2022年正铲单斗液压挖掘机工作装置设计.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 机械设计机械设计基础-课程设计说明书设计题目：正铲单斗液压挖掘机工作装置设计学 院：机械工程系专 业：机械制造工艺与设备班 级：机制一班学 号：20227709 姓 名：刘鑫指导老师：温亚莲完成日期：2022年 9 月 2 日名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 机械原理设计任务书同学 刘鑫 班级 机制一班 学号 20227709 设计题目：正铲单斗液压挖掘机工作装置设计一、设计题目简介正铲挖掘机的铲土动作形式；其特点是“ 前进向上,强制切土” ；正铲挖掘力大,能开挖停

2、机面以上的土,宜用于开挖高度大于 2m的干燥基坑,正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要大一些,其工作装置直接打算其工作范畴和工作才能；二、 设计数据与要求题号铲斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半径卸载高度A 3 4.2m三、设计任务1、绘制挖掘机工作机构的运动简图,确定机构的自由度,对其驱动油缸在几种工况下的运动绘制运动线图；2、依据所供应的工作参数, 对挖掘机工作机构进行尺度综合,确定工作机构各个杆件的长度；3、用软件 VB、MATLAB、ADAMS或 SOLIDWORKS均可对执行机构进行运动仿真,并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图；4、 编写设计运算说明书,其中应包括设计思路、运算及运

3、动模型建立过程以及成效分析等；5、在机械基础试验室应用机构综合试验装置验证设计方案的可行性；完成日期 ： 2022 年 9 月 2 日指导老师温亚莲名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 摘要正铲挖掘机的开挖方式依据开挖路线与汽车相对位置的不同分为正向开挖、侧向装土以及正向开挖、后方装土两种,前者生产率较高；正铲的生产率主要决 定于每斗作业的循环连续时间；为了提高其生产率,除了工作面高度必需满意装 满土斗的要求之外,仍要考虑开挖方式和与运土机械协作；尽量削减回转角度,缩短每个循环的连续时间；反铲的开挖方式可以采纳沟端开挖

4、法,即反铲停于沟端,后退挖土,向沟一侧弃土或装汽车运走,也可采纳沟侧开挖法,即反铲停于 沟侧,沿沟边开挖,它可将土弃于距离沟较远的地方,如装车就回转角度较小,但边坡不易掌握 . 单斗液压挖掘机主要由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸 等组成；铲斗的斗底利用液压缸来开启,斗杆是铰接在动臂的顶端,由双作用的 斗杆油缸使其转动；斗杆油缸的一端铰接在动臂上,另一端铰接在斗杆上；其铰 接形式有两种：一种是铰接在斗杆的前端；另一种是铰接在斗杆的尾端；动臂均 为单杆式,顶端呈叉形,以便与斗杆铰接；动臂有单节的和双节的两种；单节的 动臂有长短两种备品,可依据需要更换；双节的动臂就由上、下两节拼装而

5、成,依据拼装饰的不同,动臂的工作长度也不同；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 一、正铲挖掘机自由度运算依据以下图所示的挖掘机结构简图,我们可以对其自由度进行运算；通过对机构简图的分析,可以看出该工作装置有11 根杆件组成 ,其中包含15 个运动副,即 12 个转动副, 3 移动副,共包含自由度运算：n=11,PH=0,PL=15 就： F=3n-2PL-PH=3*11-2*15-0=3 15 个低副,没有高副；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - -

6、- - 二、 挖掘机参数运算、液压挖掘机基本参数液压挖掘机基本参数主要包括：标准斗容量： 指挖掘级或密度为的土壤时,代表该挖掘机登记的一种铲斗积累容量；最大挖掘高度：指工作装置处于最大举上升度时, 铲斗齿尖到停机地面的距离；最大挖掘半径：在挖掘机纵向中心平面上铲斗齿尖离机器回转中心的最大距离；最大挖掘深度：指动臂处在最低位置,且斗齿尖,铲斗与斗杆铰点,斗杆与动臂铰点三点在同一条垂直停机面的直线上,斗齿尖与停机面的最大距离；最大卸载高度：指动臂、斗杆处于最大举上升度,翻转卸土,斗齿尖处在最低位置时,斗齿尖到停机面的距离；2.2 、液压正铲挖掘机工作装置机构运动学分析动臂 AD的位置由动臂油缸MC

