小型挖掘机工作机构设计_带图纸
小型挖掘机工作机构设计[20191210112301]
摘要
反铲工作机构是小型挖掘机主要的一种形态。构造的特点是构件间采用铰接连接，当油缸行程变化的时候，挖掘机就能够完成在作业过程中所需要的各个动作。本文首先简单介绍了小型挖掘机工作机构的工作原理，对其进行整体设计，并对动臂油缸、斗杆油缸、动臂油缸铰点进行初步的位置选定；然后对小型挖掘机进行运动学分析，系统的分析了在作业当中可能遇到的特殊工作位置；根据已有的数据确定各部件基本尺寸，在此基础上得出挖掘机工作时遇到的挖掘阻力；最终对工作机构的合理性进行校核，得到合理可行的方案。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:工作机构动臂铲斗油缸
目录
1绪论 1
1.1国内国际现阶段研究状况 1
1.2小型挖掘机工作机构设计原则 1
1.3论文构成以及研究内容 2
2 总体方案设计 3
2.1小型挖掘机反铲工作机构工作原理 3
2.2动臂和斗杆结构的选择 3
2.3各油缸铰点位置的确定 3
2.4铲斗的结构选择 4
2.5原始几何参数的确定 4
3 工作机构运动学分析 8
3.1动臂运动分析 8
3.2斗杆运动分析 9
3.3铲斗运动分析 10
3.4特殊工作位置计算 11
4 确定工作机构基本尺寸 15
4.1动臂各参数的确定 15
4.2斗杆相关参数的确定 18
4.3斗型参数的确定 19
4.4油缸及紧固件设计 22
5 对挖掘阻力的分析 24
5.1铲斗挖掘阻力 24
5.2斗杆挖掘阻力 25
6 工作机构合理性的校核 27
6.1动臂参数分析 27
6.2对于挖掘机工作机构强度分析与校核 28
7 总 结 34
参考文献 35
1、绪论
1.1国内国际现阶段研究状况
当今社会，为了能够在更多的工况下顺利的作业，一机多能成为中、小型挖掘机发展趋势，挖掘机也因此能够配置诸多工作机构。为了迎合更多施工的要求，除了配备比较普遍的正铲和反铲之外，很多挖掘机还配备了起重、抓斗、破碎锥、麻花钻、高空作业架以及铰盘等装置。并且低比压、水陆两用及水下专用等针对性更强的特种挖掘机也在不断的发展。而更多的、更适宜的装置也在不断的研发并被应用于实际的作业当中。
伴随着社会的发展．城市建设及各种地域开发的过程之中，挖掘机需求量迅速增加，因而挖掘机工作机构也在向着多种功能化和专用化的方向发展。当小型挖掘机使用不同的工作机构，能够完成吊、夹、清除以及压实等多种作业需要，同时，快换装置被多数挖掘机中使用．使用者仅需耗费120秒左右即能够跟换好需要的适合的装置。
当传统型与适合一般作业需求的通用型的挖掘机样机变少的时候，一些用户越来越青睐部分具有相对特殊构造的产品以及多功能化的产品。例如，由大臂、中臂、斗杆以及快换作业装置等4个部分形成工作机构的工程机械的销量在不断的上升。此类多功能的作业装置在很大程度上使挖掘机的工作范围得到的增大，从而挖掘机施工适用性也得到了很大的提高。
1.2小型挖掘机工作机构设计原则
在小型挖掘机工作机构的设计过程中，下面的五个原则需要满足：
（1）位置特性：在主要工作尺寸以及挖掘范围范围能够得到保证的前提下，在设计过程中，和同种型号的的挖掘机比较时，应体现其具有的的优越性，并且挖掘机的性能以及主参数必须满足国家的标准规定。在进行运送或者停放的时候，挖掘机要有正确的姿态。
（2）运动特性：在理论基础上，挖掘机的工作循环时间较短，并且功率使用的状况要相对较好。
（3）动力特性：在小型挖掘机的挖掘力和分布情况能够得到保证的情况下，整机稳定性要在被考虑的范围之内。
