SWE50型机电一体化液压挖掘机液压系统(动臂部分)设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321SWE50型机电一体化液压挖掘机液压系统(动臂部分)设计摘 要：本人的设计主要致力于分析和设计小型液压挖掘机的液压系统，本液压挖掘机的优点是采用伺服先导操纵系统，造型美观，论文对挖掘机的各种工况进行了分析，系统总结了挖掘机液压系统的设计要求。课题以企业为依托。小型挖掘机由多个系统组成，包括液压系统，传动系统，操纵系统，工作装置，底架，转台，油箱，发动机安装等。本液压挖掘机的优点是采用伺服先导操纵系统，造型美观，具备挖掘，抓物，钻孔，推土，清沟和破碎等功能。性能可靠，操作舒适，可广泛应用于建筑，市政，供水，供气，供电农林建设等工程。本课题选择了国内的质量和技术性能都接近设计要求的5t挖掘机作为基型，并在此基础上研究了国外的先进机型，设计出挖掘机的液压系统方案图，总体装配图以及相应的部件图和零件图,并对动臂机构部分进行了设计，设计了动臂机构原理图，动臂机构液压缸。图纸基本采用Auto CAD二维软件绘图。关键词：挖掘机；液压系统；液压泵；液压阀 Desing of the SWE50 Type of the Hydraulic System ( the Part of Movable Arm) of Hydraulic ExcavatorWith Electromechanical IntegratiomStudent:：Long Yao Tutor: Moya Wu(Orient Science&Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract：My design is mainly dedicated to the analysis and design of small hydraulic excavator hydraulic system. This hydraulic excavator has the advantage of the servo pilot control system, handsome in appearance, the paper excavator various conditions were analyzed, the system summarizes the mining hydraulic system design requirements. Subjects rely on the enterprise. Excavator by a number of system components, including hydraulic systems, transmission systems, control systems, equipment, chassis, turntable, fuel tanks, engine installation. The advantages of hydraulic excavators is the use of servo pilot control system, handsome in appearance, with mining, grasping objects, drilling, earth moving, clear communication and breaking other functions. Reliable, comfortable operation and can be widely used in construction, municipal, water, gas, electricity and construction agriculture and forestry projects. The topics chosen for the national quality and technical performance are close to the design requirements of the 5t excavator as the base type, and on this basis, the advanced study of foreign models, design of hydraulic excavator system plan diagram, assembly drawing and the corresponding overall parts diagrams and parts diagram, and the boom part of the design agencies, design agency Schematic boom, boom cylinder body. The basic two-dimensional drawings using Auto CAD drawing software. Keywords: excavator ；hydraulic pumps ；hydraulic valves； hydraulic system1 前言液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。挖掘机液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。其结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析设计已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。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，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用，因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。1.1 课题设计要求1.1.1 使用要求小型挖掘机主要用于城市、狭窄地区，代替人力劳动。主要作业是挖掘、装载、整地、起重等，用于城市管道工程、道路、住宅建设、基础工程和园林作业等。小型挖掘机体积小，机动灵活，并趋向于一机多能，配备多种工作装置，除正铲、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、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。