機械原理課程設計題目：正鏟液壓挖掘機工作裝置設計學號：姓名：_班級：指導教師TOC\o"1-5"\h\z一、 摘要 1二、 設計題目 21-1機構簡介? 21-2設計數據 2三、 設計內容 43-1鏟斗運動機構設計 43-2工作裝置運動分析 15四、 數據計算及其仿真分析 17五、 設計總結 21六、 參考文獻 22正鏟液壓挖掘機工作裝置設計

摘要所謂正鏟液壓挖掘機，是相對于常見的反鏟液壓挖掘機而言的。挖掘機要承受復雜的沖擊載荷，按傳統靜態的、經驗的方法設計動臂結構，在施工過程中往往出現強度、剛度不足的情況。而動臂強度、剛度是否滿足要求，全。因此，全面了角軍的應力、應變水平，率和剛度、強度分布挖掘機結構具有十將直接影響工作安動臂在工作過程中了解動臂的振動頻情況，對于我們優化分重要的作用。本次剛度是否滿足要求，全。因此，全面了角軍的應力、應變水平，率和剛度、強度分布挖掘機結構具有十將直接影響工作安動臂在工作過程中了解動臂的振動頻情況，對于我們優化分重要的作用。本次課程實際是出于優化挖掘機的目的，運用ADAMS對動臂結構進行動態分析。在文中對液壓挖掘機工作裝置運動學及受力進行分析，介紹了挖掘機的作業方式，簡要討論了影響挖掘阻力的幾種因素；利用Pro/E建立了挖掘機工作裝置的運動模型，并對其進行運動學仿真；運用ADAMS對挖掘機動臂進行三種典型工況的受力分析，研究其應力及應變，驗證動臂的強度符合設計要求,對動臂進行模態結構分析,得出其主要振型；實驗測試了挖掘機動臂的應力應變及振動情況，并對實測結果和有限元分析進行了比較。有限元分析以及實際測試結果驗證了動臂結構強度滿足設計要求，動臂固有頻率和挖掘機工作頻率也不會引起共振現象，最后的研究結果也只是為了驗證挖掘機的動力效果1、設計題目及任務1?1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加的干燥基坑，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范圍和工作能力。1.2設計數據和要求題號鏟斗容量挖掘深度挖掘咼度挖掘半徑卸載高度C4.03.29.529.067.911?3設計任務1、繪制挖掘機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（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）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、計算及運動模型建立過程以及效果分析等。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。2、正鏟液壓挖掘機工作裝置基本組成與工作原理正鏟液壓挖掘機由工作裝置，上部轉臺和行走裝置三大部分組成，如圖所示。其中上部轉臺包括動力裝置，傳動機構的主要部分，回轉機構，輔助設備和駕駛室；工作裝置由動臂，斗桿，鏟斗和動臂油缸組成，如圖所示。1?工件蕓賈1?工件蕓賈3行定監為圈2.1蔽壓正鏟挖據機的購4汨成冒二二液壓正曙機.件裝価挖掘作業時，操作動臂油缸使動臂下降至鏟斗接觸挖掘面，然后操縱斗桿油缸和鏟斗油缸，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，操縱動臂油缸，使鏟斗升高離開挖掘面，在回轉馬達的驅動下使鏟斗回轉到卸載地點，然后操縱斗桿和鏟斗油缸使鏟斗轉動至合適位置，再回縮鏟斗油缸轉動鏟斗，使斗前，斗后分開卸載物料。卸載后伸長鏟斗油缸使斗前，斗后閉合，講工作裝置轉到挖掘地點進行第二次循環挖掘工作。轉移工作場地時，操縱行走馬達驅動行走機構。在實際挖掘作業中，由于土質情況,挖掘面條件以及挖掘機液壓系統的不同，工作裝置內部動作配合是多樣隨機的。上述過程僅為一般的理想過程。3、正鏟液壓挖掘機工作裝置結構方案的確定正鏟工作裝置由動臂，斗桿，鏟斗，工作液壓缸和連桿機構等組成。動臂是焊接的箱形結構，由高強度鋼板焊成，和反鏟相比，正鏟動臂較短且是單節的。動臂下端和轉臺鉸接，油缸為雙缸，在布置上動臂的下鉸點高于動臂油缸的下鉸點且靠后。這種布置既能保證動臂具有一定的上傾角和下傾角，以滿足挖掘和卸載的需要，同時也能動臂機構具有必要的提升力矩和閉鎖力矩。斗桿也是焊接箱形結構或者是鑄造混合結構。斗桿的一端與動臂的上端鉸接，斗桿油缸的兩端分別與動臂和斗桿的下端鉸接，形成斗桿機構。鏟斗鉸接在斗桿的端部，鏟斗油缸的兩端分別與斗桿中部和連桿裝置連接，形成轉斗機構，一般為六連桿機構，有時也直接構成四桿機構。本設計中我采用如下結構：

