【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 要求，把各種液壓元 件用管路有機(jī)地連接起來(lái)的組合體叫做挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能以油液為介質(zhì)，利用液壓泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，進(jìn)行傳送，然后通過(guò)液壓缸和液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件轉(zhuǎn)返為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。 挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程包括下列幾個(gè)間歇?jiǎng)幼鳎簞?dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走，以及其他輔助動(dòng)作。除輔助動(dòng)作不需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其他都是挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼?，要考慮全功率驅(qū)動(dòng)。 由于挖掘機(jī)的作出對(duì)象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特殊要求： 1） 實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，阻力與作業(yè)速度隨時(shí)變化，因此，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(dòng)機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過(guò)程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼鳎ɡ缤诰蚺c提升、提升與回轉(zhuǎn)）同時(shí)進(jìn)行，叫做復(fù)合動(dòng)作。這兩項(xiàng)要求需要由液壓系統(tǒng)來(lái)保證。 液壓系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)壓力和液壓泵特性可以分為 1） 中高壓定量系統(tǒng)，大多采用外嚙合齒輪泵，系統(tǒng)工作壓力為 16MPa 左右，這種液壓泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，尺寸小，重量輕等特點(diǎn)，但是效率低。 2） 高壓定量系統(tǒng)，采用徑向偏心柱塞泵，系統(tǒng)工作壓力為 32MPa左右。這種液壓泵結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，工作可靠，耐沖擊和振動(dòng)，壓力高，壽命長(zhǎng)，但 調(diào)速困難。3） 高壓變量系統(tǒng)，大多采用橫功率調(diào)節(jié)的軸向柱塞泵，系統(tǒng)工作壓力為 32MPa 左右，當(dāng)外負(fù)荷變化時(shí)液壓泵能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，達(dá)到充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率的目的，而且效率高，在中型和大型挖掘機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用。 由于本次設(shè)計(jì)為中小型挖掘機(jī)，故采用中高壓定量系統(tǒng)。 XX 工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 3 反鏟工作裝置的設(shè)計(jì) 整個(gè)工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及油缸和連桿機(jī)構(gòu)組成。通過(guò)對(duì)挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)的選取（結(jié)構(gòu)方案： 1 采用整體式彎動(dòng)臂，動(dòng)臂油缸下置式； 2 采用整體式斗桿； 3 采用反鏟裝置）和運(yùn)動(dòng)分析（ 反鏟裝置的具體結(jié)構(gòu)型式雖多，但常見(jiàn)的 只有十多種，按運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，其中有實(shí)質(zhì)差別故機(jī)構(gòu)型式不過(guò)幾種，且它們之間還存在著許多共同點(diǎn)。有些不同點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)學(xué)上還能以通用的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。現(xiàn)介紹一種通過(guò)直角坐標(biāo)系對(duì)典型結(jié)構(gòu)型式作運(yùn)動(dòng)分析的方法，以便借助于電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行方案比較和參數(shù)選擇。反鏟裝置的幾何位置取決于動(dòng)臂液壓缸的長(zhǎng)度 L斗桿液壓缸的長(zhǎng)度 L2和鏟斗液壓缸的長(zhǎng)度 L3。顯然，當(dāng)L1 、 L2 和 L3為某一組確定值時(shí)反鏟裝置就相應(yīng)處于一個(gè)確定的幾何位置。設(shè)計(jì)平面直角坐標(biāo)系，使 X 軸與地平面重合， Y 軸與挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)中心線重合。則斗齒尖 V 所在的 X 坐標(biāo)值 Xv 就表示 挖掘半徑， Y 標(biāo)值 Yv 為正值時(shí)就表示挖掘高度，為負(fù)值時(shí)表示挖掘深度。必須注意，當(dāng) L1 、 L2 和 L3 為一組定值時(shí)只有一組 Xv 和 Yv 組值與其對(duì)應(yīng)，反之，對(duì)于Xv 和 Yv 的一組定值卻有許多組 L1 、 L2 和 L3值與其相應(yīng)。 ）來(lái)確定機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)（ 機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)有三類：第一類是決定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的必要參數(shù)，稱原始參數(shù)，這里主要選擇長(zhǎng)度參數(shù)作為原始參數(shù)；第二類是由第一類參數(shù)推算出來(lái)的參數(shù)，稱推導(dǎo)參數(shù)，多為運(yùn)算中需要的角度參數(shù)；第三類是作方案分析比較所需要的其他特性參數(shù)。具體見(jiàn)表 3表 32 和圖 31）然后對(duì)其初步 選取來(lái)進(jìn)行分析，確定這些結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸，而這就必須要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。要進(jìn)行受力分析，首先要確定結(jié)構(gòu)件最不利的工況，并找到在該工況下的最危險(xiǎn)截面，以作為受力分析的依據(jù)。但結(jié)構(gòu)件不利的工況和在該工況下的危險(xiǎn)截面往往不止一個(gè)，這需要分別計(jì)算出尺寸再綜合考慮，取其中的最大值作為最后的確定尺寸。 由于影響挖掘機(jī)挖掘力的因素很多，如三個(gè)工作液壓缸的匹配。整機(jī)穩(wěn)定問(wèn)題等，并且同樣的反鏟裝置還有較多的形式，對(duì)計(jì)算位置的選擇，看法很不一致，更無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定。隨著電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，目前已有可能對(duì)挖掘機(jī)的所有上況及其挖 掘過(guò)程中指定的千百個(gè)位置進(jìn)行作用力分析和對(duì)各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行較多的可能危險(xiǎn)斷面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，再結(jié)合樣的應(yīng)力測(cè)定，使工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有可能得到比較可行而又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，對(duì)工作裝置中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件以及對(duì)結(jié)構(gòu)中斷而突變或應(yīng)力集中的部分可以采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，以提高分析計(jì)算的精確度。 挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 表 31反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)表 Table 31 Backhoe institutions themselves geometry table 參數(shù)分類 機(jī)構(gòu)組成 鏟斗 斗桿 動(dòng)臂 機(jī)體 符號(hào)意義 原始參數(shù) l3=QV,l12=MH, l13=MN,l14=HN, l24=QK,l25=KV, l29=KH l2=FQ,l9=EF, l10=FG,l11=EG, l15=GN,l16=FN, l21=NQ l1=CF,l6=CD, l7=CB,l8=DF, l22=BF l4=CP,l5=CA, l17=CI,l19=CT, l30=CS,l38=JT, l39=JI 推導(dǎo)參數(shù) α9=∠ NMH α10=∠ KQV α4=∠ EFG α5=∠ GNF α6=∠ GFN α7=∠ NQF α8=∠ NFQ α2=∠ BCF α3=∠ DFC α11=∠ CAP α12=∠ TCP 特性參數(shù) K2=l24/l3,l3 K2=l2/l9,l3 K2=l42/l41,l3 α1=∠ CZF σ=l7/l5 α11 K1=l1/l2 備注 L2——斗桿長(zhǎng) l1——?jiǎng)颖坶L(zhǎng) α1——?jiǎng)颖蹚澖? 懸掛式 α11=∠ ACU 表 32反鏟工作液壓缸運(yùn)動(dòng)參數(shù)表 Table 32 Backhoe hydraulic cylinder motion parameter table 液壓缸種類 參數(shù)意義 瞬時(shí)長(zhǎng)度 瞬時(shí)力臂 全縮長(zhǎng)度 全縮力臂 全伸長(zhǎng)度 全縮力臂 性能參數(shù) 參數(shù)符號(hào) 動(dòng)臂液壓缸 L1/e1 L1min/e10 L1max/e1z λ1=L1max/L1min 斗桿液壓缸 L2/e2 L2min/e20 L2max/e2z λ2=L2max/L2min 鏟斗液壓缸 L3/e3 L3min/e30 L3max/e3z λ3=L3max/L3min XX 工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 31反鏟機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖 Figure 31 Backhoe institutions themselves geometry calculation diagram 挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 鏟斗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 鏟斗機(jī)構(gòu)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 、 L2 、 L3的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對(duì)于斗桿的運(yùn)動(dòng)，如圖 32 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)為曲柄與斗桿的鉸點(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)。 