单斗挖掘机工作装置的设计与计算.pdf

摘要单斗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。挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关重要。挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的 分析是关键点。在挖掘力分析基础上，可对各杆件较接点进行力的分析计算，并进行机构 设计的合理性分析。关键词 单斗挖掘机；反铲装置；运动分析；力学分析；强度校核IAbstractSingle bucket excavator is an important engineering machinery,widely used in housing construction,road construction,water conservancy,agriculture and forestry development,port construction,national defense fortifications,such as the construction of earth and stone mining and extractive industries,to reduce the heavy manual work,Ensure project quality and accelerate the construction speed,raising labor productivity played a huge role.With the economic construction of the country continues to develop,the demand for single bucket excavators will be substantial growth year after year,its role in the construction of the national economy will become more significant.Backhoe device as a single bucket excavator working device as a major form of the project occupies an important position in practice.Backhoe installation of the components of a variety of different shape,according to the design requirements for the selection of its structure and motion analysis for.Then,to meet the requirements of the sports organizations on the basis of the parameters of the agencies,identified the agencies size parameters,determined excavator backhoe devices basic contours.Mining and mining of the resistance is a measure of performance parameters of the excavator important performance indicators,analysis and calculation of its crucial.Mining and mining the main targets of resistance and self-size parameters,and the excavation of the conditions are subject to numerous restrictions,dangerous working conditions analysis is the key point.Analysis of the excavation on the basis of the bar can be hinged on the point of the analysis,design agencies and the rational analysis.Keywords：single bucket excavator backhoe device motion analysis mechanical analysis