挖掘機動臂機構(gòu)液壓系統(tǒng)
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1、挖掘機動臂機構(gòu)液壓系統(tǒng) 1、設(shè)計背景 液壓挖掘機是一種多功能機械,目前被廣泛應(yīng)用于水利工程,交通運輸,電力工程和礦山采掘等機械施工中,它在減輕繁重的體力勞動,保證工程質(zhì)量。加快建設(shè)速度以及提高勞動生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。由于液壓挖掘機具有多品種,多功能,高質(zhì)量及高效率等特點,因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。液壓挖掘機的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。 挖掘機液壓傳動緊密地聯(lián)系在一起,其發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)主要是由發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成(如圖所示),由于挖掘機的工作條件惡劣,要求實現(xiàn)的動作很復(fù)雜,于是它對液壓系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高的要求
2、,其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。因此,對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計已經(jīng)成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán)。 2、設(shè)計要求 2.1使用要求 小型挖掘機主要用于城市、狹窄地區(qū),代替人力勞動。主要作業(yè)是挖掘、裝載、整地、起重等,用于城市管道工程、道路、住宅建設(shè)、基礎(chǔ)工程和園林作業(yè)等。小型挖掘機體積小,機動靈活,并趨向于一機多能,配備多種工作裝置,除正鏟、反鏟外,還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等,以滿足各種施工的需要。與此同時,發(fā)展專門用途的特種挖掘機,如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機等
3、??傊且环N多用途萬能型的城市建設(shè)機械。由于這種機械的特點很靠近人,因此在設(shè)計上除了要求耐久性、可靠性和作業(yè)效率等,還需著重考慮人、機、環(huán)境的協(xié)調(diào),特別要注意以下幾點: (1) 安全性即機械作業(yè)過程中不要與周圍的人和物相碰撞,防傾翻穩(wěn)定性好。 (2) 低公害即排放要求高、低震動、低噪音,聲音要比較悅耳。 (3) 與周圍環(huán)境能調(diào)和,形象要美觀,形體和色彩不要引起人們不愉快感,對人有親和感。 (4) 盡量擴大其使用功能,可裝多種附屬裝置,應(yīng)成為城市萬能型工程機械。 (5) 操縱簡便,任何人一學就會,都能操縱。 2.2 性能要求 小型挖掘機具有中型挖掘機的多項功能,又具有便于
4、運輸、能耗低、靈活、適應(yīng)性強等優(yōu)勢,非常適用于空間狹小的施工場地作業(yè),而且價格低、質(zhì)量輕、保養(yǎng)維修方便,所以在小型土石方工程、市政工程、路面修復(fù)、混凝土破碎、電纜埋設(shè)、自來水管道的鋪設(shè)、園林栽培等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于滿足基本的挖掘、裝載、整地、起重等功能外,必須考慮到工作空間小(人力所不能至)、地形復(fù)雜、方便操作、可控,目前市場對小型挖掘機性能要求如下: (1) 改進挖掘機可控性和控制精確性以及復(fù)合動作。 (2) 簡化液壓系統(tǒng)、降低成本,達到大作業(yè)量與低油耗的動態(tài)平衡。 (3) 改進工作可靠性。 (4) 改進駕駛操作舒適性及降低勞動強度,提高單位生產(chǎn)率。 (5) 改進操作安
5、全性。 (6) 低振動、低噪音適用生活區(qū)工作。 2.3 總體圖 液壓挖掘機作為工程機械的一個重要品種,對于減輕工人繁重的體力勞動,提高施工機械化水平,加快施工進度,促進各項建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,都起著很大的作用,因此,大力發(fā)展液壓挖掘機,對于提高勞動生產(chǎn)率和加速國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。 1.鏟斗缸 2.斗桿缸 3.動臂缸 4.回轉(zhuǎn)馬達 5.冷卻器 6.濾油器 7. 磁濾器 8.油箱 9.液壓泵 10.背壓閥11. 后組合閥 12.前組合閥 13.中央回轉(zhuǎn)接頭14.回轉(zhuǎn)制動閥 15.限速閥16.行走馬達 圖1.1 液壓挖掘機整體系統(tǒng)圖 3、 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 液壓系統(tǒng)設(shè)計
