履带式液压挖掘机的毕业设计论文.doc

毕业论文题 目 SC180.7履带式液压 挖掘机的设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机升0901 学 生 刘长平 学 号 20090404036 指导教师 赵洪华 二一一 年五月二十五日1 前言1.1液压挖掘机的作用改革开放以来，我国的科学技术、信息技术迅速发展，各行各业都发生了翻天覆地的变化，各行各业都在奋力拼搏、大胆创新，使得工程机械品种不断增加，产量不断升高、性能不断完善、发展势头强劲。 液压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建设、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的土方机械。它的发展与应用反应了一个国家施工机械化的水平。 液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的，液压挖掘机的工作过程是以铲斗的切割刃切削，铲斗装满后提升回转至卸载位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。所以，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。 液压挖掘机在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、漏天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可少的一种重要机械设备。 在建筑工程中，可用来挖掘基坑、拆除旧有建筑物、平整场地等。更换工作装置后，可进行装卸、打桩和拔除树根等作业。 在水利中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚原有的河道等。 在铁路公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟。 在漏天采矿上，可用来剥离表面、采掘矿石和煤，也可用来进行装载和钻孔等作业。 在军事工程中，可用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工速度，促进各项事业的发展，都起着很大的作用。1.2 液压挖掘机的工作特点和基本类型1.2.1液压挖掘机的主要优缺点 1）液压挖掘机在动力装置和工作装置之间采用容积式液压静压传动，即靠液体的压力能进行工作，液压传动与机械传动相比有许多优点 2）液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 3）重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。 4）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1）。 5）可自动实现过载保护。 6）一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长； 7）很容易实现直线运动/8) 很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。 基于液压传动的上述特点，液压挖掘机与机械传动挖掘机相比，具有以下主要特点： 1)大大的改善了挖掘机的性能，挖掘力大、牵引力大、机器重量轻、传动平稳，作业效率高，结构紧凑。 2)液压挖掘机的液压系统有防止过载的能力，所以使用安全可靠，操纵简便，由于可采用液压先导控制，无论驱动功率多大，操作均很灵活，司机的工作条件得到了改善。更换工作装置时，由于不牵连状态上不的其他机构，一次更换工作装置容易，而机械式挖掘机则受到提升机构和推压机构的牵连和限制 3)由于液压传动易于实现自动控制，因此现在挖掘机普遍采用了以微处理器为核心的电子控制单元，使发动机、液压泵、控制阀和执行元件在最佳匹配状态下工作，以实现节能和提高作业效率，同时还可以实现整机状态参数的电子控制和故障诊断。 4)液压元件易于实现标准化、系列化、通用化，便于组织大规模专业化生产，进一步提高了效率和降低成本。 1.2.2液压挖掘机的基本类型及主要特点 （1）根据行走机构的类型来划分 根据行走机构的不同，可分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式和拖式。履带式液压挖掘机应用最广，在任何路面行走都具有良好的通过性，对土壤有足够的附着力，接地比压小，作业时不需设支腿，使用范围较大，在土质松软或沼泽地带作业的液压挖掘机，还可以通过加宽履带来降低接地比压 轮胎式液压式液压挖掘机具有行走速度快，机动性好，可在多种路面上行走的特点。这种挖掘机都是四支点，目前轮胎式液压挖掘机的行走部分斗数采用机械传动和单独液压马达的集中传动。 