【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，斗桿與動(dòng)臂的相當(dāng)轉(zhuǎn)角由液壓缸 5控制，當(dāng)斗桿液壓缸伸縮時(shí)，斗高潔：挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，建模及運(yùn)動(dòng)仿真 8 桿可繞動(dòng)臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。鏟斗 6則鉸接于斗桿 4的末端，通過(guò)鏟斗液壓缸 5的伸縮來(lái)使鏟斗繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了增大鏟斗轉(zhuǎn)角，鏟斗液壓缸一般通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)（即連桿 7和搖桿 8）與鏟斗連接。 液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置主要用于挖掘停機(jī)面一下的土壤，如挖掘溝壕、基坑等，其挖掘軌跡取決于各液壓缸的運(yùn)動(dòng)及其組合。反鏟液壓挖掘機(jī)的工作過(guò)程為：先下放動(dòng)臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)斗桿及鏟斗，當(dāng)挖掘至裝滿鏟斗時(shí)，提升動(dòng)臂使鏟斗離開(kāi)土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位 置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作位置開(kāi)始下一次作業(yè)循環(huán)。動(dòng)臂液壓缸主要用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨(dú)直接挖掘土壤；斗桿挖掘可獲得較大的挖掘行程，單挖掘機(jī)力小一些。鏟斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束時(shí)裝滿鏟斗，需要較大的挖掘機(jī)力以保證能挖掘較大厚度的土壤，因此挖掘機(jī)的最大挖掘機(jī)力一般是由鏟斗液壓缸實(shí)現(xiàn)的。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章 挖掘機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案 挖掘機(jī)的工作裝置主要部件：動(dòng)臂、斗桿、鏟斗 。 總體設(shè)計(jì)原則 進(jìn)行液壓挖掘機(jī)的底盤(pán)總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循以下原則： 1）滿足使用要求、滿足經(jīng)濟(jì)性的要求、滿足勞動(dòng)保護(hù)的要求、滿足工藝性要求、滿足機(jī)器的結(jié)構(gòu)性能要求、某些零件、部件滿足耐磨性要求 。 2）在不增高行走裝置總高度的前提下應(yīng)使行走裝置具有較大的離地間隙，使挖掘機(jī)在不平地面上行走具有良好的通過(guò)性能，力求增強(qiáng)機(jī)器對(duì)各種運(yùn)行條件和作業(yè)要求的適應(yīng)性； 3）要降低挖掘機(jī)的接地比壓或具有較大的支承面積，以提高挖掘機(jī)的穩(wěn)定性。挖掘機(jī)在斜坡下行時(shí)不發(fā)生超速溜坡現(xiàn)象，挖掘時(shí)不發(fā)生下滑，提高工作時(shí)的安全可靠性； 4）挖掘機(jī)的行走裝置外型尺寸應(yīng)符合道路運(yùn)輸要求，外形美 觀； 5）各個(gè)部件或總成的性能應(yīng)相互協(xié)調(diào)、匹配，力求整體性能的一致和最優(yōu)化，不可盲目追求某個(gè)局部的最佳性能，否則，可能造成整體性能惡化，或產(chǎn)生薄弱壞節(jié)； 6）正確地處理繼承與創(chuàng)新的辯證關(guān)系，采用成熟技術(shù)，通過(guò)深入的理論分析，進(jìn)行必要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，勇于創(chuàng)新。 動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式選擇 動(dòng)臂是工作裝置中的主要構(gòu)件，斗桿的結(jié)構(gòu)形式往往決定于動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式。反鏟動(dòng)臂分為整體式和組合式兩類。 整體式動(dòng)臂有直動(dòng)臂和彎動(dòng)臂兩種。直動(dòng)臂構(gòu)造簡(jiǎn)單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機(jī)。采用整體式彎動(dòng)臂有利于得到較大 的挖掘深度，它是專用反鏟裝置的常見(jiàn)形式。整體式彎動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕。它的缺點(diǎn)是替換工作裝置少，通用性較差。為了擴(kuò)大機(jī)械通用性，提高其利用率。往往需要配備幾套完全不通用的工作裝置。一般說(shuō)，長(zhǎng)期用于作業(yè)相似的反鏟采用整體式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)比較合適。 組合式動(dòng)臂一般都為彎臂形式。其組合方式有兩類，一類用輔助連桿（或液壓缸）連接，另一類用螺栓連接。它的工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化進(jìn)行調(diào)整，較合理地滿足各種類型作業(yè)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求，從而簡(jiǎn)單地解決主要結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一化問(wèn)題，裝車(chē)運(yùn)輸也 比較方便。 出于對(duì)設(shè)計(jì)整體和難易程度的分析，選用整體式彎動(dòng)臂。 