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第一章 緒論
液壓挖掘機(jī)是在機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它的工作過(guò)程是以鏟斗的切削刃切削土壤，鏟斗裝滿后提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置，卸空后的鏟斗再回到挖掘位置并開始下一次的作業(yè)。因此，液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的土方機(jī)械。
液壓挖掘機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水利施工、露天采礦及現(xiàn)代化軍事工程中都有著廣泛的應(yīng)用，是各種土石方施工中不可缺少的一種重要機(jī)械設(shè)備。
在建筑工程中，可用來(lái)挖掘苦坑、排水溝，拆除舊有建筑物，平整場(chǎng)地等。更換工作裝置后，可進(jìn)行裝卸、安裝、打樁和拔除樹根等作業(yè)。
在水利施工中，可用來(lái)開挖水庫(kù)、運(yùn)河、水電站堤壩的基坑、排水或灌溉的溝渠，疏浚和挖深原有河道等。
在鐵路、公路建設(shè)中，用來(lái)挖掘土方、建筑路基、平整地面和開挖路旁排水溝等。
在石油、電力、通信業(yè)的基礎(chǔ)建設(shè)及市政建設(shè)中，用來(lái)挖掘電纜溝和管道等。
在露天采礦場(chǎng)上，可用來(lái)剝離礦石或煤，也可用來(lái)進(jìn)行堆棄、裝載和鉆孔等作業(yè)。
在軍事工程中，或用來(lái)筑路、挖壕溝和掩體、建造各種軍事建筑物。
所以，液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械的一個(gè)重要品種，對(duì)于減輕工人繁重的體力勞動(dòng)，提高施工機(jī)械化水平，加快施工進(jìn)度，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都 起著很大的作用。據(jù)建筑施工部門統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)斗容量1.0m3的液壓挖掘機(jī)挖掘I～I(xiàn)V級(jí)土壤埋，每班生產(chǎn)率大約相當(dāng)于300～400個(gè)工人一天的工作量。因此，大力發(fā)展液壓挖掘機(jī)，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和加速國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。
1.1液壓挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)和基本類型
1.1.1液壓挖掘機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)
液壓挖掘機(jī)在動(dòng)力裝置之間采用容積式液壓靜壓傳動(dòng)，即靠液體的壓力能進(jìn)行工作。液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)相比有許多優(yōu)點(diǎn)。
①能無(wú)級(jí)調(diào)速且調(diào)速范圍大，例如液壓馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比可達(dá)1000∶1。
②能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，例如柱塞式液壓馬達(dá)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可低達(dá)1r/min.
③快速作用時(shí)，液壓元件產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣性小，加速性能好，并可作調(diào)整反轉(zhuǎn)。例如電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩比其平穩(wěn)盍?xí)r的驅(qū)動(dòng)力矩大50%，而液壓馬達(dá)則不大于5%，加速中等功率電動(dòng)機(jī)需1s到數(shù)秒，而加速液壓馬達(dá)只需0.1s。
④傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可吸收沖擊和振動(dòng)，操縱省力，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。
⑤易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化?！?
基于液壓傳動(dòng)的上述優(yōu)點(diǎn)，液壓挖掘機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)相比，具有下列主要特點(diǎn)。
⑥大大改善了挖掘機(jī)的技術(shù)性能，挖掘力大、牽引力大，機(jī)器重量，傳動(dòng)平穩(wěn)，作用效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。液壓挖掘機(jī)與同級(jí)機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)相比，挖掘力約高30%，例如1.0m液壓挖掘機(jī)鏟斗挖掘力120～150KN，而同級(jí)機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)只有100KN左右。
挖掘機(jī)在工作時(shí)的主要?jiǎng)幼靼ㄐ凶?、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)和工作裝置的作業(yè)動(dòng)作，其中動(dòng)作最頻繁的是回轉(zhuǎn)和工作裝置的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種入選運(yùn)動(dòng)一般速度不高，而所需作用力卻很大，要求在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)變速或換向來(lái)完成各種復(fù)雜動(dòng)作。機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)完成上述運(yùn)動(dòng)需通過(guò)磨擦離合器、減速器、制動(dòng)器、逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、提升和推壓機(jī)構(gòu)等配合來(lái)完成。因此，機(jī)械傳動(dòng)挖掘力不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還要產(chǎn)生很大的慣性力和沖擊載荷。而液壓挖掘機(jī)則不需要龐大和復(fù)雜的蹭傳動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，也減少了易損件。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，液壓挖掘機(jī)的質(zhì)量大約比相同斗容量的機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)輕30%，不僅節(jié)省了鋼材，而且降低了接地比壓。液壓挖掘機(jī)上的各種液壓元件可相對(duì)獨(dú)立布置，使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀，同時(shí)也易于改進(jìn)或變型。
②液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有防止過(guò)載的能力，所以使用安全可靠，操縱簡(jiǎn)便。由于可采用液壓先導(dǎo)控制，無(wú)論驅(qū)動(dòng)功率多大，操縱均很靈活、省力，司機(jī)的工作條件得到改善。更換工作裝置時(shí)，由于不牽連轉(zhuǎn)臺(tái)上部的其他機(jī)構(gòu)，因此更換工作裝置容易，而機(jī)械式挖掘機(jī)則受到提升機(jī)構(gòu)和推壓機(jī)構(gòu)的牽連和限制。
③由于液壓傳動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此現(xiàn)代液壓挖掘機(jī)普遍采用了以微處理器國(guó)核心的電子控制單元（ECU），使發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、控制閥和執(zhí)行元件在最佳匹配狀態(tài)下工作，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和提高作業(yè)效率，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)整機(jī)狀態(tài)參數(shù)的電子監(jiān)控和故障診斷?！ ?
