液壓反鏟裝置設計【液壓挖掘機反鏟工作裝置設計】【說明書+CAD+PROE+仿真】
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南昌航空大學科技學院學士學位論文
畢業(yè)設計（論文）
題目： 液壓挖掘機反鏟裝置設計
系 別 航空工程系
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
二O一一 年 5 月
摘 要
本次設計的題目是液壓挖掘機反鏟裝置機構。與其它類型的挖掘機相比，這種類型的挖掘機因有良好通過性能應用最廣，對松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長以及浮式履帶來降低接地比壓。
液壓挖掘機反鏟裝置的主要特點為：反鏟是中小型液壓挖掘機的主要工作裝置。液壓挖掘機的反鏟裝置由動臂，斗桿鏟斗，以及動臂油缸，斗桿油缸，鏟斗油缸和連桿機構組成。其構造特點是各部件之間的連接全部采用鉸接，通過油缸的伸縮來實現(xiàn)挖掘工作中的各種動作。動臂的小鉸點與回轉平臺鉸接，并以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞小鉸點轉動而升降。斗桿鉸接于動臂的上端，斗桿與動臂的相對位置由斗桿油缸來控制，當斗桿油缸伸縮時，斗桿便可繞動臂上焦鉸點轉動。本次設計的主要參數是斗容量0.2m3,它屬于中小型液壓挖掘機，主要設計挖掘機的工作裝置。
在設計中，采用了輪胎式行走裝置，來滿足要求。上部轉臺是全回轉式，因此它可在一個更大的范圍內工作。又因采用液壓傳動控制而使整機性能得以改善。與機械式挖掘機相比，其挖掘力提高到2～3倍，整機質量約為5噸，挖掘力約為30kN，最大卸載高度約為2.65m，最大挖掘深度4.2m，最大挖掘半徑約為5.728m，從中可以看出整機作業(yè)能力有了很大的改進，不僅挖掘力大，且機器重量輕，傳動平穩(wěn)，作業(yè)效率高，結構緊湊。另外，還對挖掘機的工作裝置提出基于結構推理的機構方案創(chuàng)新設計方法。
關鍵詞：液壓挖掘機 ；反鏟機構；設計
ABSTRACT
This designed topic is the marching hydraulic excavator excavational organization. Compared with other types excavators, this kind of type excavator used very universal that because has good through theperformance, also may use to lengthens widens as well as the floating type caterpillar band to reduce pressure for the soft ground or the bogregion.
The hydraulic excavator main characteristic is: The small and medium-sized hydraulic excavator shovel is the main work device. Hydraulic excavator shovel device by the arm, dou stem bucket, and arm oil cylinder, dou rod oil cylinders, the bucket of cylinder and linkage mechanism. Its structure feature is between components All adopt the connection by oil cylinder hinged adjustable to realize the various movements excavation. Moving arm little hinge point and rotary platform, and with hinged arm oil cylinder to support and change the dip Angle, through arm arm Oil cylinder telescopic can make moving arm around small hinge point lifting rotation. Dou lever arm hinged on the upper arm, dou rod and the relative By dou pole position to control oil cylinder, when dou rod oil cylinder telescopic, dou lever arm can be around the upper energizer hinge point rotation. This designed main parameter is scoop capacity 0.2m3, it is long to the middle and small scale hydraulic excavator, mainly design the excavator，s the work installment and the hydraulic transmissionprinciple.
In the design, used marching walked the installment to satisfied request. Upside the turnplate is the entire rotation , thereof it may work in a greater scope. And further because uses the hydraulicsteering to enable the entire machine performance to improve. Compared with the mechanical type excavator, its excavation strength enhance to 2 ~ 3 times, the entire machine weight approximately is 5 tons,the excavation strength approximately is 30kN, the biggest unloading high approximately is 2.65m, biggest digging depth is 4.2m, the biggest excavation radius approximately is 5.728m, thus can see the entire machine work ability to have the very big improvement, not only excavation strength big, but also machine weight light, transmission steadyly, work efficiency is high, the structure is compact. Moreover, but also proposes to the excavator work installment based on the structureinference organization plan innovation design method.
