YW0.2型小型液壓挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計【含4張CAD圖紙、說明書】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 摘 要 挖掘機(jī)廣泛的應(yīng)用于建筑行業(yè)，排水灌溉，采礦，清除障礙和露天開礦等各種場合。它對減輕繁重的體力勞動，保證工程的質(zhì)量，加快建設(shè)的速度，提高勞動的生產(chǎn)率起到了巨大的作用。 隨著液壓傳動的技術(shù)在工程機(jī)械上廣泛應(yīng)用，單斗液壓挖掘機(jī)也有了迅速的發(fā)展。液壓挖掘機(jī)具有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、挖掘力大、操縱輕便，以及易實現(xiàn)無級變速和自動控制等一系列的優(yōu)點(diǎn)。為了能滿足不同的作業(yè)要求，其工作裝置也有很多類型。例如：正鏟，反鏟，牽引繩，塔式等。在上述的工作裝置中，反鏟挖掘機(jī)應(yīng)用的最為廣泛，因而合理設(shè)計工作裝置具有十分重要的意義。 本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)等組成的小型液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計。具體內(nèi)容包括以下的五部分: 挖掘機(jī)工作裝置的總體設(shè)計； 挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析；工作裝置各部分的基本尺寸的計算和驗證；工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過靜強(qiáng)度與動強(qiáng)度分析，得出了工作裝置在靜載荷下結(jié)構(gòu)是安全的。并利用同類機(jī)械的的參數(shù)做相應(yīng)的調(diào)試，得出一套較合理的參數(shù)，為后續(xù)的工作打好了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；液壓；動臂；斗桿；鏟斗 ABSTRACT Excavators are widely used in all branches of constructions, to drain and irrigate land, extract useful minerals, the removal of obstacle and the open-cast excavation of coal and ore. They play a tremendous role in relieving labor force, ensuring project quality, accelerating the speed of construction and improving the labor productivity. With the great development of hydraulic technology, the single bucket hydraulic excavator has been improving greatly. The hydraulic excavator is provided a great many advantages,such as light weight, small volume, compact structure, powerful dig force, easy operate, continuous variable velocity, automatic controls and so on.In order to meet the different requirements, the working device also has many types. For example: dipper shovel, pull shovel,dragline, jib crane, tower crane and so on.In the above work device, backhoe excavator is used most widely, so the rational design of work device is of great significance. In this paper, mainly by the boom, bucket rod, bucket, excavator linkage component of small hydraulic excavator working device design. It includes the following several parts:the overall design of excavator work device; excavator working device detailed kinematics analysis; the basic size calculation and verification of each part of Working device ; Through the static strength and dynamic strength analysis, the device under static loading structure is safe. Use the same mechanical parameters of the commissioning, to derive a set of reasonable parameters, for the follow-up work to lay a good foundation. KeyWord: Excavator; Hydraulic; Movable arm,Dipper,Bucket 第 1 頁 目錄 1 緒論 1 1.1 單斗液壓挖掘機(jī)的種類特點(diǎn) 1 1.2 單斗挖掘機(jī)的主要用途是 2 1.3 挖掘機(jī)的發(fā)展概況 2 1.4 國外挖掘機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài) 3 1.5 本課題的研究目的及意義 5 1.6 主要研究對象及內(nèi)容 6 2 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的運(yùn)動學(xué)分析 7 2.1 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn) 7 2.2 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的工作特點(diǎn) 7 2.2.1動臂挖掘 7 2.2.2斗桿挖掘 7 2.2.3轉(zhuǎn)斗挖掘 8 2.3 反鏟裝置的設(shè)計原則 9 2.4 反鏟裝置的方案選擇 10 2.5 反鏟裝置各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 11 2.6 動臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 12 2.7 斗桿的運(yùn)動分析 15 3 挖掘阻力 16 3.1 挖掘阻力的分析 16 3.1.1 轉(zhuǎn)斗挖掘阻力的分析 16 3.1.2 斗桿挖掘阻力的分析 18 3.2.1 挖掘的概念 19 3.2.2 挖掘力的計算 20 4 鏟斗及單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置各機(jī)構(gòu)尺寸的確定 32 4.1動臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇 33 4.1.1 與的選擇 33 4.1.2 與的計算 34 4.1.3 的計算 34 4.1.4 動臂基本參數(shù)的校核 36 4.2挖掘機(jī)構(gòu)受力分析 37 4.2.1 對鏟斗及鏟斗連桿機(jī)構(gòu)受力分析 37 4.2.2 對斗桿及斗桿機(jī)構(gòu)的受力分析 41 4.2.3 動臂及動臂機(jī)構(gòu)的受力分析 43 4.3挖掘裝置的強(qiáng)度校核 45 4.3.1斗桿內(nèi)應(yīng)力校核 45 4.3.2動臂的強(qiáng)度校核 47 5 總 結(jié) 50 6 參考文獻(xiàn) 51 7 致 謝 52 1 緒論 1.1 單斗液壓挖掘機(jī)的種類特點(diǎn) 挖掘機(jī)是用來進(jìn)行土、石方開挖的一種工程機(jī)械，按作業(yè)的特點(diǎn)分為周期性作業(yè)式和連續(xù)性作業(yè)式兩種，前者為單斗挖掘機(jī)，后者為多斗挖掘機(jī)。