正铲挖掘机说明书

机械原理课程设计题目：正铲液压挖掘机工作装置设计

学号：

姓名：

班级：

指导教师：

目录

一．摘要 (1)

二、设计题目 (2)

1-1机构简介 (2)

1-2设计数据 (2)

三、设计内容 (4)

3-1铲斗运动机构设计 (4)

3-2工作装置运动分析 (15)

四、数据计算及其仿真分析 (17)

五、设计总结 (21)

六、参考文献 (22)

正铲液压挖掘机工作装置设计

摘要

所谓正铲液压挖掘机，是相对于常见的反铲液压挖掘机而言的。挖掘机要承受复杂的冲击载荷，按传统静态的、经验的方法设计动臂结构，在施工过程中往往出现强度、刚度不足的情况。而动臂强度、刚度是否满足要求，将直接影响工作安全。因此，全面了解动臂在工作过程中的应力、应变水平，了解动臂的振动频率和刚度、强度分布情况，对于我们优化挖掘机结构具有十分重要的作用。本次课程实际是出于优化挖掘机的目的，运用ADAMS对动臂结构进行动态分析。在文中对液压挖掘机工作装置运动学及受力进行分析，介绍了挖掘机的作业方式，简要讨论了影响挖掘阻力的几种因素；利用Pro/E建立了挖掘机工作装置的运动模型，并对其进行运动学仿真；运用ADAMS对挖掘机动臂进行三种典型工况的受力分析，研究其应力及应变，验证动臂的强度符合设计要求，对动臂进行模态结构分析，得出其主要振型；实验测试了挖掘机动臂的应力应变及振动情况，并对实测结果和有限元分析进行了比较。有限元分析以及实际测试结果验证了动臂结构强度满足设计要求，动臂固有频率和挖掘机工作频率也不会引起共振现象，最后的研究结果也只是为了验证挖掘机的动力效果

1、设计题目及任务

1.1设计题目简介

正铲挖掘机的铲土动作形式。其特点是“前进向上，强制切土”。正铲挖掘力大，能开挖停机面以上的土，宜用于开挖高度大于2m的干燥基坑，正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要大一些，其工作装置直接决定其工作范围和工作能力。

1.2 设计数据和要求

题号铲斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半径卸载高度

C 4.0 3.2 9.52 9.06 7.91

1、绘制挖掘机工作机构的运动简图，确定机构的自由度，对其驱动油缸在几种工况下的运动绘制运动线图；

2、根据所提供的工作参数，对挖掘机工作机构进行尺度综合，确定工作机构各个杆件的长度；

3、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。

4、编写设计计算说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。

5、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。

2、正铲液压挖掘机工作装置基本组成与工作原理

正铲液压挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图所示。其中上部转台包括动力装置，传动机构的主要部分，回转机构，辅助设备和驾驶室；工作装置由动臂，斗杆，铲斗和动臂油缸组成，如图所示。

挖掘作业时，操作动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，操纵动臂油缸，使铲斗升高离开挖掘面，在回转马达的驱动下使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲

斗油缸使铲斗转动至合适位置，再回缩铲斗油缸转动铲斗，使斗前，斗后分开卸载物料。卸载后伸长铲斗油缸使斗前，斗后闭合，讲工作装置转到挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。转移工作场地时，操纵行走马达驱动行走

机构。

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，工作装置内部动作配合是多样随机的。上述过程仅为一般的理想过程。

3、正铲液压挖掘机工作装置结构方案的确定

正铲工作装置由动臂，斗杆，铲斗，工作液压缸和连杆机构等组成。动臂是焊接的箱形结构，由高强度钢板焊成，和反铲相比，正铲动臂较短且是单节的。动臂下端和转台铰接，油缸为双缸，在布置上动臂的下铰点高于动臂油缸的下铰点且靠后。这种布置既能保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，以满足挖掘和卸载的需要，同时也能动臂机构具有必要的提升力矩和闭锁力矩。

斗杆也是焊接箱形结构或者是铸造混合结构。斗杆的一端与动臂的上端铰接，斗杆油缸的两端分别与动臂和斗杆的下端铰接，形成斗杆机构。

铲斗铰接在斗杆的端部，铲斗油缸的两端分别与斗杆中部和连杆装置连接，形成转斗机构，一般为六连杆机构，有时也直接构成四杆机构。

本设计中我采用如下结构：

结构简图如下：

图示是正铲挖掘机工作装置的示意图，采用直动臂、直斗杆形式，铲斗为前卸式。动臂和动臂油缸在转台上的铰点分别为C 和A ，它们的位置以停机面为X 轴，整机回转中心线为Y 轴(图b)的直角坐标值来表示。这台挖掘机的主要工作油缸共5只，其中动臂油缸两只，置于动臂的两侧；斗杆油缸一只,置于斗杆的中部；铲斗油缸两只，铰于斗杆中部。主要工作油缸的主要参数列于表 自由度：

H P L P n F --=23

活动构件数11，单铰数13个，复铰1个，

由上可得自由度F=3×11-2×15=3

液压正铲挖掘机工作装置机构运动学分析

1.动臂运动分析

动臂CF 的位置由动臂油缸AB 的长度1L 决定。1L 和动臂水平倾角1θ之间的关系可用下式表示

()112175272521cos 2a a l l l l L +--+=θ （2-1）

112572125271

12cos a a l l L l l -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=∴-θ （2-2）

从上式看出，a 11-a 2对1θ的影响很大，当动臂和油缸的参数不变时，a 11-a 2愈大动臂提升高度愈小。设动臂油缸全缩时动臂倾角为min 1θ；动臂油缸全伸时动臂倾角为m ax 1θ，那么在动臂油缸由全缩到全伸，动臂总的转角为：

min 1max 11θθϕ-= （2-3）

为了便于运算和比较，仍用无因次比例系数σρλ、、表示，即

min 1max 1L L =λ；5

min 1l L =ρ；57l l =σ （2-4） 代入式(2—2)可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值

112221

min 21cos a a -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=-σρσθ （2-5） 1122221

max 21cos a a -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=-σρλσθ （2-6） 而动臂总转角为

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=--σρσσρλσϕ21cos 21cos 2212221

1 （2-7） 动臂油缸伸缩时对C 点的力臂也在不断变化，由图可知

BCA l l L e ∠⋅⋅=sin 5711

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-+⋅=∴5721255715712arccos sin l l L l l L l l e （2-8） 显然，当AB ⊥AC 时1e 有最大值，此时5max 1l e =，而相应的油缸长度1L '为：