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挖掘機設計
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- 挖掘機設計
摘要
隨著社會的不斷進步，改革開放的深入，我國的基礎建設項目不斷增多，對工程機械產品的需求量也越來越大。液壓挖掘機是工程機械的重要產品之一，具有較高的技術含量。而無尾式小型液壓挖掘機在我國的發展才剛剛起步，其技術還遠遠落后于國外。在參照和分析CASE系列和久保田系列小型液壓挖掘機的基礎上，設計了無尾式小型液壓挖掘機。
本文完成的主要工作有：
1)建立了液壓挖掘機主工作裝置的數學模型；
2)針對工作裝置的計算工況，建立了相關的力學模型；
3)確定了液壓挖掘機的設計方案，完成了主要參數的設計計算；
4)對主要工作裝置的鉸點和關鍵部位進行力學分析和計算；
5)建立了底盤行走系的數學模型和結構模型；
6)對底盤行走系的相關部件進行的校核計算；
7)對整機的穩定性進行了分析和研究，并對其可能發生的失穩狀態進行校核。
關鍵詞：液壓挖掘機，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國內外小型挖掘機的發展情況 1
1.2.1國內小型挖掘機的發展現狀 1
1.2.2國外挖掘機目前水平及發展動向 2
1.3本設計研究的主要內容 4
1.4本課題的技術難點及主要手段 4
2 總體方案構思 6
2.1基本原理及主要工藝 6
2.2主要構思方案 6
2.3本方案特點 7
3 動力系統的設計 8
3.1 牽引力和牽引功率的平衡 8
3.1.1機械行駛作業過程中的阻力 8
3.1.2牽引工況時的牽引力平衡和牽引功率平衡 9
3.1.3運輸工況時的牽引力和牽引功率的平衡 10
3.2發動機的選型 11
3.2.1 單斗液壓挖掘機對柴油機的基本要求 11
3.2.2 發動機功率的確定 12
4 工作裝置的設計 15
4.1 工作裝置總體方案的選擇 15
4.1.1 工作裝置的總體結構 15
4.1.2動臂和斗桿結構形式的選取 16
4.2工作裝置結構尺寸的確定 17
4.2.1鏟斗參數的選擇 17
4.2.2動臂和斗桿尺寸的確定 18
4.3液壓缸的設計 20
4.3.1系統工作壓力的選取 20
4.3.2 液壓缸工作行程的確定 21
4.4 設計的合理性分析 22
4.4.1作業尺寸的校核 22
4.4.2 挖掘力的計算 22
4.4.3 主工作裝置的強度校核 24
5 行走裝置的設計 33
5.1 行走裝置的選型 33
5.2 行走裝置的設計 34
5.2.1履帶的設計 34
5.2.2驅動輪的設計 38
5.2.3支重輪的設計 41
5.2.4托輪的設計 44
5.2.5導向輪及張緊裝置的設計 45
5.2.6行走減速機、臺車架、底架的設計 48
6 回轉機構的設計 49
6.1回轉支撐裝置類型的選擇 49
6.2回轉滾盤的計算與選型 50
6.2.1計算回轉支撐裝置的最大靜態載荷 50
6.2.2確定靜態安全系數 51
6.2.3選擇滾盤型號和校核 51
6.3回轉機構傳動方式的選擇 53
7 推土鏟的設計 54
7.1推土鏟結構方案的選擇 54
7.2推土鏟結構尺寸的確定 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 55
7.2.3 切削刃的結構和參數 57
7.2.4 頂推架的結構 57
7.2.5 推土鏟液壓缸的選取與鉸點位置的確定 57
8 整機穩定性 60
8.1挖掘機的穩定性 60
8.2作業穩定性 61
9 使用與維護說明 63
9.1液壓挖掘機操作環境與使用條件 63
9.2液壓挖掘機使用要求及說明 63
9.3液壓挖掘機日常的維護與說明 63
9.4液壓挖掘機的操作規程 64
9.4.1作業前的技術準備 64
9.4.2作業與行駛中的技術要求 64
9.4.3作業后的技術工作 65
9.5液壓挖掘機行走操作及注意事項 65
9.5.1液壓挖掘機行走操作及注意事項如下 65
10 結論 67
參考文獻 68
附錄：圖紙清單及編號 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（以后簡稱小挖）通常指標準斗容在0.25m3以下，或指機重在8T以內的挖掘機產品，產品歸類為小型工程機械，在世界工程機械市場，屬銷量最大的工程機械產品之一。其主要適用場合為公路養護、園林綠化、小區建設、市政工程及農田建設等。小挖機動能力強、體積小，適合于各種土方量分散、作業范圍狹窄的工況。路養護已經常規化，園林綠化有序進行，小區建設工程漸增，市政工程不斷升級，農田建設正趨向機械化，小挖的應用優勢恰得其所地得以發揮。它與挖斗、推土鏟、液壓破碎錘等多種作業裝置配套使用后，具有挖掘、裝載、清溝、破碎等多種功能。