由于單斗挖掘機(jī)是挖掘機(jī)械的一個主要機(jī)種，也是各類工程施工中普遍采用的機(jī)械，可以挖掘VI級以下的土層和爆破后的巖石，因此，我會對單斗挖掘機(jī)進(jìn)行設(shè)計 單斗挖掘機(jī)可以按以下幾個方面來分類： 1.按動力裝置分類分為電驅(qū)動式、內(nèi)燃機(jī)式、復(fù)合驅(qū)動式等； 2.按傳動裝置分為機(jī)械傳動式、半液壓傳動式、全液壓傳動式； 3.按行走機(jī)構(gòu)分為履帶式、輪胎式、汽車式； 4.按工作裝置在水平面可回轉(zhuǎn)的范圍可分為全回轉(zhuǎn)式（360°）和非全回式（270°）； 挖掘機(jī)的類代號用字母W表示，主參數(shù)為整機(jī)的機(jī)重。如WLY表示輪胎式液壓挖掘機(jī)，WY100表示機(jī)重為10t的履帶式液壓挖掘機(jī)。不同廠家，挖掘機(jī)的代號表示方法各不相同。如圖1-1,1-2. 圖1-1 機(jī)械式單斗挖掘機(jī)工作裝置主要型式 圖1-2單斗液壓挖掘機(jī)工作裝 a）正鏟；b）反鏟；c）拉鏟；d）抓斗 置主要形式 a)反鏟；b）正鏟; c)抓斗；d)起重 1.2 單斗挖掘機(jī)的主要用途是 在筑路工程中用來開挖塹壕，在建筑工程中用來開挖基礎(chǔ)，在水利工程中用來開挖溝渠 、運(yùn)河和疏通河道，在采石場。露天采礦等工程中用于礦石的剝離和挖掘等；此外可對碎石、煤等松散物料進(jìn)行裝載作業(yè)；更換工作裝置后還可進(jìn)行起重、澆筑、安裝、打樁、拔樁等工作。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展特別是國家加大公路、鐵路、住宅和水利設(shè)施的投資，挖掘機(jī)越來越顯示出在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的巨大作用。 單斗挖掘機(jī)工作裝置主要有正鏟、反鏟、拉鏟和抓斗等形式他們都屬于循環(huán)作業(yè)式機(jī)械。每一個工作循環(huán)包括挖掘、回轉(zhuǎn)、卸料、和返回四個過程。 日常生活中最常用的是反鏟工作裝置，所以此次的設(shè)計任務(wù)是對挖掘機(jī)的反鏟工作裝置進(jìn)行研究、設(shè)計。 1.3 挖掘機(jī)的發(fā)展概況 挖掘機(jī)械的最早雛形，遠(yuǎn)在十六世紀(jì)于意大利威尼斯用于運(yùn)河的疏浚工作。隨著工業(yè)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，單斗挖掘機(jī)也由于新技術(shù)、新工藝的采用而不斷地發(fā)展改進(jìn),但它的基本工作原理至今未變。動力裝置以及控制方式的不斷革新，基本上反映了挖掘機(jī)發(fā)展的以下幾個階段： 1、蒸汽機(jī)驅(qū)動的挖掘機(jī)，從發(fā)明到廣泛應(yīng)用，大約經(jīng)歷了100 年。當(dāng)時主要用于開 挖運(yùn)河和修建鐵路。結(jié)構(gòu)型式由軌道行走的半回轉(zhuǎn)式，發(fā)展到履帶行走的全回轉(zhuǎn)式。 2、挖掘機(jī)傳動型式的液壓化，是挖掘機(jī)由機(jī)械傳動型式的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的一次躍進(jìn)。隨著液壓傳動技術(shù)的迅速發(fā)展，四十年代至五十年代初挖掘機(jī)開始應(yīng)用于液壓傳動，并且由半液壓發(fā)展到全液壓傳動。產(chǎn)量日益增長，六十年代初期液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量占挖掘機(jī)總產(chǎn)量的15%，發(fā)展到七十年代初期占總產(chǎn)量90%左右，近年來，西歐市場出售的挖掘機(jī)幾乎己全部采用液壓傳動。與此同時，斗輪挖掘機(jī)、輪斗挖溝機(jī)等工作裝置和臂架升降等部分也采用了液壓傳動。大型礦用挖掘機(jī)在基本傳動型式不變的情況下，其工作 裝置也改為液壓驅(qū)動。 3、控制方式的不斷革新，使挖掘機(jī)由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制，無線電遙控。最近又出現(xiàn)了電子計算機(jī)綜合程序控制，控制人員可在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場的集中控制室內(nèi)通過工業(yè)電視監(jiān)視數(shù)臺挖掘機(jī)工作。 我國挖掘機(jī)生產(chǎn)起步于60年代，第一代產(chǎn)品為機(jī)械式挖掘機(jī)。進(jìn)入70年代，開始研制液壓挖掘機(jī)，并形成了系列產(chǎn)品，標(biāo)志著我國挖掘機(jī)行業(yè)已經(jīng)形成。80年代中期，隨著我國改革開放的深入和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國一些大型挖掘機(jī)企業(yè)分別引進(jìn)了德國利渤海爾、德馬克等公司的先進(jìn)制造技術(shù)，使我國的挖掘機(jī)在技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)管理上都有了很大的提高。涌現(xiàn)出諸如長江挖掘機(jī)廠、撫順挖掘機(jī)廠、上海建筑機(jī)械制造廠、合肥礦山機(jī)器廠、北京建筑機(jī)械廠和貴陽礦山機(jī)器廠等一批實力較強(qiáng)的骨干企業(yè)，為我國挖掘機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)和發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，也為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。 進(jìn)入90年代，挖掘機(jī)市場需求迅速擴(kuò)大，一些企業(yè)紛紛看好這一市場，挖掘機(jī)行業(yè)如雨后春筍，新企業(yè)不斷涌現(xiàn)，一些原本生產(chǎn)其它工程機(jī)械的企業(yè)，也紛紛加入到挖掘機(jī)行業(yè)。國外一些大公司也把目光瞄準(zhǔn)了中國市場，短短的幾年內(nèi)，先后有日本、韓國、德國等十余家公司與中國企業(yè)進(jìn)行了合資，還有的在中國獨(dú)資辦企業(yè)生產(chǎn)挖掘機(jī)，使得我國從原有的六大骨干廠，一下猛增到44家。企業(yè)性質(zhì)由原來的單一國有企業(yè)，變成了國有、合資、獨(dú)資、股份制、鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體等多種形式。 