总之它是一种多用途万能型的城市建设机械。由于这种机械的特点很靠近人，因此在设计上除了要求耐久性、可靠性和作业效率等，还需着重考虑人、机、环境的协调，特别要注意以下几点： (1) 安全性即机械作业过程中不要与周围的人和物相碰撞，防倾翻稳定性好。(2) 低公害即排放要求高、低震动、低噪音，声音要比较悦耳。(3) 与周围环境能调和，形象要美观，形体和色彩不要引起人们不愉快感，对人有亲和感。(4) 尽量扩大其使用功能，可装多种附属装置，应成为城市万能型工程机械。(5) 操纵简便，任何人一学就会，都能操纵。1.1.2 性能要求小型挖掘机具有中型挖掘机的多项功能，又具有便于运输、能耗低、灵活、适应性强等优势，非常适用于空间狭小的施工场地作业，而且价格低、质量轻、保养维修方便，所以在小型土石方工程、市政工程、路面修复、混凝土破碎、电缆埋设、自来水管道的铺设、园林栽培等工程中得到了广泛的应用。由于满足基本的挖掘、装载、整地、起重等功能外，必须考虑到工作空间小(人力所不能至)、地形复杂、方便操作、可控，目前市场对小型挖掘机性能要求如下： (1) 改进挖掘机可控性和控制精确性以及复合动作。(2) 简化液压系统、降低成本，达到大作业量与低油耗的动态平衡。(3) 改进工作可靠性。(4) 改进驾驶操作舒适性及降低劳动强度，提高单位生产率。(5) 改进操作安全性。(6) 低振动、低噪音适用生活区工作。1.2 国内外研究现状及发展动态1.2.1 国外研究状况及发展动态工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40m单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代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50-150m剥离用挖掘机，斗容量132m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168.2m的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。(1) 开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅0.01m。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置除正铲、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，以满足各种施工的需要。(2) 迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、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(3) 重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度，提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。(4) 更新设计理论。提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家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，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。 (5) 加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。(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。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条件。(7) 迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。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。1.2.2 国内研究情况及发展动态早在1954年我国就已开始生产机械式挖掘机,当时的抚顺重型机器厂(抚顺挖掘机厂前身)引进前苏联的机械式挖掘机W10012和W5012等国际20世纪3040年代的产品。由于国家经济建设的需要,后又发展10余家厂生产,到1966年12年全国共生产了机械式挖掘机3000余台,后又延续生产到八十年代初。在80年代初引进德国系列液压挖掘机制造技术（例如有德国Liebherr公司、Demag公司和O&P公司），浙江大学的冯培恩教授开始率先着手研究挖掘机机电一体化技术，首先实现挖掘机器人作业过程的分级规划和局部自主控制。但是他们在任务规划层面上只停留在仿真阶段，还没有提出显著的实现方案。20世纪90年代初国内几家新进入挖掘机待业的企业以“技贸结合，合作生产”的方式联合引进日本小松制作所的PC系列挖掘机制造技术，由于 中国建设事业的发展，市场的扩大，随后不久在挖掘机生产领域出现了一个外资企业进入中国的浪潮。从1994、1995年开始，世界各工业发达国家的著名挖掘机制造企业先后在中国建立众多的中外合资或外商独资 挖掘机制造企业，生产世界一流水平的多种型号的挖掘机产品。截止至2001年年底，包括国有企业在内，中国境内生产液压挖掘机的企业总数达20个左右，共生产挖掘机整机质量从1.3-45t，100余个不同型号和规格的产品。2000年全国生产各种型号、规格的液压挖掘机8111台，共销售7926台，其中包括出口119台。2001年全生产12569台，销售12397台，其中包括出口468台。2 挖掘机液压系统概述及其设计液压系统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。其中液压系统的设计作为挖掘机总体设计的一部分，必须要满足整机工作要求，并要求进行相关参数的计算与分析验证，选取合适的各液压元件。2.1 液压挖掘机的工况分析液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作(如图1所示):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。