挖掘机主要设计参数确定思路探讨

撰文/廖明军 朱梓明

■221100 徐州徐工挖掘机械有限公司 江苏 徐州



挖掘机主要设计参数确定思路探讨

撰文/廖明军 朱梓明

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摘要：挖掘机是工程机械行业的主导产品，被誉为“工程机械之王”，广泛应用于工程建设领域，世界主要工程机械企业大部分以此确定在行业的地位。本文简略介绍了履带式液压挖掘机总体设计过程中主要设计参数的确定思路，希望能对从事挖掘机研发的同仁们有所帮助。关键词：挖掘机；设计参数；思路探讨

挖掘机将始终围绕“可靠、高效、节能、安全、舒适和环保”这个永恒的主题向前发展，如何能够开发出适应市场需求的优质产品是摆在挖掘机研发人员面前的一项艰巨任务。因此，了解和探讨挖掘机总体设计的原则、基本步骤和主要设计参数确定思路是十分必要的。

这里仅就挖掘机设计过程中如何确定主要技术参数的思路进行简要探讨。

确定挖掘机主要参数

通常液压挖掘机的主要技术指标有：整机操作质量、发动机功率、斗容、挖掘力、作业范围、运输尺寸、回转速度、行走速度、爬坡能力、接地比压、噪音、提升能力、生产率和经济效益等。

a整机操作质量

整机操作质量是挖掘机三个主参数（操作质量，发动机功率，斗容）之一。

操作质量决定了挖掘机的级别，决定了挖掘力的上限，如果挖掘力超过这个极限，在反铲的情况下，挖掘机将打滑，并被向前拉动，这非常危险；在正铲情况下，挖掘机将向后打滑。

挖掘力≦μ×工作质量（注：μ—地面和履带间的附着力系数）。

挖掘机三种主要质量：①操作质量：带标准工作装置、一名司机、加满燃油和适量的液压油；②运输质量：不含司机、含10%燃油；③主机质量：不含工作装置。

b发动机功率

发动机功率总功率 SAE J1995：指在没有消耗功率附件，如消音器、风扇、交流发电机及空气滤清器的情况下，在发动机飞轮上测得的输出功率。

发动机功率净功率（SAE J1349；ISO 9249）：

①指在装有全部消耗功率附件，如消音器、风扇、发电机及空气滤清器的情况下，在发动机飞轮上测得的输出功率。（GB）

②指在装有发动机运行必须的消耗功率附件，一般为风扇的情况下，在发动机飞轮上测得的输出功率。（ISO）

c斗容

斗容一般分为堆装和平装两种，挖掘机常用标定斗容为堆装。

铲斗堆装容量有两种计算标准：①SAE、PCSA、ISO、GB标准：1：1堆装；②CECE标准：1：2堆装。

图1　1：1

图2　1 ：2

d挖掘力

挖掘机的挖掘力大小与工作装置类型有关。以反铲挖掘机为例，挖掘力包括斗杆挖掘力和铲斗挖掘力，斗杆挖掘力来自斗杆油缸，铲斗挖掘力来自铲斗油缸。

挖掘力的作用点有两种计算标准：①ISO标准：作用在铲斗刀板边缘；②SAE、PCSA、GB标准：作用在斗齿尖。

e作业范围（以反铲工作装置为例）

确认满足用户施工要求的以下参数：最大挖掘半径、最大地面挖掘半径、最大挖掘深度、最大垂直挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸载高度、前端最小回转半径以及尾部最小回转半径等。

图3　斗杆挖掘力

图4　铲斗挖掘力

f确认满足公路、铁路、船运及空运的运输尺寸要求：上部机构总宽度、整车总宽度、整车总长度、驾驶室总高度、动臂总高度、发动机罩总高度、配重离地间隙、轮距、下部行走体长度、轨距、履带板宽度以及最小离地间隙等。

（注：由于受篇幅限制，1.5和1.6两部分的附图省略。）

g回转速度与回转扭矩

回转速度：挖掘机空载时，稳定回转所能达到的平均最大速度，单位是“转/分”（rpm）。

需要的实际回转性能可用回转扭矩表示，单位：N·m。

h行走速度与行走牵引力

行走速度与牵引力表明了挖掘机行走的机动灵活性及其行走能力。

对于履带式挖掘机而言，行走时间大概占整个工作时间的10%。通常有高速和低速两档可供行走时选择，满足挖掘机的行走性能。

牵引力是指挖掘机行走时所产生的力，主要影响因素包括行走马达低速档排量、工作压力、驱动轮节圆直径、整机质量。

图5

牵引力=（0.7～0.85）×整机质量。

i爬坡能力

爬坡能力是指爬坡、下坡，或在一个坚实、平整的坡上停止的能力。

爬坡能力有两种表示方法：角度，百分比。

①爬坡角度θ，一般为35°。

②tanθ=b/a，一般为70%。

微型机或超大型机指标一般为≤30°或58%。

j接地比压

接地比压的大小决定了挖掘机适合工作的地面条件。

接地压力指机器重量对地面产生的压力。

接地比压一般是理论值，原因有二：①履带不能完全与地面接触；②整机重心的偏移，履带上的压力不均匀。

k噪音

挖掘机的噪音主要来源于发动机、液压系统和机械摩擦发出的声音等。

挖掘机的噪音有两种：①司机耳边噪音；②机外幅射噪音。

l提升能力

提升能力是指额定稳定提升能力或额定液压提升能力中较小的一个。

额定稳定提升能力：75%的倾翻载荷；额定液压提升能力：87%的液压提升能力。

m生产率

生产率是挖掘机主要技术经济指标之一。

理论生产率：在“计算条件”下连续工作一小时的生产率。“计算条件”是：①操作熟练；②常见工作条件和工作尺寸；③工作、运输工具的位置恰当。

实际生产率：机器工作一段时间所得到的实际平均生产率。它在理论生产率的基础上受机器利用率和操作熟练程度两方面影响。

n经济效益

①单台样机毛利：

假设样机成本为A万元，建议售价B万元，毛利为：（B-A）万元，毛利率：（B-A）/ B×100%。

②产值及毛利：

根据某机型的市场预测，假设在全球市场年销售Q台，该产品能占P%的市场份额，年销售Q×P%=M台产品，照此可计算出：

产值：M×B = X万元/年。

毛利：M×（B-A）= Y万元/年。

结语

本文结合自己多年从事挖掘机研发的经验，对挖掘机主要设计参数确定提供了一些思路，为刚刚从事挖掘机总体设计的年轻研发人员具有一定的指导意义，希望能起到一种抛砖引玉的作用。由于文中未涉及具体机型，有关具体参数只能定型分析，没有定量分析数据，还望读者谅解。

参考：

［1］陈国俊.液压挖掘机（上、下册）.中国武汉：华中科技大学出版社，2012.

［2］同济大学.单斗液压挖掘机.北京：中国建筑工业出版社，1986.