1、機械設計課程設計設計題目：正鏟單斗液壓挖掘機工作裝置設計院 系： 機械工程學院 專 業： 機械105班 姓 名： 祖兵 學 號：指導教師： 立新 機械原理設計任務書學生 祖兵 班級 機械105班 學號設計題目：正鏟單斗液壓挖掘機工作裝置設計一、設計題目簡介正鏟挖掘機的鏟土動作形式。其特點是“前進向上，強制切土”。正鏟挖掘力大，能開挖停機面以上的土，宜用于開挖高度大于2m的干燥基坑，正鏟的挖斗比同當量的反鏟的挖掘機的斗要大一些，其工作裝置直接決定其工作圍和工作能力。二、 設計數據與要求題號鏟斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半徑卸載高度D2.52.449.248.266.63三、 設計任務1、繪制挖掘機

2、工作機構的運動簡圖，確定機構的自由度，對其驅動油缸在幾種工況下的運動繪制運動線圖；2、根據所提供的工作參數，對挖掘機工作機構進行尺度綜合，確定工作機構各個桿件的長度；3、用軟件SOLIDWORKS對執行機構進行運動仿真，并畫出輸出機構的位移、速度、和加速度線圖。4、編寫設計計算說明書，其中應包括設計思路、計算與運動模型建立過程以與效果分析等。5、在機械基礎實驗室應用機構綜合實驗裝置驗證設計方案的可行性。完成日期： 2014 年 3 月 16 日 指導教師 立新 18 / 18一、概述正鏟挖掘機的開挖方式根據開挖路線與汽車相對位置的不同分為正向開挖、側向裝土以與正向開挖、后方裝土兩種，前者生產率

3、較高。正鏟的生產率主要決定于每斗作業的循環延續時間。為了提高其生產率，除了工作面高度必須滿足裝滿土斗的要求之外，還要考慮開挖方式和與運土機械配合。盡量減少回轉角度，縮短每個循環的延續時間。 反鏟的開挖方式可以采用溝端開挖法，即反鏟停于溝端，后退挖土，向溝一側棄土或裝汽車運走，也可采用溝側開挖法，即反鏟停于溝側，沿溝邊開挖，它可將土棄于距離溝較遠的地方，如裝車則回轉角度較小，但邊坡不易控制.單斗液壓挖掘機的正鏟結構如圖1.1所示，主要由動臂、斗桿、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸等組成。鏟斗的斗底利用液壓缸來開啟，斗桿是鉸接在動臂的頂端，由雙作用的斗桿油缸使其轉動。斗桿油缸的一端鉸接在動臂上，

4、另一端鉸接在斗桿上。其鉸接形式有兩種：一種是鉸接在斗桿的前端；另一種是鉸接在斗桿的尾端。動臂均為單桿式，頂端呈叉形，以便與斗桿鉸接。動臂有單節的和雙節的兩種。單節的動臂有長短兩種備品，可根據需要更換。雙節的動臂則由上、下兩節拼裝而成，根據拼圖1.1液壓正鏟挖掘機裝點的不同，動臂的工作長度也不同。二、正鏟挖掘機自由度計算根據圖2.1所示的挖掘機結構簡圖，我們可以對其自由度進行計算。通過對機構簡圖的分析，可以看出該工作裝置有9根桿件組成,其中包含12個運動副，即9個轉動副，3移動副，共包含12個低副，沒有高副。 圖2.1 正鏟液壓挖掘機結構簡圖自由度計算：則：三、 挖掘機參數設計1、液壓挖掘機基本

