毕业设计（论文）-单斗通用型液压挖掘机液压系统设计.doc

全套图纸加扣 3012250582 第 38 页 共 38 页引 言当今中国正处于开展大规模的经济建设的关键时期，必不可少的需要大量的土石方施工机械为其服务。液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械中的主要机种之一。由于液压挖掘机具有品种多，功能多，质量高及效率高等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，并且它的生产制造业也日益蓬勃发展。因此，如何设计一种工作可靠，结构简单，高效率，性能好，成本低，维护简单，使用方便的液压系统便成了一个非常具有调研意义的课题。单斗通用型液压挖掘机是采用了液压传动的挖掘机以其技术性能高，结构简化，整机质量小，维修简单等特点，对于减轻工人体力劳动，提高施工机械化水平，加速施工进度，促进各项建设事业的发展，都有着重要的作用。1 概述1.1挖掘机简史从第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，在这期间经历了由蒸汽驱动回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、以及应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。 由于液压技术的初步应用，在20世纪40年代初开始出现了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，到了20世纪50年代初期和中期先后研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。在初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，但由于缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量的稳定性不够，配套件也不齐全。到了20世纪60年代起，液压挖掘机正式进入全面推广和蓬勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加速度很快，产量急剧上升。在1968-1970年间，液压挖掘机的总产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。1.2国内外的情况1.2.1国内的发展状况 我国的挖掘机生产起步相对较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m3的机械式单斗挖掘机到现在，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。在新中国成立初期，主要以测绘仿制前苏联20世纪3040年代的W501.W502.W1001.W1002等机械式单斗挖掘机为主，从而开始了我国的挖掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要，先后共建立起十多家挖掘机生产厂。从1967年起，我国开始自主研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。之后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型和杭州重型机械厂的WY250型挖掘机等。它们的成功研制为我国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。 到20世纪80年代末，在我国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达到40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0.12.5 m3等12个等级、20多种型号，还生产0.5-4.0m3以及大型矿用10m3、12m3机械传动单斗挖掘机，1m3隧道挖掘机，4m3长臂挖掘机，1000m3/h的排土机等，同时还开发了斗容量为O.25m3的船用液压挖掘机，斗容量为O.4m3、O.6m3、0.8m3的水陆双用挖掘机等。但总体来讲，我国挖掘机生产批量小、分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，还是具有有很大的差距。 改革开放以来，我国积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进我国挖掘机行业的发展。其中贵阳矿山机器厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂等分别引进德国利勃海尔(Liebherr)公司的A912.R912.R942.A922.R922.R962.R972.R982型液压挖掘机制造技术。