3.5吨液压挖掘机总体设计

摘要

3.5吨液压挖掘机主要由工作装置和行走装置组成。本设计中主要是对工作 装置进行设计和分析计算。 并对数据进行校核。 我设计的内容包括动力系统设计， 对行驶过程中的受力分析。运输工况时的牵引力和牵引功率的平衡。我对工作装 置的设计主要包括工作装置总体方案的选择。工作装置结构尺寸的确定。液压缸 的设计。以及设计合理性的分析。我对PLC设计的部分包括：介绍PLC设计的背 景，挖掘机节能控制系统的介绍。I/O 点的分配。PLC 程序梯形图和接线图。本 文完成的主要工作有： 1)建立了液压挖掘机主工作装置的数学模型； 2)针对工 作装置的计算工况，建立了相关的力学模型； 3)确定了液压挖掘机的设计方案， 完成了主要参数的设计计算； 4)对主要工作装置的铰点和关键部位进行力学分 析和计算； 5）PLC部分的设计 6）液压回路分析

关键词：3.5吨液压挖掘机，工作装置，设计合理性，可编程序控制器，液压

ABSTRACT

3.5 ton hydraulic excavator is mainly composed of a working device and a walking device. This design mainly is the work of device design and calculation.

And data checking. The design includes the design of the power system, the driving force analysis in the. The transport condition when the traction force and the

traction power balance. I work on device design mainly includes the choice of the overall program of working device. Determining the size of working device structure. The design of hydraulic cylinder. Design and analysis of rationality. I design to PLC portion includes : an introduction to PLC design background,

energy-saving control system introduction. I/O point distribution. PLC programming ladder diagram and wiring diagram. This paper has completed the major work:1) establishment of hydraulic excavator work device of main mathematical model?2) the working device calculation conditions, establishes the mechanics model?3) determine the hydraulic excavator design, completed the design calculation of main parameters?4) the main work of the hinge point and device the key parts of mechanical analysis and calculation?5) PLC6) part of the design of hydraulic circuit analysis

Key words:3.5 ton hydraulic excavator, power system, working mechanism, design reasonable, PLC, hydraulic

目 录

1 绪论 (1)

1.1本课题的目的和意义 (1)

1.2国内外小型挖掘机的发展情况 (1)

1.3本设计研究的主要内容 (3)

1.4本课题的技术难点及主要手段 (4)

2 总体方案构思 (5)

2.1基本原理及主要工艺 (5)

2.2主要构思方案 (5)

2.3本方案特点 (6)

3 动力系统的设计 (7)

3.1 牵引力和牵引功率的平衡 (7)

3.2发动机的选型 (10)

4 工作装置的设计 (14)

4.1 工作装置总体方案的选择 (13)

4.2工作装置结构尺寸的确定 (15)

4.3液压缸的设计 (18)

4.4 设计的合理性分析 (19)

5 PLC 部分的设计.-------------------------------------------30

5.1 本课题PLC设计的背景---------------------------------------30

5.2 挖掘机节能控制系统-----------------------------------------30

5.3设计部分-------------------------------------------------.31

6 液压系统分析-------------------------------------------34

6.1挖掘机液压系统回路分析---------------------------------------------------------------- 34

7 结论----------------------------------------------------40附录Ⅰ自动怠速 PLC 梯形图---------------------------------41附录Ⅱ自动怠速PLC接线图----------------------------------42附录Ⅲ整机的电气控制图------------------------------------43 参考文献---------------------------------------------------------------------------------------------------44 致谢-----------------------------------------------------------------------------------------------------------45

1 绪论

1.1 本课题的目的和意义

液压挖掘机是一种多功能的机械，广泛应用于水利，交通，电力工程，建 筑和矿山机械，它在减轻繁重的体力劳动来确保工程质量。加快建设速度，提 高劳动生产率起着重要的作用。液压挖掘机的特点是多品种，多功能，高质量、 高效益，因此受到广大施工单位的青睐。生产制造液压挖掘机也日益繁荣。挖 掘机液压传动是密切相关的发展主要是基于液压技术的应用。 其结构的发动机， 液压系统，工作装置，行走装置和电气控制部分，工作条件差的挖掘机，要求 的行动是非常复杂的，所以其液压系统的设计，高要求的液压系统是液压系统 是最复杂的。因此，挖掘机液压系统的分析与设计已成为一个重要组成部分促 进挖掘机。

