【正文】 設(shè)的加快和施工項目的增多，對挖掘機的需求量也將逐年增大。 在過去 10 年，伴隨著中國經(jīng)濟長期持續(xù)的高速增長，中國市場對挖掘機的需求不斷攀升，成為當(dāng)今全球最大的、贏利水平最好和競爭最激烈的市場之一。全球挖掘機制造商的未來也因此與中國市場緊密的聯(lián)系在一起。隨著全球挖掘機市場新格局的形成，可 以預(yù)見的是，中國的挖掘機市場也逐漸成為一股影響全局的力量。 2021 年，挖掘機引領(lǐng)了工程機械行業(yè) “ 新潮流 ” ，在國內(nèi)固定資產(chǎn)投資和房地產(chǎn)開發(fā)較快增長的背景下，工程機械行業(yè)呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，挖掘機表現(xiàn)尤為突出，業(yè)內(nèi)人士普遍對 2021 年的挖掘機增長前景看好。 2021 年雖然房地產(chǎn)面臨國家調(diào)控的壓力，但高鐵、保障性住房、水利等領(lǐng)域的基礎(chǔ)建設(shè)仍將給挖掘機帶來較大的增長機會，國產(chǎn)品牌的增速將明顯高于行業(yè)平均水平。 中國工程機械行業(yè)必須具有長遠(yuǎn)眼光，在積極攻占內(nèi)地市場同時，加快對海外工程機械市場的進(jìn)軍步伐，加快節(jié)能減排步伐 ，在危機中不斷尋找企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的新契機。核心零部件受制于人始終是國產(chǎn)挖掘機的短板。液壓泵、液壓閥、 馬達(dá)、液壓油缸甚至發(fā)動機等主要零部件的供應(yīng)常?？刂圃谏贁?shù)幾家供應(yīng)商手中，它們根據(jù)自己公司的生產(chǎn)情況量產(chǎn)，并非隨著制造商產(chǎn)量的增長擴大生產(chǎn)。關(guān)鍵零部件短缺，仍是國內(nèi)品牌的主機制造企業(yè)心中的 “ 痛 ” 。所以，大投入和研發(fā)、攻國內(nèi)外市場、核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件的科研上取得突破對國內(nèi)挖掘機品牌來說其重要意義不言而喻，是我們努力的方向和目標(biāo) 挖掘機工作原理概述 液壓挖掘機的工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置，它由動臂、斗桿 、鏟斗等三部分鉸接而成。動臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉(zhuǎn)動都用往復(fù)式雙作用液壓缸控制。回轉(zhuǎn)與行走裝置是液壓挖掘機的機體，轉(zhuǎn)臺上部設(shè)有動力裝置和傳動系統(tǒng)。其工作過程是由動臂的上升下降，斗桿的伸出和回收，鏟斗的挖土和卸土，以及上部平臺的 360176。 回轉(zhuǎn)等動作組成。發(fā)動機是液壓挖掘機的動力源，大多采用柴油要在方便的場地，也可改用電動機。液壓傳動系統(tǒng)通過液壓泵將發(fā)動機的動力傳遞給液壓馬達(dá)、液壓缸等執(zhí)行元件，推動工作裝置動作，從而完成挖掘機的挖掘、滿斗舉升回轉(zhuǎn)、卸載、空斗返回等各種工況動作。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 1斗桿油缸； 2 動臂； 3油管； 4動臂油缸； 5鏟斗； 6斗齒； 7側(cè)板； 8連桿； 9搖桿； 10鏟斗油缸； 11斗桿 圖 工作裝置組成圖 Work device of operation 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機的研發(fā)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展。 1） 多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機。 2） 發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機 綜合程序控制。 3） 采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。 4） 設(shè)計理論，提高可靠性，延長使用壽命。 5） 對駕駛員的勞動保護，改善駕駛員的勞動條件。 6） 步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。 7） 拓展電子化、自動化技術(shù)在挖掘機上的應(yīng)用。 8）環(huán)境 保護， CAT、 小松等廠家紛紛推出滿足三次排放要求的挖掘機。 早在 1958 年國內(nèi)便開始了液壓挖掘機的研制開發(fā)工作，隨后開發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。當(dāng)時出于受配件如發(fā)動機 、液壓件及企業(yè)自身條件的影響，其質(zhì)量和產(chǎn)量遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的水平，與國外同類產(chǎn)品相比也存在較大差距。到了 80年代末和 90 年代初，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家液壓挖掘機技術(shù)水平得到了迅速的提高，突出表現(xiàn)在追求高效率(同一機重的挖掘機功率普遍提高，液壓系統(tǒng)流量增大，作業(yè)循環(huán)時間減小，作業(yè)效率大大提高 )；高可靠性和追求司機操作的舒適性。 一些挖掘機專業(yè)生產(chǎn)廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實力和豐富的挖掘機生產(chǎn)經(jīng)驗，紛紛在工廠的技術(shù)改造、試驗研究、新產(chǎn)品開發(fā)方面下大功夫。有的新開發(fā)的產(chǎn)品(也包括某些已生產(chǎn)多年的老產(chǎn)品 )為了提高作業(yè)的 可靠性，干脆采用了進(jìn)口的液壓件和發(fā)動機，甚至于整個傳動系統(tǒng)都按照采用國外元件來設(shè)計，這種經(jīng)過改型或新設(shè)計開發(fā)的液壓挖掘機其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。