挖掘机工作装置设计

摘要

本文设计的是一种挖掘机的挖掘装置，在为工业、民用上有特殊用途的挖掘装载机，它可以用于煤矿井下狭小空间清理、装载、运输等工作，也可以用于冶金、矿山、隧道建设等场合的挖掘装载工作。在本设计中，通过对国内外现有技术的了解和分析，利用任务书上所给定的挖掘机铲斗额定装载载荷，先计算出铲斗的斗容，而后选用标准容量铲斗，根据所选出的标准铲斗，计算出挖掘机的最大铲取阻力、最大卸载高度、最小卸载距离等一些设计所必需用到的量。通过对工作机构上九个铰接点位置的确定来设计出动臂的模型及动臂上各点的受力，然后计算出举臂油缸和转斗油缸的内径、活塞杆的杆径，选出标准的液压缸。

关键词：铲斗；液压缸；动臂；挖掘机

Abstract

Inthispaperthedesignofanexcavatorminingequipment,industrial,civilandspecial-purposebackhoeloaders,itcanbeusedinthenarrowspaceofthecoalminecleanup,loading,transportation,etc.,canalsobeusedinmetallurgy,mining,workloadoftheexcavationofthetunnelconstructionandotheroccasions.Inthisdesign,theunderstandingandanalysisofexistingtechnologyathomeandabroad,theuseoftheexcavatorbucketgiveninthemissionstatementontheratedloadload,firstcalculatethebucketcapacityofthebucket,andthenchoosethestandard-capacitybucket,accordingtothestandardbucket,electedtocalculatetheexcavatorshoveltotakeresistance,maximumdumpheight,minimumuninstalldistancesomeofthedesignnecessaryfortheamountused.Throughthehingepointlocationontheworkingbodiesofninemodeldispatchedarmandboompointforce,andthencalculatedthelifterarmcylinderandturnfightingtheinnerdiameterofthefueltank,roddiameterofthepistonrod,theelectionthestandardhydrauliccylinders.

Keywords:bucket;hydrauliccylinder;boom;excavator

目录

前言.....................................................................................................................51绪论....................................................................................................................71.1课题背景及目的..........................................................................................71.2挖掘机发展简史.........................................................................................81.4国内外研究状况..........................................................................................91.5论文构成及研究内容...............................................................................102总体方案设计.................................................................................................112.1工作装置构成...........................................................................................112.2动臂及斗杆的结构形式...........................................................................142.3铲斗的结构选择.......................................................................................142.4液压挖掘机工矿分析...............................................................................152.5液压挖掘机工作装置设计要求..............................错误！未定义书签。2.6液压挖掘机工作装置的设计原则..........................错误！未定义书签。3工作装置运动学分析.....................................................错误！未定义书签。3.1动臂运动分析..........................................................错误！未定义书签。3.2斗杆的运动分析......................................................错误！未定义书签。3.3铲斗的运动分析......................................................错误！未定义书签。3.4特殊工作位置计算：..............................................错误！未定义书签。4反铲装置的设计............................................................错误！未定义书签。4.1挖掘装载机工作装置典型工况分析确定..............错误！未定义书签。4.2、挖掘装载机工作装置的基本参数的选择............错误！未定义书签。4.3、油缸基本参数的选择和计算................................错误！未定义书签。5挖掘装置受力计算........................................................错误！未定义书签。5.1、挖掘阻力的计算....................................................错误！未定义书签。5.1.1铲斗挖掘阻力的计算......................................错误！未定义书签。5.1.2斗杆挖掘阻力计算..........................................错误！未定义书签。5.2、工作液压缸的理论挖掘力..................................错误！未定义书签。5.2.1铲斗挖掘时，铲斗缸的理论挖掘力..............错误！未定义书签。5.2.2斗杆挖掘时，斗杆油缸的理论挖掘力..........错误！未定义书签。

5.3、整机理论挖掘力..................................................错误！未定义书签。5.3.2铲斗挖掘..........................................................错误！未定义书签。6总结................................................................................错误！未定义书签。致谢....................................................................................错误！未定义书签。参考文献............................................................................错误！未定义书签。

