1、摘要液壓挖掘機是工程機械的主要機種之一,是土石方開挖的主要機械設備,廣泛應用于工業與民用建筑、交通運輸、水利水電工程，農田改造、礦山采掘以及現代化軍事工程等的機械化施工中。小型液壓挖掘機通常指標準斗容在0.25m3以下，或指機重在8t以內的挖掘機產品。國外發達國家和地區的大規模的基礎建設早已于20世紀60年代結束，從1970年以后起國際上已形成小型液壓挖掘機的需求市場。小型液壓挖掘機的發展雖然只有30多年的生產歷史，但其發展非常迅速。在參照和分析山河智能系列和久保田系列小型液壓挖掘機的基礎上，設計了無尾式小型液壓挖掘機。本文主要進行小型液壓挖掘機的總體設計和有關計算。首先根據小型液壓挖掘機的工

2、作概況及性能參數的設計要求，確定了液壓挖掘機的設計方案，完成了主要參數的設計計算，并對主要工作裝置的鉸點和關鍵部位進行力學分析和計算；然后對行走系統、動力系統、傳動系統和回轉系統進行設計計算。接下來對整機的穩定性進行了分析和研究，并對其可能發生的失穩狀態進行校核。關鍵詞：液壓挖掘機，主工作裝置，底盤行走系，挖掘裝置abstractexcavator is an important aircraft construction machinery is one of the important earthwork excavation machinery and equipment, which

3、is widely used in small earth and stone works, municipal engineering, road repair, laying cables, agricultural reform and modernization of military engineering of mechanized construction.small hydraulic excavators usually refers to the standard bucket capacity below0.25 m3, or refers to the machine

4、focuses on the excavator within the 8t. large-scale infrastructure in developed countries and regions already end in the 1960s, on the formation of the needs of small hydraulic excavators market since 1970. the development of small hydraulic excavators, although only 30 years of production history,

5、but its development is very rapid. on the basis of reference and analysis of the shanhe intelligent series and kubota series of small hydraulic excavators, designed the no tail small hydraulic excavators.this article mainly presents the design and relevant calculation of the hydraulic system in the

6、mini excavator. first of all, overview of the work of small hydraulic excavators and performance parameters of the design requirements, to determine the design of the hydraulic excavator, completion of the main parameters of the design calculations,and mechanics analyzing and the fulcrums and import

7、ant components of the main working equip. then design the working device, walking systems, power systems, powertrain and chassis. next, analysis and research on the stability of the machine, and check the state of instability that may occur.keywords: hydraulic excavator , work equipment, chassis mot

8、ion train, dig equipment.目錄1緒論71.1引言71.2國內外小型挖掘機的發展情況71.2.1國內小型液壓挖掘機的發展狀71.2.2國外挖掘機目前水平及發展動向81.2.3小型液壓挖掘機的類型91.3液壓挖掘機發展方向101.4本課題的目的和意義111.5本設計研究的主要內容112總體方案的構思132.1基本原理及主要工藝132.2主要構思方案132.3本方案特點143動力系統的設計153.1牽引力和牽引功率的平衡153.1.1機械行駛作業過程中的阻力153.1.2牽引工況時的牽引力平衡和牽引功率平衡163.1.3運輸工況時的牽引力和牽引功率的平衡173.2發動機的選型

9、183.2.1 單斗液壓挖掘機對柴油機的基本要求183.2.2 發動機功率的確定193.2.3發動機的額定轉矩214 工作裝置的設計224.1工作裝置的構成224.1.1動臂及斗桿的結構形式234.1.2動臂油缸與鏟斗油缸的布置244.1.3鏟斗的結構選擇244.2工作裝置結構尺寸的確定254.2.1 斗形參數的確定264.2.3動臂機構參數的選擇274.3斗桿機構參數的選擇314.3.1斗桿挖掘阻力的計算314.3.2斗桿結構形狀及尺寸的確定324.4鏟斗連桿機構基本參數的選擇334.5鏟斗挖掘阻力計算344.6挖掘機構受力分354.7軸孔和相應軸的設計445回轉機構的設計455.1轉臺的設

10、計455.1.1轉臺基本尺寸的確定455.1.2轉臺的布置465.2回轉支承的選擇465.3回轉滾盤的計算與選型475.3.1回轉支承型號的選擇475.3.2回轉小齒輪的設計496駕駛室的設計506.1駕駛室的外型設計506.1.1駕駛室的外型的尺寸設計506.1.2駕駛室外形及顏色設計516.2駕駛室的宜人化設計516.2.1駕駛室的噪聲控制516.2.2駕駛室的通風526.2.3駕駛室的隔熱526.2.4駕駛室的密封526.2.5駕駛室的防護措施527整機穩定性537.1作業穩定性537.1.1挖掘失穩狀態537.1.2卸荷失穩狀態587.2自身穩定性628液壓挖掘機的使用與維護說明648

