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1、大學畢業(yè)設計 目 錄 摘要 3 Abstract 4 前言 5 第一章 挖掘裝載機整機概論 6 1.1挖掘裝載機的定義 6 1.2挖掘裝載機用途的大體概述 7 1.3挖掘裝載機的基本結構 7 1.4國內、外挖掘裝載機的市場現(xiàn)狀 8 第二章 反鏟裝置的設計 9 2.1 挖掘裝載機工作裝置典型工況分析確定 9 （1）動臂油缸挖掘 10 （2）斗桿油缸挖掘 10 （3）鏟斗油缸挖掘 10 2.2、挖掘裝載機工作裝置的基本參數(shù)的選擇 11 （1）斗行參數(shù)的選擇 11 （2）當工作裝置處于最大挖掘半徑時 12 （3）最大挖掘深度工況下 14 （4）在最大卸

2、載高度工況下 15 2.3、油缸基本參數(shù)的選擇和計算 18 （1）動臂油缸參數(shù)的確定 18 （2）斗桿油缸參數(shù)的確定 19 （3）鏟斗油缸參數(shù)的確定 20 第三章、挖掘裝置受力計算和強度計算 21 3.1、挖掘阻力的計算 21 （1）鏟斗挖掘阻力的計算 23 (2）斗桿挖掘阻力計算 23 3.2、 工作液壓缸的理論挖掘力 23 (1)鏟斗挖掘時，鏟斗缸的理論挖掘力 23 (2)斗桿挖掘時，斗桿油缸的理論挖掘力 23 3.3、 整機理論挖掘力 24 (1)斗桿挖掘： 25 (2)鏟斗挖掘 29 第四章、 主要部件動臂、反鏟的三維造型 4.1 Pro/E 簡介 3

3、2 4.2 生成零件實體 33 4.3 相關部件的裝配 35 4.4 三維實體造型實例 36 （1） 動臂的三維實體造型 36 (2) 鏟斗的三維實體造型 40 第五章：結 論 48 參考文獻 49 附 錄 50 致 謝 51 摘 要 本文設計是一種挖掘裝載機的挖掘裝置，在為工業(yè)、民用上有特殊用途的挖掘裝載機，它可以用于煤礦井下狹小空間清理、裝載、運輸?shù)裙ぷ?，也可用于冶金、礦山、隧道建設等場合的挖掘裝載工作。在本設計中，通過對國內外現(xiàn)有技術的了解和分析，利用任務

4、書上所給定的挖掘機鏟斗額定裝載載荷，先計算出鏟斗的斗容，而后選用標準容量鏟斗，根據(jù)所選出的標準鏟斗，算出挖掘機的最大鏟取阻力、最大卸載高度、最小卸載距離等一些設計必需用到的量。通過對工作機構上九個鉸接點位置的確定來設計出動臂模型及動臂上各點的受力，然后計算出舉臂油缸和轉斗油缸的內徑、活塞桿的桿徑，選出標準的液壓缸。 關鍵詞：鏟斗、液壓缸、動臂、挖掘機 Abstract In this paper, the design is a mini-excavators, as for

5、the industry, there are special-purpose civilian loading machinery, it can be used in underground coal mines to clear a narrow space, loading, transport, etc., can also be used for metallurgy, mining, occasions, such as tunnel construction excavation work load.In this design, both at home and abroad

6、 through the understanding of existing technology and analysis, the use of task books given by the excavator bucket load rated load, calculate the first bucket of the bucket capacity, and then choose the standard size of the bucket, elected in accordance with standard bucket, to calculate the larges

7、t excavator shovel access resistance, the maximum unloading height, minimum distance, such as unloading the design used in the volume necessary. Through the work of nine institutions to determine the location of hinge points out to design the model and the moving arm arm stress points, and then calc

8、ulate the fuel tank and to fight the diameter of the fuel tank, the rod diameter rod, the election a standard hydraulic cylinders. Keywords: bucket, hydraulic cylinder, boom, excavator 前 言 經文獻考察，目前，科研院所、國內廠家、高等學校對裝載機工作裝置、挖掘裝載機裝置的研究較多，技術也相對成熟；但是對挖掘裝載機挖掘機構的研究相對較少，而且在工程實踐中，挖掘裝載機機構出現(xiàn)的問題也較多。同時

9、，很多廠家及科研院所在對挖掘裝載機反鏟裝置進行優(yōu)化設計時，一般是參照液壓挖掘機工作裝置的優(yōu)化設計進行，這樣很難得到經濟性和可靠性均較好的最佳方案。雖然挖掘裝載機與挖掘機的工作性能及挖掘原理相似，但是也存在著很多的差異。其中主要是以下幾個方面： 1.挖掘裝載機向前傾翻點為前輪著地點，向后傾翻點為支腿著地點，而履帶式挖掘機則分別為履帶式的前后著地點。挖掘裝載機裝置裝置的重力對反鏟作業(yè)時整機的穩(wěn)定性也有影響。 2.挖掘裝載機動臂液壓缸的布置為懸掛式，而一般挖掘機的布置為支撐式。在設計鏟斗液壓缸的實際挖掘力，考慮動臂液壓缸的閉鎖力時，動臂缸處于受壓狀態(tài)，而非挖掘機的受拉狀態(tài)。 3.優(yōu)化設計目標函

10、數(shù)不僅要考慮挖掘力的充分發(fā)揮，還要考慮反鏟裝置不工作時，整機運輸狀態(tài)或裝載裝置作業(yè)時的穩(wěn)定性，即應使靜止狀態(tài)位置的反鏟裝置的質心盡量靠近機體。 隨著國內經濟水平的提高以及施工技術、施工對象的變化，國內小型工程機械市場前景非常的廣闊。挖掘裝載機的用途非常廣泛，在歐美的小型工程機械市場中，挖掘裝載機居第二位。特別是挖掘裝載機具有挖掘和裝載的功能，同時有多種工作裝置供選擇，市政工程、建筑市場、公路維護等對其的需求量將非常大。開發(fā)出適合市場需求的挖掘裝載機對企業(yè)具有十分重要的意義。因此，國內眾多工程機械廠商都紛紛推出自己的挖掘裝載機產品。 目前，國內研制的挖掘裝載機主要的配置及技術水平與國際先進技

