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1、1.挖掘机的简单概要2.整机的结构部件及动力传动3.整机的主要机械装置的设计3、1 总体方案构思3、2 动力系统的设计3、3 工作装置的设计3、4 行走装置的设计3、5 回转机构的设计挖掘机的设计挖掘机的设计第1页/共51页国外挖掘机发展史国内挖掘机发展史国内外挖掘机发展概况简介第2页/共51页国内自主品牌挖掘机企业大体上可分为三类：1）以小型挖掘机为突破口的企业，如玉柴机器和山河智能；2）由其他产品渗透到挖掘机的大型企业，如柳工、厦工、徐工、临工、福田和福建晋工、龙工、三一重工等。3）新兴的民营小企业。第3页/共51页国产单斗挖掘机型号编制规定第4页/共51页1.液压式挖掘机的概要挖掘系列以
2、挖掘机为主流。可分为机械式挖掘机和液压式挖掘机。其中，由于液压式挖掘机的运行灵活，维修简便，配备了多种工作装置，因此近年来，成了挖掘机的主流机型。挖掘机机械式液压式液压式挖掘机由上部回转体（发动机、驾驶室等）、下部行走体（行走部分）、工作装置组成。所谓上部回转体，即是与下部行走体呈360旋转的机构，在机体固定状态下，利用强有力的工作装置进行作业。第5页/共51页 常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动装置的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。因此单斗液压挖掘机概括成由图示的上部回转体、行走机构、和工作装置3个部分组成。第6页/共51页第7页/共51
3、页1.1挖掘机分类挖掘机的分类1.按作业分为单斗挖掘机（周期作业）、多斗挖掘机（连续作业）2.按用途分为建筑型（通用型）、采矿型（专用型）3.按动力分为电动、内燃机、混合型4.按传动方式分为机械、液压、混合型5.按行走装置分为履带式、轮胎式、汽车式6.工作装置分为正铲、反铲、拉铲、抓铲、吊装第8页/共51页1.2液压式挖掘机的分类第9页/共51页（2）按行走形式分类履带式轮胎式汽车式大部分采用履带式：a）挖掘机一旦进入作业现场就不大移动，只行走较短的距离。b）地面接触面积大，能在较松软的地方作业，在凹凸不平的地面行驶时，能够承受猛烈的冲击。轮胎型的挖掘机，因其具有橡胶轮胎，机动性能好，适合于城
4、市内的道路和下水道施工。但不适用于松软地基部位的作业，因此限定在小型范围内。第10页/共51页（3）按工作装置分类前面的附属装置因作业内容而异。附属装置的开发工作仍在极积进行，品种也在增加。反铲装置：主要适用于从地表面向下挖掘，更换铲斗可进行各种作业。标准反铲普通挖掘用铲斗梯形铲斗适用于挖掘带有V形剖面的沟槽。法面铲斗适用于填土斜面的成形和压实作业。第11页/共51页 带推顶器的铲斗带推顶器的铲斗挖掘粘土时，带有刮土装置的铲斗。耙齿型铲斗耙齿型铲斗适用于挖掘硬土，和拔树根等作业。单爪耙齿单爪耙齿挖掘软岩石、硬土、拔树根等作用的大型爪式挖掘工具。抓铲抓铲适用于从地表面垂直挖掘和挖泥作业，用于土质
5、松软部位的挖掘。第12页/共51页2、构造概要第13页/共51页动力传输原理图行走马达铲斗油缸动臂油缸斗杆油缸行走马达液压泵发动机保持阀中央回转接头 回转马达多路阀第14页/共51页第15页/共51页3、工作装置动臂是反铲的主要部件，可分为整体式和组合式两种。（1）整体式动臂结构简单，质量轻而刚度大，但更换的工作装置少，通用性教差，多用于作业条件相似的挖掘机上。可分为直动臂和弯动臂两种。1）直动臂：结构简单质量轻制造方便，主要用于悬挂式挖掘机，但不能获得较大的挖掘深度；2）弯动臂：目前应用最广泛的结构形式，可获得较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这个正符合挖掘机反铲作业的也要。第16页/共51
