轮式挖掘机工作装置及液压系统设计.doc

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1、前 言 随着社会建设的不断发展和需要，轮式液压挖掘机在国土建设、大自然改造事业、许多大型基础工程的建设中得到广泛应用，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用，称为一种万能机械。一台1轮式液压挖掘机挖掘IIV级土壤时，每班生产率大约相当于300400工人一天的劳动生产率。由于轮式液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐。轮式液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。 工作装置是轮式液压挖掘机主要组成部分之一，是直接完成挖掘任务的装置。工作装置的作业由三个油缸的复合动作和土壤的相互作用来实现，不借助计算机技

2、术无可实现轮式液压挖掘机工作装置设计及其性能分析。因此，基于计算机全面仿真的轮式液压挖掘机工作装置设计方法的研究成为推动挖掘机发展中的重要一环。挖掘机与液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析研究也己经成为推动挖掘机发展中的重要一环。1轮式挖掘机1.1轮式挖掘机工作装置与液压系统研究的必要性 挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯到1840年。当时美国西部开发，进行铁路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走

3、和扭腰类似机械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时间挖掘机没有得到很大的发展，应用范围也只局限于矿山作业中。导致挖掘机发展缓慢的主要原因是:其作业装置动作复杂，运动范围大，需要采用多自由度机构，古老的机械传动对它不太适合。而且当时的工程建设主要是国土开发，大规模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因此对挖掘机的应用相对较少，在一定程度上也限制了挖掘机的发展。 由于液压技术的应用，二十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机。随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的传动技术，挖掘机有了适合它的传动装置，为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术

4、上的一个飞跃。同时，工程建设和施工形式也发生了很大变化。在进行大规模国土开发的同时，也开始进行城市型土木施工，这样，具有较长的臂和杆，能装上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多自由动作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用。 1950年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。当时液压挖掘机主要配置反铲工作装置。在早年，许多液压挖掘机都配组合动臂。这种组合动臂可以调节动臂的长度，现在大多数液压挖掘机都采用整体动臂。优点是重量轻，制造方便，成本低。从20世纪60年代到80年代中期，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。196819

5、70年间，液压挖掘机产量已经达到挖掘机总产量的83%, 90年代初工作装置的结构有所改进。大多数制造厂家借助计算机技术设计制造更轻便的动臂和斗杆，而不削弱其强度，其时对挖掘机工作装置的研究也已经十分成熟。 自第一台手动挖掘机诞生以来的160多年当中，挖掘机一直在不断地飞跃发展，其技术己经发展到相对成熟稳定的阶段。经过几十年的研究，被成为土建机械手，成为建设机器人的代表，据有关专家估算，全世界各种施工作业场约有65%至70%的土石方工程都是由挖掘机完成的。挖掘机是一种万能型工程机械，目前已经无可争议地成为工程机械的第一主力机种，在世界工程机械市场上己占据首位并且仍在发展扩大。挖掘机工作装置设计参

6、数直接影响作业范围、功率利用、挖掘力发挥等。该参数的设计与挖掘机性能的好坏有关。 目前商品化的液压挖掘机工作装置设计软件还没有，都采用各自开发的软件。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。通过开发通用性及专业的液压挖掘机工作装置设计软件，能够实现工作装置设计的自动化，提高挖掘机设计水平。因此，进行挖掘机工作装置设计的自主研究非常必要。 挖掘机的发展主要以液压技术的应用为基础，其液压系统已成为工程机械液压系统的主流形式。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘机

7、行业所面临的新挑战。在技术方面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，所以对其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义。1.2国内外轮式挖掘机工作装置的发展动态及研究现状 最早在轮式挖掘机工作装置设计时，设计人员通过类比、查表、理论计算初步确定性能参数以后，还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大都选取几个特殊位置进行检讨计算，其精度当然较低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置设计得到了很快发展。针对轮式挖掘机工作装置的CAD软件也已经有了不少的研究。1.2.1国外发展动态及研究状况 从20世纪50年代开始生产第一台轮式挖掘机至今，挖掘机工作装置己经

