正鏟液壓挖掘機工作裝置尺寸設計與驗證方法

匡成驍

摘 要：該文綜合三種方法：根據挖掘機樣機比擬法算出大體尺寸、根據給定的工作參數來分析極限位置的幾何關系和根據水平推壓力的大小與力矩平衡方程，來設計挖掘機工作裝置的尺寸。然后在Soildworks中進行實體建模，通過裝配后再與生產的樣機進行比較，以驗證的該分析方法的正確性。

關鍵詞：挖掘機工作裝置 比擬法 極限位置 Soildworks實體建模

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-00-02

一方面隨著我國國民經濟、建筑機械和生產力水平的不斷提高，正鏟液壓挖掘機在大型土木建設、大自然改造事業中與反鏟挖掘機一樣得到了廣泛應用。另一方面CAE技術在機械設計及制造中不斷發展。該技術能夠提高設計效率，縮短開發周期有很大的幫助，同時又能大大提高產品的質量，可靠性和穩定性。最終對整個機械行業的產品競爭力產生極大的影響.本文便是以比擬法、極限位置分析和據水平推壓力三種方法結合計算出挖掘機的尺寸，然后在SOILDWORKS中進行實體建模，再與樣機進行比較，以驗證該分析方法的正確性。如圖1，液壓正鏟挖掘機的工作裝置主要由1-動臂，2-斗桿，3-鏟斗，4-動臂油缸，5-斗桿油缸，6-鏟斗油缸組成。如圖1所示。

為了方便工作裝置的計算，現把工作裝置簡化為圖2，并建立了以水平地面為橫坐標，回轉中心線為縱坐標的坐標系，各個絞點符號分別由A、B、C、D、E、G、H、I、J表示，θ1、θ2、θ3分別表示動臂相對水平面的轉角，動臂和斗桿的夾角，斗桿和鏟斗之間的夾角。得到液壓正鏟挖掘機工作裝置機構簡圖。如圖2所示。

1.1 比擬法確定工作裝置部分尺寸

比擬法：是借助于已有的大型液壓正鏟挖掘機的設計數據，以相似理論為基礎，確定要設計的尺寸。相似原理是通過對樣機進行放大或縮小以及模型試驗來確定實物結構參數、系列化產品的理論基礎。

設

已知美國某公司的挖掘機的整機質量為63 t，備有前卸式（斗容量q為3.8 m）鏟斗，通過比擬法可以求解出

斗容量q為4 m時，挖掘機的整機質量為66.3 t。根據經驗公式計算法：在概率統計的基礎上得出的以機重為基本參數的一系列經驗公式，公式中的經驗系數可從相關資料上中查得，線型參數比例關系由此可以確定正鏟臂長、斗桿長，即

臂長kl1=（1.1～1.3）取1.2 解得LAB=4.85（m）

斗桿長kl2=（0.8～0.95）取0.9解得LBG=3.645

1.2 由經驗公式確定鏟斗參數

已知斗容量q、鏟斗挖掘半徑Lgj和平均斗寬b、鏟斗挖掘裝滿轉角存在如下的關系

根據相關文獻可得LGJ=1.656此外LGI值的選擇原則是要滿足挖掘力要求的情況下，使鏟斗有足夠大的轉角范圍，同時還應保證鏟斗的結構剛度和強度，避免鏟斗連桿機構的干涉。所以取LGI=（0.3～0.38）×LGJ=0.579

1.3 由極限位置確定尺寸

鉸鏈A點位置可通過AF與水平面的夾角I11和LAF的長度確定。取而且考慮到在轉臺上的布置，由相關樣機參考可得LAF=1.02。

另外，LAF的長度對動臂液壓缸的作用力矩有影響，相應的提升力矩、閉鎖力矩也有變化.長度取LAF=（0.5～0.6）L1 min.所以L1 min=1.863。如圖可以根據工作參數確定下列極限位置的幾何

關系。

斗桿轉角可以由最大挖掘半徑確定。最大挖掘半徑是指：斗桿油缸全縮，使達到最大值，此時A、G兩點的距離最遠，再令A、G、J三點所在直線平行于水平地面。最大挖掘半徑的各絞點位置示意圖由圖3（A）所示。在圖3（A）中，由可以得知θ2max應大于下式。

圖3 極限位置關系

為最大挖掘半徑取9.06 m代入解得θ2max=115 °。同理可以根據最小挖掘半徑求出θ2MIN=43 ° L2 min=2.392、L2 max=4.00

根據最大挖掘高度求得LAGMAX=7.19、θ1MAX=82.3 °

根據最大挖掘深度求得θ1MAX=64.9 °

2.由水平推壓力確定LBE的尺寸

假設挖掘機的工況作業為水平推壓，及鏟斗斗底緊貼地面沿停機面向前運動。首先隔離斗桿和鏟斗，如圖

圖4 挖掘機受水平推壓力

對F點取力矩建立平衡方程：

F2e2+F3e3=Far2

式中Fa為斗桿挖掘力（推壓力）由經驗算得，Fa=393.7。F2為斗桿液壓缸推力，其值等于缸徑乘以系統壓力，算得F2=1039.8然后隔離鏟斗，對Q點建立力矩平衡方程：F3e3=Far3sinγ

兩式消去F3，得到推壓力Fa的計算公式：

式中：r2=3.645 r3=1.27 e3=0.445

解得e3=LBE=1.47。這樣挖掘機所有的工作裝置的尺寸都已經選用完畢。

3 基于Solidworks裝配模型的驗證

Solidworks是一套采用Parasolid圖形核心、基于Windows平臺、采用面向對象技術開發的CAD/CAM/CAE桌面集成系統。此軟件容易操作，功能強度，可以完成包括很復雜的曲面建模、三維造型和轉配在內的操作，并能輕松的生成零件轉配圖。能滿足用戶的需求，所以在全球的使用非常廣泛。

圖5 挖掘機轉配圖

如圖，根據以上所計算得到的尺寸值在Solidworks建立三維裝配圖模型，并附上適當的轉動和移動副，通過鼠標移動挖掘機的各個部件位置即可大致檢測出設計的工作尺寸是否合理。通過已有的樣機的對比，該設計的尺寸與樣機的尺寸相差不多。由此可知此設計的方法較為合理。

4 結語

結合參照樣機比擬法算出挖掘機大體尺寸、在給定極限位置的幾何關系分析和再根據水平推壓力的大小、力矩平衡的三種理論方法設計挖掘機。以上方法綜合了挖掘機各方面的考慮（包括推壓力、極限位置和已有的樣機尺寸），最終設計出挖掘機工作裝置的尺寸。

并且借助Solidworks三維造型技術、計算機可視化技術，觀察設計的整體效果。為正鏟液壓挖掘機工作裝置尺寸的初步設計與驗證其合理性提供了理論指導。

參考文獻

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