学位论文挖掘机机械手臂的结构设计.docx

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学位论文挖掘机机械手臂的结构设计

毕业设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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学位论文原创性声明

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

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建议成绩：

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（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

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年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

挖掘机机械手臂的结构设计

摘要：

本文在搜集了国内外挖掘机相关资料的基础上，对挖掘机的技术发展动态进行了分析总结。

再对挖掘机的各宗工况进行了分析，系统总结了挖掘机动臂的设计要求。

设计上主要致力于分析和设计小型液压挖掘机的机械动臂。

选择了国内的质量和技术性能都接近设计要求的挖掘机作为参考，并在此基础上研究了国内外的先进机型，对挖掘机动臂的个组成部分进行分析。

机械动臂作为工作装置时挖掘机的重要组成部分，对挖掘机性能有着十分重要的影响。

国内外工程机械企业都十分重视对工作装置的设计。

要使工作装置的结构件设计得到不要可靠而又经济的结构尺寸和形状，就必须采用先进的设计手段。

而借助的计算机硬件和软件技术是实现设计优化的重要途径。

关键词：

设计要求、工作装置、设计优化

1引言挖掘机发展概况

1.1挖掘机的发展历史

挖掘机从发明到现在已经走过178年的历史，期间经历过从人力到蒸汽再到液压驱动。

作为工程机械行业里的“明珠”，挖掘机的发明和发展对节省人力提高工作效率发挥了巨大作用。

最早的挖掘机是以人力或畜力为动力，用于挖深河底的浚泥船，铲斗容量一般不超过0.2～O.3立方米。

图1.1挖掘机

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单斗挖掘机；1924年柴油机直接驱动开始用于单斗挖掘机上；履带式行走装置于1910年开始采用。

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。

30年代，出现了步行行走装置。

　　50年代中期，德国和法国相继研制出全回转式液压挖掘机，从此挖掘机的发展进入一个新阶段。

多斗挖掘机也有100多年的历史。

法国于1860年生产了世界上最早的、结构比较成熟的多斗挖掘机，用于苏伊士运河开挖工程。

1889年，美国生产的多斗挖沟机可挖宽0.29米、深1.4米的沟渠。

　　19世纪末，斗轮挖掘机在德国褐煤采掘中得到广泛应用，至1958年，每个铲斗容量已达3600升。

1977年，联邦德国制造了当时世界上最大的斗轮挖掘机，其生产率为24万立方米/日。

由于技术的进步，液压技术开始运用到制造领域。

20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式机械，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压机械。

　　初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于机械各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。

从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国机械制造厂和品种增加很快，产量猛增。

1.2挖掘机的类型及发展趋势

常见的挖掘机按驱动方式有内燃机驱动挖掘机和电力驱动挖掘机两种。

其中电动挖掘机主要应用在高原缺氧与地下矿井和其它一些易燃易爆的场所。

按照规模大小的不同，挖掘机可以分为大型挖掘机、中型挖掘机和小型挖掘机。

按照行走方式的不同，挖掘机可分为履带式挖掘机和轮式挖掘机。

按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖掘机。

机械挖掘机主要用在一些大型矿山上。

按照用途来分，挖掘机又可以分为通用挖掘机，矿用挖掘机，船用挖掘机，特种挖掘机等不同的类别。

按照铲斗来分，挖掘机又可以分为正铲挖掘机、反铲挖掘机、拉铲挖掘机和抓铲挖掘机。

正铲挖掘机多用于挖掘地表以上的物料，反铲挖掘机多用于挖掘地表以下的物料。

上个世纪末，我国工程机械就进入到一个与狼共舞的时代，像装载机市场原来几乎是国产机一统天下，但转眼之间就进入到了与别人分食市场的时代，而且再也回不到独享国内市场的时代，原来我们赖以生存的产品价格优势转瞬即逝，而产品的技术还未进一步提升就遭遇到国际巨头的挑战。

