1m3单斗液压挖掘机总体及工作装置设计

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：

（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国内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、柳州工程机械厂、黄河工程机械厂、广西玉柴股份有限公司等。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内市场的局面，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，国内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，国内用户对高质量、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之内，并不像其它领域机器人运动控制要求到10mm之内，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之内，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本设计的主要内容及目标

1.4.1设计的主要内容

（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，这包括几方面的内容，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，初选动臂油缸内径=120mm，活塞缸的直径=85mm。斗杆油缸的内径=140mm，活塞的内径=120mm。铲斗油缸的内径=120mm,活塞杆的直径=85mm，又由按经验公式选各缸全伸长度与全缩长度之比。参照任务书要求，选择工作装置液压系统的工作压力为，闭锁压力。

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所用机型的适用范围

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。

3.1.1和A点坐标的选取

动臂的弯角，如图2.2所示，一般可取为=120~140。弯角太小会对结构强度不利。一般取。

由经验公式参考其它同斗容机型，初选特性参数

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：

3.1.2、、的计算

由统计分析可知，最大挖掘半径的值与的值很近，由已经给定的最大挖掘半径和与计算与选取就可以得到另外两个尺寸。

特性参数,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范围内选择。>2时称为长动臂短斗杆方案，当<1.5时属于短动臂长斗杆方案。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。取其中。

由经验公式知：取其中q是斗容量

代入q=1可知

最大挖掘半径

则          

所以        

3.1.3与的计算

参看图3.1中可知，在中，知道了、与就可以容易的求得与。

的计算公式如下：

代入数值可得=2780mm

mm

同样在中，由余弦定律得：

解上式可得

同样可以得到

3.1.4的计算

动臂液压缸全伸与全缩时的力臂按不同的情况下选取，如前所述，专用反铲取<0.8，所以在这里取。

的取值对特性参数和最大挖掘深度及最大挖掘高度有影响，加大会使减少或增大，这是符合反铲作业要求，因此基本用作反铲的小型机常取。根据要求初选。

斗杆液压缸全缩时最大，如图3.2所示，常选根据本设计要求。

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，则在中可以得到：

由图3.2得最大卸载高度的表达式为：

也可以写成以下式子：

                                                                   （3-1）

由图3.3得到最大挖掘深度绝对值的表达式：

也可以写成以下的表达式：

                        （3-2）

将式（3-1）和（3-2）相加，消去得：

                                                                   （3-3）

同时令    

根据以上求得的数据代入得，可知： 

将A与B的值代入到式（3-3）中则可以得到以下式子：

  (3-4)

又知特性参数：                                         (3-5)

                                              (3-6)

将式（3-6）代入（3-4）中则得一元函数。式中与是在设计任务书要求的，就是已知的，、、A和B都已算出，

由此可解得：

再由式（3-2）可求得为：

代入数值得： mm

而与满足以下方程：

              （3-7）

            （3-8）

一般情况下选择是：，则上式可以得到和：

对求得的和进行验算：

则和的值满足这两个经验公式，说明了和的值是可行的。

由（3-7）和（3-8）两式可知：

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。

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

            （3-9）

—铲斗正常挖掘阻力，N

—土壤硬度实际打击次数，对III级土壤，取

—铲斗与斗杆铰点到斗齿尖距离，m

—某一挖掘位置时铲斗总转角的一半，这里取值为，即最大转斗挖掘力位置。

—切削刃宽度影响系数， m

—切削角变化影响系数，取

—带有斗齿的系数， 

—斗侧壁厚度影响系数，，其中S为侧壁厚度，由于初步设计时可取

解得： 

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，

解得

由图3.5知，最大挖掘深度时的挖掘力矩：

动臂油缸的闭锁压力： 

其中为动臂油缸小腔作用面积，锁紧压力： 

最大挖掘半径工作装置自身重力所产生的力矩为,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          斗杆