目前在中国全面实施阶段的基础设施建设， 沿海地区日益完善的基础设施， 挖掘应用市场环境，扩大和显示了强大的Out look在可预见的在这个时候，一 个小挖一些理论与实践的研究显然具有重要的现实意义和长远的指导设计质量 的权力的挖掘机和主要工作装置在很大程度上决定了整体性能的挖掘机，主题 在这些领域的研究。

1.2 国内外小型挖掘机的发展情况

1.2.1国内小型挖掘机的发展现状

国内挖掘机市场比装载机等工程机械起步晚，小挖则更晚。尽管近几年小 挖在国内市场的发展速度很快，主要生产厂家已近20余家，市场销量增长率很 高，现今国产挖掘机销售量已占百分之三十几。在国内小挖生产企业中，以三 一重工为首，山河智能、江西南特、山东临挖、杭州军联等企业组成的中国小 挖团队已经初具规模。但质量仍然有待提高。同国外特别是欧美的产品在质量 上仍然有很大差距。

国内的小挖已形成各为8吨全系列产品，占据主要份额的国内市场和出口 略有下降。总体技术水平国内小挖在国际水平的第二十个世纪里，80年代末90 年代先进技术，与国外的差距主要体现在整场比赛，微操作的性能，可维护性， 可靠性，和外观质量。

在这一阶段，中国挖掘机还处于模仿阶段，缺乏认识的自我发展能力和探 索自己的长处。在价格上的优势，但国内钢铁制造流程，质量，但。一般还远 远落后于国际先进水平。如在施工现场将能够看到三位一体，使挖掘机手臂。 国产配件，质量低于标准。

未来的发展将受到长期的主要部分，一个是动力，液压件。国内权力抗衡 进口权力将需要一些时间， 而国内液压部分替代进口液压配件更是巨大的努力。

1.2.2国外挖掘机目前水平及发展动向

早期的挖掘机生产工业国家，法国，德国，美国，俄罗斯，日本是主要的 生产国的液压挖掘机铲斗容量3.5-40立方米单桶从上世纪80年代， 生产超大型 挖掘机。开始从第二十世纪末，生产挖掘机在国际发展走向规模化，小型化， 多功能，致力与自动化。

（1）发展多品种，多功能，高质量和高效率的挖掘机。满足需求的市政建 设和农业建设，发展海外的微型挖掘机铲斗容量 0.25m3 以下最低斗容量 0.01 立方米。此外，数量最大的挖掘机往往是机器的各种设备-除了被铲，铲，配有 起重机，挖掘机，铲斗平坡，装载斗，耙齿，圆锥破碎，麻花钻，电磁吸盘， 振动器，推土板，影响铲，容器叉架高空作业，铰链板和拉铲，等，以满足各 种需要的建设。同时，特种挖掘机的发展，专门用途，如低压力比，低音的声 音，特殊的水下和水陆两用挖掘机。

（2）迅速发展，液压挖掘机，不断改进和创新的控制方法，挖掘机通过 简单的杠杆操纵的发展，液压控制，操纵空气压力，液压伺服控制和电气控制， 无线遥控，计算机集成过程控制。无线电控制在危险地区或水下作业，通过结 合计算机控制接收器和激光制导，全自动操作挖掘机操作。这一切，全液压挖 掘机的奠定了基础，创造了良好的前提。（3）重视采用新技术、新工艺、新结 构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的 挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度 来工作；美国林肯贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控 制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了 CAPS（计 算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。 （4）更新的设计理论，提高可靠性和延长生命。有限的生命，美国，英国，日 本等国家推广使用设计理论作为一种替代传统的无限寿命设计理论与方法，和 疲劳累积损伤理论，断裂力学，有限元方法，优化设计，微机控制电液伺服疲 劳试验技术的先进技术，疲劳强度分析方法用在强度液压挖掘机，促进产品质 量高，效率和竞争力。美国评估动态强度，动态设计分析方法，并创立了理论 预测的失败和更新。日本制定了液压挖掘机零件强度可靠性评估程序开发的住 宅处理系统。的基础理论指导下，通过大量的试验次数，缩短新产品的周期， 加快置换过程中的液压挖掘机，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机 操作率85% -95%，超过10000小时的使用寿命。

