挖掘机工作装置设计计算说明指导书.doc

摘要液压挖掘机是工程机械一个关键类型，广泛应用在房屋建筑、筑路工程、水利建设、港口建设、国防工程等土石方施工和矿山采掘之中。反铲液压挖掘机是挖掘机械中最关键机种之一，关键应用于挖掘停机面以下土壤。液压挖掘机反铲装置是完成液压挖掘机各项功效关键部分，其结构合理性直接影响到液压挖掘机工作性能和可靠性。本文依据液压挖掘机反铲装置结构特点,工作原理和对经典工况分析，总结了挖掘机工作装置性能要求和设计标准 ，然后对其各关键构件进行了方案选择和运动学分析，并确定各铰点之间距离，用Pro/e软件绘出其连杆模型。接着依据连杆模型并结合其它机械设计知识画出工作装置二维图纸，最终依据图纸上具体结构尺寸对工作装置关键部件进行校核。关键词:液压挖掘机，工作装置，运动学分析，结构设计AbtractAs one of important construction machinery and equipments，hydraulic excavator is widely used in earthwork construction and mine exploitation, such as in architecture, road engineering, water conservancy, port building, national defense project, etcThe excavator with a backhoe d is mainly used to excavate the earth undergroundBackhoe Equipment of Hydraulic Excavator is one important device to perform many functions. The working performance and reliability of the whole machine is influenced by the rationality of its structure.Firstly，this paper, which is based on the structural features of hydraulic backhoe excavator、be worked principle and the analysis of typical conditions, summed up the excavator working equipment performance requirements and design principles. Secondly, be selected the program and conduct the kinematic analysis of all the major components of working equipment，and be determined the distance between the hinge points，and then used the Pro/e software to draw the link model ；Thirdly，drew two-dimensional drawings of the work equipments；Finally, according to the drawings specific dimensions, check the main components of working device. Key words：hydraulic excavator；working equipment；kinematic analysis；structural design目录1绪论- 1 -1.1课题背景及目标- 1 -1.2 挖掘机发展简史- 1 -1.2.1国外液压挖掘机现在水平及发展趋势- 1 -1.2.2中国液压挖掘机发展概况- 2 -1.3液压挖掘机基础类型- 2 -1.4此次设计概述- 3 -1.5 论文组成及研究内容- 3 -2 总体方案设计- 4 -2.1 工作装置组成及原理- 4 -2.2 工作装置坐标设定（见图2-2）- 6 -2.3 工作装置各部分方案选择- 6 -2.3.1 动臂种类选择及油缸部署方案选择- 6 -2.3.2 斗杆种类选择- 8 -2.3.3铲斗种类选择及油缸部署方案选择- 8 -2.4 液压挖掘机工矿分析- 9 -2.5 液压挖掘机工作装置设计要求- 14 -2.5.1 