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第5 期 总第 1 2 9 期 N o ． 5 S U M N o ． 1 2 9 机 械 管 理 开 发 MANAGEME NT AND DEVE L OPMENT 2 0 1 2 年 l 0月 0c t ． 2 0 l 2 WY D3 9 0 液压挖掘机工作装置运动学及动力学分析 韩 帅， 李爱峰 ， 李 洪， 李 光 太原重工股份有限公 司 技术 中心 ， 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要 由于液压挖掘机具有结构紧凑、 操作方便、 运动灵活及易于维护保养等优点， 大型矿用液压挖掘机在国外已经得到 了很广泛的应用。现对太原重工研发设计的国内首台4 0 0t 级矿用液压挖掘机的工作装置进行 了运动学和动力学分析 ， 为 本产品工作装置的优化设计及今后的相关产品的研发提供 了理论参考。 关键词 工作装置； 运动学分析； 动力学分析； 挖掘力 中图分类号 T D 4 2 2 ．2 文献标识码 A 文章编号 l 0 0 3 7 7 3 x 2 0 1 2 0 5 0 0 5 3 0 3 0引 言 在矿山调研过程中用户普遍反映进 口液压挖掘机 价格非常昂贵， 而且设备维护费用高， 供货周期长， 因 此研发大型矿用液压挖掘机已迫在眉睫。WYD 3 9 0 矿 用液 压 挖掘 机 是太 原重 工 自主 研发 的标 准 斗容 为 2 2 n l 的国内首台4 0 0 t 级矿用液压挖掘机。 WY D 3 9 0的工作装置主要 由铲斗 、 斗杆和动臂等 三个机构组成 ， 通过三个机构之间合理配合来实现整 机的作业功能 。挖掘作业主要是 由斗杆机构和铲斗机 构来配合完成 的； 举升作业基本是由动臂机构来独立 完成 ； 卸载作业 由通过操纵开斗油缸来实现； 平推作业 通过铲斗 、 斗杆和动臂 个机构之间的配合实现。 一 鳝妻 a一 动臂与水 平方向的夹角 ； 口一 动臂 与斗杆的夹角 ； 0一 斗杆与铲斗的夹角 图 1 WYD 3 9 0 正铲液压挖掘机工作装置简 图 WY D 3 9 0 正铲液压挖掘机工作装置机构简 图如图 1 所示 ， 该工作装 置主要 由动臂 、 动臂缸 、 斗杆 、 斗杆 缸 、 铲斗 、 铲斗缸六个部件组成。该T作装置具有两个 运动特点 一是动臂在动臂油缸 的作用下能够实现浮 动 ； 二是在某一瞬时位置 ， 四边形 E F HK为一个近似平 行四边形 。 1 工作装置的运动学分析 动臂的位置 由动臂油缸的长度决定⋯ ， 动臂油缸的 长度与动臂和水平方 向的夹角的关系如式 1 所示 1 。 L D L 十L I， 一2 L L D C O S r 2 l r 2 T 2 即 ∞s 1 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 1 3 ； 修 回 日期 2 0 1 2 0 5 1 8 作者简介 韩帅 1 9 8 4 一 ， 男， 山西汾阳人， 助工， 硕士， 从事机械设计工作。 现假设动臂油缸的最短安装尺寸 L 。 一 L 。 ， 动臂油缸全伸出时的长度 L 。 L 。 ， 则按式 2 、 式 3 可求出 的域值为[ i ， a ] T 2 ． r 2 r 2 n c o s 盖 一 2 _c o s 一／XC A 3 同理 ， 斗杆油缸的位置取决于斗杆油缸的长度 ， 斗 杆油缸的长度和斗杆与动臂 的夹角 的关系如式 4 所示 。 L 玉 GL； G L 一2 L F G L ． v c o s 一 B F C 即 ／ C O S - 1 4 现 假 设 斗 杆 油 缸 的 的 最 短 安 装 尺 寸 L L c i ， 斗杆油缸全伸 出时的长度 L。 。 L 。 ， 则按 式 5 、 式 6 可求出 的域值为[ ] C O S - 1 ，1 ． 5 ／ m a x C O S 1 6 WY D 3 9 0 液压挖掘机铲斗油缸的布置方式为一端 的铰接点 连接到了动臂 的端部 ， 此种特殊 的布置方 式使得铲斗机构增加了一个 自由度。由此可知 ， 铲斗 的位置 同时受到 了斗杆与动臂 的夹角 和铲斗与斗 杆的夹角0的影响， 即 与 0 存在相互牵连的运动关 系， 具体分析如下 L L L 一2 LH K L 刚 ． C O S 0． 7 1 FK L HK s i n8 s i n／HFK 一 H F K a r c s in 生 ． 8 c o s 一 爿F K一 EF c ． 由式 l 一 7 、 式 1 - 8 和式 1 - 9 可以明显看出铲斗油缸 5 3 第 5 期 总第 1 2 9 期 机 械 管 理 开 发 2 0 1 2 年 1 0月 长度 同时受到 了 0和 的影响 ， 即 L 是 0和 的函 数 ， 可表示为 L 。 