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畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目 液壓挖掘機反鏟工作裝置設計
專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化
班 級 學 號 078105222
學 生 姓 名 盧越
指 導 教 師 邢普
填 表 日 期 2011 年 5 月 20日
一、選題的依據及意義：
液壓挖掘機反鏟挖掘裝置大大改善了挖掘機的技術性能，挖掘力大、牽引力大，機器重量，傳動平穩(wěn)，作用效率高，結構緊湊。液壓挖掘機反鏟工作裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤，如挖掘溝壕、基坑等，其挖掘軌跡取決于各液壓缸的運動及其組合。反鏟液壓挖掘機的工作過程為，先下放動臂至挖掘位置，然后轉動斗桿及鏟斗，當挖掘至裝滿鏟斗時，提升動臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉至卸載位置，轉斗卸出土壤，然后再回轉至工作裝置開始下一次作業(yè)循環(huán)。動臂液壓缸主要用于調整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨直接挖掘土壤；斗桿挖掘可獲得較大的挖掘行程，但挖掘力小一些。轉斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉斗挖掘結束時裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，因此挖掘機的最大挖掘力一般由轉斗液壓缸實現的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此轉斗挖掘可用于清除障礙或提高生產率。在實際工作中，熟練的液壓挖掘機人員可根據實際情況，合理操縱各個液壓缸，往往是各液壓缸聯合 工作，實現最有效的挖掘作業(yè)。
工作裝置是工程機械進行生產作業(yè)的裝置，該裝置直接影響到整機的生產率和經濟性，因此合理的設計有著重大意義，尤其是土方工程機械，作業(yè)過程中動力裝置的大部分能量消耗在挖掘土壤上。由于工作裝置的重量和成本只占整個機械的很小部分，因此，要降低挖掘土壤的能耗，提高效率，從研究工作裝置入手，在通常情況下，僅耗用較少的材料和費用就能明顯地提高機械的性能，而機械的結構無需作重大改變。
工程施工對工程機械的工作裝置提出的高效、多能，能適應各種作業(yè)條件的要求，促使工作裝置在結構形式和材料選用上不斷提高改進，許多工作裝置的操縱已采用液壓伺服系統(tǒng)或自動控制，是機械的操縱力大大減小，生產效率利用顯著提高，取得了良好的效果。在眾多的工作裝置中，裝載機的工作裝置的設計具有一定的典型性
二、國內外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：
第一臺手動挖掘機問世至今已有130多年的歷史，期間經歷了由蒸汽驅動半回轉挖掘機到電力驅動和內燃機驅動全回轉挖掘機、應用機電液一體化技術的全自動液壓挖掘機的逐步發(fā)展過程。
我國的挖掘機生產起步較晚，從1954年撫順挖掘機廠生產第一臺斗容量為1m3的機械式單斗挖掘機至今，大體上經歷了測繪仿制、自主研制開發(fā)和發(fā)展提高等三個階段。 新中國成立初期，以測繪仿制前蘇聯20世紀30～40年代的W501、W502、W1001、W1002等型機械式單斗挖掘機為主，開始了我國的挖掘機生產歷史。1967年開始，我國自主研制液壓挖掘機。早期開發(fā)成功的產品主要有上海建筑機械廠的WYl00型、貴陽礦山機器廠的W4-60型、合肥礦山機器廠的WY60型挖掘機等。隨后又出現了長江挖掘機廠的WYl60型和杭州重型機械廠的WY250型挖掘機等。它們?yōu)槲覈簤和诰驒C行業(yè)的形成和發(fā)展邁出了極其重要的一步。 到20世紀80年代末，我國挖掘機生產廠已有30多家，生產機型達40余種。但總的來說，我國挖掘機生產的批量小、分散，生產工藝及產品質量等與國際先進水平相比，有很大的差距。我國單斗液壓挖掘機應向全液壓方向發(fā)展；斗容量宜控制在0.1-15 m³；而對于大型及多斗挖掘機，由于液壓元件的制造、裝配精度要求高，施工現場維修條件差等，則仍以機械式為主。應著手研究、運用電液控制技術，以實現液壓挖掘機操縱的自動化。
改革開放以來，積極引進、消化、吸收國外先進技術，以促進我國挖掘機行業(yè)的發(fā)展。例如，中國第一拖拉機工程機械公司、廣西玉柴股份有限公司、柳州工程機械廠等。這些企業(yè)經過幾年的努力已達到一定的規(guī)模和水平?！ I(yè)內人士指出，我國單斗液壓挖掘機應向全液壓方向發(fā)展；斗容量宜控制在0.1-15 m3；而對于大型及多斗挖掘機，由于液壓元件的制造、裝配精度要求高，施工現場維修條件差等，則仍以機械式為主。應著手研究、運用電液控制技術，以實現液壓挖掘機操縱的自動化。
