機(jī)械制造專業(yè) 拖拉機(jī)后部挖掘機(jī)具擺臂設(shè)計

1、拖拉機(jī)后部挖掘機(jī)具擺臂設(shè)計【摘要】拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具，是拖拉機(jī)功能的工程拓展，在國外，拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，機(jī)具的安全性和穩(wěn)定性都比較好，國內(nèi)與之相比還有一定的差距。拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的工作性能與挖掘裝置的設(shè)計有很大的關(guān)聯(lián)，本文通過對拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的研究，通過嚴(yán)密的計算方法，設(shè)計一種有較好的安全性和穩(wěn)定性的拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具，希望可以在提高挖掘機(jī)具反鏟挖掘裝置性能方面提供一些具有實踐性意義的思路。【關(guān)鍵詞】拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具，反鏟挖掘裝置 AbstractAfter tractor excavating machine tools, it is the development of t

2、ractor function engineering. In foreign countries, the rear tractor excavator has developed very mature, the safety and stability of the machine tools are good, and there is a certain gap compared with it in China. There is a great connection between the working performance of the tractor rear excav

3、ator and the design of the excavator. Through the study of the tractor rear excavator, this paper designs a kind of rear tractor excavator with better safety and stability through the rigorous calculation method, and hopes to improve the performance of the excavating device of the backhoe of the exc

4、avator. Some practical ideas are provided.Key wordstractor rear excavating machine, backhoe digging device目 錄【摘要】I【關(guān)鍵詞】IABSTRACTIIKEY WORDSII1.緒論11.1拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具概述11.2拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具分類11.3國外拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具發(fā)展概況11.4國內(nèi)拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具發(fā)展概況21.5研究意義與主要內(nèi)容21.5.1研究意義21.5.2主要研究內(nèi)容22.后挖掘機(jī)具挖掘裝置的設(shè)計32.1工作裝置結(jié)構(gòu)與機(jī)具工作特點32.2后挖掘機(jī)具挖掘裝置的設(shè)計原則32.3拖拉

5、機(jī)后挖掘機(jī)具挖掘裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計分析42.3.1動臂機(jī)構(gòu)設(shè)計分析42.3.2斗桿機(jī)構(gòu)設(shè)計分析42.3.3鏟斗連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計分析52.3.4計算挖掘阻力52.3.5計算挖掘力62.4后挖掘機(jī)具挖掘裝置的參數(shù)計算72.4.1挖掘裝置主要參數(shù)82.4.2計算挖掘力8設(shè)計總結(jié)11參考文獻(xiàn)12IV1.緒論1.1拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具概述近些年，我國的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)得到了長足的發(fā)展，農(nóng)民的生活水平也相應(yīng)地得到了提升，農(nóng)用拖拉機(jī)的需求量也越來越多。在拖拉機(jī)上安裝上后挖掘機(jī)具后，可以用于園林養(yǎng)護(hù)、農(nóng)田水利建設(shè)、基坑開挖與回填等多個領(lǐng)域。拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具在工作時，通常不能進(jìn)行側(cè)移，而是利用回轉(zhuǎn)支承，挖掘工作裝置可以180回轉(zhuǎn)。拖

6、拉機(jī)后挖掘機(jī)具通常采用蛙腿式支撐作為支腿，蛙腿式支撐具有較好的穩(wěn)定性，有助于提升拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的挖掘能力。動臂懸掛系統(tǒng)在后挖掘機(jī)具中也較為常見，使用動臂懸掛系統(tǒng)，動臂油缸和動臂間，只需要很小的距離，就可以形成很大的動臂轉(zhuǎn)角。在拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具上，一般會安裝座椅，以便后挖掘機(jī)具的操作者可以直接看到挖掘?qū)ο蟆?.2拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具分類按照拖拉機(jī)與后挖掘機(jī)具的連接方式進(jìn)行分類，可以分為：1.后懸掛安裝式；2.固定安裝式。在拖拉機(jī)的后懸掛桿件上安裝后挖掘機(jī)具，這種方式即是后懸掛安裝式，這種安裝方式的優(yōu)勢在于：后挖掘機(jī)具拆卸方便，運輸便利。但是，選用后懸掛安裝式時，為了避免拖拉機(jī)提升器在進(jìn)行挖掘工作時

