油缸鉸點(diǎn)及行程確定 初取斗桿油缸全伸和全縮時的力臂比 ，油缸全伸和全縮時的長度比：[16] 。 經(jīng)鏟斗油缸鉸點(diǎn)及行程計(jì)算得：，，斗桿油缸行程。 3.3工作裝置的位置模型建立 現(xiàn)從動臂與轉(zhuǎn)臺鉸點(diǎn)A出發(fā)，借助各相關(guān)轉(zhuǎn)角q 1、q 2和q 3，建立各關(guān)鍵點(diǎn)B、C、D……V的位置模型，得到各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，從而為下一步的分析提供依據(jù)。 以地面為橫坐標(biāo)，以回轉(zhuǎn)中心線為縱坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系XOY如圖2.4所示。 3.3.1 動臂與平臺鉸點(diǎn)位置C的確定 對由反鏟挖掘機(jī)改裝的正鏟來說，動臂鉸座往往就沿用反鏟動臂的鉸座。一般，鉸座都在轉(zhuǎn)臺中心的前方(>0)，近來大型正鏟的鉸座卻有向后移(靠近回轉(zhuǎn)中心線)的趨勢。 設(shè)計(jì)時，可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式初步選取，在此基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L為基本長度。 履帶軸距L （3-1） 式中：為斗容量， 3.3.2 動臂及斗桿長度的確定 同上轉(zhuǎn)斗半徑也可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式初步選取，在此基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L為基本長度。 3.3.3 機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定 在動臂長度、斗桿長度、轉(zhuǎn)斗半徑及動臂油缸與平臺鉸點(diǎn)C初步確定之后，根據(jù)挖掘機(jī)工作尺寸的要求利用解析法求各機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍，其中包括動臂機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角、斗桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角、鏟斗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍[6]。 (1) 斗桿轉(zhuǎn)角和的確定 可根據(jù)最大挖掘半徑確定。最大轉(zhuǎn)角應(yīng)當(dāng)不小于 (3-2) 根據(jù)停機(jī)平面上最小挖掘半徑確定。所謂停機(jī)平面上的最小挖掘半徑依不同工作情況而異，有的是指鏟斗最靠近機(jī)體(斗桿油缸全縮)、斗齒尖處于停機(jī)平面而斗底平行于地面，在這種狀態(tài)下開始挖掘時的挖掘半徑。 圖 3.3 停機(jī)平面上的最小挖掘半徑 如圖3.3所示，這時斗桿和動臂間的夾角為最小()，鏟斗與地面相交成角(見圖2.7)，而斗齒尖V到回轉(zhuǎn)中心的距離為。從幾何推導(dǎo)可知 (3-3) 式中、——Q點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，且 =； (3-4) (3-5) (3-6) 帶入式（3-5）整理后得 (3-7) 有些挖掘機(jī)不要求鏟斗水平鏟入，而往往以一定的后角開始挖掘，因而最小挖掘半徑可能比前一種小，加大了停機(jī)平面上的挖掘范圍。在這種情況下QV與水平的夾角將增至。根據(jù)有的資料介紹，為使鏟斗容易切人土壤，開始挖掘時的后角可取為～。 