在这之后几年，杭州重型机械厂引进德国德玛克(Demag)公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术，北京建筑机械厂引进德国奥加凯(0&K)公司的RH6和MH6型液压挖掘机制造技术。与此同时，还有山东推土机总厂(其挖掘机生产基地改名为山重建机有限公司，包括STRONG和JCM两个品牌)、黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的PC100、PC120.PC200、PC220.PC300、PC400型液压挖掘机(除发动机外)的全套制造技术。这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平，产量也逐年提高。由于国内对液压挖掘机的需求量不断增加而且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整的基础上，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。 同时业内人士指出，在我国单斗通用型液压挖掘机应向全液压方向发展，同时斗容量宜控制在0.1-15 m3，而对于大型及多斗液压挖掘机，由于液压元件的制造、装配精度要求比较高，施工现场维修条件相对比较差等，则仍以机械式为主。目前应着手研究、运用电液控制技术，从而实现液压挖掘机操纵的自动化。1.2.2国外挖掘机目前水平及发展动向 工业相对比较发达的国家的挖掘机生产相对比较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量为3.5-40m3单斗液压挖掘机的主要生产国，在20世纪80年代时开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150m3剥离用挖掘机，斗容量132m3的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯-伊利）公司生产的斗容量168.2m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m3的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。 自从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产面向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展，其主要表现在以下7个方面： 1、开发多品种、多功能、高质量以及高效率的挖掘机。为了满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘机，其中最小的斗容量仅仅是在0.01m3。另外，数量最大的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置其中除了正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，从而能够满足各种施工的需要。与此同时，还发展专门用途的特种挖掘机，例如低比压、低嗓声、水下专用和水陆双用挖掘机等。2、迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，从而使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到了液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制等。在危险地区或水下作业时可采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，从而实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。挖掘机的全液压化为所有的这一切奠定了基础和创造了良好的前提条件。3、高度重视采用新工艺、新技术、新结构，加快系列化、标准化、通用化的发展速度。例如，德国的阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，从而使挖掘机按最适合其作业要求，工况情况的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动的控制液压系统，其可自动调节流量，从而避免了驱动功率的浪费。