小型液压挖掘机挖斗改夹木器的研究

黄淑芳，周 涛

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

目前，我国正处于发展阶段，可以说挖掘机起到了相当大的作用，而挖掘机又分很多型号，以应对各种环境的工作[1]。其中小型液压挖掘机就适合一些小型作业或者比较狭小的空间的工作。但是这种使用的情况也不是特别多，很多时候小型液压挖掘机都是处于闲置状态，长久以往，不仅浪费资源，还会让挖掘机出现故障而损坏。所以，有必要研究、设计挖掘机属具，通过改造小型液压挖掘机，为其配备夹木属具使其具有夹木功能，成为一种比专用夹木机器更为实用的夹木设备。通过对小型液压挖掘机与夹木器的结构特点、动力传动原理的研究，发现两者完全匹配，把小型液压挖掘机的挖斗改成夹木器，将会大大提升挖掘机的利用率和应用范围。做到物尽其用，节约资源。

有调查显示，目前夹木机在工程机械行业中，是销量提升幅度最明显的机种之一。从客户反应数据表明，一台夹木机相当于50～ 60 个人力，将专用夹木机器在减少了劳力费用的同时也提高了工作效率，同时也提高了施工过程的安全性，得到了一致好评。但是，专用夹木机器存在功能单一、价格高、油耗偏高、机器发出的噪声大、无法适应坡地和坑洼地段行走等问题。本文通过为挖掘机设计一种夹木的属具，对挖掘机挖斗进行拆卸换成夹木器，使其可以进行木材的搬运，以提高挖掘机的利用率，解决了挖掘机闲置问题也解决了专用夹木机器存在的问题。下面仅详细介绍属具液压缸和液压系统的设计。

1 改造思路

为不同型号的挖掘机设计专用的属具，将挖掘机的挖斗拆掉，在斗杆的尾部装上挖掘机辅具即夹木器，实现除挖掘以外的功能，比如夹木、夹砖等。液压挖掘机的选型主要从发动机的功率、主泵的工作压力、流量是否与动力头的性能参数匹配而进行选择。本文所讲述的夹木器主要用在小型液压挖掘机，选择广西沃源重工机械设备有限公司所生产的小型液压挖掘机。原始数据如下：

（1）发动机与液压泵。液压泵通过联轴器直接与发动机联接。

发动机转速：1 800 r/min，液压泵转速nb=1 800 r/min，液压泵排量vb：12/12/6 cm3/r（注：原有挖掘机的液压系统中有三联泵，各泵的排量分别为12、12、6 cm3/r），液压系统最高压力p=16 MPa。

（2）刀具总成辊轴驱动液压马达：排量vmg=10 cm3/r，工作压力（实测）pmg=10 MPa

2 夹木结构设计

假设夹木器每次最大夹木重量为1 t，夹具采用双液压缸驱动，每个手爪上装有与水平面成30°角的液压缸，一个液压缸控制一个手爪。夹木器上部还设计了蜗轮蜗杆机构，使其可以水平旋转以方便施工作业。夹木器手爪机构如图1 所示。图中，F为液压缸所输出的推力，与手爪夹紧力F′成30°角，Ff为木头与手爪之间的摩擦力。

图1 手爪受力计算

夹木器最多夹1 t 木头即G=10 000 N。

为确保足够的摩擦力将木头夹紧，则需要：

Ff≥G，为安全起见取Ff=1.5G=15 000 N

由摩擦力计算公式Ff=夹紧力F′* 摩擦系数f[2]，从机械设计手册得知摩擦系数f为0.3，则

因为液压缸活塞杆与水平面成30°角，由三角函数得知：活塞杆推力F=F′/cosβ=50 000/cos30°=57 733 N。

夹木器爪子采用双液压驱动[3]，去掉连杆机构使受力计算比较简单，但其制造成本较高，市面上多数采用单液压缸带动连杆机构进行机械运动[4]。本文在夹木器支座上添加蜗轮蜗杆传动机构，使其可以水平旋转，增加夹木器工作时的灵活性[5]。

3 液压缸结构参数及尺寸的确定

3.1 计算活塞直径D

液压缸的主要尺寸和参数包括液压缸内径D、活塞杆直接d和液压缸行程、缸筒壁厚、缸底厚度等[3]。工程上，计算液压缸的内径D时，可根据液压系统工作压力、工作驱动力或运动速度的要求确定。下面，根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸的内径D。由《液压技术实用手册》得到液压缸推力计算公式F=pπD2/4，其中p为液压系统设计最高压力，这里取p=16 MPa，得

由《液压技术实用手册》P265 表5-4 取标准值D=80 mm。

3.2 计算活塞杆直径d

由液压缸工作压力P=16 MPa，根据计算的活塞缸直径查《液压技术实用手册》P244 表7-26 取速比φ=1.33，工作压力p=12.5～ 20 MPa，查P265 表5-4 取对应的活塞杆直径d=0.5D=40 mm，此时活塞杆推力F=80 420 N，活塞杆拉力F=60 320 N。液压缸型号为HSG※01-80/dE，该缸是双耳环连接双作用单杆法兰连接式液压缸[6]，如图2 所示。

