機械原理課程設計---反鏟挖掘機工作裝置設計

1、<p><b>　　機械設計說明書</b></p><p>　　設計題目：反鏟挖掘機工作裝置設計</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學 號：</b></p><p><b>　　班 級： </b><

2、/p><p><b>　　指導老師： </b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　挖掘機被稱為機械之王，在國家建設中起到舉足輕重的作用。反鏟式挖掘機是我們見過最常見的。</p><p>　　本文首先分析了反鏟挖掘機執(zhí)行機構的工作原理，畫出了它的機構運動簡圖并計算出了機構自由

3、度，并給出了其運動線圖，然后運用連桿機構綜合的方法，通過把整個執(zhí)行機構分為幾個小的連桿機構，再分別分析它們在最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸載高度、最大挖掘半徑和最大挖掘力情況下所處的機構位置關系，利用AutoCAD畫出其機構計算簡圖，運用正弦定理、余弦定理及一些經驗公式計算出了執(zhí)行機構的各個桿件的長度和必要的角度，然后利用這些數據，通過Pro/E建立了反鏟挖掘機的三維模型，裝配后導入SolidWorks并進行了運動仿真，輸出了其速度

4、線圖、位移線圖、加速度線圖，通過這些圖形有效驗證了前面所求出的各個桿件長度的合理性。</p><p>　　本文最大的特點在于把執(zhí)行機構分解成幾個小構件，通過運用數學定理和經驗公式，成功的把復雜的計算簡單化，逐步計算出了執(zhí)行機構的桿件長度。</p><p>　　關鍵字：自由度、連桿機構綜合、三維建模、運動仿真</p><p>　　一、機械原理設計任務書</p&g

5、t;<p>　　設計題目： 反鏟液壓挖掘機工作裝置設計 </p><p><b>　　1.1設計題目簡介</b></p><p>　　反鏟式是我們見過最常見的，向后向下，強制切土?？梢杂糜谕C作業(yè)面以下的挖掘，基本作業(yè)方式有：溝端挖掘、溝側挖掘、直線挖掘、曲線挖掘、保持一定角度挖掘、超深溝挖掘和溝坡挖掘等。反鏟裝置是液壓挖掘機重要的工作裝置，是一種適

6、用于成批或中小批量生產的、可以改變動作程序的自動搬運和操作設備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調頻繁的生產場合。</p><p><b>　　設計數據與要求：</b></p><p><b>　　1.2設計任務</b></p><p>　　1、繪制挖掘機工作機構的運動簡圖，確定機構的自由度，對其驅動油缸在幾種工況

7、下的運動繪制運動線圖；</p><p>　　2、根據所提供的工作參數，對挖掘機工作機構進行尺度綜合，確定工作機構各個桿件的長度；</p><p>　　3、用軟件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）對執(zhí)行機構進行運動仿真，并畫出輸出機構的位移、速度、和加速度線圖。</p><p>　　4、 編寫設計計算說明書，其中應包括設計思路、計

8、算及運動模型建立過程以及效果分析等。</p><p>　　5、在機械基礎實驗室應用機構綜合實驗裝置驗證設計方案的可行性。</p><p>　　二、液壓挖掘機的簡介及工作原理</p><p><b>　　2.1挖掘機的類型</b></p><p>　　挖掘機械的類型與構造形式繁多，可按照挖掘工作原理與過程、用途、構造特征進

9、行劃分。</p><p>　　按照用于，單斗挖掘機分為：建筑型、采礦型和剝離型等。建筑型挖掘機一般可裝置各種不同的工作裝置，進行多種作業(yè)，故又稱通用式。</p><p>　　按照動力裝置，挖掘機有電驅動、內燃機驅動和符合驅動等，以一臺發(fā)動機帶支挖掘機全部機構為單機驅動式，以若干發(fā)動機分別帶動各個主要機構為多驅動式。</p><p>　　按照傳動方式，挖掘機分為機械傳

10、動式、液壓傳動式和混合傳動式。</p><p>　　挖掘機的行走裝置型式有：履帶式、輪胎式、汽車式、步行式、軌道式、拖式等。</p><p>　　單斗挖掘機工作裝置的型式很多，常用的基本型式，對于機械挖掘機有：正鏟、反鏟、拉鏟和起重吊鉤等。</p><p>　　2.2液壓挖掘機的基本組成和工作原理</p><p>　　液壓挖掘機的種類很多，單

