1、特大型挖掘机:100t 整机重量2-1 履带式挖掘机基本结构2-2 液压挖掘机工作原理2-3 液压挖掘机工作特点2-4 相关知识v多自由度作业机械。v利用杠杆原理,液压缸推动动臂、斗杆和铲斗产生各构件之间的相对旋转运动,从而实现人为控制的挖掘和卸料动作;v上部回转平台绕垂直轴旋转;v远距离悬臂挖掘和卸料;v靠履带转移或移动整机的工作掌子面。v土的切削是个很复杂的过程。土在楔型刀具的压力作用下受到挤压和剪切而开始变形,土体的原始结构被破坏,土块或土层便被切离。v土被切削时,在刀具上产生三种力:土的原始结构破坏时所产生的阻力;土的内摩擦力;土与刀具之间的摩擦力。我们把这三种力叫做切削阻力。v切削阻
2、力是变化的。随土的性质如粘性、干性、含水量、砂石量变化,又随刀具和铲斗的形状而变化,还随切入厚度和切入过程而变化。v切削阻力一般用实验方法获得,也可以按经验公式计算。v合理地设计切削装置的形状如斗齿的切削角度,铲斗的宽度,铲斗的形状等可以减小切削阻力。v只有主动挖掘力大于切削阻力时才能完成挖掘。3-1 操作重量3-2 发动机功率3-3 斗容3-4 挖掘力3-5 工作范围3-6 运输尺寸3-7 回转速度和扭矩3-8 行走速度和牵引力3-9 爬坡能力3-10 接地比压3-11 噪音3-12 提升能力3-13 生产率v操作重量是挖掘机三个主参数(操作重量,发动机功率,斗容)之一。v操作重量决定了挖掘
3、机的级别,决定了挖掘机挖掘力的上限。 如果挖掘力超过这个极限,在反铲的情况下,挖掘机将打滑,并被向前拉动,这非常危险。在正铲情况下,挖掘机将向后打滑。 挖掘力 工作重量 :地面和履带间的附着力系数v挖掘机三种主要重量。 操作重量:带标准工作装置、司机、加满燃油; 运输重量:不含司机、含10%燃油; 主机重量:不含工作装置。3-2 发动机功率?v发动机功率是挖掘机三个主参数(操作重量,发动机功率,斗容)之一。v总功率 SAE J1995(gross horsepower) 指在没有消耗功率附件,如消音器、风扇、交流发电机及空气滤清器的情况下,在发动机飞轮上测得的输出功率。v净功率 SAE J13
4、49;ISO 9249(net horsepower) A、指在装有全部消耗功率附件,如消音器、风扇、发电机及空气滤清器的情况下,在发动机飞轮上测得的输出功率。(GB,VOLVO) B、指在装有发动机运行必须的消耗功率附件,一般为风扇的情况下,在发动机飞轮上测得的输出功率。(ISO)v额定功率(rated horsepower) 定义:v飞轮功率(flywheel horsepower)v斗容是挖掘机三个主参数(操作重量,发动机功率,斗容)之一。v斗容一般分为堆装和平装两种,挖掘机常用标定斗容为堆装。v铲斗堆装容量有两种计算标准。 SAE、PCSA、ISO、GB标准:1:1堆装; CECE标准
5、:2堆装。v包括斗杆挖掘力和铲斗挖掘力。v两个挖掘力的动力不同,斗杆挖掘力来自斗杆油缸,铲斗挖掘力来自铲斗油缸。v挖掘力的作用点有两种计算标准。 ISO标准:作用在铲斗刀板边缘;SAE、PCSA、GB标准:作用在斗齿尖。A最大挖掘半径B最大地面挖掘半径C最大挖掘深度D最大挖掘深度(8水平)E最大垂直挖掘深度F最大挖掘高度G最大卸载高度H最小回转半径上部机构总宽度发动机罩总高度I轨距总宽度配重离地间隙J履带板宽度驾驶室总高度轮距K最小离地间隙尾部回转半径下部行走体长度L总长度M动臂总高度v回转速度:挖掘机空载时,稳定回转所能达到的平均最大速度。v标注的回转速度,既不是指起动时,也不是指制动时的回
