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挖掘機(jī)設(shè)計(jì)
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摘要
隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，改革開放的深入，我國的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目不斷增多，對工程機(jī)械產(chǎn)品的需求量也越來越大。液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的重要產(chǎn)品之一，具有較高的技術(shù)含量。而無尾式小型液壓挖掘機(jī)在我國的發(fā)展才剛剛起步，其技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。在參照和分析CASE系列和久保田系列小型液壓挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了無尾式小型液壓挖掘機(jī)。
本文完成的主要工作有：
1)建立了液壓挖掘機(jī)主工作裝置的數(shù)學(xué)模型；
2)針對工作裝置的計(jì)算工況，建立了相關(guān)的力學(xué)模型；
3)確定了液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)方案，完成了主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算；
4)對主要工作裝置的鉸點(diǎn)和關(guān)鍵部位進(jìn)行力學(xué)分析和計(jì)算；
5)建立了底盤行走系的數(shù)學(xué)模型和結(jié)構(gòu)模型；
6)對底盤行走系的相關(guān)部件進(jìn)行的校核計(jì)算；
7)對整機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和研究，并對其可能發(fā)生的失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行校核。
關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)，主工作裝置，底盤行走系，推土鏟,挖掘裝置
Abstract
With the development of the society and economy in China, many fundamental engineering projects need to be completed by the excavators. The hydraulic excavator is one of the most important construction machineries. The hydraulic excavator includes the higher technical specification, and it is very difficult to design them. But the development of the small scaled hydraulic excavator with no tail in our country just start, and the technique has been got behind with the abroad far and far. In this design, the series of CASE and Kubota are followed.
Main contents contained in the article are following:
1. The mathematical model of the main working equip has been established.
2. According to working condition, the correlated mechanics model of the main working equip has been established.
3. Offering the schedule of the hydraulic excavator and the main parameters’ calculation.
4. Mechanics analyzing and the fulcrums and important components of the main working equip.
5. The mathematical model and structural model of chassis motion train has been established.
6. Checking and calculating the strength of the correlated components of the chassis motion train with traditional method.
7. Analyzing and researching the stability of the total machine, and checking the condition which may will stability.
Keywords: Hydraulic excavator , work equipment, chassis motion train, earth-moving shovel，dig equipment.
目錄
1 緒論 1
1.1本課題的目的和意義 1
1.2國內(nèi)外小型挖掘機(jī)的發(fā)展情況 1
1.2.1國內(nèi)小型挖掘機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2國外挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展動(dòng)向 2
1.3本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 4
1.4本課題的技術(shù)難點(diǎn)及主要手段 4
2 總體方案構(gòu)思 6
2.1基本原理及主要工藝 6
2.2主要構(gòu)思方案 6
2.3本方案特點(diǎn) 7
3 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8
3.1 牽引力和牽引功率的平衡 8
3.1.1機(jī)械行駛作業(yè)過程中的阻力 8
3.1.2牽引工況時(shí)的牽引力平衡和牽引功率平衡 9
3.1.3運(yùn)輸工況時(shí)的牽引力和牽引功率的平衡 10
3.2發(fā)動(dòng)機(jī)的選型 11
