戚鵬偉，劉銀丁，袁俊杰

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

目前，隨著最前沿技術(shù)和控制方式的不斷改進(jìn)、革新，液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱等操縱方式逐步取代傳統(tǒng)的杠桿操縱，大大提高了生產(chǎn)效率，但由于挖掘機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，需要高性能的液壓系統(tǒng)，使得挖掘機(jī)在極端情況下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此，針對(duì)已有的液壓裝置的缺陷，對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng)的工作機(jī)理進(jìn)行研究，進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，完善作業(yè)能力，為實(shí)現(xiàn)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化創(chuàng)造基礎(chǔ)和前提。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

反鏟挖掘機(jī)工作裝置如圖1所示，主要由動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、斗桿、斗桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。斗桿鉸與動(dòng)臂的一端連接，斗桿油缸控制斗桿和動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)角度。斗桿油缸伸縮帶動(dòng)斗桿繞動(dòng)臂上鉸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。鏟斗與斗桿一端以鉸接方式連接，鏟斗油缸伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。

圖1 反鏟挖掘機(jī)工作裝置

2 液壓原理圖

液壓挖掘機(jī)的完整工作流程由4個(gè)部分組成，即挖掘、挖斗滿載舉升回轉(zhuǎn)、卸載和卸載返回。在對(duì)不同作業(yè)過程中各部件的運(yùn)動(dòng)，做出改良設(shè)計(jì)方案，其中液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理

針對(duì)挖掘機(jī)的工作流程，液壓系統(tǒng)應(yīng)完成挖掘，挖斗滿載提升回轉(zhuǎn)，卸載和返回工作等4個(gè)部分的連續(xù)工作[2]。其連續(xù)工作順序表，如表1所示。

表1 挖掘機(jī)工作循環(huán)動(dòng)作表

2.1 油缸受力分析

反鏟裝置工作時(shí)，以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鲿r(shí)，其最大挖掘力為鏟斗油缸的設(shè)計(jì)指標(biāo)，鏟斗油缸作用力如圖3所示，其中：

式中：l1為鏟斗油缸作用力對(duì)搖臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂（此位置為搖臂長(zhǎng)度）；lc為F1max對(duì)鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)C的力臂。已知：lc＝1 200 mm，l1=320 mm，F(xiàn)d=506.25 kN.

圖3 鏟斗油缸作用力

此時(shí)斗桿及動(dòng)臂油缸處于封閉狀態(tài)，斗桿油缸封閉力F/g應(yīng)滿足：

式中：l2斗桿油缸閉鎖力F/g對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B的力臂；lB為F1max對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B的力臂為F2對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B的力臂；F2為挖掘阻力的法向分力，F(xiàn)2=0.2 × F1max.已知：l2=320 mm，lB=3 500 mm=550 mm，F(xiàn)2=0.2 × F1max=27 kN，則F/g≥1 522.97 kN.

式中：l3為動(dòng)臂油缸閉鎖力鉸點(diǎn)A的力臂；lA為F1max對(duì)動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的力臂為F2對(duì)鉸點(diǎn)A的力臂；已知 l3＝ 300 mm，lA=5 800 mm，4 400 mm，3 006 kN.

當(dāng)挖斗工作時(shí)，其最大動(dòng)力的輸出應(yīng)該由斗桿油缸來保證，其最大力的位置計(jì)算范圍為動(dòng)臂下方到最低位置，斗桿油缸作用力對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)有最大力臂，即對(duì)斗桿產(chǎn)生最大作用力距，并使斗齒尖和鉸點(diǎn)B、C保持在同一直線上，如圖4所示。

圖4 斗桿油缸作用力

與前面推導(dǎo)斗桿油缸作用力一樣，此時(shí)斗桿油缸作用力Fg=1 476.56 kN，鏟斗油缸閉鎖力應(yīng)滿足≥ 506.25 kN.

將可以提升鏟斗內(nèi)裝滿土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進(jìn)行卸載，作為動(dòng)臂油缸作用力的確定依據(jù)，其原理圖如圖5所示。

此時(shí)動(dòng)臂油缸作用力為：

式中：Gdt為鏟斗及其裝載土壤重力；Gg為斗桿所受重力；Gb為動(dòng)臂所受重力；lbA為鏟斗質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離；lgA為斗桿質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離；lbA動(dòng)臂質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離。Gdt=（2× 103+m·g）N，選取Gg=4.3× 103N，Gb=5.14 × 103N，lbA=5.8 m，lgA=4.8 m，lbA=1.2 m，l3=0.3 m.其中鏟斗的重力為1.5×103N，求得Fb=363×103N.

