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小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 第一章 緒論 1.1 設(shè)計(jì)的背景和意義 我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，在其遼闊的土地上正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，這 就需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù)，而液壓挖掘機(jī)是最重要的一類土石方施 工機(jī)械。它正以其適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高等優(yōu)越性越來(lái)越受到施工單位的重視。 因此，在我國(guó)存在著一個(gè)巨大的液壓挖掘機(jī)的現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)和更為巨大的潛在市場(chǎng)。 近年來(lái)，我國(guó)液壓挖掘機(jī)的產(chǎn)量在不斷增加，1994 年全國(guó)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量為 2010 臺(tái)，1995 年為 2366 臺(tái)，1996 年產(chǎn)量達(dá)到 3104 臺(tái)，1997 年為 3341 臺(tái)，1998 年 產(chǎn)量達(dá)到 4021 臺(tái)，而 1999 年全國(guó)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量近 6000 臺(tái)，比 1998 年增長(zhǎng)近 40％。從 1994 年到 1999 年近 5 年時(shí)間，全國(guó)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量翻了兩番。另一方 面，現(xiàn)在廣大用戶，各級(jí)施工單位對(duì)液壓挖掘機(jī)在施工作業(yè)中的重要性或不可缺 少性認(rèn)識(shí)越來(lái)越清晰，用液壓挖掘機(jī)在眾多場(chǎng)合替代裝載機(jī)、推土機(jī)進(jìn)行施工作 業(yè)的合理性也越來(lái)越明顯。因此，可以肯定液壓挖掘機(jī)的發(fā)展空間很大。 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的需求量將逐年大幅度增長(zhǎng)?？? 以預(yù)料，今后幾年我國(guó)液壓挖掘機(jī)行業(yè)將會(huì)有一個(gè)很大的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的年 產(chǎn)量將會(huì)以高于 20％的速度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，主要由以下諸多領(lǐng)域組成：首先 是交通運(yùn)輸工業(yè)領(lǐng)域，其次是能源工業(yè)領(lǐng)域，第三個(gè)領(lǐng)域是原材料工業(yè)領(lǐng)域。 科學(xué)在發(fā)展，社會(huì)在進(jìn)步，對(duì)挖掘機(jī)的各方面的性能的要求也在不斷的提高 。 國(guó)內(nèi)外各個(gè)生產(chǎn)廠家都在積極采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)來(lái)提高其性能。例如 德國(guó)阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最 適合其作業(yè)要求的速度來(lái)工作；美國(guó)林肯貝爾特公司新 C 系列 LS-5800 型液壓 挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。 還安裝了 CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮 液壓系統(tǒng)的功能。 液壓挖掘機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部 分組成。工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置，它由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等三部分 鉸接而成。動(dòng)臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)都用往復(fù)式雙作用液壓缸控制。工作 裝置是液壓挖掘機(jī)的重要組成部分，直接影響著挖掘機(jī)械的工作狀態(tài)，本畢業(yè)設(shè) 計(jì)將圍繞液壓挖掘機(jī)的工作裝置來(lái)進(jìn)行，以推動(dòng)國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展。 1.2 挖掘機(jī)的行業(yè)現(xiàn)狀 自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)也步入了快 速發(fā)展期。近幾年來(lái)，小型工程機(jī)械作為后起之秀，在施工中，開(kāi)始部分取代中 大型機(jī)械的位置，受到用戶的普遍歡迎。目前，我國(guó)小型挖掘機(jī)市場(chǎng)正處在高速 發(fā)展階段。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程向深度和廣度的發(fā)展，道路和市政設(shè)施的修繕維 護(hù)及城市小型工程項(xiàng)目的增多，其工程業(yè)務(wù)量占社會(huì)施工總量的比重越來(lái)越大。 據(jù)測(cè)算，一臺(tái) 10 噸位小型挖掘機(jī)的作業(yè)效率可以替代 30～50 個(gè)勞動(dòng)力，極大地 降低了施工成本和管理成本，使得多功能小型挖掘機(jī)的需求量不斷上升。2002 第 1 頁(yè)  共 66 頁(yè) 年行業(yè)銷售量只有 1400 多臺(tái)，到 2006 年達(dá)到了 1.7 萬(wàn)余臺(tái)，到 2007 年就已經(jīng) 達(dá)到了 2 萬(wàn)余臺(tái)，增長(zhǎng)了十幾倍，2008 年剛剛過(guò)去幾個(gè)月，就已經(jīng)呈現(xiàn)出了長(zhǎng) 足增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。 許多國(guó)外企業(yè)在中國(guó)加大投資，進(jìn)軍小挖產(chǎn)業(yè)正是他們看好中國(guó)工程機(jī)械市場(chǎng) 的具體表現(xiàn)。從市場(chǎng)份額來(lái)講，國(guó)內(nèi)小型挖掘機(jī)主要還是以斗山、現(xiàn)代、小松、 日立等日韓品牌為主，約占行業(yè)銷量的一半以上。本土小型挖掘機(jī)經(jīng)過(guò)山河智能 、 玉柴等供應(yīng)商多年的努力，正在逐步擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，目前中國(guó)本土小挖企業(yè)市 場(chǎng)份額每年都在大幅攀升。 近幾年，小型挖掘機(jī)市場(chǎng)持續(xù)強(qiáng)力增長(zhǎng)，特別是在出口方面，小型挖掘機(jī)對(duì)我 國(guó)工程機(jī)械行業(yè)出口市場(chǎng)起到了一定引領(lǐng)作用。