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摘 要
液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一個重要品種，是一種廣泛用于建筑、鐵路、公路、水利、采礦等建設(shè)工程的土方機(jī)械。液壓挖掘機(jī)利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等）帶動各種構(gòu)件動作，具有許多優(yōu)點，于是它對液壓系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。因此，對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計對推動我國挖掘機(jī)發(fā)展具有十分重要的意義。
在搜集了國內(nèi)外挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，了解了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史，并對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展動態(tài)進(jìn)行了分析總結(jié)。本次畢業(yè)設(shè)計課題是液壓挖掘機(jī)。挖掘機(jī)由多個系統(tǒng)組成，包括液壓系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，操縱系統(tǒng)，工作裝置，底架，轉(zhuǎn)臺，油箱，發(fā)動機(jī)安裝等。本人的設(shè)計主要致力于分析和設(shè)計中型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的液壓元件。以液壓元件和液壓回路為主。
關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)，液壓系統(tǒng)，液壓泵
Abstract
Construction machinery hydraulic excavator is an important species, and it is widely used in construction, railway, highway, water conservancy, mining and other construction projects of Earthmoving Machinery. The use of hydraulic excavator hydraulic components (hydraulic pumps, hydraulic motors, hydraulic cylinders, etc.) bring a variety of component movement, has many advantages, so it is the design of the hydraulic system of the high demands, and its hydraulic system engineering machinery hydraulic system is the most complex. Therefore, the analysis of excavator hydraulic system design in promoting the development of China's excavator of great significance.
At home and abroad in gathering relevant information excavator hydraulic system on the basis of the understanding of the excavators of the historical development of the hydraulic system, hydraulic excavators and technical developments have been analyzed and summarized. The graduation project is the subject of hydraulic excavators . Mini-excavator from multiple systems, including hydraulic system, transmission system, control system, the working devices, chassis, turntable, fuel tanks, engine installation were designed. I focused on the design of the analysis and design of medium-sized hydraulic excavator hydraulic system hydraulic components such as hydraulic components and the main hydraulic circuit.
Keywords: hydraulic pump, hydraulic system of excavator
目 錄
前 言 1
1 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 2
1.1 液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能 2
1.2 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu) 3
1.3 液壓挖掘機(jī)傳動原理 4
2 液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計方案的確定 6
2.1 液壓挖掘機(jī)的工況 6
2.1.1 挖掘工況分析 7
2.1.2 滿斗舉升回斗工況分析 9
2.1.3 卸載工況分析 9
2.1.4 空斗返回工況分析 10
2.1.5 行走時復(fù)合動作 10
2.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求 10
2.2.1 動力性要求 11
2.2.2 操縱性要求 11
2.2.3 節(jié)能性要求 11
2.2.4 安全性要求 12
2.2.5 其它性能要求 12
3液壓系統(tǒng)設(shè)計 13
3.1系統(tǒng)主參數(shù)的確定 13
3.1.1確定系統(tǒng)的工作壓力 13
3.1.2確定系統(tǒng)的型式 14
3.2系統(tǒng)方案的擬定 14
3.2.1確定元件類型 14
3.2.2擬定主回路 16
4系統(tǒng)初步計算和液壓元件的選擇 17
4.1 動臂液壓缸的設(shè)計計算 17
4.1.1 液壓缸缸筒的設(shè)計 17
4.1.2 液壓缸缸蓋及導(dǎo)向套的設(shè)計 19
4.1.3 液壓缸缸頭的設(shè)計 23
4.1.4 活塞桿的設(shè)計及其強(qiáng)度校核 24
4.1.5 活塞的設(shè)計 27
4.1.6 缸筒長度的確定 29
4.1.7 缸頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計 30
4.1.8 活塞桿長度的確定 31
4.1.9 液壓缸縱向彎曲極限應(yīng)力的計算和穩(wěn)定性校核 31
4.1.10 液壓缸油口尺寸的確定 33
4.1.11 密封和防塵裝置的作用及選取 34
4.1.12 緩沖裝置 34
4.2 斗桿液壓缸的設(shè)計 35
4.3 鏟斗液壓缸的設(shè)計 35
4.4 推土鏟液壓缸的設(shè)計 35
4.5 液壓缸推力和流量的計算 35
4.5.1 液壓缸推力計算 35
4.5.2 液壓缸的輸出功率 36
4.5.3 液壓缸流量 36
5 液壓泵與馬達(dá)的選用 38
5.1 液壓泵的流量計算 38
5.2 液壓缸動作所需流量 38
5.3行走機(jī)構(gòu)所需流量 39
5.4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需流量 40
5.5液壓泵的選擇 41
6 液壓泵站設(shè)計及液壓附件的選取 42
6.1 液壓閥的選取 42
6.2 液壓泵站的設(shè)計 44
6.2.1 油箱的設(shè)計與計算 44
6.2.2 過濾器 46
6.2.3 放油塞 46
6.2.4 原動機(jī)的選擇 46
6.2.5 聯(lián)軸器 46
6.2.6 空氣濾清器的選擇 47
6.2.7 壓力表的選擇 47
6.2.8 液壓泵站總圖 47
7 液壓系統(tǒng)性能驗算 48
7.1 液壓系統(tǒng)壓力損失 48
7.1.1 沿程壓力損失 48
7.1.2 局部壓力損失 49
7.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率 49
7.3 液壓系統(tǒng)的散熱功率 50
