單斗反鏟挖掘機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)計(jì)算說明書

1、目錄第一章 緒論3第二章 反鏟挖掘機(jī)的總體設(shè)計(jì)42.1 挖掘機(jī)作業(yè)過程介紹42.2 挖掘機(jī)主要構(gòu)件尺寸的確定42.3 動(dòng)臂干涉及合理性檢查8第三章 典型工況下的受力分析93.1 工況1下各鉸接點(diǎn)的受力分析93.1.1 YZ平面上的受力分析93.1.2 XY平面內(nèi)受力分析123.2 工況2下動(dòng)臂的受力分析133.2.1 YZ平面的受力分析133.2.2 XY平面內(nèi)受力分析16第四章 動(dòng)臂的內(nèi)力圖174.1 工況1下的內(nèi)力圖174.2 工況2下的內(nèi)力圖17第五章 動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核195.1正應(yīng)力計(jì)算與校核195.2 切應(yīng)力計(jì)算與校核20第六章 銷軸與襯套的設(shè)計(jì)226.1 動(dòng)臂與機(jī)架鉸接處C點(diǎn)銷

2、軸設(shè)計(jì)226.2 動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂鉸接處B點(diǎn)銷軸設(shè)計(jì)236.3斗桿油缸與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)D處銷軸設(shè)計(jì)246.4 動(dòng)臂與斗桿鉸接點(diǎn)F點(diǎn)銷軸設(shè)計(jì)24第七章 穩(wěn)定性校核267.1 整體穩(wěn)定性校核267.1.1 平面整體穩(wěn)定性校核267.1.2 側(cè)向屈曲整體穩(wěn)定性校核277.2 局部穩(wěn)定性校核277.2.1 翼緣板的局部穩(wěn)定性277.2.2 腹板的局部穩(wěn)定性28第八章 焊縫校核29參考文獻(xiàn)31第一章 緒論液壓挖掘機(jī)是一種重要的工程機(jī)械，它的廣泛應(yīng)用對(duì)于減輕勞動(dòng)量，保證工程質(zhì)量，加快工程進(jìn)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率起了巨大的作用。傳統(tǒng)挖掘機(jī)中以反鏟單斗液壓挖掘機(jī)為常見挖掘機(jī)機(jī)型。反鏟挖掘機(jī)主要由機(jī)架、工作裝置及液壓輔助

3、裝置等組成。反鏟挖掘機(jī)工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)及油缸組成。常見的反鏟工作裝置總體來看屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，各部件之間采用鉸接方式并在液壓缸的作用下繞鉸接點(diǎn)擺動(dòng)，完成挖掘、提升和卸土等動(dòng)作，在此課程設(shè)計(jì)中主要介紹反鏟挖掘機(jī)工作裝置中動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。動(dòng)臂是工作裝置的主要部件之一，反鏟動(dòng)臂有整體式和組合式兩類；整體式動(dòng)臂又有直動(dòng)臂和彎動(dòng)臂兩種。直動(dòng)臂構(gòu)造簡(jiǎn)單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機(jī)。整體式彎動(dòng)臂有利于得到較大的挖掘深度，它是專用反鏟裝置的常見形式。整體式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕。它的缺點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)的挖掘曲線單一，適合于長(zhǎng)期用于想死作業(yè)的條件下。組合式

4、動(dòng)臂可以實(shí)現(xiàn)同一臺(tái)挖掘機(jī)不同的作業(yè)范圍，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。本文采用整體式彎動(dòng)臂。動(dòng)臂與機(jī)架、動(dòng)臂與斗桿都采用銷軸連接?？紤]到上述各類動(dòng)臂的優(yōu)缺點(diǎn)及結(jié)合實(shí)際工況，在這里動(dòng)臂采用整體式彎動(dòng)臂。第二章 反鏟挖掘機(jī)的總體設(shè)計(jì)2.1 挖掘機(jī)作業(yè)過程介紹液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程是以鏟斗的切削刃切削土壤并裝入斗內(nèi)。斗裝滿后提升，回轉(zhuǎn)到卸土位置進(jìn)行卸土。卸完后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到挖掘面進(jìn)行下次挖掘。本文主要對(duì)工作裝置的動(dòng)臂進(jìn)行分析，圖1-1是組成挖掘機(jī)動(dòng)臂的主要構(gòu)件。圖2-1 挖掘機(jī)動(dòng)臂的主要構(gòu)件示意圖動(dòng)臂下鉸接點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過動(dòng)臂油缸4的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)臂上鉸接點(diǎn)與斗

