挖掘机液压系统的毕业设计

精品文档 I欢迎下载 内容提要 挖掘机作为我国工程机械的主力机种 被广泛应用于各种各样的施工作业中 挖 掘机产品的核心技术就是液压系统设计 由于挖掘机的工作条件恶劣 要求 实现的动作复杂 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 对推动我国挖掘机发展具有十分重要的意义 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 根据挖 掘机液压系统的设计要求 论文中采用通用多路阀 配以专用控制阀和简单 的电子控制系统 设计了一套适合我国生产制造的 LS 恒功率控制单斗挖掘机 液压系统 本次毕业设计课题是 型液压挖掘机 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 掘机工作装置中斗杆机构液压系统 本课题选择了国内的质量和技术性能都 接近设计要求的 t 挖掘机作为基型 并在此基础上研究了国外的先进机型 设计出我们挖掘机的液压系统方按图 总体装配图以及相应的部件图和零件 图 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 平台可 360 旋转 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 精品文档 II欢迎下载 Summary The excavator is a main consrtuctional machine which is now widely used in various construction sites The core technique of excavator is hydrau1ic technique Becauseofthe bad working condition and conmplicated working movements of the excavatot it has high requitements for its hydraulic system Since the excavator s hydraulic system is the most complicated one in all constructional machines the analysis and research of its hydrau1ic system make very important sens On the basis of comprehensive co11ection of re1ated information about the excavator s 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 According to the design pressure compensated hydraulic system is creatively designed using general multiple until value equipped with special contol valve and electronic contor systems which has useful reference value for the future research and development of the excavator s hydraulic system in our country 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 精品文档 III欢迎下载 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 360 swwing plat roof good quality controlling comfortable be widely used in construction supply and city planning 目 录 内容提要 I Summary II 一 前言 1 一 挖掘机简介 1 二 国内外研究现状及发展动态 2 三 本设计的研究内容 5 二 液压挖掘机结构与工作原理 5 一 液压挖掘机整机性能 6 二 液压挖掘机结构 7 三 液压挖掘机传动原理 9 三 液压挖掘机工况分析及液压系统设计方案的确定 10 一 液压挖掘机的工况 10 二 挖掘机液压系统的设计要求 14 三 挖掘机液压系统的分析 15 四 液压系统方案拟订 16 精品文档 4欢迎下载 四 液压系统的设计 17 一 液压系统方案及参数确定 17 二 执行元件液压缸及系统压力的初选 18 三 计算工作装置铲斗液压缸的主要尺寸 19 四 液压系统原理图的制定 21 五 液压元件的选择与专用件的设计 25 一 液压泵的选择和泵的参数的计算 26 二 柴油发动机的选择 28 三 液压阀的选择 28 四 其他液压元件的选择 31 五 油箱容量的确定 33 六 液压系统性能验算 34 一 液压系统压力损失 34 二 液压系统的发热温升计算 36 总 结 41 参考文献 42 致 谢 44 一 前言前言 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 一 一 挖掘机简介挖掘机简介 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 精品文档 2欢迎下载 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 精品文档 3欢迎下载 二 二 国内外研究现状及发展动态国内外研究现状及发展动态 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 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 精品文档 4欢迎下载 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 精品文档 8欢迎下载 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 二 液压挖掘机结构 二 液压挖掘机结构 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 精品文档 9欢迎下载 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 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 三 液压挖掘机传动原理 三 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 精品文档 10欢迎下载 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 精品文档 11欢迎下载 三三 液压挖掘机工况分析及液压系统设计方案的确定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 一 液压挖掘机的工况 一 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 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 精品文档 12欢迎下载 第 2 章挖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 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 精品文档 13欢迎下载 