1绪论
1.1设计选题的意义
我国是一个发展中国家，在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设，这就需要大量的土方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土方施工机械。因此，可以肯定液压挖掘机的发展空间很大。可以预见，随着国家经济建设的不断发展，液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展，液压挖掘机的年产量将会以高于20%的速度增长。
中国挖掘机市场自1997年开始已进入一个较快的发展时期，2000年与2000年比较，全国挖掘机的产、销量分别增长55%和56%。截止到2002年8月底全国挖掘机的销量已超过13000台，超2001年全年的销售数。显然挖掘机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。
而在挖掘机中最为重要的就是关于工作装置设计，因为挖掘机的工作装置能偶最为明显的体现机器的工作能力和工作寿命，所以设计工作可靠，性能好，成本低，效率高，维护使用方便的工作装置就显得格外重要。
1.2国外液压挖掘机的发展动态和研究现状
最早在液压挖掘机工作装置设计时，设计人员通过类比、查表、理论计算初步确定性能参数以后，还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大多选取几个特殊位置进行检讨计算，其精度当然较低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置设计得到了很快的发展。针对液压挖掘机工作装置的CAD软件也已经有了不少的研究。
1.2.1国外液压挖掘机发展动态和研究现状
国外挖掘机生产历史较长，液压挖掘技术的不断成熟使挖掘机得到全面的发展。
德国是世界上较早开发研究挖掘机的国家，1954年和1955年德国的徳马克和利渤海尔公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后声场挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展上起来的，其主要特点在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国式液压挖掘机生产的后起之秀。
从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展：
（1）、开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。
（2）、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操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。
（3）、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。
（4）、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，并将疲劳损伤积累论、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和竞争力。
（5）、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。
（6）、进一步改进液压系统。
（7）、迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。随着对液压挖掘机的工
作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电液一体化在挖掘机的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。
1.2.2国液压挖掘机的发展动态和研究现状
早在1985年我国便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品，如Wy100、WY60、WY250等。当时由于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。自改革开放以来，国产液压挖掘机行业进入了一个快速发展的重要阶段。出现了一批实力比较雄厚的生产企业如中国一拖、工程机械厂、黄河工程机械厂、广西玉柴股份等。它们生产的部分产品已出口，打破了多年来主要由少数几家国外挖掘机制造企业垄断国市场的局面，使国产液压挖掘机的产量和质量都上了一个新台阶。90年代以来，随着迅速发展的微电子技术、计算机技术、控制技术、通信技术等新技术日益渗透到液压挖掘机技术中，世界各工业发达国家的液压挖掘机技术水平得以迅速提高，使一度与国外技术水平缩小的国产液压挖掘机再次与国外液压挖掘机差距拉大了。因此，国液压挖掘机市场大部分被国外产品所占据的局面长期得不到改善。
随着我国改革开放的进一步深入，国家对基础建设和基础设施投资的规模日益扩大，国用户对高质量、高水平、高效率的液压挖掘机的需求愈来愈迫切。据权威部门估计，到2005年我国用于购置工程机械的费用约为800多亿元（含国产和进口），其中液压挖掘机的年需求量为12000-14000台，这无疑对国产液压挖掘机的发展既是机遇，又是挑战。积极发展高性能国产液压挖掘机已迫在眉睫。
目前，液压挖掘机的研究与发展应致力解决三个基本问题：
（1）着眼于动力、传动系统的改进以达到高效节能，提高机器的生产率和降低
工作损耗，减少对环境的污染；
（2）局部操作控制自动化到整机完全自动化甚至智能化发展；
（3）改善操作者的劳动条件和操作安全性。
1.3当前液压挖掘机存在的主要问题
虽然液压挖掘机的发展很快，但是液压挖掘机仍然存在着各种问题：
（1）控制精度的要求并不高，多数在100mm之，并不像其它领域机器人运动控制要求到10mm之，或者更高。首先，挖掘机本身的机构尺寸通常都比较大；其次，挖掘机进行土木施工的精度与一些工业加工比较起来要低得多，相对较低的精度仍然能够满足挖掘机在实际工作中的需要。多数研究者在实现以上控制精度时，铲斗末端速度比较低，最快的也在150mm/s之，而这个重要参数直接影响挖掘机的工作效率，所以，保证精度的情况下，提高铲斗末端速度是本文需要解决的问题之一。
（2）虽然世界各国的研究水平参差不齐，但是多数处在实验室阶段，或从成本的角度考虑采用伺服阀进行控制，与工程实际差距较大；对挖掘机工作装置的研究是在静态下进行的，忽略惯性的影响，所以在实际工程中也是不是用的；多数研究中都没有考虑到系统的节能问题，很难将研究结果在实际中进行推广。
（3）挖掘机工作装置作为一种典型的工程机械复杂机电液系统，由于其自身的特点，该项研究是比较困难的工作。主要在于：在机构运动过程中，惯性力负载的多变性；电液比例系统数学模型中的参数多与机构的状态有关，属于时变参数，准备地得到每个参数的值非常困难；整个系统存在大量不确定量（不确定参数及不确定的非线性模型），例如在不同温度下液压油的弹性模量和粘性等，均属于不确定参数；工作过程中，由于与地面接触而禅城的扰动等不能准确建立数学模型的量，均
属于不确定的非线性模型。以上各类不确定量都将对系统控制的稳定性和动态特性产生极大的影响。
1.4本设计的主要容及目标
1.4.1设计的主要容
（1）分析和拟定设计任务书，确定设计思想和原则，并提出设计结构方案的初步思想。
（2）挖掘机主要参数的确定。
（3）挖掘机工作装置各主要机构的结构方案的确定。
（4）挖掘机工作装置各主要结构力的分析与计算。
（5）挖掘机工作装置各主要机构的强度校核。
1.4.2设计的关键问题
（1）关于挖掘机总体设计，就是各种整体参数和局部参数的计算，这中间就包括动臂，斗杆及挖斗的主要参数的计算。
（2）液压挖掘机工作装置各主要机构方案的确定，这包括几方面的容，首先就是关于动臂和斗杆的选型。其次就是动臂，斗杆和挖斗的油缸的布置如何确定。第三就是各个铰链点如何确定。
（3）作用力的计算，这其中包括油缸作用力，还有斗杆的强度校核。
1.4.3设计过程中的已知参数
铲斗容量：1立方米
最大挖掘力：130KN
整体质量：23T
工作装置液压回路最大压力：40Mpa
停机面最大挖掘半径：9800mm 最大挖掘深度：6600mm 最大卸载高度：6700mm 动力装置功率：113.5Kw
工作装置液压系统主要参数的初步选择：
各工作装置的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化”要求以及初步估取的液压缸受力，初选动臂油缸径1D =120mm ，活塞缸的直径1d =85mm 。斗杆油缸的径2D =140mm ，活塞的径2d =120mm 。铲斗油缸的径3D =120mm,活塞杆的直径3d =85mm ，又由按经验公式选各缸全伸长度与全缩长度之比