悬挂式液压挖掘机式将工作装置安装在轮胎式拖拉机上，可以达到一机多用的目的，拆卸方便，成本低廉。 拖式挖掘机没有传动机构，行走时由拖拉机牵引。 （2）根据工作装置划分 根据工作装置的不同可分为铰链式和伸缩臂式挖掘机铰链式工作装置应用较为普遍。这种挖掘机的工作装置靠个构件绕绞点转动来完成作业。伸缩臂是挖掘机的动臂由主臂及伸缩臂组成，伸缩臂可以在主臂内伸缩，还可以变幅。1.3 国内外液压挖掘机研究现状及发展趋势1.3.1 研究现状国外发展现状，为了提高挖掘机的作业生产率，自90年代以来，各生产厂商在广泛采用新技术，相继研制出许多功能超强的系统。国外挖掘机制造采用的先进技术主要体现在以下几个方面：(1)改革动力和传动系统，用“交直”变流拖动装置代替发电机组；工作装置及其过载保护机构采用液压传动；行走机构采用液压传动或用电动机配以大型减速箱的独立行走方案。(2)采用脉冲调节交流变频系统和全功率调节变量系统，使其可承受宽幅电压波动范围(+10%-30%),获得比较理想的挖掘特性；功率因数较高，耗电量较低。同时，使维护工作量减小，设备利用率提高。(3)动力电子控制/管理系统根据传动装置及液压系统的工作状态，自动调节发动机输出功率，以满足不同作业工况的需要，提高燃料的经济性。(4)发动机自动控制系统当挖掘机处于非作业工况时，自动降低发动机转速，减少燃料消耗及发动机噪音。(5)关键信息显示/管理系统采用网络通讯技术，在办公室的控制中心实时控挖掘机的作业状态，据此向司机提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。(6)转向变速集成控制系统取消传统的方向盘和变速杆，将转向与变速操纵装置集成为一个操纵手柄，并采用简单的触发式控制开发和选档用的分装式加速按钮。(7)负载感应变速系统根据负载状态，自动调节车速及发动机飞轮扭矩，实现高速、小扭矩或低速、大扭矩的动力输出。(8)监控/管理系统-连续监控/管理挖掘机数十项性能指标参数，在遇到突发或紧急情况时很容易通过液晶仪表显示、听觉与视觉相结合报警信号，提醒驾驶人员注意。国内发展概况，向我国挖掘机行业的主导产品，基本上都是以柳工70年代初开发的ZL50为基础发展起来的。进入80年代消化吸收了美国Caterpillar、日本小松等先进技术，逐步开发成功了我国第二代挖掘机产品。它与第一代显著不同之处，主要是增设了空调系统、紧急制动系统、落物保护装置等。我国的第二代产品与国际先进水平相比，在机电一体化、操纵舒适性、作业效率等方面有较大差距，差距最大的是产品可靠性。目前我国挖掘机行业已经出现了第三代产品，以柳工、徐工的ZLOG为代表。第三代产品的显著特点有:(1)工作液压系统的系统压力与国际接轨，由原来普遍的16MPa提高到20MPa以上。(2)机电一体化水平大大提高。变速操纵由原来的机械液压操纵改为电脑集成控制系统(EST17T)控制电液操纵。同时还采用了多种型式的电子监控系统。(3)采用了全密封内藏湿式多片式制动器及制动可靠、性能卓越的全液压制动系统。(4)采用了当今世界上流行的流线形外观设计，并采用了前后玻璃分别为一体的更加优美的空调密封驾驶室。 第三代产品的整机性能也有很大的提高，各主要性能指标基本上能与世界先进水平接轨。但在可靠性、舒适性、作业效率及制造水平等方面和国外先进水平还有相当差距。第四代产品在第三代的基础上也已出现，进一步优化了整机的性能及配置，电控箱、湿式制动器等新技术得到了应用，并形成了各企业的专有技术及专利技术，使产品以崭新的面目推场。这些都将进一步促进我国挖掘机行业的技术进步。 1.3.2 发展趋势 工业发达国家的液压挖掘机生成较早，产品线齐全，技术成熟，美国德国日本式挖掘机的主要生产国，具有较高的市场占有率，从20世纪后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展，从功能上看，在满足基本功能的基础上，向多功能化，专业化方向发展，从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。 2 挖掘机的整体设计2.1 设计依据履带式行走装置的特点：牵引力大，接地比小，转弯半径小，机动灵活。采用液压传动，能实现无级调速。每条履带各自有驱动的液压马达及减速装置。 设计参数：机重 18T 标准斗容量 0.7M3 最大行走速度 3-5KMh 发动机功率 80-100KW 爬坡能力不低于 40%2.2 履带式液压挖掘机的总体构造与组成液压挖掘机主要有发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电器控制等部分组成。液压系统有液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。从系统仿真建模的角度，挖掘机可分为:动力系统、机械系统、液压系统、控制系统。