2吨液压挖掘机的挖掘机构设计说明书

2吨液压挖掘机的挖掘机构设计说明书内容摘要：

作装置一般由动臂 动臂液压缸 斗杆液压缸 斗杆 铲斗液压缸 铲斗 连杆 7 和摇杆 8 等组成。 其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。 动臂 1 的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸 2 来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。 斗杆 4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动， 斗杆与动臂的相对转角由斗液压缸 5 控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。 铲斗 6 则铰接于斗杆 4的末端，通过铲斗液压缸 5的伸缩来使铲斗绕铰点转动。 为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆 7 和摇杆 8）与铲斗连接。 液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。 反铲液压挖掘机的工作过程为，先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作 装置开始下一次作业循环。 动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。 转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由铲斗液压缸实现的。 由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。 在实际工作中，熟练的液压挖掘机人员可根据实际情况，合理操纵各个液压缸，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；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。 本次设计任务 本次设计斗容量 ，采用履带式行走装置，全液压驱动，挖Ⅲ及以下土壤。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页 2 总体设计方案 工作装置设计方案原则 设计合理的工作装置应能满足下列要求： ①主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。 考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结构碰撞限制等的可能 性。 ②整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并具有一定的先进性。 ③功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短。 ④确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重。 ⑤作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。 采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便。 ⑥运输或停放时工作装置应有合理的姿态，使运输尺寸小，行驶稳定性好，保证安全可靠，并尽可能使液压缸卸载或减载。 ⑦工 作装置液压缸设计应考虑三化。 采用系列参数，尽可能减少液压缸零件种类，尤其是易损件的种类。 ⑧工作装置的结构型式和布置便于装拆和维修，尤其是易损件的更换。 ⑨要采取合理措施来满足特殊使用要求。 液压系统设计方案原则（总体） 按照挖掘机各个机构和装置的传动要求，把各种液压元件用管路有机连接起来的组合体叫做挖掘机的液压系统。 液压系统的功能是把发动机的机械能以油液为介质，利用液压泵转变为液压能进行传送，然后通过液压缸和液压马达等执行元件转换为机械能，实现各种动作。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页 单斗液压挖掘机作业过程 液压挖掘机 的作业过程包括下列几个间歇动作：动臂升降、斗杆收放、铲斗装载、转台回转、整机行走，以及其它辅助动作，除辅助动作不需要功率驱动外，其它都是挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。 由于挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特殊要求： ① 实现各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化。 因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化。 ②为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作同时进行，叫做复合动作，这两项要求需要由液压系统来保证。 对液压系统作业动作要求 液 压挖掘机的动作复杂，机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外施工作业，温度变化和地理条件差别大，因此，应根据液压挖掘机的工作特点和环境特点，对其液压系统提出一些有别于其他应用的基本要求。 液压挖掘机的液压系统应满足的作业动作要求如下。 ①保证液压挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。 ②保证工作装置的动作与回转平台的回转动作既能单独动作，又能作复合动作，以提高液压挖掘机的作业效率。 ③履带式液压挖掘机的左、右履带应能分别驱动，使挖掘机行走转弯方便灵活， 并能实现原地转向，以提高挖掘机的机动性。 ④保证液压挖掘机工作安全可靠，对各机构及液压执行元件应具有完善的安全保护措施。 例如，对回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而下降过快；防止机器下坡行驶时超速溜坡等。 对液压系统基本的要求 根据液压挖掘机的作业动作和环境特点，对液压系统提出如下要求。 ①液压挖掘机的液压系统应具有较高效率，以充分发挥发动机的动力性 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页 和燃油经济性。 ②液压系统和液压元件在大负载和剧烈振动冲击作用下，应具有足够的可靠性。 ③选择轻便、适用、耐振的冷却散热系统，减少 系统总发热量，使液压系统工作温度及温升在规定范围内。 ④由于液压挖掘机作业现场尘土多，液压油被污染，因此液压系统的密封性能要好，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。 ⑤在必要时采用液压先导或电液伺服操纵装置，提高液压挖掘机操作的舒适性，减轻操作人员的劳动强度。 ⑥在液压系统中采用先进的自动控制技术，提高液压挖掘机的技术性能指标，使液压挖掘机具有节能、高效和自动适应负载变化的特点。 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页 3 挖掘机的工作装置设计 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式 确定动臂 的结构形式 动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往决定于动臂的结构形式。 反铲动臂分为整体式和组合式两类。 直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机 ,如图 3－ 1 所示。 图 31 整体式直动臂 采用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。 