挖掘机铲斗设计

目录

一、基本要求 (2)

铲斗的结构选择 (2)

二、铲斗基本参数的确定 (3)

铲斗长宽高的确定 (3)

挖掘力计算 (4)

三、铲斗几何形状 (5)

铲斗的组成 (5)

斗体曲线 (7)

两种曲线的比较 (9)

四、结论.....................................................................................................................

10

参考文献 (12)

、基本要求

斗轮挖掘机的铲斗在轮圈回转一周的过程中 , 要完成切割、装载和排空物料三项作业。切割时要求斗齿能迅速切入物料。为此铲斗必须具有足够的强度和刚度 , 以便承受物料的反作用力。装载时要求物料能较通畅地流人铲斗（这样可减少切割阻力） , 同时在物料充填铲斗时 , 既要填满铲斗空间 , 又不能产生过大的挤压力 , 否则由于挤压力的增大 , 会使铲斗壁与物料的吸附力增大（在一定吸附系数下 , 吸附力与两物体之间的正压力成正比） , 造成排料时物料排不净或撒料等情况。

铲斗的结构选择

铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下要求：

（1）有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等，斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。

（2）要使物料易于卸尽

（3）为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应该大于4，大 50 时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构与下图。

斗齿的安装连接采用橡胶销式，结构示意图如下图

、铲斗基本参数的确定

铲斗长宽高的确定

斗容量 q，平均宽度 B，转斗挖掘半径 R 和转斗挖掘满转角 2 是铲斗的四个主要参数， R,B,2 ，三者之间有下几何关系：

1

2 q R2B(2 sin2 )K s

2

式中土壤松散系数近似值取， q=，根据上式可由 R,B,2 中作任值求相应第三值。其斗容量，斗宽 B=。

根据已经确定的斗轮挖掘机生产力轮圈直径宽度转速铲斗数量及每只铲斗的容量, 即可确定铲斗的宽度 ( B )长度( L )和高度( H )

L : B ≈ ；所以可知 L=

q = 0 .8 B L H

q

2

1.04B2

式中 q ——铲斗容量 ( 立方米 ) 把数据代入后，可求得 H=

求出L , H , B 后, 必须按轮圈的圆周速度及铲斗个数来校核铲斗处于轮圈正上方时 ,物料是否能靠自重保证落入卸料区间。设每只铲斗及其卸料空间所占的圆心角为 a , 每只铲斗的卸料空间弦长为BC L空( 见图 1 )

a 1 arcsin AB 2 arcsin L 1

2R 2R

式中 n ——铲斗数

L ——铲斗长度（ L=AB ） R ——轮圈半径

然后根据物料抛物线轨迹 , 求出抛物距离

式中 H ——铲斗高度 g ——重力加速度 t ——物料落到轮圈所需时间 v ——铲斗齿

线速度 若L 空＞ , 则所确定的 L 、B 、H 三参数满足设计要求 , 若 L 空＜ S ＜、） , 则表明斗 内

部分物料要外撒 , 必须修正 H 与 L , 重新校核 , 直至 L 空 ＞ 。

挖掘力计算

挖掘机的工作对象是土壤，设计和使用挖掘机时，都需要了解土壤的基本特 性和切削土壤过程的一些基本知识。 铲刀或铲斗的切削部分，以机械的方法将土块或土层从土壤中剥离出来的过程， 成为土壤切削。

土壤切削是一个很复杂的过程。 在楔形切削刃把土层从土壤中剥离的过程中， 土壤受到挤压和剪切， 是被切离的土壤发生松散以及一部分受到压缩。 因而产生 了土壤原始结构的破坏阻力； 土壤与土壤之间的摩擦力和土壤与切削刀具之间的 摩擦力。

切削过程中，土壤作用在切削刃上的力称为切削阻力。为了研究方便，我们 吧铲斗和切削刃与土壤之间的摩擦力也当做切削阻力的一部分。

切削力与切削装置作用在土壤上。其大小和土壤切削阻力大小相同，方向相 反。

土壤呗剥离后，将向铲斗内流动。流动过程中，土壤与土壤和土壤与切削装 置之间产生摩擦。 同时，土壤的流动收到铲斗后壁的阻碍还会产生附加阻力。 因 此，机械的切削装置除了客服上述切削阻力外， 还有克服这些摩擦力和附加阻力。 铲斗工作时， 这些附加力形成装土阻力外。 切削阻力和装土阻力之和称为挖掘阻 力。不同的铲斗，装土阻力占挖掘阻力之比相差很大。

转斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显的变化，根据资料提供

a

2

a a

1

2Rsin

a

2

的公式：

1.35

F1 5012C R D 1 cos max 1.35k B k A k Z k x 17000 式中 C——表示土壤硬度的系数， IV 级土取 C=16~35，在此选 31；

R——铲斗与斗杆铰杆点至斗齿尖距离，即转斗切削半径，R3 L3 1000mm

——转都在挖掘过程中总转交的一半

——铲斗瞬时转角

B——切削刃宽度影响系数， B=1+，其中 b 为铲斗平均宽度，单位为厘米——切削角变化影响系数， A=

Z——带有斗齿的系数 Z=

X——斗侧壁厚度影响系数初步设计时， X=

D——切削刃挤压土壤分力，据斗容量大小在 D=10000~20000N范围内选取，选 17000

求得F max 135558N

三、铲斗几何形状

铲斗的组成

铲斗由斗唇、斗体、斗框及耳子四部分组成（见图 2 ）

( 1 ) 斗唇斗唇位于铲斗的前部 , 斗齿装在斗唇上。为了降低挖掘作业时的动载荷 , 一般采用拱形斜切斗唇。为了减少对土岩的粘着性 , 斗唇宽度在强度允许的条件下必须尽量窄些 , 内表面平滑些。斗齿与斗唇的连接必须牢固可靠 , 拆卸方便。( 2 ) 耳环用螺栓与轮圈固定 ( 图3 )。第一轮设计时 , 仅将耳环贴在轮圈侧壁上。工作中发现 :由于切割时冲击力的作用 , 使斗唇产生弹性变形 , 以致耳环窜动 , 挤压螺母 , 造成拉毛螺检螺纹 , 耳环孔眼变成椭圆等问题。为了克服这种现象 ,我们将耳子与轮圈的连接改为将铲斗耳环擂人轮圈侧壁中间再用螺栓紧固的方法(见图3 )。这样挖掘时的冲击力造成耳环窜动的力即由轮圈两侧壁承受，防止了螺栓拉毛现象。

( 3 ) 斗体斗体与斗唇固联 ( 一般采用灯接 )。斗体的形状直接影响物料的装卸。对斗体的主要要求是 : 能减少切割物料时的阻力 , 使物料易于流入铲斗并减少对斗壁的正压力 , 接近斗口的脊背部分应与切割方向平行 ,斗体的横向截面积变化应较小 , 接近铲斗尾部的斗体脊背曲线的切线应与斗口切线垂直。

斗体曲线

本次所设计的 WUD— 400\700 型斗轮挖掘机斗形选用某一大圆中的一段圆弧曲线作为斗体脊背曲线（见图 4 ）。该机在茂名油母页岩露天矿挖掘页岩及砂土混合物料时 , 斗体上粘附物料十分严重。满斗时经压实的物料在斗体上形成了一条十分光滑的曲线 N （见图 5 ）。铲除粘附物后继续挖掘 , 发现粘附的物料在铲斗中仍形成同样的一条曲线。经测量发现

圆弧和椭圆都是处处可导的光滑曲线 , 没有死角拐点。但是圆弧曲线的曲率不变而椭圆

曲线各点都不一样（图 6 ）。椭圆参数方程是 :

x acos y bsin

式中 a——椭圆的长半轴

B——椭圆的短半轴

根据参数方程可求得椭圆曲率

ab

2 2 2 2 32

(a sin b cos ) 2

K T

dK T

d

dK

T

当 0< <2/ π时， d

<0，这表明椭圆在第一象限的曲率是随着 角增大而单 调下降的，因此，当 =0 时，曲率最大，将 =0 代入上式中可知 K Tmas a 2 。为 b 了保证脊背曲线在斗体尾部处的切线与水平线垂直。 我们选取椭圆曲线时 , 从它 与长轴的交点 A 作为起点取弧 AM 为所设计的斗体后部曲线 （ 见图 6 ）。在 M 点

1

arctg BC

处 ， 1

OC 。 弧 AM 曲 线 上 哥 哥 点 曲 率 的 变 化 范 围 是 ：

ab

3

K T a

2 。斗体所需的椭圆曲线 , 是根据铲斗长度和高度

（a 2 sin 2 b 2 cos 2 ）

32

T

b 2

及在斗口处所需求的切线与 X 轴（ 水平轴）的夹角刀来确定 （ 见图 7 ）。 设弧

AM 为所需斗体脊背曲线，长半轴： OA=a ，短半轴： OB=b ，则 AC=L=a —X ，

得 a,b ，从而即可确定所需椭圆。为使斗体横向截面收缩率较小 , 在确定脊背曲 线后 , 还需要再确定斗体的拱形曲线及斗体底面框线。根据前面的分析 , 可以选 用半圆弧的拱形曲线及变化缓慢的梯形框线 （ 见图 8 ）。这样就完成了铲斗各部 位的设计。

