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1、1绪论1.1设计选题的意义我国是一个发展中国家，在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设，这就需要大量的土方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土方施工机械。因此，可以肯定液压挖掘机的发展空间很大。可以预见，随着国家经济建设的不断发展，液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展，液压挖掘机的年产量将会以高于20%的速度增长。中国挖掘机市场自1997年开始已进入一个较快的发展时期，2000年与2000年比较，全国挖掘机的产、销量分别增长55%和56%。截止到2002年8月底全国挖掘机的销量已超过13000台，超2001年全年的销售数。显然挖掘机在整个
2、工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。而在挖掘机中最为重要的就是关于工作装置设计，因为挖掘机的工作装置能偶最为明显的体现机器的工作能力和工作寿命，所以设计工作可靠，性能好，成本低，效率高，维护使用方便的工作装置就显得格外重要。1.2国内外液压挖掘机的发展动态和研究现状最早在液压挖掘机工作装置设计时，设计人员通过类比、查表、理论计算初步确定性能参数以后，还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大多选取几个特殊位置进行检讨计算，其精度当然较低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置设计得到了很快的发展。针对液压挖掘机工作装置的CAD软件也已经有了不少的研
3、究。1.2.1国外液压挖掘机发展动态和研究现状国外挖掘机生产历史较长，液压挖掘技术的不断成熟使挖掘机得到全面的发展。德国是世界上较早开发研究挖掘机的国家，1954年和1955年德国的徳马克和利渤海尔公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后声场挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展上起来的，其主要特点在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国式液压挖掘机生产的后起之秀。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：（1）、开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。（2）
4、、迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。（3）、采用新技术、新工艺、新结构、加快标准化、系列化、通用化发展速度。（4）、更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤积累论、 断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效和竞争力。（5）、加强对驾驶员的劳动保
5、护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。（6）、进一步改进液压系统。（7）、迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。随着对液压挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电液一体化在挖掘机的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。1.2.2国内液压挖掘机的发展动态和研究现状早在1985年我国便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品， 如Wy100、WY60、WY250等。当时由于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量远未达到应有
6、的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。自改革开放以来，国产液压挖掘机行业进入了一个快速发展的重要阶段。出现了一批实力比较雄厚的生产企业如中国一拖、柳州工程机械厂、黄河工程机械厂、广西玉柴股份有限公司等。它们生产的部分产品已出口，打破了多年来主要由少数几家国外挖掘机制造企业垄断国内市场的局面，使国产液压挖掘机的产量和质量都上了一个新台阶。90年代以来，随着迅速发展的微电子技术、计算机技术、控制技术、通信技术等新技术日益渗透到液压挖掘机技术中，世界各工业发达国家的液压挖掘机技术水平得以迅速提高， 使一度与国外技术水平缩小的国产液压挖掘机再次与国外液压挖掘机差距拉大了。因此，国内液压挖掘机市场大
7、部分被国外产品所占据的局面长期得不到改善。随着我国改革开放的进一步深入，国家对基础建设和基础设施投资的规模日益扩大，国内用户对高质量、高水平、高效率的液压挖掘机的需求愈来愈迫切。据权威部门估计，到2005年我国用于购置工程机械的费用约为800多亿元（含国产和进口），其中液压挖掘机的年需求量为12000-14000台，这无疑对国产液压挖掘机的发展既是机遇，又是挑战。积极发展高性能国产液压挖掘机已迫在眉睫。目前， 液压挖掘机的研究与发展应致力解决三个基本问题：（1）着眼于动力、传动系统的改进以达到高效节能，提高机器的生产率和降低工作损耗，减少对环境的污染；（2）局部操作控制自动化到整机完全自动化甚
8、至智能化发展；（3）改善操作者的劳动条件和操作安全性。1.3当前液压挖掘机存在的主要问题虽然液压挖掘机的发展很快，但是液压挖掘机仍然存在着各种问题：（1）控制精度的要求并不高，多数在100mm之内，并不像其它领域机器人运动控制要求到10mm之内，或者更高。首先，挖掘机本身的机构尺寸通常都比较大；其次，挖掘机进行土木施工的精度与一些工业加工比较起来要低得多，相对较低的精度仍然能够满足挖掘机在实际工作中的需要。多数研究者在实现以上控制精度时，铲斗末端速度比较低，最快的也在150mm/s之内，而这个重要参数直接影响挖掘机的工作效率，所以，保证精度的情况下，提高铲斗末端速度是本文需要解决的问题之一。（
