挖掘機松土斗的研究及應用

張 杰，張志洋，劉金玉，崔暮春

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

挖掘機松土斗的研究及應用

張 杰，張志洋，劉金玉，崔暮春

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

[摘 要]挖掘機松土斗是鏟斗和松土器有效結合在一起的產物，本文以47t挖掘機松土斗為研究對象，對工作裝置進行建模，在相同作業(yè)工況下對松土器、松土斗和鏟斗不同挖掘階段進行挖掘力對比分析，為松土斗的進一步研究和升級提供了理論依據(jù)。

[關鍵詞]挖掘機；松土斗；不同挖掘階段；挖掘力

挖掘機松土斗是鏟斗和松土器有效結合在一起的產物，目前主要有卡特彼勒、沃爾沃、日立等國外挖掘機廠家配備，且主要用在國外市場，國內廠家及國內市場還很少見。松土斗3個斗齒按一定順序依次接觸物料，有利于下土，滿足松土效果的同時兼有挖掘裝載功能，且松土和挖掘工作能一次性完成，工作效率得到極大的提高，完全可以避免在硬土、次堅石、風化石、礦場、煤場等場地需分別配有松土器和鏟斗的兩臺挖掘機同時工作的情況，為客戶節(jié)約了成本，尤其是管道鋪設所需的窄溝，是松土器和鏟斗都不能完成的工作，故松土斗備受客戶青睞，具有廣闊的市場前景。

圖1為松土斗在溝槽工況下的作業(yè)環(huán)境，該工況一般巖石較多，如果用松土器和鏟斗結合完成此工況，不但需要兩臺挖掘機同時工作，而且還存在窩工的現(xiàn)象，加上松土器本身效率較低，因此，松土斗具備松土挖掘的優(yōu)勢得以體現(xiàn)，圖2為配備松土斗的徐工挖掘機展松土斗實物圖。

1 挖掘力分析

1.1 松土斗模型建立

圖1 溝槽工況作業(yè)圖

圖2 松土斗實物圖

圖3 松土斗模型示意圖

基于液壓挖掘機的松土斗模型如圖3所示，松土斗三個齒不在同一平面上，三齒成α角度依次排列，整個松土挖掘過程中，三齒是依次入土，如圖4所示，工作過程依次是一齒松土、兩齒松土挖掘和三齒挖掘。

圖4 松土斗挖掘過程示意圖

1.2 工作裝置模型的建立

在各鉸點加載旋轉約束，油缸加載直線約束，在研究松土斗挖掘力時，對動臂油缸和斗桿油缸進行固定，為便于研究，假定同種機型對應的松土器、松土斗、鏟斗的挖掘半徑均為l9，如圖5所示工作裝置簡化模型。

圖5 工作裝置簡化模型

依據(jù)圖5 所示三角形的幾何關系得

式中 l4，l5，l6，l7，l8，l9——給定參數(shù)；

L——油缸的伸縮長度；

S1—— 油缸HG對N點的作用力臂（N點到HG的垂直距離）；

S2—— 連桿HK對N點的作用力臂（N點到HK的垂直距離）；

S3—— 連桿HK對Q點的作用力臂（Q點到HK的垂直距離）。

1.3 挖掘力分析

液壓挖掘機鏟斗挖掘力主要由鏟斗油缸、搖桿連桿等所組成的傳動機構兩部分所決定的，整機挖掘過程中，通常是鏟斗油缸、斗桿油缸和動臂油缸復合作用進行工作的，本文僅研究松土器、松土斗和鏟斗結構對比和受力分析，故只考慮鏟斗油缸作用。

油缸推力

式中 d——油缸缸桿直徑（mm）；

P——油缸液壓壓力（MPa）。

鏟斗挖掘力

將（6）、（7）、（8）、（9）帶入（10）得

以47t挖掘機配松土器、松土斗、鏟斗為例，相關參數(shù)見表1。

表1 47t液壓挖掘機相關參數(shù)

為便于對比和分析，假設松土器、松土斗、鏟斗挖掘松土半徑一致（均為l9），忽略偏載、扭力等次要因素。

1.3.1 松土器挖掘力

松土器只有一個斗齒，其整個過程的挖掘力一直作用在該斗齒上，將表1中的參數(shù)帶入式（11）得到圖6所示的松土器斗齒在松土器油缸長度最短到最長過程的挖掘力曲線圖。

