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节能型液压挖掘机的液压装置的设计,节能型,液压,挖掘机,装置,设计
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节能液压挖掘机的液压系统设计引 言由中国工程机械工业协会挖掘机械分会在组织制定的新的挖掘机国家标准（初稿）中提出小型挖掘机的定义，即整机重量小于等于13T的履带式或轮式挖掘机统称小型挖掘机，其中整机重量小于6T的挖掘机称之谓微型挖掘机。小型挖掘机主要由结构件总成、覆盖件总成、行走装置、回转装置、液压系统、动力系统、电器系统和空调装置等8大部分构成其中最为关键核心的是液压系统和动力系统。小型挖掘机主要用于小型土石方工程、市政工程、路面修复、混凝土破碎、埋设电缆、自来水管道的铺设、园林栽培及河道河沟清淤工程。小型挖掘机具有中型挖掘机的多项功能，又具有运输、能耗、灵活性、适应、高效率等方面的优势，非常适用于空间狭小的施工场地作业，小型挖掘机以后可适用于高空挖掘作业，可以对参与高层建筑施工。我国小型挖掘机市场发展速度非常可观，是带动我国工程机械行业特别是挖掘机行业发展的一股重要力量，也是推动我国挖掘机行业利润增长的主要力量支撑，有着举足轻重的地位。小型挖掘机以其小巧、灵活、多功能、高效的独特优势，日益成为土方工程应用的理想设备，用户需求不断扩大。国内外企业风起云涌地进入中国小型挖掘机市场，说明小型挖掘机行业经济效益可观，发展前景远大。 第1章 绪 论1.1 中国小型挖掘机市场现状自20世纪90年代以来，中国经济快速发展，中国工程机械行业也步入了快速发展期。近几年来，小型工程机械作为后起之秀，在施工中，开始部分取代中大型机械的位置，受到用户的普遍欢迎。目前，我国小型挖掘机市场正处在高速发展阶段。随着我国城镇化进程向深度和广度的发展，道路和市政设施的修缮维护及城市小型工程项目的增多，其工程业务量占社会施工总量的比重越来越大。据测算，一台10吨位小型挖掘机的作业效率可以替代3050个劳动力，极大地降低了施工成本和管理成本，使得多功能小型挖掘机的需求量不断上升。在中国，挖掘机市场市场十年来几乎平均每以30%速度递增，从1995年2503台到2004年48921台，净增19.54倍。2004年全国进口液压挖掘机18670台、出口液压挖掘机2749台，2005年国产挖掘机28812台，同比增长4.3%，进口挖掘机18017台，同比减少3.5%，出口挖掘机3839台，同比增长36.43%（其中6吨及以下小挖出口1345台，同比增长77.9%）。中国成为名副其实的世界最大的市场之一。目前，中国挖掘机行业已成为中国工程机械行业增长最快的机种了，有举足轻重的地位。但行业中产销量80%为日、韩、美等外资所占有，主要外资企业有：日立、小松、神钢、斗山、现代、卡特、特雷克斯、利勃海尔、阿特拉斯、沃尔沃等世界著名大企业。还有一些世界小型挖掘机专业企业如：日本久保田、竹内、石川岛、洋马、小桥、长野等、美国凯斯、山猫、英国JCB、德国雪孚等许多世界厂商也开始挺进中国市场。从全球范围看，小型挖掘机产业已经处于市场成熟期，需求量稳定并呈现缓慢上升趋势。随着中国、印度等发展中国家经济的快速发展，工程机械市场也日趋好转，世界知名工程机械厂商为了降低制造成本，增强市场竞争力，逐渐将生产制造环节转移到这些生产成本较低的国家，实现当地生产、当地销售，并开始进入全球市场的供应体系。从国内市场看，中国挖掘机行业经过10余年的快速发展，以外资企业占主导地位的中国中大型挖掘机市场格局日渐稳定，已经成为世界最大的挖掘机生产国和消费国之一。乐观预计，5年之后中国挖掘机的年均需求量将达到100,000台。但是小型挖掘机产业仍然处于市场导入和发展初级阶段，需求正在持续快速的增长。目前小型挖掘机仅占中国全部挖掘机销售量比例的20%，而5年后这个数字预计将达到40%，产销量达到近40000台。这样中国小型挖掘机产业将同其他消费品产业一样，用10年的时间走完欧美等发达国家30年的市场之路。挖掘机是工程机械的标志性产品，部分中国工程机械企业也正以小挖为突破口，进军挖掘机产业，并由此扩展到其他小型工程机械。中国挖掘机产业基本走出了宏观调控带来的不利影响，而且产品结构和区域结构发生了显著的变化。小挖产业近两年的需求变化也说明这一点。1.2 挖掘机的类型挖掘机械的类型与构造型式繁多，可按照挖掘工作原理与过程、用途、构造特征等进行划分。 按照挖掘机的作业过程；可分成周期作业式和连续作业式阀类凡是挖掘、运载、卸载等作业依次重复循环进行的挖掘机为周期作业式，各种单斗挖掘机都属于这一类。