机械原理课程设计题目：正铲液压挖掘机工作装置设计学号：姓名：班级：指导教师：目录一．摘要 (1)二、设计题目 (2)1-1机构简介 (2)1-2设计数据 (2)三、设计内容 (4)3-1铲斗运动机构设计 (4)3-2工作装置运动分析 (15)四、数据计算及其仿真分析 (17)五、设计总结 (21)六、参考文献 (22)正铲液压挖掘机工作装置设计摘要所谓正铲液压挖掘机，是相对于常见的反铲液压挖掘机而言的。

挖掘机要承受复杂的冲击载荷，按传统静态的、经验的方法设计动臂结构，在施工过程中往往出现强度、刚度不足的情况。

而动臂强度、刚度是否满足要求，将直接影响工作安全。

因此，全面了解动臂在工作过程中的应力、应变水平，了解动臂的振动频率和刚度、强度分布情况，对于我们优化挖掘机结构具有十分重要的作用。

本次课程实际是出于优化挖掘机的目的，运用ADAMS对动臂结构进行动态分析。

在文中对液压挖掘机工作装置运动学及受力进行分析，介绍了挖掘机的作业方式，简要讨论了影响挖掘阻力的几种因素；利用Pro/E建立了挖掘机工作装置的运动模型，并对其进行运动学仿真；运用ADAMS对挖掘机动臂进行三种典型工况的受力分析，研究其应力及应变，验证动臂的强度符合设计要求，对动臂进行模态结构分析，得出其主要振型；实验测试了挖掘机动臂的应力应变及振动情况，并对实测结果和有限元分析进行了比较。

有限元分析以及实际测试结果验证了动臂结构强度满足设计要求，动臂固有频率和挖掘机工作频率也不会引起共振现象，最后的研究结果也只是为了验证挖掘机的动力效果1、设计题目及任务1.1设计题目简介正铲挖掘机的铲土动作形式。

其特点是“前进向上，强制切土”。

正铲挖掘力大，能开挖停机面以上的土，宜用于开挖高度大于2m的干燥基坑，正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要大一些，其工作装置直接决定其工作范围和工作能力。

1.2 设计数据和要求题号铲斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半径卸载高度C 4.0 3.2 9.52 9.06 7.911、绘制挖掘机工作机构的运动简图，确定机构的自由度，对其驱动油缸在几种工况下的运动绘制运动线图；2、根据所提供的工作参数，对挖掘机工作机构进行尺度综合，确定工作机构各个杆件的长度；3、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。

4、编写设计计算说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。

5、在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。

2、正铲液压挖掘机工作装置基本组成与工作原理正铲液压挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图所示。

其中上部转台包括动力装置，传动机构的主要部分，回转机构，辅助设备和驾驶室；工作装置由动臂，斗杆，铲斗和动臂油缸组成，如图所示。

挖掘作业时，操作动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸，使铲斗进行挖掘和装载工作。

铲斗装满后，操纵动臂油缸，使铲斗升高离开挖掘面，在回转马达的驱动下使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲斗油缸使铲斗转动至合适位置，再回缩铲斗油缸转动铲斗，使斗前，斗后分开卸载物料。

卸载后伸长铲斗油缸使斗前，斗后闭合，讲工作装置转到挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。

转移工作场地时，操纵行走马达驱动行走机构。

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，工作装置内部动作配合是多样随机的。

上述过程仅为一般的理想过程。

3、正铲液压挖掘机工作装置结构方案的确定正铲工作装置由动臂，斗杆，铲斗，工作液压缸和连杆机构等组成。

动臂是焊接的箱形结构，由高强度钢板焊成，和反铲相比，正铲动臂较短且是单节的。

动臂下端和转台铰接，油缸为双缸，在布置上动臂的下铰点高于动臂油缸的下铰点且靠后。

这种布置既能保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，以满足挖掘和卸载的需要，同时也能动臂机构具有必要的提升力矩和闭锁力矩。

斗杆也是焊接箱形结构或者是铸造混合结构。

斗杆的一端与动臂的上端铰接，斗杆油缸的两端分别与动臂和斗杆的下端铰接，形成斗杆机构。

铲斗铰接在斗杆的端部，铲斗油缸的两端分别与斗杆中部和连杆装置连接，形成转斗机构，一般为六连杆机构，有时也直接构成四杆机构。

本设计中我采用如下结构：结构简图如下：图示是正铲挖掘机工作装置的示意图，采用直动臂、直斗杆形式，铲斗为前卸式。

动臂和动臂油缸在转台上的铰点分别为C 和A ，它们的位置以停机面为X 轴，整机回转中心线为Y 轴(图b)的直角坐标值来表示。

这台挖掘机的主要工作油缸共5只，其中动臂油缸两只，置于动臂的两侧；斗杆油缸一只,置于斗杆的中部；铲斗油缸两只，铰于斗杆中部。

主要工作油缸的主要参数列于表 自由度：H P L P n F --=23活动构件数11，单铰数13个，复铰1个，由上可得自由度F=3×11-2×15=3液压正铲挖掘机工作装置机构运动学分析1.动臂运动分析动臂CF 的位置由动臂油缸AB 的长度1L 决定。

