小型液壓挖掘機挖斗改夾木器的研究

黃淑芳，周 濤

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

目前，我國正處于發展階段，可以說挖掘機起到了相當大的作用，而挖掘機又分很多型號，以應對各種環境的工作[1]。其中小型液壓挖掘機就適合一些小型作業或者比較狹小的空間的工作。但是這種使用的情況也不是特別多，很多時候小型液壓挖掘機都是處于閑置狀態，長久以往，不僅浪費資源，還會讓挖掘機出現故障而損壞。所以，有必要研究、設計挖掘機屬具，通過改造小型液壓挖掘機，為其配備夾木屬具使其具有夾木功能，成為一種比專用夾木機器更為實用的夾木設備。通過對小型液壓挖掘機與夾木器的結構特點、動力傳動原理的研究，發現兩者完全匹配，把小型液壓挖掘機的挖斗改成夾木器，將會大大提升挖掘機的利用率和應用范圍。做到物盡其用，節約資源。

有調查顯示，目前夾木機在工程機械行業中，是銷量提升幅度最明顯的機種之一。從客戶反應數據表明，一臺夾木機相當于50～ 60 個人力，將專用夾木機器在減少了勞力費用的同時也提高了工作效率，同時也提高了施工過程的安全性，得到了一致好評。但是，專用夾木機器存在功能單一、價格高、油耗偏高、機器發出的噪聲大、無法適應坡地和坑洼地段行走等問題。本文通過為挖掘機設計一種夾木的屬具，對挖掘機挖斗進行拆卸換成夾木器，使其可以進行木材的搬運，以提高挖掘機的利用率，解決了挖掘機閑置問題也解決了專用夾木機器存在的問題。下面僅詳細介紹屬具液壓缸和液壓系統的設計。

1 改造思路

為不同型號的挖掘機設計專用的屬具，將挖掘機的挖斗拆掉，在斗桿的尾部裝上挖掘機輔具即夾木器，實現除挖掘以外的功能，比如夾木、夾磚等。液壓挖掘機的選型主要從發動機的功率、主泵的工作壓力、流量是否與動力頭的性能參數匹配而進行選擇。本文所講述的夾木器主要用在小型液壓挖掘機，選擇廣西沃源重工機械設備有限公司所生產的小型液壓挖掘機。原始數據如下：

（1）發動機與液壓泵。液壓泵通過聯軸器直接與發動機聯接。

發動機轉速：1 800 r/min，液壓泵轉速nb=1 800 r/min，液壓泵排量vb：12/12/6 cm3/r（注：原有挖掘機的液壓系統中有三聯泵，各泵的排量分別為12、12、6 cm3/r），液壓系統最高壓力p=16 MPa。

（2）刀具總成輥軸驅動液壓馬達：排量vmg=10 cm3/r，工作壓力（實測）pmg=10 MPa

2 夾木結構設計

假設夾木器每次最大夾木重量為1 t，夾具采用雙液壓缸驅動，每個手爪上裝有與水平面成30°角的液壓缸，一個液壓缸控制一個手爪。夾木器上部還設計了蝸輪蝸桿機構，使其可以水平旋轉以方便施工作業。夾木器手爪機構如圖1 所示。圖中，F為液壓缸所輸出的推力，與手爪夾緊力F′成30°角，Ff為木頭與手爪之間的摩擦力。

圖1 手爪受力計算

夾木器最多夾1 t 木頭即G=10 000 N。

為確保足夠的摩擦力將木頭夾緊，則需要：

Ff≥G，為安全起見取Ff=1.5G=15 000 N

由摩擦力計算公式Ff=夾緊力F′* 摩擦系數f[2]，從機械設計手冊得知摩擦系數f為0.3，則

因為液壓缸活塞桿與水平面成30°角，由三角函數得知：活塞桿推力F=F′/cosβ=50 000/cos30°=57 733 N。

夾木器爪子采用雙液壓驅動[3]，去掉連桿機構使受力計算比較簡單，但其制造成本較高，市面上多數采用單液壓缸帶動連桿機構進行機械運動[4]。本文在夾木器支座上添加蝸輪蝸桿傳動機構，使其可以水平旋轉，增加夾木器工作時的靈活性[5]。

3 液壓缸結構參數及尺寸的確定

3.1 計算活塞直徑D

液壓缸的主要尺寸和參數包括液壓缸內徑D、活塞桿直接d和液壓缸行程、缸筒壁厚、缸底厚度等[3]。工程上，計算液壓缸的內徑D時，可根據液壓系統工作壓力、工作驅動力或運動速度的要求確定。下面，根據載荷力的大小和選定的系統壓力來計算液壓缸的內徑D。由《液壓技術實用手冊》得到液壓缸推力計算公式F=pπD2/4，其中p為液壓系統設計最高壓力，這里取p=16 MPa，得

由《液壓技術實用手冊》P265 表5-4 取標準值D=80 mm。

3.2 計算活塞桿直徑d

由液壓缸工作壓力P=16 MPa，根據計算的活塞缸直徑查《液壓技術實用手冊》P244 表7-26 取速比φ=1.33，工作壓力p=12.5～ 20 MPa，查P265 表5-4 取對應的活塞桿直徑d=0.5D=40 mm，此時活塞桿推力F=80 420 N，活塞桿拉力F=60 320 N。液壓缸型號為HSG※01-80/dE，該缸是雙耳環連接雙作用單桿法蘭連接式液壓缸[6]，如圖2 所示。