除了辅助动作 (例如整机转向等)不需全功率驱动以外，其它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)整机移动至合适的工作位置(2)回转平台，使用工作装置处于挖掘位置(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位置(7) 操纵斗杆、铲斗卸载由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特殊要求:实现各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化，因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化;为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作(例如挖掘与动臂、提升与回转)同时进行复合动作。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:通常以铲斗液压缸或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，必要时，配以动臂动作。(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，同时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，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。图1液压挖掘机的工作运动Fig.1 Hydraulic excavator working campaign1一动臂升降;2一斗杆收放:3一铲斗装卸;4一转台回转:5一整机行走(4) 空斗返回:卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。(5) 整机移动工况:将整机移动至合适的工作位置。(6) 姿态调整与保持工况:满足停放、运输、检修等需要。(7) 其他辅助作业工况:辅助工作装置作业工况。2.1.1 挖掘工况分析(1) 铲斗挖掘工况:由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。采用铲斗液压缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中(III级土以下土壤的挖掘)铲斗挖掘最常用。(2) 斗杆挖掘工况:由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。在较坚硬的土质条件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘。(3) 联合挖掘工况:由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。当单独采用铲斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于铲斗液压缸的行程。以铲斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较短，为了能够装满铲斗，需有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，所以一般挖掘机的斗尖最大挖掘力都在采用铲斗液压缸挖掘时实现。当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。如在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图2所示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。如果需要铲斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作，见图3所示。这些动作决定于液压系统的设计。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力，保持铲斗贴紧侧壁进行切削，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。a一水平地面的挖削 b一斜坡地面的挖削图2斗尖沿直线挖削 Fig.2 Bucket digging sharp cut along the straight linea-水平地面的切削和压整 b-斜坡地面的切削和压整图3地面的切削和压整Fig.3 and press the entire surface of the cutting单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油较好。对于双泵系统，其复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能性大，因此需要采用节流等措施进行流量分配，其流量分配要求和三泵系统相同。挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要短时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主压力阀的压力。2.2 SWE50型机电一体化液压挖掘机工作原理机电一体化液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走(移位)，使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业的要求。机电一体化液压挖掘机传动示意图，如图4所示，利用各种传感器，柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给各液压执行元件(液压缸或液压马达)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，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。反铲工作装置由铲斗1、斗杆2、动臂3、连杆4及相应的三组液压缸5. 6. 