150型单斗液压挖掘机工作装置设计.pdf

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1、 摘要 液压挖掘机是工程机械的一种主要类型，广泛应用在房屋建筑、筑路工程、水利建设、港口建设、国防工程等土石方施工和矿山采掘之中。反铲液压挖掘机是挖掘机械中最重要的机种之一，主要应用于挖掘停机面以下的土壤。液压挖掘机反铲装置是完成液压挖掘机各项功能的主要部分，其结构的合理性直接影响到液压挖掘机的工作性能和可靠性。本文根据液压挖掘机反铲装置的结构特点,工作原理以及对典型工况的分析，总结了挖掘机工作装置性能要求和设计原则。然后对其各主要构件进行了方案选择，并确定各铰点之间的距离，用CAD 软件绘出其连杆模型。根据连杆模型并结合其他机械设计知识画出工作装置的二维图纸，最后根据图纸上的具体结构尺寸对工

2、作装置的主要部件进行校核。关键词:液压挖掘机；工作装置；运动学分析；结构设计 ABSTRACT As one of important construction machinery and equipments，hydraulic excavator is widely used in earthwork construction and mine exploitation,such as in architecture,road engineering,water conservancy,port building,national defense project,undergroundBa

3、ckhoe Equipment of Hydraulic Excavator is one important device to perform many functions.The working performance and reliability of the whole machine is influenced by the rationality of its structure.Firstly，this paper,which is based on the structural features of hydraulic backhoe excavator、working

4、principle and the analysis of typical conditions,summed up the excavator working equipment performance requirements and design principles.Secondly,selected the program and conduct the kinematic analysis of all the major components of working equipment，and determined the distance between the hinge po

5、ints，and then used the CAD software to draw the link eodel；Thirdly，drew two-dimensional drawings of the work equipments；Finally,according to the drawings specific dimensions,check the main components of working device.Key words：hydraulic excavator；working equipment；kinematic analysis；structural desi

6、gn 目录 第一章 绪 论.1 1.1 课题的研究背景.1 1.2 挖掘机械发展概况.1 1.3 本设计的主要内容.4 第二章 总体设计方案.5 2.1 小型挖掘机工作装置简介.5 2.2 工作装置设计方案原则.6 第三章 挖掘机的工作装置设计.7 3.1 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式.7 3.1.1 确定动臂的结构形式.7 3.1.2 确定斗杆的结构形式.7 3.1.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构.8 3.2 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置.10 3.2.1 动臂油缸的布置.10 3.2.2 斗杆油缸的布置.11 3.2.3 铲斗油缸的布置.11 3.3 动臂、斗杆、铲斗机构参数

7、的选择.12 3.3.1 反铲装置总体方案的选择.12 3.3.2 尺寸估计.14 3.3.3 机构自身几何参数.15 3.3.4 斗形参数的选择.16 3.3.5 动臂机构参数的选择.19 3.3.6 斗杆机构参数的选择.23 第四章 工作装置的强度校核计算.26 4.1 斗杆力学分析.26 4.1.1 位置的计算.26 4.1.2 位置的计算.29 4.1.3 斗杆强度校核.31 4.2 动臂力学分析.35 第五章 挖掘机工作装置基于 Pro-E 的建模.38 第六章 结论.40 致 谢.41 参考文献.42 -1-第一章 绪 论 1.1 课题的研究背景 挖掘机械是工程机械的一种主要类型，

8、是土石方开挖的主要机械设备。各种类型的挖掘机已广泛应用在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程，农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等的机械化施工中。据统计，工程施工中约有60%以上的土石方量，由挖掘机来完成。为节省劳动力、减轻繁重体力劳动，提高劳动生产率、加快建设速度，保证工程质量和降低成本，采用机械化施工是一项有利措施。它对促进国民经济的高速发展有很大的作用。挖掘机械在工程机械发展中占有很大比重和重要地位，据统计约占工程机械总产的 25%50%，是重点发展的机械品种之一。尤其是中小型、通用的单斗挖掘机不仅可用于土石方的挖掘工作，而且通过工作装置的更换，还可用于起重、装载、抓取、打桩、钻孔等

