DWY25多功能全液压挖掘机设计【石油】【含CAD高清图纸和文档】【GC系列】
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DWY25多功能全液压挖掘机,课题来源:成都神钢公司指导教师:赵伟民教授答辩人:廖刚2009.6,1概述,近几年来,国家加大了对交通方面的投资力度,尤其是在金融危机下,我国政府采取扩大内需宏观经济政策,以应对复杂多变的形势。在拉动内需的措施中加强了对铁路、高速公路、城乡道路的建设,这就为工程机械的的发展,提供前所未有的机遇。而作为交通运输、能源开发以及城镇建设等各项工程建设的挖掘机就显示出他的巨大作用。因此,重视和加速挖掘机改进创新,稳定提高产品质量,对加速现代化工程建设有着重大的意义。,国内外挖掘机的发展情况,挖掘机在国外早已形成系列,技术比较成熟。生产厂家主要有美国的卡特彼勒公司,OW2=0.42W1,在solidworks中的载荷和网格约束(如图3-6)。,图3-6铲斗载荷和网格划分,a)应力图,b)位移图,图3-7铲斗分析结果,铲斗材料为Q235,由结果可知铲斗的设计符合强度要求。,3.3.2斗杆的设计校核计算位置1的条件为:(1)动臂位于最低(动臂液压缸全缩);(2)斗杆液压缸作用力臂最大(斗杆液压缸与斗杆尾部夹角为90度);(3)斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上;(4)侧齿遇障碍作用有侧向力。计算位置2的条件为:(1)动臂位于动臂液压缸对铰点有最大作用力臂处;(2)斗杆液压缸作用力臂最大;(3)铲斗位于发挥最大挖掘力位置;(4)正常挖掘,即挖掘阻力对称于铲斗,无侧向力作用。,a)斗杆计算位置1应力图,b)斗杆计算位置2应力图,材料为Q235,由应力结果分布可以看出斗杆设计符合强度设计要求。,图3-8斗杆结果分析,3.3.3组合式动臂的有限元分析计算位置1其应满足以下条件:(1)动臂油缸全缩;(2)斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与副动臂铰点在同一条直线;(3)铲斗挖掘时,斗齿边遇到障碍。该工况也就是最大挖掘深度工况。计算位置2其满足以下条件:(1)动臂油缸的作用力臂最大;(2)斗杆的作用力臂最大;(3)铲斗进行正常挖掘,铲斗位于最大挖掘力位置。,a)副动臂网格划分和载荷,b)副动臂计算位置1应力图,c)副动臂计算位置2应力图,图3-9副动臂分析结果,副动臂材料为Q345,由应力结果知副动臂设计符合强度要求。,图3-10主动臂网格划分,a)主动臂计算位置1应力图,b)主动臂计算位置2应力图,图3-11主动臂分析结果,主动臂材料为HQ60,由结果可知主动臂设计符合强度要求,第4章稳定性分析,4.1稳定性分析挖掘机的稳定性是指在最不利的倾覆线上的稳定力矩之和大于或等于倾覆力矩之和。一般用稳定性系数K(1.01.25)来表示起重机的稳定性:,a.挖掘失稳状态1b.挖掘失稳状态2,c.挖掘失稳状态3,图4-1挖掘机失稳状态图,根据挖掘机的三种极限工况进行稳定性计算,结果都能使得K1,符合挖掘机的稳定性要求。,第5章液压系统设计,1、限压回路整个系统设置一个限压回路用来限制系统的压力,使系统压力不超过调定的值,用溢流阀来实现限压。2、卸荷回路卸荷回路采用换向阀中位卸荷。3、回转回路在挖掘机回转机构的回路上设有缓冲阀,利用缓冲阀使液压马达高压腔的油液超过一定压力时获得出路。4、节流调速和背压回路在液压缸的回油路上装以单向节流阀,形成节流限速回路。为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险,其大腔回油路上装以单向节流阀,使动臂下降速度受节流控制。在各个液压缸的进油和回油路上装以背压阀,实现各个液压缸的安全工作。5、行走限压回路利用节流阀调节马达回油速度,防止挖掘机超速溜坡。,图5-1液压原理图,展望,(1)运用优化设计、有限元分析等手段对结构优化。(2)对模型进行试验研究。(3)根据试验结果进一步改进设计及其建模工作。,谢谢!,敬请各位老师多提宝贵意见!,大庆石油学院毕业设计(论文)任务书题目 LXW80轮式底盘旋挖钻机设计专业 机自05-03班 学号 050401140328 姓名 程德考主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、 主要内容轮式底盘旋挖钻机的总体设计;进行钻桅及其调整机构的设计与结构分析;进行动力减速器的设计与动力特性分析;进行液压系统设计;进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等,折合0号图纸5张;设计计算书1.5万字;外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册;b、相关专业机械书籍;c、相关专业机械文章、专利资料;d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限: 3月31日6月22日 指导教师签名: 专业负责人签名: 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计(论文)任务书题目 YC600液压桩锤设计专业 机自05-06班 学号 050401140617 姓名 张乃天主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、 主要内容YC600液压桩锤的总体设计;YC600液压桩锤结构设计;液压系统设计;振动缓冲机构的设计;整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等,折合0号图纸5张;设计计算书1.5万字;外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册;b、相关专业机械书籍;c、相关专业机械文章、专利资料;d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限: 3月31日6月22日 指导教师签名: 专业负责人签名: 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计(论文)任务书题目 SQY200随车起重机设计专业 机自05-06班 学号 050401140602 姓名 杨 阳主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、 主要内容随车起重机的总体设计;随车起重机起重臂的结构设计;随车起重机平衡机构的分析;进行液压系统设计;进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等,折合0号图纸5张;设计计算书1.5万字;外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册;b、相关专业机械书籍;c、相关专业机械文章、专利资料;d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限: 3月31日6月22日 指导教师签名: 专业负责人签名: 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计(论文)任务书题目 