反铲式挖掘机挖掘机构设计.doc

长春工业大学毕业设计（论文）
长春工业大学本科

毕业设计（论文）

专 业： 机械工程及自动化
题 目：掘机构设计

作 者 姓 名：
导师及职称：
导师所在单位：

2012年 6 月 16 日

长春工业大学
本科毕业设计任务书

Ⅰ 毕业设计题目
中文：挖掘机构设计
Ⅱ 原始资料
一、设计任务:设计挖掘机构，设计参数：斗容：0.4立方米；整机重量5吨；发动机功率60千瓦。
二、参考资料：
1 同济大学等. 单斗液压挖掘机[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1983
2 刘希平等 工程机械构造手册[M]. 北京：机械工业出版社
3 何挺继，朝勇. 现代公路施工机械[M].北京：人民交通出版社
4 许福玲，陈尧明. 液压与气压传动[M]. 北京：机械工业出版社，2007
5 高鹏. 挖掘机工作机构设计[D]. 沈阳：辽宁工程技术大学
6 金海薇. 液压挖掘机反铲装置的CAD/CAM研究[D]. 沈阳：辽宁工程技术大学
7 在图书馆、网络上查找相关的教材、书籍和资料。
Ⅲ 毕业设计（论文）任务内容
1、课题工程意义
本选题培通过对挖掘机机构的设计，可以达到简化结构，减少易损件，传动性能改善，工作平稳、安全可靠，传动机构的布置更加合理紧凑，操作简便，灵活，易于实现三化，提高质量，降低成本，而且挖掘机的性能提高，工作装置品种扩大，提高挖掘机的传动效率。
2、本课题研究的主要内容：
挖掘机构总体方案设计；挖掘机构详细的机构运动学分析；各部分基本尺寸的计算与验证；机构中主要部件的结构设计；液压缸与液压系统设计。3、提交的成果：
（1）毕业设计（论文）正文；
（2）挖掘机构总体方案设计图和工作循环图；液压系统工作原理图，相关的计算程序。
（3）至少一篇引用的外文文献及其译文；
（4）附不少于10篇主要参考文献的题录及摘要。
指导教师（签字）
教研室主任（签字）
批 准 日 期
接受任务书日期
完 成 日 期
接受任务书学生（签字）

挖掘机构设计
摘 要
挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。随着国家经济建设的不断发展，单斗挖掘机的需求量将逐年大幅度增长，其在国民经济建设中的作用将越来越显著。
　　反铲装置作为单斗挖掘机工作装置的一种主要形式，在工程实践中占有重要地位。反铲装置的各组成部分有各种不同的外形，要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机反铲装置的基本轮廓。
关键词：反铲式挖掘机；运动分析；机构设计；液压系统

Backhoe digging institutions design of anti-shovel excavator
Abstract
Anti-shovel dou excavator is a kind of important engineering machinery, widely used in building, road engineering, water conservancy construction, forestry development, port construction, national defense construction and the conditions of fortifications mining extraction industries, to reduce heavy manual labor, ensuring the quality of projects and accelerate the construction speed and improve labor productivity plays an enormous role. With the continuous development of national economic construction, dou excavator demand will greatly increase year by year, its role in national economic construction will become more and more prominent.
The shovel device as a single dou excavator working device of a main form in engineering practice, occupies an important position. The shovel device of each component of a variety of different shape, according to the design requirements for the selection of the structure and kinematic analysis. Then, on the basis of the requirement of motion parameters of various institutions, organizations, and determine the size parameters of the shovel device determine excavator basic outline.
Key Words: Anti-shovel excavator;Motion analysis;Insitiutions design;Hydraulic system

目 录
引言 8
第1章液压挖掘机的简介 9
1.1挖掘机的类型 9
1.2液压挖掘机的基本组成和工作原理 10
1.3反铲式挖掘机 11
第2章反铲式挖掘机传动机构的设计 15
2.1挖掘机传动机构方案的设计 15
2.2挖掘机的运动分析 19
2.3特殊尺寸 31
2.4挖掘力的计算 34
第3章液压系统的设计 38
3.1元件的选择 38
3.2系统分析 39
结论与展望 41
致谢 42
参考文献 43
附录A图纸 44
附录B主要参考文献摘要 45

