第二章挖掘装置运动学及动力学分析2.1 挖掘装置的结构及工作特点挖掘装载机反铲工作装置的结构，其基本型式见图 2-1 所示。
图2-1反铲结构简图工作特点：反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，其挖掘轨迹决定于各液压缸的运动及其相互配合的情况。
当采用动臂液压缸工作进行挖掘时(斗杆、铲斗液压缸不工作可以得到最大的挖掘半径和最大的挖掘行程，此时铲斗的挖掘轨迹系以动臂下铰点 C 为中心，斗齿尖 V 至 C 的距离|CV|为半径而作的圆弧线，其极限挖掘高度和挖掘深度(不是最大挖掘深度，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角(动臂对水平线的夹角，也即决定于动臂液压缸的行程由于这种挖掘方式时间长，并且稳定条件限制了挖掘力的发挥，实际工作中基本上不采用。
当仅以斗杆液压缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹系以动臂与斗杆的铰点 F 为中心，斗齿尖 V 至 F 的距离|FV|为半径所作的圆弧线，同样，弧线的长度与包角决定于斗杆液压缸的行程。
当动臂位于最大下倾角时，可以得到最大挖掘深度，并且有较大的挖掘行程，在较硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗，故中小型挖掘机构在实际工作中常以斗杆挖掘进行工作。
反铲装置如果仅以铲斗液压缸工作进行挖掘时，挖掘轨迹则为以铲斗与斗杆的铰点 Q 为中心，该铰点 Q 至斗齿尖 V 的距离|QV|为半径所作的圆弧线。
同理，圆弧线的包角( 铲斗的转角及弧长决定于铲斗液压缸的行程（|GH|–|GH|）。
显然，以铲斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时能够装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能够挖掘较大厚度的土壤。
所以，一般挖掘机构的斗齿最大挖掘力都在采用铲斗液压缸工作时实现。
用铲斗液压缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此在一般土方工程机械中(土壤多为Ⅲ级土以下，转斗挖掘最常采用。
在实际挖掘中，往往需要采用各种液压缸的联合工作。
例如，当挖掘基坑时，由于挖掘深度较大，并且要求有较陡而且平整的基坑壁时，需要采用动臂与斗杆两种液压缸的同时工作；当挖掘到坑底时，挖掘行程将结束，为加速将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变切削角，需要采用斗杆与铲斗液压缸同时工作。
当然，这种动作能否实现还取决于液压系统的设计。
当反铲装置的结构形式及尺寸已定时，即可用作图法求出挖掘包络图，即挖掘机构在工作位置时，所能控制到的作业范围。
对反铲工作装置而言，包络图中可能有部分区域靠近甚至深入到挖掘机构停机点以下，这一范围的土壤虽能挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响作业的稳定性和安全性，除有条件的挖沟作业外，一般不使用。
挖掘机构的最大挖掘力除决定于液压系统的压力、液压缸的尺寸，以及各液压缸间作用力的影响(液压缸闭锁能力的限制外，还受整机稳定性和附着性的影响。
因此，工作装置不可能在任何位置都能发挥其最大挖掘力。
反铲工作装置一般采用转斗卸土，卸载较准确、平稳，便于装车工作。
2.2 挖掘机构的设计原则1.满足主要工作尺寸及作业范围的要求，在设计时应考与同类机型相比时的先进性，性能与主参数应符合国家标准之规定。
