【正文】 項要求：①實現(xiàn)各種主要動作時，隨著阻力與作業(yè)速度的變化，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化；②為了充分利用發(fā)動機(jī)功率，縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作(例如挖掘與動臂下降、提升與回轉(zhuǎn))同時進(jìn)行復(fù)合動作。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26所示。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。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[3]，且有利于得到較大的挖掘深度。則可知單斗液壓挖掘機(jī)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(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)，處理的具體簡圖如22所示。上述過程僅為一般的理想過程。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。(4) 工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本論文主要對由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)組成挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計。（6）液壓系統(tǒng)不斷改進(jìn)，液壓元件不斷更新。（2）更為普遍地采用節(jié)能技術(shù)。目前，單斗液壓挖掘機(jī)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。當(dāng)前，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化和專用化的方向發(fā)展。懸掛式挖掘機(jī)用拖拉機(jī)作底盤，配裝若干個工作裝置(通常是一端裝反鏟、另一端為裝載鏟或推土板)。—般中小型液壓挖掘機(jī)都是通用的，多帶有正鏟、反鏟、裝載、抓斗、起重等五種工作裝置。所以，我們可以從這三大部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能和通用范圍等方面來區(qū)分它的類型。初期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機(jī)各種工況的液壓元件，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定，配套件也不齊全[18][19]。而關(guān)于反鏟式單斗液壓挖掘機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)也很多，這些文獻(xiàn)從不同側(cè)面對工作裝置的設(shè)計進(jìn)行了論述。據(jù)統(tǒng)計，一般工程施工中約有60%的土方量、露天礦山中80%的剝離量和采掘量是用挖掘機(jī)完成的。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入和在建設(shè)中挖掘機(jī)的廣泛應(yīng)用，挖掘機(jī)市場有著廣闊的發(fā)展空間，因此發(fā)展?jié)M足我國國情所需要的挖掘機(jī)是十分必要的。而筆者的設(shè)計知識和水平還只是一個學(xué)步的孩子，進(jìn)行本課題的設(shè)計是為對挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計有一些大體的認(rèn)識，鞏固所學(xué)的知識和提高設(shè)計能力。從20世紀(jì)60年代起，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入推廣和蓬勃發(fā)展階段、各國挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快，產(chǎn)旦猛增。就液壓挖掘機(jī)構(gòu)整機(jī)結(jié)構(gòu)而言，全部采用液壓傳動者稱為全液壓挖掘機(jī)；部分采用液壓傳動者則稱為半液壓挖掘機(jī)(多數(shù)情況下是行走裝置用機(jī)械傳功，其余均為液壓傳動。大型液壓挖掘機(jī)往往專門用于建筑材料露天礦或其它金屬與非金屬露天礦作裝載和挖掘工作，故只裝正鏟，成為專用；根據(jù)工作裝置的結(jié)構(gòu)特征，可以區(qū)分為鉸接式和伸縮臂式。除上述基本類型外，還有一些結(jié)構(gòu)比較特殊的液壓挖掘機(jī)。國外挖掘機(jī)行業(yè)重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料，加快了向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展的步伐。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。（3）不斷提高可靠性和使用壽命。（7）應(yīng)用微電子、氣、液等機(jī)電一體化綜合技術(shù)。具體內(nèi)容包括以下四部分:(1) 挖機(jī)工作裝置的總體設(shè)計。2 總體方案設(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曲柄： 10鏟斗油缸； 11斗桿.圖21 工作裝置組成圖 圖21為液壓挖掘機(jī)工作裝置基本組成及傳動示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗連桿斗桿1動臂相應(yīng)的三組液壓缸1, 4,10等組成。鏟斗裝滿后，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。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。