组合式挖掘装载机工作装置设计-说明书
组合式挖掘装载机工作装置设计-说明书
组合式挖掘装载机工作装置设计
中文摘要
挖掘装载机是生活中经常用到的工作设施，是水工建筑物不可或缺的组成部分，它在建筑工程中占据着非常重要的作用。挖掘装载机主要在城市与农村的电缆铺设、电力、机场工程、公路建设及养护、农田水利建设、农村住宅建设、开山取石等各种小型建筑队从事的建筑施工工程发挥着重要的作用。它可以跟多种工作装置及辅具想配用，从而进行铲装、挖掘、路面、开挖沟渠、铺设管道等多种作业。
最近几年来，我国经济不断快速发展，处在能源水利、道路交通、城市建设各方面基础建设高峰后期，并且我国一些公路建设等基础设施，已经进入维护保养期，在城市建设不断完善时，人们对道路等维护的要求期望值不断提高，我国基础设施建设逐渐成熟，未来几年中国挖掘机市场必然是大型基建项目不断减少，但是改建、扩建、修缮各种小型工程不断增多。使得新型挖掘装载机具有了良好的社会效益和很好的应用价值。
本论文较系统地论述了组合式挖掘装载机设计的背景，详细地论述了传统的挖掘装载机特点及类型，分析了新型挖掘装载机的潜在市场价值。
本文主要对组合式挖掘装载机工作装置总体方案设计，各机构设计，包括组合动臂，斗杆，铲斗设计，连杆机构，快换装置和安全锁紧装置进行了详细的计算和分析，各部件之间位置分布。
本文采用液压系统控制，要保证挖掘力得到充分发挥就必须确定合理的液压缸的闭锁能力。对各个液压缸的参数进行设计选型并进行必要的校核计算。
本毕业设计主要是根据传统两头忙原型进行了计算及设计上的创新，针对现在装载机和挖掘机存在的缺点，设计了这款组合式挖掘装载机，可以实现挖掘机和装载机两种工作模式的自动切换。在机械结构上简单化，多功能化，以便提高组合式挖掘装载机得机电一体化，实现局部自动化，提高生产率、提高在工作上的使用率。
（英文摘要）
第一章绪论
1.1研究背景
传统的挖掘装载机“两头忙”是小型多功能工程机械中的一种，通常在大工程完成后里的小工程中使用。传统挖掘装载机是生活中经常用到的工作设施，是水工建筑物不可或缺的组成部分，它在建筑工程中占据着非常重要的作用。它结
构独特，后端为挖掘装置，前端是装载装置。在工作时，只要转动座椅，就可以完成从装载状态到挖掘机操作手角色的变化。挖掘装载机主要在城市与农村的电缆铺设、电力、机场工程、公路建设及养护、农田水利建设、农村住宅建设、开山取石等各种小型建筑队从事的建筑施工工程发挥着重要的作用。它可以跟多种工作装置及辅具想配用，从而进行铲装、挖掘、路面、开挖沟渠、铺设管道等多种作业。
1.2研究意义
20世纪60年代左右，世界各地开发挖掘装载机的热潮不断上升，一直到今天都还在不断发展。现在，全世界挖掘装载机的年产销量大概在10至12万台，为什么挖掘装载机需求量这么大呢？主要是因为：根据高速公路比较发达的数据统计可以看出，每一百公里高速公路就需要有一台挖掘装载机对其进行维护，而并且挖掘装载机非常适用于道路的建设与维护。但是传统的挖掘装载机体积偏大、而且功率小、较笨重，功能非常单一。随着多功能工程机械慢慢变成世界工程机械市场的焦点，最近几年来，我国经济不断快速发展，挖掘装载机市场也不断变好。主要因为，我国现在处在能源水利、道路交通、城市建设各方面基础建设高峰后期，并且前几年我们大量投入使用公路建设等基础设施，已经进入维护保养期，在城市建设不断完善时，人们对道路等维护的要求期望值不断提高，而靠人力已经很难令人们满足。随着各类大型工程建设不断完工，我国基础设施建设逐渐成熟，未来几年中国挖掘机市场必然是大型基建项目不断减少，但是改建、扩建、修缮各种小型工程不断增多。这样对小型工程机械乳挖掘装载机需求将会增大。由于组合式挖掘装载机功能更加灵活强大：一、不需要装懂座椅美酒可以实现挖掘和装载两个功能；二、挖掘时视野宽阔；三、装载机时可以回转；四、装载机，具备偏转装载功能。它的使用范围和工作效率远远超出现在的挖掘机，装载机，两头忙等小型工程机械产品。而且具备了具有重量轻，体积小，结构紧凑等一系列优点。使得本设计具有了良好的社会效益和很好的应用价值。
