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中國礦業(yè)大學(xué)07屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 73 頁
1 緒論
液壓挖掘機是在機械傳動挖掘機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的工作過程是以鏟斗的切削刃切削土壤，鏟斗裝滿后提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置，卸空后的鏟斗再回到挖掘位置并開始下一次的作業(yè)。因此，液壓挖掘機是一種周期作業(yè)的土方機械。
液壓挖掘機與機械傳動挖掘機一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利施工、露天采礦及現(xiàn)代化軍事工程中都有著廣泛的應(yīng)用，是各種土石方施工中不可缺少的一種重要機械設(shè)備。
在建筑工程中，可用來挖掘苦坑、排水溝，拆除舊有建筑物，平整場地等。更換工作裝置后，可進行裝卸、安裝、打樁和拔除樹根等作業(yè)。
在水利施工中，可用來開挖水庫、運河、水電站堤壩的基坑、排水或灌溉的溝渠，疏浚和挖深原有河道等。
在鐵路、公路建設(shè)中，用來挖掘土方、建筑路基、平整地面和開挖路旁排水溝等。
在石油、電力、通信業(yè)的基礎(chǔ)建設(shè)及市政建設(shè)中，用來挖掘電纜溝和管道等。
在露天采礦場上，可用來剝離礦石或煤，也可用來進行堆棄、裝載和鉆孔等作業(yè)。
在軍事工程中，或用來筑路、挖壕溝和掩體、建造各種軍事建筑物。
所以，液壓挖掘機作為工程機械的一個重要品種，對于減輕工人繁重的體力勞動，提高施工機械化水平，加快施工進度，促進各項建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都 起著很大的作用。據(jù)建筑施工部門統(tǒng)計，一臺斗容量1.0m3的液壓挖掘機挖掘Ⅰ～Ⅳ級土壤埋，每班生產(chǎn)率大約相當于300～400個工人一天的工作量。因此，大力發(fā)展液壓挖掘機，對于提高勞動生產(chǎn)率和加速國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。
1.1液壓挖掘機的工作特點和基本類型
1.1.1液壓挖掘機的主要優(yōu)點
液壓挖掘機在動力裝置之間采用容積式液壓靜壓傳動，即靠液體的壓力能進行工作。液壓傳動與機械傳動相比有許多優(yōu)點。
①能無級調(diào)速且調(diào)速范圍大，例如液壓馬達的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比可達1000∶1。
②能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，例如柱塞式液壓馬達的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可低達1r/min.
③快速作用時，液壓元件產(chǎn)生的運動慣性小，加速性能好，并可作調(diào)整反轉(zhuǎn)。例如電動機在啟動時的慣性力矩比其平穩(wěn)盍?xí)r的驅(qū)動力矩大50%，而液壓馬達則不大于5%，加速中等功率電動機需1s到數(shù)秒，而加速液壓馬達只需0.1s。
④傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，可吸收沖擊和振動，操縱省力，易實現(xiàn)自動化控制。
⑤易于實現(xiàn)標準化、系列化、通用化?！?
基于液壓傳動的上述優(yōu)點，液壓挖掘機與機械傳動挖掘機相比，具有下列主要特點。
①大大改善了挖掘機的技術(shù)性能，挖掘力大、牽引力大，機器重量，傳動平穩(wěn)，作用效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。液壓挖掘機與同級機械傳動挖掘機相比，挖掘力約高30%，例如1.0m液壓挖掘機鏟斗挖掘力120～150KN，而同級機械傳動挖掘機只有100KN左右。
挖掘機在工作時的主要動作包括行走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)和工作裝置的作業(yè)動作，其中動作最頻繁的是回轉(zhuǎn)和工作裝置的循環(huán)往復(fù)運動。這種入選運動一般速度不高，而所需作用力卻很大，要求在短時間內(nèi)通過變速或換向來完成各種復(fù)雜動作。機械傳動挖掘機完成上述運動需通過磨擦離合器、減速器、制動器、逆轉(zhuǎn)機構(gòu)、提升和推壓機構(gòu)等配合來完成。因此，機械傳動挖掘力不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還要產(chǎn)生很大的慣性力和沖擊載荷。而液壓挖掘機則不需要龐大和復(fù)雜的蹭傳動，大大簡化了結(jié)構(gòu)，也減少了易損件。由于結(jié)構(gòu)簡化，液壓挖掘機的質(zhì)量大約比相同斗容量的機械傳動挖掘機輕30%，不僅節(jié)省了鋼材，而且降低了接地比壓。液壓挖掘機上的各種液壓元件可相對獨立布置，使整機結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀，同時也易于改進或變型。
②液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有防止過載的能力，所以使用安全可靠，操縱簡便。由于可采用液壓先導(dǎo)控制，無論驅(qū)動功率多大，操縱均很靈活、省力，司機的工作條件得到改善。更換工作裝置時，由于不牽連轉(zhuǎn)臺上部的其他機構(gòu)，因此更換工作裝置容易，而機械式挖掘機則受到提升機構(gòu)和推壓機構(gòu)的牽連和限制。
③由于液壓傳動易于實現(xiàn)自動控制，因此現(xiàn)代液壓挖掘機普遍采用了以微處理器國核心的電子控制單元（ECU），使發(fā)動機、液壓泵、控制閥和執(zhí)行元件在最佳匹配狀態(tài)下工作，以實現(xiàn)節(jié)能和提高作業(yè)效率，同時還可實現(xiàn)整機狀態(tài)參數(shù)的電子監(jiān)控和故障診斷?！ ?