11、.1液壓挖掘機操作環境與使用條件648.2液壓挖掘機使用要求及說明648.3液壓挖掘機日常的維護與說明648.4液壓挖掘機的操作規程658.4.1作業前的技術準備658.4.2作業與行駛中的技術要求658.4.3作業后的技術工作668.5液壓挖掘機行走操作及注意事項669結論67參考文獻68附錄1：yw0.2型小型無尾液壓挖掘機主要性能參數69附錄2：圖紙清單及編號70致謝711緒論1.1引言液壓挖掘機是工程機械的主要機種之一，是土石方開挖的主要機械設備,廣泛應用于工業與民用建筑、交通運輸、水利水電工程，農田改造、礦山采掘以及現代化軍事工程等的機械化施工中。由于機電一體化的運用, 挖掘機在近些

12、年發展很快，挖掘機的性能得到很大的提高。現代挖掘機具有各種工作裝置與功能,去掉挖斗的挖掘機是一個工作平臺.隨著我國經濟建設的飛速發展,特別是國家逐步增加對高等級公路、鐵路、住宅和水利設施的投入，挖掘機越來越顯示出適應性強、作業效率高等優越性。小型多功能液壓挖掘機通常指標準斗容在0.25m3以下，或指機重在8t以內的挖掘機產品，產品歸類為小型工程機械，在世界工程機械市場，屬銷量最大的工程機械產品之一。小型無尾液壓挖掘機的尾部長度為零，可以在狹窄地段方便的作業。受施工場地限制較少，在建筑物間、城市道路、園林綠化、挖掘溝槽等小型土方施工中比大中型挖掘機更有優勢，即使在僅靠墻根時也能方便的進行回轉和挖

13、掘，與大型挖掘機相比，小型挖掘機設備的購買投入較少，使用成本相對較低。它與挖斗、推土鏟、液壓破碎錘等多種作業裝置配套使用后，具有挖掘、裝載、清溝、破碎等多種功能。國外發達國家和地區的大規模的基礎建設早已于20世紀60年代結束，從1970年以后起國際上已形成小型液壓挖掘機的需求市場。小型液壓挖掘機的發展雖然只有30多年的生產歷史，但其發展非常迅速。1.2國內外小型挖掘機的發展情況1.2.1國內小型液壓挖掘機的發展狀挖掘機市場在國內比裝載機等工程機械起步晚，小型液壓挖掘機則更晚。盡管近幾年小型液壓挖掘機在國內市場的發展速度很快，主要生產廠家已有幾十家，市場銷售增長率很高，但仍處于起步階段。在國內小

14、型液壓挖掘機生產企業中，以廣西玉柴為首，山河智能、江西南特、山東臨挖、杭州軍聯等企業組成的中國小型液壓挖掘機團隊已經初具規模。國內小型液壓挖掘機目前已形成1.5t至8t全系列產品，并占有國內市場的主要份額，且有少數出口。國內小型液壓挖掘機目前的整體技術水平處于國際二十世紀八十年代末九十年代初的水平，與國際先進技術的差距主要體現在整機匹配、微操作性能、維修性、可靠性及外觀質量上。現階段我國的挖掘機仍處于仿制階段，缺乏自主開發能力和發掘自身優勢的意識。目前國產品牌的優勢仍主要建立在價格和服務優勢上，技術上還無法與國際先進水平相提并論。未來的發展將在很長一段時間內受制于兩大主要配件，一是動力，二是液

15、壓件。國產動力要抗衡進口動力尚需時日，而國產液壓件取代進口液壓件更需巨大努力。1.2.2國外挖掘機目前水平及發展動向工業發達國家的挖掘機生產較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量3.5-40 m3單斗液壓挖掘機的主要生產國，從20世紀80年代開始生產特大型挖掘機。從20世紀后期開始，國際上挖掘機的生產向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發展。（1）開發多品種、多功能、高質量及高效率的挖掘機。為滿足市政建設和農田建設的需要，國外發展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘機，最小的斗容量僅在0.01 m3。另外，數量最的的中、小型挖掘機趨向于一機多能，配備了多種工作裝置除正鏟、反鏟

16、外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時，發展專門用途的特種挖掘機，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機等。（2）迅速發展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。在危險地區或水下作業采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現了挖掘機作業操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了基礎和創造了良好的前提。（3）重視采用新技術、新工藝、

17、新結構，加快標準化、系列化、通用化發展速度。例如，德國阿特拉斯公司生產的挖掘機裝有新型的發動機轉速調節裝置，使挖掘機按最適合其作業要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新c系列ls-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統，可自動調節流量，避免了驅動功率的浪費。還安裝了caps（計算機輔助功率系統），提高挖掘機的作業功率，更好地發揮液壓系統的功能。（4）更新設計理論，提高可靠性，延長使用壽命。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液

