[发明专利]单斗液压挖掘机反铲工作装置铰点的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于单斗液压挖掘机技术领域，具体涉及－种单斗液压挖掘机反铲工作装置铰点的设计方法。

背景技术

单斗液压挖掘机是一种多功能工程机械，目前被广泛应用于水利工程、交通运输、电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。

单斗液压挖掘机的工作条件恶劣, 冲击和振动多，作业过程中承受复杂的动态载荷；突然增加的重载荷对机器产生巨大的冲击力，从而会对机器的结构件造成很大的损害，导致材料疲劳失效、零部件磨损及紧固件变松。

解决这些问题的有效方法就是提高单斗液压挖掘机工作装置的弹性动力学特性，如图1所示为单斗液压挖掘机反铲工作装置机构简图，它包括机身1、动臂2、动臂油缸3、斗杆油缸4、斗杆5、铲斗油缸6、连杆7、摇杆8、铲斗9，其工作机构中共有11个铰点，即A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、Q，这些铰点影响反铲工作装置的固有频率、运动和最大理论挖掘力，但目前，挖掘机反铲工作装置铰点的设计，都是依照各部件的几何要求和运动来确定的，个别方法以挖掘机的挖掘力最大为目标对反铲工作装置的铰点进行设计。这些方法的缺点是只从静态出发来设计反铲工作装置的铰点，没有考虑到反铲工作装置的铰点对工作装置固有频率的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种单斗液压挖掘机反铲工作装置中动臂油缸与动臂的铰点B和动臂与斗杆的铰点F的设计方法，可以克服现有技术存在的缺点。

本发明是这样实现的，其特征在于其设计步骤为：

步骤一、原挖掘机工作装置尺寸及位姿选定：

找到要优化的挖掘机反铲工作装置尺寸，选取挖掘机最大挖掘深度为优化设计位姿，如图2所示;

步骤二、建立机构模型：

由于最大冲击力产生在挖掘瞬间，由于土壤粘滞阻力存在，挖掘越紧固的土壤时产生的冲击越大，而紧固的土壤对铲斗的摩擦约束可近似等效为固定约束，从而建立动臂2、斗杆5和动臂油缸3三个主要部件的机构模型，如图3所示;

步骤三、将动臂油缸全缩时等效成一根等直径杆：

在软件ANSYS中，将动臂油缸全缩时的装配体一端固定，另一端施加轴向力F₁和径向力F₂, F₁为油缸最大推力， F₂为1.6N/mm的线分布力，分别记录最大轴向变形Ls、最大径向变形Wq，依据等效原则：等效杆件应具有与原装配体相近的弯曲刚度和拉压刚度，先假设一确定直径且与动臂油缸全缩时等长的假设杆，假设杆在轴向力F₁和径向力F₂作用下产生的变形分别为Ls₂和Wq₂,改变等效杆的弹性模量，使残差平方和Zbx=(Ls-Ls₂)²+(Wq-Wq₂)²最小,将动臂油缸等效成一根等直径杆，如图4所示；

步骤四、建立机构弹性动力学模型：

如图5所示，将动臂在弯角定点B(看做与弯点U重合)处截断为两个单元，这样整个反铲工作装置就分为四个单元，五个节点，十二个广义坐标，即四个单元是动臂下半截单元                                                、动臂上半截单元、斗杆单元、动臂油缸单元，五个节点是动臂与机身铰点C、动臂油缸与机身铰点A、动臂油缸与动臂铰点B、动臂与斗杆铰点F和斗杆与铲斗铰点Q，十二个广义坐标是弹性位移坐标U₂、U₃、U₆、 U₇、曲率坐标U₁、U₅和弹性转角坐标U₄、U₈、U₉、U₁₀、U₁₁、U₁₂，根据弹性动力学理论对液压挖掘机反铲工作装置建立机构弹性动力学模型，如图5所示；

步骤五、系统质量矩阵和刚度矩阵的建立：

5.1、动臂2划分出的两个单元、和斗杆单元属于变截面直线单元，如图6所示，其质量矩阵和刚度矩阵计算公式如下： 

     式中  为密度