（5）加强劳动保护，改善工作条件的驱动器的驱动器。液压挖掘机驾驶室 和落物保护结构和翻车保护结构，安装灵活可调座椅，并降低噪声的保温措施。

（6）进一步完善的液压系统。小型液压挖掘机液压系统，一个明显的趋势 变化的变量系统。变量泵系统的过程中，压力降低，增加流量测试液压泵功率 是恒定的，是配备了一个可变排量泵的液压挖掘机往往可以充分利用最大功率 的泵。下降时，外部阻力增加（减少的速度），成倍的增长率加上挖掘力；三 回路液压系统。生产三个独立工作，互不影响运动。实现机械功率匹配和传达。 第三泵成为独立的开环快到其他体育运动。此外，该技术的液压挖掘机，广泛 使用电子技术，自动控制技术创造了条件，为应用和推广的挖掘机。

（7）迅速扩大电子，自动化技术在挖掘机。19年，为节省能源的消耗，减 少环境污染，使操作方便，安全操作挖掘机挖掘机，降低噪音，改善驾驶员的 工作条件，逐步应用在电子技术，自动控制技术。如挖掘机工作效率，节能， 操作方便，安全舒适，可靠耐用，性能要求的提高，机电一体化，挖掘机，其 性能有了质的飞跃。在19年代，微电子技术，尤其是计算机，微处理器，传感 器和检测仪器在挖掘机，并促进其应用和推广电子控制技术在挖掘机，并已成 为一个现代化的重要标志，是一种先进的挖掘机挖掘机配有发动机自动怠速和 油门控制系统，功率优化系统，模式的控制系统，监测系统和电气控制系统。 总之，外国的小挖的现状和发展趋势国外挖电流电平可以称为成为非常有效， 更好的性能可靠，运行平稳、舒适，不需要扩大，即使它是驾驶室的外观和质 感也有一些国内汽车美容。国外小挖趋势主要体现在：一机多功能的目标；提 高业务绩效目标实现智能化；节能模式控制；动态设计分析的基础上设计的可 靠性；以人为本的设计是基于微电子技术的发展，自动监测系统。

1.3 本设计研究的主要内容

设计的挖掘机 3.5 吨的小型液压挖掘机。设计的总体设计，包括主臂的设 计。优点和缺点的总体设计的质量决定的其他部分的设计，并确定整体性能。 合理，整体设计是保证顺利完成整个设计任务。因此，整体设计必须从更高层 次和更高要求的总体设计。

小型液压挖掘机的总体设计进行深入分析， 并提出了切实可行的解决方案 的设计计算的整体参数，总体布局，整体系统总体结构及其主要组成部分，并 最终建模组件。主要工作装置的设计是非常重要的整体设计。为整个挖掘机， 主要工作和底盘行走系统的前提和保证整机工作，这将确定性能和整机质量。 主要设备的设计必须综合考虑，如尺寸，形状，铰点布局，工作过程中互不干 扰，强度，刚度，等。至于底盘的履带行走系统，是更稳定的比车轮，转向半 径小，地面的压力，连接到更好的性能，更紧凑的结构安排，执行操作更方便。 本设计主要用于反铲装置，一些主要的整体弯曲的热潮，这是一个很好的得到 更深入的挖掘。棒的一些主要的全局直线移动棒；桶的部分道路一侧的斗齿。

1.4 本课题的技术难点及主要手段

困难的整体设计的挖掘机，设计的主要工作装置。主要设备是工作的一部 分，整个机器，它直接影响机器的性能。它主要由臂臂油缸，杓棒，棒液压缸， 液压缸桶。形状的臂，臂和斗的大小，形状，空间，结构和布局的病例系列和 向阳尾小型液压挖掘机模拟来确定最终的计算，证明其设计也基本达到要求， 能达到预期目标。底盘行走系统支持整个机械本体，它设计的好坏直接影响到 稳定的整体性能和运动性能。底盘行走系统主要由四个沿轨道框架和x-rack。 经过研究确定液压挖掘机底盘，全液压驱动，转向和制动。全液压压力可以使 操作更加方便，而且更方便，也可以迅速和顺利实现无级变速箱。

这个设计是指设计的数值计算和计算机图形学。该设计方法主要采用模拟 和传统的法律。目标机，所需的技术分析和集对身体部位的决定性作用，适当 的分析发现，核心的技术困难，整个设计和解决问题，以便找到相应的解决问 题的办法，最终的问题解决