前言

挖掘机是工程机械的一个主要机种，它广泛应用于矿山开采、道路工程、国防施工、农田水利等基本建设之中。随着我国经济建设的迅猛发展特别是国家加大公路、铁路、住宅和水利设施的投资，挖掘机越来越显示出在国民经济建设中的巨大作用。

我国挖掘机生产起步于60年代，第一代产品为机械式挖掘机。进入70年代，开始研制液压挖掘机，并形成了系列产品，标志着我国挖掘机行业已经形成。80年代中期，随着我国改革开放的深入和国民经济的发展，我国一些大型挖掘机企业分别引进了德国利渤海尔、德马克等公司的先进制造技术，使我国的挖掘机在技术水平、产品质量和生产管理上都有了很大的提高。涌现出诸如长江挖掘机厂、抚顺挖掘机厂、上海建筑机械制造厂、合肥矿山机器厂、北京建筑机械厂和贵阳矿山机器厂等一批实力较强的骨干企业，为我国挖掘机产品的生产和发展奠定了坚实的基础，也为我国的经济建设做出了不可磨灭的贡献。

进入90年代，挖掘机市场需求迅速扩大，一些企业纷纷看好这一市场，挖掘机行业如雨后春笋，新企业不断涌现，一些原本生产其它工程机械的企业，也纷纷加入到挖掘机行业。国外一些大公司也把目光瞄准了中国市场，短短的几年内，先后有日本、韩国、德国等十余家公司与中国企业进行了合资，还有的在中国独资办企业生产挖掘机，使得我国从原有的六大骨干厂，一下猛增到44家。企业性质由原来的单一国有企业，变

-5-成了国有、合资、独资、股份制、乡镇集体等多种形式。

目前，摆在挖掘机行业面前的是挑战和机遇并存。今后几年中国经济的快速增长，无疑会给工程机械行业的发展带来无限商机，挖掘机是工程机械的主要产品之一，许多工程都离不开挖掘机械的参与。据中国机电报报道，“九五”期间国家计划新建铁路6000多公里，增建复线3000多公里，电气化改造4000多公里，到2000年铁路运营将达到6.8万公里，平均每年投入资金500亿元。“九五”期间还将投资5500亿元，新建公路11万公里，其中高速公路6000公里；港口将新建万吨以上的舶位100个，新增吞吐能力2百多万吨；同时还要大力发展原油、天然气管道建设；在能源工业方面，将新建20座大型水电站，若干大型露天煤矿，石油的开采也逐步加大；另外，冶金、矿山的开采，“九五”期间要新建9座大型露天铁矿；还有农田水利工程，改造黄河流域10大水系，南水北调、疏竣河道，特别是98年遭受特大洪水灾害后，对堤坝、围堰的整修、加固、和综合治理工作将会加大力度。所有这些领域的巨大发展都需要大量的挖掘机械，为我国挖掘机械的发展提供了广阔前景。预计近几年国内市场每年需求挖掘机12000-15000台。因此，要使挖掘机的产量满足市场需求，只有把产品质量搞上去，提高产品的可靠性，切实做好售后服务，才能在竞争中立于不败之地，在市场上占有重大份额。

-6-1绪论

1.1课题背景及目的挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地应用，如工业与民用建筑、水利电气工程、交通运输、矿山采掘、农田改造以及现代化军事工程等等行业的机械化施工中。据统计，一般工程施工中约有59%的土方量、露天矿山中79%的剥离量和采掘量是用挖掘机完成的。

随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖掘机的广泛应用，挖掘机市场有着广阔的发展空间，因此发展满足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的。而工作装置作为挖掘机的重要组成部分，对其研究和控制是对整机开发的基础。

反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，具体的设计特别是中型挖掘机的设计已经趋于成熟。而关于反铲式单斗液压挖掘机的相关文献也很多，这些文献从不同侧面对工作装置的设计进行了论述。而笔者的设计知