工業(yè)發(fā)達國家的挖掘機生產較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本等是斗容量3.5-40 m3單斗液壓挖掘機的主要生產國，從20世紀80年代開始生產特大型挖掘機。例如，美國馬利昂公司生產的斗容量50-150 m3的剝離用挖掘機，斗容量132 m3的步行式拉鏟挖掘機；B-E(布比賽路斯一伊利)公司生產的斗容量168.2 m3的步行式拉鏟挖掘機，斗容量107 m3的剝離用挖掘機等，是世界上目前最大的挖掘機。
從20世紀后期開始，國際上挖掘機的生產向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展。
三、研究內容及實驗方案：
主要對由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機構組成挖掘機工作裝置進行設計。具體內容包括以下四部分:
1．挖掘機工作裝置的總體設計。
工作裝置是液壓挖掘機的主要組成部分之一。因用途不同，工作裝置的種類繁多，其中最主要的有反產裝置，正鏟裝置，起重裝置和抓斗裝置等。而同一種裝置也可以有許多種結構形式，有的多達數十種，以適應各種不同的作業(yè)條件。主要設計的內容有動臂及斗桿的結構形式。動臂是工作裝置中的主要構件，斗桿的結構型式往往取決于動臂的結構型式。反鏟動臂可以分為整體式和組合式兩類。整體式動臂有直動式和組合式兩類。
直動式臂結構簡單，輕巧，布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機。采用整體式彎動臂有利于得到較大的挖掘深度，它是專用反鏟裝置的常見形式。整體式彎動臂在彎曲處的結構形式和強度值得注意，近年來懸掛式挖掘機出現了小彎臂的結構形式，是直動臂的改良，動臂的箱型結構可以不用開口，動臂和斗桿油缸及管路的布置也比較方便。
整體式動臂結構簡單，價廉。剛度相同時結構重量較組合式動臂輕。它的缺點是替換工作裝置較少，通用性較差。
而組合式動臂有以下優(yōu)點：
（1）．工作尺寸和挖掘力可以根據作業(yè)條件的變化調整。
（2）．較合理的滿足各種類型作業(yè)裝置的參數和結構要求。
（3）．裝車運輸比較方便。
綜上選用組合式方案
2．挖掘機的工作裝置詳細的機構運動學分析。
通過研究平面四桿機構的運動分析與曲柄滑塊機構的規(guī)律，綜合利用作圖法與解析法，得出各構件的長度與位置。作圖法精度不夠，只是一種近似的計算方法。
3．工作裝置各部分的基本尺寸的計算和驗證。
動臂機構參數的選擇
（1）．動臂機構的鉸點位置的選擇。
（2）．動臂液壓缸作用力及閉鎖力的確定
斗桿機構參數的選擇
確定斗桿液壓缸的鉸點位置，行程及力臂比時應該考慮以下因素：
（1）．保證斗桿液壓缸產生足夠的斗齒挖掘力。
（2）．保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力。
（3）．保證斗桿的擺角范圍。
鏟斗機構的參數選擇
反鏟鏟斗及機構有四桿機構的，也有六桿機構的。作為機構的桿長參數一般都預先選定。這些參數必須滿足以下要求：
（1）．鏟斗的轉角范圍
（2）．鏟斗機構的載荷分析
4．工作裝置主要部件的結構設計。
對由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機構組成挖掘機工作裝置進行設計。
二 設計方案
反鏟裝置的合理設計問題至今尚未理想的解決。以往多按經驗，采用統(tǒng)計和作圖試湊的方法，現在則盡可能采用數解分析方法，并利用電子計算機輔助設計。
反鏟方案的選擇主要依據是設計任務書規(guī)定的使用要求，據以決定工作裝置是通用或是專用。此處確定為通用工作裝置。以反鏟為主的通用裝置應保證反鏟使用要求，并照顧到其他裝置的性能。專用裝置應根據作業(yè)條件決定結構方案，在滿足主要作業(yè)條件的同時照顧其它條件下的性能。
設計方法主要是通過利用經驗公式計算設計量，動臂，斗桿，轉斗。將計算得到的設計量帶入精確的計算公式來驗證設計量是否得當。若有出入，則再修改設計量。直到由設計量計算出的最大挖掘深度，挖掘半徑。最大卸載高度與給定的參數相吻合。具體步驟如下
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式方式，確定動筆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調節(jié)。
3． 確定動臂與斗桿的長度比，及特性參數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以在很大的范圍內選擇。一般當K1>2時稱為長動臂短斗桿方案，當K1<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。
