機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、機(jī)械原理設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目： 正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介正鏟挖掘機(jī)的鏟土動(dòng)作形式。其特點(diǎn)是“前進(jìn)向上，強(qiáng)制切土。正鏟挖掘力大，能開(kāi)挖停機(jī)面以上的土，宜用于開(kāi)挖高度大于2m的枯燥基坑，正鏟的挖斗比同當(dāng)量的反鏟的挖掘機(jī)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與要求題號(hào)鏟斗容量挖掘深度挖掘高度挖掘半徑卸載高度C三、設(shè)計(jì)任務(wù)1、繪制挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，確定機(jī)構(gòu)的自由度，對(duì)其驅(qū)動(dòng)油缸在幾種工況下的運(yùn)動(dòng)繪制運(yùn)動(dòng)線圖；2、根據(jù)所提供的工作參數(shù)，對(duì)挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度綜合，確定工作機(jī)構(gòu)各個(gè)桿件的長(zhǎng)度；3、用軟件VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWO

2、RKS等均可對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并畫(huà)出輸出機(jī)構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。4、 編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)，其中應(yīng)包括設(shè)計(jì)思路、計(jì)算及運(yùn)動(dòng)模型建立過(guò)程以及效果分析等。5、在機(jī)械根底實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。完成日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師 目 錄摘要- 1 -一、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介- 1 -二、正鏟工作裝置斗齒尖的特殊位置- 2 - 2 - 2 - 3 - 3 -三、正鏟挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)- 3 - 4 - 4 - 4 - 5 - 6 - 6 - 7 - 8 - 9 -34傳動(dòng)角檢驗(yàn)- 10 -四、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析- 10 - 10 - 11 - 11 - 13 - 15 -五、

3、 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建模型- 16 -六、參考文獻(xiàn)- 18 -七、附錄- 19 -附錄一 機(jī)體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表- 19 -附錄二 機(jī)構(gòu)計(jì)算MATLAB程序- 19 -摘要本文根據(jù)任務(wù)書(shū)要求的挖掘機(jī)的作業(yè)范圍并參照樣機(jī)設(shè)計(jì)了正鏟液壓挖掘機(jī)的工作裝置，確定了挖掘機(jī)的動(dòng)臂長(zhǎng)，斗桿長(zhǎng)和鏟斗的尺寸。然后根據(jù)已確定的桿長(zhǎng)和作業(yè)范圍利用數(shù)學(xué)三角形知識(shí)以及MATLAB軟件求解得到各桿之間的轉(zhuǎn)角范圍。接著利用挖掘機(jī)設(shè)計(jì)理論中要求油缸起始力臂需大致相等這一條件，結(jié)合已求得的桿長(zhǎng)與轉(zhuǎn)角，進(jìn)一步確定出了各鉸點(diǎn)的位置，和油缸的尺寸與行程。根據(jù)已確定桿長(zhǎng)利用UG繪制出三維模型，并將三維模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，繪制

4、出機(jī)構(gòu)的速度與加速度簡(jiǎn)圖。一、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置見(jiàn)圖1-1有動(dòng)臂1，斗桿2，鏟斗3，工作液壓桿4組成。動(dòng)臂一端與回轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，另一端與斗桿一端鉸接，斗桿另一端與鏟斗鉸接。動(dòng)臂液壓缸雙缸一端與回轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，一端與動(dòng)臂鉸接，形成動(dòng)臂機(jī)構(gòu)。斗桿缸兩端分別與動(dòng)臂與斗桿鉸接，形成斗桿機(jī)構(gòu)。鏟斗缸兩端分別與斗桿與鏟斗鉸接，形成四連桿轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)(有時(shí)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(jī)構(gòu)，本文采用四連桿機(jī)構(gòu))。鏟斗根據(jù)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(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖從圖1-1可以計(jì)算出機(jī)構(gòu)的自由度F1.1從1.1式可以看出機(jī)構(gòu)有9各構(gòu)件組成，其中有9個(gè)