6、页（2）组合式动臂 有辅助连杆（或液压缸）或螺栓连接而成。提高挖掘机的作业性能，互换工作装置多，可满足各种作业需要，但质量大，制造成本高，用于中小型挖掘机上。第17页/共51页反铲结构 铰接式反铲单斗液压挖掘机最常用的结构形式，动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接，在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动，挖成挖掘机提升和卸土等动作。第18页/共51页铲斗1）铲斗的纵向剖面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。2)装设斗齿，以增大铲斗对挖掘物料的线压比，具有较小单位切屑阻力，便于切入及破碎土壤。斗齿应耐磨、易更换。3）为使装进铲斗的物料不易掉出，斗宽与
7、物料直径之比应大于4：14）物料易于卸净，缩短装载时间，并提高铲斗有效容积。第19页/共51页结构为了满足各种挖掘作业的需要，在同一台挖掘机上可配多种结构型式的铲斗，如图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。铲斗与液压缸连接的结构型式有四连杆机构和六连杆机构。其中四连杆机构连接方式是铲斗直接铰接于液压缸，使铲斗转角较小，工作力矩变化较大；六连杆机构连接方式的特点是，在液压缸活塞杆形成相同条件下，铲斗可获得较大转角，并改善机构的传动特性。第20页/共51页反铲用铲斗基本形式第21页/共51页液压式挖掘机的动作行走动作a.前后行进 左右侧的履带
8、架中都安装了行走用马达。左右行走马达上分别装有与各马达相对应的液压控制阀。操作该阀，就产生行走动作。上部回转体到下部行走体的动力（液压）传动则通过回转中心上的中心接头传动。第22页/共51页 左右行走操作杆同时向前（或者向后）推，就能直进（前进或后退）。驾驶室位于惰轮侧的状态下，向惰轮侧行走称为前进，向传动链轮侧行走称为后退。另外，前进中，行走时履带链张紧侧为下侧松驰则为上侧，行走阻力比后退时的小，传动链轮与履带链之间的摩损少。所以，希望长距离行驶时，采用前进方向行驶。第23页/共51页b.转向（枢轴换向)只要操纵左或右行走操纵杆，该操纵方向的马达就驱动，未操纵的那方的行走马达停止不动。因此，
9、机体以停止的履带中心附近为中心回转，可改变向右（或者左）行进的方向。c.转向（回转换向）同时向相反方向操纵两根行走操纵杆，左右履带就相互 向相反方向旋转。这时，能够回转，机体可改变方向。第24页/共51页回转动作上部回转体和工作装置可与下部行走体呈360回转。操纵回转操纵杆使回转马达工作即可实现回转。向右搬动回转操纵杆，就进行右回转（顺时针方向）；向左搬动操纵杆，就进行左回转（逆时针方向）。第25页/共51页第26页/共51页 液压挖掘机的回转装置必须能把转台支承载固定部分（下车）上。不能倾翻倒，并能使回转轻便灵活。为此，液压挖掘机都设置了回转支承装置（起支承作用）和回转传动装置（驱动转台回转
10、），并统称为液压挖掘机的回转装置。第27页/共51页主要设计思路主要构思方案：根据实际调研结果，结合国内外工程用液压挖掘机的相关资料，经过认真分析总结，又根据设计的要求，考虑到机械的实用性、经济性、生产等方面的因素，拟定构思方案如下：（1）动力系统采用柴油发动机；（2）传动系统采用静压传动系统；（3）底盘行走系统采用履带式底盘；（4）操纵控制系统采用全液压控制系统；（5）执行系统主要包括铲斗、斗杆和动臂。动臂部分主要采用整体式弯动臂，斗杆部分主要采用整体式直动斗杆，铲斗部分采用道侧齿的铲斗，而整个主工作装置则采用反铲装置。第28页/共51页主要引用的国标和资料工程机械底盘构造与设计液压挖掘机G