并且安装了CAPS（计算机辅助功率系统），大大提高挖掘机的作业功率，从而更好地发挥了液压系统的功能；日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，其利用精控模式选择系统，减少燃油、液压功率的消耗和发动机功率，并使零部件的使用寿命大大提高；德国奥加凯（O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，从而使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的904、905、907、909型液压挖掘机采用智能型控制系统，即使是无经验的驾驶员也能够进行相对比较复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了ECO（电子控制作业）的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了低油耗、高效率的效果；美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及功率方式选择器、扭矩载荷传感压力系统等，从而进一步提高了挖掘机的稳定性和作业效率。韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS-电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，可以自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速左右，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。4、更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家广泛推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并且将疲劳损伤累积理论、断裂力学、优化设计、有限元法、疲劳强度分析方法、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，从而促进了产品的优质高效和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并且创立了预测产品失效和更新的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性住处处理系统。在上述基础理论的指导下，同时通过借助于大量试验，大大缩短了新产品的研究周期，加快了液压挖掘机更新换代的进程，并且提高其耐久性和可靠性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%-95%，其使用寿命超过1万小时。5、改善驾驶员的劳动条件，加强对驾驶员的劳动保护。液压挖掘机采用倾翻保护结构和带有坠物保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰等保护措施，从而加强对驾驶员的劳动保护。6、进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时增大流量，使液压泵功率保持恒定，即装有变量泵的液压挖掘机可以经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增长率加；采用三回路液压系统，产生三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路的第二个独立的快速成运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了前提条件。7、迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。从20世纪70年代起，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用了电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、操作轻便、节能环保、可靠耐用、安全舒适等方面性能要求的提高，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能都有了质的飞跃。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及功率优化系统、油门控制系统、监控系统、工作模式控制系统等电控系统。1.3挖掘机的功能挖掘机是一种用来开挖土方的施工机械，它是利用铲斗上的斗齿切削土壤并装人斗内，装满土后再提升铲斗并回转到卸土地点卸土，然后再使转台回转、铲斗下降到挖掘面，进行下一次挖掘并如此循环。挖掘机在建筑、水利、筑路、采矿、电力、石油、天然气管道铺设和军事工程中都被广泛地应用。挖掘机主要用于筑路工程中的堑壕开挖，水利工程开挖沟渠、运河和疏浚河道，建筑工程开挖基础，在采石场、露天开采等工程中剥离和矿石的挖掘等。据统计，工程施工中大约有60左右的土石方量是靠挖掘机完成的。此外，挖掘机更换工作装置后还可进行浇筑、起重、安装、打桩、夯土和拔桩、破碎等作业。挖掘机作业过程是以切削刃切削土壤，实现破土、装土、提升回转、卸土，再返回进行第二次挖掘，挖完一段时间之后,机械移位继续挖掘。