反铲式单斗液压挖掘机工作装置结构设计

摘要本文设计的是一种挖掘机的挖掘装置，在为工业、民用上有特殊用途的挖掘装载机，它可以用于煤矿井下狭小空间清理、装载、运输等工作，也可以用于冶金、矿山、隧道建设等场合的挖掘装载工作。

在本设计中，通过对国内外现有技术的了解和分析，利用任务书上所给定的挖掘机铲斗额定装载载荷，先计算出铲斗的斗容，而后选用标准容量铲斗，根据所选出的标准铲斗，计算出挖掘机的最大铲取阻力、最大卸载高度、最小卸载距离等一些设计所必需用到的量。

通过对工作机构上九个铰接点位置的确定来设计出动臂的模型及动臂上各点的受力，然后计算出举臂油缸和转斗油缸的内径、活塞杆的杆径，选出标准的液压缸。

关键词：铲斗；液压缸；动臂；挖掘机AbstractIn this paper, the design is a mini-excavators, as for 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 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 largest 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 calculate 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目录1绪论 (1)1.1课题背景及目的 (1)1.2 挖掘机发展简史 (1)1.3 挖掘机的基本类型 (1)1.4 国内外研究状况 (2)1.5 论文构成及研究内容 (3)2 总体方案设计 (4)2.1 工作装置构成 (4)2.2 动臂及斗杆的结构形式 (6)2.3 铲斗的结构选择 (6)2.4 液压挖掘机工矿分析 (6)2.5 液压挖掘机工作装置设计要求 (10)2.6 液压挖掘机工作装置的设计原则 (13)3工作装置运动学分析 (14)3.1 动臂运动分析 (14)3.2 斗杆的运动分析 (15)3.3 铲斗的运动分析 (16)3.4 特殊工作位置计算： (19)4 反铲装置的设计 (22)4.1 挖掘装载机工作装置典型工况分析确定 (22)4.2 挖掘装载机工作装置的基本参数的选择 (23)4.3 油缸基本参数的选择和计算 (29)5 挖掘装置受力计算和强度计算 (34)5.1、挖掘阻力的计算 (34)5.1.1铲斗挖掘阻力的计算 (34)5.1.2斗杆挖掘阻力计算 (35)5.2 工作液压缸的理论挖掘力 (35)5.2.1铲斗挖掘时，铲斗缸的理论挖掘力 (35)5.2.2斗杆挖掘时，斗杆油缸的理论挖掘力 (36)5.3 整机理论挖掘力 (36)5.3.2铲斗挖掘 (40)6 总结 (43)致谢 (44)参考文献 (45)1绪论1.1课题背景及目的挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业与民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等等行业的机械化施工中。

目录第一部分：系统开发建议书.........................．共5页第二部分：WZ45．40装载工作装置设计.. (40)摘要：第一章：整机概述 (1)第一节：绪论 (1)第二节：国内外发展现状 (2)第三节：挖掘装载机发展特点 (5)第二章：铲斗设计······································．7 第三章：挖掘装载机工作装置结构设计·····················．10一、确定动臂长度、形状与车架的铰接位置 (11)二、连杆机构设计·······································．15三、转斗油缸与摇臂的铰接点以及下拉杆与机架铰接点的确定” (16)四、举升油缸与动臂和机架的铰接点 (17)五、铲斗举升平动分析及最大卸载高度、最小卸载距离的确定.................................................l 8 第四章：工作装置的受力分析...........................．21 第五章：工作装置的运动仿真. (32)第六章：工艺分析.....................................．33 第七章：工作装置的限位机构.............................．35 第八章：设计心得及实习体会............................．37 第九章：附录...........................................．38 第三部分：翻译材料 (13)页系统开发建议书1．产品用途及使用范围：轮式装载机是一种用途广泛的施工机械，广泛应用于建筑公路铁路水电港口矿山及国防工程中，对加快工程建设速度减轻劳动强度提高工程质量降低工程成本都发挥这重要作用。