6、作為機電一體化挖掘機設(shè)計的重要組成部分,設(shè)計時必須滿足挖掘機工作循環(huán)所需的全部技術(shù)要求,且靜動態(tài)性能好、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、工作安全可靠、壽命長、經(jīng)濟性好、使用維護方便。其中液壓系統(tǒng)的設(shè)計作為挖掘機總體設(shè)計的一部分,必須要滿足整機工作要求,并要求進行相關(guān)參數(shù)的計算與分析驗證,選取合適的各液壓元件。 3.1 液壓挖掘機的工況分析 液壓挖掘機的主要功能運動包括以下幾個動作(如圖3.1所示):動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機行走以及其它輔助動作。除了輔助動作 (例如整機轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動以外,其它都是液壓挖掘機的主要動作,要考慮全功率驅(qū)動。 3.1.1.挖掘機的典型作業(yè)流
7、程: (1) 整機移動至合適的工作位置 (2) 回轉(zhuǎn)平臺,使用工作裝置處于挖掘位置 (3) 動臂下降,并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置 (4) 斗桿、鏟斗挖掘作業(yè) (5) 動臂升起 (6) 回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置 (7) 操縱斗桿、鏟斗卸載 1一動臂升降;2一斗桿收放:3一鏟斗裝卸;4一轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn):5一整機行走 圖3. 1液壓挖掘機的工作運動 3.1.2.工況分析 (1) 鏟斗挖掘工況:由鏟斗液壓缸單獨動作進行挖掘的工況。采用鏟斗液壓缸進行挖掘常用于清除障礙,挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率,因此,在一般土方工程挖掘中(III級土以下土壤的挖掘)鏟斗挖掘最常用。 (2) 斗
8、桿挖掘工況:由斗桿液壓缸單獨動作進行挖掘的工況。在較堅硬的土質(zhì)條件下工作時,為了能夠裝滿鏟斗,中小型液壓挖掘機在實際工作中常以斗桿液壓缸進行挖掘。 (3) 聯(lián)合挖掘工況:由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動作進行挖掘的工況,必要時還需 配以動臂液壓缸的動作。主要用于需要軌跡控制的情況。 當單獨采用斗桿液壓缸進行挖掘時,挖掘軌跡以動臂與斗桿的鉸點為中心,鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于斗桿液壓缸的行程。當動臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進行挖掘時,可以得到最大挖掘深度尺寸,并且也有較大的挖掘行程。 (4) 空斗返回:卸載結(jié)束,轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn),動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合,把空斗放到新的挖掘點,此
9、時是回轉(zhuǎn)和動臂或斗桿的復(fù)合動作。 (5) 整機移動工況:將整機移動至合適的工作位置。 (6) 姿態(tài)調(diào)整與保持工況:滿足停放、運輸、檢修等需要。 (7) 其他輔助作業(yè)工況:輔助工作裝置作業(yè)工況。 在實際挖掘工作中,往往需要采用各液壓缸的復(fù)合工作。如在平整土地或切削斜坡時,需要同時操縱動臂和斗桿,以使斗尖能沿直線運動,見圖3.2所示。此時斗桿收回,動臂抬起,需要保證彼此動作獨立,相互之間無干擾。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進行切削時,或者需要用鏟斗斗底壓整地面時,就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復(fù)合動作,見圖3.3所示。這些動作決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計。當進行溝槽側(cè)壁掘削
10、和斜坡切削時,為了有效地進行垂直掘削,還要求向回轉(zhuǎn)馬達提供壓力油,產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力,保持鏟斗貼緊側(cè)壁進行切削,因此需要回轉(zhuǎn)機構(gòu)和斗桿機構(gòu)復(fù)合動作。 a-水平地面的切削和壓整 b-斜坡地面的切削和壓整 a一水平地面的挖削 b一坡地面的挖削 圖3.3地面的切削和壓整 單獨采用斗桿挖
