工程機械（挖掘機）裝置液壓系統(tǒng)的設計[共39頁]

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1、 sanylhw@ 需要圖紙或完整說明書的聯(lián)系我 這里全部是中等成績以上的畢業(yè)設計，非誠勿擾sanylhw@ 挖掘機公裝置液壓系統(tǒng)設計 摘要: 液壓技術是現(xiàn)代挖掘機的技術基礎，其性能的優(yōu)劣決定著挖掘機工作性能的高低，目前液壓傳動的許多先進技術都體現(xiàn)在挖掘機上。本文在介紹挖掘機及其液壓傳動技術的發(fā)展歷史前提下，首先論述了挖掘機液壓系統(tǒng)的基本回路，其次設計了挖掘機液壓系統(tǒng)，包括工作原理分析，系統(tǒng)工作循環(huán)和工作回路進行分析，主要液壓元件在系統(tǒng)中的作用，液壓缸的結構設計和尺寸計算、強度校核、泵的流量計算，閥及其他液壓元件的選擇；結合挖掘機的基本動作，設計電氣控制電路。 關鍵詞：挖掘機液壓

2、系統(tǒng); 液壓缸; 挖掘機電氣系統(tǒng) The Design of Excavator Test Platform Abstract: Hydraulic technology is the technical foundation of modern excavators, the merits of the function determines the level of excavators working, currently many advanced technology of hydraulic drive were reflected in the excav

3、ator. This paper introduces the technology of hydraulic excavators and its history, and under this premise, its discussed the basic circuit of hydraulic excavators. Followed by the design of the excavator hydraulic system, including the operating principle ,system duty cycle and working circuit anal

4、ysis of the main hydraulic components in the systems role in the structural design of hydraulic cylinder and the size calculation, strength check, pump volume, valves and other hydraulic components of the selection; combination of the basic movements excavator, the design of electrical control circu

5、it. Key words: Excavator hydraulic system; hydraulic cylinder; excavator working cycle electrical system 前言 挖掘機的液壓系統(tǒng)是挖掘機上重要的組成部分，它是挖掘機工作循環(huán)的的動力系統(tǒng)。挖掘機的工作條件惡劣，且動臂和底盤動作非常頻繁，因此要求液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，平均無故障時間長。因此，液壓系統(tǒng)的性能優(yōu)劣決定著挖掘機工作性能的高低。液壓技術的發(fā)展直接關系挖掘機的發(fā)展，挖掘機與液壓技術密不可分，二者相互促進。液壓技術是現(xiàn)代挖掘機的技術基礎，挖掘機的發(fā)展又促進

6、了液壓技術的提高。挖掘機的液壓系統(tǒng)復雜，可以說目前液壓傳動的許多先進技術都體現(xiàn)在挖掘機上。挖掘機的液壓系統(tǒng)都是由一些基本回路和輔助回路組成，它們包括限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流調速和節(jié)流限速回路、行走限速回路、支腿順序回路、支腿鎖止回路和先導閥操縱回路等，由它們構成具有各種功能的液壓系統(tǒng)。隨著科技的進步，挖掘機的液壓系統(tǒng)將更加復雜，功能更加多樣且便于操作控制，工作效率高，耗能少，先進的液壓系統(tǒng)會使挖掘機在工程領域發(fā)揮更大的作用。 1． 緒論 1.1 選題意義 隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，液壓挖掘機在各種工程建設領域，特別是基礎設施建設

7、中所起的作用越來越明顯，液壓挖掘機作為一類快速、高效的施工機械愈來愈被人們所認識。據(jù)統(tǒng)計，2003 年我國挖掘機總銷售量突破 6 萬臺，其中國內挖掘機生產(chǎn)企業(yè)銷量總和達到 3.48 萬臺，成為世界第一大挖掘機市場。 挖掘機的發(fā)展與液壓技術密不可分，二者相互促進，一方面，液壓技術是現(xiàn)代挖掘機的技術基礎，另一方面，挖掘機的發(fā)展又促進了液壓技術的提高。挖掘機的液壓系統(tǒng)復雜，其性能的優(yōu)劣決定著挖掘工作性能的高低，可以說目前液壓傳動的許多先進技術都體現(xiàn)在挖掘機上。近年來，有關挖掘機液壓系統(tǒng)方面的文獻并不少見，但文獻的內容大多針對某一專題進行研究，系統(tǒng)地論述現(xiàn)代液壓挖掘機液壓系統(tǒng)的論文卻較少，因此研究挖

8、掘機液壓系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義。 1.2 挖掘機及其液壓技術概述 挖掘機的發(fā)展史可追溯到 19 世紀三四十年代。美國實施西部大開發(fā)工程催生了以蒸汽機作為動力，模仿人體大臂、小臂和手腕構造，能行走和扭腰的挖掘機。隨后的一百多年中，挖掘機并沒有得到很大發(fā)展，其原因一是當時的工程主要是國土開發(fā)、大規(guī)模的筑路和整修場地等，平面作業(yè)較多，使鏟土運輸機械成為當時的主力機種，二是挖掘機作業(yè)裝置動作多、運動范圍大、采用多自由度機構，機械傳動難以適應這些要求，而當時的液壓技術還不成熟，不能大規(guī)模地應用到實際工業(yè)中。隨著社會的不斷進步，工程建設和施工形式逐漸向土木施工方向發(fā)展，同時液壓技術也逐步得以

9、完善，這些因素的變化反過來又促進挖掘機的不斷更新?lián)Q代。20 世紀 40 年代有了在拖拉機上配裝液壓鏟的懸掛式挖掘機，50年代初期和中期相繼研制出拖式全回轉液壓挖掘機和履帶式全液壓挖掘機，60 年代，當液壓傳動技術成為成熟的傳動技術時，液壓挖掘機進入了推廣和蓬勃發(fā)展吉階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快（見表 1—1），產(chǎn)量猛增。1968～1970年間液壓挖掘機產(chǎn)量已占挖掘機總產(chǎn)量的 83%，目前已接近 100%，所謂挖掘機在現(xiàn)代主要是指液壓挖掘機，機械式挖掘機已很少見，液壓傳動技術為挖掘機的發(fā)展提供了強有力的技術支撐。 表 1-1 液壓挖掘機制造廠及型號增長情況 Tab.