机械创新设计论文系别姓名班级学号液压挖掘机机构结构创新设计方法的研究一摘要：本文结合液压挖掘机构中反铲装置;提出一套创新设计方法..并给出了液压挖掘机构反铲装置的一系列可行方案;该创新设计方法为回避已受专利保护的现有机构提供了强有力的工具.. 关键词：结构推理运动链创新设计液压挖掘机反铲装置二引言在机构设计过程中;最重要的阶段是机构方案构思一概念设计..在进行机构设计之初;设计者不但需要具有设计的知识;而且需要具有相当的工程经验、创造与直觉的能力、及许多其他方面的条件;才能够创造一种新型机构以完成所希望的功能..这是一种发明行为;这不仅是设计对过程中最富有创造性的部分;也是机械设计过程中最为困难的地方..到目前为止;尚未有学者提出系统化的方法以引导设计者有系统地进行创新机构..然而;大多数的机械设计实例大约占机械设计实例的70%不是凭空创造新机构;而是在现有机构该机构可能受专利保护的基础上进行修改;创造出结构不同的新型机构;以提高机器的质量和性能;或者突破现有专利技术..本文结合液压挖掘机构的反铲装置;提出基于结构推理的机构方案创新设计方法..基于结构推理的机构方案创新设计是利用创造性发散原理;通过拓扑结构类型综合的方法;对现有的机械方案从拓扑联接方面进行变异创新;尽可能多的产生满足设计功能要求的结构变体;以便于寻找最优的功能载体;尤其是创造新型机构以回避专利保护机构应用方面更是结构推理之长..三基于结构推理的方案创新设计过程模型由机构演化及编译原理可知;任何机构;包括齿轮机构、槽轮机构、凸轮机构以及它们的组合;都可以视为连杆机构的等效与变异;其原始型的构造皆可通过连杆机构的构造来获得..许多学者在机构结构类型综合方面作了大量的工作;尤其是在非同构基本运动链的构造方面..按他们提出的方法;由计算机很容易自动生成满足给定设计任务要求的非同构运动链;而这些非同构运动链基本运动链是构造候选机构型的基础..本文所提出的基于结构推理的方案创新设计过程正是在这些研究基础上发展起来的..该方法可以划分四个阶段：首先是根据设计任务和要求确定相似的设计方案原始机械方案;然后对该原始方案进行抽象化表示;即将机构方案一般化为运动链;在抽象化表示过程中记录设计约束；其次根据机构方案一般化运动链;在运动链图谱库中找出与一般化运动链具有相同杆数、自由度数以及连杆类型相同的所有非同构的运动链;即运动链发散;并根据设计约束和适当的评价方法进行筛选；第三;对评价筛选后的每个非同构的运动链进行机构识别、驱动副识别以及杆组识别;形成用连杆表达的准可行机械方案元型;即运动链再生；最后一个阶段是将准可行机械方案元型根据实际设计需要;基于设计约束规则以及用户交互式方法进行类型替代;形成待评价的候选方案集转入下一阶段;并进行用户交互式模糊评价;产生最优方案..结构推理过程模型如图1所示..四液压挖掘机机构方案创新设计1液压挖掘机基本结构及其抽象化表示液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械;它由工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成..工作装置作为液压挖掘机的三大组成部分之一;因用途不同;种类繁多;其中主要有反铲装置、正铲装置、挖掘装载装置、起重装置和抓斗装置等;这里只研究应用最广泛的反铲装置..如图2a所示;液压挖掘机反铲装置由动臂1、斗杆2、铲斗3以及动臂油缸4、斗杆油缸5、铲斗油缸6和连杆机构7等组成..其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接;通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作..挖掘作业时;将反铲装置转到挖掘地点;操纵臂油缸4;使动臂下降至铲斗接触挖掘面;然后操纵斗杆油缸5和铲斗油缸6;使铲斗进行挖掘工作..铲斗装满后;将其转到卸载地点卸载;然后进行第二次循环挖掘工作..由于油缸可以简化为两个串联在一起的二副杆;这两个二副杆的中间铰为驱动副驱动副用两个同心圆表示;因此图2a中的反铲装置可以转化为图2b所示的平面运动链型式..2再生运动链和创新运动链①反铲装置的工作要求为了下面讨论方便;先定义几个概念：定义1 分离杆：如果自由度为F的平面运动链中存在某个杆;把此杆“切”为两块;该平面运动链则被分解成自由度分别为F1、F2的两个子平面运动链;并且F=F1 F2;则称此杆为分离杆..