11、術水平差距逐漸縮小。但是，由于投入的精力、經驗及研究深度的局限性，對系統(tǒng)的特征研究涉及很淺，掌握可供參考的理論和經驗甚少，整機技術水平還有較大的差距，特別是對挖掘裝載機特性的研究與國際先進水平還有較大的差距，特別是對挖掘裝載機挖掘特性的研究與國際先進水平差距更大。這成為了制約國內挖掘裝載機發(fā)展的技術瓶頸之一。 確保挖掘裝載機技術躋身于世界先進水平的重要方面，是取決于挖掘裝載機的挖掘的性能是否提高。 本課題主要以挖掘裝載機的制動性能的分析為研究目標，.在此過程中也對挖掘裝載機總體設計進行了分析。嚴格分析了挖掘裝載機挖掘裝置的特殊工作位置以及工作情況。對特殊的工作情況做了進一步的分析。 通過

12、本文的研究和分析，進一步說明了挖掘裝載機的合理性和可靠性。 第一章 挖掘裝載機整機概論 1.1挖掘裝載機定義 挖掘裝載機俗稱“兩頭忙” ，因為它是具有裝載、挖掘兩種功能。根據(jù)GB10186-88（挖掘裝載機術語），挖掘裝載機（backhoe loader）定義為：一種機體前部有裝載裝置，機體后部有反鏟裝置的自行式機械。作為反鏟挖掘使用時，是通過鏟斗機械方向運動進行地平以下的挖掘。作為裝載機使用時，通過機體向前運動，裝載斗進行裝載或挖掘，并可提升、運料和卸料。 圖1-1 WZ25-20挖掘裝載機。 1.2挖掘裝載機用途的大體概述 挖掘裝載機是一種多用途工程機械，它廣

13、泛應用與農田水利建設、工業(yè)和民用建筑、市政建筑、園林、公路養(yǎng)護、港口、油田及電力建設等領域，主要用于基槽、基坑、管溝等小型土方工程的開挖和回填，特別是通過快換裝置上多種工作附具，其用途更加廣泛。 1.3挖掘裝載機的基本結構 挖掘裝載機的基本結構： 1.車架：車架有整體式和鉸接式兩種，其中主流產品都是采用整機式車架，鉸接式車架是在小型裝載機的基礎上改裝的，僅有少數(shù)幾家公司采用這一結構。鉸接式車架最大的缺陷是在挖掘作業(yè)時的剛性差。 2.工作裝置：裝置工作裝置一般采用八連桿機構，帶機械調平或液壓調平機構，裝載斗多用“四合一”斗，可選裝“六合一”斗。挖掘裝置可分為側移式和中軸式安裝，側移式是挖

14、掘裝置可在車架上左右移動，中軸式挖掘裝置在車架上不能左右移動。挖掘動臂可分為彎臂和直臂結構，彎臂結構類似挖掘機的結構。工作裝置都有快遞裝置可選，有多種附具可選，適應多工作環(huán)境的需要。 3.傳動系統(tǒng)：主要采用液力機械傳動。變速箱有同步換擋變速箱和動力換擋變速箱，擋位一般是前四后四。液力變矩器帶有動力換向裝置，可在行進過程中改變行使方向，裝載時提高了作業(yè)的效率。驅動方式目前一般都有兩種模式，即兩輪驅動和四論驅動，在公路上行使采用兩輪驅動，越野和裝載作業(yè)采用四輪驅動。 4.制動：一般都采用后橋制動，制動助力方式有真空助力濕式制動和全液壓濕式制動。 5.液壓系統(tǒng)：有兩種主流配置：定量液壓系統(tǒng)變量

15、液壓系統(tǒng)。CASE和JCB等多家公司均采用定量液壓系統(tǒng)，而CATERPILLAR和VOLVO則采用負荷敏感變量液壓系統(tǒng)變量系統(tǒng)可根據(jù)負荷的大小調整泵的排量，因此降低了油耗，液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量減小，但價格較高，對系統(tǒng)的清潔度要求很高；定量系統(tǒng)功率利用率降低，系統(tǒng)發(fā)熱量大，但是價格便宜。 1.4國內、外挖掘裝載機的市場現(xiàn)狀 近年來，隨著經濟的發(fā)展，挖掘裝載機在國的國內使用量也日益增加，市場潛力巨大，行情看漲。我國挖掘裝載機的發(fā)展速度較為緩慢。國內第一臺挖掘裝載機是在1966年以東方紅-40型拖拉機為底盤開發(fā)出來的。目前生產企業(yè)有十多家，年產量在300臺左右，產品的技術水平、技術含量、可靠性等

16、與國外先進水平相比都還有較大的差距。目前，國內市場上挖掘裝載機的主要機型有：①.JCB 1CX型挖掘裝載機：世界上第一種真正的滑移轉向挖掘機，車寬僅1.4m，但車架穩(wěn)定性極佳。其額定裝載能力610，挖掘深度2.5m挖掘端和裝載端的速換器使主機能裝備多種工作裝置，工況通用性好，適用于園林綠化、市政建設和道路維護風各類行業(yè)建設。被益為“狹窄工況作業(yè)冠軍。②.帕爾澤尼挖掘裝載機：意大利帕爾澤（PALAZZANI）公司生產的，主要機型PB80.2和PB90.2鉸接式挖掘裝載機。該產品裝有高性能、低損耗的靜壓傳動裝置，可以自動選擇操作方式，具有360的全方位視野。③.徐工WZ25-20及WZ16-16型

17、挖掘裝載機：徐工與國內高校共同開發(fā)的產品，采用了發(fā)動機前置，噪聲大大降低，動力強勁，節(jié)能環(huán)保。動力采用液力機械方式傳遞。經有優(yōu)化設計的高強度車架結構，保證了整機具有寬的挖掘范圍、高的掘起力和提升及可靠耐久性。360全景可視駕駛室。該類產品除具有裝載機的功能外，還可用于水泥砼和瀝青路面的開鑿破碎，更換機具后還利用于挖掘和開溝，是一種多功能中型工程機械。④.凱斯695 SUPER M型挖掘裝載機：一種多用途、易操作的設備，可以在艱苦的條件下表現(xiàn)出最佳性能，特別適合野外粗糙地面的作業(yè)。提高了三種轉向方式，即前輪轉向及“蟹行”模式，此功能在很大范圍提高了該設備的性能。⑤.沃爾沃BL71型挖掘裝載機：秉