7、的长度1L 打算；L 和动臂水平倾角1之间的关系可用下式表示2 2 2L 1 l 5 l 7 2 l 5 l 7 cos 1 a 2 a 112-12 2 21 l 7 l 5 L 11 cos a 2 a 112-22 l 7 l 5从上式看出, a11-a2对 1的影响很大,当动臂和油缸的参数不变时,a11-a 2愈大动臂提上升度愈小；设动臂油缸全缩时动臂倾角为 1 min；动臂油缸全伸时动臂倾角为 1 max,那么在动臂油缸由全缩到全伸,动臂总的转角为：名师归纳总结 11max1min2-3第 5 页,共 34 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - -

8、 为了便于运算和比较,仍用无因次比例系数、表示,即L1max；L 1min；l72-4L 1minl5l5代入式 2 2 可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值mincos12122a2a 2a 112-52maxcos1212a 112-62而动臂总转角为1cos12122cos12121L 为：2-722动臂油缸伸缩时对A 点的力臂也在不断变化,由图可知2-8e1 L 1l7l5sinDAMe 1l7l5sinl arccos5l2 5l52 L 17L 12 l7明显,当 AB AC时1e 有最大值,此时e 1maxl5,而相应的油缸长度L =l2l275此时的动臂倾角为名师归纳总

9、结 l arccosl5a 2a 11第 6 页,共 34 页7- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 假设用动臂油缸相对力臂即e 1来表示油缸长为L 时的力臂,就e 1max综上所述,动臂倾角e 1l7sinl arccos2l2 5l5L 212-97e 1maxL 12 l71、力臂e 和e 1都是1L 的参数；e 1max斗杆 DJ的位置由动臂 AD和斗杆油缸 BE的长度L 所打算；但是动臂的位置随动臂油缸的伸缩而变化,为了便于分析斗杆油缸对头杆位置的影响,假定动臂不动,那么斗杆铰点 D以及斗杆油缸在动臂上的铰点B 就可以看作为固定基座；L 与斗杆、

10、动臂夹角2之间的关系为l2l8l9cos2a4a 3 2-10L2l2l222892l2 9lL2a 42arccos82a 3 2-11l8设斗杆油缸全缩时动臂与头杆的夹角为92max,那么当油缸由全缩到2min,全伸时为全伸时斗杆总的转角为斗杆油缸的作用力臂e 也是可变值；22max2min 2-12e 2L 2l8l9sinBED名师归纳总结 e 2l8l9sin arcsc osl2 8l2 992 L 2 2-13第 7 页,共 34 页L22 l8l- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 当 MC AD时2e 有最大值,即e 2l9,这时相应的油

11、缸长度L 为L2l2l289相应的斗杆转角为用斗杆油缸相对力臂值即e 22l arccosl9a3a4l2 L 2 2-148来表示L 时的力臂,就e 2maxe2l8sinarccosl2l2 2-1589e2maxL22l89斗齿尖的几种特别工作位置的运算上图为正铲挖掘机作业范畴图,以下为几种特别工作位置的分析与运算；1最大挖掘半径 图 2.5 1这 时C、 Q、 V 在 同 一 条 水 平 线 上 , 而 且 斗 杆 油 缸 全 伸 , 即22max；a25arcsinll2sin2max；3a2844max最大挖掘半径为名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 34 页精