以x = a 一 L , v = H , m = t g 代入上边椭圆方程式得： b

2

a

a 2mH

a L(H L mL) ，由此求 H 2mL 22

x 22

y 22

1 22

MC=H=y ，则椭圆方程为 a 2 b bx

两种曲线的比较 ( 参见图 9 , 10)

（表1 ）

( 1 ) 分别将两种曲线等分为 12 等分, 计算各横截面积和截面收缩率 22 椭圆方程 189x 3.5

61y 42 1

( 2 ) 分别求得圆弧曲线及椭圆曲线曲率

表格一、 两种曲线的比较

s i 1 s i

e i (i 1,2~ n)

注：s i 1

圆弧曲率为： K 圆=1/R=1/680=

当 a=毫米， b=614 毫米时，椭圆曲率变化范围是：≤≤ 再利用取虑公式和椭圆参数方程，求得弧 AM 上一点 N，使得椭圆在此点的曲率与 K圆相同(见图 11)。由的单调性可知弧 MN 的曲率都小于 K圆，仅弧 AN 的曲率大于 K 圆。由计算得： AD=毫米

四、结论

( 1 ) 椭圆曲线斗体的横截面收缩率比画弧斗体横截面收缩率较小 , 也就是椭圆横截面

积的变化较缓慢 , 从而减少挖掘时物料对铲斗壁的挤压力 , 有利于铲斗内物料卸净。

( 2 ) 椭圆斗体曲率的变化中 , 只有在弧 A N 这段曲线斗体尾部上曲率才大于圆弧曲线的曲率 , 而这段曲线在 x 轴的投影只占斗长 ( L )的四分之一左右 , 其余四分之三都比圆弧曲线的变化更平稳。可以满足铲斗在卸料时快而净的要求。

椭圆的离心率 e T1 (b)2，以 a=，b=614代入上式= 此离心率很接近抛物线的T a

离心率( e 抛=1)若以斗体底部为坐标原点，则可得抛物线为方程(图 12)

3 p

52

＜0（x≥0）。当 P=，0≤x≤609 时，得≤ K 抛≤，所以同样能在

（2x p ）5 2

抛物线上找到一点 N'使得 Kn'抛=K 圆=1/680，同时求得弧 ON'在 X 轴上的投 影 X=OC=＜（椭圆线上弧 AN 在 X 轴上的投影）

从 K 抛关于 X 的单调性可知 , 在弧 O N`上 K 抛＞ K 圆 , 在弧 N'M 上 K 抛＜ K 圆, 且抛物线在 M 点的曲率小于椭圆在 M 点的曲率（ ＜ ） 及 N'点到斗口的水 平距离也比 N 点（ 图 11 ） 到斗口的水平距离大 , 这就表明抛物线在斗体前半部 比椭圆前半部更为平坦 , 后半部比椭圆后半部变化剧烈。

所以采用抛物线作为斗体脊背曲线要比椭圆脊背曲线更符合斗体的工作要 求。另外 , 如果将抛物线旋转 , 构成一个旋转抛物面 , 则物料仅受平行于对称轴 的力作用时 , 斗体壁对物料的约束反力将会聚集于旋转抛物面的焦点 （ F ） , 使物 料汇聚一点 , 形成自动粘紧 ,

卸料更为有利。

y 2

2px ，以 x=609，y=450(见图 10)得 2P

4502

609

332.512 ，则 P= 而抛

物线的焦点（ F ）坐标为（p/2，0）即为（，0）抛物线的曲率为：

(2x p) 2

dK dX

参考文献

1）同济大学，单斗液压挖掘机中国建筑工业出版社

2）金海薇，液压挖掘机反铲工作装置分析辽宁工程技术学院 2001 3）高衡、张全根，液压挖掘机中国建筑工业出版社

4）朱春华，液压挖掘机斗杆挖掘力分析机械出版社 2010

5）吴庆鸣、何小新，工程机械设计武汉大学出版社

6）天津工程机械研究所，单斗液压挖掘机中国建筑工业出版社7）史青录、张福生，挖掘机斗杆强度对比分析工程机械 2009 3ab( a2b2)sin2

5

2 2 2 2 * 52

2(a sin b cos ) 2