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摘要：針對(duì)挖裝機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)的組成與工作原理，闡述了工作裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程；根據(jù)土壤切削理論計(jì)算了挖裝機(jī)工作裝置的最大負(fù)載，由此確定了工作裝置油缸的最大作用力，進(jìn)而確定了液壓元件的主要參數(shù)。投入生產(chǎn)后的運(yùn)行結(jié)果表明，WZ330型挖裝機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng)性能穩(wěn)定、技術(shù)可靠。

關(guān)鍵詞：挖裝機(jī)；液壓系統(tǒng)；工作裝置；工作油缸

中圖分類號(hào)：U455.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

WZ330型挖裝機(jī)是一種將挖掘、扒碴、裝碴、轉(zhuǎn)運(yùn)碴及破除危巖等功能集于一身的機(jī)械裝備，服務(wù)于隧道、煤礦巷道、地鐵和地下金屬礦等碴石挖裝與運(yùn)輸環(huán)節(jié)，主要由動(dòng)力裝置、底盤、工作裝置等組成。挖裝機(jī)的工作裝置通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)挖掘、扒碴、裝碴、輸碴的所有生產(chǎn)動(dòng)作，因此工作裝置性能的優(yōu)劣對(duì)挖裝機(jī)的使用效能起著決定性作用[12]。

1挖裝機(jī)工作裝置組成

WZ330型挖裝機(jī)工作裝置的工作過程是：先操作大臂油缸或轉(zhuǎn)動(dòng)油缸，使工作裝置運(yùn)動(dòng)至挖掘或扒碴位置；然后轉(zhuǎn)動(dòng)小臂及鏟斗油缸，用鏟斗將碴石扒到鏟板上或鏟板附近，由刮板輸送機(jī)運(yùn)出；最后回轉(zhuǎn)至工作位置并進(jìn)行下一次作業(yè)循環(huán)。WZ330型挖裝機(jī)的工作裝置主要由大臂、小臂、鏟斗等部分組成[34]，其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2挖裝機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1工作要求

根據(jù)挖裝機(jī)的工作特點(diǎn)，工作裝置的液壓系統(tǒng)工作時(shí)需滿足如下條件。

（1）工作裝置進(jìn)行挖裝和一定范圍的角度回轉(zhuǎn)時(shí)，既能單獨(dú)動(dòng)作，又能復(fù)合運(yùn)行。

（2）挖裝的一切動(dòng)作都是可逆的。

（3）工作時(shí)動(dòng)作平順，且需有緩沖裝置，防止工作裝置的急起急停。

（4）各種作業(yè)油缸應(yīng)該具有防止動(dòng)臂因自重而快速下降的過載保護(hù)，滿足安全可靠的要求。

2.2工作裝置液壓系統(tǒng)的組成與工作原理

WZ330型挖裝機(jī)的挖裝與行走功能均由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，為全液壓挖裝機(jī)，其液壓整體回路如圖2所示。整個(gè)液壓系統(tǒng)由變量泵、合流閥、挖掘機(jī)構(gòu)控制閥組（M4多路閥組）、出碴機(jī)構(gòu)控制閥組（M7多路閥）、電磁控制先導(dǎo)壓力閥、液控單向平衡閥和液壓油缸等組成，能夠讓大臂進(jìn)行水平左右擺動(dòng)，以及鏟斗、斗桿及動(dòng)臂的挖掘動(dòng)作，從而使挖裝機(jī)完成復(fù)雜機(jī)械動(dòng)作。

從挖裝機(jī)液壓整體回路中提取出工作裝置液壓系統(tǒng)回路，如圖3所示。其工作原理為：壓力油從變量泵流出，經(jīng)過合流閥后分為2路，一路經(jīng)過減壓閥為電磁控制先導(dǎo)壓力閥提供壓力油，另一路進(jìn)入挖掘機(jī)構(gòu)控制閥組（M4多路閥組）主閥進(jìn)油口。M4主閥的工作位置由電磁控制先導(dǎo)壓力閥控制，主閥的動(dòng)作決定了油缸的伸縮。當(dāng)先導(dǎo)閥3a、4a、5a、6a工作時(shí)，油缸均作伸出動(dòng)作；當(dāng)先導(dǎo)閥3b、4b、5b、6b工作時(shí)，油缸均作收縮動(dòng)作?；贚UDV控制系統(tǒng)，每個(gè)閥根據(jù)工作需要不僅可以單獨(dú)操作，還可以同時(shí)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)。為了使油缸的動(dòng)作平穩(wěn)并克服自重失壓，在油缸的進(jìn)出管路接有平衡閥[5]。

2.3工作裝置液壓元件主要參數(shù)確定

2.3.1系統(tǒng)工作壓力

在負(fù)載確定時(shí)，系統(tǒng)壓力越高，液壓元件的幾何尺寸就越小，從而可以獲得比較緊湊的結(jié)構(gòu)?？紤]到挖裝機(jī)的工作條件局限性較強(qiáng)，應(yīng)盡可能選取較高的工作壓力。本次設(shè)計(jì)初選系統(tǒng)工作壓力為32 MPa[6]。