11、掘時,為了提高掘削速度,一般采用雙泵合流,個別也有采用三泵合流。單獨采用鏟斗挖掘時,也有采用雙泵合流的情況。 當動臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運動時,為了防止同一油泵向多個液壓作用元件供油時動作的相互干擾,一般三泵系統(tǒng)中,每個油泵單獨對一個液壓作用元件供油較好。對于雙泵系統(tǒng),其復(fù)合動作時各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大,因此需要采用節(jié)流等措施進行流量分配,其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。 挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅硬障礙物,往往由于挖不動而需要短時間增大挖掘力,希望液壓系統(tǒng)能暫時增壓,能提高主壓力閥的壓力。 3.2 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)確定 液壓挖掘機的主要參數(shù)表明了液壓挖掘機的規(guī)格
12、和主要技術(shù)性能,液壓挖掘機的主要參數(shù)分為發(fā)動機參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)、主要性能參數(shù)、尺寸參數(shù)四大類,發(fā)動機參數(shù)包括發(fā)動機額定功率、轉(zhuǎn)速等,液壓系統(tǒng)參數(shù)包換主泵的流量、壓力等,主要性能參數(shù)包括整機工作質(zhì)量、主要部件質(zhì)量、鏟斗容量范圍或標稱鏟斗容量、挖掘力、牽引力等,尺寸參數(shù)包括工作尺寸、機體外形尺寸和工作裝置尺寸等,其中液壓挖掘機主要參數(shù)中最重要的參數(shù)有三個,即斗容量、整機質(zhì)量和發(fā)動機功率,因為通過這三個參數(shù)可以從使用要求、機械本身的技術(shù)性能和技術(shù)經(jīng)濟指標、動力裝置的配套、國際上統(tǒng)一的標準以及傳統(tǒng)習慣等方面反映液壓挖掘機的級別,故有主參數(shù)之稱。所以有時采用挖掘機的斗容量作為主參數(shù)。例如,機械式挖掘機
13、一般就以斗容量作為挖掘機的主參數(shù)并作為主要分級指標。但液壓挖掘機可更換的工作裝置多,而且同一機型可以根據(jù)作業(yè)對象或工作尺寸的要求換裝不同斗容的鏟斗。由于不同廠家的挖掘機采用不同的液壓系統(tǒng),輔助設(shè)備能耗及功率儲備也有所不同,而且同一型挖掘機在后續(xù)改進時,也會改變發(fā)動機功率,所以液壓挖掘機以功率分級不十分合理。整機質(zhì)量則直接反映了液壓挖掘機本身的重量等級,對其他技術(shù)參數(shù)影響較大,如挖掘能力的發(fā)揮、發(fā)動機功率的充分利用、作業(yè)的穩(wěn)定性等要以一定的整機質(zhì)量來保證,因此整機質(zhì)量反映了挖掘機的實際工作能力,目前已被廣泛用作液壓挖掘機的分級指標。 比較其他同類型挖掘機,可得SWE50H的主要參數(shù)(如下表3.
14、1,表3.2所示),其中圖3.4為液壓挖掘機的外觀尺寸圖,作業(yè)參數(shù)表3.2是根據(jù)圖3.4所示。 圖3.4 SWE50H型液壓挖掘機的外觀尺寸圖 3.3 負載分析 動臂油缸一般布置在動臂前下方,下端與回轉(zhuǎn)平臺鉸接。常見的有兩種具體布置方式。 油缸前傾布置方案,如圖3.5A所示,動臂油缸與動臂鉸接于E點。當動臂油臂全伸出,將動臂舉升至上極限時,動臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺前方傾斜。 油缸后傾布置方案,如圖3.5B所示,當動臂油缸全伸出,將動臂舉升至上極限位置時,動臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺后方傾斜
15、 當兩方案的動臂油缸安裝尺寸DE1、鏟斗最大挖掘H和地面 最大挖掘半徑R相等時,后傾方案的最大挖掘深度比前傾方案小,即h1
16、其優(yōu)點。 圖3.5 動臂機構(gòu)油缸布置方案 為了增大后傾方案的挖掘深度,有的挖掘?qū)㈤L動臂CEF改成CE1F1(圖3.5B),并配以長斗桿,在最大深度處挖掘時,采用鏟斗挖掘而不是斗桿挖掘,這樣得到的最大挖掘深度為h1
17、 圖3.6 動臂油缸作用力分析 設(shè)計簡圖3.6所示,此時動臂油缸作用力(N)為: (3.1) 式中 -鏟斗質(zhì)心到動臂下鉸點A的水平距離(m) -動臂質(zhì)心到動臂下鉸點A的水平距離(m) -斗桿質(zhì)心動臂下鉸點A的水平距離(m) -動臂油缸作用力對鉸點的力臂(m) -斗桿所受重力(N) -動臂所受重力(N) -鏟斗及其裝載土壤的重力(N) 查閱相關(guān)資料,選?。絅+mg,=N,=N,=3.8m,=2.8m, =1.2m, =0.55m.