18、承了沃爾沃輪式裝載機的高強度和簡單易用，同時具有沃爾沃挖掘裝載機的超強動力和卓越性能。挖掘系統(tǒng)大臂為封閉式箱型結構，零部件少，焊縫少，而強度高。⑥.常林WZ30-25型挖掘裝載機：引進國際先進技術生產的，可替代小型裝載機和小挖掘機的工作。配有液壓破碎錘、液壓夯等多種機具，附件可在現(xiàn)場快速更換。該機在路面與管道維護、挖掘路面及電纜鋪設等工作中有著其他機械不可比擬的有優(yōu)勢。⑦.北方重汽WZ25-20液壓挖掘機：北方重汽股份公司與吉林大學合作開發(fā)的多用途工程機械。在專用底盤前配置裝置工作裝置，后面配反鏟挖掘裝置；挖掘側可配裝掃地機、挖掘抓斗，箱式平地機、抓斗等多種附具。裝載作業(yè)能高于國外同類產品，反

19、鏟挖掘作業(yè)性能達到國外同類產品水平。⑧.澳柳HUAEACH955E型挖掘裝載機：應用國際主流先進挖掘裝載機設計技術，結合中國工程施工實際特點而開發(fā)研制的。具有高生產率、多應用性和可靠性等優(yōu)點。四合一鏟斗的標準配置，使機器具有更多功能與用途 挖掘裝載機在國外以有五十多年的發(fā)展歷史，從總體來說，國外挖掘裝載機的整機技術水平都發(fā)展到了很高的程度。整機的可靠性、操作性、舒服性、環(huán)保性能、安全性能，以及節(jié)能降耗等方面都得到了極大的改善。譬如：采用了新型ROPS/FOPS安全認證的駕駛室和全新底排放發(fā)動機；實現(xiàn)了微電子控制的智能化操作及智能化液壓系統(tǒng)；挖掘裝載帶有防回轉沖擊功能。最早的挖掘裝載機是JCB

20、和CASE分別在拖拉機的基礎上改裝而來的。 第二章 反鏟裝置的設計 2.1 挖掘裝載機工作裝置典型工況分析確定 挖掘裝載機的反鏟裝置實質是一組平面連桿機構，其結構特點是個部件均采用鉸銷連接，通過液壓缸的伸縮運動來完成挖掘過程的各種作業(yè)動作。動臂CBF小鉸點C與車架鉸接，由動臂液壓缸L1支撐并改變動臂傾角，使動臂繞下鉸點C轉動，達到動臂的升或降。斗桿鉸接在動臂上端F點，斗桿與動臂的相對位置由斗桿缸L2控制。鏟斗鉸接在斗桿前端Q點，鏟點缸L3活塞伸縮即可使鏟都繞斗桿桿端部伸縮。 圖2-1挖掘裝載機反鏟工作裝置結構簡圖 反鏟挖掘裝置主要挖掘停機面以下的土壤，挖掘軌跡決定于各液

21、壓缸的運動及相互配合的情況。通常采用動臂油缸挖掘、斗桿油缸挖掘、鏟斗油缸挖掘等作業(yè)方式。 （1）鏟斗油缸挖掘 以鏟斗油缸工作進行挖掘，挖掘軌跡則以鏟斗與斗桿的鉸點Q為中心，該鉸點Q至斗齒尖V的距離|QV|為半徑所做的圓弧線的包角（鏟斗的轉角）及弧長決定與鏟斗液壓缸的行程（|GH|max-|GH|min）。以鏟斗液壓缸進行挖掘時的挖掘行程較短，如使鏟斗在挖掘行程結束時能夠裝滿土壤，需要有較大的挖掘力保證能夠挖掘厚度的土壤。所以，一般挖掘機構的斗齒最大挖掘力在采用鏟斗缸挖掘時實現(xiàn)。 在實際挖掘中，往往需要采用各種液壓缸的聯(lián)合工作，例如當挖掘基坑時，由于挖掘深度較大，并且要求有陡而且平整基坑時

22、，需要采用動臂與斗桿兩種液壓缸的同時工作；當挖掘到坑低時，挖掘行程結束，為加速將鏟斗裝滿土，以及挖掘過程需要改變斗桿與鏟斗的液壓缸同時工作。 （2）斗桿油缸挖掘 以斗桿液壓缸進行挖掘，鏟斗的挖掘軌跡系以動臂與斗桿鉸點F為中心，斗尖V至F的距離|FV|為半徑所做的圓弧線。弧線的長度與包角決定與斗桿液壓缸的行程（|DE|max-|DE|min）。當動臂位于最大下傾角時，可以得到最大挖掘深度，并且有較大的挖掘行程，在較硬的土質條件下工作時，能夠保證裝滿鏟斗。中小型挖掘機構在實際工作中常以斗桿挖掘進行工作。 （3）動臂油缸挖掘 采用動臂液壓缸工作進行挖掘（斗桿、鏟斗液壓缸不工作），可以得到最大

23、的挖掘半徑和最大的挖掘行程，此時鏟斗的挖掘軌跡以挖掘軌跡系以動臂下鉸接點C為中心，斗尖V至C的距離|CV|為半徑而作的圓弧線，其極挖掘高度和挖掘深度（不是最大挖掘深度），分別決定于動臂上傾角Ψ1min（動臂對水平線的夾角），也即決定于動臂液壓缸的行程（|AB|max-|AB|min）。這種挖掘方式時間長，并且穩(wěn)定條件限制了挖掘力的發(fā)揮，實際工作中基本上不采用。 2.2、挖掘裝載機工作裝置的基本參數(shù)的選擇 （1）斗行參數(shù)的選擇 圖2-2鏟斗主參數(shù)示意圖 平均斗寬B、轉斗挖掘半徑R、斗容量q和轉斗挖掘裝滿轉角（這里令=）是鏟斗的四個主要參數(shù)。R、B及三者與q之間有如下集合關系

