挖掘机的机械手臂的设计毕业设计.docx

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挖掘机的机械手臂的设计毕业设计

挖掘机的机械手臂的设计

摘要

挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机种。

由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。

挖掘机的主要特点为：

能无级调速且调速范围大，能得到较低的稳定转速，快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作高速反转，传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动，操纵省力，易实现自动化控制，易于实现标准化、系列化、通用化。

本次设计的主要参数是斗容量0.2m3它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作装置。

挖掘机的工作装置是直接完成挖掘任务的装置，本设计对工作装置的各个组成部分进行了较为详细的设计，这其中包括了动臂、斗杆和铲斗及其驱动装置的设计。

挖掘力约为30kN，最大卸载高度约为2.65m，最大挖掘深度4.2m，最大挖掘半径约为5.728m，从中可以看出整机作业能力有了很大的改进，不仅挖掘力大，且机器重量轻，传动平稳，作业效率高，结构紧凑。

关键词　挖掘机，机械手臂；斗杆

第1章绪论

1.1课题来源

在学校组织的金工实习期间，对挖掘机的机械手臂的结构和工作原理有了一定的了解，本课题来源于此。

1.2课题的研究的背景和意义

挖掘机械的最早雏形，主要用于河道。

港口的疏浚工作，第一台有确切记载的挖掘机械是1796年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”。

而能够模拟人的掘土工作，在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”于1835年在美国诞生，主要用于修筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有170多年历史。

1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。

由于科学技术的飞速发展，各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以节能、环保等方面有了长足的进步。

目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用，成为土石方施工不可缺少的重要机械设备。

挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。

它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。

因此，压挖掘机是一种周期作业的土方机械。

液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。

在建筑工程中，可用来挖掘土坑、排水沟，拆除废旧建筑物，平整场地等。

更换工作装置后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。

在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深原有河道等。

在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。

在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟和管道等。

在露天采矿场上，可用来剥离矿石或煤，也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。

在军事工程中，或用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物1。

所以，挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用。

据建筑施工部门统计，一台斗容量1.0m3的液压挖掘机挖掘Ⅰ～Ⅳ级土壤时，每班生产率大约相当于300～400个工人一天的工作量。

因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。

本文主要设计液压式挖掘机机械手臂。

1.3国内外的发展与现状

工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，P技术成熟。

美国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高市场占有率。

20世纪后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。

1833～1836年，美国人奥蒂斯设计和制造了第一台蒸汽机驱动、铁木混合结构、半回转、轨行式的单斗挖掘机，生产率为35立方米／时，但由于经济性差没有应用。

19世纪70年代经过改进的蒸汽铲正式生产并应用于露天矿剥离。

1880年又出现了第一批以拖拉机为底盘的半回转式蒸汽铲。

20世纪初至40年代末，挖掘机进入动力和行走装置多样化的阶段。

1910年，出现了第一台电机驱动的单斗挖掘机；1912年出现了汽油机和煤油机驱动的全回转式单斗挖掘机；1916年出产了柴油发电机驱动的开始采用。

轮胎式行走装置随着汽车工业的发展，广泛用于小型挖掘机1。

我国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m³；的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。

新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪30～40年代的W501.W502.W1001.W1002等型机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史。

由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂。

1967年开始，我国自主研制液压挖掘机。

早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。

随后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型和杭州重型机械厂的WY250型挖掘机等。

它们为我国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。

到20世纪80年代末，我国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达40余种。

中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0.1～2.5m³；等12个等级、20多种型号，还生产0.5～4.0m³；以及大型矿用10m³、12m³；机械传动单斗挖掘机，1m3隧道挖掘机，4m3长臂挖掘机，1000m³/h的排土机等，还开发了斗容量0.25m³；的船用液压挖掘机，斗容量0.4m³、0.6m³、0.8m³；的水陆两用挖掘机等。

但总的来说，我国挖掘机生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，有很大的差距。

近年来我国经济增长迅速，液压挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场空间，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。

国内一些工程机械待业的上市股分公司合资的方式介入了挖掘机产业，同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机，但在生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。

为了发展民族挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内外两个市场，在充分利用国际化配套的国外先进技术的基础上，增强自主创新意识，掌握核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强。

1.4本次设计概诉

本文通过对挖掘机的机械机械手臂的观察和了解，对挖掘机机械手臂进行研究，对挖掘机的动力臂尺寸设计，铲斗容量等进行设计，实现挖掘机机械手臂的运动与循环工作。

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图1-1　整体式弯动臂

液压反铲工作装置一般由动臂1、动臂液压缸2、斗杆液压缸3、斗杆4、铲斗液压缸5、铲斗6、连杆7和摇杆8等组成。

其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。

动臂1的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸2来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。

斗杆4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由斗杆液压缸3控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。

铲斗6则铰接于斗杆4的末端，通过铲斗液压缸5的伸缩来使铲斗绕铰点转动。

为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆7和摇杆8）与铲斗连接。

液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。

反铲液压挖掘机的工作过程为，先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作装置开始下一次作业循环。

动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。

转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由铲斗液压缸实现的。

由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。

在实际工作中，熟练的液压挖掘机人员可根据实际情况，合理操纵各个液压缸，往往是各液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。

例如，挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。

本次设计斗容量0.2m3挖掘机的机械手臂2。

第2章机械手臂的设计

2.1设计方案原则

设计合理的工作装置应能满足下列要求：

1．主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。

考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结构碰撞限制等的可能性。

2．具有一定的先进性。

3．功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短。

4．确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重。

5．作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。

采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便。

6．装置的结构型式和布置便于装拆和维修，尤其是易损件的更换。

7．要采取合理措施来满足特殊使用要求3。

2.2确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式

2.2.1确定动臂的结构形式

动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往决定于动臂的结构形式。

反铲动臂分为整体式和组合式两类。

直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机,如图3-1所示。

图2-1　整体式直动臂

采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。

整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意，有时采用三节变动臂有利于降低弯曲处的应力集中。

整体式动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。

它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。

为了扩大机械通用性，提高其利用率。

往往需要配备几套完全不通用的工作装置。

一般说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。

如图2-1所示。

组合式动臂一般都为弯臂形式。

其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。

组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。

组合式动臂的主要优点是：

1．工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。

当采用螺栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级调节。

2．较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的统一化问题。

因此其替换工作装置较多，替换也方便。

一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换。

3．装车运输比较方便。

4．由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用。

尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂较为合适。

本次设计作业条件比较单一，所以动臂选用整体式动臂4。

2.2.2确定斗杆的结构形式

斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置2～4个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。

有些反铲采用组合式斗杆。

2.2.3确定铲斗的结构形式和斗齿安装结构

1．确定铲斗的结构形式

铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大。

铲斗的作业对象繁多，作业条件也不同，用一个铲斗来适应任何作业对象和条件较困难。

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