礦用挖掘式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動仿真【三維proe】【6張CAD圖紙及說明書全套】【YC系列】

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Excavators composed mainly by the engine, equipment, rotary, part running gear and electrical equipment and hydraulic systems.The design is mainly about excavator working device design, equipment is done directly mining task means comprehensive universal design research work means having great significance in promoting the development of domestic excavator.Firstly, through the excavator working device structure and principle analysis, in this analysis, based on the overall structure of the proposed scheme; then, by motion analysis of the main dimensions of each component was calculated; then, for each of the main components were designed and school nuclear and hydraulic system design; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw a working device assembly drawing and main parts diagram, hydraulic system schematics.Through this design, the consolidation of the university is the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing and the like; mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software on the future of work and life of great significance.Keywords: Wheel excavator; Work equipment; Boom; Arm; Bucket目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1研究背景及意義11.2國內(nèi)外挖掘式裝載機(jī)研究現(xiàn)狀11.3設(shè)計(jì)要求21.3.1設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)2第二章 工作機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)42.1工作機(jī)構(gòu)構(gòu)成及原理分析42.2確定動臂、斗桿、鏟斗的結(jié)構(gòu)形式52.2.1確定動臂的結(jié)構(gòu)形式52.2.2確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式62.2.3鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇62.3確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點(diǎn)布置62.3.1動臂油缸的布置62.3.2斗桿油缸的布置82.3.3鏟斗油缸的布置8第三章 工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及基本尺寸計(jì)算103.1動臂部分103.1.1動臂運(yùn)動分析103.1.2動臂基本尺寸計(jì)算113.2斗桿部分153.2.1斗桿的運(yùn)動分析153.2.2斗桿基本尺寸計(jì)算163.3鏟斗部分173. 3.1 鏟斗的運(yùn)動分析173.3.2鏟斗基本尺寸計(jì)算213.4連桿、搖臂部分213.5銷軸與襯套22第四章 工作機(jī)構(gòu)校核計(jì)算244.1斗桿校核計(jì)算244.2動臂校核計(jì)算31第五章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)335. 1設(shè)計(jì)要求335. 2動力元件的選擇335. 3執(zhí)行元件的選擇345. 4液壓控制元件選擇355. 5液壓系統(tǒng)輔助元件選擇365.6液壓系統(tǒng)原理圖36總 結(jié)38參考文獻(xiàn)39致 謝4040第一章 緒論1.1研究背景及意義我國是一個發(fā)展中國家，在遼闊的國土上正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，這就需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù)，而挖掘式裝載機(jī)是最重要的一類土石方施工機(jī)械。因此，可以肯定挖掘式裝載機(jī)的發(fā)展空間很大?？