正铲液压挖掘机工作装置设计摘要液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机种。

由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。

液压挖掘机主要有发动机、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置和电器控制等部分组成。

本文主要研究其工作装置。

挖掘机的主要工作就是土壤的挖掘。

工作装置是直接完成挖掘任务的装置，许多挖掘机发达的国家广泛采用新技术、新方法来不断地提高液压挖掘机的作业性能和生产率。

正铲装置的各组成部分有各种不同的外形，要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。

然后，在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算，确定各机构尺寸参数，确定挖掘机正铲装置的基本轮廓。

挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘机性能参数的重要性能指标，对其分析计算至关重要。

挖掘阻力主要与挖掘对象及自身尺寸参数有关，而挖掘力则受众多条件限制，危险工况的分析是关键点。

在挖掘力分析基础上，可对各杆件铰接点进行力的分析计算，并进行机构设计的合理性分析。

关键词：正铲挖掘机，工作装置，平面连杆机构，运动分析第二章液压正铲挖掘机工作装置的总体设计2.1 液压正铲挖掘机的基本组成和工作原理液压正铲挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图 2.1 所示。

其中上部转台包括动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室；工作装置由动臂、斗杆、铲斗及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成，如图 2.2 所示。

图 2.1 液压正铲挖掘机的基本组成图 2.2 液压正铲挖掘机工作装置挖掘作业时，操纵动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸，使斗进行挖掘和装载工作。

铲斗装满后，操纵动臂油缸，使铲斗升高离开挖掘面，在回转马达的驱动下，使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲斗油缸使铲斗转动至合适位置，再回缩开斗油缸转动铲斗，使斗前、斗后分开卸载物料。

卸载后，开斗油缸伸长使斗前、斗后闭合，将工作装置转到挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。

转移工作场地时，操纵行走马达，驱动行走机构完成移动工作[4]。

在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。

上述过程仅为一般的理想过程。

2.2 工作装置结构方案的确定正铲工作装置的构造：正铲工作装置由动臂、斗杆、铲斗、工作液压缸和连杆机构等组成。

动臂是焊接的箱形结构，由高强度钢板焊成，也有的是铸造的混合结构，和反铲工作装置相比，正铲动臂较短且是单节的。

动臂下端和转台铰接，动臂油缸一般为双缸，在布置上动臂的下铰点高于动臂油缸的下铰点且靠后。

这种布置方案能保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，以满足挖掘和卸载的需要，同时也保证动臂机构具有必要的提升力矩和闭锁力矩。

斗杆也是焊接箱形结构或铸造混合结构。

斗杆的一端与动臂的上端铰接，斗杆油缸的两端分别与动臂和斗杆的下缘铰接，形成了斗杆机构。

由于正铲常以斗杆挖掘为主，这样的结构布置适合于向前推压，液压缸大腔进油可以发挥较大的挖掘力。

正铲斗铰接在斗杆的端部，铲斗油缸的两端分别与斗杆中部和连杆装置连接，形成转斗机构，一般为六连杆机构。

有时铲斗缸的活塞杆直接和铲斗铰接形成四连杆机构。

挖掘机正铲的铲斗根据结构和卸土方式可分为前卸式和底卸式两大类。

前卸式铲斗卸土时直接靠铲斗油缸使斗翻转，土镶从斗的前方卸出。

这种构造简单，斗体是整体结构，刚度和强度都比较好，并且不需要另设卸土油缸，但是为了能将土卸尽，要求卸土时前壁与水平夹角大于45度,因而要求铲斗的转角加大，结果导致所需的铲斗油缸功率增加，或者造成转斗挖掘力下降或卸土时间延长。

此外，前卸式铲斗还影响有效卸载高度。

底卸式铲斗靠打开斗底卸土。

所示的铲斗是靠专门的油缸起闭斗底。

挖掘时斗底关闭，卸土时斗底打开，土城从底部卸出。

这类结构的卸土性能较好，要求铲斗的转角也小，但必须增设卸土油缸，此外，斗底打开后也影响到有效卸载高度。

这类开斗方式现在已少用，目前挖掘机上采用较多的是另一种底卸式铲斗，铲斗由两半组成，靠上部的铰连接。

卸土油缸装在斗的后壁中。

油缸收缩时通过杠杆系统使斗前壁(顺板)向上翘起，将土壤从底部卸出。

用这种方式卸载，卸载高度大，卸载时间较短，装车时铲斗得以更靠近车休并且还可以有控制地打开额板，使土或石块比较缓慢地卸出，因而减少了对车辆的撞击，延长了车辆的使用寿命。