12、选学习资料 - - - - - - - - - R maxl44maxl3XC 2-16最大挖掘半径处的挖掘高度相应为H R Y C图 2.5 最大挖掘半径2最大挖掘高度 图 2.6 图 2.6 最大挖掘高度最大挖掘高度为：H2maxl44maxsin1maxa26l3Y C 2-17最大挖掘高度时的挖掘半径名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - R H2XCl44maxcos1maxa26 2-183max假如最大转斗角度不能保证GJ垂直向上,即3max25312,就应依据实际的2值求相应的挖掘高度,如图左上角所示,此

13、时maxmax2Y C 2-19H2l44maxsin1maxa26l3sin1max3最大挖掘深度 图 2.7 这时动臂油缸全缩,头杆DG及 GJ垂直向下,即11min,221min,3；最大挖掘深度为H2maxY Cl1sin1minl2l3 2-20最大挖掘深度时的挖掘半径为假假设2max21minR H1XCl1cos1min 2-21,就 DG不行能呈垂直状态,此时必需依据详细情形运算实际的最大挖掘深度；图 2.7 最大挖掘深度名师归纳总结 4停机平面上的最大挖掘半径 图 2.8 第 10 页,共 34 页这是指斗齿靠在地面上、 斗杆全部伸出而斗底平面与停机平面平行的工况；此时 QV

14、线与地面交成角角是一个重要的铲斗参数,设计中应仔细确定 ,依据这种定义可- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 知图 2.8 停机平面上的最大挖掘半径22max；1a26a,其中aarcsinY Cll3sin1 2-2244max 2-23232max这时停机平面上的最大挖掘半径为假如322maxR OmaxXCl44maxcos al3cos 2-241,就必需依据详细情形重新进行运算；2.3 工作装置各部分基本尺寸运算确定现从动臂与转台铰点 A动身,借助各相关转角 1、 2和 3,建立各关键点 B、C、D V的位置模型,得到各关键点的坐标,从而为下一步

15、的分析供应依据；以地面为横坐标,以回转中心线为纵坐标,建立直角坐标系 XOY如图2.4 所示；2.3.1 动臂与平台铰点位置 A的确定名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 对由反铲挖掘机改装的正铲来说,动臂铰座往往就沿用反铲动臂的铰座；一般,铰座都在转台中心的前方 X 0,近来大型正铲的铰座却有向后移 靠近回转中心线 的趋势；设计时,XC、YC可用类比法确定或依据体会统计公式初步选取,在此基础上举荐以履带轴距 L 为基本长度；履带轴距 L式中： q 为斗容量,m3L.2 3.27 3q 3.66 2-252.3.2

16、动臂及斗杆长度的确定同上转斗半径l1、l2、l3也可用类比法确定或依据体会统计公式初步选取,在此基础上举荐以履带轴距 L为基本长度；2.3.3 机构转角范畴确定在动臂长度1l 、斗杆长度2l 、转斗半径3l 及动臂油缸与平台铰点 C初步确定之后,根据挖掘机工作尺寸的要求利用解析法求各机构转角范畴,其中包括动臂机构转角、斗杆 机构转角、铲斗机构转角范畴；名师归纳总结 1 斗杆转角2max和2min的确定确定；最大转角2max应当不小于第 12 页,共 34 页2max可依据最大挖掘半径R max- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2maxarccos2 l

17、 1l2R max2l3XC22-26 22 l1l2max依据停机平面上最小挖掘半径R Omax确定；所谓停机平面上的最小挖掘半径依不同工作情形而异,有的是指铲斗最靠近机体 斗杆油缸全缩 、斗齿尖处于停机平面而斗底平行于地面,在这种状态下开头挖掘时的挖掘半径；图 2.9 停机平面上的最小挖掘半径如下列图,这时斗杆和动臂间的夹角为最小2min ,铲斗与地面相交成角 见图 ,2-27 2-28 而斗齿尖 V 到回转中心的距离为R Omin；从几何推导可知l2maxY CY Q2XQXC244式中X 、Y Q点的横坐标和纵坐标,且XQ=ROminl3cos；YQ3lsinl2minY Cl2l3s

