【文章內(nèi)容簡介】 置各部分的重量 G 名稱 重量（噸） 動臂 斗桿 鏟斗 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 3 工作裝置的設(shè)計 工作裝置的設(shè)計需根據(jù)要求確定其結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)而確定其各部件的尺寸以及鉸點(diǎn)位置，最后還應(yīng)對其作業(yè)尺寸和工作臂的強(qiáng)度以及挖掘力的大小進(jìn)行校核，確保其滿足要求。 工作裝置總體方案的選擇 工作裝置 總體方案的選擇主要包括工作裝置總體結(jié)構(gòu)的選擇 ,動臂、 斗桿 和鏟斗 結(jié)構(gòu)形式的選擇以及各個 油缸 鉸點(diǎn)的布置形式的選擇。 工作裝置的總體結(jié)構(gòu) 圖 31 工作裝置總體結(jié)構(gòu)圖 動臂、斗桿和鏟斗結(jié)構(gòu)形式的選擇 a).確定動臂的結(jié)構(gòu)形式 動臂是挖掘機(jī)工作裝置 的主要部件，可分為整體式和組合式。整體式動臂 結(jié)構(gòu)簡單，重 量輕而 強(qiáng)度好 具有良好的工作性能 ；組合式動臂 重 量大，制造成本 也 高，現(xiàn)一般 僅 作為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 特殊配 置 使用 。所以選用整體式動臂。 整體式動臂又 有整體 直動臂和 整體 彎動臂 這 兩種。 其中 整體 直動臂 構(gòu) 造 簡單 、 重 量輕 、容易生產(chǎn) ，主要用于懸掛式挖掘機(jī)，但不能獲得較大的挖掘深度 ，不適用于通用挖掘機(jī)；整體 彎動臂是 目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式，可獲得較大的挖掘深度，但降低了卸土高度，這個正符合挖掘機(jī)反鏟作業(yè)的要 求 [7]。 所以 ， 本次設(shè)計選用整體彎動臂。 b).確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式 斗桿也 有 整體式和組合式 這 兩種 形式 。其中組合式不常用，大多數(shù)挖掘機(jī)都采用整體式，當(dāng)需要調(diào)節(jié)斗桿長度或杠桿比時采用更換斗桿或設(shè)置 2～ 4 個鉸鏈孔 的方法。 因此也采 用整體式。 c).確定 鏟斗 的結(jié)構(gòu)形式 反鏟 式挖掘機(jī)采 用的鏟斗形式， 其 形狀和 尺寸 參數(shù)的合理性選擇對挖掘機(jī)的作業(yè)效果往往 有很大 影響 。 挖掘 機(jī)的作業(yè)工況各種各樣 ， 只用一個鏟斗很難完成所有的工況作業(yè)。所以為了滿足不同工況的作業(yè)需求，并能盡可能的提高作業(yè)效率， 在同一 反鏟裝置 上可配幾 種 甚至幾十種不同 結(jié)構(gòu) 和容量的 鏟斗，如圖 32 為 本次設(shè)計 所 采 用 的反鏟斗 常用 鏟斗 形式。 圖 32 鏟斗的常用形式 裝設(shè)斗齒可以增 大鏟斗挖掘時所產(chǎn)生的壓力，從而增大切削力，使鏟斗更好的破碎或挖掘物料。 鏟斗的斗齒 大都 采用裝配 形 式，其 結(jié)構(gòu) 形式有螺栓連接式 和橡膠卡銷式 [8]如圖33(a)和 (b)所示。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 33 斗齒連接方式 （ a) 螺栓連接式 （ b) 橡膠卡銷式 經(jīng)比較 （ a） 的結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，強(qiáng)度和剛度都比較好 ， 所以 選擇 （ a)安裝方式 。 確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點(diǎn)布置 a).動臂油缸的 鉸點(diǎn) 布置方式如圖 34所示 ： 34 幾種動臂油 缸的布置方式 其中， a 和 b 比較常見， c 和 d 不常見。 a 的特點(diǎn)是不會消弱動臂 的 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但會影響動臂的 運(yùn)動范圍 ， b 則與之相反， 并能產(chǎn)生較大的挖掘力， 但 要采用 雙液壓缸 形式 。 考慮到本次設(shè)計的挖掘機(jī)需要較大的挖掘力，所以動臂油缸的布置方式選用 b,使用雙油缸。 b).