11、B/T91392008液压挖掘机技术条件GB/T6572.1液压挖掘机术语GB/T13331土方机械液压挖掘机起重量GB/T13332土方机械液压挖掘机挖掘力方法的测量GB/T21154土方机械整机机器工作装置和部件的质量测量方法GB/T21941土方机械液压挖掘机和挖掘装载机的反铲斗和抓铲容量标定GB/T19929土方机械履带式机器制动系统的性能要求和试验方法第29页/共51页动力系统的设计 动力系统的设计需要计算整机的牵引力平衡和牵引功率平衡，选择合适的柴油机，满足功率和扭矩要求，且发动机的外形尺寸不和其它部件发生干涉。牵引力和牵引功率的平衡：研究牵引力平衡和牵引功率平衡，是为了分析机械在
12、行驶作业过程中，牵引力是怎样利用的以及发动机的功率是怎样消耗的。牵引力平衡和牵引功率平衡是指机械在行驶作业过程中的任何瞬间，其牵引力平衡可以分析挖掘机的动力性能，根据牵引功率平衡可以选定挖掘机发动机的功率及分析牵引功率。（1）滚动阻力（2）坡度阻力（3）工作阻力（4）风阻力（5）加速阻力第30页/共51页动力系统的设计挖掘机在工作时，其切线牵引力需克服滚动阻力、坡度阻力、工作阻力、风阻力及加速阻力，即：驱动轮的总的驱动力矩为：履带驱动功率驱动轮动力半径。第31页/共51页牵引功率的平衡滚动阻力功率克服坡道阻力功率克服加速消耗的功率克服风的阻力功率第32页/共51页动力系统的设计发动机的选型：目
13、前及今后的一个相当长的时期内，单斗液压挖掘机的动力将仍以柴油机为主。极少采用其它原动机。因为，柴油机具有机动灵活、特性曲线硬、工作可靠，使用经济等优点。单斗液压挖掘机所用柴油机的基本要求与汽车、拖拉机类同。但由于挖掘机工作条件更恶劣，负荷不稳定，甚至有时超负荷工作。故柴油机的工作负荷一般应低于额定负荷。挖掘机的额定负荷与汽车、拖拉机不同，它是指在额定转速下一小时以上的额定功率。挖掘机工作的特点是：环境温度变化大，灰尘污物较多；负荷变化大；经常倾斜工作，有时在斜坡上常年工作；维护保养条件差，工地离维修厂较远。为此，对柴油机就提出了一些特殊要求：第33页/共51页动力系统的设计（1）柴油机的大维修
14、不得低于30004000工作小时。（2）燃油消耗量不得大于190克/马力小时。机油消耗量不应大于34克/马力小时。希望不用较稀缺的燃料和油料。（3）结构简单，保养维修方便，调整点少，备件可充分供应。（4）低温启动容易。（5）要有效能高、清洗方便、进气阻力小的空气滤清器及柴油、机油滤清器。（6）小功率的柴油机应考虑从曲轴前端、侧面或分配齿轮箱均能独立地输出全部功率。因为有些挖掘机有时有专门的转向泵或数个泵。（7）.在额定功率下，至少能连续工作一小时功率不下降。连续工作四小时，功率下降别的超过5%。柴油机适应性系数不得低于1.151.20。要装有全程调速器。（8）柴油机出厂应备有空气滤清器、水或油
15、冷却装置、电气仪表、操纵机构及机罩等。同时，还应考虑添加增压器。第34页/共51页动力系统的设计发动机功率的确定根据牵引工况和运输工况的功率平衡方程式分别算出所需功率，然后取其中较大值来选择柴油机的标定功率。（1）牵引工况：（2）按运输工况最高行驶速度计算：第35页/共51页 名称 技术参数型号YC4108ZG型式直列、水冷、立式、四冲程吸气方式增压气缸数4气缸直径 活塞行程（mm）108 115活塞排量（L）4.214压缩比17：1标定功率(KW)/转速(r/min)60/2200标定工况燃油消耗率()230最大扭矩（）/转速（r/min）340/1400 1600最大扭矩油耗率()220扭
16、矩储备率（%）12调速率（%）10 12机油牌号夏季用40CD、15W/40CD号，冬季用30CD、10W/30CD号冷起动性能不带冷起动装置（）-10冷起动装置（）-25倾斜角度（）横倾25，纵倾30全负荷最大烟度（FSN）3.0噪声限值dB(A)113净值量(kg)360外形尺寸（长 宽 高）（mm）690 520 560第36页/共51页工作装置的设计工作装置的设计需根据要求确定其结构方案，进而确定其各部件的尺寸以及铰点位置，最后还应对其作业尺寸和工作臂的强度以及挖掘力的大小进行校核，确保其满足要求。总体方案的选择主要包括工作装置总体结构的选择、动臂和斗杆结构形式的选择以及各个铰点的布置