④液壓元件易于實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，便于組織大規(guī)模專業(yè)化生產(chǎn)，進一步提高質(zhì)量和降低成本。
1.1.2液壓挖掘機的基本類型及主要特點
液壓挖掘機種類繁多，可以從不同角度對其類型進行劃分。
⑴根據(jù)液壓挖掘機種類主要機構(gòu)傳動類型劃分。
根據(jù)液壓挖掘機主要機構(gòu)是否全部采用液壓傳動，分為全液壓傳動和非全液壓（或稱半液壓）傳動兩種。若挖掘、回轉(zhuǎn)、行走等幾個主要機構(gòu)的動作均為液壓傳動，則為全液壓挖掘機。若液壓挖掘機中的某一個機構(gòu)采用機械傳動，則稱其為非全液壓（或半液壓）挖掘機。一般說來，這種 區(qū)別主要表現(xiàn)在行走機構(gòu)上。對液壓挖掘機來說，工作裝置及回轉(zhuǎn)機構(gòu)必須是液壓傳動，只有行走機構(gòu)有的為液壓傳動，有的為機械傳動。
⑵根據(jù)行走機構(gòu)的類型劃分
根據(jù)行走機構(gòu)的不同，液壓挖掘機可分為履帶式、輪胎式、汽車式、懸掛式及拖式。
履帶式液壓挖掘機應(yīng)用最廣，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(yè)時不需設(shè)支腿，適用范圍較大。在土質(zhì)松軟或沼澤地帶作業(yè)的液壓挖掘機，還可通過加寬履帶來降低接地比壓。為防止對路面的碾壓破壞、有些液壓挖掘機還采用了橡膠履帶。通用通常，履帶行走的液壓挖掘機多為全液壓傳動。
輪胎式液壓挖掘機具有行走速度快，機動性好，可在多種路面通行的特點。近年來，輪胎式挖掘機的生產(chǎn)量日漸增長。
懸掛式液壓挖掘機是將工作裝置安裝在輪胎式或履帶式拖拉機上，可以達到一機多用的目的。這種挖掘機拆裝方便，成本低廉。
汽車式液壓挖掘機一般采用標準的汽車底盤，速度快，機動性好。
拖式液壓挖掘機沒有行走傳動機構(gòu)，行走時由拖拉機牽引，
⑶根據(jù)工作裝置劃分
根據(jù)工作裝置結(jié)構(gòu)不同，可分為鉸接式和伸縮臂式挖掘機。鉸接式工作裝置應(yīng)用較為普遍。這種挖掘機的工作裝置靠各構(gòu)件繞鉸點轉(zhuǎn)動來完成作業(yè)動作。伸縮臂式挖掘機的動臂由主臂及伸縮臂組成，伸縮臂可在主臂臂內(nèi)伸縮，還可以變幅。伸縮臂前端裝有鏟斗，適于進行平整和清理作業(yè)，尤其是修整溝坡。
1.2液壓挖掘機的發(fā)展概況
挖掘機械的最早雛形，主要用于河道。港口的疏浚工作，第一臺有確切記載的挖掘機械是1796年英國人發(fā)明的蒸汽“挖泥鏟”。而能夠模擬人的掘土工作，在陸地上使用的蒸汽機驅(qū)動的“動力鏟”于1835年在美國誕生，主要用于修筑鐵路的繁重工作，被認為是現(xiàn)代挖掘機的先驅(qū)，距今已有170多年歷史。1950年，德國研制出世界上第一臺全液壓挖掘機。由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料不斷在挖掘機上得到應(yīng)用，尤其是電子技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用使得液壓挖掘機在作業(yè)效率、可靠性、安全性和操作舒適性以節(jié)能、環(huán)保等方面有了長足的進步。目前液壓挖掘機已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，成為土石方施工不可缺少的重要機械設(shè)備。
1.2.1國外液壓挖掘機目前水平及發(fā)展趨勢
工業(yè)發(fā)達國家的液壓挖掘機生產(chǎn)較早，產(chǎn)品線齊全，技術(shù)成熟。美國、德國和日本是液壓挖掘機的主要生產(chǎn)國，具有較高市場占有率。22 20世紀后期開始，國際上液壓挖掘機的生產(chǎn)從產(chǎn)品規(guī)格上看，在穩(wěn)定和完善主力機型 的基礎(chǔ)上向大型化、微型化方向發(fā)展；從產(chǎn)品性能上看，向高效節(jié)能化、自動化、信息化、智能化的方向發(fā)展。
1.2.2國內(nèi)液壓挖掘機的發(fā)展概況
我國從1967年開始研制液壓挖掘機。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機械廠的WY100、貴陽礦山機器廠的W4－60、合肥礦山機器廠的WY60等。到20世紀70年代末80年代初，長江挖掘機廠和杭州重型機械研制成功了WY160和WY250等液壓挖掘機產(chǎn)品。從1994年開始，美國的卡特彼勒公司、日本的神戶制鋼所、日本的小松制作所、日本的日立建機株式會社、韓國大宇重工、韓國現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾、德國雪孚、德國阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司先后在中國建立了中外合資、外商獨資挖掘機生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)具有世界先進水平的多種型號和規(guī)格的液壓挖掘機產(chǎn)品。近年來我國經(jīng)濟增長迅速，液壓挖掘機市場需求不斷擴大，形成了巨大的挖掘機市場窨，但該行業(yè)主要由合資企業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國內(nèi)一些工程機械待業(yè)的上市股分公司合資的方式介入了挖掘機產(chǎn)業(yè)，同時國內(nèi)還有眾多的企業(yè)也在生產(chǎn)液壓挖掘機，但在生產(chǎn)規(guī)模、品種、質(zhì)量等方面與國外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展民族挖掘機產(chǎn)業(yè)，必須瞄準國際先進水平，圍繞國內(nèi)外兩個市場，在充分利用國際化配套的國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強自主創(chuàng)新意識，掌握核心設(shè)計制造技術(shù)，發(fā)揮性價比優(yōu)勢，提高產(chǎn)品競爭力，把我國液壓挖掘機產(chǎn)品做大做強。
1.3本次設(shè)計概述
本次設(shè)計斗容量為0.2m3,全液壓履帶式挖掘機型號為WLY20型，由于履帶式液壓挖掘機因有良好通過性能應(yīng)用最廣，對松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長以及浮式履帶來降低接地比壓。
1.4反鏟裝置的工作原理
反鏟工作裝置是液壓挖掘機的一種主要工作裝置，如圖1－1所示。
液壓反鏟工作裝置一般由動臂1、動臂液壓缸2、斗桿液壓缸3、斗桿4、鏟斗液壓缸5、鏟斗6、連桿7和搖桿8等組成。其構(gòu)造特點是各構(gòu)件之間全部采用鉸接連接，并通過改變各液壓缸行程來實現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。動臂1的下鉸點與回轉(zhuǎn)平臺鉸接，并以動臂液壓缸2來支承動臂，通過改變動臂液壓缸的行程即可改變動臂傾角，實現(xiàn)動臂的升降。斗桿4鉸接于動臂的上端，可繞鉸點轉(zhuǎn)動，斗桿與動臂的相對轉(zhuǎn)角由鏟斗液壓缸5控制，當斗桿液壓缸伸縮時，斗桿即可繞動臂上鉸點轉(zhuǎn)動。鏟斗6則鉸接于斗桿4的末端，通過鏟斗液壓缸5的伸縮來使鏟斗繞鉸點轉(zhuǎn)動。為了增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，鏟斗液壓缸一般通過連桿機構(gòu)（即連桿7和搖桿8）與鏟斗連接。液壓挖掘機反鏟工作裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤，如挖掘溝壕、基坑等，其挖掘軌跡取決于各液壓缸的運動及其組合。反鏟液壓挖掘機的工作過程為，先下放動臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動斗桿及鏟斗，當挖掘至裝滿鏟斗時，提升動臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作裝置開始下一次作業(yè)循環(huán)。