斗桿油缸的鉸點(diǎn)布置 斗桿油缸的布置方式如圖 35 所示： 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 35 斗桿油缸的布置方式 C).鏟斗油缸 的鉸點(diǎn)布置 鏟斗與 鏟斗 液壓缸 的 連接形式有四連桿機(jī)構(gòu)和六連桿機(jī)構(gòu) 這兩種 ，如圖 36 所示。其中四連 桿機(jī)構(gòu) 的連接 方式是鏟斗直接鉸接于 鏟斗 液壓缸， 特點(diǎn)是 鏟斗轉(zhuǎn)角較小， 但可以獲得較大的 工作力矩；六連桿機(jī)構(gòu) 的連接方式是鏟斗通過連桿與鏟斗液壓缸鉸接，其特點(diǎn)是當(dāng) 液壓缸活塞桿行程相同 時 ，鏟斗 能夠 得 到 較大 的 轉(zhuǎn)角 從而 來改善 整個 機(jī)構(gòu)的傳動特性。 圖 36 鏟斗的連接方式 圖 37（ a） 為直接連接，鏟斗、斗桿與鏟斗液壓缸組成四連桿機(jī)構(gòu)。圖 37（ b） 中青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 液壓缸通過一個搖桿和一個連桿與鏟斗相連，與斗桿組成六連桿機(jī)構(gòu)。圖 37（ c） 和 （ d）的鉸接形式相似 相似， 與（ b）的 區(qū)別在于前者液壓缸活塞桿鉸接于搖桿兩端之間。 因?yàn)椋?b）形式能讓鏟斗獲得較大挖掘力，所以 選用 （ b） 圖所示的連接方式。 工作裝置結(jié)構(gòu)尺寸的確定 工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸主要包括鏟斗、斗桿和動臂的尺寸以及各鉸點(diǎn)的位置。 鏟斗參數(shù)的選擇 圖 37 斗形示意圖 斗容量 q， 平均斗寬 B， 轉(zhuǎn)斗挖掘半徑 R 和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角 2? （ 這里令 max??? ）四者之間有以下幾何關(guān)系： （見【 2】 P73） 21 ( 2 s in 2 )2 sq R B K? ? ?? （ 31） 式中 ： SK —— 土壤松散系數(shù) ,近似值 取 。 因我 國標(biāo)準(zhǔn)斗容 q 指堆尖容量，所以裝滿系數(shù)可不再考慮。平均斗寬 B 可根據(jù)【 2】P75 表 26（反鏟斗平均斗寬統(tǒng)計值和推薦范圍）查得 q=，取 B=。又因?yàn)?q一定時 W1max和 E 隨著 B 和 R 的變大而減 小。但 B 和 R 大到一定程度 ， 綜合反應(yīng)到 2? ﹤900以后 W1max 和 E 的 減小減緩。 顯然 B 和 R 無限增大會導(dǎo)致 q=0，鏟斗變?yōu)槠桨?。?B青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 的增大使附加載荷引起的對工作裝置的扭矩和水平彎矩 隨之增大，從而對工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求更高。全面 考慮 有關(guān)因素 ，可取 2? =900～ 1000。如果 2? ﹥ 1000 則 W1max太大； 如果 2? ﹤ 900， 則 B 和 R 太大。 所以取 2? =960。 因此由式 31 得： R= 2( si n 2 )90 sqBK?? ?? 所以 R=。 式中 W1max—— 鏟斗挖掘阻力 ， E—— 鏟斗挖掘時挖掘 1m3容積的土所耗費(fèi)的能量稱為鏟斗挖掘能容量 。 鏟斗上兩個鏟點(diǎn) K 與 Q 之間距離 KQl ，太大影響鏟斗機(jī)構(gòu)傳動特性，太小則影響鏟斗結(jié)構(gòu)剛度，一般取特性參數(shù) 2k = KQl /R=～ 。當(dāng)鏟斗轉(zhuǎn)角較大時， 2k 取較小值。一般取 10 95 11 5KQ V? ? ? ? 。 根據(jù)實(shí)際情況取 2k =, 10 100? ? 。 即KQl = 2kR? ==。 動臂和斗桿尺寸的確定 動臂與斗桿的長度比為 K1,當(dāng) K1＞ 2 時稱為長動臂短斗桿方案，當(dāng) K1＜ 時屬于短動臂長斗桿布置方案， K1在 ～ 2 之間稱為中間比例方案 [9]。 對于沒有特殊要求的挖掘機(jī)，一般取中間比例方案，即取特性參數(shù)。 K1= 13ll=～ 2，這里取 K1=。 