铲斗          斗杆缸

铲斗缸        连杆摇杆

动臂缸

当处于最大挖掘深度时： 

另外根据经验公式土壤质量： 

由图3.5知： 

       解得

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）：

其中—动臂液压缸的作用力臂， 

由前面的计算可知: 

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

代入数值解得： 

动臂油缸的推力： 

在中由余弦定理可知：

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，要求在主要挖掘区内转斗液压缸的挖掘力能得到充分的发挥。

第三：保证斗杆的摆角范围。斗杆的摆角范围大致在105—125度之间。在满足工作范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和的计算

根据斗杆挖掘阻力的计算，并参考国内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，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：

参考同型号挖掘机得挖掘力值 

代入已知数值得

如图4.1所示，斗杆液压缸初始力臂和最大力臂之比是斗杆摆角的余弦函数，则存在以下式子：

可见已定时愈大，和就愈小，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，除取

由图4.1的几何关系有：

而  

同样由图4.1所示，由余弦定理知：

解得 ： 

4.2.2斗杆其它相关尺寸的计算

斗杆上取决于结构因素和工作范围（如图2.2），一般在之间，初定，同样的动臂上的也是结构尺寸，并按结构因素，可初选

4.3斗杆的结构设计和强度校核

4.3.1斗杆的受力分析

斗杆要受到弯矩的作用，故要找出斗杆的最大弯矩进行设计计算。根据分析和以往的实验表明，在铲斗进行挖掘时，产生最大的弯矩的工况肯能有以下两个：

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）侧齿挖掘时收到横向力的作用。

第二工况位置，其满足以下条件：

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大挖掘力的位置。

4）挖掘阻力对称于铲斗，无侧向力的作用。

4.3.2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的矩，受到的应力也可能最大。

该工况的具体情况如图4.2所示，取工作装置为研究对象，如图4.3所示，在该工况下存在的力有：工作装置各部件所受的重力；作用在铲斗上的挖掘力，包括切向阻力，法向阻力，侧向阻力。

