液压挖掘机设计-毕业论文.doc

1绪论
1.1引言
液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。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，是一种周期作业的土方机械（见图1-1）。
·
图1-1 单斗液压挖掘机实例
液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建筑、交通运输、水里施工、露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。
在建筑工程中，可用来挖掘基坑、排水沟、拆除旧有建筑物、平整场地等。更换工作装置后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。
在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深原有河道等。
在铁路、公路建设中、用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。
在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟壑管道沟等。
在露天采矿场上，可用来剥离表土、采掘矿石或煤、也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。
在军事工程中，可用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物等。
所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用。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。
1.2国内外发展概况
1.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势
工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国和日本式液压挖掘机的主要生产国，具有较高的市场占有率。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产从规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；从功能上看，在满足基本功能的基础上，向多功能化、专用化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。
1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m³以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01m³。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置——除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。
2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。
3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了CAPS（计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并处长了零部件的使用寿命；德国奥加凯（O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的904、905、907、909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了ECO（电子控制作业）的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS---电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。
4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家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，研制了可靠性住处处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%-95%，使用寿命超过1万小时。
5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。
6）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量来裣，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增长率加；采用三回路液压系统。产生三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速成运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。
7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机口音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。
工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40 m³单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150 m³剥离用挖掘机，斗容量132 m³的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯-伊利）公司生产的斗容量168.2 m³的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m³的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。
1.2.2 国内挖掘机的发展概况
第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。
由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。
早在1954年我国就已开始生产机械式挖掘机，当时的抚顺重型机器厂引进前苏联的机械式挖掘机W10012和W5012等国际20世纪30－40年代的产品。由于国家经济建设的需要,后又发展10余家厂生产，到1966年12年全国共生产了机械式挖掘机3000余台,后又延续生产到八十年代初。随着我国液压挖掘机行业国外先进技术的引进和国产液压挖掘机产品的增加和性能水平的提高,开始全面淘汰已生产多年的落后、笨重的中、小型机械式挖掘机。
纵观我国液压挖掘机近40年的发展历史,大致可以分成以下几个阶段:(1)开发阶段(1967－1977年):以测绘仿制为主的开发。通过多年坚持不懈的努力,克服一个一个的困难,有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功,为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。(2)液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(1978－1986年)。这个阶段通过各主机厂引进技术的消化、吸收和移植,使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际70年代末80年代初的水平。(3)液压挖掘机生产企业数量增加,新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合、合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术(1987－1993年)。(4)国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大,国外各著名挖掘机制造厂商看好中国市场纷纷前来创办合资、独资挖掘机生产企业(1994年－至今)。从1994年开始,特别到1995年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。其中美国卡特彼勒公司和日本神户制钢所率先在徐州金山桥开发区和与成都工程集团公司合作在成都相继建立了生产液压挖掘机的中外合资企业,随后日本小松制作所、日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国Atlas、瑞典Volvo公司等都先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业,生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近几年这些企业运营情况良好，发展速度很快。
1.3液压挖掘机的基本类型
液压挖掘机种类繁多，可以从不同角度对其类型进行划分：
（1）根据液压挖掘机主要机构传动类型划分
根据挖掘机主要机构是否全部采用液压传动，分为全液压传动和非全液压传动（或称半液压）传动两种。若挖掘、回转、行走等几个主要机构的动作均为液压传动，则称为全液压挖掘机，如国产的W2-100和W2-200挖掘机；若其中的一个动作采用机械传动，即称为非全液压（或半液压）挖掘机，如国产的W4-60型挖掘机。一般说来，这种区别主要表现在行走机构上。对液压挖掘机来说，工作装置及回转机构必须是液压传动，只有行走机构有的为液压传动，有的则为机械传动。
（2）根据行走机构类型划分
根据行走机构的不同，单斗液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式。
履带式挖掘机应用最广。它在任何路面行走时，均有良好的通过性，对土壤有足够的附着力，接地比压小，作业时不需要设支腿，适用范围较大。土质松软或沼泽地带还可以采用加宽和加长铝带来降低接地比压。通常，履带行走的液压挖掘机多为全液压传动。
轮胎式挖掘机具有行走速度快、机动性好，可在多种路面通行。近年来，轮胎式挖掘机的产量日渐增长。这种挖掘机一般都是四支点的，但也有三支点的，它将前轮距缩小为一个支点，与后轮形成三点支撑。这种型式不需在前轴上采用平衡悬挂，简化了前桥结构，缩小了机器的转弯半径，提高了机动性。目前，轮胎式液压挖掘机的行走部分多数仍采用机械传动和单个油马达的集中传动。
汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车底盘，速度快，机动性好。
悬挂式挖掘机，以国产的0.25挖掘机-装载机为例，它将工作装置安装在轮胎式拖拉机上，可以达到一机多用的目的。这种机械装拆方便，成本低廉。
拖式挖掘机没有行走传动机构，行走时由拖拉机牵引。
（3）根据工作装置在水平面内回转的范围划分
根据工作装置在水平面内回转的范围，分为全回转（）挖掘机和非全回转（小于）挖掘机。
（4）根据工作装置划分
根据工作装置结构不同，分为铰链式和伸缩臂式挖掘机。铰链式工作装置应用较为普遍。这种挖掘机的工作装置靠各构件绕铰点转动来完成作业动作。伸缩臂式挖掘机的动臂由主臂及伸缩臂组成，伸缩臂可在主臂内伸缩，还可以变幅。伸缩臂前端装有铲斗，适于进行平整和清洁作业，尤其是修理沟坡。
