中、小型液压挖掘机系统执行机构优化设计

中、小型液压挖掘机系统执行机构优化设计内容摘要：

为防止对路面的碾压破坏，有些液压挖掘机还采 15 用了橡胶履带。 通常，履带行走的液压挖掘机多为全液压传动。 轮胎式液压挖掘机具有行走速度快，机动性好，可在多中路面通行的特点。 近年来，轮胎式挖掘机的生产日渐增长。 这种挖掘机一般都是四点的，但也有三点的，它将前轮距缩小为一个支点，与后轮形成三点支承。 这种形式不需要在前轴上采用平衡悬挂，简化了前桥结构，减小了机器的转弯半径，提高了机动性。 目前，轮胎式液 压挖掘机的行走部分多数采用机械传动和单独液压马达的集中传动。 悬挂式液压挖掘机是将工作装置安装在轮胎式或履带式拖拉机上，可达到一机多用的目的。 这种挖掘机拆卸方便，成本低廉。 汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车底盘，速度快，机动性好。 拖式液压挖掘机没有行走传动结构，行走时由拖拉机牵引。 根据工作装置结构的不同，可分为链接式和伸缩臂式挖掘机。 链接式工作装置应用较为普遍。 这种挖掘机的工作装置靠各构件绕铰点转动来完成动作。 伸缩臂式挖掘机的动臂由住臂及伸缩臂组成， 伸缩臂可在主臂内伸缩，还可以边幅。 伸缩臂前端装有铲斗，适于进行平整和清理作业，尤其是修整沟坡 液压挖掘机的主要优点 液压挖掘机在动力装置和工作装置之间采用容积式液压静压传动，即靠液体的压力能进行工作，液压传动也机械传动相比有许多优点 ①能无级调速且调速范围大，例如液压马达的最高转速与最低转速之比可达 1000： 1。 ②能得到较低的稳定转速，例如柱塞式液压马达的稳定转速可低达 1r/min。 ③快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作高速反转。 例如电动机在启动时的惯性力矩比其平稳运转时 的驱动力大 50%，而液压马达则不大于 5%，加速中等功率电动机需 1s，而加速液压马达只需。 ④传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动，操纵省力，易实现自动化控制。 ⑤易于实现标准化，系列化、通用化。 基于液压传动的上述优点，液压挖掘机与机械挖掘机相比，具有下列主要特点。 ①大大改善了挖掘机的技术性能，挖掘力大，牵引力大，机器重量轻，传动平稳，作业效率高，结构紧凑。 液压挖掘机与同级机械挖掘机相比，挖掘力约高 30%，例如 液压挖掘机铲斗挖掘力为 ，而同级机械传动挖掘机只有 100KN左右。 挖掘机在工作的时候的主要动作包括行走、转台回转和工作装置的作业动作，其中动作最频繁的是回转和工作装置的循环往复动作。 这种往复运动速度一般不高，而所需的作用力却很大，要求在短时间内通过变速或转向来完成各种复杂动作。 机械挖掘机在完成上述运动，需通过摩擦离合器，减速器，制动器，逆转机构，提升和推压机构等配合来完成。 因此，机械传动挖掘机不仅结构复杂，而且还要产生很大的惯性力和冲击载荷。 而液压挖掘机则不需要庞大和复杂的中间传动，大大简化了结构，也减少了易损件。 由于结构简化，液压挖掘机的质量大约 比相同斗容量的机械传动挖掘机轻 30%，不仅节省了材料，而且降低了接地比压。 液压挖掘机上的各种液压元件相对独立布置，使整机结构紧凑，外型美观，同时，也易于改进和变型。 ②液压挖掘机的液压系统有防止过载的能力，所以使用安全可靠，操纵简便。 由于可采用液压先导控制，无论驱动功率有多大，操纵均很灵活、省力，司机的工作条件得到改善。 更换工作装置时，由于不牵连转台上部的其他结构，因此更换工作装置容易，而机械式挖掘机则受到提升机构和推压机构的牵连和限制。 16 ③由于液压传动易于实现自动控制，因此现代液压挖掘机普遍 采用了以微处理器为核心的电子控制单元，使发动机，液压泵，控制阀和执行元件在最佳匹配的状态下工作，以实现节能和提高工作效率，同时还可以实现整机状态参数的电子监控和故障诊断。 ④液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，便于组织大规 模专业化生产，进一步提高质量和降低成本。 第二章 执行机构参数计算 挖掘机选型 液压挖掘机常用的有反铲、正铲、装载、抓斗和起重装置等。 挖掘机的行走装置形式有：履带式、轮胎式、汽车式、步行式、轨道式、托式等。 履带式与轮胎式采用广泛。 选用履带式。 正铲的工作特点： 1. 具有足 够大的起升力和推压力，推压运动是强制运动，能用于各级土壤（除Ⅴ和Ⅵ级土壤先爆破）。 2. 正铲挖掘机广泛的用于建筑和采矿等工业，用来进行各种建筑工作中的土方工作，如掘掉高地，挖掘基坑，还用来做剥离工作和采掘工作。 3. 挖掘时，动臂倾斜角度不变，斗杆及铲斗作推压运动造成复杂的运动轨迹。 4. 动臂总是向上倾斜的，高于挖掘机的停机面，挖掘土壤是依靠斗柄转动以及四连杆机构运动，由于这种结构特点，在一般的动臂和斗柄尺寸下，不宜于挖掘低于停机面的掌子工作对象，而适用于挖掘高于停机面得掌子，所以，正铲挖掘机总是在掌子底部运 行的。 在地下水位较高的掌子中，工作有困难。 反铲的工作特点： 1. 斗中的土壤可以卸到掌子顶部（机停机平面上），也可以卸到掌子底部，如果要卸载到车辆中，必须要把斗升到较大的高度，不太适宜。 