挖掘机松土斗的研究及应用

2015-07-16张志洋刘金玉崔暮春

建筑机械化 2015年6期

关键词：挖掘机

张杰，张志洋，刘金玉，崔暮春

（徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏徐州 221004）

挖掘机松土斗的研究及应用

张杰，张志洋，刘金玉，崔暮春

（徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏徐州 221004）

[摘要]挖掘机松土斗是铲斗和松土器有效结合在一起的产物，本文以47t挖掘机松土斗为研究对象，对工作装置进行建模，在相同作业工况下对松土器、松土斗和铲斗不同挖掘阶段进行挖掘力对比分析，为松土斗的进一步研究和升级提供了理论依据。

[关键词]挖掘机；松土斗；不同挖掘阶段；挖掘力

挖掘机松土斗是铲斗和松土器有效结合在一起的产物，目前主要有卡特彼勒、沃尔沃、日立等国外挖掘机厂家配备，且主要用在国外市场，国内厂家及国内市场还很少见。松土斗3个斗齿按一定顺序依次接触物料，有利于下土，满足松土效果的同时兼有挖掘装载功能，且松土和挖掘工作能一次性完成，工作效率得到极大的提高，完全可以避免在硬土、次坚石、风化石、矿场、煤场等场地需分别配有松土器和铲斗的两台挖掘机同时工作的情况，为客户节约了成本，尤其是管道铺设所需的窄沟，是松土器和铲斗都不能完成的工作，故松土斗备受客户青睐，具有广阔的市场前景。

图1为松土斗在沟槽工况下的作业环境，该工况一般岩石较多，如果用松土器和铲斗结合完成此工况，不但需要两台挖掘机同时工作，而且还存在窝工的现象，加上松土器本身效率较低，因此，松土斗具备松土挖掘的优势得以体现，图2为配备松土斗的徐工挖掘机展松土斗实物图。

1 挖掘力分析

1.1 松土斗模型建立

图1 沟槽工况作业图

图2 松土斗实物图

图3 松土斗模型示意图

基于液压挖掘机的松土斗模型如图3所示，松土斗三个齿不在同一平面上，三齿成α角度依次排列，整个松土挖掘过程中，三齿是依次入土，如图4所示，工作过程依次是一齿松土、两齿松土挖掘和三齿挖掘。

图4 松土斗挖掘过程示意图

1.2 工作装置模型的建立

在各铰点加载旋转约束，油缸加载直线约束，在研究松土斗挖掘力时，对动臂油缸和斗杆油缸进行固定，为便于研究，假定同种机型对应的松土器、松土斗、铲斗的挖掘半径均为l9，如图5所示工作装置简化模型。

图5 工作装置简化模型

依据图5 所示三角形的几何关系得

式中 l4，l5，l6，l7，l8，l9——给定参数；

L——油缸的伸缩长度；

S1—— 油缸HG对N点的作用力臂（N点到HG的垂直距离）；

S2—— 连杆HK对N点的作用力臂（N点到HK的垂直距离）；

S3—— 连杆HK对Q点的作用力臂（Q点到HK的垂直距离）。

1.3 挖掘力分析

液压挖掘机铲斗挖掘力主要由铲斗油缸、摇杆连杆等所组成的传动机构两部分所决定的，整机挖掘过程中，通常是铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸复合作用进行工作的，本文仅研究松土器、松土斗和铲斗结构对比和受力分析，故只考虑铲斗油缸作用。

油缸推力

式中 d——油缸缸杆直径（mm）；

P——油缸液压压力（MPa）。

铲斗挖掘力

将（6）、（7）、（8）、（9）带入（10）得

以47t挖掘机配松土器、松土斗、铲斗为例，相关参数见表1。

表1 47t液压挖掘机相关参数

为便于对比和分析，假设松土器、松土斗、铲斗挖掘松土半径一致（均为l9），忽略偏载、扭力等次要因素。

1.3.1 松土器挖掘力

松土器只有一个斗齿，其整个过程的挖掘力一直作用在该斗齿上，将表1中的参数带入式（11）得到图6所示的松土器斗齿在松土器油缸长度最短到最长过程的挖掘力曲线图。

图6 松土器齿尖随油缸伸缩挖掘力曲线图

1.3.2 松土斗挖掘力

松土斗有3个齿，且不在同一平面，斗齿挖掘力分3个阶段。

第一阶段：松土斗转动角度β（0≤β＜α），单齿触地，主要起松土作用，挖掘力曲线同松土器挖掘力曲线（定义单齿触地瞬间β=0）。

第二阶段：松土斗转动角度β（α≤β＜2α），两齿触地，起松土挖掘作用，每个齿挖掘力为该阶段总的挖掘力的一半。

第三阶段：松土斗转动角度β（β≥2α），三齿触地，效果同铲斗，起挖掘装载作用，每个齿挖掘力为该阶段总的挖掘力的1/3。

各阶段每个斗齿挖掘力为

式（12）为松土斗转动角度β不同阶段每个斗齿挖掘力大小，将表1中的参数带入式（12）得到图7所示的松土斗单个斗齿在松土斗油缸长度最短到最长过程的挖掘力曲线图。

图7 松土斗齿尖随油缸伸缩挖掘力曲线图

1.3.3 铲斗挖掘力

铲斗通常有5个齿，且5个齿在同一平面上，整个挖掘过程，5齿同时受力，每齿挖掘力为铲斗总挖掘力的1/5，则每个斗齿挖掘力为

将表1中的参数带入式（13）得到图8所示的铲斗单个斗齿在铲斗油缸长度最短到最长过程的挖掘力曲线图。

图8 铲斗齿尖随油缸伸缩挖掘力曲线图

1.3.4 三种斗齿挖掘力

如图9所示，第一阶段松土斗单齿挖掘力较大主要起到松土的作用，便于利土，为后面挖掘奠定了基础，第二阶段两齿受力，挖掘力降低了一半，但由于第一阶段已松物料，故此阶段物料硬度及阻力降低，第三阶段，三齿受力，单齿挖掘力为该阶段总挖掘力的1/3，但第一、第二阶段已经松土和挖掘的基础上，物料阻力大大减低，便于挖掘装载。