挖掘機工作裝置設計,挖掘機工作裝置設計,挖掘機,工作,裝置,設計 河南理工大學萬方科技學院 本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 指導教師： 范小彬 職稱： 副教授 所在院（系）： 機械與動力工程系 教研室（研究室）：機械工程教學部 題 目 挖掘機工作裝置設計 學生姓名 朱 坤 專業(yè)班級 08機制四班 學號 0828050037 一、選題質量：（主要從以下四個方面填寫：1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標，能否體現(xiàn)綜合訓練要求；2、題目難易程度；3、題目工作量；4、題目與生產、科研、經濟、社會、文化及實驗室建設等實際的結合程度） 挖掘機工作裝置設計這個題目很符合專業(yè)的培養(yǎng)目標，能把書本上學到的理論 知識運用到實際生產中去，體現(xiàn)了綜合訓練的要求，題目難易程度中等，題目工作量 一般，能在規(guī)定的時間內完成本次的畢業(yè)設計。本設計題目與現(xiàn)實生產結合很緊密， 基本能投入社會生產實用。 由于機械行業(yè)技術的快速發(fā)展，對現(xiàn)在的挖掘機性能提出了更新的要求，最主 要做到低成本、高效率、高性能的產品，該題目以液壓動力為核心的綜合機構，它與 社會生產、科研、經濟、社會、文化相關方面發(fā)展聯(lián)系非常緊密，結合程度高。 二、開題報告完成情況： 開題報告工作已經完成，所需文獻資料已經準備齊全。 三、階段性成果： 1、進行了資料的收集等前期準備工作并完成了開題報告。 2、基本模型已經出爐。 3、外國文獻的翻譯工作已完成。 四、存在主要問題： 1、無設計這方面結構的經驗，使得彎路多多，進展緩慢。 2、各生產廠家對各系列挖掘機的數(shù)據(jù)并沒有進行公布，使得獲取實際數(shù)據(jù)困難。 3、繪圖軟件使用生澀，影響了作業(yè)進度。 五、指導教師對學生在畢業(yè)實習中，勞動、學習紀律及畢業(yè)設計（論文）進展等方面的評語 指導教師： （簽名） 年 月 日 河南理工大學萬方科技學院 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題　目 挖掘機工作裝置設計 學生姓名 朱 坤 學號 0828050037 班級 機制四班 專業(yè) 機械設計及其自動化 一：選題的目的和意義 與工業(yè)發(fā)達國家相比，我國重礦機械行業(yè)還存在不小的差距，主要表現(xiàn)為：產品總量供大于求，生產能力過剩；供需關系失衡，低檔產品積壓，現(xiàn)代重要技術裝備仍依靠進口；科技和新產品開發(fā)能力薄弱，缺乏市場競爭力；企業(yè)多而散，經濟效益低；經營機制不適應國際市場要求等。為此，國家將重礦機械行業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃的目標確定為：提高產品技術水平和成套能力，提高生產技術水平和裝備現(xiàn)代化，提高集約化生產程度和管理水平，提高經濟運行質量和經濟效益，使之盡快成為能滿足國民經濟發(fā)展要求，并具有參與國際競爭能力的行業(yè)。在這種國內外挖掘機發(fā)展的大情形下，我們進行挖掘機工作裝置的合理性分析是有必要的，這有利于國內挖掘機行業(yè)的發(fā)展，為我國發(fā)挖掘機行業(yè)在國際競爭中立于不敗之地打好基礎。 二：國內外研究綜述： 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。 　　1）開發(fā)多品種、多功能、高質量及高效率的挖掘機。為滿足市政建設和農田建設的需要，國外發(fā)展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘機，最小的斗容量僅在0.01m3。另外，數(shù)量最的的中、小型挖掘機趨向于一機多能，配備了多種工作裝置——除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時，發(fā)展專門用途的特種挖掘機，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機等。 2）迅速發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了基礎和創(chuàng)造了良好的前提。 3）重視采用新技術、新工藝、新結構，加快標準化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如，德國阿特拉斯公司生產的挖掘機裝有新型的發(fā)動機轉速調節(jié)裝置，使挖掘機按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費。還安裝了CAPS（計算機輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能。 4）更新設計理論，提高可靠性，延長使用壽命。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機的強度研究方面，促進了產品的優(yōu)質高效率和競爭力。 5）加強對駕駛員的勞動保護，改善駕駛員的勞動條件。液壓挖掘機采用帶有墜物保護結構和傾翻保護結構的駕駛室，安裝可調節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾。 6）進一步改進液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉變的明顯趨勢。因為變量系統(tǒng)在油泵工作過程中，壓力減小時和增大流量來襝，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機可經常性地充分利用油泵的最大功率。當外阻力增大時則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長率加；采用三回路液壓系統(tǒng)。產生三個互不成影響的獨立工作運動。實現(xiàn)與回轉達機械的功率匹配。將第三泵在其他工作運動上接通，成為開式回路第二個獨立的快速成運動。此外，液壓技術在挖掘機上普遍使用，為電子技術、自動控制技術在挖掘機的應用與推廣創(chuàng)造了條件。 7）迅速拓展電子化、自動化技術在挖掘機上的應用。20世紀70年代，為了節(jié)省能源消耗和減少對環(huán)境的污染，使挖掘機的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機口音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應用電子和自動控制技術。