目前，擺在挖掘機(jī)行業(yè)面前的是挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存。今后幾年中國經(jīng)濟(jì)的快速增長，無疑會給工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展帶來無限商機(jī)，挖掘機(jī)是工程機(jī)械的主要產(chǎn)品之一，許多工程都離不開挖掘機(jī)械的參與。據(jù)中國機(jī)電報報道，“九五”期間國家計劃新建鐵路6000多公里，增建復(fù)線3000多公里，電氣化改造4000多公里，到2000年鐵路運(yùn)營將達(dá)到6.8萬公里，平均每年投入資金500億元?！熬盼濉逼陂g還將投資5500億元，新建公路11萬公里，其中高速公路6000公里；港口將新建萬噸以上的舶位100個，新增吞吐能力2百多萬噸；同時還要大力發(fā)展原油、天然氣管道建設(shè)；在能源工業(yè)方面，將新建20座大型水電站，若干大型露天煤礦，石油的開采也逐步加大；另外，冶金、礦山的開采，“九五”期間要新建9座大型露天鐵礦；還有農(nóng)田水利工程，改造黃河流域10大水系，南水北調(diào)、疏竣河道，特別是98年遭受特大洪水災(zāi)害后，對堤壩、圍堰的整修、加固、和綜合治理工作將會加大力度。所有這些領(lǐng)域的巨大發(fā)展都需要大量的挖掘機(jī)械，為我國挖掘機(jī)械的發(fā)展提供了廣闊前景。預(yù)計近幾年國內(nèi)市場每年需求挖掘機(jī)12000-15000臺。因此，要使挖掘機(jī)的產(chǎn)量滿足市場需求，只有把產(chǎn)品質(zhì)量搞上去，提高產(chǎn)品的可靠性，切實做好售后服務(wù)，才能在競爭中立于不敗之地，在市場上占有重大份額。 1.4 國外挖掘機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài) 挖掘機(jī)在技術(shù)發(fā)展的階段上經(jīng)歷了三次飛躍。第一次是柴油機(jī)的出現(xiàn)，使挖掘機(jī)有了較理想的動力裝置；第二次是液壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使挖掘機(jī)有了較理想的控制系統(tǒng)；第三次是機(jī)電液一體化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，使挖掘機(jī)面貌煥然一新。挖掘機(jī)具有挖掘、裝載、卸載和整機(jī)移動等功能，可連續(xù)高效地工作。據(jù)統(tǒng)計，各種土方作業(yè)中約有65%-70%的土方量是由挖掘機(jī)來完成的。從20 世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展。主要發(fā)展方向是采用遙控及微機(jī)控制的自動化技術(shù)，整個機(jī)組具有以下主要特點(diǎn)：功率增大；獨(dú)立作業(yè)性強(qiáng)；配件標(biāo)準(zhǔn)化；能降低噪聲、振動。同時，隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法的發(fā)展，有限元方法在機(jī)械結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛應(yīng)用，取得了令人矚目的成果。有限元分析法已成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的一個重要工具。資料文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，國外不論在挖掘機(jī)的整機(jī)還是部件的設(shè)計上都有比較成熟的技術(shù)。國外挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，利用有限元與優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化。它使液壓挖掘機(jī)的設(shè)計從經(jīng)驗的、靜止的、隨意性較大的傳統(tǒng)設(shè)計逐步發(fā)展到自動化程度高，設(shè)計周期短，設(shè)計方案優(yōu)越，計算精度高的現(xiàn)代化設(shè)計。我國從1958 年開始研制液壓挖掘機(jī)，逐步形成了中小型液壓挖掘機(jī)系列。然而在液壓挖掘機(jī)機(jī)電一體化進(jìn)程中，我國遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于技術(shù)先進(jìn)國家。我國液壓挖掘機(jī)工業(yè)在1983年以后采用引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的方法，加快了液壓挖掘機(jī)的發(fā)展，這種引進(jìn)技術(shù)的方式，是在較高的起點(diǎn)上，在較短的時間內(nèi)，用較少的資金提高技術(shù)水平，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的捷徑。計算機(jī)技術(shù)在液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品開發(fā)、研制中的作用愈來愈大。但是由于受客觀條件的限制，在產(chǎn)品設(shè)計制造中大多采用傳統(tǒng)的方法和理論。引進(jìn)挖掘機(jī)技術(shù)時，只注意了整機(jī)技術(shù)，將有限元分析方法應(yīng)用到挖掘機(jī)動臂結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計、分析及優(yōu)化還不是很多，往往都是靜態(tài)分析，特別是通過完整的試驗進(jìn)行驗證就更少。現(xiàn)在國內(nèi)外正在通過動力學(xué)研究的設(shè)法提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，以求在根本上保證產(chǎn)品的動強(qiáng)度和可靠性，另外振動和噪聲被認(rèn)為是工程機(jī)械作業(yè)時的兩大公害，隨著動臂強(qiáng)度要求越來越高，機(jī)械重量如何減輕也顯得越來越重要，因此對挖掘機(jī)動臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析、試驗驗證以及進(jìn)一步優(yōu)化，顯得越來越迫切。挖掘機(jī)的有限元分析是伴隨著有限元理論和有限元軟件的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展起來的，特別是自20 世紀(jì)八十年代以來，隨著國外幾種商用有限元軟件進(jìn)入我國，挖掘機(jī)有限元分析的研究己初具規(guī)模。在眾多有限元軟件中，比較可靠的有國外的ANSYS，NASTRAN，MOCAL，ALGOR 等，國內(nèi)真正通用的還幾乎沒有，所能做到的只是一些用于某種單元或是某個機(jī)構(gòu)的有限元分析。目前，利用有限元軟件對挖掘機(jī)進(jìn)行分析，其所做的工作可以歸納為以下幾個方面： 1、工作裝置的運(yùn)動分析 對工作裝置的運(yùn)動分析，關(guān)系到挖掘機(jī)的力學(xué)分析，是其它分析與設(shè)計(如控制)的基礎(chǔ)。這方面的研究成果很多，理論基礎(chǔ)也比較成熟。 2、有限元的分析 自國外幾家大型有限元軟件在我國投放以來，有限元分析在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。其中有很多是挖掘機(jī)的有限元分析。一般來說，這類分析主要集中在對某些部件的研究上。