YW0.2型小型液压挖掘机工作机构设计【含4张CAD图纸、说明书】
资源目录里展示的全都有，所见即所得。下载后全都有,请放心下载。原稿可自行编辑修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑问可加】
摘 要
挖掘机广泛的应用于建筑行业，排水灌溉，采矿，清除障碍和露天开矿等各种场合。它对减轻繁重的体力劳动，保证工程的质量，加快建设的速度，提高劳动的生产率起到了巨大的作用。
随着液压传动的技术在工程机械上广泛应用，单斗液压挖掘机也有了迅速的发展。液压挖掘机具有质量轻、体积小、结构紧凑、挖掘力大、操纵轻便，以及易实现无级变速和自动控制等一系列的优点。为了能满足不同的作业要求，其工作装置也有很多类型。例如：正铲，反铲，牵引绳，塔式等。在上述的工作装置中，反铲挖掘机应用的最为广泛，因而合理设计工作装置具有十分重要的意义。
本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、连杆机构等组成的小型液压挖掘机工作装置进行设计。具体内容包括以下的五部分: 挖掘机工作装置的总体设计； 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析；工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证；工作装置主要部件的结构设计。通过静强度与动强度分析，得出了工作装置在静载荷下结构是安全的。并利用同类机械的的参数做相应的调试，得出一套较合理的参数，为后续的工作打好了基础。
关键词：挖掘机；液压；动臂；斗杆；铲斗
ABSTRACT
Excavators are widely used in all branches of constructions, to drain and irrigate land, extract useful minerals, the removal of obstacle and the open-cast excavation of coal and ore. They play a tremendous role in relieving labor force, ensuring project quality, accelerating the speed of construction and improving the labor productivity.
With the great development of hydraulic technology, the single bucket
hydraulic excavator has been improving greatly. The hydraulic excavator is provided a great many advantages,such as light weight, small volume, compact structure, powerful dig force, easy operate, continuous variable velocity, automatic controls and so on.In order to meet the different requirements, the working device also has many types. For example: dipper shovel, pull shovel,dragline, jib crane, tower crane and so on.In the above work device, backhoe excavator is used most widely, so the rational design of work device is of great significance.
In this paper, mainly by the boom, bucket rod, bucket, excavator linkage component of small hydraulic excavator working device design. It includes the following several parts:the overall design of excavator work device; excavator working device detailed kinematics analysis; the basic size calculation and verification of each part of Working device ; Through the static strength and dynamic strength analysis, the device under static loading structure is safe. Use the same mechanical parameters of the commissioning, to derive a set of reasonable parameters, for the follow-up work to lay a good foundation.
KeyWord: Excavator; Hydraulic; Movable arm,Dipper,Bucket
第 1 页
目录
1 绪论 1
1.1 单斗液压挖掘机的种类特点 1
1.2 单斗挖掘机的主要用途是 2
1.3 挖掘机的发展概况 2
1.4 国外挖掘机研究现状与发展动态 3
1.5 本课题的研究目的及意义 5
1.6 主要研究对象及内容 6
2 单斗液压挖掘机反铲装置的运动学分析 7
2.1 单斗液压挖掘机反铲装置的结构及工作特点 7
2.2 单斗液压挖掘机反铲装置的工作特点 7
2.2.1动臂挖掘 7
2.2.2斗杆挖掘 7
2.2.3转斗挖掘 8
2.3 反铲装置的设计原则 9
2.4 反铲装置的方案选择 10
2.5 反铲装置各机构的运动分析 11
2.6 动臂机构的运动分析 12
2.7 斗杆的运动分析 15
3 挖掘阻力 16
3.1 挖掘阻力的分析 16
3.1.1 转斗挖掘阻力的分析 16
3.1.2 斗杆挖掘阻力的分析 18
3.2.1 挖掘的概念 19
3.2.2 挖掘力的计算 20
4 铲斗及单斗液压挖掘机反铲装置各机构尺寸的确定 32
4.1动臂机构参数的选择 33
4.1.1 与的选择 33
4.1.2 与的计算 34
4.1.3 的计算 34
4.1.4 动臂基本参数的校核 36
4.2挖掘机构受力分析 37
4.2.1 对铲斗及铲斗连杆机构受力分析 37
4.2.2 对斗杆及斗杆机构的受力分析 41
4.2.3 动臂及动臂机构的受力分析 43
4.3挖掘装置的强度校核 45
4.3.1斗杆内应力校核 45
4.3.2动臂的强度校核 47
5 总 结 50
6 参考文献 51
7 致 谢 52
1 绪论
1.1 单斗液压挖掘机的种类特点
挖掘机是用来进行土、石方开挖的一种工程机械，按作业的特点分为周期性作业式和连续性作业式两种，前者为单斗挖掘机，后者为多斗挖掘机。由于单斗挖掘机是挖掘机械的一个主要机种，也是各类工程施工中普遍采用的机械，可以挖掘VI级以下的土层和爆破后的岩石，因此，我会对单斗挖掘机进行设计
单斗挖掘机可以按以下几个方面来分类：
1.按动力装置分类分为电驱动式、内燃机式、复合驱动式等；
2.按传动装置分为机械传动式、半液压传动式、全液压传动式；
3.按行走机构分为履带式、轮胎式、汽车式；
4.按工作装置在水平面可回转的范围可分为全回转式（360°）和非全回式（270°）；
挖掘机的类代号用字母W表示，主参数为整机的机重。如WLY表示轮胎式液压挖掘机，WY100表示机重为10t的履带式液压挖掘机。不同厂家，挖掘机的代号表示方法各不相同。如图1-1,1-2.
