普通挖掘机反铲装置的结构设计与研究大学论文 - 图文

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

普通挖掘机反铲装置的结构设计与研究

摘要

挖掘机在建设的时候有着不可动摇的地位，它能帮助我们节省劳动力，能在较短的时间里完成我们不能完成的事。

普通的挖掘机主要是通过液压缸来完成反铲工作装置的运动，由于挖掘机使用时的受力很大，所以其寿命不是很长，我这次设计的是先对挖掘机进行一些简单的计算，用PRO/E绘制挖掘机的图，再通过ADAMS软件和ANSYS软件进行分析，并运用ANSYS软件对挖掘机中变形量大的零件进行优化改进和对应力集中的地方进行优化改进，对比未进行改进与改进后的变形量、应力、应变的大小后发现优化改进非常的成功,达到优化的效果。 关键词： 挖掘机 工作装置 铲斗 动臂 斗杆

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

Structure design and research general

Excavator Backhoe device

Abstract:Excavator in construction of time have an unshakable position. It can help us save labor, can finish what we cannot finish in a short time.

Ordinary excavator is mainly through the hydraulic cylinder to complete the motion of the backhoe working device, due to the excavator using the force is very big, so the life is not very long, I the design is first, some simple calculations of the excavator, excavator drawing using pro/e graph, by Adams and ANSYS software were analyzed, and the use of ANSYS software of excavator deformation of parts for improvement and Optimization on the stress concentration of the local optimization and

improvement were comparison of improvement and improved after deformation, the magnitude of the stress and strain after found improved very successful and achieve the optimization effect.

Keywords :excavator Working device bucket Movable arm The bucket rod

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

目录

第一章 前言......................................................... 4 1.1课题背景 ...................................................... 5 1.2挖掘机现状 .................................................... 5 1.3研究的目的和内容 .............................................. 5 1.4设计方法 ...................................................... 6 第二章 反铲工作装置结构设计......................................... 7 2.1、总体设计方案................................................. 7 2.1.1、设计依据.................................................. 7 2.2、动力的选择................................................... 7 2.3、工作装置的结构确定........................................... 7 2.3.1.、斗杆和斗杆液压缸的位置确定............................... 8 2.3.2、铲斗结构参数的确定........................................ 8 2.3.3、动臂机构的设计........................................... 11 2.3.4、反铲斗杆参数的确定....................................... 12 2.3.5、铲斗连杆结构的设计....................................... 13 2.3.6、反铲工作装置设计的混合法................................. 14 2.3.7、最大挖掘阻力的计算....................................... 18 2.3.8、物料重力加载.............................................. 18 第三章 基于PRO/E的液压挖掘机建模.................................. 19 3.1、对动臂建模.................................................. 19 3.2、对斗杆的建模................................................ 20 3.3、对铲斗建模.................................................. 21 3.4、对整体进行装配.............................................. 23 第四章 对挖掘机分析................................................ 25 4.1、用ADAMS进行分析............................................ 25 4.1.1、用ADAMS的目的........................................... 25 4.1.2、对ADAMS软件进行介绍..................................... 25 4.1.3、用ADAMS软件对挖掘机工作装置进行分析..................... 25 4.2、用ANSYS进行分析............................................ 32 4.2.1、用ANSYS的目的............................................ 32 4.2.2、对ANSYS软件进行介绍...................................... 32 4.2.3、ANSYS对挖掘机工作装置进行分析 ............................ 32 4.2.3.1、分析的主要路线.......................................... 32 第五章 挖掘机反铲装在优化......................................... 39 5.1、针对反铲的齿尖进行优化...................................... 39 5.2、对零件进行倒圆角优化........................................ 40 5.3、其他的优化方法.............................................. 41 第六章 改良后的挖掘机的静力学验证................................. 43 第七章 总结........................................................ 46 致谢............................................................... 47

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

第一章 前言

1.1课题背景

随着我国的快速发展，人们的生活水平在不断的提高，人们对生活质量的要求也变得越来越高，致使现在的高速路、铁道、高楼大厦、隧道、河坝的修建越来越多，挖掘机也在快速的发展。在我选择这个课题之前虽然已经有一部分的学长、学姐选择相关与这个的题目，但他们大多数都是选着纯计算的方式进行设计与校核验证，或只用单个的ANSYS软件或单个的ADAMS软件对挖掘机整体或动臂进行设计与研究，从而使他们设计的也现实的相差很大；所以我选择的普通挖掘机的设计是结合ANSYS软件和ADAMS软件对普通挖掘机进行设计和优化使其模拟现实挖掘机的情况，使其设计更接近于实际设计。