Key word：Hydraulic pressure excavator??；Excavation organization??；Hydraulic system?。籌nnovation design
目 錄
1 緒論 1
1.1液壓挖掘機的工作特點和基本類型 1
1.1.1液壓挖掘機的主要優(yōu)點 1
1.1.2液壓挖掘機的基本類型及主要特點 2
1.2反鏟裝置的工作原理 2
2 總體設計方案 4
2.1工作裝置設計方案原則 4
2.2液壓系統(tǒng)設計方案原則（總體） 4
2.2.1對液壓系統(tǒng)作業(yè)動作要求 4
2.2.2對液壓系統(tǒng)基本的要求 5
3挖掘機工作裝置設計.............................6
3.1確定動臂的結構形式………………………………………………………………………..6
3.2動臂、鏟斗機構參數的選擇…………………………………………………………...6
3.2.1反鏟裝置總體方案的選擇………………………………………………………….6
3.2.2鏟斗參數的選擇 7
3.2.3 動臂機構參數的選擇 8
4 液壓挖掘機工作裝置運動仿真 13
4.1模型建立………………………………………………………………………………..13
4.2構件運動配裝……………………………………………………………………..……15
4.3構件運動仿真………………………………………………………………………17
1 緒論
液壓挖掘機是在機械傳動挖掘機的基礎上發(fā)展起來的。它的工作過程是以鏟斗的切削刃切削土壤，鏟斗裝滿后提升、回轉至卸土位置，卸空后的鏟斗再回到挖掘位置并開始下一次的作業(yè)。因此，液壓挖掘機是一種周期作業(yè)的土方機械。
液壓挖掘機與機械傳動挖掘機一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利施工、露天采礦及現(xiàn)代化軍事工程中都有著廣泛的應用，是各種土石方施工中不可缺少的一種重要機械設備。
在建筑工程中，可用來挖掘苦坑、排水溝，拆除舊有建筑物，平整場地等。更換工作裝置后，可進行裝卸、安裝、打樁和拔除樹根等作業(yè)。
在水利施工中，可用來開挖水庫、運河、水電站堤壩的基坑、排水或灌溉的溝渠，疏浚和挖深原有河道等。
在鐵路、公路建設中，用來挖掘土方、建筑路基、平整地面和開挖路旁排水溝等。
在石油、電力、通信業(yè)的基礎建設及市政建設中，用來挖掘電纜溝和管道等。
在露天采礦場上，可用來剝離礦石或煤，也可用來進行堆棄、裝載和鉆孔等作業(yè)。
所以，液壓挖掘機作為工程機械的一個重要品種，對于減輕工人繁重的體力勞動，提高施工機械化水平，加快施工進度，促進各項建設事業(yè)的發(fā)展，都 起著很大的作用。據建筑施工部門統(tǒng)計，一臺斗容量1.0m3的液壓挖掘機挖掘Ⅰ～Ⅳ級土壤埋，每班生產率大約相當于300～400個工人一天的工作量。因此，大力發(fā)展液壓挖掘機，對于提高勞動生產率和加速國民經濟的發(fā)展具有重要意義。
1.1液壓挖掘機的工作特點和基本類型
1.1.1液壓挖掘機的主要優(yōu)點
液壓挖掘機在動力裝置之間采用容積式液壓靜壓傳動，即靠液體的壓力能進行工作。液壓傳動與機械傳動相比有許多優(yōu)點。
①能無級調速且調速范圍大，例如液壓馬達的最高轉速與最低轉速之比可達1000∶1。
②能得到較低的穩(wěn)定轉速，例如柱塞式液壓馬達的穩(wěn)定轉速可低達1r/min.
③快速作用時，液壓元件產生的運動慣性小，加速性能好，并可作調整反轉。例如電動機在啟動時的慣性力矩比其平穩(wěn)盍時的驅動力矩大50%，而液壓馬達則不大于5%，加速中等功率電動機需1s到數秒，而加速液壓馬達只需0.1s。
④傳動平穩(wěn)，結構簡單，可吸收沖擊和振動，操縱省力，易實現(xiàn)自動化控制。
⑤易于實現(xiàn)標準化、系列化、通用化?！?