7、提升臂向上運動，需要增加限位裝置。采用固定安裝式時，后挖掘機(jī)具被固定在拖拉機(jī)上，這種連接方式穩(wěn)定性較好，但拆卸麻煩。按照后挖掘機(jī)具的動力取入方式進(jìn)行分類，可以分為：1.后挖掘機(jī)具由拖拉機(jī)的液壓輸出驅(qū)動作業(yè)；2.后挖掘機(jī)具由拖拉機(jī)后動力輸出軸驅(qū)動作業(yè)。采用拖拉機(jī)液壓輸出驅(qū)動時，拖拉機(jī)提升器的液壓輸出口直接連著后挖掘機(jī)具的液壓進(jìn)油口，后挖掘機(jī)具用的是拖拉機(jī)的液壓過濾系統(tǒng)，因此需要經(jīng)常清洗拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)。采用拖拉機(jī)后動力輸出軸驅(qū)動時，后挖掘機(jī)具通常自帶液壓過濾系統(tǒng)，使用時更方便一些。1.3國外拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具發(fā)展概況在國外，拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具已經(jīng)發(fā)展了近50年。英國最早研發(fā)出拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具，發(fā)展至

8、今，歐美國家每臺拖拉機(jī)售出時，幾乎都會帶有后挖掘機(jī)具。國外一些知名的拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，比如Kubota、AGCO、CNH Global等，這些企業(yè)在生產(chǎn)拖拉機(jī)時，都會生產(chǎn)與它們拖拉機(jī)配套的后挖掘機(jī)具。另外還有一些只生產(chǎn)后挖掘機(jī)具的知名企業(yè)，比如Machinery、LITW、Ansung等?？傮w而言，拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具在國外已經(jīng)發(fā)展到一個較高的高度，無論是機(jī)具的安全性還是操作性，都已經(jīng)非常成熟。1.4國內(nèi)拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具發(fā)展概況相比于國外，國內(nèi)的拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的發(fā)展相對落后，機(jī)具的可靠性和技術(shù)水平都落后于國外技術(shù)成熟的國家。隨著國內(nèi)新農(nóng)村建設(shè)的推進(jìn)，可以預(yù)見拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的發(fā)展有著廣闊的市場前景

9、。目前，國內(nèi)生產(chǎn)拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的廠家主要有：山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究所，桂林玉柴工程機(jī)械有限公司，江蘇悅達(dá)鹽城拖拉機(jī)制造有限公司等，國內(nèi)的拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具年產(chǎn)量接近1000臺，產(chǎn)品主要出口國外，內(nèi)銷極少。1.5研究意義與主要內(nèi)容1.5.1研究意義在實際生活中，拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具有著極其廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)的工程項目中，施工對象與技術(shù)一直在變化著，小型工程機(jī)械的需求量日益增加，其中便包括了拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具。目前，國內(nèi)的許多生產(chǎn)廠家在設(shè)計拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具時，通常是在參考液壓挖掘機(jī)工作裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的，這種設(shè)計模式，很難同時兼顧到拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，這主要是由于在工作原理上，挖掘機(jī)與拖

10、拉機(jī)后挖掘機(jī)具其實是有許多不同之處的，比如說：在動臂液壓缸的布置上，拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具使用的是支撐式，挖掘機(jī)使用的是懸掛式。在設(shè)計拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具時，除了要考慮發(fā)揮機(jī)具的挖掘力外，還需要考慮拖拉機(jī)在安裝后挖掘機(jī)具后，能否具備較好的穩(wěn)定性。本論文通過對拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的研究，希望可以為其設(shè)計工作提供一些創(chuàng)新性的計算方法。1.5.2主要研究內(nèi)容論文將對拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的結(jié)構(gòu)與工作特點進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一種有較好的安全性和使用性的拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具，使其可以充分發(fā)揮整機(jī)作業(yè)性能，并在市場競爭中占據(jù)一定的優(yōu)勢。2.后挖掘機(jī)具挖掘裝置的設(shè)計2.1工作裝置結(jié)構(gòu)與機(jī)具工作特點本質(zhì)上，拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具

11、中的反鏟工作裝置是平面連桿機(jī)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上，它使用的是鉸銷連接，反鏟工作裝置在工作時，各種操作是利用液壓缸的伸縮運動完成的，液壓缸的運動與配合，也決定了反鏟工作裝置的挖掘軌跡。在實際作業(yè)中，主要使用到的作業(yè)方式有以下三種：1. 鏟斗油缸挖掘；2. 斗桿油缸挖掘；3. 動臂油缸挖掘。其中，使用鏟斗油缸挖掘時，則以斗桿與鏟斗的鉸點為中心，挖掘軌跡是以此中心為圓心的特定半徑的圓弧線。以這種作業(yè)方式進(jìn)行挖掘時，挖掘行程短，要想讓鏟斗盡可能地裝滿土壤，必須得保障較大的挖掘力，以便在挖掘土壤時有大一些的厚度。因此，在挖掘裝置中，使用鏟斗油缸挖掘時，斗齒的設(shè)計挖掘力是最大的。使用斗桿油缸挖掘時，則以斗桿與動臂

