3560 挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)

3560 挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì),挖掘機(jī),工作,裝置,設(shè)計(jì) 挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)摘要本文設(shè)計(jì)的是一種挖掘機(jī)的挖掘裝置，在為工業(yè)、民用上有特殊用途的挖掘裝載機(jī)，它可以用于煤礦井下狹小空間清理、裝載、運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳎部梢杂糜谝苯?、礦山、隧道建設(shè)等場合的挖掘裝載工作。在本設(shè)計(jì)中，通過對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)的了解和分析，利用任務(wù)書上所給定的挖掘機(jī)鏟斗額定裝載載荷，先計(jì)算出鏟斗的斗容，而后選用標(biāo)準(zhǔn)容量鏟斗，根據(jù)所選出的標(biāo)準(zhǔn)鏟斗，計(jì)算出挖掘機(jī)的最大鏟取阻力、最大卸載高度、最小卸載距離等一些設(shè)計(jì)所必需用到的量。通過對(duì)工作機(jī)構(gòu)上九個(gè)鉸接點(diǎn)位置的確定來設(shè)計(jì)出動(dòng)臂的模型及動(dòng)臂上各點(diǎn)的受力，然后計(jì)算出舉臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的內(nèi)徑、活塞桿的桿徑，選出標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸。關(guān)鍵詞：鏟斗；液壓缸；動(dòng)臂；挖掘機(jī)AbstractIn this paper the design of an excavator mining equipment, industrial, civil and special-purpose backhoe loaders, it can be used in the narrow space of the coal mine cleanup, loading, transportation, etc., can also be used in metallurgy, mining, work load of the excavation of the tunnel construction and other occasions. In this design, the understanding and analysis of existing technology at home and abroad, the use of the excavator bucket given in the mission statement on the rated load load, first calculate the bucket capacity of the bucket, and then choose the standard-capacity bucket, according to the standard bucket, elected to calculate the excavator shovel to take resistance, maximum dump height, minimum uninstall distance some of the design necessary for the amount used. Through the hinge point location on the working bodies of nine model dispatched arm and boom point force, and then calculated the lifter arm cylinder and turn fighting the inner diameter of the fuel tank, rod diameter of the piston rod, the election the standard hydraulic cylinders.Keywords: bucket; hydraulic cylinder; boom; excavator目 錄前 言 ..........................................................11 緒論..........................................................31.1 課題背景及目的.............................................31.2 挖掘機(jī)發(fā)展簡史 ............................................31.4 國內(nèi)外研究狀況.............................................51.5 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 ........................................62 總體方案設(shè)計(jì) .................................................72.1 工作裝置構(gòu)成 ..............................................72.2 動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式 ......................................92.3 鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇 ............................................92.4 液壓挖掘機(jī)工礦分析 .......................................102.5 液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求 ...............................162.6 液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)原則 .............................203 工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析...........................................213.1 動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析 .............................................213.2 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析 ...........................................223.3 鏟斗的運(yùn)動(dòng)分析 ...........................................233.4 特殊工作位置計(jì)算： .......................................284 反鏟裝置的設(shè)計(jì) ..............................................314.1 挖掘裝載機(jī)工作裝置典型工況分析確定 .......................314.2、挖掘裝載機(jī)工作裝置的基本參數(shù)的選擇 ......................334.3、油缸基本參數(shù)的選擇和計(jì)算 ................................405 挖掘裝置受力計(jì)算 ............................................455.1、挖掘阻力的計(jì)算 ..........................................455.1.1 鏟斗挖掘阻力的計(jì)算 ...................................455.1.2 斗桿挖掘阻力計(jì)算 .....................................465.2、 工作液壓缸的理論挖掘力 .................................475.2.1 鏟斗挖掘時(shí)，鏟斗缸的理論挖掘力 .......................475.2.2 斗桿挖掘時(shí)，斗桿油缸的理論挖掘力 .....................475.3、 整機(jī)理論挖掘力 .........................................475.3.2 鏟斗挖掘 .............................................526 總結(jié) ........................................................56致謝 ..........................................................57參考文獻(xiàn) ......................................................58前 言 挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一個(gè)主要機(jī)種，它廣泛應(yīng)用于礦山開采、道路工程、國防施工、農(nóng)田水利等基本建設(shè)之中。