18、 其中鏟斗的重力為N,根據(jù)公式 (3.2) (3.3) (3.4) 式中 -裝載土壤的質(zhì)量(kg) -平均有效斗容量() -鏟斗充滿系數(shù)(),根據(jù)工作環(huán)境,選擇充滿系數(shù)為1 -自然情況下土壤的密度,根據(jù)工作
19、環(huán)境,選擇 -疏松后的土壤密度 -土壤的松散系數(shù),根據(jù)工作環(huán)境,取 代入數(shù)據(jù),求得: 3.4 機電一體化液壓挖掘機工作原理 機電一體化液壓挖掘機采用三組液壓缸使工作裝置具有三個自由度,鏟斗可實現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動,加上液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)運動,使鏟斗運動擴大到有限的空間,再通過行走馬達驅(qū)動行走(移位),使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴大,從而滿足挖掘作業(yè)的要求。 3.5 機電一體化液壓挖掘機工作技術(shù)要求 采用了柴油機-液壓泵復(fù)合控制。操作者根據(jù)工況,利用作業(yè)模式選擇開關(guān)(功率預(yù)選開關(guān))選擇合理的功率模式:重載高速、正常工作、輕載低速。通過
20、電子調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)發(fā)動機油門和液壓泵的排量,使供給功率與負載需要功率相匹配。 采用了電液比例控制技術(shù),通過改變34B-R6/H6型帶閥芯位移反饋的電液比例方向閥的比例電磁鐵的輸入電流,不但可以改變閥的工作液流方向,而且可以改變閥口大小實現(xiàn)流量控制,是一種較為理想的電、液轉(zhuǎn)換和功率放大元件,與伺服控制相比具有成本低、抗干擾性好、能量損失小、對油液清潔度無特殊要求等優(yōu)點。 工況在線監(jiān)測系統(tǒng)包括單片主處理器模塊、面板控制系統(tǒng)、模擬信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換及光電隔離模塊、電源模塊及傳感器等部分。其中單片主處理器模塊是系統(tǒng)的核心部分,主要功能有面板的控制管理,A/D轉(zhuǎn)換部分的控制管理、模擬量、開關(guān)量和轉(zhuǎn)
21、換信號的輸入、處理和存儲。面板控制模塊是整個系統(tǒng)的入機接口,它包括鍵盤、聲光報警電路和點陣式液晶顯示器。模擬信號調(diào)理電路的任務(wù)是實現(xiàn)各路模擬量信號的輸入和調(diào)整,將傳感器和敏感元件的輸出電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足A/D轉(zhuǎn)換輸入要求的標準電平信號。A/D轉(zhuǎn)換及光電隔離模塊的功能是將所有的被檢測轉(zhuǎn)變成為單片機所接受的數(shù)字量,具體包括開關(guān)量、轉(zhuǎn)換信號的整形、模擬量的A/D轉(zhuǎn)換和輸入輸出信號的光電隔離等。電源模塊將液壓挖掘機上的蓄電池或發(fā)電機輸出的+24V直流電轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)各模塊以及系統(tǒng)配備的傳感器所需的各種類型的電平電壓。傳感器處于液壓挖掘機與監(jiān)測系統(tǒng)的接口位置,是一個能量變換器,它直接從液壓挖掘機中提取被除數(shù)檢
22、測的工況特征參數(shù),感受狀態(tài)的變化并轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量。 計算機控制系統(tǒng)將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析加工,根據(jù)信息處理結(jié)果,按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個系統(tǒng)有目的的運行。如利用壓力傳感器可實現(xiàn)過載情況下的路徑自主校正;利用超階級聲波測距傳感器能實現(xiàn) 回轉(zhuǎn)過程中的自動避障。 3.6 液壓缸主要幾何尺寸的計算 挖掘機各驅(qū)動和傳動系統(tǒng)包括:發(fā)動機、液壓泵、液壓馬達、電液比例換向閥、動臂缸、斗桿缸及齒輪傳動。本設(shè)計主要對動臂缸進行相關(guān)設(shè)計。 3.6.1 動臂液壓缸內(nèi)徑尺寸與活塞桿直徑的確定 由表3.1、表3.3、表3.4可知
