1、本 科 毕 业 论 文挖 掘 机 工 作 装 置 设 计学 院: 机械自动化学院专 业: 机械工程及自动化学 号:学生姓名:指导教师:日 期: 2010 年 6 月I摘要液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机种。出于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造来了日益蓬勃发展。液压挖掘机主要由发动机、工作装置、回转装置、行走装置和、电气装置和液压系统等部分组成。本次设计主要是关于挖掘机工作装置设计，工作装置是直接完成挖掘任务的装置，进行工作装置的全面的通用性设计研究对推动国内挖掘机发展具有十分重要的意义。本设计全
2、面收集了国内外挖掘机工作装置设计的资料，对挖掘机的各种工况进行了分析，总结了挖掘机工作装置的设计要求。分别对工作装置的各个组成部分进行了较为详细的设计，这其中就包括了动臂，斗杆和挖斗的选型，各种组成部分尺寸的计算及它们驱动装置的设计，驱动装置设计包括各种驱动装置的布置，行程，作用力的确定。最后对动臂和斗杆在一些特殊工况下进行了校核。关键字：挖掘机：工作装置：动臂：斗杆：挖斗IIAbstractHydraulic excavator is a kind of multifunction machine used widely in construction field It is a prima
3、ry kind of machineBecause of its multifunction，high quality and efficiency and various kinds，many company like to use itIts manufacture is developing day by dayHydraulic excavator consist of engine working equipment，rotator，walking equipment , electric control part and hydraulic systemOne main parts
4、working equipment designing make up of this articleWorking equipment is the first equipment to finish digging taskUsing universal and professional excavators working Equipments design methods，having a study of universal design with computer is very important to the development of domestic excavatorI
5、n this article，collect most of the world excavators working equipments designing materialAnalyze various kinds of excavators working conditionsDetailed design the various components of working device separately, including the selection and calculation of Boom, Stick and bucket and what they drive an
6、d design of their drive. The design of drive includes determine of their arrangement and travelling and force. At last checking the intensity of boom and stick in some special conditions.Keywords: excavator，working equipment ，boom, stick , bucketIII目 录1 绪论 .11.1 设计选题的意义 .11.2 国内外液压挖掘机的发展动态和研究现状 .11.
7、2.1 国外液压挖掘机的发展动态和研究现状 .11.2.2 国内液压挖掘机的发展动态和研究现状 .21.3 当前液压挖掘机存在的主要问题 .31.4 本设计的主要内容及目标 .41.4.1 设计的主要内容 .41.4.2 设计的关键问题 .41.4.3 设计过程中的已知参数 .52 工作装置总体方案设计 .62.1 机型选择及特点分析 .62.1.1 所用机型的适用范围 .62.2 工作装置构成 .62.3 动臂及斗杆的结构形式的初选 .82.3.1 动臂结构形式的初选 .82.3.2 斗杆结构形式的初选 .82.4 动臂与动臂油缸的布置 .82.5 铲斗与铲斗油缸的连接方式 .83 动臂机构
8、参数的计算及校核 .93.1 动臂机构参数的确定 .93.1.1 1 与 A 点坐标的选取 .93.1.2 、 与 的计算 .9l23l3.1.3 .1041与 的 计 算3.1.4 .115l的 计 算3.1.5 动臂其它相关尺寸的计算 .143.2 动臂基本数的校核 .143.2.1 动臂机构闭锁力的校核 .143.2.2 当满斗处最大挖掘半径时，动臂油缸提升力矩校核 .174 斗杆机构参数的计算及校核 .194.1 斗杆参数的计算及选择应考虑的因素 .194.2 斗杆基本参数的确定 .19IV4.2.1 斗杆液压缸的最大作用力臂 及 的计算 .199l84.2.2 斗杆其它相关尺的计算
9、.214.3 斗杆的结构设计和强度校核 .214.3.1 斗杆的受力分析 .214.3.2 第一工况位置的受力分析 .214.3.3 第二工况位置的受力分析 .294.3.4 斗杆内力图的绘制 .304.3.5 斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取 .344.3.6 斗杆危险截面处高度 h 的计算 .345 铲斗机构的选型及基本参数的确定 .365.1 铲斗的选型 .365.2 铲斗结构基本参数的计算 .375.2.1 铲斗主要参数的计算 .375.2.2 斗形尺寸的计算 .375.2.3 转角范围确定 .395.2.4 铲斗机构其它基本参数的计算 .396 销轴与衬套的设计 .416.1 销轴