24、 （2-1） 其中土壤松散系數(shù)的近似值取1.25，根據(jù)表2-6（反鏟平均斗寬統(tǒng)計值和推薦范圍）可根據(jù)斗容量q=0.16 m查得B可取0.6.q一定時和E隨著B和R的增大而下降。但B和R大到一定程度，綜合反應到<以后，和E的下降減緩。綜合考慮，可取。如果>則太大。如果<，則B或R太大。所以取=。 則可根據(jù)式2-1可得 ==0.865 m 即： R==865 mm 鏟斗上兩個鏟點K與Q之間距離，太大將影響鏟斗機構傳動特性，太小則影響鏟斗結構剛度。一般取特性參數(shù)=0.3～0.38.當鏟斗轉角較大時，取較小值，一般取=∠KQV=～。根據(jù)實際情況取=

25、0.33，= 即： ==0.33865=285 mm 再根據(jù)⊿KQV由遇險定理可得 KV== = =939 mm （2）當工作裝置處于最大挖掘半徑時 圖2-3最大挖掘半徑時動臂機構計算簡圖 據(jù)統(tǒng)計，最大挖掘半徑值一般與的值很相近。因此由要求的，一定的和可以按下列近似經驗公式選擇和 = （2-2） = （2-3） 式中為動臂與斗桿的長度比，對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選擇。一

26、般當>2時，稱為長動臂短斗桿方案；當<1.5時，屬于短動臂長斗桿方案；在1.5～2之間稱為中間比列方案。根據(jù)設計作業(yè)機械的實際情況，選取短動臂長斗桿方案。選取=1.3.其中=865 mm，=4.3m=4300mm 則把公式2-2、2-3聯(lián)立可得出： =1942 mm，=1493 mm 動臂油缸全伸與全縮時的力臂比=按不同情況選取?？紤]到以反鏟為主的通用機應適當顧及替換裝置（如正鏟）在地面以上對動臂油缸力矩的要求，可取=0.8～1.1 左右的通用機往往對正、反鏟并重，可取=1. 的取值對特性參數(shù)、最大挖掘深度和最大挖掘高度有影響，加大會使減小或使增大，這也正符合反鏟作業(yè)要求，因此基本

27、用作反鏟的小型機取>60.所以取≈。 圖2-4最大卸載高度時動臂機構計算簡圖 斗桿油缸全縮時∠CFQ=-最大，如圖2-4，常選=～。選取=170 ∠BCF取決于油缸的布置形式，雙動臂油缸這一夾角很小，可能為零。單動臂油缸在動臂上的鉸點一般置于動臂下翼附加耳座上，根據(jù)三角形CBF可得： （2-4） 代入數(shù)據(jù)可求得： =9.7 （3）、最大挖掘深度工況下 圖2-5最大挖掘深度計算簡圖 當動臂油缸全縮時，F(xiàn)QV三點痛直線并處于垂直狀態(tài)時的到最大挖掘深度 ==--

28、 （2-5） 這時.可由= 取 則可求得 ： =942 mm （4）在最大卸載高度工況下 圖 2-6最大卸載高度計算簡圖 當動臂油缸全縮，偶感油缸全伸時，QV連線處于垂直狀態(tài)時，最大卸載高度表達式為： （2-6） 由圖2-3最大挖掘深度絕對值表達式為： (2-7) 由式2-6、2-7相加，消去，并令A=,B=得到 (2-8) 又特性參數(shù)

29、 （2-9） 因此： （2-10a） （2-10b） 將式2-10代入式2-8則可得到一元函數(shù)=0.式中和是設計任務書所要求的。、、A和B都先已選出或算出，由此看解出然后由式2-8求得， 因為: A==60+9.7=69.7 B==-100 可將數(shù)值代入，由式2-8解得=45.4 最后由式2-7求得為： 又因為 ： σ= 所以：

30、 =1337 mm 根據(jù)以上計算可得出挖掘裝載機挖掘工作裝置主要結構尺寸如下表： 表2-1挖掘裝載機主要結構尺寸 （單位：mm） CF FQ QV AC CD CB DF EF GF 1942 1493 865 412 804 1337 1226 374 351 EG HN GN FN NQ BF KQ KV HK 370 374 1343 1228 268 664 285 939

31、 367 2.3、油缸基本參數(shù)的選擇和計算 （1）動臂油缸參數(shù)的確定 根據(jù)液壓系統(tǒng)工作壓力、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油缸缸數(shù)、缸徑、全伸長度與全縮長度之比λ?？紤]到結構尺寸、運動余量、穩(wěn)定性和構件運動副度等因數(shù)一般取=1.6～1.7，個別情況下因動臂擺角和鉸點布置要求可以取≦1.75.而取=1.6～1.7，=1.5～1.7. 圖2-7動臂擺角范圍計算簡圖 如圖2-7所示動臂的擺角范圍是的函數(shù)，設特性參數(shù)，當=時可得 （2-11） 則： = （2-12） 代

32、入原始數(shù)據(jù)可求得=1088 mm 根據(jù)參考資料和實際情況而取動臂油缸全伸與全縮之比=1.7 所以可根據(jù)可得： =1850 mm （2）斗桿油缸參數(shù)的確定 斗桿的位置參數(shù)是和的函數(shù)。這里只考慮的影響。斗桿機構與動臂機構性質類似，他們是四連桿機構，但連桿比不同。在動臂機構中一般﹥，在斗桿機構中﹤。 圖2-8斗桿機構擺角計算簡圖 和動臂油缸相類似根據(jù)公式 （2-13） （2-14） 代入原始數(shù)據(jù)可求得： =1003 mm 再根據(jù)斗桿油缸伸縮比=1.6～

33、1.7，取=1.68 =1685 mm （3）鏟斗油缸參數(shù)的確定 圖2-9鏟斗機構參數(shù)選擇要求和油缸極限位置 如圖2-9所示，當=時，設斗齒尖為斗齒尖轉到FQ延長線時為,令初始負角=∠Q，該角應滿足使用要求，一般取0～30，特殊情況下可小于0或大于30（即在之下）。=∠Q一般在130～180之間，不宜太大，否則斗齒平均挖掘力要下降。鏟斗油缸最大理論挖掘力應與轉斗最大挖掘阻力相適應。當斗齒尖處于時，鏟斗油缸理論挖掘力應不低于其最大值的80﹪，即≥0.8與相應的斗齒尖位置為，∠Q一般取25～35為好。 根據(jù)鏟斗理論挖掘力和功的平衡可知

