小型挖掘机的工作装置的设计毕业设计说明书.docx
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1、本科毕业论文(设计)小型挖掘机的工作装置的设计姓名学号院系资源与工程技术学院专业机械设计制造及其自动化指导教师2022年3月15日挖掘机是一种重要的工程机械,广泛应用于住房建设、道路建设、水利、港口建设、国防工程和矿山采掘之中。作为挖掘机完成动作的直接实施者,挖掘机工作装置体现了其结构的合理性、灵活性、可靠性及耐久性,直接反映了挖掘机的工作性能。因此,对于挖掘机的工作装置的研究具有重要的意义。在本设计中,通过了解和分析国内外现有技术,使用任务书中所给定的挖掘机铲斗的斗容,首先计算出铲斗的额定装载载荷,然后选用标准容量铲斗,挖掘机的最大铲取阻力、最大卸载高度、最小卸载距离等一些设计所必需用到的量
2、均根据所选标准铲斗进行计算。通过对工作机构上较接点位置的确定来设计出动臂的结构及动臂上各点的受力,并选出标准的液压缸。通过计算和分析力学,可以合理地得出结论,动臂和斗杆采用整体式的组合方式是合理的。还有一些特殊的工况计算出的最大挖掘深度,找出了工作装置应力集中部分、最大受力点及最易受损部位,为挖掘机工作装置的结构优化设计提供了关键性依据。关键词:挖掘机;液压;动臂;斗杆;铲斗ABSTRACTExcavatorsareanimportantconstructionmachinery,widelyusedinhousingconstruction,roadconstruction,watercon
3、servancy,portconstruction,nationaldefenseengineeringandminemining.Asthedirectimplementeroftheexcavatortocompletetheaction,theexcavatorworkingdevicereflectstherationality,flexibility,reliabilityanddurabilityofitsstructure,anddirectlyreflectstheworkingperformanceoftheexcavator.Therefore,itisofgreatsig
4、nificanceforthestudyoftheworkingdeviceoftheexcavatoroInthisdesign,throughtheunderstandingandanalysisofexistingtechnologiesathomeandabroad,usingthebucketcapacityoftheexcavatorbucketgiveninthemissionstatement,theratedloadingloadofthebucketisfirstcalculated,andthenthestandardcapacitybucketisselected,an
5、dthemaximumshovelingresistance,maximumunloadingheight,minimumunloadingdistanceandothernecessaryamountsofthedesignoftheexcavatorarecalculatedaccordingtotheselectedstandardbucket.Bydeterminingthepositionofthearticulationpointontheworkingmechanism,thestructureofthemovingarmandtheforceonthepointsonthebo
6、omaredesigned,andthestandardhydrauliccylinderisselected.Bycalculatingandanalyzingmechanics,itisreasonabletoconcludethatitisreasonablefortheboomandsticktobecombinedinonepiece.Therearealsosomespecialworkingconditionstocalculatethemaximumexcavationdepth,tofindoutthestressconcentrationpartoftheworkingde
