履带式挖掘机液压系统优化设计毕业论文

                                                                        小型液压挖掘机系统优化设计              1小型液压挖掘机 液压 系统优化设计   目    录  前言 8 摘要 9 第一章   文献综述 10 1.1 毕业设计课题名称 10 1.2 毕业设计内容要求 10 1.3 液压挖掘机的发展前景 10 第 二 章   明确设计要求，确定基本方案  12 2.1 液压系统设计参数 12 2.2 液压挖掘机大致结构 12 2.3 对液压系统的要求 12 2.4 确定液压执行元件的形式 13 2.5 拟定液压执行元件运动控制回路   13 2.6 液压源系统 15 第 三 章  绘制液压系统原理图。确定基本方案 17 3.1 主机 功能结构 17 3.2 液压系统工作原理 17 第 四 章  确定液压系统的主要参数 21 4.1 初选系统工作压力 21 4.2 液压缸的流量 21                                                                          小型液压挖掘机系统优化设计              24.3 液压缸的功率 21 4.4 计算液压缸的主要结构尺寸 22 第 五 章   液压缸的设计 25 5.1 选择液压缸的类型和安装方式 25 5.2 液压缸性能的参数计算 25 5.3 液压缸结构参数设计 27 5.4 液压缸的联接计算 32 第 六 章   液压泵和油箱的选择 41 6.1 液压泵的选择 41 6.2 液压 油箱的计算 42 第 七 章   液压系统性能验算 43 7.1.液压系统压力损失 43 7.2.液压系统的发热温升计算 45 第八章   设计液压装置，编制技术文件 47 8.1 液压装置总体布局 47 8.2 液压阀的配置形式 47 8.3 通道块设计 47 8.4 绘制正式工作图，编写技术文件 48 后记 49 附录 50 参考文献 56 谢辞 57                                                                          小型液压挖掘机系统优化设计              3前     言   液压技术与现代社会中人们的日常生活、工农业生产、科学研究活动产生着日益密切的关系，已成为现代机械设备和装置中的技术构成、现代控制工程的基本技术要素和工业 及国防自动化的重要手段，并在国民经济各行业以及几乎所有技术领域中广泛应用，应用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业化水平的标志。 所以正确合理的设计与使用液压系统，对于提高各类液压机械及装置的工作品质和技术经济性能具有重要意义。   由于液压技术的飞速发展，我们工作小组在周明老师的指导下选择了小型液压挖掘机液压系统优化做课题，目的是通过此次设计对液压技术 有更全面。更深刻的了解，以适应社会日益发展的需求。   本次毕业设计是对小型液压挖掘机液压系统优化 ，其中涵盖了液压系统的总体设计 、液压系统执行元件的设计及校核、液 压缸、液压马达的选择、 液压元件的选择 、 液压系统的性能验算、液压系统的主要参数的确定等等。   此次设计在组员的共同努力下圆满完成，达到了预期的效果。为我们以后的工作提供了很好的实践机会。 限于水平和经验局限， 设计说明书中难免存在错漏之处，恳请老师、同学给予批评、指正。                                                    2006年 6月                                                                 陈壁                                                                                                          小型液压挖掘机系统优化设计              4                小型液压挖掘机系统优化设计  摘要    此次 设计的是斗容为 0.1 3m 履带式 全液压小型单斗挖掘机，它是双泵定量系统，采用多路换向阀的并联油路、专用手动换向阀的合流方式。本次设计主要内容是液压系统的 优化和液压缸的设计。 为了适用小型路面的维护，我们增加了冲击器起碎石作用 ；为了提高生产率设置了合流措施 ； 此次设计还设计了限速措施，防止重力超速。小型挖掘机具有结构紧凑、挖掘力大、传动平 稳、操作简便以及容易实现自动控制等优点 。  