为了实现上述周期性作业动作要求，就需要以下组成部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动装置（液压部分）、操纵装置、行走装置等。现通常按结构分为：行走装置、回转平台、工作装置。根据其构造和用途可以区分为：履带式、步履式、轮胎式、半液压、全液压、非全回转、全回转、铰接式、通用型、专用型、伸缩臂式等多种类型。行走装置是挖掘机的支柱，承受挖掘机的全部质量以及挖掘机的载荷，为挖掘机提供行走、转弯和爬坡的能力，总之挖掘机在工作时行走装置起到支撑和稳定的作用。回转装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置和传动系统。发动机是液压挖掘机的动力源，大多采用柴油发动机，在方便的场地也可改用电动机。工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由铲斗、斗杆、动臂等三部分铰接而成。铲斗转动、斗杆伸缩和动臂起落都用往复式双作用液压缸控制。为了适应各种不同施工作业的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。2 液压系统分析与设计2.1 设计思想2.1.1 产品开发目的与适用范围 根据我国工程机械工业协会统计数据显示表明，在2011年我国挖掘机销量已达到16万台以上，同比增幅达到60%左右。挖掘机的市场需求与我们国家的固定资产投资息息相关。不可否认，随着我国城镇化步伐的加快以及中、西部开发进程的提速，挖掘机行业在“十二五”期间仍然会有着较好的市场潜力。2009以来国家对农业的投资力度进一步加大，另外2003年起我国西部开发建设，南水北调工程的启动，同样将需要大量的工程机械产品，尤其是针对中，小型号的液压挖掘机的需求量必将持续增长。 因此如何能够设计出高质量，高效率，高性能，低成本的挖掘机对于我国市场的发展，乃至对我国各方面的发展都将有着非常重要的意义。 经过长期调研，发现310吨级液压挖掘机在农业、农村、农民以及城乡个体、私营、集体企业中具有较好市场。本次毕业设计中的单斗通用型液压挖掘机主要用于民用建设、农田水利、市政工程、房产开发、修筑道路等土石方施工。2.1.2 设计指导思想一、贯彻“质量第一”的设计方针，力求结构合理，性能优化，可靠性高。二、要贯彻“三化”原则（标准化、通用化、系列化），尽可能地考虑零部件的通用性，实现投资少，见效快。三、外协件应立足于国内，但液压件尽量选国外产品，并有一定的先进性和可靠性。四、产品应符合国家、以及相关标准，并学习引用国外先进技术。2.2 液压系统分析与拟定2.2.1 本机主要系统1、 发动机本次毕设中单斗通用型液压挖掘机采用的发动机型号是Cummins6BT5.9-C。该发动机的主要优点是：耗油低，噪音小，性能可靠。当然，发动机的型号并不是唯一确定的，也可以根据用户的要求，自己选用满意的发动机型号。二、液压系统根据本次设计方案与设计思路，本次毕设中单斗通用型液压挖掘机的液压系统采用的是双泵双回路全功率变量系统，其主要优点是发动机的功率能得到充分利用。3、 行走系统采用钢履带底盘，操作灵活，经济实惠，挖掘机行走也相对比较方便。2.2.2单斗液压挖掘机的主要技术参数 图2-1 单斗通用型液压挖掘机如图21所示挖掘机的外形尺寸如下：表2-1 外形尺寸外形尺寸尺寸大小（mm）外形尺寸尺寸大小（mm）A上部宽度2710H总长（运输时）5430B总高度（驾驶室顶）2930I尾部回转半径2750C总高度（运输时）2960J配重高2020D履带板宽度600K配重离地间隙1090E 轨距2200L履带接地长度3260F总宽度2800M履带长度3860G最小离地间隙440N接地长度4630挖掘机的工作范围的基本要求如下： 表2-2 工作范围工作范围尺寸大小（mm）最大挖掘高度（mm）7315最大卸载高度（mm）6485最大挖掘深度（mm）6630最大垂直壁挖掘深度（mm）5990挖出2400mm水平时的最大挖掘深度（mm）6445最大挖掘距离（mm）6885在地坪面的最大挖掘距离（mm）6710最小回转半径（mm）3640最小回转半径时的最大高度（mm）5580根据设计要求以及查询的资料可初步确定挖掘机的主要技术参数如下：表2-3 挖掘机的主要技术参数整机质量36000kg标准斗容0.9 m3发动机型号Cummins6BT5.9-C发动机型式6缸，四冲程，直喷，涡轮增压额定功率101.5（138PS）/2000(KW/rpm)额定扭矩556/1350(Nm/rpm)行走速度3.06.0(Km/h)回转速度12.5(rpm)接地比压45(Kpa)爬坡能力30铲斗挖掘力150(KN)斗杆挖掘力100(KN)最大牵引力200(KN)2.2.3 挖掘机的作业程序及其动作特点单斗挖掘机的工作循环是：铲斗切削土壤入斗，装满后提升回转到卸料点卸空，再到挖掘位置并开始下次作业。