1.1设计选题的意义：
挖掘机是⼟⽯⽅⼯程的主要施⼯机械，全世界各种施⼯作业场约有65%～70%的⼟⽯⽅⼯程都是由挖掘机完成的。近年来，国内外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在⼯程建设和施⼯⾏业中占有很重要的位置。液压挖掘机迅速发展的根本原因在于机械本⾝的优越性、通⽤性好和操纵轻便，也在于重视试验研究⼯作和计算机技术的引⽤挖掘机在国民经济建设的许多⾏业被⼴泛地采⽤，如⼯业与民⽤建筑、交通运输、⽔利电⽓⼯程、农⽥改造、矿⼭采掘以及现代化军事⼯程等等⾏业的机械化施⼯中。据统计，⼀般⼯程施⼯中约有60%的⼟⽅量、露天矿⼭中80%的剥离量和采掘量是⽤挖掘机完成的。 ⽬前，挖掘机的主要种类是履带式挖掘机和轮式挖掘机，履带式挖掘机是⽬前主流的挖掘机种类，轮式挖掘机主要是应⽤在⼩型的挖掘机上，⼤型挖掘机⼤多采⽤履带式，因为挖掘机要⾯对的作业条件是普通轮胎⽆法适应的环境，不管是轮式挖掘机还是履带式挖掘机他们都有⼀个共同点的缺点：那就是他们都只是适应陆地上的作业条件，⾯对例如堰塞湖等深⽔环境则束⼿⽆策，但是随着我国社会经济建设的发展，未来的挖掘机要⾯对的的作业环境是多种多样的，尤其是沿河岸浅滩等⽬前挖掘机⽆法涉及的恶劣环境，适应⽔陆两种环境的作业条件是未来挖掘机发展的⼀⼤⽅向，⽽⽬前我国在⽔陆两栖挖掘机的发展上还远远落后于发达国家，要获得性能可靠的⽔陆两栖挖掘机还要靠进⼝，这⽆疑给我国社会经济建设带来负⾯的影响，所以
发展我国⾃⼰的⽔陆两栖挖掘机迫在眉睫，这就是本课题成⽴的意义所在。
1.2.1国外⽔陆两栖挖掘机的发展动态和研究现状
⽔陆两⽤挖掘机绝⼤多数由美国、⽇本、德国、法国和俄罗斯等国家⽣产⽇本的⽇⽴和⼩松两家公司⾸先开发出这种挖掘机。⽇⽴公司⽣产的MA 12 5 型⽔陆两⽤液压挖掘机是MA-100U型机的换代产品, 最⼤挖掘半径、最⼤挖掘深度和最⼤卸载⾼度分别增加1.8m 2.32 m和4.5 m ，机重4t，为保持较低⽐压⽽将履带宽度增⼤0.2 m ，接地⽐压减少0.003 SMPa ，改进后的浮箱外形使接近⾓圆弧加⼤, 减少了⾏⾛时的推⼟阻⼒, 浮箱体积增⼤65m3 ”，浮⼒储备增⼤38% ，提⾼了⽔上作业的安全性，上车布置距离增加1.05 m ，有利于上车平衡，减少了配重, 上车宽增加到0.12m，当前，国际上挖掘机的⽣产正向⼤型化、微型化、多能化和专⽤化的⽅向发展。国外挖掘机⾏业重视采⽤新技术、新⼯艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通⽤化发展的步伐。我国⼰经形成了挖掘机的系列化⽣产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的⼀些先进的⽣产率较⾼的挖掘机型号[1]。
由于使⽤性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是⼯业发达国家，都在⼤⼒发展单⽃液压挖掘机。⽬前，单⽃液压挖掘机的发展着眼于动⼒和传动系统的改进以达到⾼效节能；应⽤范围不断扩⼤，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提⾼零部件、配件的可靠性，从⽽保证整机的可靠性；电⼦计算机监测与控制，
