【正文】 口海外市場(chǎng)的，其中國(guó)內(nèi)有些小挖制造商的出口比例則達(dá)到 40％以上，以滿足海外市場(chǎng)需求。 （ 1） 需 開(kāi)發(fā)多品種、多功能 、 高效率及 高質(zhì)量 的挖掘機(jī)。 此 外，數(shù)量最多的中、小型 的 挖掘機(jī) 則 趨向于一機(jī) 多能，配備多種工作裝置 — 除 了 正鏟、反鏟外，還配備起重、抓斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、振搗器、集裝叉、鉸盤(pán)及拉鏟等，以 能 滿足各種施工的需 求 。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè) 時(shí)，能 采用無(wú)線電操縱， 能 利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器 與 激光導(dǎo)向相結(jié)合， 能 實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)操縱完全自動(dòng)化。如美國(guó) 的 林肯貝爾特公司 推出的 新 C 系列 LS5800 型液壓挖掘機(jī) 則 安裝了全自動(dòng) 的 控制液壓系統(tǒng)，可 以 自動(dòng) 的 調(diào)節(jié)流量， 能 避免驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。韓國(guó) 的 大宇公司 則 在 DH280 型挖掘機(jī)上采用 EPOS—— 電子功率優(yōu)化系統(tǒng)， 能 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化， 來(lái) 自動(dòng)調(diào) 節(jié) 液壓泵吸收的功率， 能 使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持在額定 的 轉(zhuǎn)速附近，即發(fā)動(dòng)機(jī)始終 能 以全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，這 就 既充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率， 同時(shí) 又防止了發(fā)動(dòng)機(jī)因過(guò)載而熄火。 （ 4） 要注意 加強(qiáng)對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù) ，改善駕駛員的 工作 條件。 （ 5）更新設(shè)計(jì) 的 理論，提高 裝置的 可靠性，延長(zhǎng) 其 使用壽命。美國(guó) 以 提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 的 分析方法，并 且 創(chuàng)了預(yù)測(cè)產(chǎn)品失效和更新的理論 。 [6] （ 6）進(jìn)一步改 善 液壓系統(tǒng) 以及 迅速擴(kuò)展電子化、自動(dòng)化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。 此外，液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上 的 使用，為電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在挖掘機(jī)的應(yīng)用與推廣 中 創(chuàng)造了條件。 工程機(jī)械的前景展望 挖掘機(jī)市場(chǎng)將持續(xù)呈 現(xiàn) 波浪型 的 發(fā)展 。 同時(shí)也 期望挖掘機(jī)市場(chǎng)能持續(xù)、穩(wěn)定、健康 的 發(fā)展 狀態(tài) 。 2 小型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 引言 單斗液壓挖掘機(jī)是指一種裝有一只鏟斗并且采用液壓傳 動(dòng)來(lái)進(jìn)行挖掘作業(yè)的機(jī)械。它是挖掘機(jī)械中很重要的機(jī)種。接著回轉(zhuǎn)到卸土位置進(jìn)行卸土，當(dāng)卸空后鏟斗轉(zhuǎn)回并下降到地面上進(jìn)行下一次的挖掘。因此單斗液壓挖掘機(jī)是一種能夠進(jìn)行周期性作業(yè)的自行式土方機(jī)械。常用的全回轉(zhuǎn)式挖掘機(jī)，它的動(dòng)力裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要部分、輔助設(shè)備和駕駛 第 頁(yè) 共 50 頁(yè) 4 室等都裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，這個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)稱(chēng)上部轉(zhuǎn)臺(tái)。挖掘機(jī)各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果是由基本性能決定的。柴油機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)液壓泵，操縱分配閥，將高壓油傳送給液壓執(zhí)行元件來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。其中臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)動(dòng)臂鋼的伸縮運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)臂同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。 在挖掘作業(yè)過(guò)程中，挖掘原理為通過(guò)接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使挖掘機(jī)的工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動(dòng)臂缸，則小腔進(jìn)油使液壓缸回縮；當(dāng)動(dòng)臂下降至鏟斗接觸地面后，再操縱斗桿缸，此時(shí)液壓缸大腔進(jìn)油而伸長(zhǎng)，使鏟斗能夠進(jìn)行挖掘和裝載土壤的工作。 