這樣，引進(jìn)和消化國外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長足的進(jìn)步。 谷守領(lǐng)： 20噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設(shè)計 4 挖掘機行業(yè)近年來雖有很大發(fā)展，但與國外挖掘機行業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍存在許多不足，其原因除了國內(nèi)挖掘機加工水平落后之外，挖掘機設(shè)計水平與發(fā)達(dá)國家相比也有較大的差距，尤其是一些先進(jìn)設(shè)計技術(shù)的掌握和應(yīng)用。國內(nèi)眾多的研究人員和單位對液壓挖掘機工作裝置設(shè)計進(jìn)行了不少研究，開發(fā)了其設(shè)計軟件，他們的研究基本上 局限于解決某些問題，即工作裝置的幾何參數(shù)、運動參數(shù)和力參數(shù)等的解決。關(guān)于工作裝置設(shè)計參數(shù)分析和在 CAD 上其自動設(shè)計的綜合研究文獻(xiàn)還沒有。因此，開發(fā)出的軟件缺少通用性，不能使用于挖掘機工作裝鶯的一些通用問題的解決，對工程機械這個行業(yè)不具有通用性。特別是國內(nèi)， CAD 在許多企業(yè)還停留在輔助制圖的程度上，當(dāng)然也有部分企業(yè)用CAD 進(jìn)行空間布置設(shè)計。雖然部分軟件也有一定的分析計算能力，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計需要，對液壓挖掘機進(jìn)行分析的大型通用軟件目前市場上還很少。經(jīng)過近十年的研究，獲得了一些成果，但是研究還不夠深入，有些 研究結(jié)果已進(jìn)入實際應(yīng)用過程中。目前研究液壓挖掘機工作裝置設(shè)計的重點在于，為了使挖掘機設(shè)計人員從繁忙的計算中解脫出來，現(xiàn)有工作裝置機構(gòu)的計算機輔助計算和優(yōu)化設(shè)計，即大多數(shù)的液壓挖掘機工作裝置設(shè)計研究在現(xiàn)有機構(gòu)的基礎(chǔ)上局限地進(jìn)行的。在這樣一種情況下，開發(fā)一個專業(yè)化的工作裝置的設(shè)計工具和軟件顯得非常必要。 目前，液壓挖掘機的發(fā)展著眼于動力和傳動系統(tǒng)的改進(jìn)以達(dá)到高效節(jié)能 。應(yīng)用范圍不斷擴大，成本不斷降低，向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，以提高零部件、配件的可靠性，從而保證整機的可靠性 。電子計算機監(jiān)測與控制，實現(xiàn)機電一體化 ； 提高 機械作業(yè)性能，降低噪音，減少停機維修時間，提高適應(yīng)能力，消除公害，縱觀未來，液壓挖掘機技術(shù)研發(fā)有以下的趨勢： （ 1）向大型化發(fā)展的同時向微型化發(fā)展。 （ 2）更為普遍地采用節(jié)能技術(shù)。 （ 3）不斷提高可靠性和使用壽命。 （ 4）工作裝置結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，工作范圍不斷擴大。 （ 5）液壓系統(tǒng)不斷改進(jìn)，液壓元件不斷更新。 （ 6）應(yīng)用微電子、氣、液等機電一體化綜合技術(shù)。 （ 7）增大鏟斗容量，加大功率，提高生產(chǎn)效率。 （ 8）人機工程學(xué)在設(shè)計中的充分利用。 課題研究方法 本次畢業(yè)設(shè)計對日立 ZX200 中型履帶式液壓挖掘機進(jìn)行 了現(xiàn)場測繪，取得了工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置以及挖掘機整體的大體數(shù)據(jù)資料。再結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資料以及與挖掘機設(shè)計相關(guān)書籍，用力學(xué)知識對液壓挖掘機的工作裝置進(jìn)行運動學(xué)分析和力學(xué)計算。根據(jù)運動學(xué)分析和力學(xué)計算的結(jié)果得到工作裝置的基本尺寸和結(jié)構(gòu)尺寸。然后用 CAD 軟件山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 進(jìn)行了三維圖和二維圖的繪制。 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、銷軸、連桿機構(gòu)組成挖掘機工作裝置進(jìn)行設(shè)計。具體內(nèi)容包括以下四部分： （ 1） 挖 掘 機工作裝置的總體運動學(xué)分析。 （ 2） 挖掘機的工作裝置的運動學(xué)設(shè)計。 （ 3） 工作裝置的基本尺寸 的計算和校驗。 （ 4） 挖掘機的三維圖和二維圖的繪制。 谷守領(lǐng)： 20噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設(shè)計 6 2 挖掘機工作裝置設(shè)計 工作裝置構(gòu)成 1斗桿油缸； 2 動臂； 3油管； 4動臂油缸； 5鏟斗； 6斗齒； 7側(cè)板； 8連桿； 9搖桿； 10鏟斗油缸； 11斗桿 圖 工作裝置組成圖 Work device of operation 圖 ，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗 搖桿 斗桿 1動臂 相應(yīng)的三組液壓缸 10 等 組成。動臂下鉸點鉸接在轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉(zhuǎn)動，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉(zhuǎn)動。 