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大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 章 概述 3 1.1 引言 3 1.2 國(guó)內(nèi)外液壓挖掘機(jī)現(xiàn)狀、特點(diǎn) 3 1.3 液壓挖掘機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 5 1.4 本章小結(jié) 6 第 2 章 挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2.1 液壓挖掘機(jī)方案的確定 7 2.1.1 按底盤(pán)結(jié)構(gòu)分類(lèi) 7 2.1.2 按變幅機(jī)構(gòu)分類(lèi) 8 2.1.3 確定設(shè)計(jì)方案 9 2.2 變幅機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則 9 2.2.1 反鏟裝置的工作特點(diǎn) 9 2.2.2 反鏟裝置的設(shè)計(jì)原則 .10 2.3 本章小結(jié) .11 第 3 章 挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)分析與有限元分析 .12 3.1 SOILDWORKS在挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 12 3.2 挖掘機(jī)反鏟裝置的運(yùn)動(dòng)分析 .12 3.3 挖掘機(jī)反鏟裝置的動(dòng)力學(xué)分析 .14 3.3.1 液壓挖掘機(jī)的理論挖掘阻力 .14 3.3.2 液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真與有限元分析 .14 3.4 挖掘機(jī)反鏟裝置的靜力學(xué)分析 .16 3.4.1 鏟斗的受力分析 .16 3.4.2 斗桿的受力分析 .18 3.4.3 副動(dòng)臂的受力分析 .21 3.4.4 主動(dòng)臂的受力分析 .23 3.5 本章小結(jié) .25 第 4 章 整機(jī)穩(wěn)定性分析 .26 4.1 穩(wěn)定性及計(jì)算方法 .26 4.1.1 穩(wěn)定性 .26 4.1.2 穩(wěn)定性校核 .26 4.2 接地比壓計(jì)算 .28 4.3 本章小結(jié) .29 第 5 章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) .30 5.1 液壓系統(tǒng)的形式 .30 5.2 液壓回路設(shè)計(jì) .30 5.2.2 卸荷回路的設(shè)計(jì) .31 5.2.3 回轉(zhuǎn)回路的設(shè)計(jì) .31 5.2.4 節(jié)流調(diào)速和背壓回路的設(shè)計(jì) .31 5.2.5 行走限壓回路的設(shè)計(jì) .31 5.2.6 輔助回路的設(shè)計(jì) .32 5.3 重要液壓元件的選型設(shè)計(jì) .32 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 5.3.1 回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的選型設(shè)計(jì) .32 5.3.2 工作機(jī)構(gòu)液壓缸的選型設(shè)計(jì) .32 5.4 液壓原理圖 .32 5.5 本章小結(jié)： .33 結(jié) 論 .34 參考文獻(xiàn) 35 致謝 36 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 1 章 概述 1.1 引言 液壓挖掘機(jī)是交通運(yùn)輸、能源開(kāi)發(fā)以及城鎮(zhèn)建設(shè)等各項(xiàng)工程建設(shè)的重要施工 裝備，它的使用也反映了這些部門(mén)的施工機(jī)械化水平。因此，重視和加速挖掘機(jī) 改進(jìn)創(chuàng)新，穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿(mǎn)足用戶(hù)需求，對(duì)加速現(xiàn)代化工程建設(shè)有著重大 的意義。 液壓挖掘機(jī)反鏟裝置是完成液壓挖掘機(jī)各項(xiàng)功能的主要部分，其結(jié)構(gòu)的合理 性直接影響到液壓挖掘機(jī)的工作性能和可靠性。本文根據(jù)液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，通過(guò)類(lèi)比各種型號(hào)挖掘機(jī)和其他工程車(chē)輛，將挖掘機(jī)的動(dòng) 臂設(shè)計(jì)為組合式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)，大大擴(kuò)大了挖掘范圍，增加了機(jī)械工作效率。 1.2 國(guó)內(nèi)外液壓挖掘機(jī)現(xiàn)狀、特點(diǎn) 近十年來(lái)，液壓挖掘機(jī)總的發(fā)展趨勢(shì)是圍繞提高可靠性和效率、降低成本為 核心，繼續(xù)向大型化發(fā)展的同時(shí)向微型化發(fā)展；并著眼于動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn) 以達(dá)到高效節(jié)能。由于微電子技術(shù)的應(yīng)用，使其自動(dòng)化、機(jī)電一體化和智能化的 進(jìn)程加快。為適應(yīng)應(yīng)用范圍和使用條件的不斷擴(kuò)大，標(biāo)準(zhǔn)化、組件化成為必要的 條件，另外動(dòng)力也不僅限于柴油機(jī)，也可以電力為動(dòng)力。以全壽命理論為導(dǎo)向， 延長(zhǎng)維修周期、加快維修進(jìn)度和降低維修費(fèi)用；以人機(jī)工程學(xué)為基礎(chǔ)，更好地設(shè) 計(jì)和裝備駕駛室，提高機(jī)械作業(yè)性能，降低振動(dòng)和噪聲，消除公害，是這液壓挖 掘機(jī)得以成功發(fā)展的關(guān)鍵。最近幾年，各地對(duì)液壓挖掘機(jī)的需求量日益增加，液 壓挖掘機(jī)逐步取代機(jī)械式挖掘機(jī)是不可回避的事實(shí)。其主要特點(diǎn)是： （1）結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)靈活、零部件少、成本低、工作重量輕、生產(chǎn)能力高、 挖掘高度高；下挖準(zhǔn)確，具有良好的選采性能；功能多樣，完成挖掘作業(yè)后可以 迅速轉(zhuǎn)化為輔助作業(yè)，如可自行清理場(chǎng)地，保持工地平整等。 （2）中小型液壓挖掘機(jī)通用性強(qiáng)，既可以進(jìn)行強(qiáng)力挖掘作業(yè)，也可以完成 地表平整等輕巧作業(yè)，近年來(lái)還發(fā)展到裝有碎石器，進(jìn)行建筑物拆除和大塊礦巖 破碎等作業(yè)；用途廣泛，依靠人機(jī)系統(tǒng)操縱和控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率最大限度地靈 活運(yùn)用，從而發(fā)揮機(jī)器的強(qiáng)大挖掘力，快速作業(yè)，且操作輕巧。 （3）產(chǎn)品規(guī)格以中小型為主，逐漸向微型化發(fā)展，同時(shí)兼顧發(fā)展大斗容、 大功率液壓挖掘機(jī)。例如在日本，由于缺乏勞動(dòng)力，為降低施工成本而大力發(fā)展 微型液壓挖掘機(jī)，它們可在環(huán)境狹窄、惡劣施工條件下代替人工勞動(dòng)。隨著礦山 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 開(kāi)采的大型化，在歐洲發(fā)展了一批大型液壓挖掘機(jī)。德馬克公司 6251 的 H485 型、 O也是交通運(yùn)輸、能源開(kāi)發(fā)、城鎮(zhèn)建設(shè)以及國(guó)防施 工等各項(xiàng)工程建設(shè)的重要施工裝備，是各國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可替代的裝備。液壓挖掘 機(jī)的使用反映了這些國(guó)家的施工機(jī)械化水平。重視和加速挖掘機(jī)改進(jìn)創(chuàng)新，穩(wěn)定 提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿(mǎn)足用戶(hù)需求，已成為生產(chǎn)和研制部門(mén)的重大課題 [2]。 （1）整機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 液壓挖掘機(jī)的整機(jī)發(fā)展，趨向于大型化、微型化、多能化和專(zhuān)用化。大型礦 用全液壓挖掘機(jī)在短短幾年內(nèi)已由 100 噸級(jí)發(fā)展到 420 噸級(jí)，功率提高到 2352 馬力，斗容達(dá) 30 立方米，目前發(fā)展仍是方興未艾。大型機(jī)的特征是動(dòng)力源采用 兩臺(tái)或多臺(tái)柴油機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，采用了節(jié)省能源、回收功率和積蓄能等功率有效利 用的措施。