當(dāng)土壤 卸完后，工作裝置再 回 轉(zhuǎn)至挖掘位置 ，接著 進(jìn)行第二次挖掘循環(huán) 工作 。 上面所描述的 過(guò)程 只是指一般的理想過(guò)程。 第 頁(yè) 共 50 頁(yè) 5 圖 液壓挖掘機(jī)基本組成及傳動(dòng)示意圖 1鏟斗 2斗桿 3動(dòng)臂 4連桿 7液壓油缸 Ⅰ 挖掘裝置Ⅱ 回轉(zhuǎn)裝置Ⅲ 行走裝置 反鏟工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分析 小型液壓挖掘機(jī)挖掘工作裝置是由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗以及連桿機(jī)構(gòu)和各工作液壓缸組成的。在中小型液壓挖掘機(jī)中，反鏟工作裝置是運(yùn)用的最為主要的，同時(shí)它也是建筑型挖掘機(jī)的 主要工作裝置。反鏟液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)可分為整體式和組合式。而直動(dòng)臂構(gòu)造比較簡(jiǎn)單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機(jī)中。它是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式。它的缺點(diǎn)是能替換的工作裝置 較少，通用性比較差。一般說(shuō)，長(zhǎng)期用于作業(yè)條件相似的場(chǎng)合，采 第 頁(yè) 共 50 頁(yè) 6 用整體動(dòng)臂結(jié)構(gòu)比較合適。它的組合方式有兩類(lèi)，一類(lèi)是用輔助連桿連接，另一類(lèi)則用螺栓連接。它的不足是制造成本高，比整體式動(dòng)臂要重。同時(shí)其結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，價(jià)格也相對(duì)低廉。鏟斗的作業(yè)對(duì)象很多，作業(yè)條件也大都不同，因此用一個(gè)鏟斗來(lái)適應(yīng)任何作業(yè)對(duì)象和條件比較困難。目前，我國(guó)對(duì)鏟斗結(jié)構(gòu)形式的研究還處在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或者模型試驗(yàn)的階段，還未建立較系統(tǒng)的理論。故本次 設(shè)計(jì)將以斗容量為依據(jù)，以部分的經(jīng)驗(yàn)公式，反鏟斗平均斗寬的統(tǒng)計(jì)值和推薦范圍作為參考，以此確定鏟斗的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。然而有的反鏟采用組合式斗桿，即把加長(zhǎng)桿拆去而成短斗桿。 斗桿液壓缸和動(dòng)臂液壓缸的布置方案 對(duì)于斗桿 液壓缸的布置，本次設(shè)計(jì)我將用以下方案。 動(dòng)臂液壓缸的連接，一般有以下兩種布置方案。動(dòng)臂的下支撐點(diǎn)可以設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心之前，并且稍高于轉(zhuǎn)臺(tái)平面。因此動(dòng)臂液壓缸一般都支于轉(zhuǎn)臺(tái)前部凸緣上。 一種是鉸點(diǎn)設(shè)在動(dòng)臂封閉箱體下方凸緣上；另一種則是鉸點(diǎn)設(shè)在動(dòng)臂箱體中間。這種方案的特點(diǎn)是動(dòng)臂下降的幅度比較大。盡管動(dòng)臂提升時(shí)液壓缸小腔進(jìn)油，提升力矩也一般夠用，提升速度也較快。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)中動(dòng)臂液壓缸的布置方案將是：動(dòng)臂液壓缸裝在動(dòng)臂的前下方且動(dòng)臂液壓缸支于轉(zhuǎn)臺(tái)前部的凸緣上，動(dòng)臂液壓缸活塞桿端部與 動(dòng)臂的鉸點(diǎn)將設(shè)在動(dòng)臂封閉箱體下方的凸緣上。這樣的動(dòng)臂布置方案將有利于獲得較大的挖掘深度，而動(dòng)臂液壓缸的布置也不會(huì)削弱動(dòng) 臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 動(dòng)臂液壓缸的布置方案 鏟斗液壓缸的布置方式 鏟斗液壓缸與鏟斗的連接一般有活塞桿端部與鏟斗直接連接和鏟斗液壓缸通過(guò)搖桿和連 桿與鏟斗相連兩種型式。第二種方式，它們與斗桿一起組成六連桿機(jī)構(gòu)。鏟斗液壓缸一般都只選用一個(gè)。 [7] 綜上所述，本次設(shè)計(jì)中鏟斗液壓缸與鏟斗的連接將采用六連桿方式，以改善機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)液壓挖掘機(jī)的整體組成及工作原理做了介紹，重點(diǎn)分析了液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置 的結(jié)構(gòu)組成和工作特點(diǎn)，接著對(duì)工作裝置中的各機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的選擇，以便于借助計(jì)算機(jī)及相關(guān)資料進(jìn)行方案的比較和參數(shù)的選擇，為后面的設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。在以前的設(shè)計(jì)中，多按經(jīng)驗(yàn)，采取統(tǒng)計(jì)和作圖試湊這三種方法。這樣對(duì)合理設(shè)計(jì)反鏟裝置有很大幫助。 （ 2） 主要工作尺寸及作業(yè)范圍應(yīng)能滿足使用的要求。 （ 4）在確定鉸點(diǎn)的布置，結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸形狀時(shí)要盡可能使受力狀態(tài)有利挖掘工作。 第 頁(yè) 共 50 頁(yè) 8 （ 5）在作業(yè)條件復(fù)雜，使用情況多變時(shí)要考慮反鏟裝置的通用性。在滿足使用要求前提下力求選擇替換的構(gòu)件種類(lèi)少，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，換裝方便。保證安全可靠的同時(shí)盡可能使油缸能卸載或減載。 （ 9）工作裝置的裝拆和維修是難以避免的，因此它的結(jié)構(gòu)形式和布置的設(shè)計(jì)要便于裝拆和維修，尤其應(yīng)便于易損壞零件的更換。 