【文章內(nèi)容簡介】 角已經(jīng)確定，其各部分的具體參數(shù)，可參照CASE cx35系列和山河智能SWE40系列的小型無尾液壓挖掘機，對本次設(shè)計的挖掘機進行類比做仿形設(shè)計，并結(jié)合任務(wù)書對作業(yè)參數(shù)（挖掘深度、卸料高度和挖掘高度）和挖掘力的要求，用Solideworks進行建模，對起鉸點位置進行優(yōu)化，從而確定各部分的結(jié)構(gòu)尺寸如下： 挖掘機反鏟機構(gòu)的尺寸參數(shù)表機構(gòu)組成鏟斗斗桿動臂機體QV=1024mmQK=303mmKH=251mmHN=279mmFQ=1700mmEF=478mmFG=682mmGN=1080mmQN=239mmEG=722mmCF=3000mmCD=2017mmCB=1448mmDF=1549mmBF=1686mmCZ=1821mmZF=1541mm∠Z=120186。CA=450mm此時，工作裝置的基本尺寸和鉸點位置已基本確定。本部分主要包括系統(tǒng)壓力的選取和液壓缸工作行程的確定。根據(jù)《液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊》 表95 (P372)主機類型工作壓力機床精加工機床～2半精加工機床3～5龍門刨床2～8拉床8～10農(nóng)業(yè)機械、小型工程機械、工程機械輔助機構(gòu)10～16液壓機、中大型挖掘機、重型機械、起重機運輸機械20～32結(jié)合凱斯CX35和山河智能SWE50H小型挖掘機，初選系統(tǒng)工作壓力為16。 液壓缸工作行程的確定液壓缸的工作行程應(yīng)滿足挖掘機的作業(yè)尺寸要求，即任務(wù)書中的最大卸料高度、最大挖掘深度及最大挖掘高度。當(dāng)動臂缸全伸、斗桿缸全縮、鏟斗處于豎直狀態(tài)時，工作裝置為最大卸料高度狀態(tài)；當(dāng)動臂剛?cè)?、斗桿缸和鏟斗缸全縮時，工作裝置為最大挖掘高度狀態(tài)；當(dāng)動臂缸全縮、斗桿和鏟斗都處于豎直狀態(tài)時，工作裝置為最大挖掘深度狀態(tài)。通過Solideworks建模，在滿足最大挖掘深度的前提下，動臂缸的長度，在最大卸料高度位置時，動臂缸的長度，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷P17_257活塞行程系列表，初步選定動臂缸的工作行程。斗桿液壓缸應(yīng)使斗桿有一定的擺角范圍，一般取100186?！?30186。，在最短時滿足最大卸料高度要求，在最長時不與動臂發(fā)生干涉，通過Solideworks建模分析，得到，結(jié)合液壓缸行程的標(biāo)準(zhǔn)系列值，初步選定工作行程的液壓缸。鏟斗液壓缸應(yīng)使得鏟斗有一定的擺角范圍，當(dāng)鏟斗液壓缸全縮時，鏟斗與斗桿的夾角應(yīng)大于10186。，鏟斗油缸全伸、鏟斗滿載回鉆時，應(yīng)使得土壤不會從斗中撒落，在鏟斗整個轉(zhuǎn)動過程中，鏟斗缸與連桿之間避免發(fā)生死點，通過建模分析，得到鏟斗缸的長度范圍約為800～1300mm,因此初步選定的液壓缸。在實際設(shè)計過程中，鉸點位置以及液壓缸行程很難一次確定，要通過反復(fù)修改，最終確定各結(jié)構(gòu)尺寸和液壓缸行程。 設(shè)計的合理性分析前面機構(gòu)參數(shù)的選擇計算是初步的，對其作業(yè)尺寸、挖掘力和強度等還要做進一步的分析校核。當(dāng)液壓缸的缸徑和工作行程都確定后，其全伸和全縮時的長度也就確定了，此時根據(jù)工作裝置的基本尺寸就可以計算其作業(yè)尺寸。根據(jù)所計算的挖掘阻力，初步選取三個液壓缸的缸徑均為100mm。