单斗正铲液压挖掘机工作装置设计解读.docx
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单斗正铲液压挖掘机工作装置设计解读
正铲液压挖掘机工作装置设计
摘要
液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机种。
由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。
液压挖掘机主要有发动机、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置和电器控制等部分组成。
本文主要研究其工作装置。
挖掘机的主要工作就是土壤的挖掘。
工作装置是直接完成挖掘任务的装置，许多挖掘机发达的国家广泛采用新技术、新方法来不断地提高液压挖掘机的作业性能和生产率。
正铲装置的各组成部分有各种不同的外形，要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。
然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机正铲装置的基本轮廓。
挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关重要。
挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的分析是关键点。
在挖掘力分析基础上，可对各杆件铰接点进行力的分析计算，并进行机构设计的合理性分析。
关键词：
正铲挖掘机，工作装置，平面连杆机构，运动分析
第二章液压正铲挖掘机工作装置的总体设计
2.1液压正铲挖掘机的基本组成和工作原理
液压正铲挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图2.1所示。
其中上部转台包括动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室；工作装置由动臂、斗杆、铲斗及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成，如图2.2所示。
图2.1液压正铲挖掘机的基本组成
图2.2液压正铲挖掘机工作装置
挖掘作业时，操纵动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸，使斗进行挖掘和装载工作。
铲斗装满后，操纵动臂油缸，使铲斗升高离开挖掘面，在回转马达的驱动下，使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲斗油缸使铲斗转动至合适位置，再回缩开斗油缸转动铲斗，使斗前、斗后分开卸载物料。
卸载后，开斗油缸伸长使斗前、斗后闭合，将工作装置转到挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。
转移工作场地时，操纵行走马达，驱动行走机构完成移动工作[4]。
在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。
上述过程仅为一般的理想过程。
2.2工作装置结构方案的确定
正铲工作装置的构造：
正铲工作装置由动臂、斗杆、铲斗、工作液压缸和连杆机构等组成。
动臂是焊接的箱形结构，由高强度钢板焊成，也有的是铸造的混合结构，和反铲工作装置相比，正铲动臂较短且是单节的。
动臂下端和转台铰接，动臂油缸一般为双缸，在布置上动臂的下铰点高于动臂油缸的下铰点且靠后。
这种布置方案能保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，以满足挖掘和卸载的需要，
同时也保证动臂机构具有必要的提升力矩和闭锁力矩。
斗杆也是焊接箱形结构或铸造混合结构。
斗杆的一端与动臂的上端铰接，斗杆油缸的两端分别与动臂和斗杆的下缘铰接，形成了斗杆机构。
由于正铲常以斗杆挖掘为主，这样的结构布置适合于向前推压，液压缸大腔进油可以发挥较大的挖掘力。
正铲斗铰接在斗杆的端部，铲斗油缸的两端分别与斗杆中部和连杆装置连接，形成转斗机构，一般为六连杆机构。
有时铲斗缸的活塞杆直接和铲斗铰接形成四连杆机构。
挖掘机正铲的铲斗根据结构和卸土方式可分为前卸式和底卸式两大类。
前卸式铲斗卸土时直接靠铲斗油缸使斗翻转，土镶从斗的前方卸出。
这种构造简单，斗体是整体结构，刚度和强度都比较好，并且不需要另设卸土油缸，但是为了能将土卸尽，要求卸土时前壁与水平夹角大于45度,因而要求铲斗的转角加大，结果导致所需的铲斗油缸功率增加，或者造成转斗挖掘力下降或卸土时间延长。
