挖掘机的稳定性及挖掘机力等专业计算

液压挖掘机工作原理——专业术语解释
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一土壤切削
1．挖掘阻力
挖掘阻力是指铲斗在挖掘过程中所遇到的土壤阻力，通常近似的认为它作用在斗尖上，并可依照挖掘轨迹的切线方向分解切向阻力P t和法向阻力Pn 。

目前的粗略算法为：
Pt＝σbc Pn＝ψPt
式中：σ为挖掘比阻力，由试验确定；b为斗宽；c为切削厚度；ψ为系数，由试验确定。

2．挖掘功
当不计土壤的松散系数和铲斗的装满系数时，为了在一定的挖掘行程中能装满铲斗，应有
q＝bcL
式中：L为挖掘行程；q为斗容量；c为切削厚度。

所以
Pt＝σ×b×c＝σ q／L
即挖掘功： Pt L＝σq
在挖掘过程中，Pn不做功，只有Pt做功，简称为挖掘功。

当挖掘对象的土壤等级和铲斗容量以确定时，就可由上式来确定挖掘功P tL。

3. 液压缸所做的功
根据能量守恒定律，当不计损失时，液压缸在其行程上所做的功应等于挖掘功。

即 F△l≥PtL＝σ×q
式中：F为液压缸的最大推力；△l为液压缸的行程。

上式是选择液压缸缸径的主要以据，对于反、正铲工作装置上式都是适用的。

4. 应用情况
若土壤等级和铲斗容量都相同，则液压缸所做的功也应相同。

但在选择液压缸的缸径和行程上，各公司都具有自己的特点，见表1——2。

液压缸推力大小为
F＝Pa
式中：p为工作压力；A为液压缸面积。

表1——2 缸径与行程比较表
公司名称液压缸面积A 液压缸行程△l
德马可大小
Komatsu 小大
利勃海尔中中
液压缸面积A大，推力F也大工作装置受力恶劣，焊接遇到的问题也增多。

若液压缸面积A小，行程△l大，则液压缸刚度就差，易弯曲。

因此，在设计时要综合考虑各种因素。

根据实践经验，挖掘机铲斗最小挖掘力值与铲斗宽度有关，每米斗宽最小需10吨以上的力，
铲斗挖掘力与斗杆挖掘力和整机重量有关，而铲斗挖掘力与斗杆挖掘力也有一定的比例关系：
Fb／W＝0.53～0.65 Fa／Fb＝0.73～0.85
式中：Fa为斗杆挖掘力；Fb为铲斗挖掘力；W为整机重量。

二反铲工作装置的传动计算
1. 反铲斗与液压缸的连接方式见图1--2
⑴图1——2（a）所示，铲斗缸直接绞接于铲斗上，由铲斗，斗杆及铲斗缸组成四连杆机构，一般铲斗转角较小，工作力矩变化较大，
一般不采用。

图1——2 反铲斗与液压缸的连接方式
⑵图1—2（b）转角小，挖掘力大，工作力矩变化较小，多数中小机型采用此方式。

日本机型中摇杆1是直的，在欧洲机型上如利勃海尔和小型挖掘机上多用弯曲的。

⑶图1—2（c）铲斗转角超前一个角度，同时也具有（b）方式的优点。

在利勃海尔早年机型上多有采用。

⑷图1—2（d）在油缸行程相同时，此方式转角更大，但挖掘力小，而力矩变化较大，目前较少采用。

2. 反铲挖掘力的计算
图1——3为反铲挖掘力计算简图。

下面分别计算斗杆缸理论挖掘力和铲斗缸理论挖掘力（破碎力）：
斗杆缸理论挖掘力Fa可用下式计算
图1——3 反铲挖掘力的计算简图
Fa＝Fsa／b
式中：Fa为斗杆缸理论挖掘力；Fs为斗杆缸推力；a、b为力臂值。

