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1、机械原理课程设计题目：正铲液压挖掘机工作装置设计学号：姓名：_班级： 指导教师一、摘要1二、设计题目21-1机构简介21-2设计数据2三、设计内容43-1铲斗运动机构设计43-2工作装置运动分析15四、数据计算及其仿真分析17五、设计总结21六、参考文献22正铲液压挖掘机工作装置设计摘要所谓正铲液压挖掘机，是相对于常见的反铲液压挖掘机而言的。挖掘机要承受复杂的冲击载荷，按传统静态的、经验的方法设计动臂 结构，在施工过程中往往出现强度、刚度不足的情况。而动臂强度、刚度是否满足要求， 全。因此，全面了角军 的应力、应变水平， 率和刚度、强度分布 挖掘机结构具有十将直接影响工作安 动臂在工作过程中
2、了解动臂的振动频 情况，对于我们优化 分重要的作用。本次课程实际是出于优化挖掘机的目的，运用ADAMS对动臂结构进行动 态分析。在文中对液压挖掘机工作装置运动学及受力进行分析，介绍 了挖掘机的作业方式，简要讨论了影响挖掘阻力的几种因素；利用Pro/E建立了挖掘机工作装置的运动模型，并对其进行运动学仿真； 运用ADAMS对挖掘机动臂进行三种典型工况的受力分析，研究其应 力及应变，验证动臂的强度符合设计要求,对动臂进行模态结构分析, 得出其主要振型；实验测试了挖掘机动臂的应力应变及振动情况，并 对实测结果和有限元分析进行了比较。有限元分析以及实际测试结果 验证了动臂结构强度满足设计要求，动臂固有频
3、率和挖掘机工作频率 也不会引起共振现象，最后的研究结果也只是为了验证挖掘机的动力 效果1、设计题目及任务11设计题目简介正铲挖掘机的铲土动作形式。其特点是“前进向上，强制切 土”。正铲挖掘力大，能开挖停机面以上的土，宜用于开挖高度 大于加的干燥基坑，正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要 大一些，其工作装置直接决定 其工作范围和工作能力。1.2设计数据和要求题号铲斗容量挖掘深度挖掘咼度挖掘半径卸载高度C4.03.29.529.067.9113设计任务1、绘制挖掘机工作机构的运动简图，确定机构的自由度，对其驱动油缸在几种 工况下的运动绘制运动线图；2、根据所提供的工作参数，对挖掘机工作机构进行尺
4、度综合，确定工作机构各 个杆件的长度；3、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿 真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。4、编写设计计算说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及 效果分析等。5、在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。2、正铲液压挖掘机工作装置基本组成与工作原理正铲液压挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图所示。 其中上部转台包括动力装置，传动机构的主要部分，回转机构，辅助设备和驾驶 室；工作装置由动臂，斗杆，铲斗和动臂油缸组成，如图所示。1工件芸賈3行定监為圈2. 1蔽压
5、正铲挖据机的購4汨成冒二二液压正曙机.件装価挖掘作业时，操作动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和 铲斗油缸，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，操纵动臂油缸，使铲斗升 高离开挖掘面，在回转马达的驱动下使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲 斗油缸使铲斗转动至合适位置，再回缩铲斗油缸转动铲斗，使斗前，斗后分开卸 载物料。卸载后伸长铲斗油缸使斗前，斗后闭合，讲工作装置转到挖掘地点进行 第二次循环挖掘工作。转移工作场地时，操纵行走马达驱动行走机构。在实际挖掘作业中，由于土质情况,挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同， 工作装置内部动作配合是多样随机的。上述过程仅为一般的理想过程。3
6、、正铲液压挖掘机工作装置结构方案的确定正铲工作装置由动臂，斗杆，铲斗，工作液压缸和连杆机构等组成。动臂是 焊接的箱形结构，由高强度钢板焊成，和反铲相比，正铲动臂较短且是单节的。 动臂下端和转台铰接，油缸为双缸，在布置上动臂的下铰点高于动臂油缸的下铰 点且靠后。这种布置既能保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，以满足挖掘和卸 载的需要，同时也能动臂机构具有必要的提升力矩和闭锁力矩。斗杆也是焊接箱形结构或者是铸造混合结构。斗杆的一端与动臂的上端铰 接，斗杆油缸的两端分别与动臂和斗杆的下端铰接，形成斗杆机构。铲斗铰接在斗杆的端部，铲斗油缸的两端分别与斗杆中部和连杆装置连接， 形成转斗机构，一般为六连杆机
7、构，有时也直接构成四杆机构。本设计中我采用如下结构：下图示是正铲挖掘机工作装置的示意图，采用直动臂、直斗杆形式，铲斗为前卸式。动臂和动臂油缸在转台上的铰点分别为C和A,它们的位置以停机面为X轴，整 机回转中心线为Y轴（图b）的直角坐标值来表示。这台挖掘机的主要工作油缸共 5只，其中动臂油缸两只，置于动臂的两侧；斗杆油缸一只，置于斗杆的中部;铲斗油缸两只，铰于斗杆中部。主要工作油缸的主要参数列于表自由度：F = 3 n 2 P L P H活动构件数11，单铰数13个，复铰1个, 由上可得自由度F=3 X11-2X 15=3液压正铲挖掘机工作装置机构运动学分析1.动臂运动分析动臂CF的位置由动臂油
