1、1,第3章 单斗液压挖掘机的设计,3.1单斗液压挖掘机的主参数及其选择 3.1.1 单斗液压挖掘机的总体设计 3.1.2 单斗液压挖掘机的主参数 3.1.3 单斗液压挖掘机主参数的选择3.2 反铲工作装置设计 3.2.1 反铲工作装置的运动分析 3.2.2 挖掘力分析 3.2.3 挖掘阻力计算 3.2.4 设计合理性分析 3.2.5 反铲工作装置设计3.3 正铲工作装置设计 3.3.1 正铲工作装置的运动分析 3.3.2 挖掘力分析 3.3.3 正铲工作装置设计,第三章单斗液压挖掘机的设计 单斗液压挖掘机,2,3.1单斗液压挖掘机的主参数及其选择 3.1.1 单斗液压挖掘机的总体设计,分析和拟
2、定任务书，确定设计原则、机型及整机结构方案；确定液压挖掘机的主参数；确定液压挖掘机各个主要机构的结构方案及其相应主参数；分析计算各主要机构的作用力、速度及功率；确定液压系统方案并设计液压系统；分析计算液压挖掘机的稳定性、生产率及各项总体性能。,应根据市场需求状况在充分调查研究的基础上结合企业自身的实际情况首先进行总体设计，其主要内容如下：,第三章单斗液压挖掘机的设计 单斗液压挖掘机,3,3.1.2 单斗液压挖掘机的主参数,单斗液压挖掘机的主要参数有以下几类：1）尺寸参数：工作尺寸、机体外形尺寸、工作装置尺寸；2）质量参数：整机重及各主要部件的重量；3）功率参数：发动机功率、液压系统功率、最大挖
3、掘力；4）经济技术指标参数：作业周期、生产率。,第三章单斗液压挖掘机的设计 单斗液压挖掘机,4,第三章单斗液压挖掘机的设计 单斗液压挖掘机,整机质量（工作重量）：整机处于工作状态下的质量。指机体配备标准反 铲或正铲工作装置，加注燃油、液压油、润滑油、冷却系统液体以及随机工具和一名司机后的工作质量，单位为“Kg”或“吨”。主机质量： 不含工作装置的机身部分质量，单位为“Kg”或“吨”。标准斗容量：指挖掘三级或容重为1800Kg/m3的土时的铲斗堆尖斗容量(m3)。发动机功率：指发动机的额定功率（12小时）。在给定转速和标准工况下除发动机自身及全部附件（包括风扇、水箱、空气滤清器、消声器、发电机、
4、空压机等）消耗以外的净功率，单位为“KW”。,挖掘机的部分主要参数的意义：,5,液压系统形式：根据由液压泵的形式确定的定量系统或变量系统。液压系统压力：指主油路安全阀的溢流压力，单位为“MPa”。液压系统流量：指油泵所能提供的最大流量，单位为l/min。最大挖掘力：指按照系统压力工作时铲斗油缸或斗杆油缸所能发挥的斗齿最大切向挖掘力，单位为“KN”。对反铲装置，有斗杆最大挖掘力与铲斗最大挖掘力之分；对正铲装置，有最大推压力与最大掘起力（破碎力）之分。爬坡能力：在行驶状态下所能爬的最大坡度，单位为 % 或 角度。接地比压：单位接地面积上承受的机器重量，其单位一般为KPa。工作尺寸：主要指作业尺寸。
5、回转时间：指转台的回转速度，单位一般为r/min。行驶速度：不同工况下的行驶速度，单位一般为km/h。运输尺寸：指运输状态下机身的总长度、总宽度和总高度等，单位一般为mm。,挖掘机的部分主要参数的意义：,第三章单斗液压挖掘机的设计 单斗液压挖掘机,6,3.1.3 单斗液压挖掘机的主参数的选择,1）主参数选择的基本依据设计市场需求或任务书的要求；与同类机型的比较；参照国际、国家或企业的标准；根据理论分析与经验计算；工作环境、用户要求和设计制造能力。,2）主参数选择应符合的条件实用性满足使用要求；可行性设计和制造条件允许；经济性性价比高、生产率高；可靠性各部件应满足可能的使用环境要求并具有足够的寿
6、命。先进性与同时期、同类产品相比具有先进的技术和性能。,第三章单斗液压挖掘机的设计 单斗液压挖掘机,7,3.1.3 单斗液压挖掘机的主参数的选择,3）主参数选择的基本方法,a)比拟法以相似理论为基础，利用得出的一系列相似公式进行对比确定。适合于结构形式、液压系统、工作对象和环境基本相同的机型。,b)经验公式计算法以液压挖掘机的机重为基本参数，用概率方法得出其它主要参数的经验系数，并用经验公式初步确定其它各主要参数。,e)虚拟样机设计技术虚拟样机技术包括计算机辅助三维建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术以及最优化技术等相关技术，其核心是利用计算机进行模拟。,c)按标准选定法按国家或国际标准颁
