中型液压挖掘机工作装置设计方法研究.pdf

1 9 4 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 8期 2 0 1 4年 8月 中型液压挖掘机工作装置设计方法研究 刘相 - - ， 柳波 ， 龚艳玲 ． 一 ， 张振海 1 ． 中南大学 机电工程学院， 湖南 长沙4 1 0 0 7 5 ； 2 ． 江苏徐州工程机械研究院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 0 ； 3 ． 山河智能装备集团， 湖南 长沙4 1 0 1 0 0 摘要 挖掘机在 国民经济建设的许多行业被广泛地采用， 工作装置是挖掘机直接承受工作载荷的主要构件 。 其结构强 度与挖掘机的可靠性和工作性能直接相关， 以2 3 t 液压挖掘机为蓝本， 在进行大量现场测绘的基础上。 提出了工作装置结 构设计的简明方法。 确定了2 3 t 液压挖掘机工作装置的结构方案和液压缸的布置方案。 针对设计要求， 对工作装置的运动 特性、 结构主参数进行分析计算。 根据挖掘机的工作特点， 在各种危险工况下， 验算工作装置各液压缸的闭锁压力和动臂 的提升力， 并进一步完成了载荷分析。在此基础上初估动臂、 斗杆的危险截面尺寸， 并校核其最大应力， 以确定最佳截面 尺寸。最后 ， 对动臂、 斗杆进行了强度校核， 验证了设计合理性， 证明该设计方法具有较好的工程实用价值。 关键词 液压挖掘机 ； 工作装置 ； 结构设计 ； 载荷分析 中图分 类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 8 0 1 9 4 0 4 Re s e a r c h o f W o r k i n g De v i c e’ S De s i g n Me t h o d i n Me d i u m- Si z e d Hy dr a u l i c E x c a v a t o r U U Xi a n g ， 一 ，L I U B o ．一 ，GONG Ya n l i n g ， 一 ， Z HANG Z h e n h a i 1 ． Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l En g i n e e ri n g C o l l e g e o f Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y，Hu n a n C h a n g s h a 41 0 0 7 5 ，Ch i n a ； 2 ．C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y I n s t i t u t e o f X u g o n g g r o u p ， J i a n g s u X v z h o u 2 2 1 0 0 0 ， C h i n a ； 3 ．S U N WA R D I n t e l l i g e n t Ma c h i n e ry C o ． ， L 【 d ， H u n a n C h a n g s h a 4 1 0 1 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t E x c a v a t o r s o ／ e w i d e l y u s e d i nm a n yi n d t r i e s i nt h e c o n s t r u c t i o n o fn a t i o n a l e c o n o m y , a n dt h e w o r k u n i t i s am a j o r c o m p o n e n t e x c avato r d i r e c t l y u n d e r wo r k i n g l o a n d t h e s t r u t t t r e s t r e n g t h i s d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e r e l i a b i l i t y a n d t h e w o r k i n g p e 咖 e a n d e x c ava t o r s ， a n d w i t h 2 3 t h y d r a u l i c e x c avat o r , o n t h e b a s i s ofa la r g e n u m b e r Q s u r v e y i n g a n d m o p p i n g , c o n c i s e m e t h o d ofw o r k i n g dev i c e s t r u c i u r e des i gn a r e p u t f o r w a r d it