毕业设计（论文）挖掘装载机设计说明书

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1、河北工程大学毕业设计摘 要挖掘装载机俗称“两头忙”。因为它具有独特的构造，前端是装载装置，后端为挖掘装置。在工地上，您只需要转动一下座椅即可完成从装载机到挖掘机操作手角色的转变。挖掘装载机主要用于城市和农村的公路建和养护、电缆铺设、电力和机场工程、市政建设、农村住宅建设、开山取石以及各种小型建筑队所从事的各种建筑施工工程。“两头忙”始于小型多功能工程机械的一种，一般在大工程完成后的小工程中使用。他可配多种工作装置及铲装、路面破碎、平整场地、开挖沟渠、铺设管道等多种作业。它不仅有装在功能还有挖掘功能，真正实现以及多用的目的。 在设计过程中本着经济性好、适应性强、结构简单的基本原则。为了使整机的性

2、能尽可能的好，设计中参考了多种国内国外的同类机械。 本次设计的主要内容包括一下机各方面：1. 总体方案的确定和基本参数的选择；2. 工作装置的设计，其中包括铲斗、动臂、摇臂、连杆设计、及动臂油缸的选取；3. 工作装置各零件的强度校核；4. 整机及 零部件的绘图设计。关键词： 挖掘装载机、工作装置、铲斗。Abstract The backhoe loader is a newly developed product . With the successful design , it filled the blalnk of one machine with multi 一 function of

3、 small 一 sized loader in china . So it can not only load but also dig . It becomes a machine of two functions . The machine is a kind of widely used , efficiency engineering machinery . In order to exhibit the outstanding character of the machine completely . During the course of designing , 1 desig

4、n it in accour 一 dance with simple structure and cheep price . Compare the machine with the sarne kind of backlloes and consult them . 1 used some forlnulation and dates of experience , try my best to make the design rational . The whole designing process is just as follows :1 . To do overall design

5、 . Select the parameters ; 2 . To design the digging mechanism , such as selecting situations of articulated pins designing of bucket .3 . To select the hydrostatic system . 4 . To proof the steady character of the whole machine . Keywords backhoe loader 、 working mechanism 、 bucket .前 言挖掘装载机是一种应用广泛

6、的多功能的建设施工机械，并作为工程机械的重要机种。由于挖掘装载机可快速更换多种作业装置多品种，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。此型挖掘装载机主要有发动机、液压系统、挖掘装置、装载装置、行走装置和电器控制等部分组成。本论文由两大部分组成，包括挖掘工作装置和液压系统设计。挖掘装载机的主要工作之一就是土壤的挖掘。挖掘工作装置是直接完成挖掘任务的装置，许多挖掘装载机发达的国家广泛采用新技术、新方法来不断地提高挖掘装载机的作业性能和生产率。通过通用性及专业的挖掘装载机工作装置设计方法，进行工作装置的全面计算机通用性设计研究对推动国内挖掘机发展具有十分重

7、要的意义。挖掘装载机产品的核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析研究对推动国内挖掘机发展同样具有十分重要的意义。第一章 概述1.1课题背景挖掘装载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。据统计，一般工程施工中约有 60 的土方量、露天矿山中 80% 的剥离量和采掘量是用挖掘机完成的。挖掘装载机以它独特的特点在挖掘机的行列中起着越来越重要作用。随着我国

8、基础设施建设的深入和在建设中挖掘装载机的广泛应用，在工程机械市场有着广阔的发展空间，因此发展满足我国国情所需要的挖掘装载机是十分必要的。1.2挖掘装载机和工作装置及液压技术概述挖掘装载机大多是是依靠轮胎作为行走部件的挖掘装载机械。它行走速度快，不损坏路面，能远距离自行转场，可快速更换多种作业装置。正是具有机动、灵活、高效的鲜明特点，挖掘装载机在机场、港口、油田、矿山、城乡建设、农田水利以及快速抢修等物料挖掘、搬移方面得到了充分利用，发挥了其他机械不可替代的作用。尤其是随着城市化建设趋势的加速，市政维护工程的深度和广度的增加，公路交通建设和维护工作童的加重，排险、抢修、破碎拆卸等特殊作业和临时性

9、零星作业频次的增加，人们面临的问题不是单纯的，而是要整合挖掘作业。人们考虑的不单是完成主要作业任务的工效，而更要考虑如何去调度频繁的设备运送，而整个工作效率也决定于机器能否具有足够的灵活性、机动性，能否自行进入作业区，挖掘装载机也正是在这种情况下显现出其独特的优势。挖掘工作装置作为挖掘装载机的重要组成部分之一，对其研究和控制是对整机开发的基础。挖掘装载机挖掘工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是中型挖掘机的设计已经趋于成熟。而关于挖掘装载机的相关文献也很多，这些文献从不同侧面对工作装置的设计进行了论述。而作为设计者，我

