1.绪论
1.1拖拉机后挖掘机具概述
近些年，我国的农村经济得到了长足的发展，农民的生活水平也相应地得到了提升，农用拖拉机的需求量也越来越多。
在拖拉机上安装上后挖掘机具后，可以用于园林养护、农田水利建设、基坑开挖与回填等多个领域。拖拉机后挖掘机具在工作时，通常不能进行侧移，而是利用回转支承，挖掘工作装置可以180°回转。拖拉机后挖掘机具通常采用蛙腿式支撑作为支腿，蛙腿式支撑具有较好的稳定性，有助于提升拖拉机后挖掘机具的挖掘能力。动臂悬挂系统在后挖掘机具中也较为常见，使用动臂悬挂系统，动臂油缸和动臂间，只需要很小的距离，就可以形成很大的动臂转角。在拖拉机后挖掘机具上，一般会安装座椅，以便后挖掘机具的操作者可以直接看到挖掘对象。
1.2拖拉机后挖掘机具分类
按照拖拉机与后挖掘机具的连接方式进行分类，可以分为：1.后悬挂安装式；2.固定安装式。在拖拉机的后悬挂杆件上安装后挖掘机具，这种方式即是后悬挂安装式，这种安装方式的优势在于：后挖掘机具拆卸方便，运输便利。但是，选用后悬挂安装式时，为了避免拖拉机提升器在进行挖掘工作时提升臂向上运动，需要增加限位装置。采用固定安装式时，后挖掘机具被固定在拖拉机上，这种连接方式稳定性较好，但拆卸麻烦。
按照后挖掘机具的动力取入方式进行分类，可以分为：1.后挖掘机具由拖拉机的液压输出驱动作业；2.后挖掘机具由拖拉机后动力输出轴驱动作业。采用拖拉机液压输出驱动时，拖拉机提升器的液压输出口直接连着后挖掘机具的液压进油口，后挖掘机具用的是拖拉机的液压过滤系统，因此需要经常清洗拖拉机的液压系统。采用拖拉机后动力输出轴驱动时，后挖掘机具通常自带液压过滤系统，使用时更方便一些。
1.3国外拖拉机后挖掘机具发展概况
在国外，拖拉机后挖掘机具已经发展了近50年。英国最早研发出拖拉机后挖掘机具，发展至今，欧X家每台拖拉机售出时，几乎都会带有后挖掘机具。国外一些知名的拖拉机生产企业，比如Kubota、AGCO、CNH Global等，这些企业在生产拖拉机时，都会生产与它们拖拉机配套的后挖掘机具。另外还有一些只生产后挖掘机具的知名企业，比如Machinery、LITW、Ansung等。
总体而言，拖拉机后挖掘机具在国外已经发展到一个较高的高度，无论是机具的安全性还是操作性，都已经非常成熟。
1.4国内拖拉机后挖掘机具发展概况
相比于国外，国内的拖拉机后挖掘机具的发展相对落后，机具的可靠性和技术水平都落后于国外技术成熟的国家。随着国内新农村建设的推进，可以预见拖拉机后挖掘机具的发展有着广阔的市场前景。目前，国内生产拖拉机后挖掘机具的厂家主要有：山东省农业机械科学研究所，桂林玉柴工程机械有限公司，江苏悦达盐城拖拉机制造有限公司等，国内的拖拉机后挖掘机具年产量接近1000台，产品主要出口国外，内销极少。
1.5研究意义与主要内容
1.5.1研究意义
在实际生活中，拖拉机后挖掘机具有着极其广泛的应用。国内的工程项目中，施工对象与技术一直在变化着，小型工程机械的需求量日益增加，其中便包括了拖拉机后挖掘机具。
目前，国内的许多生产厂家在设计拖拉机后挖掘机具时，通常是在参考液压挖掘机工作装置的基础上进行设计的，这种设计模式，很难同时兼顾到拖拉机后挖掘机具的可靠性和经济性，这主要是由于在工作原理上，挖掘机与拖拉机后挖掘机具其实是有许多不同之处的，比如说：在动臂液压缸的布置上，拖拉机后挖掘机具使用的是支撑式，挖掘机使用的是悬挂式。在设计拖拉机后挖掘机具时，除了要考虑发挥机具的挖掘力外，还需要考虑拖拉机在安装后挖掘机具后，能否具备较好的稳定性。
本论文通过对拖拉机后挖掘机具的研究，希望可以为其设计工作提供一些创新性的计算方法。
