反铲式单斗液压挖掘机工作装置结构设计【三维SW】【6张CAD图纸+文档全套文件】
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湘潭大学兴湘学院毕业论文题 目: 液压挖掘机工作装置设计 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 号: 2010962903 姓 名: 张飘 指导教师: 刘柏希 完成日期: 2014年5月26日 湘潭大学兴湘学院毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目: 液压挖掘机工作装置结构设计 学号: 2010962903 姓名: 张飘 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: 刘柏希 系主任: 刘柏希 一、主要内容及基本要求 本设计的主要内容为: 1拟定挖掘机挖掘动作的结构方案; 2. 按照方案的要求进行结构参数的计算及工艺参数的选择; 3. 关键零部件的设计计算; 4根据参数查找结构设计方面的书籍,进行工作装置整体结构设计。 本设计的基本要求如下: 1掌握挖掘机动臂、斗杆、铲斗的结构参数的计算及各工艺参数的选择; 2掌握利用装配图、零件图表达设计意图。 二、重点研究的问题 本设计的重点研究问题有两个: 1工作装置结构设计。对各种实现方案进行对比,从中选择最佳结构; 2挖掘动作实现方案设计。对挖掘机工作装置可达工作空间的分析。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅相关资料第1周2确定工作装置整体结构第23周3零部件的强度、刚度校核第46周4根据选定的一种结构设计方案,用计算机或手工绘制系统传动图、装配图、主要零件图第711周5翻译相关英文资料一份3000字左右第12周6撰写毕业论文(设计)说明书第13周78四、应收集的资料及主要参考文献【1】液压挖掘机 : 高衡 张全根 同编 中国建筑工业出版社 1981年 【2】单斗液压挖掘机 : 同济大学主编 中国建筑工业出版社 1986年 【3】液压传动 : 章宏甲,黄谊主编 机械工业出版社2002年 【4】工程机械优化设计 ;陈育仪编著 中国铁道出版社1987年 【5】工程机械构造图册 ;刘希平主编 机械工业出版社 1990年 【6】新编机械设计手册 ;蔡春源主编 辽宁科学技术出版社 1993年 【7】液压元件与系统设计 ;李玉琳主编北京航空航天大学出版社 1991年 【8】液压挖掘机反铲工作装置整机理论复合挖掘力的计算模型及其应用研究 ;荣洪均主编 重庆大学出版社 2007年 【9】液压挖掘机工作装置结构性能分析 ; 任友良主编 2010年 【10】工程机械结构与设计 ; 靳同红,王胜春主编 化学工业出版社 2009年 【11】液压挖掘机构造与维修手册 ; 王晓伟,张青等主编 化学工业出版社 2007年 【12】机械设计(第八版) ; 濮良贵,纪名刚主编 高等教育出版社 2006年 【13】材料力学(第4版) ; 刘鸿文主编 高等教育出版社 2004年 【14】理论力学() ;哈尔滨工业大学理论力学教研室编 高等教育出版社 2009年 【15】工程机械、建筑机械化等有关学术杂志在近年来发表的相关文献。 湘潭大学兴湘学院毕业论文(设计)评阅表学号 2010962903 姓名 张飘 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目:液压挖掘机工作装置结构设计 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的;2.难度、份量是否适当;3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力;2.是否有综合运用知识的能力;3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力;4.是否具备一定的外文与计算机应用能力;5.工科是否有经济分析能力。