10、1-1 Hydraulic excavator factory and growth circumstance 國別 制造廠家 產(chǎn)品型號 1963 1966 1969 1972 1963 1966 1969 1972 西德 5 17 17 18 12 36 74 106 美國 2 8 14 17 4 19 43 73 法國 5 8 7 3 10 26 27 31 意大利 3 6 8 11 3 7 18 42 英國 3 6 9 9 3 12

11、 22 28 日本 — 4 13 14 — 6 28 44 合計 18 49 68 72 32 106 212 324 液壓傳動是挖掘機的重要組成部分之一，目前常用的傳動方式有機械傳動、電力傳動和流體傳動。流體傳動包括液體傳動和氣體傳動，液體傳動又分為液壓傳動和液力傳動。所謂液壓傳動是指在密閉的回路中，利用液體的壓力能來進行能量的轉換、傳遞和分配的液體傳動。在現(xiàn)代工業(yè)中液壓傳動技術幾乎應用于所有機械設備的驅動、傳動和控制，如操縱車輛轉向和制動，控制和驅動飛機、機床、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、采礦機械、食品機械和醫(yī)療機械等 1650 年法國帕斯卡提出的封閉靜止

12、流體中壓力傳遞的帕斯卡原理成為液壓傳動的理論基礎，此后液壓傳動理論不斷得以豐富和完善，如 1686 年牛頓揭示了粘性流體的內磨擦定律，18 世紀建立了流體力學的兩個重要方程：連續(xù)性方程和伯努利方程。豐富的理論和實踐的需要促進了液體應用技術和成果的不斷涌現(xiàn)。1795 年英國人約瑟夫步拉默發(fā)明了世界上第一臺水壓機；隨后出現(xiàn)在英國的工業(yè)革命促進了液壓技術的迅速發(fā)展；到 1870 年液壓傳動技術已經(jīng)被用來驅動各種液壓設備，如液壓機、起重機、絞車、擠壓機、剪切機和鉚接機等； 1900 年，世界上出現(xiàn)了第一臺軸向柱塞泵；1910 年及 1922 年海勒.肖及漢斯.托馬斯研制出用油作工作介質的徑向柱塞泵；1

13、926 第一套由泵﹑控制閥和執(zhí)行元件組成的集成液壓系統(tǒng)在美國誕生；1936 年哈里?威克斯又發(fā)明了先導式液流閥。第二次世界大戰(zhàn)之后，美國麻省理工學院的布萊克本、李詩穎等人對液壓伺服控制問題作了深入的研究，于 1958 年制造了噴嘴擋板型電液伺服閥；20 世紀六十年代末，電液比例閥應運而生；70 年代后期，德美等國相繼研制成負載敏感泵及大功率電磁閥；近年來，為適應機電一體化、控制柔性化和計算機集中控制的要求，液壓系統(tǒng)的研究已由手動控制轉向數(shù)字控制和信號控制。目前液壓技術的研究和發(fā)展動向主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）提高效率，降低能耗。（2）提高技術性能和控制性能。（3）發(fā)展集成、復合、小型化、輕

14、量化元件。（4）開展液壓系統(tǒng)自動控制技術方面的研究與開發(fā)。（5）加強以提高安全性和環(huán)境保護為目的研究開發(fā)。（6）提高液壓元件和系統(tǒng)的工作可靠性。（7）標準化和多樣化。（8）開展液壓系統(tǒng)設計理論和系統(tǒng)性能分析研究[20]。 1.3 國內外研究現(xiàn)狀 我國挖掘機生產(chǎn)起步較晚，從 1954 年撫順挖掘機廠生產(chǎn)第一臺機械式單斗挖掘機至今，大體經(jīng)歷了測繪仿制、自主研發(fā)和發(fā)展提高三個階段。 新中國成立初期，以測繪仿制前蘇聯(lián) 20 世紀 30～40 年代的機械式單斗挖掘機為主，開始了我國的挖掘機生產(chǎn)歷史，由于當時國家經(jīng)濟建設的需要，先后建立起十多家挖掘機生產(chǎn)廠，到 20 世紀 80 年代末，我國的中小型

15、液壓挖掘機已形成系列，但總的說來，我國的挖掘機生產(chǎn)批量小，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，與國際先進水平相比，差距較大。改革開放以來，生產(chǎn)企業(yè)積極引進、消化、吸收國外先進技術，促進了我國挖掘機行業(yè)的發(fā)展，目前國產(chǎn)液壓挖掘機的產(chǎn)品性能指標已達到 20 世紀 80 年代的國際水平，部分產(chǎn)品達到了 90 年代的水平。 國外挖掘機生產(chǎn)歷史較長，液壓技術的不斷成熟使挖掘機得到全面發(fā)展。德國是世界上較早開發(fā)研制挖掘機的國家，1954 年和 1955 年德國的德馬克和利渤海爾兩家公司分別開發(fā)了全液壓挖掘機；美國是繼德國以后生產(chǎn)挖掘機歷史最長、數(shù)量最大、品種最多和技術水平處于領先地位的國家；日本挖掘機制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)