23、,小挖掘機液壓系統(tǒng)在最大負載約為時宜取液壓缸的工作壓力=13,液壓缸選用單桿式,并在工作時進行差動連接。此時液壓缸無桿腔工作面積應(yīng)為有桿腔工作面積的兩倍。由于液壓缸回油路上必須具有背壓力存在,以防止挖掘機卸土后突然前沖,可取=8. 由于是差動式單桿連接,所以活塞桿直徑d與缸筒直徑D的關(guān)系為d=0.707D。根據(jù)公式 =47.62 (3.5) 故有 D==77.9mm,d=0.707D=55.07mm (3.6) 當按GB/T2348-1993將這些直徑圓整理成就近標準值時得:D=80mm , d =63mm,由此求得液壓缸兩腔的
24、實際有效面積為 (3.7) 3.6.2 液壓缸行程的確定 液壓缸行程主要依據(jù)機構(gòu)的運動要求而定。但為了簡化工藝和降低成本,應(yīng)盡量采用GB/T2348-1993標準的液壓缸行程,則根據(jù)技術(shù)要求,取行程為630mm。 3.7 液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算 3.7.1 缸筒壁厚的計算 對于低壓系統(tǒng)或≥16時,液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算,公式如下: (3.8) 式中 -液壓缸缸筒厚度 -試驗壓力(Mpa),當工作壓力P≤16 Mpa時,=1.5P,當工作壓力31
25、.5≥P≥16 Mpa時,=1.25P,當工作壓力P≤31.5Mpa時,=1.15P,這里應(yīng)取=1.5P =19.5Mpa。 -液壓缸內(nèi)徑(m) -缸體材料的許用應(yīng)力(Mpa),可通過下面公式求得: (3.9) -缸體材料的抗拉強度(Mpa) -安全系數(shù),=3.5~5,一般取=5 但對于鍛鋼45的許用應(yīng)力一般都取=110(Mpa) 則 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》,取液壓缸外直徑為=100mm. 3.7.2 液壓缸油口直徑的計算 液壓缸油口直徑應(yīng)根據(jù)活塞最高運動速度和油口最高液流
26、速度而定,公式如下: (3.10) 式中 -液壓缸油口直徑(m) -液壓缸內(nèi)徑(m) -液壓缸最大輸出速度(m/min) -油口液流速度(m/min),根據(jù)《機械設(shè)計手冊》,取=7m/min 同時對于單桿油塞式液壓差動聯(lián)接時,活塞的外伸速度為: (3.11) 式中 -液壓缸差動聯(lián)接時,活塞外伸的速度,可視為油口液流的速度(m/min) -液壓泵流量(/s),= -活塞桿面積,其公
27、式如下: (3.12) 式中 -活塞桿直徑(m) 所以代入數(shù)據(jù),解析以上公式得:, 故取 3.7.3 缸頭厚度計算 本設(shè)計采用的是螺釘聯(lián)接法蘭缸頭,其厚度的計算公式為: (3.13) 式中 -法蘭厚度(m) -法蘭內(nèi)徑(m),根據(jù)《機械設(shè)計手冊》,取= -螺釘孔分布圓直徑(m),根據(jù)《機械設(shè)計手冊》,取= -法蘭材料的許用應(yīng)力(Mpa),取45鋼,=120 Mpa -法蘭受力總和(N),其計
28、算公式為: (3.14) -密封環(huán)內(nèi)徑(m),根據(jù)《機械設(shè)計手冊》,取 -密封環(huán)外徑(m),根據(jù)《機械設(shè)計手冊》,取 -系統(tǒng)工作壓力(pa), pa -附加密封力(pa),若采用金屬材料時,值取屈服點,此處取材料為45鋼,則=110Mpa 代入數(shù)據(jù),求出得: 故取 4、 液壓系統(tǒng)原理圖的制定 4.1 制定基本方案 (1) 制定調(diào)速方案 液壓執(zhí)行元件確定之后,其運動方向和運動速度的控制是擬定液壓回路的核心問題。方向控制用換向閥或邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流
29、量的液壓系統(tǒng),大多通過換向閥的有機組合實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的液壓系統(tǒng),現(xiàn)多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)整方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者的結(jié)合——容積節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速一般采用定量泵供油,用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單,由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥,故效率低,發(fā)熱量大,多用于功率不大的場合。容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達的排量來達到調(diào)速的目的。其優(yōu)點是沒有溢流損失和節(jié)流損失,效率較高。但為了散熱和補充泄漏,需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大
