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1、挖掘机工作装置结构设计及动臂的仿真分析摘 要本文阐述了国内外液压挖掘机的发展概况和研究现状，提出了现代计算机辅助技术和有限元分析技术的必要性，与传统方法相比，利用计算机辅助技术和有限元分析技术使设计更加准确和迅速。首先介绍了液压挖掘机工作装置的总体设计和各个构件的具体设计，并在Pro/Engineer软件中建立工作装置模型。然后在ANSYS有限元软件中对液压挖掘机动臂进行结构静力分析和模态分析，得到动臂在最大载荷下的最大应力和最大变形，分析是否符合工作要求，并针对分析结果提出修改意见。最后在Pro/Engineer软件中对工作装置进行运动仿真分析，确定整机作业范围，并检查是否符合设计要求。关键
2、词 液压挖掘机；工作装置；动臂；ANSYS；仿真1 绪论 课题的研究背景及意义液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的，同机械挖掘机一样，其在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。在建筑工程中，可用来挖掘基坑、排水沟，拆除旧有建筑物，平整场地等。更换工作装置后，可以进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深原有河道等。在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。在石油、电力和通信业的基础建设及市政
3、建设中，用来挖掘电缆沟和管道沟等。在露天采矿中，可用来剥离表土、采掘矿石或煤，也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。在军事工程中，可用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用。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。反铲型液压挖掘机工作装置采用连杆机构，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现，大体可分为动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆、各工作液压缸等。挖掘机工作装置的性能参数主要包括各铰点位置的几何尺寸、各工作液压缸的几何尺寸、
4、运动参数和闭锁压力等共计40余个。性能参数对挖掘机的工作范围，理论和实际挖掘力的大小，作业循环时间和功率利用等工作性能有极大的影响。工作装置设计水平的高低直接影响其作业性能的好坏，进而影响整机工作效率。因此，工作装置的设计是挖掘机设计中十分重要的组成部分，另外由于施工工地生产和维修条件的限制，基于高可靠性、少维护考虑，工作装置的设计就显得更为重要。 国内外研究现状 国内外液压挖掘机发展概况 国外液压挖掘机发展概况液压挖掘机的生产水平反映机械化施工的水平和能力。国外，特别是西欧几个国家从50年代开始研制液压挖掘机，到60年代中小型液压挖掘机已成批生产;70年代初液压挖掘机斗容己发展到8m3，开始
5、进入矿山开采;80年代大型液压挖掘机技术已成熟，生产斗容16-35 m3，机重达650t。目前国外已停止斗容在8m3以下机械挖掘机的生产，斗容大于16m3的液压挖掘机是机械挖掘机的强大竞争对手。国外各制造公司正在研制微机控制的智能化液压挖掘机，并有所突破。建筑和矿用液压挖掘机的销售量在机械设备市场上占有显著的地位。据不完全统计，1990年建筑和矿用设备在全球销售额约为450亿美元，而液压挖掘机的销售额以100亿美元高居榜首。据推测，大型和微型液压挖掘机年增长率分别为24%和35%。1990年全世界建筑和矿用液压挖掘机(履带式)的产量已达9.23万台，其中76%是日本生产的，欧洲产量占有17%。
6、近年来，大型液压挖掘机越来越多地占领了机械挖掘机的市场。液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。 国内液压挖掘机发展概况我国从1958年开始研制液压挖掘机，逐步形成了1-m3小型液压挖掘机系列，具有一定生产规模，斗容1-m3，的液压挖掘机年产量超过1000台。1983年以后采用引进技术方式进行生产，加快了液压挖掘机的发展，上海建筑机械厂按德国利伯赫尔公司许可证生产了R942，相继又生产了R962、R972、R982等液压挖掘机。杭州重机厂与德国德马克公司合作生产H55和H85等液压挖掘机。太原重型机器厂与德马克公司合作生产H121型液压挖掘机。北京建筑机械厂引进德国0&K公司制造技术生产H