8、发展到了相当成熟的阶段。随着轮式挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力。 近几年来，国外轮式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。轮式挖掘机迅速发展的根本原因，在于机械本身的优越性(重量轻、挖掘能力大、生产率高)、通用性好、操纵轻便，也由于下述几个因素:(1)重视试验研究工作，轮式挖掘机的研制除了保证机械技术性能以外，十分重视挖掘机的使用经济性和工作可靠性，研制过程中，进行各种性能试验和可靠性试验，包括构件强度试验、系统试验、操纵试验、耐久性试验等等，要过严格的科学试验和用户评价，才进

9、行定型生产;(2)重视电子计算机技术的引用，加快了新产品的发展速度，国外发展有总体、工作装置、液压系统等的设计程序，出现了总体优化设计方法和适合于计算机数据处理的数学模型描述液压系统和元件特性的程序，这样，就可以利用计算机在很短的时间内进行总体设计，新产品从设计到批量生产的周期缩短到23年左右。 当前轮式挖掘机的研制和改进主要着眼于:(1)发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效的功，其中包括动力装置与液压系统的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构功率的回收，高效液压系统的研究等;(2)铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标。 随着建筑施

10、工和资源开发规模的扩大，对各种挖掘机需求量迅速增加，因而国际上轮式挖掘机工作装置的生产向多功能化和专用化的方向发展。当轮式挖掘机配置不同的作业装置时，可以用来吊、夹、推、刮、松、挖、装、铣削、拆除、清除和压实等作业，且大都采用快换装置。驾驶员在驾驶室内就可以完成作业装置的更换，仅用2 min时间，就完成了作业装置的更换。工作装置中，动臂、斗杆结构变化多样，也扩展了主机的使用功能，这一结构主要表现为动臂、斗杆长度的变化，由动臂、斗杆的两元件变化为两节动臂、斗杆的多元件和伸缩臂。 在bauma2004展会上的轮式挖掘机中，传统型和通用型产品样机较少，多是一些有特殊构造的、有特色的产品和多功能的产品

11、，如挖掘机工作装置的动臂、斗杆和铲斗三元件构成的通用型产品相对较少，由大臂、中臂、斗杆和快换作业装置四元件构成的产品很多，这既体现了各厂家市场差异化的产品发展战略，也体现了各自的技术水平和实力。轮式挖掘机多用途工作装置在展会上应有尽有，这些多用途作业装置大大扩展了轮式挖掘机的功用，提高了产品的施工适用性。只有具有专业性的挖掘机设计软件，才能设计出适应于各种各样建筑施工的挖掘机工作装置，也能够满足市场和用户的要求。 随着计算机辅助设计技术的日益推广，机械设计及制造技术发生了革命性的变化。轮式挖掘机行业作为机械行业的一个重要分支，计算机辅助设计技术的推广应用势在必行。计算机辅助设计技术既能缩短产品

12、的设计周期和制造周期，同时又能大大提高产品的质量，相应也就提高了机器整体质量的可靠性和稳定性。采用新结构和新材料，利用现代设计技术和先进制造技术，仍是保证和提高轮式挖掘机性能的一个较重要的途径。 国外许多有实力的生产厂商有了自己的软件。在国外很多科研机构和一些大型企业，都已经对挖掘机工作装置的设计进行研究，并开发出了一些专业软件，美国卡特匹勒(Caterpillar)、德国利勃海尔(Liebherr)、英国JBC、日本神钢(KOBELCO)等公司将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、结构件优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于轮式挖掘机的强度研究方面

13、，促进了产品的优质高效率和竞争力，但目前市场上可供选用的商品化的成熟的应用软件却还是很少。1.2.2国内发展动态及研究状况 早在1958年国内便开始了轮式挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品。当时由于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。 到了80年代末和90年代初，世界各工业发达国家轮式挖掘机技术水平得到了迅速的提高，突出表现在追求高效率(同一机重的挖掘机功率普遍提高，液压系统流量增大，作业循环时间减小，作业效率大大提高);高可靠性和追求司机操作的舒适性。 国内原有的数家挖掘机专业生产厂为了生存和发展，利