基于液壓傳動的上述優(yōu)點，液壓挖掘機與機械傳動挖掘機相比，具有下列主要特點。
①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。液壓挖掘機與同級機械傳動挖掘機相比，挖掘力約高30%，例如1.0m液壓挖掘機鏟斗挖掘力120～150KN，而同級機械傳動挖掘機只有100KN左右。
挖掘機在工作時的主要動作包括行走、轉臺回轉和工作裝置的作業(yè)動作，其中動作最頻繁的是回轉和工作裝置的循環(huán)往復運動。這種入選運動一般速度不高，而所需作用力卻很大，要求在短時間內通過變速或換向來完成各種復雜動作。機械傳動挖掘機完成上述運動需通過磨擦離合器、減速器、制動器、逆轉機構、提升和推壓機構等配合來完成。因此，機械傳動挖掘力不僅結構復雜，而且還要產生很大的慣性力和沖擊載荷。而液壓挖掘機則不需要龐大和復雜的蹭傳動，大大簡化了結構，也減少了易損件。由于結構簡化，液壓挖掘機的質量大約比相同斗容量的機械傳動挖掘機輕30%，不僅節(jié)省了鋼材，而且降低了接地比壓。液壓挖掘機上的各種液壓元件可相對獨立布置，使整機結構緊湊、外形美觀，同時也易于改進或變型。
②液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有防止過載的能力，所以使用安全可靠，操縱簡便。由于可采用液壓先導控制，無論驅動功率多大，操縱均很靈活、省力，司機的工作條件得到改善。更換工作裝置時，由于不牽連轉臺上部的其他機構，因此更換工作裝置容易，而機械式挖掘機則受到提升機構和推壓機構的牽連和限制。
③由于液壓傳動易于實現(xiàn)自動控制，因此現(xiàn)代液壓挖掘機普遍采用了以微處理器國核心的電子控制單元（ECU），使發(fā)動機、液壓泵、控制閥和執(zhí)行元件在最佳匹配狀態(tài)下工作，以實現(xiàn)節(jié)能和提高作業(yè)效率，同時還可實現(xiàn)整機狀態(tài)參數的電子監(jiān)控和故障診斷?！ ?
④液壓元件易于實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，便于組織大規(guī)模專業(yè)化生產，進一步提高質量和降低成本。
1.1.2液壓挖掘機的基本類型及主要特點
液壓挖掘機種類繁多，可以從不同角度對其類型進行劃分。
⑴根據液壓挖掘機種類主要機構傳動類型劃分。
根據液壓挖掘機主要機構是否全部采用液壓傳動，分為全液壓傳動和非全液壓（或稱半液壓）傳動兩種。若挖掘、回轉、行走等幾個主要機構的動作均為液壓傳動，則為全液壓挖掘機。若液壓挖掘機中的某一個機構采用機械傳動，則稱其為非全液壓（或半液壓）挖掘機。一般說來，這種 區(qū)別主要表現(xiàn)在行走機構上。對液壓挖掘機來說，工作裝置及回轉機構必須是液壓傳動，只有行走機構有的為液壓傳動，有的為機械傳動。
（2）根據工作裝置劃分
根據工作裝置結構不同，可分為鉸接式和伸縮臂式挖掘機。鉸接式工作裝置應用較為普遍。這種挖掘機的工作裝置靠各構件繞鉸點轉動來完成作業(yè)動作。伸縮臂式挖掘機的動臂由主臂及伸縮臂組成，伸縮臂可在主臂臂內伸縮，還可以變幅。伸縮臂前端裝有鏟斗，適于進行平整和清理作業(yè)，尤其是修整溝坡。
1.2反鏟裝置的工作原理
反鏟工作裝置是液壓挖掘機的一種主要工作裝置，如圖1－1所示。
液壓反鏟工作裝置一般由動臂1、動臂液壓缸2、斗桿液壓缸3、斗桿4、鏟斗液壓缸5、鏟斗6、連桿7和搖桿8等組成。其構造特點是各構件之間全部采用鉸接連接，并通過改變各液壓缸行程來實現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。動臂1的下鉸點與回轉平臺鉸接，并以動臂液壓缸2來支承動臂，通過改變動臂液壓缸的行程即可改變動臂傾角，實現(xiàn)動臂的升降。斗桿4鉸接于動臂的上端，可繞鉸點轉動，斗桿與動臂的相對轉角由鏟斗液壓缸5控制，當斗桿液壓缸伸縮時，斗桿即可繞動臂上鉸點轉動。鏟斗6則鉸接于斗桿4的末端，通過鏟斗液壓缸5的伸縮來使鏟斗繞鉸點轉動。為了增大鏟斗的轉角，鏟斗液壓缸一般通過連桿機構（即連桿7和搖桿8）與鏟斗連接。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(xiàn)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。例如，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，則采用動臂和斗桿同時工作；當挖掘基坑底時，挖掘行程將結束，為加速裝滿鏟斗，或挖掘過程中調整切削角時，則需要鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸同時工作。
2 總體設計方案
2.1工作裝置設計方案原則
設計合理的工作裝置應能滿足下列要求：
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?？紤]國家標準的規(guī)定，并注意到結構參數受結構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，結構型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、剛度和連接剛性的條件下盡量減輕結構自重。
