单斗液压挖掘机工作装置设计

第一章绪论

1. 1 液压挖掘机的组成、分类、作用和特点

挖掘机由转台及转台上部机构、底架及行走系、与工作装置等三大部分构成。转台上布置了发动机、主轴泵及驾驶室等，经由回转滚盘装在底架之上。工作装置的动臂铰支于转台上。转台可绕底架的垂直面内绕其铰点作一定的转动。它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。【7】液压挖掘机的分类有很多种：根据行走装置传动型式分：全液压式，半液压式；根据不同的行走系分：履带式、轮胎式、汽车式和悬挂式；根据主要用途和工作装置的不同分：通用型和专用型；根据工作装置的结构不同分：铰接式和伸缩臂式等。

挖掘机械在建筑机械发展中占有很大比重和重要的地位，是重点发展的机械品种之一、尤其是中小型、通用的单斗挖掘机不仅用于土石方的挖掘工作，而且通过工作装置的更换，还可以用作起重、装载、抓取、打桩、钻孔等多种作业，它在各种工程施工中用途更大，已成为机械化施工中广泛使用的不可缺少的机械设备。

由于液压挖掘机具有质量小，挖掘力大，工作平稳，效率高，操纵灵活，机动性好等优点，单斗液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力能进行工作，因此，与机械传动相比有许多优点：能无级调速且调速范围大(最高与最低速度之比可达1000：1)；能得到较低的稳定转速(采用柱塞式油马达，稳定转速可低到1转／分)；快速作用时，液压元件产生的惯性较小，并可作高速反转(电动机回转部分的起动力矩比其工作力矩大50％，而油马达则不大于5％)。加速中等功率电动机需1秒钟到数秒钟，而加速油马达只需0.1秒；传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动；操纵省力，易实现自动化控制；易实现标准化、通用化、系列化。单斗液

m液压挖掘机斗齿切削力为12～压挖掘机与同级机械传动挖掘机相比，挖掘力高30％左右(如：1.03

15吨，而同级机械传动挖掘机只有10吨左右)。因此，在整体其它参数不变的情况下，单斗液压挖掘机可适当加大铲斗容量，提高生产率。据建筑施工部门统计，一台斗容量为1.0m3的液压挖掘机挖掘Ⅰ～Ⅳ级土壤时，每班生产率大约相当于300～400个工人一天的工作量。因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。

1.动臂升降

2. 斗杆收放

3. 铲斗装卸

4. 转台回转

5. 整机行走图

图1.1单斗液压挖掘机的工作运动

1．2 国内外液压挖掘机的发展状况

20世纪八九十年代以来，小型工程机械在市政工程、交通等施工中发挥了较大优势并得以迅速发展。小型挖掘机在这些工程中为节省人力、物力做出了较大贡献，满足了城市各种作业要求，在城市狭窄的工作空间内能够最大限度地发挥其生产能力，逐步成为城市施工中具有代表性的施工机械。【2】

从全球范围看，小型挖掘机市场已处于成熟发展期，需求稳定并呈缓慢上升趋势，2005年小型液压挖掘机约占全球工程机械产品销量的19%（图1.2）。表1.1，1.2显示，西欧、日本、北美等经济发达国家和地区是小型挖掘机的主要消费地，且产品需求结构趋于小型化和微型化（表3）。【2】中国的小型挖掘机产业仍处于市场导入和发展的初级阶段，需求持续快速增长。目前进入中国市场的国际知名小型挖掘机厂商已有10余家，国内涉足小型挖掘机生产的企业则达到60余家，并且还不断有新企业进入。表4表示了2005年部分国外与国内品牌小于13t的小型挖掘机在中国市场的销量情况。

1.2.1 推动小型挖掘机市场快速发展的因素

1.2.2 国内市场及用户需求分析

1.2.3 小型挖掘机的技术发展趋势

第2章液压挖掘机工作装置结构设计

2.1 WY-100液压挖掘机的主要参数选择

主要参数有斗容、机重和发动机功率。因为这三个参数可以从使用要求、技术性能和技术经济指标、动力装置的配备等方面反映液压挖掘机的级别，故称主参数。如斗容直接反映了挖掘机的挖掘能力和效果，据此选用施工中配套的运输车辆，而土石方工程量也以体积计算。发动机功率反映了机械的动力级，与其他参数有函数关系。

