1、太原科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書EXS 3500液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置裝設(shè)計(jì)The Working Device Design of EXS 3500 Crawler Face-shovel Bucket Hydraulic Excavator學(xué) 院 (系 :機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè):機(jī)械制造及自動(dòng)化(工機(jī)學(xué) 生 姓 名:學(xué) 號(hào):指 導(dǎo) 教 師:史青錄評 閱 教 師:太原科技大學(xué)Taiyuan University of Science and Technology太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文任務(wù)書(由指導(dǎo)教師填寫發(fā)給學(xué)生學(xué)院(直屬系 :機(jī)械工程 時(shí)間: 15年 3月 9 日 摘 要挖掘機(jī)械是工程作業(yè)機(jī)

2、械的一種重要類型,是開挖土石方的主要機(jī)械設(shè)備,正鏟單斗 液壓挖掘機(jī)是一種以鏟斗進(jìn)行挖掘作業(yè)并采用液壓傳動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。工作裝置是液壓挖掘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),從總體來看常見的正鏟工作裝置屬于平面連桿機(jī) 構(gòu),鏟斗、動(dòng)臂和斗桿之間采用鉸接的方式,在液壓缸推力的作用下各部件圍繞鉸接點(diǎn)擺 動(dòng),完成卸土、挖掘和提升等動(dòng)作,常用的液壓挖掘機(jī)的工作裝置有正鏟,反鏟,裝載, 抓斗和起重裝置。本次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是 EXS 3500正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì),主要對挖掘機(jī)工作 裝置機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì),采用合適的調(diào)整方法使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求;對動(dòng)臂、斗 桿進(jìn)行強(qiáng)度校核和載荷分析,使其滿足使用要求。在本次設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意工作

3、裝置設(shè)計(jì)的原則,在滿足各部件要求的條件下實(shí)現(xiàn) 6.06米最大挖掘深度, 15.81米最大挖掘半徑, 12.42米最大卸載高度, 17.17米最大挖掘高度, 以實(shí)現(xiàn)挖掘的功能。關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì);挖掘機(jī);強(qiáng)度校核;正鏟工作裝置the Working Device Design of EXS 3500 Crawler Face-shovel Hydraulic ExcavatorAbstractShovel machinery is a major type of construction Machinery, which is major earth excavation equipment. Sin

4、gle Bucket Hydraulic shovel is a mechanical which reliance on hydraulic transmission with the bucket to carry out excavation work. Hydraulic shovel working device are commonly backhoe, hoe, loading, grab and lifting gear.The design principal is to design an EXS 3500 crawler face-shovel hydraulic exc

5、avator working device. And major working device geometry parameters are designed; checked hydraulic cylinder locking power .Use the appropriate method of adjustment to meet the requirement. Check boom and rod strength to meet the requirements.Design principles work should be noted in the design of d

6、evice. all components must be meet the conditions, machine for maximum digging depth of 6.06 meters, radius of the largest mining of 15.81 meters, uninstall the greatest height of 12.42 meters, maximum cutting height of 17.17 meters, to achieve the functions of excavation.Keyword :Design;Excavator;

7、Strength Check; face-shovel working device目 錄摘要 . . II Abstract . I II 第 1章 引言 . 1 1.1挖掘機(jī)和工作裝置概述 . . 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . . 1 1.3液壓挖掘機(jī)的發(fā)展前景 . . 2第 2章 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求 . 4 2.1原始參數(shù) . . 4 2.2工作裝置設(shè)計(jì)原則 . . 5第 3章 工作裝置總體方案選擇 . 6 3.1工作裝置構(gòu)成 . . 6 3.2動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式的初選 . . 7 3.3動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸的布置 . . 7 3.4鏟斗與鏟斗油缸的連接方式 . . 8第 4章 工作裝置機(jī)構(gòu)

8、參數(shù)的選擇 . 9 4.1最大挖掘深度1h 校核 . 104.2最大挖掘高度2h 校核: . 114.3最大卸載高度3h 校核 . 134.4最大挖掘半徑1r 校核 . 144.5斗桿最大挖掘力aF 校核 . 154.6鏟斗最大挖掘力bEXS 3500液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置裝設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn) (35附錄A 文獻(xiàn)翻譯原文 (36附錄B 文獻(xiàn)翻譯中文 (44致謝 (49第1章引言1.1挖掘機(jī)和工作裝置概述挖掘機(jī)在農(nóng)田水利以及快速搶修等物料挖掘、搬移方面以及機(jī)場、港口、礦山、油田、城鄉(xiāng)建設(shè)中得到了充分的利用,發(fā)揮了其他機(jī)械不可替代的關(guān)鍵作用。尤其是隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速和市政維護(hù)工程的廣度和深度的進(jìn)一步增

9、加,公路的維護(hù)和建設(shè)工作的加重,搶修、排險(xiǎn)、破碎拆卸等特殊情況的作業(yè)和臨時(shí)性作業(yè)頻次的不斷增加,人們所面臨的問題不再是單純的,而是要整合挖掘作業(yè)工作。人們需要考慮的不僅僅是完成主要作業(yè)任務(wù)的工作效率,而更需要考慮的是如何去調(diào)度設(shè)備頻繁的運(yùn)送,而整體工作的效率也取決于機(jī)器是否具有足夠的機(jī)動(dòng)性,靈活性、是否可以自行進(jìn)入作業(yè)區(qū),挖掘機(jī)也正是在這種特殊情況下顯示出了其獨(dú)特的優(yōu)勢。工作裝置是挖掘機(jī)非常重要的組成部分,對其控制和研究是對整機(jī)開發(fā)研究的基礎(chǔ)工作。正鏟單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置是一個(gè)非常復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu),國內(nèi)外對其機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真分析等方面都作了非常深入的研究,針對挖掘機(jī)的具體的優(yōu)化