8 液壓系統(tǒng)的安裝和維護(hù) 52
8.1 液壓元件的安裝 52
8.2液壓元件的維護(hù) 53
9 挖掘機(jī)操作規(guī)程 54
9.1 作業(yè)前的技術(shù)準(zhǔn)備 54
9.2 作業(yè)與行駛中的技術(shù)要求 54
9.3 作業(yè)后的技術(shù)工作 55
9.4 液壓挖掘機(jī)行走操作及注意事項 55
總 結(jié) 56
參考文獻(xiàn) 57
附 錄 58
致 謝 59
第 59頁
前 言
我國是一個發(fā)展中國家，在遼闊的國土上正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，這就需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù)，而液壓挖掘機(jī)是最重要的一類土石方施工機(jī)械。因此，可以肯定液壓挖掘機(jī)的發(fā)展空間很大?？梢灶A(yù)見，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的需求量將逐年大幅度增長。今后幾年我國液壓挖掘機(jī)行業(yè)將會有一個很大的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的年產(chǎn)量將會以高于20％的速度增長。
中國挖掘機(jī)市場自1997年開始已進(jìn)入了一個較快的發(fā)展時期，2001年與2000年比較，全國挖掘機(jī)的產(chǎn)、銷量分別增長55％和56％。截止到2002年8月底全國挖掘機(jī)的銷量已超過13000臺，超過了2001年全年的銷售數(shù)。2003年全國液壓挖掘機(jī)的銷售量超過18000臺。顯然，挖掘機(jī)在整個工程機(jī)械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長最快的機(jī)種之一。2008年北京奧運會、2010年上海世博會、西部大開發(fā)、南水北調(diào)工程對機(jī)械設(shè)備的需求為挖掘機(jī)生產(chǎn)廠商提供了大量商機(jī)。另為滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，盡快為國內(nèi)市場提供產(chǎn)品質(zhì)量好、可靠性高的液壓挖掘機(jī)，改變大中型液壓挖掘機(jī)長期依靠進(jìn)口的被動局面當(dāng)務(wù)之急是高速發(fā)展我國液壓挖掘機(jī)。隨之從事液壓設(shè)備設(shè)計和調(diào)試工作的工程技術(shù)人員也越來越多。他們設(shè)計出了不少性能良好的液壓系統(tǒng)；但也經(jīng)常出現(xiàn)一些因設(shè)計時考慮不周或參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)，造成系統(tǒng)達(dá)不到要求或不能正常工作，不得不改進(jìn)設(shè)計或采取應(yīng)急對策的情況。
如何設(shè)計出工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、性能好、成本低、效率高、維護(hù)使用方便的液壓系統(tǒng)，必須通過調(diào)查研究，明確多方面的要求！以下是中型反鏟挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計，希望本設(shè)計能為從事液壓工作的人員獻(xiàn)上微薄之力！
1 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理
液壓挖掘機(jī)由于在動力裝置 和工作裝置之間采用容積式液壓傳動，靠液體的壓力能進(jìn)行工作，相對機(jī)械傳動具有許多優(yōu)點:能無極調(diào)速且調(diào)速范圍大，最大速度和最小速度之比可達(dá)1000:1能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；快速作用時，液壓元件產(chǎn)生的運動慣性較小，并可作高速反轉(zhuǎn)；傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，可吸收沖擊和振動；操縱省力靈活，易實現(xiàn)自動化控制；易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化。因此液壓挖掘機(jī)逐步取代機(jī)械式挖掘機(jī)是必然的趨勢。
單斗液壓挖掘機(jī)是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動進(jìn)行挖掘作業(yè)的機(jī)械。它是目前挖掘機(jī)械中重要的機(jī)種。單斗液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程是以鏟斗(一般裝有斗齒)的切削刃切削土壤并將土裝入斗內(nèi)，斗滿后提升。回轉(zhuǎn)至卸上位置進(jìn)行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到地面進(jìn)行下一次挖掘。當(dāng)挖掘機(jī)挖完一段土后，機(jī)械移動一段距離，以便繼續(xù)作業(yè)。因此單斗液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的自行式上方機(jī)械。
1.1 液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能
液壓挖掘機(jī)可分為:動力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。液壓挖掘機(jī)作為一個有機(jī)整體，其性能的優(yōu)劣不僅與工作裝置機(jī)械零部件性能有關(guān)，還與液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)性能有關(guān)。
(1) 動力系統(tǒng)
挖掘機(jī)工作的主要特點是環(huán)境溫度變化大，灰塵污物較多，負(fù)荷變化大，經(jīng)常傾斜工作，維護(hù)條件差。因此液壓挖掘機(jī)原動力一般由柴油機(jī)提供，柴油機(jī)具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經(jīng)濟(jì)等特點，符號挖掘機(jī)工作條件惡劣，負(fù)荷多變的要求。挖掘機(jī)的額定負(fù)荷與汽車。拖拉機(jī)不同，汽車和拖拉機(jī)指在最高轉(zhuǎn)速下、連同機(jī)油泵、發(fā)電機(jī)等必要附件，分鐘內(nèi)的最大功率;挖掘機(jī)是指在額定轉(zhuǎn)速下一小時以上的額定功率。挖掘機(jī)采用車用柴油機(jī)時，最大功率指數(shù)降低。
(2) 機(jī)械系統(tǒng)
液壓挖掘機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)部分是完成挖掘機(jī)各項基本動作的直接執(zhí)行者，主要包括:行走裝置是整個機(jī)器的支撐部分，承受機(jī)器的全部重量和工作裝置的反力，同時能使挖掘機(jī)作短途行駛.按照結(jié)構(gòu)的不同，分履帶式和輪胎式。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使挖掘機(jī)上車圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360度的回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動裝置和回轉(zhuǎn)支撐。工作裝置是挖掘機(jī)完成實際作業(yè)的主要組成部分，常用的有反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，而同一種裝置可以有多種結(jié)構(gòu)形式，前面所述的反鏟裝置應(yīng)用最為廣泛。
(3) 液壓系統(tǒng)