插图清单
图1-1机械式单斗挖掘机 10
图1-2连续作业式挖掘机 10
图1-3单斗液压挖掘机 11
图1-4液压挖掘机基本组成与传动示意图 12
图1-5挖掘机 13
图1-6 液压挖掘机反铲装置 13
图1-7挖掘机机构简图 14
图2-1整体式直动臂 16
图2-2整体弯动臂 16
图2-3整体式直动臂结构简图 17
图2-4整体式弯动臂结构简图 17
图2-5整体式斗杆 18
图2-6组合式斗杆 19
图2-7整体式斗杆结构简图 19
图2-8组合式斗杆结构简图 19
图2-9铲斗基本形式 20
图2-10铲斗常用形式 20
图2-11铲斗主要参数示意图 21
图2-13反铲机构自身几何参数的计算简图 22
图2-15F点坐标计算简图 24
图2-16斗杆机构摆角计算简图 26
图2-17铲斗连杆机构传动比计算简图 28
图2-18斗齿尖坐标方程推导简图 30
图2-19最大挖掘深度计算简图 33
图2-20最大卸载高度计算简图 33
图2-21最大挖掘半径及停机面最大挖掘半径计算简图 34
图3-1双泵双回路液压系统图 39
图1挖掘机液压原理图 44
图2挖掘机运动方案图 45
图3挖掘机运动循环图 46

表格清单

表1-1设计参数 14
表1-2挖掘机机体尺寸与工作尺寸 15
表2-1挖掘机机构的参数 23
表3-1主油泵相关参数 38
表3-2齿轮泵CB-B20相关参数 38

引 言
挖掘机被称为机械之王，在国家建设中起到举足轻重的作用。反铲式挖掘机只是挖掘机其中的一种，回顾我国挖掘机发展历史：
我国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m3;的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。9WV铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网
新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪30～40年代的W501、W502、W1001、W1002等型机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂。1967年开始，我国自主研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型和杭州重型机械厂的WY250型挖掘机等。它们为我国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。9WV铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网
至20世纪80年代末，我国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0.1～2.5 m3等12个等级、20多种型号，还生产0.5-4.0m3以及大型矿用10m3、12m3机械传动单斗挖掘机，1m3隧道挖掘机，4m3长臂挖掘机，1000m3／h 的排土机等，还开发了斗容量O.25m3的船用液压挖掘机，斗容O.4m3、O.6 m3、0.8 m3的水陆两用挖掘机等。但总的来说，我国挖掘机生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，有很大的差距。　　9WV铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网
改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进我国挖掘机行业的发展。其中贵阳矿山机器厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂等分别引进德国利勃海尔(Liebherr)公司的A912、R912、R942、A922、R922、R962、R972、R982型液压挖掘机制造技术。稍后几年，杭州重型机械厂引进德国德玛克(Demag)公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术，北京建筑机械厂引进德国奥加凯(0&K)公司的RH6和MH6型液压挖掘机制造技术。与此同时，还有山东推土机总厂、黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的PC100、PC120、PC200、PC220、PC300、PC400型液压挖掘机(除发动机外) 的全套制造技术。这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平，产量也逐年提高。由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。9WV铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网
近年来，随着基础设施建设力度在全国各地的日益加大，中国挖掘机市场进入蓬勃发展阶段，亟须掌握专业知识技能的优秀挖掘机操作手。”中国工程机械工业协会会长祁俊日前指出，我国堪称“世界上最大的建设工地”，我国挖掘机市场也进入高速发展阶段。与此同时，挖掘机的节能降耗的重要性也愈发明显。
节能环保成工程机械发展方向：节能减排、绿色环保已成为每个行业的热点话题，工程机械行业也不例外，中国工程机械企业纷纷推出蕴含“技术创新”、“环保”、“再制造”等概念的新产品，意味着整个行业向绿色、智能转型的同时，节能减排、绿色环保已经渗入到整个行业的发展中。