18、壓挖掘機的強度研究方面，促進了產品的優質高效率和競爭力。美國提出了考核動強度的動態設計分析方法，并創立了預測產品失效和更新的的理論。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性住處處理系統。在上述基礎理論的指導下，借助于大量試驗，縮短了新產品的研究周期，加速了液壓挖掘機更新換代的進程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。（5）加強對駕駛員的勞動保護，改善駕駛員的勞動條件。液壓挖掘機采用帶有墜物保護結構和傾翻保護結構的駕駛室，安裝可調節的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾。（6）進一步改進液壓系統。中、小型液壓挖掘機的液壓系統有向變量系

19、統轉變的明顯趨勢。因為變量系統在油泵工作過程中，壓力減小時和增大流量來襝，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機可經常性地充分利用油泵的最大功率。當外阻力增大時則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長率加；采用三回路液壓系統。產生三個互不成影響的獨立工作運動。實現與回轉達機械的功率匹配。將第三泵在其他工作運動上接通，成為開式回路第二個獨立的快速成運動。此外，液壓技術在挖掘機上普遍使用，為電子技術、自動控制技術在挖掘機的應用與推廣創造了條件。（7）迅速拓展電子化、自動化技術在挖掘機上的應用。20世紀70年代，為了節省能源消耗和減少對環境的污染，使挖掘機的操作輕便和安全作業，降低挖掘機口

20、音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應用電子和自動控制技術。隨著對挖掘機的工作效率、節能環保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機電一體化在挖掘機上的應用，并使其各種性能有了質的飛躍。20世紀80年代，以微電子技術為核心的高新技術，特別是微機、微處理器、傳感器和檢測儀表在挖掘機上的應用，推動了電子控制技術在挖掘機上應用和推廣，并已成為挖掘機現代化的重要標志，亦即目前先進的挖掘機上設有發動機自動怠速及油門控制系統、功率優化系統、工作模式控制系統、監控系統等電控系統。總之，國外小挖目前水平與發展動向國外小挖目前水平完全可以稱之為漸趨完美、漸入佳境，其功能的可靠性，操作的流暢性

21、和舒適性不必詳述，即使其駕駛室內的美觀與質感也幾可與國產轎車蓖美。國外小挖目前的發展動向主要體現在：以一機多能為目標的多功能化；以提高操作性能為目標的智能化；以節能為目標的功率模式控制；以動態設計分析為基礎的可靠性設計；以人為本的駕駛室設計；基于微電子技術的自動監控系統的發展。1.2.3小型液壓挖掘機的類型根據小型挖掘機基本功能要求，為了更能適應作業形態和工作要求，經淘汰化，目前有以下三種形式。1）標準型是最早生產的挖掘機機種，其結構特點是挖掘機前部工作裝置和后部平衡部分都突出在履帶寬度之外。機體較寬敞駕駛室居住性好，重心布置得當，穩定性好，作業性能優良。在以前標準型是小型挖掘機的主力機種。但

22、由于后部突出較大，在工作過程中易出現后部碰撞事故。因此今年它的發展受到了限制，在長期的設計和使用實踐中其液壓系統有了較大改進，工作裝置重量減輕了，作業范圍擴大了。2）超小回轉型其主要特點是工作裝置在收縮狀態可收到履帶寬度之內，其后不平衡部分也在履帶寬度之內，即整個上部回轉體輪廓的最小回轉半徑小于履帶寬度。它主要用于在非常狹窄場所下施工，例如管道施工等。為了回轉半徑小，要求動臂舉升角大，這給動臂帶來了困難，要挖側溝，不能采用動臂偏轉方式，而要將動臂分成兩段，中間采用平行連桿機構，即偏置式挖側溝形式。3）后部小回轉型回轉機構后部設計成圓弧形，它的外廓旋轉半徑在履帶寬度范圍之內。這種小挖掘機具有接近

23、標準型的作業能力和接近超小回轉型的回轉性能。其主要優點是作業時注意力可集中于工作裝置，不用擔心后部與外界碰撞，安全性能好，作業效率也高，且運輸型是三種小挖掘機中最好的，目前已替代標準型成為小挖掘機中的主力機種。1.3液壓挖掘機發展方向單斗液壓挖掘機的研制和改進主要的發展方向在于：1、發動機功率的充分有效利用，通過各種途徑使機械多做有效功，其中包括動力裝置與液壓傳動的最佳匹配，提高傳動效率，能量回收，高效液壓系統的研究等；2、鏟斗挖掘力的充分發揮，挖掘力大小和有效作用范圍是衡量各種液壓挖掘機工作能力的重要指標，目前通過優化程序實現工作裝置鉸點最佳布置，采用高壓與超高壓技術，提高整機穩定性等方面進

