【正文】 裝置的更換。只有具有專業(yè)性的挖掘機設(shè)計軟件，才能設(shè)計出適應(yīng)于各種各樣建筑施工的挖掘機工作裝置，也能夠滿足市場和用戶的要求。采用新結(jié)構(gòu)和新材料，利用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)和先進制造技術(shù)，仍是 保證和提高液壓挖掘機性能的一個較重要的途徑。當時由于受配件如發(fā)動機、液壓件及企業(yè)自身條件的影響，質(zhì)量和產(chǎn)量遠未達到應(yīng)有的水平，與國外同類產(chǎn)品相比也存在較大差距。有的新開發(fā)的產(chǎn)品 (也包括某些已生產(chǎn)多年的老產(chǎn)品 )為了提高作業(yè)的可靠性，干脆采用了進口的液壓件和發(fā)動機，甚至于整個傳動系統(tǒng)都按照采用國外元件來設(shè)計，這種經(jīng)過改型或新 4 設(shè)計開發(fā)的液壓挖掘機其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。關(guān)于工作裝置設(shè)計參數(shù)分析和在 CAD 上其自動設(shè)計的綜合研究文獻還沒有。 經(jīng)過近十年的研究，獲得了一些成果，但是研究還不夠深入，有些研究結(jié)果己進入實際應(yīng)用過程中。近幾年來，隨著液壓挖掘機產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴大，世界上著名的挖掘機生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術(shù)，來提高自己挖掘機在國際上的競爭力 :①液壓系統(tǒng)逐漸從開式系統(tǒng)向閉式系統(tǒng)轉(zhuǎn)變 。⑤液壓系統(tǒng)與電子控制的結(jié)合成為潮流。另外， 當液壓作用元件一起復(fù)合動作時，相互干擾大，使得復(fù)合動作操縱非常困難。它可以采用一個油泵同時向所有液壓作用元件供油，每一個液壓作用元件的運動速度只與操縱閥的閥 5 桿行程有關(guān)，與負載壓力無關(guān)，泵的流量按需提供，而且多個液壓作用元件同時動作時相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統(tǒng)的主要特點。 負載敏感技術(shù)是一種利用泵的出口壓力與負載壓力差值的變化而使系統(tǒng)流量隨之相應(yīng)變化的技術(shù)。負流量控制技術(shù)是通過位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對主泵的排量進行調(diào)節(jié)的技術(shù)。目前，國際上先進的挖掘機產(chǎn)品的額定壓力大都在 30MPa 以上，并且隨著材料科學技術(shù)的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術(shù)方向發(fā)展的趨勢 。 Koppe 制造的目前世界上首臺最大的 RH400 型全液壓挖掘機，鏟斗容量達 42m 32M 液壓油源為 18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達 10200L/min:原動機為 2臺 QSK60 柴油發(fā)動機，總功率高達 20xxkW。日本制定了液壓挖掘機構(gòu)件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)，使液壓挖掘機的運轉(zhuǎn)率達到 85969596，使用壽命超過 1 萬小 時。 電子控制技術(shù)與液壓控制技術(shù)相結(jié)合的電子一液壓集成控制技術(shù)近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計算機和檢測儀表的應(yīng)用，使液壓技術(shù)和電子控制有機結(jié)合，開發(fā)和研制出了許多新型電液自動控制系統(tǒng)，提高了挖掘機的自動化程 度，推動著挖掘機的迅猛發(fā)展。 國內(nèi)研究情況及發(fā)展動態(tài) 從國內(nèi)情況來看，國內(nèi)挖掘機行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。 7 2 液壓挖掘機工作裝置的設(shè)計要求與傳統(tǒng)設(shè)計方法 要了解和設(shè)計液壓挖掘機的工作裝置，首先要分析液壓挖掘機的工作過程及其作業(yè)要求，掌握傳統(tǒng)的挖掘機工作裝置設(shè)計方法。②為了充分利用發(fā)動機功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作 (例如挖掘與動臂、提升與回轉(zhuǎn) )同時進行復(fù)合動作。為了調(diào)整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟斗的復(fù)合動作，間以動臂動作。4 一轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn) :5 一整機行走 (4)空斗返回 :卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點，此時是回轉(zhuǎn)和動臂或斗桿的復(fù)合動作。 挖掘工況分析 ? 鏟斗挖掘工況 :由鏟斗液壓缸單獨動作進行挖掘的工況。 ? 聯(lián)合挖掘工況 :由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動作進行挖掘的工況，必要時 還需配以動臂液壓缸的 動作。 一般認為斗容量小于 0. 5M3 或在土質(zhì)松軟時以轉(zhuǎn)斗挖掘為主，反之則以斗桿挖掘為主。此時斗桿收 回，動臂抬起，需要保證彼此動作獨立，相互之間無干擾。 