結(jié)合城市建設(shè)和農(nóng)村建筑的需要，國(guó)外發(fā)展了微型挖掘機(jī)，斗容量一 般在 0.25 立方米以下，最小的達(dá) 0.01 立方米。微型機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕便 靈活，零部件盡量提高標(biāo)準(zhǔn)化程度。數(shù)量最龐大的中型機(jī)和小型機(jī)趨于一機(jī)多能 的途徑，有的國(guó)家統(tǒng)計(jì)，非建筑用的中、小型機(jī)已占 30%左右，主要是在冶金工 業(yè)和林業(yè)中作物料裝卸和其他用途。中型機(jī)和小型機(jī)的特點(diǎn)是發(fā)展多種專(zhuān)業(yè)裝置 進(jìn)行不同的作業(yè)( 也有通過(guò)液壓接頭，帶動(dòng)裝在工作裝置旁的油馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)另一輸 送設(shè)備) ，不斷提高性能，貫徹三化和提高單位機(jī)重的功率等。發(fā)展專(zhuān)門(mén)用途的特 種挖掘機(jī)，可以提高工作效率，解決特殊施工困難，例如，目前發(fā)展有步履式、 履帶低比壓式、低噪音、水下專(zhuān)用、水陸兩用等品種。配合水下資源的開(kāi)發(fā)，對(duì) 水下專(zhuān)用挖掘機(jī)更較重視，開(kāi)展了無(wú)線(xiàn)電遙控、電液遙控和同步顯示控制技術(shù)在 水下挖掘機(jī)中應(yīng)用的研究。 （2）工作裝置的發(fā)展趨勢(shì) 工作裝置的型式進(jìn)一步擴(kuò)大，除了常用的正鏟、反鏟以外，發(fā)展了起重、抓 斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤(pán)、振搗器、推土板、沖 擊工具、集裝叉、高空作業(yè)架、絞盤(pán)與拉鏟等幾十種品種。工作裝置的更換快速 而簡(jiǎn)便，甚至在司機(jī)室內(nèi)按動(dòng)電鈕，幾秒鐘即可換好，并且通過(guò)挖掘過(guò)程的研究， 來(lái)控制工作裝置的挖掘軌跡。目前正在研究連桿式、仿形式、套筒伸縮式、斗桿 追隨式和具有運(yùn)算輸入裝置的軌跡控制裝置。 （3）控制技術(shù)的發(fā)展 將飛速發(fā)展的電子技術(shù)運(yùn)用于控制領(lǐng)域，通過(guò)可編程控制元件、總線(xiàn)控制技 術(shù)的成功運(yùn)用、大幅度減化控制系統(tǒng)、提高操縱控制性能和安全性能，使大型挖 掘機(jī)的操縱變得越來(lái)越容易、越來(lái)越靈敏，更具人性化。各種帶有總線(xiàn)接口的發(fā) 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓閥、油泵、馬達(dá)等控制和執(zhí)行元件已較為成熟，成為挖掘機(jī) 發(fā)展的重要支撐 。 （4）智能化 隨著挖掘機(jī)噸位的增大，智能化顯得越來(lái)越重要，主要是指故障自診斷和自 動(dòng)安全保護(hù)功能的不斷擴(kuò)展和提升。由于可編程控制技術(shù)的逐漸成熟，這類(lèi)功能 的實(shí)現(xiàn)顯得越來(lái)越容易，也必將成為挖掘機(jī)發(fā)展的重要趨勢(shì)。 1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了挖掘機(jī)在交通運(yùn)輸、能源開(kāi)發(fā)以及城鎮(zhèn)建設(shè)等各項(xiàng)工程建設(shè) 中起到越來(lái)越大的作用，隨著國(guó)家對(duì)道路建設(shè)的需求迅速增長(zhǎng)，挖掘機(jī)的應(yīng)用巨 大市場(chǎng)，以及國(guó)內(nèi)外挖掘機(jī)的發(fā)展情況及目前的發(fā)展趨勢(shì)，為本次設(shè)計(jì)的挖掘機(jī) 提供了行業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 液壓挖掘機(jī)方案的確定 多功能全液壓挖掘機(jī)適用于房屋建筑、道路工程、水利建設(shè)、農(nóng)田開(kāi)發(fā)、港 口建設(shè)、國(guó)防工事等的土石方施工和礦山采掘工業(yè)中，對(duì)減輕繁重的體力勞動(dòng)、 保證工程質(zhì)量，加快建設(shè)速度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率起到巨大作用。根據(jù)行走裝置結(jié) 構(gòu)、動(dòng)臂和斗桿的不同形式大致可以劃分成以下兩種類(lèi)型。 2.1.1 按底盤(pán)結(jié)構(gòu)分類(lèi) 按底盤(pán)結(jié)構(gòu)方式可分為履帶式、輪胎式、汽車(chē)式、步履式、軌道式、拖式、 浮式等液壓挖掘機(jī)，如圖 2-1 所示。 a) 履帶式液壓挖掘機(jī) b) 輪胎式液壓挖掘機(jī) C）浮式挖掘機(jī) d）汽車(chē)式挖掘機(jī) 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 e）軌道式挖掘機(jī) f）步履式挖掘機(jī) 圖 2-1 按底盤(pán)結(jié)構(gòu)分類(lèi) 履帶式液壓挖掘機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是履帶式重心低，在進(jìn)行作業(yè)時(shí)也可以移動(dòng)，驅(qū)動(dòng) 力大，接地比壓小，越野性能好，穩(wěn)定性好，爬坡能力大，轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性 好。缺點(diǎn)是履帶式的行走制造成本高，運(yùn)行速度低，功率消耗大，零件磨損快， 長(zhǎng)距離運(yùn)行時(shí)要用運(yùn)輸車(chē)輛。 輪胎式液壓挖掘機(jī)運(yùn)行速度快，機(jī)動(dòng)性好，不損壞路面，但是接地比壓大， 爬坡能力小，作業(yè)時(shí)需要用專(zhuān)門(mén)支腿，穩(wěn)定性和安全性稍差。 輪胎式液壓挖掘機(jī)運(yùn)行速度快，機(jī)動(dòng)性好，不損壞路面，但是接地比壓大， 爬坡能力小，作業(yè)時(shí)需要用專(zhuān)門(mén)支腿，穩(wěn)定性和安全性稍差。 汽車(chē)式挖掘機(jī)機(jī)動(dòng)靈活，行駛速度高。汽車(chē)式挖掘機(jī)突出的缺點(diǎn)是汽車(chē)前方 為挖掘作業(yè)盲區(qū)，影響挖掘性能的發(fā)揮。 步履式、軌道式、浮式挖掘機(jī)適用于特殊工作，實(shí)用性不夠廣泛。 2.1.2 按變幅機(jī)構(gòu)分類(lèi) 變幅機(jī)構(gòu)可分為整體式和組合式，其中組合式包括伸縮式和非伸縮式結(jié)構(gòu)。 如圖 2-2 所示。 a) 整體式動(dòng)臂+整體式斗桿結(jié)構(gòu) b) 組合式動(dòng)臂+整體式斗桿結(jié)構(gòu) 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 c) 整體式動(dòng)臂+伸縮式斗桿結(jié)構(gòu) 圖 2-2 按變幅機(jī)構(gòu)分類(lèi) 整體式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉、剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕，它的缺點(diǎn)是 替換工作裝置較少、通用性較差，一般適用于作業(yè)條件相似的反鏟裝置。 組合式結(jié)構(gòu)的工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化進(jìn)行調(diào)整；能夠較 合理地滿(mǎn)足各類(lèi)作業(yè)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求，從而較簡(jiǎn)單的解決主要構(gòu)件的統(tǒng)一 化問(wèn)題，下動(dòng)臂一般可以適應(yīng)各種作業(yè)裝置要求，不需拆換；裝車(chē)運(yùn)輸也比較方 便。 2.1.3 確定設(shè)計(jì)方案 根據(jù)不同類(lèi)型底盤(pán)和動(dòng)臂斗桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)確定本次設(shè)計(jì)方案為：底盤(pán)選用 履帶式，采用組合式動(dòng)臂和整體式斗桿變幅機(jī)構(gòu)的反鏟裝置。主動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接 在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)主動(dòng)臂缸的伸縮，使主動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)， 副動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在主動(dòng)臂上，通過(guò)副動(dòng)臂缸的伸縮，使副動(dòng)臂連同斗桿繞主動(dòng) 臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞副動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而鏟斗鉸接于斗桿前 端，通過(guò)鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。