10、木人的知识和水平还只是一个学步的孩子，进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设计有一些大体的认识，巩固所学的知识和提高设计能力。挖掘装载机的发展与液压技术密不可分，二者相互促进，一方面，液压技术是现代挖掘机的技术基础，另一方面，挖掘装载机的发展又促进了液压技术的提高。挖掘装载机的液压系统复杂，其性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。1.3国内外研究现状当前，国际上工程机械的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展挖掘装载机。目前，挖掘装载机的发展着

11、眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能；应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性；电子计算机监测与控制，实现机电一体化；提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，挖掘装载机有以下的趋势： ( l ）向大型化发展的同时向微型化发展。（ 2 ）更为普遍地采用节能技术。（ 3 ）不断提高可靠性和使用寿命。（ 4 ）工作装置结构不断改进，工作范围不断扩人。（ 5 ）由内燃机驱动向电力驱动发展。（ 6 ）液压系统不断改进，液压元件不断更新。（ 7 ）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。（ 8 ）增大铲

12、斗容量，加大功率，提高生产效率。（ 9 ）人机工程学在设计中的充分利用。液压传动是挖掘机的重要组成部分之一，口前常用的传动方式有机械传动、电力传动和流体传动。流体传动包括液体传动和气体传动，液体传动又分为液压传动和液力传动。所谓液压传动是指在密闭的回路中，利用液体的压力能来进行能量的转换、传递和分配的液体传动。在现代工业中液压传动技术几乎应用于所有机械设备的驱动、传动和控制，如操纵车辆转向和制动，控制和驱动飞机、机床、工程机械、农业机械、采矿机械、食品机械和医疗机械等。我国工程机械生产起步较晚，从 1954 年抚顺挖掘机厂生产第一台机械式单斗挖掘机至今，大体经历了测绘仿制、自土研发和发展提高三

13、个阶段。新中国成立初期，以测绘仿制前苏联 20 世纪 30 一 40 年代的机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史，由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂，到 20 世纪 80 年代末，我国的中小型液压挖掘机己形成系列，但总的说来，我国的挖掘机生产批量小，产品质量不稳定，与国际先进水平相比，差距较大。改革开放以来，生产企业积极引进、消化、吸收国外先进技术，促进了我国挖掘机行业的发展，目前国产挖掘装载机的产品性能指标已达到 20 世纪 80 年代的国际水平，部分产品达到了 90 年代的水平。国外挖掘机生产历史较长，液压技术的不断成熟使挖掘机得到全面发展。德国是世界上较

14、早开发研制挖掘机的国家， 1954 年和 1955 年德国的德马克和利渤海尔两家公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国是液压挖掘机生产的后起之秀， 20 世纪 70 年代开始引进技术，由于产业政策支持，很快进入国际市场，并已挤入国际液压挖掘机的土要生产国之一。 20 世纪 60 年代，挖掘机进入成熟期，各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其它技术相结合，使产品的适应性得到较快发展，产品寿命和质量不断提高操纵更加

15、舒适，产品更加节能。例如美国阵特彼勒公司 1995 年以后推出的 300B 系列液压挖掘机，采用一种命名为 Inaestro 的系统，通过载荷传感液压装置，控制发动机的输出功率，实现与液压泵的严格匹配。 Maestro 控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态，允许用户自行决定功率工况模式。再如韩国现代公司生产的 ROBEX450 一 3 型液压挖掘机，有四种功率模式，通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参数，使得发动机、液压泵的速度及液压系统压力与实际工况相适应，从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗。此种技术在日本小松、日立建机、神钢、韩国大宇重工、德国的利渤

16、海尔、英国的 JCB 等公司均得到普遍应用，代表了当代液压挖掘机的最高水平。目前液压技术的研究和发展动向主要体现在以下几个方面： ( l ）提高效率，降低能耗。 ( 2 ）提高技术性能和控制性能。（ 3 ）发展集成、复合、小型化、轻量化元件。（ 4 ）开展液压系统自动控制技术方面的研究与开发。（ 5 ）加强以提高安全性和环境保护为目的研究开发。（ 6 ）提高液压元件和系统的工作可靠性。（ 7 ）标准化和多样化。（ 8 ）开展液压系统设计理论和系统性能分析研究。1.4设计内容工作装置和液压技术是挖掘装载机的重要组成部分，本次设计是为对挖掘机的工作装置有大体上的认识，巩固所学的知识和提高自身的设计