7、vice,themaximumforcepointandthemostvulnerableparts,whichprovidesakeybasisforthestructuraloptimizationdesignoftheexcavatorworkingdevice.Keyword:Excavators;hydraulics;booms;sticks;buckets第1章绪论11.1 概述11.2 国内外挖掘机工作装置的研究水平和存在的问题11.2.1国外挖掘机工作装置的研究现状11.2.2国内挖掘机工作装置的研究现状2第2章小型挖掘机工作装置结构方案设计32.1引言32.2液压挖掘机的工作
8、原理与基本组成32.3反铲工作装置的结构形式设计42.3.1整体式动臂的结构形式设计42.3.2铲斗的结构形式设计52.3.3整体式斗杆的结构形式设计62.3.4斗杆液压缸和动臂液压缸的布置方案62.3.5铲斗与铲斗液压缸的连接方式7第3章小型挖掘机工作装置参数设计83.1 工作装置的设计原则83.2 机构自身的几何参数设计83.2.1铲斗机构主要参数的设计83.2.2动臂的结构参数设计93.2.2.1动臂、斗杆长度的设计93.2.3斗杆机构及斗杆液压缸参数的设计93.2.3 .1斗杆液压缸参数的选择设计93.2.4 铲斗机构及铲斗液压缸主要参数的设计103. 2.4.1连杆机构参数的设计10
9、4. 2.4.2铲斗液压缸主要参数的设计113.2.5动臂液压缸的设计11第4章反铲工作装置的载荷分析145. 1工况分析以及确定不利工况144.2特殊工况位置下斗杆和动臂的受力分析15第5章挖掘机工作装置的强度设计与校核185.1 工作装置斗杆的强度设计与校核185.1.1 斗杆的强度校核185.1.2 斗杆的稳定性校核185.2 动臂的强度设计与校核185.3 .1动臂的强度校核185.4 .2动臂的稳定性校核20总结21参考文献22致谢23III保定理工学院学士学位论文(设计)第1章绪论1.1 概述随着现代工业的发展,挖掘机经常出现在各种各样的建筑工地上,赋予了挖掘机更多的功能。特别是从
10、20世纪下半叶开始,挖掘机的生产开始向多功能化、专业化、自动化方向发展,开发更多的功能,如为满足城市建设和农田建设的需要,开发铲斗容量小于0.24n?,最小的铲斗容量仅O.Oln?的小型挖掘机。同时,开发专业化和特殊挖掘机,如低噪声、低比压、水用和水陆两栖挖掘机等。小型挖掘机具有中型挖掘机的多项功能,又具有便于运输、能耗低、灵活、适应性强等优势,非常适用于空间狭小的施工场地作业,而且价格低、质量轻、保养维修方便,所以在小型土石方工程、路面修复、电缆埋设、自来水管道的铺设、园林栽培等工程中得到了广泛的应用.设计原则包括以下几个方面:(1)位置特性:满足主要工作尺寸及作业范围的前提下,在设计时应考
11、虑与同类机型相比时的先进性,性能与主要参数应符合国家标准之规定,运输或停放时应有合理的姿态;(2)运动特性:功率利用情况优先,理论工作循环时间短;(3)动力特性:满足整机挖掘力大小及分布情况的要求,应考虑到整机稳定性;(4)结构特性:结构形状应尽可能使受力状态有利,在保证刚度和强度的前提下,重量越轻越好,工作装置应安全可靠,便于拆装维修。1.2 国内外挖掘机工作装置的研究水平和存在的问题当前,国际上挖掘机的生产正向规模化、微型化、多能源化和专业化的方面发展。由于在性能、技术指标上的优势,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,单斗液压挖掘机对性能和传动系统进行改进
12、,实现高效率和节能,应用范围不断扩大,成本不断降低,向规范化、模块化发展。提高部件、配件的可靠性,保证整机的可靠性。1.2.1 国外挖掘机工作装置的研究现状国外对挖掘机工作装置的研究非常早,并率先将动力学和静力学仿真软件、保定理工学院学士学位论文(设计)有限元分析及疲劳分析软件应用到工作装置的优化设计中,同时结合各种试验验证计算机分析的各类有限元可靠性,为工作装置的结构设计提供了重要的参考,从而逐渐形成了一套较为完整的设计理论和方法。然而并不能说挖掘机工作装置的设计已经非常成熟,因为更新设计理论,减少挖掘机自身重量,降低能耗,延长使用寿命一直都是关于研究挖掘机非常重要的课题。美、法、日、英等国