隨著對挖掘機的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機電一體化在挖掘機上的應用，并使其各種性能有了質的飛躍。20世紀80年代，以微電子技術為核心的高新技術，特別是微機、微處理器、傳感器和檢測儀表在挖掘機上的應用，推動了電子控制技術在挖掘機上應用和推廣，并已成為挖掘機現(xiàn)代化的重要標志，亦即目前先進的挖掘機上設有發(fā)動機自動怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。 三：畢業(yè)設計（論文）所用的主要技術與方法： 主體工作：挖掘機工作原理分析，動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸選型設計，斗桿挖掘工況挖掘性能分析，斗桿結構設計，繪制相關圖紙。 挖掘機工作裝置主要有動臂、斗桿和鏟斗，斗桿有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機斗采用整體式斗桿，當需要調節(jié)斗桿長度或杠桿比時采用更換斗桿的辦法，或者在都趕上設置2-4個可供調節(jié)時選擇的與動臂端不鉸接的孔。由于工作半徑、最大高度和最大深度的不同工作裝置都有不同的參數(shù)。通過計算算出一個工況的工作參數(shù)，再通過編程算出各個工況的工作參數(shù)。 首先用已知數(shù)據(jù)計算出一個工況的合理性之后，再運用matlab軟件模擬出各個工況的工作參數(shù)曲線，以驗證所設計的動臂、斗桿和鏟斗的參數(shù)都是合理的。在這里主要模擬出斗桿的工作參數(shù)在各個工況都是合理的。 最后通過合理的設計分析，選擇最優(yōu)的工作參數(shù)，使得挖掘機的工作裝置能夠適合多種復雜的工況，低功耗，高功率。特別是通過斗桿挖掘工況挖掘性能的分析，使得挖掘機的斗桿更進一步的優(yōu)化。 四、主要參考文獻與資料獲得情況： [1]透視我國挖掘機發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢[J].工程機械，2008（39） [2] 陳軍科.挖掘機行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展動向[J].社科論壇 [3] 寧高平.建設長期健康發(fā)展的挖掘機行業(yè)[J].工程機械,2010 [4] 李克青.2008年國內工程機械行業(yè)發(fā)展回顧[J].工程建設,2009,(41) [5] 曹善華.單斗挖掘機[M].北京:機械工業(yè)出版社,1989 五：總體安排和計劃進度 1-2周：搜集資料，熟悉挖掘機的工作原理，整體結構，完成開題報告的寫作，摘要。 3周：完成挖掘機主體參數(shù)的選擇。 4-6周：完成挖掘機動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸的選型設計和斗桿挖掘工況挖掘性能的分析 7-8周：完成工作裝置的繪制。 9周：開始設計說明書的整理，各種資料的確定。 10周：細化設計說明書，完成電子版本的說明書。 11周：做最后設計的完善。 12-13周：準備答辯。 六、指導教師審批意見： 指導教師簽字 時 間 　　 年　 月 日 挖掘機工作裝置設計 摘要 本文設計的是一種挖掘機的挖掘裝置，在為工業(yè)、民用上有特殊用途的挖掘裝載機，它可以用于煤礦井下狹小空間清理、裝載、運輸?shù)裙ぷ?，也可以用于冶金、礦山、隧道建設等場合的挖掘裝載工作。在本設計中，通過對國內外現(xiàn)有技術的了解和分析，利用任務書上所給定的挖掘機鏟斗額定裝載載荷，先計算出鏟斗的斗容，而后選用標準容量鏟斗，根據(jù)所選出的標準鏟斗，計算出挖掘機的最大鏟取阻力、最大卸載高度、最小卸載距離等一些設計所必需用到的量。通過對工作機構上九個鉸接點位置的確定來設計出動臂的模型及動臂上各點的受力，然后計算出舉臂油缸和轉斗油缸的內徑、活塞桿的桿徑，選出標準的液壓缸。 關鍵詞：鏟斗；液壓缸；動臂；挖掘機 Abstract In 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 1 1緒論 3 1.1課題背景及目的 3 1.2 挖掘機發(fā)展簡史 3 1.4國內外研究狀況 5 1.5 論文構成及研究內容 6 2 總體方案設計 7 2.1 工作裝置構成 7 2.2 動臂及斗桿的結構形式 9 2.3 鏟斗的結構選擇 9 2.4 液壓挖掘機工礦分析 10 2.5 液壓挖掘機工作裝置設計要求 16 2.6 液壓挖掘機工作裝置的設計原則 20 3工作裝置運動學分析 21 3.1 動臂運動分析 21 3.2 斗桿的運動分析 22 3.3 鏟斗的運動分析 23 3.4 特殊工作位置計算： 28 4 反鏟裝置的設計 31 4.1 挖掘裝載機工作裝置典型工況分析確定 31 4.2、挖掘裝載機工作裝置的基本參數(shù)的選擇 33 4.3、油缸基本參數(shù)的選擇和計算 40 5 挖掘裝置受力計算 45 5.1、挖掘阻力的計算 45 5.1.1鏟斗挖掘阻力的計算 45 5.1.2斗桿挖掘阻力計算 46 5.2、 工作液壓缸的理論挖掘力 47 5.2.1鏟斗挖掘時，鏟斗缸的理論挖掘力 47 5.2.2斗桿挖掘時，斗桿油缸的理論挖掘力 47 5.3、 整機理論挖掘力 47 5.3.2鏟斗挖掘 52 6 總結 56 致謝 57 參考文獻 58 前 言 挖掘機是工程機械的一個主要機種，它廣泛應用于礦山開采、道路工程、國防施工、農田水利等基本建設之中。隨著我國經濟建設的迅猛發(fā)展特別是國家加大公路、鐵路、住宅和水利設施的投資，挖掘機越來越顯示出在國民經濟建設中的巨大作用。 　　我國挖掘機生產起步于60年代，第一代產品為機械式挖掘機。進入70年代，開始研制液壓挖掘機，并形成了系列產品，標志著我國挖掘機行業(yè)已經形成。80年代中期，隨著我國改革開放的深入和國民經濟的發(fā)展，我國一些大型挖掘機企業(yè)分別引進了德國利渤海爾、德馬克等公司的先進制造技術，使我國的挖掘機在技術水平、產品質量和生產管理上都有了很大的提高。涌現(xiàn)出諸如長江挖掘機廠、撫順挖掘機廠、上海建筑機械制造廠、合肥礦山機器廠、北京建筑機械廠和貴陽礦山機器廠等一批實力較強的骨干企業(yè)，為我國挖掘機產品的生產和發(fā)展奠定了堅實的基礎，也為我國的經濟建設做出了不可磨滅的貢獻。 　　進入90年代，挖掘機市場需求迅速擴大，一些企業(yè)紛紛看好這一市場，挖掘機行業(yè)如雨后春筍，新企業(yè)不斷涌現(xiàn)，一些原本生產其它工程機械的企業(yè)，也紛紛加入到挖掘機行業(yè)。