【正文】 設(shè)的加快和施工項(xiàng)目的增多，對(duì)挖掘機(jī)的需求量也將逐年增大。 在過(guò)去 10 年，伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期持續(xù)的高速增長(zhǎng)，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)挖掘機(jī)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(jìng)爭(zhēng)最激烈的市場(chǎng)之一。全球挖掘機(jī)制造商的未來(lái)也因此與中國(guó)市場(chǎng)緊密的聯(lián)系在一起。隨著全球挖掘機(jī)市場(chǎng)新格局的形成，可 以預(yù)見(jiàn)的是，中國(guó)的挖掘機(jī)市場(chǎng)也逐漸成為一股影響全局的力量。 2021 年，挖掘機(jī)引領(lǐng)了工程機(jī)械行業(yè) “ 新潮流 ” ，在國(guó)內(nèi)固定資產(chǎn)投資和房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)較快增長(zhǎng)的背景下，工程機(jī)械行業(yè)呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，挖掘機(jī)表現(xiàn)尤為突出，業(yè)內(nèi)人士普遍對(duì) 2021 年的挖掘機(jī)增長(zhǎng)前景看好。 2021 年雖然房地產(chǎn)面臨國(guó)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(jī)帶來(lái)較大的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)，國(guó)產(chǎn)品牌的增速將明顯高于行業(yè)平均水平。 中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)必須具有長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光，在積極攻占內(nèi)地市場(chǎng)同時(shí)，加快對(duì)海外工程機(jī)械市場(chǎng)的進(jìn)軍步伐，加快節(jié)能減排步伐 ，在危機(jī)中不斷尋找企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的新契機(jī)。核心零部件受制于人始終是國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)的短板。液壓泵、液壓閥、 馬達(dá)、液壓油缸甚至發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)擴(kuò)大生產(chǎn)。關(guān)鍵零部件短缺，仍是國(guó)內(nèi)品牌的主機(jī)制造企業(yè)心中的 “ 痛 ” 。所以，大投入和研發(fā)、攻國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)、核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件的科研上取得突破對(duì)國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)品牌來(lái)說(shuō)其重要意義不言而喻，是我們努力的方向和目標(biāo) 挖掘機(jī)工作原理概述 液壓挖掘機(jī)的工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置，它由動(dòng)臂、斗桿 、鏟斗等三部分鉸接而成。動(dòng)臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)都用往復(fù)式雙作用液壓缸控制?；剞D(zhuǎn)與行走裝置是液壓挖掘機(jī)的機(jī)體，轉(zhuǎn)臺(tái)上部設(shè)有動(dòng)力裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)。其工作過(guò)程是由動(dòng)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(tái)的 360176。 回轉(zhuǎn)等動(dòng)作組成。發(fā)動(dòng)機(jī)是液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力源，大多采用柴油要在方便的場(chǎng)地，也可改用電動(dòng)機(jī)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)液壓泵將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給液壓馬達(dá)、液壓缸等執(zhí)行元件，推動(dòng)工作裝置動(dòng)作，從而完成挖掘機(jī)的挖掘、滿斗舉升回轉(zhuǎn)、卸載、空斗返回等各種工況動(dòng)作。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 1斗桿油缸； 2 動(dòng)臂； 3油管； 4動(dòng)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì)后期開(kāi)始，國(guó)際上挖掘機(jī)的研發(fā)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)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(jī)。 2） 發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)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(wú)線電遙控、電子計(jì)算機(jī) 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(jì)理論，提高可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。 5） 對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件。 6） 步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。 7） 拓展電子化、自動(dòng)化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。 8）環(huán)境 保護(hù)， CAT、 小松等廠家紛紛推出滿足三次排放要求的挖掘機(jī)。 早在 1958 年國(guó)內(nèi)便開(kāi)始了液壓挖掘機(jī)的研制開(kāi)發(fā)工作，隨后開(kāi)發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。當(dāng)時(shí)出于受配件如發(fā)動(dòng)機(jī) 、液壓件及企業(yè)自身?xiàng)l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(guó)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(guó)家液壓挖掘機(jī)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(jī)重的挖掘機(jī)功率普遍提高，液壓系統(tǒng)流量增大，作業(yè)循環(huán)時(shí)間減小，作業(yè)效率大大提高 )；高可靠性和追求司機(jī)操作的舒適性。 一些挖掘機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實(shí)力和豐富的挖掘機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，紛紛在工廠的技術(shù)改造、試驗(yàn)研究、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面下大功夫。有的新開(kāi)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(dòng)機(jī)，甚至于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)都按照采用國(guó)外元件來(lái)設(shè)計(jì)，這種經(jīng)過(guò)改型或新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的液壓挖掘機(jī)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(guó)外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 谷守領(lǐng)： 20噸履帶式單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置三維設(shè)計(jì) 4 挖掘機(jī)行業(yè)近年來(lái)雖有很大發(fā)展，但與國(guó)外挖掘機(jī)行業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在許多不足，其原因除了國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)加工水平落后之外，挖掘機(jī)設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比也有較大的差距，尤其是一些先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的掌握和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)眾多的研究人員和單位對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了不少研究，開(kāi)發(fā)了其設(shè)計(jì)軟件，他們的研究基本上 局限于解決某些問(wèn)題，即工作裝置的幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力參數(shù)等的解決。關(guān)于工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)分析和在 CAD 上其自動(dòng)設(shè)計(jì)的綜合研究文獻(xiàn)還沒(méi)有。因此，開(kāi)發(fā)出的軟件缺少通用性，不能使用于挖掘機(jī)工作裝鶯的一些通用問(wèn)題的解決，對(duì)工程機(jī)械這個(gè)行業(yè)不具有通用性。特別是國(guó)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(jì)。雖然部分軟件也有一定的分析計(jì)算能力，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)需要，對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行分析的大型通用軟件目前市場(chǎng)上還很少。