6、转速度。对于一般的挖掘工况,挖掘机在0180的范围内工作时,回转马达有加速和减速,当转到270360范围内时,回转速度达到稳定。v在实际的挖掘工作中,标注的回转速度并无实际意义v需要的实际回转性能可用回转扭矩表示。3-8 行走速度与牵引力v对于履带式挖掘机而言,行走时间大概占整个工作时间的10%。v双速可以满足挖掘机的行走性能。v牵引力是指挖掘机行走时所产生的力,主要影响因素包括行走马达低速档排量、工作压力、驱动轮节圆直径、机重。v牵引力/机重=0.70.85v行走速度与牵引力表明了挖掘机行走的机动灵活性及其行走能力。v爬坡能力是指爬坡、下坡,或在一个坚实、平整的坡上停止的能力。v两种表示方法
7、:角度 ,百分比。 爬坡角度,一般为35。 tan=b/a,一般为70%。tan=b/a,一般为70%。 微型机指标一般为30或58%。v接地比压的大小决定了挖掘机适合工作的地面条件。v接地压力指机器重量对地面产生的压力。v理论值。因为履带不能完全与地面接触;由于整机重心的偏移,履带上的压力不均匀。v挖掘机的噪音主要来源于发动机。v两种噪音:司机耳边噪音机外幅射噪音v提升能力是指额定稳定提升能力或额定液压提升能力中较小的一个。v额定稳定提升能力:75%的倾翻载荷。v额定液压提升能力:87%的液压提升能力。v生产率是挖掘机主要技术经济指标之一。v理论生产率:在“计算条件”下连续工作一小时的生产率
8、。 “计算条件”是:1、操作熟练;2、常见工作条件和工作尺寸;3、工作、运输工具的位置恰当。v技术生产率:在“给定条件”下连续工作一小时的生产率。v实际生产率:机器工作一段时间所得到的实际平均生产率。它在技术生产率的基础上受机器利用率和操作熟练程度两方面影响。4-1 工作装置特点4-2 工作装置类别4-3 反铲装置4-4 其它工作装置4-5 工作装置组合应用强度v箱型截面、两种流行形式: 厚板小截面:同等强度条件下,重量略大一些。 薄板大截面:同等强度条件下,重量略小一些,但要仔细验算薄板是否失稳。v最终目的:重量轻,强度高,刚性好。v有效的工具:计算机有限元应力分析。v可信的数据:实际电测应
9、力分析。应力v应力集中:如支耳,孔,焊缝(贴角,对接,坡口),形状突变,焊缝过于集中,不同材料的焊接性能(板材与铸锻件)等。v板材质量。v焊缝的疲劳强度。实践证明,破碎锤更容易使构件发生疲劳破坏。v控制焊接变形。v去应力措施:振动,打磨,时效等。要求耐磨的部分v斗齿:主斗齿、齿体、侧斗齿。v刀板:主刀板、侧刀板。v销轴:中碳合金钢+中频淬火。v轴套:调质处理的中碳合金钢钢基+内壁喷涂自润滑和减磨及耐磨材料, 铜基镶嵌式, 方便调整的T型套端面喷涂碳化钨, 表面处理的高硬度合金钢。v调整垫片:钢制、高分子材料如橡胶和树脂。v工作装置是挖掘机的主要组成部分之一。可以更换的多种工作装置极大地拓展了挖
10、掘机的应用。v常见的工作装置类型有: 铲斗:以挖掘、装载物料为主,包括反铲、正铲; 抓斗:深井作业、装卸物料; 吸盘:吸盘可以吸附废钢等材料,包括电磁吸盘和永久吸盘; 破碎锤:破碎水泥、石块,拆除作业; 液压剪:剪断水泥建筑的钢筋等; 液压螺旋钻:钻孔、取土。v反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式,主要用于挖掘停机面以下土壤。v动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接,在液压缸的作用下各部件绕铰接点转动,完成挖掘、提升和卸土等动作。4-3 反铲装置铲斗针对不同的作业对象,选取不同的铲斗。v有利于物料的自由流动。v使物料易于卸净。v铲斗宽度与物料颗粒直径之比应大于4:1。v利用斗齿增大挖掘线比压,以便
