畢業(yè)設計-液壓挖掘機工作裝置設計【含CAD圖紙、PROE三維】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 摘要：近年來，隨著鋼鐵業(yè)、煤炭業(yè)、電力業(yè)的持續(xù)迅猛發(fā)展，挖掘機等工程機械的需求日益增加，并廣泛地運用于房屋建筑、筑路工程、水利建設、農林開發(fā)、港口建設、國防工事的土石方施工和礦山采掘工業(yè)中。由于其作業(yè)工況復雜多變，挖掘方式往往是憑借操作者的經驗，根據實際作業(yè)工況決定，為了減小操作者的挖掘經驗對挖掘效果的影響，就迫切需要建立起鏟斗挖掘軌跡與各液壓缸的直接對應關系，實現(xiàn)挖掘機操作的自動化。同時由于挖掘機的工作環(huán)境的復雜性及工況的多變性，就要求液壓挖掘機本身結構要根據環(huán)境的不同作相應的調整，這就決定了挖掘機設計的平凡性、重復性。然而液壓挖掘機的工作裝置又是一個多自由度的多桿系統(tǒng)，各鉸點的確定非常復雜，這些因素就造成了液壓挖掘機的投資大、設計周期長，嚴重地影響了廠商的經濟效益及國民經濟的發(fā)展。 本文主要的設計工作主要有以下幾個方面：在現(xiàn)場測繪及參考有關資料的基礎上了解液壓挖掘機的工作方式及工作環(huán)境。確定液壓挖掘機各個工作裝置的結構，查找相關資料并結合經驗公式對挖掘機工作裝置的總體進行設計，用比例法和經驗公式計算出工作裝置各部分的基本尺寸并對其進行應力分析，然后繪制出其二維CAD圖紙，繼而用PRO/E畫出各裝置的三維模型。將各裝置裝配后對其進行運動模擬仿真。 關鍵詞：挖掘機；工作裝置；CAD;PRO/E;運動仿真 Abstract：In recent years, as steel, coal industry and quarrying continued rapid development, excavators engineering machinery requirement increasingly, and is widely used in housing construction, road engineering, water conservancy construction, forestry development, port construction, national defense construction and conditions of fortifications mining extraction industryDue to the complex and changeable, mining operation condition is often with operator way according to the actual working experience, decision, in order to reduce homework to excavate the mining experience operator, the effects will is in urgent need to build up the bucket with various hydraulic cylinder dig trajectory direct corresponding relation, realize the automation. Excavator operationAt the same time because of the complexity of an excavator working environment and conditions, requires the fluidity of hydraulic excavator itself according to the different structural environment makes the corresponding adjustment, this determines the excavator design of ordinary sex, repeatability. However hydraulic excavator working device is a much more freedom, the hinge point bar system to determine the very complex, these factors will cause the hydraulic excavator big investment, design cycle is long, the serious influence on the economic benefits of the manufacturers and national economic development. This paper mainly design work mainly in the following aspects: in the field surveying and mapping and