1、单斗正铲液压挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计 正铲液压挖掘机工作装置设计 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。由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，其生产制造业也日益蓬勃发展。 液压挖掘机主要有发动机、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置和电器控制等部分组成。本文主要研究其工作装置。 挖掘机的主要工作就是土壤的挖掘。工作装置是直接完成挖掘任务的装置，许多挖掘机发达的国家广泛采用新技术、新方法来不断地提高液压挖掘机的作业性能和生产率。正铲 装置的各组成部分有各 种不同的外形，要根据设计要求选用
2、适合的结构并对其作运动分析。然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机 正铲 装置的基本轮廓。 挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关重要。挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的分析是关键点。在挖掘力分析基础上，可对各杆件铰接点进行力的分析计算，并进行机构设计的合理性分析 。 关键词 ：正铲挖掘机，工作装置，平面连杆机构，运动分析 单斗正铲液压挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计 第二章 液压正 铲挖掘机工作装置的总体设计 2.1 液压正铲挖掘机的基本组成和工作原理 液压正铲
3、挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图 2.1 所示。其中上部转台包括动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室；工作装置由动臂、斗杆、铲斗及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成，如图 2.2 所示。 图 2.1 液压正铲挖掘机的基本组成 单斗正铲液压挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计 图 2.2 液压正铲挖掘机工作装置 挖掘作业时，操纵动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸，使斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，操纵 动臂油缸，使铲斗升高离开挖掘面，在回转马达的驱动下，使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲斗油缸使铲斗转动至合适位置，再回
4、缩开斗油缸转动铲斗，使斗前、斗后分开卸载物料。卸载后，开斗油缸伸长使斗前、斗后闭合，将工作装置转到挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。转移工作场地时，操纵行走马达，驱动行走机构完成移动工作 4。 在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。上述过程仅为一般的理想过程。 2.2 工作装置结构方案的确定 正 铲工作装置的构造：正铲工作装置由动臂、斗杆、铲斗、工作液压缸和连杆机构等组成。动臂是焊接的箱形结构，由高强度钢板焊成，也有的是铸造的混合结构，和反铲工作装置相比，正铲动臂较短且是单节的。动臂下端和转台铰接，动臂油
5、缸一般为双缸，在布置上动臂的下铰点高于动臂油缸的下铰点且靠后。这种布置方案能保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，以满足挖掘和卸载的需要，单斗正铲液压挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计 同时也保证动臂机构具有必要的提升力矩和闭锁力矩。 斗杆也是焊接箱形结构或铸造混合结构。斗杆的一端与动臂的上端铰接，斗杆油缸的两端分别与动臂和斗杆的下缘铰接，形 成了斗杆机构。由于正铲常以斗杆挖掘为主，这样的结构布置适合于向前推压，液压缸大腔进油可以发挥较大的挖掘力。 正铲斗铰接在斗杆的端部，铲斗油缸的两端分别与斗杆中部和连杆装置连接，形成转斗机构，一般为六连杆机构。有时铲斗缸的活塞杆直接和铲斗铰接形成四连杆机
6、构。 挖掘机 正铲 的铲斗根据结构和卸土方式可分为前卸式和底卸式两大类。 前卸式铲斗卸土时直接靠铲斗油缸使斗翻转，土镶 从斗的前方卸出。这种构造简单，斗体是整体结构，刚度和强度都比较好，并且不需要另设卸土油缸，但是为了能将土卸尽，要求卸土时前壁与水平夹角大于 45 度 ,因而要求铲斗的转角加大，结果导致所需的铲斗油缸功率增加，或者造成转斗挖掘力下降或卸土时间延长。此外，前卸式铲斗还影响有效卸载高度。 底卸式铲斗靠打开斗底卸土。所示的铲斗是靠专门的油缸起闭斗底。挖掘时斗底关 闭 ，卸土时斗底打开，土城从底部卸出。这类结构的卸土性能较好，要求铲斗的转角也小，但必须增设卸土油缸，此外，斗底打开后也影
7、响到有效卸载高度。这类开斗方式现在 已少用，目前挖掘机上采用较多的是另一种底卸式铲斗，铲斗由两半组成，靠上部 的铰连接。卸土油缸装在斗的后壁中。油缸收缩时通过杠杆系统使斗前壁 (顺板 )向上翘起，将土壤从底部卸出。用这种方式卸载，卸载高度大，卸载时间较短，装车时铲斗得以更靠近车休并且还可以有控制地打开额板，使土或石块比较缓慢地卸出，因而减少了对车辆的撞击，延长了车辆的使用寿命。另外这种斗还能用于挑选石块，很受欢迎，但铲斗的重量加大较多，因而在工作装置尺寸、整机稳定性相同的情况下斗容量有所减少，并且由于斗由两部分组成，受力情况较差。采用底卸式铲斗结 构，铲斗的转角可以减小，因而有些挖掘机已取消了
