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1、全日制普通本科生毕业论文WY90液压挖掘机工作装置设计 THE DESIGN OF WY90 HYDRAULIC EXCAVATOR WORKING DEVICE 由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706 学生姓名： 学 号：年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自动化指导老师及职称：学 部：理工学部提交日期：2012年5月 目 录 摘要1关键词11 前言1 2 工作装置整体方案设计3 2.1 机型选择及特点分析3 2.2 工作装置构成3 2.3 动臂及斗杆的结构形式初选5 2.4 动臂及动臂油缸的布置5 2.5 铲斗及铲斗油缸的连接方式5 2.
2、6 原始几何参数的给定63 工作装置分析7 3.1 动臂运动分析7 3.2 斗杆运动分析8 3.3 铲斗运动分析9 3.4 特殊工作位置计算134 工作装置基本尺寸的确定15 4.1 斗形参数的确定15 4.2 动臂机构参数的确定16 4.3 动臂机构参数的校核18 4.4 斗杆机构基本参数的确定22 4.5 铲斗机构基本参数的确定23 5 斗杆的结构设计256 斗杆的强度和刚度校核347 动臂的强度和刚度校核368 挖掘机稳定性分析379 结论38参考文献38致谢39 WY90型挖掘机工作装置设计 摘 要：随着社会的不断进步，改革开放的深入，我国的基础建设项目不断增多，对工程机械产品的需求量
3、也越来越大。液压挖掘机是工程机械的重要产品之一，具有较高的技术含量，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作复杂，于是它对工作装置的设计提出了很高的要求，因此，对挖掘机工作装置的分析设计对推动我国挖掘机的发展具有重要意义。关键词：挖掘机；铲斗；动臂；斗杆； The Design of WY90 Hydraulic Excavator Working Device Abstract:With the development of the society and economy in China,many fundamental engineering projects needs to be c
4、ompleted by the excavator.The hydraulic excavator is one of the most important contruction machineries.The hydraulic excavator includes the higher technical specification.Because of the bad working condition and conmplicated working movements of the excavator,its has high requitements for its workin
5、g device,the analysis and research of its working device make very important sens. Keyword: excavator;bucket;arm;measures stem;1 前言 液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，并作为工程机械的主力机种。挖掘机的主要工作就是土壤的挖掘。工作装置是直接完成挖掘任务的装置，许多挖掘机发达的国家广泛采用新技术、新方法来不断地提高液压挖掘机的作业性能和生产率。通过通用性及专业的挖掘机工作装置设计方法，进行工作装置的全面计算机通用性设计研究对推动国内挖掘机发展具有十分重要
6、的意义。 挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业与民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘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60%的土方量、露天矿山中80%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，在市场上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。国内外研究现状当前，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。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
7、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
8、中的充分利用20。 工作装置在挖掘机中是必不可少的，因此研究挖掘机工作装置具有重要的现实意义和理论意义。工作装置是挖掘机的重要组成部分，本次设计是为对挖掘机的工作装置有大体上的认识，巩固所学的知识和提高自身的设计能力。具体内容，如下：1）对挖掘机的工作装置各个部分进行设计与选型；2）对斗杆进行具体的设计；3）对动臂铲斗进行设计； 4）对其部件进行校核。2 工作装置总体方案设计2.1 机型选择及特点分析 本设计中，我选的是单斗液压挖掘机，其工作装置采用反铲装置。单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是在机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机中重要的品种。在