7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，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达，转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩;动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。图4 机电一体化液压挖掘机传动示意图Fig.4 Schematic diagram of mechatronic drive hydraulic excavator1、铲斗 2、斗杆 3、动臂 4、连杆 5、 6、 7、液压油缸2.3 SWE50型机电一体化液压挖掘机工作技术要求采用了柴油机-液压泵复合控制。操作者根据工况，利用作业模式选择开关（功率预选开关）选择合理的功率模式：重载高速、正常工作、轻载低速。通过电子调节器调节发动机油门和液压泵的排量，使供给功率与负载需要功率相匹配。采用了电液比例控制技术，通过改变34B-R6/H6型带阀芯位移反馈的电液比例方向阀的比例电磁铁的输入电流，不但可以改变阀的工作液流方向，而且可以改变阀口大小实现流量控制，是一种较为理想的电、液转换和功率放大元件，与伺服控制相比具有成本低、抗干扰性好、能量损失小、对油液清洁度无特殊要求等优点。工况在线监测系统包括单片主处理器模块、面板控制系统、模拟信号调理模块、A/D转换及光电隔离模块、电源模块及传感器等部分。其中单片主处理器模块是系统的核心部分，主要功能有面板的控制管理，A/D转换部分的控制管理、模拟量、开关量和转换信号的输入、处理和存储。面板控制模块是整个系统的入机接口，它包括键盘、声光报警电路和点阵式液晶显示器。模拟信号调理电路的任务是实现各路模拟量信号的输入和调整，将传感器和敏感元件的输出电信号转变为满足A/D转换输入要求的标准电平信号。A/D转换及光电隔离模块的功能是将所有的被检测转变成为单片机所接受的数字量，具体包括开关量、转换信号的整形、模拟量的A/D转换和输入输出信号的光电隔离等。电源模块将液压挖掘机上的蓄电池或发电机输出的+24V直流电转换成系统各模块以及系统配备的传感器所需的各种类型的电平电压。计算机控制系统将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的的运行。如利用压力传感器可实现过载情况下的路径自主校正；利用超阶级声波测距传感器能实现 回转过程中的自动避障。2.4 液压系统的主要参数确定液压挖掘机的主要参数表明了液压挖掘机的规格和主要技术性能，液压挖掘机的主要参数分为发动机参数、液压系统参数、主要性能参数、尺寸参数四大类，发动机参数包括发动机额定功率、转速等，液压系统参数包换主泵的流量、压力等，主要性能参数包括整机工作质量、主要部件质量、铲斗容量范围或标称铲斗容量、挖掘力、牵引力等，尺寸参数包括工作尺寸、机体外形尺寸和工作装置尺寸等，其中液压挖掘机主要参数中最重要的参数有三个，即斗容量、整机质量和发动机功率，因为通过这三个参数可以从使用要求、机械本身的技术性能和技术经济指标、动力装置的配套、国际上统一的标准以及传统习惯等方面反映液压挖掘机的级别，故有主参数之称。比较其他同类型挖掘机，可得SWE50H的主要参数（如下表1，表2所示），其中图5为液压挖掘机的外观尺寸图，作业参数表2是根据图5所示。图5 SWE50H型液压挖掘机的外观尺寸图Fig.5 SWE50H hydraulic excavator appearance Dimension表1 SWE50H液压挖掘机的主要参数Tab.1 SWE50H the main parameters of hydraulic excavators 类型数值标准斗容（m3）0.18履带板宽（mm）350高/宽/长（mm）2593/1950/5321推土铲宽x高(mm)1960x300铲斗挖掘力（kN）44斗杆挖掘力（kN）26.7最大牵引力（kN）45.2动臂偏转角度（）50(左)75(右)行走速度（km/h）4.5/2.4爬坡能力（）30接地比压（kPa）31.3回转速度（rpm）10.1发动机YANMAR4TNV88-SSU最大扭矩（Nm）144排量（L）2.19功率/转速（kW/rpm）27.1/2200燃油箱容量（L）99主泵表2 SWE50H型液压挖掘机的作业参数Tab.2 SWE50H hydraulic excavator operating parameters参数类型数值最大挖掘高度4943mm最大卸载高度3389mm最大挖掘深度3302mm最大垂直挖掘深度2432mm最大挖掘半径5504mm最大停机面挖掘距离5373mm履带总长2502mm平台离地间隙708mm底盘宽度1200mm履带宽度350mm底盘离地间隙313mm履带高度602mm运输长度3180mm2.5 负载分析动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接。常见的有两种具体布置方式。图6 动臂机构油缸布置方案Fig.6 Layout boom cylinder body油缸前倾布置方案，如图6A所示，动臂油缸与动臂铰接于E点。当动臂油臂全伸出，将动臂举升至上极限时，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。油缸后倾布置方案，如图6B所示，当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台后方倾斜。当两方案的动臂油缸安装尺寸DE1、铲斗最大挖掘H和地面最大挖掘半径R相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即h1h2。此外，在后倾方案中，动臂EF部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。以上为动臂油缸后倾方案的缺点。然后，后倾方案动臂下铰点C与动臂油缸下铰点D的距离CD比前倾方案的大，则动臂在上下两极限位置时，动臂油缸的作用力臂也就比较大。因此，在动臂油缸作用力相同时，后倾方案能得到较大的动臂作用矩，这就是其优点。为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘将长动臂CEF改成CE1F1（图6B），并配以长斗杆，在最大深度处挖掘时，采用铲斗挖掘而不是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为h1h2。