11、斗液壓挖掘機算是其中一個代表,如圖1-4。單斗挖掘機是一種采用液壓傳動并以一個鏟斗進行挖掘作業(yè)的機械。它是在機械傳動單斗挖掘機的基礎上發(fā)展而來的，是目前挖掘機中重要的品種。它的作業(yè)過程是以鏟斗的切削刃切削土壤并將土裝入斗內，斗裝滿后提升，回轉至卸土的位置進行卸土，卸空后鏟斗再回轉并下降到挖掘面進行下一次挖掘。當挖掘機挖完一段土后，機械移位，以便繼續(xù)工作，因此，是一種周期作業(yè)的自行式土方機械。</p><p>　　

12、2.2.1單斗反鏟液壓挖掘機的基本組成</p><p>　　單斗液壓挖掘機為了實現以上周期工作，液壓挖掘機必須有以下基本結構：工作裝置、回旋機構、傳動裝置（液壓部分）、操作裝置、行走裝置等。</p><p>　　單斗液壓挖掘機基本組成：由轉臺及轉臺上部的結構、底架及行走系、工作裝置等三大部分組成。</p><p>　　回轉平臺：由回轉平臺、液壓傳動裝置、伺服操縱裝置

13、、動力裝置、司機室、空調系統(tǒng)、電器系統(tǒng)等組成。 </p><p>　　工作裝置：由動臂、斗桿、鏟斗、連桿、搖桿、油缸等組成。</p><p>　　行走裝置：由車架、支重輪、托鏈輪、導向輪、張緊裝置、履帶、行走機構、回轉接頭等組成 。 </p><p>　　動作（五個動作及其復合）——動臂升降、斗柄轉動、挖斗轉動、轉臺回轉及行走。</p><

14、;p>　　2.2.2單斗反鏟液壓挖掘機的工作原理</p><p>　　反鏟式挖掘機是最常見的挖掘機一種，廣泛用于建筑領域，主要用于平整路面、深挖基坑等。反鏟裝置是中小型液壓挖掘機的主要工作裝置，液壓挖掘機反鏟裝置由動臂、斗桿、鏟斗以及動臂液壓缸、斗桿液壓缸、液壓缸和連桿機構等組成。其構造特點是各部件之間的聯系全部采用鉸接，通過液壓缸的伸縮來實現挖掘過程中的各種動作。</p><p>

15、　　反鏟液壓挖掘機的工作原理采用連桿機構原理，而各部分的運動則通過液壓缸的伸縮來實現。</p><p>　　圖1所示為液壓挖掘機最常用的工作裝置——反鏟裝置。它由鏟斗1、斗桿2、動臂8、連桿4以及相應的三組液壓缸5、6、7組成。動臂下鉸點鉸接在轉臺上，利用動臂液壓缸的伸縮，使動臂繞動臂下鉸點。挖掘作業(yè)時，接通回轉機構液壓馬達，轉動上部轉臺，使工作裝置轉到挖掘地點，同時操縱動臂液壓缸，小腔進油液壓缸回縮，使動臂下降

16、至鏟斗接觸挖掘面為止，然后操縱斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。斗裝滿后，將斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸停動并操縱動臂液壓缸大腔進油，使動臂升離挖掘面，隨之接通回轉馬達，使斗轉到卸載地點，再操縱，斗桿和鏟斗液壓缸回縮，使鏟斗反轉進行卸土。卸完后，將工作裝置轉至挖掘地點進行第二次挖掘工作。</p><p>　　4圖1液壓挖掘機基本組成與傳動示意圖</p><p&g

17、t;　　1—鏟斗； 2—斗桿 ；3—動臂； 4—連桿 ；5、6、7—液壓缸；Ⅰ—挖掘裝置 ；Ⅱ—回轉裝置；Ⅲ—行走裝置；</p><p>　　三、反鏟挖掘機的機構運動簡圖、機構自由度及運動線圖</p><p>　　3.1反鏟挖掘機的機構運動簡圖及自由度計算</p><p>　　通過AutoCAD繪圖軟件繪出其機構運動簡圖，如圖2.</p><p&

18、gt;<b>　　圖2機構運動簡圖</b></p><p>　　把挖掘機工作裝置作為平面機構來處理時，圖中共有11個構件，12個轉動副，3個圓柱副，低副數為15，沒有高副，則通過平面機構計算公式（見【1】P13）可求得自由度為3：</p><p><b>　　2 </b></p><p>　　3.2反鏟挖掘機的機構運動線圖