液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動作都由液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，原動機(jī)驅(qū)動雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥。通過司機(jī)的操縱，將壓力油單獨或同時送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)和液壓油缸)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。液壓挖掘機(jī)的主要運動有整機(jī)行走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動等。這些運動都靠液壓傳動。根據(jù)以上工作要求，把各液壓元件用油管有機(jī)地連接起來地組合體既是液壓挖掘機(jī)地液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)地功能是把發(fā)動機(jī)地機(jī)械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，傳送給油缸、油馬達(dá)等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再傳動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)各種運動和工作過程。液壓系統(tǒng)設(shè)計得合理與否，對挖掘機(jī)的性能起著決定性的作用。同樣的元件，若系統(tǒng)設(shè)計不同，則挖掘機(jī)性能差異很大。液壓系統(tǒng)習(xí)慣上按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)節(jié)方式和回路的數(shù)量來分類。
(4) 控制系統(tǒng)
液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)是對發(fā)動機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件(液壓缸、液壓馬達(dá))等進(jìn)行控制的系統(tǒng)。電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，使挖掘機(jī)有了越來越先進(jìn)的控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)向高性能、自動化和智能化發(fā)展。目前挖掘機(jī)研究重點正逐步向智能化機(jī)電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移。
1.2 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)
(1) 液壓挖掘機(jī)組成
為了實現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的各項功能，單斗液壓挖掘機(jī)需要兩個基本組成部分，即機(jī)體(或稱主機(jī))和工作裝置。機(jī)體是完成挖掘機(jī)基本動作并作為驅(qū)動和操縱挖掘機(jī)進(jìn)行工作的荃礎(chǔ)，可以是履帶牽引車輛或輪式牽引車輛?？杉?xì)分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動力裝置。其中動力裝置、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備均可在回轉(zhuǎn)平臺上，總稱上車部分，它與行走機(jī)構(gòu)(又稱下車部分)用回轉(zhuǎn)支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360°的全回轉(zhuǎn)。工作裝置根據(jù)工作性質(zhì)的不同，可配備反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，分別完成挖掘、裝載、抓取、起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清溝等工作。挖掘機(jī)的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果。
(2) 單斗反鏟液壓挖掘機(jī)
反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下的土壤。斗容量小于1.6的中小型液壓挖掘機(jī)通常選用反鏟裝置，它分為整體臂式和組合臂式。其中長期作業(yè)條件相似的挖掘機(jī)反鏟裝置大多采用整體鵝頸式動臂結(jié)構(gòu)。采用這種動臂有利于加大挖掘深度，且結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。剛度相同時，其重量比組合動臂輕，是目前應(yīng)用最廣泛的液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)形式。鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機(jī)最常用的結(jié)構(gòu)型式，動臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接點擺動，完成挖掘、提升和卸土等動作。整體鵝頸式動臂反鏟挖掘機(jī)工作裝置主要由動臂、動臂油缸、斗桿、斗一桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。裝置各運動部件之間全部采用銷軸鉸接，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下。鉸點轉(zhuǎn)動實現(xiàn)動臂的升降。斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂相對角度。當(dāng)斗桿油缸伸縮時，斗桿可繞動臂上鉸點轉(zhuǎn)動。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動。為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機(jī)構(gòu)來和鏟斗聯(lián)。
(3) 液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程
首先液壓挖掘機(jī)驅(qū)動行走馬達(dá)和配套土方運輸車輛一起進(jìn)入作業(yè)面，運輸車輛倒車、調(diào)停，?？吭谕诰驒C(jī)的側(cè)方或后方。挖掘機(jī)司機(jī)扳動操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通，于是回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動并帶動上部平臺回轉(zhuǎn)，使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點，在執(zhí)行上述過程的同時操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸上腔進(jìn)油，將動臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機(jī)操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進(jìn)油，配合動作以加快作業(yè)進(jìn)度，進(jìn)行復(fù)合動作的挖掘和裝載:鏟斗裝滿后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中位，使鏟斗和斗桿油缸閉鎖，再操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸的下腔進(jìn)油，將動臂提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動平臺回轉(zhuǎn)換向閥手柄，使上部平臺回轉(zhuǎn)，帶動鏟斗轉(zhuǎn)至運輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使鏟斗高度稍降一些，并在適當(dāng)?shù)母叨炔倏v鏟斗油缸使鏟斗卸土。土方卸完后，使平臺反轉(zhuǎn)并降低動臂，直到鏟斗回到作業(yè)點上方，以便進(jìn)行下一工作循環(huán)。
1.3 液壓挖掘機(jī)傳動原理
液壓挖掘機(jī)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(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)運動，使鏟斗運動擴(kuò)大到有限的空間，再通過行走馬達(dá)驅(qū)動行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴(kuò)大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。
液壓挖掘機(jī)由柴油機(jī)驅(qū)動液壓泵，操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達(dá))驅(qū)動相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。
