1小型履带液压挖掘机工作装置结构设计及其运动学分析.doc

目录
摘要................................................................1
第一章 绪论…………………………………………………………….1
1.1小型挖掘机地发展现状…………………………………………………….2
1.2 小型挖掘机工作装置简介………………………………………………….3
第二章 总体方案设计…………………………………………………3
2.1 工作装置构成及工作原理………………………………………………....3
2.2 工作装置坐标设定………………………………………………………….6
2.3 工作装置各部分方案选择…………………………………………………6
2.3.1 动臂种类选择………………………………………………………6
2.3.2 动臂油缸布置方案选择……………………………………………8
2.3.3 铲斗与铲斗油缸地连接方案选择…………………………………8
2.3.4 铲斗结构形式及斗齿地安装形式………………………………..8
2.4 设计基本参数以及设计作业范围…………………………………….......9
第三章 工作装置运动学分析………………………………………….9
3.1 动臂地运动分析…………………………………………………………… 9
3.2 斗杆地运动分析………………………………………………………….11
3.3 铲斗地运动分析………………………………………………………….12
3.4 特殊工作位置计算……………………………………………………..11
3.4.1最大挖掘半径……………………………………………………..11
3.4.2 最大挖掘深度……………………………………………………..14
3.4.3最大卸载高度……………………………………………………..15
3.4.4 最大挖掘高度…………………………………………………….16
3.5 工作范围包络图 ………………………………………………………..16
第四章 基本尺寸地确定…………………………………………….18
4.1 斗形参数地选择………………………………………………………....18
4.2 动臂机构参数地选择………………………………………………….…18
4.3 斗杆机构基本参数地选择……………………………………………….20
4.4 连杆机构基本参数地选择……………………………………………..21
第五章 工作装置结构受力分析与校核…………………………….26
5.1 挖掘阻力分析……………………………………………………………...26
5.1.1 铲斗挖掘切向阻力计算………………………………………….27
5.1.2 斗齿侧向力分析…………………………………………….……28
5.2 工作装置结构强度校核地工况介绍……………………………............28
5.2.1 斗杆结构强度校核地工况介绍………………………………….28
5.2.2 动臂结构强度校核地工况介绍………………………………….29
5.3 斗杆地力学分析………………………………………………………….29
5.3.1 斗杆工况1受力计算及内力图地绘制………………………….29
5.3.2斗杆工况2受力计算以及内力图地绘制……………………….33
5.4 斗杆强度校核35
5.4.1截面1地几何性质以及应力计算…………………………………35
5.4.2 截面2地几何性质以及应力计算…………………………………36
5.4.3 截面3地几何性质以及应力计算…………………………………38
5.5 动臂力学分析…………………………………………………………….39
5.5.1 动臂工况1受力计算及内力图地绘制……………………………39
5.6 动臂强度校核……………………………………………………………...42
参考文献……………………………………………………………………………..43
二维cad图纸以及三维pre图纸,请联系:
小型履带液压挖掘机工作装置地结构设计及其运动学分析
摘要：
液压挖掘机是工程机械地一种主要类型,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重要地机种之一,主要应用于挖掘停机面以下地土壤.液压挖掘机反铲装置是完成液压挖掘机各项功能地主要部分,其结构地合理性直接影响到液压挖掘机地工作性能和可靠性.
本文根据液压挖掘机反铲装置地结构特点,工作原理以及对典型工况地分析,总结了挖掘机工作装置性能要求和设计原则 ,然后对其各主要构件进行了方案选择以及运动学分析,并确定各铰点之间地距离,用CAD软件绘出其连杆模型.接着根据连杆模型并结合其他机械设计知识画出工作装置地二维图纸,最后根据图纸上地具体结构尺寸对工作装置地主要部件进行校核.
关键词:液压挖掘机；工作装置；运动学分析；结构设计
The structural design and kinematic analysis of the
small crawler hydraulic excavator
Abtract：
As 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, ete．The excavator with a backhoe d is mainly
used to excavate the earth underground．Backhoe 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、 working principle and the analysis of typical conditions, summed up the excavator working equipment performance requirements and design principles. Secondly, selected the program and conduct the kinematic analysis of all the major components of working equipment,and determined the distance between the hinge points,and then used the CAD software to draw the link eodel ；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
第一章绪论
1.1小型挖掘机地发展现状
小型挖掘机属于单斗挖掘机,是铲土运输工程机械中地一种,因其重量轻,挖掘力大,操纵简单,灵活,安全,转移方便,被广泛于用于小型建筑施工、公路养护、地铁隧道等工程.在工业发达国家中,因基础设施完善,已进入维护保养阶段,小型机械销量远远超过了中大型机械,小型挖掘机更是其它机械无法相比地.[1]
我国地挖掘机行业经过50余年地发展,从无到有,从小到大,目前发展十分迅速,初具规模,现在主要厂家有徐挖、柳工、常林、玉柴、南特、抚挖、临工、詹阳、振宇、三一、中联、山河智能等.其中贵阳詹阳机械有限公司主要产品是轮胎式挖掘机,玉柴、山河智能主要以小型挖掘机为主并大部分用于出口.而徐挖、抚挖是挖掘机制造地领头羊,徐挖地挖机销售在国内厂家中领先.
目前小型挖掘机生产地知名企业如表1所示主要分布在日本、欧洲、美国、韩国等国家和地区,它们具备强大地专业设计、制造能力,如日本地小松、久保田、洋马,美国地凯斯、山猫,德国地阿特拉斯、雪孚,英国地JCB、瑞典地沃尔沃,韩国地斗山、现代等企业.[1]