24、行研究；3、縮短工作循環周期，提高機械生產率，包括整機性能研究(作業循環、回轉和行走性能的研究)，發展專用機械和工作裝置以及機械大型化和小型化等；4、機械可靠性研究，是各國十分重視的一項內容，關鍵在于設計的合理化和材料工藝的研究，包括摩擦磨損機理的研究和新材料的應用，在試驗手段方面，進行挖掘機整機和液壓傳動的快速試驗研究，以及結構件快速疲勞試驗和壽命預測的研究等，從而保證整機的可靠性，延長維修周期，加快維修進程，降低維修費用，降低成本；5、司機室安全舒適性以及維護保養的方便性對挖掘機的有效利用有極大影響，從人體生理學和環境工程的觀點來研究操作舒適性和振動噪音對司機和環境的影響，以及控制空氣的污

25、染等，各國已做了大量工作，國內也逐漸予以注意；6、加快產品開發速度，滿足快速多變的市場需求；7、采用微電子技術使液壓挖掘機自動化、機電一體化和智能化進程加快1.4本課題的目的和意義隨著我國經濟建設的高速發展，以及我國公路養護常規化，園林綠化的有序進行，小區建設工程增多，市政工程不斷升級，農田建設正趨向機械化，而在這些工程施工中，大多是小型土方施工。因此，在施工中小型多功能液壓挖掘機比大中型液壓挖掘機更有優勢，即使在靠墻時也能方便的進行回轉和挖掘，況且小型挖掘機資金投入少，使用成本相對較低。小型多功能挖掘機的地位不容忽視，其應用的市場環境日益擴展并呈現可以預見的強勁后市，越來越受廣大消費者青睞。

26、而無尾式小型液壓挖掘機在我國的發展才剛剛起步，其技術還遠遠落后于國外。此時對小型液壓挖掘機進行一些理論聯系實際的研究顯然具有重要的現實意義和長遠的指導意義。本次所設計的小型無尾液壓挖掘機。設計內容是總體設計，主要包括底盤的設計、動力系統的設計和挖掘工作裝置的設計。總體設計的優劣決定著其他零部件的設計質量，更決定了整機的性能。合理正確、全面的總體設計是保證整個設計任務完成的關鍵。因此總體設計應該有一個全面的，更高層次的設計理念。總體設計主要是 對履帶式小型無尾液壓挖掘機進行深入的分析，并提出切實可行的方案，對整體參數、整體布局、整體結構、整機系統及其主要零部件進行設計計算最后再將其建模裝配。在整

27、體設計中，挖掘機工作裝置的設計和底盤是最重要的，也是整機設計的關鍵所在。其中本次設計中的工作裝置的設計必須考慮全面，比如外形尺寸、形狀、鉸點布置、工作過程中不能相互干涉、材料的強度、剛度等等。此次涉及的工作裝置是反鏟裝置，動臂部分主要采用整體式彎動臂，這樣有利于得到較大的挖掘深度。1.5本設計研究的主要內容本次所設計的挖掘機為無尾式小型液壓挖掘機。設計的內容為總體設計，主要包括主工作臂的設計、底盤行走系統的設計和推土鏟的設計。總體設計的優劣決定了其它零部件設計的質量，也決定了整機的性能。合理的、全面的總體設計是整個設計任務順利完成的保證。因此，對整體設計必須從一個更高的層次出發，對整體設計必須

28、提出更高的要求。總體設計主要是對小型無尾液壓挖掘機進行深入地分析，并提出切實可行的方案，對整體參數、整體布局、整體結構、整機系統及其主要零部件進行設計計算，最后再將其建模裝配。在整體設計中，主工作裝置的設計、底盤行走系統的設計是最重要的，也是整機設計的關鍵所在。因為對于整個挖掘機而言，主工作裝置和底盤行走系是整個機器工作的前提和保證，它將決定整個機器的性能和質量。主工作裝置的設計必須考慮全面，比如外形尺寸、形狀、鉸點布置、工作過程中不能相互干涉、強度、剛度等等。而對于底盤行走系統，履帶式比輪式更加穩定，轉彎半徑更小，接地比壓更大，附著性能更好，結構布置更加緊湊，執行操作更加方便。此次設計的主工

29、作裝置主要采用反鏟裝置，動臂部分主要采用整體式彎動臂，這樣有利于得到較大的挖掘深度。斗桿部分主要采用整體式直動斗桿；鏟斗部分采用道側齒的鏟斗。底盤行走系采用履帶式行走底盤，在設計底盤過程中盡量采用標準件，以便更換方便。2總體方案的構思2.1基本原理及主要工藝對于一般的工程機械來說，都必須將包括動力系統、傳動系統、底盤行走系統、操作控制系統和執行系統這五大基本系統。動力系統主要采用的是柴油發動機，其原因是由于它不受電源、電纜的限制，使得工程機械移動、行駛方便且功率大、工作可靠、燃料經濟性好、排氣污染小。工程機械的傳動系統的類型有：機械傳動、液力機械傳動、液壓傳動和電傳動。在本設計中采用的是液壓傳