17、能力。具体内容如下：1 ）挖掘装载机整体设计； 2 ）对挖掘装载机的挖掘工作装置各个部分进行设计与选型； 3 ）对斗杆进行具体的设计； 4 ）对液压系统进行设计，并对其液压元件进行设计与选型； 5 ）对铲斗液压缸具体设计。第二章 工作装置总体方案设计2 . 1 机型选择及特点分析本设计中，我选的是挖掘装载机，其挖掘工作装置采用反铲装置，行走装置采用轮胎式，回转装置采用液压马达驱动。挖掘装载机挖掘工作装置是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的装置，是目前工程机械中重要的品种之一。2 . 1 . 1 单斗挖掘机的特点挖掘装载机由于采用了液压传动装置而使其在结构、技未性能和使用效果等方面具有很

18、多特点，其优点综合叙述如下： 1 技术性能提高，工作装置品种扩大。能够适应多种工况需求。2 操作简便、灵活。采用的手动液压阀操纵，故操纵轻便司机的劳动强度大为减轻；驾驶室与机棚完全隔开，噪音减小、视野良好，振动减轻，改善了司机的工作条件。 3 传动性能改善，工作平稳、安全可靠。采用液压传动后能无级调速且调速范围大；能得到较低的稳定转速；液压元件的运动惯性较小并可作高速反转。 4 简化结构、减少易损件、机重小。5 液压元件易实现标准化、系列化、通用化。便于组织专业化生产，进一步提高产品质量、减低成本。也便于产品的更新换代。 6 机构布置合理紧凑。由于液压元件采用油管连接，各机构部件之间相互位置不

19、受传动关系的影响限制，布置可较灵活、合理、紧凑。 7 易于实现自动化。便于与电、气动联合组成自动控制和遥控系统。2 . 1 . 2 所选机型的适用范围在建筑工程、交通运输、露天采矿、水利施工及现代军事工程中都广泛采用，是各种土石方施工中重要的机械设备。由挖掘装载机在构造和性能上有较多的优越性，因此近年来发展迅速，成为工程机械的主要机种之一。2.2工作装置构成图 2 一 1 为我所选的挖掘装载机的反铲工作装置基本组成及传动示意图，如图所示反铲工作装置由铲斗 5 、摇杆 9 、斗杆 11 、动臂 2 、相应的三组液压缸 1 , 4 , 10 等组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂

20、连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三

21、种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。上述过程仅为一般的理想过程。挖掘装载机挖掘工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。根据以上特征，可以对工作装置进行适当简化处理 。则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，处理的具体简图如 2 一 2 所示。进一步简化得图如 2 一 3 所示。挖掘装载机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是 3 ，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度 L1 、斗杆油缸长度 L2 、铲斗油缸长度

22、 L 3决定，当 L 1、 L2、 L 3，为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定 。 2 . 3 动臂及斗杆的结构形式的初选动臂采用整体式弯动臂，这种结构形式在挖掘装载机中应用较为广泛。其结构简中、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻 ，且有利于得到较大的挖掘深度。缺点是可更换工装少，通用性较差。使用经验说明，长期用于作业条件近似的反铲，以采用整体臂较好。斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式直斗杆。2 . 4 动臂与动臂油缸的布置动臂油缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）设在转台回转中心之前并稍

23、高于转台平面，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影响动臂的下降幅度。并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双动臂在结构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足。2 . 5 铲斗与铲斗油缸的连接方式本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。该布置中 1 杆与 2 杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。如图 2 一 5 所示。2 . 6 原始几何参数的给定 1 ）动臂与斗杆的长度比 Kl 由于所设计的挖掘装机适

24、用性较强，一般不替换工作装置，故取中间比例方案， Kl 取在 1 . 5 一 2 . 0 之间，初步选取k1 l . 8 ，即 l1/l2 = 1 . 8 。-动臂下铰点到动臂与连杆连接的铰点的距离-斗杆与动臂连接的铰点到斗杆与铲斗连接的铰点的距离 2 ）铲斗斗容与主参数的选择斗容： q 二 0.25m3 , 按经验公式和比拟法初选：=910mm 3 ）工作装置液压系统主参数的初步选择 各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化“要求以及初步估取的液压缸受力。初选动臂油缸内径 Dl = 140mm ，活塞杆的直径 dl=90mm 。斗杆油缸的内径D2= 140mm ，活塞杆的直径d

25、2=90mm 。铲斗油缸的内径 D3 = 90mm ，活塞杆的直径d3= 63mm 。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程 LI 二 1377mm ，斗杆油缸行程 L2 二 1450mm , 铲斗油缸行程L3=1250mm 。并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比：1=2=3=1.6。参照任务书的要求选择工作装置液压系统的工作压力P=16Mpa。最大挖掘半径R R= 4570 mm最大挖掘深度 Hlmax Hlmax = 3600mm 最大挖掘高度H2max H2max= 5080mm 最大卸载高度H3max H3max 3480mm第三章 工作装置运动学分析3.1 动臂运动分析