其作业程序及其动作特点如下表：表24 单斗挖掘机的作业程序及其动作特点作业程序动作特征顺序部件动作挖掘挖掘和铲斗回转铲斗提升到回转位置挖掘坚硬土壤以斗杆液压缸动作为主；挖掘松散土壤三个液压缸复合动作，以铲斗液压缸为主。提升回转铲斗提升转台回转到卸料位置铲斗液压缸推出，动臂抬起，满斗提升，回转马达使工作装置转至卸料位置。卸料斗杆缩回铲斗旋转卸载铲斗液压缸缩回，斗杆液压缸动作，根据卸料高度，动臂液压缸配合动作。复位转台回转斗杆伸出工作装置下降回转机构将工作装置转到工作挖掘面，动臂和斗杆液压缸配合动作将铲斗降至地面。 此外，由于挖掘机的工作环境以及工作对象变化的变化相对较大，因此对主机的工作有两项特殊要求：（1）由于在实现各种主要动作时，阻力与作业速度随着时间可能发生变化，因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能发生相应的变化；（2）为了充分利用发动机的功率和缩短作业循环的时间，工作过程中往往需要要求有两个主要动作(例如挖掘与提升、提升与回转)能够同时进行。2.2.4 挖掘机的液压系统 按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来的组合体，称为挖掘机的液压系统。其主要功能是，以油液为工作介质，利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送，然后通过液压缸和液压马达等将液压能再次转换为机械能，从而实现挖掘机的各种动作。挖掘机的液压系统类型很多，习惯上以主泵数量和类型、变量和功率调节方式以及回路数量分类，分为单泵或多泵单路定量系统、双泵双路分功率调节变量系统、双泵双路定量系统、双泵双路全功率调节变量系统、多泵多路定量系统、多泵多路定量变量混合系统，但通常以双泵双路定量系统和双泵双路变量系统应用较多。2.3 本机的技术要求一、整机结构布置与液压管路布置应该合理可行，同时操作简便舒适，外形要美观，设计时应同时考虑制造工艺，拆装维修等各方面内容。二、整机运输、停放时应该具有合理的姿态，确保行驶稳定性好，同时又要保证安全可靠。三、配套件的选用应该力求合理、可靠、先进。设计事应考虑到“三化”，可以采用系列参数。 四、总体参数应该符合GB/T9139.11988液压挖掘机分类的规定，同时在设计时应贯彻GB/T9139.21996液压挖掘机技术条件；GB/T91401996液压挖掘机结构和性能；JB6030200工程机械通用安全技术条件；GB16710.11996工程机械噪声限值等相关标准。2.4 挖掘机液压系统方案的拟定 一、对于挖掘机液压系统的基本要求：单斗通用型液压挖掘机的动作繁复，主要机构经常启动、制动，换向，外负荷变化很大，冲击和振动也比较多，而且常在野外工作，温度和环境变化大，所以对其液压系统的要求是多方面的。根据单斗通用型挖掘机的工作特点，其液压系统要满足主机正常工作要求，即： 1) 要保证铲斗、斗杆和动臂不仅可以各自单独动作，同时也能保证可以互相配合，实现复合动作；2) 在主机工作过程中，应要求工作装置的动作和转台的回转动作既能单独进行，又能作复合动作，以提高生产率；3) 对于履带式挖掘机的左、右履带要求能够实现分别驱动，从而使挖掘机行走更加方便，转向更加灵活，同时又可以原地转弯；4) 要保证挖掘机的所有动作基本上都是可逆的，而且要求能够实现无级变速；5) 要求确保工作安全可靠，各种工况的液压缸也要具有良好的过载保护，同时行走装置和回转机构也要有可靠的制动和限速能力，从而能够防止动臂因自重而快速下降和整机超速溜坡。根据挖掘机的工作环境和条件，其液压系统还应满足以下五种条件：1) 能够充分利用发动机的功率，从而提高其传动效率；2) 系统和液压元件应能保证在外负荷变化较大以及在急剧的振动冲击作用下，还具有足够的可靠性和安全性；3) 应力求减少系统发热的总量，并且药设置轻便耐振的冷却装置，使主机在持续工作时，能够保证油温不能超过85，或者温升不大于45；4) 系统的密封性能要足够好。由于工作场地尘土较多，油液容易受到污染，所以基本要求是所用元件对油液污染的敏感性要低，同时整个系统要设置滤油器和防尘装置；5) 采用液压或电液伺服操纵装置，以便挖掘机能够实现设置自动控制系统，进一步提高挖掘机的技术性能，从而减轻驾驶员的劳动强度。二、挖掘机液压系统类型的选择：单斗液压挖掘机的液压系统根据系统压力和液压泵特性可以分为中高压和高压定量系统，高压变量系统。各种系统的优缺点如下表：表25 三种系统的优缺点定量系统高压变量系统中高压高压优点中高压定量系统大多采用外啮合齿轮泵，系统工作压力为16MPa左右， 这种液压泵具有结构简单，工作可靠，尺寸小，重量轻等特点。高压定量系统采用径向偏心柱塞泵，系统工作压力为32MPa左右，这种液压泵结构不复杂，工作可靠，耐冲击和振动，压力高，寿命长。高压变量系统大多采用恒功率调节的轴向柱塞泵，系统工作压力32MPa左右，变量泵在变量范围以内，功率基本上保持恒定，当外负荷变化时，液压泵能够自动调节流量，达到充分利用发动机功率的目的，而且效率高。