GKC20高空作业车设计专业 机自05-06 班 学号 050401140622 姓名 牛 双主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、 主要内容高空作业车的总体设计;高空作业车动臂的动力特性和结构分析;液压系统设计;高空作业车的稳定性分析;2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等,折合0号图纸5张;设计计算书1.5万字;外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册;b、相关专业机械书籍;c、相关专业机械文章、专利资料;d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限: 3月31日6月22日 指导教师签名: 专业负责人签名: 2009 年 3月 13 日大庆石油学院毕业设计(论文)任务书题目 DWY25多功能全液压挖掘机设计专业 机自05-02班 学号 050401140230 姓名 廖 刚主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、 主要内容多功能全液压挖掘机总体设计;多功能全液压挖掘机的结构设计分析;液压系统设计进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等,折合0号图纸5张;设计计算书1.5万字;外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册;b、相关专业机械书籍;c、相关专业机械文章、专利资料;d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限: 3月31日6月22日 指导教师签名: 专业负责人签名: 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计(论文)任务书题目 SLZ600双轴螺旋钻孔机专业 机制05-02班 学号 050401140227 姓名 吕晓志主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、 主要内容双轴螺旋钻孔机的总体设计;双轴螺旋钻孔机的结构分析与设计;液压系统的设计分析;整机稳定性的计算。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等,折合0号图纸5张;设计计算书1.5万字;外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册;b、相关专业机械书籍;c、相关专业机械文章、专利资料;d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限: 3月31日6月22日 指导教师签名: 专业负责人签名: 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计(论文)任务书题目 MGZ100型锚杆钻机设计专业 机制05-05班 学号 050401140501 姓名 吴丽娟主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、 主要内容锚杆钻机的总体设计;锚杆钻机钻桅及其调整机构的设计分析;进行动力装置和装卸锚杆机构的动力特性分析与设计;进行液压系统设计;进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等,折合0号图纸5张;设计计算书1.5万字;外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册;b、相关专业机械书籍;c、相关专业机械文章、专利资料;d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限: 3月31日6月22日 指导教师签名: 专业负责人签名: 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院毕业设计(论文)任务书题目 DNXW100铁路公路两用旋挖钻机专业 机制05-02班 学号 050401140225 姓名 许建刚主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、 主要内容铁路公路两用旋挖钻机的总体设计;铁路公路两用旋挖钻机结构分析;液压系统的设计分析;进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等,折合0号图纸5张;设计计算书1.5万字;外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册;b、相关专业机械书籍;c、相关专业机械文章、专利资料;d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限: 3月31日6月22日 指导教师签名: 专业负责人签名: 2009 年 3 月 13日大庆石油学院毕业设计(论文)任务书题目 WT50物探钻机专业 机制05-02班 学号050401140201 姓名 金 鑫主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、 主要内容物探钻机的总体设计;物探钻机钻具的设计与结构分析;液压系统的设计分析;进行整机稳定性分析。2、 基本要求 设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等,折合0号图纸5张;设计计算书1.5万字;外文资料翻译3000汉字。3、 主要参考资料a、机械设计手册;b、相关专业机械书籍;c、相关专业机械文章、专利资料;d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限: 3月31日6月22日 指导教师签名: 专业负责人签名: 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院学生开题报告表课题名称DWY25多功能全液压挖掘机课题来源课题类型A导 师赵伟民学生姓名廖刚学 号050401140230专 业机械设计制造及其自动化一、调研资料的准备经过两周的调研,已经收集了大量有关挖掘机的期刊文摘,为接下来的毕业设计作好了充分的资料准备。同时,在查阅这些期刊文摘以及有关专业书籍和手册时,对挖掘机也有了初步的认识,对目前国内外液压挖掘机发展现状及其特点有所了解。二、设计目的国内液压挖掘机总的来说是机型和规格少、数量少、斗容量小,技术性能较低,可靠性和质量总的来说不如国外,品种、规格上满足不了国内市场需要。而提起国外液压挖掘机,许多人都会想到卡特彼勒、小松、日立、现代等公司的产品,这些公司液压挖掘机都有一个共同的特点:动臂与斗杆是铰接的,其挖掘范围是受动臂与斗杆限制的。组合式动臂挖掘机具有生产率高、灵活可靠、适应性强等优点。根据我国挖掘机当前现状,本次设计的液压挖掘机应该具有生产率高、灵活可靠、适应性强等优点。