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中國礦業(yè)大學(xué)2007屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第61頁
1 概述
1.1 機械發(fā)展的特點
1)挖掘機品種和產(chǎn)量劇增并向多功能,高效發(fā)展
為適應(yīng)各種工程對象的要求以及國際市場的競爭,七年內(nèi)品種增加10～15倍,達600多種以上.為擴大機械的使用性能,中小型單斗挖掘機還附有多達數(shù)十種可換工作裝置.大型挖掘機和斗輪挖掘機由于生產(chǎn)率高,經(jīng)濟效果顯著也發(fā)展很快.
2)液壓挖掘機迅速發(fā)展
液壓挖掘機由于使用性能,技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)上的優(yōu)越,六十年代即開始蓬勃發(fā)展,六十年代末世界各國液壓挖掘機產(chǎn)量與挖掘機總產(chǎn)量之比平均值已達到時80%以上.
3)普遍重視產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化以及新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料的采用
產(chǎn)品的“三化”不僅可大大縮短新產(chǎn)品的設(shè)計研制周期和老產(chǎn)品改進更新?lián)Q代周期,有利發(fā)展品種,并且便于大批量生產(chǎn)、提高產(chǎn)量和質(zhì)量、降低成本、有利用用戶的使用修理以及配件的生產(chǎn)和供應(yīng).它已是組織與管理現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要手段.挖掘機主要生產(chǎn)國美、日、法、西德和蘇聯(lián)等除有國家標(biāo)準(zhǔn)外各大公司還有自己的系列標(biāo)準(zhǔn).
4)生產(chǎn)專業(yè)化程度不斷提高,并重視質(zhì)量管理
加強挖掘機及其零部件生產(chǎn)的專業(yè)化,使工廠集中精力于承擔(dān)有限部分的加工工藝,為大批量生產(chǎn)保證產(chǎn)品的質(zhì)量、降低成本增加利潤并便于產(chǎn)品的變型發(fā)展.采用主機零件廠分工協(xié)作,由幾個專業(yè)廠專門為主機廠配套.
國外制造挖掘機各公司對質(zhì)量的管理都非常重視,認(rèn)為是影響企業(yè)生存和發(fā)展的重要環(huán)節(jié).各企業(yè)都沒設(shè)有質(zhì)量管理部并自成管理體系.
5)重視試驗與研究工作、提高科技人員的比例
為了不斷提高挖掘機產(chǎn)品質(zhì)量,改進產(chǎn)品性能和發(fā)展新產(chǎn)品,各國普遍重視試驗研究工作.各國大的公司企業(yè)或由國家投資建立工程機械、挖掘機的試驗中心、試驗研究所或室等.
1.2 挖掘機械的類型
挖掘機械的類型與構(gòu)造型式繁多，可按照挖掘工作原理與過程、用途、構(gòu)造特征等進行劃分。
按照用途，單斗挖掘機分為：建筑型、采礦型和剝離型等。建筑型挖掘機一般可裝置各種不同的工作裝置，進行多種作業(yè)，故又稱通用式。
按照動力裝置，挖掘機有電驅(qū)動、內(nèi)燃機驅(qū)動和復(fù)合驅(qū)動等，以一臺發(fā)動機帶支挖掘機全部機構(gòu)者為單機驅(qū)動式，以若干發(fā)動機分別帶動各個主要機構(gòu)者為多機驅(qū)動式。
按照傳動方式，挖掘機分為機械傳動式、液壓傳動式和混合傳動式。
挖掘機的行走裝置型式有：履帶式、輪胎式、汽車式、步行式、軌道式、拖式等。
單斗挖掘機工作裝置的型式很多，常用的基本型式，對于機械傳動的挖掘機有：正鏟、反鏟、拉鏟和起重吊鉤等。
本次設(shè)計斗容量為1m3,由于輪胎式液壓挖掘機的諸多優(yōu)點,其應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛,輪胎式液壓挖掘機傳動性能好,工作平穩(wěn),行走速度快,對路面沒有破壞,機構(gòu)布置合理緊湊,操作簡便靈活易實現(xiàn)“三化”.
