【正文】 型液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗 桿液壓缸進(jìn)行挖掘。采用鏟斗液壓 缸進(jìn)行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率，因此，在一般 土方工程挖掘中 (III 級(jí)土一下土壤的挖掘 )鏟斗挖掘最常用〔‘。 (7)其他輔助作業(yè)工況 :輔助工 作裝置作業(yè)工況。 8 (5)整機(jī)移動(dòng)工況 :將整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置。3 一鏟斗裝卸 。 圖 2. 1 液壓挖掘機(jī)的工作運(yùn)動(dòng) 1 一動(dòng)臂升降 。 (3)卸載 :轉(zhuǎn)到 卸土點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。 液壓挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合主要包括 : (1)挖掘 :通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘，因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)，配以動(dòng)臂動(dòng)作。 挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程 : ? 整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置 ? 回轉(zhuǎn)平臺(tái)，使用工作裝置處于挖掘位置 ? 動(dòng)臂下降，并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置 ? 斗桿、鏟斗挖掘作業(yè) ? 動(dòng)臂升起 ? 回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置 ? 操縱斗桿、鏟斗卸載 由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特要求 :①實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，阻力與作業(yè)速度隨 時(shí)變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化 。 液壓挖掘機(jī)的工況分析 液壓挖掘機(jī)的主要功能運(yùn)動(dòng)包括以下幾個(gè)動(dòng)作 (如圖 ):動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動(dòng)作。以 20t 級(jí)的中型液壓挖掘機(jī)為例，國(guó)產(chǎn) 20t 級(jí)挖掘機(jī)大多數(shù)是歐洲 80 年代初 的技術(shù)〔劉，同 90 年代初以來在國(guó)內(nèi)形成批量的日本小松、日立、神鋼等機(jī)型相比，其主要差距柴油機(jī)功率偏低，液壓系統(tǒng)流量偏小，液壓系統(tǒng)特性差，導(dǎo)致平臺(tái)回轉(zhuǎn)速度低，行走速度低，各種性能參數(shù)均偏小，整機(jī)性能和作業(yè)效率較國(guó)外偏低。國(guó) 內(nèi)大部分挖掘機(jī)企業(yè)在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)技術(shù)方面的研究具有一定基礎(chǔ)，但由于采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)產(chǎn)品在性能、質(zhì)量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差，因此采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上基本失去了競(jìng)爭(zhēng)力，取而代之的是采用各種高新技術(shù)的國(guó)外挖掘機(jī)產(chǎn)品。日本住友公司生產(chǎn)的 FJ系列五中新型號(hào)挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助的功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗，并延長(zhǎng)了零部件的使用壽命。目前國(guó)外先進(jìn)品牌的挖掘機(jī)在電液聯(lián)合控制方面的研究己趨成熟。各種高新技術(shù)的應(yīng)用，使得挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的操縱特性越來越受到重視。美國(guó)提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法。 由于液壓 挖掘機(jī)經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個(gè)功能部件都會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響，系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。如德國(guó) Orenstteinamp。流量通常在每分鐘數(shù)百升 。 高 為了提高挖掘機(jī)的負(fù)載能力，直接的方法是提高其液壓系統(tǒng)工作壓力、流量和功率。目前以日本小松 (KOMATSU)和日本日立 (HITACHI)為代表的許多國(guó)外著名品牌的挖掘機(jī)生產(chǎn)商都在自己的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中使用了負(fù)流量控制技術(shù)。其 最大的特點(diǎn)就是可以根據(jù)負(fù)載大小和調(diào)速要求對(duì)油泵進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)在按需供流的同時(shí)，使調(diào)速節(jié)流損失△ P控制在很小的固定值，從而達(dá)到節(jié)能的目的。德國(guó)曼內(nèi)斯曼 (Mannesmann)公司研制的一種負(fù)載傳感系統(tǒng)，將其安裝在液壓系統(tǒng)中，可以控制一個(gè)或幾個(gè)液壓作用元件，而與對(duì)其施加的載荷無關(guān)。 目前液壓挖掘機(jī)上典型的節(jié)能技術(shù)基本上有兩種，即負(fù)載敏感技術(shù)和負(fù)流量控制技術(shù)，目前液壓挖掘機(jī)都選用其中一種控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求。 這種系統(tǒng)非常符合挖掘機(jī)操作的要求，它操縱簡(jiǎn)單，對(duì)司機(jī)的操縱技巧要求低，在國(guó)際上已經(jīng)獲得較廣泛的使用， 是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 近年來在國(guó)外的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負(fù)載敏感系統(tǒng) (CLSS)。這是開式系統(tǒng)的大缺點(diǎn)。由于這種油路調(diào)速方式是進(jìn)油節(jié)流調(diào)速和旁路節(jié)流調(diào)速同時(shí)起作用，其調(diào)速特性受負(fù)載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統(tǒng)的操縱性能、調(diào)速性能和微調(diào)性能差。 日本小松 (KAMATSU)公司 90年代以前一直致力開發(fā)開式負(fù)載敏感系統(tǒng) (OLSS )，用以降低液壓系統(tǒng)的損耗。④很重視液壓系統(tǒng)的操縱特性提高 。②系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成為研究的重點(diǎn) 。 