挖掘機主要設計參數確定思路探討

撰文/廖明軍 朱梓明

■221100 徐州徐工挖掘機械有限公司 江蘇 徐州

?

挖掘機主要設計參數確定思路探討

撰文/廖明軍 朱梓明

■221100 徐州徐工挖掘機械有限公司 江蘇 徐州

摘要：挖掘機是工程機械行業的主導產品，被譽為“工程機械之王”，廣泛應用于工程建設領域，世界主要工程機械企業大部分以此確定在行業的地位。本文簡略介紹了履帶式液壓挖掘機總體設計過程中主要設計參數的確定思路，希望能對從事挖掘機研發的同仁們有所幫助。關鍵詞：挖掘機；設計參數；思路探討

挖掘機將始終圍繞“可靠、高效、節能、安全、舒適和環保”這個永恒的主題向前發展，如何能夠開發出適應市場需求的優質產品是擺在挖掘機研發人員面前的一項艱巨任務。因此，了解和探討挖掘機總體設計的原則、基本步驟和主要設計參數確定思路是十分必要的。

這里僅就挖掘機設計過程中如何確定主要技術參數的思路進行簡要探討。

確定挖掘機主要參數

通常液壓挖掘機的主要技術指標有：整機操作質量、發動機功率、斗容、挖掘力、作業范圍、運輸尺寸、回轉速度、行走速度、爬坡能力、接地比壓、噪音、提升能力、生產率和經濟效益等。

a整機操作質量

整機操作質量是挖掘機三個主參數（操作質量，發動機功率，斗容）之一。

操作質量決定了挖掘機的級別，決定了挖掘力的上限，如果挖掘力超過這個極限，在反鏟的情況下，挖掘機將打滑，并被向前拉動，這非常危險；在正鏟情況下，挖掘機將向后打滑。

挖掘力≦μ×工作質量（注：μ—地面和履帶間的附著力系數）。

挖掘機三種主要質量：①操作質量：帶標準工作裝置、一名司機、加滿燃油和適量的液壓油；②運輸質量：不含司機、含10%燃油；③主機質量：不含工作裝置。

b發動機功率

發動機功率總功率 SAE J1995：指在沒有消耗功率附件，如消音器、風扇、交流發電機及空氣濾清器的情況下，在發動機飛輪上測得的輸出功率。

發動機功率凈功率（SAE J1349；ISO 9249）：

①指在裝有全部消耗功率附件，如消音器、風扇、發電機及空氣濾清器的情況下，在發動機飛輪上測得的輸出功率。（GB）

②指在裝有發動機運行必須的消耗功率附件，一般為風扇的情況下，在發動機飛輪上測得的輸出功率。（ISO）

c斗容

斗容一般分為堆裝和平裝兩種，挖掘機常用標定斗容為堆裝。

鏟斗堆裝容量有兩種計算標準：①SAE、PCSA、ISO、GB標準：1：1堆裝；②CECE標準：1：2堆裝。

圖1　1：1

圖2　1 ：2

d挖掘力

挖掘機的挖掘力大小與工作裝置類型有關。以反鏟挖掘機為例，挖掘力包括斗桿挖掘力和鏟斗挖掘力，斗桿挖掘力來自斗桿油缸，鏟斗挖掘力來自鏟斗油缸。

挖掘力的作用點有兩種計算標準：①ISO標準：作用在鏟斗刀板邊緣；②SAE、PCSA、GB標準：作用在斗齒尖。

e作業范圍（以反鏟工作裝置為例）

確認滿足用戶施工要求的以下參數：最大挖掘半徑、最大地面挖掘半徑、最大挖掘深度、最大垂直挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸載高度、前端最小回轉半徑以及尾部最小回轉半徑等。

圖3　斗桿挖掘力

圖4　鏟斗挖掘力

f確認滿足公路、鐵路、船運及空運的運輸尺寸要求：上部機構總寬度、整車總寬度、整車總長度、駕駛室總高度、動臂總高度、發動機罩總高度、配重離地間隙、輪距、下部行走體長度、軌距、履帶板寬度以及最小離地間隙等。

（注：由于受篇幅限制，1.5和1.6兩部分的附圖省略。）

g回轉速度與回轉扭矩

回轉速度：挖掘機空載時，穩定回轉所能達到的平均最大速度，單位是“轉/分”（rpm）。

需要的實際回轉性能可用回轉扭矩表示，單位：N·m。

h行走速度與行走牽引力

行走速度與牽引力表明了挖掘機行走的機動靈活性及其行走能力。

對于履帶式挖掘機而言，行走時間大概占整個工作時間的10%。通常有高速和低速兩檔可供行走時選擇，滿足挖掘機的行走性能。

牽引力是指挖掘機行走時所產生的力，主要影響因素包括行走馬達低速檔排量、工作壓力、驅動輪節圓直徑、整機質量。

圖5

牽引力=（0.7～0.85）×整機質量。

i爬坡能力

爬坡能力是指爬坡、下坡，或在一個堅實、平整的坡上停止的能力。

爬坡能力有兩種表示方法：角度，百分比。

①爬坡角度θ，一般為35°。

②tanθ=b/a，一般為70%。

微型機或超大型機指標一般為≤30°或58%。

j接地比壓

接地比壓的大小決定了挖掘機適合工作的地面條件。

接地壓力指機器重量對地面產生的壓力。

接地比壓一般是理論值，原因有二：①履帶不能完全與地面接觸；②整機重心的偏移，履帶上的壓力不均勻。

k噪音

挖掘機的噪音主要來源于發動機、液壓系統和機械摩擦發出的聲音等。

挖掘機的噪音有兩種：①司機耳邊噪音；②機外幅射噪音。

l提升能力

提升能力是指額定穩定提升能力或額定液壓提升能力中較小的一個。

額定穩定提升能力：75%的傾翻載荷；額定液壓提升能力：87%的液壓提升能力。

m生產率

生產率是挖掘機主要技術經濟指標之一。

理論生產率：在“計算條件”下連續工作一小時的生產率。“計算條件”是：①操作熟練；②常見工作條件和工作尺寸；③工作、運輸工具的位置恰當。

實際生產率：機器工作一段時間所得到的實際平均生產率。它在理論生產率的基礎上受機器利用率和操作熟練程度兩方面影響。

n經濟效益

①單臺樣機毛利：

假設樣機成本為A萬元，建議售價B萬元，毛利為：（B-A）萬元，毛利率：（B-A）/ B×100%。

②產值及毛利：

根據某機型的市場預測，假設在全球市場年銷售Q臺，該產品能占P%的市場份額，年銷售Q×P%=M臺產品，照此可計算出：

產值：M×B = X萬元/年。

毛利：M×（B-A）= Y萬元/年。

結語

本文結合自己多年從事挖掘機研發的經驗，對挖掘機主要設計參數確定提供了一些思路，為剛剛從事挖掘機總體設計的年輕研發人員具有一定的指導意義，希望能起到一種拋磚引玉的作用。由于文中未涉及具體機型，有關具體參數只能定型分析，沒有定量分析數據，還望讀者諒解。

參考：

［1］陳國俊.液壓挖掘機（上、下冊）.中國武漢：華中科技大學出版社，2012.

［2］同濟大學.單斗液壓挖掘機.北京：中國建筑工業出版社，1986.