液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。反鏟工作裝置由鏟斗5、斗桿11、動臂2、連桿8及相應(yīng)的三組液壓缸1、4、10組成。動臂下鉸點鉸接在轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉(zhuǎn)動;而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉(zhuǎn)動。挖掘作業(yè)時，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮;動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進(jìn)油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。在實際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系通的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合隨機(jī)的。
1、斗桿油缸 2、動臂 3、油管 4、動臂油缸 5、鏟斗 6、斗齒 7、側(cè)齒 8、連桿 9、搖桿 10、鏟斗油缸 11、斗桿
圖1-1 反鏟挖掘機(jī)工作裝置
總之，液壓挖掘機(jī)是由多學(xué)科、多系統(tǒng)組成的有機(jī)整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學(xué)科協(xié)同優(yōu)化才能獲取挖掘機(jī)整機(jī)的最佳性能。
2 液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計方案的確定
要了解和設(shè)計挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機(jī)的工作過程及其作業(yè)要求，掌握各種液壓作用元件動作時的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復(fù)合動作要求和復(fù)合動作時油泵對同時作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。
2.1 液壓挖掘機(jī)的工況
液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程包括以下幾個動作(如圖2-1所示):動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動作。除了輔助動作(例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要動作，要考慮全功率驅(qū)動。
1、動臂升降 2、斗桿收放 3、鏟斗裝卸 4、平臺臺回轉(zhuǎn) 5、整機(jī)行走
圖2-1 液壓挖掘機(jī)的運動圖
由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項特殊要求:(1)實現(xiàn)各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化;(2)為了充分利用發(fā)動機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作(例如挖掘與動臂、提升與回轉(zhuǎn))同時進(jìn)行復(fù)合動作。
液壓挖掘機(jī)一個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復(fù)合主要包括:
(1) 挖掘:通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘，因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動作，必要時，配以動臂動作。
(2) 滿斗舉升回轉(zhuǎn):挖掘結(jié)束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉(zhuǎn)第2章挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求和分析方法液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。
(3) 卸載:轉(zhuǎn)到卸土點時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟斗的復(fù)合動作，間以動臂動作。
(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，此時是回轉(zhuǎn)和動臂或斗桿的復(fù)合動作。
2.1.1 挖掘工況分析
挖掘過程中主要以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別單獨進(jìn)行挖掘，或者兩者復(fù)合動作，必要時配以動臂液壓缸的動作。
一般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，如圖2-2，2-3所示。此時斗桿收回，動臂抬起，希望斗桿和動臂分別由獨立的油泵供油，以保證彼此動作獨立，相互之間無干擾，并且要求泵的供油量小，使油缸動作慢，便于控制。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進(jìn)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，如圖2-4,2-5所示
單獨采用斗桿挖掘時，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。下面以三泵系統(tǒng)為例，來說明復(fù)合動作挖掘時油泵流量的分配情況和分合流油路的連接情況。液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。
圖2-2 斗尖沿直線平整土地圖 圖2-3 斗尖沿直線切削斜坡圖
圖2-4 鏟斗底壓整地面圖 圖2-5 鏟斗底保持一定角度切削圖
當(dāng)斗桿和鏟斗復(fù)合動作挖掘時，供油情況如圖2-6a 所示。當(dāng)斗桿油壓接近溢流閥的壓力時，原來溢流的油液此時供給鏟斗有效利用;當(dāng)鏟斗和動臂復(fù)合動作挖掘時，由于動臂僅僅起調(diào)解位置的作用，主要是斗桿進(jìn)行挖掘，因此采用斗桿優(yōu)先合流、雙泵供油，如圖2-6b 所示。
圖2-6 三泵供油系統(tǒng)示意圖
當(dāng)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(jìn)行流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。
當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要同時向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油，兩者復(fù)合動作。回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿收縮同時動作，由同一個油泵供油，因此需要采用回轉(zhuǎn)優(yōu)先油路，否則鏟斗無法緊貼側(cè)壁，使掘削很難正常進(jìn)行。在斗桿油缸活塞桿端回油路上設(shè)置可變節(jié)流閥，此節(jié)流閥的開口度即節(jié)流程度由回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力來控制。回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力越大，節(jié)流閥開度越小，節(jié)流效應(yīng)越大，則斗桿油缸回油壓力增高，使得油泵的供油壓力也提高。因此隨著回轉(zhuǎn)操縱桿行程的增大，回轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓增加，回轉(zhuǎn)力增大。
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，能提高主壓力閥的力。
2.1.2 滿斗舉升回斗工況分析
挖掘結(jié)束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動作。動臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機(jī)相對自卸車的位置而變，因此動臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度的相對關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動臂的提升速度慢些。
在雙泵系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)起動時，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時應(yīng)該將溢流的油供給動臂，如圖2-7a所示。在回轉(zhuǎn)和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進(jìn)行調(diào)整。這時是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動作。