几何尺寸要求- 14 -2.6 液压挖掘机工作装置设计标准- 17 -2.7 设计基础参数和设计作业范围- 18 -3工作装置运动学分析- 19 -3.1 动臂运动分析- 19 -3.2 斗杆运动分析- 21 -3.3 铲斗运动分析- 22 -3.4 特殊工作位置计算- 23 -4基础尺寸确实定- 27 -4.1 斗形参数选择- 27 -4.2 动臂机构参数选择- 28 -4.3 斗杆机构基础参数选择- 30 -4.4 连杆及铲斗机构基础参数选择- 31 -5 工作装置结构受力分析和校核- 37 -5.1 挖掘阻力分析- 37 -5.2 工作装置各部分油缸作用力确实定- 38 -5.2.1铲斗油缸作用力确实定- 38 -5.2.2斗杆油缸作用力确实定- 41 -5.2.3动臂油缸作用力确实定- 42 -5.3 工作装置结构强度校核工况介绍- 43 -5.4 斗杆力学分析- 44 -5.5 斗杆强度校核- 50 -5.6 动臂力学分析- 55 -5.7 动臂强度校核- 57 -6 结论- 61 -参考文件- 62 -附录- 63 -致谢- 64 -1绪论1.1课题背景及目标挖掘机在国民经济建设很多行业被广泛地采取，如工业和民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘和现代化军事工程等等行业机械化施工中。据统计，通常工程施工中约有60%土方量、露天矿山中80%剥离量和采掘量是用挖掘机完成。伴随中国基础设施建设深入和在建设中挖掘机广泛应用，挖掘机市场有着宽广发展空间，所以发展满足中国国情所需要挖掘机是十分必需。而工作装置作为挖掘机关键组成部分，对其研究和控制是对整机开发基础。单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂空间机构，中国外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面全部作了较深入研究，具体设计尤其是小型挖掘机设计已经趋于成熟。而相关单斗液压挖掘机相关文件也很多，这些文件从不一样侧面对工作装置设计进行了叙述。而笔者设计知识和水平能力只是初学者，进行本课题设计是为对挖掘机工作装置设计有部分大致认识，巩固所学知识和提升设计能力。1.2 挖掘机发展简史 挖掘机械最早雏形，关键用于河道。港口疏浚工作，第一台有确切记载挖掘机械是1796年英国人发明蒸汽“挖泥铲”。而能够模拟人掘土工作，在陆地上使用蒸汽机驱动“动力铲”于1835年在美国诞生，关键用于修筑铁路繁重工作，被认为是现代挖掘机先驱，距今已经有170多年历史。1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。因为科学技术飞速发展，多种新技术、新材料不停在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以节能、环境保护等方面有了长足进步。现在液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用，成为土石方施工不可缺乏关键机械设备。1.2.1国外液压挖掘机现在水平及发展趋势 工业发达国家液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国和日本是液压挖掘机关键生产国，含有较高市场拥有率。20世纪后期开始，国际上液压挖掘机生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型基础上向大型化、微型化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化方向发展。1.2.2中国液压挖掘机发展概况 中国从1967年开始研制液压挖掘机。早期开发成功产品关键有上海建筑机械厂WY100、贵阳矿山机器厂W460、合肥矿山机器厂WY60等。到20世纪70年代末80年代初，长江挖掘机厂和杭州重型机械研制成功了WY160和WY250等液压挖掘机产品。从1994年开始，美国卡特彼勒企业、日本神户制钢所、日本小松制作所、日本日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业和德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔沃等企业前后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业，生产含有世界优异水平多个型号和规格液压挖掘机产品。