30、、運動速度高的液壓系統(tǒng)。容積節(jié)流調(diào)速一般是用變量泵供油,用流量控制閥調(diào)節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量,并使其供油量與需油量相適應(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高,速度穩(wěn)定性較好,但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。節(jié)流調(diào)速又分別有進油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進油節(jié)流起動沖擊較小,回油節(jié)流常用于有負載荷的場合,旁路節(jié)流多用于高速。調(diào)速回路一經(jīng)確定,回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。節(jié)流調(diào)速一般采用開式循環(huán)形式。在開式系統(tǒng)中,液壓泵從油箱吸油,壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后,再排回油箱。開式回路結(jié)構(gòu)簡單,散熱性好,但油箱體積大,容易混入空氣。容積調(diào)速大多采用閉式循環(huán)形式。閉式系統(tǒng)中,液壓泵的吸油口直接與執(zhí)行元件的排油口相通
31、,形成一個封閉的循環(huán)回路。其結(jié)構(gòu)緊湊,但散熱條件差。經(jīng)過上述分析此方案選用容積節(jié)流調(diào)速。 (2) 制定壓力控制方案 液壓執(zhí)行元件工作時,要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內(nèi)工作,也有的需要多級或無級連續(xù)地調(diào)節(jié)壓力,一般在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中,通常由定量泵供油,用溢流閥調(diào)節(jié)所需壓力,并保持恒定。在容積調(diào)速系統(tǒng)中,用變量泵供油,用安全閥起安全保護作用。在液壓系統(tǒng)中,需要流量不大的高壓油時可考慮用增壓回路得到高壓,而不用單設(shè)高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中,某段時間不需要供油,而又不便停泵的情況下,需考慮選擇卸荷回路。在系統(tǒng)的某個局部,工作壓力需低于主油源壓力時,要考慮采用減壓回路來獲得所
32、需的工作壓力?;谝陨峡刂葡到y(tǒng)方案分析本次設(shè)計選用閉式中心負荷傳感系統(tǒng)(CLSS);采用的是雙泵雙回路恒功率控制液壓系統(tǒng)。 (3) 指定順序動作方案 主機各執(zhí)行機構(gòu)的順序動作,根據(jù)設(shè)備類型不同,有的按固定程序運行,有的則是隨機的或人為的。工程機械工作環(huán)境狀況復(fù)雜,補丁因數(shù)多,故操縱機構(gòu)多為手動,一般用手動的多路換向閥控制。加工機械的各執(zhí)行機構(gòu)的順序動作多采用行程控制,當工作部件移動到一定位置時,通過電氣行程開關(guān)發(fā)出電信號給電磁鐵推動電磁閥或直接壓下行程閥來控制接續(xù)的動作。行程開關(guān)安裝比較方便,而用行程閥需連接相應(yīng)的油路,因此只適用于管路聯(lián)接比較方便的場合。另外還有時間控制、壓力控制
33、等。例如液壓泵無載啟動,經(jīng)過一段時間,當泵正常運轉(zhuǎn)后,延時繼電器發(fā)出電信號使卸荷閥關(guān)閉,建立起正常的工作壓力。壓力控制多用在帶有液壓夾具的機床、擠壓機壓力機等場合。當某一執(zhí)行元件完成預(yù)定動作時,回路中的壓力達到一定的數(shù)值,通過壓力繼電器發(fā)出電信號或打開順序閥使壓力油通過,來啟動下一個動作。本設(shè)計主要采用手動控制,另根據(jù)壓力控制CLSS系統(tǒng)可進行自動操作,在計算機的直接操縱下自動完成給定的挖掘任務(wù),并具有一定得局部自主能力。即當阻力過大挖掘過程中斷時,能自主修正挖掘路徑,直接完成挖掘過程。在回轉(zhuǎn)過程中,能自動識別和避開障礙物,達到原定的卸料位置。 (4) 選擇液壓動力源 液壓系統(tǒng)的
