1、南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 1 页 共 49 页履带式液压单斗挖掘机是一种利用单个铲斗挖掘或装载土壤石块的机械,广泛应用于建筑施工、筑路工程、水电工程建设、港口工程、农田改造、国防工事的土石方施工和露天矿场的采掘作业，对减轻繁重的体力劳动，实现土方工程机械化，提高劳动生产率起了很重要作用。液压挖掘机的出现虽然只有 40 多年的历史，但是其发展非常迅速。近年来，在国外市场上，挖掘机行情普遍看涨，特别是液压挖掘机。因此这就更需要设计人员开发新产品并改进旧产品，以适应新的形势来增强市场竞争力。发展新产品和改进旧产品都需要进行产品设计，产品设计包括从明确设计任务到确定产品的结构这一系列复杂
2、的工作。本次毕业设计是在李岚老师的指导下，结合公司实习认识及大学期间的基本理论学习进行“单一的产品仿型设计 ”。这类设计的特点是：在机器的工作原理与基本结构形式不变的条件下，对已有产品进行仿真造型设计，也就是通过计算改变已有产品的零部件尺寸及其不合理的某些结构，使其符合新的设计功能参数与使用环境等要求。这类设计目的明确，机器主要性能参数准确，主要结构形式基本不变，有同类机型但某些参数及尺寸不同的设计资料可以借鉴。本次设计中，考虑的一般因素有：强度、刚度、可靠性、磨损与润滑、振动与噪声、效率、加工工艺、经济性、稳定性、腐蚀、起动与控制、装配工艺、尺寸及重量、外观、安全保护、管理与维修、运输与安装
3、等。本人根据自己选取的较为满意的设计方案、分析所设计机械的特点、使用功能及应满足的主要设计等因素，进行了运动计算、动力计算、强度计算、刚度计算、零件设计、部件设计及运动仿真，决定各个部件的相对位置及连接方法，确定主要零部件的形状尺寸、材料、制造安装等一系列问题。在此基础上，绘出机械的总装图、部件装配图、部分零件图、部件爆炸图及运动仿真工作。本次设计所绘制的挖掘机工作装置总装图是先造型动臂、斗杆、铲斗及液压油缸的部件装配图而后绘制成，之后再进行机器底盘、回转装置、行走装置及驾驶室的设计。设计零件工作图时，是从机器的总体要求出发，综合考虑零部件的强度、刚度、工艺性及经济性等设计因素而绘制成零件工作
4、图。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 2 页 共 49 页1 绪论1.1 课题背景及目的履带式液压单斗挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的土方机械。工程施工中绝大部分的土方工程是由挖掘机来完成的。液压挖掘机利用液压元件（液压泵、液压马达、液压缸等）带动各种构件动作，以实现挖掘、平整、装载等施工作业。液压挖掘机利用液压传动具有如下优点：1、元件布局安装有很大的灵活性，能构成复杂系统；2、可实现大范围无级调速；3、传递运动平稳，易于实现快速启动、制动和频繁换向；4、操作控制方便、省力，易于实现自动控制和过载保护；5、能自行润滑，元件寿命长等。
5、6、功率密度大，结构紧凑，重量轻等等。因此，液压挖掘机对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，具有重要意义。液压挖掘机整机结构包括上、下车两大部分，上车部分由转台、司机室、发动机、机械传动系统、液压系统和工作装置组成，下车部分由回转支承、底架和行走装置构成。液压挖掘机整机结构的设计是对所需设计的液压挖掘机作初步的全面规划、提出有关数据、资料及总体草图，为进一步设计、分析计算提供依据，同时前期的参数规范化及部件尺寸的完善化也为后期的仿真工作作下铺垫。 1.2 研究意义和其它挖掘机一样,此履带式液压单斗挖掘机将给人类带来诸多方便，能广泛应用于水利工程，
6、交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，还能在农业中得到使用。能适应恶劣的野外工作环境，它在减轻繁重的体力劳动的同时，保证工程质量的前提下，在加快建设速度以及提高劳动生产率的方面也起着相当重要的作用，而且还就具有节约能源的特点，从而使系统发热减少、燃油消耗降低、公害噪声减小、系统设备可靠性提高、液压元件的寿命增长等好处，也可大大节约作业成本和设备维修费用，它必定会受到广大施工作业单位的青睐。通过对履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真，以solidworks2012、AutoCAD2007 等软件来进行挖掘机的结构设计、部分部件受南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 3 页 共 49 页力分析
