挖装机工作装置液压系统设计.doc

燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：挖装机工作装置液压系统设计 学院（系）： 里仁学院 年级专业： 09液压4班 学 号： 091101011617 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 1 燕山大学课程设计说明书摘要首先搜集了国内外挖装机液压系统相关资料,了解挖装机液压系统的发展历史，并且对挖装机液压系统的技术发展动态进行了分析总结。文章对挖装机工作装置液压系统进行了分析，明确了挖装机工作装置液压系统的设计要求。挖装机的液压系统是挖装机上重要的组成部分，它是挖装机工作循环的动力系统,液压系统的性能优劣决定着挖装机工作性能的高低。液压技术的发展直接关系挖装机的发展，挖装机和液压系统设计密不可分，二者相互促进。高压技术是现代挖装机的技术基础，挖装机的发展又促进了液压技术的提高。挖装机的液压系统复杂，目前液压传动的许多先进技术都体现在挖装机上,比如LUDV系统广泛应用于挖装机的液压系统中。随着科技的进步，挖装机的液压系统将更加复杂，功能更加多样且便于操作控制，工作效率高，耗能少，先进的液压系统会使挖装机在工程领域发挥更大的作用。关键词 挖装机 液压系统 LUDV AbstractFirst collected at home and abroad to dig installed hydraulic system information to understand the dig installed hydraulic system development history, and technological developments dig installed hydraulic system were analyzed and summarized. Dug installed for the Hydraulic System analysis and clear dug installed for the Hydraulic System design requirements.Dig the capacity of the hydraulic system the dug installed component, which is digging capacity of the working cycle of the power system, the performance advantages and disadvantages of the hydraulic system to determine the level of digging installed performance. The capacity development of hydraulic technology development directly related to digging, digging capacity and hydraulic system design are inseparable, the two promote each other. The high-pressure technology is a modern dig installed technology base, digging capacity development and promote the improvement of the hydraulic technology. Digging capacity of the hydraulic system, many of the advanced technology of the hydraulic drive are reflected in the dug installed, such as LUDV system widely used in digging the installation of the hydraulic system. As technology advances, digging capacity of the hydraulic system will be more complex, more diverse and easy to operate control, high efficiency, low