论文(设计)质量1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何;3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。综合评 价评阅人: 2014年5月 日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文(设计)鉴定意见 学号: 2010962903 姓名: 张飘 专业: 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计说明书) 35 页 图 表 6 张论文(设计)题目: 液压挖掘机工作装置结构设计 内容提要: 小型液压挖掘机工作装置的设计。液压挖掘机是一个周期性作业的自行式土方机械,其工作运动包括铲斗、斗杆和动 臂的动作,平台的回转及整机的移动。它的基本作业过程是;铲斗切削土壤并将土壤装入斗内。铲斗装满后动臂和斗杆动作,将其提升到适当高度,然后平台回转至卸土位置进行卸土(转斗)。铲斗卸空后再回转下降到原来的位置进行下次挖掘以此循环。当完成一段土方后机器行走移位,以便继续工作。液压挖掘机整机可分为:工作装置、回转平台、行走底盘三大部分。工作装置的主要任务是完成挖掘、提升、卸载等动作。工作装置设计是否合理,选配是否恰当,直接关系到挖掘机的作业范围、挖掘力和生产率。应用最多的是反铲作业装置,其基本结构都是采用三组液压缸(动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸)。这三组油缸可以单独动作,也可以同时动作(复合动作)。如斗杆油缸伸出做挖土动作时,铲斗油缸可做伸出或缩回动作以调整切削角度,充分发挥挖掘力,使挖掘动作顺利完成。要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗既可以各自单独动作,又可以互相配合实现复合动作。工作装置的动作和转台的回转既可以单独进行,又能做复合动作,以提高挖掘机的生产率。通过本次设计能达到以综合训练为目的,有利于培养学生独立工作能力,巩固和提高所学知识,增强学生机械创新的设计能力。指导教师: 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长: 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任: 年 月 日8 目 录摘 要1Abstract21绪 论41.1本课题的目的和意义41.2国内外液压挖掘机的发展情况41.3设计概述52总体方案72.1设计任务72.2工作装置设计原则72.3液压挖掘机的总体结构72.4整体设计83工作装置的设计113.1 工作装置总体方案的选择113.2工作装置结构尺寸的确定154工作装置的强度校核194.1挖掘力的计算194.2工况的选择194.3力的计算204.4斗杆、动臂的强度校核245工作装置零件建模与整机装配295.1工作装置零件建模295.2整机装配316结 论33参考文献34致 谢3535 液压挖掘机工作装置结构设计摘 要液压挖掘机是工程机械的重要产品之一,具有较高的技术含量。工作机构是液压挖掘机的主要装备,机构各铰点以及其具体结构的设计将是决定工作机构性能水平的重要因素,决定了液压挖掘机的工作性能,影响其最终使用性能的好坏,所以对液压挖掘机工作机构的研究是十分有必要的。利用SolidWorks软件先建模后分析,可以大大缩短设计周期和设计工作量,能快速适应市场竞争的需求,有着重大的社会价值和经济价值。