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毕业设计论文
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6挖掘机液压系统的设计,毕业设计论文
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邵阳学院毕业设计（论文） 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。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 1。 1.1 挖掘机 简 介 挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯到 1840年。当时美国西部开发，进行铁路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似机械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时间挖掘机没有得到很大的发展，应用范围也只局限于矿山作业中。 导致挖掘机发展缓慢的主要原因是 :其作业装置动作复杂，运动范围大，需要采用多自由度机构，古老的机械传动对它不太适合。而且当时的工程建设主要是国 土开发，大规模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因此对挖掘机的应用相对较少，在一定程度上也限制了挖掘机的发展。 由于液压技术的应用，二十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机。随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的传动技术，挖掘机有了适合它的传动装置，为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术上的一个飞跃 。同时，工程建设和施工形式也发生了很大变化。在进行大规模国土开发的同时，也开始进行城市型土木施工，这样，具有较长的臂和杆，能装上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多自由 动作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用 2。 1950年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。第一台液压挖掘机采用定量齿轮泵，中位开式多路阀，工作压力为 9Mpa，所有执行元件互相并联连结。由单泵向 6个执行元件供油。由于早期液压挖掘机主要采用了定量齿轮泵，不能按需改变供油流量，无法充分利用发动机的功率，因此其能量损失很大，不能满足挖掘机复合动作的复杂nts邵阳学院毕业设计（论文） 2 要求，且可操纵性差。另外，早期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，配套件也不齐全，制造质 量不够稳定。从二十世纪六十年代到八十年代中期，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。 1968-1970年间，液压挖掘机产量己经达到挖掘机总产量的 83%，其时对挖掘机液压系统的研究也已经十分成熟，液压挖掘机已经具有了同步控制系统和负载敏感系统 L。 自第一台手动挖掘机诞生以来的 160多年当中，挖掘机一直在不断地飞跃发展，其技术已经发展到相对成熟稳定的阶段。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，对其控制方式不断改进和革新，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。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了坚实的基础，创造了良好的前提 3。 据有关专家估算，全世界各种施工作业场约有 65%至 70%的土石方工程都是由挖掘机完成的。挖掘机是一种万能型工程机械，目前已经无可争议地成为工程机械的第一主力机种，在世界工程机械市场上己占据首位，并且仍在发展扩大。挖掘机的发展主要以液压技术的应用为基础，其液压系统已成为工程 机械液压系统的主流形式。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。在技术方面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，所以对其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义。 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 从 20世纪 60年代液压传动技术开始应用 在挖掘机上至今，挖掘机液压系统己经发展到了相当成熟的阶段。目前 国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在 30MPa以上，并且随着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力 甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势 ； 流量通常在每分钟数百升 ；功率在数百千瓦以上。