reference on the basis of relevant information about the hydraulic excavator way of working and working environment Determine the hydraulic excavator, each working device search relevant material and structure of practical experience formula of the overall work device for excavators designed, use proportion method and experience calculation work device each part of basic size and carries on the stress analysis, and then plot its two-dimensional CAD drawings, and then painted with PRO/E 3d model of each device. After each device assembly of its motion simulation Keywords: Hydraulic Excavator; Working device; Boom;Stick;Face-shovel 目 錄 目 錄 3 1 引言 5 1.1課題研究的背景和意義 5 1.2 液壓挖掘機研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 5 1.2.1 國外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 6 1.2.2 國內的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 7 1.3 本文研究的主要內容 8 2液壓挖掘機工作裝置的運動分析 9 2.1 液壓挖掘機的基本組成和工作原理 9 2.2 工作裝置結構方案的確定 10 2.3 工作裝置運動分析 13 2.3.1動臂運動分析 13 2.3.2斗桿運動分析 15 2.3.3斗齒尖的幾種特殊工作位置的計算 16 3 工作裝置尺寸的設計確定 19 3.1應用舉例 19 3.1.2機構轉角范圍確定 21 3.2 油缸鉸點及行程確定 21 3.2.1動臂油缸的鉸點及行程確定 21 3.2.2 斗桿油缸鉸點及行程確定 21 3.2.3 鏟斗油缸鉸點及行程確定 22 3.3工作裝置的位置模型建立 22 3.3.1 動臂與平臺鉸點位置C的確定 22 3.3.2 動臂及斗桿長度的確定 23 3.3.3 機構轉角范圍確定 23 3.4工作裝置油缸鉸點及行程確定 28 3.4.1動臂油缸的鉸點及行程確定 28 3.4.2斗桿油缸鉸點及行程確定 31 3.4.3鏟斗油缸鉸點及行程確定 34 3.5液壓挖掘機三維模型 36 4 結 論 37 參 考 文 獻 38 致 謝 39 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)模逐漸擴大，為了適應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，由于挖掘機愈大，每單位土石方的施工成本愈低，而液壓挖掘機較機械式挖掘機有很多優(yōu)點，但是國內對大型液壓挖掘機的研究較少，液壓挖掘機工作裝置是完成挖掘機各項功能的主要構件，其結構的合理性直接影響到挖掘機的工作性能和可靠性，對其研究是整機開發(fā)的基礎，對工作裝置進行優(yōu)化，目的在于縮短研究和開發(fā)周期，降低產品成本，提高設計質量，本課題的任務就在于此[1]。 現(xiàn)代化建設速度，在很大程度上取決于各種工程建設速度，而工程機械水平的高低，又直接對工程建設速度發(fā)揮著促進或抑制作用。傳統(tǒng)研發(fā)管理及設計方法只是被動地重復分析產品的性能，而不是主動地設計產品的參數。作為一項設計，不僅要求方案可行、合理，而且應該是某些指標達到最優(yōu)的理想方案。隨著電子計算機的應用，在機械設計領域內，已經可以用現(xiàn)代化的設計方法和手段進行設計，來滿足對機械產品提出的要求。利用優(yōu)化設計方法，人們就可以從眾多的設計方案中尋找出最佳設計方案，從而大大提高設計效率和質量?？煽啃允俏覈こ虣C械的致命弱點，我們要正視差距，增強科研開發(fā)力度，提高技術水平，更多地發(fā)展具有自主知識產權的高質量產品，進一步促進工程機械的發(fā)展[1]。 1.2 液壓挖掘機研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 挖掘機作為一種典型的土石方施工設備，在基礎設施建設中起著十分重要的作用，因此加強對挖掘機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，節(jié)能技術研究成為同行學者關注的焦點沒隨著人類空間獲活動的延伸，以及人類對挖掘機工作環(huán)境與功能要求的延伸，在遙控挖掘機和機器人化挖掘機研究方面正進行不懈努力，遙控挖掘機的研究離實用化已經不遠，開發(fā)智能化的多功能挖掘機并使之成為真正的挖掘機器人還是人們追求的目標。