小型無尾液壓挖掘機的尾部長度為零，可以在狹窄地段方便的作業。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更有優勢，即使在僅靠墻根時也能方便的進行回轉和挖掘，與大型挖掘機相比，小型挖掘機設備的購買投入較少，使用成本相對較低。
由于我國目前正處于全面開展基礎設施建設階段，沿海地區正趨于基礎建設逐步完善階段，小挖應用的市場環境日益擴展并呈現可以預見的強勁后市，此時對小挖進行一些理論聯系實際的研究顯然具有重要的現實意義和長遠的指導意義。
挖掘機的動力、底盤、和主工作裝置設計的好壞很大程度上決定著挖掘機的整體性能，本課題在這些方面進行了研究。此外，為了適應挖掘機多功能化的需要，本課題還進行了附屬推土鏟的設計。
1.2國內外小型挖掘機的發展情況
1.2.1國內小型挖掘機的發展現狀
國內挖掘機市場比裝載機等工程機械起步晚，小挖則更晚。盡管近幾年小挖在國內市場的發展速度很快，主要生產廠家已近20余家，市場銷量增長率很高，但仍處于啟動階段。在國內小挖生產企業中，以廣西玉柴為首，山河智能、江西南特、山東臨挖、杭州軍聯等企業組成的中國小挖團隊已經出具規模。
國內小挖目前已形成1.5T至8T全系列產品，并占有國內市場的主要份額，且略有出口。國內小挖目前的整體技術水平處于國際二十世紀八十年代末九十年代初水平，與國外先進技術的差距主要體現在整機匹配、微操作性能、維修性、可靠性及外觀質量上。
現階段我國的挖掘機仍處于仿制階段，缺乏自主開發能力和發掘自身優勢的意識。目前國產品牌的優勢仍主要建立在價格優勢和服務優勢上，技術上還無法與國際先進水平相提并論。
未來的發展將在很長一段時間內受制于兩大主要配件，一是動力，二是液壓件。國產動力要抗衡進口動力尚需時日，而國產液壓件取代進口液壓件更需巨大努力。
1.2.2國外挖掘機目前水平及發展動向
工業發達國家的挖掘機生產較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量3.5-40 m3單斗液壓挖掘機的主要生產國，從20世紀80年代開始生產特大型挖掘機。從20世紀后期開始，國際上挖掘機的生產向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發展。
（1）開發多品種、多功能、高質量及高效率的挖掘機。為滿足市政建設和農田建設的需要，國外發展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘機，最小的斗容量僅在0.01 m3。另外，數量最的的中、小型挖掘機趨向于一機多能，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、高空作業架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時，發展專門用途的特種挖掘機，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機等。
（2）迅速發展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。在危險地區或水下作業采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現了挖掘機作業操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了基礎和創造了良好的前提。
（3）重視采用新技術、新工藝、新結構，加快標準化、系列化、通用化發展速度。例如，德國阿特拉斯公司生產的挖掘機裝有新型的發動機轉速調節裝置，使挖掘機按最適合其作業要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統，可自動調節流量，避免了驅動功率的浪費。還安裝了CAPS（計算機輔助功率系統），提高挖掘機的作業功率，更好地發揮液壓系統的功能。
（4）更新設計理論，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計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機的強度研究方面，促進了產品的優質高效率和競爭力。美國提出了考核動強度的動態設計分析方法，并創立了預測產品失效和更新的的理論。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性住處處理系統。在上述基礎理論的指導下，借助于大量試驗，縮短了新產品的研究周期，加速了液壓挖掘機更新換代的進程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。
（5）加強對駕駛員的勞動保護，改善駕駛員的勞動條件。液壓挖掘機采用帶有墜物保護結構和傾翻保護結構的駕駛室，安裝可調節的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾。