定义2 分离自由度：如果自由度为F的平面运动链中至少存在一个杆;把此杆“切”为两块;该平面运动链则被分解成自由度分别为F1、F2的两个子平面运动链;并且F=F1 F2;那么该平面运动链的自由度类型为分离自由度..定义3 驱动副：作动力源的运动副称为驱动副..分析图2b中所示的反铲装置的平面运动链;可以发现;该装置是一个自由度为3的12杆机构;其自由度类型为分离自由度;并且具有二个分离杆;即动臂1和斗杆2..反铲装置的工作要求是;能够控制挖掘高度、卸载高度、挖掘深度和挖掘半径..为了保证最大的挖掘范围;反铲装置必须具有两个分离杆..具有两个分离杆的机构;其自由度一定大于或等于 3..所以反铲装置机构结构的最基本要求是：自由度大于或等于3;并且具有两个分离杆..随着自由度和杆数的增加;机构的复杂程度将大大增加;因此作者只研究能满足基本要求的自由度等于3、杆数不大于12的反铲装置..②满足要求的连杆组合由于分离杆的副数应大于或等于4;因此反铲装置至少应有两个副数大于或等于4的多副杆..自由度等于3、杆数不大于12;并至少应有两个4副以上杆的连杆组合有下列几种..1N=10;N2=8;N3=0;N4=2;N5=0;N6=02N=12;N2=10;N3=0;N4=1;N5=0;N6=13N=12;N2=10;N3=0;N4=0;N5=2;N6=04N=12;N2=9;N3=1;N4=2;N5=0;N6=05N=12;N2=9;N3=0;N4=3;N5=0;N6=06N=12;N2=8;N3=2;N4=2;N5=0;N6=0其中：N为杆数NI为具有I个运动副的杆数③满足要求的运动链对于以上六种连杆组合;具有分离自由度的平面运动链数目分别是2、5、2、42、12和103共166种;经计算;其中只有25个平面运动链具有两个分离杆..又自由度为3的反铲装置被两个分离杆分解成三个子平面运动链;每个子平面运动链都含有一个驱动副;也就是说;每个子平面运动链中都得有一个油缸..又因为在平面运动链中油缸可用两个串联的二副杆来代替;因此反铲装置的每个子平面运动链至少应有一串联的二副杆..如图3所示的12种运动链为满足上述要求的运动链..④运动链评价与筛选根据挖掘机的用途;为了尽量增大挖掘作业范围;其机架杆必须在平面运动链的一端;而不应位于平面运动链的中间..另外;反铲装置的底座得承受较大的载荷;要求由机架、动臂及动臂油缸组成一个四杆的子平面运动链..编号为1、2、3、9、10的五个平面运动链中;可以作为机架的四个杆1、3、4、6;它们互为同位杆;因此可用任一杆作机架;假设杆3是机架;编号为4、5、6的三个平面运动链中;机架可以是杆3或杆6;但是若杆3为机架;铰①、⑨、⑤为驱动副;得到反铲装置;其中油缸的支撑点铰⑩在挖掘过程中很可能后移;从而影响反铲装置的工作性能;因此机架只能是杆6..编号为7、8、11、12的四个平面运动链中;机架是杆3..编号为1、2的平面运动链;杆3为机架;铰①、⑨、⑤为驱动副;可以看出;这两个平面运动链中铲斗6的工作情况完全一样;因此可以抛弃编号为2的平面运动链..编号为9、10的两个平面运动链;杆3为机架;铰①、⑨、⑤为驱动副;斗杆油缸的支承点铰⑩在挖掘过程中后移；编号为11、12的两个平面运动链;杆3为机架;铰①、⑧、⑤为驱动副;铲斗油缸的支承点铰⑦在挖掘过程中后移..因此编号为9、10、11、12这四个平面运动链得到的反铲装置;其工作性能不佳..3创新机构结构方案通过以上分析;只有编号为1、3、4、5、6、7、8的平面运动链可作为反铲装置的结构型式;这七种反铲装置见表1..其中;编号7是现有反铲装置;其余六种是新型反铲装置..与现有反铲装置进行比较;编号1最简单;能增大挖掘力;但其铲斗摆角较小；编号3、4、5、6能增大斗杆摆角；编号8的铲斗油缸直接驱动铲斗;因此挖掘力较大..将编号1、3、4、5、6、8的平面运动链分别画成驱动机构形式;如图4所示..在图4中;1是动臂、2是斗杆、3是铲斗、4是动臂油缸、5是斗杆油缸、6是铲斗油缸..五结束语本文结合液压挖掘机构中的反铲装置;提出基于结构推理的机构方案创新设计方法..该方法通过对原始机构一般化运动链的拓扑特征的提取;进行运动链结构类型综合;以达到运动链再生;经过对运动链评价筛选型;形成创新运动链;再将创新运动链转化为机构形成可行的创新机构方案..该创新设计方法为回避已受专利保护的现有机构提供了强有力的工具..。

