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大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 概述 ..........................................................3 1.1 引言 ............................................................3 1.2 國內(nèi)外液壓挖掘機(jī)現(xiàn)狀、特點 ......................................3 1.3 液壓挖掘機(jī)發(fā)展趨勢 ..............................................5 1.4 本章小結(jié) ........................................................6 第 2 章 挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................7 2.1 液壓挖掘機(jī)方案的確定 ............................................7 2.1.1 按底盤結(jié)構(gòu)分類 ..............................................7 2.1.2 按變幅機(jī)構(gòu)分類 ..............................................8 2.1.3 確定設(shè)計方案 ................................................9 2.2 變幅機(jī)構(gòu)的特點及設(shè)計原則 ........................................9 2.2.1 反鏟裝置的工作特點 ..........................................9 2.2.2 反鏟裝置的設(shè)計原則 .........................................10 2.3 本章小結(jié) .......................................................11 第 3 章 挖掘機(jī)運(yùn)動分析與有限元分析 ...................................12 3.1 SOILDWORKS在挖掘機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用 ..................................12 3.2 挖掘機(jī)反鏟裝置的運(yùn)動分析 .......................................12 3.3 挖掘機(jī)反鏟裝置的動力學(xué)分析 .....................................14 3.3.1 液壓挖掘機(jī)的理論挖掘阻力 ...................................14 3.3.2 液壓挖掘機(jī)的動力學(xué)仿真與有限元分析 .........................14 3.4 挖掘機(jī)反鏟裝置的靜力學(xué)分析 .....................................16 3.4.1 鏟斗的受力分析 .............................................16 3.4.2 斗桿的受力分析 .............................................18 3.4.3 副動臂的受力分析 ...........................................21 3.4.4 主動臂的受力分析 ...........................................23 3.5 本章小結(jié) .......................................................25 第 4 章 整機(jī)穩(wěn)定性分析 ...............................................26 4.1 穩(wěn)定性及計算方法 ...............................................26 4.1.1 穩(wěn)定性 .....................................................26 4.1.2 穩(wěn)定性校核 .................................................26 4.2 接地比壓計算 ...................................................28 4.3 本章小結(jié) .......................................................29 第 5 章 液壓系統(tǒng)設(shè)計 .................................................30 5.1 液壓系統(tǒng)的形式 .................................................30 5.2 液壓回路設(shè)計 ...................................................30 5.2.2 卸荷回路的設(shè)計 .............................................31 5.2.3 回轉(zhuǎn)回路的設(shè)計 .............................................31 5.2.4 節(jié)流調(diào)速和背壓回路的設(shè)計 ...................................31 5.2.5 行走限壓回路的設(shè)計 .........................................31 5.2.6 輔助回路的設(shè)計 .............................................32 5.3 重要液壓元件的選型設(shè)計 .........................................32 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 5.3.1 回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的選型設(shè)計 .....................................32 5.3.2 工作機(jī)構(gòu)液壓缸的選型設(shè)計 ...................................32 5.4 液壓原理圖 .....................................................32 5.5 本章小結(jié)： .....................................................33 結(jié) 論 ...............................................................34 參考文獻(xiàn) ............................................................35 致謝 ................................................................36 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第 1 章 概述 1.1 引言 液壓挖掘機(jī)是交通運(yùn)輸、能源開發(fā)以及城鎮(zhèn)建設(shè)等各項工程建設(shè)的重要施工 裝備，它的使用也反映了這些部門的施工機(jī)械化水平。