机械毕业设计40机械设计----液压挖掘机论文
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*毕业设计（论文） 1 目 录 TU内容提要 UT TUSummaryUT TU绪论 UT . 1 TU1.1 前言 UT . 1 TU1.2 课题设 计要求 UT . 2 TU2 国内外研究现状及发展动态 UT . 3 TU2.1 国外研究状况及发展动态 UT . 3 TU2.2 国内研究情况及发展动态 UT . 4 TU3 液压系统的设计 UT . 5 TU3.1 液压挖掘机的工况分析 UT . 5 TU3.2 液压系统的主要参数确定 UT . 8 TU3.3 负载分析 UT . 10 TU3.4 机电一体化液压挖掘机工作原理 UT . 12 TU3.5 机电一体化液压挖掘机工作技术要求 UT . 13 TU3.6 液压缸主要几何尺寸的计算 UT . 14 TU3.7 液压缸结构参数的计算 UT . 15 TU4 液压系统原理图的制定 UT . 19 TU4.1 制定基本方案 UT . 19 TU4.2 确定回路方式 UT . 20 TU4.3 选用液压油液 UT . 20 TU4.4 绘制液压系统原理图 UT . 21 TU5 选择各 液压 元件 UT . 24 TU5.1 液压泵的选择 UT . 24 TU5.2 柴油发动机的选择 UT . 24 TU5.3 液压阀的选择 UT . 24 TU5.4 其他液压元件的选择 UT . 26 TU5.5 油箱容量的确定 UT . 28 TU6 液压系统性能验算 UT . 29 TU6.1 液压系统压力损失 UT . 29 nts*毕业设计（论文） 2 TU6.2 液压系统的发热温升计算 UT . 30 TU总 结 UT . 34 TU参考文献 UT . 35 TU致 谢 UT . 37 nts*毕业设计（论文） 3 内容提要 在搜集了国内外挖 掘机液压系统相关资料的基础上，了解了挖掘机液压系统的发展历史，并对挖掘机液压系统的技术发展动态进行了分析总结。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 本次毕业设计课题 SWE50H 型液压挖掘机 液压系统设计 。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。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。 nts*毕业设计（论文） 4 Summary On the basis of comprehensive co11ection of re1ated information about the excavators hydraulic system at home and abroad， the main working conditions of the excavator are studied and the design requitments of its hydraulic system are systematically summarized. The name of this graduated task is “SWE70H medium type hydraulic excavator”.This task is requested by company. My task is to analyze and design the hydraulic system of the medium type hydraulic excavator. This task choose the domestic excavator whose quality and character is most similar to our request as the basic type, further study the overseas advanced type. Then I designed projects of hydraulic system of our excavator,collectivity assemblage drawing and interrelated parts drawing, accessory drawing. All the blueprints drawn by the soft of AutoCAD. The strongpoint of this hydraulic excavator is used servo forerunner control system. It has beautiful sculpt. Beijing provided with the fuction of excavating, grappling, drilling, pushing, cleaning channel and crashing etc. 360swwing plat roof,good quality, controlling comfortable, be widely used in construction,supply and city planning. nts*毕业设计（论文） 5 绪 论 1.1 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 （如图所示）， 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.铲斗缸 2.斗杆缸 3.动臂缸 4.回转马达 5.冷却器 6.滤油器 7. 磁滤器 8.油箱 9.液压泵 10.背压阀 11. 后组合阀 12.前组合阀 13.中央回转接头 14.回转制动阀 15.限速阀 16.行走马达 图 1.1 液压挖掘机整体系统图 nts*毕业设计（论文） 6 1 课题设计要求 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 ： (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。 1.2 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 2 ： (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。 nts*毕业设计（论文） 7 2 国内外研究现状及发展动态 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，最小的斗容量仅在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nts*毕业设计（论文） 8 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 。 2.2 国内研究情况及发展动态 3 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 30 40年代的产品。