如德国 Orensttein& Koppe制造的目前世界上首台最大的 RH40。型全液压挖掘机，铲斗容量达 42m3,液压油源为 18台变量轴向柱塞泵，总流量高达 10200L/min， 原动机为 2台 QSK60柴油发动机，总功率高达 2014kW,由于液压挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响 .系统的可靠性日益受到重视。美、英、日nts邵阳学院毕业设计（论文） 3 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强度研究方面，不断提高设备的可靠性。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。日本制定了液压挖掘机构件的 强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统使液压挖掘机的运转率达到 85%-95%，使用寿命超过 1万小时。近几年来，随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力，主要表现在五个方面 : (1)液压系统逐渐从开式系统的转变 ;(2)系统的节能技术成为研究的重点 ; (3)系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显 ; (4)系统的操纵特性上升到很重要的地位 ;(5)液压系统与电子控制的结合成为潮流 4。 (1) 开式 向闭式 液压系统 的转变 采用三位六通阀，其特点是有两条供油路，其中一条是直通供油路，另一条是并联供油路。由于这种油路调速方式是进油节流调速和旁路节流调速同时起作用，其调速特性受负载压力和油泵流量的影响，因此这种系统的操纵性能、调速性能和微调性能差。另外，当液压作用元件一起复合动作时，相互干扰大，使得复合动作操纵非常困难。由于挖掘 机作业工程中要求对液压元件能很好地控制其运动速度和进行微调，而且在其工作的许多工况下要求多个执行元件完成复合动作，而长期以来使用的开式液压系统无法满足挖掘机的调速和复合动作的要求。近年来在国外的挖掘机液压系统中出现了闭式负载敏感系统 (CLSS)。它可以采用一个油泵同时向所有液压作用元件供油，每一个液压作用元件的运动速度只与操纵阀的阀杆行程有关，与负载压力无关，泵的流量按需提供，而且多个液压作用元件同时动作时相互之间干扰小，因此操纵性好是闭式液压系统的主要特点。这种系统非常符合挖掘机操作的要求，它操纵简单，对 司机的操纵技巧要求低，在国际上己经获得较广泛的使用，是挖掘机液压系统的发展趋势。目前日本小松公司已经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。 (2) 节能技术的应用 目前液压挖掘机上典型的节能技术基本上有两种。即负载敏感技术和负流量控制技术，目前液压挖掘机都选用其中一种控制技术来实现节能要求。负载敏感技术是一种利用泵的出口压力与负载压力差值的变化而使系统流量随之相应变化的技术。德国曼内斯曼 (Mannesmann)公司研制的一种负载传感系统，将其安装在液压系统中，可以控制一个或几个液压作用元件，而与对其 施加的载荷无关。该系统不仅易于操纵，而且微动控制特性很好。其最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对油泵进行nts邵阳学院毕业设计（论文） 4 控制，从而实现在按需供流的同时，使调速节流损失 P控制在很小的固定值，从而达到节能的目的 lzs.e57负流量控制技术是通过位于主控制阀后面的节流阀建立的压力对主泵的排量进行调节的技术。日前以韩国现代 (HYUNDAI)、日本小松 (KOMATSU)和日本日立 (HITACHI)为代表的许多国外著名品牌的挖掘机生产商都在自己的挖掘机液压系统中使用了负流量控制技术。这种控制技术具有稳定性好、响应快、可靠性和维 修性好等特点，但在起始点为重负荷下作业时，因流量与负载有关，所以可控制性较差 5。 (3) 提高负载能力和可靠性 为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流量和功率。目前，国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在 30MPa以上，并且随着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势 ;流量通常在每分钟数百升 ;功率在数百千瓦以上。如德国 Orensttein&Koppe制造的型全液压挖掘机，铲斗容量达 42立方米 液压油源为 18台变量轴向柱塞泵，总流量高 达 100200 L/min， 原动机为 2台 QSK60柴油发动机，总功率高达 2014kW,由于液压挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响 。 系统的可靠性日益受到重视。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强度研究方面，不断提高设备的可靠性。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠 性信息处理系统，使液压挖掘机的运转率达到 85%-95%，使用寿命超过 1万小时。 (4) 重视操纵特性 挖掘机液压系统的操纵特性越来越受到重视。日前国际上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、液压伺服操作和电气控制，无线电遥控、电子计算机综合程序控制。各种高新技术的应用，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。 (5) 电子一液压集成控制成为当前主要研究目标 电子控制技术与液压控制技术相结合的电子一液压集成控制技术近年来获得了巨大发展，特别是传感器、计算机 和检测仪表的应用，使液压技术和电子控制有机结合，开发和研制出了许多新型电液自动控制系统，提高了挖掘机的自动化程度，推动着挖掘机的迅猛发展。目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方面的研究己趋成nts邵阳学院毕业设计（论文） 5 熟。美国林肯一贝尔特公司新 C系列 LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。日本住友公司生产的 FJ系列五中新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命。 1.2.2 国内研究情 况及发展动态 从国内情况来看，我国挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压系统方面的理论还比较薄弱。国内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术方面的研究具有一定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能、质量、作业效率、可靠性等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在国内市场上基本失去了竞争力，取而代之的是采用各种高新技术的国外挖掘机产品。先进的挖掘机液压系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造出性能优异的挖掘机，绝大部分的市场 份额都被国外各种品牌的挖掘机所占据。以 20t级的中型液压挖掘机为例，国产 20t级挖掘机大多数是欧洲 80年代初的技术，同 90年代初以来在国内形成批量的日本小松、日立、神钢以及韩国大宇、现代等机型相比，其主要差距柴油机功率偏低，液压系统流量偏小，液压系统特性差，导致平台回转速度低，行走速度低，各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率较国外偏低 6。 1.3 本设计 的研究内容 挖掘机液压系统方面的技术多种多样，本文主要通过国外几种知名品牌的挖掘机液压系统为参考对象，对其现有的关键技术和控制方式进行比较和研究，为挖 掘机的液压系统设计提供一定的参考信息。 (1) 挖掘机液压系统技术发展动态的分析研究 大量搜集国内外挖掘机液压系统方面的相关技术资料，系统了解挖掘机液压系统的发展历史。分析总结挖掘机液压系统方面的研究现状和技术发展动态。 (2) 挖掘机液压系统设计 要求 对液压挖掘机一个工作循环中的四种工况一挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况和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机构的主要复合动作。根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结了挖掘机液压系统设计要求 :动力性要求和操纵性要求。 (3) 挖掘机液压 系统的 设计 nts邵阳学院毕业设计（论文） 6 分析了传统挖掘机液压系统中的单泵定量系统、双泵定量系统和双变量泵液压系统，详细分析了其主要优点和存在的问题。本文在分析研究了挖掘机液压系统的基础上，根据挖掘机液压系统的设计要求，设计了一套适合我国生产制造的单斗挖掘机液压系统。本设计旨在采用通用的多路阀系统，配以专用控制阀和简单的 伺服 控制系统7。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 7 2 液压挖掘机 结构 与工作原理 液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力能进行工作，相对机械传动具有许 多优点 :能无极调速且调速范围大，最大速度和最小速度之比可达 1000:1能得到较低的稳定转速 ； 快速作用时，液压元件产生的运动惯性较小，并可作高速反转 ； 传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动 ；操纵省力灵活，易实现自动化控制 ； 易实现标准化、通用化、系列化。因此液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。 单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械。它是目前挖掘机械中重要的机种。单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗 (一般装有斗齿 )的切削刃切削土壤并将土装入斗内，斗满后提升。