圖2 液壓缸結構

4 液壓馬達選擇

《液壓技術實用手冊》可得[6]：液壓泵輸出流量qb=Vb×nb，將挖掘機原始參數nb=1 800 r/min，Vb=12 cm3/r 代入上式得到qb=2.16×104cm3/min。

因為液壓馬達通過油管直接與泵的出口相連，所以有馬達輸入流量qc等于泵的輸出流量qb，即：qc=qb=21 600 cm3/min

假設選擇的液壓馬達定量排量vc=50 cm3/r，則液壓馬達實際轉速nc=qc/vc=21 600/50=432 r/min。

根據液壓馬達實際轉速和設定排量，查《液壓技術實用手冊》選擇馬達型號[6]：BM2/BMR-50，其排量vc=50 cm3/r，額定流量q=40 000 cm3/min，額定轉速n=755 r/min（nc＜n），油壓力p=14 MPa 最大17.5 MPa，額定轉矩T=100 N·m，滿足設計要求。

5 液壓系統設計

5.1 液壓系統組成

液壓工作系統如圖3 所示，由液壓泵、換向閥、單向閥、溢流閥、分流集流閥、液壓缸、液壓馬達、油缸組成。本文采用雙液壓缸驅動手爪，因為沒有連桿機構，所以液壓缸的伸縮可以直接帶動手爪進行張開、閉合運動；采用雙向定量馬達連接蝸桿帶動夾木器水平旋轉，工作排量穩定的同時還可以支持正反轉運動[7]。

當手爪進行工作時，兩邊手爪需要達到同步運動，因此，將兩個液壓缸并聯接入分流集流閥中，使其達到同步運動。分流集流閥也稱同步閥，是集液壓分流閥、集流閥功能于一體的獨立液壓器件，供油時向兩個執行元件供應相同的流量，也就是等量分流；回油時從兩個執行元件收集等流量或按比例的回油路，來實現其相互之間的速度同步或是定比關系。

溢流閥的作用是：當手爪夾住木頭后，系統工作壓力逐漸上升，當系統壓力超過溢流閥調定的壓力時，溢流閥就會開始卸荷，使回路壓力保持穩定。

5.2 液壓系統工作原理

如圖3 所示，電磁鐵B11 通電時，二位三通換向閥左移，控制油源的油液通過閥接入三位八通換向閥1（挖掘機備用閥片）的左端并推動液動閥閥芯右移，使主油泵油液通過B 口進入B1 油路。電磁鐵M21 通電，三位四通換向閥2 右移，油液從B1 油路進入a1 油路，通過同步閥4 進入兩個液壓缸的有桿腔，使液壓桿進行縮回運動，回油液從b1 油路進入A1 油路，最后回到油箱。電磁鐵M11 通電，三位四通換向閥2 左移，油液從B1 油路進入b1 油路，最后進入液壓缸無桿腔，使液壓桿進行伸出運動，回油液通過a1 和A1 油路回到油箱。

圖3 液壓系統

電磁鐵Y21 通電，三位四通換向閥3 右移，油液通過B1 和a2 油路進入液壓馬達，馬達正轉，回油液通過b2 和A1 油路回到油箱。電磁鐵Y11 通電時，三位四通換向閥3 左移，油液通過B1 和b2 油路進入液壓馬達，馬達反轉，回油液通過a2 和A1 油路回到油箱。

液壓系統中采用了雙向節流同步閥4，使夾木器的張開、閉合可以同步。回路中設置屬具安全閥7，使屬具系統的最高壓力可以獨立設定為16 MPa，解決了工作中因隨主系統調定壓力而出現不必要的工作壓力過高的問題。

在挖掘機改裝的過程中牽涉到液壓系統設計、管油連接等問題，特別是在液壓系統安裝、油壓控制方面需要在專業技術人員的指導下進行。

6 結束語

近年來，我國的基礎建設、土木工程飛速發展。使得各種機械類的工具和設備大放光彩，而其中液壓挖掘機就是其中的佼佼者。幾乎各種生產工地中都能看到它的身影。可以說液壓挖掘機是基礎建設和土木工程、水利工程中必不可少的工具。但正是由于液壓挖掘機的必不可少，使得液壓挖掘機數量太多。在工程項目建設旺季的時候或許不會覺得有什么，但在工程項目建設淡季的時候，就會出現大量液壓挖掘機閑置的情況。很多液壓挖掘機都會因為沒有“工作”而被丟在旁邊“吃土”。一些大型液壓挖掘機還好一點，可以去承接一些“臟活累活”，但是小型液壓挖掘機就沒有那么好了，其功率和能力受限。它們因為“力氣太小”所以經常會沒有“工作”，只能一直處于閑置狀態。如果可以改造一下液壓挖掘機的挖斗，使其可以安裝夾木器裝置，即可改變這一窘迫的境地。

當然，挖掘機屬具不僅僅是夾木器裝置，還可以有夾磚器、碎草器等多種屬具。總之，將小型液壓式挖掘機的挖斗改造成為夾木器、夾磚器、碎草機等，拓展了原來設備的使用功能，為提高液壓挖掘機使用范圍作出了巨大貢獻，也找到新的利用價值，減少閑置時間，實現了設備的功能多元化發展，給廣大客戶消費者帶來了經濟效益，節省了大量設備成本，具有較好的應用前景和推廣價值。