因此，重視和加速挖掘機(jī) 改進(jìn)創(chuàng)新，穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶需求，對加速現(xiàn)代化工程建設(shè)有著重大 的意義。 液壓挖掘機(jī)反鏟裝置是完成液壓挖掘機(jī)各項功能的主要部分，其結(jié)構(gòu)的合理 性直接影響到液壓挖掘機(jī)的工作性能和可靠性。本文根據(jù)液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的 結(jié)構(gòu)特點和工作原理，通過類比各種型號挖掘機(jī)和其他工程車輛，將挖掘機(jī)的動 臂設(shè)計為組合式動臂結(jié)構(gòu)，大大擴(kuò)大了挖掘范圍，增加了機(jī)械工作效率。 1.2 國內(nèi)外液壓挖掘機(jī)現(xiàn)狀、特點 近十年來，液壓挖掘機(jī)總的發(fā)展趨勢是圍繞提高可靠性和效率、降低成本為 核心，繼續(xù)向大型化發(fā)展的同時向微型化發(fā)展；并著眼于動力、傳動系統(tǒng)的改進(jìn) 以達(dá)到高效節(jié)能。由于微電子技術(shù)的應(yīng)用，使其自動化、機(jī)電一體化和智能化的 進(jìn)程加快。為適應(yīng)應(yīng)用范圍和使用條件的不斷擴(kuò)大，標(biāo)準(zhǔn)化、組件化成為必要的 條件，另外動力也不僅限于柴油機(jī)，也可以電力為動力。以全壽命理論為導(dǎo)向， 延長維修周期、加快維修進(jìn)度和降低維修費(fèi)用；以人機(jī)工程學(xué)為基礎(chǔ)，更好地設(shè) 計和裝備駕駛室，提高機(jī)械作業(yè)性能，降低振動和噪聲，消除公害，是這液壓挖 掘機(jī)得以成功發(fā)展的關(guān)鍵。最近幾年，各地對液壓挖掘機(jī)的需求量日益增加，液 壓挖掘機(jī)逐步取代機(jī)械式挖掘機(jī)是不可回避的事實。其主要特點是： （1）結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動靈活、零部件少、成本低、工作重量輕、生產(chǎn)能力高、 挖掘高度高；下挖準(zhǔn)確，具有良好的選采性能；功能多樣，完成挖掘作業(yè)后可以 迅速轉(zhuǎn)化為輔助作業(yè)，如可自行清理場地，保持工地平整等。 （2）中小型液壓挖掘機(jī)通用性強(qiáng)，既可以進(jìn)行強(qiáng)力挖掘作業(yè)，也可以完成 地表平整等輕巧作業(yè)，近年來還發(fā)展到裝有碎石器，進(jìn)行建筑物拆除和大塊礦巖 破碎等作業(yè)；用途廣泛，依靠人機(jī)系統(tǒng)操縱和控制，使發(fā)動機(jī)功率最大限度地靈 活運(yùn)用，從而發(fā)揮機(jī)器的強(qiáng)大挖掘力，快速作業(yè)，且操作輕巧。 （3）產(chǎn)品規(guī)格以中小型為主，逐漸向微型化發(fā)展，同時兼顧發(fā)展大斗容、 大功率液壓挖掘機(jī)。例如在日本，由于缺乏勞動力，為降低施工成本而大力發(fā)展 微型液壓挖掘機(jī)，它們可在環(huán)境狹窄、惡劣施工條件下代替人工勞動。隨著礦山 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 開采的大型化，在歐洲發(fā)展了一批大型液壓挖掘機(jī)。德馬克公司 6251 的 H485 型、 O也是交通運(yùn)輸、能源開發(fā)、城鎮(zhèn)建設(shè)以及國防施 工等各項工程建設(shè)的重要施工裝備，是各國經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可替代的裝備。液壓挖掘 機(jī)的使用反映了這些國家的施工機(jī)械化水平。重視和加速挖掘機(jī)改進(jìn)創(chuàng)新，穩(wěn)定 提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶需求，已成為生產(chǎn)和研制部門的重大課題 [2]。 （1）整機(jī)的發(fā)展趨勢 液壓挖掘機(jī)的整機(jī)發(fā)展，趨向于大型化、微型化、多能化和專用化。大型礦 用全液壓挖掘機(jī)在短短幾年內(nèi)已由 100 噸級發(fā)展到 420 噸級，功率提高到 2352 馬力，斗容達(dá) 30 立方米，目前發(fā)展仍是方興未艾。大型機(jī)的特征是動力源采用 兩臺或多臺柴油機(jī)聯(lián)合驅(qū)動，采用了節(jié)省能源、回收功率和積蓄能等功率有效利 用的措施。結(jié)合城市建設(shè)和農(nóng)村建筑的需要，國外發(fā)展了微型挖掘機(jī)，斗容量一 般在 0.25 立方米以下，最小的達(dá) 0.01 立方米。微型機(jī)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，輕便 靈活，零部件盡量提高標(biāo)準(zhǔn)化程度。數(shù)量最龐大的中型機(jī)和小型機(jī)趨于一機(jī)多能 的途徑，有的國家統(tǒng)計，非建筑用的中、小型機(jī)已占 30%左右，主要是在冶金工 業(yè)和林業(yè)中作物料裝卸和其他用途。中型機(jī)和小型機(jī)的特點是發(fā)展多種專業(yè)裝置 進(jìn)行不同的作業(yè)( 也有通過液壓接頭，帶動裝在工作裝置旁的油馬達(dá)，驅(qū)動另一輸 送設(shè)備) ，不斷提高性能，貫徹三化和提高單位機(jī)重的功率等。發(fā)展專門用途的特 種挖掘機(jī)，可以提高工作效率，解決特殊施工困難，例如，目前發(fā)展有步履式、 履帶低比壓式、低噪音、水下專用、水陸兩用等品種。配合水下資源的開發(fā)，對 水下專用挖掘機(jī)更較重視，開展了無線電遙控、電液遙控和同步顯示控制技術(shù)在 水下挖掘機(jī)中應(yīng)用的研究。 （2）工作裝置的發(fā)展趨勢 工作裝置的型式進(jìn)一步擴(kuò)大，除了常用的正鏟、反鏟以外，發(fā)展了起重、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 擊工具、集裝叉、高空作業(yè)架、絞盤與拉鏟等幾十種品種。工作裝置的更換快速 而簡便，甚至在司機(jī)室內(nèi)按動電鈕，幾秒鐘即可換好，并且通過挖掘過程的研究， 來控制工作裝置的挖掘軌跡。目前正在研究連桿式、仿形式、套筒伸縮式、斗桿 追隨式和具有運(yùn)算輸入裝置的軌跡控制裝置。 （3）控制技術(shù)的發(fā)展 將飛速發(fā)展的電子技術(shù)運(yùn)用于控制領(lǐng)域，通過可編程控制元件、總線控制技 術(shù)的成功運(yùn)用、大幅度減化控制系統(tǒng)、提高操縱控制性能和安全性能，使大型挖 掘機(jī)的操縱變得越來越容易、越來越靈敏，更具人性化。各種帶有總線接口的發(fā) 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 動機(jī)、變速箱、液壓閥、油泵、馬達(dá)等控制和執(zhí)行元件已較為成熟，成為挖掘機(jī) 發(fā)展的重要支撐 。 （4）智能化 隨著挖掘機(jī)噸位的增大，智能化顯得越來越重要，主要是指故障自診斷和自 動安全保護(hù)功能的不斷擴(kuò)展和提升。由于可編程控制技術(shù)的逐漸成熟，這類功能 的實現(xiàn)顯得越來越容易，也必將成為挖掘機(jī)發(fā)展的重要趨勢。 1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了挖掘機(jī)在交通運(yùn)輸、能源開發(fā)以及城鎮(zhèn)建設(shè)等各項工程建設(shè) 中起到越來越大的作用，隨著國家對道路建設(shè)的需求迅速增長，挖掘機(jī)的應(yīng)用巨 大市場，以及國內(nèi)外挖掘機(jī)的發(fā)展情況及目前的發(fā)展趨勢，為本次設(shè)計的挖掘機(jī) 提供了行業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 2 章 挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 液壓挖掘機(jī)方案的確定 多功能全液壓挖掘機(jī)適用于房屋建筑、道路工程、水利建設(shè)、農(nóng)田開發(fā)、港 口建設(shè)、國防工事等的土石方施工和礦山采掘工業(yè)中，對減輕繁重的體力勞動、 保證工程質(zhì)量，加快建設(shè)速度，提高勞動生產(chǎn)率起到巨大作用。根據(jù)行走裝置結(jié) 構(gòu)、動臂和斗桿的不同形式大致可以劃分成以下兩種類型。 2.1.1 按底盤結(jié)構(gòu)分類 按底盤結(jié)構(gòu)方式可分為履帶式、輪胎式、汽車式、步履式、軌道式、拖式、 浮式等液壓挖掘機(jī)，如圖 2-1 所示。 a) 履帶式液壓挖掘機(jī) b) 輪胎式液壓挖掘機(jī) C）浮式挖掘機(jī) d）汽車式挖掘機(jī) 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 e）軌道式挖掘機(jī) f）步履式挖掘機(jī) 圖 2-1 按底盤結(jié)構(gòu)分類 履帶式液壓挖掘機(jī)的優(yōu)點是履帶式重心低，在進(jìn)行作業(yè)時也可以移動，驅(qū)動 力大，接地比壓小，越野性能好，穩(wěn)定性好，爬坡能力大，轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性 好。缺點是履帶式的行走制造成本高，運(yùn)行速度低，功率消耗大，零件磨損快， 長距離運(yùn)行時要用運(yùn)輸車輛。 輪胎式液壓挖掘機(jī)運(yùn)行速度快，機(jī)動性好，不損壞路面，但是接地比壓大， 爬坡能力小，作業(yè)時需要用專門支腿，穩(wěn)定性和安全性稍差。 輪胎式液壓挖掘機(jī)運(yùn)行速度快，機(jī)動性好，不損壞路面，但是接地比壓大， 爬坡能力小，作業(yè)時需要用專門支腿，穩(wěn)定性和安全性稍差。 汽車式挖掘機(jī)機(jī)動靈活，行駛速度高。汽車式挖掘機(jī)突出的缺點是汽車前方 為挖掘作業(yè)盲區(qū)，影響挖掘性能的發(fā)揮。 步履式、軌道式、浮式挖掘機(jī)適用于特殊工作，實用性不夠廣泛。 2.1.2 按變幅機(jī)構(gòu)分類 變幅機(jī)構(gòu)可分為整體式和組合式，其中組合式包括伸縮式和非伸縮式結(jié)構(gòu)。 如圖 2-2 所示。 a) 整體式動臂+整體式斗桿結(jié)構(gòu) b) 組合式動臂+整體式斗桿結(jié)構(gòu) 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 c) 整體式動臂+伸縮式斗桿結(jié)構(gòu) 圖 2-2 按變幅機(jī)構(gòu)分類 整體式結(jié)構(gòu)簡單、價廉、剛度相同時結(jié)構(gòu)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，一般適用于作業(yè)條件相似的反鏟裝置。 組合式結(jié)構(gòu)的工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化進(jìn)行調(diào)整；能夠較 合理地滿足各類作業(yè)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求，從而較簡單的解決主要構(gòu)件的統(tǒng)一 化問題，下動臂一般可以適應(yīng)各種作業(yè)裝置要求，不需拆換；裝車運(yùn)輸也比較方 便。 2.1.3 確定設(shè)計方案 根據(jù)不同類型底盤和動臂斗桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點確定本次設(shè)計方案為：底盤選用 履帶式，采用組合式動臂和整體式斗桿變幅機(jī)構(gòu)的反鏟裝置。主動臂下鉸點鉸接 在轉(zhuǎn)臺上，通過主動臂缸的伸縮，使主動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動， 副動臂下鉸點鉸接在主動臂上，通過副動臂缸的伸縮，使副動臂連同斗桿繞主動 臂下鉸點轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞副動臂的上鉸點轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。底盤采用利勃海爾 R317 結(jié) 構(gòu)，回轉(zhuǎn)支撐采用內(nèi)齒式回轉(zhuǎn)支撐，發(fā)動機(jī)用 Cat? C15 ACERT?，采用全回轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)的高速方案，此類型挖掘機(jī)操作輕便靈活、安全可靠，能滿足挖掘、挖溝等 作業(yè)施工要求。 2.2 變幅機(jī)構(gòu)的特點及設(shè)計原則 2.2.1 反鏟裝置的工作特點 液壓挖掘機(jī)的反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下土壤（基坑、溝壕等） 。其 挖掘軌跡決定于各油缸的運(yùn)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(zhuǎn)斗挖掘等幾種情況 [3]。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 （1）動臂挖掘：當(dāng)采用動臂油缸工作來進(jìn)行挖掘時（斗桿和鏟斗油缸不工 作）可以得到最大的挖掘半徑和最長的挖掘行程。此時鏟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(dāng)僅以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘時，鏟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(dāng)動臂位于最大下傾角，并以斗 桿油缸進(jìn)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(zhì)條件下工作時，能夠保證裝滿鏟斗，故挖掘機(jī)實際工作中常 以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘。 （3）轉(zhuǎn)斗挖掘：當(dāng)僅以鏟斗油缸工作進(jìn)行挖掘時，鏟斗的挖掘軌跡也為圓 弧線，弧線的包角及弧長決定于鏟斗油缸的行程。顯然，以鏟斗油缸上作進(jìn)行挖 掘時的挖掘行程較短，如使鏟斗在挖掘行程結(jié)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(jī)的斗齒最大挖掘力都在采用鏟 斗油缸工作時實現(xiàn)。