第1章 液压挖掘机
1.1挖掘机的类型
挖掘机械的类型与构造形式繁多，可按照挖掘工作原理与过程、用途、构造特征进行划分。
按照用于，单斗挖掘机分为：建筑型、采矿型和剥离型等。建筑型挖掘机一般可装置各种不同的工作装置，进行多种作业，故又称通用式。
按照动力装置，挖掘机有电驱动、内燃机驱动和符合驱动等，以一台发动机带支挖掘机全部机构为单机驱动式，以若干发动机分别带动各个主要机构为多驱动式。
按照传动方式，挖掘机分为机械传动式、液压传动式和混合传动式。
挖掘机的行走装置型式有：履带式、轮胎式、汽车式、步行式、轨道式、拖式等。
单斗挖掘机工作装置的型式很多，常用的基本型式，对于机械挖掘机有：正铲、反铲、拉铲和起重吊钩等
以下如图所示挖掘机基本类型：

1图1-1机械式单斗挖掘机

2图1-2连续作业式挖掘机

3图1-3单斗液压挖掘机

1.2 液压挖掘机的基本组成和工作原理
液压挖掘机的种类很多，单斗液压挖掘机算是其中一个代表,如图1-4。单斗挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是在机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机中重要的品种。它的作业过程是以铲斗的切削刃切削土壤并将土装入斗内，斗装满后提升，回转至卸土的位置进行卸土，卸空后铲斗再回转并下降到挖掘面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移位，以便继续工作，因此，是一种周期作业的自行式土方机械。
1.2.1 单斗液压挖掘机的基本组成
单斗液压挖掘机为了实现以上周期工作，液压挖掘机必须有以下基本结构：工作装置、回旋机构、传动装置（液压部分）、操作装置、行走装置等。
单斗液压挖掘机基本组成：由转台及转台上部的结构、底架及行走系、工作装置等三大部分组成。
回转平台：由回转平台、液压传动装置、伺服操纵装置、动力装置、司机室、空调系统、电器系统等组成。
工作装置：由动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆、油缸等组成。
行走装置：由车架、支重轮、托链轮、导向轮、张紧装置、履带、行走机构、回转接头等组成 。
动作（五个动作及其复合）——动臂升降、斗柄转动、挖斗转动、转台回转及行走。
1.2.2 单斗液压挖掘机的工作原理
液压挖掘机与机械挖掘机的主要区别在于传动装置的不同，以及由于传动的改变而一起的工作装置机构形式的不同。液压挖掘机的液压传动系统由液压泵、液压马达、液压缸、控制阀及油管等液压元件组成。并且采用液压分配器及各种控制阀来控制各种机构的运动。
图1-4所示为液压挖掘机基本组成及传动示意图。如图所示，柴油机驱动两个液压泵，把高压油输送给两个分配阀，操作控制阀，将高压油再送往有关液压执行元件（液压缸或液压马达）驱动相应的机构工作。
液压挖掘机的工作原理采用连杆机构原理，而各部分的运动则通过液压缸的伸缩来实现。
图1-4所示为液压挖掘机最常用的工作装置——反铲装置。它由铲斗1、斗杆2、动臂8、连杆4以及相应的三组液压缸5、6、7组成。动臂下铰点铰接在转台上，利用动臂液压缸的伸缩，使动臂绕动臂下铰点。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，同时操纵动臂液压缸，小腔进油液压缸回缩，使动臂下降至铲斗接触挖掘面为止，然后操纵斗杆液压缸和铲斗液压缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。斗装满后，将斗杆液压缸和铲斗液压缸停动并操纵动臂液压缸大腔进油，使动臂升离挖掘面，随之接通回转马达，使斗转到卸载地点，再操纵，斗杆和铲斗液压缸回缩，使铲斗反转进行卸土。卸完后，将工作装置转至挖掘地点进行第二次挖掘工作。

4图1-4液压挖掘机基本组成与传动示意图
1—铲斗； 2—斗杆 ；3—动臂； 4—连杆 ；5、6、7—液压缸；Ⅰ—挖掘装置 ；Ⅱ—回转装置；Ⅲ—行走装置；
1.3反铲式挖掘机
反铲式挖掘机是最常见的挖掘机一种，广泛用于建筑领域，主要用于平整路面、深挖基坑等。以下我们介绍一下反铲式挖掘机。图1-5为反铲式挖掘机