由于滿斗提升時動臂油缸壓力高，導(dǎo)致變量泵流量減小，為了使動臂提升和回轉(zhuǎn)、斗桿外放相互配合動作，由一個油泵專門向動臂油缸供油，另一個油泵除了向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油外，還有部分油供給動臂，如圖2-7b所示。但是由于動臂提升時油壓較高，單向閥大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)，因此左側(cè)油泵只向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油。
三泵系統(tǒng)的供油情況如圖2-7c所示。各個油泵分別向一個液壓作用元件供油，復(fù)合動作時無相互干擾。
2.1.3 卸載工況分析
回轉(zhuǎn)至卸載位置時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動作，間以動臂動作。
圖2-7 回轉(zhuǎn)舉升供油情況
2.1.4 空斗返回工況分析
當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動臂和斗桿復(fù)合動作。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿。
發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。
2.1.5 行走時復(fù)合動作
在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件(如回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗)進(jìn)行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達(dá)供油、另一個油泵為右行走馬達(dá)供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側(cè)行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故。
為了保證挖掘機(jī)的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達(dá)分別由一個油泵單獨供油，另一個油泵向其它液壓作用元件(如動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn))供油，如圖2-8a所示。對于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式:①一個油泵并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)供油，另一個油泵向其他液壓作用元件供油，其多余的油液通過單向閥向行走馬達(dá)供油，如圖2-8b所示;②雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件同時供油，如圖2-8c所示。
圖2-8行走復(fù)合動作時的幾種供油情況
2.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求
液壓挖掘機(jī)的動作繁復(fù)，且具有多種機(jī)構(gòu)，如行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗等，是一種具有多自由度的工程機(jī)械。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常起動、制動、換向，外負(fù)載變化很大，沖擊和振動多，因此挖掘機(jī)對液壓系統(tǒng)提出了很高的設(shè)計要求。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作特點，其液壓系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足以下要求:
2.2.1 動力性要求
所謂動力性要求，就是在保證發(fā)動機(jī)不過載的前提下，盡量充分地利用發(fā)動機(jī)的功率，提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率。尤其是當(dāng)負(fù)載變化時，要求液壓系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的良好匹配，盡量提高發(fā)動機(jī)的輸出功率。例如，當(dāng)外負(fù)載較小時，往往希望增大油泵的輸出流量，提高執(zhí)行元件的運動速度。雙泵液壓系統(tǒng)中就常常采用合流的方式來提高發(fā)動機(jī)的功率利用率。
2.2.2 操縱性要求
(1) 調(diào)速性要求
挖掘機(jī)對調(diào)速操縱控制性能的要求很高，如何按照駕駛員的操縱意圖方便地實現(xiàn)調(diào)速操縱控制，對各個執(zhí)行元件的調(diào)速操縱是否穩(wěn)定可靠，成為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計十分重要的一方面。挖掘機(jī)在工作過程中作業(yè)阻力變化大，各種不同的作業(yè)工況要求功率變化大，因此要求對各個執(zhí)行元件的調(diào)速性要好。
(2) 復(fù)合操縱性要求
挖掘機(jī)在作業(yè)過程中需要各個執(zhí)行元件單獨動作，但是在更多情況下要求各個執(zhí)行元件能夠相互配合實現(xiàn)復(fù)雜的復(fù)合動作，因此如何實現(xiàn)多執(zhí)行元件的復(fù)合動作也是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)操縱性要求的一方面。
當(dāng)多執(zhí)行元件共同動作時，要求其相互間不千涉，能夠合理分配共同動作時各個執(zhí)行元件的流盤，實現(xiàn)理想的復(fù)合動作。尤其對行走機(jī)構(gòu)來說，左、右行走馬達(dá)的復(fù)合動作問題，即直線行駛性也是設(shè)計中需要考慮的重要一方面。如果挖掘機(jī)在行使過程中由于液壓泵的油分流供應(yīng)，導(dǎo)致一側(cè)行走馬達(dá)速度降低，形成挖掘機(jī)意外跑偏，很容易發(fā)生事故。
另外，當(dāng)多執(zhí)行元件同時動作時，各個操縱閥都在大開度下工作，往往會出現(xiàn)系統(tǒng)總流量需求超過油泵的最大供油流量，這樣高壓執(zhí)行元件就會因壓力油優(yōu)先供給低壓執(zhí)行元件而出現(xiàn)動作速度降低，甚至不動的現(xiàn)象。因此，如何協(xié)調(diào)多執(zhí)行元件復(fù)合動作時的流量供應(yīng)問題也是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的。
2.2.3 節(jié)能性要求
挖掘機(jī)工作時間長，能量消耗大，要求液壓系統(tǒng)的效率高，就要降低各個執(zhí)行元件和管路的能耗，因此在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中要充分考慮各種節(jié)能措施。當(dāng)對各個執(zhí)行元件進(jìn)行調(diào)速控制時，系統(tǒng)所需流量大于油泵的輸出流量，此時必然會導(dǎo)致一部分流量損失掉。系統(tǒng)要求此部分的能量損失盡量小;當(dāng)挖掘機(jī)處于空載不工作的狀態(tài)下，如何降低泵的輸出流量，降低空載回油的壓力，也是降低能耗的關(guān)鍵。
2.2.4 安全性要求
挖掘機(jī)的工作條件惡劣，載荷變化和沖擊振動大，對于其液壓系統(tǒng)要求有良好的過載保護(hù)措施，防止油泵過載和因外負(fù)載沖擊對各個液壓作用元件的損傷。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因自重而快帶下降和整機(jī)超速溜坡。
2.2.5 其它性能要求
實現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化和通用化，降低挖掘機(jī)的制造成本:液壓挖掘機(jī)作業(yè)條件惡劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性;由于挖掘機(jī)在城市建設(shè)施工中應(yīng)用越來越多，因此要不斷提高挖掘機(jī)的作業(yè)性能，降低振動和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性。
3液壓系統(tǒng)設(shè)計
