单斗液压挖掘机设计说明.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流单斗液压挖掘机设计说明.精品文档.机械原理课程设计说明书设计题目 正铲液压挖掘机工作装置设计院（系、部） 工业设计 专业 25010801班设计者 宁维宁 彭丹 陈冬指导教师 张伟社 2010年12月31日目 录一、设计题目11-1机构简介1 1-2设计数据2二、设计内容2 2-1铲斗运动机构设计2 2-2工作装置运动分析5 2-2-1分析动臂运动规律82-2-2分析斗尖V的运动规律9 2-3 工作装置受力分析9 2-3-1 机构受力分析9 2-3-2 油缸油的压力变化分析13三、验算结果14 四、设计总结20五、参考文献21一、设计题目 正

2、铲液压挖掘机工作装置设置1-1机构简介正铲挖掘机工作装置运动简图如图1-1所示，由动臂1，斗杆2，铲斗3，铲斗油缸4，动臂油缸6，斗杆油缸5,等组成。在机构的运动过程中，要求铲斗在其工作空间实现挖掘抬起、倾倒等各种各样的位置。铲斗做水平面运动，有三个自由度，铲斗运动靠铲斗油缸通过连杆机构实现。铲斗油缸4的一端与斗杆在G点铰接，另一端与三角架NHM在M点铰接。铲斗油缸伸缩时，三角架NHM绕斗杆上N点转动，借以完成破碎、装斗、调整切削角、卸载等动作。动臂和动臂油港在转台上的铰接点分别为C和A，他们的位置用直角坐标表示如图1-2所示。D、E分别为斗杆油缸与动臂和斗杆的铰接点。图1-1 机构简图(动臂

3、1，斗杆2，铲斗3，铲斗油缸4，斗杆油缸5，动臂油缸6，三角架7)图1-2 尺寸图1-2 设计数据各个杆的长度参数如图1-2所示，油缸参数如下所示。 表1-1 油缸参数油缸名称工作压力/MPa全缩时长度/mm全伸时长度/mm行程/mm动臂油缸28158026601080斗杆油缸28160026601060铲斗油缸2814002320920二、设计内容2-1 铲斗运动机构设计（1）分析提示：铲斗运动机构可视为六杆机构，斗杆可被视为机架，油缸、三角架MHN、连杆HK及铲斗为活动构件。试确定三角架MHN和连杆HK的尺寸，使铲斗在油缸带动下能转动120（以FQ为始边逆时针方向度量，使FQV能在1452

4、65范围内变化）。另外还要保证两个传动角1和2（1=GMN, 2=HKQ）的最小值不小于40。（图中N点也可不在FQ连线上）。 （2） 设计要求：将机构运动简图画在2号图纸上，以斗杆上GQ连线为基准标，定个铰链位置，各构件相关角度和尺寸。（3） 设计方案铲斗运动机构可视为六杆机构，斗杆可被视为机架，油缸、三角架MHN、连杆HK及铲斗为活动构件。试确定三角架MHN和连杆HK的尺寸，要求铲斗在油缸带动下以FQ为始边逆时针方向FQV能在145265范围内变化。根据这个要求，初步分析，当确定的各部件的尺寸后，当FQV在145和265的时，铲斗油缸的实际长度|GM|应该不超出它的全伸和全缩的长度范围，即

5、满足1400mm|GM|2320mm，如图2-1所示，GM应该落在圆r1和r2所形成的环形区域内。如右图2-1所示，|GM|在活动中始终始终以该落在r1、r2形成的环形区域内；其中图2-1 角度限制范围1-3r1=1400mm,r2=2320mm。根据另一个设计要求：要保证两个传动角1和2（1=GMN, 2=HKQ）的最小值不小于40，根据参考资料单斗液压挖掘机中的已知关系图2-2：坐标横轴为铲斗油缸的长度，由此图可知，随着FQV的增大，油缸GM的长度逐渐减小；随着铲斗油缸GM长度减小，GNM减小、GMN增大。可以得到传动角1（GMN）的变化趋势，即随着FQV从145到265的变化过程中，传动

6、角1逐渐增大；图2-2 传动角随动臂油缸变化曲线图2-4 不同位置角度变化图2-3 不同位置角度变化根据上图2-3,2-4的分析可知，随着铲斗的上升（铲斗油缸长度减小，FQV增大），HKQ、GMN逐渐增大，即要求的两个传动角1、2随着FQV的逐渐增大（由145逐渐增大为265）增大，所以，设计尺寸时，只需考虑在FQV=145这个极限位置时候传动角1、2满足设计要求40即可。极限条件下相关尺寸的运算：如左图2-5：为了确定计算初始的标准，参考资料数据，将NQ的尺寸设定为NQ=300mm。在FQV=145时，作角H1K1Q=40，作NH1K1H1；在GN连线上取GM2=1400mm(即铲斗油缸全缩