7、R6型液压挖掘机。所有这些与国外合作生产德液压挖掘机比国内现用的液压挖掘机生产效率高25%、机重轻10%。国产化率逐年提高，设备利用率为90%。长江挖掘机厂在引进国外技术的基础上生产斗容m3的WY160型液压挖掘机，采用Deutz公司柴油机、Mannemsnan公司减速机和液压元件。装有正铲、反铲、梅花抓斗等多种工作装置。天津工程机械研究所与泰安工程机械厂生产的脚32型液压挖掘机，机重32t于1993年8月通过鉴定。该机结构紧凑、机动灵活、生产效率高。能充分利用发动机功率、节能效果好。但目前国产液压挖掘机数量少，多为斗容m3以下的小型设备，中型设备较少，大型设备在我国尚属空白。从品种、规格、数
8、量上满足不了国内市场需要。从产品技术水平、可靠性、制造质量与国外液压挖掘有较大差距。对于大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段。试验研究工作薄弱，短期内难以完成设计开发工作。柴油机、液压和密封元件等配套件的质量和可靠性差，使用寿命短。高强度的原材料缺乏，制造技术落后，装备水平低。计算机技术在液压挖掘机上应用正在研制过程中。需要解决的关键技术较多:如履带行走装置中履带板和链轨节的轧制和模锻技术;支重轮、托轮均采用浮动密封，其制造技术、耐磨技术和密封技术;铲斗设计合理性、耐磨性以及高强度钢板焊接技术;液压系统和元件的设计技术、大尺寸高压液压缸的制造技术;电子监控与检测技术;整机性能参数的测试技术，大型
9、结构件加工质量控制与制造技术等基础技术和关键技术靠自行研制和测绘仿制势必旷日持久，满足不了国民经济重点工程发展的需要。纵观我国液压挖掘机30余年的发展历史，大致可以分成以下几个阶段: 开发阶段(1967年1977年)。以测绘仿制为主的开发，通过多年坚持不懈的努力，克服一个一个的困难，有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功，为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。 液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(19781986年)。这个阶段通过各主机生产厂引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)的消化、吸收和移植，使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际70年代末80年代初期的水平。全
10、国液压挖掘机平均年产量达到1230台。 液压挖掘机生产企业数量增加，新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合，合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术(1987年1993年)。由于国内对挖掘机需求量的不断提高，新加入挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术，其产品批量或小批量的投放国内市场或出口，打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面，引进了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到2000余台。 国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大，广大用户为了提高施工质量和按期完成施工任务，对使用高质量、高水平、高效率挖掘机的兴趣日趋浓厚。国外
11、各著名挖掘机制造厂商纷纷前来中国创办合资、独资挖掘机生产企业(1994至今)。从1994年开始，特别到1995年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。其中美国卡特彼勒公司率先在徐州金山桥开发区建立了生产液压挖掘机的合资企业，随后日本小松制作所、日立建机株式会社、神户制钢所、韩国大宇重工业、现代重工业以及德国利勃海尔公司等都相继在中国建立了合资、独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机。 液压挖掘机的研究现状传统的挖掘机设计基本上属于经验设计，当开发一种新产品的时候，根据现有的技术资料，进行一些合理的简化和改进，一般称之为改进设计，这种设计方法比较耗费时间，设计周