液壓傳動系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個組成部分，液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計要同主機(jī)的總體設(shè)計同時進(jìn)行。著手設(shè)計時，必須從實際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動形式，充分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點，力求設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。
液壓挖掘機(jī)整個機(jī)械包括：底盤行走系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、工作機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。本次設(shè)計的是履帶式小型無尾液壓挖掘機(jī)，它主要是利用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)時的基本動作。一個完整的、能夠正常工作的液壓系統(tǒng)，應(yīng)該由以下五個主要部分來組成：
1.動力元件：液壓泵，其功能是供給液壓系統(tǒng)壓力油，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能。
2.執(zhí)行元件：液壓缸、液壓馬達(dá)，其功能把是液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
液壓缸輸出力和速度，帶動負(fù)載作直線運動；
液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，帶動負(fù)載作旋轉(zhuǎn)運動。
3.控制元件：控制閥，其功能是對系統(tǒng)中的壓力、流量或流動方向進(jìn)行控制，以保證執(zhí)行元件達(dá)到所要求的輸出力（或力矩）、運動速度和運動方向。如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等。
4.輔助元件：保證系統(tǒng)正常工作所需要的輔助裝置，例如油箱，濾油器，油管等。
5.工作介質(zhì)：液壓油
本次液壓系統(tǒng)采用雙泵雙回路定量并聯(lián)系統(tǒng)，因為這種系統(tǒng)的動作正確，操作方便，功率利用較好。由于定量泵簡單可靠，價格低廉，耐沖擊性好，所以選用定量系統(tǒng)。油路的連接方式有并聯(lián)、串聯(lián)和串并聯(lián)三種。本次選擇并聯(lián)油路，即多路換向閥中各個換向閥的進(jìn)油路與一條總的壓力油相連，各回油路與一條總的回油路相連，進(jìn)油和回油互不干擾，稱為并聯(lián)油路。并聯(lián)油路的特點是各滑閥可進(jìn)行各自獨立操作，幾個工作裝置可以同時進(jìn)行工作；但當(dāng)幾個滑閥同時處于換向位置時，負(fù)荷小的工作裝置先動，而不能實現(xiàn)嚴(yán)格的同步，不過可采用均流器來解決并聯(lián)系統(tǒng)中兩個執(zhí)行原件的同步問題。
3.1系統(tǒng)主參數(shù)的確定
3.1.1確定系統(tǒng)的工作壓力
液壓系統(tǒng)工作壓力是指液壓系統(tǒng)在正常運行時所能克服外載荷的最高限定壓力。系統(tǒng)的壓力級級選擇與機(jī)器種類、主機(jī)功率大小、工況和液壓元件的型式有密切關(guān)系。一般小功率機(jī)器用低壓，大功率機(jī)器用高壓。在一定的允許范圍提高油壓，可是系統(tǒng)的尺寸減小，但容積效率會下降。
目前，建設(shè)機(jī)械所用工作壓力等級有：
（1）中壓 壓力為10~20MPa。常用于裝載機(jī)、起重機(jī)、小型挖掘機(jī)等建設(shè)機(jī)械。
（2）高壓 壓力為20~32MPa。常用于中、大型挖掘機(jī)、混凝土泵等。
（3）超高壓 壓力超過32MPa。
通過比較初步選定系統(tǒng)壓力p=16MPa
系統(tǒng)工作壓力p要根據(jù)技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)效果和制造可能性等三反方面來確定。在外負(fù)荷已定情況下，系統(tǒng)壓力選的愈高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，可以獲得比較輕巧緊湊的結(jié)構(gòu)，對大型挖掘機(jī)來說，更為重要，所以，一般應(yīng)盡可能選取較高的工作壓力。但造維修困難，增大了液壓振動與沖擊，影響了元件壽命和可靠性，此外，壓力增高太多，元件與管道的壁厚相應(yīng)增加，尺寸與質(zhì)量的減少率將愈來愈小。
初選工作壓力以后，可以選擇元件，并推算元件所需流量，將同時工作的元件的流量疊加，并取各疊加數(shù)中最大值，就是系統(tǒng)流量Q。
3.1.2確定系統(tǒng)的型式
國產(chǎn)0.25以下和部分1.0以下反鏟標(biāo)準(zhǔn)斗容量液壓挖掘機(jī)采用定量系統(tǒng)，其中除0.2懸掛式挖掘機(jī)以外，都是雙泵雙回路系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的是雙泵雙回路定量并聯(lián)系統(tǒng)。
3.2系統(tǒng)方案的擬定
3.2.1確定元件類型
1．執(zhí)行原件
本次設(shè)計的履帶式無尾液壓挖掘機(jī)有六個主要執(zhí)行原件，即動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸、推土液壓缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)和兩個行走馬達(dá)，采用雙泵雙回路系統(tǒng)，把一切執(zhí)行原件按照作業(yè)要求分成兩組，各由一臺液壓泵驅(qū)動，分別構(gòu)成獨立的回路。
圖3-1液壓原理圖（雙泵雙回路定量系統(tǒng)）
液壓泵是將原動機(jī)（本機(jī)選柴油機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成油液的液壓能，在意壓力、流量的形式輸送到系統(tǒng)中去。按其職能來說，屬于液壓能元件，又稱為動力元件。液壓泵的額定壓力宜比系統(tǒng)工作壓力大25%以上，使液壓泵有一定的壓力儲備。
泵的主要參數(shù)有壓力、流量、轉(zhuǎn)速、效率。
因為系統(tǒng)的工作壓力為16MPa，所以有16×（1+25%）=20（MPa）
在定量系統(tǒng)中，流量固定，不能因外負(fù)荷變化而使流量作相應(yīng)的變化，因此，負(fù)荷小時不能提高作業(yè)速度，功率得不到重分利用。為了滿足作業(yè)要求，定量
系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)功率要根據(jù)最大外負(fù)荷和作業(yè)速度來確定。由于定量泵簡單可靠，價格低來呢，耐沖性能好，在小型液壓挖掘機(jī)上定量系統(tǒng)得到應(yīng)用，但是，其缺點是系統(tǒng)功率不能充分利用，泵的特性很硬，挖掘硬土?xí)r引起很大的溢流損失。
本系統(tǒng)采用中壓定量系統(tǒng)泵，系統(tǒng)壓力，考慮到額定壓力比系統(tǒng)壓力大25%左右，液壓泵具有一定的液力儲備。
（3-1）
式中：
為系統(tǒng)的額定壓力
3.2.2擬定主回路
1．回路循環(huán)形式
一般小型挖掘機(jī)多采用定量系統(tǒng)，油路采用開式，這樣可以使系統(tǒng)簡單，成本低，從發(fā)動機(jī)功率充分利用方面考慮多采用雙本雙回路,這樣即可獨立的工作，又可配合動作，還可合流動作。
2．基本回路
本系統(tǒng)采用并聯(lián)回路。
3．調(diào)速方式
本系統(tǒng)采用手動換向、無級調(diào)速。
為了保證主機(jī)工作安全，整個液壓系統(tǒng)必須裝有安全溢流閥，個執(zhí)行原件大多裝有限壓閥。
4系統(tǒng)初步計算和液壓元件的選擇
4.1 動臂液壓缸的設(shè)計計算
設(shè)計油缸時，先要知道的參數(shù)有活塞桿上的作用力，工作行程（由工作裝置設(shè)計部分得出）；安裝形式和安裝長度；供油壓力；負(fù)載特點和工作環(huán)境等。
4.1.1 液壓缸缸筒的設(shè)計
1.缸筒結(jié)構(gòu)
缸筒是液壓缸的主要零件，它與缸蓋、活塞等零件構(gòu)成密閉的容腔，形成內(nèi)壓，推動活塞運動。設(shè)計缸筒時，不僅要保證液壓缸的作用力、速度和有效行程，而且必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以便抵抗液壓力和其他外力的作用。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第4卷表17-6-6，常用的缸筒結(jié)構(gòu)有八類，通常缸筒與缸蓋、缸頭的連接型式取決于額定工作壓力、用途和使用環(huán)境等因素。綜合考慮上述因素缸筒與缸頭采用焊接形式，具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，工藝性好，使用廣的優(yōu)點；缺點是缸體有可能變形。缸筒與缸蓋采用外螺紋連接具有重量輕，外徑較小的優(yōu)點，而且便于拆卸和檢修。
