【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 力的切向分力 w1 相比很小，可忽略不計(jì)。試 驗(yàn)表明法向挖掘阻力 w2的指向是可變的，數(shù)值也較小，一般 w2=0 一 1 。土質(zhì)愈均勻， w2愈小。從隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的角度看，取法向分力 w2為零來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算是允許的。國(guó)外有試驗(yàn)認(rèn)為平均挖掘阻力為最大挖掘阻力的 70 ～ 80%，可作為參考。鏟斗挖掘時(shí)，挖掘阻力設(shè)計(jì)載荷曲線如圖 2 5 所示。 斗桿挖掘時(shí)切削行程較長(zhǎng)，切土厚度在挖掘過(guò)程中可視為常數(shù)，見(jiàn)圖 26。 一般取斗桿在挖掘過(guò)程中的總轉(zhuǎn)角為 ? = 500 ～ 800 在這轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。這時(shí)斗齒的挖掘行程為 S= g? （ 23） 式中： r6 —斗桿挖掘時(shí)的切削半徑。 斗桿挖掘時(shí)的切削厚度 hg可按下式計(jì)算 hg= ksBSq = KrSg Bq ? （ 24） 式中 : KS 一土壤松散系數(shù) =。 斗桿挖掘阻力為 wg1= Bhkg0= krksgo q ?601 74 （ 25） 式中 : K0 一土壤的挖掘比阻力，由表查得。當(dāng)取主要挖掘土壤的 K0 值時(shí)可 求得 正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土質(zhì) K0 值時(shí)則得最大挖掘阻力。 斗桿挖掘時(shí)，挖掘阻力設(shè)計(jì)載荷曲線 W39。1 = Wg1( g? ,Ш)= KrKsgo IIIq? KrKWW sgIVggqIV)32(),32(60139。39。1 ?? ?? 林生龍：輪式挖掘機(jī)工作裝置及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 KrKWW sgaxIIggqIII)21(0 1 7 4 ),21(6Im0m a x139。39。39。1 ?? ?? （ 26） 圖 26 斗桿挖掘阻力分析和設(shè)計(jì)載荷曲線圖 Fig 26 excavation analysis and design of load resistance curve 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。顯然，研究挖掘阻力的目的是確定需要的斗齒挖掘力及其變化規(guī)律，以便在工作裝置設(shè)計(jì)中給予保證。挖掘力太小挖掘能力自然降低， 但挖掘力太大或者其變化規(guī)律與阻力的變化不適應(yīng)，則功率利用率要降低。挖掘作業(yè)過(guò)程中有時(shí)即使遇到很大阻力時(shí)，可以適當(dāng)減小切土厚度，使挖掘阻力減小。挖掘過(guò)程中還有可能碰到石塊、樹(shù)根等堅(jiān)硬障礙物，往往由于挖不動(dòng)而需要短時(shí)間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時(shí)增壓，能提高主壓力閥的壓力。 滿斗舉升回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)約占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)間的 50%～ 70%，能量消耗占 25%～ 40%，回轉(zhuǎn)液壓回路的發(fā)熱量占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的 30%～ 40%，因此要求盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)時(shí)間。 挖掘結(jié)束后，動(dòng) 臂油缸將動(dòng)臂頂起，滿斗舉升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作。動(dòng)臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，動(dòng)臂和鏟斗自動(dòng)提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機(jī)相對(duì)卸載的位置而變，因此動(dòng)臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度的相對(duì)關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動(dòng)臂的提升速度慢些。 回轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，由于慣性較大，油壓會(huì)升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時(shí)應(yīng)該將溢流的油供給動(dòng)臂。在回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂提升的同時(shí) ，斗桿要外放，有時(shí)還需要對(duì)鏟斗進(jìn)行調(diào)整。這時(shí)是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。 回轉(zhuǎn)至卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要?jiǎng)颖叟浜蟿?dòng)作。卸載時(shí)，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作，間以動(dòng)臂動(dòng)作。 當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)臂油缸和斗桿油缸相互配合動(dòng)作，把空斗放在新的挖掘點(diǎn)。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作。