黃淑芳，周 濤

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

目前，我國(guó)正處于發(fā)展階段，可以說(shuō)挖掘機(jī)起到了相當(dāng)大的作用，而挖掘機(jī)又分很多型號(hào)，以應(yīng)對(duì)各種環(huán)境的工作[1]。其中小型液壓挖掘機(jī)就適合一些小型作業(yè)或者比較狹小的空間的工作。但是這種使用的情況也不是特別多，很多時(shí)候小型液壓挖掘機(jī)都是處于閑置狀態(tài)，長(zhǎng)久以往，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)讓挖掘機(jī)出現(xiàn)故障而損壞。所以，有必要研究、設(shè)計(jì)挖掘機(jī)屬具，通過(guò)改造小型液壓挖掘機(jī)，為其配備夾木屬具使其具有夾木功能，成為一種比專用夾木機(jī)器更為實(shí)用的夾木設(shè)備。通過(guò)對(duì)小型液壓挖掘機(jī)與夾木器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、動(dòng)力傳動(dòng)原理的研究，發(fā)現(xiàn)兩者完全匹配，把小型液壓挖掘機(jī)的挖斗改成夾木器，將會(huì)大大提升挖掘機(jī)的利用率和應(yīng)用范圍。做到物盡其用，節(jié)約資源。

有調(diào)查顯示，目前夾木機(jī)在工程機(jī)械行業(yè)中，是銷量提升幅度最明顯的機(jī)種之一。從客戶反應(yīng)數(shù)據(jù)表明，一臺(tái)夾木機(jī)相當(dāng)于50～ 60 個(gè)人力，將專用夾木機(jī)器在減少了勞力費(fèi)用的同時(shí)也提高了工作效率，同時(shí)也提高了施工過(guò)程的安全性，得到了一致好評(píng)。但是，專用夾木機(jī)器存在功能單一、價(jià)格高、油耗偏高、機(jī)器發(fā)出的噪聲大、無(wú)法適應(yīng)坡地和坑洼地段行走等問(wèn)題。本文通過(guò)為挖掘機(jī)設(shè)計(jì)一種夾木的屬具，對(duì)挖掘機(jī)挖斗進(jìn)行拆卸換成夾木器，使其可以進(jìn)行木材的搬運(yùn)，以提高挖掘機(jī)的利用率，解決了挖掘機(jī)閑置問(wèn)題也解決了專用夾木機(jī)器存在的問(wèn)題。下面僅詳細(xì)介紹屬具液壓缸和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 改造思路

為不同型號(hào)的挖掘機(jī)設(shè)計(jì)專用的屬具，將挖掘機(jī)的挖斗拆掉，在斗桿的尾部裝上挖掘機(jī)輔具即夾木器，實(shí)現(xiàn)除挖掘以外的功能，比如夾木、夾磚等。液壓挖掘機(jī)的選型主要從發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、主泵的工作壓力、流量是否與動(dòng)力頭的性能參數(shù)匹配而進(jìn)行選擇。本文所講述的夾木器主要用在小型液壓挖掘機(jī)，選擇廣西沃源重工機(jī)械設(shè)備有限公司所生產(chǎn)的小型液壓挖掘機(jī)。原始數(shù)據(jù)如下：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵。液壓泵通過(guò)聯(lián)軸器直接與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)接。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：1 800 r/min，液壓泵轉(zhuǎn)速nb=1 800 r/min，液壓泵排量vb：12/12/6 cm3/r（注：原有挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)中有三聯(lián)泵，各泵的排量分別為12、12、6 cm3/r），液壓系統(tǒng)最高壓力p=16 MPa。

（2）刀具總成輥軸驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)：排量vmg=10 cm3/r，工作壓力（實(shí)測(cè)）pmg=10 MPa

2 夾木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

假設(shè)夾木器每次最大夾木重量為1 t，夾具采用雙液壓缸驅(qū)動(dòng)，每個(gè)手爪上裝有與水平面成30°角的液壓缸，一個(gè)液壓缸控制一個(gè)手爪。夾木器上部還設(shè)計(jì)了蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，使其可以水平旋轉(zhuǎn)以方便施工作業(yè)。夾木器手爪機(jī)構(gòu)如圖1 所示。圖中，F(xiàn)為液壓缸所輸出的推力，與手爪夾緊力F′成30°角，F(xiàn)f為木頭與手爪之間的摩擦力。

