機械原理課程設計-正鏟液壓挖掘機工作裝置結構設計

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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的干燥基坑，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、 設計數據與要求 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的運動簡圖，確定機構的自由度，對其驅動油缸在幾種工況下的運動繪制運動線圖； 2、根據所提供的工作參數，對挖掘機工作機構進行尺度綜合

2、，確定工作機構各個桿件的長度； 3、用軟件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）對執(zhí)行機構進行運動仿真，并畫出輸出機構的位移、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、在機械基礎實驗室應用機構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驗系數表 - 19 - 附錄二 機構計算MATLAB程序 - 19 - 摘要 本文根據任務書要求的

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。然后根據已確定的桿長和作業(yè)范圍利用數學三角形知識以及MATLAB軟件求解得到各桿之間的轉角范圍。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，結合已求得的桿長與轉角，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，繪制出機構的速度與加速度簡圖。 一、機構簡介 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）一端與回轉臺鉸接，一端與動臂鉸接，形成動臂機構。斗桿缸兩端分別與動臂與斗桿鉸接，形成斗桿機構。鏟斗缸兩端分別與斗桿與鏟斗鉸接，形成四連桿轉斗機構(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，本文采用四連桿機構)。鏟斗根據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可以計算出機構的自由度F （1.1） 從（1.1）式可以看出機構有9各構件組成，其中有9個轉動副，3個移動副，0個高副。自由度為3，原動件數目為3，因此機構有確定的運動。 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，以過回轉臺的回轉中心的垂線為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基礎上用經驗公式預先確定C點坐標，以及、、的長度。 根據經驗公式及樣機尺寸出現參數，線性尺寸的經驗公式如下： （3.1） 上式中：為線性尺寸參數（m）；為線性尺寸系數，可查表而知；m為挖掘機整機質量（t）。 現已知最大挖掘半徑為，最大挖掘深度為，最大挖掘高度為。根

8、據已知數據與查表得到的系數，利用（3.1）式反解出挖掘機整機質量約為。 利用經驗系數表與經驗公式（3.1）式，再結合已求出的整機質量，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。綜合上述桿長數據如表3-1： 表3-1 機構桿長 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

9、數據得; （2）可以根據最小挖掘半徑確定 （3.3） 鏟斗與地面的夾角，是鏟斗設計的一個重要參數，參考樣機 帶入數據得： （1）根據最大挖掘高度確定 （3.3） 式中，先確定再根據確定，代入數據得： （2）根據最大挖掘深度確定 （3.4） 代入數據，其中以負值代入得: （1）鏟斗轉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） 綜合以上結果得表3-2： 表3-2機構轉角范圍

10、 角度 37 40 圖3-1為機構簡圖，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 ， ，，根據液壓缸設計要求，，，設計時可以初

11、選。 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?，F令，， ，通過參考樣機和經驗公式確定。將上述參數帶入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，，帶入數據得： 則令，，，，， （3.15） （3

12、.16） 將數據帶入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、。根據三角形余弦定理的下式： （3.17） 由于鏟斗是一個相對獨立的部分，根據參考樣機法，初定，，，，結合上文求得的轉角范圍帶入3.17式得：、、 現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 長度（m） 長度（m）

13、 角度（。） 0 0 70 0 3．4傳動角檢驗 對于油缸驅動，其傳動角可以從圖3-2中可以求出以油缸作為驅動的四桿機構的傳動角。 圖3-2油缸驅動傳動角 （3-18） (3-19) 利用3-18式，結合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、機構運動分析 本次設計利用UG軟件結合上文求出的數據，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：

14、 圖4-1 機構三維模型 將三維模型導入ADMADS軟件中（見圖4-2），建立轉動副和移動副，用ADAMS中的step函數進行運動仿真，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

15、-5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函數進行仿真。從圖中可以看出鏟斗液壓缸在仿真時間內角速度變化出現6個峰值，要減小角速度的峰值可以在step函數中延長仿真時間。圖中出現“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

16、變化曲線見下圖。 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 動臂轉角范圍 斗桿轉角

17、范圍 鏟斗轉角范圍 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，因此鏟斗轉角范圍無法達到130度，而最多可轉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采用六連桿機構。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。 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的可行性，圖像如下： 圖5-3 斗桿機構 5-4 鏟斗

18、機構 （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尺寸參數的確定方法》，廖漢元，武漢科技大學學報(自然科學版),1977 [3]《裝載機鏟斗基本參數的確定》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驗系數表 附錄二 機構計算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 %已知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