由于国家 H经济 H建设的需要 ,后又 H发展 H10 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 。 nts*毕业设计（论文） 9 3 液压系统的设计 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。 3.1 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 3.1 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 4 : (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。 nts*毕业设计（论文） 10 图 3. 1 液压挖掘机的工作运动 1 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。 3.1.1 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nts*毕业设计（论文） 11 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 3.2 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 5 ，见图 3.3 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 3.2 斗尖沿直线挖削 a-水平地面的切削和压整 b-斜坡地面的切削和压整 图 3.3 地面的切削和压整 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nts*毕业设计（论文） 12 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。 3.2 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。所以有时采用挖掘机的斗容量作为主参数。例如，机械式挖掘机一般就以斗容量作为挖掘机的主参数并作为主要分级指标。但液压挖掘机可更换的工作装置多，而且同一机型可以根据作业对象或工作尺寸的要求换装不同斗容的铲斗。由于不同厂家的挖掘机采用不同的液压系统，辅助设备能耗及功率储备也有所不同，而且同一型挖掘机在后续改进时，也会改变发动机功率，所以液压挖掘机以功率分级不十分合理。整机质量则直接反映了液压挖掘机本身的重量等级，对其他技术参数影响较大，如挖掘 能力的发挥、发动机功率的充分利用、作业的稳定性等要以一定的整机质量来保证，因此整机质量反映了挖掘机的实际工作能力，目前已被广泛用作液压挖掘机的分级指标。 比较其他同类型挖掘机，可得 SWE50H 的主要参数 （ 如下表 3.1， 表 3.2 所示 ），其中图 3.4 为液压挖掘机的外观尺寸图，作业参数表 3.2 是根据图 3.4 所示。 图 3.4 SWE50H 型液压挖掘机的外观尺寸图 nts*毕业设计（论文） 13 表 3.1 SWE50H 液压挖掘机的主要参数 整机重量（ kg） 4680 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（ N m） 144 排量（ L） 2.19 功率 /转速（ kW/rpm） 27.1/2200 燃油箱容量（ L） 99 主泵 类型 2 个变量柱塞泵 ,1 个齿轮泵 压力（ Mpa） 24.5 最大流 量（ L/min） 45.8 2 齿轮泵 压力（ Mpa） 21 最大流 量（ L/min） 37 液压油箱容量（ L） 73 nts*毕业设计（论文） 14 表 3.2 SWE50H 型液压挖掘机的作业参数 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 轮距 1950mm 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 3180mm 司机室顶 高 2593mm 运输宽度 2080mm 3.3 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 3.5 动臂机构油缸布置方案 nts*毕业设计（论文） 15 油缸前倾布置方案，如图 3.5A 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 3.5B 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 h150000 工作压 力p/MPa 5 7 nts*毕业设计（论文） 19 表 3.4 按主机类型选择执行元件工作压力 表 3.5 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 0.2 0.5 回油路带调速阀的系统 0.4 0.6 回油路设置有背压阀的系统 0.5 1.5 用补油泵的闭式回路 0.8 1.5 回油路较复杂的工程机械 1.2 3 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 11 6600000 . 8( 1 3 ) 1 022FAPP =47.62 2cm (3.5) 故有 D= 14/A =77.9mm， d=0.707D=55.07mm (3.6) 当按 GB/T2348 1993 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 22/ 4 5 0 . 2 4A D c m 2 2 22 ( ) / 4 1 9 . 0 8A D d c m (3.7) 3.6.2 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。 3.7 液压缸结构参数的计算 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、大挖掘机 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/Mpa 2 3 5 8 8 10 10 16 20 32 nts*毕业设计（论文） 20 3.7.1 缸筒壁厚的计算 对于低压系统或 /D 16 时，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算，公式如下： 2 yPD(3.8) 式中 液压缸缸筒厚度 yP 试验压力 (Mpa)，当工作压力 P 16 Mpa 时， yP =1.5P，当工作压力31.5 P 16 Mpa 时， yP =1.25P，当工作压力 P 31.5Mpa 时， yP =1.15P,这里应取 yP =1.5P =19.5Mpa。 D 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： bn (3.9) b 缸体材料的抗拉强度 (Mpa) n 安全系数， n =3.5 5，一般取 n =5 但对于锻钢 45 的许用应力 一般都取 =110(Mpa) 则 1 9 . 5 8 0 7 . 