正铲液压挖掘机工作装置尺寸设计与验证方法

匡成骁

摘 要：该文综合三种方法：根据挖掘机样机比拟法算出大体尺寸、根据给定的工作参数来分析极限位置的几何关系和根据水平推压力的大小与力矩平衡方程，来设计挖掘机工作装置的尺寸。然后在Soildworks中进行实体建模，通过装配后再与生产的样机进行比较，以验证的该分析方法的正确性。

关键词：挖掘机工作装置 比拟法 极限位置 Soildworks实体建模

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-00-02

一方面随着我国国民经济、建筑机械和生产力水平的不断提高，正铲液压挖掘机在大型土木建设、大自然改造事业中与反铲挖掘机一样得到了广泛应用。另一方面CAE技术在机械设计及制造中不断发展。该技术能够提高设计效率，缩短开发周期有很大的帮助，同时又能大大提高产品的质量，可靠性和稳定性。最终对整个机械行业的产品竞争力产生极大的影响.本文便是以比拟法、极限位置分析和据水平推压力三种方法结合计算出挖掘机的尺寸，然后在SOILDWORKS中进行实体建模，再与样机进行比较，以验证该分析方法的正确性。如图1，液压正铲挖掘机的工作装置主要由1-动臂，2-斗杆，3-铲斗，4-动臂油缸，5-斗杆油缸，6-铲斗油缸组成。如图1所示。

为了方便工作装置的计算，现把工作装置简化为图2，并建立了以水平地面为横坐标，回转中心线为纵坐标的坐标系，各个绞点符号分别由A、B、C、D、E、G、H、I、J表示，θ1、θ2、θ3分别表示动臂相对水平面的转角，动臂和斗杆的夹角，斗杆和铲斗之间的夹角。得到液压正铲挖掘机工作装置机构简图。如图2所示。

1.1 比拟法确定工作装置部分尺寸

比拟法：是借助于已有的大型液压正铲挖掘机的设计数据，以相似理论为基础，确定要设计的尺寸。相似原理是通过对样机进行放大或缩小以及模型试验来确定实物结构参数、系列化产品的理论基础。

设

已知美国某公司的挖掘机的整机质量为63 t，备有前卸式（斗容量q为3.8 m）铲斗，通过比拟法可以求解出

斗容量q为4 m时，挖掘机的整机质量为66.3 t。根据经验公式计算法：在概率统计的基础上得出的以机重为基本参数的一系列经验公式，公式中的经验系数可从相关资料上中查得，线型参数比例关系由此可以确定正铲臂长、斗杆长，即

臂长kl1=（1.1～1.3）取1.2 解得LAB=4.85（m）

斗杆长kl2=（0.8～0.95）取0.9解得LBG=3.645

1.2 由经验公式确定铲斗参数

已知斗容量q、铲斗挖掘半径Lgj和平均斗宽b、铲斗挖掘装满转角存在如下的关系

根据相关文献可得LGJ=1.656此外LGI值的选择原则是要满足挖掘力要求的情况下，使铲斗有足够大的转角范围，同时还应保证铲斗的结构刚度和强度，避免铲斗连杆机构的干涉。所以取LGI=（0.3～0.38）×LGJ=0.579

1.3 由极限位置确定尺寸

铰链A点位置可通过AF与水平面的夹角I11和LAF的长度确定。取而且考虑到在转台上的布置，由相关样机参考可得LAF=1.02。

另外，LAF的长度对动臂液压缸的作用力矩有影响，相应的提升力矩、闭锁力矩也有变化.长度取LAF=（0.5～0.6）L1 min.所以L1 min=1.863。如图可以根据工作参数确定下列极限位置的几何

关系。

斗杆转角可以由最大挖掘半径确定。最大挖掘半径是指：斗杆油缸全缩，使达到最大值，此时A、G两点的距离最远，再令A、G、J三点所在直线平行于水平地面。最大挖掘半径的各绞点位置示意图由图3（A）所示。在图3（A）中，由可以得知θ2max应大于下式。

图3 极限位置关系

为最大挖掘半径取9.06 m代入解得θ2max=115 °。同理可以根据最小挖掘半径求出θ2MIN=43 ° L2 min=2.392、L2 max=4.00

根据最大挖掘高度求得LAGMAX=7.19、θ1MAX=82.3 °

根据最大挖掘深度求得θ1MAX=64.9 °

2.由水平推压力确定LBE的尺寸

假设挖掘机的工况作业为水平推压，及铲斗斗底紧贴地面沿停机面向前运动。首先隔离斗杆和铲斗，如图

图4 挖掘机受水平推压力

对F点取力矩建立平衡方程：

F2e2+F3e3=Far2

式中Fa为斗杆挖掘力（推压力）由经验算得，Fa=393.7。F2为斗杆液压缸推力，其值等于缸径乘以系统压力，算得F2=1039.8然后隔离铲斗，对Q点建立力矩平衡方程：F3e3=Far3sinγ

两式消去F3，得到推压力Fa的计算公式：

式中：r2=3.645 r3=1.27 e3=0.445

解得e3=LBE=1.47。这样挖掘机所有的工作装置的尺寸都已经选用完毕。

3 基于Solidworks装配模型的验证

Solidworks是一套采用Parasolid图形核心、基于Windows平台、采用面向对象技术开发的CAD/CAM/CAE桌面集成系统。此软件容易操作，功能强度，可以完成包括很复杂的曲面建模、三维造型和转配在内的操作，并能轻松的生成零件转配图。能满足用户的需求，所以在全球的使用非常广泛。

图5 挖掘机转配图

如图，根据以上所计算得到的尺寸值在Solidworks建立三维装配图模型，并附上适当的转动和移动副，通过鼠标移动挖掘机的各个部件位置即可大致检测出设计的工作尺寸是否合理。通过已有的样机的对比，该设计的尺寸与样机的尺寸相差不多。由此可知此设计的方法较为合理。

4 结语

结合参照样机比拟法算出挖掘机大体尺寸、在给定极限位置的几何关系分析和再根据水平推压力的大小、力矩平衡的三种理论方法设计挖掘机。以上方法综合了挖掘机各方面的考虑（包括推压力、极限位置和已有的样机尺寸），最终设计出挖掘机工作装置的尺寸。

并且借助Solidworks三维造型技术、计算机可视化技术，观察设计的整体效果。为正铲液压挖掘机工作装置尺寸的初步设计与验证其合理性提供了理论指导。

参考文献

[1] 史青录，林慕义.单斗液压挖掘机构造与设计[M].北京冶金工业出版社，2011.

[2] 杨莹.正铲液压挖掘机工作装置优化设计[D].重庆大学硕士学位论文，2008.

[3] 殷国富，朱金波，衡良.Solidworks2011产品设计[M].北京：化学工业出版社，2011.