16、展起來的，其主要特點是在引進、消化先進技術的基礎上，通過大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的；韓國是液壓挖掘機生產(chǎn)的后起之秀，20 世紀 70 年代開始引進技術，由于產(chǎn)業(yè)政策支持，很快進入國際市場，并已擠入國際液壓挖掘機的主要生產(chǎn)國之一。 20 世紀 60 年代，挖掘機進入成熟期，各國挖掘機制造商紛紛采用液壓技術并與其它技術相結合，使產(chǎn)品的適應性得到較快發(fā)展，產(chǎn)品壽命和質量不斷提高操縱更加舒適，產(chǎn)品更加節(jié)能。例如美國卡特彼勒公司 1995 年以后推出的 300B系列液壓挖掘機，采用一種命名為 maestro 的系統(tǒng)，通過載荷傳感液壓裝置，控制發(fā)動機的輸出功率，實現(xiàn)與液壓泵的嚴格匹配。Maestro 控制面板在

17、機型上安裝兩種功率模式和四種工況狀態(tài)，允許用戶自行決定功率工況模式。再如韓國現(xiàn)代公司生產(chǎn)的 ROBEX450-3 型液壓挖掘機，有四種功率模式，通過集成化的電子控制系統(tǒng)自動確定最佳的發(fā)動機轉速和液壓泵的輸出參數(shù)，使得發(fā)動機、液壓泵的速度及液壓系統(tǒng)壓力與實際工況相適應，從而獲得最高的生產(chǎn)率和最佳的燃油消耗。此種技術在日本小松、日立建機、神鋼、韓國大宇重工、德國的利渤海爾、英國的 JCB等公司均得到普遍應用，代表了當代液壓挖掘機的最高水平。 1.4 挖掘機發(fā)展趨勢 隨著液壓挖掘機的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化方向發(fā)展，挖掘機對液壓技術的要求不斷提高并呈現(xiàn)如下特點： （1）迅

18、速發(fā)展全液壓挖掘機并進一步改進液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉變的明顯趨勢。因為變量系統(tǒng)在油泵工作過程中，壓力減小時用增大流量來補償，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機可經(jīng)常性地充分利用油泵的最大功率；當外阻力增大時則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增加；采用三回路液壓系統(tǒng)，產(chǎn)生三個互不成影響的獨立工作運動，實現(xiàn)與回轉機構的功率匹配，將第三泵在其他工作運動上接通，成為開式回路第二個獨立的快速運動。液壓技術在挖掘機上的普遍使用，為電子技術、自動控制技術在挖掘機上的應用與推廣創(chuàng)造了條件，液壓、電子和自動化技術日益結合，共同促進挖掘機的控制性能不斷提高。挖掘機由簡

19、單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。20 世紀 70 年代，為了節(jié)省能源消耗和減少對環(huán)境的污染，使挖掘機的操作更加輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機噪音，改善駕駛員工作條件，電子和自動控制技術逐步應用在挖掘機上。隨著對挖掘機的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，機電一體化技術在挖掘機上得以廣泛應用，并使其各種性能有了質的飛躍。20 世紀 80 年代，以微電子技術為核心的高新技術，特別是微機、微處理

20、器、傳感器和檢測儀表在挖掘機上的應用，推動了電子控制技術在挖掘機上應用和推廣，并已成為挖掘機現(xiàn)代化的重要標志，亦即目前先進的挖掘機上設有發(fā)動機自動怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。所有這一切，都是挖掘機的全液壓化奠定的基礎并為挖掘機的全面發(fā)展創(chuàng)造了美好的前景。 （2）重視采用新技術、新工藝、新結構，加快標準化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如美國林肯貝爾特公司新 C 系列 LS-5800 型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費，還安裝了 CAPS（計算機輔助功率系統(tǒng)），提高了挖掘機的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本

21、住友公司生產(chǎn)的 FJ 系列五種新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命；德國奧加凱（O&K）公司生產(chǎn)的挖掘機的油泵調節(jié)系統(tǒng)具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神鋼公司在新型的 904、905、907、909 型液壓挖掘機上采用智能型控制系統(tǒng)，即使無經(jīng)驗的駕駛員也能進行復雜的作業(yè)操作；德國利勃海爾公司開發(fā)了 ECO（電子控制作業(yè)）的操縱裝置，可根據(jù)作業(yè)要求調節(jié)挖掘機的作業(yè)性能，取得了高效率、低油耗的效果；美國卡特匹勒公司在新型 B系統(tǒng)挖掘機上采用最新的3114T型柴油機以及扭矩載荷傳感壓力

22、系統(tǒng)、功率方式選擇器等，進一步提高了挖掘機的作業(yè)效率和穩(wěn)定性。韓國大宇公司在 DH280 型挖掘機上采用了 EPOS 即電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機負荷的變化，自動調節(jié)液壓泵所吸收的功率，使發(fā)動機轉速始終保持在額定轉速附近，即發(fā)動機始終以全功率運轉，這樣既充分利用了發(fā)動機的功率、提高挖掘機的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動機因過載而熄火。 2． 挖掘機液壓系統(tǒng)概述 2.1 挖掘機液壓系統(tǒng)的基本組成及其基本要求 按照挖掘機工作裝置和各個機構的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機地連接起來就組成一

23、個挖掘機液壓系統(tǒng)。它是以油液為工作介質、利用液壓泵將發(fā)元件將液壓能轉變?yōu)闄C械能，進而實現(xiàn)挖掘機的各種動作。挖掘機的工作裝置主要由動臂、斗桿、鏟斗及相應的液壓缸組成，它包括動臂、斗桿、鏟斗三個液壓回路。挖掘機的動作復雜，主要機構經(jīng)常啟動、制動、換向，負載變化大，沖擊和振動頻繁，而且野外作業(yè)，溫度和地理位置變化大，因此挖掘機的液壓系統(tǒng)應滿足如下要求 （1）要保證挖掘機動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨動作，也可以相互配合實現(xiàn)復合動作。 （2）工作裝置的動作和轉臺的回轉既能單獨進行，又能復合動作，以提高挖掘機的生產(chǎn)率。 （3）履帶式挖掘機的左、右履帶分別驅動，使挖掘機行走方便、轉向靈活，并且可就地轉