Strength Check目录1 1 匕.11.1 单斗液压挖掘机的种类特点.11.2 挖掘机的发展概况.11.3国外挖掘机研究现状与发展动态.11.4 液压挖掘机的发展方向.31.5 本课题的研究目的及意义.31.6 主要研究对象及内容.42单斗液压挖掘机反铲装置的运动学分析.52.1 单斗液压挖掘机反铲装置的结构及工作特点.52.1.1 单斗液压挖掘机反铲装置的结构组成.52.1.2 单斗液压挖掘机反铲装置的工作特点.52.2反铲装置的设计原则.62.3反铲装置的方案选择.72.4反铲装置各机构的运动分析.82.4.1 动臂机构的运动分析.92.4.2 斗杆机构的运动分析.102.4.3 铲斗机构的运动分析.113单斗液压挖掘机的动力学分析.123.1挖掘阻力的分析.133.1.1转斗挖掘阻力的分析.133.2挖掘力的分析.153.2.1挖掘的概念.153.2.2挖掘力的计算.164铲斗及单斗液压挖掘机反铲装置各机构尺寸的确定.254.1铲斗参数的确定.254.1.1 铲斗结构设计的基本要求.254.1.2 铲斗主要参数的确定.254.2动臂机构参数的确定.264.3斗杆机构参数的确定.274.4铲斗机构参数的确定.294.4.1铲斗的转角范围.294.4.2铲斗机构的载荷分析.294.4.3铲斗机构结构布置的几何可容性要求.315工作装置的载荷分析和强度计算.325.1工况姿态的选取.325.1.1停机面最大挖掘半径（工况一）.325.1.2最深挖掘位置（工况二）.335.1.3动臂斗杆最大受力位置（工况三）.335.2 动臂各校点处受力分析.345.2.1斗杆各校点的受力分析.345.2.2动臂各校点的受力分析.365.3 许用应力和其它问题.365.4 设计合理性分析.37结论.39致谢.40参考文献.41附录.42附录1.42Electro-hydraulic drum brakes.491绪论1.1 单斗液压挖掘机的种类特点挖掘机的类型和构造型式很多，可按照挖掘工作原理、用途、构造特征等进行划分。按照挖掘机的作业过程，可分成周期作业式和连续作业式两类；按照用途，单斗挖掘机分 为建筑型、采矿型和剥离型等；按照动力装置，挖掘机有电驱动、内燃机驱动和复合驱动 等；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。单斗挖掘机工作装置的型式很多，对液压传动的挖掘机来说，常用的基本型式有反铲、正铲、抓斗、装载和起重装置等，本文研究的是单斗反铲液压挖掘机。单斗反铲液压挖掘 机是一种采用液压传动并且以一个反铲斗进行挖掘作业的机械，它是在机械传动单斗挖掘 机的基础上发展起来的，是目前挖掘机械中最重要的机种之一。反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置，主要应用于挖掘停机面以下的土壤（基 坑、壕沟等），其作业过程是以铲斗的切削刃（通常装有斗齿）切削土壤并将土装入斗内；斗装满后提升，回转到卸土位置进行卸土；卸完后铲斗再转回到原位置并下降到挖掘面进 行下次挖掘；当挖完一段上后，机械移位，以便继续工作。1.2 挖掘机的发展概况挖掘机械的最早雏形，远在十六世纪于意大利威尼斯用于运河的疏浚工作。随着工业 发展，科学技术的进步，单斗挖掘机也由于新技术、新工艺的采用而不断地发展改进，但它 的基本工作原理至今未变。动力装置以及控制方式的不断革新，基本上反映了挖掘机发展 的以下几个阶段：1、蒸汽机驱动的挖掘机，从发明到广泛应用，大约经历了 100年。当时主要用于开 挖运河和修建铁路。结构型式由轨道行走的半回转式，发展到履带行走的全回转式。2、挖掘机传动型式的液压化，是挖掘机由机械传动型式的传统结构发展到现代结构 的一次跃进。随着液压传动技术的迅速发展，四十年代至五十年代初挖掘机开始应用于液 压传动，并且由半液压发展到全液压传动。产量日益增长，六十年代初期液压挖掘机产量 占挖掘机总产量的15%,发展到七十年代初期占总产量90%左右，近年来，西欧市场出售 的挖掘机几乎己全部采用液压传动。与此同时，斗轮挖掘机、轮斗挖沟机等工作装置和臂 架升降等部分也采用了液压传动。大型矿用挖掘机在基本传动型式不变的情况下，其工作 装置也改为液压驱动。3、控制方式的不断革新，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制，无线电遥控。最近又出现了电子计算机综合程序控制，控制人 员可在远离施工现场的集中控制室内通过工业电视监视数台挖掘机工作。1.3 国外挖掘机研究现状与发展动态挖掘机在技术发展的阶段上经历了三次飞跃。第一次是柴油机的出现，使挖掘机有了 较理想的动力装置；第二次是液压技术的广泛应用，使挖掘机有了较理想的控制系统；第 三次是机电液一体化、智能化技术的应用，使挖掘机面貌焕然一新。