圖6 松土器齒尖隨油缸伸縮挖掘力曲線圖

1.3.2 松土斗挖掘力

松土斗有3個齒，且不在同一平面，斗齒挖掘力分3個階段。

第一階段：松土斗轉動角度β（0≤β＜α），單齒觸地，主要起松土作用，挖掘力曲線同松土器挖掘力曲線（定義單齒觸地瞬間β=0）。

第二階段：松土斗轉動角度β（α≤β＜2α），兩齒觸地，起松土挖掘作用，每個齒挖掘力為該階段總的挖掘力的一半。

第三階段：松土斗轉動角度β（β≥2α），三齒觸地，效果同鏟斗，起挖掘裝載作用，每個齒挖掘力為該階段總的挖掘力的1/3。

各階段每個斗齒挖掘力為

式（12）為松土斗轉動角度β不同階段每個斗齒挖掘力大小，將表1中的參數(shù)帶入式（12）得到圖7所示的松土斗單個斗齒在松土斗油缸長度最短到最長過程的挖掘力曲線圖。

圖7 松土斗齒尖隨油缸伸縮挖掘力曲線圖

1.3.3 鏟斗挖掘力

鏟斗通常有5個齒，且5個齒在同一平面上，整個挖掘過程，5齒同時受力，每齒挖掘力為鏟斗總挖掘力的1/5，則每個斗齒挖掘力為

將表1中的參數(shù)帶入式（13）得到圖8所示的鏟斗單個斗齒在鏟斗油缸長度最短到最長過程的挖掘力曲線圖。

圖8 鏟斗齒尖隨油缸伸縮挖掘力曲線圖

1.3.4 三種斗齒挖掘力

如圖9所示，第一階段松土斗單齒挖掘力較大主要起到松土的作用，便于利土，為后面挖掘奠定了基礎，第二階段兩齒受力，挖掘力降低了一半，但由于第一階段已松物料，故此階段物料硬度及阻力降低，第三階段，三齒受力，單齒挖掘力為該階段總挖掘力的1/3，但第一、第二階段已經松土和挖掘的基礎上，物料阻力大大減低，便于挖掘裝載。

圖9 三種齒尖隨油缸伸縮挖掘力曲線圖

2 對比分析

2.1 功能對比

1）雖然松土器挖掘強度高，但單齒的作業(yè)面積小，只能松土不能挖掘裝載，因此不能滿足客戶對快速松土、挖掘裝載的需求。

2）對于鏟斗，由于五齒同時接觸物料，阻力大，單齒挖掘力明顯降低，只能挖掘裝載松散物料，很難適應凍土、硬土、石場等工況。

3）而松土斗的誕生便解決了這個難題，滿足了客戶對凍土、硬土、石礦及管道鋪設窄溝等的需求，尤其是管道鋪設窄溝的專用工具，是其松土器和鏟斗都代替不了的工具，各功能對比如表2所示。

表2 松土器、松土斗及鏟斗功能對比分析

2.2 優(yōu)勢分析

松土斗兼有鏟斗和松土器的雙重功能，在工作過程中3個斗齒依次接觸物料，降低了鏟斗5個斗齒同時接觸物料時較大的阻力，其挖掘強度明顯高于鏟斗，彌補了鏟斗受阻力大挖不動的弊端；由于存在斗寬和一定斗容，其松土面積遠大于松土器，松土效率得到極大的提高，另外可以裝載物料，彌補了松土器只能松土而不能裝載的弊端。

3 結 論

松土斗是松土器和鏟斗的有效結合的產物，擁有鏟斗裝卸物料的同時，兼有松土器松物料的功能，該松土斗的使用可以有效應用于高原凍土、硬土，城市周邊的溝槽等工況，在管道鋪設窄溝挖掘方面效果更為顯著，其功能是松土器和鏟斗都代替不了的。

[參考文獻]

[1] 鄭建榮．虛擬樣機技術入門與提高[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2012．

[2] 劉 娟，周志鴻，張 韜．輪式挖掘機工作裝置虛擬樣機在ADAMS的實現(xiàn)[J]．建筑機械，2008，(10)：85-89.

[3] 孔德文，趙克利，徐寧生，等．液壓挖掘機（工程機械設計與維修叢書）[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2006．

[4] 林慕義，史青錄．單斗液壓挖掘機構造與設計[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

（編輯 吳學松）

Research and application of excavator loosen bucket

ZHANG Jie, ZHANG Zhi-yang, LIU Jin-yu, CUI Mu-chun

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0035-04

［收稿日期］2015-05-13