0.3m3履帶式挖掘機工作裝置設計（含CATIA三維+CAD二維）

0.3m3履帶式挖掘機工作裝置設計（含CATIA三維+CAD二維）,m3,履帶式,挖掘機,工作,裝置,設計,catia,三維,cad,二維 畢業(yè)設計說明書在此處鍵入西安建筑科技大學華清學院畢業(yè)設計說明書題 目： 0.3m3履帶式挖掘機工作裝置設計院（系）： 機械電子工程系專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化學生姓名： 趙佳賓學 號： 201506040231指導教師（簽名）：主管院長（主任）（簽名）：時 間： 2019 年 3 月 4 日畢業(yè)設計說明書在此處鍵入摘 要隨著科技的發(fā)展，中國挖掘機及液壓行業(yè)也在飛速進步。而液壓技術是現(xiàn)代挖掘機的技術基礎，其性能的優(yōu)劣決定著挖掘機工作性能的高低，其結構的合理性直接影響到液壓挖掘機的工作性能和可靠性。本設計主要是對 0.3m3 履帶式挖掘機的工作裝置進行設計。首先論述了挖掘機液壓系統(tǒng)的基本回路，其次設計了挖掘機液壓系統(tǒng)，包括工作原理分析，系統(tǒng)工作循環(huán)和工作回路進行分析，其次總結了挖掘機工作裝置性能要求和設計原則 ，然后對其工作裝置進行了方案選擇以及運動學分析，并確定各鉸點之間的距離，用 CATIA 軟件繪出其各個零部件模型。接著根據(jù)零部件模型并結合其他機械設計知識畫出工作裝置的二維圖紙，最后根據(jù)圖紙上的具體結構尺寸對工作裝置的主要部件進行校核。關鍵詞:液壓系統(tǒng)，工作裝置，運動學分析，結構設計，模型畢業(yè)設計說明書在此處鍵入AbtractWith the development of science and technology, Chinas 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)設計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 挖掘機的國內外發(fā)展狀況 .61.2.1 國外液壓挖掘機的發(fā)展狀況 .61.2.2 國內液壓挖掘機的發(fā)展狀況 .61.3 課題研究的意義 .71.4 挖掘機的結構分類 71.5 研究的方法及思路 .81.6 設計的主要內容 8第二章 挖掘機總體結構方案設計 92.1 工作裝置的組成 .92.2 工作裝置的結構方案選擇 .112.2.1 動臂布置方案選擇 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 挖斗結構形式確定 142.3 挖掘機的工作裝置運動分析 142.3.1 挖掘過程分析 .162.3.2 舉升回轉過程 .182.3.3 卸載過程 182.3.4 空載回轉過程 182.3.5 整機移動過程 18畢業(yè)設計說明書在此處鍵入2.4 工作裝置的設計要求 .192.4.1 幾何尺寸要求 192.4.2 運動和動力特性要求 202.4.3 結構強度要求 21第三章 工作裝置的結構及力學分析 223.1 動臂運動分析 .223.2 斗桿的運動分析 .233.3 挖斗的運動分析 .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 主要零部件的設計與計算 294.1 挖斗的設計 .304.2 動臂機構的參數(shù)選擇 .304.3 斗桿機構的參數(shù)選擇 .324.4 連桿機構基本參數(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 動臂油缸作用力的確定 .425.3 工作裝置的強度校核 435.4 斗桿的力學分析 .44畢業(yè)設計說明書在此處鍵入5.5 斗桿的強度校核 .495.6 動臂的力學分析 .545.7 動臂的強度校核 .56總 結 59參考文獻 60致 謝 61本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入第一章 緒 論1.1 課題研究的背景挖掘機在國民經(jīng)濟建設的許多行業(yè)被廣泛地采用，如工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利電氣工程、農田改造、礦山采掘以及現(xiàn)代化軍事工程等等行業(yè)的機械化施工中。據(jù)統(tǒng)計，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完成的。隨著我國基礎設施建設的深入和在建設中挖掘機的廣泛應用，挖掘機市場有著廣闊的發(fā)展空間，因此發(fā)展?jié)M足我國國情所需要的挖掘機是十分必要的。而工作裝置作為挖掘機的重要組成部分，對其研究和控制是對整機開發(fā)的基礎。單斗液壓挖掘機工作裝置是一個較復雜的空間機構，國內外對其運動分析、機構和結構參數(shù)優(yōu)化設計方面都作了較深入的研究，具體的設計特別是小型挖掘機的設計已經(jīng)趨于成熟。而關于單斗液壓挖掘機的相關文獻也很多，這些文獻從不同側面對工作裝置的設計進行了論述。而筆者的設計知識和水平能力只是初學者，進行本課題的設計是為對挖掘機的工作裝置設計有一些大體的認識，鞏固所學的知識和提高設計能力。