1.3 單斗液壓挖掘機的基本組成和工作原理
單斗液壓挖掘機為了實現(xiàn)周期性作業(yè)要求,設(shè)有下列基本組成部分:工作裝置、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動力裝置、傳動操縱機構(gòu)、行走裝置和輔助設(shè)備等.常用是全回轉(zhuǎn)式挖掘機,其動力裝置、傳動機構(gòu)的主要部分、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室等都裝在可回轉(zhuǎn)的平臺上,簡稱為上部轉(zhuǎn)臺.因而常又常把這類機械概括成由工作裝置,上部轉(zhuǎn)臺和行走裝置三大部分組成.挖掘機的基本性能也就決定各組成部分的構(gòu)造和性能.
液壓挖掘機由柴油機驅(qū)動液壓泵,把高壓油輸送到各閥,再到有關(guān)液壓執(zhí)行元件驅(qū)動機構(gòu)進行工作.
1.4 本次設(shè)計任務(wù)
本次設(shè)計斗容量1m3的液壓挖掘機,挖掘Ⅳ級及以下土壤.設(shè)計任務(wù):工作裝置的運動分析,整體設(shè)計,回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計,零件圖設(shè)計,液壓傳動系統(tǒng)的原理設(shè)計.
2 設(shè)計方案
2.1 工作裝置方案設(shè)計
2.1.1 工作裝置設(shè)計原則
設(shè)計合理的工作裝置應(yīng)滿足下列要求：
1)主要工作尺寸及作業(yè)范圍能滿足要求。在設(shè)計通用反鏟裝置時要考慮與同類型，同等級機器相比的先進性。考慮國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并注意到參數(shù)受結(jié)構(gòu)碰撞限制等的可能性。
2)整機挖掘力的大小及其分布情況應(yīng)用滿足使用要求并具有一定的先進性。
3)功率利用情況盡可能好，理論工作時間盡可能短。
4)確定鉸點布置，結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸形狀時盡可能使受力狀態(tài)有利。在保證強度、剛度和連剛性的條件下盡量減輕結(jié)構(gòu)自重。
5)作業(yè)條件復(fù)雜使用情況多變時應(yīng)考慮工作裝置的通用性。采用變鉸點構(gòu)件或配套構(gòu)件時要注意分清主次，在滿足使用要求的前提下力求替換構(gòu)件各類少，結(jié)構(gòu)簡單，換裝方便。
6)運輸或停放時工作裝置應(yīng)有合理的姿態(tài)，使運輸尺寸小，行駛穩(wěn)定性好，保證安全可靠并盡可能性使液壓缸載呀減載。
7)工作裝置液壓缸設(shè)計應(yīng)考慮三化，采用系列參數(shù)，盡可能減少液壓缸零件種類，尤其是易損件的種類。
8)工作裝置的結(jié)構(gòu)形式和布置要使于裝拆和維修，尤其是易損件的更換。
9)要采取合理措施來滿足特殊使用要求。
2.1.2 反鏟裝置的組成及構(gòu)造特點
反鏟裝置是中小型液壓挖掘機的主要工作裝置，目前廣泛應(yīng)用的斗容在1.6m3 以下。
液壓挖掘機反鏟裝置由動臂、斗桿、鏟斗以及動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸和連桿機構(gòu)等組成，其構(gòu)造特點是各構(gòu)件之間的聯(lián)系全部采用鉸接通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)挖掘過程的各個動作。
動臂的下鉸點與回轉(zhuǎn)平臺鉸接并以動臂液壓缸來支承和改變動臂的傾角通過動臂液壓缸的伸縮可使動臂繞下鉸點轉(zhuǎn)動而升降斗桿鉸接于動臂的上端，斗桿與動臂的相對位置由斗桿液壓缸控制。當(dāng)斗桿液壓缸伸縮時，斗桿便可繞動臂上鉸點轉(zhuǎn)動。鏟斗與斗桿前端鉸接并通過鏟斗液壓缸伸縮使鏟斗繞該點轉(zhuǎn)動。為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角通常以連桿機構(gòu)與鏟斗連接。反鏟主要用于挖掘停機面以下地壤，其挖掘軌跡決定于各液壓缸的運動及其相互配合的情況，當(dāng)采用動臂液壓缸工作來進行挖掘時，可以得到最大的挖掘半徑和最長的挖掘行程。
當(dāng)動臂位于最大下傾角并以斗桿液壓缸進行挖掘工作時可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有較大工業(yè)挖掘行程。在輕堅硬的士質(zhì)條件下工作時能夠證裝滿鏟斗幫中小型挖掘機在實際工作中常以斗桿液壓缸工作進行挖掘，以鏟斗液壓缸工作進行挖掘時挖掘行程較短，如使用權(quán)鏟斗在挖掘行程結(jié)束時能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。所以一般土方工程挖掘中轉(zhuǎn)斗挖掘最常采用。實際挖掘工作中往往需要采用各種液壓缸的聯(lián)合工作。