2 总体方案构思

2.1 基本原理及主要工艺

必须明确设计在设计的早期作品。一般的建筑机械，必须包括电力系统， 变速箱，底盘行走系统，操作控制系统和执行系统，这五个基本系统（见图2 - 1）。电力系统主要用于柴油发动机，原因是因其良好的燃油经济性，可靠性， 电力，排气污染和许多优点；传动系统主要类型建筑机械包括机械传动，液压 机械传动，这四种形式的液压传动与电气传动；底盘的轮式和履带式行走系统 2种类型，除了行走传动装置。操纵控制系统一般包括一个底盘控制系统和设 备控制系统的一部分；执行系统，包括各类设施和机构，各种类型。确定了五 个基本的系统能够确定基本设计。

图2-1 五大基本系统图

2.2 主要构思方案

根据实际调研结果，结合国内外工程用液压挖掘机的相关资料，经过认真分 析总结，又根据设计的要求，考虑到机械的实用性、经济性、生产等方面的因 素，仿照CASE系列和山河智能小型液压挖掘机的整体结构和整机系统，拟定构 思方案如下：

（1）动力系统采用柴油发动机；

（2）传动系统采用静压传动系统；

（3）底盘行走系统采用履带式底盘；

（4）操纵控制系统采用全液压控制系统；

（5）执行系统主要包括铲斗、斗杆和动臂。动臂部分主要采用整体式弯动臂， 斗杆部分主要采用整体式直动斗杆，铲斗部分采用道侧齿的铲斗，而整个 主工作装置则采用反铲装置。

2.3 本方案特点

整体结构简单，结构紧凑。履带底盘行走，操作方便，适应性强，工作现 场。机械能代替钢轨道和橡胶履带可以运行在不同的操作条件（在城市使用的 橡胶履带，野外作业用钢轨道），适应性的网站。此外，使用履带底盘结构， 机械，机械稳定性，全液压驱动，可以方便地实现无级变速、自动刹车，并可 实现大范围的速度。可旋转的支持使机器容易达到360°旋转，工作能力，可以 大大提高。久保田发动机的前提下，保证功率达到布置安装在一个较小的空间， 使人体和转盘不超过设计要求，满足要求，运行成功。

3 动力系统的设计

动力系统的设计需要计算整机的牵引力平衡和牵引功率平衡，选择合适的 柴油机，满足功率和扭矩要求，且发动机的外形尺寸不和其它部件发生干涉。

3.1 牵引力和牵引功率的平衡 牵引平衡以及牵引功率平衡，以便分析机械传动工作，牵引力是如何使用 的发动机功率的消耗。平衡牵引，牵引功率平衡是指机械的任何时刻在运行过 程中移动牵引平衡可以分析动态性能的挖掘机，牵引功率平衡可以选择挖掘机 发动机功率和牵引力分析。

3.1.1机械行驶作业过程中的阻力

挖掘机行驶作业过程中，在底盘行走架上有以下几种阻力：

（1）滚动阻力 f P (KN)

a cos Gf P f = (3-1)

式中 G ——挖掘机自重(KN)，初步设定挖掘机自重为3500kg ，也

= = mg G 3500×9.8=34.3KN ；

f ——滚动阻力系数，根据《铲土运输机械》表 1-1，考虑到挖掘

机的工作环境，取 f =0.07；

a ——坡角，根据任务书要求 a =30°；

所以： f P (KN)

= = a cos

Gf P f 34.3×0.07×cos30°=2.08KN （2）坡度阻力 a P （KN ）

a a sin G P = =34.3×sin30°=17.15 KN

（3）工作阻力 T P （KN ）

（4）风阻力 W P （KN ）

（5）加速阻力 j P （KN ）

3.1.2牵引工况时的牵引力平衡和牵引功率平衡

（1）牵引力的平衡

挖掘机在工作时，其切线牵引力需克服滚动阻力、坡度阻力、工作阻力、 风阻力及加速阻力，即：

W T j f k P P P P P P ± ± ± ± = a (3-2)

——取自《工程机械底盘构造与设计》P139

式中： k P ——切线牵引力，对于履带式行走系： K K k M P m h = / K g ；

K M ——驱动力矩（ m N · ）；

K m h ——履带驱动功率， K m h =0.96；

K g ——驱动轮动力半径。

由于挖掘机在进行挖掘作业时不行驶，进行推填作业时的工作阻力主要有 水平切削阻力和推移阻力，由于本设计中的推土铲主要对挖掘过的土壤进行推 填，因此阻力较小，初步估计 KN P T 12