8、铲斗油缸的连杆装置，铲斗油缸直接与斗体相连接，简化了结构，并在一定程度上加大了转斗挖掘力 5。 当 挖掘机 挖掘比较松软的对象、或用于装载散粒物料时，正铲斗可以换单斗正铲液压挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计 成装载斗，在整机重量基本不变的情况下，这种斗的容量可以大大增加，因而提高了生产率。装载斗一般都是前卸式，不装斗齿，以减小挖掘松散物料时的挖掘阻力。 本设计中我采用图 2.3 这一结构。 图 2.3 液压正铲挖掘机结构 图 2.4 液压正铲挖掘机机构简图 图 2.4所示是 5 m3正铲挖掘机工作装置的示意图，采用直动臂、直斗杆形式，单斗正铲液压挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计
9、 铲斗为前卸式。动臂和动臂油缸在转台上的铰点分别为 C和 A，它们的位置以停机面为 X轴，整机回转中心线为 Y轴 (图 b)的直角坐标值来表示。这台挖掘机的主要工作油缸共 5只，其中动臂油缸两只，置于动臂的两侧；斗杆油缸一只 ,置于斗杆的中部；铲斗油缸两只，铰于斗杆中部。主要工作油缸的主要参数列于表 2 1中。 表 2.1 5m3正铲液压挖掘机主要油缸的主要参数 油缸名称 工作压力 /MPa 全缩时长度 /mm 全伸时长 度 /mm 行程 /mm 动臂油缸 28 1580 2660 1080 斗杆油缸 28 1600 2660 1060 铲斗油缸 28 1400 2320 920 第三章 液压
10、正铲挖掘机工作装置机构运动学分析 3.1动臂运动分析 动臂 CF 的位置由动臂油缸 AB 的长度 1L 决定。 1L 和动臂水平倾角 1 之间的关系可用下式表示 112175272521 c o s2 aallllL （ 2-1） 1125721252711 2cos aall Lll （ 2-2） 从上式看出， a11-a2 对 1 的影响很大，当动臂和油缸的参数不变时， a11-a2愈大动臂提升高度愈小。设动臂油缸全缩时动臂倾角为 min1 ；动臂油缸全伸时动臂倾角为 max1 ，那么在动臂油缸由全缩到全伸，动臂总的转角为： 单斗正铲液压挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计 m in1
11、m ax11 （ 2-3） 为了便于运算和比较，仍用无因次比例系数 、 表示，即 min1max1LL ；5min1lL ；57ll （ 2-4） 代入式 (2 2)可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值 112221m in 2 1cos aa （ -5） 1122221m a x 21c o s aa （ 2-6） 而动臂总转角为 2 1c o s21c o s 22122211 （ 2-7） 动臂油缸伸缩时对 C点的力臂也在不断变化，由图可知 B C AllLe s in5711 57 2125571 571 2a r c c o ss in ll LllL lle （ 2-8）
12、显然，当 AB AC时 1e 有最大值，此时 5max1 le ，而相应的油缸长度 1L 为： 1L = 2527 ll 此时的动臂倾角为 单斗正铲液压挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计 11275a rc c o s aall 若用动臂油缸相对力臂（即 )max11ee 来表示油缸长为 1L 时的力臂，则 57 21252717m a x1 1 2a r c c o ss in ll LllLle e （ 2-9） 综上所述， 动臂倾角 1 、力臂 1e 和max11ee 都是 1L 的参数。 3.2 斗杆运动分析 斗杆 FQ 的位置由动臂 CF和斗杆油缸 DE 的长度 2L 所决定。
13、但是动臂的位置随动臂油缸的伸缩而变化，为了便于分析斗杆油缸对头杆位置的影响，假定动臂不动，那么斗杆铰点 F 以及斗杆油缸在动臂上的铰点 D就可以看作为固定基座。 2L 与斗杆、动臂夹角 2 之间的关系为 34298292822 c o s2 aallllL （ 2-10） 34982229282 2a r c c o s aall Lll （ 2-11） 设斗杆油缸全缩时动臂与头杆的夹角为 min2 ，全伸时为 max2 ，那么当油缸由全缩到全伸时斗杆总的转角为 m in2m ax22 （ 2-12） 斗杆油缸的作用力臂 2e 也是可变值 。 D F EllLe s in9822 单斗正铲液压
14、挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计 )2c s cs in ( 98 2229282 982 ll LllosarL lle （ 2-13） 当 EF DE时 2e 有最大值，即 92 le ，这时相应的油缸长度 2L 为 29282 llL 相应的斗杆转角为 43892 a rc c o s aall （ 2-14） 用斗杆油缸相对力臂值（即max22ee ）来表示 2L 时的力臂，则 )2cscs in ( 98 22292828m a x2 2 ll LllosarLle e （ 2-15） 单斗正铲液压挖掘机工作装置设计 南昌航空大学毕业设计 2.3.3 斗齿尖的几种特殊工作位置的计算 上图为正铲挖掘机作业范围图，以下为几种特殊工作位置的分析与计算。 （ 1） 最大挖掘半径 (图 2.5) 这时 C、 Q、 V 在同一条水平线上，而且 斗 杆油缸全伸，即 max22 ； m a x2m a x44 2251 s ina r c s in l la ； 283 a 最大挖掘半径为 CXllR 3m a x44m a x （ 2-16）
