挖掘机工作装置的液压系统设计

戚鹏伟，刘银丁，袁俊杰

（广西大学机械工程学院，广西 南宁530004）

目前，随着最前沿技术和控制方式的不断改进、革新，液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵等操纵方式逐步取代传统的杠杆操纵，大大提高了生产效率，但由于挖掘机的工作环境复杂多变，需要高性能的液压系统，使得挖掘机在极端情况下保持稳定的工作状态，因此，针对已有的液压装置的缺陷，对挖掘机工作装置的液压系统的工作机理进行研究，进行设计改良，完善作业能力，为实现作业操纵的完全自动化创造基础和前提。

1 结构及工作原理

反铲挖掘机工作装置如图1所示，主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。斗杆铰与动臂的一端连接，斗杆油缸控制斗杆和动臂的运动角度。斗杆油缸伸缩带动斗杆绕动臂上铰点运动。铲斗与斗杆一端以铰接方式连接，铲斗油缸伸缩运动时带动铲斗转动[1]。

图1 反铲挖掘机工作装置

2 液压原理图

液压挖掘机的完整工作流程由4个部分组成，即挖掘、挖斗满载举升回转、卸载和卸载返回。在对不同作业过程中各部件的运动，做出改良设计方案，其中液压系统原理图如图2所示。

图2 液压系统原理

针对挖掘机的工作流程，液压系统应完成挖掘，挖斗满载提升回转，卸载和返回工作等4个部分的连续工作[2]。其连续工作顺序表，如表1所示。

表1 挖掘机工作循环动作表

2.1 油缸受力分析

反铲装置工作时，以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗油缸的设计指标，铲斗油缸作用力如图3所示，其中：

式中：l1为铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂长度）；lc为F1max对铲斗与斗杆铰点C的力臂。已知：lc＝1 200 mm，l1=320 mm，Fd=506.25 kN.

图3 铲斗油缸作用力

此时斗杆及动臂油缸处于封闭状态，斗杆油缸封闭力F/g应满足：

式中：l2斗杆油缸闭锁力F/g对斗杆与动臂铰点B的力臂；lB为F1max对斗杆与动臂铰点B的力臂为F2对斗杆与动臂铰点B的力臂；F2为挖掘阻力的法向分力，F2=0.2 × F1max.已知：l2=320 mm，lB=3 500 mm=550 mm，F2=0.2 × F1max=27 kN，则F/g≥1 522.97 kN.

式中：l3为动臂油缸闭锁力铰点A的力臂；lA为F1max对动臂下铰点A的力臂为F2对铰点A的力臂；已知 l3＝ 300 mm，lA=5 800 mm，4 400 mm，3 006 kN.

当挖斗工作时，其最大动力的输出应该由斗杆油缸来保证，其最大力的位置计算范围为动臂下方到最低位置，斗杆油缸作用力对斗杆与动臂铰点有最大力臂，即对斗杆产生最大作用力距，并使斗齿尖和铰点B、C保持在同一直线上，如图4所示。

图4 斗杆油缸作用力

与前面推导斗杆油缸作用力一样，此时斗杆油缸作用力Fg=1 476.56 kN，铲斗油缸闭锁力应满足≥ 506.25 kN.

将可以提升铲斗内装满土壤的工作装置至最大卸载距离位置进行卸载，作为动臂油缸作用力的确定依据，其原理图如图5所示。

此时动臂油缸作用力为：

式中：Gdt为铲斗及其装载土壤重力；Gg为斗杆所受重力；Gb为动臂所受重力；lbA为铲斗质心到动臂下铰点A的水平距离；lgA为斗杆质心到动臂下铰点A的水平距离；lbA动臂质心到动臂下铰点A的水平距离。Gdt=（2× 103+m·g）N，选取Gg=4.3× 103N，Gb=5.14 × 103N，lbA=5.8 m，lgA=4.8 m，lbA=1.2 m，l3=0.3 m.其中铲斗的重力为1.5×103N，求得Fb=363×103N.

图5 动臂油缸作用力

2.2 液压系统油缸尺寸的设计选择

液压设备的类型很大程度上决定了油缸工作压力用途不一的液压设备，其工况不同，油缸工作压力各异，本文初选系统工作压力为25 MPa[3].

挖掘机液压缸均为单活塞杠液压缸，由受力平衡得：

式中：p1为液压缸工作压力，计算时可取系统工作压力p1＝pp=25 MPa；p2为液压缸回油腔背压，可取p2＝2 MPa；d/D为活塞缸直径与液压缸内径之比，按表2取d/D=0.7；F为工作循环中最大的负载，此处F＝Fd=506.25 kN；ηcm为液压缸机械效率，一般取ηcm＝0.9.

表2 工作压力d/D

根据机械设计手册，在此液压系统中，3.2≤ D/δ≤16，故缸筒壁厚应用中等壁厚计算公式，此时：

式中：Ψ为强度系数，对无缝钢管Ψ=1；C为圆整壁厚数；Py为试验压力，一般取最大工作压力的1.25～1.5倍；D为缸筒内径；[σ]为缸筒材料许用应力，无缝钢[σ]=100～110 MPa.经计算，各缸的工作参数如下：

铲斗缸：缸内径D＝170 mm，活塞缸径d=120 mm，行程L=1 350 m；

式中：MF为地面附着力矩，N·m；m为整机质量；μ地面附着系数，平板履带板取μ＝0.25，带筋履带板取μ ＝ 0.50.则：MF=12 225 N·m，MB=0.8MF=9 780 N·m，MO=6 112.5 N·m

设经过四级减速，传动比i总=3×3×2×1=18，则马达所受最大力MT=MO/i=339.58 N·m，理论排量q=MO/（ηmPm）=15.1 mL/h，据此选择转液压马达型号为25（YCY）14-1B，0～ 1.7 km/h和 0～ 3.4 km/h为液压挖掘机两种不同的行驶速度，选择液压马达的为 40（YCY）14-1B.

斗杆缸：缸内径D＝300 mm，活塞缸径d=210 mm，行程L=1 755 mm；

动臂缸：缸内径D=145 mm，活塞缸径d=100 mm，行程L=1 655 mm.

2.3 马达的选型

当回转机构仅靠液压制动时，启动力矩MO小于制动力矩MB，取C=MO/MB=1.6.地面附着条件可用附着力矩MF表示，液压制动时取MB=0.5～0.7 MF.履带式液压挖掘机地面附着力矩的计算采取下面的简化公式：

3 液压装置特点

本次挖掘机液压系统设计采用分散式配置，这种装置的结构紧凑性，节省占地面积。

液压阀集成块的存在对于液压系统的正常工作和管路空间的整合具有很大的意义，液压阀集成块可以统一管理阀口，减少管路长度，提高管路整体稳定性[4]。本文所设计的液压阀集成块的特点有：

（1）每个集成块3个阀，个数适中，工艺简便。

（2）集成块内油路清晰，深孔、斜孔较少，阀块中的孔径与相应通过流量匹配良好。

（3）阀块进出油口的方向和位置与系统的总体布置及管道连接形式匹配，安装快速简单。

（4）在设计过程中，将调节次数较多的阀放在合适的位置，对于需要经常检修的阀布置阀块上方，维护操作方便。

（5）具有足够数量的测压点，以供阀块使用。

4 结束语

本文对挖掘机的工作装置进行研究，分析其动作机理，进行计算设计，改善了液压系统的工作稳定性和应用范围，使得挖掘机结构更加紧凑，有利于减少管路数目，便于集中管理，为实现作业操纵的完全自动化提供了参考依据。