26、1是 L1的函数。动臂上任意一点在任一时刻也都是 L 1的函数。如图 3 一 1 所不，图中 Ll min ：动臂油缸的最短长度； Llmax ：动臂油缸的伸出的最大长度；1min动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值；1max：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ABC中：L12=11=cos-1（）/ 在BCF中： 由图 3 一 3 所示的几何关系，可得到21 的表达式： 当F点在水平线CU以下时为负，否则为正。F点的坐标为 C点坐标为 动臂油缸的力臂 显然动臂油缸的最大的作用力臂，又令。

27、这时 3.2斗杆的运动分析如下图 3 一 2 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。在DEF中 由上图的几何关系知 则斗杆的作用力臂 显然斗杆的最大作用力臂，此时3.3铲斗得运动分析铲斗相对于XOY 坐标系的运动是、 的函数，现讨论铲斗相对于斗杆的运动，如图 3 5 所示， G 点为铲斗油缸与斗杆的铰点， F 点为斗杆与动臂的铰点 Q 点为铲斗与斗杆的铰点， M 点为铲斗油缸与曲柄的铰点， V 点为铲斗的斗齿尖点， K 点为连杆与铲斗的铰点， N 点为摇杆与斗杆的铰点

28、， H 点为曲柄与连杆的铰点。 l ）铲斗连杆机构传动比 i 和铲斗缸的当量作用力臂利用图 3 3 ，可以知道求得以下的参数：在 MNG 中 在HNQ中在QHN中在四边形KHNQ中铲斗油缸对 N 点的作用力臂r1： 连杆HK对 N 点的作用力臂r2： 连杆HK对 Q 点的作用力臂r3 铲斗对 Q 点的作用力臂r4连杆机构的总传动比显然由此式可知， i 是铲斗油缸长度L2的函数，用L2min代入可得初传动比 i0，L2max带入可得终传动比 iz 显然 i 、e3、 rl 、r2和r3都是 L3 的一元函数。2 ）铲斗相对于斗杆的摆角铲斗的瞬时位置转角为 其中，在 NFQ中 暂时未定，其在后面的

29、设计中可以得到。当铲斗油缸长度 分别取和时，可分别求得铲斗的最大和最小转角和，于是得铲斗的瞬间转角：铲斗的最大摆角范围 3）斗齿尖运动分析 见图 3 一 4 所示，斗齿尖 V 点的坐标值XV和YV，是 L 1、 L2、 L 3的函数只要推导出XV和YV的函数表达式，即 X V=fx（L1,L2,L3）,YV=fy(L1,L2,L3)。那么整机作业范围就可以确定，现推导如下：由F点可知： 在 CDF中： DCF 由后面的设计确定，在 DCF 确定后则有： 在DEF中 则可以得到斗杆瞬间转角 、在设计中确定。由CFN知 由Q点可知 在CQV中 在NHQ中 在HKQ中 在四边形HNKQ中 ,其在后面

30、的设计中确定。 在列出以上的各线段的民度和角度之间的关系后，利用矢量坐标我们就可以得到各坐标点的值。由前而的分析可知：动臂相对于水平而的瞬时转角、斗杆相对于动臂的瞬时转角和铲斗相对于斗杆的瞬时转角与相应的油缸长度是一一对应的。因此，斗齿尖坐标值也是 、 及的函数。只要知道瞬时的一组 、 及 ，相应的斗齿尖坐标就确定了。这样斗齿尖的坐标系（如图 3 一 4 ）可表示如下： 对于反铲装置上的其它点的坐标可采用同样方法求出。 V 点的 X 和 Y 坐标表示为 和，其它点的坐标表示方法与 V 点相同，而对各运动构件的重心坐标则用相应构件的重量代号作下标来替换。经分析可知：动臂上任意点（除去 C 点）在

31、任 一时刻的坐标值是的函数；斗杆上任意点（除去 F 点）在任时刻的坐标值是 和夕的函数；铲斗和连杆机构（除去 Q 点外）其它各点坐标值是 、 及的函数，以后在使用到这些点坐标时，就将其作为已知数据，不再作特别的介绍。3.4特殊工作位置计算 1）最大挖掘深度 图35 最大挖掘深度计算简图 如图 3 一 5 示，当动臂全缩时，F、Q、U三点共线且处于垂直位置时，得最大挖掘深度为： 由图可知 所以 2)最大卸载高度 如图 3 一 6 所示，当斗杆油缸全缩，动臂油缸全伸时， Q V连线处于垂直状态时，得最大卸载高度为：3）水平面最大挖掘半径如图 3 一 7 所示，当斗杆油缸全缩时， F 、Q 、V 三

