輕型挖掘機(jī)的研制與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

周衛(wèi)東

（濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)寧 272037）

0 前言

在工程建設(shè)中，除了必須提供成套的工程機(jī)械以外，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的輕型工程單機(jī)也是必不可少的。國(guó)外挖掘機(jī)重型和輕型各占一定的比例，而國(guó)內(nèi)的挖掘機(jī)市場(chǎng)則偏重于重型化，開發(fā)適合農(nóng)村的輕型挖掘機(jī)勢(shì)在必行。本文將簡(jiǎn)介所研制的輕型挖掘機(jī)的工作原理，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析。

1 輕型挖掘機(jī)的工作原理

圖1 輕型挖掘機(jī)的工作裝置機(jī)構(gòu)

所研制的輕型挖掘機(jī)的工作裝置—反鏟裝置，如圖1。它由轉(zhuǎn)動(dòng)支架1、鏟斗2、連桿3、搖桿4、斗桿5、動(dòng)臂6、以及相應(yīng)的三組液壓缸7、8、9組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)接在轉(zhuǎn)動(dòng)支架上，利用動(dòng)臂和液壓缸的回轉(zhuǎn)伸縮，使動(dòng)臂繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠斗桿液壓缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)擺動(dòng)，而鏟斗鉸于斗桿前端，并通過(guò)鏟斗液壓缸和連桿使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)由動(dòng)力元件（液壓泵）、執(zhí)行元件（液壓缸）、控制元件（各種閥）和輔助裝置按一定方式組合而成，用來(lái)把發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能以油液為介質(zhì)經(jīng)動(dòng)力元件轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗埽?jīng)系統(tǒng)變換再由執(zhí)行元件轉(zhuǎn)返為機(jī)械能，實(shí)施各種動(dòng)作。輕型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)采用定量系統(tǒng)，其原因是：1) 定量泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，工作可靠；2）由于液壓泵經(jīng)常工作在非滿負(fù)荷狀態(tài)下，泵的壽命比變量泵長(zhǎng)；3）由于流量固定，執(zhí)行元件的速度也穩(wěn)定，工作裝置的軌跡比較容易控制，因此開挖面的質(zhì)量比較好。

2 輕型挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

挖掘機(jī)反鏟裝置的幾何位置取決于動(dòng)臂液壓缸的長(zhǎng)度L1、斗桿液壓缸的長(zhǎng)度L2和鏟斗液壓缸的長(zhǎng)度L3（圖1）。顯然，當(dāng)L1、 L2和L3為某一組確定值時(shí)反鏟裝置就相應(yīng)處于一個(gè)確定的幾何位置。反鏟運(yùn)動(dòng)分析坐標(biāo)系的X軸在水平面內(nèi)，Y軸與挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)中心線重合。斗齒尖V所在的X坐標(biāo)值Xv表示挖掘半徑。Y坐標(biāo)值Yv為正值時(shí)表示挖掘高度，為負(fù)值時(shí)表示挖掘深度。當(dāng)L1、L2和L3為一組定值時(shí)，只有一組Xv和Yv值與其對(duì)應(yīng)。反之，對(duì)于Xv和Yv的一組定值有許多組L1、L2和L3值與其相應(yīng)。

反鏟裝置自身幾何參數(shù)有三類：第一類是決定反鏟裝置運(yùn)動(dòng)特性的必要參數(shù)，稱原始參數(shù)，這里主要選擇長(zhǎng)度參數(shù)作為原始參數(shù)；第二類是由第一類參數(shù)推算出來(lái)的參數(shù)，稱推導(dǎo)參數(shù)，多為運(yùn)算中需要的角度參數(shù)；第三類是作方案分析比較所需要的其它特性參數(shù)。

表1 挖掘機(jī)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)描述

動(dòng)臂的擺角范圍?1max是L1的函數(shù)，動(dòng)臂上任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻的坐標(biāo)值也是L1的函數(shù)。當(dāng)L1=L1min時(shí)，θ1min=＜ACB0。當(dāng)L1=L1max時(shí)，θ1max＜ACB0。動(dòng)臂的擺角范圍為?1max=θ1max-θ1min。動(dòng)臂的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角為

以F點(diǎn)為例，可導(dǎo)出動(dòng)臂上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)方程(圖2a)

