挖掘机新型液压回转抓料器的设计与应用

【摘 要】为解决目前国内抓料器产品难以准确定位，偏载时易损坏驱动元件，抱紧时由于液压油缸的泄漏所导致夹爪轻微松开、撒料等生产作业问题，本文设计一种采用小型液压挖掘机的立式液压回转马达作为回转驱动马达，采用回转支承作为减速传动元件，采用液控单向阀作为控制元件，可安装在工程挖掘机、汽车吊、农用挖掘机、农用拖拉机等作业机械上的新型液压回转抓料装置，从而解决因产品设计不足而带来的诸多问题，明显提高作业的安全性及生产效率。

【关键词】挖掘机 液压回转 抓料器 结构 工作原理 特点

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）09C-0191-02

抓料器是一种安装在工程挖掘机、汽车吊、农用挖掘机、农用拖拉机等作业机械上的附属工作装置，它广泛适用于甘蔗、木材、石块、物料的搬运装卸、垃圾抓取及废旧金属处理等特殊作业。在过去的设计中，常采用蜗轮蜗杆减速器或低速大扭矩液压马达驱动抓料爪回转定位，借助液压油缸的作用进行物料的装卸工作，虽然都能够满足作业要求，但存在以下不足：（1）安装空间大，外界物料容易与抓料器驱动元件发生碰撞、损坏元件；（2）减速比小、传递功率小；（3）无法准确定位，需要左右回转来调整抓料爪的角度；（4）蜗杆轴承易损坏，蜗轮易磨损，使用寿命短；（4）当物料堆放不规整时，容易产生偏载，导致在装、卸不规则物料的过程中，由于回转驱动机构受力单边及倾覆力矩的锐变，极易造成驱动元件损坏；（5）机械传动件的制造难度大，不利于实现抓料器的标准化、系列化和通用化。通过对抓料器的作业工况、作业对象、零部件的结构特点以及现有产品存在的不足进行分析，我们设计了一款新型液压回转抓料器。

一、新型液压回转抓料器结构介绍

新型液压回转抓料器的结构如图1所示，新型液压回转抓料器主要由七部分组成，分别是液压油缸部件、夹爪部件、连接座部件、带制动器的液压回转马达部件、回转驱动器部件、液控单向阀元件、中央回转接头部件。

（一）液压油缸部件。该部件采用了两根双作用液压油缸，其左右液压油缸分别通过铰接销与左右夹爪的铰接座连接，考虑到夹紧物料所的抱紧力大于卸料所需的张开力，油缸的大腔向上，小腔向下的结构布置。

（二）夹爪部件。夹爪部件是一个由左右夹爪装置加上一个安装座组成的工作机构，该部件是在液压油缸的作用下实现抱紧和张开的功能。

（三）连接座部件。该部件下端通过螺栓与回转支承部件的外圈连接，上端通过铰接销与挖掘机的斗杆和连杆相连接。

（四）带制动器的液压回转马达部件。该马达采用3.5-4吨的小型液压挖掘机的回转马达，马达通过连接螺栓固定在与回转支承连接的连接座3上，其输出轴上的小齿轮与回转支承的内齿圈啮合，从而驱动内齿圈的转动。本回转马达体积小，输出齿轮齿数少，与回转支承内齿圈啮合可以获得较大的减速比，且通过其自带的制动器可在需要的任何方位制动，从而实现夹爪部件的准确定位。

（五）回转支承部件。回转支承由内外齿圈、滚动体、隔离组成，其外圈通过连接螺栓与连接座3连接，内圈通过连接螺栓與夹爪部件2的安装板连接成一刚体，内圈齿轮的转动带动夹爪部件的360°回转。

（六）液控单向阀。该阀体通过螺纹或安装板连接，安装在油缸小腔进油口处，通过压力油的作用可对液压油缸进行锁闭，以防止物料在装卸过程中，油缸活塞杆缩回，导致夹爪部件张开、物料撒落。

（七）中央回转接头。该元件由外部固定壳体和内部主体组成。通过螺栓、连接板将外部壳体固定在连接座3的底板上。当夹爪部件需要张开或抱紧的时候，通过中央回转接头可将液压油输送给液压油缸，从而在保证夹爪部件动作实现的前提下，延长油缸进出油路胶管寿命。

