【導(dǎo)讀】液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的重要產(chǎn)品之一，具有較高的技術(shù)含量。工作機(jī)構(gòu)是液壓挖。工作機(jī)構(gòu)的研究是十分有必要的。液壓挖掘機(jī)的主要特點為：能無級調(diào)速且調(diào)速范圍大，作高速反轉(zhuǎn)，傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，可吸收沖擊和振動，操縱省力，易實現(xiàn)自動化控制，易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。本次設(shè)計的題目是WY100液壓履帶挖掘機(jī)總體及工作裝置設(shè)計及運動仿真。地帶還可采用加寬、加長以及浮式履帶來降低接地比壓。在設(shè)計中，采用了履帶式行走裝置，來滿足要求。上部轉(zhuǎn)臺是全回轉(zhuǎn)式，因此它可。又因采用液壓傳動控制而使整機(jī)性能得以改善。改進(jìn)，不僅挖掘力大，且機(jī)器重量輕，傳動平穩(wěn)，作業(yè)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。

　　

【正文】 設(shè)計要求 挖掘機(jī)的工作裝置應(yīng)滿足下列要求： ，即要滿足 鏟、裝載的要求，希望鏟掘力大，易于裝滿料，并要求動臂在提升過程中物料散落。 ，并保證在任意位置都能卸凈鏟斗中的物料。 ，工作裝置結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，機(jī)構(gòu)合理，受力好，強(qiáng)度高。 的工作條件，確保工作安全，視野良好，操作簡單，維修方便。 反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)方案的確定 確定動臂的結(jié)構(gòu)形式 18 設(shè)計項目 計算與說明 結(jié)果 動臂是工作裝置中的主要構(gòu)件，斗桿的結(jié)構(gòu)形式往往決定于動臂的結(jié)構(gòu)形式。反鏟動臂分為整體式和組合式兩類。 整體式動臂有直動臂和彎動臂兩種 見圖 41。 直動臂構(gòu)造簡單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機(jī)。 采用整體式彎動臂有利于得到較大的挖掘深度，它是專用反鏟裝置的常見形式。整體式彎動臂在彎曲處的結(jié)構(gòu)形狀和強(qiáng)度值得注意。 整體式動臂結(jié)構(gòu)簡單、價廉，剛度相同時結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕。它的缺點是替換工作裝置少，通用性較差。為了擴(kuò)大機(jī)械通用性，提高其利用率。往往需要配備幾套完全不通用的工作裝置。一般說，長期用于作業(yè)相似的反鏟采用整體式動臂結(jié)構(gòu)比較合適。 綜合考慮本次設(shè)計選擇整體式彎動臂。 動臂油缸一般布置在動臂前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺鉸接，常見的有兩種具體布置方式。 ①油缸前傾布置方案，動臂油缸與動臂鉸接于 E點。當(dāng)動臂油缸全伸出，將動臂舉升至上極限位置，動臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺前方傾斜。 ②油缸后傾布置方案，當(dāng)動臂油缸全伸出，將動臂舉升到上極限位置時，動臂油缸軸線向 后方傾斜。 當(dāng)兩方案的動臂油缸安裝尺寸 DE、鏟斗最大挖掘高度 圖 41 整體式直動臂（左）和整體式彎動臂（右） 19 設(shè)計項目 計算與說明 結(jié)果 確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式 斗桿油缸的布置 H 和地面最大挖掘半徑 R相等時，后傾方案的最大挖掘深度比前傾方案小，即 2h ＜ 1h 。 此外，在后傾方案中，動臂 EF 部分往往比前傾方案的長，因此動臂所受彎矩也比較大。以上為動臂油缸后傾方案的缺點。然而，后傾方案動臂下鉸點 C與動臂油缸下鉸點 D 的距離 CD 比前傾方案的大，則動臂在上下兩極位置時，動臂油缸的作用力臂 Cp 也較大。