采用鏟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(chǎn)率。因此，在一般土方工程挖掘中，轉(zhuǎn)斗挖掘較常采用。 在實際挖掘工作中，往往需要采用各種油缸的聯(lián)合工作。如當(dāng)挖掘基坑時由 于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁時，則需采用動臂與斗桿兩種油 缸的同時工作，當(dāng)挖掘坑底，挖掘行程將結(jié)束為加速將鏟斗裝滿土，以及挖掘過 程需要改變鏟斗切削角等情況下，則要求采用斗桿與鏟斗油缸同時工作。雖然此 時挖掘機(jī)的挖掘軌跡是由相應(yīng)油缸分別工作時的軌跡組合而成。顯然，這種動作 能夠?qū)崿F(xiàn)還決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計。 當(dāng)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸已定時（包括動臂、斗桿、鏟斗尺寸、鉸點 位置，相對的允許轉(zhuǎn)角或各油缸的行程等） ，即可用 SolidWorks 運(yùn)動分析求得挖 掘機(jī)挖掘軌跡的包絡(luò)圖，即挖掘機(jī)在任一正常工作位置時所控制到的工作范圍。 對于反鏟裝置主要的工作尺寸為最大挖掘深度、最大卸載高度和最大挖掘半徑。 包絡(luò)圖中有部分區(qū)間靠近甚至深入到挖掘機(jī)停機(jī)點底下，這一范圍的土壤雖可挖 及，但可能引起土壤的崩塌而影響機(jī)械的穩(wěn)定和安全上作，除有條件的挖溝作業(yè) 外一般不使用。挖掘機(jī)反鏟裝置的最大的挖掘力決定于液壓系統(tǒng)的工作壓力、油 缸尺寸，以及各油缸間作用力之影響（斗桿、動臂油缸的閉鎖壓力及力臂）外， 還決定于整機(jī)的穩(wěn)定和地面附著情況。因此反鏟裝置不可能在任何位置都能發(fā)揮 最大挖掘力 [4]。 2.2.2 反鏟裝置的設(shè)計原則 （1）主要工作尺寸及作業(yè)范圍的要求，在設(shè)計時應(yīng)考慮與同類型相比時的 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 先進(jìn)性，性能與主參數(shù)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定。 （2）滿足整機(jī)挖掘力大小及分布情況的要求。 （3）功率利用情況好，理論工作循環(huán)時間短。 （4）確定各個鉸點布置，結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證剛度 和強(qiáng)度的前提下，重量越輕越好。 （5）應(yīng)考慮到通用性和穩(wěn)定性。 （6）運(yùn)輸或停放時應(yīng)有合理的姿態(tài)。 （7）液壓缸設(shè)計應(yīng)考慮三化，采用系列參數(shù)。 （8）作裝置應(yīng)安全可靠，拆裝方便。 （9）滿足特殊使用要求。 2.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了各種挖掘機(jī)，通過對比最終確定了挖掘機(jī)的方案，借鑒其他 挖掘機(jī)的優(yōu)點來確定要設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式，變幅機(jī)構(gòu)采用油缸變幅，其次介紹了挖 掘機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 第 3 章 挖掘機(jī)運(yùn)動分析與有限元分析 3.1 SoildWorks 在挖掘機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用 在挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計中，最困難的工作就是運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與運(yùn)動軌跡校 核，目前多采用軌跡圖法或根據(jù)幾何約束條件建立方程組進(jìn)行求解，但對于運(yùn)動 部件多于三個的機(jī)構(gòu)，設(shè)計起來就要麻煩得多，并且設(shè)計工作不直觀，設(shè)計結(jié)果 也不盡人意。而美國 SoildWorks 公司開發(fā)的基于 SoildWorks 操作系統(tǒng)的三維設(shè) 計軟件 SoildWorks，則能充分解決上述問題，該軟件是集設(shè)計、運(yùn)動軌跡校核及 有限元分析于一體的強(qiáng)大應(yīng)用軟件，其建模速度快，直觀，并能充分顯示出各部 件運(yùn)動中相互之間的協(xié)調(diào)關(guān)系 [5]。 3.2 挖掘機(jī)反鏟裝置的運(yùn)動分析 本章僅對工作裝置進(jìn)行仿真分析，因此，在 solidworks 中建立液壓挖掘機(jī)工 作裝置的三維實體模型（如圖 3-1 所示） ，按照是否存在相對運(yùn)動(暫時不考慮行 走運(yùn)動、回轉(zhuǎn)裝置)將挖掘機(jī)劃分為：動臂、斗桿、鏟斗、鏟斗搖桿、鏟斗連桿、 主動臂液壓缸、副動臂液壓缸、斗桿液壓缸、左履帶、右履帶。 圖 3-1 挖掘機(jī)模型圖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 液壓挖掘機(jī)的基本參數(shù)是標(biāo)示和衡量挖掘機(jī)性能的重要指標(biāo)，同時也是挖掘 機(jī)仿真與優(yōu)化樣機(jī)效能評估參數(shù)的組成之一。為測量液壓挖掘機(jī)工作范圍的主要 作業(yè)尺寸，如最大挖掘半徑、最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸載高度等參 數(shù)，這里采用 solidworks 軟件對液壓挖掘機(jī)的順序工作方式進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真。在 各個液壓缸添加驅(qū)動函數(shù)，這里采用階躍函數(shù)即 STEP 函數(shù) [6]。具體設(shè)置如下： 主動臂液壓缸驅(qū)動函數(shù)：step(time,9,0,15,700)+step(time,32,0,41.5,-1250)+step( time,51.5,0,57.5,550)；斗桿液壓缸驅(qū)動函數(shù)：step(time,0,0,6,850)+step(time,15,0,27 ,1000)+step(time,39,0,41.5,70)+step(time,44.5,0,51.5,930)；鏟斗液壓缸驅(qū)動函數(shù)：st ep(time,6,0,9,600)+step(time,27,0,32,-600)+step(time,41.5,0,44.5,600)；副動臂液壓 缸驅(qū)動函數(shù)：step(time,13,0,15,100)+step(time,32,0,41.5,-200)+step(time,51.5,0,57.5, 100)。從而，得出液壓挖掘機(jī)工作范圍的包絡(luò)曲線圖（如圖 3-2 所示） 。 