摘 要挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机种。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。挖掘机的主要特点为：能无级调速且调速范围大，能得到较低的稳定转速，快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作高速反转，传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动，操纵省力，易实现自动化控制，易于实现标准化、系列化、通用化。本次设计的主要参数是斗容量0.2m3它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作装置。挖掘机的工作装置是直接完成挖掘任务的装置，本设计对工作装置的各个组成部分进行了较为详细的设计，这其中包括了动臂、斗杆和铲斗及其驱动装置的设计。挖掘力约为30kN，最大卸载高度约为2.65m，最大挖掘深度4.2m，最大挖掘半径约为5.728m，从中可以看出整机作业能力有了很大的改进，不仅挖掘力大，且机器重量轻，传动平稳，作业效率高，结构紧凑。 关键词挖掘机，机械手臂；斗杆 目 录摘 要I第1章 绪论11.1 课题来源11.2 课题的研究的背景和意义11.3 国内外的发展与现状21.4 本次设计概诉3第2章 机械手臂的设计52.1 设计方案原则52.2 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式52.2.1 确定动臂的结构形式52.2.2 确定斗杆的结构形式72.2.3 确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构72.2.4 铲斗与铲斗液压缸的连接方式92.3 确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置92.3.1 动臂油缸的布置92.3.2 斗杆油缸的布置102.3.3 铲斗油缸的布置112.4 动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择122.4.1 反铲装置总体方案的选择122.4.2 机构自身几何参数132.4.3 斗形参数的选择142.4.4 动臂机构参数的选择172.4.5 斗杆机构参数的选择212.4.6 连杆、摇臂参数的选择22第3章 工作装置的强度计算233.1 斗杆的计算233.2 动臂的计算28结论30参考文献31致谢32绪论课题来源在学校组织的金工实习期间，对挖掘机的机械手臂的结构和工作原理有了一定的了解，本课题来源于此。
课题的研究的背景和意义挖掘机械的最早雏形，主要用于河道。港口的疏浚工作，第一台有确切记载的挖掘机械是1796年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”。而能够模拟人的掘土工作，在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”于1835年在美国诞生，主要用于修筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有170多年历史。1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的飞速发展，各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以节能、环保等方面有了长足的进步。目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用，成为土石方施工不可缺少的重要机械设备。挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此，压挖掘机是一种周期作业的土方机械。液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。在建筑工程中，可用来挖掘土坑、排水沟，拆除废旧建筑物，平整场地等。
更换工作装置后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深原有河道等。在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟和管道等。在露天采矿场上，可用来剥离矿石或煤，也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。在军事工程中，或用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物(1(。所以，挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都 起着很大的作用。据建筑施工部门统计，一台斗容量1.0m3的液压挖掘机挖掘Ⅰ～Ⅳ300～400个工人一天的工作量。因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。本文主要设计液压式挖掘机机械手臂。国内外的发展与现状工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，P技术成熟。美国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高市场占有率。20世纪后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。
1833～1836年，美国人奥蒂斯设计和制造了第一台蒸汽机驱动、铁木混合结构、半回转、轨行式的单斗挖掘机，生产率为35立方米／时，但由于经济性差没有应用。19世纪70年代经过改进的蒸汽铲正式生产并应用于露天矿剥离。1880年又出现了第一批以拖拉机为底盘的半回转式蒸汽铲。20世纪初至40年代末，挖掘机进入动力和行走装置多样化的阶段。1910年，出现了第一台电机驱动的单斗挖掘机；1912年出现了汽油机和煤油机驱动的全回转式单斗挖掘机；1916年出产了柴油发电机驱动的开始采用。轮胎式行走装置随着汽车工业的发展，广泛用于小型挖掘机((。新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪30～40年代的W501.W502.W1001.W1002等型机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂。1967年开始，我国自主研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型和杭州重型机械厂的WY250型挖掘机等。它们为我国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。
