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1、 小型液压挖掘机挖掘工作装置设计 摘要 挖掘机广泛的应用于建筑行业，排水灌溉，采矿，清除障碍和露天开矿等各种场合。它对减轻繁重的体力劳动，保证工程的质量，加快建设的速度，提高劳动的生产率起到了巨大的作用。 随着液压传动的技术在工程机械上广泛应用，单斗液压挖掘机也有了迅速的发展。液压挖掘机具有质量轻、体积小、结构紧凑、挖掘力大、操纵轻便，以及易实现无级变速和自动控制等一系列的优点。为了能满足不同的作业要求，其工作装置也有很多类型。例如：正铲，反铲，牵引绳，塔式等。在上述的工作装置中，反铲挖掘机应用的最为广泛，因而合理设计工作装置具有十分重要的意义。 本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、连杆机构等组成
2、的小型液压挖掘机工作装置进行设计。具体内容包括以下的五部分: 挖掘机工作装置的总体设计； 挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析；工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证；工作装置主要部件的结构设计。通过静强度与动强度分析，得出了工作装置在静载荷下结构是安全的。并利用同类机械的的参数做相应的调试，得出一套较合理的参数，为后续的工作打好了基础。关键词：挖掘机；液压；动臂；斗杆；铲斗 THE DESIGN OF WORKING DEVICE OF SMALL HYDRAULIC EXCAVATOR ABSTRACT Excavators are widely used in all branches o
3、f constructions, to drain and irrigate land, extract useful minerals, the removal of obstacle and the open-cast excavation of coal and ore. They play a tremendous role in relieving labor force, ensuring project quality, accelerating the speed of construction and improving the labor productivity. Wit
4、h the great development of hydraulic technology, the single buckethydraulic excavator has been improving greatly. The hydraulic excavator is provided a great many advantages,such as light weight, small volume, compact structure, powerful dig force, easy operate, continuous variable velocity, automat
5、ic controls and so on.In order to meet the different requirements, the working device also has many types. For example: dipper shovel, pull shovel,dragline, jib crane, tower crane and so on.In the above work device, backhoe excavator is used most widely, so the rational design of work device is of g
6、reat significance. In this paper, mainly by the boom, bucket rod, bucket, excavator linkage component of small hydraulic excavator working device design. It includes the following several parts:the overall design of excavator work device; excavator working device detailed kinematics analysis; the ba