仿真過程依次為：從圖 3-2 工作范圍的 A 點（此時鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸 處于全縮狀態(tài)）開始調(diào)整主動臂液壓缸到全縮狀態(tài)（AB 弧線） ，調(diào)整斗桿液壓缸 由全縮到全伸（BC 弧線） ，調(diào)整鏟斗液壓缸由全縮到全伸狀態(tài)（CD 弧線） ，調(diào)整 主動臂液壓缸和副動臂液壓缸由全縮到全伸（DE 弧線） 、調(diào)整鏟斗液壓缸由全伸 到全縮（EF 弧線） 、調(diào)整斗桿液壓缸由全伸到全縮（FG 弧線） 、調(diào)整主動臂液壓 缸和副動臂液壓缸由全伸到全縮（GA 弧線）,在運(yùn)動軌跡的包絡(luò)圖中可能有部分 區(qū)間靠近甚至深入到挖掘機(jī)停機(jī)點底下，這一范圍的 土壤雖能挖及，但可能引 起土壤的崩塌而影響挖掘機(jī)的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)（作業(yè)寬度 小于挖掘機(jī)履帶內(nèi)側(cè)距離）外一般不使用。 由圖 3-2 可得出挖掘機(jī)的主要作業(yè)尺寸的仿真值： 最大挖掘半徑的仿真值是 7510mm；最大挖掘深度的仿真值是 4702mm； 最大挖掘高度的仿真值是 7242mm；最大卸載高度的仿真值是 3495mm。 圖 3-2 挖掘機(jī)包絡(luò)圖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 3.3 挖掘機(jī)反鏟裝置的動力學(xué)分析 3.3.1 液壓挖掘機(jī)的理論挖掘阻力 挖掘機(jī)的挖掘力是指液壓缸力通過相應(yīng)構(gòu)件傳遞給斗齒，用來切削土壤的作 用力．挖掘力是挖掘機(jī)的主要性能參數(shù)，它與液壓缸的推力、各鉸點的位置有 關(guān)．根據(jù)挖掘機(jī)挖掘方式的不同，挖掘過程可以分為：鏟斗液壓缸挖掘，斗桿液 壓缸挖掘及作復(fù)合動作挖掘．一般認(rèn)為斗容量小于 0.5m，中小型的液壓單斗反鏟 挖掘機(jī)或在土質(zhì)松軟時以鏟斗挖掘為主，而斗桿挖掘主要適用于正鏟大功率裝置 和一些堅硬的土壤或破碎巖石 [7]． （1）斗桿挖掘時挖掘阻力 （3-1）sggg KrqBhKW??60011745. 式中： —— 挖掘比阻力； —— 斗桿挖掘時的切削厚度；B——切削刃0 寬度影響系數(shù)， ； —— 鏟斗的平均寬度； —— 斗桿挖掘時的切削b2??6r 半徑； —— 土壤的松散系數(shù)； —— 斗桿挖掘過程中的總轉(zhuǎn)角； —— 斗SKg q 容量。 （2）鏟斗挖掘時挖掘阻力 （3-2）DBAZXRCW???35.1max1]}cos[{? 式中： —— 土壤的硬度系數(shù)，對不同的土壤條件取值不同，這里設(shè)挖機(jī) 用于Ⅳ級土壤的挖掘，取值為 4； —— 鏟斗與斗桿鉸點到斗齒尖距離； ——某一挖掘位置時鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半； —— 某一挖掘位置處轉(zhuǎn)斗的瞬時max? 轉(zhuǎn)角； —— 切削刃寬度影響系數(shù)， ； —— 切削角變化影響系數(shù)；BbB21??A —— 帶有斗齒的系數(shù)； —— 斗側(cè)壁厚影響系數(shù)， ,其中 為側(cè)ZXSX03.1?? 壁厚度 ； ——切削刃擠壓土壤的力。D （3）復(fù)合動作挖掘時挖掘阻力 切向挖掘阻力 ，法向挖掘阻力 1bhKW01?W?2 其中： ——挖掘比阻力； ——斗寬； ——挖掘深度； ——挖掘阻力0 h 系數(shù)。 由于液壓挖掘機(jī)大都采用復(fù)合動作挖掘，根據(jù)設(shè)計參數(shù)可知斗寬 =650mm，挖掘深度 =0.2 =130mm，因為該鏟斗所要涉及的工礦最多為 Ⅳ級bhb 土壤，計算得 =22000N。挖掘阻力垂直分力K01? 。NW924%4212??? 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 3.3.2 液壓挖掘機(jī)的動力學(xué)仿真與有限元分析 作用在鏟斗刃口上的挖掘阻力可分為兩種情況：1)對稱載荷；2)偏心載荷。 這里只研究對稱載荷的情況，物料的重力 G 的方向始終垂直向下，位置在鏟斗的 中部．切向挖掘阻力 Wl 與法向挖掘阻力的方向相互垂直，并定義在鏟斗中齒上。 其中切向挖掘阻力的方向始終沿鏟斗軌跡的切線指向鏟斗斗齒，法向挖掘阻力 W2 始終垂直于鏟斗軌跡的切線指向鏟斗斗齒，它們的方向相對于地面是隨著鏟 斗的轉(zhuǎn)動而不斷的變化，但相對于鏟斗是不變的。 以挖掘機(jī)復(fù)合動作方式的作業(yè)循環(huán)時間為依據(jù)，用系統(tǒng)提供的 STEP 函數(shù)設(shè) 定挖掘機(jī)在一個工作循環(huán)中的各個液壓缸的驅(qū)動函數(shù)及受力函數(shù)。具體如下： 主動臂液壓缸驅(qū)動函數(shù)：step(time,9,0,15,700)+step(time,32,0,41.5,-1250)+step(time, 51.5,0,57.5,550)；斗桿液壓缸驅(qū)動函數(shù)：step(time,0,0,6,850)+step(time,15,0,27,1000 )+step(time,39,0,41.5,70)+step(time,44.5,0,51.5,930)；鏟斗液壓缸驅(qū)動函數(shù)：step(ti me,6,0,9,600)+step(time,27,0,32,-600)+step(time,41.5,0,44.5,600)；副動臂液壓缸驅(qū) 動函數(shù)：step(time,13,0,15,100)+step(time,32,0,41.5,-200)+step(time,51.5,0,57.5,100) ；切向挖掘阻力函數(shù)：step(time,9,0,32,22000)+step(time,32,0,59,-22000)；法向挖 掘阻力函數(shù)：step(time,9,0,32,9240)+step(time,32,0,59,-92400)；重力函數(shù)：step(tim e,9,0,32,5000)+step(time,32,0,41.5,0)+step(time,41.5,0,44.5,-5000)。 下面采用 COSMOS/Motion 對挖掘機(jī)復(fù)合挖掘進(jìn)行動力學(xué)分析仿真，計算出 各個液壓缸的受力曲線圖（圖 3-3 到 3-6 所示） 。 圖 3-3 主動臂油缸反作用力曲線 圖 3-4 副動臂油缸反作用力曲線 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 圖 3-5 斗桿油缸反作用力曲線 圖 3-6 鏟斗油缸反作用力曲線 由反作用力曲線可知，主動臂油缸的最大受力為 274012N，副動臂油缸的最 大受力為 388821N，斗桿油缸的最大受力為 250254N，鏟斗油缸的最大受力為 111380N，此結(jié)果為液壓系統(tǒng)變幅油缸的選型設(shè)計提供了理論依據(jù)。 3.4 挖掘機(jī)反鏟裝置的靜力學(xué)分析 由文獻(xiàn)[8]可以計算得出鏟斗的基本尺寸，并在 solidworks 中建立鏟斗的三 維模型并進(jìn)行受力分析。 3.4.1 鏟斗的受力分析 3.4.1.1 鏟斗的理論挖掘阻力 由于液壓挖掘機(jī)大都采用復(fù)合動作挖掘，根據(jù)設(shè)計參數(shù)可知斗寬 =650mm，b 挖掘深度 =0.2 =130mm，因為該鏟斗所要涉及的工礦最多為Ⅳ級土壤，計算得hb =22000N。挖掘阻力垂直分力 。KW01? NW9240%4212 ???? 3.4.1.2 鏟斗有限元分析 （1）零件材料 表 3-1 鏟斗零件材料 零件序號 零件名稱 材料 質(zhì)量 體積 1 斗齒 Q345-A 2.41414 kg 0.000300538 3m 2 鏟斗 Q235 475.406 kg 0.0617411 （2）載荷、約束信息（如圖 3-7） 表 3-2 載荷、約束信息 制約-1 于 4 面 鉸接。 