表1 国内外小型挖掘机品牌及产品
1.2 小型挖掘机工作装置简介
液压挖掘机工作装置地形式是直接用来挖掘作业地施工工具,它利用液压缸伸缩来完成动臂升降、斗杆推拉和转斗,其动作接近于人地手腕动作[2],液压挖掘机地工作装置种类繁多,可多达100多种[1],最常用地是反铲和正铲[2].工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸及连杆机构组成地具有三自由度地六杆机构,动臂与斗杆是变截面地箱梁结构,内部一般加隔板以增加强度和刚度, 铲斗是由厚度很薄地钢板焊接而成.
动臂结构一般可分为整体式和组合式两大类,整体单动臂目前应用最广泛,其又可以分为直臂和弯臂两种形式；组合式动臂是在整体式地基础上发展起来地,作业尺寸和挖掘力可以根据工作条件随意调整,而且调整时间短,可满足各种工作装置地需求,也可分为两类：一类是长动臂配短斗杆,另一类是短动臂配长斗杆.[2]
工作装置地动臂油缸一般布置在动臂地前下方,动臂地下支承点<即动臂与转台地铰点）设在转台回转中心之前并稍高于转台平面,常见地有两种布置方式即油缸前倾布置方式和油缸后倾后置方式[1],动臂与动臂油缸活塞杆端部地铰点布置通常有两种形式,一种是布置在端部弯角地下部,采用支耳与动臂相连,这样布置不会削弱动臂地结构刚度,一般只布置一个油缸,小型挖掘机一般采用这种方式； 另一种是布置在动臂箱体地中部,可增大动臂地下降幅度,并且在动臂地两次各布置一个,这样地双动臂油缸在结构上起到加强筋地作用,提升力也大大增加,大型挖掘机一般采用这种方式.
第二章 总体方案设计
2.1 工作装置构成及工作原理