國(guó) 內(nèi)外液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀 國(guó)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究狀況 從 20 世紀(jì) 60年代液壓傳動(dòng)技術(shù)開始應(yīng)用在挖掘機(jī)上至今，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)成熟的階段。目前研究液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于，為了使挖掘機(jī)設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算中解脫出來，現(xiàn)有工作裝置機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，即大多數(shù)的液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)研究在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上局限地進(jìn)行的。雖然部分軟件也有一定的分析計(jì)算能力，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)需要，對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行分析的大型通用軟件目前市場(chǎng)上還很少。因此，開發(fā)出的軟件缺少通用性，不能使用于挖掘機(jī)工作裝置的一些通用問題的解決，對(duì)工程機(jī)械這個(gè)行業(yè)不具有通用性。國(guó)內(nèi)眾多的研究人員和單位對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了不少研究，開發(fā)了其設(shè)計(jì)軟件，他們的研究基本上局限于解決某些問題，即工作裝置的幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力參數(shù)等的解決。這樣，引進(jìn)和消化國(guó)外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 國(guó)內(nèi)原有的數(shù)家挖 掘機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實(shí)力和豐富的挖掘機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，紛紛在工廠的技術(shù)改造、試驗(yàn)研究、新產(chǎn)品開發(fā)方面下大功夫。 到了 80 年代末和 90 年代初，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家液壓挖掘機(jī)技術(shù)水平得到了迅速的提高，突出表現(xiàn)在追求高效率 (同一機(jī)重的挖掘機(jī)功率普遍提高，液壓系統(tǒng)流量增大，作業(yè)循環(huán)時(shí)間減小，作業(yè)效率大大提高 )。 國(guó)內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究狀況 早在 1958 年國(guó)內(nèi)便開始了液壓挖掘機(jī)的研制開發(fā)工作，隨后開發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。 國(guó)外許多有實(shí)力的生產(chǎn)廠商有了自己的軟件。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)既能縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和制造周期，同時(shí)又能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，相應(yīng)也就提高了機(jī)器整體質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。 隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的日益推廣，機(jī)械設(shè)計(jì)及制造技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。液壓挖掘機(jī)多用途工作裝置在展會(huì)上應(yīng)有盡有，這 些多用途作業(yè)裝置大大擴(kuò)展了液壓挖掘機(jī)的功用，提高了產(chǎn)品的施工適用性。工作 裝置中，動(dòng)臂、斗桿結(jié)構(gòu)變化多樣，也擴(kuò)展了主機(jī)的使用功能，這一結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為動(dòng)臂、斗桿長(zhǎng)度的變化，由動(dòng)臂、斗桿的兩元件變化為兩節(jié)動(dòng)臂、斗桿的多元件和伸縮臂。當(dāng)液壓挖掘機(jī)配置不同的作業(yè)裝置時(shí)，可以用來吊、夾、推、刮、松、挖、裝、銑削、拆除、清除和壓實(shí)等作業(yè)，且大都采用快換裝置。(2)鏟斗挖掘力的充分發(fā)揮，挖掘力大小和有效作用范圍是衡量各種液壓挖掘機(jī)工作能力的重要指標(biāo)。(2)重視電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的引用，加快了新產(chǎn)品的發(fā)展速度，國(guó)外發(fā)展有總體、工作裝置、液壓系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)程序，出現(xiàn)了總體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和適合于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型描述液壓系統(tǒng)和元件特性的程序，這樣，就可以利用計(jì)算機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)的周期縮短到 2v3 年左右。 近幾年來，國(guó)外液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量急劇上升，結(jié)構(gòu)逐步完善，在工程建設(shè)和施工行業(yè)中占有很重要的位置。 國(guó)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究狀況 從 20 世紀(jì) 50年代開始生產(chǎn)第一臺(tái)液壓挖掘機(jī)至今，挖掘機(jī)工作裝置己經(jīng)發(fā)展 到了相當(dāng)成熟的階段〔 9]。當(dāng)今計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)得到了很快發(fā)展。在技術(shù)方面，挖掘機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以對(duì)其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分 重要的現(xiàn)實(shí)意義。 挖掘機(jī)的發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，其液壓系統(tǒng)已成為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的主流形式。通過開發(fā)通用性及專業(yè)的液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)工作裝置設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，提高挖掘機(jī)設(shè)計(jì)水平。 