图1-1 机械式单斗挖掘机工作装置主要型式 图1-2单斗液压挖掘机工作装 a）正铲；b）反铲；c）拉铲；d）抓斗 置主要形式 a)反铲；b）正铲;
c)抓斗；d)起重
1.2 单斗挖掘机的主要用途是
在筑路工程中用来开挖堑壕，在建筑工程中用来开挖基础，在水利工程中用来开挖沟渠 、运河和疏通河道，在采石场。露天采矿等工程中用于矿石的剥离和挖掘等；此外可对碎石、煤等松散物料进行装载作业；更换工作装置后还可进行起重、浇筑、安装、打桩、拔桩等工作。随着我国经济建设的迅猛发展特别是国家加大公路、铁路、住宅和水利设施的投资，挖掘机越来越显示出在国民经济建设中的巨大作用。
单斗挖掘机工作装置主要有正铲、反铲、拉铲和抓斗等形式他们都属于循环作业式机械。每一个工作循环包括挖掘、回转、卸料、和返回四个过程。
日常生活中最常用的是反铲工作装置，所以此次的设计任务是对挖掘机的反铲工作装置进行研究、设计。
1.3 挖掘机的发展概况
挖掘机械的最早雏形，远在十六世纪于意大利威尼斯用于运河的疏浚工作。随着工业发展，科学技术的进步，单斗挖掘机也由于新技术、新工艺的采用而不断地发展改进,但它的基本工作原理至今未变。动力装置以及控制方式的不断革新，基本上反映了挖掘机发展的以下几个阶段：
1、蒸汽机驱动的挖掘机，从发明到广泛应用，大约经历了100 年。当时主要用于开
挖运河和修建铁路。结构型式由轨道行走的半回转式，发展到履带行走的全回转式。
2、挖掘机传动型式的液压化，是挖掘机由机械传动型式的传统结构发展到现代结构的一次跃进。随着液压传动技术的迅速发展，四十年代至五十年代初挖掘机开始应用于液压传动，并且由半液压发展到全液压传动。产量日益增长，六十年代初期液压挖掘机产量占挖掘机总产量的15%，发展到七十年代初期占总产量90%左右，近年来，西欧市场出售的挖掘机几乎己全部采用液压传动。与此同时，斗轮挖掘机、轮斗挖沟机等工作装置和臂架升降等部分也采用了液压传动。大型矿用挖掘机在基本传动型式不变的情况下，其工作
装置也改为液压驱动。
3、控制方式的不断革新，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制，无线电遥控。最近又出现了电子计算机综合程序控制，控制人员可在远离施工现场的集中控制室内通过工业电视监视数台挖掘机工作。
我国挖掘机生产起步于60年代，第一代产品为机械式挖掘机。进入70年代，开始研制液压挖掘机，并形成了系列产品，标志着我国挖掘机行业已经形成。80年代中期，随着我国改革开放的深入和国民经济的发展，我国一些大型挖掘机企业分别引进了德国利渤海尔、德马克等公司的先进制造技术，使我国的挖掘机在技术水平、产品质量和生产管理上都有了很大的提高。涌现出诸如长江挖掘机厂、抚顺挖掘机厂、上海建筑机械制造厂、合肥矿山机器厂、北京建筑机械厂和贵阳矿山机器厂等一批实力较强的骨干企业，为我国挖掘机产品的生产和发展奠定了坚实的基础，也为我国的经济建设做出了不可磨灭的贡献。
进入90年代，挖掘机市场需求迅速扩大，一些企业纷纷看好这一市场，挖掘机行业如雨后春笋，新企业不断涌现，一些原本生产其它工程机械的企业，也纷纷加入到挖掘机行业。国外一些大公司也把目光瞄准了中国市场，短短的几年内，先后有日本、韩国、德国等十余家公司与中国企业进行了合资，还有的在中国独资办企业生产挖掘机，使得我国从原有的六大骨干厂，一下猛增到44家。企业性质由原来的单一国有企业，变成了国有、合资、独资、股份制、乡镇集体等多种形式。
目前，摆在挖掘机行业面前的是挑战和机遇并存。今后几年中国经济的快速增长，无疑会给工程机械行业的发展带来无限商机，挖掘机是工程机械的主要产品之一，许多工程都离不开挖掘机械的参与。据中国机电报报道，“九五”期间国家计划新建铁路6000多公里，增建复线3000多公里，电气化改造4000多公里，到2000年铁路运营将达到6.8万公里，平均每年投入资金500亿元。“九五”期间还将投资5500亿元，新建公路11万公里，其中高速公路6000公里；港口将新建万吨以上的舶位100个，新增吞吐能力2百多万吨；同时还要大力发展原油、天然气管道建设；在能源工业方面，将新建20座大型水电站，若干大型露天煤矿，石油的开采也逐步加大；另外，冶金、矿山的开采，“九五”期间要新建9座大型露天铁矿；还有农田水利工程，改造黄河流域10大水系，南水北调、疏竣河道，特别是98年遭受特大洪水灾害后，对堤坝、围堰的整修、加固、和综合治理工作将会加大力度。所有这些领域的巨大发展都需要大量的挖掘机械，为我国挖掘机械的发展提供了广阔前景。预计近几年国内市场每年需求挖掘机12000-15000台。因此，要使挖掘机的产量满足市场需求，只有把产品质量搞上去，提高产品的可靠性，切实做好售后服务，才能在竞争中立于不败之地，在市场上占有重大份额。
1.4 国外挖掘机研究现状与发展动态