2. 反铲能造成足够的切削力，可以用来挖掘轻级、中级和重级的土壤（重级的土壤必须先爆破）。 3. 反铲挖掘机广泛的用于建筑工程和军事工程等方面，用来挖掘基坑、沟、水渠等。 也就是挖掘低于停机面的土壤。 4. 挖掘时，动臂逐渐向下倾斜，斗杆下端斗向下并向机体运动。 因此，反铲只宜挖掘机体平面以下的土壤，挖掘机是沿着掌子顶部边缘运行的。 5. 斗杆用销固定 在动臂端部，挖掘时，依靠铲斗液压缸，斗杆液压缸联合动作。 同时，动 17 臂也不断转动，改变倾斜角，这两种运动造成斗的复杂的运动轨迹。 设计的目的主要用于路面维护，所以选用反铲装置。 表 21 反铲机构自身几何参数表 参数分类 机 构 组 成 铲斗 斗杆 动臂 机体 符 号 意 义 原始参数 QVl3 MHl 12 FQl 2 EFl9 CFl1 CDl6 CPl4 CAl5 MNl 13 HNl 14 FGl 10 EGl 11 CBl7 DFl8 CIl 17 CTl 19 QKl 24 KVl 25 GNl 15 FNl 16 BFl 22 CSl 30 JTl 38 KHl 29 NQl 21 JIl 39 指导参数 KQ VNM H109 NFQNQFGFNGNFEFG87654 DFCBCF32 TCPCAP1211 特性参数 lllK 33242 、 lllK 2925 、 lllllKCZF571141423、 11 llK 211 备注 斗杆长l2 动臂弯角动臂长11l 悬挂式 ACU11 18 挖掘机执行机构设计计算 执行机构参数选定 最大挖掘深度 KH 米 最大挖掘半径 KR 米 最大卸载高度 BH 最大挖掘高度 DH 动臂铰点距回转中心 30L 米 动臂铰点距地垂直距离 D 最大倾角 cha 60176。 在大仰角 cba 176。 最大挖掘力 最大挖掘力液压系统工作压力 16Mpa 铲斗铰点到齿尖 V距离 30L 米 铲斗上两销轴孔距 24L =QK = 米 以上参 数参考国内同类或相似机械，并参考国外 BROKK 系列拟定。 19 最大挖掘深度 KH 图 21 最大挖掘深度 当下置式动臂油缸全缩或悬挂式动臂油缸全伸时，满足最大挖掘深度的约束 函数为： 0)( 32m in1  HllYh KFx （ 21） 20 最大挖掘半径 RK 图 21 最大挖掘半径 当斗齿尖 V和铰点 C同在一条、水平线上，即 YC=YV时，得到最大挖掘半径的约束函数为： RaaallRXh KKV C O S  )( 36342137303 =0 （ 23） 同时有φ lll21231  ，φ ][321372 注lll l  由参数约束函数的以下方程组： )3()()()2()()1(13213032132lHllllllRHllS inlDF C QSinDBCHKKC 把已知参数代入得    12k 1 212.sin 6 0 + + 0 .4 5 = 3 .2 + 0 .4 4R = 0 .9 5 ( + + 0 .4 5 ) + 0 .2 50 .9 5 ( + ) sin( ) 3 .0 0 .4 0 .4 5 6chlllll l a fc q     （ 4）、（ 5）联立得 1  ，圆整取 . 2  , 圆整取 m 由公式φ lll21231  21 COSθ = ab cba 2 222  对国内外以有挖掘机结构计算表明，可采用 φ1 ≈φ2= [国外工程机械 ]1984年 1— 6 P2726。 求的最大卸载高度工况下，  FCQ= 0 ,圆整取 200 . 代入（ 6）求得最大仰角 176。  最大卸载高度 HB 当下置式动臂油缸全伸或悬挂式动臂油缸全缩时， QV 连线处于垂直状态时，满足最大卸载高度的函数为： lYh AX 52 )(  (111 SinSin la  θ Max1 alaa Sin m a x322211 ()  ＋θMax1  aaa 2118 л） Hl B 3 =0 图 22 最大卸载高度 22 最大挖掘深度 HK 当下置式动臂油缸全缩或悬挂式动臂油缸全伸时，满足最大挖掘深度的约束函数为： 0)( 32m in1  HllYh KFx 图 23 最大挖掘深度 动臂机构参数选择 动臂和动臂液压缸的布置方案虽多，但大多数反铲还是把动臂液压缸置于动臂的下前方。 根据动臂液压缸全伸、动臂处于上极限位置时液压缸轴线对垂直线的关系，可有前倾式和后倾式两种。 当液压缸长度 AB、工作装置长度 lll 321 、 铲斗最大提升高度 HK 和最大挖掘半径 RK 相同时，后倾式方案的最大挖掘深度比前倾式的小。 后倾式方案中动臂的 BF 段 23 往往比前 倾式的长，动臂受到的弯矩会加大，着都是不利的方面，但后倾式方案中 C、 A 之间的距离较前倾式大，动臂在上下两极限位置时液压缸的作用力臂 e也往往较大，所以在液压缸作用力相同时后倾式方案有较大的作用力矩。 图 25动臂缸前倾式 采用弯臂能增加挖掘深度，但降低了卸载高度，动臂的弯角 1 一般可取为 1200 ～ 1400。 弯角太小会对结构的强度不利。 弯臂转折出的长度比 ZCZFK 3，初步设计时可以取K3 =～ ZC l7 24 用于计算动臂两段的长度 利用公式。