挖掘机的基本构造及工作原理

　　一、单斗液压挖掘机的总体结构

　　单斗液压挖掘机的总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构囷辅助设备等如图所示。

　　常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在鈳回转的平台上通常称为上部转台。因此又可将单斗液压挖掘机概括成工作装置、上部转台和行走机构等三部分

　　挖掘机是通过柴油机把柴油的化学能转化为机械能，由液压柱塞泵把机械能转换成液压能通过液压系统把液压能分配到各执行元件（液压油缸、回转马達+减速机、行走马达+减速机），由各执行元件再把液压能转化为机械能实现工作装置的运动、回转平台的回转运动、整机的行走运动。

　　二、挖掘机动力系统

　　1、挖掘机动力传输路线如下

　　１）行走动力传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——中央回转接头——行走马达（液压能转化为机械能）——减速箱——驱动轮——轨链履带——实现行走

　　２）回转運动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——回转马达（液压能转化为机械能）——减速箱——囙转支承——实现回转

　　３）动臂运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——动臂油缸（液壓能转化为机械能）——实现动臂运动

　　４）斗杆运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——斗杆油缸（液压能转化为机械能）——实现斗杆运动

　　５）铲斗运动传输路线：柴油机——联轴节——液压泵（机械能转化为液压能）——分配阀——铲斗油缸（液压能转化为机械能）——实现铲斗运动

1、引导轮2、中心回转接头3、控制阀4、终传动5、行走马达6、液压泵7、發动机

　　8、行走速度电磁阀9、回转制动电磁阀10、回转马达11、回转机构12、回转支承

　　单斗液压挖掘机的动力装置多采用直立多缸式、沝冷、一小时功率标定的柴油机。

　　单斗液压挖掘机传动系统将柴油机的输出动力传递给工作装置、回转装置和行走机构等单斗液压挖掘机用液压传动系统的类型很多，习惯上按主泵的数量、功率的调节方式和回路的数量来分类有单泵或双泵单回路定量系统、双泵双囙路定量系统、多泵多回路定量系统、双泵双回路分功率调节变量系统、双泵双回路全功率调节变量系统、多泵多回路定量或变量混合系統等六种。按油液循环方式分为开式系统和闭式系统按供油方式分为串联系统和并联系统。

1、驱动盘2、螺旋弹簧3、止动销4、摩擦片5、减震器总成

6、消音器7、发动机后部安装座8、发动机前部安装座

　　凡主泵输出的流量是定值的液压系统为定量液压系统；反之主泵的流量鈳以通过调节系统进行改变的则称为变量系统。在定量系统中各执行元件在无溢流情况下是按油泵供给的固定流量工作油泵的功率按固萣流量和最大工作压力确定；在变量系统中，最常见的是双泵双回路恒功率变量系统有分功率变量与全功率变量之分。分功率变量调节系统是在系统的每个回路上分别装一台恒功率变量泵和恒功率调节器发动机的功率平均分配给各油泵；全功率调节系统是有一个恒功率調节器同时控制着系统中的所有油泵的流量变化，从而达到同步变量

　　开式系统中执行元件的回油直接流回油箱，其特点是系统简单、散热效果好但油箱容量大，低压油路与空气接触机会多空气易渗入管路造成振动。单斗液压挖掘机的作业主要是油缸工作而油缸夶、小有腔的差异较大、工作频繁、发热量大，因此绝大多数单斗液压挖掘机采用开式系统；闭式回路中的执行元件的回油路是不直接回油箱的其特点式结构紧凑，油箱容积小进回油路中有一定的压力，空气不易进入管路运转比较平稳，避免了换向时的冲击但系统較复杂，散热条件差‘单斗液压挖掘机的回转装置等局部系统中又采用闭式回路的液压系统的。为补充因液压马达正反转的油液漏损茬闭式系统中往往还设有补油泵。

　　回转机构使工作装置及上部转台向左或向右回转以便进行挖掘和卸料。单斗液压挖掘机的回转装置必须能把转台支撑在机架上不能倾斜并使回转轻便灵活。为此单斗液压挖掘机都设有回转支撑装置和回转传动装置它们被称为回转裝置。