1.2 挖掘機的國內外發(fā)展狀況1.2.1 國外液壓挖掘機的發(fā)展狀況工業(yè)發(fā)達國家的液壓挖掘機生產較早，產品線齊全，技術成熟。美國、德國和日本是液壓挖掘機的主要生產國，具有較高市場占有率。20 世紀后期開始，國際上液壓挖掘機的生產從產品規(guī)格上看，在穩(wěn)定和完善主力機型的基礎上向大型化、微型化方向發(fā)展；從產品性能上看，向高效節(jié)能化、自動化、信息化、智能化的方向發(fā)展。世界上較早開發(fā)研制挖掘機的國家，1954 年和 1955 年德國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；美國是繼德國以后生產挖掘機歷史最長、數(shù)量最大、品種最多和技術水平處于領先地位的國家；日本挖掘機制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)展起來的，其主要特點是在引進、消化先進技術的基礎上，通過大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的；韓國是液壓挖掘機生產的后起之秀，20 世紀 70 年代開始引進技術，于產業(yè)政策支持，很快進入國際市場，并已擠入國際液壓挖掘機的主要生產國之一。1.2.2 國內液壓挖掘機的發(fā)展狀況本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入我國從 1967 年開始研制液壓挖掘機。早期開發(fā)成功的產品主要有上海建筑機械廠的WY100、貴陽礦山機器廠的 W460、合肥礦山機器廠的 WY60 等。到 20 世紀 70 年代末 80年代初，長江挖掘機廠和杭州重型機械研制成功了 WY160 和 WY250 等液壓挖掘機產品。從 1994 年開始，美國的卡特彼勒公司、日本的神戶制鋼所、日本的小松制作所、日本的日立建機株式會社、韓國大宇重工、韓國現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾、德國雪孚、德國阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司先后在中國建立了中外合資、外商獨資挖掘機生產企業(yè)，生產具有世界先進水平的多種型號和規(guī)格的液壓挖掘機產品。近年來我國經(jīng)濟增長迅速，液壓挖掘機市場需求不斷擴大，形成了巨大的挖掘機市場空間，但該行業(yè)主要由合資企業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國內一些工程機械待業(yè)的上市股分公司合資的方式介入了挖掘機產業(yè)，同時國內還有眾多的企業(yè)也在生產液壓挖掘機，但在生產規(guī)模、品種、質量等方面與國外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展民族挖掘機產業(yè)，必須瞄準國際先進水平，圍繞國內外兩個市場，在充分利用國際化配套的國外先進技術的基礎上，增強自主創(chuàng)新意識，掌握核心設計制造技術，發(fā)揮性價比優(yōu)勢，提高產品競爭力，把我國液壓挖掘機產品做大做強。1.3 課題研究的意義隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，液壓挖掘機在各種工程建設領域，特別是基礎設施建設中所起的作用越來越明顯，液壓挖掘機作為一類快速、高效的施工機械愈來愈被人們所認識。據(jù)統(tǒng)計，2003 年我國挖掘機總銷售量突破 6 萬臺，其中國內挖掘機生產企業(yè)銷量總和達到 萬臺，成為世界第一大挖掘機市場。 挖掘機的發(fā)展與液壓技術密不可分，二者相互促進，一方面，液壓技術是現(xiàn)代挖掘機的技術基礎，另一方面，挖掘機的發(fā)展又促進了液壓技術的提高。挖掘機的液壓系統(tǒng)復雜，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的許多先進技術都體現(xiàn)在挖掘機上。近年來，有關挖掘機液壓系統(tǒng)方面的文獻并不少見，但文獻的內容大多針對某一專題進行研究，系統(tǒng)地論述現(xiàn)代液壓挖掘機液壓系統(tǒng)的論文卻較少，因此研究挖掘機液壓系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義。1.4 挖掘機的結構分類單斗液壓挖掘機可按用途及其主要裝置的特征進行分類。按液壓挖掘機主要用途及工作裝置的不同分為通用型和專用型兩種。中小型挖掘機本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入大多數(shù)為通用型，即以挖掘土壤容重 18000N/m為標準反挖斗的主要裝置外，還配有適于挖掘各種輕重土質和挖掘幅度的反鏟、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。按工作裝置的結構不同分為鉸接式和伸縮臂式挖掘機，常用者均為鉸接式，伸縮臂式挖掘機因可用于平整清理場地和坡道等作業(yè)，故有挖掘平地機之稱。按行走裝置的不同，液壓挖掘機分為履帶式、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用最廣，對松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長及以浮式履帶來降低接地比壓。