凡是上述作业同时连续进行的挖掘机为连续作业式，各种多斗挖掘机以及滚切式挖掘机、隧洞掘进机等属于这一类。通常简称单斗挖掘机与多斗挖掘机两类。挖掘机的行走装置型式有：履带式、轮胎式、汽车式、步行式、轨道式，拖式等。履带式与轮胎式采用广泛。步行式主要用于剥离型挖掘机，此外还有浮式（船舶式）挖掘机，专用于水下采掘或港口疏浚（单斗或多斗）。单斗挖掘机工作装置的型式很多，常用的基本型式，对于机械传动的挖掘机有：正铲、反铲、拉铲、抓斗和起重吊钩等，如图1.1所示。对于液压传动的挖掘机有：反铲、正铲、抓斗、装载和起重装置等，如图1.2所示。 图1.1机械式单斗挖掘机工作装置主要型式 图1.2 单斗液压挖掘机工作缠置主要型式a)正铲；b）反铲；c)拉铲；d)抓斗 a）反铲；b）正铲或装载；c）抓斗；d）起重1.3 小型挖掘机的特点小型挖掘机价格低、质量轻、保养维修方便，具有独特优势。由于其小巧、灵活、多功能和高效率等特点，极受用户的欢迎。第一，广泛的适用性。小挖体积小，机动灵活，非常适用于城镇的各种管道开挖、基础施工、公用事业以及房屋维修等作业。小挖紧凑的体积、特殊的设计使其能够在大型挖掘机无法施工的环境中进行作业。第二，鲜明的作业特点。小型挖掘机适合狭窄区域作业的最主要的特点就是其特殊动臂和斗杆的设计。小型挖掘机的动臂是与机身铰接的，这就使其能够在一个很大的范围内进行摆动。同时，这也使得挖掘机能够便于在墙壁或是围墙的旁边进行挖掘作业。小型挖掘机的橡胶履带有助于减少挖掘机施工时对狭窄施工范围内的景观区域以及道路的损坏。第三，便于运输和转移作业场地。小挖便于各个施工现场间的转移，无需大型拖车或是重型卡车来进行运输，小型的运输工具就可将其运载。这样不但能够方便运输，还可以大大降低机器的运输费用。第四，投资回报率高。小挖的价格便宜，成本回收快。以6吨级小挖为例，美欧日品牌机的价格在40万左右，韩国的机器价格在32万左右，国产机器价格在30万32万左右；而20吨级的中挖价格在70万100万左右。1.4 液压挖掘机基本结构和其选择单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是在机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是日前挖掘机械中重要的品种。它的作业过程是以铲斗的切削刃(通常装有斗齿)切削土壤并将土装入斗内，斗装满后提升、回转至卸土位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移位，以便继续工作，因此，是一种周期作业的自行式土方机械。单斗液压按掘机为了实现上述周期性作业动作的要求，设有下列基本组成部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动操纵机构、行走装置和辅助设备等。因而常又把这类机械概括成由：工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。挖掘机的基本性能也就决定于各组成部分的构造和性能。液压挖掘机与机械挖掘机的主要区别在于传动装置的不同，以及出于传动的改变而引起的工作装置机构形式的不同。液压挖掘机的液压传动系统由液压泵、液压马达、液压缸、控制阀及油管等液压元件组成。并且采用液压分配器及各种控制阀来控制各机构的运动。图1.4 液压挖掘机的基本组成及传动示意图1 铲斗；2斗杆；3动臂；4连杆；5、6、7液压缸挖掘装置；回转装置；行走装置液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，而各部分的运动则通过液压缸的伸缩来实现。挖掘作业时，接通回转机构液压马达，转动上部转台，使工作装置转到挖掘地点，同时操纵动臂液压缸，小腔进油液压缸回缩，使动臂下降至铲斗接触挖掘面为止，然后操纵斗杆液压缸和铲斗液压缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。斗装满后，将斗杆液压缸和铲斗液压缸停动并操纵动臂液压缸大腔进油，使动臂升离挖掘面，随之接通回转马达，使斗转到卸载地点，再操纵斗杆和铲斗液压缸回缩，使铲斗反转进行卸土。卸完后，将工作装置转至挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。第2章 液压挖掘机的总体设计2.1 设计方案的确定2.1.1 挖掘机型式的确定本设计采用单斗液压挖掘机，其工作装置采用反铲装置，行走装置采用履带式，回转装置采用液压马达驱动。