机重则直接反映了机械本身的重量级，他对技术参数的影响很大，因为，挖掘机挖掘能力的发挥，功率的充分利用以及整机的稳定性都要以一定的机重来保证，因此机重反映了挖掘机的实际工作能力。关于主参数斗容量，机重和发动机功率的概念，我国液压挖掘机标准所定的含义是：

标准斗容量：指挖掘Ⅳ级土时，反铲铲斗堆尖时的斗容量。

机重：指带反铲或正铲工作装置时的整机工作重量。

发动机功率：指发动机的额定功率，即正常运转条件下除本身消耗以外的输出净功率。

选择确定液压挖掘机主要参数的基本依据是，

1．设计任务书所规定的铲斗容量、用途和作业要求、工作条件等等；

2．有关国内外同类型，同等级液压挖掘机的技术资料，国家以及企业的系列标准等；

3．理论分析或经验计算，

4．使用单位的要求和制造厂的生产条件等。

基本参数的选择和确定是液压挖掘机总体设计中重要的环节，它与挖掘机整体和备主要机构的结构型式有密切关系。例如工作装置尺寸往往必须在选定工作装置结构型式和布置方案后才能确定，而工作装置的结构选择又必须满足工作尺寸的要求，因此结构方案的选择与基本参数的确定常常需要交叉反复进行，并通过方案比较后再确定。在确定基本参数时，必须正确处理先进性、可靠性、经济性之间的美系，正确处理相互制约的有关参数的关系，例如过分地减轻机重，将影响机械挖掘力的发挥并导致有效工作尺寸的减小，甚至影响机械的强度和刚度。反之，则必然导致机械过于笨重，经济性差。因此要实事求是地分析和满足对各项性能指标的要求，盲目地提高或削弱某些参数都将带来不良的结果，因为挖掘机是个有机的整体，其性能的优劣不仅与备部件性能有关，更重要的是决定于各部件结构特性的协调与匹配。

选择合理的主参数和基本参数应符合以下条件；满足使用功能的实用性，适合于生产厂制造条件的可行性；充分利用发动机功率的经济性；与国内外同类型产品相比有较好的技术经济指标和工作可靠的先进性。影响液压挖掘机主参数和基本参数的因素很多，各参数之间又相互依存彼此制约，关系很复杂。然而具有先进性能和技术经济指标的现代液压挖掘机其总体参数之间存在着一定的内在联系的规律性。正因为如此，近年来应用系统工程探论研究之中。现在，国内对于通用型液压挖掘机采用以下方法确定主要参数：

(1)类比法即通过同类型机械的类比得出参数值。

(2)经验计算法即按概率统计归纳得到经验公式进行概略的计算得出参数值。

(3)选定法即按照国家颁布的液压挖掘机型式、主参数和基本参数系列标准规定的数值范围，结合拟采用的结构特点选定出参数值。

(4)理论计算法即按拟定的结构设计方案，在理论分析与试验数据的基础上进行分析计算，得出参数值。按以上方法得出的参数值不可能是完全确切合适，必须在设计过程中按结构方案、强度条件以及挖掘机的特殊要求进行比较加以修正。实际工作中还往往综合运用上述方法，如采用类比法或经验计算法与参数系列标准进行比较，有的参数再通过理论计算校核选定。上述的方法中，类比发是简单易行的确定参数值方法。采用类比法进行选择计算参数的依据是以相似理论为基础，即认为性能完善的标准型通用挖掘机，其各种参数几乎都与它的主参数(机重)有一定的关系，而且相同结构型式的挖掘机，二者作业条件相近则彼此间参数的比值亦相近。对于这类挖掘机，尤其是中小型的，其外形尺寸、工作尺寸和斗容量、功率等参数可以参照选定作为类比样机的参数值，接相似原理用内插法决定。根据相似原理，若相类比的两台机械的机重参数值改变y 倍时，即相似系数为：

Gs y G

设计机重＝样机机重 式（2.1） 则其主要参数的比例为：

3Ls y L ≈ （2—2）， 23Fs y F

≈ 式（2.2） Qs y Q

≈ （2—4）， Ns y N ≈ 式（2.3） 式中，Ls 、Fs 、Qs 、Ns 及L 、F 、Q 、N 分别为拟设计的液压挖掘机及类比样机的尺寸，面积，斗容量和功率。