7、长度)；量取NH1和H1K1的长度为半径，分别以N点和K2点作圆确定焦点H2，得到M2H2的长度；量取NM2和NH1的长度为半径，分别以N和H1点为圆心画弧，得到交点M1；图2-5 尺寸关系图M1落到要求范围内，M2在范围边界上，GM1N=50.2,H1K1Q=40理论上这样的尺寸是可行的，但是由于GM2落在了边界上，所以需要对数据进行修改和优化。根据上述确定的极限尺寸位置参数以及参考资料相关尺寸参数确定一组设计尺寸结果：MN=600mm,MH=300mm,NH=530mm,HK=680mm,NQ=300mm;经校验，在FQV=145这个极限位置时，传动角1=54.84，2=44.27，根据前

8、面的证明论述，当FQV增大时，压力角始终大于40，满足设计要求；在两个极限位置的时候，GM在其极限长度范围内（如下图2-6），故这组参数满足设计要求，采纳。图2-6 尺寸确定图说明：红色线框表示FQV=145时各个部件的位置，且有H1K1Q=44.27GM1N=54.84GM=2307.77mm；蓝色线框表示FQV=265时各个部件的位置，且有H2K2Q=90.76GM2N=172.71GM=1424.91mm 均满足设计要求。2-2 工作装置运动分析 （1）分析提示：选定斗杆油缸的某一伸缩长度（由教师指定给每个学生），分析在铲斗油缸全伸的情况下，动臂油缸从全伸到全缩时斗尖的位移、速度和加速度

9、。动臂的角机构、角速度和角加速度等。假设油缸伸缩量变化规律如下： S=H/2(1-cost/2) （2-1）式中，H为动臂油缸的总行程，t为时间，其值为0 2s，即动臂油缸从全伸到全缩所用时间为2s。（2）设计要求：将铲斗尖V的x、y方向运动线图绘制在机构运动简图图纸上。（3）运动分析：首先了解机构的运动规律，在之前确定好了机构中所有杆件的尺寸之后，就可以得到标准的机构关系图。依据于分析提示中给定的条件，使铲斗油缸处于全伸状态，并且在运动过程中保持不变，斗杆油缸处于指定位置，动臂油缸作为唯一变量。在这里，为了使整个分析更加有可信度，我们分别设置三组斗杆油缸的长度进行比较。如下图2-7所示，在动

10、臂油缸全缩时V1、V2、V3分别为斗杆油缸处于全缩、半伸、全伸时的斗尖位置。由此图可以看出，在相同的动臂油缸长度下，斗杆油缸伸缩量不同，使得斗尖位置产生规律性变化，即随着斗杆油缸不断伸长，斗尖距离C点位置越来越远。V3V2V1图2-7 不同斗杆运动比较 依据要求，使斗杆油缸长度为指定值，铲斗油缸为全伸时，动臂油缸从全缩到全伸过程中斗尖的运动轨迹，用pro/E作图，使动臂油缸取不同值，在整个运动过程中可得到斗尖运动规律如下图2-8所示：由图可知，斗尖的运动曲线为绕c点转动的圆弧，起始点为动臂油缸全缩时斗尖位置点，终点为动臂油缸全伸时斗尖位置点，圆弧半径为斗尖到C点的距离，为定值，用作图法可以量取

11、具体数值。R1对应于下图(a)中的轨迹半径 R1=2030mmR2对应于下图(b)中的轨迹半径 R2=4721mmR3对应于下图(c)中的轨迹半径 R3=6818mm观察其运动规律，可以总结出，在斗杆油缸和铲斗油缸伸缩量不变的情况下，斗尖的运动轨迹为圆弧。图2-8 斗尖运动曲线明确了挖掘机在给定限制条件下的运动模式，接下来，在基于以上的结论下来分析动臂以及斗尖运动的线速度，角速度，角加速度。机构简图如下图2-9所示x图2-9 机构位置图2-2-1分析动臂运动规律 动臂CF的位置由动臂油缸AB的长度L1决定，斗杆油缸DE为定长，铲斗油缸GM为全伸状态，因此，AB不断伸长，其他构件无相对运动，整体

12、绕C点转动。动臂水平倾角（FCx,x为水平线）与L1之间的关系可用下式表示L12=CA2 CB22CACBcos(FCBACx) （2-2）参考单斗液压挖掘机P90整理上式可得出=cos-1 (CA2CB2L12) 2CACB FCBACx （2-3）式中，CA为定长（CA=1089mm），CB为定长（CB=2116mm），FCB为固定角度，用作图法可量取FCB（FCB=3）,ACx（ACx=33）。已知动臂油缸伸缩量 S=H/2(1-cost/2) 其中，H为动臂油缸总行程（即动臂油缸从全缩到全伸的总行程，H=1080mm）。设动臂油缸全缩长度为L，则L=1588mm, L1=L+S即 L1