④液壓元件易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，便于組織大規(guī)模專業(yè)化生產(chǎn)，進(jìn)一步提高質(zhì)量和降低成本。
1.1.2液壓挖掘機(jī)的基本類型及主要特點(diǎn)
液壓挖掘機(jī)種類繁多，可以從不同角度對(duì)其類型進(jìn)行劃分。
1. 根據(jù)液壓挖掘機(jī)種類主要機(jī)構(gòu)傳動(dòng)類型劃分。
根據(jù)液壓挖掘機(jī)主要機(jī)構(gòu)是否全部采用液壓傳動(dòng)，分為全液壓傳動(dòng)和非全液壓（或稱半液壓）傳動(dòng)兩種。若挖掘、回轉(zhuǎn)、行走等幾個(gè)主要機(jī)構(gòu)的動(dòng)作均為液壓傳動(dòng)，則為全液壓挖掘機(jī)。若液壓挖掘機(jī)中的某一個(gè)機(jī)構(gòu)采用機(jī)械傳動(dòng)，則稱其為非全液壓（或半液壓）挖掘機(jī)。一般說(shuō)來(lái)，這種 區(qū)別主要表現(xiàn)在行走機(jī)構(gòu)上。對(duì)液壓挖掘機(jī)來(lái)說(shuō)，工作裝置及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)必須是液壓傳動(dòng)，只有行走機(jī)構(gòu)有的為液壓傳動(dòng)，有的為機(jī)械傳動(dòng)。
2. 根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的類型劃分
根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的不同，液壓挖掘機(jī)可分為履帶式、輪胎式、汽車式、懸掛式及拖式。
履帶式液壓挖掘機(jī)應(yīng)用最廣，在任何路面行走均有良好的通過(guò)性，對(duì)土壤有足夠的附著力，接地比壓小，作業(yè)時(shí)不需設(shè)支腿，適用范圍較大。在土質(zhì)松軟或沼澤地帶作業(yè)的液壓挖掘機(jī)，還可通過(guò)加寬履帶來(lái)降低接地比壓。為防止對(duì)路面的碾壓破壞、有些液壓挖掘機(jī)還采用了橡膠履帶。通用通常，履帶行走的液壓挖掘機(jī)多為全液壓傳動(dòng)。
輪胎式液壓挖掘機(jī)具有行走速度快，機(jī)動(dòng)性好，可在多種路面通行的特點(diǎn)。近年來(lái)，輪胎式挖掘機(jī)的生產(chǎn)量日漸增長(zhǎng)。
懸掛式液壓挖掘機(jī)是將工作裝置安裝在輪胎式或履帶式拖拉機(jī)上，可以達(dá)到一機(jī)多用的目的。這種挖掘機(jī)拆裝方便，成本低廉。
汽車式液壓挖掘機(jī)一般采用標(biāo)準(zhǔn)的汽車底盤，速度快，機(jī)動(dòng)性好。
拖式液壓挖掘機(jī)沒有行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，行走時(shí)由拖拉機(jī)牽引，
3. 根據(jù)工作裝置劃分
根據(jù)工作裝置結(jié)構(gòu)不同，可分為鉸接式和伸縮臂式挖掘機(jī)。鉸接式工作裝置應(yīng)用較為普遍。這種挖掘機(jī)的工作裝置靠各構(gòu)件繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成作業(yè)動(dòng)作。伸縮臂式挖掘機(jī)的動(dòng)臂由主臂及伸縮臂組成，伸縮臂可在主臂臂內(nèi)伸縮，還可以變幅。伸縮臂前端裝有鏟斗，適于進(jìn)行平整和清理作業(yè)，尤其是修整溝坡。
1.2液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況
挖掘機(jī)械的最早雛形，主要用于河道、港口的疏浚工作，第一臺(tái)有確切記載的挖掘機(jī)械是1796年英國(guó)人發(fā)明的蒸汽“挖泥鏟”。而能夠模擬人的掘土工作，在陸地上使用的蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的“動(dòng)力鏟”于1835年在美國(guó)誕生，主要用于修筑鐵路的繁重工作，被認(rèn)為是現(xiàn)代挖掘機(jī)的先驅(qū)，距今已有170多年歷史。1950年，德國(guó)研制出世界上第一臺(tái)全液壓挖掘機(jī)。由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料不斷在挖掘機(jī)上得到應(yīng)用，尤其是電子技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用使得液壓挖掘機(jī)在作業(yè)效率、可靠性、安全性和操作舒適性以節(jié)能、環(huán)保等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前液壓挖掘機(jī)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，成為土石方施工不可缺少的重要機(jī)械設(shè)備。
1.2.1國(guó)外液壓挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展趨勢(shì)
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，產(chǎn)品線齊全，技術(shù)成熟。美國(guó)、德國(guó)和日本是液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)，具有較高市場(chǎng)占有率。22 20世紀(jì)后期開始，國(guó)際上液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)從產(chǎn)品規(guī)格上看，在穩(wěn)定和完善主力機(jī)型 的基礎(chǔ)上向大型化、微型化方向發(fā)展；從產(chǎn)品性能上看，向高效節(jié)能化、自動(dòng)化、信息化、智能化的方向發(fā)展。
1.2.2國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況
我國(guó)從1967年開始研制液壓挖掘機(jī)。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機(jī)械廠的WY100、貴陽(yáng)礦山機(jī)器廠的W4－60、合肥礦山機(jī)器廠的WY60等。到20世紀(jì)70年代末80年代初，長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠和杭州重型機(jī)械研制成功了WY160和WY250等液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。從1994年開始，美國(guó)的卡特彼勒公司、日本的神戶制鋼所、日本的小松制作所、日本的日立建機(jī)株式會(huì)社、韓國(guó)大宇重工、韓國(guó)現(xiàn)代重工業(yè)以及德國(guó)利勃海爾、德國(guó)雪孚、德國(guó)阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司先后在中國(guó)建立了中外合資、外商獨(dú)資挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)具有世界先進(jìn)水平的多種型號(hào)和規(guī)格的液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速，液壓挖掘機(jī)市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大，形成了巨大的挖掘機(jī)市場(chǎng)窨，但該行業(yè)主要由合資企業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國(guó)內(nèi)一些工程機(jī)械待業(yè)的上市股分公司合資的方式介入了挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)國(guó)內(nèi)還有眾多的企業(yè)也在生產(chǎn)液壓挖掘機(jī)，但在生產(chǎn)規(guī)模、品種、質(zhì)量等方面與國(guó)外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展民族挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，必須瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平，圍繞國(guó)內(nèi)外兩個(gè)市場(chǎng)，在充分利用國(guó)際化配套的國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)自主創(chuàng)新意識(shí)，掌握核心設(shè)計(jì)制造技術(shù)，發(fā)揮性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，把我國(guó)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品做大做強(qiáng)。