由于挖掘作業(yè)中負載變化劇烈，有些學者已經開始將振動挖掘方式運用于減少挖掘阻力，減低功率消耗以及延長機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）國外產品發(fā)展趨勢 1950 年在意大利生產了第一臺液壓挖掘機，由于其挖掘能力強、生產率高、通用性好、操縱輕便等特點，在工程建設施工中起著重要的作用。六十年代，隨著西方經濟的發(fā)展，液壓挖掘機需求數量急劇上升，但大多數屬于中小型液壓挖掘機。七十年代開始，隨著科學技術的進步和大型水電工程及大型露天礦建設的需要，液壓挖掘機向高速、高壓、大斗容、大功率發(fā)展。隨著液壓挖掘機產量的提高和使用范圍的擴大，世界上著名的挖掘機生產商紛紛采用各種高新技術，來提高產品的競爭力。國外的一些公司開始研制大型礦用液壓挖掘機，其中以德國、法國產品居多。 在液壓挖掘機產品功能方面，液壓挖掘機工作裝置向多功能化的方向發(fā)展。當液壓挖掘機配置不同的作業(yè)裝置時，可以用來吊、夾、推、刮、松、挖、裝、銑削、拆除、清除和壓實等作業(yè)，且大都采用快換裝置，駕駛員在駕駛室內就可以完成作業(yè)裝置的更換，一般在2分鐘內就可以完成作業(yè)裝置的更換。工作裝置中動臂、斗桿結構變化多樣，擴展了主機的使用功能。隨著傳統(tǒng)型和通用型產品樣機減少，一些有特殊構造的、有特色的產品和多功能的產品備受用戶的青睞，這些多用途作業(yè)裝置大大擴展了液壓挖掘機的功用，提高了產品的施工適用性。同時也體現(xiàn)了各廠家市場差異化的產品發(fā)展戰(zhàn)略和各自的技術水平。所以，研究專業(yè)性的挖掘機設計理論、方法甚至是專用軟件，以便縮短設計周期、提高產品性能和可靠性，快速響應市場和用戶的要求。 2）國外液壓挖掘機設計方法研究現(xiàn)狀 （1）設計理論和方法研究及應用。國外生產企業(yè)在產品的設計和研制過程中，廣泛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，研制了可靠性處理系統(tǒng)。借助于現(xiàn)代設計理論和方法，縮短了新產品的研發(fā)周期，加速了液壓挖掘機更新?lián)Q代的進程，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，0&K公司的RH-400型液壓挖掘機，Liebher的8994型液壓挖掘機，法國Poclain公司的1000CK型液壓挖掘機，都是應用現(xiàn)代設計理論和方法設計的新型機型。 （2）重視實驗研究和電子計算機技術的應用。近年來，國外液壓挖掘機產量急劇上升，結構逐步完善，在工程建設和施工行業(yè)中占有很重要的位置。液壓挖掘機迅速發(fā)展的根本原因，在于機械本身的優(yōu)越性，也由于下述幾個因素：①重視試驗研究工作，液壓挖掘機的研制除了保證機械技術性能以外，十分重視挖掘機的使用經濟性和工作可靠性，研制過程中，進行各種性能試驗和可靠性試驗，包括構件強度試驗、系統(tǒng)試驗、操縱試驗、耐久性試驗等，要通過嚴格的科學試驗和用戶評價，才進行定型生產；②重視電子計算機技術的應用，設計制造更輕便的工作裝置，而不削弱其強度，其實對挖掘機工作裝置的研究已經十分成熟。它的應用加快了新產品的發(fā)展速度，使新產品從設計到批量生產的周期縮短到2～3年左右。 （3）采用新結構和新材料，利用現(xiàn)代設計技術和先進制造技術，仍是保證和提高液壓挖掘機性能的一個較重要的途徑[2]。 1.2.2 國內的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 自20世紀80年代以來，國外一些先進商用有限元、多體系統(tǒng)動力學軟件進入我國，如ANSYS，ADAMS，MEDYNA，MOCAL，ALGOR等，應用于液壓挖掘機的結構分析、仿真和優(yōu)化。國內對于挖掘機工作裝置設計理論與方法的研究可歸納如下： （1）工作裝置的運動分析。對工作裝置的運動分析，關系到挖掘機的力學分析，是其他分析與設計的基礎。文獻[15]利用個人編制的軟件對液壓小型反鏟挖掘機各種靜態(tài)姿態(tài)角度下的理論挖掘力進行了分析與仿真；文獻[16]利用矩陣變換原理對單斗反鏟液壓挖掘機進行了詳盡的闡述；文獻[17]對液壓挖掘機反鏟工作裝置各主要構件進行了運動學和動力學分析，得到了反鏟裝置各關鍵點的坐標和實現(xiàn)挖掘力的限制條件；文獻[18]利用拉格朗日第方程對液壓挖掘機的工作裝置建立了挖掘作業(yè)過程中的動力學模型，對其動能、勢能和挖掘力進行計算，為分析挖掘作業(yè)工作裝置所受到的力和運動之間關系、控制作業(yè)規(guī)劃和仿真提供了理論基礎。 （2）工作裝置的優(yōu)化。優(yōu)化設計方法己在我國工程設計領域得到廣泛運用。它是建立在近代數學最優(yōu)化方法和計算機程序之上，解決復雜設計問題的一種有效工具，是計算機輔助設計(CAD)應用中的一個重要方面。