對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析既可以提高我國設(shè)計能力和設(shè)計水平，反過來又可以利用有限元分析來解決挖掘機(jī)在使用中出現(xiàn)的問題。 總之，由于有限元單元法在我國應(yīng)用比較晚，且主要集中在力學(xué)領(lǐng)域，因此對挖掘機(jī)的有限元分析還存在一定的局限性?？梢灶A(yù)見，隨著大型和超大型挖掘機(jī)的不斷涌現(xiàn)，合理地設(shè)計各構(gòu)件更加重要。同Pro/Mechanica 分析軟件相比，絕大部分有限元分析軟件(如ANSYS 分析軟件)的幾何建模功能比較弱，這些有限元軟件通常通過IGES 格式或者S T EP 格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而這樣做最大的弊端在于容易造成數(shù)據(jù)的丟失，因此常常需要花費(fèi) 大量的時間與精力進(jìn)行幾何模型的修補(bǔ)工作。而利用Pro/Mechanica 進(jìn)行分析，恰好可以克服上述缺點(diǎn)，Pro/Mechanica 作為Pr o/Engineer 集成模塊，是設(shè)計機(jī)構(gòu)運(yùn)動和進(jìn)行有限元 計算強(qiáng)有力的工具。且實踐證明其分析的結(jié)果也較精確，完全可以滿足工程設(shè)計的需要。 1.5 本課題的研究目的及意義 中國國土面積大，各項建設(shè)事業(yè)正處于蓬勃發(fā)展過程中，對挖掘機(jī)的需求量大。世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國家著名的挖掘機(jī)制造商幾乎全部進(jìn)入中國，不少國有和民營企業(yè)也看好中國的挖掘機(jī)市場，紛紛進(jìn)入挖掘機(jī)行業(yè)，進(jìn)行挖掘機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)和開發(fā)，而且產(chǎn)品的產(chǎn)量隨著市場的需求量的提高而不斷增長。中國已成為世界最大的挖掘機(jī)市場，正在成為世界挖掘機(jī)的制造中心。但是必須注意， 中國目前雖然已成為挖掘機(jī)需求和生產(chǎn)的大國，但決不是強(qiáng)國。國際水平的研發(fā)中心不在中國，挖掘機(jī)關(guān)鍵配套零部件也不在中國。在挖掘機(jī)關(guān)鍵的核心技術(shù)研究與掌握方面，國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)差距很大，特別是國內(nèi)企業(yè)在挖掘機(jī)的基礎(chǔ)理論研究方面投入的人力、財力嚴(yán)重不足。這些年來，我們?nèi)〉昧碎L足的進(jìn)步，大大縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，但如果今后技術(shù)創(chuàng)新(包括設(shè)計技術(shù)和制造技術(shù)等方面上稍有懈怠，與國外先進(jìn)技術(shù)的差距 仍然會拉大，因此可以說今后國內(nèi)挖掘機(jī)企業(yè)的任務(wù)仍然十分艱巨。由于歷史的原因，原本的國有挖掘機(jī)企業(yè)因為人才流失，資金不足，技術(shù)不高，造成自主研發(fā)能力不高，設(shè)計方法落后；而改革開放后的合資企業(yè)和外資企業(yè)，只是根據(jù)國外的設(shè)計圖紙進(jìn)行批量生產(chǎn)，基本不進(jìn)行設(shè)計，所以中國的挖掘機(jī)設(shè)計手段比較落后，常常憑借經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計制造，造成生產(chǎn)的挖掘機(jī)存在一些缺陷，在三包期間常出現(xiàn)故障，做不到等壽命設(shè)計，對廠商和買家造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。以往液壓挖掘機(jī)的新產(chǎn)品開發(fā)過程是前期設(shè)計完成后，進(jìn)行樣機(jī)試制，然后經(jīng)過現(xiàn)場挖掘試驗或強(qiáng)度測試，若發(fā)現(xiàn)問題→改進(jìn)→再試驗→再修改，復(fù)修改直到滿足設(shè)計要求后，再批量投產(chǎn)。這種開發(fā)過程的周期長、風(fēng)險大、成本高、上市慢，限制了企業(yè)的市場競爭力。目前國內(nèi)企業(yè)在設(shè)計挖掘機(jī)時仍以測繪類比為主，強(qiáng)度計算仍采用材料力學(xué)方法，對挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件應(yīng)力分布情況缺乏定量的了解。并且，挖掘機(jī)作業(yè)外載荷又復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的材料力學(xué)方法難以滿足設(shè)計上的需要。所以非常有必要將現(xiàn)代設(shè)計方法和有限元方法應(yīng)用于挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析，以提高挖掘機(jī)工作裝置的可靠性，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、減輕工作裝置重量、提高工作效率、減少能耗，從而提高挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計水平和自主開發(fā)能力。 1.6 主要研究對象及內(nèi)容 1、根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作條件及設(shè)計參數(shù)要求，參考挖掘機(jī)的設(shè)計資料及國內(nèi)外各液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，選定液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的設(shè)計方案。 2、在了解液壓挖掘機(jī)反鏟裝置工作原理和方案選擇的基礎(chǔ)上，用幾何法分別對動臂、機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)和鏟斗機(jī)構(gòu)做動力學(xué)分析。 3、在定性分析的基礎(chǔ)上，用解析法對反鏟裝置各機(jī)構(gòu)的尺寸作了定量計算，為作圖提供了尺寸依據(jù)，也為進(jìn)一步用計算機(jī)編程及計算機(jī)輔助設(shè)計提供了數(shù)學(xué)模型。 4、對反鏟裝置的挖掘力及挖掘阻力進(jìn)行了分析計算，并著重分析計算了挖掘機(jī)復(fù)合挖掘時最大挖掘力實現(xiàn)的各種限制條件。 5、對各機(jī)構(gòu)的桿件及鉸點(diǎn)進(jìn)行了受力分析。 2 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的運(yùn)動學(xué)分析 2.1 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn) 反鏟的工作過程： （1）先將鏟斗向前伸出，讓動臂帶著鏟斗落在工作面上（I）。 （2）將鏟斗向著挖掘機(jī)方向拉動，于是他就在動臂和鏟斗等重力以及牽引索的拉力作用下完成挖掘。 （3）將鏟斗保持所示狀態(tài)連同動臂一起提升，在回轉(zhuǎn)至卸料處進(jìn)行卸料。 反鏟有斗底可開啟式和不可開啟式兩種。 反鏟挖掘機(jī)適宜于挖掘停機(jī)面以下的土，例如挖掘機(jī)基坑及溝槽等。機(jī)械傳動的反鏟挖掘過程由于只是依靠鏟斗自身重力切土，所以只適宜于挖掘輕級和中級土壤。 