輪式挖掘機具有行走速度快，機動性好、可在城市道路通行，故近年來在中小型液壓挖掘機中發(fā)展較快。汽車式、懸掛式是以汽車及拖拉機為基礎機械(底盤)裝設挖掘或裝載工作裝置的小型挖掘機。適用于城建小量土方工程及農村建筑。拖式則沒有行走驅動機構，轉移時由牽引車牽引，主要優(yōu)點為結構簡單、成本低。按回轉部分轉角的不同，液壓挖掘機有全回轉和半回轉兩類。大部分液壓挖掘機是全回轉式的，小型液壓挖掘機如懸掛式等工作裝置僅能作 180左右的回轉，為半回轉式。按主要機構是否全部采用液壓傳動又分為全液壓式與半液壓式兩種。兩者區(qū)別在于半液壓傳動挖掘機的行走機構采用機械傳動，少數(shù)挖掘機僅工作裝置采用液壓傳動，如大型礦用挖掘機等。目前國產輪胎式液壓挖掘機多采用半液壓式。1.5 研究的方法及思路（1）通過查閱相關資料，掌握液壓挖掘機的主要參數(shù)。（2）充分考慮已有液壓挖掘機的優(yōu)缺點來確定液壓挖掘機的總體設計方案，對現(xiàn)有裝置的不足進行分析。（3）對設計的液壓挖掘機進行修改和優(yōu)化，最終設計出能滿足要求的液壓挖掘機。（4）根據(jù)題目和原始數(shù)據(jù)查看相關資料，了解當今國內外液壓挖掘機的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，撰寫文獻綜述和開題報告。（5）根據(jù)產品功能和技術要求提出多種設計方案，對各種方案進行綜合評價，從中選擇較好的方案，再對所選擇的方案做進一步的修改或優(yōu)化，最終確定總體設計方案。（6）具體設計液壓挖掘機的驅動裝置、工作裝置等。 （7）對所設計的機械結構中的重要零件進行校核計算，如齒輪、軸、軸承等，保證設計的合理性和可行性。 ；本科生畢業(yè)設計（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）整理各項設計資料，撰寫論文。1.6 設計的主要內容 本次設計斗容量為 0.3m3,全液壓履帶式挖掘機工作裝置，由于履帶式液壓挖掘機有良好通過性能應用最廣，對松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長以及浮式履帶來降低接地比壓。本論文主要對由動臂、斗桿、挖斗、連桿機構組成挖掘機工作裝置進行設計。具體內容包括以下四部分:（1）挖機工作裝置的總體設計。（2）挖掘機的工作裝置詳細的機構運動學分析。（3）工作裝置各部分的基本尺寸的計算和驗證。（4）工作裝置主要部件的結構設計。第二章 挖掘機總體結構方案設計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-動臂；8-動臂油缸；9-斗桿油缸圖 1-1 為液壓挖掘機工作裝置基本組成及傳動示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由挖本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入斗連桿、斗桿、動臂、相應的三組液壓缸等組成。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轉動。為了增大挖斗的轉角，挖斗液壓缸一般通過連桿機構（即連桿和搖桿）與挖斗連接。反鏟液壓挖掘機的工作過程為:先下放動臂至挖掘位置，然后轉動斗桿及挖斗，當挖掘至裝滿挖斗時，提升動臂使挖斗離開土壤，邊提升邊回轉至卸載位置，轉斗卸出土壤，然后再回轉至工作位置開始下一次作業(yè)循環(huán) 2。液壓挖掘機的反鏟裝置主要用于挖掘停機面以下土壤(基坑、溝壕等)。其挖掘軌跡決定于各油缸的運動及其相互配合情況。通常情況下，分為動臂挖掘、斗桿挖掘、轉斗挖掘等幾種情況。（1）動臂挖掘當采用動臂油缸工作來進行挖掘時(斗桿和挖斗油缸不工作)可以得到最大的挖掘半徑和最長的挖掘行程。此時挖斗的挖掘軌跡系以動臂下鉸點為中心，斗齒至該鉸點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，分別決定于動臂的最大上傾角和下傾角(動臂與水平線之夾角)，也即決定于動臂油缸的行程。由于這種挖掘方式時間長而且由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實際工作中基本上不采用。（2）斗桿挖掘當僅以斗桿油缸工作進行挖掘時，挖斗的挖掘軌跡為圓弧線，弧線的長度與包角決定于斗桿油缸的行程。當動臂位于最大下傾角，并以斗桿油缸進行挖掘工作時，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。在較堅硬的土質條件下工作時，能夠保證裝滿挖斗，故挖掘機實際工作中常以斗桿油缸工作進行挖掘。（3）轉斗挖掘當僅以挖斗油缸工作進行挖掘時，挖斗的挖掘軌跡也為圓弧線，弧線的包角及弧長決定于挖斗油缸的行程。顯然，以挖斗油缸工作進行挖掘時的挖掘行程較短，如使挖斗在挖掘行程結束時裝滿土壤，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤。所以一般挖掘機的斗齒最大挖掘力都在采用挖斗油缸工作時實現(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率。