采用类比法确定参数时，可选用国内外液压挖掘机先进产品作为典型样机或国内外有关挖掘机设计标准，求出相似系数y ，按上述关系式确定所设计液压挖掘桃的各主要参数。但应注意类比法只适用同类型产品，即结构型式、液压系统相似，用途和工作条件基本相同者。

本次毕业设计，我设计的机型主要已知参数是：发动机功率120KN ，铲斗容量是13m ，行走速度是 5.5Km/h ，机重28吨。见图2.1

经过自己的实地测量，我测定型号是YC-60-8各臂长数据如下：

连杆机构：MN=370，NQ ＝240，QK ＝280，MK ＝350；

斗杆：FN ＝1500，EF ＝475，FG ＝390，EG ＝590，

其他的一些参数AB ＝1460

我们容易知道YC-60-8的斗容是0.223m ，

由类比公式（2-4），即1/0.22=4.545455，由尺寸参数比例公式（2-2）得到WY-100的尺寸参数：

连杆机构MN ＝612，NQ ＝400，QK ＝460，MK ＝580；

斗杆 FN ＝2500，EF ＝790，FG ＝650，EG ＝980；

CB ＝2400

WY-100的铲斗由经验公式得到铲斗宽度：

3.11)

4.1~0.1()4.1~0.1(33===q b 式（2.6）

所以现在选1.3

铲斗与斗杆铰点到挖掘齿齿尖的距离为

3D R l =＝（1.3～1.4）=3q 1.3~1.4 式（2.7）

现在选1.3m 。

动臂：我们了解到动臂的摆角是50度到－50度之间，现在我假设我设计的挖掘机动臂的摆动范围是45度到－45度之间，见图2.3。挖掘机的挖掘深度Hk ＝6920，动臂与通过动臂铰链和铲斗末端连线的夹角是16度，动臂支点到挖掘决机所处水平位置的高度是3.15米，由此查表2.1得到动臂的值（此处动臂的值是动臂支点到动臂与斗杆铰接点的连线，动臂的弯角取为120度）。经过查表，我们得到动臂的长度AF ＝5710，由余弦定理可以得到BF ＝4518。

表2.1

图2.1 反铲机构自身几何参数的计算简图

图2.2主要结构件模型

图2.3 动臂摆动的极限位置

2．2 WY-100挖掘机的工作装置机构工作原理的分析

反铲工作原理：

液压挖掘机的所有动作都是由液压系统驱动的。其驱动过程是柴油机带动两个油泵，把高压油输送到两个分配阀——操纵分配阀，然后由操纵分配法再将高压油送往

有关液压执行元件(油缸或液压马达)，以便驱动相应的机构进行工作。其液压传动系统原理图如图3.4。液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，而各部分的运动则通过油缸的伸缩来实现。反铲工作装置的各部件之间的联系都采用铰接，并通过各油缸行程的变化实现挖掘过程中的各种动作。

1．动臂的动作过程动臂的下铰点与转台上的连接耳相铰接，利用动臂油缸支撑，改变此油缸的行程即可使动臂绕其下铰点转动而升降。

2．斗杆的动作过程斗杆与动臂的上端相铰接，利用装在动臂梁上平面的斗杆油缸的行程变化，可使斗杆绕动臂上端的铰点转动

3．铲斗的动作过程铲斗与斗杆前端相铰接．并通过装在斗杆上的铲斗油缸的伸缩，使铲斗可绕斗杆前端的铰点转动。为r增大铲斗的转角，铲斗油缸通常采用连杆机构与铲斗相连。

整个工作装置的动作是利用动臂油缸的伸缩，使动臂(亦即整个工作装置)绕动臂下铰点转动，依靠斗杆油缸使斗杆绕动臂的上铰点摆动。铲斗铰接于斗杆前端，并通过铲斗油缸和连杆使铲斗绕斗杆前铰点转动挖掘作业时，接通回转机构液压马达，转动上部转台，使工作装置转到挖掘地点，同时操纵动臂油缸；油缸小腔进油时，油缸回缩缩，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；油缸大腔进油时，油缸伸长，铲斗进行挖掘和装载。斗装满后。将斗杆油缸和铲斗油缸关闭并操纵动臂油缸大腔进油，使动臂升离挖掘面，随之接通回转马达，使铲斗转到卸载地点，再操纵斗杆和铲斗油缸回缩，使铲斗反转进行卸土卸载完后，将工作装置转至挖掘地点，进行第二次循环挖掘作业。实际挖掘工作中，由于土质情况、挖掘面作业条件及挖掘机液压系统等的不同，反铲装置三种油缸在挖掘循环中的动作配合是多种多样的，但也受到一定的限制。如能否复合动作等，上述仅为一般的工作过程。液压挖掘机采用三组油缸使铲斗实现有限的平面运动，加上液压马达驱动回转装置产生回转运动，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)装置，使整个挖掘机沿地面移动，可使挖掘空间沿水平方向得到间歇扩大(即坐标中心可水平移位)，从而可以满足挖掘作业的要求

