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挖掘机设计
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摘要
随着社会的不断进步，改革开放的深入，我国的基础建设项目不断增多，对工程机械产品的需求量也越来越大。液压挖掘机是工程机械的重要产品之一，具有较高的技术含量。而无尾式小型液压挖掘机在我国的发展才刚刚起步，其技术还远远落后于国外。在参照和分析CASE系列和久保田系列小型液压挖掘机的基础上，设计了无尾式小型液压挖掘机。
本文完成的主要工作有：
1)建立了液压挖掘机主工作装置的数学模型；
2)针对工作装置的计算工况，建立了相关的力学模型；
3)确定了液压挖掘机的设计方案，完成了主要参数的设计计算；
4)对主要工作装置的铰点和关键部位进行力学分析和计算；
5)建立了底盘行走系的数学模型和结构模型；
6)对底盘行走系的相关部件进行的校核计算；
7)对整机的稳定性进行了分析和研究，并对其可能发生的失稳状态进行校核。
关键词：液压挖掘机，主工作装置，底盘行走系，推土铲,挖掘装置
Abstract
With the development of the society and economy in China, many fundamental engineering projects need to be completed by the excavators. The hydraulic excavator is one of the most important construction machineries. The hydraulic excavator includes the higher technical specification, and it is very difficult to design them. But the development of the small scaled hydraulic excavator with no tail in our country just start, and the technique has been got behind with the abroad far and far. In this design, the series of CASE and Kubota are followed.
Main contents contained in the article are following:
1. The mathematical model of the main working equip has been established.
2. According to working condition, the correlated mechanics model of the main working equip has been established.
3. Offering the schedule of the hydraulic excavator and the main parameters’ calculation.
4. Mechanics analyzing and the fulcrums and important components of the main working equip.
5. The mathematical model and structural model of chassis motion train has been established.
6. Checking and calculating the strength of the correlated components of the chassis motion train with traditional method.
7. Analyzing and researching the stability of the total machine, and checking the condition which may will stability.
Keywords: Hydraulic excavator , work equipment, chassis motion train, earth-moving shovel，dig equipment.
目录
1 绪论 1
1.1本课题的目的和意义 1
1.2国内外小型挖掘机的发展情况 1
1.2.1国内小型挖掘机的发展现状 1
1.2.2国外挖掘机目前水平及发展动向 2
1.3本设计研究的主要内容 4
1.4本课题的技术难点及主要手段 4
2 总体方案构思 6
2.1基本原理及主要工艺 6
2.2主要构思方案 6
2.3本方案特点 7
3 动力系统的设计 8
3.1 牵引力和牵引功率的平衡 8
3.1.1机械行驶作业过程中的阻力 8
3.1.2牵引工况时的牵引力平衡和牵引功率平衡 9
3.1.3运输工况时的牵引力和牵引功率的平衡 10
