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1、第七章第七章 液压挖掘机工作装置设计液压挖掘机工作装置设计主主要要讲讲授授内内容容1、反铲工作装置工作原理反铲工作装置工作原理2 2、反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置铰点布置与油缸行程3 3、工作装置油缸作用力确定工作装置油缸作用力确定4 4、液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计第一节第一节 反铲工作装置工作原理反铲工作装置工作原理 液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。第一节第一节 反铲工作装置工作原理反铲工作装置工作原理反铲液压挖掘机的工作过程为：先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当
2、挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作位置开始下一次作业循环。第一节第一节 反铲工作装置工作原理反铲工作装置工作原理动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般是由铲斗液压缸实现的。第二节第二节 反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基
3、本形式初步确定的情况下，工作装置各铰点的布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。第二节第二节 反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置铰点布置与油缸行程1、动臂油缸的布置 动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式：1）油缸前倾布置方案 2）油缸后倾布置方案第二节第二节 反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置铰点布置与油缸行程1、动臂油缸的布置 1）油缸前倾布置方案，如图7-27所示，动臂油缸与动臂铰接于E点。当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。2）油缸后倾布置方案，如图7-28所示，当动
4、臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台后方倾斜。第二节第二节 反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置铰点布置与油缸行程1、油缸后倾布置方案缺点 1）当两方案的动臂油缸安装尺寸、铲斗最大挖掘高度H和地面最大挖掘半径R相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即 2）在后倾方案中，动臂EF部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。第二节第二节 反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置铰点布置与油缸行程1、油缸后倾布置方案优点 后倾方案动臂下铰点C与动臂油缸下铰点D的距离CD比前倾方案的大，则动臂在上下两极限位置时，动臂油缸的作用力臂 也就较大。因此，在动臂油缸作
5、用力相同时，后倾方案能得到较大的动臂作用力矩。不论是动臂油缸前倾还是后倾方案，当C、D两铰点位置和CE长度均不变时，通过加大动臂油缸长度可以增大动臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘深度。所以，在布置动臂油缸时，应综合考虑动臂的结构、工作装置的作业尺寸及动臂举升力和挖掘力等因素。第二节第二节 反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置铰点布置与油缸行程2、斗杆油缸的布置 确定斗杆油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。1）保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。2）保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取
6、100o130o。在斗杆油缸和铲斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于10cm。一般说来，斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。第二节第二节 反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置铰点布置与油缸行程3、铲斗油缸的布置确定铲斗油缸铰点、行程及连杆机构力臂比时应考虑以下因素。1）保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在铲斗油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。2）保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取140o160o，在特殊作业时可以大于180o。当铲斗油缸全缩时，铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于10o,常取15o25o，铲斗油缸全伸、铲斗满载回
7、转时，应使土壤不从斗中撒落。第二节第二节 反铲工作装置铰点布置与油缸行程反铲工作装置铰点布置与油缸行程3、铲斗油缸的布置确定铲斗油缸铰点、行程及连杆机构力臂比时应考虑以下因素。3）铲斗从位置I到位置II（图7-29），铲斗油缸作用力臂最大，这时能得到斗齿最大挖掘力。从单独进行转斗挖掘动作的角度看，铲斗从位置I到位置II的转角应该为铲斗整个切削角度的1/2左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿挖掘力也最大。第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定 工作装置各油缸作用力应保证工作装置在挖掘过程中，斗齿有足够的挖掘力，并保证在卸载时能把满斗土壤举升到最大幅度和高