12、期比较长，而且设计出来的产品比较笨重，机械性能又低，产品成本也高。造成这种状况的原因是：传统设计是在几个有限的方案中比较和选择一个比较好的方案进行设计，从而使得设计工作带来很大的盲目性和局限性。同时，也没有一个确切的评价标准来衡量被选择方案的优劣性，使设计工作处于一种摸索状态。这种设计方法要经过设计样机试制改进再试制，因此设计周期拉的很长，同时也造成了人力、物力的浪费，增加了产品的设计和制造成本。而许多挖掘机厂家对于挖掘机的设计依旧停留在经验与类比设计的水平上，在借鉴现有产品设计的基础上，仅仅是对产品外观和局部装置进行改进，并没有从理论上解决问题，也就不会达到优化的目的。从提高工作效率和经济指
13、标这个角度出发，采用现代化的设计理论、现代的设计方法和手段，借助计算机和计算机辅助设计（CAD）软件的帮助，对挖掘机的工作装置进行仿真优化设计使其满足工作需要，是非常必要的。对于液压挖掘机产品设计来说，广大机械工作者多年来为提高挖掘机的性能和质量做出了不懈的努力，挖掘机工作装置的运动仿真和优化设计也日益受到国内外挖掘机生产厂家及设计人员的重视。1.2.3 液压挖掘机的发展趋势当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。我国也己经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新
14、产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号1。由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗液压挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能;应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性;电子计算机监测与控制，实现机电一体化;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，单斗液压挖掘机有以下的趋势:（1）向大型化发展的同时向微型化发展。（2）更为普遍地采用节能技术。（3）不断提高可靠性和使用寿命。（4）工作装置结构不断
15、改进，工作范围不断扩大。（5）液压系统不断改进，液压元件不断更新。（6）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。（7）增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。（8）人机工程学在设计中的充分利用。 有限元分析技术 有限元分析方法概述有限元方法是用于求解各类实际工程问题的数值模拟方法。其基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的
16、有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元离散过程中，相邻单元在同一节点上场变量相同达到连续，但未必在单元边界上任一点连续；在把载荷转化为节点载荷的过程中，只是考虑单元总体平衡，在单元内部和边界上不用保证每点都满足控制方程。由于单元可以设计成不同的几何形状，因而运用有限元法可以模拟和逼近复杂的求解域。显然，如果插值函数满足一定的要求，随着单元数量的增加，求解的精度会不断提高而最终收敛于精确解。从理论上讲，无限增加单元的数量，可以得到问题的精确解，但此举必会导致计算时间的无限增加，因此，在解决实际工程过程中，求解所得的数据只要满足工程需要即
17、可。有限元分析过程有限元分析技术主要采用数值离散化方法根据变分原理求模型的数值解，是在结构分析和受力分析的基础上，利用离散化方法把简化后的连续结构看成是由许多有限大小、彼此只在有限个节点处相连接的有限单元的组体来求解的。如图1-1所示ANSYS软件的有限元分析过程：图1-1 ANSYS有限元分析过程图 2 液压挖掘机工作装置的建模 液压挖掘机工作装置的组成单斗液压挖掘机的工作装置是挖掘机的重要组成部分。一般由动臂机构、斗杆机构、铲斗机构、连杆机构等部分组成。液压挖掘机的工作装置是采用连杆机构的原理，而各部分的运动通过液压液压缸的伸缩来实现，从而完成挖掘作业。其中，动臂与动臂液压缸组成动臂连杆机
18、构(简称动臂机构)，斗杆与斗杆液压缸组成斗杆连杆机构(简称斗杆机构)，铲斗与铲斗液压缸及连杆机构组成铲斗连杆机构(简称铲斗机构)，各部分之间采用销轴铰接方式，以动臂液压缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂液压缸的伸缩可使动臂绕下铰点转动实现动臂的升降。斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆液压缸控制斗杆与动臂的相对角度。当斗杆液压缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗液压缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通常采用曲柄连杆机构来和铲斗连结。其组成如图2-1所示：1-斗杆液压缸；2- 动臂；3-液压油管； 4-动臂液压缸；5-铲斗；6-斗齿；7-侧板；8-连杆； 9-曲柄： 10-