14、用自身的实力和丰富的挖掘机生产经验，纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的新开发的产品(也包括某些已生产多年的老产品)为了提高作业的可靠性，干脆采用了进口的液压件和发动机，甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计，这种经过改型或新设计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化国外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。国内轮式挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，其原因除了国内挖掘机加工水平落后之外，挖掘机设计水平与发达国家相比也有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多的研究人员和单位对

15、轮式挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了其设计软件，他们的研究基本上局限于解决某些问题，即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。关于工作装置设计参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能使用于挖掘机工作装置的一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通用性。特别是国内，CAD在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用CAD进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能达到设计需要，对轮式挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。 经过近十年的研究，获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结果己进入

16、实际应用过程中。目前研究轮式挖掘机工作装置设计的重点在于，为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，即大多数的轮式挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限地进行的。在这样一种情况下，开发一个专业化的工作装置的设计工具和软件显得非常必要。1.3国内外轮式挖掘机液压系统的发展动态及研究现状1.3.1国外发展动态及研究状况 从20世纪60年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统已经发展到了相当成熟的阶段。近几年来，随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力:液

17、压系统逐渐从开式系统向闭式系统转变;系统的节能技术成为研究的重点:液压系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显;很重视液压系统的操纵特性提高;液压系统与电子控制的结合成为潮流。1.3.1.1液压系统的转变 日本小松(KAMATSU)公司90年代以前一直致力开发开式负载敏感系统( OLSS )，用以降低液压系统的损耗。开式液压系统采用三位六通阀，其特点是有两条供油路，其中一条是直通供油路，另一条是并联供油路。由于这种油路调速方式是进油节流调速和旁路节流调速同时起作用，其调速特性受负载压力和油泵流量的影响，因此这种系统的操纵性能、调速性能和微调性能差。另外，当液压作用元件一起复合动作时，相互干扰大，

18、使得复合动作操纵非常困难。这是开式系统的大缺点。 由于挖掘机作业工程中要求对液压元件能很好地控制其运动速度和进行微调，而且在其工作的许多工况下要求多个执行元件完成复合动作，而长期以来使用的开式液压系统无法满足挖掘机的调速和复合动作的要求。 近年来在国外的挖掘机液压系统中出现了闭式负载敏感系统(CLSS)。它可以采用一个油泵同时向所有液压作用元件供油，每一个液压作用元件的运动速度只与操纵阀的阀杆行程有关，与负载压力无关，泵的流量按需提供，而且多个液压作用元件同时动作时相互之间干扰小，因此操纵性好是闭式液压系统的主要特点。 这种系统非常符合挖掘机操作的要求，它操纵简单，对司机的操纵技巧要求低，在国

19、际上已经获得较广泛的使用，是挖掘机液压系统的发展趋势。目前日本小松公司己经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。1.3.1.2应用节能技术 目前轮式挖掘机上典型的节能技术基本上有两种，即负载敏感技术和负流量控制技术，目前液压挖掘机都选用其中一种控制技术来实现节能要求。 负载敏感技术是一种利用泵的出口压力与负载压力差值的变化而使系统流量随之相应变化的技术。德国曼内斯曼(Mannesmann)公司研制的一种负载传感系统，将其安装在液压系统中，可以控制一个或几个液压作用元件，而与对其施加的载荷无关。该系统不仅易于操纵，而且微动控制特性很好。其最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对油泵进行

20、控制，从而实现在按需供流的同时，使调速节流损失P控制在很小的固定值，从而达到节能的目的。 负流量控制技术是通过位于主控制阀后面的节流阀建立的压力对主泵的排量进行调节的技术。目前以日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI )为代表的许多国外著名品牌的挖掘机生产商都在自己的挖掘机液压系统中使用了负流量控制技术。这种控制技术具有稳定性好、响应快、可靠性和维修性好等特点，但在起始点为重负荷下作业时，因流量与负载有关，所以可控制性较差。1.3.1.3负载能力和可靠性的提高 为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流量和功率。目前，国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在3