(1)动力系统 柴油机是用柴油做燃料的内燃机，属于压缩点火式发动机，柴油机具有热效率高的显著特点，经济性优于汽油机，功率大，符合工程机械向大型化发展的趋势。柴油机具有较好的燃油经济性，使用成本低，在相同的驾驶历程里，可以设置容积小些的油箱。柴油机热效率高达38%，而汽油机为30%；柴油机工作可靠，寿命长排污量小。为了节能，各国都在关注燃烧过程，研究燃用低质劣油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦损失、广泛应用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染。考虑到液压挖掘机常作用于野外，而柴油机作为动力装置不受电源、电缆的限制，使得液压挖掘机移动行走方便，顾本设计采用了柴油机作为动力源。挖掘机工作的主要特点是环境温度变化大，负荷变化大，经常倾斜工作，维护条件差。因此挖掘机原动力一般由柴油机提供，柴油机具有工作可靠、功率特性曲线硬、燃油经济等特点，符合挖掘机工作条件恶劣，负载多变的要求。(2)机械系统 挖掘机的机械系统部分是完成挖掘机各项基本动作的直接执行者，主要包括行走装置、转向机构和工作装置。行走装置是整个机器的支撑部分，承受机器的全部重量和工作装置的反力，同时能使挖掘机作短途行驶。 转向机构是用来操纵挖掘机的行驶方向的，根据行驶和作业的需要，应能稳定地直线行驶，并能灵活地改变行驶方向。工作装置是挖掘机完成实际作业的主要组成部分，它是带有液压缸的空间多杆机构。(3)液压系统挖掘机的主要运动有整机行走、转向、动臂升降和铲斗翻转等。在全液压挖掘机中这些运动都靠液压传动。根据以上工作要求，把各液压元件用油管有机地连接起来的组合体即是挖掘机的液压系统。该系统的功能是把发动机的机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等转变为机械能，再传动各执行机构，实现各种运动和工作过程。液压系统设计得合理与否，对挖掘机的性能起着决定性的作用。同样的元件，若系统设计不同，则挖掘机性能差异很大。液压系统的工作回路中一般都包含限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路和辅助回路等典型回路。(4)控制系统挖掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液压马达)等进行控制的系统。对发动机的控制有电子功率优化系统、自动怠速装置、电子调速器、电子油门控制器。液压泵的控制有功率、流量、组合控制系统。液压控制阀由先导型控制系统、负荷传感控制系统组成。挖掘机的控制逐步向智能化机电液控制系统方向转移。有了挖掘机虚拟样机，可以在虚拟样机上方便地测试挖掘机中各种控制系统的响应能力、控制效果，以及控制系统对挖掘机整机性能的影响。2.2.1液压挖掘机的上车结构及组成图2.1 液压挖掘机的上车组成 （1）主泵 主泵是将油箱的工作油抽送至主控阀的部件，可分为流向主油路和先导油路的泵组成。主泵是使工作油循环起来的部件，挖掘机的所有动作所需的工作油都是由它来供应。挖掘机主泵由两个变量柱塞泵组成。 先导泵全称先导式定量齿轮泵，液压挖掘机的先导油路中的油是由它来供应。同时对主油路起到辅助控制功能。前泵调节器 后泵调节器Pi2Pm2B 1a 1a 2KAWASAKID rB 3a3 前泵 中间体 后泵 先导泵图2.2 主泵的组成（2） 主控阀主控阀是将来自主泵的工作油分配到各个驱动装置实现挖掘机实际操作的部件。主控阀集中了大臂操作、小臂操作、铲斗操作、回转操作、左行走操作、右行走操作等六种基本操作于一体。图2.3 主控阀（3）回转马达 回转马达是驱动上部车体相对于下车架旋转的部件，由回转马达、减速器和制动装置组成。回转马达是利用选择阀供给的工作油实现回转运动的部件，回转速度取决于供给的流量，利用回转减速机来降低自于回转马达的转速提高回转扭矩，通过回转制动装置在停止回转时，降低冲击的装置。（4）中央回转接头和回转支撑中央回转接头使相对旋转的上部和下部油路互相贯通连接的部件。在挖掘机液压系统中，主控阀至行走马达的油路就是通过中央回转接头相连接的。回转支撑是一种轴承，其外轮固定在上部车体，内轮固定在底盘，可以使上下车体在底盘上自由回转。（5）配重调整挖掘机重心的部件，通过适当的重心调整，防止整机前倾或者后仰。靠近发动机的内侧还贴有吸收噪声的材料，可以降低发动机发出的噪声。（6）油冷却器油冷却器主要有风扇组成，工作中的油液在循环时由于阻力，温度会逐渐上升，黏度逐渐下降，内泄量也会随之增大。因此，为了维持一定的黏度，可利用冷却器使上升的油温降下来。2.2.2 液压挖掘机下车结构及组成图2.4 液压挖掘机的下车组成3 行走装置的设计3.1 设计原则1）应有较大的驱动力，使挖掘机在湿软或高低不平等不良地面上行走势具有良好的通过性能、爬坡性能和转向性能。2）在不增大行走装置高度的前提下使挖掘机具有较大的离地间隙，以提高其不平地面上的越野性能。