= 。 由于挖掘机的行走速度较慢，因此其风阻力和挖掘阻力均可忽略不计。 所以，在上式中风阻力 W P 和加速阻力 j P

均为0。 因此，挖掘机的切线牵引力

k P = f P + a

P =2.08+17.15+12=31.58 KN 由此得出牵引工况时挖掘所需总的牵引力。由于挖掘机是履带式，有两个 驱动轮，所以对于每个驱动轮，其切线牵引力为：

￠k P = k P /2=31.58/2=15.79 KN

欲得到每个驱动轮上的驱动力矩，就必须知道驱动轮的动力半径，动力半 径可以由后面的底盘行走系部分得到： = K g 320.6 mm

所以驱动轮的总的驱动力矩为：

K M = K K

K P h g = 96

. 0 6 . 320 58 . 31 ′ =10.55 KN ·m （2）牵引功率的平衡

挖掘机的工作装置的设计，设备和行走装置一般不同时，电力消费的主要 工作装置，因此，牵引功率应主要设备计算。主要工作装置的工作，和底盘行 走架不工作，使机器停在地方固定。机械运动的速度为零，从而驱动轮的运动 速度为0。挖掘机在这个时候，该发动机的动力消耗的主要工作的装置。因此， 机械传动功率 K N =0。

3.1.3运输工况时的牵引力和牵引功率的平衡

挖掘机在运输工况下没有工作阻力，而行使速度较高，故此时风的阻力不 能忽略不计。

由于没有工作阻力，牵引力较小，故可以忽略滑转引起的功率损失。

（1）牵引力的平衡

挖掘机切线牵引力：

W j f k P P P P P ± ± ± = a (3-3)

——取自《工程机械底盘构造与设计》P139

式中 f P ——滚动阻力， f P =2.08 KN ；

a

P ——坡度阻力， a P =17.15 KN ； W P ——风阻力； 取 W P =0

2 2 6 .

3 T

W KFV P = (3-4) ——取自《工程机械底盘构造与设计》P139

参考三河市智能我们系列小无尾机大小的液压挖掘机，结合位点和设备的 大小，以 l=1200毫米；车辆高度根据机器的操作范围地图和参考三河市智能我 们的系列，久保田系列小taillesshydraulic 挖掘机，可以确定=2200毫米

则

2 6 . 2 2 . 2 2 . 1 mm BH F = ′ = = KN KFV P T W 64 . 2 6 .

3 5 .

4 6 . 2 6

5 . 0

6 . 3 2 2

2

2 = ′ ′ = = 对于其加速阻力 j P 可以忽略不计。

所以其切线牵引力为：

KN P P P P P W j f k 84 . 21 64 . 2 0 15 . 17 08 . 2

= + + + = ± ± ± = a 2).牵引功率的平衡

挖掘机行走时的最大理论行使速度为： 5 . 4 = T V Km/h

对于履带式机械：由于在运输工况下 0 = T P ， KP P 较小，

速度V 较高，所以 滑转率 V V T ? ? , 0 d 。

因此，挖掘机的实际行使速度 h Km V V T / 5 . 4

? ? 。

W j f K N N N N N ± ± ± = a (3-5)

——参看《工程机械底盘构造与设计》P139

式中 f N ——滚动阻力功率， KW V

P N f f 6 . 2 6

. 3 5 . 4 08 . 2 6 . 3 = ′ = = ； a N ——克服坡道阻力功率， KW V P N 44 . 21 6

. 3 5 . 4 15 . 17 6 . 3 = ′ = = a a ； j N ——克服加速消耗的功率，可以忽略不计，即 j N =0；

W N ——克服风的阻力功率，

KW KFV N T W 30 . 3 6 . 3 5 . 4 6 . 2 65 . 0 6 . 3 3 3 3

3 = ′ ′ = = ； 所以， KW N N N N N W j f K 3

4 . 27 30 . 3 0 44 . 21 6 . 2

= + + + = ± ± ± = a 也即挖掘机在运输工况时的驱动功率为： KW

N K 34 . 27 = 3.2 发动机的选型 3.2.1 单斗液压挖掘机对柴油机的基本要求

目前和未来相当长的一段时间内单斗液压挖掘机的功率仍将柴油机。很少 使用其他原动机。由于柴油机的一个灵活的，艰苦的曲线，可靠，经济优势。

单斗液压挖掘机的基本要求是柴油发动机和汽车，类似于一个拖拉机。挖 掘机工作条件更为恶劣，负荷不稳定，有时劳累。因此，工作负载的柴油发动 机是普遍低于额定负载。额定负载的汽车拖拉机，挖掘机，它指的是额定功率 在接下来的几个小时或以上的额定速度。

