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液压挖掘机.doc

液压挖掘机

于敏熙
2017-09-21 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《液压挖掘机doc》,可适用于工程科技领域

液压挖掘机液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤铲斗装满后提升、回转至卸土位置卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。液压挖掘机与机械传动挖掘机一样在工业与民用建筑\交通运输、水利施工\露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。在建筑工程中可用来挖掘基坑\排水沟拆除旧有建筑物平整场地等。更换工作装置后可进行装卸\安装\打桩和拔除树根等作业。在水利施工中可用来开挖水库、运河\水电站堤坝的基坑\排水或灌溉的沟渠疏浚和挖深原有河道等。在铁路、公路建设中用来挖掘土方\建筑路基\平整地面和开挖路旁排水沟等。在石油\电力、通信业的基础建设及市政建设中用来挖掘电缆沟和管道沟等。在露天采矿场上可用来剥离表土、采掘矿石或煤也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。在军事工程中可用来筑路\挖壕沟和掩体\建造各种军事建筑物。所以液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种对于减轻工人繁重的体力劳动提高施工机械化水平加快施工进度促进各项建设事业的发展都起着很大的作用。据建筑施工部门统计一台斗容量为.m’的液压挖掘机挖掘工~级土壤时每班生产率大约相当于~个工人一天的工作量。因此大力发展液压挖掘机对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。液压挖掘机的工作特点和基本类型液压挖掘机的主要优点液压挖掘机在动力装置和工作装置之间采用容积式液压静压传动即靠液体的压力能进行工作。液压传动与机械传动相比有许多优点o能无级调速且调速范围大例如液压马达的最高转速与最低转速之比可达:。能得到较低的稳定转速例如柱塞式液压马达的稳定转速可低达lr/mino快速作用时液压元件产生的运动惯性小加速性能好并可作高速反转。例如电动机在启动时的惯性力矩比其平稳运转时的驱动力矩大%而液压马达则不大于%加速中等功率电动机需s到数秒而加速液压马达只需.so传动平稳结构简单可吸收冲击和振动操纵省力易实现自动化控制o易于实现标准化\系列化、通用化。基于液压传动的上述优点液压挖掘机与机械传动挖掘机相比具有下列主要特点。大大改善了挖掘机的技术性能挖掘力大\牵引力大机器重量轻传动平稳作业效率高结构紧凑。液压挖掘机与同级机械传动挖掘机相比挖掘力约高%例如.Oma液压挖掘机铲斗挖掘力为~kN而同级机械传动挖掘机只有kN左右。挖掘机在工作时的主要动作包括行走\转台回转和工作装置的作业动作其中动作最频繁的是回转和工作装置的循环往复运动。这种往复运动一般速度不高而所需的作用力却很大要求在短时间内通过变速或换向来完成各种复杂动作。机械传动挖掘机完成上述运动需通过摩擦离合器\减速器\制动器、逆转机构、提升和推压机构等配合来完成。因此机械传动挖掘机不仅结构复杂而且还要产生很大的惯性力和冲击载荷。而液压挖掘机则不需要庞大和复杂的中间传动大大简化了结构也减少了易损件。由于结构简化液压挖掘机的质量大约比相同斗容量的机械传动挖掘机轻%不仅节省了钢材而且降低了接地比压。液压挖掘机上的各种液压元件可相对独立布置使整机结构紧凑\外形美观同时也易于改进或变型。液压挖掘机的液压系统有防止过载的能力所以使用安全可靠操纵简便。由于可采用液压先导控制无论驱动功率多大操纵均很灵活\省力司机的工作条件得到改善。