液压挖掘机工作装置

1 P = ⋅ ∑ M F (G2 , G3 , W1 , W2 ) e2
' g
作内力图：内力有 ， 、 作内力图：内力有N，Mx、Qx
二、动臂的计算
计算位置I 计算位置 动臂最低 F、Q、V共线且铅锤 侧齿遇障碍作用有横向力Wk 计算位置II 计算位置 动臂位于动臂液压缸对铰点C有最大作用力臂rBmax处 斗杆液压缸作用力臂最大 铲斗位于发挥最大挖掘力位置。 正常挖掘，无侧向力
横向挖掘力Wk由回转机构制动器承受：
Wk =
MT r
取铲斗为研究对象，对Q点取矩可求出RkM 取铲斗为研究对象，根据力平衡方程或图解法求出RQ。
取摇杆MN为研究对象，根据力平衡方程或图 解法求出RN。
' 侧向力引起的弯矩： M Q = Wk ⋅ r7 ± W2 ⋅
b 2
扭矩：
M kp = W1 ⋅
动臂液压缸作用力和各液压缸闭锁力的确定
一、动臂液压缸作用力
动臂液压缸应保证在任何位置上都能提起带有满载铲斗的工作 装置到达最高和最远的位置
计算位置
1.从最大挖掘深处提起满载斗 2.最大挖掘半径时举起满载斗 3.最大卸载高度时提动满载斗 在各位置所需的动臂液压缸作用力：
P1 = (∑ Gi ri + Gi rt ) / e1
挖掘力的计算方法
一、工作液压缸的理论挖掘力
液压缸理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力 斗齿切向挖掘力称为 液压缸外伸时由该液压缸理论推力 液压缸理论推力 斗齿切向挖掘力 工作液压缸的理论挖掘力。 铲斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力：
r1 × r3 PoD = P3 × = P3 × i r2 × l3
称为传动比 铲斗液压缸的理论推力
RCx )h 2
轴向力： 轴向力：
RCx N =( ± T ) cos θ + Wk sin θ 2
工作装置结构件的安全系数
动臂部分 主要载荷 主要+附加载荷 主要 附加载荷 1.8~2 1.5~1.8 斗杆、 斗杆、铲斗摇杆 2.5~3 2~2.5 铲斗、 铲斗、转斗连杆 3~4 2.5~3.5
' 3
计算位置III： 动臂处于最低，F、Q、V三点共线 垂直，铲斗挖掘深度最大时，要求 它能克服平均挖掘阻力
闭锁压力与工作压力之间的比值： 闭锁压力与工作压力之间的比值： 高压系统不超过1.25，中高压在 高压系统不超过 ， 1.25以上 以上
工作装置的载荷分析和强度计算
内容：工况及计算位置的选择， 内容：工况及计算位置的选择，载荷的分析和计算简图
单斗液压挖掘机反铲工作装置设计计算
工作装置 动臂、斗杆、铲斗 上部转台 动力装置、传动机构、回转机构、辅助设备、 驾驶室 轮台式行走机构 行走装置 履带式行走机构：行走架、四轮一带、张紧装置
挖掘机作业流程： 挖掘机作业流程：
(1)整机移动至合适工作位置 (2)平台回转，使工作装置处于挖掘位置 (3)动臂下降，并调整斗杆铲斗、至合适位置； (4)斗杆、铲斗挖掘作业； (5)动臂升起； (6)回转工作装置至卸载位置； (7)操纵斗杆、铲斗卸载。
斗杆液压缸大腔闭锁力
如果 W03 ≤ W02 则斗杆液压缸可锁住，否则斗杆液压缸将被压缩
对倾翻支点I取矩 对倾翻支点 取矩，则整机稳定条件所允许的最大挖掘阻力： 取矩
W06 =
源自文库
1 (GG rIG + G S rIS ) rIw
机体重量
附着条件所限制的挖掘阻力值W04 ：
工作装置总重
W04 =
Gµ cos α 38
P2' = G3 ⋅ r5 − G2 ⋅ r6 + W1 ⋅ r7 + W2 ⋅ r8 e2
对C点取矩，得动臂液压缸所受的被动作用力：
P1' = G3 ⋅ r10 + G2 ⋅ r11 + G1 ⋅ r13 − W1 ⋅ r18 − W2 ⋅ r14 e1
