单斗挖掘机工作装置的设计与计算.pdf
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1、摘要单斗挖掘机是一种重要的工程机械,广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农 林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中,对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。随着国家经济建设 的不断发展,单斗挖掘机的需求量将逐年大幅度增长,其在国民经济建设中的作用将越来 越显著。反铲装置作为单斗挖掘机工作装置的一种主要形式,在工程实践中占有重要地位。反 铲装置的各组成部分有各种不同的外形,要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分 析。然后,在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算,确定各机构尺寸参 数,确定挖掘机反铲装置的基本轮廓。挖
2、掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标,对其分析计算至关重要。挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关,而挖掘力则受众多条件限制,危险工况的 分析是关键点。在挖掘力分析基础上,可对各杆件较接点进行力的分析计算,并进行机构 设计的合理性分析。关键词 单斗挖掘机;反铲装置;运动分析;力学分析;强度校核IAbstractSingle bucket excavator is an important engineering machinery,widely used in housing construction,road construction,water conservancy,agr
3、iculture and forestry development,port construction,national defense fortifications,such as the construction of earth and stone mining and extractive industries,to reduce the heavy manual work,Ensure project quality and accelerate the construction speed,raising labor productivity played a huge role.
4、With the economic construction of the country continues to develop,the demand for single bucket excavators will be substantial growth year after year,its role in the construction of the national economy will become more significant.Backhoe device as a single bucket excavator working device as a majo
5、r form of the project occupies an important position in practice.Backhoe installation of the components of a variety of different shape,according to the design requirements for the selection of its structure and motion analysis for.Then,to meet the requirements of the sports organizations on the bas
6、is of the parameters of the agencies,identified the agencies size parameters,determined excavator backhoe devices basic contours.Mining and mining of the resistance is a measure of performance parameters of the excavator important performance indicators,analysis and calculation of its crucial.Mining
