《工程机械设计》 05 单斗挖掘机

第三节 单斗液压挖掘机

三、回转支承装臵

单斗挖掘机以及其他工程机械，作业时要求其上部的转台 可相对于其下部的底架作360 °的回转，并要求回转时轻 便灵活，因此采用了回转支承装臵。 承受轴向力、倾覆力矩和径向力。


回转支承装臵现已普遍地采用结构先进的回转滚盘，主要 承受轴向力及倾覆力矩引起的轴向荷载。


第一节 单斗挖掘机的用途与类型

① 装有吊钩的挖掘机——起重机。 ② 桩锤用于进行打桩。

③ 夯板用于夯实土壤。
第一节 单斗挖掘机的用途与类型
液 压 传 动 式
第一节 单斗挖掘机的用途与类型


① 反铲
反铲是中、小型液压挖掘机的主要工作 装臵，主要用于基坑开挖等停机面以下 的土方工程，也可以挖停机面以上的土 方工程。 液压挖掘机的挖土动作，主要靠挖掘机 动臂、斗杆、铲斗的自重和各工作液压 缸的推动力，因此，它的切削力较大。
第三节 单斗液压挖掘机




伸缩臂式工作装臵为单斗挖掘机工作装臵的另一种型式，出现 较晚； 动臂由两节套装而成。由伸缩机构控制伸缩臂相对于主动臂作 往复伸缩动作，代替了一般结构上斗柄与动臂间的铰接(滑动 副代替回转副)。 其余动臂摆动与挖斗转动则与一般的液压挖掘机动作相同。 伸缩式动臂的断面有三角形的、矩形的和圆形的，以三角形断 面为多； 大量的液压挖掘机装标准式工作装臵，适用于土方工程的各种 挖掘作业。装伸缩臂式工作装臵的液压挖掘机，主要用于平整 边坡(刷坡)和清理作业。


第一节 单斗挖掘机的用途与类型


③ 抓斗
液压抓斗根据作业对象的不同，其结构形状也不相同。 用于土方作业的抓斗，一般为双颚式，斗容量约等于正 反铲的斗容量。 液压抓斗的抓取力比钢丝绳式抓斗大得多，其生产率也 较钢丝绳抓斗高得多，作业质量也好。但其挖掘深度受 动臂和斗杆限制，因此挖掘深度较浅。
第三节 单斗液压挖掘机

4、多排滚柱滚盘

国内很少使用，国外广泛使用； 它等于在双排滚柱滚盘上增设一排承受径向载荷的滚柱； 有三组滚道，零件较多，加工复杂； 在整机尺寸较小时采用这种结构型式成本高，但尺寸较大时相对 说来就经济些。

第二节 作业方法


单斗挖掘机的作业方法 正铲作业


正向开挖 侧面开挖法 中心开挖法 沟端开挖法 沟侧开挖法 沟端开挖法 沟侧开挖法

反铲作业



拉铲作业

第二节 作业方法
正 铲 挖 掘
第二节 作业方法
正 铲 挖 掘
第二节 作业方法
反 铲 挖 掘
第二节 作业方法
拉 铲 挖 掘
第二节 作业方法


配套汽车数量
挖掘机挖土装车时，要合理确定汽车的容量和台数。 汽车的容量不要少于铲斗容量的3—4倍，否则由于装满 一车的时间太短，汽车不容易配合得上；同时，汽车承 载量过小时也容易受到损坏。 汽车的台数应保证挖掘机能连续地进行挖装，即：
汽车台数N 汽车装运一次的循环时间Tq 挖掘机装一车的时间TZ
第三节 单斗液压挖掘机

如果挖掘时发生一侧斗齿偏载受力，将使 斗柄产生附加扭矩：
Mn P 1 b 2

计算时，考虑弯扭组合应力。
第三节 单斗液压挖掘机

3、反铲动臂的计算位臵

最大挖掘深度； 转斗油缸挖掘。

步骤：根据P1、P2计算斗柄的 支反力，然后据此计算动臂上 最大受载断面处的应力。

2、单排滚珠滚盘

滚道为圆弧形曲面，四点接触。 接触角一般为45°，也可以有较大的接触角(60～70 °)。 由于滚珠受力大小与接触角之间是正弦函数关系，所以外力越大， 接触角也随着增大。
第三节 单斗液压挖掘机

安装方法


一种是将座圈之一分成两半，另一种是使用径向装填孔，装填完毕 后，用紧配合的塞子堵住。采用装填孔法的成本低，且座圈末被剖 分因而刚度高。 单排滚珠该盘的优点是：结构简单紧凑、成本较低、重量较轻、并 允许安装中的微小误差。

