液压反铲装置

机械原理课程设计
-------项目规划报告
题目：
设计人：
指导老师:
机械原理课程设计
——大挖掘力、大角度、新型液压反铲装置
（一）反铲装置的一般结构
反铲装置是中小型液压挖掘机最主要的工作装置。

(1)结构方案
(一)动臂及斗杆的结构形式
动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构型式往往取决于动臂的结构型式。

反铲动臂可分为整体式和组合式两类。

整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。

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2—1所示。

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(图2—2)。

整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意，图2—3所示三节弯动臂有利于降低弯曲处的应力集中。

图2-3三节弯动臂
近年来悬挂式挖掘机上出现了小弯臂的结构形式(图2—4)，是直动臂的改良，动臂的箱
形结构可以不用开口，动臂和
斗杆油缸及管路的布置也比较方
便。

整体式动臂结构简单、价廉，
刚度相同时结构重量较组合式动臀
轻。

它的缺点是替换工作装置较少，
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，
长期用于作业条件相似的反铲采用
整体动臂结构比较合适。

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
助连扦(或按压缸)连接，另一类用螺
栓连接。

图2—4悬挂式小弯臂
连杆或液压缸铰接方案，如图2—5所示，其上、下动臂之间夹角可以借助辅助连杆或液压缸调节。

因中a为液压缸(或连杆)布置在动臂前下方的形式，b为连杆(或液压缸)布置在下动臂后上方的形式。

采用辅助液压缸来代替连杆，在作业过程中可随时进行大幅度、无级地调整上、下动锈夹角，从而提高机械的工作性能。

特别在用抓斗或反铲挖掘窄而深的基坑时，采用此方案容易得到较长距离的垂直挖掘轨迹因此可以提高挖掘质量和生产率。

由于辅助液压缸受力较大，液压缸缸径也要求较大，与其它工作液压缸缸径不易统一，在系统结构和操作上部比较复杂，实际使用中不如辅助拉杆普遍。

’
图2—5 采用辅助连杆(或液压缸)的组合式动管
动臂结构a和b两种方式各有特点，a图可使上、下动臂夹角调节到1800而成直臂，适用于正铲或起重作业；b图的液压缸(或连杆)布置限制了上、下动臂夹角．使其不能处于同一直线。

但b图的上、下动臂铰点处于I点时液压缸全伸可使上、下幻管夹角较小，以利地面以下深处作业。

而a图则由于连杆(或液压缸)位置限制，上、下动臂夹角的缩小不如b图。

此外，b图的下动臂、辅助液压缸和上动管下部组成近似的刚性三电形结构，下动臂主要受压，弯矩很小，受力情况改善。

c图布置与b图类似，不过c图的可调铰点除上、下动臂之间的铰点外，还有上动臂与连杆之间的饺点，调节比较方便。

应当指出，动臂液压缸活塞杆端与动臂的饺点从受力情况看来最好与上、下动臂交点重合，实际上由于结构的原因不能做到，切实可行的选择原则是在主要工况下使动臂液压缸作用力线通过上、下动臂的铰点。

采用螺栓连接上、下动臂的结构型式如图2—6所示。

图2—6 采用蝶栓连接的组合式动留图2—7 液压缸连接的批臂式组合动背
为了调节上、下动臂的夹角和上动臂的有效伸出长度，在下动臂上设置了a、a’和b三个
连接孔，a和a’两孔至b孔的距离相等。

在上动臂上设置了直线排列，间距等于ab的四个连接孔。

这两组孔之间组成了六种连接位置。

当下动臂采用a’、b两孔连接时在上动臂的四个孔上可以得到三种位置，使上动臂的伸出长度不同，而上、下动臂之间夹角一样；当下动臂采用a、b两孔连接时同样可以得到另外三个位置，但上、下动臂之间夹角比采用a’、b两孔时小。

在实际作业中，当土质松软或要求工作尺寸较大时可以采用上动臂伸出较长的位置；当土质坚硬或采用大容量铲斗挖掘时可以取上动臂伸出较短的位置；当要求较大挖掘深度则可以取ab孔连接；当要求较大挖掘高度或卸载高度时则取a’b孔连接。

作正铲用时一般不取上动臂最大伸出位置，因为这时机械稳定性和液压缸作用力都不能保证满足挖掘要求。

上述各种组合式动臂在改装成装载装置时一般都只保留下动臂。

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时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以随时进行无级调节。

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，组合式动臀结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用，尤其以中小型通用液压挖掘机作业条件多变时采用组合式动臀较为合适。