2.缸筒材料
缸筒要有足夠的強(qiáng)度，能長期承受較高工作壓力及短期動態(tài)工作壓力而不至產(chǎn)生永久變形；還要有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不至產(chǎn)生彎曲；在內(nèi)表面密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力的作用下，能長期工作而磨損減少，尺寸公差等級和形位公差等級是以保證活塞密封件的密封性；需要焊接的缸筒還要求有良好的可焊接性，以便在焊上管接頭或缸頭后不至于產(chǎn)生裂紋或過大變形。
液壓缸的常用材料有20鋼、35鋼、45鋼的無縫鋼管。缸筒與缸底采用焊接方式，故采用焊接性能較好的35鋼的冷拔無縫鋼管，粗加工后調(diào)制，由手冊中查得35鋼的抗拉強(qiáng)度，屈服極限
3．缸筒缸徑的計算
（4-1）
式中：
—活塞桿上的最大負(fù)載,此處113KN
—工作壓力，初取
—液壓缸的機(jī)械效率，取0.9
所以：
（4-2）
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》卷4.P17-4 表17-6-2
表4-1 液壓缸內(nèi)徑的選擇
液壓缸內(nèi)徑系列（GB/T2348-1993）/mm
88、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、(90)、100、(110)、125、(140)、160、(180)、200、(220)、250、(280)、320、(360)、400、(450)、500
取液壓缸缸筒內(nèi)徑100mm
4．缸外經(jīng)的確定
根據(jù)上面所算出來的缸筒內(nèi)經(jīng)為D=100mm，從而根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第20篇表20—6—9如下表。
表4-3 缸筒外徑 的選取
產(chǎn)品系列
代號
額定壓力
/Mpa
內(nèi)徑
A型
20
40
50
63
80
100
125
140
160
200
220
250
外徑
50
60
76
95
121
146
168
194
218
219
245
所以缸筒外徑=121
5．缸筒壁厚驗算
在中低壓液壓系統(tǒng)中，液壓缸缸筒的壁厚常由結(jié)構(gòu)工藝上的要求決定的，強(qiáng)度問題是次要的，一般不需要驗算。因為本設(shè)計是中低壓液壓系統(tǒng)，所以不需要驗算。
6．缸筒制造加工要求
缸筒直徑采用或級配合，表面粗糙度值一般為0.16～0.32，都需進(jìn)行研磨;熱處理，調(diào)制，硬度≥；缸筒內(nèi)徑的圓度、錐度、圓柱度不大于內(nèi)徑公差之半；缸筒直線度公差在長度上不大于；缸筒端面對內(nèi)徑的垂直度在直徑上不大于0.04。
此外，還有通往油口、排氣閥孔的內(nèi)孔口必須有倒角，不允許有飛邊、毛刺，以免劃傷密封件。為便于裝配和必須在半精加工以前進(jìn)行。以免精加工后焊接而引起內(nèi)孔變形。如欲防止腐不損壞密封件，缸筒內(nèi)孔應(yīng)倒15度角。需要在缸筒上焊接油口、排氣閥座時都蝕和提高使用壽命，在缸筒內(nèi)表面可以鍍鉻，再進(jìn)行研磨或拋光，在缸筒內(nèi)表面涂耐油油漆。
4.1.2 液壓缸缸蓋及導(dǎo)向套的設(shè)計
1.缸蓋的設(shè)計
在單活塞桿液壓缸中，缸蓋、缸底與缸筒構(gòu)成封閉的壓力容腔，不僅要有足夠的強(qiáng)度以承受液壓力，而且必須有一定的連接強(qiáng)度。端蓋上有活塞桿導(dǎo)向套及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺孔，受力比較復(fù)雜，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。
1）缸蓋材料 缸蓋材料常用35鋼、45鋼鍛件活ZG35、ZG45鑄鋼及HT25-47，HT30-54等灰鐵鑄件等。當(dāng)缸蓋作導(dǎo)向套時，應(yīng)采用鑄鐵并在其工作表面堆焊青銅、黃銅或是其他耐磨材料。綜合上面，選HT200。
2）與缸筒的連接 缸筒與缸蓋用法蘭連接，這種連接方式裝卸方便，加工容易，缺點是徑向尺寸大，質(zhì)量較大。缸筒與缸蓋法蘭采用5個M16的螺栓連接，均與布置在直徑為的圓周上。
圖4-1 缸筒的外螺紋連接
3）端蓋的設(shè)計計算
缸蓋厚度計算公式：
（4-3）
式中：
——系統(tǒng)最大工作壓力，；
——液壓缸的內(nèi)徑m；
——材料許用應(yīng)力，取
取20mm
4）缸蓋螺栓連接處的強(qiáng)度校核如下：
液壓缸缸筒與端蓋的連接方法很多，其中以螺栓（釘）連接最為廣泛。當(dāng)缸筒與缸蓋用法蘭連接時，要驗算連接螺栓的強(qiáng)度。驗算時可按拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的合成應(yīng)力來進(jìn)行。則有：
（4-4）
（4-5）
（4-6）
（4-7）
式中：
——液壓缸負(fù)載
——螺紋擰緊系數(shù)，，本次設(shè)計取
——螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)，一般取
——螺紋直徑
——螺紋內(nèi)經(jīng)，對于標(biāo)準(zhǔn)堅固螺紋，取，為螺紋螺距
——螺栓個數(shù)，本次設(shè)計取
——材料屈服極限，對45鋼，取
——安全系數(shù)，一般取，本次設(shè)計取
查《機(jī)械設(shè)計手冊》選取螺栓為內(nèi)角圓柱頭螺釘（M16）則：
所以：
所以；螺紋連接強(qiáng)度滿足要求。
2.導(dǎo)向套的設(shè)計
導(dǎo)向套裝在液壓缸的有桿腔端蓋內(nèi)，用以對活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向。內(nèi)裝有密封裝置，以保證缸筒有桿腔的密封，外側(cè)裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時把雜質(zhì)、灰塵及小分子帶到密封裝置處，損壞密封裝置。
1）導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)選擇
導(dǎo)向套有普通導(dǎo)向套、易拆導(dǎo)向套、球面導(dǎo)向套和靜壓導(dǎo)向套等。導(dǎo)向套和缸蓋做成一體，采用鑄鐵并在其工作表面堆焊耐磨材料防塵圈槽和密封圈槽。
圖4-2端蓋式活塞導(dǎo)向環(huán)
2）最小導(dǎo)向長度的確定
當(dāng)活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到導(dǎo)向滑動面中點的距離稱為最小導(dǎo)向長度，如圖所示，若導(dǎo)向長度太小，將使液壓缸因間隙引起的初始撓度增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性。對于一般液壓缸，其最小導(dǎo)向長度安下式計算：
(4-8)
式中：
——液壓缸的最大工作行程
——缸筒內(nèi)徑
所以：
取。
一般導(dǎo)向套滑動面的長度，在缸筒內(nèi)徑＜80時，取，在缸筒內(nèi)徑80時，取。
所以：
取。
3） 導(dǎo)向套的材料
活塞桿導(dǎo)向套裝在液壓缸的有桿側(cè)端蓋內(nèi)，用以對活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒有桿腔的密封，外側(cè)裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時把雜質(zhì)、灰塵及水分待到密封裝置出，損壞密封裝置。金屬導(dǎo)向套一般采用摩擦系數(shù)小的而且耐磨性好的材料?，F(xiàn)選用耐磨鑄鐵HT200.
4）加工要求：
導(dǎo)向筒外圓與該內(nèi)孔的配合多為，內(nèi)孔與活塞桿外圓的配合多為，外圓與內(nèi)孔同軸度公差，不大于0.03，圓度與圓柱度公差不大于直徑公差的一半。內(nèi)孔中的環(huán)形油膜和直油膜要淺而寬，以保證良好的潤滑。
4.1.3 液壓缸缸頭的設(shè)計
1.的連接形式
連接形式如圖4-3所示：
圖4-3 缸頭與缸筒焊接
缸筒與缸頭用焊接時（如圖4-3所示），焊縫應(yīng)力強(qiáng)度校核：
（4-9）
式中：
——缸內(nèi)最大推力；
；
——系統(tǒng)工作壓力；
——液壓缸機(jī)械效率；
——缸筒內(nèi)徑；
——缸筒外徑；
——焊縫底徑；
——焊接效率，取=0.7；
——焊條材料的抗拉強(qiáng)度，?。?