三、设计要求 充分运用大学以来所学的机械专业知识,查阅世界各地有关挖掘机的资料,了解当前国内外挖掘机的发展状况,分析我国挖掘机水平与国外的差距,熟练运用SolidWorks进行挖掘机的实体建模,并能运用COSMOS对挖掘机进行分析等。 具体要求如下:1.多功能全液压挖掘机总体设计;2.多功能全液压挖掘机的结构设计分析;3.液压系统设计4.进行整机稳定性分析。四、设计思路1.查阅国内外有关挖掘机的资料,以及挖掘机的发展状况,分析我国挖掘机当前水平与国外的差距和主要不足。 2.整理资料,提出可行的总体设计方案;3.根据设计方案,运用SolidWorks对挖掘机进行实体建模;4.运用COSMOS对挖掘机的反铲机构进行有限元分析;5.根据实体建模与有限元分析得出的结果数据,分析设计方案的可行性;6.整体稳定性计算并设计液压系统; 7.整理设计资料与设计数据,对确定方案进行计算分析,编写设计说明书。五、设计预期成果1.完成液压挖掘机整体建模;2.实现挖掘机构的创新设计组合式动臂的设计;3.完成0号图纸五张,说明书一本。4.外文资料翻译3000字。六、时间安排 68周,收集资料,讨论确定方案;910周,总体设计;1115周,挖掘机机构分析计算与设计;1617周,论文写作,修改;编写答辩提纲18周,参加毕业答辩。七、完成设计所具备的条件因素 对机械设计、制造、机电液综合控制等全方位有充分的认识,有查各种专业手册、期刊等资料的能力,较高的实践动手能力,充分认识液压挖掘机的构造、运动、工作等,有敏锐的创新意识,熟练运用设计时所需的软件,如SolidWorks、caxa等软件。 指导教师签名: 日期:1、课题来源:课题来源分为真实课题和自拟课题两种,真实课题要填写确切基金项目、企事业单位项目,不能写横向、纵向课题等。2、课题类型:A工程设计;B技术开发;C软件工程;D理论研究。大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 第 1 章 概述 .3 1.1 引言 .3 1.2 国内外液压挖掘机现状、特点 .3 1.3 液压挖掘机发展趋势 .5 1.4 本章小结 .6 第 2 章 挖掘机结构设计 .7 2.1 液压挖掘机方案的确定 .7 2.1.1 按底盘结构分类 .7 2.1.2 按变幅机构分类 .8 2.1.3 确定设计方案 .9 2.2 变幅机构的特点及设计原则 .9 2.2.1 反铲装置的工作特点 .9 2.2.2 反铲装置的设计原则 .10 2.3 本章小结 .11 第 3 章 挖掘机运动分析与有限元分析 .12 3.1 SOILDWORKS在挖掘机设计中的应用 .12 3.2 挖掘机反铲装置的运动分析 .12 3.3 挖掘机反铲装置的动力学分析 .14 3.3.1 液压挖掘机的理论挖掘阻力 .14 3.3.2 液压挖掘机的动力学仿真与有限元分析 .14 3.4 挖掘机反铲装置的静力学分析 .16 3.4.1 铲斗的受力分析 .16 3.4.2 斗杆的受力分析 .18 3.4.3 副动臂的受力分析 .21 3.4.4 主动臂的受力分析 .23 3.5 本章小结 .25 第 4 章 整机稳定性分析 .26 4.1 稳定性及计算方法 .26 4.1.1 稳定性 .26 4.1.2 稳定性校核 .26 4.2 接地比压计算 .28 4.3 本章小结 .29 第 5 章 液压系统设计 .30 5.1 液压系统的形式 .30 5.2 液压回路设计 .30 5.2.2 卸荷回路的设计 .31 5.2.3 回转回路的设计 .31 5.2.4 节流调速和背压回路的设计 .31 5.2.5 行走限压回路的设计 .31 5.2.6 辅助回路的设计 .32 5.3 重要液压元件的选型设计 .32 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 2 5.3.1 回转液压马达的选型设计 .32 5.3.2 工作机构液压缸的选型设计 .32 5.4 液压原理图 .32 5.5 本章小结: .33 结 论 .34 参考文献 .35 致谢 .36 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 3 第 1 章 概述 1.1 引言 液压挖掘机是交通运输、能源开发以及城镇建设等各项工程建设的重要施工 装备,它的使用也反映了这些部门的施工机械化水平。因此,重视和加速挖掘机 改进创新,稳定提高产品质量,满足用户需求,对加速现代化工程建设有着重大 的意义。 液压挖掘机反铲装置是完成液压挖掘机各项功能的主要部分,其结构的合理 性直接影响到液压挖掘机的工作性能和可靠性。本文根据液压挖掘机反铲装置的 结构特点和工作原理,通过类比各种型号挖掘机和其他工程车辆,将挖掘机的动 臂设计为组合式动臂结构,大大扩大了挖掘范围,增加了机械工作效率。 1.2 国内外液压挖掘机现状、特点 近十年来,液压挖掘机总的发展趋势是围绕提高可靠性和效率、降低成本为 核心,继续向大型化发展的同时向微型化发展;并着眼于动力、传动系统的改进 以达到高效节能。由于微电子技术的应用,使其自动化、机电一体化和智能化的 进程加快。为适应应用范围和使用条件的不断扩大,标准化、组件化成为必要的 条件,另外动力也不仅限于柴油机,也可以电力为动力。以全寿命理论为导向, 延长维修周期、加快维修进度和降低维修费用;以人机工程学为基础,更好地设 计和装备驾驶室,提高机械作业性能,降低振动和噪声,消除公害,是这液压挖 掘机得以成功发展的关键。最近几年,各地对液压挖掘机的需求量日益增加,液 压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是不可回避的事实。其主要特点是: (1)结构紧凑、机动灵活、零部件少、成本低、工作重量轻、生产能力高、 挖掘高度高;下挖准确,具有良好的选采性能;功能多样,完成挖掘作业后可以 迅速转化为辅助作业,如可自行清理场地,保持工地平整等。 (2)中小型液压挖掘机通用性强,既可以进行强力挖掘作业,也可以完成 地表平整等轻巧作业,近年来还发展到装有碎石器,进行建筑物拆除和大块矿岩 破碎等作业;用途广泛,依靠人机系统操纵和控制,使发动机功率最大限度地灵 活运用,从而发挥机器的强大挖掘力,快速作业,且操作轻巧。 (3)产品规格以中小型为主,逐渐向微型化发展,同时兼顾发展大斗容、 大功率液压挖掘机。例如在日本,由于缺乏劳动力,为降低施工成本而大力发展 微型液压挖掘机,它们可在环境狭窄、恶劣施工条件下代替人工劳动。随着矿山 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 4 开采的大型化,在欧洲发展了一批大型液压挖掘机。德马克公司 6251 的 H485 型、 O也是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施 工等各项工程建设的重要施工装备,是各国经济建设不可替代的装备。液压挖掘 机的使用反映了这些国家的施工机械化水平。重视和加速挖掘机改进创新,稳定 提高产品质量,满足用户需求,已成为生产和研制部门的重大课题 2。 (1)整机的发展趋势 液压挖掘机的整机发展,趋向于大型化、微型化、多能化和专用化。大型矿 用全液压挖掘机在短短几年内已由 100 吨级发展到 420 吨级,功率提高到 2352 马力,斗容达 30 立方米,目前发展仍是方兴未艾。