機械原理課程設計正鏟液壓挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)設計

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1、機械原理設計任務書 設計題目： 正鏟液壓挖掘機工作裝置設計 一、設計題目簡介 正鏟挖掘機的鏟土動作形式。其特點是“前進向上，強制切土〞。正鏟挖掘力大，能開挖停機面以上的土，宜用于開挖高度大于2m的枯燥基坑，正鏟的挖斗比同當量的反鏟的挖掘機的斗要大一些，其工作裝置直接決定其工作范圍和工作能力。 二、 設計數(shù)據(jù)與要求 題號 鏟斗容量 挖掘深度 挖掘高度 挖掘半徑 卸載高度 C 三、設計任務 1、繪制挖掘機工作機構(gòu)的運動簡圖，確定機構(gòu)的自由度，對其驅(qū)動油缸在幾種工況下的運動繪制運動線圖； 2、根據(jù)所提供的工作參數(shù)，對挖掘機工作機構(gòu)進行尺度綜合

2、，確定工作機構(gòu)各個桿件的長度； 3、用軟件〔VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可〕對執(zhí)行機構(gòu)進行運動仿真，并畫出輸出機構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。 4、?編寫設計計算說明書，其中應包括設計思路、計算及運動模型建立過程以及效果分析等。 5、在機械根底實驗室應用機構(gòu)綜合實驗裝置驗證設計方案的可行性。 完成日期： 年 月 日 指導教師 目 錄 摘要 - 1 - 一、機構(gòu)簡介 - 1 - 二、正鏟工作裝置斗齒尖的特殊位置 - 2 - - 2 - - 2 - - 3 -

3、- 3 - 三、正鏟挖掘機工作裝置設計 - 3 - - 4 - - 4 - - 4 - - 5 - - 6 - - 6 - - 7 - - 8 - - 9 - 3．4傳動角檢驗 - 10 - 四、機構(gòu)運動分析 - 10 - - 10 - - 11 - - 11 - - 13 - - 15 - 五、 實驗臺搭建模型 - 16 - 六、參考文獻 - 18 - 七、附錄 - 19 - 附錄一 機體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗系數(shù)表 - 19 - 附錄二 機構(gòu)計算MATLAB程序 - 19 - 摘要 本文根據(jù)任務書要求的

4、挖掘機的作業(yè)范圍并參照樣機設計了正鏟液壓挖掘機的工作裝置，確定了挖掘機的動臂長，斗桿長和鏟斗的尺寸。然后根據(jù)已確定的桿長和作業(yè)范圍利用數(shù)學三角形知識以及MATLAB軟件求解得到各桿之間的轉(zhuǎn)角范圍。接著利用挖掘機設計理論中要求油缸起始力臂需大致相等這一條件，結(jié)合已求得的桿長與轉(zhuǎn)角，進一步確定出了各鉸點的位置，和油缸的尺寸與行程。根據(jù)已確定桿長利用UG繪制出三維模型，并將三維模型導入ADAMS中進行運動分析，繪制出機構(gòu)的速度與加速度簡圖。 一、機構(gòu)簡介 正鏟液壓挖掘機工作裝置〔見圖1-1〕有動臂1，斗桿2，鏟斗3，工作液壓桿4組成。動臂一端與回轉(zhuǎn)臺鉸接，另一端與斗桿一端鉸接，斗桿另一端與鏟斗鉸

5、接。動臂液壓缸〔雙缸〕一端與回轉(zhuǎn)臺鉸接，一端與動臂鉸接，形成動臂機構(gòu)。斗桿缸兩端分別與動臂與斗桿鉸接，形成斗桿機構(gòu)。鏟斗缸兩端分別與斗桿與鏟斗鉸接，形成四連桿轉(zhuǎn)斗機構(gòu)(有時鏟斗缸與連桿裝置連接，連桿裝置再與鏟斗連接形成六連桿機構(gòu)，本文采用四連桿機構(gòu))。鏟斗根據(jù)卸載方式分為前卸式和底卸式兩種，本文采用前卸式。 圖1-1 正鏟液壓挖掘機運動簡圖 從圖1-1可以計算出機構(gòu)的自由度F 〔1.1〕 從〔1.1〕式可以看出機構(gòu)有9各構(gòu)件組成，其中有9個轉(zhuǎn)動副，3個移動副，0個高副。自由度為3，原動件數(shù)目為3，因此機構(gòu)有確定的運動。 二、正鏟工作裝置斗齒尖的特殊位置 首先建立直角坐標系，