回转至卸上位置进行卸土，卸空后 铲斗再转回并下降到地面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继续作业。因此单斗液压挖掘机是一种周期作业的自行式上方机械 8。 2.1 液压挖掘机 整机性能 液压挖掘机可分为 :动力系统、机械系统、液压系统、控制系统，如图 2.1所示 。液压挖掘机作为一个有机整 体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有关，还与液压系统 、 控制系统性能有关 9。 图 2.1 液压挖掘机整体系统图 nts邵阳学院毕业设计（论文） 8 (1) 动力系统 挖掘机工作的主要特点是环境温度变化大，灰尘污物较多，负荷变化大，经常倾斜工作，维护条件差。 因此液压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，符号挖掘机工作条件恶劣，负荷多变的要求。挖掘机的额定负荷与汽车。拖拉机不同，汽车和拖拉机指在最高转速下、连同机油泵、发电机等必要附件，巧分钟内的最大功率 ;挖掘机是指在额定转速下一小时以上的额定功率。挖掘机采用车用柴油机时，最大功率指数降低。 (2) 机械系统 液压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 .按照结构的不同，分履带式和轮胎式。回转机构使挖掘机上车围绕中央回转轴作 360度 的回转的机构，包括驱动装置和回转支撑。工作装置是挖掘机完成实际作业的主要组成部分，常用的有反铲、正铲、装载、起重等装置，而同一种装置可以有多种结构形式，前面所述的反铲装置应用最为广泛。 (3) 液压系统 液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，原动机驱动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀。通过司机的操纵，将压力油单独或同时送往液压执行元件 (液压马达和液压油缸 )驱动执行机构工作。液压挖掘机的主要运动有整 机行走、转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗转动等。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地组合体既是液压挖掘机地液压系统。该系统地功能是把发动机地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。液压系统习惯上按主油泵的数量、功率调节方式和回路的数量来分类。 (4) 控制系统 液压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。电子技术和计算机技术的飞速进步，使挖掘机有了越来越先进的控制系统，使液压挖掘机向高性能、自动化和智能化发展。目前挖掘机研究重点正逐步向智能化机电液控制系统方向转移 10。 2.2 液压挖掘机 结构 nts邵阳学院毕业设计（论文） 9 (1) 液压挖掘机组成 为了实现液压挖掘机的各项功能， 单斗 液压挖掘机需要两个基本组成部分，即机体 (或称主机 )和工作装置。机体是完成挖掘机基本动作并作为驱动和操纵挖掘机进行工作的荃础，可以是履带牵引车辆或轮式牵引车辆。可细分为行走装置、回转装置、液压系统、气压系统、电气系统和动力装置。其中动力装置、操纵机构、回转机构和辅助设备均可在回转平台上，总称上车部分，它与行走机构 (又称下车部分 )用回转支撑相连，平台可以围绕中央回转轴作 3600的全回转 。 工作装置根据工作性质的不同，可配备反铲、正铲、装载、起重等装置，分别完成挖掘、装载、抓取、起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清沟等工作。 挖掘机的基本性能决定于各部分的构造、性能及其综合的效果 11。 (2) 单斗反铲液压挖掘机 反铲装置主要用于挖掘停机面以下的土壤。斗容量小于 1.6M 3的中小型液压挖掘机通常选用 反铲装置，它分为整体臂式和组合臂式。其中长期作业条件相似的挖掘机反铲装置大多采用整体鹅颈式动臂结构。采用这种动臂有利于加大挖掘深度，且结构简单、价格低廉。刚度相同时，其重量比组合动臂轻，是目前应用最广泛的液压挖掘机工作装置结构形式。 铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式，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件绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作。如图 2. 1 所示，整体鹅颈式动臂反铲挖掘机工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗一杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。 装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下。铰点转动实现动臂的升降。斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂相对角度。当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联。 (3) 液压挖掘机工作循环过程 首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运输车辆倒车、调停，停靠在挖掘机的侧方或后方。挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于 是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动 臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，配合动 nts邵阳学院毕业设计（论文） 10 1、 斗杆油缸 2、 动臂 3、 油管 4、 动臂油缸 5、 铲斗 6、 斗齿 7、 侧 齿 8、 连杆 9、 摇杆 10、 铲斗油缸 11、 斗杆 图 2.2 反铲 挖掘机工作装置 作以加快作业进度，进行复合动作的挖掘和装载 :铲斗装 满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使铲斗高度稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环 12。 2.3 液压挖掘机传动原理 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。 液压挖掘机传动示意图，如图 2.3所示，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。 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nts邵阳学院毕业设计（论文） 11 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 13。 1、 铲斗 2、 斗杆 3、 动臂 4、 连杆 5、 6、 7、 液压油缸 I、 挖掘装置 II、 回转装置 III、 行走装置 图 2.3 液压挖掘机传动示意图 总之，液压挖掘机是由多学科、多系统组成的 有机整体，只有在系统层面上的各系统、各学科协同优化才能获取挖掘机整机的最佳性能。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 12 3 液压挖掘机 工况分析及液压系统 设计 方案的确定 要了解和设计挖掘机的液压系统，首先要分析液压挖掘机的工作过程及其作业要求，掌握各种液压作用元件动作时的流量、力和功率要求以及液压作用元件相互配合的复合动作要求和复合动作时油泵对同时作用的各液压作用元件的流量分配和功率分配。 3.1 液压挖掘机的工况 液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作 (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 14。 1、 动臂升降 2、 斗杆收放 3、 铲斗装卸 4 、 平台台回转 5、 整机行走 图 3.1 液压挖掘机的 运动 图 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 :(1)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 ;(2)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15。 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，同时回转第 2章挖nts邵阳学院毕业设计（论文） 13 掘机液压系统的设计要求和分析方法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。 (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。 3.1.1 挖掘工况分析 挖掘过程中主要以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别单独进行挖掘，或者两者复合动作，必要时配以动臂液压缸的动作 15。 一般在平整土 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，如 图 3.2， 3.3所示。此时斗杆收回，动臂抬起，希望斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以保证彼此动作独立，相互之间无干扰，并且要求泵的供油量小，使油缸动作慢，便于控制。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，如 图 3.4,3.5所示。 图 3.2 斗尖 沿直线 平整土地图 图 3.3 斗尖沿直线切削斜坡图 图 3.4 铲斗底压整地面图 图 3.5 铲斗底保持一定角度切削图 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nts邵阳学院毕业设计（论文） 14 泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。下面以三泵系统为例，来说明复合动作挖掘时 油泵流量的分配情况和分合流油路的连接情况。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 16。 