10、設(shè)計(jì)也已經(jīng)不斷趨于成熟。而且關(guān)于正鏟單斗液壓挖掘機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)也比較多,這些文獻(xiàn)從不同方面對液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。而作為本次設(shè)計(jì)者,我本人的知識(shí)水平還處于學(xué)習(xí)成長階段,進(jìn)行本次課題的設(shè)計(jì)是為了對挖掘機(jī)的工作裝置有更經(jīng)一步的認(rèn)識(shí),鞏固所學(xué)的理論知識(shí)和提高設(shè)計(jì)能力。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)前,國際挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)正向著微型化、大型化、專用化和多能化方向發(fā)展。單斗正鏟液壓挖掘機(jī)的發(fā)展正著眼于傳動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力的不斷改進(jìn)以達(dá)到高效節(jié)能;成本不斷降低,應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展,以提高配件、零件的可靠性能,從而保證整個(gè)挖掘機(jī)的可靠性;電子計(jì)算機(jī)的控制和監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化;提高機(jī)

11、械作業(yè)性能,減少維修時(shí)間,降低噪聲,提高不同場合的適應(yīng)能力?？v觀未來,單斗正鏟液壓挖掘機(jī)有以下幾大發(fā)展趨勢:(1不斷向微型化發(fā)展的同時(shí)向也在向大型化發(fā)展。(2普遍地采用節(jié)能環(huán)保技術(shù)。(3不斷提高機(jī)器的可靠性和使用壽命。(4工作裝置的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,工作范圍適應(yīng)范圍不斷擴(kuò)大。(5由內(nèi)燃機(jī)向電力驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。(6液壓系統(tǒng)不斷升級(jí)改進(jìn),液壓元器件不斷更新?lián)Q代。(7應(yīng)用氣、微電子、液等機(jī)電液一體化綜合技術(shù)。(8增大斗容量,增加功率,提高生產(chǎn)作業(yè)效率。(9人機(jī)工程學(xué)在設(shè)計(jì)制造中得到了的充分應(yīng)用。我國的挖掘機(jī)生產(chǎn)設(shè)計(jì)起步較晚,從1955年撫順挖掘機(jī)廠生產(chǎn)的第一臺(tái)機(jī)械動(dòng)力挖掘機(jī)至今,大體經(jīng)歷了一下三個(gè)階段:測

12、繪仿制、自主研發(fā)和發(fā)展提高。在新中國成立初期,以仿制前蘇聯(lián)20 世紀(jì)3050 年代的機(jī)械式挖掘機(jī)為主,開始了我國挖掘機(jī)的生產(chǎn)歷史,由于當(dāng)時(shí)國家經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)建設(shè)的需要,先后不斷建立了十幾家挖掘機(jī)廠,到了20 世紀(jì)90 年代末,我國的中型和小型液壓挖掘機(jī)已逐漸形成了系列,但是從總體上來說,我國的挖掘機(jī)生產(chǎn)量小,產(chǎn)品的質(zhì)量不是很穩(wěn)定,并且與國際發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平相比,還是有很大差距。改革開放以來,我國的挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)積極主動(dòng)的引進(jìn)、消化、吸收國外發(fā)達(dá)國家先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù),極大的促進(jìn)了我國挖掘機(jī)行業(yè)的繁榮發(fā)展,目前我國生產(chǎn)的液壓挖掘機(jī)的產(chǎn)品性能已經(jīng)達(dá)到了20 世紀(jì)80 年代發(fā)達(dá)國家的水平,部分產(chǎn)品性能達(dá)到了90

13、 年代水平。國外挖掘機(jī)生產(chǎn)歷史比較長,液壓技術(shù)的不斷發(fā)展成熟極大促進(jìn)了液壓挖掘機(jī)的發(fā)展。德國是世界上少數(shù)幾個(gè)比較早的開發(fā)研制挖掘機(jī)的國家,1955 年和1956 年德國的利渤海爾和德馬克兩家挖掘機(jī)公司分別開發(fā)了全液壓挖掘機(jī);而美國是繼德國之后生產(chǎn)液壓挖掘機(jī)數(shù)量最大、歷史最長、品牌最多和生產(chǎn)制造技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先地位的國家;亞洲的日本挖掘機(jī)是在第二次世界大戰(zhàn)之后發(fā)展起來的,其主要的特點(diǎn)是在引進(jìn)、消化吸收世界先進(jìn)挖掘機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過不斷的大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的;韓國是挖掘機(jī)市場的后起之星,20 世紀(jì)80 年代開始引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù),由于得到了產(chǎn)業(yè)政策的支持,很快進(jìn)入了國際市場,并且擠入了國際挖掘機(jī)

14、生產(chǎn)的主要國之一。20 世紀(jì)70 年代,全球挖掘機(jī)生產(chǎn)進(jìn)入了成熟期,各國的挖掘機(jī)生產(chǎn)長商紛紛采用液壓技術(shù)與其它新型技術(shù)相結(jié)合,使挖掘機(jī)的適用性得到很快發(fā)展,產(chǎn)品的壽命和質(zhì)量不斷提高改進(jìn)操縱性能更加舒適,產(chǎn)品更加節(jié)能環(huán)保。例如美國的卡特彼勒公司1996 年推出的300A系列全液壓挖掘機(jī),采用了一種稱為maestr 的系統(tǒng),通過載荷傳感器液壓裝置來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率,實(shí)現(xiàn)了與液壓泵的嚴(yán)格匹配。Maestr 控制面板在不同的機(jī)型上安裝為兩種功率模式和四種不同的工況狀態(tài),這樣就允許用戶自行決定功率的工況模式。再比如韓國現(xiàn)代生產(chǎn)的ROBEX450-3 液壓挖掘機(jī),有四種不同的功率模式,通過高度集成化的

