挖掘机工作装置设计

挖掘机工作装置结构 挖掘机工作装置设计 目录 11绪论 11.1课题背景及目的 11.2国内外研究状况 21.3 课题研究 21.4 论文构成及研究内容 32总体设计 32.1 工作装置构成 52.2 动臂及斗杆的结构形式 52.3 动臂油缸与铲斗油缸的布置 62. 4 铲斗与铲斗油缸的连接方式 62.5 铲斗的结构选择 72.6 原始几何参数的确定 93 工作装置运动学分析 93.1 动臂运动分析 103.2 斗杆的运动分析 113. 3 铲斗的运动分析 153.4 特殊工作位置计算： 194基本尺寸的确定 194.1 斗形参数的确定 194.2 动臂机构参数的选择 194.2.1 α1与A点坐标的选取 204.2.2 l1与l2的选择 204.2.3 l41与l42的计算 204.2.4 l5的计算 224.3 动臂机构基本参数的校核 224.3.1 动臂机构闭锁力的校核 244.3.2 满斗处于最大挖掘半径时动臂油缸提升力矩的校核 254.3.3 满斗处于最大高度时,动臂提升力矩的校核 264.4 斗杆机构基本参数的选择 274.5 铲斗机构基本参数的选择 274.5.1 转角范围 274.5.2 铲斗机构其它基本参数的计算 305工作装置结构设计 305.1斗杆的结构设计 305.1.1 斗杆的受力分析 405.1.2 结构尺寸的计算 425.2动臂结构设计 425.2.1第一工况位置 475.2.2 第二工况位置： 505.2.3内力图和弯矩图的求解: 565.3 铲斗的设计 565.3.1铲斗斗形尺寸的设计 575.3.2铲斗斗齿的结构计算： 575.3.3 铲斗的绘制： 596 销轴与衬套的设计 596.1 销轴的设计 596.2 销轴用螺栓的设计： 596.3 衬套的设计： 617 总结 62参考文献 63致谢 64附件一 开题报告 70附件二 外文翻译 挖掘机工作装置结构设计 1绪论 1.1课题背景及目的 挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业与民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等等行业的机械化施工中。据统计，一般中约有60%的土方量、露天矿山中80%的剥离量和采掘量是用挖掘机完成的。 随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖掘机的广泛应用，挖掘机市场有着广阔的发展空间，因此发展满足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的。而工作装置作为挖掘机的重要组成部分，对其研究和控制是对整机开发的基础。 反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是中型挖掘机的设计已经趋于成熟。而关于反铲式单斗液压挖掘机的相关文献也很多，这些文献从不同侧面对工作装置的设计进行了论述。而笔者的设计知识和水平还只是一个学步的孩子，进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设计有一些大体的认识，巩固所学的知识和提高设计能力。 1.2国内外研究状况 当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。我国己经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号[1]。 由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗液压挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能;应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性;电子计算机监测与控制，实现机电一体化;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，单斗液压挖掘机有以下的趋势: （1）向大型化发展的同时向微型化发展。 （2）更为普遍地采用节能技术。 （3）不断提高可靠性和使用寿命。 （4）工作装置结构不断改进，工作范围不断扩大。 （5）由内燃机驱动向电力驱动发展。 （6）液压系统不断改进，液压元件不断更新。 （7）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。 （8）增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。 （9）人机工程学在设计中的充分利用。 1.3 课题研究方法 本文作者对三一重工生产的SANY200C进行现场测绘，取得了工作装置的大体数据资料。再结济大学出版的《单斗液压挖掘机》，利用旋转矢量法和力学知识分别对单斗液压挖掘机的工作装置进行运动学分析和力学计算。根据运动学分析和力学计算的结果得到工作装置的基本尺寸和结构尺寸。然后用CAD软件进行二维和三维图的绘制。 1.4 论文构成及研究内容 本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、销轴、连杆机构组成挖掘机工作装置进行设计。具体内容包括以下五部分: (1) 挖机工作装置的总体设计。 (2) 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析。 (3) 工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证。 (4) 工作装置主要部件的结构设计。 (5) 销轴的设计及螺栓等标准件进行选型。 2总体方案设计 2.1 工作装置构成 1-斗杆油缸；2- 动臂； 3-油管； 4-动臂油缸； 5-铲斗； 6-斗齿； 7-侧板； 8-连杆； 9-曲柄： 10-铲斗油缸； 11-斗杆. 图2-1 工作装置组成图 图2-1为液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，如图所示反铲工作装置由铲斗5、连杆9、斗杆11、动臂2、相应的三组液压缸1, 4,10等组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。 挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环[2]。 在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。上述过程仅为一般的理想过程。 挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。根据以上特征，可以对工作装置进行适当简化处理[3]。则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，处理的具体简图如2-2所示。进一步简化得图如2-3所示。 图2-2 工作装置结构简图 1-铲斗；2-连杆；3-斗杆；4-动臂；5-铲斗油缸；6-斗杆油缸；7、动臂油缸 图2-3 工作装置结构简化图 挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、铲斗油缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定[2]。 2.2 动臂及斗杆的结构形式 动臂采用整体式弯动臂，这种结构形式在中型挖掘机中应用较为广泛。其结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻[3]，且有利于得到较大的挖掘深度。 斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式斗杆。 2.3 动臂油缸与铲斗油缸的布置 动臂油缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）设在转台回转中心之前并稍高于转台平面[3]，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影响动臂的下降幅度。并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双动臂在结构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足。具体结构如图2-4所示。 1-动臂； 2=动臂油缸 图2-4 动臂油缸铰接示意图 2. 4 铲斗与铲斗油缸的连接方式 本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。该布置中1杆与2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。如图2-5所示。 1-斗杆； 2-连杆机构； 3-铲斗 图2-5 铲斗连接布置示意图 2.5 铲斗的结构选择 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很大，其应满足以下的要求[1]： （1） 有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 （2） 要使物料易于卸尽。 （3） 为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应大于4，大于50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。 综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图2-6所示。 图2-6 铲斗 斗齿的安装连接采用橡胶卡销式，结构示意图如2-7所示。 1-卡销 ；2 –橡胶卡销；3 –齿座； 4–斗齿 图2-7 卡销式斗齿结构示意图 2.6 原始几何参数的确定 （1）动臂与斗杆的长度比K1 由于所设计的挖机适用性较强，一般不替换工作装置，故取中间比例方案，K1取在1.5～2.0之间，初步选取K1=1.8，即l1/l2=1.8。 （2） 铲斗斗容与主参数的选择 斗容在任务书中已经给出：q =0.9 m3 按经验公式和比拟法初选：l3=1600mm （3） 工作装置液压系统主参数的初步选择 各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化“要求。初选动臂油缸内径D1=140mm，活塞杆的直径d1=90mm。斗杆油缸的内径D2=140mm，活塞杆的直径d2=90mm。铲斗油缸的内径D3=110mm，活塞杆的直径d3=80mm。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程L1=1000mm，斗杆油缸行程L2=1500mm，铲斗油缸行程L3=1300mm。并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比：λ1=λ2=λ3=1.6。参照任务书的要求选择工作装置液压系统的工作压力P=31.4MPa，闭锁压力Pg=34.3MPa。 3 工作装置运动学分析 3.1 动臂运动分析 动臂油缸的最短长度； 动臂油缸的伸出的最大长度； A：动臂油缸的下铰点；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点. 图3-1 动臂摆角范围计算简图 φ1是L1的函数。动臂上任意一点在任一时刻也都是L1的函数。如图3-1所示，图中 动臂油缸的最短长度； 动臂油缸的伸出的最大长度； 动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值； 动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最大值；A：动臂油缸的下铰点；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点。 则有： 在三角形ABC中： L12 = l72+l52-2×COSθ1×l7×l5 θ1 = COS-1[（l72+l52- L12）/2×l7×l5] (3-1) 在三角形BCF中： l222 = l72+l12-2×COSα20×l7×l1 α20 = COS-1[（l72+ l12- l222）/2×l7×l1] (3-2) 由图3-3所示的几何关系，可得到α21的表达式： α21 =α20+α11-θ1 (3-3) 当F点在水平线CU之下时α21为负，否则为正。 F点的坐标为 XF = l30+l1×cosα21 YF = l30+l1×Sinα21 (3-4) C点的坐标为 XC = XA+l5×COSα11 = l30 YC = YA+l5×Sinα11 (3-5) 动臂油缸的力臂e1 e1 = l5×Sin∠CAB (3-6) 显然动臂油缸的最大作用力臂e1max= l5，又令ρ = l1min/ l5,δ = l7/ l5。这时 L1 = Sqr（l72-l52）= l5 × Sqr（δ2-1） θ1 = cos-11/δ (3-7) 3.2 斗杆的运动分析 如下图3-2所示，D点为斗杆油缸与动臂的铰点点，F点为动臂与斗杆的铰点，E点为斗杆油缸与斗杆的铰点。斗杆的位置参数是l2，这里只讨论斗杆相对于动臂的运动，即只考虑L2的影响。 D-斗杆油缸与动臂的铰点点； F-动臂与斗杆的铰点； E-斗杆油缸与斗杆的铰点； θ斗杆摆角. 图3-2 斗杆机构摆角计算简图 在三角形DEF中 L22 = l82+ l92-2×COSθ2×l8×l9 θ2 = COS-1[（L22- l82-l92）/2×l8×l9] (3-8) 由上图的几何关系知 φ2max =θ2 max-θ2min (3-9) 则斗杆的作用力臂 e2 =l9Sin∠DEF (3-10) 显然斗杆的最大作用力臂e2max = l9，此时θ2 = COS-1（l9/l8），L2 = sqr（l82-l92） 3. 3 铲斗的运动分析 铲斗相对于XOY坐标系的运动是L1、L2、L3的函数，现讨论铲斗相对于斗杆的运动，如图3-5所示，G点为铲斗油缸与斗杆的铰点，F点为斗杆与动臂的铰点Q点为铲斗与斗杆的铰点，v点为铲斗的斗齿尖点，K点为连杆与铲斗的饺点，N点为曲柄与斗杆的铰点，M点为铲斗油缸与曲柄的铰点，H点为曲柄与连杆的铰点[1]。 （1） 铲斗连杆机构传动比i 利用图3-3，可以知道求得以下的参数： 在三角形HGN中 α22 = ∠HNG = COS-1[（l152+l142-L32）/2×l15×l14] α30 = ∠HGN = COS-1[（L32+ l152- l142）/2×L3×l14] α32 = ∠GMN = π - ∠MNG - ∠MGN =π -α22-α30 (3-11) 在三角形HNQ中 l 272 = l142 + l212 + 2×COSα23×l14×l21 ∠HNQ = COS-1[（l212+l142- l272）/2×l21×l14] (3-12) 在三角形QHK中 α27 = ∠QHK= COS-1[（l292+l272-L242）/2×l29×l27] (3-13) 在四边形KHQN中 ∠NHK=∠NHQ+∠QHK (3-14) 铲斗油缸对N点的作用力臂r1 r1 = l13×Sinα32 (3-15) 连杆HK对N点的作用力臂r2 r2 = l13×Sin ∠NHK (3-16) 而由r3 = l24，r4 = l3 有[3] 连杆机构的总传动比 i = （r1×r3）/（r2×r4） (3-17) 显然3-17式中可知，i是铲斗油缸长度L3的函数，用L3min代入可得初传动比i0，L3max代入可得终传动比iz。 （2） 铲斗相对于斗杆的摆角φ3 铲斗的瞬时位置转角为 φ3 =α7+α24+α26+α10 (3-18) 其中，在三角形NFQ中 α7 = ∠NQF= COS-1[（l212+l22- l162）/2×l21×l2] (3-19) α10暂时未定，其在后面的设计中可以得到。 当铲斗油缸长度L3分别取L3max和L3min时，可分别求得铲斗的最大和最小转角θ3max和θ3min，于是得铲斗的瞬间转角:φ3 = θ3-θ3min (3-20) 铲斗的摆角范围: φ3 = θ3max-θ3min (3-21) 图3-3 铲斗连杆机构传动比计算简图 （3） 斗齿尖运动分析 见图3-4所示，斗齿尖V点的坐标值XV和YV，是L1 、L2、L3的函数只要推导出XV和YV的函数表达式，那么整机作业范围就可以确定，现推导如下: 由F点知： α32= ∠CFQ= π –α3-α4-α6-θ2 (3-22) 在三角形CDF中：∠DCF由后面的设计确定，在∠DCF确定后则有： l82 = l62 + l12 - 2×COS∠DCF×l1×l6 (3-23) l62 = l82 + l12 - 2×COSα3×l1×l8 α3 = COS-1（l82+l12–l62）/2×l1×l8 (3-24) 在三角形DEF中 L22 = l82 + l92 - 2×COSθ2×l8×l9 图3-4 齿尖坐标方程推导简图1 则可以得斗杆瞬间转角θ2 θ2 = COS-1[（l82+l92- L22）/2×l8×l9] (3-25) α4、α6在设计中确定。 由三角形CFN知： l28 = Sqr（l162 + l12 - 2×COSα32×l16×l1） (3-26) 由三角形CFQ知： l23 = Sqr（l22 + l12 - 2×COSα32×l2×l1） (3-27) 由Q点知： α35= ∠CQV= 2π–α33-α24-α10 (3-28) 在三角形CFQ中： l12 = l232 + l32 - 2×COSα33×l23×l3 α33 = COS-1[（l232+l32- l12）/2×l23×l3] (3-29) 在三角形NHQ中： l132 = l272 + l212 - 2×COSα24×l27×l21 α24 =∠NQH=COS-1[l272+l212 -l132）/2×l27×l21] (3-30) 在三角形HKQ中： l292 = l272 + l242 - 2×COSα26×l27×l24 α26 =∠HQK=COS-1[l272+l242–l292）/2×l27×l24] (3-31) 在四边形HNQK： ∠NQH =α24 +α26 (3-32) α20 = ∠KQV，其在后面的设计中确定。 在列出以上的各线段的长度和角度之间的关系后，利用矢量坐标我们就可以得到各坐标点的值。 3.4 特殊工作位置计算： （1） 最大挖掘深度H1max NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖. 