液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算

肖頔，楊彬，何瀏

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064）

液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算

肖頔，楊彬，何瀏

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064）

對斗容量1m3反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算，確定了工作裝置主要參數(shù)，分析了理論挖掘力和切削阻力的匹配關(guān)系，校核了動臂油缸提升力和各油缸的閉鎖力，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

液壓挖掘機(jī)；工作裝置；設(shè)計(jì)；計(jì)算

液壓挖掘機(jī)廣泛應(yīng)用于水利工程、交通運(yùn)輸、電力工程和礦山采掘等機(jī)械施工中，它在減輕繁重的體力勞動，保證工程質(zhì)量，加快建設(shè)速度以及提高勞動生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。液壓挖掘機(jī)工作裝置是直接承受工作載荷的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與挖掘機(jī)的可靠性和工作性能直接相關(guān)［1］。文獻(xiàn)［2］對液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了運(yùn)動分析，并建立了數(shù)學(xué)模型。本文以斗容量為1 m3的反鏟液壓挖掘機(jī)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對工作裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算與校核。

1　各部分結(jié)構(gòu)型式的確定

整體式動臂有直動臂和彎動臂兩種。直動臂結(jié)構(gòu)簡單輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機(jī)，一般不采用；整體式彎動臂有利于得到較大的挖掘深度，符合反鏟作業(yè)要求。本文分析的容量為1 m3的反鏟液壓挖掘機(jī)采用整體式彎動臂，斗桿采用整體式斗桿，鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的型式采用六桿機(jī)構(gòu)，挖掘機(jī)工作裝置簡圖如圖1所示。

圖1　挖掘機(jī)工作裝置簡圖

2　工作裝置的幾何尺寸確定

2.1斗形參數(shù)的確定

鏟斗的四個主要參數(shù)為斗容量q，平均斗寬B，轉(zhuǎn)斗挖掘半徑R和轉(zhuǎn)斗挖據(jù)裝滿轉(zhuǎn)角2φ［3］.取2φ=96，B=1.27，ks=1.25，當(dāng)斗容量q=1 m3時，計(jì)算確定R=1.361 m.

2.2動臂尺寸參數(shù)的確定

采用整體式彎動臂，動臂彎角ɑ1=130°，特性參數(shù)k1=1.65，k3=1.3.計(jì)算得l1=5 212 mm，l2=3 160 mm，l41=2 496 mm，l42=3 245 mm，ɑ39=21.5°.油缸鉸點(diǎn)的布置綜合考慮了結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、油缸本身以及安裝特性，l6=3 078 mm，l7=2 075 mm，l8=2 760 mm，l22=3 483 mm.

2.3斗桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定

斗桿尾部半徑l9從閉鎖考慮，可按經(jīng)驗(yàn)公式取l9=900 mm，∠EFQ=150°.桿相對于動臂得初始位置不能超過動臂中心延長線，取其夾角為1.2°左右。

2.4鏟斗連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定

六連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇為滿足幾何相容條件，由經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算連桿各構(gòu)件的尺寸參數(shù)。l24=480 mm，∠FQN=0°，∠ɑ10=105°，l21=380 mm，l29=720 mm，l14=760 mm.鏟斗油缸下鉸點(diǎn)位置的確定：l11=1 199 mm，l10=704 mm.

3　挖掘阻力、挖掘力、油缸作用力和閉鎖力計(jì)算

3.1鏟斗挖掘阻力

鏟斗挖掘時，土壤切削阻力隨挖掘深度改變而明顯變化。切削阻力的切向分力為：

式中：C為土壤的硬度系數(shù)；R為鏟斗切削半徑；φ為鏟斗的瞬時轉(zhuǎn)角；B為切削刃寬度影響系數(shù)；A為切削角變化影響系數(shù)；Z為帶有斗齒的系數(shù)；X為斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)；D為切削刃擠壓土壤的力。可以得到鏟斗挖掘阻力隨轉(zhuǎn)角的變化如圖1中的灰色曲線。

3.2斗桿挖掘阻力

斗桿挖掘阻力為：

式中：r6為斗桿挖掘時的切削半徑；K0為挖掘比阻力；φg為斗桿挖掘時鏟斗轉(zhuǎn)角。當(dāng)取Ⅲ級土壤時，K0=10，Ks=1.25，計(jì)算得W1g=17 326 N.

