1緒論1.1設計選題的意義
我國是乙個發展中國家，在遼闊的國土上正在進行大規模的經濟建設，這就需要大量的土方施工機械為其服務，而液壓挖掘機是最重要的一類土方施工機械。因此，可以肯定液壓挖掘機的發展空間很大。可以預見，隨著國家經濟建設的不斷發展，液壓挖掘機的需求量將逐年大幅度增長。
今後幾年我國液壓挖掘機行業將會有乙個很大的發展，液壓挖掘機的年產量將會以高於20%的速度增長。
中國挖掘機市場自2023年開始已進入乙個較快的發展時期，2023年與2023年比較，全國挖掘機的產、銷量分別增長55%和56%。截止到2023年8月底全國挖掘機的銷量已超過13000臺，超2023年全年的銷售數。顯然挖掘機在整個工程機械行業中是產、銷量增長最快的機種之一。
而在挖掘機中最為重要的就是關於工作裝置設計，因為挖掘機的工作裝置能偶最為明顯的體現機器的工作能力和工作壽命，所以設計工作可靠，效能好，成本低，效率高，維護使用方便的工作裝置就顯得格外重要。
1.2國內外液壓挖掘機的發展動態和研究現狀
最早在液壓挖掘機工作裝置設計時，設計人員通過模擬、查表、理論計算初步確定效能引數以後，還需要花大量的時間對設計的合理性進行分析，計算量大，而且在設計過程中，大多選取幾個特殊位置進行檢討計算，其精度當然較低。當今計算機廣泛應用於機械設計中，挖掘機工作裝置設計得到了很快的發展。針對液壓挖掘機工作裝置的cad軟體也已經有了不少的研究。
1.2.1國外液壓挖掘機發展動態和研究現狀
國外挖掘機生產歷史較長，液壓挖掘技術的不斷成熟使挖掘機得到全面的發展。德國是世界上較早開發研究挖掘機的國家，2023年和2023年德國的徳馬克和利渤海爾公司分別開發了全液壓挖掘機；美國是繼德國以後聲場挖掘機歷史最長、數量最大、品種最多和技術水平處於領先地位的國家；日本挖掘機製造業是在二次大戰後發展上起來的，其主要特點在引進、消化先進技術的基礎上，通過大膽創新發展起來的；南韓式液壓挖掘機生產的後起之秀。
從20世紀後期開始，國際上挖掘機的生產向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發展：
（1）、開發多品種、多功能、高質量及高效率的挖掘機。
（2）、迅速發展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的槓桿操縱發展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣操縱，利用電子計算機控制接收器和雷射導向相結合，實現挖掘機作業操縱的完全自動化。
（3）、採用新技術、新工藝、新結構、加快標準化、系列化、通用化發展速度。
（4）、更新設計理論，提高可靠性，延長使用壽命。美、英、日等國家推廣採用有限壽命設計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論和方法，並將疲勞損傷積累論、 斷裂力學、有限元法、優化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用於液壓挖掘機的強度研究方面，促進了產品的優質高效和競爭力。
（5）、加強對駕駛員的勞動保護，改善駕駛員的勞動條件。液壓挖掘機採用帶有墜物保護結構和傾翻保護結構的駕駛室，安裝可調節的彈性座椅，用隔音措施降低雜訊干擾。
（6）、進一步改進液壓系統。
（7）、迅速拓展電子化、自動化技術在挖掘機上的應用。隨著對液壓挖掘機的工作效率、節能環保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面效能要求的提高，促使了機電液一體化在挖掘機的應用，並使其各種效能有了質的飛躍。
1.2.2國內液壓挖掘機的發展動態和研究現狀
早在2023年我國便開始了液壓挖掘機的研製開發工作，隨後開發出一系列比較成熟的產品， 如wy100、wy60、wy250等。當時由於受配件如發動機、液壓件及企業自身條件的影響，其質量和產量遠未達到應有的水平，與國外同類產品相比也存在較大差距。自改革開放以來，國產液壓挖掘機行業進入了乙個快速發展的重要階段。