（4）结构特性：各个铰点的位置被确认之后，其结构形状要在最大程度上有益于它的受力状态；在首先考虑刚度以及强度可以确定合理之后，整机的重量最好尽量的轻便；工作机构要具有可靠性，在拆装和维修的过程中，要确保便捷性；在设计油缸的时候，最好能够选择系列参数。
（5）特殊使用需求：配备一些特殊的附属装置，例如麻花钻、铰盘等。
1.3论文构成以及研究内容
本论文主要是对小型挖掘机的动臂、斗杆、铲斗、连杆机构及销轴组成的工作机构进行设计，具体包含如下五个内容：
（1）挖掘机工作机构的总体方案设计
（2）工作机构运动学分析
（3）对于挖掘机工作机构挖掘阻力的分析
（4）挖掘机工作机构各部分主要尺寸计算、分析及校核
（5）完成小型挖掘机工作机构的装配图
2、总体方案设计
2.1小型挖掘机反铲工作机构工作原理
反铲工作机构是小型挖掘机主要的一种样式，在现实工程建设当中应用非常广泛。反铲工作机构由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、连杆等组成。主要的工作对象为停机面一下的土壤。构造的特点是构件间采用铰接连接。当油缸行程变化的时候，挖掘机就能够完成在作业过程中所需要的各个动作。动臂的下铰点和转台铰接在一起，且动臂由动臂油缸来支承，当动臂油缸行程发生变化的时候，动臂的倾角得到改变，从而得到动臂升和降的控制。斗杆和动臂的上端相铰接，它可以绕着铰点进行转动，铲斗油缸可以决定动臂和斗杆的相对转角，当斗杆油缸进行伸与缩动作的时候，斗杆绕着动臂上铰点转动。铲斗则铰接在斗杆的末端，当铲斗油缸进行伸缩动作时候，铲斗即可绕铰点进行转动。为了使铲斗的转角能够变大，使用连杆与铲斗相连接。
小型挖掘机工作机构主要是作业对象在停机面之下，各油缸运动和组合决定了挖掘的轨迹。工作机构工作的过程：首先放低动臂，使之到达作业的地点，进而再控制斗杆与铲斗，当铲斗被盛满泥土的时候，提起动臂，铲斗脱离泥土，上升、反转到达卸载的地点，转动铲斗，从而倒出泥土，最终回到最初的作业地点，准备进行下一轮的挖掘。
挖掘机工作机构的动臂和斗杆属于箱梁结构，而铲斗为用较薄的钢板通过焊接组成，相对应的各个油缸可以看成是仅承受到拉压载荷的杆。所以，在如此分析过之后，可对此工作机构做一些必要的简化处理。经过一些简化后，小型挖掘机的工作机构能够看作由动臂、动臂油缸、铲斗、铲斗油缸、斗杆及连杆组成的六杆机构，自由度为3。图2-1简化后如图2-2所示。
图2-1工作机构结构图
QKV-铲斗；CDFB-动臂； AB-动臂油缸 ；DE-斗杆油缸 ；GH-铲斗油缸；HK-连杆；QFEGN-斗杆
图2-2工作机构结构简化图
2.2动臂和斗杆结构的选择
动臂选择整体式弯动臂。整体式动臂的优势在于构造简单，价格低，处于刚度达到相同的情况下，也比组合式动臂轻巧。并且其动臂弯角也相对较大，工作的效率较高。因此，在进行实际的普通长时间挖掘中，使用采用整体式动臂更加的符合施工的要求。而弯动臂的优势具体突出在于具有很大挖掘深度，在一些特殊的工作状况时起到的作用较好。
斗杆选择整体式斗杆。整体式斗杆油缸的布置优点在于较简单，由于受力好，使得挖掘效率高，耐用性也较好。但是在本设计中并不需考虑斗杆长短的调节，所以斗杆采用整体式斗杆。
2.3 各油缸铰点位置的确定
2.3.1动臂油缸布置
在动臂前下方安装其油缸，动臂的下支撑点（动臂与转台的铰点）设置在转台回转中心之前，且略微比转台高一些。这种布置方案好处在于不会影响挖掘机反铲的挖掘深度。此种方案在同类型机型中应用非常广泛。动臂油缸活塞杆顶部铰接选择方案为铰点位置设在动臂箱体的下面。这种布置方案好处在于即使将降低动臂的活动范围，却不能对动臂结构的强度造成减弱，并且动臂受力也相较更为合理。本课题研究的小型挖掘机的斗容量为0.25m3，所以，单只动臂油缸就可以满足作业要求。