d e t e r m i n e s t h e s t r u c t u r e s c h e m e oft h e w o i n g e q u ip me n t a n d t h e l a y o u t s o l u t ion of t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ． I t c a c u l at e s a n d a n dy z e t h e m o t ion c h a r a c t e r i s t i c s a n d t he l o r d p a r a m e t e r s o ft h e s t r u c t u r e a c c o r d i n g t o t h e des i g n r e q u i r e m e n ts ． F u r t h e r m o r e ，acc o r d i n g t o t h e t r a i t s o f t h e e x c avat o r ，i t c h e c k s t h e l atc h i n g f o r c e o fw o r k dev ic e a n d t he l ifti n g for c e o ft h e n b me d o n s 0 ， d a n g e r o u s c o n d i t io ns． Me a n w h i l e ． i t acc o m p l is h e s t h e l o a d a n a l y s i s a n d i n t e nsi t y c a l c u l at i o n O n t h at b asis ，i t e s t i ma t e s t h e s i z e of t h e d a n g e r o us s e c t i o n a n d c h e c k t h e n l,o x i mu m s t r e s s i n o r der t o det e rmi ne t h e o p t i m a l n u me r i c a 1 ． A t l a s t ，i t c hec k s t h e s t r e n gth of s w i n g a r m a n d b u c k e t ， w h i c h v e r ifie s r at i o n a l i t yoft h e d e s i g n a n d s h o w e s t h att h is des i g nm e t h o dh a s f a v o u r a b l e e n g i n e e ri n g p r act ic a l v a l u e ． Ke y W o r d s Hy d r a u l i c E x c a v a t o r ； W o r k i n g Eq m p m e n t ； S t c m r M De s i g n ； Lo a d An My s i s 1引言 挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业 与民用建筑、 交通运输、 水利电气工程、 农田改造、 矿山采掘以及 现代化军事工程等等行业的机械化施工中。据统计， 一般工程施 工中约有 6 0 ％的土方量、 露天矿山中8 0 ％的剥离量和采掘量是 用挖掘机完成的【I 1。随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖 掘机的广泛应用 ， 挖掘机市场有着广阔的发展空间， 因此发展满 足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的。 工作装置是挖掘机直 接承受工作载荷的主要构件， 其结构强度与挖掘机的可靠性和工 作性能直接相关日 。 文献翻 利用 U G建立了液压挖掘机工作装置的三维模型并借 助 A D A M S进行了动力学仿真分析， 求出了工作过程中工作装置 关键点处力的变化规律； 杜文靖， 崔国华等 寸 工作装置进行了 5 种典型工况下的强度 、 变形及模态分析 ， 并结合实际产品开发进 行了验证。以 2 3 t 液压挖掘机为蓝本， 在进行大量现场测绘的基 础上， 提出了工作装置结构设计的简明方法。 来稿 日期 2 0 1 4 一 O 1 - o 2 基金项目 湖南省高等学校“ 十二五” 重点学科建设发展规划项 目 1 3 4 2 7 1 1 0 0 0 0 0 0 0 3 作者简介 刘相， 1 9 8 9 一 ， 男， 江苏徐州人， 硕士， 主要研究方向 工程机械机电液一体化； 柳波， 1 9 6 8 一 ， 男， 浙江龙泉人， 博士， 副教授， 高级工程师， 主要研究方向 液压传动与控制 第8 期 刘相等 中型液压挖掘机工作装置设计方法研究 1 9 5 2总体方案的比较与选择 2 ． 