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摘 要
本次設(shè)計(jì)的題目是小型液壓挖掘機(jī)挖掘機(jī)構(gòu)。液壓挖掘機(jī)的主要特點(diǎn)為：能無(wú)級(jí)調(diào)速且調(diào)速范圍大，能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，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，并可作高速反轉(zhuǎn)，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，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。
本次設(shè)計(jì)的主要參數(shù)是斗容量0.11m3,它屬于小型液壓挖掘機(jī)，主要設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的工作裝置。
在設(shè)計(jì)中，采用了履帶式行走裝置，來(lái)滿足要求。上部轉(zhuǎn)臺(tái)是全回轉(zhuǎn)式，因此它可在一個(gè)更大的范圍內(nèi)工作。又因采用液壓傳動(dòng)控制而使整機(jī)性能得以改善。與機(jī)械式挖掘機(jī)相比，其挖掘力提高到2～3倍，整機(jī)質(zhì)量約為5噸，挖掘力約為20kN，最大卸載高度約為2.65m，最大挖掘深度4.2m，最大挖掘半徑約為5.728m，從中可以看出整機(jī)作業(yè)能力有了很大的改進(jìn)，不僅挖掘力大，且機(jī)器重量輕，傳動(dòng)平穩(wěn)，作業(yè)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。
關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī) ；挖掘機(jī)構(gòu) ；液壓系統(tǒng) ；創(chuàng)新設(shè)計(jì)
ABSTRACT
The design of the title small hydraulic excavators institutions.?Hydraulic excavator main features: variable speed and speed range, lower steady speed, fast-acting, hydraulic components inertia, acceleration performance, and high-speed reverse,smooth transmission, simple structure, can absorb shock and vibration, effort operation, easy to achieve automatic control, easy to implement standardization, serialization, universal.?
The main parameters of the design is a bucket capacity 0.11m3, it belongs to the small hydraulic excavators, excavator working device design.?
In the design, the use of a crawler traveling device to meet the requirements.?The upper turntable is the entire rotation, so it can work in a larger range.?Because of hydraulic transmission control the entire machine performance can be improved.Compared with the mechanical excavator digging force up to 2 to 3 times, the whole mass of about 5 tons, digging force of about 20kN, maximum unloading height approximately 2.65m, maximum digging depth of 4.2m, maximum digging radius of about?is 5.728m, where you can see that the whole operational capability has been greatly improved, not only digging force, and light weight machine, smooth transmission, high efficiency, compact structure.?
Key word：Hydraulic pressure excavator；Excavation organization；Hydraulic system；Innovation design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒論 1
1.1液壓挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)和基本類型 2
1.2液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況 4
1.3本文設(shè)計(jì)內(nèi)容 6
第2章 挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì) 7
2.1確定動(dòng)桿、斗桿、鏟斗的結(jié)構(gòu)形式 7
2.2確定動(dòng)桿、斗桿、鏟斗油缸的絞點(diǎn)布置 8
2.3挖掘裝置總體方案的選擇 12
第3章 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22
3.1確定液壓系統(tǒng)類型 22
3.2液壓系統(tǒng)計(jì)算和液壓元件的選擇 22
第4章 工作裝置的強(qiáng)度校核計(jì)算 30
4.1斗桿的計(jì)算 30
4.2 動(dòng)臂的計(jì)算 39
總 結(jié) 42
致 謝 43
參考文獻(xiàn) 44
I
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(kāi)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(shù)根等作業(yè)。
在水利施工中，可用來(lái)開(kāi)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(kāi)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(méi)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(kāi)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(kāi)始研制液壓挖掘機(jī)。早期開(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shū)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)，（有反鏟取＞3）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，?。?.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)颖鄣膹澖牵捎脧澖悄茉黾油诰蛏疃?，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，專用反鏟可取＜0.8；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)，則可取＝1。
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(kāi)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(kāi)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(kāi)）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(kāi)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，取＝（0.1～0.2）＝2～4KN，取＝3KN；
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：
＝4.15kN
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，取＝0.85；
—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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