-7-识和水平还只是一个学步的孩子，进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设计有一些大体的认识，巩固所学的知识和提高设计能力。

1.2挖掘机发展简史第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动半回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动全回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。

由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和腰带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全[8][9]。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段、各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产旦猛增。1968—1970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83％，目前已接近100％。

1.3.挖掘机的基本类型

液压挖掘机也和机械式挖掘机一样，由工作装置、回转装置和行走装置等三大部分组成。所以，我们可以从这三大部件的结构特点、功能和通用范围等方面来区分它的类型。就液压挖掘机构整机结构而言，全部采用液压传动者称为全液压挖掘机；部分采用液压传动者则称为半液压挖掘机(多数情况下是行走装置用机械传功，其余均为液压传动。也有机体为

-8-机械传动，而仅工作装置采用液压传动的)；能在水平面内回转360o的称为全回转挖掘机，否则就是非全回转式挖掘机。就工作装置来说，根据其用途和结构型式可以区分为“通用”与“专用”。—般中小型液压挖掘机都是通用的，多带有正铲、反铲、装载、抓斗、起重等五种工作装置。大型液压挖掘机往往专门用于建筑材料露天矿或其它金属与非金属露天矿作装载和挖掘工作，故只装正铲，成为专用；根据工作装置的结构特征，可以区分为铰接式和伸缩臂式。普通的液压挖掘机均为铰接式(动臂、斗杆和铲斗均可绕铰点转动，完成各种作业动作)，而伸缩臂式挖掘机的动臂由主臂和伸缩臂两部分组成，伸缩臂可在主臂内伸缩也可以变幅，臂端装有铲斗，适于作平整和清理工作，特别是修理沟坡。

就行走装置的型式而言，液压挖掘机可以制成履带式、轮胎式、轮胎—履带式、汽车式和悬挂式。悬挂式挖掘机用拖拉机作底盘，配装若干个工作装置(通常是一端装反铲、另一端为装载铲或推土板)。

除上述基本类型外，还有一些结构比较特殊的液压挖掘机。无行走驱动装置的双轮拖式挖掘机(亦称步履式挖掘机)制造简单、价格低廉，特别适用于狭窄地带和小型土方施工工地；轮胎可以收放的无支腿式挖掘机工作时不用支腿支撑，而将支承转台的底架全部落地，在360o的范围内自由回转进行作业。仲缩臂式挖掘机也可装上铰接式斗杆，满足作业过程中某些腕动式作业的要求。

1.4国内外研究状况当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、

-9-新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。我国己经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号。

由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗液压挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能;应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性;电子计算机监测与控制，实现机电一体化;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，单斗液压挖掘机有以下的趋势:

（1）向大型化发展的同时向微型化发展。（2）更为普遍地采用节能技术。（3）不断提高可靠性和使用寿命。

（4）工作装置结构不断改进，工作范围不断扩大。（5）由内燃机驱动向电力驱动发展。（6）液压系统不断改进，液压元件不断更新。（7）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。（8）增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。（9）人机工程学在设计中的充分利用。

1.5论文构成及研究内容本论文主要对由动臂、斗杆、铲斗、连杆机构组成挖掘机工作装置进行设计。具体内容包括以下四部分:

-10-(1)挖机工作装置的总体设计。

(2)挖掘机的工作装置详细的机构运动学分析。(3)工作装置各部分的基本尺寸的计算和验证。(4)工作装置主要部件的结构设计。

2总体方案设计

2.1工作装置构成1-斗杆油缸；2-动臂；3-油管；4-动臂油缸；5-铲斗；6-斗齿；-11-7-侧板；8-连杆；9-曲柄：10-铲斗油缸；11-斗杆.图2-1工作装置组成图图2-1为液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，如图所示反铲工作装置由铲斗5、连杆9、斗杆11、动臂2、相应的三组液压缸1,4,10等组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。

挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。

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，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。上述过程仅为一般的理想过程。

挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。根据以上特征，可以对工作装置进行适当简化处理。则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸及连杆机构组成的具有三