我國(guó)本土小型挖掘機(jī)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉， 性價(jià)比方面具有比較高的優(yōu)勢(shì)，受到海外市場(chǎng)的普遍青睞。2007 年我國(guó)小型挖 掘機(jī)市場(chǎng)銷量首次突破 2 萬(wàn)臺(tái)大關(guān)，其中近 20％左右小挖銷量是出口海外市場(chǎng) 的，其中國(guó)內(nèi)某些小挖制造商的出口比例達(dá)到 40％以上，甚至某些企業(yè)生產(chǎn)的 小型挖掘機(jī)全部用來(lái)出口，滿足海外市場(chǎng)的需求。目前出口正成為拉動(dòng)國(guó)內(nèi)小型 挖掘機(jī)行業(yè)業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)的一個(gè)主要?jiǎng)恿?，前景十分看好? 1.3 挖掘機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 從 20 世紀(jì)后期開(kāi)始，挖掘機(jī)的生產(chǎn)向多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā) 展。 1）開(kāi)發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)。為滿足市政建設(shè)和農(nóng) 田建設(shè)的需要，國(guó)外發(fā)展了斗容量在 0.25m3以下的微型挖掘機(jī)，最小的斗容量 僅在 0.01m3。另外，數(shù)量最多的中、小型挖掘機(jī)趨向于一機(jī)多能，配備了多種 工作裝置——除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、 破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、 鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時(shí)，發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī) ， 如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機(jī)等。 2）迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)單的 杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無(wú)線電遙控、 電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無(wú)線電操縱，利用電子計(jì) 算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。所有 這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了良好的前提。 3）重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展 速度。例如，德國(guó)阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置， 使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求的速度來(lái)工作；美國(guó)林肯貝爾特公司新 C 系列 LS- 5800 型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng) 功率的浪費(fèi)。還安裝了 CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率， 更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產(chǎn)的 FJ 系列五種新型號(hào)挖掘機(jī)配 有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃 油、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗，并處長(zhǎng)了零部件的使用壽命；德國(guó)奧加凱 （O&K）公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)的油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有合流特性，使油泵具有最大的工 作效率；日本神鋼公司在新型的 904、905、907、909 型液壓挖掘機(jī)上采用智能 第 2 頁(yè)  共 66 頁(yè) 型控制系統(tǒng)，即使無(wú)經(jīng)驗(yàn)的駕駛員也能進(jìn)行復(fù)雜的作業(yè)操作；德國(guó)利勃海爾公司 開(kāi)發(fā)了 ECO（電子控制作業(yè)）的操縱裝置，可根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)挖掘機(jī)的作業(yè)性 能，取得了高效率、低油耗的效果；美國(guó)卡特匹勒公司在新型 B 系統(tǒng)挖掘機(jī)上采 用最新的 3114T 型柴油機(jī)以及扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)、功率方式選擇器等，進(jìn)一 步提高了挖掘機(jī)的作業(yè)效率和穩(wěn)定性。韓國(guó)大宇公司在 DH280 型挖掘機(jī)上采用了 EPOS---電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的 功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，即發(fā)動(dòng)機(jī)始終以全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，這 樣既充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、提高挖掘機(jī)的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動(dòng)機(jī)因過(guò)載 而熄火。 4）更新設(shè)計(jì)理論，提高可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。美、英、日等國(guó)家推廣采 用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累 積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn) 技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，促進(jìn)了 產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效率和競(jìng)爭(zhēng)力。美國(guó)提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，并創(chuàng) 立了預(yù)測(cè)產(chǎn)品失效和更新的理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序， 研制了可靠性住處處理系統(tǒng)。在上述基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，借助于大量試驗(yàn)，縮短 了新產(chǎn)品的研究周期，加速了液壓挖掘機(jī)更新?lián)Q代的進(jìn)程，并提高其可靠性和耐 久性。例如，液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到 85%-95%，使用壽命超過(guò) 1 萬(wàn)小時(shí)。 