13、家推广采用有限寿命设计理论,目的是推翻传统的无限寿命设计理论和方法,并将疲劳损伤通过理论累积、有限元分析法、优化设计法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究,促进了产品的高效率和同行竞争力。美、法、日、英等国家发行了各种关于挖掘机工作装置的理论方法。在上述基础理论方法的指导下,借助大量试验,缩短了新的挖掘机的研究周期,加速了液压挖掘机更新换代的进程,并提高其可靠性、耐久性、环保性等。1.2.2 国内挖掘机工作装置的研究现状我国的挖掘机生产起步较晚,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。国内液压挖掘机的研究和发展状况应该体现在以下几个方面:提高效率,隆低能耗;提高技术性能和控制性
14、能;发展集成、复合、小型化、轻化元件;开展液压自动控制技术方面的研究与开发;加强以提高安全性和环境保护为目的研究工作开发;提高液压元件和系统的工作可靠性;标准化和多样化;开展液压系统设计理论和系统性能分析研究E。3第2章小型挖掘机工作装置结构方案设计2.1引言小型挖掘机是指一种装有一只铲斗并且采用液压传动来进行挖掘作业的机械。目前广泛应用于水利工程,交通工程,电力工程和矿山采挖等机械施工中。它是挖掘机械中很重要的一类机种。小型挖掘机在工作过程中通过铲斗的切削刃伸入土壤并将土装入铲斗内,并在铲斗装满时抬起。挖掘作业时,接通回转马达,转动转台,让工作装置转到需要挖掘位置,同时操纵动臂小腔让其进油使
15、液压缸回缩,动臂下降到铲斗触地后再操纵斗杆液压缸或铲斗液压缸,液压缸大腔进油使其伸长,使铲斗顺利进行装载和挖掘工作。铲斗装满后,铲斗液压缸和斗杆液压缸停下并操纵动臂使其大腔进油,并使动臂抬起,随即接通回转马达,使工作装置转到需要卸载位置,再操纵铲斗或斗杆缸回缩,使铲斗翻转进行卸载土。2.2液压挖掘机的工作原理与基本组成为了实现挖掘机周期性作业的要求,液压挖掘机有以下基本组成部分组成:工作装置、动力装置、行走装置、回转装置、传动操作机构和辅助设施等。全回转式挖掘机较为常见,它的工作装置为主要部分、辅助设备和驾驶室等都装在转台上,这个转台称上部转台。由此也可以讲这种挖掘机主要由工作装置、行走装置和
16、上部转台三大部分组成。如图2-1所示,它是液压挖掘机的基本组成及传动结构简图。液压系统的功能是把发动机的机械能以油液为介质,利用油泵转变为液压能,传送给油缸、油马达等,然后转变为机械能,再传给各种执行机械,实现各种运动连杆机构在液压挖掘机的工作装置中得到了有效运用,挖掘机各部分有效运动是通过各个液压缸的伸缩来实现的。其中动臂下较点较接在转台上,通过动臂液压缸的伸缩,使动臂跟随整个工作装置绕动臂下钱点进行转动。斗杆依靠斗杆液压缸绕动臂上钦点转动;铲斗钱接于斗杆的前端,它通过铲斗液压缸和连杆绕斗杆前较点转动。在挖掘作业过程中,挖掘原理为接通回转马达,转动转台,让工作装置转到需要挖掘位置,同时操纵动
17、臂小腔让其进油使液压缸回缩,动臂下降到铲斗触地后再操纵斗杆液压缸或铲斗液压缸,液压缸大腔进油使其伸长,使铲斗顺利进行保定理工学院学士学位论文(设计)装载和挖掘工作。铲斗装满后,铲斗液压缸和斗杆液压缸停下并操纵动臂使其大腔进油,并使动臂抬起,随即接通回转马达,使工作装置转到需要卸载位置,再操纵铲斗或斗杆缸回缩,使铲斗翻转进行卸载土。当土壤卸完后,工作装置再回转至挖掘位置,接着进行第二次挖掘循环工作。然而由于挖掘面条件的特殊性以及挖掘机液压系统的不同和土质不同类的情况,在实际挖掘过程中,挖掘机的反铲装置液压缸在挖掘过程中的动作配合可以是随机性的、多样性化的。液压挖掘机由于采用液压缸使工作装置产生了