计算位置I 计算位置
计算位置II 动臂处于最低，斗杆绞点F， 铲斗绞点Q及斗尖V三点共线， 斗杆缸进行挖掘，其作用力 臂最大时。 对F点取矩，得挖掘力：
工作装置作用的载荷：各部件重量 、 、 ，斗齿力W 工作装置作用的载荷：各部件重量G1、G2、G3，斗齿力 1、W2、Wk 液压缸工作状态：铲斗缸工作，斗杆缸和动臂缸被动闭锁。 液压缸工作状态：铲斗缸工作，斗杆缸和动臂缸被动闭锁。
斗齿力的计算： 斗齿力的计算：
∑ MQ = 0
W1 W2
∑ MC = 0
斗杆液压缸的理论挖掘力
PoG
r5 = P2 × r6
二、整机的理论挖掘力
液压挖掘机处于某一工况下工作液压 缸的主动挖掘力能否实现主要取决于 下列条件： 下列条件： 1.工作液压缸的闭锁能力； 2.整机的工作稳定性； 3.整机与地面的附着性能； 4.土壤的阻力； 5.工作装置的结构强度。
求整机挖掘力假设条件
取工作装置为隔离体，对C点取矩：
1 ' W2 = ( PB ⋅ e1 + ∑ M C (G1 , G2 , G3 ) − W1 ⋅ r18 ) r18
动臂液压缸闭锁力
取斗杆和铲斗隔离体，对F点取矩：
Pg1 =
1 [W1 (l FQ + r 7) + G3 ⋅ r4 + G2 ⋅ rg ] lb
斗杆液压缸作用力
b 2
作内力图：内力有 ，斗杆平面内、外弯矩M 剪力Q 作内力图：内力有N，斗杆平面内、外弯矩 x、My，剪力 x、Qy，扭矩 Mkp 危险截面：铰点所在断面、外形突变处、 危险截面：铰点所在断面、外形突变处、内力较大的断面
计算位置II： 计算位置 ： 动臂位于动臂液压缸对铰点C有最大作用力臂rBmax处 斗杆液压缸作用力臂最大 F、Q、V共线，或铲斗位于发挥最大挖掘力位置。 正常挖掘，无侧向力
∑MF = 0
Pg'
斗杆铰点F的支反力：取铲斗和斗杆为隔离体，图解求 斗杆铰点 的支反力：取铲斗和斗杆为隔离体，图解求RF 的支反力 动臂铰点C的支反力：取动臂为隔离体， 及自重G 动臂铰点 的支反力：取动臂为隔离体，在RF、Pg’、PB’及自重 1的 的支反力 作用下图解求得。 作用下图解求得。 作内力图
为统一缸径和保证液压缸的闭锁能力，经常采用双动臂液压缸 为统一缸径和保证液压缸的闭锁能力，
二、斗杆
斗杆结构型式 整体式动臂：可通过更换斗杆或设置2~4个铰接孔来改变长度 组合式动臂：不常用 斗杆液压缸的布置
三、铲斗与铲斗液压缸的连接方式
直接连接方式：铲斗、斗杆与组成四连杆机构 六连杆方式：铲斗液压缸通过摇杆1与连杆2与铲斗相连 六连杆方式二：活塞杆端接于摇杆两端之间
（有更大的铲斗转角，但其平均挖掘力较小）
得到较大的 铲斗转角， 铲斗转角， 改善机构的 传动特性
四、整机作业范围
1.斗齿尖的坐标方程
斗齿尖的坐标值是三组液压缸长度L1、L2、L3的函数 。
2.特殊工作尺寸 最大挖掘深度 当下置式动臂液压缸全缩或悬挂式动臂液压缸全
伸，FQV三点共线并处于垂直状态时有最大挖深。
一、动臂
动臂的结构型式 整体式动臂： 结构简单、价廉，重量轻，但挖掘曲线单一。 组合式动臂： 工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化
进行调整；较合理地满足各类型作业装置的 参数和结构要求；装车运输比较方便。
动臂液压缸的布置
动臂液压缸装于动臂的下前方
动臂液压缸装于动臂的上方或后方，称为“悬挂式液压缸”
整体式弯动臂强度计算按曲梁验算： 整体式弯动臂强度计算按曲梁验算：
N M 1 y σ = + (1 + ⋅ ) F Fr k y+r
1 k=− F
∫
y dF y+r
支座C的反力 分解 支座 的反力Rc分解， 的反力 分解， 横向力Wk引起动臂的弯矩和扭 横向力Wk引起动臂的弯矩和扭 矩可用支座反力T、 代替 代替： 矩可用支座反力 、Q代替：
' 1x i =1
6