5图1-5反铲式挖掘机
1.3.1反铲式挖掘机的反铲装置
反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置。如图1-6所示。目前广泛应用的斗容在1.6m3以下。

6图1-6 液压挖掘机反铲装置
1-动臂；2-斗杆；3-铲斗；4、5、6-动臂、斗杆及铲斗液压缸；7-连杆机构
液压挖掘机反铲装置由动臂1、斗杆2、铲斗8以及动臂液压缸4、斗杆液压缸5、液压缸6和连杆机构7等组成。其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，通过液压缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。
反铲式挖掘机的机构简图

7图1-7反铲式挖掘机机构简图
自由度的计算
活动构件数n=9低副PL=12 高副PH=0
厡动机件有3
自由度F=3n-2PL-PH (1-1) =3×9-2×12=3
1.3.2反铲式挖掘机主要参数及参数选择
液压挖掘机主要参数中最重要的参数有三个，即斗容、整机重量、和发动机功率。
标准斗容量：指挖掘机三级或容量为18000 N/m3的土壤时，铲斗堆尖时的斗容量。为充分发挥挖掘机的挖掘力，对于不同等级或容量的土壤可以配备相应不同的斗容量的铲斗。
整机重量：是指带标准反铲或正铲工作装置和标准行走装置时的整机工作质量。
发动机功率：指发动机的额定功率（12小时工作），即正常运转条件下本身消耗以外的输出净功率。
由设计任务书给出以上主要参数：斗容：0.4立方米；整机重量5吨；发动机功率60千瓦。 参考卡特CT85-7B挖掘机参数设定挖掘机的参数如下
1表1-1设计参数
铲斗容量
整机重量
发动机功率
0.4m³
5t
60KW

尺寸参数的选择
以液压挖掘机的机重为指标，用以下公式近似确定：
线尺寸参数：=
面积参数：=
体积参数： = (1-2)
式中， ，，分别是各个线向、面积、体积尺寸经验系数，查《单斗液压挖掘机》表1-4。列计算后所得机体尺寸和工作尺寸数据在下表。
2表1-2挖掘机机体尺寸与工作尺寸
名 称
尺寸（米）
名 称
尺寸（米）
履带接地长度
2.35
轨距
1.36
司机室顶高
1.7
转台离地高
0.68
尾部半径
1.624
机棚高
1.36
最小离地间隙
0.24
履带宽
0.50
臂铰与油缸铰距
0.548
履带总高
0.48
臂铰离地高
1.111
臂铰离回转中心
0.37
前部离回转中心
0.60
动臂长度
3.00
斗杆长
1.36
铲斗长
0.85

第二章 反铲式挖掘机传动机构的设计
2.1反铲式挖掘机传动机构方案的设计
2.1.1挖掘机动臂选择

8图2-1整体式直动臂

9图2-2整体弯动臂

整体式动臂有直动和弯动两种,如下为整体式直动臂与弯动臂的结构简图

10图2-3整体式直动臂结构简图

11图2-4整体式弯动臂结构简图
如上图分析可知整体式直动臂的自由度F1=3×8-2×10-1=3
整体式弯动臂的自由度F2=3n-2PL-PH (2-1)
=3×9-2×12=3
采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置常见的如
图（2-2）
整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意。
整体式动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置较少，通用性较差。为了扩大机械的通用性，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反铲采用整体动臂结构比较合适。
整体式弯动臂与整体式直动动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。组合式动臂的主要优点：
1. 工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以随时进行无级调节。
2. 较合理地满足各种类型的作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的变化问题。因此其替换工作装置较多，替换也方便，一般情况下，下动臂可以适应各种工作装置的要求，不需要拆换。
3. 装车运输比较方便。
由于上述优点，组合式动臂结构比整体式动臂复杂，但得到较广泛的应用。以中小型通用液压挖掘机作业条件多变时采用整体式弯动动臂较为合适。如图2-2所示。
2.2.2确定斗杆结构形式
斗杆有整体式和组合式两种，如下图分别是整体式和组合式斗杆的简图