⑤作業(yè)條件復雜，使用情況多變時應考慮工作裝置的通用性。采用變鉸點構件或配套構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件種類少，結構簡單，換裝方便。
⑥運輸或停放時工作裝置應有合理的姿態(tài)，使運輸尺寸小，行駛穩(wěn)定性好，保證安全可靠，并盡可能使液壓缸卸載或減載。
⑦工作裝置液壓缸設計應考慮三化。采用系列參數，盡可能減少液壓缸零件種類，尤其是易損件的種類。
⑧工作裝置的結構型式和布置使于裝拆和維修，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。
2.2液壓系統(tǒng)設計方案原則（總體）
按照挖掘機各個機構和裝置的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機連接起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，利用液壓泵轉變?yōu)橐簤耗苓M行傳送，然后通過液壓缸和液壓馬達等執(zhí)行元件轉返為機械能，實現(xiàn)各種動作。
2.2.1對液壓系統(tǒng)作業(yè)動作要求
液壓挖掘機的動作復雜，機構經常啟動、制動、換向，負載變化大，沖擊和振動頻繁，而且野外施工作業(yè)，溫度變化和地理條件差別大，因此，應根據液壓挖掘機的工作特點和環(huán)境特點，對其液壓系統(tǒng)提出一些有別于其他應用的基本要求。
液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)應滿足的作業(yè)動作要求如下。
①保證液壓挖掘機動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨動作，也可以相互配合實現(xiàn)復合動作。
②保證工作裝置的動作與回轉平臺的回轉動作既能單獨動作，又能作復合動作，以提高液壓挖掘機的作業(yè)效率。
③履帶式液壓挖掘機的左、右履帶應能分別驅動，使挖掘機行走轉彎方便靈活，并能實現(xiàn)原地轉向，以提高 挖掘機的機動性。
④保證液壓挖掘機工作安全可靠，對各機構及液壓執(zhí)行元件應具有完善的安全保護措施。例如，對回轉機構和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因自重而下降過快；防止機器下坡行駛時超速溜坡等。
2.2.2對液壓系統(tǒng)基本的要求
根據液壓挖掘機的作業(yè)動作和環(huán)境特點，對液壓系統(tǒng)提出如下要求。
①液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)應具有較高效率，以充分發(fā)動機的動力性和燃油經濟性。
②液壓系統(tǒng) 和液壓元件在大負載和劇烈振動沖擊作用下，應具有足夠的可靠性。
③選擇輕便、適用、耐振的冷卻散熱系統(tǒng)，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使液壓系統(tǒng)工作溫度及溫升在規(guī)定范圍內。
④由于液壓挖掘機作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油被污染，因此液壓稭密封性能要好，整個液壓系統(tǒng)要設置濾油器和防塵裝置。
⑤在必要時采用液壓先導或電液伺服操縱裝置，提高液壓挖掘機操作的舒適性，減輕操作人員的勞動強度。
⑥在液壓系統(tǒng)中采用先進的自動控制技術，提高液壓挖掘機的技術性能指標，使液壓挖掘機具有節(jié)能、高效和自動適應負載變化的特點。
3 挖掘機的工作裝置設計
3.1確定動臂、斗桿、鏟斗的結構形式
3.1.確定動臂的結構形式
動臂是工作裝置中的主要構件，斗桿的結構形式往往決定于動臂的結構形式。反鏟動臂分為整體式和組合式兩類。
直動臂構造簡單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機,如圖3－1所示。
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狀和強度值得注意，有時采用三節(jié)變動臂有利于降低彎曲處的應力集中。
整體式變動臂結構簡單、價廉，風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。往往需要配備幾套完全 不通用的工作裝置。一般說，長期用于作業(yè)相似的反鏟采用整體式動臂結構比較合適。如圖2－1所示。
組合式動臂一般都為彎臂形式。其組合方式有兩類，一類用輔助連桿（或液壓缸）連接，另一類用螺栓連接。
組合式動臂與整體式動臂相比各有優(yōu)缺點，它們分別適用于不同的作業(yè)條件。組合式動臂的主要優(yōu)點是：
1．工作尺寸和挖掘力可以根據作業(yè)條件的變化進行調整。當采用螺栓或連桿連接時調整時間只需十幾分鐘，采用液壓缸連接時可以進行無級調節(jié)。
2．較合理地滿足各種類型作業(yè)裝置的參數和結構要求，從而較簡單地解決主要構件的統(tǒng)一化問題。因此其替換工作裝置較多，替換也方便。一般情況下，下動臂可以適應各種作業(yè)裝置要求，不需拆換。