7、及整体机构外部运动仿真。在对挖掘机的结构设计前通过查阅、整理资料、实地考察、综合运用软件分析等一系列研究方法进行整合，结合实际情况制定实适用且实用的设计方案。掌握挖掘机的设计及运动仿真的方法和过程，任务执行者必须根据任务要求严格执行，同时鼓励提出异议、有所创新。综合所学知识，查阅相关资料及产品样本，掌握最新发展动态，更重要的是设计的产品应符合目前技术发展水平，鼓励采用新技术、新思想。通过本设计能达到以综合训练为目的，有利于培养学生独立工作能力，巩固和提高所学知识。1.3 国内部分学者在挖掘机设计方面的工作1994 年，刘东升在0.8m轮式液压挖掘机对洛阳矿山机械工程设计研究院和工程兵科研一所于
8、 1994 年 10 月联合研制成功的 0.8m轮胎式全液压挖掘机的主要技术参数、主要结构特点进行了介绍。1997 年，西北建筑工程学院王进在全回转步履式液压挖掘机的总体设计提出了步履式液压挖掘机总体设计的基本要求、主要参数的选择与确定方法，及整机主要参数的选择流程框图。1997 年，贾发熔在小型液压挖掘机的选型中对液压挖掘机的发展趋势、分类方法进行了阐述。并提出确定设备型号和供货单位的基本程序是首先从市场信息中选出能满足施工要求的若干型号及设备选型应考虑的问题。罗建炎在液压挖掘机总体参数的经验计算一文中根据国内外百余种液压挖掘机的统计分析，以机重作为主参数，提出了液压挖掘机各种参数的经验公式
9、，可作为液压挖掘机初步设计的参考。西南交通大学新型驱动技术中心的李闯、陈钰尘等在小型液压挖掘机基本参数与整机质量关系中通过对目前整机质量为 3 至 8 吨的液压挖掘机基本参数的统计分析和整理，将整机质量与对应参数值绘制成图表，结果显示基本参数与整机质量存在一定关系。对其进行拟合，其结果可为小型液压挖掘机设计时基本参数确定提供参考。贵阳矿山机器厂的吕韶文在WYL161 轮式液压挖掘机主参数的确定中就WYL161 轮式液压挖掘机的系统功率、主泵排量、主泵及行走马达的起调压力的选择、计算、确定进行论述。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 4 页 共 49 页江苏悦达盐城拖拉机制造有限公司张凤在与
10、轮式拖拉机相配套的液压挖掘机的总体设计分析一文对液压挖掘机的结构性能进行优化设计,通过液压系统的安全可靠设计和整机稳定性的验证,从而确保挖掘机的使用可靠性,以增加拖拉机的使用功能。南京农业大学工学院岳睿、丁为民和江苏清江施拉机有限公司潘祖军、张丙寅在以四轮拖拉机为行走装置的液压挖掘机的总体设计分析中进行了主要参数的选择与计算、挖掘工作装置参数的确定、挖掘装置与拖拉机连接方式的分析与介绍。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 5 页 共 49 页2 履带式液压挖掘机的基本结构与工作原理2.1 设计的基本组成部分图 2.1 履带式液压挖掘机基本组成1、挖掘手（铲斗） 2、铲斗与斗杆连杆机构 3、
11、斗杆 4、铲斗液压油缸 5、斗杆液压油缸 6、动臂 7、动臂液压缸 8、驾驶室 9、尾部机座 10、底盘回转装置 11、行走装置液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成。如上图 2.1 所示为该设计的基本组成部分。履带式液压挖掘机的基本组成部分一般还包括柴油机、机罩、油箱、多路阀、回转减速器、回转马达、回转接头、操纵台、行走减速器、行走马达、平衡重等。2.2 液压挖掘机基本工作原理工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂的起落、斗杆的伸缩和铲斗的转动都是由往复式双作用液压缸控南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 6 页 共