各液壓缸的最短和最長尺寸如下表所示： 各液壓缸的尺寸動臂缸L1斗桿缸L2鏟斗缸全縮長度（min）10501232850全伸長度（max）181020721350由此可知，動臂缸全伸，斗桿缸全縮，鏟斗豎直，此時卸料高度最大，通過CAD建模，得，所以滿足任務(wù)書要求。同樣，為最大挖掘高度和最大挖掘深度狀態(tài)，CAD建模得，均滿足任務(wù)書要求。 挖掘力的計算在整個作業(yè)過程中，由油缸所產(chǎn)生的挖掘力應(yīng)大于正常的挖掘阻力。挖掘阻力分為鏟斗挖掘阻力和斗桿挖掘阻力，本設(shè)計中以鏟斗挖掘為主。在不同的位置挖掘阻力也不同，這里僅選阻力最大的位置。鏟斗挖掘時，土壤切削阻力隨挖掘深度改變而有明顯的變化，其切削阻力基本上與切削深度成正比。但總的來說，前半過程切削阻力較后半過程高。因為前半過程的切削角不力，產(chǎn)生了較大的切削阻力。其切削阻力的切向分力可用下列公式表達： (46) ——取自《單斗液壓挖掘機》P70式中 ——表示土壤硬度的系數(shù)，對于II級土宜取=50～80，對III級土宜取C=90～150,對IV級土宜取=160～320；——鏟斗與斗桿鉸點至斗齒尖距離，也即轉(zhuǎn)斗切削半徑，單位為cm；——挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半；——鏟斗瞬間轉(zhuǎn)角；——切削刃寬度影響系數(shù)，其中為鏟斗平均寬度，單位為m；——切削角變化影響系數(shù)，?。弧獛в卸俘X的系數(shù)，（無斗齒時，）；——斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，其中為側(cè)壁厚度，單位為cm，初步設(shè)計時可取；——切削刃擠壓土壤的力，根據(jù)斗容量大小在10000～17000N范圍內(nèi)選取。當(dāng)斗容量時應(yīng)小于10000N。轉(zhuǎn)斗挖掘裝土阻力的切向分力為 (312)式中 ——密實狀態(tài)下土壤容量，單位為； ——挖掘起點和終點間連線方向與水平線的夾角； ——土壤與鋼的摩擦系數(shù)；經(jīng)過計算后表明，與相比很小，可忽略不計。當(dāng)，時出現(xiàn)轉(zhuǎn)斗挖掘最大切向分力，其值為 (313)實驗表明法向挖掘阻力的指向是可變，數(shù)值也較小，一般=。土質(zhì)愈均勻，愈小。從隨機統(tǒng)計的角度看，取法向分力為零來簡化計算是允許的。這樣就可看作為轉(zhuǎn)斗挖掘的最大阻力。本次設(shè)計中挖掘機在III級土壤上工作，故取。根據(jù)前面所取得鏟斗原始參數(shù)可知：cm，，同時由上可取其余參數(shù)如下：。所以，切削刃擠壓土壤的力可取為：； 主工作裝置的強度校核對主工作裝置進行校核需先選擇最不利工況來計算工作裝置的受力，進而對工作裝置進行強度校核。a) 工況的選擇對工作裝置進行校核，首先應(yīng)確定各結(jié)構(gòu)件的最不利工況，即在這一工況下對某結(jié)構(gòu)件可能出現(xiàn)最大的應(yīng)力，以這一工況作為校核該結(jié)構(gòu)件的依據(jù)，也就是強度設(shè)計中計算為止的選擇和載荷的確定。反鏟裝置的斗桿和動臂強度主要為彎矩所控制，故其計算位置可根據(jù)反鏟工作中挖掘阻力對斗桿或動臂產(chǎn)生最大彎矩來確定。根據(jù)《單斗液壓挖掘機》第七章，本設(shè)計采用一下計算位置：（1）動臂位于動臂液壓缸對鉸點A有最大力臂處；（2）斗桿位于斗桿液壓缸作用力臂最大處（斗桿液壓缸與斗桿尾部軸線夾角90186。時）；（3）鏟斗位于發(fā)揮最大挖掘力的位置；。圖中各參數(shù)如下（未注單位為mm）：，，，，，，，，。 最不利工況尺寸圖b) 力的計算這時，工作臂上的作用力有：工作臂各部分的重量(動臂重G斗桿重G鏟斗重G3)和作用于鏟斗齒上的挖掘阻力。