-12-自由度的六杆机构，处理的具体简图如2-2所示。进一步简化得图如2-3所示。

图2-2工作装置结构简图1-铲斗；2-连杆；3-斗杆；4-动臂；5-铲斗油缸；6-斗杆油缸图2-3工作装置结构简化图-13-挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、铲斗油缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。

2.2动臂及斗杆的结构形式动臂采用整体式弯动臂，这种结构形式在中型挖掘机中应用较为广泛。其结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻，且有利于得到较大的挖掘深度。

斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式斗杆。

2.3铲斗的结构选择铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下的要求：

A有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。

B要使物料易于卸尽。

C为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应大于4，大于50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。

综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图

-14-2-4所示。

图2-4铲斗2.4液压挖掘机工矿分析液压挖掘机的主要运动功能包括以下几个动作：动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作，如图2-5所示。除了辅助动作(例如整机转向等)不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，一般要进行全功率驱动研究。挖掘机的典型作业流程：

(1)整机移动至合适工作位置；(2)平台回转，使工作装置处于挖掘位置；(3)动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置；(4)斗杆、铲斗挖掘作业；(5)动臂升起；(6)回转工作装置至卸载位置；(7)操纵斗杆、铲斗卸载。

-15-图2-5液压挖掘机的工作运动1-动臂升降；2-斗杆收放；3-铲斗装卸；4-转台回转；5-整机行走由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，对主机的工作有两项要求：①实现各种主要动作时，随着阻力与作业速度的变化，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化；②为了充分利用发动机功率，缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作(例如挖掘与动臂下降、提升与回转)同时进行复合动作。

液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括：（1）挖掘：通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或两者配合进行挖掘。因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。

（2）满斗举升回转：挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸载位置，此时主要是动臂和回转的复合动作。

（3）卸载：转到卸载位置时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。为了调整卸载

-16-位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，兼以动臂动作。

（4）空斗返回：卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。

（5）整机移动工况：将整机移动至合适的工作位置。（6）姿态调整与保持工况：满足停放、运输、检修等需要。（7）其他辅助作业工况：辅助工作装置作业工况。

2.4.1典型挖掘工况

液压挖掘机典型的挖掘工况包括如下3种。

(1)铲斗挖掘工况：由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况，采用铲斗液压缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中(III级土以下土壤的挖掘)铲斗挖掘最常用。

(2)斗杆挖掘工况：由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况，在较坚硬的土质条件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘。

(3)联合挖掘工况：由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。

当单独采用铲斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定铲斗液压缸的行程。以铲斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较短，为了能够装满铲斗，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，所以一般挖掘机的斗尖最大挖掘力都在采用铲斗液压缸挖掘时实现。

-17-当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。

a-水平地面的挖削；b-斜坡地面的挖削a-水平地面的切削b-斜坡地面的切削图2-6斗尖直线挖削图2-7地面的切削和压整一般认为斗容量小于0.5m3在土质松软时以转斗挖掘为主，否则以斗杆挖掘为主。这两种情况的挖掘阻力不同。

在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。如在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图2-6所示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。如果需要铲斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作，这些动作决定于液压系统的设计，见图2-7所示。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力，保持铲斗贴紧侧壁进行切削，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。

单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。

-18-当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油较好。对于双泵系统，复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能性大，因此需要采用节流等措施进行流量分配，流量分配要求和三泵系统相同。

挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要短时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主压力阀的压力。

2.4.2满斗举升回转工况

满斗举升回转的运动约占整个作业循环时间的50%～70%，能量消耗占25%～50%，回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的30%～50%，因此要求尽可能地缩短转台的回转时间。

挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升到合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对卸载的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整的。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。

回转起动时，由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢流，此时应该将溢流的油供给动臂。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。

-19-2.4.3卸载工况

回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合动作，兼有动臂动作。

2.4.4空斗返回工况

当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给动臂，少部分油经节流阀供给斗杆。

发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。特点与满载回转类似，但转动惯量比满足时减小。

-20-2.4.5整机移动工况-21-