缺点在定量系统中，流量固定，不能因外负荷变化而使流量作相应的变化，因此负荷小时不能提高作业速度，功率得不到充分利用。为了满足作业要求，定量系统的发动机功率要根据最大外负荷和作业速度来确定。其缺点是系统功率不能充分利用，效率低，泵的特性很硬，挖掘硬土时引起很大的溢流损失。这种液压泵结构复杂，液压系统元件也比较复杂，成本也相对比较高。同时液压泵寿命也相对比较短。三种系统比较： （1） 功率比较对于定量系统的发动机功率要按最大外负荷来确定，而对于变量系统的功率则主要决定于其平均负荷，当作业速度相同时，同等级挖掘机采用定量系统所需功率约为变量系统的1.31.4倍，而功率利用率却平均约为60。对于变量系统在变量范围以内理论上可得到100的功率利用。双回路变量系统中，功率利用情况相对比较复杂。而在双泵双回路系统合流状态下，不管是全功率变量或者是分功率变量，功率的利用都是一样的。但是，当在分流状态下情况下，在单一动作时，全功率变量的分流功率利用要优于分功率变量的分流功率利用，而且调节范围大。 （2） 主机工作性能和液压泵寿命定量泵流量固定，所以所驱动的执行元件的运动速度也相对比较稳定，不因外负荷的变化而变化，所以液压元件工作比较稳定，运动轨迹相对比较容易控制，同时还有利于开挖平面或斜面等规则表面。并且由于定量泵不是一直都在满负荷情况下运转，故泵的寿命也相对比较长。而液压挖掘机的变量系统则多采用变量泵-定量马达的组合方式来实现无级变量，并且都是双泵双回路的。根据两个回路的变量有无关联，可以分为分功率变量系统和全功率变量系统两种。其中分功率变量系统的每个油泵各有一个功率调节机构，因而油泵的流量变化只受自身所在的回路压力变化的影响，而与另一回路的压力变化则无关联，即两个回路的油泵是各自独立地进行着恒功率变量调节，两个油泵各自拥有一发动机输出功率；而全功率变量系统中的两个油泵则是由一个总功率调节机构进行平衡调节，使两个油泵的摆角能够始终相同，同步变量、流量相等。流量的变化决定系统的总压力，同时两个油泵的功率的变量范围是不相同的。其调节机构可分为机械联动式和液压联动式两种形式。分功率变量系统的功率利用相对较好，但是由于各回路的流量要分别调整，故动作的配合比较困难，尤其是挖掘机行走时，要求驾驶员必须经常手控调速，使两条履带动作协调，从而加大驾驶员的劳动强度。全功率变量系统的功率利用比较好，同时两台泵的流量始终相等，驾驶员易于掌握调速，尤其是履带式挖掘机的左、右两条履带，由于行走马达转速相同，所以不论两者阻力如何不同，仍能实现同步运行，从而保证了主机的直线行驶性能。复合动作时，尽管一个回路上外负荷很大，但由于流量相等，作业速度仍然可以加快。因此，全功率变量系统是目前最普遍采用的液压系统。然而，全功率变量系统中两泵负荷有时不同，当一泵空载时，另一泵仍可能全负荷运转，甚至可能超载运转，因此，液压泵寿命比较短。综上，基于对效率以及操作等各方面的考虑，本次毕设中对于单斗通用型液压挖掘机的液压系统采用双泵双路全功率调节变量系统。3 液压系统的计算3.1 行走驱动计算3.1.1 行走装置基本要求及运动方式因为行走装置要同时兼有液压挖掘机的支撑和运行两大功能，因此液压挖掘机行走装置应尽量满足以下要求：1） 应具有较大的驱动力，从而保证挖掘机在湿软或者高低不平等不良地面环境时可以具有良好的通过性能，同时保证其爬坡性能以及转向性能；2） 行走装置应具有较大的支撑面积，同时应具有较小的接地比压，从而提高挖掘机的稳定性；3） 挖掘机在斜坡下行走时应保证不发生下滑以及超速溜坡等现象，要保证挖掘机的安全性； 通常，液压挖掘机的行走装置，按其结构可分为履带式和轮胎式两大类。由于履带式行走装置具有较小的接地比压，驱动力大，因而越野性能以及稳其定性都比较好，同时具有转弯半径小，爬坡能力大，且灵活性好等优点，因而本次毕设中单斗通用型液压挖掘机的行走装置采用履带式行走装置，挖掘机的左、右履带要求能够分别驱动，使挖掘机行走方便，转向灵活，并且可以实现原地转弯。履带式行走装置由“四轮一带”组成，即导向轮、驱动轮、支重轮、托带轮、履带，以及组合行走架、行走马达减速机和张紧缓冲装置等零部件组成。如图3-1所示：1、导向轮 2、组合行走架 3、张紧装置 4、中护轨板 5、托带轮 6、履带 7、支重轮 8、驱动轮图3-1 行走装置 在挖掘机运行时，驱动轮在履带的紧边驱动段以及支撑段产生一个拉力，企图把履带从支重轮下拉出，但由于支撑轮下的履带与地面间有足够的附着力，从而阻止履带的拉出，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履带轨道向前运行。3.1.2 行走系统液压回路设计 根据液压挖掘机行走装置的基本要求以及其运动方式，液压挖掘机的行走液压系统回路设计原理图如图32所示，当挖掘机运动时，先开启柴油机，待其稳定运行后，通过操作机械脚踏式离合器，使液压泵上排运转并泵油。