7、布的液压挖掘机型式和基本参数系列标准规定的数值范围，结合拟采用的结构特点选定参数值。,d)理论分析计算法按拟定的结构特点，在理论分析和试验数据的基础上进行分析计算得出相应主参数值。,第三章单斗液压挖掘机的设计 单斗液压挖掘机,8,3.2 反铲工作装置设计 3.2.1 反铲工作装置的运动分析,（1）坐标系,绝对坐标系,绝对坐标系与大地即停机面固结，X、Y轴所在的平面与停机面重合，Y轴水平向右为正，Z轴过与回转中心线重合向上为正，X轴垂直于Y、Z轴组成的平面，如图方向为正，坐标系符合右手规则。,第三章单斗液压挖掘机的设计 单斗液压挖掘机,9,（1）坐标系,相对坐标系,相对坐标系与各部件固结，随所属
8、部件运动，其方位如图所示。各相对坐标系的对应坐标轴的初始方位与绝对坐标系各坐标轴分别平行。相对坐标系同样符合右手规则。,3.2.1 反铲工作装置的运动分析,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,10,中间斗齿尖的坐标,3.2.1 反铲工作装置的运动分析,a)中间斗齿尖在坐标系 x3y3z3 中的坐标：,b)中间斗齿尖在坐标系 x2y2z2 中的坐标：,c)中间斗齿尖在坐标系 x1y1z1 中的坐标：,（2-1）,（2-2）,（2-3）,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,11,中间斗齿尖的坐标,3.2.1 反铲工作装置的运动分析,d)中间斗齿尖在坐标系 x0y0z0 中的坐标：,（2
9、-4）,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,12,中间斗齿尖的坐标,3.2.1 反铲工作装置的运动分析,e) 中间斗齿尖在绝对坐标系 XYZ 中的坐标：,（2-5）,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,13,令：,式（2-5）变为以下新式：,上式说明，在结构参数已知的情况下，斗齿尖的绝对坐标取决于转角0、1、2、3的值，一组角度值唯一确定斗齿尖的一组坐标值，反之，则不然。,（2-6）,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,14,（2）工作装置的几何运动关系（参见教材P5967）,a）动臂机构的几何运动关系（普通反铲）,三角形ABC中ACB为：,（2-7）,（2-8）,第三章单斗
10、液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,CF连线与水平线的夹角为：,15,动臂的最大仰角：,动臂的最大俯角：,动臂的摆角范围：,动臂上各铰接点的坐标,动臂B点的坐标：,动臂D点的坐标：,动臂F点的坐标：,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,16,b）斗杆机构的几何运动关系,三角形DEF中DFE为：,斗杆相对于动臂的转角为2为：,（2-9）,（2-10）,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,17,斗杆的最大摆角：,斗杆的最小摆角：,斗杆的摆角范围：,斗杆上各铰接点的坐标,斗杆E点的坐标：,斗杆G点的坐标：,动臂N点的坐标：,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,18,斗杆Q点的坐标：,c
11、）铲斗机构的几何运动关系（普通反铲）,三角形GMN中GNM为：,（2-11）,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,19,求MNQ为：,求铰接点M的坐标,直线MN与 y2 轴的夹角为：,M点的坐标为：,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,20,求HNQ为：,求铰接点H的坐标,直线HN与 y2 轴的夹角为：,H点的坐标为：,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,21,求铲斗的转角3,在HNQ中HQ的距离为：,在 HNQ中NQH为：,在 HQK中HQK为：,（2-11）,铲斗的转角3：,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,22,（3）挖掘包络图,挖掘包络图是指斗齿尖能达到的最大