9、2）虽然世界各国的研究水平参差不齐，但是多数处在实验室阶段，或从成本的角度考虑采用伺服阀进行控制，与工程实际差距较大；对挖掘机工作装置的研究是在静态下进行的，忽略惯性的影响，所以在实际工程中也是不是用的；多数研究中都没有考虑到系统的节能问题，很难将研究结果在实际中进行推广。（3）挖掘机工作装置作为一种典型的工程机械复杂机电液系统，由于其自身的特点，该项研究是比较困难的工作。主要在于：在机构运动过程中，惯性力负载的多变性；电液比例系统数学模型中的参数多与机构的状态有关，属于时变参数，准备地得到每个参数的值非常困难；整个系统存在大量不确定量（不确定参数及不确定的非线性模型），例如在不同温度下液压油
10、的弹性模量和粘性等，均属于不确定参数；工作过程中，由于与地面接触而禅城的扰动等不能准确建立数学模型的量，均属于不确定的非线性模型。以上各类不确定量都将对系统控制的稳定性和动态特性产生极大的影响。1.4本设计的主要内容及目标1.4.1设计的主要内容（1）分析和拟定设计任务书，确定设计思想和原则，并提出设计结构方案的初步思想。（2）挖掘机主要参数的确定。（3）挖掘机工作装置各主要机构的结构方案的确定。（4）挖掘机工作装置各主要结构力的分析与计算。（5）挖掘机工作装置各主要机构的强度校核。1.4.2设计的关键问题（1）关于挖掘机总体设计，就是各种整体参数和局部参数的计算，这中间就包括动臂，斗杆及挖斗
11、的主要参数的计算。（2）液压挖掘机工作装置各主要机构方案的确定，这包括几方面的内容，首先就是关于动臂和斗杆的选型。其次就是动臂，斗杆和挖斗的油缸的布置如何确定。第三就是各个铰链点如何确定。（3）作用力的计算，这其中包括油缸作用力，还有斗杆的强度校核。1.4.3设计过程中的已知参数铲斗容量：1立方米最大挖掘力：130KN整体质量：23T工作装置液压回路最大压力：40Mpa停机面最大挖掘半径：9800mm最大挖掘深度：6600mm最大卸载高度：6700mm动力装置功率：113.5Kw工作装置液压系统主要参数的初步选择：各工作装置的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化”要求以及初步估取的液压缸
12、受力，初选动臂油缸内径=120mm，活塞缸的直径=85mm。斗杆油缸的内径=140mm，活塞的内径=120mm。铲斗油缸的内径=120mm,活塞杆的直径=85mm，又由按经验公式选各缸全伸长度与全缩长度之比。参照任务书要求，选择工作装置液压系统的工作压力为，闭锁压力。2工作装置总体方案设计2.1机型选择及特点分析本设计中，我选的是单斗液压挖掘机，其工作装置采用反铲装置。单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘工作的机械，它是机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机中重要的品种。2.1.1所用机型的适用范围在建筑工程，交通工程，露天工程，水利设施及现代军事工程中都广泛采用，
13、是各种土方施工中重要的机械设备。由液压挖掘机在构造和性能上有较多的优越性，因此近年来发展迅速，在中小型单斗挖掘机中，以取代了机械传动单斗挖掘机，成为工程机械的主要机种。2.2工作装置构成铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构形式，动臂、斗杆和铲斗等重要部件彼此铰接，在液压挖掘机的作用下各部件饶铰点摆动，完成挖掘，提升和卸土等动作，图2.1为挖掘机最常用的反铲工作装置。 图2.1挖掘机反铲工装装置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。则可知但斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动
14、臂，斗杆，铲斗，动臂油缸，斗杆油缸，铲斗油缸，铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，处理具体见图2.2所示。图2.2工作装置的结构简图 图2.3工作装置结构简化图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为某一确定值的时，工作装置也就能够确定。2.3动臂及斗杆的结构形式的初选2.3.1动臂结构形式的初选动臂分为整体式和组合式，因整体式动臂结构简单，价廉，刚度相同时结构重量轻，所以大多数挖掘机采用整体式动臂。整体式动臂分为直动臂和弯动臂。整体式直动臂构造简单轻巧、布
15、置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。所以动臂采用整体式弯动臂，这种结构目前应用最广泛，其主要特点是制造方面，成本低，质量轻，能有较大的动臂弯角，装载作效率高，挖掘深度较大，配用加长可调斗杆，可以很好地完成垂直壁面的挖掘作业，而且所挖掘的壁面平直整洁。2.3.2斗杆结构形式的初选斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式直斗杆。2.4动臂与动臂油缸的布置动臂油缸一般布置在动臂的前下方，下端与回转平台铰接，支承点设在回转台回转中心之前并稍高于转台平面，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。由自由式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，但不影响以、动臂的下降幅度。并且布置中，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盘作用，以弥补前面的不足，具体结构如图2.4所示。图2.4动臂与动臂油缸布置图2.5铲斗与铲斗油缸的连接方式本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。该布置1杆与2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够的铲斗平均挖掘力。3动臂机构参数的计算及校核3.1动臂机构参数的确定根据图2.2，即工作装置的结构简图来计算出动臂，斗杆，连杆及铲斗的基本参数。3.1.1和A点坐标的