6.1321===λλλ。参照任务书要求，选择工作装置液压系统的工作压力为
Mpa P 40=，闭锁压力Mpa P P 441.1'==。
2工作装置总体方案设计
2.1机型选择及特点分析
本设计中，我选的是单斗液压挖掘机，其工作装置采用反铲装置。
单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘工作的机械，它是机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机中重要的品种。 2.1.1所用机型的适用围
在建筑工程，交通工程，露天工程，水利设施及现代军事工程中都广泛采用，是各种土方施工中重要的机械设备。由液压挖掘机在构造和性能上有较多的优越性，因此近年来发展迅速，在中小型单斗挖掘机中，以取代了机械传动单斗挖掘机，成为工程机械的主要机种。
2.2工作装置构成
铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构形式，动臂、斗杆和铲斗等重要部件彼此铰接，在液压挖掘机的作用下各部件饶铰点摆动，完成挖掘，提升和卸土等动作，图2.1为挖掘机最常用的反铲工作装置。
图2.1挖掘机反铲工装装置
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。则可知但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，铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，处理具体见图2.2所示。
图2.2工作装置的结构简图
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为某一确定值的时，工作装置也就能够确定。
2.3动臂及斗杆的结构形式的初选
2.3.1动臂结构形式的初选
动臂分为整体式和组合式，因整体式动臂结构简单，价廉，刚度相同时结构重量轻，所以大多数挖掘机采用整体式动臂。整体式动臂分为直动臂和弯动臂。
整体式直动臂构造简单轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。所以动臂采用整体式弯动臂，这种结构目前应用最广泛，其主要特点是制造方面，成本低，质量轻，能有较大的动臂弯角，装载作效率高，挖掘深度较大，配用加长可调斗杆，可以很好地完成垂直壁面的挖掘作业，而且所挖掘的壁面平直整洁。
2.3.2斗杆结构形式的初选
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。本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式直斗杆。
2.4动臂与动臂油缸的布置
动臂油缸一般布置在动臂的前下方，下端与回转平台铰接，支承点设在回转台回转中心之前并稍高于转台平面，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。由自由式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，但不影响以、动臂的下降幅度。并且布置中，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盘作用，以弥补前面的不足，具体结构如图2.4所示。
图2.4动臂与动臂油缸布置图
2.5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的铲斗平均挖掘力。
3动臂机构参数的计算及校核
3.1动臂机构参数的确定
根据图2.2，即工作装置的结构简图来计算出动臂，斗杆，连杆及铲斗的基本参数。
3.1.11α和A 点坐标的选取
动臂的弯角1α，如图2.2所示，一般可取为1α=120~140o 。弯角太小会对结构强度不利。一般取o 1120=α。
由经验公式参考其它同斗容机型，初选特性参数2.141
42
3==l l K 铰点A 单坐标的选择：
由底盘和转台结构，并结合同斗容其它机型的测绘，初选：
mm X A 400=
mm Y A 1100=
3.1.21l 、2l 、3l 的计算
由统计分析可知，最大挖掘半径1R 的值与321l l l ++的值很近，由已经给定的最大挖掘半径1R 和3l 与1K 计算与选取就可以得到另外两个尺寸。
特性参数1K ,对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度可在很大围选择。1K >2时称为长动臂短斗杆方案，当1K <1.5时属于短动臂长斗杆方案。1K 在1.5~2之间称为中间比例。要求适用性强而又无配套替换构件的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来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。取8.11=K 其中2
1
1l l K =。 由经验公式知：取3355.1q l =其中q 是斗容量 代入q=13m 可知mm l 15503= 最大挖掘半径3211l l l R ++= 则 mm K l R l 4.294611
3
12=+-=
所以 mm l K l 5.53034.29468.1211=?== 3.1.341l 与42l 的计算
参看图3.1中可知，在CZF ?中，知道了1α、1l 与3K 就可以容易的求得41l 与42l 。
41l 的计算公式如下：
1
32
3
1
41cos 21αK K l l -+=
代入数值可得41l =2780mm
333641342==l K l mm
同样在CZF ?中，由余弦定律得：
41
42
2
41
2
1
2
42
392
cos
cos
l
l
l
l
l
ZFC
?
?
-
+
=
=
∠α
解上式可得o
39
27
891
.0
arccos
FC=
=
∠
=Z
α
同样可以得到o
o
o
o33
27
120
180
ZCF=
-
-
=
∠
3.1.4
5
l的计算
动臂液压缸全伸与全缩时的力臂
4
K按不同的情况下选取，如前所述，专用反铲
取
4
K<0.8，所以在这里取4.0
4
=
K。
11
α的取值对特性参数
4
K和最大挖掘深度
m ax
1
H及最大挖掘高度
max
2
H有影响，
加大
11
α会使
4
K减少或
m ax
1
H增大，这是符合反铲作业要求，因此基本用作反铲的小
型机常取o
11
60
>
α。根据要求初选o
11
62
=
α。
斗杆液压缸全缩时
8
32
-
CFQα
α
=
∠最大，如图 3.2所示，常选
o
o
8
32
180
~
160
-=
）
（α
α根据本设计要求o
8
32
160
-=
）
（α
α。
BCZ ∠取决于液压缸布置形式，如图3.1所示。动臂液压缸结构中这一夹角较小，可能为零。动臂液压缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼缘加耳座上，B 在Z 的下面，初定o 5=∠BCZ ，则在CZF ?中可以得到：
o o 2285-33BCZ -ZCF F ==∠∠==∠αBC
由图3.2得最大卸载高度的表达式为：
3o 2811max 1max 322211max 11c max 3180sin()sin(Y H l l l -----++--+=）αααθαααθ
也可以写成以下式子：
3
o 2811max 1max 322211max 115A max 3180sin()sin(sin Y H l l l l -----++--++=）αααθαααθα （3-1）
由图3.3得到最大挖掘深度绝对值的表达式：
32211min 11c max 1)sin(Y H l l l -----=ααθ
也可以写成以下的表达式：
A
Y l l l l --++--=11532211min 11max 1sin )sin(H αααθ
（3-2）
将式（3-1）和（3-2）相加，消去5l 得：
）
o 2118max 1322211max 112min 11112max 3max 1180sin()sin()sin(----++--++-+=+αααθαααθαθαmsx l l l l H H
（3-3）
同时令 211αα+=A max 328αα-+=A B
根据以上求得的数据代入得，可知：o o o 902862=+=A o o o 7016090=+-=B 将A 与B 的值代入到式（3-3）中则可以得到以下式子：
