一種折彎式多功能挖掘裝置結(jié)構(gòu)及原理

摘要：挖掘裝置采用折彎式、帶夾爪的結(jié)構(gòu)型式，能夠?qū)崿F(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)，其回轉(zhuǎn)平臺位于車體前方，挖掘臂沿車體縱軸線向后伸展放在車體上，可在車輛前方及左右側(cè)面開展挖掘、夾抓及起吊作業(yè)，根據(jù)作業(yè)需求，快速切換作業(yè)模式。挖掘裝置主要由回轉(zhuǎn)平臺、挖掘臂、鏟斗、夾爪、吊鉤等組成，操作手通過兩個電控手柄和功能開關(guān)控制作業(yè)過程，折彎式挖掘臂能夠擴(kuò)大作業(yè)范圍，增強(qiáng)挖掘、夾抓和起吊能力，同時可以減小運(yùn)輸高度，除此之外，通過角度傳感器實(shí)時監(jiān)測挖掘臂姿態(tài)，顯著提升作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：挖掘裝置；折彎式挖掘臂；挖掘臂姿態(tài)

0 引言

挖掘裝置是土方機(jī)械設(shè)備常用工作裝置，其優(yōu)異的作業(yè)性能極大地節(jié)省了人力和物力。隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，人們對作業(yè)功能、作業(yè)效率和作業(yè)范圍提出了更高的要求，如果通過技術(shù)手段解決此類問題將會對相關(guān)產(chǎn)品的優(yōu)化升級起到較大推動作用。

1 折彎式挖掘裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

挖掘裝置主要由回轉(zhuǎn)組件、挖掘臂、鏟斗和夾爪構(gòu)成，采用折彎式、帶夾爪的結(jié)構(gòu)型式，能夠?qū)崿F(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)，可在車輛前方及左右側(cè)面開展挖掘、夾抓及起吊作業(yè)，如圖1所示，根據(jù)不同作業(yè)需求可快速調(diào)整作業(yè)模式。

挖掘臂由下動臂、上動臂、斗桿、下動臂油缸、上動臂油缸、斗桿油缸、斗桿角度傳感器、上動臂角度傳感器和下動臂角度傳感器組成，如圖2所示。動臂為折彎式結(jié)構(gòu)，由上動臂和下動臂兩部分組成，通過上動臂油缸實(shí)現(xiàn)折彎。常規(guī)挖掘或抓夾作業(yè)時，動臂呈折彎狀態(tài)，運(yùn)輸或擴(kuò)大作業(yè)范圍極限時，動臂呈直線狀態(tài)，通過角度傳感器監(jiān)測挖掘臂姿態(tài)。

鏟斗和夾爪是由鏟斗、夾爪、吊鉤、連桿、搖桿、鏟斗缸和夾爪缸組成，如圖3所示。

夾爪與鏟斗相互配合完成夾抓作業(yè)，如圖4所示，夾爪結(jié)構(gòu)形式是由多個因素決定：①依據(jù)作業(yè)對象外形結(jié)構(gòu)和尺寸，確定帶倒鉤型式的弧形結(jié)構(gòu)，具備夾抓范圍大和防止作業(yè)對象脫落等優(yōu)點(diǎn)；②考慮挖掘作業(yè)和運(yùn)輸要求，確定鉸點(diǎn)位置，保證夾爪在收起狀態(tài)不影響其他功能實(shí)現(xiàn)。

吊鉤采用鍛造工藝生產(chǎn)，其上設(shè)有防脫鉤裝置，另外，考慮增大起吊高度和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，將吊鉤布置在連桿上，通過焊接方式連接，經(jīng)仿真分析可知，整體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好。

4e1c7321920aea193f815961c8d2f23b483f4372c255d73c71c1411941f75148挖掘裝置具有挖掘、抓取和起吊功能，通過電氣和液壓控制系統(tǒng)切換不同作業(yè)模式。

挖掘裝置通過回轉(zhuǎn)支承與底盤連接，利用回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動，可以相對底盤進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，快速切換至不同作業(yè)方位。利用液壓缸驅(qū)動挖掘臂變換姿態(tài)，調(diào)整作業(yè)范圍。挖掘裝置為折彎式結(jié)構(gòu)，通過上動臂油缸伸縮控制上動臂和下動臂夾角。對于常規(guī)挖掘作業(yè)，上動臂油缸處于力臂最大狀態(tài)，運(yùn)輸時，上動臂油缸全縮，上動臂和下動臂夾角處于最大狀態(tài)，平放于車體上部，可降低整車高度。