因此，在動臂油缸作用力相同時，后傾方案得到較大的動臂作 用力矩，這是其優(yōu)點。 本次設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求參數(shù)，綜合考慮，采用動臂油缸前傾布置方案。 動臂與動臂油缸 活塞桿端部的鉸點布置通常有兩種形式，一種是單動臂在端部彎角的下部，小型挖掘機(jī)常見；另一種是雙臂油缸布置在動臂箱體的中部，這樣的雙動臂油缸在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)筋的作用，提升力也大大增加。由于本次設(shè)計的是中小型挖掘機(jī)，故本次設(shè)計采用單動臂油缸。 確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式 斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)都采用整體式斗桿，當(dāng)需要調(diào)節(jié)斗桿長度或杠桿時采用更換斗桿的辦法，或者在斗桿上設(shè)置 2～ 4 個可供調(diào)節(jié)時選擇的 與動臂端部鉸接的孔。有些反鏟采用組合式斗桿。 斗桿油缸的布置 確定斗桿油缸鉸點、行程及斗桿力臂比時應(yīng)該考慮下列因素。 。 一般來說希望液壓缸在全行程中產(chǎn)生的 斗齒挖掘力 始終大于正常挖掘阻力；液壓 缸全伸時的 作用 力矩應(yīng)該足以支承滿載斗和斗桿靜止不動；液壓 缸 作用 力臂最大時產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)大于要求克服的最大挖掘 阻力 。 。對于以轉(zhuǎn)斗挖掘為主的中小型反鏟，選擇斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)時必須注意轉(zhuǎn)斗 20 設(shè)計項目 計算與說明 結(jié)果 動臂與斗桿長度比的確定 確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式的斗齒的安裝結(jié)構(gòu) 挖掘時斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖掘區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓 缸的挖掘力能得到充分的發(fā)揮。 。 斗桿擺角范圍 大致在 105176。～125176。 之間 。 在滿足工作范圍和運輸要求的前提下此值應(yīng)盡可能取得小些，對以斗桿挖掘為主的中型機(jī)更應(yīng)注意到這一點 。一般來說，斗桿越長，其擺角范圍也可稍小。當(dāng)斗桿油缸和轉(zhuǎn)斗油缸同時伸出最長時，斗前壁 與 動臂之間的距離應(yīng)大于 10cm。 鉸點位置的確定需要反復(fù)進(jìn)行。在計算中初定鉸點位置，如不夠合理，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修改。 動臂與斗桿長度比的確定 對于一定的工作尺寸而言，動臂與斗桿之間的長度比可在很大范圍內(nèi)選擇。一般當(dāng) 1K ＞ 2時，（有的反鏟取 1K＞ 3）稱為長動臂短斗桿方案，當(dāng) 1K ＜ 時屬于短動臂長斗桿方案。 1K 在 ～ 2之間稱為中間比例方案。 要求適用性較強(qiáng)而又無配套替換構(gòu)件或可調(diào)結(jié)構(gòu)的反鏟常取中間比例方案。相反，當(dāng)用配套替換構(gòu)件或可調(diào)連接適應(yīng)不同作業(yè)條件時，不同的配置或鉸點連接情況可組成各種比例方案。在使用條件單一，作業(yè)對象明確的條件下采用整體式動臂和斗桿固定鉸接， 1K 值由作業(yè)條件確定。從作業(yè)范圍看，在挖高、挖深與挖掘半徑均相同的條件下， 1K 愈大作業(yè)范圍愈窄，從挖掘方式看 1K 大宜用于斗桿挖掘為主，因其剛度較易保證。而 1K 值小宜用于以轉(zhuǎn)斗挖掘為主。 本設(shè)計采用中間比例方案 ,取 1K ＝ 2。 確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式的斗齒的安裝結(jié)構(gòu) 基本要求 ： 1．有利于物料的自由流 動，因此鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合各種物料的運動規(guī)律。 