3.2.1 單斗液壓挖掘機(jī)對柴油機(jī)的基本要求 11
3.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的確定 12
4 工作裝置的設(shè)計(jì) 15
4.1 工作裝置總體方案的選擇 15
4.1.1 工作裝置的總體結(jié)構(gòu) 15
4.1.2動(dòng)臂和斗桿結(jié)構(gòu)形式的選取 16
4.2工作裝置結(jié)構(gòu)尺寸的確定 17
4.2.1鏟斗參數(shù)的選擇 17
4.2.2動(dòng)臂和斗桿尺寸的確定 18
4.3液壓缸的設(shè)計(jì) 20
4.3.1系統(tǒng)工作壓力的選取 20
4.3.2 液壓缸工作行程的確定 21
4.4 設(shè)計(jì)的合理性分析 22
4.4.1作業(yè)尺寸的校核 22
4.4.2 挖掘力的計(jì)算 22
4.4.3 主工作裝置的強(qiáng)度校核 24
5 行走裝置的設(shè)計(jì) 33
5.1 行走裝置的選型 33
5.2 行走裝置的設(shè)計(jì) 34
5.2.1履帶的設(shè)計(jì) 34
5.2.2驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì) 38
5.2.3支重輪的設(shè)計(jì) 41
5.2.4托輪的設(shè)計(jì) 44
5.2.5導(dǎo)向輪及張緊裝置的設(shè)計(jì) 45
5.2.6行走減速機(jī)、臺(tái)車架、底架的設(shè)計(jì) 48
6 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 49
6.1回轉(zhuǎn)支撐裝置類型的選擇 49
6.2回轉(zhuǎn)滾盤的計(jì)算與選型 50
6.2.1計(jì)算回轉(zhuǎn)支撐裝置的最大靜態(tài)載荷 50
6.2.2確定靜態(tài)安全系數(shù) 51
6.2.3選擇滾盤型號(hào)和校核 51
6.3回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的選擇 53
7 推土鏟的設(shè)計(jì) 54
7.1推土鏟結(jié)構(gòu)方案的選擇 54
7.2推土鏟結(jié)構(gòu)尺寸的確定 54
7.2.1推土鏟的寬度和高度 54
7.2.2曲面板的形狀及參數(shù) 55
7.2.3 切削刃的結(jié)構(gòu)和參數(shù) 57
7.2.4 頂推架的結(jié)構(gòu) 57
7.2.5 推土鏟液壓缸的選取與鉸點(diǎn)位置的確定 57
8 整機(jī)穩(wěn)定性 60
8.1挖掘機(jī)的穩(wěn)定性 60
8.2作業(yè)穩(wěn)定性 61
9 使用與維護(hù)說明 63
9.1液壓挖掘機(jī)操作環(huán)境與使用條件 63
9.2液壓挖掘機(jī)使用要求及說明 63
9.3液壓挖掘機(jī)日常的維護(hù)與說明 63
9.4液壓挖掘機(jī)的操作規(guī)程 64
9.4.1作業(yè)前的技術(shù)準(zhǔn)備 64
9.4.2作業(yè)與行駛中的技術(shù)要求 64
9.4.3作業(yè)后的技術(shù)工作 65
9.5液壓挖掘機(jī)行走操作及注意事項(xiàng) 65
9.5.1液壓挖掘機(jī)行走操作及注意事項(xiàng)如下 65
10 結(jié)論 67
參考文獻(xiàn) 68
附錄：圖紙清單及編號(hào) 69
致謝 70
1 緒論
1.1本課題的目的和意義
小型多功能液壓挖掘機(jī)（以后簡稱小挖）通常指標(biāo)準(zhǔn)斗容在0.25m3以下，或指機(jī)重在8T以內(nèi)的挖掘機(jī)產(chǎn)品，產(chǎn)品歸類為小型工程機(jī)械，在世界工程機(jī)械市場，屬銷量最大的工程機(jī)械產(chǎn)品之一。其主要適用場合為公路養(yǎng)護(hù)、園林綠化、小區(qū)建設(shè)、市政工程及農(nóng)田建設(shè)等。小挖機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、體積小，適合于各種土方量分散、作業(yè)范圍狹窄的工況。路養(yǎng)護(hù)已經(jīng)常規(guī)化，園林綠化有序進(jìn)行，小區(qū)建設(shè)工程漸增，市政工程不斷升級(jí)，農(nóng)田建設(shè)正趨向機(jī)械化，小挖的應(yīng)用優(yōu)勢恰得其所地得以發(fā)揮。它與挖斗、推土鏟、液壓破碎錘等多種作業(yè)裝置配套使用后，具有挖掘、裝載、清溝、破碎等多種功能。
小型無尾液壓挖掘機(jī)的尾部長度為零，可以在狹窄地段方便的作業(yè)。受施工場地限制較少，在建筑物間、城市道路、園林綠化、挖掘溝槽等小型土方施工中比大中型挖掘機(jī)更有優(yōu)勢，即使在僅靠墻根時(shí)也能方便的進(jìn)行回轉(zhuǎn)和挖掘，與大型挖掘機(jī)相比，小型挖掘機(jī)設(shè)備的購買投入較少，使用成本相對較低。
由于我國目前正處于全面開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段，沿海地區(qū)正趨于基礎(chǔ)建設(shè)逐步完善階段，小挖應(yīng)用的市場環(huán)境日益擴(kuò)展并呈現(xiàn)可以預(yù)見的強(qiáng)勁后市，此時(shí)對小挖進(jìn)行一些理論聯(lián)系實(shí)際的研究顯然具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。
挖掘機(jī)的動(dòng)力、底盤、和主工作裝置設(shè)計(jì)的好壞很大程度上決定著挖掘機(jī)的整體性能，本課題在這些方面進(jìn)行了研究。此外，為了適應(yīng)挖掘機(jī)多功能化的需要，本課題還進(jìn)行了附屬推土鏟的設(shè)計(jì)。
1.2國內(nèi)外小型挖掘機(jī)的發(fā)展情況
1.2.1國內(nèi)小型挖掘機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)挖掘機(jī)市場比裝載機(jī)等工程機(jī)械起步晚，小挖則更晚。盡管近幾年小挖在國內(nèi)市場的發(fā)展速度很快，主要生產(chǎn)廠家已近20余家，市場銷量增長率很高，但仍處于啟動(dòng)階段。在國內(nèi)小挖生產(chǎn)企業(yè)中，以廣西玉柴為首，山河智能、江西南特、山東臨挖、杭州軍聯(lián)等企業(yè)組成的中國小挖團(tuán)隊(duì)已經(jīng)出具規(guī)模。
國內(nèi)小挖目前已形成1.5T至8T全系列產(chǎn)品，并占有國內(nèi)市場的主要份額，且略有出口。國內(nèi)小挖目前的整體技術(shù)水平處于國際二十世紀(jì)八十年代末九十年代初水平，與國外先進(jìn)技術(shù)的差距主要體現(xiàn)在整機(jī)匹配、微操作性能、維修性、可靠性及外觀質(zhì)量上。