多年来中国经济增加快速，液压挖掘机市场需求不停扩大，形成了巨大挖掘机市场空间，但该行业关键由合资企业和外资企业所垄断。中国部分工程机械待业上市股分企业合资方法介入了挖掘机产业，同时中国还有众多企业也在生产液压挖掘机，但在生产规模、品种、质量等方面和国外大企业相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业，必需瞄准国际优异水平，围绕中国外两个市场，在充足利用国际化配套国外优异技术基础上，增强自主创新意识，掌握关键设计制造技术，发挥性价比优势，提升产品竞争力，把中国液压挖掘机产品做大做强。1.3液压挖掘机基础类型单斗液压挖掘机可按用途及其关键装置特征进行分类。 按液压挖掘机关键用途及工作装置不一样分为通用型和专用型两种。中小型挖掘机大多数为通用型，即以挖掘土壤容重18000N/m为标准反铲斗关键装置外，还配有适于 挖掘多种轻重土质和挖掘幅度反铲、正铲、抓斗、装载、起重等多个可换装置。而大型液压挖掘机则以矿用正铲为关键装置外，通常亦配有挖掘轻重土、石料和多种挖掘幅度正、反铲等装置。关键用于矿山采掘和装载、称采矿或矿用型。 按工作装置结构不一样分为铰接式和伸缩臂式挖掘机，常见者均为铰接式，伸缩臂式挖掘机因可用于平整清理场地和坡道等作业，故有挖掘平地机之称。 按行走装置不一样，液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式等种类。屐带式因有良好经过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采取加宽、加长及以浮式履带来降低接地比压。轮式挖掘机含有行走速度快，机动性好、可在城市道路通行，故多年来在中小型液压挖掘机中发展较快。汽车式、悬挂式是以汽车及拖拉机为基础机械(底盘)装设挖掘或装载工作装置小型挖掘机。适适用于城建小量土方工程及农村建筑。拖式则没有行走驱动机构，转移时由牵引车牵引，关键优点为结构简单、成本低。 按回转部分转角不一样，液压挖掘机有全回转和半回转两类。大部分液压挖掘机是全回转式，小型液压挖掘机如悬挂式等工作装置仅能作180左右回转，为半回转式。 按关键机构是否全部采取液压传动又分为全液压式和半液压式两种。二者区分在于半液压传动挖掘机行走机构采取机械传动，少数挖掘机仅工作装置采取液压传动，如大型矿用挖掘机等。现在国产轮胎式液压挖掘机多采取半液压式。1.4此次设计概述 此次设计斗容量为0.3m3,全液压履带式挖掘机型号为YW0.3型，因为履带式液压挖掘机有良好经过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采取加宽、加长和浮式履带来降低接地比压。1.5 论文组成及研究内容本论文关键对由动臂、斗杆、铲斗、连杆机构组成挖掘机工作装置进行设计。具体内容包含以下四部分:（1）挖机工作装置总体设计。（2）挖掘机工作装置具体机构运动学分析。（3）工作装置各部分基础尺寸计算和验证。（4）工作装置关键部件结构设计。 2 总体方案设计2.1 工作装置组成及原理 图1-1 工作装置组成图 其中1-铲斗；2-斗齿；3-连杆； 4-摇杆； 5-铲斗油缸； 6-斗杆；7-动臂；8-动臂油缸； 9-斗杆油缸图1-1为液压挖掘机工作装置基础组成及传动示意图，图所表示反铲工作装置由铲斗连杆、斗杆、动臂、对应三组液压缸等组成。动臂下铰点铰接在转台上，经过动臂缸伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，经过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。为了增大铲斗转角，铲斗液压缸通常经过连杆机构（即连杆和摇杆）和铲斗连接。反铲液压挖掘机工作过程为:先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作位置开始下一次作业循环2。液压挖掘机反铲装置关键用于挖掘停机面以下土壤(基坑、沟壕等)。其挖掘轨迹决定于各油缸运动及其相互配合情况。通常情况下，分为动臂挖掘、斗杆挖掘、转斗挖掘等多个情况。（1）动臂挖掘当采取动臂油缸工作来进行挖掘时(斗杆和铲斗油缸不工作)能够得到最大挖掘半径和最长挖掘行程。此时铲斗挖掘轨迹系以动臂下铰点为中心，斗齿至该铰点距离为半径所作圆弧线。其极限挖掘高度和挖掘深度(不是最大挖掘深度)即圆弧线之起终点，分别决定于动臂最大上倾角和下倾角(动臂和水平线之夹角)，也即决定于动臂油缸行程。