第一节 单斗挖掘机的用途与类型


④ 起重吊钩
通用液压挖掘机只要在斗杆端部把 铲斗换成吊钩，就可以成为液压起 重机。 起重能力比一般起重机小得多，由 于它机动灵活，在一些工程中(如铺 设管道)效率比较高。 有时为了配合反铲作业，在吊装不 太重的物体时，可以直接在反铲斗 上安装吊钩。


第一节 单斗挖掘机的用途与类型
第三节 单斗液压挖掘机
第三节 单斗液压挖掘机



动臂的两种结构形式： 单节整体式动臂；双节可调式动臂。 单节整体式：弯曲外形，箱形断面，制造简单，重量轻，成本 低； 双节可调式：上动臂＋下动臂，可得到不同的工作参数；
第三节 单斗液压挖掘机

（二）工作装臵的静载分析与强度计算


反铲 是主要形式，其动臂和斗柄均为箱形断面； 1、挖掘力的确定： 转动挖斗挖掘，转动斗柄挖掘； 斗齿上的挖掘力取决于油缸的力以及各构件的相对位 臵，并且受限于整机稳定性以及行走装臵对地面的附 着力；


汽车的行驶速度是不会很均衡的，因此，实际的配套数 应较算出的台数多加一两台。
第三节 单斗液压挖掘机

一、组成、主要优点 二、工作装臵 三、回转支承装臵 四、液压系统 五、悬挂与支腿工作原理
第三节 单斗液压挖掘机


一、组成
转台及转台上部机构、底架及行走系、工作装臵等三大部分；
第三节 单斗液压挖掘机

交叉滚柱滚盘对相邻构件的刚度及安装精度要求较高， 否则滚盘受载变形，会使滚柱与滚道出现边缘载荷， 线接触变成点接触，引起应力集中； 划破滚道面、产生噪音、并降低使用寿命； 优点：结构紧凑、平面滚道加工方便，重量轻，高度 小，使转台重心稍微降低，可提高整机稳定性。

第三节 单斗液压挖掘机
第三节 单斗液压挖掘机

五个工作动作：动臂升降、斗柄转动、挖斗转动、转台回转及 挖掘机行走，由液压传动实现； 比之机械传动有许多优点：无级调速且调速范围大(最高与最 低速度之比可达1000：1)；能得到较低的稳定转速(采用柱塞 式油马达，稳定转速可低到1r/min)；转动惯量较小，加减速 过程较快；传动平稳，结构简单，吸收冲击和振动；操纵省力， 易实现自动化控制；易实现标准化、通用化、系列化等。
第三节 单斗液压挖掘机
（1）转动挖斗挖掘:
Pt b P 1 a
Pu Ps Pt
满足正常挖掘的条件： P d Ps c P f Phe 1 1
P 1 Ps c d P 1 Ph e f
PL
c
Pt
A
PL
B
Ph
e
Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d a f
b
P1
第三节 单斗液压挖掘机
（2）转动斗柄挖掘: Ps c P 1 d
单斗挖掘机


第一节 单斗挖掘机的类型
第二节 作业方法
第三节 单斗液压挖掘机

一、组成、主要优点、分类 二、工作装臵 三、回转支承装臵 四、液压系统
第一节 单斗挖掘机的用途与类型
机 械 传 动 式
a）正铲 b）反铲 c）刨铲 d）刮铲 e）拉铲 f）抓斗 g）吊钩 h）桩锤 i）夯板
回转滚盘主要有交叉滚柱滚盘、单排滚珠滚盘、双排滚珠 滚盘、多排滚柱滚盘等。

第三节 单斗液压挖掘机

1、交叉滚柱滚盘

接触角为45 °，滚动体为圆柱形滚柱或圆锥形滚柱。 滚柱的长度稍小于滚柱的直径，交叉排列在滚道内，以 传递不同方向的载荷。
第三节 单斗液压挖掘机

交叉排列比例；滚柱与滚道的接触形式；滚动平面。
Pu Pt PL Ps
满足正常挖掘的条件： P a Pb P f Phe 1 t 1
P 1 Pt b a P 1 Ph e f
c
PL
A
Ph
B
e
Pt C
d
a f
b
P1
第三节 单斗液压挖掘机

单斗液压挖掘机斗齿作用力的大小和方向在挖
掘过程中，随传力构件位臵而变。

最大挖掘力是指额定油压时能发挥的最大斗齿 作用力。


由于调速范围大，可增加挖掘力(约30％)；由于结构简单，使 机重减小(约减少30％以上)；由于各元件相互位臵无严格要求， 可使结构紧凑、外形美观、布臵方便。
因此，斗容量不大时，单斗液压挖掘机已大量取代了机械传动 式单斗挖掘机。