3.2发动机的选型 11
3.2.1 单斗液压挖掘机对柴油机的基本要求 11
3.2.2 发动机功率的确定 12
4 工作装置的设计 15
4.1 工作装置总体方案的选择 15
4.1.1 工作装置的总体结构 15
4.1.2动臂和斗杆结构形式的选取 16
4.2工作装置结构尺寸的确定 17
4.2.1铲斗参数的选择 17
4.2.2动臂和斗杆尺寸的确定 18
4.3液压缸的设计 20
4.3.1系统工作压力的选取 20
4.3.2 液压缸工作行程的确定 21
4.4 设计的合理性分析 22
4.4.1作业尺寸的校核 22
4.4.2 挖掘力的计算 22
4.4.3 主工作装置的强度校核 24
5 行走装置的设计 33
5.1 行走装置的选型 33
5.2 行走装置的设计 34
5.2.1履带的设计 34
5.2.2驱动轮的设计 38
5.2.3支重轮的设计 41
5.2.4托轮的设计 44
5.2.5导向轮及张紧装置的设计 45
5.2.6行走减速机、台车架、底架的设计 48
6 回转机构的设计 49
6.1回转支撑装置类型的选择 49
6.2回转滚盘的计算与选型 50
6.2.1计算回转支撑装置的最大静态载荷 50
6.2.2确定静态安全系数 51
6.2.3选择滚盘型号和校核 51
6.3回转机构传动方式的选择 53
7 推土铲的设计 54
7.1推土铲结构方案的选择 54
7.2推土铲结构尺寸的确定 54
7.2.1推土铲的宽度和高度 54
7.2.2曲面板的形状及参数 55
7.2.3 切削刃的结构和参数 57
7.2.4 顶推架的结构 57
7.2.5 推土铲液压缸的选取与铰点位置的确定 57
8 整机稳定性 60
8.1挖掘机的稳定性 60
8.2作业稳定性 61
9 使用与维护说明 63
9.1液压挖掘机操作环境与使用条件 63
9.2液压挖掘机使用要求及说明 63
9.3液压挖掘机日常的维护与说明 63
9.4液压挖掘机的操作规程 64
9.4.1作业前的技术准备 64
9.4.2作业与行驶中的技术要求 64
9.4.3作业后的技术工作 65
9.5液压挖掘机行走操作及注意事项 65
9.5.1液压挖掘机行走操作及注意事项如下 65
10 结论 67
参考文献 68
附录：图纸清单及编号 69
致谢 70
1 绪论
1.1本课题的目的和意义
小型多功能液压挖掘机（以后简称小挖）通常指标准斗容在0.25m3以下，或指机重在8T以内的挖掘机产品，产品归类为小型工程机械，在世界工程机械市场，属销量最大的工程机械产品之一。其主要适用场合为公路养护、园林绿化、小区建设、市政工程及农田建设等。小挖机动能力强、体积小，适合于各种土方量分散、作业范围狭窄的工况。路养护已经常规化，园林绿化有序进行，小区建设工程渐增，市政工程不断升级，农田建设正趋向机械化，小挖的应用优势恰得其所地得以发挥。它与挖斗、推土铲、液压破碎锤等多种作业装置配套使用后，具有挖掘、装载、清沟、破碎等多种功能。
小型无尾液压挖掘机的尾部长度为零，可以在狭窄地段方便的作业。受施工场地限制较少，在建筑物间、城市道路、园林绿化、挖掘沟槽等小型土方施工中比大中型挖掘机更有优势，即使在仅靠墙根时也能方便的进行回转和挖掘，与大型挖掘机相比，小型挖掘机设备的购买投入较少，使用成本相对较低。
由于我国目前正处于全面开展基础设施建设阶段，沿海地区正趋于基础建设逐步完善阶段，小挖应用的市场环境日益扩展并呈现可以预见的强劲后市，此时对小挖进行一些理论联系实际的研究显然具有重要的现实意义和长远的指导意义。
挖掘机的动力、底盘、和主工作装置设计的好坏很大程度上决定着挖掘机的整体性能，本课题在这些方面进行了研究。此外，为了适应挖掘机多功能化的需要，本课题还进行了附属推土铲的设计。
1.2国内外小型挖掘机的发展情况
1.2.1国内小型挖掘机的发展现状
国内挖掘机市场比装载机等工程机械起步晚，小挖则更晚。尽管近几年小挖在国内市场的发展速度很快，主要生产厂家已近20余家，市场销量增长率很高，但仍处于启动阶段。在国内小挖生产企业中，以广西玉柴为首，山河智能、江西南特、山东临挖、杭州军联等企业组成的中国小挖团队已经出具规模。
国内小挖目前已形成1.5T至8T全系列产品，并占有国内市场的主要份额，且略有出口。国内小挖目前的整体技术水平处于国际二十世纪八十年代末九十年代初水平，与国外先进技术的差距主要体现在整机匹配、微操作性能、维修性、可靠性及外观质量上。
现阶段我国的挖掘机仍处于仿制阶段，缺乏自主开发能力和发掘自身优势的意识。目前国产品牌的优势仍主要建立在价格优势和服务优势上，技术上还无法与国际先进水平相提并论。
未来的发展将在很长一段时间内受制于两大主要配件，一是动力，二是液压件。国产动力要抗衡进口动力尚需时日，而国产液压件取代进口液压件更需巨大努力。
1.2.2国外挖掘机目前水平及发展动向
工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40 m3单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。