進(jìn)一步簡化得圖如23所示。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。斗底的縱向剖面形狀要適合于各種物料的運(yùn)動規(guī)律。圖26 鏟斗 液壓挖掘機(jī)工礦分析液壓挖掘機(jī)的主要運(yùn)動功能包括以下幾個動作[5][6]：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動作，如圖21所示。液壓挖掘機(jī)一個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復(fù)合主要包括：（1）挖掘：通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或兩者配合進(jìn)行挖掘。為了調(diào)整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟斗的復(fù)合動作，兼以動臂動作。（7）其他輔助作業(yè)工況：輔助工作裝置作業(yè)工況。(3)聯(lián)合挖掘工況：由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動作進(jìn)行挖掘的工況，必要時還需配以動臂液壓缸的動作。當(dāng)單獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時，挖掘軌跡以動臂與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于斗桿液壓缸的行程。在實際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)合工作。當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗桿機(jī)構(gòu)復(fù)合動作。對于雙泵系統(tǒng)，復(fù)合動作時各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進(jìn)行流量分配，流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。動臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。在回轉(zhuǎn)和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進(jìn)行調(diào)整。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動作，兼有動臂動作。發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件(如回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗)進(jìn)行調(diào)整。 姿態(tài)調(diào)整與保持工況液壓挖掘機(jī)工作裝置及其他功能運(yùn)動的制動與鎖定，要滿足接地比壓要求，并保證合適的停放、運(yùn)輸尺寸、姿態(tài)及其特殊的檢查姿態(tài)，圖24 挖掘機(jī)姿態(tài)調(diào)整保持工況圖 液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計要求液壓挖掘機(jī)工作裝置由動臂機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)、鏟斗機(jī)構(gòu)三部分組成，是一種具有多自由度的工程機(jī)械。 圖25 挖掘機(jī)作業(yè)范圍主要挖掘區(qū)域Rmax最大挖掘半徑；Hmax最大挖掘深度工作裝置的幾何尺寸要求滿足合理的挖掘力分布特性，在整個作業(yè)范圍內(nèi)的任何位置都要求實現(xiàn)最大挖掘力并不經(jīng)濟(jì)，而要求挖掘機(jī)在主要挖掘區(qū)內(nèi)能實現(xiàn)最大挖掘力。作業(yè)范圍圖(如圖25所示)有部分區(qū)間深入到挖掘機(jī)停機(jī)點(diǎn)地下，這一范圍的土壤雖能挖掘，但可能引起土壤的崩塌而影響挖掘機(jī)的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)以外一般不使用。要求滿足工作裝置各部分的受力的情況下，保證工作裝置的強(qiáng)度和剛度特性。為了減少焊接變形及焊接應(yīng)力，要求采用型鋼及壓型等結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)件的破壞主要是由于沖擊疲勞，因此實際破壞時常不在負(fù)荷最大部位，而是應(yīng)力集中部位。從能量指標(biāo)角度來看，要求液壓挖掘機(jī)的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度高?；剞D(zhuǎn)角的合理范圍一般為70o~180o，最佳角度為90o。例如，通過實現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化和通用化，降低挖掘機(jī)的制造成本；提高液壓挖掘機(jī)各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足液壓挖掘機(jī)作業(yè)條件惡劣的要求；降低振動和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性等。（3）動力特性：滿足整機(jī)挖掘力大小及分布情況的要求；應(yīng)考慮到整機(jī)穩(wěn)定性。動臂上任意一點(diǎn)在任一時刻也都是L1的函數(shù)。這時L1 = Sqr（l72l52）= l5 Sqr（δ21）θ1 = cos11/δ 式(37) 斗桿的運(yùn)動分析如下圖32所示，D點(diǎn)為斗桿油缸與動臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為動臂與斗桿的鉸點(diǎn)，E點(diǎn)為斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)。