本次设计完成的主要任务有:1) 挖掘机工作机构类型的综合分析和选用;2) 液压挖掘机工作装置的结构设计和尺寸计算;3) 工作装置部分的液压系统设计;4) 对主要零部件进行力学分析和计算;5) 驾驶室、三组油缸、铲斗、动臂、斗杆、摇杆的三维建模;6) 挖掘机整体建模与装配设计;关键词: 液压挖掘机;工作机构;液压系统;力学分析; The Design and Motion Analysis of Hydraulic Excavators Working MechanismAbstractThe hydraulic excavator is one of the most important construction machineries, and includes the higher technical specification. Working device is the main equipment of the Hydraulic Excavator. The design of hinge points and concrete structures is an important factor which has a decisive influence on the use of working device. And it affects the quality of the end-use performance. Therefore, the research of the hydraulic excavator is necessary. Motion simulation is down after modeling by SolidWorks .This method of design can greatly reduce the design cycle. Also it can quickly adapt to the needs of market competition, has significant social value and economic value.Main contents contained in the article are following:1) The comprehensive analysis and selection of excavator working mechanism type;2) The structure design and size calculation of hydraulic excavator working equipment;3) The hydraulic system design of working device;4) The analysis and calculation of the ma the typical parts; 5) The 3D modeling of operator cab, three groups of oil cylinder, bucket, boom, arm and bucket;6) Excavator overall modeling and assembly design;Key Words:Hydraulic Excavator;Working Device;Hydraulic System;Mechanical Analysis;Motion Analysis1绪 论1.1本课题的目的和意义液压挖掘机是一种周期作业的土石方施工机械,在交通运输、民用建筑、矿山开采和市政工程等场所得到广泛应用,是各种土石方工程中非常常用的一种重要工程机械。主要用于建筑工程中拆除和开挖地基,水利工程中开挖坑槽和疏通河道,道路建设中道路平整和岩石破碎,市政建设中铺设管道和破碎路面,现在一些新型挖掘机可以水下作业。由于施工环境有时比较恶劣,对挖掘机的技术性能要求比较高,所以液压挖掘机的科技含量比较高,是工程机械中最重要的产品之一。可以说液压挖掘机的制造技术水平和生产能力反映了一个国家的工程机械的整体水平,不夸张的说也能反映这个国家的装备制造业水平1。液压挖掘机结构非常复杂,整机的零部件高达3000多件,覆盖机械、液压、石油化工和电气等行业,其发展可以带动这些产业的发展并且对国民经济的发展有重要影响。目前我国正处于经济建设的上升期,各地都在大兴土木进行建设,并且随着“十二五”计划的开始,我国城镇化建设在未来一段时间内将驶上快车道,对于在土方施工以及工程建设方面起重要作用的挖掘机械产品,必将随之保持着繁荣景象。挖掘机行业在未来几年必会迅猛发展,现在能掌握这门技术就显得更为有意义。