5、轉(zhuǎn)動(dòng)副，3個(gè)移動(dòng)副，0個(gè)高副。自由度為3，原動(dòng)件數(shù)目為3，因此機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。二、正鏟工作裝置斗齒尖的特殊位置首先建立直角坐標(biāo)系，正鏟挖掘機(jī)通常以停機(jī)平地面為x軸，以過(guò)回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心的垂線為y軸。動(dòng)臂為，斗桿為，鏟斗斗桿與鏟斗的鉸點(diǎn)到齒尖的距離。最大挖掘半徑見(jiàn)下列圖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(diǎn)的橫坐標(biāo)，其縱坐標(biāo)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(jiàn)圖2-2，這是動(dòng)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(jiàn)圖2-3，動(dòng)臂液壓缸全縮，斗桿FQ和QV垂直向下，即，2.3 圖2

6、-3最大挖掘深度 圖2-4停機(jī)平面最大挖掘半徑停機(jī)平面最大挖掘半徑見(jiàn)圖2-4，這時(shí)斗齒靠在地面，斗桿全伸，斗底平面與停機(jī)平面平行，QV與地面夾角為，2.4三、正鏟挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)正鏟挖掘機(jī)工作裝置時(shí)可在類(lèi)比法的根底上用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)先確定C點(diǎn)坐標(biāo)，以及、的長(zhǎng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及樣機(jī)尺寸出現(xiàn)參數(shù)，線性尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式如下：3.1上式中：為線性尺寸參數(shù)m；為線性尺寸系數(shù)，可查表而知；m為挖掘機(jī)整機(jī)質(zhì)量t。現(xiàn)最大挖掘半徑為，最大挖掘深度為，最大挖掘高度為。根據(jù)數(shù)據(jù)與查表得到的系數(shù)，利用3.1式反解出挖掘機(jī)整機(jī)質(zhì)量約為。利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表與經(jīng)驗(yàn)公式3.1式，再結(jié)合已求出的整機(jī)質(zhì)量，可以求出停機(jī)平面最大挖掘

7、半徑為；最小挖掘半徑；動(dòng)臂長(zhǎng)度為；斗桿長(zhǎng)度為 ；鏟斗長(zhǎng)度為；臂鉸的位置。綜合上述桿長(zhǎng)數(shù)據(jù)如表3-1：表3-1 機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)動(dòng)臂長(zhǎng)斗桿鏟斗最小挖掘半徑最大挖掘半徑停機(jī)平面最大挖掘半徑最大挖掘深度最大挖掘高度桿長(zhǎng)度m1可以根據(jù)最大挖掘半徑確定，推導(dǎo)過(guò)程省略，詳細(xì)可見(jiàn)參考文獻(xiàn)13.2帶入表1的數(shù)據(jù)得;2可以根據(jù)最小挖掘半徑確定3.3鏟斗與地面的夾角，是鏟斗設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，參考樣機(jī)帶入數(shù)據(jù)得：1根據(jù)最大挖掘高度確定3.3式中，先確定再根據(jù)確定，代入數(shù)據(jù)得：2根據(jù)最大挖掘深度確定3.4代入數(shù)據(jù)，其中以負(fù)值代入得:1鏟斗轉(zhuǎn)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3.62要滿足最大挖掘深度為使卸

8、料干凈要滿足下式 3.7綜合以上結(jié)果得表3-2：表3-2機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍角度3740圖3-1為機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，CJ為水平線，在此進(jìn)行符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)表3-3表3-3 符號(hào)說(shuō)明CACBABDFFEDEQGQKGK符號(hào)符號(hào)圖3-1正鏟挖掘機(jī)示意圖設(shè)液壓缸全伸與全縮的長(zhǎng)度為、，并假定液壓缸鉸點(diǎn)B不在動(dòng)臂中心線CF上，且,液壓缸起始力臂，終止力臂為。3.83.9設(shè)，根據(jù)液壓缸設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)時(shí)可以初選。通過(guò)解三角形和，、分別表示動(dòng)臂在和時(shí)的位置。3.103.11令，可得下式：3.123.13、中任意一個(gè)，即可確定其余三個(gè)參數(shù)。現(xiàn)令， ，通過(guò)參考樣機(jī)和經(jīng)驗(yàn)公式確定。將上述參數(shù)帶入3.12式和3.13式得：由上述求得的值可