12、范围所形成的封闭图形，它与工作装置的几何参数及工作油缸的伸缩长度或范围有关。通过挖掘包络图能够从几何上直观地反映挖掘机最大的作业范围、在极限位置上工作装置各部件的几何位置关系以及机构的干涉情况，这些信息在一定程度上反映了工作装置几何参数设计的合理性和整机的几何性能。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,23,（4）反铲挖掘机的主要作业尺寸,最大挖掘深度（maximum digging depth）最大挖掘高度（maximum height of cutting edge）最大挖掘半径（maximum reach）最大卸载高度（maximum dumping height）停机面上的最大挖
13、掘半径（maximum reach at GRP）最大垂直挖掘深度（maximum vertical digging depth）水平底面为2.5m时的最大挖掘深度（maximum digging depth at 2.5m floor length）,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,24,（4）反铲挖掘机的主要作业尺寸,H1最大挖掘深度H2最大挖掘高度R1最大挖掘半径H3最大卸载高度R0停机面上的最大挖掘半径H4最大垂直挖掘深度H5水平底面为2.5m时的最大挖掘深度,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,25,（5）本部分小结及问题和作业,工作装置的几何关系取决于部件的几何位置
14、参数，这些参数大约有30个；挖掘机工作装置具有4个自由度，分别取决于转台的回转角1、动臂油缸的长度L1、斗杆油缸的长度L2和铲斗油缸的长度L3 ；在结构参数给定的情况下， 1、L1、L2和L3 唯一确定斗齿尖的位置坐标，反之，则不然；,1）本部分小结,2）问题和作业,决定反铲工作装置的具体几何位置参数有哪些？分别是什么？b) 在运动分析过程中主要运用了相对坐标系和矩阵、矢量运算的方法，比起传统的解析方法来，这有什么优点！c) 根据以上方法试分析推导悬挂式反铲工作装置的运动几何参数，作出包络图并标注主要作业参数（机型参数自定）。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,26,3.2.2 挖掘力
15、计算,挖掘力是反映挖掘机作业性能的重要参数之一，也是生产厂商和用户最为关注的性能参数之一，为此，国内外都给出了相应的试验标准。在理论上对该项参数的计算是在一定假设条件下进行的。对于反铲挖掘机，通常有斗杆挖掘力和铲斗挖掘力之分，按标准其具体定义如下：,挖掘力（digging force）：对于装有反铲或正铲装置的挖掘机，其挖掘力是在单独操作铲斗液压缸或斗杆液压缸时，在铲斗齿尖上所产生的实际作用力。对于装有抓铲工作装置的挖掘机，其挖掘力（或称抓铲闭合力）是抓铲闭合时，在抓铲的切削刃（或齿尖）运动轨迹切线方向上所产生的实际作用力。 破碎挖掘力（铲斗挖掘力）（ breakout force）：单独操作
16、铲斗液压缸时，在铲斗斗齿尖端运动轨迹的切线方向上所产生的最大挖掘力。 斗杆挖掘力（arm crowd force）：单独操作斗杆液压缸时，在铲斗斗齿尖端运动轨迹的切线上方向所产生的最大挖掘力。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,27,（1）工作油缸的理论挖掘力,在工作装置结构参数确定之前，通过预估工作油缸的理论挖掘力可以初步掌握挖掘机的性能并对后续的结构设计提供基础。在对工作油缸理论挖掘力的计算之前首先作如下假设：,假设条件：不考虑部件外形结构参数不计工作装置的自重和土重不计液压系统和连杆机构的效率不计液压缸的回油背压,定义：工作液压缸伸缩时，由该油缸的理论推力（或拉力）所能产生的在斗
17、齿运动切线方向的挖掘力称为工作液压缸的理论挖掘力。,计算方法：根据几何关系求解,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,28,铲斗连杆机构的传动比i,第一步：隔离摇臂HMN对其建力矩平衡方程：,由,得,第二步：隔离铲斗对其建力矩平衡方程：,由,得,其中,（2-12）,式中：,a)铲斗油缸的理论挖掘力,将以上两式合并得：,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,29,铲斗油缸的挖掘力曲线,几何关系图,从该铲斗机构的挖掘力曲线可以看出：铲斗油缸的挖掘力在整个油缸的行程由最短至最长的变化过程中呈现出凸函数的形态，且到铲斗挖掘的后期，挖掘力很小，这一规律基本符合挖掘过程要求和挖掘阻力的变化规律。,