9、多种作业。通用型挖掘机占挖掘机总数的 90%以上，它在各种工程施工中广泛使用，己成为不可缺少的重要机械设备。1.2 挖掘机械发展概况 工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量 3.5-40m单斗液压挖掘机的主要生产国，从20 世纪 80 年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量 50-150m剥离用挖掘机，斗容量 132m的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯-伊利）公司生产的斗容量 168.2m的步行式拉铲挖掘机，斗容量 107m的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。(1)国外挖掘机的发展趋势 从 20 世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大

10、型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在 0.25m以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01m。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-2-铲等，以满足各种施工的需要。迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控

11、、电子计算机综合程序控制 重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度，提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。更新设计理论。提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。进一步改进液压

12、系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20 世纪 80 年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志。(2)国内研究情况及发展动态 早在 1954年我国就已开始生产机械式挖掘机,当时的抚顺重型机器厂(抚顺挖掘机厂前身)引进前苏联的机械式挖掘机W10012和W5012等国际 20 世纪3040年代的产品。由于国家经济建设的需要,后

13、又发展 H10余家厂生产,到 1966年 12 年全国共生产了机械式挖掘机 3000余台,后又延续生产到八十年代初。在 80 年代初引进德国系列液压挖掘机制造技术（例如有德国 Liebherr公司、Demag公司和 O&P公司），浙江大学的冯培恩教授开始率先着手研究挖掘机机电一体化技术，首先实现挖掘机器人作业过程的分级规划和局部自主控制。但是他们在任务规划层面上只停留在仿真阶段，还没有提出显著的实现方案。20 世纪 90 年代初国内几家新进入挖掘机待业的企业以“技贸结合，合作生产”的方式联合引进日本小松制作所的 PC 系列挖掘机制造技术，由于 中国建设事业 -3-的发展，市场的扩大，随后不久在

14、挖掘机生产领域出现了一个外资企业进入中国的浪潮。从 1994、1995年开始，世界各工业发达国家的著名挖掘机制造企业先后在中国建立众多的中外合资或外商独资 挖掘机制造企业，生产世界一流水平的多种型号的挖掘机产品。截止至 2001年年底，包括国有企业在内，中国境内生产液压挖掘机的企业总数达 20 个左右，共生产挖掘机整机质量从 1.3-45t，100余个不同型号和规格的产品。2000年全国生产各种型号、规格的液压挖掘机 8111台，共销售 7926台，其中包括出口 119台。2001年全生产 12569台，销售 12397台，其中包括出口 468台。面对目前这种发展状况，国产挖掘机如何才能走出夹

15、缝中求生存的困境?国产挖掘机究竟路在何方?业内人士认为，现在国内挖掘机生产企业真正缺乏的不是钱，面是技术以及为谋求技术进步所需要的耐心和决心。针对国产挖掘机机能质量，作业效率与可靠性均低的现状，国内企业首先需要从组织结构调整入手，在国内联合组建新一代国产液压挖掘机企业集团，建立强有力的技术研发中心，从日本、德国等国家引进必要的先进软硬件，以确保国产挖掘机拥有优良的质量和性能，从而打开国产挖掘机的市场，进而促进国产挖掘机的大批量生产。在此基础上，还要考虑以下几点：国内挖掘机生产要不断研究市场需求、开发新品和变型产品，以适应市场需要。前几年大量投入使用的高速公路等基础设施，越来越多地进入维修保养期

16、，城市建设也从“大拆大建”逐渐向“精雕细刻”转变，小型化的土方工程施工越来越多，因此小型挖掘机的需求量增加较快。关注国内市场的同时，生产商还应 挖掘机生产企业既要树立为用户服务的思想，也要具备相应的能力和条件，不断学习国外的先进管理理念和手段，提升自身的服务水平和竞争能力，切实满足挖掘机用户的施工需求。这就要求挖掘机业务人员既精通业务知识，又要成为挖掘机用户的好参谋；挖掘机服务人员不仅要为用户服务好，同时还要协助客户（尤其是那些缺乏经验的客户）做好设备管理、现场调度、安全检查等工作；挖掘机出现故障要在最短的时间内修复，从而实现挖掘机企业与用户在利益上的双赢。国内挖掘机生产商要不断研究市场需求、