19、铲斗液压缸； 11-斗杆.图2-1 工作装置组成图挖掘机工作装置的动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。各液压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。即将单斗液压挖掘机的工作装置看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，处理的具体简图如2-2所示。进一步简化得图如2-3所示。图2-2 工作装置结构简图1-铲斗；2-连杆；3-斗杆；4-动臂；5-铲斗液压缸；6-斗杆液压缸；7、动臂液压缸图2-3 工作装置结构简化图可见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
20、3，即工作装置的几何位置由动臂液压缸长度L1、斗杆液压缸长度L2、铲斗液压缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。 液压挖掘机工作装置工作原理如图2-1所示，工作装置由铲斗5、8和9组成连杆机构、动臂2与动臂液压缸4组成动臂机构，斗杆11与斗杆液压缸1组成斗杆机构，铲斗5、铲斗液压缸10及连杆8和曲柄9组成的连杆机构组成铲斗连杆机构。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作
21、装置转到挖掘位置，同时操纵动臂液压缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆液压缸或铲斗液压缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗液压缸和斗杆液压缸停动并操纵动臂液压缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗液压缸或斗杆液压缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置由回转马达操纵再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。上述过程仅为一般的理想过程，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，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。熟练的液压挖掘机操作人员可根据实际情况，合理操纵各
22、个液压缸，往往是各液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，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壁，则采用动臂和斗杆同时工作；而当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作才能完成工作。反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤。其挖掘轨迹决定于各液压缸的运动及其相互配合的情况。当采用动臂液压缸工作并进行挖掘时（斗杆液压缸和铲斗液压缸不工作）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、
23、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），也即决定于动臂液压缸的行程。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。液压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，液压缸尺寸，以及液压缸间作用力影响（斗杆，动臂液压缸的闭锁压力及力臂）外，还决定于整机的稳定和地面的附着情况。反铲液压挖掘机工作装置都采用转斗卸土，卸载较准确，平稳，便于装车工作。 液压挖掘机工作装置主要结构的设计.1 工作装置液压系统的结构设计 各工作液压缸的主参数的初步选择各工作液压缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化“要求。初选动臂液压缸内径D1=140m