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。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(shí)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(jiān)實(shí)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(huì)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(bào)報(bào)道， “九五” 期間國家計(jì)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。 “九五” 期間還將投資 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(gè)，新增吞吐能力 2 百多萬噸；同時(shí)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(duì)堤壩、圍堰的整修、加固、和綜合治理工作將會(huì)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(jì)近幾年國內(nèi)市場每年需求挖掘機(jī) 12000-15000 臺(tái)。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(shí)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 緒論 1.1 課題背景及目的挖掘機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的許多行業(yè)被廣泛地應(yīng)用，如工業(yè)與民用建筑、水利電氣工程、交通運(yùn)輸、礦山采掘、農(nóng)田改造以及現(xiàn)代化軍事工程等等行業(yè)的機(jī)械化施工中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般工程施工中約有 59%的土方量、露天礦山中 79%的剝離量和采掘量是用挖掘機(jī)完成的。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入和在建設(shè)中挖掘機(jī)的廣泛應(yīng)用，挖掘機(jī)市場有著廣闊的發(fā)展空間，因此發(fā)展?jié)M足我國國情所需要的挖掘機(jī)是十分必要的。而工作裝置作為挖掘機(jī)的重要組成部分，對(duì)其研究和控制是對(duì)整機(jī)開發(fā)的基礎(chǔ)。反鏟式單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置是一個(gè)較復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，國內(nèi)外對(duì)其運(yùn)動(dòng)分析、機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面都作了較深入的研究，具體的設(shè)計(jì)特別是中型挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟。而關(guān)于反鏟式單斗液壓挖掘機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)也很多，這些文獻(xiàn)從不同側(cè)面對(duì)工作裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述。而筆者的設(shè)計(jì)知識(shí)和水平還只是一個(gè)學(xué)步的孩子，進(jìn)行本課題的設(shè)計(jì)是為對(duì)挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)有一些大體的認(rèn)識(shí)，鞏固所學(xué)的知識(shí)和提高設(shè)計(jì)能力。1.2 挖掘機(jī)發(fā)展簡史第一臺(tái)手動(dòng)挖掘機(jī)問世至今已有 130 多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動(dòng)半回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)到電力驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)、應(yīng)用機(jī)電液一體化技術(shù)的全自動(dòng)液壓挖掘機(jī)的逐步發(fā)展過程。由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，20 世紀(jì) 40 年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)，20 世紀(jì) 50 年代初期和中期相繼研制出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機(jī)和腰帶式全液壓挖掘機(jī)。初期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機(jī)各種工況的液壓元件，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定，配套件也不齊全 [8][9]。從 20 世紀(jì) 60 年代起，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入推廣和蓬勃發(fā)展階段、各國挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快，產(chǎn)旦猛增。1968—1970 年間，液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量已占挖掘機(jī)總產(chǎn)量的 83％，目前已接近 100％。1.3. 挖掘機(jī)的基本類型液壓挖掘機(jī)也和機(jī)械式挖掘機(jī)一樣，由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置等三大部分組成。所以，我們可以從這三大部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能和通用范圍等方面來區(qū)分它的類型。就液壓挖掘機(jī)構(gòu)整機(jī)結(jié)構(gòu)而言，全部采用液壓傳動(dòng)者稱為全液壓挖掘機(jī)；部分采用液壓傳動(dòng)者則稱為半液壓挖掘機(jī)(多數(shù)情況下是行走裝置用機(jī)械傳功，其余均為液壓傳動(dòng)。也有機(jī)體為機(jī)械傳動(dòng)，而僅工作裝置采用液壓傳動(dòng)的) ；能在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn) 360o 的稱為全回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)，否則就是非全回轉(zhuǎn)式挖掘機(jī)。就工作裝置來說，根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)型式可以區(qū)分為“通用”與“專用” ?！阒行⌒鸵簤和诰驒C(jī)都是通用的，多帶有正鏟、反鏟、裝載、抓斗、起重等五種工作裝置。大型液壓挖掘機(jī)往往專門用于建筑材料露天礦或其它金屬與非金屬露天礦作裝載和挖掘工作，故只裝正鏟，成為專用；根據(jù)工作裝置的結(jié)構(gòu)特征，可以區(qū)分為鉸接式和伸縮臂式。