5）加強(qiáng)對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件。液壓挖掘機(jī)采用帶 有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)和傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施 降低噪聲干擾。 6）進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn) 變的明顯趨勢(shì)。因?yàn)樽兞肯到y(tǒng)在油泵工作過(guò)程中，壓力減小時(shí)和增大流量變化， 使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機(jī)可經(jīng)常性地充分利用油泵 的最大功率。當(dāng)外阻力增大時(shí)則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長(zhǎng)率加 ； 采用三回路液壓系統(tǒng)。產(chǎn)生三個(gè)互不影響的獨(dú)立工作運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)達(dá)機(jī)械的 功率匹配。將第三泵在其他工作運(yùn)動(dòng)上接通，成為開(kāi)式回路第二個(gè)獨(dú)立的快速運(yùn) 動(dòng)。此外，液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上普遍使用，為電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在挖掘機(jī) 的應(yīng)用與推廣創(chuàng)造了條件。 7）迅速拓展電子化、自動(dòng)化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。20 世紀(jì) 70 年代，為 了節(jié)省能源消耗和減少對(duì)環(huán)境的污染，使挖掘機(jī)的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖 掘機(jī)口音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應(yīng)用電子和自動(dòng)控制技術(shù)。隨著 對(duì)挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要 求的提高，促使了機(jī)電一體化在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍 。 20 世紀(jì) 80 年代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳 感器和檢測(cè)儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動(dòng)了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和推 廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，亦即目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)自 動(dòng)怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電控系 統(tǒng)。 1.4 存在問(wèn)題 我國(guó)小挖發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，但依然存在很多問(wèn)題。 一、國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)水平、質(zhì)量、可靠性參差不齊，僅有少數(shù)企業(yè)質(zhì)量技術(shù)水平 與國(guó)際先進(jìn)水平接近，這主要是國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)的體系建設(shè)相對(duì)落后所致。國(guó)內(nèi) 第 3 頁(yè)  共 66 頁(yè) 眾多的小型挖掘機(jī)制造企業(yè)普遍存在機(jī)制、資金、人才、管理等綜合實(shí)力不足的 現(xiàn)象，難以形成核心競(jìng)爭(zhēng)力和規(guī)模化發(fā)展。目前小型挖掘機(jī)零部件國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到 70％，占采購(gòu)成本的 50％。各大挖掘機(jī)制造商背后都有世界知名的零部件商作 技術(shù)支撐，零部件技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)整機(jī)性能和可靠性的提高。小型挖掘機(jī)的液壓 系統(tǒng)中泵、閥、馬達(dá)等關(guān)鍵技術(shù)、工藝和知識(shí)產(chǎn)權(quán)基本掌握在日本、德國(guó)等少數(shù) 國(guó)家的廠商手中，采購(gòu)成本約占據(jù)了整機(jī)成本的 40％。與挖掘機(jī)相配套的小型 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也掌握在日本、美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家手中。隨著國(guó)內(nèi)小挖市場(chǎng)的持 續(xù)升溫，國(guó)產(chǎn)小挖關(guān)鍵配套件缺失的矛盾進(jìn)一步升級(jí)。制約我國(guó)工程機(jī)械品質(zhì)提 升的一個(gè)重要因素，就是基礎(chǔ)配套件的落后以及上游供應(yīng)鏈的薄弱。迫于競(jìng)爭(zhēng)的 加劇，挖掘機(jī)制造企業(yè)對(duì)配套件質(zhì)量的要求越來(lái)越高，國(guó)產(chǎn)小挖企業(yè)幾乎都選擇 進(jìn)口的關(guān)鍵零部件。從國(guó)外進(jìn)口零部件，不僅供貨期不能保證，導(dǎo)致企業(yè)無(wú)法進(jìn) 一步提高產(chǎn)量。同時(shí)，從國(guó)外采購(gòu)的全套液壓系統(tǒng)，占到了整機(jī)成本的 30％ ， 而且價(jià)格沒(méi)有商量的余地。加上售前、售后服務(wù)不到位等因素，大大制約了國(guó)產(chǎn) 小挖的快速發(fā)展。 二、進(jìn)口二手挖掘機(jī)對(duì)國(guó)內(nèi)小型挖掘機(jī)行業(yè)的影響也很大。目前國(guó)內(nèi)存在大量 進(jìn)口的二手設(shè)備，以挖掘機(jī)數(shù)量最為巨大，其中包括了相當(dāng)比例的小型挖掘機(jī)， 對(duì)國(guó)內(nèi)本行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了相當(dāng)大的沖擊。 第 4 頁(yè)  共 66 頁(yè) 第二章  液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.1 引言 單斗液壓挖掘機(jī)是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動(dòng)進(jìn)行挖掘作業(yè)的機(jī)械。它是 目前挖掘機(jī)械中重要的機(jī)種之一。 單斗液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程是以鏟斗(一般裝有斗齒)的切削刃切削土壤并 將土裝入斗內(nèi)，斗滿后提升?