1.3本次設(shè)計(jì)內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)斗容量為0.11m3，全液壓履帶式挖掘機(jī)，由于履帶式液壓挖掘機(jī)因有良好通過(guò)性能應(yīng)用最廣，對(duì)松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長(zhǎng)以及浮式履帶來(lái)降低接地比壓。
第二章 挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)
2.1確定動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的結(jié)構(gòu)形式
2.1.1確定動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式
動(dòng)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(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式。反鏟動(dòng)臂分為整體式和組合式兩類。
直動(dòng)臂構(gòu)造簡(jiǎn)單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機(jī)，如圖2-1所示。
圖2-1 直動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
采用整體式彎動(dòng)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(dòng)臂在彎曲處的結(jié)構(gòu)形狀和強(qiáng)度值得注意，有時(shí)采用三節(jié)變動(dòng)臂有利于降低彎曲處的應(yīng)力集中。
整體式變動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，風(fēng)度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕。它的缺點(diǎn)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(shuō)，長(zhǎng)期用于作業(yè)相似的反鏟采用整體式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)比較合適。
組合式動(dòng)臂一般都為彎臂形式。其組合方式有兩類，一類用輔助連桿（或液壓缸）連接，另一類用螺栓連接。
組合式動(dòng)臂與整體式動(dòng)臂相比各有優(yōu)缺點(diǎn)，它們分別適用于不同的作業(yè)條件。組合式動(dòng)臂的主要優(yōu)點(diǎn)是：
1．工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)采用螺栓或連桿連接時(shí)調(diào)整時(shí)間只需十幾分鐘，采用液壓缸連接時(shí)可以進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
2．較合理地滿足各種類型作業(yè)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求，從而較簡(jiǎn)單地解決主要構(gòu)件的統(tǒng)一化問(wèn)題。因此其替換工作裝置較多，替換也方便。一般情況下，下動(dòng)臂可以適應(yīng)各種作業(yè)裝置要求，不需拆換。
3．裝車運(yùn)輸比較方便。
由于上述優(yōu)點(diǎn)，組合式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)雖比整體式動(dòng)臂復(fù)雜，但得到了較廣泛的應(yīng)用。尤以中小型通用液壓挖掘機(jī)作業(yè)條件多時(shí)采用組合式動(dòng)臂較為合適。
本次設(shè)計(jì)作業(yè)條件比較單一，所以選用整體式彎動(dòng)臂。
2.1.2 確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式
斗桿也有整體式和合式兩種，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(zhǎng)度或杠桿時(shí)采用更換斗桿的辦法，或者在斗桿上設(shè)置2～4個(gè)可供調(diào)節(jié)
時(shí)選擇的與動(dòng)臂端部鉸接的孔。有些反鏟采用組合式斗桿。
2.2確定動(dòng)臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點(diǎn)布置
2.2.1動(dòng)臂油缸的布置
動(dòng)臂油缸一般布置在動(dòng)臂前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接，常見的有兩種具體布置方式。
①油缸前傾布置方案，如圖2－2所示，動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂鉸接于E點(diǎn)。當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉升至上極限位置，動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)前方傾斜。
②油缸后傾布置方案，如圖2－3所示，當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉升到上極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸軸線向后方傾斜。
當(dāng)兩方案的動(dòng)臂油缸安裝尺寸DE′、鏟斗最大挖掘高度H和地面最大挖掘半徑R相等時(shí)，后傾方案的最大挖掘深度比前傾方案小，即＜。此外，在后傾方案中，動(dòng)臂EF部分往往比前傾方案的長(zhǎng)，因此動(dòng)臂所受彎矩也比較大。以上為動(dòng)臂油缸后傾方案的缺點(diǎn)。然而，后傾方案動(dòng)臂下鉸點(diǎn)C與動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)D的距離CD雙前傾方案的大，則動(dòng)臂在上下兩極位置時(shí)，動(dòng)臂油缸的作用力臂Cp也較大。因此，在動(dòng)臂油缸作用國(guó)相同時(shí)，后傾方案得到較大的動(dòng)臂作用力矩，這量其優(yōu)點(diǎn)。
圖2-2 動(dòng)臂油缸前傾布置
圖2-3 動(dòng)臂油缸后傾布置
顯然，不論是動(dòng)臂油缸前傾還是后傾方案，當(dāng)C、D兩鉸點(diǎn)位置和CE長(zhǎng)度均不變時(shí)，通過(guò)加大動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度可以增大動(dòng)臂仰角，從而增大最大挖掘高度，但會(huì)影響到最大挖掘測(cè)試。所以，在布置油缸時(shí)，應(yīng)綜合考慮動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)、工作裝置的作業(yè)尺寸及動(dòng)臂舉升力的挖掘力等因素。
本設(shè)計(jì)選用動(dòng)臂油缸前傾布置方案。
2.2.2斗桿油缸的布置
確定斗桿油缸鉸點(diǎn)、行程及斗桿力臂比時(shí)應(yīng)該考慮下列因素。