3．裝車運輸比較方便。
由于上述優(yōu)點，組合式動臂結構雖比整體式動臂復雜，但得到了較廣泛的應用。尤以中小型通用液壓挖掘機作業(yè)條件多時采用組合式動臂較為合適。
本次設計作業(yè)條件比較單一，所以選用整體式彎動臂。
3.2動臂、鏟斗機構參數的選擇
3.2.1反鏟裝置總體方案的選擇
反鏟方案選擇的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的。以反鏟為主的通用裝置應保證反鏟使用要求，并照顧到其它裝置的性能。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)條件要求的同時照顧其它條件下性能。
反鏟裝置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。確定動臂液壓缸的布置為懸掛式或是下置式。
前面已確定采用整體式動臂，動臂液壓缸的布置為下置式。
2.確定動臂與斗桿的長度比，即特性參數=。
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內選擇。一般當＞2時，（有反鏟?。?）稱為長動臂短斗桿方案，當＜1.5葉屬于短動臂長斗桿方案。在1.5～2之間稱為中間比例方案。
要求適用性較強而又無配套替換構件或可調結構的反鏟常取中間比例方案。相反，當用配套替換構件或可調連接適應不同作業(yè)條件時，不同的配置或鉸點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式動臂和斗桿固定鉸接，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，愈大作業(yè)范圍愈窄，從挖掘方式看大宜用于斗桿挖掘為主，因其剛度較易保證。而值小宜用于以轉斗挖掘為主。
本設計采用中間比例方案,?。?.8。
3．根據液壓缸系統(tǒng)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?？紤]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?。?.6～1.7，個別情況下因動臂擺角和鉸點布置要求可以取≤1.75，而?。?.6～1.7，＝1.6～1.7。
3.2.2鏟斗主要參數的選擇
斗容量、平均斗寬，轉斗挖掘半徑和轉斗挖掘裝滿轉角（這里令＝）是鏟斗的四個主要參數。、及三者與之間有以下幾何關系
= 式(3－1)
其中：—0.2m 其中：=0.2m3(已知)，鏟斗斗容量；
—鏟斗挖掘半徑，單位m；
—鏟斗斗寬，根據反鏟斗平均斗寬統(tǒng)計值和推薦范
圍，?。?.75m；
—鏟斗挖掘裝滿轉角，一般?。?0°～100°，?。?5°＝1.658rad
把、、代入式(3－1)得：
0.2＝××0.75×（1.658－sin95°）×
解得：＝0.803m
反鏟工作液壓缸運動參數表 表3－2
液壓缸種類
參 數 意 義
特性參數
參 數 符 號
動臂液壓缸
λ=
斗桿液壓缸
λ=
鏟斗液壓缸
λ=
3.2.3 動臂機構參數的選擇
由于鏟斗容量＝0.2m3,根據國內外液壓挖掘機有關設計標準，通過類比法，選出參數機重＝5噸。
又根據經驗公式計算法，參考機體尺寸和工作尺寸經驗系數表①，
線尺寸參數:=m
得出:最大挖掘半徑—=3.35×=5.728m；
最大挖掘深度—=2.05×=3.505m；
最大卸載高度—＝1.55×=2.65m；
據統(tǒng)計，最大挖掘半徑值一般與+ + 的和值很接近。因此由要求，已定的和可按下列經驗公式初選、：
?。健 ∈剑?-2）
=K
其中：=5.728m；＝1.8；
經計算得出：=1.759m；
= =1.8×1.759=3.166m
在三角形CZF中，、和都可以根據經驗初選出：
其中：—動臂的彎角，采用彎角能增加挖掘深度，但降低了卸載高度，?。?40°；
—動臂轉折處的長度比，一般根據結構和液壓缸鉸點B的位置來考慮，初步設計?。?.1～1.3，?。?.2；
因此根據公式：可以算出、、
l＝
l＝K l 式（3-3）
α=∠ZCF＝arccos()
經計算得出：ZC= =1.529m；
ZF= =1.834m；
=17.9°
如圖3－1所示?！ ?
動臂液壓缸全伸與全縮時的力臂比K4按不同情況選取，專用反鏟可?。?.8；以反鏟為主的通用機，斗容量1m3左右的通用機，本設計中?。?。
加大會使減小或使增大，這下符合反鏟作業(yè)要求，因此基本用作反鏟的小型機?。?0°。本設計中?。?0°。
斗桿液壓缸全縮時=最大（圖3－12），本設計中取（）＝170
°。取決于液壓缸布置形式，（圖3-11），動臂液壓缸結構中這一夾角較小，可能為零。動臂單液壓缸在動臂上的鉸點一般置于動臂下翼加耳座上，B在Z的下面。初定∠BCZ＝5°，根據已知∠CZF＝22.1° ，解得∠BCF＝
17.1°。
由圖3-22得最大卸載高度的表達式為
式（3-4）
由圖3-13得最大挖掘深度絕對值的表達式為
式（3-5）
將這兩式相加，消去，并令＝＋，＝+-，得到：
＋－［- -A)］+
［-1］=0 式（3-6）
又特性參數：
＝ 式（3-7）
因此 ?。?