34、 （2-15） 可得： =959 mm 因為鏟斗油缸伸縮比=1.5～1.7，取=1.7 故： = =1630 mm 根據(jù)以上計算過程可得油缸的基本尺寸如表2-2所示 表2-2油缸尺寸 （單位：mm） AB DE GH Min Max Min Max Min Max 1088 1850 1003 1685 959 1630 第三章、挖掘裝置受力計算和強度計算 3.1、挖掘阻力的計算

35、 圖3-1大曲率切削阻力試驗曲線 反鏟裝置工作時，既可用鏟斗液壓缸挖掘（簡稱轉斗挖掘），也可用斗桿液壓缸挖掘（簡稱斗桿挖掘），或作復合動作挖掘。一般認為，斗容量小于 0.5 米或在土質松軟時以轉斗挖掘為主，反之以斗桿挖掘為主。 （1）鏟斗挖掘阻力的計算 參照《單斗液壓挖掘機》2-35，轉斗挖掘時，挖掘阻力的切向分力可表示為： (3-1) 式中： C：表示土壤硬度系數(shù)，對二級土易取C=50～80； R：鏟斗與斗桿鉸點至斗齒間距離，即轉斗切削半徑，R=，單位：mm B:切削刃寬度影響系數(shù)，B=1+2.6b，其中，b

36、為鏟斗平均寬度； ：挖掘過程中鏟斗總轉角的一半； ：鏟斗瞬時轉角； A：切削角變化影響系數(shù)，一般取A=1.3； Z：斗齒系數(shù)，有齒時取Z=0.75，無齒時取Z=1； X：斗側壁厚度影響系數(shù)，X=1+0.03s，其中s為側壁厚度，單位為厘米，初步設計時可取X=1.15; D:切削刃擠壓土壤的力，與斗容有關，估算q=0.1～0.2時，D=5000～8000. 當=時，得到最大挖掘阻力 (3-2) 平均挖掘力按平均厚度下的阻力計算：近似取 W=(70～80%)W試驗證明法向挖掘阻力 W的指向是可變的，數(shù)值也較小，一般W＝0～0.2 W土質越均勻W越小，

37、從隨機統(tǒng)計的角度看，取法向分力W為零來簡化計算是可以的。這樣W就可以看作為鏟斗挖掘的最大阻力。 （2）斗桿挖掘阻力計算 (3-3) 式中： :挖掘比阻力，對二級土=6～13； ：挖掘過程中的總轉角，一般為=～ 3.2、 工作液壓缸的理論挖掘力 挖掘力是指當反鏟作業(yè)時在鏟斗齒尖上可能主動發(fā)揮的挖掘能力，它是衡量反鏟裝置挖掘性能的重要指針之一。工作液壓缸的理論挖掘力是指由該液壓缸的理論推力所能產生的斗齒切向挖掘力。 （1）鏟斗挖掘時，鏟斗缸的理論挖掘力 （3-4） 式中： ：鏟斗油缸的理論推力，，為鏟斗油缸大腔工

38、作面積，p為液壓系統(tǒng)工作壓力； 、、：力臂值。 對于已定的工作裝置鏟斗油缸理論挖掘力值是該油缸瞬時長度的函數(shù)。顯然，當時即得到鏟斗油缸最大理論挖掘力 （2）斗桿挖掘時，斗桿油缸的理論挖掘力 (3-5) 式中： ：為斗桿油缸的理論推力，，其中為斗桿油缸大腔工作面積，p為液壓系統(tǒng)工作壓力； 、：力臂值，其中是的函數(shù)，是的函數(shù)。 3.3、 整機理論挖掘力 參見圖 3-2，已知條件:整機重量 G，重心坐標(x，y)，斗容 q，地面附著系數(shù)μ，三組液壓缸的工作壓力 P 和閉鎖壓力 P，除反鏟裝置外機體重量 G及重心位置坐標(x，y)， G

39、及重心位置坐標(x，y)，前輪及支腿著地點 O和 O的位反鏟裝置各零部件的重量置參數(shù) x和 x，三組液壓缸的缸徑D、D和 D，活塞桿直經 d、d和 d3，液壓缸的伸縮比λ、λ和λ。 圖3-2整機結構簡圖 （1）斗桿挖掘： 在給定工況(L，L，L)的情況下，計算斗桿的實際挖掘力時，應當考慮到下列因素的影響: ①動臂液壓缸閉鎖能力對斗桿挖掘力的限制。 ②斗桿主動挖掘力的限制。 ③鏟斗液壓缸閉鎖能力對斗桿挖掘力的限制。 ④整機向前傾翻對斗桿挖掘力

40、的限制。 ⑤整機向后傾翻對斗桿挖掘力的限制。 ⑥整機對地面的前后滑移對斗桿挖掘力的限制。 現(xiàn)分別計算如下：: 1)動臂液壓缸閉鎖力限制的最大斗桿挖掘力 P 液壓缸閉鎖力則指挖掘工況下某些液壓缸被動狀態(tài)所能承受的作用力，它 是挖掘力發(fā)揮的重要影響因素之一。參見圖 3-3，根據(jù)前面提到的幾何尺寸計算，可以求出 F 和 V 點的坐標(X，Y)和(X，Y)。 (3-6) (3-7) (3-8) 當時，動臂液壓缸小腔受壓，此時小腔閉鎖力對C點產生的力矩為 （

41、3-9） 有關重量對C產生的力矩為 (3-10) 所以: (3-11) 當＞時，動臂液壓缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對c點產生的力矩為 （3-12） （3-13） 2)斗桿液壓缸主動挖掘力，參見圖3-3，斗桿液壓缸主動力對F點產生的力矩 （3-14） 有關重量對F點產生的力矩為： 所以 3)鏟斗液壓缸閉鎖力限制的最大斗桿挖掘力

42、 參見圖3-3，對于 (3-15) 當時，鏟斗液壓缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對Q點產生的力矩為 （3-16） 其中:i3為鏟斗連桿機構的總傳動比 （3-17） 其中： ;;; 圖3-3斗桿液壓缸理論挖掘力結構簡圖 有關重量對Q點產生的力矩為 (3-18) 所以 (3-19) 當＞時，鏟斗液壓