12、的鉸點為中心，挖掘軌跡是以此中心為圓心的特定半徑的圓弧線。此種作業(yè)方式的挖掘行程較長，即使工作環(huán)境中的土質(zhì)堅硬，也能在鏟斗中裝滿土壤，通常，斗桿油缸挖掘在小型挖掘機(jī)具的實際工作中使用較多。使用動臂油缸挖掘時，拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的挖掘形成和挖掘半徑達(dá)到最大，以動臂的下鉸接點為中心，挖掘軌跡是以此中心為圓心的特定半徑的圓弧線，這種作業(yè)方式工作耗時長，且機(jī)具的挖掘力不能得到有效發(fā)揮，在實際工作中使用較少。圖2-1拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具簡圖2.2后挖掘機(jī)具挖掘裝置的設(shè)計原則1.滿足作業(yè)范圍和主要工作尺寸的要求。2.機(jī)具挖掘力大小符合要求。3.保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，盡量減輕機(jī)具的重量。4.保證機(jī)具的穩(wěn)定性。5.

13、保證機(jī)具的安全性。6.拆卸方便。2.3拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具挖掘裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計分析2.3.1動臂機(jī)構(gòu)設(shè)計分析如圖2-2所示，在本次設(shè)計中，動臂液壓缸設(shè)計在動臂上方，因為地面以下是機(jī)具的工作區(qū)域，為了讓機(jī)具能夠挖深，綜合考慮后，使用彎動臂作為挖掘裝置的動臂。出于動臂強(qiáng)度的考慮，彎動臂的彎角通常在120至140之間選取。為了讓設(shè)計的機(jī)具結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)中易于實現(xiàn)，彎動臂俯角通常大于-52，仰角通常小于45。出于對動臂液壓缸的穩(wěn)定性方面的考慮，通常，彎動臂的伸縮比1為1.6至1.7之間。在拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的設(shè)計中，動臂液壓缸的力臂比是一個重要的參數(shù)，其計算公式為：K4=e0ez，根據(jù)不同的使用需求，該參數(shù)設(shè)計為不

14、同的數(shù)值。當(dāng)?shù)孛嬉韵率峭诰騾^(qū)域時，K4應(yīng)取小于0.8的數(shù)值；當(dāng)設(shè)計機(jī)具為通用式挖掘裝置時，K4的取值應(yīng)在0.8至1.1之間。圖2-2挖掘裝置結(jié)構(gòu)簡圖2.3.2斗桿機(jī)構(gòu)設(shè)計分析在設(shè)計斗桿機(jī)構(gòu)時，需要對下列因素進(jìn)行考慮：1.在設(shè)計時，需要確保斗桿機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。2.需要保證斗桿機(jī)構(gòu)的閉鎖能力符合一定要求，以便充分發(fā)揮鏟斗的挖掘力。3.斗桿擺角應(yīng)該被控制在一定范圍內(nèi)，通常，如果是通用式挖掘裝置，斗桿擺角應(yīng)在100至120之間。2.3.3鏟斗連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計分析在本次設(shè)計中，使用四連桿機(jī)構(gòu)作為反鏟鏟斗機(jī)構(gòu)。在設(shè)計時，需要注意下列要素：1.在進(jìn)行挖掘工作時，鏟斗的轉(zhuǎn)角應(yīng)控制在90至110之間，但

15、考慮到運輸狀況和后續(xù)的機(jī)具卸載，鏟斗的總轉(zhuǎn)角應(yīng)控制在150至180之間。2.預(yù)估鏟斗在實際工作中可能遇到的最大挖掘阻力，以此為依據(jù)設(shè)計鏟斗理論上最大挖掘力。通常，在一半轉(zhuǎn)角行程的地方，土壤厚度最大，鏟斗碰到的挖掘阻力也達(dá)到最大。3.出于鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性考慮，鏟斗液壓缸的伸縮比3應(yīng)選取1.45至1.65之間的數(shù)值。2.3.4計算挖掘阻力在實際挖掘工作中，斗桿挖掘、轉(zhuǎn)斗挖掘以及復(fù)合挖掘都較為常見。如果土質(zhì)松軟，使用轉(zhuǎn)斗挖掘較多，如果土質(zhì)堅硬，則使用斗桿挖掘較多。計算鏟斗挖掘阻力，其切向分力的計算公式為：W1=CR1-cosmaxcosmax-1.35B.A.Z.X+D （2-1）字母取值代表意

16、義D視實際情況選定切削刃擠壓土壤的力X1.15斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)Z無齒時取1，有齒時取0.75斗齒系數(shù)A1.3切削角變化影響系數(shù)BB=1+2.6b切削刃寬度影響系數(shù)RR=I3鏟斗切削半徑其中，b表示的是鏟斗平均寬度。根據(jù)公式2-1得知，當(dāng)=max是，鏟斗挖掘阻力最大。圖2-3鏟斗挖掘阻力圖計算斗桿挖掘阻力，其計算公式為：W1g=K0q/0.01745r6g （2-3）字母取值代表意義r6/力臂K0查表可知挖掘比阻力g50至80之間總轉(zhuǎn)角其中，當(dāng)挖掘堅硬的土壤時，K0取值最大，從而計算得到斗桿挖掘的最大阻力。2.3.5計算挖掘力計算液壓缸的理論挖掘力挖掘力是拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具的重要性能指標(biāo)，它表示