0]1)110[sin()]90sin()90[sin(o max 12o max 1min 1o 1max 3max 1=+---+--+θθθl l H H (3-4)
又知特性参数：
min
11min
14sin sin θλθ=K (3-5)
∴1
4max
1min 1sin sin λθθK =
)sin (1cos 2
1
24max
12min 1λθθK -= (3-6)
将式（3-6）代入（3-4）中则得一元函数0)(max 1=θf 。式中m ax 1H 与max 3H 是在设计任务书要求的，就是已知的，1l 、2l 、A 和B 都已算出， 由此可解得： o min 14.43=θ
o max 19.153=θ
再由式（3-2）可求得5l 为：
11
max
1min 11325sin )sin(αθH Y A l l l l A ---++=
代入数值得：9.7355
=l mm 而min 1θ与max 1θ满足以下方程：
)21arccos()2arccos(22572min
12527min
1σρ
ρσθ-+=-+=l l L l l （3-7）
)2arccos()2arccos(222572max
12527max 1σρ
λρσθ-+=-+=l l L l l （3-8）
一般情况下选择是：ρσ≥，则上式可以得到σ和ρ：
24.1=σ
38.0=ρ
对求得的σ和ρ进行验算：
6.162.1=≥=+λρσ
186.0≤=-ρσ
则σ和ρ的值满足这两个经验公式，说明了σ和ρ的值是可行的。 由（3-7）和（3-8）两式可知：
mm l L 58.193638
.09
.7355
min 1==
=
ρ
mm L L 52.309858.19366.1min 1max 1=?==λ mm L l 34.240158.193624.1min 17=?==σ
3.1.5动臂其它相关尺寸的计算
前面已经确定了动臂的选型为整体弯动臂，则还要一个重要的参数是在动臂转弯处的高度，通过相同容量的挖掘机进行类比可知，初步定这个高度为mm H 800=。 对此动臂机构的全部参数初步选出。 3.2动臂基本参数的校核 3.2.1动臂机构闭锁力的校核 铲斗挖掘阻力j W 1
17000)]cos 1([501235.1max 1+-=X Z A B D j K K K K R C W φ （3-9）
j W 1—铲斗正常挖掘阻力，N
C —土壤硬度实际打击次数，对III 级土壤159-=C ，取12=C
R —铲斗与斗杆铰点到斗齿尖距离，m
m ax φ—某一挖掘位置时铲斗总转角的一半，这里取值为o 50，即最大转斗挖掘力位置。
B K —切削刃宽度影响系数，03.555.16.216.21=?+=+=b B m A K —切削角变化影响系数，取3.1=A Z K —带有斗齿的系数，75.0=Z A
X K —斗侧壁厚度影响系数，S K X 03.01+=，其中S 为侧壁厚度，由于初步设计时
可取15.1=X K 解得：N W j 51103.0?=
c Y 值的求取：
如图3.4所示，当斗杆油缸全缩时，E,Q,V 三点共线，且斗齿尖V 和铰点C 在同一水平线上，
max 321max 121max 2140cos )(2)_(αl R l l R l l --+=
解得mm l 971740=
mm l R l 839717980040max 30=-=-=∴ mm 175062sin 9.7351100o =?+=∴c Y
由图3.5知，最大挖掘深度时的挖掘力矩j M 1：
)(max 111c j j Y H W M +=
m N M j ??=+?=551105.2)75.16.6(103.0
动臂油缸的闭锁压力：N S P F 562
261111048.210])2
85()2120[(1044?=?-??==-π
其中1S 为动臂油缸小腔作用面积，锁紧压力：Mpa P 44401.11=?=
最大挖掘半径工作装置自身重力所产生的力矩为G M ,要求力矩，自行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个部分的重量;
由经验统计，初步估计工作装置各部分质量如下：
动臂 g k G 5.11= 斗杆 g k G 8.02= 铲斗 g k G 8.03= 斗杆缸 g k G 23.04= 铲斗缸g k G 13.05= 连杆摇杆g k G 15.06= 动臂缸g k G 4.07=
当处于最大挖掘深度时：o min 114.43==θθ
o o o o 2111216.46284.4362-=--=+=αθαα
另外根据经验公式土壤质量：g k q G 6.16.10==
由图3.5知：2110654321cos )2
1
(α??++++++=l g G G G G G G G M G
解得m N M G ??=510545.1
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）：
G M e F M +?=113
其中1e —动臂液压缸的作用力臂，1
571sin L l l e θ
??=
∴m N M ??=?+????=55o
5
31015.310545.1936
.12.45sin 736.04.21048.2
由前面的计算可知:m N M j ??=51105.2
j M M 13>∴
这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最大挖掘阻力所产生的力矩，满足要求。
3.2.2当满斗除最大挖掘半径时，动臂油缸提升力矩校核
当处于最大挖掘半径时，重力力矩
)]2
)(()2)((2)
[(8.9321303216521
41l l l G G l l l G G G l G G M Z -+++++++++= 代入数值解得：m N M Z ??=51013.3
动臂油缸的推力：N S P F 562
61111052.410)2
120(1040?=???==-π
在CAB ?中由余弦定理可知：
mm L l l l l L 6.2511cos 217527251=-+=θ
m N F L l l F e M T ??==
=∴511
75111018.3sin θ
Z T M M ≥∴满足要求
4斗杆机构参数的计算及校核
4.1斗杆参数的计算及算则因考虑的因素：
第一：保证斗杆液压缸有足够的斗齿挖掘力。一般来说希望液压缸在全行程中产生的斗齿挖掘力始终大于正常挖掘阻力；液压缸全伸时的作用力矩应足以支撑满载逗和斗杆静止不动；液压缸作用力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力大于要求客服的最大挖掘阻力。
第二：保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力。对于以转斗挖掘力为主的中小型反铲，选择都杆机构参数时必须注意转斗挖掘时斗杆液压缸的闭锁能力，要求在主要挖掘区转斗液压缸的挖掘力能得到充分的发挥。
第三：保证斗杆的摆角围。斗杆的摆角围大致在105—125度之间。在满足工作围和运输要求的前提下此值应尽可能小些，对以斗杆挖掘为主的中型机更应注意到这一点。一般斗杆越长，其摆角也可稍小。当斗杆液压缸和转斗液压缸同时伸出最长时，铲斗前臂与动臂之间的距离应大于10cm 。 4.2斗杆基本参数的确定
4.2.1斗杆液压缸的最大作用力臂8l 和9l 的计算
根据斗杆挖掘阻力的计算，并参考国外同型机器斗杆挖掘力值，按要求的最大挖掘力确定斗杆液压缸的最大作用力臂9l ，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为：
2
32max 92)
(max P l l P l e G +=
=
参考同型号挖掘机得挖掘力值KN P G 9.106max = 代入已知数值得mm l 7819=
如图4.1所示，斗杆液压缸初始力臂20e 和最大力臂max 2e 之比是斗杆摆角m ax 2?的余弦函数，则存在以下式子：
2
cos
2
cos
max
29
max
28max
220
??==l l e e
可见9l 已定时m ax 2?愈大，2e 和20e 就愈小，即平均挖掘力就越小。要得到较大的平均挖掘力，就要尽量减少m ax 2?，除取o max 2110=? 由图4.1的几何关系有：
)2
sin(
2max
29min 22min 2?λl L L =-
1
)
2sin(
22max
29min 2-=
λ?l L
mm L 5.2132min 2=
而 mm L L 34122min 2max 2==λ 同样由图4.1所示，由余弦定理知： )2
110cos(29min 29min 28?