①保證斗桿油缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。即油缸從最短長(zhǎng)度開始推伸時(shí)和油缸最大伸出時(shí)產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)該大于正常挖掘阻力。油缸全伸時(shí)的偷稅漏稅力矩應(yīng)該足以支承滿載鏟斗和斗桿靜止不動(dòng)。油缸力臂最大時(shí)產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)大于要求克服的最大挖掘范圍可以取得越小一些。
②保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍一般取100°～130°。在斗桿油缸和轉(zhuǎn)斗油缸同時(shí)伸出最長(zhǎng)時(shí)，鏟斗前壁和動(dòng)臂之間的距離應(yīng)大于10cm。一般來(lái)說(shuō)，斗桿越長(zhǎng)，則其擺角范圍可以取得越小一些。
鉸點(diǎn)位置的確定需要反復(fù)進(jìn)行。在計(jì)算中初定鉸點(diǎn)位置，如不夠合理，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修改。
2.2.3鏟斗油缸的布置
確定鏟斗油缸鉸點(diǎn)應(yīng)考慮以下因素。
①保證轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)產(chǎn)生足夠大的斗齒挖掘力，即在鏟斗油缸全行程中產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)大于正常工作情況下的挖掘阻力。當(dāng)鏟斗油缸作用力臂最大時(shí)，所產(chǎn)生的最大斗齒挖掘應(yīng)能使?jié)M載鏟斗靜止不動(dòng)
②保證鏟斗的擺角范圍。鏟斗的擺角范圍一般取140°～160°，在特殊作業(yè)時(shí)可以大于180°，擺角位置可以按圖3-7布置。當(dāng)鏟斗油缸全縮時(shí)，鏟斗與斗桿軸線夾角（在軸線上方）應(yīng)大于10°,常取15°～25°，鏟斗油缸全伸、鏟斗滿載回轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)使土壤不從斗中撒落。
③鏟斗從位置Ⅰ到位置Ⅱ時(shí)（圖2－6），鏟斗油缸作用力臂最大，這里能得到斗齒最大切削角度的1/2左右，即當(dāng)鏟斗挖掘深度最大時(shí)，正好斗齒挖掘
圖2-4 鏟斗擺角范圍
力也最大。實(shí)際上鏟斗的切削轉(zhuǎn)角是可變的。在許多情況下，特別是進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)，鏟斗的切削轉(zhuǎn)角一般都小于100°，而且鏟斗也不一定都在初始位置I開始挖掘。因此，目前一般取位置I至位置II的轉(zhuǎn)角為30°～50°，在這個(gè)角度范圍內(nèi)可以照顧到鏟斗在挖掘過(guò)程中能較好地適應(yīng)挖掘阻力的變化，又可以使鏟斗在開始挖掘時(shí)就有一定的挖掘力。
2.3挖掘裝置總體方案的選擇
挖掘方案選擇的主要依據(jù)是設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定的使用要求，據(jù)以決定工作裝置是通用或是專用的。以挖掘?yàn)橹鞯耐ㄓ醚b置應(yīng)保證挖掘使用要求，并照顧到其它裝置的性能。專用裝置應(yīng)根據(jù)作業(yè)條件決定結(jié)構(gòu)方案，在滿足主要作業(yè)條件要求的同時(shí)照顧其它條件下性能。
挖掘裝置總體方案的選擇包括以下方面：
1.動(dòng)臂及動(dòng)臂液壓缸的布置
確定用組合式或整體式動(dòng)臂，以及組合式動(dòng)臂的組合方式或整體式動(dòng)臂的形狀。確定動(dòng)臂液壓缸的布置為懸掛式或是下置式。
前面已確定采用整體式動(dòng)臂，動(dòng)臂液壓缸的布置為下置式。
2.斗桿及斗桿液壓缸的布置
確定用整體式或組合式斗桿，以及組合式斗桿的組合方式或整體式斗桿是否采用變鉸點(diǎn)調(diào)節(jié)。
前面已確定采用整體式桿。
3.確定動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù)=。
對(duì)于一定的工作尺寸而言，動(dòng)臂與斗桿之間的長(zhǎng)度比可在很大內(nèi)選擇。一般當(dāng)＞2時(shí)，（有反鏟?。?）稱為長(zhǎng)動(dòng)臂短斗桿方案，當(dāng)＜1.5葉屬于短動(dòng)臂長(zhǎng)斗桿方案。在1.5～2之間稱為中間比例方案。
要求適用性較強(qiáng)而又無(wú)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(shí)，不同的配置或鉸點(diǎn)連接情況可組成各種比例方案。在使用條件單一，作業(yè)對(duì)象明確的條件下采用整體式動(dòng)臂和斗桿固定鉸接，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，愈大作業(yè)范圍愈窄，從挖掘方式看大宜用于斗桿挖掘?yàn)橹?，因其剛度較易保證。而值小宜用于以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鳌?
本設(shè)計(jì)采用中間比例方案，取＝1.8。
4．確定配套鏟斗的種類、斗容量及其主參數(shù)，并考慮鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比是否需要調(diào)節(jié)。
5．根據(jù)液壓缸系統(tǒng)壓力、流量、系統(tǒng)回路供油方式、工廠制造條件和三化要求等確定各液壓缸缸數(shù)、缸徑、全伸長(zhǎng)度與全縮長(zhǎng)度之比?？紤]到結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動(dòng)余量、穩(wěn)定性和構(gòu)件運(yùn)動(dòng)幅度等因素一般?。?.6～1.7，個(gè)別情況下因動(dòng)臂擺角和鉸點(diǎn)布置要求可以取≤1.75，而?。?.6～1.7，＝1.6～1.7。
2.3.4 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇
由于鏟斗容量＝0.11m3，根據(jù)國(guó)內(nèi)外液壓挖掘機(jī)有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)類比法，選出參數(shù)機(jī)重＝5噸。
又根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法，參考表1-3機(jī)體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表①，線尺寸參數(shù):=m
得出:最大挖掘半徑—=3.35×=5.728m；
最大挖掘深度—=2.05×=3.505m；
最大卸載高度—＝1.55×=2.65m；
據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大挖掘半徑值一般與+ + 的和值很接近。因此由要求，已定的和可按下列經(jīng)驗(yàn)公式初選、：
?。健 ∈剑?-2）
=K
其中：=5.728m；＝1.8；
經(jīng)計(jì)算得出：=1.759m；
= =1.8×1.759=3.166m
在三角形CZF中，、和都可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選出：
其中：—?jiǎng)颖鄣膹澖?，采用彎角能增加挖掘深度，但降低了卸載高度，
但太小對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不利，一般取120°～140°，?。?40°；
—前面已算出為3.166m；
—?jiǎng)颖坜D(zhuǎn)折處的長(zhǎng)度比，一般根據(jù)結(jié)構(gòu)和液壓缸鉸點(diǎn)B的位置來(lái)考慮，初步設(shè)計(jì)?。?.1～1.3，?。?.2；
因此根據(jù)公式：可以算出、、
圖2-5 動(dòng)臂實(shí)際尺寸
l＝
l＝K l 式（3-3）
α=∠ZCF＝arccos()
經(jīng)計(jì)算得出：ZC= =1.529m；
ZF= =1.834m；
=17.9°
如圖2－5所示?！ ?