2.3 斗桿的運(yùn)動(dòng)描述

斗桿的位置參數(shù)是L1和L2的函數(shù)。這里暫先討論斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)，即只考慮L2的影響。斗桿機(jī)構(gòu)與動(dòng)臂機(jī)構(gòu)性質(zhì)類似，均為四連桿機(jī)構(gòu)，但連桿比不同。在動(dòng)臂機(jī)構(gòu)中一般l7＞l5，在斗桿機(jī)構(gòu)中一般l9＞l8。

斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的擺角范圍

2.4 鏟斗的運(yùn)動(dòng)描述

鏟斗相對(duì)于X-Y坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)是L1、L2和L3的函數(shù) (圖2b,c)。由F點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合表1以及前面計(jì)算得到的有關(guān)參數(shù)值，通過(guò)運(yùn)算，可依次求得α32,l28,α33,l23,α34,α35,l37,α36等，最后導(dǎo)出斗齒尖的位置坐標(biāo)：

2.5 整機(jī)的運(yùn)動(dòng)描述

整機(jī)作業(yè)范圍取決于斗齒尖V的坐標(biāo)值XV和YV，計(jì)算出一系列斗齒位置坐標(biāo)就可得到精確的作業(yè)范圍。 最大挖掘深度、最大卸載高度、最大挖掘半徑、停機(jī)面最大挖掘半徑等等，屬于特殊工作尺寸。當(dāng)下置式動(dòng)臂液壓缸全縮，F(xiàn)QV三點(diǎn)共線并處于垂直狀態(tài)時(shí)得到最大挖掘深度（圖2d）

當(dāng)下置式動(dòng)臂液壓缸全伸，斗桿液壓缸全縮，QV連線處于垂直狀態(tài)時(shí)得到最大卸載高度（圖2e）

式中：

當(dāng)斗桿液壓缸全縮，轉(zhuǎn)斗液壓缸全縮，CV水平狀態(tài)時(shí)得到最大挖掘半徑（圖2f）

當(dāng)斗桿液壓缸、轉(zhuǎn)斗液壓缸處于最大挖掘半徑狀態(tài)，而鏟斗斗齒尖V靠在停機(jī)面上時(shí)，得到停機(jī)面最大挖掘半徑。

3 運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)及模擬分析結(jié)果

在上述挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析系統(tǒng)，采用VB語(yǔ)言編寫。仿真系統(tǒng)流程，如圖3所示。仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能有：計(jì)算挖掘機(jī)最大挖掘深度、最大卸載高度、最大挖掘半徑等；進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和工作范圍模擬仿真；并可用于優(yōu)化挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

作為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，模擬分析了所研制的輕型挖掘機(jī)反鏟機(jī)構(gòu)。輸入的原始參數(shù)為(單位：mm)：l3=573, l12=0, l13=224, l14=224, l24=217, l25=665, l29=272, l2=960, l9=294, l10=260, l11=242, l15=824, l16=789, l21=173, l1=2000, l6=1251, l7=934, l8=978, l22=1196, l4=272, l5=384, l17=1101, l19=941, l30=205, l38=447, l39=739, l1S=700,l1E=1124, l2S=743, l2E=1210, l3S=648, l3E=1020（注： L1S、L1E為液壓缸最短、最長(zhǎng)尺寸，其余類推）。

圖3 仿真系統(tǒng)流程圖

圖4 反鏟運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

通過(guò)模擬分析，獲得挖掘機(jī)鏟斗斗齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡（如圖4），挖掘機(jī)最大挖掘深度為1.810m，最大卸載高度為1.870m，最大挖掘半徑為3.445m，停機(jī)面最大挖掘半徑為3.345m，單循環(huán)時(shí)間為15.87s和理論生產(chǎn)率為34m3/h。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）設(shè)計(jì)的輕型挖掘機(jī)可作為拖拉機(jī)附件，適合農(nóng)村地區(qū)使用。

2）發(fā)展的挖掘機(jī)仿真系統(tǒng)可模擬挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)工作范圍，并可用于優(yōu)化挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸。

[1] 同濟(jì)大學(xué).單斗挖掘機(jī).機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[2] 楊培元.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[3] 機(jī)械工程手冊(cè)編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)(第二版),專用機(jī)械(一).機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[4] 機(jī)械工程手冊(cè)編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)(第二版),專用機(jī)械(二).機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[5] 北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)(第二卷).化學(xué)工業(yè)出版社,1993.

[6] 張利平.液壓氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[7] 同濟(jì)大學(xué).單斗液壓挖掘機(jī).中國(guó)建筑工業(yè)出版,1986.