到20世纪80年代末，我国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0.1～2.5m³～(2(。机械手臂的设计设计方案原则设计合理的工作装置应能满足下列要求：1．主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结构碰撞限制等的可能性。2．具有一定的先进性。3．功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短。4．确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重。5．作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便。6．装置的结构型式和布置便于装拆和维修，尤其是易损件的更换。7．要采取合理措施来满足特殊使用要求(3(。确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式确定动臂的结构形式动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往决定于动臂的结构形式。反铲动臂分为整体式和组合式两类。直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机,如图3-1所示。
图2-1整体式直动臂采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意，有时采用三节变动臂有利于降低弯曲处的应力集中。整体式动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。为了扩大机械通用性，提高其利用率。往往需要配备几套完全不通用的工作装置。一般说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。如图2-1所示。组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。组合式动臂的主要优点是：1．工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用螺栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级调节。2．较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的统一化问题。因此其替换工作装置较多，替换也方便。一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换。3．装车运输比较方便。4．由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用。
尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂较为合适。本次设计作业条件比较单一，所以动臂选用整体式动臂(4(。确定斗杆的结构形式斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置2～4≤0.6m3时多采用螺栓连接图2-2a，斗容量q≥0.6m3时时多采用橡胶卡销结构图2-2b。本次设计斗容量为0.2 m3挖掘机，所以斗齿安装方式为螺栓连接(5(。 图2—2斗齿的设计a)螺栓连接方式； b)橡胶卡销连接方式1-卡销； 2-橡胶卡销； 3-齿座； 4-斗齿铲斗与铲斗液压缸的连接方式铲斗与铲斗液压缸有三种型式图2-3，其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同，图a为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。图b中铲斗液压缸通过摇杆1和连杆2与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构。图a和图b类似，区别在于前者液压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。图c的机构传动比与b差不多，但铲斗摆角位置顺时针方向转动了一个角度。六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。六连杆方式b和d在液压缸行程相同时，后者能得到更大的铲斗转角，但其铲斗挖掘力的平均值较小。
连接方式如下图。 图2-3铲斗与铲斗液压缸的连接方式确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的情况下，工作装置各铰点在布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。动臂油缸的布置动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式。1．油缸前倾布置方案，如图2-4所示，动臂油缸与动臂铰接于E点。当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。2．油缸后倾布置方案，如图2-4所示，当动臂油缸全伸出，将动臂举升到上极限位置时，动臂油缸轴线向后方倾斜。油缸全收缩时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即h1＜h2。此外，在后倾方案中，动臂EF部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。以上为动臂油缸后倾方案的缺点。然而，后倾方案动臂下铰点C与动臂油缸下铰点D的距离CD比前倾方案的大，则动臂在上下两极位置时，动臂油缸的作用力臂Cp也较大。因此，在动臂油缸作用力相同时，后倾方图为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘机将长动臂CE′F′改换成短动臂CE′F″，并配以长斗杆。