当斗杆和铲斗复合动作挖掘时，供油情况如图 3.4a 所示。当斗杆油压接近溢流阀的压力时，原来溢流的油液此时供给铲斗有效利用 ;当铲斗和动臂复合动作挖掘时，由于动臂仅仅起调解位置的作用，主要是斗杆进行挖掘，因此采用斗杆优先合流、双泵供油，如图 3.4b 所示。 图 3.4 三泵供油系统示意图 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。 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，因此需要同时向回转马达和斗杆供油，两者复合动作，如图 2.5所示。回转马达和斗杆收缩同时动作，由同一个油泵供油，因此需要采用回转优先油路，否则铲斗无法紧贴侧壁，使掘削很难正常进行。在斗杆油缸活塞杆端回油路 上设置可变节流阀，此节流阀的开口度即节流程度由回转先导压力来控制。回转先导压力越大，节流阀开度越小，节流效应越大，则斗杆油缸回油压力增高，使得油泵的供油压力也提高。因此随着回转操纵杆行程的增大，回转马达油压增加，回转力增大。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 15 图 3.5 沟槽侧壁掘削和斜坡掘削时，油泵供油连接情况 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 17。 3.1.2 满斗举升回斗工况分析 挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时 回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升到合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对自卸车的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整的。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。 在双泵系统中，回转起动时，由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢流，此时应该将溢流的油供给动臂，如图 3.6a 所示。在回转和动臂提升的同时，斗 杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作 18。 由于满斗提升时动臂油缸压力高，导致变量泵流量减小，为了使动臂提升和回转、斗杆外放相互配合动作，由一个油泵专门向动臂油缸供油，另一个油泵除了向回转马达和斗杆供油外，还有部分油供给动臂，如图 2.6b 所示。但是由于动臂提升时油压较高，单向阀大部分时间处于关闭状态，因此左侧油泵只向回转马达和斗杆供油。 三泵系统的供油情况如图 3.6c 所示。各个油泵分别向一个液压作用元件供 油，复合动作时无相互干扰。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 16 3.1.3 卸载工况分 析 回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合动作，间以动臂动作。 图 3.6 回转举升供油情况 3.1.4 空斗返回工况分析 当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供 给动臂，少部分油经节流阀供给斗杆，如图 3.7 所示。 图 3.7 空斗返回供油情况 发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂油 缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的 油供至有杆腔。 3.1.5 行走时复合动作 在行走的过程有可能要求对作业装置液压元件 (如回转机构、动臂、斗杆和铲斗 )进行调整。在双泵系统中，一个油泵为左行走马达供油、另一个油泵为右行走马达供nts邵阳学院毕业设计（论文） 17 油，此时如果某一液压元件动作，使某一油泵分流供油，就会造成一侧行走速度降低，影响直线 行驶性，特别是当挖掘机进行装车运输或上下卡车行走时，行驶偏斜会造成事故 19。 为了保证挖掘机的直线行驶性，在三泵供油系统中，左右行走马达分别由一个油泵单独供油，另一个油泵向其它液压作用元件 (如动臂、斗杆、铲斗和回转 )供油，如图 3.8a 所示。对于双泵系统，目前采用以下供油方式 :一个油泵并联向左、右行走马达供油，另一个油泵向其他液压作用元件供油，其多余的油液通过单向阀向行走马达供油，如图 3.8b 所示 ;双泵合流并联向左、右行走马达和作业装置液压作用元件同时供油，如图 3.8c 所示。 图 3.8 行走 复合动作时的几种供油情况 3.2 挖掘机液压系统的设计要求 液压挖掘 机的动作繁复，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、动臂、 斗杆和铲斗等，是一种具有多自由度的工程机械。这些主要机构经常起动、制动、换向，外负载变化很大，冲击和振动多，因此挖掘机对液压系统提出了很高的设计要求。根据液压挖掘机的工作特点，其液压系统的设计需要满足以下要求 20: 3.2.1 动力性要求 所谓动力性要求，就是在保证发动机不过载的前提下，尽量充分地利用发动机的功率，提高挖掘机的生产效率。