液壓挖掘機系統分析及使用指南(一)

挖掘機是一種多用途土石方施工機械，主要用于土石方挖掘、裝載作業，還可進行土地平整、修坡、吊裝、破碎、拆遷、開溝等作業，在公路、鐵路、橋梁、房屋、機場、港口和水利等工程建設施工中得到廣泛應用。

挖掘機按作業過程分為單斗挖掘機(周期作業)、多斗挖掘機(連續作業)；按用途分為建筑型(通用型)、采礦型(專用型)；按動力分為電動、內燃機、混合動力型；按傳動方式分為機械、液壓、混合型；按行走裝置分為履帶式、輪胎式、汽車式；按工作裝置分為正鏟、反鏟、拉鏟、抓鏟、吊裝。本文以常用的全回轉式單斗液壓挖掘機(以下簡稱液壓挖掘機或挖掘機)為例，對其系統進行分析，并提出使用要點。

一、總體結構和工作原理

1 總體結構

液壓挖掘機總體結構包括動力裝置、工作裝置、回轉機構、操縱機構、傳動系統、行走機構和輔助設備等。液壓挖掘機的動力裝置、傳動系統的主要部分、回轉機構、輔助設備和駕駛室等都安裝在可回轉的平臺上，通常稱為上部轉臺(上車部分)。因此又可將液壓挖掘機大體分成工作裝置、上部轉臺(上車部分)和下車部分3部分。

工作裝置主要包括動臂、斗桿、鏟斗、液壓缸、連桿、銷軸和管路；上車部分主要包括柴油機、液壓主泵、主控制閥、駕駛室、回轉機構、回轉支承、回轉接頭、轉臺、液壓油箱、燃油箱、控制油路、電器部件和配重；下車部分主要包括履帶架、履帶、引導輪、支重輪、托輪、最終傳動和張緊裝置。

2 工作原理

(1)能量轉換途徑

如圖1所示，液壓挖掘機一般以柴油機為動力源，通過柴油機把柴油的化學能轉化為機械能。再由液壓系統的柱塞泵把機械能轉換成液壓能，并將液壓能分配到各執行元件(液壓缸、回轉馬達+減速機、行走馬達+減速機)。最后由各執行元件把液壓能轉化為機械能，實現工作裝置、回轉平臺、整機行走等動作。

(2)動力傳輸路線

液壓挖掘機的動力傳輸路線一般為：柴油機一聯軸器一液壓泵一多路閥一中央回轉接頭一行走馬達／回轉馬達，動臂缸(保持閥)，斗桿缸(保持閥)，鏟斗缸，通過以上動力傳輸路線來完成各種動作，具體動力傳輸路線如下：

行走動作：柴油機－聯軸節－液壓泵(機械能轉化為液壓能)－分配閥－中央回轉接頭－行走馬達(液壓能轉化為機械能)－減速器－驅動輪－軌鏈履帶。

回轉動作：柴油機－聯軸節－液壓泵(機械能轉化為液壓能)－分配閥－回轉馬達(液壓能轉化為機械能)－減速器－回轉支承。

動臂動作：柴油機－聯軸節－液壓泵(機械能轉化為液壓能)－分配閥－動臂缸(液壓能轉化為機械能)。

斗桿動作：柴油機－聯軸節－液壓泵(機械能轉化為液壓能)－分配閥－斗桿缸(液壓能轉化為機械能)。

鏟斗動作：柴油機－聯軸節－液壓泵(機械能轉化為液壓能)－分配閥－鏟斗缸(液壓能轉化為機械能)。

二、機械系統基本結構

1 動力和傳動系統

液壓挖掘機的動力裝置多采用直立式多缸、水冷、1小時功率標定的柴油機。其傳動系統將柴油機的輸出動力通過液壓系統傳遞給工作裝置、回轉裝置和行走機構等。

2 回轉機構

液壓挖掘機的回轉機構可實現工作裝置及上部轉臺向左或向右回轉，以進行挖掘和裝卸作業?；剞D機構必須能把轉臺支撐在機架上，不能傾斜并使回轉輕便靈活。為此，液壓挖掘機都設有回轉支撐裝置(起支撐作用)和回轉傳動裝置(驅動轉臺回轉)，它們被統稱為回轉機構。

(1)回轉支撐

液壓挖掘機用回轉支撐實現上部平臺的回轉，回轉支撐按結構形式分為轉柱式和滾動軸承式2種。

(2)回轉傳動

液壓挖掘機回轉機構的傳動形式有直接傳動和間接傳動2種：

直接傳動是在低速大扭矩液壓馬達的輸出軸上安裝驅動小齒輪，與回轉齒圈嚙合?，F在液壓挖掘機一般都不采用這種結構形式。

間接傳動是由高速液壓馬達經齒輪減速器帶動回轉齒圈的間接傳動結構形式。這種傳動形式結構緊湊，具有較大的傳動比，且齒輪的受力情況較好。軸向柱塞液壓馬達與同類型液壓油泵的結構基本相同，許多零件可以通用，以便于制造及維修，從而降低了成本。