30、動系統，液壓傳動系統的主要優點是:能夠實現無級變速且變速范圍大，車輛可以實現微動；變速和變向操作簡單，一根操作桿即可；可以利用液壓傳動系統實現制動；采用左右輪分別驅動系統，能夠方便的實現車輛的彎道行駛和原地轉向；便于實現自動化操作和遠距離操作；液壓傳動系統的主要缺點是：噪聲大、傳動效率低以及液壓元件密封困難等。底盤行走系統主要類型有輪式和履帶式。履帶式液壓挖掘機具有在任何路面行走均有良好的通過性，對土壤有足夠的附著力，接地比壓小，作業時不需設支腿，適用范圍大。在土質松軟或沼澤地帶作業的液壓挖掘機，還可通過加寬和加長履帶來降低接地比壓。為防止對路面的碾壓破壞，通常行走的液壓挖掘機多為全液壓傳動。

31、操作控制系統一般包括底盤操作系統和工作裝置操作系統兩個部分。執行系統主要包括各種類型的工作裝置和機構。根據這五大基本系統，來選擇機型，確定總體布置方案。2.2主要構思方案根據實際調研結果，結合國內外工程用液壓挖掘機的相關資料，經過認真分析總結，又根據設計的要求，考慮到機械的實用性、經濟性、生產等方面的因素，我們仿照case系列和山河智能小型液壓挖掘機的整體結構和整機系統，擬定構思方案如下：（1）動力系統采用柴油發動機；（2）傳動系統采用液壓傳動系統；（3）底盤行走系統采用履帶式底盤；（4）操縱控制系統采用全液壓控制系統；（5）執行系統主要包括鏟斗、斗桿和動臂。動臂部分主要采用整體式彎動臂，斗桿

32、部分主要采用整體式直動斗桿，鏟斗部分采用道側齒的鏟斗，而整個主工作裝置則采用反鏟裝置。在此次設計當中，本人所承擔的設計任務主要是挖掘機總體設計。2.3本方案特點整機結構簡單，結構緊湊。采用履帶式底盤，作業行走方便，對作業現場的適應能力強。可替換的鋼制履帶和橡膠履帶可使機械在不同的工況下工作，對場地的適應性好。另外，采用履帶式底盤結構，機械的整機穩定性好，使用全液壓驅動，可以很輕松的實現無級變速和自動剎車，且能夠實現較大范圍的調速。采用回轉支撐可以使機器輕松實現360的全方位回轉，工作能力可以得到大大的提高。采用久保田發動機，能夠在保證功率的前提下，實現在較小空間內的安裝布置，使車身和轉臺不會超

33、過設計的要求，從而滿足“無尾”的要求，實現作業的順利進行。3動力系統的設計動力系統的設計需要計算整機的牽引力平衡和牽引功率平衡，選擇合適的柴油機，滿足功率和扭矩要求，且發動機的外形尺寸不和其它部件發生干涉。3.1牽引力和牽引功率的平衡研究牽引力平衡和牽引功率平衡，是為了分析機械在行駛作業過程中，牽引力是怎樣利用的以及發動機的功率是怎樣消耗的。牽引力平衡和牽引功率平衡是指機械在行駛作業過程中的任何瞬間，其牽引力平衡可以分析挖掘機的動力性能，根據牽引功率平衡可以選定挖掘機發動機的功率及分析牽引功率。3.1.1機械行駛作業過程中的阻力挖掘機行駛作業過程中，在底盤行走架上有以下幾種阻力：（1）滾動阻力

34、 (kn) (3-1)式中 挖掘機自重(kn)，根據單斗液壓挖掘機表1-2，初步設定挖掘機自重為,6.3t，則63009.8=61.7kn；滾動阻力系數，根據鏟土運輸機械表1-1，考慮到挖掘機的工作環境，取=0.07；坡角，根據任務書要求 =30；所以： (kn)61.70.07cos30=3.74kn（2）坡度阻力（kn）=61.7sin30=30.85kn（3）工作阻力（kn）（4）風阻力（kn）（5）加速阻力（kn）3.1.2牽引工況時的牽引力平衡和牽引功率平衡（1）牽引力的平衡挖掘機在工作時，其切線牽引力需克服滾動阻力、坡度阻力、工作阻力、風阻力及加速阻力，即： （3-2）取自工程機械

35、底盤構造與設計p139式中：切線牽引力，對于履帶式行走系：/；驅動力矩（）；履帶驅動功率，=0.96；驅動輪動力半徑。由于挖掘機在進行挖掘作業時不行駛，所以挖掘機作業過程中地盤行走架上的工作阻力可以忽略不計，即作業過程中底盤行走架上的工作阻力。由于挖掘機的行走速度較慢，因此其風阻力和挖掘阻力均可忽略不計。所以，在上式中風阻力和加速阻力均為0。因此，挖掘機的切線牽引力由此得出牽引工況時挖掘所需總的牽引力。由于挖掘機是履帶式，有兩個驅動輪，所以對于每個驅動輪，其切線牽引力為：=欲得到每個驅動輪上的驅動力矩，就必須知道驅動輪的動力半徑，動力半徑可以由后面的底盤行走系部分得到：320.6 mm所以驅動