下下圖示是正鏟挖掘機工作裝置的示意圖，采用直動臂、直斗桿形式，鏟斗為前卸式。動臂和動臂油缸在轉臺上的鉸點分別為C和A,它們的位置以停機面為X軸，整機回轉中心線為Y軸（圖b）的直角坐標值來表示。這臺挖掘機的主要工作油缸共5只，其中動臂油缸兩只，置于動臂的兩側；斗桿油缸一只，置于斗桿的中部;鏟斗油缸兩只，鉸于斗桿中部。主要工作油缸的主要參數列于表自由度：F=3n—2PL—PH活動構件數11，單鉸數13個，復鉸1個,由上可得自由度F=3X11-2X15=3液壓正鏟挖掘機工作裝置機構運動學分析1.動臂運動分析動臂CF的位置由動臂油缸AB的長度L決定。L和動臂水平傾角0之間的11關系可用下式表示L2=12+12L2=12+12—2llcos1 5 7 57—a+a)1 2 11(2-1)0=cos-1112+12—L2 5 1211丿75丿+a—a211(2-2)從上式看出，a-a對0的影響很大，當動臂和油缸的參數不變時，a-a1121112愈大動臂提升高度愈小。設動臂油缸全縮時動臂傾角為0；動臂油缸全伸時動1min臂傾角為0，那么在動臂油缸由全縮到全伸，動臂總的轉角為：1maxQ=0-0 (2-3)11max1min為了便于運算和比較，仍用無因次比例系數九、p、c表示，即LLl2-4)九=——lmax；p=——lmin；C=2-4)L； l；l1min 5 5代入式(2—2)可以得到動臂油缸全縮和全伸時相應的動臂傾角值0 =cos-1min0 =0 =cos-1min0 =cos-1max2c 丿+a-a2112-5)2C+a-a2112-6)而動臂總轉角為Q=cos-1Q=cos-112C-cos-12c 丿2-7)動臂油缸伸縮時對C點的力臂也在不斷變化，由圖可知eL=l-1-sinZBCATOC\o"1-5"\h\z11 7 515+115+12—L2—5 1-2ll丿

752-8)...e=-7_sinarccosT1 L1 I顯然，當AB丄AC時e有最大值，此時e=l，而相應的油缸長度L，為:1 1max 5 1

此時的動臂傾角為此時的動臂傾角為l0=arccos亠+a一al2 117若用動臂油缸相對力臂（即上―）來表示油缸長為L時的力臂，則e11maxe——1—e1maxl.e——1—e1maxl.( 12+12一L=-^smarccos—Li I―5—211752-9)斗桿運動分析斗桿FQ的位置由動臂CF和斗桿油缸DE的長度L所決定。但是動臂的位置2隨動臂油缸的伸縮而變化，為了便于分析斗桿油缸對頭桿位置的影響，假定動臂不動，那么斗桿鉸點F以及斗桿油缸在動臂上的鉸點D就可以看作為固定基座。L與斗桿、動臂夾角0之間的關系為222-10)L2=12+12-2x1x1cosG+a-a2-10)289892430=arccos212+120=arccos212+12一L28 9 2(2-1-189設斗桿油缸全縮時動臂與頭桿的夾角為0一a+a432-11)2min，全伸時為02max，那么當油缸由全縮到全伸時斗桿總的轉角為2-12)9=0 —2-12)2 2max 2min斗桿油缸的作用力臂e也是可變值。2eL二l?l?sinZDFE2289l?I. l2+12—L2e=-8_sin(arcscos-8 9 2) (2-13)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"2L 2ll2 89當EF丄DE時e有最大值，即e=l，這時相應的油缸長度L'為2 2 9 2L'=、\l2-122 '8 9相應的斗桿轉角為l2-14)=arccos亠+a一2-14)l3 48來表示L來表示L時的力臂，則2e2maxeI. l2+12—L2—=4Sin(arcscos-8 9 2) (2-15)eL 2?l?l2max 2 89綜上所述，動臂傾角9、力臂e和上「都是L的參數。1 1e 11max4、正鏟液壓挖掘機特殊位置工作情況分析下圖為正鏟挖掘機作業范圍圖，以下為幾種特殊工作位置的分析與計算