32、点共线，且斗齿尖v和铰点 C 在同一水平线上，即 ，得到最大挖掘半径 Rlmax 为：第四章 工作装置基本尺寸的确定4.1斗形参数的确定斗容量q：q=0.25m3平均斗宽B： 可查续表知B=800mm， RD=910mm转斗挖掘转角（2 ）在经验公式中，为土壤的松散系数，取值为1.25，4.2动臂机构参数的确定根据在第二章中的图 2 一 2 ，即工作装置结构简图来计算出动臂、斗杆、连杆及铲斗的基本参数。图 2 一 2 如下。 4 . 2 . 1 与 A 点坐标的选取初选动臂转折处轴线夹角=120由经验统计和参考其它同斗容机型，初选特性参数铰点 A 坐标的选择：由底盘和转台结构，并结合同斗容其它

33、机型的测绘，初选： 4 . 2 . 2 与 的计算由统计分析，最大挖掘半径 值与 的值很接近，由已给定的最大挖掘距离 、已初步选定的=910mm和 =/=1.8，结合经验公式有：=(5570-910)/(1+1.8)=1664mm=1.81664=2995mm4.2.3与的计算如图4-1所示，在CZF中 经验值选取=1.2 =1920mm =2688mm4.2.4 的计算由经验和反铲工作装置对闭锁力的要求初取=0.8。 的取值对特性参数、最大挖掘深度和最大挖高 均有影响，增大 会使减少或使增大，这符合反铲作业的要求，初选 = 62 . 5 。斗杆油缸全缩时，最大，依经验统计和便于计算，初选=1

34、60 初取=5如上图4-1所示，在CZF中 令 =15.49因为 所以=631.48mm而和需要满足以下条件 将和代入上式得：=1.3 =0.5满足 所以、的取值是可行的。则可以求出 至此，动臂机构的各主要资本参数已初步确定。4 . 3 动臂机构基本参数的校核 4 . 3 . 1 动臂机构闭锁力的校核正常的挖掘阻力W1： 在 上式中，W1 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，这里设挖掘机用于级土壤的挖掘，取值为 100 ; 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 910mm ； 某一挖掘位置时铲斗总转角的一半； 某一挖掘位置处转

35、斗的瞬时转角，在此处由于是求平均挖掘阻力，故取 ；B切削刃宽度影响系数， B =1+2.6b=1+2.60.8=3.08； A 切削角变化影响系数，取 A =1.3 ; Z带有斗齿的系数，取 Z 二 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 二 1 . 0 x 10 4 N 。将以上的数值代入到 上式中可以解得：W1=19720N琳， 由图 3 一 7 知，最大挖掘深度时的挖掘阻力力矩M1j:M1= W1（+Yc） =19720（3.6+1） =90715

36、Nm动臂油缸的闭锁力 F1最大挖掘半径工作装置自身重力所产生的力矩 MG :要求力矩，首先应该需要知道作用力和作用力臂。在此处，则是先要求出工作装置各部分的重量：由经验统计，初步估计下作装置的各部分重量如下：动臂 Gl=470kg； 斗杆 G2= 215kg ；铲斗G3=200kg； 斗杆缸 G4 =122kg； 铲斗缸 G5=88kg； 连杆机构 G6 = 46kg；动臂缸 G 7=111kg： 当处于最大挖掘深度时 由图37有 Nm动臂油缸的闭锁力与工作装置重力所产生的力矩（对 C 点的矩） : 满足要求4.3.2满斗处于最大挖掘半径时，动臂油缸提升力矩的校核按经验公式取土的重量：当处于最

37、大挖掘半径时，工作装置简图如图 4 一 1 所示，则有：动臂油缸的推力在如图33所示，在ABC中 则此时动臂油缸提升力矩： 故满足要求。4 . 3 . 3 满斗处于最大高度时，动臂提升力矩的校核当斗杆在最大高度时的工况类似于图 3 一 6 ，此时动臂油缸全伸，斗杆油缸全缩。则式中 一 NF 与水平轴线成的角则工作装置所受重力和土的重力所产生的载荷力矩 :此时对于动臂油缸而言可求得此时的动臂油缸的力臂 此时动臂油缸的提升力矩 说明满足要求。4 . 4 斗杆机构基本参数的确定斗杆挖掘阻力:挖掘比阻力 ：斗杆切削半径 ：斗杆挖掘过程总转角（5080）取整个斗杆为研究对象，可得斗杆油缸最大作用力臂的表