15、電子控制系統(tǒng)自行確定最佳的液壓泵的輸出參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,使液壓泵、發(fā)動(dòng)機(jī)的速度及液壓系統(tǒng)的壓力與實(shí)際工況情況相適應(yīng),從而獲得最高的生產(chǎn)效率和最少的燃油消耗。此種新型技術(shù)在日本小松、神鋼、日立建機(jī)、英國的JCB、德國的利渤海爾等公司都得到了普遍的應(yīng)用,代表了當(dāng)今液壓挖掘機(jī)的最高發(fā)展水平。1.3液壓挖掘機(jī)的發(fā)展前景液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械產(chǎn)品的一個(gè)非常重要的種類,是一種廣泛應(yīng)用于鐵路、建筑、公路、采礦、水利等建設(shè)工程的作業(yè)機(jī)械。液壓挖掘機(jī)采用液壓元件(液壓馬達(dá)、液壓泵、液壓缸等來帶動(dòng)各種機(jī)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)作,具有以下特點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊,功率密度大,重量輕,能無級(jí)調(diào)速,調(diào)速范圍大;啟動(dòng)性能好,可以實(shí)現(xiàn)快速正反轉(zhuǎn);

16、安裝布置靈活,不受總體結(jié)構(gòu)限制;運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠,可以實(shí)現(xiàn)自行潤滑,使用壽命長;有過載保護(hù)等功能;容易實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化,操作簡單方便省力等。因此,液壓挖掘機(jī)對減輕作業(yè)工人沉重的體力勞動(dòng),提高現(xiàn)場施工的機(jī)械化水平,提高施工速度,加快各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,具有非常重要的意義。液壓挖掘機(jī)是在傳統(tǒng)機(jī)械式傳動(dòng)挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展壯大起來的。它的工作過程可以分為:鏟斗切削土壤,鏟斗裝載提升、回轉(zhuǎn),卸空。然后的鏟斗再回到初始挖掘位置再經(jīng)行下一次的作業(yè)。所以,液壓挖掘機(jī)是周期作業(yè)的工程機(jī)械。第2章原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求2.1原始參數(shù)表2.1 EXS 3500挖掘機(jī)正鏟工作裝置設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)型號(hào)EXS 3500整機(jī)重(噸3

17、30.00斗容量(m318機(jī)身重(噸248.2機(jī)身重心水平位置(m-2.15發(fā)動(dòng)機(jī)功率(Kw2×609系統(tǒng)壓力(Mpa29.4工作油泵(兩臺(tái)雙聯(lián)變量柱塞泵(l/min6×550工作油缸最大壓力(Mpa33回轉(zhuǎn)系統(tǒng)最大壓力(Mpa29.4履帶接地長度(m6660履帶中心距(m5500土壤容重(Kg/ m31800附著系數(shù)0.85鏟斗最大挖掘力(KN1030斗桿最大挖掘力(KN1177平臺(tái)高度(m 2.515最大挖掘深度(m 6.060最大挖掘半徑(m15.810最大挖掘高度(m17.170最大卸載高度(m12.420水平推壓距離(m 5.470動(dòng)臂缸(缸數(shù)/缸徑/桿徑(mm(

18、推薦值2/360/260斗桿缸(缸數(shù)/缸徑/桿徑(mm(推薦值1/300/220鏟斗缸(缸數(shù)/缸徑/桿徑(mm(推薦值2/280/200卸料缸(缸數(shù)/缸徑/桿徑(mm(推薦值2/225/130水平缸(缸數(shù)/缸徑/桿徑(mm(推薦值1/360/260動(dòng)臂重量(kg(參考值290002.2工作裝置設(shè)計(jì)原則合理的工作裝置設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求:1主要的作業(yè)范圍和工作尺寸必須滿足使用要求。在設(shè)計(jì)正鏟工作裝置的同時(shí)要考慮與相同等級(jí)機(jī)器、相同類型相比的先進(jìn)性,考慮國標(biāo)的規(guī)定,并且考慮到運(yùn)動(dòng)參數(shù)將受裝置結(jié)構(gòu)的干涉限制的可能性。2整機(jī)實(shí)際挖掘力的大小要滿足使用要求,并且要具有一定的先進(jìn)性。3功率利用率盡可能高,理

19、論上的工作循環(huán)時(shí)間應(yīng)盡量短。4確定鉸點(diǎn)的布置、結(jié)構(gòu)形式和橫截面尺寸形狀時(shí)盡量使受力在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的條件下減輕結(jié)構(gòu)自身重量。5在作業(yè)條件復(fù)雜,使用情況多變的情況下應(yīng)盡量考慮工作裝置的通用性。采用可變鉸點(diǎn)構(gòu)件時(shí)要注意分清主次。必須在滿足使用要求的前提下才能力求替換構(gòu)件種類少,換裝方便,結(jié)構(gòu)簡單。6停放和運(yùn)輸時(shí)挖掘機(jī)的工作裝置應(yīng)有合理的姿態(tài),不僅要使運(yùn)輸尺寸小,行駛穩(wěn)定性高。而且要保證運(yùn)輸?shù)陌踩煽?盡可能使液壓缸卸載。7工作裝置液壓缸的設(shè)計(jì)應(yīng)注意三化,采用系列參數(shù),盡量減少液壓缸零件種類,尤其是容易損壞的零件。8工作裝置的布置和結(jié)構(gòu)型式要便于裝配與維修,尤其是易損件應(yīng)便于更換。9要采