更换工作装置时由于不牵连转台上部的其他机构因此更换工作装置容易而机械式挖掘机则受到提升机构和推压机构的牵连和限制由于液压传动易于实现自动控制因此现代液压挖掘机普遍采用了以微处理器为核心的电子控制单元(ECU)使发动机\液压泵\控制阀和执行元件在最佳匹配状态下工作以实现节能和提高作业效率同时还可实现整机状态参数的电子监控和故障诊断o液压元件易于实现标准化\系列化和通用化便于组织大规模专业化生产进一步提高质量和降低成本。..液压挖掘机的基本类型及主要特点液压挖掘机种类繁多可以从不同角度对其类型进行划分。()根据液压挖掘机主要机构传动类型划分根据液压挖掘机主要机构是否全部采用液压传动分为全液压传动和非全液压(或称半液压)传动两种。若挖掘\回转、行走等几个主要机构的动作均为液压传动则称为全液亚挖掘机。如图ll和图l所示为国产某小型和中型全液压挖掘机。若液压挖掘机中的某一个机构采用机械传动则称其为非全液压(或半液压)挖掘机。一般说来这种区别主要表现在行走机构上。对液压挖掘机来说工作装置及回转机构必须是液压传动只有行走机构有的为液压传动有的为机械传动o()根据行走机构的类型划分根据行走机构的不同液压挖掘机可分为履带式飞轮胎式\汽车式、悬挂式及拖式。履带式液压挖掘机应用最广在任何路面行走均有良好的通过性对土壤有足够的附着力接地比压小作业时不需设支腿适用范围较大o在土质松软或沼泽地带作业的液压挖掘机还可通过加宽和加长履带来降低接地比压。为防止对路面的碾压破坏有些液压挖掘机还采用了橡胶履带。通常履带行走的液压挖掘机多为全液压传动。轮胎式液压挖掘机具有行走速度快机动性好可在多种路面通行的特点。近年来轮胎式挖掘机的生产量日渐增长。如图l所示为国产某型号轮胎式液压挖掘机。这种挖掘机一般都是四支点的但也有三支点的它将前轮距缩小为一个支点与后轮形成三点支承。这种形式不需要在前轴上采用平衡悬挂简化了前桥结构减小了机器的转弯半径提高了机动性。目前轮胎式液压挖掘机的行走部分多数采用机械传动和单独液压马达的集中传动。悬挂式液压挖掘机是将工作装置安装在轮胎式或履带式拖拉机上可以达到一机多用的目的。这种挖掘机拆装方便成本低廉。汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车底盘速度快机动性好。图l轮胎式液压挖掘机拖式液压挖掘机没有行走传动机构行走时由拖拉机牵引o()根据工作装置划分根据工作装置结构不同可分为铰接式和伸缩臂式挖掘机。铰接式工作装置应用较为普遍。这种挖掘机的工作装置靠各构件绕铰点转动来完成作业动作。伸缩臂式挖掘机的动臂由主臂及伸缩臂组成伸缩臂可在主臂内伸缔还可以变幅。伸缩臂前端装有铲斗适于进行平整和清理作业尤其是修整沟坡o液压挖掘机的发展概况挖掘机械的最早雏形主要用于河道\港口的疏浚工作第一台有确切记载的挖掘机械是年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”o而能够模拟人的掘土工作在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”(图)于年在美国诞生主要用于修筑铁路的繁重工作被认为是现代挖掘机的先驱距今已有多年的历史。年德国研制出世界上第一台全液压挖掘机(图l)o由于科学技术的飞速发展各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率\可靠性、安全性和操作舒适性以及节能、环保等方面有了长足的进步。目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用成为土石方施工不可缺少的重要机械设备。.国外液压挖掘机目前水平及发展趋势工业发达国家的液压挖掘机生产较早产品线齐全技术成熟。美国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国具有较高的市场占有率。