1.3研究内容
[1] 组合式挖掘装载机工作装置各机构设计，包括组合动臂，斗杆，铲斗设计，主要采用焊接结构设计，在结构强度足够的条件下大大减少了其加工时间。
[2] 快换装置的设计，快换装置主要用于用于各类工作装置机具的快速更换，实现挖掘机状态到装载机状态的快速更换，提高工作效率。使用快换装载可以让操作人员更方便，灵活的完成工作，大大提高效率。
[3] 各机械构件布置，定位和装配设计，由于该工作装置要完成两个状态的工作，要进行变形，所以对机械构件布置要求较高，各机械部件之间不能互相干涉。
[4] 液压系统的初步设计计算，要保证挖掘力得到充分发挥就必须确定合
理的液压缸的闭锁能力。选定几个反铲作业下的主要工况作为计算位置来计算各液压缸应具有的闭锁力，使之在各个工况下不发生液压缸被动回缩或伸长，进而保证工作液压缸作用力的发挥。
[5] 安全锁紧装置的设计，由于本设计存在变形折叠状态，考虑到安全锁紧问题，必须在该装置上设置安全锁紧装置。从而实现装载模式到挖掘模式之间的转换，并保证它的强度和刚度。
第二章挖掘装载机概述
液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。是目前挖掘机中重要的品种。它的作业过程是以铲斗的切削刃（通常装有斗齿）切削土壤并将土装入斗内，都装满后提升，回转至卸土位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械位移以便继续工作，因此，是一种周期作业的咨询式土方机械。
2.1行走类型
根据行走装置方式不同，液压挖掘机主要分为履带式，汽车式，轮胎式，悬挂式以及托式等种类。汽车式与悬挂式主要是根据汽车及拖拉机为基础机械（底盘）的装设挖掘或装载工作装置的小型挖掘机。国产履带式装载机大多是在推土机的基础上形成及市面上使用和生产的主要是轮胎式装载机，这两类装载机除了行走装置不一样外，其它系统跟构造基本相同。
2.2回转类型
根据挖掘装载机回转时部分转角不同，液压挖掘机可分为全回转跟半回转两类。现在市面上大部分的液压挖掘机是全回转式，而一些小型液压挖掘机比如悬挂式等工作装置只能作180°左右回转，是为半回转式。
2.3使用类型
根据使用场合不一样可分为：露天用装载机和井下用装载机（铲运机）。目前露天轮式装载机比较常见；而铲运机的结构形式相对露天轮式装载机来说是比较简单的。
2.4传动类型
根据传动形式不一样可以分为：液力机械传动式，机械传动式，液压传动式和电传动式。
2.5装载类型
根据装载方式不一样可分为：侧卸式跟回转式，前卸式，后卸式。轮式装载机几乎都是前卸式。
2.6转向类型
根据转向方式不一样可分为：整体式跟铰接式。国产轮式装载机基本上用的都是铰接式。
第三章组合式挖掘机工作装置方案设计
3.1工作装置选择总原则
设计合理的工作装置应该要满足以下的要求：
1、主要的基本工作尺寸以及工作范围要满足工作条件使用要求。注意运动参数可能受到机构碰撞限制等可能性。
2、整机挖掘力大小与分布情况应满足工作条件使用要求，并且具备一定先进性。
3、确定铰点布置的结构形式与截面尺寸形状要尽可能使受力状态有利，在满足必要的刚度，强度，和连结刚性的情况下尽量轻点。
4、功率利用尽量好，理论工作时间短一点。
5、运输与停放的时候，挖掘装载机工作装置应具有合理的姿态，使得运输尺寸小，工作稳定性好，安全可靠，而且尽可量让液压缸减载甚至卸载。
6、由于作业工作条件比较复杂，使用情况比较多变，考虑到工作装置的通用性，变铰点结构与配套机构比较常用。要满足工作条件要求下，力求替换的构件种类少，结构简单，换装方便。