20、用合理可行的措施來滿足特殊使用場合。第3章工作裝置總體方案選擇正鏟挖掘機(jī)工作裝置總體方案的選擇主要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定的使用要求,以此來決定工作裝置是通用還是是專用的。以正鏟為主的通用裝置應(yīng)該保證正鏟的使用要求,并要考慮到其他裝置的性能。專用裝置應(yīng)該依照實(shí)際作業(yè)條件決定最終的結(jié)構(gòu)方案,在滿足主要作業(yè)條件的同時(shí)照顧到其它裝置的性能。3.1工作裝置構(gòu)成正鏟工作裝置主要由斗桿、動(dòng)臂、鏟斗、和相應(yīng)的三組液壓缸組成。動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)連接在回轉(zhuǎn)臺(tái)上,通過動(dòng)臂油缸的伸縮,來使動(dòng)臂和同整個(gè)工作裝置圍繞動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過斗桿液壓缸使斗桿圍繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)來轉(zhuǎn)動(dòng),而鏟斗鉸接在斗桿的末端,通過鏟斗液壓缸使鏟斗圍繞斗桿前

21、端的鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在挖掘作業(yè)時(shí),接通液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)、轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái),使挖掘機(jī)的工作裝置轉(zhuǎn)到合適的挖掘位置,同時(shí)操縱動(dòng)臂油缸使小腔進(jìn)油,液壓缸回縮,動(dòng)臂下降到鏟斗斗尖觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗液壓油缸,液壓缸大腔進(jìn)油伸長,使鏟斗進(jìn)行挖掘或者裝載作業(yè)。鏟斗裝滿后,鏟斗油缸和斗桿油缸就停止運(yùn)動(dòng)并操縱動(dòng)臂油缸使大腔進(jìn)油,動(dòng)臂抬起,然后接通液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá),使工作裝置旋轉(zhuǎn)到卸載的位置,再操縱使鏟斗缸或斗桿液壓缸回縮,使鏟斗翻轉(zhuǎn)來進(jìn)行卸土。卸載完成后,工作裝置再次回轉(zhuǎn)到挖掘位置進(jìn)行第二次的挖掘循環(huán)。由于在實(shí)際挖掘工作中,挖掘面條件、土質(zhì)情況以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)都會(huì)有不同,所以正鏟裝置三種液壓缸在挖掘作業(yè)中的配合也是隨機(jī)的、多

22、樣的。上述介紹的過程僅為參考的理想過程。液壓挖掘機(jī)工作裝置的斗桿和動(dòng)臂是變截面的箱型結(jié)構(gòu),鏟斗則是由鋼板焊接而成。各個(gè)油缸可以看作是只承受拉壓的二力桿。根據(jù)以上所述特征,可以對液壓挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行恰當(dāng)?shù)暮喕幚?。液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看作是由動(dòng)臂、鏟斗、斗桿、斗桿油缸、動(dòng)臂油缸、鏟斗油缸組成的具有三個(gè)自由度的六連桿機(jī)構(gòu),簡化得圖如3.1所示。經(jīng)上面的簡化后挖掘機(jī)的工作裝置實(shí)質(zhì)是一個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu),自由度為3,即工作裝置的位置由動(dòng)臂油缸L1、鏟斗油缸L3、斗桿油缸L2決定,當(dāng)L1、L2、L3的長度為某一個(gè)確定的值時(shí),工作裝置的位置也就隨之確定。 1-動(dòng)臂;2-斗桿;3-鏟斗;L1-動(dòng)臂油缸;

23、L2-斗桿油缸;L3-鏟斗油缸圖3.1 工作裝置結(jié)構(gòu)簡化圖3.2動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式的初選挖掘機(jī)動(dòng)臂采用整體彎動(dòng)臂,這種結(jié)構(gòu)在大型挖掘機(jī)中的應(yīng)用較為廣泛。并且其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜,剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量比合式動(dòng)臂更輕,且更有利于得到更大的挖掘深度。缺點(diǎn)是可以更換的工件少,通用性能比較差。長期的使用經(jīng)驗(yàn)顯示,長期用于工作條件近似的正鏟液壓挖掘機(jī),采用整體式動(dòng)臂比較好。斗桿也有組合式和整體式兩種,大多數(shù)液壓挖掘機(jī)采用的是整體式斗桿。在本次設(shè)計(jì)中由于斗桿的長度不需要調(diào)節(jié),故也采用了整體式斗桿。3.3動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸的布置動(dòng)臂油缸裝在動(dòng)臂的下方,動(dòng)臂的下支承點(diǎn)(即轉(zhuǎn)臺(tái)和動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì)在回轉(zhuǎn)中心前面并稍高于

24、轉(zhuǎn)臺(tái)的平面。動(dòng)臂液壓油缸的布置如圖3.2所示。 1-動(dòng)臂;2-動(dòng)臂油缸圖3.2 動(dòng)臂油缸鉸接示意圖3.4鏟斗與鏟斗油缸的連接方式鏟斗油缸的布置如圖3.3所示。 1-斗桿;2-鏟斗油缸;3-鏟斗圖3.3 鏟斗連接布置示意圖第4章 工作裝置機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇正鏟挖掘機(jī)工作裝置是幾個(gè)連桿組合機(jī)構(gòu)。在斗容量、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、整機(jī)重量等主要幾何參數(shù)以及工作裝置的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)確定的情況下,連桿機(jī)構(gòu)的鉸接點(diǎn)位置和油缸缸徑參數(shù)選擇的是否恰當(dāng),會(huì)對挖掘機(jī)的性能和產(chǎn)生很大影響,下面就鏟斗、動(dòng)臂、斗桿三大機(jī)構(gòu)進(jìn)行討論。本設(shè)計(jì)是參閱相關(guān)機(jī)型采用幾何作圖法,來確定工作裝置幾何鉸接點(diǎn)的位置,并在此基礎(chǔ)上來校核挖掘力和正鏟液壓挖掘