它運用到機械設計中，能根據產品的要求，合理地確定和計算各項參數，以其達到最佳設計目標。文獻[19]應用變換矩陣來建立數學模型，編制挖掘機工作裝置設計軟件對挖掘機工作裝置進行快速有效的計算。文獻[20]針對液壓挖掘機鏟斗連桿機構采用復合形法進行優(yōu)化求解，并且給出了程序設計的流程框圖。文獻[21]提出了利用優(yōu)化方法分析計算挖掘機在各種工況下的穩(wěn)定系數和具體解決方法，找出并分析了挖掘機在特定工況下的最不穩(wěn)定姿態(tài)，為挖掘機的穩(wěn)定性分析提供了理論計算公式和具體分析手段。文獻[22]開發(fā)了液壓挖掘機工作裝置通用分析軟件，只能對現(xiàn)有的機型進行分析，沒有從原理出發(fā)對工作裝置參數進行設計，并進行優(yōu)化。國內太原重型機械學院和浙江大學在這方面做出了突出的貢獻，浙江大學1988年開發(fā)了一個用于液壓挖掘機CAD的大型軟件系統(tǒng)，在此基礎上于90年代初開發(fā)了液壓挖掘機的集成化智能CAD系統(tǒng)；此外太原重型機械有限公司研究所利用UG開發(fā)計算6～8m挖掘機的三維仿真軟件；徐州工程機械研究所利用I-DEAS軟件完成WY20整機、WY20A工作裝置的三維實體造型等。但是由于受客觀條件的限制，在產品的設計制造中大部分工作還是采用傳統(tǒng)的設計方法和理論，雖然采用了優(yōu)化設計方法，但主要針對國內小型液壓反鏟挖掘機的設計做了大量工作。 （3）工作裝置設計現(xiàn)狀。由于礦山條件惡劣，液壓挖掘機在礦山沒有得到廣泛應用，因此國內對液壓挖掘機的研究很少，沒有形成自己的設計體系。近年來隨著液壓技術的發(fā)展及液壓元件質量的提高，大型液壓挖掘機在礦山才得到應用，合理地設計工作裝置的主要構件是行業(yè)發(fā)展的需要。 目前研究液壓挖掘機工作裝置設計的重點在于：①提高工作裝置結構件的可靠性和耐久性；②對工作裝置機構進行計算機輔助計算和優(yōu)化設計，提高挖掘機的挖掘性能，同時使挖掘機設計人員從繁忙的計算中解脫出來。因此，開發(fā)一個專業(yè)化的工作裝置設計的工具軟件顯得非常必要[3]。 1.3 本文研究的主要內容 本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、銷軸組成挖掘機工作裝置進行設計。具體內容包括以下五部分: (1) 挖掘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。 (5) 銷軸的設計及螺栓等標準件進行選型 2液壓挖掘機工作裝置的運動分析 2.1 液壓挖掘機的基本組成和工作原理 液壓挖掘機由工作裝置，上部轉臺和行走裝置三大部分組成，如圖 2.1 所示。其中上部轉臺包括動力裝置、傳動機構的主要部分、回轉機構、輔助設備和駕駛室；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 液壓挖掘機的基本組成 圖 2.2 液壓挖掘機工作裝置 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，在回轉馬達的驅動下，使鏟斗回轉到卸載地點，然后操縱斗桿和鏟斗油缸使鏟斗轉動至合適位置，再回縮開斗油缸轉動鏟斗，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，將工作裝置轉到挖掘地點進行第二次循環(huán)挖掘工作。轉移工作場地時，操縱行走馬達，驅動行走機構完成移動工作[4]。 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。 2.2 工作裝置結構方案的確定 工作裝置的構造：工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗、工作液壓缸和連桿機構等組成。動臂是焊接的箱形結構，由高強度鋼板焊成，也有的是鑄造的混合結構，和反鏟工作裝置相比，動臂較短且是單節(jié)的。動臂下端和轉臺鉸接，動臂油缸一般為雙缸，在布置上動臂的下鉸點高于動臂油缸的下鉸點且靠后。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，同時也保證動臂機構具有必要的提升力矩和閉鎖力矩。 斗桿也是焊接箱形結構或鑄造混合結構。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，形成了斗桿機構。由于常以斗桿挖掘為主，這樣的結構布置適合于向前推壓，液壓缸大腔進油可以發(fā)揮較大的挖掘力。 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，形成轉斗機構，一般為六連桿機構。有時鏟斗缸的活塞桿直接和鏟斗鉸接形成四連桿機構。 挖掘機的鏟斗根據結構和卸土方式可分為前卸式和底卸式兩大類。 ??? 前卸式鏟斗卸土時直接靠鏟斗油缸使斗翻轉，土鑲從斗的前方卸出。