高潔：挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，建模及運(yùn)動(dòng)仿真 10 圖 21 整體式彎動(dòng)臂 斗桿的結(jié)構(gòu)形式選擇 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，當(dāng)需要調(diào)節(jié)斗桿長(zhǎng)度或杠桿時(shí)采用更換斗桿的辦法，或者在斗桿上設(shè)置 2~4 個(gè)可供調(diào)節(jié)時(shí)選擇的與動(dòng)臂端部鉸接的孔，有些反鏟采用組合式斗桿。在設(shè)計(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長(zhǎng)度，故采用整體式斗桿。 圖 22 整體式斗桿 鏟斗結(jié)構(gòu)形式的選擇 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。鏟斗的作業(yè)對(duì)象繁多，作業(yè)條件也不同，用一個(gè)鏟斗 來(lái)適應(yīng)任何作業(yè)對(duì)象和條件較困難。為了滿足各種特定情況，盡可能提高作業(yè)效率，通用反鏟裝置常配有甚至十多種斗容量不同，結(jié)構(gòu)形式各異的鏟斗，其應(yīng)滿足以下的要求： ① 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 要使物料易于卸凈。 ③ 為了使裝進(jìn)鏟斗的物料不易于卸出，鏟斗的寬度與物料顆粒直徑之比應(yīng)大于 4： 1。為此比值大于 50： 1時(shí)，顆粒尺寸的影響顆不考慮，視物料為均質(zhì)。 ④ 裝設(shè)斗齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時(shí)的挖掘線比壓，以便切入或破碎阻力較大的物料。挖硬土或碎石時(shí)還 能把石塊從土壤中耙出。斗齒的材料、形狀、安裝結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù)都值得研究，對(duì)它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更換。 目前，國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)斗齒安裝方式主要有兩類，斗容量 q≤ 179。時(shí)多采用螺栓連接，斗容量 q≥ 179。時(shí)多采用橡膠卡銷(xiāo)結(jié)構(gòu)。 本次設(shè)計(jì)斗容量為 179。，故采用安裝方式為橡膠卡銷(xiāo)連接的斗齒制成的鏟斗，其切削前緣中間略微突出，不帶側(cè)齒，側(cè)壁略微呈凹形的中小型挖掘機(jī)常用鏟斗。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 23 常用鏟斗形式 高潔：挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，建模及運(yùn)動(dòng)仿真 12 第 3 章 各部分參數(shù)的確定 原始幾何參數(shù)初定 圖 31 挖掘機(jī)工作及外形尺 寸示意圖 表 31 挖掘機(jī)工作及外形尺寸參數(shù)表 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 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 L 圖 32 挖掘機(jī)工作裝置尺寸計(jì)算示意圖 L3 為某一確定的值時(shí)，工作裝置的位置也就能夠確定 動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)分析及計(jì)算 圖 33 動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析的計(jì)算圖 min1L ：動(dòng)臂油缸的最短長(zhǎng)度； max1L ：動(dòng)臂油缸的伸出的最大長(zhǎng)度； A B0 B1 C LImin L1max 1 2 L2 l3 l2 高潔：挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，建模及運(yùn)動(dòng)仿真 14 A：動(dòng)臂油缸的下鉸點(diǎn)； B：動(dòng)臂油缸的上鉸點(diǎn)； C：動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)。 角 1： 動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最小值 角 2：動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最 :大值 在 ? ABC 中： ? ? ? ?1 2 2 20 2 3 1 m in 2 31 c o s 2A CB l l L l l??? ? ? ? ? ? ? ? ? 當(dāng) L1=L1max ? ? ? ?1 2 2 21 2 3 1 m a x 2 32 c o s 2A C B l l L l l??? ? ? ? ? ? ? ? ? 動(dòng)臂擺角的范圍 ? ? ? ?1 2 21 m in 1 m a x 2 32 1 c o s 2l l l l?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? 動(dòng)臂參數(shù)計(jì)算 取動(dòng)臂彎角為 120? ，取1 aK b?=（ 動(dòng)臂長(zhǎng)與斗桿長(zhǎng)之比），據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式最大挖掘半徑一般等于動(dòng)臂長(zhǎng)，斗桿長(zhǎng)和鏟斗長(zhǎng)三者之和。即 1 9 .8 6R a b c m? ? ? ? 通過(guò)查找資料確定 3m 的堆積鏟斗長(zhǎng) ? 由此可計(jì)算得 動(dòng)臂長(zhǎng) ? 斗桿長(zhǎng) ? 動(dòng)臂在 Z 點(diǎn)被分為 41l 和 42l 取動(dòng)臂參數(shù) 3K ( 423 41lK l?)= 41 2233 5 . 6 8 2 . 9 7 71 2 c o s 1 2 0 1 1 . 2 2 1 . 