大型机的特征是动力源采用 两台或多台柴油机联合驱动,采用了节省能源、回收功率和积蓄能等功率有效利 用的措施。结合城市建设和农村建筑的需要,国外发展了微型挖掘机,斗容量一 般在 0.25 立方米以下,最小的达 0.01 立方米。微型机的特点是结构简单,轻便 灵活,零部件尽量提高标准化程度。数量最庞大的中型机和小型机趋于一机多能 的途径,有的国家统计,非建筑用的中、小型机已占 30%左右,主要是在冶金工 业和林业中作物料装卸和其他用途。中型机和小型机的特点是发展多种专业装置 进行不同的作业( 也有通过液压接头,带动装在工作装置旁的油马达,驱动另一输 送设备) ,不断提高性能,贯彻三化和提高单位机重的功率等。发展专门用途的特 种挖掘机,可以提高工作效率,解决特殊施工困难,例如,目前发展有步履式、 履带低比压式、低噪音、水下专用、水陆两用等品种。配合水下资源的开发,对 水下专用挖掘机更较重视,开展了无线电遥控、电液遥控和同步显示控制技术在 水下挖掘机中应用的研究。 (2)工作装置的发展趋势 工作装置的型式进一步扩大,除了常用的正铲、反铲以外,发展了起重、抓 斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲 击工具、集装叉、高空作业架、绞盘与拉铲等几十种品种。工作装置的更换快速 而简便,甚至在司机室内按动电钮,几秒钟即可换好,并且通过挖掘过程的研究, 来控制工作装置的挖掘轨迹。目前正在研究连杆式、仿形式、套筒伸缩式、斗杆 追随式和具有运算输入装置的轨迹控制装置。 (3)控制技术的发展 将飞速发展的电子技术运用于控制领域,通过可编程控制元件、总线控制技 术的成功运用、大幅度减化控制系统、提高操纵控制性能和安全性能,使大型挖 掘机的操纵变得越来越容易、越来越灵敏,更具人性化。各种带有总线接口的发 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 6 动机、变速箱、液压阀、油泵、马达等控制和执行元件已较为成熟,成为挖掘机 发展的重要支撑 。 (4)智能化 随着挖掘机吨位的增大,智能化显得越来越重要,主要是指故障自诊断和自 动安全保护功能的不断扩展和提升。由于可编程控制技术的逐渐成熟,这类功能 的实现显得越来越容易,也必将成为挖掘机发展的重要趋势。 1.4 本章小结 本章主要介绍了挖掘机在交通运输、能源开发以及城镇建设等各项工程建设 中起到越来越大的作用,随着国家对道路建设的需求迅速增长,挖掘机的应用巨 大市场,以及国内外挖掘机的发展情况及目前的发展趋势,为本次设计的挖掘机 提供了行业应用基础。 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 7 第 2 章 挖掘机结构设计 2.1 液压挖掘机方案的确定 多功能全液压挖掘机适用于房屋建筑、道路工程、水利建设、农田开发、港 口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中,对减轻繁重的体力劳动、 保证工程质量,加快建设速度,提高劳动生产率起到巨大作用。根据行走装置结 构、动臂和斗杆的不同形式大致可以划分成以下两种类型。 2.1.1 按底盘结构分类 按底盘结构方式可分为履带式、轮胎式、汽车式、步履式、轨道式、拖式、 浮式等液压挖掘机,如图 2-1 所示。 a) 履带式液压挖掘机 b) 轮胎式液压挖掘机 C)浮式挖掘机 d)汽车式挖掘机 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 8 e)轨道式挖掘机 f)步履式挖掘机 图 2-1 按底盘结构分类 履带式液压挖掘机的优点是履带式重心低,在进行作业时也可以移动,驱动 力大,接地比压小,越野性能好,稳定性好,爬坡能力大,转弯半径小,灵活性 好。缺点是履带式的行走制造成本高,运行速度低,功率消耗大,零件磨损快, 长距离运行时要用运输车辆。 轮胎式液压挖掘机运行速度快,机动性好,不损坏路面,但是接地比压大, 爬坡能力小,作业时需要用专门支腿,稳定性和安全性稍差。 轮胎式液压挖掘机运行速度快,机动性好,不损坏路面,但是接地比压大, 爬坡能力小,作业时需要用专门支腿,稳定性和安全性稍差。 汽车式挖掘机机动灵活,行驶速度高。汽车式挖掘机突出的缺点是汽车前方 为挖掘作业盲区,影响挖掘性能的发挥。 步履式、轨道式、浮式挖掘机适用于特殊工作,实用性不够广泛。 2.1.2 按变幅机构分类 变幅机构可分为整体式和组合式,其中组合式包括伸缩式和非伸缩式结构。 如图 2-2 所示。 a) 整体式动臂+整体式斗杆结构 b) 组合式动臂+整体式斗杆结构 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 9 c) 整体式动臂+伸缩式斗杆结构 图 2-2 按变幅机构分类 整体式结构简单、价廉、刚度相同时结构重量较组合式动臂轻,它的缺点是 替换工作装置较少、通用性较差,一般适用于作业条件相似的反铲装置。 组合式结构的工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整;能够较 合理地满足各类作业装置的参数和结构要求,从而较简单的解决主要构件的统一 化问题,下动臂一般可以适应各种作业装置要求,不需拆换;装车运输也比较方 便。 2.1.3 确定设计方案 根据不同类型底盘和动臂斗杆结构的优缺点确定本次设计方案为:底盘选用 履带式,采用组合式动臂和整体式斗杆变幅机构的反铲装置。主动臂下铰点铰接 在转台上,通过主动臂缸的伸缩,使主动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动, 副动臂下铰点铰接在主动臂上,通过副动臂缸的伸缩,使副动臂连同斗杆绕主动 臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕副动臂的上铰点转动,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。底盘采用利勃海尔 R317 结 构,回转支撑采用内齿式回转支撑,发动机用 Cat C15 ACERT,采用全回转 机构的高速方案,此类型挖掘机操作轻便灵活、安全可靠,能满足挖掘、挖沟等 作业施工要求。 2.2 变幅机构的特点及设计原则 2.2.1 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 挖掘轨迹决定于各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、转斗挖掘等几种情况 3。 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 10 (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)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。 (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,以铲斗油缸上作进行挖 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已定时(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 SolidWorks 运动分析求得挖 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。 