該挖掘裝置結(jié)構(gòu)靈活，作業(yè)范圍大，如圖5所示。當(dāng)下動臂處與最大仰角狀態(tài)，下動臂根鉸、上動臂根鉸、斗桿根鉸和端鉸四點(diǎn)一線，鏟斗處最大仰角狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最大挖掘高度H；從最大挖掘高度狀態(tài)起，下動臂處最大俯角狀態(tài)，上動臂根鉸、斗桿根鉸和端鉸、鏟斗切削刃前端四點(diǎn)一線，切削刃前端觸地，實(shí)現(xiàn)最大地面挖掘半徑Rmax；從最大挖掘半徑起，下動臂處于最大俯角狀態(tài)，上動臂繞其與下動臂鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)角狀態(tài)，斗桿根鉸和端鉸，鏟斗切削刃前端三點(diǎn)連線呈一條直線，并垂直地面，實(shí)現(xiàn)最大挖掘深度h，見GB/T6572—2014規(guī)定[1]。

根據(jù)作業(yè)需求，挖掘裝置姿態(tài)可分為行駛和作業(yè)兩種狀態(tài)。在行駛狀態(tài)下，挖掘裝置沿車體縱軸線向后延伸放在車體上，上動臂油缸全縮，挖掘臂近似呈直線狀態(tài)，通過減震墊與車體緊密貼合，行駛穩(wěn)定性好。在作業(yè)狀態(tài)下，根據(jù)不同的作業(yè)對象，將挖掘臂調(diào)整到相應(yīng)的作業(yè)狀態(tài)，可在車輛前方及左右側(cè)面開展挖掘、夾抓和起吊作業(yè)，操作手通過兩個電控手柄和三個功能開關(guān)進(jìn)行作業(yè)控制，通過PWM信號線性驅(qū)動控制相應(yīng)功能電比例閥的電流，進(jìn)而對液壓執(zhí)行元件運(yùn)動進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)挖掘、夾抓及起吊功能。

兩種狀態(tài)切換原理為：在行駛狀態(tài)下，上動臂缸、斗桿缸和夾爪油缸全縮，挖掘臂平放于車體上部，鏟斗自然垂下且其油缸閉鎖。切換至作業(yè)狀態(tài)后，下動臂油缸縮回，挖掘臂繞其與回轉(zhuǎn)平臺鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，抬高到確定位置后啟動回轉(zhuǎn)馬達(dá)，繞回轉(zhuǎn)平臺軸線向右側(cè)旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)作業(yè)點(diǎn)位置同步調(diào)整挖掘臂姿態(tài)。除最大起吊半徑狀態(tài)外，在其他作業(yè)狀態(tài)下挖掘臂均處于彎動臂狀態(tài)，即上動臂油缸處于力臂最大狀態(tài)，上動臂與下動臂夾角為140°，利用角度傳感器監(jiān)測夾角角度。到達(dá)右側(cè)指定位置后，控制鏟斗缸、斗桿缸或夾爪缸進(jìn)行挖掘或夾抓作業(yè)，利用下動臂缸和斗桿缸伸縮調(diào)整作業(yè)范圍，兩種狀態(tài)切換過程如圖6所示。

2 起吊能力

關(guān)于液壓挖掘機(jī)起重能力的定義和規(guī)定見GB/T13331—2005[2]對于起吊作業(yè)，鏟斗油缸伸長至機(jī)械限位狀態(tài)，下動臂油缸控制挖掘裝置變幅角度，從而調(diào)整起吊高度，斗桿油缸和上動臂油缸用于調(diào)整起吊點(diǎn)位置，確定好起吊點(diǎn)后，斗桿油缸和上動臂油缸閉鎖。

經(jīng)計算，本設(shè)計方案起吊重量主要受限于各相關(guān)液壓油缸主動力或閉鎖力，液壓系統(tǒng)工作壓力為30MPa，各液壓缸可承受作用力的極限值如表1所示。