挖掘机的特点：在环境温度变化（通常±40o，最热门的，有时长达60o丙）， 灰尘，污垢；负载变化；往往倾向于工作，有时在斜坡上常年工作；维护条件。 网站，远从维修站。为此，柴油发动机的一些特殊要求：

（1）柴油发动机维修不得少于3000至4000 小时的工作。

（2）燃料消耗量不得超过190克/惠普?小时。石油消费量不应超过3至4 克/ hp-hour 。我希望不是缺乏燃料和油。

（3）结构简单，保养维修方便，调整点少，备件可充分供应。

（4）低温启动容易。

（5） 功率柴油机应被视为独立的曲轴前端， 侧， 或分配齿轮箱输出全功率。 因为有些挖掘机有时专用转向泵或泵。

（6）至少可连续运行在额定功率，一个小时的功率不下降。工作四小时， 掉电不超过5%。柴油机适应性因子不小于1.15 -1.20。配备全调速器。

（7）柴油机厂应配备空气过滤器，水或油冷却装置，电器仪表，控制机制 和罩。还应考虑增加一个增压器。 3.2.2 发动机功率的确定

根据牵引工况和运输工况的功率平衡方程式分别算出所需功率， 然后取其 中较大值来选择柴油机的标定功率。

（1）牵引工况

( ) KW P Q V Gf P N P NOP T M T H eH ? D + + = h x h h 60000 3600 (3-6)

式中 ： M h ——机械传动效率（履带式包括履带驱动功率）。计算时取： 轮胎式 M h =0.90～0.92；履带式 M h =0.87～0.89；

T h ——液力变矩器效率，计算时取 75 . 0

= T h ，采用机械传动时 1 = T h ； Q ——液压泵的流量( ) min / L , min 4 . 91 L Q = ；

P D ——液压泵进出口压力差( ) KPa , KPa P 4 10 1 . 2 ′ = D ；

P h ——液力压泵及液压泵驱动机构的效率，可取 75 . 0 = P h ～ 85 . 0 。

( ) KW N eH 62 . 45 8

. 0 60000 10 1 . 2 4 . 91 1 75 . 0 88 . 0 6 . 3 45 . 0 07 . 0 3 . 34 34 . 27 4 = ′ ′ ′ + ′ ′ ′ ′ ′ + = （2）按运输工况最高行驶速度计算

) ( 6000 3600 6 . 3 2 2 KW P Q V KFV Gf N P t n t t eH ? D + ú ? ù ê ? é + = h h h (3-7)

——参看《铲土运输机械》P37页

8 . 0 6000 10 1 . 2 4 . 91 75 . 0 88 . 0 3600 5 . 4 ] 6

. 3 5 . 4 6 . 2 65 . 0 07 . 0 4 . 31 [ 4

2 2 ′ ′ ′ + ′ ′ ′ ′ ′ + ′ = eH N =45.38KW

取其最大值： KW N eH 38 . 45 max = 综合分析，考虑发动机和辅助动力和动力储备，选择广西玉林柴油机

有限公司生产，yc4108zg 式柴油发动机，其基本参数列于表3.1

表3-1 YC4108ZG工程机用柴油机基本参数

名称 技术参数

型号 YC4108ZG

型式 直列、水冷、立式、四冲程

吸气方式 增压

气缸数 4

气缸直径′活塞行程（mm） 108′115

活塞排量（L） 4.214

压缩比 17：1

标定功率(KW)/转速(r/min) 60/2200

标定工况燃油消耗率( /

g KW h× )￡230

最大扭矩（N m

× ）/转速（r/min） 340/1400: 1600

g KW h× )￡220

最大扭矩油耗率( /

扭矩储备率（%） 12

调速率（%） 10: 12

机油牌号 夏季用40CD、15W/40CD号，冬

季用30CD、10W/30CD号

冷起动性能不带冷起动装置（℃） -10

冷起动装置（℃） -25

倾斜角度（°） 横倾25，纵倾30

全负荷最大烟度（FSN） 3.0

噪声限值dB(A) 113

净值量(kg) 360

外形尺寸（长′宽′高）（mm） 690′520′560

4 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。

4.1 工作装置总体方案的选择

总体方案的选择主要包括工作装置总体结构的选择、动臂和斗杆结构形式 的选择以及各个铰点的布置形式的选择。

4.1.1 工作装置的总体结构

图4.1 工作装置总体结构图

1.机架

2.动臂

3.动臂油缸

4.斗杆油缸

5.斗杆

7.连杆 8摇杆 9.铲斗

液压挖掘机工作装置采用连杆结构原理，各部分的运动则通过液压缸的伸 缩来实现。最常用的反铲工作装置由铲斗、连杆、摇臂、斗杆、动臂及铲斗液 压缸、斗杆液压缸、动臂液压缸组成。

