輕型挖掘機的研制與運動學分析

周衛東

（濟寧職業技術學院，濟寧 272037）

0 前言

在工程建設中，除了必須提供成套的工程機械以外，質優價廉的輕型工程單機也是必不可少的。國外挖掘機重型和輕型各占一定的比例，而國內的挖掘機市場則偏重于重型化，開發適合農村的輕型挖掘機勢在必行。本文將簡介所研制的輕型挖掘機的工作原理，并對其進行運動學的分析。

1 輕型挖掘機的工作原理

圖1 輕型挖掘機的工作裝置機構

所研制的輕型挖掘機的工作裝置—反鏟裝置，如圖1。它由轉動支架1、鏟斗2、連桿3、搖桿4、斗桿5、動臂6、以及相應的三組液壓缸7、8、9組成。動臂下鉸點接在轉動支架上，利用動臂和液壓缸的回轉伸縮，使動臂繞動臂下鉸點轉動，依靠斗桿液壓缸使斗桿繞動臂的上鉸點擺動，而鏟斗鉸于斗桿前端，并通過鏟斗液壓缸和連桿使鏟斗繞斗桿前鉸點轉動。

挖掘機的液壓系統由動力元件（液壓泵）、執行元件（液壓缸）、控制元件（各種閥）和輔助裝置按一定方式組合而成，用來把發動機的機械能以油液為介質經動力元件轉變為液壓能，經系統變換再由執行元件轉返為機械能，實施各種動作。輕型挖掘機液壓系統采用定量系統，其原因是：1) 定量泵結構簡單，價格低廉，工作可靠；2）由于液壓泵經常工作在非滿負荷狀態下，泵的壽命比變量泵長；3）由于流量固定，執行元件的速度也穩定，工作裝置的軌跡比較容易控制，因此開挖面的質量比較好。

2 輕型挖掘機運動學分析

2.1 挖掘機的結構參數

挖掘機反鏟裝置的幾何位置取決于動臂液壓缸的長度L1、斗桿液壓缸的長度L2和鏟斗液壓缸的長度L3（圖1）。顯然，當L1、 L2和L3為某一組確定值時反鏟裝置就相應處于一個確定的幾何位置。反鏟運動分析坐標系的X軸在水平面內，Y軸與挖掘機回轉中心線重合。斗齒尖V所在的X坐標值Xv表示挖掘半徑。Y坐標值Yv為正值時表示挖掘高度，為負值時表示挖掘深度。當L1、L2和L3為一組定值時，只有一組Xv和Yv值與其對應。反之，對于Xv和Yv的一組定值有許多組L1、L2和L3值與其相應。

反鏟裝置自身幾何參數有三類：第一類是決定反鏟裝置運動特性的必要參數，稱原始參數，這里主要選擇長度參數作為原始參數；第二類是由第一類參數推算出來的參數，稱推導參數，多為運算中需要的角度參數；第三類是作方案分析比較所需要的其它特性參數。

表1 挖掘機反鏟裝置的結構參數

2.2 動臂的運動描述

動臂的擺角范圍?1max是L1的函數，動臂上任意一點在任意時刻的坐標值也是L1的函數。當L1=L1min時，θ1min=＜ACB0。當L1=L1max時，θ1max＜ACB0。動臂的擺角范圍為?1max=θ1max-θ1min。動臂的瞬時轉角為

以F點為例，可導出動臂上任意一點的坐標方程(圖2a)

2.3 斗桿的運動描述

斗桿的位置參數是L1和L2的函數。這里暫先討論斗桿相對于動臂的運動，即只考慮L2的影響。斗桿機構與動臂機構性質類似，均為四連桿機構，但連桿比不同。在動臂機構中一般l7＞l5，在斗桿機構中一般l9＞l8。

斗桿相對于動臂的擺角范圍

2.4 鏟斗的運動描述

鏟斗相對于X-Y坐標系的運動是L1、L2和L3的函數 (圖2b,c)。由F點出發，結合表1以及前面計算得到的有關參數值，通過運算，可依次求得α32,l28,α33,l23,α34,α35,l37,α36等，最后導出斗齒尖的位置坐標：

2.5 整機的運動描述

整機作業范圍取決于斗齒尖V的坐標值XV和YV，計算出一系列斗齒位置坐標就可得到精確的作業范圍。 最大挖掘深度、最大卸載高度、最大挖掘半徑、停機面最大挖掘半徑等等，屬于特殊工作尺寸。當下置式動臂液壓缸全縮，FQV三點共線并處于垂直狀態時得到最大挖掘深度（圖2d）

當下置式動臂液壓缸全伸，斗桿液壓缸全縮，QV連線處于垂直狀態時得到最大卸載高度（圖2e）

式中：

當斗桿液壓缸全縮，轉斗液壓缸全縮，CV水平狀態時得到最大挖掘半徑（圖2f）

當斗桿液壓缸、轉斗液壓缸處于最大挖掘半徑狀態，而鏟斗斗齒尖V靠在停機面上時，得到停機面最大挖掘半徑。

3 運動仿真系統及模擬分析結果

在上述挖掘機運動學分析基礎上，設計了挖掘機運動學仿真分析系統，采用VB語言編寫。仿真系統流程，如圖3所示。仿真系統可實現的功能有：計算挖掘機最大挖掘深度、最大卸載高度、最大挖掘半徑等；進行運動和工作范圍模擬仿真；并可用于優化挖掘機的結構尺寸。

圖2 計算簡圖

作為運動學仿真分析系統的應用實例，模擬分析了所研制的輕型挖掘機反鏟機構。輸入的原始參數為(單位：mm)：l3=573, l12=0, l13=224, l14=224, l24=217, l25=665, l29=272, l2=960, l9=294, l10=260, l11=242, l15=824, l16=789, l21=173, l1=2000, l6=1251, l7=934, l8=978, l22=1196, l4=272, l5=384, l17=1101, l19=941, l30=205, l38=447, l39=739, l1S=700,l1E=1124, l2S=743, l2E=1210, l3S=648, l3E=1020（注： L1S、L1E為液壓缸最短、最長尺寸，其余類推）。

圖3 仿真系統流程圖

圖4 反鏟運動軌跡示意圖

通過模擬分析，獲得挖掘機鏟斗斗齒尖運動軌跡（如圖4），挖掘機最大挖掘深度為1.810m，最大卸載高度為1.870m，最大挖掘半徑為3.445m，停機面最大挖掘半徑為3.345m，單循環時間為15.87s和理論生產率為34m3/h。

4 結束語

1）設計的輕型挖掘機可作為拖拉機附件，適合農村地區使用。

2）發展的挖掘機仿真系統可模擬挖掘機運動工作范圍，并可用于優化挖掘機的結構尺寸。

[1] 同濟大學.單斗挖掘機.機械工業出版社,1998.

[2] 楊培元.液壓系統設計簡明手冊.機械工業出版社,1993.

[3] 機械工程手冊編輯委員會.機械工程手冊(第二版),專用機械(一).機械工業出版社,1997.

[4] 機械工程手冊編輯委員會.機械工程手冊(第二版),專用機械(二).機械工業出版社,1997.

[5] 北京有色冶金設計研究總院.機械設計手冊(第三版)(第二卷).化學工業出版社,1993.

[6] 張利平.液壓氣動系統設計手冊.機械工業出版社,1997.

[7] 同濟大學.單斗液壓挖掘機.中國建筑工業出版,1986.