正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置尺寸設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法

匡成驍

摘 要：該文綜合三種方法：根據(jù)挖掘機(jī)樣機(jī)比擬法算出大體尺寸、根據(jù)給定的工作參數(shù)來(lái)分析極限位置的幾何關(guān)系和根據(jù)水平推壓力的大小與力矩平衡方程，來(lái)設(shè)計(jì)挖掘機(jī)工作裝置的尺寸。然后在Soildworks中進(jìn)行實(shí)體建模，通過(guò)裝配后再與生產(chǎn)的樣機(jī)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證的該分析方法的正確性。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)工作裝置 比擬法 極限位置 Soildworks實(shí)體建模

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）02（c）-00-02

一方面隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、建筑機(jī)械和生產(chǎn)力水平的不斷提高，正鏟液壓挖掘機(jī)在大型土木建設(shè)、大自然改造事業(yè)中與反鏟挖掘機(jī)一樣得到了廣泛應(yīng)用。另一方面CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)及制造中不斷發(fā)展。該技術(shù)能夠提高設(shè)計(jì)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期有很大的幫助，同時(shí)又能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，可靠性和穩(wěn)定性。最終對(duì)整個(gè)機(jī)械行業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生極大的影響.本文便是以比擬法、極限位置分析和據(jù)水平推壓力三種方法結(jié)合計(jì)算出挖掘機(jī)的尺寸，然后在SOILDWORKS中進(jìn)行實(shí)體建模，再與樣機(jī)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該分析方法的正確性。如圖1，液壓正鏟挖掘機(jī)的工作裝置主要由1-動(dòng)臂，2-斗桿，3-鏟斗，4-動(dòng)臂油缸，5-斗桿油缸，6-鏟斗油缸組成。如圖1所示。

為了方便工作裝置的計(jì)算，現(xiàn)把工作裝置簡(jiǎn)化為圖2，并建立了以水平地面為橫坐標(biāo)，回轉(zhuǎn)中心線為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系，各個(gè)絞點(diǎn)符號(hào)分別由A、B、C、D、E、G、H、I、J表示，θ1、θ2、θ3分別表示動(dòng)臂相對(duì)水平面的轉(zhuǎn)角，動(dòng)臂和斗桿的夾角，斗桿和鏟斗之間的夾角。得到液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。如圖2所示。

1.1 比擬法確定工作裝置部分尺寸

比擬法：是借助于已有的大型液壓正鏟挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以相似理論為基礎(chǔ)，確定要設(shè)計(jì)的尺寸。相似原理是通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行放大或縮小以及模型試驗(yàn)來(lái)確定實(shí)物結(jié)構(gòu)參數(shù)、系列化產(chǎn)品的理論基礎(chǔ)。

設(shè)

已知美國(guó)某公司的挖掘機(jī)的整機(jī)質(zhì)量為63 t，備有前卸式（斗容量q為3.8 m）鏟斗，通過(guò)比擬法可以求解出

斗容量q為4 m時(shí)，挖掘機(jī)的整機(jī)質(zhì)量為66.3 t。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法：在概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上得出的以機(jī)重為基本參數(shù)的一系列經(jīng)驗(yàn)公式，公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)可從相關(guān)資料上中查得，線型參數(shù)比例關(guān)系由此可以確定正鏟臂長(zhǎng)、斗桿長(zhǎng)，即

臂長(zhǎng)kl1=（1.1～1.3）取1.2 解得LAB=4.85（m）

斗桿長(zhǎng)kl2=（0.8～0.95）取0.9解得LBG=3.645

1.2 由經(jīng)驗(yàn)公式確定鏟斗參數(shù)

已知斗容量q、鏟斗挖掘半徑Lgj和平均斗寬b、鏟斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角存在如下的關(guān)系

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可得LGJ=1.656此外LGI值的選擇原則是要滿足挖掘力要求的情況下，使鏟斗有足夠大的轉(zhuǎn)角范圍，同時(shí)還應(yīng)保證鏟斗的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，避免鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的干涉。所以取LGI=（0.3～0.38）×LGJ=0.579

1.3 由極限位置確定尺寸

鉸鏈A點(diǎn)位置可通過(guò)AF與水平面的夾角I11和LAF的長(zhǎng)度確定。取而且考慮到在轉(zhuǎn)臺(tái)上的布置，由相關(guān)樣機(jī)參考可得LAF=1.02。

