西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计机械原理课程设计设计说明书设计题目：反铲单斗液压挖掘机工作装置设计院系: 机械工程系专业: 机械制造工艺及设备学号: 20107215学生姓名: 顾永锋指导教师: 冯建日期: 2012年11月一、机械原理设计任务书学生姓名：顾永锋班级: 机制二班学号：20107215 设计题目：反铲液压挖掘机工作装置设计1、设计题目简介反铲式是我们见过最常见的，向后向下，强制切土。
可以用于停机作业面以下的挖掘，基本作业方式有：沟端挖掘、沟侧挖掘、直线挖掘、曲线挖掘、保持一定角度挖掘、超深沟挖掘和沟坡挖掘等。
反铲装置是液压挖掘机重要的工作装置，是一种适用于成批或中小批量生产的、可以改变动作程序的自动搬运和操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。
2、设计数据与要求3、设计任务3.1、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；3.2、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；3.3、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。
3.4、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。
3.5、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。
完成日期：年月日指导教师二、单斗液压挖掘机结构简图及简单分析2.1 工作装置构成液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，反铲工作装置由铲斗、连杆、斗杆、动臂、相应的三组液压缸等组成，液压挖掘机的工作装置组图如图2-1所示。
1-斗杆油缸；2- 动臂； 3-油管； 4-动臂油缸； 5-铲斗； 6-斗齿； 7-侧板；8-连杆； 9-曲柄： 10-铲斗油缸； 11-斗杆.图2-1 工作装置组成图2.2 动臂与动臂油缸的布置动臂油缸一般布置在动臂的前下方，下端与回转平台铰接，支承点设在转台回转中心之前并稍高于转台平面，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。
油自由式活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影响以、动臂的下降幅度。
并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双臂在结构上起到加强盘作用，以弥补前面的不足，具体结构如图2-2所示。
1-动臂 2-动臂油缸图2-2铲斗连接布置图动臂油缸斗杆油缸2.3 铲斗与铲斗油缸的连接方式本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。
该布置1杆与2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够的铲斗平均挖掘力。
如图2-3所示。
1-斗杆 2-连杆机构 3铲斗图2-3 铲斗连接布置图铲斗油缸三.最大挖掘深度、停机面最大挖掘半径、最大卸载高度、最大挖掘高度的计算挖掘包络图3.1最大挖掘深度挖掘机处于最深挖掘位置处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。
此位置出现在动臂油缸全缩，即动臂位置最低处，此时斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直于挖掘面，如图2.2-2所示。
该位置处，铲斗中物料较多，土壤阻力较大，大臂、斗杆与铲斗的受力都很大，同时该位置也是用于只算斗杆与铲斗的危险情况的典型受力位置。
因而，此位置也是整个动力学分析中较为重要的一个状态。
图3-2 第II工况图3-3 第III工况32min 21132max 1sin min l l l y l l y H C F --+=--=α=5710)sin(y 32112011=----+l l i l C αα最大挖掘半径实体示意模型3.2最大挖掘半径挖掘机处于停机面最大挖掘半径处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘，在挖掘机的设计规范中，最大挖掘半径是评价挖掘能力的主要标准之一，它决定挖掘机的挖掘范围。
该位置出现在斗杆油缸全缩，铲斗齿尖、斗杆与铲斗铰接点及斗杆与斗杆油缸铰接点这三点处于同一直线上，且大臂油缸缩进使铲斗处于地面上，如图5.2-1所示。
在该位置处，在挖掘的过程中也将受到很大的土壤阻力。
因此考虑此位置的受力与冲击将是动力学分析和强度检验的一项重要内容。