对于反铲装置主要的工作尺寸为最大挖掘深度、最大卸载高度和最大挖掘半径。 包络图中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上作,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都能发挥 最大挖掘力 4。 2.2.2 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 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 11 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)作装置应安全可靠,拆装方便。 (9)满足特殊使用要求。 2.3 本章小结 本章主要介绍了各种挖掘机,通过对比最终确定了挖掘机的方案,借鉴其他 挖掘机的优点来确定要设计的结构形式,变幅机构采用油缸变幅,其次介绍了挖 掘机的结构组成及其工作原理。 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 12 第 3 章 挖掘机运动分析与有限元分析 3.1 SoildWorks 在挖掘机设计中的应用 在挖掘机工作装置设计中,最困难的工作就是运动机构的设计与运动轨迹校 核,目前多采用轨迹图法或根据几何约束条件建立方程组进行求解,但对于运动 部件多于三个的机构,设计起来就要麻烦得多,并且设计工作不直观,设计结果 也不尽人意。而美国 SoildWorks 公司开发的基于 SoildWorks 操作系统的三维设 计软件 SoildWorks,则能充分解决上述问题,该软件是集设计、运动轨迹校核及 有限元分析于一体的强大应用软件,其建模速度快,直观,并能充分显示出各部 件运动中相互之间的协调关系 5。 3.2 挖掘机反铲装置的运动分析 本章仅对工作装置进行仿真分析,因此,在 solidworks 中建立液压挖掘机工 作装置的三维实体模型(如图 3-1 所示) ,按照是否存在相对运动(暂时不考虑行 走运动、回转装置)将挖掘机划分为:动臂、斗杆、铲斗、铲斗摇杆、铲斗连杆、 主动臂液压缸、副动臂液压缸、斗杆液压缸、左履带、右履带。 图 3-1 挖掘机模型图 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 13 液压挖掘机的基本参数是标示和衡量挖掘机性能的重要指标,同时也是挖掘 机仿真与优化样机效能评估参数的组成之一。为测量液压挖掘机工作范围的主要 作业尺寸,如最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸载高度等参 数,这里采用 solidworks 软件对液压挖掘机的顺序工作方式进行运动学仿真。在 各个液压缸添加驱动函数,这里采用阶跃函数即 STEP 函数 6。具体设置如下: 主动臂液压缸驱动函数:step(time,9,0,15,700)+step(time,32,0,41.5,-1250)+step( time,51.5,0,57.5,550);斗杆液压缸驱动函数:step(time,0,0,6,850)+step(time,15,0,27 ,1000)+step(time,39,0,41.5,70)+step(time,44.5,0,51.5,930);铲斗液压缸驱动函数:st ep(time,6,0,9,600)+step(time,27,0,32,-600)+step(time,41.5,0,44.5,600);副动臂液压 缸驱动函数:step(time,13,0,15,100)+step(time,32,0,41.5,-200)+step(time,51.5,0,57.5, 100)。从而,得出液压挖掘机工作范围的包络曲线图(如图 3-2 所示) 。 仿真过程依次为:从图 3-2 工作范围的 A 点(此时铲斗液压缸和斗杆液压缸 处于全缩状态)开始调整主动臂液压缸到全缩状态(AB 弧线) ,调整斗杆液压缸 由全缩到全伸(BC 弧线) ,调整铲斗液压缸由全缩到全伸状态(CD 弧线) ,调整 主动臂液压缸和副动臂液压缸由全缩到全伸(DE 弧线) 、调整铲斗液压缸由全伸 到全缩(EF 弧线) 、调整斗杆液压缸由全伸到全缩(FG 弧线) 、调整主动臂液压 缸和副动臂液压缸由全伸到全缩(GA 弧线),在运动轨迹的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 土壤虽能挖及,但可能引 起土壤的崩塌而影响挖掘机的稳定和安全工作,除有条件的挖沟作业(作业宽度 小于挖掘机履带内侧距离)外一般不使用。 由图 3-2 可得出挖掘机的主要作业尺寸的仿真值: 最大挖掘半径的仿真值是 7510mm;最大挖掘深度的仿真值是 4702mm; 最大挖掘高度的仿真值是 7242mm;最大卸载高度的仿真值是 3495mm。 图 3-2 挖掘机包络图 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 14 3.3 挖掘机反铲装置的动力学分析 3.3.1 液压挖掘机的理论挖掘阻力 挖掘机的挖掘力是指液压缸力通过相应构件传递给斗齿,用来切削土壤的作 用力挖掘力是挖掘机的主要性能参数,它与液压缸的推力、各铰点的位置有 关根据挖掘机挖掘方式的不同,挖掘过程可以分为:铲斗液压缸挖掘,斗杆液 压缸挖掘及作复合动作挖掘一般认为斗容量小于 0.5m,中小型的液压单斗反铲 挖掘机或在土质松软时以铲斗挖掘为主,而斗杆挖掘主要适用于正铲大功率装置 和一些坚硬的土壤或破碎岩石 7 (1)斗杆挖掘时挖掘阻力 (3-1)sggg KrqBhKW60011745. 式中: 挖掘比阻力; 斗杆挖掘时的切削厚度;B切削刃0 宽度影响系数, ; 铲斗的平均宽度; 斗杆挖掘时的切削b26r 半径; 土壤的松散系数; 斗杆挖掘过程中的总转角; 斗SKg q 容量。 (2)铲斗挖掘时挖掘阻力 (3-2)DBAZXRCW35.1max1cos 式中: 土壤的硬度系数,对不同的土壤条件取值不同,这里设挖机 用于级土壤的挖掘,取值为 4; 铲斗与斗杆铰点到斗齿尖距离; 某一挖掘位置时铲斗总转角的一半; 某一挖掘位置处转斗的瞬时max 转角; 切削刃宽度影响系数, ; 切削角变化影响系数;BbB21A 带有斗齿的系数; 斗侧壁厚影响系数, ,其中 为侧ZXSX03.1 壁厚度 ; 切削刃挤压土壤的力。D (3)复合动作挖掘时挖掘阻力 切向挖掘阻力 ,法向挖掘阻力 1bhKW01W2 其中: 挖掘比阻力; 斗宽; 挖掘深度; 挖掘阻力0 h 系数。 由于液压挖掘机大都采用复合动作挖掘,根据设计参数可知斗宽 =650mm,挖掘深度 =0.2 =130mm,因为该铲斗所要涉及的工矿最多为 级bhb 土壤,计算得 =22000N。挖掘阻力垂直分力K01 。NW924%4212 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 15 3.3.2 液压挖掘机的动力学仿真与有限元分析 作用在铲斗刃口上的挖掘阻力可分为两种情况:1)对称载荷;2)偏心载荷。 