挖掘机具有挖掘、装 载、卸载和整机移动等功能，可连续高效地工作。据统计，各种土方作业中约有65%-70%的土方量是由挖掘机来完成的。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微 型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。主要发展方向是采用遥控及微机控制的自 动化技术，整个机组具有以下主要特点：功率增大；独立作业性强；配件标准化；能降低 噪声、振动。同时，随着计算机技术和数值分析方法的发展，有限元方法在机械结构分析 中得到广泛应用，取得了令人瞩目的成果。有限元分析法已成为现代机械产品设计的一个 重要工具。资料文献检索发现，国外不论在挖掘机的整机还是部件的设计上都有比较成熟 的技术。国外挖掘机生产企业，利用有限元与优化设计相结合进行结构的形状优化。它使 液压挖掘机的设计从经验的、静止的、随意性较大的传统设计逐步发展到自动化程度高，设计周期短，设计方案优越，计算精度高的现代化设计。我国从1958年开始研制液压挖掘机，逐步形成了中小型液压挖掘机系列。然而在液 压挖掘机机电一体化进程中，我国远远落后于技术先进国家。我国液压挖掘机工业在1983 年以后采用引进技术进行生产的方法，加快了液压挖掘机的发展，这种引进技术的方式，是在较高的起点上，在较短的时间内，用较少的资金提高技术水平，促进技术进步的捷径。计算机技术在液压挖掘机产品开发、研制中的作用愈来愈大。但是由于受客观条件的 限制，在产品设计制造中大多采用传统的方法和理论。引进挖掘机技术时，只注意了整机 技术，将有限元分析方法应用到挖掘机动臂结构动态设计、分析及优化还不是很多，往往 都是静态分析，特别是通过完整的试验进行验证就更少。现在国内外正在通过动力学研究的设法提高产品的设计质量，以求在根本上保证产品 的动强度和可靠性，另外振动和噪声被认为是工程机械作业时的两大公害，随着动臂强度 要求越来越高，机械重量如何减轻也显得越来越重要，因此对挖掘机动臂进行结构的动态 分析、试验验证以及进一步优化，显得越来越迫切。挖掘机的有限元分析是伴随着有限元 理论和有限元软件的广泛应用而迅速发展起来的，特别是自20世纪八十年代以来，随着 国外几种商用有限元软件进入我国，挖掘机有限元分析的研究己初具规模。在众多有限元 软件中，比较可靠的有国外的ANSYS,NASTRAN,MOCAL,ALGOR等，国内真正通 用的还几乎没有，所能做到的只是一些用于某种单元或是某个机构的有限元分析。目前，利用有限元软件对挖掘机进行分析，其所做的工作可以归纳为以下几个方面：1、工作装置的运动分析对工作装置的运动分析，关系到挖掘机的力学分析，是其它分析与设计（如控制）的基 础。这方面的研究成果很多，理论基础也比较成熟。2、有限元的分析自国外几家大型有限元软件在我国投放以来，有限元分析在很多领域得到应用。其中 有很多是挖掘机的有限元分析。一般来说，这类分析主要集中在对某些部件的研究上。对 2整体机构进行有限元分析既可以提高我国设计能力和设计水平，反过来又可以利用有限元 分析来解决挖掘机在使用中出现的问题。总之，由于有限元单元法在我国应用比较晚，且主要集中在力学领域，因此对挖掘机 的有限元分析还存在一定的局限性。可以预见，随着大型和超大型挖掘机的不断涌现，合 理地设计各构件更加重要。同Pro/Mechanica分析软件相比，绝大部分有限元分析软件（如 ANSYS分析软件）的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过IGES格式或者STE P格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费 大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。而利用Pro/Mechanica进行分析，恰好可以 克服上述缺点，Pro/Mechanica作为Pro/Engineer集成模块，是设计机构运动和进行有限元 计算强有力的工具。且实践证明其分析的结果也较精确，完全可以满足工程设计的需要。