7、 and mining the main targets of resistance and self-size parameters,and the excavation of the conditions are subject to numerous restrictions,dangerous working conditions analysis is the key point.Analysis of the excavation on the basis of the bar can be hinged on the point of the analysis,design ag
8、encies and the rational analysis.Keywords:single bucket excavator backhoe device motion analysis mechanical analysis Strength Check目录1 1 匕.11.1 单斗液压挖掘机的种类特点.11.2 挖掘机的发展概况.11.3国外挖掘机研究现状与发展动态.11.4 液压挖掘机的发展方向.31.5 本课题的研究目的及意义.31.6 主要研究对象及内容.42单斗液压挖掘机反铲装置的运动学分析.52.1 单斗液压挖掘机反铲装置的结构及工作特点.52.1.1 单斗液压挖掘机反铲装
9、置的结构组成.52.1.2 单斗液压挖掘机反铲装置的工作特点.52.2反铲装置的设计原则.62.3反铲装置的方案选择.72.4反铲装置各机构的运动分析.82.4.1 动臂机构的运动分析.92.4.2 斗杆机构的运动分析.102.4.3 铲斗机构的运动分析.113单斗液压挖掘机的动力学分析.123.1挖掘阻力的分析.133.1.1转斗挖掘阻力的分析.133.2挖掘力的分析.153.2.1挖掘的概念.153.2.2挖掘力的计算.164铲斗及单斗液压挖掘机反铲装置各机构尺寸的确定.254.1铲斗参数的确定.254.1.1 铲斗结构设计的基本要求.254.1.2 铲斗主要参数的确定.254.2动臂机构
10、参数的确定.264.3斗杆机构参数的确定.274.4铲斗机构参数的确定.294.4.1铲斗的转角范围.294.4.2铲斗机构的载荷分析.294.4.3铲斗机构结构布置的几何可容性要求.315工作装置的载荷分析和强度计算.325.1工况姿态的选取.325.1.1停机面最大挖掘半径(工况一).325.1.2最深挖掘位置(工况二).335.1.3动臂斗杆最大受力位置(工况三).335.2 动臂各校点处受力分析.345.2.1斗杆各校点的受力分析.345.2.2动臂各校点的受力分析.365.3 许用应力和其它问题.365.4 设计合理性分析.37结论.39致谢.40参考文献.41附录.42附录1.42
11、Electro-hydraulic drum brakes.491绪论1.1 单斗液压挖掘机的种类特点挖掘机的类型和构造型式很多,可按照挖掘工作原理、用途、构造特征等进行划分。按照挖掘机的作业过程,可分成周期作业式和连续作业式两类;按照用途,单斗挖掘机分 为建筑型、采矿型和剥离型等;按照动力装置,挖掘机有电驱动、内燃机驱动和复合驱动 等;按照传动方式,挖掘机分为机械传动式、液压传动式和混合传动式。单斗挖掘机工作装置的型式很多,对液压传动的挖掘机来说,常用的基本型式有反铲、正铲、抓斗、装载和起重装置等,本文研究的是单斗反铲液压挖掘机。单斗反铲液压挖掘 机是一种采用液压传动并且以一个反铲斗进行挖掘
12、作业的机械,它是在机械传动单斗挖掘 机的基础上发展起来的,是目前挖掘机械中最重要的机种之一。反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置,主要应用于挖掘停机面以下的土壤(基 坑、壕沟等),其作业过程是以铲斗的切削刃(通常装有斗齿)切削土壤并将土装入斗内;斗装满后提升,回转到卸土位置进行卸土;卸完后铲斗再转回到原位置并下降到挖掘面进 行下次挖掘;当挖完一段上后,机械移位,以便继续工作。1.2 挖掘机的发展概况挖掘机械的最早雏形,远在十六世纪于意大利威尼斯用于运河的疏浚工作。随着工业 发展,科学技术的进步,单斗挖掘机也由于新技术、新工艺的采用而不断地发展改进,但它 的基本工作原理至今未变。动力装置以及