为便于沿着栅栏、建筑物墙壁或其它障碍物挖掘沟渠和基坑，有些小型液压挖掘机还设有拐管式组合动臂，即上动臂相对于动臂弯曲平面可向左或向右转动一定角度。

图2—7所示为液压缸连接的拐臂式组合动臂，采用液压缸控制水平拐角，下动臂与底盘纵向轴线的最大水平夹角一般可达±150一300。

图2-8所示为螺栓连接的拐臂式组合动臂，它与前种结构相比其水平拐角虽不能作无级调整，但比较简单，刚性也较好。

悬挂式液压挖掘机。

为了解决动臂横向侧移问题还普遍采用横移架装置。

其上、下横梁作为工作装置的移动支承导轨。

横移时，将工作装置转至与损移架平行的位置，然后将斗支于地上，利用工作液压缸的作用使动臂支承架在横移架上侧移。

伸缩式动臂在反铲装置中也有应用，图2—9所示亦采用了液压缸伸缩方案。

斗杆也有整体式和组合式两种，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比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，如图2—10所示，把加长杆拆去即成短斗秆。

图2—
11所示为伸缩式斗杆，它有伸、缩两种状态。

图2—8 螺栓连接的拐臂式组合动臂
图2—9 伸缩式动臂的反铲装置
(二)动臂液压缸和斗杆液压缸的布置
动臂液压缸的连接，一般有两种布置方
案。

第一种如图2—12a和b所示，动臂液压缸装于动臂的前下方。

动臂下支承点(即与转台的铰点)可以设在转台回转中心之前，并稍
高于转台平面。

它也可以设在转台回转中心之后，以改善转台的受力情况，但使用反铲作业装置时动臂支点靠后布置会影响挖掘深度。

大部分中小型液压挖掘机以反铲作业为主，因此都采用动臂支点靠前布置的方案。

动臂滚压缸一般都支于转台前部凸缘上。

动臂液压缸活塞杆端部与动臂的铰点通常也有两种布置方案。

一种是铰点设在动臂封闭箱形体下方的凸缘上，如图2—12a所示。

另一种是铰点设在动臂箱体中间，如图2—12b所示。

后一种方案用单只动臂液压缸时，动臂底面需开口使活塞杆可以伸入连接；用两只动臂液压缸时，则两缸分置于动臂两侧，在结构二有加筋保证强度。

铰点布置。

不削弱动臂结构强度，但影响动臂下降幅度，b则与之相反，但对动臂双液压缸则较合适。

第二种方案如图2—12c和d所示，动臂液压缸装于动臂的上方或后方，有的称之谓“悬挂式液压缸”。

这个方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时，尤其在挖探较大时动臂液压缸往往处于受压状态，闭锁能力较强。

尽管在动臂提升时液压缸小腔进油，提升力矩一般尚够用，提升速度也较快。

故作为专用的反铲装置这种方案仍然可取。

为了统一缸径和保证液压缸的闭锁能力，双动臂液压缸的方案采用渐多。

有些悬挂式动臂液压缸布置时考虑到不破坏动臂箱形截面，且不与斗杆液压缸碰撞，也采用双缸。

斗杆液
压缸一般只用一个，大型反铲一般只用一个，大型反铲有的动臀和斗杆液压缸均用双缸。

反铲斗杆液压缸的布置如图2—13所示。

(三)铲斗与铲斗液压缸的连接方式：
铲斗与铲斗液压缸的连接有三种型式(图2—14)，其区别主要在于液压缸活塞杆
图2—11 伸缩式斗杆
端部与铲斗的连接方式不同。

图2—14a为直
接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压图2—10 组合式斗杆缸组成四连杆机构。

图2—14b中铲斗液压缸通过摇杆l和连杆2与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连机构。

图2—l 4d与图2—l 4b类似区别在于前者液压缸活塞杆端铰接于摇杆两端之间。

图2—14c的机构传动比与b差不多，但铲斗摆角位置向顺时针方向转动了一个角度。

图2—12 动臂液压缸的布置方案
图2—13 斗杆液压缸的布置方案图2—14 铲斗与铲斗液压缸的连接方式
六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压随行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。

六连秆中方式b和d在液压缸行程相同时，后者能得到更大的铲斗角角。

但其铲斗挖掘力的平均值较小。

铲斗液压缸一般都用一个。

因传动比小，单液压缸作用力已足以保证斗齿所需的挖掘力。

（二）国外液压挖掘机发展现状
进入80年代以来，矿用液压挖掘机发展迅速，日本的小松制作所和三菱公司生产出PC—1500和MSl600型矿用液压挖掘机，其斗容量在8．8m3到14m3。

1985年三菱、神户制钢所等厂家联合研制了斗容量为20m3、整机重力约3800kN，发动机功率为1800 kw的矿用液压挖掘机。

据不完全统计，在1983年底，联邦德国、法国、日本和苏联四国生产矿用液压挖掘机达1000台，其中斗容量为8—14m3的为480台，约占总台数的50％。

当前应用最多的是斗容量为8—14m3的矿用液压挖掘机。

法国生产液压挖掘机的厂家主要是波克兰公司。

它生产的600CK和1000CK型液压挖掘机斗容量和整机重力分别为11．5m3，1200kN和11．7m3，1900 kN。

这二种挖掘机可以借助伺服系统的动传动装置，在动臂回升时回收能量；在装载和卸载之间将铲斗位置扶正。

当需要在地面向前移动时，可使铲斗保持水平，准许铲斗在没振动情况下，随地表面外形移动，还可以回收动臂，便于铲斗清堆。

交流量动力系统的变流量液压回路可使各种功能同时动作，亦可单独动作。

日本小松制作所生产的斗容量为14m3，机重1600 kN的PCl500型和三菱重工业公司生产的斗容量12m3，机重1650kN的MSl600型液压挖掘机都采用了电子计算机技术。

