工程機(jī)械設(shè)計(jì)-陳海虹課件第7章-挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)

第七章液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)主要講授內(nèi)容1、反鏟工作裝置工作原理2、反鏟工作裝置鉸點(diǎn)布置與油缸行程3、工作裝置油缸作用力確定4、液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一節(jié)反鏟工作裝置工作原理液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下的土壤，如挖掘溝壕、基坑等，其挖掘軌跡取決于各液壓缸的運(yùn)動(dòng)及其組合。第一節(jié)反鏟工作裝置工作原理反鏟液壓挖掘機(jī)的工作過程為：先下放動(dòng)臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)斗桿及鏟斗，當(dāng)挖掘至裝滿鏟斗時(shí)，提升動(dòng)臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作位置開始下一次作業(yè)循環(huán)。第一節(jié)反鏟工作裝置工作原理動(dòng)臂液壓缸主要用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨(dú)直接挖掘土壤；斗桿挖掘可獲得較大的挖掘行程，但挖掘力小一些。轉(zhuǎn)斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束時(shí)裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，因此挖掘機(jī)的最大挖掘力一般是由鏟斗液壓缸實(shí)現(xiàn)的。第二節(jié)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)布置與油缸行程反鏟工作裝置實(shí)際上是多個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的組合。在發(fā)動(dòng)機(jī)功率、整機(jī)質(zhì)量和鏟斗容量等主要參數(shù)及工作裝置基本形式初步確定的情況下，工作裝置各鉸點(diǎn)的布置及各工作油缸參數(shù)的選擇是否合理，會(huì)直接影響液壓挖掘機(jī)的實(shí)際挖掘能力。第二節(jié)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)布置與油缸行程1、動(dòng)臂油缸的布置動(dòng)臂油缸一般布置在動(dòng)臂前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接，常見的有兩種具體布置方式：1）油缸前傾布置方案

2）油缸后傾布置方案第二節(jié)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)布置與油缸行程1、動(dòng)臂油缸的布置

1）油缸前傾布置方案，如圖7-27所示，動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂鉸接于E點(diǎn)。當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉升至上極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)前方傾斜。2）油缸后傾布置方案，如圖7-28所示，當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉升至上極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)后方傾斜。第二節(jié)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)布置與油缸行程1、油缸后傾布置方案—缺點(diǎn)

1）當(dāng)兩方案的動(dòng)臂油缸安裝尺寸

、鏟斗最大挖掘高度H和地面最大挖掘半徑R相等時(shí)，后傾方案的最大挖掘深度比前傾方案小，即

2）在后傾方案中，動(dòng)臂EF部分往往比前傾方案的長(zhǎng)，因此動(dòng)臂所受彎矩也比較大。第二節(jié)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)布置與油缸行程1、油缸后傾布置方案—優(yōu)點(diǎn)后傾方案動(dòng)臂下鉸點(diǎn)C與動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)D的距離CD比前傾方案的大，則動(dòng)臂在上下兩極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸的作用力臂