起重過程各液壓油缸應(yīng)滿足以下條件[3]，相關(guān)參數(shù)如圖7所示。

F·L1＜0.87F1·a （1）

F·L2＜0.87F2·b （2）

F·L3＜0.87F3·c （3）

式中：F為重物質(zhì)量，kN；F1為斗桿缸閉鎖力，kN；F2為上動臂缸閉鎖力，kN；F3為下動臂缸閉鎖力，kN；a為斗桿缸力臂，m；b為上動臂缸力臂，m；c為下動臂缸力臂，m；L1為重物相對斗桿與上動臂鉸點(diǎn)力臂，m；L2為重物相對上動臂與下動臂鉸點(diǎn)力臂，m；L3為重物相對下動臂與回轉(zhuǎn)平臺鉸點(diǎn)力臂，m。

進(jìn)行起吊作業(yè)前，參照表2進(jìn)行作業(yè)姿態(tài)調(diào)整，校核不同姿態(tài)起吊能力，如圖8所示，側(cè)向起重能力如表3所示。

綜上可知，對任意提升點(diǎn)而言，以提升過程中的最小起重量為額定起重量。在姿態(tài)2進(jìn)行起吊時，起吊范圍比較有限，其最大起重量不作為本方案最大起重量。本方案最大起重量工況為姿態(tài)3，最大起重量為34kN。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真校核

針對挖掘裝置的結(jié)構(gòu)方案，在不同工況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析。評估結(jié)構(gòu)部件、焊縫連接等能否滿足使用需求。

對于本次仿真分析，挖掘裝置采用四面體實(shí)體建模。各油缸采用一維桿單元模擬，軸孔部分采用一維單元模擬，仿真模型相關(guān)材料屬性如表4所示。

3.1 最大挖掘力偏載工況

載荷：鏟斗單邊斗齒受切向力F2（大小為61.2kN，添加挖掘裝置自重。加載點(diǎn)位置，位于單邊斗齒端部中心處。 約束邊界條件為底座安裝面全約束。相關(guān)工況載荷及約束邊界，如圖9所示。

最大挖掘力偏載工況下，挖掘裝置應(yīng)力狀態(tài)如圖10所示。在此工況下，由挖掘裝置Vonmises應(yīng)力可知，最大應(yīng)力為410.7MPa≤420MPa，安全系數(shù)為1.68，符合設(shè)計安全要求。

3.2 抓取重物工況

載荷：抓取2.4t重物體，鏟斗中間斗齒受水平力F8（大小為28.5kN），鏟斗和夾爪分別受到垂直向下的載荷大小為9.7kN和大小為14.3kN，添加挖掘裝置自重。加載點(diǎn)位置，分別位于鏟斗中間斗齒端部中心處和夾爪爪尖中心點(diǎn)處。

約束邊界條件為底座安裝面全約束。相關(guān)工況載荷及約束邊界，如圖11所示。

抓取作業(yè)工況下，挖掘裝置應(yīng)力狀態(tài)如圖12所示。

在此工況下，由挖掘裝置Vonmises應(yīng)力可知，最大應(yīng)力為345MPa≤420MPa，安全系數(shù)為2，符合設(shè)計安全要求。

3.3 起吊重物工況

載荷：起吊2.5t重物體，鏟斗吊鉤受到垂直向下載荷F9（大小為2.5kN），添加挖掘裝置自重。加載點(diǎn)位置，位于吊鉤中心處。

約束邊界條件為底座安裝面全約束。相關(guān)工況載荷及約束邊界，如圖13所示。

起吊重物工況下，挖掘裝置應(yīng)力狀態(tài)如圖14所示。在此工況下，由挖掘裝置Vonmises應(yīng)力可知，最大應(yīng)力為247MPa≤420MPa，安全系數(shù)為2.7，符合設(shè)計安全要求。

綜上可知，該折彎式挖掘裝置具備挖掘、夾抓和起吊功能，相比常規(guī)挖掘裝置，擴(kuò)大了作業(yè)范圍，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)承載能力，可根據(jù)作業(yè)需求，快速切換作業(yè)模式，滿足工程建設(shè)快速發(fā)展的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 6572—2014，土方機(jī)械液壓挖掘機(jī)術(shù)語和商業(yè)規(guī)格[S].

[2] GB/T 13331—2014，土方機(jī)械液壓挖掘機(jī)起重量[S].

[3] 陳國俊.液壓挖掘機(jī)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.220-227.