挖掘机在技术发展的阶段上经历了三次飞跃。第一次是柴油机的出现，使挖掘机有了较理想的动力装置；第二次是液压技术的广泛应用，使挖掘机有了较理想的控制系统；第三次是机电液一体化、智能化技术的应用，使挖掘机面貌焕然一新。挖掘机具有挖掘、装载、卸载和整机移动等功能，可连续高效地工作。据统计，各种土方作业中约有65%-70%的土方量是由挖掘机来完成的。从20 世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。主要发展方向是采用遥控及微机控制的自动化技术，整个机组具有以下主要特点：功率增大；独立作业性强；配件标准化；能降低噪声、振动。同时，随着计算机技术和数值分析方法的发展，有限元方法在机械结构分析中得到广泛应用，取得了令人瞩目的成果。有限元分析法已成为现代机械产品设计的一个重要工具。资料文献检索发现，国外不论在挖掘机的整机还是部件的设计上都有比较成熟的技术。国外挖掘机生产企业，利用有限元与优化设计相结合进行结构的形状优化。它使液压挖掘机的设计从经验的、静止的、随意性较大的传统设计逐步发展到自动化程度高，设计周期短，设计方案优越，计算精度高的现代化设计。我国从1958 年开始研制液压挖掘机，逐步形成了中小型液压挖掘机系列。然而在液压挖掘机机电一体化进程中，我国远远落后于技术先进国家。我国液压挖掘机工业在1983年以后采用引进技术进行生产的方法，加快了液压挖掘机的发展，这种引进技术的方式，是在较高的起点上，在较短的时间内，用较少的资金提高技术水平，促进技术进步的捷径。计算机技术在液压挖掘机产品开发、研制中的作用愈来愈大。但是由于受客观条件的限制，在产品设计制造中大多采用传统的方法和理论。引进挖掘机技术时，只注意了整机技术，将有限元分析方法应用到挖掘机动臂结构动态设计、分析及优化还不是很多，往往都是静态分析，特别是通过完整的试验进行验证就更少。现在国内外正在通过动力学研究的设法提高产品的设计质量，以求在根本上保证产品的动强度和可靠性，另外振动和噪声被认为是工程机械作业时的两大公害，随着动臂强度要求越来越高，机械重量如何减轻也显得越来越重要，因此对挖掘机动臂进行结构的动态分析、试验验证以及进一步优化，显得越来越迫切。挖掘机的有限元分析是伴随着有限元理论和有限元软件的广泛应用而迅速发展起来的，特别是自20 世纪八十年代以来，随着国外几种商用有限元软件进入我国，挖掘机有限元分析的研究己初具规模。在众多有限元软件中，比较可靠的有国外的ANSYS，NASTRAN，MOCAL，ALGOR 等，国内真正通用的还几乎没有，所能做到的只是一些用于某种单元或是某个机构的有限元分析。目前，利用有限元软件对挖掘机进行分析，其所做的工作可以归纳为以下几个方面：
1、工作装置的运动分析
对工作装置的运动分析，关系到挖掘机的力学分析，是其它分析与设计(如控制)的基础。这方面的研究成果很多，理论基础也比较成熟。
2、有限元的分析
自国外几家大型有限元软件在我国投放以来，有限元分析在很多领域得到应用。其中有很多是挖掘机的有限元分析。一般来说，这类分析主要集中在对某些部件的研究上。对整体机构进行有限元分析既可以提高我国设计能力和设计水平，反过来又可以利用有限元分析来解决挖掘机在使用中出现的问题。
总之，由于有限元单元法在我国应用比较晚，且主要集中在力学领域，因此对挖掘机的有限元分析还存在一定的局限性。可以预见，随着大型和超大型挖掘机的不断涌现，合理地设计各构件更加重要。同Pro/Mechanica 分析软件相比，绝大部分有限元分析软件(如ANSYS 分析软件)的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过IGES 格式或者S T EP 格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费
大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。而利用Pro/Mechanica 进行分析，恰好可以克服上述缺点，Pro/Mechanica 作为Pr o/Engineer 集成模块，是设计机构运动和进行有限元
计算强有力的工具。且实践证明其分析的结果也较精确，完全可以满足工程设计的需要。
1.5 本课题的研究目的及意义
中国国土面积大，各项建设事业正处于蓬勃发展过程中，对挖掘机的需求量大。世界上工业发达国家著名的挖掘机制造商几乎全部进入中国，不少国有和民营企业也看好中国的挖掘机市场，纷纷进入挖掘机行业，进行挖掘机产品的生产和开发，而且产品的产量随着市场的需求量的提高而不断增长。中国已成为世界最大的挖掘机市场，正在成为世界挖掘机的制造中心。但是必须注意，
中国目前虽然已成为挖掘机需求和生产的大国，但决不是强国。国际水平的研发中心不在中国，挖掘机关键配套零部件也不在中国。在挖掘机关键的核心技术研究与掌握方面，国内企业与国外企业差距很大，特别是国内企业在挖掘机的基础理论研究方面投入的人力、财力严重不足。这些年来，我们取得了长足的进步，大大缩小了与国外先进技术的差距，但如果今后技术创新(包括设计技术和制造技术等方面上稍有懈怠，与国外先进技术的差距
仍然会拉大，因此可以说今后国内挖掘机企业的任务仍然十分艰巨。由于历史的原因，原本的国有挖掘机企业因为人才流失，资金不足，技术不高，造成自主研发能力不高，设计方法落后；而改革开放后的合资企业和外资企业，只是根据国外的设计图纸进行批量生产，基本不进行设计，所以中国的挖掘机设计手段比较落后，常常凭借经验进行设计制造，造成生产的挖掘机存在一些缺陷，在三包期间常出现故障，做不到等寿命设计，对厂商和买家造成不小的经济损失。以往液压挖掘机的新产品开发过程是前期设计完成后，进行样机试制，然后经过现场挖掘试验或强度测试，若发现问题→改进→再试验→再修改，复修改直到满足设计要求后，再批量投产。这种开发过程的周期长、风险大、成本高、上市慢，限制了企业的市场竞争力。目前国内企业在设计挖掘机时仍以测绘类比为主，强度计算仍采用材料力学方法，对挖掘机结构件应力分布情况缺乏定量的了解。并且，挖掘机作业外载荷又复杂多变，传统的材料力学方法难以满足设计上的需要。所以非常有必要将现代设计方法和有限元方法应用于挖掘机工作装置的结构设计和性能分析，以提高挖掘机工作装置的可靠性，对结构进行优化、减轻工作装置重量、提高工作效率、减少能耗，从而提高挖掘机生产企业的设计水平和自主开发能力。