从世纪后期开始国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展从功能上看在满足基本功能的基础上向多功能化、专用化方向发展从产品性能上看向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。()液压挖掘机的大型化和微型化大型液压挖掘机主要用于大型露天矿山的开采及大型基础建设多数为正铲。如日本的日立建机开发的UH型正铲液压挖掘机斗容量为.m整机质量为t’EX型正铲斗容量为.m整机质量为t。日立建机于年开发成功了超大型液压挖掘机EX铲斗容量为m整机质量达t。目前全球最大型液压挖掘机为TEREXOK公司制造的RH型整机质量为t斗容量为m’。大型液压挖掘机的其他代表产品主要有小松的PC、三菱的MSl、卡特彼勒的和、曼内斯曼德马克的H以及利勃海尔的R和R等。如图所示为超大型液压挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要国外发展了斗容量在.m以下的微型液压挖掘机最小的斗容量仅有.m。例如美国卡特彼勒公司新近发布的.C微型液压挖掘机其整机质量只有kg配备三菱SL型.kW柴油发动机其排放符合美国EPA级和欧标准所配备斗容量范围为.~.m铲斗挖掘力可达kN。卡特彼勒公司最小的微型挖掘机为.其整机质量只有kg发动机功率为kW斗容量范围为.~.m。如图所示为微型液压挖掘机。()液压挖掘机的多功能化中、小型液压挖掘机趋向于一机多能配备了多种工作装置。除正铲、反铲外还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等以满足各种施工的需要。与此同时发展专门用途的特种挖掘机如低接地比压、低噪声、水下专用和水陆两用液压挖掘机等。()液压挖掘机的电子化、信息化世界上各大液压挖掘机生产厂商在应用新技术、新工艺、新结构加快标准化、系列化、通用化发展速度的过程中重视电子技术、信息技术在挖掘机上的应用使挖掘机向高效、节能、安全、环保以及操作方便舒适的方向发展。从世纪年代开始以微电子技术为核心的高新技术特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用推动了电子控制技术在挖掘机上的应用和推广并已成为液压挖掘机现代化的重要标志。目前先进的液压挖掘机均装有电子控制单元(ECU)用于发动机和泵阀的电子控制以及工作模式控制和工作状态监控。应用在液压挖掘机柴油机上的控制装置主要有电子调速器、自动怠速系统、电子功率优化系统和电子油门控制系统等。泵阀电子控制系统主要有功率控制系统、流量控制系统和负荷传感控制系统等。卡特彼勒和阿特拉斯等公司开发了挖掘机车载卫星全球定位系统(GPS)用户可通过电信数据中心和国际互联网随时了解挖掘机的工作位置和工作环境并通过对各种参数的分析了解挖掘机的工作状况以确保安全使用和提高工作效率。()液压挖掘机设计制造手段的现代化美国、英国、日本等国家的液压挖掘机制造厂商在更新设计理论、提高可靠性、延长使用寿命等方面做了大量工作推广采用有限寿命设计理论以替代传统的无限寿命设计理论和方法并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究提高了产品质量和竞争力。随着大型CAE软件的日渐成熟虚拟设计技术和计算机仿真技术也被应用到液压挖掘机的设计过程中。以往一种新机型需要经过多次反复试制、试验和修改一般需要几年时间才能定型。而采用虚拟设计和计算机仿真技术新产品设计可利用专业CAD软件、有限元分析软件和动力学仿真软件进行三维数字化建模、三维虚拟装配和基础零部件分析、优化并进行整机的虚拟样机仿真和虚拟试验直接在虚拟样机上修改设计最终生成用于生产的产品工程图和工艺文件缩短了新产品的研制周期加速了液压挖掘机更新换代的进程。()增强液压挖掘机的安全性和舒适性随着世界贸易一体化进程的加快各国对液压挖掘机的乘员安全保护及工作环境条件提出了更高要求。