因为这种挖掘方法时间长而且因为稳定条件限制挖掘力发挥，实际工作中基础上不采取。（2）斗杆挖掘当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，铲斗挖掘轨迹为圆弧线，弧线长度和包角决定于斗杆油缸行程。当动臂在最大下倾角，并以斗杆油缸进行挖掘工作时，能够得到最大挖掘深度尺寸，而且也有较大挖掘行程。在较坚硬土质条件下工作时，能够确保装满铲斗，故挖掘机实际工作中常以斗杆油缸工作进行挖掘。（3）转斗挖掘当仅以铲斗油缸工作进行挖掘时，铲斗挖掘轨迹也为圆弧线，弧线包角及弧长决定于铲斗油缸行程。显然，以铲斗油缸工作进行挖掘时挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较大挖掘力以确保能挖掘较大厚度土壤。所以通常挖掘机斗齿最大挖掘力全部在采取铲斗油缸工作时实现。采取铲斗油缸挖掘常见于清除障碍，挖掘较松软土壤以提升生产率。所以，在通常土方工程挖掘中，转斗挖掘较常采取。在实际挖掘工作中，往往需要采取多种油缸联合工作。挖掘机工作装置各油缸可看作是只承受拉压载荷杆，对工作装置进行合适简化处理图2-2所表示。图2-2 工作装置结构简图挖掘机工作装置经上面简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，即工作装置几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、铲斗油缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某一确定值时，工作装置位置也就能够确定。2.2 工作装置坐标设定（见图2-2）图中各参数含义说明以下：A表示动臂油缸和回转平台铰点；B表示动臂油缸和动臂铰点；C表示动臂和回转平台铰点；D表示斗杆油缸和动臂铰点；E表示斗杆油缸和斗杆铰点；F表示动臂和斗杆铰点；G表示铲斗油缸和斗杆铰点；M表示铲斗油缸和连杆机构铰点；N表示连杆机构和斗杆铰点；Q表示斗杆和铲斗铰点；K表示连杆机构和铲斗铰点；V表示铲斗齿尖。所建立总体坐标系x轴是停机水平面，Y轴经过回转平台回转中心并垂直于x轴，o点为总体坐标系原点也即x轴和Y轴交点。2.3 工作装置各部分方案选择 2.3.1 动臂种类选择及油缸部署方案选择动臂是反铲工作装置关键部件，通常能够分为组合式和整体式， 现在采取得多是整体式动臂。组合式动臂图2-3所表示，组合式动臂用辅助连杆或液压缸或螺栓连接而成。上、下动臂之间夹角可用辅助连杆或液压缸来调整，即使使结构和操作复杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下动臂之间夹角，从而提升挖掘机作业性能，尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深基坑时，轻易得到较大距离垂直挖掘轨迹，提升挖掘质量和生产率。组合式动臂优点是，能够依据作业条件随意调整挖掘机作业尺寸和挖掘力，且调整时间短。另外，它交换工作装置多，可满足多种作业需要，装车运输方便。其缺点是质量大，制造成本高 ,故此次设计不采取。 图2-3 组合式动臂 整体式动臂优点是结构简单，轻巧，质量轻而刚度大。其缺点是更换工作装置少，通用性较差。多用于长久作业条件相同挖掘机上。整体式动臂又可分为直动臂和弯动臂两种。其中直动臂结构简单、质量轻、制造方便，关键用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机取得较大挖掘深度，不适适用于通用挖掘机；弯动臂是现在应用最广泛结构型式，和同长度直动臂相比，能够使挖掘机有较大挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业要求5。经比较，选择整体弯动臂。动臂油缸通常部署在动臂前下方，有两种具体部署方法，油缸前倾部署方案，即当动臂油缸全伸出，将动臂举伸至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台前方倾斜；油缸后倾部署方案，即当动臂油缸全伸出，将动臂举伸至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台后方倾斜，两种方案中，在动臂油缸作用力相同时，后倾方案能得到较大动臂作用力矩2,所以，此次设计采取油缸后倾部署方案。