3）行走装置具有较大的支撑面积或较小的接地比压，以提高挖掘机的稳定性。4）挖掘机在斜坡下行走时不发生下滑和超速溜坡现象，以提高挖掘机的安全性。5）行走装置的外形尺寸应符合道路运输的要求。3.2 行走装置的组成及其特点 带式行走装置由“四轮一带”（即托链轮、引导轮、支重轮、链轮以及履带），张紧装置和缓冲装置，行走机构，行走架（包括底架、横梁和履带架）等组成。（1）链轮 挖掘机的驱动力是通过行走马达和链轮传给履带的，因此链轮应当与履带节啮合正确、传动平稳，并且当履带的销套磨损而伸长时仍能很好的啮合。 链轮位于挖掘机行走装置的后部，这样履带的涨紧段较短，减少其磨损和功率损耗。 （2）引导轮引导轮用来引导履带正确绕转，防止履带跑偏。但同时引导轮还起到支重轮的作用。这样就增加了履带对地面的接触面积，减少了接地比压。引导轮轮面光滑，中是凸起的挡肩环作为导向用，两侧的环面支撑履带节。引导轮一般用40、45号钢或35Mn钢铸造，调制处理，硬度为HB230270。（3）支重轮 支重轮将挖掘机的重量传递给地面，挖掘机在不平路面上行走时支重轮经常承受地面的冲击力，因此支重轮承受的载荷比较大。支重轮的工作条件也比较恶劣，经常处于尘土走过中，还时常泡在泥水中，所以要求密封要好。支重轮采用滑动轴承来支撑。支重轮两边的凸缘起到夹持履带的作用以免行走时履带脱落。支重轮一般采用35Mn或50Mn钢铸造而成，轮面淬火硬度为HRC4857以获得良好的耐磨性。（4）托链轮 托链轮的结构和支重轮相似，只不过一个是装在下车履带架下面，另一个是装在履带架上部。托链轮起着支撑履带，保持履带涨紧度的作用。 （5）履带 履带我们选用组合式，它由履带板、链轨节、履带销和销套等组成。左右链轨节与销套紧密配合连接，履带销轴插入销套有一定的间隙，以便转动灵活。组合式履带的节距小，绕转性好，使挖掘机行走速度较快，销轴与衬套硬度较高、耐磨，使用寿命长。 （6）涨紧装置液压挖掘机的履带使用一段时间后由于链轨销轴的磨损会使啮合间隙增大，并且会使整个履带伸长，会导致磨损履带架等问题所以都设置涨紧装置，以调节履带的涨紧度，减少履带的振动噪声、摩擦磨损以及功率的损失。目前，我们选用液压涨紧装置，带有辅助液压缸的弹簧涨紧装置借助于润滑用的黄油枪将润滑脂压入到液压缸，使活塞外伸，一段移动导向轮，另一端压缩弹簧。 行走装置的工作原理：挖掘机运行时驱动轮在履带的紧边，企图把履带从支重轮下拉出，由于支重轮下的履带与地面间有足够的附着力，组织履带的拉出，迫使驱动轮卷动履带，导向轮再把履带铺设到地面上，从而使挖掘机借支重轮沿着履带轨道向前运行。 液压传动的履带式行走装置，挖掘机转向时由安装在两边履带上、分别由两台液压泵供有的行走马达通过对油路的控制，很方便的实现转向或就地转弯，以适应挖掘机在各种地面、场地上运动。3.3 主要参数的确定 3.3.1行走液压泵（1） 最大功率P P= （kw） （3.1）式中 p-最大工作压力 Q-液压泵最大流量 -液压泵总效率 R-液压泵变量系数，定量泵取1，变量泵取22.5。p=1=14.6kw（2） 最大流量Q Q=（L/min） （3.2）式中 q-液压泵最大排量 n-液压泵转速 -液压泵容积效率，一般取0.97Q=206（L/min）（3） 转速nn=n1/i (r/min)（3.3）式中 n-发动机转速 i-泵分动箱传动比i=1（4）扭矩MM=（3.4）式中 p -最大工最压力 R- 液压泵变量系数，定量泵取1，变量泵取22.5。q-液压泵最大排量-液压泵机械效率，一般取0.95M=63.8(Nm)3.3.2 行走液压马达 （1）最大扭矩M1M1= (Nm)（3.5） 式中 p-液压马达进出口压力差 q-液压马达最大排量 -液压马达机械效率，一般取0.95M1=57.6(Nm)（2） 最大转速n2n2=（3.6）式中 Q-液压泵最大输出流量 -液压泵容积效率，一般取0.97 q-液压马达最大排量n2=1784 (r/min)4 工作装置的设计4.1 设计原则1）铲斗的纵向剖面形状应适应挖掘过程各种物料在斗中运动规律，有利于物料的流动，使装土阻力最小，有利于将铲斗充满。2) 装设斗齿，以增大铲斗对挖掘物料的线比压，斗齿及斗形参数具有较小的单位切削阻力，便于切入及破碎土壤。斗齿应耐磨、易于更换。 3)为使装进铲斗的物料不易掉出，斗宽与物料直径之比应大于4：1。 4）物料易于卸净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。 4.2 工作装置的主要组成及其特点 工作装置是直接完成挖掘任务的装置，是液压挖掘机的重要组成部分，它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩、铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。根据斗杆和动臂刚性连接可分为正铲和反铲两种。 