動臂液壓缸主要用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨直接挖掘土壤；斗桿挖掘可獲得較大的挖掘行程，但挖掘力小一些。轉(zhuǎn)斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束時裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，因此挖掘機的最大挖掘力一般由轉(zhuǎn)斗液壓缸實現(xiàn)的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此轉(zhuǎn)斗挖掘可用于清除障礙或提高生產(chǎn)率。在實際工作中，熟練的液壓挖掘機人員可根據(jù)實際情況，合理操縱各個液壓缸，往往是各液壓缸聯(lián)合 工作，實現(xiàn)最有效的挖掘作業(yè)。例如，挖掘基坑時由于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁，則采用動臂和斗桿同時工作；當挖掘基坑底時，挖掘行程將結(jié)束，為加速裝滿鏟斗，或挖掘過程中調(diào)整切削角時，則需要鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸同時工作。
1.5本次設(shè)計任務(wù)
本次設(shè)計斗容量0.2m3挖掘機的工作裝置及液壓系統(tǒng)，采用履帶式行走裝置，全液壓驅(qū)動，挖Ⅲ及以下土壤。
2 總體設(shè)計方案
2.1工作裝置設(shè)計方案原則
設(shè)計合理的工作裝置應(yīng)能滿足下列要求：
①主要工作尺寸及作業(yè)范圍能滿足要求，在設(shè)計通用反鏟裝置時要考慮與同類型、同等級機器相比的先進性?？紤]國家標準的規(guī)定，并注意到結(jié)構(gòu)參數(shù)受結(jié)構(gòu)碰撞限制等的可能性。
②整機挖掘力的大小及其分布情況應(yīng)滿足使用要求，并具有一定的先進性。
③功率利用情況盡可能好，理論工作時間盡可能短。
④確定鉸點布置，結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸形狀時盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證強度、剛度和連接剛性的條件下盡量減輕結(jié)構(gòu)自重。
⑤作業(yè)條件復(fù)雜，使用情況多變時應(yīng)考慮工作裝置的通用性。采用變鉸點構(gòu)件或配套構(gòu)件時要注意分清主次，在滿足使用要求的前提下力求替換構(gòu)件種類少，結(jié)構(gòu)簡單，換裝方便。
⑥運輸或停放時工作裝置應(yīng)有合理的姿態(tài)，使運輸尺寸小，行駛穩(wěn)定性好，保證安全可靠，并盡可能使液壓缸卸載或減載。
⑦工作裝置液壓缸設(shè)計應(yīng)考慮三化。采用系列參數(shù)，盡可能減少液壓缸零件種類，尤其是易損件的種類。
⑧工作裝置的結(jié)構(gòu)型式和布置使于裝拆和維修，尤其是易損件的更換。
⑨要采取合理措施來滿足特殊使用要求。
2.2液壓系統(tǒng)設(shè)計方案原則（總體）
按照挖掘機各個機構(gòu)和裝置的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機連接起來的組合體叫做挖掘機的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的功能是把發(fā)動機的機械能以油液為介質(zhì)，利用液壓泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗苓M行傳送，然后通過液壓缸和液壓馬達等執(zhí)行元件轉(zhuǎn)返為機械能，實現(xiàn)各種動作。
2.2.1單斗液壓挖掘機作業(yè)過程
液壓挖掘機的作業(yè)過程包括下列幾個間歇動作：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝載、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機行走，以及其它輔助動作，除輔助動作不需要功率驅(qū)動外，其它都是挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅(qū)動。
由于挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊要求：
①實現(xiàn)各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化。因此，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應(yīng)變化。
②為了充分利用發(fā)動機功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作同時進行，叫做復(fù)合動作，這兩項要求需要由液壓系統(tǒng)來保證。
2.2.2對液壓系統(tǒng)作業(yè)動作要求
液壓挖掘機的動作復(fù)雜，機構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向，負載變化大，沖擊和振動頻繁，而且野外施工作業(yè)，溫度變化和地理條件差別大，因此，應(yīng)根據(jù)液壓挖掘機的工作特點和環(huán)境特點，對其液壓系統(tǒng)提出一些有別于其他應(yīng)用的基本要求。
液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足的作業(yè)動作要求如下。
①保證液壓挖掘機動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨動作，也可以相互配合實現(xiàn)復(fù)合動作。
②保證工作裝置的動作與回轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)動作既能單獨動作，又能作復(fù)合動作，以提高液壓挖掘機的作業(yè)效率。
③履帶式液壓挖掘機的左、右履帶應(yīng)能分別驅(qū)動，使挖掘機行走轉(zhuǎn)彎方便靈活，并能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，以提高 挖掘機的機動性。
④保證液壓挖掘機工作安全可靠，對各機構(gòu)及液壓執(zhí)行元件應(yīng)具有完善的安全保護措施。例如，對回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因自重而下降過快；防止機器下坡行駛時超速溜坡等。
2.2.2對液壓系統(tǒng)基本的要求
根據(jù)液壓挖掘機的作業(yè)動作和環(huán)境特點，對液壓系統(tǒng)提出如下要求。
①液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)應(yīng)具有較高效率，以充分發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性。
②液壓系統(tǒng) 和液壓元件在大負載和劇烈振動沖擊作用下，應(yīng)具有足夠的可靠性。
③選擇輕便、適用、耐振的冷卻散熱系統(tǒng)，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使液壓系統(tǒng)工作溫度及溫升在規(guī)定范圍內(nèi)。
④由于液壓挖掘機作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油被污染，因此液壓稭密封性能要好，整個液壓系統(tǒng)要設(shè)置濾油器和防塵裝置。
⑤在必要時采用液壓先導(dǎo)或電液伺服操縱裝置，提高液壓挖掘機操作的舒適性，減輕操作人員的勞動強度。
⑥在液壓系統(tǒng)中采用先進的自動控制技術(shù)，提高液壓挖掘機的技術(shù)性能指標，使液壓挖掘機具有節(jié)能、高效和自動適應(yīng)負載變化的特點。