臂和动臂油缸活塞杆端部铰点部署通常有两种形式，一个是单动臂部署在端部弯角下部，小型挖掘机常见；另一个是双动臂油缸部署在动臂箱体中部，这么双动臂油缸在结构上起到加强筋作用，提升力也大大增加。因为此次设计是小型挖掘机，故此次设计采取单动臂油缸。2.3.2 斗杆种类选择 斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采取整体式斗杆。在本设计中因为不需要调整斗杆长度，故也采取整体式斗杆。2.3.3铲斗种类选择及油缸部署方案选择 铲斗结构形状和参数合理选择对挖掘机作业效果影响很大，其应满足以下要求： （1）有利于物料自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底向剖面形状要适合于多种物料运动规律。 （2）要使物料易于卸尽。 （3）为使装进铲斗物料不易于卸出，铲斗宽度和物料粒径之比应大于4，大于50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。 综上考虑，选择中型挖掘机常见铲斗结构，基础结构图2-4所表示。 图2-4 铲斗本方案中采取六连杆部署方法，相比四连杆部署方法而言在相同铲斗油缸行程下能得到较大铲斗转角，改善了机构传动特征。该部署中1杆和2杆铰接位置即使使铲斗转角降低但确保能得到足够大铲斗平均挖掘力。图2-5所表示。图2-5 铲斗连接部署示意图1-斗杆； 2-连杆机构； 3-铲斗2.3.4 铲斗结构形式及斗齿安装形式铲斗结构基础要求1.铲斗纵向剖面形状应适应挖掘过程多种物料在斗中运动规律，有利于物料流动，使装土阻力最小，有利于将铲斗充满。2.装设斗齿，以增大铲斗对挖掘物料线比压，斗齿及斗形参数含有较小单位切削阻力，便于切入及破碎土壤。斗齿应耐磨、易于更换。3为使装进铲斗物料不易掉出，斗宽和物料直径之比应大于4：1。4.物料易于卸净，缩短卸载时间，并提升铲斗有效容积。铲斗斗齿采取装配式，国产挖机其形式有螺栓连接式和橡胶卡销式，图2-6所表示。斗容量小于或等于0.6立方米时多采取前者，斗容量q大于或等于0.6立方米时多采取后者 图2-6 斗齿安装形式此次设计标准铲斗容量为0.3立方米故选择螺栓连接安装形式。2.4 液压挖掘机工矿分析液压挖掘机关键运动功效包含以下多个动作：动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走和其它辅助动作，图2-7所表示。除了辅助动作(比如整机转向等)不需全功率驱动以外，其它全部是液压挖掘机关键动作，通常要进行全功率驱动研究。挖掘机经典作业步骤：(1)整机移动至适宜工作位置；(2)平台回转，使工作装置处于挖掘位置；(3)动臂下降，并调整斗杆、铲斗至适宜位置；(4)斗杆、铲斗挖掘作业；(5)动臂升起；(6)回转工作装置至卸载位置；(7)操纵斗杆、铲斗卸载。图2-7液压挖掘机工作运动1-动臂升降；2-斗杆收放；3-铲斗装卸；4-转台回转；5-整机行走因为液压挖掘机作业对象和工作条件改变较大，对主机工作有两项要求：1.实现多种关键动作时，伴随阻力和作业速度改变，要求液压缸和液压马达压力和流量也能对应改变；2.为了充足利用发动机功率，缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个关键动作(比如挖掘和动臂下降、提升和回转)同时进行复合动作。液压挖掘机一个作业循环组成和动作复合关键包含：(1)挖掘：通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或二者配合进行挖掘。所以，在此过程中关键是铲斗和斗杆复合动作，必需时，配以动臂动作。(2)满斗举升回转：挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸载位置，此时关键是动臂和回转复合动作。(3)卸载：转到卸载位置时，转台制动，用斗杆液压缸调整卸载半径，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸配合，此时是斗杆和铲斗复合动作，兼以动臂动作。(4)空斗返回：卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆复合动作。(5)整机移动工况：将整机移动至适宜工作位置。(6)姿态调整和保持工况：满足停放、运输、检修等需要。(7)其它辅助作业工况：辅助工作装置作业工况。2.4.1 经典挖掘工况液压挖掘机经典挖掘工况包含以下3种。