6、正鏟挖掘機通常以停機平地面為x軸，以過回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心的垂線為y軸。動臂為，斗桿為，鏟斗〔斗桿與鏟斗的鉸點到齒尖的距離〕。 最大挖掘半徑〔見下列圖2-1〕，這是C、Q、V在同一條水平線上，而且斗桿液壓缸全伸，即：， (2.1) 上式中是C點的橫坐標，其縱坐標為 圖2-1 最大挖掘半徑 圖2-2最大挖掘高度 最大挖掘高度〔見圖2-2〕，這是動臂液壓缸、斗桿液壓缸全伸，斗桿FQ、QV垂直向下，即，， 〔2.2〕 上式中 最大挖掘半徑〔見圖2-3〕，動臂液壓缸全縮，斗桿FQ和QV垂直向下，即，， 〔2.3

7、〕 圖2-3最大挖掘深度 圖2-4停機平面最大挖掘半徑 停機平面最大挖掘半徑〔見圖2-4〕，這時斗齒靠在地面，斗桿全伸，斗底平面與停機平面平行，QV與地面夾角為，，，，， 〔2.4〕 三、正鏟挖掘機工作裝置設計 在設計正鏟挖掘機工作裝置時可在類比法的根底上用經(jīng)驗公式預先確定C點坐標，以及、、的長度。 根據(jù)經(jīng)驗公式及樣機尺寸出現(xiàn)參數(shù)，線性尺寸的經(jīng)驗公式如下： 〔3.1〕 上式中：為線性尺寸參數(shù)〔m〕；為線性尺寸系數(shù)，可查表而知；m為挖掘機整機質(zhì)量〔t〕。 現(xiàn)最大挖掘半徑為，最大挖掘深度為，最大挖掘高度為。根據(jù)

8、數(shù)據(jù)與查表得到的系數(shù)，利用〔3.1〕式反解出挖掘機整機質(zhì)量約為。 利用經(jīng)驗系數(shù)表與經(jīng)驗公式〔3.1〕式，再結(jié)合已求出的整機質(zhì)量，可以求出停機平面最大挖掘半徑為；最小挖掘半徑；動臂長度為；斗桿長度為 ；鏟斗長度為；臂鉸的位置。綜合上述桿長數(shù)據(jù)如表3-1： 表3-1 機構(gòu)桿長 動臂長 斗桿 鏟斗 最小挖掘半徑 最大挖掘半徑 停機平面最大挖掘半徑 最大挖掘深度 最大挖掘高度 桿 長度〔m〕 〔1〕可以根據(jù)最大挖掘半徑確定，〔推導過程省略，詳細可見參考文獻1〕 〔3.2〕 帶入表1的數(shù)據(jù)得

9、; 〔2〕可以根據(jù)最小挖掘半徑確定 〔3.3〕 鏟斗與地面的夾角，是鏟斗設計的一個重要參數(shù)，參考樣機 帶入數(shù)據(jù)得： 〔1〕根據(jù)最大挖掘高度確定 〔3.3〕 式中，先確定再根據(jù)確定，代入數(shù)據(jù)得： 〔2〕根據(jù)最大挖掘深度確定 〔3.4〕 代入數(shù)據(jù)，其中以負值代入得: 〔1〕鏟斗轉(zhuǎn)角要滿足最大挖掘高度要求 〔3.5〕 要滿足最大挖掘半徑要求 〔3.6〕 〔2〕要滿足最大挖掘深度 為使卸料干凈要滿足下式 〔3.7〕 綜合以上結(jié)果得表3-2： 表3-2機構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍

10、 角度 37 40 圖3-1為機構(gòu)簡圖，CJ為水平線，在此進行符號說明見表3-3 表3-3 符號說明 CA CB AB DF FE DE QG QK GK 符號 符號 圖3-1正鏟挖掘機示意圖 設液壓缸全伸與全縮的長度為、，并假定液壓缸鉸點B不在動臂中心線CF上，且,液壓缸起始力臂，終止力臂為。 〔3.8〕 〔3.9〕 設 ， ，，根據(jù)液壓缸設計要求，，，設計時可以初選。

11、 通過解三角形和，、分別表示動臂在和時的位置。 〔3.10〕 〔3.11〕 令，，，可得下式： 〔3.12〕 〔3.13〕 、、、中任意一個，即可確定其余三個參數(shù)?，F(xiàn)令，， ，通過參考樣機和經(jīng)驗公式確定。將上述參數(shù)帶入3.12式和3.13式得： 由上述求得的值可以確定出,,. 見圖3-1，設鉸點D、E，斗桿液壓缸、，，，,F點起始起始力臂為，終止力臂為，令。利用同理利用動臂液壓缸的求法可以求得斗桿液壓缸和鉸點位置，這里不再進行推導，直接計算。 〔3.14〕 令，，帶入數(shù)據(jù)得： 那么令，，，，， 〔3.15〕 〔3.1

12、6〕 將數(shù)據(jù)帶入3.15式與3.16式得：，。初選，可得:,,. 見圖3-1，設液壓缸鉸點、，，，，液壓缸始末長度分別為、。根據(jù)三角形余弦定理的下式： 〔3.17〕 由于鏟斗是一個相對獨立的局部，根據(jù)參考樣機法，初定，，，，結(jié)合上文求得的轉(zhuǎn)角范圍帶入3.17式得：、、 現(xiàn)在正鏟挖掘機的工作裝置已全部求解出來，綜合見表3-4： 表3-4正鏟挖掘機工作裝置參數(shù) 長度〔m〕 長度〔m〕

13、 角度〔?！? 0 0 70 0 3．4傳動角檢驗 對于油缸驅(qū)動，其傳動角可以從圖3-2中可以求出以油缸作為驅(qū)動的四桿機構(gòu)的傳動角。 圖3-2油缸驅(qū)動傳動角 〔3-18〕 (3-19) 利用3-18式，結(jié)合MATLAB軟件可以求解出動臂最小傳動角，斗桿最小傳動角，鏟斗最小傳動角，可知設計符合要求。 四、機構(gòu)運動分析 本次設計利用UG軟件結(jié)合上文求出的數(shù)據(jù)，繪制出挖掘機工作裝置的三維模型及其裝配圖〔主要部件，其余省略〕,見圖4-1： 圖

14、4-1 機構(gòu)三維模型 將三維模型導入ADMADS軟件中〔見圖4-2〕，建立轉(zhuǎn)動副和移動副，用ADAMS中的step函數(shù)進行運動仿真，然后分析各桿件運動線圖 圖4-2 ADAMS模型 圖4-3為鏟尖在幾種工況下的運動軌跡 圖4-3鏟尖運動軌跡 圖4-4為鏟尖的x-t圖，即鏟尖在x方向的位移與隨時間t的變化曲線，從圖中可以看出最大挖掘半徑為9.0m，與題目的要求相符合。 圖4-4鏟尖x方向的位移曲線 圖4-5為鏟尖的y-t圖，即鏟尖y方向位移隨時間t的變化曲線，從圖中可以看出最大挖掘高度為9.5m，最大挖掘深度為3.15米，與題目的要求相符合。 圖4-5

