撰文/廖明軍 朱梓明

■221100 徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司 江蘇 徐州

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挖掘機(jī)主要設(shè)計參數(shù)確定思路探討

撰文/廖明軍 朱梓明

■221100 徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司 江蘇 徐州

摘要：挖掘機(jī)是工程機(jī)械行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，被譽(yù)為“工程機(jī)械之王”，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域，世界主要工程機(jī)械企業(yè)大部分以此確定在行業(yè)的地位。本文簡略介紹了履帶式液壓挖掘機(jī)總體設(shè)計過程中主要設(shè)計參數(shù)的確定思路，希望能對從事挖掘機(jī)研發(fā)的同仁們有所幫助。關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；設(shè)計參數(shù)；思路探討

挖掘機(jī)將始終圍繞“可靠、高效、節(jié)能、安全、舒適和環(huán)保”這個永恒的主題向前發(fā)展，如何能夠開發(fā)出適應(yīng)市場需求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品是擺在挖掘機(jī)研發(fā)人員面前的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。因此，了解和探討挖掘機(jī)總體設(shè)計的原則、基本步驟和主要設(shè)計參數(shù)確定思路是十分必要的。

這里僅就挖掘機(jī)設(shè)計過程中如何確定主要技術(shù)參數(shù)的思路進(jìn)行簡要探討。

確定挖掘機(jī)主要參數(shù)

通常液壓挖掘機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)有：整機(jī)操作質(zhì)量、發(fā)動機(jī)功率、斗容、挖掘力、作業(yè)范圍、運(yùn)輸尺寸、回轉(zhuǎn)速度、行走速度、爬坡能力、接地比壓、噪音、提升能力、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益等。

a整機(jī)操作質(zhì)量

整機(jī)操作質(zhì)量是挖掘機(jī)三個主參數(shù)（操作質(zhì)量，發(fā)動機(jī)功率，斗容）之一。

操作質(zhì)量決定了挖掘機(jī)的級別，決定了挖掘力的上限，如果挖掘力超過這個極限，在反鏟的情況下，挖掘機(jī)將打滑，并被向前拉動，這非常危險；在正鏟情況下，挖掘機(jī)將向后打滑。

挖掘力≦μ×工作質(zhì)量（注：μ—地面和履帶間的附著力系數(shù)）。

挖掘機(jī)三種主要質(zhì)量：①操作質(zhì)量：帶標(biāo)準(zhǔn)工作裝置、一名司機(jī)、加滿燃油和適量的液壓油；②運(yùn)輸質(zhì)量：不含司機(jī)、含10%燃油；③主機(jī)質(zhì)量：不含工作裝置。

b發(fā)動機(jī)功率

發(fā)動機(jī)功率總功率 SAE J1995：指在沒有消耗功率附件，如消音器、風(fēng)扇、交流發(fā)電機(jī)及空氣濾清器的情況下，在發(fā)動機(jī)飛輪上測得的輸出功率。

發(fā)動機(jī)功率凈功率（SAE J1349；ISO 9249）：

①指在裝有全部消耗功率附件，如消音器、風(fēng)扇、發(fā)電機(jī)及空氣濾清器的情況下，在發(fā)動機(jī)飛輪上測得的輸出功率。（GB）

②指在裝有發(fā)動機(jī)運(yùn)行必須的消耗功率附件，一般為風(fēng)扇的情況下，在發(fā)動機(jī)飛輪上測得的輸出功率。（ISO）

c斗容

斗容一般分為堆裝和平裝兩種，挖掘機(jī)常用標(biāo)定斗容為堆裝。

鏟斗堆裝容量有兩種計算標(biāo)準(zhǔn)：①SAE、PCSA、ISO、GB標(biāo)準(zhǔn)：1：1堆裝；②CECE標(biāo)準(zhǔn)：1：2堆裝。

圖1　1：1

圖2　1 ：2

d挖掘力

挖掘機(jī)的挖掘力大小與工作裝置類型有關(guān)。以反鏟挖掘機(jī)為例，挖掘力包括斗桿挖掘力和鏟斗挖掘力，斗桿挖掘力來自斗桿油缸，鏟斗挖掘力來自鏟斗油缸。

挖掘力的作用點(diǎn)有兩種計算標(biāo)準(zhǔn)：①ISO標(biāo)準(zhǔn)：作用在鏟斗刀板邊緣；②SAE、PCSA、GB標(biāo)準(zhǔn)：作用在斗齒尖。

e作業(yè)范圍（以反鏟工作裝置為例）

確認(rèn)滿足用戶施工要求的以下參數(shù)：最大挖掘半徑、最大地面挖掘半徑、最大挖掘深度、最大垂直挖掘深度、最大挖掘高度、最大卸載高度、前端最小回轉(zhuǎn)半徑以及尾部最小回轉(zhuǎn)半徑等。