1.2挖掘机现状

挖掘机是一款省劳动力的工具，自从有了挖掘机以后人们不用再一点一点地

搬运石头或泥土，我国机械式挖掘机是在20世纪60年代初期开始设计开发的。我国挖掘机销售主要是国外独资和合资公司所占领，而我国的挖掘机也是借着与国外公司合资而快速从无发展到有的。

国内的挖掘机市场越来越大，我国的西部大开发、西气东输的计划加快了我过挖掘机的发展，从1994年的2150台，到现在的月销售8278台。虽然挖掘机的数目在快速的增长，但是我国挖掘机在整体结构方面以及管道的布局等方面还是存在许许多多的不足，致使我国自己生产的挖掘机的销售远远的落后于国外挖掘机的销售情况，具不完全体统计：我国自己生产的挖掘机在全行业的占有不到10%。

面对我国目前的状况，我国应该大力的发展我国在挖掘机方面的技术，我国的挖掘机生产商一点都不缺钱，何不用这些钱去发展自己的技术，让自己的挖掘机在国际市场上去占一席之地。除了技术发展以外，我们还要注意进行市场调查，结合实际，开发出更能满足市场需要的产品；生产商也应注意自己的服务态度，，学习国外先进的销售手段和管理理念，提升自己的信誉，从而深入人心。

1.3研究的目的和内容

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

1.3.1、研究目的：

通过ADAMS软件和ANSYS软件对挖掘机进行模拟分析，用这两个软件分析得到相关数据，进行优化改进，使设计的挖掘机受到的的力减弱，延长挖掘机的寿命。

1.3.2、研究方法：

明确题目要求和目的，通过互联网及图书馆相关书籍和数据库查找普通挖掘机的相关结构参数，查找有关机型，选择其中一些数据，进行简单计算得到画图所需的数据，用ADAMS软件对其分析，观察挖掘机的情况（每两个零件间的力、零件位子、零件的角速度、角速度），在用ADAMS软件制作视频；用ANSYS软件对设计的反铲部分进行模拟分析，找出变形量大的以及应力应变集中的地方，进行具体的优化设计。在此过程中可以利用proe、auto cad ADAMS、ANSYS等计算机辅助设计工具进行结构设计及运动分析和受力分析，并在导师指导下完善改进以获得最优结果。 1.3.3、．技术路线：

1.分析原工作结构：挖掘机的工作装置就是挖掘时所用的部分。它包含动臂、斗杆、铲斗三部分。由于挖掘机的工作装置拥有各种形状不同，所以它能够胜任很多不同的作业工作。

2.设计构思：1）了解知道研究对象→普通挖掘机的反铲装置； 2）总体的分析与选择；3）进行参数选择及计算； 4）用PROE画挖掘机工作装置的三维图；5）用ADAMS软件与ANSYS软件对挖掘机进行模拟分析； 6）进行优化设计；7）制作运动仿真和CAD图纸；

1.4设计方法

初步计算出工作装置：动臂、斗杆以及铲斗，用

PROE画挖掘机的实物图，应用ANSYS

软件对其进行模拟分析，通过软件ADAMS对其进行运动分析，找出其中的不足，进行优化改进；本文研究的难点在于ADAMS软件和ANSYS软件的学习与运用。

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

第二章 反铲工作装置结构设计

反铲工作装置的工作原理，是动臂与斗杆、斗杆与铲斗通过互相连在一起，动臂、斗杆和铲斗在平面坐标系内移动（尤其是铲斗）都是由各自的油缸进行带动，从而使挖掘装置运动起来进行挖掘。

2.1、总体设计方案

2.1.1、设计依据

由于要绘制挖掘机的三维图，但在网上及查阅的资料中无法找到具体绘制三维图时所用的参数，所以只能借鉴一部分的数据，设计一部分的数据；我设计时所借鉴的参数大多是从WY200中找到的，而其外形情况也是通过WY200的外形来绘制的。