24、向，以提高挖掘機的靈活性。 （4）保證挖掘機的一切動作可逆，且無級變速。 （5）保證挖掘機工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達等）有良好的過載保護；回轉機構和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因自重而快速下降和整機超速溜坡。 為此，液壓系統(tǒng)應做到： （1）有高的傳動效率，以充分發(fā)揮發(fā)動機的動力性和燃料使用經(jīng)濟性。 （2）液壓系統(tǒng)和液壓元件在變化大的負載、急劇的振動作用下，具有足夠的可靠性。 （3）設置輕便耐振的冷卻器，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使主機持續(xù)工作時的液壓油溫不超過 80℃，或溫升不超過 45℃。 （4）由于挖掘機作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油容易被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性

25、能要好，液壓元件對油液污染的敏感性要低，整個液壓系統(tǒng)要設置濾油器和防塵裝置。 （5）采用液壓或電液伺服操縱裝置，以便挖掘機設置自動控制系統(tǒng)，進而提高挖掘機技術性能和減輕駕駛員的勞動強度。 因為此課題只是挖掘機的實驗平臺的設計，所以只要求對挖掘機的工作裝置進行分析設計。 2.2 挖掘機工作裝置液壓系統(tǒng)的挖掘動作分析 通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別進行單獨挖掘，或者兩者配合進行挖掘。在挖掘過程中主要是鏟斗和斗桿有復合動作，必要時配以動臂動作。 2.3 挖掘機工作裝置液壓系統(tǒng)的基本回路分析 基本回路是由一個或幾個液壓元件組成、能夠完成特定的單一功能的典型回路，它是液壓系統(tǒng)的組成單元

26、。液壓挖掘機液壓系統(tǒng)中基本回路有限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流回路、行走回路、合流回路、再生回路、閉鎖回路、操縱回路等。 2.3.1 限壓回路 限壓回路用來限制壓力，使其不超過某一調定值。限壓的目的有兩個：一是限制系統(tǒng)的最大壓力，使系統(tǒng)和元件不因過載而損壞，通常用安全閥來實現(xiàn)，安全閥設置在主油泵出油口附近；二是根據(jù)工作需要，使系統(tǒng)中某部分壓力保持定值或不超過某值，通常用溢流閥實現(xiàn)，溢流閥可使系統(tǒng)根據(jù)調定壓力工作，多余的流量通過此閥流回油箱，因此溢流閥是常開的。 液壓挖掘機執(zhí)行元件的進油和回油路上常成對地并聯(lián)有限壓閥，限制液壓缸、液壓馬達在閉鎖狀態(tài)下的最大閉鎖壓力，超過此壓力時限壓閥打

27、開、卸載保護了液壓元件和管路免受損壞，這種限壓閥（圖 2-1）實際上起了卸荷閥的作用。維持正常工作，動臂液壓缸雖然處于“不工作狀態(tài)”，但必須具有足夠的閉鎖力來防止活塞桿的伸出或縮回，因此須在動臂液壓缸的進出油路上各裝有限壓閥，當閉鎖壓力大于限壓閥調定值時，限壓閥打開，使油液流回油箱。限壓閥的調定壓力與液壓系統(tǒng)的壓力無關，且調定壓力愈高，閉鎖壓力愈大，對挖掘機作業(yè)愈有利，但過高的調定壓力會影響液壓元件的強度和液壓管路的安全。通常高壓系統(tǒng)限壓閥的壓力調定不超過系統(tǒng)壓力的 25%，中高壓系統(tǒng)可以調至 25%以上。 1- 換向閥 2- 溢流閥 3- 油缸

28、 圖2-1 限壓回路 上述各回轉回路中的緩沖（限壓）閥實際上起了制動作用，換向閥 1 中位時回轉馬達兩腔油路截斷，只要油路壓力低于限壓閥的調定壓力，回轉馬達即被制動，其最大制動力矩由限壓閥決定。 當回轉操縱閥回中位產(chǎn)生液壓制動作用時，挖掘機上部回轉體的慣性動能將轉換成液壓位能，接著位能又轉換為動能，使上部回轉體產(chǎn)生反彈運動來回振動，使回轉齒圈和油馬達小齒輪之間產(chǎn)生沖擊、振動和噪聲，同時鏟斗來回晃動，致使鏟斗中的土灑落，因此挖掘機的回轉油路中一般裝設防反彈閥。 2.3.2

29、 節(jié)流回路 節(jié)流調速是利用節(jié)流閥的可變通流截面改變流量而實現(xiàn)調速的目的，通常用于定量系統(tǒng)中改變執(zhí)行元件的流量。這種調速方式結構簡單，能夠獲得穩(wěn)定的低速，缺點是功率損失大，效率低，溫升大，系統(tǒng)易發(fā)熱，作業(yè)速度受負載變化的影響較大。根據(jù)節(jié)流閥的安裝位置，節(jié)流調速有進油節(jié)流調速和回油節(jié)流調速兩種 1- 齒輪泵 2- 溢流閥 3- 節(jié)流閥 4- 換向閥 5- 油缸 圖2-3 節(jié)流回路 圖 2-3 (A)為進油節(jié)流調速，節(jié)流閥 3 安裝在高壓油路上，液壓泵 1 與節(jié)流閥串聯(lián)，節(jié)流閥之前裝有溢

30、流閥 2，壓力油經(jīng)節(jié)流閥和換向閥 4 進入液壓缸 5 的大腔使活塞右移。負載增大時液壓缸大腔壓力增大，節(jié)流閥前后的壓力差減小，因此通過節(jié)流閥的流量減少，活塞移動速度降低，一部分油液通過液流閥流回油箱。反之，隨著負載減小，通過節(jié)流閥進入液壓缸的流量增大，加快了活塞移動速度，液流量相應地減少。這種節(jié)流方式由于節(jié)流后進入執(zhí)行元件的油溫較高，增大滲漏的可能性，加以回油無阻尼，速度平穩(wěn)性較差，發(fā)熱量大，效率較低。 圖 2-3 (B)為回油節(jié)流調速，節(jié)流閥安裝在低壓回路上，限制回油流量?；赜凸?jié)流后的油液雖然發(fā)熱，但進入油箱，不會影響執(zhí)行元件的密封效果，而且回油有阻尼，速度比較穩(wěn)定。 液壓挖掘機的工作裝

