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1、挖掘机挖掘机构设计挖掘机挖掘机构设计1绪论1.1液压挖掘机的工作特点和基本类型1.1.1 液压挖掘机的特点液压挖掘机由于采用了液压传动装置而使其在结构、技术性能和使用效果等方面与机械传动的单斗挖掘机相比具有很多特点，其优点综合叙述如下：1.技术性能提高，工作装置品种扩大.单斗液压挖掘机与同级机重的机械挖掘机相比挖掘力约提高一倍，液压挖掘机最大挖掘力可达机重的1/2，而机械挖掘机只达机重的1/4. 因此在整机参数不变下，可加大铲斗容量。提高生产率.抓斗可以强制切土和闭斗，使切土力和闭斗力都提高。液压挖掘机的行走力和牵引力远远大于机械挖掘机，爬披能力都大为提高，还可换装加宽履带，使机械接地比压大大
2、降低（甚至<10kPa) 。2.简化结构、减少易损件。采用液压传动后省去了机械挖掘机复杂的中间传动零部件，简化结构并减少易损件。由于传动装置紧凑，重量减少导致转台、底架等结构件的尺寸和重量都相应降低，故同级液压挖掘机可比机械挖掘机总重量减轻30-40 %。3. 传动性能改善，工作平稳、安全可靠。采用液压传动后能无级调速且调速范围大（最高与最低速度之比可达1000:1)，能得到较低的稳定转速，液压元件的运动惯性较小并可作高速反转，因此在挖掘饥工作中换向频繁的情况下动作平稳、冲击很小，而且液压油还能吸收部分冲击能量减少机械的冲击、振动。4 .机构布置合理紧凑.由于液压传动采用油管连接，各机构
3、部件之间相互位置可不受传动关系的影响限制，布置可较灵活。5. 操作简便、灵活.液压传动比机械传动操纵轻便而灵活，采用先导阀后，操纵杆数大为减少，主操纵手柄为2个，故操纵轻便司机的劳动强度大为减轻，驾驶室与机棚完全隔开，噪音减小、视野良好，振动减径，改善了司机的工作条件。6.易实现“三化”、提高质量。液压元件易于实现标准化、系列化、通用化。便于组织专业化生产，进一步提高产品质量、降低成本。液压挖掘机的主要缺点是：1.对液压元件加工精度要求高，要求严格，制造较为困难。使用中系统出现故障，现场进行排除较困难，维修条件和修理调整的技术都要求较高。2. 液压油的粘度受温度影响较大，总效率较低，同时液压系
4、统容易漏油，掺入空气后产生噪音和振动，动作不稳，并对液压元件产生腐蚀作用。1.1.2 液压挖掘机的基本类型和主要特点单斗液压挖掘机可按用途及其主要装置的特征进行分类。按液压挖掘机主要用途及工作装置的不同分为通用型和专用型两种。中小型挖掘机 - 1 -1 绪论大多数为通用型，以挖掘土攘容重18000N，1m3 为标准反铲斗的主要装置外，还配有道于挖掘各种轻重土质和挖掘幅度的反铲、正铲、抓斗、起重等多种装置而大型液压挖掘机则以矿用正铲为主要装置外，一般亦配有挖掘轻重土、各种挖掘幅度的正、反铲等装置。主要用于矿山采掘和装载、称采矿或矿用型。按工作装置的结构不同分为铰接式和伸缩臂式挖掘机，常用者均为铰
5、接式，伸缩臂式挖掘机因可用于平整清理场地等作业，所以有挖掘平地机之称.按行走装置的不同，液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式等种。履带式因有良好通过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履带来降低接地比应。轮式挖掘机具有行走速度快，机动性好、可在城市道路边行，故近年来在中小型挖掘机中发展较快。汽车式、悬挂式是以汽车及拖拉机为基础机械装设挖掘或装载工作装置的小型挖掘机.适用于城建小量土方工程及农村建筑.拖式则没有行走驱动机构，转移时由牵引车牵引，主要优点为结构简单、成本低。按回转部分转角的不同，液压挖掘机有全国转和半回转两类.大部分液压挖掘机是全国转式的，小型
6、液压挖掘机如悬挂式等工作装置仅能作1800 左右的回转，为半回转式。液压挖掘机按主要机构是否全部采用液压传动又分为全液压式与半液压式两种。两者区别在于半液压传动挖掘机的行走机构采用机械传动，少数挖掘机仅工作装置采用液压传动，如大裂矿用挖掘机等。目前国产轮胎式液压挖掘机多采用半压式。1.2 液压挖掘机的发展概况1.2.1国外液压挖掘机的目前水平和发展趋势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半回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动全回转挖掘机、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，
7、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。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。- 2 -挖掘机挖掘机构设计1.2.2 国设计概述本设计为履带式液压挖掘机挖掘机构。与其它类型的挖掘机相比，这种类型的挖掘机因有良好通过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履带来降低接地比压
8、。液压挖掘机的主要特点为：能无级调速且调速范围大，能得到较低的稳定转速，快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作高速反转，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，易于实现标准化、系列化、通用化。本次设计的主要参数是斗容量0.23m3,它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作装置。在设计中，采用了履带式行走装置，来满足要求。上部转台是全回转式，因此它可在一个更大的范围内工作。又因采用液压传动控制而使整机性能得以改善。与机械式挖掘机相比，其挖掘力提高到23倍，整机质量约为5吨，挖掘力约为42.5kN，最大卸载高度约为5.66m，最大挖掘深度3.83m，