應(yīng)該注意不論鏟斗開始挖掘時的位置如何，必須以不碰撞履帶板為原則，因此 （） (3-8) 式中 R——驅(qū)動輪半徑(毫米)； ——履帶行走裝置水平投影的對角線與縱軸問的夾角； ——考慮轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)連桿裝置及余隙在內(nèi)的間隙，初步設(shè)計(jì)時可取＝200～400毫米。 (2) 動臂傾角和的確定 動臂最大傾角根據(jù)最大挖掘高度確定。由圖2.5并根據(jù)式(2—17)和(2—18)經(jīng)過運(yùn)算得出 (3-9) 因此先確定后，再根據(jù)可得。 動臂最小傾角。根據(jù)最大挖掘深度確定。由圖2.5和式(2—20)得到 (3-10) （3）鏟斗轉(zhuǎn)角和的確定 轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：滿足工作尺才的要求，即保證所要求的、、、等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)；挖掘過程中能夠調(diào)整切削后角，保證工作正常進(jìn)行，滿足挖掘過程結(jié)束時的轉(zhuǎn)斗要求及卸載要求。 A.必須滿足工作尺寸的要求 為滿足挖掘高度要求(圖2.5) (3-11) 為滿足最大挖掘半徑要求(圖2.4) (3-12) 為滿足停機(jī)平面上最小挖掘半徑要求(圖2.8) (3-13) (3-14) (3-15) (3-16) 為滿足最大挖掘深度要求(圖2.6) B．必須滿足挖掘過程中調(diào)整切削后角的要求 挖掘過程中隨著鏟斗向前運(yùn)動，斗的切削后角也不斷發(fā)生改變，為了保證挖掘正常進(jìn)行，斗底不應(yīng)與地面發(fā)生摩擦，即＞0，為此必須使 又 將式代入，整理后得到 (3-17) C．必須滿足卸載要求 由于前卸式鏟斗和底卸式鏟斗的卸載方法不同，因此對轉(zhuǎn)角的要求也不同。 為使卸斗于凈，前卸式鏟斗在卸土?xí)r要求斗底與水平相交成以上的角，因此從圖2.5及式(3—11)得 (3-18) 底卸式鏟斗卸土?xí)r可假定斗的后壁接近于垂直枚態(tài)，斗底按近于水平位置，因此要求 (3-19) 對比(2—42)和(2—43)可見，從卸土要求來看，底卸式鏟斗的轉(zhuǎn)角可比前卸式少左右。 D．必須滿足挖掘結(jié)束時鏟斗后傾的要求 為了使鏟斗在挖掘結(jié)束時脫離工作面并在提升過程中使斗內(nèi)物科不致撒落，鏟斗必須后傾。根據(jù)裝裁機(jī)的要求鏟斗裝滿后斗底必須向上傾斜～角， 顯然這時QV連線也必然向上翹起角。結(jié)合圖2.7和2.12可知 + (3-20) 根據(jù)以上所得的公式(3—11)～(3—20)就可以初步確定動臂、斗桿、鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍。但是求出這些參數(shù)后還必須校接所規(guī)定的其它工作參數(shù)，如最大卸載高度、最大卸載高度時的卸載半徑、最大挖掘高度時的挖掘半徑等，如不能滿足則應(yīng)加以修正。 3.4工作裝置油缸鉸點(diǎn)及行程確定 3.4.1動臂油缸的鉸點(diǎn)及行程確定 確定動臂油缸及其鉸點(diǎn)位置時首先應(yīng)滿足動臂變幅時力短和轉(zhuǎn)角的要求。圖2.13中設(shè)動臂油缸全縮和全伸時的位置為和，則；。再假定鉸點(diǎn)B不在動臂中心線CF上，且(當(dāng)B在CF線下方時為“十”，反之為“一”)。 那么由幾何推導(dǎo)可以求出工作時動臂油缸的起始力臂和終了力臂的值： (3-21) (3-22) 式中各參數(shù)可見表及公式(3—33)。如果CF線處于水平線以下則用負(fù)值代入。 圖 3.4 動臂提升機(jī)構(gòu)計(jì)算示意圖 設(shè)起始力臂和終了力臂的比值為K，則 (3-23) 或 （3-24） 展開并整理后得到 (3-25) 對式(3—24)、(3—25)可作如下分析： (1)公式表示了、K、、、諸值之間存在著一定的依賴關(guān)系。當(dāng)其它數(shù)值不變，降低值則K值下降，因而對上部挖掘有利；當(dāng)、K不變，降低值會使加大而減小，對挖高有利。