1.4 液压挖掘机的主要优点
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：
1、能无级调速且调速范围大，例如液压马达的最高转速与最低速度之比可达1000：1；
2、能得到较低的稳定转速，例如柱塞式液压马达的稳定转速可低达1r/min；
3、快速作用时，液压元件产生的运动惯性较小，并可作高速反转。例如电动机在启动时的惯性力矩比其平稳运转时的驱动力矩大50%，而液压马达则不大于5%，加速中等功率电动机需1s到数秒，而加速液压马达只需0.1s。
4、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。
5、易实现标准化、通用化、系列化。
基于液压传动具有上述优点，故液压挖掘机与机械传动液压挖掘机相比，具有下列主要优点：
1、大大改善了挖掘机的技术性能，挖掘力大、牵引力大、机器重量轻、传动平稳，作业效率高，结构紧凑。液压挖掘机与同级机械传动挖掘机相比，挖掘力约高30%，如1.0m3液压挖掘机铲斗挖掘力为120-150KN，而同级机械传动挖掘机挖掘力只有100KN左右。
挖掘机的工作运动包括：行走、转台回转、铲斗、斗杆和动臂的作业动作。最频繁的是回转和铲斗的往复运动。这种往复运动一般速度不高而所需的作用力却很大，要求在短时间内变速或换向来完成各种复杂动作。机械传动单斗挖掘机完成上述运动，需通过摩擦离合器、减速箱、制动器、逆转机构、提升和推压机构等。因此，不仅结构复杂，而且还要产生很大的惯性力和冲击载荷；液压挖掘机则不需要庞大和复杂的中间传动，因而大大简化了结构，增大传动比，减少易损件。由于结构简化，重量大约比同级机械传动挖掘机轻30%，所以不仅节省了钢材、降低了接地比压，而且液压挖掘机上个元件可相对独立布置，各零、部件方位、同心度等并无严格要求，故结构紧凑、外形美观，同时，易与改进或变型。
2、使用可靠、操纵简便、更换工作装置也容易。
液压挖掘机的液压系统有防止过载的能力，所以使用安全可靠，操纵简便，故司机的工作条件得到改善。不论驱动功率多大，操纵均很林火、省力。更换工作装置时，并不牵连转台上部的其它机构。机械式挖掘机则受提升机构和推压机构的牵连。
3、由于液压传动易于实现自动控制，因此现代液压挖掘机普遍采用了以微处理器为核心的电子控制单元，是发动机、液压泵、控制阀和执行元件在最佳匹配状态下工作，以实现节能和提高作业效率，同时还可以实现整机状态参数的电子控制和故障诊断。
4、液压元件易于实现标准化、系列化和通用化、便于组织大规模专业化生产，进一步提高质量和降低成本。
1.5主要设计内容
综合国内外的研究状态和本论文的选题意义，下面就本课题所属的整体任务和本课题的主要研究内容进行详细的论述。
（一）整体任务
根据液压挖掘机设计任务的有关要求，应在充分调查研究的基础上进行液压挖掘机的总体设计工作，总体设计主要内容如下：
1）分析和拟定设计任务书，确定设计思想和原则，并提出整机结构方案的初步设想。
2)液压挖掘机的主要参数的确定。
3)液压挖掘机各主要机构的结构方案确定。
4)各主要机构作用力、速度、功率等分析计算。
5)液压系统原理的设计。
通过总体设计对所设计的液压挖掘机做出初步的全面规划，提出有关数据、资料、总体草图等，为进一步、分析计算提供依据。
（二） 本课题的主要研究内容
1)回转装置设计
为保证液压挖掘机正常高效的工作，对回转机构有如下基本要求：
在角加速度和回转力矩不超过允许值的前提下，应尽可能缩短回转时间。在回转部分惯性已知的情况下，角加速度的大小受最大回转转矩的限制，该转矩不应超过行走部分与地面的附着力矩。
回转时工作装置的动载系数不应超过允许值。
回转能量损失最小。
在保证以上要求下，要求绘出回转装置总体图纸和回转滚盘、减速器、小齿轮等部件图和零件图。
2)行走装置的设计
计算过程可分为：
接地比压和履带行走装置尺寸的确定；
履带行走牵引力和阻力的计算
传动马达的选型和传动系统的确定
绘制部分零件图和部件装配图
2 液压挖掘机总体设计
2.1液压挖掘机主要参数的确定
液压挖掘机的主要参数表明了液压挖掘机的规格和主要技术性能，因此需要在挖掘机总体设计中确定。
2.1.1液压挖掘机的主要参数
液压挖掘机的主要参数（或称基本参数）有以下几类：
1、发动机参数，如发动机额定功率、转速等。
2、液压系统参数，如主泵的流量，压力等。
3、主要性能参数，如整机工作质量、主要部件质量、铲斗容量范围或标称铲斗容量、挖掘力、牵引力等。
4、尺寸参数，如工作尺寸、机体外型尺寸和工作装置尺寸等。
2.1.2 液压挖掘机主要参数的确定方法
选择确定液压挖掘机的主要参数的基本依据是：
1、设计任务书上规定的铲斗容量、用途和作业要求、工作条件等；
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。
合理的主要参数符合以下条件：
1、满足实际使用要求——实用性；
2、适合于生产厂的制造条件——可能性；
3、充分利用发动机功率——经济性；
4、与国内外同类型相比有较先进的技术经济指标和可靠的工作性能——先进性。
液压挖掘机参数的确定方法：
1、比拟法（或称类比法）：即通过同类型机械的比拟（类比）得出参数值；
2、经验公式计算法（或称查表法）：即按概率统计归纳得到的经验公式进行概略的计算，得出参数值；
3、按标准选定法：即按照国家颁布的液压挖掘机型式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参数值；
4、理论分析计算法：即按拟定的结构特点，在理论分析和试验数据的基础上进行分析计算，得出参数值。
本课题采用比拟法和经验公式计算法确定挖掘机参数。选用的样机机型是日本小松公司的PC400-5型液压挖掘机，该挖掘机的相关参数表2-1，
表2-1 技术参数