5、桿11相連，依靠斗桿油缸1使斗桿繞上鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，再結(jié)合鏟斗油缸10控制鏟斗5的翻轉(zhuǎn)等，最終實(shí)現(xiàn)挖掘作業(yè)。2.2 挖掘機(jī)主要構(gòu)件尺寸的確定如圖2-2，動(dòng)臂相關(guān)構(gòu)件的尺寸符號(hào)如圖所示：圖2-2此挖掘機(jī)斗容參照相關(guān)機(jī)型，選取相關(guān)參數(shù)如表2-1： 表2-1挖掘機(jī)最大挖掘半徑r10030mm斗寬 b1232mm動(dòng)臂油缸行程1305mm斗桿油缸行程1400mm鏟斗最大挖掘力149KN轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)制動(dòng)力矩150KNm最大工作壓力35MPa閉鎖壓力40MPa本裝置動(dòng)臂油缸采取兩個(gè)對(duì)稱布置形式，并且油缸與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)與動(dòng)臂彎點(diǎn)重合。下面開始計(jì)算動(dòng)臂的相關(guān)尺寸(1) 計(jì)算動(dòng)臂長(zhǎng)度及斗桿長(zhǎng)度取 ，為動(dòng)臂長(zhǎng)度與斗桿長(zhǎng)度的比

6、值，其參考范圍為1.52，又 ，其中：為鏟斗回轉(zhuǎn)半徑； 為鏟斗從開始接觸土壤到挖掘過程結(jié)束并脫離土壤的轉(zhuǎn)角 ，初選； 為松散系數(shù)，初選。從而得 =1300mm。近似取由于，從而解得。（2）計(jì)算上動(dòng)臂長(zhǎng)度及下動(dòng)臂長(zhǎng)度初選動(dòng)臂彎角，其中的參考范圍為，的參考范圍為1.11.3。 在動(dòng)臂組成的三角形CBF中，根據(jù)，得：。 （3）動(dòng)臂油缸最長(zhǎng)尺寸，最短尺寸及動(dòng)臂油缸缸徑及活塞桿直徑的確定 ，取，其中的參考范圍為1.61.8，依據(jù)上述兩式得 。初選=135mm =90mm。 （4）鉸點(diǎn)A與C之間的距離及AC與水平面間傾角的確定 由 取，由于此挖掘機(jī)為反鏟裝置， 取。 （5）斗桿油缸最長(zhǎng)尺寸和最短尺寸的確定

7、，初選斗桿油缸缸徑及活塞桿直徑由，取=1.65，得，初選=140mm =100mm。 （6）確定斗桿油缸的最大力臂，如圖2-3圖2-3 由 ， 又 為背壓，得。 （7）確定斗桿油缸在動(dòng)臂上鉸接點(diǎn)D的位置由于D點(diǎn)位置只是安裝斗桿油缸，故只需滿足有足夠安裝空間即可，取DF與CF 的夾角為. 取，得 （8）初選斗桿前厚段的夾角 （9）初步確定鉸點(diǎn)G的位置 。 （10）初選鏟斗油缸缸徑=120mm及活塞桿直徑=80mm （11）初選各連桿長(zhǎng)度2.3 動(dòng)臂干涉及合理性檢查（1）校核動(dòng)臂三角形ABC是否存在干涉 因?yàn)?所以動(dòng)臂三角形ABC不存在干涉。（2）動(dòng)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性將公式中的前述各值代入得，所以