1.4 液压挖掘机的发展方向单斗液压挖掘机的研制和改进主要的发展方向在于：1、发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效功，其中包括动力装 置与液压传动的最佳匹配，提高传动效率，能量回收，高效液压系统的研究等；2、铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作 能力的重要指标，目前通过优化程序实现工作装置较点最佳布置，采用高压与超高压技术,提高整机稳定性等方面进行研究；3、缩短工作循环周期，提高机械生产率，包括整机性能研究（作业循环、回转和行走 性能的研究），发展专用机械和工作装置以及机械大型化和小型化等；4、机械可靠性研究，是各国十分重视的一项内容，关键在于设计的合理化和材料工 艺的研究，包括摩擦磨损机理的研究和新材料的应用，在试验手段方面，进行挖掘机整机 和液压传动的快速试验研究，以及结构件快速疲劳试验和寿命预测的研究等；5、司机室安全舒适性以及维护保养的方便性对挖掘机的有效利用有极大影响，从人 体生理学和环境工程的观点来研究操作舒适性和振动噪音对司机和环境的影响，以及控制 空气的污染等，各国已做了大量工作，国内也逐渐予以注意。1.5 本课题的研究目的及意义中国国土面积大，各项建设事业正处于蓬勃发展过程中，对挖掘机的需求量大。世界 上工业发达国家著名的挖掘机制造商几乎全部进入中国，不少国有和民营企业也看好中国 的挖掘机市场，纷纷进入挖掘机行业，进行挖掘机产品的生产和开发，而且产品的产量随 着市场的需求量的提高而不断增长。中国已成为世界最大的挖掘机市场，正在成为世界挖掘机的制造中心。但是必须注意,中国目前虽然已成为挖掘机需求和生产的大国，但决不是强国。国际水平的研发中心不在 中国，挖掘机关键配套零部件也不在中国。在挖掘机关键的核心技术研究与掌握方面，国 3内企业与国外企业差距很大，特别是国内企业在挖掘机的基础理论研究方面投入的人力、财力严重不足。这些年来，我们取得了长足的进步，大大缩小了与国外先进技术的差距，但如果今后技术创新（包括设计技术和制造技术等方面上稍有懈怠，与国外先进技术的差距 仍然会拉大，因此可以说今后国内挖掘机企业的任务仍然十分艰巨。由于历史的原因，原 本的国有挖掘机企业因为人才流失，资金不足，技术不高，造成自主研发能力不高，设计 方法落后；而改革开放后的合资企业和外资企业，只是根据国外的设计图纸进行批量生产,基本不进行设计，所以中国的挖掘机设计手段比较落后，常常凭借经验进行设计制造，造 成生产的挖掘机存在一些缺陷，在二包期间常出现故障，做不到等寿命设计，对厂商和买 家造成不小的经济损失。以往液压挖掘机的新产品开发过程是前期设计完成后，进行样机试制，然后经过现场 挖掘试验或强度测试，若发现问题一改进一再试验一再修改，复修改直到满足设计要求后,再批量投产。这种开发过程的周期长、风险大、成本高、上市慢，限制了企业的市场竞争 力。目前国内企业在设计挖掘机时仍以测绘类比为主，强度计算仍采用材料力学方法，对 挖掘机结构件应力分布情况缺乏定量的了解。并且，挖掘机作业外载荷又复杂多变，传统 的材料力学方法难以满足设计上的需要。所以非常有必要将现代设计方法和有限元方法应 用于挖掘机工作装置的结构设计和性能分析，以提高挖掘机工作装置的可靠性，对结构进 行优化、减轻工作装置重量、提高工作效率、减少能耗，从而提高挖掘机生产企业的设计 水平和自主开发能力。1.6 主要研究对象及内容1、根据液压挖掘机的工作条件及设计参数要求，参考挖掘机的设计资料及国内外各 液压挖掘机生产厂家的产品，选定液压挖掘机反铲装置的设计方案。2、在了解液压挖掘机反铲装置工作原理和方案选择的基础上，用几何法分别对动臂 机构、斗杆机构和铲斗机构做动力学分析。3、在定性分析的基础上，用解析法对反铲装置各机构的尺寸作了定量计算，为作图 提供了尺寸依据，也为进一步用计算机编程及计算机辅助设计提供了数学模型。4、对反铲装置的挖掘力及挖掘阻力进行了分析计算，并着重分析计算了挖掘机复合 挖掘时最大挖掘力实现的各种限制条件。5、对各机构的杆件及较点进行了受力分析。42单斗液压挖掘机反铲装置的运动学分析2.1 单斗液压挖掘机反铲装置的结构及工作特点液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃（通常装有斗齿）切削土壤并将土装入斗内。斗 装满后提升，回转到卸土位置进行卸土。卸完后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘。当挖完一段土后，机械移位，以便继续 工作。2.1.1 单斗液压挖掘机反铲装置 的结构组成液压挖掘机为了实现上述周期性 作业动作的完成,装备有下列基本组成 部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动操作机构，行走装置和辅助设备。本文主要对工作装置的反铲装置进行 分析。反铲装置是中小型液压挖掘机的 主要工作装置。目前广泛应用的斗容量 在1.6/?以下。它由斗杆油缸1、斗杆 2、动臂3、铲斗油缸4、动臂油缸5、摇杆6、连杆7和铲斗8组成（图2-1）,其构造特点是各部件之间的联系全部 采用钱接，动臂下较点较接在转台上，利用动臂油缸的伸缩，使动臂绕动臂下 校点转动，依靠斗杆油缸使斗杆绕动臂的 上钦点摆动。