圖 32 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比計(jì)算簡(jiǎn)圖 Figure 32 Bucket linkage calculation diagram of the transmission ratio 1）鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比 i 當(dāng)給定了鏟斗液壓缸長(zhǎng)度 L3 ，由原始參數(shù)及推導(dǎo)參數(shù)表出發(fā)，利用幾何關(guān)系可求得圖 32中的某些參數(shù)，如在三角形 HGN 中 )2 a rc c os ( 2142152321421522 ll LllH NG +=∠=α （ 31） )2 a rc c os (∠α 214232142152330 lL llLHGN +== （ 32） 鏟斗液壓缸對(duì) N 點(diǎn)的作用力臂為 )ααsin ( 3022131 += lr （ 33） 連桿 HK 對(duì) N 點(diǎn)的作用力臂為 XX 工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 28142 sinα=lr （ 34） 連桿 HK 對(duì) Q 點(diǎn)作用力臂為 29243 αsin=lr （ 35） 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比為 3281429243022133231 αs i n αs i n)ααs i n( ll lllr rri +== （ 36） 顯然 i 是 鏟斗油缸長(zhǎng)度 L3的一元函數(shù)。用 L3min 代入上式可得到初傳動(dòng)比 i0 ，用 L3max 代入上式可得到終傳動(dòng)比 iz 。為了求最大傳動(dòng)比 imax 及發(fā)生時(shí)的 L3 在理論上可以取 03 =dLdi ，解得 L3 ,然后代入上式求得 imax ，實(shí)際計(jì)算較困難。如采用優(yōu)化方法可以很快得到足夠精確的結(jié)果。 2）鏟斗相對(duì)于斗桿的擺角范圍 φ3max 鏟斗的瞬時(shí)位置轉(zhuǎn)角為 10262473 ααα +++=∠= αθ F Q V （ 37） 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 3m inm ax3m ax3 θθφ = （ 38） 鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定 標(biāo)準(zhǔn)斗容 q、平均斗寬 B，鏟斗挖掘半徑 R 和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角 2δ（這里令 δ=δmax）是鏟斗的四個(gè)主要參數(shù)。 及 2δ 三者與 q 之間有以下幾何關(guān)系： SKBRq )δs in2δ2(21 2= （ 39） mR )(2= = 其中 q=179。； B—— 鏟斗斗寬，根據(jù)反鏟斗平均斗寬統(tǒng)計(jì)值和推薦范圍，取 B=； 2δ—— 鏟斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角，一般取 90176。到 100176。，取 2δ=95176。=； 挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 Ks—— 土壤的松散系數(shù)的近似值取 Ks=。 鏟斗上兩個(gè)鉸點(diǎn) K與 Q的間距 l24太大將影響鏟斗傳動(dòng)特性，太小則影響鏟斗結(jié)構(gòu)剛度，一般取特性參數(shù) ~3242 == llk ，取 k2=,R=l3=， 得出 l24=。 當(dāng)轉(zhuǎn)角較大時(shí) k2取較小值，一般取 α10=∠ KQV=95176。~115176。，取 ∠ KQV=110176。[6]。 如圖 31 所示，斗形的三個(gè)基本參數(shù)已經(jīng)確定： l3=； l24=； ∠ KQV=110176。 由最大挖掘高度 H2max和最大卸載高度 H3max的分析，可以得到初始轉(zhuǎn)角φ D0： )1( s in 03m a x3m a x2 += DlHH φ （ 310） )1υ( s in80536802105 0 += D 176。=640Dφ 最大轉(zhuǎn)角為 φ3max=∠ V0QVZ =150176。~180176。，其不易太大，太大會(huì)使斗齒平均挖掘力降低，初選 φ3max=165176。 L3max 與 L3min 的確定 鏟斗的最大挖掘阻力 F3J max 應(yīng)該等于斗桿的最大挖掘力， 由 327 得 F3J max = 。 粗略計(jì)算知斗桿挖掘平均阻力 kNFF JJ ax33 == （ 311） 挖掘阻力 F3J 所做的功 W3J： m ax3333 υ= lFW JJ （ 312） mkN ?=247。= 鏟斗油缸推力所做的功 W3： m in3333 )1λ( LPW = （ 313） m in3623 L= 其中 P3—— 鏟斗油缸理論推力， pFP = 33 ， F3為鏟斗液壓缸大腔作用面積， p 為液壓系統(tǒng)工作壓力； λ3—— 鏟斗液壓缸全伸長(zhǎng)度和全縮長(zhǎng)度之比，一般取 λ3=~ 由能量守恒知鏟斗油缸推力所做的功 W3 應(yīng)該等于鏟斗挖掘阻力所做的功 W3J ： XX 工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 即 JWW 33 = （ 314） 則由式 312,313,314得： mmL 895min3 = 得： mmLL 1432λ m in33m a x3 == （ 315） 剩余未選定的基本尺寸大部分為連桿機(jī)構(gòu)尺寸，其應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件： 1）挖掘力的要求：鏟斗油缸的挖掘力應(yīng)與轉(zhuǎn)斗最大挖掘阻力相適應(yīng)，當(dāng)斗齒尖處于V1時(shí)，斗桿油缸的理論挖掘力應(yīng)不低于最大挖掘阻力的 80%。 即 PD0≥80% PD0max；當(dāng)處于最大理論挖掘力位置時(shí) ∠ V1QV 應(yīng)為 30176。 2）幾何相容。保證 △ GFN、 △ GHN、 □ HNQK 在 l3的任意