这里只研究对称载荷的情况,物料的重力 G 的方向始终垂直向下,位置在铲斗的 中部切向挖掘阻力 Wl 与法向挖掘阻力的方向相互垂直,并定义在铲斗中齿上。 其中切向挖掘阻力的方向始终沿铲斗轨迹的切线指向铲斗斗齿,法向挖掘阻力 W2 始终垂直于铲斗轨迹的切线指向铲斗斗齿,它们的方向相对于地面是随着铲 斗的转动而不断的变化,但相对于铲斗是不变的。 以挖掘机复合动作方式的作业循环时间为依据,用系统提供的 STEP 函数设 定挖掘机在一个工作循环中的各个液压缸的驱动函数及受力函数。具体如下: 主动臂液压缸驱动函数:step(time,9,0,15,700)+step(time,32,0,41.5,-1250)+step(time, 51.5,0,57.5,550);斗杆液压缸驱动函数:step(time,0,0,6,850)+step(time,15,0,27,1000 )+step(time,39,0,41.5,70)+step(time,44.5,0,51.5,930);铲斗液压缸驱动函数:step(ti me,6,0,9,600)+step(time,27,0,32,-600)+step(time,41.5,0,44.5,600);副动臂液压缸驱 动函数:step(time,13,0,15,100)+step(time,32,0,41.5,-200)+step(time,51.5,0,57.5,100) ;切向挖掘阻力函数:step(time,9,0,32,22000)+step(time,32,0,59,-22000);法向挖 掘阻力函数:step(time,9,0,32,9240)+step(time,32,0,59,-92400);重力函数:step(tim e,9,0,32,5000)+step(time,32,0,41.5,0)+step(time,41.5,0,44.5,-5000)。 下面采用 COSMOS/Motion 对挖掘机复合挖掘进行动力学分析仿真,计算出 各个液压缸的受力曲线图(图 3-3 到 3-6 所示) 。 图 3-3 主动臂油缸反作用力曲线 图 3-4 副动臂油缸反作用力曲线 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 16 图 3-5 斗杆油缸反作用力曲线 图 3-6 铲斗油缸反作用力曲线 由反作用力曲线可知,主动臂油缸的最大受力为 274012N,副动臂油缸的最 大受力为 388821N,斗杆油缸的最大受力为 250254N,铲斗油缸的最大受力为 111380N,此结果为液压系统变幅油缸的选型设计提供了理论依据。 3.4 挖掘机反铲装置的静力学分析 由文献8可以计算得出铲斗的基本尺寸,并在 solidworks 中建立铲斗的三 维模型并进行受力分析。 3.4.1 铲斗的受力分析 3.4.1.1 铲斗的理论挖掘阻力 由于液压挖掘机大都采用复合动作挖掘,根据设计参数可知斗宽 =650mm,b 挖掘深度 =0.2 =130mm,因为该铲斗所要涉及的工矿最多为级土壤,计算得hb =22000N。挖掘阻力垂直分力 。KW01 NW9240%4212 3.4.1.2 铲斗有限元分析 (1)零件材料 表 3-1 铲斗零件材料 零件序号 零件名称 材料 质量 体积 1 斗齿 Q345-A 2.41414 kg 0.000300538 3m 2 铲斗 Q235 475.406 kg 0.0617411 (2)载荷、约束信息(如图 3-7) 表 3-2 载荷、约束信息 制约-1 于 4 面 铰接。 力/扭矩-1 于 5 面 应用法向力 22000 N 使用均匀分布 力/扭矩-2 于 5 面 应用法向力 9240N 使用均匀分布 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 17 图 3-7 载荷、约束信息 (3)结果分析(如图 3-8) 表 3-3 铲斗分析结果 名称 类型 最小 位置 最大 位置 应力 1 VON:von Mises 应力 0.13965 N/mm2 (MPa) 节: 49120 (-7005.21 mm, 6898.55 mm, -349.116 mm) 110.22 /mm2 (MPa) 节: 56308 (-6301.46 mm, 6609.16 mm, 320.935 mm) 位移 1 URES:合位移 0 m 节: 8483 (-6444.92 mm, 6204.93 mm, 320.955 mm) 0.00222229 m 节: 3391 (-7387.03 mm, 7305.64 mm, 136.055 mm) 应变 1 ESTRN :对等应 变 5.57997e-007 单元: 7534 (-6424.99 mm, 7168.73 mm, 84.5544 mm) 0.00036976 单元: 29763 (-6303.45 mm, 6610.32 mm, 313.435 mm) 表 3-4 约束处反作用力 选择组 单位 总和 X 总和 Y 总和 Z 合力 4 个面 N -20186.3 6112.53 -111.32 21091.7 最后,将铲斗载荷传递到连杆机构,并计算出每个连杆的受力情况。其中连杆和 摇杆均为二力杆。 a) 铲斗应力图 b)铲斗位移图 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 18 c)铲斗应变图 图 3-8 铲斗分析结果 由以上设计结果,可知铲斗设计合理,取铲斗安全系数为 2.8,由 得, , 所以符合挖掘机械设计要求。ns MPa2.105.238.4 3.4.2 斗杆的受力分析 反铲装置的斗杆强度主要为弯矩所控制,故其计算位置可跟据反铲工作中挖 掘力对斗杆可能产生的最大弯矩来确定。根据斗杆工作情况的分析和试验说明, 危险断面最大应力发生在采用转斗挖掘的工况下。其计算位置可按以下条件确定, 一般取以下两个位置 9: 计算位置 1,如图 3-9 所示,条件为: (1)动臂位于最低(动臂液压缸全缩) ; (2)斗杆液压缸作用力臂最大(斗杆液压缸与斗杆尾部夹角为 90 度) ; (3)斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上; (4)侧齿遇障碍作用有侧向力。 这时,工作装置上的作用力有工作装置各部分的重量,作用于斗侧齿上的挖 掘阻力(包括切向分力 ,法向分力 和侧向力 ) 。1W2kW (3-3)TkMr 式中: 横向阻力 与回转中心间的距离; 回转平台制动器可承受rk T 的最大力矩。 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 19 图 3-9 斗杆计算位置 I 图 3-10 计算位置 2 计算位置 2,如图 3-10 所示,条件为: (1)动臂位于动臂液压缸对铰点有最大作用力臂处; (2)斗杆液压缸作用力臂最大; (3)铲斗位于发挥最大挖掘力位置; (4)正常挖掘,即挖掘阻力对称于铲斗,无侧向力作用。 此时工作装置上的作用力仅为工作装置的自重及斗齿上的作用力 及 。 