图3-5 最大挖掘深度计算简图 如图3-5示，当动臂全缩时，F, Q, U三点共线且处于垂直位置时，得最大挖掘深度为: H1max = YV = YFmin–l2–l3 = YC+l1Sinα21min–l2–l3 = YC+l1Sin（θ1-α20-α11）–l2–l3 (3-33) （2） 最大卸载高度H3max NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖图3-6 最大卸载高度计算简图 如图3-6所示，当斗杆油缸全缩，动臂油缸全伸时，QV连线处于垂直状态时，得最大卸载高度为: (3-34) （3） 水平面最大挖掘半径R1max NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖图3-7 停机面最大挖掘半径计算简图 如图3-7所示，当斗杆油缸全缩时，F. Q. V三点共线，且斗齿尖v和铰点C在同一水平线上，即YC= YV，得到最大挖掘半径R1max为: R1max=XC+L40 (3-35) 式中： L40 = Sqr[（L1+L2+L3）2-2×（L2+L3）×L1×COSα32max (3-36) （4） 最大挖掘半径R 最大挖掘半径时的工况是水平面最大挖掘半径工况下C、V连线绕C点转到水平面而成的。通过两者的几何关系，我们可计算得到：l 30 = 85mm ；l 40 = 9800mm。 （5） 最大挖掘高度H2max 最大挖掘高度工况是最大卸载高度工况中铲斗绕Q点旋转直到铲斗油缸全缩而形成的。具体分析方法和最大卸载高度工况的分析类似。 4基本尺寸的确定 4.1 斗形参数的确定 斗容量q ：在设计任务书中已给出q = 0.9 m3 平均斗宽B：其可以由经验公式和差分法选择，又由续表知[1]： 当q = 1.0 m3时， B = 1.16m 当q = 0.6 m3时， B = 0.91m 则当q = 0.9m3时， B = 0.91+（1.16-0.91）×0.3÷0.4 = 1.0975m 再参考其它机型的平均斗宽预初定B = 1.05m = 1050mm 挖掘半径R：按经验统计和参考同斗容的其它型号的机械，初选R = 1450mm 。 转斗挖掘满转角（2φ）： 在经验公式 q = 0.5 × R2B（2φ-Sin2φ）KS中，KS为土壤的松散系数，取值为1.25，将q = 0.9 m3和B = 1.05m代入上式有： 2φ-Sin2φ = 0.6522 φ = 47° 铲斗两个铰点K、Q之间的间距l24和l3的比值k2的选取： l24太大将影响机构的传动特性，太小则影响铲斗的结构刚度[3]，初选特性参数k2 = 0.29。 由于铲斗的转角较大，而k2的取值较小，故初选α10 = ∠KQV =105°。 4.2 动臂机构参数的选择 4.2.1 α1与A点坐标的选取 初选动臂转角α1 = 120 由经验统计和参考其它同斗容机型，初选特性参数k3 = 1.4 （k3 = L42/L41） 铰点A坐标的选择： 由底盘和转台结构，并结合同斗容其它机型的测绘，初选： XA = 450 mm ；YA = 1200mm 4.2.2 l1与l2的选择 由统计分析，最大挖掘半径R1值与l1+l2+l3的值很接近，由已给定的最大挖掘距离R1、已初步选定的l3和k1，结合经验公式有： l2 = （R -l3）/（1+ k1）= （9885-1600）/（1+1.8）= 2960mm 则l1 = k1l2 = 1.8 × 2960 = 5330mm 4.2.3 l41与l42的计算 如图4-1所示，在三角形CZF中： l42 = k3l41 = 1.4×2552 = 3574 mm α3 9= ∠ZFC = COS-1（l422+l12–l412）/2×l1×l42 = 24.5° 4.2.4 l5的计算 由经验和反铲工作装置对闭锁力的要求初取k4 = 0.4 α11的取值对特性参数k4、最大挖掘深度H1max和最大挖高H2max均有影响，增大α11会使k4减少或使H1max 增大，这符合反铲作业的要求，初选α11 = 62.5°。 斗杆油缸全缩时，∠ CFQ =α32 –α8最大，依经验统计和便于计算，初选（α32 –α8）max = 160° 。 由于采用双动臂油缸，∠BCZ的取值较小，初取∠BCZ = 5° 如上图4-1所示，在三角形CZF中： ∠ZCF= π-α1-α39 = 180°-120°-24.5° = 35.5° ∠BCF=α3=∠ZCF-∠ZCB =35.5°-5° = 30.5° 由3-34和3-35有 H3max = YC+l1Sin（θ1-α20-α11）–l2–l3 (4-1) = YA+ l5 Sinα11+l1Sin（θ1max-α2-α11）+l2 Sin（θ1max+α32 max -α11-α8-α2-180） –l3 H1max = l2+l3+l1Sin（α11-θ1min+α2）- l5 Sinα11- YA) (4-2) 由4-1、4-2式有： H1max + H3max = l1Sin（θ1max-α2-α11）+ l2 Sin（θ1max+α32 max -α11-α8-α2-180）+ l1Sin（α11-θ1min+α2）+ l2 (4-3) 令 A =α2+α11 = 30.5 + 62.5 = 93 B = A + （α32 –α8）max = 93 +（-160）=-67 将A、B的值代入4-3式中有 H1max + H3max - l1[Sin（θ1max-93）+ Sin（93 -θ1min）] + l2 Sin[（θ1max +67）+1]= 0 (4-4) 又特性参数k4 = Sinθ1max/ λ1Sinθ1min 则有 Sinθ1min = Sinθ1max/ λ1 k4 = Sinθ1max/0.65 (4-5) (4-6) 将4-5、4-6代入到4-4式中 6485+6630-5400×[Sin（θ1max-93）+ Sin（93 -θ1min）] + l2 [Sin（θ1max +67）] = 0 (4-7) 解之： θ1max = 160° θ1min = 45° 由4-2式有 H1max = l2+l3+l1Sin（α11-θ1min+α2）- l5 Sinα11- YA l5 = [l2+l3+l1Sin（α11-θ1min+α2）- YA - H1max ]/ Sinα11 = [1600+2960 +5330Sin（93°-45°）- 1200- 6630]/ Sin62.5° = 780mm 而θ1min与θ1max需要满足以下条件 θ1min = COS-1[（σ2+1-ρ2）/2σ] (4-8) θ1max = COS-1[（σ2+1-λ12ρ2）/2σ] (4-9) 将θ1max 、θ1min 的值代入4-8、4-9中得： ρ = 2.61 σ = 3.22 而ρ+ 1 = 2.61 + 1 = 3.61 〉σ (4-10) （1 + σ）/ρ = 4.22/2.61 = 1.62〉λ （λ= 1.6） (4-11) ρ、σ满足4-10、4-11两个经验条件，说明ρ、σ的取值是可行的。 则 l7 = σl5 = 3.22 × 780 = 2508mm (4-12) L1min =ρl5 = 2.61 × 780 =2035mm (4-13) L1max =λ1 L1min = 1.6×2035 = 3257mm (4-14) 至此，动臂机构的各主要基本参数已初步确定。 4.3 动臂机构基本参数的校核 4.3.1 动臂机构闭锁力的校核 正常的挖掘阻力 W1J ： (4-15) 在4-15式中，W1—— 切削阻力的切向分力；C——土壤的硬度系数，对不同的土壤条件取值不同，这里设挖机用于Ⅲ级土壤的挖掘，取值为3；R——铲斗与斗杆铰点到斗齿尖距离，即转斗切削半径其在前面已经初步确定，取值为1600mm；ψmax——某一挖掘位置时铲斗总转角的一半；ψ——某一挖掘位置处转斗的瞬时转角，在此处由于是求平均挖掘阻力，故初取ψmax =ψ = 52.5°；B——切削刃宽度影响系数，B = 1 + 2.6b = 1 + 2.6×1.05 = 3.7；A——切削角变化影响系数，取A = 1.3.；Z——带有斗齿的系数，取Z =0.75；X——斗侧壁厚影响系数，X = 1+0. 03S,其中S为侧壁厚度，由于是初步设计，故预取X = 1.15 ；D——切削刃挤压土壤的力，根据经验统计和斗容量的大小选取D = 1.35 × 104N。 将以上的数值代入到4-15式中可以解得： W1J = 0.53× 105 N。 由图3-7知，最大挖掘深度时的挖掘阻力力矩M1J： M1J = W1J（H1max + YC） = 0.53× 105×（6.63 +1.56）= 4.34× 105 N.m (4-16) 动臂油缸的闭锁力F1′ F1′ = P1×S1′ （S1′：动臂油缸小腔的作用面积） = 3.43×107×π×（702 – 452）×10-6 = 3.1×105 N 最大挖掘半径工作装置自身重力所产生的力矩MG ： 要求力矩，首先应该需要知道作用力和作用力臂。