7、sic size calculation and verification of each part of Working device ; Through the static strength and dynamic strength analysis, the device under static loading structure is safe. Use the same mechanical parameters of the commissioning, to derive a set of reasonable parameters, for the follow-up wo
8、rk to lay a good foundation. KeyWord: Excavator; Hydraulic; Movable arm,Dipper,Bucket 目录1 绪论11.1 课题设计的背景和意义11.2 挖掘机的行业现状11.3 挖掘机技术发展趋势21.4 工程机械的前景展望32 小型液压挖掘机反铲工作装置结构方案设计32.1 引言32.2 液压挖掘机的工作原理与基本组成分析32.3 反铲工作装置的结构设计方案分析52.3.1 反铲工作装置的结构形式及结构特点52.4 本章小结73 小型液压挖掘机反铲工作装置参数设计73.1 工作装置的设计原则与参数说明73.1.1 反铲工
9、作装置的设计原则73.1.2 机构自身的几何参数设计83.2 反铲工作装置几何参数的设计计算83.2.1 铲斗机构主要参数的设计计算过程83.2.2 动臂结构参数的计算过程93.2.3斗杆机构及斗杆液压缸参数的设计计算133.2.4 铲斗机构及铲斗液压缸主要参数的设计过程153.2.5 动臂液压缸的设计计算183.2.6 液压系统闭锁压力的确定分析204 反铲工作装置的载荷分析计算214.1 工况分析以及确定不利工况214.2 第一种工况位置下动臂和斗杆受力分析计算244.3 第二种工况位置下动臂和斗杆受力分析计算284.4 第三种工况位置下动臂和斗杆受力分析计算324.5 斗杆内力图分析37
10、4.6 动臂内力图分析385 挖掘机工作装置截面尺寸的设计与校核4025.1 工作装置斗杆截面尺寸的设计与校核415.1.1 斗杆的强度校核415.1.2 斗杆稳定性校核425.1.3 铰座挤压强度校核425.2 动臂截面尺寸设计与校核435.2.1 动臂强度校核445.2.2 动臂稳定性校核465.2.3 铰座的挤压强度校核466 结论58参考文献59致谢50 1 绪论1.1 课题设计的背景和意义 总所周知，我国是一个发展中的国家，在其广阔的土地上正在进行着大规模经济建设，这就需要很多土石方施工机械为建设服务，而我们知道液压挖掘机是一类最重要的土石方的施工机械。它有适应性强、作业效率高等优点
11、，而这是施工单位所重视的。因而，在我国存在一个巨大的液压挖掘机的市场。近年来，从以下数据我们可以看出我国液压挖掘机的生产量在不断地增加中：1994 年时全国液压挖掘机的产量是2010台，1995 年是2366 台，1996 年产量则达到3104 台，1997 年是3341 台，1998 年产量则达到4021 台，而1999 年全国液压挖掘机的产量将近6000 台，要比1998 年增长了近40%。从1994 年到1999 年这近5 年的时间里，我国液压挖掘机的产量翻了两番1。另外一方面，现在广大的用户，各级施工单位越来越看重液压挖掘机在施工中的作业。用液压挖掘机在很多场合来替换装载机和推土机进行
12、施工作业的合理性越来越明显。因此，我们可肯定液压挖掘机发展空间是很大的2。 我国经济建设在不断发展，液压挖掘机的需求量也将逐年的增长。我们可以预测，今后的几年里我国的液压挖掘机行业将有一个很大的发展空间。国内市场，主要由交通运输工业，能源工业，原材料工业等领域组成3。科学在不断的发展，社会在不断进步，则对挖掘机各方面的性能要求也将不断的提高。国内外的各个生产厂家都在积极的采用新技术、新工艺、新结构来提高其使用性能。如德国阿特拉斯公司所生产的挖掘机则装有新兴的发动机转速的调节装置，使挖掘机能按照最适合其作业所要求的速度来进行工作4。 液压挖掘机主要是由发动机、工作装置、液压系统、行走装置和电气控