經(jīng)過(guò)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中。目前研究液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于，為了使挖掘機(jī)設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算中解脫出來(lái)，現(xiàn)有工作裝置機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，即大多數(shù)的液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)研究在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上局限地進(jìn)行的。在這樣一種情況下，開(kāi)發(fā)一個(gè)專業(yè)化的工作裝置的設(shè)計(jì)工具和軟件顯得非常必要。 目前，液壓挖掘機(jī)的發(fā)展著眼于動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)以達(dá)到高效節(jié)能 。應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)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(jī)的可靠性 。電子計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 ； 提高 機(jī)械作業(yè)性能，降低噪音，減少停機(jī)維修時(shí)間，提高適應(yīng)能力，消除公害，縱觀未來(lái)，液壓挖掘機(jī)技術(shù)研發(fā)有以下的趨勢(shì)： （ 1）向大型化發(fā)展的同時(shí)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(kuò)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(jī)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(jī)工程學(xué)在設(shè)計(jì)中的充分利用。 課題研究方法 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)日立 ZX200 中型履帶式液壓挖掘機(jī)進(jìn)行 了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，取得了工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置以及挖掘機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)書籍，用力學(xué)知識(shí)對(duì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和力學(xué)計(jì)算。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和力學(xué)計(jì)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(jì)（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?jī)?nèi)容 本論文主要對(duì)由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、銷軸、連桿機(jī)構(gòu)組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括以下四部分： （ 1） 挖 掘 機(jī)工作裝置的總體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 （ 2） 挖掘機(jī)的工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)。 （ 3） 工作裝置的基本尺寸 的計(jì)算和校驗(yàn)。 （ 4） 挖掘機(jī)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(jī)工作裝置三維設(shè)計(jì) 6 2 挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 工作裝置構(gòu)成 1斗桿油缸； 2 動(dòng)臂； 3油管； 4動(dòng)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(dòng)臂 相應(yīng)的三組液壓缸 10 等 組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過(guò)鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)、轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮，動(dòng)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(zhǎng)，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(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)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(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)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(dòng)作配合可以是多樣的、隨機(jī)的。上述過(guò)程僅為一般的理想過(guò)程。 挖掘機(jī)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(duì)工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，則可知單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看成是由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)， 處理的具體簡(jiǎn)圖如 。進(jìn)一步簡(jiǎn)化得圖如 所示。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 The equipment structure diagram 1鏟斗； 2連桿； 3斗桿； 4動(dòng)臂； 5鏟斗油缸； 6斗桿油缸 圖 工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 The equipment structure simplified diagram 挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡(jiǎn)化后實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是 3，即工作裝置的幾何位置由動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度 L斗桿油缸長(zhǎng)度 L鏟斗油缸 長(zhǎng)度 L3決定，當(dāng) L LL3為某一確定的值時(shí)，工作裝置的位置也就能夠確定。 動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式的初選 動(dòng)臂采用整體式彎動(dòng)臂，這種結(jié)構(gòu)形式在中型挖掘機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕，且有利于得到較大的挖掘深度。缺點(diǎn)是可更換工裝少，通用性較差。使用經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，長(zhǎng)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(jī)采用整體式斗桿。 動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸的布置 動(dòng)臂油缸裝在動(dòng)臂的前下方，動(dòng)臂的下支承點(diǎn)（即動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸點(diǎn)）設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn) 中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)工作裝置三維設(shè)計(jì) 8 動(dòng)臂的鉸點(diǎn)設(shè)在動(dòng)臂箱體的中間，這樣雖然削弱了動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但不影響動(dòng)臂的下降幅度。并且布置中，動(dòng)臂油缸在動(dòng)臂的兩側(cè)各裝一只，這樣的雙動(dòng)臂在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)筋的作用，以彌補(bǔ)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(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(jī)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(duì)挖掘機(jī)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(dòng)。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(yùn)動(dòng)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(shí)，顆粒尺寸不考1動(dòng)臂； 2動(dòng)臂油缸 圖 動(dòng)臂油缸鉸接示意圖 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 慮，視物料為均質(zhì)。 綜上考慮，選用中型挖掘機(jī)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(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比 K1由于所設(shè)計(jì)的挖機(jī)適用性較強(qiáng)，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 —?jiǎng)颖巯裸q點(diǎn)到動(dòng)臂與連桿連接的 鉸點(diǎn)的距離 2l —斗桿與動(dòng)臂連接的鉸點(diǎn)到斗桿與鏟斗連接的鉸點(diǎn)的距離 （ 2） 鏟斗斗容