2.3.2工作裝置的挖掘阻力計(jì)算

（1）鏟斗挖掘阻力。

根據(jù)土壤切削理論，當(dāng)液壓反鏟以轉(zhuǎn)斗進(jìn)行挖掘時(shí)，鏟斗挖掘阻力是鏟斗轉(zhuǎn)角的函數(shù)，且最大值發(fā)生在鏟斗總轉(zhuǎn)角一半的位置。忽略轉(zhuǎn)斗挖掘阻力的法向分力和裝土阻力等影響因素，得出最大鏟斗挖掘阻力[7]

Fmax=C[JB<2{]R[JB（[]1-cos φmaxcos （φmax-φ）[JB）]][JB>2}]1.35BAZX+

D=83.6 kN（1）

式中：C為土壤硬度系數(shù)，C=50；R為鏟斗切削半徑，R=128.7 cm；φmax為挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半，φmax=69.29°；φ為鏟斗瞬時(shí)轉(zhuǎn)角，φ=0；B為切削刃寬度影響系數(shù)，B=1+2.6b=3 444 mm，b是鏟斗平均寬度；A為切削角變化影響系數(shù)，A=1.3；Z為斗齒影響系數(shù)，Z=0.75；X為斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，X=1+0.03s=1.12 cm，s為側(cè)壁厚度；D為切削刃擠壓土壤的力，D=10 000 N。

（2）小臂挖掘阻力。采用小臂挖掘時(shí)，由于切削行程較長(zhǎng)，將切土厚度看成常數(shù)，小臂在挖掘過程中的總轉(zhuǎn)角為90°，小臂轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)[8]

lS=0.017 45RSφS=5.18 m（2）

式中：RS為小臂挖掘時(shí)的切削半徑，如圖4所示，RS=3.3 m；φS為小臂轉(zhuǎn)角，φS=90°。

小臂挖掘時(shí)的切削厚度

h=qblS=0.80.94×5.18=0.16 m（3）

式中：q為鏟斗容量（m3）；b為鏟斗切削寬度（m）。

則小臂挖掘時(shí)的挖掘阻力

FS=σWhb=33.84 kN（4）

式中：σW為挖掘比阻力值（kPa）。

2.3.3工作裝置油缸作用力的確定

（1）鏟斗油缸作用力的確定。

當(dāng)鏟斗在接近鏟板附近扒碴時(shí)，其最大工作力為鏟斗油缸設(shè)計(jì)的依據(jù)。忽略鏟斗和土的質(zhì)量、各構(gòu)件質(zhì)量以及連桿機(jī)構(gòu)效率等因素，鏟斗油缸作用力

Fd=FmaxlCl1=241.51 kN（5）

式中：lC為鏟斗油缸作用力對(duì)搖桿與小臂鉸點(diǎn)的力臂，lC=1 300 mm；l1為Fmax對(duì)鏟斗與小臂鉸點(diǎn)的力臂，l1=450 mm。

（2）小臂油缸作用力的確定。

當(dāng)挖裝機(jī)用小臂挖掘時(shí)，最大挖掘力由小臂油缸來保證。小臂油缸最大作用力計(jì)算位置為大臂下放到最低的位置，此時(shí)小臂油缸作用力對(duì)小臂與大臂鉸點(diǎn)的力臂最大，即對(duì)小臂產(chǎn)生的作用力矩達(dá)到最大值[9]。忽略各構(gòu)件及鏟斗中土壤質(zhì)量和連桿機(jī)構(gòu)效率影響因素，小臂油缸作用力

Fg=FslBl2=143.62 kN（6）

式中：lB為Fmax對(duì)小臂與大臂鉸點(diǎn)的力臂，lB=2 398 mm；l2為小臂油缸閉鎖力對(duì)小臂和大臂鉸點(diǎn)的力臂，l2=565 mm。

（3）大臂油缸作用力的確定。大臂油缸的作用力即最大提升力，以使工作裝置至最前端的距離來確定，如圖5所示。大臂油缸作用力

Fb=1l3（GdtldA+GglgA+GblbA）=79.54 kN（7）

式中：l3為大臂油缸閉鎖力對(duì)大臂與機(jī)架的鉸點(diǎn)的力臂，l3=621 mm；Gdt為鏟斗的重力，Gdt=5 206 N；Gg為小臂的重力，Gg=11 000 N；Gb為大臂的重力，Gb=8 032 N；ldA為鏟斗質(zhì)心到大臂下鉸點(diǎn)的水平距離，ldA=3 800 mm；lgA為小臂質(zhì)心到大臂下鉸點(diǎn)的水平距離，lgA=2 192 mm；lbA為大臂質(zhì)心到大臂下鉸點(diǎn)的水平距離，lbA=685 mm。