10、的设计 .416.2 衬套的设计 .417 总结 .427.1 设计成果 .427.2 存在不足及改进 .427.3 设计展望 .42参考文献 .43致谢 .4411 绪论1.1 设计选题的意义我国是一个发展中国家，在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设，这就需要大量的土石方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机械。因此，可以肯定液压挖掘机的发展空间很大。可以预见，随着国家经济建设的不断发展，液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展，液压挖掘机的年产量将会以高于 20的速度增长。中国挖掘机市场自 1997 年开始已进入了一个较快的发展
11、时期， 2001 年与 2000 年比较，全国挖掘机的产、销量分别增长 55和 56。截止到 2002 年 8 月底全国挖掘机的销量已超过 13000 台，超过了 2001 年全年的销售数。2003 年全国液压挖掘机的销售量超过 18000 台。显然，挖掘机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。而在挖掘机中最为重要的就是关于工作装置设计，因为挖掘机的工作装置能够最为明显的体现机器的工作能力和工作寿命，所以设计工作可靠，性能好，成本低，效率高，维护使用方便的工作装置就显得格外重要。1.2 国内外液压挖掘机的发展动态和研究现状最早在液压挖掘机工作装置设计时，设计人员通过类比、查表、理论
12、计算初步确定性性能参数以后，还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大都选取几个特殊位置进行检讨计算，其精度当然较低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置设计得到了很快的发展。针对液压挖掘机工作装置的CAD软件也已经有了不少的研究。1.2.1 国外液压挖掘机的发展动态和研究现状国外挖掘机生产历史较长，液压挖技术的不断成熟使挖掘机得到全面的发展。德国是世界上较早开发研制挖掘机的国家，1954 年和 1955 年德国的德马克和利渤海尔公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造
13、业是在二次大战后发展上起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国是液压挖掘机生产的后起之秀，20 世纪 70 年代开始引进技术，由于产业政策进入国2际市场，并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。20 世纪 60 年代，挖掘机进入成熟期，各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其它技术相结合，使产品适应性得到了较快的发展，产品寿命和质量不断得到提高，操纵更加舒适，产品更加节能。例如美国卡特彼勒公司 1955 年以后推出的 300B 系列液压挖掘机，采用一种命名为 maestro 的系统，通过载荷传感液压装置，控制发动机的输出功率，实现与液压泵的严格匹配。Maes
14、tro 控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态，允许用户自行决定功率工况模式。再如韩国现代公司生产的 ROBEX450-3 型液压挖掘机，有四种功率模式，通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参数，使得发动机、液压泵的速度及液压用液压系统压力与实际工况相适应，从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗。此种技术在日本松、日立建机、神钢、韩国大宇重工、德国的利渤海尔、英国的 JCB 等到公司均得到普遍应用，代表了当代液压挖掘机的最高水平。当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方面发展。由于使用性能、技术指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国
15、家，都在大力发展单斗液压挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能；应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性；电子计算机监测与控制，实现机电一体化；提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，单斗液压挖掘机有以下的趋势：（1）向大型化发展的同时向微型化发展。 （2）更为普遍地采用节能技术。 （3）不断的提高可靠性和使用寿命。 （4）工作装置结构图不断的改进，工作范围不断扩大。 （5）由内燃机驱动向电力驱动发展。 （6）液压系统不断改进，液压元件不断更新。 （7）应用微
16、电子、气、液等机电一体化综合技术。 （8）增大铲斗的容量，加大功率，提高生产效率。 （9）人机工程学在设计中的充分应用。1.2.2 国内液压挖掘机的发展动态和研究现状早在1958年国内便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品。当时出于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。到了80年代末和90年代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅速的提高，突出表现在追求高效率(同一机重的挖掘机功率普遍提高，液压系统流量增大作业循环时间减小，作业效率大大提高)；高可靠性和追求司机操作的舒适性。国内原有的数