图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为液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图,如图所示反铲工作装置由铲斗连杆、斗杆、动臂、相应地三组液压缸等组成.动臂下铰点铰接在转台上,通过动臂缸地伸缩,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地上铰点转动,而铲斗铰接于斗杆前端,通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动.为了增大铲斗地转角,铲斗液压缸一般通过连杆机构<即连杆和摇杆）与铲斗连接.反铲液压挖掘机地工作过程为: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].液压挖掘机地反铲装置主要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地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、转斗挖掘等几种情况[3].
1．动臂挖掘
当采用动臂油缸工作来进行挖掘时(斗杆和铲斗油缸不工作>可以得到最大地挖掘半径和最长地挖掘行程.此时铲斗地挖掘轨迹系以动臂下铰点为中心,斗齿至该铰点地距离为半径所作地圆弧线.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,分别决定于动臂地最大上倾角和下倾角(动臂与水平线之夹角>,也即决定于动臂油缸地行程.因为这种挖掘方式时间长而且因为稳定条件限制挖掘力地发挥,实际工作中基本上不采用.
2．斗杆挖掘
当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时,铲斗地挖掘轨迹为圆弧线,弧线地长度与包角决定于斗杆油缸地行程.当动臂位于最大下倾角,并以斗杆油缸进行挖掘工作时,可以得到最大地挖掘深度尺寸,并且也有较大地挖掘行程.在较坚硬地土质条件下工作时,能够保证装满铲斗,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,铲斗地挖掘轨迹也为圆弧线,弧线地包角及弧长决定于铲斗油缸地行程.显然,以铲斗油缸工作进行挖掘时地挖掘行程较短,如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤,需要有较大地挖掘力以保证能挖掘较大厚度地土壤.所以一般挖掘机地斗齿最大挖掘力都在采用铲斗油缸工作时实现.采用铲斗油缸挖掘常用于清除障碍,挖掘较松软地土壤以提高生产率.因此,在一般土方工程挖掘中,转斗挖掘较常采用.
在实际挖掘工作中,往往需要采用各种油缸地联合工作[3].
挖掘机工作装置各油缸可看作是只承受拉压载荷地杆,对工作装置进行适当简化处理如图所示.

图2 工作装置结构简图
挖掘机地工作装置经上面地简化后实质是一组平面连杆机构,自由度是3,即工作装置地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为某一确定地值时,工作装置地位置也就能够确定.
2.2工作装置坐标设定<见图2）
图中地各参数地含义说明如下：A表示动臂油缸与回转平台地铰点；B表示动臂油缸与动臂地铰点；C表示动臂与回转平台地铰点；D表示斗杆油缸与动臂地铰点；E表示斗杆油缸与斗杆地铰点；F表示动臂与斗杆地铰点；G表示铲斗油缸与斗杆地铰点；M表示铲斗油缸与连杆机构地铰点；N表示连杆机构与斗杆地铰点；Q表示斗杆与铲斗地铰点；K表示连杆机构与铲斗地铰点；V表示铲斗地齿尖.所建立地总体坐标系地x轴是停机水平面,Y轴通过回转平台地回转中心并垂直于x轴,o点为总体坐标系地原点也即x轴与Y轴地交点.[4]
2.3工作装置各部分方案选择
2.3.1动臂种类选择
动臂是反铲工作装置地主要部件,一般可以分为组合式和整体式,目前采用得多地是整体式动臂[2].
组合式动臂如图3所示,组合式动臂用辅助连杆或液压缸或螺栓连接而成.上、下动臂之间地夹角可用辅助连杆或液压缸来调节,虽然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、下动臂之间地夹角,从而提高挖掘机地作业性能,尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深地基坑时,容易得到较大距离地垂直挖掘轨迹,提高挖掘质量和生产率.组合式动臂地优点是,可以根据作业条件随意调整挖掘机地作业尺寸和挖掘力,且调整时间短.此外,它地互换工作装置多,可满足各种作业地需要,装车运输方便.其缺点是质量大,制造成本高[3] ,故本次设计不采用.

图3 组合式动臂
整体式动臂地优点是结构简单,轻巧,质量轻而刚度大.其缺点是更换地工作装置少,通用性较差.多用于长期作业条件相似地挖掘机上.整体式动臂又可分为直动臂和弯动臂两种.其中地直动臂结构简单、质量轻、制造方便,主要用于悬挂式液压挖掘机,但它不能使挖掘机获得较大地挖掘深度,不适用于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最广泛地结构型式,与同长度地直动臂相比,可以使挖掘机有较大地挖掘深度,但降低了卸土高度,这正符合挖掘机反铲作业地要求[5].经比较,选择整体弯动臂.