---+=ππl L l L l
解得 ：mm l 28088=
4.2.2斗杆其它相关尺寸的计算
斗杆上EFQ ∠取决于结构因素和工作围（如图2.2），一般在?-?170130之间，初定?=∠150EFQ ，同样的动臂上的DFZ ∠也是结构尺寸，并按结构因素，可初选
?=∠10DFZ
4.3斗杆的结构设计和强度校核 4.3.1斗杆的受力分析
液压挖掘机工作装置在ADAMS中的运动仿真解 析参考文本 In The Actual Work Production Management, In Order To Ensure The Smooth Progress Of The Process, And Consider The Relationship Between Each Link, The Specific Requirements Of Each Link To Achieve Risk Control And Planning 某某管理中心 XX年XX月
液压挖掘机工作装置在ADAMS中的运动仿真解析参考文本 使用指引：此安全管理资料应用在实际工作生产管理中为了保障过程顺利推进，同时考虑各个环节之间的关系，每个环节实现的具体要求而进行的风险控制与规划，并将危害降低到最小，文档经过下载可进行自定义修改，请根据实际需求进行调整与使用。 虚拟样机技术在使用过程中为液压挖掘机设计提供了 有效的方法和手段，在使用过程中受到了条件限制，较少 的单位会对运行学进行仿真研究，降低了色剂方案可行 性。文章基于动力学仿真软件ADAMS建立起了挖掘机工 作装置虚拟系统，更好的完成了前期处理工作，使得建模 正确性更高。 液压缸顺序工作的运动仿真分析 1.1.基于尺寸确定 当液压的挖掘机工作装置尺寸以及基本结构都确定下 来之后，该挖掘机的工作范围也基本确定下来。简单理解 就是挖掘机铲斗齿尖轨迹的包络图得以确定。在包括图
中，有些部分区间靠近的比较紧密，有的会深入到挖掘机停点底部下，这一个位置虽然还可以挖掘到，但是在挖掘过程中会引起土壤坍塌，从而影响机械运行稳定，使得施工安全性受到影响。在以上动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸运动仿真分析过程中，选择的挖掘机工作顺序和方式一般都是在装置范畴内，这里讲解的顺序指的是，挖掘工作进行时，各个油缸都是根据一定顺序进行收缩或者伸出。例如：挖掘进行时，需要先下降动动臂，再收回斗杆，这个动作完成之后，在使用铲斗进行挖掘。 1.2.顺序工作运动仿真实现的路线 仿真路线是，在斗杆液压缸、动臂液压缸、铲斗液压缸上进行设置，一般在不同的时间段内，它的运动驱动函数都不同，需要进行调节处理，使得各缸在相应的工作极限范围内相互运行，这样就可以获得挖掘机的工作范围。可以在液压缸移动副约束处添加移动驱动，改变运动方
机械设计说明书设计题目：反铲单斗液压挖掘机工作装置设计 姓名：舒康 学号：20097588 指导老师：冯鉴 09工程机械2班
目录 一．机械原理设计任务书 (4) §1.1设计题目简介 (4) §1.2设计任务 (4) 二．单斗液压挖掘机结构简图 (6) 三．设计中小型液压挖掘机结构参数一览表(参照下图) (8) §3.1单斗液压挖掘机结构几何参数详表 (8) §3.2斗容量为0.25 m3 的小型单斗液压挖掘机结构详细参数 (9) 四．确定下列所给满足要求的结构参数 (12) §4.1确定长度与角度结构参数 (12) §4.2斗形参数的选择 (15) §4.3最大挖掘深度、停机面最大挖掘半径、最大卸载高度、最大挖掘高度的计算 (16) §4.3.1最大挖掘深度 (16) §4.3.2最大挖掘半径 (17) §4.3.3最大卸载高度 (17) 五．动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸运动参数确定 (19) §5.1动臂液压缸 (19) §5.2斗杆液压缸 (19) §5.3铲斗液压缸 (20) 六．机构自由度分析 (21) 七．仿真 (22)
八．机构搭建图 (23) 九．参考文献： (25) 十．心得和体会 (24)
完成日期：年月日指导教师 一．机械原理设计任务书 学生姓名舒康班级09工机2班学号20097588 设计题目：反铲液压挖掘机工作装置设计 §1.1设计题目简介 反铲式是我们见过最常见的，向后向下，强制切土。可以用 于停机作业面以下的挖掘，基本作业方式有：沟端挖掘、沟 侧挖掘、直线挖掘、曲线挖掘、保持一定角度挖掘、超深沟 挖掘和沟坡挖掘等。反铲装置是液压挖掘机重要的工作装置， 是一种适用于成批或中小批量生产的、可以改变动作程序的自动搬运和操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。 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 卸载高度铲斗挖掘力 B 0.38 m3 4.1m 7.35 m 6.77 m 4.95 m 54.86KN §1.2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、根据所提供的工作参数，对挖掘机工作机构进行尺度综合，确定工作机构各
1绪论 1.1设计选题的意义 我国是一个发展中国家，在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设，这就需要大量的土方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土方施工机械。因此，可以肯定液压挖掘机的发展空间很大。可以预见，随着国家经济建设的不断发展，液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展，液压挖掘机的年产量将会以高于20%的速度增长。 中国挖掘机市场自1997年开始已进入一个较快的发展时期，2000年与2000年比较，全国挖掘机的产、销量分别增长55%和56%。截止到2002年8月底全国挖掘机的销量已超过13000台，超2001年全年的销售数。显然挖掘机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。 而在挖掘机中最为重要的就是关于工作装置设计，因为挖掘机的工作装置能偶最为明显的体现机器的工作能力和工作寿命，所以设计工作可靠，性能好，成本低，效率高，维护使用方便的工作装置就显得格外重要。 1.2国内外液压挖掘机的发展动态和研究现状 最早在液压挖掘机工作装置设计时，设计人员通过类比、查表、理论计算初步确定性能参数以后，还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大多选取几个特殊位置进行检讨计算，其精度当然较低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置设计得到了很快的发展。针对液压挖掘机工作装置的CAD软件也已经有了不少的研究。 1.2.1国外液压挖掘机发展动态和研究现状 国外挖掘机生产历史较长，液压挖掘技术的不断成熟使挖掘机得到全面的发展。德国是世界上较早开发研究挖掘机的国家，1954年和1955年德国的徳马克和利渤海尔公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后声场挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展上起来的，其主要特点在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国式液压挖掘机生产的后起之秀。 从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展：
挖掘机工作装置疲劳分析探讨 发表时间：2018-08-14T13:48:53.523Z 来源：《科技新时代》2018年6期作者：惠刚刚 [导读] 挖掘机作为机械工程历史里一个经典的土石方作业装置，它的作业设备是被当作挖掘机结束工作的非间接实行者自己重要承受部分。 广州港新沙港务有限公司 【摘要】：在经济持续发展的今天，科学也在持续的进步，中国各大领域进步飞速，竞争也越来越火热，港口的进步同样非常明显，港口要于现在这个社会上稳定下来，就要不停地增强自我管理进步，且所有港口针对建设会存在不一样的作业技术，为港口开始改良是必然的选择，所以这会影响到港口领域的未来[1]。当港口作业时挖掘机运转设备经常会疲劳受损，挖掘机运转设备损耗值与港口装卸实施的效率相关，所以要将挖掘机活动设备疲劳当成一个关键的进程，还要持续缓解挖掘机活动设备疲劳，保证总体品质以及科技水平，才可以确保港口生产的安全品质。港口生产时挖掘机设备疲劳引发众多设备状况，这类状况成为了港口装卸工作总体进度上的绊脚石，大众应该自这里面分析错误，总结问题，逐渐改善港口活动里挖掘机活动设备疲劳，该文在港口里挖掘机活动设备疲劳视角展开讨论，在这段历史进程里，使用相关全新的技术以及理论开展港口活动里挖掘机作业设备疲劳的分析，并经过了解以及逐渐增加的理论来缓解疲劳值，简单的根据港口工程里挖掘机作业设备疲劳来探究[2]。 【关键词】：机械工程；疲劳分析；工作装置 1前言 挖掘机作为机械工程历史里一个经典的土石方作业装置，它的作业设备是被当作挖掘机结束工作的非间接实行者自己重要承受部分，该装置的科学性和持久性很大程度上对作业阶段里的活动性能以及安全性有很大影响。