图4.2斗杆第一工况时的工作装置见图

当液压缸全缩时，则动臂处于摆角最小处：

如图4.2所示可知，向量CF可以表示为：

向量

由前面的计算结果可知，， 

因为此时力臂最大，所以在中

由以上的角度关系可表达出向量，设向量VF与X轴的夹角为，则根据图2.2：

向量

连杆机构总传动比，铲斗油缸对N点作用力臂为，连杆HK对N点的作用力为，连杆对Q点的作用力臂为，铲斗对点的作用力臂为；连杆机构尺寸根据现实挖掘机得来：

则可以得此时铲斗的理论挖掘阻力：

切向阻力的求解：

铲斗的重心到Q点的水平距离为： 

取铲斗为研究对象，如图4.3所示，并对Q点取矩，则有

代入数值可得： 

法向阻力的求解：

工作装置所受重力对C点的力矩有：

代入已知数值解得： 

到C点的距离为：

到C点的距离为：

法向阻力决定于动臂油缸闭锁力：

前面以求得

取整个工作装置为研究对象，则有

即

带入求得的数值得： 

斗杆油缸作用力的求解：

向量FQ在X轴上的模量：

如图4.2所示，取斗杆为研究对象，则有：

        即

        代入已知数值解得： 

而此时斗杆的闭锁力为：

说明闭锁力中足够，满足要求。

横向挖掘力的求解：

横向挖掘力由回转机构制动器所承受，即的最大值决定于回转平台的制动力矩，故先要计算出制动力矩。

地面附着力矩（其中）

在所设计的液压挖掘机中采用的液压制动，由经验公式求得回转机构的最大制动力矩：

Q点作用力与作用力矩的求解：

取连杆机构为研究对象，如图4.3所示则有： 

图4.3连杆机构的计算简图

即

即

其中

将这些数值代入到上式中就可以得到： 

如图4.2所示，取整个铲斗为研究对象，以V点为新坐标的原点，VQ为轴，过V点与垂直的直线为，建立坐标，则有：

即

即

即

代入得

即

N点的作用力与力矩的求解：

取曲柄和连杆为研究对象，如图4.4所示，则有：

图4.4曲柄连杆的受力图

即

代入得： 

如图可知： 

同样根据图可知： 

F点作用力与作用力矩的求解：

以斗杆为研究对象，进行受力分析计算，以F为原点，FN为X轴，以垂直FN的FY为Y轴进行分析：

即

即

另外

同样由图可知： 

4.3.3第二工况位置的受力分析

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，据图如图4.5所示。取工作装置为研究对象，如图4.7所示，在这个工况下，在该工况下存在的力有：工作装置各部件所受的重力；作用在铲斗的挖掘阻力，包括切向阻力；法向阻力。

图4.5第二工况工作装置计算简图

同第一工况的分析一样，可以得到以下的向量：

向量

向量

同理可得斗杆和铲斗的力分别解得：

各种参数意义如工况一相同。

4.3.4斗杆内力分析

根据第一工况第二工况的所求出的斗杆所受的力和力矩，可以看出第二工况下所受到的弯矩和内力均要比第一工况下，故用第一工况进行计算，而用第二工况校核。然后为此为基础，参照工程机械构造图册求得其它尺寸。

4.3.5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，取斗杆宽度

挖掘机所用的钢板在我国一般为8—15mm，初选地板厚度，侧板厚度

在挖掘机选用的结构一般选Q345，其有足够的屈服极限和良好的机械性能，其屈服极限，在斗杆中安全系数，则斗杆的许用应力：

5铲斗机构的选型及参数的确定

5.1铲斗的选型

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，其满足要求：

1）有利于物料的自动流动，铲斗内臂不宜设置横向下凸缘、棱角。斗底的纵向剖面形状适合于各种物料的运动规律。

2）要使物料易于卸尽。

3）为了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。

综上所述，选用中型挖掘机常用的铲斗结构。

5.2铲斗结构基本参数的计算

5.2.1铲斗形状尺寸

图5.1反铲铲斗计算尺寸

图中三角形OGE为等腰三角形，OA段直线，AB弧为抛物线，A点到直线EB的距离为H，抛物线定点高度为L，一般取H=L，根据一般的取值范围，斗尖尖角，斗侧臂角，包角。

由最大挖掘高度和最大卸载高度的分析，可以得到初始转角

代入数值得： 

最大转角，起不宜太大，否则降低挖掘力，初选

5.2.3铲斗机构其他基本参数的计算

图5.2铲斗机构计算简图

其中由设计经验可知： 

则有： 

和的确定

铲斗的最大挖掘力阻力应等于斗杆的最大挖掘力，即

粗略的计算斗杆挖掘平均阻力

挖掘阻力所做的功：

           （5-1）

由图5.4可知，铲斗油缸推力所做的功：

                        （5-2）

由于功守恒：                                               （5-3）

将（5-1）（5-2）代入(5-3)得

则

剩余未选定的基本参数大部分是连杆机构尺寸：

6销轴与衬套的设计

6.1销轴的设计

由于销轴与称套的配合间隙较小，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。

由于

则                                                （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，其耐磨，在热处理后有着良好的综合机械性能。销轴设计成一端带轴肩，另一端设计成带有内螺纹盲孔，与六角法兰式螺栓连接，由于销轴在重载的较恶劣工况中工作，故选择。代入（6-1）中得：

动臂各销轴的尺寸： 

斗杆各销轴的尺寸： 

6.2衬套的设计

为使辰套耐磨，减震与润滑性能好，与销轴和圆筒分别采用间隙和过盈配合。则各称套的尺寸：

动臂各衬套的尺寸： 

斗杆各衬套的尺寸： 

7总结

本论文以挖掘机反铲装置为研究对象，从反铲装置的工作特点开始，介绍了工作装置的主要部件：动臂、斗杆、连杆机构、铲斗并对其进行了全面详细的运动学分析，得到了各关键点的坐标。并在运动学分析的基础上，对反铲装置各机构参数进行了分析计算。同时，本论文还对挖掘阻力和挖掘力进行了分析计算，在此基础上讨论了复合挖掘方式下挖掘力发挥的各种情况，并对该工况下机构铰接点进行了铰点力的分析计算。本文主要工作和研究结论如下：