；剞D(zhuǎn)至卸上位置進(jìn)行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下 降到地面進(jìn)行下一次挖掘。當(dāng)挖掘機(jī)挖完一段土后，機(jī)械移動(dòng)一段距離，以便繼 續(xù)作業(yè)。 因此單斗液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的自行式土方機(jī)械。 2.2 液壓挖掘機(jī)的基本組成分析與工作原理 單斗液壓挖掘機(jī)為實(shí)現(xiàn)周期性作業(yè)的要求，設(shè)有下列基本組成部分:工作裝 置、回轉(zhuǎn)裝置、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)、行走裝置和輔助設(shè)備等。常用的全回 轉(zhuǎn)式(轉(zhuǎn)角>3600)挖掘機(jī)，其動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要部分、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助 設(shè)備和駕駛室等都在轉(zhuǎn)臺(tái)上，稱上部轉(zhuǎn)臺(tái)。因而這種挖掘機(jī)也可概括為由工作裝 置、上部轉(zhuǎn)臺(tái)和行走裝置三大部分組成，而挖掘機(jī)的基本性能決定于各部分的構(gòu) 造、性能及其綜合的效果。 圖 2-1 為液壓挖掘機(jī)基本組成及傳動(dòng)示意圖，如圖所示，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵 ， 操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達(dá))驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu) 進(jìn)行工作。 液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，各部分的運(yùn)動(dòng)通過(guò)液壓缸的伸縮 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 反鏟工作裝置由鏟斗 1、斗桿 2、動(dòng)臂 3、連桿 4 及相應(yīng)的三組液壓缸 5. 6. 7 組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置 繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng);而鏟斗鉸接于斗桿 前端，通過(guò)鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操 縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮;動(dòng)臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗 缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長(zhǎng)，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸 和斗桿缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作 裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后 ， 工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。 在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的不同 ， 反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動(dòng)作配合可以是多樣的、隨機(jī)的。上述過(guò)程 僅為一般的理想過(guò)程。 總之，液壓挖掘機(jī)采用三組液壓缸使工作裝置具有三個(gè)自由度，鏟斗可實(shí)現(xiàn) 有限的平面轉(zhuǎn)動(dòng)，加上液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使鏟斗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大到有限的空間， 再通過(guò)行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地?cái)U(kuò)大，從 而滿足挖掘作業(yè)的要求。 第 5 頁(yè)  共 66 頁(yè) 0） 圖 2-1 液壓挖掘機(jī)基本組成及傳動(dòng)示意圖 1-鏟斗 2 斗桿 3-動(dòng)臂 4-連桿 5、6、7-液壓油缸 Ⅰ-挖掘裝置 Ⅱ-回轉(zhuǎn)裝置 Ⅲ-行走裝置 2.3 反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 工作裝置是液壓挖掘機(jī)的主要組成部分之一。反鏟裝置是中小型液壓挖掘機(jī) 的主要工作裝置，也是建筑型挖掘機(jī)的主要工作裝置。 2.3.1 結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) (1)動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式 由于整體式彎動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕， 并且有利于得到較大的挖掘深度，故該反鏟液壓挖掘機(jī)采用整體式彎動(dòng)臂。同時(shí) 采用整體式可調(diào)節(jié)斗桿以增大作業(yè)適應(yīng)性。 (2)動(dòng)臂及斗桿油缸的布置 動(dòng)臂油缸裝于動(dòng)臂的前下方，下支承點(diǎn)設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心之前，并稍高于轉(zhuǎn) 臺(tái)平面。兩動(dòng)臂油缸活塞桿分別鉸接動(dòng)臂兩側(cè)，在結(jié)構(gòu)上有加筋保證強(qiáng)度。而斗 桿油缸鉸接于動(dòng)臂上端，活塞桿鉸接于斗桿大端。 (3)鏟斗與鏟斗油缸的連接方式 鏟斗油缸通過(guò)搖桿和連桿與鏟斗相連，它們與斗桿一起組成六連桿機(jī)構(gòu)，因 此較四連桿連接方式在相同的油缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的 傳動(dòng)特性。 (4)鏟斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 由于鏟斗的作業(yè)對(duì)象繁多，作業(yè)條件也不同，鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選 擇對(duì)挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響很大。采用切削前緣齊平，帶側(cè)齒，側(cè)壁微凸形鏟斗 以增大對(duì)巖石的作業(yè)效果。 2.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的選擇 第 6 頁(yè)  共 66 頁(yè) 裝置設(shè)計(jì)） 反鏟方案選擇的主要依據(jù)是設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)規(guī)定的使用要求，據(jù)以決定工作裝置 是通用或是專用的。以反鏟為主的通用裝置應(yīng)保證反鏟使用要求，并照顧到其他 裝置的性能。