在此处，则是先要求出工作装置各部分的重量： 由经验统计，初步估计工作装置的各部分重量如下： 动臂G1 = 1320kg 斗杆G2 = 700kg 铲斗G3 = 700kg 斗杆缸G4 = 200kg 铲斗缸G5 = 115kg 连杆机构G6 = 130kg 动臂缸G7 = 350kg 当处于最大挖掘深度时： θ1 =θ1min = 45° α2 =θ1 +α21 -α11 =45°+47°–62.5°=30.5° 由图3-7有 MG ≈ （G1/2 +G2 +G3 +G4 +G5 +G6 ）l1COSą2 = （660+700 +700 +200 +115 +130+350 ）×5.33×COS ą2 = 0.134 ×105N.m (4-17) 动臂油缸的闭锁力与工作装置重力所产生的力矩（对C点的矩）： M3 = F1′×l7 × l5 Sinθ1min / l1min + MG = 2×3.1×105 ×2.508×0.78×Sin45/2.035 + 0.134×105 = 4.354×105 N.m ≈M1J = 4.34×105 N.m (4-18) 在4-18中说明动臂油缸的闭锁力与工作装置重力所产生的力矩略大于平均挖掘阻力，满足要求。 4.3.2 满斗处于最大挖掘半径时动臂油缸提升力矩的校核 NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖 图4-1 最大挖掘半径时工作装置结构简图 工作装置重量GG+D =G2 +G3 +G5 +G6 = 700 + 700 + 115 + 130 = 1645kg ≈ 1.8q×103 （q ：斗容） 按经验公式取土的重量： GT = 1.7q×103 = 1530kg 当处于最大挖掘半径时，工作装置简图如图4-1所示，则有： MZ = 10×｛G1+4 ×l1 /2 + GG+D（l1 + 0.7 l2）+ GT （l1 + l2 + l3 /2）｝ = 10×｛（1320+200）×2.665 + 1645×（5.33+0.7×2.96）+ 1530×（5.33+2.96-0.8）｝ = 2.77×105 N.m 动臂油缸的推力： F1 = P1 S1 = 3.14×107×π×702×10-6=4.83×105 N 在如图3-3所示，在三角形CAB中： ∠ACB =α2 +α11 +α21 =30.5+62.5+0 = 93 L1 e1 = AC×BC×Sin∠ACB (4-19) 即:2665×e1 = 780×2508×Sin93° e1 = 733 mm 则此时斗杆油缸提升力矩:MT = F1 e1= 31.4×106×π×(70)2×10-6×2×0.78 = 1.46×106 N.m ＞MZ (4-20) 故满足要求 4.3.3 满斗处于最大高度时,动臂提升力矩的校核 当斗杆在最大高度时的工况类似于图3-6，此时动臂油缸全伸，斗杆油缸全缩。 θ1 =θ1max =160° α32 =α32max = 160° α2 = 30.5° α21 =θ1-（α2 +α11） = 160°-（30.5° + 62.5°） = 67° α37 =α32 - （π-α21） =160°-（180°-67°） = 47° 则工作装置所受重力和土的重力所产生的载荷力矩MZ′： MZ′ = G1+4 H1 + GG+D（H1+l2COS39/2）+ GT （H1+l2COS39–l3/2） = （1320+200）×3.64 + （3.64+2.96×COS47°/2）×1645+ 1530×（3.64+2.96×COS47°-1.6/2） (4-21) = 1.85×105 N.m 此时对于动臂油缸而言： L1 = L1max = 3257 mm θ1 =θ1max = 160° 同4-19的计算可求得此时的动臂油缸的力臂e2 = 205 mm 此时动臂油缸的提升力矩MT可参考4-20求得：MT = 2.2×105 N.m ＞MZ′ 说明满足要求。 4.4 斗杆机构基本参数的选择 D：斗杆油缸的下铰点；E：铲斗油缸的上铰点； F动臂的上铰点；ψ2：斗杆的摆角；l9：斗杆油缸的最大作用力臂. 图4-2 斗杆机构基本参数计算简图 取整个斗杆为研究对象，可得斗杆油缸最大作用力臂的表达式： e2max = l9 = PGmax （l2 + l3 ）/ P2 = 100×103 ×（2960+1600）×10-3/31.4×π×(70)2×10-6 = 944 mm (4-22) 如图4-2所示图中，D：斗杆油缸的下铰点；E：铲斗油缸的上铰点；F动臂的上铰点；ψ2：斗杆的摆角；l8：斗杆油缸的最大作用力臂。斗杆油缸的初始位置力臂e20与最大力臂e2max有以下关系: e20/e2max = l9COS(ψ2max/2)/l9 = COS (ψ2max/2) (4-23) 由4-23知, ψ2max越大,则e20越小,即平均挖掘阻力越小.要得到较大的平均挖掘力,就要尽量减少ψ2max,初取ψ2max = 90 由上图4-3的几何关系有: L2min = 2×l9×Sin (ψ2max/2)/(λ2-1) = 2×944×Sin 45°/(1.6 -1) = 2225 mm L2max = L2min + 2×l9×Sin (ψ2max/2) = 2225 + 2×944×Sin 45° = 3560 mm l82 = L22min + l29 + 2×L2min×l9×COS[(π-ψ2max)/2] = 22252+ 9442 + 2×2225×944×COS135° l8 = 2968.5 mm 而∠EFQ取决于结构因素和工作范围,一般在130°～170°之间[1].初定∠EFQ=150°,动臂上∠DFZ也是结构尺寸,按结构因素分析,可初选∠DFZ=10°. 4.5 铲斗机构基本参数的选择 4.5.1 转角范围 由最大挖掘高度H2max和最大卸载高度H3max的分析，可以得到初始转角φD0： H2max-H3max = l3（SinφD0 +1） 9315-6485 = 1600（SinφD0 +1） φD0 = 55° 最大转角φ3max：φ3max = ∠V0QVZ，其不易太大，太大会使斗齿平均挖掘力降低，初选φ3max = 165° 。 4.5.2 铲斗机构其它基本参数的计算 l12：摇臂的长度；l29：连杆的长度；l3：铲斗的长度；l2：斗杆的长度；F：斗杆的下铰点； G：铲斗油缸的下铰点；N：摇臂与斗杆的铰接点；K：铲斗的上铰点；Q：铲斗的下铰点. 图4-3 铲斗机构计算简图 在图4-3中，l12：摇臂的长度；l29：连杆的长度；l3：铲斗的长度；l2：斗杆的长度；F：斗杆的下铰点；G：铲斗油缸的下铰点；N：摇臂与斗杆的铰接点；K：铲斗的上铰点；Q：铲斗的下铰点。则有： l24 = KQ = k2 l3 = 0.29×1600 = 464 mm L3max 与L3min 的确定 铲斗的最大挖掘阻力F3J max 应该等于斗杆的最大挖掘力，即F3J max = 138KN。 粗略计算知斗杆挖掘平均阻力F3J max = F3J max /2 = 69 KN 挖掘阻力F3J 所做的功W3J： W3J = F3J max l3 φ3max (4-24) = 6.9×104×1.60×165×π/180 = 3.18×104 N.m 由图4-4知，铲斗油缸推力所做的功W3： W3 = F3 （λ-1）L3min = 31.4×106×π×552×10-6×0.6×L3min ………………[4-25] 由功的守恒知铲斗油缸推力所做的功W3 应该等于铲斗挖掘阻力所做的功W3J ： W3 = W3J ………………………………………………[4-26] 将4-24、4-25式代入4-26中计算可得： L3min = 1800mm 则L3max =λ3 L3min =2880mm 剩余未选定的基本尺寸大部分为连杆机构尺寸，其应满足以下几个条件： （1） 挖掘力的要求：铲斗油缸的挖掘力应与转斗最大挖掘阻力相适应，当斗齿尖处于V1时，斗杆油缸的理论挖掘力应不低于最大挖掘阻力的80% [1，79-80]。 即PD0≥80% PD0max；当处于最大理论挖掘力位置时∠V1QV应为30。 （2） 几何相容。保证△GFN、△GHN、□HNQK在l3的任意一行程下都不被破坏。 在保证以上两个条件，通过经验公式和同斗容的其它机型的测绘对照，初步选定剩余的基本尺寸如下： HK = 600mm； HN = 640mm； NQ = 400mm； FN = l2-NQ = 2560mm； GF = 800mm； 由预选∠GFN = 60° 则 GN2 = FN2 + GF2 – 2×COS∠GFN×FN×GF GN = 2268mm 至此，工作装置的基本尺寸均已初步确定。 5工作装置结构设计 整个工作装置由动臂、斗杆、铲斗及油缸和连杆机构组成，要确定这些结构件的结构尺寸，必须要对其结构进行受力分析。要进行受力分析，首先要确定结构件最不利的工况，并找到在该工况下的最危险截面，以作为受力分析的依据。但结构件不利的工况和在该工况下的危险截面往往不止一个，这需要分别计算出 尺寸再综合考虑，取其中的最大值作为最后的确定尺寸。 5.1斗杆的结构设计 5.1.1 斗杆的受力分析 斗杆主要受到弯矩的作用，故要找出斗杆中的最大弯矩进行设计计算。根据受力分析和以往的实验表明，在铲斗进行挖掘时，产生最大弯矩的工况可能有以下两个： 第一工况位置，其满足以下条件： （1） 动臂处于最低位置。即动臂油缸全缩。 （2） 斗杆油缸的力臂最大。 （3） 铲斗齿尖在动臂与斗杆铰点和斗杆与铲斗铰点的连线上。 （4） 侧齿挖掘时受到横向力Wk的作用 第二工况位置，该工况满足以下条件： （1） 动臂位于动臂油缸对铰点A的最大作用力臂e1max处。 （2） 斗杆油缸的力臂最大。 （3） 铲斗齿尖位于F、Q两铰点的连线上或铲斗位于最大挖掘力位置。 （4） 挖掘阻力对称于铲斗，无侧向力 Wk的作用。 5.1.1.1 第一工况位置的受力分析 在这个工况下斗杆可能存在最大弯矩，受到的应力也可能最大[3]。 