挖掘作業(yè)時，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮，動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作 。 斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進(jìn)油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗 翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。 在實際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機的。上述過程僅為一般的理想過程。 挖掘機工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，可以對工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡化處理，則可知單斗液壓挖掘機的工作裝置可以看成是由動臂、斗桿、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機構(gòu)， 處理的具體簡圖如 。進(jìn)一步簡化得圖如 所示。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖 The equipment structure diagram 1鏟斗； 2連桿； 3斗桿； 4動臂； 5鏟斗油缸； 6斗桿油缸 圖 工作裝置結(jié)構(gòu)簡化圖 The equipment structure simplified diagram 挖掘機的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實質(zhì)是一組平面連桿機構(gòu)，自由度是 3，即工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度 L斗桿油缸長度 L鏟斗油缸 長度 L3決定，當(dāng) L LL3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定。 動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式的初選 動臂采用整體式彎動臂，這種結(jié)構(gòu)形式在中型挖掘機中應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)簡單、價廉，剛度相同時結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕，且有利于得到較大的挖掘深度。缺點是可更換工裝少，通用性較差。使用經(jīng)驗說明，長期用于作業(yè)條件近似的反鏟，以采用整體臂較好。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機采用整體式斗桿。 動臂與動臂油缸的布置 動臂油缸裝在動臂的前下方，動臂的下支承點（即動臂與轉(zhuǎn)臺的鉸點）設(shè)在轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn) 中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺平面，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。油缸活塞桿端部與谷守領(lǐng)： 20噸履帶式單斗液壓挖掘機工作裝置三維設(shè)計 8 動臂的鉸點設(shè)在動臂箱體的中間，這樣雖然削弱了動臂的結(jié)構(gòu)強度，但不影響動臂的下降幅度。并且布置中，動臂油缸在動臂的兩側(cè)各裝一只，這樣的雙動臂在結(jié)構(gòu)上起到加強筋的作用，以彌補前面的不足。具體結(jié)構(gòu)如圖 所示。 Arm oil cylinder hinged schemes 鏟斗與鏟斗油缸的連接方式 本方案中采用六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在相同的鏟斗油缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn) 角，改善了機構(gòu)的傳動特性。該布置中 1 桿與 2桿的鉸接位置雖然使鏟斗的轉(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠大的鏟斗平均挖掘力。如圖 所示。 1斗桿； 2連桿機構(gòu)； 3鏟斗 圖 鏟斗連接布置示意圖 Connect the bucket decorate schemes 鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇 鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機的作業(yè)效果影響很大，其應(yīng)滿足以下的要求： （ 1） 有利于物料的自由流動。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合于各種物料的運動規(guī)律。 （ 2） 要 使物料易于卸盡。 （ 3） 于卸出，鏟斗的 寬度與物料的粒徑之比應(yīng)大于 4，大于 50 時，顆粒尺寸不考1動臂； 2動臂油缸 圖 動臂油缸鉸接示意圖 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 慮，視物料為均質(zhì)。 綜上考慮，選用中型挖掘機常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 鏟斗 Fig. bucket 原始幾何參數(shù)的初定 （ 1）動臂與斗桿的長度比 K1由于所設(shè)計的挖機適用性較強，一般不替換工 作裝置，故取中間比例方案， K1取在 ～ 之間，初步選取 K1=，即 l1/l2=。 1l —動臂下鉸點到動臂與連桿連接的 鉸點的距離 2l —斗桿與動臂連接的鉸點到斗桿與鏟斗連接的鉸點的距離 （ 2） 鏟斗斗容