31、置為了作業(yè)安全，常在液壓缸的回油回路上安裝單向節(jié)流閥，形成節(jié)流限速回路。如圖 2-3（C）所示，為了防止動臂因自重降落速度太快而發(fā)生危險，其液壓缸大腔的油路上安裝由單向閥和節(jié)流閥組成的單向節(jié)流閥。此外，斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸在相應油路上也裝有單向節(jié)流閥。 2.3.3 合流回路 為了提高挖掘機生產(chǎn)效率、縮短作業(yè)循環(huán)時間，要求動臂提升、斗桿收放和鏟斗轉動有較快的作業(yè)速度，要求能雙（多）泵合流供油，一般中小型挖掘機動臂液壓缸和斗桿液壓缸均能合流，大型挖掘機的鏟斗液壓缸也要求合流。目前采用的合流方式有閥外合流、閥內合流及采用合流閥供油幾種合流方式。 閥外合流的液壓執(zhí)行元件由兩個閥桿供油，操縱油

32、路聯(lián)動打開兩閥桿，壓力油通過閥外管道連接合流供給液壓作用元件，閥外合流操縱閥數(shù)量多，閥外管道和接頭的數(shù)量也多，使用上不方便。閥內合流的油道在內部溝通，外面管路連接簡單，但內部通道較復雜，閥桿直徑的設計要綜合平衡考慮各種分合流供油情況下通過的流量。合流閥合流是通過操縱合流閥實現(xiàn)油泵的合流，合流閥的結構簡單，操縱也很方便。 2.3.4 閉鎖回路 圖2-6 閉鎖回路 圖2-7 再生回路 動臂操縱閥在中位時油缸口閉鎖，由于滑閥的密封性不好會產(chǎn)生泄露，動臂在重力作用下會產(chǎn)生下沉，特別是挖掘機在進行起重作業(yè)時要求停留在一定的位置上保持不下降，

33、因此設置了動臂支持閥組。如圖 2-6 所示，二位二通閥在彈簧力的作用下處于關閉位置，此時動臂油缸下腔壓力油通過閥芯內鉆孔通向插裝閥上端，將插裝閥壓緊在閥座上，阻止油缸下腔的油從 B 至 A，起閉鎖支撐作用。當操縱動臂下降時，在先導操縱油壓 P 作用下二位二通閥處于相通位置，動臂油缸下腔壓力油通過閥芯鉆孔油道經(jīng)二位二通閥回油，由于閥芯內鉆孔油道節(jié)流孔的節(jié)流作用，使插裝閥上下腔產(chǎn)生壓差，在壓差作用下克服彈簧力，將插裝閥打開，壓力油從 B 至 A。 2.3.5 再生回路 動臂下降時，由于重力作用會使降落速度太快而發(fā)生危險，動臂缸上腔可能產(chǎn)生吸空，有的挖掘機在動臂油缸下腔回路上裝有單向閥和節(jié)流閥組

34、成的單向節(jié)流閥，使動臂下降速度受節(jié)流限制，但這將引起動臂下降慢，影響作業(yè)效率。目前挖掘機采用再生回路，如圖 2-7 所示，動臂下降時，油泵的油經(jīng)單向閥通過動臂操縱閥進入動臂油缸上腔，從動臂油缸下腔排除的油需經(jīng)節(jié)流孔回油箱，提高了回油壓力，使得液壓油能通過補油單向閥供給動臂缸上腔。這樣當發(fā)動機在低轉速和泵的流量較低時，能防止動臂因重力作用下迅速下降而使動臂缸上腔產(chǎn)生吸空?！? 3． 挖掘機液壓系統(tǒng)設計 3.1 挖掘機的功用和對液壓系統(tǒng)的要求 液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)是由動力元件(各種液壓泵),執(zhí)行元件(液壓缸.液壓馬達),控制元件(各種閥)以及輔助裝置(冷卻器.過濾器)用油管按一定方式連

35、接起來組合而成。它將發(fā)動機的機械能,以油液作為介質,經(jīng)動力元件轉變?yōu)橐簤耗?進行傳遞,然后再經(jīng)過執(zhí)行元件轉返為機械能,實現(xiàn)主機的各種動作。由于液壓系統(tǒng)的功能是傳遞,分配和控制機械動力,因此是液壓挖掘機的關鍵部分。, 液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)都是由一些基本回路和輔助回路組成，它們包括限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流調速和節(jié)流限速回路等，由它們構成具有各種功能的液壓系統(tǒng)。 挖掘—一般以斗桿缸動作為主,用鏟斗缸調整切削角度,配合挖掘。有特殊要求的挖掘動作,則根據(jù)作業(yè)要求,進行鏟斗,斗桿和動臂三個缸的復合動作,以保證鏟斗按某一特定軌跡運動。 挖掘機一般工作在施工場合,因此工作環(huán)境惡劣,這就

36、要求挖掘機的液壓系統(tǒng)和執(zhí)行元件要有足夠的強度和非常好的密封性能。由于挖掘機的動作頻繁,因此,液壓元件和管路要能夠承受頻繁的液壓沖擊,以保證挖掘機能夠長時間安全穩(wěn)定的工作。設計出便于操作，更加人性化，工作效率高，耗能少的挖掘機，才會在工程領域發(fā)揮更大的作用。 3.2 挖掘機液壓系統(tǒng)分析 3.2.1 挖掘機的液壓系統(tǒng)原理圖 挖掘機的液壓系統(tǒng)原理圖如下[1]： A、B—液壓泵 1-鏟斗液壓缸 2-斗桿液壓缸 3-動臂液壓缸 4 5 6-調速閥 7 8 11-三位四通換向閥 9-合流閥 10-梭閥 12-限速閥 13-單向閥 14-散熱器 15-濾油器 16-溢流閥