=) 式（3-8）
將上式代入式（3-6）則得到一元函數f()=0。式中和已根據經驗公式計算法求出，經計算得出：＝29.6°；＝73.5°
最后由式（3-5）求為
＝ 式（3-9）
＝
＝0.638m
然后，可通過反函數，可求σ和ρ：
經計算得出：＝1.63；＝0.67；=0.952m；
＝1.52m；=1.61m
得到的結果符合下列幾何條件：+=2.36≥；|- ︳=0.96≤1
4 液壓挖掘機工作裝置運動仿真
4.1 模型的建立：
在ProE中模型是由很多特征組成的，所以在建立柱塞泵泵體的時需要建立相關特征，一般在建立特征的時候都要進行草繪，然后根據草繪的圖元再轉化為三維圖形，例如挖掘機動臂的造型設計。
（1）【新建】名為b的【零件】文件。單擊【插入】/【掃描】/【伸出項】，繪制如圖4.1的草繪，雙向拉伸260得到如圖4.2的實體圖形。
圖4.1
圖4.2
（2）繼續(xù)上一步驟，【掃描】/【伸出項】后繪制如圖4.3草繪，雙向拉伸160得到圖4.4的實體。
圖4.3 圖4.4
（3）單擊【插入】/【掃描】/【切口】，選擇上一步驟的外形輪廓線進行切剪，雙向切剪120后得到圖4.5的連接支撐。
圖4.5
（4）單擊基準軸工具，在圖4.1的兩個圓心處建立兩個基準軸。繼續(xù)單擊【切剪】草繪如圖4.6的草繪后雙向切剪180，得到圖4.7的動臂前端。
圖4.6 圖4.7
（5）繼續(xù)【掃描】/【伸出項】后繪制如圖4.8草繪，雙向拉伸260得到圖4.9的實體。
圖4.8 圖4.9
（6）單擊【插入】/【掃描】/【切口】，繪制如圖4.10的外形輪廓線進行切剪，雙向切剪104后得到圖4.11的連接支撐。
圖4.10 圖4.11
（7）單擊【孔工具】，在動臂的兩端創(chuàng)建兩個通孔A-5，A-6，如圖4.12，得到動臂的總體造型。
圖4.12
4.2 構件運動配裝：
用ProE進行裝配能夠發(fā)現(xiàn)很多實際中很難發(fā)現(xiàn)的問題，我們還可以用ProE進行干涉分析，為了合理的確定鏟斗關系，用ProE進行仿真是再好不過的一種方法了，這樣即經濟又迅速。當發(fā)現(xiàn)裝配中出現(xiàn)了問題時，只要回過去修改零件就可以了，ProE會自動更新修改后的裝配關系。例如：挖掘機鏟斗的連接。
（1）繼續(xù)單擊【添加組件】，導入鏟斗零件h，約束類型選擇【銷釘】，選擇【軸對齊】為兩零件e、h端部通孔的中心軸，【平移】為零件e端部兩孔內側和零件h下部孔外側，如圖4-10。
（2）繼續(xù)單擊【添加組件】，導入連桿零件j，約束類型選擇【銷釘】，選擇【軸對齊】為兩零件j、h端部通孔的中心軸，【平移】為零件j端部孔內側和零件h下部孔外側，如圖4-11。
圖4-10 圖4-11
（3）單擊【添加組件】，導入鏟斗油缸零件i，如4.1.2（3）所示完成約束。再次單擊【添加組件】，導入鏟斗油缸活塞零件l，如4.1.2（4）所示【軸對齊】為兩零件l、j端部通孔的中心軸，【平移】為零件j端部孔內側和零件l下部孔外側，完成約束。如圖4-12，圖4-13所示。
圖4-12 圖4-13
（4）繼續(xù)單擊【添加組件】，導入搖桿零件k，約束類型選擇【銷釘】，選擇【軸對齊】為兩零件j、k端部通孔的中心軸，【平移】為零件k端部孔內側和零件j孔外側，新建約束【圓柱】，選擇【軸對齊】為零件k上端部通孔的中心軸和斗桿e下部小孔中心軸，如圖4-14。
圖4-14
（5）重復第（2）、（4）步驟，在另外一邊繼續(xù)導入連桿和搖桿。
在部分仿真都已經結束后，可以連接成整體的仿真如圖4.15和圖4.16.