1.6 主要研究对象及内容
1、根据液压挖掘机的工作条件及设计参数要求，参考挖掘机的设计资料及国内外各液压挖掘机生产厂家的产品，选定液压挖掘机反铲装置的设计方案。
2、在了解液压挖掘机反铲装置工作原理和方案选择的基础上，用几何法分别对动臂、机构、斗杆机构和铲斗机构做动力学分析。
3、在定性分析的基础上，用解析法对反铲装置各机构的尺寸作了定量计算，为作图提供了尺寸依据，也为进一步用计算机编程及计算机辅助设计提供了数学模型。
4、对反铲装置的挖掘力及挖掘阻力进行了分析计算，并着重分析计算了挖掘机复合挖掘时最大挖掘力实现的各种限制条件。
5、对各机构的杆件及铰点进行了受力分析。
2 单斗液压挖掘机反铲装置的运动学分析
2.1 单斗液压挖掘机反铲装置的结构及工作特点
反铲的工作过程：
（1）先将铲斗向前伸出，让动臂带着铲斗落在工作面上（I）。
（2）将铲斗向着挖掘机方向拉动，于是他就在动臂和铲斗等重力以及牵引索的拉力作用下完成挖掘。
（3）将铲斗保持所示状态连同动臂一起提升，在回转至卸料处进行卸料。
反铲有斗底可开启式和不可开启式两种。
反铲挖掘机适宜于挖掘停机面以下的土，例如挖掘机基坑及沟槽等。机械传动的反铲挖掘过程由于只是依靠铲斗自身重力切土，所以只适宜于挖掘轻级和中级土壤。
2.2 单斗液压挖掘机反铲装置的工作特点
液压挖掘机的反铲装置主要用于挖掘停机面以下土壤(基坑、沟壕等)。其挖掘轨迹决定于油缸的运动及其相互配合情况。通常情况下，分为动臂挖掘、斗杆挖掘、转斗挖掘等几种。
2.2.1动臂挖掘
当采用动臂油缸工作来进行挖掘时(斗杆和铲斗油缸不工作)可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时铲斗的挖掘轨迹系以动臂下铰点为中心，斗齿至该铰点的距离为半径所作的圆弧线。其极限挖掘高度和挖掘深度(不是最大挖掘深度)即圆弧线之起终点，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角(动臂与水平线之夹角)，也即决定于动臂油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长而且由于稳定条件限制挖掘力的发挥，实际工作中基本上不采用。
2.2.2斗杆挖掘
当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的长度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗杆油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。在较坚硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗，故挖掘机实际工作中常以斗杆油缸工作进行挖掘。
2.2.3转斗挖掘
当仅以铲斗油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧线的包角及弧长决定于铲斗油缸的行程。显然，以铲斗油缸工作进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤。所以一般挖掘机的斗齿最大挖掘力都在采用铲斗油缸工作时实现。采用铲斗油缸挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率。因此，在一般土方工程挖掘中，转斗挖掘较常采用。在实际挖掘工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作如当挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁时，则需采用动臂与斗杆两种油缸的同时工作，当挖掘坑底，挖掘行程将结束为加速将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变
铲斗切削角等情况下，则要求采用斗杆与铲斗油缸同时工作。虽然此时挖掘机的挖掘轨迹是由相应油缸分别工作时的轨迹组合而成。显然，这种动作能够实现还决定于液压系统的设计。当反铲装置的结构形式及结构尺寸己定时(包括动臂、斗杆、铲斗尺寸、铰点位置，相对的允许转角或各油缸的行程等)，即可用作图法求得挖掘机挖掘轨迹的包络图，即挖掘机在任一正常工作位置时所 控制到的工作范围上各控制尺寸即液压挖掘机的工作尺寸。对于反铲装置图2-2 反铲装置工作示意图。主要的工作尺寸为最大挖掘深度和最大挖掘半径。包络图中可能有部分区间靠近甚至深入到挖掘机停机点底下，这一范围的土壤虽可挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响机械的稳定和安全工作，除有条件的挖沟作业外一般不使用。挖掘机反铲装置的最大的挖掘力决定于液压系统的工作压力、油缸尺寸，以及各油缸间作用力之影响(斗杆、动臂油缸的闭锁压力及力臂)外，还决定于整机的稳定和地面附着情况。因此反铲装置不可能在任何位置
图2-1 反铲挖掘工作装置示意图
2.3 反铲装置的设计原则
1、主要工作尺寸及作业范围的要求，在设计时应考虑与同类型相比时的先进性，性能与主参数应符合国家标准之规定。
2、满足整机挖掘力大小及分布情况的要求