11、于切削。铲斗宽度选择的原则v宽的铲斗适用于较软的土壤,窄的铲斗适用于较硬的物料。v铲斗宽度与单位挖掘力成反比,宽度越小,单位挖掘力越大。铲斗的宽度与大小臂的寿命v预期的小臂和大臂的寿命周期取决于铲斗的宽度。铲斗的容量要与机器相匹配如果选取的铲斗比推荐的容量大得多,挖掘机的瞬时转动惯量将会变得很大。这使循环周期增长,且对整个机器的寿命和稳定性都有不利影响;对液压部件、大臂、 小臂和机架同样也有不利影响。大小臂的选取与铲斗容量v相对较短的大小臂具有较大的挖掘力,宜配较大容量的铲斗,可提高生产率,但是同时以降低挖掘范围为代价。v较长的大小臂,尤其是超长臂挖掘机,具有较小的挖掘力,宜配较小容量的铲斗,
12、优点是扩大挖掘范围。选择合适的铲斗具有下列优点:v降低工作装置的故障率,v降低工作循环时间;v降低燃油消耗;v提高单位挖掘力;v提高生产率;v提高机器的耐用性;v提高机器的稳定性。4-3 反铲装置挖掘力v挖掘力可分为油缸理论挖掘力、整机理论挖掘力和实际挖掘力三类。只有实际挖掘力大于挖掘阻力才能完成挖掘。v油缸理论挖掘力=工作装置油缸的推力相应的杠杆比v其中工作装置油缸的推力=液压系统压力油缸大腔作用面积。v整机理论挖掘力需考虑: 工作油缸的闭锁能力; 整机的工作稳定性; 整机与地面的附着能力; 构件及整机重量。v实际挖掘力需考虑: 液压系统和连杆机构的效率; 油缸小腔背压; 土壤阻力; 工作装
13、置结构强度; 其它因素,如停机坡度、风力等等。4-3 反铲装置挖掘图4-3 反铲装置挖掘性能v挖掘性能取决于实际斗齿挖掘力、生产率和工作尺寸三方面。v就工作装置而言,归结于挖掘力、工作装置动作速度和工作尺寸三方面。v挖掘力和挖掘速度是一对统一于挖掘功率之下的矛盾,挖掘力是矛盾的主要方面。4-4 其它工作装置正铲装置v以挖掘地面以上为主,且大多用于采矿装岩作业 ,工作对象坚硬,须采用切削厚度较小、挖掘行程较长的挖掘方式,故一般以斗杆挖掘为主。v根据挖掘对象不同可分为: 通用正铲:以挖掘土方为主。 挖掘装载装置:以装载岩石为主。4-4 其它工作装置抓斗装置圆井抓斗木材抓斗松散料抓斗挖土抓斗梅花(多
14、颚)抓斗4-4 其它工作装置起重装置v起重装置是反铲的替换装置,主要用于吊装物料。它有三种不同形式。起重量受以下三个条件限制:v倾翻载荷(不得超过75%)。v液压油缸能力(不得超过87%)。v结构强度。4-4 其它工作装置挖掘平整装置v能保证工作机构沿水平面或倾斜面作长距离运动,伸缩臂式、铰接式 4-4 其它工作装置液压破碎锤v主要用来打桩、开挖冻土和岩层、破坏路面表层、捣实土壤等工作。4-4 其它工作装置抓钳装置v用在疏松和开挖冻土层或沥青路面等工程中。v它是在反铲基础上增加了一个松土器。4-4 其它工作装置快换装置v随着多种工作装置的广泛应用,更换作业装置频繁,且不易更换。v快换装置能方便
15、、快捷地进行作业装置的更换,包括液压式和机械式。v工作装置组合应用: 标准动臂、标准斗杆、标准铲斗用于大多数作业; 短动臂长斗杆用于坡道平整作业和挖掘基坑; 超长臂反铲用于疏浚河道和坡道平整作业; 拐臂式用于挖掘墙基。5-1 回转运动5-2 回转支承5-3 回转平台v挖掘机的回转时间约占工作循环时间的50%以上,能量消耗约占25-40%,液压发热量约占系统总发热量的30-40%。v在角加速度和回转力矩允许的前提下,回转时间越短越好。v角加速度的大小受最大回转扭矩的限制,最大回转扭矩不应超过机器的附着力矩。v回转机构可分为:a、半回转 b、全回转两种型式。v回转支承实际上就是一个带内齿圈的、放大