厂 ， 。 2 工作装置的动力学分析 WY D 3 9 0 液压挖掘机的工作装置主要采用斗杆油 缸进行挖掘作业 ， 铲斗油缸在作业过程中主要起调整 切削角度和破碎岩石的作用 ， 若不考虑下列因素 1 物料重与工作装置的 自重 ； 2 连杆机构与液压 系统的效率； 3 油缸的背压。 则工作油缸作业时由该油缸理论推力所能产生的 斗齿切 向挖掘力称为该油缸的理论挖掘力。 2 ． 1 斗杆油缸的理论挖掘 力 斗杆油缸的理论挖掘力为 I r、 r F F d g _ L F 一 BG ． 1 O L F F 其中 ， F 斗杆油缸的理论挖掘力 ； Fa g 斗杆油缸最 大工作压力 ， F如P agx A妇 ， P如为斗杆油缸工作 压力 ， P幽 3 5 0 0 0 k P a ； A妇为斗杆 油缸 大腔 面积 ， A止 7 0 6 5 0 mm ； T ／ 为斗杆油缸数量 ， r ／ 2 ； L 踟G 斗 杆油缸 B G对斗杆 与动臂铰接点 的力臂 ； L ， 力 F 对 F 点的力臂。 图2斗杆 油缸最大理论挖掘力工况图 如图2 所示当 L 。取最大值 L 肿 ， 即 L刚 F G 1 4 8 2 h i m时； L F 取最小值 L ， 即在满足铲 斗与斗杆不发生干涉和铲斗油缸不小于最小安装距离 的情 况下 ， 斗齿尖到斗杆与动臂 的铰接点 F的距离最 短 ， LF lF 。 7 5 0 0 m m， 将数据代入式 1 O ， 可得 LF F， 3 ． 5 x 10 7 X 7065 0 x 10 - 6 X 2 X 1482 x 10一 - 3 9 7 7 ． 2 k N． 7 5 0 0X1 0 一 。 2 ． 2 铲斗油缸的理论挖掘 力 铲斗油缸的理论挖掘力为 F， -／ c d “ LH EK ． 1 1 L HF 其 中， 铲斗油缸 的理论挖掘力 ； F 铲斗油缸最 5 4 ． 大工作压力 ， F d P a x A d ， P 为斗杆油缸工作 压 力 ， P d 3 5 0 0 0 k P a ，A d 为 斗杆 油缸 大腔 面积 ， Ac d 7 0 6 5 0 m m ， 为斗杆油缸数量 ， T ／ 2 ； L H 铲 斗油缸 E K对斗杆 与铲 斗铰接 点 的力臂 ； LH F力 F 对 H点的力臂 。 F 图3 铲 斗油缸最大理论挖掘力工况 图 如图 3 所示， 当 L 眦x 取最大值时 ， 即 LH IE __ 8 6 9 mm时 ， L H IF 为定值 ， 即 L H F 3 8 3 0 m m。将数据 代人式 1 1 ， 可得 F F,．u L H r n C T i H F 兰 墨 Q ．鱼 Q 二 Q 1 1 2 2 k N ． 3 8 3 0X1 0 一 虽然 由于根据不同的标准所计算 出的斗杆挖掘力 和铲斗挖掘力有所差别， 但是液压挖掘机所能发挥的 最大挖掘力除了取决于液压系统的工作压力外 ， 还受 到整机的稳定性和平衡的制约 ， 因此 ， 液压挖掘机的工 作装置在不同工作位置所能发挥出来 的最大挖掘力是 不 同的， 换言之， 即液压挖掘机不可能在任何位置都具 有最大挖掘力。 3结论 1 得 出了WY D 3 9 0 液压挖掘机的动臂 、 斗杆和铲 斗位置的函数表达式 ， 由于 WY D 3 9 0 液压挖掘机铲斗 油缸采用 了特殊 的布置方式 ， 所以斗杆油缸动作会牵 连铲斗油缸的一起动作。 2 计算 出了 WY D 3 9 0液压挖掘机斗杆油缸和铲 斗油缸的最大挖掘力 ， 为本产品的改进和今后同类型 新产品的开发提供了参考。 参考文献 [ 1 ] 史青录． 液压挖掘机【 M] ．北京 机械工业出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 2 ] 孙旭国， 黄池灼． 液压挖掘机工作装置动力学建模与分析 [ J ] ． 建筑机械化， 2 0 0 7 7 3 3 3 7 ． 【 3 】 刘鹏虎， 张勇， 张强． 液压挖掘机工作装置的动力学分 析及控制 中国工程机械学报， 2 0 0 7 ， 5 1 3 7 4 7 ． 『 4 1 杨莹， 孙进， 张石强 ， 等． 正铲液压挖掘机工作装置优 化设计f J ] ． 工程机械， 2 0 0 8 2 4 0 4 4 ． 下转第5 6页 第 5 期 总第 1 2 9 期 机 械 管 理 开 发 2 0 1 2 年 l 0 月 道成形不 良， 脱渣性能差 ； 层间温度太低 ， 会使焊道熔 透性差， 熔覆层易产生裂纹。 4工艺实施测试 1 对精加工后 的辊子熔覆表面进行 D T 渗透剂 检验 ， 未发现夹渣 、 气孑 L 、 裂纹等熔覆缺陷。 2 对辊子表面进行V T 超声波探伤 ， 未发现裂 纹和其他缺陷。 3 对进行工艺测试的4 0 套弯曲段 自由辊 ， 沿轴线 方向各取若干点， 进行硬度测定， 硬度参数测试见表3 。 