9、建筑工程交通运输露天采矿水利施工及现代军事工程中都广泛采用，是各种土石方施工中重要的机械设备。由液压挖掘机在构造和性能上有较多的优越性，因此近年来发展迅速，在中小型单斗挖掘机中，已取代了机械传动单斗挖掘机，成为工程机械的主要机种。图1为我所选的单斗液压挖掘机的反铲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、摇杆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
10、动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动2.2 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； 7-侧板； 8-连杆； 9-摇杆； 10-铲斗油缸； 11-斗杆.图1 工作装置组成图Fig 1 Work device constitutional diagram chart 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
11、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自由度的六杆机构，简化得图如2所示。2.3 动臂及斗杆的结构形式的初选 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。
12、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。缺点是可更换工装少，通用性较差。使用经验说明，长期用于作业条件近似的反铲，以采用整体臂较好。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，故也采用整体式直斗杆1 2。1-铲斗；2-连杆；3-斗杆；4-动臂；5-铲斗油缸；6-斗杆油缸图2工作装置结构简化图Fig2 Work device structure simplification chart2.4 动臂与动臂油缸的布置 动臂油缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点设在转台回转中心之前并稍高于转台平面3，这样的布置有利于
13、反铲的挖掘深度。油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影响动臂的下降幅度。并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双动臂在结构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足。具体结构如图4所示。2.5 铲斗与铲斗油缸的连接方式 本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。该布置中1杆与2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。如图5所示。2.6 原始几何参数的给定 动臂与斗杆的长度比2 , 由于所设计的挖机适用性较强，一般不替换工作装置，故取中间比例方案
14、，K1取在1.52.0之间，初步选取K1=1.8，即l1/l2=1.8。1-动臂； 2-动臂油缸图3 动臂油缸铰接示意图Fig 3 Moves the arm cylinder hinge schematic drawing 1-斗杆； 2-连杆机构； 3-铲斗图4 铲斗连接布置示意图Fig 4 Scoop connection arrangement schematic drawing动臂下铰点到动臂与连杆连接的铰点的距离斗杆与动臂连接的铰点到斗杆与铲斗连接的铰点的距离铲斗斗容与主参数的选择,斗容： =0.9m3按经验公式和比拟法初选：=1550mm 工作装置液压系统主参数的初步选择,初选动
15、臂油缸内径=140mm，活塞杆的直径d1=90mm。斗杆油缸的内径D2=140mm，活塞杆的直径d2=90mm。铲斗油缸的内径D3=90mm，活塞杆的直径d3=63mm。又由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸行程L1=1377mm，斗杆油缸行程L2=1450mm，铲斗油缸行程L3=1250mm。并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比：1=2=3=1.6。参照任务书的要求选择工作装置液压系统的工作此处已删除 12.5为斗杆侧板的厚度； 14为斗杆底板和顶板的厚度；275为底板的宽度图29 斗杆截面Fig 29 Bucket arm section 该截面对y轴的惯性距: 横截面总面积 该
16、危险截面所受到的正应力: （15）该截面所受到的最大弯曲正应力: （16） （17）则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有: （18）由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要小得多，为简化计算，在计算中简应力忽略不计，仅在校核中用，则有 （19）由（15）、（16）、（17）、（18）、（19）解得h=800mm。7 动臂强度与刚度的校核取工作装置为研究对象，忽略工作装置的重力，在工况下工作装置收到铲斗的切向阻力为W1 。 图31 动臂第一工况时的工作装置简图Fig 31 The first condition of computing devices sketch 该工况的铲斗挖掘切