24、m，活塞杆的直径d1=90mm。斗杆液压缸的内径D2=140mm，活塞杆的直径d2=90mm。铲斗液压缸的内径D3=110mm，活塞杆的直径d3=80mm。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂液压缸行程L1=1000mm，斗杆液压缸行程L2=1500mm，铲斗液压缸行程L3=1300mm。并按经验公式初选各液压缸全伸长度与全缩长度之比：1=2=3。参照任务书的要求选择工作装置液压系统的工作压力P，闭锁压力Pg。 各工作液压缸的布置 动臂液压缸的布置动臂液压缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）设在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。液压缸活塞杆端
25、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，但不影响动臂的下降幅度。在布置中，动臂液压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筋的作用，以弥补前面的不足。具体结构如图2-4所示：1-动臂；2-动臂液压缸图2-4 动臂液压缸铰接示意图 斗杆液压缸的布置斗杆液压缸与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，液压缸活塞杆的端部与斗杆的铰点设在斗杆箱体的中间。具体结构如图2-5所示1-动臂；2-动臂液压缸；3-动臂；4-斗杆图2-5 动臂液压缸铰接示意图 铲斗液压缸的布置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液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传
26、动特性。该布置中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大的铲斗平均挖掘力。具体结构如图2-6所示：1-斗杆；2-铲斗液压缸；3-连杆机构；4-铲斗图2-6 铲斗连接布置示意图 液压挖掘机铲斗机构的结构设计 铲斗的结构类型选择 铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下的要求： 有利于物料的自由流动，因此铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 要使物料易于卸尽。 要使装进铲斗的物料不易于窜出，因此铲斗的宽度与物料的粒径之比应大于4，大于50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构
27、，基本结构如图2-7所示：图2-7铲斗斗齿的安装连接采用橡胶卡销式，结构示意图如2-8所示。1-卡销 ；2 橡胶卡销；3 齿座； 4斗齿图2-8卡销式斗齿结构示意图 铲斗机构基本参数的选择 斗形参数的确定 斗容量q ：本设计中斗容量q = 0.9 m3 平均斗宽B：根据经验公式和差分法选择：当q = 1.0 m3时，B当q = 0.6 m3时，B = 当q m3时，B m参考其它机型的平均斗宽，初定B m = 1050 mm。 挖掘半径R：由经验统计和参考同斗容的其它型号的液压挖掘机，初选R = l3 =1450mm。 转斗挖掘满转角2：由经验公式 ： q=0.5R2B2-sin2KS (2-
28、1)其中KS为土壤的松散系数，取值为1.25，将q = 3和代入式(2-1)有： 2-sin2=0.6522 得：2=94 KQ的长度l24及KQV的角度10：特性参数: k1=l24/l3 (2-2)特性参数太大将影响机构的传动特性，太小则影响铲斗的结构刚度，故初选特性参数k1 = 0.29。此时l24=l3k1=16000.29=464mm。由于铲斗的转角较大，而k2的取值较小，故初选10 = KQV =105。 铲斗连杆机构参数选择图2-9铲斗机构计算简图中，l12：曲柄长度；l29：连杆长度；l3：铲斗长度；l2：斗杆长度；F：斗杆的下铰点；G：铲斗液压缸的下铰点；N：曲柄与斗杆的铰接
29、点；K：铲斗的上铰点；Q：铲斗的下铰点；V：铲斗斗尖。MGl29L3K l12l24Fl21 Nl2QVl3图2-9 铲斗机构计算简图连杆机构尺寸应满足以下几个条件： 挖掘力的要求：铲斗液压缸的挖掘力应与转斗最大挖掘阻力相适应，当斗齿尖处于V1时，斗杆液压缸的理论挖掘力应不低于最大挖掘阻力的80% ，即PD080% PD0max；当处于最大理论挖掘力位置时V1QV应为30。 几何相容：保证GFN、GHN、HNQK在任意一行程下都不被破坏。在保证以上两个条件，通过经验公式和同斗容的其它机型的测绘对照，初步选定连杆机构的基本尺寸如下：HK = 600mm；HN = 640mm；NQ = 400mm