17、形式的选择。1.机架 2.动臂 3.动臂油缸 4.斗杆油缸 5.斗杆7.连杆 8摇杆 9.铲斗第37页/共51页液压反铲工作装置一般由动臂、斗杆、铲斗以及动臂油缸、斗杆油缸、擦干都油缸等组成。其结构特点是各构件之间均采用铰接连接，并通过改变各液压缸的行程来实现挖掘过程的各种动作。动臂、斗杆和铲斗均是采用高轻度钢板焊接而成的箱形结构，重量轻、强度高。动臂2根部用用一根销轴交接在平台前端中部，由一只铰接再转台前部的动臂液压缸3来支撑有刚做伸缩运动，动臂则作升降运动。斗杆5铰接于动臂的上端，另一端铰接着铲斗和摇杆。斗杆的回收和伸出靠铰接在动臂上的斗杆液压缸4来实现。铲斗9则铰接于斗杆末端，通过铲斗液
18、压缸的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角,铲斗液压缸通过连杆机构(如连杆7和摇杆8等)与铲斗连接。工作装置的升降可以单独进行，亦可以和转台回转同时进行，以缩短挖掘周期，加快工作速度。通常从挖掘位置到卸载位置，或从卸载位置返回挖掘位置均采用回转和动臂升降同时进行。在反铲作业时，可根据需要在放下动臂的同时转动斗杆或铲斗，卸料时，也可同时转动铲斗和斗杆。工作装置的设计第38页/共51页动臂和斗杆结构形式的选取动臂结构的选择动臂是工作装置的主要构件，斗杆的结构一般取决于动臂的结构。反铲装置有直动臂和弯动臂两种方案。直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，适用于专用正铲和悬挂式挖掘机，且反铲工作装置使用
19、直动臂只能得到较小的挖掘深度。整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式，在现在常用的中小型反铲液压挖掘机中主要采用这种结构形式。这种整体式动臂结构简单、价廉、视觉美观，在刚度相同时重量较轻。其结构坚固耐用，工作范围较大，与同长度的直动式动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸料高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。其缺点为替换工作装置少，通用性较差，在增加挖掘深度的同时降低了卸料高度，且在弯曲处的结构形状和强度值得注意。斗杆有整体式和组合式两种方案。大多数挖掘机都采用整体式斗杆。整体式斗杆在运动中又很多优点：油缸布置简单；挖掘效率高，原因是挖掘时受力好；现对来说
20、耐用性好。并且可根据工作状况来调节斗杆长度以实现优化作业。且现在市场上的挖掘机主要采用整体式斗杆。工作装置的设计第39页/共51页工作装置的设计工作装置结构尺寸的确定工作装置的结构尺寸主要包括铲斗、斗杆和动臂的尺寸以及各铰点的位置。铲斗参数的选择：斗容量按下式计算：铲斗转斗切削半径：动臂和斗杆尺寸的确定：动臂与斗杆的长度比为：动臂的弯角一般可取第40页/共51页行走装置的设计行走装置的选型履带式行走装置由“四轮一带”（即驱动轮、导向轮、支重轮、托轮、以及履带），张紧装置和缓冲弹簧，行走机构，行走架等组成。液压传动的履带行走装置，挖掘机转向时由安装在两条履带上、分别由两台液压泵供油的行走马达通过