各液壓油缸的工作狀態(tài)為：鏟斗油缸以主動力F3工作，斗桿油缸承受被動作用力F2180。，動臂油缸承受閉鎖力Fl180。各油缸所能發(fā)揮的最大力按下式計算：式中：D——油缸的大腔直徑； P——液壓油作用力；已選定D1=D2=D3=100mm，系統(tǒng)壓力p=16Mp，因此各油缸能達到的最大力：取鏟斗為脫離體，按對鉸點Q的力矩平衡方程求得鏟斗油缸的挖掘力。 取工作裝置為脫離體，按對動臂底部鉸點C的力矩平衡方程求得另一個鏟斗挖掘力。=取斗桿為脫離體，按對鉸點F的力矩平衡方程求得斗桿油缸在被動狀態(tài)下的作用力： 而斗桿油缸的閉鎖力，由，說明。計算時取代入計算得到。取鏟斗為脫離體，連桿HJ為二力桿，其對鉸點J作用力的方向沿HJ方向，按對鉸點Q的力矩平衡方程，可求得鉸點J處受力。由鏟斗在水平和豎直方向上的合力分別平衡可求得鏟斗在鉸點Q處受到的水平力。 =根據(jù)鉸點H處的力平衡，可求得搖桿HN對鉸點H的水平力。 以斗桿為脫離體，根據(jù)斗桿的力平衡方程可以求得在鉸點F處斗桿受到的水平力和豎直力。 以整個工作裝置為脫離體，按對鉸點C的力矩平衡方程可求得動臂缸的作用力，再按力平衡方程可求得動臂在鉸點C處受到的水平力和豎直力。到此，各鉸點的力均已求出。c) 主工作裝置的強度校核（1） 斗桿的強度校核斗桿為變截面箱形結(jié)構(gòu)，用鋼板焊接而成，有時為了增強剛度還在內(nèi)部加隔板。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第一卷第三章，斗桿的材料選用16MN，綜合機械性能、焊接性及低溫韌性、冷沖壓及切削性均好，與Q235A鋼相比，強度提高50%，耐大氣腐蝕提高20～38%，低溫沖擊韌性也優(yōu)越，價廉，應(yīng)用廣泛。用于大型船舶、車輛、橋梁、等承受動、負荷的焊接結(jié)構(gòu)。將斗桿在各點的受力分解到沿斗桿軸線方向和垂直斗桿軸線方向后。 斗桿在各鉸點的受力大小Q點N點E點F點沿斗桿F1垂直斗桿F2FQ1=FN2=FF2=FQ2=FF1=M=FD1=FD2=.4KNFE1=FE2=FN1= 斗桿的受力和內(nèi)應(yīng)力圖通過對其受載圖分析可知，斗桿在鉸點F處的所受的彎矩最大，此界面為危險截面。在該截面處的受力：N= Q= MMAX=斗桿的材料選用16Mn，由鋼板焊接成的矩形箱結(jié)構(gòu)，鋼板的厚度為15mm，16Mn的許用應(yīng)力，對其進行內(nèi)應(yīng)力校核如下：其截面面積為：抗彎截面系數(shù)為：16Mn的許用應(yīng)力 斗桿的截面圖截面所受的正應(yīng)力為：所以，斗桿的強度滿足要求（2） 動臂的強度校核將動臂各鉸點的受力分解為沿動臂軸線方向和垂直動臂軸線方向。C點B點M點F點沿動臂F1垂直動臂F2通過分析可知，在鉸點B處動臂受的彎矩最大，且此處有彎角，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此該截面為危險截面，動臂材料仍采用16Mn鋼板，厚度為15mm，： 動臂的截面尺寸圖在該截面上的力N= Q= MMAX=其截面面積為：抗彎截面系數(shù)為：截面所受的正應(yīng)力為：所以，動臂的強度也滿足相應(yīng)要求。5 行走裝置的設(shè)計行走裝置的設(shè)計主要包括確定行走裝置的形式，并確定各部分的尺寸型號。 行走裝置的選型履帶式行走裝置由“四輪一帶”（即驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托輪、以及履帶），張緊裝置和緩沖彈簧，行走機構(gòu)，行走架等組成。