專用裝置應(yīng)根據(jù)作業(yè)條件決定結(jié)構(gòu)方案，在滿足主要作業(yè)條件要求 的同時(shí)，照顧其他條件的性能。 反鏟裝置總體方案的選擇包括以下方面： (1)動(dòng)臂及動(dòng)臂油缸的布置 確定用組合式或整體式動(dòng)臂，以及組合式動(dòng)臂的組合方式或整體式動(dòng)臂的形 狀。確定動(dòng)臂油缸的布置為懸掛式或是下置式。本設(shè)計(jì)采用整體式動(dòng)臂，動(dòng)臂彎 角 a1 = 150° (其推薦范圍：150°～170°)，動(dòng)臂油缸采取下置式布置。 (2)斗桿及斗桿油缸的布置 確定用整體式或組合式斗桿，以及組合式斗桿的組合方式或整體式斗桿是否 采用變鉸點(diǎn)調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用整體式斗桿，不采用變鉸點(diǎn)調(diào)節(jié)。 (3)確定動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù) k1 = l1  l 2 。 對(duì)于一定的工作尺寸而言，動(dòng)臂與斗桿之間的長(zhǎng)度比可在很大范圍內(nèi)選擇。 一般當(dāng) k1>2 時(shí)稱為長(zhǎng)動(dòng)臂短斗桿方案，當(dāng) k1<1.5 時(shí)屬于短動(dòng)臂長(zhǎng)斗桿方案。k1 在 1.5-2 之間稱為中間比例方案。本設(shè)計(jì)特性參數(shù) k1 = l1  l 2 =1.46，從作業(yè)范圍 來(lái)看，在挖高、挖深、挖掘半徑均相同的條件下，k1 越大，工作范圍越窄。從挖 掘方式來(lái)看，k1 大宜用于斗桿挖掘?yàn)橹?，因其剛度易保證。而 k1 值小宜用于鏟 斗挖掘?yàn)橹鞯取? (4)確定配套鏟斗的種類，斗容量及其主要參數(shù)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)選定其斗容量為 0.2m3。 2.4 本章小結(jié) 本章首先介紹了液壓挖掘機(jī)的整體組成及工作原理，重點(diǎn)分析了反鏟工作裝 置結(jié)構(gòu)組成和工作特點(diǎn)，然后分別對(duì)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的選擇，以便借助于電 子計(jì)算機(jī)及相關(guān)資料進(jìn)行方案比較和參數(shù)選擇。 第 7 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 第三章  工作裝置的主要參數(shù)選擇及驗(yàn)算 3.1 工作裝置的設(shè)計(jì)原則與參數(shù)說(shuō)明 反鏟裝置的合理設(shè)計(jì)問(wèn)題至今尚未理想的解決。以往多按經(jīng)驗(yàn)，采取統(tǒng)計(jì)和 作圖試湊的方法，現(xiàn)在盡可能采用數(shù)解分析方法，并利用電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 3.1.1 工作裝置的設(shè)計(jì)原則 設(shè)計(jì)合理的工作裝置應(yīng)滿足下列要求： (1)主要工作尺寸及作業(yè)范圍能滿足使用要求。在設(shè)計(jì)通用反鏟裝置時(shí)要考 慮與同類型，同等級(jí)及其相比的先進(jìn)性，考慮國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并注意到運(yùn)動(dòng)參 數(shù)受結(jié)構(gòu)碰撞限制等的可能性。 (2)整機(jī)挖掘力的大小及其分布情況應(yīng)滿足使用要求，并具一定的先進(jìn)性。 (3)功率利用情況盡可能好，理論工作循環(huán)時(shí)間盡可能短。 (4)確定鉸點(diǎn)布置，結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸形狀時(shí)盡可能使受力狀態(tài)有利。在 保證強(qiáng)度，剛度和連接剛性的條件下盡量減輕結(jié)構(gòu)自重。 (5)作業(yè)條件復(fù)雜，使用情況多變時(shí)應(yīng)考慮工作裝置的通用性。采用變鉸點(diǎn) 構(gòu)件或配套構(gòu)件時(shí)要注意分清主次。在滿足使用要求的前提下力求替換構(gòu)件種類 少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換裝方便。 (6)運(yùn)輸或停放時(shí)工作裝置應(yīng)有合理的的姿態(tài)，使運(yùn)輸尺寸小，行駛穩(wěn)定性 好。保證安全可靠，并盡可能使油缸卸載或減載。 (7)工作裝置油缸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮三化，采用系列參數(shù)，盡可能減少油缸零件種 類，尤其是易損件的種類。 (8)工作裝置的結(jié)構(gòu)型式和布置要便于裝拆和維修，尤其應(yīng)便于易損壞的更 換。 (9)采用合理措施來(lái)滿足特殊使用要求。 3.1.2 機(jī)構(gòu)自身的幾何參數(shù) 機(jī)構(gòu)的自身幾何參數(shù)有三類：第一類是決定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的必要參數(shù)，稱原 始參數(shù)，這里主要選擇長(zhǎng)度參數(shù)作為原始參數(shù)；第二類是由第一類參數(shù)推算出來(lái) 的參數(shù)，稱推倒參數(shù)，多為運(yùn)算中需要的角度參數(shù)；第三類是作方案分析比較所 需要的其他特性參數(shù)。反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)的計(jì)算簡(jiǎn)圖及相關(guān)符號(hào)見(jiàn)圖 3-1 所示。 表 3-1 反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù) 第 8 頁(yè)  共 66 頁(yè) 參 數(shù) 分 類 機(jī)構(gòu)參數(shù)組成 鏟斗 斗桿 動(dòng)臂 機(jī)體 符號(hào)意義 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 原 始 參 數(shù) L3=QV， l12=MH l13=MN，l14=HN l24=QK，l25=KV l29=KH L2=FQ ， l10=FG ， L1=CF，l6=CD l11=EG, l15=GN ， l7=CB，l8=DF l16=FN l22=BF. l4=CP，l5=CA α9=∠NMH，  α4=∠EFG，  α2=∠BCF  α11=∠CAP 推 α10=∠ KQV α5=∠GNF α3=∠DFC α12=∠ACP 導(dǎo) 參 數(shù) α6=∠GFN α7=∠NQF α8=∠NFQ 特  K2=l24/l3， L3  K5=l2/l9， L2  L1  α11 性 參 數(shù) α1=∠CFU σ=L7/L5 K1=L1/L2 備 注 L2 為斗桿長(zhǎng) L1 為動(dòng)臂長(zhǎng) α1 為動(dòng)臂轉(zhuǎn)角 下置式 圖 3-1 反鏟工作裝置機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖 3.2 斗型參數(shù)的選擇 第 9 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 斗容量 q，平均斗寬 B，轉(zhuǎn)斗挖掘半徑 R 和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角 2? （令 2? =? max） 是鏟斗的四個(gè)主要參數(shù)。R,B 及 2? 