因为挖掘机处于作业状态时要承受交变载荷的干扰，这也让疲劳损坏变成了活动设备丧失活力的关键因素之一[3]。在计算机仿真科技的持续进步的时候，这让位于仿真科技里模仿载荷开启构造的疲劳周期预告变成现实，然而因为挖掘机活动阶段里载压的不确定性和随机性，这也导致于模拟软件里不容易模仿出实际的载荷经历。我们运用应变检测体系检测出挖掘机作业设备不够安全的地方和动态回应突出点的载压过程，找出一系列给载压经历开启研究解决的手段和方法，最终实现预测疲劳周期的目标。 2挖掘机工作装置疲劳分析流程 为挖掘机作业设备疲劳值实行仔细的研究，并给予一系列新的挖掘机运转分析方案，通过挖掘机的总体活动以及模拟进行，能够获取每个较点载压的详细状况，依照上面的问题实行认真研究后能够知道挖掘机疲劳值[4]。它需要实行挖掘模拟来取得所有铰点的承压力，依照动力学部分开始数值仿真研究，便能够得出挖掘阻力的全部改变历程，并制作出所有较点的载荷数据图，并经过荷数据分布便能够得到出挖掘机活动设备的三个油缸压力改变值，经过这次改变值便可以直接提现出挖掘阻力以及三个油江压力改变值拥有相对应的联系，这个技术同样能够实行探究出挖掘机设备疲劳周期计算的功能。针对挖掘机活动周期计算要依据损耗研究软件实行估算。 2挖掘机工作装置疲劳寿命分析 2.1载荷历程的预处理 针对遭受测量设备以及四周环境的干扰，收集到的实际时间经历可能存在部分干扰信息，所以应该为收集到的信息实行适当的处理，方便解除干扰频率测点的载压经历的干扰。功率谱密度是一类经常使用的频域处理技术。这种技术将谱密度均方值给随机变量的频率构造开始分析。功率谱密度实际上是:随机变量xΔf在微弱的频带宽度Δf里的均方值除上带宽,为Wx(f)=1Δf[Tli→m∞x2Δf(t)dt](4)该文为两类状况下的载压历程开启功率谱密度研究，分析被影响信息的频域特点[5]。 2.2挖掘机工作装置疲劳寿命预测 2.2.1载荷历程的雨流计数统计 当前于装置工程范围计算载荷历程的关键技术为雨流计数法。雨流法适合在计算应力循环(或半循环)的频率以及大小上，很适合建材应力、应变循环的特点[6]，足以给疲劳周期估计以及编制疲劳测试载荷谱利用。 2.2.2平均应力修正 S-N曲线指的是构造于实行疲劳周期研究时，在对称循环载荷(平均应力为零)影响中获得的疲劳周期曲线。因为通过雨流循环计算而取得的应力循环该均衡应力不会是零，所以会经过相关技术更正成均衡应力等于零的应力循环，普遍使用的平均应力更正技术包括Goodman 法以及Gerber法。Goodman法可以运用在低韧性材料中，对压缩平均应力无法做更改;Gerber法经常可以给韧性原料的平均拉伸应力给予上佳的配合，可是它却无法真正地估计出压缩平均应力的利害作用，两类平均应力修正的表达式为G oodman法Sca=Sa1-SmSu(5)G erber 法Sca=Sa1-SmSu2(6)其中:Sca为更正的平均应力;Sa是应力幅值;Sm是平均应力;Su是抗拉强度最值。在现实施工里，通常会同步利用两类技术分别实行平均应力更正估算，将其中较保守值当作最后结果。 2.2.3确定工作装置结构的S-N曲线 (1)推进工程设备构造的S-N曲线使用的理论应力法估计作业设备的疲劳周期，先要获取作业设备不安全部分构造的S-N曲线。依照金属原料的S-N曲线推进作业设备构造的S-N曲线。 (2)更改作业设备构造的S-N曲线，常用的S-N曲线理论分析到，不高于疲劳最值的应力循环无法预测疲劳损害，可测试实验结果表明，不高于疲劳最值的应力循环同样可以测量出疲劳损耗。 结束语： 为了港口作业挖掘机活动设备疲劳损损耗，科学家给挖掘机作业设备疲劳极限制定了要增大“人＂以及“设备＂两类管理方案，这两类方案互相依托，才可以缓解挖掘机作业设备疲劳程值，出于如今的港口作业挖掘机活动设备会经常性的疲劳，只有确保了外部的高效率的作业以及内部装置平稳运行，才可以确保缓解挖掘机活动设备疲劳值，如此便可以增高港口作业效率。挖掘机作业设备疲劳在中国港口和建筑工程里非常普遍，缓解挖掘机作业设备疲劳是一个繁琐的历程。我们简单的分析了港口工程挖掘机作业设备疲劳值，港口工程挖掘机作业设备还要持续地优化。创新要的是高科技人才，运用科学的技术以及管理方法便可以促使港口工程挖掘机作业设备的进步以及存在。要从优化港口工程挖掘机作业设备，提高作业人员整体素质，加强信息沟通才可以优化港口工程挖掘机作业设备。在改良港口工程挖掘机作业设备阶段里我们要经常性的总结教训，更正方案，促使港口工程领域的平稳安全的进步。港口工程挖掘机作业设备在未来运用将会越来
液压挖掘机工作装置在ADAMS中的运动 仿真解析 姓名：XXX 部门：XXX 日期：XXX
液压挖掘机工作装置在ADAMS中的运动仿真解析虚拟样机技术在使用过程中为液压挖掘机设计提供了有效的方法 和手段，在使用过程中受到了条件限制，较少的单位会对运行学进行仿真研究，降低了色剂方案可行性。文章基于动力学仿真软件ADAMS建立起了挖掘机工作装置虚拟系统，更好的完成了前期处理工作，使得建模正确性更高。 液压缸顺序工作的运动仿真分析 1.1.基于尺寸确定 当液压的挖掘机工作装置尺寸以及基本结构都确定下来之后，该挖掘机的工作范围也基本确定下来。简单理解就是挖掘机铲斗齿尖轨迹的包络图得以确定。在包括图中，有些部分区间靠近的比较紧密，有的会深入到挖掘机停点底部下，这一个位置虽然还可以挖掘到，但是在挖掘过程中会引起土壤坍塌，从而影响机械运行稳定，使得施工安全性受到影响。在以上动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸运动仿真分析过程中，选择的挖掘机工作顺序和方式一般都是在装置范畴内，这里讲解的顺序指的是，挖掘工作进行时，各个油缸都是根据一定顺序进行收缩或者伸出。例如：挖掘进行时，需要先下降动动臂，再收回斗杆，这个动作完成之后，在使用铲斗进行挖掘。 1.2.顺序工作运动仿真实现的路线 仿真路线是，在斗杆液压缸、动臂液压缸、铲斗液压缸上进行设置，一般在不同的时间段内，它的运动驱动函数都不同，需要进行调节处理，使得各缸在相应的工作极限范围内相互运行，这样就可以获得挖掘机的工作范围。可以在液压缸移动副约束处添加移动驱动，改变运动方式， 第 2 页共 5 页
将其更换成位移运动方式。运动的函数输入时，需要注意相匹配的的STEP函数。对液压缸进行STEP函数值设置时，应该满足运动函数需求。当完成了函数值输入之后，在运行状态下可以启动ADAMS软件的仿真模块。 1.3.仿真过程 当工作面从最初的范围逐渐移动时，一般最初的指的是停机状态下。可以适当的对斗杆、铲斗液压缸进行调整，将其保持在全缩的状态中，逐渐对动臂液压缸拉伸，将其缩小到CD弧线上。这个伸缩过程需要得到弧线支撑，基于保障弧线运动轨迹基础上做好控制工作。其中在进行一次姿态调整之后，作业范围会缩小，而且包络图中的各个点会逐渐深入挖掘机的底部，在这个范围上可以实现挖掘，但是可能出现塌陷实现，导致机械无法正常施工。因此，一般除了有条件的挖沟作业之外进行使用，其他施工一般都不会使用。可以在模型中建立起一个处于回转中心轴的三维坐标，将坐标点确定为（608,.0,0.0,1254.3306），这样就可以测量出方向移动值，可以得出这个位置的位移，这样便可以达到最大高度值，其实这个测量方法比较简单，也比较容易掌握。根据曲线变化得出，从得到的曲线中得出最终的数值，可以查看到最大值，平均值以及最小值等。 工作装置模型的运动学仿真分析 2.1.参数范围 运动学仿真中的参数范围确定一般都包含速度、位移以及加速度，这些参数会有一个变化范围。在进行运动学仿真分析中，需要基于ADAMS/Solver求解，就可以得出代数方程。因此，在进行仿真系统自由度确认时，一般自由度的必须为零。如果这个时候会考虑到物体的惯性 第 3 页共 5 页
单斗挖掘机工作装置设计 摘要 单斗挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。随着国家经济建设的不断发展，单斗挖掘机的需求量将逐年大幅度增长，其在国民经济建设中的作用将越来越显著。 反铲装置作为单斗挖掘机工作装置的一种主要形式，在工程实践中占有重要地位。反铲装置的各组成部分有各种不同的外形，要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机反铲装置的基本轮廓。 挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关重要。挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的分析是关键点。在挖掘力分析基础上，可对各杆件铰接点进行力的分析计算，并进行机构设计的合理性分析。 关键词：单斗挖掘机，运动分析，力学分析，强度校核