普通的液壓挖掘機(jī)均為鉸接式(動(dòng)臂、斗桿和鏟斗均可繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成各種作業(yè)動(dòng)作)，而伸縮臂式挖掘機(jī)的動(dòng)臂由主臂和伸縮臂兩部分組成，伸縮臂可在主臂內(nèi)伸縮也可以變幅，臂端裝有鏟斗，適于作平整和清理工作，特別是修理溝坡。就行走裝置的型式而言，液壓挖掘機(jī)可以制成履帶式、輪胎式、輪胎—履帶式、汽車式和懸掛式。懸掛式挖掘機(jī)用拖拉機(jī)作底盤，配裝若干個(gè)工作裝置(通常是一端裝反鏟、另一端為裝載鏟或推土板)。除上述基本類型外，還有一些結(jié)構(gòu)比較特殊的液壓挖掘機(jī)。無行走驅(qū)動(dòng)裝置的雙輪拖式挖掘機(jī)(亦稱步履式挖掘機(jī))制造簡單、價(jià)格低廉，特別適用于狹窄地帶和小型土方施工工地；輪胎可以收放的無支腿式挖掘機(jī)工作時(shí)不用支腿支撐，而將支承轉(zhuǎn)臺(tái)的底架全部落地，在 360o 的范圍內(nèi)自由回轉(zhuǎn)進(jìn)行作業(yè)。仲縮臂式挖掘機(jī)也可裝上鉸接式斗桿，滿足作業(yè)過程中某些腕動(dòng)式作業(yè)的要求。1.4 國內(nèi)外研究狀況當(dāng)前，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化和專用化的方向發(fā)展。國外挖掘機(jī)行業(yè)重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料，加快了向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展的步伐。我國己經(jīng)形成了挖掘機(jī)的系列化生產(chǎn)，近年來還開發(fā)了許多新產(chǎn)品，引進(jìn)了國外的一些先進(jìn)的生產(chǎn)率較高的挖掘機(jī)型號(hào)。由于使用性能、技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上的優(yōu)越，世界上許多國家，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國家，都在大力發(fā)展單斗液壓挖掘機(jī)。目前，單斗液壓挖掘機(jī)的發(fā)展著眼于動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)以達(dá)到高效節(jié)能;應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，成本不斷降低，向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，以提高零部件、配件的可靠性，從而保證整機(jī)的可靠性;電子計(jì)算機(jī)監(jiān)測與控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化;提高機(jī)械作業(yè)性能，降低噪音，減少停機(jī)維修時(shí)間，提高適應(yīng)能力，消除公害，縱觀未來，單斗液壓挖掘機(jī)有以下的趨勢:（1）向大型化發(fā)展的同時(shí)向微型化發(fā)展。（2）更為普遍地采用節(jié)能技術(shù)。（3）不斷提高可靠性和使用壽命。（4）工作裝置結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，工作范圍不斷擴(kuò)大。（5）由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)向電力驅(qū)動(dòng)發(fā)展。（6）液壓系統(tǒng)不斷改進(jìn)，液壓元件不斷更新。（7）應(yīng)用微電子、氣、液等機(jī)電一體化綜合技術(shù)。（8）增大鏟斗容量，加大功率，提高生產(chǎn)效率。（9）人機(jī)工程學(xué)在設(shè)計(jì)中的充分利用。1.5 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本論文主要對(duì)由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括以下四部分:(1) 挖機(jī)工作裝置的總體設(shè)計(jì)。(2) 挖掘機(jī)的工作裝置詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。(3) 工作裝置各部分的基本尺寸的計(jì)算和驗(yàn)證。(4) 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 工作裝置構(gòu)成1-斗桿油缸；2- 動(dòng)臂； 3-油管； 4-動(dòng)臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒； 7-側(cè)板；8-連桿； 9-曲柄： 10-鏟斗油缸； 11-斗桿.圖 2-1 工作裝置組成圖 圖 2-1 為液壓挖掘機(jī)工作裝置基本組成及傳動(dòng)示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗 5、連桿 9、斗桿 11、動(dòng)臂 2、相應(yīng)的三組液壓缸 1, 4,10 等組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過動(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，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。上述過程僅為一般的理想過程。挖掘機(jī)工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，可以對(duì)工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡化處理。則可知單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看成是由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)，處理的具體簡圖如 2-2所示。進(jìn)一步簡化得圖如 2-3 所示。圖 2-2 工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖1-鏟斗；2-連桿；3-斗桿；4- 動(dòng)臂；5-鏟斗油缸； 6-斗桿油缸圖 2-3 工作裝置結(jié)構(gòu)簡化圖挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是 3，即工作裝置的幾何位置由動(dòng)臂油缸長度 L1、斗桿油缸長度 L2、鏟斗油缸長度 L3 決定，當(dāng) L1、L 2、L 3 為某一確定的值時(shí)，工作裝置的位置也就能夠確定。2.2 動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式動(dòng)臂采用整體式彎動(dòng)臂，這種結(jié)構(gòu)形式在中型挖掘機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕，且有利于得到較大的挖掘深度。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體式斗桿。在本設(shè)計(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長度，故也采用整體式斗桿。2.3 鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇鏟斗結(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，其應(yīng)滿足以下的要求：A 有利于物料的自由流動(dòng)。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合于各種物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。B 要使物料易于卸盡。C 為使裝進(jìn)鏟斗的物料不易于卸出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應(yīng)大于 4，大于 50 時(shí)，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質(zhì)。綜上考慮，選用中型挖掘機(jī)常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示。