PC —1500型液压挖掘机用微电于计算机控制节能系统；而MSl600型液压挖掘机则用微电子计算机控制操作系统，可使机器无论在什么情况，只用一个操纵杆就能够控制复杂的挖掘作业。

苏联乌拉尔重机厂生产了ӘҐ—8和ӘҐ—12型液压挖掘机，在此基础上又改进结构生产ӘҐ—12A和ӘҐ—20型液压挖掘机，其斗容量分别为12m3和20m3，它们与同等生产能力的机械式挖掘机ӘҚҐ—12．5和ӘҚҐ—20相比生产率提高15％，而金属消耗和能力消耗都降低了1／2。

矿用液压挖掘机最近几年发展较快，但是由于受工作原理和能力限制，目前只是用于采剥矿岩比较软副露天煤矿之中。

随着液压技术和液压元件的发民其应用范因将逐渐扩大。

（三）问题的提出
设计一种与传统的反铲结构不同的反铲装置以满足特定需要（大角度、大挖掘力、液压反铲装置）
（四）新型反铲装置机构结构方案
表1是六种是新型反铲装置，与现有反铲装置进行比较，编号ｌ最简单，能增大挖掘力，但其铲斗摆角较小；编号2、３、４、５能增大斗杆摆角；编号6的铲斗油缸直接驱动铲斗，因此挖掘力较大。

表ｌ
１是动臂、２是斗杆、３是铲斗、４是动臂油缸、５是斗杆油缸、６是铲斗油缸。

新型反铲装置机构结构方案图
（五）参考文献
【1】间书文．矿山机拭构造．长春：吉林工业大学1975年【2】大连工学院编．起重运输机械上册．大连：大连工学院，【3】陈理元．挖掘机．北京：机械工业出版社，1965年
（六）尺寸综合(原理及三维造型)
1 斗齿位置
斗齿位置可用直角坐标表示，其坐标值是动臂转角φ1，斗杆转角φ2及铲斗转角φ3的函数，即V=ƒ(φ1，φ2，φ3)。

只要知道瞬时的一组φ1，φ2，φ3，相应的斗齿坐标就确定了。

斗齿的三组坐标系如图1所示，其中φ1以水平线O1U为基准，逆时针为正，顺时针为负；φ2以O1X1为基准，顺时针为负；φ3以O2X2为基准，逆时针为正，顺时针为负。

图一
主臂
1.绘制主臂
2.绘制链接柱和链接环
3.绘制轴孔
4.倒圆角
前臂
1.绘制前臂
2.绘制轴孔
3.绘制主臂连接片
4.绘制导向杆连接片
5.倒圆角
挖斗
1.绘制挖斗
2.绘制边缘
3.倒圆角
4.抽壳
5.创建挖齿
6.创建前臂连接片
7．创建旋转台
8.装配
七、机构的运动学仿真
1、定义伺服电机Driver1
Driver1的测量-时间图
Driver2的测量-时间图
Driver3的测量-时间图
Driver4的测量-时间图
5、机构自由度的测量自由度-时间的测量
6、挖斗上一点的位置-时间测量图
7、挖斗上一点的速度-时间测量图
8、挖斗上一点的加速图—时间测量图X分量
Y分量
Z分量
八、机构运动仿真分析（工作过程分析）
由上面的运动包络图分析可得，反铲装置的工作过程基本可分为三个过程：1、挖掘过程2、提升过程3、卸载过程
挖掘过程：Driver2驱动主臂下降，当主臂下降一定角度后，主臂汽缸驱动前臂动作到指定深度，此时前臂汽缸动作，驱动铲斗进行挖掘作业。

提升过程：Driver2驱动主臂上升到一定高度后，Driver2驱动转台到指定地点，然后主臂汽缸驱动前臂动作到指定高度，等待卸载。

卸载过程：前臂汽缸驱动铲斗转动进行卸载。

未进行优化设计前，该机构在运动中存在的优点与缺陷：
优点：
1、挖掘力大，因为在铲斗和前臂汽缸的中间形成了杠杆原理，增大了挖掘力
2、铲斗卸载角度大，便于货物的卸载。

3、较大的挖掘深度和挖掘范围。

缺陷：
1、从上面的三个包络线组图可以看出，铲斗驱动臂的包络线比铲斗的包络线要靠右，也就意味着，铲斗驱动臂的活动区域要比铲斗的活动区域要更大一些，对挖掘作业非常不利。

2、前臂汽缸的长度在运动中存在矛盾，为了便于挖掘和提升应增大铲斗与前臂的转动角度，所以汽缸的长度应该短些，但为了铲斗便于卸载，汽缸的长度应该长些。

3、挖斗载物时，与水平面有一定的倾角，不利载物。