动臂下铰点及动臂缸下铰点铰接在转台上，利用动臂液压缸的伸缩，使动 臂（亦即整个工作装置）绕动臂下铰点转动，依靠斗杆液压缸使斗杆绕动臂的 上铰点摆动，而铲斗铰于斗杆前端，并通过铲斗液压缸和连杆使铲斗绕斗杆前 端转动。

总之，液压挖掘机采用三组液压缸使铲斗实现有限的平面运动，加上液压 回转马达驱动回转机构运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走液压

马达驱动行走移位，使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘 作业的要求。

臂，臂和斗高轻度钢板焊接结构，重量轻，强度高。两根吊杆与转让针在 中东的平台前端支持一个铰接次级部臂油缸3 只是做伸展运动，繁荣的升降运 动。

5铰接于繁荣的结束和另一端铰接桶和操纵杆。坚持恢复和拉伸依靠铰链 臂，斗杆液压缸。

斗9铰接在坚持到底的，伸展的铲斗液压缸使铲斗绕铰链旋转点。角增大 的斗，铲斗液压缸桶连接的联系（如杆、摇杆8，等。）。

该运动的工作装置可以单独，也可以与转盘转动的同时，缩短周期的挖掘 工作更快。到卸货的位置，通常从挖掘地点或挖掘地点，同时旋转和繁荣升降 机返回从卸载位置。反铲作业，根据需要把繁荣的同时把棍子或铲斗卸同时旋 转桶和棒。

工作装置销合金钢，渗碳处理，强度高。各铰点与油杯，注册成脂润滑油。 工作装置，铰点处设有 limited-bit 块以减少对燃料箱。部分由红色座椅、斗齿 斗齿。斗齿设置在红色的座椅弹性的固定斗齿磨损可以更换。

4.1.2动臂和斗杆结构形式的选取

a) 动臂结构的选择

动臂是工作装置的主要构件，斗杆的结构一般取决于动臂的结构。反铲装 置有直动臂和弯动臂两种方案。

直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，适用于专用正铲和悬挂式挖掘机，且 反铲工作装置使用直动臂只能得到较小的挖掘深度。

整体风格曲臂以获得更大的深度挖掘，它是一种常见的形式，致力反铲装 置，使用这种结构在现在常用的中小型液压挖掘机反铲。整体的繁荣结构简单， 价格低廉，外观，在刚度相同时，打火机。其结构坚固耐用，工作范围，与长 度直动臂挖掘机有较大深度的挖掘，但减少排放的高度，这是符合要求的反铲 挖掘机操作。其缺点为更换设备，那么多功能，同时增加了开采深度减少排放 高度，形状和强度的结构弯曲是值得注意的。

方案比较，结合任务书的要求的开挖深度和高度，可以看出，直臂显然不 适用，因此整体弯曲臂结构。提高了设计的可行性和可靠性的繁荣，确保其工 作范围和平滑的运动。其结构可以是钢板焊接矩形盒变截面结构，内部和分区， 增加强度和刚度

b) 斗杆结构形式的选择

斗杆有整体式和组合式两种方案。大多数挖掘机都采用整体式斗杆。整体 式斗杆在运动中又很多优点：油缸布置简单；挖掘效率高，原因是挖掘时受力

好；相对来说耐用性好。并且可根据工作状况来调节斗杆长度以实现优化作业。 且现在市场上的挖掘机主要采用整体式斗杆。 通过以上分析可知，这里采用整体式斗杆较为适宜，其结构采用有钢板焊 接而成的变截面箱形结构。动臂油缸和斗杆油缸布置形式的选取总体布局的动 臂油缸底之前的繁荣，底部的旋转平台铰接，都有一个特定形式的布局，将手 臂向前和向后 2 繁荣。当气缸的安装尺寸的计划，挖掘最大的高度和最大挖掘 达到相同的最大挖掘深度的程序落后比着程序是小，即，1< h 2。此外，该计 划向后移动的力臂遭受普遍高于计划。但当臂油缸的力是一样的，后倾计划可 以得到一个大的作用力矩的繁荣。通过比较分析上述2个方案，结合使命声明， 你可以选择的布局程序。