圖 2-4 鏟斗2.4 液壓挖掘機(jī)工礦分析液壓挖掘機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)功能包括以下幾個(gè)動(dòng)作：動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動(dòng)作，如圖 2-5 所示。除了輔助動(dòng)作( 例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼?，一般要進(jìn)行全功率驅(qū)動(dòng)研究。挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程：(1)整機(jī)移動(dòng)至合適工作位置；(2) 平臺(tái)回轉(zhuǎn)，使工作裝置處于挖掘位置；(3) 動(dòng)臂下降，并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置；(4)斗桿、鏟斗挖掘作業(yè)；(5) 動(dòng)臂升起； (6)回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置； (7)操縱斗桿、鏟斗卸載。圖 2-5 液壓挖掘機(jī)的工作運(yùn)動(dòng)1-動(dòng)臂升降；2-斗桿收放；3-鏟斗裝卸；4- 轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)； 5-整機(jī)行走由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大，對(duì)主機(jī)的工作有兩項(xiàng)要求：①實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，隨著阻力與作業(yè)速度的變化，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化；②為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼?例如挖掘與動(dòng)臂下降、提升與回轉(zhuǎn))同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。液壓挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合主要包括：（1）挖掘：通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或兩者配合進(jìn)行挖掘。因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)，配以動(dòng)臂動(dòng)作。（2）滿斗舉升回轉(zhuǎn)：挖掘結(jié)束，動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起，滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載位置，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。（3）卸載：轉(zhuǎn)到卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動(dòng)臂液壓缸的配合，此時(shí)是斗桿和鏟斗的復(fù)合動(dòng)作，兼以動(dòng)臂動(dòng)作。（4）空斗返回：卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。（5）整機(jī)移動(dòng)工況：將整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置。（6）姿態(tài)調(diào)整與保持工況：滿足停放、運(yùn)輸、檢修等需要。（7）其他輔助作業(yè)工況：輔助工作裝置作業(yè)工況。2.4.1 典型挖掘工況液壓挖掘機(jī)典型的挖掘工況包括如下 3 種。(1)鏟斗挖掘工況：由鏟斗液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，采用鏟斗液壓缸進(jìn)行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(III 級(jí)土以下土壤的挖掘)鏟斗挖掘最常用。(2)斗桿挖掘工況：由斗桿液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，為了能夠裝滿鏟斗，中小型液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘。(3)聯(lián)合挖掘工況：由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，必要時(shí)還需配以動(dòng)臂液壓缸的動(dòng)作。主要用于需要軌跡控制的情況。當(dāng)單獨(dú)采用鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定鏟斗液壓缸的行程。以鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)的挖掘行程較短，為了能夠裝滿鏟斗，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)的斗尖最大挖掘力都在采用鏟斗液壓缸挖掘時(shí)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于斗桿液壓缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。 a-水平地面的挖削；b-斜坡地面的挖削 a-水平地面的切削 b-斜坡地面的切削圖 2-6 斗尖直線挖削 圖 2-7 地面的切削和壓整一般認(rèn)為斗容量小于 0.5m3 在土質(zhì)松軟時(shí)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鳎駝t以斗桿挖掘?yàn)橹?。這兩種情況的挖掘阻力不同。在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)合工作。如在平整土地或切削斜坡時(shí)，需要同時(shí)操縱動(dòng)臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運(yùn)動(dòng)，見圖 2-6 所示。此時(shí)斗桿收回，動(dòng)臂抬起，需要保證彼此動(dòng)作獨(dú)立，相互之間無干擾。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進(jìn)行切削時(shí)，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時(shí)，就需要鏟斗、斗桿、動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)作，這些動(dòng)作決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，見圖 2-7所示。當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時(shí)，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗桿機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作。單獨(dú)采用斗桿挖掘時(shí)，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個(gè)別也有采用三泵合流。單獨(dú)采用鏟斗挖掘時(shí)，也有采用雙泵合流的情況。當(dāng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止同一油泵向多個(gè)液壓作用元件供油時(shí)動(dòng)作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個(gè)油泵單獨(dú)對(duì)一個(gè)液壓作用元件供油較好。對(duì)于雙泵系統(tǒng)，復(fù)合動(dòng)作時(shí)各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進(jìn)行流量分配，流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅(jiān)硬障礙物，往往由于挖不動(dòng)而需要短時(shí)間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時(shí)增壓，能提高主壓力閥的壓力。