動(dòng)臂液壓缸全伸與全縮時(shí)的力臂比K4按不同情況選取，專用反鏟可?。?.8；以反鏟為主的通用機(jī)，＝0.8～1.1；斗容量1m3左右的通用機(jī)，則可?。?。
本設(shè)計(jì)中取＝1。
的取值對(duì)特性參數(shù)、最大挖掘深度和最大挖高有影響。
加大會(huì)使減小或使增大，這下符合反鏟作業(yè)要求，因此基本用作反鏟的小型機(jī)?。?0°。
本設(shè)計(jì)中?。?0°。
斗桿液壓缸全縮時(shí)=最大（圖2－6），常選（）=
160°～180°.
本設(shè)計(jì)中?。ǎ?70°。
取決于液壓缸布置形式，動(dòng)臂液壓缸結(jié)構(gòu)中這一夾角較
圖2-6 最大卸載高度時(shí)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖
小，可能為零。動(dòng)臂單液壓缸在動(dòng)臂上的鉸點(diǎn)一般置于動(dòng)臂下翼加耳座上，B在Z的下面。初定∠BCZ＝5°，根據(jù)已知∠CZF＝22.1° ，解得∠BCF＝
17.1°。
由圖2-6得最大卸載高度的表達(dá)式為
式（3-4）
由圖2-7得最大挖掘深度絕對(duì)值的表達(dá)式為
式（3-5）
將這兩式相加，消去，
并令＝＋，＝+-，得到：
＋－［- -A)］
+［-1］=0 式（3-6）
又特性參數(shù)：
＝ 式（3-7）
圖2-7 最大挖掘深度時(shí)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖
因此 ?。?
=) 式（3-8）
將上式代入式（3-6）則得到一元函數(shù)f()=0。式中和已根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法求出，
經(jīng)計(jì)算得出：＝29.6°；＝73.5°
最后由式（3-5）求為
?。健 ∈剑?-9）
＝
＝0.638m
（其中：=3.166m；＝1.759m；＝97.1°；
由于履帶總高＝0.32·＝0.547，近似取=0.65m）
然后，解下面的聯(lián)立方程，可求σ和ρ：
=arcos()=arc()
=arcos()=arc() 式（3-10）
于是： =
=λx 式（3-11）
=σ·
經(jīng)計(jì)算得出：＝1.63；＝0.67；=0.952m；
＝1.52m；=1.61m
得到的結(jié)果符合下列幾何條件：+=2.36≥；|- ︳=0.96≤1
2.3.5斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇
第一步計(jì)算斗桿挖掘阻力：
斗桿挖掘過(guò)程中，切削行程較長(zhǎng)，切土厚度在挖掘過(guò)程中視為常數(shù)，一般取斗桿在挖掘過(guò)程中總轉(zhuǎn)角=50°～80°,?。?5°，在這轉(zhuǎn)角過(guò)程中，鏟斗被裝滿，這時(shí)半齒的實(shí)際行程為：
其中：—斗桿挖掘時(shí)的切削半徑，；
?。剑?.759＋0.803＝2.562m
斗桿挖掘時(shí)的切土厚度可按下式計(jì)算：
＝
斗桿挖掘阻力為：
式(3－12)
式中—挖掘比阻力，由表0－10①查得，＝20（III級(jí)土壤以下）
—土壤松散系數(shù)近似值取1.25。
斗桿與鏟斗和之間，為了滿足開挖和最后卸載及運(yùn)輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉(zhuǎn)角往往要達(dá)到150°～180°，
0.866＝
計(jì)算得：＝＝1.137m
把、、、、代入式3-12得
?。?.48KN
第二步確定斗桿液壓缸的最大作用力臂。
?。絤
其中：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法得出＝13.96KN
斗桿液壓缸初始力臂與最大力臂之比是斗桿擺角的余弦函數(shù)。設(shè),則
＝
由圖2－7，取，求得
?。剑?.203m
（其中斗桿擺角范圍大致在105°～125°，?。?05°）
=
=1.588m
2.3.5連桿、搖臂參數(shù)的選擇
從幾何可容性與結(jié)構(gòu)布置的角度對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)的要求考慮，必須保證鏟斗六連桿機(jī)構(gòu)在全行程中任一瞬間時(shí)都不會(huì)被破壞，即保證△、△及四邊形在任何瞬間皆成立。根據(jù)鏟斗六連桿機(jī)構(gòu)的要求，借助電子計(jì)算機(jī)選出可行的方案：
0.27m；0.156m；0.195m；0.312m；0.3m
第三章 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1確定液壓系統(tǒng)類型
挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)類型很多，習(xí)慣上是按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)節(jié)方式和回路的數(shù)量來(lái)分類。一般有六種基本形式：?jiǎn)伪没螂p泵單回路定量系統(tǒng)；雙泵雙路定量系統(tǒng)；多泵多路定量系統(tǒng)；雙泵雙路分功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)；雙泵雙路全功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)；多泵多路定量、變量混合系統(tǒng)。另外，按液流循環(huán)方式的不同，還可分為開式與閉式兩種系統(tǒng)。
根據(jù)參考定型產(chǎn)品，選擇雙泵單回路定量系統(tǒng)可以滿足工況要求
3.2液壓系統(tǒng)的計(jì)算和液壓元件的選擇
3.2.1系統(tǒng)主參數(shù)的確定
系統(tǒng)工作壓力，流量，以及兩者的乘積，即系統(tǒng)液壓功率是液壓系統(tǒng)的主參數(shù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往是先選定工作壓力，然后根據(jù)各執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度，來(lái)確定流量。
系統(tǒng)工作壓力要根據(jù)技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)效果和制造可能性等三方面來(lái)確定。在外負(fù)荷已定情況下，系統(tǒng)壓力選得愈高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，可以獲得比較輕巧緊湊的結(jié)構(gòu)，對(duì)大型挖掘機(jī)來(lái)說(shuō)，更為重要，所以，一般應(yīng)盡可能選取較高的工作壓力。但是，壓力的選擇還要考慮制造、裝配、密封、維修等因素，壓力太高，密封要求也高、制造維修困難，增大了液壓振動(dòng)與沖擊，影響了元件壽命和可靠性，此外，壓力增高太多，元件與管道的壁厚相應(yīng)增加，尺寸與重量的減少率交款愈來(lái)愈小。