该工况的具体简图如图5-1所示。取工作装置为研究对象，如图5-2所示。在该工况下存在的力有：工作装置各部件所受到的重力Gi；作用在铲斗上的挖掘阻力，包括切向阻力W1、法向阻力W2、侧向阻力W3。 NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖 图5-1 斗杆第一工况时的工作装置简图 HK-连杆 HN-摇臂 N-摇臂与斗杆的铰接点 Q-斗杆与铲斗的铰接点 图5-2 铲斗受力分析简图 当斗杆油缸全缩时，通过前面的章节可以得出α21 = 45，由图5-1可知CF的向量可以表示为： FC = 5400[COS（180-45）+iSin（180-45）] = 5400（COS135+iSin135） 由前面的章节计算结果知：∠ZFC = 24.5， DF=l8 = 2968.5mm。 在△DEF中 ∠DEF = 90 COS∠EFD = EF/DF = 944/2968.5 解得∠EFD = 72° 在□CDEF中 ∠EFC = ∠ZFC+∠DFZ+∠EFD = 24.5°+10°+72° = 106.5° ∠EFQ在前一章节已经初定为150° 由以上的角度关系知： FV = 4500[COS（134-106.5-150）+Sin（134-106.5-150）] = 4500（COS122.5+Sin122.5） （5-1） OV = OC + CF + FV （5-2） = 1777（COS87+Sin87）+5400（COS-45+Sin-45）+ 4550（COS-122+Sin-122） 则XV = 1777COS87 + 5400COS（-45） + 4550 COS（-122） = 1542 mm （5-3） 由（3-17）式可i= 0.336 则可得此时铲斗的理论挖掘力： F0D =F D i = 2.98×105×0.336=1.0×105 N 切向阻力W1： 初选该工况下铲斗重心到铰点Q的水平距离r2′= l3 COS（-122）/2=274mm 取铲斗为研究对象，如图5-2所示，并对Q点取矩，则有 ∑MQ = 0 （F0D- W1）l3 –G3 r2′ = 0 （105- W1）×1.55-7000×0.274 = 0 W1 = 105 N 法向阻力W2 的求解： 工作装置所受重力对C点取矩有 ∑MC（Gi）= G1×X1 +（G2 +G5）×X2 + G3×X3+G4×0.7XF+ G6×X2 = 1.32×104×1.974+（700+200）×10×3.068+7000×1.863+ 2000×0.7×3.863+1300×3.068 = 0.76×105 N （5-4） W1到C点的距离r0 r0 = l2 + l3–CFCOS∠CFV （5-5） = 3000+1550-5400×（360-106.5-150） = 3280mm W2到C点的距离r1 r1 = CFSin∠CFV = 5400×Sin103.5 = 5249mm （5-6） 法向阻力W2决定于动臂油缸的闭锁力F1′ ，取整个工作装置为研究对象，则有 ∑MC = 0 F1′ e1+ ∑MC（Gi ）- W1 r0 - W2 r1 = 0 （5-7） 将5-4、5-5、5-6代入5-7中解之 W2 = 0.32×105 N 斗杆有油缸作用力P2g′的求解： FQ向量在X轴上的模值： XFN = FQ COS-122 = 3000×0.53 = 1590mm 如图5-1所示，取斗杆（带斗和连杆机构）为研究对象，则有： ∑MC = 0 P2g′×EF- W1 （l2+l3）- G3（XFN +r2′）- G2XFN /2 = 0 P2g′×0.94-105×4.55-7×103×（1.59+0.274）-7×103×10.59/2=0 P2g′= 5.04×105 N （5-8） 而此时的斗杆闭锁力P2′= 34.3×π×（70）2= 5.28×105 N，略大于P2g′，说明闭锁力足够。 横向挖掘阻力WK的求解： 横向挖掘力WK由回转机构的制动器所承受，即WK的最大值决定于回转平台的制动力矩。故要先计算出制动力矩。 地面附着力矩Mφ：Mφ = 5000×φ×G4/3 （其中φ = 0.5） = 5000×0.5×19.64/3 = 1.32×105 N （5-9） 在所设计的液压挖掘机中采用的是液压制动，由经验公式可求得回转机构的最大制动力矩MB： MB= 0.6×Mφ=0.79×105 N WK = MB / XV = 0.79×105/1.432 = 0.55×105 N （5-10） Q点作用力与作用力矩RQx 、RQy、MQx、MQy的求解： 取连杆机构为研究对象，如图5-3所示，则有： NH-摇臂 HK-连杆 G3-铲斗油缸的推力 RK–连杆的作用力 RN–摇臂的作用力 图5-3 连杆机构计算简图 ∑X2 = 0 P3COS∠GHX2-RNCOS∠HNX2-RkCOS∠HKX2 = 0 （5-11） 2.98×105×COS4.5-RNCOS57.5-RkCOS11.5 = 0 ∑Y2 = 0 P3Sin∠GHX2-RNSin∠HNX2-RkSin∠HKX2 = 0 （5-12） 2.98×105×Sin4.5-RNSin57.5-RkSin11.5 = 0 由5-11、5-12式可解得： RN = -0.51×105 N ； Rk =3.3×105 N 如图5-2所示，取整个铲斗为研究对象，以V点为新坐标的原点，VK为X3轴，过V点与VK垂直的直线为Y3，建立X3O3Y3坐标，则有： ∑X3 = 0 W2 -RQx -Rk COS∠11.5= 0 （5-13） 0.32×105-RQx–3.3×105 ×COS∠11.5 = 0 RQx = -2.91×105N ∑Y3 = 0 RQy +W1- Rk Sin∠11.5= 0 （5-14） RQy +105 - 3.3×105Sin∠11.5= 0 RQy = -0.34×105 N ∑MQY3 = 0 MQy -WK l3- W2 b/2= 0 （5-15） MQy -0.55 ×105×1.55- 0.32×105×0.52= 0 MQy = 105 Nm ∑MQX3 = 0 MQx–W1b/2= 0 （5-16） MQx = W1b/2=0.5 3×105 Nm N点作用力与作用力矩RNx 、RNy的求解： 取曲柄和连杆为研究对象，如图5-4所示，则有： H-摇臂 HK-连杆 F3-铲斗油缸的推力 RK–连杆的作用力 RX–摇臂的作用力沿HK连线上的分力 RY–摇臂的作用力沿HK连线垂直方向上的分力 ∑X2 = 0 RNX + Rk COS∠11.5- F3 = 0 （5-17） RNX = 0.27×105 N RNy = RNX tan∠FNH = 0.27×105×tan∠57.5=0.43×105 N 5.1.1.2 第二工况位置的受力分析 （5） 在这个工况位置下斗杆可能存在最大弯矩，受到的应力也可能最大[1]具体简图如图5-5所示。取工作装置为研究对象，如图5-5所示。在该工况下存在的力有：工作装置各部件所受到的重力Gi；作用在铲斗上的挖掘阻力，包括切向阻力W1、法向阻力W2。 NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖 图5-5 第二工况下工作装置计算简图 同第一工况的分析一样，可以得到以下向量： FC = 5400（COS163+Sin163） FV = 4550（COS-93.5+Sin-93.5） 0V = OC + CF + FV = 1865（COS88+Sin88）+ 5400（COS17+Sin17）+ 4550（COS-93.5+Sin-93.5） 则 XV = 1865COS88+ 5400COS17 + 4550COS-93.5 = 4971mm 同理也可以求得在该工况下作用在斗杆和铲斗上的力，其分别为： W1 = 1×105 N W2 = 0.48×105 N Rk2 = 3.3×105 N WN2 = -0.5×105 N RQx =-2.75×105 N RQy= -0.34×105 N MQx = 0.5×105 Nm MQy = 0.24×105 Nm 5.1.1.3 斗杆内力图的绘制 根据第一工况和第二工况下所求出的斗杆所受到的力和力矩，可以分别绘制出在第一工况下和第二工况下的内力图，如图5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12、5-13、5-14所示。 图5-6 第一工况下斗杆的N图 图5-7 第一工况下斗杆的Qy图 图5-8 第一工况下斗杆的My图 图5-9 第一工况下斗杆的QZ图 图5-10 第一工况下斗杆的MZ图 图5-11 第一工况下斗杆的Tx图 图5-12 第二工况下斗杆的Nx图 图5-13 第二工况下斗杆的Qy图 图5-14 第二工况下斗杆的Mx图 5.1.2 结构尺寸的计算 由前面的受力分析知，在第二工况下所受到的弯矩和内力均要比第一工况中要小，故用第一工况进行计算，而用第二截面校核。 由图5-9、图5-10、图5-11知在通过F点且与斗杆下底板垂直的截面所受到的应力最大，是危险截面。故首先要对该截面进行计算，然后以此为基础再求解其它尺寸。 5.1.2.1 斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取 由经验统计和其它同斗容机型的测绘，处取斗杆的宽度 。 挖掘机所用钢板的厚度在我国一般为 ，初选底板厚度 如图5-15所示。 