4.2.1 反铲结构及特点 铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构形式，动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接，在液压缸的作用下各部分绕交接点摆动，完成挖掘动作。 （1）动臂 动臂是反铲的主要部件，组合式动臂它用辅助连杆或液压缸或螺栓连接而成。上下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节，在挖掘作业中可随时大幅度调整上下臂之间的夹角，从而提高挖掘机的作业性能尤其是在反铲或抓斗挖掘窄而深的基坑时，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产力。本设计选用组合式动臂。 （2）反铲斗 反铲斗用的铲斗形式、尺寸与其作业对象有很大关系。铲斗的斗齿采用装配式，其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式。图4.1 反铲式挖掘机的主要部件4.2.2 正铲工作装置 单斗液压挖掘机的正铲结构主要有动臂、动臂油缸、铲斗、斗底油缸等组成。 铲斗的斗底利用液压缸来开启，斗杆油缸的一端铰接在动臂上，另一端铰接在斗杆上。动臂都为单杆式，顶端呈叉形，以便于斗杆铰接图4.2 正铲式挖掘机的主要部件 本设计根据设计要求，立足于反铲，主要用于挖掘机面一下的土壤。反铲挖掘机每一作业循环包括挖掘、回转、卸料和返回等四个过程。其工作过程为：先放下动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，向着挖掘机方向拉转，当挖掘至装满铲斗的时候，提升动臂式铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸掉土壤，然后再回转到工作面。因此经过上述比较，选择组合式动臂反铲装置作为本设计的工作装置。4.3 反铲的设计参数（1）挖掘阻力切向阻力F1=bc（4.1）法向阻力F2=F1（4.2）式中 -挖掘比阻力，由试验确定 -系数，由试验确定 b-斗宽 c-切削厚度 （2）挖掘功 当不计土壤的松软系数和铲斗的装满系数时，斗容量Q=bcL（4.3） L-挖掘行程 所以上述切向阻力P1=bc=q/L 即P1 L=q 在挖掘过程中法向阻力不做功，只有切向阻力做功，简称挖掘功 5 回转装置的设计5.1设计原则 1）当角加速度和回转力矩不超过允许值时，应尽可能的缩短转台的回转时间。在回转部分惯性矩已知的情况下，角加速度的大小受转台最大扭矩的限制，此扭矩不应超过行走部分与土壤的附着力矩。 2）回转机构运动时挖掘机工作装置的动载荷系数不应超过允许值。5.2 回转装置的组成及其特点液压挖掘机回转装置由转台、回转支撑和回转机构等组成。回转支撑的外座圈用螺栓与转台连接，带齿的内座圈与底架用螺栓连接，内外座圈之间设有滚动体。转台的主要承载部分是由钢板焊接成的抗扭和抗弯刚度很大的箱形框架结构主梁，动臂及其液压缸酒只承载主梁的吊耳上。主梁下有衬板和支撑环与回转支撑连接，转台支撑处应有足够的刚度，以保证回转支撑正常运转。回转支撑采用滚动轴承式，其特点是：尺寸小、结构紧凑、承载能力大，回转摩擦阻力小，滚动体与滚道之间的间隙小，回转支撑的转速小，内外座圈的刚度依靠转台与底架来保证。 回转机构按照转台的旋转角度分为：完全回转（360.)和不完全回转（90-270）。液压挖掘机回转支撑装置用于承载回转平台以上机体的重量并实现回转运动。除了再悬挂式和伸缩臂式液压挖掘机的上游采用半回转的回转机构外，现代液压挖掘机的回转机构普遍采用了完全回转的液压传动方式。合理的设计选择回转机构，对于提高生产率和能源利用率具有十分重要的意义。本设计采用完全回转机构。5.3 回转系统原理图图5.1 回转装置原理工作原理：A、B是回转马达的主油口，当A是进油口，则B是出油口，当回转马达停止运转时，这时二位二通电磁换向阀打开，防止马达反转。而当进油口压力过大时，过多油液经安全阀流回油箱，油液不足时可以通过M补油口进行补油，当PX动作时二位二通电磁换向阀动作，使液压缸的活塞右移回转马达部制动，当PX不动作时液压缸的油液在弹簧力作用下经二位二通电磁换向阀流出，回转马达制动，回转马达把液压能转换成机械能经减速器后传给回转装置。6 液压系统总体设计6.1 液压系统设计液压系统的设计作为机电一体化挖掘机设计的重要组成部分，设计时必须满足挖掘机工作循环所需的全部技术要求，且静动态性能好、效率高、结构简单、工作安全可靠、寿命长、经济性好、使用维护方便。6.1.1 液压挖掘机的工况分析液压挖掘机的主要功能动作包括以下几个动作：动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作。去了辅助动作不需要全功率驱动以外，其他都是液压挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。