底盤(pán)采用利勃海爾 R317 結(jié) 構(gòu)，回轉(zhuǎn)支撐采用內(nèi)齒式回轉(zhuǎn)支撐，發(fā)動(dòng)機(jī)用 Cat? C15 ACERT?，采用全回轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)的高速方案，此類(lèi)型挖掘機(jī)操作輕便靈活、安全可靠，能滿(mǎn)足挖掘、挖溝等 作業(yè)施工要求。 2.2 變幅機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則 2.2.1 反鏟裝置的工作特點(diǎn) 液壓挖掘機(jī)的反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下土壤（基坑、溝壕等） 。其 挖掘軌跡決定于各油缸的運(yùn)動(dòng)及其相互配合情況。通常情況下，分為動(dòng)臂挖掘、 斗桿挖掘、轉(zhuǎn)斗挖掘等幾種情況 [3]。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （1）動(dòng)臂挖掘：當(dāng)采用動(dòng)臂油缸工作來(lái)進(jìn)行挖掘時(shí)（斗桿和鏟斗油缸不工 作）可以得到最大的挖掘半徑和最長(zhǎng)的挖掘行程。此時(shí)鏟斗的挖掘軌跡系以動(dòng)臂 下鉸點(diǎn)為中心，斗齒至該鉸點(diǎn)的距離為半徑所作的圓弧線(xiàn)。其極限挖掘高度和挖 掘深度（不是最大挖掘深度）即圓弧線(xiàn)之起終點(diǎn)，分別決定于動(dòng)臂的最大上傾角 和下傾角( 動(dòng)臂與水平線(xiàn)之夾角)，也即決定于動(dòng)臂油缸的行程。由于這種挖掘方 式時(shí)間長(zhǎng)而且由于穩(wěn)定條件限制挖掘力的發(fā)揮，實(shí)際工作中基本上不采用。 （2）斗桿挖掘：當(dāng)僅以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)，鏟斗的挖掘軌跡為圓弧 線(xiàn)，弧線(xiàn)的長(zhǎng)度與包角決定于斗桿油缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂位于最大下傾角，并以斗 桿油缸進(jìn)行挖掘工作時(shí)，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行 程。在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，能夠保證裝滿(mǎn)鏟斗，故挖掘機(jī)實(shí)際工作中常 以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘。 （3）轉(zhuǎn)斗挖掘：當(dāng)僅以鏟斗油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)，鏟斗的挖掘軌跡也為圓 弧線(xiàn)，弧線(xiàn)的包角及弧長(zhǎng)決定于鏟斗油缸的行程。顯然，以鏟斗油缸上作進(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)裝滿(mǎn)土壤，需要有較大的挖掘 力以保證能挖掘較大厚度的土壤。所以一般挖掘機(jī)的斗齒最大挖掘力都在采用鏟 斗油缸工作時(shí)實(shí)現(xiàn)。采用鏟斗油缸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，轉(zhuǎn)斗挖掘較常采用。 在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各種油缸的聯(lián)合工作。如當(dāng)挖掘基坑時(shí)由 于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁時(shí)，則需采用動(dòng)臂與斗桿兩種油 缸的同時(shí)工作，當(dāng)挖掘坑底，挖掘行程將結(jié)束為加速將鏟斗裝滿(mǎn)土，以及挖掘過(guò) 程需要改變鏟斗切削角等情況下，則要求采用斗桿與鏟斗油缸同時(shí)工作。雖然此 時(shí)挖掘機(jī)的挖掘軌跡是由相應(yīng)油缸分別工作時(shí)的軌跡組合而成。顯然，這種動(dòng)作 能夠?qū)崿F(xiàn)還決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 當(dāng)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸已定時(shí)（包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗尺寸、鉸點(diǎn) 位置，相對(duì)的允許轉(zhuǎn)角或各油缸的行程等） ，即可用 SolidWorks 運(yùn)動(dòng)分析求得挖 掘機(jī)挖掘軌跡的包絡(luò)圖，即挖掘機(jī)在任一正常工作位置時(shí)所控制到的工作范圍。 對(duì)于反鏟裝置主要的工作尺寸為最大挖掘深度、最大卸載高度和最大挖掘半徑。 包絡(luò)圖中有部分區(qū)間靠近甚至深入到挖掘機(jī)停機(jī)點(diǎn)底下，這一范圍的土壤雖可挖 及，但可能引起土壤的崩塌而影響機(jī)械的穩(wěn)定和安全上作，除有條件的挖溝作業(yè) 外一般不使用。挖掘機(jī)反鏟裝置的最大的挖掘力決定于液壓系統(tǒng)的工作壓力、油 缸尺寸，以及各油缸間作用力之影響（斗桿、動(dòng)臂油缸的閉鎖壓力及力臂）外， 還決定于整機(jī)的穩(wěn)定和地面附著情況。因此反鏟裝置不可能在任何位置都能發(fā)揮 最大挖掘力 [4]。 2.2.2 反鏟裝置的設(shè)計(jì)原則 （1）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(lèi)型相比時(shí)的 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 先進(jìn)性，性能與主參數(shù)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定。 （2）滿(mǎn)足整機(jī)挖掘力大小及分布情況的要求。 （3）功率利用情況好，理論工作循環(huán)時(shí)間短。 （4）確定各個(gè)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。 （5）應(yīng)考慮到通用性和穩(wěn)定性。 （6）運(yùn)輸或停放時(shí)應(yīng)有合理的姿態(tài)。 （7）液壓缸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮三化，采用系列參數(shù)。 （8）作裝置應(yīng)安全可靠，拆裝方便。 （9）滿(mǎn)足特殊使用要求。 2.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了各種挖掘機(jī)，通過(guò)對(duì)比最終確定了挖掘機(jī)的方案，借鑒其他 挖掘機(jī)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)確定要設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式，變幅機(jī)構(gòu)采用油缸變幅，其次介紹了挖 掘機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 3 章 挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)分析與有限元分析 3.1 SoildWorks 在挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 在挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)中，最困難的工作就是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)軌跡校 核，目前多采用軌跡圖法或根據(jù)幾何約束條件建立方程組進(jìn)行求解，但對(duì)于運(yùn)動(dòng) 部件多于三個(gè)的機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)起來(lái)就要麻煩得多，并且設(shè)計(jì)工作不直觀(guān)，設(shè)計(jì)結(jié)果 也不盡人意。而美國(guó) SoildWorks 公司開(kāi)發(fā)的基于 SoildWorks 操作系統(tǒng)的三維設(shè) 計(jì)軟件 SoildWorks，則能充分解決上述問(wèn)題，該軟件是集設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)軌跡校核及 有限元分析于一體的強(qiáng)大應(yīng)用軟件，其建模速度快，直觀(guān)，并能充分顯示出各部 件運(yùn)動(dòng)中相互之間的協(xié)調(diào)關(guān)系 [5]。 