7、工作装置的液压缸采用系列参数，尽量减少使用的液压缸零件种类，特别是经常更换的零件。
8、工作装置的结构设计形式和布置方式要方便装卸、维修，特别是零件更换。
9、要采取一定的有效措施来满足特殊工作使用要求。
3.2 动臂和斗杆总体方案的选择
动臂是工作装置里面最重要的构件，而斗杆的结构形式取决于动臂的结构方式。反铲工作中常用的动臂主要有整体式和组合式两种，为了满足折叠要求，本设计主要采用组合动臂。
组合动臂液压缸的布置方案如图3—1所示，小动臂液压缸装于大动臂的后方，锁紧组合动臂，大动臂液压缸装于大动臂的后方，也就是“悬挂式液压缸”。主要是可以使动臂下降幅度较大，这样在工作时，特别是在挖掘深度较大时动臂液压缸处于受压缩状态，有较强的闭锁能力。
图3—1 动臂液压缸的布置方案
3.3 铲斗总体方案的选择
铲斗跟铲斗液压缸之间的连接主要有三种形式，如图3—2所示，其不同主要在于液压缸跟铲斗的连接方式不一样。图a为四连杆机构，铲斗，斗杆与液压缸直接连接。图b中铲斗液压缸经过与摇杆1和连杆2跟铲斗相连接，与斗杆组成六连杆机构。图d与图b差不多，不同在于前者液压缸铰接在摇杆两端，图c的机构传动类型与图b类似，但是铲斗摆角位置转动一个角度。
图3—2 铲斗与铲斗液压缸的连接形式
六连杆方式和四连杆方式相比较，在相同的液压缸行程情况下能使铲斗转角
更大，进而改善了工作机构传动特性。而六连杆机构中方式b 和d 在液压缸行程一样时，d 能获得较大的铲斗转角。
综合考虑本设计使用共点六连杆，如图b 。 总体方案如图3—1。
第四章 挖掘机工作装置设计计算 4.1斗型参数的选择
铲斗的四个主要参数有： 挖掘机铲斗容量q ，平均铲斗宽B ，转斗挖掘半径R 和转斗挖掘装满转角?2（令?2=?max ）。 他们之间有以下几何关系
()S K B R q ??2sin 2212
-=
（4—1）
式中 q —装满时的铲斗体积，3
118.0m q =；
B —平均铲斗宽度，一般选取mm R 750=； R —铲斗挖掘半径；
s K —土壤松散系数，取1.20；
?2—挖掘装满角，全面考虑有关因素，可以取?2=90o ～100o ，取2?=95o 。
将以上各值代入式(4—1)，计算得mm mm R 600610≈=。
铲斗上两个铰点K 和Q 的间距24l 太大将影响铲斗机构的传动特性，太小则
影响铲斗结构刚度，一般取特性参数
36.0~32.03242===
QV
KQ
l l K 。取
375.02=K 。
则5.262600375.0375.0=?==QV KQ 一般地，取
1159510～KQV =∠=α，取
10010=α
4.2组合动臂机构参数选择
确定特性参数
21
1l l K =
即组合动臂和斗杆的长度比。由于对于一定的工作
尺寸来说，特征参数可以在很大的范围内选择。初选76.11=K 。
据统计，最大挖掘半径1R 大小一般与321l l l ++的和值相接近。因此根据要求的最大挖掘半径1R ，已定的3l 和1K 可按下面近似经验公式初定1l 和2l ：
2111
3121l K l K l R l =+-=
(4—2) 由原始参数给定最大挖掘半径为mm R 61101=，mm
R l 7003==
代入公式（4—2）得2l =1960mm ，1l =3450mm 。
组合动臂液压缸全伸和全缩时的力臂比4K 按不同情况选取，通用挖掘机以反铲为主要适当顾及其他换用装置需要在地面以上作业时有足够提升力矩可取
4K =0.8~1.1。初选4K =0.9。
11α的取值对力臂比4K ，最大挖掘深度max 1H 有很大影响。加大11α，使4K 减小或使max 1H 增大，这刚刚好符合反铲作业要求。所以基本用作反铲的小型机取
11α＞60°，甚至有的取11α＞80°。初选11α=80°。