国外先进的液压挖掘机普遍采用带有落物保护结构(FOPS)和滚翻保护结构(ROPS)的驾驶室安装可调节的弹性座椅用隔音措施降低噪声干扰操纵机构采用液压先导控制或电液比例控制操作轻快、省力操作环境的设计更加符合人机工程学。()液压挖掘机的液压系统得到进一步改进国外液压挖掘机液压系统总的发展趋势是高压、高速、大流量、低成本、高质量和高可靠性。国外知名公司的主流机型广泛采用双泵变量系统、液压先导控制、负荷传感控制等新技术。例如卡特彼勒公司新推出的D型挖掘机系统压力最大为MPa主泵流量为XL/min。卡特彼勒的D系列挖掘机提供两种性能设定模式标准操作模式和经济操作模式以增强操作人员对机器性能与施工需要相匹配的控制能力。在标准操作模式中可获得高生产率和燃油效率在市政建设等较轻的作业中可切换到经济模式耗油量可降低%。..国内液压挖掘机的发展概况我国从年开始自行研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl、贵阳矿山机器厂的W、合肥矿山机器厂的WY等。到世纪年代末年代初长江挖掘机厂和杭州重型机械厂分别研制成功了WYl和WY等液压挖掘机产品。从年开始美国的卡特彼勒公司、日本的神户制钢所、日本的小松制作所、日本的日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔沃等公司先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近年来我国经济增长迅速液压挖掘机市场需求不断扩大形成了巨大的挖掘机市场空间但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械行业的上市股份公司通过合资的方式介入了挖掘机产业同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机但在生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业必须瞄准国际先进水平围绕国内外两个市场在充分利用国际化配套和国外先进技术的基础上增强自主创新意识掌握核心设计制造技术发挥性价比优势提高产品竞争力把我国液压挖掘机产品做大做强。根据液压挖掘机设计任务的有关要求应在充分调查研究的基础上进行液压挖掘机的总体设计工作。总体设计主要内容如下。分析或拟定设计任务书确定设计思想和原则并提出整机结构方案的初步设想。液压挖掘机主要参数的确定。液压挖掘机各主要机构的结构方案确定。各主要机构作用力、速度、功率等分析计算。液压系统的设计。液压挖掘机的平衡、稳定、生产率以及其他总体特性的分析计算等。通过总体设计对所设计的液压挖掘机作出初步的全面规划提出有关数据草图等为进一步设计、分析计算提供依据。.液压挖掘机主要参数的确定资料、总体液压挖掘机的主要参数表明了液压挖掘机的规格和主要技术性能因此需要在挖掘机总..液压挖掘机的主要参数液压挖掘机的主要参数(或称基本参数)有以下几类。发动机参数如发动机额定功率、转速等。液压系统参数如主泵的流量、压力等。主要性能参数如整机工作质量、主要部件质量、铲斗容量范围或标称铲斗容量、挖掘力、牵引力等。尺寸参数如工作尺寸、机体外形尺寸和工作装置尺寸等。表l给出了几个不同厂商的t级液压挖掘机的主要技术参数。各外形尺寸和工作尺寸参数的意义参见图和图。液压挖掘机主要参数中最重要的参数有三个即斗容量、整机质量和发动机效率因为通过这三个参数可以从使用要求、机械本身的技术性能和技术经济指标、动力装置的配套、国际上统一的标准以及传统习惯等方面反映液压挖掘机的级别故有主参数之称。如斗容量直接反映了挖掘机的挖掘能力而且与运输车辆匹配直接影响到土石方施工的效率。所以有时采用挖掘机的斗容量作为主参数。例如机械式挖掘机一’般就以斗容量作为挖掘机的主参数并作为主要的分级指标。但液压挖掘机可更换的工作装置多而且同一机型可以根据作业对象或工作尺寸的要求换装不同斗容量的铲斗。