25、機(jī)的主要幾個(gè)作業(yè)尺寸等性能參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)使用要求。 圖4.1 EXS3500交接點(diǎn)確定示意圖如表4.1經(jīng)測量和經(jīng)驗(yàn)初步確定各個(gè)交接點(diǎn)位置,油缸長度和伸縮比 動(dòng)臂長度1l =7847.6動(dòng)臂油缸全伸長度1max L =7865.4 動(dòng)臂油缸全縮長度1min L =4302.6 動(dòng)臂油缸伸縮比1=1.83 斗桿長度2l =5055.1斗桿油缸全伸長度2max L =6159.2 斗桿油缸全縮長度2min L =3623.1 斗桿油缸伸縮比2=1.7 鏟斗長度3l =3436.1 鏟斗油缸全伸長度3max L =6323 鏟斗油缸全縮長度3min L =4001.9 鏟斗油缸伸縮比3=1.58 表

26、4.1 動(dòng)臂斗桿鏟斗和各油缸的長度4.1 最大挖掘深度 1h 校核正鏟液壓挖掘機(jī)的最大挖掘深度 1h 是指動(dòng)臂液壓缸全縮,即此時(shí)動(dòng)臂最低, F,Q,V 三 點(diǎn)一線并且垂直于基準(zhǔn)地面時(shí),斗齒距基準(zhǔn)地面的垂直距離,如圖 4.2所示。 圖 4.2 最大挖掘深度示意圖如圖所示在 ABC 中, ABC 為:式中 1min L 動(dòng)臂液壓缸全縮長度;其余參數(shù)如圖 22所示。動(dòng)臂液壓缸俯角 計(jì)算公式為:1min 2111 =5+4129 =17'=+-式中 11 CA 連線與 x y 平面夾角;2 FCB, 為結(jié)構(gòu)角,是固定值 。222751min 175222=29l l L l l '+-

27、+- 圖 4.3 最大挖掘深度動(dòng)臂位置示意圖按照圖 33所示幾何關(guān)系,正鏟最大挖掘深度 1h 的計(jì)算公式為:l l l a=+-+-4.2 最大挖掘高度 2h 校核:正鏟液壓挖掘機(jī)最大挖掘高度 2h 是指下置式動(dòng)臂液壓缸全伸,即此時(shí)動(dòng)臂仰角最大, 下置式斗桿液壓缸全縮且 Q 、 V 垂直向上,如圖 4.4所示。 圖 4.4 最大挖掘高度示意圖如圖 22所示,在 BCA 中 BCA 為:222751max 175222=105.4l l L l l +-+- 式中 1max L 動(dòng)臂液壓缸全伸長度,其余參數(shù)如圖 33,動(dòng)臂最大仰角 1max 計(jì)算公式為:1max 1112=105.4-41-5

28、=59.4=-式中 11 CA 連線與 x y 平面夾角;2 FCB, 為結(jié)構(gòu)角,是固定值。 圖 4.5 最大挖掘高度動(dòng)臂位置示意圖如圖 33所示,在 DEF 中,根據(jù)余弦定力, DFE 的計(jì)算公式為:222982max 289222=111l l L l l +-+- 式中 2max L 動(dòng)臂液壓缸全伸長度。其余參數(shù)如圖 4.5.根據(jù)圖 4.6所示的幾何關(guān)系,斗桿相對于與動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角 2max 的計(jì)算公式為 :2max =32QFE +=8.8+15.6+111 =135.5式中 QFE 斗桿上的結(jié)構(gòu)角,為固定值;3動(dòng)臂上的結(jié)構(gòu)角,為固定值。 圖 4.6 最大挖掘高度斗桿位置示意圖按照圖 33

29、所示的幾何關(guān)系,最大挖掘高度的計(jì)算公式為:2311max 21max 2max sin sin(180=+-+-4.3 最大卸載高度 3h 校核按照圖 4.7所示的幾何關(guān)系,正鏟最大卸載高度 3h 的計(jì)算公式為=11502.3h a l l cmm =+-+- 圖 4.7 最大卸載高度示意圖4.4 最大挖掘半徑 1r 校核正鏟液壓挖掘機(jī)最大挖掘半徑是指斗桿液壓缸全伸, C 、 Q 距離最大且 C 、 Q 、 V 三點(diǎn) 一線并與基準(zhǔn)地面平行時(shí)斗齒距回轉(zhuǎn)中心的最大距離,如圖 4.9所示,此時(shí)動(dòng)臂液壓缸和 鏟斗液壓缸長度不在極限長度上。如圖 4.8所示在 CFQ 中,根據(jù)幾何關(guān)系利用余弦定理22ma

30、x 12122max=+-=+= 圖 4.8 最大挖掘半徑動(dòng)臂斗桿位置示意圖按照圖 4.9所示的幾何關(guān)系,正鏟最大挖掘半徑的計(jì)算公式為:1max 3 圖4.9 最大挖掘半徑示意圖4.5斗桿最大挖掘力a F 校核如圖4.10所示斗桿挖掘力的計(jì)算公式為:(3a 2222233e F F e F e r r e '''=+/- 式中 1e 動(dòng)臂液壓缸對C 點(diǎn)的作用力臂(m ;2e 斗桿液壓缸對F 點(diǎn)的作用力臂(m ;2e '水平液壓缸對F 點(diǎn)的作用力臂(m ; 3e '鏟斗液壓缸對F 點(diǎn)的作用力臂(m ; 3e 鏟斗液壓缸對Q 點(diǎn)的作用力臂(m ;a F 推壓