再看工程机械之王的挖掘机，过去几乎是外资品牌统一天下，经过十年不懈地努力，却也逐步争得了国内市场三分天下的非凡业绩。

就目前国产挖掘机的发展状况，及在今年展会上看到各企业所展现的一些亮点分述如下：

　　首先是注重人性化的技术提升。

过去在国产挖掘机的开发设计中，一直是以功能性开发为主导，保证可靠性与可维修性提升，但随着进口挖掘机和二手机不断冲击，一些人性化的设计理念全面进入到液压挖掘机的开发设计当中。

如展会大家所看到的，带空调的密封驾驶室，配有安全可调设施的座椅，方便的操作控制手柄，视野良好的显示屏幕，倒车视镜及报警装置等。

　　其次是注重细节性的制造工艺提升。

由于国产挖掘机是过去通过引进消化国外技术进行开发的，在制造过程中先追求的是注重外形相近的形似，后来逐步提

升到功能的不断改进，细节不断完善，现在参加展会的国产挖掘机大家就有了一种神形兼备的感觉了，这个也是各制造企业不断加强制造细节提升的结果。

如展会大家看到的国产挖掘机，比以往在外观件制造细节上有了明显提升，内部的液压管路布置，电器线的布置都有很大改观，包括结构件的焊接细节皆有变化等。

　　第三是注重规模化的品质提升。

目前的主要挖掘机制造企业大都具备了批量生产的能力，过去由于各企业生产规模局限，产品的零部件生产制造质量很难得到较好地保证，客户的抱怨也比较多，特别是零部件的可靠性和互换性，大多企业都经历过客户的严重不满，有时候可以看到参加展会的同一厂家，相同挖掘机在个别地方也有不同之处，现在仔细看一下，比过去就有很大进步。

　　第四是注重整机性能的创新提升。

挖掘机产品是工程机械企业多年引进吸收，不断攻关提高，逐步开发具有较高技术含量的工程机械产品，而且由于其作业对象复杂，使用条件苛刻，操作性能精准要求等，几乎是在接近破坏性标准作业的一种特殊工程机械。

加之其经常处于施工作业流程的顶端，直接关乎施工的质量与进度，所以这个众所瞩目的机械在施工作业过程中，一直是一个首当其冲的机械设备。

而且挖掘机是一种多用途机械，增加一些辅助作业装置后可以进行不同作业操作，在不断完善整机主要性能提升的同时，各个企业也都开始进行其它性能的创新开发，也是这十年来挖掘机不断创新的一个亮点。

如展会上大家看到的几个主要的挖掘机生产企业都推出了整机性能多样化的创新产品。

1.3挖掘机机械动臂结构的分析研究

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。

液压反铲工作装置一般由后臂、后臂液压缸、中臂液压缸、前臂、前臂液压缸、铲斗、底座、连杆和摇杆等组成。

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。

后臂的下铰点与回转平台铰接，并以后臂液压缸来支承动臂，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。

前臂铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，前臂与动臂的相对转角由中臂液压缸控制，当前臂液压缸伸缩时，前臂即可绕动臂上铰点转动。

铲斗则铰接于前臂的末端，通过前臂液压缸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（即连杆和摇杆）与铲斗连接。

图1.2整体式弯动臂

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机械动臂的设计

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

2.2确定后臂、前臂、铲斗的结构形式

2.2.1确定后臂的结构形式

后臂是工作装置中的主要构件，前臂的结构形式往往决定于后臂的结构形式。

反铲动臂分为整体式和组合式两类。

图2.1后臂

直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。

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。

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。

2.2.2确定前臂的结构形式

前臂也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用整体式前臂，当需要调节前臂长度或杠杆时采用更换前臂的办法，或者在前臂上设置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前臂。

图2.2前臂

2.2.3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。

为了满足各种特定情况，尽可能提高作业效率，通用反铲装置常配有甚至十多种斗容量不同，结构形式各异的铲斗。

目前，对铲斗结构形式的研究还处于现场试验、实验室试验或模型试验阶段，未建立起较系统的理论，但对各种铲斗结构形状的共同要求是：

①．有利于物料的自由流动，因此铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。

斗底的纵向剖面形状要适合各种物料的运动规律；

②．要使物料易于卸净。

用于粘土的铲斗卸载时不易卸净，因此延长了作业循环时间，降低了有效斗容量。

国外采用设有强制卸土的粘土铲斗；

③．为了使装进铲斗的物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗粒直径之比应大于4：

1。

当此比值大于50：

1时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物料为匀质；

④．装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便切入或破碎阻力较大有物料。

挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。

斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。

图2.3铲斗

2.2.4铲斗与前臂液压缸的连接方式

铲斗与铲斗液压缸有三种型式，其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同，图a为直接连接，铲斗、前臂与前臂液压缸组成四连杆机构。