二、新型液压回转抓料器工作原理

新型液压回转抓料器是借助挖掘机或其他作业机械液压系统的压力油，带动液压马达工作，将液压能转换成机械能，驱动安装在液压马达输出轴上的小齿轮（带有外齿）回转，小齿轮与回转支承内圈（带有内齿）相互啮合，小齿轮的回转带动回转支承内圈回转，回转支承内圈通过螺栓与夹爪部件的安装座相连，从而带动夹爪部件随回转支承内圈回转而旋转，当旋转到需要抓料的角度，挖掘机或其他作业机械停止向液压马达供油，此时，液压马达停止工作，同时马达体内或叠加上去的制动器工作，夹爪准确定位在料堆，此时，操纵挖掘机或其他作业机械的多路阀向液压油缸小腔供油，油缸缩回，夹爪张开抓料，操作操纵阀向液压油缸大腔供油，液压油缸外伸，夹爪闭合、抓料并将物料抱紧。操作主机的工作机构回转，同时液压系统向液压马达供油，抓料器回转，当到达卸料位置时，停止向液压马达供油，马达体内或叠加上去的制动器工作，夹爪准确定位，操作操纵阀向液压油缸小腔供油，油缸缩回，夹爪张开将物料准确的停放在需要位置。

液控单向阀工作原理如图2所示，它是依靠控制流体压力，使单向阀反向流通的阀。这种阀与普通单向阀不同之处在于多了一个控制油路K，当控制油路未接通压力油液时，液控单向阀就像普通单向阀一样工作，压力油只从进油口流向出油口，不能反向流动。当控制油路的油液控制压力输入时，活塞杆在压力油作用下向上移动，同时压力油打开单向阀，使进出油口接通。若该阀的出油口大于进油口就能使油液反向流动。

液控单向阀主要起保压和锁定油缸位置的作用 ，可使夹爪不为其他原因自动张开而引发事故的一种控制元件。根据其控制活塞上腔的卸油方式不同，可分为内泄式和外泄式结构，本案选择内泄式液控单向阀，其工作原理如图2所示，当控制油口K不通压力油时，油液只能从P1流向P2，这时，油缸无杆腔进油，推动活塞杆外伸，夹爪处于抱紧状态；当控制油口K通压力油时，单向阀开启，液压油可从P2流向P1，油缸大腔处于回油状态，活塞杆内收，夹爪处于张开卸料状态。当两腔正向不进油时，反向也不通，不受外界负荷干扰，油缸处于锁止不动的状态，夹爪则处于保持状态。endprint

三、新型液压回转抓料器特点

（一）更换方便、快捷。新型立式液压回转抓料器的上安装座采用挖掘机挖斗耳座的标准结构形式，通过圆柱销即可与挖掘机或其他动力机械的工作装置的斗杆、连杆快速连接。

（二）工艺简单、可靠性高。采用回转支承作为传力机构，克服了传统蜗轮蜗杆传力器不能立式布置、散热效果差、蜗杆轴承易损坏、蜗轮易磨损、制作精度高、间隙调整困难、制动时传动元件受力大，偏载时蜗轮蝸杆易咬死等缺陷，简化了工艺流程，提高了产品可靠性。

（三）寿命长、效率高。利用回转支承作为主要传动元件，不但可以克服机械传动或蜗轮蜗杆传动中由于物料堆放不规则，导致在抓、卸不规整物料的过程中，机构所受轴向力、径向力及倾覆力矩的变化所造成的抓料器元件的损坏，还可以将机构所承受的外力及倾覆力矩中的大部分能量转嫁给回转支承的钢球与滚道，降低了抓料器中构件的力学要求，延长了抓料器中机械传动元件的寿命，提高了生产作业效率。

（四）布置科学、结构紧凑。采用立式布置的液压马达，可以充分利用主机工作装置的构件作为掩体，将液压马达掩藏在其体内，缩小了安装空间，更重要的是避免了外界物料对液压马达的碰撞。

（五）定位准确、作业稳定。利用液压制动，能将物料准确的停放在需要位置，完全消耗掉了装夹物料回转的惯性能量，抓料器转动平稳、吸振性能好，在提高主机科技含量的同时，大大提升了主机作业的稳定性、安全性。

（六）模块化集成。立式液压回转抓料器通过回转支承的高度集成，用户不需要对抓料器的每一个元件进行逐一采购、加工，直接将主机的挖掘斗卸下即可快速安装。

总之，新型液压回转抓料器解决了传统抓料器无法准确定位、传动元件容易损坏、油缸不能锁定、不适合偏载工况等众多生产作业问题。机构夹持刚性好，操作方便，故障率低，在减轻操作者劳动强度的同时，大大提高了生产作业的安全性和作业效率。该产品经实际应用，效果良好。

【参考文献】

[1]王益群，高殿荣.液压工程师技术手册[M].北京：化学工业出版社，2009

[2]国家机械工业局.中华人民共和国机械行业标准：回转支承.JB/T2300-1999[S].北京：机械科学研究所，1999

[3]王玉良.立式液压回转驱动器[P].中国专利：ZL2013 2 0230447.9，2013-11-06

[4]刘桂芝，李小笠，周永良.锥形棒料夹紧装置的设计与应用[J].制造技术与机床，2014（4）

【作者简介】王玉良（1964— ），男，柳州铁道职业技术学院高级工程师，研究方向：机械设计、数控技术应用的理论研究和教学工作。

（责编 卢 雯）endprint