38、达式：如图 4 一 2 所示图中， D ：斗杆油缸的下铰点； E ：铲斗油缸的下铰点； F 动臂的上铰点；：斗杆的摆角； ：斗杆油缸的最大作用力臂。斗杆油缸的初始位置力臂 与最大力臂有以下关系：越大，越小，即平均挖掘阻力越小要得到较大的平均挖掘力，就要尽量减少，初取：。由上图 4 一 2 的几何关系有：而取决于结构因素和工作范围，一般在 之间.初定 150 , 动臂上 也是结构尺寸，按结构因素分析，可初选.4 . 5 铲斗机构基本参数的确定 4 . 5 . 1 转角范围由最大挖掘高度场 、和最大卸载高度场的分析，可以得到初始转角：最人转角: ，其不易太人，太人会使斗齿平均挖掘力降低，初选 =

39、165 。4 . 5 . 2 铲斗机构其它基本参数的计算在图 4 一 3 中，:摇臂的长度；：连杆的长度； ：铲斗的长度；:斗杆的长度；F ：斗杆的下铰点； G ：铲斗油缸的下铰点；N ：摇臂与斗杆的铰接点；K：铲斗上铰点；Q：铲斗下铰点。则有： 铲斗的最大挖掘阻力应该等于斗杆的最大挖掘力，即粗略计算知斗杆挖掘平均阻力挖掘阻力所做的功 : 由图 4 一 4 知，铲斗油缸推力所做的功： 由功的守恒知铲斗油缸推力所做的功应该等于铲斗挖掘阻力所做的功： 可求得 则 剩余未选定的基本尺寸大部分为连杆机构尺寸，其应满足以下儿个条件： l ）挖掘力的要求：铲斗油缸的挖掘力应与转斗最大挖掘阻力相适应，当斗齿

40、尖处于 时，斗杆油缸的理论挖掘力应不低于最大挖掘阻力的 80%。 2 ）几何相容。保证 GFN、 GHN、口HNQK在的任意一行程下都不被破坏。至此，工作装置的基本尺寸均已初步确定。第五章主要部件反铲的三维造型5.1 Pro/E 简介Pro/ENGIEER 操作软件是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation,简称PCT）的主要产品。它提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念彻底改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念。Pro/E软件能将设计到制造的全过程集成在一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。从设计

41、思想上看，Pro/E系统可以实现真正的全相关性，任何修改都会自动反映到所有相关对象；它具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力；具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图，可以极大地提高设计效率。从实用性上看，Pro/E系统界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。Pro/E作为一个功能强大的设计软件，与其他设计软件相比，有自己的建模方式和自己的一些定义。只有了解它的建模原理与基本概念，才能利用其强大的功能。建模原理：Pro/E 是一个实体建模器，它将模型建立成实体，并允许用户在三维的环境中设计。用Pro/E所建立的模型具有体积

42、和表面积，因此用户可直接由创建的几何设计来计算出质量特征。基本概念：特征是指所有的实体、嵌片和对象等，是构成零件的最基本部分。Pro/E利用每次独立构造的一个块模型方式来创建整体模型。改变与特征相关的形状或位置的定义，就可改变与模型相关的形位关系。如图6-1所示关联Pro/E系统采用单一数据库管理，不管是零件还是装配件，都共享同一数据库，并且系统使用了数据库关联的方法。所谓关联就是在任意层面上更改设计，系统就会自动在所在层面上做相应的改动。比如将某个零件进行修改，并且保存，那么所有包括此零件的模型都会相应的进行变化。参数化Pro/E是一个参数化系统。所谓参数化就是将模型所有尺寸定义为参数形式。

43、当修改参数的数值时，系统在保持模型拓扑关系不变的情况下，几何大小和相对比例将随着参数的修改而变化。用户可以定义各参数之间的相互关系，使特征之间存在依存关系，当修改某一单独特征参数时，同时会牵动与之存在依存关系的特征进行变更，以保持整体的设计意图5.2 生成零件实体 对零件的特征进行分析，得出每个特征的尺寸。 启动Pro/E，进入零件设计模式，为零件命名。 从菜单管理器中选择加材料命令，生成零件的基本特征。 随后在此基本特征上添加或修改特征，从而完善零件设计。 看零件是否满足要求，如果不满足继续修改或添加特征，如果满意，则存盘退出。经过以上几步完成零件的实体造型。（1） 利用三维参数化设计，其优

44、点如下： 缩短总体与结构分析系统之间的协调时间与工作量。 加工成产品前即可实现数字化部装，即可提高装配的准确性又检验了各结构之间连接的正确性，同时合理的利用了时间。 尺寸为参数化驱动，为产品的系列化及结构设计修改提供了很大的方便。 可以通过输入零件密度的方法直接计算出结构分析系统的重量以及质心等，达到更优化的设计。利用Pro/ENGINEER 的二维工程图功能可直接输出元件及组件的二维工程图，对于外形复杂元件的设计,能够更加方便和准确,并且达到尺寸的互相关联，减少设计中的人为差错和工作量。 通过Pro/ENGINEER 的力学分析模块可进行整体结构的静、动力学分析。Pro/E实体建构的观念与方