15、鏟尖y方向位移曲線 圖4-6為鏟斗液壓缸角速度隨時間t的變化曲線圖，液壓缸相對于液壓桿的運動是利用ADAMS軟件中step函數(shù)進行仿真。從圖中可以看出鏟斗液壓缸在仿真時間內(nèi)角速度變化出現(xiàn)6個峰值，要減小角速度的峰值可以在step函數(shù)中延長仿真時間。圖中出現(xiàn)“尖點“主要原因是隨著時間變化的不同的液壓缸依次運動造成的。 4-6鏟斗液壓缸角速度變化曲線 圖4-7為鏟斗液壓缸的角加速度的變化曲線，從圖中看出角加速度有突變，其原因為不同液壓缸依次運動造成的，要減小加速度的峰值可以在step函數(shù)中延長仿真時間。 圖4-7鏟斗液壓缸的角加速度曲線 其余液壓缸的角速度與角加速度的變化

16、曲線見下列圖。 圖4-8斗桿液壓缸角速度變化曲線圖 4-9斗桿液壓缸角加速度變化曲線圖 4-10動臂液壓缸角速度變化曲線圖 4-11動臂液壓缸角加速度變化曲線圖 下列圖為鏟斗，斗桿、動臂速度與加速度的變化曲線圖 圖4-12鏟斗運動速度 圖4-13鏟斗運動加速度 圖4-13斗桿運動速度 圖4-14斗桿運動加速度 圖4-15動臂運動速度 圖4-16動臂運動加速度 表4-1 誤差計算 挖掘高度 挖掘深度 挖掘半徑 動臂轉(zhuǎn)角范圍 斗桿轉(zhuǎn)角

17、范圍 鏟斗轉(zhuǎn)角范圍 設計值 130 實測值 82 79 75 絕度誤差 2.1% 3.1% 0.6% 0.4% 2.2% 43% 由于為了滿足鏟斗油缸傳動角大于30度，因此鏟斗轉(zhuǎn)角范圍無法到達130度，而最多可轉(zhuǎn)75度，造成的后果就是挖掘機作業(yè)范圍減小，可采取的措施是斗桿機構(gòu)采用六連桿機構(gòu)。由于從表4-1可知挖掘機作業(yè)誤差小于5%，滿足工程要求，因此可以不必重新設計斗桿機構(gòu)。 五、 實驗臺搭建模型 同過以上設計與分析，在機械原理實驗臺上搭建模型驗證機構(gòu)的可行性，圖像如下： 圖5-3 斗桿機構(gòu) 5-4 鏟斗

18、機構(gòu) 〔a〕 〔b〕 圖5.5 模型總成 六、參考文獻 [1]?單斗液壓挖掘機〔第二版〕?同濟大學編，中國建筑工業(yè)出版社，1986 [2]?液壓正鏟挖掘機機構(gòu)尺寸參數(shù)確實定方法?，廖漢元，武漢科技大學學報(自然科學版),1977 [3]?裝載機鏟斗根本參數(shù)確實定?關志剛，水利電力機械，2003 七、附錄 附錄一 機體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗系數(shù)表 附錄二 機構(gòu)計算MATLAB程序 % % clc clear; L1=4.3; L2=3.3; L3=2; R0_min=4.2; R1_max=9.06; R2_max=8.7; H1_m

19、ax=3.2; H2_max=9.53; x_c=0.5; y_c=2.7; zeta=pi*25/180; L5=1.2; L9=1.0; k1=1.0; k2=1.0; [theta]=fun_theta(L1,L2,L3,R0_min,R1_max,H1_max,H2_max,x_c,y_c,zeta);%計算夾角范圍 [L7,L11_max,L11_min,alpha12]=fun_arm_cylider(theta(1,1),theta(1,2),L5,k1)%計算臂鉸位置 [L8,L22_max,L22_min,alpha34]=fun_link_cylide

20、r(theta(2,1),theta(2,2),L9,k2)%計算斗桿鉸位置 theta_=theta*(180/pi) gamma1=[]; gamma2=[]; i=1;%%%尋找最小傳動角 theta1=theta(1,2); while (theta1<=theta(1,1)) phi1(i)=alpha12+theta1; gamma1(i)=fun_driving_angle(L5,L7,phi1(i)); i=i+1; theta1=theta1+0.001; end gamma1_min=min(gamma1')*(180