3 挖掘機的工作裝置設(shè)計
3.1確定動臂、斗桿、鏟斗的結(jié)構(gòu)形式
3.1.1確定動臂的結(jié)構(gòu)形式
動臂是工作裝置中的主要構(gòu)件，斗桿的結(jié)構(gòu)形式往往決定于動臂的結(jié)構(gòu)形式。反鏟動臂分為整體式和組合式兩類。
直動臂構(gòu)造簡單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機,如圖3－1所示。
采用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。整體式彎動臂在彎曲處的結(jié)構(gòu)形狀和強度值得注意，有時采用三節(jié)變動臂有利于降低彎曲處的應(yīng)力集中。
整體式變動臂結(jié)構(gòu)簡單、價廉，風(fēng)度相同時結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕。它的缺點是替換工作裝置少，通用性較差。為了擴大機械通用性，提高其利用率。往往需要配備幾套完全 不通用的工作裝置。一般說，長期用于作業(yè)相似的反鏟采用整體式動臂結(jié)構(gòu)比較合適。如圖2－1所示。
組合式動臂一般都為彎臂形式。其組合方式有兩類，一類用輔助連桿（或液壓缸）連接，另一類用螺栓連接。
組合式動臂與整體式動臂相比各有優(yōu)缺點，它們分別適用于不同的作業(yè)條件。組合式動臂的主要優(yōu)點是：
1．工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化進行調(diào)整。當采用螺栓或連桿連接時調(diào)整時間只需十幾分鐘，采用液壓缸連接時可以進行無級調(diào)節(jié)。
2．較合理地滿足各種類型作業(yè)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求，從而較簡單地解決主要構(gòu)件的統(tǒng)一化問題。因此其替換工作裝置較多，替換也方便。一般情況下，下動臂可以適應(yīng)各種作業(yè)裝置要求，不需拆換。
3．裝車運輸比較方便。
由于上述優(yōu)點，組合式動臂結(jié)構(gòu)雖比整體式動臂復(fù)雜，但得到了較廣泛的應(yīng)用。尤以中小型通用液壓挖掘機作業(yè)條件多時采用組合式動臂較為合適。
本次設(shè)計作業(yè)條件比較單一，所以選用整體式彎動臂。
3.1.2 確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式
斗桿也有整體式和合式兩種，大多數(shù)挖掘機都采用整體式斗桿，當需要調(diào)節(jié)斗桿長度或杠桿時采用更換斗桿的辦法，或者在斗桿上設(shè)置2～4個可供調(diào)節(jié)時選擇的與動臂端部鉸接的孔。有些反鏟采用組合式斗桿。
3.1.3 確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式和斗齒安裝結(jié)構(gòu)
3.1.3.1確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式
鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機的作業(yè)效果影響很大。鏟斗的作業(yè)對象繁多，作業(yè)條件也不同，用一個鏟斗來適應(yīng)任何作業(yè)對象和條件較困難。為了滿足各種特定情況，盡可能提高作業(yè)效率，通用反鏟裝置常配有甚至十多種斗容量不同，結(jié)構(gòu)形式各異的鏟斗。
目前，對鏟斗結(jié)構(gòu)形式的研究還處于現(xiàn)場試驗、實驗室試驗或模型試驗階段，未建立起較系統(tǒng)的理論。例如有人曾將兩只0.6m3容量而斗型不同的反鏟斗裝在RH6液壓挖掘機上進行對比試驗，結(jié)果如表3－1所示。由于砂的挖掘阻力較小，對鏟斗設(shè)計的合理性反映不靈敏，所以這兩種鏟斗的試驗結(jié)果差別不大。而對頁巖作業(yè)效果就大不一樣，其中一個鏟斗的切削前緣中間略微凸出，不帶側(cè)齒，側(cè)臂略呈凹形，這些因素使頁巖挖掘阻力降低。另一個鏟斗的情況則相反。
對各種鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的共同要求是：
1．有利于物料的自由流動，因此鏟斗內(nèi)臂不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合各種物料的運動規(guī)律。
2．要使物料易于卸凈。用于粘土的鏟斗卸載時不易卸凈，因此延長了作業(yè)循環(huán)時間，降低了有效斗容量。國外采用設(shè)有強制卸土的粘土鏟斗?！?
反 鏟 斗 對 比 試 驗 結(jié) 果 表3-1
作業(yè)條件
鏟斗
編號
鏟斗充滿時間
（s）
生產(chǎn)率
（10KN/h）
效率
（%）
在頁巖中
作 業(yè)
鏟斗1
鏟斗2
19.05
40.6
42.6
22.68
100
53.3
在砂中
作 業(yè)
鏟斗1
鏟斗2
5.9
6.3
163.5
152.7
100
93.3
3．為了使裝進鏟斗的物料不易掉出，鏟斗寬度與物料顆粒直徑之比應(yīng)大于4：1。當此比值大于50：1時顆粒尺寸的影響可不考慮，視物料為勻質(zhì)。
4．裝設(shè)斗齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時的挖掘線比壓，以便切入或破碎阻力較大有物料。挖硬土或碎石時還能把石塊從土壤中耙出。斗齒的材料、形狀、安裝結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù)都值得研究，對它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更換。
3.1.3.2確定斗齒安裝方式
目前，國產(chǎn)挖掘機斗齒安裝方式主要有兩類，斗容量q≤0.6m3時多采用螺栓連接（圖3－2a），斗容量q≥0.6m3時時多采用橡膠卡銷結(jié)構(gòu)（圖3－2b）。
本次設(shè)計斗容量為0.2 m3挖掘機，所以斗齒安裝方式為螺栓連接.
3.1.4鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式
鏟斗與鏟斗液壓缸有三種型式（圖3－3），其區(qū)別主要在于液壓缸活塞桿端部與鏟斗的連接方式不同，圖3－3a為直接連接，鏟斗、斗桿與鏟斗液壓缸組成四連桿機構(gòu)。圖3－3b中鏟斗液壓缸通過搖桿1和連桿2與鏟斗相連，它們與斗桿一起組成六連桿機構(gòu)。圖3－3d和圖3－3b類似，區(qū)別在于前者液
圖3－2 斗齒安裝方式
壓缸活塞桿端接于搖桿兩端之間。圖3－3c的機構(gòu)傳動比與b差不多，但鏟斗
擺角位置順時針方向轉(zhuǎn)動了一個角度。
六連桿方式與四連桿方式相比在同樣的液壓缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機構(gòu)的傳動特性。六連桿方式b和d在液壓缸行程相同時，后者能得到更大的鏟斗轉(zhuǎn)角。但其鏟斗挖掘力的平均值較小。
本設(shè)計中選用圖3－3b的連接方式。
3.2確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點布置
反鏟工作裝置實際上是多個連桿機構(gòu)的組合。在發(fā)動機功率、整機質(zhì)量和鏟斗容量等主要參數(shù)及工作裝置基本形式初步確定的情況下，工作裝置各鉸點在布置及各工作油缸參數(shù)的選擇是否合理，會直接影響液壓挖掘機的實際挖掘能力。
3.2.1動臂油缸的布置
動臂油缸一般布置在動臂前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺鉸接，常見的有兩種具體布置方式。
①油缸前傾布置方案，如圖3－4所示，動臂油缸與動臂鉸接于E點。當動臂油缸全伸出，將動臂舉升至上極限位置，動臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺前方傾斜。
②油缸后傾布置方案，如圖3－5所示，當動臂油缸全伸出，將動臂舉升到上極限位置時，動臂油缸軸線向后方傾斜。