1.2国内外液压挖掘机的发展情况1、国内液压挖掘机的发展和现状挖掘机的生产在我国开始的比较晚,在1954年抚顺重型机器厂才仿照前苏联的机械式挖掘机W10012和W5012生产了我国第一台斗容量为1m3的机械式单斗挖掘机2,而液压挖掘机到1967年才开始,这都远远落后于西方发达国家。最近几年随着改革开放的深入,液压挖掘机在我国得到大力发展,许多液压挖掘机生产厂商如雨后春笋般的出现,并形成了一定的规模。目前,国内挖掘机整体技术水平处于国际二十世纪八十年代末九十年代初水平,与国外先进技术的差距还十分明显,许多关键技术都还没能突破,尤其是液压挖掘机更是任重而道远这。近几年,我国的挖掘机行业发展迅速,特别是中、小型液压挖掘机的发展,现在都已形成系列。在这些生产企业中,以三一重工为首,玉柴重工、柳工、福田雷沃、山河智能等企业组成的中国挖掘机团队已达到一定的规模和水平。但是我国至今仍然未能开发出完全自主的液压挖掘机,其关键技术还得依靠外国,国内市场主要被外企占据,即使那些比较有名的国产品牌还得需要与外企合作,没有自主开发的产品。总而言之,近几年我国液压挖掘机发展迅速,但要达到国际水平还任重道远。2、国外液压挖掘机的发展和现状在国外,挖掘机的最早雏形出现在十六世纪的意大利威尼斯,当时还是人力驱动主要用于运河的疏浚工程。到1836年出现了以蒸汽机驱动的“动力铲”,它可以模拟人的掘土工作。到1899年人们开始将电动机应用到挖掘机上从而出现了电动挖掘机。第一次世界大战后,人们开始将汽油机和柴油机用于挖掘机,这大大改善了挖掘机的使用性能和范围,使得挖掘机得到大力发展。 进入二十世纪,由于液压技术的应用,使得挖掘机得到质的改变。20世纪40年代液压技术开始应用于挖掘机,出现了半液压传动的挖掘机。到20世纪50年代研制出了全液压传动的挖掘机。尽管初期研制的液压挖掘机的液压技术不够成熟,主要是是采用机床和飞机的液压技术。其液压元件的制造质量也不够稳定,但是液压技术的应用还是让挖掘机得到了一次飞跃式发展。尤其是到了60年代,开始出现完全为挖掘机设计的液压技术和液压元件,液压挖掘机正式进入了蓬勃发展的阶段,随着经济发展的加快,挖掘机制造厂商和品种增加迅速,挖掘机产量也迅猛增加3。到七十年代,液压挖掘机已成为主流挖掘机产品,产量已占据绝大份额。到目前,液压挖掘机几乎已经占领挖掘机市场,特别是中、小型挖掘机。随着液压技术的进一步成熟以及计算机技术、自动化控制技术和机电一体化技术等的快速发展,国际上液压挖掘机的生产和研制正在朝向更加节能高效化、小型化、多功能化和人性化的方向发展4。1.3设计概述本设计为液压挖掘机工作机构设计。液压挖掘机的类型较多,其工作装置又可分为正铲式和反铲式。由于目前市场上中、小型挖掘机大多采用反铲式,只有一些大型挖掘机和有特殊要求的挖掘机才采用正铲式,所以本次设计的挖掘机类型为反铲式单斗液压挖掘机。本次设计的任务是设计一个标准斗容为0.92m3,挖掘级及以下土壤的液压挖掘机。它属于中型液压挖掘机,主要设计挖掘机的工作装置。 2总体方案2.1设计任务分析挖掘工作对工作机构的要求,然后进行挖掘机工作机构类型的综合分析和选用并进行各主要零部件的尺寸设计,再进行工作装置液压系统的设计,在上面各零部件设计的基础上,进行挖掘机的整体装配设计和装配干涉分析,再对各主要零部件进行强度计算检验设计的合理性。2.2工作装置设计原则本次设计的液压挖掘机工作装置为反铲式,而要设计合理的反铲装置必须满足以下要求:1)、主要的工作尺寸和工作范围能满足使用要求,2)、整机挖掘力的大小和分布情况应满足使用标准,同时机器应具有一定的先进性。3)、确定各个铰点位置,各零部件的结构形式和截面尺寸形状时应尽可能使受力状态有利,并尽量减轻各个结构的重量。4)、工作装置的液压缸设计应考虑三化,采用系列参数。5)、工作装置的结构形式和布置要易于装拆和维修,尤其是那些易损坏的零部件的更换。6)、采取合理有效的方法来达到特殊使用要求5。2.3液压挖掘机的总体结构液压挖掘机的总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等6。其主要零部件名称如图2-1所示:图2-1液压挖掘机的基本构造1.动臂缸 2.斗杆缸 3.铲斗缸 4.动臂 5.斗杆 6.铲斗 7.摇杆 8.连杆 9.驾驶室 10.上部机构 11.下部机构 12.