9、以確定出,.見(jiàn)圖3-1，設(shè)鉸點(diǎn)D、E，斗桿液壓缸、，,F點(diǎn)起始起始力臂為，終止力臂為，令。利用同理利用動(dòng)臂液壓缸的求法可以求得斗桿液壓缸和鉸點(diǎn)位置，這里不再進(jìn)行推導(dǎo)，直接計(jì)算。3.14令，帶入數(shù)據(jù)得：那么令，3.153.16將數(shù)據(jù)帶入3.15式與3.16式得：，。初選，可得:,.見(jiàn)圖3-1，設(shè)液壓缸鉸點(diǎn)、，液壓缸始末長(zhǎng)度分別為、。根據(jù)三角形余弦定理的下式：3.17由于鏟斗是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的局部，根據(jù)參考樣機(jī)法，初定，結(jié)合上文求得的轉(zhuǎn)角范圍帶入3.17式得：、 現(xiàn)在正鏟挖掘機(jī)的工作裝置已全部求解出來(lái)，綜合見(jiàn)表3-4：表3-4正鏟挖掘機(jī)工作裝置參數(shù)長(zhǎng)度m長(zhǎng)度m角度。0070034傳動(dòng)角檢驗(yàn)對(duì)于油缸驅(qū)

10、動(dòng)，其傳動(dòng)角可以從圖3-2中可以求出以油缸作為驅(qū)動(dòng)的四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角。圖3-2油缸驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)角 3-18 (3-19)利用3-18式，結(jié)合MATLAB軟件可以求解出動(dòng)臂最小傳動(dòng)角，斗桿最小傳動(dòng)角，鏟斗最小傳動(dòng)角，可知設(shè)計(jì)符合要求。四、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析本次設(shè)計(jì)利用UG軟件結(jié)合上文求出的數(shù)據(jù)，繪制出挖掘機(jī)工作裝置的三維模型及其裝配圖主要部件，其余省略,見(jiàn)圖4-1：圖4-1 機(jī)構(gòu)三維模型將三維模型導(dǎo)入ADMADS軟件中見(jiàn)圖4-2，建立轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，用ADAMS中的step函數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，然后分析各桿件運(yùn)動(dòng)線圖圖4-2 ADAMS模型圖4-3為鏟尖在幾種工況下的運(yùn)動(dòng)軌跡圖4-3鏟尖運(yùn)動(dòng)軌跡圖4-4為鏟尖

11、的x-t圖，即鏟尖在x方向的位移與隨時(shí)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(shí)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4-5鏟尖y方向位移曲線圖4-6為鏟斗液壓缸角速度隨時(shí)間t的變化曲線圖，液壓缸相對(duì)于液壓桿的運(yùn)動(dòng)是利用ADAMS軟件中step函數(shù)進(jìn)行仿真。從圖中可以看出鏟斗液壓缸在仿真時(shí)間內(nèi)角速度變化出現(xiàn)6個(gè)峰值，要減小角速度的峰值可以在step函數(shù)中延長(zhǎng)仿真時(shí)間。圖中出現(xiàn)“尖點(diǎn)“主要原因是隨著時(shí)間變化的不同的液壓缸依次運(yùn)動(dòng)

12、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?yàn)椴煌簤焊滓来芜\(yùn)動(dòng)造成的，要減小加速度的峰值可以在step函數(shù)中延長(zhǎng)仿真時(shí)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變化曲線見(jiàn)下列圖。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(dòng)臂液壓缸角速度變化曲線圖4-11動(dòng)臂液壓缸角加速度變化曲線圖下列圖為鏟斗，斗桿、動(dòng)臂速度與加速度的變化曲線圖圖4-12鏟斗運(yùn)動(dòng)速度 圖4-13鏟斗運(yùn)動(dòng)加速度圖4-13斗桿運(yùn)動(dòng)速度 圖4-14斗桿運(yùn)動(dòng)加速度圖4-15動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)速度 圖4-16動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)加速