力/扭矩-1 于 5 面 應(yīng)用法向力 22000 N 使用均勻分布 力/扭矩-2 于 5 面 應(yīng)用法向力 9240N 使用均勻分布 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 3-7 載荷、約束信息 （3）結(jié)果分析（如圖 3-8） 表 3-3 鏟斗分析結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力 1 VON:von Mises 應(yīng)力 0.13965 N/mm^2 (MPa) 節(jié): 49120 (-7005.21 mm, 6898.55 mm, -349.116 mm) 110.22 /mm^2 (MPa) 節(jié): 56308 (-6301.46 mm, 6609.16 mm, 320.935 mm) 位移 1 URES:合位移 0 m 節(jié): 8483 (-6444.92 mm, 6204.93 mm, 320.955 mm) 0.00222229 m 節(jié): 3391 (-7387.03 mm, 7305.64 mm, 136.055 mm) 應(yīng)變 1 ESTRN :對等應(yīng) 變 5.57997e-007 單元: 7534 (-6424.99 mm, 7168.73 mm, 84.5544 mm) 0.00036976 單元: 29763 (-6303.45 mm, 6610.32 mm, 313.435 mm) 表 3-4 約束處反作用力 選擇組 單位 總和 X 總和 Y 總和 Z 合力 4 個面 N -20186.3 6112.53 -111.32 21091.7 最后，將鏟斗載荷傳遞到連桿機(jī)構(gòu)，并計算出每個連桿的受力情況。其中連桿和 搖桿均為二力桿。 a) 鏟斗應(yīng)力圖 b）鏟斗位移圖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 c）鏟斗應(yīng)變圖 圖 3-8 鏟斗分析結(jié)果 由以上設(shè)計結(jié)果，可知鏟斗設(shè)計合理，取鏟斗安全系數(shù)為 2.8，由 得， ， 所以符合挖掘機(jī)械設(shè)計要求。ns??][ MPa2.105.238.4][?? 3.4.2 斗桿的受力分析 反鏟裝置的斗桿強(qiáng)度主要為彎矩所控制，故其計算位置可跟據(jù)反鏟工作中挖 掘力對斗桿可能產(chǎn)生的最大彎矩來確定。根據(jù)斗桿工作情況的分析和試驗說明， 危險斷面最大應(yīng)力發(fā)生在采用轉(zhuǎn)斗挖掘的工況下。其計算位置可按以下條件確定， 一般取以下兩個位置 [9]： 計算位置 1，如圖 3-9 所示，條件為： （1）動臂位于最低（動臂液壓缸全縮） ； （2）斗桿液壓缸作用力臂最大（斗桿液壓缸與斗桿尾部夾角為 90 度） ； （3）斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上； （4）側(cè)齒遇障礙作用有側(cè)向力。 這時，工作裝置上的作用力有工作裝置各部分的重量，作用于斗側(cè)齒上的挖 掘阻力（包括切向分力 ，法向分力 和側(cè)向力 ） 。1W2kW （3-3）TkMr? 式中： —橫向阻力 與回轉(zhuǎn)中心間的距離； —回轉(zhuǎn)平臺制動器可承受rk T 的最大力矩。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 3-9 斗桿計算位置 I 圖 3-10 計算位置 2 計算位置 2，如圖 3-10 所示，條件為： （1）動臂位于動臂液壓缸對鉸點有最大作用力臂處； （2）斗桿液壓缸作用力臂最大； （3）鏟斗位于發(fā)揮最大挖掘力位置； （4）正常挖掘，即挖掘阻力對稱于鏟斗，無側(cè)向力作用。 此時工作裝置上的作用力僅為工作裝置的自重及斗齒上的作用力 及 。 1W2 3.4.2.1 斗桿計算位置 1 有限元分析 （1）零件材料 表 3-5 斗桿零件材料 零件序號 零件名稱 材料 質(zhì)量 體積 1 斗桿 Q345-A 533.63 千克 0.069 3m （2）載荷、約束、網(wǎng)格信息（如圖 3-11） 圖 3-11 計算位置 I 網(wǎng)格和載荷 （3）結(jié)果分析（如圖 3-12） 表 3-6 斗桿分析結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力 1 VON:von Mises 應(yīng)力 0N/mm^2 (MPa) 節(jié): 31856 (-2958.01 mm, -2925.19 mm, 149.9N/mm^2 (MPa) (-3007.62 mm, -2476.9 mm, 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 -689.39 mm) 節(jié): 11516 -829.553 mm) 位移 1 URES:合位移 3.598 e-008 m 節(jié): 42 (-2849.69 mm, -968.946 mm, -749.553 mm) 0.001158 m 節(jié): 22147 (-1046.08 mm, -4666.95 mm, -614.528 mm) 應(yīng)變 1 ESTRN :對等應(yīng) 變 6.191e-018 單元: 15837 (-2974.52 mm, -2918.17 mm, -778.183 mm) 0.003401m 單元: 7889 (-3009.53 mm, -2469.3 mm, -838.276 mm) 表 3-7 約束處反作用力 選擇組 單位 總和 X 總和 Y 總和 Z 合力 面 1 N 54230.25 72000.29 20005.21 85420.38 面 2 N -11300.25 -63500.37 -70.4 74200.46 a）應(yīng)力圖 b）位移圖 c）應(yīng)變圖 圖 3-12 斗桿分析結(jié)果 由分析結(jié)果可知斗桿最大應(yīng)力為 158.5MPa，取斗桿安全系數(shù)為 2，由 得[σ]=345/2=172.5≥158.5MPa，設(shè)計符合要求。ns??][ 3.3.2.2 斗桿計算位置 2 有限元分析 （1）零件材料如表 3-9 所示。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 （2）載荷、約束、網(wǎng)格信息（如圖 3-13 所示） 圖 3-13 計算位置 2 網(wǎng)格和載荷 （3）結(jié)果分析（圖 3-14） a）應(yīng)力圖 b）合位移圖 c）應(yīng)變圖 圖 3-14 分析結(jié)果圖 由計算結(jié)果可知，斗桿最大應(yīng)力為 149.9MPa，取斗桿安全系數(shù)為 2，由 得[σ]=345/2=172.5MPa≥149.9MPa，所以設(shè)計符合強(qiáng)度要求。ns??][ 3.4.3 副動臂的受力分析 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 計算位置 1（如圖 3-15） ，其應(yīng)滿足以下條件： （1）動臂油缸全縮； （2）斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點、斗桿與副動臂鉸點在同一條直線； （3）鏟斗挖掘時，斗邊點遇到障礙； 該工況也就是最大挖掘深度工況。 計算位置 2（如圖 3-10） ，其滿足以下條件： （1）動臂油缸的作用力臂最大； （2）斗桿的作用力臂最大； （3）鏟斗進(jìn)行正常挖掘，鏟斗位于最大挖掘力位置 [10]。 