（1）、首先对反铲装置进行了运动学分析，建立了动臂、斗杆和铲斗转角范围与对应液压缸的关系式及各关键点的坐标描述，通过对整机作业范围的分析，建立了反铲装置特殊工作位置的数学表达式。

（2）、通过铲斗参数的计算，确定了铲斗结构形式及尺寸；通过动臂机构、斗杆机构及铲斗机构的参数计算确定了各机构的结构参数，为下步的结构设计提供了数据支撑。

（3）、分析了转斗挖掘阻力及铲斗挖掘阻力的影响因素，分析了挖掘力的三个层面，并在此基础上进一步讨论了整机复合挖掘力的分析计算过程。

（4）、分析了挖掘机反铲装置的连杆机构和斗杆的各个关键点的受力，从而为下一步实体设计和强度校核提供了可靠的参考数据，具有一定的实际意义。

由于挖掘机反铲装置的合理设计问题至今尚未理想的解决。以往多按经验值，采取统计和作图试凑的方法，所以本次设计中也不例外，在计算中和校核中有很多地方采用了经验公式或者同斗容类比的方法，这样就造成了很多的计算不精确。

通过本次毕业设计，我感受到自己应用基础基础知识及专业知识解决问题的能力，有了很大的提高，并且这次毕业设计的选题，是一个非常典型的工程机械，因此，是在我即将工作之前，一次很重要的演练、我想，通过这次毕业设计，到了工作单位后，我将能够更快的适应工作岗位和工作要求。

参考文献

[1]李宏,张钦良.现代挖掘机构造原理及拆装维修.化学工业出版社.

[2] 张钦良,李波.挖掘机液压原理及拆装原理维修.化学工业出版社.

[3] 王晓伟,张青.液压挖掘机构造与维修手册. 化学工业出版社.

[4] 孔德文,赵克利,徐生宁.液压挖掘机. 化学工业出版社.

[5]张铁.液压挖掘机结构原理及使用.石油大学出版社.

[6] 黄东胜,邱斌.现代挖掘机机械.人民交通出版社.

[7] 杨国平,龙国键.现代工程机械技术.中国工业出版社

[8] 曹善华.单斗挖掘机.机械工业出版社.

[9] 段鹏飞,毛君.工程机械.华侨出版社.

[10] 曾超，罗艳蕾. 液压挖掘机工作空间极限分析[N] . 贵州大学学报. 2011,10.

[11] 林明智，邢树鑫. 液压挖掘机动臂有限元分析[J].工程机械. 2010 ,12.

[12] Kyoungkwan AHN. Development of Force Reflecting Joystick for Hydraulic Excavator

致谢

文的研究工作是在我的导师的精心指导和悉心关怀下完成的，在论文选题、总体方案的制定，具体研究方法及技术路线的设计以及论文的开展和撰写过程中，得到了老师的大力支持和耐心细致的指导。导师严谨的治学态度，孜孜不倦、开拓进取的工作作风，使我受益终身。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和关心。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。

在四年的学习生活中，还得到了许多老师及同学热情关心和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。

在这里，还要特别感谢我的家人给予的理解和大力支持，是家人一直提供物质上的支持和精神上的鼓励，由他们作为坚强的后盾才使我顺利完成学业！

最后再次对所有关心、支持和帮助我的老师、朋友和家人们致以深深的谢意！

附录

液压挖掘机总成图                        A0

工作装置总成图                          A0

动臂总成图                              A1

斗杆总成图                              A2

铲斗总成                                A2

连杆总成                                A3

摇杆总成                                A3