液压挖掘机反铲工作装置的优化分析

液压挖掘机反铲工作装置的优化分析

缪宇鹏

江苏船山矿业股份有限公司 江苏镇江 212113

摘要：液压挖掘机是重要的工程机械，应用范围广泛，设计要求较高。掘机的主要工作就是挖掘土壤，其挖掘任务由工作装置来完成，挖掘机一般在户外工作，因此经常面临复杂的工作环境，这就对其液压系统的设计提出了更高的要求。本文就挖掘机工作装置的液压系统设计展开探讨。

关键词：挖掘机；工作装置；液压系统

目前，随着最前沿技术和控制方式的不断改进、革新，液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵等操纵方式逐步取代传统的杠杆操纵，大大提高了生产效率，但由于挖掘机的工作环境复杂多变，需要高性能的液压系统，使得挖掘机在极端情况下保持稳定的工作状态，因此，针对已有的液压装置的缺陷，对挖掘机工作装置的液压系统的工作机理进行研究，进行设计改良，完善作业能力，为实现作业操纵的完全自动化创造基础和前提。

1、典型挖掘机液压系统的基本动作分析

(1)挖掘。通常情况是铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘，或者二者配合进行挖掘，在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作，必要时配以动臂动作。(2)满斗举升回转。挖掘结束后，动臂缸将动臂顶起、满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。动臂举升和回转同时动作时，二者要求在速度上匹配，要求回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动举升到正确的卸载高度。由于卸载所需要回转角度不同，随挖掘机相对自卸车的位置而变，因此动臂举升速度和回转速度相对关系应该是可调整的，若卸载回转角度大，应该要求回转速度快些，而动臂举升速度慢些。(3)卸载。回转至卸土位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合作用，兼以动臂动作。(4)空斗返回。卸载结束后，转台反向回转，同时动臂缸和斗杆缸相互配合动作，把空斗放到新的挖掘点，此时工况是回转、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用，压力低、泵的流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况通常是一个泵全部流量供回转，另一泵大部分油供动臂，少部分油经节流供应斗杆。

2、液压挖掘机液压系统的设计

2.1动力性要求

动力性要求指的是在发动机不发生过载现象的基础上尽量充分发挥发动机的功率作用，以此来提升挖掘机的生产效率。液压挖掘机的外负载变化较大，这就对挖掘机发动机和液压系统的匹配性提出了较高的要求，如果外负载较小，则应当提升油泵的输出流量以此来提升挖掘机相关元件的运动速度，从而提升生产效率，在液压系统设计的过程中，可以采用合流设计方式来提升挖掘机发动机的功率利用率。

2.2操纵性要求

（1）调速性要求。现代挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高，如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现调速操纵控制，对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠，成为挖掘机液压系统设计十分重要的一方面。挖掘机在工作过程中阻力变化较大，各种不同的作业工况要求功率变化大，因此要求对各个执行元件的调速性要好。（2）复合操纵性要求。挖掘机在作业动作复杂多样，这些动作由各个执行元件的相互配合来实现复杂的复合动作，因此如何实现多执行元件的复合动作也是挖掘机液压系统操纵性要求的一方面。当多执行元件共同动作时，要求能够合理分配各个执行元件的流量，要求其相互间不干涉，实现理想的复合动作。尤其对行走机构来说，左、右行走马达的复合动作问题，即直线行驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。如果挖掘机在行走过程中由于液压泵的油分流供应，导致一侧行走马达速度降低，形成挖掘机意外跑偏，很容易发生事故。另外，当多执行元件同时动作时，各个操纵阀都在大开度下工作，往往会出现系统总流量需求超过油泵的最大供油流量，这样高压执行元件就会因压力油优先供给低压执行元件而出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，如何协调多执行元件复合动作时的流量供应问题也是挖掘机液压系统设计中需要考虑的。

2.3节能性要求

挖掘机工作时间较长，如何实现节能对于保证挖掘机的工作效率有着重要的作用，在进行液压系统的设计过程中，应当积极采用各种节能措施。在进行挖掘机相关执行元件的速度条件控制的过程中，液压系统需要的流量比油泵输出流量大，会导致流量损耗，因此在进行液压系统的设计过程中，要求尽量减小此部分流量的损耗。

3、设计任务

3.1 绘制挖掘机工作机构的运动简图，确定机构的自由度， 对其驱动油缸在几种工况下的运动绘制运动线图；

3.2 根据所提供的工作参数，对挖掘机工作机构进行尺度 综合，确定工作机构各个杆件的长度；

3.3、用软件（VB、MATLAB、ADAMS 或 SOLIDWORKS 等均可） 对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和 加速度线图。

3.4 编写设计计算说明书，其中应包括设计思路、计算及 运动模型建立过程以及效果分析等。

3.5 在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方 案的可行性。

4、单斗液压挖掘机结构简图及简单分析

4.1 动臂与动臂油缸的布置 动臂油缸一般布置在动臂的前下方，下端与回转平台铰接，支承点设在转台回转中心之前并稍高于转台平面，这样的布置 有利于反铲的挖掘深度。油自由式活塞杆端部与动臂的铰点设 在动臂箱体的中间，这样虽然削弱了动臂的结构强度，但不影 响以、动臂的下降幅度。并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧 各装一只，这样的双臂在结构上起到加强盘作用，以弥补前面 的不足。

4.2 铲斗与铲斗油缸的连接方式 本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机 构的传动特性。该布置 1 杆与 2 杆的铰接位置虽然使铲斗的转 角减少但保证能得到足够的铲斗平均挖掘力。

5、最大挖掘深度、停机面最大挖掘半径、最大卸载高度、最大挖掘高度的计

5.1 最大挖掘深度 挖掘机处于最深挖掘位置处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。此位置出现在动臂油缸全缩，即动臂位 置最低处，此时斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及 铲斗齿尖在同一直线上且垂直于挖掘面，如图 2.2-2 所示。该 位置处，铲斗中物料较多，土壤阻力较大，大臂、斗杆与铲斗 的受力都很大，同时该位置也是用于只算斗杆与铲斗的危险情况的典型受力位置。因而，此位置也是整个动力学分析中较为 重要的一个状态。

5.2 最大挖掘半径 挖掘机处于停机面最大挖掘半径处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘，在挖掘机的设计规范中，最大挖 掘半径是评价挖掘能力的主要标准之一，它决定挖掘机的挖掘 范围。该位置出现在斗杆油缸全缩，铲斗齿尖、斗杆与铲斗铰接点及斗杆与斗杆油缸铰接点这三点处于同一直线上，且大臂 油缸缩进使铲斗处于地面上，如图 5.2-1 所示。在该位置处， 在挖掘的过程中也将受到很大的土壤阻力。最大挖掘半径时的工况是水平面最大挖掘半径工况下 C、V 连线绕 C 点转到水平面而成的。通过两者的几何关系，我们可 计算得到： 最大挖掘高度当动臂油缸全伸，斗杆油缸全缩以及铲斗油 缸全缩时斗齿尖距离基准地面的距离。

6、结语

综上所述，液压挖掘机在各个建设领域中都有着重要的应用，挖掘机中的工作装置是其重要组成部分，而挖掘机的液压系统也有着重要的作用。本文简要研究了液压挖掘机的工作装置设计，分析了液压系统的相关设计要求，旨在为液压挖掘机工作装置与液压系统设计的完善提供参考。

参考文献

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[2]陈建，周鑫，刘欣，等.液压挖掘机动臂结构优化设计[J].工程机械，2018（7）

[3]李建仁．挖掘机工作装置液压系统分析［J］．兰州:兰州理工大学，2015.