19、</p><p>　　四、反鏟挖掘機特殊工作位置分析</p><p><b>　　4.1最大挖掘深度</b></p><p>　　當液壓桿L1全縮，L2、L3全伸，斗臂與斗桿油缸鉸接點、斗臂與鏟斗鉸接點、鏟斗齒尖在同一直線上且垂直于挖掘面時，挖掘機處于最深挖掘位置處，如圖3所示。該位置處，L1達到最短、L2達到最長。</p>&l

20、t;p><b>　　圖3最大挖掘深度</b></p><p><b>　　由圖可得：</b></p><p><b>　　4.2最大挖掘高度</b></p><p>　　最大挖掘高度是當L1全伸，L2、L3全縮時斗齒尖距離基準地面的距離，如圖4。由圖可得：+</p><p&g

21、t;<b>　　圖4最大挖掘高度</b></p><p><b>　　4.3最大挖掘半徑</b></p><p>　　當液壓桿L3全縮，鏟斗齒尖、斗桿與鏟斗鉸接點及斗桿與斗桿油缸鉸接點這三點處于同一直線上，且B、F連線水平，則挖掘機達到最大挖掘半徑處，如圖5。</p><p><b>　　圖5最大挖掘半徑<

22、/b></p><p><b>　　由圖可得：</b></p><p><b>　　4.4最大卸載高度</b></p><p>　　當液壓桿L1全伸，L2、L3全縮，QV連線豎直向下時，有最大卸載高度，如圖6。</p><p><b>　　由圖可得：</b></p&

23、gt;<p><b>　　圖6最大卸載高度</b></p><p><b>　　4.5最大挖掘力</b></p><p>　　當大臂、斗桿最大受力的位置出現在動臂油缸全縮，斗桿與斗桿油缸鉸接點、斗桿與鏟斗鉸接點及鏟斗齒尖在同一直線上且垂直斗桿油缸，類似圖3所示。此時動臂與斗桿都有最大的力矩，即出現最大挖掘力。</p>

24、<p>　　五、工作機構尺寸綜合及計算</p><p>　　5.1執(zhí)行機構計算簡圖</p><p><b>　　圖7 機構計算簡圖</b></p><p>　　5.2 斗形參數的選擇</p><p>　　查資料得斗容量計算公式（見【2】P25）：</p><p>　　其中：q—鏟斗斗容量

25、，R—鏟斗挖掘半徑，B—鏟斗斗寬</p><p>　　—鏟斗挖掘裝滿轉角，取—土壤松散系數，取值為1.25 </p><p>　　已知q=0.3，=90，由于B過大會造成最大挖掘阻力和轉斗挖掘能容量E增大，不利于提高效率，使R=1.05m，則求出B=0.8。</p><p>　　5.3 動臂機構參數的選擇</p><p><b>　

26、　圖8動臂計算簡圖</b></p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　5.3.1.動臂的擺角</p><p>　　設 , ，如圖8所示，在ACB中，由得：</p><p><b>　　由得：</b></p><p>　　所以動臂的擺角范圍為：&

27、lt;/p><p>　　由圖得： ，由圖知：</p><p><b>　　F點的坐標方程為：</b></p><p><b>　　由圖得到：</b></p><p>　　5.3.2動臂機構參數選擇與計算</p><p>　　動臂油缸的最大作用力臂為 ,則：</p>

28、<p><b>　　, </b></p><p>　　查閱相關資料知，取 ，動臂與斗桿的長度比, , 使得：</p><p>　　，最大挖掘半徑,由【2】P76公式得：</p><p>　　取動臂油缸全伸與全縮的力臂比 ,，，。根據對油缸的設計可知，則通過計算得：</p><p><b>　　， ，。

29、</b></p><p>　　所以動臂擺角范圍 。驗證時的合理性：</p><p><b>　　當時： ，則</b></p><p><b>　　，所以</b></p><p>　　所以以上數據滿足要求。</p><p>　　5.4 斗桿機構參數的選擇</p

30、><p>　　由圖10可知斗桿擺角范圍：由，</p><p><b>　　得：</b></p><p><b>　　由圖10得：</b></p><p>　　圖10 斗桿計算簡圖</p><p>　　查找資料取挖掘機斗桿挖掘力為.</p><p>　　根據

31、【2】P79公式： ,又 ， ，， </p><p><b>　　所以</b></p><p>　　取斗桿擺角范圍，在中，</p><p><b>　　取則,</b></p><p><b>　　所以，</b></p><p>　　由【2】P25公式得：