8、動(dòng)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。第三章 典型工況下的受力分析對(duì)動(dòng)臂的強(qiáng)度分析應(yīng)以動(dòng)臂可能承受的最大載荷的工況作為計(jì)算工況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步可以選定如下2個(gè)：工況1：如圖所示，該工況動(dòng)臂油缸全縮、動(dòng)臂處于最低位置，動(dòng)臂與斗桿鉸接點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸接點(diǎn)、斗齒尖三點(diǎn)一線且垂直于停機(jī)面，即斗齒尖處于最大挖掘深度位置。工況2：動(dòng)臂油缸和斗桿油缸的作用力臂最大、鏟斗油缸工作、工作裝置處于發(fā)揮最大挖掘力姿態(tài)。3.1 工況1下各鉸接點(diǎn)的受力分析此姿態(tài)的示意圖如圖3-1所示： 圖3-13.1.1 YZ平面上的受力分析取鏟斗和斗桿為研究對(duì)象，受力如圖3-2所示：圖3-2 連桿傳動(dòng)比為其中：為鏟斗液壓缸對(duì)N點(diǎn)的作用力臂； 為連桿HK對(duì)

9、N點(diǎn)的作用力臂； 為連桿HK對(duì)Q點(diǎn)作用力臂，此三個(gè)力臂都可由示意圖3-1測(cè)出； 為鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑，已由前面求出。故可得i=0.14。挖掘機(jī)的理論挖掘力，為鏟斗油缸提供的力；根據(jù)得=389.4KN， 進(jìn)而得=54.5KN（1）隔離出鏟斗對(duì)Q點(diǎn)取矩 其中：為鏟斗繞Q點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的重力力臂；為鏟斗及土壤重量，取26KN；得 =61.7KN。 （2）求E點(diǎn)受力根據(jù)圖3-2，對(duì)F點(diǎn)取矩，有 其中：為鏟斗和斗桿重力對(duì)F點(diǎn)的力臂，可由示意圖3-1得出； 為斗桿油缸作用力對(duì)F點(diǎn)的力臂，可由示意圖3-1得出； 為鏟斗及斗桿的總重量，=38KN。解得：=523KN （3）求F點(diǎn)受力 ，得 。（4）求B點(diǎn)受力對(duì)動(dòng)臂受力分

10、析，如圖3-3:對(duì)C點(diǎn)取矩有 圖3-3其中：為力對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂，可由示意圖3-1得出； 為力對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂，為動(dòng)臂重力對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂，可由示意圖3-1得出； 為鏟斗油缸作用力對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂，可由示意圖3-1得出； 為動(dòng)臂油缸作用力 對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂，可由示意圖3-1得出。根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系有：=125.4KN ,=557.1KN,=523KN，各力的方向如圖3-3所示：得=1107KN，單個(gè)油缸所承受的壓力=/2=553.5KN動(dòng)臂油缸閉鎖力=572.3KN ，故 < ，動(dòng)臂油缸能夠承受。對(duì)動(dòng)臂依據(jù)：得：=866.7KN,=-544.6KN。3.1.2 XY平面內(nèi)受力分析

11、橫向力作用方向如圖3-4所示：為橫向力。 圖3-4橫向力作用下對(duì)C點(diǎn)和F點(diǎn)產(chǎn)生的橫向作用力為： 其中：為轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)力矩（已知）， 為斗齒尖至回轉(zhuǎn)中心的垂直距離（由圖3-1可以得出）。得：=57.9KN =-57.9KN橫向力作用下在C處和F處產(chǎn)生的橫向附加彎矩及附加扭矩為：471.9KNM 偏載在XY平面內(nèi)產(chǎn)生的彎矩為：3.2 工況2下動(dòng)臂的受力分析此工況為動(dòng)臂油缸作用力臂最大，鏟斗油缸作用力臂最大，鏟斗處于最大挖掘力姿態(tài)。此姿態(tài)下挖掘機(jī)的示意圖如圖3-5所示：圖3-53.2.1 YZ平面的受力分析以鏟斗和動(dòng)臂為研究對(duì)象，受力圖如圖3-6： 圖3-6（1） 求E點(diǎn)的受力對(duì)F點(diǎn)取矩有： 其中：為力