13、制等部分所组成的。其工作装置是直接用来完成挖掘任务的装置，它则是由动臂、斗杆、铲斗等三部分的铰接而成。动臂的起落、斗杆的伸缩和铲斗的转动都是用往复式双作用液压油缸来控制的。工作装置是其重要组成部分，直接的影响挖掘机的工作状态。本次毕业设计将围绕液压挖掘机的工作装置来进行设计。1.2 挖掘机的行业现状12 自从20 世纪90 年代来，中国经济就快速的发展，中国的工程机械行业也步入快速的发展期。近些年来，小型的工程机械作为后起之秀，在施工作业过程1 第 页 共50页中，开始有部分取代了中大型机械的位置，受到了用户的欢迎。目前，我国的小型液压挖掘机市场正处在高速发展的阶段。随着我国的城镇化进程向广度
14、和深度的发展，其工程的业务量所占社会施工总量的比重也会越来越大。据估算，一台10 吨位的小型挖掘机作业效率相当于3050 个劳动力，这样就极大地降低了施工和管理的成本，使得小型挖掘机的需求量也在不断上升。我们知道2002年的行业销售量仅有1400 多台，而到了2006 年却达到了1.7 万余台，到2007 年就已达2 万余台，而2008 年刚过去几个月，就已呈现出长足增长态势。许多国外的企业在中国加大投资，进军小挖产业这正是他们看好中国的工程机械市场具体的表现。从市场的份额来讲，国内的小型挖掘机市场主要还是以斗山、现代、小松和日立等日韩的品牌为主，约占整个行业销量的一半以上。本土的小型挖掘机经
15、山河智能、玉柴等供应商多年努力，也正在逐步得扩大市场占有率。目前国内小挖企业市场的份额每年都有大幅攀升。近几年来，小型挖掘机的市场持续强力的增长，特别在出口方面，小型挖掘机对我国的工程机械行业出口市场起到一定的引领作用。我国本土的小型挖掘机有质优价廉，性价比高等优势，也受到了海外市场的青睐。2007 年我国的小型挖掘机市场销量突破2 万台大关，其中的近20小挖销量则是出口海外市场的，其中国内有些小挖制造商的出口比例则达到40以上，以满足海外市场需求。1.3 挖掘机技术发展趋势5 自20 世纪后期开始，挖掘机的生产则向多功能化、自动化和专用化的方向来发展。 （1）需开发多品种、多功能、高效率及高
16、质量的挖掘机。为了满足市政和农田建设的需求，国外有发展了斗容量在0.25m3 以下的微型的挖掘机，最小的斗容量仅为0.01m3。此外，数量最多的中、小型的挖掘机则趋向于一机多能，配备多种工作装置除了正铲、反铲外，还配备起重、抓斗、装载斗、耙齿、破碎锥、振捣器、集装叉、铰盘及拉铲等，以能满足各种施工的需求。 （2）迅速的发展全液压式的挖掘机，不断改进和革新其控制方式，使挖掘机能由简单的杠杆操纵而发展到液压操纵、液压伺服操纵、气压操纵和电气控制、无线电遥控及电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业时，能采用无线电操纵，能利用电子计算机控制接收器与激光导向相结合，能实现挖掘机作业操纵完全自动化。
17、 （3）要重视采用新的技术、新的工艺、新的结构，加快标准化、系列化、通用化的发展速度。如美国的林肯贝尔特公司推出的新C 系列LS-5800 型液压挖掘机则安装了全自动的控制液压系统，可以自动的调节流量，能避免驱动功率的浪费。同时还安装了CAPS（计算机辅助功率系统），这样提高了挖掘机的作业功率，能更好地来发挥液压系统的功能；日本住友公司所生产的FJ 系列的五种新型号的挖掘机配有能与液压回路相连接的计算机辅助功率的控制系统，能运用精控模式来选择系统，以减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并且延长了零件的使用寿命；德国的利勃海尔公司则开发了ECO（电子控制作业）的操纵装置，可以根据作业的要求来调
18、节挖掘机作业性能，这取得高效率、低油耗的好效果。韩国的大宇公司则在DH280 型挖掘机上采用EPOS电子功率优化系统，能根据发动机负荷的变化，来自动调节液压泵吸收的功率，能使发动机转速始终保持在额定的转速附近，即发动机始终能以全功率运转，这就既充分利用了发动机的功率，同时又防止了发动机因过载而熄火。美国卡特彼勒公司则在新型的B 系统挖掘机上采用最新设计的3114T 型柴油机及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，来进一步提高挖掘机作业效率和稳定性。（4）要注意加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的工作条件。液压挖掘机要采用带坠物保护结构和倾翻保护结构形式的驾驶室，还要安装可以调节的弹性座椅，应