36、輪的總的驅動力矩為：（2）牽引功率的平衡本設計的挖掘機有兩個工作裝置，主工作裝置和附屬推土鏟一般不會同時工作，其中主工作裝置工作時消耗的功率較大，因此，牽引功率應按主工作裝置進行計算。主工作裝置工作時，而底盤行走架是不工作的，即機械是停在原地不動的。此時機械的行使速度為0，從而驅動輪的行使速度也為0。對于此時的挖掘機，發動機的全部功率都消耗在主工作裝置上。所以，機械的驅動功率=0。3.1.3運輸工況時的牽引力和牽引功率的平衡挖掘機在運輸工況下沒有工作阻力，而行使速度較高，故此時風的阻力不能忽略不計。由于沒有工作阻力，牽引力較小，故可以忽略滑轉引起的功率損失。（1）牽引力的平衡挖掘機切線牽引力：

37、 (3-3)取自工程機械底盤構造與設計p139式中 滾動阻力，=3.74kn；坡度阻力，=30.85kn；風阻力； (3-4)取自工程機械底盤構造與設計p139其中為理論行使速度，由任務書可知km/h。為機械流線型系數，通常取0.60.7（/）。表示機械迎風面積，為履帶軌距，為機械高度。參照同組同學計算結果，b=1500mm；h=2580mm。則 對于其加速阻力可以忽略不計。所以其切線牽引力為：2).牽引功率的平衡挖掘機行走時的最大理論行使速度為：km/h對于履帶式機械：由于在運輸工況下，較小，速度較高，所以滑轉率。因此，挖掘機的實際行使速度 (3-5)參看工程機械底盤構造與設計p139式中

38、滾動阻力功率，；克服坡道阻力功率，；克服加速消耗的功率，可以忽略不計，即=0；克服風的阻力功率，所以，也即挖掘機在運輸工況時的驅動功率為：3.2發動機的選型3.2.1 單斗液壓挖掘機對柴油機的基本要求目前及今后的一個相當長的時期內，單斗液壓挖掘機的動力將仍以柴油機為主。極少采用其它原動機。因為，柴油機具有機動靈活、特性曲線硬、工作可靠，使用經濟等優點。單斗液壓挖掘機所用柴油機的基本要求與汽車、拖拉機類同。但由于挖掘機工作條件更惡劣，負荷不穩定，甚至有時超負荷工作。故柴油機的工作負荷一般應低于額定負荷。挖掘機的額定負荷與汽車、拖拉機不同，它是指在額定轉速下一小時以上的額定功率。挖掘機工作的特點是

39、：環境溫度變化大（經常為40c，有時最熱達60 c），灰塵污物較多；負荷變化大；經常傾斜工作，有時在斜坡上常年工作；維護保養條件差，工地離維修廠較遠。為此，對柴油機就提出了一些特殊要求：（1）柴油機的大維修不得低于30004000工作小時。（2）燃油消耗量不得大于190克/馬力小時。機油消耗量不應大于34克/馬力小時。希望不用較稀缺的燃料和油料。（3）結構簡單，保養維修方便，調整點少，備件可充分供應。（4）低溫啟動容易。（5）要有效能高、清洗方便、進氣阻力小的空氣濾清器及柴油、機油濾清器。保證在含灰量為2時，柴油機能正常工作。（6）小功率的柴油機應考慮從曲軸前端、側面或分配齒輪箱均能獨立地輸出

40、全部功率。因為有些挖掘機有時有專門的轉向泵或數個泵。（7）.在額定功率下，至少能連續工作一小時功率不下降。連續工作四小時，功率下降別的超過5%。柴油機適應性系數不得低于1.151.20。要裝有全程調速器。（8）柴油機出廠應備有空氣濾清器、水或油冷卻裝置、電氣儀表、操縱機構及機罩等。同時，還應考慮添加增壓器。3.2.2 發動機功率的確定根據牽引工況和運輸工況的功率平衡方程式分別算出所需功率，然后取其中較大值來選擇柴油機的標定功率。（1）牽引工況 (3-6)取自鏟土運輸機械p37式中 ： 機械傳動效率（履帶式包括履帶驅動功率）。計算時取：輪胎式=0.900.92；履帶式=0.870.89；液力變矩

41、器效率，計算時取，采用機械傳動時； 液壓泵的流量,； 液壓泵進出口壓力差,； 液力壓泵及液壓泵驅動機構的效率，可取。（2）按運輸工況最高行駛速度計算 (3-7) 參看鏟土運輸機械p37頁 各參數意義同前。 =39.36kw取其最大值：綜上分析，并考慮發動機的輔助功率及功率儲備，選取洋馬公司生產的4tnv98t(-zgg)型柴油機，其基本參數如下：表 3-1 tnv98t(-zgg)柴油機基本參數 名稱 技術參數型號4tnv98t(-zgg)型式直噴、水冷、立式、四沖程吸氣方式渦輪增壓氣缸數4氣缸直徑活塞行程（mm）98110活塞排量（l）3.319標定功率(kw)/轉速(r/min)51/18