行走机构2.4整体设计参照【2】P46,根据经验公式计算法估算出整机各部分尺寸和工作装置尺寸。给定的设计参数:铲斗斗容量q=0.92m3。根据经验公式,估算整机质量为G=2179+20147q=20.7吨。根据经验公式求各线性尺寸参数:Li=(m) (2-1)式中 Kli线向尺寸经验系数,G为整机质量。参照【2】P47表1-3 机体尺寸和工作尺寸经验系数表 选取适当系数来计算各部分尺寸:1) 转台底部离地高:;2) 履带长度:;3) 轨 距:4) 底架离地高:;5) 司机室总高:6) 臂铰离地高: ;7) 臂铰离回转中心:;8) 臂铰与液压缸铰距:;9) 臂长:标准臂尺寸系数范围1.71.9, 推荐值。所以标准臂;10) 标准斗杆:推荐系数,;11) 铲斗长度:推荐系数,;1)动臂转角:; 2)斗杆转角:;3)铲斗转角:;4)最大挖掘半径:KR=3.35,R=9.198m;5)最大挖掘深度:,;6)最大挖掘高度:,;7)最大卸载高度:,;根据经验公式求工作装置各部分的重量: (2-2)式中 各部分重量系数; G整机重量。根据【2】P48表1-4,可以估算整个工作装置的重量吨。再由P83表2-7确定工作装置各部分的重量为:(单位:吨)表2-1 工作装置各部分的重量G名称 重量(吨)动臂 1.5斗杆 0.8铲斗 0.83工作装置的设计工作装置的设计需根据要求确定其结构方案,进而确定其各部件的尺寸以及铰点位置,最后还应对其作业尺寸和工作臂的强度以及挖掘力的大小进行校核,确保其满足要求。3.1 工作装置总体方案的选择 工作装置总体方案的选择主要包括工作装置总体结构的选择,动臂、斗杆和铲斗结构形式的选择以及各个油缸铰点的布置形式的选择。1、 工作装置的总体结构 图3-1 工作装置总体结构图1.斗杆油缸 2.动臂 3.液压油管 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2、动臂、斗杆和铲斗结构形式的选择a).确定动臂的结构形式 动臂是挖掘机工作装置的主要部件,可分为整体式和组合式。整体式动臂结构简单,重量轻而强度好具有良好的工作性能;组合式动臂重量大,制造成本也高,现一般仅作为特殊配置使用。所以选用整体式动臂。整体式动臂又有整体直动臂和整体弯动臂这两种。其中整体直动臂构造简单、重量轻、容易生产,主要用于悬挂式挖掘机,但不能获得较大的挖掘深度,不适用于通用挖掘机;整体弯动臂是目前应用最广泛的结构形式,可获得较大的挖掘深度,但降低了卸土高度,这个正符合挖掘机反铲作业的要求7。所以,本次设计选用整体弯动臂。b).确定斗杆的结构形式斗杆也有整体式和组合式这两种形式。其中组合式不常用,大多数挖掘机都采用整体式,当需要调节斗杆长度或杠杆比时采用更换斗杆或设置24个铰链孔的方法。因此也采用整体式。c).确定铲斗的结构形式反铲式挖掘机采用的铲斗形式,其形状和尺寸参数的合理性选择对挖掘机的作业效果往往有很大影响。挖掘机的作业工况各种各样,只用一个铲斗很难完成所有的工况作业。所以为了满足不同工况的作业需求,并能尽可能的提高作业效率,在同一反铲装置上可配几种甚至几十种不同结构和容量的铲斗,如图3-2为本次设计所采用的反铲斗常用铲斗形式。 图3-2铲斗的常用形式1.齿座 2.斗齿 3.橡胶卡销 4.卡销 5.6.7.斗口板装设斗齿可以增大铲斗挖掘时所产生的压力,从而增大切削力,使铲斗更好的破碎或挖掘物料。铲斗的斗齿大都采用装配形式,其结构形式有螺栓连接式和橡胶卡销式8如图3-3(a)和(b)所示。图3-3斗齿连接方式 (a) 螺栓连接式 (b) 橡胶卡销式经比较(a)的结构构造简单,强度和刚度都比较好,所以选择(a)安装方式。3、确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置a).动臂油缸的铰点布置方式如图3-4所示: 3-4 几种动臂油缸的布置方式其中,a和b比较常见,c和d不常见。a的特点是不会消弱动臂的结构强度,但会影响动臂的运动范围,b则与之相反,并能产生较大的挖掘力,但要采用双液压缸形式。考虑到本次设计的挖掘机需要较大的挖掘力,所以动臂油缸的布置方式选用b,使用双油缸。b).