21、0MPa以上，并且随着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势;流量通常在每分钟数百升;功率在数百千瓦以上。如德国Orensttein& Koppe制造的目前世界上首台最大的RH400型全液压挖掘机，铲斗容量达42液压油源为18台变量轴向柱塞泵，总流量高达10200L/min:原动机为2台QSK60柴油发动机，总功率高达2014kW。 由于液压挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响，系统的可靠性日益受到重视。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化

22、设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机强度研究方面，不断提高设备的可靠性。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统，使液压挖掘机的运转率达到85969596，使用寿命超过1万小时。1.3.1.4重视操纵特性 挖掘机液压系统的操纵特性越来越受到重视。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。各种高新技术的应用，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。1.3.1.5电子

23、一液压集成控制 电子控制技术与液压控制技术相结合的电子一液压集成控制技术近年来获得了巨大发展，特别是传感器、计算机和检测仪表的应用，使液压技术和电子控制有机结合，开发和研制出了许多新型电液自动控制系统，提高了挖掘机的自动化程度，推动着挖掘机的迅猛发展。目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方面的研究己趋成熟。美国林肯一贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。日本住友公司生产的FJ系列五中新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命

24、。1.3.2国内研究情况及发展动态从国内情况来看，国内挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压系统方面的理论还比较薄弱。国内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术方面的研究具有一定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能、质量、作业效率、可靠性等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在国内市场上基本失去了竞争力，取而代之的是采用各种高新技术的国外挖掘机产品。先进的挖掘机液压系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造出性能优异的挖掘机，绝大部分的市场份额都被国外各种品牌的挖掘机所占据。以20t级的中型液压挖掘机为例，

25、国产20t级挖掘机大多数是欧洲80年代初的技术同90年代初以来在国内形成批量的日本小松、日立、神钢等机型相比，其主要差距柴油机功率偏低，液压系统流量偏小，液压系统特性差，导致平台回转速度低，行走速度低，各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率较国外偏低。1.4设计内容本文设计内容包括轮式挖掘机的工作装置设计和液压系统设计两大部分。工作装置作为挖掘机的重要组成部分，对其研究和控制是对整机开发的基础。工作装置选择反铲式，对其进行运动学分析并用比例法和经验公式计算选择出工作装置各部分的基本尺寸。挖掘机的发展与液压技术密不可分，因此，液压系统在轮式挖掘机中也起着至关重要的作用。具体设计如下： 1）挖掘机

26、工作装置的设计要求与总体方案设计2）工作装置运动学分析3）工作装置基本尺寸的确定4）工作装置结构选型设计5）挖掘机液压系统设计6）液压缸的设计计算和泵的参数计算2挖掘机工作装置的设计要求与总体方案设计2.1轮式挖掘机的工况分析轮式挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作(如图2-1所示):动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作。除了辅助动作(例如整机转向等)不需全功率驱动以外，其它都是轮式挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。 挖掘机的典型作业流程: 整机移动至合适的工作位置 回转平台，使用工作装置处于挖掘位置 动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置 斗杆、铲斗挖掘作业 动臂

27、升起 回转工作装置至卸载位置 操纵斗杆、铲斗卸载 由于轮式挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特殊要求:实现各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化，因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化:为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作(例如挖掘与动臂、提升与回转)同时进行复合动作。轮式挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括: (1)挖掘:通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或者两者配合进行挖掘，因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。 (2)满斗举升回转:挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同时回转

28、液压马达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。 (3)卸载:转到卸土点时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。1一动臂升降;2一斗杆收放:3一铲斗装卸;4一转台回转:图2-1轮式挖掘机的工作运动Fig 2-1 campaign the work of hydraulic excavator(4)空斗返回:卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。(5)整机移动工况:将整机移动至合适的工作位置。(6)姿态调

29、整与保持工况:满足停放、运输、检修等需要。(7)其他辅助作业工况:辅助工作装置作业工况。2.1.1挖掘工况分析2.1.1.1典型挖掘工况 铲斗挖掘工况:由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。采用铲斗液压缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中(III级土一下土壤的挖掘)铲斗挖掘最常用。 斗杆挖掘工况:由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。在较坚硬的土质条件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘。 联合挖掘工况:由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。 当单