這些都說明正鏟的值應(yīng)當(dāng)比反鏟的小。但是如果工作尺寸已定，過多降低值會對下部挖掘不利，甚至在下部挖掘時不能提起滿載斗；此外為了保證、和K，降低值就必須加大值，加大了油缸行程，對油缸的穩(wěn)定性也有影響。所以當(dāng)確定值時必須全面考慮，籠統(tǒng)地給定正鏟或反鏟的值是不恰當(dāng)?shù)摹? (2)當(dāng)、、K等值固定，與之間也存在一定的關(guān)系，即為常數(shù)。在反鏟上由于需要提高地面以下的挖掘性能，值往往都是負(fù)值。因此加大可以減小動臂的彎曲程度，對動臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有利。而正鏟動臂一般不采用反鏟那樣大曲率的彎臂，角主要按油缸在動臂上的鉸接方式而定，有時油缸鉸在動留下緣的耳板上(動臂截面不致削弱)；有時靠兩個鐘形座鉸于動臂兩側(cè)(在雙缸方案中常采用)等等，因而角有正有負(fù)，但角度一般部不大，因此對的影響也不很大。綜合上述兩點(diǎn)，建議在初步設(shè)計(jì)中先確定動臂結(jié)構(gòu)，初選值，然后根據(jù)工作尺寸的需要，在確定、基礎(chǔ)上按公式(2—49)求合理的值。一般情況下正鏟的值不大干。 (3)值主要應(yīng)從油缸的穩(wěn)定性出發(fā)選用，建議?。?.6～1.7。 (4)由于正鏟主要挖掘地面以上土，終了力臂不能忽視，故K值可建議在0.90～1.14的范圍內(nèi)選取。 設(shè)計(jì)動臂機(jī)構(gòu)時合理地確定A、B、C三點(diǎn)的位置非常重要。從和中還能得到如下關(guān)系式 (3-26) (3-27) 用公式(2—4)代入得 (3-28) (3-29) 令，代人上式，解聯(lián)立方程后得到 (3-30) (3-31) 以上我們根據(jù)動臂轉(zhuǎn)角需要和K值確定了、、等比例系數(shù)和值，因此只要進(jìn)一步求出、、、中任一值就可以求得其它各參數(shù)。 對于正鏟來說動臂油缸的主要作用是將滿載斗由任何可能挖掘的位置舉升到卸載點(diǎn)。而在最大挖掘半徑下舉升滿載斗時的提升力矩往往接近最大值，此時油缸的作用力臂也接近于最大值，且＝。另一方面油缸的缸徑一般部按照系列選用，并且還要考慮與其它油缸通用等問題，因此缸徑?jīng)]有很多選擇的余地。鑒于以上情況可以在預(yù)先確定油缸數(shù)目和缸徑的前提下初步選擇鉸點(diǎn)距離AC()。 (3-32) 式中 M——提升力矩，圖2—14，，即各部分重量對C點(diǎn)的力矩和，其中包括動臂重量、斗桿重量、斗和土壤的重量、連桿裝置重量以及油缸重量、等。初步設(shè)計(jì)時這些重量和重心位置可根據(jù)類比法確定； s——油缸推力， s＝，其中、分別為動臂油缸數(shù)目和缸徑；p是系統(tǒng)的工作壓力； ——油缸和鉸點(diǎn)的機(jī)械效率，在初步設(shè)計(jì)時可取=0.85。 將結(jié)果代人式(3—33)，就能求得其余參數(shù)值。 動臂機(jī)構(gòu)還必須按以下兩種情況進(jìn)行校核； 1)動筒在上部或下部極限位置時的舉升能力；2)主要挖掘范圍內(nèi)挖掘時動臂油缸能提供的閉鎖能力(借助電算結(jié)合整機(jī)挖掘力分析進(jìn)行)。 3.4.2斗桿油缸鉸點(diǎn)及行程確定 選擇斗桿油缸在動臂和斗桿上的鉸點(diǎn)D和E并確定斗桿油題的長度和。 如圖3—6所示，假設(shè)斗桿油缸全縮和全伸時的長度為和，則＝。=，對F點(diǎn)的相應(yīng)力臂為和。也取比例系數(shù) 圖 3.5 確定提升機(jī)構(gòu)的示意圖 圖 3.6 斗桿機(jī)構(gòu)計(jì)算示意圖 ；； 則初始與終了力臂比K為 K= (3-33) 或 最后得到 (3-34) 式中和相應(yīng)為DF、FC的夾角和EF、FQ的夾角。若CF或FQ落在的外側(cè)，則夾角為正，反之為負(fù)。