17、开发新品和变型产品。开发新一代液压挖掘机的变型产品（如焊接车、高原型等），针对市场和用户的个性化要求，及时开发出国内外用户所需要的各种机型和专用工作机具，扩大产品品种和数量，涉足一直靠国外进口的大型液压挖掘机的市场，培育和培植市场增长点。与此同时，和产商还树立用户服务意识和品牌意识，提高服务质量，争取企业与用户双赢。只有这样，挖掘机生产企业才有可能把已经失去的市场份额逐渐夺回来。湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-4-1.3 本设计的主要内容 本次所设计的挖掘机为 150型单斗液压挖掘机。主要内容是工作装置的设计。总体设计的优劣决定了其它零部件设计的质量，也决定了整机的性能。合理的、全面的总体

18、设计是整个设计任务顺利完成的保证。因此，对整体设计必须从一个更高的层次出发，对整体设计必须提出更高的要求。总体设计主要是对小型液压挖掘机进行深入地分析，并提出切实可行的方案，对整体参数、整体布局、整体结构、整机系统及其主要零部件进行设计计算，最后再将其建模装配。工作装置的设计必须考虑全面，比如外形尺寸、形状、铰点布置、工作过程中不能相互干涉、强度、刚度合理等等。此次工作装置主要采用反铲装置，动臂部分主要采用整体式弯动臂，这样有利于得到较大的挖掘深度。斗杆部分主要采用整体式直动斗杆。本文完成的主要工作有：（1）建立了液压挖掘机工作装置的数学模型；（2）针对工作装置的计算工况，建立了相关的力学模型

19、；（3）确定了液压挖掘机的设计方案，完成了主要参数的设计计算；（4）对工作装置的铰点和关键部位进行力学分析和计算；（5）对工作装置的相关部件进行校核计算；（6）对工作装置进行三维建模。-5-第二章 总体设计方案 2.1 小型挖掘机工作装置简介 反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置，如图 21 所示。图 2.1工作装置简图 液压反铲工作装置一般由动臂 1、动臂液压缸 2、斗杆液压缸 3、斗杆 4、铲斗液压缸 5、铲斗 6、连杆 7 和摇杆 8 等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。动臂 1的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸 2

20、来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。斗杆 4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由斗杆液压缸 3控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。铲斗 6则铰接于斗杆 4的末端，通过铲斗液压缸 5的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆 7 和摇杆 8）与铲斗连接。液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲液压挖掘机的工作过程为，先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸

21、载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作装置开始下一次作业循环。动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-6-行程，但挖掘力小一些。铲斗挖掘的行程较短，为使在铲斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由铲斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中，熟练的液压挖掘机人员可根据实际情况，合理操纵各个液压缸，往往是各液压缸联合 工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，

22、则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。2.2 工作装置设计方案原则 设计合理的工作装置应能满足下列要求：主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结构碰撞限制等的可能性。整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并具有一定的先进性。功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短。确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重。作业条件复杂，使用情

23、况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便。运输或停放时工作装置应有合理的姿态，使运输尺寸小，行驶稳定性好，保证安全可靠，并尽可能使液压缸卸载或减载。工作装置液压缸设计应考虑三化。采用系列参数，尽可能减少液压缸零件种类，尤其是易损件的种类。工作装置的结构型式和布置便于装拆和维修，尤其是易损件的更换。要采取合理措施来满足特殊使用要求。-7-第三章 挖掘机的工作装置设计 3.1 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式 3.1.1 确定动臂的结构形式 动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往决定于动臂的结构形式

24、。反铲动臂分为整体式和组合式两类。直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意，有时采用三节变动臂有利于降低弯曲处的应力集中。整体式变动臂结构简单、价廉，风度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。为了扩大机械通用性，提高其利用率。往往需要配备几套完全不通用的工作装置。一般来说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。组合式动臂与整体式动臂

25、相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。组合式动臂的主要优点是：工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用螺栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级调节。较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的统一化问题。因此其替换工作装置较多，替换也方便。一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换。装车运输比较方便。由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用。尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂较为合适。本次设计作业条件比较单一，所以选用整体式弯动臂。3.1.2确定斗杆的结构形式 斗杆