项目
单位
数值

挖掘机工作质量
kg
40730
标准斗容

铲斗容量范围

1.3-2.2
工作范围
最大挖掘深度

9.19
最大垂直壁深度

8.21
最大挖掘半径

13.35
2440mm平底最大挖掘铲切深度

9.08
最大挖掘深度

11..50
最大倾卸高度

8.15
性能
回转速度

9.3
最大行驶速度

3.1/4.5
最大挖掘力

221.7
尺寸
全长

11.7
全高

3.45
全宽

3.43
履带着地长度

履带长度

履带轨距

2.74
尾部旋转半径

3.43
最小离地间隙

0.55
发动机
型号

KOMATSA S6D125
功率、转速

202.9/2000
汽缸数

6-125-150
活塞排量

11.04
液压系统
液压泵
变量双泵

最大流量

安全阀门调整压力

液压马达

履带板
板宽

0.6
地面压力

7.6
容量
燃油容量

550
液压油箱

255

按照相似原理，若相比拟两机之机重数值改变η倍时，即相似系数为：
时
则其主要参数的比例为：
； ；
；
式中，分别为拟设计的液压挖掘机及比拟样机的线性尺寸、面积、斗容量和功率。
经验公式计算法(查表法)是以液压挖掘机的机重为指标对现代液压挖掘机的总体参数用概率方法得出各主要参数的经验系数，以公式来确定挖掘机的各种参数。
关于尺寸参数可按下式近似求得；
线尺寸参数：
面积参数；
体积参数：
式中，分别为各种线向、而积、体积尺寸经验系数，见表2-1。
线向尺寸如机体的外形尺寸、工作装置尺寸及工作尺寸等；面积尺寸如作业包络线所包的面积等；体积如斗容量等。
质量参数：主要包括各部分重、机体重心位置等。可按下列公式近似计算：
各部分重
机体重心与回转中心的距离
机体重心离地面高度
式中 ——各部分重量系数；
，——机体重心位置系数；见表2-4
功率参数：液压挖掘机功率可按下式估算：
发动机功率：
液压功率：
挖掘力参数：
式中，， ——功率和挖掘力系数，见表2-5.
表2-4 液压挖掘机重量系数和重心位置系数

表2-5 功率和挖掘力系数

综合国内外近80种液压挖掘机整机质量与平均斗容。整机质量与平均斗容之间基本上是线性关系，经最小二乘法拟合后，可得整机质量与平均斗容的关系为：

式中 q——平均斗容或标准斗容，m3；
m——整机工作质量，kg。
根据初定的整机工作质量，通过类比、经验公式计算、查表等方法初步确定发动机功率、主要部件质量、整机外形尺寸、工作尺寸及挖掘力等其他主要参数。
由统计数据拟合得到的发动机飞轮功率与整机工作质量的关系，可用公式表示为：选用川崎公司生产的的发动机，转速。
式中　m——整机工作质量，kg。
P———发动机飞轮功率，kW。
本课题已知条件为铲斗容量，为2m³，代入公式，估算整机质量，得：，取42t。
以日本小松公司的PC400-5型液压挖掘机为样机，代入公式，求得比拟系数：
。
通过以上比拟公式和经验公式可初步估算设计挖机的相关参数，取两种方法中的最大者，统计表2-2所示，
表2-2 技术参数

项目
单位
数值

挖掘机工作质量
kg
42000
标准斗容

2
铲斗容量范围

工作范围
最大挖掘深度

9.2
最大垂直壁深度

8.22
最大挖掘半径

13.38
2440mm平底最大挖掘铲切深度

9.1
最大挖掘深度

11.6
最大倾卸高度

8.18
性能
回转速度

9.28
最大行驶速度

2.7
最大挖掘力

230
尺寸
全长

11.8
全高

3.5
全宽

3.48
履带着地长度

履带长度

履带轨距

2.78
尾部旋转半径

3.45
最小离地间隙

0.58
发动机
型号

KOMATSA S6D125
功率、转速

202.9/2000
汽缸数

6-125-150
活塞排量

11.04
液压系统
液压泵
变量双泵

最大流量

安全阀门调整压力

液压马达

履带板
板宽

0.8
地面压力

容量
燃油容量

550
液压油箱

255

2.2 液压挖掘机挖掘阻力的计算
当液压挖掘机的主要参数和结构方案确定后，应计算挖掘机斗齿上的挖掘阻力，以便作为液压系统功率、发动机功率和结构强度计算的依据。对于液压反铲，挖掘方式主要是转斗挖掘、斗杆挖掘和这两种方式的联合，实际工作时以哪种方式为主，取决于挖掘机工作状态和所挖掘土壤的情况。
土壤挖掘理论认为，挖掘阻力是挖掘总阻力的切向分力，主要由土壤切削阻力、土壤对铲斗的摩擦阻力和装土附加阻力组成，这三项阻力分别与切削断面面积、铲斗与土壤的摩擦系数、土壤的内摩擦系数及铲斗容量和装满系数等因素有关。在实际应用中，可综合上述三项阻力的影响，将挖掘阻力简化表示为：

式中 ——挖掘阻力，N；
——铲斗切削宽度，m；
——切削层厚度，m；
——挖掘比阻力，。
液压挖掘机的铲斗挖掘和斗杆挖掘分别由各自的液压缸实现，因此，相应的挖掘阻力可分别计算。
（1） 铲斗挖掘阻力
根据土壤切削理论，当液压反铲以转斗进行挖掘时，铲斗挖掘阻力是铲斗转角的函数，且最大值发生在铲斗总转角一半的位置。忽略转斗挖掘阻力的法向分力和装土阻力，可得最大铲斗挖掘阻力为：

