【正文】 012521617鏟斗液壓缸缸徑（cm）動臂液壓缸主油管管徑（cm）斗桿液壓缸主油管管徑（cm）鏟斗液壓缸主油管管徑（cm）油箱容量（L）123755 工作裝置的強(qiáng)度校核計(jì)算單斗液壓挖掘機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件包括：工作裝置、回轉(zhuǎn)平臺和底盤車架等。由于本次設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)在工作裝置，因此只對工作裝置這部分進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。工作裝置由鏟斗、斗桿、動臂以及連桿機(jī)構(gòu)和各種工作液壓缸組成。對這些結(jié)構(gòu)件的分析計(jì)算，首先應(yīng)確定各結(jié)構(gòu)件的不利工況，即在這工況下對某一結(jié)構(gòu)件可能出現(xiàn)最大的應(yīng)力，以這工況作為設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)件的依據(jù)，也就是強(qiáng)度設(shè)計(jì)中計(jì)算位置的選擇，計(jì)算圖式和載荷的確定問題。由于影響挖掘機(jī)挖掘力的因素很多，如三個工作液壓缸的匹配。整機(jī)穩(wěn)定問題等，并且同樣的反鏟裝置還有較多的形式，對計(jì)算位置的選擇，看法很不一致，更無統(tǒng)一的規(guī)定。隨著電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，目前已有可能對挖掘機(jī)的所有工況及其挖掘過程中指定的千百個位置進(jìn)行作用力分析和對各結(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)合樣機(jī)的應(yīng)力測定，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，對工作裝置中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件以及對結(jié)構(gòu)中斷面突變或應(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。反鏟裝置的斗桿（尤以標(biāo)準(zhǔn)和加長斗桿）強(qiáng)度主要為彎矩所控制，故其計(jì)算位置可根據(jù)反鏟工作中挖掘阻力對斗桿可能產(chǎn)生的最大彎矩來確定。根據(jù)斗桿工作情況的手試驗(yàn)說明，斗桿危險(xiǎn)斷面最大應(yīng)力發(fā)生在采用轉(zhuǎn)斗挖掘的工況下。其計(jì)算位置可按以下條件確定：1． 按反鏟裝置作用力分析的電算結(jié)果選定。2． 近似計(jì)算時(shí)，一般取以下兩個位置：計(jì)算位置Ⅰ（圖5－1），條件為：1）動臂位于最低（動臂液壓缸全縮）；2）斗桿液壓缸作用力臂最大（斗桿液壓缸與斗桿尾部夾角為90176。）；3）斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動臂鉸點(diǎn)連線的延長線上；4）側(cè)齒遇障礙作用有橫向力。這時(shí)，工作裝置上的作用力有工作裝置各部分的重量（鏟斗重，斗桿重和動臂重），作用于斗側(cè)齒上的挖掘阻力（包括切向力為，法向分力和側(cè)向力）。鏟斗挖掘時(shí)，鏟斗液壓缸工作力所能克服的切向阻力可取鏟斗為隔離體，按對鉸點(diǎn)的力矩平衡方程＝0求得　　　　　　　　　　　　式(5－1)式中：—由圖5－1畫圖得，＝；　　　—由圖5－1畫圖得，＝；—由圖5－1畫圖得，＝；—由圖5－1畫圖得，＝；—由圖5－1畫圖得，＝；把、代入式5－1得：　　　 求得：＝ 法向阻力決定于動臂液壓缸的閉鎖力，可取工作裝置為隔離體，按對動臂底部鉸點(diǎn)的力矩平衡方程＝0求得：　　　　　　　　 　　 式5－2式中：—動臂液壓缸的閉鎖力，＝286kN；　　　—工作裝置各部分重量對點(diǎn)的力矩之和，相應(yīng)的力臂值由圖5－1確定為：　　　　　—由圖5－1畫圖得，＝；　　　　　—由圖5－1畫圖得，＝；　　　　　　　　—由圖5－1畫圖得，＝； —由圖5－1畫圖得，＝； —由圖5－1畫圖得，＝； —由圖5－1畫圖得，＝； 把、、代入式5－2得：　　　　?。? 取斗桿（帶斗）為隔離體，列出對鉸點(diǎn)力矩平衡方程＝0，可求得斗桿液壓缸作用力（被動狀態(tài)）。一般情況下，此力與其閉鎖力值（按該液壓缸閉鎖壓力決定）相近?！　　　　　　　　　　　　　　　∈剑?