26、也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-8-节斗杆长度或杠杆时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置 2 4 个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。有些反铲采用组合式斗杆。本次设计采用整体式斗杆。3.1.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构（1).确定铲斗的结构形式 铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响比较大。铲斗的作业对象繁多，作业条件也不同，用一个铲斗来适应任何作业对象和条件比较困难。为了满足各种特定情况，尽可能提高作业效率，通用反铲装置常配有几种甚至十多种斗容量不同，结构形式各异的铲斗。目前，对铲斗结构形式的研究还处于

27、现场试验、实验室试验或模型试验阶段，未建立起比较系统的理论。例如有人曾将两只 0.6m3容量而斗型不同的反铲斗装在 RH6液压挖掘机上进行对比试验，结果如表 3 1 所示。由于砂的挖掘阻力较小，对铲斗设计的合理性反映不灵敏，所以这两种铲斗的试验结果差别不大。而对页岩作业效果就大不一样，其中一个铲斗的切削前缘中间略微凸出，不带侧齿，侧臂略呈凹形，这些因素使页岩挖掘阻力降低。另一个铲斗的情况则相反。表 3-1 反铲斗对比实验结果 作业条件 铲斗 编号 铲斗充满时间（s）生产率（10KN/h）效率（%）在页岩中 作 业 铲斗 1 铲斗 2 19.05 40.6 42.6 22.68 100 53.3

28、 在砂中 作 业 铲斗 1 铲斗 2 5.9 6.3 163.5 152.7 100 93.3 对各种铲斗结构形状的共同要求是：有利于物料的自由流动，因此铲斗内臂不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底 的纵向剖面形状要适合各种物料的运动规律。要使物料易于卸净。用于粘土的铲斗卸载时不易卸净，因此延长了作业循环时间，降低了有效斗容量。国外采用设有强制卸土的粘土铲斗。为了使装进铲斗的物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗粒直径之比应大于4：-9-1。当此比值大于 50：1 时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物料为匀质。装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便切入或破碎阻力较大有物料。挖硬土或碎石时还能把石块

29、从土壤中耙出。斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。（2)确定斗齿安装方式 目前，国产挖掘机斗齿安装方式主要有两类，斗容量 q 0.6m3时多采用螺栓连接（图 3.1a），斗容量 q 0.6m3时时多采用橡胶卡销结构（图 3.1b）。本次设计斗容量为 0.55 m3挖掘机，所以斗齿安装方式为螺栓连接.3.1.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 图 3.1a 螺栓连接结构斗齿 图 3.1b橡胶卡销结构斗齿 图 3.2 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-10-铲斗与铲斗液压缸连接有三种型式（图 3.2），其区别主要在

30、于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同，图 3.2a为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。图 3.2b中铲斗液压缸通过摇杆 1 和连杆 2 与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构。图 3.2d和图 3.2b类似，区别在于前者液压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。图 3.2c的机构传动比与 b 差不多，但铲斗摆角位置顺时针方向转动了一个角度。六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。六连杆方式 b和 d在液压缸行程相同时，后者能得到更大的铲斗转角。但其铲斗挖掘力的平均值较小。本设计中选用图3.2b的连接方式。3.2 确定动臂、斗杆、铲斗油缸

31、的铰点布置 反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的情况下，工作装置各铰点在布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。3.2.1 动臂油缸的布置 动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式。油缸前倾布置方案，如图 34 所示，动臂油缸与动臂铰接于 E 点。当动臂 油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。油缸后倾布置方案，如图 3.4所示，当动臂油缸全伸出，将动臂举升到上极限位置时，动臂油缸轴线向后方倾斜。图 3.3油缸前倾布置方案 图 3.

