挖掘机的结构与工作原理

挖掘机的结构与工作原理

液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成。液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。

液压挖掘机一般由工作装置、回转装置和行走装置三大部分组成（图1）。根据其构造和用途可以区分为：履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型。

工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。为了适应各种不同施工作业的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具（图2）。

回转与行走装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置和传动系统。发动机是液压挖掘机的动力源，大多采用柴油要在方便的场地，也可改用电动机。

液压传动系统通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执行元件，推动工作装置动作，从而完成各种作业。以工地使用较多的PV-200型液压挖掘机为例。该机采用改进型的开式中心负荷传感系统（OLSS）。该系统用控制斜盘式变量柱塞泵斜盘角度（输出流量）的方法，减少了发动机的功率输出，从而减少燃油消耗，是一种节能型系统（见图3）。

这种液压系统的特点是：定转矩控制，能维持液压泵驱动转矩不变，载断控制，可以减少作业时间的卸荷损失；油量控制，可减少空挡和微调控制时液压泵的输出流量，减少功率损失。

图一

图二

图三

机械手臂液压控制

从土壤切削，整机稳定性及液压系统与液压元件的工作原理分析液压挖掘机工作原理

一土壤切削

1．挖掘阻力

挖掘阻力是指铲斗在挖掘过程中所遇到的土壤阻力，通常近似的认为它作用在斗尖上，并可依照挖掘轨迹的切线方向分解切向阻力Pt和法向阻力Pn 。目前的粗略算法为：

Pt＝σbc Pn＝ψPt

式中：σ为挖掘比阻力，由试验确定；b为斗宽；c为切削厚度；ψ为系数，由试验确定。

2．挖掘功

当不计土壤的松散系数和铲斗的装满系数时，为了在一定的挖掘行程中能装满铲斗，应有

q＝bcL

式中：L为挖掘行程；q为斗容量；c为切削厚度。

所以

Pt＝σ×b×c＝σ q／L

即挖掘功：Pt L＝σq

在挖掘过程中，Pn不做功，只有Pt做功，简称为挖掘功。当挖掘对象的土壤等级和铲斗容量以确定时，就可由上式来确定挖掘功PtL。

3. 液压缸所做的功

根据能量守恒定律，当不计损失时，液压缸在其行程上所做的功应等于挖掘功。

即F△l≥PtL＝σ×q

式中：F为液压缸的最大推力；△l为液压缸的行程。

上式是选择液压缸缸径的主要以据，对于反﹑正铲工作装置上式都是适用的。

4. 应用情况

若土壤等级和铲斗容量都相同，则液压缸所做的功也应相同。但在选择液压缸的缸径和行程上，各公司都具有自己的特点，见表1——2。

液压缸推力大小为

F＝Pa

式中：p为工作压力；A为液压缸面积。

表1——2 缸径与行程比较表

液压缸面积A大，推力F也大工作装置受力恶劣，焊接遇到的问题也增多。若液压缸面积A小，行程△l大，则液压缸刚度就差，易弯曲。因此，在设计时要综合考虑各种因素。

根据实践经验，挖掘机铲斗最小挖掘力值与铲斗宽度有关，每米斗宽最小需10吨以上的力，铲斗才能插入土中完成挖掘作业。

铲斗挖掘力与斗杆挖掘力和整机重量有关，而铲斗挖掘力与斗杆挖掘力也有一定的比例关系：

Fb／W＝0.53～0.65 Fa／Fb＝0.73～0.85

式中：Fa为斗杆挖掘力；Fb为铲斗挖掘力；W为整机重量。

二反铲工作装置的传动计算

1. 反铲斗与液压缸的连接方式见图1--2

⑴图1——2（a）所示，铲斗缸直接绞接于铲斗上，由铲斗，斗杆及铲斗缸组成四连杆机构，一般铲斗转角较小，工作力矩变化较大，一般不采用。

图1——2 反铲斗与液压缸的连接方式

⑵图1—2（b）转角小，挖掘力大，工作力矩变化较小，多数中小机型采用此方式。日本机型中摇杆1是直的，在欧洲机型上如利勃海尔和小型挖掘机上多用弯曲的。

⑶图1—2（c）铲斗转角超前一个角度，同时也具有（b）方式的优点。在利勃海尔早年机型上多有采用。

⑷图1—2（d）在油缸行程相同时，此方式转角更大，但挖掘力小，而力矩变化较大，目前较少采用。

2. 反铲挖掘力的计算

图1——3为反铲挖掘力计算简图。下面分别计算斗杆缸理论挖掘力和铲斗缸理论挖掘力（破碎力）：

斗杆缸理论挖掘力Fa可用下式计算

图1——3 反铲挖掘力的计算简图

Fa＝Fsa／b

式中：Fa为斗杆缸理论挖掘力；Fs为斗杆缸推力；a、b为力臂值。

铲斗缸理论挖掘力（破碎力）为

Fb＝Fl ce／d r

式中：Fb为铲斗缸理论挖掘力；Fl为铲斗缸推力；c﹑e﹑d﹑r为力臂值。

说明：如果各力臂值未知时，则可在挖掘机上进行如图1——3所示的位置的实测或用比例作图法求出。

反铲装置采用斗杆缸（或铲斗缸）进行挖掘，所得的理论挖掘力不考虑下列因素：a.工作装置自重和土重；b.液压系统和连杆机构的效率；c.工作液压缸背压。

3．反铲斗容量的计算

反铲斗容量的计算简图如1—4所示。其计算公式分别为：

1，按SAE标准的斗容量V1（安息角1／

1）

V1＝F(b1＋b2)／2＋Ab12／4－b13／12

2，按CECE标准的斗容量V2（安息角2／1）

V2＝F(b1＋b2)／2＋Ab12／8－b13／24

式中：A为斗开口长度；b1为前面内宽度；b2为斗底处宽度；F为铲斗横截面积。

三挖掘机的稳定性

1．适用范围

本计算适用于带有相应装备的，使用于挖掘机作业范围内的液压挖掘机。本计算不适用于进行起重作业的液压挖掘机。

2．稳定性验证的条件

液压挖掘机的稳定性（防止倾覆的安全性）是通过计算加以验证的。这种验证适用于挖掘机放置在水平停机面上。

3．稳定性的计算

在计算稳定性时要使用下列计算力值代替实际的重力值，即

K1E＝1.10E k2N＝1.25N

式中：E为当挖掘机处在最大作业半径时，超出在倾覆线之外的该机作业装置的另部件的重力；N为有效载荷（土，石方）的重力；K1为工作装置自重系数；K2为有效载荷系数。

现以图1—5反铲挖掘机为例，也适用于正铲挖掘机。同时，适用于履带式及轮胎式挖掘机。

稳定性＝稳定力矩／倾覆力矩＝(Gr··S－1.10El)／1.25Nn≥1