機(jī)構(gòu)自身的幾何參數(shù)設(shè)計(jì) [11] 機(jī)構(gòu)自身的幾 何參數(shù)設(shè)計(jì)是相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在這里主要選擇的是長(zhǎng)度參數(shù)作為原始參數(shù)；第二類(lèi)稱(chēng)推倒參數(shù)，它是由第一類(lèi)參數(shù)推算出來(lái)的，大多為運(yùn)算中需要的角度參數(shù)；第三類(lèi)則是作方案分析時(shí)比較所需要的其他的特性參數(shù)。 圖 反鏟工作裝置機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖 在上圖中我們可以看出：三角形 CBF和三角形 CDF為挖掘機(jī)的動(dòng)臂機(jī)構(gòu)， AB 為動(dòng)臂油缸。三角形 QKV 為鏟斗機(jī)構(gòu)，GM是鏟斗油缸。 B、 R 及 2?三者與 q 之間的關(guān)系為：KsBRq )2s in2(21 2 ?? ?? （ 31） 式中： q — 斗 容量，取 q=（設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)）； ? — 鏟斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角的一半，鏟斗在挖掘作業(yè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)角大致在 第 頁(yè) 共 50 頁(yè) 9 90176。范圍內(nèi) ，本次設(shè)計(jì)中取 2?=100176。 故取 ?K 。則取 010 108?? 圖 鏟斗結(jié)構(gòu)示意圖 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算過(guò)程 動(dòng)臂、斗桿長(zhǎng)度尺寸設(shè)計(jì) 一般取動(dòng)臂彎角 001 130~110?? ，而小彎臂可取 001 170~150?? 。特性參數(shù)41423 llK ? 。 據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，最大挖掘半徑 1R 值的大小一般與 cXlll ??? 321 的和值很接近 。因此由設(shè)計(jì)要求的 1R ,已經(jīng)確定的 3l 和 1K ,則可以按以下近似經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 1l 和 2l 值： 211 lKl ? (32) 1312 1 KlRl ??? (33) 其中： 1R —— 最大挖掘半徑，取 1R =（設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)）； 1K —— 動(dòng)臂與斗桿的長(zhǎng)度比，即特性參數(shù)211 llK? ，參考同類(lèi)機(jī)型，則取 21?K 。 動(dòng)臂轉(zhuǎn)折處的長(zhǎng)度比 ZCZFK ?3,其取值范圍 ~ ?K ,則取 ?K 已知 ml ? ,如圖 31，在三角形 CZF 中由余弦定理有： 1221424124224121 c os2c os2 ?? ZFZCZFZClllll ??????? (34) )2(c os 14224121242139 ll lllZ F C ????? ?? (35) 由 ZCZFK ?3可將式 (34)化為 1323141 c os21 ?KK ll ??? (36) 又由 41342 lKl ?? (37) 由以上的式子可求的： ml ? ， ml ? ， 028??ZFC 動(dòng)臂液壓缸全伸與全縮時(shí)的力臂比 K4 要按不同 情況選取，以反鏟為主的通用 第 頁(yè) 共 50 頁(yè) 11 挖掘機(jī)要顧及其他換用裝置，要求在地面以上作業(yè)時(shí)有足夠的提升力矩。 11? 的取值對(duì)參數(shù)特性 4K ，最大挖掘深度 max1H 和最大挖高max2H 有比較大影響。用作反鏟的小型挖掘機(jī)機(jī)取 011 60?? 。 斗桿液壓缸全縮時(shí) 832 ?? ???CFQ 達(dá)到最大，其取值范圍為00m a x832 1 8 0~1 6 0)( ?? ?? 則取 0m ax832 170)( ???? ，初定 02 20?? 。 由 0211 88??? ??A 0m a x328 82????? ??AB 取設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù) mH ? ， mH ? 將上述參數(shù)數(shù)值代入式（ 310），并利用試算法，可求得： 0max1 140?? , 0min1 ?? 然后由式（ 39）得為：11m a x1m in11235 s i n )s i n( ?? HyAllll A ?????? 則求得 :l5= :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 動(dòng)臂和動(dòng)臂液壓缸鉸點(diǎn)位置的幾何關(guān)系圖 φ 1 是 L1 的函數(shù)。如圖 35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? 第 頁(yè) 共 50 頁(yè) 13 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： mlL in1 ??? ?， mLL 5 4 in1m a x1 ?? ? ， mLl in17 ?? ? 通過(guò)初步作圖計(jì)算，可取∠ DFZ = 80? 斗桿機(jī)構(gòu)及斗桿液壓缸參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 斗桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇可按以下步驟進(jìn)行： 按設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的最大挖掘力來(lái)確定斗桿液壓缸的最大作用力臂 9l 。 第 頁(yè) 共 50 頁(yè) 14 圖 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖 斗