2．3 工作装置的静载分析和强度计算

2.3.1 挖掘阻力的计算

斗型装置挖掘时，需克服的阻力有。切削阻力W(即土的变形阻力)和装土阻力W’(即土流入铲斗而产生的土与土问及土与斗壁间的挤压和摩擦的附加阻力)，而切削

阻力又可分解为沿切削轨迹切向方向的阻力W1(切向阻力)和法线方向的阻力W2(法向阻力) )如图2.4所示。通用液压挖掘机的反铲装置时既可用铲斗液压缸挖掘(即转斗挖掘)，也可用斗杆液压缸挖掘(即斗杆挖掘)，或作复合动作挖掘。下面分别讨论转斗和斗杆挖掘阻力的计算方法。

图2.4 转斗挖掘阻力计算简图

1－铲斗油缸，2斗杆油缸，3－动臂油缸

2.3.2 转斗挖掘阻力计算

转斗挖掘时，土的切削阻力随挖掘深度改变而有明显变化。经试验证明，切削阻力与切削深度基本上成正比。切削阻力的切向分力可用下式计算

1.35max 1max cos {[1]}cos()

W C R B A Z X D ???=-???+- 式（2.8） 式中C ——表示土质硬度的系数，对Ⅲ级土宜取C=9，对Ⅳ级土宜取C=16； R ——铲斗与斗杆铰点至斗尖距离，即转斗切削半径，R=130(cm)；

max ?——挖掘过程中铲斗总转角的一半(图2.4)，

?——铲斗瞬时转角(图2.4)；

B ——切削刃宽度影响系数，B=l+2．6b ，其中b 为铲斗平均宽度(cm)，

A ——切削角变化影响系数，取A=1．3；

Z ——带有斗齿的系数，Z=0．75(无斗齿时z=1)，

X ——斗侧壁厚度影响系数，X=1+0．03s ，其中s 为侧壁厚度(cm)，初步设计时可取X=1．15;

D ——切削刃挤压土的力，根据斗容量大小在D=10000～17000N 范围内选取。当斗容量q<0．25m 3。时D 应小于10000N 转斗挖掘装土阻力的切向分力为

'11cos W q γμβ= 式（2.9）

44,max 1052.18.0109.11?=???=W

式中，γ——密实状态下土的重度(3/N m )；

β——挖掘起点和终点间连线ab 与水平线的夹角(图2.3)；

1μ——土与钢的摩擦系数。

计算表明，'1W 与1W 相比很小，可略去不计。当max ?= ?; β=0时出现转斗挖掘

最大切向分力1max W 其值为

1.351max max [(1cos )]W C R B A Z X D ?=-???+ 式（

2.10）

现在取max ?＝055，得

)(160160015.175.03.138.4)]55cos 1(130[16035.1max 1KN W ≈+????-??=。

试验表明，法向挖掘阻力2W 的方向是变化的，数值也较小，一般2W =0.1~0.21W 所以，2W ＝32KN

2.3.3 斗杆挖掘阻力计算

斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数。一般取斗杆在挖掘过程中的总转角为即g ?=050～080，在此转角行程中铲斗被装满。这时斗齿的实际

行程为

60.01745g S r ?= 式（2.11）

式中6r ——斗杆挖掘时的切削半径，6r =FV=3.8m 。

斗杆挖掘时的切削厚度g h 可按下式计算

60.01745g g q q h BS r B

?== 式（2.12） 斗杆挖掘阻力为

)(63608.300001745.0125.000001745.061KN r q k B h k W g b g b g =???===? 式（2.13）

式中b K ——挖掘比阻力，在这里我们取他的值为0.25MPa

一般斗杆挖掘阻力比转斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度较小

研究挖掘阻力的目的是确定需要的斗齿挖掘力及其变化规律，以便为工作装置的设计提供依据。挖掘力太小挖掘能力降低，若挖掘力太大或者其变化规律与挖掘阻力

的变化不适应，则功率利用率要降低。挖掘力是衡量液压挖掘机挖掘性能的重要指标之一。为便于进行设计方案的分析比较，现对挖掘力的概念规定如下；反铲装置挖掘力按不同情况可分为工作液压缸的理论挖掘力、整机的理论挖掘力和整机的实际挖掘力。