圖4.15和圖4.16都為整體仿真
圖4.16
4.3構件運動仿真
挖掘機鏟斗斗尖軌跡的包絡圖,即挖掘機在任一正常工作位置時所控制到的工作范圍。它是挖掘機后來進行靜動態(tài)分析的前提和基礎。機構是由構件組合而成的，其中每個構件都是以一定的方式至少與一個構件相連接，這種連接既使兩個構件直接接觸，又使兩個構件產生一定的相對運動。目前包絡線圖的繪制方法多采用繪圖法即當反鏟工作裝置的結構形式及結構尺寸己定時(包括動臂、斗桿、鏟斗尺寸、鉸點位置,相對的允許轉角或各油缸的行程等) ,用作圖法求得挖掘機挖掘軌跡的包絡圖?；虿捎镁仃嚪椒锤鶕噜弮蓷U件的平移、轉動關系,為關節(jié)鏈中的每一個桿件建立附加坐標系。在桿機構的分析中利用坐標變換,求出不同位置的節(jié)點力與位移的關系,然后在計算機上用C + + 程序編程。這兩種方法復雜、工作量大而且不直觀,而采用Pro/ E 的運動學仿真模塊,可以通過限制挖掘機的極限位置而得到挖掘機的鏟斗斗尖運動軌跡即挖掘機包絡線圖,這大大節(jié)省了運動分析的時間,并提高分析的質量。挖掘機在工作中有幾個典型的工況位置。
4.3.1 （1）鏟斗最高位置處的姿態(tài)。鏟斗最高位置出現(xiàn)在動臂油缸全伸,斗桿油缸和鏟斗油缸全縮時。
(2)最高卸載高度處的姿態(tài)。工作裝置處于最高卸載高度處,動臂油缸全伸,斗桿油缸全縮,鏟斗處在垂直工作地面向下的位置,該位置挖掘機工作裝置先滿斗上升,到卸載位置處開始卸載,其目標是使裝載車達到盡可能多的物料裝載。其中涉及的運動包括:上升過程的加速與減速,卸載過程的抖動卸料及卸載完后的加速下降。
(3)最大挖掘半徑的姿態(tài)。挖掘機的設計規(guī)范中,最大挖掘半徑是評價挖掘能力的主要標準之一,它決定著挖掘機的挖掘范圍。該位置出現(xiàn)在斗桿油缸全縮,鏟斗齒尖、斗桿與鏟斗鉸接點及斗桿與斗桿油缸鉸接點這3 點處于同一直線上,且動臂油缸縮進使鏟斗齒尖處于地面上。在該位置處,工作裝置下落時,挖掘機將會產生很大的沖擊力,在挖掘的過程中也將受到很大的土壤阻力。
(4)最深挖掘位置處的姿態(tài)。此位置出現(xiàn)在動臂油缸全縮,斗桿與斗桿油缸鉸接點、斗桿與鏟斗鉸接點及鏟斗齒尖在同一直線上且垂直于挖掘面。該位置處,鏟斗中物料較多,土壤挖掘阻力較大,大臂、斗桿與鏟斗的受力都很大,同時該位置也是用于計算斗桿與鏟斗的危險情況的典型受力工況位置。了解挖掘機各個典型位置后,以保證挖掘機具有良好的綜合性能為原則,包括能夠得到較大的挖掘深度和挖掘半徑等較大的挖掘范圍;鏟斗滿斗時土壤不會外卸,卸載時土壤能夠卸除干凈;并且考慮到反鏟裝置的強度等原則來確定動臂與斗桿之間、斗桿與鏟斗之間的最大夾角和最小轉角。然后使用[Mechanism]中的[ 連接軸設置] ,分別對動臂、斗桿、和鏟斗的運動范圍加以限制。接下來可以通過Pro/ E中的[ 拖動]功能拖動動臂得到動臂的極限位置;再固定旋轉支撐和動臂拖動斗桿得到斗桿的極限位置;最后固定動臂和斗桿,拖動鏟斗以得到鏟斗的極限位置。整個挖掘機的各個運動極限位置分析后,就可以創(chuàng)建驅動器。
挖掘機具有多個自由度,且各個自由度之間形成一個完整的閉環(huán)結構,因此它的機構仿真屬于多驅動器開環(huán)機構仿真。創(chuàng)建驅動器, 選擇[Mechanism]中的[伺服電動機]分別在回轉裝置與動臂、動臂與斗桿、斗桿與鏟斗的連接軸處創(chuàng)建3 個伺服電機,在[ 規(guī)范]處選擇[ 位置] ,在[ 模]處選擇[表] ,根據各零件的運動范圍設置時間和位置,以確定不同時間電機的相對轉角。然后進行運行分析,選擇[Mechanism]中的[運行] ,新建分析定義,設置好開始和結束時間,按照各個伺服電機的運動順序添加電機,并設置好每個電機的開始和結束時間。這樣, 挖掘機就會在要求的范圍內運動。選擇[Mechanism]中的[運動軌跡] ,選擇鏟斗末端一點,就可以得到挖掘機鏟斗的包絡線圖,如圖4.17所示。挖掘機各極限位置如圖4.18 所示