梢灶A(yù)見，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，挖掘式裝載機(jī)的需求量將逐年大幅度增長。今后幾年我國挖掘式裝載機(jī)行業(yè)將會有一個很大的發(fā)展，挖掘式裝載機(jī)的年產(chǎn)量將會以高于20的速度增長。中國挖掘式裝載機(jī)市場自1997年開始已進(jìn)入了一個較快的發(fā)展時(shí)期， 2001年與2000年比較，全國挖掘式裝載機(jī)的產(chǎn)、銷量分別增長55和56。截止到2002年8月底全國挖掘式裝載機(jī)的銷量已超過13000臺，超過了2001年全年的銷售數(shù)。2003年全國挖掘式裝載機(jī)的銷售量超過18000臺。顯然，挖掘式裝載機(jī)在整個工程機(jī)械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長最快的機(jī)種之一。而在挖掘式裝載機(jī)中最為重要的就是關(guān)于工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)橥诰蚴窖b載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)能夠最為明顯的體現(xiàn)機(jī)器的工作能力和工作壽命，所以設(shè)計(jì)工作可靠，性能好，成本低，效率高，維護(hù)使用方便的工作機(jī)構(gòu)就顯得格外重要。1.2國內(nèi)外挖掘式裝載機(jī)研究現(xiàn)狀（1）國外研究現(xiàn)狀國外挖掘式裝載機(jī)生產(chǎn)歷史較長，液壓挖技術(shù)的不斷成熟使挖掘式裝載機(jī)得到全面的發(fā)展。德國是世界上較早開發(fā)研制挖掘式裝載機(jī)的國家，1954年和1955年德國的德馬克和利渤海爾公司分別開發(fā)了全挖掘式裝載機(jī)；美國是繼德國以后生產(chǎn)挖掘式裝載機(jī)歷史最長、數(shù)量最大、品種最多和技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位的國家；日本挖掘式裝載機(jī)制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)展上起來的，其主要特點(diǎn)是在引進(jìn)、消化先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的；韓國是挖掘式裝載機(jī)生產(chǎn)的后起之秀，20世紀(jì)70年代開始引進(jìn)技術(shù)，由于產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)入國際市場，并已擠入國際挖掘式裝載機(jī)的主要生產(chǎn)國之一。20世紀(jì)60年代，挖掘式裝載機(jī)進(jìn)入成熟期，各國挖掘式裝載機(jī)制造商紛紛采用液壓技術(shù)并與其它技術(shù)相結(jié)合，使產(chǎn)品適應(yīng)性得到了較快的發(fā)展，產(chǎn)品壽命和質(zhì)量不斷得到提高，操縱更加舒適，產(chǎn)品更加節(jié)能。例如美國卡特彼勒公司1955年以后推出的300B系列挖掘式裝載機(jī)，采用一種命名為maestro的系統(tǒng)，通過載荷傳感液壓裝置，控制發(fā)動機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)與液壓泵的嚴(yán)格匹配。Maestro控制面板在機(jī)型上安裝兩種功率模式和四種工況狀態(tài)，允許用戶自行決定功率工況模式。再如韓國現(xiàn)代公司生產(chǎn)的ROBEX450-3型挖掘式裝載機(jī)，有四種功率模式，通過集成化的電子控制系統(tǒng)自動確定最佳的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵的輸出參數(shù)，使得發(fā)動機(jī)、液壓泵的速度及液壓用液壓系統(tǒng)壓力與實(shí)際工況相適應(yīng)，從而獲得最高的生產(chǎn)率和最佳的燃油消耗。此種技術(shù)在日本松、日立建機(jī)、神鋼、韓國大宇重工、德國的利渤海爾、英國的JCB等到公司均得到普遍應(yīng)用，代表了當(dāng)代挖掘式裝載機(jī)的最高水平。（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀早在1958年國內(nèi)便開始了挖掘式裝載機(jī)的研制開發(fā)工作，隨后開發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。當(dāng)時(shí)出于受配件如發(fā)動機(jī)、液壓件及企業(yè)自身?xiàng)l件的影響，其質(zhì)量和產(chǎn)量遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的水平，與國外同類產(chǎn)品相比也存在較大差距。到了80年代末和90年代初，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家挖掘式裝載機(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)重的挖掘式裝載機(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。國內(nèi)原有的數(shù)家挖掘式裝載機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實(shí)力和豐富的挖掘式裝載機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，紛紛在工廠的技術(shù)改造、試驗(yàn)研究、新產(chǎn)品開發(fā)方面下大功夫。