关键字    小型 挖掘机   液压缸   液压马达   液压泵    优化   校核   Abstract    This design is the Big Dipper to be around 0.1 3m  tracked hydraulic excavator small-fighting, which is double-pump quantitative system, the introduction of the multi-route Change direction valve Oil line parallel connection, the Central Change direction valve dedicated manual mode. This is the main content of hydraulic system design optimization. For the application of small-scale road maintenance, we have increased the impact on a gravel； To enhance productivity for the Convergence； This design also designed speed measures to prevent gravity speeding. Small excavator with tight structure, digging power, the transmission smooth, easy to operate and achieve automatic control of advantages. Key words    Small excavator    Hydraulic tanks     Hydraulic motors    Hydraulic Pump Optimization       Degree                                                                            小型液压挖掘机系统优化设计              5                     第一章   文献综述      1.1  毕业设计课题名称  毕业设计课题：小型液压挖掘机系统优化液压系统优化设计部分 。  1.2  毕业设计 内容要求  1.2.1     适用于小型路面维护的液压挖掘机双泵 液压系统的设计。  1.2.2     液压系统元件的选型  1.2.3     液压系统管路设计  1.2.4     液压系统的能量损失及优化  1.2.5     基本参数：斗容 0.1 3m 、碎石冲击功 150J/次  、流量 28L/min、机重约 104 N、成本约人民币 10万元左右。  1.2.6     图纸数量折合标准图纸不少于四张 A1图纸，计算机绘图的图纸不少于 5张；论文格式和内容符合学院的统一格式和规范要求 。  1.3  液压 挖掘机的发展前景  随着小型挖掘机市场的慢慢兴起，国内生产小型挖掘机的企业逐年增多，产量也在不断增加。目前国内挖掘机行业处在一个快速发展的时期，近 3 年销量以每年 50以上的速度增长，目前挖掘机行业已经成为国内工程机械行业内市场总量最大的行业之一。     近几年来，随着我国经济的快速发展，小型挖掘机市场也逐渐升温，为业内人士普遍看好。从 2005年国家制定经济发展目标来看，我国正处在道路交通、能源水利、城市建设等各方面基础建设的高峰期，但前些年大量投入使用的高速公路等基础设施，正越来越多地进入维护保养期，同时城市 建设也由 “ 大拆大建 ” 逐渐向 “ 精雕细刻 ” 转变，因此小型化的土方工程施工会越来越多。     业内有关专家分析认为，发展小型工程机械有三大优势：首先小型设备的研制开发是在大型工程机械设备的技术基础上进行的，开发人员可以总结大型工程机械施工应用中的优点，对于大型施工机械表现出的不足给予了针对性的改进。其次小型设备能够最大限度满足施工方案及特种作业的需求，并具备环保（低排放、低噪音）、灵活、安全的特性。此外劳动力成本的逐步上升，推动了工程机械化程度的快速提高，小型机械代替人工在节约成本的同时，能够增强施工的安全性、可 靠性，并且比人工更高效，这也为小型设备的使用和规模化发展创造了条件。     目前，国内小型工程机械市场还存在种种困难和不足，尚未形成有较强市场影响力的小型设备品牌。因此，在工程机械市场普遍走低的今天，小型工程机械未来的发展前景是值得相关企业关注的。虽然目前我国小型挖掘机的市场保有量及销量所占比例甚微，但有一个不争的事实，我国的小型挖掘机市场业已呈迅速启动之势。在我国， 8吨以下的小型挖掘机越来越显示出巨大的市场潜力，预计今年国内小型挖掘机的年产量将达到5000台左右。如果把未来几年内小、微型挖掘机市场需求量与 大中型挖掘机按 0.5:1的                                                                         小型液压挖掘机系统优化设计              6比值计算，小型挖掘机的市场的容量足以令人振奋。     从我国小型、多功能挖掘装载机从无到有的发展历史看，大量的工程机械生产厂家在发展过程中积累了丰富的经验和较为成熟的生产技术，均会在今后几年看上这块潜在的市场，预计新产品、新技术将不断出现，产品质量也将迅速提高，这将会导致多功能挖掘装载机市场的激烈竞争。     有关专家指出，由于我国的挖掘装载机起步晚，不论在产品品种、性能参数以及使用可靠性、售后服务等方面，与国外相比均存在着相当大的差距。