2.2 單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的工作特點(diǎn) 液壓挖掘機(jī)的反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下土壤(基坑、溝壕等)。其挖掘軌跡決定于油缸的運(yùn)動及其相互配合情況。通常情況下，分為動臂挖掘、斗桿挖掘、轉(zhuǎn)斗挖掘等幾種。 2.2.1動臂挖掘 當(dāng)采用動臂油缸工作來進(jìn)行挖掘時(斗桿和鏟斗油缸不工作)可以得到最大的挖掘半徑和最長的挖掘行程。此時鏟斗的挖掘軌跡系以動臂下鉸點(diǎn)為中心，斗齒至該鉸點(diǎn)的距離為半徑所作的圓弧線。其極限挖掘高度和挖掘深度(不是最大挖掘深度)即圓弧線之起終點(diǎn)，分別決定于動臂的最大上傾角和下傾角(動臂與水平線之夾角)，也即決定于動臂油缸的行程。由于這種挖掘方式時間長而且由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實際工作中基本上不采用。 2.2.2斗桿挖掘 當(dāng)僅以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘時，鏟斗的挖掘軌跡為圓弧線，弧線的長度與包角決定于斗桿油缸的行程。當(dāng)動臂位于最大下傾角，并以斗桿油缸進(jìn)行挖掘工作時，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。在較堅硬的土質(zhì)條件下工作時，能夠保證裝滿鏟斗，故挖掘機(jī)實際工作中常以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘。 2.2.3轉(zhuǎn)斗挖掘 當(dāng)僅以鏟斗油缸工作進(jìn)行挖掘時，鏟斗的挖掘軌跡也為圓弧線，弧線的包角及弧長決定于鏟斗油缸的行程。顯然，以鏟斗油缸工作進(jìn)行挖掘時的挖掘行程較短，如使鏟斗在挖掘行程結(jié)束時裝滿土壤，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤。所以一般挖掘機(jī)的斗齒最大挖掘力都在采用鏟斗油缸工作時實現(xiàn)。采用鏟斗油缸挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率。因此，在一般土方工程挖掘中，轉(zhuǎn)斗挖掘較常采用。在實際挖掘工作中，往往需要采用各種油缸的聯(lián)合工作如當(dāng)挖掘基坑時由于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁時，則需采用動臂與斗桿兩種油缸的同時工作，當(dāng)挖掘坑底，挖掘行程將結(jié)束為加速將鏟斗裝滿土，以及挖掘過程需要改變 鏟斗切削角等情況下，則要求采用斗桿與鏟斗油缸同時工作。雖然此時挖掘機(jī)的挖掘軌跡是由相應(yīng)油缸分別工作時的軌跡組合而成。顯然，這種動作能夠?qū)崿F(xiàn)還決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計。當(dāng)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸己定時(包括動臂、斗桿、鏟斗尺寸、鉸點(diǎn)位置，相對的允許轉(zhuǎn)角或各油缸的行程等)，即可用作圖法求得挖掘機(jī)挖掘軌跡的包絡(luò)圖，即挖掘機(jī)在任一正常工作位置時所 控制到的工作范圍上各控制尺寸即液壓挖掘機(jī)的工作尺寸。對于反鏟裝置圖2-2 反鏟裝置工作示意圖。主要的工作尺寸為最大挖掘深度和最大挖掘半徑。包絡(luò)圖中可能有部分區(qū)間靠近甚至深入到挖掘機(jī)停機(jī)點(diǎn)底下，這一范圍的土壤雖可挖及，但可能引起土壤的崩塌而影響機(jī)械的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)外一般不使用。挖掘機(jī)反鏟裝置的最大的挖掘力決定于液壓系統(tǒng)的工作壓力、油缸尺寸，以及各油缸間作用力之影響(斗桿、動臂油缸的閉鎖壓力及力臂)外，還決定于整機(jī)的穩(wěn)定和地面附著情況。因此反鏟裝置不可能在任何位置 圖2-1 反鏟挖掘工作裝置示意圖 2.3 反鏟裝置的設(shè)計原則 1、主要工作尺寸及作業(yè)范圍的要求，在設(shè)計時應(yīng)考慮與同類型相比時的先進(jìn)性，性能與主參數(shù)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定。 2、滿足整機(jī)挖掘力大小及分布情況的要求 3、功率利用情況好，理論工作循環(huán)時間短。 4、確定各個鉸點(diǎn)布置，結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證剛度和強(qiáng)度的前提下，重量越輕越好。 5、應(yīng)考慮到通用性和穩(wěn)定性。 6、運(yùn)輸或停放時應(yīng)有合理的姿態(tài)。 7、液壓缸設(shè)計應(yīng)考慮三化，采用系列參數(shù)。 8、工作裝置應(yīng)安全可靠，拆裝方便。 9、滿足特殊使用要求。 2.4 反鏟裝置的方案選擇 反鏟方案選擇的主要依據(jù)是設(shè)計任務(wù)書規(guī)定的使用要求，據(jù)以決定工作裝置是通用還是專用的。以反鏟為主的通用裝置應(yīng)保證反鏟使用要求，并照顧到其它裝置的性能，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)條件要求的同時照顧其它條件下的性能。反鏟裝量總體方案的選擇包括以下方面： 1、動臂及動臂液壓缸的布置 確定用組合式或整體式動臂，以及組合式動臂的組合方式或整體式動臂的形狀,動臂液壓缸的布置為懸掛式或是下置式。 2、斗桿及斗桿液壓缸的布置確定用整體式或組合式布置，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)。 3、確定動臂與斗桿的長度比，即特性參數(shù) K1 =l1/l2。 對于一定的工作尺寸而言，動臂與斗桿之間的長度比可在很大范圍內(nèi)選擇?！惝?dāng)K1＞2 時(有的反鏟取 K1 ＞3)稱為長動臂短斗桿方案，當(dāng) K 1＜1．5 時屬于短動臂長斗桿方案。 K1在1．5～2 之間稱為中間比例方案。要求適用性較強(qiáng)而又無配套替換構(gòu)件或可調(diào)結(jié)構(gòu)的反鏟常取中間比例方案。相反當(dāng)用配套替換構(gòu)件或可調(diào)鏈接來適應(yīng)不同作業(yè)條件時，不同的配置或鉸點(diǎn)連接情況可組成各種比例方案。在使用條件單一，作業(yè)對象明確的條件下采用整體動臂和斗桿固定鉸接， K1 值由作業(yè)條件確定。從作業(yè)范圍看，在挖高、挖深與挖掘半徑均相同的條件下， K1 值越大作業(yè)范圍愈窄。從挖掘方式看K1 值大宜用斗桿挖掘為主，因其剛度較易保證。而K1 值小宜用轉(zhuǎn)斗挖掘為主。從挖掘軌跡看， K1 值小易得到接近于直線的運(yùn)動軌跡，因而它用于平整和清理作業(yè)，在挖掘窄而深的溝渠或基坑時挖掘軌跡也較易控制，向挖掘質(zhì)量和裝卸效率比抓高。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度看，K1值大結(jié)構(gòu)重心離機(jī)體近。 4、確定配套鏟斗的種類、斗容量及其主參數(shù)，并考慮鏟斗連扦機(jī)構(gòu)傳動比是否需要調(diào)節(jié)。 5、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要術(shù)等確定各液壓缸缸數(shù)、缸徑、全伸長度與全納長度之比􀀐 。