显然，不论是动臂油缸前倾还是后倾方案，当C、D两铰点位置和CE长度不变时，通过加大动臂油缸长度可以增大动臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘深度。所以，在布置动臂油缸时，应综合考虑动臂的结构、工作装置的作业尺寸及动臂举升力和挖掘力等因素。动臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升铲斗内装满土壤的工作装置至最大卸载距离位置进行卸载来确定，其设计简图7所示，此时动臂油缸作用力(N)为： (1)式中 铲斗质心到动臂下铰点A的水平距离(m)动臂质心到动臂下铰点A的水平距离(m)斗杆质心动臂下铰点A的水平距离(m) 动臂油缸作用力对铰点的力臂(m) 斗杆所受重力(N) 动臂所受重力(N)铲斗及其装载土壤的重力(N) 图7 动臂油缸作用力分析Fig.7 Analysis of boom cylinder force查阅相关资料，选取N+mg，N，N，3.8m，=2.8m, =1.2m, =0.55m.其中铲斗的重力为N，根据公式 (2) (3) (4)式中 装载土壤的质量（kg） 平均有效斗容量（）铲斗充满系数（），根据工作环境，选择充满系数为1自然情况下土壤的密度，根据工作环境，选择疏松后的土壤密度土壤的松散系数，根据工作环境，取代入数据，求得： 2.6 液压缸主要几何尺寸的计算挖掘机各驱动和传动系统包括：发动机、液压泵、液压马达、电液比例换向阀、动臂缸、斗杆缸及齿轮传动。本设计主要对动臂缸进行相关设计。2.6.1 动臂液压缸内径尺寸与活塞杆直径的确定由表1、表3、表4可知，小挖掘机液压系统在最大负载约为时宜取液压缸的工作压力13，液压缸选用单杆式，并在工作时进行差动连接。此时液压缸无杆腔工作面积应为有杆腔工作面积的两倍。由于液压缸回油路上必须具有背压力存在，以防止挖掘机卸土后突然前冲，由表4,可取8.表3 按负载选择执行元件工作压力Tab.3 Select according to the load actuator working pressure负载F/N50000工作压力p/MPa57表4 按主机类型选择执行元件工作压力Tab.4 Selected by the host type actuator working pressure主机类型机床农业机械小型工程机械工程机械辅助机构液压机中、大挖机重型机械起重运输机构磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力p/Mpa235881010162032表5 执行元件背压力Tab.5 Actuator back pressure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回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计由于是差动式单杆连接，所以活塞杆直径d与缸筒直径D的关系为d=0.707D。根据公式=47.62 (5)故有 D=77.9mm，d=0.707D=55.07mm (6)当按GB/T23481993将这些直径圆整成就近标准值时得：D=80mm , d =63mm，由此求得液压缸两腔的实际有效面积为 (7)2.6.2 液压缸行程的确定液压缸行程主要依据机构的运动要求而定。但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630mm。2.7 液压缸结构参数的计算2.7.1 缸筒壁厚的计算对于低压系统或16时，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算，公式如下： (8)式中 液压缸缸筒厚度 试验压力(Mpa)，当工作压力P16 Mpa时，=1.5P，当工作压力31.5P16 Mpa时，=1.25P，当工作压力P31.5Mpa时，=1.15P,这里应取=1.5P =19.5Mpa。 液压缸内径(m) 缸体材料的许用应力（Mpa），可通过下面公式求得： (9) 缸体材料的抗拉强度(Mpa) 安全系数，=3.55，一般取=5但对于锻钢45的许用应力一般都取=110(Mpa)则根据机械设计手册，取液压外缸直径为=100mm.2.7.2 液压缸油口直径的计算液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度和油口最高液流速度而定，公式如下： (10)式中 液压缸油口直径(m) 液压缸内径(m) 液压缸最大输出速度(m/min) 油口液流速度(m/min)，根据机械设计手册，取=7m/min同时对于单杆油塞式液压差动联接时，活塞的外伸速度为: (11)式中 液压缸差动联接时，活塞外伸的速度，可视为油口液流的速度(m/min) 液压泵流量(/s)，活塞杆面积，其公式如下: (12)式中 活塞杆直径(m) 所以 代入数据，解析以上公式得：，故取2.7.3 缸头厚度计算本设计采用的是螺钉联接法兰缸头，其厚度的计算公式为： (13)式中 法兰厚度(m)法兰内径(m)，根据机械设计手册，取=螺钉孔分布圆直径(m)，根据机械设计手册，取=法兰材料的许用应力(Mpa)，取45钢，120 Mpa 法兰受力总和(N)，其计算公式为： (14) 密封环内径(m)，根据机械设计手册，取 密封环外径(m)，根据机械设计手册，取 系统工作压力(pa)， pa 附加密封力(pa)，若采用金属材料时，值取屈服点，此处取材料为45钢，则=110Mpa代入数据，求出得：故取2.7.4 下盖联接螺钉强度校核计算螺钉联接可采用高强度螺钉M161.5(GB/T70.1-2000)联接,两端数量均为24件，螺钉精度等级为10.9级，其强度校核，公式如下：拉应力： =7.7Mpa (15)剪应力： =3.1Mpa (16)式中 ：螺纹拧紧系数，此处取=1.25: 螺纹摩擦系数,一般取=0.12：螺纹外径，根据机械设计手册，取=16mm：螺纹内径，根据机械设计手册，取=-1.08251.514.4mm：数量为24：螺钉材料屈服强度，取45钢，则 =110Mpa得：，符合工况要求，则验证合格，可取。2.7.5 活塞杆柔度校核计算活塞杆细比计算如下： = (17)此处：L为折算长度，导向套中心至吊头尺寸，约630mm，活塞杆直径d=63mm，活塞杆许用细长比，按规定拉力杆此处100。计算得，故满足要求，则活塞杆长度和缸筒长度的取值合格。