17、家挖掘机专业生产厂为了生存和发展，利用自身的实力和丰富的挖掘机生产经验，纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的3新开发的产品(也包括某些已生产多年的老产品)为了提高作业的可靠性，干脆采用了进口的液压件和发动机，甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计，这种经过改型或新设计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化国外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，其原因除了国内挖掘机加工水平落后之外，挖掘机设计水平与发达国家相比也有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的
18、掌握和应用。国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了其设计软件，他们的研究基本上局限于解决某些问题，即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。关于工作装置设计参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能使用于挖掘机工作装莺的一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通用性。特别是国内，CAD在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用CAD进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能达到设计需要，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。经过近十年的研究，获得了一些成果，但
19、是研究还不够深入，有些研究结果已进入实际应用过程中。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于，为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，即大多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限进行的，在这种情况下开发出一个专业的工作装置设计工具和软件显得非常的重要。国内液压挖掘机的研究和发展动向应该体现在以下几个方面：（1）提高效率，降低能耗。 （2）提高技术性能和控制性能。 （3）发展集成、复合、小型化、轻化元件。（4）开展液压自动控制技术方面的研究与开发。 （5）加强以提高安全性和环境保护为目的研究工作开发。 （6）提高液压元件和系统的工作可
20、靠性。 （7）标准化和多样化。（8）开展液压系统设计理论和系统性能分析研究。1.3 当前液压挖掘机存在的主要问题虽然液压挖掘机的发展很快，但是液压挖掘机仍然存在着各种问题：（1） 控制精度的要求并不高，多数在100mm之内，并不像其它领域机器人运动控制要求到10mm之内，或者更高。首先，挖掘机本身的机构尺寸通常都比较大；其次，挖掘机进行土木施工的精度与一些工业加工比较起来要低得多，相对较低的精度仍然能够满足挖掘机在实际工作中的需要。多数研究者在实现以上控制精度时，铲斗末端速度比较低，最快的也在150mm/s之内，而这个重要参数直接影响挖掘机的工作效率，所以，保证控制精度的情况下提高铲斗末端速度
21、是本文需要解决的问题之一。4（2） 虽然世界各国的研究水平参差不齐，但是多数处在实验室阶段，或从成本的角度考虑采用伺服阀进行控制，与工程实际差距较大；对挖掘机工作装置的研究是在静态下进行的，忽略惯性项的影响，所以在实际工程中也是不适用的；多数研究中都没有考虑到系统的节能问题，很难将研究结果在实际中进行推广。（3） 挖掘机工作装置作为一种典型的工程机械复杂机电液系统，由于其自身的特点，该项研究是比较困难的工作。主要在于：在机构运动过程中，惯性力负载的多变性；电液比例系统数学模型中的参数多与机构的姿态有关，属于时变参数，准确地得到每个参数的值非常困难；整个系统存在大量不确定量（不确定参数及不确定的
22、非线性模型） ，例如在不同温度下液压油的弹性模量和黏性等，均属于不确定参数；工作过程中，由于与地面接触而产生的扰动等不能准确建立数学模型的量，均属于不确定的非线性模型。以上各类不确定量都将对系统控制的稳定性和动态特性产生极大的影响。1.4 本设计的主要内容及目标1.4.1 设计的主要内容（1）分析和拟定设计任务书，确定设计思想和原则，并提出设计结构方案的初步思想。（2）挖 掘机主要参数的确定。（3）挖掘机工作装置各主要机构的结构方案的确定。（4）挖掘机工作装置各主要结构力的分析与计算。（5）挖掘机工作装置各主要机构的强度校核。1.4.2 设计的关键问题（1）关于挖掘机总体设计，就是各种整体参数
23、和局部参数的计算，这中间就 包括动臂，斗杆及挖斗的主要参数的计算。（2）液压挖掘机工作装置各主要机构结构方案的确定，这包括几方面的内容，首先就是关于动臂和斗杆的选型。其次就是动臂，斗杆和挖斗的油缸的布置如何确定。第三就是各个铰链点如何确定。（3）作用力的计算，这其中包括油缸的作用力，还有各种挖掘力。（4）各种强度的校核。其中动臂的校核尤为重要，还有斗杆的强度校核。51.4.3 设计过程中的已知参数铲斗容量：0.8 立方米最大挖掘力 130KN整体质量：20 吨工作装置液压回路最大压力：34MP最大挖掘半径：7.42 米最大挖掘高度：8.41 米最大挖掘深度：5.12 米最大卸料高度：4.62
24、米发动机功率：98KW发动机转速：2300r/m工作装置液压系统主参数的初步选择：各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化”要求以及初步估取的液压缸受力，初选动臂油缸内径 D1=120mm，活塞杆的直径 。斗杆油180dm缸的内径 D2=120mm，活塞的直径 。铲斗油缸的内径 D3=80mm，活塞280dm杆的直径 ，又由按经验公式选各缸全伸长度与全缩长度之比350dm。参照猫画虎任务书的要求选择工作装置液压系统的工作压力为12.6，闭锁压力 ;与相同类型的挖掘机相比可知动臂油缸的3 1.37.4PMp行程 ；斗杆油缸的行程 ；铲斗油缸的行程 。147Lm210Lm3120Lm