圖4.17 挖掘機包絡
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
圖4.18 挖掘機工作裝置各極限位置
(a) 鏟斗和斗桿油缸全縮、動臂油缸全伸; (b) 斗桿油缸全縮,鏟斗和動臂油缸全伸; (c) 鏟斗、斗桿和動臂油缸全伸;(d) 鏟斗油缸全縮,斗桿和動臂油缸全伸; (e) 鏟斗、動臂油缸全縮、斗桿油缸全伸; (f) 鏟斗、斗桿和動臂油缸全縮運動仿真的結果可以以動畫的形式表現(xiàn),也可以以參數的形式輸出。啟動[Mechanism]中的[ 測量] 選擇鏟斗末端的一點,可得到這一點隨時間變化的X 和Y方向的位置參數,如圖4 所示。從圖4 中可以得到挖掘機的工作參數,如最大挖掘半徑和最大挖掘深度,分別為圖4.19 (a) , ( b) 最低點的絕對值。這樣不僅可知零件之間是否干涉,干涉的體積有多大,還可獲知挖掘機的設計是否滿足性能要求。根據仿真結果對設計的零件進行修改,可以大大的提高設計的效率。挖掘機反鏟工作裝置,用Pro/ E 的Mechanism 模塊進行了機構運動學仿真,探討了一種效率更高的繪制挖掘機鏟斗包絡線圖的方法。從分析結果看,整個過程與實際的工藝過程非常吻合,這樣可在設計階段解決外觀造型設計、裝配工藝問題、運動干涉問題等。挖掘機工作裝置運動仿真的實現(xiàn),結束了挖掘機設計只能在物理樣機上進行的歷史,創(chuàng)造了新的挖掘機設計途徑。仿真結果還可以以動畫的形式表現(xiàn)出來,也可以以參數形式輸出,得到挖掘機各部件的運動參數,為以后靜動態(tài)分析提供了依據,節(jié)省了設計的時間,也提高了設計的質量和效率。
(a) X 方向
(b) Y 方向
圖4.19 挖掘機鏟斗末端一點位置參數
結 論
本次畢業(yè)設計歷時一個學期，是在大學四年所學知識的一次綜合應用，它將理論與實際結合在一起，即總結了大學學習的重要內容，又給我們提供了應用所學知識和查閱有關資料的能力，是對大學四年學習的檢驗和完善。
本次畢業(yè)設計，將機械、液壓結合在一起，突出體現(xiàn)了機械行業(yè)的發(fā)展方向，同時，各學科的交叉與綜合顯得相當明顯，這也是多學科發(fā)展的方向。
設計過程中運用AutoCAD制圖。和proe設計，使計算更準確，設計更合理，充分體現(xiàn)出了現(xiàn)代設計的優(yōu)越性。
通過這次畢業(yè)設計，我學會了如何查閱資料，如何應用已學的知識，深刻體會了所學知識的重要性，以及使所學知識聯(lián)系起來成為一個系統(tǒng)的整體的必要性，逐漸形成一套自己提出問題、分析問題、最后解決問題的整套思路。這些寶貴財富都會使自己在將來的學習和工作中受益匪淺。由于所學知識有限，實際經驗缺乏，因此，畢業(yè)設計中難免存在缺陷與不足，懇請各位老師及評閱者批評指正，將在今后的學習和工作中進行彌補。
致 謝
本課題是在導師邢普的悉心指導下完成的，在將近三個月的設計期間，刑老師在學習上給予我許多關懷和幫助。在導師的指導和培養(yǎng)下，本人獨立思考與解決實際問題的能力明顯有了很大的提高。邢老師嚴謹的治學態(tài)度、淵博的學識、一絲不茍的作風使我受益非淺；他循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，從而使設計在原有能力上更合理、更完美。在論文完成之際謹向辛勤培養(yǎng)自己的邢老師致以深深的敬意和衷心的感謝。
在課題進展中，還得到了許多可敬的師長、同學、朋友的指導和幫助，在些，一并表示表示誠摯的謝意。
特別感謝我的父母，他們多年來對我的學業(yè)提供了物質資助和精神支持，使我順利完成學業(yè)。
最后衷心感謝百忙之中抽出時間評閱論文和參加答辯的各位老師。
本文在寫作過程中參考了大量的學術專著和論文，對此特向本文引用的文獻資料的國內外作者表示由衷的敬意和感謝
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