19、用隔音措施来降低噪声干扰。（5）更新设计的理论，提高装置的可靠性，延长其使用寿命。美、英、日等国推广采用了有限寿命设计理论，用来代替传统的无限寿命设计的理论和方法，并且将疲劳损伤累计理论、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等先进技术应用到液压挖掘机的强度研究的方面，这促进了产品的优质高效率和竞争力。美国以提出了考核动强度的动态设计的分析方法，并且创了预测产品失效和更新的理论。在以上基础理论的指导下，借助大量试验，从而缩短了新产品研究周期，也加速了液压挖掘机更新和换代的进程，并且提高了其可靠性和耐久性。6（6）进一步改善液压系统以及迅速扩展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用
20、。由于变量系统在油泵工作的过程中，压力减小时和增大流量变化时，能使液压泵功率保持恒定，因而，中、小型的液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的趋势。此外，液压技术在挖掘机上的使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广中创造了条件。随着用户对挖掘机工作效率、节能环保、操作轻便、可靠耐用等方面性能要求的提高，这就促使了机电一体化在液压挖掘机上的应用，并且使其各种性能有质的飞跃。1.4 工程机械的前景展望 挖掘机市场将持续呈现波浪型的发展。在今后的一个时期里，挖掘机市场火爆式的炎夏可能难以遇到，我们期待温暖、生机勃勃的春天的到来。同时也期望挖掘机市场能持续、稳定、健康的发展状态。本次的设计我将
21、在前人已有的科技成果上努力探讨新的科技方法，争取做出具有特色的设计来。 2 小型液压挖掘机反铲工作装置结构方案设计2.1 引言 单斗液压挖掘机是指一种装有一只铲斗并且采用液压传动来进行挖掘作业的机械。它在建筑、水利、电力、筑路等工程以及天然气管道和现代军事工程中广泛使用。它是挖掘机械中很重要的机种。 单斗液压挖掘机的工作过程是用铲斗的切削刃切削土壤并将土装入铲斗内，当斗装满后提升。接着回转到卸土位置进行卸土，当卸空后铲斗转回并下降到地面上进行下一次的挖掘。挖掘机挖完一段土后，机械则移动一段距离，同时一边继续作业。因此单斗液压挖掘机是一种能够进行周期性作业的自行式土方机械。72.2 液压挖掘机的
22、工作原理与基本组成分析8 为了实现周期性作业的要求，单斗液压挖掘机有以下基本组成部分：工作装置、动力装置、回转装置、传动操作机构、行走装置和辅助设备等。常用的全回转式挖掘机，它的动力装置、回转机构、传动机构的主要部分、辅助设备和驾驶室等都装在转台上，这个转台称上部转台。由此也可以讲这种挖掘机主要由工作装置、行走装置和上部转台三大部分组成。挖掘机各部分的构造、性能及其综合的效果是由基本性能决定的。 如图2-1所示，它是液压挖掘机的基本组成及传动示意图。柴油机通过驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油传送给液压执行元件来驱动相应的机构进行工作。 连杆机构原理在液压挖掘机的工作装置中得到了运用，挖掘机各部
23、分运动是通过液压缸的伸缩来实现的。其中臂下铰点铰接在转台上，通过动臂钢的伸缩运动，使动臂同整个工作装置绕动臂下铰点进行转动。斗杆依靠斗杆钢绕动臂上铰点转动；铲斗铰接于斗杆的前端，它通过铲斗缸和连杆绕斗杆前铰点转动。在挖掘作业过程中，挖掘原理为通过接通回转马达，转动转台，使挖掘机的工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸，则小腔进油使液压缸回缩；当动臂下降至铲斗接触地面后，再操纵斗杆缸，此时液压缸大腔进油而伸长，使铲斗能够进行挖掘和装载土壤的工作。当铲斗装满土壤后，使工作装置转到卸载的位置，此时再操纵铲斗缸或着斗杆缸回缩，使铲斗翻转卸土。当土壤卸完后，工作装置再回转至挖掘位置，接着进行第二次挖掘循环
24、工作。然而由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，在实际挖掘过程中，挖掘机的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。上面所描述的过程只是指一般的理想过程。液压挖掘机由于采用三组液压缸使工作装置具有了三个自由度，则铲斗可以实现有限的平面转动，同时挖掘机通过液压马达驱动回转运动，使铲斗运动能够扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走装置使挖掘空间沿水平方向得到间歇地扩大，从而能够满足挖掘作业的要求。 图2.1 液压挖掘机基本组成及传动示意图 1-铲斗2-斗杆3-动臂4-连杆5、6、7-液压油缸 -挖掘装置-回转装置-行走装置2.3 反铲工作装置的结构设计方案分析小型
