挖斗可偏轉挖掘機工作裝置結構設計與分析

張晴晴 謝 傲 龔智強

（巢湖學院機械與電子工程學院 安徽巢湖 238000）

挖斗可偏轉挖掘機工作裝置結構設計與分析

張晴晴 謝 傲 龔智強

（巢湖學院機械與電子工程學院 安徽巢湖 238000）

首先提出了一種新型挖斗可偏轉挖掘機工作裝置的結構，并詳細描述了其關鍵部件偏轉油缸的結構和工作原理。然后依據直線運動油缸輸出力和挖掘阻力分析了在最大挖掘力瞬間偏轉油缸的受力情況。最后對偏轉油缸進行了靜力學分析，分析結果顯示，外部結構中應力最大值為208.59MPa，變形最大值為0.182mm，內部結構中應力最大值為237.81MPa，變形最大值為0.162mm，均符合各自材料的使用要求。

挖斗可偏轉挖掘機；擺動油缸；結構設計；靜力學分析

液壓挖掘機是目前工程上進行土方挖掘工作最主要的機械之一， 在國內外眾多工程領域廣泛應用[1[1]提出了一種挖掘機工作裝置旋轉機構可實現上述動作，該機構的動臂前端設有一旋轉臂，旋轉臂可相對動臂發生左右旋轉，從而帶動斗桿和挖斗相對于動臂左右旋轉，可在一定程度上提高挖掘機工作裝置的靈活性。但是該機構在工作時，挖斗、斗桿和旋轉臂均要發生相對轉動，導致其工作范圍仍較大，靈活性有限，且旋轉臂和動臂之間的連接強度得不到保證。

針對上述問題，本文提出一種在斗桿上設置偏轉油缸，由偏轉油缸帶動挖斗實現左右90°轉動的改進方法，并針對挖斗可偏轉挖掘機，設計了一種新型的偏轉油缸。隨后分析計算偏轉油缸在挖掘過程中的受力情況，并將計算結果應用到偏轉油缸的靜力學仿真分析中，分析偏轉油缸的應力與應變，最后通過判斷機構設計與零件選材是否滿足要求來驗證所設計的挖斗可偏轉挖掘機能否實現預定的挖掘工作。

一、挖斗可偏轉挖掘機工作裝置的結構設計

（一）總體工作裝置的設計。為提高挖掘機挖斗的靈活性，減小其工作所需的空間范圍，使挖斗能在機身和動臂保持不動的情況下發生轉動，挖斗需要一個轉動的動力輸入源，本文采用偏轉油缸為挖斗提供轉動，具體結構如圖1所示。偏轉油缸設置在斗桿的頂部，斗桿的頂部通過連接塊與偏轉油缸底部的輸出軸相連，偏轉油缸的頂部通過連接架與斗桿油缸鉸接，偏轉油缸整體鉸接在動臂的最前端。工作時，偏轉油缸作為斗桿的一部分參與挖掘工作，又可為挖斗提供回轉動力，使挖斗實現“十”字挖掘工作[2]。

圖1 挖斗可偏轉挖掘機工作裝置結構示意圖

圖2 偏轉油缸主視圖

（二）偏轉油缸的結構設計。本文中所設計的偏轉油缸下接斗桿上接動臂，在工作過程中不僅要提供挖斗的轉動動力，還要承受較大的沖擊力。偏轉油缸的具體結構如圖2所示，偏轉油缸[4]第一端蓋和第二端蓋分別位于兩端，第一端蓋和第二端蓋之間設置有缸筒和轉動軸，缸筒與第一端蓋和第二端蓋固定連接，轉動軸通過推力軸承連接在第一端蓋和第二端蓋上，缸筒和轉動軸之間設置有滑動套，滑動套兩端分別設置有活塞，活塞通過密封圈密封，活塞與滑動套固定連接，撥動銷的一端固定在滑動套上，另一端放置在轉動軸的螺旋凹槽內，并與轉動軸的螺旋凹槽滑動接觸，左右兩個活塞、分別與端蓋和端蓋以及缸筒與轉動軸之間形成左右兩個密閉油腔，左右兩個油腔上分別設置有進出油口K1、K2，活塞帶動滑動套在缸筒內沿導向桿來回移動，導向桿設置在第一端蓋和第二端蓋之間，并與兩端蓋固定連接。轉動軸上開有至少兩個均勻分布的螺旋凹槽，軸承為推力軸承，撥動銷的個數與轉動軸上的螺旋凹槽個數相同。