因此在初步設(shè)計(jì)中如果根據(jù)動臂和斗桿的結(jié)構(gòu)形式及鉸點(diǎn)的固定方式預(yù)先確定一個角，則可按公式求出第二個角，或者根據(jù)所求的值結(jié)合具體結(jié)構(gòu)情況分別確定各值。 計(jì)算斗桿機(jī)構(gòu)時建議K值取0.9～1，以使開始挖掘和挖掘終了時作用力臂大致相同。 值仍建議取1.6～1.7。 同樣，由和可列出聯(lián)立方程 (3-35) (3-36) 令，，并將代人上式，解聯(lián)立方程后得到 (3-37) (3-38) 下面介紹一種根據(jù)挖掘作功的理論確定斗桿油缸參數(shù)的方法。 設(shè)斗桿油缸挖掘時需要克服的切向挖掘阻力為，那么 (3-39) 式中 b——切削寬度(厘米)； h——平均切削深度(厘米)； ——挖掘比阻力，取設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定的最硬土壤的挖掘比阻力值(公斤／厘米)。 假設(shè)鏟斗在行程L(厘米)中裝滿，那么在裝斗過程中消耗到挖掘土壤上的功為 （ (3-40) 式中 q——斗容量()； 、——鏟斗的充滿系數(shù)和土壤的松散系數(shù)。 顯然這個功由斗桿油缸來完成，而在此期間斗桿油缸所作的功為 (3-41) 式中 S——斗桿油缸推力，，其中，是斗桿油缸數(shù)量和缸徑，是系統(tǒng)工作壓力； ——油缸和鉸點(diǎn)的機(jī)械效率，在初步設(shè)計(jì)時建議取=0.85； ——油缸挖掘行程。在正鏟上一般認(rèn)為鏟斗應(yīng)在斗桿油缸60％的行程內(nèi)裝滿，則=其中是斗桿油缸全行程。 因此從作功出發(fā)可列出平衡方程式 = (3-42) = (3-43) 確定斗桿油缸行程之后，不難求出其全縮和全伸時的長度，即 (3-44) (3-45) 將式(3—47)、(3—48)和（3-38）所得的結(jié)果代入就可求出等值。 所選購油缸及斗桿機(jī)構(gòu)的其它參數(shù)應(yīng)按油缸極限位置時能產(chǎn)生偽挖掘力進(jìn)行驗(yàn)算，此時斗桿油缸的挖掘力應(yīng)不低于斗桿挖掘時遇到的正常挖掘阻力。 3.4.3鏟斗油缸鉸點(diǎn)及行程確定 轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)保證鏟斗有一定的挖掘能力，并具有必要的閉鎖能力。但正鏟上轉(zhuǎn)斗挖掘不是主要的挖掘方式，因此在參數(shù)選擇時提出以下幾點(diǎn)作為參考： (1)在主要挖掘土壤中工作時，轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)保證鏟斗在70一100％的轉(zhuǎn)斗行程內(nèi)挖滿土； (2)在最硬的土壤中工作時，轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)應(yīng)保證在主要挖掘范圍內(nèi)用斗桿油缸挖掘時鏟斗油缸具有必要的閉鎖能力； (3)參考前端裝載機(jī)設(shè)計(jì)要求，建議在鏟斗油缸全伸時斗齒上的挖掘力不低于滿斗土重的兩倍。 根據(jù)以上幾點(diǎn)，在初步設(shè)計(jì)時也可以用挖掘作功的理論來選擇鏟斗油缸參數(shù)。 與斗桿機(jī)構(gòu)計(jì)算相類似，可直接列出鏟斗油缸的行程 (3-46) 式中 ——鏟斗油缸挖掘行程與全行程的比率，取～1，其中大值適用于低卸式鏟斗，小值適用于前卸式鏟斗； ——挖掘比阻力，建議采用主要挖掘土壤的值； ——鏟斗油缸數(shù)量及缸徑； ——油缸和鉸點(diǎn)的效率。在具有連桿裝置的情況下取=0.8～0.85。 仍取油僅全伸和全縮時長度之比為～1.7），則鏟斗油缸長度為 (3-47) (3-48) 油缸的鉸點(diǎn)位置、連桿裝置的結(jié)構(gòu)形式及其鉸點(diǎn)布置在初步設(shè)計(jì)時可參考樣機(jī)或采用類比法預(yù)先確定，再根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)角及其與FQ連線的相對位置進(jìn)行校核。 