1.5.2主要研究内容
论文将对拖拉机后挖掘机具的结构与工作特点进行分析研究，在此基础上，设计一种有较好的安全性和使用性的拖拉机后挖掘机具，使其可以充分发挥整机作业性能，并在市场竞争中占据一定的优势。
2.后挖掘机具挖掘装置的设计
2.1工作装置结构与机具工作特点
本质上，拖拉机后挖掘机具中的反铲工作装置是平面连杆机构，在结构上，它使用的是铰销连接，反铲工作装置在工作时，各种操作是利用液压缸的伸缩运动完成的，液压缸的运动与配合，也决定了反铲工作装置的挖掘轨迹。
在实际作业中，主要使用到的作业方式有以下三种：1.铲斗油缸挖掘；2.斗杆油缸挖掘；3.动臂油缸挖掘。其中，使用铲斗油缸挖掘时，则以斗杆与铲斗的铰点为中心，挖掘轨迹是以此中心为圆心的特定半径的圆弧线。以这种作业方式进行挖掘时，挖掘行程短，要想让铲斗尽可能地装满土壤，必须得保障较大的挖掘力，以便在挖掘土壤时有大一些的厚度。因此，在挖掘装置中，使用铲斗油缸挖掘时，斗齿的设计挖掘力是最大的。使用斗杆油缸挖掘时，则以斗杆与动臂的铰点为中心，挖掘轨迹是以此中心为圆心的特定半径的圆弧线。此种作业方式的挖掘行程较长，即使工作环境中的土质坚硬，也能在铲斗中装满土壤，通常，斗杆油缸挖掘在小型挖掘机具的实际工作中使用较多。使用动臂油缸挖掘时，拖拉机后挖掘机具的挖掘形成和挖掘半径达到最大，以动臂的下铰接点为中心，挖掘轨迹是以此中心为圆心的特定半径的圆弧线，这种作业方式工作耗时长，且机具的挖掘力不能得到有效发挥，在实际工作中使用较少。
图2-1拖拉机后挖掘机具简图
2.2后挖掘机具挖掘装置的设计原则
1.满足作业范围和主要工作尺寸的要求。
2.机具挖掘力大小符合要求。
3.保证结构强度的情况下，尽量减轻机具的重量。
4.保证机具的稳定性。
5.保证机具的安全性。
6.拆卸方便。
2.3拖拉机后挖掘机具挖掘装置机构设计分析
2.3.1动臂机构设计分析
如图2-2所示，在本次设计中，动臂液压缸设计在动臂上方，因为地面以下是机具的工作区域，为了让机具能够挖深，综合考虑后，使用弯动臂作为挖掘装置的动臂。
出于动臂强度的考虑，弯动臂的弯角通常在120°至140°之间选取。为了让设计的机具结构在生产中易于实现，弯动臂俯角通常大于-52°，仰角通常小于45°。
出于对动臂液压缸的稳定性方面的考虑，通常，弯动臂的伸缩比为1.6至1.7之间。
在拖拉机后挖掘机具的设计中，动臂液压缸的力臂比是一个重要的参数，其计算公式为：，根据不同的使用需求，该参数设计为不同的数值。当地面以下是挖掘区域时，应取小于0.8的数值；当设计机具为通用式挖掘装置时，的取值应在0.8至1.1之间。
图2-2挖掘装置结构简图
2.3.2斗杆机构设计分析
在设计斗杆机构时，需要对下列因素进行考虑：
1.在设计时，需要确保斗杆机构能产生足够的斗齿挖掘力。
2.需要保证斗杆机构的闭锁能力符合一定要求，以便充分发挥铲斗的挖掘力。
3.斗杆摆角应该被控制在一定范围内，通常，如果是通用式挖掘装置，斗杆摆角应在100°至120°之间。
2.3.3铲斗连杆机构设计分析
在本次设计中，使用四连杆机构作为反铲铲斗机构。在设计时，需要注意下列要素：
1.在进行挖掘工作时，铲斗的转角应控制在90°至110°之间，但考虑到运输状况和后续的机具卸载，铲斗的总转角应控制在150°至180°之间。
2.预估铲斗在实际工作中可能遇到的最大挖掘阻力，以此为依据设计铲斗理论上最大挖掘力。通常，在一半转角行程的地方，土壤厚度最大，铲斗碰到的挖掘阻力也达到最大。
3.出于铲斗连杆机构的稳定性考虑，铲斗液压缸的伸缩比应选取1.45至1.65之间的数值。