因此，在一般土方工程挖掘中，轉斗挖掘較常采用。本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入在實際挖掘工作中，往往需要采用各種油缸的聯(lián)合工作。挖掘機工作裝置各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿，對工作裝置進行適當簡化處理如圖 2-2 所示。圖 2-2 工作裝置結構簡圖挖掘機的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實質是一組平面連桿機構，自由度是 3，即工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度 L1、斗桿油缸長度 L2、挖斗油缸長度 L3決定，當L1、L 2、L 3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定。2.2 工作裝置的結構方案選擇 主要設計技術參數(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）停機面最大挖掘半徑(mm)：6220本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入（7）行走速度（km/h）：2.8/4.5（8）爬坡能力（%）：70/30（9）回轉速度(rpm)：112.2.1 動臂布置方案選擇動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臂。組合式動臂如圖 2-3 所示，組合式動臂用輔助連桿或液壓缸或螺栓連接而成。上、下動臂之間的夾角可用輔助連桿或液壓缸來調節(jié)，雖然使結構和操作復雜化，但在挖掘機作業(yè)中可隨時大幅度調整上、下動臂之間的夾角，從而提高挖掘機的作業(yè)性能，尤其在用反鏟或抓斗挖掘窄而深的基坑時，容易得到較大距離的垂直挖掘軌跡，提高挖掘質量和生產率。組合式動臂的優(yōu)點是，可以根據(jù)作業(yè)條件隨意調整挖掘機的作業(yè)尺寸和挖掘力，且調整時間短。此外，它的互換工作裝置多，可滿足各種作業(yè)的需要，裝車運輸方便。其缺點是質量大，制造成本高 ,故本次設計不采用。本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入圖 2-3 組合式動臂整體式動臂的優(yōu)點是結構簡單，輕巧，質量輕而剛度大。其缺點是更換的工作裝置少，通用性較差。多用于長期作業(yè)條件相似的挖掘機上。整體式動臂又可分為直動臂和彎動臂兩種。其中的直動臂結構簡單、質量輕、制造方便，主要用于懸掛式液壓挖掘機，但它不能使挖掘機獲得較大的挖掘深度，不適用于通用挖掘機；彎動臂是目前應用最廣泛的結構型式，與同長度的直動臂相比，可以使挖掘機有較大的挖掘深度，但降低了卸土高度，這正符合挖掘機反鏟作業(yè)的要求 5。經(jīng)比較，選擇整體彎動臂。動臂油缸一般布置在動臂的前下方，有兩種具體布置方式，油缸前傾布置方案，即當動臂油缸全伸出，將動臂舉伸至上極限位置時，動臂油缸軸線向轉臺前方傾斜；油缸后傾布置方案，即當動臂油缸全伸出，將動臂舉伸至上極限位置時，動臂油缸軸線向轉臺后方傾斜，兩種方案中，在動臂油缸作用力相同時，后傾方案能得到較大的動臂作用力矩 2,因此，本次設計采用油缸后傾布置方案。臂與動臂油缸活塞桿端部的鉸點布置通常有兩種形式，一種是單動臂布置在端部彎角的下部，小型挖掘機常見；另一種是雙動臂油缸布置在動臂箱體的中部，這樣的雙動臂油缸在結構上起到加強筋的作用，提升力也大大增加。由于本次設計的是小型挖掘機，故本次設計采用單動臂油缸。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)挖掘機采用整體式斗桿。在本設計中由于不需要調節(jié)斗桿的長度，故也采用整體式斗桿。2.2.3 油缸布置方案選擇挖斗結構形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機的作業(yè)效果影響很大，其應滿足以下的要求：（1）有利于物料的自由流動。挖斗內壁不宜設置橫向凸緣、棱角等。斗底的向剖面形狀要適合于各種物料的運動規(guī)律。（2）要使物料易于卸盡。（3）為使裝進挖斗的物料不易于卸出，挖斗的寬度與物料的粒徑之比應大于 4，大于 50 時，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質。本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入綜上考慮，選用中型挖掘機常用的挖斗結構，基本結構如圖 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角，改善了機構的傳動特性。該布置中 1 桿與 2 桿的鉸接位置雖然使挖斗的轉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-連桿機構； 3-挖斗2.2.4 挖斗結構形式確定挖斗結構的基本要求1.挖斗的縱向剖面形狀應適應挖掘過程各種物料在斗中運動規(guī)律，有利于物料的流動，使裝土阻力最小，有利于將挖斗充滿。2.