3.3鏟斗、斗桿理論挖掘力計(jì)算

工作液壓缸外伸時由該液壓缸理論推力所能產(chǎn)生的斗齒切向挖掘力稱為工作液壓缸的理論挖掘力。鏟斗挖掘時鏟斗液壓缸的理論挖掘力為

式中：P3為鏟斗液壓缸的理論推力；r1、r2、r3為力臂值［4］。從挖掘力與挖掘阻力相匹配（圖2）來看，鏟斗油缸及鏟斗機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2　鏟斗理論挖掘力與切削阻力匹配關(guān)系圖

斗桿液壓缸的理論挖掘力為：

式中：P2為斗桿液壓缸的理論推力；r5、r6為力臂值。

斗桿理論挖掘力與斗桿挖掘阻力匹配關(guān)系如圖3，可以得到，斗桿理論挖掘力始終大于斗桿挖掘阻力，斗桿油缸及尺寸參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求［5］。

圖3　斗桿理論挖掘力與斗桿挖掘阻力匹配關(guān)系圖

3.4動臂油缸作用力計(jì)算

動臂油液壓缸應(yīng)保證反鏟作業(yè)過程中在任何位置上都能提起帶有滿載鏟斗的工作裝置到達(dá)最高和最遠(yuǎn)的位置，選擇以下三種工況進(jìn)行計(jì)算：工況Ⅰ，最大挖深時滿斗提升，此時動臂油缸全縮，斗桿垂直地面，鏟斗轉(zhuǎn)至水平，計(jì)土重和工裝重。工況Ⅱ，最大卸載高度滿斗提升，計(jì)土重和工裝重。工況Ⅲ，最大挖掘半徑滿斗提升，計(jì)土重和工裝重。

三種工況下動臂液壓缸的提升力如表1所示，從表1中可以看出三種工況下的提升力均小于理論推力，因此動臂提升力足夠。

3.5液壓缸閉鎖力計(jì)算

選用以下三個極限位置對油缸閉鎖力進(jìn)行校核：工況Ⅰ，動臂最低，斗桿垂直于地面，鏟斗挖掘，并且作用力臂最大。工況Ⅱ，動臂油缸最低，斗桿與動臂的鉸點(diǎn)F，斗與斗桿鉸點(diǎn)Q，斗齒尖V點(diǎn)三點(diǎn)共線，斗桿挖掘，其作用力臂為最大。工況Ⅲ，動臂處于最低位置，挖掘深度為最大，F(xiàn)QV三點(diǎn)共線，鏟斗挖掘，并要求能克服平均挖掘阻力。

三種工況下各油缸的閉鎖力如表2所示，從表2中可以得出油缸閉鎖力均小于油缸允許工作壓力40 MPa，因此液壓缸能夠滿足閉鎖要求。

表2　各液壓缸閉鎖力

4　結(jié)束語

以斗容量1 m3的反鏟液壓挖掘機(jī)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，分析確定了工作裝置動臂、斗桿、鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)，對挖掘阻力和挖掘力進(jìn)行了分析計(jì)算與校核，挖掘阻力和挖掘力匹配是合理的，驗(yàn)證了動臂油缸的提升力和各油缸的閉鎖力，各液壓缸在三種極限工況下能夠閉鎖，工作裝置能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］郭立新，王守春，鄭春歧，等.液壓反鏟挖掘機(jī)工作裝置有限元動態(tài)分析［J］.中國機(jī)械工程，2000，11，（12）：1338-1340.

［2］黎波，嚴(yán)駿，曾擁華，等.挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動學(xué)建模與分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（10）：7-10.

［3］杜文靖.液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2007.

［4］孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

The Working Device's Design and Calculations of Hydraulic Excavator

XIAO Di，YANG Bin，HE Liu
（Ministry of Education Key Laboratory for Technology and Equipment of Highway Construction，Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710064，China）

It designs and calculates the working equipment of the 1m3backhoe hydraulic excavator，determines the main parameters of the working device，analyzes the matching relation between theoretical digging force and cutting resistance，checks the movable arm oil cylinder lifting force and the locking force of each cylinder，verifies the rationality of the design.

hydraulic excavator；work equipment；design；calculation

TH121

A

1672-545X（2016）08-0031-02

2016-05-15

肖頔（1992-），男，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械電子工程。