25、液压挖掘机挖掘工作装置是由动臂、斗杆、铲斗以及连杆机构和各工作液压缸组成的。工作装置是液压挖掘机不可缺少的一部分。在中小型液压挖掘机中，反铲工作装置是运用的最为主要的，同时它也是建筑型挖掘机的主要工作装置。2.3.1 反铲工作装置的结构形式及结构特点82.3.1.1 动臂的结构形式及结构特点动臂是工作装置中的主要构件，动臂的结构形式往往决定了斗杆的结构形式。反铲液压挖掘机的动臂结构可分为整体式和组合式。整体式动臂可分为直动臂和弯动臂两种。而直动臂构造比较简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机中。采用整体式弯动臂则有利于获得较大的挖掘深度，适合反铲作业要求。它是目前应用最广泛的结构形式。整体
26、式动臂的优点为结构简单，价格低廉，刚度相同时重量较组合式动臂要轻。它的缺点是能替换的工作装置较少，通用性比较差。为了扩大机械通用性，提高其利用率，往往需要配备几套完全不通用的工作装置。一般说，长期用于作业条件相似的场合，采用整体动臂结构比较合适。 组合式动臂大都为弯臂形式。它的组合方式有两类，一类是用辅助连杆连接，另一类则用螺栓连接。它的优点是工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整，同时互换工作装置较多。它的不足是制造成本高，比整体式动臂要重。由于本次设计的目标对挖掘深度提出具体要求，且挖掘深度给定的目标参数比市场上同型号的挖掘机要大，则通过综合考虑，我的本次设计的动臂形式采用有利于获
27、得较大挖掘深度的整体式弯动臂。同时其结构也简单，价格也相对低廉。2.3.1.2 铲斗的结构形式 挖掘机铲斗的结构形状和参数的合理选择对挖掘机作业效果影响非常大。铲斗的作业对象很多，作业条件也大都不同，因此用一个铲斗来适应任何作业对象和条件比较困难。为了满足各种特定的工作情况，尽可能提高作业的效率，反铲装置常配有多种斗容量不同且结构形式各异的铲斗。目前，我国对铲斗结构形式的研究还处在现场试验、实验室试验或者模型试验的阶段，还未建立较系统的理论。铲斗得斗容量是本次设计的主要目标参数之一。故本次设计将以斗容量为依据，以部分的经验公式，反铲斗平均斗宽的统计值和推荐范围作为参考，以此确定铲斗的主要结构参
28、数。2.3.1.3 斗杆的结构形式斗杆有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用的是整体式斗杆，当需要调节斗杆的长度或者杠杆比时将采用更换斗杆的办法，或在斗杆上设置24 个可供调节时选择的和动臂端部铰接的孔。然而有的反铲采用组合式斗杆，即把加长杆拆去而成短斗杆。综合考虑本次设计将采用整体式斗杆，这种形式的斗杆在市场上也是最为常见的。2.3.1.4 斗杆液压缸和动臂液压缸的布置方案 对于斗杆液压缸的布置，本次设计我将用以下方案。用一个斗杆液压缸，其支座支于动臂上方的凸缘上，其活塞杆与斗杆铰接。 动臂液压缸的连接，一般有以下两种布置方案。 第一种方案如图2.1.a 和2.1.b 中所示，挖掘机的动臂
29、液压缸装在动臂的前下方。动臂的下支撑点可以设在转台回转中心之前，并且稍高于转台平面。它也可设在转台回转中心的后面，用来改善转台的受力情况，但使用反铲作业时动臂支点靠后布置将会影响挖掘深度。因此动臂液压缸一般都支于转台前部凸缘上。动臂液压缸的活塞杆端部与动臂的铰点通常有两种布置方案。一种是铰点设在动臂封闭箱体下方凸缘上；另一种则是铰点设在动臂箱体中间。 第二种方案如图2.1.c 和2.1.d中所示，动臂液压缸装在动臂的上方或者后方。这种方案的特点是动臂下降的幅度比较大。在挖掘时，特别是挖掘深度较大时动臂液压缸往往处在受压状态，闭锁能力比较强。尽管动臂提升时液压缸小腔进油，提升力矩也一般够用，提升
30、速度也较快。因此作为专用的反铲装置这种方案可取。 综上所述，本次设计中动臂液压缸的布置方案将是：动臂液压缸装在动臂的前下方且动臂液压缸支于转台前部的凸缘上，动臂液压缸活塞杆端部与动臂的铰点将设在动臂封闭箱体下方的凸缘上。动臂下支撑点设在转台回转中心的前面。这样的动臂布置方案将有利于获得较大的挖掘深度，而动臂液压缸的布置也不会削弱动臂的结构强度。通过分析选择合适的动臂液压缸，动臂液压缸的闭锁力能保证挖掘机在主要挖掘区域内实现设计目标所需要的最大挖掘力，从而满足设计的要求。 2.1 动臂液压缸的布置方案2.3.1.5 铲斗液压缸的布置方式 铲斗液压缸与铲斗的连接一般有活塞杆端部与铲斗直接连接和铲斗