3、功率利用情况好，理论工作循环时间短。
4、确定各个铰点布置，结构形状应尽可能使受力状态有利，在保证刚度和强度的前提下，重量越轻越好。
5、应考虑到通用性和稳定性。
6、运输或停放时应有合理的姿态。
7、液压缸设计应考虑三化，采用系列参数。
8、工作装置应安全可靠，拆装方便。
9、满足特殊使用要求。
2.4 反铲装置的方案选择
反铲方案选择的主要依据是设计任务书规定的使用要求，据以决定工作装置是通用还是专用的。以反铲为主的通用装置应保证反铲使用要求，并照顾到其它装置的性能，专 用装置应根据作业条件决定结构方案，在满足主要作业条件要求的同时照顾其它条件下的性能。反铲装量总体方案的选择包括以下方面：
1、动臂及动臂液压缸的布置
确定用组合式或整体式动臂，以及组合式动臂的组合方式或整体式动臂的形状,动臂液压缸的布置为悬挂式或是下置式。
2、斗杆及斗杆液压缸的布置确定用整体式或组合式布置，以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗杆是否采用变铰点调节。
3、确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数 K1 =l1/l2。
对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度比可在很大范围内选择。—般当K1＞2 时(有的反铲取 K1 ＞3)称为长动臂短斗杆方案，当 K 1＜1．5 时属于短动臂长斗杆方案。 K1在1．5～2 之间称为中间比例方案。要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例方案。相反当用配套替换构件或可调链接来适应不同作业条件时，不同的配置或铰点连接情况可组成各种比例方案。在使用条件单一，作业对象明确的条件下采用整体动臂和斗杆固定铰接， K1 值由作业条件确定。从作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下， K1 值越大作业范围愈窄。从挖掘方式看K1 值大宜用斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而K1 值小宜用转斗挖掘为主。从挖掘轨迹看， K1 值小易得到接近于直线的运动轨迹，因而它用于平整和清理作业，在挖掘窄而深的沟渠或基坑时挖掘轨迹也较易控制，向挖掘质量和装卸效率比抓高。从结构强度看，K1值大结构重心离机体近。
4、确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数，并考虑铲斗连扦机构传动比是否需要调节。
5、根据液压系统工作压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件和三化要术等确定各液压缸缸数、缸径、全伸长度与全纳长度之比 。考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运幅度等因素一般取λ1＝1.6～1.7，个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取λ1≤1.75。取λ2＝1.6～1.7，λ2＝1.5～1.7。
2.5 反铲装置各机构的运动分析
反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度 L1 、斗杆液压缸的长度 L2和铲斗液压缸的长度 L3 。显然，当 L1 、 L2 和 L 3为某一组确定值时反铲装置就相应处于某一确定的几何
位置。如图(2—3)设计平面直角坐标系，使X 轴与地平面重合，Y 轴与挖掘机回转中心重合。则斗齿尖V 所在的X 坐标值V X 就表示挖掘半径，Y 坐标值V Y 为正值时就表示挖掘高度，为负值时表示挖掘深度。必须注意，当 L1 、 L2 和 L 3为一组定值时只有一组V X 和V Y值与其对应，反之对于V X 和V Y 的一组定值却有许多组 L1 、 L2 和 L 3值与其相应。
图2-2 挖掘机实物图（现代）
2.6 动臂机构的运动分析
图2-3 挖掘机总装图
1-斗杆油缸； 2-动臂； 3-油管； 4-动臂油缸； 5-铲斗； 6-斗齿；
7-侧齿； 8-连杆； 9-摇杆； 10-铲斗油缸； 11斗杆
图2-4
图2-5动臂机构计算简图
图 2-6 动臂摆角范围计算简图
L1 min : 动臂油缸的最短长度; L1 max : 动臂油缸的伸出的最大长度;
A:动臂油缸的下铰点;B:动臂油缸的上铰点;C:动臂的下铰点。
φ1 是 L1 的函数.动臂上任意一点在任一时刻也都是 L1 的函数.如图 3-1 所示,图 中 L1 min : 动臂油缸的最短长度; L1 max : 动臂油缸的伸出的最大长度;θ1 min : 动臂油缸两铰 点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值; θ1 max : 动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线 夹角的最大值;A:动臂油缸的下铰点;B:动臂油缸的上铰点;C:动臂的下铰点. 则有: 在三角形 ABC 中:
（2-1）
在三角形 BCF 中:
(2-2)
由图 3-3 所示的几何关系,可得到α 的表达式:
= （2-3） 当 F 点在水平线 CU 之下时 为负,否则为正.