也就較大。因此，在動(dòng)臂油缸作用力相同時(shí)，后傾方案能得到較大的動(dòng)臂作用力矩。不論是動(dòng)臂油缸前傾還是后傾方案，當(dāng)C、D兩鉸點(diǎn)位置和CE長(zhǎng)度均不變時(shí)，通過加大動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度可以增大動(dòng)臂仰角，從而增大最大挖掘高度，但會(huì)影響到最大挖掘深度。所以，在布置動(dòng)臂油缸時(shí)，應(yīng)綜合考慮動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)、工作裝置的作業(yè)尺寸及動(dòng)臂舉升力和挖掘力等因素。第二節(jié)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)布置與油缸行程2、斗桿油缸的布置確定斗桿油缸鉸點(diǎn)、行程及斗桿力臂比時(shí)應(yīng)該考慮下列因素。1）保證斗桿油缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。即油缸從最短長(zhǎng)度開始推伸時(shí)和油缸最大伸出時(shí)產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)該大于正常挖掘阻力。2）保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍一般取100o~130o。在斗桿油缸和鏟斗油缸同時(shí)伸出最長(zhǎng)時(shí)，鏟斗前壁和動(dòng)臂之間的距離應(yīng)大于10cm。一般說(shuō)來(lái)，斗桿越長(zhǎng)，則其擺角范圍可以取得越小一些。第二節(jié)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)布置與油缸行程3、鏟斗油缸的布置確定鏟斗油缸鉸點(diǎn)、行程及連桿機(jī)構(gòu)力臂比時(shí)應(yīng)考慮以下因素。1）保證轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)產(chǎn)生足夠大的斗齒挖掘力，即在鏟斗油缸全行程中產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)大于正常工作情況下的挖掘阻力。2）保證鏟斗的擺角范圍。鏟斗的擺角范圍一般取140o~160o，在特殊作業(yè)時(shí)可以大于180o。當(dāng)鏟斗油缸全縮時(shí)，鏟斗與斗桿軸線夾角（在軸線上方）應(yīng)大于10o,常取15o~25o，鏟斗油缸全伸、鏟斗滿載回轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)使土壤不從斗中撒落。第二節(jié)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)布置與油缸行程3、鏟斗油缸的布置確定鏟斗油缸鉸點(diǎn)、行程及連桿機(jī)構(gòu)力臂比時(shí)應(yīng)考慮以下因素。3）鏟斗從位置I到位置II（圖7-29），鏟斗油缸作用力臂最大，這時(shí)能得到斗齒最大挖掘力。從單獨(dú)進(jìn)行轉(zhuǎn)斗挖掘動(dòng)作的角度看，鏟斗從位置I到位置II的轉(zhuǎn)角應(yīng)該為鏟斗整個(gè)切削角度的1/2左右，即當(dāng)鏟斗挖掘深度最大時(shí)，正好斗齒挖掘力也最大。第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定工作裝置各油缸作用力應(yīng)保證工作裝置在挖掘過程中，斗齒有足夠的挖掘力，并保證在卸載時(shí)能把滿斗土壤舉升到最大幅度和高度所需的舉升力。工作裝置各油缸作用力有下兩種情況：

1）當(dāng)油缸兩腔分別接高低壓油路時(shí)產(chǎn)生推動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的作用力稱為主動(dòng)作用力（簡(jiǎn)稱作用力或者工作力），其最大值取決于該油缸油路的工作壓力和油缸直徑（活塞作用面積）。

2）工作裝置工作時(shí)作用于閉鎖狀態(tài)（即油缸兩腔與高低壓油路斷開）的油缸上的作用力稱為被動(dòng)作用力，其最大值則取決于該油缸油路的過載溢流閥壓力和承載活塞面積。第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定1、鏟斗油缸作用力的確定反鏟裝置在作業(yè)過程中，當(dāng)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鲿r(shí)，其最大挖掘力為鏟斗油缸設(shè)計(jì)的依據(jù)。按反鏟最主要的工作位置——最大挖掘深度時(shí)能保證具有最大挖掘力來(lái)分析確定鏟斗油缸的工作力。此時(shí)計(jì)算位置為動(dòng)臂下放到最低位置，鏟斗油缸作用力對(duì)鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)有最大力臂，如圖7-30所示。第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定忽略斗和土的質(zhì)量，并且忽略了各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機(jī)構(gòu)效率影響因素，此時(shí)鏟斗油缸作用力為：（N）第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定此外，最大鏟斗挖掘力在其工作裝置能否實(shí)現(xiàn)，還受到挖掘機(jī)穩(wěn)定性的限制。第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定2、斗桿油缸作用力的確定當(dāng)挖掘機(jī)以斗桿挖掘時(shí)，其最大挖掘力則由斗桿油缸來(lái)保證。斗桿油缸最大作用力計(jì)算位置為動(dòng)臂下放到最低位置，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)生最大作用力矩，并使斗齒尖和鉸點(diǎn)B、C在一條直線上，如圖7-31所示。第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定2、斗桿油缸作用力的確定與前面推導(dǎo)鏟斗油缸作用力一樣，忽略各構(gòu)件及斗中土壤質(zhì)量和連桿機(jī)構(gòu)效率的影響因素，此時(shí)斗桿油缸作用力為：（N）第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定2、斗桿油缸作用力的確定

斗桿最大挖掘力也受到挖掘機(jī)穩(wěn)定性條件的限制。第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定3、動(dòng)臂油缸作用力的確定