45、式就如同机械零件的加工过程一般，每做一次“机械加工”所牵涉改变的实体几何，我们称为特征（Feature），如加工零件的方法可以填料方式挤出，除料的方式做切除、挖孔、圆角、斜角等不同的制程动作，每一个特征都可以彼此相互参考或独立存在。Pro/E是以特征（Feature）为基础的参数式设计系统，将特征视为最小的模型基础元素。一个完整的模型是由众多特征构成的，同样的，组合模型（Assembly）是由众多个零件（Part）结合而成的。1Part=Feature1+ Feature2+ Feature3+；1Assembly=Part1+ Part2+ Part3+（2） 建立各种特征的方法步骤建立基础

46、性特征的一般方法步骤：FeatureCreatSolid。在菜单中选择特征类型，如：Protrusion（凸出）、Cut（挖切）。选择特征体积建构方式，如：Extrude（挤出）、Revolve（旋转）、Sweep（扫描）、Blend（混合）等。选择特征属性，如：One Side（单边）、Both Side（双边）。确定绘图平面和参考面。绘制2D剖面图，最后：“确定”。选择材料侧（Material Side）。选择特征建立方向。选择特征深度。选择OK，完成特征建立。建立点放型特征的一般方法步骤：选择特征命令。选择特征类型。设定属性。确定位置放置参考。设定尺寸参数。完成特征建立。利用曲面建立实体

47、特征的一般方法步骤：可、利用建立曲面命令生成一个或多个曲面特征。对有关曲面进行各种操作，以获得所需的各种复杂形状，如合并（Merge）、裁剪（Trim）、延伸（Extend）、变换（Transform）、拔模（Draft）、区域移动（Area Offset）、拔模移动（Draft Offset）等。使用曲面（Use Quite），使曲面特征长成实体特征。可连续进行多次曲面长实体的操作。5.3 相关部件的装配零件设计只是产品开发的过程中一个简单的基本操作过程，最终用户需要的往往是一个装配体，即由很多个零件装配而成的产品。在Pro/E2.0中，零件装配是通过定义零件模型之间的装配约束来实现的，也就

48、是在个零件之间建立一定的链接关系，并对其进行约束，从而确定各零件在空间的具体位置关系。可以这样说，零件之间的装配约束关系就是实际环境中零件之间的设计关系在虚拟环境的映射。因此如何定义零件之间的装配约束关系是零件装配的关键。由于Pro/E2.0是建立在单一数据库之上的，因此零件与装配体是相关联的，这样如果修改装配体中的零件，则与其对应的单个零件也将发生相应的变化，同样如果修改单个零件，则装配体中与其对应的零件也将发生相应的变化。另外建立起来的装配体可以生成分解图，从而可以直观的观察到各零件之间的设计关系，并且用户也可以从装配体中生成工程装配图。 在Pro/E2.0中的装配约束类型共有9种，分别为

49、匹配、对齐、插入、坐标系、相切线上点、曲面上的点、曲面上的边以及自动等。 单击“元件放置”对话框中“放置”标签的“约束类型”栏的下拉框，将弹出上述各种可以选取的合适的约束类型。下面分别介绍这几种装配约束类型：匹配：用于两平面相贴合，并且这两平面呈反向。对齐：用于两平面或两中心线相互对齐。插入：用于轴与孔之间的装配。该约束可以使轴与孔的中心线对齐，共同处于同一直线上。坐标系：利用两零件的坐标系进行装配。该装配约束是将两零件的坐标系重合在一起。相切：以曲面相切方式对两零件进行装配。线上点：以两直线上某一点相接的方式对两零件进行装配。曲面上的点：以两曲面上某一点相接的方式对两零件进行装配。曲面上的边

50、：以两曲面上某一条边相接的方式对两零件进行装配。自动：以系统默认的方式进行装配。5.4 三维实体造型实例动臂和铲斗是挖掘装置的主要零部件，现以动臂和铲斗的三维实体造型为例说明如何应用Pro/ENGINEER进行三维实体造型。主要步骤如下：动臂三维实体造型首先，双击启动PRO-E建立一个新文件图4-1在上工具箱中单击按钮，打开“新建”对话框，在“类型”列表框中选择“零件”选项，在“子类型”列表框中选择“实体”选项，将其更名为“DONGBI”， 单击“确定”，如右图4-1：选择再选择下图图4-2创建拉伸特征，单击选FRONT:F3进入草绘面，单击进入到草绘状态下，用工具条中的直线工具命令绘制动臂的