研究内容：1、工作装置机构的几何参数设计2、各主要工作尺寸验算3、工作装置各部件运动及受力分析、工作装置挖掘性能分析4、各液压缸闭锁力验算5、动臂机构、斗杆机构的结构设计6、动臂、斗杆强度校核研究方法：采用静力学原理和机构几何学原理，对挖掘工作装置进行应用研究。

原始参数：表1-1 原始参数表技术要求：对工作装置的参数和几何构进行研究设计，设计尺寸达到要求；主要工作尺寸误差不得大3%；对动臂、斗杆进行强度校核。

工作装置应满足以下要求：1.主要工作尺寸及工作范围满足使用要求。

在设计反铲装置时要考虑与同类型机器相比的先进性，考虑国家标准的规定，并注意到运动参数受机构碰撞限制等的可能性。

2.整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并且有一定的先进性。

3.作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性，采用变铰点结构或配套机构时，要注意分清主次。

要满足使用要求的前提下，力求替换构件种类少，结构简单，换装方便。

4.工作装置结构形式和布置要便于装卸和维修，尤其应便于易损件的更换。

动臂是工作装置的主要构件，反铲动臂可分为整体式和组合式两类。

整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。

直动臂构造简单，轻巧，布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。

整体式动臂结构简单，价廉，刚度相同时结构重量轻于组合式动臂。

动臂液压缸的布置方案如图所示，动臂液压缸装于动臂的上方这个方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时动臂液压缸往往处于受压状态，闭锁能力较强。

动臂提升时液压缸小腔进油，提升速度也较快。

为了统一缸径和液压缸的闭锁能力，双动臂液压缸的方案采用渐多。

有些悬挂式动臂液压缸布置时考虑到不破坏动臂箱型截面，且不与斗杆液压缸碰撞，也采用双缸，斗杆液压缸一般只用一个。

但大多数动臂液压缸还是采用单缸。

本设计采用在上方布置的单动臂液压缸。

第二节铲斗总体方案的选择铲斗与铲斗液压缸的连接有三种形式，如下图所示，其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同。

南华大学毕业设计(论文)综述报告题目：反铲式液压挖掘机回转装置结构设计学院名称：机械工程学院指导教师：刘永霞职称：副教授班级：机核1101班学号：20114410632学生姓名：孙啸东2015年4月5日1.本设计（课题）研究的目的和意义回转机构是液压挖掘机重要的组成部分,其回转工作比重占到整个液压挖掘机工作循环的65%-75%,因此,回转机构的动态性能对液压挖掘机整机性能影响甚大,是液压挖掘机整机设计水平的重要标志,也是回转机构设计的关键技术之一。

然而,液压挖掘机工作环境十分恶劣,受载复杂,回转机构的动态特性异常复杂,回转机构的振动机理亦未完全明了,尤其是回转机构与液压挖掘机工作装置、回转机构内部相互耦合关系和振动规律没有探明,严重的降低了液压挖掘机正常运行的可靠性,阻碍了液压挖掘机深层次发展。

因此,对液压挖掘机回转机构振动机理和动态特性进行研究,对液压挖掘机整机设计、施工控制以及故障诊断和可靠性都具有十分重要的理论指导意义。

2.本设计（课题）国内外研究历史与现状我国液压挖掘机领域在性能水平的提高、国外先进技术的吸收引进和国产液压挖掘机产品的增幅,逐渐开始全面淘汰生产多年的笨重、落后的小、中型机械式挖掘机。

我国开始开发液压挖机是从1967年开始(与日本开发的液压挖掘机的时间大体上不谋而合),在早期的开发成功产品主要有贵阳矿山机器厂W4-60,上海建筑机械厂WY100,合肥矿山机器厂WY60(也有个别开发者,因原因各异而未能成功实现)。

