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1、1 绪论1.1 挖掘机械在国民经济中的作用及其发展概况1.1.1 挖掘机械在国民经济建设中的作用挖掘机械是工程机械的一种主要类型，是土石方开挖的主要机械设备，包括有各种类型与功能的挖掘机。各种类型的挖掘机已广泛应用在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程，农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等的机械化施工中。据统计，工程施工中约有60%以上的土石方量，系由挖掘机来完成。在上述各种工程中，土石方工程量占有很大的比重，例如，铁路建筑中，每一公里路基平均要完成2000030000m的土方，山区路基则可能达到50000 m以上的土方量;水电工程大型上石坝施工中，每日填筑量可达10万m，采掘工业，包括煤
2、炭、矿石和建筑材料的采掘等，在国民经济中占有很大比重，其剥离作业及采掘工作量则更大。根据统计，在建筑工程中，若土方工程全部由人工来完成，那么，所藉劳动力约占全部工程所需劳动力总数的50%以上。在露天矿场和采料场中，若用人工采掘，则所需劳动力约占90%。为节省劳动力、减轻繁重体力劳动，提高劳动生产率、加快建设速度，保证工程质量和降低成本，采用机械化施工是根本的措施。它对尽早发挥建设投资效果，促进国民经济的高速度发展有很大的作用。据统计，采用一台1.0 m斗容量的单斗挖掘机，挖掘级以下的土壤时，每班生产率大约相当300400个工人一天的工作量，而一台日产20万m的大型斗轮挖掘机，则可代替56万人的
3、劳动。由此可见，挖掘机在现代化建设工程中的功用。 各种土方工程，采掘工业(包括煤炭、矿石和建筑材料的巨大采掘量)和大面积的农田改造等，迫切要求提供大批各种类型的挖掘机械。例如:冶金工业的采掘要求提供一批大斗容的单斗挖掘机；煤炭、有色金属等的开采和大型水利工程，要求提供高效的斗轮式挖掘机，石油及城市建设中的管道工程，要求提供多斗挖掘机；而大量的土建工程则要求提供大批量通用的中小型挖掘机，城镇建筑工程和农田改造则要求提供小型、多用的挖掘机；现代化国防工程也迫切要求提供机动性好、效率高、性能先进的轮式与快速履带式挖掘机等1。挖掘机械在工程机械发展中占有很大比重和重要的地位，据统计约占工程机械总产的2
4、5%50%，是重点发展的机械品种之一。尤其是中小型、通用的单斗挖掘机不仅用作土石方的挖掘工作，而且通过工作装置的更换，还可以用作起重、装载、抓取、打桩、钻孔等多种作业。通用型挖掘机占挖掘机总数的90%以上，它在各种工程施工中广泛使用，己成为不可缺少的重要机械设备2。1.1.2 挖掘机械发展概况1）国外挖掘机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，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回
5、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。19681970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83，目前已接近100。工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容量3.540 m单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150 m的剥离用挖掘机，斗容量132 m的步行式拉铲挖掘机；B-E(布比赛路斯一
6、伊利)公司生产的斗容量168.2 m的步行式拉铲挖掘机，斗容量107 m的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。 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）国内挖掘机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1m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。 新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪3040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
7、始，我国自主研制液压挖掘机。从早期开发成功的产品开始，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。 到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0.12.5 m等12个等级、20多种型号。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。 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。各机械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
8、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。 业内人士指出，我国单斗液压挖掘机应向全液压方向发展；斗容量宜控制在0.1-15 m3；而对于大型及多斗挖掘机，由于液压元件的制造、装配精度要求高，施工现场维修条件差等，则仍以机械式为主。应着手研究、运用电液控制技术，以实现液压挖掘机操纵的自动化。 1.2 挖掘机的类型、特点1.2.1 液压挖掘机的基本类型 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。中小型挖掘机大多数为通用型，即以挖掘土壤容重18000N/m为标准反铲斗的主要装置外，