实现机电⼀体化；提⾼机械作业性能，降低噪⾳，减少停机维修时间，提⾼适应能⼒，消除公害。
1.2.2国内⽔陆两栖挖掘机的发展动态和研究现状
改⾰开放给⼯程机械⾏业的发展注⼊了⽣机与活⼒。⽔陆两⽤挖掘机从8 0年代由引进到⾃⾏开研制发展起来.抚顺挖掘机⼚于8 0年代初期⾸先制成WY40-ZR型机，该机以⽇本MA-10 0 U 为参考机型, 全压⾃动变量系统，先导操纵、浮箱式履带，可在⽔中浮航, 能换装反铲、抓⽃、拉铲、起重和打桩等⼯作装置，还可改装成沼泽地运输车江苏省⽔利机械⼚⽣产的S-LWY⼀60 A型机在全国最⼤的⼭西尊村引黄提⽔⼯程中发挥巨⼤作⽤(黄河西移时, ⽤以挖渠引⽔；引黄上⽔时, ⽤以清淤)贵阳矿⼭机器⼚⽣产的S-LW-Y60型⽔陆两⽤机可以⾃⾏出⼊泥沼地与⽔域的超低⽐压两栖类挖掘机，能在⽔中浮航作业江苏⾦湖⽔总船⼚SLW -Y40型⽔陆两⽤机是⽔利部郑州机械设计研究所为中原油⽥引黄⼯程设计的，采⽤德国引进的道依茨风冷柴油机恒功率双泵双回路液压系统，海德马蒂克公司的液压马达，浮箱式履带⾏⾛装置可在松软及浅⽔域作业，也可在深⽔中浮航，先导操纵，双座驾驶室,⼤容量油箱，采⽤计算机辅助设计，主要参数匹配合理上海建筑机械⼚⽣产的s-LW -Y70 -SL型机也是⼀种超低⽐压机型，可在2m 以下⽔深作业，也可在陆上挖掘，全功率变量液压系统，回转与⾏⾛⽤低速⼤扭矩液压马达驱动, 能在海⽔中浮游⾏⾛, 转弯⾃如, 在沼泽地和深淤泥中⾏⾛⽅便, 挖掘可靠。江苏省⽔利机械⼚⽣产的另⼀种SLW -Y⼀60B 型机是⼀种⾼性能⽔陆两⽤机，采⽤双泵双回
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路⾼压全功率变量系统, 顺序单动和并联相结合的主回路, ⼯作缸可双泵合流, 空⽓预压油箱设有温升⾃动冷却装置、油污染指⽰信号器及空⽓压⼒报警装置, 伺服控制系统操纵省⼒, 电磁开关可防⽌误操作，带辅助液压缸的组合式动臂可随时进⾏⼤幅度⽆级调节上、下动臂的夹⾓，从⽽获得较⼤挖掘半径和挖掘深度，提⾼挖掘质量和⽣产率, ⾏⾛采⽤变量泵变量马达驱动，有较⼤牵引⼒和较⾼⾏驶速度, 整机通过性能好。 当前液压挖掘机存在的主要问题
⽬前国内及国际上主流的挖掘机种类是液压反铲履带式挖掘机，这种挖掘机主要的作业条件是陆地上，可以挖掘停机⾯以下的⼟⽅⼯程，也可以装载⾼于挖掘机的⼟⽅，由于结构合理，性能稳定，发展历史较为悠久，是当前世界挖掘机家族数量最为庞⼤的成员，履带式挖掘机由于本⾝质量庞⼤，不能轻易改装成专业的⽔陆两栖挖掘机，所以需要重新设计专业⽤于湿地环境的⽔陆两栖的挖掘机，⽔陆两栖挖掘机的发展已经有⼀些成果，⽬前主要要解决的问题是：1,、⽔陆两栖挖掘机在⽔中的浮⼒与质量的关系，2、⽔中作业时的机⾝稳定性，3、⽔陆两栖挖掘机的涉⽔泅渡。
1.4 本设计的主要内容及⽬标
1.4.1 设计的主要内容
1、挖掘机⼯作部分的整体设计
2、挖掘机⽔上⾏⾛装置
3、挖掘机⽔上作业装置
1.4.2 设计的关键问题
1、挖掘机⽔上作业时稳定性。
2、挖掘机的⽔上⾏⾛装置。
3、挖掘机整体质量与浮⼒的关系。
1.4.3 设计过程中的已知参数（设计要求）机重：25 T
铲⽃容量：1m3
发动机额定功率：106 Kw
额定转速：2100 转/分钟
液压系统压⼒：36Mpa
流量：2*207 l/min
回转速度：12 r/min
最⼤牵引⼒：195Kn
最⼤⾏⾛速度：4km/h
爬坡能⼒：35°(70%)
最⼤挖掘⼒：110 Kn(⽃杆) 142 kn(铲⽃)
平均接地⽐压：48 Kpa
2 ⽔陆两栖挖掘机⼯作部分的总体设计
2.1 挖掘机⼯作部分的传动⽅式
2.1.1 挖掘机传动⽅式的种类及特点
分类：
1、挖掘机根据其⼯作装置的不同，可适⽤于不同的⼯作场所，根据其传动的⽅式可以分为机械传动式挖掘机和液压传动式挖掘机，
2、液压传动的特点：
液压挖掘机基友挖掘⼒⼤、动作平稳、结构简单、可吸收冲击和振动、操纵省⼒、易实现⾃动化控制、易实现标准化、通⽤化、系列化。
3、机械传动的特点：
机械传动挖掘机的主要技术参数是铲⽃容量，常据以计算机械⽣产率和估算运⼟车辆的车⽃⼤⼩。此种挖掘机由于重量⼤、机构性能不能很好地满⾜作业要求、操纵不轻便，故中⼩型机已基本上被液压传动挖掘机所取代。
2.1.2 挖掘机⼯作⽅式的分类及特点
根据其⼯作装置的不同，分为正铲、反铲、拉铲、抓铲4种
1、正铲式挖掘机
正铲挖掘机的铲⽃铰装于⽃杆端部，由动臂⽀持，其挖掘动作由下向上，⽃齿尖轨迹常呈弧线，适于开挖停机⾯以上的⼟壤。反铲挖掘机的铲⽃也与⽃杆铰接，其挖掘动作通常由上向下，⽃齿轨迹呈圆弧线，适于开挖停机⾯以下的⼟壤。
2、反铲式挖掘机
反铲挖掘机的铲⽃也与⽃杆铰接，其挖掘动作通常由上向下，⽃齿轨迹呈圆弧线，适于开挖停机⾯以下的⼟壤。
3、拉铲式挖掘机
拉铲挖掘机的铲⽃沿动臂下缘移动，动臂置于固定位置时，⽃齿尖轨迹呈直线，因⽽可获得平直的挖掘表⾯，适于开挖斜坡、边沟或平整场地。
4、抓铲式挖掘机
拉铲挖掘机的铲⽃呈畚箕形，⽃底前缘装⽃齿。⼯作时，将铲⽃向外抛掷于挖掘⾯上，铲⽃齿借⽃重切⼊⼟中，然后由牵引索拉曳铲⽃挖⼟，挖满后由提升索将⽃提起，转台转向卸⼟点，铲⽃翻转卸⼟。
传动⽅式的选择
由于液压传动相对于机械传动具有：调速范围⼤、可实现⽆级调速、能得到稳定的低转速，快速作⽤时液压元件的运动惯量⼩，可作告诉反转，传动平稳，结构简单，能吸收振动和冲击，操作省⼒，易实现⾃动化控制等特点，因⽽采⽤液压传动⽅式。
作业形式的选择
由于⽔陆两栖挖掘机要求⼯作质量较轻，且主要作业对象为停机⾯以下的⼟⽅⼯程，所以采⽤反铲式的⼯作装置。
动臂的选择
由于⽔陆两栖挖掘机要求⼯作质量较轻，且长期⼯作条件相似，故采⽤整体式动臂，⼜因为⽔陆两栖挖掘机要求拥有较深的挖掘深度，所以采⽤弯动臂的设计。
lrcp
铲⽃结构设计
由于⽔陆两栖挖掘机的作业对象是流动性强的⼟壤，故要求铲⽃转⾓较⼤，⼯作⼒矩变化⼩，所以铲⽃结构采⽤六连杆的形式。
回转机构的设计
挖掘机的回转⽀承主要有转柱式回转⽀承和滚动轴承式回转⽀承，由于转柱式回转⽀承⽆法实现360°旋转，所以挖掘机平台与⾏⾛装置之间滚动轴承式⽀承，回转盘采⽤交叉滚柱式轴承结构。回转驱动装置使平台相对于⾏⾛装置作回转运动，并带动⼯作装置绕其回转中⼼
转动。
动臂油缸装在动臂的前下⽅，动臂的下⽀承点（即动臂与转台的铰点）设在转台回转中⼼之前并稍⾼于转台平⾯[3]，这样的布置有利于反铲的挖掘深度。油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影响动臂的下降幅度。并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装⼀只，这样的双动臂在结构上起到加强筋的作⽤，以弥补前⾯的不⾜。具体结构如图2-4所⽰。
1 2
1-动臂； 2=动臂油缸
图2-4 动臂油缸铰接⽰意图
挖掘机⼯作装置的⼤臂与⽃杆是变截⾯的箱梁结构，铲⽃是由厚度很薄的钢板焊接⽽成。各油缸可看
作是只承受拉压载荷的杆。根据以上特征，可以对⼯作装置进⾏适当简化处理[3]。则可知单⽃液压挖掘机的⼯作装置可以看成是由动臂、⽃杆、铲⽃、动臂油缸、⽃杆油缸、铲⽃油缸及连杆机构组成的具有三⾃由度的六杆机构，处理的具体简图如2-2所⽰。进⼀步简化得图如2-3所⽰。
1-铲⽃；2-连杆；3-⽃杆；4-动臂；5-铲⽃油缸；6-⽃杆油缸；7、动臂油缸挖掘机的⼯作装置经上⾯的简化后实质是⼀组平⾯连杆机构，⾃由度是3，即⼯作装置的⼏何位置由动臂油缸长度L1、⽃杆油缸长度L2、铲⽃油缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某⼀确定的值时，⼯作装置的位置也就能够确定[2]。
2.6 原始⼏何参数的确定
（1）⽃杆与动臂的长度⽐K
1
由于所设计的挖机适⽤性较强，需要较深的挖掘深度，K1取在1.5～2.0之间，初步选取K
=1.5，即l1/l2=1.5。
1
（2）铲⽃⽃容与主参数的选择
⽃容在任务书中已经给出：q =1 m3
按经验公式和⽐拟法初选：l3=1600mm
（3）⼯作装置液压系统主参数的初步选择
各⼯作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的⼯作压⼒和“三化“要求。初选动臂油缸内径D1=170mm，活塞杆的直径
d1=100mm。⽃杆油缸的内径D2=170mm，活塞杆的直径d2=100mm。铲⽃油缸的内径D3=110mm，活塞杆的直径
d3=80mm。⼜由经验公式和其它机型的参考初选动臂油缸⾏程L1=1000mm，⽃杆油缸⾏程L2=1500mm，铲⽃油缸⾏程
水煮纺大
L3=1300mm。并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之⽐：λ1=λ2=λ3=1.6。参照任务书的要求选择⼯作装置液压系统的⼯作压⼒P=31.4MPa，闭锁压⼒P g=34.3MPa。
铲⽃⽃形的结构设计
铲⽃的分类：
1、V形⽃刃铲⽃
2、直线形⽃刃铲⽃
3、直线形带齿铲⽃
4、V形带齿铲⽃
铲⽃的选型：
带有⽃齿的铲⽃在插⼊物料时，阻⼒分部在⼏个⽃齿上，使每个⽃齿形成很⼤的⽐压，因此具有良好的铲⼊性和掘起性，由于⽔陆两栖挖掘机的主要⼯作对象是⽔中的污泥，其具有很强的聚合性，要求铲⽃具有较强的铲⼊性，所以选择带齿铲⽃，
