2.2.3 确定铲斗的结构形式
铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大。铲斗的作业对象繁多，作业条件也不同，用一个铲斗来适应任何作业对象和条件较困难。为了满足各种特定情况，尽可能提高作业效率，通用反铲装置常配有甚至十多种斗容量不同，结构形式各异的铲斗。
目前，对铲斗结构形式的研究还处于现场试验、实验室试验或模型试验阶段，未建立起较系统的理论，但对各种铲斗结构形状的共同要求是：
①．有利于物料的自由流动，因此铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合各种物料的运动规律；
②．要使物料易于卸净。用于粘土的铲斗卸载时不易卸净，因此延长了作业循环时间，降低了有效斗容量。国外采用设有强制卸土的粘土铲斗；
③．为了使装进铲斗的物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗粒直径之比应大于4：1。当此比值大于50：1时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物料为匀质；
④．装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便切入或破碎阻力较大有物料。挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。
图2.3 铲斗
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2.2.4 铲斗与前臂液压缸的连接方式
铲斗与铲斗液压缸有三种型式，其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同，图a为直接连接，铲斗、前臂与前臂液压缸组成四连杆机构。图b中铲斗液压缸通过摇杆和连杆与铲斗相连，它们与前臂一起组成六连杆机构。图a和图b类似，区别在于前者液压缸活塞杆端接于摇杆两端之间。图c的机构传动比与b差不多，但铲斗摆角位置顺时针方向转动了一个角度。连接方式如下图。
六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。六连杆方式b和d在液压缸行程相同时，后者能得到更大的铲斗转角，但其铲斗挖掘力的平均值较小。
图2.4 铲斗也前臂液压缸的连接方式
2.3 确定后臂、中臂、前臂油缸的铰点布置
反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的情况下，工作装置各铰点在布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。 2.3.1 后臂油缸的布置
后臂油缸一般布置在后臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式：
①.油缸前倾布置方案，如图1-2所示，后臂油缸与后臂铰接于点。当后臂
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油缸全伸出，将后臂举升至上极限位置，后臂油缸轴线向转台前方倾斜；
②.油缸后倾布置方案，如图1-2所示，当后臂油缸全伸出，将后臂举升到上极限位置时，后臂油缸轴线向后方倾斜
油缸全收缩时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即h1＜h2。此外，在后倾方案中，后臂EF部分往往比前倾方案的长，因此后 臂所受弯矩也比较大。以上为后臂油缸后倾方案的缺点。然而，后倾方案后臂下铰点C与后臂油缸下铰点D的距离CD比前倾方案的大，则后臂在上下两极位置时，后臂油缸的作用力臂Cp也较大。因此，在后臂油缸作用力相同时，后倾方图为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘机将长后臂CE′F′改换成短后臂CE′F″，并配以长斗杆。在最大深度处挖掘时，采用铲斗挖掘而还是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为h1′>h2。
图2.5 后臂油缸前倾方案
显然，不论是后臂油缸前倾还是后倾方案，当C、D两铰点位置和CE长度均不变时，通过加大后臂油缸长度可以增大后臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘深度。所以，在布置油缸时，应综合考虑后臂的结构、工作装置的作业尺寸及后臂举升力的挖掘力等因素。
本设计选用后臂油缸前倾布置方案。 2.3.2 中臂油缸的布置
确定中臂油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。
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①．保证中臂油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。油缸全伸时的力矩应该足以支承满载铲斗和斗杆静止不动。油缸力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘范围可以取得越小一些；
②．保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取100°～130°。在斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于10cm。一般来说，斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。
铰点位置的确定需要反复进行。在计算中初定铰点位置，如不够合理，应进行适当修改。
图2.6 铲斗摆角范围
2.3.3 确定前臂油缸铰点应考虑以下因素
①．保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在前臂油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当前臂油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘应能使满载铲斗静止不动；
②．保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取140°～160?，在特殊作业时可以大于180°，摆角位置可以按图1-3布置。当前臂油缸全缩时，铲斗与前臂轴线夹角（在轴线上方）应大于10°,常取15°～25°，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落；
③．铲斗从位置Ⅰ到位置Ⅱ时图1-3，铲斗油缸作用力臂最大，这里能得到斗齿最大切削角度的1/2左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿挖掘力也最大。实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下，特别是进行复合动作挖掘
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时，铲斗的切削转角一般都小于100°，而且铲斗也不一定都在初始位置Ⅰ开始挖掘。因此，目前一般取位置Ⅰ至位置Ⅱ的转角为30°～50°，在这个角度范围内可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好地适应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力。
图2.7 前臂铲斗油缸
2.4 机械动臂工作装置的运动仿真
利用solidworks/UG的功能建立了一个三维实体模型后，并不能直接将各个部件按一定的连接关系连接起来，必需给各个部件赋予一定的运动学特性，即让其成为一个可以与别的有着相同的特性的部件之间相连接的连杆构件（Link）。
同时，为了组成一个能运动的机构，必需把两个相邻构件（包括机架、原动件、从动件）以一定方式联接起来，这种联接必需是可动连接，而不是无相对运动的固接（如焊接或铆接），凡是使两个构件接触而又保持某些相对运动的可动连接即称为运动副。在solidworks/UG中两个部件赋予了连杆特性后，就可以用运动副（Joint）相联接，组成运动机构。
2.5 机构参数的选择
2.5.1 反铲装置总体方案的选择
反铲方案选择的主要依据是设计任务书规定的使用要求，据以决定工作装置是通用或是专用的。以反铲为主的通用装置应保证反铲使用要求，并照顾到其它装置的性能。专用装置应根据作业条件决定结构方案，在满足主要作业条件要求的同时照顾其它条件下性能。
反铲装置总体方案的选择包括以下方面：
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挖掘机机械手臂的结构设计