图b中铲斗液压缸通过摇杆和连杆与铲斗相连，它们与前臂一起组成六连杆机构。

图a和图b类似，区别在于前者液压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。

图c的机构传动比与b差不多，但铲斗摆角位置顺时针方向转动了一个角度。

连接方式如下图。

六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。

六连杆方式b和d在液压缸行程相同时，后者能得到更大的铲斗转角，但其铲斗挖掘力的平均值较小。

图2.4铲斗也前臂液压缸的连接方式

2.3确定后臂、中臂、前臂油缸的铰点布置

反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。

在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的情况下，工作装置各铰点在布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。

2.3.1后臂油缸的布置

后臂油缸一般布置在后臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式：

①.油缸前倾布置方案，如图1-2所示，后臂油缸与后臂铰接于点。

当后臂油缸全伸出，将后臂举升至上极限位置，后臂油缸轴线向转台前方倾斜；

②.油缸后倾布置方案，如图1-2所示，当后臂油缸全伸出，将后臂举升到上极限位置时，后臂油缸轴线向后方倾斜

油缸全收缩时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即h1＜h2。

此外，在后倾方案中，后臂EF部分往往比前倾方案的长，因此后臂所受弯矩也比较大。

以上为后臂油缸后倾方案的缺点。

然而，后倾方案后臂下铰点C与后臂油缸下铰点D的距离CD比前倾方案的大，则后臂在上下两极位置时，后臂油缸的作用力臂Cp也较大。

因此，在后臂油缸作用力相同时，后倾方图为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘机将长后臂CE′F′改换成短后臂CE′F″，并配以长斗杆。

在最大深度处挖掘时，采用铲斗挖掘而还是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为h1′>h2。

图2.5后臂油缸前倾方案

显然，不论是后臂油缸前倾还是后倾方案，当C、D两铰点位置和CE长度均不变时，通过加大后臂油缸长度可以增大后臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘深度。

所以，在布置油缸时，应综合考虑后臂的结构、工作装置的作业尺寸及后臂举升力的挖掘力等因素。

本设计选用后臂油缸前倾布置方案。

2.3.2中臂油缸的布置

确定中臂油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。

①．保证中臂油缸产生足够的斗齿挖掘力。

即油缸从最短长度开始推伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。

油缸全伸时的力矩应该足以支承满载铲斗和斗杆静止不动。

油缸力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘范围可以取得越小一些；

②．保证斗杆的摆角范围。

斗杆摆角范围一般取100°～130°。

在斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于10cm。

一般来说，斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。

铰点位置的确定需要反复进行。

在计算中初定铰点位置，如不够合理，应进行适当修改。

图2.6铲斗摆角范围

2.3.3确定前臂油缸铰点应考虑以下因素

①．保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在前臂油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。

当前臂油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘应能使满载铲斗静止不动；

②．保证铲斗的摆角范围。

铲斗的摆角范围一般取140°～160，在特殊作业时可以大于180°，摆角位置可以按图1-3布置。

当前臂油缸全缩时，铲斗与前臂轴线夹角（在轴线上方）应大于10°,常取15°～25°，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落；

③．铲斗从位置Ⅰ到位置Ⅱ时图1-3，铲斗油缸作用力臂最大，这里能得到斗齿最大切削角度的1/2左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿挖掘力也最大。

实际上铲斗的切削转角是可变的。

在许多情况下，特别是进行复合动作挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于100°，而且铲斗也不一定都在初始位置Ⅰ开始挖掘。

因此，目前一般取位置Ⅰ至位置Ⅱ的转角为30°～50°，在这个角度范围内可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好地适应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力。

图2.7前臂铲斗油缸

2.4机械动臂工