2.4.2 滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況滿斗舉升回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)約占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)間的 50%～70%，能量消耗占 25%～50%，回轉(zhuǎn)液壓回路的發(fā)熱量占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%～ 50%，因此要求盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)時(shí)間。挖掘結(jié)束后，動(dòng)臂油缸將動(dòng)臂頂起，滿斗舉升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作。動(dòng)臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，動(dòng)臂和鏟斗自動(dòng)提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機(jī)相對(duì)卸載的位置而變，因此動(dòng)臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度的相對(duì)關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動(dòng)臂的提升速度慢些?；剞D(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，由于慣性較大，油壓會(huì)升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時(shí)應(yīng)該將溢流的油供給動(dòng)臂。在回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂提升的同時(shí)，斗桿要外放，有時(shí)還需要對(duì)鏟斗進(jìn)行調(diào)整。這時(shí)是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。2.4.3 卸載工況回轉(zhuǎn)至卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要?jiǎng)颖叟浜蟿?dòng)作。卸載時(shí)，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作，兼有動(dòng)臂動(dòng)作。2.4.4 空斗返回工況當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)臂油缸和斗桿油缸相互配合動(dòng)作，把空斗放在新的挖掘點(diǎn)。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作。由于動(dòng)臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況為一個(gè)油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一油泵的大部分油供給動(dòng)臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿。發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)油泵供油量小，為防止動(dòng)臂因重力作用迅速下降和動(dòng)臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動(dòng)臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動(dòng)臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。特點(diǎn)與滿載回轉(zhuǎn)類似，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比滿足時(shí)減小。2.4.5 整機(jī)移動(dòng)工況挖掘機(jī)一般不作長距離行走，只在工地范圍行走，作業(yè)時(shí)用來調(diào)整整機(jī)位置。基本要求：左右履帶可獨(dú)立操縱，可調(diào)速，具有直線行走功能，具有一定的行走速度(2～5km/h)和爬坡能力(坡度大約在 35o 左右)，具有制動(dòng)能力。在行走的過程有可能要求對(duì)作業(yè)裝置液壓元件(如回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗)進(jìn)行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個(gè)油泵為左行走馬達(dá)供油、另一個(gè)油泵為右行走馬達(dá)供油，此時(shí)如果某一液壓元件動(dòng)作，使某一油泵分流供油，就會(huì)造成一側(cè)行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行裝車運(yùn)輸或上下卡車行走時(shí)，行駛偏斜會(huì)造成事故。為了保證挖掘機(jī)的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達(dá)分別由一個(gè)油泵單獨(dú)供油，另一個(gè)油泵向其它液壓作用元件(如動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)) 供油。對(duì)于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式：①一個(gè)油泵并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)供油，另一個(gè)油泵向其他液壓作用元件供油，其多余的油液通過單向閥向行走馬達(dá)供油；②雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件同時(shí)供油。2.4.6 姿態(tài)調(diào)整與保持工況液壓挖掘機(jī)工作裝置及其他功能運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)與鎖定，要滿足接地比壓要求，并保證合適的停放、運(yùn)輸尺寸、姿態(tài)及其特殊的檢查姿態(tài)，圖 2-8 挖掘機(jī)姿態(tài)調(diào)整保持工況圖2.5 液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求液壓挖掘機(jī)工作裝置由動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)、鏟斗機(jī)構(gòu)三部分組成，是一種具有多自由度的工程機(jī)械。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、換向，外負(fù)載變化很大，工作條件惡劣，沖擊和振動(dòng)多，因此對(duì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置提出了較高的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，其工作裝置的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求。2.5.1 幾何尺寸要求液壓挖掘機(jī)工作裝置的幾何尺寸要求滿足一定的作業(yè)范圍和合適的運(yùn)輸尺寸，挖掘機(jī)作業(yè)范圍圖如圖 2-9，幾何尺寸之間要求不要干擾。 圖 2-9 挖掘機(jī)作業(yè)范圍主要挖掘區(qū)域Rmax-最大挖掘半徑；Hmax-最大挖掘深度工作裝置的幾何尺寸要求滿足合理的挖掘力分布特性，在整個(gè)作業(yè)范圍內(nèi)的任何位置都要求實(shí)現(xiàn)最大挖掘力并不經(jīng)濟(jì)，而要求挖掘機(jī)在主要挖掘區(qū)內(nèi)能實(shí)現(xiàn)最大挖掘力。主要挖掘區(qū)是指用最合理最經(jīng)常的挖掘方式，最經(jīng)常進(jìn)行挖掘的區(qū)域。對(duì)液壓挖掘機(jī)來說最合理最經(jīng)常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向機(jī)身運(yùn)動(dòng)的挖掘方式，用這種方式挖掘充斗效率高，循環(huán)時(shí)間短，也便于卸土，裝車，司機(jī)視野無阻，因此生產(chǎn)率高而又安全。