另外这种斗还能用于挑选石块，很受欢迎，但铲斗的重量加大较多，因而在工作装置尺寸、整机稳定性相同的情况下斗容量有所减少，并且由于斗由两部分组成，受力情况较差。

采用底卸式铲斗结构，铲斗的转角可以减小，因而有些挖掘机已取消了铲斗油缸的连杆装置，铲斗油缸直接与斗体相连接，简化了结构，并在一定程度上加大了转斗挖掘力[5]。

当挖掘机挖掘比较松软的对象、或用于装载散粒物料时，正铲斗可以换成装载斗，在整机重量基本不变的情况下，这种斗的容量可以大大增加，因而提高了生产率。

装载斗一般都是前卸式，不装斗齿，以减小挖掘松散物料时的挖掘阻力。

本设计中我采用图2.3这一结构。

图 2.3 液压正铲挖掘机结构图 2.4 液压正铲挖掘机机构简图图2.4所示是5 m3正铲挖掘机工作装置的示意图，采用直动臂、直斗杆形式，铲斗为前卸式。

动臂和动臂油缸在转台上的铰点分别为C 和A ，它们的位置以停机面为X 轴，整机回转中心线为Y 轴(图b)的直角坐标值来表示。

这台挖掘机的主要工作油缸共5只，其中动臂油缸两只，置于动臂的两侧；斗杆油缸一只,置于斗杆的中部；铲斗油缸两只，铰于斗杆中部。

主要工作油缸的主要参数列于表2—1中。

表 2.1 5m 3正铲液压挖掘机主要油缸的主要参数第三章 液压正铲挖掘机工作装置机构运动学分析3.1动臂运动分析动臂CF 的位置由动臂油缸AB 的长度1L 决定。

1L 和动臂水平倾角1θ之间的关系可用下式表示()112175272521cos 2a a l l l l L +--+=θ （2-1）11257212527112cos a a l l L l l -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=∴-θ （2-2） 从上式看出，a 11-a 2对1θ的影响很大，当动臂和油缸的参数不变时，a 11-a 2愈大动臂提升高度愈小。

设动臂油缸全缩时动臂倾角为min 1θ；动臂油缸全伸时动臂倾角为max 1θ，那么在动臂油缸由全缩到全伸，动臂总的转角为：min 1max 11θθϕ-= （2-3）为了便于运算和比较，仍用无因次比例系数σρλ、、表示，即min 1max 1L L =λ；5min 1l L =ρ；57l l =σ （2-4） 代入式(2—2)可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值112221min 21cos a a -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=-σρσθ （2-5） 1122221max 21cos a a -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=-σρλσθ （2-6） 而动臂总转角为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=--σρσσρλσϕ21cos 21cos 22122211 （2-7） 动臂油缸伸缩时对C 点的力臂也在不断变化，由图可知BCA l l L e ∠⋅⋅=sin 5711⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⋅=∴5721255715712arccos sin l l L l l L l l e （2-8） 显然，当AB ⊥AC 时1e 有最大值，此时5max 1l e =，而相应的油缸长度1L '为：1L '=2527l l -此时的动臂倾角为11275arccos a a l l -+='θ 若用动臂油缸相对力臂（即)m ax 11e e 来表示油缸长为1L 时的力臂，则⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=5721252717max 112arccos sin l l L l l L l e e （2-9） 综上所述，动臂倾角1θ、力臂1e 和max 11e e 都是1L 的参数。

3.2斗杆运动分析斗杆FQ 的位置由动臂CF 和斗杆油缸DE 的长度2L 所决定。

但是动臂的位置随动臂油缸的伸缩而变化，为了便于分析斗杆油缸对头杆位置的影响，假定动臂不动，那么斗杆铰点F 以及斗杆油缸在动臂上的铰点D 就可以看作为固定基座。

2L 与斗杆、动臂夹角2θ之间的关系为()34298292822cos 2a a l l l l L -+⨯⨯-+=θ （2-10）349822292822arccos a a l l L l l +-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅-+=∴θ （2-11）设斗杆油缸全缩时动臂与头杆的夹角为min 2θ，全伸时为max 2θ，那么当油缸由全缩到全伸时斗杆总的转角为min 2max 22θθϕ-= （2-12）斗杆油缸的作用力臂2e 也是可变值。

DFE l l L e ∠⋅⋅=sin 9822)2csc sin(982229282982l l L l l os ar L l l e -+⋅=∴ （2-13） 当EF ⊥DE 时2e 有最大值，即92l e =，这时相应的油缸长度2L '为29282l l L -='相应的斗杆转角为43892arccos a a l l -+='θ（2-14） 用斗杆油缸相对力臂值（即max22e e ）来表示2L 时的力臂，则)2csc sin(9822292828max 22l l L l l os ar L l e e ⋅⋅-+=∴（2-15）2.3.3斗齿尖的几种特殊工作位置的计算上图为正铲挖掘机作业范围图，以下为几种特殊工作位置的分析与计算。

（1）最大挖掘半径(图2.5)这时C 、Q 、V 在同一条水平线上，而且斗杆油缸全伸，即max 22θθ=；⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==max 2max 442251sin arcsin θθl l a ；283a +=πθ 最大挖掘半径为C X l l R ++=3max 44max （2-16）最大挖掘半径处的挖掘高度相应为CR Y H =图 2.5 最大挖掘半径（2）最大挖掘高度(图2.6)图 2.6 最大挖掘高度最大挖掘高度为：()C Y l a l H ++-=326max 1max 44max 2sin θ （2-17）最大挖掘高度时的挖掘半径()26max 1max 442cos a l X R C H -⋅+=θ （2-18）如果最大转斗角度不能保证QV 垂直向上，即21max 325θθπθ--<，则应根据实际的max 3θ值求相应的挖掘高度，如图左上角所示，此时()C Y l a l H +-+++-=πθθθθ2sin )sin(max 3max 2max 1326max 1max 442 （2-19）（3）最大挖掘深度(图2.7)这时动臂油缸全缩，头杆FQ 及QV 垂直向下，即min 11θθ=，min 122θπθ-=，πθ=3。