18、in22 llR Omin2l3cosXC22-29 44l2 44minl2 22cosmin2-30 1带入式 2-29 整理后得名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2minarccosl2l2 Y Cl3sin221R Ominl3cosXC2-31 12ll2有些挖掘机不要求铲斗水平铲入, 而往往以肯定的后角1开头挖掘,因而最小挖掘半径 R O min 可能比前一种小,加大了停机平面上的挖掘范畴；在这种情形下 QV与水平的夹角将增至 1；依据有的资料介绍,为使铲斗简单切人土壤,开头挖掘时的后角 1可取为 4

19、5 50 ；应当留意不管铲斗开头挖掘时的位置如何,必需以不碰撞履带板为原就,因此ROminLR1l3cos mm2-32 2cos式中 R 驱动轮半径 毫米 ；履带行走装置水平投影的对角线与纵轴问的夹角；考虑转斗机构连杆装置及余隙在内的间隙,初步设计时可取200400毫米；2 动臂倾角1max和1 min的确定H2max确定；由图 2.5 并依据式 2 17 和2 动臂最大倾角1max依据最大挖掘高度18 经过运算得出名师归纳总结 因此先确定21maxarcsinH2max44l3Y Carcsinl2sin2max 2-33 2-34 第 14 页,共 34 页lmaxl44 maxmax后

20、,再依据H2max可得1 max；动臂最小倾角1min；依据最大挖掘深度H1max确定 ；由图和式 220得到1minarcsinH1maxY Cl2l3l1- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3铲斗转角3max和3min的确定转斗机构应满意以下要求：满意工作尺才的要求,即保证所要求的H2max、H1max、R max、R Omin等参数能够实现；挖掘过程中能够调整切削后角,保证工作正常进行,满足挖掘过程终止时的转斗要求及卸载要求；A.3必需满意工作尺寸的要求为满意挖掘高度要求 图 3max51max2max 2-35 2-36 2为满意最大挖掘半径要求

21、图 2.4 l1sin2max3maxa28arcsinl44max为满意停机平面上最小挖掘半径要求图 2.8 22-37 3max2a281a28arcsinll 1sin2min2-38 44minY Cl8sin2-39 1arcsinY CY Qarcsinl44minl44min22Y Cl3sin2-40 3maxarcsinll1sin2minarcsin44minl44min为满意最大挖掘深度要求 图 2.63 minB3必需满意挖掘过程中调整切削后角的要求挖掘过程中随着铲斗向前运动,斗的切削后角1也不断发生转变,为了保证挖掘正常进行,斗底不应与地面发生摩擦,即a10,为此必需

22、使图2.10 31min2又名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3maxa29a 31将式a312a 29arcsinl3sina 31a 31 2-41 l23maxarcsinl3sina 31l2代入,整理后得到3max3arcsinl3cos2l2图 2.10 铲斗运动方向与切削后角C3必需满意卸载要求由于前卸式铲斗和底卸式铲斗的卸载方法不同,因此对转角的要求也不同；为使卸斗于净,前卸式铲斗在卸土时要求斗底与水平相交成 45 以上的角 见图2.11a ,因此从图 2.5 及式 2 35 得名师归纳总结 3m

23、in5min1max2max2max42-42 第 16 页,共 34 页2371max24- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2.11 不同卸载方式对3的影响底卸式铲斗卸土时可假定斗的后壁接近于垂直枚态,斗底按近于水平位置 图 2.11b ,因此要求 53min21max2max22-43 45 左3min21max2max比照242和243可见,从卸土要求来看,底卸式铲斗的转角可比前卸式少右；D3必需满意挖掘终止时铲斗后倾的要求为了使铲斗在挖掘终止时脱离工作面并在提升过程中使斗内物科不致撒落,铲斗必 须后倾；依据装裁机的要求铲斗装满后斗底必需向上