最經(jīng)常的挖掘區(qū)域大致為圖 2-5 的灰色部分。作業(yè)范圍圖(如圖 2-5 所示 )有部分區(qū)間深入到挖掘機(jī)停機(jī)點(diǎn)地下，這一范圍的土壤雖能挖掘，但可能引起土壤的崩塌而影響挖掘機(jī)的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)以外一般不使用。此外，工作裝置的幾何尺寸還必須滿足停放和行走時(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性要求。2.5.2 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性要求液壓挖掘機(jī)各功能運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性要求和常見復(fù)合運(yùn)動(dòng)要求，如表2-1 和 2-2 所示。表 2-1 各功能運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性要求一覽表表 2-2 常見復(fù)合運(yùn)動(dòng)要求一覽表復(fù)合運(yùn)動(dòng) 應(yīng)用工況 特點(diǎn)與要求說明鏟斗正轉(zhuǎn)+斗桿正轉(zhuǎn)復(fù)合挖掘 功率需求大、變速要求高鏟斗反轉(zhuǎn)+斗桿反轉(zhuǎn)卸載 功率需求較小斗桿正轉(zhuǎn)+動(dòng)臂舉升平整土地 要求操縱興性能好動(dòng)臂舉升+回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)挖掘與卸載轉(zhuǎn)位功率需求大，變速要求高，動(dòng)力分配可調(diào)整動(dòng)臂下降+回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)返回向挖掘處兩者載荷差別大、速度要求高功能運(yùn)動(dòng)名稱應(yīng)用工況功率需求變速要求制動(dòng)及鎖定要求鏟斗正轉(zhuǎn) 挖掘、姿勢調(diào)整 大 不大鏟斗反轉(zhuǎn) 卸載、姿勢調(diào)整 不大 不大 最好有鎖定斗桿正轉(zhuǎn) 挖掘、姿勢調(diào)整 大 高 最好有鎖定斗桿反轉(zhuǎn) 姿勢調(diào)整 不大 較高 最好有鎖定動(dòng)臂舉升 舉升、姿態(tài)調(diào)整 較大 高動(dòng)臂下降 姿態(tài)調(diào)整、輔助作業(yè)一般 較高回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 挖掘與卸載轉(zhuǎn)位 高 高行走運(yùn)動(dòng) 場內(nèi)轉(zhuǎn)位調(diào)整作業(yè)位置高 高2.5.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是工作裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，工作裝置的結(jié)構(gòu)和所承受的載荷是十分復(fù)雜的。要求滿足工作裝置各部分的受力的情況下，保證工作裝置的強(qiáng)度和剛度特性。在設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置時(shí)，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增加了構(gòu)件強(qiáng)度，而且縮短制造周期，降低了成本。要求動(dòng)臂下支點(diǎn)及動(dòng)臂油缸支承在平臺(tái)主梁的整塊鋼板上，這不僅增加構(gòu)件強(qiáng)度而且減少焊接，而且防止焊接變形。斗桿要求采取整塊鋼板下料。為了減少焊接變形及焊接應(yīng)力，要求采用型鋼及壓型等結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中為求等強(qiáng)度，要求采取局部加強(qiáng)的措施。動(dòng)臂、斗桿要求改為焊鑄結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力較高的部位以鑄代焊，這樣大大提高了結(jié)構(gòu)件的沖擊和疲勞強(qiáng)度。為確保焊接強(qiáng)度，要求所有鉸接部均采用鑄鋼件。結(jié)構(gòu)件的破壞主要是由于沖擊疲勞，因此實(shí)際破壞時(shí)常不在負(fù)荷最大部位，而是應(yīng)力集中部位。為減少應(yīng)力集中，應(yīng)使焊縫與應(yīng)力集中部位錯(cuò)開，在主要受力鉸接支承處采用鑄鋼件。2.5.4 經(jīng)濟(jì)性要求液壓挖掘機(jī)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)有能量指標(biāo)、作業(yè)循環(huán)時(shí)間減小、機(jī)重輕、延長維修周期和挖掘機(jī)壽命周期、加快維修進(jìn)度和降低維修費(fèi)用、司機(jī)操作的舒適性等。能量指標(biāo)(即消耗于單位土方的能量)雖不宜作為評(píng)價(jià)土方機(jī)械技術(shù)經(jīng)濟(jì)效率的通用準(zhǔn)則，但由于工作裝置單位重量和價(jià)格相對(duì)整機(jī)而言都較小，常用能量指標(biāo)來表征工作裝置結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化的程度，這種符合能量指標(biāo)的工作裝置應(yīng)能完全滿足技術(shù)與使用要求，且足夠可靠。從能量指標(biāo)角度來看，要求液壓挖掘機(jī)的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度高。決定挖掘機(jī)生產(chǎn)率的基本因素是工作循環(huán)時(shí)間包括挖掘時(shí)間、向卸載點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間、卸載時(shí)間、向工作面返回時(shí)間。挖掘時(shí)間取決于挖掘速度的高低(合理值約為 0.75m/s)，過高的挖掘速度將增加操作人員的緊張和疲勞程度。為減少運(yùn)行時(shí)間和返回時(shí)間應(yīng)在允許的情況下盡量減小回轉(zhuǎn)角?；剞D(zhuǎn)角的合理范圍一般為 70o~180o，最佳角度為 90o?；剞D(zhuǎn)角度過小時(shí)，由于達(dá)不到最大回轉(zhuǎn)速度，不能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，從而增加運(yùn)行和返回時(shí)間。卸載時(shí)間主要取決于鏟斗的結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)。2.5.5 其它性能要求液壓挖掘機(jī)的工作裝置除了滿足上述基本設(shè)計(jì)要求之外，還需要滿足其它的一般性能要求。例如，通過實(shí)現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化和通用化，降低挖掘機(jī)的制造成本；提高液壓挖掘機(jī)各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足液壓挖掘機(jī)作業(yè)條件惡劣的要求；降低振動(dòng)和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性等。2.6 液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)原則對(duì)于液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)原則：（1）位置特性：滿足主要工作尺寸及作業(yè)范圍的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮與同類機(jī)型相比時(shí)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。運(yùn)輸或停放時(shí)應(yīng)有合理的姿態(tài)。（2）運(yùn)動(dòng)特性：功率利用情況好，理論工作循環(huán)時(shí)間短。（3）動(dòng)力特性：滿足整機(jī)挖掘力大小及分布情況的要求；應(yīng)考慮到整機(jī)穩(wěn)定性。（4）結(jié)構(gòu)特性：確定各鉸點(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；工作裝置應(yīng)安全可靠，拆裝維修方便；液壓缸設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用系列參數(shù)。