31、力(KN ,與挖掘阻力互為作用力與反作用力; 2r a F 對F 點(diǎn)的作用力臂(m ; 3r a F 對Q 點(diǎn)的作用力臂(m ; 2F 斗桿液壓缸推力2F '水平液壓缸推力 圖4.10 斗桿最大挖掘力示意圖現(xiàn)在選取幾個(gè)極限位置對斗桿最大挖掘力進(jìn)行校核。當(dāng)動(dòng)臂液壓缸對C 點(diǎn)的作用力臂1e 最長,斗桿液壓缸,水平液壓缸對F 點(diǎn)的作用力臂2e 、2e '最長,a F 對F 點(diǎn)的作用力臂2r 最短時(shí),如圖4.10上式各個(gè)參數(shù)經(jīng)CAD 軟件測量可得如表4.2: 圖4.10 斗桿最大挖掘力位置示意圖1e2e2e '3e '3e2r3r2.881.981.41 0.770.4

32、76.82.39表4.2 斗桿最大挖掘力位置參數(shù)斗桿液壓缸推力:2222640.333104=2332.6F D PKN =式中 2D 斗桿液壓缸缸徑 P 工作油缸最大壓力 斗桿挖掘力:(3=/- =2332.61.98/- =水平缸和動(dòng)臂缸缸徑一樣為360mm ,而動(dòng)臂缸數(shù)是2,水平缸數(shù)是1.故水平液壓缸推力:21/2F F '=241=/2 9987.9/2 2.88 =1069KNa F F r e '=式中: 4r a F 對C 點(diǎn)的作用力臂(m ,(3a222'''=/- =10691.41/- =12 =998+311 =1399KNa a

33、a F F F =+ 4.6鏟斗最大挖掘力b F 校核鏟斗挖掘力的計(jì)算公式為333b F e F r =式中參數(shù)如圖4.10所示當(dāng)3e 最大時(shí),如圖4.11,各參數(shù)經(jīng)測量得表4.3 圖4.11 鏟斗最大挖掘力位置示意圖3e3r9603436.1表4.3 鏟斗最大挖掘力位置參數(shù)2332624 0.28331024 =4063F D P KN =式中 3D 斗桿液壓缸缸徑 P 工作油缸最大壓力33320329603436.1 =1135KNb F e F r =第5章 工作裝置運(yùn)動(dòng)分析及包絡(luò)圖的繪制5.1動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析如圖所示在ABC ,ABC 為式中 1min L 動(dòng)臂液壓缸全縮長度其余參數(shù)如圖5

34、.1所示 動(dòng)臂液壓缸俯角計(jì)算公式為:1min 2111 =5+4129 =17'=+- 式中 11CA 連線與x y 平面夾角;2FCB,為結(jié)構(gòu)角,是固定值。 圖5.1 動(dòng)臂最大俯角示意圖如圖22所示,在BCA 中BCA 為:222751max175222=105.4l l L l l +-+- 222751min175222=29l l L l l '+-+-式中 1max L 動(dòng)臂液壓缸全伸長度,其余參數(shù)如圖5.2,動(dòng)臂最大仰角1max 計(jì)算公式為:1max 1112=105.4-41-5 =59.4=-式中 11CA 連線與x y 平面夾角;2FCB,為結(jié)構(gòu)角,是固定值。

35、 圖5.2 動(dòng)臂最大仰角示意圖動(dòng)臂擺角范圍的計(jì)算公式為:11max 1min59.417 =76.4=+=+5.2 斗桿運(yùn)動(dòng)分析如圖33所示,在DEF 中,根據(jù)余弦定力,DFE 的計(jì)算公式為:222982max 289222=111l l L l l +-+- 式中 2max L 動(dòng)臂液壓缸全伸長度。其余參數(shù)如圖33。根據(jù)圖5.3所示的幾何關(guān)系,斗桿相對于與動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角2max 的計(jì)算公式為:2max =32QFE +=8.8+111+15.6 =135.5式中 QFE 斗桿上的結(jié)構(gòu)角,為固定值;3動(dòng)臂上的結(jié)構(gòu)角,為固定值。 圖5.3 斗桿最大仰角示意圖同理可得:2min 32222982min

36、 389222=55.4QFEl l L QFE l l '+-+-斗桿相對于動(dòng)臂最大擺角范圍的計(jì)算公式為:22max 2min=-=+5.3 包絡(luò)圖的繪制缸的伸縮長度和工作裝置的幾何參數(shù)密切相關(guān)。通過挖掘包絡(luò)圖可以從幾何上非常直觀地反映挖掘機(jī)最大作業(yè)范圍、在極限位置各部件挖掘機(jī)的包絡(luò)圖是指鏟斗斗齒尖所能達(dá)到的最大范圍所形成的封閉圖形,它與工作油的幾何位置關(guān)系和工作裝置以及各個(gè)機(jī)構(gòu)的干涉情況,這些信息在一定程度上比較完整的反映了挖掘機(jī)工作裝置的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性以及整機(jī)的作業(yè)性能。運(yùn)用計(jì)算機(jī)CAD軟件得出挖掘包絡(luò)圖,如下: 圖5.4 挖掘機(jī)包絡(luò)圖第6章 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)校核主要