此外，前卸式铲斗还影响有效卸载高度。
底卸式铲斗靠打开斗底卸土。
所示的铲斗是靠专门的油缸起闭斗底。
挖掘时斗底关闭，卸土时斗底打开，土城从底部卸出。
这类结构的卸土性能较好，要求铲斗的转角也小，但必须增设卸土油缸，此外，斗底打开后也影响到有效卸载高度。
这类开斗方式现在已少用，目前挖掘机上采用较多的是另一种底卸式铲斗，铲斗由两半组成，靠上部的铰连接。
卸土油缸装在斗的后壁中。
油缸收缩时通过杠杆系统使斗前壁（顺板向上翘起，将土壤从底部卸出。
用这种方式卸载，卸载高度大，卸载时间较短，装车时铲斗得以更靠近车休并且还可以有控制地打开额板，使土或石块比较缓慢地卸出，因而减少了对车辆的撞击，延长了车辆的使用寿命。
另外这种斗还能用于挑选石块，很受欢迎，但铲斗的重量加大较多，因而在工作装置尺寸、整机稳定性相同的情况下斗容量有所减少，并且由于斗由两部分组成，受力情况较差。
采用底卸式铲斗结构，铲斗的转角可以减小，因而有些挖掘机已取消了铲斗油缸的连杆装置，铲斗油缸直接与斗体相连接，简化了结构，并在一定程度上加大了转斗挖掘力[5]。
当挖掘机挖掘比较松软的对象、或用于装载散粒物料时，正铲斗可以换成装
载斗，在整机重量基本不变的情况下，这种斗的容量可以大大增加，因而提高了生产率。
装载斗一般都是前卸式，不装斗齿，以减小挖掘松散物料时的挖掘阻力。
本设计中我采用图2.3这一结构。
图2.3液压正铲挖掘机结构
图2.4液压正铲挖掘机机构简图
图2.4所示是5m3正铲挖掘机工作装置的示意图，采用直动臂、直斗杆形式，铲斗为前卸式。
动臂和动臂油缸在转台上的铰点分别为C和A，它们的位置以停机
面为X轴，整机回转中心线为Y轴（图b的直角坐标值来表示。
这台挖掘机的主要工作油缸共5只，其中动臂油缸两只，置于动臂的两侧；斗杆油缸一只,置于斗杆的中部；铲斗油缸两只，铰于斗杆中部。
主要工作油缸的主要参数列于表2—1中。
表2.15m3
正铲液压挖掘机主要油缸的主要参数
第三章液压正铲挖掘机工作装置机构运动学分析
3.1动臂运动分析
动臂CF的位置由动臂油缸AB的长度1L决定。
1L和动臂水平倾角1θ之间的关系可用下式表示
（1121752
72
52
1cos2aallllL+--+=θ（2-1）
112572
125271
12cos
aallLll-+⎪⎪⎭
⎫⎝⎛-+=∴-θ（2-2）从上式看出，a11-a2对1θ的影响很大，当动臂和油缸的参数不变时，a11-a2
愈大动臂提升高度愈小。
设动臂油缸全缩时动臂倾角为min1θ；动臂油缸全伸时动臂倾角为max1θ，那么在动臂油缸由全缩到全伸，动臂总的转角为：
min1max11θθϕ-=（2-3）
为了便于运算和比较，仍用无因次比例系数σρλ、、表示，即
min
1max1LL=
λ；5
min1lL=
ρ；5
7ll=
σ（2-4）
代入式（2—2可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值
1122
2
1
min21cos
aa-+⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛-+=-σρσθ（2-5）1122
22
1
max21cos
aa-+⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛-+=-σρλσ
θ（2-6）而动臂总转角为
⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛-+-⎪⎪⎭⎫
⎝
⎛-+=--σρσσρλσ
ϕ21cos21cos
2
2
12
22
1
1（2-7）动臂油缸伸缩时对C点的力臂也在不断变化，由图可知
BCA
llLe∠⋅⋅=sin5711
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-+⋅=
∴572
125571
5712arccos
sinllLllLlle（2-8）显然，当AB⊥AC时1e有最大值，此时5max1le=，而相应的油缸长度1L'为：
1L'=2
527ll-
此时的动臂倾角为
1127
5arccos
aall-+='θ
若用动臂油缸相对力臂（即
max
11ee来表示油缸长为1L时的力臂，则
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-+=572
1252717
max
112arccos
sinllLllLlee（2-9）综上所述，动臂倾角1θ、力臂1e和
max
11ee都是1L的参数。
3.2斗杆运动分析
斗杆FQ的位置由动臂CF和斗杆油缸DE的长度2L所决定。