18、注：图中考虑了部件的重量和斗中的土重,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,30,b)斗杆油缸的理论挖掘力,隔离斗杆及其铲斗连杆机构对F点建立力矩平衡方程得,式中，6是斗杆油缸长度L2的函数，r6是铲斗油缸长度L3的函数,在结构参数给定的情况下，斗杆油缸挖掘力是斗杆油缸长度L2和铲斗油缸长度L3 的函数。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,31,斗杆油缸的挖掘力曲线,斗杆油缸挖掘范围,斗杆油缸最大挖掘力变化曲线,由于阻力臂受铲斗向对于斗杆的摆角即铲斗油缸长度的影响，所以，当铲斗相对于斗杆的摆角不同时，将会得出不同的斗杆油缸最大挖掘力变化曲线。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘
19、机,32,斗杆油缸的挖掘力与铲斗油缸挖掘力的对比,1,2,1铲斗缸挖掘力曲线 2 斗杆缸挖掘力曲线,注：只有在力方向相同时，比较才有实际意义！,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,33,（2）整机的理论挖掘力,假设条件：不计液压系统和连杆机构的效率不计液压缸的回油背压不考虑土壤阻力和工作装置结构强度的限制不考虑部件的速度、加速度、坡度、风力、惯性力、动载等其它因素,整机理论挖掘力为考虑各种限制因素后所能达到的最大计算挖掘力,整机的理论挖掘力通常有斗杆挖掘力和铲斗挖掘力之分,计入部件的重量和土重考虑油缸的闭锁能力考虑整机的稳定性（前倾和后倾）考虑整机与地面的附着性能,除上述因素外，整机的理
20、论挖掘力还与以下因素有关：工作装置各部件的相对位置即工作装置的姿态各油缸的工作状态（主动或闭锁）各部件的结构参数及强度条件液压系统压力,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,34,a)铲斗油缸主动发挥时的挖掘力,概括来讲，整机的理论挖掘力就是在考虑了主动油缸的发挥能力、被动油缸的限制条件、整机与地面的附着情况及整机的前、后倾稳定性后在特定姿态和作业方式下发挥在斗齿上的最大挖掘力，其方向沿着斗齿运动的切线方向。,铲斗油缸主动发挥时的整机挖掘力具体受以下因素限制：,铲斗油缸大腔的最大推力铲斗连杆机构的传动比斗杆油缸的闭锁能力当斗杆油缸闭锁不住时起作用动臂油缸的闭锁能力当动臂油缸闭锁不住时起作用
21、整机与地面的附着力当整机沿地面开始滑移时起作用整机的前倾稳定性当整机发生前倾失稳时起作用整机的后倾稳定性当整机发生后倾失稳时起作用,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,35,挖掘机整机受力分析图,图中的1、 2和 3分别为动臂向对于XY平面、斗杆相对于动臂、铲斗向对于斗杆的摆角，以逆时针转向为正。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,36,Q点指向工作装置各部件重心位置的矢量在y坐标的分量,铲斗油缸对Q点的力矩,a)铲斗油缸的主动发挥限制的最大挖掘力,式中 D3铲斗油缸缸筒内径 d3铲斗油缸活塞杆直径 P0系统压力 PH回油背压,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,37,b)
22、动臂油缸闭锁压力限制的最大挖掘力,当动臂油缸受压时,当动臂油缸受拉时,、,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,38,c）斗杆油缸闭锁压力限制的斗齿切向挖掘力,式中，,n2、D2、d2、PS、PH分别为动臂缸数目、缸径、杆径、闭锁压力和回油背压,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,39,d)整机前倾失稳限制的最大挖掘力,e)整机后倾失稳限制的挖掘力,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,40,f)整机水平滑移限制的挖掘力,综合上述影响因素及其计算公式，所得整机在该工况下的最大理论挖掘力应取这6个公式计算出的最小值，即,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,41,3.2.3 挖