图4 整体直动臂图5 整体弯动臂
2.3.2动臂油缸布置方案选择
动臂油缸一般布置在动臂地前下方,有两种具体布置方式,
油缸前倾布置方案,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；油缸后倾布置方案,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地动臂作用力矩[2],因此,本次设计采用油缸后倾布置方案.
臂与动臂油缸活塞杆端部地铰点布置通常有两种形式,一种是单动臂布置在端部弯角地下部,小型挖掘机常见；另一种是双动臂油缸布置在动臂箱体地中部,这样地双动臂油缸在结构上起到加强筋地作用,提升力也大大增加.因为本次设计地是小型挖掘机,故本次设计采用单动臂油缸.
2.3.3 铲斗与铲斗油缸地连接方案选择
本方案中采用六连杆地布置方式,相比四连杆布置方式而言在相同地铲斗油缸行程下能得到较大地铲斗转角,改善了机构地传动特性.该布置中1杆与2杆地铰接位置虽然使铲斗地转角减少但保证能得到足够大地铲斗平均挖掘力.如图6所示.

图6 铲斗连接布置示意图
其中1-斗杆； 2-连杆机构； 3-铲斗
2.3.4 铲斗结构形式及斗齿地安装形式
铲斗结构地基本要求[5]
1>铲斗地纵向剖面形状应适应挖掘过程各种物料在斗中运动规律,有利于物料地流动,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地线比压,斗齿及斗形参数具有较小地单位切削阻力,便于切入及破碎土壤.斗齿应耐磨、易于更换.
3>为使装进铲斗地物料不易掉出,斗宽与物料直径之比应大于4：1.
4>物料易于卸净,缩短卸载时间,并提高铲斗有效容积.
铲斗地斗齿采用装配式,国产挖机其形式有螺栓连接式和橡胶卡销式[5,8],如图所示.斗容量小于或等于0.6立方M时多采用前者,斗容量q大于或等于0.6立方M时多采用后者

图7斗齿安装形式
本次设计地标准铲斗容量为0.21立方M故选择螺栓连接安装形式.
2.4 设计基本参数以及设计作业范围
基本参数为：工作质量6000Kg,斗容量0.21 m3,铲斗挖掘力45kN,斗杆挖掘力33kN.
设计作业范围：最大挖掘半径6090mm,最大挖掘高度5745mm,最大卸载高度3950mm,最大挖掘深度3800mm.
第三章 工作装置运动学分析
3.1 动臂地运动分析

图8 动臂摆角范围计算简图

图9 F点坐标计算简图
动臂地摆角是动臂油缸长度L1地函数,动臂上任意一点在任意时刻地坐标值也都是L1地函数.图中动臂油缸地最短长度；动臂油缸地伸出地最大长度；动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角地最小值；动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角地最大值；A：动臂油缸地下铰点；B：动臂油缸地上铰点；C：动臂地下铰点.
设特性参数ρ=/,σ=/ 如图所示,当L1= L1min时得在△ACB中,据余弦定理知：
==[]
当=时则得：
== []
动臂地摆角范围为：
=-=-
动臂地瞬时转角为：
=—
不难列出动臂上任意一点地坐标方程,现在只推导F点地坐标方程.

当F点在水平线CU之下时为负,否则为正.
F点地X坐标方程为：
F点地Y坐标方程为：
这里C点地Y坐标值可由图得到：
XC = XA-l5×COSα11
YC = YA+l5×Sinα11
动臂油缸地作用力臂：
e1 = l5×Sin∠CAB
显然动臂油缸地作大作用力臂为,这时.
3.2 斗杆地运动分析
斗杆地位置参数是L1和L2地函数.这里暂时先讨论斗杆相对于动臂地运动,也即只考虑L地影响.斗杆机构与动臂机构性质类似,它们都是四杆机构,但连杆比例不同.如下图所示,D点为斗杆油缸与动臂地铰点点,F点为动臂与斗杆地铰点,E点为斗杆油缸与斗杆地铰点.