37、 圖示挖掘機的液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)中所用的是斜軸式徑向柱塞泵。它有兩個出油口，相當于A，B兩臺泵供油。A泵輸出的壓力油進入三位四通電磁閥7和8，分別驅動鏟斗液壓缸1和動臂液壓缸3動作。泵B輸出的壓力油進入三位四通換向閥9驅動斗桿液壓缸2動作。 3.2.2 系統(tǒng)工作分析 根據(jù)挖掘機的作業(yè)要求，液壓系統(tǒng)應完成挖掘，上述工作由系統(tǒng)中的一般工作回路實現(xiàn)。 （1） 通常以鏟斗缸或兩者配合進行挖掘；必要時配以動臂動作。操縱換向閥7處于右位，這時油液的流動是：進油路：A泵——換向閥7右位——鏟斗液壓缸1大腔。回油路：鏟斗液壓缸1小腔——調速閥5——換向閥7右位——換向閥8中位——合流閥9右

38、位——限速閥12右位——單向閥13——散熱器14——濾油器15——油箱。 此時鏟斗缸活塞伸出，推動鏟斗挖掘?；蛘咄瑫r操縱換向閥7，8使兩者配合進行挖掘。必要時操作換向閥11，使處于右位或左位，則B泵來油進入斗桿液壓缸2的大腔或小腔，使液壓缸的動作相互配合，提高挖掘效率。 3.2.3 主要液壓元件在系統(tǒng)中的作用 為了限制鏟斗，斗桿，動臂因自重而快速下降，在其回路上均設置了單向節(jié)流閥4,5,6。 該機在挖掘作業(yè)時，常需動臂缸與斗桿缸快速動作以提高生產(chǎn)效率。為此在系統(tǒng)中增加了合流閥9。合流閥在圖示位置時，泵A，B不合流。當操縱合流處于左位時A泵輸出的壓力油經(jīng)合流閥9的左位進入換向閥1

39、1與B泵一起向動臂缸和斗桿缸供油，以加快動臂和斗桿的動作速度。 在兩組多路閥的進油路上設有安全閥以限制系統(tǒng)的最大工作壓力。在各液壓缸和液壓馬達的分支油路上均設有過載閥以吸收工作裝置的沖擊能量。 3.3 液壓元件的選用 3.3.1 泵的選用 選用軸向柱塞泵，這種泵具有結構緊湊，容量大，壓力高，容易實現(xiàn)無級變速，壽命長，排量范圍大。 3.3.2 液壓閥的選用 （1） 溢流閥.溢流閥的基本功能是限定系統(tǒng)的最高壓力，防止系統(tǒng)過載或維持壓力近似恒定。本系統(tǒng)中選用二級同心先導式溢流閥，安裝在泵的出油口處，用來恒定系統(tǒng)壓力，防止超壓，保護系統(tǒng)安全運行。 （2） 單向閥.系統(tǒng)中多處要用到單向閥，

40、也是必不可少的元件，它用來防止油液倒流，從而使執(zhí)行元件停止運動，或保持執(zhí)行元件中的油液壓力。還可是保持一定的背壓。 （4） 換向閥.在系統(tǒng)中為三位四通換向閥。在系統(tǒng)中換向閥的主要作用是改變壓力油進入執(zhí)行元件的方向，進而實現(xiàn)不同的動作要求，在三位四通的換向閥中，左右閥位要求能夠進回油，中間的閥位要求禁止油液流通，以達到執(zhí)行元件動作達到要求后停止或懸停在任一位置。 3.3.3 液壓缸的選用 選用工程機械用液壓缸，最高工作壓力30MP。 3.3.4 輔助元件的選用 （1） 油管.由于系統(tǒng)工作壓力高，所以在系統(tǒng)中沒有相對運動的管路中選用無縫鋼管，它能承受高壓，價格低廉，耐油，抗腐蝕，剛性好，

41、裝拆方便，所以適合用在高壓管道。在系統(tǒng)中有相對運動的壓力管道選用高壓橡膠管。 （2） 管接頭.在采用無縫鋼管的管路中，管接頭采用錐密封焊接式管接頭，他除了具有焊接頭的優(yōu)點外，由于它的O形密封圈裝在錐體上，使密封有調節(jié)的可能，密封更可靠。工作壓力為34.5MP工作溫度為-25—+80攝氏度。在橡膠管的接頭處選用扣壓式膠管接頭，安裝方便，與鋼絲編織膠管配套總成，適合在油溫為-30—+80攝氏度的環(huán)境工作。 （3） 密封裝置.在液壓系統(tǒng)中密封裝置非常重要，它是用來防止工作介質泄露及外界灰塵和異物的侵入，以保證系統(tǒng)建立起必要的壓力，使其能夠正常工作。密封裝置應滿足在一定的壓力.濕度范圍內具有良好的

42、密封性能。密封裝置和運動件之間的摩檫力要小，摩檫系數(shù)要穩(wěn)定，抗腐蝕能力強，不易老化，工作壽命長，耐磨性好，磨損后在一定程度上能自動補償，結構簡單，使用維護方便，價格低。其于以上幾點，在有相對運動且有摩檫的元件上使用Y型密封圈，其截面小，結構緊湊。且Y型密封圈能隨壓力增高而增大，并能自動補償磨損。在相對摩檫不嚴重或無相對摩檫的元件上用O型密封圈，其結構簡單，容易制造，密封性能好，摩檫力小，安裝方便。 （4） 濾油器.在液壓系統(tǒng)中，不允許液壓油含有超過限制的固體顆粒和其他不溶性贓物。因為這些雜質可以使間隙表面劃傷，造成內部泄露量增加，從而降低效率增加發(fā)熱。這些雜質還會使閥芯卡死，小孔或縫隙堵塞，