(1)铲斗挖掘工况：由铲斗液压缸单独动作进行挖掘工况，采取铲斗液压缸进行挖掘常见于清除障碍，挖掘较松软土壤以提升生产率，所以，在通常土方工程挖掘中(III级土以下土壤挖掘)铲斗挖掘最常见。(2)斗杆挖掘工况：由斗杆液压缸单独动作进行挖掘工况，在较坚硬土质条件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘。(3)联合挖掘工况：由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘工况，必需时还需配以动臂液压缸动作。关键用于需要轨迹控制情况。当单独采取铲斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以铲斗和斗杆铰点为中心，铲斗斗尖所作圆弧线长度决定铲斗液压缸行程。以铲斗液压缸进行挖掘时挖掘行程较短，为了能够装满铲斗，需要有较大挖掘力以确保能挖掘较大厚度土壤，所以通常挖掘机斗尖最大挖掘力全部在采取铲斗液压缸挖掘时实现。当单独采取斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂和斗杆铰点为中心，铲斗斗尖所作圆弧线长度决定于斗杆液压缸行程。当动臂液压缸在最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，能够得到最大挖掘深度尺寸，而且也有较大挖掘行程。 a-水平地面挖削； b-斜坡地面挖削 a-水平地面切削； b-斜坡地面切削图2-8 斗尖直线挖削 图2-9 地面切削和压整通常认为斗容量小于0.5m3在土质松软时以转斗挖掘为主，不然以斗杆挖掘为主。这两种情况挖掘阻力不一样。在实际挖掘工作中，往往需要采取各液压缸复合工作。如在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图2-8所表示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要确保相互动作独立，相互之间无干扰。假如需要铲斗保持一定切削角度并根据一定轨迹进行切削时，或需要用铲斗斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作，这些动作决定于液压系统设计，见图2-9所表示。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力，保持铲斗贴紧侧壁进行切削，所以需要回转机构和斗杆机构复合动作。单独采取斗杆挖掘时，为了提升掘削速度，通常采取双泵合流，部分也有采取三泵合流。单独采取铲斗挖掘时，也有采取双泵合流情况。当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了预防同一油泵向多个液压作用元件供油时动作相互干扰，通常三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油很好。对于双泵系统，复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰可能性大，所以需要采取节流等方法进行流量分配，流量分配要求和三泵系统相同。挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往因为挖不动而需要短时间增大挖掘力，期望液压系统能临时增压，能提升主压力阀压力。2.4.2 满斗举升回转工况满斗举升回转运动约占整个作业循环时间50%70%，能量消耗占25%50%，回转液压回路发烧量占液压系统总发烧量30%50%，所以要求尽可能地缩短转台回转时间。挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时关键是动臂和回转马达复合动作。动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升到适宜卸载高度。因为卸载所需回转角度不一样，随液压挖掘机相对卸载位置而变，所以动臂提升速度和回转马达回转速度相对关系应该是可调整。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂提升速度慢些。回转起动时，因为惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢流，此时应该将溢流油供给动臂。在回转和动臂提升同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。