現(xiàn)有單斗液壓挖掘機(jī)所用工作壓力有：
1．中高壓 壓力小于20000kPa,常用于機(jī)重小于15t，液壓功率40kW以下的小型機(jī)。
2．高壓 壓力小于32000kPa，是目前15t級(jí)以上的中型、大型機(jī)最普遍采用的壓力等級(jí)，根據(jù)目前生產(chǎn)水平，壓力再進(jìn)一步提高，經(jīng)濟(jì)上不能帶來(lái)相應(yīng)的優(yōu)越性。
3．超高壓 壓力超過(guò)32000kPa，很多液壓元件需要專門制造，采用這種壓力等級(jí)的只占挖掘機(jī)總數(shù)的10%左右。
本設(shè)計(jì)中由于機(jī)重小于15t，液壓功率小于40kW，工作壓力選用中高壓，取16000 kPa。
3.2.2挖掘機(jī)液壓缸作用力的確定
工作裝置各油缸作用力的分析和確定是液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。顯然，各油缸的作用力應(yīng)保證工作裝置在挖掘過(guò)程中，斗齒有足夠的挖掘力，以及保證在卸載時(shí)能把滿斗土壤舉升到最大幅度和高度所需的舉升力。
工作裝置各油缸作用力有以下兩種情況。
①當(dāng)油缸兩腔分別接高低壓油路時(shí)產(chǎn)生推動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的作用力稱為主動(dòng)作用力（簡(jiǎn)稱作用力或者工作力），其最大值取決于該油路的工作壓力和油缸直徑（活塞作用面積）。
②工作裝置工作時(shí)作用于閉鎖狀態(tài)（即油缸兩腔與高低壓油路斷開）的油缸上的作用力稱為被動(dòng)作用力，其最大值則取決于該油缸油路的過(guò)載溢流閥壓力和承載活塞面積。當(dāng)油缸作用力大于外載荷的作用力的時(shí)候，該油缸便無(wú)回縮現(xiàn)象；否則由于過(guò)載溢流閥打開而溢流，便使油缸發(fā)生回縮。
確定工作裝置各油缸的作用力和可能產(chǎn)生的被動(dòng)作用力后，便可以按照選定的液壓系統(tǒng)的工作壓力確定油缸所需的缸徑以及過(guò)載溢流壓力。油缸的行程則由工作裝置機(jī)構(gòu)方案所確定，它與工作裝置的結(jié)構(gòu)方案及鉸點(diǎn)位置有關(guān)，而機(jī)構(gòu)方案也決定了各油缸在主動(dòng)和被動(dòng)狀態(tài)下的作用力。
液壓挖掘機(jī)工作裝置上設(shè)置的油缸主要有三種：鏟斗油缸、斗桿油缸和動(dòng)臂油缸。這些油缸作用力的確定，則取決于工作裝置的形式和工作情況。
①鏟斗油缸作用力的確定
反鏟裝置在作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鲿r(shí)，其最大挖掘力為鏟斗油缸設(shè)計(jì)的依據(jù)。初步設(shè)計(jì)時(shí)按額定斗容量及工作條件（土壤級(jí)別），參考有關(guān)資料可初選斗齒最大挖掘力，并按反鏟最主要的工作裝置—最大挖掘濃度深度時(shí)能保證最大挖掘力來(lái)分析確定鏟斗油缸的工作力。此時(shí)計(jì)算位置為動(dòng)臂下放到最低位置，鏟斗油缸作用力對(duì)鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)有最大力臂，如圖3－1所示。
圖3-1 鏟斗油缸作用力分析
為了簡(jiǎn)單，可以忽略斗和土的質(zhì)量，并且忽略了各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機(jī)構(gòu)效率影響因素，此時(shí)鏟斗油缸作用力為：
式4－1
式中 —鏟斗油缸作用力對(duì)搖臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂（此位置為搖臂長(zhǎng)度），=0.24m；
—對(duì)鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)的力臂，參考圖4－1，由CAD得出?。?.705m；
—最大鏟斗挖掘阻力；
把＝20KN、=0.24m、＝0.705m代入式4－1得：
=84.77 KN
而這時(shí)斗桿及動(dòng)臂油缸均處于閉鎖狀態(tài)，斗桿油缸閉鎖力應(yīng)滿足
≥
式中 —斗桿油缸閉鎖力對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的力臂，參考圖3－1
由CAD得出＝0.42m；
—對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的力臂，由CAD做圖得＝2.565m；
—對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的力臂，由CAD做圖得＝0.98m；
—挖掘阻力的法向分力，?。剑?.1～0.2）＝2～4KN，?。?KN；
動(dòng)臂油缸閉鎖力應(yīng)滿足：
≥
式中 —?jiǎng)颖塾透组]鎖力對(duì)鉸點(diǎn)的力臂，＝0.638m；
—對(duì)動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的力臂，＝5.255m；
—對(duì)鉸點(diǎn)的力臂，＝0.3m；
因此≥478.7KN
②斗桿油缸作用力的確定
圖3-2 斗桿油缸作用力分析
當(dāng)挖掘機(jī)以斗桿挖掘時(shí)，其最大挖掘力則由斗桿油缸來(lái)保證。斗桿油缸最大作用力計(jì)算位置為動(dòng)臂下放到最低位置，斗桿油缸作用力對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)有最大力臂，即對(duì)斗桿產(chǎn)生最大力矩，并使斗齒尖和鉸點(diǎn)在一條直線上，如圖3－2所示。
與前面推導(dǎo)鏟斗油缸作用力一樣，忽略各構(gòu)件及斗中土壤質(zhì)量和連桿機(jī)構(gòu)效率的影響，此時(shí)斗桿油缸作用力為：
?。健 ∈?4－2)
式中： —由CAD做圖得，＝2.07m；
—由CAD做圖得，＝0.36m；
得出：＝330.34KN
而此時(shí)鏟斗油缸及動(dòng)臂油缸處于閉鎖狀態(tài)，所以鏟斗油缸閉鎖力應(yīng)滿足
≥
式中： —由CAD做圖得，＝0.8m；
—由CAD做圖得，＝0.42m；
得出：≥109.438KN
動(dòng)臂油缸閉鎖力應(yīng)滿足：
≥
式中： —由CAD做圖得，＝4.52m；
—由CAD做圖得，可忽略不記；
—由CAD做圖得，＝0.638m
得出：≥407.05KN
斗桿最大挖掘力也受到挖掘機(jī)穩(wěn)定性條件的限制。
當(dāng)以斗桿油缸進(jìn)行挖掘時(shí)，由于其作用力臂的變化、結(jié)構(gòu)自身的影響以及鏟斗相對(duì)斗桿位置的變化，其斗齒挖掘力也隨之變化。
③動(dòng)臂油缸作用力的確定
動(dòng)臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升鏟斗內(nèi)裝滿土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進(jìn)行卸載來(lái)確定，其計(jì)算簡(jiǎn)圖3－3所示