裝設斗齒，以增大挖斗對挖掘物料的線比壓，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。斗齒應耐磨、易于更換。3 為使裝進挖斗的物料不易掉出，斗寬與物料直徑之比應大于 4：1。4.物料易于卸凈，縮短卸載時間，并提高挖斗有效容積。挖斗的斗齒采用裝配式，國產挖機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 立方米時多采用前者，斗容量 q 大于或等于 0.6 立方米時多本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入采用后者圖 2-6 斗齒安裝形式本次設計的標準挖斗容量為 0.3 立方米故選擇螺栓連接安裝形式。2.3 挖掘機的工作裝置運動分析液壓挖掘機的主要運動功能包括以下幾個動作：動臂升降、斗桿收放、挖斗裝卸、轉臺回轉、整機行走以及其它輔助動作，如圖 2-7 所示。除了輔助動作(例如整機轉向等)不需全功率驅動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，一般要進行全功率驅動研究。挖掘機的典型作業(yè)流程：(1)整機移動至合適工作位置；(2)平臺回轉，使工作裝置處于挖掘位置；(3)動臂下降，并調整斗桿、挖斗至合適位置；(4)斗桿、挖斗挖掘作業(yè)；(5)動臂升起；(6)回轉工作裝置至卸載位置；(7)操縱斗桿、挖斗卸載。本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入圖 2-7 液壓挖掘機的工作運動1-動臂升降；2-斗桿收放；3-挖斗裝卸；4-轉臺回轉；5-整機行走由于液壓挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，對主機的工作有兩項要求：1.實現(xiàn)各種主要動作時，隨著阻力與作業(yè)速度的變化，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應變化；2.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(例如挖掘與動臂下降、提升與回轉)同時進行復合動作。液壓挖掘機一個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復合主要包括：(1)挖掘：通常以挖斗液壓缸或斗桿液壓缸進行挖掘，或兩者配合進行挖掘。因此，在此過程中主要是挖斗和斗桿的復合動作，必要時，配以動臂動作。(2)滿斗舉升回轉：挖掘結束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉液壓馬達使轉臺轉向卸載位置，此時主要是動臂和回轉的復合動作。(3)卸載：轉到卸載位置時，轉臺制動，用斗桿液壓缸調節(jié)卸載半徑，然后挖斗液壓缸回縮，挖斗卸載。為了調整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和挖斗的復合動作，兼以動臂動作。(4)空斗返回：卸載結束，轉臺反向回轉，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點，此時是回轉和動臂或斗桿的復合動作。(5)整機移動工況：將整機移動至合適的工作位置。(6)姿態(tài)調整與保持工況：滿足停放、運輸、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)設計（論文）在此處鍵入2.3.1 挖掘過程分析液壓挖掘機典型的挖掘工況包括如下 3 種。(1)挖斗挖掘工況：由挖斗液壓缸單獨動作進行挖掘的工況，采用挖斗液壓缸進行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產率，因此，在一般土方工程挖掘中(III 級土以下土壤的挖掘)挖斗挖掘最常用。(2)斗桿挖掘工況：由斗桿液壓缸單獨動作進行挖掘的工況，在較堅硬的土質條件下工作時，為了能夠裝滿挖斗，中小型液壓挖掘機在實際工作中常以斗桿液壓缸進行挖掘。(3)聯(lián)合挖掘工況：由挖斗、斗桿液壓缸復合動作進行挖掘的工況，必要時還需配以動臂液壓缸的動作。主要用于需要軌跡控制的情況。當單獨采用挖斗液壓缸進行挖掘時，挖掘軌跡以挖斗與斗桿的鉸點為中心，挖斗斗尖所作的圓弧線的長度決定挖斗液壓缸的行程。以挖斗液壓缸進行挖掘時的挖掘行程較短，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，所以一般挖掘機的斗尖最大挖掘力都在采用挖斗液壓缸挖掘時實現(xiàn)。當單獨采用斗桿液壓缸進行挖掘時，挖掘軌跡以動臂與斗桿的鉸點為中心，挖斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于斗桿液壓缸的行程。當動臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進行挖掘時，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)設計（論文）在此處鍵入一般認為斗容量小于 0.5m3在土質松軟時以轉斗挖掘為主，否則以斗桿挖掘為主。這兩種情況的挖掘阻力不同。在實際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復合工作。