37、結(jié)構(gòu)件的計(jì)算是指對動(dòng)臂和斗桿在不利作業(yè)條件下進(jìn)行受力分析,以計(jì)算其材料和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求。6.1 斗桿正鏟挖掘機(jī)斗桿的強(qiáng)度主要由彎矩決定。取以下兩個(gè)特殊工況位置進(jìn)行強(qiáng)度校核。1、動(dòng)臂最低;2、斗桿液壓缸作用的力臂最大;3、斗齒尖處在鏟斗與斗桿鉸接點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)連線的延長線上;4、側(cè)齒遇到障礙有橫向的作用力。切向最大挖掘力1W 取決斗桿油缸的閉鎖力'g P ,取斗桿為隔離體,按力矩平衡方程求得:d g d b g l l r G r G l P W +-=234'1式中,d g G G ,鏟斗和斗桿的重量;2l 斗桿長度;d l 鏟斗長度;3r 斗桿重力到斗桿與動(dòng)臂鉸

38、接點(diǎn)的作用力臂長度;4r 鏟斗重力到斗桿與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)的力臂長度;法向阻力決定于動(dòng)臂油缸閉鎖力'B P ,取整個(gè)工作裝置為隔離體,由力矩平衡方程求得:'21011(,B B A b g d W P r M G G G W r r =+- 式中,0r 切向挖掘阻力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂長度;法向挖掘阻力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂長度;B r 動(dòng)臂油缸作用力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂長度;,(d g b A G G G M 工作裝置的各個(gè)部分對動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力矩之和。鏟斗邊齒遇阻力時(shí),橫向挖掘阻力k W 決定于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的制動(dòng)力矩T M :r M W Tk =式中,r 回轉(zhuǎn)中心與橫向挖掘阻力之間的距離。按圖

39、解法和力的平衡方程求得斗桿所受的作用力。此外,鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)處還受k W 和2W 產(chǎn)生的橫向力矩'c M 作用:22'b W l W M d k c += 式中,b 鏟斗寬度; 切向挖掘阻力1W 作用于斗邊齒,造成對斗桿的扭矩KP M :21b W M KP = 按照以上作用力進(jìn)行分析計(jì)算,作斗桿的內(nèi)力圖,包括斗桿平面內(nèi)的剪力x Q ,軸力N ,和彎矩x M ,斗桿平面的外彎矩Y M 和剪力y Q ,以及扭矩T 如圖5-1。 圖5.1 斗桿截面內(nèi)力圖NQ xM xM yQ yT取彎矩最大處進(jìn)行強(qiáng)度校核,橫截面如圖 5-3所示: 圖 5.2斗桿橫截面示意圖斷面面積為:410190

40、-=F m 2斷面慣性矩:45.910Z I -=41.810Y I -=斷面處壓應(yīng)力為:114.5NF=MP 斗桿平面內(nèi)剪應(yīng)力為:120.1x Q F=MP 斗桿平面內(nèi)彎曲正應(yīng)力:1maxmax 94.8x ZM y MP I =斗桿平面外剪應(yīng)力為:22.8y Q F=MP 斗桿平面外彎曲正應(yīng)力:2maxmax 64.3y YM Z MP I =按閉口薄壁桿件公式計(jì)算扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力:min2T =15.1 MP式中, 截面中線所圍面積 m 2min 最小壁厚 m此時(shí), 有附加載荷, 斗桿安全系數(shù)取為 2, 材料 16Mn 的屈服極限為 s =351MP , 則, 許用應(yīng)力9. 174=ns MP

41、最大壓應(yīng)力max 1max max 171x y =+=MP <X 方向最大剪應(yīng)力1max 35x =+=<2Y 方向最大剪應(yīng)力2max 17.5y =+=<21、動(dòng)臂處在動(dòng)臂液壓缸最大作用力臂處; 2、斗桿液壓缸作用力臂最大;3、鏟斗齒尖,動(dòng)臂與斗桿鉸接點(diǎn),斗桿與鏟斗鉸接點(diǎn)三點(diǎn)處同一直線上; 4、經(jīng)行正常挖掘,挖掘阻力對稱于鏟斗中心線,無橫向阻力。 斗桿受力分析同工況一。切向最大挖掘力 1W 決定于斗桿液壓缸的閉鎖力 ' g P ,取斗桿為隔離體,按力矩平衡方 程求得:dg d b g l l r G r G l P W +=234' 1式中, d g G

42、G , 斗桿和鏟斗的重量;2l 斗桿長度; d l 鏟斗長度;3r 斗桿重力到動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂;4r 鏟斗重力到動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂;法向阻力取決于動(dòng)臂液壓缸的閉鎖力 ' B P , 取整個(gè)工作裝置為隔離體, 由力矩平衡方程求得:=-+=01'12 , , (1r W G G G M r P r W d g b A B B 5(噸 式中, 0r 切向挖掘阻力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂;法向挖掘阻力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂;B r 動(dòng)臂油缸作用力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂;, , (d g b AG G G M工作裝置各個(gè)部分對動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力矩之和。按圖解法和力的平衡方程求解得斗桿所受作用力。按以

43、上作用力經(jīng)行分析,作斗桿內(nèi) 力圖,其中包括斗桿平面內(nèi)的剪力 Q ,軸力 N ,彎矩 M 如圖 5.3。 圖 5.3 動(dòng)臂橫截面內(nèi)力圖取彎矩最大處進(jìn)行驗(yàn)算,橫截面如圖 5.4所示:受力分析同上。 圖 5.4 斗桿橫截面示意圖斷面處壓應(yīng)力為:114.8NF=MP 斗桿平面內(nèi)剪應(yīng)力為:max 20QF=MP 斗桿平面內(nèi)彎曲正應(yīng)力:maxmax 96.5ZM y MP I =此時(shí)為主載荷,斗桿的安全系數(shù)取 2.5,材料 16Mn 的屈服極限 s =351MP , 則,許用應(yīng)力141=ns MP最大壓應(yīng)力1max 110.5=+=MP <最大剪應(yīng)力max 19.5=<2故,強(qiáng)度滿足。6.2