1反铲工作装置结构方案的选定 综合考虑设计要求、 成本性能以及市场机型通用方案， 本次 设计仍采用最普遍的整体式弯动臂和整体式斗杆。 这种配置具有 很高的性价比。 2 - 2液压缸布置方案 对于机重二十顿左右的中型挖掘机，动臂液压缸活塞杆铰 点一般设置在动臂箱体中间。 同时为保证闭锁能力一般都需要两 个动臂液压缸， 采用这种连接方式， 有利于液压缸的布置[5 1。在结 构上可以加筋板以保证强度。如图 1 所示。 图 1动臂液压缸布置方案 F i g ． 1 Ar r a n g e me n t o f t h e Bo o m Cy l i n d e r 对于铲斗与铲斗液压缸连接， 多采用六连杆方式 ， 这种方案 在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角， 改善了机构的传 动特性。六连杆方式又有两种方案， 如图2所示。 一一 图 2铲斗液压缸连接方式 Fi g ． 2 C o n n e c t i o n Mo d e o f t h e Bu c k e t Cy l i n d e r 在相同的条件下， 方案曰相比方案A有较大的传动比， 也就 可以产生更大的挖掘力， 因此方案 B更符合本次设计要求。 3工作装置结构主参数的计算 图 3工作装置自身几何参数计算简图 Fi g ．3 Sc h e ma t i c Di a g r a m o f Co mp u t i ng t h e Ge o me t r i c P a r a me t e r o f W o r k i n g De v i c e 工作装置为挖掘机的最重要部分，其结构部分除了要求满 足工作范围的需要， 还需有足够的强度、 刚度『句 ， 因此工作装置结 构主参数的确定就尤为重要， 合理的结构参数对于挖掘机的性能 具有极大影响。单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、 斗杆 、 铲斗 、 动臂 液压缸 、 斗杆液压缸 、 铲斗液压缸及连杆机构组 成的具有三 自由度的六杆机构。如图 3所示 。 根据上述计算简图， 结合 单斗液压挖掘机 所总结的成熟 的经验公式， 可以较快确定工作装置的各主要参数。 3 ． 1动臂主参数 l C Z F 1 2 0 。 ， K 3 J L 4 l l _2 ， X 5 0 0 Bin； Y A 1 2 0 0 m m ， ／ 2 3 0 71 mm， l 1 l l 2 5 5 2 9 mm ， 1 4 l 2 8 9 8 mm， ／ 4 2 3 4 7 8 mm ， o ／ 3 9 2 7 。 ， l 5 8 8 2 mm， 1 7 2 8 7 3 mm， 2 2 6 2 mm， L I ,, ,-- 3 6 1 8 ram 3 ． 2 斗杆主参数 e T m a x 9 0 6 mm ， 1 9 8 1 mm ， h 3 1 7 0 mm ， Z 8 2 8 5 0 mm ， ／_ E F Q 1 5 0 。 ， 斗杆摆角 8 2 。 ， LD F Z I O 。 3 。 3铲斗主参数 斗容量q 1 ．0 5 m 3 , 平均斗宽B 1 2 0 0 m m， ／ 3 1 4 5 0 mm， l u 5 0 8 m m 3 ． 4铲斗连杆机构基本参数的确定 铲斗转角不易太大， 太大会使斗齿平均的挖掘力降低 ， 初选 3 ll砒1 6 0。 。 连杆机构参数可通过优化设计方法确定 ， 限于篇幅， 在此处 通过查阅资料和对相关机型的测绘对照来完成。 初定各部分参数 如下 l z g H K 5 8 0 m m； ／ 3 MN 6 0 5 mm； l 2 1 N Q 4 5 5 mm； F NZ 2 _ Ⅳ Q 2 6 1 6 mm ； l jo GF 8 O O mm ； o ／ 6 -- G腓 6 0 。 则 G N 2 F N 2 G F 2 2x c o s厶GFNF NGF l l s G N 2 3 2 2 mm 3 ． 4 ． 1铲斗连杆机构传动比极值的计算 铲斗机构最大理论挖掘力应与铲斗最大挖掘力相适应。当 铲斗以 1 5 ～ 2 0 。 的仰角开始挖掘时， 最大挖掘力大致出现在 2 0 ～ 3 5 。 处。 我们可以连续做出铲斗的多个位置， 分别计算其传动比， 而后绘制曲线图， 得出传动比极值。 这种方法简单易行， 其计算结 果完全可以符合工程设计要求。在图 4中，从铰接点Ⅳ向线段 HK作垂线， 记为 r 2 ， 线段 N H记为 r I ， 线段 Q K记为 r 3 ， 斗齿尖到 铰接点 Q的距离记为 如 。 图4铲斗连杆机构传动比计算简图 F i g ．4 S c he ma t i c Di a gra m o f Co mp u t i n g t h e T r a n s mi s s i o n Ra t i o o f t h e Bu c k e t L i n k a g e 如图 4 ， 取线段 V Q和q N共线时， 为 0 。 