42、00潤滑油sae 10w30,api 級別 cd外形尺寸（長寬高）（mm）7635536673.2.3發動機的額定轉矩根據機械原理相關公式 （3-8）式中 發動機的額定轉矩； 發動機額定功率；=33kw； 發動機額定轉速；=2200 r/min；代入數據計算得到：。4 工作裝置的設計4.1工作裝置的構成1-動臂油缸；2- 動臂； 3-斗桿油缸； 4-斗桿； 5-鏟斗油缸； 6-搖桿； 7-連桿；8-鏟斗；圖4-1工作裝置組成圖圖2-1為液壓挖掘機工作裝置基本組成及傳動示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗8、連桿7、斗桿4、動臂2、相應的三組液壓缸1, 3,5等組成。動臂下鉸點鉸接在轉臺上，通過動

43、臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉動，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉動。挖掘作業時，接通回轉馬達、轉動轉臺，使工作裝置轉到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮，動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉馬達，使工作裝置轉到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉進行卸土。卸完后，工作裝置再轉至挖掘位置進行第二次挖掘循環。在實際挖掘作業中，由于土質情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統

44、的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環中的動作配合可以是多樣的、隨機的。上述過程僅為一般的理想過程。挖掘機工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結構，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。則可知單斗液壓挖掘機的工作裝置可以看成是由動臂、斗桿、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機構組成的具有三自由度的六桿機構，進一步簡化得圖如2-2所示。1-鏟斗；2-連桿；3-斗桿；4-動臂；5-鏟斗油缸；6-斗桿油缸圖4-2 工作裝置結構簡化圖挖掘機的工作裝置經上面的簡化后實質是一組平面連桿機構，自由度是3，即工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度l1、斗桿油缸長度l2、鏟斗油缸長度l3

45、決定，當l1、l2、l3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定。4.1.1動臂及斗桿的結構形式動臂是反鏟工作裝置的主要構件之一，反鏟動臂按其數量特征可分為整體式和組合式兩類。按其外形特征分為直動臂和彎動臂兩種。整體式彎動臂有利于得到較大的挖掘深度，它是專用反鏟裝置的常見形式。在現在常用的中小型反鏟液壓挖掘機中主要采用的這種結構形式。其結構堅固耐用，結構強度較高，動作靈敏，工作范圍較大，與同長度的直動式動臂相比，可以使挖掘機有較大的挖掘深度，但降低了卸土高度，這正符合挖掘機反鏟作業的要求。且外型美觀，截面還采用箱型結構，節省材料，更重要的是受力狀況較好，強度較高。相對于直動式動臂，受力狀況

46、和強度均有很大的改善，另外過渡處的圓角和圓弧使其應力集中情況也有所避免。綜上所述，結合任務書對挖掘深度和卸料高度的要求，動臂結構選擇整體式彎動臂。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數挖掘機采用整體式斗桿。在本設計中由于不需要調節斗桿的長度，故也采用整體式斗桿。4.1.2動臂油缸與鏟斗油缸的布置動臂油缸一般布置在動臂前下方，下端與回轉平臺鉸接，動臂下支撐點可以設在底座回轉中心之前。它也可以設在底座回轉中心之后，以改善其受力情況，但使用反鏟作業裝置時動臂支點靠后布置會影響挖掘深度。因此采用動臂支點靠前布置方案。動臂液壓缸與動臂鉸點有兩種布置方案，一種是動臂液壓缸鉸接于動臂中部的方案，此方案一般用于雙

47、動臂液壓缸，分置于動臂的兩側，有利于增加反鏟挖掘機的挖掘深度并提高工作裝置的穩定性，但會削弱動臂強度，大中型挖掘機多采用此方案。另一種為動臂液壓缸鉸接于動臂下翼板的方案，該方案對動臂斷面強度沒有影響，但影響動臂的下降幅度并降低了挖掘深度，由于其結構較為簡單在采用單動臂液壓缸的小型挖掘機上大多采用此方案。本設計采用第二種方案。斗桿油缸的布置應保持斗桿產生足夠的斗齒挖掘力，同時保證斗桿的擺角范圍。鉸點布置和油缸行程的確定應結合作業尺寸及挖掘力的要求反復進行，在保證作業要求的前提下，使其結構合理，材料更節省。4.1.3鏟斗的結構選擇鏟斗結構形狀和參數的合理選擇對挖掘機的作業效果影響很大，其應滿足以下