2.3.2斗杆油缸布置
斗杆油缸布置见图2-1。
2.3.3铲斗油缸布置
铲斗油缸与铲斗连接方式见图2-3。按照油缸活塞端部与铲斗连接的方式可以具体的分为三种类型。下图中a是直接连接，可以看作为铲斗、斗杆以及铲斗油缸构成的四连杆机构。2-3（b）中铲斗油缸通过摇杆1以及连杆2与铲斗连接，铲斗油缸、摇杆1、连杆2与斗杆六连杆机构。图2-3（c）与2-3（b）的机构传动比相似，但是2-3（c）的铲斗摆角位置在顺时钟方向转了一些角度。2-3（d）与2-3（b）相似，只是2-3（d）的油缸活塞杆端铰接在摇杆两端间。
图2-3 铲斗和其油缸间布置方案
当油缸的行程一样的时候，六连杆机构可以获得更大的铲斗转角，让传动特性得到更好的改善。而b与d相比，在同样的油缸行程的前提下，d方案中铲斗转角较大，但是铲斗的平均挖掘力比较小，而通常情况下，只有一个铲斗油缸由于传动比小，单油缸作用力可以满足斗齿所需要的作用力。所以，在经过仔细的分析对比之后，选择方案b。
2.4铲斗的结构选择
工作的对象对于铲斗尺寸、外形的选择具有很大影响，因此在选择时应考虑以下要求：
（1）铲斗应装斗齿，斗齿耐磨且方便更换，较为尖利，能够更好的减小作业当中遇到的挖掘阻力。
（2）铲斗内物料应尽可能的方便卸尽。
（3）便于物料自由的流动。铲斗底部纵向的剖面形状要便于物料的运动，并且铲斗内不应有棱角、横向的凸缘等等阻碍物料的顺利运动。
（4）为了防止铲斗里物料掉落，铲斗的斗宽要比物料的直径大四倍以上。
综上所述，选择小型挖掘机常用铲斗结构，其结构如图2-4所示。
图2-4铲斗
齿为橡胶卡销式。如图2-5。
图2-5 橡胶卡销连接
1-卡销；2-橡胶卡销；3-齿座；4-斗齿
2.5原始几何参数的确定
2.5.1动臂与斗杆长度比，即特性参数k1=l1/l2。
当k1>2，为长动短斗杆方案；当1.5
初步选取l1=2900mm，所以l2=1600mm
2.52 铲斗斗容及主参数选择
斗容量q=0.25m3
铲斗、动臂、斗杆的油缸全为一个。
全伸和全缩长度比均为1.6。
斗杆的挖掘力为26KN。
（2-1）
KLi—尺寸经验系数。
经参考同型号得出：
最大挖掘半径—R1max=5.232～6.276m，
最大挖掘深度—H1max=3.317～4.010m，
最大挖掘高度—H2max=5.160～5.780m，
最大卸载高度—H3max=3.592～4.016m
选取R1man=5.60m，H1max=3.50m，H2max=5.20m，H3max=3.65m。
3、工作机构运动学分析
3.1动臂运动分析
3.1.1动臂摆角范围φ1max以及各个点的瞬时坐标
φ1max是关于L1的函数。由下图3-1分析可知，当L1=L1max，L1=L1min时：
， （3-1）
所以摆角 φ1max=θ1max-θ1min
图3-1计算动臂摆角简图
A、油缸下铰点；B、油缸上铰点；C、动臂下铰点；L1min、动臂油缸全缩长度 ；L1max、动臂油缸全伸长度；θ1max、动臂最大摆角；θ1min、动臂最小摆角
。
列出铰点F的坐标方程
由图３－２可知,在三角形中ＢＣＦ中，
,
,当F位于CU上方时，为负值，反之则为正。
F点横坐标为： ，纵坐标为：
C点横坐标为： ，纵坐标为：
图3-2 C与F点坐标计算简图
3.1.2动臂油缸力臂
摘要