energy consumption, advanced hydraulic system will make digging capacity to play a greater role in the engineering field.Keywords dig installed hydraulic system LUDV目 录第一章 绪论11.1 国内外挖装机发展与现状11.3施工中存在的问题及措施31.4 课程设计的内容4第二章 液压系统方案设计62.1挖装机液压系统的分析及LUDV控制系统62.2 液压系统方案的确定62.3 液压元件的初步选用82.4 液压系统原理9第三章 液压系统参数计算及选型123.1 液压系统基本动作分析123.2 参数计算及选型12总结16参考文献1719 第一章 绪论1.1 国内外挖装机发展与现状国内使用的隧道挖装机分为进口和国产两种。进口包括德国和日本生产的不同机型，以德国产品占绝对主导地位。进口隧道挖装机均为双动力（电动/内燃），双行走方式（履带/轨行）全液压履带式。根据需要可加装液压锤等装置，进行隧道开挖，实现一机多用。图11 WZ330挖装机 ITC 312-H4 是引进最早的德国产挖装机，中国中铁在1995年引进7 台。此后，中国铁建也陆续引进隧道挖装机。乌鞘岭隧道斜井施工是312挖装机购买的高峰期。石太等客运专线长大隧道的修建，也促进了施工单位购买和保有312 挖装机。KL-20ES是上世纪80年代从日本引进的隧道挖装机，用于9392m 长的南昆铁路米花岭隧道施工，曾经创造了月掘进520m 的全国最高记录。KL-20ES 是日本引进德国ITC 公司技术生产的设备，为双动力双行走方式，生产能力150m3/h，与四臂门架式液压凿岩台车和梭式矿车配合，实现铁路单线隧道快速机械化施工。国产挖装机的主要特点是单动力驱动，行走和作业均为电机驱动，要么为轨行式，要么为履带式，生产能力都不高。国产挖装机主要有南昌凯马、江西蓝翔和贵阳力特等品牌，均为电机单动力驱动。根据工程需要，分别有轨轮式和履带式，刮板驱动又分为单链、单驱动和双链、双驱动两种型式。受卸载高度影响，国产挖装机主要适合有轨运输矿车出碴需要。据了解，国产挖装机在隧道正洞开挖、有轨运输中有一定数量的使用，但在长大斜井无轨运输施工中比较少见。南昌凯马LWL-260 挖掘装载机的理论装载能力为260m3/h，相当于最早引进的312H4 挖装机，其装载能力、卸载高度可满足无轨运输自卸车出碴要求。图12 ZWY-120煤矿用挖掘式装载机1.2 挖装机主要性能参数比较我国进口的隧道挖装机主要由德国和日本生产，目前市场上使用的基本上都是312。表1对比了几种不同型号的312挖装机。312挖装机的柴油机为Deutz 四冲程、低污染，312H3/H4为空冷，H4型不带涡轮增压,312SL为水冷；电机为空冷、三相四线制、星三角启动。与312H3/H4挖装机比较，312SL挖装机发动机和电机功率均有较大提高，特别是其生产能力提高一倍多。不论是电机驱动还是发动机驱动，其液压系统均采用各自独立的双柱塞泵和齿轮泵驱动。由于其动力性有较大提高，加之梭槽内部宽度增加到1000mm，碴土通过能力更强，输送效率更高。采用板胶式更有效地防止了卡链，在掌子面有较大涌水情况下，也能够保持较强的输送能力。表1-1 Itc 312型挖装机主要技术参数1.3施工中存在的问题及措施1）根据施工组织，合理选用机型。当长大隧道采用矿山法施工时，为了解决通风和加快施工进度，往往需要设置多个辅助坑道，特别是斜井。一般斜井断面都比较小，当井深较长时，受通风以及装载宽度限制，采用隧道挖装机电动出碴、无轨运输就显示出了优越性；而正洞施工，由于断面大，除有轨运输矿车出碴使用挖装机具有优势，采用无轨运输出碴时，挖装机反而不如装载机装碴速度快。因此，要根据不同的工况和施工要求，合理选用挖装机机型。2）注重操作人员培训，做到人机的最佳结合。进口挖装机明确要求，挖装机司机要年满18周岁，生理和心理健康。挖装机司机除了熟悉设备的结构和基本原理外，要有非常熟练的操作技巧。司机动作过猛过大，还会危害设备安全，比如造成油缸损坏、油管爆裂等，影响设备的完好率和利用率，进而降低装载效率。3）提供满足挖装机使用的必要条件。使用隧道挖装机用电动出碴具有优势，但电网电压不稳，容易出现反复跳闸。反复跳闸会导致卡链以及线路故障，影响挖装速度，降低设备使用寿命。要事先编制高压进洞方案，提供稳定可靠满足需要的电压。一般来说，工程建设初期，是电网电压不稳的多发期，需要特别注意。