铲斗缸理论挖掘力（破碎力）为
Fb＝Fl ce／d r
式中：Fb为铲斗缸理论挖掘力；Fl为铲斗缸推力；c、e、d、r 为力臂值。

说明：如果各力臂值未知时，则可在挖掘机上进行如图1——3所示的位置的实测或用比例作图法求出。

反铲装置采用斗杆缸（或铲斗缸）进行挖掘，所得的理论挖掘力不考虑下列因素：a.工作装置自重和土重；b.液压系统和连杆机构的效率；c.工作液压缸背压。

3．反铲斗容量的计算
反铲斗容量的计算简图如1—4所示。

其计算公式分别为：
1，按SAE标准的斗容量V1（安息角1／1）
V1＝F(b1＋b2)／2＋Ab12／4－b13／12
，按CECE标准的斗容量V2（安息角2／1）
V2＝F(b1＋b2)／2＋Ab12／8－b13／24
式中：A为斗开口长度；b1为前面内宽度；b2为斗底处宽度；F为铲斗横截面积。

三挖掘机的稳定性
1．适用范围
本计算适用于带有相应装备的，使用于挖掘机作业范围内的液压挖掘机。

本计算不适用于进行起重作业的液压挖掘机。

2．稳定性验证的条件
液压挖掘机的稳定性（防止倾覆的安全性）是通过计算加以验证的。

这种验证适用于挖掘机放置在水平停机面上。

3．稳定性的计算
在计算稳定性时要使用下列计算力值代替实际的重力值，即
K1E＝1.10E k2N＝1.25N
式中：E为当挖掘机处在最大作业半径时，超出在倾覆线之外的该机作业装置的另部件的重力；N为有效载荷（土，石方）的重力；K1为工作装置自重系数；K2为有效载荷系数。

现以图1—5反铲挖掘机为例，也适用于正铲挖掘机。

同时，适
用于履带式及轮胎式挖掘机。

稳定性＝稳定力矩／倾覆力矩＝(Gr??S－1.10El)／1.25Nn≥1
式中：S为倾覆线间距离；G为主机自重，G＝Gl＋Gr；D为整机自重，D＝Dl＋Dr；E为工作装置自重，E＝D－G；l为重心间距，l＝(Dr－Gr)S／E；N为有效载荷；n为最大幅度。

四生产率
生产率是液压挖掘机的主要技术经济指标之一，它表示在单位时间内从掌子面中挖掘出并卸到运土车上或弃土堆的土方体积。

通常以每小时挖多少立方米为单位，在工地上也有用台班或昼夜挖出的土方体积来表示的。

一般有三种生产率的概念。

1．理论生产率理论生产率是指一台挖掘机在“计算条件”下连续工作一小时的生产率。

“计算条件”可取为：
（1）司机操作熟练，充分考虑机械作单一动作时合流供油和作复合动作的可能性，如动臂生降可与转台回转同时进行，动臂和斗杆油缸单独工作时可以合流供油等。

（2）选择最经常出现的工作条件和平均工作尺寸。

如取最经常挖掘的土壤作为计算土壤。

对反铲来讲，取最大挖掘深度的一半作为计算挖掘深度，取装车高度或弃土堆的平均高度作为计算用卸土高度，取90°作为转台单向回转角度等。

（3）掌子面、运输车（弃土堆）与挖掘机之间的相互位置恰当，运输车选择合理，配合良好。

理论生产率按下式计算：
Q＝60qn （立方米／小时）
式中：Q为理论生产率；n为每分钟工作循环次数的理论值；q为铲斗几何容量（立方米）
技术生产率是指机械在“给定条件”下连续工作一小时所能获得的最大生产率。

给定条件包括土壤情况，铲斗装满情况，装车情况等。

实际生产率是指机械在一段工作时间内实际平均生产率。

计算实际生产率主要考虑两个因素，即机械利用率和司机操作熟练程度，实际生产率一般在实际中测定。