48、的要求：1）有利于物料的自由流動。鏟斗內壁不宜設置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合于各種物料的運動規律。2）要使物料易于卸盡。3）為使裝進鏟斗的物料不易灑落和掉出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應大于4：1，當大于50：1時，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質。4）為了提高鏟斗的切入和破碎能力，便于耙出物料中的石塊，對于較為堅硬的或夾雜石塊的物料，一般要在斗刃上裝設斗齒。綜上考慮，選小型挖掘機常用的鏟斗結構，基本結構如圖3-2所示圖4-3 鏟斗結構示意圖4.2工作裝置結構尺寸的確定經驗公式計算法是在概率統計的基礎上得出的以液壓挖掘機的機重為基本參數的一系列經驗公式，用來確定挖掘機的各種參數。根

49、據液壓挖掘機公式:線尺寸參數li=kli3g (m)面積參數si=ksi3g2 (m2) 體積參數vi=kvi3g3 (m3) 式中li、si、vi分別為線尺寸、面積尺寸、體積尺寸kli、ksi、kvi分別為線尺寸經驗系數，根據液壓挖掘機表2-1選取g為液壓挖掘機的機重，表4-1 工作裝置的經驗計算名稱代號及參數選取計算結果(m)動臂長kl=1.8斗桿長kl2=0.8斗長度 kl3=0.46最大挖掘半徑最大挖掘深度kz=2.2最大挖掘高度kh=2.5最大卸載高度kq=1.8臂鉸離回轉中心kx0=0.15臂鉸離地高度kh0=0.65臂鉸與液壓缸鉸距ke0=0.34.2.1 斗形參數的確定由單斗液

50、壓挖掘機p公式2-40q=rb（2sin2）k得： b= （4-1）式中：b轉斗平均寬度； r轉斗挖掘半徑；r=850mm； k土壤松散系數；k=1.25；2轉斗裝滿轉角；2=90=1.5708；q鏟斗額定斗容量；q=0.2 m；代入式3-3得b=0.776m=776mm；根據液壓挖掘機p88表3-4， q=0.12m時，b的取值在合適范圍內。鏟斗上兩個鉸點之間的距離,一般取特性參數,所以，這里取，一般取,這里取。4.2.3動臂機構參數的選擇動臂通常做成向下彎曲的形狀，有上下兩段直的部分和中間彎曲的部分組成，動臂彎角一般的取值范圍為12001400，本設計初選120。上下動臂的長度之比=1.1

51、1.3，初選取。在三角形cuf中，由已知可求得：=180-120-27=33圖4-4 最大挖掘半徑時動臂機構計算簡圖動臂液壓缸全伸與全縮時的力臂比按不同情況選取，以反鏟為主的專用機取=0.4，取65。斗桿液壓缸全縮時，最大，常選，本設計取，取決于液壓缸布置形式，動臂單液壓缸結構中初取（圖3-9）。圖4-5 最大卸載高度時動臂機構計算簡圖圖4-6 最大挖掘深度時動臂機構計算簡圖據單斗液壓挖掘機:由圖（4-5）得最大卸載高度的表達式為： （4-2）由圖4-6得最大挖掘深度絕對值的表達式為：將兩式相加，消去并令，得：式中： 又特性參數k4 = sin1max/ 1sin1min因此， 將上式代入得到

52、一元函數，由于設計任務書中要求最大挖掘高度大于4500mm，最大挖掘深度大于3000mm，故設計最大卸載高度等于3500mm，最大挖掘深度為3500mm。整理得：7-3324sin（1max- ）+ sin（-1min） + 1.478sin（1max + ） = 0解得： 由單斗液壓挖掘機公式2-56求得： =0.55m1min與1max需要滿足以方程：以及不等式： 聯立求解得： = 2.40 = 3.04由式所以，；4.3斗桿機構參數的選擇4.3.1斗桿挖掘阻力的計算斗桿挖掘過程中，切削行程較長，切土壤厚度在挖掘過程中為常數，一般取斗桿在挖掘過程中總轉角，在這轉角過程中，鏟斗被裝滿，這時斗

53、齒的實際行程為：式中:半桿挖掘時的切削半徑，取 斗桿挖掘時的切土厚度可按下式計算： （4-3）斗桿挖掘阻力： （4-4）其中：-挖掘比阻力，查得；當斗桿與鏟斗垂直時值最小，值最大；4.3.2斗桿結構形狀及尺寸的確定同類機型和設計手冊，初選斗桿液壓缸的伸縮比=1.65，液壓缸缸徑=100mm；系統壓力p=16mpa ，斗桿液壓缸最大推力：斗桿油缸的最大力臂可由力矩平衡方程得： efq取決于結構因素和工作范圍,一般在130170之間.初定efq=,動臂上dfz也是結構尺寸,按結構因素分析,可初選dfz=.4.4鏟斗連桿機構基本參數的選擇連桿機構尺寸參數的選擇，其應滿足以下幾個條件：1）要保證鏟斗有足夠的轉角范圍。鏟斗的總轉角范圍為，本設計初選鏟斗總轉角為，開挖仰角為2）要使鏟斗斗齒上能產生足夠大的挖掘力，且其變化規律要與挖掘阻力的變化規律相一致。3）機構不能發生干涉，保證gfn、ghn、