9、最大挖掘半径约为6.13m，从中可以看出整机作业能力有了很大的改进，不仅挖掘力大，且机器重量轻，传动平稳，作业效率高，结构紧凑。另外，还对挖掘机的工作装置提出基于结构推理的机构方案创新设计方法。 - 3 -2 液压挖掘机反铲工作装置1.4设计任务设计一个标准斗容为0.23m，挖掘级及以下土壤的液压挖掘机。其具体参数如下：表1 设计参数铲斗容量0.23(m) 33最大挖掘深度 3.83 (m) 最大挖掘半径 6.13(m) 最大卸载高度 5.66(m) 最大卸载高度 3.97(m) 最大挖掘力 42.5(KN)2.液压挖掘机反铲工作装置2.1 反铲装置的工作原理反铲是中小型液压挖掘机的主要工作装
10、置。液压挖掘机的反铲装置由动臂，斗杆，铲斗，以及动臂油缸，斗杆油缸，铲斗油缸和连杆机构组成。其构造特点是各部件之间的连接全部采用铰接，通过油缸的伸缩来实现挖掘工作中的各种动作。动臂的小铰点与回转平台铰接，并以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕小铰点转动而升降。斗杆铰接于动臂的上端，斗杆与动臂的相对位置由斗杆油缸来控制，当斗杆油缸伸缩时，斗杆便可绕动臂上焦铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗绕该点转动。为增大铲斗的转角，通常以连杆机构与铲斗连接。2.2反铲装置工作特点反铲主要用于挖掘停机面以下的土壤。其挖掘轨迹决定于各油缸的运动及其相互配合的情况。当采
11、用动臂油缸工作并进行挖掘时（斗杆油缸和铲斗油缸不工作）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是以动臂下铰点为中心，斗齿尖至该铰点的距离为半径而做的圆弧线，其极限挖掘高度和深度（不是最大挖掘深度）即圆弧线之起点、终点，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角（动臂对水平线的夹角），也即决定于动臂油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长并且由于稳定条件限制挖掘力的发挥，实际工作中基本不采用。在实际挖掘工作过程中，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时，则采用动臂与斗杆两种油缸同时工作。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
12、过程需要改变铲斗与切削角等情况下，则要求采用斗杆与铲斗油缸共同工作。显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。当然，这种动作能否实现决定于液压系统的设计。当液压挖掘机反铲装置的结构形式机构尺寸定时（包括动臂，斗杆，铲斗尺寸，饺点位置，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 - 4 -挖掘机挖掘机构设计络图，即挖掘机在任意正常工作周位置时，控制到的工作范围，图上各控制尺寸即液压挖掘机的工作尺寸。对于反铲装置的只要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以下，这一范围的土壤虽然能挖掘但可能引起土壤的崩塌
13、而影响机械的稳定性和安全性，除有条件的挖沟作业一般不使用。故有的挖掘机工作尺寸图上标明有效的工作范围，或以虚线表明此段的挖掘轨迹。 图2-1反铲挖掘范围示意图挖掘机反铲装置的最大挖掘力决定于液压系统的工作压力，油缸尺寸，以及油缸间作用力影响（斗杆，动臂油缸的闭锁压力及力臂）外。还决定与整机的稳定和地面的附着情况。反铲挖掘机速度 结构尺寸已定的条件下决定于液压系统对工作油缸的供油量，对动臂油缸和斗杆油缸为提高其单独工作的挖掘速度，在液压系统中可采用合流供油措施来保证。液压反铲都采用转斗卸土，卸载较准确，平稳，便于装车工作。3.挖掘机的工作装置设计3.1确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式3.1.1确定
14、动臂的结构形式动臂是反铲工作装置的主要部件，斗杆的结构形式往往取决与动臂的机构形式。目前采用得多的是整体式动臂，组合式动臂用在作业工况复杂、多变的场合，现一般作为特殊配置。整体式动臂的优点是结构简单，轻巧，质量轻而刚度大。其缺点是更换的工作装置少，通用性较差。多用于长期作业条件相似的挖掘机上。整体式动臂又可分为直动臂和 - 5 -3 挖掘机的工作装置设计弯动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便，主要用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，与同长度的直动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符
15、合挖掘机反铲作业的要求。 图3-1整体直动臂 图3-2整体弯动臂经比较，选择整体弯动臂。3.1.2确定斗杆的结构形式斗杆也有整体式和组合式两种，大多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，或者在斗杆上设计2-4个可供调节的孔。 图3-3 整体式斗杆 图3-4 组合式斗杆经比较，选择整体式斗杆。3.1.3 确定铲斗的结构形式和斗齿的安装结构基本要求1)铲斗的纵向剖面形状应适应挖掘过程各种物料在斗中运动规律，有利于物料的流动，使装土阻力最小，有利于将铲斗充满。- 6 -挖掘机挖掘机构设计2)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单位切削阻力，便于切入及破碎土壤。斗齿应耐磨、易于更换。3)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。4)物料易于卸净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。反铲用的铲斗形状、尺寸与其作业对象有很大关系。为了满足各种挖掘作业的需要，在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗，图3-5、图3-6分别为反铲用铲斗的基本形式和常用形式。铲斗的斗齿采用装配式，其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式，如图3-5所示。 图3-5反铲用铲斗基本形式 图3-6反
