液压挖掘机工作装置的设计与计算

肖頔，杨彬，何浏

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064）

液压挖掘机工作装置的设计与计算

肖頔，杨彬，何浏

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064）

对斗容量1m3反铲液压挖掘机工作装置进行了设计与计算，确定了工作装置主要参数，分析了理论挖掘力和切削阻力的匹配关系，校核了动臂油缸提升力和各油缸的闭锁力，验证了设计的合理性。

液压挖掘机；工作装置；设计；计算

液压挖掘机广泛应用于水利工程、交通运输、电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。液压挖掘机工作装置是直接承受工作载荷的主要构件，其结构强度与挖掘机的可靠性和工作性能直接相关［1］。文献［2］对液压挖掘机工作装置进行了运动分析，并建立了数学模型。本文以斗容量为1 m3的反铲液压挖掘机为设计目标，对工作装置进行了设计、计算与校核。

1　各部分结构型式的确定

整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。直动臂结构简单轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机，一般不采用；整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，符合反铲作业要求。本文分析的容量为1 m3的反铲液压挖掘机采用整体式弯动臂，斗杆采用整体式斗杆，铲斗连杆机构的型式采用六杆机构，挖掘机工作装置简图如图1所示。

图1　挖掘机工作装置简图

2　工作装置的几何尺寸确定

2.1斗形参数的确定

铲斗的四个主要参数为斗容量q，平均斗宽B，转斗挖掘半径R和转斗挖据装满转角2φ［3］.取2φ=96，B=1.27，ks=1.25，当斗容量q=1 m3时，计算确定R=1.361 m.

2.2动臂尺寸参数的确定

采用整体式弯动臂，动臂弯角ɑ1=130°，特性参数k1=1.65，k3=1.3.计算得l1=5 212 mm，l2=3 160 mm，l41=2 496 mm，l42=3 245 mm，ɑ39=21.5°.油缸铰点的布置综合考虑了结构件的强度、油缸本身以及安装特性，l6=3 078 mm，l7=2 075 mm，l8=2 760 mm，l22=3 483 mm.

2.3斗杆机构尺寸参数的确定

斗杆尾部半径l9从闭锁考虑，可按经验公式取l9=900 mm，∠EFQ=150°.杆相对于动臂得初始位置不能超过动臂中心延长线，取其夹角为1.2°左右。

2.4铲斗连杆机构参数的确定

六连杆机构的参数选择为满足几何相容条件，由经验公式可计算连杆各构件的尺寸参数。l24=480 mm，∠FQN=0°，∠ɑ10=105°，l21=380 mm，l29=720 mm，l14=760 mm.铲斗油缸下铰点位置的确定：l11=1 199 mm，l10=704 mm.

3　挖掘阻力、挖掘力、油缸作用力和闭锁力计算

3.1铲斗挖掘阻力

铲斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而明显变化。切削阻力的切向分力为：

式中：C为土壤的硬度系数；R为铲斗切削半径；φ为铲斗的瞬时转角；B为切削刃宽度影响系数；A为切削角变化影响系数；Z为带有斗齿的系数；X为斗侧壁厚度影响系数；D为切削刃挤压土壤的力。可以得到铲斗挖掘阻力随转角的变化如图1中的灰色曲线。

3.2斗杆挖掘阻力

斗杆挖掘阻力为：

式中：r6为斗杆挖掘时的切削半径；K0为挖掘比阻力；φg为斗杆挖掘时铲斗转角。当取Ⅲ级土壤时，K0=10，Ks=1.25，计算得W1g=17 326 N.

3.3铲斗、斗杆理论挖掘力计算

工作液压缸外伸时由该液压缸理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力称为工作液压缸的理论挖掘力。铲斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力为

式中：P3为铲斗液压缸的理论推力；r1、r2、r3为力臂值［4］。从挖掘力与挖掘阻力相匹配（图2）来看，铲斗油缸及铲斗机构满足设计要求。

图2　铲斗理论挖掘力与切削阻力匹配关系图

斗杆液压缸的理论挖掘力为：

式中：P2为斗杆液压缸的理论推力；r5、r6为力臂值。

斗杆理论挖掘力与斗杆挖掘阻力匹配关系如图3，可以得到，斗杆理论挖掘力始终大于斗杆挖掘阻力，斗杆油缸及尺寸参数满足设计要求［5］。

图3　斗杆理论挖掘力与斗杆挖掘阻力匹配关系图

3.4动臂油缸作用力计算

动臂油液压缸应保证反铲作业过程中在任何位置上都能提起带有满载铲斗的工作装置到达最高和最远的位置，选择以下三种工况进行计算：工况Ⅰ，最大挖深时满斗提升，此时动臂油缸全缩，斗杆垂直地面，铲斗转至水平，计土重和工装重。工况Ⅱ，最大卸载高度满斗提升，计土重和工装重。工况Ⅲ，最大挖掘半径满斗提升，计土重和工装重。

三种工况下动臂液压缸的提升力如表1所示，从表1中可以看出三种工况下的提升力均小于理论推力，因此动臂提升力足够。

3.5液压缸闭锁力计算

选用以下三个极限位置对油缸闭锁力进行校核：工况Ⅰ，动臂最低，斗杆垂直于地面，铲斗挖掘，并且作用力臂最大。工况Ⅱ，动臂油缸最低，斗杆与动臂的铰点F，斗与斗杆铰点Q，斗齿尖V点三点共线，斗杆挖掘，其作用力臂为最大。工况Ⅲ，动臂处于最低位置，挖掘深度为最大，FQV三点共线，铲斗挖掘，并要求能克服平均挖掘阻力。

三种工况下各油缸的闭锁力如表2所示，从表2中可以得出油缸闭锁力均小于油缸允许工作压力40 MPa，因此液压缸能够满足闭锁要求。

表2　各液压缸闭锁力

4　结束语

以斗容量1 m3的反铲液压挖掘机为设计目标，分析确定了工作装置动臂、斗杆、铲斗连杆机构的主要尺寸参数，对挖掘阻力和挖掘力进行了分析计算与校核，挖掘阻力和挖掘力匹配是合理的，验证了动臂油缸的提升力和各油缸的闭锁力，各液压缸在三种极限工况下能够闭锁，工作装置能够满足设计要求。

［1］郭立新，王守春，郑春歧，等.液压反铲挖掘机工作装置有限元动态分析［J］.中国机械工程，2000，11，（12）：1338-1340.

［2］黎波，严骏，曾拥华，等.挖掘机工作装置运动学建模与分析［J］.机械设计，2011，28（10）：7-10.

［3］杜文靖.液压挖掘机工作装置设计关键技术研究［D］.长春：吉林大学，2007.

［4］孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2006.

The Working Device's Design and Calculations of Hydraulic Excavator

XIAO Di，YANG Bin，HE Liu
（Ministry of Education Key Laboratory for Technology and Equipment of Highway Construction，Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710064，China）

It designs and calculates the working equipment of the 1m3backhoe hydraulic excavator，determines the main parameters of the working device，analyzes the matching relation between theoretical digging force and cutting resistance，checks the movable arm oil cylinder lifting force and the locking force of each cylinder，verifies the rationality of the design.

hydraulic excavator；work equipment；design；calculation

TH121

A

1672-545X（2016）08-0031-02

2016-05-15

肖頔（1992-），男，湖北襄阳人，硕士研究生，研究方向：机械电子工程。