如在平整土地或切削斜坡時，需要同時操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運動，見圖 2-8 所示。此時斗桿收回，動臂抬起，需要保證彼此動作獨立，相互之間無干擾。如果需要挖斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進行切削時，或者需要用挖斗斗底壓整地面時，就需要挖斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復合動作，這些動作決定于液壓系統(tǒng)的設計，見圖 2-9 所示。當進行溝槽側壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進行垂直掘削，還要求向回轉馬達提供壓力油，產生回轉力，保持挖斗貼緊側壁進行切削，因此需要回轉機構和斗桿機構復合動作。單獨采用斗桿挖掘時，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個別也有采用三泵合流。單獨采用挖斗挖掘時，也有采用雙泵合流的情況。當動臂、斗桿和挖斗復合運動時，為了防止同一油泵向多個液壓作用元件供油時動作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個油泵單獨對一個液壓作用元件供油較好。對于雙泵系統(tǒng)，復合動作時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、樹根等堅硬障礙物，往往由于挖不動而需要短時間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時增壓，能提高主壓力閥的壓力。2.3.2 舉升回轉過程滿斗舉升回轉的運動約占整個作業(yè)循環(huán)時間的 50%70%，能量消耗占 25%50%，回轉液壓回路的發(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臺的回轉時間。挖掘結束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉液壓馬達使轉臺轉向卸載處，此時主要是動臂和回轉馬達的復合動作。動臂抬升和回轉馬達同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉到指定卸載位置時，動臂和挖斗自動提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉角度不同，隨液壓挖掘機相對卸載的位置而變，因此動臂提升速度本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入和回轉馬達的回轉速度的相對關系應該是可調整的。卸載回轉角度大，則要求回轉速度快些，而動臂的提升速度慢些?；剞D起動時，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時應該將溢流的油供給動臂。在回轉和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對挖斗進行調整。這時是回轉馬達、動臂、斗桿和挖斗進行復合動作。2.3.3 卸載過程回轉至卸載位置時，轉臺制動，用斗桿調節(jié)卸載半徑和卸載高度，用挖斗油缸卸載。為了調整卸載位置，還需要動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和挖斗復合動作，兼有動臂動作。2.3.4 空載回轉過程當卸載結束后，轉臺反向回轉，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點。此工況是回轉馬達、動臂和斗桿復合動作。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵的全部流量供回轉馬達，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿。發(fā)動機在低轉速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。特點與滿載回轉類似，但轉動慣量比滿足時減小。2.3.5 整機移動過程挖掘機一般不作長距離行走，只在工地范圍行走，作業(yè)時用來調整整機位置?；疽螅鹤笥衣膸Э瑟毩⒉倏v，可調速，具有直線行走功能，具有一定的行走速度(25km/h)和爬坡能力(坡度大約在 35o左右)，具有制動能力。在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件(如回轉機構、動臂、斗桿和挖斗)進行調整。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達供油、另一個油泵為右行走馬達供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當挖掘機進行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故。為了保證挖掘機的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達分別由一個油泵單獨供油，另一個油泵向其它液壓作用元件(如動臂、斗桿、挖斗和回轉)供油。