12为斗杆侧板的厚度； 14为斗杆底板和顶板的厚度；275为底板的宽度 图5-15 在挖掘机中选用的结构钢材一般为16Mn，其有足够大的屈服极限和良好的机械性能。其屈服极限 。在斗杆中取安全系数 ，则斗杆的许用安全应力为： 5.1.2.2 斗杆危险截面处高度 的计算 危险截面的有效面积 ： (5-17) 该截面对y轴的惯性矩 : (5-18) 该截面对z轴的惯性距 : (5-19) 横截面总面积 : (5-20) 该危险截面所受到的正应力 : (5-21) 该截面所受到的最大弯曲正应力 : (5-22) (5-23) 则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有: (5-24) 由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要小得多，为简化计算，在计算中简应力忽略不计，仅在校核中用，则有： (5-25) 由5-21、5-22、5-23、 5-24、5-25解得h=800mm。 有了危险截面的结构尺寸，再结合前面的基本尺寸，就可以利用CAD软件将斗杆绘制出来。这样斗杆的所有尺寸已经基本确定。 5.2动臂结构设计 同斗杆的受力分析及结构计算一样，在动臂的计算 。首先还是要分析计算动臂可能出现应力的工况，并找出在该工况下的危险截面，并计算出其尺寸。以此为基础，就可以计算出动臂上的其他尺寸。 5.2.1第一工况位置 在这工况下可能在动臂上出现最大载荷，其应满足以下条件： （1） 动臂油缸全缩。 （2） F、Q、V在同一条直线上，其连线与X轴垂直。 （3） 铲斗挖掘时，斗边点遇到障碍。 该工况也就是最大挖掘深度工况，具体工作装置简图如5-16所示。 NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖 图5-16 第一工况位置工作装置简图 力的计算 W1的求解： 由于K、Q、V在同一条直线上，连杆机构的传动比不变，而铲斗的重力绕Q点所产生的力矩相对于铲斗油缸对C点所产生的力矩而言可以忽略不计，故W1的值与前面两工况一样，W1=1.06×105N。 W1的求解： 在此工况下时 而 （前面的计算中已经得出） 取整个工作装置为研究对象，则有： （5-26） 求得 为负值，知在此工况中铲斗油缸的挖掘力不能得到最大的发挥。故需要转动铰点E直到铲斗油缸发挥最大挖掘力为止。 由计算知当V点纵坐标即 =-3000mm时，铲斗油缸能发挥最大的挖掘力。 NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖 图5-17 实际工作时第一工况位置工作装置简图 此工况是第Ⅰ工况下转动斗杆油缸而得的。除第（2）点中的K、Q、V连线与X轴垂直修改成 =-3000mm外，其他条件均不变，如图5-17所示。在此工况中，动臂油缸全缩，由前面的计算有： 则 解之 在△DEF中，由几何关系则有： 此时 解得 而 则由图 知 与 的求解： 由于挖掘时为铲斗油缸工作，而K、Q、V又在同一条直线上，故 的值仍与前面的计算一样， 。 工作装置各部分受到的重力对C点的矩 ： （5-27） 取整个工作装置为研究对象，则有： （5-28） 也就是说此时仅是动臂与斗杆油缸进行挖掘。 动臂铰点作用力 的求取： 取斗杆、铲斗、连杆机构为研究对象，则有： （5-29） 方向与 轴平行，在 轴的正方向上。 铰点 的求解： 　（5-30） （5-31） 对上下动臂附加弯矩与扭矩的求解： W与 的夹角为 ，与 的夹角为 则 在 坐标系上沿坐标轴的分力： （5-32） （5-33） 则 所产生的横向弯矩M： （5-34） 则 所产生的附加横向弯矩M： （5-35） 所产生的附加横向扭矩T： （5-36） 在 坐标系上沿坐标轴的分力为： （5-37） （5-38） 则 所产生的附加横向弯矩： （5-39） 所产生的附加扭矩： （5-40） 5.2.2 第二工况位置： 在此工况下，动臂所受到的应力也可能最大，其满足以下条件： （1） 动臂油缸的作用力臂最大 （2） 斗杆的作用力臂最大 （3） 铲斗进行正常挖掘，铲斗位于最大挖掘力位置。 此时的工作装置的简图如图5-18所示： NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖 图5-18 第二工况位置下工作装置简图 的求解： 此时动臂油缸的力臂最大，即： 取铲斗为研究对象 （5-41） 解之： 的求解 在此工况中，工作装置所受重力对C点的矩： EMBED Equation.3 （5-42） 取整个工作装置为研究对象，则有： （5-43） 的校核： 取斗杆和铲斗为研究对象，则有： 这说明当 时，斗杆油缸的闭锁力足够，故取 。 取斗杆与铲斗为研究对象，则有： （5-44） （5-45） 又取整个工作装置为研究对象，则有： （5-46） ： 由图 的几何关系知: 则 在上动臂所产生的弯矩为: （5-47） 在上动臂所产生的扭矩为: （5-48） 同理,则 上沿坐标轴所产生的分力矩为: （5-49） 在下动臂上所产生的弯矩为: （5-50） 在下动臂上所产生的扭矩为: （5-51） 5.2.3内力图和弯矩图的求解: 5.2.3.1第Ⅰ工况中内力和弯矩的求解: 在上动臂上所受到的轴向力: （5-52） 在上动臂上所受到的剪力: （5-53） 在上动臂上所受到的轴向弯矩: （5-54） 在下动臂上所受到的轴向力: （5-55） 在下动臂上所受到的剪力: （5-56） 在下臂上所受到的轴向弯矩： （5-57） 由计算可以得到在第一工况中的内力和弯矩图如图5-19、5-20、5-21所示。 C-动臂下铰点 F-动臂与动臂油缸铰点 Q-动臂与斗杆铰点 5-19 第一工况下N图 C-动臂下铰点 F-动臂与动臂油缸铰点 Q-动臂与斗杆铰点 5-20 第一工况下T图 C-动臂下铰点 F-动臂与动臂油缸铰点 Q-动臂与斗杆铰点 5-21 第一工况下M图 5.2.3.2 第Ⅱ工况中内力和弯矩的求解: 在上动臂上所受到的轴向力: （5-58） 在上动臂上所受到的应有剪力： （5-59） 在下动臂上所受到的轴向力: （5-60） 在下动臂上所受到的剪力: （5-61） 在下臂上所受到的弯矩表达式： （5-62） 由计算可以得到在第二工况中的内力和弯矩图如图5-22、5-23、5-24所示。 C-动臂下铰点 F-动臂与动臂油缸铰点 Q-动臂与斗杆铰点 5-22 第二工况下N图 C-动臂下铰点 F-动臂与动臂油缸铰点 Q-动臂与斗杆铰点 5-23 第二工况下T图 C-动臂下铰点 F-动臂与动臂油缸铰点 Q-动臂与斗杆铰点 5-24 第二工况下M图 5.2.3.3结构计算： 由以上两工况的内力图分析和比较知，应用第Ⅱ工况作为设计，而用第Ⅰ工况作为校核。 由内力弯矩图分析知在动臂拐点处所受到的应力可能最大，是危险截面。因此我们首先要选择该截面进行计算，然后再以此为基础，就可以用作图法或计算得到动臂的其它结构尺寸。 几个主要参数的预选： 由现场测绘和经验统计，初步选择： 动臂底板的宽度： 底板的厚度： 由于上动臂所受的载荷较大，故取上动臂侧板的厚度 ，而下动臂所受的载荷相对要小，故选择下动臂的侧板的厚度为 。 许用应力的选取： 动臂钢板所选的材料为挖掘机中所普遍采用的低合金结构钢16Mn，其屈服极限 ，并初选安全系数 则许用应力： （5-63） 应力的计算与危险截面尺寸的求取： 危险截面所围成的面积： 危险截面所围成的有效面积： （5-64） 则上动臂的有效面积： （5-65） 下动臂的有效面积： （5-66） 上动臂危险截面对Y轴的惯性矩 （5-67） 下动臂危险截面对Y轴的惯性矩 （5-68） 上动臂危险截面对Z轴的惯性矩 （5-69） 同理下动臂危险截面对Z轴的惯性矩 （5-70） 上动臂危险截面中 拉伸轴向力所产生的正应力： （5-71） 弯曲所产生的正应力： （5-72） 由应力的合成有： （5-73） 解之： 得到危险截面的尺寸后，利用作图法结合前面计算出来的尺寸就可以绘制出动臂图，从而也就得到了整个动臂的尺寸。 5.3 铲斗的设计 5.3.1铲斗斗形尺寸的设计 反铲的铲斗的斗形与尺寸，有较常用的经验统计公式，用户可以根据实际需要进行配制[4]。简图如 所示。根据经验公式和现场测绘，可以求得其中的未知参数。 由经验公式初选： 则下底板的斗形方程为： 上顶板的斗形方程为： 同理计算出铲斗抛物线部分的方程为： 5.3.2铲斗斗齿的结构计算： 铲斗的结构设计按最大弯矩进行设计,由力学分析知在与铲斗斗体连接处的弯矩最大,如图5-25所示，由公式7-74有: (7-74) a : 斗齿厚度 b : 斗齿宽度 : 挖掘阻力 r : 斗齿尖到斗体的距离 t : 铲斗的厚度 : 斗齿的许用应力 代入值解得a=110 mm a : 斗齿厚度 : 挖掘阻力 r : 斗齿尖到斗体的距离 t : 铲斗的厚度 5-25斗齿计算简图 5.3.3 铲斗的绘制： 在铲斗的尺寸确定后，就可以用CAD软件进行绘制，绘制出的三维立体图的各视图如图5-26、5-27、5-28所示： 5-26 铲斗三维视图的主视图 5-26 铲斗三维视图的左视图 5-26 铲斗三维视图的仰视图 6 销轴与衬套的设计 6.1 销轴的设计 由于销轴与衬套的配合间隙较小，故以剪应力强度作为销轴的基本尺寸的设计，抗压强度与抗弯强度用于校核用。 由 有[1]： （6-1） 在设计计算时，应以所有工况中销轴所受到的剪应力最大值对销轴进行设计。 在本设计中，销轴所选用的材料为40CrMnMo，其耐磨，在热处理后有着良好的综合机械性能。