片刻之后，待液压系统进入稳定的工作状态时，将2只三位四通手动换向阀5a和5b均置于右位，则此时液压系统1，过滤器 2，液压齿轮泵 3，单向阀 4a,4b 调速阀5a,5b 三位四通手动换向阀 6，电磁溢流阀 7单向背压阀图32 液压挖掘机行走系统液压回路中的油液流动方向为：过滤器1液压齿轮泵2单向阀3调速阀 4a和4b三位四通手动换向阀5a和5b左右两驱动轮液压齿轮马达三位四通手动换向阀5a和5b单向背压阀7回流油箱，此时两驱动轮液压齿轮马达处于正转状态，挖掘机向前行驶。当遇到后退情况时，只需分别将2只三位四通手动换向阀5a和5b换位，使两驱动轮液压齿轮马达处于反转状态，挖掘机向后倒退。当挖掘机需要改变行驶方向时，只需调节调速阀 4a和4b（其中的一件）改变两履带驱动轮液压齿轮马达的转速差既能达到：若挖掘机向右转向时，调节4a阀件使右驱动轮液压齿轮马达减速；若挖掘机向左转向时，调节4b阀件使左驱动轮液压齿轮马达减速。当需紧急转弯时，将一侧驱动轮液压齿轮马达保持正向运转，将另一侧驱动轮液压齿轮马达停转或者反转。当转向完成时，需要继续向前运行时，只需恢复两驱动轮液压齿轮马达正常运转是的旋转状态即可。3.1.3 单个行走马达计算由于轴向柱塞式马达具有结构紧凑，径向尺寸小，转动惯量小，转速高，易于变量，能用多种方式自动调节流量，适用范围广等优点。故本次毕设中行走系统的液压马达选用轴向柱塞式马达，其有利于调节牵引力以及运行速度。根据样机数据以及参考机械设计手册单行本液压传动，液压马达选用长江液压件厂的GM16型液压马达，额定压力为35MPa。排量V=0.1L/r,转速=1800r/min,则：式中：马达的流量，马达理论输出转矩，马达实际输出转矩，马达理论输出功率，马达的实际输出功率，马达机械效率，0.92马达容积效率，0.93马达的总效率。3.2 回转驱动计算3.2.1 回转装置基本要求及运动方式液压挖掘机回转装置是由转台，回转支撑以及回转机构等几部分组成。回转机构的外座圈用螺栓与转台连接，而带齿的内座与底架则是用螺栓连接，内外座之间设有滚动体。挖掘机工作装置作用在转台上的水平载荷，垂直载荷和倾覆力矩是通过回转支撑的外座圈，滚动体和内座转传给底架。回转机构的壳体是固定在转台上，用小齿轮与回转支撑内座圈相啮合。小齿轮既可绕自身的轴线自转，又可绕转台中心线公转，当回转机构工作时转台就相对底架进行回转。液压挖掘机回转机构的运动约占整个作业循环时间的50%70%，能量消耗占25%40%，回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的30%40%。为提高液压挖掘机生产率和功率利用率，故对回转机构提出如下基本要求：1） 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。2） 当回转力矩和角加速度没有超过允许值时，应该尽可能地缩短转台的回转时间。在回转部分惯性矩已知的情况下，由于角加速度的大小受到转台最大扭矩的限制，因此此扭矩不应超过行走部分与土壤的附着力矩。3.2.2 回转系统液压回路设计 根据液压挖掘机回转装置的基本要求以及其运动方式，液压挖掘机的回转液压系统回路设计原理图如图33所示，当挖掘机处于挖掘状态时，需要挖掘平台做频繁的 1，过滤器 2，液压齿轮泵 3，单向阀 4，三位四通手动换向阀5a,5b 液控溢流阀 6a,6b 单向阀 7a,7b 液控单向阀 8 溢流阀图33 液压挖掘机回转系统液压回路回转运动此时将三位四通手动换向阀4置于左位则此时液压系统中的油液流入方向为：过滤器1液压齿轮泵2单向阀3三位四通手动换向阀4单向阀6a液控单向阀7a左油缸右腔，右油缸左腔；而油液流出方向为：左油缸左腔，右油缸右腔液控单向阀7b液控溢流阀5b三位四通手动换向阀4回流油箱，此时挖掘机机工作平台顺时针旋转，当需要工作台逆时针旋转时，将三位四通手动换向阀4置于左位此时油液流过该换向阀之后的流动方向变为：单向阀6b液控单向阀7b左油缸左腔，右油缸右腔。回油方向为：左油缸右腔，右油缸左腔液控单向阀7a液控溢流阀5a三位四通手动换向阀4回流油箱。挖掘平台回转速度的快慢可以通过调节溢流阀5a和5b，改变两液压油缸进油和回油的速度来实现。3.2.3 回转马达流量的计算及选型平台回转启动力矩一般小于制动力矩，当回转机构仅靠液压制动时，启动力矩小于或等于制动力矩，所以可以取：当回转机构带附加机械制动时，可高达2，一般取=1.6.对于一定的回转机构来说，当启动力矩和制动力矩越大时，则平台回转加速度和减速度也越大，从而提高回转速度，缩短了回转时间。但当回转速度过大时会增加动载荷以及冲击，同时启动力矩和制动力矩的增大也受地面附着条件的限制。地面附着条件可用地面附着力矩表示。机械制动一般取液压制动可取。履带式液压挖掘机地面附着力矩的计算可以采用下面的简化公式：式中 地面附着力矩，； 整机质量， 地面附着系数，平面履带板取，带筋履带板取。则 又 设经过四级减速，传动比；则马达所受的最大力矩： 理论排量：据此，可根据机械设计手册单行本液压传动可选用柱塞马达GYA6V160HD2FZ20900，排量为160，最高转速为2650。3.2.4 回转油缸的计算及选型1，回转油缸工作压力的确定液压缸的工作压力主要是根据液压设备的类型来确定，对不同的液压设备，由于工作条件的不同，通常采用的压力范围也是不同的。