出現了一批實力比較雄厚的生產企業如中國一拖、柳州工程機械廠、黃河工程機械廠、廣西玉柴股份****等。它們生產的部分產品已出口，打破了多年來主要由少數幾家國外挖掘機製造企業壟斷國內市場的局面，使國產液壓挖掘機的產量和質量都上了乙個新台階。90年代以來，隨著迅速發展的微電子技術、計算機技術、控制技術、通訊技術等新技術日益滲透到液壓挖掘機技術中，世界各工業發達國家的液壓挖掘機技術水平得以迅速提高， 使一度與國外技術水平縮小的國產液壓挖掘機再次與國外液壓挖掘機差距拉大了。
因此，國內液壓挖掘機市場大部分被國外產品所佔據的局面長期得不到改善。
隨著我國改革開放的進一步深入，國家對基礎建設和基礎設施投資的規模日益擴大，國內使用者對高質量、高水平、高效率的液壓挖掘機的需求愈來愈迫切。據權威部門估計，到2023年我國用於購置工程機械的費用約為800多億元（含國產和進口），其中液壓挖掘機的年需求量為12000-14000臺，這無疑對國產液壓挖掘機的發展既是機遇，又是挑戰。積極發展高效能國產液壓挖掘機已迫在眉睫。
目前， 液壓挖掘機的研究與發展應致力解決三個基本問題：
（1）著眼於動力、傳動系統的改進以達到高效節能，提高機器的生產率和降低工作損耗，減少對環境的汙染；
（2）區域性操作控制自動化到整機完全自動化甚至智慧型化發展；
（3）改善操作者的勞動條件和操作安全性。
1.3當前液壓挖掘機存在的主要問題
雖然液壓挖掘機的發展很快，但是液壓挖掘機仍然存在著各種問題：
（1）控制精度的要求並不高，多數在100mm之內，並不像其它領域機械人運動控制要求到10mm之內，或者更高。首先，挖掘機本身的機構尺寸通常都比較大；其次，挖掘機進行土木施工的精度與一些工業加工比較起來要低得多，相對較低的精度仍然能夠滿足挖掘機在實際工作中的需要。多數研究者在實現以上控制精度時，鏟斗末端速度比較低，最快的也在150mm/s之內，而這個重要引數直接影響挖掘機的工作效率，所以，保證精度的情況下，提高鏟斗末端速度是本文需要解決的問題之一。
（2）雖然世界各國的研究水平參差不齊，但是多數處在實驗室階段，或從成本的角度考慮採用伺服閥進行控制，與工程實際差距較大；對挖掘機工作裝置的研究是在靜態下進行的，忽略慣性的影響，所以在實際工程中也是不是用的；多數研究中都沒有考慮到系統的節能問題，很難將研究結果在實際中進行推廣。
（3）挖掘機工作裝置作為一種典型的工程機械複雜機電液系統，由於其自身的特點，該項研究是比較困難的工作。主要在於：在機構運動過程中，慣性力負載的多變性；電液比例系統數學模型中的引數多與機構的狀態有關，屬於時變引數，準備地得到每個引數的值非常困難；整個系統存在大量不確定量（不確定引數及不確定的非線性模型），例如在不同溫度下液壓油的彈性模量和粘性等，均屬於不確定引數；工作過程中，由於與地面接觸而禪城的擾動等不能準確建立數學模型的量，均屬於不確定的非線性模型。
以上各類不確定量都將對系統控制的穩定性和動態特性產生極大的影響。
1.4本設計的主要內容及目標
1.4.1設計的主要內容
（1）分析和擬定設計任務書，確定設計思想和原則，並提出設計結構方案的初步思想。
（2）挖掘機主要引數的確定。
（3）挖掘機工作裝置各主要機構的結構方案的確定。
（4）挖掘機工作裝置各主要結構力的分析與計算。
（5）挖掘機工作裝置各主要機構的強度校核。
1.4.2設計的關鍵問題
（1）關於挖掘機總體設計，就是各種整體引數和區域性引數的計算，這中間就包括動臂，鬥杆及挖鬥的主要引數的計算。
（2）液壓挖掘機工作裝置各主要機構方案的確定，這包括幾方面的內容，首先就是關於動臂和鬥杆的選型。其次就是動臂，鬥杆和挖鬥的油缸的布置如何確定。第三就是各個鉸鏈點如何確定。
（3）作用力的計算，這其中包括油缸作用力，還有鬥杆的強度校核。
1.4.3設計過程中的已知引數
鏟斗容量：1立方公尺
最大挖掘力：130kn
整體質量：23t
工作裝置液壓迴路最大壓力：40mpa
停機面最大挖掘半徑：9800mm
最大挖掘深度：6600mm