如圖3所示，偏轉油缸的導向桿穿過位于活塞和活動套上的圓孔，并安裝在第一端蓋和第二端蓋的相應安裝孔內，使導向桿有固定的位置，從而對活塞和滑動套的直線運動起導向作用，防止活動套在移動的過程中在缸體內發生旋轉。轉動軸的兩端通過推力軸承安裝在第一端蓋和第二端蓋上，所以轉動軸可以承受較大的軸向沖擊力和較大的軸向支撐力，因此偏轉油缸的結構能夠滿足較高的強度要求，可以作為斗桿的一部分，并且能夠像斗桿一樣承重和耐沖擊。

圖3 偏轉油缸俯視圖

圖4 偏轉油缸運動部件示意圖

如圖4所示，偏轉油缸的活塞帶動滑動套一起沿著導向桿作往復直線運動，進而帶動與滑動套固定連接的撥動銷作往復直線運動，由于撥動銷的另一端與轉動軸的螺旋凹槽滑動接觸，會帶動轉動軸旋轉，活塞的正行程會帶動轉動軸發生正轉，活塞的反行程會帶動轉動軸發生反轉。轉動軸的轉動角度范圍與其上的螺旋凹槽的螺旋圈數有關，本實施例中設置圈數為1圈，當撥動銷處在螺旋凹槽的中間位置時，向兩端各運動1/2圈，即可實現擺動角度從-180°到+180°之間變化。因此通過偏轉油缸輸出的擺動角度，可以帶動斗桿和挖斗的左右擺動。若減少圈數就可縮小轉動角度范圍，根據減小的圈數，實現角度的無級可調。通過改變轉動軸螺旋凹槽的螺距，可以改變螺旋角，從而實現輸出扭矩的調節。另外，整個運動過程中，撥動銷與轉動軸螺旋凹槽始終滑動接觸，運動過程平穩。

二、偏轉油缸受力分析

挖掘力是衡量挖斗裝置挖掘性能的重要指標之一，可分為液壓缸的理論挖掘力、整機的理論挖掘力和整機的實際挖掘力三類[3]。實際挖掘力牽涉到坡度、風力等外在因素以及機構的工作效率等內在因素，在本次研究中忽略不計。本研究中的模型只是簡易的工作裝置，只考慮液壓缸的理論挖掘力。對挖掘機工作裝置進行受力分析，受力關系如圖5所示。

圖5 工作裝置受力圖

根據挖掘機的工作情況和測試可知，斗桿和動臂垂直時，并且挖斗斗齒上的作用力與斗桿貢獻時，斗桿截面上所受的反作用力最大，可作為偏轉油缸受力分析時的的最大輸入量。

挖斗在挖掘時，土壤切削阻力隨挖掘深度的增加而增加，切削阻力與切削深度基本成正比，但總的來說，前半程的切削阻力比后半程大，因為前半過程的切削較困難，產生的切削阻力較大，切向切削阻力W1（圖5）如公式（1）所示。裝土

阻力的切向分力W2可以用公式（2）表示[3]：

挖斗裝土阻力的切向分力為：

經初步估算知，W'1與W1相比很小，可以忽略不計。當；時，出現挖斗最大切向分力W1max：

C：土壤硬度的系數，對II級土壤C=50-80；

R：轉斗切削半徑，取R＝1.1m；

B：斗齒寬度影響系數，B＝1+2.6b，b為挖斗平均寬度，單位為m；

φ：挖斗瞬時轉角；

φmax：挖掘過程中挖斗總轉角的一半；

A：切削角變化影響系數，一般取A=1.3；

Z：斗齒系數，有齒時，Z=0.75；無齒時，Z=1；

X：斗側壁厚影響系數，X=1十0.03s，其中s為側壁厚度，單位為m;

D：斗齒擠壓土壤的力，根據斗量大小，D=10000～17000，本文中D取15000。

實驗表明法向挖掘阻力的方向是變化的，數值也較小，一般取 W2=0～0.2W1[8]。計算得出 W1=95KN，W2=15KN。

壓力油輸入無活塞桿的油缸腔室時，油液產生的作用力[4]：

壓力油輸入有活塞桿的油缸腔室時，油液產生的作用力[6]：

根據設計初始條件設定斗桿油缸、動臂油缸、挖斗油缸的缸筒內徑為100mm；偏轉油缸的缸筒內徑為200mm，芯軸直徑為80mm。按液壓缸正常工作壓力為20mm，再根據公式（3）和公式（4），則有斗桿油缸輸出的推力、動臂油缸輸出的推力、挖斗油缸輸出的推力均為，偏轉油缸中固定套所受液壓油推力為的。