设计时可采用类比法来确定。各种常见液压设备的压力范围如下表：表31各类机械常用的系统工作压力设备类型精加工机床组合机床拉床农用机械，小型工程机械，工程机械辅助机构液压机，重型机械，大中型挖掘机，起重运输机械工作压力P/0.82355101161632初选系统工作压力为30。2， 缸径D和柱塞缸直径d的确定 挖掘机液压缸均为单活塞杆液压缸，其原理图如下所示：图34 液压缸原理图液压缸直径D和柱塞缸直径d的选取可根据如下表所示：表32按工作压力选取d/D值工作压力0.50.550.620.700.7由缸受力平衡知： （3-1）式中 液压缸的工作压力，初算时可选取系统工作压力=30； 液压缸回油腔背压，初算时可选取系统工作压力=1； 活塞缸与液压缸内径之比，按表32取=0.7； F工作循环中的最大外载荷，此处一般选取F=500； 液压缸机械效率，一般取=0.9将上式代入液压缸受力平衡方程式得：（3-2） =0.155 =155 圆整取D=160则，圆整取。3， 缸壁厚和外径的计算先按薄缸进行计算则应满足 （3-3） 式中 试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍； 缸桶材料许用应力，无缝钢管=100110；则可取=1.3=，=110。此时，=0.16/0.028=5.71，不满足薄缸条件。故应按中等缸壁厚计算公式计算 。此时 （3-3）式中 强度系数，对无缝钢管 =1； 用来圆整壁厚。则 取此时，=0.16/0.03=5.33，满足中等缸条件，则缸外径=。3.3 铲斗系统设计3.3.1 铲斗系统液压回路设计 单斗通用型液压挖掘机的双泵双回路系统中，为了提高生产率，要求铲斗转动、斗杆收放和动臂提升有较快的工作速度，因此，需要考虑双泵合流问题。即双泵虽然各自构成独立的回路，但必要时，可以向一个执行元件共同供油。根据铲斗缸的工况情况，设计铲斗系统液压回路如图35所示。 当铲斗缸正向运动时，此时三位四通换向阀处于右位，其进油方向为：油箱过滤器1b液压齿轮泵2b调速阀8三位四通换向阀4铲斗缸左腔；回油方向为：铲斗缸右腔单向阀6过滤器1c回流油箱。若需要双泵合流，则需将二位二通换向阀置于右位，如图所示即可，则此时进油方向为：油箱过滤器1a，1a,1b,1c 过滤器 2a,2b 液压齿轮泵 3 二位二通换向阀4 三位四通换向阀 5 液压缸 6 单向阀 7 溢流阀 8 调速阀图35 铲斗系统液压回路1b液压齿轮泵2a,2b调速阀8三位四通换向阀4铲斗缸左腔；回油方向为：铲斗缸右腔单向阀6过滤器1c回流油箱。若要铲斗缸反向运动时，只需将三位四通换向阀处于左位即可。3.3.2 铲斗油缸作用力的确定 反铲装置在工作过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗缸设计依据。初步设计时按额定斗容及工作条件（如土壤级别），按照任务书的设计要求，选斗齿的最大挖掘力，并按最大挖掘深度时所能保证的具有最大挖掘力来分析确定铲斗油缸的工作力。如图36所示，为简单起见，可忽略斗和土的质量，并且忽略了各构件质量以及连杆机构效率影响因素，此时铲斗油缸的作用力为： (3-4)式中 铲斗缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂，； 对铲斗与斗杆铰点的力臂，；已知 =1500 =450而这时斗杆及动臂油缸均处于闭锁状态，斗杆油缸闭锁力应满足 （3-5） 式中 斗杆闭锁力对斗杆与动臂铰点的力臂，； 对斗杆与动臂铰点的力臂，； 对斗杆与动臂铰点的力臂，； 挖掘阻力的法向方向力，取图36 铲斗缸受力分析图 已知 =450 =4000 =700 动臂油缸闭锁力应满足 （3-6） 式中 动臂缸闭锁力对铰点的力臂，； 对动臂下铰点的力臂，； 对铰点的力臂，；已知 =350 =6500 =4800 又两个动臂缸同时作用，所以每个动臂缸的闭锁力=/2=1495.53.3.3 铲斗油缸尺寸的计算1， 缸径D和柱塞缸直径d的确定由回转缸计算步骤知铲斗缸受力平衡代入（3-1）中得： =0.155 =155 圆整取D=160则，圆整取。2， 缸壁厚和外径的计算由回转缸计算知按中等壁厚计算 。此时 则： 取此时，=0.16/0.03=5.33，满足中等缸条件，则缸外径=3.4 斗杆系统设计3.4.1 斗杆系统液压回路设计 对于斗杆系统液压回路的设计，可参照铲斗系统液压回路的设计方案，则可设计斗杆系统液压回路如图37所示：1a,1b,1c 过滤器 2a,2b 液压齿轮泵 3 二位二通换向阀4 三位四通换向阀 5 液压缸 6 单向阀 7 溢流阀 8 调速阀图37 斗杆系统液压回路 当斗杆缸正向运动时，此时三位四通换向阀处于右位，其进油方向为：油箱过滤器1b液压齿轮泵2b调速阀8三位四通换向阀4斗杆缸左腔；回油方向为：斗杆缸右腔单向阀6过滤器1c回流油箱。若需要双泵合流，则需将二位二通换向阀置于右位，如图所示即可，则