隧道施工需要多工序、多设备有机配合，协同作战。挖装机从掌子面退倒汇车道的时间也是制约进度的重要因素，斜井施工要开挖足够挖装机存放的汇车道。一般，单动力挖装机汇车道之间的距离在160m左右（根据电缆长度决定），双动力挖装机汇车道之间的距离也不宜超过250m。选配与挖装机性能匹配的、满足出碴效率的运输设备也非常重要。4）切实加强设备的维修保养。再好的设备也离不开良好的维护和修理保养，要保证设备的正常使用，必须要熟知设备结构原理，熟练进行维修保养，有敬业爱岗的维修保养人员，并严格执行有关规定，坚持日常保养与定期强制保养制度，做到日常保养与提前预防相结合，使保养规范有序，确保机械始终处于良好的状态。比如刮板联接螺栓的及时紧固就非常重要。贯彻“清洁、紧固、润滑、调整、防锈（腐）”的作业方针。5）做好配件储备。长大隧道一般地处偏远，超前计划搞好配件储备是保证设备完好率和利用率的关键环节。要根据设备使用强度，预计常用消耗材料、易损件的需求量，提前储备。1.4 课程设计的内容（1） 挖装机液压系统技术发展动态的分析研究：大量搜集国内外挖装机和挖装机液压系统方面的相关技术资料，系统了解挖装机液压系统的发展历史。分析总结挖装机液压方面的研究现状和技术发展动态。（2） 挖装机液压系统设计要求：对液压挖装机一个工作循环中的三种工况挖掘工况、卸载工况、卸载返回工况进行了详细的分析，总结了每个工况下各执行结构的主要复合动作。根据液压挖装机的主要工作特点，系统地总结了挖装机液压系统设计要求：动力性要求和操纵性要求。（3） 挖装机液压系统的设计：分析了传统工程机械液压系统中的定量泵系统与变量泵系统，以及开式回路与闭式回路的优缺点。根据挖装机液压系统的设计要求,设计了一套由变量泵与LUDV多路阀控制的开式回路液压系统。 第二章 液压系统方案设计2.1挖装机液压系统的分析及LUDV控制系统 挖装机液压系统中最重要也是最复杂的就是多路阀液压系统。多路阀是挖装机液压系统中的重要部件，它确定了液压泵向各个液压作用元件的供油路线和供油方式；确定了多个液压作用元件同时作用时的流量分配情况和如何实现复合动作；决定了挖装机作业时的运动学和动力学特性、动作优先和配合以及合流供油和直线行走性等等。它的设计决定了能否更好地满足挖装机的作业要求和工况要求。LUDV控制系统：指负载独立流量分配系统，是以执行器的最高负载压力来控制液压泵和压力补偿的负载独立流量分配系，当执行器所需流量大于泵的流量时，系统会按比例将流量分配给各执行器，而不是流向轻负载的执行器。LUDV系统可以检测出负载的压力，使泵的供油压力始终高出负载压力一个较小压差。当执行器所需流量大于泵的流量时，系统会按比例将流量分配给各执行器。操作换向阀改变阀口开度，泵能自动调节并输出与负载速度要求相适应的流量，而与负载大小无关，实现泵输出功率与负载需要的匹配，极大提高了系统效率，达到了节能目的。如果LUDV系统内发生流量不足，既油泵不能提供足够的流量，以所要求速度去操纵各执行元件则各执行元件将按比例减少速度。LUDV系统的一大优点是，如果发生供油不足不会有任何执行元件停止工作，这大大提高了操纵性能，尤其是在复合动作时，这一优点表现的更为明显。2.2 液压系统方案的确定2.2.1 确定回路方式本液压系统采用开式回路。开式系统利用油箱可以散热、沉淀杂质的特点，并且油液循环大，敝热条件好，结构简单，因此为大多数工程机械所采用。闭式回路系统结构较为紧凑，泵的自吸性好，系统与空气接触的机会较少，空气不易渗入系统，故传动的平稳性较好，且工作机构的变速和换向靠调节泵或马达的变量机构实现，避免了在开式系统换向过程中所出现的液压冲击和能量损失。但闭式系统较开式系统相对复杂，并且由于闭式系统本身没有油箱，油液的散热和过滤条件较开式系统差。2.2.2 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，多用于功率不大的场合。容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。其优点是没有溢流损失和节流损失，效率较高。但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。进油节流起动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。节流调速一般采用开式循环形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油箱。