18、自由度,则铲斗可以实现有限的平面转动,同时挖掘机通过液压马达驱动回转机构产生运动,使铲斗运动能够扩大到有限的空间内,再通过行走马达驱动行走装置使挖掘空间沿水平方向得到间歇性地扩大,从而能够满足挖掘需要。图2.1液压挖掘机结构简图1-铲斗;2-铲斗油缸;3-斗杆;4-斗杆油缸;5-动臂;6-动臂油缸;7-驾驶室;8-转台;9-动力装置和配重;10-行走装置;I-铲斗挖掘、收斗和卸料;1一斗杆收放;III-动臂举升和下降;IV-转台左右回转;V-整机行走2.3反铲工作装置的结构形式设计2.3.1整体式动臂的结构形式设计整体式动臂可分为直动臂和弯动臂两种。而直动臂构造比较简单、轻巧、结构紧凑,主要用
19、于悬挂式挖掘机中,如图2.2所示。采用整体式弯动臂则有利于获得较大的挖掘深度,适合反铲作业要求。它是目前应用最广泛的结构形式。整#保定理工学院学士学位论文(设计)体式动臂结构简单,成本低,刚度相同同时结构重量轻于组合式动臂。故选用整体式动臂。组合式动臂大都为弯臂形式。它的组合方式有两类,一类是用辅助连杆连接,另一类则用螺栓连接。它的优点是工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整,可变性高,同时互换工作装置也较多。它的不足是制造成本高,比整体式动臂要重。则通过综合考虑,我的本次设计的动臂形式采用有利于更大挖掘深度,同时价格也相对低廉且其结构也相对简单的整体式弯动臂。2.3.2铲斗的结构形式
20、设计挖掘机铲斗的结构形状和参数的合理选择直接影响挖掘机作业效果。铲斗的作业对象很多,作业条件大都不同,因此用一个铲斗来适应各种作业对象和条件有点不尽人意。为了满足各种特定的工作情况,尽可能提高作业的效率,反铲装置常配有斗容量不同且结构形式各异的铲斗。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,这些结构使挖掘阻力降低。另一个铲斗的情况则相反闻。故选择铲斗结构如图2.3所示。2.3.3整体式斗杆的结构形式设计斗杆有整体式和组合式两类,大多数挖掘机都采用的是整体式斗杆,确定用组合式或整体式斗杆,以及组合式动臂的组合方式或整体式斗杆是否采用变节点调节是选择的关键。为节约成本不需要调节斗
21、杆的长度,故选整体式斗杆,非变节点调节。综合考虑本次设计将采用整体式斗杆,这种形式的斗杆在市场上也是最为常见的。2.3.4斗杆液压缸和动臂液压缸的布置方案对于斗杆液压缸的布置,本次设计我将用以下方案。用一个斗杆液压缸,其支座支于动臂上方,其活塞杆与斗杆钱接。动臂液压缸的连接,一般有以下两种布置方案。第一种方案:挖掘机的动臂液压缸装在动臂的前下方。动臂的下支撑点可以设在转台回转中心之前,并且稍高于转台平面。它也可设在转台回转中心的后面,目的是改善转台的受力情况,但使用反铲作业时动臂支点布置的靠后的话将会影响挖掘深度。因此动臂液压缸一般都支于转台前部凸缘上。动臂液压缸的活塞杆端部与动臂产生的钱点通
22、常有两种布置方案。一种是钱点设在动臂封闭箱体下方凸缘上;另一种则是较点设在动臂箱体中间皿。第二种方案:动臂液压缸装在动臂的上方或后方。这种方案的特点是动臂下降的幅度比第一种方案大。特别是挖掘深过大时动臂液压缸往往处在受压状态,闭锁能力较强。尽管动臂提升时液压缸小腔进油,提升力矩一般够用,提升速度也较快。因此作为专用的反铲装置这种方案也是可取的。图2.4动臂油缸前倾布置方案示意图2. 3.5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2.5,其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式各不相同,图a为直接连接,斗杆、铲斗与铲斗液压缸组成四连杆机构。图b中铲斗液压缸通过摇杆1和连杆2与
23、铲斗相连,它们与斗杆一起组成六连杆机构。图a和图b类似,区别在于前者液压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。图c的机构传动比与b相似,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。连接方式如下图。综上所述,最终选择的的铲斗与铲斗液压缸的连接方式为dobcd7图2.5铲斗与铲斗油缸的连接方式保定理工学院学士学位论文(设计)第3章小型挖掘机工作装置参数设计2.1 工作装置的设计原则为了能合理的设计工作装置,设计中应满足以下要求巴(1)
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