正铲挖掘机说明书

1 引言1.1课题研究的背景和意义目前我国露天矿的开采规模逐渐扩大，为了适应日益增大的矿用汽车铲装的需要，这就需要较大斗容的挖掘机，由于挖掘机愈大，每单位土石方的施工成本愈低，而液压挖掘机较机械式挖掘机有很多优点，但是国内对大型液压正铲挖掘机的研究较少，液压挖掘机工作装置是完成挖掘机各项功能的主要构件，其结构的合理性直接影响到挖掘机的工作性能和可靠性，对其研究是整机开发的基础，对工作装置进行优化，目的在于缩短研究和开发周期，降低产品成本，提高设计质量，本课题的任务就在于此[1]。

现代化建设速度，在很大程度上取决于各种工程建设速度，而工程机械水平的高低，又直接对工程建设速度发挥着促进或抑制作用。

传统研发管理及设计方法只是被动地重复分析产品的性能，而不是主动地设计产品的参数。

作为一项设计，不仅要求方案可行、合理，而且应该是某些指标达到最优的理想方案。

随着电子计算机的应用，在机械设计领域内，已经可以用现代化的设计方法和手段进行设计，来满足对机械产品提出的要求。

利用优化设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。

可靠性是我国工程机械的致命弱点，我们要正视差距，增强科研开发力度，提高技术水平，更多地发展具有自主知识产权的高质量产品，进一步促进工程机械的发展[1]。

1.2 液压挖掘机研究现状及发展动态挖掘机作为一种典型的土石方施工设备，在基础设施建设中起着十分重要的作用，因此加强对挖掘机的研究具有十分重要的意义，随着能源的紧缺和人们对环保意识的增强，节能技术研究成为同行学者关注的焦点没随着人类空间获活动的延伸，以及人类对挖掘机工作环境与功能要求的延伸，在遥控挖掘机和机器人化挖掘机研究方面正进行不懈努力，遥控挖掘机的研究离实用化已经不远，开发智能化的多功能挖掘机并使之成为真正的挖掘机器人还是人们追求的目标。

由于挖掘作业中负载变化剧烈，有些学者已经开始将振动挖掘方式运用于减少挖掘阻力，减低功率消耗以及延长机器使用寿命方面的研究。

近年来，随着人类对自然的开发，挖掘机也朝着大型化大功率化发展，从而满足人类对大型工程的需求。

1.2.1 国外的研究现状及发展动态1）国外产品发展趋势1950 年在意大利生产了第一台液压挖掘机，由于其挖掘能力强、生产率高、通用性好、操纵轻便等特点，在工程建设施工中起着重要的作用。

六十年代，随着西方经济的发展，液压挖掘机需求数量急剧上升，但大多数属于中小型液压挖掘机。

七十年代开始，随着科学技术的进步和大型水电工程及大型露天矿建设的需要，液压挖掘机向高速、高压、大斗容、大功率发展。

随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高产品的竞争力。

国外的一些公司开始研制大型矿用液压挖掘机，其中以德国、法国产品居多。

在液压挖掘机产品功能方面，液压挖掘机工作装置向多功能化的方向发展。

当液压挖掘机配置不同的作业装置时，可以用来吊、夹、推、刮、松、挖、装、铣削、拆除、清除和压实等作业，且大都采用快换装置，驾驶员在驾驶室内就可以完成作业装置的更换，一般在2分钟内就可以完成作业装置的更换。

工作装置中动臂、斗杆结构变化多样，扩展了主机的使用功能。

随着传统型和通用型产品样机减少，一些有特殊构造的、有特色的产品和多功能的产品备受用户的青睐，这些多用途作业装置大大扩展了液压挖掘机的功用，提高了产品的施工适用性。

同时也体现了各厂家市场差异化的产品发展战略和各自的技术水平。

所以，研究专业性的挖掘机设计理论、方法甚至是专用软件，以便缩短设计周期、提高产品性能和可靠性，快速响应市场和用户的要求。

2）国外液压挖掘机设计方法研究现状（1）设计理论和方法研究及应用。

国外生产企业在产品的设计和研制过程中，广泛推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。

美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的理论。

日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性处理系统。

借助于现代设计理论和方法，缩短了新产品的研发周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，提高其可靠性和耐久性。

例如，德国Demag公司的H485型液压挖掘机，0&K公司的RH-400型液压挖掘机，Liebher的8994型液压挖掘机，法国Poclain公司的1000CK型液压挖掘机，都是应用现代设计理论和方法设计的新型机型。

（2）重视实验研究和电子计算机技术的应用。

近年来，国外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在工程建设和施工行业中占有很重要的位置。

液压挖掘机迅速发展的根本原因，在于机械本身的优越性，也由于下述几个因素：①重视试验研究工作，液压挖掘机的研制除了保证机械技术性能以外，十分重视挖掘机的使用经济性和工作可靠性，研制过程中，进行各种性能试验和可靠性试验，包括构件强度试验、系统试验、操纵试验、耐久性试验等，要通过严格的科学试验和用户评价，才进行定型生产；②重视电子计算机技术的应用，设计制造更轻便的工作装置，而不削弱其强度，其实对挖掘机工作装置的研究已经十分成熟。