國外一些大公司也把目光瞄準了中國市場，短短的幾年內，先后有日本、韓國、德國等十余家公司與中國企業(yè)進行了合資，還有的在中國獨資辦企業(yè)生產挖掘機，使得我國從原有的六大骨干廠，一下猛增到44家。企業(yè)性質由原來的單一國有企業(yè)，變成了國有、合資、獨資、股份制、鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體等多種形式。 　　目前，擺在挖掘機行業(yè)面前的是挑戰(zhàn)和機遇并存。今后幾年中國經濟的快速增長，無疑會給工程機械行業(yè)的發(fā)展帶來無限商機，挖掘機是工程機械的主要產品之一，許多工程都離不開挖掘機械的參與。據(jù)中國機電報報道，“九五”期間國家計劃新建鐵路6000多公里，增建復線3000多公里，電氣化改造4000多公里，到2000年鐵路運營將達到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，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；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；還有農田水利工程，改造黃河流域10大水系，南水北調、疏竣河道，特別是98年遭受特大洪水災害后，對堤壩、圍堰的整修、加固、和綜合治理工作將會加大力度。所有這些領域的巨大發(fā)展都需要大量的挖掘機械，為我國挖掘機械的發(fā)展提供了廣闊前景。預計近幾年國內市場每年需求挖掘機12000-15000臺。因此，要使挖掘機的產量滿足市場需求，只有把產品質量搞上去，提高產品的可靠性，切實做好售后服務，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 挖掘機在國民經濟建設的許多行業(yè)被廣泛地應用，如工業(yè)與民用建筑、水利電氣工程、交通運輸、礦山采掘、農田改造以及現(xiàn)代化軍事工程等等行業(yè)的機械化施工中。據(jù)統(tǒng)計，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完成的。 隨著我國基礎設施建設的深入和在建設中挖掘機的廣泛應用，挖掘機市場有著廣闊的發(fā)展空間，因此發(fā)展?jié)M足我國國情所需要的挖掘機是十分必要的。而工作裝置作為挖掘機的重要組成部分，對其研究和控制是對整機開發(fā)的基礎。 反鏟式單斗液壓挖掘機工作裝置是一個較復雜的空間機構，國內外對其運動分析、機構和結構參數(shù)優(yōu)化設計方面都作了較深入的研究，具體的設計特別是中型挖掘機的設計已經趨于成熟。而關于反鏟式單斗液壓挖掘機的相關文獻也很多，這些文獻從不同側面對工作裝置的設計進行了論述。而筆者的設計知識和水平還只是一個學步的孩子，進行本課題的設計是為對挖掘機的工作裝置設計有一些大體的認識，鞏固所學的知識和提高設計能力。 1.2 挖掘機發(fā)展簡史 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。 由于液壓技術的應用，20世紀40年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機，20世紀50年代初期和中期相繼研制出拖式全回轉液壓挖掘機和腰帶式全液壓挖掘機。初期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術，缺少適用于挖掘機各種工況的液壓元件，制造質量不夠穩(wěn)定，配套件也不齊全[8][9]。從20世紀60年代起，液壓挖掘機進入推廣和蓬勃發(fā)展階段、各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產旦猛增。1968—1970年間，液壓挖掘機產量已占挖掘機總產量的83％，目前已接近100％。 1.3. 挖掘機的基本類型 液壓挖掘機也和機械式挖掘機一樣，由工作裝置、回轉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構特點、功能和通用范圍等方面來區(qū)分它的類型。 就液壓挖掘機構整機結構而言，全部采用液壓傳動者稱為全液壓挖掘機；部分采用液壓傳動者則稱為半液壓挖掘機(多數(shù)情況下是行走裝置用機械傳功，其余均為液壓傳動。也有機體為機械傳動，而僅工作裝置采用液壓傳動的)；能在水平面內回轉360o的稱為全回轉挖掘機，否則就是非全回轉式挖掘機。 就工作裝置來說，根據(jù)其用途和結構型式可以區(qū)分為“通用”與“專用”?！阒行⌒鸵簤和诰驒C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)工作裝置的結構特征，可以區(qū)分為鉸接式和伸縮臂式。普通的液壓挖掘機均為鉸接式(動臂、斗桿和鏟斗均可繞鉸點轉動，完成各種作業(yè)動作)，而伸縮臂式挖掘機的動臂由主臂和伸縮臂兩部分組成，伸縮臂可在主臂內伸縮也可以變幅，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。懸掛式挖掘機用拖拉機作底盤，配裝若干個工作裝置(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，還有一些結構比較特殊的液壓挖掘機。無行走驅動裝置的雙輪拖式挖掘機(亦稱步履式挖掘機)制造簡單、價格低廉，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工作時不用支腿支撐，而將支承轉臺的底架全部落地，在360o的范圍內自由回轉進行作業(yè)。仲縮臂式挖掘機也可裝上鉸接式斗桿，滿足作業(yè)過程中某些腕動式作業(yè)的要求。 1.4國內外研究狀況 當前，國際上挖掘機的生產正向大型化、微型化、多能化和專用化的方向發(fā)展。國外挖掘機行業(yè)重視采用新技術、新工藝、新結構和新材料，加快了向標準化、系列化、通用化發(fā)展的步伐。我國己經形成了挖掘機的系列化生產，近年來還開發(fā)了許多新產品，引進了國外的一些先進的生產率較高的挖掘機型號。 由于使用性能、技術指標和經濟指標上的優(yōu)越，世界上許多國家，特別是工業(yè)發(fā)達國家，都在大力發(fā)展單斗液壓挖掘機。目前，單斗液壓挖掘機的發(fā)展著眼于動力和傳動系統(tǒng)的改進以達到高效節(jié)能;應用范圍不斷擴大，成本不斷降低，向標準化、模塊化發(fā)展，以提高零部件、配件的可靠性，從而保證整機的可靠性;電子計算機監(jiān)測與控制，實現(xiàn)機電一體化;提高機械作業(yè)性能，降低噪音，減少停機維修時間，提高適應能力，消除公害，縱觀未來，單斗液壓挖掘機有以下的趨勢: （1）向大型化發(fā)展的同時向微型化發(fā)展。 （2）更為普遍地采用節(jié)能技術。 （3）不斷提高可靠性和使用壽命。 （4）工作裝置結構不斷改進，工作范圍不斷擴大。 （5）由內燃機驅動向電力驅動發(fā)展。 （6）液壓系統(tǒng)不斷改進，液壓元件不斷更新。 （7）應用微電子、氣、液等機電一體化綜合技術。 （8）增大鏟斗容量，加大功率，提高生產效率。 （9）人機工程學在設計中的充分利用。 1.5 論文構成及研究內容 本論文主要對由動臂、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) 挖機工作裝置的總體設計。 (2) 挖掘機的工作裝置詳細的機構運動學分析。 (3) 工作裝置各部分的基本尺寸的計算和驗證。 (4) 工作裝置主要部件的結構設計。 2 總體方案設計 2.1 工作裝置構成 1-斗桿油缸；2- 動臂； 3-油管； 4-動臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒； 7-側板； 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為液壓挖掘機工作裝置基本組成及傳動示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗5、連桿9、斗桿11、動臂2、相應的三組液壓缸1, 4,10等組成。動臂下鉸點鉸接在轉臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉動，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轉動。 挖掘作業(yè)時，接通回轉馬達、轉動轉臺，使工作裝置轉到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮，動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉馬達，使工作裝置轉到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉進行卸土。卸完后，工作裝置再轉至挖掘位置進行第二次挖掘循環(huán)。 在實際挖掘作業(yè)中，由于土質情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機的。上述過程僅為一般的理想過程。 挖掘機工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結構，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，可以對工作裝置進行適當簡化處理。則可知單斗液壓挖掘機的工作裝置可以看成是由動臂、斗桿、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機構組成的具有三自由度的六桿機構，處理的具體簡圖如2-2所示。進一步簡化得圖如2-3所示。 圖2-2 工作裝置結構簡圖 1-鏟斗；2-連桿；3-斗桿；4-動臂；5-鏟斗油缸；6-斗桿油缸 圖2-3 工作裝置結構簡化圖 挖掘機的工作裝置經上面的簡化后實質是一組平面連桿機構，自由度是3，即工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度L1、斗桿油缸長度L2、鏟斗油缸長度L3決定，當L1、L2、L3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定。 2.2 動臂及斗桿的結構形式 動臂采用整體式彎動臂，這種結構形式在中型挖掘機中應用較為廣泛。其結構簡單、價廉，剛度相同時結構重量較組合式動臂輕，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)挖掘機采用整體式斗桿。在本設計中由于不需要調節(jié)斗桿的長度，故也采用整體式斗桿。 2.3 鏟斗的結構選擇 鏟斗結構形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機的作業(yè)效果影響很大，其應滿足以下的要求： A 有利于物料的自由流動。鏟斗內壁不宜設置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合于各種物料的運動規(guī)律。 B 要使物料易于卸盡。 C 為使裝進鏟斗的物料不易于卸出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應大于4，大于50時，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質。 綜上考慮，選用中型挖掘機常用的鏟斗結構，基本結構如圖2-4所示。 圖2-4 鏟斗 2.4 液壓挖掘機工礦分析 液壓挖掘機的主要運動功能包括以下幾個動作：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉臺回轉、整機行走以及其它輔助動作，如圖2-5所示。除了輔助動作(例如整機轉向等)不需全功率驅動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，一般要進行全功率驅動研究。挖掘機的典型作業(yè)流程： (1)整機移動至合適工作位置；(2)平臺回轉，使工作裝置處于挖掘位置；(3)動臂下降，并調整斗桿、鏟斗至合適位置；(4)斗桿、鏟斗挖掘作業(yè)；(5)動臂升起；(6)回轉工作裝置至卸載位置；(7)操縱斗桿、鏟斗卸載。 圖2-5液壓挖掘機的工作運動 1-動臂升降；2-斗桿收放；3-鏟斗裝卸；4-轉臺回轉；5-整機行走 由于液壓挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，對主機的工作有兩項要求：①實現(xiàn)各種主要動作時，隨著阻力與作業(yè)速度的變化，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應變化；②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(例如挖掘與動臂下降、提升與回轉)同時進行復合動作。 液壓挖掘機一個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復合主要包括： （1）挖掘：通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進行挖掘，或兩者配合進行挖掘。