因此，其发展趋势是引进国外的先进技术，开发高 质量、多功能、多品种、多规格的系列产品，加强基础元件、部件的生产，尤其是提高液压元件的质量，以达到在满足产品可靠性的前提下，降低产品成本，并提高产品的售后服务水平。                                                                                              小型液压挖掘机系统优化设计              7第二章   明确设计要求，确定基本方案    2.1 液压系统设计参数  斗容  0.1m3 碎石   冲击功  150J/次         流量  28L/min 机重   约 10000 N 成本   约人民币 10万元  2.2 液压挖掘机大致结构     单斗液压挖掘机主要由工作装置（包括动臂、斗杠和铲斗）、回转机构和行走机 构组成。工作装置由三个液压缸分别驱动动臂、斗杆和铲斗的运动。回转机构由一个液压马达通过减速装置，使小齿轮和大齿轮啮合传动，以便使上车和小车相对转动。履带式液压挖掘机其行走机构是通过两个液压马达来驱动的，无支腿装置。               图 2-1 单斗液压挖掘机结构示意图    1- 铲斗   2- 铲斗液压缸   3- 动臂   4- 斗杆液压缸   5- 斗杆   6- 动臂液压缸      7- 行走结构    8- 回转结构               2.3  对液压系统的要求  2.3.1   适用于小型 路面 维护的液压挖掘机，铲斗可替换成碎石机用。   2.3.2   液压系统有足够可靠性。要选择可靠、耐冲击、抗污染能力强的液压元件。                                                                         小型液压挖掘机系统优化设计              8要尽量减少系统发热，主机连续工作油温一般不超过 80度。因挖掘机油箱不能太大，所以要设置油冷却器。   2.3.3   动臂、斗杆和铲斗既要能单独工作，又要保证同时动作互相不干扰。回转和工作装置既可保证单独工作，又要同时工作，以提高生产率 。为提高动臂和斗杆的作业速度，可设置合流措施。因挖掘机作业时不行走，行走时不作业。所以，行走机构和工作机构无需保证同时工作。   2.3.4   行走的左 右 履 带的液压马达要能单独驱动，以保证同步运行和灵活地原地转弯。   2.3.5  各装置的液压缸和马达要良好的过载措施。工作装置液压缸 行走液压马达回路为防止 重力超速，需限速措施，如液压缸可用单向节流阀，液压马达可用限速阀 。   2.3.6  为保证液压油的清洁度，必须设置可靠，高效能滤油装置，这是确保液压元件正常、可靠工作必不可少的措施。     2.3.7   成本控制在 10万元左右                   2.4 确定液压执行元件的形式  液压缸         实现直线往返运动，要求当系统不工作时锁紧 。   液压马达         完成回转运动，马达不工作时锁紧。  行走马达          左、右马达均可独立工作实现直线前进、倒退、左转弯和右转弯。  根据设计要求选用下表执行元件                  表 1执行元件的初步选择  名称   特点   适用场合   单活塞杆液压缸  有效工作面积大、双向不对称   往返不对称的直线运动，差动可实现快进， A1=2A2 往返速度相等  摆线齿轮马达  体积小、输出扭矩大  低速、小功率、大扭矩的回 转运动   2.5 拟定液压执行元件运动控制回路  2.5.1  回转机构的 确定     回转机构为 360 度旋转运动，采用低速，大扭矩的摆线齿轮马达驱动，由多路换向阀控制旋转方向和停止，液控单向阀锁紧。                                                                           小型液压挖掘机系统优化设计              9                                               图 2-2               2.5.2  工作机构的确定     工作机构为单纯的直线往复运动，动臂缸、斗杆缸、铲斗缸均采用 单活塞双作用液压缸直接驱动，由换向阀控制运动方向。                                              图 2-3                 2.5.3  行走机构的确定     行走的左右履带的液压马达各自由齿轮 马达驱动，由多路换向阀控制前进，后退和停止，速度控制通过流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度（限制速度）， 2个益流阀 缓冲。                                                                           小型液压挖掘机系统优化设计              10                                             图 2-4 2.5.4  采用 2个液压单向阀的锁紧系统锁紧精度高，部分采用单向阀锁紧系统。                                                图 2-5                                             图 2-6 2.5.5  液压源的选择    设置可靠，高效能滤油装置以保证液压油的清洁度。   