2.4.3 卸载工况回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调整卸载半径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，关键是斗杆和铲斗复合动作，兼有动臂动作。2.4.4 空斗返回工况当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。因为动臂下降有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，所以该工况供油情况为一个油泵全部流量供回转马达，另一油泵大部分油供给动臂，少部分油经节流阀供给斗杆。发动机在低转速时油泵供油量小，为预防动臂因重力作用快速下降和动臂油缸产生吸空现象，可采取动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔油供至有杆腔。特点和满载回转类似，但转动惯量比满足时减小。2.4.5 整机移动工况挖掘机通常不作长距离行走，只在工地范围行走，作业时用来调整整机位置。基础要求：左右履带可独立操纵，可调速，含有直线行走功效，含有一定行走速度(25km/h)和爬坡能力(坡度大约在35o左右)，含有制动能力。在行走过程有可能要求对作业装置液压元件(如回转机构、动臂、斗杆和铲斗)进行调整。在双泵系统中，一个油泵为左行走马达供油、另一个油泵为右行走马达供油，此时假如某一液压元件动作，使某一油泵分流供油，就会造成一侧行走速度降低，影响直线行驶性，尤其是当挖掘机进行装车运输或上下卡车行走时，行驶偏斜会造成事故。为了确保挖掘机直线行驶性，在三泵供油系统中，左右行走马达分别由一个油泵单独供油，另一个油泵向其它液压作用元件(如动臂、斗杆、铲斗和回转)供油。对于双泵系统，现在采取以下供油方法：一个油泵并联向左、右行走马达供油，另一个油泵向其它液压作用元件供油，其多出油液经过单向阀向行走马达供油；双泵合流并联向左、右行走马达和作业装置液压作用元件同时供油。2.4.6 姿态调整和保持工况液压挖掘机工作装置及其它功效运动制动和锁定，要满足接地比压要求，并确保适宜停放、运输尺寸、姿态及其特殊检验姿态，图2-10所表示。图2-10 挖掘机姿态调整保持工况图2.5 液压挖掘机工作装置设计要求液压挖掘机工作装置由动臂机构、斗杆机构、铲斗机构三部分组成，是一个含有多自由度工程机械。这些关键机构常常开启、制动、换向，外负载改变很大，工作条件恶劣，冲击和振动多，所以对液压挖掘机工作装置提出了较高设计要求。依据液压挖掘机工作特点，其工作装置设计需要满足以下要求。2.5.1 几何尺寸要求液压挖掘机工作装置几何尺寸要求满足一定作业范围和适宜运输尺寸，挖掘机作业范围图图2-11，几何尺寸之间要求不要干扰。 图2-11 挖掘机作业范围关键挖掘区域Rmax-最大挖掘半径；Hmax-最大挖掘深度工作装置几何尺寸要求满足合理挖掘力分布特征，在整个作业范围内任何位置全部要求实现最大挖掘力并不经济，而要求挖掘机在关键挖掘区内能实现最大挖掘力。关键挖掘区是指用最合理最常常挖掘方法，最常常进行挖掘区域。对液压挖掘机来说最合理最常常挖掘方法是指挖掘地面以下，由下向上，向机身运动挖掘方法，用这种方法挖掘充斗效率高，循环时间短，也便于卸土，装车，司机视野无阻，所以生产率高而又安全。最常常挖掘区域大致为图2-5灰色部分。作业范围图(图2-5所表示)有部分区间深入到挖掘机停机点地下，这一范围土壤虽能挖掘，但可能引发土壤坍毁而影响挖掘机稳定和安全工作，除有条件挖沟作业以外通常不使用。另外，工作装置几何尺寸还必需满足停放和行走时整机稳定性要求。2.5.2 运动和动力特征要求液压挖掘机各功效运动动力特征要求和常见复合运动要求，如表2-1和2-2所表示。表2-1各功效运动动力特征要求一览表功效运动名称应用工况功率需求变速要求制动及锁定要求铲斗正转挖掘、姿势调整大不大铲斗反转卸载、姿势调整不大不大最好有锁定斗杆正转挖掘、姿势调整大高最好有锁定斗杆反转姿势调整不大较高最好有锁定动臂举升举升、姿态调整较大高动臂下降姿态调整、辅助作业通常较高回转运动挖掘和卸载转位高高行走运动场内转位、调整作业位置高高表2-2常见复合运动要求一览表复合运动应用工况特点和要求说明铲斗正转+斗杆正转复合挖掘功率需求大、变速要求高铲斗反转+斗杆反转卸载功率需求较小斗杆正转+动臂举升平整土地要求操纵兴性能好动臂举升+回转运动挖掘和卸载转位功率需求大，变速要求高，动力分配可调整动臂下降+回转运动返回向挖掘处二者载荷差异大、速度要求高2.5.3 结构强度要求液压挖掘机结构强度是工作装置设计关键之一，工作装置结构和所承受载荷是十分复杂。