12图2-5整体式斗杆

13图2-6组合式斗杆

14图2-7整体式斗杆结构简图

15图2-8组合式斗杆结构简图
整体斗杆的自由度F1=2, 组合式斗杆自由度F2=3n-2PL-PH=1 (2-2)
由于组合式斗杆通用性比较好，自由度为1，所以选择组合式斗杆
2.1.2定铲斗的结构形式和斗齿的安装结构
一，基本要求：
1.装设斗齿，以增大铲斗对挖掘物料的线比压，斗齿及斗形参数具有较小的削阻力，便于切入及破碎的土壤。斗齿应该耐磨、易于更换。
2.为使装进铲斗的物料不易掉出，斗宽与物料直径之比应大于4：1.
3.物料易于装卸干净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。
反铲式的铲斗的形状、尺寸与其作业对象有很大的关系。为了满足各种挖掘业的需要，在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗。图2-9、图2-10分别为反铲用铲斗的基本形式和常用形式。

16图2-9反铲式铲斗基本形式

17图2-10反铲式铲斗常用形式
二，斗型参数的选择
斗容量q，平均斗宽B，转斗挖掘半径R和转斗挖掘装满转角2（这里令 max）
是铲斗的四个主要参数。R、B及2三者与q之间有以下几何关系（图2-11）

18图2-11铲斗主要参数示意图

q= （2-3）
式中土壤松散系数KS的近似值取1.25.因我国标准斗容量q指堆尖容量，所以装满系数可以不再考虑。令q=0.4,R=0.7, 2=90°，则由（2-3）可以求出B=1.46。显然，B过大会造成最大挖掘阻力和转斗挖掘能容量E增大，不利于提高效率。于是增大R，使R=0.96 得出B=0.78，合适。
2.2反铲式挖掘机的运动分析
反铲装置的具体结构型式虽多，但常见的只有十几种，按运动分析，其中有实质差别的机构型式不过几种，且它们之间还存在着许多共同点。有些不同点在运动学上还能以通用的数学表达式表示。现介绍一种通过直角坐标系对典型结构型式作运动分析的方法，以便借助于电子计算机进行方案比较和参数的选择。
反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度L1、斗杆液压缸的长度L2和铲斗液压缸的长度L3.
显然，当L1 、L2、L3为某一组确定值时反铲装置就相当于处于一个确定的几何位置。
如图2-12设计平面直角坐标系，使X轴与地面重合，Y轴与挖掘机回转中心线重合。则斗齿尖V所在的X坐标值XV就表示挖掘半径，Y坐标值YV为正值时就表示挖掘高度，为负值时表示挖掘深度。必须注意，当L1 、L2和L3为一组定值时只有一组XV和YV值与其对应，反之对于XV和YV的一组定值却有许多组L1L2和L3与其相应。

图2-12设计平面直角坐标系
2.2.1机构自身几何参数
机构自身几何参数有:第一类是决定机构运动特性的必要参数,称为原是参数,这里主要选择长度参数作为原是参数;第二类是由第一类参数推算出来的参数,称推导参数,多为运算中需要的角度参数;第三类是作为方案分析比较所需要的其他特性参数。
反铲机构自身的几何参数的计算简图及其有关符号如图2-13所示。

19图2-13反铲机构自身几何参数的计算简图

3表2-1挖掘机机构的参数

参数分类
机 构 组 成
铲斗
斗杆
动臂
机体
符 号 意 义

原始参数

l3=QV,l12=MH,
l13=MN,l14=HN
l24=QK,l25=KV,
l29=KH
l2=FQ,l9=EF,
l10=FG,l11=EG,
l15=GN,l16=FN,
l21=NQ
l1=CF,l6=CD,
l7=CB,l8=DF,
l22=BF
l4=CP,l5=CA,
l17=CI,l19=CT,
l30=CS,l38=JT,
l39=JI