考慮到結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動余量、穩(wěn)定性和構(gòu)件運(yùn)幅度等因素一般取λ1＝1.6～1.7，個別情況下因動臂擺角和鉸點(diǎn)布置要求可以取λ1≤1.75。取λ2＝1.6～1.7，λ2＝1.5～1.7。 2.5 反鏟裝置各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 反鏟裝置的幾何位置取決于動臂液壓缸的長度 L1 、斗桿液壓缸的長度 L2和鏟斗液壓缸的長度 L3 。顯然，當(dāng) L1 、 L2 和 L 3為某一組確定值時反鏟裝置就相應(yīng)處于某一確定的幾何 位置。如圖(2—3)設(shè)計平面直角坐標(biāo)系，使X 軸與地平面重合，Y 軸與挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)中心重合。則斗齒尖V 所在的X 坐標(biāo)值V X 就表示挖掘半徑，Y 坐標(biāo)值V Y 為正值時就表示挖掘高度，為負(fù)值時表示挖掘深度。必須注意，當(dāng) L1 、 L2 和 L 3為一組定值時只有一組V X 和V Y值與其對應(yīng)，反之對于V X 和V Y 的一組定值卻有許多組 L1 、 L2 和 L 3值與其相應(yīng)。 圖2-2 挖掘機(jī)實物圖（現(xiàn)代） 2.6 動臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 圖2-3 挖掘機(jī)總裝圖 1-斗桿油缸； 2-動臂； 3-油管； 4-動臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒； 7-側(cè)齒； 8-連桿； 9-搖桿； 10-鏟斗油缸； 11斗桿 圖2-4 圖2-5動臂機(jī)構(gòu)計算簡圖 圖 2-6 動臂擺角范圍計算簡圖 L1 min : 動臂油缸的最短長度; L1 max : 動臂油缸的伸出的最大長度; A:動臂油缸的下鉸點(diǎn);B:動臂油缸的上鉸點(diǎn);C:動臂的下鉸點(diǎn)。 φ1 是 L1 的函數(shù).動臂上任意一點(diǎn)在任一時刻也都是 L1 的函數(shù).如圖 3-1 所示,圖 中 L1 min : 動臂油缸的最短長度; L1 max : 動臂油缸的伸出的最大長度;θ1 min : 動臂油缸兩鉸 點(diǎn)分別與動臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最小值; θ1 max : 動臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動臂下鉸點(diǎn)連線 夾角的最大值;A:動臂油缸的下鉸點(diǎn);B:動臂油缸的上鉸點(diǎn);C:動臂的下鉸點(diǎn). 則有: 在三角形 ABC 中: （2-1） 在三角形 BCF 中: (2-2) 由圖 3-3 所示的幾何關(guān)系,可得到α 的表達(dá)式: = （2-3） 當(dāng) F 點(diǎn)在水平線 CU 之下時 為負(fù),否則為正. F 點(diǎn)的坐標(biāo)為 (2-4) C 點(diǎn)的坐標(biāo)為 (2-5) 動臂油缸的力臂 =∠CAB (2-6) 顯然動臂油缸的最大作用力臂,又令.這時 ( 2-7) 2.7 斗桿的運(yùn)動分析 如下圖 2-7 所示,D 點(diǎn)為斗桿油缸與動臂的鉸點(diǎn)點(diǎn),F 點(diǎn)為動臂與斗桿的鉸點(diǎn),E 點(diǎn) 為斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn).斗桿的位置參數(shù)是,這里只討論斗桿相對于動臂的運(yùn)動, 即只考慮的影響。 D-斗桿油缸與動臂的鉸點(diǎn)； F-動臂與斗桿的鉸點(diǎn) E-斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)； -斗桿擺角 圖 2-7 斗桿機(jī)構(gòu)擺角的計算簡圖 在三角形 DEF 中 (2-8) 由上圖的幾何關(guān)系知 (2-9) 則斗桿的作用力臂 Sin∠DEF (2-10) 顯然斗桿的最大作用力臂,此時 3 挖掘阻力 3.1 挖掘阻力的分析 反鏟裝置工作時，即可用鏟斗油缸挖掘（簡稱轉(zhuǎn)斗挖掘），也可用斗桿油缸挖掘（簡稱斗桿挖掘），或做復(fù)合動作挖掘。 3.1.1 轉(zhuǎn)斗挖掘阻力的分析 圖3-1 轉(zhuǎn)斗挖掘阻力計算簡圖 1-鏟斗油缸，2-斗桿油缸，3-動臂油缸 轉(zhuǎn)斗挖掘時，土壤切削力隨挖掘深度改變而有明顯變化，經(jīng)實驗轉(zhuǎn)斗挖掘時的切削阻力與切削深度基本上成正比。但總的來說，前半過程切削阻力較后半過程高，因前半過程的切削角不利，產(chǎn)生了較大的切削阻力。切削阻力的切向分力與土壤硬度、轉(zhuǎn)斗切削半徑、挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角、鏟斗轉(zhuǎn)角切削刃寬度、切削角、斗側(cè)壁厚度和切削刃擠壓土壤的力有關(guān)。轉(zhuǎn)斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力計算，也把半月形切削斷面看作相等面積的條形斷面，條形斷面的長度可看作成斗齒轉(zhuǎn)過的圓弧長度與其相應(yīng)之弦的平均值。一般所謂平均阻力是指裝滿鏟斗的全過程阻力平均值，國外有試驗認(rèn)為平均挖掘阻力的80%。轉(zhuǎn)斗挖掘時，挖掘阻力的切向分力可表示為： 在 式中—— 切削阻力的切向分力; C——土壤的硬度系數(shù),對不同的土 壤條件取值不同,這里設(shè)挖機(jī)用于Ⅲ級土壤的挖掘,取值為 120; R——鏟斗與斗桿鉸點(diǎn) 到斗齒尖距離,即轉(zhuǎn)斗切削半徑其在前面已經(jīng)初步確定,取值為 850mm； ψmax——某一 挖掘位置時鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半45; ψ——某一挖掘位置處轉(zhuǎn)斗的瞬時轉(zhuǎn)角,在此處由于是 求平均挖掘阻力,故初取 ψmax =ψ = 45 B——切削刃寬度影響系數(shù),B = 1 + 2.6b= 1 + 2.6×0.776= 3.02m; A——切削角變化影響系數(shù),取 A = 1.3.; Z——帶有斗齒的系數(shù), 取 Z =0.75; X——斗側(cè)壁厚影響系數(shù),X = 1+0. 03S,其中 S 為側(cè)壁厚度,由于是初 步設(shè)計,故預(yù)取 X = 1.15 ; D——切削刃擠壓土壤的力,根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計 和斗容量的大 小選取 D = 8000N. 將以上的數(shù)值代入到式中可以解得: =33.25KN 轉(zhuǎn)斗挖掘裝土阻力的切向分力為: 式中 ： q ——密實狀態(tài)下土壤容重，單位為N／； ——挖掘起點(diǎn)和終點(diǎn)間連線方向與水平線的夾角； μ ——土壤與鋼的摩擦系數(shù)。 計算表明： 與W1相比很小，可忽略不計。當(dāng)φ=,=時出現(xiàn)轉(zhuǎn)斗挖掘最大 切向分力，其值為： 試驗表明法向挖掘阻力 的指向是可變的，數(shù)值也較小，一般 ＝00.2 ，土質(zhì)愈 均勻， 愈小。從隨機(jī)統(tǒng)計的角度看，取法向分力為零來簡化計算是允許的。這樣就可看作為轉(zhuǎn)斗挖掘的最大阻力。 轉(zhuǎn)斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力計算。