而铲斗较接于斗杆前端，并通过铲斗油缸和连杆使铲斗绕斗杆前较点转动。为增大铲斗转角，通常以连杆机构与铲斗连接。从而通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的 各种动作。2.1.2 单斗液压挖掘机反铲装置的工作特点液压挖掘机的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 定于油缸的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。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 的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时铲斗的挖掘轨迹系以动臂下钱点为中心，斗齿至该校 点的距离为半径所作的圆弧线。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，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角（动臂与水平线之夹角），也即决定于动图2-1反铲装置结构简图5臂油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长而且由于稳定条件限制挖掘力的发挥，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，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的长 度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗杆油缸进行挖掘工作时,可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。在较坚硬的土质条件下工作时,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，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧线的 包角及弧长决定于铲斗油缸的行程。显然，以铲斗油缸工作进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土 壤。所以一般挖掘机的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，挖掘较松软的土壤以提高生产率。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的联 合工作。如当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时,则需采用动臂与斗杆两种 油缸的同时工作，当挖掘坑底，挖掘行程将结束为加 速将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变铲斗切削角 等情况下，则要求采用斗杆与铲斗油缸同时工作。虽 然此时挖掘机的挖掘轨迹是由相应油缸分别工作时 的轨迹组合而成。显然，这种动作能够实现还决定于 液压系统的设计。当反铲装置的结构形式及结构尺寸己定时（包括 动臂、斗杆、铲斗尺寸、较点位置，相对的允许转角 或各油缸的行程等），即可用作图法求得挖掘机挖掘 轨迹的包络图，即挖掘机在任一正常工作位置时所 图22反铲挖掘工作示意图控制到的工作范围上各控制尺寸即液压挖掘机的工作尺寸。对于反铲装置图2-2反铲装置 工作示意图。主要的工作尺寸为最大挖掘深度和最大挖掘半径。包络图中可能有部分区间靠近甚至 深入到挖掘机停机点底下，这一范围的土壤虽可挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响机械 的稳定和安全工作，除有条件的挖沟作业外一般不使用。挖掘机反铲装置的最大的挖掘力 决定于液压系统的工作压力、油缸尺寸，以及各油缸间作用力之影响（斗杆、动臂油缸的闭 锁压力及力臂）外，还决定于整机的稳定和地面附着情况。因此反铲装置不可能在任何位置 都能发挥最大挖掘力。2.2反铲装置的设计原则61、主要工作尺寸及作业范围的要求，在设计时应考虑与同类型相比时的 先进性，性能与主参数应符合国家标准之规定。2、满足整机挖掘力大小及分布情况的要求3、功率利用情况好，理论工作循环时间短。4、确定各个校点布置，结构形状应尽可能使受力状态有利，在保证刚度 和强度的前提下，重量越轻越好。5、应考虑到通用性和稳定性。6、运输或停放时应有合理的姿态。