SINGLE DOU EXCAVATOR WORKING DEVICE DESIGN ABSTRACT Single dou excavator is a kind of important engineering machinery, widely used in building, road engineering, water conservancy construction, forestry development, port construction, national defense construction and the conditions of fortifications mining extraction industries, to reduce heavy manual labor, ensuring the quality of projects and accelerate the construction speed and improve labor productivity plays an enormous role. With the continuous development of national economic construction, dou excavator demand will greatly increase year by year, its role in national economic construction will become more and more prominent. The shovel device as a single dou excavator working device of a main form in engineering practice, occupies an important position. The shovel device of each component of a variety of different shape, according to the design requirements for the selection of the structure and kinematic analysis. Then, on the basis of the requirement of motion parameters of various institutions, organizations, and determine the size parameters of the shovel device determine excavator basic outline. Digging resistance and mining force is the important measure excavator performance parameters on its performance index analysis, calculation is very important. Digging resistance with mining and relevant parameters, and their size by numerous dig power restriction, dangerous working conditions, the analysis is the key point. Based on the analysis in the mining strength to the bar on the pivotal point force calculation and analysis, and the rationality of the design. KEY WORDS: Single dou excavator, Motion analysis, Mechanics analysis，Strength Check
机械原理设计任务书 学生姓名朱班级学号20127462 设计题目：挖掘机工作装置机构设计 一、设计题目简介 单斗挖掘机是一种重要的工程机械，广泛 应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林 开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和 矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保 证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率 起着十分巨大的作用。随着国家经济建设的不 断发展，单斗挖掘机的需求量将逐年大幅度增 长，其在国民经济建设中的作用将越来越显 著。 反铲装置作为单斗挖掘机工作装置的一种主要形式，在工程实践中占有重要地位。反铲装置的各组成部分有各种不同的外形，要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机反铲装置的基本轮廓。 挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关要。挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的分析是关键点。在挖掘力分析基础上，可对各杆件铰接点进行力的分析计算，并进行机构设计的合理性分析。 二、设计数据与要求 该型挖掘机工作装置,由两节臂，一挖斗组成，停机面最大挖掘半径(mm):9850；最大挖掘深度(mm):6710；最大挖掘高度(mm):9840，液压缸驱动。 三、设计任务 1、提出可能的运动控制方案，绘制方案的机构简图，计算工作装置的自由度，进行方 案分析评比，从中选取最适合挖掘机工作装置的机构； 2、根据所确定的机构方案进行杆及运动副的尺寸计算，要有计算过程（图解法也必须 有作图步骤），并根据所计算尺寸依据国家相关标准提出油缸的布置及其运动要求； 3、在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。 4、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）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。 5、编写说明书，说明书应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。 四、提示 1、每一节斗杆应有一个油缸控制，即该机构应由多个自由度 2、按设计要求，主要考虑几个极限位置的相关数据 完成日期：年月日指导教师
Through the reasonable organization of the production process, effective use of production resources to carry out production activities, to achieve the desired goal. 液压挖掘机工作装置在ADAMS中的运动仿真解析 正式版
液压挖掘机工作装置在ADAMS中的运 动仿真解析正式版 下载提示：此安全管理资料适用于生产计划、生产组织以及生产控制环境中，通过合理组织生产过程，有效利用生产资源，经济合理地进行生产活动，以达到预期的生产目标和实现管理工作结果的把控。文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用。 虚拟样机技术在使用过程中为液压挖掘机设计提供了有效的方法和手段，在使用过程中受到了条件限制，较少的单位会对运行学进行仿真研究，降低了色剂方案可行性。文章基于动力学仿真软件ADAMS 建立起了挖掘机工作装置虚拟系统，更好的完成了前期处理工作，使得建模正确性更高。 液压缸顺序工作的运动仿真分析 1.1.基于尺寸确定 当液压的挖掘机工作装置尺寸以及基本结构都确定下来之后，该挖掘机的工作
范围也基本确定下来。简单理解就是挖掘机铲斗齿尖轨迹的包络图得以确定。在包括图中，有些部分区间靠近的比较紧密，有的会深入到挖掘机停点底部下，这一个位置虽然还可以挖掘到，但是在挖掘过程中会引起土壤坍塌，从而影响机械运行稳定，使得施工安全性受到影响。在以上动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸运动仿真分析过程中，选择的挖掘机工作顺序和方式一般都是在装置范畴内，这里讲解的顺序指的是，挖掘工作进行时，各个油缸都是根据一定顺序进行收缩或者伸出。例如：挖掘进行时，需要先下降动动臂，再收回斗杆，这个动作完成之后，在使用铲斗进行挖掘。
三、工作装置各部分的基本尺寸计算和验证 反铲装置的合理设计问题至今尚未理想地解决。以往多按经验，采取统计和作周试凑的方法，现在则尽可能采用数解分析方法。液压挖掘机基本参数是表示和衡量挖掘机性能的重要指标，本文主要计算和验证铲斗、动臂、斗杆的尺寸。 （一）反铲装置总体方案的选择 反铲装量总体方案的选择包括以下方面： 1、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动臂液压缸的布置为悬挂式或是下置式。 2、斗杆及斗杆液压缸的布置 确定用整体式或组合式斗扦，以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗扦是否采用变铰点调节。 3、确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数112K l =。 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围选择。—般当K 1＞2时(有的反铲取K 1＞3)称为长动臂短斗杆方案，当K 1＜1.5时属于短动比长斗杆力案。K 1在1.5~2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。 4、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。 5、根据液压系统工作压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件等确定各液压缸缸数、缸径、全伸长度与全纳长度之比λ。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λ1＝1.6~1.7。取λ2＝1.6~1.7；λ3＝1.5~1.7。 （二） 斗形主要参数的确定 当铲斗容量q 一定时，挖掘转角2?，挖掘半径R 和平均斗宽B 之间存在一定的关系，即具有尺寸R 和B 的铲斗转过2?角度所切下的土壤刚好装满铲斗，于是斗容量可按下式计 算： 2 1(2sin 2)2 s q R B K ??= - (4.1) 式中： s K ——土壤松散系数。（取 1.25s K = ） 一般取: (4.2) R 的取值围： (4.3) 式中： q ——铲斗容量，3m ； B ——铲斗平均宽度，m 。 可根据表4-3根据斗容选取B 值。 根据式（4.1）可得 φ值