根據(jù) 前面經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果并參考 現(xiàn)代 ROBEX 2157 型液壓挖掘機(jī) 的作業(yè)參數(shù)，初步選取最大挖掘半徑 R1=9500mm，據(jù)統(tǒng)計，最大挖掘半徑 R1值一般于 1 2 3l l l??的和 很接近，因此在 3l 和 1K 值已定時可根據(jù)【 2】 P80 經(jīng)驗(yàn)公式計算： 112 11Rll K?? ? (32) 1 1 3l K l?? (33) 式中： 1l —— 動臂長，即尺寸 CF 長 ,mm； 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 2l —— 斗桿長，即尺寸 FQ 長， mm； 3l —— 鏟斗尺寸 QV,即 R,mm； R1 —— 最大挖掘半徑， mm。 由此計算得 : 2 9 5 0 0 1 3 6 0 29071 1 .8l m m????, 初步選定 2 2900l mm? ； 1 290 0 522 0l m m? ? ?，初步選定 1 5200l mm? 。 動臂的彎角 1? 一般可取 1? =1200～ 1400，彎角大可增加挖掘深度，但降低了卸載高度，太小則對強(qiáng)度不利，針對 實(shí)際情況 ，可初步確定 =1200。 圖 38 各鉸點(diǎn)位置 到此，動臂和斗桿的基本長度和彎角已經(jīng)確定， 其余 各部分的具體參數(shù)，可參照 現(xiàn)代ROBEX 系列液壓挖掘機(jī)進(jìn)行類比做仿形設(shè)計，并結(jié)合本次設(shè)計要求， 運(yùn)用 SolidWorks 三維技術(shù)對工作裝置進(jìn)行建模分析，優(yōu)化各鉸點(diǎn)的位置 如圖 38 所示 ，進(jìn)而得到各部分的尺寸如下表所示： 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 表 31 各 部件 鉸點(diǎn)的距離 工作裝置組成 距離（ mm） 鏟斗 QV=1630 KQ=590 HN=600 HK=700 斗桿 FQ=2900 FE=948 FG=878 QN=600 GN=1867 EG=1429 GQ=2452 EQ=3810 動臂 CF=5200 CD=3405 CB=2495 DF=2384 BF=3256 BD=1022 1 120?? 機(jī)體 AC=488 至 此 ，工作裝置的基本尺寸和鉸點(diǎn)位置已全部 確定。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 4 工作裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計 液壓 挖掘機(jī)工作裝置的主要功能運(yùn)動有以下幾個動作：動臂升降、斗桿收放和鏟斗裝卸 [10]，如圖 41 所示。因?yàn)檫@幾個運(yùn)動都是線性運(yùn)動，所以選用液壓缸作為執(zhí)行元件。本次設(shè)計要求 既要 保證各個動作 能夠 獨(dú)立進(jìn)行 ，也可以相互配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動作。 圖 41 液壓挖掘機(jī)工作裝置的作業(yè)循環(huán)組成 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定 系統(tǒng)工作壓力的確定 因?yàn)楸敬卧O(shè)計的液壓挖掘機(jī)整機(jī)重量小于 30 噸，所以本機(jī)最大挖掘阻力可由以下經(jīng)驗(yàn)公式求出： ffF k G?? （ 41） 式中 fk —— 挖掘阻力系 數(shù)，推薦值 ， G—— 整機(jī)重量（ KN）。 因此本機(jī)最大挖掘阻力 0. 5 20 .7 9. 8 10 1. 4fF KN? ? ? ?。 根據(jù)表 4表 42，并考慮到本液壓挖掘機(jī)的最大負(fù)載 fF , 初選系統(tǒng)工作壓力為25P MPa? 。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 表 41 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件工作壓力 負(fù)載 F/N 工作壓力 P/MPa 5000 ～ 1 5000～ 10000 ～ 2 10000～ 30000 ～ 4 30000～ 50000 4～ 5 50000 5～ 7 表 42 設(shè)備常用的工作壓力 設(shè)備類型 系統(tǒng)工作壓力 MPa 磨床 ～ 組合機(jī)床 ～ 龍門刨床