2.1.3 具體結(jié)構(gòu)方案
1)動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式
動臂是工作裝置的主要構(gòu)件，斗桿的結(jié)構(gòu)型式往往取決于動臂的結(jié)構(gòu)形式反鏟動臂分為整體式和組合式兩類。整體式動臂結(jié)構(gòu)簡單。價廉，剛度相同時結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕。它的缺點是替換工作裝置較少，通用性較差為了擴大機械通用性，提高其利用率，往往需要配備幾套不通用的工作裝置。一般說長期用于作業(yè)條件相似的反鏟采用整體動臂結(jié)構(gòu)比較合適。因此，考慮到國內(nèi)的現(xiàn)代化建設(shè)中的西部大開發(fā)及南水北調(diào)工程。本設(shè)計采用整體式動臂。
2)動臂液壓缸和斗桿液壓缸的布置
動臂液壓缸的連接，一般有兩種布置方案：一種是動臂液壓缸裝于動臂的前下方動臂下支承點，可以調(diào)在轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)達中心之前，并稍高于轉(zhuǎn)臺平面，它也可以設(shè)在轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心之后，以改善轉(zhuǎn)達臺的受力情況，但使用反鏟作業(yè)裝置時動臂支點靠后布置會影響挖掘深度。大部分中小型液壓挖掘機以反鏟作業(yè)為主，因此采用動臂支點靠前布置的方案，動臂液壓缸支于轉(zhuǎn)臺中點靠前處，以增加作業(yè)上方和后主，有的稱之謂是掛式液壓缸，這種方案的特點是動臂下降幅度較大，在挖掘時，尤其在挖深較大壓缸往往處于受壓狀態(tài)，閉鎖能力較強，盡管在動臂提升時液壓缸小腔進 油提升力矩一般尚夠用，提升速度也較快幫作為專用的反鏟裝置這種方案仍然可取。
3)鏟斗的聯(lián)接
鏟斗與鏟斗液壓缸的連接有三各形式，其區(qū)別主要在于液壓缸活塞端部與鏟頭號、斗桿與鏟斗的連接方式不同。
4)鏟斗的結(jié)構(gòu)特點
對各種鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的共同要求是：
⑴有利二物料的自由流動，因此鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向緣，棱角等斗底的縱向剖面形狀要適合各種物料的運動規(guī)律。
⑵要使物料易于卸凈，用于粘于的鏟斗裝卸時不易卸凈，因此延長了作業(yè)循環(huán)時間，降低了有效斗容量，因此可采用強制卸土板的粘土鏟斗。
⑶為了便于物料的鏟裝，裝入物料不易掉出，鏟斗寬度與物料顆料直徑之比應(yīng)大于4：1，當(dāng)此比值大于50：1時顆粒尺寸的影響可不考慮，視物料為均質(zhì)。
⑷裝設(shè)計齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時的挖掘線比壓，以便函切入或破碎陰力較的物料。
2.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)方案設(shè)計
單斗液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的回轉(zhuǎn)時間約占整個工作循環(huán)時間的50～40%?；剞D(zhuǎn)液壓油路的發(fā)熱量約占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30～40%。因此合理地確定回轉(zhuǎn)機構(gòu)的液壓油路和結(jié)構(gòu)方案，正確選擇回轉(zhuǎn)機構(gòu)諸參數(shù)，對提高生產(chǎn)率，改善司機的勞動條件，減少工作裝置的沖擊等具有十分重要的意義
2.2.1 對回轉(zhuǎn)機構(gòu)的基本要求
1)在加速度和回轉(zhuǎn)力矩不超過允許值的前提下，應(yīng)盡可能縮短回時間。在回轉(zhuǎn)部分慣性已知的情況下，角加速度的大小變最大的回轉(zhuǎn)扭掩蔽的限制該扭矩不應(yīng)超過行走部分與地面的附著力矩。
2)回轉(zhuǎn)機構(gòu)的動載荷系數(shù)不應(yīng)超過允許值，非全回轉(zhuǎn)的挖掘機回轉(zhuǎn)時，工作裝置不應(yīng)碰撞定位器。