斗杆油缸的铰点布置斗杆油缸的布置方式如图3-5所示: 图3-5 斗杆油缸的布置方式C).铲斗油缸的铰点布置铲斗与铲斗液压缸的连接形式有四连杆机构和六连杆机构这两种,如图3-6所示。其中四连杆机构的连接方式是铲斗直接铰接于铲斗液压缸,特点是铲斗转角较小,但可以获得较大的工作力矩;六连杆机构的连接方式是铲斗通过连杆与铲斗液压缸铰接,其特点是当液压缸活塞杆行程相同时,铲斗能够得到较大的转角从而来改善整个机构的传动特性。 图3-6 铲斗的连接方式 图3-7(a)为直接连接,铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。图3-7(b)中液压缸通过一个摇杆和一个连杆与铲斗相连,与斗杆组成六连杆机构。图3-7(c)和(d)的铰接形式相似相似,与(b)的区别在于前者液压缸活塞杆铰接于摇杆两端之间。因为(b)形式能让铲斗获得较大挖掘力,所以选用(b)图所示的连接方式。3.2工作装置结构尺寸的确定工作装置的结构尺寸主要包括铲斗、斗杆和动臂的尺寸以及各铰点的位置。1、铲斗参数的选择 图3-7 斗形示意图斗容量q,平均斗宽B,转斗挖掘半径R和转斗挖掘装满转角(这里令)四者之间有以下几何关系:(见【2】P73) (3-1)式中:土壤松散系数,近似值取1.35。因我国标准斗容q指堆尖容量,所以装满系数可不再考虑。平均斗宽B可根据【2】P75表2-6(反铲斗平均斗宽统计值和推荐范围)查得q=0.92m3时,取B=1.25m。又因为q一定时W1max和E随着B和R的变大而减小。但B和R大到一定程度,综合反应到900以后W1max 和E的减小减缓。显然B和R无限增大会导致q=0,铲斗变为平板。且B的增大使附加载荷引起的对工作装置的扭矩和水平弯矩随之增大,从而对工作装置的结构强度和刚度的要求更高。全面考虑有关因素,可取=9001000。如果1000 则W1max太大;如果900,则B和R太大。所以取=960。因此由式3-1得: R= 所以R=1.36m。式中 W1max铲斗挖掘阻力,E铲斗挖掘时挖掘1m3容积的土所耗费的能量称为铲斗挖掘能容量。铲斗上两个铲点K与Q之间距离,太大影响铲斗机构传动特性,太小则影响铲斗结构刚度,一般取特性参数=/R=0.30.38。当铲斗转角较大时,取较小值。一般取。根据实际情况取=0.43,。即=0.431.36=0.5848m。2、动臂和斗杆尺寸的确定动臂与斗杆的长度比为K1,当K12时称为长动臂短斗杆方案,当K11.5时属于短动臂长斗杆布置方案,K1在1.52之间称为中间比例方案9。对于没有特殊要求的挖掘机,一般取中间比例方案,即取特性参数。K1= =1.52,这里取K1=1.8。根据前面经验公式计算结果并参考现代ROBEX 215-7型液压挖掘机的作业参数,初步选取最大挖掘半径R1=9500mm,据统计,最大挖掘半径R1值一般于的和很接近,因此在和值已定时可根据【2】P80经验公式计算: (3-2) (3-3)式中: 动臂长,即尺寸CF长,mm;斗杆长,即尺寸FQ长,mm;铲斗尺寸QV,即R,mm;R1 最大挖掘半径,mm。由此计算得: , 初步选定; ,初步选定。动臂的弯角一般可取=12001400,弯角大可增加挖掘深度,但降低了卸载高度,太小则对强度不利,针对实际情况,可初步确定=1200。图 3-8 各铰点位置到此,动臂和斗杆的基本长度和弯角已经确定,其余各部分的具体参数,可参照现代ROBEX系列液压挖掘机进行类比做仿形设计,并结合本次设计要求,运用SolidWorks三维技术对工作装置进行建模分析,优化各铰点的位置如图3-8所示,进而得到各部分的尺寸如下表所示: 表3-1 各部件铰点的距离工作装置组成 距离(mm)铲斗 QV=1630 KQ=590 HN=600 HK=700斗杆 FQ=2900 FE=948 FG=878 QN=600 GN=1867 EG=1429 GQ=2452 EQ=3810动臂 CF=5200 CD=3405 CB=2495 DF=2384 BF=3256 BD=1022 机体 AC=488至此,工作装置的基本尺寸和铰点位置已全部确定。4工作装置的强度校核液压挖掘机主工作装置在作业时其各结构件的受力情况会随着其位置的变化而不同,所以在这里仅计算在最不利工况情况下工作装置的受力,进而对主要零部件进行强度校核。