12、對(duì)F點(diǎn)的作用力臂；由圖3-5得出； 為對(duì)F點(diǎn)的作用力臂；由圖3-5得出； 為鏟斗油缸發(fā)揮最大的挖掘力，為149KN； 為鏟斗和斗桿的總重量，為38KN； 為斗桿油缸作用的最大力臂。得：=605.4KN。斗桿油缸的閉鎖力KN>，所以鏟斗油缸能承受此力。（2）求F點(diǎn)的受力依據(jù), 得=-666.1KN, =385.6KN（3）求B點(diǎn)的受力對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行受力分析，受力圖如圖3-7：圖3-7對(duì)C點(diǎn)取矩，有其中：為力對(duì)C點(diǎn)的作用力臂； 為對(duì)C點(diǎn)的作用力臂； 為力對(duì)C點(diǎn)的作用力臂； 為對(duì)C點(diǎn)的作用力臂；這些值可以從圖3-5上得出； 為動(dòng)臂的重力，取=20.33KN。又，得 。（4）求C點(diǎn)的受力根據(jù) 得=2

13、3.2KN ，=231.2KN。3.2.2 XY平面內(nèi)受力分析XY平面內(nèi)的受橫向力作用如圖3-7所示：圖3-7求橫向力作用下在F和C處產(chǎn)生的橫向力和= = 其中為斗齒尖至回轉(zhuǎn)中心的垂直距離，可以圖紙中測(cè)出；從而求得 =29.8KN，=-29.8KN橫向力作用下在F處和C處產(chǎn)生的附加彎矩和附加扭矩為：=118.8KNM =180.9KNM =47.6KNM =114.5KNM偏載在橫向平面內(nèi)產(chǎn)生的彎矩為：=91.8KNM第四章 動(dòng)臂的內(nèi)力圖4.1 工況1下的內(nèi)力圖根據(jù)第三章的受力分析，可得該工況下的YZ平面內(nèi)的軸力圖、YZ平面內(nèi)的剪力圖、YZ平面內(nèi)的彎矩圖、XY平面的剪力圖、XY平面內(nèi)的彎矩圖及

14、扭矩圖如圖4-1的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示： (a） （b) （c） (d) (e） （f）圖4-14.2 工況2下的內(nèi)力圖根據(jù)第三章的受力分析，可得該工況下的YZ平面內(nèi)的軸力圖、YZ平面內(nèi)的剪力圖、YZ平面內(nèi)的彎矩圖、XY平面的剪力圖、XY平面內(nèi)的彎矩圖及扭矩圖如圖4-2的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示： (a) (b) (c) (d) (e) (f)圖4-2根據(jù)上兩個(gè)工況的內(nèi)力圖可以得出，工況1姿態(tài)下，動(dòng)臂受力更大，且受力最大的位置為動(dòng)臂彎折處（B點(diǎn)),故可按工況1動(dòng)臂的受力狀況對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第五章 動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核根據(jù)上一章的分析可

15、知，動(dòng)臂的受力為彎扭組合狀態(tài)，在這擬用第三強(qiáng)度理論對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)及校核。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選動(dòng)臂鋼板的材料為低合金鋼16Mn，其屈服極限=350MPa，初選安全系數(shù)S=1.5；初步選擇動(dòng)臂底板的寬度=420mm，底板的厚度=18mm。由于上動(dòng)臂所受的載荷較大，取上下動(dòng)臂側(cè)板的厚度=18mm，參考有關(guān)機(jī)型，初選動(dòng)臂拐彎處截面高度h=500mm。動(dòng)臂拐彎處截面如圖5-1所示：圖5-15.1正應(yīng)力計(jì)算與校核（1） YZ平面內(nèi)彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力計(jì)算 其中： 可由平面內(nèi)彎矩圖看出，其值為477KNm； 為X向抗彎截面系數(shù)，其值為，慣性矩； 又 把上述初選值帶入即可得，進(jìn)而得出=98.7MPa。（2） XY平面內(nèi)彎矩

16、產(chǎn)生的正應(yīng)力計(jì)算 其中：可由工況1下XY平面內(nèi)彎矩圖看出，其值為352.4KNm，為Z向抗彎截面系數(shù)，其值為 ；又 ，把上述初選的值代入即可得，進(jìn)而得出=80.4MPa（3） 軸力產(chǎn)生的正應(yīng)力其中：N為軸力，其值為1008KN； 為危險(xiǎn)截面面積；將的值代入即可得=，從而得=31.7MPa綜上可得此工況下，動(dòng)臂危險(xiǎn)截面所受的正應(yīng)力5.2 切應(yīng)力計(jì)算與校核（1） YZ平面剪力產(chǎn)生的切應(yīng)力根據(jù)薄壁閉合截面的剪力切應(yīng)力公式，確定：將初選值代入上式即可得=，又最大切應(yīng)力為：將上述值代入即得=11.3MPa。（2） XZ平面剪力產(chǎn)生的切應(yīng)力根據(jù)薄壁閉合截面的剪力切應(yīng)力公式，確定：=將初選值代入上式即可得=