30、； FN = l2-NQ = 2560mm； GF = 800mm；预选GFN = 60则 GN2 = FN2 + GF2 2COSGFNFNGFGN = 2268mm至此，铲斗机构的基本尺寸均已初步确定。 液压挖掘机斗杆机构的结构设计2.3.3.1 斗杆的结构类型选择斗杆一般是由钢板焊接而成的变截面箱形结构，一端与动臂铰接，另一端与铲斗铰接。液压挖掘机的斗杆结构一般分为整体式和组合式两大类：第一 整体式斗杆整体式斗杆制造简单，成本低，质量轻，装载效率高，在液压挖掘机中得到了广泛应用，具体结构如图2-11-螺栓；2-平垫圈；3-弹簧垫圈；4，16-销；5-定距环；6，15-垫片；7-斗杆；8，
31、9，10-轴套；11，13，14-油封；12-油杯图2-10整体式斗杆及铰接结构在图2-10中，AA剖面为铲斗液压缸与斗杆连接处的支座结构。铲斗液压缸用带有止动板的销4连接到斗杆上的液压缸支座上，并用螺栓1固定。液压缸和支座间装有垫片6，用于调整液压缸与支座间的间隙；BB剖面为斗杆与铲斗连接铰点的结构。铰接孔内部装有轴套8，端面装有油封11；CC剖面为摇杆与斗杆连接点，结构与BB剖面相同；DD剖面为斗杆与动臂的铰接结构，内部装有轴套10，并可通过油杯12加注润滑油，端面用油封14密封；EE剖面为斗杆液压缸安装铰点，其结构与AA剖面相同。第二 组合式斗杆组合式斗杆是在整体式斗杆的基础上发展起来的
32、，其主要优点是：互换性好，可适应各种工作装置的要求。具体结构如图2-11所示:图2-11组合式斗杆经过比较分析，本设计选用整体式斗杆。 斗杆机构基本参数的计算斗杆机构基本参数计算简图如下：D-斗杆液压缸的下铰点；E-铲斗液压缸的上铰点； F-动臂的上铰点；2-斗杆的摆角；l9 -斗杆液压缸的最大作用力臂图2-12 斗杆机构基本参数计算简图如图2-12取整个斗杆为研究对象，可得斗杆液压缸最大作用力臂的表达式： e2max=l9=pgmaxl2+l3/p2 （2-3）代入数据得：e2max=l9=1001032960+160010-3/31.470210-6 =944mm 斗杆液压缸的初始位置力臂
33、e20与最大力臂e2max有以下关系：e20/e2max=cos2max/2 （2-4）由式2-4知， 2max越大,则e20越小，即平均挖掘阻力越小。要得到较大的平均挖掘力,就要尽量减少2max,初取2max=90。由图2-12中的几何关系可知:L2min=2l9sin2max/2/2-1 （2-5）代入数据可得： L2min=2944sin45/1.6-1 =2225 mm L2max=L2min+2l9sin2max/2 （2-6） =2225 + 2944Sin 45 = 3560 mm l8=L2min+l9+2L2minl9cos-2max/2 （2-7） = 2225+ 944
34、+ 22225944COS62.5 = 2968.5 mmEFQ取决于结构因素和工作范围,一般在130170之间，初定EFQ=150,动臂上DFZ也是结构尺寸,按结构因素分析,可初选DFZ=10。 斗杆的其他未定机构尺寸可根据后面的受力分析具体确定。 液压挖掘机动臂的结构设计 动臂的结构类型选择动臂是液压挖掘机工作装置中决定总体构造形式和其他特征的主要构件。液压挖掘机铰接式工作装置的动臂结构一般可分为整体式与组合式两大类：第一 整体式动臂整体式单节动臂目前应用最广泛，其主要特点是制造方便、成本低、质量轻，能有较大的动臂转角，装载作业效率高，挖掘深度也比较大。配用加长可调斗杆，可以很好地完成垂直
35、壁面的挖掘作业，而且所挖掘的壁面平直整洁。整体式动臂有直臂与弯臂两种形式。整体直动臂构造简单，适用于专用正铲和悬挂式挖掘机。反铲工作装置使用直动臂只能得到较小的挖掘深度，显然不适用。采用整体弯动臂结构虽然降低了装载高度但可以增大挖掘深度，所以反铲工作装置广泛采用整体弯动臂，其结构为钢板焊接而成的矩形变截面封闭箱形梁，内部一般加隔板以增加强度和刚度。动臂与回转平台、斗杆及各液压缸的连接均采用铰接，其常见结构如图2-14所示。其中AA剖面为动臂与斗杆的铰接结构，动臂与斗杆之间用带有止动板的长销14连接，并用螺栓固定，斗杆与动臂铰支座之间装有垫片15，用于调整间隙；BB剖面为斗杆液压缸在动臂上的安装
36、结构，液压缸与动臂支座之间用带有止动板的销轴连接并用螺栓固定；CC剖面为动臂液压缸在动臂上的安装结构，动臂两侧的两个动臂液压缸用一个长销穿过，使之与动臂上的支座铰接，在两外端面要用轴端挡板和螺栓固定；DD剖面为动臂与回转平台的铰接结构，孔内装有滑动轴承2，两端面装有油封16。1-动臂；2-滑动轴承；3-弹簧垫圈；4-平垫圈；5，12-螺栓；6，9，14-销；7，8，l0，15-垫片；11-轴端挡板；13-垫圈；16-油封图2-14整体弯动臂及铰接结构第二 组合式动臂组合式动臂是在整体式基础上发展起来的。它使液压挖掘机的优点得到了充分的发挥，应用也很广泛。主要优点是：作业尺寸和挖掘力可以根据施工