21、对油路的控制，很方便地实现转向或就地转弯，以适应挖掘机在各种地面、场地上运动。履带式行走装置驱动力大，且转弯半径小，灵活性好。履带式行走装置在液压挖掘上使用较为普遍。但履带式行走装置制造成本高，运行速度低，运行和转向时功率消耗大，零件磨损快，因此，挖掘机长距离运行时需借助于其他运输车辆。第41页/共51页1-导向轮；2-橡胶履带；3-张紧装置；4-支重轮；5-驱动轮；6-减速机行走装置的设计行走装置的设计第42页/共51页履带的设计履带工作条件恶劣，要求具有足够的强度和刚度、耐磨性好、质量轻以减少材料的消耗量，并减轻履带运行时的动载荷，要求履带能和地面有很好的附着性能，又要考虑减少行驶及转向的
22、阻力。由于橡胶履带具有对路面破坏小、噪音低、速度快、振动小、接地比压小、牵引力大，可以减少地面对机械的冲击等优点，挖掘机的履带有整体式和组合式两种。整体式是履带板上带啮合齿，直接与驱动轮啮合，履带板本身成为支重轮等轮子的滚动轨道。整体式每一节履带铸造成整体，结构简单、制造方便、重量轻、易拆装，但销孔间隙大、易进泥沙、易磨损。目前液压挖掘机中广泛采用工业拖拉机型式的组合式履带。它由履带板、链轨节、履带销轴和销套等组成。这种型式的左右链轨节与销套用紧配合连接，履带销轴插入销套有一定的间隙，以保证转动灵活，其两端与另两个链轨节孔紧配合。锁紧履带销与链轨节孔配合较松，便于整个履带的安装和拆卸。这种结构
23、节距小，绕转性好，行走速度较快，销轴和衬套硬度较高、耐磨、使用寿命长。所以采用组合式履带。行走装置的设计行走装置的设计第43页/共51页履带尺寸的计算履带宽度b的初步确定履带支撑面的长度履带板结构的选择履带板的型式很多，标准化后规定采用重量轻、强度高、结构简单和价格较低的轧制履带板。履带板有单筋、双筋和三筋数种。行走装置的设计行走装置的设计第44页/共51页行走装置的设计履带式行走装置有四轮一带（即驱动轮、引导轮、支重轮、托轮及履带）张紧装置和缓冲弹簧，行走机构，行走架（包括底架、横梁和履带架）等组成如图所示除了履带的设计，对于行走装置的设计还包括：驱动轮的设计，驱动轮的齿形设计，驱动轮节圆半
24、径，驱动轮的强度计算，支重轮的设计，支重轮外形尺寸的选择，支重轮的强度计算，托轮的设计，导向轮的设计，导向轮的参数设定，导向轮轴的强度计算等等。其设计内容可以查阅液压挖掘机，工程机械底盘构造与设计，材料力学，机械设计手册和相关国标等资料。第45页/共51页回转机构的设计回转支撑装置类型的选择回转支撑主要分为转柱式回转支撑和滚动轴承式回转支撑。转柱式回转支撑常用于悬挂式液压挖掘机上，回转部分的转角一般等于或小于180，一般由焊在回转体上下支撑轴和上下支撑座组成。轴承座应用螺栓固定在机架上。通过插装在支撑轴上的液压马达使回转体转动。滚动轴承式回转支撑广泛应用于全回转的挖掘机、起重机和其他机械上。它
25、是在普通滚动轴承基础上发展起来的结构上相当于放大了的滚动轴承。它与旧式的回转支撑相比，具有尺寸小、结构紧凑、承载能力大、回转摩擦力小，滚动体与滚道之间间隙小，维护方便，使用寿命长，因而得到广泛的使用。它靠支撑它的转台和底架来保证其刚度。第46页/共51页行走减速机、台车架、底架的设计行走减速机的设计液压挖掘机一般都由液压马达经减速器再将转速和扭矩传到驱动轮上。用螺栓将减速机固定部分的法兰安装到车架上而其输出法兰用螺栓与驱动轮固定，扭矩通过摩擦结合传递。液压驱动马达即可直接安装在减速机上。台车架、底架的设计行走架是履带行走装置的承重机构，一般由底价和台车架组成，通常用高强度的钢板焊接而成。底价通过回转支承装置承受上部载荷，并将载荷传给台车架。行走架按结构的不同分为箱式、组合式和整体式三种。其中底架采用X型结构，用钢板焊接为箱式结构，这样可大大增加行走架的刚度。台车架也采用钢板焊接式箱体结构。底架和台车架之间也采用焊接方式连接。回转机构的设计第47页/共51页其他设计内容整机稳定性挖掘机的稳定性作业稳定性使用与维护说明液压挖掘机操作环境与使用条件液压挖掘机使用要求及说明液压挖掘机日常的维护与说明液压挖掘机的操作规程液压挖掘机行走操作及注意事项第48页/共51页第49页/共51页谢谢观赏谢谢观赏第50页/共51页感谢您的观看！第51页/共51页