所有硬度值均达到设计要求 ， 熔覆效果 明显改善 。 表3 硬度参数测试数据 表面 表面 表面 表面 表面 辊号 辊号 辊号 辊号 辊号 硬度 硬度 硬度 硬度 硬度 l 4 4 ． 7 l l 4 4． 9 2 1 44 - 3 3 l 45 ． 7 4l 4 4． 1 2 4 3 ． 9 l 2 4 4 ． 7 2 2 4 4 ． 6 3 2 43 ． 9 42 4 4． 5 3 4 4 ． 1 1 3 4 5 ． 7 2 3 4 5 ． 7 3 3 44 ． 1 43 4 4．7 4 4 4． 5 1 4 4 6 ． 4 2 4 46 ． 4 3 4 44 ． 5 44 4 5． 7 5 4 4_3 1 5 4 6 ． 2 2 5 44 ． 7 3 5 4 5 ． 7 4 5 45 ．7 6 4 4 ． 6 1 6 4 5 ． 9 2 6 4 4 ． 3 3 6 4 6 ． 4 4 6 ．43 ．9 7 4 5．7 1 7 4 5．7 2 7 4 4 ． 9 3 7 4 6 ． 2 4 7 4 5 ． 7 8 4 6． 1 1 8 4 3 ． 9 2 8 44 ． 7 3 8 4 5 ． 9 4 8 4 3 ． 6 9 4 5 ． 9 l 9 4 4 ． 1 2 9 4 6 ． 1 3 9 4 5 ． 7 4 9 46 ． 2 l O 4 43 2 0 4 4．5 3 0 4 5．7 4 0 4 3 ． 9 5 0 4 5 ． 9 5工艺研究结论 通过试验分析， 造成熔覆缺陷以及硬度不均匀的 主要原因有 1 熔覆材料不清洁。焊剂未烘干或烘干不彻底， 焊丝表面和辊子表面有油、 锈和水分， 都会使熔池中含 氢量显著增高而产生气孔。 2 母 材不清 洁。辊子表面有铁锈 、 油和其他杂 质 ， 不注意清理。 3 焊渣壳 、 袋屑等夹人焊剂 ， 也会在焊道中造成 气孑 L 。 4 焊剂层太薄、 熔覆电压过高或网路电压波动较 大时， 电弧可能穿出焊剂层 ， 使熔池金属受外界空气污 染而造成气孔 。 5 熔覆速度过快或熔覆电流过大 ， 在辊面顶端产 生的熔池随辊转动约 9 0。 位置时 ， 熔池表 面及渣壳没 有完全凝 固而流淌 ， 空气进入熔池。 6 焊剂粒度太细时， 熔池内的气体不易逸出。 7 母材中有富硫层状偏析 ， 或母材有分层缺陷会 产生气孔 。母材含硫量高 、 硫化物夹杂多时 ， 熔覆过程 中会产生较多气体而形成气孔 。 8 埋弧熔覆过程 中 ， 由于熔 池凝 固是非平衡结 晶， 冷却速度很大， 在结晶过程中 ， 化学成分来不及扩 散 ， 合金元 素的分布是不均匀的 ， 出现偏析现象 。此 外 ， 在焊道金属中往往含有较多的杂质 ， 这些杂质主要 是 焊剂 在熔池 中反应 产 生 的氧 化物 、 氮化物 、 硫化 物等。 9 在熔覆过程中 ， 必须严格保持层间温度在 2 0 02 5 0℃， 层问温度的均匀将直接影响到熔覆轧辊 表面的组织性能及硬度的均匀性。层间温度太高会使 焊道成形不良， 脱渣性能差 ； 层间温度太低焊道熔透性 差， 熔覆层易产生裂纹。 通过此次针对性极强的工艺研究 、 优化 ， 并且对以 上实施过程进行严格控制管理 ， 对于选取产品参数的 确定将起到决定性的作用。 参考文献 『 1 1 李富帅．连铸辊长寿命技术研究[ G 】 ， ， 连铸学术会议论文 汇编．海口 中国金属学会学术委员会， 2 0 0 7 3 1 ． 【 2 】 刘成俊 ， 范培耕．板坯连铸辊失效原因及其修复技术[ J 】 ． 重庆钢铁高等专科学校学报， 1 9 9 8 4 1 2 1 4 ． 【 3 】 成大先．机械设计手册【 M] ． 北京 化学工业出版社， 1 9 9 3 ． S t a i n l e s s S t e e l Ca s t i n g f o r Be n d i n g Ro l l S y s t e m Cl a d d i n g Pr o c e s s Opt i m i z a t i o n Re s e a r c h HAN Rui ． LI Zho ng pi n g S h a n x i B u y e a s y Ma e h i n e E q u i p me n t Ma n u f a c t u r e C o ． ， L t d ， Ta i y u a n 0 3 0 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e s t a i n l e s s s t e e l c a s t i n g f o r b e n d i n g 1 5 0 f r e e r o l l e r r e p a i r c l a d d i n g c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ， p