超长臂设计中的问题及解决方法

孙志聪

（厦门厦工机械股份有限公司挖掘机研究所，厦门 361023）



超长臂设计中的问题及解决方法

孙志聪

（厦门厦工机械股份有限公司挖掘机研究所，厦门 361023）

摘 要：通过阐述超长臂设计中遇到的问题，探讨设计层面的解决方法，以期对缩短研发周期，开发、改装不同长度的超长臂提供指导。

关键词：超长臂 稳定性 速度

前言

超长臂挖掘机的特点是工作装置比标准机型的超长臂要长，是标准挖掘机的变种机型，具有超大作业范围，轻载挖掘等特点。它主要应用于深坑挖掘，河道清淤，坡面作业等，以完成普通机型无法完成的大范围、深坑作业。

1 设计准则

超长臂机型是基于标准臂机型开发的。开发超长臂时，通常会遇到以下几种问题。

1.1 作业稳定性方面

由于作业范围比标准机型增加许多，所以给机器的作业稳定性带来问题。设计时，一般采取以下办法。

（1）减小铲斗的挖掘力，使斗杆和铲斗结构应力减小，从而降低结构件的重量。可采用比标准铲斗油缸缸径小的油缸。目前，各厂家多采购12-15吨位的铲斗油缸。

（2）减小斗容量，斗容量可采用12-15吨位的铲斗。减轻动臂、斗杆和铲斗结构件的重量，使之与动臂油缸的举升力和举升时的稳定性相适应。

（3）增加配重重量。由于作业范围比标准机型增加许多，且工作装置的重量也增加许多，整机挖掘时往往会出现失稳现象。这时，应重点考虑作业的稳定性，使作业时稳定能力不低于原标准型。因为要考虑臂伸长后转动惯量增大，若稳定系数低，提升时会引起机器失稳和振动。

由于液压挖掘机的工作装置呈悬臂状，因此工作时在其自重和外载荷作用下，会对底部履带边缘产生很大的倾覆力矩。这个力矩完全靠机身自重和配重所产生的力矩来平衡，从而使其挖掘机能在各工况下能够稳定地工作。

稳定性系数K为稳定力矩（M1）与倾翻力矩（M2）的比值，表示挖掘机在某工况下不致倾覆的安全程度。计算稳定性时，工作装置自重和土石方自重起倾覆作用，但工作装置自重存在运动的惯性力要乘以动载荷系数K1=1.1。由于存在抖动，土石方自重要乘以抖动系数K2=1.25。图1为稳定性计算示意图。

稳定性计算如下：

倾翻力矩：

式（1）中，GZ为主机重，不含工作装置及配重重量（N）；LZ为主机重心到倾翻点（支重轮）的距离（m）；GW为配重重（N）；LW为配重重心到倾翻点（支重轮）的距离（m）。

式（2）中：Gi为油缸、动臂、斗杆、铲斗、摇臂、连杆的重（N）；Li为油缸、动臂、斗杆、铲斗、摇臂、连杆的重心到倾翻点（支重轮）的距离（m）；Gn为斗中土石方重（N）；Ln为土石方重心到倾翻点（支重轮）的距离（m）。

图1 稳定性计算示意图

1.2 动臂斗杆主要铰点的设计

图2 动臂斗杆主要铰点示意图

通常，超长臂的动臂油缸、斗杆油缸采用原标准机型上的油缸。所以，动臂上AB点（如图2）可沿用原标准动臂的尺寸。

斗杆上ED点（如图2）关系到整机运输状态时的高度、斗杆挖掘力的大小及最大挖掘半径。由于超长斗杆的长度本身比标准斗杆要长，所以其挖掘力要比小标准斗杆多。在与铲斗配合挖掘下，斗杆发挥的挖掘作用并不太明显。设计ED点时，应着重考虑整机运输状态时的高度、最大挖掘半径、斗杆与动臂干涉及铲斗与驾驶室的干涉问题。

在上述稳定性设计中提到铲斗的挖掘力及斗容采用12-15吨位。因此，斗杆FH、HG点，摇臂GI点，连杆IJ点及铲斗HJ点（如图2）也可采用该吨位的尺寸。

1.3 动臂下降速度及斗杆收回速度太快问题

超长臂由于臂要比标准机器配置的臂长，重量重，其线速度快。根据公式：v=wr。其中，w为角速度，r为动臂或斗杆的长度。r越大，则ν线性速度越大。所以，超长动臂在下降、超长斗杆在收回时，速度会比标准机型快，且对整机的稳定性冲击影响大，不利于机器土方作业，特别是平整作业。因此，在液压的动臂下降及斗杆收回管路设计中加装可调的单向节流阀，用以调节动臂下降速度及斗杆收回速度，改善其对整机稳定性的冲击。通过实际操作验证作业半径15～19m的机器，其动臂下降到地面速度设定在4～6s，斗杆收回速度设定在5～7s。在这种速度下，机器在做平整作业最理想。

2 结论

总之，在设计超长臂时要注意：一是铲斗挖掘力及斗容要小；二是配重要增加；三是在动臂下降、斗杆收回的液压管路上，要加上可调的单向节流阀，使整机在作业时更加平稳。

参考文献

[1]林幕义，史青录.单斗液压挖掘机构造与设计[M].北京：冶金工业出版社，2011.

[2]同济大学.单斗液压挖掘机[M].北京：中国建筑工业出版社，1986.

[3]刘本学.液压挖掘机反铲工作装置的有限元分析[D].西安：

长安大学，2003.

Ultra-long-arm Design Problems and Solutions

SUN Zhicong
(Xiamen Engineering Machinery Co. excavator Ins titute, Xiamen 361023)

Abstract:The problems encountered in the design of ultralong-arm, describes its resolve in the des ign method. To shorten the development cycle, development, modification of different lengths ultra long arm instructive.

Key words:super long arm, stability, speed