专利名称：自平衡节能型挖掘机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机械领域。
挖掘机是各种土木建设，矿山开发，河道清淤中使用最广泛的机械之一。现有的普通挖掘机是由底盘、回转平台、配重、动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆等部件组成。该工作装置的质心始终位于动臂与回转平台的铰接点前方，其配重采用固定形式安装在动臂后方的回转平台上。当动臂或斗杆在作业平面内运动时，该工作装置的质心是不断变化的。随着作业半径的加大，卸载时，普通挖掘机工作装置自身将产生相当大的倾翻力矩，降低了整机稳定性。此外，曾出现过靠牺牲铲斗容量来换取较大作业半径的机型，这种方法不仅代价高，即使斗容再小，当卸载半径大到一定程度时挖掘机也将向前倾翻，除非不情愿地增加配重。对于普通挖掘机来说，从卸载位置降至挖掘位置时工作装置所具有的重力势能通过液压系统转换为热能，使液压油温度升高，再由散热系统将热能散掉，这不仅是一种能量浪费，而且还缩短了液压油的寿命。
英国Prestan公司于80年代末推出了一种新型挖掘机，这种机型与前述的普通挖掘机有两点重要区别一是将配重布置在动臂的后部，同时将配重设计成随着斗杆的运动而沿着动臂上平面移动的活动配重；二是采用一个斗杆油缸和一个卷扬马达的联合协调动作取代了普通挖掘机的斗杆油缸。经这样改进后，挖掘机具有三大优点(参见(工程机械》1995年第8期第5页“拉挖式挖掘机的内力分析”)第一，卸载时整机稳定性好；第二，工作装置受力状态得以改善，结构轻；第三，节省能源。其不足之处是由于活动配重相对动臂做直线运动，其运动规律用直线函数描述，而铲斗斗杆联合体相对动臂的运动是绕铰销O2的摆动，其运动规律用圆函数(三角函数)描述，因此，不可能存在那种能使它们处处都完全互补的设计，即铲斗斗杆联合体产生的倾翻力矩不能完全由活动配重产生的抗倾翻力矩低消。
本实用新型的目的是提供一种卸载时稳定性好，可增大挖掘半径，工作装置自身的运动不消耗或少消耗发动机功率的自平衡节能型挖掘机。
上述目的是这样实现的结合
如下，该挖掘机包括底盘1、回转平台2、动臂油缸3、配重，斗杆油缸6、动臂7、斗杆9、铲斗油缸10、摇臂11、连扦12、铲斗13，配重由固定配重4和活动配重5两部分组成，固定配重4固定在动臂7的尾部，活动配重5通过铰销O4装在动臂7的后部，斗杆油缸6通过铰销O7、O8装在动臂7和活动配重5之间，动臂油缸3通过铰销O5、O6后置在回转平台2和动臂7之间，卷扬装置15装在回转平台2上，在斗杆9和卷扬装置15之间装有钢丝绳14，在斗杆9与活动配重5之间装有绳(杆)8。
本实用新型在结构上主要进行了以下几处改进一将配重分成两部分，一部分固定在动臂尾部，另一部分相对动臂摆动，活动配重与斗杆油缸和卷扬装置协调动作。二将动臂油缸后置；三将卷扬装置安装在回转平台上。由于上述改进，使本实用新型具有以下突出优点1、由于采取相对动臂静止和相对动臂动摆的配重而带来的好处有第一、在作业过程中工作装置及上车的质心不变，从挖掘位置至卸载位置的交替变化过程中工作装置的运动基本上不消耗发动机功率。
第二、在作业过程中挖掘机整机的质心变化极小，使作业稳定性大为提高，从而为获取较大作业半径奠定了基础。
第三、对于履带式挖掘机来说，随着作业稳定性的提高可适当减小履带的接地长度，从而减小转向阻力矩，从另一侧面降低对发动机功率的要求。
2、由于动臂油缸后置而带来的好处是提高了挖掘时动臂油缸的承载能力。目前，反从而减小转向阻力矩，从另一侧面降低对发动机功率的要求。