r o p o s e d t o t h e s u r f a c e h e a t r e s i s t a n t a 1 1 o v c l a d d i n g r e p a i r t e c h n o l o g y w a s i mp r o v e d t o r e p a i r t h e r o l l s u rf a c e d e f e c t o f t h e s t o ma t a o v e r a l l c o n t r o l ， s o l v e t h e p r o b l e m o f u n e v e n h a r d n e s s ． a v o i d c l a d d i n g p r o c e s s h e a t t r a n s f e r p h e n o me n a ma k e c l a d d i n g s u rfa c e i s mo r e we a r - r e s i s t i n g ， h i g h t e mp e r a t u r e r e s l s ‘ t a n t ， r e s i s t a nt t o c o r r o s i o n f a t i g ue p e rfo r ma nc e ． K e y wo r ds f r e e r o l l e r ；c l a d c l i ng ； pr o c e s s ； o pt i mi z a t i o n ． S ． S ￡． S ． S E。 S E． S￡． S￡． S ． S E- S ￡． S ￡． S S E ．s 枷 E ．s ￡ 上接 第 5 4页 Ki n e ma t i c s a n d Dy n a mi c s An a l y z i n g o f t h e W YD3 9 0 W o r k i n g De v i c e HAN S hu a i ， LI Ai f e n g ， LI Ho n g， LI Gu a n g f T a i y u a n H e a v y I n d u s t r y C o ． ， h d ， T e c h n o l o gy C e n t e r ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e a d v a n t a g e s o f c o mp a c t s t r u c t u r e ， c o n v e n i e n t o p e r a t i o n ， fl e x i b l e mo v e me n t a n d e a s y ma i n t e n a n c e ， h y d r a u l i c e x c a v a t o r h a s b e e n a v e ry wi d e r a n g e o f a p p l i c a t i 0 n s i n l a r g e s c a l e mi n e a t h o me a n d a b r o a d ． T h e w o r k i n g d e v i c e t h a t T a i y u a n He a v y I n d u s t ry i n d e p e n d e n t I ℃ s e a r c h a n d d e v e l 0 D me n t o f C h i n a s f i r s t 4 0 0 一 t o n mi n e h y d r a u l i c e x c a v a t o r h a s b e e n a n a l y z e d a b o u t k i n e ma t i c s a n d d y n a mi c s ． S o i t p r o v i d e s t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r t h e p r o d u c t o p t i mi z a t i o n d e s i g n a n d f u t u r e p r o d u c t d e v e l o p me n t Ke y wo r d s w o r k i n g d e v i c e ； k i n e ma t i c s ； d y n a mi c s ； c r o wd f o r c e 5 6
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