圖 3-15 計算位置 1 3.4.3.1 副動臂有限元分析 （1）零件材料 表 3-9 副動臂零件材料 零件序號 零件名稱 材料 質(zhì)量 體積 1 副動臂 Q345—A 686 千克 0.0873 3m （2）網(wǎng)格劃分和結(jié)果（圖 3-16 和 3-17） a）網(wǎng)格劃分 b）副動臂計算位置 1 應(yīng)力圖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 C）副動臂計算位置 1 位移圖 d）副動臂計算位置 1 應(yīng)變圖 圖 3-16 副動臂計算位置 1 結(jié)果 a）副動臂計算位置 2 應(yīng)力圖 b）副動臂計算位置 2 位移圖 b）副動臂計算位置 2 應(yīng)變圖 圖 3-17 副動臂計算位置 2 分析結(jié)果圖 由分析結(jié)果可知副動臂最大應(yīng)力為 240.7MPa，取副動臂安全系數(shù)為 1.2，由 得[σ ]=345/1.2=288MPa≥240.7MPa，所以設(shè)計符合強(qiáng)度要求。ns??][ 3.4.4 主動臂的受力分析 計算位置 1（如圖 3-15） ，其應(yīng)滿足以下條件： （1）動臂油缸全縮； 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 （2）斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點、斗桿與副動臂鉸點在同一條直線； （3）鏟斗挖掘時，斗邊點遇到障礙； 該工況也就是最大挖掘深度工況。 計算位置 2（如圖 3-10） ，其滿足以下條件： （1）動臂油缸的作用力臂最大； （2）斗桿的作用力臂最大； （3）鏟斗進(jìn)行正常挖掘，鏟斗位于最大挖掘力位置 [10]。 3.3.4.1 主動臂有限元分析 （1）零件材料 表 3-10 副動臂零件材料 零件序號 零件名稱 材料 質(zhì)量 體積 1 主動臂 HQ60 587 千克 0.0778 3m （2）網(wǎng)格劃分和分析結(jié)果（圖 3-18 和 3-19） a）主動臂網(wǎng)格劃分 b）主動臂計算位置 1 應(yīng)力圖 c）主動臂計算位置 1 位移圖 d）主動臂計算位置 1 應(yīng)變圖 圖 3-18 主動臂計算位置 1 分析結(jié)果 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 a）主動臂計算位置 2 應(yīng)力圖 b）主動臂計算位置 2 位移圖 c）主動臂計算位置 2 應(yīng)變圖 圖 3-19 主動臂計算位置 2 分析結(jié)果 由結(jié)果可知副動臂最大應(yīng)力為 374MPa，取主動臂安全系數(shù)為 1.5，由 得 σ=600/1.5=400MPa≥374MPa，所以設(shè)計符合強(qiáng)度要求。ns?? 3.5 本章小結(jié) 本章通過運(yùn)動分析，計算出挖掘機(jī)的包絡(luò)圖，為挖掘機(jī)的工作范圍提供了理 論依據(jù)，并進(jìn)行動力學(xué)分析計算出各個液壓缸的受力情況，最后通過有限元分析 計算了各個危險工況工作裝置的受力情況。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 第 4 章 整機(jī)穩(wěn)定性分析 4.1 穩(wěn)定性及計算方法 4.1.1 穩(wěn)定性 挖掘機(jī)的穩(wěn)定性是指在最不利的傾覆線上的穩(wěn)定力矩之和大于或等于傾覆力 矩之和。挖掘機(jī)的所有零部件、總成由于自重引起的力矩和配重外伸引起的力矩 都作為穩(wěn)定力矩。對于可以變更的或者可以移動的零部件、凡是對挖掘機(jī)穩(wěn)定性 有影響的重力，均要考慮其最不利的值和最不利的位置。傾覆力矩主要是由鏟斗 內(nèi)的重物和工作裝置自重引起的 [11]。 4.1.2 穩(wěn)定性校核 挖掘機(jī)的穩(wěn)定性根據(jù)工況的不同可以分為作業(yè)穩(wěn)定性、自身穩(wěn)定性、行走穩(wěn) 定性。本文以作業(yè)穩(wěn)定性作為穩(wěn)定性計算。挖掘機(jī)在挖掘過程中有兩種失穩(wěn)狀態(tài) 即挖掘失穩(wěn)和卸載失穩(wěn)狀態(tài)。本文主要以挖掘失穩(wěn)狀態(tài)作為校核。 4.1.2.1 挖掘失穩(wěn)狀態(tài)校核 反鏟液壓挖掘機(jī)的失穩(wěn)狀態(tài)有以下三種工況： （1）斗桿垂直于地面，斗齒尖離地面以下 0.5m，用鏟斗挖掘，切向阻力垂 直地面，法向阻力指向機(jī)體，此時傾覆邊緣在履帶前端（如圖 4-1） 。 在 solidworks 中測出各個零件的質(zhì)量和重心的位置，并測出各個零件的重心 到履帶前端的距離。 圖 4-1 失穩(wěn)狀態(tài) 1 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 采用平衡法計算許用穩(wěn)定系數(shù)： n= = (4-1)傾 覆 力 矩穩(wěn) 定 力 矩 LWLgGii ?????271415 式中 —底盤和上車總重 ；1GNG201 、 、 、 、—分別表示鏟斗、斗桿、副動臂、主動臂的重量，g234g =3570N， =5740N， =6870N， = 9490N。1234g —各個工作機(jī)構(gòu)相對于履帶前端的距離，其中iL =3675mm， =4047mm， =2837mm， =500mm， =3000mm12L3L4L5 ， =500mm， =2832mm。67 切向挖掘阻力 =22000N，法向挖掘阻力 =9240N。1W2W 將以上數(shù)據(jù)代入公式 (5-1)中得： n=1.8≥ [n]=1 所以該工況挖掘機(jī)穩(wěn)定性符合要求。 （2）在最大挖掘深度時斗桿及鏟斗處于垂直位置，用鏟斗液壓缸挖掘，此 時挖掘阻力有使整機(jī)抬起的趨勢，傾覆邊緣在履帶的后端（圖 4-2） 。 在 solidworks 中測出各個零件的質(zhì)量和重心的位置，并測出各個零件的重心 到履帶后端的距離。 圖 4-2 失穩(wěn)狀態(tài) 2 采用平衡法計算許用穩(wěn)定系數(shù)： n= = (4-2)傾 覆 力 矩穩(wěn) 定 力 矩 721 54LWHGgiii??? 式中 、 、 、 意義同（4-1） ， —挖掘最大深度，H=4702mm，igiG1W2 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 =5699mm， =5270mm， =4926mm， =3873mm， =800mm， =51L2L3L4L5L7 102mm。 將以上數(shù)據(jù)代入（4-2）得： n=2.1≥[n]=1 所以該工況穩(wěn)定性符合要求。 （3）在停機(jī)面上最大挖掘半徑處用鏟斗液壓缸挖掘，挖掘阻力有使整機(jī)后 傾覆的趨勢，傾覆邊緣在履帶的后端（圖 4-3） 。 在 solidworks 中測出各個零件的質(zhì)量和重心的位置，并測出各個零件的重心 到履帶后端的距離。 圖 4-3 失穩(wěn)狀態(tài) 3 采用平衡法計算許用穩(wěn)定系數(shù)： n= = （4-3）傾 覆 力 矩穩(wěn) 定 力 矩 61 54LWGgi??? 式中 、 、 意義同（4-1） ，ii1 =8948mm， =7509mm， =5698mm， =3430mm， =800mm， =86201L2L3L456L mm。 將以上數(shù)據(jù)代入（4-3）得： n=1.7≥[n]=1 所以該工況穩(wěn)定性符合要求。 4.2 接地比壓計算 挖掘機(jī)由于作業(yè)條件和環(huán)境比較惡劣,因此計算接地比壓十分重要。 接地比壓,是指公稱(平均)接地比壓。