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摘要
液压挖掘机是工程机械的重要产品之一，具有较高的技术含量。工作机构是液压挖掘机的主要装备，机构各铰点以及其具体结构的设计将是决定工作机构性能水平的重要因素，决定了液压挖掘机的工作性能，影响其最终使用性能的好坏，所以对液压挖掘机工作机构的研究是十分有必要的。液压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。
本次设计的题目是WY100液压履带挖掘机总体及工作装置设计及运动仿真。这种类型的挖掘机与其它类型的挖掘机相比，因有良好的性能而应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履带来降低接地比压。
本次设计完成的主要任务有：挖掘机的类型及发展概况、液压挖掘机的总体设计液压挖掘机工作阻力的计算、液压挖掘机工作装置的设计、液压挖掘机工作装置的受力分析和强度校核、挖掘机工作装置液压系统的设计、挖掘机工作装置的运动仿真
本次设计的主要参数是斗容量1.0m3,它属于中小型液压挖掘机，主要设计挖掘机的工作装置及进行运动仿真。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。
在设计中，采用了履带式行走装置，来满足要求。上部转台是全回转式，因此它可在一个更大的范围内工作。又因采用液压传动控制而使整机性能得以改善。与机械式挖掘机相比，其挖掘力提高到2～3倍，整机质量为25吨，最大卸载高度约为4.53m，最大挖掘深度5.99m，最大挖掘半径约为9.795m，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：液压挖掘机 工作装置 液压系统 运动仿真
第1章 绪论
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第2章 总体设计
2.1 总体设计的内容及设计原则
根据液压挖掘机设计任务的有关要求，应在充分调查研究的基础上进行液压挖掘机的总体设计工作。总体设计主要内容如下：
1.分析或拟定设计任务书，确定设计思想和原则，并提出整机结构方案的初步设想。
2.液压挖掘机主要参数的确定。
3.液压挖掘机各主要机构的结构方案确定。
4.各主要机构作用力、速度、功率等分析计算。
5.液压系统的确定。
6.液压挖掘机的平衡、稳定、生产率以及其他总体特性的分析计算等。
通过总体设计对所设计的液压挖掘机作出初步的全面规划，提出有关数据、资料、总体图等，为下一步设计分析计算提出依据。
2.2液压挖掘机的主要参数和选择
单斗液压挖掘机的主要参数表明了挖掘机的规格和主要技术性能，因此在挖掘机总体设计中必须确定。
主要参数及选择基本依据是：
1）设计任务书所规定的铲斗容量、用途和作业要求，工作条件等；
2）有关国内外同类型、同等级液压挖掘机的技术资料，国家及企业的系列标准；
3）理论分析和经验计算；
4）主要单位的要求和制造厂的生产条件等。
主要参数的选择是液压挖掘机总体方案设计中重要的环节。它与挖掘机各主要机构的结构形式和布置方案密切相关。在确定主要参数时，必须正确处理先进性、可靠性和经济性之间的关系，正确处理相互制约的有关参数间的关系。要实事求是的分析和满足各项性能的要求。盲目的提高和消弱某些参数都将带来不良的结果。因为挖掘机是一个有机的整体，其性能的优劣不仅与各部件的性能有关，更重要的是取决于各部件结构特性的协调匹配。
合理的主要参数应符合以下条件：
1)满足使用要求——实用性。
2）适用于生产厂商的制造条件——可能性。
3）充分利用发动机的功率——经济性。
4）与国内外同类型产品相比有较先进的技术经济指标和可靠性的工作性能——先进性。
基本参数的确定方法：
1）比拟法（或称类比法）：通过同类机型的比较得出参数值。
2）经验公式法（或称查表法）：即按概率统计归纳得到的经验公式进行概略的计算，得到参数。
3）按标准选定法：即按国家颁发的液压挖掘机形式与基本参数系列标准规定的数值范围，给定拟采用的结构特点选定参数值。
4）理论分析计算法：即按拟定的结构特点，在理论分析与实验数据的基础上进行分析计算，得出参数值。
本设计采用类比法、经验公式法和标准法相结合，有的参数还通过理论分析校核来确定。
2.2.1 单斗液压挖掘机的主要参数
1.尺寸参数 如工作尺寸，机体外形尺寸和工作装置尺寸等；
2.质量参数 如整机重，各主要部件（或总成）的重等；
3.功率参数 如发动机，液压系统及主要机构功率，力和速度等；
4.经济指标参数 如作业周期，生产率等。