2.3.4工作液压缸的理论挖掘力

反铲装置主要采用斗杆液压缸或铲斗液压缸进行挖掘。假设不考虑工作装置自重和土重、液压系统和连杆机构的效率、工作液压缸背压的影响，工作液压缸外伸时由该液压缸理论推力所产生的斗齿切向挖掘力称为工作液压缸的理论挖掘力。 铲斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力

如图2.5所示，

图2.5 转斗液压缸理论挖掘力计算简图

1323

r r i F F F l r ?==??推油缸油缸 式（2.14） 式中： F 油缸 —铲斗液压缸的理论推力 ， 3i A F P =?， KN ；

A — 铲斗液压缸大腔作用面积， 0.102 m 2；

i P —工作装置工作压力， Mpa ；

1r 2r 3r —力臂值，m ；

i —铲斗连杆机构的传动比；

当max i i =时，max OD OD F F =。

铲斗油缸对N 点的作用力臂为

13151223

sin l l r a L =（面积相等） 式（2.15）222

313151221315sin sin sin[]cos 2l l L a MNG l l -+-=∠= 式（2.16） 可知61213==MN l mm ， 210015==GN l mm, mm QV L 16663== MK 对N 点的力臂为

21322sin l a r =

式（2.17） MK 对Q 点的力臂为

32429sin l a r =

式（2.18） 式中：

29()MQK KMQ MKQ a π=-∠+∠+=∠

式（2.19） 24l =QK=460，

2

2

132********cos MQ l l a l l =+-

式（2.20） 2378225MNQ a a a a a π=∠=++--

式（2.21） 61213=l mm ， 40021==QN l mm ，

22

21cos 2QK MQ

MK MKQ MK QK -+-∠=?

式（2.22） 其中 580MK =mm ，460=QK mm,

222

15cos 2GN FN GF GNF a GN FN -+-=∠=?

式（2.23） 在FNQ ?中， FN=2500mm ，FQ=2900mm ，QN=400mm,

最后求得：

223

1sin 2100

612

a L r ?=

式（2.24） 222sin 612a r =

式（2.25） MKQ r ∠=sin 4603

式（2.26） 式中： 4605802460580cos 2

221??-+=∠-MQ MKQ 式（2.27）

)232cos(400612240061222222a MQ -??-+=。 式（2.28）

综上得，max 0.38i =，)(338103210)2

116(14.3362max KN F OD =????=-，满足要求。

图2.6 铲斗液压缸运动规律曲线

斗杆挖掘时的油缸理论挖掘力：

5

6r F F r =?推油缸 式（2.29）

其中：A P F =?油缸 式（2.30）

式中：F 油缸—斗杆油缸的推力，KN ；

5r 6r —力臂值， m ；见图2.6

A —斗杆油缸大腔作用面积， m 2；

P —工作装置工作压力， MPa ；

222289898915222

89sin sin[]cos 2l l l l l l L r l l L L ?-??+-== 式（2.31） 22

6232371024262(2)FV l l l l a a a a r ==

+-∏---- 式（2.32） 易知6r 最小的时候没有实际意义，所以不考虑。为了充分利用能量，设EF 与斗

杆油缸轴线垂直时有最大挖掘阻力。

EF=790，6r =3800，所以 i=0.2，

)(362103210)2

120(14.3362KN F =????=-推，所以符合条件。

图2.7斗杆液压缸理论挖掘力计算简图

动臂举升时油缸理论推力：

挖掘机的动臂油缸主要是用来提升铲斗至一定高度上卸载的。这就要求动臂油缸具有最大的提升力，如图

2.8

图2.8 动臂油缸提升力简图

如图2.8所示，取动臂机构为分离体，对F 点取力矩平衡方程，得

'611ON G F

r P P X X =- 式（2.33） 式中'6r 一动臂端点F 至动臂油缸推力的力臂。

由图2.8知