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1、1.1设计选题的意义： 挖掘机是土石方工程的主要施工机械，全世界各种施工作业场约有65%70%的土石方工程都是由挖掘机完成的。近年来，国内外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在工程建设和施工行业中占有很重要的位置。液压挖掘机迅速发展的根本原因在于机械本身的优越性、通用性好和操纵轻便，也在于重视试验研究工作和计算机技术的引用挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业与民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等等行业的机械化施工中。据统计，一般工程施工中约有60%的土方量、露天矿山中80%的剥离量和采掘量是用挖掘机完成的。目前，挖掘机的主要种类是履带式挖掘
2、机和轮式挖掘机，履带式挖掘机是目前主流的挖掘机种类，轮式挖掘机主要是应用在小型的挖掘机上，大型挖掘机大多采用履带式，因为挖掘机要面对的作业条件是普通轮胎无法适应的环境，不管是轮式挖掘机还是履带式挖掘机他们都有一个共同点的缺点：那就是他们都只是适应陆地上的作业条件，面对例如堰塞湖等深水环境则束手无策，但是随着我国社会经济建设的发展，未来的挖掘机要面对的的作业环境是多种多样的，尤其是沿河岸浅滩等目前挖掘机无法涉及的恶劣环境，适应水陆两种环境的作业条件是未来挖掘机发展的一大方向，而目前我国在水陆两栖挖掘机的发展上还远远落后于发达国家，要获得性能可靠的水陆两栖挖掘机还要靠进口，这无疑给我国社会经济建设
3、带来负面的影响，所以发展我国自己的水陆两栖挖掘机迫在眉睫，这就是本课题成立的意义所在。1.2.1国外水陆两栖挖掘机的发展动态和研究现状 水陆两用挖掘机绝大多数由美国、日本、德国、法国和俄罗斯等国家生产日本的日立和小松两家公司首先开发出这种挖掘机。日立公司生产的MA 12 5 型水陆两用液压挖掘机是MA-100U型机的换代产品, 最大挖掘半径、最大挖掘深度和最大卸载高度分别增加1.8m 2.32 m和4.5 m ,机重4t,为保持较低比压而将履带宽度增大0.2 m ,接地比压减少0.003 SMPa ,改进后的浮箱外形使接近角圆弧加大, 减少了行走时的推土阻力, 浮箱体积增大65m3 ”,浮力储
4、备增大38% ,提高了水上作业的安全性,上车布置距离增加1.05 m ,有利于上车平衡,减少了配重, 上车宽增加到0.12m，当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。我国己经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号1。由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗液压挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能;应用范围不断扩大，成本不断
5、降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性;电子计算机监测与控制，实现机电一体化;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害。1.2.2国内水陆两栖挖掘机的发展动态和研究现状改革开放给工程机械行业的发展注入了生机与活力。水陆两用挖掘机从8 0年代由引进到自行开研制发展起来.抚顺挖掘机厂于8 0年代初期首先制成WY40-ZR型机,该机以日本MA-10 0 U 为参考机型, 全压自动变量系统,先导操纵、浮箱式履带,可在水中浮航, 能换装反铲、抓斗、拉铲、起重和打桩等工作装置,还可改装成沼泽地运输车江苏省水利机械厂生产的S-LWY一60 A
6、型机在全国最大的山西尊村引黄提水工程中发挥巨大作用(黄河西移时, 用以挖渠引水;引黄上水时, 用以清淤)贵阳矿山机器厂生产的S-LW-Y60型水陆两用机可以自行出入泥沼地与水域的超低比压两栖类挖掘机,能在水中浮航作业江苏金湖水总船厂SLW -Y40型水陆两用机是水利部郑州机械设计研究所为中原油田引黄工程设计的,采用德国引进的道依茨风冷柴油机恒功率双泵双回路液压系统,海德马蒂克公司的液压马达,浮箱式履带行走装置可在松软及浅水域作业,也可在深水中浮航,先导操纵,双座驾驶室,大容量油箱,采用计算机辅助设计,主要参数匹配合理上海建筑机械厂生产的s-LW -Y70 -SL型机也是一种超低比压机型,可在2
7、m 以下水深作业,也可在陆上挖掘,全功率变量液压系统,回转与行走用低速大扭矩液压马达驱动, 能在海水中浮游行走, 转弯自如, 在沼泽地和深淤泥中行走方便, 挖掘可靠。江苏省水利机械厂生产的另一种SLW -Y一60B 型机是一种高性能水陆两用机,采用双泵双回路高压全功率变量系统, 顺序单动和并联相结合的主回路, 工作缸可双泵合流, 空气预压油箱设有温升自动冷却装置、油污染指示信号器及空气压力报警装置, 伺服控制系统操纵省力, 电磁开关可防止误操作,带辅助液压缸的组合式动臂可随时进行大幅度无级调节上、下动臂的夹角,从而获得较大挖掘半径和挖掘深度,提高挖掘质量和生产率, 行走采用变量泵变量马达驱动,
8、有较大牵引力和较高行驶速度, 整机通过性能好。当前液压挖掘机存在的主要问题目前国内及国际上主流的挖掘机种类是液压反铲履带式挖掘机，这种挖掘机主要的作业条件是陆地上，可以挖掘停机面以下的土方工程，也可以装载高于挖掘机的土方，由于结构合理，性能稳定，发展历史较为悠久，是当前世界挖掘机家族数量最为庞大的成员，履带式挖掘机由于本身质量庞大，不能轻易改装成专业的水陆两栖挖掘机，所以需要重新设计专业用于湿地环境的水陆两栖的挖掘机，水陆两栖挖掘机的发展已经有一些成果，目前主要要解决的问题是：1,、水陆两栖挖掘机在水中的浮力与质量的关系，2、水中作业时的机身稳定性，3、水陆两栖挖掘机的涉水泅渡。1.4 本设计