5、參數液壓挖掘機基本參數主要包括：標準斗容量：指挖掘級或密度為 的土壤時，代表該挖掘機登記的一種鏟斗堆積容量。最大挖掘高度：指工作裝置處于最大舉升高度時，鏟斗齒尖到停機地面的距離。最大挖掘半徑：在挖掘機縱向中心平面上鏟斗齒尖離機器回轉中心的最大距離。最大挖掘深度：指動臂處在最低位置，且斗齒尖，鏟斗與斗桿鉸點，斗桿與動臂鉸點三點在同一條垂直停機面的直線上，斗齒尖與停機面的最大距離。最大卸載高度：指動臂、斗桿處于最大舉升高度，翻轉卸土，斗齒尖處在最低位置時，斗齒尖到停機面的距離。2、機構設計該挖掘機工作裝置為正鏟裝置，采用如下結構方案（1）采用整體式彎動臂，動臂油缸下置式。（2）采用整體式斗桿。（3

6、）動臂與斗桿的長度比，即特性參數。（4）油缸最大長度與最小長度的長度比：，i表示驅動油缸。（5）鏟斗挖掘時與停機面的所成的為，其中。3、動臂、斗桿的長度參數設計鏟斗容量q挖掘深度(m)挖掘高度(m)挖掘半徑(m)卸載高度H(m)4.03.29.529.067.91根據已知工作參數，就市場上現有各種型號的挖掘機進行調查，發現標準斗容為或在左右的挖掘機，只有5家公司的12個型號符合。其中7個型號為反鏟挖掘機。下表為正鏟液壓挖掘機的參數：品牌型號標準斗容（斗容圍）挖掘深度m挖掘高度m挖掘半徑m卸載高度m小松PC1250-74（3.2-5.2）12.9815.97519.4711.32邦立重機CED7

7、50-74.5（4-5.5）2.689.7459.287.68邦立重機CED650-64（3.5-5.0）3.29.5219.0617.911邦立重機CE750-74.5（4-5.5）2.689.7459.287.68邦立重機CE650-64（3.5-5.0）3.29.5219.0617.911表 1其中邦立重機CED750-7和邦立重機CED650-6是電動液壓挖掘機，在這里也就不考慮。經過參數的對比，邦立重機CE650-6的參數與題目參數最接近，所以這里我選擇邦立重機CE650-6的參數進行設計。邦立重機CE650-6的參數如下表：整機重量46標準斗容2.5最大挖掘半徑mm8260最大挖掘

8、深度mm2440最大挖掘高度mm9240最大卸載高度mm6630斗桿最大推壓力kN243鏟斗最大破碎力kN230表 2根據2中的公式以與表1-3可知：相關系數斗桿長0.90.747名稱系數代號推薦值圍所選值臂鉸離回轉中心0.150.1臂鉸離地高度0.630.6臂長1.21.14斗桿長0.90.747最小挖掘半徑0.850.85表 3于是，動臂長度，斗桿長度，由可得，符合這個條件，所以該參數設計合理。則A、C點的最大距離：當動臂與斗桿成最大角（即）時的大小：4、動臂的轉角圍以與鉸點A根據表3以與可知：鉸點A的橫坐標，縱坐標。由公式（1）可知：鏟斗挖掘半徑：動臂轉角圍：由公式（2）可知： 因為，所

9、以BC能呈垂直狀態。再由公式（5）可知：5、鏟斗的轉角圍確定根據最大挖掘半徑高度確定根據最大挖掘卸載高度確定6.斗桿的轉角圍確定根據表3以與可知：因為，并且則，整理可得：4、 仿真以下截圖為用SolidWorks做的三維建模因為用SolidWorks做的三維模型不好倒入Adams，所以本文就以一個簡化模型還做仿真，但是數據都是用上文所計算的數據。以下就是仿真的截圖，只要為鏟斗的運行軌跡。經過仿真，得到以下數據：D的y坐標的值 A為（0，0） AD的距離五、 液壓系統的設計液壓系統設計作為液壓挖掘機設計的重要組成部分，設計時必須滿足挖掘機工作循環所需的全部技術要求，且靜動態性能好、效率高、結構簡