设计参数有：铲斗容量：1.0m ， 油缸一般取其伸缩比为?1=1.6-1.7 ，

3液压缸的D=140mm,d=90mm。 2.1.2、总体设计原则

1、应使设计的尺寸达到工作时的要求。在设计的时候尽可能的考虑国家的要求，尽量少出现或不会出现机构的碰撞。

2、尽量是挖掘机的挖掘力分布均匀，满足工作装置应有的要求。 3、把挖掘机挖掘时的的效率增大，把挖掘所用的时间降低。

4、定铰点的位置和其形状、大小设计时尽可能让它受到的力差不多大，在满足工作要求的条件下尽量减轻自身重量。

5、由于作业有时要求很高，有时要求很低，使用时尽量考虑各个零件的通用性，用铰点或配套机构时，一定要应注意他们主次。在满足使用要求的前提下，尽可能使让其零件不要替换；让要替换的结构简单，互换的时候比较容易。 6、尽量让所用的液压缸相同，选择材料是尽量选择能承受较大压强的材料。

2.2、动力的选择

为了使挖掘机行驶方便，具有较大的动力，所以选取柴油机作为挖掘机的动力。

2.3、工作装置的结构确定

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

动臂的结构有整体式与组合式两种，整体式的结构比较的好设计与制造但用到的地方不多，组合式的结构复杂但适合大多数的工作环境要求，所以组合式是大多数设计者的首选，动臂与机身的铰接点一般会布置在回转平台的前部，动臂油缸和机身的连接点的地方与动机(动臂与机身）的连接点地方有密切联系，一般设计在动臂与机身铰接点前下方、回转平台的最前方，并不能低于平台底部，以满足动臂的提升力矩与闭锁力矩的要求。 2.3.1.、斗杆和斗杆液压缸的位置确定

斗杆油缸布置于斗杆的上部位，要考虑反铲挖掘机的挖掘方式为向下向后挖掘方式，这时斗杆油缸大腔为工作腔，有较大的挖掘力。在只有斗杆油缸及斗杆在运动时，斗杆油缸的大腔闭锁，它有满足要求的闭锁压力。 2.3.1.1、动臂与斗杆长度比的确定

动臂的长度与斗杆的长度的比值K1=L1/L2大小能够反应挖掘机的挖掘能力。看了一下关于挖掘机设计的书发现，当K1>2时，动臂就会比较长而斗杆相比一下就会比较短；当K1<1.5时,动臂就会比较短而斗杆就会相对比较长；当K1在1.5-2之间时，适合很多多挖掘机，但由于工作作业条件和要求配置的原因，而改变其取值。

根据反铲工作装置的特点及其工作范围，在工作尺寸相同的条件下，K1越大，斗杆越短，作业范围窄；同理，K1越小，斗杆越长，作业范围宽；当K1越大时，其起到作用的主要是斗杆，其特点能产生较大的额定斗杆挖掘力；反之，以铲斗挖掘为主，其铲斗能够承受较大额定挖掘力。从实用范围来讲，一般选用铲斗的最大挖掘力作为设计的标准。

2.3.1.2、确定各液压缸的数目、缸径及伸缩比 按参考文献[1]，对动臂油缸一般取其伸缩比为可将其增大到1.75；斗杆油缸，其伸缩比为

1特殊情况下，?=1.6-1.7；

1?=1.6-1.7；而铲斗油缸，取其为

1.5-1.7。油缸的选择原则是要满足部件的运动范围，并尽量在使用时利用油缸的全部行程，同时应避免出现受压失稳和机构的干涉。 2.3.2、铲斗结构参数的确定 2.3.2.1、铲斗主要参数确定

如图2-1所示，下面是设计铲斗时的主要参数:铲斗的容量q，铲斗挖掘半径l3和平均斗宽b，它们与铲斗挖掘装满转角2?max之间存在数学关系如下：

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

图2-1 铲斗主要参数 q=0.5l3b(2?2max

-sin2?max)Ks (2-1)