24、倾斜 40 45 角,明显这时 QV连线也必定向上翘起3maxarcsinll13max2a28aY Cl3sin+2-44 sinarcsin44minminl44min依据以上所得的公式 2 35 2 44 就可以初步确定动臂、斗杆、铲斗的转角范 围；但是求出这些参数后仍必需校接所规定的其它工作参数,如最大卸载高度、最大卸 载高度时的卸载半径、最大挖掘高度时的挖掘半径等,如不能满意就应加以修正；图 2.12 铲斗后倾示意图AB 和AB ,就AB 1L 1min；AB 2L2max；再假定铰点 B不在动臂中心线 CF上,且名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 34 页精选

25、学习资料 - - - - - - - - - FCBa2 当 B 在 CF线下方时a 为“ 十” ,反之为“ 一” ；那么由几何推导可以求出工作时动臂油缸的起始力臂e1和终了力臂e1 的值：2-45 2-46 e ql7sinl7l5sina 11a21minl7sina 11a21minL 1mine ol7sinl7l5sin a 11a 21maxl7sina 11a21maxL 1max式中各参数可见表210、211 及公式 2 57 ；假如 CF线处于水平线以下就1min用负值代入；图 2.13 动臂提升机构运算示意图名师归纳总结 设起始力臂和终了力臂的比值为K,就sina 11a

26、21min2-47 第 18 页,共 34 页Ke 1qe 1osina 11a 21max- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 或sina11a21maxKsina 11a21min2-48绽开并整理后得到a 11a2arctansin1maxminKsin1min2-49 Kcos1cos1max对式2 48 、2 49 可作如下分析：1 公式表示了、K、a 、1 max、1 min 诸值之间存在着肯定的依靠关系；当其它数值不变,降低 a 值就 K 值下降,因而对上部挖掘有利；当、K 不变,降低 a 值会使 1 max 加大而 1 min 减小,对挖高

27、有利；这些都说明正铲的 a 值应当比反铲的小；但是假如工作尺寸已定,过多降低a 值会对下部挖掘不利,甚至在下部挖掘时不能提起满载斗；此外为了保证 1 max、1 min 和 K,降低 a 值就必需加大 值,加大了油缸行程,对油缸的稳固性也有影响； 所以当确定 a 值时必需全面考虑, 笼统地给定正铲或反铲的 a 11值是不恰当的；2 当、K 等值固定,a 与a 之间也存在肯定的关系,即a 11a 2为常数；在反铲上由于需要提高地面以下的挖掘性能,a 值往往都是负值；因此加大a 可以减小动臂的弯曲程度,对动臂的结构强度有利；而正铲动臂一般不采纳反铲那样大曲率的弯臂,a 角主要按油缸在动臂上的铰接方

28、式而定,有时油缸铰在动留下缘的耳板上 动臂截面不致减弱 ；有时靠两个钟形座铰于动臂两侧 在双缸方案中常采纳 等等,因而 a 角有正有负,但角度一般部不大,因此对a 的影响也不很大；综合上述两点,建议在初步设计中先确定动臂结构, 初选a 值,然后依据工作尺寸的需要, 在确定1max、1min基础上按公式 2 49 求合理的a 值；一般情形下正铲的a 值不大干 45 ；3值主要应从油缸的稳固性动身选用,建议取1.6 1.7 ；4 由于正铲主要挖掘地面以上土, 终了力臂不能无视, 故 K 值可建议在 0.90 1.14的范畴内选取；名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 34 页精

29、选学习资料 - - - - - - - - - 设计动臂机构时合理地确定A、B、C三点的位置特别重要； 从ACB 和ACB 中 图2.13 仍能得到如下关系式L 21maxll2 7ll2 52ll7ll5cosa 11a211max2-50 2 L 1min22275cosa 11a2min2-51 75用公式 24 代入得2 2 21 2 cos a 11 a 2 1 max 2-52 2 21 2 cos a 11 a 2 1 min 2-53 令 a 11 a 2 1 max,a 11 a 2 1 min 代人上式,解联立方程后得到2 2 2 2 22 cos 2 cos 2 cos