有的新開發(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)動機(jī)，甚至于整個傳動系統(tǒng)都按照采用國外元件來設(shè)計(jì)，這種經(jīng)過改型或新設(shè)計(jì)開發(fā)的挖掘式裝載機(jī)其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。這樣，引進(jìn)和消化國外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長足的進(jìn)步。國內(nèi)挖掘式裝載機(jī)行業(yè)近年來雖有很大發(fā)展，但與國外挖掘式裝載機(jī)行業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍存在許多不足，其原因除了國內(nèi)挖掘式裝載機(jī)加工水平落后之外，挖掘式裝載機(jī)設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國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。1.3設(shè)計(jì)要求1.3.1設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)本次設(shè)計(jì)的挖掘式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)，選定的參數(shù)如下表：標(biāo)配斗容量：0.2m主泵最大流量：119L/min整車重量：6000KG主油路系統(tǒng)工作壓力：24.5Mpa發(fā)動機(jī)功率：33.2KW行駛(走)速度(高/低)：28km/h發(fā)動機(jī)品牌：YANMAR回轉(zhuǎn)速度：10r/min發(fā)動機(jī)型號：4TNV94L爬坡能力：40%最大挖掘高度：5326mm尾部回轉(zhuǎn)半徑：1602mm最大卸載高度：3592mm最小離地間隙：269mm最大挖掘深度：3411mm配重離地間隙：982mm最大挖掘半徑：6087mm上車平臺寬度：1785mm斗桿長度：1600mm下車平臺寬度：2014mm斗桿挖掘力(ISO)：29.2kN駕駛室總高度：2887mm鏟斗挖掘力(ISO)：40.4kN整機(jī)全長：6130mm推土板寬度：1944mm整機(jī)全寬：2014mm推土板高度：398mm整機(jī)全高：2557mm軸距：2100mm第二章 工作機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)2.1工作機(jī)構(gòu)構(gòu)成及原理分析1-斗桿油缸；2- 動臂； 3-油管； 4-動臂油缸； 5-鏟斗； 6-斗齒；7-側(cè)板；8-連桿； 9-曲柄： 10-鏟斗油缸； 11-斗桿.圖2-1 工作機(jī)構(gòu)組成圖圖2-1為挖掘式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)基本組成及傳動示意圖，如圖所示反鏟工作機(jī)構(gòu)由鏟斗5、連桿9、斗桿11、動臂2、相應(yīng)的三組液壓缸1, 4,10等組成。動臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作機(jī)構(gòu)繞動臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，使工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮，動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進(jìn)油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作機(jī)構(gòu)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。卸完后，工作機(jī)構(gòu)再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)2。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式裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機(jī)的。上述過程僅為一般的理想過程。2.2確定動臂、斗桿、鏟斗的結(jié)構(gòu)形式2.2.1確定動臂的結(jié)構(gòu)形式動臂是工作機(jī)構(gòu)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。整體動臂構(gòu)造簡單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘式裝載機(jī)，如圖2-2所示。圖2-2 整體動臂結(jié)構(gòu)簡圖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，有時(shí)采用三節(jié)變動臂有利于降低彎曲處的應(yīng)力集中。整體式變動臂結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉，風(fēng)度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕。它的缺點(diǎn)是替換工作機(jī)構(gòu)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機(jī)構(gòu)。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。組合式動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。組合式動臂與整體式動臂相比各有優(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)行無級調(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，從而較簡單地解決主要構(gòu)件的統(tǒng)一化問題。因此其替換工作機(jī)構(gòu)較多，替換也方便。一般情況下，下動臂可以適應(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)，組合式動臂結(jié)構(gòu)雖比整體式動臂復(fù)雜，但得到了較廣泛的應(yīng)用。尤以中小型通用挖掘式裝載機(jī)作業(yè)條件多時(shí)采用組合式動臂較為合適。本次設(shè)計(jì)作業(yè)條件比較單一，所以選用整體式彎動臂。2.2.2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)挖掘式裝載機(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(shí)采用更換斗桿的辦法，或者在斗桿上設(shè)置24個可供調(diào)節(jié)時(shí)選擇的與動臂端部鉸接的孔。有些反鏟采用組合式斗桿。2.2.3鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘式裝載機(jī)的作業(yè)效果影響很大，其應(yīng)滿足以下的要求1：有利于物料的自由流動。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于各種物料的運(yùn)動規(guī)律。要使物料易于卸盡。為使裝進(jìn)鏟斗的物料不易于卸出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應(yīng)大于4，大于50時(shí)，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質(zhì)。綜上考慮，選用中型挖掘式裝載機(jī)常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3 鏟斗2.3確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點(diǎn)布置2.3.1動臂油缸的布置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。油缸前傾布置方案，如圖2-4所示，動臂油缸與動臂鉸接于E點(diǎn)。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。油缸后傾布置方案，如圖2-5所示，當(dāng)動臂油缸全伸出，將動臂舉升到上極限位置時(shí)，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(diǎn)。然而，后傾方案動臂下鉸點(diǎn)C與動臂油缸下鉸點(diǎn)D的距離CD雙前傾方案的大，則動臂在上下兩極位置時(shí)，動臂油缸的作用力臂Cp也較大。因此，在動臂油缸作用國相同時(shí)，后傾方案得到較大的動臂作用力矩，這量其優(yōu)點(diǎn)。圖2-4 動臂油缸前傾布置圖2-5 動臂油缸后傾布置在布置油缸時(shí)，應(yīng)綜合考慮動臂的結(jié)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)的作業(yè)尺寸及動臂舉升力的挖掘力等因素。本設(shè)計(jì)選用動臂油缸前傾布置方案。2.3.2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。保證斗桿油缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。即油缸從最短長度開始推伸時(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。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。保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍一般取100130。在斗桿油缸和轉(zhuǎn)斗油缸同時(shí)伸出最長時(shí)，鏟斗前壁和動臂之間的距離應(yīng)大于10cm。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。2.3.3鏟斗油缸的布置確定鏟斗油缸鉸點(diǎn)應(yīng)考慮以下因素。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載鏟斗靜止不動保證鏟斗的擺角范圍。鏟斗的擺角范圍一般取140160，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1525，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。