8、度所需的举升力。工作装置各油缸作用力有下两种情况：1）当油缸两腔分别接高低压油路时产生推动机构进行运动的作用力称为主动作用力（简称作用力或者工作力），其最大值取决于该油缸油路的工作压力和油缸直径（活塞作用面积）。2）工作装置工作时作用于闭锁状态（即油缸两腔与高低压油路断开）的油缸上的作用力称为被动作用力，其最大值则取决于该油缸油路的过载溢流阀压力和承载活塞面积。第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定1、铲斗油缸作用力的确定 反铲装置在作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗油缸设计的依据。按反铲最主要的工作位置最大挖掘深度时能保证具有最大挖掘力
9、来分析确定铲斗油缸的工作力。此时计算位置为动臂下放到最低位置，铲斗油缸作用力对铲斗与斗杆铰点有最大力臂，如图7-30所示。第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定 忽略斗和土的质量，并且忽略了各构件质量及连杆机构效率影响因素，此时铲斗油缸作用力为：（N）第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定 此外，最大铲斗挖掘力在其工作装置能否实现，还受到挖掘机稳定性的限制。第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定2、
10、斗杆油缸作用力的确定 当挖掘机以斗杆挖掘时，其最大挖掘力则由斗杆油缸来保证。斗杆油缸最大作用力计算位置为动臂下放到最低位置，斗杆油缸作用力对斗杆与动臂铰点有最大力臂，即对斗杆产生最大作用力矩，并使斗齿尖和铰点B、C在一条直线上，如图7-31所示。第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定2、斗杆油缸作用力的确定 与前面推导铲斗油缸作用力一样，忽略各构件及斗中土壤质量和连杆机构效率的影响因素，此时斗杆油缸作用力为：（N）第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定2、斗杆油缸作用力的确定 斗杆最大挖掘力也受到挖掘机稳定性条件的
11、限制。第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定3、动臂油缸作用力的确定动臂油缸作用力的确定 动臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升铲斗内装满土壤的工作装置至最大卸载距离位置进行卸载来确定，其计算简图如图7-32所示，此时动臂油缸作用力为：（N）第三节第三节 液压挖掘机工作装置油缸作用力确定液压挖掘机工作装置油缸作用力确定 1）根据以上分析所确定的各油缸作用力及选定的工作压力，可初步选定各油缸的缸径。2）然后，再选取上述计算位置所求得各油缸闭锁力中较大者，按初选各油缸直径计算其所需过载压力。过载安全阀压力与工作压力之比值（）不宜过大，一般取 =1.11.1
12、5，否则将导致工作装置结构自重的增大。如果计算出某油缸所需过载压力太大时，则应通过调整该工作装置部件的结构尺寸或改变铰点位置等措施来改善受力情况。第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 铰接式工作装置是挖掘机最常见和最通用的一种结构形式。用钢板焊成的动臂、斗杆和铲斗等主要结构件用铰接连接在一起。各杆件系统围绕铰点可以转动，在油缸的作用下，完成各种作业动作。第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 1、动臂 动臂是工作装置中决定总体构造形式和其他特征的主要构件。液压挖掘机铰接式工作装置的动臂结构一般可分为整体式和组合式两大类。第四节第四节液压挖掘
13、机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （1）整体式动臂 特点：制造方便、成本低、质量轻，能有较大的动臂转角，装载作业效率高，挖掘深度也比较大；配用加长可调斗杆，可以很好地完成垂直壁面点的挖掘作业，而且所挖掘的壁面平直整洁。整体式动臂有直臂和弯臂两种形式。第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （1）整体式动臂-直动臂 整体直动臂构造简单，适用于专业正铲和悬挂式挖掘机。反铲工作装置使用直动臂只能得到较小的挖掘深度，显然不适用。第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （1）整体式动臂-弯动臂 采用整体弯动臂结构可以增大挖掘深度，但同时也会
14、降低卸载高度。所以反铲工作装置广泛采用整体弯动臂，其结构为钢板焊接而成的矩形变截面封闭箱型梁，内部一般加隔板以增加强度和刚度。第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （1）整体式动臂 动臂与回转平台、斗杆及各油缸的连接均采用铰接，其常见结构如图所示。第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （2）组合式动臂 组合式动臂是在整体式基础上发展起来的。它使液压挖掘机的优点得到了充分的发挥，应用也很广泛。第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （2）组合式动臂 优点：作业尺寸和挖掘力可以根据施工条件随意调整，而且调整时间短，用
15、油缸连接时还能无级调节，可满足各种工作装置的要求，互换性好，可采用的工作装置形式也多，替换方便，下动臂可适合各种工作装置要求，不需拆换，装车运输也比较方便。组合式动臂有两大类：一类是长动臂配短斗杆，另一类则是短动臂配长斗杆。第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 2、斗杆 斗杆一般是由钢板焊接而成的变截面箱形结构，一端与动臂铰接，另一端与铲斗铰接，其外形如图所示。第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 3、铲斗 第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （1）铲斗主要参数斗容q 第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （1）铲斗主要参数切削能容量E 第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （1）铲斗主要参数铲斗宽度b 第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （1）铲斗主要参数切削半径RD 第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （2）斗形尺寸计算 第四节第四节液压挖掘机工作装置结构设计液压挖掘机工作装置结构设计 （2）斗形尺寸计算 常见铲斗斗形参数见表。改变三角形OEG的形状可以获得不同的斗形。设计铲斗时，还应综合考虑铲斗的主要用途和挖掘对象，合理选择铲斗主要参数，使铲斗的挖掘阻力最小，作业效率最高。