10、單、工作安全可靠、壽命長、經濟性好、使用維護方便。其中液壓系統的設計作為挖掘機總體設計的一部分，必須要滿足整機工作要求，并要求進行相關參數的計算與分析驗證，選取合適的各液壓元件。1液壓挖掘機的工況分析液壓挖掘機的主要功能運動包括以下幾個動作:動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉臺回轉、整機行走以與其它輔助動作。除了輔助動作 (例如整機轉向等)不需全功率驅動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅動。挖掘機的典型作業流程:(1) 整機移動至合適的工作位置(2) 回轉平臺，使用工作裝置處于挖掘位置(3) 動臂下降，并調整斗桿、鏟斗至合適位置(4) 斗桿、鏟斗挖掘作業(5) 動臂升起(6) 回

11、轉工作裝置至卸載位置(7) 操縱斗桿、鏟斗卸載2.液壓缸主要幾何尺寸的計算挖掘機各驅動和傳動系統包括：發動機、液壓泵、液壓馬達、電液比例換向閥、動臂缸、斗桿缸與齒輪傳動。本設計主要對動臂缸進行相關設計。（1） 動臂液壓缸徑尺寸與活塞桿直徑的確定由表4.1、表4.2可知，大型挖掘機液壓系統在斗桿最大推壓力，鏟斗最大破碎力前提下，考慮到鏟斗容量為，所以宜取液壓缸的工作壓力30，負載，液壓缸選用單桿式，并在工作時進行差動連接。此時液壓缸無桿腔工作面積應為有桿腔工作面積的兩倍。由于液壓缸回油路上必須具有背壓力存在，以防止挖掘機卸土后突然前沖，由表4.3,可取1.2。表4.1 按負載選擇執行元件工作壓力

12、負載F/N50000工作壓力p/MPa57表4.2 按主機類型選擇執行元件工作壓力主機類型機床農業機械小型工程機械工程機械輔助機構液壓機中、大挖掘機重型機械起重運輸機構磨床組合機床龍門刨床拉床工作壓力p/Mpa235881010162032表4.3 執行元件背壓力系統類型背壓力/Mpa簡單系統或輕載節流調速系統0.20.5回油路帶調速閥的系統0.40.6回油路設置有背壓閥的系統0.51.5用補油泵的閉式回路0.81.5回油路較復雜的工程機械1.23回油路較短，且直接回油箱可忽略不計由于是差動式單桿連接，所以活塞桿直徑d與缸筒直徑D的關系為d=0.707D。根據公式=81.63 (3.5)故有

13、D=101.78mm，d=0.707D=71.96mm (3.6)當按GB/T23481993將這些直徑圓整成就近標準值時得：D=110mm , d =72mm，由此求得液壓缸兩腔的實際有效面積為 (3.7)（2） 液壓缸行程的確定液壓缸行程主要依據機構的運動要求而定。但為了簡化工藝和降低成本，應盡量采用GB/T2348-1993標準的液壓缸行程，則根據技術要求，取行程為900mm。3.液壓缸結構參數的計算（1） 缸筒壁厚的計算對于低壓系統或16時，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算，公式如下： (3.8)式中 液壓缸缸筒厚度試驗壓力(Mpa)，當工作壓力P16 Mpa時，=1.5P，當工作壓力3

14、1.5P16 Mpa時，=1.25P，當工作壓力P31.5Mpa時，=1.15P，這里應取=1.25P =37.5Mpa。液壓缸徑(m)缸體材料的許用應力（Mpa），可通過下面公式求得： (3.9)缸體材料的抗拉強度(Mpa)安全系數，=3.55，一般取=5但對于鍛鋼45的許用應力一般都取=110(Mpa)則根據機械設計手冊，取液壓外缸直徑為=130mm。（2）液壓缸油口直徑的計算液壓缸油口直徑應根據活塞最高運動速度和油口最高液流速度而定，公式如下： (3.10)式中 液壓缸油口直徑(m)液壓缸徑(m)液壓缸最大輸出速度(m/min)油口液流速度(m/min)，根據機械設計手冊，取=7m/mi

