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DWY25多功能全液壓挖掘機(jī),課題來(lái)源：成都神鋼公司 指導(dǎo)教師：趙偉民 教授 答辯人：廖剛 2009.6,1 概 述,近幾年來(lái)，國(guó)家加大了對(duì)交通方面的投資力度，尤其是在金融危機(jī)下，我國(guó)政府采取擴(kuò)大內(nèi)需宏觀經(jīng)濟(jì)政策，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的形勢(shì)。在拉動(dòng)內(nèi)需的措施中加強(qiáng)了對(duì)鐵路、高速公路、城鄉(xiāng)道路的建設(shè)，這就為工程機(jī)械的的發(fā)展，提供前所未有的機(jī)遇。而作為交通運(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)的挖掘機(jī)就顯示出他的巨大作用。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，對(duì)加速現(xiàn)代化工程建設(shè)有著重大的意義。,國(guó)內(nèi)外挖掘機(jī)的發(fā)展情況,挖掘機(jī)在國(guó)外早已形成系列，技術(shù)比較成熟。生產(chǎn)廠家主要有美國(guó)的卡特彼勒公司，O&K, new holland公司，德國(guó)的利勃海爾公司，而我國(guó)國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)總的來(lái)說(shuō)是機(jī)型和規(guī)格少，數(shù)量少、斗容量小，技術(shù)性能較低，可靠性和質(zhì)量總的來(lái)說(shuō)不如國(guó)外，品種、規(guī)格上滿(mǎn)足不了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要。國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)吊管機(jī)起步較晚，而且噸位都很小，生產(chǎn)的機(jī)械質(zhì)量、性能、吊重等還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足管道建設(shè)需要。在設(shè)計(jì)和制造上的差距很難與國(guó)外廠家形成競(jìng)爭(zhēng)。,圖1-1履帶式挖掘機(jī),圖1-2 輪胎式挖掘機(jī),圖1-3 浮式挖掘機(jī),圖1-4汽車(chē)式挖掘機(jī),,,圖1-5軌道式挖掘機(jī),圖1-6步履式挖掘機(jī),2、DWY25挖掘機(jī)方案及原理,2.1 挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu) DWY25多功能全液壓挖掘機(jī)主要由履帶底盤(pán)、鏟斗、組合式動(dòng)臂、斗桿組成，DWY25挖掘機(jī)整機(jī)建模如圖2-1所示：,挖掘機(jī)模型圖,2.2 DWY25多功能挖掘機(jī)的工作原理,1.變幅運(yùn)動(dòng) 通過(guò)各個(gè)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)變幅動(dòng)作。 2.回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 履帶地盤(pán)采用全回轉(zhuǎn)底盤(pán)，上車(chē)和下車(chē)通過(guò)中心回轉(zhuǎn)支承連接，使得上車(chē)能實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，可以方便快速改變工作方向。,,3、工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與校核,3.1 反鏟裝置運(yùn)動(dòng)分析 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)。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)：step(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)。 從而得出挖掘機(jī)的包絡(luò)曲線(xiàn) （圖3-1）,,,,圖3-1 挖掘機(jī)包絡(luò)曲線(xiàn)圖,最大挖掘半徑7510mm 最大挖掘深度4702mm 最大挖掘高度7242mm 最大卸載高度3495mm,3.2 反鏟裝置的動(dòng)力學(xué)分析,挖掘機(jī)在挖掘機(jī)過(guò)程中作用在鏟斗刃口上的挖掘阻力有物料的重力G，其方向始終垂直向下，位置在鏟斗斗齒上。切向挖掘阻力W1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)具體設(shè)置如下（液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)同3.1）。 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(time,9,0,32,5000)+step(time,32,0,41.5,0)+step(time,41.5,0,44.5,-5000)。,,,,,,,從而測(cè)出各個(gè)液壓缸的受力情況（圖3-2到3-5所示）,圖3-2 主動(dòng)臂油缸反作用曲線(xiàn)圖,圖3-3副動(dòng)臂油缸反作用曲線(xiàn)圖,,圖3-4 斗桿油缸反作用力曲線(xiàn),圖3-5 鏟斗油缸反作用力曲線(xiàn)圖,,,,,3.3 反鏟裝置的有限元分析 3.3.1鏟斗的設(shè)計(jì)校核 鏟斗在挖掘過(guò)程中受到土壤的阻力，其阻力分為切向挖掘阻力和法向挖掘阻力，因?yàn)樵撶P斗所要涉及的工礦大多為Ⅳ級(jí)土壤，計(jì)算的切向分力W1=K0bh=22000N;W2=0.42W1，在solidworks中的載荷和網(wǎng)格約束（如圖3-6）。,圖3-6 鏟斗載荷和網(wǎng)格劃分,a）應(yīng)力圖,b）位移圖,圖3-7 鏟斗分析結(jié)果,鏟斗材料為Q235,由結(jié)果可知鏟斗的設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。,3.3.2 斗桿的設(shè)計(jì)校核 計(jì)算位置1的條件為： （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。 計(jì)算位置2的條件為： （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。,a）斗桿計(jì)算位置1應(yīng)力圖,b）斗桿計(jì)算位置2應(yīng)力圖,材料為Q235,由應(yīng)力結(jié)果分布可以看出斗桿設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。,圖 3-8斗桿結(jié)果分析,3.3.3 組合式動(dòng)臂的有限元分析 計(jì)算位置1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)，斗齒邊遇到障礙。 該工況也就是最大挖掘深度工況。 計(jì)算位置2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。,a）副動(dòng)臂網(wǎng)格劃分和載荷,b）副動(dòng)臂計(jì)算位置1應(yīng)力圖,,c）副動(dòng)臂計(jì)算位置2應(yīng)力圖,圖3-9副動(dòng)臂分析結(jié)果,副動(dòng)臂材料為Q345,由應(yīng)力結(jié)果知副動(dòng)臂設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。,圖3-10主動(dòng)臂網(wǎng)格劃分,,,a）主動(dòng)臂計(jì)算位置1應(yīng)力圖,b）主動(dòng)臂計(jì)算位置2應(yīng)力圖,圖3-11主動(dòng)臂分析結(jié)果,主動(dòng)臂材料為HQ60,由結(jié)果可知主動(dòng)臂設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求,第4章 穩(wěn)定性分析,4.1 穩(wěn)定性分析 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。一般用穩(wěn)定性系數(shù)K（1.0～1.25）來(lái)表示起重機(jī)的穩(wěn)定性 ：,,,a.挖掘失穩(wěn)狀態(tài)1 b.挖掘失穩(wěn)狀態(tài)2,c.挖掘失穩(wěn)狀態(tài)3,圖4-1 挖掘機(jī)失穩(wěn)狀態(tài)圖,根據(jù)挖掘機(jī)的三種極限工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果都能使得K≥1,符合挖掘機(jī)的穩(wěn)定性要求。,第5章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),1、限壓回路 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。 2、卸荷回路 卸荷回路采用換向閥中位卸荷。 3、回轉(zhuǎn)回路 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。 4、節(jié)流調(diào)速和背壓回路 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、行走限壓回路 利用節(jié)流閥調(diào)節(jié)馬達(dá)回油速度，防止挖掘機(jī)超速溜坡。,圖5-1 液壓原理圖,展望,(1) 運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析等手段對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 (2) 對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。 (3) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)及其建模工作。,謝謝！,敬請(qǐng)各位老師 多提寶貴意見(jiàn)！,