原作者:西北建筑工程学院 王进 中国建筑科学研究院机械化分院 张华 出处:
【论文摘要】提出步履式挖掘机设计的基本要求、下车结构参数的确定方法、合理性设计的追求目标，并给出步履式挖掘机设计合理性分析的电算实例。
步履式挖掘机（简称步挖机）由工作装置、上车、回转机构、下车、动力装置和液压系统组成，见图1。主要用于房屋基槽、各种管道、电缆沟和水渠等土方工程的挖掘。步挖机与通常挖掘机的区别是下车没有行走机械，采用4个支腿支撑整机，依靠工作装置和回转机构的联合动作实现前进，后通和转向，因此它与普通挖掘机的设计差异主要在下车部分。本文对此作一论述。
由于步挖机结构上的独特性，在确定结构参数时应考虑如下要求：①整机具有较高的稳定性，在全域（360º）内挖掘性良好；②步履行走性能好，能开进没有道路的施工现场；③支腿调节简单、迅速，对地面的适应性强，安全可靠；④小型步挖机长距离转场移动时能自行上下运输车辆；⑤支腿的支爪上部为水平板，下部为放射状的爪，避免挖掘时支腿沉陷和整机水平移动；⑥能在靠近建筑物的边角的狭小的场地一挖掘作业；⑦轮胎应有制动装置或防滑装置。
1 下车的设计
下车由底盘、支腿和支腿座组成。每个支腿由液压油缸操纵，前面2个支腿装一对支爪，后面2个支腿装一对行走轮。为了满足步挖机的作业，上下汽车和通过性的要求，4个支腿应能在纵向，横向和垂直3个方向调节其长度和支撑位置见图2。
4个支腿的长度和在水平面内的调节尺寸主要影响步挖机在横向和纵向的稳定性以及行走时的通过性（通过某一最窄路段），同时考虑步挖机对横向和纵向的稳定性要求接近，因此，a1、a2、b1、b2、之间的比值一般取：a2/a1=2-2.5，b2/b1=2-2.5，b1/a1=1.2-1.3，b2/a2=1.1-1.3。为了适应作业一场地的大小和作业条件多变，前支腿由可伸缩的两节组成，其长度可进行3-4挡的调节，伸缩比λLmax/Lmin=1.8-1.9；后支腿的长度约为前支腿回缩状态下的长度。每个支腿座上有2-4个定位销孔，这样前后支腿在水平面内可进行2-3挡的调节，可适应不同作业条件下对稳定性有要求。
4个支腿在垂直方向上的运动由4个液压缸控制，可无级调节。支腿上、下调节尺寸除应满足步挖机在凹凸不平的斜坡上作业时能调平上车外，还要满足上、下运输车辆的要求。步挖机上、下运输车辆时，调前支腿的最大长度和角度能使上车调平和下车底座下部高于运输车辆100-200mm，见图3，因此前支腿向下调节的最大角度（一般取40-45º）应与最在长度相互协调。前支腿向下调节角度过大造成支腿油缸力臂太小，液压油缸受力过大。对液压油缸不利；过小则高度不够。后支腿向上调节尺寸使行走轮下边缘高于底座下部100-250mm，向下调节尺寸h1=(2/3~1/4)h3。前支腿向上调节尺寸h4=(2~3)h2。
为了防止时支腿沉陷和整机水平移动，支爪上部为水平板，下部为放射状的爪，支爪要有一定的支撑面积，避免步挖机工作进支腿过分陷入地面，并能自行清理积土。2个后支腿上的行走轮需装制动装置，轮子可用胶轮，行走性能好；也可用钢轮，价格低。采用轮胎时建议采用辅助支撑爪，见图4。通过调节后支腿的辅助支撑爪使轮胎离地，减小轮胎受力，既可防滑又可省去制动装置，还可选择承载能力小的轮胎。行走进通过调节后支腿的角度，使辅助支撑爪离地，也不影响步挖机的行走。
2 设计的合理性分析
2.1 挖掘力的发挥问题
挖掘机设计的好坏可以从挖掘力的发挥、功率利用、生产率和工作尺寸等方面来衡量。步挖机是以铲斗挖掘为主的小型挖掘机，按设计土壤阻力确定铲斗机构以及按作业尺寸初定工作装置尺寸后，则已确定动臂和斗杆受到的作用力。如果要求在整个包络图的范围内保证挖掘力充分发挥显然是不经济的，实用中也无必要。相对经济与合理的处理原则是：保证在主要挖掘区内充分发挥挖掘力，不受被动油缸闭锁能力，整机稳定和地面附着的限制，挖掘机作业中最常工作姿态的挖掘区域为主要挖掘区，见图1。对非主要挖掘力的发挥可按需要与可能适当降低要求，允许各油缸匹配略差，这些区域除较少进行挖掘外，挖掘力的发挥会受到整机稳定性和油缸闭锁能力的限制，这些特点步挖机显得更为突出。步挖机无行走机构，依靠工作装置的联合动作实现整机的前进，后退和上下运输车辆。因此动臂和斗杆在最大挖掘半径附近挖掘进（遇硬土）需要有一定的失稳区，以保证上述动作实现。建议工作失稳区取1/4~1/3的包络图宽度，见图1。
2.2 闭锁压力的选择
工作装置参数确定后油缸的闭锁能力由缸径和闭锁压力所决定。油缸的闭锁压力由局部液压回路的限压阀调定。闭锁大。则有利于铲斗挖掘力的发挥。并可减小缸径。提高油缸工作速度，提高生产率。闭锁压力的大小还受液压元件耐压，油缸速度、密封和管路强度等限制。液压系统多采用定量齿轮泵的驱动，工作压力一般采用中压16MPa，所选择的液压元件耐压多为25MPa，因此最大闭锁压力一般不大于25MPa，以利于降低液压元件的成本，提高整机的性能价格比。
2.3 挖掘性能的电算分析
为进一步验证产品设计的合理性，这里对WYB2.5步挖机进行电算分析。机重2500kg，斗容量0.08-0.15m³。功率13.2kW,系统工作压力16MPa，最大挖掘深度2.5m，最大挖掘高度3.5m，最大挖掘力1.9kN，挖掘Ⅲ级土壤时最大挖掘阻力1.8kN，平均挖掘阻力1.5kN。即将工作油缸从最短到最长分11-13级，这样各油自由式从最短到最长分为11-13个长度。排列组合后可得到1331-2197个工况位置。计算这些工况位置的挖掘力、油缸闭锁能力、整机稳定性，地面附着性和挖掘功度等参数。并将结果用挖掘图表示，通过挖掘图即可分析其设计的合理性。
采用电算分析的优点是可进行多个方案的比较，从中选择最佳方案，在机器制造出以前就能预见某些使用效果。通过对WYB2.5步挖机挖掘性能的电算分析和实际使用，也证实了本文所采用的方法的设计是合理的。限于篇幅限制，本文电算分析及挖掘图从略。