23、掘阻力计算,（1）转斗挖掘阻力计算,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,挖掘转角处的挖掘厚度；R 纵向对称平面内铲斗与斗杆铰接点至斗齿尖的距离，即转斗切削半径，单位为cm；铲斗瞬时转角；max铲斗挖掘装满总转角的一半；B 切削刃宽度系数， 其中b为铲斗平均斗宽，单位为m；,式中 C表示土壤硬度的系数，对II级土壤宜取C=5080， 对III级土壤宜取C=90150，对IV级土壤宜取C=160320；,A切削角变化影响系数，取A=1.3；,Z带有斗齿的系数，Z=0.75（无斗齿时，Z=1）；X斗侧壁厚度影响系数，X=1+0.03s，其中s为侧壁厚度，单位为cm，初步设计时可取X=1.15；
24、D切削刃挤压土壤的力，根据斗容量大小在D=1000017000N范围内选取。 当斗容量q0.25m3时，D应小于10000N。,42,转斗挖掘装土阻力的切向分力只与挖掘起点和终点的位置有关？,转斗挖掘装土阻力的切向分力按下式计算：,转斗挖掘的平均阻力：,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算，即把月牙形切割断面看作相等面积的条形断面，条形断面长度等于斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值,43,（2）斗杆挖掘阻力计算,斗杆挖掘阻力按等切削厚度计算，其切削长度就等于斗齿所走过的弧线长度，即：,斗杆挖掘阻力参考下式计算：,由于物料种类、结构和性态的
25、复杂性以及铲斗和物料之间的相互作用关系的复杂性，很难用具体的数学公式详细刻画其间的物理关系，所以，关于挖掘阻力的计算目前还存在很多困难，现实的方法只能在考虑具体物料和铲斗结构型式的基础上借助于实验来确定。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,44,3.2.4 反铲工作装置的设计,（一）工作装置的设计原则,满足主要工作尺寸与作业范围要求满足最大挖掘力及挖掘力分布的合理性要求满足作业稳定性和行驶稳定性要求功率利用要尽可能好，工作循环时间要尽可能短满足结构强度和刚度要求自重要尽可能小应考虑工作装置的通用性运输姿态要合理、尺寸要尽可能小应考虑零部件的标准化、系列化和通用化要求便于拆装、维修和保养
26、考虑特殊要求,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,45,a) 动臂的结构形式及动臂液压缸的布置动臂的结构形式：组合式或整体式动臂油缸的布置形式：下置式或悬挂式b）斗杆的结构形式及斗杆液压缸的布置 斗杆的结构形式：组合式或整体式斗杆 斗杆油缸的布置形式：下置式或上置式c) 动臂与斗杆的长度比K1 K1大，作业范围小；K1小，作业范围大，易得到接近于直线的运动轨迹、便于进行平整作业。 K1大，宜用斗杆挖掘为主；K1小宜用铲斗挖掘为主。d)确定配套铲斗的种类、结构形式、斗容量和铲斗连杆机构的结构形式四连杆机构或六连杆机构（共点或非共点）。e) 根据作业要求（范围和挖掘力）、液压系统形式、结构布
27、置条件和稳定性条件等确定各组液压缸的缸数、缸径及伸缩比。,（二）反铲工作装置总体方案的确定,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,46,铲斗的主要参数：斗容量q、平均斗宽B、转斗挖掘半径R和转斗挖掘装满转角2应满足如下数学关系：,对标准铲斗，平均斗宽B、转斗挖掘半径R相差不宜太大；转斗挖掘装满转角2一般取90100；对标准铲斗，初选可取k2=l24/l3=0.30.38对标准铲斗，初选可取KQV=95115,；,（三）斗形参数的选择,注： 针对不同的作业对象，斗形结构参数相差较大，上述只适合标准铲斗的选择计算，实际应用中应针对不同的物料结合试验来确定不同底的斗形结构参数。,第三章单斗液压挖