因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復合動作，必要時，配以動臂動作。 （2）滿斗舉升回轉：挖掘結束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉液壓馬達使轉臺轉向卸載位置，此時主要是動臂和回轉的復合動作。 （3）卸載：轉到卸載位置時，轉臺制動，用斗桿液壓缸調節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟斗的復合動作，兼以動臂動作。 （4）空斗返回：卸載結束，轉臺反向回轉，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點，此時是回轉和動臂或斗桿的復合動作。 （5）整機移動工況：將整機移動至合適的工作位置。 （6）姿態(tài)調整與保持工況：滿足停放、運輸、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：由鏟斗液壓缸單獨動作進行挖掘的工況，采用鏟斗液壓缸進行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產率，因此，在一般土方工程挖掘中(III級土以下土壤的挖掘)鏟斗挖掘最常用。 (2)斗桿挖掘工況：由斗桿液壓缸單獨動作進行挖掘的工況，在較堅硬的土質條件下工作時，為了能夠裝滿鏟斗，中小型液壓挖掘機在實際工作中常以斗桿液壓缸進行挖掘。 (3)聯(lián)合挖掘工況：由鏟斗、斗桿液壓缸復合動作進行挖掘的工況，必要時還需配以動臂液壓缸的動作。主要用于需要軌跡控制的情況。 當單獨采用鏟斗液壓缸進行挖掘時，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定鏟斗液壓缸的行程。以鏟斗液壓缸進行挖掘時的挖掘行程較短，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，所以一般挖掘機的斗尖最大挖掘力都在采用鏟斗液壓缸挖掘時實現(xiàn)。 當單獨采用斗桿液壓缸進行挖掘時，挖掘軌跡以動臂與斗桿的鉸點為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于斗桿液壓缸的行程。當動臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進行挖掘時，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 一般認為斗容量小于0.5m3在土質松軟時以轉斗挖掘為主，否則以斗桿挖掘為主。這兩種情況的挖掘阻力不同。 在實際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復合工作。如在平整土地或切削斜坡時，需要同時操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運動，見圖2-6所示。此時斗桿收回，動臂抬起，需要保證彼此動作獨立，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行切削時，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時，就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復合動作，這些動作決定于液壓系統(tǒng)的設計，見圖2-7所示。當進行溝槽側壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進行垂直掘削，還要求向回轉馬達提供壓力油，產生回轉力，保持鏟斗貼緊側壁進行切削，因此需要回轉機構和斗桿機構復合動作。 單獨采用斗桿挖掘時，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個別也有采用三泵合流。單獨采用鏟斗挖掘時，也有采用雙泵合流的情況。 當動臂、斗桿和鏟斗復合運動時，為了防止同一油泵向多個液壓作用元件供油時動作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個油泵單獨對一個液壓作用元件供油較好。對于雙泵系統(tǒng)，復合動作時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、樹根等堅硬障礙物，往往由于挖不動而需要短時間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時增壓，能提高主壓力閥的壓力。 2.4.2 滿斗舉升回轉工況 滿斗舉升回轉的運動約占整個作業(yè)循環(huán)時間的50%～70%，能量消耗占25%～50%，回轉液壓回路的發(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臺的回轉時間。 挖掘結束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉液壓馬達使轉臺轉向卸載處，此時主要是動臂和回轉馬達的復合動作。動臂抬升和回轉馬達同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉角度不同，隨液壓挖掘機相對卸載的位置而變，因此動臂提升速度和回轉馬達的回轉速度的相對關系應該是可調整的。卸載回轉角度大，則要求回轉速度快些，而動臂的提升速度慢些。 回轉起動時，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時應該將溢流的油供給動臂。在回轉和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進行調整。這時是回轉馬達、動臂、斗桿和鏟斗進行復合動作。 2.4.3 卸載工況 回轉至卸載位置時，轉臺制動，用斗桿調節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調整卸載位置，還需要動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復合動作，兼有動臂動作。 2.4.4 空斗返回工況 當卸載結束后，轉臺反向回轉，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點。此工況是回轉馬達、動臂和斗桿復合動作。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵的全部流量供回轉馬達，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經節(jié)流閥供給斗桿。 