4.1挖掘力的计算液压挖掘机反铲装置工作时既可用铲斗液压缸挖掘(简称转斗挖掘),也可用斗杆液压缸挖掘(简称斗杆挖掘),或作复合动作挖掘。一般认为当挖掘机的斗容量小于0.5m3或在土质松软地作业时以转斗挖掘为主,反之则以斗杆挖掘为主16。本次设计的挖掘机斗容为0.92m3且要求挖掘土壤,所以本设计中以斗杆挖掘为主。在不同的位置挖掘阻力也不同,这里仅选阻力最大的位置。根据【2】P71可知斗杆挖掘阻力可用下式表示: (5-1)式中 K挖掘比阻力,K=2030N/cm2;q铲斗容量;斗杆挖掘时的切削半径,由CAD建模可知=4.05m;斗杆在挖掘过程中的总转角,一般=,取=; Ks土壤松散系数,1.261.37,取Ks=1.37。当K取最大值时得最大挖掘阻力,计算得:=38KN。4.2工况的选择液压挖掘机的工作装置由动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆和各种液压缸组成。在对这些零部件进行强度校核前,首先应该确定工作装置的最不利工况,即在这工况下对某一零部件出现最大的应力,将这个工况作为校核该零部件的依据17。由于本次设计的挖掘机以斗杆挖掘为主,即斗杆挖掘力大于铲斗挖掘力,所以应选取斗杆液压缸挖掘作为计算工况。参考文献【2】,本次设计采用以下位置(图5-1)进行计算:(1)动臂位于动臂液压缸对铰点A有最大力臂处;(2)斗杆位于斗杆液压缸作用力臂最大处;(3)铲斗位于能够产生最大挖掘力的位置;该工况下工作装置位置如图5-1所示。图中各参数如下(未注单位为mm): ,图5-1 最不利工况尺寸图4.3力的计算在此工况下挖掘机工作装置上的作用力仅有工作装置各部分的自身重量(动臂重G1、斗杆重G2、铲斗重G3)和作用于铲斗齿上的挖掘阻力。各液压油缸的工作状态为:斗杆液压缸液压缸以主动力F2工作,铲斗液压缸承受被动作用力F3,动臂液压缸承受闭锁力Fl。各液压缸所能产生的最大力按下式计算: (5-2)式中 D液压缸的缸径mm, p液压油作用力MP。已知各液压缸的缸径均为100mm,系统压力p=25MP,因此各液压缸所能产生的最大力为: 将铲斗作为独立体,按对铰点H的力矩平衡方程,求出铲斗液压缸的挖掘力。 将整个工作机构作为整体体,按对动臂底部铰点A的力矩平衡方程 求出铲斗液压缸的另一个挖掘力。 将斗杆作为独立体,按对铰点F的力矩平衡方程求出斗杆油缸在被动状态下的作用力: 而斗杆液压缸的闭锁力,由,说明FW2的值不能够实现。计算时取代入计算得到。再将铲斗取出作为独立体,视连杆QM为二力杆,其对铰点M作用力的方向沿QM方向,按对铰点H的力矩平衡方程,可求出铰点M处受力FM。 由铲斗在水平X方向和竖直Y方向上的合力分别平衡和,可求出铲斗在铰点H处受到的水平力和竖直力。 根据铰点Q处的力平衡,可求得摇杆QG对铰点Q的水平力和。 将斗杆作为独立体,根据斗杆的力平衡方程可以求得在铰点F处斗杆受到的水平力和竖直力。 将整个工作装置作为整体,按对铰点A的力矩平衡方程可求出动臂缸的作用力,再按力的平衡方程可求出动臂在铰点A处受到的水平力和竖直力。 到此,各铰点的受力均已求出。4.4斗杆、动臂的强度校核1、 斗杆的强度校核斗杆为变截面箱形结构,用钢板焊接而成,有时为了增强刚度还在内部加隔板。根据机械设计手册第一卷第三章,斗杆的材料选用Q345(即原先的16Mn),其屈服极限。其特点是综合机械性能好,尤其是低温韧性、冷冲压性能、焊接性能及切削性能方面18。应用广泛,价格便宜。用于矿山、运输、化工等各种机械特别是需要承受冲击和动载的焊接结构。斗杆形状复杂各个截面内力的合成情况也较复杂,而且斗杆断面的变化也较大,因此合成应力最大的危险断面很难准确确定。一般要选取几个断面进行强度校核,如图5-2,5-3所示。图5-2 斗杆危险截面图5-3 危险截面示意图(单位:cm)a).截面1的强度校核在该截面上的力有轴力、剪切力、弯矩,截面面积 截面对参数轴的静矩 ,截面型心 , 截面的惯性矩 , 截面上的应力 按第四强度理论进行校核为:。b).