7、液压缸设计应考虑三化，采用系列参数。8、工作装置应安全可靠，拆装方便。9、满足特殊使用要求。2.3反铲装置的方案选择反铲方案选择的主要依据是设计任务书规定的使用要求，据以决定工作装置是通用还 是专用的。以反铲为主的通用装置应保证反铲使用要求，并照顾到其它装置的性能，专用 装置应根据作业条件决定结构方案，在满足主要作业条件要求的同时照顾其它条件下的性 能。反铲装量总体方案的选择包括以下方面：1、动臂及动臂液压缸的布置确定用组合式或整体式动臂，以及组合式动臂的组合方式或整体式动臂的形状，动臂液 压缸的布置为悬挂式或是下置式。2、斗杆及斗杆液压缸的布置确定用整体式或组合式布置，以及组合式斗杆的组合方式或整体式斗杆是否采用变钱 点调节。3、确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数&对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度比可在很大范围内选择。一般当 2时（有的反铲取（3）称为长动臂短斗杆方案，当VI.5时属于短动臂长斗杆方案。g 在1.52之间称为中间比例方案。要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例方案。相反当用 配套替换构件或可调链接来适应不同作业条件时，不同的配置或较点连接情况可组成各种 比例方案。在使用条件单一，作业对象明确的条件下采用整体动臂和斗杆固定较接，（值 由作业条件确定。从作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下，K/直越大作 业范围愈窄。从挖掘方式看&值大宜用斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而（值小宜 用转斗挖掘为主。从挖掘轨迹看，&值小易得到接近于直线的运动轨迹，因而它用于平整 和清理作业，在挖掘窄而深的沟渠或基坑时挖掘轨迹也较易控制，向挖掘质量和装卸效率 比抓高。从结构强度看，（值大结构重心离机体近。74、确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数，并考虑铲斗连杆机构传动比是否需要 调节。5、根据液压系统工作压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件和三化要术等 确定各液压缸缸数、缸径、全伸长度与全纳长度之比4。考虑到结构尺寸、运动余量、稳 定性和构件运动幅度等因素一般取4=1 6I.7,个别情况下因动臂摆角和钱点布置要求 可以取 75。取 4=1.61.7,4=1.51.7o2.4反铲装置各机构的运动分析反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度乙、斗杆液压缸的长度人和铲斗液压缸 的长度右。显然，当乙、乙和七为某一组确定值时反铲装置就相应处于某一确定的几何 位置。如图(24)设计平面直角坐标系，使X轴与地平面重合，丫轴与挖掘机回转中心重 合。则斗齿尖V所在的X坐标值均就表示挖掘半径，丫坐标值及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L,、4和乙为一组定值时只有一组羽和从值 与其对应，反之对于X,和%的一组定值却有许多组乙、4和4值与其相应。图2-3挖掘机实物图(现代)图2-4挖掘机反铲装置结构计算简图82.4.1 动臂机构的运动分析动臂摆角ZUCF是动臂油缸L.的函数。动臂上任意一点在任一时刻的置坐标也都是右的函数。1、动臂的摆角NUCF和F点瞬时位置坐标（图2-5）：图2-5动臂机构计算简图X因为其中NUCF=AACB-AACU-NBCFZACU=anl；+/；2、2xl x l,/BCF=arccosZAC5=arccos-arccosg+hmax 2x/7 x/5,2x/7x/5故ZUCF=arccosF点坐标方程为：，/2/2_/2 A7 k*_arccosI 2xZ7x/5 J勺2/2_/2 A7 k m arccos(/2+/2-/2、“8 十9 2 max(f+_/2、ZMQK=ar c c o s 十 加、2 x 院 x Z24,ZNMQ=7i-ZMNQ-ZNQK(l2+产 _/2 AZKMQ=arccos-2 x Z26 x Z29,ZMKQ=-(ZMKQ+ZKMQ)S3=0.5 x(3+Z15+L3)r _ 2 义 d$3*($3-/於卜-3-5-力-G_1-X.qxj sin+ZGNM)x/24 x sin ZMKQI 弓 x 4 Z3 x sin ZNMK显然i是铲斗油缸右的一元函数。用411m代入上式可得初传力比，0,用Amax代入上式则得终 传力比修。