－3）式中： —由CAD做圖得，=；　　　　—由CAD做圖得，=；　　　　—由CAD做圖得，=；　　　　—由CAD做圖得，=；　　　　—由CAD做圖得，=；把、代入式5－3得：　　 ＝[(+)+＋]　　　解得：＝鏟斗邊齒遇障礙時(shí)，橫向挖掘阻力由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動器承受，此力的最大值決定于回轉(zhuǎn)平臺的制動力矩，其值為：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（5－4）式中：　—橫向阻力與回轉(zhuǎn)中心間的距離, 由CAD做圖得，=；　　　　—回轉(zhuǎn)平臺制動器可承受的最大力矩，＝m。把、代入式（5－4）得： =計(jì)算位置Ⅱ（圖5－2），條件為：1) 動臂位于動臂液壓缸對鉸點(diǎn)有最大作用力臂處；2) 斗桿液壓缸作用力臂最大；3) 鏟斗斗齒尖位于、兩鉸點(diǎn)連線的延長線上，或鏟斗位于發(fā)揮最大挖掘力位置（圖5－2中Ⅱ′位置）；4) 正常挖掘，即挖掘阻力對稱于鏟斗，無側(cè)向力作用。此時(shí)工作裝置上的作用力僅為工作裝置的自重及斗齒上的作用力及。作用力的分析方法同上。切向阻力：　　法向阻力：橫向挖掘阻力：　通過CAD畫圖得：—由圖5－2畫圖得，＝；—由圖5－2畫圖得，＝；—由圖5－2畫圖得，＝；—由圖5－2畫圖得，＝；　　　　　—由圖5－2畫圖得，＝；　　　　　　　　—由圖5－2畫圖得，＝； —由圖5－2畫圖得，＝； —由圖5－2畫圖得，＝； —由圖5－2畫圖得，＝；—由圖5－2畫圖得，=；　　　　　　　　—由圖5－2畫圖得，=；　　　　　　　　—由圖5－2畫圖得，=；　　　　　　　　—由圖5－2畫圖得，=；　　　　　　　　—由圖5－2畫圖得，=；　　　　　　　　—由圖5－2畫圖得，=； 通過計(jì)算得出：　　　　?。?；　　＝；　　＝；　根據(jù)以上位置的斗桿作用力分析，便可作出斗桿的內(nèi)力圖。對于計(jì)算位置Ⅰ，斗桿內(nèi)力圖包括斗桿軸向力，斗桿平面內(nèi)、外的彎矩、和剪力、以及扭矩；對于計(jì)算位置Ⅱ或Ⅱ′，斗桿內(nèi)力側(cè)僅有，、。斗桿受載荷最嚴(yán)重的那一側(cè)，危險(xiǎn)斷面為mm。作用在這個截面中心上載荷有：力可對斗齒取力矩平衡方程式來解得：　　= =垂直平面內(nèi)的彎矩（yz平面內(nèi)）＝=通過斗桿中心垂直于yz平面的xz平面中的彎矩為： = =m沿斗桿軸向拉力為：　　　　　 = =這樣斗桿危險(xiǎn)斷面上正應(yīng)力為：　　　　　 = =83Mpa 式中：—許用應(yīng)力，?。?；　　　—斗桿梁的斷面積。斗桿還應(yīng)根據(jù)危險(xiǎn)斷面上的內(nèi)力進(jìn)行整體穩(wěn)定驗(yàn)算，其應(yīng)力值為：　　　　式中：—截面對xx軸、yy軸的抗彎斷面系數(shù)；—斗桿梁橫斷面的毛面積；—中心壓桿許用應(yīng)力折減系數(shù)，可根據(jù)斗桿梁的細(xì)長比來定。按下式求出：　　　　　　　　＝==上式中用下式求出　　　　　　　?。?=527式中：　　—斗桿的計(jì)算長度；　　　　—計(jì)算截面的最小回轉(zhuǎn)半徑；　　　　—計(jì)算截面的最小轉(zhuǎn)動慣量；因此斗齒截面上的應(yīng)力：　　　　　　　　σ＝≤對于承受扭力的單梁方型斷面斗桿，還要計(jì)算其扭力矩：　　　　　　　 =＋　　　　　　　　?。絤其扭曲應(yīng)力為：　　　　　　　 = = ≤式中：、—單梁方型斷面相應(yīng)邊壁厚中心線距；　　　　　　—最薄處的壁厚。 經(jīng)驗(yàn)算，該斗桿符合要求。反鏟裝置動臂的強(qiáng)度計(jì)算同樣應(yīng)按挖掘工作中對動臂可能出現(xiàn)的最大載荷選定計(jì)算位置。除按電算結(jié)果進(jìn)行選擇外，一般近似計(jì)算可采用以下計(jì)算位置：動臂計(jì)算位置Ⅰ（圖5－3），條件為：1） 動臂位于最低（動臂液壓缸全縮）；2） 斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)、斗桿與動臂鉸點(diǎn)三點(diǎn)位將支座點(diǎn)產(chǎn)總反力銨兩支座三個座標(biāo)方向分解。支座總反力分解為和并平均分配作用于兩支座。橫向力引起動臂的彎矩和扭矩可用支座反力和的形式來代替：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（5－5）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式（5－6）式中：—支座處的橫向彎矩；—支座處的扭矩（即）；由于動臂支座內(nèi)的側(cè)向間隙，橫向力可能同其中一個分支座（左邊或右邊的）來承受。