3 行走機構

液壓挖掘機的行走機構支撐整機質量并完成行走任務，一般采用2個高速小扭矩或低速大扭矩液壓馬達各自驅動1條履帶。若左、右2個液壓馬達同方向旋轉時挖掘機將直線行駛；若只向一個液壓馬達供油，并將另一個液壓馬達制動，液壓挖掘機則繞制動一側的履帶轉向；若使左、右2個液壓馬達反向旋轉，液壓挖掘機將進行原地轉向。

行走機構的各零部件都安裝在整體式行走架上。液壓泵輸出的壓力油經多路換向閥和中央回轉接頭進入行走液壓馬達。該馬達將壓力能轉變為輸出扭矩后，通過齒輪減速器傳給驅動輪，最終卷繞履帶以實現液壓挖掘機的行走。液壓挖掘機的驅動輪均采用整體鑄件，能與履帶正確嚙合。

液壓挖掘機大都采用組合式履帶和沒有明顯履齒的平板型履帶板。平板型履帶板附著性能差，但是堅固耐用，對路面破壞性小，適用于堅硬巖石地面作業或經常轉場的作業。也可采用三履齒型履帶板，其接地面積較大，履齒切入土壤深度較淺，適于挖掘機采石作業。專用于沼澤地的三角形履帶板可降低接地比壓，提高挖掘機在松軟地面上的通過能力。實行標準化后，規定挖掘機采用質量輕、強度高、結構簡單和價格較低的軋制履帶板。

每條履帶都設有張緊裝置，以調整履帶的張緊度，減少履帶的振動噪聲、摩擦、磨損及功率損失。目前液壓挖掘機都采用液壓張緊結構。其液壓缸置于緩沖彈簧內部，以減小外形尺寸。挖掘機行走時驅動輪應位于后部，這可使履帶的張緊段較短，減少履帶的摩擦、磨損和功率消耗。

4 工作裝置

液壓挖掘機工作裝置的種類繁多(可達100余種)，目前工程建設中應用最多的是反鏟和破碎器。

鉸接式反鏟是液壓挖掘機最常用的工作裝置，它與動臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接(見圖2)，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接軸轉動，完成挖掘、提升和傾卸等動作。

(1)動臂

動臂是挖掘機工作裝置的主要部件，目前采用得多的是整體式動臂。組合式動臂用在作業工況復雜、多變的場合，現一般作為特殊配置。

整體式動臂的優點是結構簡單，質量小而剛度大。其缺點是可更換的工作裝置少，通用性較差。多用于長期作業條件相似的挖掘機上。

整體式動臂又可分為直動臂和彎動臂2種。其中直動臂結構簡單、質量小、制造方便，主要用于懸掛式液壓挖掘機，但使用它不能獲得較大的挖掘深度，不適用于通用挖掘機；彎動臂是目前應用最廣泛的結構形式，與同長度的直動臂相比，使用時可以獲得較大的挖掘深度，但卸土高度較低，正符合挖掘機的作業要求。

(2)斗桿

斗桿的主要作用是連接動臂與鏟斗，加大挖掘機作業范圍，協調整機重心。斗桿缸主要用于挖掘作業，在礦場或土質較硬的工況下，可使用斗桿來提高工作效率(鏟斗滿載)。為滿足工況不同需求，可改變斗桿的外形尺寸，如加長斗桿可滿足水下清理工作需要等。在高強度工況下，可在斗桿上增加加強筋或者縮短斗桿長度，以保證其強度和力度。如20t級挖掘機斗桿長度一般在2.9m左右，而加長斗桿則可達到8～10m，短斗桿一般在2.4m左右。

(3)鏟斗

①基本要求

鏟斗的縱向剖面形狀應適應挖掘過程各種物料在斗中的運動規律，并利于物料的流動和將鏟斗充滿，以使裝卸阻力最小。裝設斗齒，可以增大鏟斗對挖掘物料的線比壓。斗齒及斗形參數應使其具有較小的單位切削阻力，便于切入及破碎土壤，斗齒應耐磨、易于更換。為使裝進鏟斗的物料不易掉出，斗寬與物料直徑之比應大于4:1；這樣物料易于卸凈，可縮短卸載時間，提高鏟斗有效容積。

②鏟斗結構

鏟斗形狀、尺寸與其作業對象有很大關系。為了滿足各種挖掘作業的需要，在同一臺挖掘機上可配以多種結構形式的鏟斗。斗齒的裝配形式有橡膠卡銷式和螺栓連接式，如圖3所示。

鏟斗與液壓缸連接的結構型式有四連桿機構和六連桿機構，其中四連桿機構的連接方式是鏟斗直接鉸接于液壓缸，使鏟斗轉角較小，工作力矩變化較大。六連桿機構連接方式鏟斗在液壓缸活塞桿行程相同條件下，鏟斗可獲得較大轉角。

(待續)