2．要使物料易于卸凈。用于粘土的鏟斗卸載時不易卸凈，因此延長了作業(yè)循環(huán)時間，降低了有效斗容量。 1K ＝ 2 21 設(shè)計項目 計算與說明 結(jié)果 國外采用設(shè)有強(qiáng)制卸土的粘土鏟斗。 3．為了使裝進(jìn)鏟斗的物料不易掉出，鏟斗寬度與物料顆粒直徑之比應(yīng)大于 4： 1。當(dāng)此比值大于 50： 1時顆粒尺寸的影響可不考慮，視物料為勻質(zhì)。 4．裝設(shè)斗齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時的挖掘線比壓，以便切入或破碎阻力較大有物料。挖硬土或碎石時還能把石塊從土壤中耙出。斗齒的材料、形狀、安裝結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù) 都值得研究，對它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更換。 圖 43反鏟用鏟斗基本形式 鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響很大。鏟斗的作業(yè)對象繁多，作業(yè)條件也不同，用一個鏟斗來適應(yīng)任何作業(yè)對象和條件較困難。為了滿足各 種 特定情況，盡可能提高作業(yè)效率，通用反鏟裝置常配有 圖 42 反鏟用鏟斗常用結(jié) 構(gòu)構(gòu) 22 設(shè)計項目 計算與說明 結(jié)果 甚至十多種斗容量不同，結(jié)構(gòu)形式各異的鏟斗。圖 4圖 43 分別為反鏟用鏟斗的常用形式和基本形式。鏟斗的斗齒采用裝配式，其形式有橡膠卡銷式和螺栓連接式，如圖 44 所示。 目前，對鏟斗結(jié)構(gòu)形式的研究還處于現(xiàn)場試驗、實驗室試驗或 模型試驗階段，未建立起較系統(tǒng)的理論。將兩只 RH6 液壓挖掘機(jī)上進(jìn)行對比試驗，結(jié)果如表 4－ 1所示。由于砂的挖掘阻力較 小，對鏟斗設(shè)計的合理性反映不靈敏，所以這兩種鏟斗的 試驗結(jié)果差別不大。 而對頁巖作業(yè)效果就大不一樣，其中一個鏟斗的切削前緣中間略微凸出，不帶側(cè)齒，側(cè)臂略呈凹形，這些因素使頁巖挖掘阻力降低。另一個鏟斗的情況則相反。 表 41 反鏟斗對比試驗結(jié)果 作業(yè)條件 鏟斗編號 鏟斗充滿時間 (s) 生產(chǎn)率（ 10kN/h） 效率（ %） 在頁巖中鏟斗 1 鏟斗 2 100 圖 44 斗齒安裝形式 23 設(shè)計項目 計算與說明 結(jié)果 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接形式 作 業(yè) 在砂中 作 業(yè) 鏟斗 1 鏟斗 2 100 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接形式 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接形式有四連桿 和六連桿機(jī)構(gòu)，如圖 45所示。其中的四連桿機(jī)構(gòu)是鏟斗直接鉸接于液壓缸，使鏟斗轉(zhuǎn)角較小，工作力矩變化較大；六連桿機(jī)構(gòu)連接方式的優(yōu)點是，在液壓缸活塞桿行程相同的條件下，鏟斗可獲得較大轉(zhuǎn)角，并改善機(jī)構(gòu)的傳動特性。圖 45a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 45b 中鏟斗液壓缸 通過搖桿 1 和連桿 2 與鏟斗相連，它們與斗桿一起組成六連桿機(jī)構(gòu)。圖 45d與 45b 類似，區(qū)別在于前者液壓缸活塞桿端鉸接于搖桿兩端之間。 比較：選用 b結(jié)構(gòu)。雖然六連桿中方式 b和 d在液壓缸行程相同時，后者能得到更大的鏟斗轉(zhuǎn)角，但其鏟斗挖掘力的平均值較小。 鏟斗液壓缸一般都只有一個，因為傳動比小，單油缸 Pf= λ = 圖 45 鏟 斗的連接形式 24 設(shè)計項目 計算與說明 結(jié)果 液壓缸參數(shù)的確定 鏟斗的設(shè)計 作用力足以保證斗齒所需作用力。 