根据液压系统的工作压力，系统回路，供油方式，流量，工厂制造和三化的要求
等确定了液压缸的伸缩比系数λ。加大液压缸伸缩比1λ会增大动臂的转角
max ?，但由于受液压油缸稳定性限制，1λ一般取1.6~1.7。初定组合动臂液压缸的伸缩比1λ=1.67。
由机体尺寸与工作尺寸经验系数表1及线尺寸参数公式：
）（m G k L li i 3= （4—3） 由公式（3—3）可得5l =AC=560mm 如图4—1。
图4—1 AC 计算简图
组合动臂及组合动臂液压缸铰点几何关系可由图4—2用公式表达：由样机，
初选无因次比例系数ρ=0.5，则由
min 15
L l =
ρ，可得液压缸最小极限尺寸
min 1L =1120mm,液压缸最大极限尺寸mm L L 1870112067.1min 11max 1=?==λ
组合动臂在上极限最小位置时由△1CAB 得
αcos 27575min 1222l l l l L -+= （4—4） 常数
=-+=75min 1572cos 222l l L l l α
p =αcos （4—5）
图4—2 动臂和动臂液压缸铰点位置的几何关系
组合动臂在下极限最大位置时由△CAB 得
βcos 27575max 1222l l l l L -+= （4—6）
常数
=-+=75max 1572cos 222l l L l l β
M =βcos （4—7）
根据几何关系△1CAB 得αδsin sin min 15L l = α
δsin sin min 15
L l =∴ 又由△CAB 得βγsin sin max 15L l = βγsin sin max 15
L l =∴ 所以组合动臂在上，下极限位置时液压油缸作用力臂相对应为 2
min 15
7min 15771sin sin p L l l L l l l e z -?=?=?=αδ 2
max 15
7max 157701sin sin M L l l L l l l e -?=?=?=γγ
液压缸作用力臂比
22
2min 12max 10411111M p M L p L e e K z --=--==λ=0.9
（4—8）
取无因次比例系数为min 15
L l =
ρ，min 17L l =
σ，把它们代入式（4—5）和式（4
—7），得出
σρρσ2122-+=p σρλρσ22
22-+=
M （4—9） 将式（4—9）代入式（4—8）得 4.1=σ 由式（4—9）（4—6）（4—7）得 mm l 15687=
从△CAB 和△1CAB 之间可以看到λρσ，，三者之间的关系：
9.1=+ρσ＞67.1=λ；
9
.0=-ρσ＜1。
符合设计要求
σ大于ρ，此时7l ＞5l 。而悬挂式动臂的连接方案就是属于此类。
由式（4—4）和（4—6）可得
?=?=??-+=-+=30864
.01568
5602112056015682cos 2
2222275min 157ααl l L l l ?
=?=??-+=-+=11441
.01568
5602187056015682cos 22222275max 157ββl l L l l
所以，组合动臂的摆角为?
=-84αβ
当斗杆液压缸全压缩时832αα-=∠CFQ 最大值，通常选取
()??=-180~160max 832αα。
选取()?
=-170max 832αα。
当组合动臂液压缸全压缩状态时，斗杆液压缸全缩，QV 连线垂直状态时可以得到工作装置最大卸载高度状态，如图4—3。
由图根据几何关系可得最大卸载高度表达公式为：
()
()302118min 1max 3222min 1111max 3180sin sin l l l Yc H ---+--+--+=αααθααθα （4—10） 初选?