這種構造簡單，斗體是整體結構，剛度和強度都比較好，并且不需要另設卸土油缸，但是為了能將土卸盡，要求卸土時前壁與水平夾角大于45度,因而要求鏟斗的轉角加大，結果導致所需的鏟斗油缸功率增加，或者造成轉斗挖掘力下降或卸土時間延長。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。挖掘時斗底關閉，卸土時斗底打開，土城從底部卸出。這類結構的卸土性能較好，要求鏟斗的轉角也小，但必須增設卸土油缸，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。采用底卸式鏟斗結構，鏟斗的轉角可以減小，因而有些挖掘機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，簡化了結構，并在一定程度上加大了轉斗挖掘力[5]。 ??? 當挖掘機挖掘比較松軟的對象、或用于裝載散粒物料時，斗可以換成裝載斗，在整機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。 本設計中我采用圖2.3這一結構。 圖 2.3 液壓挖掘機結構 圖 2.4 液壓挖掘機機構簡圖 圖2.4所示是5 m3挖掘機工作裝置的示意圖，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臺上的鉸點分別為C和A，它們的位置以停機面為X軸， 整機回轉中心線為Y軸(圖b)的直角坐標值來表示。這臺挖掘機的主要工作油缸共5只，其中動臂油缸兩只，置于動臂的兩側；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列于表2—1中。 表 2.1 5m3液壓挖掘機主要油缸的主要參數 2.3 工作裝置運動分析 2.3.1動臂運動分析 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，當動臂和油缸的參數不變時，a11-a2愈大動臂提升高度愈小。關于這點在以后還要討論[6]。 設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，動臂總的轉角為： （2-3） 為了便于運算和比較，仍用無因次比例系數表示，即 ；； （2-4） 代入式(2—2)可以得到動臂油缸全縮和全伸時相應的動臂傾角值 （2-5） （2-6） 而動臂總轉角為 （2-7） 動臂油缸伸縮時對C點的力臂也在不斷變化，由圖可知 （2-8） 顯然，當ABAC時有最大值，此時，而相應的油缸長度為： = 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。 2.3.2斗桿運動分析 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F以及斗桿油缸在動臂上的鉸點D就可以看作為固定基座。 與斗桿、動臂夾角之間的關系為 （2-10） （2-11） 設斗桿油缸全縮時動臂與頭桿的夾角為，全伸時為，那么當油缸由全縮到全伸時斗桿總的轉角為 （2-12） 斗桿油缸的作用力臂也是可變值。 （2-13） 當EFDE時有最大值，即，這時相應的油缸長度為 相應的斗桿轉角為 （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） 如果最大轉斗角度不能保證QV垂直向上，即，則應根據實際的值求相應的挖掘高度，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)，此時必須根據具體情況計算實際的最大挖掘深度[6]。 圖 2.7 最大挖掘深度 （4）停機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，設計中應認真確定)，根據這種定義可知 圖 2.8 停機平面上的最大挖掘半徑 ；，其中 （2-22） （2-23） 這時停機平面上的最大挖掘半徑為 （2-24） 如果，則必須根據具體情況重新進行計算。 3 工作裝置尺寸的設計確定 3.1應用舉例 本章以液壓5挖掘機為例，對工作裝置參數進行初步設計。 結合 2.4.1 節(jié)的分析，初選動臂與平臺鉸點 A 的坐標： =0.65m，=2.56m。 3.1.1 動臂及斗桿長度確定 由式（2-25）得4.1 由經驗公式計算結果如表 3.1 所示。 表3-1 動臂三維模型 斗桿三維模型 3.1.2機構轉角范圍確定 液壓5挖掘機的工作尺寸如表 3.2 所示。 表3.2 動臂、斗桿及鏟斗機構的轉角范圍如表 3.3 所示。 表3.3 3.2 油缸鉸點及行程確定 3.2.1動臂油缸的鉸點及行程確定 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，。 由動臂油缸鉸點及行程計算得，由于A鉸點在平臺的端部，計算得，，，，，動臂油缸行程 3.2.2 斗桿油缸鉸點及行程確定 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：，。 經斗桿油缸鉸點及行程計算得：，，斗桿油缸行程。 3.2.3 鏟斗油缸鉸點及行程確定 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] 。 