43、缸小腔受壓，此時小腔閉鎖力對Q點產生的力矩為 (3-20) 所以 (3-21) 4)、整機向前傾翻限制的最大斗桿挖掘力 參見圖3-3，對于△FVO 顯然，當∠FVO≤90，斗桿挖掘時，整機不可能產生前傾翻，只有∠FVO＞90時，才有可能出現(xiàn)前傾現(xiàn)象。各部件重量對O點產生的力矩為： (3-22) 所以 (3-23) 5)、整機向后傾翻限制的最大斗

44、桿挖掘力 參見圖3-3，對于△FVO (3-24) (3-25) 顯然，當∠FVO≥90，斗桿挖掘時，整機不可能產生后傾翻，只有∠FVO＜90時，才有可能出現(xiàn)后傾現(xiàn)象。各部件重量對O點產生的力矩為: (3-26) 所以 (3-27) 6)、整機滑移限制的最大斗桿挖掘力 P 參見圖 3-4，設 FV 聯(lián)機對水平線的夾角為β，則： (3-

45、28) (3-29) 通過上述運算，我們知道 P至P中的最小值，就是在該工況下斗桿挖掘時，所能發(fā)揮的最大實際挖掘力。 圖3-4鏟斗液壓缸理論挖掘力計算簡圖 （2）鏟斗挖掘 已知條件與計算斗桿實際挖掘力的已知條件相同。 在給定工況(L，L，L)的情況下，計算鏟斗的實際挖掘力與計算斗桿的實際挖掘力一樣，應當考慮下列因素對轉斗挖掘力的影響: ①動臂液壓缸閉鎖能力對鏟斗挖掘力的限制。 ②斗桿液壓缸閉鎖能力對鏟斗挖掘力的限制。 ③鏟斗液壓缸主動挖掘力的限制。 ④整機向前傾翻對

46、鏟斗挖掘力的限制。 ⑤整機向后傾翻對鏟斗挖掘力的限制。 ⑥整機對地面的前后滑移對鏟斗挖掘力的限制。 現(xiàn)分別計算如下: ①動臂液壓缸閉鎖力限制的最大鏟斗挖掘力 P 根據(jù)前面提到的幾何尺寸計算，可以求出工作裝置上每一個鉸點的坐標值。對于△CQV CQ= 當∠CVQ≤90時，動臂液壓缸小腔受壓，此時腔閉鎖力對 C 點產生的力矩為： (3-30) 有關重量對 C 點產生的力矩為： (3-31) 所以

47、 (3-32) 當∠CVQ＞90時，動臂液壓缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對 C 點產生的力矩為： (3-33) (3-34) ② 斗桿液壓缸閉鎖力限制的最大鏟斗挖掘力 參見圖 3-3及公式 2-9，對于△FVQ 當∠FVQ≤90時，斗桿液壓缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對 F 點產生的力矩為 (3-35) 有關重量對 F 點產生的力矩為

48、(3-36) 所以 當∠FVQ＞90時，斗桿液壓缸小腔受壓，此時小腔閉鎖力對 F 點產生的力矩為 (3-37) 所以 ③鏟斗液壓缸主動挖掘力 P 參見圖 3-2，鏟斗液壓缸主動力對 Q 點產生的力矩 (3-38) 有關重量對 Q 點產生的力矩為 所以 (3-39) ④整機向前傾翻限制的

49、最大鏟斗挖掘力 P 參見圖 2-4，對于△QVO 顯然，當∠QVO≤90，鏟斗挖掘時，整機不可能產生前傾翻，只有∠QVO＞90時，才有可能出現(xiàn)前傾現(xiàn)象。各部件重量對O點產生的力矩為 所以 (3-40) ⑤整機向后傾翻限制的最大鏟斗挖掘力 P 參見圖 2-4，對于△QVO 顯然，當∠QVO≥90，鏟斗挖掘時，整機不可能產生后傾翻，只有∠QVO＜90時，才有可能出現(xiàn)后傾翻現(xiàn)象。各部件重量對O點產生的力矩為 所以 (3-41) ⑥整機滑移限

50、制的最大鏟斗挖掘力 P 參見圖 2-4，設 QV(即 l)對水平線的夾角為β，則： (3-42) 通過上述運算，我們知道 P至 P中的最小值，就是在該工況下鏟斗挖掘時，所能發(fā)揮的最大實際挖掘力。 第四章　主要部件反鏟的三維造型 4.1 Pro/E 簡介 Pro/ENGIEER 操作軟件是美國參數(shù)技術公司（Parametric Technology Corporation,簡稱PCT）的主要產品。它提出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關的概念徹底改變了機械CAD/CAE/C

51、AM的傳統(tǒng)觀念。Pro/E軟件能將設計到制造的全過程集成在一起，讓所有的用戶能夠同時進行同一產品的設計制造工作，即實現(xiàn)所謂的并行工程。 從設計思想上看，Pro/E系統(tǒng)可以實現(xiàn)真正的全相關性，任何修改都會自動反映到所有相關對象；它具有真正管理并發(fā)進程、實現(xiàn)并行工程的能力；具有強大的裝配功能，能夠始終保持設計者的設計意圖，可以極大地提高設計效率。 從實用性上看，Pro/E系統(tǒng)界面簡潔，概念清晰，符合工程人員的設計思想與習慣。整個系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫上，具有完整而統(tǒng)一的模型。 Pro/E作為一個功能強大的設計軟件，與其他設計軟件相比，有自己的建模方式和自己的一些定義。只有了解它的建模原理與基

52、本概念，才能利用其強大的功能。 建模原理：Pro/E 是一個實體建模器，它將模型建立成實體，并允許用戶在三維的環(huán)境中設計。用Pro/E所建立的模型具有體積和表面積，因此用戶可直接由創(chuàng)建的幾何設計來計算出質量特征。 基本概念： ①特征——是指所有的實體、嵌片和對象等，是構成零件的最基本部分。Pro/E利用每次獨立構造的一個塊模型方式來創(chuàng)建整體模型。改變與特征相關的形狀或位置的定義，就可改變與模型相關的形位關系。如圖6-1所示 ②關聯(lián)——Pro/E系統(tǒng)采用單一數(shù)據(jù)庫管理，不管是零件還是裝配件，都共享同一數(shù)據(jù)庫，并且系統(tǒng)使用了數(shù)據(jù)庫關聯(lián)的方法。所謂關聯(lián)就是在任意層面上更改設計，系統(tǒng)就會自動在