0 9 12 1 1 0 mm根据 机械设计手册 ，取液压外缸直径为 1D =100mm. 3.7.2 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 v 和油口最高液流速度 0v 而定，公式如下： 000 . 1 3 /d D v v (3.10) 式中 0d 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) 0v 油口液流速度 (m/min)，根据 机械设 计手册 ，取 0v =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 : 360 vQv A (3.11) 式中 v 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) vQ 液压泵流量 ( 3m /s)， vQ 2 4 5 . 8 3 7 1 2 8 . 6 /L m i n nts*毕业设计（论文） 21 3A 活塞杆面积，其公式如下 : 23 4Ad (3.12) 式中 d 活塞杆直径 (m) 所以 223 0 . 3 1 2 1 04Ad 代入数据，解析以上公式得：2 3 2 20 0 . 1 3 8 1 0 1 2 8 . 6 1 0 / ( 0 . 3 1 2 1 0 7 ) 2 . 5 1 0dm ， 故取 0 25d mm 3.7.3 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： 03 ( )cpcpF D dhd (3.13) 式中 h 法兰 厚 度 (m) cpd 法兰内径 (m)，根据 机械设计手册 ，取 cpd =9mm 0D 螺钉孔分布圆直径 (m)，根据 机械设计手册 ，取 0D =12.5mm 法兰材料的许用应力 (Mpa)，取 45 钢， 120 Mpa F 法兰受力总和 (N)，其计算公式为： 2 2 2()44 HF d P d d q (3.14) d 密封环内径 (m)， 根据 机械设计手册 ，取 6d m m Hd 密封环外径 (m)， 根据 机械设计手册 ，取 8Hd m m P 系统工作压力 (pa)， 61 3 1 0P pa q 附加密封力 (pa)，若采用金属材料时， q 值取屈服点，此处取材料为45 钢，则 q =110Mpa 代入数据，求出得： 24223 (1 2 . 5 9 ) 1 0 ( 4 9 1 3 6 4 1 1 0 4 9 1 1 0 ) 1 09 1 0 1 1 0 42 . 4 6 1 0hm 故取 30h mm 3.7.4 下 盖联接螺钉强度校核计算 nts*毕业设计（论文） 22 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： 204kFZd =7.7Mpa (3.15) 剪应力： 10310 .2k kFdzd =3.1Mpa (3.16) 式中 k ：螺纹拧紧系数，此处取 k =1.25 1k : 螺纹摩擦系数 ,一般取 1k =0.12 0d ：螺纹外径，根据 机械设计手册 ，取 0d =16mm 1d ：螺纹内径，根据 机械设计手册 ，取 1d = 0d -1.08251.5 14.4mm z ： 数量为 24 B： B螺钉材料屈服强度 ，取 45 钢，则 =110Mpa 得： 2 3 1 . 3 1 0 . 0 1 n M p a ， 符合工况要求，则验证合格，可取。 3.7.5 活塞杆柔度校核计算 活塞杆细比计算如下： =24dL (3.17) 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 44 6 3 0 / 3 . 1 4 4 0 . 9 6 1 0 1 9 . 6 ，故满足要求，则活塞杆长度和缸筒长度的取值合格。 nts*毕业设计（论文） 23 4 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，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) 制定压力控制方案 8 液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或 无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。在液压系统中，需要流量不大的高压油时可考虑用增压回路得到高压，而不用单设高压泵。液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。 在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。 基于以上控制系统方案分析nts*毕业设计（论文） 24 本次设计选用 闭式中心负荷传感系统 (CLSS)；采用的是双泵双回路恒功率控制液压系统 。 (3) 指定顺序动作方案 主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是随机的或人为的。工程机械 工作环境状况复杂，补丁因数多，故 操纵机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制接续的动作。行程开关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，因此只适用于管路联接比较方便的场合。另外还有时间控制、压力控制等。例如液压泵无载启动，经过一段时间 ，当泵正常运转后，延时继电器发出电信号使卸荷阀关闭，建立起正常的工作压力。压力控制多用在带有液压夹具的机床、挤压机压力机等场合。当某一执行元件完成预定动作时，回路中的压力达到一定的数值，通过压力继电器发出电信号或打开顺序阀使压力油通过，来启动下一个动作。 本设计主要采用手动控制，另根据压力控制 CLSS 系统可进行自动操作，在计算机的直接操纵下自动完成给定的挖掘任务，并具有一定得局部自主能力。即当阻力过大挖掘过程中断时，能自主修正挖掘路径，直接完成挖掘过程。在回转过程中，能自动识别和避开障碍物，达到原定的卸料位置 。 (4) 选择液压动力源 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。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，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。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。根据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，主泵采用变量柱塞泵，辅助油泵采用齿轮泵。 4.2 确定回路方式 本液压系统采用开式回路。 液压系统回路中泵 缸回路系统为开式，泵 马达系nts*毕业设计（论文） 25 统为闭式。 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
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