目前商品化的液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)軟件還沒有，都采用各自開發(fā)的軟件。挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響作業(yè)范圍、功率利用、挖掘力發(fā)揮等。經(jīng)過幾十年的研究，被成為土建機(jī)械手，成為建設(shè)機(jī)器人的代表，據(jù)有關(guān)專家估算，全世界各種施工作業(yè)場(chǎng)約有 65%至 70%的土石方工程都是由挖掘機(jī)完成的。大多數(shù)制造廠家借助計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)制 2 造更輕便的動(dòng)臂和斗桿，而不削弱其強(qiáng)度，其時(shí)對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的研究也已經(jīng)十分成熟。從 20世紀(jì) 60 年代到 80 年代中期，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國(guó)挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。這種組合動(dòng)臂可以調(diào)節(jié)動(dòng)臂的長(zhǎng)度，現(xiàn)在大多數(shù)液壓挖掘機(jī)都采用整體動(dòng)臂。當(dāng)時(shí)液壓挖掘機(jī)主要配置反鏟工作裝置。在進(jìn)行大規(guī)模國(guó)土開發(fā)的同時(shí)，也開始進(jìn)行城市型土木施工，這樣，具有較長(zhǎng)的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多自由動(dòng)作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動(dòng)技術(shù)，挖掘機(jī)有了適合它的傳動(dòng)裝置，為挖掘機(jī)的發(fā)展建立了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，是挖掘機(jī)技術(shù)上的一個(gè)飛躍。而且當(dāng)時(shí)的工程建設(shè)主要是國(guó)土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場(chǎng)地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對(duì)挖掘機(jī)的應(yīng)用相對(duì)較少，在一定程度上也限制了挖掘機(jī)的發(fā)展。但是此后的很長(zhǎng)時(shí)間挖掘機(jī)沒有得到很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。 液壓挖掘機(jī)工作裝置與液壓系統(tǒng)研究的必要性 挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，可以追溯到 1840 年。由于挖掘機(jī)的工作條件惡劣，要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作很復(fù)雜，于是它對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。因此，基于計(jì)算機(jī)全面仿真的液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)方法的研究成為推動(dòng)挖掘機(jī)發(fā)展中的重要一環(huán)。 工作裝置是液壓挖掘機(jī)主要組成部分之一，是直接完成挖掘任務(wù)的裝置。由于液壓挖掘機(jī)具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點(diǎn)，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。Load sensitive system III 目 錄 摘 要 ........................................................... I Abstract .......................................................... II 1 緒 論 .......................................................... 1 液壓挖掘機(jī)工作裝置與液壓系統(tǒng)研究 的必要性 ................... 1 國(guó)內(nèi)外液壓挖掘機(jī)工作裝置的發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀 ............... 2 國(guó)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究狀況 .............................. 2 國(guó)內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究狀況 .............................. 3 國(guó)內(nèi)外液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀 ............... 4 國(guó)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究狀況 .............................. 4 國(guó)內(nèi)研究情況及發(fā)展動(dòng)態(tài) .............................. 6 2 液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 ...................... 7 液壓挖掘機(jī)的工況分析 ....................................... 7 挖掘工況分析 ........................................ 8 滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況分析 ............................... 12 卸載工況分析 ....................................... 12 空斗返回工況分析 ................................... 12 整機(jī)移動(dòng)工況分析 ................................... 12 姿態(tài)調(diào)整與保持工況分析 ............................. 13 液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求 .............................. 13 幾何尺寸要求 ....................................... 13 各功能運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性要求 ........................... 14 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求 ....................................... 15 經(jīng)濟(jì)性要求 ......................................... 16 其它 性能要求 ....................................... 16 液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù) ...................................... 16