液压挖掘机的工作原理及生产率.pdf

液压挖掘机的工作原理及生产率 液压挖掘机工作原理分三个方面说明即土壤切削，整机稳定性及液压系统与液压元件 的工作原理。关于液压系统与液压元件在以后的章节中说明。 一 一 土壤切削土壤切削 1．挖掘阻力 挖掘阻力是指铲斗在挖掘过程中所遇到的土壤阻力，通常近似的认为它作用在斗尖上， 并可依照挖掘轨迹的切线方向分解切向阻力 Pt 和法向阻力 Pn 。目前的粗略算法为 Pt＝σbc Pn＝ψPt 式中σ 为挖掘比阻力，由试验确定；b 为斗宽；c 为切削厚度；ψ 为系数，由试验确 定。 2．挖掘功 当不计土壤的松散系数和铲斗的装满系数时，为了在一定的挖掘行程中能装满铲斗，应 有 q＝bcL 式中L 为挖掘行程；q 为斗容量；c 为切削厚度。 所以 Pt＝σbc＝σ q／L 即挖掘功 Pt L＝σq 在挖掘过程中，Pn 不做功，只有 Pt 做功，简称为挖掘功。当挖掘对象的土壤等级和铲 斗容量以确定时，就可由上式来确定挖掘功 PtL。 3. 液压缸所做的功 根据能量守恒定律，当不计损失时，液压缸在其行程上所做的功应等于挖掘功。 即 Fl≥PtL＝σq 式中F 为液压缸的最大推力；l 为液压缸的行程。 上式是选择液压缸缸径的主要以据，对于反﹑正铲工作装置上式都是适用的。 4. 应用情况 若土壤等级和铲斗容量都相同，则液压缸所做的功也应相同。但在选择液压缸的缸径和 行程上，各公司都具有自己的特点，见表 12。 液压缸推力大小为 F＝Pa 式中p 为工作压力；A 为液压缸面积。 表 12 缸径与行程比较表 公司名称 液压缸面积 A 液压缸行程l 德马可 大 小 Komatsu 小 大 利勃海尔 中 中 液压缸面积 A 大，推力 F 也大工作装置受力恶劣，焊接遇到的问题也增多。若液压缸面 积 A 小，行程l 大，则液压缸刚度就差，易弯曲。因此，在设计时要综合考虑各种因素。 根据实践经验，挖掘机铲斗最小挖掘力值与铲斗宽度有关，每米斗宽最小需 10 吨以上 的力，铲斗才能插入土中完成挖掘作业。 铲斗挖掘力与斗杆挖掘力和整机重量有关，而铲斗挖掘力与斗杆挖掘力也有一定的比例 关系 Fb／W＝0.53～0.65 Fa／Fb＝0.73～0.85 式中Fa 为斗杆挖掘力；Fb 为铲斗挖掘力；W 为整机重量。 二 反铲工作装置的传动计算 1. 反铲斗与液压缸的连接方式 见图 1--2 ⑴ 图 12（a）所示，铲斗缸直接绞接于铲斗上，由铲斗，斗杆及铲斗缸组成四连杆机 构，一般铲斗转角较小，工作力矩变化较大，一般不采用。 图 12 反铲斗与液压缸的连接方式 ⑵图 12（b）转角小，挖掘力大，工作力矩变化较小，多数中小机型采用此方式。日 本机型中摇杆 1 是直的，在欧洲机型上如利勃海尔和小型挖掘机上多用弯曲的。 ⑶图 12（c）铲斗转角超前一个角度，同时也具有（b）方式的优点。在利勃海尔早年 机型上多有采用。 ⑷图 12（d）在油缸行程相同时，此方式转角更大，但挖掘力小，而力矩变化较大， 目前较少采用。 2. 反铲挖掘力的计算 图 13 为反铲挖掘力计算简图。下面分别计算斗杆缸理论挖掘力和铲斗缸理论挖掘 力（破碎力） 斗杆缸理论挖掘力 Fa 可用下式计算 图 13 反铲挖掘力的计算简图 Fa＝Fsa／b 式中Fa 为斗杆缸理论挖掘力；Fs 为斗杆缸推力；a、b 为力臂值。 