15、n同時對于單桿油塞式液壓差動聯接時，活塞的外伸速度為: (3.11)式中 液壓缸差動聯接時，活塞外伸的速度，可視為油口液流的速度(m/min)液壓泵流量(/s)，根據邦立CE正鏟挖掘機相關數據?。夯钊麠U面積，其公式如下:(3.12)式中 活塞桿直徑(m) 所以代入數據，解析以上公式得：，故?。?）下蓋聯接螺釘強度校核計算螺釘聯接可采用高強度螺釘M161.5(GB/T70.1-2000)聯接,兩端數量均為24件，螺釘精度等級為10.9級，其強度校核，公式如下：拉應力：=7.7Mpa (3.15)剪應力： =3.1Mpa (3.16)式中 ：螺紋擰緊系數，此處取=1.25: 螺紋摩擦系數,一般取=

16、0.12：螺紋外徑，根據機械設計手冊，取=16mm：螺紋徑，根據機械設計手冊，取=-1.08251.514.4mm：數量為24B：B螺釘材料屈服強度，取45鋼，則 =110Mpa得：，符合工況要求，則驗證合格，可取。（4） 活塞桿柔度校核計算活塞桿細比計算如下： = (3.17)此處：L為折算長度，導向套中心至吊頭尺寸，約630mm，活塞桿直徑d=63mm，活塞桿許用細長比，按規定拉力桿此處100。計算得，故滿足要求，則活塞桿長度和缸筒長度的取值合格。六、 選擇各執行元件1.液壓泵的選擇根據現有產品的相關數據，取主泵的壓力為，最大流量為；齒輪泵的壓力為，最大流量為。根據機械設計手冊，可查閱得：

17、此液壓泵可采用NB3-G20F雙聯柱塞泵，主泵由2個柱塞式串聯變量柱塞泵組成。2.柴油發動機的選擇取泵的總效率=0.8，泵的總驅動功率為：=241.87KW (5.1)考慮安全系數,故取246KW3.液壓閥的選擇選擇液壓閥主要根據閥的工作壓力和通過閥的流量。液壓閥的作用是控制液壓系統的油流方向、壓力和流量，從而控制整個液壓系統。系統的工作壓力，執行機構的動作順序，工作部件的運動速度、方向，以與變換頻率，輸出力和力矩等。（1） 根據液壓閥額定壓力來選擇選擇的液壓閥應使系統壓力適當低于產品標明的額定值。對液壓閥流量的選擇，可以按照產品標明的公稱流量為依據，根據產品有關流量曲線來確定。（2）液壓閥的

18、安裝方式的選擇液壓閥與系統的管路或其他閥的進出油口的連接方式，一般有三種，螺紋連接方式，板式連接方式，法蘭連接方式。安裝方式的選擇要根據液壓閥的規格大小，以與系統的簡繁與布置特點來確定。（3）液壓閥的控制方式的選擇液壓閥的控制方式一般有四種，有手動控制，機械控制，液壓控制，電氣控制。根據系統的操縱需要和電氣系統的配置能力進行選擇。（4） 液壓閥的結構形式的選擇液壓閥的結構方式分為：管式結構，板式結構。一般按照系統的工作需要來確定液壓閥的結構形式。4.其他液壓元件的選擇（1）膠管的選擇根據工作壓力和按公式得管子的徑選擇膠管的尺寸規格。高壓膠管的工作壓力對不正常使用的情況下可提高20%；對于使用頻繁，經常扭變的要降低40%。膠管在使用與設計中應主要下列事項：1）膠管的彎曲半徑不宜過小，一般不應小于320，膠管與管接頭聯接處應留有一段直的部分，此段長不應小于管外徑的兩倍。2) 膠管的長度應考慮到膠管在通入壓力油后，長度方向將發生收縮變形，一般收縮是取3%4%，膠管安裝時避免處于拉緊狀態。3) 膠管安裝是應保證不發生扭轉變形，為便于安裝，可沿管長涂以色紋，以便檢查。4) 膠管的接頭軸線，應盡量放置在運動的平面，避免兩端互相運動時膠管受力。5) 膠管應避免與機械上