摘要液壓挖掘機是一種應用廣泛的多功能的建設施工機械，作為工程機械的主力機種。由於液壓挖掘機具有多品種，多功能，高質量及高效率等特點，因此受到了廣大施工作業單位的青睞，其生產製造業也日益蓬勃發展。
液壓挖掘機主要有發動機、液壓系統、工作裝置、迴轉裝置、行走裝置和電器控制等部分組成。本文主要研究其工作裝置。
挖掘機的主要工作就是土壤的挖掘。工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置，許多挖掘機發達的國家廣泛採用新技術、新方法來不斷地提高液壓挖掘機的作業效能和生產率。正鏟裝置的各組成部分有各種不同的外形，要根據設計要求選用適合的結構並對其作運動分析。
然後，在滿足機構運動要求的基礎上對各機構引數進行理論計算，確定各機構尺寸引數，確定挖掘機正鏟裝置的基本輪廓。
挖掘阻力和挖掘力是衡量挖掘機效能引數的重要效能指標，對其分析計算至關重要。挖掘阻力主要與挖掘物件及自身尺寸引數有關，而挖掘力則受眾多條件限制，危險工況的分析是關鍵點。在挖掘力分析基礎上，可對各桿件鉸接點進行力的分析計算，並進行機構設計的合理性分析。
關鍵詞：正鏟挖掘機，工作裝置，平面連桿機構，運動分析
第二章液壓正鏟挖掘機工作裝置的總體設計
2.1 液壓正鏟挖掘機的基本組成和工作原理
液壓正鏟挖掘機由工作裝置，上部轉台和行走裝置三大部分組成，如圖 2.1 所示。其中上部轉台包括動力裝置、傳動機構的主要部分、迴轉機構、輔助裝置和駕駛室；工作裝置由動臂、鬥杆、鏟斗及動臂油缸、鬥杆油缸、鏟斗油缸組成，如圖 2.
2 所示。
圖 2.1 液壓正鏟挖掘機的基本組成
圖 2.2 液壓正鏟挖掘機工作裝置
挖掘作業時，操縱動臂油缸使動臂下降至鏟斗接觸挖掘面，然後操縱鬥杆油缸和鏟斗油缸，使鬥進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿後，操縱動臂油缸，使鏟斗公升高離開挖掘面，在迴轉馬達的驅動下，使鏟斗迴轉到解除安裝地點，然後操縱鬥杆和鏟斗油缸使鏟斗轉動至合適位置，再回縮開斗油缸轉動鏟斗，使鬥前、鬥後分開解除安裝物料。解除安裝後，開斗油缸伸長使鬥前、鬥後閉合，將工作裝置轉到挖掘地點進行第二次迴圈挖掘工作。
轉移工作場地時，操縱行走馬達，驅動行走機構完成移動工作[4]。
在實際挖掘作業中，由於土質情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘迴圈中的動作配合可以是多樣的、隨機的。上述過程僅為一般的理想過程。
2.2 工作裝置結構方案的確定
正鏟工作裝置的構造：正鏟工作裝置由動臂、鬥杆、鏟斗、工作液壓缸和連桿機構等組成。動臂是焊接的箱形結構，由高強度鋼板焊成，也有的是鑄造的混合結構，和反鏟工作裝置相比，正鏟動臂較短且是單節的。
動臂下端和轉台鉸接，動臂油缸一般為雙缸，在布置上動臂的下鉸點高於動臂油缸的下鉸點且靠後。這種布置方案能保證動臂具有一定的上傾角和下傾角，以滿足挖掘和解除安裝的需要，同時也保證動臂機構具有必要的提公升力矩和閉鎖力矩。
鬥杆也是焊接箱形結構或鑄造混合結構。鬥杆的一端與動臂的上端鉸接，鬥杆油缸的兩端分別與動臂和鬥杆的下緣鉸接，形成了鬥杆機構。由於正鏟常以鬥杆挖掘為主，這樣的結構布置適合於向前推壓，液壓缸大腔進油可以發揮較大的挖掘力。
正鏟斗鉸接在鬥杆的端部，鏟斗油缸的兩端分別與鬥杆中部和連桿裝置連線，形成轉鬥機構，一般為六連桿機構。有時鏟斗缸的活塞桿直接和鏟斗鉸接形成四連桿機構。