圖5 動(dòng)臂油缸作用力

2.2 液壓系統(tǒng)油缸尺寸的設(shè)計(jì)選擇

液壓設(shè)備的類型很大程度上決定了油缸工作壓力用途不一的液壓設(shè)備，其工況不同，油缸工作壓力各異，本文初選系統(tǒng)工作壓力為25 MPa[3].

挖掘機(jī)液壓缸均為單活塞杠液壓缸，由受力平衡得：

式中：p1為液壓缸工作壓力，計(jì)算時(shí)可取系統(tǒng)工作壓力p1＝pp=25 MPa；p2為液壓缸回油腔背壓，可取p2＝2 MPa；d/D為活塞缸直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，按表2取d/D=0.7；F為工作循環(huán)中最大的負(fù)載，此處F＝Fd=506.25 kN；ηcm為液壓缸機(jī)械效率，一般取ηcm＝0.9.

表2 工作壓力d/D

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，在此液壓系統(tǒng)中，3.2≤ D/δ≤16，故缸筒壁厚應(yīng)用中等壁厚計(jì)算公式，此時(shí)：

式中：Ψ為強(qiáng)度系數(shù)，對(duì)無縫鋼管Ψ=1；C為圓整壁厚數(shù)；Py為試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的1.25～1.5倍；D為缸筒內(nèi)徑；[σ]為缸筒材料許用應(yīng)力，無縫鋼[σ]=100～110 MPa.經(jīng)計(jì)算，各缸的工作參數(shù)如下：

鏟斗缸：缸內(nèi)徑D＝170 mm，活塞缸徑d=120 mm，行程L=1 350 m；

式中：MF為地面附著力矩，N·m；m為整機(jī)質(zhì)量；μ地面附著系數(shù)，平板履帶板取μ＝0.25，帶筋履帶板取μ ＝ 0.50.則：MF=12 225 N·m，MB=0.8MF=9 780 N·m，MO=6 112.5 N·m

設(shè)經(jīng)過四級(jí)減速，傳動(dòng)比i總=3×3×2×1=18，則馬達(dá)所受最大力MT=MO/i=339.58 N·m，理論排量q=MO/（ηmPm）=15.1 mL/h，據(jù)此選擇轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)型號(hào)為25（YCY）14-1B，0～ 1.7 km/h和 0～ 3.4 km/h為液壓挖掘機(jī)兩種不同的行駛速度，選擇液壓馬達(dá)的為 40（YCY）14-1B.

斗桿缸：缸內(nèi)徑D＝300 mm，活塞缸徑d=210 mm，行程L=1 755 mm；

動(dòng)臂缸：缸內(nèi)徑D=145 mm，活塞缸徑d=100 mm，行程L=1 655 mm.

2.3 馬達(dá)的選型

當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)僅靠液壓制動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)力矩MO小于制動(dòng)力矩MB，取C=MO/MB=1.6.地面附著條件可用附著力矩MF表示，液壓制動(dòng)時(shí)取MB=0.5～0.7 MF.履帶式液壓挖掘機(jī)地面附著力矩的計(jì)算采取下面的簡(jiǎn)化公式：

3 液壓裝置特點(diǎn)

本次挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分散式配置，這種裝置的結(jié)構(gòu)緊湊性，節(jié)省占地面積。

液壓閥集成塊的存在對(duì)于液壓系統(tǒng)的正常工作和管路空間的整合具有很大的意義，液壓閥集成塊可以統(tǒng)一管理閥口，減少管路長(zhǎng)度，提高管路整體穩(wěn)定性[4]。本文所設(shè)計(jì)的液壓閥集成塊的特點(diǎn)有：

（1）每個(gè)集成塊3個(gè)閥，個(gè)數(shù)適中，工藝簡(jiǎn)便。

（2）集成塊內(nèi)油路清晰，深孔、斜孔較少，閥塊中的孔徑與相應(yīng)通過流量匹配良好。

（3）閥塊進(jìn)出油口的方向和位置與系統(tǒng)的總體布置及管道連接形式匹配，安裝快速簡(jiǎn)單。

（4）在設(shè)計(jì)過程中，將調(diào)節(jié)次數(shù)較多的閥放在合適的位置，對(duì)于需要經(jīng)常檢修的閥布置閥塊上方，維護(hù)操作方便。

（5）具有足夠數(shù)量的測(cè)壓點(diǎn)，以供閥塊使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行研究，分析其動(dòng)作機(jī)理，進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，改善了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和應(yīng)用范圍，使得挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于減少管路數(shù)目，便于集中管理，為實(shí)現(xiàn)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化提供了參考依據(jù)。