2.6   液压源系统  本设计液压系统的工作 介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系                                                                         小型液压挖掘机系统优化设计              11统采用定量泵供油，液压泵的供油量大于系统的供油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。  对在工作循环各阶段中系统所需要油量相差较大的情况，本设计采用多泵供油。  油液繁荣净化装置是液压源中不可 缺少的。在泵的入口装有粗过滤器，为防止系统中杂质流回油箱， 在回油路上设置了过滤器。根据液压设备所处环境对油温的要求，考虑在回油路上设置了 冷却器冷却的需要。                                                                                               小型液压挖掘机系统优化设计              12 第三 章   绘制液压系统图   液压系统工作原理   3.1 主机功能结构  单斗液压挖掘机是一种自行式土方工程机械 。铲斗、斗杆和动臂统称为工作结构 分别由各自的液压缸驱动并由泵 1 分管；回转机构和行走机构和各自的液压马达驱动，整个机器的动力由电动机提供。   3.2 液压系统工作原理  本设计产品为 0.1 3m 履带式全液压单斗挖掘机液压原理系统，采用双泵供油，多路换向的并联油路。   图 3-1 并联方案                                                                           小型液压挖掘机系统优化设计              13 图 3-2串联方案  此方案为多缸串联系统，泵 1通过换向阀分管铲斗缸、铲土缸、左行走马达和回转马达，特点是油泵利用率高，整机工作效率高，泵 2负载较平均，但存在下列缺点：  （ 1）每个回路在同一时间内最好只使一个缸操作。  （ 2）所有换向阀都要适应油泵的输油量要求，型号加大。  （ 3）串联的换向阀越多，阻力越大。  （ 4）换向阀在换向时容易引起冲击。  （ 5）多路阀组中假如前一个阀不工作时，其出油口为高 压油不符合阀高压进油低压出油的原则。   综合考虑此设计我们采用并联方案。    3.2.1  泵 1 通过换向阀组分管铲斗缸、动臂缸、推土缸和挖土缸   现具体说明 如下：   .a  推动手柄使二位三通换向阀 7左端接通控制油路，阀 7的左位机能起作用。同时也推动手柄使三位六通换向阀 10上端接通控制油路，阀 10的上位机能起作用，将主油路沟通。  进油路线      泵 1 二位三通阀 7 左位 单向阀 9 三位六通换向阀 10 上位 复合液控单向阀                                                                         小型液压挖掘机系统优化设计              1416 铲斗液压缸 22右腔  此时铲斗液压缸的右腔压力逐渐增大，推动活塞向左运动。  回油路线      铲斗液压缸 22左腔 复合液控单向阀 16 三位六通换向阀 10上位 过滤器 2 油箱   .b 推动手柄使二位三通换向阀 7 左端接通控制油路，阀 7 的左位机能起作用。同时也推动手柄使三位六通换向阀 10下端接通控制油路，阀 10的下位机能起作用，将主油路沟通。  进油路线      泵 1 二位三通阀 7 左位 单向阀 9 三位六通换向阀 10 下位 复合液控单向阀16 铲斗液压缸 22左腔  此时铲斗液压缸的左腔压力逐渐增大，推动活塞向右运动。  回油路线      铲斗液压缸 22右腔 复合液控单向阀 16 三位六通换向阀 10下位 过滤器 2 油箱   .c 推动手柄使二位三通换向阀 7 左端接通控制油路，阀 7 的左位机能起作用。同时也推动手柄使三位六通换向 阀 10中端接通控制油路，阀 10的中位机能起作用，将主油路沟通。  进油路线      泵 1 二位三通阀 7左位 过滤器 2 油箱  同理泵 1 通过三位六通阀 11、 12、 13 分别控制斗杆液压缸 21、动臂液压缸 20、推土液压缸 23， 也有三种情况 。 此系列的最大工作压力由溢流阀 4确定，阀 18、阀 19组成液压锁防止液压缸在停止运动时因外力的作用发生位移或窜动。 单向阀 9也起锁紧作用，溢流阀 8起调压和保 护作用，当系统压力过大时，液压油冲开溢流 8的弹簧装置直接流回油箱。  3.2.2  泵 2 通过另一组多路换向阀分管行走马达和回转马达   现具体说明如下：   .a  推动手柄使二位三通换向阀 6右端接通控制油路，阀 6的右位机能起作用。同时也推动手柄使三位六通换向阀 31上端接通控制油路，阀 31的上位机能起作用，将主油路沟通。  进油路线      泵 2 二位三通阀 6右位 单向阀 25 三位六通换向阀 31上位 复合液控单向阀26 回转马达 34左腔  回油路线      回转马达 34 右腔 复合液控单向阀 26 三位六通换向阀 31 上位 过滤器 1 油箱   .b  推动手柄 使二位三通换向阀 6右端接通控制油路，阀 6的右位机能起作用。