16、了的滚动轴承。v内齿圈固定在行走架上,外圈固定在转台上,安装在转台上的液压马达+减速机驱动小齿轮带着回转转台转动。v刚度由转台和行走架保证。安装发动机、泵、阀、油箱、配重、驾驶室等诸多部件。重要问题:刚度6-1 行走装置特点6-2 行走装置分类6-3 履带式行走装置6-4 行走架6-5 四轮一带v行走装置是挖掘机的支承部分,它承受机器的自重及工作装置挖掘时的反力,同时能使挖掘机作工作场内运行或运输性运行(轮式);v根据挖掘机的性能要求,行走装置应满足:较大的牵引力,使挖掘机具有良好的越野性能,并有较强的爬坡和转弯能力。在行走装置有合适总高度的情况下,应有较大的离地间隙,使挖掘机具有良好的通过能
17、力。使挖掘机接地比压小,且具有较大的支承面积制动性能好,且能防止失速,使挖掘机工作安全可靠。常见的行走装置有履带式和轮胎式两大类:v履带式行走装置牵引力大(机重的70-85%),接地比压小,越野性能好,通过能力强,爬坡能力大,转弯半径小,但行驶速度低,且易损坏道路。v轮胎式行走装置机动性好,行驶速度快,易拖拉,但接地比压较大,爬坡能力小,挖掘时需要专门的支腿支撑使机器稳定。v履带式行走装置由连接回转支承的行走架通过支重轮,履带将载荷传至地面。v履带呈封闭环绕过驱动轮和引导轮,为减小上分支的挠度,履带由12个托链轮支持。v行走装置的传动是由液压马达及减速机带动驱动轮使行走装置运行。v履带的松紧程
18、度可由张紧装置调整。v行走架是履带行走装置的承重骨架。v液压挖掘机采用整体式行走架,结构简单、自重轻且刚性好。v履带与其所绕过的驱动轮、引导轮、支重轮及托链轮组成所谓“四轮一带”,是行走装置的重要零部件,直接关系到挖掘机的工作性能和行走性能。v有齿的驱动轮带动履带链轨运动。v引导轮引导方向。v支重轮支撑整机重量。v托链轮托住履带使其不过分下垂。v履带太松时将黄油打进张紧装置就可以自动张紧。7-1 挖掘机工作特点及对液压系统的要求7-2 常用挖掘机液压系统类型7-3 常用挖掘机液压元件7-4 全功率控制系统挖掘机每一作业循环包括:v挖掘:主要是铲斗和斗杆复合动作,必要时配以动臂动作。v回转:主要
19、是动臂和回转复合动作。v卸料:返回:回转和动臂或斗杆的复合动作。挖掘机液压系统特殊要求:v实现主机各动作时,阻力与作业速度随时变化,要求油缸和马达的压力和流量也能相应变化。v为充分利用发动机功率和缩短作业循环时间,要求进行复合动作。v左、右履带分别驱动。v一切动作都是可逆的,而且要求无级调速。v各作业油缸有良好的过载保护,回转机构和行走装置有可靠的制动和限速,要防止动臂因自重快速下降。目前常用的挖掘机液压系统:v总功率控制系统v负流量控制系统v正流量控制系统v负荷传感系统v电控液压系统v定量液压系统总功率控制系统:v双泵变量系统。v两主泵由一个总功率调节机构平衡调节。v两主泵摆角始终相同,流量
20、相等。v在变量范围内,两泵总功率恒定,但两泵间功率可以不同,甚至可达到一个泵功率为零,另一个为发动机输出功率。v一种恒扭矩变量系统。负流量控制系统:v在主阀中位回油路增设一节流口,利用节流口前产生的压力来控制主泵斜盘摆角,从而控制流量。负荷传感系统:v在主阀各阀片处设置压力补偿阀,利用压力补偿阀平衡各动作间压力差值,保持各主阀前后压差恒定,这样流经各主阀的流量仅与主阀开度有关,而与各动作负载大小无关。7-3 常用挖掘机液压系统元件总功率调节、负流量控制主泵v动力元件,将发动机的机械能转化为液压能输出。v结构特点:双泵串联,后面还可以再串一个先导齿轮泵。v机械动力传动路线:发动机飞轮弹性联轴器