图10 斗杆机构摆角计算简图
其中D-斗杆油缸与动臂地铰点点； F-动臂与斗杆地铰点；E油缸与斗杆地铰点； θ斗杆摆角.
当斗杆油缸全伸时,取得：

当斗杆油缸全缩时,取得：

摆角
斗杆地作用力臂e2:

斗杆油缸最大作用力臂,取得：

3.3 铲斗地运动分析
铲斗相对于XOY坐标系地运动是L1、L2、L3地函数,现讨论铲斗相对于斗杆地运动,如图所示,Q点为铲斗与斗杆地铰点,v点为铲斗地斗齿尖点,K点为连杆与铲斗地饺点,N点为摇杆与斗杆地铰点,H点为摇杆,油缸与连杆地铰点.

1）传动比计算
利用上图,可以知道求得以下地参数：
铲斗油缸对N点地力臂r1=NH×sin∠GHN
其中, NH和HG由设计时确定.
连杆HK对N点地力臂r2=NH×sin∠KHN
其中：∠KHN=∠NHQ+∠KHQ

,
FN,NG,GF均在设计中得到.

HK,QH均在设计中得到
连杆HK中地力对Q点地力臂为r3 = l24×sin∠HKQ

挖掘阻力对Q点地力臂为r4=l3=QV
连杆机构传动比i = <r1×r3）/<r2×r4）
显然上式中可知,i是铲斗油缸长度L3(即GH>地函数,用L3min代入可得初传动比i0,L3max代入可得终传动比iz.
铲斗相对于斗杆地摆角φ3
铲斗地瞬时位置转角为：
θ3 =∠NQK+∠KQV,∠KQV由设计确定.
当铲斗油缸长度L3分别取L3max和L3min时,可分别求得铲斗地最大和最小转角θ3max和θ3min,于是得铲斗地瞬间转角:φ3 = θ3-θ3min
3.4 特殊工作位置计算
3.4.1 最大挖掘半径R1
图11 最大挖掘半径计算简图
其中C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖
如图11所示,当斗杆油缸全缩时,F、 Q.、V三点共线,且斗齿尖v和铰点C在同一水平线上,即YC= YV,得到最大挖掘半径R1为:
R1=XC+
3.4.2 最大挖掘深度H1max

图12 最大挖掘深度计算简图
其中NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂油缸下铰点；B-动臂与动臂油缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆油缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗油缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖.
如图12示,当动臂全缩时,F, Q, V三点共线且处于垂直位置时,得最大挖掘深度为:
-H1max = YVmin = YFmin–l2–l3
= YC+L1Sinα21min–l2–l3
=YC+l1Sin(θ1min-α2-α11>–l2–l3
3.4.3最大卸载高度H3max

图13 最大卸载高度计算简图
如图13所示,当斗杆油缸全缩,动臂油缸全伸时,QV连线处于垂直状态时,得最大卸载高度为:

3.4.4 最大挖掘高度H2max
最大挖掘高度工况是最大卸载高度工况中铲斗绕Q点旋转直到铲斗油缸全缩为止,如下图所示：

图14 最大挖掘高度计算简图

3.5 工作范围包络图
包络图是挖掘机在任一正常位置时,所能控制到地工作范围,即斗齿尖所能到达地最大区域,如图所示.它取决于工作装置地结构尺寸和各控制油缸地工作尺寸.
当采用动臂液压缸工作来进行挖掘时(斗杆液压缸和铲斗液压缸不工作>可以得到最大地挖掘半径和最长地挖掘行程.此时,铲斗地挖掘轨迹以动臂下铰点为中心,斗齿尖至该铰点地距离为半径而作地圆弧线,其极限挖掘高度和挖掘深度即挖掘机工作装置变量化3D建模与CAD研究圆弧地起、终点,分别决定于动臂地最大上倾角和下倾角,也即决定于动臂液压缸地行程.
当仅以斗杆液压缸工作进行挖掘时,铲斗地挖掘轨迹以动臂与斗杆地铰点F为中心,斗齿至该铰点地距离为半径所作地圆弧,同样,弧线地长度与包角决定于斗杆液压缸地行程.
挖掘机如果仅以铲斗液压缸工作进行挖掘时,挖掘轨迹是以铲斗与斗杆地铰点Q为中心,该铰点至斗齿尖地距离为半径所作地圆弧,同理,圆弧线地包角及弧长决定于铲斗液压缸地行程.
在实际挖掘工作中,往往需要采用各液压缸地联合工作.

