正铲液压挖掘机工作装置尺寸设计与验证方法

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- 方面随 着我国国民经济、建筑机 械和生产力水平的不断 提高，正铲液压挖掘机在大型土木建设，大 自然改造事业中与反铲挖掘机-样得 到了广泛应用。另-方面CAE技术在机械设计及制 造中不断发展。该技术能够提高设计效率，缩短开发周期有很大的帮助，同时又能大大提高产品的质量，可靠性和稳定性。最终对整个机械行业的产品竞争力产生极大的影响.本文便是以比拟法、极限位置分析和据水平推压力三种方法结合计算出挖掘机的尺寸，然后在SOILDWORKS中进行实体建模，再 与样 机进行比较，以验证该分析方法的正确性。如图l，液压正铲挖 掘机的工作装置主要由1-动臂，2-斗杆，3-铲斗，4～动臂油缸，5-斗杆油缸，6-铲斗油缸组成。如图1所示。

图1 正铲液压挖掘机工作装置1.正铲液压挖掘机工作装置设计根据给定的工作参数，如表1(以下单位均m)。

表1 工作参数设计参数 铲斗容量 挖掘深度 挖掘高度 挖掘半径 卸载高度4 3.2 9.52 9.06 7.9l为了方便工作装置的计算 ，现把工作装置简化为图2，并建立了以水平地 面为横坐标 ，回转中心线为纵坐标 的坐标系，各个绞 点符号分 别由A、B、C、D、E、G、H，1、J表示，0 、0 2、0 3分别表示动臂相对 水平面的转角，动臂和斗杆的夹角，斗杆和铲斗之 间的夹角。

1.1比拟法确定工作装置部分尺寸比拟法 ：是借助 r已有的大型液压 正铲挖掘机的设计数据 ，以相似 理论为基础，确定要设计的尺寸。相似 原理是通过对样机进行放大或缩小以及模型试验来确定实物结构 参数、系列化 产品的理论基矗、 设计机质量ml- 样机机质量mo ①作者简介：匡成骁 (1992-)，男，本科在读。研究方向：机械工程。

64 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald图2 机构简图线型参数比例关系： 。

斗容量参数 比例关系： 。y已知美 国某公司的挖掘机 的整机质量为63 t，备有前卸式 (斗容量q为3.8 m)铲斗，通过比拟法可以求解出设计机质量m 设计机斗容量qt样机机质量mo 设计机斗容量qo斗容量q为4 m时，挖掘机的整机质量为66.3 t。根 据经验公式计算法：在概率统计的基础上得出的以机重为基本参数的-系列经验公式，公式中的经验系数可从相关资料上中查得 ，线型参数比例关系 。 舭，qm 由此可以确定正铲 臂长 、 斗杆长，即臂长k1(1.1～1.3)取 1.2 解得L B4.85(m)斗杆长k2(0.8～0.95)取0.9解得LI G3.6451.2由经验公式确定铲斗参数已知斗容量q、铲斗挖掘半 径L 和平均斗宽b、铲斗挖掘装满转角20max存在如下的关系q0.5×乓6(2p max-sin2pma根据相关文献可得L 1.656此 9bL 值的选择原则是要满足挖掘力要求的情况下，使铲斗有足够大的转角范围，同时还应保证铲斗的结构刚度和强度，避免铲斗连杆机构的干涉。所 以取 L (0.3～0.38)×L 0.5791.3 由极限位置确定尺寸铰链A点位 置可通过AF与水平面的夹角I11和I AF的 长度确定。取13(I-45。而且考虑到在 转台 t的 布置，由相关样机参 考可得L r1.02。

另外，LAF的 长度对 动臂液压缸 的作用力矩 柯影响，相应的提升力矩 、闭锁 力矩也有变化 .长度取 L (0.5～0.6)I .. 所以L 1.863。如图可以根 据工作参数确定下列极限位置的儿何关系。

斗杆转角可以由最大挖掘半径确定 。最大挖掘半径是指：斗杆油缸全缩，使 ZABG达到最大值，此时A、G两点的距离最远，再令A、G、J三点所在直线平行于水平地面。最大挖掘半径 的各绞点位置示意图由图3(A)所示。在图3A)中，由AABG可以得知02 应工 业 技 术大干下式 。

Q：Science erlcI Technology Innovation Herald(A)最犬挖掘半经 (B)最小挖掘半经k.J(c)最大挖掘高度 (o)最大挖掘深度图3 极限位置关系‰ 。 每 二 x二 ] 2xL c XLhgRmx为最大挖 掘半 径取9.06 m代人解 得0 2maxl1 5 。。同理 可以根 据 最小 挖掘 半径 求出0 2 ， 43 。 L 2 2.392、L 2 4.00根据最大挖掘高度求得 。 7.19、01MAX82.3 。

2.由水平推压力确定 的尺寸假设挖掘机的工况作业 为水平推压，及铲斗斗底紧贴地面沿停机面向前运动。首先隔离斗杆和铲斗，如图图4 挖掘机受水平推压力对F点取力矩建立平衡方程：F2e2F，ejFar。

式中F 为斗杆挖掘力(推压力)由经验算得，F 393.7。F：为斗杆液压缸推力，其值等于缸径乘以系统压力，算得F：：1039.8然后隔离铲斗，对Q点建立力矩平衡方程：F3e3Far3sin7两式消去F3，得到推压力F 的计算公式：FaF2e2(1"2-13 e'siny/es)式中：r，3.645 r31.27 e 30.445解得e3L。 1.47。这样挖掘机 所有的工作装置的尺寸都 已经选用完毕。

3基于Solidwo rks装配模型的验证Solidworks是-套采用Parasolid图形核心、基于WindowS平台、采用面向对 象技术开发的cAD/CAM/cAE桌面集成 系统。

此软件容易操作，功能强度，可以完成包括很复杂的曲面建模、三维造型和转配在内的操作 ，并能轻松 的生成零件转配图。能满足用户的需求，所以在全球的使用非常广泛。

图5 挖掘机转配图如图，根据以上所计算得到的尺寸值在Solidworks建 立三 维装配图模型，并附上适当的转动和移动副 ，通过 鼠标移动挖 掘机的各个部件位置即可大致检测出设计的工作尺寸是否合理 。通过 已有的样机的对比，该设计的尺寸与样 机的尺寸相差不多。由此可知 此设计的方法较为合理。

4结语结合参照样机比拟法算出挖掘机大体尺寸、在给定极限位置的几何关 系分析和再根据水平推 压力的大小 、力矩平衡的三种理论方法设计挖掘机。以上方法综合了挖掘机各方面的考虑 (包括推压力、极限位置和已有的样机尺寸)，最终设计出挖掘机 工作装置的尺寸。

并且借助Solidworks三维造型技术 、计 算机可视化 技术，观察设计 的整体效果 。为正铲液压挖掘机 工作装置尺寸的初步设计与验证其合理性提供了理论指导。