在最大深度处挖掘时，采用铲斗挖掘而还是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为h1′>h2。 图2-4动臂油缸前倾布置方案 显然，不论是动臂油缸前倾还是后倾方案，当C、D两铰点位置和CE长度均不变时，通过加大动臂油缸长度可以增大动臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘深度。所以，在布置油缸时，应综合考虑动臂的结构、工作装置的作业尺寸及动臂举升力的挖掘力等因素。本设计选用动臂油缸前倾布置方案。斗杆油缸的布置确定斗杆油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。1．保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。油缸全伸时的力矩应该足以支承满载铲斗和斗杆静止不动。油缸力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘范围可以取得越小一些。2．保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取100°～130°140°～160(180°，摆角位置可以按图2-5布置。当铲斗油缸全缩时，铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于10°,常取15°～25°3．铲斗从位置Ⅰ到位置Ⅱ时图2-5，铲斗油缸作用力臂最大，这里能得到斗齿最大切削角度的1/2左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿挖掘力也最大。
实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下，特别是进行复合动作挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于100°，而且铲斗也不一定都在初始位置Ⅰ开始挖掘。因此，目前一般取位置Ⅰ至位置Ⅱ的转角为30°～50°K1=l1(l2。对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度比可在很大内选择。一般当K1(2时，（有反铲取K1(3）称为长动臂短斗杆方案，当K1(1.5叶属于短动臂长斗杆方案。K1在1.5～2之间称为中间比例方案。要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例方案。相反，当用配套替换构件或可调连接适应不同作业条件时，不同的配置或铰点连接情况可组成各种比例方案。在使用条件单一，作业对象明确的条件下采用整体式动臂和斗杆固定铰接，K1值由作业条件确定。从作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下，K1愈大作业范围愈窄，从挖掘方式看K1大宜用于斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而K1值小宜用于以转斗挖掘为主。本设计采用中间比例方案,取K1=1.8。4．确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数，并考虑铲斗连杆机构传动比是否需要调节。5．根据液压缸系统压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件和三化要求等确定各液压缸缸数、缸径、全伸长度与全缩长度之比(。
考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动幅度等因素一般取(11.6～1.7，个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取(1≤1.75，而取(21.6～1.7，(31.6～1.7(。 表2-2反铲机构自身几何参数表参数分类机构组成铲斗斗杆动臂符号意义原始参数l3=QV，l12=MH，l13=MN，l14=HN，l24=QK，l25=KV，l29=KHl2=FQ，l9=EF，l10=FG，l11=EG，l15=GN，l16=FN，l21=NQl1=CF，l6=CDl7=CB，l8=DF，l22=BF推导参数α9＝∠NMHα10＝∠KQVα4＝∠EFGα5＝∠GNFα6＝∠GFNα7＝∠NQFα8＝∠NFQα2＝∠BCFα3＝∠DFCK2=，l3K2=，l3K2=l3α1＝∠CZFσ=K1=备注L2—斗杆长l1—动臂长α1—动臂弯角(这里令(=(max是铲斗的四个主要参数。R、B及2(三者与q之间有以下几何关系图2-6(8(。(2-1)其中q——0.2m3其中：q=0.2m3(已知)，铲斗斗容量；R——铲斗挖掘半径，单位m；B——铲斗斗宽，根据反铲斗平均斗宽统计值和推荐范围，查表2-6(7(取B＝0.75m；2(——铲斗挖掘装满转角，一般取2(＝90°～100°95°=1.658rad把q、B、2(代入式(2-1)得： 解得：R=0.803m 图2-6铲斗主参数示意图铲斗上两个铰点K与Q的间距l24图2-5太大将影响铲斗传动特性，太小则影响铲斗结构刚度。