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 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 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 精品文档 14欢迎下载 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 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 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 精品文档 15欢迎下载 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 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 二 二 挖掘机液压系统的设计要求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 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 2 操纵性要求 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 精品文档 16欢迎下载 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 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 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 5 其它性能要求 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 三 挖掘机液压系统的分析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 精品文档 17欢迎下载 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 四 液压系统方案拟订 四 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 精品文档 18欢迎下载 四四 液压系统的设计液压系统的设计 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 一 液压系统方案及参数确定 一 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m31 发动机型号 6135K 16 发动机标定输出功率kW r min106 2100 最大挖掘半径 m10 4 最大挖掘高度 m3 h7 78 最大挖掘深度 m6 46 最大卸载高度m5 7 回转速度r min0 13 2 行走速度km h 0 5 5 爬坡能力 70 作业循环时间S18 22 主机长 宽度MPa0 077 履带平均接地比压MPa0 048 发动机额定转数r min2100 整机质量t20 8 理论生产率m3 h200 最大挖掘力kN142 系统工作压力MPa36 履带板宽度m0 6 主机运输尺寸 长 X 宽 X 高 mm9850 x3000 x3100 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 精品文档 19欢迎下载 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 左液压马达 右液压马达 左行走 右行走 直性行走左液压马达 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 二 执行元件液压缸及系统压力的初选 二 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 得 KN 2 81 5 374 120619404 F拉 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 精品文档 20欢迎下载 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 2 510 1418 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 23 55 101 1616 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 三 计算工作装置铲斗液压缸的主要尺寸 三 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 的计算 受拉时 d 0 3 0 5 D 受压时 d 0 5 0 55 D p1 5mpa d 0 6 0 7 D 5mpa p17mpa 1 液压油缸的缸径 杆径和工作压力确定 根据技术条件 确定液压缸径和杆径及行程为 缸径 D 125mm 杆径 d 0 7D 85mm 由此计算出液压系统工作压力为 P 4 4 4 1 22 dD F 2847 103 1252 852 32MPa 式中 F 为锁紧力 F 284KN 2 缸筒壁厚计算 根据机械设计手册 在此液压系统中 3 2 D 16 故缸筒壁厚应用中等壁 精品文档 21欢迎下载 厚计算公式 此时 C 4 5 3 3 2 Py PyD 强度系数 对无缝钢管 1C 用来圆整壁厚数 Py 液压缸内最高工 作压力 Py 10Mpa D 缸筒内径 s 2 5 175 2 5 70MPa 10 220 2 3 60 3 10 C 25mm 故油缸缸筒外圆取 D1 125mm 3 缸筒强度校核 根据 SL41 93 缸体合成应力按下式计算 zh1 4 6 11 2 1 2 1hznz 式中 60MPa z1 纵向应力 z1 22MPa 1 2 4 2 D dDp 4 7 h1 环向应力 h1 75 MPa 2 1 pD 4 8 P 工作压力 P 32MPa D 油缸缸径 D 125mm d 油缸杆径 d 85mm 缸筒壁厚 13 5mm 终计算 zh1 53 2 MPa 70 MPa 11 2 1 2 1hznz 即 zh1 符合要求 4 活塞杆长度和缸筒长度计算 根据设计要求的行程 来设计活塞杆的长度 本油缸的行程为 1020mm 故油缸 的活塞杆的长度为 1265mm 缸筒的长度为 1500mm 5 活塞杆强度计算 活塞杆受拉力最危险截面是两端连接螺纹的退刀槽横截面 取截面直径较少值 其应力计算如下 n 4 9 22 3 式中 为拉应力 2 1 4 d Fk 精品文档 22欢迎下载 4 10 为剪应力 3 1 01 2 0 d dFkk 4 11 上面两公式中 K 螺纹拧紧系数 此处取 K 1 25 K1 螺纹内摩擦系数 一般取 K1 0 12 d1 活塞杆危险截面处直径 d1 80mm d0 螺纹外径 d0 82mm 70MPa 则 38 4Mpa 25 9Mpa 得 n 64 3MPa 所以 n 符合工况要求 26 6 下盖联接螺钉强度校核计算 螺钉联接采用高强度螺钉 M20 80 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 按照公式 4 10 4 11 拉应力 184 8 MPa 2 1 4 dz Fk 剪应力 83 92 MPa 3 1 01 2 0 dz dFkk K 螺纹拧紧系数 此处取 K 1 25 K1 螺纹摩擦系数 一般取 K1 0 12 d1 螺纹内径 d1 16 752mm d0 螺纹外径 d0 20mm Z 24 s螺钉材料屈服强度 s 900Mpa 10 9 级 s 2 450Mp