當兩方案的動臂油缸安裝尺寸DE′、鏟斗最大挖掘高度H和地面最大挖掘半徑R相等時，后傾方案的最大挖掘深度比前傾方案小，即＜。此外，在后傾方案中，動臂EF部分往往比前傾方案的長，因此動臂所受彎矩也比較大。以上為動臂油缸后傾方案的缺點。然而，后傾方案動臂下鉸點C與動臂油缸下鉸點D的距離CD雙前傾方案的大，則動臂在上下兩極位置時，動臂油缸的作用力臂Cp也較大。因此，在動臂油缸作用國相同時，后傾方案得到較大的動臂作用力矩，這量其優(yōu)點。
為了增大后傾方案的挖掘深度，有的挖掘機將長動臂CE′F′改換成短動
臂CE′F″（圖3－5），并配以長斗桿。在最大深度處挖掘時，采用鏟斗挖掘而還是斗桿挖掘，這樣得到的最大挖掘深度為′＞。
顯然，不論是動臂油缸前傾還是后傾方案，當C、D兩鉸點位置和CE長度均不變時，通過加大動臂油缸長度可以增大動臂仰角，從而增大最大挖掘高度，但會影響到最大挖掘測試。所以，在布置油缸時，應(yīng)綜合考慮動臂的結(jié)構(gòu)、工作裝置的作業(yè)尺寸及動臂舉升力的挖掘力等因素。
本設(shè)計選用動臂油缸前傾布置方案。
3.2.2斗桿油缸的布置
確定斗桿油缸鉸點、行程及斗桿力臂比時應(yīng)該考慮下列因素。
①保證斗桿油缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。即油缸從最短長度開始推伸時和油缸最大伸出時產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)該大于正常挖掘阻力。油缸全伸時的偷稅漏稅力矩應(yīng)該足以支承滿載鏟斗和斗桿靜止不動。油缸力臂最大時產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)大于要求克服的最大挖掘范圍可以取得越小一些。
②保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍一般取100°～130°。在斗桿油缸和轉(zhuǎn)斗油缸同時伸出最長時，鏟斗前壁和動臂之間的距離應(yīng)大于10cm。一般來說，斗桿越長，則其擺角范圍可以取得越小一些。
鉸點位置的確定需要反復(fù)進行。在計算中初定鉸點位置，如不夠合理，應(yīng)進行適當修改。
3.2.3鏟斗油缸的布置
確定鏟斗油缸鉸點應(yīng)考慮以下因素。
①保證轉(zhuǎn)斗挖掘時產(chǎn)生足夠大的斗齒挖掘力，即在鏟斗油缸全行程中產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)大于正常工作情況下的挖掘阻力。當鏟斗油缸作用力臂最大時，所產(chǎn)生的最大斗齒挖掘應(yīng)能使?jié)M載鏟斗靜止不動
②保證鏟斗的擺角范圍。鏟斗的擺角范圍一般取140°～160°，在特殊作業(yè)時可以大于180°，擺角位置可以按圖3-7布置。當鏟斗油缸全縮時，鏟斗與斗桿軸線夾角（在軸線上方）應(yīng)大于10°,常取15°～25°，鏟斗油缸全伸、鏟斗滿載回轉(zhuǎn)時，應(yīng)使土壤不從斗中撒落。
③鏟斗從位置Ⅰ到位置Ⅱ時（圖3－6），鏟斗油缸作用力臂最大，這里能得到斗齒最大切削角度的1/2左右，即當鏟斗挖掘深度最大時，正好斗齒挖掘
力也最大。實際上鏟斗的切削轉(zhuǎn)角是可變的。在許多情況下，特別是進行復(fù)合動作挖掘時，鏟斗的切削轉(zhuǎn)角一般都小于100°，而且鏟斗也不一定都在初始位置Ⅰ開始挖掘。因此，目前一般取位置Ⅰ至位置Ⅱ的轉(zhuǎn)角為30°～50°，在這個角度范圍內(nèi)可以照顧到鏟斗在挖掘過程中能較好地適應(yīng)挖掘阻力的變化，又可以使鏟斗在開始挖掘時就有一定的挖掘力。
3.3動臂、斗桿、鏟斗機構(gòu)參數(shù)的選擇
3.3.1反鏟裝置總體方案的選擇
反鏟方案選擇的主要依據(jù)是設(shè)計任務(wù)書規(guī)定的使用要求，據(jù)以決定工作裝置是通用或是專用的。以反鏟為主的通用裝置應(yīng)保證反鏟使用要求，并照顧到其它裝置的性能。專用裝置應(yīng)根據(jù)作業(yè)條件決定結(jié)構(gòu)方案，在滿足主要作業(yè)條件要求的同時照顧其它條件下性能。
反鏟裝置總體方案的選擇包括以下方面：
1.動臂及動臂液壓缸的布置
確定用組合式或整體式動臂，以及組合式動臂的組合方式或整體式動臂的形狀。確定動臂液壓缸的布置為懸掛式或是下置式。
前面已確定采用整體式動臂，動臂液壓缸的布置為下置式。
2.斗桿及斗桿液壓缸的布置
確定用整體式或組合式斗桿，以及組合式斗桿的組合方式或整體式斗桿是否采用變鉸點調(diào)節(jié)。
前面已確定采用整體式桿。
3.確定動臂與斗桿的長度比，即特性參數(shù)=。
對于一定的工作尺寸而言，動臂與斗桿之間的長度比可在很大內(nèi)選擇。一般當＞2時，（有反鏟取＞3）稱為長動臂短斗桿方案，當＜1.5葉屬于短動臂長斗桿方案。在1.5～2之間稱為中間比例方案。
要求適用性較強而又無配套替換構(gòu)件或可調(diào)結(jié)構(gòu)的反鏟常取中間比例方案。相反，當用配套替換構(gòu)件或可調(diào)連接適應(yīng)不同作業(yè)條件時，不同的配置或鉸點連接情況可組成各種比例方案。在使用條件單一，作業(yè)對象明確的條件下采用整體式動臂和斗桿固定鉸接，值由作業(yè)條件確定。從作業(yè)范圍看，在挖高、挖深與挖掘半徑均相同的條件下，愈大作業(yè)范圍愈窄，從挖掘方式看大宜用于斗桿挖掘為主，因其剛度較易保證。而值小宜用于以轉(zhuǎn)斗挖掘為主。
本設(shè)計采用中間比例方案,?。?.8。
4．確定配套鏟斗的種類、斗容量及其主參數(shù)，并考慮鏟斗連桿機構(gòu)傳動比是否需要調(diào)節(jié)。
5．根據(jù)液壓缸系統(tǒng)壓力、流量、系統(tǒng)回路供油方式、工廠制造條件和三化要求等確定各液壓缸缸數(shù)、缸徑、全伸長度與全縮長度之比?？紤]到結(jié)構(gòu)尺寸、運動余量、穩(wěn)定性和構(gòu)件運動幅度等因素一般?。?.6～1.7，個別情況下因動臂擺角和鉸點布置要求可以取≤1.75，而?。?.6～1.7，＝1.6～1.7。
3.3.2機構(gòu)自身幾何參數(shù)
機構(gòu)自身幾何參數(shù)有三類，第一類是決定機構(gòu)運動特性的必要參數(shù)，稱原始參數(shù)，本次設(shè)計主要選擇長度參數(shù)作為原始參數(shù)；第二類是由第一類參數(shù)推算出來的參數(shù)，稱推導(dǎo)參數(shù)，多為運算中需要的角度參數(shù)；第三類是作方案分析比較所需要的其它特性參數(shù)。
反鏟機構(gòu)自身幾何參數(shù)的計算圖式及有關(guān)符號于圖3-7所示。
反鏟機構(gòu)各部分原始參數(shù)、推導(dǎo)參數(shù)和部分特性參數(shù)見表3-2所示。
反 鏟 機 構(gòu) 自 身 幾 何 參 數(shù) 表 表3-2
參數(shù)分類
機 構(gòu) 組 成
鏟斗
斗桿
動臂
機體
符 號 意 義
原始參數(shù)
l3=QV,l12=MH
l13=MN,l14=HN
l24=QK,l25=KV
l29=KH
l2=FQ,l9=EF
l10=FG,l11=EG
l15=GN,l16=FN
l21=NQ
l1=CF,l6=CD
l7=CB,l8=DF
l22=BF
l4=CP,l5=CA
l17=CI,l19=CT
l30=CS,l38=JT
l39=JI
推導(dǎo)參數(shù)
α9＝∠NMH
α10＝∠KQV
α4＝∠EFG
α5＝∠GNF
α6＝∠GFN
α7＝∠NQF
α8＝∠NFQ
α2＝∠BCF
α3＝∠DFC
α11＝∠CAP
α9＝∠TCP
特性參數(shù)
K2=,l3
K2=,l3
K2=,l3
α1＝∠CZF
σ=
α11
K1=
備注
l—斗桿長
l1—動臂長
α1—動臂彎角
懸掛式α11＝∠ACU
各液壓缸運動參數(shù)的意義見表3－3
3.3.3斗形參數(shù)的選擇
3.3.3.1 鏟斗主要參數(shù)的選擇
斗容量、平均斗寬，轉(zhuǎn)斗挖掘半徑和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角（這里令＝）是鏟斗的四個主要參數(shù)。、及三者與之間有以下幾何關(guān)系（圖3－8）.