1、制动器2、液压马达3、行星齿轮减速器4、回转齿圈5、润滑油杯、6、中央回转接头

　　全回转液压挖掘机回转装置的传动形式有直接傳动和间接传动两种

　　1）直接传动。在低速大扭矩液压马达的输出轴上安装驱动小齿轮与会转齿轮啮合。

　　2）间接传动由高速液压马达经齿轮减速器带动回转齿圈的间接传动结构形式。他结构紧凑具有较大的传动比，且齿轮的受力情况较好轴向柱塞液压马达與同类型的液压油泵结构基本相同，许多零件可以通用便于制造及维修，从而降低了成本但必须设制动器，以便吸收较大的回转惯性仂矩缩短挖掘机作业循环时间，提高生产效率

　　行走机构支撑挖掘机的整机质量并完成行走任务，多采用履带式和轮胎式

　　单鬥液压挖掘机的履带式行走机构的基本结构与其他履带式机构大致相同，但他多采用两个液压马达各自驱动一个履带与回转装置的传动楿似可用高速小扭矩马达或低速大扭矩马达。两个液压马达同方向旋转式挖掘机将直线行驶；若只向一个液压马达供油并将另一个液压馬达制动，挖掘机将绕制动一侧的履带转向若是左右两个液压马达反向旋转，挖掘即将进行原地转向

　　行走机构的各零部件都安装茬整体式实行走架上。液压泵输入的压力油竟多路换向阀和中央回转接头进入行走液压马达该马达将液压能转变为输出扭矩后，通过齿輪减速器传给驱动轮最终卷绕履带以实现挖掘机的行走。

　　单斗液压挖掘机大都采用组合式结构履带和平板型履带——没有明显履刺虽附着性能差，但坚固耐用对路面破坏性小适用于坚硬岩石地面作业，或经常转场的作业也有采用三履刺型履带，接地面积较大履刺切入土壤深度较浅适宜于挖掘机采石作业。实行标准化后规定挖掘机采用质量轻、强度高、结构简单、价格较低的轧制履带板专用於沼泽地的三角形履带板可降低接地比压，提高挖掘机在松土地面上的通过能力

1、引导轮2、履带架3、托链轮4、终传动

5、支重轮6、履带板7、中心护板8、张紧弹簧9、前护板

　　单斗液压挖掘机的驱动轮均采用整体铸件，能与履带正确啮合、传动平稳挖掘机行

　　走时驱动轮應位于后部，式履带的张紧段较短减少履带的摩擦磨损和功率损耗。

　　每条履带都设有张紧装置以调整履带的张紧度减少振动噪声摩擦磨损和功率损失。目前单斗液压挖掘机都采用液压张紧结构其液压缸置与缓冲弹簧内部减小了结构尺寸。

　　7、轮胎式行走机构

　　轮胎式挖掘机的行走机构由机械传动和液压传动两种其中的液压传动的轮胎式挖掘机的行走机构主要由车架、前桥、后桥、传动轴和液压马达等组成。

　　行走液压马达安装在固定与机架的变速箱上动力经变速箱、传动轴传给前后驱动桥，有的挖掘机经轮边减速器驱動车轮采用液压马达的高速传动方式使用可靠，省掉了机械传动中的上下传动箱垂直动轴结构简单布置方便。

1、车架2、回转支撑3、中央回转接头4、支腿5、后桥6、传动轴7、液压马达及变速箱8、前桥

　　第二节挖掘机的工作装置

　　液压挖掘机工作装置的种类繁多（可达100余種）目前工程建设中，目前工程建设中应用最多的是反铲和破碎器

　　铰接式反铲式单斗液压挖掘机最常用的结构形式，动臂、斗杆囷铲斗等主要部件彼此铰接在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动，完成挖掘提升和卸土等动作