2.满足整机挖掘力大小及分布情况的要求。
3.功率利用情况好，理论工作循环时间短。
4.确定各铰点布置，结构形状应尽可能使受力状态有利，在保证刚度和强度的前提下,重量越轻越好。
5.应考虑到通用性和稳定性。
6.运输或停放时应有合理的姿态。
7.液压缸设计应考虑到三化，采用系列参数。
8.工作装置应安全可靠，拆装维修方便。
9.满足特殊使用要求。
2.3 挖掘机构运动学分析2.3.1 动臂机构参见图 2-1，反铲工作考虑到主要作业区域在地面以下，为有利于挖深，一般常选用弯动臂，考虑到动臂强度，弯角α一般不宜太小，推荐取 120°~140°。
角度α一般不小于 45°，同样有利于地面以下作业。
初步设计常取 K=L/L，（ZF/ZC）=1.1~1.3或 B、Z 点重合，考虑到变形的需要可取K=1.1~1.9为结构的宜于实现，动臂的仰角一般不大于 45°，俯角一般不小于-52°，保证△ABC 在运动过程中均成立。
考虑到动臂液压缸的稳定性，一般常取伸缩比为:λ=1.6～1.7，对通用式挖掘机构常取:L=(0.5～0.6·L，动臂与斗杆的长度比 K=l/l，可在很大范围内变动，一般为:K＞2 称为长动臂短斗杆方案；K＜1.5 称为短动臂长斗杆方案；K=1.5～2 时称为中间方案。
动臂液压缸的力臂比:K=e/e=(动臂缸全伸时对C点的力臂/(动臂缸全缩时对 C 点的力臂，专用反铲要求地面以下挖掘时，动臂液压缸能有足够的闭锁力距，可以取K＜0.8，考虑到以反铲为主的通用式挖掘机构，并适当照顾其它换用装置，保证地面以上作业时能有足够的提升力矩，常取K=0.8～1.1。
在设计动臂机构及选用动臂油缸时，应考虑到动臂液压缸作用力之要求，要求应保证反铲作业过程中在任何位置上都能提起带有满载斗的工作装置到达最高和最远的位置。
计算时，可选用下述三个位置：从最大挖深处提起满载斗；从最大挖远处提起满载斗；从最大卸高处提起满载斗。
动臂液压缸应有足够的闭锁力，保证斗杆或铲斗挖掘力充分发挥本文采用动臂缸置于动臂上方，且动臂为整体直动臂的方案。
2.3.2 斗杆机构确定斗杆液压缸铰点位置、行程及力臂比时应当考虑以下因素:1.保证斗杆液压缸产生足够的斗齿挖掘力。
一般来说希望液压缸在全行程中产生的挖掘力始终大于正常挖掘阻力；液压缸全伸全缩时的作用力都应足以支撑满载斗和斗杆静止不动；液压缸作用力臂最大时产生的挖掘力应大于要求克服的最大挖掘阻力。
2.液压缸应有必要的闭锁能力。
要求在主挖区内铲斗挖掘力能够得到充分的发挥。
3.保证斗杆的摆角范围。
对于通用式挖掘机构，斗杆的摆角范围大致为100°~120°，在满足工作范围和运输要求的前提下，此值应尽可能的小些。
一般来说，斗杆越长摆角范围也可越小。
当斗杆、铲斗液压缸全伸时，斗前壁与动臂之间的距离应大于 10cm。
斗杆上∠EFQ 取决于结构因素，考虑到作业范围，一般取为130°~170°。
斗杆液压缸在全行程中，应保证△DEF 均成立。
2.3.3 铲斗连杆机构反铲铲斗机构通常采用六连杆机构，如图 2-1 所示。
铲斗在挖掘时的转角大致为90°～110°，为了满足开挖和最后卸载及运输状态之要求，铲斗总的转角往往要达到 150°～180°。
当铲斗缸全缩时，齿尖Ⅴ可能在 FQ 延长线上，或者，在其上侧0°～30°处，在个别情况下，为了适应挖掘深沟及垂直侧壁的作业要求，为不使斗底先于斗齿接触土壤，常采用大仰角机构，此时，仰角可达 25°～45°。
铲斗机构挖掘力之要求:要求铲斗最大理论挖掘力应与铲斗挖掘最大阻力相适应，当铲斗以15°～20°的仰角开挖时，最大挖掘力一般应出现在 FQ 延长线下侧 25°～35°处，也即铲斗挖掘时转角行程的一半处，此时，挖掘土壤的厚度最大，挖掘阻力也最大。