13、=1580+540（1cost/2） （2-4）将式（2-4）代入式（2-3）中可得出如下表达式=cos-1 (CA2CB21580+540（1cost/2）2) 2CACB FCBACx整理数据得出结果为=cos-1566337715805401cost/224608648302-5此式为与时间t之间的关系，运动过程中，动臂绕C点作圆周运动，的变化规律即动臂CF随时间变化的运动规律。d(2-6)wCF角速度 dtdtdwa(2-7)CF角加速度CF线速度 v=wr1 （2-8）其中，r1为CF的长度（CF=3818mm）。2-2-2 分析斗尖V的运动规律 下图2-10为斗杆油缸全伸，铲斗油缸

14、全伸，动臂油缸从全缩到全伸过程中整个机构的运动情况。由运动规律图可以得出，斗尖运动也是绕C点做圆周运动，并且C点相对于F点无相对运动，因此，V点和F点具有相同的角速度及角加速度表达式如式(2-6)、(2-7)。V点绕C点运动半径通过作图法可量取r2=6818mm。由以上分析可得出V点线速度为 v=wr2 (2-9)通过以上对F点、V点的运动规律我们可以看出，整个运动过程动臂油缸长度是唯一变量，动臂油缸的伸缩使得其他杆件均绕C点转动，并且角速度，角加速度相等。图2-10 斗尖运动变化2-3 工作装置受力分析2-3-1机构受力分析（1）分析提示受力分析时，不计各构件本身的质量，在Q、V连线中点处假

15、设有一铅垂载荷W，取W=10000N，分析动臂油缸运动时（斗杆油缸处于指定伸缩长度，铲斗油缸处于全伸），A、B、C、D、E、F铰接点的受力情况以及动臂油缸和斗杆油缸中油的压力变化曲线。（2）受力分析： 指定斗杆油缸处于全伸状态，铲斗油缸处于全伸状态，动臂油缸从全缩到全伸运动时，各个点的受力情况。斗杆，铲斗，以及铲斗油缸部分可看作是一个固定的整体，它们随着动臂的运动而运动，动臂在动臂油缸的支撑力作用下绕C点运动。所以机构可简化如下图2-11所示。图2-11 机构简图 机构各个杆件及油缸不计自身重力，只在QV中点连线处受一个铅垂载荷FW，在分析各个铰接点受力时，采取先整体后局部的分析方法。由于油缸

16、AB、DE不计重力，因此，可将其看做二力杆，根据二力杆特点，A、B两点受力大小相等，方向相反。D、E两点同理。受力分析如图2-12图2-12 整体受力分析图使A点受力沿AB方向指向B点，e1为FA 到C点的力臂，C点受水平力Fcx和竖直方向力Fcy，P点受铅垂重力FW，FA 与竖直方向夹角为。列力学平衡方程式：FcxFA cosFW Fcy FA Sin MF(C)=0 对C点取矩： MF(C)=0 可得出： FAe1FW l1 (2-10)2式中， (2-11)CACBCA2CB2L12e1Sin cos-1 2CACBL1代入L1=1580+540（1cost/2）以及数值可整理出e1 表

17、达式为566337715805401cost/222304324（2-12）Sin cos-1 4608468e115805401cost/2l1 为P点到C点的力矩 l1 =CPcos （2-13） 由之前分析可知，在动臂油缸伸长过程中，CP长度为定值。用作图法量取CP长度为l1 =5959mm。由上图可知，与之间存在关系，即 =FCP （2-14） F点与P点没有相对运动，所以FCP为定值，用作图法量取角度FCP=36.7将式（2-12），（2-13）以及数据代入(2-10)中，可得到FA 最终表达式为 59590000 cos cos-1566337715805401cost/2266.