圖1 手爪受力計(jì)算

夾木器最多夾1 t 木頭即G=10 000 N。

為確保足夠的摩擦力將木頭夾緊，則需要：

Ff≥G，為安全起見(jiàn)取Ff=1.5G=15 000 N

由摩擦力計(jì)算公式Ff=夾緊力F′* 摩擦系數(shù)f[2]，從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得知摩擦系數(shù)f為0.3，則

因?yàn)橐簤焊谆钊麠U與水平面成30°角，由三角函數(shù)得知：活塞桿推力F=F′/cosβ=50 000/cos30°=57 733 N。

夾木器爪子采用雙液壓驅(qū)動(dòng)[3]，去掉連桿機(jī)構(gòu)使受力計(jì)算比較簡(jiǎn)單，但其制造成本較高，市面上多數(shù)采用單液壓缸帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)[4]。本文在夾木器支座上添加蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其可以水平旋轉(zhuǎn)，增加夾木器工作時(shí)的靈活性[5]。

3 液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸的確定

3.1 計(jì)算活塞直徑D

液壓缸的主要尺寸和參數(shù)包括液壓缸內(nèi)徑D、活塞桿直接d和液壓缸行程、缸筒壁厚、缸底厚度等[3]。工程上，計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑D時(shí)，可根據(jù)液壓系統(tǒng)工作壓力、工作驅(qū)動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)速度的要求確定。下面，根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來(lái)計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑D。由《液壓技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》得到液壓缸推力計(jì)算公式F=pπD2/4，其中p為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)最高壓力，這里取p=16 MPa，得

由《液壓技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》P265 表5-4 取標(biāo)準(zhǔn)值D=80 mm。

3.2 計(jì)算活塞桿直徑d

由液壓缸工作壓力P=16 MPa，根據(jù)計(jì)算的活塞缸直徑查《液壓技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》P244 表7-26 取速比φ=1.33，工作壓力p=12.5～ 20 MPa，查P265 表5-4 取對(duì)應(yīng)的活塞桿直徑d=0.5D=40 mm，此時(shí)活塞桿推力F=80 420 N，活塞桿拉力F=60 320 N。液壓缸型號(hào)為HSG※01-80/dE，該缸是雙耳環(huán)連接雙作用單桿法蘭連接式液壓缸[6]，如圖2 所示。

圖2 液壓缸結(jié)構(gòu)

4 液壓馬達(dá)選擇

《液壓技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》可得[6]：液壓泵輸出流量qb=Vb×nb，將挖掘機(jī)原始參數(shù)nb=1 800 r/min，Vb=12 cm3/r 代入上式得到qb=2.16×104cm3/min。

因?yàn)橐簤厚R達(dá)通過(guò)油管直接與泵的出口相連，所以有馬達(dá)輸入流量qc等于泵的輸出流量qb，即：qc=qb=21 600 cm3/min

假設(shè)選擇的液壓馬達(dá)定量排量vc=50 cm3/r，則液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速nc=qc/vc=21 600/50=432 r/min。

根據(jù)液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定排量，查《液壓技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》選擇馬達(dá)型號(hào)[6]：BM2/BMR-50，其排量vc=50 cm3/r，額定流量q=40 000 cm3/min，額定轉(zhuǎn)速n=755 r/min（nc＜n），油壓力p=14 MPa 最大17.5 MPa，額定轉(zhuǎn)矩T=100 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 液壓系統(tǒng)組成

液壓工作系統(tǒng)如圖3 所示，由液壓泵、換向閥、單向閥、溢流閥、分流集流閥、液壓缸、液壓馬達(dá)、油缸組成。本文采用雙液壓缸驅(qū)動(dòng)手爪，因?yàn)闆](méi)有連桿機(jī)構(gòu)，所以液壓缸的伸縮可以直接帶動(dòng)手爪進(jìn)行張開(kāi)、閉合運(yùn)動(dòng)；采用雙向定量馬達(dá)連接蝸桿帶動(dòng)夾木器水平旋轉(zhuǎn)，工作排量穩(wěn)定的同時(shí)還可以支持正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[7]。

當(dāng)手爪進(jìn)行工作時(shí)，兩邊手爪需要達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)，因此，將兩個(gè)液壓缸并聯(lián)接入分流集流閥中，使其達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)。分流集流閥也稱同步閥，是集液壓分流閥、集流閥功能于一體的獨(dú)立液壓器件，供油時(shí)向兩個(gè)執(zhí)行元件供應(yīng)相同的流量，也就是等量分流；回油時(shí)從兩個(gè)執(zhí)行元件收集等流量或按比例的回油路，來(lái)實(shí)現(xiàn)其相互之間的速度同步或是定比關(guān)系。