13、度表4-1 誤差計(jì)算挖掘高度挖掘深度挖掘半徑動(dòng)臂轉(zhuǎn)角范圍斗桿轉(zhuǎn)角范圍鏟斗轉(zhuǎn)角范圍設(shè)計(jì)值130實(shí)測(cè)值827975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(dòng)角大于30度，因此鏟斗轉(zhuǎn)角范圍無(wú)法到達(dá)130度，而最多可轉(zhuǎn)75度，造成的后果就是挖掘機(jī)作業(yè)范圍減小，可采取的措施是斗桿機(jī)構(gòu)采用六連桿機(jī)構(gòu)。由于從表4-1可知挖掘機(jī)作業(yè)誤差小于5%，滿足工程要求，因此可以不必重新設(shè)計(jì)斗桿機(jī)構(gòu)。5、 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建模型同過(guò)以上設(shè)計(jì)與分析，在機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)臺(tái)上搭建模型驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可行性，圖像如下：圖5-3 斗桿機(jī)構(gòu)5-4 鏟斗機(jī)構(gòu)ab圖5.5 模型總成六、參考文獻(xiàn)1?單斗液壓挖掘機(jī)第二版

14、?同濟(jì)大學(xué)編，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，19862?液壓正鏟挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)確實(shí)定方法?，廖漢元，武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),19773?裝載機(jī)鏟斗根本參數(shù)確實(shí)定?關(guān)志剛，水利電力機(jī)械，2003七、附錄附錄一 機(jī)體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表附錄二 機(jī)構(gòu)計(jì)算MATLAB程序%clcclear;L1=4.3;L2=3.3;L3=2;R0_min=4.2;R1_max=9.06;R2_max=8.7;H1_max=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,L

15、2,L3,R0_min,R1_max,H1_max,H2_max,x_c,y_c,zeta);%計(jì)算夾角范圍L7,L11_max,L11_min,alpha12=fun_arm_cylider(theta(1,1),theta(1,2),L5,k1)%計(jì)算臂鉸位置L8,L22_max,L22_min,alpha34=fun_link_cylider(theta(2,1),theta(2,2),L9,k2)%計(jì)算斗桿鉸位置theta_=theta*(180/pi)gamma1=;gamma2=;i=1;%尋找最小傳動(dòng)角theta1=theta(1,2);while (theta1<=the

16、ta(1,1) phi1(i)=alpha12+theta1; gamma1(i)=fun_driving_angle(L5,L7,phi1(i); i=i+1; theta1=theta1+0.001;endgamma1_min=min(gamma1')*(180/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

17、.001;endgamma2_min=min(gamma2')*(180/pi)subplot(1,2,1),%畫(huà)傳動(dòng)角的變化plot(phi1,gamma1);subplot(1,2,2),plot(phi2,gamma2);%計(jì)算動(dòng)臂缸鉸%輸入動(dòng)臂轉(zhuǎn)角范圍，以及初選L5值%輸出L7，以及液壓缸的長(zhǎng)度f(wàn)unction 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/

18、k*cos(theta_min)-cos(theta_max);alpha=alpha12+theta_max;beta=alpha12+theta_min;s=(2*lambda2*cos(beta)-2*cos(alpha)+sqrt(2*lambda2*cos(beta)-2*cos(alpha)2-4*(lambda2-1)2)/(2*(lambda2-1);r=sqrt(s2+1-2*s*cos(beta);L7=s*L5;L_min=r*L5;L_max=lambda*L_min;%計(jì)算斗桿液壓缸%輸入轉(zhuǎn)角范圍，及k值%輸出function L8,L_max,L_min,alpha

19、34=fun_link_cylider(theta2_max,theta2_min,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*lambda2*cos(beta)-2*cos(alpha)+sqrt(2*lambda2*cos(beta)-2*cos(alpha)2-4*(lambda2-1)2)/(2*(la

20、mbda2-1);r=sqrt(s2+1-2*s*cos(beta);L8=s*L9;L_min=r*L9;L_max=lambda*L_min;%L1,L2,L3桿長(zhǎng)%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(jì)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(L12+L22-(R1_max-L3-x_c)2)/(2*L1*L2);theta2_min=acos(L12+L22-(y_c-L3*sin(zeta)2-(R0_min-L3*cos(zeta)-x_c)2)/(2*L1*L2);L4_max=sqrt(L12+L22-2*L1*L2*cos(theta2_max);th