【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 裝置及其他功能運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)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)，如圖210所示。圖210 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(jì)要求液壓挖掘機(jī)工作裝置由動(dòng)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。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、換向，外負(fù)載變化很大，工作條件惡劣，沖擊和振動(dòng)多，因此對(duì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置提出了較高的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，其工作裝置的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求。 幾何尺寸要求液壓挖掘機(jī)工作裝置的幾何尺寸要求滿足一定的作業(yè)范圍和合適的運(yùn)輸尺寸，挖掘機(jī)作業(yè)范圍圖如圖211，幾何尺寸之間要求不要干擾。 圖211 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(gè)作業(yè)范圍內(nèi)的任何位置都要求實(shí)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(shí)現(xiàn)最大挖掘力。主要挖掘區(qū)是指用最合理最經(jīng)常的挖掘方式，最經(jīng)常進(jìn)行挖掘的區(qū)域。對(duì)液壓挖掘機(jī)來(lái)說(shuō)最合理最經(jīng)常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向機(jī)身運(yùn)動(dòng)的挖掘方式，用這種方式挖掘充斗效率高，循環(huán)時(shí)間短，也便于卸土，裝車(chē)，司機(jī)視野無(wú)阻，因此生產(chǎn)率高而又安全。最經(jīng)常的挖掘區(qū)域大致為圖25的灰色部分。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。此外，工作裝置的幾何尺寸還必須滿足停放和行走時(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性要求。 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性要求液壓挖掘機(jī)各功能運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性要求和常見(jiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)要求，如表21和22所示。表21各功能運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性要求一覽表功能運(yùn)動(dòng)名稱(chēng)應(yīng)用工況功率需求變速要求制動(dòng)及鎖定要求鏟斗正轉(zhuǎn)挖掘、姿勢(shì)調(diào)整大不大鏟斗反轉(zhuǎn)卸載、姿勢(shì)調(diào)整不大不大最好有鎖定斗桿正轉(zhuǎn)挖掘、姿勢(shì)調(diào)整大高最好有鎖定斗桿反轉(zhuǎn)姿勢(shì)調(diào)整不大較高最好有鎖定動(dòng)臂舉升舉升、姿態(tài)調(diào)整較大高動(dòng)臂下降姿態(tài)調(diào)整、輔助作業(yè)一般較高回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)挖掘與卸載轉(zhuǎn)位高高行走運(yùn)動(dòng)場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)位、調(diào)整作業(yè)位置高高表22常見(jiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)要求一覽表復(fù)合運(yùn)動(dòng)應(yīng)用工況特點(diǎn)與要求說(shuō)明鏟斗正轉(zhuǎn)+斗桿正轉(zhuǎn)復(fù)合挖掘功率需求大、變速要求高鏟斗反轉(zhuǎn)+斗桿反轉(zhuǎn)卸載功率需求較小斗桿正轉(zhuǎn)+動(dòng)臂舉升平整土地要求操縱興性能好動(dòng)臂舉升+回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)挖掘與卸載轉(zhuǎn)位功率需求大，變速要求高，動(dòng)力分配可調(diào)整動(dòng)臂下降+回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)返回向挖掘處兩者載荷差別大、速度要求高 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是工作裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，工作裝置的結(jié)構(gòu)和所承受的載荷是十分復(fù)雜的。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。在設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置時(shí)，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增加了構(gòu)件強(qiáng)度，而且縮短制造周期，降低了成本。要求動(dòng)臂下支點(diǎn)及動(dòng)臂油缸支承在平臺(tái)主梁的整塊鋼板上，這不僅增加構(gòu)件強(qiáng)度而且減少焊接，而且防止焊接變形。斗桿要求采取整塊鋼板下料。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)。在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中為求等強(qiáng)度，要求采取局部加強(qiáng)的措施。動(dòng)臂、斗桿要求改為焊鑄結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力較高的部位以鑄代焊，這樣大大提高了結(jié)構(gòu)件的沖擊和疲勞強(qiáng)度。為確保焊接強(qiáng)度，要求所有鉸接部均采用鑄鋼件。結(jié)構(gòu)件的破壞主要是由于沖擊疲勞，因此實(shí)際破壞時(shí)常不在負(fù)荷最大部位，而是應(yīng)力集中部位。