2.3.4计算挖掘阻力
在实际挖掘工作中，斗杆挖掘、转斗挖掘以及复合挖掘都较为常见。如果土质松软，使用转斗挖掘较多，如果土质坚硬，则使用斗杆挖掘较多。
计算铲斗挖掘阻力，其切向分力的计算公式为：
（2-1）
字母取值代表意义
D视实际情况选定切削刃挤压土壤的力
X 1.15斗侧壁厚度影响系数
Z无齿时取1，有齿时取0.75斗齿系数
A 1.3切削角变化影响系数
B切削刃宽度影响系数
R铲斗切削半径
其中，b表示的是铲斗平均宽度。
根据公式2-1得知，当是，铲斗挖掘阻力最大。
图2-3铲斗挖掘阻力图
计算斗杆挖掘阻力，其计算公式为：
（2-3）
字母取值代表意义
/力臂
查表可知挖掘比阻力
50°至80°之间总转角
其中，当挖掘坚硬的土壤时，取值最大，从而计算得到斗杆挖掘的最大阻力。
2.3.5计算挖掘力
计算液压缸的理论挖掘力
挖掘力是拖拉机后挖掘机具的重要性能指标，它表示的是铲斗齿尖上的挖掘能力。而液压缸理论上的推力带动产生的斗齿切向挖掘力就是液压缸的理论挖掘力。
当采用转斗挖掘时，其液压缸的理论挖掘力计算公式为：
（2-4）
字母取值代表意义
i/传力比
铲斗油缸理论推力
其中，表示的是铲斗油缸大腔作用面积，p表示的是工作压力。根据公式可以发现，当时，转斗挖掘时的液压缸理论挖掘力最大。
图2-4铲斗液压缸简图
当采用转斗挖掘时，其液压缸的理论挖掘力计算公式为：
（2-5）
字母取值代表意义
、/力臂值
斗杆油缸理论推力
其中，表示的是斗杆油缸大腔作用面积，p表示的是工作压力。
图2-5斗杆液压缸简图
2.4后挖掘机具挖掘装置的参数计算
2.4.1挖掘装置主要参数
本次论文设计的拖拉机后挖掘机具，其挖掘装置的主要参数如表2-1所示：
表2-1挖掘装置主要参数
挖掘高度最大值3.770米
卸载高度最大值2.110米
挖掘深度最大值2.485米
铲斗容量0.08立方米
铲斗转角≥160°
摆动角度最大值180°
2.4.2计算挖掘力
2.4.2.1计算铲斗油缸挖掘力
铲斗油缸推力的计算公式为：
字母取值代表意义
120kg/cm³油缸额定压力
0.95机械效率
0.9管路效率
D 63mm油缸内径
将数值代入公式计算后得出：
将值代入公式2-4，得出铲斗油缸的挖掘力，具体结果如表2-2所示：
表2-2铲斗油缸挖掘力
油缸行程回转角P（kg）
890 0 188 278 325 890
890~1046 30 334 314 308 1327
890~1132 45 352 326 296 1294
890~1213 60 348 333 280 1185
890~1349 90 309 340 246 906
890~1442 120 237 338 211 599
890~1520 160 140 314 174 314
2.4.2.2计算斗杆油缸挖掘力
斗杆油缸推力的计算公式为：
字母取值代表意义
120kg/cm³油缸额定压力
0.95机械效率
0.9管路效率
D 80mm油缸内径
将数值代入公式计算后得出：
将值代入公式2-5，得出斗杆油缸的挖掘力，具体结果如表2-3所示：
表2-3斗杆油缸挖掘力
油缸行程回转角作用力至回转点距离挖掘力（kg）
铲斗转35°铲斗转48°铲斗全收回
925 0 280 772 799 736
925~1110 30 413 1138 1179 1086
925~1220 45 422 1163 1205 1110
925~1520 90 308 849 879 810
925~1590 105 245 675 699 644
2.4.2.3计算铲斗油缸切削阻力
使用铲斗油缸进行挖掘作业时，切削厚度和阻力的数值根据回转角数值的变化而变化，相应的计算结果如表2-4所示：
表2-4铲斗油缸切削阻力
回转角90 120 160
切削阻力（kg）833 623 467
切削厚度（mm）9.8 7.3 5.5
符合要求。
使用斗杆油缸进行挖掘作业时，切削厚度和阻力的数值根据回转角数值的变化而变化，相应的计算结果如表2-5所示：
表2-5铲斗油缸切削阻力
回转角45 60 96
切削阻力（kg）铲斗转35°699 524 328
铲斗转48°745 559 49
铲斗全收回678 510 299
切削厚度（mm）铲斗转35°8.2 6.2 3.9
铲斗转48°8.8 6.6 4.1
铲斗全收回8 6 3.5
符合要求。
综上所述，本次设计基本满足实际工作需求。
设计总结
通过拖拉机后挖掘机具的设计，我摆臂的作业方式以及挖掘力、切削阻力的计算方式有了系统的了解。在完成毕业设计的过程中，对学校所学的知识有了一个全面的回顾，也明白了自身知识尚存在欠缺，需要继续在实践中学习，提高自己的知识水平。
在机具的设计过程中，碰到了许多的难题，通过查阅资料、请教老师、同学的方法进行了克服，这也培养了我独立思考、解决问题的能力，我相信，这对我未来的发展是大有裨益的。
参考文献
[1]周进.拖拉机后挖掘装置设计及优化仿真[D].山东大学,2009.
[2]孙旭亮,翁志煌,杨琳.后挖掘机具摆臂机构的设计[J].农业开发与装备,2014(03):52.
[3]马治宁.单斗液压挖掘机工作装置疲劳寿命分析研究[D].太原科技大学,2017.
[4]赵垒.大型救援装备机械臂多约束下安全工作范围研究[D].哈尔滨工业大学,2017.
[5]袁开磊.液压挖掘机工作装置动力学特性研究[D].太原科技大学,2012.
[6]朱红妹.液压挖掘机挖掘性能分析与挖掘力分析计算[J].化工装备技术,2007(04):72-76.
[7]苏宇龙,黄松和,江小亮,苟志波.挖装机工作装置瞬态动力学仿真与分析[J].机械设计与制造,2013(02):144-146.
[8]魏永泉,蓝兆辉.挖掘机工作装置逆运动学分析的杆组方法和运动规划[J].机械传动,2013,37(04):10-14.
[9]李新,周志鸿.基于ADAMS的挖掘机虚拟样机最大挖掘力仿真测试[J].建筑机械,2011(07):82-85.
[10]林庆钻.基于ADAMS的液压挖掘机铲斗挖掘力优化与油缸动力学仿真分析[J].建筑机械,2012(03):87-90.
下载提示：
1、如文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等，请点击“文章版权申述”（推荐），也可以打举报电话：18735597641(电话支持时间：9:00-18:30)。
2、网站文档一经付费（服务费），不意味着购买了该文档的版权，仅供个人/单位学习、研究之用，不得用于商业用途，未经授权，严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等，侵权必究。
3、本站所有内容均由合作方或网友投稿，本站不对文档的完整性、权威性及其观点立场正确性做任何保证或承诺！文档内容仅供研究参考，付费前请自行鉴别。如您付费，意味着您自己接受本站规则且自行承担风险，本站不退款、不进行额外附加服务。
原创文章，作者：写文章小能手，如若转载，请注明出处：https://www.447766.cn/chachong/9231.html,