式中 F1max——最大铲斗挖掘阻力；
C——土壤硬度密实计打击次数，对Ⅲ级土壤，C=5-15，对Ⅳ级土壤，C=16-35；
RD——铲斗与斗杆铰点至斗齿间距离，即铲斗的转斗切削半径，m；
——挖掘过程中总转角的一半，即最大转斗挖掘力位置，（°）；
kB——切削刃宽度影响系数，b为铲斗宽度，m；
——切削角变化影响系数，取
——斗齿的影响系数，取（无齿时取1）；
——前边斗齿对地面倾斜角度的影响系数，取
（2）斗杆挖掘阻力
液压挖掘机采用斗杆挖掘时，由于切削行程较长，可认为切土厚度是常数，斗杆在挖掘过程中的总转角一般可取为，在此范围内即可装满铲斗。斗齿尖的行程实际上是斗杆转角所对应的弧长，即

式中，——斗杆挖掘时切削半径，即斗杆与动臂铰点至斗齿尖的距离，m；
——斗杆转角，（）。
斗杆挖掘时的切削厚度h可按下式计算

式中， h——斗杆挖掘时的切削厚度，m；
q——铲斗容量，m3； b——铲斗切削宽度，m。
则斗杆挖掘阻力可表示为
式中，——斗杆挖掘阻力，N。本课题中，取，。计算得出斗杆挖掘阻力为：

2.3 本章小结
本章通过对日本小松公司生产的液压挖掘机进行分析和样机比较，得到了本课题所要设计液压挖掘机的基本参数，为下面各部分的设计、计算和校核提供基本的数据基础。
3 液压挖掘机工作装置设计
工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一。因用途不同，工作装置的种类繁多，其中最主要的有反铲装置、正铲装置(包括装载装置)、起重装置和抓斗装置等。而同一种装置也可以有许多种结构型式，有的多达数十种，以适合各种不同的作业条件。
3.1 反铲工作装置工作原理
本课题设计的液压挖掘机的工作装置为反铲装置。它是中小型液压挖掘机最主要的工作装置，如图3-1所示。

液压反铲工作装置一般由动臂1、动臂液压缸2、斗杆液压缸3、斗杆4、铲斗液压缸5、铲斗6、连杆7和摇杆8等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。动臂1的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸2来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。斗杆4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由铲斗液压缸5控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。铲斗6则铰接于斗杆4的末端，通过铲斗液压缸5的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆7和摇杆8）与铲斗连接。液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲液压挖掘机的工作过程为：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。动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般是由转斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中，熟练的液压挖掘机操作人员可根据实际情况，合理操纵各个液压缸，往往是各液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。
3.2 工作装置的设计原则
设计合理的工作装置应该满足下列要求：
1．主要工作尺寸及作业范围能满足使用要求。在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进比考虑国家标准的规定，并注意到运动参数受结构碰撞限制等的可能性。
2．整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要免并具一定的先进性。
3．功率利用情况尽可能好，理论工作循环时间尽可能短。
4．确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利。在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽显减轻结构自重。
5．作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次。在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单 换装方便。
6．运输或停放时工作装置应有合理的姿态，使运输尺寸小，行驶稳定性好。保正安全可靠，并尽可能使液压缸卸载或减载。
7．工作装置液压缸设计应考虑三比采用系列参数，尽可能减少液压缸零件种久其是易损件的种类。
8．工作装置的结构型式和布置要便于装拆和维修，尤其应便于易损件的更换。
9．要采取合迎措施来满足特殊使用要求。
3.3 结构方案
反铲装置的结构方案很多，结合本课题研究背景，选取其中一种结构型式和布置方案。
（一）动臂及斗杆的结构形式
动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构型式取决于动臂的结构型式，反铲动臂可分为整体式和组合式两类。
整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。
直动臂结构简单，轻巧，布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机；弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式，整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意。
组合式动臂一般都为弯臂形式，其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类是 用螺栓连接。
本课题采用整体式弯动臂，如图3-2所示：

图3-2 整体式弯动臂
斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆比时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置2-4个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔，有些反铲采用组合式斗杆，把加长杆拆去即成短斗杆。本课题采用整体式斗杆，如图3-3所示：