尤其是当负载变化时，要求液压系统与发动机的 良好匹配，尽量提高发动机的输出功率。例如，当外负载较小时，往往希望增大油泵的输出流量，提高执行元件的运动速度。双泵液压系统中就常常采用合流的方式来提高发动机的功率利用率。 3.2.2 操纵性要求 nts邵阳学院毕业设计（论文） 18 (1) 调速性要求 挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高，如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现调速操纵控制，对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠，成为挖掘机液压系统设计十分重要的一方面。挖掘机在工作过程中作业阻力变化大，各种不同的作业工况要求功率变化大，因此要求对各个执行元件的调速性要好。 (2) 复合操纵性要求 挖掘 机在作业过程中需要各个执行元件单独动作，但是在更多情况下要求各个执行元件能够相互配合实现复杂的复合动作，因此如何实现多执行元件的复合动作也是挖掘机液压系统操纵性要求的一方面。 当多执行元件共同动作时，要求其相互间不千涉，能够合理分配共同动作时各个执行元件的流盘，实现理想的复合动作。尤其对行走机构来说，左、右行走马达的复合动作问题，即直线行驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。如果挖掘机在行使过程中由于液压泵的油分流供应，导致一侧行走马达速度降低，形成挖掘机意外跑偏，很容易发生事故。 另外 ， 当多执行元件同时动作 时，各个操纵阀都在大开度下工作，往往会出现系统总流量需求超过油泵的最大供油流量，这样高压执行元件就会因压力油优先供给低压执行元件而出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，如何协调多执行元件复合动作时的流量供应问题也是挖掘机液压系统设计中需要考虑的。 3.2.3 节能性要求 挖掘机工作时间长，能量消耗大，要求液压系统的效率高，就要降低各个执行元件和管路的能耗，因此在挖掘机液压系统中要充分考虑各种节能措施。当对各个执行元件进行调速控制时，系统所需流量大于油泵的输出流量，此时必然会导致一部分流量损失掉。系统要求此 部分的能量损失尽量小 ;当挖掘机处于空载不工作的状态下，如何降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，也是降低能耗的关键 23。 3.2.4 安全性要求 挖掘机的工作条件恶劣，载荷变化和冲击振动大，对于其液压系统要求有良好的过载保护措施，防止油泵过载和因外负载冲击对各个液压作用元件的损伤。 回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快带下降和整机超速溜坡。 3.2.5 其它性能要求 nts邵阳学院毕业设计（论文） 19 实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低挖掘机的制造成本 :液压挖掘机作业条件恶劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久 性 ;由于挖掘机在城市建设施工中应用越来越多，因此要不断提高挖掘机的作业性能，降低振动和噪声，重视其作业中的环保性 21。 3.3 挖掘机液压系统的分析 挖掘机液压系统中最重要也是最复杂的就是多路阀液压系统。多路阀是挖掘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 ； 决定了挖掘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掘机的作业要求和工况要 求 。挖掘机多 路阀液压系统图通常十分复杂，对各种液压作用元件的供油路线、回油路线以及控制油路等纷杂在一起，很难对整个液压系统的结构一目了然，这 样就需要花费很多的时间才能将其分析透彻。下面对 多路阀液压系统 进行分析 ： 如图 3.9所示 22。 简化步骤具体为 : (1) 为了突出挖掘机液压系统的核心部分 多路阀液压系统，首先去掉液压泵及其控制油路，各个液压作用元件及其油路，如动臂、斗杆、铲斗、回转机构和行走装置，以及多路阀先导液压操纵系统 (图 2.9中己经去掉了上述部分的油路 )。 (2) 对多路阀液压系统来说，重要的是供油道的设计 。因此可以把上述系统图进一步简化，突出核心内容。去掉以下部分 :油泵的负流量控制连接口 FR和队 ;回油箱的连接口 ;与各个液压作用元件的连接口 AL1, BLl, AL2, BL2, AU, BL3, AL4, BL4和 ARl, BR1, AR2, BR2, AR3, BR3, Rsl;各个阀杆先导操纵油路连接口 all, bll, alt, b12, a13, b13, ajA, b14和 arl、 brl, ar2, br2, ar3, br3;回油口 drl, dr2, dr3, dr4, dr5:通向各个阀杆的先导 控制油路 ;与各个液压作用元件油路有关的限压阀、动臂和斗杆的支持阀以及再生阀等。这些部分与多路阀的连接关系已经知道，所以可以将其放到各个液压作用元件的油路中去讨论 27。 (3) 将简化后的液压系统连接起来，如图 2.10所示。该系统主要包括 7个操纵阀， 5个二位二通阀 A, B, C, D, E, 1个插装阀 x和一些单向阀及节流阀。