【正文】 目前挖掘機研究重點正逐步向智能化機電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移。 液壓挖掘機結(jié)構(gòu) (1) 液壓挖掘機組成 為了 實現(xiàn)液壓挖掘機的各項功能， 單斗 液壓挖掘機需要兩個基本組成部分，即機體 (或稱主機 )和工作裝置?？杉?xì)分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動力裝置。 的全回轉(zhuǎn) 。 挖掘機的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果。斗容量小于 3m 的中小型液壓挖掘機通常選用反鏟裝置，它分為整體臂式和組合臂式。采用這種動臂有利于加大挖掘深度，且結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。 鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘 機最常用的結(jié)構(gòu)型式，動臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接點擺動，完成挖掘、提升和卸土等動作。裝置各運動部件之間全部采用銷軸鉸接，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下。斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂相對角度。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動。 (3) 液壓挖掘機工作循環(huán)過程 首先液壓挖掘機驅(qū)動行走馬達(dá)和配套土方運輸車輛一起進(jìn)入作業(yè)面，運輸車輛倒車、調(diào)停，?？吭谕诰驒C的側(cè)方或后方。土方卸完后，使平臺反轉(zhuǎn)并降低動臂，直到鏟斗回到作業(yè)點上方，以便進(jìn)行下一工作循環(huán) 。 液壓挖掘機傳動原理 液壓挖掘機采用三組液壓缸使工作裝置具有三個自由度，鏟斗可實現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動，加上液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)運動，使鏟斗運動擴大到有限的空 間，再通過行走馬達(dá)驅(qū)動行走 (移位 )，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。 液壓挖掘機的工作裝置采用連桿機構(gòu)原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。動臂下鉸點鉸接在轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動。而鏟斗鉸接于斗桿前端，通 過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉(zhuǎn)動。動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，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。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)。 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 第 6 頁 共 37 頁 6 斗桿油缸 動臂 油管 動臂油缸 鏟斗 斗齒 側(cè)齒 連桿 搖桿 鏟斗油缸 1 斗桿 圖 11 反鏟挖掘機工作裝置 總之，液壓挖掘機是由多學(xué)科、多系統(tǒng)組成的有機整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學(xué)科協(xié)同優(yōu)化才 能獲取挖掘機整機的最佳性能。 167。除了輔助動作 (例如整機 轉(zhuǎn)向等 )不需全功率驅(qū)動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅(qū)動。(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(jìn)行復(fù)合動作。 (2) 滿斗舉升回轉(zhuǎn) :挖掘結(jié)束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉(zhuǎn)第 2章挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求和分析方法液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(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。 1 挖掘工況分析 挖掘過程中 主要以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別單獨進(jìn)行挖掘，或者兩者復(fù)合動作， 必要時配以動臂液壓缸的動作。此時斗桿收回，動臂抬起，希望斗桿和動臂分別由獨立的油泵供油，以保證彼此動作獨立，相互之間無干擾，并且要求泵的供油量小，使油缸動作慢，便于控制。單獨采用鏟斗挖掘時，也有采用雙泵合流的情況。液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。當(dāng)斗桿油壓接近溢流閥的壓力時，原來溢流的油液此時供給鏟斗有效利用 。 圖 26 三泵供油系統(tǒng)示意圖 當(dāng)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。 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 第 10 頁 共 37 頁 10 當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要同時向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油，兩者復(fù)合動作。在斗桿油缸活塞桿端回油路上設(shè)置可變節(jié)流閥，此節(jié)流閥的開口度即節(jié)流程度由回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力來 控制。因此隨著回轉(zhuǎn)操縱桿行程的增大，回轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓增加，回轉(zhuǎn)力增大。 2 滿斗舉升回斗工況分析 挖掘結(jié)束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動作。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機相對自卸車的位置而變，因此動臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度的相對關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。 在雙泵系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)起動時，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時應(yīng)該將溢流的油供給動臂，如圖 27a所示。這時是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動作。但是由于動臂提升時油壓較高，單向閥大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)，因此左側(cè)油泵只向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油。各個油泵分別向一個液壓作用元件供 油， 復(fù)合動作時無相互干擾。為了調(diào)整卸載位置，還需要動臂配合動作。 圖 27 回轉(zhuǎn)舉升供油情況 4 空斗返回工況分析 當(dāng)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。