同时也推动手柄使三位六通换向阀 31下端接通控制油路，阀 31的下位机能起作用，将主油路沟通。                                                                           小型液压挖掘机系统优化设计              15进油路线      泵 2 二位三通阀 6右位 单向阀 25 三位六通换向阀 31下位 复合液控单向阀26 回转马达 34右腔  回油路线      回转马达 34 左腔 复合液控单向阀 26 三位六通换向阀 31 下位 过滤器 1 油箱   .c 推动手柄使二位三通换向阀 6 右端接通控制油路，阀 6 的右位机能起作用。同时也推动手柄使三位六通换向阀 31中端接通控制油路，阀 31的中位机能起作用，将主油路沟通。  进油路线      泵 2 二位三通阀 6右位 过滤器 1 油箱  同理泵 2 通过三位六通阀 35、 36 分别控制左行走马达 35、右行走马达 36，也有三种情况。此系列的最大工作压力由溢流阀 3 确定，阀 18、阀 19组成液压锁防止回转马达在停止运动时因外力的作用发生位移或窜动。单向阀 25也起锁紧作用，溢流阀 24起调压和保护作用，当系统压力过大时，液压油冲开溢流 24的弹簧装置直接流回油箱。溢流阀 27、溢流阀 28、溢流阀 29、溢流阀 30起调压和保护作用，当系统压 力过大时，液压油冲开溢流的弹簧装置经三位六通换向阀直接流回油箱。  另外过滤器 1、 2使油液过滤，压力表显示压力值， 当挖掘时遇到坚硬的土壤或石块时，油路经二位三通换向阀 6、二位三通换向阀 7进入 冲击器 并将其击碎同时 起防止冲击，缓冲液压系统压力作用。                                                                                                       小型液压挖掘机系统优化设计              16第四 章  确定液压系统的主要参数   液压系统的主要参数是压力、流量和功率。通常，首先选择系统的设计压力，并按最大外负载和选定的设计压力计算执行器的主要几何参数，然后根据对执行器的速度要求，确定其流量。压力和流量一确 定，即可确定其功率。  4.1 初选系统工作压力  压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力底，势必要加大执行元件的结构尺寸，反之压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对与固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机构重载设备压力要选得高一些。  由于本设计是小型路面挖掘、碎石两用机，机重约 1吨 ,工作时冲击器功率也不大，小型挖掘机在工程机械中常选取中压压力 (10 20MPa)，考虑到最好采用国家系列标准值“公称压力及流量系列” (16824JB),所以初选定系统工作压力为 10MPa。  4.2  计算液压缸的流量     AVQ  rm/3                                       (4-1)      A 液压缸的有效工作面积  2m  V 活塞与缸体的相对速度   sm/  a.  铲斗缸、推土缸  代入数据得                V 取 0.08 sm/                       Q smD /08.04 2              =0.00040192 sm/3               =401.92 sml/               =24.12 min/l  4.3 计算液压缸的功率  液压 缸所做的功为 W=FS 功率则为 N= FVWSFtFStW t  由于 F=PA， V=AQ代入上式，则                                                                           小型液压挖掘机系统优化设计              17N=FV=PAAQ=PQ                                                   （ 4-2）  P-工作压力（ Pa）  Q-输入流量（ sm3 ）      a. 