全回转步履式液压挖掘机的总体设计.docx

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全回转步履式液压挖掘机的总体设计

设计・计算　全回转步履式液压挖掘机的总体设计

西北建筑工程学院　王进

摘要:

　提出了步履式液压挖掘机总体设计的基本要求,主要参数的选择与确定方法,给出了整机主要参数的选择流程框图。

关键词:

　全回转　步履式液压挖掘机　总体设计

　　全回转步履式液压挖掘机（以下简称步挖机为斗容量小于0.6m3的小型挖掘机,与一般挖掘机的区别在于下车没有行走和转向机构,采用4个支脚支承整机,依靠工作装置和回转机构的联动实现机械的前进、后退和转向。

它主要由工作装置、平台、回转机构、下车、动力装置和液压系统等组成。

其主要特点是结构简单,质量轻,故障少,性能良好,成本只有同等级履带式挖掘机的50%~60%,便于制造和维护;缺点是行走和转向速度慢。

步挖机在结构形式和参数选择时应考虑以下要求:

（1整机具有较高的稳定性,在全域内（360°挖掘性能良好;

（2步履行走性好,即步挖机能开进没有道路的施工现场;

（3支脚调整简便、迅速、适应性强,安全可靠;

（4小型步挖机长距离转场移动时,能自行上、下运输车辆;

（5为了防止支脚沉陷和挖掘时的水平移动,支承爪上部为水平板,下部为放射状的爪;

（6能在靠近建筑物的边角和狭小场地上挖掘作业。

1　主要参数的选择

主要参数的选择与整机的结构形式和工作要求有关,其中最重要的参数有斗容量、机重和功率（g、G、N。

斗容量主要依据工作条件和适用范围选择。

发动机功率则取决于各机构的力、力矩和工作速度。

选择发动机的功率时,既要满足步挖机作业过程中的动力要求,还要使发动机的功率得到充分利用。

机重通常作为主设计参数和系列等级的分级标志,设计时,以机重为指标,可利用经验公式确定其它总体参数。

常用的经验公式为:

尺寸参数:

Li=KLi3G　（m

质量参数:

Gi=KGiG　（t

功率参数:

Ni=KNiG　（kW

式中:

G—整机质量,t;

　KLi、KGi、KNi—分别是尺寸、质量和功

　　　　　　　　　率系数。

根据步挖机的作业性能、速度和生产率的要求,可初步确定液压系统的流量Q:

Q=max

π

4d

2V

max,2πnmaxq

thgh　m3/s

式中:

d—油缸直径,m;

　Vmax—工作油缸最大移动速度,m/s;

　nmax—回转马达最大转速,r/s;

　q--马达排量,m3/r。

步挖机无行走机构,铲斗挖掘时所克服的最

大阻力（考虑复合动作和动臂油缸提升、步挖机

自行上下运输车辆时所需功率为整机所需最大

功率,由此可初步确定液压系统所需功率为:

　　Ny=PQ

η

t

（W

式中:

P—工作油缸克服最大阻力所需的压

　　　力,Pa;

　Q—泵的输出流量,m3/s;

　ηt—泵的总效率,一般取ηt=0.87~0.9。

液压功率确定后就可确定发动机功率:

N发=（0.8~1.1Ny（W

对于功率较小的发动机,功率储备系数较

小,为防止过载熄火,功率系数可取大些。

2　工作装置参数的确定

—

2

—

步挖机采用反铲工作装置,作业对象为Ⅲ级以下土壤,以铲斗挖掘为主。

工作装置除完成挖掘作业外,还要完成步履行走和配合回转机构实现整机转弯,因此,工作装置的参数选择有其特殊性。

动臂与斗杆的长度直接影响挖掘性能和

步履性能,斗杆过长,会使步履行走时整机波动过大,既削弱了整机的爬坡能力,也给操纵者带来了安全方面的心理压力;斗杆过短,将使步距太小,影响整机的就位和步履速度。

综合考虑推荐动臂与斗杆长度的比值K1取1.6~2比较合适;控制步履过程中波动角度在10°~20°的范围内,在保证步距的前提下,波动角愈小愈好。

动臂机构的设计应保证铲斗和斗杆挖掘时

具有良好的闭锁能力,动臂油缸回缩时,能使整机后部抬起,此时整机处于失稳状态,以满足步

挖机自行上下运输车辆。

因此,在工作范围内要

求有一定失稳区。

失稳区太大,减小了主动力发

挥区域,限制了挖掘力的发挥,挖掘性能下降;太小对步挖机上下运输不利。

建议动臂工作失稳区取1/4~1/3的包络图宽度（见图1

。

图1　反铲挖掘工作范围包络图

铲斗机构多采用六连杆机构,铲斗在挖掘过程中的转角大致为90°~110°。

为了满足开挖和最大卸载及运输状态的要求,铲斗的总转角取170°~180°,铲斗的仰角取20°~30°。

铲斗挖掘过程中,因切削土壤厚度变化和挖掘土壤断面形状不同,其阻力变化也各不相同。

在非挖掘区,铲斗机构除满足充斗要求外,当铲斗达最大转角时还应满足铲斗自重及斗中土重及动载影响,动载系数可取2~2.5。

这样铲斗在整个转角范围内的计算载荷曲线见图2

:

图2　铲斗挖掘断面与挖掘阻力曲线铲斗挖掘力的变化与铲斗挖掘阻力变化相适应,当铲斗以10°~20°仰角开挖时,最大挖掘力应出现在25°~35°处,此时挖掘阻力也达到最大,铲斗油缸的作用力P3应满足:

P3=l3r2

r1r3W1max　（kN

式中:

W1max—

最大挖掘阻力,kN;　r1、r2、r3—铲斗处于φmax位置时连杆机　　　　　　　构的力臂值,m。

根据动臂、斗杆、铲斗的长度l1、l2、和l3及其相应的转角θ1、θ2、和θ3的极限角度,可分别计算出反铲主要作业尺寸:

最大挖掘半径（m:

A=X0+[l12+（l1+l22

+2l1（l1+l3

　　　・cos（180°-θ2max]最大挖掘深度（m:

B=Y0-l1sinθ1min-l2-l3

最大挖掘高度（m:

C=Y0+l1sinθ1max+l2sin（θ1max+θ2max　　+l3sin[θ1max+θ3max-（180°-θ3max]最大卸载高度（m:

D=Y0+l1sinθ1max+l2sin（θ1max+θ2max-l3

式中:

X0、Y0—动臂下铰点的坐标,m。

所选择的工作装置尺寸、挖掘力和工作油缸

作用力矩等参数,必须与整机其它参数相互协

调,满足工作尺寸和工作性能的要求,保证步挖机在主要挖掘区（见图1内挖掘时,挖掘力充分发挥,不能受稳定、油缸闭锁和地面附着的限制。

3　下车结构参数的确定下车由底架、4个支脚和支脚座组成。

每个支脚由液压缸操纵,前面2个支脚装一对支承爪,后面2支脚装一对行走轮。

为了满足步挖机的作业、上下汽车和通过性的要求,4个支脚应

在纵向、横向和垂直三个方向调整其长度和支承位置（见图3

。

图3　步挖机的支脚调节

4个支脚的长度和在水平面内的调节尺寸

主要影响步挖机在横向和纵向的稳定性以及行走时的通过性（通过某一最窄的路段,同时考虑步挖机对横向与纵向稳定性要求接近,因此,

a1、a2、

b1和b2之间的比值一般取:

a2a1=2~2.5;

b2

b1=2~2.5;b1a1=1.1~1.3;b2

a2

=1.1~1.3;为适应作业场地大小和作业条件多变,前支脚由可伸缩的两节组成,其长度可进行3~4级的调节,伸缩比λ=Lmax/Lmin=1.8~1.9。

后支脚长度约为前支脚回缩状态下的长度,每个支脚座上有2~4个定位销孔,这样前、后支脚在水平面内从最小到最大位置可进行2~3档的有级调节,以适应各作业条件要求的整机稳定性。

4个支脚在垂直方向的运动由4个油缸控

制,可无级调节。

支脚上下调节尺寸除满足步挖机在凹凸不平和斜坡上作业时能调平上车外,还要满足上、下运输车辆的高度要求。

前支脚向下

调节角度应与最大长度相互协调。

前支脚向下

调节角度过大,造成支脚油缸力臂太小,油缸受力过大,对油缸闭锁不利。

后支脚向上调节尺寸使行走轮下边缘高于底座下部10~25cm,向下调节尺寸见图3。

图中h1=23~3

4

h3。

4　液压系统形式的确定根据步挖机的工作特性,多数情况下需要两个动作同时进行,作业对象和工作条件多变,而且作业速度可根据外载荷的大小调节。

因此,液压系统采用双泵双回路,常按4~4分组,即每4个元件构成一个独立回路,通常按图4所示方式分组较为合理

。

图5　步挖机总体设计框图

该方案有利于挖掘时铲斗与斗杆,提升载荷时动臂与回转以及步履行走时动臂与斗杆等复合动作的实现,适合步挖机的工作要求。

步挖机在挖掘作业和上下运输车辆时,4个支脚受力较

大,为避免软脚,在4个支脚油缸大腔的回路上应设置单向液压锁,以保证整机的稳定和安全。

根据步挖机的用途和工作要求,可利用计算

机进行多种方案的比较,从而较快地得到理想的设计结果。

图5为步挖机总体设计框图。

作者地址:

（710061陕西省西安市南郊小寨

4

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