由于销轴在重载的较恶劣工况中工作，故选择 。代入式6-1有： 动臂各销轴的尺寸： 斗杆各销轴的尺寸： 6.2 销轴用螺栓的设计： 螺栓选用的直径由销轴的直径不同分别选择 两种系列的螺栓[5]。 6.3 衬套的设计： 为使衬套耐磨、减震与润滑性能好，选择衬套的材料为铜基合金 衬套的厚度选择为5mm，与销轴和圆筒分别采用间隙和过盈配合，如图6-1。则各销轴的尺寸为： 6-1 衬套 动臂各衬套的尺寸： 斗杆各衬套的尺寸： 7 总结 在本次设计中，在现场对SANY200C产品的现场测绘的基础上，利用经验统计公式、旋转矢量法及力学计算，以机重为20t的挖掘机工作装置为对象，进行了以下设计工作： 1、 在现场测绘的基础上，结合经验公式进行了挖掘机工作装置的总体设计，并用旋转适量法对工作装置进行了运动学分析。 2、 用比例法和经验公式计算选择出工作装置各部分的基本尺寸。 3、 以上、下动臂、斗杆分别建立起三个新的坐标系，利用已经计算出的基本尺寸，对工作装置的各部分分别进行了力学分析。绘制出了工作装置斗杆和动臂的内力和弯矩图，选出了危险截面并计算出其结构尺寸。 4、 利用成熟的经验公式，选择出铲斗的斗形参数，并对铲斗斗齿进行力学分析以计算出其结构尺寸。 5、 对销轴和衬套进行了材料的选择和尺寸的计算，并对其紧固的标准件进行了选型。 挖掘机工作装置是挖掘机的核心部分，其结构的力学分析和计算较复杂，难度也较大，而作者本身的设计知识也十分有限，不足之处还望各位老师、同学指正，以使设计不断完善。 参考文献 [1] 同济大学，太原重型机械学院.单斗液压挖掘机[M].北京：中国建筑工业出版社，1980：40-86，264-274. [2] 金海薇. 液压挖掘机反铲工作装置CAD/CAM研究[D].沈阳： 辽宁工程技术大学，2001 [3] 刘本学.液压挖掘机反铲工作装置的有限元分析[D].西安： 长安大学，2003，2 [4] 高衡、张全根主编.液压挖掘机 [M].北京：中国建筑工业出版社，1981.8，74 -75 附件一 开题报告 1、 本课题设计（研究）的目的： 挖掘机的工作装置是挖掘机中最重要也是技术含量要求最高的部分。在设计中我们定位于20t中型履带挖掘机。这是因为中型挖机中20～22吨系列占到整个挖机销量的70%～80%，且履带式行走方式通过性和稳定性好.通过挖掘机工作装置设计应该要达到以下目的： 1） 所设计的挖掘机工作装置要能够制造出来。这是设计的原则也是最终目的。在设计中不仅要能够实现设计任务书上的要求，而且在原材料、工艺性、加工精度等方面都需要加以考虑。 2） 了解挖掘机工作装置设计的各种方法以及所采用的新技术、新工艺。在挖掘机的设计方法中除了传统的经验公式和图解法外，还出现了计算机辅助设计，如PRE、C++等设计和仿真软件在工作装置设计中的应用。新技术、新工艺则如新材料、负荷传感器等等。 3） 加强CAD等绘图和分析软件的操作熟练程度。CAD的掌握是一个机械学生所要具备的基本技能。在设计中特别在图纸的绘制时，需要我们去加强熟练运用它们。 4） 重新回顾和认识所学的专业知识，特别是材料力学、理论力学、机制工艺学，以便在设计中所用。如整个工作装置的设计可以说是材料力学和理论力学的综合应用。 5） 寻求较为简便的设计方法。由于工作装置有三个自由度，且要求在满足受力条件，这使计算十分复杂，故需要一种较简便的设计方法以减少设计强度。 2、 设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）： 我国的挖掘机行业经过50余年的发展，从无到有，从小到大，目前发展十分迅速，初具规模[2]，现在主要厂家有徐挖、柳工、常林、玉柴、南特、抚挖、临工、詹阳、振宇、三一、山河智能等。其中贵阳詹阳机械有限公司主要产品是轮胎式挖掘机[3]，玉柴、山河智能主要以小型挖掘机为主并大部分用于出口。而徐挖、抚挖是挖掘机制造的领头羊，徐挖的挖机销售在国内厂家中领先[4]。南特、振宇在最近几年中异军突起，发展很快。国产挖机在经历上世际九十年代的低谷后开始蓬勃发展,主要是新一代产品采用了从国外进口的名牌关键配套零部件和当代国际上某些先进技术使整机性能和可靠性得以大大提高，而产品价格又比合资、独资企业同类机型低10万元人民币以上，因此深受用户欢迎。[5]但是大部分国产产品仍存在不足，如产品品种不齐，缺少大型挖掘机,智能化、自动监控方面还不能满足国内的需要,在这些方面还需要努力[5]。 在上世际末，随着我国经济的持续发展和基础建设投入的加大，对挖机的需求加大。进口挖机急剧上升。[6]另外国外著名产家纷纷到国内合资或独资建厂，主要有小松山推、合肥日立、卡特徐州、成都神钢、常州现代、大宇重工等，国外产家的进口或合资的销售额占到国内总销售额的70%～80%。[7]合资产品的主要型号有：小松山推PC系列、合肥日立ZX系列、卡特徐州320B系列、成都神钢SK系列、常州现代R系列、大宇重工DH系列。在国内合资或独资产品的技术质量隐患较少并有以下特点： 1) 产品更新速度快。各公司为巩固和提高市场占有率，不断提高产品的技术水平，加快更新换代，产品更新周期不超过三年。 2) 实现了机电一体化和智能化。各公司均利用微电技术、计算机技术、传感等高新技术进行控制和报警。 3) 制造水平进一步提高。新结构、新材料、新工艺广泛应用。如WC(碳化钨)材料在斗杆中的运用，平底铲斗的应用等等[7]。 4) 安全性和技术先进性。液压技术向高速和大功率发展，使结构简单化。 总之，虽然我国国内挖机产品水平相对要低，但是也取得了很大进步，如在作业性能、耐久性、安全性、节能与液压系统上。 国外大型挖掘机生产厂家较多，系列较全。如德国利勃海尔，日本小松、神钢，美国卡特，韩国现代、大宇，瑞典沃尔沃等。这些公司的产品体现了现有挖机的最高水平，如小松压力补偿系统，神钢的电脑控制系统，沃尔沃的ACS控制系统。在节能、环保、信息化上都表现优秀，引导着国外挖掘机的潮流。 纵观未来，挖掘机将有以下趋势的发展趋势： （1） 大型化、小型化。为满足生产的要求，挖掘机有两极化发展的趋势，小到斗容0.01m3，大到50 m3。大型挖机用于大型矿山和建筑工程中可以大幅度提高生产率，降低人工费用。小型挖机则适合家庭用[8]。 （2） 节能技术的应用。具体措施如采用分功率传动、电子负荷传感、发动机转速调节等 。 （3） 高作业性能，即在原有机型上提高性能。国内许多企业对作业参数进行了优化，扩大了作业范围，提高了牵引力和行驶速度[9]。 （4） 高耐久性和可靠性。国内外厂家采用了新结构、新材料以提高可靠性和耐久性。如加强动臂和斗杆[10]，采用箱型大截面结构，铲斗采用耐磨板加以保护及高强度钢的应用[11]。 （5） 保养维护方便。越来越多的企业开始注重维护保养的方便性，以便省时省力。 （6） 先进的液压系统和控制系统。改进的液压系统使工作更平稳、快速、有力[12]。 （7） 新的电子控制系统改善了操作性，并降低了噪音和燃油消耗。随着控制系统的改进，使挖机开始向挖掘机器人化发展。如美国的卡内基大学开发的自动装车系统，其应用在25t的挖掘机上，不仅可以完成自动装车，而且还可以识别挖掘表面、自卸车和在工作区域中的障碍物[13]。 （8） 安全性、舒适性和环保。挖掘机上存在噪音和尾气排放的两大问题。在发动机的尾气排放上国外已经达到了较高水平，低噪音的挖机也在国外出现[14]，[15]，我国的低噪音技术正在研究中。安全性是很重要的因素，许多挖机上采用的防干涉、自动报警等电子系统大大提高了安全性。在产品设计中，厂家也越来越注意到人机工程，使操作人员工作环境更舒适，操作更方便[16]。 3、 设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）： 设计重点:工作装置的结构计算 设计难点:工作装置各部件的几何尺寸的确定、运动轨迹极各点坐标的计算、结构受力分析。 采用途径： （1） 横向几何尺寸设计中，以经验公式、经验统计和现场测绘其它同斗容机型的测绘数据为基础，再参考卡特、现代、大宇等国外知名品牌同斗容的机型，初定横向尺寸。然后进行受力分析和MATLAB仿真，调整各部分尺寸以满足设计要求和达到参数的最优化。 （2） 在纵向尺寸的设计中，以与水平面重合的直线为X轴，通过回转中心且与地面垂直的直线为Y轴，建立矢量坐标系。并以L1所在线段为初始向量，利用向量的乘法和加法确定在某一具体工况下各点的具体位置坐标。也可以在动臂、斗杆、挖斗上分别建立X1O1Y1、X2O2Y2、X3O3Y3三个坐标系，以 XOY为绝对坐标，利用相对坐标和绝对坐标的变换关系确定各点的坐标。 （3） 在工作装置各部分受力分析时，首先选择出该部分在工作时最危险的工况，计算出在该工况下铲斗所受到的横向阻力W1，法向阻力W2，侧向阻力WK，再用力学计算计算出各应力并合成，从而得到危险截面并算出该危险截面尺寸。以此为基础就可计算出这部分的其他尺寸。 （4） 在轴和轴承等部件的选取时，进行可靠性和耐久性分析计算，各零部件的选取遵循“三化”原则。 