（5）特殊使用要求：附屬裝置如破碎捶等。3 工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1 動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析動(dòng)臂油缸的最短長度； 動(dòng)臂油缸的伸出的最大長度；:min1L:max1LA：動(dòng)臂油缸的下鉸點(diǎn)；B：動(dòng)臂油缸的上鉸點(diǎn)；C：動(dòng)臂的下鉸點(diǎn).圖 3-1 動(dòng)臂擺角范圍計(jì)算簡圖φ 1 是 L1 的函數(shù)。動(dòng)臂上任意一點(diǎn)在任一時(shí)刻也都是 L1 的函數(shù)。如圖 3-1 所示，圖中 動(dòng)臂油缸的最短長度； 動(dòng)臂油缸的伸出:min1L:max1的最大長度； 動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最小i?值； 動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最大值；A：動(dòng):max1臂油缸的下鉸點(diǎn)；B：動(dòng)臂油缸的上鉸點(diǎn)；C：動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)。則有：在三角形 ABC 中：L12 = l72+l52-2×COSθ1×l7×l5θ1=COS-1[（ l72+l52-L12） /2×l7×l5] 式(3-1)在三角形 BCF 中：L222 = l72+l12-2×COSα20×l7×l1α20 = COS-1[（ l72+ l12- L222） /2×l7×l1] 式(3-2)由圖 3-3 所示的幾何關(guān)系，可得到 α 21 的表達(dá)式： α21 =α20+α11-θ1 式(3-3)當(dāng) F 點(diǎn)在水平線 CU 之下時(shí) α 21 為負(fù)，否則為正。F 點(diǎn)的坐標(biāo)為XF = l30+l1×cosα21YF = l30+l1×Sinα21 式(3-4)C 點(diǎn)的坐標(biāo)為 XC = XA+l5×COSα11 = l30YC = YA+l5×Sinα11 式(3-5)動(dòng)臂油缸的力臂 e1e1 = l5×Sin∠ CAB 式(3-6)顯然動(dòng)臂油缸的最大作用力臂 e1max= l5，又令 ρ = l1min/ l5,δ = l7/ l5。這時(shí)L1 = Sqr（ l72-l52） = l5 × Sqr（ δ2-1）θ1 = cos-11/δ 式(3-7)3.2 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析如下圖 3-2 所示，D 點(diǎn)為斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)， F 點(diǎn)為動(dòng)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 l2，這里只討論斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)，即只考慮 L2 的影響。D-斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)； F-動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)；E-斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)； θ 斗桿擺角.圖 3-2 斗桿機(jī)構(gòu)擺角計(jì)算簡圖在三角形 DEF 中L22 = l82+ l92-2×COSθ2×l8×l9θ2 = COS-1[（ L22- l82-l92） /2×l8×l9] 式(3-8)由上圖的幾何關(guān)系知φ2max =θ2 max-θ2min 式(3-9)則斗桿的作用力臂e2 =l9Sin∠DEF 式(3-10)顯然斗桿的最大作用力臂 e2max = l9，此時(shí) θ2 = COS-1（l 9/l8） ，L 2 = sqr（l 82-l92）3.3 鏟斗的運(yùn)動(dòng)分析鏟斗相對(duì)于 XOY 坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)是 L1、 L2、 L3 的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對(duì)于斗桿的運(yùn)動(dòng)，如圖 3-5 所示，G 點(diǎn)為鏟斗油缸與斗桿的鉸點(diǎn)， F點(diǎn)為斗桿與動(dòng)臂的鉸點(diǎn) Q 點(diǎn)為鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)， v 點(diǎn)為鏟斗的斗齒尖點(diǎn) ， K 點(diǎn)為連桿與鏟斗的餃點(diǎn)，N 點(diǎn)為曲柄與斗桿的鉸點(diǎn)，M 點(diǎn)為鏟斗油缸與曲柄的鉸點(diǎn)，H 點(diǎn)為曲柄與連桿的鉸點(diǎn)。（1） 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比 i利用圖 3-3，可以知道求得以下的參數(shù)：在三角形 HGN 中α22 = ∠ HNG = COS-1[（ l152+l142-L32） /2×l15×l14]α30 = ∠ HGN = COS-1[（ L32+ l152- l142） /2×L3×l14]α32 = ∠ HNG = π - ∠ MNG - ∠ MGN =π -α22-α30 式(3-11)在三角形 HNQ 中L272 = l132 + l212 + 2×COSα23×l13×l21∠ NHQ = COS-1[（ l212+l142- L272） /2×l21×l14] 式(3-12)在三角形 QHK 中α27 = ∠ QHK= COS-1[（ l292+l272-L242） /2×l29×l27] 式(3-13)在四邊形 KHQN 中∠ NHK=∠ NHQ+∠ QHK 式(3-14)鏟斗油缸對(duì) N 點(diǎn)的作用力臂 r1r1 = l13×Sinα32 式(3-15)連桿 HK 對(duì) N 點(diǎn)的作用力臂 r2r2 = l13×Sin ∠ NHK 式(3-16)而由 r3 = l24， r4 = l3 有 [3]連桿機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比i = （ r1×r3） /（ r2×r4） 式(3-17)顯然 3-17 式中可知，i 是鏟斗油缸長度 L2 的函數(shù)，用 L2min 代入可得初傳動(dòng)比 i0，L 2max 代入可得終傳動(dòng)比 iz。（2） 鏟斗相對(duì)于斗桿的擺角 φ3鏟斗的瞬時(shí)位置轉(zhuǎn)角為 φ3 =α7+α24+α26+α10 式(3-18)其中，在三角形 NFQ 中α7 = ∠ NQF= COS-1[（ l212+l22- l162） /2×l21×l2] 式(3-19)α10 暫時(shí)未定，其在后面的設(shè)計(jì)中可以得到。當(dāng)鏟斗油缸長度 L3 分別取 L3max 和 L3min 時(shí)，可分別求得鏟斗的最大和最小轉(zhuǎn)角 θ3max 和 θ3min，于是得鏟斗的瞬間轉(zhuǎn)角 :φ3 = θ3-θ3min 式(3-20)鏟斗的擺角范圍: φ 3 = θ3max-θ3min 式(3-21)圖 3-3 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比計(jì)算簡圖（3） 斗齒尖運(yùn)動(dòng)分析見圖 3-4 所示，斗齒尖 V 點(diǎn)的坐標(biāo)值 XV 和 YV，是 L1 、L 2、L 3 的函數(shù)只要推導(dǎo)出 XV 和 YV 的函數(shù)表達(dá)式，那么整機(jī)作業(yè)范圍就可以確定，現(xiàn)推導(dǎo)如下:由 F 點(diǎn)知：α32= ∠ CFQ= π –α3-α4-α6-θ2 式(3-22)在三角形 CDF 中：∠DCF 由后面的設(shè)計(jì)確定，在∠DCF 確定后則有：l82 = l62 + l12 - 2×COS∠ DCF×l1×l6 式(3-23)l62 = l82 + l12 - 2×COSα3×l1×l8 α3 = COS-1（ l82+l12–l62） /2×l1×l8 式(3-24)在三角形 DEF 中L22 = l82 + l92 - 2×COSθ2×l8×l9 圖 3-4 齒尖坐標(biāo)方程推導(dǎo)簡圖則可以得斗桿瞬間轉(zhuǎn)角 θ2 θ2 = COS-1[（ l82+l92- L22） /2×l8×l9] 式(3-25)α 4、α 6 在設(shè)計(jì)中確定。