（1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01 m3。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置——除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。
（2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。
（3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了CAPS（计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。
（4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性住处处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%-95%，使用寿命超过1万小时。
（5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。
（6）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量来裣，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增长率加；采用三回路液压系统。产生三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速成运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。
（7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机口音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。
总之，国外小挖目前水平与发展动向国外小挖目前水平完全可以称之为渐趋完美、渐入佳境，其功能的可靠性，操作的流畅性和舒适性不必详述，即使其驾驶室内的美观与质感也几可与国产轿车蓖美。
国外小挖目前的发展动向主要体现在：以一机多能为目标的多功能化；以提高操作性能为目标的智能化；以节能为目标的功率模式控制；以动态设计分析为基础的可靠性设计；以人为本的驾驶室设计；基于微电子技术的自动监控系统的发展。
1.3本设计研究的主要内容
本次所设计的挖掘机为无尾式小型液压挖掘机。设计的内容为总体设计，主要包括主工作臂的设计、底盘行走系统的设计和推土铲的设计。总体设计的优劣决定了其它零部件设计的质量，也决定了整机的性能。合理的、全面的总体设计是整个设计任务顺利完成的保证。因此，对整体设计必须从一个更高的层次出发，对整体设计必须提出更高的要求。
总体设计主要是对小型无尾液压挖掘机进行深入地分析，并提出切实可行的方案，对整体参数、整体布局、整体结构、整机系统及其主要零部件进行设计计算，最后再将其建模装配。在整体设计中，主工作装置的设计、底盘行走系统的设计是最重要的，也是整机设计的关键所在。因为对于整个挖掘机而言，主工作装置和底盘行走系是整个机器工作的前提和保证，它将决定整个机器的性能和质量。主工作装置的设计必须考虑全面，比如外形尺寸、形状、铰点布置、工作过程中不能相互干涉、强度、刚度等等。而对于底盘行走系统，履带式比轮式更加稳定，转弯半径更小，接地比压更大，附着性能更好，结构布置更加紧凑，执行操作更加方便。此次设计的主工作装置主要采用反铲装置，动臂部分主要采用整体式弯动臂，这样有利于得到较大的挖掘深度。斗杆部分主要采用整体式直动斗杆；铲斗部分采用道侧齿的铲斗。底盘行走系采用履带式行走底盘，在设计底盘过程中尽量采用标准件，以便更换方便。
1.4本课题的技术难点及主要手段
对于挖掘机的整体设计，其难点是主工作装置和底盘行走系的设计。主工作装置是整个机器的工作部分，它直接影响到整机的工作性能。它主要由动臂、斗杆、动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸组成。对于动臂、斗杆和铲斗的外形尺寸、形状、空间结构布局，主要是根据CASE系列及山河智能无尾式小型液压挖掘机类比来确定，最后经计算证明其设计也基本上满足要求，能够实现预期目标。底盘行走系是整个机械机体的支撑，它设计的好坏直接影响到整机的稳定性能和行使性能。对于底盘行走系，主要是由“四轮一带”、履带架和X型机架组成。我们经过现场调研后决定采用全液压挖掘机的底盘，即全液压驱动、转向和制动。全液压可以使其工作更方便，操作也更方便，还可以快捷顺利地实现无级变速。
这次设计所采用的主要设计手段是数值计算和计算机绘图（包括SolidWorks和清华天河2002）等。设计方法主要采用类比法和传统法。首先对整机所要求达到的技术目标进行分析和设定，再对机体中具有决定作用的零部件进行正确的分析，发现整个设计中的技术难点和解决问题的核心，从而找到相应的解决问题的方法，最终使问题得以解决。
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