動(dòng)臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升鏟斗內(nèi)裝滿土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進(jìn)行卸載來(lái)確定，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖7-32所示，此時(shí)動(dòng)臂油缸作用力為：（N）第三節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置油缸作用力確定

1）根據(jù)以上分析所確定的各油缸作用力及選定的工作壓力，可初步選定各油缸的缸徑。2）然后，再選取上述計(jì)算位置所求得各油缸閉鎖力中較大者，按初選各油缸直徑計(jì)算其所需過載壓力。過載安全閥壓力與工作壓力之比值（

）不宜過大，一般取

=1.1~1.15，否則將導(dǎo)致工作裝置結(jié)構(gòu)自重的增大。如果計(jì)算出某油缸所需過載壓力太大時(shí)，則應(yīng)通過調(diào)整該工作裝置部件的結(jié)構(gòu)尺寸或改變鉸點(diǎn)位置等措施來(lái)改善受力情況。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉸接式工作裝置是挖掘機(jī)最常見和最通用的一種結(jié)構(gòu)形式。用鋼板焊成的動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等主要結(jié)構(gòu)件用鉸接連接在一起。各桿件系統(tǒng)圍繞鉸點(diǎn)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，在油缸的作用下，完成各種作業(yè)動(dòng)作。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、動(dòng)臂動(dòng)臂是工作裝置中決定總體構(gòu)造形式和其他特征的主要構(gòu)件。液壓挖掘機(jī)鉸接式工作裝置的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)一般可分為整體式和組合式兩大類。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）整體式動(dòng)臂特點(diǎn)：制造方便、成本低、質(zhì)量輕，能有較大的動(dòng)臂轉(zhuǎn)角，裝載作業(yè)效率高，挖掘深度也比較大；配用加長(zhǎng)可調(diào)斗桿，可以很好地完成垂直壁面點(diǎn)的挖掘作業(yè)，而且所挖掘的壁面平直整潔。整體式動(dòng)臂有直臂和彎臂兩種形式。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）整體式動(dòng)臂--直動(dòng)臂整體直動(dòng)臂構(gòu)造簡(jiǎn)單，適用于專業(yè)正鏟和懸掛式挖掘機(jī)。反鏟工作裝置使用直動(dòng)臂只能得到較小的挖掘深度，顯然不適用。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）整體式動(dòng)臂--彎動(dòng)臂采用整體彎動(dòng)臂結(jié)構(gòu)可以增大挖掘深度，但同時(shí)也會(huì)降低卸載高度。所以反鏟工作裝置廣泛采用整體彎動(dòng)臂，其結(jié)構(gòu)為鋼板焊接而成的矩形變截面封閉箱型梁，內(nèi)部一般加隔板以增加強(qiáng)度和剛度。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）整體式動(dòng)臂

動(dòng)臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)、斗桿及各油缸的連接均采用鉸接，其常見結(jié)構(gòu)如圖所示。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（2）組合式動(dòng)臂組合式動(dòng)臂是在整體式基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它使液壓挖掘機(jī)的優(yōu)點(diǎn)得到了充分的發(fā)揮，應(yīng)用也很廣泛。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（2）組合式動(dòng)臂優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)尺寸和挖掘力可以根據(jù)施工條件隨意調(diào)整，而且調(diào)整時(shí)間短，用油缸連接時(shí)還能無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，可滿足各種工作裝置的要求，互換性好，可采用的工作裝置形式也多，替換方便，下動(dòng)臂可適合各種工作裝置要求，不需拆換，裝車運(yùn)輸也比較方便。組合式動(dòng)臂有兩大類：一類是長(zhǎng)動(dòng)臂配短斗桿，另一類則是短動(dòng)臂配長(zhǎng)斗桿。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2、斗桿

斗桿一般是由鋼板焊接而成的變截面箱形結(jié)構(gòu)，一端與動(dòng)臂鉸接，另一端與鏟斗鉸接，其外形如圖所示。第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、鏟斗

第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）鏟斗主要參數(shù)—斗容q

第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）鏟斗主要參數(shù)—切削能容量E

第四節(jié)液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）鏟斗主要參數(shù)