圖3　斗桿挖掘力

圖4　鏟斗挖掘力

f確認(rèn)滿足公路、鐵路、船運(yùn)及空運(yùn)的運(yùn)輸尺寸要求：上部機(jī)構(gòu)總寬度、整車總寬度、整車總長度、駕駛室總高度、動臂總高度、發(fā)動機(jī)罩總高度、配重離地間隙、輪距、下部行走體長度、軌距、履帶板寬度以及最小離地間隙等。

（注：由于受篇幅限制，1.5和1.6兩部分的附圖省略。）

g回轉(zhuǎn)速度與回轉(zhuǎn)扭矩

回轉(zhuǎn)速度：挖掘機(jī)空載時，穩(wěn)定回轉(zhuǎn)所能達(dá)到的平均最大速度，單位是“轉(zhuǎn)/分”（rpm）。

需要的實(shí)際回轉(zhuǎn)性能可用回轉(zhuǎn)扭矩表示，單位：N·m。

h行走速度與行走牽引力

行走速度與牽引力表明了挖掘機(jī)行走的機(jī)動靈活性及其行走能力。

對于履帶式挖掘機(jī)而言，行走時間大概占整個工作時間的10%。通常有高速和低速兩檔可供行走時選擇，滿足挖掘機(jī)的行走性能。

牽引力是指挖掘機(jī)行走時所產(chǎn)生的力，主要影響因素包括行走馬達(dá)低速檔排量、工作壓力、驅(qū)動輪節(jié)圓直徑、整機(jī)質(zhì)量。

圖5

牽引力=（0.7～0.85）×整機(jī)質(zhì)量。

i爬坡能力

爬坡能力是指爬坡、下坡，或在一個堅實(shí)、平整的坡上停止的能力。

爬坡能力有兩種表示方法：角度，百分比。

①爬坡角度θ，一般為35°。

②tanθ=b/a，一般為70%。

微型機(jī)或超大型機(jī)指標(biāo)一般為≤30°或58%。

j接地比壓

接地比壓的大小決定了挖掘機(jī)適合工作的地面條件。

接地壓力指機(jī)器重量對地面產(chǎn)生的壓力。

接地比壓一般是理論值，原因有二：①履帶不能完全與地面接觸；②整機(jī)重心的偏移，履帶上的壓力不均勻。

k噪音

挖掘機(jī)的噪音主要來源于發(fā)動機(jī)、液壓系統(tǒng)和機(jī)械摩擦發(fā)出的聲音等。

挖掘機(jī)的噪音有兩種：①司機(jī)耳邊噪音；②機(jī)外幅射噪音。

l提升能力

提升能力是指額定穩(wěn)定提升能力或額定液壓提升能力中較小的一個。

額定穩(wěn)定提升能力：75%的傾翻載荷；額定液壓提升能力：87%的液壓提升能力。

m生產(chǎn)率

生產(chǎn)率是挖掘機(jī)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。

理論生產(chǎn)率：在“計算條件”下連續(xù)工作一小時的生產(chǎn)率?！坝嬎銞l件”是：①操作熟練；②常見工作條件和工作尺寸；③工作、運(yùn)輸工具的位置恰當(dāng)。

實(shí)際生產(chǎn)率：機(jī)器工作一段時間所得到的實(shí)際平均生產(chǎn)率。它在理論生產(chǎn)率的基礎(chǔ)上受機(jī)器利用率和操作熟練程度兩方面影響。

n經(jīng)濟(jì)效益

①單臺樣機(jī)毛利：

假設(shè)樣機(jī)成本為A萬元，建議售價B萬元，毛利為：（B-A）萬元，毛利率：（B-A）/ B×100%。

②產(chǎn)值及毛利：

根據(jù)某機(jī)型的市場預(yù)測，假設(shè)在全球市場年銷售Q臺，該產(chǎn)品能占P%的市場份額，年銷售Q×P%=M臺產(chǎn)品，照此可計算出：

產(chǎn)值：M×B = X萬元/年。

毛利：M×（B-A）= Y萬元/年。

結(jié)語

本文結(jié)合自己多年從事挖掘機(jī)研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，對挖掘機(jī)主要設(shè)計參數(shù)確定提供了一些思路，為剛剛從事挖掘機(jī)總體設(shè)計的年輕研發(fā)人員具有一定的指導(dǎo)意義，希望能起到一種拋磚引玉的作用。由于文中未涉及具體機(jī)型，有關(guān)具體參數(shù)只能定型分析，沒有定量分析數(shù)據(jù)，還望讀者諒解。

參考：

［1］陳國俊.液壓挖掘機(jī)（上、下冊）.中國武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.

［2］同濟(jì)大學(xué).單斗液壓挖掘機(jī).北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.