為減少應(yīng)力集中，應(yīng)使焊縫與應(yīng)力集中部位錯(cuò)開(kāi)，在主要受力鉸接支承處采用鑄鋼件。 經(jīng)濟(jì)性要求液壓挖掘機(jī)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)有能量指標(biāo)、作業(yè)循環(huán)時(shí)間減小、機(jī)重輕、延長(zhǎng)維修周期和挖掘機(jī)壽命周期、加快維修進(jìn)度和降低維修費(fèi)用、司機(jī)操作的舒適性等。能量指標(biāo)(即消耗于單位土方的能量)雖不宜作為評(píng)價(jià)土方機(jī)械技術(shù)經(jīng)濟(jì)效率的通用準(zhǔn)則，但由于工作裝置單位重量和價(jià)格相對(duì)整機(jī)而言都較小，常用能量指標(biāo)來(lái)表征工作裝置結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化的程度，這種符合能量指標(biāo)的工作裝置應(yīng)能完全滿足技術(shù)與使用要求，且足夠可靠。從能量指標(biāo)角度來(lái)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。決定挖掘機(jī)生產(chǎn)率的基本因素是工作循環(huán)時(shí)間包括挖掘時(shí)間、向卸載點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間、卸載時(shí)間、向工作面返回時(shí)間。挖掘時(shí)間取決于挖掘速度的高低()，過(guò)高的挖掘速度將增加操作人員的緊張和疲勞程度。為減少運(yùn)行時(shí)間和返回時(shí)間應(yīng)在允許的情況下盡量減小回轉(zhuǎn)角?；剞D(zhuǎn)角的合理范圍一般為70o~180o，最佳角度為90o?；剞D(zhuǎn)角度過(guò)小時(shí)，由于達(dá)不到最大回轉(zhuǎn)速度，不能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，從而增加運(yùn)行和返回時(shí)間。卸載時(shí)間主要取決于鏟斗的結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)。 其它性能要求液壓挖掘機(jī)的工作裝置除了滿足上述基本設(shè)計(jì)要求之外，還需要滿足其它的一般性能要求。例如，通過(guò)實(shí)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(dòng)和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性等。 液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)原則對(duì)于液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)原則：(1)位置特性：滿足主要工作尺寸及作業(yè)范圍的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮與同類(lèi)機(jī)型相比時(shí)的先進(jìn)性，性能與主參數(shù)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定。運(yùn)輸或停放時(shí)應(yīng)有合理的姿態(tài)。(2)運(yùn)動(dòng)特性：功率利用情況好，理論工作循環(huán)時(shí)間短。(3)動(dòng)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。(4)結(jié)構(gòu)特性：確定各鉸點(diǎn)布置，結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證剛度和強(qiáng)度的前提下，重量越輕越好；工作裝置應(yīng)安全可靠，拆裝維修方便；液壓缸設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用系列參數(shù)。(5)特殊使用要求：附屬裝置如破碎捶等。 設(shè)計(jì)基本參數(shù)以及設(shè)計(jì)作業(yè)范圍基本參數(shù)為：工作質(zhì)量8000Kg， m3。設(shè)計(jì)作業(yè)范圍：最大挖掘高度： 4500mm；最大挖掘深度： 3000mm。行走速度（km/h）：。動(dòng)臂、斗桿材料使用Q345B。3工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析圖31 動(dòng)臂擺角范圍計(jì)算簡(jiǎn)圖圖32 F點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)圖動(dòng)臂的擺角是動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度L1的函數(shù)，動(dòng)臂上任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻的坐標(biāo)值也都是L1的函數(shù)。圖31中動(dòng)臂油缸的最短長(zhǎng)度；動(dòng)臂油缸的伸出的最大長(zhǎng)度；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；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；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)。設(shè)特性參數(shù)ρ=/，σ=/ 如圖所示，當(dāng)L1= L1min時(shí)得在△ACB中，據(jù)余弦定理知： ==[ ]當(dāng)=時(shí)則得：== [] 動(dòng)臂的擺角范圍為：== 動(dòng)臂的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角為：=— 不難列出動(dòng)臂上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)方程，現(xiàn)在只推導(dǎo)F點(diǎn)的坐標(biāo)方程。 當(dāng)F點(diǎn)在水平線CU之下時(shí)為負(fù)，否則為正。F點(diǎn)的X坐標(biāo)方程為： F點(diǎn)的Y坐標(biāo)方程為： 這里C點(diǎn)的Y坐標(biāo)值可由圖32得到： XC = XAl5COSα11 YC = YA+l5Sinα11 動(dòng)臂油缸的作用力臂： e1 = l5Sin∠CAB 顯然動(dòng)臂油缸的作大作用力臂為，這時(shí)。 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析斗桿的位置參數(shù)是L1和L2的函數(shù)。