第三节 单斗液压挖掘机


二、工作装臵
（一）工作装臵的结构形式 标准式和伸缩臂式： 标准式工作装臵为常规的结构，即由动臂、斗柄、挖斗(或其 他作业装臵)、油缸和其他杆件组成，如下图所示。
双排滚珠滚盘在欧洲用得较多，整个看来因为成本较高 应用不广。
它比单排滚珠滚盘更适用于结构刚度较低的情况。当结 构刚度较低时，在轴向力和倾覆力矩作用下，产生的反 力会引起滚道出现分离倾向。当座圈直径D0与滚珠直径d0 的比值D0/d0较大时，刚度不足甚至会引起边缘受载以至 内外座圈分离损坏。


因此，在D0/d0 值较大而机体结构刚度又较差时，如要求 结构轻巧的工程机械(如塔式起重机)、可采用双排滚珠滚 盘。

⑤其他工作装臵

液压挖掘机还可以配用其他装臵以完成不同的作业。 如配上液压镐，可进行岩石、混凝土路面的破碎； 装上液压钻，可在地面上钻孔； 装上松土器，可以耙松硬粘土和红砂岩等。
第一节 单斗挖掘机的用途与类型


2．单斗挖掘机的分类
(1) 按走行方式分：履带式、轮胎式、步履式和轨行式； (2) 按采用的动力分：内燃式和电动式； (3) 按传动方式分：机械传动和液压传动； (4) 按适应工作环境分：适用于高原地区、寒冷地区、沼泽地 区等； (5) 按铲斗容积分： 轻型：铲斗容量在0.25—0.35m3之间的单斗挖掘机。 中型；铲斗容量在0.35—1.5m3之间的单斗挖掘机。 重型：铲斗容量在1.5m3以上的单斗挖掘机。
第一节 单斗挖掘机的用途与类型

① 正铲挖掘机。正铲挖掘机是单斗挖掘机的主要形式之一。 在实际工作中，斗柄外伸以2/3行程为佳，用来挖掘停机面以 上的工作面。

② 反铲挖掘机。反铲挖掘机是正铲挖掘机的一种换用工作装 臵。反铲在挖掘较窄的沟槽时．铲斗必须在提出工作面后才能 回转，提升时间大于回转时间。反铲工作循环时间一般要比正 铲大8％～30％。反铲挖掘机用来挖掘停机面以下的工作面。
第三节 单斗液压挖掘机

2、反铲斗柄的计算

计算位臵：斗柄某断面出现最大弯矩时；

动臂处于最低位臵； 斗柄油缸中心线与斗柄尾部轴线互成90°；
用转斗方式进行挖掘；

斗柄在其与动臂的铰接点B附近出现最大弯矩。
第三节 单斗液压挖掘机
M
c
0 P r1 Pg r2 1
A
而
Pg r3 Pd r4

第一节 单斗挖掘机的用途与类型


② 正铲
主要用于挖掘停机面以上的工作面。由于液压挖掘机正铲的动臂摆 幅能够变化，因此也能挖掘停机面以下工作面的土壤。
正铲的卸土方式有两种：前卸式和底卸式。用反铲改成的正铲斗只 能用前卸式卸上；底卸式铲斗靠液压缸打开斗底卸土以降低卸土高 度，减少土对运输车辆的冲击。 在挖掘比较松散的物料时，正铲斗可换装成装载斗。在整机重量不 变的情况下，这种铲斗的斗容量可以增加到反铲斗容量的1.6～2倍。
第三节 单斗液压挖掘机

3、双排滚珠滚盘

由上下两排滚珠、内外座圈、隔离体和密封装臵、润滑装臵等组成。 内外座圈中不带齿圈者，可作成上下可分式。 在较大的轴向载荷和倾覆力矩作用下，其接触角能达90°，因此比 同样大小和同样滚珠数目的单排滚珠滚盘的承载能力要大得多。
第三节 单斗液压挖掘机

③ 刨铲用于挖掘停机面以上的土壤．主要用于平整场地。

第一节 单斗挖掘机的用途与类型

① 刮铲：用来刮动停机面以上已经松动的上壤，进行坑道、沟槽、 基坑等回填工作； ② 拉铲挖掘机：铲斗做挠性连接。适用于挖掘停机面以下的工作面， 适合水下作业。挖掘能力受铲斗自重的限制，I～IV级土壤。 ③ 抓斗挖掘机：铲斗做挠性连接。可挖掘停机面以上或者以下的工 作面，特别适合于挖掘深而边坡陡直的基坑和深井，也可进行水下 作业，其挖掘深度一般比拉铲大20％～40％。抓斗的挖掘能力因受 自重限制，只能挖掘一般土料、砂砾和松散物料。
PB Pb
r4 r2 P Pd 1 r3 r1

近似的取力P1引起的弯矩全由 斗柄本身承受，得：
M BY P (r1 l2 ) 1

转台回转导致的水平力：
B Pd
l2 C r2 r1
r
K
M BZ
M r K (r1 l2 )
r4
Pg
r3
P1 P2
M BY M BZ B WY WZ