挖掘机工作装置设计 设计
郑州科技学院 本科毕业设计（论文） 题目挖掘机工作装置设计 学生姓名王利军 专业班级机械设计制造及其自动化 08级本科（6）班 学号200833467 院（系）机械工程学院 指导教师（职称）陈长庚工程师 完成时间2012年 5 月 16 日
挖掘机工作装置设计 摘要 单斗挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。随着国家经济建设的不断发展，单斗挖掘机的需求量将逐年大幅度增长，其在 国民经济建设中的作用将越来越显著。 反铲装置作为单斗挖掘机工作装置的一种主要形式，在工程实践中占有重要地位。反铲装置的各组成部分有各种不同的外形，要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机反铲装置的基本轮廓。 挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关重要。挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的分析是关键点。在挖掘力分析基础上，可对各杆件铰接点进行力的分析计算，并进行机构设计的合理性分析。 关键词：单斗挖掘机运动分析力学分析强度校核
SINGLE DOU EXCAVATOR WORKING DEVICE DESIGN ABSTRACT Single d o u excavator is a kind of important engineering machinery, widely used in building, road engineering, water conservancy construction, forestry development, port construction, national defense construction and the conditions of fortifications mining extraction industries, to reduce heavy manual labor, ensuring the quality of projects and accelerate the construction speed and improve labor productivity plays an enormous role. With the continuous development of national economic construction, d o u excavator demand will greatly increas e year by year, its role in national economic construction will become more and more prominent. The shovel device as a single d o u excavator working device of a main form in engineering practice, occupies an important position. The shovel device of each component of a variety of different shape, according to the design requirements for the selection of the structure and kinematic analysis. Then, on the basis of the requirement of motion parameters of various institutions, organizations, and determine the size parameters of the shovel device determine excavator basic outline. Digging resistance and mining force is the important measure excavator performance parameters on its performance index analysis, calculation is very important. Digging resistance with mining and relevant parameters, and their size by numerous dig power restriction, dangerous working conditions, the analysis is the key point. Based on the analysis in the mining strength to the bar on the pivotal point force calculation and analysis and the rationality of the design. KEY WORDS: Single d o u excavator, Motion analysis, Mechanics analysis，Strength Check
安全管理编号：YTO-FS-PD212 液压挖掘机工作装置在ADAMS中的 运动仿真解析通用版 In The Production, The Safety And Health Of Workers, The Production And Labor Process And The Various Measures T aken And All Activities Engaged In The Management, So That The Normal Production Activities. 标准/ 权威/ 规范/ 实用 Authoritative And Practical Standards
液压挖掘机工作装置在ADAMS中的运动仿真解析通用版 使用提示：本安全管理文件可用于在生产中，对保障劳动者的安全健康和生产、劳动过程的正常进行而采取的各种措施和从事的一切活动实施管理，包含对生产、财物、环境的保护，最终使生产活动正常进行。文件下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用。 虚拟样机技术在使用过程中为液压挖掘机设计提供了有效的方法和手段，在使用过程中受到了条件限制，较少的单位会对运行学进行仿真研究，降低了色剂方案可行性。文章基于动力学仿真软件ADAMS建立起了挖掘机工作装置虚拟系统，更好的完成了前期处理工作，使得建模正确性更高。 液压缸顺序工作的运动仿真分析 1.1.基于尺寸确定 当液压的挖掘机工作装置尺寸以及基本结构都确定下来之后，该挖掘机的工作范围也基本确定下来。简单理解就是挖掘机铲斗齿尖轨迹的包络图得以确定。在包括图中，有些部分区间靠近的比较紧密，有的会深入到挖掘机停点底部下，这一个位置虽然还可以挖掘到，但是在挖掘过程中会引起土壤坍塌，从而影响机械运行稳定，使得施工安全性受到影响。在以上动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸运动仿真分析过程中，选择的挖掘机工作顺序和
正铲液压挖掘机工作装置设计 摘要 液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机种。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。 液压挖掘机主要有发动机、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置和电器控制等部分组成。本文主要研究其工作装置。 挖掘机的主要工作就是土壤的挖掘。工作装置是直接完成挖掘任务的装置，许多挖掘机发达的国家广泛采用新技术、新方法来不断地提高液压挖掘机的作业性能和生产率。正铲装置的各组成部分有各种不同的外形，要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机正铲装置的基本轮廓。 挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关重要。挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的分析是关键点。在挖掘力分析基础上，可对各杆件铰接点进行力的分析计算，并进行机构设计的合理性分析。 关键词：正铲挖掘机，工作装置，平面连杆机构，运动分析