28、掘机的设计单斗液压挖掘机,47,一般按以下范围选取：专用反铲：以反铲为主的通用机：正、反铲基本通用：专用正铲：,动臂弯角 一般取为：,（四）反铲工作装置机构参数的确定,动臂转折处的长度比（近似于上下动臂之比）:,特性参数：,专用反铲：,动臂油缸缸伸缩比：,以反铲为主的通用机：,正、反铲通用机：,铰接点AC之距：,动臂上C、B之距：,1.动臂机构的铰点位置选择依据和范围,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,48,第一步：根据底盘和转台结构初步确定动臂油缸的下饺点A的位置坐标；第二步：参考样机根据比拟法初选铲斗结构参数、动臂与斗杆的长度比k1和动臂油缸的伸缩比1；初选动臂弯角1（=12014
29、0）和动臂转折处的长度比k3=ZF/ZC（=1.11.3）；初选角度11和力臂比k4，其范围参照前述或样机；根据机构运动特性初选动臂与斗杆的最大夹角即参数CFQmax=160180；根据结构情况初选BCZ。,2.动臂机构参数选择步骤,第三步：按近似计算公式计算动臂和斗杆长度；,已知条件：作业尺寸要求，即最大挖掘深度、最大挖掘高度，最大挖掘半径和最大卸料高度等。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,49,第四步：由三角形CZF中的几何关系求l41、l42和39（图2-47）,第五步：根据最大挖掘高度和最大挖掘深度时的几何关系求ACB的最大值1max、最小值1min和l5。,由,得出：,(2
30、-53),，,和,将其回代到时（2-53）就可得出 的一元方程，解此方程可求得 。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,50,第七步：由以下各式计算L1min、L1max和l7。,由,求得,由最大挖掘深度表达式求得 l5 如下（式2-56）：,第六步：求长度比(=l5/L1min)和（= l7/L1min）（参见公式2-57）,第八步：考虑油缸的伸缩速度并参考同类机型和标准手册等初选动臂油缸的缸数、缸径和活塞杆直径。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,51,3.动臂液压缸作用力（主动）和闭锁力的确定,1).动臂液压缸作用力（主动）的确定,要求：动臂液压缸应保证在任何位置都能提起带
31、有满载铲斗的工作装置,选择如下3个位置计算动臂缸的提升力矩,.从最大挖掘深度处提起满载斗；.在最大挖掘半径处举起满载斗；.在最大卸载高度处提动满载斗。,参照右图的3个工况，隔离整个工作装置并对动臂下铰点取矩可求得动臂油缸需要产生的提升力。,注：式中的部件重量及重心位置需根据参考文献预先估计,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,52,2).动臂液压缸闭锁力及闭锁压力的确定,选择适当的动臂液压缸闭锁压力既能起到保护元件的目的又能保证主动油缸发挥最大挖掘力使正常作业顺利进行。过大的闭锁压力不但起不到保护液压系统及其元件的作用，而且会对系统提出过高的要求，这样既不经济，也无必要，还可能损坏元件。
32、合理的闭锁压力是保证在主要挖掘范围内使主动液压缸能发挥出最大挖掘力的同时还能起到保护元件的作用。,通常按照右图的3种工况来确定动臂油缸的闭锁压力。,.动臂最低，斗杆铅垂，转斗挖掘，其作用力臂最大；.动臂最低，F、Q、V三点一线，斗杆挖掘且作用力臂最大 ；.动臂最低，挖掘深度最大，F、Q、V三点一线，铲斗挖掘，克服平均阻力 。, ,F,Q,V,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,53,上式中，如 则动臂缸大腔受压；否则，动臂缸受拉，小腔闭锁。针对动臂缸不同的受力状态，计算闭锁压力时应带以不同的作用油缸面积，按下式计算。,2).动臂液压缸闭锁力及闭锁压力的确定,工况各部件重力及挖掘阻力对C点
33、形成的合力矩按下式计算,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,54,式中，,动臂油缸数目；,动臂油缸作用面积；,当MCB0时，,工况2、3的分析过程可参照上述过程进行，此处略。,由上述过程得出的动臂油缸闭锁压力是保证这些指定工况下主动油缸能发挥最大挖掘力的最低限定压力。实际分析计算中难以对所有的工况计算油缸应产生的闭锁压力，事实上，对所有的工况都保证主动油缸能充分发挥其最大挖掘力是不现实的，也是不可取的，因为，某些工况下所需的闭锁压力可能会很大，如照此工况设定闭锁压力，将会对系统带来更高甚至难以达到的要求，所以，比较合理的闭锁压力设定值应如前面所述，能保证主要工况下在较大范围内主动油缸的最