現(xiàn)階段我國的挖掘機(jī)仍處于仿制階段，缺乏自主開發(fā)能力和發(fā)掘自身優(yōu)勢的意識(shí)。目前國產(chǎn)品牌的優(yōu)勢仍主要建立在價(jià)格優(yōu)勢和服務(wù)優(yōu)勢上，技術(shù)上還無法與國際先進(jìn)水平相提并論。
未來的發(fā)展將在很長一段時(shí)間內(nèi)受制于兩大主要配件，一是動(dòng)力，二是液壓件。國產(chǎn)動(dòng)力要抗衡進(jìn)口動(dòng)力尚需時(shí)日，而國產(chǎn)液壓件取代進(jìn)口液壓件更需巨大努力。
1.2.2國外挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展動(dòng)向
工業(yè)發(fā)達(dá)國家的挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量3.5-40 m3單斗液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國，從20世紀(jì)80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。從20世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。
（1）開發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)。為滿足市政建設(shè)和農(nóng)田建設(shè)的需要，國外發(fā)展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘機(jī)，最小的斗容量僅在0.01 m3。另外，數(shù)量最的的中、小型挖掘機(jī)趨向于一機(jī)多能，配備了多種工作裝置——除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時(shí)，發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī)，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機(jī)等。
（2）迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了良好的前提。
（3）重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如，德國阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。還安裝了CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能。
（4）更新設(shè)計(jì)理論，提高可靠性，延長使用壽命。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，促進(jìn)了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效率和競爭力。美國提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，并創(chuàng)立了預(yù)測產(chǎn)品失效和更新的的理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序，研制了可靠性住處處理系統(tǒng)。在上述基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，借助于大量試驗(yàn)，縮短了新產(chǎn)品的研究周期，加速了液壓挖掘機(jī)更新?lián)Q代的進(jìn)程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%，使用壽命超過1萬小時(shí)。
（5）加強(qiáng)對駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件。液壓挖掘機(jī)采用帶有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)和傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾。
（6）進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢。因?yàn)樽兞肯到y(tǒng)在油泵工作過程中，壓力減小時(shí)和增大流量來襝，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機(jī)可經(jīng)常性地充分利用油泵的最大功率。當(dāng)外阻力增大時(shí)則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長率加；采用三回路液壓系統(tǒng)。產(chǎn)生三個(gè)互不成影響的獨(dú)立工作運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)達(dá)機(jī)械的功率匹配。將第三泵在其他工作運(yùn)動(dòng)上接通，成為開式回路第二個(gè)獨(dú)立的快速成運(yùn)動(dòng)。此外，液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上普遍使用，為電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在挖掘機(jī)的應(yīng)用與推廣創(chuàng)造了條件。
（7）迅速拓展電子化、自動(dòng)化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，為了節(jié)省能源消耗和減少對環(huán)境的污染，使挖掘機(jī)的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機(jī)口音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應(yīng)用電子和自動(dòng)控制技術(shù)。隨著對挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機(jī)電一體化在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍。20世紀(jì)80年代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器和檢測儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動(dòng)了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和推廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，亦即目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。