= 式(3－1)
其中：—0.2m 其中：=0.2m3(已知)，鏟斗斗容量；
—鏟斗挖掘半徑，單位m；
—鏟斗斗寬，根據(jù)反鏟斗平均斗寬統(tǒng)計值和推薦范
圍，查表2－6①，取＝0.75m；
—鏟斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角，一般?。?0°～100°，?。?5°＝1.658rad
把、、代入式(3－1)得：
0.2＝××0.75×（1.658－sin95°）×
解得：＝0.803m
鏟斗上兩個鉸點與的間距（圖3－7）太大將影響鏟斗傳動特性，太小則影響鏟斗結(jié)構(gòu)剛度，一般取特性==0.3～0.38,?。?.34＝＝＝0.34，=0.803m,得出=0.273m。當轉(zhuǎn)角較大時取較小值，一般取=95°～115°，取=105°。
反鏟工作液壓缸運動參數(shù)表 表3－3
液壓缸種類
參 數(shù) 意 義
特性參數(shù)
參 數(shù) 符 號
動臂液壓缸
λ=
斗桿液壓缸
λ=
鏟斗液壓缸
λ=
3.3.3.2 斗形尺寸計算
根據(jù)鏟斗主要參數(shù)可進一步設(shè)計計算斗形其尺寸，如圖3-9所示。圖中三角形為等腰三角形，段為直線，弧段為拋物線。點至直線的距離為，拋物線定點高度為，一般取＝。斗尖角取值范圍一般為20°～30°，斗側(cè)壁角為取30°～50°，包角取108°。常見鏟斗斗形參數(shù)參考表3-1②。改變?nèi)切蔚男螤羁梢垣@得不同的形狀的斗形。
斗形尺寸根據(jù)比擬法=0.75m(已知)、=0.803m(已知), 得出：
=0.294m;=0.534m;=0.87;
=0.7324m;=0.0706m;
=40°; =23°; =108°
＝=0.56m.
3.3.3.3初選斗齒的幾何形狀
鏟斗的幾何形狀應(yīng)對挖掘比阻力達到最小值。鏟斗及切削時的主要參數(shù)，如圖3-10所示，圖中鏟斗容量q、長度L、寬度B、高度H、切削角α、刃角β和后角γ等參數(shù)的選擇都對挖掘比阻力有直接影響。斗齒在鏟斗上的布置（齒寬和齒距）也是一個重要參數(shù)
為使斗側(cè)壁不參與切削，鏟斗應(yīng)裝有側(cè)齒。
一般齒寬＝0.11=0.11×=0.064m;
齒長＝0.26＝0.26×＝0.152m;
齒距為：=(2.5～3.5)=(0.16～0.192)m,取=0.18m
斗前臂與切削面的間隙取=0.7=0.0448m
又由于鏟斗寬度B=0.75m,齒寬與齒距之和為0.064+0.18=0.244m
==3.07 因此鏟斗裝有3個齒。
另外齒尖應(yīng)保持銳利，否則挖掘阻力將急劇增加。新鑄（或鍛）的齒只有
一個小的圓弧尖連續(xù)工作后，齒尖將逐漸磨損，并變鈍。通常，挖掘Ⅱ～Ⅲ級土壤，齒尖顯著磨鈍后，挖掘阻用將增加50～100%。因此，為避免這種超
載挖掘，應(yīng)及時更換或在齒刃口上堆焊硬質(zhì)合金層。
斗齒做成楔入式或組合式，以便快速更換和修補。
切削角對切削阻力影響也很大。通常，挖Ⅰ～Ⅲ級土?xí)r，斗切削角為＝20°～35°（較大值適用于硬土，小值適用于一般土），常用切削角為＝
30°，本次設(shè)計?。?0°，后角不應(yīng)小于5°，刃角取25°。
3.3.4 動臂機構(gòu)參數(shù)的選擇
由于鏟斗容量＝0.2m3,根據(jù)國內(nèi)外液壓挖掘機有關(guān)設(shè)計標準，通過類比法，選出參數(shù)機重＝5噸。
又根據(jù)經(jīng)驗公式計算法，參考表1-3機體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗系數(shù)表①，線尺寸參數(shù):=m
得出:最大挖掘半徑—=3.35×=5.728m；
最大挖掘深度—=2.05×=3.505m；
最大卸載高度—＝1.55×=2.65m；
據(jù)統(tǒng)計，最大挖掘半徑值一般與+ + 的和值很接近。因此由要求，已定的和可按下列經(jīng)驗公式初選、：
?。健 ∈剑?-2）
=K
其中：=5.728m；＝1.8；
經(jīng)計算得出：=1.759m；
= =1.8×1.759=3.166m
在三角形CZF中，、和都可以根據(jù)經(jīng)驗初選出：
其中：—動臂的彎角，采用彎角能增加挖掘深度，但降低了卸載高度，但太小對結(jié)構(gòu)的強度不利，一般取120°～140°，?。?40°；
—前面已算出為3.166m；
—動臂轉(zhuǎn)折處的長度比，一般根據(jù)結(jié)構(gòu)和液壓缸鉸點B的位置來考慮，初步設(shè)計取＝1.1～1.3，?。?.2；
因此根據(jù)公式：可以算出、、
l＝
l＝K l 式（3-3）
α=∠ZCF＝arccos()
經(jīng)計算得出：ZC= =1.529m；
ZF= =1.834m；
=17.9°
如圖3－11所示?！ ?
動臂液壓缸全伸與全縮時的力臂比K4按不同情況選取，專用反鏟可?。?.8；以反鏟為主的通用機，＝0.8～1.1；斗容量1m3左右的通用機，則可取＝1。
本設(shè)計中取＝1。
的取值對特性參數(shù)、最大挖掘深度和最大挖高有影響。
加大會使減小或使增大，這下符合反鏟作業(yè)要求，因此基本用作反鏟的小型機取＞60°。
本設(shè)計中?。?0°。
斗桿液壓缸全縮時=最大（圖3－12），常選（）=
160°～180°.
本設(shè)計中取（）＝170°。
取決于液壓缸布置形式，（圖3-11），動臂液壓缸結(jié)構(gòu)中這一夾角較小，可能為零。動臂單液壓缸在動臂上的鉸點一般置于動臂下翼加耳座上，B在Z的下面。初定∠BCZ＝5°，根據(jù)已知∠CZF＝22.1° ，解得∠BCF＝
17.1°。
由圖3-12得最大卸載高度的表達式為
式（3-4）
由圖3-13得最大挖掘深度絕對值的表達式為
式（3-5）
將這兩式相加，消去，
并令＝＋，＝+-，得到：
＋－［- -A)］
+［-1］=0 式（3-6）
又特性參數(shù)：
＝ 式（3-7）
因此 ?。?