4.2 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。

4.2.1铲斗参数的选择

当铲斗容量q 一定时，切削转角 f 2 、切削半径 D R 和切削宽度b 之间存在着 一定的关系，即具有尺寸 D R 和铲斗转过角度 f 2

所切下的土壤刚好装满铲斗 （图）。于是斗容量按下式计算：

S

s D K k b R q ) 2 sin 2 ( 2 1 2 f f - = (4-1) 式中: s k ——铲斗充满系数；

S K ——土壤输送系数。

根据经验，一般取

3 )

4 . 1 ~ 0 . 1 ( q b = (4-2)

式中:q ——铲斗容量， 3 m ；

b ——铲斗平均宽度， 3 m

。 由任务书要求可知 3 12 . 0 m q = ，可得 m b ) 74 . 0 ~ 53 . 0 ( 12 . 0 ) 4 . 1 ~ 0 . 1 ( 3 = = ，

这里取 m b 64 . 0 = 。

考虑到铲斗切削入土和出土的余量，一般取 ° <140 2f ，同时考虑到再转都 速度一定时转都角度太大会增大挖掘力，降低生产率，一般取 ° ° = 110 ~ 90 2j ，

这里取 ° =100 2j 。在确定铲斗宽度b 和转斗角度j 以后，根据式(4-1)即可得到 铲斗转斗切削半径

s S D k b qK R ) 2 sin 90 ( 2 j pj - = （m） (4-3)

式中: b ——铲斗宽度， m；

j ——铲斗转斗角度的一半，（°）；

S K ——土壤疏松系数；

s k ——铲斗充满系数，这里取 1 / = s S k K 。

将数据代入得到 m R D 62 . 0 ) 100 sin 90

50 14 . 3( 64 . 0 1 15 . 0 2 = ° - ′ ′ ′ ′ = 铲斗上两个铰点之间的距离 24 l ,一般取特性参数 38 . 0 ~ 3 . 0 24 2 = =

D R l k , 所以 mm R l D ) 236 ~ 186 ( ) 38 . 0 ~ 3 . 0 ( 24 = = ，这里取 mm l 211

24 = ，一般取 ° ° = D 115 ~ 95 KQV ,这里取 ° = D 100 KQV 。

4.2.2动臂和斗杆尺寸的确定

动臂与斗杆的长度比为 1 K ,当 2 1 > K 时称为长动臂短斗杆方案， 当 5 . 1 1 < K 时属于短动臂长斗杆布置方案，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。 2 ~ 5 . 1 2

1 1 = = l l K ，这里取 8 . 1 1 = K 。 根据CASE 系列及玉柴挖掘机的作业参数， 初步选取最大挖掘半径 mm R 5400 1 = ， 据统计，最大挖掘半径 1 R 值一般于 3

2 1 l l l + + 的和值很接近，因此在

3 l 和 1 K 值 已定时可按下列经验公式计算： 1

3 1 2 1 )

( K l R l + - = (4-4) 2

1 1 l K l = (4-5)

式中： 1 l ——动臂长，即尺寸CF 长,mm；

2 l ——斗杆长，即尺寸FQ 长，mm；

3 l ——铲斗尺寸QV,即 D R ,mm；

D R ——最大挖掘半径，mm。

由此可初步计算得:

mm l 1707 8

. 1 1 620 5400 2 = + - = ,初步选定 mm l 1700 2 = 。 mm l 3060 1700 8 . 1 1 = ′ = ，初步选定 mm l 3000 1 = 。

动臂的弯角 1 a 一般可取

° ° = 140 ~ 120 1 a ，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，针对任务书要求的最大挖掘深度较大，可初 步确定 ° =120

1 a 。

图4-2 工作装置的尺寸图

到此，动臂和斗杆的基本长度和弯角已经确定，其各部分的具体参数，可 参照 CASE cx35 系列和山河智能 SWE40 系列的小型液压挖掘机，对本次设 计的挖掘机进行类比做仿形设计，并结合任务书对作业参数（挖掘深度、卸料 高度和挖掘高度）和挖掘力的要求，进行建模，对起铰点位置进行优化，从而 确定各部分的结构尺寸,见表4-1所示: