本發(fā)明屬于挖掘機，具體的涉及一種變?nèi)萘跨P斗及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、挖掘機和裝載機都是通過鏟斗實現(xiàn)挖掘、裝載和運輸土壤、泥沙、石塊、煤炭、垃圾等物料的工程機械設(shè)備，其鏟斗結(jié)構(gòu)和功能相似，功能側(cè)重點有所區(qū)別，挖掘機側(cè)重于挖掘，斗容較小，斗體強度較高，裝載機側(cè)重于裝載，斗容相對較大，斗體強度較低。兩者在不同工況下用鏟斗作業(yè)時，為獲得更高的工作效率，均需要根據(jù)物料的性質(zhì)更換合適的鏟斗。當(dāng)挖掘裝載石塊等高密度硬質(zhì)物料時，需要采用小容量鏟斗，而挖掘裝載土壤、泥沙、垃圾等低密度松散物料時，優(yōu)先采用大容量鏟斗。

2、目前，用戶在購買挖掘機時，只能根據(jù)工作需求購買一種或多種固定容量鏟斗。面對復(fù)雜多變的工況，往往需要整體更換鏟斗，更換鏟斗需要到專業(yè)維修廠進(jìn)行，整個過程費時費力。還有一種快換裝置，可以實現(xiàn)快速更換鏟斗，但是購買、儲存和攜帶多余鏟斗，占用額外的采購、運輸、儲存的空間和成本。固定容量鏟斗工況適應(yīng)性差的缺陷，嚴(yán)重制約了工作效率的進(jìn)一步提升。

3、針對定容量鏟斗更換困難的問題，現(xiàn)有技術(shù)也做出了一些改進(jìn)。cn205000385u提出的技術(shù)方案是設(shè)置兩個側(cè)斗在主鏟斗兩側(cè)伸縮，在鏟斗橫截面積不變的前提下通過改變鏟斗寬度的方式改變鏟斗容積，該技術(shù)有以下三個缺陷：1、側(cè)斗的驅(qū)動油缸與滑軌不共線，液壓油缸伸縮時會給側(cè)斗施加偏移滑軌的力矩，導(dǎo)致側(cè)斗在滑軌內(nèi)的運動由理想的面面接觸滑動變?yōu)辄c面接觸滑動，產(chǎn)生一個或數(shù)個重載的特殊點，該特殊點會出現(xiàn)過度磨損，且當(dāng)偏轉(zhuǎn)力矩過大時會導(dǎo)致伸縮卡滯；2、側(cè)斗與主斗的滑動副接觸面積大，滑動時摩擦阻力很高，對滑軌內(nèi)部的密封性和清潔度要求高，但是側(cè)斗和主斗的滑動面貫穿整個鏟斗橫截面，鏟斗挖掘時滑動面之間很容易進(jìn)入物料導(dǎo)致卡滯；3、當(dāng)鏟斗寬度變長時，主刀板也相應(yīng)變長，主刀板工作面接觸的物料面積增大，進(jìn)而導(dǎo)致作用在單位物料面積上的切削力變小。還有cn111197325a提出的方案是在鏟斗的背面和側(cè)面增加擋板的方式來增加鏟斗容量，該方案存在以下缺陷：1、擋板的拆裝和調(diào)節(jié)需要人工操作，僅適用于小型輕量鏟斗，大型鏟斗加裝擋板需要機械輔助，鏟斗變?nèi)莶僮鞅容^麻煩；2、僅在鏟斗兩側(cè)和背面增加三面擋板，斗齒一側(cè)沒有變化，屬于短板，根據(jù)木桶原理，容量提升有限。

4、因此設(shè)計一種鏟斗容量無級切換節(jié)省購車成本，提高效率，摩擦阻力小不易卡入物料引起卡滯，切換動作順滑，保證切削力不減小的裝置，正是發(fā)明人要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種變?nèi)萘跨P斗及其設(shè)計方法，能實現(xiàn)鏟斗容量無級切換節(jié)省購車成本，提高效率，摩擦阻力小不易卡入物料引起卡滯，切換動作順滑，保證切削力不減小的功能。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種變?nèi)萘跨P斗，其包括固定鏟斗、活動斗體、左導(dǎo)向機構(gòu)、右導(dǎo)向機構(gòu)、液壓油缸、第二銷軸、第三銷軸、第一鎖止銷、第一端蓋、第一襯套、斗齒、第一銷軸、第二端蓋、第二襯套、液壓鎖、第二鎖止銷、鎖緊螺母、連接桿；

3、所述固定鏟斗包括背板，所述背板的兩側(cè)均連接有側(cè)壁板，所述側(cè)壁板的內(nèi)側(cè)設(shè)置有第一軸套，所述固定鏟斗與側(cè)壁板之間連接有第二加強板，所述第一軸套與背板、側(cè)壁板之間連接有第一加強板，所述背板的外側(cè)壁邊緣處連接有對稱分布的兩個第三鉸接板，兩個所述第三鉸接板之間設(shè)置有對稱分布的兩個第一鉸接板，相鄰的所述第三鉸接板、第一鉸接板之間設(shè)置有第二鉸接板，兩塊所述第一鉸接板之間連接有第一加強板，相鄰的所述第一鉸接板、第二鉸接板之間連接有第二加強板，相鄰的所述第二鉸接板、第三鉸接板之間連接有第三加強板，所述第二鉸接板、第三鉸接板相對一側(cè)端面上均設(shè)置有第一貼盤，所述第二鉸接板。第三鉸接板相互遠(yuǎn)離一側(cè)的端面上均設(shè)置有第二貼盤，所述第三鉸接板的端面上開設(shè)有若干個螺紋孔；

4、所述活動斗體包括主面板，所述主面板的端部連接有主刀板，所述主刀板的端部連接有斗齒座，所述斗齒座內(nèi)側(cè)安裝設(shè)置有斗齒，所述主面板的兩側(cè)均連接有側(cè)面板，所述側(cè)面板的端部與主刀板之間連接有側(cè)刀板，所述側(cè)面板的中部內(nèi)側(cè)設(shè)置有第二軸套，所述側(cè)面板的末端內(nèi)側(cè)設(shè)置有第三軸套，所述側(cè)面板的外側(cè)端面上設(shè)置有第四加強板組件，所述側(cè)面板的邊緣處設(shè)置有第三加強板組件，所述側(cè)面板、主面板的接縫處設(shè)置有第五加強板組件，所述主面板的外側(cè)端面設(shè)置有第六加強板組件；

5、所述固定斗座外側(cè)通過第一銷軸轉(zhuǎn)動設(shè)置有活動斗體，所述第一銷軸從內(nèi)向外依次穿過第一軸套、第二軸套且通過螺栓與第一軸套相連接，所述第一銷軸與第二軸套之間設(shè)置有第一襯套，所述第二軸套的端部通過螺栓連接有第一端蓋，所述第二鉸接板。第三鉸接板之間設(shè)置有液壓油缸，所述第二銷軸依次從外向內(nèi)依次穿過第三鉸接板、液壓油缸的末端、第二鉸接板且通過螺栓與第三鉸接板上的第二貼盤相連接，所述第二鉸接板上的貼盤通過螺栓連接有第二端蓋，兩塊所述第三鉸接板的下部之間設(shè)置有連接桿，兩個所述液壓缸的輸出端分別設(shè)置在連接桿兩端與兩個第三鉸接板之間，所述第三銷軸從外向內(nèi)依次穿過第三鉸接板上設(shè)置的第三軸套、液壓油缸的輸出端且與連接桿的端部插接配合，所述第三銷軸通過螺栓與第三軸套相連接，兩個所述第三鉸接板上通過螺栓分別連接有對稱設(shè)置的左導(dǎo)向機構(gòu)、右導(dǎo)向機構(gòu)，兩個所述側(cè)刀板分別設(shè)置在左導(dǎo)向機構(gòu)、右導(dǎo)向機構(gòu)內(nèi)側(cè)且與左導(dǎo)向機構(gòu)、右導(dǎo)向機構(gòu)滑動配合。