铲斗缸，推土缸         N2 =10601012.241036           =4.02 W310  表  2 液压执行元件实际工作压力   工况  执行元件名称  载荷  背压力  流量 L/min 工作压力MPa 功率  挖掘  铲斗缸  38.9  KN  24.12 10 4.02kw 挖掘  推土缸  38.9  KN  24.12 10 4.02kw  4.4 计算液压缸的主要结构尺寸  4.4.1 计算液压缸的主要结构尺寸 -液压缸的内径 D                            图 4-1  2211 APAPF MW                                 (4-3)     的回油压力的忽略不计2P    1A  - 无杆腔活塞有效作用面积    2m  2A  - 有杆腔活塞 有效 作用 面积    2m                                                                           小型液压挖掘机系统优化设计              181P  - 液压缸工作腔压力   Pa 2P  - 液压缸回油腔压力   Pa   其值根据回路的具体情况而定回油路较短，且直接回油箱可忽略不计  D  活塞直径   m  d -  活塞杆直径   m    -  液压缸的机械效率   此系统为 0.9 表 3液压缸、气压缸的缸筒内径尺寸系列                    /mm         8 40 125 （ 280）  10 50 （ 140）  320 12 63 160 （ 360）  16 80 （ 180）  400 20 （ 90）  200 （ 450）  25 100 （ 220）  500 32 （ 110）  250  注：括号内数值为非优先选用者    铲斗缸、推土缸的内径 D 代入数据      1610109.035000 A          21 4 DA           (4-4)                得      D=70.38 查表 3 得  D=80mm  4.4.2 计算液压缸的主要结构尺寸 -活塞杆的直径 d             Dd 1  mm                               (4-5)                                 d  塞杆直径  D  液压缸内径   -  速比   由表 4 得   表 4 公称压力 /MPa 少于等于 10 12.5 20 大于 20  1.33 1.46， 2 2  铲斗缸、推土缸的活塞杆直径 d 代入数据得   80212 d  d=56.5 mm                                                                          小型液压挖掘机系统优化设计              19查表 5得    d=56 mm 表 5  液压缸、气 压缸的活塞杆外径尺寸系列                   /mm 4 18 45 110 280 5 20 50 125 320 6 22 56 140 360 8 25 63 160  10 28 70 180  12 32 80 200  14 36 90 220  16 40 100 250   4.4.3 选择液压马达   1  回转液压马达     根据排量 rmlq /630    输出力矩 MNT 900  选用  BMV-630摆线齿轮马达   排量  额定压力  最高压力  额定转速  最高转速  工作油温  630 rml/  16MPa  18MPa  170 /r min  210r/min 20 00 60  容积效率  总效率  额定功率  输出转矩  生产厂家  油液过滤温 度  90% 80% 26KW 1490N M  镇江 液压总厂  100 -300  1 行走液压马达  根据排量 rmlq /315    输出力矩 MNT 450  选用  BMV-315摆线齿轮马达  排量  额定压力  最高压力  额定转速  最高转速  生产厂家  315mL 16mPa 20mPa 335 minr  420 minr  镇江液压总 厂  工作由温  容积效率  总效率  额定功率  输出 转矩  油液过滤温 度  200 -600  90% 80% 25kw 705N M  100 -300                                                                                 小型液压挖掘机系统优化设计              20第五 章   液压缸的设计   5.1  选择液压缸的类型和安装方式  5.1.1   根据挖掘机工作时的运动要求、机构要求及成本等综合因素，选择直线运动液压缸里的 单活塞双作用液压缸 。  5.1.2   动臂缸、斗杆缸的行程 500mm，铲斗缸、推土缸的行程 250mm 5.1.3   系统工作压力为 10MPa，根据挖掘机的结构安装方式，选定液压缸的安装方式为耳环型。缸体与缸盖采用螺栓连接方式。   5.2 液压缸性能的参数计算  5.2.1  液压缸的输出力  a. 铲斗缸，推土缸   F =F2W=35KN 5.2.2  液压缸的阻力         FAPf                                                  (5-1)                                                          P 公称压力  A 活塞的有效面积  F 液压缸的输出力     a. 铲斗缸，推土缸       3 5 0 0 01010)08.0(4 62 f         =50240-35000        =15240 N  5.2.3  液压缸的输出速度  (1) 单活塞 双作用液压缸活塞外伸时的速度  1160 AQv   &