圖 斗尖沿直線挖削 a 一水平地面的挖削 。 當動臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運動時，為了防止同一油泵向多個液壓作用元件供油時動作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個油泵單獨對一個液壓作用元件供油較好。R 一鏟斗與斗桿鉸點至斗齒尖距離，即轉(zhuǎn)斗切削半徑，單位為 CM。為挖掘起始位置的鏟斗相對斗桿的初始轉(zhuǎn)角 。X 一斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)， X=1+，其中 S為側(cè)壁厚度，單位為。 10 圖 鏟斗挖掘阻力分析圖 圖 挖掘斷面形狀和載荷曲線 a 一挖掘阻力與設(shè)計載荷曲線 :b一鏟斗挖掘典型斷面 (單位為 N) 式中 :Y 一土壤密實狀態(tài)密度，單位為 kg/耐 :刀一土壤傾斜角 (。試驗表明法向挖掘阻力叭的指向是可變的，數(shù)值也較小，一般叭 =0一 o 土質(zhì)愈均勻， W2愈小。 11 斗桿挖掘時切削行程較長，切土厚度在挖掘過程中可視為常數(shù)，見圖 斗桿在挖掘過程中的總轉(zhuǎn)角為 (p = 500 800，在這轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。 斗桿挖掘時，挖掘阻力設(shè)計載荷曲線 圖 斗桿挖掘阻力分析和設(shè)計載荷曲線圖 一般斗桿挖掘阻力比鏟斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度較小。挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅硬障礙物，往往由于挖不動 而需要短時間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時增壓，能提高主壓力閥的壓力。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機相對卸載的位置而變，因此動臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達的回轉(zhuǎn)速度的相對關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。這時是回轉(zhuǎn)馬達、動臂、斗桿和鏟斗進行復(fù)合動作。 空斗返回工況分析 當卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點。特點與滿載回轉(zhuǎn)類似，但轉(zhuǎn)動慣量比滿足時減小。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬 達供油、另一個油泵為右行走馬達供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側(cè)行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當挖掘機進行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故。 姿態(tài)調(diào)整與保持工況分析 基本要求 :工作裝置及其他功能運動的制動與鎖定，要滿足接地比壓要求，保證合適的停放與運輸尺寸與姿態(tài)和特殊的檢查姿態(tài)。 14 工作裝置的幾何尺寸要求滿足合理的挖掘力分布特性，在整個作業(yè)范圍內(nèi)的任何位置都要求實現(xiàn)最大挖掘力不經(jīng)濟，要求挖掘機在主要挖掘區(qū)內(nèi)能實現(xiàn)最大挖掘力。作業(yè)范圍圖 (圖 )有部分區(qū)間深入到挖掘機停機點地下，這一范圍的土壤雖能挖掘，但可能引起土壤的崩塌而影響挖掘機的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)以外一般不使用。要求正確地反映受力情況下，工作裝置各部分的應(yīng)力分布規(guī)律，保證工作裝置的強度和剛度特性。為了減少焊接變形及焊接應(yīng)力，要求采用型鋼及壓型等結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)件的破壞主要是由于沖擊疲勞，因此實際破壞時常不在負荷最大部位，而是應(yīng)力集中部位。從能容指標角度來看，要求液壓挖掘機的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度高?；剞D(zhuǎn)角的合理范圍一般為 70180，最佳角度為 900。液壓挖掘機作業(yè)條件惡劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性 。 液壓挖掘機的主參數(shù)為： ? 機重 :帶標準工作裝置和行走裝置時的整機重量 ? 發(fā)動機功率 :發(fā)動機額定功率 (12h 工作制的輸出功率 ) ? 斗容量 :與挖掘 III 級土配套的鏟斗，在堆尖時的斗容量 液壓挖掘機工作裝置的傳統(tǒng)設(shè)計方法分析 通過類比及經(jīng)驗方法的工作裝置的設(shè)計 在設(shè)計挖掘機時，其工作參數(shù)的確定，通常是根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的總要求、國內(nèi)外同類型機器的對比分析，查表，用一些經(jīng)驗公式初步確定。對于通用式挖掘機，其最大挖掘半徑 R~一般為 ,最大挖掘深度 H~一般為1. G3，最大卸載高度 hs~一般為 39。計算機輔助設(shè)計技術(shù)既能縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期和制造周期，同時又能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，相應(yīng)也就提高了機器整體質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。