經鏟斗油缸鉸點及行程計算得：，，斗桿油缸行程。 3.3工作裝置的位置模型建立 現(xiàn)從動臂與轉臺鉸點A出發(fā)，借助各相關轉角q 1、q 2和q 3，建立各關鍵點B、C、D……V的位置模型，得到各關鍵點的坐標，從而為下一步的分析提供依據。 以地面為橫坐標，以回轉中心線為縱坐標，建立直角坐標系XOY如圖2.4所示。 3.3.1 動臂與平臺鉸點位置C的確定 對由反鏟挖掘機改裝的來說，動臂鉸座往往就沿用反鏟動臂的鉸座。一般，鉸座都在轉臺中心的前方(>0)，近來大型的鉸座卻有向后移(靠近回轉中心線)的趨勢。 設計時，可用類比法確定或根據經驗統(tǒng)計公式初步選取，在此基礎上推薦以履帶軸距L為基本長度。 履帶軸距L （2-25） 式中：為斗容量， 3.3.2 動臂及斗桿長度的確定 同上轉斗半徑也可用類比法確定或根據經驗統(tǒng)計公式初步選取，在此基礎上推薦以履帶軸距L為基本長度。 3.3.3 機構轉角范圍確定 在動臂長度、斗桿長度、轉斗半徑及動臂油缸與平臺鉸點C初步確定之后，根據挖掘機工作尺寸的要求利用解析法求各機構轉角范圍，其中包括動臂機構轉角、斗桿機構轉角、鏟斗機構轉角范圍[6]。 (1) 斗桿轉角和的確定 可根據最大挖掘半徑確定。最大轉角應當不小于 (2-26) 根據停機平面上最小挖掘半徑確定。所謂停機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體(斗桿油缸全縮)、斗齒尖處于停機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 2.9 停機平面上的最小挖掘半徑 如圖2.9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到回轉中心的距離為。從幾何推導可知 (2-27) 式中、——Q點的橫坐標和縱坐標，且 =； (2-28) (2-29) (2-30) 帶入式（2-29）整理后得 (2-31) 有些挖掘機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 （） (2-32) 式中 R——驅動輪半徑(毫米)； ——履帶行走裝置水平投影的對角線與縱軸問的夾角； ——考慮轉斗機構連桿裝置及余隙在內的間隙，初步設計時可?。?00～400毫米。 (2) 動臂傾角和的確定 動臂最大傾角根據最大挖掘高度確定。由圖2.5并根據式(2—17)和(2—18)經過運算得出 (2-33) 因此先確定后，再根據可得。 動臂最小傾角。根據最大挖掘深度確定。由圖2.5和式(2—20)得到 (2-34) （3）鏟斗轉角和的確定 轉斗機構應滿足以下要求：滿足工作尺才的要求，即保證所要求的、、、等參數能夠實現(xiàn)；挖掘過程中能夠調整切削后角，保證工作正常進行，滿足挖掘過程結束時的轉斗要求及卸載要求。 A.必須滿足工作尺寸的要求 為滿足挖掘高度要求(圖2.5) (2-35) 為滿足最大挖掘半徑要求(圖2.4) (2-36) 為滿足停機平面上最小挖掘半徑要求(圖2.8) (2-37) (2-38) (2-39) (2-40) 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整切削后角的要求 挖掘過程中隨著鏟斗向前運動，斗的切削后角也不斷發(fā)生改變，為了保證挖掘正常進行，斗底不應與地面發(fā)生摩擦，即＞0，為此必須使（圖2.10） 又 將式代入，整理后得到 (2-41) 圖 2.10 鏟斗運動方向與切削后角 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，因此對轉角的要求也不同。 為使卸斗于凈，前卸式鏟斗在卸土時要求斗底與水平相交成以上的角(見圖2.11a)，因此從圖2.5及式(2—35)得 (2-42) 圖 2.11 不同卸載方式對的影響 底卸式鏟斗卸土時可假定斗的后壁接近于垂直枚態(tài)，斗底按近于水平位置(圖2.11b)，因此要求 (2-43) 對比(2—42)和(2—43)可見，從卸土要求來看，底卸式鏟斗的轉角可比前卸式少左右。 D．必須滿足挖掘結束時鏟斗后傾的要求 為了使鏟斗在挖掘結束時脫離工作面并在提升過程中使斗內物科不致撒落，鏟斗必須后傾。根據裝裁機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。結合圖2.7和2.12可知 + (2-44) 根據以上所得的公式(2—35)～(2—44)就可以初步確定動臂、斗桿、鏟斗的轉角范圍。但是求出這些參數后還必須校接所規(guī)定的其它工作參數，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，如不能滿足則應加以修正。 3.4工作裝置油缸鉸點及行程確定 3.4.1動臂油缸的鉸點及行程確定 確定動臂油缸及其鉸點位置時首先應滿足動臂變幅時力短和轉角的要求。圖2.13中設動臂油缸全縮和全伸時的位置為和，則；。再假定鉸點B不在動臂中心線CF上，且(當B在CF線下方時為“十”，反之為“一”)。 