图2 液压缸结构

4 液压马达选择

《液压技术实用手册》可得[6]：液压泵输出流量qb=Vb×nb，将挖掘机原始参数nb=1 800 r/min，Vb=12 cm3/r 代入上式得到qb=2.16×104cm3/min。

因为液压马达通过油管直接与泵的出口相连，所以有马达输入流量qc等于泵的输出流量qb，即：qc=qb=21 600 cm3/min

假设选择的液压马达定量排量vc=50 cm3/r，则液压马达实际转速nc=qc/vc=21 600/50=432 r/min。

根据液压马达实际转速和设定排量，查《液压技术实用手册》选择马达型号[6]：BM2/BMR-50，其排量vc=50 cm3/r，额定流量q=40 000 cm3/min，额定转速n=755 r/min（nc＜n），油压力p=14 MPa 最大17.5 MPa，额定转矩T=100 N·m，满足设计要求。

5 液压系统设计

5.1 液压系统组成

液压工作系统如图3 所示，由液压泵、换向阀、单向阀、溢流阀、分流集流阀、液压缸、液压马达、油缸组成。本文采用双液压缸驱动手爪，因为没有连杆机构，所以液压缸的伸缩可以直接带动手爪进行张开、闭合运动；采用双向定量马达连接蜗杆带动夹木器水平旋转，工作排量稳定的同时还可以支持正反转运动[7]。

当手爪进行工作时，两边手爪需要达到同步运动，因此，将两个液压缸并联接入分流集流阀中，使其达到同步运动。分流集流阀也称同步阀，是集液压分流阀、集流阀功能于一体的独立液压器件，供油时向两个执行元件供应相同的流量，也就是等量分流；回油时从两个执行元件收集等流量或按比例的回油路，来实现其相互之间的速度同步或是定比关系。

溢流阀的作用是：当手爪夹住木头后，系统工作压力逐渐上升，当系统压力超过溢流阀调定的压力时，溢流阀就会开始卸荷，使回路压力保持稳定。

5.2 液压系统工作原理

如图3 所示，电磁铁B11 通电时，二位三通换向阀左移，控制油源的油液通过阀接入三位八通换向阀1（挖掘机备用阀片）的左端并推动液动阀阀芯右移，使主油泵油液通过B 口进入B1 油路。电磁铁M21 通电，三位四通换向阀2 右移，油液从B1 油路进入a1 油路，通过同步阀4 进入两个液压缸的有杆腔，使液压杆进行缩回运动，回油液从b1 油路进入A1 油路，最后回到油箱。电磁铁M11 通电，三位四通换向阀2 左移，油液从B1 油路进入b1 油路，最后进入液压缸无杆腔，使液压杆进行伸出运动，回油液通过a1 和A1 油路回到油箱。

图3 液压系统

电磁铁Y21 通电，三位四通换向阀3 右移，油液通过B1 和a2 油路进入液压马达，马达正转，回油液通过b2 和A1 油路回到油箱。电磁铁Y11 通电时，三位四通换向阀3 左移，油液通过B1 和b2 油路进入液压马达，马达反转，回油液通过a2 和A1 油路回到油箱。

液压系统中采用了双向节流同步阀4，使夹木器的张开、闭合可以同步。回路中设置属具安全阀7，使属具系统的最高压力可以独立设定为16 MPa，解决了工作中因随主系统调定压力而出现不必要的工作压力过高的问题。

在挖掘机改装的过程中牵涉到液压系统设计、管油连接等问题，特别是在液压系统安装、油压控制方面需要在专业技术人员的指导下进行。

6 结束语

近年来，我国的基础建设、土木工程飞速发展。使得各种机械类的工具和设备大放光彩，而其中液压挖掘机就是其中的佼佼者。几乎各种生产工地中都能看到它的身影。可以说液压挖掘机是基础建设和土木工程、水利工程中必不可少的工具。但正是由于液压挖掘机的必不可少，使得液压挖掘机数量太多。在工程项目建设旺季的时候或许不会觉得有什么，但在工程项目建设淡季的时候，就会出现大量液压挖掘机闲置的情况。很多液压挖掘机都会因为没有“工作”而被丢在旁边“吃土”。一些大型液压挖掘机还好一点，可以去承接一些“脏活累活”，但是小型液压挖掘机就没有那么好了，其功率和能力受限。它们因为“力气太小”所以经常会没有“工作”，只能一直处于闲置状态。如果可以改造一下液压挖掘机的挖斗，使其可以安装夹木器装置，即可改变这一窘迫的境地。

当然，挖掘机属具不仅仅是夹木器装置，还可以有夹砖器、碎草器等多种属具。总之，将小型液压式挖掘机的挖斗改造成为夹木器、夹砖器、碎草机等，拓展了原来设备的使用功能，为提高液压挖掘机使用范围作出了巨大贡献，也找到新的利用价值，减少闲置时间，实现了设备的功能多元化发展，给广大客户消费者带来了经济效益，节省了大量设备成本，具有较好的应用前景和推广价值。