一般取特性：K2=l24(l3=0.3～0.38取K2＝0.34＝l24(l3=0.34，R=0.803m，得出l24=0.273m。当转角较大时K2取较小值，一般取(10=(KQV=95°～115°105°。2 .斗形尺寸计算根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形其尺寸，如图2-7所示。图中三角形OGE为等腰三角形，OA段为直线，AB弧段为抛物线。A点至直线EB的距离为H，抛物线定点高度为L，一般取H＝L。斗尖角(取值范围一般为20°～30°(取30°～50°，包角(取108°。常见铲斗斗形参数参考表2-2。改变三角形OEG的形状可以获得不同的形状的斗形。斗形尺寸根据比拟法D=0.75m(已知)、RD=0.803m(已知)，得出：(1=0.294m；(2=0.534m；(3=0.87；R=0.7324m；m=0.0706m；(=40°；(=23°；(=108°；H＝L=0.56m。 图2-7反铲斗计算尺寸α、刃角β和后角γ等参数的选择都对挖掘比阻力有直接影响。斗齿在铲斗上的布置（齿宽和齿距）也是一个重要参数(9(。为使斗侧壁不参与切削，铲斗应装有侧齿。一般齿宽：m；齿长：m；齿距为：m；取a=0.18m斗前臂与切削面的间隙取：? =0.7b=0.0448m又由于铲斗宽度B=0.75m,齿宽与齿距之和为a+b因此： 斗装有3个齿。
另外齿尖应保持锐利，否则挖掘阻力将急剧增加。新铸（或锻）的齿只有一个小的圆弧尖连续工作后，齿尖将逐渐磨损，并变钝。通常，挖掘Ⅱ～Ⅲ级土壤，齿尖显著磨钝后，挖掘阻用将增加50～100%图2-8铲斗的基本参数 切削角对切削阻力影响也很大。通常，挖Ⅰ～Ⅲ级土时，斗切削角为(＝20°～35°(＝30°(＝30°(不应小于5°，刃角取25°。动臂机构参数的选择由于铲斗容量q＝0.2m3,根据国内外液压挖掘机有关设计标准，通过类比法，选出参数机重G＝5t。又根据经验公式计算法，参考表1-3机体尺寸和工作尺寸经验系数表(7(，线尺寸参数： 得出:最大挖掘半径： m；最大挖掘深度：m； 最大卸载高度：m据统计，最大挖掘半径R1值一般与l1+ l2+ l3的和值很接近。因此由要求R1，已定的l3和K1可按下列经验公式初选l1、l2：(2-2)其中：R1=5.728m；K1＝1.8；经计算得出：l2=1.759m；l1= K1 l2=1.8×1.759=3.166m在三角形CZF中，(1、l1和K3都可以根据经验初选出：其中(1——动臂的弯角，采用弯角能增加挖掘深度，但降低了卸载高度，但太小对结构的强度不利，一般取120°～140°(1＝140°(7(； l1——前面已算出为3.166m；K3——动臂转折处的长度比ZF(ZC，一般根据结构和液压缸铰点B的位置来考虑，初步设计取K3＝1.1～1.3，取K3＝1.2； 图2-9动臂实际尺寸因此根据公式：(2-3)可以算出l41、l42、(39经计算得出：m；m；(39 =17.9°如图2-9所示动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比K4按不同情况选取，专用反铲可取K4(0.8；以反铲为主的通用机，K4＝0.8～1.1；斗容量1m3左右的通用机，则可取K4＝1。
本设计中取K4＝1。(11的取值对特性参数K4、最大挖掘深度1max和最大挖高2max有影响。加大(11会使减小或使1max增大，这下符合反铲作业要求，因此基本用作反铲的小型机取(11(60°。本设计中取(11＝70°。斗杆液压缸全缩时(CFQ=(32-(8最大图2-10，常选((32-(8)=160°～180°本设计中取（(32-(8）＝170°(BCZ取决于液压缸布置形式，图2-B在Z的下面。初定∠BCZ＝5°，根据已知∠CZF＝22.1°( 解得：∠BCF＝17.1°。由图2-10得最大卸载高度的表达式为： （2-4） 图2-10最大卸载高度时动臂机构计算简图 由图2-11得最大挖掘深度绝对值的表达式为(2-5)将这两式相加，消去l5，并令A＝(11＋(2，B＝A+(8-(32max，得到：(2-6)又特性参数：(2-7) 图2-11最大挖掘深度时动臂机构计算简图)（2-8）将上式代入式(2-7)则得到一元函数f((1max)=0。式中H1max和H3max已根据经验公式计算法求出：(1min=29.6°；(1max73.5°最后由式2-5求l5为：（2-9） =0.638m(其中l1=3.166m；l2＝1.759m；A=97.1°，近似取YA=0.65mσ和ρ(2-10)经计算得出：(=1.63；(0.67；L1min=0.952m；L1max1.52m；l7=1.61m；(10(。
斗杆机构参数的选择第一步计算斗杆挖掘阻力：斗杆挖掘过程中，切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中视为常数，一般取斗杆在挖掘过程中总转角(g=50°～80°,取(g＝65°其中：r6—斗杆挖掘时的切削半径，r6=FV；m斗杆挖掘时的切土厚度hg可按下式计算： 斗杆挖掘阻力为：(2-11)式中K0——挖掘比阻力，由表0?10查得，K0＝20（Ⅲ级土壤以下）KS——土壤松散系数近似值取1.25(11(。斗杆l2与铲斗l3和FVmin之间，为了满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗的总转角往往要达到150°～180°计算得：m把K0、q、r6min、(g、KS代入式2-12得：kN第二步确定斗杆液压缸的最大作用力臂。m其中：根据经验公式计算法得出P2＝13.96kN斗杆液压缸初始力臂e20与最大力臂e2min之比是斗杆摆角(2min的余弦函数，设e20=e2max则：（2-12）由图2-13，取e20=e2max，求得：m（其中斗杆摆角范围大致在105°～125°，取(2max＝105°）=1.588m连杆、摇臂参数的选择从几何可容性与结构布置的角度对铲斗机构的要求考虑，必须保证铲斗六连杆机构在l3全行程中任一瞬间时都不会被破坏，即保证△GFN、△GNM及四边形HNQK在任何瞬间皆成立(12(。
根据铲斗六连杆机构的要求，借助电子计算机选出可行的方案为QN=7m；MH=156m；NM=95m；HK=12m；HN=3m。工作装置的强度计算工作装置由铲斗、斗杆、动臂以及连杆机构和各种工作液压缸组成。对这些结构件的分析计算，首先应确定各结构件的不利工况，即在这工况下对某一结构件可能出现最大的应力，以这工况作为设计该结构件的依据，也就是强度设计中计算位置的选择，计算图式和载荷的确定问题。由于影响挖掘机挖掘力的因素很多，如三个工作液压缸的匹配。整机稳定问题等，并且同样的反铲装置还有较多的形式，对计算位置的选择，看法很不一致，更无统一的规定。随着电子计算机的普及应用，目前已有可能对挖掘机的所有工况及其挖掘过程中指定的千百个位置进行作用力分析和对各结构件进行较多的可能危险断面进行应力计算，再结合样机的应力测定，使工作装置结构设计有可能得到比较可行而又经济