挖掘机的典型作业流程：1） 整机移动至合适的位置2） 回转平台，使工作装置处于挖掘装置3） 动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置4） 斗杆、铲斗挖掘作业5） 动臂升起6） 回转工作装置至卸载装置7） 操纵斗杆、铲斗卸载液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括：1） 挖掘：通常以铲斗液压缸和斗杆液压缸进行挖掘，或者两者配合进行挖掘，因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作。2） 满斗举升回转：挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同事回转液压马达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。3） 卸载：转到卸土点时，转动制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液压缸回缩。此时是斗杆和铲斗的复合动作。4） 空斗返回：此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。6.1.2 液压系统主要参数的确定整机重量（kg）18200标准斗容（m3）0.7履带板宽（mm）600高/宽/长（mm）5426/3260/8594铲斗挖掘力（KN）138斗杆挖掘力（KN）106最大牵引力（KN）182行走速度（km/h）5/3爬坡能力%70接地比压（kpa）42回转速度（rpm）11.7发动机CUMMINS6BTA5.9最大扭矩（nm）786排量（L）5.9功率/转速（kw/rpm）112/1950燃油箱容量（L）350主泵K3V112DT类型2个变量柱塞泵1个齿轮泵压力（Mpa）34最大流量（L/min）206齿轮泵压力（Mpa）32最大流量（L/min）102液压油箱容量（L）246最大挖掘高度9275mm最大卸载高度6560mm最大挖掘深度6515mm最大挖掘半径9680mm轮距2180mm履带总长4070mm平台离地间隙1065mm底盘宽度2780mm底盘离地间隙468mm履带宽度2780mm履带高度600mm运输长度4500mm6.1.3 机电一体化液压挖掘机的工作原理 机电一体化液压挖掘机，利用各种传感器，柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给个液压执行元件驱动相应的机构进行工作。机电一体化液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的动作通过液压缸的伸缩来实现。反铲工作装置由铲斗、斗杆、动臂、连杆及相应的三组液压缸组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时通过回转马达、行走马达，转动转台，使工作装置转到挖掘装置。6.1.4 液压缸几何尺寸的计算 由下表可知，挖掘机液压系统最大负载约为时易取液压缸的工作压力。液压缸选用单杆式，并在工作时采用差动连接，此时液压缸无杆腔工作面积A1应为有腔工作面积A2的两倍。由于液压缸回油路上具有背压力存在，进行对挖掘机的锁定，可取。表1 按负载选择执行元件工作压力负载F/N50000工作压力p/Mpa57表2 执行元件背压力系统类型背压力/Mpa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路叫复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计由于差动式单杆连接，所以活塞杆直径d与缸筒直径D的关系d=0.707D.根据公式 A1=48（cm3） (6.1) 故有 D=78.2（mm） (6.2) d=0.707D=55.29（mm） (6.3)当按GB/T22348-1993将这些直径圆整成就近标准值时：D=80mm d=63mm 由此求的液压缸两腔的实际有效面积为 A=/4=50.24(cm2) (6.4) A2=19.08(cm2) (6.5) 为了简化工艺和降低成本，应尽量采用GB/T2348-1993标准的液压缸行程，则根据技术要求取行程为1800mm。