截面2的强度校核在该截面上的力有轴力、剪切力Q=150.3KN 、弯矩,截面面积 截面对参数轴的静矩 ,截面型心 , 截面的惯性矩 , 截面上的应力 按第四强度理论进行校核为:。c).截面3的强度校核在该截面上的力有轴力、剪切力、弯矩,截面面积 截面对参数轴的静矩 ,截面型心 , 截面的惯性矩 , 截面上的应力 按第四强度理论进行校核为:。上述计算均按静载进行分析,而实际工作中,斗杆要承受比较大的冲击和振动载荷,并且变化不定。所以在计算时一般采用降低许用应力的办法来考虑冲击和动载的影响,即在强度校核时采用提高安全系数的办法来解决19。因此许用应力为: (5-3) 式中 钢材的屈服极限, 安全系数,n=22.5。根据【2】P269表7-1(工作装置结构件的安全系数)这里取n最大时,即n=2.5,所以。经校核计算三个危险截面的应力均小于最小许用应力。所以,斗杆的强度满足要求。2、动臂的强度校核动臂材料仍采用Q345钢板,厚度为15mm。通过分析可知,在铰点C处动臂受的弯矩最大,而且此处有弯角,容易产生应力集中,所以该截面为危险截面。具体参数如图5-4所示。图5-4 动臂危险截面尺寸图(单位:cm)在该截面上的力有轴力、剪切力、力矩为。其截面面积为: 抗弯截面系数为: 截面所受的正应力为: 这里n最大为1.8,则动臂的最小许用应力。所以,动臂的强度也满足要求。5工作装置零件建模与整机装配5.1工作装置零件建模本次设计所绘制的零件三维图都是用SolidWorks2010完成的。图5-1 驾驶室 图5-2 斗杆 图5-3 动臂图5-4 铲斗图5-5动臂液压油缸图5-6斗杆液压油缸图5-7铲斗液压油缸 图5-8 摇杆图5-9连杆5.2整机装配通过SolidWorks2010将各个零部件装配在一起形成整体三维装配体。图5-10整机装配图 6结 论本次设计主要进行了反铲式液压挖掘机工作装置的机构设计。在设计过程中,通过查找相关的设计资料和详细的计算过程,确定了主工作装置的结构形式和结构尺寸并对主要部件进行了强度校核,最后用soildworks这个软件对工作装置进行运动分析。设计结果能满足作业尺寸以及挖掘力的要求。挖掘机工作装置是挖掘机的核心部分,其结构的力学分析和计算十分复杂,难度也很大,但是通过本次设计,巩固了大学所学的课程,掌握了一些基本的设计思路,为今后从事设计工作打下了良好的基础。由于本人的时间和能力有限,尽管在老师和同学们的帮助下解决了不少问题,但设计中难免还有一些不完善的地方。还请老师们批评指正。参考文献【1】液压挖掘机 : 高衡 张全根 同编 中国建筑工业出版社 1981年 【2】单斗液压挖掘机 : 同济大学主编 中国建筑工业出版社 1986年 【3】液压传动 : 章宏甲,黄谊主编 机械工业出版社2002年 【4】工程机械优化设计 ;陈育仪编著 中国铁道出版社1987年 【5】工程机械构造图册 ;刘希平主编 机械工业出版社 1990年 【6】新编机械设计手册 ;蔡春源主编 辽宁科学技术出版社 1993年 【7】液压元件与系统设计 ;李玉琳主编北京航空航天大学出版社 1991年 【8】液压挖掘机反铲工作装置整机理论复合挖掘力的计算模型及其应用研究 ;荣洪均主编 重庆大学出版社 2007年 【9】液压挖掘机工作装置结构性能分析 ; 任友良主编 2010年 【10】工程机械结构与设计 ; 靳同红,王胜春主编 化学工业出版社 2009年 【11】液压挖掘机构造与维修手册 ; 王晓伟,张青等主编 化学工业出版社 2007年 【12】机械设计(第八版) ; 濮良贵,纪名刚主编 高等教育出版社 2006年 【13】材料力学(第4版) ; 刘鸿文主编 高等教育出版社 2004年 【14】理论力学() ;哈尔滨工业大学理论力学教研室编 高等教育出版社 2009年 【15】工程机械、建筑机械化等有关学术杂志在近年来发表的相关文献。 致 谢本文是在导师刘老师的精心指导、细致安排和全力支持下完成的。从本论文的选题、定方案、方案的论证及论文的书写,刘老师都给予了无私的关怀和帮助。刘老师的帮助使我从一片茫然到欢喜鼓舞,从不懂到理解,渐渐了解课题的设计步骤和程序。他渊博的知识、开阔的视野和严谨的治学态度,
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