当斗杆液压缸全缩，铲斗液压缸处于适当位置使QV 转到CQ 的延长线上，CV 水平时得到最大挖掘半径：1max 403040V C X R X l l l ==+=+ V C Y Y =最大挖掘半径时的工况是水平面最大挖掘半径工况下C 、V 连线绕C 点转到水平面而成的。
通过两者的几何关系，我们可计算得到：1max R =8.9图3-2 最大挖掘半径实体示意模型3.3最大挖掘高度最大挖掘高度当动臂油缸全伸，斗杆油缸全缩以及铲斗油缸全缩时斗齿尖距离基准地面的距离。
8930sin 3332=++=φl l H H最大挖掘高度实体示意模型3.4最大卸载高度当动臂液压缸全伸，斗杆液压缸全缩，铲斗液压缸处于适当位置使QV 连线处于垂直状态时得到最大卸载高度为：1max2min()3721328CFN QFN FCQ απαααπ=∠-∠--∠=+--故Q 点坐标为：237cos Q F X X l α=+⨯ 237sin Q F Y Y l α=+⨯ 式中：max 121cos F C X X l α=+⨯max 121cos F C Y X l α=+⨯因此V 点坐标为： V Q X X = max 3V V Q Y Y Y l ==-V Y 就是最大卸载高度2max H =5.98四.机器各部件分析及参数确定3.1斗形参数设计(1)对铲斗机构设计要求：a）★保证铲斗液压缸有在铲斗转角的特定长范围有足够的挖掘力；★保证铲斗液压缸有足够的闭锁力矩；★保证铲斗油缸有足够的回摆力矩；★保证铲斗的摆角范围；★保证铲斗机构在铲斗的整个转角范围内不发生干涉现象、不出现死点和连杆机构几何特征被破坏等几何不相容现象。
★铲杆油缸的伸缩比不宜过大b）铲斗机构的载荷分析与对应转角：按理论分析将铲斗挖掘切削形状有四种，按此规律，对铲斗在相应转角处所应发挥的挖掘力大致应符合以下规律：★当F、Q、V三点一线时，其能发挥的挖掘力不低于最大挖掘力的70%-80%；★当铲斗从F、Q、V三点一线继续转动在25°-35°范围时应能发挥最大挖掘力。
c)铲斗的主要参数：斗容量q、平均斗寛B、转斗挖掘半径R和转都挖掘装满转角2ϕ(2) 铲斗设计:表2-2 铲斗参数表由公式[]220.5(2sin 2)s q R B K ϕϕ=-可得：R =1.57m 取24230.28l k l ==铲斗实体模型1.机身设计机身平面结构3. 斗杆机构参数设计a ）对斗杆机构的要求：★保证斗杆液压缸有足够的挖掘力； ★保证斗杆液压缸有足够的闭锁力矩； ★保证斗杆液压缸有足够的回摆力矩； ★保证斗杆的摆角范围（105°-125°）；★斗杆油缸的伸缩比不宜过大（一般在1.6-1.7范围内）。
b ）斗杆机构的选择步骤第一步：2max φ= 105°和2λ= 1.6；第二步：考虑油缸的伸缩速度并参考同类机型定斗杆油缸缸径和活塞杆直径；第三步：按以下公式初步确定9l ；[]max 22392max 2()G F l l l e F +===0.74式中 max G F -----斗杆挖掘力2F -------斗杆油缸推力第四步：求斗杆油缸最短长度1min L 和D 、F 之间的距离8L ： 初步假定202z e e =得：[]2max922min 22sin2 1.701l L φλ==-[]28 2.397l ==第五步：参考同类机型并根据结构情况初选斗杆结构角度EQF 和DFZ斗杆参数表斗杆结构参数斗杆实体模型4. 动臂机构参数设计（1）动臂机构的铰点位置选择依据和范围动臂弯角1α=140° 动臂转折处得长度比 3ZF BFk ZC BC =≈=1.2 11α=45° 1λ=1.6 40ze k e ==1.3 []25min0.5~0.60.66l L ==[]27min1.2~1.52.311l L == （2）动臂机构参数选择步骤已知条件：作业尺寸要求即最大挖掘高度，最大挖掘半径和最大卸料高度等；第一步： 根据底盘和转台结构初步确定动臂油缸得下铰点A 的位置坐标; 第二步： 参考样机根据比拟法初选铲斗结构参数、动臂与斗杆得长度比1k 和动臂油缸的伸缩比1λ；初选动臂弯角1α和 动臂转折处的长度比3k 初选角度11α和力臂比4k ，其范围参照前述或样机；根据机构运动特性初选与动臂与斗杆的最大夹角即参数max 160~180CFQ ∠=︒根据结构情况初选 BCZ ∠（参考样机）。
第三步： 按近似计算公式计算动臂和都干长度；斗杆长度：[]213211R l l k -=+ 动臂长度：[]2112l k l =第四步： 由三角形CZF 中的几何关系求41l 、42l 和39α第五步： 根据最大挖掘高度和最大挖掘深度时的几何关系求ACB ∠的最大、最小值1max θ、1min θ和5l ；并进一步求得长度比ρ和σ第六步： 计算1min L , 1max L 和7L 。
第七步：考虑油缸的伸缩速度参考同类机型初选动臂油缸的缸径和活塞杆直。
C动臂结构参数动臂膀实体模型5．连杆机构设计ArrayK连杆结构连杆实体模型五.机构自由度分析计算机构自由度：H L P P n F --=23活动构件数n =11，单铰数13个，复铰1个，所以,L P =15，H P =0，由上面公式可得自由度F =3×11—2×15=3六.三维建模及运动仿真位移速度加速度力。