推导参数

α1=∠NMH
α10=∠KQV
α4=∠EFG
α6=∠GNF
α9=∠GFN
α7=∠NQF
α8=∠NFQ
α2=∠BCF
α3=∠DFC
α11=∠CAF
α12=∠TCP
2.2.2动臂运动
不难列出动臂上任意一点的坐标方程。现在以F点为例，由图2-15得
α10=∠BCU=Φ1－α11= （2-4）

20图2-14动臂摆角范围计算简图

21图2-15F点坐标计算简图
动臂机构参数的选择与计算
选取动臂弯角α1=120°，取动臂特性参数K3（K3=）=1.2
取K1（K1为动臂长/斗杆长K1=）=1.8，根据最大挖掘半径一般与动臂长、斗杆长和铲斗长的和值相等
=（m）

m （2-5）
m （2-6）
α39=∠ZFC===27.41 ° （2-7）
在三角形ZCF中∠ZCF=33°
取K4=0.96,α11=60°,l5=0.665m基本用于反铲。斗杆全缩时∠FQV为最大值，取为160°。考虑结构尺寸、运动余量、稳定性构件运动幅度等因素，取
因： (2-8)
得：θ1max=125°

又因：
（2-9）
（2-10）
得：
符合下列几何条件：
（2-11）
即得：
（2-12）
（2-13）
（2-14）
这样，动臂机构的全部参数初步选出
2.2.3斗杆的运动
斗杆的位置参数是L1和L2的函数。讨论斗杆相对于动臂的运动，也即只考虑L2的影响。斗杆机构与动臂机构的性质类似，它们都是四连杆机构，但连杆不同，在动臂机构中一般L7>L5,斗杆机构中一般L9<L8。斗杆相对于动臂的摆角范围φ2max由图2-16

22图2-16斗杆机构摆角计算简图
φ2max=θ2max－θ1min
= （2-15）
斗杆液压缸的作用力臂
设B=则
e2= （2-16）
当L2以L2min和L2max代入，得e20和e21.斗杆液压缸的最大作用力臂e2max=l9，此时L2=。
e20= （2-17）
e22= （2-18）
斗杆参数的选择和计算
查找资料该挖掘机斗杆的最大挖掘力为PGmax=46.6kN
根据公式即e2max=
又有l2=1.36m,l3=0.85m,PGmax=46.6KN
e2max=(m)
假设斗杆摆角范围为90°，即°
在三角形中，已知l9=0.505m, =90°可得E0EZ=0.68（m）
选择油缸L2min=1.03m则L2max=1.71m
（m） (2-19)
由前面的公式可知
(2-20)

（2-21） （2-22）
e20= （2-23）
e22= （2-24）
这时θ=∠DEF==25°
（2-25）
2.2.4铲斗的运动
铲斗相对于X-Y坐标系的运动是L1、L2和L3的函数，情况较复杂。现在先讨论

23图2-17铲斗连杆机构传动比计算简图
1.铲斗连杆机构的传动比i
当给定了铲斗液压缸长度L3，由原始参数及推导参数出发，利用几何关
可依次求得图2-17中α5，α22，α30，α23，L26，α24，α25，L27，α26，α28，α27和α29等值。
铲斗液压缸对N点的作用力臂为r1=l13×sinα2； （2-26）
连杆HK对N点的作用力臂为
r2=l14×sinα2；
连杆HK对Q点的作用力臂为
r3=l34×sinα2；
铲斗连杆机构的总传动比为
i= （2-27）
显然i是L3的一元函数。用L3min代入上式可得到初传动比i0，用L3max代入上式则得终传动比i0.为了求最大传动比imax及其发生时的L3，在理论可以取，解得L3，求得imax。实际计算较困难。如采用优化方法以很快得到结果。I0=0.5
代入数据可以得出
对于斗杆的摆角范围θmax
铲斗瞬时位置转角为
θ3=∠FQV=α7+α24+α26+α10 （2-28）
当取L3=L3max和L3min时可分别求得θ3min和θ3max。于是得
φ3max=θ3max－θ3min （2-29）
2.2.5整机作业范围
1.斗齿尖的坐标方程
斗齿尖V的坐标值Xv和Yv是l1、l2和l3的函数。只要推导出Xv和Yv的函数表达式，那么整机的作业范围就可以确定。图2-18推导如下