1W2 3.4.2.1 斗杆计算位置 1 有限元分析 (1)零件材料 表 3-5 斗杆零件材料 零件序号 零件名称 材料 质量 体积 1 斗杆 Q345-A 533.63 千克 0.069 3m (2)载荷、约束、网格信息(如图 3-11) 图 3-11 计算位置 I 网格和载荷 (3)结果分析(如图 3-12) 表 3-6 斗杆分析结果 名称 类型 最小 位置 最大 位置 应力 1 VON:von Mises 应力 0N/mm2 (MPa) 节: 31856 (-2958.01 mm, -2925.19 mm, 149.9N/mm2 (MPa) (-3007.62 mm, -2476.9 mm, 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 20 -689.39 mm) 节: 11516 -829.553 mm) 位移 1 URES:合位移 3.598 e-008 m 节: 42 (-2849.69 mm, -968.946 mm, -749.553 mm) 0.001158 m 节: 22147 (-1046.08 mm, -4666.95 mm, -614.528 mm) 应变 1 ESTRN :对等应 变 6.191e-018 单元: 15837 (-2974.52 mm, -2918.17 mm, -778.183 mm) 0.003401m 单元: 7889 (-3009.53 mm, -2469.3 mm, -838.276 mm) 表 3-7 约束处反作用力 选择组 单位 总和 X 总和 Y 总和 Z 合力 面 1 N 54230.25 72000.29 20005.21 85420.38 面 2 N -11300.25 -63500.37 -70.4 74200.46 a)应力图 b)位移图 c)应变图 图 3-12 斗杆分析结果 由分析结果可知斗杆最大应力为 158.5MPa,取斗杆安全系数为 2,由 得=345/2=172.5158.5MPa,设计符合要求。ns 3.3.2.2 斗杆计算位置 2 有限元分析 (1)零件材料如表 3-9 所示。 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 21 (2)载荷、约束、网格信息(如图 3-13 所示) 图 3-13 计算位置 2 网格和载荷 (3)结果分析(图 3-14) a)应力图 b)合位移图 c)应变图 图 3-14 分析结果图 由计算结果可知,斗杆最大应力为 149.9MPa,取斗杆安全系数为 2,由 得=345/2=172.5MPa149.9MPa,所以设计符合强度要求。ns 3.4.3 副动臂的受力分析 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 22 计算位置 1(如图 3-15) ,其应满足以下条件: (1)动臂油缸全缩; (2)斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与副动臂铰点在同一条直线; (3)铲斗挖掘时,斗边点遇到障碍; 该工况也就是最大挖掘深度工况。 计算位置 2(如图 3-10) ,其满足以下条件: (1)动臂油缸的作用力臂最大; (2)斗杆的作用力臂最大; (3)铲斗进行正常挖掘,铲斗位于最大挖掘力位置 10。 图 3-15 计算位置 1 3.4.3.1 副动臂有限元分析 (1)零件材料 表 3-9 副动臂零件材料 零件序号 零件名称 材料 质量 体积 1 副动臂 Q345A 686 千克 0.0873 3m (2)网格划分和结果(图 3-16 和 3-17) a)网格划分 b)副动臂计算位置 1 应力图 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 23 C)副动臂计算位置 1 位移图 d)副动臂计算位置 1 应变图 图 3-16 副动臂计算位置 1 结果 a)副动臂计算位置 2 应力图 b)副动臂计算位置 2 位移图 b)副动臂计算位置 2 应变图 图 3-17 副动臂计算位置 2 分析结果图 由分析结果可知副动臂最大应力为 240.7MPa,取副动臂安全系数为 1.2,由 得 =345/1.2=288MPa240.7MPa,所以设计符合强度要求。ns 3.4.4 主动臂的受力分析 计算位置 1(如图 3-15) ,其应满足以下条件: (1)动臂油缸全缩; 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 24 (2)斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与副动臂铰点在同一条直线; (3)铲斗挖掘时,斗边点遇到障碍; 该工况也就是最大挖掘深度工况。 计算位置 2(如图 3-10) ,其满足以下条件: (1)动臂油缸的作用力臂最大; (2)斗杆的作用力臂最大; (3)铲斗进行正常挖掘,铲斗位于最大挖掘力位置 10。 3.3.4.1 主动臂有限元分析 (1)零件材料 表 3-10 副动臂零件材料 零件序号 零件名称 材料 质量 体积 1 主动臂 HQ60 587 千克 0.0778 3m (2)网格划分和分析结果(图 3-18 和 3-19) a)主动臂网格划分 b)主动臂计算位置 1 应力图 c)主动臂计算位置 1 位移图 d)主动臂计算位置 1 应变图 图 3-18 主动臂计算位置 1 分析结果 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 25 a)主动臂计算位置 2 应力图 b)主动臂计算位置 2 位移图 c)主动臂计算位置 2 应变图 图 3-19 主动臂计算位置 2 分析结果 由结果可知副动臂最大应力为 374MPa,取主动臂安全系数为 1.5,由 得 =600/1.5=400MPa374MPa,所以设计符合强度要求。ns 3.5 本章小结 本章通过运动分析,计算出挖掘机的包络图,为挖掘机的工作范围提供了理 论依据,并进行动力学分析计算出各个液压缸的受力情况,最后通过有限元分析 计算了各个危险工况工作装置的受力情况。 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 26 第 4 章 整机稳定性分析 4.1 稳定性及计算方法 4.1.1 稳定性 挖掘机的稳定性是指在最不利的倾覆线上的稳定力矩之和大于或等于倾覆力 矩之和。挖掘机的所有零部件、总成由于自重引起的力矩和配重外伸引起的力矩 都作为稳定力矩。对于可以变更的或者可以移动的零部件、凡是对挖掘机稳定性 有影响的重力,均要考虑其最不利的值和最不利的位置。倾覆力矩主要是由铲斗 内的重物和工作装置自重引起的 11。 4.1.2 稳定性校核 挖掘机的稳定性根据工况的不同可以分为作业稳定性、自身稳定性、行走稳 定性。本文以作业稳定性作为稳定性计算。挖掘机在挖掘过程中有两种失稳状态 即挖掘失稳和卸载失稳状态。本文主要以挖掘失稳状态作为校核。 4.1.2.1 挖掘失稳状态校核 反铲液压挖掘机的失稳状态有以下三种工况: (1)斗杆垂直于地面,斗齿尖离地面以下 0.5m,用铲斗挖掘,切向阻力垂 直地面,法向阻力指向机体,此时倾覆边缘在履带前端(如图 4-1) 。 在 solidworks 中测出各个零件的质量和重心的位置,并测出各个零件的重心 到履带前端的距离。 