2、由于具有弧线或者折线的侧刃铲⽃的侧壁较浅，物料易从两侧散落，影响铲⽃的装满，且⽔陆两栖挖掘机的⼯作对象是流动性很强的污泥，所以采⽤直线型带齿铲⽃。
3、基本参数的确定
根据铲⽃主要参数可进⼀步设计计算⽃形的尺⼨，如图3-3所⽰。图中三⾓形OGE 为等腰三⾓形，OA 段为直线，AB 弧段为抛物线。A 点⾄直线EB 的距离为H ，抛物线定点⾼度为L ，⼀般取H=L 。⽃尖⾓β取值范围⼀般为20°~30°取23°，⽃侧壁⾓为λ取值范围⼀般为30°~50°取40°，包⾓δ取108°（参考常见铲⽃⽃形参数参考表）。改变三⾓形OEG 的形状可以获得不同的形状的⽃形。反铲的铲⽃的⽃形与尺⼨，有较常⽤的经验统计公式，⽤户可以根据实际需要进⾏配制[7]。根据经验公式和电⼦计算，可以求得其中的未知参数。
钢结构轻型楼板图3-3反铲⽃尺⼨计算简图
Figure 3-3 Backhoe size calculation diagram
⽃形尺⼨mm mm 1536R 393EB 69δ 56λD ====、、、
得出： mm
mm mm mm 959L 1464 x 1168 x 424x 321====、、、宽度D=1200mm
3.1.4 铲⽃⽃齿的结构设计
铲⽃的⼏何形状应对挖掘⽐阻⼒达到最⼩值。铲⽃及切削时的主要参数有铲⽃容量q 、长度L 、宽度B 、切削⾓α、刃⾓β和后
⾓γ等参数的选择都对挖掘
⽐阻⼒有直接影响。⽃齿在铲⽃上的布置（齿宽和齿距）也是⼀个重要参数，为使⽃侧壁不参与切削，铲⽃应装有侧齿。
齿宽
mm
q b 78078.03== （3-16）
齿长
mm
q l 26026.03== （3-17）
齿距
mm
b a )273~195()5.3~5.2(== （3-18）
取mm
a
247=
⽃前臂与切削⾯的间隙
mm
精准灌溉系统海棠
b f 6.547.0== （3-19）
由于铲⽃宽度mm
桶盖
B
1200=，齿宽与齿距之和为mm
325247
78=+
69
.3=+b
a B （3-20）
因此铲⽃装有4个齿。
齿尖应保持锐利，否则挖掘⼒将急剧增加。新铸造（或锻造）的齿只有⼀个⼩的圆弧尖连续⼯作后，齿尖将逐渐磨损，并变钝。通常，挖掘Ⅱ~Ⅲ级⼟壤，齿尖显著磨钝后，挖掘阻⼒将增加50~100%。因此，为避免这种超载挖掘，应及时更换或在齿刃⼝上堆焊硬质合⾦层。⽃齿做成楔⼊式或组合式，以便快速更换和修补。
4.4 ⽃杆机构基本参数的选择
5.1⽃杆的结构设计
5.1.1 ⽃杆的受⼒分析
⽃杆主要受到弯矩的作⽤，故要出⽃杆中的最⼤弯矩进⾏设计计算。根据受⼒分析和以往的实验表明，在铲⽃进⾏挖掘时，产⽣最⼤弯矩的⼯况可能有以下两个：
第⼀⼯况位置，其满⾜以下条件：
（1）动臂处于最低位置。即动臂油缸全缩。（2）⽃杆油缸的⼒臂最⼤。
（3）铲⽃齿尖在动臂与⽃杆铰点和⽃杆与铲⽃铰点的连线上。（4）侧齿挖掘时受到横向⼒W k 的作⽤第⼆⼯况位置，该
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