以功率平衡原理來計算斗齒的挖掘力，沒有考慮挖掘力與各油缸的閉鎖力、整機穩(wěn)定性和附著性之間的關(guān)系。自動計算動臂、斗桿、鏟斗的擺角范圍 。通過該系統(tǒng)，得到了挖掘機在整個挖掘過程中的作業(yè)范圍，該系統(tǒng)還提供了挖掘時挖掘機上各個鉸點的受力分析功能和現(xiàn)實動畫功能。另外，對計算機編程中最方便靈活的功能一于程序功能來說，使計算機未能得到充分利用也是一種浪費。著手設(shè)計時，必須從實際情 況出發(fā)，有機地結(jié)合各種傳動形式，充分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點，力求設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。 ：液壓缸、液壓馬達，其功能把是液壓能轉(zhuǎn)換成機械能。 ：保證系統(tǒng)正常工作所需要的輔助裝置，例如油箱，濾油器，油管等。本次選擇并聯(lián)油路，即多路換向閥中各個換向閥的進油路與一條總的壓力油相連，各回油路與一條總的回油路相連，進油和回油互不干擾，稱為并聯(lián)油路。一般小功率機器用低壓，大功率機器用高壓。 （ 2）高壓 壓力為 20~32MPa。在外負荷已定情況下，系統(tǒng)壓力選的愈高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，可以獲得比 20 較輕巧緊湊的結(jié)構(gòu)，對大型挖掘機來說，更為重要，所以，一般應(yīng)盡可能選取較高的工作壓力。 圖 31 液壓原理圖 液壓泵是將原動機（本機選三相異步電機）的機械能轉(zhuǎn)化成油液的液壓能，在意壓力、流量的形式輸送到系統(tǒng)中去。 因為系統(tǒng)的工作壓力為 25MPa，所以有 25（ 1+25%） =（ MPa） 在定量系統(tǒng)中，流量固定，不能因外負荷變化而使流量 作相應(yīng)的變化，因此，負荷小時不能提高作業(yè)速度，功率得不到重分利用。 %)251(25 ???nP （ 31） 式中： np 為系統(tǒng)的額定壓力 擬定主回路 1．回路循環(huán)形式 一般中型挖掘機多采用變量系統(tǒng)，油路采用開式，這樣可以使系統(tǒng)簡單，成本低，從發(fā)動機功率充分利用方面考慮多采用雙本雙回路 ,這樣即可獨立的工作，又可配合動作，還可合流動作。 22 4 系統(tǒng)初步計算和液壓元件的選擇 動臂 液壓缸的設(shè)計計算 設(shè)計油缸時，先要知道的參數(shù)有活塞桿上的作用力，工作行程（由工作裝置設(shè)計部分得出）；安裝形式和安裝長度；供油壓力；負載特點和工作環(huán)境等。綜合考慮上述因素缸筒與缸頭采用焊接形式，具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，工藝性好，使用廣的優(yōu)點；缺點是缸體有可能變形。缸筒與缸底采用焊接方式，故采用焊接性能較好的 35 鋼的冷拔無縫鋼管，粗加工后調(diào)制，由手冊中查得 35鋼的抗拉強度 Mpab 520?? ，屈服極限 Mpas 310?? 3．缸筒缸徑 D 的計算 14mFD p??? （ 41） 式中： 1F — 活塞桿上的最大負載 )(N ,此處 1F? 113KN p — 工作壓力，初取 16p MPa? m? — 液壓缸的機械效率，取 23 所以： 14 9 9 .9mFD m mp???? （ 42） 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》卷 表 1762 表 41 液壓缸內(nèi)徑的選擇 液壓缸內(nèi)徑系列（ GB/T23481993） /mm 8 1 1 2 3 50、 6 80、 (90)、100、 (110)、 12 (140)、 160、 (180)、 200、 (220)、 250、(280)、 3 (360)、 400、 (450)、 500 取液壓缸缸筒內(nèi)徑 D? 100mm 4．缸外經(jīng)的確定 根據(jù)上面所算出來的 缸筒內(nèi)經(jīng)為 D=100mm，從而根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第 20 篇表20— 6— 9 如下表。熱處理，調(diào)制，硬度 HB ≥ 285~241 ；缸筒內(nèi)徑 D 的圓度、錐度、圓柱度不大于內(nèi)徑公差之半；缸筒直線度公差在 mm500 長度上不大于 ；缸筒端面對內(nèi)徑的垂直度在直徑 mm100 上不大于 。如欲防止腐不損壞密封件，缸筒內(nèi)孔應(yīng)倒 15 度角。 1）缸蓋材料 缸蓋材料常用 35鋼、 45 鋼鍛件活 ZG3 ZG45鑄鋼及 HT2547， HT3054等灰鐵鑄件等。缸筒與缸蓋法蘭采用 5個 M16 的螺栓連接，均與布置在直徑為 106? 的圓周上。則有： 214 sKFdZ? ?? （ 44） 103ssKKFddZ? ? （ 45） 223? ? ?? ?? （ 46） ssn???? （ 47） 式中： F —— 液壓缸負 載 K —— 螺紋擰緊系數(shù)， ~ ? ，本次設(shè)計取 ? 1K —— 螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)，一般取 1 ? 0sd —— 螺紋直徑 1sd —— 螺紋內(nèi)經(jīng)，對于標準堅固螺紋，取 1sd? 0 1224sdt? ， t 為螺紋螺距 Z —— 螺栓個數(shù)，本次設(shè)計取 5Z? s? —— 材料屈服極限，對 45 鋼，取 360s MPa? ? sn —— 安全系數(shù)，一般取 ~ ? ，本次設(shè)計取 ? 查《機械設(shè)計手冊