——安全系數(shù)，參照缸筒安全系數(shù)選取。一般；
，故滿足強(qiáng)度要求。
2.缸頭的設(shè)計計算
由于該油缸采用耳環(huán)連接的形式，底部的最小厚度按近似的公式計算如下：
（4-10）
式中：
——缸筒直徑；
——缸筒底部厚度；
——缸內(nèi)最大工作壓力，；
由于缸筒底部材料用35號優(yōu)質(zhì)碳素鋼，故
取
4.1.4 活塞桿的設(shè)計及其強(qiáng)度校核
活塞桿是傳遞機(jī)械力的工作元件，它的受力狀態(tài)與負(fù)載有關(guān)，活塞桿直徑通常是按液壓缸速比要求來確定的，然后再校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
1．活塞桿直徑的確定
對于雙作用單邊活塞桿液壓缸，其活塞桿直徑可根據(jù)往復(fù)速比來確定。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》成大先第五版第20篇查得：
表4-4 活塞速比系數(shù)與壓力的關(guān)系
公稱壓力（）
=12.5～20
速比系數(shù)（）
1.33
1.46～2
2
當(dāng)系統(tǒng)壓力確定后，查出速比系數(shù)并按下式計算：
（4-11）
式中：
行程速比取1.46
根據(jù)活塞桿徑系列，取活塞桿直徑
2．活塞桿的強(qiáng)度校核
（4-12）
式中：
——油缸的負(fù)載；
——活塞桿材料的許用應(yīng)力；
——材料的抗拉強(qiáng)度；
現(xiàn)采用45鋼600 ；
動臂液壓缸活塞桿最大作用力=113040N；
3．活塞桿彎曲穩(wěn)定性校核
當(dāng)活塞行程較大時（活塞桿伸出時，油缸的計算長度大于活塞桿直徑的10倍以上時）活塞桿承受的壓力超過一定數(shù)值時，油缸的總體將沿著軸向方向呈現(xiàn)出彎曲的現(xiàn)象，致使滑動表面產(chǎn)生偏磨，甚至活塞桿折斷。為消除這種弊端，除要滿足強(qiáng)度外，還根據(jù)油缸的支撐形式進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。
由《機(jī)械設(shè)計手冊》第20篇查得：
當(dāng)液壓缸支撐長度時，需驗算活塞桿彎曲穩(wěn)定性，因本次設(shè)計支撐長度 所以需要算穩(wěn)定性，因受力完全在軸線上，所以按下式驗算：
（4-13）
（4-14）
式中：
——活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力；
——實際彈性模數(shù)，；
——活塞桿橫截面慣性矩；
——液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》表17-6-17選 ；
——折算長度 ，導(dǎo)向套中心至吊頭的距離，?。?
——安裝系數(shù)，通常取 ，在這里??；
=92797.8N
=23.2KN
所以液壓缸穩(wěn)定。
4．活塞桿結(jié)構(gòu)形式的選取
活塞桿必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以便承受拉力、彎曲應(yīng)力、振動和沖擊載荷的作用。同時還要注意他對活塞有效面積的影響，保證液壓缸達(dá)到所要缺的作用力和運動速度，活塞桿應(yīng)有一定的耐磨性，具有較高的尺寸精度和表面光潔度。采用實心結(jié)構(gòu)，端部選用單耳環(huán)通過螺紋與活塞桿連接。
5．活塞桿的材料和技術(shù)要求
材料：選用45鋼
技術(shù)要求：
淬火. 淬火深度，表面鍍鉻；
活塞桿在導(dǎo)向套中滑動，采用配合，太緊了，摩擦大，太松了，容易引起卡滯現(xiàn)象；
圓度的圓柱公差不大于直徑公差一半；
安裝活塞的軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于，以保證安裝不產(chǎn)生偏斜；
安裝活塞的軸頸與外圓的同軸度公差不大于；
活塞桿的外圓粗糙度，太光了，表面形不成油膜，不利于潤滑；
活塞桿表面進(jìn)行鍍鉻處理，并進(jìn)行拋光和磨削加工；
活塞桿內(nèi)端的卡鍵和緩沖裝置也要保證與軸線同心，特別是緩沖柱，最好是與活塞做成一體。
4.1.5 活塞的設(shè)計
活塞是把液壓缸把液壓能裝化為機(jī)械能的主要零件，其端面的有效面積決定了推力和拉力的大小，與缸體和活塞桿之間均有密封圈密封，以防止液壓缸內(nèi)部泄漏。
圖4-4 活塞的密封
根據(jù)液壓缸的作用力和工作要求，活塞結(jié)構(gòu)分離式，兩端配有Y型密封圈，與缸體和活塞桿之間均選用O型密封圈密封，中間安裝支承環(huán)，通過彈性擋圈和軸套與活塞桿連接。
圖4-5 活塞與活塞桿的連接
1．活塞尺寸及加工公差
有支承環(huán)的活塞常用材料有優(yōu)質(zhì)炭素鋼20號、35號、45號，本次設(shè)計采用45號鋼。
選用活塞寬度一般為活塞外徑的倍，但也要根據(jù)密封件的形式、數(shù)量和安裝導(dǎo)向環(huán)的溝槽尺寸而定。
故活塞的寬度為：
B=(0.6～1.0)
活塞外徑：
活塞外徑的大小與活塞表面的支撐環(huán)形式有關(guān)。如下圖所示，活塞外徑：
（4-15）
式中：
——缸筒內(nèi)徑；
——尼龍支承環(huán)厚度，一般，其中缸徑較小時取小值?，F(xiàn)取其值為；
圖4-6 活塞裝配示意圖
活塞的外徑的配合一般采用外徑對內(nèi)徑的同軸度公差不大于0.02，端面與軸線的垂直度公差不大于0.04／100，外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公差的一半，表面粗糙度以結(jié)構(gòu)形式不同而定。
2．活塞中心孔的設(shè)計計算
活塞中心孔徑的大