挖掘機正鏟的鏟斗根據結構和卸土方式可分為前卸式和底卸式兩大類。
前卸式鏟斗卸土時直接靠鏟斗油缸使鬥翻轉，土鑲從鬥的前方卸出。這種構造簡單，鬥體是整體結構，剛度和強度都比較好，並且不需要另設卸土油缸，但是為了能將土卸盡，要求卸土時前壁與水平夾角大於45度,因而要求鏟斗的轉角加大，結果導致所需的鏟斗油缸功率增加，或者造成轉鬥挖掘力下降或卸土時間延長。此外，前卸式鏟斗還影響有效解除安裝高度。
底卸式鏟斗靠開啟斗底卸土。所示的鏟斗是靠專門的油缸起閉斗底。挖掘時斗底關閉，卸土時斗底開啟，土城從底部卸出。
這類結構的卸土效能較好，要求鏟斗的轉角也小，但必須增設卸土油缸，此外，斗底開啟後也影響到有效解除安裝高度。這類開斗方式現在已少用，目前挖掘機上採用較多的是另一種底卸式鏟斗，鏟斗由兩半組成，靠上部的鉸連線。卸土油缸裝在鬥的後壁中。
油缸收縮時通過槓桿系統使鬥前壁(順板)向上翹起，將土壤從底部卸出。用這種方式解除安裝，解除安裝高度大，解除安裝時間較短，裝車時鏟斗得以更靠近車休並且還可以有控制地開啟額板，使土或石塊比較緩慢地卸出，因而減少了對車輛的撞擊，延長了車輛的使用壽命。另外這種鬥還能用於挑選石塊，很受歡迎，但鏟斗的重量加大較多，因而在工作裝置尺寸、整機穩定性相同的情況下鬥容量有所減少，並且由於鬥由兩部分組成，受力情況較差。
採用底卸式鏟斗結構，鏟斗的轉角可以減小，因而有些挖掘機已取消了鏟斗油缸的連桿裝置，鏟斗油缸直接與鬥體相連線，簡化了結構，並在一定程度上加大了轉鬥挖掘力[5]。
當挖掘機挖掘比較鬆軟的物件、或用於裝載散粒物料時，正鏟斗可以換成裝載鬥，在整機重量基本不變的情況下，這種鬥的容量可以大大增加，因而提高了生產率。裝載鬥一般都是前卸式，不裝鬥齒，以減小挖掘鬆散物料時的挖掘阻力。
本設計中我採用圖2.3這一結構。
圖 2.3 液壓正鏟挖掘機結構
圖 2.4 液壓正鏟挖掘機機構簡圖
圖2.4所示是5 m3正鏟挖掘機工作裝置的示意圖，採用直動臂、直斗杆形式，鏟斗為前卸式。動臂和動臂油缸在轉台上的鉸點分別為c和a，它們的位置以停機面為x軸，整機迴轉中心線為y軸(圖b)的直角座標值來表示。
這台挖掘機的主要工作油缸共5只，其中動臂油缸兩隻，置於動臂的兩側；鬥杆油缸乙隻,置於鬥杆的中部；鏟斗油缸兩隻，鉸於鬥杆中部。主要工作油缸的主要引數列於表2—1中。
表 2.1 5m3正鏟液壓挖掘機主要油缸的主要引數
第三章液壓正鏟挖掘機工作裝置機構運動學分析
3.1動臂運動分析
動臂cf的位置由動臂油缸ab的長度決定。和動臂水平傾角之間的關係可用下式表示
2-1）
2-2）
從上式看出，a11-a2對的影響很大，當動臂和油缸的引數不變時，a11-a2愈大動臂提公升高度愈小。設動臂油缸全縮時動臂傾角為；動臂油缸全伸時動臂傾角為，那麼在動臂油缸由全縮到全伸，動臂總的轉角為：
2-3）
為了便於運算和比較，仍用無因次比例係數表示，即
2-4）
代入式(2—2)可以得到動臂油缸全縮和全伸時相應的動臂傾角值
2-5）
2-6）
而動臂總轉角為
2-7）
動臂油缸伸縮時對c點的力臂也在不斷變化，由圖可知
2-8）
顯然，當abac時有最大值，此時，而相應的油缸長度為：
=此時的動臂傾角為
若用動臂油缸相對力臂（即來表示油缸長為時的力臂，則
2-9）
綜上所述，動臂傾角、力臂和都是的引數。
3.2鬥杆運動分析
鬥杆fq的位置由動臂cf和鬥杆油缸de的長度所決定。但是動臂的位置隨動臂油缸的伸縮而變化，為了便於分析鬥杆油缸對頭杆位置的影響，假定動臂不動，那麼鬥杆鉸點f以及鬥杆油缸在動臂上的鉸點d就可以看作為固定基座。