图2-2转斗挖掘阻力此外，要求连杆机构在液压缸的全行程中均能成立，为保证铲斗液压缸的稳定性，取λ=1.45 ～ 1.65 ，∠ KQV=95 °～ 120 °，K=l/l=0.3～0.38，当铲斗转角较大时K可取小些，液压缸闭锁力应保证斗杆挖掘力的正常发挥。
连杆机构最大传动比及其所发生的位置可以使用黄金分割法(0．618 法计算求出。
2.4 挖掘机构动力学分析2.4.1挖掘阻力的计算图2-3大曲率切削阻力实验曲线反铲装置工作时，既可用铲斗液压缸挖掘（简称转斗挖掘），也可用斗杆液压缸挖掘（简称斗杆挖掘），或作复合动作挖掘。
一般认为，斗容量小于 0.5 米或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之以斗杆挖掘为主。
1.铲斗挖掘阻力的计算参照《单斗液压挖掘机》2-35，转斗挖掘时，挖掘阻力的切向分力可表示为：(2－1式中各参数的含义分别为：C：土壤硬度系数，对二级土，C=50～80R：转斗切削半径，取 R＝l３，单位：厘米B：切削刃宽度影响系数，B＝1+2.6b，b 为铲斗平均宽度：铲斗瞬时转角，单位为度A：切削角变化影响系数，一般取 A=1.3Z：斗齿系数，有齿时，Z=0.75；无齿时，Z=1D：与斗容量 q 有关，估算 q=0.1～0.2m时，D =5000~8000当=时，得最大挖掘阻力(2－2平均挖掘力按平均厚度下的阻力计算：近似取 W=(70～80%·W试验证明法向挖掘阻力 W的指向是可变的，数值也较小，一般W＝0～0.2 W土质越均匀W越小，从随机统计的角度看，取法向分力W为零来简化计算是可以的。
这样W就可以看作为铲斗挖掘的最大阻力。
2.斗杆挖掘阻力的计算：（2-3）对Ⅱ级土，K=6～13，ψg为挖掘过程中的总转角，一般为ψg=50°~80°2.4.2 工作液压缸的理论挖掘力挖掘力是指当反铲作业时在铲斗齿尖上可能主动发挥的挖掘能力，它是衡量反铲装置挖掘性能的重要指针之一。
工作液压缸的理论挖掘力是指由该液压缸的理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力。
1.铲斗挖掘时，铲斗缸的理论挖掘力P=P·i= P*r r/r=f（L）（2-4）P为铲斗缸理论推力，P=F·p，F为大腔作用面积，p 为系统工作压力。
i=i时，得最大理论挖掘力 P= P·i2.斗杆挖掘时，斗杆缸的理论挖掘力P=P·r/r=f（L，L） (2-5P为斗杆缸理论推力，r是L的函数，r是L的函数，所以P是L和L的函数。
2.4.3 整机理论挖掘力参见图 2-4，已知条件:整机重量 G，重心坐标(x，y，斗容 q，地面附着系数μ，三组液压缸的工作压力 P 和闭锁压力 P，除反铲装置外机体重量 G及重心位置坐标(x，y，反铲装置各零部件的重量 G及重心位置坐标(x，y，前轮及支腿着地点 O和 O的位置参数 x和 x，三组液压缸的缸径D、D和D，活塞杆直经 d、d和 d3，液压缸的伸缩比λ、λ和λ。
图2-4整机结构简图1.斗杆挖掘：在给定工况(L，L，L的情况下，计算斗杆的实际挖掘力时，应当考虑到下列因素的影响:①动臂液压缸闭锁能力对斗杆挖掘力的限制。
②斗杆主动挖掘力的限制。
③铲斗液压缸闭锁能力对斗杆挖掘力的限制。
④整机向前倾翻对斗杆挖掘力的限制。
⑤整机向后倾翻对斗杆挖掘力的限制。
⑥整机对地面的前后滑移对斗杆挖掘力的限制。
现分别计算如下:1动臂液压缸闭锁力限制的最大斗杆挖掘力 P液压缸闭锁力则指挖掘工况下某些液压缸被动状态所能承受的作用力，它是挖掘力发挥的重要影响因素之一。