43、潤滑表面破壞，造成液壓系統(tǒng)故障，膠狀物和淤渣等雜質，將會引起元件粘著，酸類還將加速運動件的腐蝕和使油液進一步惡化。因此要采用濾油器對油液進行過濾，以保證油液質量符合標準。因此選用網(wǎng)式濾油器安裝在泵吸油管上，這種濾油器壓力損失不超過0.04MPa，結構簡單，流通能力大，可以滿足泵的流量，清洗方便。 （5） 蓄能器.它能把壓力油的液壓能儲存在耐壓容器里，待需要時又將其釋放出來的一種裝置。主要用途：做輔助動力源.減小壓力沖擊和壓力脈動。在本系統(tǒng)中選用氣囊式蓄能器，這種蓄能器密封可靠，膠囊慣性小，反映靈敏，結構緊湊，尺寸小，重量輕，并有系列批量生產(chǎn) 。 4 液壓缸

44、的設計計算和泵的參數(shù)計算 4.1 液壓缸設計算 4.1.1 外負載計算 斗桿挖掘時切削行程較長，切土厚度在挖掘過程中可視為常數(shù)。斗桿在挖掘過程中總轉角為，在這轉角行程中鏟斗被裝滿。鏟斗缸外負載為最大時，缸內壓力最大，此時挖掘力最大，其值為： =CBAZX+D =250+D =200+12000 =206771+12000 =218771(N) 式中 C—表示土壤硬度的系數(shù),對Ⅱ級土宜取C=50～80，對Ⅲ級土宜取C=90～150，對Ⅳ級土宜取C=160～320，式中取C=250；

45、 R—鏟斗與斗桿鉸點到斗齒尖的距離，即轉斗切削半徑，取斗容量為1m,根據(jù)反鏟斗主要參數(shù)特性計算表，查表得R=1.15m； B—切削刃寬度影響系數(shù),B=1+2.6b,其中b為鏟斗寬度,查表得b=1.25m； —挖掘過程中鏟斗總轉角的一半,查表得=； A—切削角變化影響系數(shù),取A=1.3； Z—帶有齒的系數(shù),取Z=0.75； X—斗側臂厚度影響系數(shù),X=1+0.3s,其中s為側臂厚度,單位為cm,初步設計時可取X=1.15； D—切削刃擠壓土壤的力,根據(jù)斗容大小在D=10000～17000N范圍內選取.設計容量為1m,取D=12000N； 轉斗挖掘裝土阻力和法向挖掘阻力相對與很小，

46、所以在計算時可以忽略不計。 4.1.2 液壓缸結構尺寸計算 (1) 根據(jù)鏟斗缸的最大外負載，可以設計計算鏟斗缸的結構尺寸： 當推力驅動工作負載時： 由此可求出缸筒內徑為: D 求出D=99mm 本系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，因此速比取=2，d= 式中 系統(tǒng)背壓P=1MPa 系統(tǒng)最高壓力P=30Mpa 根據(jù)查表GB/T2348—1993圓整得到D=100mm (2) 活塞桿直徑為

47、 d==100=70.7(mm) 根據(jù)GB/T2348—1993規(guī)定的活塞桿尺寸圓整為d=80mm (3) 最大工作行程 行程S=12D S=12x100=1200（mm） 根據(jù)國家標準GB/T—1980規(guī)定的液壓缸行程系列圓整到S=1250mm (4) 活塞有效計算長度 液壓缸的安裝尺寸，可查設計手冊得 安裝尺寸=+S=377+1250=1627（mm） 當活塞桿全部伸出時，有效計算長度為：

48、 L=1250+1250+377=2877（mm） S—液壓缸的安裝尺寸(查設計手冊得到) (5) 最小導向長度 取最小導向長度為120（mm） 式中 L—液壓缸最大行程； D—缸筒內徑。 (6) 導向套長度 A=（0.6～1.0）d =(48～80)mm 導向套長度為60mm (7) 活塞寬度

49、 B=（0.6～1.0）D =（60～100）mm 活塞桿寬度B=80mm 式中 D—缸筒內徑 (8) 缸筒壁厚： 材料的許用應力計算 = 式中 —缸體材料此處刪除500字此處刪除500字此處刪除500字此處刪除500字此處刪除500字此處刪除500字此處刪除500字

50、此處刪除500字 =8.65（mm） 由此可見,<,強度滿足要求。 式中 P—系統(tǒng)最高壓力,P=30Mpa； —材料的許用應力。 (3) 油缸穩(wěn)定性驗算 油缸在工作是承受的壓應力最大，所以有必要校核活塞桿的壓力穩(wěn)定性。 a. 活塞桿斷面最小慣性矩 b. 活塞桿橫斷面回轉半徑 i

51、 =19mm c. 活塞桿柔性系數(shù) = =152 式中 —為長度折算系數(shù)，對于兩端鉸接約束方式一般取1； L—為有效計算長度 d. 鋼材柔度極限值 = = =

52、60.8 式中 —45鋼材比例極限 E—材料彈性模量 e. 從以上計算得知，>,即為大柔度壓桿時，穩(wěn)定力為： = 式中 —為長度折算系數(shù)，對于兩端鉸接約束方式一般取1； f. 油缸最大閉鎖力 = = 式中 —油缸最大閉鎖壓力 g. 穩(wěn)定系數(shù)

53、 =2.1 由此可見，穩(wěn)定性可以滿足要求。 4.2 泵的參數(shù)計算 4.2.1 泵的壓力計算 在設計液壓系統(tǒng)時，要求泵的壓力高于系統(tǒng)壓力，差值以10%—30%為宜[15]。 因此： =30 =34.4Mpa 取泵的最高壓力 式中 P—系統(tǒng)最高壓力，P=30Mpa 4.2.2 計算所需要的泵的流量 (1) 設