Ks-土壤松散系数，取其范围1.22-1.3之间（三级土壤）

一般去90-110

0挖掘装满转角2?0max 铲斗的主要参数的合理选择还要依据其转斗挖掘能量来判断，该参数指的是转斗挖掘单位体积土壤所耗费的能量，数学表达式如下： E=（2K2Kbsin?2?max??max?sin2?maxcos?maxmax+100RK3?max?1.5sin2?2?max?2?max?sin2?maxcos?2max）

max

（2-2） K-挖掘机在挖掘过程中受到其他影响时的影响因素系数；

K2-函数，当q=0.15-1.2m时，K2=1.5； K3-函数，当q=0.15-1.2m时，K3=0.07；

根据式（2-1）、（2-2）知道，铲斗宽度b对挖掘能容的影响远远大于转斗挖掘回转半径R的影响，因此从能容量的角度考虑，铲斗宽度不宜太大。

表2-1 各种挖掘机参数

33

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

斗容量q/m3 0.4 0.78 0.85 0.8 0.9 1.0 0.8 0.5 0.88 1 0.78 9 0.6 0.94 1.06 0.84 0.91 1.1 1.2 1.0 0.8 1.18 1.12 1 1.26 1.27 1.16 1.18 1.4 1.4 1.2 1.6 1.5 1.6 1.56 1.8 1.8 1.6 2 1.65 1.77 欧美120 种 斗宽b/m 日本50种 前苏联6种 中国12种 其他 推荐上线 推荐下线 根据表2-1及公式2-1/2-2选择反铲斗平均斗宽b=1.16-1.4m，我的设计选着b=1.2m，得到l3?1.258m

2.3.2.2、铲斗其他结构参数的确定

在前面已经确定一些参数，下面进行其他参数的确定。

如图2-2，对于lKQ取其值为（0.3-0.38）l3，该值小时有利于扩大铲斗的转角范围，但增大了该处的受力，对铲斗的结构强度和刚度不利，所以选值要求

图2-2 铲斗结构参数

时不仅要满足铲斗有足够大的转角范围，同时还应尽量减小此处的受力，保证此处的强度、硬度要求；对于?KQV，一般取其在95-105，过小不利于挖掘机

00

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

在挖掘过程中物料向铲斗中的流动；太大又不利铲斗挖掘力的正常发挥，并太大还会导致铲斗的斗容量过大。

对于铲斗的结构形状：①铲斗的内壁、外壁要光滑；②一般铲斗的前部比后部略宽，斗口比斗底，其倾角一般在2-5度；③为了使铲斗内的物料不掉出，设计时应尽量让铲斗的弯曲弧度大一些。 2.3.3、动臂机构的设计

2.3.3.1、动臂的结构形状及动臂机构上铰接点位置的设计

如图2-3所示，根据查阅资料知动臂弯角

?1的取值范围一般在110-140度，

小的动臂弯角有利于增大挖掘深度，但挖掘高度会降低且对结构不利，因为弯曲部位会产生应力集中；

?1越小造成的应力集中现象就会越容易出现并且应力的

值也会比较大；图中的比值k2=UF/UC能够确定B点的位置。U、B一般不重合，

k2取值范围为1.1-1.3；l1/l2=1.1-1.3。

前面已经知道选择的动臂油缸的伸缩比为1.6-1.7。

图2-3 动臂上各位置示意图

通过观察各种型号的挖掘机我们知道动臂与回转平台的铰接点C一般设置在位于A的后面并且低于高于A的水平面，

?11?40~50，从挖掘机的设计手

00册我发现l5的取值是取动臂油缸最短长度的0.5-0.6长。B点一般选择取在动臂弯曲部位的下方。

2.3.3.2、动臂的几何参数的确定

参考WY200型号的挖掘机和设计手册初选

?=，伸缩比为1.65，动11200全套设计（图纸）加扣扣 194535455

臂油缸数目为2，缸径D1=140mm,活塞杆直径d1=90mm,确定U点的位置：

l1= lUC?lUF?2lUClUFcos?1 （2-3）

22根据k2=UF/UC得： lUC?l211?k2?2k2cos?1 （2-4）

取lUC=2175mm，则lUF=3864mm 2.3.4、反铲斗杆参数的确定

2.3.4.1、斗杆的结构形状及斗杆结构上各铰接点位置的布置

如图2-4中为斗杆油缸在此种情况下产生最大挖掘力所在的姿态；此时，斗刃与斗齿的运动曲线相切，相切后角度为零，则阻力臂按数学公式如下：

图2-4 斗杆油缸产生最大挖掘机

rG2?l3cos(2??)?（2-5）

?l2?(l3sin(2??)))2?2?l3sin??l(l3cos?)222

式中β-平面内斗刃与QV连线的夹角，一般在60左右。 根据力矩平衡公式推导出l9得： l9?0FGmaxFrG?4F22(l?n[DpGmax232sin??0l2?(l2cos))22222?(D2?d2)p]2 （2-6）