图 4-1 失稳状态 1 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 27 采用平衡法计算许用稳定系数: n= = (4-1)倾 覆 力 矩稳 定 力 矩 LWLgGii 271415 式中 底盘和上车总重 ;1GNG201 、 、 、 、分别表示铲斗、斗杆、副动臂、主动臂的重量,g234g =3570N, =5740N, =6870N, = 9490N。1234g 各个工作机构相对于履带前端的距离,其中iL =3675mm, =4047mm, =2837mm, =500mm, =3000mm12L3L4L5 , =500mm, =2832mm。67 切向挖掘阻力 =22000N,法向挖掘阻力 =9240N。1W2W 将以上数据代入公式 (5-1)中得: n=1.8 n=1 所以该工况挖掘机稳定性符合要求。 (2)在最大挖掘深度时斗杆及铲斗处于垂直位置,用铲斗液压缸挖掘,此 时挖掘阻力有使整机抬起的趋势,倾覆边缘在履带的后端(图 4-2) 。 在 solidworks 中测出各个零件的质量和重心的位置,并测出各个零件的重心 到履带后端的距离。 图 4-2 失稳状态 2 采用平衡法计算许用稳定系数: n= = (4-2)倾 覆 力 矩稳 定 力 矩 721 54LWHGgiii 式中 、 、 、 意义同(4-1) , 挖掘最大深度,H=4702mm,igiG1W2 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 28 =5699mm, =5270mm, =4926mm, =3873mm, =800mm, =51L2L3L4L5L7 102mm。 将以上数据代入(4-2)得: n=2.1n=1 所以该工况稳定性符合要求。 (3)在停机面上最大挖掘半径处用铲斗液压缸挖掘,挖掘阻力有使整机后 倾覆的趋势,倾覆边缘在履带的后端(图 4-3) 。 在 solidworks 中测出各个零件的质量和重心的位置,并测出各个零件的重心 到履带后端的距离。 图 4-3 失稳状态 3 采用平衡法计算许用稳定系数: n= = (4-3)倾 覆 力 矩稳 定 力 矩 61 54LWGgi 式中 、 、 意义同(4-1) ,ii1 =8948mm, =7509mm, =5698mm, =3430mm, =800mm, =86201L2L3L456L mm。 将以上数据代入(4-3)得: n=1.7n=1 所以该工况稳定性符合要求。 4.2 接地比压计算 挖掘机由于作业条件和环境比较恶劣,因此计算接地比压十分重要。 接地比压,是指公称(平均)接地比压。它等于机器的总重力与两条履带接地 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 29 面积的比值,用公式表示为 12: (4-4) bLGP2 式中 公称接地比压,MPa;P 机器的总重力, =250000N;G 履带接地长度, =3310mm;L 履带板宽度, =650mm。bb 由式 4-4 计算的接地比压是理想的平均比压(如图 4-4) 。 图 4-4 接地比亚 将数据代入公式(4-4),解得 =0.58MPa。P 通过计算可以得出的结论是挖掘机在工作时,路面承受压力的平均能力必须 大于 0.58MPa。 4.3 本章小结 本章进行了稳定性计算,包括抗倾覆性计算和接地比压计算两部分。抗倾覆 性计算需要稳定性力矩大于倾覆力矩,防止挖掘机在额定载荷作用下发生翻车事 故。接地比压计算求出挖掘机在工作时候的平均接地比亚,为挖掘机的稳定工作 提供了依据。 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 30 第 5 章 液压系统设计 5.1 液压系统的形式 1.开式、闭式系统 按油液循环方式不同,液压系统可分为开式系统和闭式系统。 开式系统是指液压泵从油箱中吸油,把压力油输给执行元件,执行元件排出 的油则直接流回油箱。开式系统结构简单,液压油能够得到较好的冷却,油液中 杂质易沉淀,但油箱尺寸较大,空气、脏物容易进入系统中去,会导致工作机构 运动的不平稳。在实际应用中多用于发热较多的液压系统,如具有节流调速回路 的系统。 闭式系统是指液压泵的排油腔直接与执行元件的进油管相连,执行元件的回 油管直接与液压泵的吸油管相连,油液在系统的管路中进行封闭循环。闭式系统 油箱尺寸小、结构紧凑、执行元件回油管和液压泵吸油腔直接连通,减少了空气 及脏物进入系统的机会,但油液的冷却条件差,需要辅助泵进行换油冷却和补偿 漏油,结构比较复杂。一般情况下,闭式系统中的执行元件若采用双作用单活塞 杆液压缸时,由于两腔流量不等,在工作中会使功率利用下降。所以闭式系统的 执行元件一般为马达 13。 2.单泵、多泵系统 按系统中的液压泵数量,液压系统可分为单泵系统和多泵系统。 单泵系统是指由一个液压泵向一个或一组执行元件供油的液压系统。单泵系 统适合于不需要进行多种复合动作的工程机械,如推土机等铲土运输机械的液压 系统。 多泵系统是多个单泵系统的组合。每台泵可以分别向各自回路中的执行元件 供油。每台泵的功率是根据各自回路中的功率而定。例如:当系统中只需要进行 单个动作而又要充分利用发动机功率时,可采用合流供油方式,即几个液压泵流 量同时供给一个执行元件,这样可使工作机构的运动速度加快。 5.2 液压回路设计 由于执行机构较多、工作环境恶劣、控制精度要求高等特点,挖掘机的液压 大庆石油学院本科生毕业设计(论文) 31 系统的设计应考虑多方面的要求。挖掘机的工作装置全部采用液压驱动。 挖掘机的作业过程包括下列几个间歇动作:动臂升降、斗杆收放、铲斗装载、 转台回转、整机行走、以及其他辅助动作 14。 挖掘机主机的工作由两项特殊要求:1、实现各种主要动作时阻力于作业速 度随时变化,因此要求液压缸和液压马达的压力和流量也相应变化。2、为了充 分利用发动机功率和缩短作业循环时间,工作过程中往往要求有两个主要动作同 时进行,这叫做复合动作。这两项要求需要由液压系统保证。 因此本次设计采用双泵单回路,全功率变量系统的开式液压回路,该系统中 两个油泵由一个总功率调节机构调节平衡使两个泵的流量相同。 5.2.1 限压回路设计 整个系统设置一个限压回路用来限制系统的压力,使系统压力不超过调定的 值,用溢流阀来实现限压。 5.2.2 卸荷回路的设计 卸荷回路是挖掘机各个机构不工作时,使液压泵尽可能以最低功率消耗进行 空转,采用换向阀中位卸荷。 5.2.3 回转回路的设计 在挖掘机回转机构的回路上设有缓冲阀,利用缓冲阀使液压马达高压腔的油 液超过一定压力时获得出路。 5.2.4 节流调速和背压回路的设计 节流调速就是利用节流阀的可变通流截面来改变流量,进行调速,为了工作 的安全在液压缸的回油路上装以单向节流阀,形成节流限速回路。为了防止动臂 因自重降落速度太快而发生危险,其大腔回油路上装以单向节流阀,使动臂下降 速度受节流控制。在各个液压缸的进油和回油路上装以背压阀,实现各个液压缸 的安全工作。 5.2.5 行走限压回路的设计 履带式液压挖掘机下坡行驶时,因自重加速,可能导致超速溜坡事故,发生 危险,此时行走马达超速运转,发生吸空现象,甚至损坏。因此履带行走装置必 须考虑行走液压马达的限速和补油,使液压马达转速控制在安全容许范围内。利 用节流阀调节马达回油速度,挖掘机一旦超速,进油供应不
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