6、進(jìn)一步，所述左導(dǎo)向機構(gòu)包括固定板，所述固定板的頂部通過弧形板連接有限位板，所述固定板的端面上開設(shè)有若干個沉頭孔，所述限位板、固定板上位置相對出均開設(shè)有直徑相同的鎖止銷孔，所述左導(dǎo)向機構(gòu)與右導(dǎo)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成相同且弧形板、限位板設(shè)置在固定板相反一側(cè)的端面，所述沉頭孔內(nèi)側(cè)設(shè)置有用于連接第三鉸接板的螺栓，所述鎖止銷孔內(nèi)側(cè)設(shè)置有第一鎖止銷。

7、進(jìn)一步，所述第一鎖止銷穿過側(cè)刀板上開設(shè)的圓孔。

8、進(jìn)一步，所述背板包括相連接的第一平面部、第一圓弧部，所述第一平面部、第一圓弧部接縫處相切。

9、進(jìn)一步，所述主面板包括想連接的第二平面部、第二圓弧部、第三圓弧部，所述第二圓弧部與第二平面部、第三圓弧部的接縫處均為相切。

10、進(jìn)一步，所述側(cè)刀板靠近所述固定斗座的一端設(shè)有第四圓弧面，所述第四圓弧面與第一圓弧部、第二圓弧部共軸，所述第四圓弧面內(nèi)側(cè)布置有若干個圓孔，所述圓孔布置于同樣與第一圓弧部、第二圓弧部共軸的圓周上，且各相鄰圓孔與圓周中心連線之間的角度相等。

11、進(jìn)一步，所述固定板的外部輪廓有一段半徑為rc5的第五圓弧面，所述限位板的外部輪廓有一段半徑為rc5的第七圓弧面，所述弧形板由第六圓弧部構(gòu)成，內(nèi)徑為rc6。

12、進(jìn)一步，所述液壓油缸的油路上還設(shè)有具有保壓功能的元件。

13、進(jìn)一步，所述液壓油缸的輸出端與第二銷軸之間、末端與第三銷軸之間均轉(zhuǎn)動設(shè)置有第二襯套。

14、一種變?nèi)萘跨P斗的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟：

15、(1)、根據(jù)總體設(shè)計參數(shù)指標(biāo)先設(shè)計出一款常規(guī)的定容量鏟斗的各項技術(shù)參數(shù)，包括額定容量v0、鏟斗寬度w0、鏟斗開合角α0、斗底圓弧內(nèi)徑r0、第一標(biāo)定面連線長度l′1、第二標(biāo)定面連線長度l′2、第三標(biāo)定面連線長度l′3、背板厚度t1′等，所述鏟斗寬度w0為鏟斗內(nèi)部裝載空間的寬度；

16、(2)、所述變?nèi)萘跨P斗設(shè)有三個容量指標(biāo)和一個評估指標(biāo)，所述容量指標(biāo)為：與同規(guī)格定容量鏟斗形狀一致時的標(biāo)準(zhǔn)容量、鏟斗變形后的最大容量和鏟斗變形后的最小容量，首先確定標(biāo)準(zhǔn)容量，然后根據(jù)斗形參數(shù)可以進(jìn)一步計算出最大容量和最小容量，所述評估指標(biāo)為容量變化率，容量變化率＝(最大容量-最小容量)/標(biāo)準(zhǔn)容量×100％；

17、(3)、設(shè)定所述常規(guī)定容量鏟斗的額定容量v0為所述變?nèi)萘跨P斗的標(biāo)準(zhǔn)容量v的初始值，所述變?nèi)萘跨P斗的標(biāo)準(zhǔn)容量v可分解為標(biāo)準(zhǔn)平裝容量v平和堆尖容量v堆，鏟斗水平姿態(tài)滿載物料后，除了鏟斗內(nèi)的物料，在第三標(biāo)定面上方還會形成一個物料堆尖，所述平裝容量v平為第三標(biāo)定面下方的鏟斗容量，所述堆尖容量v堆為第三標(biāo)定面上方的容量，所述第三標(biāo)定面為主刀板內(nèi)側(cè)上邊緣至；