液压挖掘机主要参数中最重要的主要参数有三个：斗容量、机重和发动机功率。如斗容量直接反映了机械本身的挖掘能力和效果。机重则直接反映了机械本身的重量级，它对技术参数指标影响很大，因挖掘机挖掘能力的发挥，功率的充分利用，机械的稳定性都要以一定的机重来保证，因此机重反映了挖掘机的实际工作能力，可用性的标志。功率反映了机械的动力级，与其他参数有函数关系。
为促进我国液压挖掘机制造业的发展，新修订的液压挖掘机基本参数标准采用机重和标准斗容为标志，液压挖掘机新产品设计或老产品的改进、整顿、变型设计等形式和参数的确定都应符合标准规定。
我国液压挖掘机标准所规定的主参数的定义为：标准斗容量：指挖掘机容重18000 N∕m3的土壤时，铲斗堆尖时的斗容量（m3）。为充分发挥挖掘机的挖掘力，对于不同等级或容重的土壤可以配备相应不同斗容量的铲斗（m3）。
机重：是指带标准反铲或正铲工作装置和标准行走装置时的整机工作质量（t）。
发动机功率：指发动机的额定功率（12小时工作），即正常运转条件下本身消耗以外的输出净功率（KW）。
2.2.2 总体参数的确定
总体参数的确定主要是履带接地比压和履带尺寸的确定。
履带式挖掘机的承载能力大小决定于机器运行时的通过性和工作时的稳定性。若挖掘机的两条履带与土壤表面完全接触，并且挖掘机重心近似于支撑面中心，则挖掘机对土壤产生的压力称为土壤的平均比压：
平均比压是履带式挖掘机的一个重要指标，可以与同类型产品做比较。但实际工作时由于地面不平，两条履带不完全与地面接触。例如，一条履带与地面完全接触，另一条履带在某一点上。此外由于整机重心的偏移，履带上的压力是不均匀的。其中一端的比压最大为，另一端比压最小，甚至为零。
最大接地比压决定了挖掘机能否在松软地面上工作。因此与重心位置的关系对正确设计履带行走装置是非常重要的。
挖掘机的合力G将按作用的位置分配在两条履带上。设一条履带所受的荷重为P偏心距为e，则履带两端的最大最小比压为
考虑到横向稳定极限条件，设挖掘力合力G位于长度等于履带宽度B的二分之一的半径上，半径与行走装置的纵向夹角为ａ。
重心对截面重心O点的力矩为
将此力矩沿履带方向及垂直于履带方向为M’及M’’； ，。
在一般结构的挖掘机中ａ很小（2°～4°），近似为零，故可以认为履带最大比压发生在工作装置顺履带方向的位置，可由上述公式的
从上式可看出：比值L／B不应太小，否则会加大值，一般情况下L／B为1.2～1.4。如用在软地面工作则可加长履带长度和加大履带宽度来降低最大比压值。
最小离地间隙h也是一个重要的参数。这是除履带外机械最低点与地面之间的距离，它表明挖掘机通过地面障碍物（石头，树等）的能力。离地间隙要适当，因为它影响到机械的重心位置，稳定性以及机械机构等。对液压挖掘机通常取。
2.2.3初选履带
关于履带选择的一些要求
1.在往链轨节上装销套时，其两端的突出部分对称度不得超过0.5mm，销轴与链轨的压装部分应匀等。
2.履带组装后，每节应能灵活转动，不得有卡死现象。
3.履带组装后，每十节内的直线度不得大于4mm，履带全长不得大于8mm。
4.履带或零件，自装机使用之日起，在符合说明书的规定的条件下，所有零件均不得损坏。
5.履带的选择，型号LD229，履带的名义节距为229mm，履带节距为228.60mm，履带板宽度为600mm。
合理使用履带应注意以下几点：
1.正确选用履带板宽度。
2.正确调整履带的张紧度。
3.避免机器做不必要的高速后退与前进。
4.避免单边转向。
5.避免长期倾斜作业。
履带行走机构零部件之间相互接触、相对运动就产生摩擦。磨损的快慢，除了与材料本身性能有关外，还与相对运动速度、接触的负荷大小成正比。由于履带销之间的节距大于驱动齿轮的节距，所以使驱动齿轮磨尖。使履带张得过紧，负荷会很大。
2.2.4其他参数的选择与计算
经验公式计算法（查表法）是以液压挖掘机的机重为指标，对现代液压挖掘机的总体参数用概率方法得到各主要参数的经验系数，以公式来确定挖掘机的各种参数。
根据任务书可知：G=25t
- 线尺寸参数及线长度的确定
线尺寸参数：
由《工程机械设计》表1-3，取：
标准臂系数：
K1=1.8
标准斗杆系数：
Kl2=0.8
斗长度系数：
Kl3=0.5
将上述系数分别代入上式中，得：
臂长： l1=5263mm
斗杆长： l2=2339mm
斗长度： l3=1462mm
2)质量参数及质量的确定
质量参数主要包括各部分重，机体重心位置等，可以按下式确定：
(1)各机构重量： 见表2-1
其中，为各部分质量系数，见《工程机械设计》表1-4
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第3章 挖掘机工作阻力
挖掘力是衡量反铲工作装置挖掘性能的重要指标之一。关于挖掘力的概念目前国内外尚无统一的定义，因此可行性较差。为便于进行设计方案的分析比较，对挖掘机概念规定如下。
反铲装置挖掘机可按下列情况分为工作液压缸的理论挖掘力，整机的理论挖掘力和整机的实际挖掘力。
第4章 工作装置设计
4.1设计要求