由于動臂下降有重力作用，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臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿 。 5 行走時復(fù)合動作 在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件 (如回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗 )進(jìn)行調(diào)整。 為了保證挖掘機的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達(dá)分別由一個油泵單獨供油，另一個油泵向其它液壓作用元件 (如動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn) )供油，如圖 28a所示。②雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件同時供油，如圖 28c所示。 挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求 液壓挖掘 機的動作繁復(fù)，且具有多種機構(gòu)，如行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動臂、 斗桿和鏟斗等，是一種具有多自由度的工程機械。根據(jù)液壓挖掘機的工作特點，其液壓系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足以下要求 : 1 動力性要求 所謂動力性要求，就是在保證發(fā)動機不過載的前提下，盡量充分地利用發(fā)動機的功率，提高挖掘機的生產(chǎn)效率。例如，當(dāng)外負(fù)載較小時，往往希望增大油泵的輸出流量，提高執(zhí)行元件的運動速度。 2 操縱性要求 (1) 調(diào)速性要求 挖掘 機對調(diào)速操縱控制性能的要求很高，如何按照駕駛員的操縱意圖方便地實 現(xiàn)調(diào)速 操縱控制，對各個執(zhí)行元件的調(diào)速操縱是否穩(wěn)定可靠，成為挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計十分重要的一方面。 (2) 復(fù)合操縱性要求 挖掘機在作業(yè)過程中需要各個執(zhí)行元件單獨動作，但是在更多情況下要求各個執(zhí)行元件能夠相互配合實現(xiàn)復(fù)雜的復(fù)合動作，因此如何實現(xiàn)多執(zhí)行元件的復(fù)合動作也是挖掘機液壓系統(tǒng)操縱性要求的一方面。尤其對行 走機構(gòu)來說，左、右行走馬達(dá)的復(fù)合動作問題，即直線行駛性也是設(shè)計中需要考慮的重要一方面。 另外 ， 當(dāng)多執(zhí)行元件同時動作時，各個操縱閥都在大開度下工作，往往會出現(xiàn)系統(tǒng)總流量需求超過油泵的最大供油流量，這樣高壓執(zhí)行元件就會因壓力油優(yōu)先供給低壓執(zhí)行元件而出現(xiàn)動作速度降低，甚至不動的現(xiàn)象。 3 節(jié)能性要求 挖掘機工作時間長，能量消 耗大，要求液壓系統(tǒng)的效率高，就要降低各個執(zhí)行元件和管路的能耗，因此在挖掘機液壓系統(tǒng)中要充分考慮各種節(jié)能措施。系統(tǒng)要求此部分的能量損失盡量小 。 .4 安全性要求 挖掘機的工作條件惡劣，載荷變化和沖擊振動大，對于其液壓系統(tǒng)要求有良好的過載保護(hù)措施，防止油泵過載和因外負(fù)載沖擊對各個液壓作用元件的損傷。 5 其它性能要求 實現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化和通用化，降低挖掘機的制造成本 :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 。 167。 (2) 根據(jù)液壓挖掘機的主要工作特點，系統(tǒng)地總結(jié)出 挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求 :動力性要求、操縱性要求、節(jié)能性要求、安全性要求和其它性能的要求。 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 第 15 頁 共 37 頁 15 第 3 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 167。 鏟斗油缸作用力的確定 反鏟裝置在作業(yè)過程中，當(dāng)以轉(zhuǎn)斗挖掘為主時，其最大挖掘力為鏟斗缸設(shè)計的依據(jù)。為簡單起見，可以忽略斗和土的質(zhì)量，并且忽略了各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機構(gòu)效率影響因素，此時鏟斗油缸作用力為 1max1l lFF cd ? （ 31） 式中 1l — 鏟斗油缸作用力對搖臂與斗桿鉸 點的力臂（此位置為搖 臂長度），m； cl — max1F 對鏟斗與斗桿鉸點 C 的力臂， m。 已知 3 330l mm? 6300Al mm? 4600Al mm? ? 1 2 0 6 3 0 0 1 2 4 6 0 0 24583 3 0 3 3 0bF K N? ??? ? ? 又動臂缸兩個油缸同時作用，則每個缸閉 2458 122922bb FF K N??? ? ? ? 167。斗桿油缸最大作用力位置為動臂下放到最低位置，斗桿缸作用力對斗桿與動臂鉸點有最大力臂，即對斗桿產(chǎn)生最大作用力矩，并使斗齒尖和鉸點 B、 C 在一條直線上，如圖所示。 動臂油缸作用力的確 定 動 臂 油缸的作用力，即最大提升力，以能提升鏟斗內(nèi)裝滿土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進(jìn)行卸載來確定，其計算簡圖如圖所示，此時動臂油缸作用力為 )l(1 g3 bAbAgdAdtb lGGlGlF ??? （ 34） 式中 ： 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 第 19 頁 共 37 頁 19 圖 33 動臂油缸受力分析圖 dtG —— 鏟斗及其裝載土壤的的重力， N； gG —— 斗桿所受重力， N； bG —— 動臂所受重力， N； dAl —— 鏟斗質(zhì)心到動臂下鉸點 A 的水平距離， m； Agl —— 斗桿質(zhì)心到動臂下鉸點 A 的水平距離， m； bAl —— 動臂質(zhì)心到動臂下鉸點 A 的水平距離， m。gG KN? 30 。dAl mm? 1630 。A mm? 3 540 。 各油缸尺寸的確定 167。設(shè)計時可用類比法來甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 第 20 頁 共 37 頁 20 確定 。 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 第 21 頁 共 37 頁 21 F —— 工作循環(huán)中最大的外負(fù)載，此處 345dF F KN?? cm? —— 液壓缸機械效率，一般取 ?cm? 將上式代入缸受力平衡方程式得 ?????????????????????? ?????????2121 114DdpPPFDcm?? （ 35） ? ?624 345 25 10 1 1 25????? ? ? ? ? ????? ? 141mm? 圓整取 140D mm? 則 140 98d D mm? ? ? ? 圓整取 100d mm? ⑶ 缸壁厚和外徑的計算 如按薄壁缸進(jìn)行計算則 10/ ??D ? ??? 2DPy? （ 36） 式中 yP —— 試驗壓力，一般取最大工作壓力的 ?????? ~ 倍； ??? —— 缸筒材料許用應(yīng)力，無縫鋼管 ? ? MPa110~100?? ； 式中 25 33ypP P M Pa? ? ? ? ??? 取 MPa110 3 2 .5 0 .1 4 0 .0 2 12 1 1 0 m? ?? ? ?? 此時 / 0. 14 / 0. 02 1 6. 67D ? ?? 不滿足薄壁缸條件 故應(yīng)按中等壁厚計算公式計算 10/ ?? ?D 此時 ? ?? ? CPDPyy ???? ??? （ 37） ? —— 強度系數(shù)，對無縫鋼管 1?? ； C —— 用來圓