3.2 挖掘機(jī)反鏟裝置的運(yùn)動(dòng)分析 本章僅對(duì)工作裝置進(jìn)行仿真分析，因此，在 solidworks 中建立液壓挖掘機(jī)工 作裝置的三維實(shí)體模型（如圖 3-1 所示） ，按照是否存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)(暫時(shí)不考慮行 走運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)裝置)將挖掘機(jī)劃分為：動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、鏟斗搖桿、鏟斗連桿、 主動(dòng)臂液壓缸、副動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸、左履帶、右履帶。 圖 3-1 挖掘機(jī)模型圖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 液壓挖掘機(jī)的基本參數(shù)是標(biāo)示和衡量挖掘機(jī)性能的重要指標(biāo)，同時(shí)也是挖掘 機(jī)仿真與優(yōu)化樣機(jī)效能評(píng)估參數(shù)的組成之一。為測(cè)量液壓挖掘機(jī)工作范圍的主要 作業(yè)尺寸，如最大挖掘半徑、最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸載高度等參 數(shù)，這里采用 solidworks 軟件對(duì)液壓挖掘機(jī)的順序工作方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在 各個(gè)液壓缸添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)，這里采用階躍函數(shù)即 STEP 函數(shù) [6]。具體設(shè)置如下： 主動(dòng)臂液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)：step(time,9,0,15,700)+step(time,32,0,41.5,-1250)+step( time,51.5,0,57.5,550)；斗桿液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)：step(time,0,0,6,850)+step(time,15,0,27 ,1000)+step(time,39,0,41.5,70)+step(time,44.5,0,51.5,930)；鏟斗液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)：st ep(time,6,0,9,600)+step(time,27,0,32,-600)+step(time,41.5,0,44.5,600)；副動(dòng)臂液壓 缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)：step(time,13,0,15,100)+step(time,32,0,41.5,-200)+step(time,51.5,0,57.5, 100)。從而，得出液壓挖掘機(jī)工作范圍的包絡(luò)曲線(xiàn)圖（如圖 3-2 所示） 。 仿真過(guò)程依次為：從圖 3-2 工作范圍的 A 點(diǎn)（此時(shí)鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸 處于全縮狀態(tài)）開(kāi)始調(diào)整主動(dòng)臂液壓缸到全縮狀態(tài)（AB 弧線(xiàn)） ，調(diào)整斗桿液壓缸 由全縮到全伸（BC 弧線(xiàn)） ，調(diào)整鏟斗液壓缸由全縮到全伸狀態(tài)（CD 弧線(xiàn)） ，調(diào)整 主動(dòng)臂液壓缸和副動(dòng)臂液壓缸由全縮到全伸（DE 弧線(xiàn)） 、調(diào)整鏟斗液壓缸由全伸 到全縮（EF 弧線(xiàn)） 、調(diào)整斗桿液壓缸由全伸到全縮（FG 弧線(xiàn)） 、調(diào)整主動(dòng)臂液壓 缸和副動(dòng)臂液壓缸由全伸到全縮（GA 弧線(xiàn)）,在運(yùn)動(dòng)軌跡的包絡(luò)圖中可能有部分 區(qū)間靠近甚至深入到挖掘機(jī)停機(jī)點(diǎn)底下，這一范圍的 土壤雖能挖及，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)（作業(yè)寬度 小于挖掘機(jī)履帶內(nèi)側(cè)距離）外一般不使用。 由圖 3-2 可得出挖掘機(jī)的主要作業(yè)尺寸的仿真值： 最大挖掘半徑的仿真值是 7510mm；最大挖掘深度的仿真值是 4702mm； 最大挖掘高度的仿真值是 7242mm；最大卸載高度的仿真值是 3495mm。 圖 3-2 挖掘機(jī)包絡(luò)圖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 3.3 挖掘機(jī)反鏟裝置的動(dòng)力學(xué)分析 3.3.1 液壓挖掘機(jī)的理論挖掘阻力 挖掘機(jī)的挖掘力是指液壓缸力通過(guò)相應(yīng)構(gòu)件傳遞給斗齒，用來(lái)切削土壤的作 用力．挖掘力是挖掘機(jī)的主要性能參數(shù)，它與液壓缸的推力、各鉸點(diǎn)的位置有 關(guān)．根據(jù)挖掘機(jī)挖掘方式的不同，挖掘過(guò)程可以分為：鏟斗液壓缸挖掘，斗桿液 壓缸挖掘及作復(fù)合動(dòng)作挖掘．一般認(rèn)為斗容量小于 0.5m，中小型的液壓?jiǎn)味贩寸P 挖掘機(jī)或在土質(zhì)松軟時(shí)以鏟斗挖掘?yàn)橹?，而斗桿挖掘主要適用于正鏟大功率裝置 和一些堅(jiān)硬的土壤或破碎巖石 [7]． （1）斗桿挖掘時(shí)挖掘阻力 （3-1）sggg KrqBhKW??60011745. 式中： —— 挖掘比阻力； —— 斗桿挖掘時(shí)的切削厚度；B——切削刃0 寬度影響系數(shù)， ； —— 鏟斗的平均寬度； —— 斗桿挖掘時(shí)的切削b2??6r 半徑； —— 土壤的松散系數(shù)； —— 斗桿挖掘過(guò)程中的總轉(zhuǎn)角； —— 斗SKg q 容量。 （2）鏟斗挖掘時(shí)挖掘阻力 （3-2）DBAZXRCW???35.1max1]}cos[{? 式中： —— 土壤的硬度系數(shù)，對(duì)不同的土壤條件取值不同，這里設(shè)挖機(jī) 用于Ⅳ級(jí)土壤的挖掘，取值為 4； —— 鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)到斗齒尖距離； ——某一挖掘位置時(shí)鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半； —— 某一挖掘位置處轉(zhuǎn)斗的瞬時(shí)max? 轉(zhuǎn)角； —— 切削刃寬度影響系數(shù)， ； —— 切削角變化影響系數(shù)；BbB21??A —— 帶有斗齒的系數(shù)； —— 斗側(cè)壁厚影響系數(shù)， ,其中 為側(cè)ZXSX03.1?? 壁厚度 ； ——切削刃擠壓土壤的力。D （3）復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)挖掘阻力 切向挖掘阻力 ，法向挖掘阻力 1bhKW01?W?2 其中： ——挖掘比阻力； ——斗寬； ——挖掘深度； ——挖掘阻力0 h 系數(shù)。 由于液壓挖掘機(jī)大都采用復(fù)合動(dòng)作挖掘，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可知斗寬 =650mm，挖掘深度 =0.2 =130mm，因?yàn)樵撶P斗所要涉及的工礦最多為 Ⅳ級(jí)bhb 土壤，計(jì)算得 =22000N。挖掘阻力垂直分力K01? 。NW924%4212??? 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 3.3.2 液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真與有限元分析 作用在鏟斗刃口上的挖掘阻力可分為兩種情況：1)對(duì)稱(chēng)載荷；2)偏心載荷。 這里只研究對(duì)稱(chēng)載荷的情況，物料的重力 G 的方向始終垂直向下，位置在鏟斗的 中部．切向挖掘阻力 Wl 與法向挖掘阻力的方向相互垂直，并定義在鏟斗中齒上。 其中切向挖掘阻力的方向始終沿鏟斗軌跡的切線(xiàn)指向鏟斗斗齒，法向挖掘阻力 W2 始終垂直于鏟斗軌跡的切線(xiàn)指向鏟斗斗齒，它們的方向相對(duì)于地面是隨著鏟 斗的轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷的變化，但相對(duì)于鏟斗是不變的。 以挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作方式的作業(yè)循環(huán)時(shí)間為依據(jù)，用系統(tǒng)提供的 STEP 函數(shù)設(shè) 定挖掘機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中的各個(gè)液壓缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)及受力函數(shù)。