铲斗缸理论挖掘力（破碎力）为 Fb＝Fl ce／d r 式中Fb 为铲斗缸理论挖掘力；Fl 为铲斗缸推力；c﹑e﹑d﹑r 为力臂值。 说明如果各力臂值未知时，则可在挖掘机上进行如图 13 所示的位置的实测或用 比例作图法求出。 反铲装置采用斗杆缸（或铲斗缸）进行挖掘，所得的理论挖掘力不考虑下列因素a.工 作装置自重和土重；b.液压系统和连杆机构的效率；c.工作液压缸背压。 3．反铲斗容量的计算 反铲斗容量的计算简图如 14 所示。其计算公式分别为 1，按 SAE 标准的斗容量 V1（安息角 1／1） V1＝Fb1＋b2／2＋Ab12／4－b13／12 2，按 CECE 标准的斗容量 V2（安息角 2／1） V2＝Fb1＋b2／2＋Ab12／8－b13／24 式中A 为斗开口长度；b1 为前面内宽度；b2 为斗底处宽度；F 为铲斗横截面积。 三 挖掘机的稳定性 1． 适用范围 本计算适用于带有相应装备的，使用于挖掘机作业范围内的液压挖掘机。本计算不适用 于进行起重作业的液压挖掘机。 2． 稳定性验证的条件 液压挖掘机的稳定性（防止倾覆的安全性）是通过计算加以验证的。这种验证适用于挖 掘机放置在水平停机面上。 3． 稳定性的计算 在计算稳定性时要使用下列计算力值代替实际的重力值，即 K1E＝1.10E k2N＝1.25N 式中E 为当挖掘机处在最大作业半径时，超出在倾覆线之外的该机作业装置的另部件 的重力；N 为有效载荷（土，石方）的重力；K1 为工作装置自重系数；K2 为有效载荷系数。 现以图 15 反铲挖掘机为例，也适用于正铲挖掘机。同时，适用于履带式及轮胎式挖 掘机。 稳定性＝稳定力矩／倾覆力矩＝GrS－1.10El／1.25Nn≥1 式中S 为倾覆线间距离；G 为主机自重，G＝Gl＋Gr；D 为整机自重，D＝Dl＋Dr； E 为工作装置自重，E＝D－G；l 为重心间距，l＝Dr－GrS／E；N 为有效载荷；n 为最 大幅度。 四、生产率 生产率是液压挖掘机的主要技术经济指标之一， 它表示在单位时间内从掌子面中挖掘出 并卸到运土车上或弃土堆的土方体积。通常以每小时挖多少立方米为单位，在工地上也有用 台班或昼夜挖出的土方体积来表示的。 一般有三种生产率的概念。 1．理论生产率 理论生产率是指一台挖掘机在“计算条件”下连续工作一小时的生产率。“计算条件”可取 为 （1）司机操作熟练，充分考虑机械作单一动作时合流供油和作复合动作的可能性，如 动臂生降可与转台回转同时进行，动臂和斗杆油缸单独工作时可以合流供油等。 （2）选择最经常出现的工作条件和平均工作尺寸。如取最经常挖掘的土壤作为计算土 壤。对反铲来讲，取最大挖掘深度的一半作为计算挖掘深度，取装车高度或弃土堆的平均高 度作为计算用卸土高度，取 90作为转台单向回转角度等。 （3）掌子面、运输车（弃土堆）与挖掘机之间的相互位置恰当，运输车选择合理，配 合良好。 理论生产率按下式计算 Q＝60qn （立方米／小时） 式中Q 为理论生产率；n 为每分钟工作循环次数的理论值；q 为铲斗几何容量（立方 米） 技术生产率是指机械在“给定条件”下连续工作一小时所能获得的最大生产率。 给定条件 包括土壤情况，铲斗装满情况，装车情况等。 实际生产率是指机械在一段工作时间内实际平均生产率。 计算实际生产率主要考虑两个 因素，即机械利用率和司机操作熟练程度，实际生产率一般在实际中测定。