那么由幾何推導可以求出工作時動臂油缸的起始力臂和終了力臂的值： (2-45) (2-46) 式中各參數可見表2—10、2—11及公式(2—57)。如果CF線處于水平線以下則用負值代入。 圖 2.13 動臂提升機構計算示意圖 設起始力臂和終了力臂的比值為K，則 (2-47) 或 （2-48） 展開并整理后得到 (2-49) 對式(2—48)、(2—49)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系。當其它數值不變，降低值則K值下降，因而對上部挖掘有利；當、K不變，降低值會使加大而減小，對挖高有利。這些都說明的值應當比反鏟的小。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。所以當確定值時必須全面考慮，籠統(tǒng)地給定或反鏟的值是不恰當的。 (2)當、、K等值固定，與之間也存在一定的關系，即為常數。在反鏟上由于需要提高地面以下的挖掘性能，值往往都是負值。因此加大可以減小動臂的彎曲程度，對動臂的結構強度有利。而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(在雙缸方案中常采用)等等，因而角有正有負，但角度一般部不大，因此對的影響也不很大。綜合上述兩點，建議在初步設計中先確定動臂結構，初選值，然后根據工作尺寸的需要，在確定、基礎上按公式(2—49)求合理的值。一般情況下的值不大干。 (3)值主要應從油缸的穩(wěn)定性出發(fā)選用，建議取＝1.6～1.7。 (4)由于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的范圍內選取。 設計動臂機構時合理地確定A、B、C三點的位置非常重要。從和中(圖2.13)還能得到如下關系式 (2-50) (2-51) 用公式(2—4)代入得 (2-52) (2-53) 令，代人上式，解聯(lián)立方程后得到 (2-54) (2-55) 以上我們根據動臂轉角需要和K值確定了、、等比例系數和值，因此只要進一步求出、、、中任一值就可以求得其它各參數。 對于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。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，因此缸徑沒有很多選擇的余地。鑒于以上情況可以在預先確定油缸數目和缸徑的前提下初步選擇鉸點距離AC()。 (2-56) 式中 M——提升力矩，圖2—14，，即各部分重量對C點的力矩和，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。初步設計時這些重量和重心位置可根據類比法確定； s——油缸推力， s＝，其中、分別為動臂油缸數目和缸徑；p是系統(tǒng)的工作壓力； ——油缸和鉸點的機械效率，在初步設計時可取=0.85。 將式(2—110)和(2—111)的結果代人式(2—57)，就能求得其余參數值。 動臂機構還必須按以下兩種情況進行校核； 1)動筒在上部或下部極限位置時的舉升能力；2)主要挖掘范圍內挖掘時動臂油缸能提供的閉鎖能力(借助電算結合整機挖掘力分析進行)。 3.4.2斗桿油缸鉸點及行程確定 選擇斗桿油缸在動臂和斗桿上的鉸點D和E并確定斗桿油題的長度和。 如圖2—15所示，假設斗桿油缸全縮和全伸時的長度為和，則＝。=，對F點的相應力臂為和。也取比例系數 圖 2.14 確定提升機構的示意圖 圖 2.15 斗桿機構計算示意圖 ；； 則初始與終了力臂比K為 K= (2-57) 或 最后得到 (2-58) 式中和相應為DF、FC的夾角和EF、FQ的夾角。若CF或FQ落在的外側，則夾角為正，反之為負。因此在初步設計中如果根據動臂和斗桿的結構形式及鉸點的固定方式預先確定一個角，則可按公式求出第二個角，或者根據所求的值結合具體結構情況分別確定各值。 計算斗桿機構時建議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 (2-59) (2-60) 令，，并將代人上式，解聯(lián)立方程后得到 (2-61) (2-62) 下面介紹一種根據挖掘作功的理論確定斗桿油缸參數的方法。 設斗桿油缸挖掘時需要克服的切向挖掘阻力為，那么 (2-64) 式中 b——切削寬度(厘米)； h——平均切削深度(厘米)； ——挖掘比阻力，取設計任務所規(guī)定的最硬土壤的挖掘比阻力值(公斤／厘米)。 假設鏟斗在行程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 （ (2-65) 式中 q——斗容量()； 、——鏟斗的充滿系數和土壤的松散系數。 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 (2-66) 式中 S——斗桿油缸推力，，其中，是斗桿油缸數量和缸徑，是系統(tǒng)工作壓力； ——油缸和鉸點的機械效率，在初步設計時建議取=0.85； ——油缸挖掘行程。