32、4 油缸后倾布置方案 -11-当两方案的动臂油缸安装尺寸 DE、铲斗最大挖掘高度 H和地面最大挖掘半径 R相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即2h1h。此外，在后倾方案中，动臂 EF 部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。以上为动臂油缸后倾方案的缺点。然而，后倾方案动臂下铰点 C与动臂油缸下铰点 D的距离 CD 比前倾方案的大，则动臂在上下两极位置时，动臂油缸的作用力臂 Cp 也较大。因此，在动臂油缸作用力相同时，后倾方案得到较大的动臂作用力矩，这是其优点。为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘机将长动臂 CEF改换成短动臂CEF（图 3.4），并配以长斗杆。在最大深度处挖

33、掘时，采用铲斗挖掘而不是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为2h2h。显然，不论是动臂油缸前倾还是后倾方案，当 C、D两铰点位置和CE 长度均不变时，通过加大动臂油缸长度可以增大动臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘测试。所以，在布置油缸时，应综合考虑动臂的结构、工作装置的作业尺寸及动臂举升力的挖掘力等因素。本设计选用动臂油缸前倾布置方案。3.2.2 斗杆油缸的布置 确定斗杆油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。油缸全伸时的力矩应该足以支承满载铲斗和斗杆静止不动。

34、油缸力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘范围。保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取 100130。在斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于10cm。一般来说，斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。铰点位置的确定需要反复进行。在计算中初定铰点位置，如不够合理，应进行适当修改 3.2.3铲斗油缸的布置 确定铲斗油缸铰点应考虑以下因素。保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在铲斗油缸全行程中产生的湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-12-斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘力应能使满载铲斗静止不动

35、保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取 140160，在特殊作业时可以大于 180。当铲斗油缸全缩时，铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于 10,常取 1525，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。铲斗从位置到位置时（图 3.5），铲斗油缸作用力臂最大，这里能得到斗齿最大切削角度的 1/2左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿挖掘力也最大。实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下，特别是进行复合动作挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于100，而且铲斗也不一定都在初始位置开始挖掘。因此，目前一般取位置至位置的转角为 3050，在这个角度范围内可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好地适

36、应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力。3.3 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择 3.3.1 反铲装置总体方案的选择 反铲方案选择的主要依据是根据设计任务书规定的使用要求决定工作装置是通用或是专用的。以反铲为主的通用装置应保证反铲使用要求，并照顾到其它装置的性能。专用装置应根据作业条件决定结构方案，在满足主要作业条件要求的同时照顾其它条件下的性能。反铲装置总体方案的选择包括以下方面：动臂及动臂液压缸的布置 确定用组合式或整体式动臂，以及组合式动臂的组合方式或整体式动臂的形状。确定动臂液压缸的布置为悬挂式或是下置式。图 3.5 铲斗转角范围 -13-前面已确定采用整体式动臂，动

37、臂液压缸的布置为下置式。斗杆及斗杆液压缸的布置 确定用整体式或组合式斗杆，以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗杆是否采用变铰点调节。前面已确定采用整体式斗杆，不采用变铰点调节。确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数1K=21ll。对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度比可在很大范围内选择。一般当1K2 时，（有反铲取1K3）称为长动臂短斗杆方案，当1K1.5时属于短动臂长斗杆方案。1K在 1.52 之间称为中间比例方案。要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例方案。相反，当用配套替换构件或可调连接适应不同作业条件时，不同的配置或铰点连接情况可组成各种比例方案。在使用条件单一

38、，作业对象明确的条件下采用整体式动臂和斗杆固定铰接，1K值由作业条件确定。从作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下，1K愈大作业范围愈窄，从挖掘方式看1K大宜用于斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而1K值小宜用于以转斗挖掘为主。本设计采用中间比例方案,取1K1.8。确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数，并考虑铲斗连杆机构传动比是否需要调节。根据液压缸系统压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件和三化要求等确定各液压缸缸数、缸径、全伸长度与全缩长度之比。考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动幅度等因素一般取11.61.7，个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取11.75，而取21

39、.61.7，31.61.7。本设计取1231.6。湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-14-3.3.2 尺寸估计 参照单斗液压挖掘估算整机各部分尺寸和150 型单斗液压挖掘机。根椐经验公式求尺寸参数。线尺寸参数：3GkLlii(m)liK为线向尺寸经验系数，G 为整机质量。1)转台离地高：mLF964.0144.03 2)底架离地高：mLg337.01414.03 3)臂铰离地高：mLH518.11463.03 4)臂铰离回转中心:mLx361.01415.03 5)臂铰与液压缸铰距:mLe723.0143.03 6)臂铰与液压缸倾角：040050 7)缸铰离地高度：mSinLLHeH007.