17、，從而可得此時(shí)最大切應(yīng)力=4.9MPa。（3） 扭矩產(chǎn)生的切應(yīng)力根據(jù)薄壁閉合截面在扭矩下的切應(yīng)力流公式得到抗扭截面系數(shù)：=根據(jù) T根據(jù)扭矩圖可得，其值為180.9KNm，從而可得=41.5MPa，由于和無法在同一點(diǎn)取到最大值，由于值較小，我們將其忽略得最大切應(yīng)力為：。依據(jù)第三強(qiáng)度理論： 將上述求得的和代入上式有<所以所設(shè)計(jì)的彎曲部分截面滿足第三強(qiáng)度理論。第七章 穩(wěn)定性校核7.1 整體穩(wěn)定性校核7.1.1 平面整體穩(wěn)定性校核根據(jù)動(dòng)臂的內(nèi)力圖可知，上動(dòng)臂屬于壓彎構(gòu)件。對(duì)于壓彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算可以根據(jù)下式計(jì)算：其中：N構(gòu)件的軸向力； 按構(gòu)件的最大長(zhǎng)細(xì)比選取的軸心壓桿穩(wěn)定系數(shù)； 構(gòu)件對(duì)x和z

18、軸的歐拉臨界載荷； 軸壓穩(wěn)定系數(shù)的修正系數(shù)；當(dāng)算得的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)細(xì)比<85時(shí)對(duì)應(yīng)的軸的基本彎矩可不增大，這時(shí)可以按下面簡(jiǎn)化公式用于整體穩(wěn)定性驗(yàn)算：因此可以通過先判斷的大小，進(jìn)而選取公式進(jìn)行求解。下面開始計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比的值，由于由于在XZ平面內(nèi)上動(dòng)臂可認(rèn)為是兩端固定，故查表取取0.5，在YZ平面內(nèi)上動(dòng)臂視作兩端鉸接，查表取=1，根據(jù)公式：其中：根據(jù)承載方式而定的等截面柱的長(zhǎng)度系數(shù)； 依截面變化情況確定的兩斷鉸接變截面柱的長(zhǎng)度換算系數(shù)； 變截面柱的長(zhǎng)度； 構(gòu)件毛截面的最小慣性矩； A構(gòu)件毛截面面積；由于YZ平面取的更大，故在YZ平面上穩(wěn)定性更差，所以此驗(yàn)算只需驗(yàn)算YZ平面的穩(wěn)定性即可，即公式中的變?yōu)椋?/p>

19、變?yōu)?。又，l=2.72m，A=，查表取=1.15，將這些值代入公式，最終得=78.7<85，故可以按照簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算。驗(yàn)算，公式中N=1008KN，查表取=0.643，再根據(jù)第五章的求解，即得18.7+98.7+80.4=197.8MPa<，故動(dòng)臂滿足整體穩(wěn)定性要求。7.1.2 側(cè)向屈曲整體穩(wěn)定性校核對(duì)于箱型梁結(jié)構(gòu)，若梁的高寬比（b為兩腹板之間的距離），則梁的整體穩(wěn)定性不需要驗(yàn)算。由于此設(shè)計(jì)的動(dòng)臂高寬比，故不需要對(duì)其再進(jìn)行驗(yàn)算。7.2 局部穩(wěn)定性校核板的局部穩(wěn)定性與其寬厚比有關(guān)，由于動(dòng)臂中翼緣板和腹板的厚度保持不變，在動(dòng)臂彎曲段其寬度最大且受力最大，因此若出現(xiàn)局部失穩(wěn)則必定先出現(xiàn)在動(dòng)臂彎曲段。對(duì)此段截面進(jìn)行局部穩(wěn)定性校核可以保證動(dòng)臂