13、控制方式的不断革新,基本上反映了挖掘机发展 的以下几个阶段:1、蒸汽机驱动的挖掘机,从发明到广泛应用,大约经历了 100年。当时主要用于开 挖运河和修建铁路。结构型式由轨道行走的半回转式,发展到履带行走的全回转式。2、挖掘机传动型式的液压化,是挖掘机由机械传动型式的传统结构发展到现代结构 的一次跃进。随着液压传动技术的迅速发展,四十年代至五十年代初挖掘机开始应用于液 压传动,并且由半液压发展到全液压传动。产量日益增长,六十年代初期液压挖掘机产量 占挖掘机总产量的15%,发展到七十年代初期占总产量90%左右,近年来,西欧市场出售 的挖掘机几乎己全部采用液压传动。与此同时,斗轮挖掘机、轮斗挖沟机等
14、工作装置和臂 架升降等部分也采用了液压传动。大型矿用挖掘机在基本传动型式不变的情况下,其工作 装置也改为液压驱动。3、控制方式的不断革新,使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制,无线电遥控。最近又出现了电子计算机综合程序控制,控制人 员可在远离施工现场的集中控制室内通过工业电视监视数台挖掘机工作。1.3 国外挖掘机研究现状与发展动态挖掘机在技术发展的阶段上经历了三次飞跃。第一次是柴油机的出现,使挖掘机有了 较理想的动力装置;第二次是液压技术的广泛应用,使挖掘机有了较理想的控制系统;第 三次是机电液一体化、智能化技术的应用,使挖掘机面貌焕然一新。挖掘机具有挖掘、
15、装 载、卸载和整机移动等功能,可连续高效地工作。据统计,各种土方作业中约有65%-70%的土方量是由挖掘机来完成的。从20世纪后期开始,国际上挖掘机的生产向大型化、微 型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。主要发展方向是采用遥控及微机控制的自 动化技术,整个机组具有以下主要特点:功率增大;独立作业性强;配件标准化;能降低 噪声、振动。同时,随着计算机技术和数值分析方法的发展,有限元方法在机械结构分析 中得到广泛应用,取得了令人瞩目的成果。有限元分析法已成为现代机械产品设计的一个 重要工具。资料文献检索发现,国外不论在挖掘机的整机还是部件的设计上都有比较成熟 的技术。国外挖掘机生产企业,利用
16、有限元与优化设计相结合进行结构的形状优化。它使 液压挖掘机的设计从经验的、静止的、随意性较大的传统设计逐步发展到自动化程度高,设计周期短,设计方案优越,计算精度高的现代化设计。我国从1958年开始研制液压挖掘机,逐步形成了中小型液压挖掘机系列。然而在液 压挖掘机机电一体化进程中,我国远远落后于技术先进国家。我国液压挖掘机工业在1983 年以后采用引进技术进行生产的方法,加快了液压挖掘机的发展,这种引进技术的方式,是在较高的起点上,在较短的时间内,用较少的资金提高技术水平,促进技术进步的捷径。计算机技术在液压挖掘机产品开发、研制中的作用愈来愈大。但是由于受客观条件的 限制,在产品设计制造中大多采
17、用传统的方法和理论。引进挖掘机技术时,只注意了整机 技术,将有限元分析方法应用到挖掘机动臂结构动态设计、分析及优化还不是很多,往往 都是静态分析,特别是通过完整的试验进行验证就更少。现在国内外正在通过动力学研究的设法提高产品的设计质量,以求在根本上保证产品 的动强度和可靠性,另外振动和噪声被认为是工程机械作业时的两大公害,随着动臂强度 要求越来越高,机械重量如何减轻也显得越来越重要,因此对挖掘机动臂进行结构的动态 分析、试验验证以及进一步优化,显得越来越迫切。挖掘机的有限元分析是伴随着有限元 理论和有限元软件的广泛应用而迅速发展起来的,特别是自20世纪八十年代以来,随着 国外几种商用有限元软件
18、进入我国,挖掘机有限元分析的研究己初具规模。在众多有限元 软件中,比较可靠的有国外的ANSYS,NASTRAN,MOCAL,ALGOR等,国内真正通 用的还几乎没有,所能做到的只是一些用于某种单元或是某个机构的有限元分析。目前,利用有限元软件对挖掘机进行分析,其所做的工作可以归纳为以下几个方面:1、工作装置的运动分析对工作装置的运动分析,关系到挖掘机的力学分析,是其它分析与设计(如控制)的基 础。这方面的研究成果很多,理论基础也比较成熟。2、有限元的分析自国外几家大型有限元软件在我国投放以来,有限元分析在很多领域得到应用。其中 有很多是挖掘机的有限元分析。一般来说,这类分析主要集中在对某些部件
19、的研究上。对 2整体机构进行有限元分析既可以提高我国设计能力和设计水平,反过来又可以利用有限元 分析来解决挖掘机在使用中出现的问题。总之,由于有限元单元法在我国应用比较晚,且主要集中在力学领域,因此对挖掘机 的有限元分析还存在一定的局限性。可以预见,随着大型和超大型挖掘机的不断涌现,合 理地设计各构件更加重要。同Pro/Mechanica分析软件相比,绝大部分有限元分析软件(如 ANSYS分析软件)的几何建模功能比较弱,这些有限元软件通常通过IGES格式或者STE P格式进行数据交换,而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失,因此常常需要花费 大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。而利用Pr