40、1450 8)臂长：标准臂尺寸系数推荐值8.11lK,范围 1.71.9 标准臂mGkLli334.4148.1331 9)斗杆：推荐系数8.02lK 推荐：mGkLl928.1148.03322 10)铲斗：推荐系数5.03lK,mL205.1145.033 11)动臂转角：050040 12)斗杆转角：0500160 13)铲斗转角：0500180 14)最大挖掘半经：系数35.3fk,mR390.8 -15-15)最大挖掘深度：系数05.2zk，mH030.5max1 16)最大挖掘高度：系数25.2Hk,mH560.8max2 17)最大卸载高度：系数55.1Qk,mH235.6max

41、3 3.3.3 机构自身几何参数 机构自身几何参数有三类，第一类是决定机构运动特性的必要参数，称原始参数，本次设计主要选择长度参数作为原始参数；第二类是由第一类参数推算出来的参数，称推导参数，多为运算中需要的角度参数；第三类是方案分析比较所需要的其它特性参数。反铲机构自身几何参数的计算图及有关符号如图3.5所示。反铲机构各部分原始参数、推导参数和部分特性参数见表3-2所示。表 3-2 反铲机构自身几何参数表 参数类型 铲斗 斗杆 动臂 机体 原始参数 3l=QV,12l=MH 13l=MN,14l=HN 24l=QK,25l=KV 2l=FQ,9l=EF 10l=FG,11l=EG 15l=G

42、N,16l=FN 1l=CF,6l=CD 7l=CB,8l=DF 22l=BF,41l=ZC 4l=CP,5l=CA 17l=CI,19l=CT 30l=CS,38l=JT 图 3.6 反铲机构自身几何参数的计算图 湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-16-29l=KH 21l=NQ 42l=ZF 39l=JI 推导参数 9NMH 10KQV 4EFG 5GNF 6GFN 7NQF 8NFQ 2BCF 3DFC 11CAP 12TCP 特性参数 1K=324ll 2K=92ll 3K=4142ll,1CZF 11 K1=21ll 备注 2l斗杆长 1l动臂长 1动臂弯角 悬挂式 11ACU 3

43、.3.4 斗形参数的选择（1)铲斗主要参数的选择 斗容量q、平均斗宽B，转斗挖掘半径dR和转斗挖掘装满转角2（这里令max）是铲斗的四个主要参数。R、B及2三者与q之间有以下几何关系（图3.7）。图 3.7 铲斗简图 -17-SdKBRq)2sin2(212 (3.1)其中：q=0.553m(已知)，铲斗斗容量；dR铲斗挖掘半径，单位 m；B铲斗斗宽，根据反铲斗平均斗宽统计值和推荐范围，查表 3 3，取B0.90m；2 铲斗挖掘装满转角，一般取290100，取21001.744rad sK土壤松散系数，取sK=1.25 把q、B、2、sK代入式(3.1)得：0.550.52dR0.90（1.7

44、44sin100）1.25 解得：dR1.135m 表 3 3 反铲斗平均斗宽统计值和推荐范围 类别 B（m）q(3m)0.1 0.2 0.4 0.5 0.6 欧美 120 种 0.4 0.52 0.78 0.88 0.94 日本 50 种 0.3 0.5 0.85 1 1.06 苏联 6 种 0.70 0.78 0.84 中国 12 种 0.50 0.75 0.8 0.9 0.91 铲斗上两个铰点 K 与 Q 的间距24l（图 3.9）太大将影响铲斗传动特性，太 湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-18-小则影响铲斗结构刚度，一般取特性2k=324ll=0.30.38,取2k0.34324l