由三角形 CFN 知：l28 = Sqr（ l162 + l12 - 2×COSα32×l16×l1） 式(3-26)由三角形 CFQ 知：l23 = Sqr（ l22 + l12 - 2×COSα32×l2×l1） 式(3-27)由 Q 點(diǎn)知：α35= ∠ CQV= 2π–α33-α24-α10 式(3-28)在三角形 CFQ 中：l12 = l232 + l32 - 2×COSα33×l23×l3 α33 = COS-1[（ l232+l32- l12） /2×l23×l3] 式(3-29)在三角形 NHQ 中：l132 = l272 + l212 - 2×COSα24×l27×l21 α24 =∠ NQH=COS-1[l272+l212 -l132） /2×l27×l21] 式(3-30)在三角形 HKQ 中：l292 = l272 + l242 - 2×COSα26×l27×l24 α26 =∠ HQK=COS-1[l272+l242–l292） /2×l27×l24] 式(3-31)在四邊形 HNQK：∠NQH =α 24 +α26 式(3-32)α20 = ∠ KQV，其在后面的設(shè)計(jì)中確定。在列出以上的各線段的長度和角度之間的關(guān)系后，利用矢量坐標(biāo)我們就可以得到各坐標(biāo)點(diǎn)的值。3.4 特殊工作位置計(jì)算：A 最大挖掘深度 H1maxNH-搖臂；HK -連桿；C-動(dòng)臂下鉸點(diǎn)；A -動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)；F-動(dòng)臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-鏟斗下鉸點(diǎn)；K-鏟斗上鉸點(diǎn)；V-鏟斗斗齒尖.圖 3-5 最大挖掘深度計(jì)算簡圖如圖 3-5 示，當(dāng)動(dòng)臂全縮時(shí)，F(xiàn), Q, U 三點(diǎn)共線且處于垂直位置時(shí)，得最大挖掘深度為: H1max = YV = YFmin–l2–l3 = YC+L1Sinα21min–l2–l3= YC+l1Sin（ θ1-α20-α11） –l2–l3 式(3-33)B 最大卸載高度 H3maxNH-搖臂；HK -連桿；C-動(dòng)臂下鉸點(diǎn)；A -動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)；F-動(dòng)臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-鏟斗下鉸點(diǎn)；K-鏟斗上鉸點(diǎn)；V-鏟斗斗齒尖圖 3-6 最大卸載高度計(jì)算簡圖如圖 3-6 所示，當(dāng)斗桿油缸全縮，動(dòng)臂油缸全伸時(shí)，QV 連線處于垂直狀態(tài)時(shí)，得最大卸載高度為: )sin()sin( 12132121max3 ?????? ?????? MAXMAXCQllYH式(3-34)C 水平面最大挖掘半徑 R1maxNH-搖臂；HK -連桿；C-動(dòng)臂下鉸點(diǎn)；A -動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)；F-動(dòng)臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-鏟斗下鉸點(diǎn)；K-鏟斗上鉸點(diǎn)；V-鏟斗斗齒尖圖 3-7 停機(jī)面最大挖掘半徑計(jì)算簡圖如圖 3-7 所示，當(dāng)斗桿油缸全縮時(shí)，F(xiàn). Q. V 三點(diǎn)共線，且斗齒尖 v和鉸點(diǎn) C 在同一水平線上，即 YC= YV，得到最大挖掘半徑 R1max 為:R1max=XC+L40 式(3-35)式中：L40 = Sqr[（ L1+L2+L3） 2-2×（ L2+L3） ×L1×COSα32max 式(3-36)A 最大挖掘半徑 R 最大挖掘半徑時(shí)的工況是水平面最大挖掘半徑工況下 C、 V 連線繞C 點(diǎn)轉(zhuǎn)到水平面而成的。通過兩者的幾何關(guān)系，我們可計(jì)算得到：l 30 = 85mm ；l 40 = 9800mm。B 最大挖掘高度 H2max最大挖掘高度工況是最大卸載高度工況中鏟斗繞 Q 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)直到鏟斗油缸全縮而形成的。具體分析方法和最大卸載高度工況的分析類似。4 反鏟裝置的設(shè)計(jì)4.1 挖掘裝載機(jī)工作裝置典型工況分析確定挖掘裝載機(jī)的反鏟裝置實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是個(gè)部件均采用鉸銷連接，通過液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)來完成挖掘過程的各種作業(yè)動(dòng)作。動(dòng)臂 CBF 小鉸點(diǎn) C 與車架鉸接，由動(dòng)臂液壓缸 L1 支撐并改變動(dòng)臂傾角，使動(dòng)臂繞下鉸點(diǎn) C 轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到動(dòng)臂的升或降。斗桿鉸接在動(dòng)臂上端 F 點(diǎn)，斗桿與動(dòng)臂的相對(duì)位置由斗桿缸 L2 控制。鏟斗鉸接在斗桿前端 Q 點(diǎn)，鏟點(diǎn)缸 L3 活塞伸縮即可使鏟都繞斗桿桿端部伸縮。圖 4-1 挖掘裝載機(jī)反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖反鏟挖掘裝置主要挖掘停機(jī)面以下的土壤，挖掘軌跡決定于各液壓缸的運(yùn)動(dòng)及相互配合的情況。通常采用動(dòng)臂油缸挖掘、斗桿油缸挖掘、鏟斗油缸挖掘等作業(yè)方式。4.1.1 鏟斗油缸挖掘以鏟斗油缸工作進(jìn)行挖掘，挖掘軌跡則以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn) Q 為中心，該鉸點(diǎn) Q 至斗齒尖 V 的距離|QV|為半徑所做的圓弧線的包角（鏟斗的轉(zhuǎn)角）及弧長決定與鏟斗液壓缸的行程（|GH|max-|GH|min） 。以鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)的挖掘行程較短，如使鏟斗在挖掘行程結(jié)束時(shí)能夠裝滿土壤，需要有較大的挖掘力保證能夠挖掘厚度的土壤。所以，一般挖掘機(jī)構(gòu)的斗齒最大挖掘力在采用鏟斗缸挖掘時(shí)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際挖掘中，往往需要采用各種液壓缸的聯(lián)合工作，例如當(dāng)挖掘基坑時(shí)，由于挖掘深度較大，并且要求有陡而且平整基坑時(shí)，需要采用動(dòng)臂與斗桿兩種液壓缸的同時(shí)工作；當(dāng)挖掘到坑低時(shí)，挖掘行程結(jié)束，為加速將鏟斗裝滿土，以及挖掘過程需要改變斗桿與鏟斗的液壓缸同時(shí)工作。4.1.2 斗桿油缸挖掘以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，鏟斗的挖掘軌跡系以動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn) F 為中心，斗尖 V 至 F 的距離|FV|為半徑所做的圓弧線。弧線的長度與包角決定與斗桿液壓缸的行程（|DE|max-|DE|min） 。當(dāng)動(dòng)臂位于最大下傾角時(shí)，可以得到最大挖掘深度，并且有較大的挖掘行程，在較硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，能夠保證裝滿鏟斗。中小型挖掘機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中常以斗桿挖掘進(jìn)行工作。4.1.3 動(dòng)臂油缸挖掘采用動(dòng)臂液壓缸工作進(jìn)行挖掘（斗桿、鏟斗液壓缸不工作） ，可以得到最大的挖掘半徑和最大的挖掘行程，此時(shí)鏟斗的挖掘軌跡以挖掘軌跡系以動(dòng)臂下鉸接點(diǎn) C 為中心，斗尖 V 至 C 的距離|CV|為半徑而作的圓弧線，其極挖掘高度和挖掘深度（不是最大挖掘深度） ，分別決定于動(dòng)臂上傾角 Ψ1min（動(dòng)臂對(duì)水平線的夾角） ，也即決定于動(dòng)臂液壓缸的行程（|AB|max-|AB|min） 。這