3 液压元件的选择3.1 液压泵的选择由表1得，主泵的压力为，最大流量为；齿轮泵的压力为，最大流量为。根据机械设计手册，可查阅得：此液压泵可采用NB3-G20F双联柱塞泵，主泵由2个柱塞式串联变量柱塞泵组成。3.2 柴油发动机的选择取泵的总效率=0.8，泵的总驱动功率为：= 23.74KW (18)考虑安全系数,故取25KW;查机械设计手册发动机参数表得：发动机机型号YANMAR功率27.1KW 转速2200r/min3.3 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的油流方向、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。3.3.1 根据液压阀额定压力来选择选择的液压阀应使系统压力适当低于产品标明的额定值。对液压阀流量的选择，可以按照产品标明的公称流量为依据，根据产品有关流量曲线来确定。3.3.2 液压阀的安装方式的选择液压阀与系统的管路或其他阀的进出油口的连接方式，一般有三种，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。3.3.3 液压阀的控制方式的选择液压阀的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气系统的配置能力进行选择。3.3.4 液压阀的结构形式的选择液压阀的结构方式分为：管式结构，板式结构。一般按照系统的工作需要来确定液压阀的结构形式。选用主操作阀采用川崎KMX15R/B450，最大流量80.3/min，能实现动臂提升合流、斗杆大小腔合流、斗杆再生回路、行走直线、动臂提升优先、回转优先、斗杆闭锁等功能。原理图如图8所示图8主操作阀原理图Fig.8 Schematic main operating valve3.4 其他液压元件的选择3.4.1 蓄能器的选择根据蓄能器在液压系统中的功用，确定类型和主要参数。在本液压系统中，液压缸在短时间内快速运动，由蓄能器来补充供油，则计算公式为： (19)式中 A各液压缸有效作用面积L各液压缸的行程K油液损失系数，一般取K=1.2各液压泵流量之和t动作时间，设定t=0.2s代入数据，由以上公式得=9.53L考虑安全系数和其他方面取20L,查机械设计手册得：NXQ1-L40/31.5 蓄能器F2193.4.2 非橡胶管道的选择本系统管路很复杂，取其中主要的几条来计算，按照公式： (20)液体流量 流速，对于吸油管=12m/s，一般取1m/s以下，对于压油管36m/s，对于回油管1.52.5m/s。通过以下公式算出管道内径： (21) 式中 液体流量流速其设定值与计算数值如表6所示表6 计算数值Tab.6 Numerical calculation管路名称通过流量(L/min)允许流速(m/min)管道内径(m)实际取值(m)大泵吸油管20.420.80.04210.045小泵吸油胳150.90.01420.021大泵排油管26.9240.0170.021小泵排油管19.240.0070.010查机械设计手册得：102、213、4543.4.3 胶管的选择根据工作压力和按公式得管子的内径选择胶管的尺寸规格。高压胶管的工作压力对不正常使用的情况下可提高20%；对于使用频繁，经常扭变的要降低40%。胶管在使用及设计中应主要下列事项：(1) 胶管的弯曲半径不宜过小，一般不应小于320，胶管与管接头联接处应留有一段直的部分，此段长不应小于管外径的两倍。(2) 胶管的长度应考虑到胶管在通入压力油后，长度方向将发生收缩变形，一般收缩是取3%4%，胶管安装时避免处于拉紧状态。(3) 胶管安装是应保证不发生扭转变形，为便于安装，可沿管长涂以色纹，以便检查。(4) 胶管的接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动时胶管受力。(5) 胶管应避免与机械上的尖角部分想接触和摩擦，以免管子损坏。3.5 油箱容量的确定初步确定油箱的有效容积,跟据经验公式来确定油箱的容量, (22)式中 液压泵每分钟排出的压力油的容积 经验系数已知所选泵的总流量为128.6L/min,这样,液压泵每分钟排出的压力油体积为128.6L,查表7表7油箱经验系数表Tab.7 Tank experience coefficient table系统类型行走机械低压系统中压系统锻压系统冶金系统12245761210得=3，故V=30.1286=0.3858根据以上的要求来选择液压控制阀，所选的液压阀能满足工作的需要。其具体规格型号和名称见表8。 表8液压控制阀Tab.8 Hydraulic Control Valve序号代 号名称及规格材料数量1Q9F-25P-25不锈钢截止阀成品22DB10G5X/13G24N25电磁溢流阀成品13S20P1OS型单向阀成品14S10P1OS型单向阀成品15XJF-25/13蓄能器截止阀成品16DRV10-1-13/2单向节流阀成品19S6A1O/2S型单向阀成品110ZDR6DP2-21/7YM叠加式减压阀成品1 11Z1S6P-1-25/叠加式单向阀成品1124WE10J3X/CG24NZ5L电磁换向阀成品113ZDR10DP2-25/7.5YM叠加式减压阀成品114Z2FS8-13/S2叠加式双单向节流阀成品2154WEH16Y10/OF6AG25NETS2Z5L/B08电液换向阀成品116Z2FS6-10/S2叠加式双单向节流阀成品217DR20-5-5X/10YM先导式减压阀成品218DR20-5-5X/10Y先导式减压阀成品1194WEH16E50/6AG24NETS2Z5L/B08电液换向阀成品1204WE6E3X/CG21NZ5L电磁换向阀成品121DB21-2-5X/330溢流阀成品222S20P1O/2单向阀成品123Z2FS10-T20叠加式双单向节流阀成品124QJH3WL高压球阀DN6成品325CBT03VL40先导式溢流阀成品14 液压系统原理图的制定4.1 制定基本方案(1) 制定调速方案 液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合容积节流调速。节流调速一般采用定量泵供油，用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。此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用闪流阀，故效率低，发热量大，