【正文】 產(chǎn)開(kāi)發(fā)較快增長(zhǎng)的背景下，工程機(jī)械行業(yè)呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，挖掘機(jī)表現(xiàn)尤為突出，業(yè)內(nèi)人士普遍對(duì) 2022 年的挖掘機(jī)增長(zhǎng)前景看好。中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)必須具有長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光，在積極攻占內(nèi)地市場(chǎng)同時(shí)，加快對(duì)海外工程機(jī)械市場(chǎng)的進(jìn)軍步伐，加快節(jié)能減排步伐，在危機(jī)中不斷尋找企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的新契機(jī)。液壓泵、液壓閥、馬達(dá)、液壓油缸甚至發(fā)動(dòng)機(jī)等主要零部件的供應(yīng)常常控制在少數(shù)幾家供應(yīng)商手中，它們根據(jù)自己公司的生產(chǎn)情況量產(chǎn)，并非隨著制造商產(chǎn)量的增長(zhǎng)擴(kuò)大生產(chǎn)。所以，大投入和研發(fā)、攻國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)、核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件的科研上取得突破對(duì)國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)品牌來(lái)說(shuō)其重要意義不言而喻，是我們努力的方向和目標(biāo) 挖掘機(jī)工作原理概述液壓挖掘機(jī)的工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置，它由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。回轉(zhuǎn)與行走裝置是液壓挖掘機(jī)的機(jī)體，轉(zhuǎn)臺(tái)上部設(shè)有動(dòng)力裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)?；剞D(zhuǎn)等動(dòng)作組成。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)液壓泵將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給液壓馬達(dá)、液壓缸等執(zhí)行元件，推動(dòng)工作裝置動(dòng)作，從而完成挖掘機(jī)的挖掘、滿斗舉升回轉(zhuǎn)、卸載、空斗返回等各種工況動(dòng)作。1）多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)。3）采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。5）對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件。7）拓展電子化、自動(dòng)化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。早在 1958 年國(guó)內(nèi)便開(kāi)始了液壓挖掘機(jī)的研制開(kāi)發(fā)工作，隨后開(kāi)發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。到了 80 年代末和 90 年代初，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家液壓挖掘機(jī)技術(shù)水平得到了迅速的提高，突出表現(xiàn)在追求高效率(同一機(jī)重的挖掘機(jī)功率普遍提高，液壓系統(tǒng)流量增大，作業(yè)循環(huán)時(shí)間減小，作業(yè)效率大大提高)；高可靠性和追求司機(jī)操作的舒適性。有的新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品(也包括某些已生產(chǎn)多年的老產(chǎn)品)為了提高作業(yè)的可靠性，干脆采用了進(jìn)口的液壓件和發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)都按照采用國(guó)外元件來(lái)設(shè)計(jì)，這種經(jīng)過(guò)改型或新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的液壓挖掘機(jī)其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。谷守領(lǐng)：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置三維設(shè)計(jì)4挖掘機(jī)行業(yè)近年來(lái)雖有很大發(fā)展，但與國(guó)外挖掘機(jī)行業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在許多不足，其原因除了國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)加工水平落后之外，挖掘機(jī)設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比也有較大的差距，尤其是一些先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的掌握和應(yīng)用。關(guān)于工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)分析和在 CAD 上其自動(dòng)設(shè)計(jì)的綜合研究文獻(xiàn)還沒(méi)有。特別是國(guó)內(nèi)，CAD 在許多企業(yè)還停留在輔助制圖的程度上，當(dāng)然也有部分企業(yè)用 CAD 進(jìn)行空間布置設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)近十年的研究，獲得了一些成果，但是研究還不夠深入，有些研究結(jié)果已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中。在這樣一種情況下，開(kāi)發(fā)一個(gè)專業(yè)化的工作裝置的設(shè)計(jì)工具和軟件顯得非常必要。應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，成本不斷降低，向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，以提高零部件、配件的可靠性，從而保證整機(jī)的可靠性。（2）更為普遍地采用節(jié)能技術(shù)。（4）工作裝置結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，工作范圍不斷擴(kuò)大。（6）應(yīng)用微電子、氣、液等機(jī)電一體化綜合技術(shù)。（8）人機(jī)工程學(xué)在設(shè)計(jì)中的充分利用。再結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資料以及與挖掘機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)書(shū)籍，用力學(xué)知識(shí)對(duì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和力學(xué)計(jì)算。然后用山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5CAD 軟件進(jìn)行了三維圖和二維圖的繪制。具體內(nèi)容包括以下四部分：（1）挖掘機(jī)工作裝置的總體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。（3）工作裝置的基本尺寸的計(jì)算和校驗(yàn)。谷守領(lǐng)：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置三維設(shè)計(jì)62 挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 工作裝置構(gòu)成 1斗桿油缸；2 動(dòng)臂； 3油管； 4動(dòng)臂油缸； 5鏟斗； 6斗齒； 7側(cè)板；8連桿； 9搖桿； 10鏟斗油缸； 11斗桿圖 工作裝置組成圖 Work device of operation圖 為所選的單斗液壓挖掘機(jī)的反鏟工作裝置基本組成及傳動(dòng)示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗 搖桿 斗桿 1動(dòng)臂 相應(yīng)的三組液壓缸 10 等組成。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過(guò)鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動(dòng)作配合可以是多樣的、隨機(jī)的。挖掘機(jī)工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。