三者與 q 之間有以下幾何關(guān)系 （3—1） 式中  q—標(biāo)準(zhǔn)斗容量即堆尖斗容, q = 0.2m3 ; B—平均斗寬，查表 2—6，選取 B=750mm； R—轉(zhuǎn)斗挖掘半徑； —土壤松散系數(shù)，取 1.25； —挖掘裝滿角，全面考慮有關(guān)因素，可以取 2? =90o～100o，取 2? =96o。 將以上各值代入式(3—1)，計(jì)算得 R = 790mm ≈ 800mm。 鏟斗上兩個(gè)鉸點(diǎn) K 和 Q 的間距  太大將影響鏟斗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性，太小 則影 響 鏟 斗 結(jié) 構(gòu) 剛 度 ， 一 般 取 特 性 參 數(shù) k 2 =  l 24 l 3  =  KQ QV  = 0.3 ~ 0.38  。取 . 則 KQ = 0.375QV  = 0.375×800 = 300mm 一般地，取 a10 = ∠KQV = 95° ~ 115° ，取 a10 = 1000 3.3 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇 確定動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù) K1 = l1  l2  。對(duì)于一定的工作尺寸而言， 動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比可以在很大的范圍內(nèi)選擇。由樣機(jī)，初選 K1 = 1.46。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大挖掘半徑 R1 值一般與 l1 + l 2 + l3 的和值很接近。因此由要求的 R1 ，已定的 l3 和 K1可按下列近似經(jīng)驗(yàn)公式初選 l1和 l 2 ： l 2 =  R1 ? l 3 1+ K1  (3—2) l1 = K1l2 第 10 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 由原始參數(shù)給定最大挖掘半徑為 R1 = 5500mm ， l3 = R = 800mm 代入公式（3—2）得 l 2 =1810mm， l1=2610mm。 動(dòng)臂液壓缸全伸與全縮時(shí)的力臂比  按不同情況選取，以反鏟為主的通用 挖掘機(jī)要適當(dāng)顧及其他換用裝置要求在地面以上作業(yè)時(shí)有足夠的提升力矩可取 K 4 =0.8~1.1。 初選 K 4 =0.9。 a11的取值對(duì)參數(shù)特性 K4 ，最大挖掘深度 H1max 有影響。加大 a11 會(huì)使 K 4 減 小或使 H1max 增大，這正符合反鏟作業(yè)要求。因此基本用作反鏟的小型機(jī)取 a11 ＞60 °，有的甚至取 a11＞80°。初選 a11=80°。 根據(jù)液壓系統(tǒng)工作壓力，流量，系統(tǒng)回路，供油方式，工廠制造條件和三 化的要求等確定液壓缸的伸縮比λ。增大液壓缸伸縮比 ?1 可以增大動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角 ? max ，但由于受油缸穩(wěn)定性的限制， ?1 一般取 1.6~1.7。初選動(dòng)臂液壓缸的伸縮 比 ?1 =1.67。 由機(jī)體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表及線尺寸參數(shù)公式： （3—3） 由公式（3—3）可得 l 5=AC=560mm  如圖 3—1。 第 11 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 圖 3—1 AC 計(jì)算簡(jiǎn)圖 動(dòng)臂及動(dòng)臂液壓缸鉸點(diǎn)的幾何關(guān)系可按圖 3—2 用公式表達(dá)： 由樣機(jī)，初選無(wú)因次比例系數(shù)ρ=0.5，則由 ? =  l 5 l1min  可得 L1min =1120mm, 動(dòng)臂在上極限位置時(shí)由△ CAB1得 (3—4） （3—5） 圖 3—2  動(dòng)臂和動(dòng)臂液壓缸鉸點(diǎn)位置的幾何關(guān)系 動(dòng)臂在下極限位置時(shí)由△ CAB 得 （3—6） （3—7） 又由△ CAB1得  l 5 sin ?  L = 1max sin a  ∴ sin ? =  l5 L1max  sin a 由△ CAB 得  l5 sin ?  L = 1max sin a  ∴ sin ? =  l 5 L1max  sin a 第 12 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 于是動(dòng)臂在上，下極限位置時(shí)液壓缸作用力臂相應(yīng)為 力臂比 K 4 =  e z e0  =  L1max 1 ? p 2 L1max 1? M 2  =  1 1? p 2 ? 1? M 2  = 0.9  （3—8） 取無(wú)因次比例系數(shù) ? =  l5 L1min  ，ó =  l7 L1min  ，把它們代入式（3—5）和式（3—7） ， 得出 p =  ó 2 + ? 2 ? 12 2ó?  M =  ó 2 + ? 2 ? ?2 2ó?  （3—9） 將式（3—9）代入式（3—8）得  ó = 1.4 由式（3—9）,（3—6）,（3—7）得  l 7 = 1568 mm 從△ CAB 和△ CAB1中可以看到 ó , ? ,? 之間的關(guān)系： ó + ? = 1.9 > ? = 1.67 ； ó ? ? = 0.9 < 1。符合要求 ó 大于 ? ，此時(shí) l7 > l5 。懸掛式動(dòng)臂連接方案即屬于此類。 由式（3—4）和（3—6）得 顯然，動(dòng)臂的擺角為 a -á = 84° 斗桿液壓缸全縮時(shí) ∠CFQ = a32 ? a8 最大，常選（a32 ? a8 ) max = 160 ° ~ 180° 。 初選（a32 ? a8 ) max = 170°。 第 13 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 當(dāng)懸掛式動(dòng)臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸全縮，QV 連線處于垂直狀態(tài)時(shí)可以得 到最大卸載高度狀態(tài)，如圖 3—3。 由圖知最大卸載高度的表達(dá)式為： H 3max = Yc + sin( a11 ? è1min ? a2 ) + l 2 sin( a32max ? è1min ? a8 + a11 ? a2 ? 180° ) ? l3 (3-10) 初選 a1 = 130° ，則 圖 3—3 最大卸載高度計(jì)算簡(jiǎn)圖 由正弦定理得，  l1 sin a1  =  l 22 sin a 2  ，因此 a 2 = 23° , a39 = 180 ° ? a1 ? a2 ? 27° 將以上所得代入式（3—10）可得Y c = 780 mm 當(dāng)懸掛式動(dòng)臂液壓缸全伸，F(xiàn)QV 三點(diǎn)同直線并處于垂直狀態(tài)時(shí)可以得到最大 挖掘深度狀態(tài)，如圖 3—4。 由圖知最大挖掘深度的表達(dá)式為： 第 14 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 圖 3—4 最大挖掘深度計(jì)算簡(jiǎn)圖 3.4  斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇 確定斗桿液壓缸的鉸點(diǎn)位置，行程及力臂比時(shí)應(yīng)考慮以下因素： 1.保證斗桿液壓缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。