要求满足工作装置各部分受力情况下，确保工作装置强度和刚度特征。在设计液压挖掘机工作装置时，要求尽可能降低焊缝和变形，这不仅增加了构件强度，而且缩短制造周期，降低了成本。要求动臂下支点及动臂油缸支承在平台主梁整块钢板上，这不仅增加构件强度而且降低焊接，而且预防焊接变形。斗杆要求采取整块钢板下料。为了降低焊接变形及焊接应力，要求采取型钢及压型等结构。在结构件设计中为求等强度，要求采取局部加强方法。动臂、斗杆要求改为焊铸结构，在应力较高部位以铸代焊，这么大大提升了结构件冲击和疲惫强度。为确保焊接强度，要求全部铰接部均采取铸钢件。结构件破坏关键是因为冲击疲惫，所以实际破坏时常不在负荷最大部位，而是应力集中部位。为降低应力集中，应使焊缝和应力集中部位错开，在关键受力铰接支承处采取铸钢件。2.5.4 经济性要求液压挖掘机经济性评价指标有能量指标、作业循环时间减小、机重轻、延长维修周期和挖掘机寿命周期、加紧维修进度和降低维修费用、司机操作舒适性等。能量指标(即消耗于单位土方能量)虽不宜作为评价土方机械技术经济效率通用准则，但因为工作装置单位重量和价格相对整机而言全部较小，常见能量指标来表征工作装置结构现代化程度，这种符合能量指标工作装置应能完全满足技术和使用要求，且足够可靠。从能量指标角度来看，要求液压挖掘机挖掘力大，工作装置重量轻，挖掘速度高。决定挖掘机生产率基础原因是工作循环时间包含挖掘时间、向卸载点运行时间、卸载时间、向工作面返回时间。挖掘时间取决于挖掘速度高低(合理值约为0.75m/s)，过高挖掘速度将增加操作人员担心和疲惫程度。为降低运行时间和返回时间应在许可情况下尽可能减小回转角。回转角合理范围通常为70o180o，最好角度为90o。回转角度过小时，因为达不到最大回转速度，不能充足利用发动机功率，从而增加运行和返回时间。卸载时间关键取决于铲斗结构和土壤性质。2.5.5 其它性能要求液压挖掘机工作装置除了满足上述基础设计要求之外，还需要满足其它通常性能要求。比如，经过实现零部件标准化、组件化和通用化，降低挖掘机制造成本；提升液压挖掘机各功效部件工作可靠性和耐久性，以满足液压挖掘机作业条件恶劣要求；降低振动和噪声，重视其作业中环境保护性等。2.6 液压挖掘机工作装置设计标准对于液压挖掘机工作装置设计，通常应考虑以下多个标准：(1)位置特征：满足关键工作尺寸及作业范围要求，在设计时应考虑和同类机型相比时优异性，性能和主参数应符合国家标准之要求。运输或停放时应有合理姿态。(2)运动特征：功率利用情况好，理论工作循环时间短。(3)动力特征：满足整机挖掘力大小及分布情况要求；应考虑到整机稳定性。(4)结构特征：确定各铰点部署，结构形状应尽可能使受力状态有利，在确保刚度和强度前提下，重量越轻越好；工作装置应安全可靠，拆装维修方便；液压缸设计应尽可能采取系列参数。(5)特殊使用要求：隶属装置如破碎捶等。2.7 设计基础参数和设计作业范围基础参数为：工作质量8000Kg，斗容量0.3 m3。设计作业范围：最大挖掘高度： 4500mm；最大挖掘深度： 3000mm。行走速度（km/h）：3.6/1.8。动臂、斗杆材料使用Q345B。3工作装置运动学分析3.1 动臂运动分析图3-1 动臂摆角范围计算简图图3-2 F点坐标计算简图动臂摆角是动臂油缸长度L1函数，动臂上任意一点在任意时刻坐标值也全部是L1函数。图3-1中动臂油缸最短长度；动臂油缸伸出最大长度；动臂油缸两铰点分别和动臂下铰点连线夹角最小值；动臂油缸两铰点分别和动臂下铰点连线夹角最大值；A：动臂油缸下铰点；B：动臂油缸上铰点；C：动臂下铰点。设特征参数=/，=/ 图所表示，当L1= L1min时得在ACB中，据余弦定理知： = 当=时则得：= 动臂摆角范围为：=-=- 动臂瞬时转角为：= 不难列出动臂上任意一点坐标方程，现在只推导F点坐标方程。 当F点在水平线CU之下时为负，不然为正。F点X坐标方程为： F点Y坐标方程为： 这里C点Y坐标值可由图3-2得到：XC = XA-l5COS11 YC = YA+l5Sin11 动臂油缸作用力臂： e1 = l5SinCAB 显然动臂油缸作大作用力臂为，这时。3.2 斗杆运动分析斗杆位置参数是L1和L2函数。这里临时先讨论斗杆相对于动臂运动，也即只考虑L影响。斗杆机构和动臂机构性质类似，它们全部是四杆机构，但连杆百分比不一样。以下图3-3所表