18、(4)、分解斗形參數(shù)，所述斗形參數(shù)可具體分解為以下參數(shù)：鏟斗寬度w，第一標(biāo)定面連線長度l1,第二標(biāo)定面連線長度l2，第三標(biāo)定面連線長度l3，標(biāo)定圓弧面半徑r，液壓油缸(3)上鉸點到標(biāo)定圓弧面圓心距離l4，液壓油缸(3)下鉸點到標(biāo)定圓弧面圓心距離l5，鏟斗開合角α，鏟斗開合角的變化量△α，相鄰容量鎖定圓孔圓心到標(biāo)定圓弧面圓心連線之間的角度β，液壓油缸(3)兩鉸點中心與標(biāo)定圓弧面圓心連線的夾角γ，液壓油缸(3)最小行程時兩鉸點中心與標(biāo)定圓弧面圓心連線的夾角γ0，液壓油缸(3)安裝距l(xiāng)6，背板(101)第一圓弧部(1012)內(nèi)徑rc1，背板(101)厚度t1，主面板(208)第二圓弧部(2081)內(nèi)徑rc2，側(cè)刀板(203)第四圓弧面(2031)外徑rc3，側(cè)刀板(203)與左導(dǎo)向機構(gòu)(4)、右導(dǎo)向機構(gòu)(12)上的容量鎖定圓孔中心的分布圓周半徑rc4，左導(dǎo)向機構(gòu)(4)、右導(dǎo)向機構(gòu)(12)固定板(402)第五圓弧面(4021)內(nèi)徑rc5，左導(dǎo)向機構(gòu)(4)、右導(dǎo)向機構(gòu)(12)弧形板(403)第六圓弧部(4031)內(nèi)徑rc6，其中，所述w為鏟斗內(nèi)部裝載空間的寬度，所述標(biāo)定圓弧面為所述第一圓弧部內(nèi)圓面和所述第二圓弧部內(nèi)圓面的中間圓面，l1為從主刀板(201)內(nèi)側(cè)上邊緣到標(biāo)定圓弧面切線平面的連線的長度，所述切線在斗寬方向形成的平面為第一標(biāo)定面，l2為背板(101)內(nèi)側(cè)上邊緣到標(biāo)定圓弧面切線平面的連線的長度，該切線在斗寬方向形成的平面為第二標(biāo)定面，l3為主刀板(201)內(nèi)側(cè)上邊緣到背板(101)內(nèi)側(cè)上邊緣連線的長度，該連線在斗寬方向形成的平面為第三標(biāo)定面，α為第一標(biāo)定面和第二標(biāo)定面之間的夾角，通過鏟斗的容積公式可以推導(dǎo)出v平關(guān)于r、l1、l2、w和α的關(guān)系式，利用此關(guān)系式和各圓弧部之間的關(guān)系式以及液壓油缸(3)安裝距和l4、l5和△α的關(guān)系式進(jìn)一步分析鏟斗容量的變化規(guī)律并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計；

19、(5)、分別設(shè)定所述常規(guī)定容量鏟斗的鏟斗寬度w0、鏟斗開合角α0，斗底圓弧內(nèi)徑r0、第一標(biāo)定面連線長度l′1、第二標(biāo)定面連線長度l′2、第三標(biāo)定面連線長度l′3為所述變?nèi)萘跨P斗在標(biāo)準(zhǔn)容量時的鏟斗寬度w、標(biāo)定圓弧面內(nèi)徑r、第一標(biāo)定面連線長度l1、第二標(biāo)定面連線長度l2、第三標(biāo)定面連線長度l3的初始值。

20、(6)、根據(jù)鏟斗寬度w、標(biāo)定圓弧面內(nèi)徑r、第一標(biāo)定面連線長度l1、第二標(biāo)定面連線長度l2、第三標(biāo)定面連線長度l3的初始值通過步驟4的v平公式計算該參數(shù)下所述變?nèi)萘跨P斗隨開合角α變化的最大平裝容量和最小平裝容量，并繪制出函數(shù)圖像。