七十年代末八十年代初中出现了长江挖掘机厂WY160以及杭州重型机械厂WY250 等液压挖机产品。

我国液压挖掘机近40年的发展历史,大致分成这几个阶段:(1)初始阶段(1967至1977):测绘仿制为主。

通过多年艰辛茹苦的努力,克服多重难关,少量的液压挖掘机已经获得了初步成效,为我国挖机行业的形成发展迈出了至关重要的一步。

挖掘机械是机械工程中的一种主要的类型，是土石开挖中的主要机械设备之一，包括有各种类型与功能的挖掘机。

第一章绪论1. 1 液压挖掘机的组成、分类、作用和特点挖掘机由转台及转台上部机构、底架及行走系、与工作装置等三大部分构成。

转台上布置了发动机、主轴泵及驾驶室等，经由回转滚盘装在底架之上。

工作装置的动臂铰支于转台上。

转台可绕底架的垂直面内绕其铰点作一定的转动。

它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。

因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。

【7】液压挖掘机的分类有很多种：根据行走装置传动型式分：全液压式，半液压式；根据不同的行走系分：履带式、轮胎式、汽车式和悬挂式；根据主要用途和工作装置的不同分：通用型和专用型；根据工作装置的结构不同分：铰接式和伸缩臂式等。

挖掘机械在建筑机械发展中占有很大比重和重要的地位，是重点发展的机械品种之一、尤其是中小型、通用的单斗挖掘机不仅用于土石方的挖掘工作，而且通过工作装置的更换，还可以用作起重、装载、抓取、打桩、钻孔等多种作业，它在各种工程施工中用途更大，已成为机械化施工中广泛使用的不可缺少的机械设备。

由于液压挖掘机具有质量小，挖掘力大，工作平稳，效率高，操纵灵活，机动性好等优点，单斗液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力能进行工作，因此，与机械传动相比有许多优点：能无级调速且调速范围大(最高与最低速度之比可达1000：1)；能得到较低的稳定转速(采用柱塞式油马达，稳定转速可低到1转／分)；快速作用时，液压元件产生的惯性较小，并可作高速反转(电动机回转部分的起动力矩比其工作力矩大50％，而油马达则不大于5％)。

加速中等功率电动机需1秒钟到数秒钟，而加速油马达只需0.1秒；传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动；操纵省力，易实现自动化控制；易实现标准化、通用化、系列化。

单斗液m液压挖掘机斗齿切削力为12～压挖掘机与同级机械传动挖掘机相比，挖掘力高30％左右(如：1.0315吨，而同级机械传动挖掘机只有10吨左右)。

目录摘要 (II)第1章工作装置设计原则.................................................................................................... - 1 - 第2章反铲工作装置总体方案的选择................................................................................ - 2 -2.1总体方案的选择.......................................................................................................... - 2 -2.2 反铲工作装置自身几何参数..................................................................................... - 2 - 第3章斗形参数的选择........................................................................................................ - 6 - 第4章动臂机构参数选择.................................................................................................... - 7 -5.1设计的主要要求.......................................................................................................... - 7 -5.2动臂机构设计的内容及步骤...................................................................................... - 7 - 第5章斗杆机构的参数选择...............................................................................................- 11 -5.1设计的主要要求.........................................................................................................- 11 -5.2总体方案的选择.........................................................................................................- 11 - 第6章铲斗机构的参数选择.............................................................................................. - 13 -7.1设计的主要要求........................................................................................................ - 13 -7.2铲斗机构设计的内容及步骤.................................................................................... - 13 - 第7章动臂液压缸作用力及闭锁力的确定...................................................................... - 16 -7.1动臂液压缸的作用力................................................................................................ - 16 -7.2动臂液压缸的闭锁力................................................................................................ - 20 - 第8章工作装置运动分析及包络图的绘制...................................................................... - 27 -8.1 动臂运动分析........................................................................................................... - 27 -8.2 斗杆运动分析........................................................................................................... - 28 -8.3 铲斗运动分析........................................................................................................... - 29 -8.4 斗齿间运动分析....................................................................................................... - 31 -8.5 包络图的绘制........................................................................................................... - 32 - 参考文献.................................................................................................................................. - 34 - 总结.......................................................................................................................................... - 35 - 附录.......................................................................................................................................... - 36 -摘要挖掘机械是工程机械的一种类型，是土石方开挖的主要机械设备，单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以铲斗进行挖掘作业的机械，液压挖掘机的工作装置常用的有反铲，正铲，装载，抓斗和起重装置。