通过 简化后的液压系统，可以清晰了解液压泵的压力油是如何通向各个液压作用元件，以及在各种操纵情况下，液压传动的路线和可能的供油方式、功率分配和流量分配情况。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 20 图 3.9 多路阀液压 系统图 3.4 液压系统方案拟订 (1) 在 液压挖掘机一个工作循环中的四种工况一挖掘工况、满斗举升回转工况、 卸载工况和卸载返回工况进行详细 分析 的基础上，总结 每个工况下各执行机构的主要复合动作 后提出初步方案 。 (2) 根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结出 挖掘机液压系统的设计要求 :动力性要求、操纵性要求、节能性要求、安全性要求和其它性能的要求。 (3) 提出 一种有效 、直观的挖掘机液压系统的 设计方案，并详细介绍设计 的步骤。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 21 4 液压系统的 设计 WY200液压履带式挖掘机采用全功率变量系统，先导液 压操纵，整体式多路阀等先进结构。该机具有结构紧凑，操作轻便，使用维护安全可靠，发动机功率利用率高、生产效率高等优点。根据作业需要可配备 0.5-1.25 立方米四种反铲斗及斗容为 1.0和 1.25 立米方的两种正铲斗。广泛用于建筑施工、市政工程、水电、国防工程和一般矿山采掘，挖掘 I-VI级土壤 23。 4.1 液压系统方案及 参数确定 表 4.1 WY200C液压履带式挖掘机主要技术参数 项目名称 单位 数 值 标准斗容量 m3 1 发动机型号 6135K-16 发动机标定输出功率 kW/r/min 106/2100 最大挖掘半径 m 10.4 最大挖掘高度 m3/h 7.78 最大挖掘深度 m 6.46 最大卸载高度 m 5.7 回转速度 r/min 0-13.2 行走速度 km/h *0-5.5 爬坡能力 % 70 作业循环时间 S 18-22 主机长 /宽度 MPa 0.077 履带平均接地比压 MPa 0.048 发动机额定转数 r/min 2100 整机质量 t 20.8 理论生产率 m3/h 200 最大挖掘力 kN 142 系统工作压力 MPa 36 履 带板宽度 m 0.6 主机运输尺寸 (长 X宽 X高 ) mm 9850x3000x3100 nts邵阳学院毕业设计（论文） 22 执行元件是液压系统的输出部分，必须满足机器设备的运动功能、性能要求和结构、安 装上的限制。根据所要求的负载运动形态，选用不同的执行元件配置，如 下表4.2所示 表 4.2 执行元件 配置 运 动 方 式 执 行 元 件 左行走 右行走 直性行走 左 液压马达 右 液压马达 左 液压马达 +右液压马达 工作装置 外摆内收 动臂 液压 缸 斗杆 液压 缸 铲斗 液压 缸 回转 摆动液压马达 4.2 执行元件液压缸及系统压 力的初选 由于铲斗的内收是为了铲料，而外摆是为了卸料，工作装置采用了两根动臂液压缸、一根斗杆、一根铲斗油缸。要使机构正常工作且具有平稳性，两动臂液压缸 必须同步运动 ， 这就要求任何时刻进出油路的压力油，必须保持一定的压力平衡。为此，采用平衡阀控制油路中液 压油的压力值 24。 根据 挖掘 机 主要用于 建筑施工、矿山的 特点，本设计选择双作用单活塞杆式液压缸。 (1) 液压缸参数的选择 每斗 料 的重量 M = 1.2 1.65 = 1980 (Kg) （ 4.1） G = m g = 1980 9.8 = 19404 (KN) （ 4.2） 由 卸料斗的尺寸图按极限情况计算得 所挖斗料 自重 G 与 铲斗液压缸产生的推 力 F在卸料斗底板轴承铰接处转距平衡 即 F 拉 L1 = G L2 （ 4.3）F 拉 374.5 = 19404 1206 nts邵阳学院毕业设计（论文） 23 得 2.815.3 7 4 1 2 0 61 9 4 0 4 F 拉(KN) 工作压力的选定关系到设计出和系统是否经济合理；工作压力低，则要求执行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系统所需流量也大；压力过高，则对元件的制造精度和系统的使用维护要求提高，并使容积效率降低。一般是根据机 械的类型来选择工作压力。 执行元件工作压力可以根据总负载值或者主机设备类型选取，如表 2.3与表 2.4所示。 表 4.3 负载和工作压力之间的关系 负载 F/KN 10 10 20 70 140 140 250 250 工作压力 P/MPa 0.8-1.2 1.5-2.5 10 14 18 21 32 表 4.4 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 农业机械、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/Mpa 0.8-2 3-5 5-10 1-16 16-32 由负载值大小查上表，参考同类型挖掘 机，取液压缸工作压力为 25MPa 安装方式选择缸头耳环带衬套，活塞杆端连接方式选择杆端外螺纹杆头耳 环带衬套。又因其伸缩速度缓慢 但压力大 ，故选 择 带缓冲，油口连接方式选择外 螺纹 25。 4.3 计算 工作装置铲斗 液压缸的主要尺寸 活塞杆直径 d与缸筒内径 D的计
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