=) 式（3-8）
將上式代入式（3-6）則得到一元函數(shù)f()=0。式中和已根據(jù)經(jīng)驗公式計算法求出，
經(jīng)計算得出：＝29.6°；＝73.5°
最后由式（3-5）求為
?。健 ∈剑?-9）
＝
＝0.638m
（其中：=3.166m；＝1.759m；＝97.1°；
由于履帶總高＝0.32·＝0.547，近似取=0.65m）
然后，解下面的聯(lián)立方程，可求σ和ρ：
=arcos()=arc()
=arcos()=arc() 式（3-10）
于是： =
=λx 式（3-11）
=σ·
經(jīng)計算得出：＝1.63；＝0.67；=0.952m；
＝1.52m；=1.61m
得到的結(jié)果符合下列幾何條件：+=2.36≥；|- ︳=0.96≤1
3.3.5斗桿機構(gòu)參數(shù)的選擇
第一步計算斗桿挖掘阻力：
斗桿挖掘過程中，切削行程較長，切土厚度在挖掘過程中視為常數(shù)，一般取斗桿在挖掘過程中總轉(zhuǎn)角=50°～80°,取＝65°，在這轉(zhuǎn)角過程中，鏟斗被裝滿，這時半齒的實際行程為：
其中：—斗桿挖掘時的切削半徑，；
?。剑?.759＋0.803＝2.562m
斗桿挖掘時的切土厚度可按下式計算：
?。?
斗桿挖掘阻力為：
式(3－12)
式中—挖掘比阻力，由表0－10①查得，＝20（Ⅲ級土壤以下）
—土壤松散系數(shù)近似值取1.25。
斗桿與鏟斗和之間，為了滿足開挖和最后卸載及運輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉(zhuǎn)角往往要達到150°～180°，
0.866＝
計算得：＝＝1.137m
把、、、、代入式3-12得
?。?.48KN
第二步確定斗桿液壓缸的最大作用力臂。
?。絤
其中：根據(jù)經(jīng)驗公式計算法得出＝13.96KN
斗桿液壓缸初始力臂與最大力臂之比是斗桿擺角的余弦函數(shù)。設(shè),則
?。?
由圖3－13，取，求得
＝＝1.203m
（其中斗桿擺角范圍大致在105°～125°，?。?05°）
=
=1.588m
3.3.5連桿、搖臂參數(shù)的選擇
從幾何可容性與結(jié)構(gòu)布置的角度對鏟斗機構(gòu)的要求考慮，必須保證鏟斗六連桿機構(gòu)在全行程中任一瞬間時都不會被破壞，即保證△、△及四邊形在任何瞬間皆成立。根據(jù)鏟斗六連桿機構(gòu)的要求，借助電子計算機選出可行的方案：
0.27m；0.156m；0.195m；0.312m；0.3m
4 挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計
按照液壓挖掘機工作裝置和各個機構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機地連接起來的組合，稱為挖掘機的液壓系統(tǒng)。液壓挖掘機的基本液壓系統(tǒng)是由能使挖掘機完成基本作業(yè)動作并以手動控制為主的基本功能回路所構(gòu)成的液壓系統(tǒng)。
一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。動力元件的作用是將原動機的機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。執(zhí)行元件（如液壓缸和液壓馬達）的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)動負載做直線往復(fù)運動或回轉(zhuǎn)運動。控制元件（即各種液壓閥）在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為溢流閥（安全閥）、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方向不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例閥。輔助元件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、壓力表、油位油溫計等。液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。
液壓系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容是系統(tǒng)設(shè)計和液壓元件選擇。
液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計，要滿足機械傳動要求、并考慮動作配合和運動速度，力求效率高，液壓元件容易制造或購置，此外，還要保證工作安全可靠，操作簡便，造價低廉和便于檢修。因此，必須充分了解所設(shè)計挖掘機的工作條件、負荷大小與變化、動作特性、元件配套和三化要求等。
4.1確定液壓系統(tǒng)類型
挖掘機的液壓系統(tǒng)類型很多，習(xí)慣上是按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)節(jié)方式和回路的數(shù)量來分類。一般有六種基本形式：單泵或雙泵單回路定量系統(tǒng)；雙泵雙路定量系統(tǒng)；多泵多路定量系統(tǒng)；雙泵雙路分功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)；雙泵雙路全功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)；多泵多路定量、變量混合系統(tǒng)。另外，按液流循環(huán)方式的不同，還可分為開式與閉式兩種系統(tǒng)。
根據(jù)參考定型產(chǎn)品，選擇雙泵單回路定量系統(tǒng)可以滿足工況要求
4.2液壓系統(tǒng)的計算和液壓元件的選擇
4.2.1系統(tǒng)主參數(shù)的確定
系統(tǒng)工作壓力，流量，以及兩者的乘積，即系統(tǒng)液壓功率是液壓系統(tǒng)的主參數(shù)。在系統(tǒng)設(shè)計中，往往是先選定工作壓力，然后根據(jù)各執(zhí)行元件的運動速度，來確定流量。
系統(tǒng)工作壓力要根據(jù)技術(shù)要求、經(jīng)濟效果和制造可能性等三方面來確定。在外負荷已定情況下，系統(tǒng)壓力選得愈高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，可以獲得比較輕巧緊湊的結(jié)構(gòu)，對大型挖掘機來說，更為重要，所以，一般應(yīng)盡可能選取較高的工作壓力。但是，壓力的選擇還要考慮制造、裝配、密封、維修等因素，壓力太高，密封要求也高、制造維修困難，增大了液壓振動與沖擊，影響了元件壽命和可靠性，此外，壓力增高太多，元件與管道的壁厚相應(yīng)增加，尺寸與重量的減少率交款愈來愈小。