17、向阻力与斗杆工况1切向挖掘阻力相等，即W1=42000N.取斗杆、铲斗以及连杆为研究对象，在平面内，. 解得=-246150N.参照斗杆工况2,算出该工况下动臂对斗杆的力斗杆对动臂的力与动臂对斗杆的力大小相等方向相反。取整个工作装置为研究对象，在C点处所受力矩平衡即, 解得.有整个工作装置受力平衡得到机架C对动臂的力.由以上计算画出动臂的轴力图、剪力图、弯矩图。图33 轴力N图Fig 33 arms N chart图34 剪力Q图Fig 34 arms Q chart取过ZB两点，以及D点的截面为危险截面，在斗杆装配图中可以得到3个危险的具体尺寸。已知各危险截面的具体尺寸及力、弯矩的大小，采用
18、与校核斗杆同样的方法计算出危险截面1的合成应力为123.6MPa，危险截面2的合成应力为153.4MPa.构成动臂的材料为Q345，其屈服极限为345MPa，取安全系数为2，得到斗杆截面的许用应力为110.2MPa，140.5MPa。斗杆各危险应力均小于许用应力，故动臂是安全的。8 挖掘机的稳定性分析 挖掘机的稳定性是保证其正常工作整机不发生倾覆的重要条件。我挖掘机的稳定图35 弯矩M图Fig 35 arms M chart性常以稳定性系数K表示。所谓稳定性系数就是指挖掘机在某一位置下，赋予倾覆轴线的复原力矩与倾覆之比，显然应该大于1，即： ，对于挖掘机的稳定性计算，要考虑到2种情况。1）挖掘
19、机在行走、回转和停止时，只要受到重力、离心力等作用时的稳定性叫做机身稳定性，应满足的条件。2）挖掘机在挖掘作业时，受到土壤对挖掘机的反作用力，这时稳定性允许低一些，叫做工作稳定性，应满足的条件。在进行稳定性计算时，要考虑动臂所处的位置，有下面3种情况。1） 动臂的方向平行于履带，他的倾覆轴线是2个履带的最前滚轮；2） 动臂垂直于履带，它的倾覆轴线是连接一侧履带支撑滚轮外圆的直线；3） 动臂处于履带的对角线方向，其倾覆轴线与动臂水平面上的投影互相垂直，并通过前滚轮与履带环的最外接触点。斗柄最大外升，相当于挖掘结束，铲斗内装满，使铲斗离开工作面，推压机构被制动，这时有可能对轴线发生倾覆，履带下面的
20、支撑面处于水平位置。 复原力矩 稳定性系数位于1.151.2之间，故此工况下挖掘机可以正常工作。9 结论 这次毕业设计，我系统的把工作装置的各个部分做了设计和选型，还对液压系统做了初步设计，这两部分都是挖掘机的重要组成部分。由于对工作装置的受力分析还停留在传统的设计方法上，设计不够精确；液压元件在设计与选择上也不够细致，所以导致液压系统上必有一定的缺陷。未来的设计应该大量采用计算机技术，将工程设计也计算机软件的应用有机的结合起来。这样设计出来的成果，将会更加合理，更加优越。本次的设计量比较大，牵涉到多方面的知识，如工程力学、机械结构设计等，计算和分析复杂，难度较大，而作者本身的设计知识也十分有
21、限，不足之处还望各位老师、同学指正，以使设计不断完善。参考文献1 段鹏文、毛君主编.工程机械M 第二版 北京：中国华侨出版社，2002.102 同济大学，太原重型机械学院.单斗液压挖掘机M.北京：中国建筑工业出版社，1980：40-86，264-274.3 刘本学.液压挖掘机反铲工作装置的有限元分析D.西安：长安大学，2003，24 金海薇. 液压挖掘机反铲工作装置CAD/CAM研究D.沈阳：辽宁工程技术大学，20015 赵显新. 工程机械液压传动装置原理与检修 第一版 辽宁科学技术出版社 2000.106 张铁编著.液压挖掘机结构原理及使用M.山东：石油大学出版社，2002.127 成大先主
22、编.机械设计手册. 连接与紧固M.北京： 化学工业出版社，2004.18 杨培元 朱福元 主编. 液压系统设计简明手册M.北京：机械工业出版社，2005.89 机械工程师手册编委会.机械工程师手册 第三版M.北京：机械工业出版社，2007.110 东北工学院机械零件设计手册编写组 编.机械零件设计手册M 第二版 北京：冶金工业出版社，1990.611 雷天觉等. 新编液压工程手册M（上，下）北京：北京理工大学出版社，1998.1212 隗金文 王慧. 液压传动M 沈阳：东北大学出版社，2001.1213 成大先. 液压传动M 北京：化学工业出版社，2004.114 甘永立主编. 几何公差与检测
23、M 第七版 上海：长海科学技术出版社，2005.715 李凤平 张士庆 苏猛 屈振生. 机械图学M 沈阳：东北大学出版社，2000.1016 巩云鹏 田万禄 张祖立 黄秋波 主编.机械设计课程设计M 沈阳：东北大学出版社，2000.717 胡传鼎编著. 机械制图画法范例M.北京： 化学工业出版社，2005.1，221-22718Pyung Hun Chang;Lee,S.-J.A straight-line motion tracking control of hydraulic excavator systemJ.Mechatronics,2002,12(1):119138.19 Nease
24、, A.D.; Alexander, E.F, Air Force construction automation/robotics. In Proc. 10th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC); Houston, May 1993. 20 机械设计手册编委会.机械设计手册第一卷 M.北京：机械工业出版社，2004.8致 谢感谢吴彬老师在百忙之中抽出时间对我的课题进行指导纠正，在制图和说明书的制作上给我指出了很多不足。从毕业设计选题到设计完成吴老师给予了我耐心的指导，吴老师严谨治学的精神和精益求精的工作作风这是我最值得学习的地方，感谢吴老师给予了我这样一个学习的机会，谢谢！感谢与我并肩作战的舍友与同学们，感谢关心我支持我的朋友们，感谢学校领导、老师们，感谢你们给予我的帮助与关怀；感谢湖南农业大学，特别感谢东科院四年来为我提供的良好学习环境，谢谢！附录附录1：总装图A01附录2：零件图A22附录3：零件图A35