图3-3 整体式斗杆
（二）动臂液压缸和斗杆液压缸的布置
动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式：1、油缸前倾布置方案，当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上限位置，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。2、油缸后倾布置方案，当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上限位置时，动臂油缸轴线向转台后方倾斜。
本课题采用动臂油缸前倾方案，同时为统一缸径和保证液压缸的闭锁能力，采用双动臂液压缸。
确定斗杆油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。
①保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。油缸全伸时的作用力矩应该足以支承满载铲斗和斗杆静止不动。油缸作用力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘阻力。
②保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取100°-130°。在斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于10cm。一般说来，斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。
显然，上述铰点布置和油缸行程的确定往往需要反复进行。一般在初步确定铰点位置之后，就可以接着进行缸径的选择和油缸作用力的计算。在计算中如果发现初定的铰点位置和油缸行程不够合理，则应进行适当修改。
确定铲斗油缸铰点、行程及连杆机构力臂比时应考虑以下因素。
①保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在铲斗油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘力基本上等于最大挖掘阻力。当油缸全伸时，应能使满载铲斗静止不动。
②保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取140°～160°，在特殊作业时可以大于180°。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°，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。
③从单独进行转斗挖掘动作的角度看，铲斗的转角为铲斗整个切削角度的1/2左右，铲斗挖掘深度最大，正好斗齿挖掘力也最大。实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下，特别是进行复合动作挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于100°，而且铲斗也不一定都在初始位置开始挖掘。因此目前一般取为30°～50°，在这个角度范围内既可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好地适应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力。
3.4液压挖掘机工作装置油缸作用力的确定
工作装置各油缸作用力的分析和确定是液压挖掘机工作装置设计的重要内容之一。显然各油缸的作用力应保证工作装置在挖掘过程中，斗齿有足够的挖掘力，以及保证在卸载时能把满斗土壤举升到最大幅度和高度所需的举升力。
工作装置各油缸作用力有以下两种情况。
1） 当油缸两腔分别接高低压油路时产生推动机构进行运动的作用力称为主动作用力（简称作用力或者工作力），其最大值取决于该油缸油路的工作压力和油缸直径（活塞作用面积）。
2）工作装置工作时作用于闭锁状态（即油缸两腔与高低压油路断开）的油缸上的作用力称为被动作用力，其最大值则取决于该油缸油路的过载溢流阀压力和承载活塞面积。当油缸工作力大于外载荷的作用力的时候，该油缸便无回缩现象；否则由于过载溢流阀打开而溢流，便使油缸发生回缩。
3.4.1 铲斗油缸作用力的确定
反铲装置在作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗油缸设计的依据。初步设计时按额定斗容及工作条件（土壤级别），参考有关资料可初选斗齿最大挖掘力，并按反铲最主要的工作位置———最大挖掘深度时能保证具有最大挖掘力来分析确定铲斗油缸的工作力。此时计算位置为动臂下放到最低位置，铲斗油缸作用力对铲斗与斗杆铰点有最大力臂。
为了简单，可以忽略斗和土的质量，并且忽略了各构件质量及连杆机构效率影响因素，此时铲斗油缸作用力为：

式中 —铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂长度），m；
—对铲斗与斗杆铰点C的力臂，m。
而这时斗杆及动臂油缸均处于闭锁状态，斗杆油缸闭锁力应满足

式中　———斗杆油缸闭锁力对斗杆与动臂铰点的力臂，ｍ；
———对斗杆与动臂铰点B的力臂，ｍ；
——对斗杆与动臂铰点B的力臂，ｍ；
F2———挖掘阻力的法向分力，取.
动臂油缸闭锁力应满足

式中 ——动臂油缸闭锁力对铰点A的力臂，ｍ；
——对动臂下铰点A的力臂，ｍ；
——对铰点A的力臂，ｍ。

图 3-6 铲斗油缸作用力分析

3.4.2 斗杆油缸作用力的确定
当挖掘机以斗杆挖掘时，其最大挖掘力则由斗杆油缸来保证。斗杆油缸最大作用力计算位置为动臂下放到最低位置，斗杆油缸作用力对斗杆与动臂铰点有最大力臂，即对斗杆产生最大作用力矩，并使斗齿尖和铰点B、C在一条直线上，如图3-7所示。与前面推导铲斗油缸作用力一样，忽略各构件及斗中土壤质量和连杆机构效率的影响因素，
此时斗杆油缸作用力为

图 3-7 斗杆油缸作用力分析
而铲斗油缸和动臂油缸处于闭锁状态，所以铲斗油缸闭锁力应满足

动臂油缸闭锁力应满足
3.4.3 动臂油缸作用力的确定
动臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升铲斗内装满土壤的工作装置