6.1.5 液压缸结构参数的计算 1）缸筒壁厚的计算 对于低压系统或16时，液压缸筒厚度一般按薄壁筒计算： (6.6) 式中 -液压缸缸筒厚度 Py-试验压力，当工作压力P16Mpa,Py=1.5P 当31.5P16MpaPy=1.25P, 当P31.5Mpa Py=1.15P 这里取Py=1.5P=19.5Mpa. D-液压缸内径（m） -缸体材料的许用应力（Mpa） (6.7)-缸体材料的抗拉强度（Mpa） n-安全系数 n=3.55 一般取n=5对于锻钢45许用应力取（Mpa）则=7.09(mm)根据机械设计手册取D1=100mm2)液压缸油口直径的计算计算公式：do=0.13D(6.8)式中 d0-液压缸油口直径（m） D-液压缸内径（m） V-液压缸最大输出速度(m/min) V0-油口液流速度(m/min) 根据机械设计手册取v0=7m/min活塞外伸速度 v=60Q/A3 (6.9)Q=2206+102=514（L/min）A3-活塞杆面积 d-活塞杆直径代入数据得 d0=0.130.08=0.0385（m）取为d0=38mm6.2 液压系统原理图的制定6.2.1 制定基本回路液压驱动行走系统按照回路特征分类可以分为开式系统和闭式系统。开式系统如图所示，它的特点是液压泵自接从油箱中吸油，供执行工件使用后又返回油箱，即油液的循环必须经过油箱交换。开式系统的主要优点有:系统结构简单构成灵活,有一个较大的油箱，能够起到良好的自然散热作用，油中污物可在油箱中沉淀，降低了对过滤器的要求:可以进行节流调速，容积调，或者两者同时使用，即复合调速，故调速范围较大。开式系统的缺点有:油箱体积，油与空气接触增加了混入空气的机会,为增加系统的稳定性，有时要在回油路上增速加大背压阀，增加了回油阻力。图6.1开式液压传动系统图 图6.2闭式液压传动系统图闭式系统如图所示，它的特点是:系统中的油液自成循环，无需通过油箱交换;执行工件的回油自接进入油泵的入口，吸油条件好。闭式系统的主要优点有:结构紧凑，没有开式系统中那种体积很大的油箱，只有一个体积不大的补油用的油箱，不接触空气，减少了混入空气的机会;系统中一般都用双向变量泵，自接用液压泵的变量机构调节速度和方向，避免了换向阀控制方式造成的节流损失和换向冲击。闭式系统的缺点有:由于没有大体积的油箱，自然冷却条件差，油液中的污物也不能在油箱中沉淀，一般都需要加冷却器，对滤油器的要求也很高，鉴于上述对液压传动系统中采用的开式系统和闭式系统的分析，对于挖掘机液压系统的构成方案，最终选择开式系统（1）节流回路节流调速是利用节流阀的可变通流截面改变流量而实现调速的目的，这种调速方式结构简单，能够获得稳定的低速。根据节流阀的安装位置：分为进油节流调速和回油节流调速。图6.3 节流回路进油节流调速，节流阀3安装在高压油路上，如图A，液压泵1与节流阀串联，节流阀之前装有溢流阀4，压力油经节流阀和换向阀5进入液压缸的大腔使活塞右移。负载增大时液压缸大腔压力增大，节流阀前后的压力差减小，因此通过节流阀的流量减少，活塞移动速度降低，一部分油液通过溢流阀流回油箱。反之，随着负载减小，通过节流阀进入液压缸的流量增大，加快了活塞移动速度，溢流量相应的减少。回油节流调速，节流阀安装在低压回路上，如图B，限制回油流量。2）限压回路限压回路用来限制压力，使其不超过某一调定压。限压目的为限制系统的最大压力，使系统和元件不因国在而损害，根据工作需要，使统中某部分压力保持定值或不超过某值。图6.4限压回路如图，动臂在不工作位置时的液压系统回路，不工作时动臂进行自锁，而当斗齿上的负载很大，动臂液压缸3小腔受很大的闭锁压力，压力过大又可能损坏元件。所以在进出油路上各安装限压阀2，闭锁压力大于限压阀调定值时阀2打开，使油液流回油箱。3）缓冲回路 缓冲回路是利用缓冲阀使高压油腔的油液超过一定压力时获得出路图6.5缓冲回路图A中回转马达两个油路上各装有限压缓冲阀2、3，正常情况下两阀关闭，当回转马达突然停止转动或反向转动时，高雅油路的压力油经缓冲阀3流回油箱，低压油路则由补油回路经单向阀4补油，从而消除了液压冲击。 图B是高低压油路之间并联有缓冲阀，每一个缓冲阀的高压油口与另一个缓冲阀的低压油口相通。当回转机构制动、停止或反转时，高压腔的油经缓冲阀直接进入低压腔，见效了压力冲击。图C是回转马达油路之间并联有成对的单向阀4、5和6、7，回转马达制动或换向时，高压腔的油经单向阀5、缓冲阀流回油箱，低压油腔从油箱经单向阀6获得补油。4）闭锁回路图6.6闭锁回路当挖掘机未动作又没有关闭挖掘机时，系统就需要暂时对当时的工作状态进行锁定，此时如图插装阀A收到信号后在弹簧力的作用下关闭通道。停止对系统供油并进行锁定。当挖掘机开始工作时，插装阀A接到信号进而打开通道。6.2.2 液压系统各部分原理图制定（1）主泵原理图图6.7主泵原理图工作原理：挖掘机整个液压系统的液压油都是由两个变量泵供给的。液压泵输出的液压油除进入主油道外，有一部分进入Pf液压缸推动活塞向左移动，从而使换向阀C工作，进而对液压泵功率调解，同样液压泵的功率也受中位负流量的控制。当压力过高是换向阀B在压力作用下切断油液的流动通道。从而减小液压泵的排量。该系统能充分的利用发动机的功率，能实现多泵调节系统。（2）主阀原理图图6.8 主阀原理图主控阀是有大量的换向阀、单向阀、安全阀、梭阀、节流阀等阀根据工作的需要进行结构位置的组装安排结合而成的一个整体，每个阀受电信号或先导信号的控制根据不同的信号，对各个阀进行不同的控制，从而分配液压油的流向，而完成相关的动作。