34、工作介質(zhì)完全由液壓源來提供,液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油,在無其他輔助油源的情況下,液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量,多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱,溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油,用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。為節(jié)省能源提高效率,液壓泵的供油量要盡量與系統(tǒng)所需流量相匹配。對在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況,一般采用多泵供油或變量泵供油。對長時間所需流量較小的情況,可增設(shè)蓄能器做輔助油源。油液的凈化裝置是液壓源中不可缺少的。一般泵的入口要裝有粗過濾器,進入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護元件的要求,通過相應(yīng)的精過濾器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜
35、質(zhì)流回油箱,可在回油路上設(shè)置磁性過濾器或其他型式的過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對溫升的要求,還要考慮加熱、冷卻等措施。再根據(jù)調(diào)速方案及工程機械選用原則,主泵采用變量柱塞泵,輔助油泵采用齒輪泵。 4.2確定回路方式 本液壓系統(tǒng)采用開式回路。液壓系統(tǒng)回路中泵—缸回路系統(tǒng)為開式,泵—馬達系統(tǒng)為閉式。開式系統(tǒng)利用油箱可以散熱、沉淀雜質(zhì)的特點,并且油液循環(huán)大,敝熱條件好,結(jié)構(gòu)簡單,因此為大多數(shù)工程機械所采用。閉式回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為緊湊,泵的自吸性好,系統(tǒng)與空氣接觸的機會較少,空氣不易滲入系統(tǒng),故傳動的平穩(wěn)性較好,且工作機構(gòu)的變速和換向靠調(diào)節(jié)泵或馬達的變量機構(gòu)實現(xiàn),避免了在開式系統(tǒng)換向過程中所
36、出現(xiàn)的液壓沖擊和能量損失。但閉式系統(tǒng)較開式系統(tǒng)相對復(fù)雜,并且由于閉式系統(tǒng)本身沒有油箱,油液的散熱和過濾條件較開式系統(tǒng)差。 4.3 選用液壓油液 在任何液壓系統(tǒng)中,液壓油是一至關(guān)重要的組成部分。它的功能是:有效地傳遞能量、潤滑部件和作為一種散熱介質(zhì)。液壓系統(tǒng)能否可靠、靈敏、準確、有效而且經(jīng)濟地工作,與所選用的液壓油的品種及性能密切相關(guān)。因此,正確選用液壓油是確保液壓系統(tǒng)正常和長期工作的前提。當液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時,及時找出原因,采取正確的解決辦法是保護設(shè)備、避免造成重大損失的重要措施。 由于液壓傳動具有元件體積小、重量輕、傳動平穩(wěn)、工作可靠、操作方便、易于實現(xiàn)無級變速等優(yōu)點,因此在許
37、多工業(yè)部門的傳動系統(tǒng)被采用。不同工業(yè)部門由于使用要求、操作條件、應(yīng)用環(huán)境的差異,所用的液壓傳動系統(tǒng)差別也很大。正確選用液壓油品種,確保液壓系統(tǒng)長期平穩(wěn)、安全運行,是保證連續(xù)生產(chǎn)、節(jié)省材料消耗和提高經(jīng)濟效益的有效措施。 4.4 繪制液壓系統(tǒng)原理圖 該挖掘機液壓系統(tǒng)采用雙泵雙向回路定量系統(tǒng),由兩個獨立的回路組成。所用的油泵1為雙聯(lián)泵,分為A、B兩泵。八聯(lián)多路換向閥分為兩組,每組中的四聯(lián)換向閥組為串聯(lián)油路。油泵A輸?shù)膲毫M入第一組多路換向閥,驅(qū)動回轉(zhuǎn)馬達、鏟斗油缸、輔助油缸,并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動右行走馬達7。該組執(zhí)行元件不工作時油泵A輸出的壓力油經(jīng)第一組多路換向閥中的合流閥進入第二組多路