18、74608648FA566337715805401cost/222304324Sin cos-1 460864815805401cost/2 （2-15）FcxFWFA cos （2-16）Fcy FA Sin （2-17） 取局部进行受力分析，如下图2-13所示e2FFxFFFyFEFWl2图2-13 局部分析图图中，FFx 、FFy 为F在水平和竖直方向上的分力，e2 为FE 相对于F点的力臂，l2 为FW 相对于F点的力臂，为FE 和水平方向上的夹角。列出力学平衡方程式：FFyFE SinFW FFxFE cos MF(F)=0 2对F点取矩： FE e2FWl20 （2-18）其中 e

19、2(FDFESinDFC)/DE (2-19)E点和F点无相对运动，所以，e2 为定长，通过作图法或者解析法都可求出其长度为e2636mm。 L2CPcosCFcos (2-20)将(2-18)、(2-19)代入（2-17）中，可得出FE 的表达式为：566337715805401cost/22FE100005959 cos cos-163666.74608648566337715805401cost/223818 cos cos-1304608648（2-21）FFxFE cos （2-22）FFyFE SinFW （2-23）2-3-2 油缸中油的压力变化分析油的压力变化依附于力的变化，因

20、此，可以采用代值的方法，计算出在不同时刻油缸的受力，力的变化曲线即对应于油的压力变化曲线。时间从02秒内变化。 动臂油缸的受力变化表 2-1 动臂油缸受力随时间变化时间t=0st=0.5st=1st=1.5st=2sFA/ n5252953899562005640055131由计算结果可知，动臂油缸受力大体呈不断变大的趋势，可绘制力FA 的变化曲线，即为油缸压力变化曲线。1.520.50152000540005600058000t/s图2-14 动臂压力变化曲线（2）斗杆油缸的受力变化：表2-2 斗杆油缸受力随时间变化时间/st=0st=0.5st=1st=1.5st=2sFE /n30636

21、36887498235768658270600005000040000300000t/s 0.5 1 1.5 2图2-15 斗杆压力变化曲线三、验算结果：验算过程为作图法取值，动臂油缸处于某一长度时，其他构件相对位置固定，因此，算出上述各个时间段动臂油缸的长度，然后做出此长度下整个机构的位置，量取力臂e1 、e2 ，l1 、l2 ，分别计算FA 、FE 的大小，绘制油缸压力曲线，然后与上面所绘曲线作比较，曲线形状走势理论上应相同。以下是标准作图所得尺寸（放大图片可以看清尺寸）图3-1 动臂在0s时长度图3-2 动臂0。5s时长度图3-3 动臂在1s时长度图3-4 动臂在1.5s时长度图3-5动

22、臂在2s时长度表3-1 测量数据与计算结果 测量值动臂位置l1 /mml2 /mme1 /mme2/mmFA /nFE /n15423176010596365120927673256832223108652330349533578530911051550434860145098360591555716481925448636708245444257704绘制曲线如下t/st/sFA/nFE/n0 0.5 1 1.5 20 0.5 1 1.5 25600055000540005300052000 510006000050000400003000020000图3-6 受力曲线图经验算确定所绘制油的

23、压力变化曲线合理。四、设计总结 从分析机构开始，每一步都要十分谨慎，因为对机构的准确把握和对机构运动情况的充分了解影响后面设计和计算。 确定杆件尺寸时，应明确设计目的和要求，使得给出的尺寸谨慎、合理。在此之前，最好查阅相关资料，尽量采用最优方案。 对机构的运动分析依据于对机构运动特点的把握，掌握运动规律后，找出变量和已知量之间的关系，整理数据，得到正确的运动规律表达式，再翻阅多种版本参考资料，验证所得结果的准确性。 在进行受力分析时，要适当简化机构，排除不必要因素的影响，分析应该严谨，各个力之间表达式关系明确，依据合理。对于此机构，可采取先整体后局部的方法，并且，应注意到两油缸可看作二力杆，这

24、样会使得分析过程简化，分析层次明确。 在此课题中，油的压力变化曲线不能通过严格的压力计算得出，因此，应该明确油的压力和力之间的关系，压力随着力的变化而变化，因此，找出力的变化规律即可以得到油缸中油的压力变化。 每一种计算结果都需要验证，因此选择合理的验证方法也很重要，验证方法必须合理，科学，可信度高。在本设计中，主要是验证油的压力变化曲线是否合理，我们没有采用对照参考资料的方法进行验证，因为参考资料上油的压力变化都是在特定的运动模式下，与本课题所要求运动模式相差甚远，因此作为参考可信度不足，因此我们采用标准作图的方式，在图中量取相关数值，进行计算，最后总结计算结果，绘制压力变化曲线，以此来作为验证参照。五、参考文献1 张伟社.机械原理教程M .西安：西北工业大学出版社，1990. 2 同济大学等编. 单斗液压挖掘机M .北京：中国建筑工业出版社，1983.3 李向宝. 挖掘机工作装置结构分析及运动学仿真研究D . 同济大学 硕士学位论文，20084 张正兵. 正铲液压挖掘机机构运动分析及生产率研究D .重庆大学 硕士学位论文，20085 邓宏光等. 基于Pro_EMechanism的挖掘机工作装置动力学分析J .煤矿机械，20106 张正兵等. 基于正铲液压挖掘机挖掘轨迹的机构运动学分析J .机械，2008