37、条件随意调整，而且调整时间短，用液压缸连接时还能无级调节，可满足各种工作装置的要求，互换性好，可采用的工作装置形式也多，替换方便，下动臂可适应各种工作装置要求，不需拆换，装车运输也比较方便。组合式动臂有两大类：一类是长动臂配短斗杆，另一类则是短动臂配长斗杆。如图2-15所示为具有组合动臂的工作装置结构图。图2-15具有组合动臂的工作装置因本产品所设计的挖掘深度较大，故选用整体弯动臂结构。2.3.4.2 动臂机构基本参数的计算 1及A点坐标的选择初选动臂转角1 = 120。铰点A坐标的选择：由底盘和转台结构，并结合同斗容其它机型的测绘，初选：XA = 450 mm ；YA = 1200mm l1
38、与l2的计算特性参数 K2=l1/l2 （2-8）由于所设计的挖掘机适用性较强，一般不替换工作装置，故取中间比例方案，K2取在1.52.0之间，初步选取K2=1.8，即l1/l2=1.8。由统计分析，最大挖掘半径R1值与l1+l2+l3的值很接近，由已给定的最大挖掘距离R1、已初步选定的l3和k2，结合经验公式有： l2=R1-l3/1+K2 （2-9） =9885-1600/1+1.8 =2960mm l1 = k2l2 = 1.8 2960 = 5330mm l41与l42的计算特性参数 K3=l42/l41 （2-10）由经验统计和参考其它同斗容机型，初选特性参数k3 = 1.4 。如图
39、2-2所示，在三角形CZF中： l41=l1/1+K32-2K3cos1 （2-11） l42= k3l 41= 1.42552 = 3574 mm 39=cos-1l422+l12-l412/2l1l42 （2-12） = 24.5 l5的计算由经验和反铲工作装置对闭锁力的要求初取k4。11的取值对特性参数k4、最大挖掘深度H1max和最大挖掘高度H2max均有影响，增大11会使k4减少或使H1max 增大，这符合反铲作业的要求，初选11 = 62.5。斗杆液压缸全缩时，CFQ =32最大，依经验统计和便于计算，初选32max = 160 。由于采用双动臂液压缸，BCZ的取值较小，初取BCZ
40、 = 5 由图2-2，在三角形CZF中：ZCF = -1-39 =180-120-24.5= 35.5。BCF= 3= ZCF-ZCB = 35.5-5= 30.5。图2-16，图2-17分别是最大挖掘深度和最大挖掘高度计算简图：NH-摇臂；HK-连杆；C-动臂下铰点；A -动臂液压缸下铰点；B-动臂与动臂液压缸铰点；F-动臂上铰点；D-斗杆液压缸上铰点；E-斗杆下铰点；G-铲斗液压缸下铰点；Q-铲斗下铰点；K-铲斗上铰点；V-铲斗斗齿尖.图2-16 最大挖掘深度计算简图图2-17 最大挖掘高度计算简图如图2-16示，当动臂全缩、F, Q, V三点共线且处于垂直位置时，得最大挖掘深度为: H1
41、max =YFmin-l2-l3 =Yc+l1sin21min-l2-l3 =Yc+l1sin1-20-11-l2-l3 =YA+l5sin11+l1sin1max-2-11+l2sin1max+ 2max-11-8-2-l3 （2-13） 如图2-17所示，当斗杆液压缸全缩，动臂液压缸全伸时，QV连线处于垂直状态时，得最大挖掘高度为: H2max=YC+l1sin1min-2-11+l2sin32max+1max-2-11- =l2+l3+l1sin11-1min+2-l5sin11-YA （2-14）由式2-13、2-14得： H1max+H2max=l1sin1max-2-11+l2si
42、n1max+32max-11- 8-2-+l1sin11-1min+2+l2 （2-15）其中2+11 = 93 2+11 +（32 8）max = 93+（-160）=-67代入式2-15中有： H1max+H2max-l1sin1max-93+sin93-1min+l2sin1max+67+1=0 （2-16）又特性参数 K4=sin1max/1sin1min （2-17）则有： sin1min=sin1max/1K4 =sin1max/0.65 （2-18） cos1min=1-sin1min2 =1-sin1max/0.652 （2-19）将式2-18、2-19代入到式2-16式中解得： 1max=160 1min=45由式2-14得： l5=l2+l3+l1sin11-1min+2-YA-H2max/sin11 （2-20） =1600+2960 +5330sin93-45- 1200- 6630/ sin62.5 = 780mm而1min与1max需要满足以下条件 1min = cos-12+1-2/2