根據(jù)以上特征，可以對(duì)工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，則可知單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看成是由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)，處理的具體簡(jiǎn)圖如 所示。山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7圖 工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 The equipment structure diagram1鏟斗；2 連桿；3斗桿；4動(dòng)臂；5 鏟斗油缸； 6斗桿油缸圖 工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 The equipment structure simplified diagram挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡(jiǎn)化后實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是 3，即工作裝置的幾何位置由動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度 L斗桿油缸長(zhǎng)度 L鏟斗油缸長(zhǎng)度 L3決定，當(dāng)LL L 3為某一確定的值時(shí)，工作裝置的位置也就能夠確定。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕，且有利于得到較大的挖掘深度。使用經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，長(zhǎng)期用于作業(yè)條件近似的反鏟，以采用整體臂較好。 動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸的布置動(dòng)臂油缸裝在動(dòng)臂的前下方，動(dòng)臂的下支承點(diǎn)（即動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸點(diǎn)）設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺(tái)平面，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。并且布置中，動(dòng)臂油缸在動(dòng)臂的兩側(cè)各裝一只，這樣的雙動(dòng)臂在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)筋的作用，以彌補(bǔ)前面的不足。 Arm oil cylinder hinged schemes 鏟斗與鏟斗油缸的連接方式本方案中采用六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在相同的鏟斗油缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性。如圖 所示。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。（2）要使物料易于卸盡。1動(dòng)臂； 2動(dòng)臂油缸圖 動(dòng)臂油缸鉸接示意圖山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9綜上考慮，選用中型挖掘機(jī)常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。—?jiǎng)颖巯裸q點(diǎn)到動(dòng)臂與連桿連接的鉸點(diǎn)的距離1l—斗桿與動(dòng)臂連接的鉸點(diǎn)到斗桿與鏟斗連接的鉸點(diǎn)的距離2（2）鏟斗斗容與主參數(shù)的選擇斗容：q = 3按經(jīng)驗(yàn)公式和比擬法初選：l 3 =1550mm（3）工作裝置液壓系統(tǒng)主參數(shù)的初步選擇各工作油缸的缸徑選擇要考慮到液壓系統(tǒng)的工作壓力和“三化“要求以及初步估取的液壓缸受力。斗桿油缸的內(nèi)徑 D2=120mm，活塞桿的直徑 d2=90mm。又由經(jīng)驗(yàn)公式和其它機(jī)型的參考初選動(dòng)臂油缸行程 L1=1375mm，斗桿油缸行程 L2=1450mm，鏟斗油缸行程 L3=1250mm。表 挖掘機(jī)參數(shù) Excavator parameters整機(jī)工作質(zhì)量 20220kg標(biāo)準(zhǔn)斗容 谷守領(lǐng)：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置三維設(shè)計(jì)10動(dòng)臂長(zhǎng)度 5400mm斗桿長(zhǎng)度 3000mm最大挖掘半徑 R9885mm最大挖掘深度 1maxH7150mm最大挖掘高度 2 7260mm行走速度 回轉(zhuǎn)速度 11rad/min回轉(zhuǎn)角度 ?360動(dòng)臂轉(zhuǎn)角 4斗桿轉(zhuǎn)角 1鏟斗轉(zhuǎn)角 ?爬坡能力 35山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）113 工作裝置運(yùn)動(dòng)分析 動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析：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；min1Lmax1LA：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)。動(dòng)臂上任意一點(diǎn)在任一時(shí)刻也都是 的函數(shù)。則在 ABC 中：?1572721cosllL??? (31)12275()Ll?????在 BCF 中： 217272cos?llL??? (32)??2 71Ll?????由圖 所示的幾何關(guān)系，可得到 的表達(dá)式：1 (33)122????谷守領(lǐng)：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置三維設(shè)計(jì)12當(dāng) F 點(diǎn)在水平線 CU 之下時(shí) 為負(fù)，否則為正。這時(shí)：max?15minl?75l??25271??llL (37)1cos? 斗桿的運(yùn)動(dòng)分析如下圖 所示，D 點(diǎn)為斗桿油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)， F 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)。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斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)； θ 斗桿擺角。max1229889cos(),lLl??? 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 LL L 3 的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對(duì)于斗桿的運(yùn)動(dòng)，如圖 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)為搖桿與斗桿的鉸點(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)。2maxL (318)QVlie3顯然 i 、 、 、 和 都是 的一元函數(shù)。10?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)角和 ，于是得鏟斗的瞬間轉(zhuǎn)角:3max?in (321)3max3in????鏟斗的擺角范圍 3maxin 圖 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比計(jì)算簡(jiǎn)圖 Loader transmission linkage mechanism calculation diagram（3）斗齒尖運(yùn)動(dòng)分析見(jiàn)圖 所示，斗齒尖 V 點(diǎn)的坐標(biāo)值 XV 和 YV，是 L1 、L L 3 的函數(shù)只要推導(dǎo)出XV 和 YV 的函數(shù)表達(dá)式，即 = ( ), = ( )。4?6由 CFN 知? (327)321621628cos?lll???由 CFQ 知 (328)321223ll由 Q 點(diǎn)知 (329)1024335 ??????CQV在 CFQ 中?谷守領(lǐng)：20 噸履帶式單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置三維設(shè)計(jì)16l12 = l232 + l32 2cosα33l23l3α33 = COS1[（ l232+l32 l12） /2l23l3] (330)在 NHQ 中? 2412712713cos?lll??? (331)])([21721374 llNQH????在 HKQ 中 264274