鏟斗從位置到位置時(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3050，在這個角度范圍內(nèi)可以照顧到鏟斗在挖掘過程中能較好地適應(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。圖2-6 鏟斗擺角范圍第三章 工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及基本尺寸計(jì)算3.1動臂部分3.1.1動臂運(yùn)動分析動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度；A：動臂油缸的下鉸點(diǎn)；B：動臂油缸的上鉸點(diǎn)；C：動臂的下鉸點(diǎn).圖3-1 動臂擺角范圍計(jì)算簡圖1是L1的函數(shù)。動臂上任意一點(diǎn)在任一時(shí)刻也都是L1的函數(shù)。如圖3-1所示，圖中動臂油缸的最短長度；動臂油缸的伸出的最大長度；動臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最小值；動臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最大值；A：動臂油缸的下鉸點(diǎn)；B：動臂油缸的上鉸點(diǎn)；C：動臂的下鉸點(diǎn)。則有：在三角形ABC中：L12 = l72+l52-2COS1l7l51 = COS-1（l72+l52- L12）/2l7l5在三角形BCF中：l222 = l72+l12-2COS20l7l120 = COS-1（l72+ l12- l222）/2l7l1由圖3-3所示的幾何關(guān)系，可得到21的表達(dá)式：21 =20+11-1當(dāng)F點(diǎn)在水平線CU之下時(shí)21為負(fù)，否則為正。F點(diǎn)的坐標(biāo)為 XF = l30+l1cos21 YF = l30+l1Sin21 C點(diǎn)的坐標(biāo)為 XC = XA+l5COS11 = l30 YC = YA+l5Sin11動臂油缸的力臂e1 e1 = l5SinCAB顯然動臂油缸的最大作用力臂e1max= l5，又令 = l1min/ l5, = l7/ l5。這時(shí)L1 = Sqr（l72-l52）= l5 Sqr（2-1）1 = cos-11/3.1.2動臂基本尺寸計(jì)算由于鏟斗容量0.2m3，根據(jù)國內(nèi)外挖掘式裝載機(jī)有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過類比法，選出參數(shù)機(jī)重6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，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、： =K其中：=5.728m；1.8；經(jīng)計(jì)算得出：=1.759m； = =1.81.759=3.166m在三角形CZF中，、和都可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選出：其中：動臂的彎角，采用彎角能增加挖掘深度，但降低了卸載高度，但太小對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不利，一般取120140，取140；前面已算出為3.166m；動臂轉(zhuǎn)折處的長度比，一般根據(jù)結(jié)構(gòu)和液壓缸鉸點(diǎn)B的位置來考慮，初步設(shè)計(jì)取1.11.3，取1.2；因此根據(jù)公式：可以算出、圖3-2 動臂實(shí)際尺寸llK l=ZCFarccos()經(jīng)計(jì)算得出：ZC= =1.529m； ZF= =1.834m； =17.9如圖3-3所示。動臂液壓缸全伸與全縮時(shí)的力臂比K4按不同情況選取，專用反鏟可取0.8；以反鏟為主的通用機(jī)，0.81.1；斗容量1m3左右的通用機(jī)，則可取1。本設(shè)計(jì)中取1。的取值對特性參數(shù)、最大挖掘深度和最大挖高有影響。加大會使減小或使增大，這下符合反鏟作業(yè)要求，因此基本用作反鏟的小型機(jī)取60。本設(shè)計(jì)中取70。斗桿液壓缸全縮時(shí)=最大（圖3-3），常選（）=160180.本設(shè)計(jì)中?。ǎ?70。取決于液壓缸布置形式，動臂液壓缸結(jié)構(gòu)中這一夾角較圖3-3 最大卸載高度時(shí)動臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖小，可能為零。動臂單液壓缸在動臂上的鉸點(diǎn)一般置于動臂下翼加耳座上，B在Z的下面。初定BCZ5，根據(jù)已知CZF22.1 ，解得BCF17.1。由圖3-3得最大卸載高度的表達(dá)式為由圖3-4得最大挖掘深度絕對值的表達(dá)式為將這兩式相加，消去，并令，+-，得到：-A)+-1=0又特性參數(shù)：圖3-4 最大挖掘深度時(shí)動臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖因此=)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，最后由求為：0.638m（其中：=3.166m；1.759m；97.1；由于履帶總高0.320.547，近似取=0.65m），然后，解下面的聯(lián)立方程，可求和：=arcos()=arc() =arcos()=arc()于是：= =x =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；|- =0.9613.2斗桿部分3.2.1斗桿的運(yùn)動分析如下圖3-5所示，D點(diǎn)為斗桿油缸與動臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為動臂與斗桿的鉸點(diǎn)，E點(diǎn)為斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)。