具體如下： 主動(dòng)臂液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)：step(time,9,0,15,700)+step(time,32,0,41.5,-1250)+step(time, 51.5,0,57.5,550)；斗桿液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)：step(time,0,0,6,850)+step(time,15,0,27,1000 )+step(time,39,0,41.5,70)+step(time,44.5,0,51.5,930)；鏟斗液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)：step(ti me,6,0,9,600)+step(time,27,0,32,-600)+step(time,41.5,0,44.5,600)；副動(dòng)臂液壓缸驅(qū) 動(dòng)函數(shù)：step(time,13,0,15,100)+step(time,32,0,41.5,-200)+step(time,51.5,0,57.5,100) ；切向挖掘阻力函數(shù)：step(time,9,0,32,22000)+step(time,32,0,59,-22000)；法向挖 掘阻力函數(shù)：step(time,9,0,32,9240)+step(time,32,0,59,-92400)；重力函數(shù)：step(tim e,9,0,32,5000)+step(time,32,0,41.5,0)+step(time,41.5,0,44.5,-5000)。 下面采用 COSMOS/Motion 對(duì)挖掘機(jī)復(fù)合挖掘進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析仿真，計(jì)算出 各個(gè)液壓缸的受力曲線(xiàn)圖（圖 3-3 到 3-6 所示） 。 圖 3-3 主動(dòng)臂油缸反作用力曲線(xiàn) 圖 3-4 副動(dòng)臂油缸反作用力曲線(xiàn) 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 3-5 斗桿油缸反作用力曲線(xiàn) 圖 3-6 鏟斗油缸反作用力曲線(xiàn) 由反作用力曲線(xiàn)可知，主動(dòng)臂油缸的最大受力為 274012N，副動(dòng)臂油缸的最 大受力為 388821N，斗桿油缸的最大受力為 250254N，鏟斗油缸的最大受力為 111380N，此結(jié)果為液壓系統(tǒng)變幅油缸的選型設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 3.4 挖掘機(jī)反鏟裝置的靜力學(xué)分析 由文獻(xiàn)[8]可以計(jì)算得出鏟斗的基本尺寸，并在 solidworks 中建立鏟斗的三 維模型并進(jìn)行受力分析。 3.4.1 鏟斗的受力分析 3.4.1.1 鏟斗的理論挖掘阻力 由于液壓挖掘機(jī)大都采用復(fù)合動(dòng)作挖掘，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可知斗寬 =650mm，b 挖掘深度 =0.2 =130mm，因?yàn)樵撶P斗所要涉及的工礦最多為Ⅳ級(jí)土壤，計(jì)算得hb =22000N。挖掘阻力垂直分力 。KW01? NW9240%4212 ???? 3.4.1.2 鏟斗有限元分析 （1）零件材料 表 3-1 鏟斗零件材料 零件序號(hào) 零件名稱(chēng) 材料 質(zhì)量 體積 1 斗齒 Q345-A 2.41414 kg 0.000300538 3m 2 鏟斗 Q235 475.406 kg 0.0617411 （2）載荷、約束信息（如圖 3-7） 表 3-2 載荷、約束信息 制約-1 于 4 面 鉸接。 力/扭矩-1 于 5 面 應(yīng)用法向力 22000 N 使用均勻分布 力/扭矩-2 于 5 面 應(yīng)用法向力 9240N 使用均勻分布 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 3-7 載荷、約束信息 （3）結(jié)果分析（如圖 3-8） 表 3-3 鏟斗分析結(jié)果 名稱(chēng) 類(lèi)型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力 1 VON:von Mises 應(yīng)力 0.13965 N/mm^2 (MPa) 節(jié): 49120 (-7005.21 mm, 6898.55 mm, -349.116 mm) 110.22 /mm^2 (MPa) 節(jié): 56308 (-6301.46 mm, 6609.16 mm, 320.935 mm) 位移 1 URES:合位移 0 m 節(jié): 8483 (-6444.92 mm, 6204.93 mm, 320.955 mm) 0.00222229 m 節(jié): 3391 (-7387.03 mm, 7305.64 mm, 136.055 mm) 應(yīng)變 1 ESTRN :對(duì)等應(yīng) 變 5.57997e-007 單元: 7534 (-6424.99 mm, 7168.73 mm, 84.5544 mm) 0.00036976 單元: 29763 (-6303.45 mm, 6610.32 mm, 313.435 mm) 表 3-4 約束處反作用力 選擇組 單位 總和 X 總和 Y 總和 Z 合力 4 個(gè)面 N -20186.3 6112.53 -111.32 21091.7 最后，將鏟斗載荷傳遞到連桿機(jī)構(gòu)，并計(jì)算出每個(gè)連桿的受力情況。其中連桿和 搖桿均為二力桿。 a) 鏟斗應(yīng)力圖 b）鏟斗位移圖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 c）鏟斗應(yīng)變圖 圖 3-8 鏟斗分析結(jié)果 由以上設(shè)計(jì)結(jié)果，可知鏟斗設(shè)計(jì)合理，取鏟斗安全系數(shù)為 2.8，由 得， ， 所以符合挖掘機(jī)械設(shè)計(jì)要求。ns??][ MPa2.105.238.4][?? 3.4.2 斗桿的受力分析 反鏟裝置的斗桿強(qiáng)度主要為彎矩所控制，故其計(jì)算位置可跟據(jù)反鏟工作中挖 掘力對(duì)斗桿可能產(chǎn)生的最大彎矩來(lái)確定。根據(jù)斗桿工作情況的分析和試驗(yàn)說(shuō)明， 危險(xiǎn)斷面最大應(yīng)力發(fā)生在采用轉(zhuǎn)斗挖掘的工況下。其計(jì)算位置可按以下條件確定， 一般取以下兩個(gè)位置 [9]： 計(jì)算位置 1，如圖 3-9 所示，條件為： （1）動(dòng)臂位于最低（動(dòng)臂液壓缸全縮） ； （2）斗桿液壓缸作用力臂最大（斗桿液壓缸與斗桿尾部夾角為 90 度） ； （3）斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上； （4）側(cè)齒遇障礙作用有側(cè)向力。 這時(shí)，工作裝置上的作用力有工作裝置各部分的重量，作用于斗側(cè)齒上的挖 掘阻力（包括切向分力 ，法向分力 和側(cè)向力 ） 。1W2kW （3-3）TkMr? 式中： —橫向阻力 與回轉(zhuǎn)中心間的距離； —回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)器可承受rk T 的最大力矩。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 3-9 斗桿計(jì)算位置 I 圖 3-10 計(jì)算位置 2 計(jì)算位置 2，如圖 3-10 所示，條件為： （1）動(dòng)臂位于動(dòng)臂液壓缸對(duì)鉸點(diǎn)有最大作用力臂處； （2）斗桿液壓缸作用力臂最大； （3）鏟斗位于發(fā)揮最大挖掘力位置； （4）正常挖掘，即挖掘阻力對(duì)稱(chēng)于鏟斗，無(wú)側(cè)向力作用。 此時(shí)工作裝置上的作用力僅為工作裝置的自重及斗齒上的作用力 及 。 1W2 3.4.2.1 斗桿計(jì)算位置 1 有限元分析 （1）零件材料 表 3-5 斗桿零件材料 零件序號(hào) 零件名稱(chēng) 材料 質(zhì)量 體積 1 斗桿 Q345-A 533.63 千克 0.069 3m （2）載荷、約束、網(wǎng)格信息（如圖 3-11） 圖 3-11 計(jì)算位置 I 網(wǎng)格和載荷 （3）結(jié)果分析（如圖 3-12） 表 3-6 斗桿分析結(jié)果 名稱(chēng) 類(lèi)型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力 1 VON:von Mises 應(yīng)力 0N/mm^2 (MPa) 節(jié): 31856 (-2958.01 mm, -2925.19 mm, 149.9N/mm^2 (MPa) (-3007.62 mm, -2476.9 mm, 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 -689.39 mm) 節(jié): 11516 -829.553 mm) 位移 1 URES:合位移 3.598 e-008 m 節(jié): 42 (-2849.69 mm, -968.946 mm, -749.553 mm) 0.001158 m 節(jié): 22147 (-1046.08 mm, -4666.95 mm, -614.528 mm) 應(yīng)變 1 ESTRN :對(duì)等應(yīng) 變 6.191e-018 單元: 15837 (-2974.52 mm, -2918.17 mm, -778.183 mm) 0.003401m 單元: 7889 (-3009.53 mm, -2469.3 mm, -838.276 mm) 表 3-7 約束處反作用力 選擇組 單位 總和 X 總和 Y 總和 Z 合力 面 1 N 54230.25 72000.29 20005.21 85420.38 面 2 N -11300.25 -63500.37 -70.4 74200.46 a）應(yīng)力圖 b）位移圖 c）應(yīng)變圖 圖 3-12 斗桿分析結(jié)果 由分析結(jié)果可知斗桿最大應(yīng)力為 158.5MPa，取斗桿安全系數(shù)為 2，由 得[σ]=345/2=172.5≥158.5MPa，設(shè)計(jì)符合要求。