由于動(dòng)臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快， 因此該工況的供油情況為一個(gè)油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一油泵的大部分油供給動(dòng)臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿。 發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)油泵供油量小，為防止動(dòng)臂因重力作用迅速下降和動(dòng)臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動(dòng)臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔的油供至有桿腔。特點(diǎn)與滿載回轉(zhuǎn)類(lèi)似，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比滿足時(shí)減小。 圖 27 挖掘機(jī)姿態(tài)調(diào)整保持工況圖 Fig 27 Attitude adjustment excavator plans to keep working condition 基本要求 :工作裝置及其他功能運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)與鎖定，要滿足接地比壓要求，保證合適的林生龍：輪式挖掘機(jī)工作裝置及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 停放與運(yùn)輸尺寸與姿態(tài)和特殊的檢查姿態(tài)。 工作裝置構(gòu)成 1斗桿油缸； 2 動(dòng)臂； 3油管； 4動(dòng)臂油缸； 5鏟斗； 6斗齒； 7側(cè)板； 8連桿； 9搖桿； 10鏟斗油缸； 11斗桿 . 圖 28 工作裝置組成圖 Fig 28 Work device constitutional diagram chart 圖 28 為我所選的單斗液壓挖掘機(jī)的反鏟工作裝置基本組成及傳動(dòng)示意圖，如圖所示反鏟工 作裝置由鏟斗 搖桿 斗桿 1動(dòng)臂 相應(yīng)的三組液壓缸 1, 4,10 等組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過(guò)鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)、轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮，動(dòng)臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長(zhǎng)，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)臂抬起 ，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。 在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動(dòng)作配合可以是多樣的、隨機(jī)的。上述過(guò)程僅為一般的理想過(guò)程。 挖掘機(jī)工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，可以對(duì)工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化 處理 [3]。則可知單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看成是由動(dòng)臂 、斗桿、鏟斗、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)，處理的具體簡(jiǎn)圖如 29所示。進(jìn)一步簡(jiǎn)化得圖如 210 所示。 圖 29 工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig 29 Work device diagram of mechanism chart 1鏟斗； 2連桿； 3斗桿； 4動(dòng)臂； 5鏟斗油缸； 6斗桿油缸 圖 210 工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 Fig 210 Work device structure simplification chart 挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡(jiǎn)化后實(shí) 質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是 3，即工作裝置的幾何位置由動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度 L斗桿油缸長(zhǎng)度 L鏟斗油缸長(zhǎng)度 L3決定，當(dāng) L LL3為某一確定的值時(shí)，工作裝置的位置也就能夠確定 [2]。 動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式的初選 動(dòng)臂采用整體式彎動(dòng)臂，這種結(jié)構(gòu)形式在中型挖掘機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、林生龍：輪式挖掘機(jī)工作裝置及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 價(jià)廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕 [3]，且有利于得到較大的挖掘深度。缺點(diǎn)是可更換工裝少，通用性較差。使用經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，長(zhǎng)期用于作業(yè)條件近似的反鏟，以采用整體臂較好。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體 式斗桿。在本設(shè)計(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長(zhǎng)度，故也采用整體式直斗桿 [1][2]。 