44、動(dòng)臂正鏟工作裝置動(dòng)臂的強(qiáng)度校核要按照挖掘作業(yè)中動(dòng)臂可能出現(xiàn)的最大載荷來確定計(jì) 算位置。1、工作裝置處于最大挖掘深度處; 2、正常經(jīng)行挖掘作業(yè),無橫向阻力。切向最大挖掘力 1W 決定于斗桿油缸的閉鎖力 ' g P , 取斗桿為隔離體, 按力矩平衡方程求得:dg d b g l l r G r G l P W +=234' 1式中, d g G G , 斗桿和鏟斗的重量;d l l , 2斗桿和鏟斗長;3r 斗桿重力到動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂(米;鏟斗重力到動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂(米法向阻力取決于動(dòng)臂油缸的閉鎖力 ' B P ,取整個(gè)工作裝置為隔離體,由力矩平衡求得:'2

45、1011(, , B B A b g d W P r M G G G W r r =+- (噸 式中, 0r 切向挖掘阻力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂(米;法向挖掘阻力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂(米;B r 動(dòng)臂油缸作用力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂(米;, , (d g b AG G G M工作裝置各個(gè)部分對動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力矩和。取鏟斗和斗桿為隔離體,求得斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)處的作用力。再取動(dòng)臂為隔離體,求得 動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的作用力。按以上作用力分析,作動(dòng)臂內(nèi)力圖,包括軸力 N ,動(dòng)臂平面內(nèi)的剪 力 Q 和彎矩 M 如圖 5.5。 圖 5.5 動(dòng)臂內(nèi)力圖取動(dòng)臂彎曲處進(jìn)行強(qiáng)度校核,橫截面如圖5.6: 圖5.6 動(dòng)臂橫截面示意圖斷面面

46、積為:410204-=F m 2斷面慣性矩:47.610Z I -=取動(dòng)臂安全系數(shù)為2,材料16Mn 的屈服極限s =350MP ,則許用應(yīng)力為:175=ns MP斷面處壓應(yīng)力為:116.6NF=MP 剪應(yīng)力為:17.6Q F=MP 彎曲正應(yīng)力:maxmax 143.7ZM y MP I =此處按曲梁進(jìn)行驗(yàn)算,則+=r y y k Fr M F N 11=135.1< 且,max +<,<2故,強(qiáng)度滿足。1、工作裝置位于最大挖掘半徑處;2、正常挖掘,無橫向阻力。切向最大挖掘力1W 取決斗桿油缸的閉鎖力'g P ,取斗桿為隔離體,按力矩平衡求得:dg d b g l l

47、 r G r G l P W +=234'1式中,d g G G ,斗桿和鏟斗的重量;2l 斗桿長度; d l 鏟斗長度;3r 斗桿重力到動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂;鏟斗重力到動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂法向阻力決定于動(dòng)臂液壓缸的閉鎖力'B P ,取整個(gè)工作裝置為隔離體,由力矩平衡方程求解得:'21011(,B B A b g d W P r M G G G W r r =+- 式中,0r 切向挖掘阻力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂;法向挖掘阻力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂;B r 動(dòng)臂油缸作用力到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂;,(d g b AG G G M工作裝置不同部分對動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的作用力矩之和。取都干涸鏟斗為

48、隔離體,求得斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)處的作用力。再取動(dòng)臂為隔離體,求得動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的作用力。按以上作用力分析,作動(dòng)臂內(nèi)力圖,包括動(dòng)臂平面內(nèi)的剪力Q ,軸力N 和彎矩M 如圖5.7。取動(dòng)臂彎曲處進(jìn)行強(qiáng)度校核,橫截面如圖5.8: 圖5.7 動(dòng)臂內(nèi)力圖 圖5.8 動(dòng)臂橫截面圖斷面面積為:410304-=F m 2斷面慣性矩:48.610Z I -=將動(dòng)臂安全系數(shù)取為2,材料16Mn 的屈服極限s =351MP 則,許用應(yīng)力為:9.174=ns MP斷面處壓應(yīng)力為:111.7NF=MP 剪應(yīng)力為:16.8Q F=MP 彎曲正應(yīng)力:maxmax 154ZM y MP I =此處按曲梁進(jìn)行驗(yàn)算,則+=r y y k Fr M F N 11=138.2< 且,max +<,<2故,強(qiáng)度滿足。6.3 銷軸校核銷軸主要承受剪力,應(yīng)該按剪應(yīng)力進(jìn)行校核。斗桿液壓缸閉鎖力處于最大時(shí),銷子所承受的剪力最大,Q=20.8噸。 銷子材料為45鋼,s =295MP 安全系數(shù)取n=2,則許用應(yīng)力:ns =146MPSQ=47 MP< 式中,S 銷子截面面積(米2。 故滿足設(shè)計(jì)要求總結(jié)本次設(shè)計(jì)的題目是EXS 3500履帶液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置的設(shè)計(jì),其目的就是讓我們靈活運(yùn)用四年所學(xué)的理論知識(shí),繼續(xù)鞏固所學(xué)的知識(shí)在實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,提高自己的動(dòng)手能力,鍛煉獨(dú)立分析問題、