53、所在層面上做相應的改動。比如將某個零件進行修改，并且保存，那么所有包括此零件的模型都會相應的進行變化。 ③參數(shù)化——Pro/E是一個參數(shù)化系統(tǒng)。所謂參數(shù)化就是將模型所有尺寸定義為參數(shù)形式。當修改參數(shù)的數(shù)值時，系統(tǒng)在保持模型拓撲關系不變的情況下，幾何大小和相對比例將隨著參數(shù)的修改而變化。用戶可以定義各參數(shù)之間的相互關系，使特征之間存在依存關系，當修改某一單獨特征參數(shù)時，同時會牽動與之存在依存關系的特征進行變更，以保持整體的設計意圖 4.2 生成零件實體 ① 對零件的特征進行分析，得出每個特征的尺寸。 ② 啟動Pro/E，進入[零件]設計模式，為零件命名。 ③ 從[菜單管理器]中選

54、擇[加材料]命令，生成零件的基本特征。 ④ 隨后在此基本特征上添加或修改特征，從而完善零件設計。 ⑤ 看零件是否滿足要求，如果不滿足繼續(xù)修改或添加特征，如果滿意，則存盤退出。經過以上幾步完成零件的實體造型。 （1） 利用三維參數(shù)化設計，其優(yōu)點如下： ① 縮短總體與結構分析系統(tǒng)之間的協(xié)調時間與工作量。 ② 加工成產品前即可實現(xiàn)數(shù)字化部裝，即可提高裝配的準確性又檢驗了各結構之間連接的正確性，同時合理的利用了時間。 ③ 尺寸為參數(shù)化驅動，為產品的系列化及結構設計修改提供了很大的方便。 ④ 可以通過輸入零件密度的方法直接計算出結構分析系統(tǒng)的重量以及質心等，達到更優(yōu)化的設計。 ⑤利用

55、Pro/ENGINEER 的二維工程圖功能可直接輸出元件及組件的二維工程圖，對于外形復雜元件的設計,能夠更加方便和準確,并且達到尺寸的互相關聯(lián)，減少設計中的人為差錯和工作量。 ⑥ 通過Pro/ENGINEER 的力學分析模塊可進行整體結構的靜、動力學分析。 Pro/E實體建構的觀念與方式就如同機械零件的加工過程一般，每做一次“機械加工”所牽涉改變的實體幾何，我們稱為特征（Feature），如加工零件的方法可以填料方式擠出，除料的方式做切除、挖孔、圓角、斜角等不同的制程動作，每一個特征都可以彼此相互參考或獨立存在。Pro/E是以特征（Feature）為基礎的參數(shù)式設計系統(tǒng)，將特征視為最小的模

56、型基礎元素。一個完整的模型是由眾多特征構成的，同樣的，組合模型（Assembly）是由眾多個零件（Part）結合而成的。 1Part=Feature1+ Feature2+ Feature3+……； 1Assembly=Part1+ Part2+ Part3+…… （2） 建立各種特征的方法步驟 建立基礎性特征的一般方法步驟： ①Feature→Creat→Solid……。 ②在菜單中選擇特征類型，如：Protrusion（凸出）、Cut（挖切）。 ③選擇特征體積建構方式，如：Extrude（擠出）、Revolve（旋轉）、Sweep（掃描）、Blend（混合）等。 ④選擇特征

57、屬性，如：One Side（單邊）、Both Side（雙邊）。 ⑤確定繪圖平面和參考面。 ⑥繪制2D剖面圖，最后：“確定”。 ⑦選擇材料側（Material Side）。 ⑧選擇特征建立方向。 ⑨選擇特征深度。 ⑩選擇OK，完成特征建立。 建立點放型特征的一般方法步驟： ①選擇特征命令。 ②選擇特征類型。 ③設定屬性。 ④確定位置放置參考。 ⑤設定尺寸參數(shù)。 ⑥完成特征建立。 利用曲面建立實體特征的一般方法步驟： ①可、利用建立曲面命令生成一個或多個曲面特征。 ②對有關曲面進行各種操作，以獲得所需的各種復雜形狀，如合并（Merge）、裁剪（Trim）、延伸（E

58、xtend）、變換（Transform）、拔模（Draft）、區(qū)域移動（Area Offset）、拔模移動（Draft Offset）等。 ③使用曲面（Use Quite），使曲面特征長成實體特征。 ④可連續(xù)進行多次曲面長實體的操作。 4.3 相關部件的裝配 零件設計只是產品開發(fā)的過程中一個簡單的基本操作過程，最終用戶需要的往往是一個裝配體，即由很多個零件裝配而成的產品。在Pro/E2.0中，零件裝配是通過定義零件模型之間的裝配約束來實現(xiàn)的，也就是在個零件之間建立一定的鏈接關系，并對其進行約束，從而確定各零件在空間的具體位置關系?？梢赃@樣說，零件之間的裝配約束關系就是實際環(huán)境中零件之

59、間的設計關系在虛擬環(huán)境的映射。因此如何定義零件之間的裝配約束關系是零件裝配的關鍵。 由于Pro/E2.0是建立在單一數(shù)據(jù)庫之上的，因此零件與裝配體是相關聯(lián)的，這樣如果修改裝配體中的零件，則與其對應的單個零件也將發(fā)生相應的變化，同樣如果修改單個零件，則裝配體中與其對應的零件也將發(fā)生相應的變化。另外建立起來的裝配體可以生成分解圖，從而可以直觀的觀察到各零件之間的設計關系，并且用戶也可以從裝配體中生成工程裝配圖。 在Pro/E2.0中的裝配約束類型共有9種，分別為匹配、對齊、插入、坐標系、相切線上點、曲面上的點、曲面上的邊以及自動等。 單擊“元件放置”對話框中“放置”標簽的“約束類