整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意，有时采用三节变动臂有利于降低弯曲处的应力集中。 整体式变动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。 它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。 为了扩大机械通用性，提高其 利用率。 往往需要配备几套完全不通用的工作装置。 一般说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。 如图 1－ 1 所示。 组合式动臂一般都为弯臂形式。 其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页 液压缸）连接，另一类用螺栓连接。 组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。 组合式动臂的主要优点是： 1．工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。 当采用螺栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级调节。 2．较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求， 从而较简单地解决主要构件的统一化问题。 因此其替换工作装置较多，替换也方便。 一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换。 3．装车运输比较方便。 由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用。 尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂较为合适。 本次设计作业条件比较单一，所以选用整体式弯动臂。 确定斗杆的结构形式 斗杆也有整体式和合式两种，大多数挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置 2～ 4个 可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。 有些反铲采用组合式斗杆。 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构 确定铲斗的结构形式 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。 铲斗的作业对象繁多，作业条件也不同，用一个铲斗来适应任何作业对象和条件较困难。 为了满足各种特定情况，尽可能提高作业效率，通用反铲装置常配有甚至十多种斗容量不同，结构形式各异的铲斗。 目前，对铲斗结构形式的研究还处于现场试验、实验室试验或模型试验阶段，未建立起较系统的理论。 将两只 RH6 液压挖掘机上进行对比试验，结果如表 3－ 1 所示。 由于砂的挖掘阻力较 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 12 页 小，对铲斗设计的合理性反映不灵敏，所以这两种铲斗的试验结果差别不大。 而对页岩作业效果就大不一样，其中一个铲斗的切削前缘中间略微凸出，不带侧齿，侧臂略呈凹形，这些因素使页岩挖掘阻力降低。 另一个铲斗的情况则相反。 对各种铲斗结构形状的共同要求是： 1．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各种物料的运动规律。 2．要使物料易于卸净。 用于粘土的铲斗卸载时不易卸净，因此延长了作业循环时间，降低了有效斗 容量。 国外采用设有强制卸土的粘土铲斗。 反 铲 斗 对 比 试 验 结 果 表 31 作业条件 铲斗 编号 铲斗充满时间 （ s） 生产率 （ 10kN/h） 效率 （ %） 在页岩中 作 业 铲斗 1 铲斗 2 100 在砂中 作 业 铲斗 1 铲斗 2 100 3．为了使装进铲斗的物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗粒直径之比应大于 4： 1。 当此比值大于 50： 1 时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物料为匀质。 4．装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便切入或破碎阻力较大有物料。 挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。 斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。 确定斗齿安装方式 目前，国产挖掘机斗齿安装方式主要有两类，斗容量 q ≤ 时多采用螺栓连接（图 3－ 2a），斗容量 q ≥ 时时多采用橡胶卡销结构（图 3－ 2b）。 本次设计斗容量为 m3挖掘机，所以斗齿安装方式为螺栓连接 . 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 13 页 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 铲斗与铲斗液压缸有三种型式（图 3－ 3），其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同，图 3－ 3a 为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。 图 3－ 3b 中铲斗液压缸通过摇杆 1 和连杆 2 与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构。 图 3－ 3d 和图 3－ 3b类似，区别在于前者液压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。 图 3－ 3c的机构传动比与 b差不多， 图 3－ 2 斗齿安装方式 但铲斗摆角位置顺时针方向转动了一个角度。 六连杆方式与四连杆方 式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。 六连杆方式 b 和 d 在液压缸行程相同时，后者能得到更大的铲斗转角。 但其铲斗挖掘力的平均值较小。 本设计中选用图 3－ 3b 的连接方式。 a)1234b)a)螺栓连接方式；b)橡胶卡销连接方式1卡销；2橡胶卡销；3齿座；4斗齿 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 14 页 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置 反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。 在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的情况下，工作装置各铰点在布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。 图 33 铲斗与铲斗液压缸的连接方式 动臂油缸的布置 动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式。 ①油缸前倾布置方案，如图 3－ 4 所示，动臂油缸与动臂铰接于 E 点。 当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。 ②油缸后倾布置方案，如图 3－ 5 所示，当动臂油缸全伸出，将动臂举升到上极限位置时，动臂油缸轴线向后方倾斜。 当两方案的动臂油缸安装尺寸 DE′、铲斗最大挖掘高度 H 和地面最大挖掘半径 R相等时，后倾方案的最大挖掘。