30、独采用铲斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于铲斗液压缸的行程。以铲斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较短，为了能够装满铲斗，较大厚度的土壤，所以一般挖掘机的斗尖最大挖掘力都在采用铲斗液压缸挖掘时实现。 当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。 一般认为斗容量小于0.5或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之则以斗杆挖掘为主。这两种情况的挖掘阻力不同。 在实际挖掘工作中，往往需要采用各

31、液压缸的复合工作。如在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图2-2所示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。如果需要铲斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作，见图2-3所示。这些动作决定于液压系统的设计。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力，保持铲斗贴紧侧壁进行切削，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。a一水平地面的挖削;b一斜坡地面的挖削图2-2斗尖沿直线挖削Fig2-2 tip bucket

32、 dug along a straight line cuta-水平地面的切削和压整:b-斜坡地面的切削和压整图2-3地面的切削和压整Fig 2-3 Cutting the ground and the whole pressure 单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。 当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油较好。对于双泵系统，其复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能性大，因此需要采用节流等措施进行流量分配

33、，其流量分配要求和三泵系统相同。 挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要短时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主压力阀的压力。2.1.1.2铲斗挖掘工况的挖掘阻力 铲斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显变化，切削阻力与切削深度基本上成正比，前半过程切削阻力较后半过程高，因前半过程的切削角不利，产生了较大的切削阻力，其切削阻力的切向分力可以用下列公式表达1 。=CR1BAZXD （2-1）式中:c一表示土壤硬度的系数，对II级土宜取c=5080，对III级土宜取C=90150，对W级土宜取C=160320 ;R一铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削

34、半径，单位为;一挖掘过程中铲斗总转角的一半;一铲斗瞬时转角，=-，为铲斗相对斗杆转角，为挖掘起始位置的铲斗相对斗杆的初始转角;B一切削刃宽度影响系数，B =1 + 2.6b，其中b为铲斗平均宽度，单位为m; A一切削角变化影响系数，取A=1.3 ;Z一斗齿系数，带有斗齿时取Z = 0.75，无斗齿时取Z=1;X一斗侧壁厚度影响系数，X =1+0.03S，其中S为侧壁厚度，单位为，初步设计时可取X =1.15 ; D一切削刃挤压土壤的力，根据斗容量大小在D =10000 17000N范围内选取。当斗容量q 0.25时D小于1000N。图2-4铲斗挖掘阻力分析图Fig 2-4 Mining res

35、istance analysis bucketa一挖掘阻力与设计载荷曲线:b一铲斗挖掘典型断面图2-5挖掘断面形状和载荷曲线Fig 2-5 Section Mining and load curve shape2.1.1.3装土阻力(单位为N) =qcos,N （ 2-2）式中:一土壤密实状态密度，单位为kg/:一土壤倾斜角(。);土壤与钢的摩擦系数。 铲斗挖掘装土阻力的切向分力与切削阻力的切向分力相比很小，可忽略不计。试验表明法向挖掘阻力的指向是可变的，数值也较小，一般=0一0.2 。土质愈均匀，愈小。从随机统计的角度看，取法向分力为零来简化计算是允许的。国外有试验认为平均挖掘阻力为最大挖掘

36、阻力的70 80%，可作为参考。铲斗挖掘时，挖掘阻力设计载荷曲线如图2 -5所示。2.1.1.4斗杆挖掘时的挖掘阻力 斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数，见图2-6。一般取斗杆在挖掘过程中的总转角为= 在这转角行程中铲斗被装满。这时斗齿的挖掘行程为 S=0.01745 （2-3）式中：斗杆挖掘时的切削半径。斗杆挖掘时的切削厚度可按下式计算 = （2-4）式中:一土壤松散系数=1.25。斗杆挖掘阻力为 = （2-5）式中:一土壤的挖掘比阻力，由表查得。当取主要挖掘土壤的值时可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土质值时则得最大挖掘阻力。斗杆挖掘时，挖掘阻力设计载荷曲线 =(,)