9、还配有适于挖掘各种轻重土质和挖掘幅度的反铲、正铲、抓斗、装载、起重等多种可换装置。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、石料和各种挖掘幅度的正、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，常用者均为铰接式，伸缩臂式挖掘机因可用于平整清理场地和坡道等作业，故有挖掘平地机之称。按行走装置的不同，液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式等种类。屐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、加长及以浮式履带来降低接地比压。轮式挖掘机具有行走速度快，机动性好、可在城市道路通行，故近年来在中小型
10、液压挖掘机中发展较快。汽车式、悬挂式是以汽车及拖拉机为基础机械(底盘)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，液压挖掘机有全回转和半回转两类。大部分液压挖掘机是全回转式的，小型液压挖掘机如悬挂式等工作装置仅能作180左右的回转，为半回转式。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，如大型矿用挖掘机等。目前国产轮胎式液压挖掘机多采用半液压式。1.2.2 液压挖掘机的特点
11、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。液压挖掘机的行走牵引力与机重之比大大高于机械挖掘机，行速、爬坡能力都大为提高，还可换装加宽履带、使机械接地比压大大降低（甚至10kPa）。当液压挖掘机陷于淤泥或土坑中时，可以利用工作装置进行自救或逾越沟渠等障碍
12、物，两履带可独立驱动、实现就地转向，使通过能力大为提高。工作装置由于采用液压传动使构造布置方便、灵活，而且工作装置的种类大为增加，新的结构不断出现，如组合动劈、加长斗杆、双瓣铲斗，底卸式装载斗以及伸缩式动臂等。小型液压挖掘机带有三、四十种工作装置，以适应各种作业要求(最多达150种)，而且工作装置调换方便，从而扩大了机械使用性能。 2）简化结构、减少易损件、机重小。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，简化了结构并减少易损件: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，故同级的液压挖掘机可比机械挖掘机总重量减轻3040%。3）传动性能改善，工作平稳、安
13、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(采用柱塞式液压马达，稳定转速可低到I转/分)；液压元件的运动惯性较小并可作高速反转(电动机运动部分的惯性力矩比其他驱动装置大50%，而液压马达则不大于5%。加速中等功率电动机需1秒钟以上，而加速液压马达只需0.1秒)，因此在挖掘机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。液压系统中还设置了各种安全溢流阀，在机械工作过载或误操作时不致发生事故或机械损坏，并使机械结构件受力情况改善。4）机构布置合理紧凑。由于液压传动采用油管连接，各机构部件
14、之间相互位置不受传动关系的影响限制，布置可较灵活，设计时可使机构的布置既满足传动要求，也满足结构件受力均衡、维护修理方便，附加平衡重尽可少等条件，做到结构紧凑、外形美观，同时也易于改进、变型发展。5）操作简便、灵活。液压传动比机械传动操纵轻便而灵活，尤以现在采用的液压伺服(先导阀)操纵，手柄操纵力小于20N，而机械挖掘机操纵力达80200N，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，振动减轻，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
15、产品质量、降低成本。也便于产品的更新换代。 7）易于实现自动化。便于与电、气动联合组成自动控制和遥控系统。1.3 设计内容概述本毕业设计主要对由动臂、斗杆、铲斗、摇杆、连杆机构组成的挖掘机工作机构进行设计。具体内容包括以下几部分:1）挖掘机工作机构总体设计。2）反铲工作装置设计。3）行走机构设计。4）挖掘机的使用和维修。1.4 设计的意义和目的小型多功能液压挖掘机通常指标准斗容在0.25m以下，或指机重在8T以内的挖掘机产品，产品归类为小型工程机械，在世界工程机械市场，属销量最大的工程机械产品之一。其主要适用场合为公路养护、园林绿化、小区建设、市政工程及农田建设等。小挖机动能力强、体积小，适合
16、于各种土方量分散、作业范围狭窄的工况。道路养护已经常规化，园林绿化有序进行，小区建设工程渐增，市政工程不断升级，农田建设正趋向机械化，小挖的应用优势恰得其所地得以发挥。它与挖斗、推土铲、液压破碎锤等多种作业装置配套使用后，具有挖掘、装载、清沟、破碎等多种功能。随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖掘机的广泛应用，挖掘机市场有着广阔的发展空间，因此发展满足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的。而工作装置作为挖掘机的重要组成部分，对其研究和控制是对整机开发的基础。反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是中型挖掘机的设计已经趋于成熟。而关于