圖5大臂油缸作用力計(jì)算

（4）回轉(zhuǎn)油缸作用力的確定。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)可知，回轉(zhuǎn)缸的力臂l4=409 mm，所以油缸的載荷力

Fh=Jεl4=110.02 kN（8）

式中：J為挖裝機(jī)工作臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J=128 563.6 N·m·s2；ε為回轉(zhuǎn)角加速度，ε=0.35 r·s-2。

2.3.4工作裝置液壓缸的參數(shù)確定

液壓缸的主要尺寸數(shù)據(jù)是缸徑、桿徑和行程。通過計(jì)算可以確定液壓缸的相關(guān)參數(shù)，液壓缸規(guī)格的選取要留有一定的裕度[10]。

液壓油缸的有效面積A由系統(tǒng)工作壓力p和外負(fù)荷F決定，即

A=10F（p-p0）ηj（9）

式中：p0為油缸回油腔的背壓（kPa）；ηj為油缸的機(jī)械效率，取值范圍在0.9～0.95。

根據(jù)活塞的設(shè)計(jì)速度v（m·min-1），計(jì)算油缸的流量

Q=Av10ηv（10）

（1）動(dòng)臂缸計(jì)算。假定液壓泵到液壓缸的壓力損失p1=1 MPa，液壓缸回油背壓p0=0.5 MPa，液壓缸大、小腔作用面積比例關(guān)系為A1=2A0，動(dòng)臂缸載荷力F1=390 kN，系統(tǒng)壓力pp=32 MPa。根據(jù)式（1）可以初步求得動(dòng)臂缸的缸徑

D1=40F1π（pp-p1-p0/2）ηj=130.4 mm（11）

根據(jù)《液壓氣動(dòng)缸缸徑標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2384—80），動(dòng)臂液壓缸的缸徑D1取值為130 mm，工作要求行程為800 mm。當(dāng)活塞桿的伸出長(zhǎng)度l與活塞桿直徑d的比值不超過10時(shí)，能夠滿足活塞桿的穩(wěn)定性要求，因此動(dòng)臂缸活塞桿直徑d1=80 mm。

動(dòng)臂缸在最大負(fù)荷力工作時(shí)要求伸出速度v1不低于2 cm·s-1，所需流量

Q1=π4D21v1=15.9 L·min-1（12）

（2）斗桿缸計(jì)算。斗桿缸載荷力F2=354.8 kN，壓力損失p2=1 MPa，同樣可得斗桿缸的缸徑

D2=40F2π（pp-p2-p0/2）ηj=125 mm（13）

因此斗桿缸缸徑D2圓整后取130 mm，活塞桿直徑d2=80 mm。

斗桿缸在最大負(fù)荷工作時(shí)要求伸出速度v2不低于3 cm·s-1，所需流量

Q2=π4D22v2=23.8 L·min-1（14）

（3）鏟斗缸計(jì)算。鏟斗缸載荷力F3=241.5 kN，壓力損失p3=1 MPa，則鏟斗缸的缸徑

D3=40F3π（pp-p3-p0/2）ηj=102.6 mm（15）

鏟斗缸的缸徑D3圓整后取120 mm，活塞桿直徑d3=75 mm。

鏟斗缸在最大負(fù)荷工作時(shí)伸出速度v3要求不低于4 cm·s-1，所需流量

Q3=π4D23v3=27 L·min-1（16）

（4）回轉(zhuǎn)缸計(jì)算。

回轉(zhuǎn)油油缸的載荷力F4=1117 kN，設(shè)壓力損失p4=1 MPa，則回轉(zhuǎn)缸的缸徑

D4=40F4π（pp-p4-p0/2）ηj=69.8 mm（17）

根據(jù)載荷力計(jì)算出的缸徑比較小，考慮到回轉(zhuǎn)缸的加速作用，且回轉(zhuǎn)缸工作時(shí)的壓力不會(huì)達(dá)到32 MPa，因此選擇較大的缸徑。比較前面的3個(gè)油缸缸徑，取回轉(zhuǎn)缸缸徑D4=125 mm，活塞桿直徑d4=60 mm。

回轉(zhuǎn)油缸瞬時(shí)伸出瞬時(shí)速度v4應(yīng)不低于5 cm·s-1，回轉(zhuǎn)缸所需瞬時(shí)流量

Q4=π4D24v4=36.8 L·min-1（18）

通過計(jì)算得到的挖裝機(jī)各油缸尺寸及參數(shù)如表1所示。

3結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了WZ330型挖裝機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng)，計(jì)算了挖裝機(jī)工作裝置在小臂油缸和鏟斗油缸分別扒碴時(shí)的工作阻力，并確定出鏟斗扒碴時(shí)的阻力為工作裝置的外載荷，進(jìn)而確定了工作裝置液壓元件的主要參數(shù)。按本文方法設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的WZ330型挖裝機(jī)通過了運(yùn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明：工作裝置的液壓系統(tǒng)性能穩(wěn)定、技術(shù)可靠，具備了使挖裝機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作性能。

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[責(zé)任編輯：黨卓鈺]