例如卡特C型挖掘机可换装不同长度的斗杆和不同容量的铲斗其斗容量范围是..m。所以斗容量并不能完全反映液压挖掘机的级别。功率反映了液压挖掘机虹改立等级//但由于良罱同厂家的挖掘机采用不同的液压系统辅助设备能耗及功率储备也有所不同而且同一型E慧挖掘机在后续改进时也会改变发动机功率。例如卡特B型挖掘机的整机工作质量良表液压挖掘机的主要技术参数为kg发动机功率只有kW而其后续改进型号c的整机工作质量为kg发动机功率则增加到了kW。所以液压挖掘机以功率分级不十分合理。整机质量则直接反映了液压挖掘机本身的重量等级对其他技术参数影响较大如挖掘能力的发挥、发动机功率的充分利用、作业的稳定性等都要以一定的整机质量来保证因此整机尽量匡迭工挖掘机的实际工作能力目前已被广泛用作液压挖掘机的分级指标。..液压挖掘机主要参数的定义国外针对液压挖掘机的主要参数制定了较为详细的标准如铲斗容量、铲斗挖掘力杆挖掘力等。()铲斗容量动力铲协会)标准第号和SAE(美国汽车工程师协会)标准了对平装斗容和堆尖斗容规定如下。R=VSVE平装斗容是铲斗侧壁、前后壁以及平装面所包容的物料体积Vs堆尖的体积Vs再加上平装面应通过铲斗侧壁及后壁的上边缘。对于不同的设计结构铲斗的侧壁切削刃有平装面以上物料)l~(‘)安息角堆积的体积VE。标堆尖斗容用公式表示为可能是向上凸或向下凹的曲线如图所示D为铲斗的开口长度。根据铲斗开口长宽V比的不同平装面以上物料)A'(‘)安息角堆尖的几何形状分别如图(a)和铲斗宽度是指铲斗两侧下部斗唇未安装斗齿或边齿时的宽度用WB表示切削宽度是指最外侧斗齿或边齿间的距离用Wc表示(图)。表所列为SAEJ标准规定的平装斗容标称值及其增量。如果计算出的斗容量低于标称值的%则应将其归人相邻较小的标称值。标称斗容范围增量标称斗容范围增量以下以上SAE标准还定义了有效斗容量即在每次挖掘循环中铲斗的实际装载量。有效斗容量取决于铲斗尺寸、铲斗挖掘力以及土壤的某些特性即不同的土壤(物料)具有不同的充满系数而且即使挖掘相同土壤每次的装载量也不完全相同(图)因此有效漏斗容量是一个平均值可表示为:Vp=ksVR式中yP平均有效斗容量m’是s铲斗充满系数yR标称斗容量m。土壤的铲斗充满系数见表土壤种类充满系数(堆尖斗土壤种类充满系数(堆尖斗容容的百分比)的百分比)湿黏土和砂粘土A充分爆破的岩石砂和砂粒B爆破不充分的岩石硬韧粘土C()挖掘力铲斗力(即铲斗挖掘力)和斗杆推压力(即斗杆挖掘力)共同作用的结果。因此SAE标准J和PCSA标准第号对铲斗挖掘力和斗杆挖掘力进行了定义。根据图的计算简图可得到铲斗挖掘力和斗杆挖掘力的计算公式分别为:式中FB铲斗挖掘力NFS斗杆挖掘力NB斗杆油缸作用面积mAS斗杆油缸作用面积mPi工作装置最大设定压力PalA转斗油缸作用力臂mAlB摇杆的作用力臂mlc连杆的作用力臂mlD斗齿尖在转斗挖掘时的作用半径mlE斗杆油缸作用力臂mlF转斗油缸在计算位置闭锁时斗齿尖在斗杆挖掘时的作用半径m。lF=lDlS式中ls斗杆长度m。由于定义上的差异依据不同标准所计算出的铲斗挖掘力和斗杆挖掘力有所不同但液压挖掘机所能发挥的最大挖掘力除了取决于液压系统的工作压力外还取决于整机的稳定性和平衡。所以说液压挖掘机工作装置在不同工作位置上所能发挥的最大挖掘力是不同的也就是说液压挖掘机不可能在任何工作位置都具有最大挖掘力。()整机工作质量整机工作质量是指挖掘机在作业状态下使用标准铲斗、标准履带板及中等长度斗杆机器本身质量与附加质量之和。附加质量包括冷却剂、润滑剂、满箱燃油和kg的操作人员。()外形尺寸和工作尺寸液压挖掘机的外形尺寸和工作尺寸见图l\图和表lo需要注意的是运输状态整机长度H和运输状态整机全高/可能会随着配备不同长度的斗杆而发生变化。水平直线清底挖掘深度正是指能够水平直线挖掘.m长度的最大挖掘深度。

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