發(fā)動機在低轉速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。特點與滿載回轉類似，但轉動慣量比滿足時減小。 2.4.5 整機移動工況 挖掘機一般不作長距離行走，只在工地范圍行走，作業(yè)時用來調整整機位置?；疽螅鹤笥衣膸Э瑟毩⒉倏v，可調速，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)，具有制動能力。 在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件(如回轉機構、動臂、斗桿和鏟斗)進行調整。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達供油、另一個油泵為右行走馬達供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當挖掘機進行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故。 為了保證挖掘機的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達分別由一個油泵單獨供油，另一個油泵向其它液壓作用元件(如動臂、斗桿、鏟斗和回轉)供油。對于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式：①一個油泵并聯(lián)向左、右行走馬達供油，另一個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供油；②雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達和作業(yè)裝置液壓作用元件同時供油。 2.4.6 姿態(tài)調整與保持工況 液壓挖掘機工作裝置及其他功能運動的制動與鎖定，要滿足接地比壓要求，并保證合適的停放、運輸尺寸、姿態(tài)及其特殊的檢查姿態(tài)， 圖2-8 挖掘機姿態(tài)調整保持工況圖 2.5 液壓挖掘機工作裝置設計要求 液壓挖掘機工作裝置由動臂機構、斗桿機構、鏟斗機構三部分組成，是一種具有多自由度的工程機械。這些主要機構經常啟動、制動、換向，外負載變化很大，工作條件惡劣，沖擊和振動多，因此對液壓挖掘機的工作裝置提出了較高的設計要求。根據(jù)液壓挖掘機的工作特點，其工作裝置的設計需要滿足以下要求。 2.5.1 幾何尺寸要求 液壓挖掘機工作裝置的幾何尺寸要求滿足一定的作業(yè)范圍和合適的運輸尺寸，挖掘機作業(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，在整個作業(yè)范圍內的任何位置都要求實現(xiàn)最大挖掘力并不經濟，而要求挖掘機在主要挖掘區(qū)內能實現(xiàn)最大挖掘力。主要挖掘區(qū)是指用最合理最經常的挖掘方式，最經常進行挖掘的區(qū)域。對液壓挖掘機來說最合理最經常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向機身運動的挖掘方式，用這種方式挖掘充斗效率高，循環(huán)時間短，也便于卸土，裝車，司機視野無阻，因此生產率高而又安全。最經常的挖掘區(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)間深入到挖掘機停機點地下，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的整機穩(wěn)定性要求。 2.5.2 運動和動力特性要求 液壓挖掘機各功能運動的動力特性要求和常見復合運動要求，如表2-1和2-2所示。 表2-1各功能運動的動力特性要求一覽表 功能運動名稱 應用工況 功率需求 變速要求 制動及鎖定要求 鏟斗正轉 挖掘、姿勢調整 大 不大 鏟斗反轉 卸載、姿勢調整 不大 不大 最好有鎖定 斗桿正轉 挖掘、姿勢調整 大 高 最好有鎖定 斗桿反轉 姿勢調整 不大 較高 最好有鎖定 動臂舉升 舉升、姿態(tài)調整 較大 高 動臂下降 姿態(tài)調整、輔助作業(yè) 一般 較高 回轉運動 挖掘與卸載轉位 高 高 行走運動 場內轉位調整作業(yè)位置 高 高 表2-2常見復合運動要求一覽表 復合運動 應用工況 特點與要求說明 鏟斗正轉+斗桿正轉 復合挖掘 功率需求大、變速要求高 鏟斗反轉+斗桿反轉 卸載 功率需求較小 斗桿正轉+動臂舉升 平整土地 要求操縱興性能好 動臂舉升+回轉運動 挖掘與卸載轉位 功率需求大，變速要求高，動力分配可調整 動臂下降+回轉運動 返回向挖掘處 兩者載荷差別大、速度要求高 2.5.3 結構強度要求 液壓挖掘機結構強度是工作裝置設計的關鍵之一，工作裝置的結構和所承受的載荷是十分復雜的。要求滿足工作裝置各部分的受力的情況下，保證工作裝置的強度和剛度特性。 在設計液壓挖掘機的工作裝置時，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增加了構件強度，而且縮短制造周期，降低了成本。要求動臂下支點及動臂油缸支承在平臺主梁的整塊鋼板上，這不僅增加構件強度而且減少焊接，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力，要求采用型鋼及壓型等結構。在結構件設計中為求等強度，要求采取局部加強的措施。 動臂、斗桿要求改為焊鑄結構，在應力較高的部位以鑄代焊，這樣大大提高了結構件的沖擊和疲勞強度。為確保焊接強度，要求所有鉸接部均采用鑄鋼件。結構件的破壞主要是由于沖擊疲勞，因此實際破壞時常不在負荷最大部位，而是應力集中部位。為減少應力集中，應使焊縫與應力集中部位錯開，在主要受力鉸接支承處采用鑄鋼件。 2.5.4 經濟性要求 液壓挖掘機經濟性評價指標有能量指標、作業(yè)循環(huán)時間減小、機重輕、延長維修周期和挖掘機壽命周期、加快維修進度和降低維修費用、司機操作的舒適性等。 能量指標(即消耗于單位土方的能量)雖不宜作為評價土方機械技術經濟效率的通用準則，但由于工作裝置單位重量和價格相對整機而言都較小，常用能量指標來表征工作裝置結構現(xiàn)代化的程度，這種符合能量指標的工作裝置應能完全滿足技術與使用要求，且足夠可靠。從能量指標角度來看，要求液壓挖掘機的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度高。 決定挖掘機生產率的基本因素是工作循環(huán)時間包括挖掘時間、向卸載點運行時間、卸載時間、向工作面返回時間。挖掘時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。