總之，國外小挖目前水平與發(fā)展動(dòng)向國外小挖目前水平完全可以稱之為漸趨完美、漸入佳境，其功能的可靠性，操作的流暢性和舒適性不必詳述，即使其駕駛室內(nèi)的美觀與質(zhì)感也幾可與國產(chǎn)轎車蓖美。
國外小挖目前的發(fā)展動(dòng)向主要體現(xiàn)在：以一機(jī)多能為目標(biāo)的多功能化；以提高操作性能為目標(biāo)的智能化；以節(jié)能為目標(biāo)的功率模式控制；以動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析為基礎(chǔ)的可靠性設(shè)計(jì)；以人為本的駕駛室設(shè)計(jì)；基于微電子技術(shù)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。
1.3本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容
本次所設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)為無尾式小型液壓挖掘機(jī)。設(shè)計(jì)的內(nèi)容為總體設(shè)計(jì)，主要包括主工作臂的設(shè)計(jì)、底盤行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和推土鏟的設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定了其它零部件設(shè)計(jì)的質(zhì)量，也決定了整機(jī)的性能。合理的、全面的總體設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)順利完成的保證。因此，對整體設(shè)計(jì)必須從一個(gè)更高的層次出發(fā)，對整體設(shè)計(jì)必須提出更高的要求。
總體設(shè)計(jì)主要是對小型無尾液壓挖掘機(jī)進(jìn)行深入地分析，并提出切實(shí)可行的方案，對整體參數(shù)、整體布局、整體結(jié)構(gòu)、整機(jī)系統(tǒng)及其主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最后再將其建模裝配。在整體設(shè)計(jì)中，主工作裝置的設(shè)計(jì)、底盤行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是最重要的，也是整機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。因?yàn)閷τ谡麄�(gè)挖掘機(jī)而言，主工作裝置和底盤行走系是整個(gè)機(jī)器工作的前提和保證，它將決定整個(gè)機(jī)器的性能和質(zhì)量。主工作裝置的設(shè)計(jì)必須考慮全面，比如外形尺寸、形狀、鉸點(diǎn)布置、工作過程中不能相互干涉、強(qiáng)度、剛度等等。而對于底盤行走系統(tǒng)，履帶式比輪式更加穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎半徑更小，接地比壓更大，附著性能更好，結(jié)構(gòu)布置更加緊湊，執(zhí)行操作更加方便。此次設(shè)計(jì)的主工作裝置主要采用反鏟裝置，動(dòng)臂部分主要采用整體式彎動(dòng)臂，這樣有利于得到較大的挖掘深度。斗桿部分主要采用整體式直動(dòng)斗桿；鏟斗部分采用道側(cè)齒的鏟斗。底盤行走系采用履帶式行走底盤，在設(shè)計(jì)底盤過程中盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，以便更換方便。
1.4本課題的技術(shù)難點(diǎn)及主要手段
對于挖掘機(jī)的整體設(shè)計(jì)，其難點(diǎn)是主工作裝置和底盤行走系的設(shè)計(jì)。主工作裝置是整個(gè)機(jī)器的工作部分，它直接影響到整機(jī)的工作性能。它主要由動(dòng)臂、斗桿、動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸組成。對于動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的外形尺寸、形狀、空間結(jié)構(gòu)布局，主要是根據(jù)CASE系列及山河智能無尾式小型液壓挖掘機(jī)類比來確定，最后經(jīng)計(jì)算證明其設(shè)計(jì)也基本上滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。底盤行走系是整個(gè)機(jī)械機(jī)體的支撐，它設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整機(jī)的穩(wěn)定性能和行使性能。對于底盤行走系，主要是由“四輪一帶”、履帶架和X型機(jī)架組成。我們經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研后決定采用全液壓挖掘機(jī)的底盤，即全液壓驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)。全液壓可以使其工作更方便，操作也更方便，還可以快捷順利地實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。
這次設(shè)計(jì)所采用的主要設(shè)計(jì)手段是數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)繪圖（包括SolidWorks和清華天河2002）等。設(shè)計(jì)方法主要采用類比法和傳統(tǒng)法。首先對整機(jī)所要求達(dá)到的技術(shù)目標(biāo)進(jìn)行分析和設(shè)定，再對機(jī)體中具有決定作用的零部件進(jìn)行正確的分析，發(fā)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)和解決問題的核心，從而找到相應(yīng)的解決問題的方法，最終使問題得以解決。
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