這樣，距動臂支座的截面的內(nèi)力可按下列各式求得：垂直平面內(nèi)的彎矩：橫向彎矩：　　　　軸向力：　　　　　整體彎曲動臂對彎曲部分的斷面進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮按曲梁進(jìn)行驗(yàn)算，即在彎曲平面內(nèi)的應(yīng)力按下式計(jì)算：　　　　　　　　　　　　式（5－7）式中：　—斷面積；　　　　—斷面彎曲處的曲率半徑；　　　　—重心至計(jì)算點(diǎn)的距離，該點(diǎn)在曲率中心與斷面重心之間為負(fù)，反之為正；、　　　　—斷面形狀及曲梁曲率有關(guān)系數(shù)；＝(積分范圍由斷面中心軸至最邊緣點(diǎn))對簡單的幾何圖形（矩形圓形等）為無窮級數(shù)，可以近似計(jì)算之，一般用替代，則；動臂計(jì)算位置Ⅱ，條件為：1） 動臂位于動臂液壓缸作用力臂最大值處（）；2） 斗桿液壓缸作用力臂最大（斗桿液壓缸與斗桿尾部軸部夾角90176。時(shí)）；3） 鏟斗發(fā)揮最大挖掘力位置，進(jìn)行正常挖掘。此位置相當(dāng)于斗計(jì)算位置Ⅱ′，工作裝置上的作用力亦相同。 動臂的內(nèi)力圖，包括軸向力N，動臂平面內(nèi)的彎矩，剪力；平面外的彎矩，剪力和扭矩。6 液壓挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，最重要的階段是機(jī)構(gòu)方案構(gòu)思一概念設(shè)計(jì)。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)者不但需要具有設(shè)計(jì)的知識，而且需要具有相當(dāng)?shù)墓こ探?jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造與直覺的能力、及許多其他方面的條件，才能夠創(chuàng)造一種新型機(jī)構(gòu)以完成所希望的功能。這是一種發(fā)明行為，這不僅是設(shè)計(jì)對過程中最富有創(chuàng)造性的部分，也是機(jī)械設(shè)計(jì)過程中最為困難的地方。到目前為止，尚未有學(xué)者提出系統(tǒng)化的方法以引導(dǎo)設(shè)計(jì)者有系統(tǒng)地進(jìn)行創(chuàng)新機(jī)構(gòu)。然而，大多數(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例(大約占機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例的70%)不是憑空創(chuàng)造新機(jī)構(gòu)，而是在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)(該機(jī)構(gòu)可能受專利保護(hù))的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)不同的新型機(jī)構(gòu)，以提高機(jī)器的質(zhì)量和性能，或者突破現(xiàn)有專利技術(shù)。下面結(jié)合液壓挖掘機(jī)構(gòu)的反鏟裝置，提出基于結(jié)構(gòu)推理的機(jī)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?；诮Y(jié)構(gòu)推理的機(jī)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)是利用創(chuàng)造性發(fā)散原理，通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型綜合的方法，對現(xiàn)有的機(jī)械方案從拓?fù)渎?lián)接方面進(jìn)行變異創(chuàng)新，盡可能多的產(chǎn)生滿足設(shè)計(jì)功能要求的結(jié)構(gòu)變體，以便于尋找最優(yōu)的功能載體，尤其是創(chuàng)造新型機(jī)構(gòu)以回避專利保護(hù)機(jī)構(gòu)應(yīng)用方面更是結(jié)構(gòu)推理之長?！　∮蓹C(jī)構(gòu)演化及編譯原理可知，任何機(jī)構(gòu)，包括齒輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及它們的組合，都可以視為連桿機(jī)構(gòu)的等效與變異，其原始型的構(gòu)造皆可通過連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)造來獲得。許多人在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型綜合方面作了大量的工作，尤其是在非同構(gòu)基本運(yùn)動鏈的構(gòu)造方面。按他們提出的方法，由計(jì)算機(jī)很容易自動生成滿足給定設(shè)計(jì)任務(wù)要求的非同構(gòu)運(yùn)動鏈，而這些非同構(gòu)運(yùn)動鏈基本運(yùn)動鏈?zhǔn)菢?gòu)造候選機(jī)構(gòu)型的基礎(chǔ)。