30、2 cos 4 12 2-54 2 121 2 cos 2-55 以上我们依据动臂转角需要和 K 值确定了、等比例系数和 a 值,因此只要进一步求出 7l 、5l 、L 1 min、L 1 max 中任一值就可以求得其它各参数；对于正铲来说动臂油缸的主要作用是将满载斗由任何可能挖掘的位置举升到卸载点；而在最大挖掘半径下举升满载斗时的提升力矩往往接近最大值,此时油缸的作用力臂也接近于最大值1emax,且1emax5l ；另一方面油缸的缸径一般部依据系列选用,并且仍要考虑与其它油缸通用等问题,因此缸径没有许多项挑选择的余地；鉴于以上情形可以在预先确定油缸数目和缸径的前提下初步挑选铰点距离AC5l

31、；2-56 l5Mn 1MCGid2 1ps4名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 式中 M 提升力矩,图214,MMCG i,即各部分重量对C 点的力矩和,其中包括动臂重量 G 、斗杆重量 G 、斗和土壤的重量 G 、连杆装置重量 G 以及油缸重量 G 、G 等；初步设计时这些重量和重心位置可依据类比法确定；s油缸推力, s n 1d1p,其中1n 、d 分别为动臂油缸数目和缸径；p4是系统的工作压力；油缸和铰点的机械效率,在初步设计时可取 =0.85 ；将式 2 110 和2 111 的结果代人式 2 57 ,就

32、能求得其余参数值；动臂机构仍必需按以下两种情形进行校核； 1 动筒在上部或下部极限位置时的举升才能； 2 主要挖掘范畴内挖掘时动臂油缸能供应的闭锁才能 借助电算结合整机挖掘力分析进行 ；挑选斗杆油缸在动臂和斗杆上的铰点D和 E并确定斗杆油缸的长度L2min和L2max；L2min如图 215 所示,假设斗杆油缸全缩和全伸时的长度为DE 和DE ,就DE ；DE =L2max,对 F 点的相应力臂为e2 和e2 ；也取比例系数图 2.14 确定提升机构的示意图名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2.15 斗杆机构

33、运算示意图就初始与终了力臂比K 为a 3l8L2max；L2min；aa 3l82-57 L2minl9l9K=e 2ql9L2maxsin2mina 4e 2ol8l9L2minsin2maxa 3a 4或sin2mina4Ksin2max3a4最终得到式中a 和a3a 4arctanKsin2minsin2maxCF或 FQ落在2-58 Kcos2mincos2maxDEF 的a 相应为 DF、FC的夹角和 EF、FQ的夹角；假设外侧,就夹角为正,反之为负；因此在初步设计中假如依据动臂和斗杆的结构形式及铰点的固定方式预先确定一个角,就可按公式求出其次个角, 或者依据所求的a3a4值结合详细

34、结构情形分别确定各值；运算斗杆机构时建议 K 值取 0.9 1,以使开头挖掘和挖掘终了时作用力臂大致相同；值仍建议取 1.6 1.7 ；名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 34 页精选学习资料 - - - - - - - - - 同样,由DFE 和DFE 可列出联立方程令2maxa 3a4L 22maxl2 8l2 9a2l8l9cos2max a3a 42-59 2 L 2minl2 8l2 92l8l9cos2mina 3a 42-60 ,2mina 34,并将、代人上式, 解联立方程后得到全部杆长数据如下：22cos2cos2122cos2cos242122-61 单位均为 mm2212-62 2cos固定点坐标：A1000,5696 M3000,2696 杆长： BD=6000 AD=8000 FG=1000 GJ=1746 HI=1000 HF=1500 油缸：BE=5168.62 名师归纳总结 EH=5428.9