21、主泵。v液压动力传动路线:主泵油管主控阀。主控阀v控制元件,将主泵输出的液压能传递给各执行机构,驱动主机动作。内含许多阀杆和各种插装阀、单向阀等,集成度很高。v控制对象:行走马达,回转马达,工作装置油缸。主控阀油管各种执行元件。行走马达及减速机v执行元件,将主控阀传递过来的液压能转化为机械能输出,驱动整机行走及转向。马达和减速机集成为一体。v动力传动路线:马达减速机驱动链轮履带。回转马达及减速机v执行元件,将主控阀传递过来的液压能转化为机械能输出,驱动上部机构回转。马达减速机回转支承回转平台。脚先导阀v控制元件,将先导泵输出的液压能传递至主控阀行走阀芯,控制行走动作。两阀并排,可以脚踩,还可以
22、通过操纵杆手控。先导泵脚先导阀主控阀行走阀芯。手先导阀v控制元件,将先导泵输出的液压能传递至主控阀动臂、斗杆、铲斗、回转阀芯,控制相应动作。十字轴,可前后动作,也可左右动作。先导泵手先导阀主控阀相关阀芯 。vv全功率控制系统又称发动机转速传感控制系统(ESS),简称电控系统。v它监测发动机转速。随着外载荷增大,泵的功率增加,发动机的负荷也随之增大。当外载荷增大致使发动机转速降低到一定程度时,电控系统发挥作用,自动调小泵的输出功率,也就减小了发动机的负荷,使发动机转速恢复正常。v随着使用工况的不同,可以任意人为设定泵的功率,最大限度地发挥机器的使用效果。重载(H)模式v快速模式、高功率模式等。v
23、对于要求高效率挖掘的工况,将发动机转速设定为最高。此时不预留发动机的功率储备,既泵的设定功率等于或略大于发动机的飞轮功率。作业时要求泵功率跟随:当外载荷增大到致使发动机转速下降到一定程度时,电控系统调整给泵的电流,自动减小泵的功率,使发动机转速恢复正常。标准(S)模式v也叫经济模式。v对于挖掘时要求有比较好的燃油经济性,同时又有一定的作业效率时,可以通过降低发动机转速来实现。随着发动机转速的降低,发动机和泵的功率都将下降,但是泵的功率下降幅度大于发动机。如果降速后发动机的功率比泵的功率大很多,此时就没有功率跟随的必要。这个模式一般给泵设定一个固定的功率即可(既给泵一个固定的电流),但是根据具体
24、的发动机应该有防熄火措施,一般情况下当发动机转速下降超过250转/分钟时,电控系统应该调小泵的功率。精细(F)模式v这个模式主要是做一些动作缓慢而细致的工作,例如起重、吊装焊接等。要求的流量更低但是动作必须稳定,因此以控制系统流量为主,一般给泵设定一个固定的功率即可(既给泵一个固定的电流) 。此时发动机转速降得很低,容易熄火,尤其是低速性能不好的发动机更应该注意,必须在电控系统上设置防熄火功能。平地模式v对于平整场地,司机操作时手柄动作大而斗杆摆动速度慢一些将更容易控制,当然发动机将转速降得更低一些为好 。控制速度实际上就是控制流量,这个模式有多种方法可以控制进入斗杆油缸的流量。一般给泵设定一个固定的功率即可(既给泵一个固定的电流) ,平地时也会遇到大块石头、树根等,根据具体的发动机应该有防熄火措施。附件模式v这个模式专门为破碎锤、液压剪等附件设置,仍然以满足附件要求的流量为控制目的。一般给泵设定一个固定的功率(既给泵一个固定的电流)同时根据具体情况决定是否增加防熄火措施。v有些挖掘机采用电控流量调节,可以更方便地调整附件的流量。挖沟模式v有的挖掘机专门为挖掘沟壕而设置这个模式,它的主要目的是更有利于挖掘沟壕的边缘,主要措施有:增大回转力矩;回转优先(相对于动
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