3)回轉(zhuǎn)能量損失最小
2.2.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的選擇
回轉(zhuǎn)機構(gòu)分為全回轉(zhuǎn)式和半回轉(zhuǎn)式，懸掛式液壓挖掘機通常采用半回轉(zhuǎn)的的回轉(zhuǎn)機構(gòu)，回轉(zhuǎn)角度一般等于或小于180o本次設(shè)計為履帶式液壓挖掘機，因此采用全回轉(zhuǎn)式回轉(zhuǎn)機構(gòu)。
全回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)機構(gòu)，按液動機的結(jié)構(gòu)形式可分為高速方案和低速方案兩類。由高速液壓馬達經(jīng)齒輪減速成器帶動回轉(zhuǎn)小支承上的回定齒圈動，促使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)的稱為高速方案。其低速大扭矩液壓馬達直接帶支回轉(zhuǎn)小齒輪促使轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)的稱為低速方案。在高速方案中，通常采用行星齒輪減速成箱減速。行星齒輪減速成箱，雖然加工要求較高，但可用一般漸開線齒廓的模數(shù)銑刀進行加工，結(jié)構(gòu)也比較緊湊，速成比大，受力好。因此獲得廣泛的應(yīng)用，高速方案一般采用斜軸式液壓馬達驅(qū)動的回轉(zhuǎn)機構(gòu)。此方案結(jié)構(gòu)比較緊湊，速比大，受力好，回此在液壓挖掘機中獲得廣泛的應(yīng)用，本次設(shè)計將采用斜軸式液壓馬達驅(qū)動的回轉(zhuǎn)機構(gòu)。高速方案還有以上優(yōu)點：高速成液壓馬達體積小，效率高，不需要背壓補油，便函于設(shè)置小制支器發(fā)熱和功率損失小，工作可靠。
2.2.3 制動器的選擇
制動器應(yīng)滿足工作安全可靠，制動平穩(wěn)，操縱輕便靈敏等要求，在對回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用了鉗盤式制動器。因為通過試驗與蹄式制動器相比，它具有下優(yōu)點：
1)鉗盤式制支器所產(chǎn)生的制動力矩比較半穩(wěn)由于它無增力作用其效率系數(shù)K與磨擦系數(shù)u為直線關(guān)系。
2)由于制動盤都暴露在外，因此通風(fēng)良好，旋轉(zhuǎn)時還有自潔作用，熱穩(wěn)定性好，基本上無熱衰退現(xiàn)象，在連續(xù)多次使用情況下制動力矩變化很小，甚至在惡劣工況下仍能正常使用。
3)維修方便，不需要經(jīng)常調(diào)整間隙。
4)制動磨擦襯片磨擦均勻，使用壽命也比較長。但其也存在一些缺點，需采取措施減小及至消除。
2.3 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計
按照挖掘機各個機構(gòu)和裝置的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機地連接想來的組合體叫做挖掘機的液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的功能是把發(fā)動機的機械能以油液為介質(zhì)，利用液壓泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗苓M行傳送，然后通過液壓缸和液壓馬達等執(zhí)行元件轉(zhuǎn)返為機械能實現(xiàn)各種動作。
2.3.1 單斗液壓挖掘機的作業(yè)過程包括下列幾個間歇動作
動臂升降，斗桿收放，鏟斗裝卸轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)，整機行走，以及其它輔助動作，除輔助動作不需全功率驅(qū)動外，其它都是挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅(qū)動。由于挖掘機的作出對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊要求：第一，實現(xiàn)各種主要動作時，陰力與作業(yè)速度隨時變化，因此，要求液壓缸和液壓 馬達的壓力和流量也能相應(yīng)變化。第二，為了充分利用發(fā)動機功率縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作同時進行叫做復(fù)合動作，這兩項要求需要動作同時進行叫做復(fù)合動作，這兩項要求需要由液壓系統(tǒng)來保證。