圖3-3 動(dòng)臂油缸作用力分析
此時(shí)動(dòng)臂油缸作用力為：
式(4－3)
式中： —鏟斗及其裝載土壤的重力，N；
—斗桿所受重力，N；
—?jiǎng)颖鬯苤亓?，N；
—鏟斗質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的水平距離，m；
—斗桿質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的水平距離，m；
—?jiǎng)颖圪|(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的水平距離，m；
由CAD做圖＝1.155m；＝3.33m；＝4.72m；
查表2－7①由比擬法得出: =2.23KN；＝1.79KN；
＝20＋0.86＝20.86KN [其中斗內(nèi)土重=20KN，鏟斗重=0.86KN]；
把、、、、、、0.61m代入上式得：
=281.57KN
第四章 工作裝置的強(qiáng)度校核計(jì)算
4.1斗桿的計(jì)算
挖掘裝置的斗桿（尤以標(biāo)準(zhǔn)和加長(zhǎng)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(duì)斗桿可能產(chǎn)生的最大彎矩來(lái)確定。根據(jù)斗桿工作情況的手試驗(yàn)說(shuō)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(gè)位置：
計(jì)算位置I（圖4－1），條件為：
1）動(dòng)臂位于最低（動(dòng)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90°）；
3）斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長(zhǎng)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(dòng)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(duì)鉸點(diǎn)的力矩平衡方程＝0求得
式(5－1)
式中：—由圖4－1畫圖得，＝0.766m；
—由圖4－1畫圖得，＝0.3m；
圖4-1 斗桿計(jì)算位置I
—由圖4－1畫圖得，＝0.423m；
—由圖4－1畫圖得，＝0.268m；
—由圖4－1畫圖得，＝0.142m；
把、、、代入式5－1得：
求得：＝41.718kN
法向阻力決定于動(dòng)臂液壓缸的閉鎖力，可取工作裝置為隔離體，按對(duì)動(dòng)臂底部鉸點(diǎn)的力矩平衡方程＝0求得：
式5－2
式中：—?jiǎng)颖垡簤焊椎拈]鎖力，＝286kN；
—工作裝置各部分重量對(duì)點(diǎn)的力矩之和，相應(yīng)的力臂值由圖4－1確定為：
—由圖4－1畫圖得，＝1.36m；
—由圖4－1畫圖得，＝1.99m；
—由圖4－1畫圖得，＝1.1m；
—由圖4－1畫圖得，＝0.325m；
—由圖4－1畫圖得，＝3.16m；
—由圖4－1畫圖得，＝2.05m；
把、、、、、代入式5－2得：
?。?.15kN
取斗桿（帶斗）為隔離體，列出對(duì)鉸點(diǎn)力矩平衡方程＝0，可求得斗桿液壓缸作用力（被動(dòng)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。
式（5－3）
式中： —由CAD做圖得，=0.46m；
—由CAD做圖得，=1.56m；
—由CAD做圖得，=0.766m；
—由CAD做圖得，=1.39m；
—由CAD做圖得，=0.49m；
把、、、、代入式5－3得：
＝0.46[41.718(1.56+0.766)+0.86×1.39＋2.23×0.49]
解得：＝45.69kN
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(dòng)器承受，此力的最大值決定于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的制動(dòng)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，=1.28m；
—回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)器可承受的最大力矩，＝4925.3N·m。
把、代入式（5－4）得：
=3.848kN
計(jì)算位置II（圖4－2），條件為：
1) 動(dòng)臂位于動(dòng)臂液壓缸對(duì)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(zhǎng)線上，或鏟斗位于發(fā)揮最大挖掘力位置（圖4－2中II位置）；
4) 正常挖掘，即挖掘阻力對(duì)稱于鏟斗，無(wú)側(cè)向力作用。
圖4-2 斗桿計(jì)算位置II
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(guò)CAD畫圖得：
—由圖4－2畫圖得，＝0.423m；
—由圖4－2畫圖得，＝0.29m；
—由圖4－2畫圖得，＝0.14m；
—由圖4－2畫圖得，＝1.52m；
—由圖4－2畫圖得，＝2.225m；
—由圖4－2畫圖得，＝1.36m；
—由圖4－2畫圖得，＝0.56m；
—由圖4－2畫圖得，＝2.8m；
—由圖4－2畫圖得，＝0.45m；
—由圖4－2畫圖得，=0.46m；
—由圖4－2畫圖得，=1.56m；
—由圖4－2畫圖得，=0.77m；
—由圖4－2畫圖得，=1.39m；
—由圖4－2畫圖得，=0.49m；
—由圖4－2畫圖得，=1.22m；
通過(guò)計(jì)算得出：
＝63.51kN； ?。?.45kN； ?。?.037kN；
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(duì)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(duì)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m-m。作用在這個(gè)截面中心上載荷有：
斗桿受力圖
力可對(duì)斗齒取力矩平衡方程式來(lái)解得：
=
=2.87kN
垂直平面內(nèi)的彎矩（y-z平面內(nèi)）
＝
=81.35kN
通過(guò)斗桿中心垂直于yz平面的xz平面中的彎矩為：
=
=0.8kN·m
沿斗桿軸向拉力為：
=
=39.25kN
這樣斗桿危險(xiǎn)斷面上正應(yīng)力為：
=
=83Mpa<
式中：—許用應(yīng)力，?。?.85；
—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(duì)x-x軸、y-y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(zhǎng)比來(lái)定。
按下式求出：