也即把半月形切削斷面看作相等面積的條形斷面，條形斷面長度等于斗齒轉(zhuǎn)過的圓弧長度與其相應(yīng)之弦的平均值，則平均切削厚度為： 平均挖掘阻力為: 39.16 式中: 用度數(shù)代表，一般所謂平均阻力是指裝滿鏟斗的全過程阻力平均值， 因此應(yīng)取。顯然這一計算方法是近以的，國外有試驗認(rèn)為平均挖掘阻力為最大挖掘阻力的70～80％，可作為參考。 3.1.2 斗桿挖掘阻力的分析 斗桿挖掘時切削行程較長，切土厚度在挖掘過程中可視為常數(shù)。一般取斗桿在挖掘過程中的總轉(zhuǎn)角為，在這轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。這時斗齒的實際行程為： 式中： ——斗桿挖掘時的切削半徑， =FV。 斗桿挖掘時的切削厚度g h 可按下式計算： 斗扦挖掘阻力為 式中： ——挖掘比阻力，當(dāng)取主要挖掘土壤的值時可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土質(zhì)值時則得最大挖掘阻力。 一般斗桿挖掘阻力比轉(zhuǎn)斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度較小。 顯然，研究挖掘阻力的目的是確定需要的斗齒挖掘力及其變化規(guī)律，以便在工作裝置設(shè)計中給予保證。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖掘力太大或者其變化規(guī)律與阻力的變化不適應(yīng)，則功率利用率要降低。 由于計算方法尚不成熟，挖掘力的計算值只供參考，設(shè)計時應(yīng)盡量考慮到工作裝置實際使用條件下的土質(zhì)情況及同類型其它機(jī)器的實際作業(yè)情況。 3.2.1 挖掘的概念 挖掘力是衡量反鏟裝置挖掘性能的重要指標(biāo)之一。關(guān)于挖掘力的概念目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的定義，因此可比性較差。為便于進(jìn)行設(shè)計方案的分析比較， 對挖掘力概念規(guī)定如下。反鏟裝置挖掘力可按下列情況分為工作液壓缸的理論挖掘力，整機(jī)的理論挖掘力和整機(jī)的實際挖掘力三類。 3.2.1.1 工作液壓缸的理論挖掘力 反鏟裝置主要采用斗桿液壓缸或鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘。假定不考慮下列因素： 1、工作裝置自重和土重； 2、液壓系統(tǒng)和連桿機(jī)構(gòu)的效率； 3、工作液壓缸的背壓。 工作液壓缸外伸時由該液壓缸理論推力所能產(chǎn)生的斗齒切向挖掘力稱為工作液壓缸的理論挖掘力。 3.2.1.2 整機(jī)的理論挖掘力 液壓挖掘機(jī)處于某一工況下工作液壓缸的主動挖掘力能否實現(xiàn)主要取決于下列條件： 1、工作液壓缸的閉鎖能力； 2、整機(jī)的工作穩(wěn)定性； 3、整機(jī)與地面的附著性能； 4、土壤(或其它作業(yè)對象)的阻力； 5、工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 當(dāng)全面考慮這些條件后求得的工作液壓缸能實現(xiàn)的挖掘力值就是整機(jī)在該工況下的挖掘力。 求整機(jī)挖掘力按下列假定進(jìn)行： 1、考慮整機(jī)自重，有相對運(yùn)動的構(gòu)件重量分別計算； 2、在挖掘過程中斗中土重視為主動液壓缸長度的分級線性函數(shù)，其重心與鏟斗重心一致； 3、不考慮液壓系統(tǒng)和連桿機(jī)構(gòu)的效率； 4、不考慮液壓缸小腔背壓； 5、不考慮土壤阻力和工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制； 6、不考慮其它因素如停機(jī)面坡度、風(fēng)力、慣性力、動載等的影響。 求得的挖掘力值稱為整機(jī)的理論挖掘力。 3.2.1.3 整機(jī)的實際挖掘力 如果考慮到整機(jī)理論挖掘力計算時簡化假定中忽略的某些因素，則可求得整機(jī)的實際挖掘力。但用于特殊作業(yè)條件時求整機(jī)實際挖掘力必須考慮坡度、風(fēng)力等影響，如果不采用近似的作圖法，而全部用數(shù)解法來計算整機(jī)挖掘力，則相當(dāng)繁瑣。用電子計算機(jī)分析比較各種設(shè)計方案的挖掘性能或驗算已制成的挖掘機(jī)的挖掘性能，并與機(jī)器的實用或測試結(jié)果相對照，既可為改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)，又可檢驗理論計算的正確程度。在對大量機(jī)型進(jìn)行計算分析的基礎(chǔ)上可為優(yōu)化設(shè)計積累資料和提供簡化根據(jù)。 3.2.2 挖掘力的計算 在考慮以上條件和假設(shè)的同時，在液壓挖掘機(jī)在實際復(fù)合挖掘的過程中，為了最大限度的發(fā)揮挖掘力，司機(jī)主要按照以下兩種工作方式進(jìn)行復(fù)合挖掘： 復(fù)合挖掘方式一：鏟斗油缸挖掘為主，斗桿油缸復(fù)合動作；復(fù)合挖掘方式二：斗桿油缸挖掘為主，鏟斗油缸復(fù)合動作。 現(xiàn)以復(fù)合挖掘方式一為例，介紹整機(jī)符合挖掘力的計算方法。 圖3-2 受力及力臂計算簡圖 如圖（3—2）所示，為了計算復(fù)合挖掘力，本文將作用在斗齒尖V 點(diǎn)復(fù)合挖掘力分解為垂直于QV 的切向分力和與QV 線平行的法向分力，并令 (其中η 是一個帶符號的系數(shù),當(dāng)η 取正則表示與圖示法向力同向，反之則反向)，這樣復(fù)合挖掘力的方向就確定了。計算任一挖掘位置整機(jī)理論復(fù)合挖掘力的步驟。 3.2.2.1 計算復(fù)合挖掘力對有關(guān)點(diǎn)的力矩及當(dāng)量力臂 如圖3—2 所示，令和對鉸點(diǎn)F 的力臂分別為、 ，對動臂根部鉸點(diǎn)C 的力臂分別為、對前傾點(diǎn)T 的力臂分別為、及對后傾點(diǎn)I 的力臂分別為、；并令： 同理，該挖掘力對點(diǎn)C、T、I 的力矩分別用切向力分別表示為： 式中： 為復(fù)合挖掘力對F、C、T、I 點(diǎn)的當(dāng)量作用力臂。 求解當(dāng)量作用力臂關(guān)鍵是求任意工況下的切向力和法向力對應(yīng)各鉸點(diǎn)的力臂 下面分別計算它們對應(yīng)各鉸點(diǎn)的力臂值： 1、分別對動臂根部鉸點(diǎn)C 的力臂 d1 、d10 的計算； 圖 3-3 力臂方向判斷簡圖 構(gòu)造三角形CQV 如圖（3—2）中各圖所示，假設(shè)圖示和 的方向為正。取 和 對于C 點(diǎn)的力矩延逆時針方向為正，反之為負(fù)，這樣就可以確定 1 d 、10 d 的正負(fù)。其正 負(fù)只與三角形的形狀有關(guān)，因此 d1 、d10 的大小只與斗桿和鏟斗液壓缸的長度有關(guān)而與動臂液壓缸長度無關(guān)。 式中∠CVQ 可通過反三角函數(shù)求出，當(dāng)∠CVQ<90°時， d1 >0；反之小于0。在上式中只求出了d10 的大小，其方向須進(jìn)一步加以判斷；點(diǎn)C、Q、V 的坐標(biāo)與任一工況的各油缸的長度對應(yīng)，且法向力總是由V 指向Q 的，根據(jù)這些條件即可以確定d10 的正負(fù)。 如圖（3-3）所示， 和分別為不同工況下，工作裝置上鉸點(diǎn)，它們確定了兩條直線。當(dāng)點(diǎn)C 位于鏟斗與斗桿連接的鉸點(diǎn)Q 和斗齒尖V 連線的上方(如圖（3—4）中的直線f(x))，當(dāng)它們分別與圖中的Q、V 位置重合時，此時的法向挖掘力對C 點(diǎn)的力臂為負(fù)；反之當(dāng)它們分別與圖中的Q'、V'位置重合時，法向挖掘力對C 點(diǎn)的力臂為正。