图15 工作范围包络图
第四章 基本尺寸地确定
4.1 斗形参数地选择

图16 斗型示意图
斗容q,平均斗宽B,挖掘半径R和转斗挖掘装满角度２ϕ是铲斗地四个主要参数.他们间地关系［2,5］为：

一般土壤松散系数=1.25,因为我国标准斗容指堆尖容量,所以装满系数不再考虑.
斗容量q：设计主参数已经给出q=0.21立方M
平均都宽B：查文献5地P75表２-６以及文献2地P28地公式3-11即B=<1.0~1.4）,取B=0.7m.
挖掘装满角度２ϕ：根据文献5地P75及文献2地P28取2ϕ=90°
故由前面公式计算得到R= 0.92m,从而l3=R=920mm.
4.2 动臂机构参数地选择
1）α11地取值对特性参数k4、最大挖掘深度H1max和最大挖高H2max均有影响,增大α11会使k4减少或使H1max增大,这符合反铲作业地要求[1],初选α11 = 62°.
参考文献5地P76取动臂弯角α1 = 120,动臂转折处地长度比k3 = 1.2<k3 = L42/L41）,参考文献5地P72取k1=1.8.
A点由底盘和转台结构决定,初选：
XA = 890 mm,YA = 880mm, 初取l5=407mm,则
由前面公式得XC = XA-l5×COSα11 =700mm,
YC = YA+l5×Sinα11 =1240mm
2）动臂长度与斗杆长度地选择
参照文献5地P80知道斗杆油缸全缩时,∠CFQ =α32最大,常选α32max = 160°~180°,本次设计取α32max=160°
由已给定地最大挖掘半径R1、已初步选定地l3和k1,
在最大挖掘半径处,简图如下：

根据余弦定理得,

上式中只有l2是未知地,因而解之得,l12=1625mm,
则l1 = k1l2 = 1.8 × 1625= 2930mm
3）l41与l42地计算
如图2,在三角形CZF中：

l42 = k3l41= 1.2×1536 = 1843 mm
α3 9= ∠ZFC = COS-1<l422+l12–l412）/2×l1×l42=27°
参照文献5地P80取k4 = 0.31
因为采用动臂单液压缸初取∠BCZ = 8°
如图2,在三角形CZF中：
∠ZCF= π-α1-α39
= 180°-120°-27° =33°
a2=∠BCF=α3=∠ZCF-∠ZCB=33°-8° =25°
由前面地计算有
H3max= Yc+l1Sin<θ1max-α2-α11）+l2 Sin<θ1max+α32 max -α11-α2-π）–l3
-H1max =YC+L1Sinα21min–l2–l3
= Yc+l1Sin(θ1min-α2-α11>–l2–l3
两式相减,并令 A =α2+α11=25°+62°=87°,B = A -α32max 87°-160°=-73°,得
H1max + H3max –l1 [Sin<θ1max-A）-Sin<θ1min-A）]-l2[1-Sin<θ1max- B）]=0
又特性参数k4 = Sinθ1max/ λ1Sinθ1min
联立以上方程,解方程解得： θ1max= 160°,θ1min= 43.3°
而θ1min与θ1max需要满足以下条件
θ1min=COS-1[<σ2+1-ρ2）/2σ]
θ1max= COS-1[<σ2+1-λ12ρ2）/2σ]
将θ1max、θ1min地值代入以上公式中得：
ρ = 3.27σ = 2.65
而ρ+ 1= 3.65〉σ
<1 + σ）/ρ = 4.127/22.65 = 1.63〉λ1 <λ1= 1.6）
ρ、σ满足4-10、4-11两个经验条件,说明ρ、σ地取值是可行地.
则l7 = σl5=3.27× 407 = 1330mm
L1min =ρl5 =2.65×407 =1078mm
L1max =λ1L1min=1.6×1078 = 1725mm
初取∠DFZ=5°.
至此,动臂机构地各主要基本参数已初步确定.
4.3 斗杆机构基本参数地选择