一般來(lái)說(shuō)希望液壓缸在全行程中 產(chǎn)生的斗齒挖掘力始終大于正常挖掘阻力；液壓缸全伸時(shí)的作用力矩應(yīng)足以支承 滿載斗和斗桿靜止不動(dòng)；液壓缸作用力臂最大時(shí)產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)大于要 求克服的最大挖掘阻力。 2.保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力。對(duì)于以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鞯闹行⌒头寸P， 選擇斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)時(shí)必須注意轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖 掘區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓缸的挖掘力能得到充分的發(fā)揮。 3.保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍大致在 105°~125°之間。在滿足工作 范圍和運(yùn)輸要求的前提下此值應(yīng)盡可能取的小些。一般說(shuō)斗桿愈長(zhǎng)，其擺角范圍 第 15 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 也可稍小。當(dāng)斗桿液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸同時(shí)伸出最長(zhǎng)時(shí)，鏟斗前臂與動(dòng)臂之間的 距離應(yīng)大于 10cm。 斗桿上 ∠EFQ 的大小取決于結(jié)構(gòu)因素，并考慮到工作范圍一般在130° ~ 170° 之間。 本設(shè)計(jì)取 ∠EFQ = 140 ° 。 參考國(guó)內(nèi)同類機(jī)型機(jī)器斗桿挖掘力值  ，按要求的最大挖掘力確 定斗桿液壓缸的最大作用力臂  。初選斗桿液壓缸缸筒內(nèi)徑為 140mm，桿徑為 80mm，伸縮比 ?2 = 1.67?？刹榈茫簤焊椎耐屏?215.46KN，拉力為 145.04KN。 e2 max = l 9 = 則 e2 max = l 9 =  PG max ( l2 + l3 ) P2 40× (1810 + 800 ) 215.46  = 484.5mm  （3—11） 斗桿的擺角在105°～125°之間，取 ? 2max = 110° 斗桿液壓缸初始力臂 e20 與最大力臂 e2 max 之比是斗桿擺角? 2max 的余弦函數(shù)。 設(shè) e20 = e2 Z ，則 可見(jiàn) l9 已定時(shí) ? 2max 愈大， e20 和 e2 Z 就愈小。如圖 3—5 所示，平均挖掘力也就越 小。 第 16 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 圖 3—5 由圖 3—5，取 e20 = e2 Z ，求得 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖 l 2min =  ? 2max 2 ?2 ?1  = 1185mm l 2max = 1978.5mm l8 = l 22min + l92 ? 2l 2min l 9 cos  e + ?2 max 2  (3—12) 將所得結(jié)果代入式(3—12)得 挖掘機(jī)在最大卸載高度處，斗桿液壓缸全縮,此時(shí) 3.5  鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇 作機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇時(shí)，已知 待選的參數(shù)還有 7 個(gè)（見(jiàn)圖 3—6）即 。 第 17 頁(yè)  共 66 頁(yè) 2l9sin 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 圖 3—6  鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇 如前所述，鏟斗在挖掘過(guò)程中的轉(zhuǎn)角大致為 90°~100°，為了要滿足開(kāi)挖和 最后卸載及運(yùn)輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉(zhuǎn)角往往要達(dá)到 150°~180°，本設(shè)計(jì)初 選? 3max = 160° 。 如圖 3—7 所示，設(shè) l3 = l3 min 時(shí)斗齒尖為 V0 ，則V0肯能在 FQ 延長(zhǎng)線上，或者在其 上側(cè)的 0°~30°處，本設(shè)計(jì)初選V0 在其上側(cè) 15°處，此時(shí) ⊥ V 0QV1 為仰角。 圖 3—7 鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇要求 鏟斗液壓缸伸縮比應(yīng)當(dāng)在允許的范圍內(nèi)，對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)可取 ? 3 = 1 .45 ~ 1 .65 。 本設(shè)計(jì)初選 ?3 = 1.46。 由圖得， MM 1 = S = 517mm ，即轉(zhuǎn)斗液壓缸的行程。則 第 18 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 則可測(cè)的 ∠GFQ = 60° , GF = 567mm。 由結(jié)構(gòu)確定 G 點(diǎn)位置，必須保證鏟斗六連桿機(jī)構(gòu)在 l3 全行程中任一瞬時(shí)都不會(huì)被 破壞，即保證 ?GFQ, ?GNM 在任何瞬時(shí)都成立。l3 全行程中機(jī)構(gòu)都不應(yīng)出現(xiàn)死點(diǎn) ， 且傳動(dòng)角應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。在任何瞬間各構(gòu)件之間都不應(yīng)有干涉，碰撞現(xiàn)象。 3.6 本章小結(jié) 前述機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇計(jì)算是初步的。所謂“設(shè)計(jì)要求”只考慮了工作尺寸和 各油缸的作用力矩及其變化規(guī)律兩方面。接著應(yīng)考察各油缸作用力矩的均衡性， 整機(jī)挖掘穩(wěn)定性，整機(jī)與地面的附著性，滿足結(jié)構(gòu)和布置的可能性等，以綜合比 較各初選方案，從而確定最佳的機(jī)構(gòu)參數(shù)。 第 19 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 第四章 液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置受力分析 4.1 引言 本章主要討論液壓挖掘機(jī)反鏟裝置設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)工況及計(jì)算位置的選擇，載荷 的分析和計(jì)算圖式等。 工作裝置主要由鏟斗，斗桿，動(dòng)臂以及連桿機(jī)構(gòu)的各種工作由缸組成。對(duì)這 些結(jié)構(gòu)件的分析計(jì)算，首先應(yīng)確定各結(jié)構(gòu)的最不利工況，即在這工況下對(duì)某一結(jié) 構(gòu)件可能出現(xiàn)的最大應(yīng)力，以這工況作為設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)的依據(jù)，也就是強(qiáng)度設(shè)計(jì)中 計(jì)算位置的選擇，計(jì)算圖式和載荷的確定問(wèn)題。 