动臂液压缸小腔闭锁力
W01 =
1 rCW
( P e + ∑ Gi rCi )
' 1x 1 i =1
6
如果 W03 ≤ W01 则动臂液压缸可锁住，否则动臂液压缸将被拉长 对F点取矩：
W02 =
1 rFW
× ( P2' D e2 + G 2 rF 2 + G3 rF 3 + G5 rF 5 + G6 rF 6 )
P2 ⋅ e2 − ∑ M F (G2 , G3 ) W1 = r7 + lFQ
W2 = 0.2W1
对C点取矩，得动臂液压缸闭锁力：
G3 ⋅ r10 + G2 ⋅ r11 + G1 ⋅ r13 − W1 ⋅ r18 − W2 ⋅ r14 P = e1
' 1
对Q点取矩，得铲斗液压缸闭锁力：
W1 G3 ⋅ r5 ⋅ r2 P = − i r3 ⋅ r1
一、斗杆的计算
斗杆强度主要为弯矩所控制斗杆危 险断面最大应力发生在铲斗挖掘 计算位置I 计算位置 动臂最低 斗杆液压缸作用力臂最大 F、Q、V共线 侧齿遇障碍作用有横向力Wk 工作装置的作用力有： 工作装置的作用力有： 各部分的重量、作用于斗齿上的挖掘阻力
对Q点取矩
铲斗液压缸推力
W1 =
r ⋅r 1 ( Pd ⋅ 1 3 − G3 ⋅ r5 ) r7 r2
对Q点取矩
铲斗液压缸推力
r1 ⋅ r3 1 W1 = ( Pd ⋅ − G3 ⋅ r5 ) r7 r2
取工作装置为隔离体，对C点取矩：
W2 =
1 ' ( PB ⋅ e1 + ∑ M C (G1 , G2 , G3 ) − W1 ⋅ r18 ) r18
动臂液压缸闭锁力
当铲斗位于蓝线位置时，W2还受斗杆液压缸闭锁力的限制，取斗杆 和铲斗为对象，对F点取矩：
最大卸载高度 当下置式动臂液压缸全伸或悬挂式动臂液压缸全
缩，斗杆液压缸全缩，QV连线处于垂直状态时有 最大卸载高度。
最大挖掘半径 斗杆液压缸全缩，铲斗液压缸全缩，CV水平时有
最大挖掘半径。
停机面最大挖掘半径 当斗杆液压缸、铲斗液压缸处于最大半径
状态而铲斗斗齿尖V靠在停机面上时得到 停机平面最大挖掘半径。
M ZA T= a M Q = KC a
支座C处的横向弯矩 支座 处的横向弯矩
支座C处的扭矩 支座 处的扭矩
距动臂支座X的截面 的内力 距动臂支座 的截面Nx的内力： 的截面 的内力：
垂直平面的弯矩： 垂直平面的弯矩：
RCZ MN = ( ± Q) x 2
横向弯矩： 横向弯矩：
M NZ = Wk x m (T ±
工作装置自重 主要载荷： 正常作业时挖掘阻力（ 、 主要载荷： 正常作业时挖掘阻力（W1、W2） ） 回转惯性力 由于边齿挖掘而产生的偏心力矩 附加载荷： 附加载荷： 偶然出现的横向阻力W 偶然出现的横向阻力 k
Po 3 = PoD +
G3 rQ 3 + G6 rQ 6 l3
在挖掘阻力的作用下， 斗杆液压缸受压，动臂 液压缸受拉，这一阻力 还产生使整机绕I点逆时 针方向倾翻的力矩，并 使整机有沿着向前滑移 的趋势。
假设动臂液压缸不被拉长的条件所限制的挖掘力为W01，对C点取矩：
P × e1 + ∑ Gi rCi = W01 × rCW
i =1
6
斗内土重
二、液压缸的闭锁力
计算位置I： 动臂处于最低，斗杆呈垂直状态，铲斗挖掘，且 作用力臂最大时。
对Q点取矩得：
铲斗液压缸挖掘力：
P3 ⋅ r1 ⋅ r3 G3 ⋅ r5 W1 = − r2 ⋅ l3 l3
假设法向力：
W2 = 0.2W1
'
对F点取矩，得斗杆液压缸所受的被动作用力 P2 ：
考虑整机自重，有相对运动的构件重量分别计算 ； 在挖掘过程中斗中土的重心与铲斗重心一致； 不考虑液压系统和连杆机构的效率； 不考虑液压缸小腔背压； 不考虑土壤阻力和工作装置结构强度的限制； 不考虑其他因素如停机面坡度、风力、惯性力、动载等的影响。
例：当考虑自重后，铲斗液压缸产生的挖掘力P03 ，挖掘阻力W03 铲斗加土和连杆自重对Q点的力矩