挖掘机的工作装置应满足下列要求：
1.斗的运动轨迹符合作业要求，即要满足铲、装载的要求，希望铲掘力大，易于装满料，并要求动臂在提升过程中物料散落。
2.满足挖掘深度和挖掘半径的要求，并保证在任意位置都能卸净铲斗中的物料。
3.在满足作业要求的前提下，工作装置结构简单，自重轻，机构合理，受力好，强度高。
4.保证驾驶员有良好的工作条件，确保工作安全，视野良好，操作简单，维修方便。
4.2反铲工作装置结构方案的确定
4.2.1确定动臂的结构形式
1.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。
整体式动臂有直动臂和弯动臂两种见图4-1。
第5章 工作装置的受力分析和强度计算
第6章 工作装置液压系统设计
6.1挖掘机工况特点和对液压系统的要求
按照液压挖掘工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来的组合体，称为挖掘机的液压系统。液压挖掘机的基本液压系统是由能使挖掘机完成基本作业动作并以手动控制为主的基本功能回路所构成的液压系统。
一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压轴。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件如液压缸和液压马达的作用是将液体的压力能转换成机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。控制元件即各种液压阀，在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀、安全阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等。流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等。方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方向不同，液压阀可分为开关式控制阀、定制控制阀和比例阀。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。
液压系统的主要内容是系统设计和液压元件选择。
液压系统的合理设计，要满足机械传动的要求，并考虑动作配合和运动速度，力求效率高，液压元件容易制造或购置。此外，还要保证工作安全可靠，操作简单，造价低廉和便于检修。因此，必须充分了解所设计挖掘机的工作条件、负荷大小与变化、动作特性、元件配套和三化要求等。
第7章 运动仿真
7.1 引言
模拟仿真就是用模型（物理模型或数学模型）来模仿实际系统，代替实际系统来进行实验和研究。事实上，习惯定义的模拟仿真，即用模型来模仿实际系统进行实验和研究，从来就是产品开发中的常用技术手段。计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个重要分支，可以归入虚拟现实技术VR(Virtual Reality)的范畴，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、实时计算技术、人机接口技术等多项关键技术。作为一门新兴的高技术，己经成为工程技术领域计算机应用的重要方向。
7.2 Solidworks模拟仿真的基本概述
SolidWorks是世界上第一款完全基于Windows的3D CAD软件 ,自1995年问世以来 ,以其优异的三维设计功能 ,操作简单等一系列的优点 ,极大地提高了设计效率 ,在与同类软件的激烈竞争中已经确立了它的市场地位 ,已经成为三维机械设计软件的标准。利用SolidWorks不仅可以生成二维工程图，而且可以生成三维零件，用户可以利用这些三维零件来建立二维工程图及三维装配体。SolidWorks采用双向关联尺寸驱动机制，设计者可以指定尺寸和各实体间的几何关系，改变尺寸会改变零件的尺寸与形状，并保留设计意图。 Solidworks用户界面非常人性化,便于操作 。在Solidworks的标准菜单中包含了各种用于创建零件特征和基准特征的命令 。其中基础实体特征主要有拉伸凸台基体 、旋转凸台Π基体等 。在基础实体特征上可添加圆角 、倒角 、肋 、抽壳 、拔模及异型孔 、线性阵列 、圆角阵列 、镜像等放置特征,这些特征的创建对于实体造型的完整性非常重要 。在处理复杂的几何形状时还需要其他高级特征选项,包括扫描 、放样凸台Π基体及参考几何体中基准轴 、基准面这些定位特征等 。通过以上特征造型技术在Solidwork中能设计出需要的实体特征。
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