2、由于动臂油缸后置而带来的好处是提高了挖掘时动臂油缸的承载能力。目前，反铲挖掘机的动臂油缸通常均朝前布置，挖掘时往往是有杆腔高压，而朝后布置的油缸往往是无杆腔高压，后者的承载能力明显优于前者。动臂油缸规格一般取决于挖掘时的承载能力，所以可以减小后置油缸的规格或数量。
3、因将卷扬装置安装在回转平台上，带来的好处有两点，一是布置方便；二是这种布置极大地改善了动臂的受力状态，说形象点，就是相当于借助钢丝绳将动臂的截面模量加大了，使得动臂应力减小，承载能力提高。
本实用新型的具体结构由以下实施例及其附图给出。
图1是拉挖式自平衡节能型挖掘机的结构示意图；图2是改进常规式自平衡节能型挖掘机的结构示意图；图3是斗杆油缸与卷扬马达联合动作实现液压原理图。
以下结合附图详细说明依据本实用新型提出的具体挖掘机的细节及工作情况。该挖掘机包括底盘1，回转平台2装在底盘1上，动臂7通过铰销O1装在回转平台2上，斗杆9通过铰销O2装在动臂7的前端，铲斗13通过铰销O3装在斗杆9的下端。铲斗13的挖掘和卸载运动是由铲斗油缸10提供动力，通过摇臂11和连杆12实现的。摇臂11通过铰销O13装在斗杆9上，连杆12通过铰销O14和O15装在摇臂11和铲斗13之间，铲斗油缸10通过铰销O11和O12装在斗杆9和摇臂11上。该装载机的配重分为固定配重4和活动配5两部分，固定配重4固定在动臂7的尾部，活动配重5通过铰销O4装在动臂7的后部，活动配重5与动臂7之间通过铰销O8和O7装有斗杆油缸6，活动配重5与斗杆9之间装有绳(杆)8。绳(杆)8为拉绳时，活动配重5的下端和斗杆9的上端为扇形轮，若8为连杆时，两个扇形轮可改成摇杆(如图2所示)。
动臂油缸3通过铰销O5O6后置在回转平台2和动臂7之间，卷扬装置15装在回转平台2上，在斗杆9和卷扬装置15之间装有钢丝绳14。本实用新型将动臂油缸3后置，提高了挖掘时的承载能力，将卷扬装置15安装在回转平台2上，使结构布置容易，动臂7受力大为改善，特别是将配重量为两部分，一部分固定在动臂7的尾部，另一部分随铲斗斗杆联合体相对动臂摆动，从而实现了卸载过程中机构质心不动这一关键问题。正是由于作业时，工作装置整体质心近乎不动，从而使本实用新型具有两大特点其一是容易获得较大作业半径；其二是工作装置的运动不消耗额外能量，故较现有的挖掘机节省燃料。具体说本实用新型靠工作装置与活动配重5之间重力势能的相互较换来实现节能的。卸载时，活动配重5下降，活动配重拥有的重力势能转给工作装置；回至挖掘位置时，工作装置拥有的重力势能又转给活动配重5，这样往复运动，通过重力势能的相互转换，达到节能目的。这一转化过程可按图示中的所给出的各参数加以证明。证明过程可首先设图示位置铲斗斗杆联合体与活动配重处于平衡，即通过选定适当的活动配重就能保证在卸载过程中铲斗斗杆联合体与活动配重在动臂上处于随意平衡，也就是说当斗杆油缸伸缩时，由铲斗斗杆联合体与活动配重组成的刚体系统的质心在X2O4Y2坐标系中保持不动，如同一个固结在动臂上的质量为m4+m5的质点，这里m4、m5分别为铲斗斗杆联合体和活动配重的质量。该质点的位置的可通过坐标变换法从X2O4Y2坐标变到X1O1Y1坐标系，以便同动臂自身重量一起配置位于动臂尾部的固定配重。利用简单的杠杆原理即可完成固定配重的配置。一旦选好固定配重，一个质心在O1铰销处的工作装置即完成了，它能完全满足前面提到的要求，卸载时整个工作装置质心不动，不产生附加倾翻力矩，其升降也不消耗发动机功率。附图中C1是底盘1的质心，W1是其重力，C2是回转平台2的质心，W2是其重力，C3是动臂的质心，W3是其重力，C4是铲斗斗杆联合体的质心，W4是其重力，C5
本实用新型的铲斗、动臂、回转平台以及行走机构的动作实现与普通挖掘机没什么两样，所不同的仅是斗杆油缸和卷扬马达的动作。首先说明机构动作实现对有关液压执行元件的要求。