转角起点， 顺时针转 动为正， 逆时针转动为负， 铲斗转角区间为一 2 O 。 到 1 4 0 , 转角范围 No． 8 A u g ． 2 0 1 4 机 械 设 计与 制造 1 9 7 表 5工况一与工况三的最大挖掘力 T a b ． 5 L a t c h i n g F o r c e o f Wo r k D e v ic e U n i t Mp a 5工作装置的载荷分析和强度计算 5 ． 1斗杆的计算 斗杆强度主要为弯矩所控制，故要找出斗杆中的最大弯矩 进行设计计算川 。 实验表明， 斗杆危险截面最大应力发生在铲斗挖 掘的情况下I ” 。近似计算时， 一般取两个位置 计算位置 I ， 该位置与闭锁力工况一类似， 只是工作状态是 铲斗挖掘， 斗杆缸和动臂缸被动闭锁。 计算位置 I I ， 条件为 I 动臂液压缸对转台铰点作用力臂最大； 2 斗杆液压缸作用力臂最大 ； 3 斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和动臂与斗杆铰点的延长 线上； 4 正常挖掘， 无侧向力作用。 我们将斗杆看做一根直梁， 只需获知各铰点处的受力， 便可 作处斗杆内力图， 进而确定危险截面， 计算出斗杆最大应力。 经计算， 动臂与斗杆的铰点 F处的弯矩最大， 且第二计算位 置的弯矩数值更大一些。 斗杆截面是一个箱型梁的形式， 根据焊接要求， 我们可把侧 板向内偏移 2 0 ra m， 在挖掘机中选用的结构钢材一般为 Q 3 4 5 ， 其 屈服极限o , 3 4 5 M P a 。 取安全系数 n 2 ． 1 ， 则斗杆的许用安全应力 为 1 6 4 ． 3 MP a 。 危险截面的有效面积 S 3 0 4 6 4 m m 2 , ， v 2 ．4 3 4 x l 0 9 m m 2 ,． 3 ．2 8 6 1 0 S mm 。 危险截面拉压应力 F --4 ． 7 MP a 3 0 4 6 4 mm‘ 截面所受到的最大弯曲正应力 、 M r x 0 ．5 一 h 33 7 720 N ． M x 40 0 x 一 1 0 s 5 5 ． 5 MP a u 一 一 一 一 一． d 』 r 2 I4 3 4 1 0 T Mzx O．5h 塑 3 I J _ 9 0 ． 8 M P a ， 一 _ 一 一 ■ 一一 7 u o l T J ■ n 3 ． 2 8 6 x1 0 则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有 o r 总 y or z O N l 5 MP a 【 or] s 由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要小得 多， 为简化计算， 在计算中剪应力忽略不计。 5 _ 2动臂的计算 动臂的载荷分析与强度计算类似于斗杆，一般近似计算采 用以下计算位置 计算位置 I ， 条件为 1 动臂液压缸全缩； 2 斗齿尖 、 铲斗与斗杆铰点、 斗杆与动臂铰点三点共线 ， 且 连线垂直 ； 3 侧齿遇障碍作用有横向力。 计算位置 I I ， 条件为 1 动臂液压缸对转台铰点作用力臂最大； 2 斗杆液压缸作用力臂最大； 3 铲斗位于发挥最大挖掘力位置， 进行正常挖掘。 动臂的截面形式与斗杆很相似。在计算位置 I I ， 动臂所承受 的弯矩更大， 应以之为基础进行强度校核。 动臂是一个弯梁结构， 为简化计算 ， 先将其看做两段直梁。 选取三个危险点进行校核， 安 全系数取 1 ． 6 ， 许用应力 2 1 6 MP a 。其应力数值， 如表 6所示。 表 6动臂危险点应力 单位 Mp a T a b ． 6 S t r e s s o f D a n g e r P o i n t s o f t h e B o o m U n i t Mp a 6结论 1 工作装置的运动特性、 结构设计和力学计算较为繁琐 ， 为节省时间， 需要尽快建立有一定可行性的简化模型， 在计算动 臂液压缸和斗杆液压缸危险工况闭锁力时， 文章提出了二维特性 多边形算法 ， 计算结果证明， 该方法能够满足工程应用的精度要 求。 2 液压挖掘机工作装置的设计方法已经相当完善， 依据成 熟的经验公式对挖掘机反铲工作装置进行了整体结构设计， 对以 后同类机型的设计开发具有较好的借鉴意义。 参考文献 [ 1 ] 同济大学．单斗液压挖掘机[ M] j B 京 中国建筑工业出版社， 1 9 8 6 ． T o n g j i U n i v e r s i t y ．S i n g l e B u c k e t H y d r a u l i c E x c a v a t o r [ M] ． B e i j i n g C h i n a B u i l d i n g I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 8 6 ． [ 2 ] 郭立新 ， 王守春， 郑春歧． 