37、= （2-6）图2-6斗杆挖掘阻力分析和设计载荷曲线图Fig 2-6 excavation analysis and design of load resistance curve 一般斗杆挖掘阻力比铲斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度较小。显然，研究挖掘阻力的目的是确定需要的斗齿挖掘力及其变化规律，以便在工作装置设计中给予保证。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖掘力太大或者其变化规律与阻力的变化不适应，则功率利用率要降低。挖掘作业过程中有时即使遇到很大阻力时，可以适当减小切土厚度，使挖掘阻力减小。挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要短时间增大挖掘力，希望液压系统

38、能暂时增压，能提高主压力阀的压力。2.1.2满斗举升回转工况分析 满斗举升回转的运动约占整个作业循环时间的50%70%，能量消耗占25%40%，回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的30%40%，因此要求尽可能地缩短转台的回转时间。 挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升到合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对卸载的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整的。卸载回转角度大，则

39、要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。 回转起动时，由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢流，此时应该将溢流的油供给动臂。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。2.1.3卸载工况分析 回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合动作，间以动臂动作。2.1.4空斗返回工况分析 当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用，

40、压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给动臂，少部分油经节流阀供给斗杆。发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。特点与满载回转类似，但转动惯量比满足时减小。2.1.5姿态调整与保持工况分析图2-7挖掘机姿态调整保持工况图Fig 2-7 Attitude adjustment excavator plans to keep working condition基本要求:工作装置及其他功能运动的制动与锁定，要满足

41、接地比压要求，保证合适的停放与运输尺寸与姿态和特殊的检查姿态。2.2 工作装置构成1-斗杆油缸；2- 动臂； 3-油管； 4-动臂油缸； 5-铲斗； 6-斗齿； 7-侧板；8-连杆； 9-摇杆； 10-铲斗油缸； 11-斗杆.图2-8 工作装置组成图Fig 2-8 Work device constitutional diagram chart 图2-8为我所选的单斗液压挖掘机的反铲工作装置基本组成及传动示意图，如图所示反铲工作装置由铲斗5、摇杆9、斗杆11、动臂2、相应的三组液压缸1, 4,10等组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆

42、缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的

43、、随机的。上述过程仅为一般的理想过程。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2-9所示。进一步简化得图如2-10所示。图2-9 工作装置结构简图Fig 2-9 Work device diagram of mechanism chart1-铲斗；2-连杆；3-斗杆；4-动臂；5-铲斗油缸；6-斗杆油缸图2-10 工作装置结构简化图F

44、ig 2-10 Work device structure simplification chart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。2.3 动臂及斗杆的结构形式的初选动臂采用整体式弯动臂，这种结构形式在中型挖掘机中应用较为广泛。其结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻3，且有利于得到较大的挖掘深度。缺点是可更换工装少，通用性较差。使用经验说明，长期用于作业条件近似的反铲，以采用整体臂较好。斗杆也有整体式和组

45、合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式直斗杆 12。2.4 动臂与动臂油缸的布置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2-11所示。1-动臂； 2-动臂油缸图2-11 动臂油缸铰接示意图Fig 2-11Moves the arm cylinde

46、r hinge schematic drawing 2.5 铲斗与铲斗油缸的连接方式本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。该布置中1杆与2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。如图2-12所示。1-斗杆； 2-连杆机构； 3-铲斗图2-12 铲斗连接布置示意图Fig 2-12 Scoop connection arrangement schematic drawing2.6 原始几何参数的给定1） 动臂与斗杆的长度比2由于所设计的挖机适用性较强，一般不替换工作装置，故取中间比例方案，K1取在1.52.0之间，初步选取K1=1.8，即l1/l2=1.8。动臂下铰点到动臂与连杆连接的铰点的距离斗杆与动臂连接的铰点到斗杆与铲斗连接的铰点的距离2） 铲斗斗容与主参数的选择斗容： =0.9m3按经验公式和比拟法初选：=1550mm3） 工作装置液压系统主参数的初步选择2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“要求以及初步估取的液压缸受力。初选动臂油缸内径=140mm，活塞杆的直径d1=90mm。斗杆油缸的内径D2=140mm，活塞杆的直径d2=90mm。铲斗油缸的内径D3=90mm，活塞杆的直径d3