45、l，dR=3l=1.135m,得 出24l=0.386m。当 转 角 较 大 时2k取 较 小 值，一 般 取KQV10=95115，取KQV=105。（2)初选斗齿的几何形状 铲斗及切削时的主要参数，如图 3.9所示，图中铲斗容量 q、长度 L、宽度 B、高度 H、切削角、刃角和后角等参数的选择都对挖掘比阻力有直接影响。斗齿在铲斗上的布置（齿宽和齿距）也是一个重要参数。为使斗侧壁不参与切削，铲斗应装有侧齿。一般齿宽b0.11q=0.082m;齿长l0.26q0.193m;齿距为：a=(2.53.5)b=(0.2050.287)m,取a=0.21m 斗前臂与切削面的间隙取f=0.7b=0.05

46、74m 又由于铲斗宽度 B=0.90m,齿宽与齿距之和为 0.082+0.123=0.205m aB=5.0 因此铲斗装有 5 个齿。另外齿尖应保持锐利，否则挖掘阻力将急剧增加。新铸（或锻）的齿只有 一个小的圆弧尖连续工作后，齿尖将逐渐磨损，并变钝。通常，挖掘 图 3.8 铲斗示意图 -19-级土壤，齿尖显著磨钝后，挖掘阻力将增加 50100%。因此，为避免这种超载挖掘，应及时更换或在齿刃口上堆焊硬质合金层。斗齿做成楔入式或组合式，以便快速更换和修补。切削角对切削阻力影响也很大。通常，挖级土时，斗切削角为2035（较大值适用于硬土，小值适用于一般土），常用切削角为30，本次设计取30，后角不应

47、小于 5，刃角取 25。图 3.9 斗齿参数图 3.3.5 动臂机构参数的选择 根据说明书知：铲斗容量q0.55m3 最大挖掘半径R1=8390mm；最大挖掘深度Hmax1=5030mm；最大卸载高度Hmax36235mm；据统计，最大挖掘半径R1值一般与l1+l2+l3的和很接近。因此由已知的R1，3l和1K可按下列经验公式初选l1、l2：l21311KLR （3.2）l1=Kl2 湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-20-其中：R1=8390mm,3l=1.135m；1K一般取 1.1至 1.8，此处为加长斗杆方案，取 1.8。经计算得出：l2=2.591；l1=1Kl2=1.82.591

48、=4.664m 在三角形 CZF中，1、l1和3K都可以根据经验初选出：其中：1动臂的弯角，采用弯角能增加挖掘深度，但降低了卸载高度，但太小对结构的强度不利，一般取 120140，取1140；l1前面已算出为4.815m；3K动臂转折处的长度比CZZF，一般根据结构和液压缸铰点 B 的位置来考虑，初步设计取3K1.11.3，取3K1.2；因此根据公式及图 3.10：可以算出41l、42l、39 ll4113231cos21KKl l42K3 l41 （3.3）39=UFCarccos(142241212422lllll)经计算得出：ZC=41l=2.255m；ZF=42l=2.706m；图 3

49、.10 动臂示意图 -21-39=22.5 动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比4K按不同情况选取，专用反铲可取4K0.8；以反铲为主的通用机，4K0.81.1；斗容量0.55m3左右的通用机，则可取4K1。本设计中取4K1。11的取值对特性参数4K、最大挖掘深度Hmax1和最大挖高度Hmax2有影响。加大11会增大Hmax1，缩小Hmax2。基本用作反铲的小型机取1160。本设计中取1170。斗杆液压缸全缩时CFQ=832最大（图 3.11），常选（832）max=160180。本设计中取（832）max170。BCZ取决于液压缸布置形式，动臂液压缸结构中这一夹角较小，可能为零。动臂单液压缸在动臂

50、上的铰点一般置于动臂下翼耳座上，B 在 Z 的下面。初定BCZ5，根据已知ZCF22.5，解得BCF17.5 由图 3-12得最大卸载高度的表达式为 ）211max11115Amax3sin(sinYHll+图 3.11 最大卸载高度时动臂计算简图 湖南科技大学本科生毕业设计（论文)-22-32118max1max322)180sin(ll （3.4）由图 3.13得最大挖掘深度绝对值的表达式为 AYllllH1152min111123max1sin)sin(（3.5）将这两式相加，消去5l，并令A112，BA+8-max32，得到：Hmax1Hmax3l1)sin(max1A-sin(min