液压反铲挖掘机工作装置有限元动态分析 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 0 ， 1 1 1 2 1 3 3 8 3 4 0 ． G u o L i - x i n ， Wa n g S h o u- e h u n ．F i n i t e e l e m e n t d y n a m i c a n aly s i s o n w o r k i n g e q u i p m e n t o f b a c k h o e s i n g l e b u c k e t h y d r a u l i c e x c a v a t o r [ J ] ． C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 0 。 1 l 1 2 1 3 3 8 1 3 4 0 ． [ 3 ] 朱志辉， 周志革． 液压挖掘机工作装置的建模及动力学仿真[ J ] ．机械设 计与制造 ， 2 0 0 6 8 1 5 8 1 5 9 ． Z h u Z h i - h u i ， Z h o u Z h i - g e ． Mo d e l i n g and d y n a mi c s s i mu l a t i o n o f e x c a v a t o r w o r k d e v i c e [ J ] ． Ma c h i n e r y De s i g n＆Ma n u f a c t u r e ， 2 O O 6 8 1 5 8 1 5 9 ． [ 4 ] 杜文靖， 崔国华液 压挖掘机工作装置整体集成有限元分析[ J ] ．农业机 械学报， 2 0 0 7 ， 3 8 1 0 2 0 - 2 4 ． D u We n - j i n g ， C u i G u o - h u a ． I n t e g r a t i o n f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o n w h o l e w o r k i n g e q u i p me n t o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r [ J ] ．T r a n s a c t io n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g ri c u l t u r a l Ma c h i n e r y ， 2 0 0 7 ， 3 8 1 0 2 0-2 3 ， 1 9 ． [ 5 ] 孔德文， 赵克利． 液压挖掘机[ M] ．北京 化学工业出版社， 2 0 0 6 9 ． K o n g D e - w e n ， Z h a o K e - l i ． H y d r a u l i c E x c a v a t o r [ M] ． B e i j i n g C h e m i c al I n d u s t ry P r e s s ， 2 0 0 6 9 ． [ 6 ] 任友良．液压挖掘机工作装置结构性能分析[ D ] ． 杭州 浙江大学， 2 0 1 0 ． R e n Y o u - l i a n g ． S t r u c t u r a l p e r f o r ma n c e ana l y s i s o f t h e w o r k i n g d e v i c e o n h y d r a u l i c e x c a v a t o r [ D] ． H a n g z h o u Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， 2 0 1 0 ． [ 7 ] 杜文靖．液压挖掘机工作装置设计关键技术研究[ D ] ． 长春 吉林大学， 2 0 0 7 ． D u We n - ii n g ． R e s e a c h o n t h e k e y t e c h n o l o g y o f w o r k i n g d e v i c e d e s i gn o n h y d r a u l i c e x c a v a t o r [ D] ．C h a n g e h u n J i l i n U n i v e rs i t y ， 2 0 0 7 ． [ 8 ] 刘庆潭． 材料力学教程[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 4 ． L I U Q i n g - t a n ． Ma t e r i a l Me c h a n i c s C o u rse[ M] ． B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ． 2 0 0 6 4 ．