在上一般認為鏟斗應在斗桿油缸60％的行程內裝滿，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 = (2-67) = (2-68) 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 (2-69) (2-70) 將式(2—69)、(2—70)和（2-62）所得的結果代入就可求出等值。 所選購油缸及斗桿機構的其它參數應按油缸極限位置時能產生偽挖掘力進行驗算，此時斗桿油缸的挖掘力應不低于斗桿挖掘時遇到的正常挖掘阻力。 3.4.3鏟斗油缸鉸點及行程確定 轉斗機構應保證鏟斗有一定的挖掘能力，并具有必要的閉鎖能力。但上轉斗挖掘不是主要的挖掘方式，因此在參數選擇時提出以下幾點作為參考： (1)在主要挖掘土壤中工作時，轉斗機構應當保證鏟斗在70一100％的轉斗行程內挖滿土； (2)在最硬的土壤中工作時，轉斗機構應保證在主要挖掘范圍內用斗桿油缸挖掘時鏟斗油缸具有必要的閉鎖能力； (3)參考前端裝載機設計要求，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。 根據以上幾點，在初步設計時也可以用挖掘作功的理論來選擇鏟斗油缸參數。 與斗桿機構計算相類似，可直接列出鏟斗油缸的行程 (2-71) 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； ——鏟斗油缸數量及缸徑； ——油缸和鉸點的效率。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 (2-72) (2-73) 油缸的鉸點位置、連桿裝置的結構形式及其鉸點布置在初步設計時可參考樣機或采用類比法預先確定，再根據所需要的轉角及其與FQ連線的相對位置進行校核。 鏟斗三維模型 3.5液壓挖掘機三維模型 本文中液壓挖掘機的三維模型是通過PRO/E三維建模設計出來的，里面主要包含四大部件—機體，動臂，斗桿和鏟斗。其中動臂，斗桿和鏟斗是其挖掘的主體運動裝置，通過三維建模并對其進行運動仿真，就能很清楚了解到挖掘機的工作原理和工作方式,如下圖: 液壓挖掘機三維模型 4 結 論 工作裝置是液壓挖掘機的重要工作部件，其結構的合理性直接影響到挖掘機的工作性能，所以對工作裝置的參數進行優(yōu)化有著重要的意義。本文以大型液壓挖掘機的工作裝置為研究對象，初步設計工作裝置的相關幾何參數和力能參數，并將其應用到液壓 5挖掘機工作裝置參數的設計中，主要結論如下： （1）分析液壓挖掘機工作裝置的組成及工作特點，確定了工作裝置的結構方案為挖掘裝載裝置。 （2）建立了工作裝置挖掘位置模型，并根據開采工藝參數、初始參數及邊界條件等，采用回歸方程法和原理設計法，確定出合理的動臂、斗桿及鏟斗機構的相關幾何參數和力能參數。 （3）當鏟斗油缸挖掘時，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角時，物料切向挖掘阻力值達到最大。 參 考 文 獻 1．王新中.國內外礦用挖掘機發(fā)展狀況[J].礦山機械，2004(9):52-53 2．礦用挖掘機發(fā)展方向[J].中國礦業(yè)報,2002,16(7):255 3．張宏，趙光.從慕尼黑 bauma 展看當今挖掘機技術發(fā)展[J]，建筑機械化，2007,6:8-10 4．張潤利，劉伯穎.工程機械專利信息之小型挖掘機篇[J]，工程機械，2006(4):21-26 5．方良周.MX80 液壓挖掘機工作裝置的仿真與鏟斗機構的優(yōu)化[D].沈陽：東北大學，1996 6．同濟大學等.單斗液壓挖掘機(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1986,12:50-114 7．趙培訓.單半液壓挖掘機工作機構運動分析參數優(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，1998 8．范進楨，孟憲慧等.挖掘機挖掘作業(yè)工程的動力學研究[J].礦山機械，2005，09：39～41 9．史清錄，林慕義，康健.挖掘機的最不穩(wěn)定姿態(tài)研究.農業(yè)機械學報[J]，2004(9): 32～35 10．張石強.液壓挖掘機挖掘性能通用分析方法研究[D].重慶：重慶大學碩士學位論文，2006,10 11．馮培恩，陳文平，潘雙夏.復雜機械CAD系統(tǒng)開發(fā)策略及應用實例[J].機械工程.1989 (4): 6-9 12．潘雙夏，馮培恩，郭建瑞，全永新.液壓挖掘機智能CAD策略研究.機械工程[J]， 1991(10):19-22 13．曹善華.單斗挖掘機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988:1-102 14．唐銀啟主編.工程機械液壓與液力技術[M].北京：人民交通出版社，2003,5:85-86 15．（日）村岡虎雄著，李宗國譯.油缸[M].北京：機械工業(yè)出版社，1974,9:69-72 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