由于影響挖掘機(jī)挖掘力的因素很多，如三個(gè)工作油缸的匹配，整機(jī)穩(wěn)定問(wèn)題 等，并且同樣的反鏟裝置還有較多的形式，因此對(duì)計(jì)算位置的選擇，看法很不一 致，更無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定。隨著電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，目前已有可能對(duì)挖掘機(jī)的所 有工況及其挖掘過(guò)程中指定的千百個(gè)位置進(jìn)行作用力分析和對(duì)各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行較 多的可能危險(xiǎn)斷面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，再結(jié)合樣機(jī)的應(yīng)力測(cè)試，使工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)有可能得到比較可靠而又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀。 4.2  動(dòng)臂液壓缸的作用力計(jì)算 動(dòng)臂液壓缸應(yīng)保證反鏟作業(yè)過(guò)程中在任何位置上都能提起帶有滿載鏟斗的 工作裝置達(dá)到最高和最遠(yuǎn)的位置。可選用三個(gè)計(jì)算位置： 1.從最大挖掘深度處提起滿載斗（圖 4—1 a） 2.最大挖掘半徑時(shí)舉起滿載斗（圖 4—1 b） 3.最大卸載高度時(shí)提起滿載斗（圖 4—1 c） 根據(jù)斗容量查參考資料確定工作裝置各部分重量： 表 4-1 反鏟裝置的構(gòu)造近似質(zhì)量表 4.2.1.從最大挖掘深度處提起滿載斗 表 4-2 最大挖掘深度處各重量的近似力臂值表（mm） 土 動(dòng)臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動(dòng)臂缸 力臂 第 20 頁(yè)  共 66 頁(yè) 斗容 動(dòng)臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動(dòng)臂缸 0.2 0.223 0.179 0.086 0.055 0.051 0.017 0.055 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 1703  1253  2163  1873  1613  2323  2093  743  429 由  有： 圖 4—1 動(dòng)臂液壓缸的作用力計(jì)算簡(jiǎn)圖 第 21 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 4.2.2.從最大挖掘半徑處提起滿載斗 表 4-3 最大挖掘半徑處各重量的近似力臂值表（mm） 由 M c = 0  有： 4.2.3.從最大卸載高度處提起滿載斗 表 4-4 最大卸載高度處各重量的近似力臂值表（mm） 由 M c = 0  有： 4.3 液壓缸的閉鎖壓力計(jì)算 確定合理的液壓缸閉鎖能力是保證挖掘力得到充分發(fā)揮的條件之一。在挖掘 范圍內(nèi)當(dāng)工作裝置處于不同位置時(shí)各液壓缸所受到的被動(dòng)作用力值也不同，要全 面地確定各位置下的液壓缸被動(dòng)作用力，既很繁瑣，又無(wú)必要。一般常選定幾個(gè) 反鏟作業(yè)主要工況作為計(jì)算位置來(lái)計(jì)算各液壓缸應(yīng)有的閉鎖力，使之在該工況下 不發(fā)生液壓缸被動(dòng)回縮或伸長(zhǎng)的現(xiàn)象，從而保證了工作液壓缸作用力的發(fā)揮。 根據(jù)參考資料 初選動(dòng)臂液壓缸一支，缸徑 140mm，桿徑 80mm。則動(dòng)臂液壓缸大腔推力 246.2KN， 動(dòng)臂液壓缸小腔推力 165.8KN， 初選斗桿液壓缸一支，缸徑 100mm，桿徑 50mm。則斗桿液壓缸大腔推力 125.6KN， 斗桿液壓缸小腔推力 94.2KN， 第 22 頁(yè)  共 66 頁(yè) 土 動(dòng)臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動(dòng)臂缸 力臂 4050 1200 3010 4340 1540 3830 4540 490 542 土 動(dòng)臂 斗桿 鏟斗 斗桿缸 鏟斗缸 連桿搖桿 動(dòng)臂缸 力臂 3953 773 2393 4153 943 3043 4063 193 403 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 初選鏟斗液壓缸一支，缸徑 100mm，桿徑 50mm。則鏟斗液壓缸大腔推力 125.6KN， 鏟斗液壓缸小腔推力 94.2KN， 為確定各液壓缸的閉鎖壓力，選用以下三個(gè)計(jì)算位置： 1.動(dòng)臂處于最低位置，斗桿呈垂直狀態(tài)，轉(zhuǎn)斗挖掘，其作用力臂為最大（圖 4—2）。 因此鏟斗液壓缸產(chǎn)生的挖掘力為最大，挖掘阻力對(duì)動(dòng)臂鉸點(diǎn) C，斗桿鉸點(diǎn) F 所造 成的力矩均接近最大值，而動(dòng)臂液壓缸的力臂值為最小。 表 4-5 第一種工況時(shí)各作用力的近似力臂值表（mm） 轉(zhuǎn)斗液壓缸挖掘力  可通過(guò)對(duì) Q 點(diǎn)的力矩平衡方程求得： 從可能出現(xiàn)的最不利的情況出發(fā)，假設(shè)存在法向阻力，其值取 各力對(duì) F 點(diǎn)取矩，可得到斗桿液壓缸所受的被動(dòng)作用力  ＇ 第 23 頁(yè)  共 66 頁(yè) 233 269 215 127 174 1487 1677 1873 2000 1233 3927 253 429 418 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 圖 4—2  第一種工況液壓缸閉鎖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖 其中， G2 —斗桿，轉(zhuǎn)斗液壓缸及連桿機(jī)構(gòu)總重 ＇使斗桿液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設(shè)此時(shí)限壓閥調(diào)定壓 力等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 125.6KN，而小于  ＇ =128KN，顯然液壓缸會(huì)回縮。 為了防止液壓缸回縮，限壓閥的調(diào)定壓力應(yīng)高于液壓缸工作壓力，超出的百分比 為： 第 24 頁(yè)  共 66 頁(yè) 小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)（工作裝置設(shè)計(jì)） 同樣對(duì)動(dòng)臂在平臺(tái)上的支撐點(diǎn) C 取矩，求得動(dòng)臂液壓缸所受的被動(dòng)作用力 P1 ＇ ＇使動(dòng)臂液壓缸受壓縮（液壓缸的大腔為高壓腔）。假設(shè)此時(shí)限壓閥調(diào)定壓力 等于液壓缸的工作壓力，則大腔的閉鎖力等于其作用力 246.2KN，而小于  ＇ =249.7KN，顯然液壓缸會(huì)回縮。 為了防止液壓缸回縮，限壓閥的調(diào)定壓力應(yīng)高于液壓缸工作壓力，超出的百分比 為： 2.動(dòng)臂處于最低位置，斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn) F，斗與斗桿鉸點(diǎn) Q，斗齒尖 V