机构应用９－５　挖土机的驱动器使用耳环式油压缸设计

应用要点：　挖土机是一个可以全方位旋转移动的臂杆装置。它巧妙的采用了连杆结构设计，在机构的前端具有可以自由移动旋转的铲斗结构。挖掘装置的终端执行机构也是机械臂末端机构的动力输出部分。

１、　液压缸（油压缸）

　　挖土机是采用液压缸装置来驱动各项臂杆机构。相比于气压缸，液压缸虽然没有气压缸的高压缩变形能力，也正是这种“不耐压缩的能力”，在操控液压缸时，可以将液压缸准确的定位、停留在任意的中间位置上，而不会因为弹性的伸缩特性产生移动位置上的误差，或不稳定的现象。

　　液压缸装置是通过控制液体（油）在封闭的缸体内的流动来使其产生伸展或收缩的运动过程。因此，如果想让液压缸的手臂停留在任意位置上，可以使用逆流阀或封闭型的方向控制阀来对缸体内的液体进行流动控制，从而实现对手臂的控制过程。

２、　臂杆的结构

图中所示为小型挖土机的基本结构事例，它由４段手臂结构组成。第１段手臂是由耳环式油压缸及长臂杆（主臂杆）组成。当油压缸向前伸展时，在油压缸的推力作用下，第１段手臂（主臂杆）会向上方升起，这就是第１段手臂的主要功能和作用，即控制主臂杆的升降。 　　　

　　需要注意的是油压缸的最长伸展点位置不宜使臂杆超过与地面的垂直角度。也就是说，当油压缸伸展到最大位置时，臂杆的旋转上升过程不能超过其垂直地面的角度位置。否则，会造成挖土机的重心偏移，并发生改变。这也是挖土机主臂杆抬升的极限位置，超过此界限将造成挖土机的倾斜，发生危险事故。

　　上图所示为挖土机的第２段手臂结构，第２段手臂与第１段手臂的前端（末端）相连接，并与地面呈平行状态。手臂２的安装方向与手臂１的旋转升降方向是相互垂直的。第２段手臂的主要功能是连接手臂１与手臂３，并实现手臂１高度基础上，对机械臂高度的再次上举。

第２段手臂的驱动主要由油压缸２来完成，通过油压缸２的伸展变化，调整第１段手臂与第２段手臂之间的夹角关系。耳环式油压缸２的耳环部分是这在第１段臂杆上的，用来驱动第２段手臂与第１段手臂间的夹角变化，提升第３段手臂高度。

　　第３段手臂与第２段手臂的安装方向也是互相垂直的。而且，第１段手臂的旋转摆动方向与第３段手臂的延伸方向是一致的，也就是说在空间上，二者间的方向是平行的，只是不在同一个空间平面上，通过第２段手臂实现二者间的连接驱动。

　　油压缸２的伸缩会导制手臂２以耳环轴为中心进行旋转，这样必然导制手臂３所连机构在方向上的偏转，为了实现手臂３的移动上举，又可以保持其所连结构的原始状态，特别是末端铲斗的水平状态保持。所以在第２段手臂上加入平行连杆机构，即在平行于第２段手臂的两端连接一个平行连杆。这样就可以保证不影响手臂３状态的情况下，实现其升降移动。就整个机械臂来讲，手臂２的结构设计可以保证机械臂末端铲斗的方向始终水平正向操作者，给机械臂的操控和使用带来很大的便利。

（如图）第３段手臂与第２段手臂的前端呈９０度角方向连接。并且是固定连接方式。不存在彼此间的旋转轴连接。也可以把第２段手臂和第３段手臂理解为一体的结构，在平行连杆结构的驱动下，带动第３段手臂水平上升或下降。

第３段手臂的前端连接第４段手臂，第４段手臂是主要的旋转摆动臂。它的动力源主要由手臂３上面的油压缸３来提供驱动。手臂３是连接臂杆结构，并不具备太大的可移动范围。

　　第４段手臂上的油压缸４用来驱动机械臂末端的铲斗做大幅度的旋转（挖掘动作）。在铲斗的挖掘过程中，其所需的强大旋转动力输出由伸臂连杆机构来提供产生。

　　挖掘机在进行挖掘动作时，以第４段手臂和铲斗做为两个支点，当铲斗与地面接触时，在两个支点之间，伸臂连杆机构就相当于一个肘节机构。我们知道肘节机构具有驱动增力的功能效果。所以，在油压缸４的驱动下，就会在动力输出端（铲斗处）产生很大的向下挖掘的力量，同时利用其大角度的旋转，将铲土钓起，实现整个挖掘动作过程。

　　现在的挖掘机似乎取消了第２段手臂的设计，并将第１段手臂与第３段手臂设计为一体的结构，用一个大的弯角臂杆来替代。这样的设计无论是在控制方面还是在设计制造方面都有了更加方便、简捷的改进。原来的油压缸１负责主臂杆（大臂）的升降，原来的油压缸３负责控制手臂４（小臂）的旋转摆动，原油压缸４（挖斗油压缸）负责控制铲斗的旋转运动。

总结：

　　挖掘机运用油压装置来驱动臂杆，而不是采用气压缸装置，这是根据二者间介质的压缩特性来决定的。从工程的角度讲：气体是可压缩流体，液体是不可压缩流体。气体介质在密闭的空间中，具有更大的可压缩性，但是其稳定性就相对差一些。在起吊重物，挖掘过程中，对于挖掘机动作的把握，对于控制的精确性，稳定性方面比较难于控制。油介质虽然在压缩性上要小很多，但也正是这种特性，导制油压装置在使用中，对于机械臂动作的控制方面，具备了更好的稳定性和准确性。