1L 和动臂水平倾角1θ之间的关系可用下式表示()112175272521cos 2a a l l l l L +--+=θ （2-1）11257212527112cos a a l l L l l -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=∴-θ （2-2）从上式看出，a 11-a 2对1θ的影响很大，当动臂和油缸的参数不变时，a 11-a 2愈大动臂提升高度愈小。

设动臂油缸全缩时动臂倾角为min 1θ；动臂油缸全伸时动臂倾角为m ax 1θ，那么在动臂油缸由全缩到全伸，动臂总的转角为：min 1max 11θθϕ-= （2-3）为了便于运算和比较，仍用无因次比例系数σρλ、、表示，即min 1max 1L L =λ；5min 1l L =ρ；57l l =σ （2-4） 代入式(2—2)可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值112221min 21cos a a -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=-σρσθ （2-5） 1122221max 21cos a a -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=-σρλσθ （2-6） 而动臂总转角为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=--σρσσρλσϕ21cos 21cos 22122211 （2-7） 动臂油缸伸缩时对C 点的力臂也在不断变化，由图可知BCA l l L e ∠⋅⋅=sin 5711⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⋅=∴5721255715712arccos sin l l L l l L l l e （2-8） 显然，当AB ⊥AC 时1e 有最大值，此时5max 1l e =，而相应的油缸长度1L '为：1L '=2527l l -此时的动臂倾角为11275arccosa a l l -+='θ 若用动臂油缸相对力臂（即)max 11e e 来表示油缸长为1L 时的力臂，则⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=5721252717max112arccos sin l l L l l L l e e （2-9） 斗杆运动分析 斗杆FQ 的位置由动臂CF 和斗杆油缸DE 的长度2L 所决定。

但是动臂的位置随动臂油缸的伸缩而变化，为了便于分析斗杆油缸对头杆位置的影响，假定动臂不动，那么斗杆铰点F 以及斗杆油缸在动臂上的铰点D 就可以看作为固定基座。

2L 与斗杆、动臂夹角2θ之间的关系为()34298292822cos 2a a l l l l L -+⨯⨯-+=θ （2-10）349822292822arccos a a l l L l l +-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅-+=∴θ （2-11）设斗杆油缸全缩时动臂与头杆的夹角为m in 2θ，全伸时为m ax 2θ，那么当油缸由全缩到全伸时斗杆总的转角为min 2max 22θθϕ-= （2-12）斗杆油缸的作用力臂2e 也是可变值。

DFE l l L e ∠⋅⋅=sin 9822)2csc sin(982229282982l l L l l os ar L l l e -+⋅=∴ （2-13）当EF ⊥DE 时2e 有最大值，即92l e =，这时相应的油缸长度2L '为 29282l l L -='相应的斗杆转角为43892arccos a a l l -+='θ （2-14） 用斗杆油缸相对力臂值（即max22e e ）来表示2L 时的力臂，则)2csc sin(9822292828max22l l L l l os ar L l e e ⋅⋅-+=∴（2-15）综上所述，动臂倾角1θ、力臂1e 和max11e e 都是1L 的参数。

4、正铲液压挖掘机特殊位置工作情况分析下图为正铲挖掘机作业范围图，以下为几种特殊工作位置的分析与计算（1）最大挖掘半径当处于最大挖掘半径时，转角2为最大值，C，Q，F处于同一水平位置，此时有：最大挖掘半径时挖掘高度为：（2）最大挖掘高度最大挖掘高度时，动臂油缸和斗杆油缸都处于全伸状态，转角1和转角2达到最大值，如下：在实际工作中，铲斗可能无法达到竖直向上状态，也就是说实际最大挖掘高度比理论挖掘高度小，此时需要根据实际的铲斗转角值来计算最大挖掘高度。

（3）最大卸载高度最大卸载高度与最大挖掘高度相似，同样是动臂与转斗的油缸全伸，转角1和转角2达到最大值，不同的是铲斗竖直向下，如图：利用最大卸载高度和最大挖掘高度，我们可以计算出转斗半径大小。

（4）最大挖掘深度挖掘机处于此位置时，动臂油缸全缩，斗杆油缸收缩使斗杆竖直向下，同时铲斗油缸收缩使铲斗竖直向下，如图所示：（5）停机面上最大挖掘半径这是指斗齿靠在地面上，斗杆全伸斗底平面与停机平面平行的情况。

此时，QV线与地面交成b角，根据定义可以知道：5、正铲液压挖掘机工作装置相关尺寸计算现在从动臂与转台铰点A出发，建立相关数学模型，并由已知条件求解。

以地面为横坐标，以回转中心线为纵坐标建立模型。

（1）各杆件长度铰点C位置的确定一般情况下，铰座都在转台中心的前方，即，设计时可用类比法或经验公式法选取，在此基础上推荐以履带轴距L为基准：2.3-L=q2=(3-4.2965.7.)3q为铲斗容量，L取4.2 m。

以L为基准，通过公式得：动臂长度L1=（0.98-1.1）L=4.6m斗杆长度L2=（0.7-0.95）L=4.0m铲斗长度L3=（0.38-0.5）L=1.6m（2）机构转角范围的确定在各杆件长度及铰点C确定之后，再根据已知条件，我们可以各转角范围。

（1）斗杆转角范围斗杆转角最大值可以利用最大挖掘半径求解：求解得转角最大值为123度；当斗杆油缸油缸全缩时，转角有最小值，计算得转角最小值为39度。