它的应用加快了新产品的发展速度，使新产品从设计到批量生产的周期缩短到2～3年左右。

（3）采用新结构和新材料，利用现代设计技术和先进制造技术，仍是保证和提高液压挖掘机性能的一个较重要的途径[2]。

1.2.2 国内的研究现状及发展动态自20世纪80年代以来，国外一些先进商用有限元、多体系统动力学软件进入我国，如ANSYS，ADAMS，MEDYNA，MOCAL，ALGOR等，应用于液压挖掘机的结构分析、仿真和优化。

国内对于挖掘机工作装置设计理论与方法的研究可归纳如下：（1）工作装置的运动分析。

对工作装置的运动分析，关系到挖掘机的力学分析，是其他分析与设计的基础。

文献[15]利用个人编制的软件对液压小型反铲挖掘机各种静态姿态角度下的理论挖掘力进行了分析与仿真；文献[16]利用矩阵变换原理对单斗反铲液压挖掘机进行了详尽的阐述；文献[17]对液压挖掘机反铲工作装置各主要构件进行了运动学和动力学分析，得到了反铲装置各关键点的坐标和实现挖掘力的限制条件；文献[18]利用拉格朗日第方程对液压挖掘机的工作装置建立了挖掘作业过程中的动力学模型，对其动能、势能和挖掘力进行计算，为分析挖掘作业工作装置所受到的力和运动之间关系、控制作业规划和仿真提供了理论基础。

（2）工作装置的优化。

优化设计方法己在我国工程设计领域得到广泛运用。

它是建立在近代数学最优化方法和计算机程序之上，解决复杂设计问题的一种有效工具，是计算机辅助设计(CAD)应用中的一个重要方面。

它运用到机械设计中，能根据产品的要求，合理地确定和计算各项参数，以其达到最佳设计目标。

文献[19]应用变换矩阵来建立数学模型，编制挖掘机工作装置设计软件对挖掘机工作装置进行快速有效的计算。

文献[20]针对液压挖掘机铲斗连杆机构采用复合形法进行优化求解，并且给出了程序设计的流程框图。

文献[21]提出了利用优化方法分析计算挖掘机在各种工况下的稳定系数和具体解决方法，找出并分析了挖掘机在特定工况下的最不稳定姿态，为挖掘机的稳定性分析提供了理论计算公式和具体分析手段。

文献[22]开发了液压正铲挖掘机工作装置通用分析软件，只能对现有的机型进行分析，没有从原理出发对工作装置参数进行设计，并进行优化。

国内太原重型机械学院和浙江大学在这方面做出了突出的贡献，浙江大学1988年开发了一个用于液压挖掘机CAD的大型软件系统，在此基础上于90年代初开发了液压挖掘机的集成化智能CAD系统；此外太原重型机械有限公司研究所利用UG开发计算6～8m挖掘机的三维仿真软件；徐州工程机械研究所利用I-DEAS软件完成WY20整机、WY20A工作装置的三维实体造型等。

但是由于受客观条件的限制，在产品的设计制造中大部分工作还是采用传统的设计方法和理论，虽然采用了优化设计方法，但主要针对国内小型液压反铲挖掘机的设计做了大量工作。

（3）正铲工作装置设计现状。

由于矿山条件恶劣，液压挖掘机在矿山没有得到广泛应用，因此国内对液压正铲挖掘机的研究很少，没有形成自己的设计体系。

近年来随着液压技术的发展及液压元件质量的提高，大型液压正铲挖掘机在矿山才得到应用，合理地设计工作装置的主要构件是行业发展的需要。

目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于：①提高工作装置结构件的可靠性和耐久性；②对工作装置机构进行计算机辅助计算和优化设计，提高挖掘机的挖掘性能，同时使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来。

因此，开发一个专业化的工作装置设计的工具软件显得非常必要[3]。

1.3 本文研究的主要内容本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、销轴组成挖掘机工作装置进行设计。

具体内容包括以下五部分:(1) 挖掘机工作装置的总体设计。

(2) 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析。

(3) 工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证。

(4) 工作装置主要部件的结构设计。

(5) 销轴的设计及螺栓等标准件进行选型2液压正铲挖掘机工作装置的运动分析2.1 液压正铲挖掘机的基本组成和工作原理液压正铲挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图 2.1 所示。

其中上部转台包括动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室；工作装置由动臂、斗杆、铲斗及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成，如图 2.2 所示。

图 2.1 液压正铲挖掘机的基本组成图 2.2 液压正铲挖掘机工作装置挖掘作业时，操纵动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸，使斗进行挖掘和装载工作。

铲斗装满后，操纵动臂油缸，使铲斗升高离开挖掘面，在回转马达的驱动下，使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲斗油缸使铲斗转动至合适位置，再回缩开斗油缸转动铲斗，使斗前、斗后分开卸载物料。

卸载后，开斗油缸伸长使斗前、斗后闭合，将工作装置转到挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。

转移工作场地时，操纵行走马达，驱动行走机构完成移动工作[4]。

在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。

上述过程仅为一般的理想过程。

2.2 工作装置结构方案的确定正铲工作装置的构造：正铲工作装置由动臂、斗杆、铲斗、工作液压缸和连杆机构等组成。

动臂是焊接的箱形结构，由高强度钢板焊成，也有的是铸造的混合结构，和反铲工作装置相比，正铲动臂较短且是单节的。

动臂下端和转台铰接，动臂油缸一般为双缸，在布置上动臂的下铰点高于动臂油缸的下铰点且靠后。