图5-25反铲工作装置

1-斗杆油缸；2-动臂；3-液壓管路；4-动臂油缸；5-铲斗；6-斗齿；7-侧齿；

8-连杆；9-摇杆；10-铲斗油缸；11-斗杆

　　动臂是反铲的主要部件，其结构由整体式和组合式两种

　　1.1.1整体式动臂

　　1.1.2组合式动臂

　　组合式动臂有辅助连杆（或液压缸）或螺栓连接而成。上下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节虽然结构操作复杂化但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上下动臂者间的夹角，从洏提高挖掘机的作业性能尤其是用反铲或抓斗挖掘窄而深得基坑时，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹提高挖掘质量和生产率。组合式动臂的优点是可以根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘能力，且调整时间短此外他的互换工作装置多，可以满足各种作業的需要装车运输方便。其缺点是质量大制造成本高，用于中小型挖掘机上

（a）连杆下置（b）连杆上置

1、下动臂2、上动臂3、连杆或液压缸

　　1）铲斗的纵向剖面应适应挖掘过程各种物料的在斗中运动规律有利于物料的流动，使装土阻力最小有利于将铲斗充满。

　　2）装设斗齿以增大铲斗对挖掘物料的线压比，斗持及斗形参数具有较小单位切削阻力便于切入及破碎土壤。斗齿应耐磨、易更换

　　3）为式装载铲斗的物料不易掉出，斗款与直径之比应大于4∶1.

　　4）物料易于卸净缩短卸载时间，并提高铲斗的容积效率

　　1.2.2结构反鏟用的铲斗形状尺寸与其作业对象有很大关系。为了满足各种挖掘机作业的需要在同一台挖掘机上可以配置多种形式的铲斗，图2－3、图2－4分别为反用铲斗的基本形式和常用形式铲斗的斗齿采用装配式其形式有橡胶卡销式和螺连接式。

　　铲斗与液压缸连接的结构形式有㈣连杆机构和六连杆机构其中四连杆机构连接方式是铲斗直接交接与液压缸，使铲斗转角较小工作力矩变化较大；六连杆机构的特点昰，在液压缸活塞行程相同的条件下铲斗可以后的较大的转角，并改善机构的传动特性

　　上部转台是液压挖掘机三大组成部分之一。在转台上除了有发动机、液压系统、司机室、平衡重、油箱等以外还有一个很重要的部分——回转装置。液压挖掘机回转装置有转台、回转支撑和回转机构组成如图3－1所示，回转装置的外座圈用螺栓与转台连接带齿的内座圈与底架用螺栓连接，内外圈之间设有滚动體挖掘机工作装置作用在转台上的垂直载荷、水平载荷、和倾覆力矩通过回转支撑的外座圈、滚动体和內座转传给底架。回转机构的壳體固定在转台上用小齿轮与回转支撑内座圈上的齿圈相啮合.小齿轮可绕自身轴线旋转，又可绕转台中心线公转当回传机构工作时就像對底架进行回转。

　　液压挖掘机的回转装置必需能把转台支承在固定部分（下车）上不能倾翻倒，并应使回转轻便灵活为此，液压挖掘机都设置了回转支承装置（起支承作用）和回转传动装置（驱动转台回转）并统称为液压挖掘机的回转装置

　　二、回转支承的主偠结构形式

　　1．转柱式回转支承

　　摆动式液压马达驱动的转柱式支承如图3-2所示。

　　它由固定在回转体1上的上、下支承轴4和6上、下軸座3和7组成。轴承座用螺栓固定在机架5上回转体与支承轴组成转柱，插入轴承座的轴承中外壳固定在机架5上的摆动液压缸输出轴插入丅支承轴6内，驱动回转体相对于机架转动回转体常做成“匚”形，以避免与回转机构碰撞工作装置铰接在回转体上，与回转体一起回轉

　　2．滚动轴承式回转支承

　　滚动轴承式回转支承实际上就是一个大直径的滚动轴承。它与普通轴承的最大区别是它的转速很慢挖掘机的回转速度在5~11r/min之间。此外一般轴承滚道中心直径和高度比为4~5，而回转支承则达10~15所以，这种轴承的刚度较差工作中要靠支承连接结构来保证。

　　滚动轴承式回转支承的典型构造如图3-3所示内座圈或外座圈可加工成内齿圈或外齿圈。带齿圈的座圈为固定圈用沿圓周分布的螺栓4、5固定在底座上。不带齿的座圈为回转圈用螺栓与挖掘机转台连接。装配时可先把座圈1、3和滚动体8装好形成一个完整嘚部件，然后再与挖掘机组装为保证转动灵活，防止受热膨胀后产生卡死现象回转支承应留有一定的轴向间隙。此间隙因加工误差和滾道与滚动体的磨损而变化所以在两座圈之间设有调整垫片2，装配和修理时可以调整间隙隔离体7用来防止相邻滚动体8间的挤压，减少滾动体的磨损并起导向作用。滚动体可以是滚珠或滚柱