F 点的坐标为
(2-4)
C 点的坐标为
(2-5)
动臂油缸的力臂
=∠CAB (2-6)
显然动臂油缸的最大作用力臂,又令.这时 ( 2-7)
2.7 斗杆的运动分析
如下图 2-7 所示,D 点为斗杆油缸与动臂的铰点点,F 点为动臂与斗杆的铰点,E 点 为斗杆油缸与斗杆的铰点.斗杆的位置参数是,这里只讨论斗杆相对于动臂的运动, 即只考虑的影响。
D-斗杆油缸与动臂的铰点； F-动臂与斗杆的铰点
E-斗杆油缸与斗杆的铰点； -斗杆摆角
图 2-7 斗杆机构摆角的计算简图
在三角形 DEF 中
(2-8)
由上图的几何关系知
(2-9)
则斗杆的作用力臂
Sin∠DEF (2-10)
显然斗杆的最大作用力臂,此时
3 挖掘阻力
3.1 挖掘阻力的分析
反铲装置工作时，即可用铲斗油缸挖掘（简称转斗挖掘），也可用斗杆油缸挖掘（简称斗杆挖掘），或做复合动作挖掘。
3.1.1 转斗挖掘阻力的分析
图3-1 转斗挖掘阻力计算简图
1-铲斗油缸，2-斗杆油缸，3-动臂油缸
转斗挖掘时，土壤切削力随挖掘深度改变而有明显变化，经实验转斗挖掘时的切削阻力与切削深度基本上成正比。但总的来说，前半过程切削阻力较后半过程高，因前半过程的切削角不利，产生了较大的切削阻力。切削阻力的切向分力与土壤硬度、转斗切削半径、挖掘过程中铲斗总转角、铲斗转角切削刃宽度、切削角、斗侧壁厚度和切削刃挤压土壤的力有关。转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算，也把半月形切削断面看作相等面积的条形断面，条形断面的长度可看作成斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值。一般所谓平均阻力是指装满铲斗的全过程阻力平均值，国外有试验认为平均挖掘阻力的80%。转斗挖掘时，挖掘阻力的切向分力可表示为：
在 式中—— 切削阻力的切向分力;
C——土壤的硬度系数,对不同的土 壤条件取值不同,这里设挖机用于Ⅲ级土壤的挖掘,取值为 120;
R——铲斗与斗杆铰点 到斗齿尖距离,即转斗切削半径其在前面已经初步确定,取值为 850mm；
ψmax——某一 挖掘位置时铲斗总转角的一半45;
ψ——某一挖掘位置处转斗的瞬时转角,在此处由于是 求平均挖掘阻力,故初取 ψmax =ψ = 45
B——切削刃宽度影响系数,B = 1 + 2.6b= 1 + 2.6×0.776= 3.02m;
A——切削角变化影响系数,取 A = 1.3.;
Z——带有斗齿的系数, 取 Z =0.75;
X——斗侧壁厚影响系数,X = 1+0. 03S,其中 S 为侧壁厚度,由于是初 步设计,故预取 X = 1.15 ;
D——切削刃挤压土壤的力,根据经验统计 和斗容量的大 小选取 D = 8000N.
将以上的数值代入到式中可以解得:
=33.25KN
转斗挖掘装土阻力的切向分力为:
式中 ：
q ——密实状态下土壤容重，单位为N／；
——挖掘起点和终点间连线方向与水平线的夹角；
μ ——土壤与钢的摩擦系数。
计算表明：
与W1相比很小，可忽略不计。当φ=,=时出现转斗挖掘最大
切向分力，其值为：
试验表明法向挖掘阻力
的指向是可变的，数值也较小，一般 ＝00.2 ，土质愈
均匀， 愈小。从随机统计的角度看，取法向分力为零来简化计算是允许的。这样就可看作为转斗挖掘的最大阻力。
转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算。也即把半月形切削断面看作相等面积的条形断面，条形断面长度等于斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值，则平均切削厚度为：
平均挖掘阻力为:
39.16
式中:
用度数代表，一般所谓平均阻力是指装满铲斗的全过程阻力平均值， 因此应取。显然这一计算方法是近以的，国外有试验认为平均挖掘阻力为最大挖掘阻力的70～80％，可作为参考。
3.1.2 斗杆挖掘阻力的分析
斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数。一般取斗杆在挖掘过程中的总转角为，在这转角行程中铲斗被装满。这时斗齿的实际行程为：
式中：
——斗杆挖掘时的切削半径， =FV。
斗杆挖掘时的切削厚度g h 可按下式计算：
斗扦挖掘阻力为
式中： ——挖掘比阻力，当取主要挖掘土壤的值时可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土质值时则得最大挖掘阻力。
一般斗杆挖掘阻力比转斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度较小。
显然，研究挖掘阻力的目的是确定需要的斗齿挖掘力及其变化规律，以便在工作装置设计中给予保证。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖掘力太大或者其变化规律与阻力的变化不适应，则功率利用率要降低。
由于计算方法尚不成熟，挖掘力的计算值只供参考，设计时应尽量考虑到工作装置实际使用条件下的土质情况及同类型其它机器的实际作业情况。
3.2.1 挖掘的概念