为了求得心x时对应的4,在理论上可以求力/4=，解得然后代入上式 求得京。2、铲斗相对于斗杆的摆角ZUQV和各点的瞬时位置坐标铲斗相对于斗杆的摆角ZUQVZKQV=arccosf l2+广/2)“23 丁”4，25、2X/3 X/24 1Z.UQN=arccos 21 JZUQM=ZUQN-ZMQNZUQV=2-(/UQN-ZMQN-ZKQV)(2)各点瞬时位置坐标Q点坐标CQ=+/22-2 x/,x/2 x cos ZCFQ(C22+/i-Zp1 2x/|XCQ)ZUCQ=ZUCF-ZQCFXq=Xc+CQxcosZUCQYQ=Yc+CQxsinZUCQM点坐标K点坐标Xm=Xq+l26x cos ZUQMYQ=YQ+l26x sin ZUQMZUQK=ZUQN-a24-a26V点坐标X=Xn+心 xcos/UQK K Q 24 Yk=YQ+l24xsinZUQKXv=Xq+13xcosZUQVYv=YQ+l3xsinZUQV利用V点的坐标式可以算出当油缸长度4、右和右为任意一组值时斗齿尖的位置坐标。3单斗液压挖掘机的动力学分析123.1 挖掘阻力的分析反铲装置工作时，即可用铲斗油缸挖掘（简称转斗挖掘），也可用斗杆油缸挖掘（简 称斗杆挖掘），或做复合动作挖掘。3.1.1 转斗挖掘阻力的分析转斗挖掘时，土壤切削力随挖掘深度改变而有明显变化，经实验转斗挖掘时的切削阻 力与切削深度基本上成正比。但总的来说，前半过程切削阻力较后半过程高，因前半过程 的切削角不利，产生了较大的切削阻力。切削阻力的切向分力与土壤硬度、转斗切削半径、挖掘过程中铲斗总转角、铲斗转角切削刃宽度、切削角、斗侧壁厚度和切削刃挤压土壤的 力有关。转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算，也把半月形切削断面看作 相等面积的条形断面，条形断面的长度可看作成斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均 值。一般所谓平均阻力是指装满铲斗的全过程阻力平均值，国外有试验认为平均挖掘阻力 的80%。转斗挖掘时，挖掘阻力的切向分力可表示为：1.35RI maxCOS(%ax-BAZX+D式中：C表示土壤硬度的系数，对n级土宜取C=5080,对ni级土宜取C=90-150,对IV级土宜取C=160320；R铲斗与斗杆较点至斗齿尖距离，即转斗切削半径，R=4,单位为cm；一挖掘过程中铲斗总转角的一半；（P铲斗瞬时转角；B切削刃宽度影响系数，8=1+2.60,其中b为铲斗平均宽度；A切削角变化影响系数，取A=l.3;Z带有斗齿的系数,Z=0.75（无斗齿时，Z=l）；X-斗侧壁厚度影响系数，X=l+0.03s,其中s为侧壁厚度，单位为cm,初步设计时可取X=L15；D切削刃挤压土壤的力，根据斗容量大小在D=1000017000N范围内选取。当斗 容量q0；反之小于0。在上式 中只求出了 40的大小，其方向须进一步加以判断；点C、Q、V的坐标与任一工况的各油 缸的长度对应，且法向力总是由V指向Q的，根据这些条件即可以确定4的正负。图3-3法向力相对于C点的力臂方向判断简图如图(3-3)所示，。、。、。广和V、V；匕、匕分别为不同工况下，工作装置上较 点，它们确定了两条直线/(力和力(力。当点C位于铲斗与斗杆连接的较点Q和斗齿尖V连线的上方(如图(3-4)中的直线 f(x),当它们分别与图中的Q、V位置重合时，此时的法向挖掘力加对C点的力臂为负;反之当它们分别与图中的Q、位置重合时，法向挖掘力耳析对C点的力臂为正。同理，若C位于直线工()的下方，当较点Q和斗齿尖V分别与图中的2和匕位置重合时，法向 挖掘力反对C点的力臂为正；然而当它们分别与图中的Q；和匕位置重合时，法向挖掘力 几，对C点的力臂为负。对于任一工况，Q(Xq,均)和YXy,1；)都是定值，从而可以得到它们所在直线的方程：%)=:Q-xQ+a大Q“综上所述，可以得到4。的大小及方向判断方法：18a、当之一第力时4o=lc v x sin CVQ,(X。)4o=%x sin/CVQ，其它b、当/Xy)40=-lc v x sin ZCVQ,其它2、r和”分别对斗杆与动臂连接较点F的力臂出和乙。的计算；如图(32)所示，以三角形FQV为研究对象洞理取逆时针方向的力矩为正，假设切向 和法向挖掘力的正向为图示方向，这样就很容易判断d2和d20的正负。其表达式为：“2=.X CO S+IqvJ20=lFV x sin ZFVQ,(3 Xv)Zo=1tv x sin Z.TVQ,其它b、当匕时dw=-lc vxsinZTVQ,(XqxJZo=/7Vx sin/7V。，其它4、和“分别对后倾点I的力臂为4,、幺0的计算；以三角形AIQV为研究对象，山于后倾点I和动臂根部C点以及前倾点T均为固定点,因此久、痣。