2 1 2 3 1 E20 E2Z D l9 ψ2max l8 F L3 M l29 G K l24 l12 F N Q l21 l2 V l3 D B C Y E A F G X N H Q K V F N Q Pd W1 H K W2 G3 G RN P3 N H X2 K Q Y2 Rk RNy F3 H N RNx Rk K 图5-4 曲柄和连杆受力图 Y D E B G C F A X N Q H K W2 W1 V 2.97KN 2.64KN + F G E N Q — 0.33KN 2.42KN 0.77×105N 0.54×105N + 0.34×105N E F G N Q — 3.47×105N 257KNm + F E Q 0.55×105N + E F Q 2.65×105Nm 1×105Nm + E F Q 0.53×105Nm + F E Q 2.48×105N 2.75×105N G + N F E Q - 0.49×105N 2.42×105N 0.54×105N 0.77×105N + 0.34×105N F G E N Q - 3.42×105N 257KNm + E F Q � EMBED Equation.3 ��� 3.87×� EMBED Equation.3 ���N 0.89×� EMBED Equation.3 ��� PAGE 第 1 页 共 62 页 _1429778431.unknown _1429778463.unknown _1429778496.unknown _1429778514.unknown _1429778530.unknown _1429778538.unknown _1429778542.unknown _1429778546.unknown _1429778548.unknown _1429778550.unknown _1429778552.unknown _1429778553.unknown _1429778551.unknown _1429778549.unknown _1429778547.unknown _1429778544.unknown _1429778545.unknown _1429778543.unknown _1429778540.unknown _1429778541.unknown _1429778539.unknown _1429778534.unknown _1429778536.unknown _1429778537.unknown _1429778535.unknown _1429778532.unknown _1429778533.unknown _1429778531.unknown _1429778522.unknown _1429778526.unknown _1429778528.unknown _1429778529.unknown _1429778527.unknown _1429778524.unknown _1429778525.unknown _1429778523.unknown _1429778518.unknown _1429778520.unknown _1429778521.unknown _1429778519.unknown _1429778516.unknown _1429778517.unknown _1429778515.unknown _1429778504.unknown _1429778508.unknown _1429778512.unknown _1429778513.unknown _1429778510.unknown _1429778511.unknown _1429778509.unknown _1429778506.unknown _1429778507.unknown _1429778505.unknown _1429778500.unknown _1429778502.unknown _1429778503.unknown _1429778501.unknown _1429778498.unknown _1429778499.unknown _1429778497.unknown _1429778479.unknown _1429778488.unknown _1429778492.unknown _1429778494.unknown _1429778495.unknown _1429778493.unknown _1429778490.unknown _1429778491.unknown _1429778489.unknown _1429778484.unknown _1429778486.unknown _1429778487.unknown _1429778485.unknown _1429778482.unknown _1429778483.unknown _1429778481.unknown _1429778471.unknown _1429778475.unknown _1429778477.unknown _1429778478.unknown _1429778476.unknown _1429778473.unknown _1429778474.unknown _1429778472.unknown _1429778467.unknown _1429778469.unknown _1429778470.unknown _1429778468.unknown _1429778465.unknown _1429778466.unknown _1429778464.unknown _1429778447.unknown _1429778455.unknown _1429778459.unknown _1429778461.unknown _1429778462.unknown _1429778460.unknown _1429778457.unknown _1429778458.unknown _1429778456.unknown _1429778451.unknown _1429778453.unknown _1429778454.unknown _1429778452.unknown _1429778449.unknown _1429778450.unknown _1429778448.unknown _1429778439.unknown _1429778443.unknown _1429778445.unknown _1429778446.unknown _1429778444.unknown _1429778441.unknown _1429778442.unknown _1429778440.unknown _1429778435.unknown _1429778437.unknown _1429778438.unknown _1429778436.unknown _1429778433.unknown _1429778434.unknown _1429778432.unknown _1429778398.unknown _1429778415.unknown _1429778423.unknown _1429778427.unknown _1429778429.unknown _1429778430.unknown _1429778428.unknown _1429778425.unknown _1429778426.unknown _1429778424.unknown _1429778419.unknown _1429778421.unknown _1429778422.unknown _1429778420.unknown _1429778417.unknown _1429778418.unknown _1429778416.unknown _1429778407.unknown _1429778411.unknown _1429778413.unknown _1429778414.unknown _1429778412.unknown _1429778409.unknown _1429778410.unknown _1429778408.unknown _1429778402.unknown _1429778405.unknown _1429778406.unknown _1429778404.unknown _1429778403.unknown _1429778400.unknown _1429778401.unknown _1429778399.unknown _1429778382.unknown _1429778390.unknown _1429778394.unknown _1429778396.unknown _1429778397.unknown _1429778395.unknown _1429778392.unknown _1429778393.unknown _1429778391.unknown _1429778386.unknown _1429778388.unknown _1429778389.unknown _1429778387.unknown _1429778384.unknown _1429778385.unknown _1429778383.unknown _1429778374.unknown _1429778378.unknown _1429778380.unknown _1429778381.unknown _1429778379.unknown _1429778376.unknown _1429778377.unknown _1429778375.unknown _1429778370.unknown _1429778372.unknown _1429778373.unknown _1429778371.unknown _1429778368.unknown _1429778369.unknown _1429778367.dwg