9、的主要内容及目标 1.4.1 设计的主要内容 1、挖掘机工作部分的整体设计 2、挖掘机水上行走装置 3、挖掘机水上作业装置 1.4.2 设计的关键问题 1、挖掘机水上作业时稳定性。 2、挖掘机的水上行走装置。 3、挖掘机整体质量与浮力的关系。1.4.3 设计过程中的已知参数 （设计要求）机重：25 T 铲斗容量：1m3发动机额定功率：106 Kw额定转速：2100 转/分钟液压系统压力：36Mpa流量：2*207 l/min回转速度：12 r/min最大牵引力：195Kn最大行走速度：4km/h爬坡能力：35(70%)最大挖掘力：110 Kn(斗杆) 142 kn(铲斗)平均接地比压：48 K
10、pa2 水陆两栖挖掘机工作部分的总体设计2.1 挖掘机工作部分的传动方式2.1.1 挖掘机传动方式的种类及特点分类：1、 挖掘机根据其工作装置的不同，可适用于不同的工作场所，根据其传动的方式可以分为机械传动式挖掘机和液压传动式挖掘机，2、 液压传动的特点： 液压挖掘机基友挖掘力大、动作平稳、结构简单、可吸收冲击和振动、操纵省力、易实现自动化控制、易实现标准化、通用化、系列化。3、 机械传动的特点： 机械传动挖掘机的主要技术参数是铲斗容量，常据以计算机械生产率和估算运土车辆的车斗大小。此种挖掘机由于重量大、机构性能不能很好地满足作业要求、操纵不轻便，故中小型机已基本上被液压传动挖掘机所取代。2.
11、1.2 挖掘机工作方式的分类及特点根据其工作装置的不同，分为正铲、反铲、拉铲、抓铲4种1、正铲式挖掘机 正铲挖掘机的铲斗铰装于斗杆端部，由动臂支持，其挖掘动作由下向上，斗齿尖轨迹常呈弧线，适于开挖停机面以上的土壤。反铲挖掘机的铲斗也与斗杆铰接，其挖掘动作通常由上向下，斗齿轨迹呈圆弧线，适于开挖停机面以下的土壤。2、反铲式挖掘机反铲挖掘机的铲斗也与斗杆铰接，其挖掘动作通常由上向下，斗齿轨迹呈圆弧线，适于开挖停机面以下的土壤。3、拉铲式挖掘机拉铲挖掘机的铲斗沿动臂下缘移动，动臂置于固定位置时，斗齿尖轨迹呈直线,因而可获得平直的挖掘表面,适于开挖斜坡、边沟或平整场地。4、 抓铲式挖掘机 拉铲挖掘机的
12、铲斗呈畚箕形，斗底前缘装斗齿。工作时,将铲斗向外抛掷于挖掘面上,铲斗齿借斗重切入土中，然后由牵引索拉曳铲斗挖土，挖满后由提升索将斗提起，转台转向卸土点，铲斗翻转卸土。传动方式的选择由于液压传动相对于机械传动具有：调速范围大、可实现无级调速、能得到稳定的低转速，快速作用时液压元件的运动惯量小，可作告诉反转，传动平稳，结构简单，能吸收振动和冲击，操作省力，易实现自动化控制等特点，因而采用液压传动方式。作业形式的选择由于水陆两栖挖掘机要求工作质量较轻，且主要作业对象为停机面以下的土方工程，所以采用反铲式的工作装置。动臂的选择由于水陆两栖挖掘机要求工作质量较轻，且长期工作条件相似，故采用整体式动臂，又
13、因为水陆两栖挖掘机要求拥有较深的挖掘深度，所以采用弯动臂的设计。铲斗结构设计由于水陆两栖挖掘机的作业对象是流动性强的土壤，故要求铲斗转角较大，工作力矩变化小，所以铲斗结构采用六连杆的形式。回转机构的设计挖掘机的回转支承主要有转柱式回转支承和滚动轴承式回转支承，由于转柱式回转支承无法实现360旋转，所以挖掘机平台与行走装置之间滚动轴承式支承，回转盘采用交叉滚柱式轴承结构。回转驱动装置使平台相对于行走装置作回转运动，并带动工作装置绕其回转中心转动。2.3 动臂油缸与铲斗油缸的布置动臂油缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）设在转台回转中心之前并稍高于转台平面3，这样的布置有利于反
14、铲的挖掘深度。油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影响动臂的下降幅度。并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双动臂在结构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足。具体结构如图2-4所示。21 1-动臂； 2=动臂油缸图2-4 动臂油缸铰接示意图挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。根据以上特征，可以对工作装置进行适当简化处理3。则可知单斗液压挖掘机的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的具有三自由度的六杆机构，处理的具体简图如2
15、-2所示。进一步简化得图如2-3所示。 1-铲斗；2-连杆；3-斗杆；4-动臂；5-铲斗油缸；6-斗杆油缸；7、动臂油缸挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，即工作装置的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为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定2。2.6 原始几何参数的确定（1）斗杆与动臂的长度比K1由于所设计的挖机适用性较强，需要较深的挖掘深度，K1取在1.52.0之间，初步选取K1=1.5，即l1/l2=1.5。（2） 铲斗斗容与主参数的选择斗容在任务书中已经给出：q =1 m3按经验公式和比拟法初选：l3=1600mm（3） 工作装置液压系统主参数的初步选择各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化“要求。初选动臂油缸内径D1=170mm，活塞杆的直径d1=100mm。斗杆油缸的内径D2=170mm，活塞杆的直径d2=100mm。铲斗油缸的内径D3=110mm，活塞杆的直径d3=80mm。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程L1=10