但是动臂的位置随动臂油缸的伸缩而变化，为了便于分析斗杆油缸对头杆位置的影响，假定动臂不动，那么斗杆铰点F以及斗杆油缸在动臂上的铰点D就可以看作为固定基座。
2L与斗杆、动臂夹角2θ之间的关系为
（342982
92
82
2cos2aallllL-+⨯⨯-+=θ
（2-10）
34982
2
292822arccosaal
lLll+-⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛⋅⋅-+=∴θ（2-11）设斗杆油缸全缩时动臂与头杆的夹角为min2θ，全伸时为max2θ，那么当油缸由全缩到全伸时斗杆总的转角为
min2max22θθϕ-=（2-12）
斗杆油缸的作用力臂2e也是可变值。
DFE
llLe∠⋅⋅=sin9822
2cscsin（9
82
2
29282
982llLllos
arLlle-+⋅=
∴（2-13）
当EF⊥DE时2e有最大值，即92le=，这时相应的油缸长度2
L'为2
9
282llL-='
相应的斗杆转角为
438
92
arccosaall-+='θ（2-14）
用斗杆油缸相对力臂值（即
max
22ee）来表示2L时的力臂，则
2cscsin（9
82
2
29282
8max
22llLllos
arLlee⋅⋅-+=
∴
（2-15）
2.3.3斗齿尖的几种特殊工作位置的计算
上图为正铲挖掘机作业范围图，以下为几种特殊工作位置的分析与计算。
（1）最大挖掘半径（图2.5
这时C、Q、V在同一条水平线上，而且斗杆油缸全伸，即max22θθ=；
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛==max
2max
442
25
1sinarcsinθθlla；283a+=πθ最大挖掘半径为
CXllR++=3max44max（2-16）
最大挖掘半径处的挖掘高度相应为
CRYH=
图2.5最大挖掘半径
（2）最大挖掘高度（图
2.6
图2.6最大挖掘高度
最大挖掘高度为：
（CYlalH++-=326max1max44max2sinθ（2-17）
最大挖掘高度时的挖掘半径
（26max1max442cosalXRCH-⋅+=θ（2-18）
如果最大转斗角度不能保证QV垂直向上，即21max32
5θθπθ--<
，则应根据
实际的max3θ值求相应的挖掘高度，如图左上角所示，此时
（CYlalH+-+++-=πθθθθ2sinsin（max3max2max1326max1max442（2-19）
（3）最大挖掘深度（图2.7
这时动臂油缸全缩，头杆FQ及QV垂直向下，即min11θθ=，min
122θπ
θ-=
，
πθ=3。
最大挖掘深度为
32min11max2sinlllYHC--++θ（2-20）
最大挖掘深度时的挖掘半径为
min111cosθlXRCH=（2-21）
假若min
1max22
θπ
θ-<
，则FQ不可能呈垂直状态，此时必须根据具体情况计
算实际的最大挖掘深度[6]。
图2.7最大挖掘深度
（4）停机平面上的最大挖掘半径（图2.8
这是指斗齿靠在地面上、斗杆全部伸出而斗底平面与停机平面平行的工况。
此时QV线与地面交成ζ角（ζ角是一个重要的铲斗参数，设计中应认真确定，根据这种定义可知
图2.8停机平面上的最大挖掘半径
=2θmax2θ；aa-=261θ，其中
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=max
443sinarcsinllYaCζ（2-22）1max232θθζπθ---=（2-23）
这时停机平面上的最大挖掘半径为
ζcoscos3max44maxlalXRCO++=（2-24）
如果1max232θθζπθ---<，则必须根据具体情况重新进行计算。
第四章工作装置各部分基本尺寸计算确定
现从动臂与转台铰点A出发，借助各相关转角θ1、θ2和θ3，建立各关键点B、C、D„„V的位置模型，得到各关键点的坐标，从而为下一步的分析提供依据。
以地面为横坐标，以回转中心线为纵坐标，建立直角坐标系XOY如图2.4所示。
4.1动臂与平台铰点位置C的确定
对由反铲挖掘机改装的正铲来说，动臂铰座往往就沿用反铲动臂的铰座。
一般，铰座都在转台中心的前方（CX>0，近来大型正铲的铰座却有向后移（靠近回转中心线的趋势。
设计时，CY、CX可用类比法确定或根据经验统计公式初步选取，在此基础上推荐以履带轴距L为基本长度。
履带轴距L
37.2~3.2（qL==3.12~3.66（2-25）
式中：
q为斗容量，3m取L=3.6m
4.2动臂及斗杆长度的确定
同上转斗半径321lll、、也可用类比法确定或根据经验统计公式初步选取，在
此基础上推荐以履带轴距L
为基本长度。
4.3机构转角范围确定