（2） 鏟斗相對于斗桿的擺角φ3鏟斗的瞬時位置轉(zhuǎn)角為 φ3 =α7+α24+α26+α10 式(318)其中，在三角形NFQ中α7 = ∠NQF= COS1[（l212+l22 l162）/2l21l2] 式(319)α10暫時未定，其在后面的設(shè)計中可以得到。 特殊工作位置計算：（1） 最大挖掘深度H1maxNH搖臂；HK連桿；C動臂下鉸點(diǎn)；A 動臂油缸下鉸點(diǎn)；B動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)；F動臂上鉸點(diǎn)；D斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E斗桿下鉸點(diǎn)；G鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q鏟斗下鉸點(diǎn)；K鏟斗上鉸點(diǎn)；V鏟斗斗齒尖.圖35 最大挖掘深度計算簡圖如圖35示，當(dāng)動臂全縮時，F(xiàn), Q, U三點(diǎn)共線且處于垂直位置時，得最大挖掘深度為: H1max = YV = YFmin–l2–l3 = YC+L1Sinα21min–l2–l3 = YC+l1Sin（θ1α20α11）–l2–l3 式(333)（2） 最大卸載高度H3maxNH搖臂；HK連桿；C動臂下鉸點(diǎn)；A 動臂油缸下鉸點(diǎn)；B動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)；F動臂上鉸點(diǎn)；D斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E斗桿下鉸點(diǎn)；G鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q鏟斗下鉸點(diǎn)；K鏟斗上鉸點(diǎn)；V鏟斗斗齒尖圖36 最大卸載高度計算簡圖如圖36所示，當(dāng)斗桿油缸全縮，動臂油缸全伸時，QV連線處于垂直狀態(tài)時，得最大卸載高度為: 式(334)（3） 水平面最大挖掘半徑R1maxNH搖臂；HK連桿；C動臂下鉸點(diǎn)；A 動臂油缸下鉸點(diǎn)；B動臂與動臂油缸鉸點(diǎn)；F動臂上鉸點(diǎn)；D斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E斗桿下鉸點(diǎn)；G鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q鏟斗下鉸點(diǎn)；K鏟斗上鉸點(diǎn)；V鏟斗斗齒尖圖37 停機(jī)面最大挖掘半徑計算簡圖如圖37所示，當(dāng)斗桿油缸全縮時，F(xiàn). Q. V三點(diǎn)共線，且斗齒尖v和鉸點(diǎn)C在同一水平線上，即YC= YV，得到最大挖掘半徑R1max為:R1max=XC+L40 式(335)式中：L40 = Sqr[（L1+L2+L3）22（L2+L3）L1COSα32max 式(336)（4） 最大挖掘半徑R 最大挖掘半徑時的工況是水平面最大挖掘半徑工況下C、V連線繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)到水平面而成的。4 反鏟裝置的設(shè)計 挖掘裝載機(jī)工作裝置典型工況分析確定挖掘裝載機(jī)的反鏟裝置實質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是個部件均采用鉸銷連接，通過液壓缸的伸縮運(yùn)動來完成挖掘過程的各種作業(yè)動作。圖21挖掘裝載機(jī)反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖反鏟挖掘裝置主要挖掘停機(jī)面以下的土壤，挖掘軌跡決定于各液壓缸的運(yùn)動及相互配合的情況。所以，一般挖掘機(jī)構(gòu)的斗齒最大挖掘力在采用鏟斗缸挖掘時實現(xiàn)。當(dāng)動臂位于最大下傾角時，可以得到最大挖掘深度，并且有較大的挖掘行程，在較硬的土質(zhì)條件下工作時，能夠保證裝滿鏟斗。、挖掘裝載機(jī)工作裝置的基本參數(shù)的選擇圖22鏟斗主參數(shù)示意圖平均斗寬B、轉(zhuǎn)斗挖掘半徑R、斗容量q和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角（這里令=）是鏟斗的四個主要參數(shù)。如果則太大。一般取特性參數(shù)=～，取較小值，一般取=∠KQV=～。根據(jù)設(shè)計作業(yè)機(jī)械的實際情況，選取短動臂長斗桿方案。選取=170176。、A和B都先已選出或算出，由此看解出然后由式28求得，因為:A==60176。可將數(shù)值代入，由式28解得=176。斗桿機(jī)構(gòu)與動臂機(jī)構(gòu)性質(zhì)類似，他們是四連桿機(jī)構(gòu)，但連桿比不同。特殊情況下可小于0176。～180176?！?5176。參照《單斗液壓挖掘機(jī)》235，轉(zhuǎn)斗挖掘時，挖掘阻力的切向分力可表示為： 式(51)式中：C：表示土壤硬度系數(shù)，對二級土易取C=50～80；R：鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)至斗齒間距離，即轉(zhuǎn)斗切削半徑，R=，單位：mmB:切削刃寬度影響系數(shù)，B=1+，其中，b為鏟斗平均寬度；：挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半；：鏟斗瞬時轉(zhuǎn)角；A：切削角變化影響系數(shù)，一般取A=；Z：斗齒系數(shù)，有齒時取Z=，無齒時取Z=1；X：斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，X=1+，其中s為側(cè)壁厚度，單位為厘米，初步設(shè)計時可取X=。 式 (53)式中：:挖掘比阻力，對二級土=6～13；：挖掘過程中的總轉(zhuǎn)角，一般為=～、 工作液壓缸的理論挖掘力挖掘力是指當(dāng)反鏟作業(yè)時在鏟斗