挖掘机工作装置

挖掘机工作装置
机械原理设计任务书
学生姓名朱班级学号20127462
设计题目：挖掘机工作装置机构设计
一、设计题目简介
单斗挖掘机是一种重要的工程机械，广泛
应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林
开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和
矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保
证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率
起着十分巨大的作用。

随着国家经济建设的不
断发展，单斗挖掘机的需求量将逐年大幅度增
长，其在国民经济建设中的作用将越来越显
著。

反铲装置作为单斗挖掘机工作装置的一种主要形式，在工程实践中占有重要地位。

反铲装置的各组成部分有各种不同的外形，要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。

然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机反铲装置的基本轮廓。

挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关要。

挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的分析是关键点。

在挖掘力分析基础上，可对各杆件铰接点进行力的分析计算，并进行机构设计的合理性分析。

二、设计数据与要求
该型挖掘机工作装置,由两节臂，一挖斗组成，停机面最大挖掘半径(mm):9850；最大挖掘深度(mm):6710；最大挖掘高度(mm):9840，液压缸驱动。

三、设计任务
1、提出可能的运动控制方案，绘制方案的机构简图，计算工作装置的自由度，进行方
案分析评比，从中选取最适合挖掘机工作装置的机构；
2、根据所确定的机构方案进行杆及运动副的尺寸计算，要有计算过程（图解法也必须
有作图步骤），并根据所计算尺寸依据国家相关标准提出油缸的布置及其运动要求；
3、在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。

4、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。

5、编写说明书，说明书应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。

四、提示
1、每一节斗杆应有一个油缸控制，即该机构应由多个自由度
2、按设计要求，主要考虑几个极限位置的相关数据
完成日期：年月日指导教师
设计思路
本文以CAT 320D2液压挖掘机工作装置为参考对象，运用Creo、
ADAMS、Matlab对液压挖掘机工作装置进行研究。

本文对工作装置进行建模、仿真分析、有限元分析和结构优化设计等研究，主要研究内容如下：
⑴分析了液压挖掘机的组成和工作原理，利用Creo建立了液压挖掘机工作装置的三维模
型。

⑵将Creo软件中建立的工作装置三维模型导入ADAMS软件中并进行相应处理生成虚拟
样机模型，对其进行运动学和动力学仿真，验证其机构设计的合理性，得到工作装置运
动范围包络图和各铰点受力变化曲线图。

⑶结合ADAMS软件中工作装置动力学仿真结果，利用Hypermesh 与ANSYS对动臂结
构进行了静强度有限元分析，得到其典型工况下的应力、位移分布情况及规律。

⑷建立工作装置动臂的参数化有限元模型，利用ANSYS结构优化模块对动臂进行了结构
优化分析，实现了动臂结构减重的目标。

方案比较
自由度计算公式：
F=3n-2P L-P H（1-1）P L——平面低副的数目；
运动模型建立过程
一．零件的建立
工作装置包括动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆以及三组油杆及其活塞杆共11 个运动部件。

每个部分利用creo建模功能中的拉伸、旋转、镜像、倒角等命令进行建模。

1.旋转台：本来此应该的对应的是挖掘机的底盘，为挖掘机旋转的传动机构，但是由于我们
主要是对其工作装置的研究，因此我们就用一圆台代替。

图旋转台
2.旋转支架：与旋转台同样，是对挖掘机机构的简化，与旋转台一起用来代替挖掘机的上部转
台，作用是对挖掘机的工作装置进行支撑作用。

图旋转支架
3.动臂：动臂是工作装置中决定总体构造形式和其他构件特征的主要部分。

动臂结构较为复杂，
主要由上下左右盖板焊接而成，其上还有一些连接结构用于与其他部件连接作用，如与动臂油缸连接的轴座、与斗杆油缸铰接的两个
耳座结构以及与斗杆铰接的前叉加强结构等。

图动臂
4. 斗杆：斗杆两端分别与动臂和铲斗连接，其结构与动臂类似，也是由不同厚度的钢板焊接而
成的封闭箱型，其上还有与动臂和铲斗连接的轴座结构，与斗杆油缸和铲斗油缸连接的耳座结构。

图斗杆
5．铲斗：铲斗是挖掘过程中用于切削和装载土壤的，其结构比较
复杂，由各种板件零件焊接而成。

图铲斗
6. 连杆和摇臂：连杆和摇臂结构比较简单，其铰接在斗杆、铲斗和铲斗油缸活塞杆上形成连杆摇臂机构，作用是传递铲斗油缸运动给铲斗使铲斗转动。

图连杆图连杆与摇臂装配
7. 各油缸及活塞杆：液压挖掘机有三组液压缸及其活塞杆，是分别用来驱动动臂、斗杆和铲斗运动的；它们结构类似，属于圆柱回转体，在长度和直径上存在区别。

图油缸图油缸与活塞杆装配
二．零件的装配
在利用creo实体建模功能创建了各个运动部件的模型后，我们就可以运用cero的装配模块，使各部件装配成为工作装置模型，在装配过程中会用到各种约束关系，如表2.1 所示是各种约束类型的介绍。

接下来利用以上约束类型进行零部件装配，装配步骤如下：
（1）新建一个装配体文件，即点击【新建】选择【装配】命令即可进入装配模块，进行装配工作。

（2）向装配体文件中插入第一个零部件，即点击【组装】，进入文件选择框，然后选择需要添加的已创建的零部件模型。

图图
（3）继续添加零部件，即【组装】插入按钮，选择与上一个添加的零部件进行配合的零部件。

（4）完成两零部件的装配，调整后一个插入的零部件与第一个零部件的相对位置，然后选择合适的约束关系进行装配。

（5）重复⑶和⑷步骤，完成其它零件的插入与装配，直至工作装置模型装配完成。

利用表中的相应约束和按照以上装配步骤完成的液压挖掘机工作装置三维模型,然后渲染，最终如图所示
三．零件的初步仿真
当我们家模型建好的时候可以利用creo运用程序里的【机构】，通过在铰接处加入伺服电机。