=<130CBF ，则
mm BF l l l l l l l l 2226643
.01568
2264015682CBF cos 22222272212272
22222==?-=??-+=-+=<
图4—3 最大卸载高度计算简图
根据正弦定理可得，
2
22
11sin sin ααl l =
，所以
?=--?=?=4.201806.2921392αααα，
将以上所得结果代入式（4—10）可得 mm Yc 753=
当组合动臂液压油缸到达最大极限工作位置，FQV 三点在一条线上并处于垂直状态时就是最大挖掘深度的状态，如图4—4。
由图根据几何关系可以得到最大挖掘深度表达公式为：
()符合要求
∴=-?-?-?+??++=---+?++=mm Yc
l l l H 4388753)6.2911410090sin(3450196070090sin 2max 111123max 1αθα
图4—4 最大挖掘深度计算简图
4.3 斗杆机构参数选择
要确定斗杆液压油缸的铰点相对位置，行程以及力臂比应考虑三个因素：保证斗杆液压缸必须能够产生足够的斗齿挖掘力。一般说来我们希望液压缸能够在全行程中产生始终大于正常挖掘阻力的斗齿挖掘力；液压缸全伸时的作用力矩应该足以支承满载斗和保证斗杆静止不动；液压缸最大作用力臂产生的最大斗齿挖掘力应该大于要求克服的最大挖掘阻力。
保证斗杆液压缸有一定的闭锁能力。对于以转斗挖掘为主的小型反铲挖掘机，在选择斗杆机构参数时必须要注意转斗挖掘的时候斗杆液压缸的闭锁能力，要求在主要挖掘区内转斗液压缸的挖掘力能得到充分的发挥。
保证斗杆摆角范围。斗杆摆角范围在105°~125°之间。在满足斗杆工作范围和运输要求前提下此值应尽可能取小些。通常来说斗杆越长，其摆角范围也可以稍小。当斗杆液压缸和转斗液压缸同时伸到最大极限位置时，铲斗的前臂与动臂之间的距离应不小于10cm。
的大小取决于机械结构因素，并考虑工作范围一般在斗杆上的角度EFQ
170
130之间。
~
选取
140=∠EFQ 。
参考国内同类机型机器斗杆挖掘力大小为KN P G 40max =，按要求的最大挖掘力可以确定斗杆液压缸的最大作用力臂9l 。初选斗杆液压缸缸筒内径为120mm ，杆径为60mm ，伸缩比67.12=λ。可查得，液压缸的推力为237.46KN ，拉力为159.57KN 。
()
23
2max 9max 2P l l P l e G +=
= （4—11）
则
mm
l e 49446
.2157001960409max 2=+?=
=??
? ??
则斗杆的摆角在
125~105之间，取
110max 2=?
斗杆液压缸的初始力臂值20e 与最大力臂值max 2e 的比值是斗杆摆角max 2?的余弦函数。
令z e e 220=，则有
2
cos
2
cos
max
29
max
29max
220
??==l l e e
可见9l 确定以后max 2?越大，20e 和z e 2就越小。如图4—5所示，铲斗平均挖掘力也就越小。
图4—5 斗杆机构参数计算简图
由图4—5，令z e e 220=，求得
1
2
sin
22max
29min 2-=
λ?l l =1208mm ，则=max 2l 2017mm
2
cos
2max
29min 22
92min 28?π+-+=l l l l l (4—
12)
将所得结果代入式(4—12)可得
mm
l 16378=
挖掘机处于最大卸载高度的时候处，斗杆液压缸到达最小极限位置,此时
?=?-?-?-?=∠-∠-∠-?=∠??
=∠?=-+=∠25170140253603602591
.02cos 9
8min 298222CFQ EFQ EFD DFC EFD l l L l l EFD
4.4 铲斗机构参数选择 作机构铲斗参数选择时，已知
?=∠=======100,1960,263,300102243KQV mm FQ l mm KQ l mm QV l α
待选的参数还有7个（见图4—6） 即
等及min 3,max 32112131510,,,,L L NQ l MK l MN l GN l FG l =====。
图4—6 铲斗机构参数选择
如前所说，挖掘机铲斗在挖掘过程中转角大约为90°~100°，为了要满足开挖和最后卸载以及运输状态的要求，铲斗的总转角要达到150°~180°，初选