挖掘力是衡量反铲装置挖掘性能的重要指标之一。关于挖掘力的概念目前国内外尚无统一的定义，因此可比性较差。为便于进行设计方案的分析比较， 对挖掘力概念规定如下。反铲装置挖掘力可按下列情况分为工作液压缸的理论挖掘力，整机的理论挖掘力和整机的实际挖掘力三类。
3.2.1.1 工作液压缸的理论挖掘力
反铲装置主要采用斗杆液压缸或铲斗液压缸进行挖掘。假定不考虑下列因素：
1、工作装置自重和土重；
2、液压系统和连杆机构的效率；
3、工作液压缸的背压。
工作液压缸外伸时由该液压缸理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力称为工作液压缸的理论挖掘力。
3.2.1.2 整机的理论挖掘力
液压挖掘机处于某一工况下工作液压缸的主动挖掘力能否实现主要取决于下列条件：
1、工作液压缸的闭锁能力；
2、整机的工作稳定性；
3、整机与地面的附着性能；
4、土壤(或其它作业对象)的阻力；
5、工作装置的结构强度。
当全面考虑这些条件后求得的工作液压缸能实现的挖掘力值就是整机在该工况下的挖掘力。
求整机挖掘力按下列假定进行：
1、考虑整机自重，有相对运动的构件重量分别计算；
2、在挖掘过程中斗中土重视为主动液压缸长度的分级线性函数，其重心与铲斗重心一致；
3、不考虑液压系统和连杆机构的效率；
4、不考虑液压缸小腔背压；
5、不考虑土壤阻力和工作装置结构强度的限制；
6、不考虑其它因素如停机面坡度、风力、惯性力、动载等的影响。
求得的挖掘力值称为整机的理论挖掘力。
3.2.1.3 整机的实际挖掘力
如果考虑到整机理论挖掘力计算时简化假定中忽略的某些因素，则可求得整机的实际挖掘力。但用于特殊作业条件时求整机实际挖掘力必须考虑坡度、风力等影响，如果不采用近似的作图法，而全部用数解法来计算整机挖掘力，则相当繁琐。用电子计算机分析比较各种设计方案的挖掘性能或验算已制成的挖掘机的挖掘性能，并与机器的实用或测试结果相对照，既可为改进设计提供依据，又可检验理论计算的正确程度。在对大量机型进行计算分析的基础上可为优化设计积累资料和提供简化根据。
3.2.2 挖掘力的计算
在考虑以上条件和假设的同时，在液压挖掘机在实际复合挖掘的过程中，为了最大限度的发挥挖掘力，司机主要按照以下两种工作方式进行复合挖掘：
复合挖掘方式一：铲斗油缸挖掘为主，斗杆油缸复合动作；复合挖掘方式二：斗杆油缸挖掘为主，铲斗油缸复合动作。
现以复合挖掘方式一为例，介绍整机符合挖掘力的计算方法。
图3-2 受力及力臂计算简图
如图（3—2）所示，为了计算复合挖掘力，本文将作用在斗齿尖V 点复合挖掘力分解为垂直于QV 的切向分力和与QV 线平行的法向分力，并令 (其中η 是一个带符号的系数,当η 取正则表示与图示法向力同向，反之则反向)，这样复合挖掘力的方向就确定了。计算任一挖掘位置整机理论复合挖掘力的步骤。
3.2.2.1 计算复合挖掘力对有关点的力矩及当量力臂
如图3—2 所示，令和对铰点F 的力臂分别为、 ，对动臂根部铰点C 的力臂分别为、对前倾点T 的力臂分别为、及对后倾点I 的力臂分别为、；并令：
同理，该挖掘力对点C、T、I 的力矩分别用切向力分别表示为：
式中：
为复合挖掘力对F、C、T、I 点的当量作用力臂。
求解当量作用力臂关键是求任意工况下的切向力和法向力对应各铰点的力臂
下面分别计算它们对应各铰点的力臂值：
1、分别对动臂根部铰点C 的力臂
d1 、d10 的计算；
图 3-3 力臂方向判断简图
构造三角形CQV 如图（3—2）中各图所示，假设图示和 的方向为正。取 和 对于C 点的力矩延逆时针方向为正，反之为负，这样就可以确定
1 d 、10 d 的正负。其正
负只与三角形的形状有关，因此
d1 、d10 的大小只与斗杆和铲斗液压缸的长度有关而与动臂液压缸长度无关。
式中∠CVQ 可通过反三角函数求出，当∠CVQ<90°时， d1 >0；反之小于0。在上式中只求出了d10 的大小，其方向须进一步加以判断；点C、Q、V 的坐标与任一工况的各油缸的长度对应，且法向力总是由V 指向Q 的，根据这些条件即可以确定d10 的正负。
如图（3-3）所示，
和分别为不同工况下，工作装置上铰点，它们确定了两条直线。当点C 位于铲斗与斗杆连接的铰点Q 和斗齿尖V 连线的上方(如图（3—4）中的直线f(x))，当它们分别与图中的Q、V 位置重合时，此时的法向挖掘力对C 点的力臂为负；反之当它们分别与图中的Q'、V'位置重合时，法向挖掘力对C 点的力臂为正。同理，若C 位于直线的下方，当铰点Q 和斗齿尖V 分别与图中的 和 位置重合时，法向挖掘力 对C 点的力臂为正；然而当它们分别与图中的 和 位置重合时，法向挖掘力对C 点的力臂为负。
对于任一工况， 都是定值,从而可以得到它们所在直线的方程：
综上所述，可以得到10 d 的大小及方向判断方法：
a、 当时
b、当时
2、和分别对斗杆与动臂连接铰点F 的力臂 和 的计算；
,
,
如图(3—2)所示,以三角形FQV为研究对象,同理取逆时针方向的力矩为正，假设切向和法向挖掘力的正向为图示方向，这样就很容易判断 和的正负。
其表达式为：
从上式可以看出， 、仅为铲斗油缸 的函数。
3、和分别对前倾点T 的力臂为的计算；
以三角形TQV 为研究对象，由于前倾点T 和动臂根部C 点均为固定点，因此的求解方式与
基本相同，只是假设条件不一样，取顺时针方向的力矩为正，来确
定 的方向。
同理，可以按以下a、b 两种情况来确定40 d 的大小及方向：
a、 当时
b、 当时
4、和分别对后倾点I 的力臂为 d5 、 d50 的计算；
以三角形△IQV为研究对象，由于后倾点I和动臂根部C 点以及前倾点T 均为固定点，
因此 d5 、d50 的求解方式与
d 1、 d 10基本相同，取顺时针方向的力矩为正，同理可确定d5 、
d 50的方向。
d 的大小及方向判断如下：
a、当时:
c、 当 时
当液压挖掘机工作装置处于任一挖掘位置进行挖掘时，各油缸的长度都确定了，其工
作装置上任一点的位置也固定。以上各推导过程的表达式中的所有的长度和角度都可以通
过两点间距离公式和反三角函数求出。这样就能应用计算机软件编程求解工作装置处于任
一工况下复合挖掘力对各铰点的力臂和当量作用力臂，为下一步计算打下了基础。
3.2.2.2 计算切向挖掘力
及复合 对
1、动臂液压缸闭锁力所限制的切向挖掘分力
如图(3—4)所示，取整个工作装置为隔离体。工作装置处于不同的挖掘位置时复合挖
掘力对C 点的当量作用力臂 的大小和方向也随之不断变化。以下分别按
两种情况来求。
a 、当 时；
复合挖掘力产生力矩有使整个工作装置绕动臂根部铰点C 逆时针转动的趋势。动臂液压缸在这种情况下处于受拉状态，其抗拉能力取决于小腔闭锁力 ，设 为动臂液压缸过载阀调定压力， 为动臂液压缸小腔作用面积，则。动臂液压缸不被拉长所限制的挖掘力的切向分力为 。
图 3-4 力臂简图
由对C 点的力矩平衡方程得：
式中：
——动臂油缸闭锁力；
e1 ——F 对铰点C 的力臂；
——动臂、斗杆、铲斗、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆机构的重量；
—对C 点的作用力臂。
b、 时
在复合挖掘力所产生的力矩，有使整个工作装置绕动臂铰点C 顺时针转动的趋势。此时动臂液压缸处于受压状态，其抗压能力取决于大腔闭锁力 ，设 为动臂液压缸大腔过载阀调定压力， 为动臂液压缸大腔作用面积，则=。
动臂液压缸不被压缩所限制的挖掘力的切向分力 ：
由对C 点的力矩平衡方程得：
2、斗杆液压缸主动所能发挥的切向挖掘分力(2)
图3-5
如图(3—5)所示，取斗杆、铲斗缸、铲斗和连杆机构为研究对象，由F 点的力矩平衡方程得：
式中：
——斗杆油缸的最大推力，F2 = p2 A2；
A2 ——斗杆油缸大腔面积；
p2 ——液压系统调定压力；
e2 —— F2 对铰点F 的力臂；
、、 —— 、 、 对F 点的作用力臂。
3、铲斗液压缸主动所能发挥的切向挖掘分力以铲斗为研究对象，由Q 点的力矩平衡方程得：
式中： F3 ——铲斗斗油缸主动推力，
A3 ——铲斗液压缸的大腔面积；
i——连杆机构传动比；
R Q3 、R Q6 —— G3 、G3 对Q 点的作用力臂；
L QV ——铲斗QV 的距离。
4、整机附着条件所限制的切向挖掘分力
=
式中： G——整机重量；
μ ——行走装置与地面的附着系数；
α ——复合挖掘力与水平方向的夹角；
图3-6 前倾稳定性所限制的挖掘力计算简图
5、整机前倾稳定性所限制的切向挖掘分力；以整机为研究对象，如图(3—6)所示，如果要使整机向前倾覆，那么合力矩必须为顺时针方向，由于前面求d4 、d40 时假设复合挖掘力延顺时针方向为正，那么整机要产生前倾的必要条件就是D T >0。
本文也按以下a、b 两种情况确定 的值。
a.、当DT ≤0 时
此时无论 取多大的正值液压挖掘机都不会出现整机前倾的情况，为了便于判断，在这种情况下本文取：
(5) =∞
图3-7 后倾稳定性所限制的挖掘力计算简图
b、.当DT >0 时
由前倾支点T 的力矩平衡方程得：
式中
G ——机体重量；
R TS —— G S 对T 点的作用力臂；
G0 ——动臂油缸重量；
——的重心至T 点的水平距离，即作用力臂；
6、整机后前倾稳定性所限制的切向挖掘分力；
的计算方法和基本相同，如图(3—7)所示。
a．当D I ≤0 时，此时挖掘机不会出现后倾现象，此时取：
=∞
b．当
D I >0 时：
由前倾支点I 的力矩平衡方程得：
式中：
R IS —— G S 对I 点的作用力臂；
——的重心至I 点的水平距离，即作用力臂；
3.2.2.3 整机理论复合挖掘力的计算
整机所能实现的理论复合挖掘力的切向分力为：
复合挖掘力为：
2
这样就求出了按照铲斗主动挖掘，斗杆复合动作的挖掘方式下的整机理论复合挖掘力。
挖掘方式二复合挖掘力的计算方法与上相同，在此不作说明
4 铲斗及单斗液压挖掘机反铲装置各机构尺寸的确定
图4-1挖掘机反铲工作装置设计简图
图4-2动臂机构计算简图
4.1动臂机构参数的选择
图4-3 最大挖掘半径时动臂机构计算简图
动臂参数的选择：
初选,
初取 ,其中
,
,
4.1.1 与的选择
据统计，最大挖掘半径值一般与的和值很接近，因此有要求的，已定的和可按下列近是经验公式初选和：,
,
,
,,,
4.1.2 与的计算
图4-4最大挖掘半径时动臂机构计算简图
4.1.3 的计算
由经验和反铲工作装置对闭锁力的要求初取=0.4
的取值对特性参数，最大挖掘深度和最大挖掘高度都有影响，增大会使减少或使增大，这符合反铲作业的要求，初选=65.
斗杆油缸全缩时，最大，依经验统计和便于计算，初选。
由于采用双臂油缸，的取值较小，初取
如图所示，在三角形CFZ中：
由图2-48最大卸载高度的表达式为：
由图2-49最大挖掘深度绝对值的表达式为：
将这两式相加，消去，
并令 ，
得
有特性参数
收藏