31、液压缸通过摇杆和连杆与铲斗相连两种型式。第一种连接方式，铲斗、斗杆、与铲斗液压缸组成四连杆机构。第二种方式，它们与斗杆一起组成六连杆机构。在同样的液压缸行程下六连杆方式能得到较大的铲斗转角，这样改善了机构的传动性能。铲斗液压缸一般都只选用一个。因为传动比小，单个液压缸作用力已足以保证斗齿所需要的挖掘力。7 综上所述，本次设计中铲斗液压缸与铲斗的连接将采用六连杆方式，以改善机构的传动性能。同时只采用一个铲斗液压缸。2.4 本章小结本章首先对液压挖掘机的整体组成及工作原理做了介绍，重点分析了液压挖掘机反铲工作装置的结构组成和工作特点，接着对工作装置中的各机构进行结构方案的选择，以便于借助计算机及相
32、关资料进行方案的比较和参数的选择，为后面的设计打好基础。 3 小型液压挖掘机反铲工作装置参数设计3.1 反铲工作装置的设计原则和参数说明8 怎样合理设计反铲工作装置的问题至今尚未得到理想地解决。在以前的设计中，多按经验，采取统计和作图试凑这三种方法。我们现在采用数解分析方法，并且结合电子计算机的辅助设计。这样对合理设计反铲装置有很大帮助。3.1.1 反铲工作装置的设计原则 为了能合理的设计工作装置，设计中应满足以下要求：（1） 整机挖掘力的大小及其分布情况在满足使用要求的同时要具有一定的先进性。（2） 主要工作尺寸及作业范围应能满足使用的要求。（3）功率利用的情况要尽可能好，理论工作循环的时间
33、要尽可能短。（4）在确定铰点的布置，结构形式和截面尺寸形状时要尽可能使受力状态有利挖掘工作。在保证反铲装置强度，刚度和连接刚性的条件下应尽量的减轻结构自身重量。（5）在作业条件复杂，使用情况多变时要考虑反铲装置的通用性。（6）在采用变铰点构件或配套构件时应注意分清主次。在满足使用要求前提下力求选择替换的构件种类少，结构较简单，换装方便。（7）为了使挖掘机运输尺寸小，行驶稳定性好，在运输或停放时工作装置应有合理的姿态。保证安全可靠的同时尽可能使油缸能卸载或减载。（8）在对工作装置油缸设计时应考虑三化，采用系列参数，并尽可能减少油缸零件的种类，尤其是那些易损件的种类。（9）工作装置的装拆和维修是难
34、以避免的，因此它的结构形式和布置的设计要便于装拆和维修，尤其应便于易损坏零件的更换。（10）对于特殊使用要求应采用合理措施。3.1.2 机构自身的几何参数设计11 机构自身的几何参数设计是相当重要的一个环节。机构的自身几何参数有以下三类：第一类称原始参数，它是决定机构运动特性的必要参数。在这里主要选择的是长度参数作为原始参数；第二类称推倒参数，它是由第一类参数推算出来的，大多为运算中需要的角度参数；第三类则是作方案分析时比较所需要的其他的特性参数。反铲机构自身几何参数的相关计算及符号见图3.1中所示。 图3.1 反铲工作装置机构自身几何参数计算简图 在上图中我们可以看出：三角形CBF和三角形C
35、DF为挖掘机的动臂机构，AB 为动臂油缸。由EGFNQ组合的形状为斗杆机构，其中的NQ 为摇杆和DE 为斗杆油缸，五边形MNQKH则为连杆机构，NM和MH 为连杆。三角形QKV 为铲斗机构，GM是铲斗油缸。3.2 反铲工作装置几何参数的设计计算83.2.1 铲斗机构主要参数的设计计算过程 铲斗的四个主要参数是斗容量q，平均斗宽B，转斗的挖掘半径R和铲斗挖掘装满转角2（这里的 =max）。B、R及2三者与q之间的关系为：（3-1）式中：q 斗容量，取q=0.18m3（设计的目标参数）； 铲斗挖掘装满转角的一半，铲斗在挖掘作业过程中的转角大致在90 110范围内，本次设计中取2=100； B 平均
36、斗宽，设计中根据经验公式，及反铲铲斗平均斗宽统计值和推荐范围，取B=0.72m Ks土壤松散系数，它的近似值取1.26 由公式（3-1）求得转斗挖掘半径为R=0.73m铲斗上两个铰点K 与Q 之间的间距（如图3.2）的取值要适中，太大将影响铲斗机构传动特性，太小则影响铲斗机构的刚度，一般取特性参数。故取。则一般取角。则取 图3.2 铲斗结构示意图3.2.2 动臂结构参数的计算过程3.2.2.1 动臂、斗杆长度尺寸设计 一般取动臂弯角，而小弯臂可取。小对增大挖掘的深度有利，但对结构强度不利。特性参数。它的大小一般取（1.11.3），这是由反铲挖掘机以挖掘深度为主要指标的特点所决定的。据统计可知，