?=160max 3?。
如图4—7所示，设min 33L l =时斗齿尖为0V ，则0V 肯定能在FQ 延长线，或者在它上侧的0°~30°处，初选0V 在它上侧15°处，则这时10QV V ∠作为仰角。
图4—7 铲斗机构参数选择要求
铲斗液压缸的伸缩比应当在一定允许的范围内，对铲斗机构可取
65.1~45.13=λ。本设计初选46.13=λ。
由图得，S MM =1=552mm ，即转斗液压缸的行程。则
()mm L mm L mm
L L L L S 1752120055246.01max 3min 3min 33min 3min 3max 3=?=?=?=-=-=λ
则可测量的mm 58660=?=∠GF GFQ ，。
根据机构和几何关系确定G 点的位置，要保证铲斗六连杆机构在3l 的全部行
程中任何一个瞬时都不被破坏，也就是保证GNM GFN ??,在每个瞬时都存在。3l 整个行程中机构都不能出现死点，并且传动角必须在允许范围内。在每个瞬间各构件之间都不应有任何干涉，碰撞现象。
符合要求。
∴+≤≤-MN GN l MN GN 3
4.5 铲斗快换装置选择
快换装置主要用于用于各类工作装置机具的快速更换，实现挖掘机状态到装载机状态的快速更换，提高工作效率。并且本设计里组合式挖掘装载机由于使用的工况较多，常常需要更换工作装置，比如挖掘铲斗，装载铲斗，破碎锤等等。使用快换装载可以让操作人员更方便，灵活的完成工作，大大提高效率。
4.5.1主要结构和工作原理
本设计采用简单的手动设计，主要由快换装置壳体、斜锲块，和圆柱斜锲块，弹簧，螺钉组成。如图4-8所示
图4-8 快换装置结构简图
4.5.2拆卸铲斗
将铲斗放在地面上，通过手动扳手使快换装置里的销轴缩回，反向操作铲斗控制手柄，从而使销轴脱离铲斗孔，铲斗卸下。
4.5.3更换其他的工作装置原理与此类同
第五章装载状态工作装置设计计算
5.1设计要求
平移性：铲斗从最低铲起收斗位置到最大卸载高度时的任意位置，应保证铲斗中满载的物料不撒落，即铲斗后倾角的变化应不大于15°。一般，铲斗在地面时取后倾角为45 °，在最大卸载高度时取60 °。
卸料性：在动臂提示过程中的任意位置，铲斗都能卸净物料，即在任意位置时都能使铲斗的卸料角大于45 °。
放平性：铲斗在任意位置卸完料后，应保证动臂下降到最低位置时，铲斗能自动放平处于铲掘位置。
力的传递性：为保证连杆机构具有较高的力传递效率，应尽量使杆件之间力的作用方向与铰接点运动方向的夹角，即压力角不要太大（传动角不超过90 °的情况下尽量的大），已使有效分力尽可能的大些。
不干涉性：连杆机构在作业过程中无运动干涉。
图5-1 平移性
图5-2 卸料性
图5-3 装载机工作状态运动简图
5.2装载铲斗基本参数的确定
设计时，应该铲斗的回转半径R(即铲斗跟动臂铰接点到切削刃之间的距离)当做基本参数，铲斗的其他参数就作为R的函数。
R是铲斗的回转半径(见图5-4)，铲斗的回转半径大小直接影响铲斗底壁的长度，还直接影响转斗时掘起力以及铲斗斗容的大小，所以铲斗的回转半径是一个与整机总体相关的重要参数。铲斗的回转半径尺寸可由下式计算。
图5-4 铲斗参考尺寸
（m） (5-1) 式中 Vr—铲斗额定容量，m3；
—铲斗内侧宽度，m；
λg—铲斗斗底长度系数，λg=1.40～1.53；
λz—后壁长度系数，λz=1.1～1.2；
λk—挡板高度系数，λk=0.120.14；
λr—圆弧半径系数，λr=r/R=0.35～0.4；
γ—张开角,为65°～75°；
γ1—挡板跟后壁之间的夹角，选择γ1时要让侧壁切削刃与挡板垂直。
在设计过程中，铲斗额定容量由任务书给出的Vr=0.55m3。铲斗内侧宽度
=b++(0.1～0.2)-2a (m) (5-2) 式中b-装载机的轮距，m；
-轮胎的宽度，m；
a-铲斗侧壁切削刃的厚度，m。
查阅资料，装载机图册，得b=1.35m， =0.28，a=0.015m，关于(0.1～0.2),
取0.15m.计算得=1.75m。
设计参数选择，根据经验可以获取
λg=1.5，λz=1.15，λk=0.13，λr=0.4，γ=70°，γ1=13°。
通过上述参数的选择，带入(4-1)式中，得到R=0.4163m，取R=420 mm;
(3)铲斗截面各边尺寸计算
斗底长度：Lg=Rλg=420×1.5=630mm， (5-3)