21、(7)、觀察容量變化率是否滿足設(shè)計需求，比較最大平裝容量、最小平裝容量與標(biāo)準(zhǔn)平裝容量時的α值，觀察角度變化范圍是否在合理的區(qū)間內(nèi)

22、(8)、如果容量變化幅度或角度變化范圍不合理，則通過調(diào)整l1、l2、r和w的取值調(diào)整容量變化區(qū)間，直至獲得最優(yōu)的容量變化率和角度變化范圍，確定l1、l2、r、w和α的值；

23、(9)、通過上述步驟確定l1、l2、r和w等設(shè)計參數(shù)的取值后，所述變?nèi)萘跨P斗的斗形隨之確定，背板(101)和主面板(208)厚度t1、t2參考定容量鏟斗設(shè)置，此時可根據(jù)步驟4中的相關(guān)公式求得所述第一圓弧部(1012)內(nèi)徑rc1，所述第二圓弧部(2081)內(nèi)徑rc2，根據(jù)l1、l2、rc1、rc2和α0可以進(jìn)一步確定所述主刀板(201)內(nèi)部上邊緣和所述背板(101)第一平面部(1011)內(nèi)部上邊緣的位置和尺寸，再根據(jù)α的兩個極值確定所述背板(101)第一圓弧部(1012)和所述主面板(208)第二圓弧部(2081)外緣的位置和尺寸，進(jìn)而確定所述變?nèi)萘跨P斗的橫截面形狀和尺寸；

24、(10)、所述鏟斗橫截面形狀尺寸確定以后，可以繼續(xù)根據(jù)鏟斗橫截面形狀合理布置rc4、rc3、rc6、rc5和β，所述β的取值方法是，在所述左導(dǎo)向機構(gòu)(4)、右導(dǎo)向機構(gòu)(12)的位置確定后，根據(jù)α的兩個極值確定首尾兩個圓孔在所述側(cè)刀板(203)上的位置，然后將兩孔之間的角度均分為n份，即為β，在所述固定斗座(1)背部和活動斗體(2)側(cè)面板(210)上選取不與其它零部件干涉的合適位置設(shè)置液壓油缸(3)鉸點，預(yù)設(shè)出l4、l5和γ0的值，然后根據(jù)α的兩個極值和步驟4的相關(guān)公式計算l6的極值，獲取油缸的最大安裝距、最小安裝距和行程，進(jìn)而設(shè)計出液壓油缸(3)的尺寸外形，再將設(shè)計出的液壓油缸(3)裝配于鏟斗上進(jìn)行運動仿真，根據(jù)仿真結(jié)果不斷調(diào)整l4、l5和γ0的值直至獲得最佳效果；

25、(11)、通過以上步驟，可以獲取所述變?nèi)萘跨P斗的所有關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)平裝容量、最大平裝容量、最小平裝容量、最大開合角、最小開合角、鏟斗寬度，液壓油缸(3)的行程和最大、最小安裝距，第一標(biāo)定面連線長度、第二標(biāo)定面連線長度、背板(101)、主面板(208)和主刀板(201)的形狀尺寸，根據(jù)以上參數(shù)可以進(jìn)行所述變?nèi)萘跨P斗的完整設(shè)計。

26、本發(fā)明的有益效果是：

27、1.本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)活動斗體，使其與固定斗座相對轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)斗容的無級切換，用戶無需購買和更換額外鏟斗即可實時根據(jù)工況調(diào)整斗容，節(jié)省購車成本，提升工作效率。

28、2.本發(fā)明通過液壓油缸驅(qū)動轉(zhuǎn)動副實現(xiàn)變?nèi)菖c用液壓油缸驅(qū)動滑動副變?nèi)菹啾?，轉(zhuǎn)動副接觸面積更小，摩擦阻力更小，且由于工作面小不易進(jìn)入物料引起機構(gòu)卡滯，斗容切換更順滑，可靠性更高。

29、3.本發(fā)明在變?nèi)輹r斗寬不變，主刀板與物料接觸面積恒定，不影響挖掘物料時的切削力。