19世纪末，斗轮挖掘机在德国褐煤采掘中得到广泛应用，至1958年，每个铲斗容量已达3600升。1977年，联邦德国制造了当时世界上最大的斗轮挖掘机，其生产率为24万立方米/日。由于技术的进步，液压技术开始运用到制造领域。20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式机械，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压机械。
初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于机械各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国机械制造厂和品种增加很快，产量猛增。
1.2 挖掘机的类型及发展趋势
常见的挖掘机按驱动方式有内燃机驱动挖掘机和电力驱动挖掘机两种。其中电动挖掘机主要应用在高原缺氧与地下矿井和其它一些易燃易爆的场所。
按照规模大小的不同，挖掘机可以分为大型挖掘机、中型挖掘机和小型挖掘机。
按照行走方式的不同，挖掘机可分为履带式挖掘机和轮式挖掘机。 按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖掘机。机械挖掘机主要用在一些大型矿山上。
按照用途来分，挖掘机又可以分为通用挖掘机，矿用挖掘机，船用挖掘机，特种挖掘机等不同的类别。
按照铲斗来分，挖掘机又可以分为正铲挖掘机、反铲挖掘机、拉铲挖掘机和抓铲挖掘机。正铲挖掘机多用于挖掘地表以上的物料，反铲挖掘机多用于挖掘地表以下的物料。
上个世纪末，我国工程机械就进入到一个与狼共舞的时代，像装载机市场原来几乎是国产机一统天下，但转眼之间就进入到了与别人分食市场的时代，而且再也回不到独享国内市场的时代，原来我们赖以生存的产品价格优势转瞬即逝，而产品的技术还未进一步提升就遭遇到国际巨头的挑战。再看工程机械之王的挖掘机，过去几乎是外资品牌统一天下，经过十年不懈地努力，却也逐步争得了国内市场三分天下的非凡业绩。就目前国产挖掘机的发展状况，及在今年展会上看到各企业所展现的一些亮点分述如下：
首先是注重人性化的技术提升。过去在国产挖掘机的开发设计中，一直是以功能性开发为主导，保证可靠性与可维修性提升，但随着进口挖掘机和二手机不断冲击，一些人性化的设计理念全面进入到液压挖掘机的开发设计当中。如展会大家所看到的，带空调的密封驾驶室，配有安全可调设施的座椅，方便的操作控制手柄，视野良好的显示屏幕，倒车视镜及报警装置等。
其次是注重细节性的制造工艺提升。由于国产挖掘机是过去通过引进消化国
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外技术进行开发的，在制造过程中先追求的是注重外形相近的形似，后来逐步提 升到功能的不断改进，细节不断完善，现在参加展会的国产挖掘机大家就有了一种神形兼备的感觉了，这个也是各制造企业不断加强制造细节提升的结果。如展会大家看到的国产挖掘机，比以往在外观件制造细节上有了明显提升，内部的液压管路布置，电器线的布置都有很大改观，包括结构件的焊接细节皆有变化等。 第三是注重规模化的品质提升。目前的主要挖掘机制造企业大都具备了批量生产的能力，过去由于各企业生产规模局限，产品的零部件生产制造质量很难得到较好地保证，客户的抱怨也比较多，特别是零部件的可靠性和互换性，大多企业都经历过客户的严重不满，有时候可以看到参加展会的同一厂家，相同挖掘机在个别地方也有不同之处，现在仔细看一下，比过去就有很大进步。
第四是注重整机性能的创新提升。挖掘机产品是工程机械企业多年引进吸收，不断攻关提高，逐步开发具有较高技术含量的工程机械产品，而且由于其作业对象复杂，使用条件苛刻，操作性能精准要求等，几乎是在接近破坏性标准作业的一种特殊工程机械。加之其经常处于施工作业流程的顶端，直接关乎施工的质量与进度，所以这个众所瞩目的机械在施工作业过程中，一直是一个首当其冲的机械设备。而且挖掘机是一种多用途机械，增加一些辅助作业装置后可以进行不同作业操作，在不断完善整机主要性能提升的同时，各个企业也都开始进行其它性能的创新开发，也是这十年来挖掘机不断创新的一个亮点。如展会上大家看到的几个主要的挖掘机生产企业都推出了整机性能多样化的创新产品。
1.3 挖掘机机械动臂结构的分析研究
本文通过对挖掘机的机械机械手臂的观察和了解，对挖掘机机械手臂进行研究，对挖掘机的动力臂尺寸设计，铲斗容量等进行设计，实现挖掘机机械手臂的运动与循环工作。
液压反铲工作装置一般由后臂、后臂液压缸、中臂液压缸、前臂、前臂液压缸、铲斗、底座、连杆和摇杆等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。
后臂的下铰点与回转平台铰接，并以后臂液压缸来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。前臂铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，前臂与动臂的相对转角由中臂液压缸控制，当前臂液压缸伸缩时，前臂即可绕动臂上铰点转动。铲斗则铰接于前臂的末端，通过前臂液压缸的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆和摇杆）与铲斗连接。
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图1.2 整体式弯动臂
液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲液压挖掘机的工作过程为，先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作装置开始下一次作业循环。动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由铲斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。 在实际工作中，熟练的液压挖掘机人员可根据实际情况，合理操纵各个液压缸，往往是各液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。本次设计斗容量0.2m3挖掘机的机械手臂。
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2 机械动臂的设计
2.1 设计方案原则
设计合理的工作装置应能满足下列要求：
①．主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结构碰撞限制等的可能性；
②．具有一定的先进性；
③．功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短；
④．确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重；
⑤．作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便；
⑥．装置的结构型式和布置便于装拆和维修，尤其是易损件的更换； ⑦．要采取合理措施来满足特殊使用要求
2.2 确定后臂、前臂、铲斗的结构形式
2.2.1 确定后臂的结构形式
后臂是工作装置中的主要构件，前臂的结构形式往往决定于后臂的结构形式。反铲动臂分为整体式和组合式两类。
图2.1 后臂
直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。整体式弯动臂
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在弯曲处的结构形状和强度值得注意，有时采用三节变动臂有利于降低弯曲处、的应力集中。
整体式动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。为了扩大机械通用性，提高其利用率。往往需要配备几套完全不通用的工作装置。一般说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。
组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。
组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。组合式动臂的主要优点是：
①．工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用螺栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级调节；
②．较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的统一化问题。因此其替换工作装置较多，替换也方便。一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换；
③．装车运输比较方便；
④．由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用。尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂较为合适。本次设计作业条件比较单一，所以动臂选用整体式动臂。
2.2.2 确定前臂的结构形式
前臂也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用整体式前臂，当需要调节前臂长度或杠杆时采用更换前臂的办法，或者在前臂上设置2～4个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。有些反铲采用组合式前臂。
图2.2 前臂
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挖掘机机械手臂的结构设计