最大挖掘半徑當處于最大挖掘半徑時，轉角2為最大值，C,Q,F處于同一水平位置，此時有：Jjinaidd:iijkJjinaidd:iijkL44max最大挖掘半徑時挖掘高度為：最大挖掘高度最大挖掘高度時，動臂油缸和斗桿油缸都處于全伸狀態，轉角1和轉角2達到最大值，如下：H=Z44maxsin(^l-口)+L3+Yc在實際工作中，鏟斗可能無法達到豎直向上狀態，也就是說實際最大挖掘高度比理論挖掘高度小，此時需要根據實際的鏟斗轉角值來計算最大挖掘高度。最大卸載高度最大卸載高度與最大挖掘高度相似，同樣是動臂與轉斗的油缸全伸，轉角1和轉角2達到最大值，不同的是鏟斗豎直向下，如圖：H"44喰血⑹")+星一E3利用最大卸載高度和最大挖掘高度，我們可以計算出轉斗半徑大小。最大挖掘深度挖掘機處于此位置時，動臂油缸全縮，斗桿油缸收縮使斗桿豎直向下，同時鏟斗油缸收縮使鏟斗豎直向下，如圖所示：H2=LU^0\+Yc-L2-L3停機面上最大挖掘半徑這是指斗齒靠在地面上，斗桿全伸斗底平面與停機平面平行的情況。此時,QV線與地面交成b角，根據定義可以知道：=XC+￡44niaxcosa+L3cosh5、正鏟液壓挖掘機工作裝置相關尺寸計算現在從動臂與轉臺鉸點A出發，建立相關數學模型，并由已知條件求解。以地面為橫坐標，以回轉中心線為縱坐標建立模型。(1)各桿件長度鉸點C位置的確定一般情況下，較座都在轉臺中心的前方，即】?，設計時.■可用類比法或經驗公式法選取，在此基礎上推薦以履帶軸距L為基準：L= (2.3-2.7)3jq=3.65 -4.29q為鏟斗容量，L取4.2m。以L為基準，通過公式得：動臂長度L1=(0.98-1.1)L=4.6m斗桿長度L2二(0.7-0.95)L=4.0m鏟斗長度L3=(0.38-0.5)L=1.6m機構轉角范圍的確定在各桿件長度及較點C確定之后，再根據已知條件，我們可以各轉角范圍。斗桿轉角范圍斗桿轉角最大值可以利用最大挖掘半徑求解：L44max2nZ2coS^raas=n2+Z22-L44raJRm畝=厶Umax+^C+L3

求解得轉角最大值為123度；當斗桿油缸油缸全縮時，轉角有最小值,時+輕-％-L迺貯-％-1 -X2<L計算得轉角最小值為39度。動臂轉角范圍動臂最大傾角可以根據最大挖掘深度確定:&Jsresiriddniusi計算得最大傾角為79度;同理，最小轉角有:得最小轉角為18度。鏟斗轉角范圍鏟斗機構應該滿足在已知參數條件下能夠實行挖掘操作為滿足挖掘高度要求:Jmax^3maxJmax為滿足最大挖掘半徑要求:

"+arcsin'：沁144max為滿足最大挖掘深度要求:為滿足卸載要求:5 1^3min§?歷_"lm刃x-^2max_?兀_綜上得，轉角范圍為145-265度。6、正鏟液壓挖掘機工作裝置建模與仿真topwnpK.cawn；MtopwnpK.cawn；MW??也1?GndDtfrihI挖掘高度以及深度經測量達到挖掘深度3.2m及挖掘高度9.5m。1、動臂、斗桿及鏟斗轉動速度加速度及其轉動角度范圍（1）動臂XI*-|>動臂轉動速度4250.0Time:0.500rrent:3.5S7e-D370.25-42￡0動臂轉動加速度

XI*-|>動臂轉動速度4250.0Time:0.500rrent:3.5S7e-D370.25-42￡0動臂轉動加速度為了測量最大挖掘深度在運動的前2秒，斗桿油缸全縮讓斗桿轉動至垂直地面達到最大挖掘深度，所以動臂前2秒處于靜止狀態，角度轉動范圍為18-79度⑵斗桿斗桿轉動速度斗桿轉動加速度斗桿轉動角度范圍⑶鏟斗鏟斗轉動速度CD_MEA_1鏟斗轉動加速度由于需要達到最大挖掘深度及挖掘高度所以鏟斗的轉動并未達到最大由于需要達到最大挖掘深度及挖掘高度所以鏟斗的轉動并未達到最