為減少運行時間和返回時間應在允許的情況下盡量減小回轉角?；剞D角的合理范圍一般為70o~180o，最佳角度為90o?；剞D角度過小時，由于達不到最大回轉速度，不能充分利用發(fā)動機的功率，從而增加運行和返回時間。卸載時間主要取決于鏟斗的結構和土壤性質。 2.5.5 其它性能要求 液壓挖掘機的工作裝置除了滿足上述基本設計要求之外，還需要滿足其它的一般性能要求。例如，通過實現(xiàn)零部件的標準化、組件化和通用化，降低挖掘機的制造成本；提高液壓挖掘機各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足液壓挖掘機作業(yè)條件惡劣的要求；降低振動和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性等。 2.6 液壓挖掘機工作裝置的設計原則 對于液壓挖掘機工作裝置的設計，一般應考慮以下幾個原則： （1）位置特性：滿足主要工作尺寸及作業(yè)范圍的要求，在設計時應考慮與同類機型相比時的先進性，性能與主參數(shù)應符合國家標準之規(guī)定。運輸或停放時應有合理的姿態(tài)。 （2）運動特性：功率利用情況好，理論工作循環(huán)時間短。 （3）動力特性：滿足整機挖掘力大小及分布情況的要求；應考慮到整機穩(wěn)定性。 （4）結構特性：確定各鉸點布置，結構形狀應盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證剛度和強度的前提下，重量越輕越好；工作裝置應安全可靠，拆裝維修方便；液壓缸設計應盡量采用系列參數(shù)。 （5）特殊使用要求：附屬裝置如破碎捶等。 3工作裝置運動學分析 3.1 動臂運動分析 動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度； A：動臂油缸的下鉸點；B：動臂油缸的上鉸點；C：動臂的下鉸點. 圖3-1 動臂擺角范圍計算簡圖 φ1是L1的函數(shù)。動臂上任意一點在任一時刻也都是L1的函數(shù)。如圖3-1所示，圖中動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度；動臂油缸兩鉸點分別與動臂下鉸點連線夾角的最小值；動臂油缸兩鉸點分別與動臂下鉸點連線夾角的最大值；A：動臂油缸的下鉸點；B：動臂油缸的上鉸點；C：動臂的下鉸點。 則有： 在三角形ABC中： L12 = l72+l52-2×COSθ1×l7×l5 θ1=COS-1[（l72+l52-L12）/2×l7×l5] 式(3-1) 在三角形BCF中： L222 = l72+l12-2×COSα20×l7×l1 α20 = COS-1[（l72+ l12- L222）/2×l7×l1] 式(3-2) 由圖3-3所示的幾何關系，可得到α21的表達式： α21 =α20+α11-θ1 式(3-3) 當F點在水平線CU之下時α21為負，否則為正。 F點的坐標為 XF = l30+l1×cosα21 YF = l30+l1×Sinα21 式(3-4) C點的坐標為 XC = XA+l5×COSα11 = l30 YC = YA+l5×Sinα11 式(3-5) 動臂油缸的力臂e1 e1 = l5×Sin∠CAB 式(3-6) 顯然動臂油缸的最大作用力臂e1max= l5，又令ρ = l1min/ l5,δ = l7/ l5。這時 L1 = Sqr（l72-l52）= l5 × Sqr（δ2-1） θ1 = cos-11/δ 式(3-7) 3.2 斗桿的運動分析 如下圖3-2所示，D點為斗桿油缸與動臂的鉸點點，F(xiàn)點為動臂與斗桿的鉸點，E點為斗桿油缸與斗桿的鉸點。斗桿的位置參數(shù)是l2，這里只討論斗桿相對于動臂的運動，即只考慮L2的影響。 D-斗桿油缸與動臂的鉸點點； F-動臂與斗桿的鉸點； E-斗桿油缸與斗桿的鉸點； θ斗桿擺角. 圖3-2 斗桿機構擺角計算簡圖 在三角形DEF中 L22 = l82+ l92-2×COSθ2×l8×l9 θ2 = COS-1[（L22- l82-l92）/2×l8×l9] 式(3-8) 由上圖的幾何關系知 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θ2 = COS-1（l9/l8），L2 = sqr（l82-l92） 3.3 鏟斗的運動分析 鏟斗相對于XOY坐標系的運動是L1、L2、L3的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對于斗桿的運動，如圖3-5所示，G點為鏟斗油缸與斗桿的鉸點，F(xiàn)點為斗桿與動臂的鉸點Q點為鏟斗與斗桿的鉸點，v點為鏟斗的斗齒尖點，K點為連桿與鏟斗的餃點，N點為曲柄與斗桿的鉸點，M點為鏟斗油缸與曲柄的鉸點，H點為曲柄與連桿的鉸點。 （1） 鏟斗連桿機構傳動比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N點的作用力臂r1 r1 = l13×Sinα32 式(3-15) 連桿HK對N點的作用力臂r2 r2 = l13×Sin ∠NHK 式(3-16) 而由r3 = l24，r4 = l3 有[3] 連桿機構的總傳動比 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代入可得初傳動比i0，L2max代入可得終傳動比iz。 （2） 鏟斗相對于斗桿的擺角φ3 鏟斗的瞬時位置轉角為 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暫時未定，其在后面的設計中可以得到。 當鏟斗油缸長度L3分別取L3max和L3min時，可分別求得鏟斗的最大和最小轉角θ3max和θ3min，于是得鏟斗的瞬間轉角:φ3 = θ3-θ3min 式(3-20) 鏟斗的擺角范圍: φ3 = θ3max-θ3min 式(3-21) 圖3-3 鏟斗連桿機構傳動比計算簡圖 （3） 斗齒尖運動分析 見圖3-4所示，斗齒尖V點的坐標值XV和YV，是L1 、L2、L3的函數(shù)只要推導出XV和YV的函數(shù)表達式，那么整機作業(yè)范圍就可以確定，現(xiàn)推導如下: 由F點知： α32= ∠CFQ= π –α3-α4-α6-θ2 式(3-22) 在三角形CDF中：∠DCF由后面的設計確定，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 齒尖坐標方程推導簡圖 則可以得斗桿瞬間轉角θ2 θ2 = COS-1[（l82+l92- L22）/2×l8×l9] 式(3-25) α4、α6在設計中確定。 