斗桿的位置參數(shù)是l2，這里只討論斗桿相對于動臂的運(yùn)動，即只考慮L2的影響。D-斗桿油缸與動臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)； F-動臂與斗桿的鉸點(diǎn)；E-斗桿油缸與斗桿的鉸點(diǎn)； 斗桿擺角.圖3-5 斗桿機(jī)構(gòu)擺角計(jì)算簡圖在三角形DEF中L22 = l82+ l92-2COS2l8l92 = COS-1（L22- l82-l92）/2l8l9由上圖的幾何關(guān)系知2max =2 max-2min則斗桿的作用力臂e2 =l9SinDEF 顯然斗桿的最大作用力臂e2max = l9，此時(shí)2 = COS-1（l9/l8），L2=sqr（l82-l92）3.2.2斗桿基本尺寸計(jì)算第一步計(jì)算斗桿挖掘阻力：斗桿挖掘過程中，切削行程較長，切土厚度在挖掘過程中視為常數(shù)，一般取斗桿在挖掘過程中總轉(zhuǎn)角=5080,取65，在這轉(zhuǎn)角過程中，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，；取1.7590.8032.562m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：式中挖掘比阻力，由表010查得，20（III級土壤以下）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150180，0.866計(jì)算得：1.137m把、代入式3-12得2.48KN第二步確定斗桿液壓缸的最大作用力臂。m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27，取，求得1.203m （其中斗桿擺角范圍大致在105125，取105） =1.588m3.3鏟斗部分3. 3.1 鏟斗的運(yùn)動分析鏟斗相對于XOY坐標(biāo)系的運(yùn)動是L1、L2、L3的函數(shù)，現(xiàn)討論鏟斗相對于斗桿的運(yùn)動，如圖3-5所示，G點(diǎn)為鏟斗油缸與斗桿的鉸點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為斗桿與動臂的鉸點(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)為曲柄與斗桿的鉸點(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)1。鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比i利用圖3-3，可以知道求得以下的參數(shù)：在三角形HGN中 22 = HNG = COS-1（l152+l142-L32）/2l15l1430 = HGN = COS-1（L32+ l152- l142）/2L3l1432 = GMN = - MNG - MGN = -22-30在三角形HNQ中l(wèi) 272 = l142 + l212 + 2COS23l14l21HNQ = COS-1（l212+l142- l272）/2l21l14在三角形QHK中27 = QHK= COS-1（l292+l272-L242）/2l29l27在四邊形KHQN中NHK=NHQ+QHK鏟斗油缸對N點(diǎn)的作用力臂r1r1 = l13Sin32連桿HK對N點(diǎn)的作用力臂r2r2 = l13Sin NHK而由r3 = l24，r4 = l3 有3連桿機(jī)構(gòu)的總傳動比i =（r1r3）/（r2r4）顯然3-17式中可知，i是鏟斗油缸長度L3的函數(shù)，用L3min代入可得初傳動比i0，L3max代入可得終傳動比iz。鏟斗相對于斗桿的擺角3鏟斗的瞬時(shí)位置轉(zhuǎn)角為 3 =7+24+26+10其中，在三角形NFQ中7 = NQF= COS-1（l212+l22- l162）/2l21l210暫時(shí)未定，其在后面的設(shè)計(jì)中可以得到。當(dāng)鏟斗油缸長度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3max和3min，于是得鏟斗的瞬間轉(zhuǎn)角:3 = 3-3min鏟斗的擺角范圍: 3 = 3max-3min圖3-6 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比計(jì)算簡圖見圖3-7所示，斗齒尖V點(diǎn)的坐標(biāo)值XV和YV，是L1 、L2、L3的函數(shù)只要推導(dǎo)出XV和YV的函數(shù)表達(dá)式，那么整機(jī)作業(yè)范圍就可以確定，現(xiàn)推導(dǎo)如下:由F點(diǎn)知：32= CFQ= 3-4-6-2在三角形CDF中：DCF由后面的設(shè)計(jì)確定，在DCF確定后則有：l82 = l62 + l12 - 2COSDCFl1l6l62 = l82 + l12 - 2COS3l1l8 3 = COS-1（l82+l12l62）/2l1l8在三角形DEF中L22 = l82 + l92 - 2COS2l8l9 圖3-7 齒尖坐標(biāo)方程推導(dǎo)簡圖1則可以得斗桿瞬間轉(zhuǎn)角22 = COS-1（l82+l92- L22）/2l8l94、6在設(shè)計(jì)中確定。