挖掘时，卷扬马达为主动元件，斗杆油缸为从动元件。当活动配重的质心C5位于通过O4的铅垂线前方时，斗杆油缸肩负着双重任务，一方面它必须随着卷扬钢索的收缩而缩短，同时它还要防止活动配重的自由下摆，这就要求斗杆油缸具有一定的推动力。当活动配重运动到另一侧时并不要求斗杆油缸扼制活动配重自由下摆，而是由铲斗斗杆联合体来承担。
卸载时，斗杆油缸为主动元件，卷扬马达为从动元件，此时要求卷扬马达处于浮动状态。
卸载和挖掘两种工况中斗杆油缸和卷扬马达进出油口的状态列一真值表，见附表斗杆油缸和卷扬马达油口真值表
表中a1表示斗杆油缸无杆腔，a2表示有杆腔；卷扬马达进出油口分别为b1和b2。表中1代表进油压力，0代表回油压力，0*表示比回油压力高的背压。
斗杆油缸与卷扬马达联合动作可以由附图3所示的液压系统实现。挖掘时，换向阀16将高压油接到卷扬马达15′，卷扬马达通过钢丝绳拉动斗杆和活动配重，并使斗杆油缸6缩短。当活动配重的质心C5位于通过O4的铅垂线后方时，油缸无杆腔的油通过电磁阀19直接返回油箱18；当活动配重的质心C5位于通过O4的铅垂线前方时，电磁阀19动作，使油缸无杆腔的回油流经溢流阀，油缸的回油有一定背压，溢流阀20的开启压力要略高于活动配重产生的压力。卸载时，换向阀16将高压油接到斗杆油缸的无杆腔，通过钢丝绳拉动斗杆，这时，单向阀17使卷扬马达处于浮动状态。
本实用新型中的绳(杆)8即可采用钢丝绳，也可以采用连杆，当为连杆时，该连杆与O2O4构成四杆机构，一般为平行四杆机构。
当连杆太长时也可以在其中加装摇杆，它们与O2O4构成几个串联的四杆机构。一般为平行行杆机构。
当绳(杆)8为连杆时，斗杆油缸6可以通过铰销O7′O8′装在斗杆9和动臂7之间，并去掉钢丝绳14和卷扬装置15，即为图2所示的改进常规式自平衡节能挖掘机实施例。
权利要求1.自平衡节能型挖掘机是由底盘(1)，回转平台(2)，动臂油缸(3)、配重、斗杆油缸(6)、动臂(7)、斗杆(9)、铲斗油缸(10)、摇臂(11)、连杆(12)、铲斗(13)组成，其特征在于配重由固定配重(4)和活动配重(5)两部分组成，固定配重(4)固定在动臂(7)的尾部，活动配重(5)通过铰销装在动臂(7)的后部，斗杆油缸(6)通过铰销O7、O8装在动臂(7)和活动配重(5)之间，动臂油缸(3)通过铰销O5、O6后置在回转平台(2)和动臂(7)之间，卷扬装置(15)装在回转平台(2)上，在斗杆(9)和卷扬装置(15)之间装有钢丝绳(14)，在斗杆(9)与活动配重(5)之间装有绳杆(8)。
2.按权利要求1所述的自平衡节能型挖掘机，其特征在于所说的绳杆(8)可以采用连杆，该连杆与O2O4构成四连杆机构，斗杆油缸(6)可以取代钢丝绳(14)和卷扬装置(15)通过铰销装在斗杆(9)和动臂(7)之间。
3.按权利要求1或2所述的自平衡节能型挖掘机，其特征在于在连杆中间可以加装摇杆，它们与O2O4构成几个串联的四杆机构。
专利摘要自平衡节能型挖掘机属于机械领域。其配重一部分是固定配重，它固定在动臂的尾部，另一部分是活动配重，它装在动臂的后部并且可以相对动臂摆动，斗杆油缸铰接于动臂与活动配重之间，动臂油缸后置，卷扬装置装在回转平台上，在斗杆与卷扬装置之间装有钢丝绳，在斗杆与活动配重之间装有绳(杆)。该装置卸载时整个工作装置质心不动，不产生附加倾翻力矩，升降不消耗发动机功率，具有自平衡节能特点。
文档编号E02F3/28GK2355001SQ9820419
公开日1999年12月22日 申请日期1998年5月8日 优先权日1998年5月8日
发明者刘国民, 黄海东 申请人:刘国民