开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。容积调速大多采用闭式循环形式。闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通，形成一个封闭的循环回路。其结构紧凑，但散热条件差。经过上述分析此方案选用容积节流调速。2.3 液压元件的初步选用2.3.1 泵的选用容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵，它们的性能比较如表21。表21各种液压泵性能比较项目齿轮泵(外啮合)叶片泵斜轴式柱塞泵斜盘式柱塞泵排量(cm3/r)1-500平衡式1-350不平衡式10-230100-10004-500最高压力(MPa)1-25平衡式3.5-40不平衡式3.5-1421-4021-40最高转速(r/min)900-4000平衡式1200-3000不平衡式1200-1800750-3600750-3600最高效率(%)70-85平衡式70-90不平衡式60-7088-9585-92对污染敏感性不易受污染影响，随着齿轮的磨损，效率有所降低对污染较敏感，叶片磨损时，效率降低到很小对污染最敏感，配流盘受损伤时效率降低对污染的斜轴式高，配流盘滑靴磨损时效率降低吸油性能转速为1800r/min时，允许吸入真空度为-26664.4-54328.8Pa(-20-40cmHg)转速为1800r/min时，允许吸入真空度为-13332.2-26664.4Pa(-10-20cmHg)转速为1800r/min时，允许吸入真空度为-3.9997-0Pa(-3-0cmHg)同轴斜式柱塞泵噪声(dB)额定转速300r/min时，噪声83dB额定转速1450-2400r/min时，噪声76dB额定转速1450-2400r/min时，噪声87dB额定转速1450-2400r/min时，噪声77dB对过滤精度要求30-50m20-30m15-25m15-25m根据上表分析，以及液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。再根据调速方案及工程机械选用原则，本设计采用斜盘结构轴向柱塞变量泵，这种泵具有结构紧凑，容量大，压力高，容易实现无级变速，寿命长，排量范围大。并且可以提供多种变量机构用于不同的控制和调节功能，如恒功率，压力切断，负载敏感等要求。2.3.2 液压阀的选用（1） 溢流阀.溢流阀的基本功能是限定系统的最高压力，防止系统过载或维持压力近似恒定。本系统中选用二级同心先导式溢流阀，安装在泵的出油口处，用来恒定系统压力，防止超压，保护系统安全运行。（2） 过载阀.安装在液压缸和行走马达的管路上，防止超载，用来保护液压系统和工作的液压缸和行走马达。（3） 单向阀.系统中多处要用到单向阀，也是必不可少的元件，它用来防止油液倒流，从而使执行元件停止运动，或保持执行元件中的油液压力。还可是保持一定的背压。（4） 换向阀.系统中主要应用到的是整体式多路阀。 2.4 液压系统原理LRDS恒功率,压力切断和负载敏感控制:如图2-1,负载传感阀是个流量控制阀,它根据负载压力来工作以调节泵的排量,使之适应执行器的需要。泵的流量受装在泵与执行器之间的外部节流（多路阀，节流阀）的影响，但在低于设定压力的整个范围内不受负载压力的影响。该阀比较节流上游和下游的压力并保持节流压降（压差）恒定，从而把泵的流量保持恒定。如果压差加大，则泵往回摆，而如果压差减小，则泵向外摆出，知道在阀中恢复平衡。恒功率控制和压力切断优先于负载传感阀，即低于设定功率曲线和压力时负载传感功能工作。在标准LS系统中压力切断内置于泵的控制中，在LUDV系统中，压力切断内置于LUDV阀中。图2-1 主泵控制系统图2-2 挖装机工作装置液压系统总成原理图第三章 液压系统参数计算及选型3.1 液压系统基本动作分析 ( 1）挖掘。通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘，或者两者配合进行挖掘。在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作，必要时配以动臂动作。在挖装机进行挖掘作业时，斗杆缸固定不动，分析可知斗杆缸的作业只需克服自身重量以及挖斗内的土方重量。（2）满斗举升摆动。挖掘结束后，动臂缸将动臂顶起、满斗提升，同时工作臂上的摆动装置摆动到中间位置，然后动臂举升和臂和铲斗自动下落到合理的卸载高度。