斗杆油缸的行程与斗杆的摆角?2max范围及l9有关，其中摆角可按参照同类机

全套设计（图纸）加扣扣 194535455

型初选，其参考范围在105~125。减小其值会减小挖掘机在挖掘过程中的作业范围；增大其值会增加斗杆的结构条件限制，使平均挖掘力减小。斗杆的实际挖掘转角（1/2-2/3）?2max之间，查阅资料得到D=140mm，d=90mm的斗杆可获得的最大挖掘力FGmax为82kN得到l9=1.3m。

2.3.4.2、确定D点的位置

按图2-5所示的几何关系，推导斗杆油缸和动臂的铰接点D与斗杆和动臂的铰接点F的距离l8的数学表达式如下：

00图2-5 斗杆结构参数

l8??l9?L2maxsin22max （2-7）

22参阅资料的得到公式：

2?2l9sin?2max2 （2-8） L2max??2?1其中，

?2为伸缩比为1.6-1.7，得到l8=2756mm

00 参考WY200型号的挖掘机和挖掘机设计手册，?EFQ?130~170，斗杆油缸伸缩比为1.6-1.7与前面选择的一样，为的是便于更换，斗杆数目为1，缸径为D1=140mm，活塞杆直径d1=90mm,摆角2.3.5、铲斗连杆结构的设计 2.3.5.1、铲斗连杆机构的设计要求： （1）要让铲斗在挖掘的过程中有足够转角。

?2max?105~125。

00全套设计（图纸）加扣扣 194535455

（2）能够让挖掘机铲斗上的斗齿产生满足挖掘时所需的挖掘力，并且其力在挖掘时的变化曲线尽量跟挖掘阻力的变化曲线一致。 （3）机构不能发生干涉。 2.3.5.2、铲斗连杆机构的设计

根据前面铲斗的主要结构参数：如铲斗挖掘回转半径R（l3）、铲斗平均宽度b、铲斗上两铰点距离KQ、?KQV以及转斗挖掘装满转角2?铲铲斗连杆机构的尺寸参数。

根据前面除了铲斗的结构参数外，确定铲斗连杆结构还有其他结构主要参数如下：根据WY200机型和挖掘机设计手册知道，铲斗油缸的油缸直径D3=140mm,d3=90mm，铲斗油缸的伸缩比为1.6-1.7，如图2-6，根据相关文献，按以下数学公式关系选则铲斗连杆机构的主要尺寸参数：

max，从而初选反

图2-6 铲斗连杆结构等的示意图

KQ=1/3l3或KQ=（0.3-0.38）l3 （2-9） MN?KQ，HN?（1-1.5）MN，HK?HN，NQ?(0.7-0.8)MN，?MNH?0~10 根据式2-1、2-2、2-9以及同类机型与设计手册得KQ=476mm，?MNH=0，NQ=573mm，MN=577mm，HK=577mm 2.3.6、反铲工作装置设计的混合法

如图2-7所示，根据前面所选的参数，绘制机体外形尺寸、整机坐标系，标出主要工作尺寸（最大挖掘深度H1，最大挖掘高度H2，最大卸料高度H3，最大挖掘半径R1）、回转中心位置、回转底盘G1重心位置、平台重心G2位置及

000全套设计（图纸）加扣扣 194535455

回转平台个高度h1。

图2-7 普通反铲工作工作装置设计基准参数

根据前面得到的的铲斗回转半径l3、铲斗平均斗宽b和铲斗挖掘转角2?max（100~110），在最大卸料高度H3之上标出铲斗与斗杆铰接点Q的最高位置水平线平线

300pp，最大挖掘深度H1之上标出铲斗与斗杆铰接点Q的最低位置水

784pp，如图2-8所示。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wvx8.html