反铲工作机构是小型挖掘机主要的一种形态。构造的特点是构件间采用铰接连接，当油缸行程变化的时候，挖掘机就能够完成在作业过程中所需要的各个动作。本文首先简单介绍了小型挖掘机工作机构的工作原理，对其进行整体设计，并对动臂油缸、斗杆油缸、动臂油缸铰点进行初步的位置选定；然后对小型挖掘机进行运动学分析，系统的分析了在作业当中可能遇到的特殊工作位置；根据已有的数据确定各部件基本尺寸，在此基础上得出挖掘机工作时遇到的挖掘阻力；最终对工作机构的合理性进行校核，得到合理可行的方案。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:工作机构动臂铲斗油缸
目录
1绪论 1
1.1国内国际现阶段研究状况 1
1.2小型挖掘机工作机构设计原则 1
1.3论文构成以及研究内容 2
2 总体方案设计 3
2.1小型挖掘机反铲工作机构工作原理 3
2.2动臂和斗杆结构的选择 3
2.3各油缸铰点位置的确定 3
2.4铲斗的结构选择 4
2.5原始几何参数的确定 4
3 工作机构运动学分析 8
3.1动臂运动分析 8
3.2斗杆运动分析 9
3.3铲斗运动分析 10
3.4特殊工作位置计算 11
4 确定工作机构基本尺寸 15
4.1动臂各参数的确定 15
4.2斗杆相关参数的确定 18
4.3斗型参数的确定 19
4.4油缸及紧固件设计 22
5 对挖掘阻力的分析 24
5.1铲斗挖掘阻力 24
5.2斗杆挖掘阻力 25
6 工作机构合理性的校核 27
6.1动臂参数分析 27
6.2对于挖掘机工作机构强度分析与校核 28
7 总 结 34
参考文献 35
1、绪论
1.1国内国际现阶段研究状况
当今社会，为了能够在更多的工况下顺利的作业，一机多能成为中、小型挖掘机发展趋势，挖掘机也因此能够配置诸多工作机构。为了迎合更多施工的要求，除了配备比较普遍的正铲和反铲之外，很多挖掘机还配备了起重、抓斗、破碎锥、麻花钻、高空作业架以及铰盘等装置。并且低比压、水陆两用及水下专用等针对性更强的特种挖掘机也在不断的发展。而更多的、更适宜的装置也在不断的研发并被应用于实际的作业当中。
伴随着社会的发展．城市建设及各种地域开发的过程之中，挖掘机需求量迅速增加，因而挖掘机工作机构也在向着多种功能化和专用化的方向发展。当小型挖掘机使用不同的工作机构，能够完成吊、夹、清除以及压实等多种作业需要，同时，快换装置被多数挖掘机中使用．使用者仅需耗费120秒左右即能够跟换好需要的适合的装置。
当传统型与适合一般作业需求的通用型的挖掘机样机变少的时候，一些用户越来越青睐部分具有相对特殊构造的产品以及多功能化的产品。例如，由大臂、中臂、斗杆以及快换作业装置等4个部分形成工作机构的工程机械的销量在不断的上升。此类多功能的作业装置在很大程度上使挖掘机的工作范围得到的增大，从而挖掘机施工适用性也得到了很大的提高。
1.2小型挖掘机工作机构设计原则
在小型挖掘机工作机构的设计过程中，下面的五个原则需要满足：
（1）位置特性：在主要工作尺寸以及挖掘范围范围能够得到保证的前提下，在设计过程中，和同种型号的的挖掘机比较时，应体现其具有的的优越性，并且挖掘机的性能以及主参数必须满足国家的标准规定。在进行运送或者停放的时候，挖掘机要有正确的姿态。
（2）运动特性：在理论基础上，挖掘机的工作循环时间较短，并且功率使用的状况要相对较好。
（3）动力特性：在小型挖掘机的挖掘力和分布情况能够得到保证的情况下，整机稳定性要在被考虑的范围之内。