液壓傳動的履帶行走裝置，挖掘機轉(zhuǎn)向時由安裝在兩條履帶上、分別由兩臺液壓泵供油的行走馬達（用一臺油泵供油時需采用專用的控制閥來操縱）通過對油路的控制，很方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)向或就地轉(zhuǎn)彎，以適應(yīng)挖掘機在各種地面、場地上運動。履帶式行走裝置驅(qū)動力大（通常每條履帶的驅(qū)動力可達機重的35%45%），接比壓?。?0150kPa），因而越野性能及穩(wěn)定性好，爬坡能力大（一般為50%80%，最大的可達100%），且轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性好。履帶式行走裝置在液壓挖掘上使用較為普遍。但履帶式行走裝置制造成本高，運行速度低，運行和轉(zhuǎn)向時功率消耗大，零件磨損快，因此，挖掘機長距離運行時需借助于其他運輸車輛。輪胎式液壓挖掘機行走裝置的結(jié)構(gòu)型式很多，有采用標(biāo)準(zhǔn)汽車底盤的可輪式拖拉機底盤的，但斗容量稍大、工作性能要求較高的輪胎式液壓挖掘則采用專用的輪胎式底盤行走裝置。盡管履帶式行走裝置存在一些，但在單斗液壓挖掘機中使用較為廣泛，而且本機主要用于城市道路建設(shè)或者狹窄空間內(nèi)作業(yè)?？紤]到工作環(huán)境和實際條件等因素本機采用橡膠履帶，由于橡膠履帶具有對路面破壞小、噪音低、速度快、振動小、接地比壓小、牽引力大，可以減少地面對機械的沖擊等優(yōu)點，所以本機主要使用橡膠履帶。而在惡劣環(huán)境中或在野外作業(yè)時可以使用鋼制履帶以適應(yīng)惡劣的工況。而輪式行走裝置雖有運行速度快、機動性好，運行時輪胎不損壞路面，因而在城市建設(shè)中很受歡迎，但是其接地比壓大，爬坡能力小，挖掘作業(yè)時需要用專門支腿支撐，以確保挖掘機的穩(wěn)定性和安全性。所以履帶式行走裝置比輪式行走裝置更為適用。故本機采用履帶式行走裝置。： 履帶式行走裝置的結(jié)構(gòu)圖1 導(dǎo)向輪；2 橡膠履帶； 3 張緊裝置； 4 支重輪；5 驅(qū)動輪； 6 減速機 行走裝置的設(shè)計行走裝置的設(shè)計主要包括“四輪一代”即驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托輪的設(shè)計和履帶的設(shè)計。履帶工作條件惡劣，要求具有足夠的強度和剛度、耐磨性好、質(zhì)量輕以減少材料的消耗量，并減輕履帶運行時的動載荷，要求履帶能和地面有很好的附著性能，又要考慮減少行駛及轉(zhuǎn)向的阻力。本機主要用于城市道路建設(shè)或者狹窄空間內(nèi)作業(yè)。由于橡膠履帶具有對路面破壞小、噪音低、速度快、振動小、接地比壓小、牽引力大，可以減少地面對機械的沖擊等優(yōu)點，所以本機主要使用橡膠履帶。而在惡劣環(huán)境中或在野外作業(yè)時可以使用鋼制履帶以適應(yīng)惡劣的工況。挖掘機的履帶有整體式和組合式兩種。整體式是履帶板上帶嚙合齒，直接與驅(qū)動輪嚙合，履帶板本身成為支重輪等輪子的滾動軌道。整體式每一節(jié)履帶鑄造成整體，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、重量輕、易拆裝，但銷孔間隙大、易進泥沙、易磨損，“三化”性差，在機械式挖掘機中使用較多，適于高速車輛。目前液壓挖掘機中廣泛采用工業(yè)拖拉機型式的組合式履帶。它由履帶板、鏈軌節(jié)、履帶銷軸和銷套等組成。這種型式的左右鏈軌節(jié)與銷套用緊配合連接，履帶銷軸插入銷套有一定的間隙，以保證轉(zhuǎn)動靈活，其兩端與另兩個鏈軌節(jié)孔緊配合。鎖緊履帶銷與鏈軌節(jié)孔配合較松，便于整個履帶的安裝和拆卸。這種結(jié)構(gòu)節(jié)距小，繞轉(zhuǎn)性好，行走速度較快，銷軸和襯套硬度較高、耐磨、使用壽命長。所以本機履帶采用組合式履帶。