ns??][ 3.3.2.2 斗桿計(jì)算位置 2 有限元分析 （1）零件材料如表 3-9 所示。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 （2）載荷、約束、網(wǎng)格信息（如圖 3-13 所示） 圖 3-13 計(jì)算位置 2 網(wǎng)格和載荷 （3）結(jié)果分析（圖 3-14） a）應(yīng)力圖 b）合位移圖 c）應(yīng)變圖 圖 3-14 分析結(jié)果圖 由計(jì)算結(jié)果可知，斗桿最大應(yīng)力為 149.9MPa，取斗桿安全系數(shù)為 2，由 得[σ]=345/2=172.5MPa≥149.9MPa，所以設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。ns??][ 3.4.3 副動(dòng)臂的受力分析 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 計(jì)算位置 1（如圖 3-15） ，其應(yīng)滿(mǎn)足以下條件： （1）動(dòng)臂油缸全縮； （2）斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)、斗桿與副動(dòng)臂鉸點(diǎn)在同一條直線(xiàn)； （3）鏟斗挖掘時(shí)，斗邊點(diǎn)遇到障礙； 該工況也就是最大挖掘深度工況。 計(jì)算位置 2（如圖 3-10） ，其滿(mǎn)足以下條件： （1）動(dòng)臂油缸的作用力臂最大； （2）斗桿的作用力臂最大； （3）鏟斗進(jìn)行正常挖掘，鏟斗位于最大挖掘力位置 [10]。 圖 3-15 計(jì)算位置 1 3.4.3.1 副動(dòng)臂有限元分析 （1）零件材料 表 3-9 副動(dòng)臂零件材料 零件序號(hào) 零件名稱(chēng) 材料 質(zhì)量 體積 1 副動(dòng)臂 Q345—A 686 千克 0.0873 3m （2）網(wǎng)格劃分和結(jié)果（圖 3-16 和 3-17） a）網(wǎng)格劃分 b）副動(dòng)臂計(jì)算位置 1 應(yīng)力圖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 C）副動(dòng)臂計(jì)算位置 1 位移圖 d）副動(dòng)臂計(jì)算位置 1 應(yīng)變圖 圖 3-16 副動(dòng)臂計(jì)算位置 1 結(jié)果 a）副動(dòng)臂計(jì)算位置 2 應(yīng)力圖 b）副動(dòng)臂計(jì)算位置 2 位移圖 b）副動(dòng)臂計(jì)算位置 2 應(yīng)變圖 圖 3-17 副動(dòng)臂計(jì)算位置 2 分析結(jié)果圖 由分析結(jié)果可知副動(dòng)臂最大應(yīng)力為 240.7MPa，取副動(dòng)臂安全系數(shù)為 1.2，由 得[σ ]=345/1.2=288MPa≥240.7MPa，所以設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。ns??][ 3.4.4 主動(dòng)臂的受力分析 計(jì)算位置 1（如圖 3-15） ，其應(yīng)滿(mǎn)足以下條件： （1）動(dòng)臂油缸全縮； 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 （2）斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)、斗桿與副動(dòng)臂鉸點(diǎn)在同一條直線(xiàn)； （3）鏟斗挖掘時(shí)，斗邊點(diǎn)遇到障礙； 該工況也就是最大挖掘深度工況。 計(jì)算位置 2（如圖 3-10） ，其滿(mǎn)足以下條件： （1）動(dòng)臂油缸的作用力臂最大； （2）斗桿的作用力臂最大； （3）鏟斗進(jìn)行正常挖掘，鏟斗位于最大挖掘力位置 [10]。 3.3.4.1 主動(dòng)臂有限元分析 （1）零件材料 表 3-10 副動(dòng)臂零件材料 零件序號(hào) 零件名稱(chēng) 材料 質(zhì)量 體積 1 主動(dòng)臂 HQ60 587 千克 0.0778 3m （2）網(wǎng)格劃分和分析結(jié)果（圖 3-18 和 3-19） a）主動(dòng)臂網(wǎng)格劃分 b）主動(dòng)臂計(jì)算位置 1 應(yīng)力圖 c）主動(dòng)臂計(jì)算位置 1 位移圖 d）主動(dòng)臂計(jì)算位置 1 應(yīng)變圖 圖 3-18 主動(dòng)臂計(jì)算位置 1 分析結(jié)果 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 a）主動(dòng)臂計(jì)算位置 2 應(yīng)力圖 b）主動(dòng)臂計(jì)算位置 2 位移圖 c）主動(dòng)臂計(jì)算位置 2 應(yīng)變圖 圖 3-19 主動(dòng)臂計(jì)算位置 2 分析結(jié)果 由結(jié)果可知副動(dòng)臂最大應(yīng)力為 374MPa，取主動(dòng)臂安全系數(shù)為 1.5，由 得 σ=600/1.5=400MPa≥374MPa，所以設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。ns?? 3.5 本章小結(jié) 本章通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析，計(jì)算出挖掘機(jī)的包絡(luò)圖，為挖掘機(jī)的工作范圍提供了理 論依據(jù)，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算出各個(gè)液壓缸的受力情況，最后通過(guò)有限元分析 計(jì)算了各個(gè)危險(xiǎn)工況工作裝置的受力情況。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 第 4 章 整機(jī)穩(wěn)定性分析 4.1 穩(wěn)定性及計(jì)算方法 4.1.1 穩(wěn)定性 挖掘機(jī)的穩(wěn)定性是指在最不利的傾覆線(xiàn)上的穩(wěn)定力矩之和大于或等于傾覆力 矩之和。挖掘機(jī)的所有零部件、總成由于自重引起的力矩和配重外伸引起的力矩 都作為穩(wěn)定力矩。對(duì)于可以變更的或者可以移動(dòng)的零部件、凡是對(duì)挖掘機(jī)穩(wěn)定性 有影響的重力，均要考慮其最不利的值和最不利的位置。傾覆力矩主要是由鏟斗 內(nèi)的重物和工作裝置自重引起的 [11]。 4.1.2 穩(wěn)定性校核 挖掘機(jī)的穩(wěn)定性根據(jù)工況的不同可以分為作業(yè)穩(wěn)定性、自身穩(wěn)定性、行走穩(wěn) 定性。本文以作業(yè)穩(wěn)定性作為穩(wěn)定性計(jì)算。挖掘機(jī)在挖掘過(guò)程中有兩種失穩(wěn)狀態(tài) 即挖掘失穩(wěn)和卸載失穩(wěn)狀態(tài)。本文主要以挖掘失穩(wěn)狀態(tài)作為校核。 4.1.2.1 挖掘失穩(wěn)狀態(tài)校核 反鏟液壓挖掘機(jī)的失穩(wěn)狀態(tài)有以下三種工況： （1）斗桿垂直于地面，斗齒尖離地面以下 0.5m，用鏟斗挖掘，切向阻力垂 直地面，法向阻力指向機(jī)體，此時(shí)傾覆邊緣在履帶前端（如圖 4-1） 。 在 solidworks 中測(cè)出各個(gè)零件的質(zhì)量和重心的位置，并測(cè)出各個(gè)零件的重心 到履帶前端的距離。 圖 4-1 失穩(wěn)狀態(tài) 1 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 采用平衡法計(jì)算許用穩(wěn)定系數(shù)： n= = (4-1)傾 覆 力 矩穩(wěn) 定 力 矩 LWLgGii ?????271415 式中 —底盤(pán)和上車(chē)總重 ；1GNG201 、 、 、 、—分別表示鏟斗、斗桿、副動(dòng)臂、主動(dòng)臂的重量，g234g =3570N， =5740N， =6870N， = 9490N。1234g —各個(gè)工作機(jī)構(gòu)相對(duì)于履帶前端的距離，其中iL =3675mm， =4047mm， =2837mm， =500mm， =3000mm12L3L4L5 ， =500mm， =2832mm。67 切向挖掘阻力 =22000N，法向挖掘阻力 =9240N。1W2W 將以上數(shù)據(jù)代入公式 (5-1)中得： n=1.8≥ [n]=1 所以該工況挖掘機(jī)穩(wěn)定性符合要求。 （2）在最大挖掘深度時(shí)斗桿及鏟斗處于垂直位置，用鏟斗液壓缸挖掘，此 時(shí)挖掘阻力有使整機(jī)抬起的趨勢(shì)，傾覆邊緣在履帶的后端（圖 4-2） 。 在 solidworks 中測(cè)出各個(gè)零件的質(zhì)量和重心的位置，并測(cè)出各個(gè)零件的重心 到履帶后端的距離。 圖 4-2 失穩(wěn)狀態(tài) 2 采用平衡法計(jì)算許用穩(wěn)定系數(shù)： n= = (4-2)傾 覆 力 矩穩(wěn) 定 力 矩 721 54LWHGgiii??? 式中 、 、 、 意義同（4-1） ， —挖掘最大深度，H=4702mm，igiG1W2 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 =5699mm， =5270mm， =4926mm， =3873mm， =800mm， =51L2L3L4L5L7 102mm。 將以上數(shù)據(jù)代入（4-2）得： n=2.1≥[n]=1 所以該工況穩(wěn)定性符合要求。 （3）在停機(jī)面上最大挖掘半徑處用鏟斗液壓缸挖掘，挖掘阻力有使整機(jī)后 傾覆的趨勢(shì)，傾覆邊緣在履帶的后端（圖 4-3） 。 在 solidworks 中測(cè)出各個(gè)零件的質(zhì)量和重心的位置，并測(cè)出各個(gè)零件的重心 到履帶后端的距離。 圖 4-3 失穩(wěn)狀態(tài) 3 采用平衡法計(jì)算許用穩(wěn)定系數(shù)： n= = （4-3）傾 覆 力 矩穩(wěn) 定 力 矩 61 54LWGgi??? 式中 、 、 意義同（4-1） ，ii1 =8948mm， =7509mm， =5698mm， =3430mm， =800mm， =86201L2L3L456L mm。 將以上數(shù)據(jù)代入（4-3）得： n=1.7≥[n]=1 所以該工況穩(wěn)定性符合要求。 4.2 接地比壓計(jì)算 挖掘機(jī)由于作業(yè)條件和環(huán)境比較惡劣,因此計(jì)算接地比壓十分重要。 接地比壓,是指公稱(chēng)(平均)接地比壓。它等于機(jī)器的總重力與兩條履帶接地 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 面積的比值,用公式表示為 [12]: (4-4) bLGP2? 式中 ——公稱(chēng)接地比壓，MPa；P ——機(jī)器的總重力， =250000N；G ——履帶接地長(zhǎng)度， =3310mm；L ——履帶板寬度， =650mm。bb 由式 4-4 計(jì)算的接地比壓是理想的平均比壓（如圖 4-4） 。 圖 4-4 接地比亞 將數(shù)據(jù)代入公式(4-4)，解得 =0.58MPa。P 通過(guò)計(jì)算可以得出的結(jié)論是挖掘機(jī)在工作時(shí)，路面承受壓力的平均能力必須 大于 0.58MPa。 4.3 本章小結(jié) 本章進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，包括抗傾覆性計(jì)算和接地比壓計(jì)算兩部分?？箖A覆 性計(jì)算需要穩(wěn)定性力矩大于傾覆力矩，防止挖掘機(jī)在額定載荷作用下發(fā)生翻車(chē)事 故。接地比壓計(jì)算求出挖掘機(jī)在工作時(shí)候的平均接地比亞，為挖掘機(jī)的穩(wěn)定工作 提供了依據(jù)。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第 5 章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 液壓系統(tǒng)的形式 1.開(kāi)式、閉式系統(tǒng) 按油液循環(huán)方式不同，液壓系統(tǒng)可分為開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。 開(kāi)式系統(tǒng)是指液壓泵從油箱中吸油，把壓力油輸給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件排出 的油則直接流回油箱。開(kāi)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液壓油能夠得到較好的冷卻，油液中 雜質(zhì)易沉淀，但油箱尺寸較大，空氣、臟物容易進(jìn)入系統(tǒng)中去，會(huì)導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)。在實(shí)際應(yīng)用中多用于發(fā)熱較多的液壓系統(tǒng)，如具有節(jié)流調(diào)速回路 的系統(tǒng)。 閉式系統(tǒng)是指液壓泵的排油腔直接與執(zhí)行元件的進(jìn)油管相連，執(zhí)行元件的回 油管直接與液壓泵的吸油管相連，油液在系統(tǒng)的管路中進(jìn)行封閉循環(huán)。閉式系統(tǒng) 油箱尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、執(zhí)行元件回油管和液壓泵吸油腔直接連通，減少了空氣 及臟物進(jìn)入系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，但油液的冷卻條件差，需要輔助泵進(jìn)行換油冷卻和補(bǔ)償 漏油，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。一般情況下，閉式系統(tǒng)中的執(zhí)行元件若采用雙作用單活塞 桿液壓缸時(shí)，由于兩腔流量不等，在工作中會(huì)使功率利用下降。所以閉式系統(tǒng)的 執(zhí)行元件一般為馬達(dá) [13]。 2.單泵、多泵系統(tǒng) 按系統(tǒng)中的液壓泵數(shù)量，液壓系統(tǒng)可分為單泵系統(tǒng)和多泵系統(tǒng)。 單泵系統(tǒng)是指由一個(gè)液壓泵向一個(gè)或一組執(zhí)行元件供油的液壓系統(tǒng)。單泵系 統(tǒng)適合于不需要進(jìn)行多種復(fù)合動(dòng)作的工程機(jī)械，如推土機(jī)等鏟土運(yùn)輸機(jī)械的液壓 系統(tǒng)。 多泵系統(tǒng)是多個(gè)單泵系統(tǒng)的組合。每臺(tái)泵可以分別向各自回路中的執(zhí)行元件 供油。每臺(tái)泵的功率是根據(jù)各自回路中的功率而定。例如:當(dāng)系統(tǒng)中只需要進(jìn)行 單個(gè)動(dòng)作而又要充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，可采用合流供油方式，即幾個(gè)液壓泵流 量同時(shí)供給一個(gè)執(zhí)行元件，這樣可使工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度加快。 5.2 液壓回路設(shè)計(jì) 由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多、工作環(huán)境惡劣、控制精度要求高等特點(diǎn)，挖掘機(jī)的液壓 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮多方面的要求。挖掘機(jī)的工作裝置全部采用液壓驅(qū)動(dòng)。 挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程包括下列幾個(gè)間歇?jiǎng)幼鳎簞?dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝載、 轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走、以及其他輔助動(dòng)作 [14]。 挖掘機(jī)主機(jī)的工作由兩項(xiàng)特殊要求：1、實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)阻力于作業(yè)速 度隨時(shí)變化，因此要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也相應(yīng)變化。2、為了充 分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過(guò)程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼魍?時(shí)進(jìn)行，這叫做復(fù)合動(dòng)作。這兩項(xiàng)要求需要由液壓系統(tǒng)保證。 因此本次設(shè)計(jì)采用雙泵單回路，全功率變量系統(tǒng)的開(kāi)式液壓回路，該系統(tǒng)中 兩個(gè)油泵由一個(gè)總功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)平衡使兩個(gè)泵的流量相同。 5.2.1 限壓回路設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)限壓回路用來(lái)限制系統(tǒng)的壓力，使系統(tǒng)壓力不超過(guò)調(diào)定的 值，用溢流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)限壓。 5.2.2 卸荷回路的設(shè)計(jì) 卸荷回路是挖掘機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)不工作時(shí)，使液壓泵盡可能以最低功率消耗進(jìn)行 空轉(zhuǎn)，采用換向閥中位卸荷。 