現(xiàn)有單斗液壓挖掘機所用工作壓力有：
1．中高壓 壓力小于20000kPa,常用于機重小于15t，液壓功率40kW以下的小型機。
2．高壓 壓力小于32000kPa，是目前15t級以上的中型、大型機最普遍采用的壓力等級，根據(jù)目前生產(chǎn)水平，壓力再進一步提高，經(jīng)濟上不能帶來相應(yīng)的優(yōu)越性。
3．超高壓 壓力超過32000kPa，很多液壓元件需要專門制造，采用這種壓力等級的只占挖掘機總數(shù)的10%左右。
本設(shè)計中由于機重小于15t,液壓功率小于40kW，工作壓力選用中高壓，取16000 kPa。
4.2.2挖掘機液壓缸作用力的確定
工作裝置各油缸作用力的分析和確定是液壓挖掘機工作裝置設(shè)計的重要內(nèi)容之一。顯然，各油缸的作用力應(yīng)保證工作裝置在挖掘過程中，斗齒有足夠的挖掘力，以及保證在卸載時能把滿斗土壤舉升到最大幅度和高度所需的舉升力。
工作裝置各油缸作用力有以下兩種情況。
①當油缸兩腔分別接高低壓油路時產(chǎn)生推動機構(gòu)進行運動的作用力稱為主動作用力（簡稱作用力或者工作力），其最大值取決于該油路的工作壓力和油缸直徑（活塞作用面積）。
②工作裝置工作時作用于閉鎖狀態(tài)（即油缸兩腔與高低壓油路斷開）的油缸上的作用力稱為被動作用力，其最大值則取決于該油缸油路的過載溢流閥壓力和承載活塞面積。當油缸作用力大于外載荷的作用力的時候，該油缸便無回縮現(xiàn)象；否則由于過載溢流閥打開而溢流，便使油缸發(fā)生回縮。
確定工作裝置各油缸的作用力和可能產(chǎn)生的被動作用力后，便可以按照選定的液壓系統(tǒng)的工作壓力確定油缸所需的缸徑以及過載溢流壓力。油缸的行程則由工作裝置機構(gòu)方案所確定，它與工作裝置的結(jié)構(gòu)方案及鉸點位置有關(guān)，而機構(gòu)方案也決定了各油缸在主動和被動狀態(tài)下的作用力。
液壓挖掘機工作裝置上設(shè)置的油缸主要有三種：鏟斗油缸、斗桿油缸和動臂油缸。這些油缸作用力的確定，則取決于工作裝置的形式和工作情況。
①鏟斗油缸作用力的確定
反鏟裝置在作業(yè)過程中，當以轉(zhuǎn)斗挖掘為主時，其最大挖掘力為鏟斗油缸設(shè)計的依據(jù)。初步設(shè)計時按額定斗容量及工作條件（土壤級別），參考有關(guān)資料可初選斗齒最大挖掘力，并按反鏟最主要的工作裝置—最大挖掘濃度深度時能保證最大挖掘力來分析確定鏟斗油缸的工作力。此時計算位置為動臂下放到最低位置，鏟斗油缸作用力對鏟斗與斗桿鉸點有最大力臂，如圖4－1所示。
為了簡單，可以忽略斗和土的質(zhì)量，并且忽略了各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機構(gòu)效率影響因素，此時鏟斗油缸作用力為：
式中 —鏟斗油缸作用力對搖臂與斗桿鉸點的力臂（此位置為搖臂長度），=0.24m；
—對鏟斗與斗桿鉸點的力臂，m；
—最大鏟斗挖掘阻力，N；
最大鏟斗挖掘阻力為：
式中—土壤硬實密實計打擊次數(shù)，對Ⅲ級土壤，＝9～15，對Ⅳ級土壤，＝16～35；本設(shè)計取＝15。
—鏟斗與斗桿鉸點齒尖距離，即鏟斗的轉(zhuǎn)斗切削半徑，m；
?。?.803m.
—挖掘過程中總轉(zhuǎn)角的一半，即最大轉(zhuǎn)斗挖掘力位置，（°）；前面設(shè)計已得出＝47.5°。
—切削刃寬度影響系數(shù)，＝1＋2.6b,b為鏟斗寬度0.75m；
?。?.95m；
—切削角變化影響系數(shù)，?。?.3；
—斗齒的影響系數(shù)，?。?.75（無齒時取＝1）；
—前邊斗齒對地面傾斜角度的影響系數(shù)，取＝1.15；
得出：＝57.455KN
為了簡單，可以忽略斗和土的質(zhì)量，并且忽略了各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機構(gòu)效率影響因素，此時鏟斗油缸作用力為：
式4－1
式中 —鏟斗油缸作用力對搖臂與斗桿鉸點的力臂（此位置為搖臂長度），=0.24m；
—對鏟斗與斗桿鉸點的力臂，參考圖4－1，由CAD得出?。?.705m；
—最大鏟斗挖掘阻力，N；
最大鏟斗挖掘阻力為：
式中—土壤硬實密實計打擊次數(shù)，對Ⅲ級土壤，＝9～15，對Ⅳ級土壤，＝16～35；本設(shè)計?。?5。
—鏟斗與斗桿鉸點齒尖距離，即鏟斗的轉(zhuǎn)斗切削半徑，m；
?。?.803m.
—挖掘過程中總轉(zhuǎn)角的一半，即最大轉(zhuǎn)斗挖掘力位置，（°）；前面設(shè)計已得出＝47.5°。
—切削刃寬度影響系數(shù)，＝1＋2.6b,b為鏟斗寬度0.75m；
?。?.95m；
—切削角變化影響系數(shù)，取＝1.3；
—斗齒的影響系數(shù)，取＝0.75（無齒時?。?）；
—前邊斗齒對地面傾斜角度的影響系數(shù)，?。?.15；
得出：＝57.455KN
因此把＝57.455KN、=0.24m、＝0.705m代入式4－1得：
=168.77 KN
而這時斗桿及動臂油缸均處于閉鎖狀態(tài)，斗桿油缸閉鎖力應(yīng)滿足
≥
式中 —斗桿油缸閉鎖力對斗桿與動臂鉸點的力臂，參考圖4－1
由CAD得出＝0.42m；
—對斗桿與動臂鉸點的力臂，由CAD做圖得＝2.565m；
—對斗桿與動臂鉸點的力臂，由CAD做圖得＝0.98m；
—挖掘阻力的法向分力，?。剑?.1～0.2）＝5.7455～11.491KN,?。?.5KN；
因此≥400.7KN
動臂油缸閉鎖力應(yīng)滿足：
≥
式中 —動臂油缸閉鎖力對鉸點的力臂，＝0.638m；
—對動臂下鉸點的力臂，＝5.255m；
—對鉸點的力臂，＝0.3m；
因此≥478.7KN
②斗桿油缸作用力的確定
當挖掘機以斗桿挖掘時，其最大挖掘力則由斗桿油缸來保證。斗桿油缸最大作用力計算位置為動臂下放到最低位置，斗桿油缸作用力對斗桿與動臂鉸點有最大力臂，即對斗桿產(chǎn)生最大力矩，并使斗齒尖和鉸點在一條直線上，如圖4－2所示。
與前面推導(dǎo)鏟斗油缸作用力一樣，忽略各構(gòu)件及斗中土壤質(zhì)量和連桿機構(gòu)效率的影響，此時斗桿油缸作用力為：
?。健 ∈?4－2)
式中： —由CAD做圖得，＝2.07m；
—由CAD做圖得，＝0.36m；
得出：＝330.34KN
而此時鏟斗油缸及動臂油缸處于閉鎖狀態(tài)，所以鏟斗油缸閉鎖力應(yīng)滿足
≥
式中： —由CAD做圖得，＝0.8m；
—由CAD做圖得，＝0.42m；
得出：≥109.438KN
動臂油缸閉鎖力應(yīng)滿足：
≥
式中： —由CAD做圖得，＝4.52m；
—由CAD做圖得，可忽略不記；
—由CAD做圖得，＝0.638m
得出：≥407.05KN
斗桿最大挖掘力也受到挖掘機穩(wěn)定性條件的限制。
當以斗桿油缸進行挖掘時，由于其作用力臂的變化、結(jié)構(gòu)自身的影響以及鏟斗相對斗桿位置的變化，其斗齒挖掘力也隨之變化。
③動臂油缸作用力的確定