20、o/Mechanica进行分析,恰好可以 克服上述缺点,Pro/Mechanica作为Pro/Engineer集成模块,是设计机构运动和进行有限元 计算强有力的工具。且实践证明其分析的结果也较精确,完全可以满足工程设计的需要。1.4 液压挖掘机的发展方向单斗液压挖掘机的研制和改进主要的发展方向在于:1、发动机功率的充分有效利用,通过各种途径使机械多做有效功,其中包括动力装 置与液压传动的最佳匹配,提高传动效率,能量回收,高效液压系统的研究等;2、铲斗挖掘力的充分发挥,挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作 能力的重要指标,目前通过优化程序实现工作装置较点最佳布置,采用高压与超高压技术
21、,提高整机稳定性等方面进行研究;3、缩短工作循环周期,提高机械生产率,包括整机性能研究(作业循环、回转和行走 性能的研究),发展专用机械和工作装置以及机械大型化和小型化等;4、机械可靠性研究,是各国十分重视的一项内容,关键在于设计的合理化和材料工 艺的研究,包括摩擦磨损机理的研究和新材料的应用,在试验手段方面,进行挖掘机整机 和液压传动的快速试验研究,以及结构件快速疲劳试验和寿命预测的研究等;5、司机室安全舒适性以及维护保养的方便性对挖掘机的有效利用有极大影响,从人 体生理学和环境工程的观点来研究操作舒适性和振动噪音对司机和环境的影响,以及控制 空气的污染等,各国已做了大量工作,国内也逐渐予以
22、注意。1.5 本课题的研究目的及意义中国国土面积大,各项建设事业正处于蓬勃发展过程中,对挖掘机的需求量大。世界 上工业发达国家著名的挖掘机制造商几乎全部进入中国,不少国有和民营企业也看好中国 的挖掘机市场,纷纷进入挖掘机行业,进行挖掘机产品的生产和开发,而且产品的产量随 着市场的需求量的提高而不断增长。中国已成为世界最大的挖掘机市场,正在成为世界挖掘机的制造中心。但是必须注意,中国目前虽然已成为挖掘机需求和生产的大国,但决不是强国。国际水平的研发中心不在 中国,挖掘机关键配套零部件也不在中国。在挖掘机关键的核心技术研究与掌握方面,国 3内企业与国外企业差距很大,特别是国内企业在挖掘机的基础理论
23、研究方面投入的人力、财力严重不足。这些年来,我们取得了长足的进步,大大缩小了与国外先进技术的差距,但如果今后技术创新(包括设计技术和制造技术等方面上稍有懈怠,与国外先进技术的差距 仍然会拉大,因此可以说今后国内挖掘机企业的任务仍然十分艰巨。由于历史的原因,原 本的国有挖掘机企业因为人才流失,资金不足,技术不高,造成自主研发能力不高,设计 方法落后;而改革开放后的合资企业和外资企业,只是根据国外的设计图纸进行批量生产,基本不进行设计,所以中国的挖掘机设计手段比较落后,常常凭借经验进行设计制造,造 成生产的挖掘机存在一些缺陷,在二包期间常出现故障,做不到等寿命设计,对厂商和买 家造成不小的经济损失
24、。以往液压挖掘机的新产品开发过程是前期设计完成后,进行样机试制,然后经过现场 挖掘试验或强度测试,若发现问题一改进一再试验一再修改,复修改直到满足设计要求后,再批量投产。这种开发过程的周期长、风险大、成本高、上市慢,限制了企业的市场竞争 力。目前国内企业在设计挖掘机时仍以测绘类比为主,强度计算仍采用材料力学方法,对 挖掘机结构件应力分布情况缺乏定量的了解。并且,挖掘机作业外载荷又复杂多变,传统 的材料力学方法难以满足设计上的需要。所以非常有必要将现代设计方法和有限元方法应 用于挖掘机工作装置的结构设计和性能分析,以提高挖掘机工作装置的可靠性,对结构进 行优化、减轻工作装置重量、提高工作效率、减
25、少能耗,从而提高挖掘机生产企业的设计 水平和自主开发能力。1.6 主要研究对象及内容1、根据液压挖掘机的工作条件及设计参数要求,参考挖掘机的设计资料及国内外各 液压挖掘机生产厂家的产品,选定液压挖掘机反铲装置的设计方案。2、在了解液压挖掘机反铲装置工作原理和方案选择的基础上,用几何法分别对动臂 机构、斗杆机构和铲斗机构做动力学分析。3、在定性分析的基础上,用解析法对反铲装置各机构的尺寸作了定量计算,为作图 提供了尺寸依据,也为进一步用计算机编程及计算机辅助设计提供了数学模型。4、对反铲装置的挖掘力及挖掘阻力进行了分析计算,并着重分析计算了挖掘机复合 挖掘时最大挖掘力实现的各种限制条件。5、对各
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