37、最大挖掘半径值的大小一般与的和值很接近。其中为动臂与转台的铰点距转台回转中心间的距离，根据经验值可得。因此由设计要求的,已经确定的和,则可以按以下近似经验公式计算和值： (3-2) (3-3)其中： 最大挖掘半径，取=5.884m（设计目标参数）； 动臂与斗杆的长度比，即特性参数，参考同类机型，则取。由以上公式可求的：，3.2.2.2 动臂结构尺寸及动臂上的铰点位置设计如图3-1，在三角形CZF中，铰动臂弯角取值范围，则取。动臂转折处的长度比,其取值范围,则取已知,如图3-1，在三角形CZF中由余弦定理有： (3-4) (3-5)由可将式(3-4)化为 (3-6) 又由 (3-7)由以上的式子
38、可求的：， 动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比K4 要按不同情况选取，以反铲为主的通用挖掘机要顾及其他换用装置，要求在地面以上作业时有足够的提升力矩。则可取的范围为。的取值对参数特性，最大挖掘深度和最大挖高有比较大影响。加大会使减小或者使增大，这符合反铲作业要求。用作反铲的小型挖掘机机取。则本次设计中取，。斗杆液压缸全缩时达到最大，其取值范围为则取，初定。由图3.3可得最大卸载高度的表达式为 (3-8)由图3.4可得最大挖掘深度绝对值的表达式为： (3-9)将（3-8）和（3-9）相加，并令 , 则可得到： (3-10) 又由特性参数： (3-11) 式中的为动臂油缸全伸长度与全缩长度之比，由于受
39、油缸稳定条件的限制，的值一般取1.61.7，则本次设计取1.66。由 取设计目标参数，将上述参数数值代入式（3-10），并利用试算法，可求得： , 然后由式（3-9）得为： 则求得:l5=1.309m 动臂油缸的最短长度；动臂油缸的伸出的最大长度； A：动臂油缸的下铰点；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点. 图3.5 动臂和动臂液压缸铰点位置的几何关系图1是L1的函数。动臂上的任意一点在任一时刻都是L1的函数。如图3-5所示，图中动臂油缸的最短长度；动臂油缸的伸出的最大长度；动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值；动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最大值；A：动臂油缸的下铰点
40、；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点。令 = l5/ L1min, = l7/ L1min ，参考图3.5，则由下面两式，求和 ：min = COS-1（l72+l52- L1min2）/2l7l5 = COS-1（2+2-1）/2 max = COS-1（l72+l52- Lmax2）/2l7l5 = COS-1（2+2-2）/2 式中（图3.5中）：可求得: = 0.392， =1.342而有+ =0.392+1.342=1.734，符合条件。则有：，通过初步作图计算，可取DFZ = 803.2.3 斗杆机构及斗杆液压缸参数的设计计算 斗杆机构的参数选择可按以下步骤进行：按设计目标要求
41、的最大挖掘力来确定斗杆液压缸的最大作用力臂。 (3-12) 则取 (3-13) 式中：P为液压系统的工作压力，取P=24.5MP 为斗杆液压缸大腔作用面积，取，得到则由式(3-13) 得：将设计目标参数,以及代入式 (3-12) 中可得到，取。 图3.6 斗杆机构参数计算简图斗杆的摆角取值范围为，在满足工作范围和运输要求的前提下这个值应尽可能取小些，则本次设计选。由图3.6，取斗杆油缸在位置O与Z的力臂，则求得： (3-14)式中： ，它的取值范围为，取，则得到：如图3.6，由三角形余弦定理得DF间的距离为： (3-15)由式中，则代入式 (3-15)中可得： ，斗杆上EFQ取决于结构因素，并
42、考虑到工作范围，一般在1300 1700之间，本次设计中，取EFQ=1400。3.2.3.2 斗杆液压缸参数的选择计算1314由上一小节的计算过程可知，斗杆液压缸大腔内径D2=100mm，查阅机械设计手册，取塞杆直径为d2=70mm，（速比），缸筒外径D=121mm，斗杆液压缸全缩长度，全伸长度。3.2.4 铲斗机构及铲斗液压缸主要参数的设计过程3.2.4.1 连杆机构参数的设计计算图3.7中，为摇臂的长度，连杆的长度，铲斗的长度，F为斗杆的下铰点，G铲斗油缸的下铰点，N摇臂与斗杆的铰接点，K和Q分别为铲斗的上下铰点。作机构参数选择时，参考图3.7有，特性参数K2取值范围为，故取,则可得：。参考同类机