2 0 . 5almKK? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 4 2 3 4 1 3 .5 7 2l K l m? ? ? 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 34 斗桿運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算圖 D斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)； F動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)； E斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)； 03 DFE? ?? ：斗桿擺角的最小值 14 DFE? ?? ：斗桿擺角的最大值 在 ? DE0F 中 2 2 22 5 6 5 62 c os 3L l l l l? ? ? ? ? ? ? ?1 2 2 25 6 2 5 63 c os 2l l L l l?? ? ? ? ? 此時(shí) 2 2minLL? 同理，在 1DFE? 中 ? ?1 2 2 25 6 2 5 64 c os 2l l L l l?? ? ? ? ? 此時(shí) 2 2maxLL? 由 上圖幾何關(guān)系知 斗桿的擺角的范圍 43??? ?? 鏟斗的運(yùn)動(dòng)分析 鏟斗相對(duì)于 XOY 坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)是 L1 、 L L3的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對(duì)于斗桿的運(yùn)動(dòng)，如圖 35所示， G 點(diǎn)為鏟斗油缸與斗桿的鉸點(diǎn)， F 點(diǎn)為斗桿與動(dòng)臂的鉸點(diǎn) Q 點(diǎn)為鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)， V 點(diǎn)為鏟斗的斗齒尖點(diǎn) ， K 點(diǎn)為連桿與鏟斗的餃點(diǎn)， N 點(diǎn)為搖桿與斗桿的鉸點(diǎn)， M 點(diǎn)為鏟斗油缸與曲柄的鉸點(diǎn)， H 點(diǎn)為曲柄與連桿的鉸點(diǎn) [1]。 1） 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比 i 和鏟斗缸的當(dāng)量作用力 臂 3e 利用圖 33，可以知道求得以下的參數(shù)： 在 ? MNG 中 1 2 2 222 15 13 3 15 13c os [ ( ) 2 ]M N G l l L l l? ?? ? ? ? ? 1 2 2 230 3 15 13 3 15c os [ ( ) 2 ]M G N L l l L l? ?? ? ? ? ? 32 22 30M NG M NG M G N? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 在 ? HNQ 中 2 2 227 13 21 13 21 232 c osL l l l l ?? ? ? D E1 E0 F L2min L2max l5 l6 3 4 高潔：挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，建模及運(yùn)動(dòng)仿真 16 1 2 2 22 1 1 4 2 7 2 1 1 4c o s [ ( ) 2 ]NH Q l l L l l?? ? ? ? 在 ? QHK 中 1 2 2 227 29 27 24 29 27c o s [ ( ) 2 ]Q H K l l L l l? ?? ? ? ? ? 在□ KHQN 中 2 8 2 1 2 7NH K NH Q Q H N? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 鏟斗油缸對(duì) N 點(diǎn)的作用力臂 r1 1 13 32sinrl ?? 連桿 HK 對(duì) N 點(diǎn)的作用力臂 r2 2 13 sinr l NHK?? 連桿 HK 對(duì) Q 點(diǎn)的作用力臂 r3 r3 = l24 鏟斗對(duì) Q 點(diǎn)的作用力臂 r4 r4 = l3 連桿機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比 1 3 2 4( ) ( )i i i i i? ? ? 顯然 317 式中可知， i 是鏟斗油缸長(zhǎng)度 L2 的函數(shù)，用 2minL 代入可得初傳動(dòng)比 0i ， 2maxL 代入可得終傳動(dòng)比 iz。 QVlie ??3 顯然 i 、3e、 1r 、 2r 和 3r 都是 3L 的一元函數(shù) 。 2） 鏟斗相對(duì)于斗桿的擺角 3? 鏟斗的瞬時(shí)位置轉(zhuǎn)角為 3 7 24 26 10? ? ? ? ?? ? ? ? 其中，在 ? NFQ中 1 2 2 27 21 2 16 21 2c os [ ( ) 2 ]NQ F l l l l l? ?? ? ? ? ? 10? 暫時(shí)未定，其在后面的設(shè)計(jì)中可以得到。 當(dāng)鏟斗油缸長(zhǎng)度 L3分別取 L3max和 L3min時(shí)，可分別求得鏟斗的最大和最小轉(zhuǎn)角 3max? 和 3min? ，于是得鏟斗的瞬間轉(zhuǎn)角 : 鏟斗的擺角范圍 3 3 max 3 min? ? ??? (321) 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 35 鏟斗的運(yùn)動(dòng)分析 高潔：挖掘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，建模及運(yùn)動(dòng)仿真 18 第 4 章 Pro/E 建模和裝配 Pro/E 是美國(guó) PTC 公司旗下的產(chǎn)品 Pro/Engineer 軟件的簡(jiǎn)稱。 Pro/E（ Pro/Engineer 操作軟件）是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（ Parametric Technology Corporation，簡(jiǎn)稱