它等于機(jī)器的總重力與兩條履帶接地 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 面積的比值,用公式表示為 [12]: (4-4) bLGP2? 式中 ——公稱接地比壓，MPa；P ——機(jī)器的總重力， =250000N；G ——履帶接地長度， =3310mm；L ——履帶板寬度， =650mm。bb 由式 4-4 計算的接地比壓是理想的平均比壓（如圖 4-4） 。 圖 4-4 接地比亞 將數(shù)據(jù)代入公式(4-4)，解得 =0.58MPa。P 通過計算可以得出的結(jié)論是挖掘機(jī)在工作時，路面承受壓力的平均能力必須 大于 0.58MPa。 4.3 本章小結(jié) 本章進(jìn)行了穩(wěn)定性計算，包括抗傾覆性計算和接地比壓計算兩部分。抗傾覆 性計算需要穩(wěn)定性力矩大于傾覆力矩，防止挖掘機(jī)在額定載荷作用下發(fā)生翻車事 故。接地比壓計算求出挖掘機(jī)在工作時候的平均接地比亞，為挖掘機(jī)的穩(wěn)定工作 提供了依據(jù)。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 第 5 章 液壓系統(tǒng)設(shè)計 5.1 液壓系統(tǒng)的形式 1.開式、閉式系統(tǒng) 按油液循環(huán)方式不同，液壓系統(tǒng)可分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。 開式系統(tǒng)是指液壓泵從油箱中吸油，把壓力油輸給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件排出 的油則直接流回油箱。開式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，液壓油能夠得到較好的冷卻，油液中 雜質(zhì)易沉淀，但油箱尺寸較大，空氣、臟物容易進(jìn)入系統(tǒng)中去，會導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu) 運(yùn)動的不平穩(wěn)。在實際應(yīng)用中多用于發(fā)熱較多的液壓系統(tǒng)，如具有節(jié)流調(diào)速回路 的系統(tǒng)。 閉式系統(tǒng)是指液壓泵的排油腔直接與執(zhí)行元件的進(jìn)油管相連，執(zhí)行元件的回 油管直接與液壓泵的吸油管相連，油液在系統(tǒng)的管路中進(jìn)行封閉循環(huán)。閉式系統(tǒng) 油箱尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、執(zhí)行元件回油管和液壓泵吸油腔直接連通，減少了空氣 及臟物進(jìn)入系統(tǒng)的機(jī)會，但油液的冷卻條件差，需要輔助泵進(jìn)行換油冷卻和補(bǔ)償 漏油，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。一般情況下，閉式系統(tǒng)中的執(zhí)行元件若采用雙作用單活塞 桿液壓缸時，由于兩腔流量不等，在工作中會使功率利用下降。所以閉式系統(tǒng)的 執(zhí)行元件一般為馬達(dá) [13]。 2.單泵、多泵系統(tǒng) 按系統(tǒng)中的液壓泵數(shù)量，液壓系統(tǒng)可分為單泵系統(tǒng)和多泵系統(tǒng)。 單泵系統(tǒng)是指由一個液壓泵向一個或一組執(zhí)行元件供油的液壓系統(tǒng)。單泵系 統(tǒng)適合于不需要進(jìn)行多種復(fù)合動作的工程機(jī)械，如推土機(jī)等鏟土運(yùn)輸機(jī)械的液壓 系統(tǒng)。 多泵系統(tǒng)是多個單泵系統(tǒng)的組合。每臺泵可以分別向各自回路中的執(zhí)行元件 供油。每臺泵的功率是根據(jù)各自回路中的功率而定。例如:當(dāng)系統(tǒng)中只需要進(jìn)行 單個動作而又要充分利用發(fā)動機(jī)功率時，可采用合流供油方式，即幾個液壓泵流 量同時供給一個執(zhí)行元件，這樣可使工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度加快。 5.2 液壓回路設(shè)計 由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多、工作環(huán)境惡劣、控制精度要求高等特點，挖掘機(jī)的液壓 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮多方面的要求。挖掘機(jī)的工作裝置全部采用液壓驅(qū)動。 挖掘機(jī)的作業(yè)過程包括下列幾個間歇動作：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝載、 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走、以及其他輔助動作 [14]。 挖掘機(jī)主機(jī)的工作由兩項特殊要求：1、實現(xiàn)各種主要動作時阻力于作業(yè)速 度隨時變化，因此要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也相應(yīng)變化。2、為了充 分利用發(fā)動機(jī)功率和縮短作業(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(jìn)行，這叫做復(fù)合動作。這兩項要求需要由液壓系統(tǒng)保證。 因此本次設(shè)計采用雙泵單回路，全功率變量系統(tǒng)的開式液壓回路，該系統(tǒng)中 兩個油泵由一個總功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)平衡使兩個泵的流量相同。 5.2.1 限壓回路設(shè)計 整個系統(tǒng)設(shè)置一個限壓回路用來限制系統(tǒng)的壓力，使系統(tǒng)壓力不超過調(diào)定的 值，用溢流閥來實現(xiàn)限壓。 5.2.2 卸荷回路的設(shè)計 卸荷回路是挖掘機(jī)各個機(jī)構(gòu)不工作時，使液壓泵盡可能以最低功率消耗進(jìn)行 空轉(zhuǎn)，采用換向閥中位卸荷。 5.2.3 回轉(zhuǎn)回路的設(shè)計 在挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回路上設(shè)有緩沖閥，利用緩沖閥使液壓馬達(dá)高壓腔的油 液超過一定壓力時獲得出路。 5.2.4 節(jié)流調(diào)速和背壓回路的設(shè)計 節(jié)流調(diào)速就是利用節(jié)流閥的可變通流截面來改變流量，進(jìn)行調(diào)速，為了工作 的安全在液壓缸的回油路上裝以單向節(jié)流閥，形成節(jié)流限速回路。為了防止動臂 因自重降落速度太快而發(fā)生危險，其大腔回油路上裝以單向節(jié)流閥，使動臂下降 速度受節(jié)流控制。在各個液壓缸的進(jìn)油和回油路上裝以背壓閥，實現(xiàn)各個液壓缸 的安全工作。 5.2.5 行走限壓回路的設(shè)計 履帶式液壓挖掘機(jī)下坡行駛時，因自重加速，可能導(dǎo)致超速溜坡事故，發(fā)生 危險，此時行走馬達(dá)超速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)生吸空現(xiàn)象，甚至損壞。因此履帶行走裝置必 須考慮行走液壓馬達(dá)的限速和補(bǔ)油，使液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制在安全容許范圍內(nèi)。利 用節(jié)流閥調(diào)節(jié)馬達(dá)回油速度，挖掘機(jī)一旦超速，進(jìn)油供應(yīng)不