12、49 页制。为了适应各种不同环境施工作业的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、推土、冲击等多种机械作业工具。 回转装置与行走装置是液压挖掘机的主体，转台上部设有动力装置和传动系统。发动机是液压挖掘机的动力源，大部分采用柴油机， 也可改用电动机。 液压传动系统通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执行元件，推动工作装置动作，从而完成各种施工作业。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 7 页 共 49 页3 液压挖掘机工作装置的设计3.1 该设计基本参数（已知）履带式液压单斗挖掘机的基本技术参数：整机质量： 6000kg ；标准斗容量： 0.25m3 ；发动
13、机功率： 60kW ；铲斗宽度： 800mm ；最小挖掘深度： 3500mm ；最大挖掘深度： 5800mm ；最大挖掘半径： 6000mm ；最大卸载高度： 3600mm ；液压系统工作压力：28Mpa ；最大流量： 63x2L/min ；爬坡度： 27.8 ；最大牵引力： 48kN ；最大行走速度： 5km/h ；最低行走速度： 3km/h ；外形尺寸（长 x 宽 x 高）：7800 mm x 2100 mm x 2500 mm。3.2 液压挖掘机工作装置的工作原理液压挖掘机工作装置的运作主要分三个阶段完成：（1）动臂借助其支承液压缸活塞杆在工作行程范围内的伸缩，实现动臂围绕转台上的铰接点
14、作旋转运动，进而实现动臂升降和俯仰变位等运动；（2）斗杆与动臂的端部以铰接的形式连接，借助其支承液压油缸（缸的一端支点固定在动臂上）活塞杆在工作行程范围内的伸缩，实现斗杆围绕动臂端部的铰接点作旋转运动，进而改变和确定挖掘方位；（3）控制铲斗铲挖动作的液压油缸的端部支点设在斗杆尾部，通过铲斗液压油缸活塞杆的伸缩及连杆机构的运动，实现铲斗围绕斗杆端部铰接点的旋转南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 8 页 共 49 页运动，进而完成整个挖土过程。铲斗的挖掘力和挖掘深度均可通过铲斗液压油缸活塞杆的伸缩动作进行调整。3.3 液压挖掘机工作装置主要参数的确定3.3.1 铲斗容量铲斗容量的计算一般有两种
15、方法：即平装斗容和堆尖斗容。在国内用于挖掘机铲斗容量标定的标准有：GB/T 219412008 土方机械 液压挖掘机和挖掘装载机的反铲斗和抓铲斗容量标定。其中对液压挖掘机反铲斗平装容量 的确定方法如下。SV（3.1）1SVW各尺寸确定如图 3.1 所示图 3.1 时各尺寸的确定12XY?1标定面2表面积 1S3 的质心以标定面为边界的反铲斗侧向的内表面积。1在铲斗质心处的铲斗截面内部宽度。W反铲斗前缘的切削刃（或切削面）与背板上缘标定面相连的距离。X反铲斗侧板上缘最低点到标定面的最大垂直深度。Y堆尖斗容 的确定方法如下EV南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 9 页 共 49 页（3.2）3
16、24446EVWXW各尺寸确定如图 3.2 所示图 3.2 尺寸的确定4W其中 124LWE背板的宽度；1板的内部宽度；2L侧板的厚度E初取 = =0.80m， =0.02m， =0.6m 各项数据代入式（ 3.2）后得到12EX=0.05645m 。由于本次设计取铲斗容量为 0.25m的铲斗，在预先确定最大EV挖掘半径为 0.60m，铲斗宽度为 0.80m 的情况下，在 Solidworks 中对铲斗进行三维实体造型，通过改变铲斗深度，并利用 Solidworks 中的体积和质量计算功能最终确定出铲斗的合适的几何尺寸。3.3.2 挖掘力南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 10 页 共 49 页如图 3.3 的计算简图：图 3.3 挖掘力计算简图铲斗挖掘力与斗杆挖掘力的计算公式分别为：（3.3）iBACDPlF（3.4）iSESFl式中： BFN铲 斗 挖 掘 力 ， ；S斗 杆 挖 掘 力 ， ；iP工 作 装 置 最 大 设 定 压 力 ， Pa；BA铲 斗 油 缸 作 用 面 积 ， ；S斗 杆 油 缸 作 用 面 积 ， ；Al转 斗 油 缸 作 用 力 臂 ， m；