51、轮廓线，如图4-3图4-3动臂轮廓线绘制完成后，单击工具条中的确定命令“”结束草绘状态，进入三维特征状态，在工具条中点击实体创建完成如下图创建孔特征单击选FRONT:F3进入草绘面，单击进入到草绘状态下，用工具条中的直线工具命令绘制孔的轮廓线，孔轮廓线绘制完成后，单击工具条中的确定命令“”结束草绘状态，进入三维特征状态，在工具条中点击实体创建完成如下图创建壳特征点击选择实体，输入壳的厚度为10mm。单击工具条中的确定命令“”结束草绘状态，进入三维特征状态，在工具条中点击实体创建完成如下图铲斗三维实体造型首先，双击启动PRO-E建立一个新文件在上工具箱中单击按钮，打开“新建”对话框，在“类型”列

52、表框中选择“零件”选项，在“子类型”列表框中选择“实体”选项，将其更名为“chandou”， 单击“确定”，如上图8-1：选择再选择下图创建拉伸特征，单击选FRONT:F3进入草绘面，单击进入到草绘状态下，用工具条中的直线工具命令绘制铲斗的轮廓线，如下图进入草绘绘制草图如下图铲斗轮廓线绘制完成后，单击工具条中的确定命令“”结束草绘状态，进入三维特征状态，在工具条中单击点击实体创建完成如下图创建壳特征点击选择实体，输入壳的厚度为10mm。单击工具条中的确定命令“”结束草绘状态，进入三维特征状态，在工具条中点击实体创建完成如下图创建拉伸特征单击选FRONT:F3进入草绘面，单击进入到草绘状态下，用

53、工具条中的直线工具命令绘制铲斗臂的轮廓线。动臂轮廓线绘制完成后，单击工具条中的确定命令“”结束草绘状态，进入三维特征状态，在工具条中点击实体创建完成如下图创建阵列特征单击，打开阵列工具条如下点击实体创建完成如下图第六章 总结 本文以WZ16-16挖掘装载机为样机，对反铲挖掘装置进行研究，运用PRO-E建模工具箱对挖掘机构进行建模，运用ANSYS软件进行了优化分析，并对转斗挖掘与斗杆挖掘两种挖掘过程进行了运动学和动力学分析，旨在改善挖掘装置的工作性能。具体研究工作和结论如下：1.挖掘装载机挖掘机构的运动学与动力学分析，为优化与仿真奠定了理论基础。2.建立挖掘装载机挖掘机构的模型建立，运用PRO-

54、E工具箱进行建模。3.本课题把ANSYS软件技术与挖掘装载机反铲挖掘装置设计结合起来，使设计过程更为合理，为挖掘装置及同类机型的设计提供了可供参考的理论依据。参考文献1. 中华人民共和国国家标准：挖掘装载机术语，挖掘装载机参数，挖掘装载机技术条件，中华人民共和国建设部 1988，9 批准2.徐希明 黄宗益 铲土运输机械设计，太原重型机械学院 3.记名刚 机械设计 西北工业大学机原理及机械零件教研室 机械设计4.机械设计手册：化学工业出版社（第二版）5.诸文龙 底盘设计 吉林工业大学 6.刘鸿文 材料力学 高等教育出版社 7.郑修本 机械制造工艺 江南大学理论力学哈尔滨工业大学理论力学研究室 8

55、.罗百顺、苻毅，挖掘装载机 40 年的发展历程，工程机械与维修，1997 年第四期9.王玉良，挖掘装载机的发展现状、趋势及研制思路，建筑机械，2003.110.陈世授，对我国液压挖掘机及装载机行业的思考，工程机械与维修，2001.911.王茂成、邵敏，有限单元法基本原理和数值方法，清华大学出版社，2001 年12.阎书文，机械式挖掘机设计，机械工业出版社，1991 年13.同济大学主编：单斗液压挖掘机，中国建筑工业出版社，198614.陈育仪 编著：工程机械优化设计，中国铁道出版社，198715.王茂成、邵敏，有限单元法基本原理和数值方法，清华大学出版社，2001 年16.耿国清：WZ30-2

56、5 型挖掘装载机,工程机械，2003.1217.冯忠绪，液压挖掘机反铲工作装置的有限元分析，长安大学，硕士论文 200318. RAY C.Johnson: Optimum Design of Mechanical Elements (Second Edition), A Wiley-Inter science Publication, New York,Chichester,Brisbane,Toronto,198019.Amanan L, Krishna Kumar R, Sriraman R. Thermo-mechanical finite element analysis of a

57、rail wheel J. Intermaltional Journal of Mechanical Sciences.1999, 41: 487-505.20.Mikell P Groover, Emory W Zimmers Jr. CALY CAM Computer aided Design and Manufacturing M. Prentice-Hill, USA, 198421.Improved Techniques for Dynamic Analysis of Earth Moving Equipment, SAE.附 录图纸一览表序 号名 称图 幅张 数1总装图A012挖斗A013斗杆A114动臂A115摇臂A31