對于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式：一個油泵并聯(lián)向左、右行走馬達供油，另一個油泵向本科生畢業(yè)設計（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供油；雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達和作業(yè)裝置液壓作用元件同時供油。2.4 工作裝置的設計要求液壓挖掘機工作裝置由動臂機構、斗桿機構、挖斗機構三部分組成，是一種具有多自由度的工程機械。這些主要機構經(jīng)常啟動、制動、換向，外負載變化很大，工作條件惡劣，沖擊和振動多，因此對液壓挖掘機的工作裝置提出了較高的設計要求。根據(jù)液壓挖掘機的工作特點，其工作裝置的設計需要滿足以下要求。2.4.1 幾何尺寸要求液壓挖掘機工作裝置的幾何尺寸要求滿足一定的作業(yè)范圍和合適的運輸尺寸，挖掘機作業(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，在整個作業(yè)范圍內的任何位置都要求實現(xiàn)最大挖掘力并不經(jīng)濟，而要求挖掘機在主要挖掘區(qū)內能實現(xiàn)最大挖掘力。本科生畢業(yè)設計（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)常進行挖掘的區(qū)域。對液壓挖掘機來說最合理最經(jīng)常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向機身運動的挖掘方式，用這種方式挖掘充斗效率高，循環(huán)時間短，也便于卸土，裝車，司機視野無阻，因此生產率高而又安全。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)間深入到挖掘機停機點地下，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的整機穩(wěn)定性要求。2.4.2 運動和動力特性要求液壓挖掘機各功能運動的動力特性要求和常見復合運動要求，如表 2-1 和 2-2 所示。表 2-1 各功能運動的動力特性要求一覽表功能運動名稱 應用工況 功率需求變速要求 制動及鎖定要求挖斗正轉 挖掘、姿勢調整 大 不大挖斗反轉 卸載、姿勢調整 不大 不大 最好有鎖定斗桿正轉 挖掘、姿勢調整 大 高 最好有鎖定斗桿反轉 姿勢調整 不大 較高 最好有鎖定動臂舉升 舉升、姿態(tài)調整 較大 高動臂下降 姿態(tài)調整、輔助作業(yè) 一般 較高回轉運動 挖掘與卸載轉位 高 高行走運動 場內轉位、調整作業(yè)位置 高 高表 2-2 常見復合運動要求一覽表復合運動 應用工況 特點與要求說明挖斗正轉+斗桿正轉 復合挖掘 功率需求大、變速要求高本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入2.4.3 結構強度要求液壓挖掘機結構強度是工作裝置設計的關鍵之一，工作裝置的結構和所承受的載荷是十分復雜的。要求滿足工作裝置各部分的受力的情況下，保證工作裝置的強度和剛度特性。在設計液壓挖掘機的工作裝置時，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增加了構件強度，而且縮短制造周期，降低了成本。要求動臂下支點及動臂油缸支承在平臺主梁的整塊鋼板上，這不僅增加構件強度而且減少焊接，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力，要求采用型鋼及壓型等結構。在結構件設計中為求等強度，要求采取局部加強的措施。動臂、斗桿要求改為焊鑄結構，在應力較高的部位以鑄代焊，這樣大大提高了結構件的沖擊和疲勞強度。為確保焊接強度，要求所有鉸接部均采用鑄鋼件。結構件的破壞主要是由于沖擊疲勞，因此實際破壞時常不在負荷最大部位，而是應力集中部位。為減少應力集中，應使焊縫與應力集中部位錯開，在主要受力鉸接支承處采用鑄鋼件。第三章 工作裝置的結構及力學分析3.1 動臂運動分析挖斗反轉+斗桿反轉 卸載 功率需求較小斗桿正轉+動臂舉升 平整土地 要求操縱興性能好動臂舉升+回轉運動 挖掘與卸載轉位 功率需求大，變速要求高，動力分配可調整動臂下降+回轉運動 返回向挖掘處 兩者載荷差別大、速度要求高本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入圖 3-1 動臂擺角范圍計算簡圖圖 3-2 F 點坐標計算簡圖動臂的擺角 是動臂油缸長度 L1 的函數(shù)，動臂上任意一點在任意時刻的坐標值也max1都是 L1 的函數(shù)。圖 3-1 中 動臂油缸的最短長度； 動臂油缸的伸出的最大長度；:in1L:max1L動臂油缸兩鉸點分別與動臂下鉸點連線夾角的最小值； 動臂油缸兩鉸點分別:min1 與動臂下鉸點連線夾角的最大值；A：動臂油缸的下鉸點；B：動臂油缸的上鉸點；C：動臂的下鉸點。