由三角形CFN知：l28 = Sqr（l162 + l12 - 2COS32l16l1）由三角形CFQ知：l23 = Sqr（l22 + l12 - 2COS32l2l1）由Q點(diǎn)知：35= CQV= 233-24-10在三角形CFQ中：l12 = l232 + l32 - 2COS33l23l333 = COS-1（l232+l32- l12）/2l23l3在三角形NHQ中：l132 = l272 + l212 - 2COS24l27l2124 =NQH=COS-1l272+l212 -l132）/2l27l21在三角形HKQ中：l292 = l272 + l242 - 2COS26l27l2426 =HQK=COS-1l272+l242l292）/2l27l24在四邊形HNQK：NQH =24 +2620 = KQV，其在后面的設(shè)計(jì)中確定。在列出以上的各線段的長度和角度之間的關(guān)系后，利用矢量坐標(biāo)我們就可以得到各坐標(biāo)點(diǎn)的值。3.3.2鏟斗基本尺寸計(jì)算本次設(shè)計(jì)鏟斗容量初步選擇為q=0.2m3 由經(jīng)驗(yàn)公式M=2179+25147q 可以得到整體質(zhì)量大約是6 噸左右，再由P=7.7+0.0046M 可以推斷出發(fā)動機(jī)的功率P=7.1KW 當(dāng)我們得知了鏟斗的斗容量，其他的一系列數(shù)據(jù)的也可以隨之而的出來了 。斗容量、平均斗寬，還都是有轉(zhuǎn)斗挖掘半徑和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角（這里令）是鏟斗的四個非常重要的主速度要參數(shù)。、及三者與之間有以下幾何關(guān)經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，可以大概得出的數(shù)據(jù)為=其中：0.2m 其中：=0.2m3(已知)，鏟斗斗容量； 鏟斗挖掘半徑，單位m；鏟斗斗寬，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式反原理鏟斗平均斗寬統(tǒng)計(jì)值和推薦范圍，查表可以得到，取0.75m； 鏟斗的挖掘裝滿的通常轉(zhuǎn)角一般都是取90100，取它的具體值為95把各個數(shù)據(jù)代入到公式里面得到： 0.803m斗齒參數(shù)的選擇根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：齒寬0.11=0.11=0.064m;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：長0.260.260.152m;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：斗前臂與切削面的間隙取=0.7=0.0448m又由于鏟斗寬度B=0.75m,齒寬與齒距之和為0.064+0.18=0.244m=3.07 因此鏟斗裝有3個齒3.4連桿、搖臂部分從幾何可容性與結(jié)構(gòu)布置的角度對鏟斗機(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；0.3m3.5銷軸與襯套（1）銷軸的設(shè)計(jì)由于銷軸與襯套的配合間隙較小，故以剪應(yīng)力強(qiáng)度作為銷軸的基本尺寸的設(shè)計(jì)，抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度用于校核用。由有：在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)以所有工況中銷軸所受到的剪應(yīng)力最大值對銷軸進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，銷軸所選用的材料為40CrMnMo，其耐磨，在熱處理后有著良好的綜合機(jī)械性能。由于銷軸在重載的較惡劣工況中工作，故選擇。代入式6-1有：動臂各銷軸的尺寸：斗桿各銷軸的尺寸：（2）銷軸用螺栓的設(shè)計(jì)：螺栓選用的直徑由銷軸的直徑不同分別選擇兩種系列的螺栓5。（3）襯套的設(shè)計(jì)：為使襯套耐磨、減震與潤滑性能好，選擇襯套的材料為銅基合金襯套的厚度選擇為5mm，與銷軸和圓筒分別采用間隙和過盈配合，如圖3-9。則各銷軸的尺寸為：3-9 襯套動臂各襯套的尺寸：斗桿各襯套的尺寸：第四章 工作機(jī)構(gòu)校核計(jì)算4.1斗桿校核計(jì)算挖掘裝置的斗桿（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：按反鏟裝置作用力分析的電算結(jié)果選定。近似計(jì)算時(shí)，一般取以下兩個位置：計(jì)算位置I（圖41），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90）；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)，工作機(jī)構(gòu)上的作用力有工作機(jī)構(gòu)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求得式中：由圖41畫圖得，0.766m；由圖41畫圖得，0.3m；圖4-1 斗桿計(jì)算位置I由圖41畫圖得，0.423m；由圖41畫圖得，0.268m；由圖41畫圖得，0.142m；把、代入式51得：求得：41.718kN 法向阻力決定于動臂液壓缸的閉鎖力，可取工作機(jī)構(gòu)為隔離體，按對動臂底部鉸點(diǎn)的力矩平衡方程0求得：式中：動臂液壓缸的閉鎖力，286kN；工作機(jī)構(gòu)各部分重量對點(diǎn)的力矩之和，相應(yīng)的力臂值由圖41確定為：由圖41畫圖得，1.36m；由圖41畫圖得，1.99m；由圖41畫圖得，1.1m； 由圖41畫圖得，0.325m； 由圖41畫圖得，3.16m； 由圖41畫圖得，2.05m； 把、代入式52得：=4.15kN 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。