32、</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　5.5 鏟斗機構參數的選擇</p><p>　　圖11 鏟斗機構計算簡圖</p><p>　　由前面知，R=1.05m B=0.8，</p><p><b>　　取，在中，求得：</b></p>&

33、lt;p>　　對于四連桿機構，查閱相關資料得：取，，，</p><p>　　當鏟斗油缸最大作用力臂為時，此時，取曲柄擺角范圍，當F、Q、V三點共線時，曲柄擺角最小，取,由余弦定理得；</p><p><b>　　同理，當角時，。</b></p><p>　　5.6 機體尺寸參數的選擇</p><p>　　由于之前已

34、經將最大挖掘深度、最大卸載高度、最大挖掘高度的相關參數求出，現只討論最大挖掘半徑的情況。當斗桿油缸全縮，FQV三點同一直線，且V點位于停機面時可以得到停機面最大挖掘半徑，如圖12所示：</p><p>　　圖12 最大挖掘半徑</p><p>　　按計算出的尺寸畫出機構運動簡圖，在確保設計參數相同的條件下測量得到機體尺寸： , ,，。</p><p>　　六、執(zhí)行機

35、構的Pro/E建模和SolidWorks運動仿真</p><p>　　6.1執(zhí)行機構的三維建模及順序仿真</p><p>　　1、首先運用Pro/E軟件，按照1：2繪圖，通過草繪、拉伸、旋轉、鏡像、陣列等工具繪制挖掘機執(zhí)行機構的三維零件模型，然后通過新建裝配文件、導入零件、添加約束，創(chuàng)建挖掘機的裝配模型。參考【3】</p><p>　　圖13 底盤

36、 圖14 回轉平臺</p><p>　　圖15 斗臂 圖16 斗桿</p><p><b>　　圖17 液壓油缸</b></p><p><b>　　圖18 鏟斗連接件</b></p><p><b>　　圖19 鏟斗<

37、;/b></p><p><b>　　圖20 裝配圖</b></p><p>　　2、裝配完成后，如圖21對模型添加運動、設置電機、設置運動時間等，可得到仿真。</p><p>　　圖21 圖22</p><p>　　3、如圖22，點擊測量工具，選定鏟斗齒尖為測量點，選底

38、盤中心為坐標系，選定類型分別為位移、速度、加速度，設置分量為模，生成圖形，如圖23、圖24、圖25。</p><p>　　圖23 圖24</p><p><b>　　圖25</b></p><p>　　通過比例計算得出，該數據合理</p><p>　　6.2

39、SolidWorks運動復合仿真</p><p>　　SolidWorks是一款集三維建模、工程分析、工程設計于一體的強大軟件，我們可以通過它來進行運動分析。將剛剛建立的挖掘機裝配模型導入到SolidWorks中，通過重新設置約束、放置鍵碼點、創(chuàng)建時間線等制作機構動畫，</p><p>　　然后再輸出位移線圖、速度線圖和加速度線圖，分析模型合理性。參考【4】【5】</p>&

40、lt;p><b>　　七、個人總結</b></p><p>　　本文首先分析了反鏟挖掘機執(zhí)行機構的工作原理，通過題目給出的設計參數，然后運用連桿機構綜合的方法，通過把整個執(zhí)行機構分為幾個小的連桿機構，然后利用數學原理、經驗公式和各個機構間的幾何關系計算出了執(zhí)行機構的各個桿件的長度和必要的角度，然后用求出的參數在Pro/E中建立三維模型，裝配后導入SolidWorks并進行了運動仿真，驗

41、證了最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸載高度和最大挖掘半徑，并輸出了其速度線圖、位移線圖、加速度線圖，通過這些圖形有效驗證了前面所求出的各個桿件長度的合理性。</p><p>　　通過本次設計，我不僅體會到自己所學知識非常有限，而且也明白了增強課外學習的重要性，通過課外學習，自己不僅學到了以前沒學到的東西，也鞏固了自己的已學知識，加深了自己的專業(yè)知識積累，增強了自己的課外實踐能力，對機械原理這門課也有了新的認識，

42、因此我下定決心要學好基礎知識，在課外多多鍛煉自己，夯實基礎。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　【1】馮鑒，何俊，雷智翔，《機械原理》,西南交通大學出版社，2008.8；</p><p>　　【2】《單斗液壓挖掘機》，中國建筑工業(yè)出版社，天津工程機械研究所；</p><p>　　【3】