34、大挖掘力能充分发挥就行了。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,55,4.斗杆机构参数的选择,1）对斗杆机构的要求：保证斗杆液压缸有足够的挖掘力；保证斗杆液压缸有足够的闭锁力矩；保证斗杆液压缸有足够的回摆力矩；保证斗杆的摆角范围（105125）；,第一步：初步选择斗杆摆角范围2max（105125）及斗杆油缸伸缩比2（1.61.7）；,第三步：求斗杆油缸最短长度L1min和DF距离l8 （参见图2-53）,2）斗杆机构的选择步骤,第二步：按要求的斗杆油缸最大挖掘力由公式初步确定l9；,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,56,第四步：参考样机根据结构情况初选斗杆结构角度EFQ和DF
35、Z。,第五步：考虑油缸的伸缩速度并参考同类机型和标准手册等初选斗杆油缸的缸数、缸径和活塞杆直径。,3）按照前述要求选择适当的工况计算斗杆油缸挖掘力、闭锁力、闭锁压力及回摆力矩。,5.铲斗机构参数的选择,1）对铲斗机构的要求：保证铲斗液压缸在铲斗转角的特定范围内有足够的挖掘力；保证铲斗液压缸有足够的闭锁力矩；保证铲斗油缸有足够的回摆力矩；保证铲斗的摆角范围（150180）；保证铲斗机构在铲斗的整个转角范围内不发生干涉现象、不出现死点和连杆机构几何特征被破坏等几何不相容现象。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,57,5.铲斗机构参数的选择,2）铲斗机构的载荷与对应转角的关系 按理论分析将铲
36、斗挖掘切削形状分为四种，即图2-56中的情况，其对应的载荷变化规律为图2-57中的相应曲线。按此规律，对铲斗在相应转角处所应发挥的挖掘力大致应符合以下规律： 030：挖掘力不小于平均挖掘阻力； 3080：希望挖掘力较大甚至接近于最大挖掘阻力； 80120：对挖掘力的要求有所降低； 120：不考虑挖掘，满足收斗要求即可。,3）铲斗机构各参数的初步选择第一步：通过对资料的统计分析，初选时可按照如下关系确定铲斗机构各主要参数：,对非共点机构：,，,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,58,第二步：根据铲斗的转角范围要求确定连杆机构NHKQ的几何运动关系并检查机构的合理性。,第三步：确定铲斗油缸
37、与摇臂铰接点M的极限位置和最大直线位移，并由此确定转斗油缸的行程。,第四步：根据铲斗的转角范围要求结合斗杆的结构情况确定铲斗油缸与斗杆的铰接点G的位置。,第五步：计算铲斗连杆机构的传动比并根据最大挖掘力要求确定铲斗油缸应产生的推力（主动和被动）。,第六步：参考样机和标准初选铲斗油缸的缸数、缸径及活塞杆直径。,注：按上述过程选择的铲斗连杆机构参数仅是初选值，须首先满足前述对铲斗机构的要求，在此基础上，需要将动臂机构、斗杆机构及铲斗机构结合起来并考虑整机的其它影响因素对工作装置整体进行性能分析。如某项性能不满足要求，则需要返回前面对相应参数进行修改。这样反复进行，才可能达到比较满意的效果。,第三章
38、单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,59,3.2.5 工作装置的设计合理性分析,挖掘机工作装置是一个多自由度、多参数的复杂机构，各参数之间具有很强的耦合关系，并具有很强的非线性特性，设计计算过程复杂，某些步骤甚至无法用人工计算完成，因此，对挖掘机工作装置几何铰点位置及其它几何参数的选择和性能的分析，单靠上述过程进行人工设计很难达到满意的效果，有效的方法是把理论和实践经验结合起来，并借助于计算机来完成。,对挖掘机工作装置的合理性分析是在综合了各种影响因素的情况下对工作装置乃至整机所进行的性能分析，其主要目的是检验挖掘机工作装置几何设计是否满足前述要求，反铲工作装置的设计合理性应从以下几方面考虑：
39、,挖掘范围及主要工作尺寸是否满足要求？整机理论最大挖掘力的值及其分布区域是否满足要求？影响整机理论挖掘力的因素及其分布区域如何？各影响因素之间是否达到了合理匹配？作业过程中的功率利用情况如何？作业循环时间即作业效率如何？工作装置结构和布置的可行性如何？部件的重量及重心位置是否合理？机构所占据的空间即机构的紧凑性如何？工作装置乃至整机的受力状态的合理性及部件的结构强度是否满足要求？,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,60,按照标准要求对作业参数的检验主要包括以下几个：H1最大挖掘深度H2最大挖掘高度R1最大挖掘半径H3最大卸载高度R0停机面上的最大挖掘半径H4最大垂直挖掘深度H5水平底面