下面所提出的基于結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程正是在這些研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該方法可以劃分四個階段：首先是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求確定相似的設(shè)計(jì)方案(原始機(jī)械方案)，然后對該原始方案進(jìn)行抽象化表示，即將機(jī)構(gòu)方案一般化為運(yùn)動鏈，在抽象化表示過程中記錄設(shè)計(jì)約束；其次根據(jù)機(jī)構(gòu)方案一般化運(yùn)動鏈，在運(yùn)動鏈圖譜庫中找出與一般化運(yùn)動鏈具有相同桿數(shù)、自由度數(shù)以及連桿類型相同的所有非同構(gòu)的運(yùn)動鏈，即運(yùn)動鏈發(fā)散，并根據(jù)設(shè)計(jì)約束和適當(dāng)?shù)脑u價(jià)方法進(jìn)行篩選；第三，對評價(jià)篩選后的每個非同構(gòu)的運(yùn)動鏈進(jìn)行機(jī)構(gòu)識別、驅(qū)動副識別以及桿組識別，形成用連桿表達(dá)的準(zhǔn)可行機(jī)械方案元型，即運(yùn)動鏈再生；最后一個階段是將準(zhǔn)可行機(jī)械方案元型根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要，基于設(shè)計(jì)約束規(guī)則以及用戶交互式方法進(jìn)行類型替代，形成待評價(jià)的候選方案集轉(zhuǎn)入下一階段，并進(jìn)行用戶交互式模糊評價(jià)，產(chǎn)生最優(yōu)方案。結(jié)構(gòu)推理過程模型如圖1所示。原　始　機(jī)　械　方　案方案抽象化表示規(guī)　則　庫推　理　機(jī)非　同　構(gòu)運(yùn)　動　鏈圖　譜　庫　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　機(jī)械方案非同構(gòu)結(jié)構(gòu)確定驅(qū)動副確定機(jī)架　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　機(jī)構(gòu)方案元型集桿組識別類型替換　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　候選方案集圖1　基于結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型(1)液壓挖掘機(jī)基本結(jié)構(gòu)及其抽象化表示　　液壓挖掘機(jī)是一種采用液壓傳動并以一個鏟斗進(jìn)行挖掘作業(yè)的機(jī)械，它由工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺和行走裝置三大部分組成。工作裝置作為液壓挖掘機(jī)的三大組成部分之一，因用途不同，種類繁多，其中主要有反鏟裝置、正鏟裝置、挖掘裝載裝置、起重裝置和抓斗裝置等，由于本次設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)在反鏟裝置，只創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用最廣泛的反鏟裝置?！　∪鐖D2(a)所示，液壓挖掘機(jī)反鏟裝置由動臂斗桿鏟斗3以及動臂油缸斗桿油缸鏟斗油缸6和連桿機(jī)構(gòu)7等組成。其構(gòu)造特點(diǎn)是各部件之間的聯(lián)系全部采用鉸接，通過油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。挖掘作業(yè)時(shí)，將反鏟裝置轉(zhuǎn)到挖掘地點(diǎn)，操縱臂油4，使動臂下降至鏟斗接觸挖掘面，然后操縱斗桿油缸5和鏟斗油缸6，使鏟斗進(jìn)行挖掘工作。鏟斗裝滿后，將其轉(zhuǎn)到卸載地點(diǎn)卸載，然后進(jìn)行第二次循環(huán)挖掘工作。由于油缸可以簡化為兩個串聯(lián)在一起的二副桿，這兩個二副桿的中間鉸為驅(qū)動副(驅(qū)動副用兩個同心圓表示)，因此圖2(a)中的反鏟裝置可以轉(zhuǎn)化為圖2(b) 所示的平面運(yùn)動鏈型式。（a） (b)圖62　反鏟裝置的基本結(jié)構(gòu)（2）再生運(yùn)動鏈和創(chuàng)新運(yùn)動鏈　?、俜寸P裝置的工作要求　　為了下面討論方便，先定義幾個概念：　　定義1　分離桿：如果自由度為F的平面運(yùn)動鏈中存在某個桿，把此桿“切”為兩塊，該平面運(yùn)動鏈則被分解成自由度分別為FF2的兩個子平面運(yùn)動鏈，并且F=F1+F2，則稱此桿為分離桿?！　《x2　分離自由度：如果自由度為F的平面運(yùn)動鏈中至少存在一個桿，把此桿“切”為兩塊，該平面運(yùn)動鏈則被分解成自