?。?=3.34
上式中用下式求出
?。?=527
式中： —斗桿的計(jì)算長(zhǎng)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(dòng)慣量；
因此斗齒截面上的應(yīng)力：
σ＝82.45Mpa≤
對(duì)于承受扭力的單梁方型斷面斗桿，還要計(jì)算其扭力矩：
=63.51×0.4＋4.037×0.18
?。?6.13kN·m
其扭曲應(yīng)力為：
=
=120.97Mpa
≤
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。
4.2動(dòng)臂的計(jì)算
反鏟裝置動(dòng)臂的強(qiáng)度計(jì)算同樣應(yīng)按挖掘工作中對(duì)動(dòng)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(dòng)臂計(jì)算位置I，條件為：
1） 動(dòng)臂位于最低（動(dòng)臂液壓缸全縮）；
2） 斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)、斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)三點(diǎn)位
將支座點(diǎn)產(chǎn)總反力銨兩支座三個(gè)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(dòng)臂的彎矩和扭矩可用支座反力和的形式來(lái)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(dòng)臂支座內(nèi)的側(cè)向間隙，橫向力可能同其中一個(gè)分支座（左邊或右邊的）來(lái)承受。
這樣，距動(dòng)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(dòng)臂對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單的幾何圖形（矩形圓形等）為無(wú)窮級(jí)數(shù)，可以近似計(jì)算之，一般用替代，則；
動(dòng)臂計(jì)算位置II，條件為：
1） 動(dòng)臂位于動(dòng)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90°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(dòng)臂的內(nèi)力圖，包括軸向力N，動(dòng)臂平面內(nèi)的彎矩，剪力；平面外的彎矩，剪力和扭矩。
總 結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)一個(gè)學(xué)期，是在大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一次綜合應(yīng)用，它將理論與實(shí)際結(jié)合在一起，即總結(jié)了大學(xué)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，又給我們提供了應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和查閱有關(guān)資料的能力，是對(duì)大學(xué)四年學(xué)習(xí)的檢驗(yàn)和完善。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，將機(jī)械、液壓結(jié)合在一起，突出體現(xiàn)了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展方向，同時(shí)，各學(xué)科的交叉與綜合顯得相當(dāng)明顯，這也是多學(xué)科發(fā)展的方向。
本次設(shè)計(jì)的履帶式液壓挖掘機(jī)與其它類型的挖掘機(jī)相比在很多優(yōu)點(diǎn)，傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用AutoCAD制圖設(shè)計(jì)，使計(jì)算更準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)更合理，充分體現(xiàn)出了現(xiàn)代設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。
通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何查閱資料，如何應(yīng)用已學(xué)的知識(shí)，深刻體會(huì)了所學(xué)知識(shí)的重要性，以及使所學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)成為一個(gè)系統(tǒng)的整體的必要性，逐漸形成一套自己提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、最后解決問(wèn)題的整套思路。這些寶貴財(cái)富都會(huì)使自己在將來(lái)的學(xué)習(xí)和工作中受益匪淺。由于所學(xué)知識(shí)有限，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)缺乏，因此，畢業(yè)設(shè)計(jì)中難免存在缺陷與不足，懇請(qǐng)各位老師及評(píng)閱者批評(píng)指正，將在今后的學(xué)習(xí)和工作中進(jìn)行彌補(bǔ)。
致 謝
本課題是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，在將近三個(gè)月的設(shè)計(jì)期間，老師在學(xué)習(xí)上給予我許多關(guān)懷和幫助。在導(dǎo)師的指導(dǎo)和培養(yǎng)下，本人獨(dú)立思考與解決實(shí)際問(wèn)題的能力明顯有了很大的提高。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識(shí)、一絲不茍的作風(fēng)使我受益非淺；他循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪，從而使設(shè)計(jì)在原有能力上更合理、更完美。在論文完成之際謹(jǐn)向辛勤培養(yǎng)自己的老師致以深深的敬意和衷心的感謝。
在課題進(jìn)展中，還得到了許多可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友的指導(dǎo)和幫助，在些，一并表示表示誠(chéng)摯的謝意。
特別感謝我的父母，他們多年來(lái)對(duì)我的學(xué)業(yè)提供了物質(zhì)資助和精神支持，使我順利完成學(xué)業(yè)。
最后衷心感謝百忙之中抽出時(shí)間評(píng)閱論文和參加答辯的各位老師。
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