54、計要求每個液壓缸的伸縮速度，根據(jù)鏟斗缸計算初步確定其余液壓缸的參數(shù)：（單位：mm） a. 動臂缸（2個）：缸內徑D=100 活塞桿徑d=70 b. 鏟斗缸：缸內徑D=100 活塞桿徑d=80 c. 斗桿缸：缸內徑D=110 活塞桿徑d=80 (2) 每個缸的流量計算 a. 動臂缸（2個）： =48.042L/min b. 斗桿缸： =16.956 L/min c. 鏟斗缸： =28.731 L/min

55、 式中 R—缸筒內半徑 r—活塞桿半徑 f. 系統(tǒng)總流量 =1.2（48.042＋16.956＋28.731） =113(L/min) 式中 K—系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取1.1～1.3，本式中取K=1.2； —同時工作的執(zhí)行元件流量之和的最大值。 根據(jù)上面的計算，系統(tǒng)中選用主泵為雙聯(lián)斜軸式軸向柱塞泵，所以A泵的最大流量為92 L/min，B泵的最大流量為21 L/min。 4.3 發(fā)動機的選擇 4.

56、3.1 泵的驅動功率的計算 =28.25（KW） 式中 PN-液壓泵的額定壓力，取PN=30MPa ； QN--液壓泵的額定流量，取 ； --液壓泵的總效率，從規(guī)格表中查出為0.8 ； --轉換系數(shù)：恒功率變量液壓泵取0.4 ； 4.3.2 發(fā)動機的選擇 根據(jù)算出的驅動功率和泵的額定轉速選擇電動機的規(guī)格。通常，允許電動機短時間在超載25%的狀態(tài)下工作。取電動機的效率

57、為80%，則根據(jù)計算公式得到電動機的功率為35.31KW，查機械設計手冊，選擇型號為YEJ200L2-2的電動機，其額定功率為37KW,轉速為2950r/min. 5. 液壓系統(tǒng)性能驗算 5.1 液壓系統(tǒng)壓力損失 5.1.1 沿程壓力損失 主要是液壓缸快速運動時進油管路的損失，設定此管路長為4m，管內徑為0.02m。當液壓缸快速運動時通過的流量為45.8L/min，正常運轉后黏度為v=27mm/s，油密度為918kg/m。 油在管路實際流速：

58、 油在管路中呈層流流動狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為： 根據(jù)公式 求得沿程壓力損失為： 5.2.2 局部壓力損失 局部壓力損失包括通過管路中折管和管接頭等處的管路部壓力損失△P2，以及通過控制閥的局部壓力損失△P3，其中管路局部壓力損失相對來說小的多，故主要考慮通過控制閥的局部壓力損失。 從系統(tǒng)圖中可以看出，從大泵的出口都油缸的進油口，要經(jīng)過換向閥，單向調速閥，溢流閥。 設定換向閥的額定流量為160L/min，額定壓力損失為0.3MPa，調速閥

59、的額定流量為150L/min，額定壓力損失為0.2MPa，溢流閥的額定流量為130L/min，額定壓力損失為0.3MPa，通過各閥的局部壓力損失之和： =0.632MPa =0.463MPa 以上計算結果是大小泵同時工作的所經(jīng)過的管道都是一樣的，所以大小泵是到油缸之間總的壓力損失為： △P=△P1+△P2=1.095MPa 5.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升 液壓系統(tǒng)工作中各種壓力損失，容積損失和機械損失組成系統(tǒng)總的能量損失。其中絕大部分變?yōu)闊崮?，使油液溫度升高。?/p>

60、液溫度過高對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響：加速油液變質；油液黏度降低，系統(tǒng)泄露增大；及其產(chǎn)生熱變形，降低精度；使液壓元件中熱膨脹系數(shù)不同的相對運動零件間隙變小甚至卡死而失效。為了保證系統(tǒng)正常工作，油液溫度必須控制在規(guī)定范圍之內。 各種機械允許油溫（℃ ） 液壓設備名稱 正常工作溫度 最高允許溫度 油及郵箱的溫升 機床 30--55 55--70 <30--35 工程機械 礦山機械 50--80 70--90 <35--40 數(shù)控機

61、床 30--50 55--70 <25 金屬粗加工機械 無屑加工機械 40--70 60--90 機車車輛 40--60 70--80 船舶 30--60 80--90 油液溫升驗算是計算系統(tǒng)發(fā)熱量和散熱量，使熱平衡后的溫度滿足上表所示允許值。由于發(fā)熱和散熱的因素復雜，僅以系統(tǒng)效率為主要因素概略計算發(fā)熱量，以油箱為對象作散熱計算。 熱流量計算

62、 =35.31(1-80%) =7.62 KW 式中 P電——液壓泵電機的實際輸出功率（KW） η——液壓系統(tǒng)的總效率取80% 油箱散熱量QH的近似計算 =132(80-35) 1170 (kcal) 致謝 　 在論文完成之際，我向給予我莫大幫助的老師和

63、同學，大學四年一直默默支持和關心我的親人和朋友，表達由衷的感謝。 感謝我的導師張高峰教授，在設計上他給予我精心的指導，他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，淵博的學識，深邃的思想和遠見卓識，引導我一步一步進入復雜的設計中去。我的論文是在導師的悉心指導下完成的，從論文選題、資料收集、寫作框架、一直到最后定稿，他都傾注了大量的心血，在此謹向導師表示誠摯的謝意。 同學的熱情鼓勵與互相幫助、領導的親切關懷以及親朋好友的大力支持使我最終完成學業(yè)，再次向關心和支持我的所有老師、同學和領導表示深深的謝意。 　 最后感謝我的父母，是他們辛苦的勞動使我讀完大學并能順利畢業(yè)。

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