（6）進一步改進液壓系統。中、小型液壓挖掘機的液壓系統有向變量系統轉變的明顯趨勢。因為變量系統在油泵工作過程中，壓力減小時和增大流量來襝，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機可經常性地充分利用油泵的最大功率。當外阻力增大時則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長率加；采用三回路液壓系統。產生三個互不成影響的獨立工作運動。實現與回轉達機械的功率匹配。將第三泵在其他工作運動上接通，成為開式回路第二個獨立的快速成運動。此外，液壓技術在挖掘機上普遍使用，為電子技術、自動控制技術在挖掘機的應用與推廣創造了條件。
（7）迅速拓展電子化、自動化技術在挖掘機上的應用。20世紀70年代，為了節省能源消耗和減少對環境的污染，使挖掘機的操作輕便和安全作業，降低挖掘機口音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應用電子和自動控制技術。隨著對挖掘機的工作效率、節能環保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機電一體化在挖掘機上的應用，并使其各種性能有了質的飛躍。20世紀80年代，以微電子技術為核心的高新技術，特別是微機、微處理器、傳感器和檢測儀表在挖掘機上的應用，推動了電子控制技術在挖掘機上應用和推廣，并已成為挖掘機現代化的重要標志，亦即目前先進的挖掘機上設有發動機自動怠速及油門控制系統、功率優化系統、工作模式控制系統、監控系統等電控系統。
總之，國外小挖目前水平與發展動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，即使其駕駛室內的美觀與質感也幾可與國產轎車蓖美。
國外小挖目前的發展動向主要體現在：以一機多能為目標的多功能化；以提高操作性能為目標的智能化；以節能為目標的功率模式控制；以動態設計分析為基礎的可靠性設計；以人為本的駕駛室設計；基于微電子技術的自動監控系統的發展。
1.3本設計研究的主要內容
本次所設計的挖掘機為無尾式小型液壓挖掘機。設計的內容為總體設計，主要包括主工作臂的設計、底盤行走系統的設計和推土鏟的設計。總體設計的優劣決定了其它零部件設計的質量，也決定了整機的性能。合理的、全面的總體設計是整個設計任務順利完成的保證。因此，對整體設計必須從一個更高的層次出發，對整體設計必須提出更高的要求。
總體設計主要是對小型無尾液壓挖掘機進行深入地分析，并提出切實可行的方案，對整體參數、整體布局、整體結構、整機系統及其主要零部件進行設計計算，最后再將其建模裝配。在整體設計中，主工作裝置的設計、底盤行走系統的設計是最重要的，也是整機設計的關鍵所在。因為對于整個挖掘機而言，主工作裝置和底盤行走系是整個機器工作的前提和保證，它將決定整個機器的性能和質量。主工作裝置的設計必須考慮全面，比如外形尺寸、形狀、鉸點布置、工作過程中不能相互干涉、強度、剛度等等。而對于底盤行走系統，履帶式比輪式更加穩定，轉彎半徑更小，接地比壓更大，附著性能更好，結構布置更加緊湊，執行操作更加方便。此次設計的主工作裝置主要采用反鏟裝置，動臂部分主要采用整體式彎動臂，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斗桿；鏟斗部分采用道側齒的鏟斗。底盤行走系采用履帶式行走底盤，在設計底盤過程中盡量采用標準件，以便更換方便。
1.4本課題的技術難點及主要手段
對于挖掘機的整體設計，其難點是主工作裝置和底盤行走系的設計。主工作裝置是整個機器的工作部分，它直接影響到整機的工作性能。它主要由動臂、斗桿、動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸組成。對于動臂、斗桿和鏟斗的外形尺寸、形狀、空間結構布局，主要是根據CASE系列及山河智能無尾式小型液壓挖掘機類比來確定，最后經計算證明其設計也基本上滿足要求，能夠實現預期目標。底盤行走系是整個機械機體的支撐，它設計的好壞直接影響到整機的穩定性能和行使性能。對于底盤行走系，主要是由“四輪一帶”、履帶架和X型機架組成。我們經過現場調研后決定采用全液壓挖掘機的底盤，即全液壓驅動、轉向和制動。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現無級變速。
這次設計所采用的主要設計手段是數值計算和計算機繪圖（包括SolidWorks和清華天河2002）等。設計方法主要采用類比法和傳統法。首先對整機所要求達到的技術目標進行分析和設定，再對機體中具有決定作用的零部件進行正確的分析，發現整個設計中的技術難點和解決問題的核心，從而找到相應的解決問題的方法，最終使問題得以解決。
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