液壓缸參數(shù)的確定 因為發(fā)動機(jī)功率為 110KW，所以液壓功率為 110=88KW，反鏟挖掘力 Pf=KfG(KN） = 245=，所以采用動臂液壓缸數(shù)為 2，斗桿 缸 、 轉(zhuǎn) 斗 缸 各為 1，缸徑為 125mm，初選λ = 鏟斗的設(shè)計 圖 46鏟斗主參數(shù)示意圖 斗容量 q、平均斗寬 B、轉(zhuǎn)斗挖掘半徑 R 和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿角 2δ（這里δ =δ max）是鏟斗的四個主要參數(shù) 見圖46。 R、 B 及 2δ三者與 q 之間有以下關(guān)系： 21 ( 2 sin 2 )2 sq R B K???? 其中 q—— 斗容量 1m3 R—— 鏟斗挖掘半徑，單位 mm B—— 鏟斗斗寬，查表 26，取 B=1180mm 2δ —— 鏟斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角，一般取 2δ=90176?！?110176。，取 2δ =95176。 = Ks—— 土壤松散系數(shù)，取近似值 把 q、 B、 2δ和 Ks代入上式，得 R=1431mm 鏟斗上兩個鉸點 K 與 Q 的間距 l24太大將影響鏟斗傳動特性，太小則影響鏟斗結(jié)構(gòu)剛度，一般取特性參數(shù)K2=243ll =，取 K2=,則 q=1 m3 B=1180mm 2 ? ? Ks= R=1431mm l24=497mm φ maxR 25 設(shè)計項目 計算與說明 結(jié)果 l24=l3 =1462 =497mm 鏟斗的運動 鏟斗相對于 XY 坐標(biāo)系的運動是 L L2和 L3的函數(shù)，情況較復(fù)雜。現(xiàn)先討論鏟斗相對于斗桿的運動。 圖 47 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比計算簡圖 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的傳動比 i 當(dāng)給定了液壓挖掘機(jī)長度 L3，由表 24原始參數(shù)及推導(dǎo)參數(shù)出發(fā)，利用幾何關(guān)系可依次求得圖 47 中5 2 2 3 0 2 3 2 6 2 4 2 5 2 7 2 6 2 7 2 8 2 9ll? ? ? ? ? ? ? ? ? ?， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 和等值。 鏟斗液壓缸對 N 點的作用力臂為 1 1 3 2 2 3 0s i n ( ) 1 6 8r l m m??? ? ? ? 連桿 HK 對 N點作用力臂為 2 1 4 2 8s in 2 0 1r l m m?? ? ? 連桿 HK 對 Q點作用力臂為 3 2 4 2 9s in 6 1r l m m?? ? ? 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的總傳動比為 1 3 13 24 22 30 292 3 3 14 29sin ( ) sinsinr r l li r l l l? ? ??? ? ? ? ???? ? ? 顯然 i 是 L3的一元函數(shù)。用 L3min代入上式可得到初傳動比 io，用 L3max代入上式則可得到終傳動比 iz。為了求最大傳動比 imax及其發(fā)生時的 L3，在理論上可以取3 0didL? ，解得 L3，然后代入上式求得 imax。 26 設(shè)計項目 計算與說明 結(jié)果 動臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計 鏟斗相對于斗桿的擺角范圍 3max? 鏟斗瞬時位置轉(zhuǎn)角為 3 7 2 4 2 6 1 0F Q V? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 當(dāng)取 L3=L3min和 L3max時可分別求得 3min 3max??和 。于是得 3 m ax 3 m ax 3 m in? ? ??? 動臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計 由于已知 G=25t， q=1m3，根據(jù)經(jīng)驗公式計算法，參考表 13 機(jī)體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗系數(shù) 3i li mL K G?