17、的是鏟斗齒尖上的挖掘能力。而液壓缸理論上的推力帶動產(chǎn)生的斗齒切向挖掘力就是液壓缸的理論挖掘力。當(dāng)采用轉(zhuǎn)斗挖掘時，其液壓缸的理論挖掘力計算公式為：POD=P3r1r3r2r3=P3i=f(L3) （2-4）字母取值代表意義i/傳力比P3P3=F3p鏟斗油缸理論推力其中，F(xiàn)3表示的是鏟斗油缸大腔作用面積，p表示的是工作壓力。根據(jù)公式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)i=imax時，轉(zhuǎn)斗挖掘時的液壓缸理論挖掘力最大。圖2-4鏟斗液壓缸簡圖當(dāng)采用轉(zhuǎn)斗挖掘時，其液壓缸的理論挖掘力計算公式為：POG=P2r5r6=f(L2,L3) （2-5）字母取值代表意義r5、r6/力臂值P2P2=F2p斗桿油缸理論推力其中，F(xiàn)2表示的是斗

18、桿油缸大腔作用面積，p表示的是工作壓力。圖2-5斗桿液壓缸簡圖2.4后挖掘機(jī)具挖掘裝置的參數(shù)計算2.4.1挖掘裝置主要參數(shù)本次論文設(shè)計的拖拉機(jī)后挖掘機(jī)具，其挖掘裝置的主要參數(shù)如表2-1所示：表2-1挖掘裝置主要參數(shù)挖掘高度最大值3.770米卸載高度最大值2.110米挖掘深度最大值2.485米鏟斗容量0.08立方米鏟斗轉(zhuǎn)角160擺動角度最大值1802.4.2計算挖掘力2.4.2.1計算鏟斗油缸挖掘力鏟斗油缸推力的計算公式為：P3=4D2Py12字母取值代表意義Py120kg/cm油缸額定壓力10.95機(jī)械效率20.9管路效率D63mm油缸內(nèi)徑將數(shù)值代入公式計算后得出：P3=3196.7kg將P3

19、值代入公式2-4，得出鏟斗油缸的挖掘力，具體結(jié)果如表2-2所示：表2-2鏟斗油缸挖掘力油缸行程回轉(zhuǎn)角r1r2r3P（kg）8900188278325890890104630334314308132789011324535232629612948901213603483332801185890134990309340246906890144212023733821159989015201601403141743142.4.2.2計算斗桿油缸挖掘力斗桿油缸推力的計算公式為：P2=4D2Py12字母取值代表意義Py120kg/cm油缸額定壓力10.95機(jī)械效率20.9管路效率D80mm油缸內(nèi)徑將數(shù)值

20、代入公式計算后得出：P2=5154.6kg將P2值代入公式2-5，得出斗桿油缸的挖掘力，具體結(jié)果如表2-3所示：表2-3斗桿油缸挖掘力油缸行程回轉(zhuǎn)角作用力至回轉(zhuǎn)點距離挖掘力P2（kg）鏟斗轉(zhuǎn)35鏟斗轉(zhuǎn)48鏟斗全收回925028077279973692511103041311381179108692512204542211631205111092515209030884987981092515901052456756996442.4.2.3計算鏟斗油缸切削阻力使用鏟斗油缸進(jìn)行挖掘作業(yè)時，切削厚度和阻力的數(shù)值根據(jù)回轉(zhuǎn)角數(shù)值的變化而變化，相應(yīng)的計算結(jié)果如表2-4所示：表2-4鏟斗油缸切削阻力回轉(zhuǎn)角90120160切削阻力（kg）833623467切削厚度（mm）9.87.35.5符合要求。使用斗桿油缸進(jìn)行挖掘作業(yè)時，切削厚度和阻力的數(shù)值根據(jù)回轉(zhuǎn)角數(shù)值的變化而變化，相應(yīng)的計算結(jié)果如表2-5所示：表2-5鏟斗油缸切削阻力回轉(zhuǎn)角456096切削阻力（kg）鏟斗轉(zhuǎn)35699524328鏟斗轉(zhuǎn)4874555949鏟斗全收回678510299切削厚度（mm）鏟斗轉(zhuǎn)358.26.23.9鏟斗轉(zhuǎn)488.86.64.1鏟斗全收回863.5符合要求。綜上所述，本次設(shè)計基本滿