另外，LAF的長(zhǎng)度對(duì)動(dòng)臂液壓缸的作用力矩有影響，相應(yīng)的提升力矩、閉鎖力矩也有變化.長(zhǎng)度取LAF=（0.5～0.6）L1 min.所以L1 min=1.863。如圖可以根據(jù)工作參數(shù)確定下列極限位置的幾何

關(guān)系。

斗桿轉(zhuǎn)角可以由最大挖掘半徑確定。最大挖掘半徑是指：斗桿油缸全縮，使達(dá)到最大值，此時(shí)A、G兩點(diǎn)的距離最遠(yuǎn)，再令A(yù)、G、J三點(diǎn)所在直線平行于水平地面。最大挖掘半徑的各絞點(diǎn)位置示意圖由圖3（A）所示。在圖3（A）中，由可以得知θ2max應(yīng)大于下式。

圖3 極限位置關(guān)系

為最大挖掘半徑取9.06 m代入解得θ2max=115 °。同理可以根據(jù)最小挖掘半徑求出θ2MIN=43 ° L2 min=2.392、L2 max=4.00

根據(jù)最大挖掘高度求得LAGMAX=7.19、θ1MAX=82.3 °

根據(jù)最大挖掘深度求得θ1MAX=64.9 °

2.由水平推壓力確定LBE的尺寸

假設(shè)挖掘機(jī)的工況作業(yè)為水平推壓，及鏟斗斗底緊貼地面沿停機(jī)面向前運(yùn)動(dòng)。首先隔離斗桿和鏟斗，如圖

圖4 挖掘機(jī)受水平推壓力

對(duì)F點(diǎn)取力矩建立平衡方程：

F2e2+F3e3=Far2

式中Fa為斗桿挖掘力（推壓力）由經(jīng)驗(yàn)算得，F(xiàn)a=393.7。F2為斗桿液壓缸推力，其值等于缸徑乘以系統(tǒng)壓力，算得F2=1039.8然后隔離鏟斗，對(duì)Q點(diǎn)建立力矩平衡方程：F3e3=Far3sinγ

兩式消去F3，得到推壓力Fa的計(jì)算公式：

式中：r2=3.645 r3=1.27 e3=0.445

解得e3=LBE=1.47。這樣挖掘機(jī)所有的工作裝置的尺寸都已經(jīng)選用完畢。

3 基于Solidworks裝配模型的驗(yàn)證

Solidworks是一套采用Parasolid圖形核心、基于Windows平臺(tái)、采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)開(kāi)發(fā)的CAD/CAM/CAE桌面集成系統(tǒng)。此軟件容易操作，功能強(qiáng)度，可以完成包括很復(fù)雜的曲面建模、三維造型和轉(zhuǎn)配在內(nèi)的操作，并能輕松的生成零件轉(zhuǎn)配圖。能滿足用戶的需求，所以在全球的使用非常廣泛。

圖5 挖掘機(jī)轉(zhuǎn)配圖

如圖，根據(jù)以上所計(jì)算得到的尺寸值在Solidworks建立三維裝配圖模型，并附上適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)副，通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)挖掘機(jī)的各個(gè)部件位置即可大致檢測(cè)出設(shè)計(jì)的工作尺寸是否合理。通過(guò)已有的樣機(jī)的對(duì)比，該設(shè)計(jì)的尺寸與樣機(jī)的尺寸相差不多。由此可知此設(shè)計(jì)的方法較為合理。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合參照樣機(jī)比擬法算出挖掘機(jī)大體尺寸、在給定極限位置的幾何關(guān)系分析和再根據(jù)水平推壓力的大小、力矩平衡的三種理論方法設(shè)計(jì)挖掘機(jī)。以上方法綜合了挖掘機(jī)各方面的考慮（包括推壓力、極限位置和已有的樣機(jī)尺寸），最終設(shè)計(jì)出挖掘機(jī)工作裝置的尺寸。

并且借助Solidworks三維造型技術(shù)、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，觀察設(shè)計(jì)的整體效果。為正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置尺寸的初步設(shè)計(jì)與驗(yàn)證其合理性提供了理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 史青錄，林慕義.單斗液壓挖掘機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京冶金工業(yè)出版社，2011.

[2] 楊瑩.正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[3] 殷國(guó)富，朱金波，衡良.Solidworks2011產(chǎn)品設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.