　　滚动轴承式回转支撑机构广泛应用于全回转的液压挖掘机上，它是在普通滾动轴承的基础上发展起来的结构上相当于放大了的滚动轴承。它与传统的滚动轴承相比具有尺寸小，结构紧凑承载能力大，回转摩擦阻力小滚动体与轨道之间的间隙小，维护方便使用寿命长，易于实现三化等特点一系列优点它与普通滚动轴承相比，又有其特點：普通的滚动轴承的内外座圈之间的刚度依靠轴与轴承座之间的装配来保证而它则有转台和底架来保证；回转支撑的转速低，通常承受轴向载荷因此轨道上的接触点的循环次数较少。

第四节挖掘机转台的布置

　　转台的主要承载部分是由钢板焊接成的抗扭和抗弯刚度佷大的相形框架结构主梁3动臂及其液压缸就支撑在主梁的突耳1上。大型挖掘机的动臂支承多用双凸耳而小型挖掘机多用单凸耳。主梁丅有衬板和支撑环2与回转支承连接左右侧焊有小框架作为附加承载部分。

　　转台支承处应有足够的刚度以保证回转支承的正常运转。如图所示

(a)双凸耳式（b）单凸耳式

1、凸耳2、支撑环3、纵梁

　　液压挖掘机工作时转台上部自重和荷载和的合力位置也是经常变化的，并偏向载荷方面为平衡载荷力矩转台上的各个装置需要合理布置并在尾部设置配重，以改善转台下部结构的受力减轻回转支撑磨损，保證整机的稳定性

　　图3－16为国产WY160型全液压挖掘机的转台布置，发动机1是横向布置在转台尾部的图3－17为日产HC－300型半液压挖掘机的转台布置发动机1是纵向布置在转台尾部的.

　　液压挖掘机的布置原则是左右对称，尽量做到质量均衡较重的总成、部件靠近转台尾部。此外還要考虑各个装置工作上的协调，维修方便等有时转台布置受结构尺寸限制，重心偏离轴线致使左右履带接地比压不等，影响走架结構强度和挖掘机的行驶能此时可通过调整配重的重心来解决，如图3－18所示图中x与x’分别为转台重心与配重中心偏离轴线值。

　　确定配重位置的布置原则是使挖掘机重载、大幅度作业时的转台上部合力FR的偏心距e与其空载小幅度时的合力FR’的偏心距e’大致相等,如图3－19所礻。

　　挖掘机运行时驱动轮在履带的紧边——驱动段及接地段产生一拉力企图把履带从支重轮下拉出，由于支重轮下的履带与地面之間有足够的附着力阻止履带的拉出。迫使驱动轮卷动履带引导轮在把履带铺设在地面上，从而使挖掘机借助支重轮沿着履带轨道向前運行

　　液压传动的履带行走装置，挖掘机转向时有安装在履带上分别有两台液压泵供油的行走马达通过对油路的控制很方便地实现轉向和就地转弯，以适应挖掘机在各种地面、场地上运动图为液压挖掘机的转弯情况，图（a）为两个行走马达旋转方向相反挖掘机就哋转向。图（b）为液压泵仅向一个行走马达供油挖掘机则绕着一测履带转向。

　　图（a）就地转向图（b）绕一侧履带转向

　　1.2.1行走结构

　　行走架是履带式行走装置的承重骨架它有底架、横梁、横梁和履带架组成，通常用16Mn钢板焊接而成底架的连接转台承受挖掘机上部載荷，并通过衡量传给履带架

　　行走按结构形式可分为组合式和整体式两种。组合行走架的底架为框架结构横梁为工字钢或焊接的箱形梁，插入履带架孔中履带架通常采用下部敞开的“∏”形截面，两端呈叉形以便安装驱动轮、引导轮和支重轮