8、缸AB的长度L决定。L和动臂水平倾角0之间的1 1关系可用下式表示L2 = 12 +12 2l l cos1575 7a + a )1211(2-1)0 = cos -1112 + 12 L25121 1丿7 5 丿+ a a2 11(2-2)从上式看出，a -a对0的影响很大，当动臂和油缸的参数不变时，a -a11 2 1 11 2愈大动臂提升高度愈小。设动臂油缸全缩时动臂倾角为0 ；动臂油缸全伸时动 1min臂倾角为0 ，那么在动臂油缸由全缩到全伸，动臂总的转角为：1m axQ =0 -0(2-3)1 1 max 1 min为了便于运算和比较，仍用无因次比例系数九、p、c表示，即L L l
9、2-4)九=lmax ； p =lmin ； C = 7L ；l ； l1 min55代入式(22)可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值0= cos -1min0= cos -1max2c丿+a -a2 112-5)2C+a -a2 112-6)而动臂总转角为Q = cos -112C- cos -12c丿2-7)动臂油缸伸缩时对 C 点的力臂也在不断变化，由图可知e L = l -1 - sin ZBCA1 17515 + 12 L2 51-2l l丿752-8)l -1.e = -7_ sin arccosT1L1I显然，当AB丄AC时e有最大值，此时e = l，而相应的油缸长度L
10、，为:11 max51此时的动臂倾角为l0 = arccos 亠 + a 一 al 2117若用动臂油缸相对力臂（即上）来表示油缸长为L时的力臂，则e11maxe1e1maxl . (12 + 12 一 L= -sm arccos LiI521 1752-9)斗杆运动分析斗杆FQ的位置由动臂CF和斗杆油缸DE的长度L所决定。但是动臂的位置2随动臂油缸的伸缩而变化，为了便于分析斗杆油缸对头杆位置的影响，假定动臂 不动，那么斗杆铰点F以及斗杆油缸在动臂上的铰点D就可以看作为固定基座。L 与斗杆、动臂夹角0 之间的关系为222-10)L2 = 12 +12 - 2 x 1 x 1 cosG + a
11、- a )2 8 9 8 9 2 4 30 = arccos212 +12 一 L2892(2 -1 -189设斗杆油缸全缩时动臂与头杆的夹角为0一 a + a432-11)2 m in，全伸时为 02 m ax，那么当油缸由全缩到全伸时斗杆总的转角为2-12)9=0022 max2 min斗杆油缸的作用力臂e也是可变值。2e L 二 l l sin ZDFE2 2 8 9l I .l2 +12 L2e = -8_ sin(ar csc os-892)(2-13)2 L2l l289当EF丄DE时e有最大值，即e = l，这时相应的油缸长度L为2292L =、l 2 -122 89相应的斗杆转
12、角为l2-14)=arccos 亠 + a 一 al 348来表示L时的力臂，则2用斗杆油缸相对力臂值（即厶e2 maxe I .l2 +12 L2= 4Sin(ar csc os-892)(2-15)e L2 l l2 max28 9综上所述，动臂倾角9、力臂e和上都是L的参数。11 e11max4、正铲液压挖掘机特殊位置工作情况分析下图为正铲挖掘机作业范围图，以下为几种特殊工作位置的分析 与计算(1) 最大挖掘半径当处于最大挖掘半径时，转角2为最大值，C, Q, F处于同一水平位置，此时有：Jjinaidd :iijkL44max最大挖掘半径时挖掘高度为：(2) 最大挖掘高度最大挖掘高度时
13、，动臂油缸和斗杆油缸都处于全伸状态，转角1和转角2达到最大值，如下：H = Z44max sin(l - 口)+ L3 + Yc在实际工作中，铲斗可能无法达到竖直向上状态，也就是说实际最大挖掘 高度比理论挖掘高度小，此时需要根据实际的铲斗转角值来计算最大挖掘高度。(3) 最大卸载高度最大卸载高度与最大挖掘高度相似，同样是动臂与转斗的油缸全伸，转角 1和转角2达到最大值，不同的是铲斗竖直向下，如图：H44喰血)+星一 E3利用最大卸载高度和最大挖掘高度，我们可以计算出转斗半径大小。(4) 最大挖掘深度挖掘机处于此位置时，动臂油缸全缩，斗杆油缸收缩使斗杆竖直向下，同时 铲斗油缸收缩使铲斗竖直向下，
14、如图所示：H2 = LU0 + Yc-L2-L3(5) 停机面上最大挖掘半径这是指斗齿靠在地面上，斗杆全伸斗底平面与停机平面平行的情况。此时,QV线与地面交成b角，根据定义可以知道：=XC+ 44niax cos a + L3 cos h5、正铲液压挖掘机工作装置相关尺寸计算现在从动臂与转台铰点A出发，建立相关数学模型，并由已知条件求解。以地面为横坐标，以回转中心线为纵坐标建立模型。(1 )各杆件长度铰点C位置的确定一般情况下，较座都在转台中心的前方，即】，设计时. 可用 类比法或经验公式法选取，在此基础上推荐以履带轴距L为基准：L =(2.3 - 2 .7 ) 3 jq = 3 .65- 4 .29q为铲斗容量，L取4.2 m。以L为基准，通过公式得：动臂长度 L1=(0.98-1.1)L=4.6m斗杆长度 L2二(0.7-0.95) L=4.0m铲斗长度 L3= (0.38-0.5) L=1