60、型”欄的下拉框，將彈出上述各種可以選取的合適的約束類型。下面分別介紹這幾種裝配約束類型： ①匹配：用于兩平面相貼合，并且這兩平面呈反向。 ②對齊：用于兩平面或兩中心線相互對齊。 ③插入：用于軸與孔之間的裝配。該約束可以使軸與孔的中心線對齊，共同處于同一直線上。 ④坐標系：利用兩零件的坐標系進行裝配。該裝配約束是將兩零件的坐標系重合在一起。 ⑤相切：以曲面相切方式對兩零件進行裝配。 ⑥線上點：以兩直線上某一點相接的方式對兩零件進行裝配。 ⑦曲面上的點：以兩曲面上某一點相接的方式對兩零件進行裝配。 ⑧曲面上的邊：以兩曲面上某一條邊相接的方式對兩零件進行裝配。 自動：以系統(tǒng)默認的方

61、式進行裝配。 4.4 三維實體造型實例 動臂和鏟斗是挖掘裝置的主要零部件，現(xiàn)以動臂和鏟斗的三維實體造型為例說明如何應用Pro/ENGINEER進行三維實體造型。主要步驟如下： ⑴動臂三維實體造型 首先，雙擊啟動PRO-E建立一個新文件 圖4-1 在上工具箱中單擊按鈕，打開“新建”對話框，在“類型”列表框中選擇“零件”選項，在“子類型”列表框中選擇“實體”選項，將其更名為“DONGBI”， 單擊“確定”，如右圖4-1： 選擇再選擇下圖 圖4-2 創(chuàng)建拉伸特征， 單擊選FRONT:F3進入草繪面，單擊進入到草繪狀態(tài)下，用工具條中的直線工具命令繪制動臂的輪廓線，如圖4-

62、3 圖4-3 動臂輪廓線繪制完成后，單擊工具條中的確定命令“”結束草繪狀態(tài)，進入三維特征狀態(tài)，在工具條中 點擊實體創(chuàng)建完成如下圖 創(chuàng)建孔特征 單擊選FRONT:F3進入草繪面，單擊進入到草繪狀態(tài)下，用工具條中的直線工具命令繪制孔的輪廓線， 孔輪廓線繪制完成后，單擊工具條中的確定命令“”結束草繪狀態(tài)，進入三維特征狀態(tài)，在工具條中 點擊實體創(chuàng)建完成如下圖 創(chuàng)建殼特征 點擊選擇實體，輸入殼的厚度為10mm。 單擊工具條中的確定命令“”結束草繪狀態(tài)，進入三維特征狀態(tài)，在工具條中 點擊實體創(chuàng)建完成如下圖 ⑵鏟斗三維實體造型 首先，雙擊啟動PRO-

63、E建立一個新文件 在上工具箱中單擊按鈕，打開“新建”對話框，在“類型”列表框中選擇“零件”選項，在“子類型”列表框中選擇“實體”選項，將其更名為“chandou”， 單擊“確定”，如上圖8-1： 選擇再選擇下圖 創(chuàng)建拉伸特征， 單擊選FRONT:F3進入草繪面，單擊進入到草繪狀態(tài)下，用工具條中的直線工具命令繪制鏟斗的輪廓線，如下圖 進入草繪繪制草圖如下圖 鏟斗輪廓線繪制完成后，單擊工具條中的確定命令“”結束草繪狀態(tài)，進入三維特征狀態(tài)，在工具條中 單擊點擊實體創(chuàng)建完成如下圖 創(chuàng)建殼特征 點擊選擇實體，輸入殼的厚度為10mm。 單擊工具條中的確定

64、命令“”結束草繪狀態(tài)，進入三維特征狀態(tài)，在工具條中 點擊實體創(chuàng)建完成如下圖 創(chuàng)建拉伸特征 單擊選FRONT:F3進入草繪面，單擊進入到草繪狀態(tài)下，用工具條中的直線工具命令繪制鏟斗臂的輪廓線。 動臂輪廓線繪制完成后，單擊工具條中的確定命令“”結束草繪狀態(tài)，進入三維特征狀態(tài)，在工具條中 點擊實體創(chuàng)建完成如下圖 創(chuàng)建陣列特征 單擊，打開陣列工具條如下 點擊實體創(chuàng)建完成如下圖 第五章 總結 本文以WZ16-16挖掘裝載機為樣機，對反鏟挖掘裝置進行研究，運用PRO-E建模工具箱對挖掘機構進行建模，運用

65、ANSYS軟件進行了優(yōu)化分析，并對轉斗挖掘與斗桿挖掘兩種挖掘過程進行了運動學和動力學分析，旨在改善挖掘裝置的工作性能。具體研究工作和結論如下： 1.挖掘裝載機挖掘機構的運動學與動力學分析，為優(yōu)化與仿真奠定了理論基礎。 2.建立挖掘裝載機挖掘機構的模型建立，運用PRO-E工具箱進行建模。 3.本課題把ANSYS軟件技術與挖掘裝載機反鏟挖掘裝置設計結合起來，使設計過程更為合理，為挖掘裝置及同類機型的設計提供了可供參考的理論依據(jù)。 參考文獻 1. 中華人民共和國國家標準：挖掘裝載機術語，挖掘裝載機參數(shù)，挖掘裝載機技術條件，中華人民

66、共和國建設部 1988，9 批準 2.徐希明 黃宗益 鏟土運輸機械設計，太原重型機械學院 3.記名剛 機械設計 西北工業(yè)大學機原理及機械零件教研室 機械設計 4.機械設計手冊：化學工業(yè)出版社（第二版） 5.諸文龍 底盤設計 吉林工業(yè)大學 6.劉鴻文 材料力學 高等教育出版社 7.鄭修本 機械制造工藝 江南大學理論力學哈爾濱工業(yè)大學理論力學研究室 8.羅百順、苻毅，挖掘裝載機 40 年的發(fā)展歷程，工程機械與維修，1997 年第四期 9.王玉良，挖掘裝載機的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及研制思路，建筑機械，2003.1 10.陳世授，對我國液壓挖掘機及裝載機行業(yè)的思考，工程機械與維修，2001.9 11.王茂成、邵敏，《有限單元法基本原理和數(shù)值方法》，清華大學出版社，2001 年 12.閻書文，《機械式挖掘機設計》，機械工業(yè)出版社，1991 年 13.同濟大學主編：單斗液壓挖掘機，中國建筑工業(yè)出版社，1986 14.陳育儀 編著：工程機械優(yōu)化設計，中國鐵道出版社，1987 15.王茂成、邵敏，《有限單