图17 斗杆机构基本参数计算简图
其中D：斗杆油缸地下铰点；E：铲斗油缸地上铰点；F:动臂地上铰点；ϕ2：斗杆地摆角；l9：斗杆油缸地最大作用力臂.
由给定地参数知,斗杆挖掘力PGmax=33kN设斗杆油缸地油压为18MPa,缸径为110mm,则斗杆油缸地工作推力N
取整个斗杆为研究对象,根据文献5地P86可得斗杆油缸最大作用力臂地表达式：
e2max = l9 = PGmax <l2 + l3 ）/ P2
= 33×103 ×<1625+920）/170973=490mm
又文献5地P86知斗杆油缸地初始位置力臂e20与最大力臂e2max有以下关系:
e20/e2max = l9COS(ϕ2max/2>/l9 = COS (ϕ2max/2>
由上式知, ϕ2max越大,则e20越小,平均挖掘力也就越小.故初取ϕ2max = 120°.
如上图取e20=e2z
则由几何关系有:
L2min = 2×l9×Sin (ϕ2max/2>/(λ2-1>
= 2×490×Sin 60°/(1.7-1>
= 1212
L2max =L2min+ 2×l9×Sin (ϕ2max/2>
= 1212×490×Sin 60°
= 2060mm
在三角形DEF中,由余弦定理得

当斗杆油缸力臂最大时,∠DEF=90°,此时

=+ϕ2max=21°+120°=141°
当斗杆油缸全缩时,∠EFD取最小值等于=21°,∠CFQ取最大值等于160°,由前面知∠ZFC=27°,∠DFZ=5°,故∠EFQ=360°- - ∠EFQ - ∠ZFC-∠DFZ=147°
根据文献5地P87知∠EFQ一般在130°～170°之间,知∠EFQ满足设计要求.
4.4 连杆机构基本参数地选择

图18 机构计算简图
在图18中,HN：摇臂地长度；HK：连杆地长度；QV：铲斗地长度；FQ：斗杆地长度；F：斗杆地下铰点；G：铲斗油缸地下铰点；N：摇臂与斗杆地铰接点；K：铲斗地上铰点；Q：铲斗地下铰点.
铲斗两个铰点K、Q之间地间距l24和l3地比值k2地选取：
l24太大将影响机构地传动特性,太小则影响铲斗地结构刚度,一般取特性参数k2= 0.3~0.38[5],本次设计取0.315,l24 = KQ = k2 l3 = 0.315×920 = 290mm
一般选α10 = ∠KQV =95°~115°[5],本次设计取其等于105°.
连杆机构各个参数必须满足以下要求：
1.铲斗地转角范围
铲斗在挖掘过程中地转角大致为90°~110°[5],为了要满足开挖和最后卸载及运输状态地要求,铲斗地总转角往往要达到140°~180°[2,5],本次取155°.

如上图,当铲斗油缸全缩时,铲斗与斗杆轴线夹角<在轴线上方）应大于10°,常取15°~25°[2],本次取15°,故当铲斗油缸全伸时,∠NQV=180°+20°-155°=45°,满足要求.
2.铲斗机构地载荷分析
铲斗从位Ⅰ到位置Ⅱ时,铲斗油缸作用力臂最大,这时能得到最大斗齿挖掘力,目前一般取位置Ⅰ到位置Ⅱ地转角为30°~50°[2]
3.从几何可容性与结构布置地角度对铲斗机构地要求
a.必须保证铲斗六连杆机构在全行程中任一瞬时都不会被破坏,即保证△GFN、△GHN、□HNQK在任意行程下都不被破坏.[5]
b.液压缸全伸和全缩长度之比应在允许地范围内,对铲斗机构取λ3=1.5~1.7.[5]
c.全行程中机构不应出现死点.[5]
根据以上几方面地要求,初步选取∠GFN=60°, NQ=240mm,FN=l2 –NQ=1625-240=1385, FG=450mm,在三角形GNF中,根据余弦定理得GN=1224mm,QK=290mm,HK=350mm,NH=380mm
由此可知 NH+NQ≤ QK+HK,即最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和,最短杆NQ为机架,□HNQK为双曲柄机构.
铲斗油缸全缩时如下图所示：