4． 確定配套鏟斗的種類,斗容量及其主要參數，并考慮鏟斗連桿機構傳動比是否需要調節(jié)。
5． 根據液壓系統(tǒng)的工作壓力，流量，系統(tǒng)回路供油方式。工廠制造條件和三化要求等確定各液壓缸缸數，缸徑，全伸長度與全縮長度之比λ，考慮到結構尺寸，運動余量，穩(wěn)定性和構件運動幅度等因素，一般取λ1=1.6~1.7，個別情況下因動臂擺角和鉸點布置要求可以取λ1<=1.75
6． 斗桿機構參數的選擇
對于以轉斗挖掘為主的中小型反鏟，選擇斗桿參數時必須注意轉斗挖掘時斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖掘區(qū)內轉斗液壓缸的挖掘力能得到充分發(fā)揮。而斗桿的擺角范圍大致在105~125之間。在滿足工作范圍和運輸要求的條件下此值盡可能的取得小些，對以斗桿挖掘為主的中型機更應注意到這一點。一般說斗桿愈長，其擺角范圍可稍小。當斗桿液壓缸和轉斗液壓缸同時伸出最長時，鏟斗前臂與動臂之間的距離應大于10cm。
根據斗桿挖掘阻力計算，并參照國內外同類型機器斗桿挖掘力值，按要求的最大挖掘力確定斗桿液壓缸的最大作用力臂值l9。斗桿上∠EFQ取決于結構因素，并考慮到工作范圍，一般在130o~170o之間。動臂上∠DFZ也是結構尺寸，根據結構因素預先估計。
斗桿機構參數最后還必須按閉鎖性能校核。
7.鏟斗機構的參數選擇
反鏟鏟斗及機構有四桿機構的，也有六桿機構的。轉角范圍大致為90o~110o，為了滿足開挖和最后卸載及運輸狀態(tài)的要求，鏟斗總轉角往往要達到150o~180o。為了挖掘深溝及垂直側壁的要求，不使斗底先于斗齒接觸土壤，常采用大仰角機構，總轉角必須選擇適當，不宜過大。設計時還要避免當鏟斗液壓缸全伸時斗齒尖碰撞斗桿下緣的現象。
四、目標、主要特色及工作進度
（1） 工作進度表
1. 查找資料，外文資料翻譯（不少于6000字符），開題報告 第1周-第2周
2．運動及動力參數計算 第3周-第4周
3．總裝配圖設計 第5周-第6周
4. 工作裝置各部分基本尺寸設計 第7周-第8周
5．用UG/proe對系統(tǒng)進行實體建模和設計 第9周-第11周
6. 繪制零、部件圖 第12周-第13周
7. 畢業(yè)論文撰寫 第14周-第16周
8 .答辯準備及論文答辯 第17周-第17周
（2） 挖掘機反鏟工作裝置主要特點：
反鏟主要用于挖掘停機面以下的土壤。其挖掘軌跡決定于各油缸的運動及其相互配合的情況。當采用動臂油缸工作并進行挖掘時（斗桿油缸和鏟斗油缸不工作）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是以動臂下鉸點為中心，斗齒尖至該鉸點的距離為半徑而做的圓弧線，其極限挖掘高度和深度（不是最大挖掘深度即圓弧線之起點、終點，分別決定于動臂的最大上傾角和下傾角（動臂對水平線的夾角），也即決定于動臂油缸的行程。由于這種挖掘方式時間長并且由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實際工作中基本不采用。
在實際挖掘工作過程中，往往需要采用各種油缸的聯合工作。如當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時，則采用動臂與斗桿兩種油缸同時工作當挖掘坑底，挖掘行程將結束為加速將鏟斗裝滿土，以及挖掘過程需要改變鏟斗與切削角等情況下，則要求采用斗桿與鏟斗油缸共同工作。顯然此時挖掘機的挖掘軌跡是由相應油缸分別工作時的軌跡組合而成。當然，這種動作能否實現決定于液壓系統(tǒng)的設計絡圖，即挖掘機在任意正常工作周位置時，控制到的工作范圍，圖上各控制尺寸即液壓挖掘機的工作尺寸。
對于反鏟裝置的只要工作尺寸為最大挖掘深度和最大挖掘半徑，包絡圖中可能有部分區(qū)間靠近甚至深入到挖掘機停機點以下，這一范圍的土壤雖然能挖掘但可能引起土壤的崩塌而影響機械的穩(wěn)定性和安全性，除有條件的挖溝作業(yè)一般不使用。故有的挖掘機工作尺寸圖上標明有效的工作范圍，或以虛線表明此段的挖掘軌跡如圖所示。
圖一
挖掘機反鏟裝置的最大挖掘力決定于液壓系統(tǒng)的工作壓力，油缸尺寸，以及油缸間作用力影響（斗桿，動臂油缸的閉鎖壓力及力臂）外。還決定與整機的穩(wěn)定和地面的附著情況。反鏟挖掘機速度結構尺寸已定的條件下決定于液壓系統(tǒng)對工作油缸的供油量，對動臂油缸和斗桿油缸為提高其單獨工作的挖掘速度，在液壓系統(tǒng)中可采用合流供油措施來保證。液壓反鏟都采用轉斗卸土，卸載較準確，平穩(wěn)，便于裝車工作。
五、參考文獻
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