38、換向閥,以加快動臂或斗桿的工作速度。油泵B輸出的壓力油進入第二組多路換向閥,驅(qū)動動臂油缸、斗桿油缸,并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動左行走馬達8和推土板油缸6。 該液壓系統(tǒng)中兩組多種換向閥均采用串聯(lián)油路,其回油路并聯(lián),油液通過第二組多路換向閥中的限速閥5流向油箱。限速閥的液控口作用著由梭閥提供的A、B兩油泵的最大壓力,當挖掘機下坡行走出現(xiàn)超速情況時,油泵出口壓力降低,限速閥自動對回油進行節(jié)流,防止溜坡現(xiàn)象,保證挖掘機行駛安全。 在左、右行走馬達內(nèi)部除設(shè)有補油閥外,還設(shè)有雙速電磁閥9,當雙速電磁閥在圖示位置時馬達內(nèi)部的兩排柱塞構(gòu)成串聯(lián)油路,此時為高速;當雙速電磁閥通電后,馬達內(nèi)部的兩排柱塞呈并聯(lián)狀態(tài),馬
39、達排量大、轉(zhuǎn)速降低,使挖掘機的驅(qū)動力增大。 為了防止動臂、斗桿、鏟斗等因自重而超速降落,其回路中均設(shè)有單向節(jié)流閥。另外,兩組多路換向閥的進油路中設(shè)有安全閥,以限制系統(tǒng)的最大壓力,在各執(zhí)行元件的分支油路中均設(shè)有過載閥,吸收工作裝置的沖擊;油路中還設(shè)有單向閥,以防止油液的倒流、阻斷執(zhí)行元件的沖擊振動向油泵的傳遞。 SWE50H型單斗液壓挖掘機除了主油路外,還有如下低壓油路: (1) 排灌油路 將背壓油路中的低壓油,經(jīng)節(jié)流降壓后供給液壓馬達殼體內(nèi)部,使其保持一定的循環(huán)油量,及時沖洗磨損產(chǎn)物。同時回油溫度較高,可對液壓馬達進行預(yù)熱,避免環(huán)境溫度較低時工作液體對液壓馬達形成“熱沖擊”。
40、 (2) 泄油回路 將多路換向閥和液壓馬達的泄漏油液用油管集中起來,通過五通接頭和濾油器流回油箱。該回路無背壓以減少外漏。液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可通過檢查泄漏油路濾油器,判定是否屬于液壓馬達磨損引起的故障。 (3) 補油油路 該液壓系統(tǒng)中的回油經(jīng)背壓閥流回油箱,并產(chǎn)生0.8~1.0MPa的補油壓力,形成背壓油路,以便在液壓馬達制動或出現(xiàn)超速時,背壓油路中的油液經(jīng)補油閥向液壓馬達補油,以防止液壓馬達內(nèi)部的柱塞滾輪脫離導軌表面。 該液壓系統(tǒng)采用定量泵,效率較低、發(fā)熱量大,為了防止液壓系統(tǒng)過大的溫升,在回油路中設(shè)置強制風冷式散熱器,將油溫控制在80℃以下。 整機的液壓系統(tǒng)圖(如
41、圖4.1所示)由擬定好的控制回路及液壓源組合而成,從中分離出動臂機構(gòu)液壓系統(tǒng)的簡明工作原理圖(如圖4.2所示)。機電一體化挖掘機的控制系統(tǒng)是半自動的,所設(shè)計的液壓系統(tǒng)是建立在WY100型挖掘機液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上,改進工作裝置的自動化控制,保證工作負載合理,防止在過量的情況下導致小挖掘機破壞。各液壓元件盡量采用國產(chǎn)標準件,在圖中要按國家標準規(guī)定的液壓元件職能符號的常態(tài)位置繪制。對于自行設(shè)計的非標準元件可用結(jié)構(gòu)原理圖繪制。系統(tǒng)圖中應(yīng)注明各液壓執(zhí)行元件的名稱和動作,注明各液壓元件的序號以及各電磁鐵的代號,并附有電磁鐵、行程閥。 分析比較動臂機構(gòu)系統(tǒng)圖與整機系統(tǒng)圖,可以總結(jié)出:動臂機構(gòu)系統(tǒng)可以作
42、為一個單獨的液壓系統(tǒng),并可以進行半自動化控制,其液壓元件選擇的合理與否直接影響著機電一體化液壓系統(tǒng)的快速控制能力。 1 BM PC 2 PCT-812 3—D/A接口 4-液壓閥驅(qū)動放大 5—油泵 6—冷卻器7-濾油器8—背壓閥 9—節(jié)流閥10—回轉(zhuǎn)液壓馬達11—行走馬達12—雙速電磁閥缸13—補油單向閥 14-緩沖補油閥組 15中央回轉(zhuǎn)接頭16-限速閥 17-冷卻器 18-位移傳感器 19-溢流閥20-梭閥 21-合流閥22-電液比例方向閥23-斗桿油缸24-鏟斗油缸 25-單向節(jié)流閥26-動臂油缸圖 4.1 液壓原理圖 1-TBM PC 2-PCT-812 3-D/A接口 4-液壓閥驅(qū)動放大器5-油泵 6-冷卻器 7-濾油器 8-背壓閥 9-限速閥10-溢流閥 11-梭閥 12-電液比例方向閥 13-冷卻閥14-單向節(jié)流閥 15-位移傳感器 16-動臂油缸 圖4.2 動臂機構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖 6、繪制總體設(shè)計圖及編寫設(shè)計文件 對液壓系統(tǒng)的液壓原理、操作進行了說明,其中主要是對液壓缸進行分析計算,并繪畫相關(guān)的CAD二維圖紙,實現(xiàn)設(shè)計零件的可制造性。 16
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