21、/pi) i=1; theta2=theta(2,2); while (theta2<=theta(2,1)) phi2(i)=theta2-alpha34; gamma2(i)=fun_driving_angle(L8,L9,phi2(i)); theta_2(i)=theta2; i=i+1; theta2=theta2+0.001; end gamma2_min=min(gamma2')*(180/pi) subplot(1,2,1),%畫傳動角的變化 plot(phi1,gamma1); subplot(1,2,2),

22、 plot(phi2,gamma2); %計算動臂缸鉸 %輸入動臂轉(zhuǎn)角范圍，以及初選L5值 %輸出L7，以及液壓缸的長度 function [L7,L_max,L_min,alpha12]=fun_arm_cylider(theta_max,theta_min,L5,k) lambda=1.9; alpha12=atan((sin(theta_max)-lambda/k*sin(theta_min))/(lambda/k*cos(theta_min)-cos(theta_max))); alpha=alpha12+theta_max; beta=alpha12+theta_

23、min; s=((2*lambda^2*cos(beta)-2*cos(alpha))+sqrt((2*lambda^2*cos(beta)-2*cos(alpha))^2-4*(lambda^2-1)^2))/(2*(lambda^2-1)); r=sqrt(s^2+1-2*s*cos(beta)); L7=s*L5; L_min=r*L5; L_max=lambda*L_min; %計算斗桿液壓缸 %輸入轉(zhuǎn)角范圍，及k值 %輸出 function [L8,L_max,L_min,alpha34]=fun_link_cylider(theta2_max,theta2_min

24、,L9,k) lambda=1.7; alpha34=atan((lambda/k*sin(theta2_min)-sin(theta2_max))/(lambda/k*cos(theta2_min)-cos(theta2_max))); alpha=theta2_max-alpha34; beta=theta2_min-alpha34; s=((2*lambda^2*cos(beta)-2*cos(alpha))+sqrt((2*lambda^2*cos(beta)-2*cos(alpha))^2-4*(lambda^2-1)^2))/(2*(lambda^2-1)); r=sq

25、rt(s^2+1-2*s*cos(beta)); L8=s*L9; L_min=r*L9; L_max=lambda*L_min; %L1,L2,L3桿長 %R0_min最小挖掘半徑，R1_max最大挖掘半徑 %H1_max最大挖掘深度，H2_max最大挖掘高度 %計算夾角范圍 function [theta]=fun_theta(L1,L2,L3,R0_min,R1_max,H1_max,H2_max,x_c,y_c,zeta) theta=[]; theta2_max=acos((L1^2+L2^2-(R1_max-L3-x_c)^2)/(2*L1*L2)); t

26、heta2_min=acos((L1^2+L2^2-(y_c-L3*sin(zeta))^2-(R0_min-L3*cos(zeta)-x_c)^2)/(2*L1*L2)); L4_max=sqrt(L1^2+L2^2-2*L1*L2*cos(theta2_max)); theta1_max=asin((H2_max-L3-y_c)/L4_max)+asin(L2*sin(theta2_max)/L4_max); theta1_min=asin((-H1_max-y_c+L2+L3)/L1); theta3_max1=5*pi/2-theta1_max-theta2_max; the

27、ta3_max2=pi+asin(L1*sin(theta2_max)/L4_max); if(theta3_max1>theta3_max2) theta3_max=theta3_max1; else theta3_max=theta3_max2; end theta3_min=2*pi-theta1_max-theta2_max-zeta; theta(1,1)=theta1_max; theta(1,2)=theta1_min; theta(2,1)=theta2_max; theta(2,2)=theta2_min; theta(3,1)=theta3_max; theta(3,2)=theta3_min; %計算傳動角 %三角形相鄰兩邊及其夾角，求length1邊所對的角 % function [gamma]=fun_driving_angle(length1,length2,phi) length3=sqrt(length1^2+length2^2-2*length1*length2*cos(phi));%計算第三條邊 gamma=acos((length2^2+length3^2-length1^2)/(2*length2*length3));%計算角度