圖 3.7 鏟斗三維模型 3.5液壓正鏟挖掘機(jī)三維模型 本文中液壓正鏟挖掘機(jī)的三維模型是通過PRO/E三維建模設(shè)計(jì)出來的，里面主要包含四大部件—機(jī)體，動臂，斗桿和鏟斗。其中動臂，斗桿和鏟斗是其挖掘的主體運(yùn)動裝置，通過三維建模并對其進(jìn)行運(yùn)動仿真，就能很清楚了解到正鏟挖掘機(jī)的工作原理和工作方式,如圖3.8—3.9: 圖3.8 圖3.9液壓正鏟挖掘機(jī)三維模型 4 結(jié) 論 工作裝置是液壓正鏟挖掘機(jī)的重要工作部件，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到挖掘機(jī)的工作性能，所以對工作裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化有著重要的意義。本文以大型液壓正鏟挖掘機(jī)的工作裝置為研究對象，初步設(shè)計(jì)工作裝置的相關(guān)幾何參數(shù)和力能參數(shù)，并將其應(yīng)用到液壓正鏟 5挖掘機(jī)工作裝置參數(shù)的設(shè)計(jì)中，主要結(jié)論如下： （1）分析液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置的組成及工作特點(diǎn)，確定了工作裝置的結(jié)構(gòu)方案為挖掘裝載裝置。 （2）建立了工作裝置挖掘位置模型，并根據(jù)開采工藝參數(shù)、初始參數(shù)及邊界條件等，采用回歸方程法和原理設(shè)計(jì)法，確定出合理的動臂、斗桿及鏟斗機(jī)構(gòu)的相關(guān)幾何參數(shù)和力能參數(shù)。 （3）當(dāng)鏟斗油缸挖掘時，鏟斗油缸挖掘力的變化規(guī)律更加符合挖掘阻力的變化規(guī)律。即鏟斗相對于斗桿轉(zhuǎn)角時，物料切向挖掘阻力值達(dá)到最大。 參 考 文 獻(xiàn) 1．王新中.國內(nèi)外礦用挖掘機(jī)發(fā)展?fàn)顩r[J].礦山機(jī)械，2004(9):52-53 2．礦用挖掘機(jī)發(fā)展方向[J].中國礦業(yè)報(bào),2002,16(7):255 3．張宏，趙光.從慕尼黑 bauma 展看當(dāng)今挖掘機(jī)技術(shù)發(fā)展[J]，建筑機(jī)械化，2007,6:8-10 4．張潤利，劉伯穎.工程機(jī)械專利信息之小型挖掘機(jī)篇[J]，工程機(jī)械，2006(4):21-26 5．方良周.MX80 液壓挖掘機(jī)工作裝置的仿真與鏟斗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化[D].沈陽：東北大學(xué)，1996 6．同濟(jì)大學(xué)等.單斗液壓挖掘機(jī)(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1986,12:50-114 7．趙培訓(xùn).單半液壓挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析參數(shù)優(yōu)化和動態(tài)模擬系統(tǒng)的研究[D].西安：西安公路交通大學(xué)，1998 8．范進(jìn)楨，孟憲慧等.挖掘機(jī)挖掘作業(yè)工程的動力學(xué)研究[J].礦山機(jī)械，2005，09：39～41 9．史清錄，林慕義，康健.挖掘機(jī)的最不穩(wěn)定姿態(tài)研究.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)[J]，2004(9): 32～35 10．張石強(qiáng).正鏟液壓挖掘機(jī)挖掘性能通用分析方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006,10 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