24图2-18斗齿尖坐标方程推导简图
由F点出发，结合前面计算得到的有关参数值，通过几何和三角函数运算
可依次求得α32，l28，α33，l23,α34，α35，l37，α36等最后得到
Xv=l30+l37×cos(α21-α34-α36) （2-30）
Yv=l19×cosα12+l37×sin(α21-α34-α36) （2-31）
2.参数运算斗形参数的选择
斗容q，平均斗宽B，挖掘半径和转斗挖掘装满角度2是铲斗的四个主要参数
它们之间的关系如下q=
一般土壤松散系数KS=1.25;q=0.4m3
由上面得出B=0.76m，2=90°求出挖掘半径R
m （2-32）
铲斗上两铰点K与Q间距l24
K2=由铲斗长度l3=0.7m，K2=0.35,l24=0.245m
取l24=0.4(m)
L3max 与L3min 的确定
铲斗的最大挖掘阻力F3J max 应该等于斗杆的最大挖掘力，即F3J max = 138KN。
粗略计算知斗杆挖掘平均阻力F3J max = F3J max /2 = 69 KN
挖掘阻力F3J 所做的功W3J：
W3J = F3J max l3 φ3max （2-33）
= 6.9×105×0.7×165×π/180
= 1.39×105 N.m
由图4-4知，铲斗油缸推力所做的功W3：
W3 = F3 （λ2-1）L3min （2-34）
= 31.4×106×π×552×10-6×0.6×L3min
由功的守恒知铲斗油缸推力所做的功W3 应该等于铲斗挖掘阻力所做的功W3J ：
W3 = W3J
L3min = 0.781(m)
则L3max =λ3 L3min =1.25(m) （2-35）
剩余未选定的基本尺寸大部分为连杆机构尺寸，其应满足以下几个条件：
挖掘力的要求：铲斗油缸的挖掘力应与转斗最大挖掘阻力相适应，当斗齿尖处于V1时，斗杆油缸的理论挖掘力应不低于最大挖掘阻力的80% [1，79-80]。 即PD0≥80% PD0max；当处于最大理论挖掘力位置时∠V1QV应为30°几何相容。保证△GFN、△GHN、□HNQK在l3的任意一行程下都不被破坏。
在保证以上两个条件，通过经验公式和同斗容的其它机型的测绘对照，初步选定剩余的基本尺寸如下：
MK = 0.6(m)； MN = 0.64(m)；
NQ = 0.4(m)； FN = l2-NQ = 2.6（m）； GF = 0.8(m)；
由预选∠GFN = 60°
则 GN2 = FN2 + GF2 – 2×COS∠GFN×FN×GF （2-36）
GN = 1.3(m)
至此，工作装置的基本尺寸均已初步确定
2.3特殊工作尺寸
做方案设计时首先要考虑满足对特殊工作尺寸的要求，如果最大挖掘深度，最大挖掘半径，停机面最大挖掘半径，最大卸载高度等等。这些特殊工作尺寸计算式如下
2.3.1最大挖掘深度
当下置式动臂液压缸全缩或者悬挂式动臂液压缸全伸，FQV三点同直线并处于垂直状态下得到最大挖掘深度如图2-19所示

25图2-19最大挖掘深度计算简图
H1max=Yvmin=YFmin－l2－l3 （2-37）
这时Xv=XF。YFmin可由上式求得。取L1=L1min
代入数据得出H1max=5.931m
2.3.2最大卸载高度（图2-20）
当下置式动臂液压缸全伸或者悬挂式动臂液压缸全缩，斗杆液压缸全缩，QV 连线处于垂直状态下时可以求得最大卸载高度。

26图2-20最大卸载高度计算简图
α37=∠CFN－∠QFN－(3.1416－∠FCU)=α21+α32－α8－3.1416 （2-38）
因此Q点坐标为
XQ=XF+L2×cosα37 （2-39）
YQ=YF+L2×sinα37 （2-40）
式中XF 和YF，这时取L=L1max，V点的坐标值
XV=XQ
YV=YVmax=YQ－L3
YV就是最大卸载高度Hmax
代入