在动臂长度1l、斗杆长度2l、转斗半径3l及动臂油缸与平台铰点C初步确定之后，根据挖掘机工作尺寸的要求利用解析法求各机构转角范围，其中包括动臂机构转角、斗杆机构转角、铲斗机构转角范围[6]。
（1斗杆转角max2θ和min2θ的确定
max2θ可根据最大挖掘半径maxR确定。
最大转角max2θ应当不小于
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡---+≥2
123max2221max
22（arccosllXlRllCθ（2-26
max2θ根据停机平面上最小挖掘半径maxOR确定。
所谓停机平面上的最小挖掘
半径依不同工作情况而异，有的是指铲斗最靠近机体（斗杆油缸全缩、斗齿尖处于停机平面而斗底平行于地面，在这种状态下开始挖掘时的挖掘半径。
图2.9停机平面上的最小挖掘半径
如图2.9所示，这时斗杆和动臂间的夹角为最小（min2θ，铲斗与地面相交成
ζ角（见图2.7，而斗齿尖V到回转中心的距离为minOR。
从几何推导可知
2
22max44（（CQQCXXYYl-+-=（2-27
式中QX、QY——Q点的横坐标和纵坐标，且
Q
X
=ζcos3minlRO-；ζsin3lYQ=（2-28
（23min2
sin32
min44cos（C
OCXlRlYl--+-=∴ζζ（2-29
min2212
2212min44cos2θlllll-+=（2-30
带入式（2-29）整理后得
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡⋅⋅-----+≤213min232221min
22cos（sin（arccosllXlRlYllCOCζζθ（2-31
有些挖掘机不要求铲斗水平铲入，而往往以一定的后角1γ开始挖掘，因而
最小挖掘半径minOR可能比前一种小，加大了停机平面上的挖掘范围。
在这种情况下QV与水平的夹角将增至1γζϕ+=。
根据有的资料介绍，为使铲斗容易切人土壤，开始挖掘时的后角1γ可取为︒45～︒50。
应该注意不论铲斗开始挖掘时的位置如何，必须以不碰撞履带板为原则，因此
∆++⎪⎭⎫⎝⎛+≥ζδ
coscos1
23minlRLRO（mm）（2-32
式中R——驱动轮半径（毫米；
δ——履带行走装置水平投影的对角线与纵轴问的夹角；
∆
——考虑转斗机构连杆装置及余隙在内的间隙，初步设计时可取∆＝
200～400毫米。
（2动臂倾角max1θ和min1θ的确定
动臂最大倾角max1θ根据最大挖掘高度max2H确定。
由图2.5并根据式（2—17和（2—18经过运算得出
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+⎪⎪⎭⎫
⎝⎛--≥max
44max
22max443max2max1sinarcsinarcsinlllYlHCθθ（2-33因此先确定max2θ后，再根据max2H可得max1θ。
动臂最小倾角min1θ。
根据最大挖掘深度max1H确定。
由图2.5和式（2—20得到
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛++-≤1
32max1min1arcsinlllYHCθ（2-34（3）铲斗转角max3θ和min3θ的确定
转斗机构应满足以下要求：
满足工作尺才的要求，即保证所要求的max2H、
max1H、maxR、min
OR等参数能够实现；挖掘过程中能够调整切削后角，保证工作
正常进行，满足挖掘过程结束时的转斗要求及卸载要求。
A.3θ必须满足工作尺寸的要求
为满足挖掘高度要求（图2.5
max2max1max32
5θθπθ--≥
（2-35
为满足最大挖掘半径要求（图2.4
max
44max
2128max3sinarcsin
llaθππθ+=+≥（2-36
为满足停机平面上最小挖掘半径要求（图2.8
212
28max3∠+∠++≥
aπ
θ（2-37
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=min
2min
441
28sinarcsinθlla（2-38⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎭
⎫⎝⎛-=∠min448min
44sinarcsinarcsin1llYl
YYCQ
Cζ（2-39
ζπ
-=
∠2
2
ζπζθθ-+⎪⎪⎭
⎫⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛≥∴min443min
2min441
max