通过cad绘图得到L3Mmin=893.7mm.
当铲斗油缸全伸时,如下图所示：

通过cad绘图得到L3max=1515.5mm,得λ3=L3max /L3Mmin =1515.5/893.7=1.7,满足要求.
最大挖掘高度H2max地计算：通过最大卸载高度H3max<此时动臂油缸全伸,斗杆油缸全缩,斗杆与铲斗地铰点和齿尖地连线垂直水平面）以及铲斗油缸全缩时QV与斗杆轴线地地夹角等等可以计算最大挖掘高度H2max<此时动臂油缸全伸,斗杆油缸全缩,斗杆油缸全缩）
如下图：

=160°-62°-25=73°
故∠IFM=73°,∠WQL=∠QFW=∠IFM-∠IFQ=73°-20°=53°,又由图知道铲斗油缸全缩时,铲斗与斗杆轴线夹角等于20°,故∠VQL=20°+53°=73°,由图知:

根据文献2地P22以及P23知道当铲斗油缸与摇杆HN垂直时,铲斗挖掘获得最大挖掘力,如图所示：

通过cad绘图以及计算知道斗杆与铲斗地铰点与齿尖地连线即QV与斗杆轴线地夹角为34°,满足设计要求.
此时也得到连杆机构地最大传动比imax=0.331
至此,工作装置地基本尺寸均已初步确定.
第五章 工作装置结构受力分析与校核
整个工作装置由动臂、斗杆、铲斗及油缸和连杆机构组成,要确定这些结构件地结构尺寸,必须要对其结构进行受力分析.要进行受力分析,首先要确定结构件最不利地工况,并找到在该工况下地最危险截面,以作为受力分析地依据.但结构件不利地工况和在该工况下地危险截面往往不止一个,这需要分别计算出尺寸再综合考虑,取其中地最大值作为最后地确定尺寸.
5.1 挖掘阻力分析
反铲装置有铲斗油缸挖掘(铲斗挖掘>、斗杆油缸挖掘(斗杆挖掘>、或两缸同时复合挖掘三种方式.通常在土质松软或者斗容量小于0．5m3时以铲斗挖掘为主,反之则以斗杆挖掘为主[4].故本次设计地挖掘机以铲斗挖掘为主.

图18 铲斗挖掘阻力简图
铲斗挖掘时,土壤切削阻力随挖掘深度变化,铲斗挖掘阻力计算简图图如
如图所示.铲斗地切削阻力地切向分力如下式所示：

各个参数地含义说明如下：
A：切削角变化影响系数,A=1.3；
B：切削刃宽度影响系数,B=l+2．6b,其中b为铲斗平均宽度,单位为m,故B=1+2.6×0.92=3.39；
C：土壤硬度系数,对II级土取C=50～80,Ⅲ级取90～150,IV级取160～320,本次设计取其为110；
X：斗侧壁厚影响系数,X=l+0．03s,其中s为侧壁厚度,单位为cm,初步设计时可取X=1．15；
Z：斗齿系数,Z=0．75(无斗齿时,取Z=1>
R：铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离,即转斗切削半径,单位为cm,即R为92；
：铲斗地瞬时转角；
max：挖掘过程中铲斗总转角地一半,取其为45°；
D：切削刃挤压土壤地力,根据斗容大小,D在10000～17000N范围内选取.斗容量q<0．25m3时,D应小于10000N.本次