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挖掘機設計
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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(chǎn)品的需求量也越來越大。液壓挖掘機是工程機械的重要產(chǎn)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(fā)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(shù)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(shù)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(shù)學模型和結(jié)構(gòu)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(wěn)定性進行了分析和研究，并對其可能發(fā)生的失穩(wěn)狀態(tài)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(nèi)外小型挖掘機的發(fā)展情況 1
1.2.1國內(nèi)小型挖掘機的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2國外挖掘機目前水平及發(fā)展動向 2
1.3本設計研究的主要內(nèi)容 4
1.4本課題的技術難點及主要手段 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 7
3 動力系統(tǒng)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(yè)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(fā)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(fā)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(jié)構(gòu) 15
4.1.2動臂和斗桿結(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動臂和斗桿尺寸的確定 18
4.3液壓缸的設計 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 設計的合理性分析 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(qū)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(zhuǎn)機構(gòu)的設計 49
6.1回轉(zhuǎn)支撐裝置類型的選擇 49
6.2回轉(zhuǎn)滾盤的計算與選型 50
6.2.1計算回轉(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選擇滾盤型號和校核 51
6.3回轉(zhuǎn)機構(gòu)傳動方式的選擇 53
7 推土鏟的設計 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位置的確定 57
8 整機穩(wěn)定性 60
8.1挖掘機的穩(wěn)定性 60
8.2作業(yè)穩(wěn)定性 61
9 使用與維護說明 63
9.1液壓挖掘機操作環(huán)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(guī)程 64
9.4.1作業(yè)前的技術準備 64
9.4.2作業(yè)與行駛中的技術要求 64
9.4.3作業(yè)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(jié)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(nèi)的挖掘機產(chǎn)品，產(chǎn)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(chǎn)品之一。其主要適用場合為公路養(yǎng)護、園林綠化、小區(qū)建設、市政工程及農(nóng)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(yè)范圍狹窄的工況。路養(yǎng)護已經(jīng)常規(guī)化，園林綠化有序進行，小區(qū)建設工程漸增，市政工程不斷升級，農(nóng)田建設正趨向機械化，小挖的應用優(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更有優(yōu)勢，即使在僅靠墻根時也能方便的進行回轉(zhuǎn)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(qū)正趨于基礎建設逐步完善階段，小挖應用的市場環(huán)境日益擴展并呈現(xiàn)可以預見的強勁后市，此時對小挖進行一些理論聯(lián)系實際的研究顯然具有重要的現(xiàn)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(nèi)外小型挖掘機的發(fā)展情況
1.2.1國內(nèi)小型挖掘機的發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)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(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)組成的中國小挖團隊已經(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(xiàn)在整機匹配、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。目前國產(chǎn)品牌的優(yōu)勢仍主要建立在價格優(yōu)勢和服務優(yōu)勢上，技術上還無法與國際先進水平相提并論。
未來的發(fā)展將在很長一段時間內(nèi)受制于兩大主要配件，一是動力，二是液壓件。國產(chǎn)動力要抗衡進口動力尚需時日，而國產(chǎn)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(fā)展動向
工業(yè)發(fā)達國家的挖掘機生產(chǎn)較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量3.5-40 m3單斗液壓挖掘機的主要生產(chǎn)國，從20世紀80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機。從20世紀后期開始，國際上挖掘機的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展。
（1）開發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機。為滿足市政建設和農(nóng)田建設的需要，國外發(fā)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(shù)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(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時，發(fā)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(fā)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(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、電子計算機綜合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)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(jié)合，實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)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(chuàng)造了良好的前提。
（3）重視采用新技術、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標準化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如，德國阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機裝有新型的發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動功率的浪費。還安裝了CAPS（計算機輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效率和競爭力。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法，并創(chuàng)立了預測產(chǎn)品失效和更新的的理論。日本制定了液壓挖掘機構(gòu)件的強度評定程序，研制了可靠性住處處理系統(tǒng)。在上述基礎理論的指導下，借助于大量試驗，縮短了新產(chǎn)品的研究周期，加速了液壓挖掘機更新?lián)Q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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和傾翻保護結(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）進一步改進液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢。因為變量系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)。產(chǎn)生三個互不成影響的獨立工作運動。實現(xiàn)與回轉(zhuǎn)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(chuàng)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(jié)省能源消耗和減少對環(huán)境的污染，使挖掘機的操作輕便和安全作業(yè)，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(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，促使了機電一體化在挖掘機上的應用，并使其各種性能有了質(zhì)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(xiàn)代化的重要標志，亦即目前先進的挖掘機上設有發(fā)動機自動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)展動向主要體現(xiàn)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(jié)能為目標的功率模式控制；以動態(tài)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(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。
1.3本設計研究的主要內(nèi)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(nèi)容為總體設計，主要包括主工作臂的設計、底盤行走系統(tǒng)的設計和推土鏟的設計。總體設計的優(yōu)劣決定了其它零部件設計的質(zhì)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(fā)，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(shù)、整體布局、整體結(jié)構(gòu)、整機系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)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(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(cè)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(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類比來確定，最后經(jīng)計算證明其設計也基本上滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)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(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的底盤，即全液壓驅(qū)動、轉(zhuǎn)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(xiàn)無級變速。
這次設計所采用的主要設計手段是數(shù)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)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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