3sinarcsinsinarcsinllYllC（2-40为满足最大挖掘深度要求（图2.6
min3θ≤π
B．3θ必须满足挖掘过程中调整切削后角的要求
挖掘过程中随着铲斗向前运动，斗的切削后角1γ也不断发生改变，为了保证挖掘正常进行，斗底不应与地面发生摩擦，即1γ＞0，为此必须使（图2.10）
2
min31π
≤
a
又
31
29max3aa++=πθ
⎪⎪⎭⎫
⎝⎛=312329sinarcsinalla∴3131
2
3
max3sinarcsinaall+⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+=πθ将式2
31π
ζ≤
+a代入，整理后得到
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+-≤
ζζπθcosarcsin23
23
max3ll
（2-41
图2.10铲斗运动方向与切削后角
C．3θ必须满足卸载要求
由于前卸式铲斗和底卸式铲斗的卸载方法不同，因此对转角的要求也不同。
为使卸斗于净，前卸式铲斗在卸土时要求斗底与水平相交成︒45以上的角（见图2.11a，因此从图2.5及式（2—35得
⎪⎭
⎫⎝⎛+--
--≤
ζππ
θθπθ422
5max2max1min3∴ζθθπθ---≤max2max1min34
7
（2-42
图2.11不同卸载方式对3θ的影响
底卸式铲斗卸土时可假定斗的后壁接近于垂直枚态，斗底按近于水平位置（图2.11b，因此要求
ζπ
θθπθ--
--≤
2
2
5max2max1min3
∴ζθθπθ---≤max2max1min32（2-43
对比（2—42和（2—43可见，从卸土要求来看，底卸式铲斗的转角可比前卸式少︒45左右。
D．3θ必须满足挖掘结束时铲斗后倾的要求
为了使铲斗在挖掘结束时脱离工作面并在提升过程中使斗内物科不致撒落，铲斗必须后倾。
根据装裁机的要求铲斗装满后斗底必须向上倾斜︒≈'40θ～︒45角，显然这时QV连线也必然向上翘起θ'角。
结合图2.7和2.12可知
θζπθ'+-++≥（28max3aa
ζπζθθ-+⎪⎪⎭
⎫⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛≥∴min443min
2min
441
max3sinarcsinsinarcsinllYllC+θ'（2-44
根据以上所得的公式（2—35～（2—44就可以初步确定动臂、斗杆、铲斗的转角范围。
但是求出这些参数后还必须校接所规定的其它工作参数，如最大卸载高度、最大卸载高度时的卸载半径、最大挖掘高度时的挖掘半径等，如不能满足则应加以修正。
图2.12铲斗后倾示意图
但是由于设计说明中已经给出所需要的铲斗转角范围为145°～265°4.4动臂油缸的铰点及行程确定
确定动臂油缸及其铰点位置时首先应满足动臂变幅时力短和转角的要求。
图2.13中设动臂油缸全缩和全伸时的位置为1AB和2AB，则min11LAB=；
max
22LAB=。
再假定铰点B不在动臂中心线CF上，且2aFCB=∠（当B在CF线
下方时2a为“十”，反之为“一”。
那么由几何推导可以求出工作时动臂油缸的起始力臂qe1和终了力臂ce1的值：
（min12117
min1211min
15771sinsin（sinθρ
θθ+-=
+-⋅=
'=aalaaLllleq（2-45
（max12117
max1211max
15771sinsin（sinθλρ
θθ+-=
+-⋅=
''=aalaaLllleo（2-46
式中各参数可见表2—10、2—11及公式（2—57。
如果CF线处于水平线以下则min1θ用负值代入。
图2.13动臂提升机构计算示意图
设起始力臂和终了力臂的比值为K，则
（
（
max12
11min121111sinsinθθλ
+-+-==
aaaaeeKo
q（2-47
或sin（sin（min1211max1211θλ
θ+-=
+-aaK
aa
（2-48）
展开并整理后得到
⎪⎪⎪⎪
⎭
⎫
⎝⎛
--=-max1min1min1max1211
coscossinsinarctanθθλ
θλθK
Kaa（2-49对式（2—48、（2—49可作如下分析：
（1公式表示了λ、K、11a、max1θ、min1θ诸值之间存在着一定的依赖关系。
当其它数值不变，降低11a值则K值下降，因而对上部挖掘有利；当λ、K不变，降低11a值会使max1θ加大而min1θ减小，对挖高有利。
这些都说明正铲的11a值应当比反铲的小。
但是如果工作尺寸已定，过多降低11a值会对下部挖掘不利，甚至在下部挖掘时不
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