主控阀集中了大臂操作、小臂操作、铲斗操作、回转操作、左行走操作、右行走操作等六种基本操作于一体。总的来说，主控阀是液压系统中集油和回油的总控制系统。6.3 选择各种液压元件 （1）液压泵的选择由上表得，主泵的压力p1=34Mpa,最大流量为q1=206*2L/min齿轮泵的压力p2=32Mpa, 最大流量q2=102L/min.根据机械设计手册可查阅得;此液压泵可采用K3V112DT双联柱塞泵，主泵由2个柱塞式串联变量柱塞泵组成。（2）柴油发动机的选择去泵的总效率=0.8， 泵的总驱动功率为： W=p1q1+p2q2/=101.5(KW) (6.10)考虑安全系数，故取102KW；查机械设计手册发动机参数表的;发动机机型号CUMMINS6BTA5.9 功率112KW 转速1950r/min（3）液压阀的选择选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。液压阀的作用是控制液压系统油流方向、压力和流量，从而控制整个液压系统。系统的工作压力，执行机构的动作顺序，工作部件的运动速度方向以及变换频率，输出力和力矩等根据液压阀的工作压力来选择选择液压阀应使系统压力适当低于产品表明的额定值。对液压阀流量的选择，可以按照产品表明的公称流量为依据，根据产品有关流量曲线来确定液压阀的安装方式的选择液压阀与系统的管路活其他阀的进出油口的连接方式，一般有 ，螺纹连接方式，板式连接方式，法兰连接方式。安装方式的选择要根据液压阀的规格大小，以及系统的简繁及布置特点来确定液压阀的控制方式的选择控制方式一般有四种，有手动控制，机械控制，液压控制，电气控制。根据系统的操纵需要和电器系统的配置能力进行选择。7 控制系统的设计7.1发动机的控制系统（1）电子功率优化系统液压挖掘机采用电子功率优化系统，该系统由柱塞泵斜角度调节装置、电磁比例减压阀、EPOS控制阀、发动机转速传感器及发动机油门位置传感器等组成。发动机转速传感器为电磁感应式，它固定在飞轮壳的上方，用来监测柴油机的实际转速。发动机油门位置传感器由形成开关和微动开关组成，前者安装在驾驶室内，与喷油泵供油拉杆相连；后者安装在柴油机喷油泵调速器上。两开关并联以提高工作可靠性。控制过程如下：当工作模块选择开关处于H方式位置时、装有微电脑的EPOS控制器的端子上有电压信号时，EPOS控制器便不断的通过转速传感器不断的侧柴油机的实际转速，并与控制器内所贮存的柴油机额定转速值相比较。实际转速若低于额定转速，EPOS控制器将增大驱动电磁比例减压阀的电流，使其输出压力增大，进而通过油泵斜盘角度调节装置减小斜盘角度，降低油泵排量。上述过程重复进行直到实测柴油机与设定的转速相符为止。（2）自动怠速装置 液压回路中装有两个压力开关，挖掘机作业过程中两开关均处于开启状态。左右操纵杆都处于中位时两开关闭合。如果此时自动怠速开关处于接通位置，并且两个压力开关闭合4S以上，电子功率优化系统（EPOS）控制器便向自动怠速电磁阀提供电流，接通自动代塑小驱动有缸的油路油缸活塞杆推动油门拉杆减少喷油泵的供油量，使柴油机自动进入低速运转 7.2 液压元件控制系统（1）液压泵的控制系统功率控制系统中液压泵的输入功率为N=2Nm=PQ/=pqn/（7.1） 式中 n-泵轴转速， M-泵输出扭矩， p-泵出口压力 Q-泵输出流量 q-泵的排量 -泵的总效率由上式可知，当液压泵的轴转速不变时，其功率控制就是输出扭矩M的控制. 恒功率控制特点：随着泵本身压力的上升，使泵的摆角自动减小而保持扭矩不变。 总功率控制特点：随着泵本身压力的上升，使泵的摆角自动减小而保持扭矩不变。由于互联泵压力作用，使功率减小，进行总功率控制。 变功率控制：由外部引入的电流值或先导压力使泵的输入功率可以任意控制。（2）流量控系统 流量控制系统中液压泵的流量为 Q=nq(L/min)（7.2） 式中 n-泵轴转速 q-泵的排量 -泵的容积效率由上式可知，当液压泵的轴转速不变时，流量的控制就是排量的控制。 手动流量控制：可以任意的控制崩的输出流量 正流量控制：由先导压力进行正流量控制，泵排量随变量机构上先导控制压力上升而增加。 负流量控制：由先导压力进行负流量控制，泵排量随变量机构上先导控制压力上升而减小。 电气流量控制：输入电流增加，泵的输出流量也成比例的增加。（3）组合控制系统 功率交叉控制系统 相当于一个液压连杆将两个变量泵的功率联在一起，使其具备了总功率调节的功能。功率交叉控制系统能有效地利用发动机的功率并能实现多泵调节系统，合理的利用系统中能量。正流量控制系统 液压泵的摆角随先导控制压力的上升而增加，使液压泵排量变化的先导控制压力是利用先导控制阀的油压。通过梭阀检验出各先导控制油压中最高油压送入液压泵变量机构来控制液压泵的排量。负流量控制系统 在换向阀中位回油道上加一节流孔，油液通过通过节流孔产生压差。将节流孔前的油液压力引液压泵变量机构以控制液压泵的排量。通过节流孔前的油液流量越大，则节流孔前先导压力