的求解方式与4、4。基本相同，取顺时针方向的力矩为正，同理可确定义、痣。的方向。d5=-llv x cos ZIVQ,19%的大小及方向判断如下：a、当匕2/区)时:醺=TX sin ZIVQ,d50=llv xsin ZIVQ,b、当!;xj其它(x0 xj其它当液压挖掘机工作装置处于任一挖掘位置进行挖掘时，各油缸的长度都确定了，其工 作装置上任一点的位置也固定。以上各推导过程的表达式中的所有的长度和角度都可以通 过两点间距离公式和反三角函数求出。这样就能应用计算机软件编程求解工作装置处于任 一工况下复合挖掘力对各校点的力臂和当量作用力臂，为下一步计算打下了基础。3.2.2.2计算切向挖掘力心,及复合七对1、动臂液压缸闭锁力所限制的切向挖掘分力丹心如图(34)所示，取整个工作装置为隔离体。工作装置处于不同的挖掘位置时复合挖 掘力对C点的当量作用力臂A的大小和方向也随之不断变化。以下分别按心0和。c0。本文也按以下a、b两种情况确定七.(5)的值。a.、当 DrW0 时此时无论耳5)取多大的正值液压挖掘机都不会出现整机前倾的情况，为了便于判断，在 这种情况下本文取：QIb、.当&()时由前倾支点T的力矩平衡方程得：6GsxR.rs x/e./7!)=-片-式中：,Gs机体重量；RtsG5对T点的作用力臂：G。-动臂油缸重量；RTi(i=06)G,(i=06)的重心至T点的水平距离，即作用力臂;6、整机后前倾稳定性所限制的切向挖掘分力量(6)；7(6)的计算方法和9(5)基本相同，如图(37)所示。23a.当g WO时，此时挖掘机不会出现后倾现象，此时取：%(6)=8b.当。/0 时：由前倾支点I的力矩平衡方程得：Qg 岛九二-六式中：RISGs对1点的作用力臂；Rri(i=06)G,(i=0 6)的重心至I点的水平距离，即作用力臂；3.2.2.3整机理论复合挖掘力的计算整机所能实现的理论复合挖掘力的切向分力为：%=min*(i=l 6)；复合挖掘力为：Fw=+min FWt(z=1 6)这样就求出了按照铲斗主动挖掘，斗杆复合动作的挖掘方式下的整机理论复合挖掘 力。挖掘方式二复合挖掘力的计算方法与上相同，在此不作说明。244铲斗及单斗液压挖掘机反铲装置各机构尺寸的确定4.1 铲斗参数的确定4.1.1铲斗结构设计的基本要求1、有利于物料的自由流动。因此，铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵 向剖面形状要适合各种物料的运动规律。2、要使物料易于卸净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。3、为使装进铲斗的物料不易掉出，斗宽与物料直径之比应不大于4：1.4、装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘比压，以便切人或破碎阻力较大 的物料。挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。对斗齿的材料、形状、安装结构及其 尺寸参数的基本要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。4.1.2铲斗主要参数的确定当铲斗容量q一定时，切削转角20,切削半径时和切削宽度b之间存在一定的关系,即具有尺寸时和b的铲斗转过2。角度所切下的土壤刚好装满铲斗，于是斗容量可按下式 计算：1 q=工 R*(2(p _ 优式中：ks铲斗充满系数；Ks土壤松散系数。铲斗挖掘由体积土壤所消耗的能量称为切削能容量。反铲铲斗的主要参数，即平均 铲斗宽度b,切削转角2。和切削半径时对转斗底切削能容量有直接影响，可用下式表示:Z.2、2000,sine-cose-1.5sin29+2cos(pE-2攵,-F 1(J()adk3-b-2(p-sn2(p-2(z?-sin 2(p/式中：E铲斗切削能容量，N m/m h考虑切削过程中其他影响因素的系数；k2具有应力因次的系数，在铲斗容量q=0.151疝时，取丁=1.5；k.具有容积质量因次的系数，在铲斗容量q=0.15时，取幻=0.07。显然，在设计铲斗时，在满足铲斗容量q的条件下，应使铲斗切削能容量E最小。由 上式可以看出，减小。角，增大铲斗宽度b和切削半径时能够减低E,但受铲斗结构的限 制，一般取：匕二(1.0L4函25式中:q铲斗容量，m3；b-铲斗平均宽度，mo考虑到铲斗切削入土和出土的余量，一般取20140。同时考虑到转斗速度一定时，转斗角度太大会增加挖掘阻力，降低生产力，因此一般取2。=90110。在确定铲斗宽度 b和转角角度后，即可导出切削半径：r=I 2q值d b(l(p-sin 2(j9)ks式