同理，若C 位于直線的下方，當(dāng)鉸點(diǎn)Q 和斗齒尖V 分別與圖中的 和 位置重合時，法向挖掘力 對C 點(diǎn)的力臂為正；然而當(dāng)它們分別與圖中的 和 位置重合時，法向挖掘力對C 點(diǎn)的力臂為負(fù)。 對于任一工況， 都是定值,從而可以得到它們所在直線的方程： 綜上所述，可以得到10 d 的大小及方向判斷方法： a、 當(dāng)時 b、當(dāng)時 2、和分別對斗桿與動臂連接鉸點(diǎn)F 的力臂 和 的計算； , , 如圖(3—2)所示,以三角形FQV為研究對象,同理取逆時針方向的力矩為正，假設(shè)切向和法向挖掘力的正向為圖示方向，這樣就很容易判斷 和的正負(fù)。 其表達(dá)式為： 從上式可以看出， 、僅為鏟斗油缸 的函數(shù)。 3、和分別對前傾點(diǎn)T 的力臂為的計算； 以三角形TQV 為研究對象，由于前傾點(diǎn)T 和動臂根部C 點(diǎn)均為固定點(diǎn)，因此的求解方式與 基本相同，只是假設(shè)條件不一樣，取順時針方向的力矩為正，來確 定 的方向。 同理，可以按以下a、b 兩種情況來確定40 d 的大小及方向： a、 當(dāng)時 b、 當(dāng)時 4、和分別對后傾點(diǎn)I 的力臂為 d5 、 d50 的計算； 以三角形△IQV為研究對象，由于后傾點(diǎn)I和動臂根部C 點(diǎn)以及前傾點(diǎn)T 均為固定點(diǎn)， 因此 d5 、d50 的求解方式與 d 1、 d 10基本相同，取順時針方向的力矩為正，同理可確定d5 、 d 50的方向。 d 的大小及方向判斷如下： a、當(dāng)時: c、 當(dāng) 時 當(dāng)液壓挖掘機(jī)工作裝置處于任一挖掘位置進(jìn)行挖掘時，各油缸的長度都確定了，其工 作裝置上任一點(diǎn)的位置也固定。以上各推導(dǎo)過程的表達(dá)式中的所有的長度和角度都可以通 過兩點(diǎn)間距離公式和反三角函數(shù)求出。這樣就能應(yīng)用計算機(jī)軟件編程求解工作裝置處于任 一工況下復(fù)合挖掘力對各鉸點(diǎn)的力臂和當(dāng)量作用力臂，為下一步計算打下了基礎(chǔ)。 3.2.2.2 計算切向挖掘力 及復(fù)合 對 1、動臂液壓缸閉鎖力所限制的切向挖掘分力 如圖(3—4)所示，取整個工作裝置為隔離體。工作裝置處于不同的挖掘位置時復(fù)合挖 掘力對C 點(diǎn)的當(dāng)量作用力臂 的大小和方向也隨之不斷變化。以下分別按 兩種情況來求。 a 、當(dāng) 時； 復(fù)合挖掘力產(chǎn)生力矩有使整個工作裝置繞動臂根部鉸點(diǎn)C 逆時針轉(zhuǎn)動的趨勢。動臂液壓缸在這種情況下處于受拉狀態(tài)，其抗拉能力取決于小腔閉鎖力 ，設(shè) 為動臂液壓缸過載閥調(diào)定壓力， 為動臂液壓缸小腔作用面積，則。動臂液壓缸不被拉長所限制的挖掘力的切向分力為 。 圖 3-4 力臂簡圖 由對C 點(diǎn)的力矩平衡方程得： 式中： ——動臂油缸閉鎖力； e1 ——F 對鉸點(diǎn)C 的力臂； ——動臂、斗桿、鏟斗、斗桿油缸、鏟斗油缸和連桿機(jī)構(gòu)的重量； —對C 點(diǎn)的作用力臂。 b、 時 在復(fù)合挖掘力所產(chǎn)生的力矩，有使整個工作裝置繞動臂鉸點(diǎn)C 順時針轉(zhuǎn)動的趨勢。此時動臂液壓缸處于受壓狀態(tài)，其抗壓能力取決于大腔閉鎖力 ，設(shè) 為動臂液壓缸大腔過載閥調(diào)定壓力， 為動臂液壓缸大腔作用面積，則=。 動臂液壓缸不被壓縮所限制的挖掘力的切向分力 ： 由對C 點(diǎn)的力矩平衡方程得： 2、斗桿液壓缸主動所能發(fā)揮的切向挖掘分力(2) 圖3-5 如圖(3—5)所示，取斗桿、鏟斗缸、鏟斗和連桿機(jī)構(gòu)為研究對象，由F 點(diǎn)的力矩平衡方程得： 式中： ——斗桿油缸的最大推力，F(xiàn)2 = p2 A2； A2 ——斗桿油缸大腔面積； p2 ——液壓系統(tǒng)調(diào)定壓力； e2 —— F2 對鉸點(diǎn)F 的力臂； 、、 —— 、 、 對F 點(diǎn)的作用力臂。 3、鏟斗液壓缸主動所能發(fā)揮的切向挖掘分力以鏟斗為研究對象，由Q 點(diǎn)的力矩平衡方程得： 式中： F3 ——鏟斗斗油缸主動推力， A3 ——鏟斗液壓缸的大腔面積； i——連桿機(jī)構(gòu)傳動比； R Q3 、R Q6 —— G3 、G3 對Q 點(diǎn)的作用力臂； L QV ——鏟斗QV 的距離。 4、整機(jī)附著條件所限制的切向挖掘分力 = 式中： G——整機(jī)重量； μ ——行走裝置與地面的附著系數(shù)； α ——復(fù)合挖掘力與水平方向的夾角； 圖3-6 前傾穩(wěn)定性所限制的挖掘力計算簡圖 5、整機(jī)前傾穩(wěn)定性所限制的切向挖掘分力；以整機(jī)為研究對象，如圖(3—6)所示，如果要使整機(jī)向前傾覆，那么合力矩必須為順時針方向，由于前面求d4 、d40 時假設(shè)復(fù)合挖掘力延順時針方向為正，那么整機(jī)要產(chǎn)生前傾的必要條件就是D T >0。 本文也按以下a、b 兩種情況確定 的值。 a.、當(dāng)DT ≤0 時 此時無論 取多大的正值液壓挖掘機(jī)都不會出現(xiàn)整機(jī)前傾的情況，為了便于判斷，在這種情況下本文?。? (5) =∞ 圖3-7 后傾穩(wěn)定性所限制的挖掘力計算簡圖 b、.當(dāng)DT >0 時 由前傾支點(diǎn)T 的力矩平衡方程得： 式中 G ——機(jī)體重量； R TS —— G S 對T 點(diǎn)的作用力臂； G0 ——動臂油缸重量； ——的重心至T 點(diǎn)的水平距離，即作用力臂； 6、整機(jī)后前傾穩(wěn)定性所限制的切向挖掘分力； 的計算方法和基本相同，如圖(3—7)所示。 a．當(dāng)D I ≤0 時，此時挖掘機(jī)不會出現(xiàn)后傾現(xiàn)象，此時?。? =∞ b．當(dāng) D I >0 時： 由前傾支點(diǎn)I 的力矩平衡方程得： 式中： R IS —— G S 對I 點(diǎn)的作用力臂； ——的重心至I 點(diǎn)的水平距離，即作用力臂； 3.2.2.3 整機(jī)理論復(fù)合挖掘力的計算 整機(jī)所能實現(xiàn)的理論復(fù)合挖掘力的切向分力為： 復(fù)合挖掘力為： 2 這樣就求出了按照鏟斗主動挖掘，斗桿復(fù)合動作的挖掘方式下的整機(jī)理論復(fù)合挖掘力。 挖掘方式二復(fù)合挖掘力的計算方法與上相同，在此不作說明 4 鏟斗及單斗液壓挖掘機(jī)反鏟裝置各機(jī)構(gòu)尺寸的確定 圖4-1挖掘機(jī)反鏟工作裝置設(shè)計簡圖 圖4-2動臂機(jī)構(gòu)計算簡圖 4.1動臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇 圖4-3 最大挖掘半徑時動臂機(jī)構(gòu)計算簡圖 動臂參數(shù)的選擇： 初選, 初取 ,其中 , , 4.1.1 與的選擇 據(jù)統(tǒng)計，最大挖掘半徑值一般與的和值很接近，因此有要求的，已定的和可按下列近是經(jīng)驗公式初選和：, , , ,,, 4.1.2 與的計算 圖4-4最大挖掘半徑時動臂機(jī)構(gòu)計算簡圖 4.1.3 的計算 由經(jīng)驗和反鏟工作裝置對閉鎖力的要求初取=0.4 的取值對特性參數(shù)，最大挖掘深度和最大挖掘高度都有影響，增大會使減少或使增大，這符合反鏟作業(yè)的要求，初選=65. 斗桿油缸全縮時，最大，依經(jīng)驗統(tǒng)計和便于計算，初選。 由于采用雙臂油缸，的取值較小，初取 如圖所示，在三角形CFZ中： 由圖2-48最大卸載高度的表達(dá)式為： 由圖2-49最大挖掘深度絕對值的表達(dá)式為： 將這兩式相加，消去， 并令 ， 得 有特性參數(shù)