（4）结构特性：各个铰点的位置被确认之后，其结构形状要在最大程度上有益于它的受力状态；在首先考虑刚度以及强度可以确定合理之后，整机的重量最好尽量的轻便；工作机构要具有可靠性，在拆装和维修的过程中，要确保便捷性；在设计油缸的时候，最好能够选择系列参数。
（5）特殊使用需求：配备一些特殊的附属装置，例如麻花钻、铰盘等。
1.3论文构成以及研究内容
本论文主要是对小型挖掘机的动臂、斗杆、铲斗、连杆机构及销轴组成的工作机构进行设计，具体包含如下五个内容：
（1）挖掘机工作机构的总体方案设计
（2）工作机构运动学分析
（3）对于挖掘机工作机构挖掘阻力的分析
（4）挖掘机工作机构各部分主要尺寸计算、分析及校核
（5）完成小型挖掘机工作机构的装配图
2、总体方案设计
2.1小型挖掘机反铲工作机构工作原理
反铲工作机构是小型挖掘机主要的一种样式，在现实工程建设当中应用非常广泛。反铲工作机构由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、连杆等组成。主要的工作对象为停机面一下的土壤。构造的特点是构件间采用铰接连接。当油缸行程变化的时候，挖掘机就能够完成在作业过程中所需要的各个动作。动臂的下铰点和转台铰接在一起，且动臂由动臂油缸来支承，当动臂油缸行程发生变化的时候，动臂的倾角得到改变，从而得到动臂升和降的控制。斗杆和动臂的上端相铰接，它可以绕着铰点进行转动，铲斗油缸可以决定动臂和斗杆的相对转角，当斗杆油缸进行伸与缩动作的时候，斗杆绕着动臂上铰点转动。铲斗则铰接在斗杆的末端，当铲斗油缸进行伸缩动作时候，铲斗即可绕铰点进行转动。为了使铲斗的转角能够变大，使用连杆与铲斗相连接。
小型挖掘机工作机构主要是作业对象在停机面之下，各油缸运动和组合决定了挖掘的轨迹。工作机构工作的过程：首先放低动臂，使之到达作业的地点，进而再控制斗杆与铲斗，当铲斗被盛满泥土的时候，提起动臂，铲斗脱离泥土，上升、反转到达卸载的地点，转动铲斗，从而倒出泥土，最终回到最初的作业地点，准备进行下一轮的挖掘。
挖掘机工作机构的动臂和斗杆属于箱梁结构，而铲斗为用较薄的钢板通过焊接组成，相对应的各个油缸可以看成是仅承受到拉压载荷的杆。所以，在如此分析过之后，可对此工作机构做一些必要的简化处理。经过一些简化后，小型挖掘机的工作机构能够看作由动臂、动臂油缸、铲斗、铲斗油缸、斗杆及连杆组成的六杆机构，自由度为3。图2-1简化后如图2-2所示。
图2-1工作机构结构图
QKV-铲斗；CDFB-动臂； AB-动臂油缸 ；DE-斗杆油缸 ；GH-铲斗油缸；HK-连杆；QFEGN-斗杆
图2-2工作机构结构简化图
2.2动臂和斗杆结构的选择
动臂选择整体式弯动臂。整体式动臂的优势在于构造简单，价格低，处于刚度达到相同的情况下，也比组合式动臂轻巧。并且其动臂弯角也相对较大，工作的效率较高。因此，在进行实际的普通长时间挖掘中，使用采用整体式动臂更加的符合施工的要求。而弯动臂的优势具体突出在于具有很大挖掘深度，在一些特殊的工作状况时起到的作用较好。
斗杆选择整体式斗杆。整体式斗杆油缸的布置优点在于较简单，由于受力好，使得挖掘效率高，耐用性也较好。但是在本设计中并不需考虑斗杆长短的调节，所以斗杆采用整体式斗杆。
2.3 各油缸铰点位置的确定
2.3.1动臂油缸布置
在动臂前下方安装其油缸，动臂的下支撑点（动臂与转台的铰点）设置在转台回转中心之前，且略微比转台高一些。这种布置方案好处在于不会影响挖掘机反铲的挖掘深度。此种方案在同类型机型中应用非常广泛。动臂油缸活塞杆顶部铰接选择方案为铰点位置设在动臂箱体的下面。这种布置方案好处在于即使将降低动臂的活动范围，却不能对动臂结构的强度造成减弱，并且动臂受力也相较更为合理。本课题研究的小型挖掘机的斗容量为0.25m3，所以，单只动臂油缸就可以满足作业要求。