最大解除安裝高度：6700mm
動力裝置功率：113.5kw
工作裝置液壓系統主要引數的初步選擇：
各工作裝置的缸徑選擇要考慮到液壓系統的工作壓力和「三化」要求以及初步估取的液壓缸受力，初選動臂油缸內徑=120mm，活塞缸的直徑=85mm。鬥杆油缸的內徑=140mm，活塞的內徑=120mm。鏟斗油缸的內徑=120mm,活塞桿的直徑=85mm，又由按經驗公式選各缸全伸長度與全縮長度之比。
參照任務書要求，選擇工作裝置液壓系統的工作壓力為，閉鎖壓力。
2工作裝置總體方案設計
2.1機型選擇及特點分析
本設計中，我選的是單鬥液壓挖掘機，其工作裝置採用反鏟裝置。
單鬥液壓挖掘機是一種採用液壓傳動並以乙個鏟斗進行挖掘工作的機械，它是機械傳動單鬥挖掘機的基礎上發展而來的，是目前挖掘機中重要的品種。
2.1.1所用機型的適用範圍
在建築工程，交通工程，露天工程，水利設施及現代軍事工程中都廣泛採用，是各種土方施工中重要的機械裝置。由液壓挖掘機在構造和效能上有較多的優越性，因此近年來發展迅速，在中小型單鬥挖掘機中，以取代了機械傳動單鬥挖掘機，成為工程機械的主要機種。
2.2工作裝置構成
鉸接式反鏟是單鬥液壓挖掘機最常用的結構形式，動臂、鬥杆和鏟斗等重要部件彼此鉸接，在液壓挖掘機的作用下各部件饒鉸點擺動，完成挖掘，提公升和卸土等動作，圖2.1為挖掘機最常用的反鏟工作裝置。
圖2.1挖掘機反鏟工裝裝置
挖掘機工作裝置的大臂與鬥杆是變截面的箱梁結構，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的杆。根據以上特徵，可以對工作裝置進行適當簡化處理。
則可知但鬥液壓挖掘機的工作裝置可以看成是由動臂，鬥杆，鏟斗，動臂油缸，鬥杆油缸，鏟斗油缸，鏟斗油缸及連桿機構組成的具有三自由度的六桿機構，處理具體見圖2.2所示。
圖2.2工作裝置的結構簡圖
圖2.3工作裝置結構簡化圖
挖掘機的工作裝置經上面的簡化後實質是一組平面連桿機構，自由度是3，即工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度l1、鬥杆油缸長度l2、鏟斗油缸長度l3決定，當l1、l2、l3為某一確定值的時，工作裝置也就能夠確定。
2.3動臂及鬥杆的結構形式的初選
2.3.1動臂結構形式的初選
動臂分為整體式和組合式，因整體式動臂結構簡單，價廉，剛度相同時結構重量輕，所以大多數挖掘機採用整體式動臂。整體式動臂分為直動臂和彎動臂。
整體式直動臂構造簡單輕巧、布置緊湊，主要用於懸掛式挖掘機。所以動臂採用整體式彎動臂，這種結構目前應用最廣泛，其主要特點是製造方面，成本低，質量輕，能有較大的動臂彎角，裝載作效率高，挖掘深度較大，配用加長可調鬥杆，可以很好地完成垂直壁面的挖掘作業，而且所挖掘的壁面平直整潔。
2.3.2鬥杆結構形式的初選
鬥杆也有整體式和組合式兩種，大多數挖掘機採用整體式鬥杆。本設計中由於不需要調節鬥杆的長度，故也採用整體式直斗杆。
2.4動臂與動臂油缸的布置
動臂油缸一般布置在動臂的前下方，下端與迴轉平台鉸接，支承點設在迴轉台迴轉中心之前並稍高於轉台平面，這樣的布置有利於反鏟的挖掘深度。由自由式活塞桿端部與動臂的鉸點設在動臂箱體的中間，這樣雖然削弱了動臂的結構強度，但不影響以、動臂的下降幅度。並且布置中，油缸在動臂的兩側各裝乙隻，這樣的雙動臂在結構上起到加強盤作用，以彌補前面的不足，具體結構如圖2.
4所示。
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目錄緒論 2 第一章設計引數的選擇 3 1.1設計題目 3 1.2設計資料 3 1.3設計壓力 3 1.4設計溫度 3 1.5主要元件材料的選擇 3 第二章裝置的結構設計 4 2.1圓筒厚度的設計 4 2.2封頭厚度的設計 4 2.3筒體和封頭的結構設計 4 2.4鞍座選型和結構設計 5 2.5接管...
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