（3）卸载。摆动至合理卸土位置时，摆动油缸制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗缸卸载。为了调整卸载位置，还需动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合作用，兼以动臂动作。（4）空斗返回。卸载结束后，动臂缸和斗杆缸相互配合动作，把空斗放到新的挖掘点，此工况是举升、动臂和斗杆复合动作。3.2 参数计算及选型3.2.1 基本参数要求三个缸的速度均为0.18m/s，工作压力20MPa.其它已知条件如表2-2.表3-1 油缸参数油缸缸径*杆径*行程(mm)铲斗油缸130*85*790斗杆油缸140*90*800动臂油缸140*90*8003.2.2 液压缸及液压泵的计算（1）基本计算铲斗油缸:q=vA1=0.18*/4(0.13*0.13-0.085*0.085)=82.2 L/min 斗杆油缸:q=vA2=0.18*/4(0.14*0.14-0.09*0.09)=97.8 L/min 动臂油缸:q=vA3=0.18*/4(0.14*0.14-0.09*0.09)=97.8 L/min 根据已知的最大工作压力20MPa,可知液压泵的工作压力应该比系统最大工作压力高出25%40%.则液压泵的压力至少为25MPa28MPa.（2） 液压缸及液压泵的选型 根据已知条件及压力和流量选择合适的液压缸：铲斗油缸选择河南大卫液压机械有限公司的ZQ-125/90*790B3，斗杆油缸和动臂油缸选择ZQ-140/90*800B2。 根据以上求按系统中给定的液压泵的形式，从力士乐行走机械样本选用合适的泵：斜盘式轴向柱塞变量泵A11VO，规格为130，能够实现恒功率，负载敏感，压力切断等功能。 图3-1 变量泵A11VO3.2.3 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。本系统要选择一个LUDV工作压力在20Mpa左右，所以液压阀都选用高压阀。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。在液压系统中，液压阀的选择是非常重要的。可以使系统的设计合理，性能优良，安装简便，维修容易，并保证系正常工作的重要条件。不但要按系统功需要选择各种类型的液压控制阀，还需要考虑额定压力，通过流量，安装形式，动作方式，性能特点因素。经过综合分析，从力士乐行走机械样本中选择合适的阀：5M7-22型多路阀（5联整体阀），能实现与负载压力无关的流量分配。图3-2 M7-22型多路阀3.2.4发动机参数计算及选型液压缸在整个循环运动中，系统的压力和流量都是变化的。所需功率变化较大，为满足整个工作循环的需要，需按大功率段来确定发动机的功率。从液压原理图可以看出，快速运动时系统的压力和流量都较大， 取泵的总效率=0.8,泵的排量为130cm3泵的排量为最大排量时,最高转速为2500r/min,根据额定工作时的情况,选泵的转速为1500r/min,则泵的流量为：q=130*1500=195000 cm3/min泵的总驱动功率为 P=pq/=(0.195/60)*20*106/0.8=81.25 KW考虑安全系数,故取82KW;查机械设计手册发动机参数表得:电机型号Y280M-4（功率90KW,满载转速1480r/min,同步转速1500r/min）3.2.5液压油的选用在任何液压系统中，液压油是一至关重要的组成部分。它的功能是：有效地传递能量、润滑部件和作为一种散热介质。液压系统能否可靠、灵敏、准确、有效而且经济地工作，与所选用的液压油的品种及性能密切相关。因此，正确选用液压油是确保液压系统正常和长期工作的前提。当液压系统发生故障时，及时找出原因，采取正确的解决办法是保护设备、避免造成重大损失的重要措施。根据所选泵的要求,油液应该选择矿物油。3.2.6 油箱容量计算油箱在液压系统中主要功能是储存液压系统所需要的足够油液，散发油液的热量，分离油液中气体及沉淀物。采用分离式油箱，它是一个单独的与主机分开的装置，布置灵活，维修保养方便，减少油箱发热和油液振动对工作精度的影响，便于采用通用化、系列化的产品，得到广泛的应用。由经验公式V=q可以确定油箱的容量。在高压系统中经验系数取=6。V=q=195L/min * 6=1170 L 总结为期三周的液压系统课程设计，是在学习了液压传动基本理论知识后进行的一次综合运用说学理论知识分析问题解决问题的实践。通过