設特性參數(shù) = min1/l5，= 7/l5 如圖所示，當 L1= L1min時得在ACB 中，據(jù)余弦定理知：in1 = ACB0=cos1 2275minl當 L= max時則得：1= z= l572ax 1動臂的擺角范圍為： max1=a- min1= - 2211cos()221cos()動臂的瞬時轉角為： 1= 221in/)cos(L221()不難列出動臂上任意一點的坐標方程，現(xiàn)在只推導 F 點的坐標方程。212012UCF57101cos()lBLcos2ll2721本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入當 F 點在水平線 CU 之下時 21為負，否則為正。F點的X坐標方程為： 21cosFXYlF點的Y坐標方程為： in1C 這里 C 點的 Y 坐標值可由圖 3-2 得到：XC = XA-l5COS11 YC = YA+l5Sin11 動臂油缸的作用力臂：e1 = l5Sin CAB 顯然動臂油缸的作大作用力臂為 l5max1，這時 125271lL。3.2 斗桿的運動分析斗桿的位置參數(shù)是 L1和 L2的函數(shù)。這里暫時先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，它們都是四桿機構，但連桿比例不同。如下圖 3-3 所示，D 點為斗桿油缸與動臂的鉸點點，F(xiàn) 點為動臂與斗桿的鉸點，E 點為斗桿油缸與斗桿的鉸點。圖 3-3 斗桿機構擺角計算簡圖其中 D-斗桿油缸與動臂的鉸點點； F-動臂與斗桿的鉸點；E 油缸與斗桿的鉸點； 斗桿擺角.當斗桿油缸全伸時，取得： 22189max2maxcos()lL當斗桿油缸全縮時，取得： 22189min2mincs()l本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入擺角 2max2in斗桿的作用力臂 e2:9slDEF斗桿油缸最大作用力臂 ，取得：9l2192 88sin(),lDFEL3.3 挖斗的運動分析挖斗相對于 XOY 坐標系的運動是 L1、L 2、L 3的函數(shù)，現(xiàn)討論挖斗相對于斗桿的運動，如圖 3-4 所示， Q 點為挖斗與斗桿的鉸點，v 點為挖斗的斗齒尖點，K 點為連桿與挖斗的餃點，N 點為搖桿與斗桿的鉸點， H 點為搖桿，油缸與連桿的鉸點。圖 3-4 挖斗的運動(1）傳動比計算利用上圖，可以知道求得以下的參數(shù)：挖斗油缸對 N 點的力臂 r1=NHsinGHN其中 , NH 和 HG 由設計時確定。22()HGNGCOS連桿 HK 對 N 點的力臂 r2=NHsinKHN其中：KHN=NHQ+KHQ21)QQSN22HHCOSNQNFG, 221()COSNFN,NG,GF 均在設計中得到。本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入221()HKQQCOSHK,QH 均在設計中得到連桿 HK 中的力對 Q 點的力臂為 r3 = l24sinHKQ221()FSHK挖掘阻力對 Q 點的力臂為 r4=l3=QV連桿機構傳動比 i = （r 1r3）/（r 2r4） =0.309顯然上式中可知，i 是挖斗油缸長度 L3(即 GH)的函數(shù)，用 L3min代入可得初傳動比i0，L 3max代入可得終傳動比 iz。挖斗相對于斗桿的擺角 3挖斗的瞬時位置轉角為： 3 =NQK+KQV ，KQV 由設計確定。當挖斗油缸長度 L3分別取 L3max和 L3min時，可分別求得挖斗的最大和最小轉角 3max和 3min，于是得挖斗的瞬間轉角: 3 = 3- 3min 3.4 極限位置的校核3.4.1 最大挖掘半徑圖 3-5 最大挖掘半徑計算簡圖 其中 C-動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-挖斗油缸下鉸點；Q-挖斗下鉸點；K-挖斗上鉸點；V-挖斗斗齒尖 如圖 3-5 所示，當斗桿油缸全縮時，F(xiàn)、 Q.、V 三點共線，且斗齒尖 v 和鉸點 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)設計（論文）在此處鍵入圖 3-6 最大挖掘深度計算簡圖其中 NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-挖斗油缸下鉸點；Q-挖斗下鉸點；K-挖斗上鉸點；V-挖斗斗齒尖.如圖 3-6 示，當動臂全縮時，F(xiàn), Q, V 三點共線且處于垂直位置時，得最大挖掘深度為: -H1max = YVmin = YFminl2l3 = YC+L1Sin21minl2l3=YC+l1Sin(1min-2-11)l2l3 3.4.3 最大卸載高度本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入圖 3-7 最大卸載高度計算簡圖如圖 3-7 所示，當斗桿油缸全縮，動臂油缸全伸時，QV 連線處于垂直狀態(tài)時，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 點旋轉直到挖斗油缸全縮為止，如下圖 3-8 所示：本科生畢業(yè)設計（論文）在此處鍵入圖 3-8 最大挖掘高度計算簡圖2max312123121321sin()sin( )QMAXC MAXxxHYll lV其 中 為 與 斗 桿 軸 線 的 夾 角 。第四章 主要零部件的設計與計算