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53得： 0.4641.718(1.56+0.766)+0.861.392.230.49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)平臺制動器可承受的最大力矩，4925.3Nm。把、代入上式得：=3.848kN計(jì)算位置II（圖42），條件為：動臂位于動臂液壓缸對鉸點(diǎn)有最大作用力臂處；斗桿液壓缸作用力臂最大；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42中II位置）；正常挖掘，即挖掘阻力對稱于鏟斗，無側(cè)向力作用。圖4-2 斗桿計(jì)算位置II此時(shí)工作機(jī)構(gòu)上的作用力僅為工作機(jī)構(gòu)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42畫圖得，0.423m；由圖42畫圖得，0.29m；由圖42畫圖得，0.14m；由圖42畫圖得，1.52m；由圖42畫圖得，2.225m；由圖42畫圖得，1.36m；由圖42畫圖得，0.56m；由圖42畫圖得，2.8m；由圖42畫圖得，0.45m；由圖42畫圖得，=0.46m；由圖42畫圖得，=1.56m；由圖42畫圖得，=0.77m；由圖42畫圖得，=1.39m；由圖42畫圖得，=0.49m；由圖42畫圖得，=1.22m；通過計(jì)算得出：63.51kN；6.45kN；4.037kN；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m-m。作用在這個截面中心上載荷有：圖4-3 斗桿受力圖力可對斗齒取力矩平衡方程式來解得：= =2.87kN垂直平面內(nèi)的彎矩（y-z平面內(nèi)）=81.35kN通過斗桿中心垂直于yz平面的xz平面中的彎矩為： =0.8kNm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： =83Mpa90（2）發(fā)動機(jī)的選擇 由于變量系統(tǒng)油泵經(jīng)常在滿載或超載情況下工作，功率利用系數(shù)比較高，為了保證功率儲備，同時(shí)考慮到輔助設(shè)備的動力消耗，取發(fā)動機(jī)功率：33.2KW查相關(guān)資料，采用YANMAR：4TNV94L型柴油發(fā)動機(jī)。5. 3執(zhí)行元件的選擇液壓執(zhí)行元件，本次設(shè)計(jì)必須用到的是動臂液壓缸，鏟斗液壓桿，斗桿液壓桿，和2個行走馬達(dá)以及一個回轉(zhuǎn)馬達(dá)。液壓馬達(dá)按照額定的轉(zhuǎn)速可以分為高速和低速兩大類，額定轉(zhuǎn)速高于500r/min的高速液壓馬達(dá)，而低于500r/min的屬于低速液壓馬達(dá)，高速的液壓馬達(dá)通常有齒輪式，螺桿式，葉片式，等它的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動慣性小，方便啟動和制動，而這是挖掘式裝載機(jī)所必須具備的一個特質(zhì)，所以我們這次的液壓馬達(dá)選擇為高速液壓馬達(dá)，初步選為齒輪式圖5-1 液壓缸作用力與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系圖下面可通過以下公式估算的液壓缸作用力f2=6.55MF=0.75f2f1=0.75F式中F 鏟斗油缸的作用力，KN；f1斗桿油缸的作用力，KN；f2動臂油缸額作用力，KN；M整機(jī)質(zhì)量，t。通過計(jì)算我們可以得出f2=39.3KN F=29.4KN f1=22.1KN。因此：動臂油缸、鏟斗和斗桿油缸均為單缸，缸徑均為125mm?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)和行走馬達(dá)（在上述設(shè)計(jì)中已選定）型號均為GQM16-1600。5. 4液壓控制元件選擇控制元件通常是用來控制液體的流動方向，壓力的高低和流量大小進(jìn)行預(yù)期的控制。因此，液壓控制閥是直接影響液壓系統(tǒng)工作過程和工作特性的重要元件。本次液壓設(shè)計(jì)也有用到單向閥，溢流閥，換向閥，等等。單向閥：是用來控制油液的單向流動，他的性能的要求是：正向的流動阻力損失小，反向的時(shí)候密封性好，而且動作靈敏。溢流閥：溢流閥的主要的作用是對液壓系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)幾乎所有的液壓系統(tǒng)里面都必須有溢流閥，它的性能的好和壞直接影響著液壓系統(tǒng)的正常工作。液壓系統(tǒng)對溢流閥性能的要求：（1）定位的精度高；（2）靈敏度要高；（3）工作平穩(wěn)；（4）密封性好。所以，本次設(shè)計(jì)決定在液壓缸面前都并聯(lián)一個溢流閥來控制流量的大小。換向閥：利用閥芯對閥體的相對運(yùn)動?？梢允沟糜吐方油?。關(guān)斷或者改變油流的方向。從而來實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的驅(qū)動和啟動，