5.2.3 回轉(zhuǎn)回路的設(shè)計(jì) 在挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回路上設(shè)有緩沖閥，利用緩沖閥使液壓馬達(dá)高壓腔的油 液超過(guò)一定壓力時(shí)獲得出路。 5.2.4 節(jié)流調(diào)速和背壓回路的設(shè)計(jì) 節(jié)流調(diào)速就是利用節(jié)流閥的可變通流截面來(lái)改變流量，進(jìn)行調(diào)速，為了工作 的安全在液壓缸的回油路上裝以單向節(jié)流閥，形成節(jié)流限速回路。為了防止動(dòng)臂 因自重降落速度太快而發(fā)生危險(xiǎn)，其大腔回油路上裝以單向節(jié)流閥，使動(dòng)臂下降 速度受節(jié)流控制。在各個(gè)液壓缸的進(jìn)油和回油路上裝以背壓閥，實(shí)現(xiàn)各個(gè)液壓缸 的安全工作。 5.2.5 行走限壓回路的設(shè)計(jì) 履帶式液壓挖掘機(jī)下坡行駛時(shí)，因自重加速，可能導(dǎo)致超速溜坡事故，發(fā)生 危險(xiǎn)，此時(shí)行走馬達(dá)超速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)生吸空現(xiàn)象，甚至損壞。因此履帶行走裝置必 須考慮行走液壓馬達(dá)的限速和補(bǔ)油，使液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制在安全容許范圍內(nèi)。利 用節(jié)流閥調(diào)節(jié)馬達(dá)回油速度，挖掘機(jī)一旦超速，進(jìn)油供應(yīng)不及，壓力降低，控制 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 油壓力也隨著降低，防止了超速溜坡。 5.2.6 輔助回路的設(shè)計(jì) 挖掘機(jī)的作業(yè)操作回路主要是操作換向閥移位，以改變各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作方向 和速度。利用手柄操縱若干個(gè)先導(dǎo)閥，使具有一定壓力的液壓油進(jìn)入各個(gè)換向閥， 推動(dòng)閥桿移位，實(shí)現(xiàn)主機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作 [15]。 5.3 重要液壓元件的選型設(shè)計(jì) 5.3.1 回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的選型設(shè)計(jì) 動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)元件初選力士樂(lè)回轉(zhuǎn)減速機(jī) GFB17T2，輸出轉(zhuǎn)矩 12000N·m，液 壓馬達(dá) A2FE63/61W-VZL，輸出齒輪齒數(shù) m×z×x×b=8×43×0×90，減速機(jī)重 量 120kg。 下面對(duì)扭矩進(jìn)行校核： 由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)額定輸出扭矩為 16kN·m，大小齒輪的齒數(shù)比為 64:43，故減速 機(jī)的輸出扭矩為(16×43)/64=10.75(KN·m)。 根據(jù)減速機(jī)選型公式： T2K=T2·K （5-1） 式中：T 2——輸出扭矩，T 2=10.75 KN·m T2K——已修正的輸出扭矩 K——系數(shù)根據(jù)工作級(jí)別和載荷級(jí)別，取工作級(jí)別為 M5，載荷級(jí)別為 重，查表得 K=1.1。 將各值代入式（5-1）中，得 T2K=11.82 kN·m＜12000 N·m， 故扭矩滿(mǎn)足要 求，選型合理。 5.3.2 工作機(jī)構(gòu)液壓缸的選型設(shè)計(jì) 在 solidworks 中的運(yùn)動(dòng)分析得出挖掘機(jī)各個(gè)液壓缸的參數(shù)，主動(dòng)臂油缸全伸 為 2900mm，全縮為 1900mm 因此其行程為 1000mm；斗桿液壓缸全伸為 2645mm，全縮為 1421mm，其行程為 1200mm；鏟斗液壓缸全伸為 2078mm，全 縮為 1478mm，其行程為 600mm；副動(dòng)臂液壓缸全伸為 1058mm，全縮 850mm， 其行程為 200mm。根據(jù)力士樂(lè)樣本選取力士樂(lè) HC20T 160/100，壓力均為 25MPa。 在 25MPa 下，力士樂(lè) HC20T 160/100 型油缸的承載力： [FQB]=25×106×3.14×(160×10-3)2/4=502400(N) 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 在第三章進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析中所得到的各個(gè)液壓缸的受力均小于所選油缸的承 載力，故選型合理。 5.4 液壓原理圖 圖 5-1 液壓原理圖 5.5 本章小結(jié)： 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 本章介紹了液壓系統(tǒng)的形式，并針對(duì)挖掘機(jī)的工況，設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng) 原理圖并對(duì)其主要油路進(jìn)行了分析，并對(duì)主要液壓元件進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)分析。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 結(jié) 論 本文以液壓挖掘機(jī)為設(shè)計(jì)對(duì)象，通過(guò)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的比較對(duì)比，以及運(yùn)用 類(lèi)比法，對(duì)大量同類(lèi)型挖掘機(jī)的動(dòng)臂機(jī)構(gòu)外形尺寸進(jìn)行分析，得出新型挖掘機(jī)動(dòng) 臂的尺寸參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將挖掘機(jī)的動(dòng)臂設(shè)計(jì)為組合式 結(jié)構(gòu)，大大擴(kuò)大挖掘范圍，增加了機(jī)械工作效率。 論文中利用強(qiáng)大的機(jī)械設(shè)計(jì)分析軟件 SolidWorks 對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行有限元分析， 以此檢查設(shè)計(jì)是否合理，強(qiáng)度是否達(dá)到工程機(jī)械的要求。分析結(jié)果證明，鏟斗、 主動(dòng)臂、副動(dòng)臂的最小安全系數(shù)均達(dá)到挖掘機(jī)械的要求。 最后采用力矩平衡方法校核了挖掘機(jī)在危險(xiǎn)工況的穩(wěn)定性，按照接地比壓計(jì) 算求出挖掘機(jī)在工作時(shí)候的平均接地比亞，為挖掘機(jī)的穩(wěn)定工作提供了依據(jù)。 最后針對(duì)挖掘機(jī)的工況，設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖并對(duì)其主要油路進(jìn)行 了簡(jiǎn)要的分析，并對(duì)主要液壓元件進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)分析。 由于時(shí)間緊迫，加之本人經(jīng)驗(yàn)不足，本文還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究： 1）開(kāi)展相應(yīng)疲勞壽命的分析，從微觀(guān)角度研究機(jī)構(gòu)破壞的機(jī)理，從而解決 材料本身存在的缺陷。 2）由于挖掘機(jī)的計(jì)算一直無(wú)法統(tǒng)一，所以在設(shè)計(jì)上難免有誤差，以及不合 理，所以在整體配合上還要做大量的計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)，從而得到比較合理的參數(shù)。 3）合理的添加筋板有利于工作裝置強(qiáng)度的提高，也是解決工作裝置局部出 現(xiàn)裂紋的一個(gè)好方法。因此，還需要進(jìn)行工作裝置在不同工作位置時(shí)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 分析，從而選擇最佳筋板設(shè)置位置。 4）設(shè)計(jì)更合理的挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)，使挖掘機(jī)能夠像機(jī)器人一樣具有更多的功能。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 參考文獻(xiàn) [1] 楊梅. 淺談液壓挖掘機(jī)智能控制技術(shù)[R].建筑機(jī)械化，2009(1):29-32. 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