2.3.2斗杆油缸布置
斗杆油缸布置见图2-1。
2.3.3铲斗油缸布置
铲斗油缸与铲斗连接方式见图2-3。按照油缸活塞端部与铲斗连接的方式可以具体的分为三种类型。下图中a是直接连接，可以看作为铲斗、斗杆以及铲斗油缸构成的四连杆机构。2-3（b）中铲斗油缸通过摇杆1以及连杆2与铲斗连接，铲斗油缸、摇杆1、连杆2与斗杆六连杆机构。图2-3（c）与2-3（b）的机构传动比相似，但是2-3（c）的铲斗摆角位置在顺时钟方向转了一些角度。2-3（d）与2-3（b）相似，只是2-3（d）的油缸活塞杆端铰接在摇杆两端间。
图2-3 铲斗和其油缸间布置方案
当油缸的行程一样的时候，六连杆机构可以获得更大的铲斗转角，让传动特性得到更好的改善。而b与d相比，在同样的油缸行程的前提下，d方案中铲斗转角较大，但是铲斗的平均挖掘力比较小，而通常情况下，只有一个铲斗油缸由于传动比小，单油缸作用力可以满足斗齿所需要的作用力。所以，在经过仔细的分析对比之后，选择方案b。
2.4铲斗的结构选择
工作的对象对于铲斗尺寸、外形的选择具有很大影响，因此在选择时应考虑以下要求：
（1）铲斗应装斗齿，斗齿耐磨且方便更换，较为尖利，能够更好的减小作业当中遇到的挖掘阻力。
（2）铲斗内物料应尽可能的方便卸尽。
（3）便于物料自由的流动。铲斗底部纵向的剖面形状要便于物料的运动，并且铲斗内不应有棱角、横向的凸缘等等阻碍物料的顺利运动。
（4）为了防止铲斗里物料掉落，铲斗的斗宽要比物料的直径大四倍以上。
综上所述，选择小型挖掘机常用铲斗结构，其结构如图2-4所示。
图2-4铲斗
齿为橡胶卡销式。如图2-5。
图2-5 橡胶卡销连接
1-卡销；2-橡胶卡销；3-齿座；4-斗齿
2.5原始几何参数的确定
2.5.1动臂与斗杆长度比，即特性参数k1=l1/l2。
当k1>2，为长动短斗杆方案；当1.5
初步选取l1=2900mm，所以l2=1600mm
2.52 铲斗斗容及主参数选择
斗容量q=0.25m3
铲斗、动臂、斗杆的油缸全为一个。
全伸和全缩长度比均为1.6。
斗杆的挖掘力为26KN。
（2-1）
KLi—尺寸经验系数。
经参考同型号得出：
最大挖掘半径—R1max=5.232～6.276m，
最大挖掘深度—H1max=3.317～4.010m，
最大挖掘高度—H2max=5.160～5.780m，
最大卸载高度—H3max=3.592～4.016m
选取R1man=5.60m，H1max=3.50m，H2max=5.20m，H3max=3.65m。
3、工作机构运动学分析
3.1动臂运动分析
3.1.1动臂摆角范围φ1max以及各个点的瞬时坐标
φ1max是关于L1的函数。由下图3-1分析可知，当L1=L1max，L1=L1min时：
， （3-1）
所以摆角 φ1max=θ1max-θ1min
图3-1计算动臂摆角简图
A、油缸下铰点；B、油缸上铰点；C、动臂下铰点；L1min、动臂油缸全缩长度 ；L1max、动臂油缸全伸长度；θ1max、动臂最大摆角；θ1min、动臂最小摆角
。
列出铰点F的坐标方程
由图３－２可知,在三角形中ＢＣＦ中，
,
,当F位于CU上方时，为负值，反之则为正。
F点横坐标为： ，纵坐标为：
C点横坐标为： ，纵坐标为：
图3-2 C与F点坐标计算简图
3.1.2动臂油缸力臂
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/2032.html