2.3.2 對液壓系統(tǒng)的要求
單斗液壓挖掘機動作繁雜，主要機構(gòu)經(jīng)常超支、制動、換向、外負(fù)荷變化很大，沖擊和振動多，而且野外我作，溫度和環(huán)境變化大，所以對液壓系統(tǒng)的要喜慶是多方面的。
1)動臂、斗桿和鏟斗的傳動要保證工作裝置的各部分可單獨動作，也可以互相配合實現(xiàn)復(fù)合動作。
2)主機工作過程中，要求工作裝置的動作和轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)既能單獨進行，又能作復(fù)合動作，以提高機械生產(chǎn)率。
3)挖掘機的一切動作都是可逆的，而且要求無級變速。
4)要求機械工作安全可靠，各種作業(yè)油缸要有良好的過載保護，回轉(zhuǎn)機械和行走裝置要有可靠的制動和限速成，要防止動臂因自重而快速成下降和整機超速溜坡。
5)充分利用發(fā)動機功率，提高傳動效率。
6)系統(tǒng)和元件應(yīng)保證在外負(fù)荷變化大和急劇振動沖擊作用下具有足夠的可靠性。
7)系統(tǒng)密封性好。
8)為了減輕司機操作強度，要考慮采用液壓或電液伺服操裝置。
本次設(shè)計將考慮選用高壓變量系統(tǒng)，雙泵雙回路，全功率變量系統(tǒng)，后續(xù)部分將對其詳細說明。
3 工作裝置設(shè)計計算
3.1 尺寸估計
參照《單斗液壓挖掘》估算整機各部分尺寸和工作裝置尺寸。
根椐經(jīng)驗公式求尺寸參數(shù)。
線尺寸參數(shù)： (m)
Kli為線向尺寸經(jīng)驗系數(shù)，G為整機質(zhì)量。
1)轉(zhuǎn)臺離地高：
2)底架離地高：
3)臂鉸離地高：
3)臂鉸離回轉(zhuǎn)中心:
4)臂鉸與液壓缸鉸距:
5)臂鉸與液壓缸傾角：～
6)缸鉸離地高度：
7)臂長：標(biāo)準(zhǔn)臂尺寸系數(shù)推薦值,范圍1.7～1.9
標(biāo)準(zhǔn)臂
8)斗桿：推薦系數(shù)
推薦：
9)鏟斗：推薦系數(shù),
10)動臂轉(zhuǎn)角：～
11)斗桿轉(zhuǎn)角：～
12)鏟斗轉(zhuǎn)角：～
13)最大挖掘半經(jīng)：系數(shù),
14)最大挖掘深度：系數(shù)，
15)最大挖掘高度：系數(shù),
16)最大卸載高度：系數(shù),
3.2 運動分析
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 、L3 為某一組確定值時，反鏟裝置就相應(yīng)處于一個確定的幾何位置。建立坐標(biāo)系：X軸與地面重合，Y軸與挖掘機回轉(zhuǎn)中心線重合，則斗齒尖V所在的X 坐標(biāo)值就表示挖掘半經(jīng)Y坐標(biāo)，YV為正值表示挖掘高度，為負(fù)值表示挖掘深度。
3.2.1 機構(gòu)自身幾何參數(shù)
機構(gòu)自身幾何參數(shù)分三類：原始參數(shù)，推導(dǎo)參數(shù)，特征參數(shù)，各參數(shù)見圖3-1
3.2.2 動臂的運動
圖 3-1 反鏟機構(gòu)自身幾何參數(shù)的計算簡圖
1)動臂的擺角范圍1max和各點瞬時坐標(biāo)（圖3-2），1max是L1的函數(shù)，動臂上任意一點在任一時刻的坐標(biāo)值也是L1的函數(shù)，根據(jù)全余弦定理，當(dāng)L1=L1min和L1= L1msc時得
1min=∠ACB0=arccos() (3-1)
1max=∠ACB0=arccos( )(3-2)
動臂的擺角范圍：1max=1max-1min
圖3-2 動臂擺角范圍計算簡圖
圖3-3 F點的坐標(biāo)計算簡圖
動臂的瞬時擺角：= arccos()-1min
列動臂F點坐標(biāo)方程。 圖3-3中
=∠BCU=1 -= arccos()- (3-3)
F點在水平線CU之下時為負(fù),否則為正。
F點坐標(biāo)方程：
(3-4)
(3-5)
C點坐標(biāo)可由圖示2-22求得
(3-6)
2)動臂液壓缸作用力臂
當(dāng)動臂液壓缸長度為L1時,動臂液壓缸作用力臂
е1= (3-7)
當(dāng)分別取和時,可得動臂機構(gòu)的起始和終了力臂е10和е1z。顯然動臂液壓缸的最大作用力臂，此時
3.2.3 斗桿的運動
斗桿的位置參數(shù)是L1 和L2的函數(shù)，此外討論斗桿相對于動臂的運動，也即只考慮L2的影響，斗桿機構(gòu)與動臂機構(gòu)性質(zhì)類似，它們是四連桿機構(gòu)，但連桿比不同，在動臂機構(gòu)中，一般L1>L5,?斗桿機構(gòu)中一般L9
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