三、偏轉油缸的靜力學仿真分析

本部分的主要內容是依據有限元分析法對偏轉油缸作靜力學分析，得出偏轉油缸在工作裝置受力最大的瞬間應力和變形，從分析結果中查找最大應力點和最大應力值，最大變形位置和最大形變值，并將其與材料的許用特性對比，總結設計結果[5-6]。

本文對在SolidWorks中預設計和繪制好的偏轉油缸的三維設計圖進行減化，去除偏轉油缸中的小孔、螺紋等不影響靜力學分析的細小結構，然后將其另存為parasolid或iges等中間格式，最后將模型導入到ANSYSWorkbench中的StaticStructural模塊中進行靜力學分析，分析過程中個零部件的材料及其材料屬性按表1所示設置[7]。

表1 零部件的材料及其屬性

進入Model模型編輯界面后，將第一端蓋、第二端蓋、活塞、缸筒、轉動軸、連接塊、固定架、芯軸，固定套按網格大小為6mm劃分，將推力軸承、撥動銷、導向桿、連接架按網格大小為3mm劃分。然后按本文第二部分偏轉油缸的受力分析中計算得到的力的大小和方向設置約束條件和邊界條件。最后求解得到如圖6所示偏轉油缸外部的分布圖和如圖7所示偏轉油缸內部應力分析圖，以及如圖8所示偏轉油缸外部變形分布圖和如圖9所示偏轉油缸內部變形分布圖。

圖6 偏轉油缸外部應力分布圖

圖7 偏轉油缸內部應力分布圖

圖8 偏轉油缸外部變形分布圖

圖9 偏轉油缸內部變形分布圖

由圖6和圖7可知，外部結構應力分布最大的區域在連接架、連接塊和固定架上，內部結構應力分布區域最大出現在撥動銷和轉動軸的右端。由圖8和圖9可知，外部結構最大變形區在固定架上，內部結構最大變形區在撥動銷上。將應力和應變數據提取列表，并與許用參數對比，得到表2所示的參數對照表。

表2 參數對照表

從圖9和表2中可以看出外部結構中，連接架、連接塊和固定架處于應力分布較大區域，應力值為115.88—208.59MPa，顯著小于其材料45鋼的屈服強度355MPa，其變形值為0.114—0.182mm，由于45鋼具有較好的塑性和彈性，能夠滿足偏轉油缸的使用要求，且若將45鋼經過調制處理后使用效果更好。內部結構中，撥動銷和轉動軸的應力分布為132.11—237.81MPa，它們的材料分別為45Mn和65Mn，屈服強度均大于應力值。由于45Mn和65Mn均具有較好的塑性和彈性，可滿足0.101—0.162mm的變形要求。

四、結語

本文提出一種新的挖斗可偏轉挖掘機工作裝置的結構，完成了其結構設計，描述了其工作過程，并詳細描述了其關鍵部件偏轉油缸的結構和工作原理。然后依據直線運動油缸輸出力和挖掘阻力分析了最大挖掘力瞬間的偏轉油缸的受力情況。最后在ANSYS Workbench中對偏轉油缸進行了靜力學分析，分析結果顯示，偏轉油缸的結構設計和材料選擇滿足使用要求。

[1]張煥高，董延慶,楦潤華,等.一種挖掘機工作裝置旋轉機構[P].中國專利：ZL201210120520.7，2014-06-11.

[2]張晴晴，謝傲.一種挖掘機挖斗擺動機構[P].中國專利：ZL201520870150.8，2016-04-06.

[3]同濟大學.單斗液壓挖掘機[M].北京：中國建筑工業出版社，1986:33-42.

[4]李壽昌，王劍鋒.液壓與氣動技術[M].武漢：中國地質大學出版社，2012：50-51.

[5]張強軍，蔡安江.單斗液壓挖掘機工作裝置的有限元分析及疲勞強度分析[J].洛陽理工學院學報（自然科學版）,2014,24(2):46-49

[6]王建軍,馮光金,呂必紅,等.小型挖掘機工作裝置三維建模及有限元分析[J].中國工程機械學報，2011(3)：63-67.

[7]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004：3-36.

TH16

A

2095-0438（2017）12-0146-04

2017-06-22

張晴晴（1989-），女，安徽懷遠人，巢湖學院機械與電子工程學院助教，碩士研究生，研究方向：機械結構設計。

安徽省高等學校自然科學研究重點項目（項目編號：KJ2015A246）；國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201610380012）。

[責任編輯 鄭麗娟]