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 =α24 +α26 式(3-32) α20 = ∠KQV，其在后面的設計中確定。 在列出以上的各線段的長度和角度之間的關系后，利用矢量坐標我們就可以得到各坐標點的值。 3.4 特殊工作位置計算： A 最大挖掘深度H1max NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖. 圖3-5 最大挖掘深度計算簡圖 如圖3-5示，當動臂全縮時，F(xiàn), Q, U三點共線且處于垂直位置時，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H3max NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖 圖3-6 最大卸載高度計算簡圖 如圖3-6所示，當斗桿油缸全縮，動臂油缸全伸時，QV連線處于垂直狀態(tài)時，得最大卸載高度為: 式(3-34) C 水平面最大挖掘半徑R1max NH-搖臂；HK-連桿；C-動臂下鉸點；A -動臂油缸下鉸點；B-動臂與動臂油缸鉸點；F-動臂上鉸點；D-斗桿油缸上鉸點；E-斗桿下鉸點；G-鏟斗油缸下鉸點；Q-鏟斗下鉸點；K-鏟斗上鉸點；V-鏟斗斗齒尖 圖3-7 停機面最大挖掘半徑計算簡圖 如圖3-7所示，當斗桿油缸全縮時，F(xiàn). Q. V三點共線，且斗齒尖v和鉸點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 最大挖掘半徑時的工況是水平面最大挖掘半徑工況下C、V連線繞C點轉到水平面而成的。通過兩者的幾何關系，我們可計算得到：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點旋轉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 反鏟裝置的設計 4.1 挖掘裝載機工作裝置典型工況分析確定 挖掘裝載機的反鏟裝置實質是一組平面連桿機構，其結構特點是個部件均采用鉸銷連接，通過液壓缸的伸縮運動來完成挖掘過程的各種作業(yè)動作。動臂CBF小鉸點C與車架鉸接，由動臂液壓缸L1支撐并改變動臂傾角，使動臂繞下鉸點C轉動，達到動臂的升或降。斗桿鉸接在動臂上端F點，斗桿與動臂的相對位置由斗桿缸L2控制。鏟斗鉸接在斗桿前端Q點，鏟點缸L3活塞伸縮即可使鏟都繞斗桿桿端部伸縮。 圖4-1挖掘裝載機反鏟工作裝置結構簡圖 反鏟挖掘裝置主要挖掘停機面以下的土壤，挖掘軌跡決定于各液壓缸的運動及相互配合的情況。通常采用動臂油缸挖掘、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 以鏟斗油缸工作進行挖掘，挖掘軌跡則以鏟斗與斗桿的鉸點Q為中心，該鉸點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）。以鏟斗液壓缸進行挖掘時的挖掘行程較短，如使鏟斗在挖掘行程結束時能夠裝滿土壤，需要有較大的挖掘力保證能夠挖掘厚度的土壤。所以，一般挖掘機構的斗齒最大挖掘力在采用鏟斗缸挖掘時實現(xiàn)。 在實際挖掘中，往往需要采用各種液壓缸的聯(lián)合工作，例如當挖掘基坑時，由于挖掘深度較大，并且要求有陡而且平整基坑時，需要采用動臂與斗桿兩種液壓缸的同時工作；當挖掘到坑低時，挖掘行程結束，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工作。 4.1.2斗桿油缸挖掘 以斗桿液壓缸進行挖掘，鏟斗的挖掘軌跡系以動臂與斗桿鉸點F為中心，斗尖V至F的距離|FV|為半徑所做的圓弧線?；【€的長度與包角決定與斗桿液壓缸的行程（|DE|max-|DE|min）。當動臂位于最大下傾角時，可以得到最大挖掘深度，并且有較大的挖掘行程，在較硬的土質條件下工作時，能夠保證裝滿鏟斗。中小型挖掘機構在實際工作中常以斗桿挖掘進行工作。 4.1.3動臂油缸挖掘 采用動臂液壓缸工作進行挖掘（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，此時鏟斗的挖掘軌跡以挖掘軌跡系以動臂下鉸接點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），分別決定于動臂上傾角Ψ1min（動臂對水平線的夾角），也即決定于動臂液壓缸的行程（|AB|max-|AB|min）。這種挖掘方式時間長，并且穩(wěn)定條件限制了挖掘力的發(fā)揮，實際工作中基本上不采用。 4.2、挖掘裝載機工作裝置的基本參數(shù)的選擇 4.2.1斗行參數(shù)的選擇 圖4-2鏟斗主參數(shù)示意圖 平均斗寬B、轉斗挖掘半徑R、斗容量q和轉斗挖掘裝滿轉角（這里令=）是鏟斗的四個主要參數(shù)。R、B及三者與q之間有如下集合關系 式（4-1） 其中土壤松散系數(shù)的近似值取1.25，根據(jù)表2-6（反鏟平均斗寬統(tǒng)計值和推薦范圍）可根據(jù)斗容量q=0.16 m查得B可取0.6.q一定時和E隨著B和R的增大而下降。但B和R大到一定程度，綜合反應到<以后，和E的下降減緩。綜合考慮，可取。如果>則太大。如果<，則B或R太大。所以取=。 則可根據(jù)式4-1可得 ==0.865 m 即： R==865 mm 鏟斗上兩個鏟點K與Q之間距離，太大將影響鏟斗機構傳動特性，太小則影響鏟斗結構剛度。一般取特性參數(shù)=0.3～0.38.當鏟斗轉角較大時，取較小值，一般取=∠KQV=～。根據(jù)實際情況取=0.33，= 即：==0.33865=285 mm 再根據(jù)⊿KQV由遇險定理可得 KV== = =939 mm 4.2.2當工作裝置處于最大挖掘半徑時 圖4-3最大挖掘半徑時動臂機構計算簡圖 據(jù)統(tǒng)計，最大挖掘半徑值一般與的值很相近。因此由要求的，一定的和可以按下列近似經驗公式選擇和 = 式（4-2） = 式（4-3） 式中為動臂與斗桿的長度比，對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選擇。一般當>2時，稱為長動臂短斗桿方案；當<1.5時，屬于短動臂長斗桿方案；在1.5～2之間稱為中間比列方案。根據(jù)設計作業(yè)機械的實際情況，選取短動臂長斗桿方案。選取=1.3.其中=865 mm，=4.3m=4300mm 則把公式4-2、4-3聯(lián)立可得出： =1942 mm，=1493 mm 動臂油缸全伸與全縮時的力臂比=按不同情況選取?？紤]到以反鏟為主的通用機應適當顧及替換裝置（如正鏟）在地面以上對動臂油缸力矩的要求，可取=0.8～1.1 左右的通用機往往對正、反鏟并重，可