40、为2.5m时的最大挖掘深度,(一）通过挖掘包络图检验作业尺寸及各部件运动的可行性,除上述尺寸参数外，还应检验各部件的运动范围，各机构自身以及机构之间的干涉情况。在结构上实现的可行性如何等相关的问题？,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,61,(二）通过挖掘图检验挖掘力发挥情况、功率利用情况、影响挖掘力发挥的因素及各因素之间的匹配情况,挖掘图是在给定工况下、斗齿在一系列位置上所能产生的最大挖掘力（整机最大理论挖掘力）、消耗的最大功率及影响挖掘力发挥的因素等信息的综合反映。由于包含的信息多、计算过程复杂、计算量大，因此，对挖掘图的绘制一般借助于计算机来完成。,挖掘图的绘制方法如下：,1.选定
41、机身姿态和工况,机身姿态：包括坡度、机身相对于工作装置的纵向或横向姿态,工况：根据三组油缸的不同组合方式主要包括以下几种：,1).动臂油缸举升工况：该工况通过分析计算动臂油缸发挥的力矩检验其举升能力,2).铲斗油缸挖掘工况：该工况通过分析计算铲斗油缸主动发挥、其它油缸闭锁时产生的最大挖掘力及其影响因素检验其挖掘能力,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,62,3). 斗杆油缸挖掘工况：该工况通过分析机算斗杆油缸主动发挥、其它油缸闭锁时产生的最大挖掘力及其影响因素检验其挖掘能力,4). 斗杆油缸回摆工况：该工况通过计算斗杆油缸发挥的力检验其回摆能力,5). 铲斗油缸回摆工况：该工况通过计算铲
42、斗油缸发挥的力检验其回摆能力,2.给定三组油缸长度的不同组合并计算相应的斗齿位置坐标,3.考虑各种影响因素计算斗齿各位置上产生的最大挖掘力、消耗的最大功率,4.将上述信息组合起来绘制挖掘图,挖掘图中考虑的影响挖掘力发挥的因素排序如下：序号1：动臂油缸的闭锁能力；序号2：斗杆油缸主动发挥能力或被动作用时的闭锁能力；序号3：铲斗油缸主动发挥能力或被动作用时的闭锁能力；序号4：整机与地面的附着性能限制了挖掘力的发挥；序号5：整机发生前倾失稳限制了挖掘力的发挥；序号6：整机发生后倾失稳限制了挖掘力的发挥；,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,63,(三）合理性判断依据,1.挖掘力、挖掘速度及挖掘
43、功率,a)转斗挖掘时希望挖掘力的大小及其变化规律能与挖掘阻力的变化规律相适应。挖掘力太小，整机的挖掘能力不足，太大则会降低动作速度和效率，并会给结构强度带来不利影响。030：挖掘力不小于平均挖掘阻力； 3080：希望挖掘力较大甚至接近于最大挖掘阻力； 80120：对挖掘力的要求有所降低； 120：不考虑挖掘，满足收斗要求即可。,b) 在一定的功率条件下，挖掘速度受到挖掘阻力或实际挖掘力的影响，这种关系对处于恒功率阶段的变量系统尤其明显，因此，对于变量系统，当挖掘力与挖掘阻力相适应时，不仅能够充分利用发动机功率，而且能有效地提高生产率。对于定量系统，在挖掘力发挥不足的情况下，会浪费发动机的功率并
44、造成系统的发热。,c) 由于受物料特性、挖掘方式、液压系统型式、控制系统特性及整机稳定性等因素的影响，对挖掘机功率利用情况的判断难以单纯从数字上充分说明，一般的看法是只要在主要挖掘区域内主动油缸的挖掘力能正常发挥出来，功率利用就基本符合要求。,第三章单斗液压挖掘机的设计单斗液压挖掘机,64,2.各液压缸作用力矩的匹配及液压缸力臂的变化,当主动液压缸作用力在整个地面以下作业范围内大面积地充分发挥，闭锁液压缸的闭锁能力仅在地面下作业范围的边缘地区控制小块面积，各不同控制区之间挖掘力和功率的过渡平缓，也即不同限制因素之间处于动平衡状态时就表明三组液压缸之间达到了合理匹配状态，这也是理想的设计目标。,3.挖掘时整机的稳定性,挖掘机在作业时应具有良好的稳定性，同时还要有一定的自救能力。即在主要作业范围内应能保证工作油缸完全发挥其作用力，而在远离机身的边缘地区稳定性可以控制适当的区域，此外，无论铲斗处于什么转角状态，如把铲斗支在坚硬的地面上，整机前部应能抬起。,