動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸的布置 動(dòng)臂油缸裝在動(dòng)臂的前下方，動(dòng)臂的下支承點(diǎn)（即動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸點(diǎn)）設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺(tái)平面 [3]，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。油缸活塞桿端部與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)設(shè)在動(dòng)臂箱體的中間，這樣雖然削弱了動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但不影響動(dòng)臂的下降幅度。并且布置中，動(dòng)臂油缸在動(dòng)臂的兩側(cè)各裝一只，這樣的雙動(dòng)臂在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)筋的作用，以彌補(bǔ)前面的不足。具體結(jié)構(gòu)如圖 211 所示。 1動(dòng)臂； 2動(dòng)臂油缸 圖 211 動(dòng)臂油缸鉸接示意圖 Fig 211Moves the arm cylinder hinge schematic drawing 鏟斗與鏟斗油缸的連接方式 本方案中采用六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在相同的鏟斗油缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性。該布置中 1 桿與 2 桿的鉸接位置雖然使鏟斗的轉(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠大的鏟斗平均挖掘力。如圖 212 所示。 1斗桿； 2連桿機(jī)構(gòu)； 3鏟斗 圖 212 鏟斗連接布置示意圖 Fig 212 Scoop connection arrangement schematic drawing 原始幾何參數(shù)的給定 1） 動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比 1K [2] 由于所設(shè)計(jì)的挖機(jī)適用性較強(qiáng)，一般不替換工作裝置，故取中間比例方案， K1取在 ～ 之間，初步選取 K1=，即 l1/l2=。 1l —?jiǎng)颖巯裸q點(diǎn)到動(dòng)臂與連桿連接的鉸點(diǎn)的距離 2l —斗桿與動(dòng)臂連接的鉸點(diǎn)到斗桿 與鏟斗連接的鉸點(diǎn)的距離 2） 鏟斗斗容與主參數(shù)的選擇 斗容： q = 按經(jīng)驗(yàn)公式和比擬法初選： 3l =1550mm 3） 工作裝置液壓系統(tǒng)主參數(shù)的初步選擇 [2] 各工作油缸的缸徑選擇要考慮到液壓系統(tǒng)的工作壓力和 ―三化 ―要求以及初步估取的液壓缸受力。初選動(dòng)臂油缸內(nèi)徑 1D =140mm，活塞桿的直徑 d1=90mm。斗桿油缸的內(nèi)徑D2=140mm，活塞桿的直徑 d2=90mm。鏟斗油缸的內(nèi)徑 D3=90mm，活塞桿的直徑 d3=63mm。又由經(jīng)驗(yàn)公式和其它機(jī)型的參考初選動(dòng)臂油缸行程 L1=1377mm，斗桿油缸行程L2=1450mm，鏟斗油缸行程 L3=1250mm。并按經(jīng)驗(yàn)公式初選各油缸全伸長(zhǎng)度與全縮長(zhǎng)度之比： λ1=λ2=λ3=。參照任務(wù)書(shū)的要求選擇工作裝置液壓系統(tǒng)的工作壓力 P=，閉林生龍：輪式挖掘機(jī)工作裝置及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 鎖壓力 Pg=。 最大挖掘半徑 R 9885R mm? 最大挖掘深度 1maxH 1max 6630H mm? 最大挖掘高度 2maxH 2 max 9315H mm? 最大卸載高度 3maxH 3 max 6485H mm? 3 工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析 min1L ：動(dòng)臂油缸的最短長(zhǎng)度； max1L ：動(dòng)臂油缸的伸出的最大長(zhǎng)度； A：動(dòng)臂油缸的下鉸點(diǎn)； B：動(dòng)臂油缸的上鉸點(diǎn)； C：動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)。 圖 31 動(dòng)臂擺角范圍計(jì)算簡(jiǎn)圖 Fig 31 Moves the arm pivot angle scope calculation diagram 1? 是 1L 的函數(shù)。動(dòng)臂上任意一點(diǎn)在任一時(shí)刻也都是 1L 的函數(shù)。如圖 31所示，圖中 min1L ：動(dòng)臂油缸的最短長(zhǎng)度； max1L ：動(dòng)臂油缸的伸出的最大長(zhǎng)度； min1? ：動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最小值； max1? ：動(dòng)臂油缸兩鉸點(diǎn)分別與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)連線夾角的最大值； A：動(dòng)臂油缸的下鉸點(diǎn)； B：動(dòng)臂油缸的上 鉸點(diǎn)； C：動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)。 則有： 在 ? ABC 中： 157252721 c o s2 ?llllL ??? 1 2 2 21 7 5 1 7 5c os ( ) 2l l L l l? ? ??? ? ??? (31) 林生龍：輪式挖掘機(jī)工作裝置及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 在 ? BCF 中： 2172127222 c o s2 ?llllL ??? ? ?1 2 2 22 7 1 2 2 7 1c o s 2l l L l l? ? ??? ? ??? (32) 由圖 33 所示的幾何關(guān)系，可得到 21? 的表達(dá)式 ：