溢流閥的作用是：當(dāng)手爪夾住木頭后，系統(tǒng)工作壓力逐漸上升，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)溢流閥調(diào)定的壓力時(shí)，溢流閥就會(huì)開(kāi)始卸荷，使回路壓力保持穩(wěn)定。

5.2 液壓系統(tǒng)工作原理

如圖3 所示，電磁鐵B11 通電時(shí)，二位三通換向閥左移，控制油源的油液通過(guò)閥接入三位八通換向閥1（挖掘機(jī)備用閥片）的左端并推動(dòng)液動(dòng)閥閥芯右移，使主油泵油液通過(guò)B 口進(jìn)入B1 油路。電磁鐵M21 通電，三位四通換向閥2 右移，油液從B1 油路進(jìn)入a1 油路，通過(guò)同步閥4 進(jìn)入兩個(gè)液壓缸的有桿腔，使液壓桿進(jìn)行縮回運(yùn)動(dòng)，回油液從b1 油路進(jìn)入A1 油路，最后回到油箱。電磁鐵M11 通電，三位四通換向閥2 左移，油液從B1 油路進(jìn)入b1 油路，最后進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，使液壓桿進(jìn)行伸出運(yùn)動(dòng)，回油液通過(guò)a1 和A1 油路回到油箱。

圖3 液壓系統(tǒng)

電磁鐵Y21 通電，三位四通換向閥3 右移，油液通過(guò)B1 和a2 油路進(jìn)入液壓馬達(dá)，馬達(dá)正轉(zhuǎn)，回油液通過(guò)b2 和A1 油路回到油箱。電磁鐵Y11 通電時(shí)，三位四通換向閥3 左移，油液通過(guò)B1 和b2 油路進(jìn)入液壓馬達(dá)，馬達(dá)反轉(zhuǎn)，回油液通過(guò)a2 和A1 油路回到油箱。

液壓系統(tǒng)中采用了雙向節(jié)流同步閥4，使夾木器的張開(kāi)、閉合可以同步。回路中設(shè)置屬具安全閥7，使屬具系統(tǒng)的最高壓力可以獨(dú)立設(shè)定為16 MPa，解決了工作中因隨主系統(tǒng)調(diào)定壓力而出現(xiàn)不必要的工作壓力過(guò)高的問(wèn)題。

在挖掘機(jī)改裝的過(guò)程中牽涉到液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、管油連接等問(wèn)題，特別是在液壓系統(tǒng)安裝、油壓控制方面需要在專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)、土木工程飛速發(fā)展。使得各種機(jī)械類的工具和設(shè)備大放光彩，而其中液壓挖掘機(jī)就是其中的佼佼者。幾乎各種生產(chǎn)工地中都能看到它的身影?？梢哉f(shuō)液壓挖掘機(jī)是基礎(chǔ)建設(shè)和土木工程、水利工程中必不可少的工具。但正是由于液壓挖掘機(jī)的必不可少，使得液壓挖掘機(jī)數(shù)量太多。在工程項(xiàng)目建設(shè)旺季的時(shí)候或許不會(huì)覺(jué)得有什么，但在工程項(xiàng)目建設(shè)淡季的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)大量液壓挖掘機(jī)閑置的情況。很多液壓挖掘機(jī)都會(huì)因?yàn)闆](méi)有“工作”而被丟在旁邊“吃土”。一些大型液壓挖掘機(jī)還好一點(diǎn)，可以去承接一些“臟活累活”，但是小型液壓挖掘機(jī)就沒(méi)有那么好了，其功率和能力受限。它們因?yàn)椤傲馓　彼越?jīng)常會(huì)沒(méi)有“工作”，只能一直處于閑置狀態(tài)。如果可以改造一下液壓挖掘機(jī)的挖斗，使其可以安裝夾木器裝置，即可改變這一窘迫的境地。

當(dāng)然，挖掘機(jī)屬具不僅僅是夾木器裝置，還可以有夾磚器、碎草器等多種屬具?？傊瑢⑿⌒鸵簤菏酵诰驒C(jī)的挖斗改造成為夾木器、夾磚器、碎草機(jī)等，拓展了原來(lái)設(shè)備的使用功能，為提高液壓挖掘機(jī)使用范圍作出了巨大貢獻(xiàn)，也找到新的利用價(jià)值，減少閑置時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的功能多元化發(fā)展，給廣大客戶消費(fèi)者帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省了大量設(shè)備成本，具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。