與鬥杆、動臂夾角之間的關係為
2-10）
2-11）
設鬥杆油缸全縮時動臂與頭杆的夾角為，全伸時為，那麼當油缸由全縮到全伸時鬥杆總的轉角為
2-12）
鬥杆油缸的作用力臂也是可變值。
2-13）
當efde時有最大值，即，這時相應的油缸長度為
相應的鬥杆轉角為
2-14）
用斗杆油缸相對力臂值（即）來表示時的力臂，則
2-15）
2.3.3鬥齒尖的幾種特殊工作位置的計算
上圖為正鏟挖掘機作業範圍圖，以下為幾種特殊工作位置的分析與計算。
（1）最大挖掘半徑(圖2.5)
這時c、q、v在同一條水平線上，而且鬥杆油缸全伸，即；；
最大挖掘半徑為
2-16）
最大挖掘半徑處的挖掘高度相應為
圖 2.5 最大挖掘半徑
（2）最大挖掘高度(圖2.6)
圖 2.6 最大挖掘高度
最大挖掘高度為：
2-17）
最大挖掘高度時的挖掘半徑
2-18）
如果最大轉鬥角度不能保證qv垂直向上，即，則應根據實際的值求相應的挖掘高度，如圖左上角所示，此時
（2-19）
（3）最大挖掘深度(圖2.7)
這時動臂油缸全縮，頭杆fq及qv垂直向下，即，，。
最大挖掘深度為
2-20）
最大挖掘深度時的挖掘半徑為
2-21）
假若，則fq不可能呈垂直狀態，此時必須根據具體情況計算實際的最大挖掘深度[6]。
圖 2.7 最大挖掘深度
（4）停機平面上的最大挖掘半徑(圖2.8)
這是指鬥齒靠在地面上、鬥杆全部伸出而鬥底平面與停機平面平行的工況。此時qv線與地面交成角(角是乙個重要的鏟斗引數，設計中應認真確定)，根據這種定義可知
圖 2.8 停機平面上的最大挖掘半徑
；，其中
2-22）
2-23）
這時停機平面上的最大挖掘半徑為
2-24）
如果，則必須根據具體情況重新進行計算。
第四章工作裝置各部分基本尺寸計算確定
現從動臂與轉台鉸點a出發，借助各相關轉角 1、 2和 3，建立各關鍵點b、c、d……v的位置模型，得到各關鍵點的座標，從而為下一步的分析提供依據。
以地面為橫座標，以迴轉中心線為縱座標，建立直角座標系xoy如圖2.4所示。
4.1 動臂與平台鉸點位置c的確定
對由反鏟挖掘機改裝的正鏟來說，動臂鉸座往往就沿用反鏟動臂的鉸座。一般，鉸座都在轉台中心的前方(>0)，近來大型正鏟的鉸座卻有向後移(靠近迴轉中心線)的趨勢。
設計時，可用模擬法確定或根據經驗統計公式初步選取，在此基礎上推薦以履帶軸距l為基本長度。
履帶軸距l
=3.123.662-25）
式中：為斗容量，
取l=3.6m
4.2 動臂及鬥杆長度的確定
同上轉鬥半徑也可用模擬法確定或根據經驗統計公式初步選取，在此基礎上推薦以履帶軸距l為基本長度。
4.3 機構轉角範圍確定
在動臂長度、鬥杆長度、轉鬥半徑及動臂油缸與平台鉸點c初步確定之後，根據挖掘機工作尺寸的要求利用解析法求各機構轉角範圍，其中包括動臂機構轉角、鬥杆機構轉角、鏟斗機構轉角範圍[6]。
挖掘機鏟斗設計
一 基本要求 1 1.1鏟斗的結構選擇 1 二 鏟斗基本引數的確定 2 2.1鏟斗長寬高的確定 2 2.2挖掘力計算 4 三 鏟斗幾何形狀 5 3.1鏟斗的組成 5 3.2鬥體曲線 6 3.3兩種曲線的比較 8 四 結論 10 參考文獻 12 鬥輪挖掘機的鏟斗在輪圈迴轉一周的過程中,要完成切割 裝載...
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