第二章液压正铲挖掘机工作装置的总体设计 2.1 液压正铲挖掘机的基本组成和工作原理 液压正铲挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图 2.1 所示。其中上部转台包括动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室；工作装置由动臂、斗杆、铲斗及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成，如图 2.2 所示。 图 2.1 液压正铲挖掘机的基本组成
图 2.2 液压正铲挖掘机工作装置 挖掘作业时，操纵动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸，使斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，操纵动臂油缸，使铲斗升高离开挖掘面，在回转马达的驱动下，使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲斗油缸使铲斗转动至合适位置，再回缩开斗油缸转动铲斗，使斗前、斗后分开卸载物料。卸载后，开斗油缸伸长使斗前、斗后闭合，将工作装置转到挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。转移工作场地时，操纵行走马达，驱动行走机构完成移动工作[4]。 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。 2.2 工作装置结构方案的确定 正铲工作装置的构造：正铲工作装置由动臂、斗杆、铲斗、工作液压缸和连杆机构等组成。动臂是焊接的箱形结构，由高强度钢板焊成，也有的是铸造的混合结构，和反铲工作装置相比，正铲动臂较短且是单节的。动臂下端和转台铰接，动臂油缸一般为双缸，在布置上动臂的下铰点高于动臂油缸的下铰点且靠后。这种布置方案能保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，以满足挖掘和卸载的需要，
第一部分：挖掘机 第一章挖掘机的基本构造及工作原理 第一节概述 一、单斗液压挖掘机的总体结构 单斗液压挖掘机的总体结构包括①动力装置、②工作装置、③回转机构、④操纵机构、⑤传动系统、⑥行走机构和⑦辅助设备等，如图所示。
常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和 驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。因此又可将单斗液压挖掘机概括成 工作装置、上部转台和行走机构等三部分。 工作装置——①动臂、②斗杆、③铲斗、④液 压油缸、⑤连杆、⑥销轴、⑦管路 上部转台——①发动机、② 减震器主泵、③主阀、④驾 驶室、⑤回转机构、⑥回转 支承、⑦回转接头、⑧转台、 ⑨液压油箱、⑩燃油箱、○11 控制油路、○12电器部件、○13 配重 行走机构——①履带架、② 履带、③引导轮、④支重轮、 ⑤托轮、⑥终传动、⑦张紧 装置 挖掘机是通过柴油机把柴油的化学能转化为机械能，由液压柱塞泵把机械能转换成液 压能，通过液压系统把液压能分配到各执行元件（液压油缸、回转马达+减速机、行走马达 +减速机），由各执行元件再把液压能转化为机械能，实现工作装置的运动、回转平台的回 转运动、整机的行走运动。 二、挖掘机动力系统 1、挖掘机动力传输路线如下 １）行走动力传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀 ——中央回转接头——行走马达（液压能转化为机械能）——减速箱——驱动轮——轨链履 带——实现行走 ２）回转运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀 ——回转马达（液压能转化为机械能）——减速箱——回转支承——实现回转 ３）动臂运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀 ——动臂油缸（液压能转化为机械能）——实现动臂运动 ４）斗杆运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀 ——斗杆油缸（液压能转化为机械能）——实现斗杆运动 ５）铲斗运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀 ——铲斗油缸（液压能转化为机械能）——实现铲斗运动
单斗挖掘机 一、单斗挖掘机的用途、分类与编号 单斗挖掘机的主要用途有： （1）开挖建筑物或厂房基础； （2）挖掘土料、剥离采矿场覆盖层； （3）采石场、隧道内、地下厂房和堆料场等中的装载作业； （4）开挖沟渠、运河和疏通水道； （5）更换工作装置后可进行浇筑、起重、安装、打桩、夯实等作业。 挖掘机的分类、编号及表示方法如表2-5-1所示。 国产单斗挖掘机型号编制规定表2-5-1 类组型特性代号代号含义 主参数 名称单位 挖掘机 单 斗 挖 掘 机 W （挖） 履 带 式 W 机械式单斗挖掘机标准斗容量m3×100 D（电）WD 电动式单斗挖掘机标准斗容量m3×100 Y（液）WY 液压式单斗挖掘机标准斗容量m3×100 B（臂）WB 长臂式单斗挖掘机标准斗容量m3×100 S（隧）WS 隧道式单斗挖掘机标准斗容量m3×100 轮 胎 式 L （轮） WL 轮胎式机械单斗挖掘机标准斗容量m3×100 D（电）WLD 轮胎式电动单斗挖掘机 Y（液）WLY 轮胎式液压单斗挖掘机
其具体表示方法为四组符号： W Y 60 A 结构改进代号 标准斗容量 不同机型代号 挖掘机 二、单斗挖掘机的构造与工作原理 1．机械式单斗挖掘机的构造与工作原理 机械式单斗挖掘机主要由工作装置、回转支承装置、行走装置、动力装置及附属设备等部分组成，如图2-5-1所示。其中工作装置包括铲斗、提升机构、推压机构、动臂、斗底开启机构等。回转支承装置包括回转机构、回转平台、回转支承机构等；行走装置主要有履带式和轮胎式两种。
图2-5-1 机械式单斗挖掘机外形图 1-工作装置；2-回转平台；3-行走装置 图2-5-2所示为机械式单斗挖掘机正铲工作装置的工作原理图。挖掘开始时，挖掘机靠近工作面，开挖位置在推压轴之下，斗前面与工作面夹角最大（40?～45?），斗齿容易切入。工作时斗齿的切入深度由推压轴控制，操纵提升钢索提升铲斗，同时推压轴把斗柄推向工作面。铲斗提升与推压轴同时动作，在运动中使铲斗装满 土石料，离开工作面后回转 到卸载处卸载，然后再回转到工作面，开始下一次的挖掘工作。 机械式单斗挖掘机常用的工作装置除正铲工作装置外，还有反铲、拉铲等型式的工作装置，如图2-5-3 所示。 图2-5-2 正铲工作装置工作原理图 1-动臂、2-斗柄；3-铲斗；4-推压轴
专题综述 挖掘机工作装置轨迹控制 同济大学 黄宗益 王 康 杨劲松 1 概述 液压挖掘机是通用性机械,具有很多自由度,完成多种作业:掘削、装载、整地、起重和搬运等。这些作业往往需要复合操作,要求对工作装置的运动进行控制,使铲斗按要求的轨迹进行作业。例如:倾斜面切削加工、土坡夯实、压实摊平、地面平整、垂直面修正、掘沟槽和基坑等。要高效率和高质量地完成这些作业,司机需要有很高超的技巧。例如水平面和垂直面的精整作业,要求司机对动臂、斗柄和铲斗三个操纵手柄联动操作,进行巧妙配合才能完成。对司机来说,不仅要有高度操作技术,而且要注意力高度集中,因此司机的生理和心理负担都很重,很容易产生疲劳,为了解决这些问题,必须对工作装置的运动进行电子控制。 目前在挖掘机上采用以下工作装置运动控制: (1)直线自动掘削 1)平整土地、修坡。一般由斗柄和动臂同时动作来进行直线切削,如图1(a)所示。 2)坡道压实摊平。一般由动臂、斗柄和铲斗三者同时动作来实现,如图1(b)所示。 其平面切削的角度范围可以±90°,作业精度以掘削精度长度比(即掘削偏差与掘削长度之比)来衡量,大约±014%左右,即5m掘削长度时掘削偏差为±20mm,如图1(c)所示。 (2)装载作业控制 在铲装过程中需保持铲斗合适的切削轨迹,动臂举升过程中要保持斗倾角一定,以防铲斗中土撒落,卸土后要自动复归到新掘削的适当位置。这些都需通过电子控制,对动臂、斗柄和铲斗进行连动控制。 (3)作业空间设定 近年来城市的市政工程建设在不断增加,为了使司机在狭窄的场所能安心作业,提高作业效率,保证工地现场的人身安全,避免因碰撞损坏房屋、电线杆、电线以及管道等, 在挖掘机上采用了作业空间设 图1 直线自动掘削 (a)直线掘削 (b)压实摊平 (c)加工精度 (d)倾斜修正 定控制,控制挖掘深度和举升高度、铲斗倾角和斗尖坐标位置等。这些参数都可以预先设定,当到达设定极限位置时,蜂鸣器响,同时自动限位,停止超越作业空间设定范围的运动。在有些挖掘机上还有数字显示装置,将挖掘深度、斗倾角和斗尖坐标等数值表示出来,让司机了解掌握。 简单的深度控制只考虑动臂升降运动而不考虑斗杆运动所引起切削深度的变化,是不精确的;近年来,切削深度控制已把斗杆运动等对切深的影响考虑进去了,如图2(b)所示。 深度控制设定有两种方式:绝对深度设定是以