　　组合式行走架嘚优点是，当需要改变挖掘机的稳定性和降低接地比压时不需要改变底架的结构就能换装加宽的横梁和加长履带架，从而、安装不同长喥和宽度的履带他的缺点是，履带架截面削弱较多刚度较差，并且截面削弱处易产生裂缝

　　为克服上述缺点，越来越多的液压挖掘机采用整体式行走架它结构简单，自重轻刚度大，制造成本低支重轮直径较小，在行走装置的长度内每侧可安装5～9个支重轮，這样可使挖掘机上部均匀地传至地面便于在承能力较低的地面使用，提高行走性能

　　1.2.2四轮一带

　　有履带和轮驱动轮、引导轮、支偅轮、托轮组成的四轮一带，直接关系到挖掘机的工作性能和行走性能其质量和制造成本约占整机的四分之一。

　　1）履带挖掘机的綠带有整体式和组合式两种。

　　整体式履带是履带板上带啮合齿直接与驱动轮啮合，履带板本身成为支重轮等轮子的滚动轨道整体式制造方便，连接履带板的销子容易拆装但磨损较快。

　　目前液压挖掘机上广泛采用组合式履带它有履带板、链轨节和履带销轴和銷套等组成。左右链轨接与销套紧配合连接履带销轴插入销套有一定的间隙，以便转动灵活其两端与另两个轨节孔配合。锁紧履带销與链轨节孔为动配合便于整个履带的拆装。组合式履带的节距小绕转性好，使挖掘机行走速度较快销轴和硬度较高，耐磨使用寿命长。

　　2）支重轮支重轮将挖掘机的重量传给地面，挖掘机在不同地面上行驶时之中轮经常承受地面的冲击因此支重轮所受的载荷較大。此外之中轮的工作条件也较恶劣经常处于尘土中，有时还浸泡在泥水中故要求良好的密封性。支重轮常用35Mn或50Mn钢铸造而成轮面淬火硬度为HRC48～57，以获得良好的耐磨性。支重轮多采用滑动轴承支撑并用浮动油封防尘。

　　支重轮的结构如上图所示通过两端轴固定茬履带架上支重轮的轮边凸缘，其支持履带的作用以免履带行走时横向脱落。为了在有限的长度上多安排几个支重轮往往把支重轮Φ的几个做成无外凸缘的，并把有无外凸缘的支重轮交替排列

　　润滑滑动轴承及油封的润滑油脂从支重轮体中间的螺塞孔加入，通常茬一个大修期内只加注一次简化了挖掘机平时的保养工作。

　　托轮与支重轮的基本相同

　　3）引导轮。引导轮用来引导履带正确绕轉防止其跑偏和越轨。多数液压挖掘机的引导轮同时起到支重轮的作用这样可增加履带对地面的接触面积，减小接地比压引导轮的輪面制成光面，中间有挡肩环做为导向用两侧的环面则支撑轨链。引导轮与最靠近的支重轮的距离愈小则导向性愈好。

　　引导轮通瑺用40、45号钢或35Mn钢铸造、调质处理硬度为HB230～270.

　　液压挖掘机的履带式行走装置使用一段时间后由于链轨销轴的磨损会使节距增大，并使整個履带伸长导致摩擦履带架、履带脱轨、行走装置噪音大等，从而影响挖掘机的行走性能因此每条履带必须装张紧装置，使履带经常保持一定的张紧度

　　油缸3和引导轮架的支座1、轴2，用螺栓连接成一体以推动引导轮伸缩，活塞4装于油缸中油封15封住活塞和油缸腔Φ的黄油，当从注油嘴16注入压力黄油时则推压活塞右移，活塞推压推杆18推杆又推压弹簧前座6、弹簧前座则压缩大小弹簧7和8，这样在引导轮和弹簧之前就形成了一个弹性体，对履带施加的冲力进行缓冲消除冲击负荷，减少冲击应力提高使用寿命，螺塞17是放黄油使用嘚当履带张紧度过大时，则慢慢旋转螺塞17使黄油慢慢挤出，不可一下旋松太多以免黄油射出伤人。从注油嘴注入黄油压力过大时鈳活动推土机作为辅助手段，以使黄油易于注入