這里暫時(shí)先討論斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)，也即只考慮L的影響。斗桿機(jī)構(gòu)與動(dòng)臂機(jī)構(gòu)性質(zhì)類(lèi)似，它們都是四桿機(jī)構(gòu)，但連桿比例不同。如下圖33所示，D點(diǎn)為斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)，E點(diǎn)為斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)。圖33 斗桿機(jī)構(gòu)擺角計(jì)算簡(jiǎn)圖其中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油缸與斗桿的鉸點(diǎn)； θ斗桿擺角.當(dāng)斗桿油缸全伸時(shí)，取得：當(dāng)斗桿油缸全縮時(shí)，取得： 擺角 斗桿的作用力臂e2: 斗桿油缸最大作用力臂，取得： 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LLL3的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對(duì)于斗桿的運(yùn)動(dòng)，如圖34所示， 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)， H點(diǎn)為搖桿，油缸與連桿的鉸點(diǎn)。圖34 鏟斗的運(yùn)動(dòng)(1）傳動(dòng)比計(jì)算利用上圖，可以知道求得以下的參數(shù)：鏟斗油缸對(duì)N點(diǎn)的力臂r1=NHsin∠GHN 其中, NH和HG由設(shè)計(jì)時(shí)確定。連桿HK對(duì)N點(diǎn)的力臂r2=NHsin∠KHN其中：∠KHN=∠NHQ+∠KHQ , FN,NG,GF均在設(shè)計(jì)中得到。HK,QH均在設(shè)計(jì)中得到連桿HK中的力對(duì)Q點(diǎn)的力臂為r3 = l24sin∠HKQ 挖掘阻力對(duì)Q點(diǎn)的力臂為r4=l3=QV連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i = （r1r3）/（r2r4） =顯然上式中可知，i是鏟斗油缸長(zhǎng)度L3(即GH)的函數(shù)，用L3min代入可得初傳動(dòng)比i0，L3max代入可得終傳動(dòng)比iz。鏟斗相對(duì)于斗桿的擺角φ3鏟斗的瞬時(shí)位置轉(zhuǎn)角為： θ3 =∠NQK+∠KQV ，∠KQV由設(shè)計(jì)確定。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θ3max和θ3min，于是得鏟斗的瞬間轉(zhuǎn)角:φ3 = θ3θ3min 特殊工作位置計(jì)算 最大挖掘半徑R1 圖35 最大挖掘半徑計(jì)算簡(jiǎn)圖 其中C動(dòng)臂下鉸點(diǎn)；A 動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)；B動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)；F動(dòng)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 如圖35所示，當(dāng)斗桿油缸全縮時(shí)，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R1為:R1=XC+ 最大挖掘深度H1max圖36 最大挖掘深度計(jì)算簡(jiǎn)圖其中NH搖臂；HK連桿；C動(dòng)臂下鉸點(diǎn)；A 動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)；B動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)；F動(dòng)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.如圖36示，當(dāng)動(dòng)臂全縮時(shí)，F(xiàn), Q, V三點(diǎn)共線且處于垂直位置時(shí)，得最大挖掘深度為: H1max = YVmin = YFmin–l2–l3 = YC+L1Sinα21min–l2–l3 =YC+l1Sin(θ1minα2α11)–l2–l3 圖37 最大卸載高度計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖37所示，當(dāng)斗桿油缸全縮，動(dòng)臂油缸全伸時(shí)，QV連線處于垂直狀態(tài)時(shí)，得最大卸載高度為: 最大挖掘高度H2max 最大挖掘高度工況是最大卸載高度工況中鏟斗繞Q點(diǎn)旋轉(zhuǎn)直到鏟斗油缸全縮為止，如下圖38所示： 圖38 最大挖掘高度計(jì)算簡(jiǎn)圖4基本尺寸的確定 斗形參數(shù)的選擇圖41 斗型示意圖 斗容q,平均斗寬B，挖掘半徑R和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿角度２?是鏟斗的四個(gè)主要參數(shù)。他們間的關(guān)系為： 一般土壤松散系數(shù)=，因?yàn)槲覈?guó)標(biāo)準(zhǔn)斗容指堆尖容量，所以裝滿系數(shù)不再考慮。（斗型如圖41）斗容量q：設(shè)計(jì)主參數(shù)已經(jīng)給出q=平均都寬B：查文獻(xiàn)5的P75表２６以及文獻(xiàn)2的P28的公式311即B=（~），取B=。挖掘裝滿角度２?：根據(jù)文獻(xiàn)5的P75及文獻(xiàn)2的P28取2?=100176。故由前面公式計(jì)算得到R= ，從而l3=R=1000mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有：=(~) =1000 =380mm θ=∠KQV一般取95186。~105186。；本次設(shè)計(jì)取θ=100186。 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇、最大挖掘深度H1max和最大挖高H2max均有影響，增大α11會(huì)使k4減少或使H1max 增大，這符合反鏟作業(yè)的要求，初選α11 = 62176。參考文獻(xiàn)5的P76取動(dòng)臂彎角α1 = 120186。，動(dòng)臂轉(zhuǎn)折處的長(zhǎng)度比k3 = （k3 = L42/L41），參考文獻(xiàn)5的P72取k1=.A點(diǎn)由底盤(pán)和轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)決定，初選：XA = 811mm,YA = 920mm, 初取l5=436mm,則由前面公式得 XC = XAl5COSα11 =600mm，YC = YA+l5Sinα11 =1320mm。