2.1.2 单斗液压挖掘机的特点 单斗液压挖掘机由于采用了液压传动装量而使其在结构、技术性能和使用效果等方面与机械传动的单斗挖掘机相比具有很多特点，其优点综合叙述如下： 1技术性能提高，工作装置品种扩大。单斗液压挖掘机与同级机重的机械挖掘机相比挖掘力约提高一倍，液压挖掘机最大挖掘力可达机重的1/2，而机械挖掘机只达机重的1/4。2. 操作简便灵活。采用的液压伺服（先导阀）操纵，手柄操纵力小于20N，而机械挖掘机操纵力达80200N；主操纵手柄为2个，故操纵轻便司机的劳动强度大为减轻；驾驶室与机棚完全隔开，噪音减小视野良好，振动减轻，改善了司机的工作条件。3. 传动性能改善，工作平稳安全可靠。采用液压传动后能无级调速且调速范围大；能得到较低的稳定转速；液压元件的运动惯性较小并可作高速反转。4. 简化结构减少易损件机重小。同级的液压挖掘机可比机械挖掘机总重量减轻3040。5. 液压元件易实现标准化系列化通用化。便于组织专业化生产，进一步提高产品质量减低成本。也便于产品的更新换代。6. 机构布置合理紧凑。由于液压元件采用油管连接，各机构部件之间相互位置不受传动关系的影响限制，布置可较灵活合理紧凑。7. 易于实现自动化。便于与电气动联合组成自动控制和遥控系统。2.1.3 所选机型的适用范围主要用于小型土石方工程、市政工程、路面修复、混凝土破碎、埋设电缆、自来水管道的铺设、园林栽培及河道河沟清淤工程。小型单斗液压挖掘机具有中型挖掘机的多项功能，又具有运输、能耗、灵活性、适应、高效率等方面的优势，非常适用于空间狭小的施工场地作业。2.2 液压挖掘机的主要参数的确定2.2.1 总体设计的主要内容 根据学校指导老师提出的液压挖掘机设计任务的有关，在充分调查研究基础上首先进行液压挖掘机的总体设计工作。总体设计主要内容有： 分析或拟定设计任务书，确定设计思想原则，并提出整机结构方案的初步设想； 液压挖掘机主要参数的确定； 液压挖掘机各主要机构的结构方案确定； 各主要机构作用力、速度、功率等分析计算； 液压系统的设计； 液压挖掘机的平衡、稳定、生产率以及其他总体特性的分析计算等。 通过总体设计对所设计的液压挖掘机作出初步全面的规划，提出有关数据、资料、总体草图等为进一步设计、分析计算提供基础。2.2.2 小型液压挖掘机的主要参数小型液压挖掘机的主要参数（或称基本参数）有以下几类： 发动机参数，如发动机额定功率、转速等。 液压系统参数，如主泵的流量、压力等。 主要性能参数，如整机工作质量、主要部件质量、铲斗容量范围或标称铲斗质量、挖掘机、牵引力等。 尺寸参数，如工作尺寸、机体外形尺寸和工作装置尺寸等。其中最主要的参数有三个，即斗容量机重和发动机功率。因为通过这三个参数可以从使用要求技术指标和技术经济指标动力装置的配备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。如：斗容量直接反映挖掘机的挖掘能力和效果，据此选择施工配套的运输车辆，而土石方工程量也以体积计算。机械式挖掘机一般就以斗容量作为挖掘机分级的主要标志，液压挖掘机也有采用标准斗容量作为分级标志的。但也有认为，液压挖掘机工作装置多，同一机械可以设有多种不同斗容量的铲斗（按土质不同及施工尺寸要求），故斗容量分级不够明确。发动机功率反映了机械的动力级，与其他参数有函数关系，如定量系统挖掘机0.1m3斗容量约需功率1215kW，影响挖掘机的性能，故也可作为挖掘机分级标志，但也有认为由于液压系统不同，辅助设备能耗不同，或功率储备不同，以功率分级亦不妥。机重则直接反映了机械本身的重量级，它对技术参数指标影响很大，因挖掘机挖掘能力的发挥功率的充分利用机械的稳定性都要以一定的机重来保证，因此机重反映了挖掘机的实际工作能力，可用作标志。我国液压挖掘机标准所定的定义为：1. 标准斗容量：指挖掘级或容重为18000N/m3的土壤时，铲斗堆尖时的斗容量（m3）。为充分发挥挖掘机的挖掘力，对于不同等级的土可以配备相应不同斗容量的铲斗m3。2. 机重：是指带标准反铲或正铲工作装置和标准行走装置时的整机工作质量（t）。3. 发动机功率：指发动机的额定功率（12小时工作），即正常运转条件下本身消耗以外的输出净功率（kW）。2.2.3 选择确定液压挖掘机主要参数的基本依据首先确定标准斗容VR =0.25m。整机质量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，如挖掘力的发挥、发动机功率的充分利用、作业的稳定性等都要以一定的整机质量来保证，所以设计时需要先将其确定。在标准斗容、挖掘力、工作尺寸等参数的设定中，不同厂家会根据其各自的理念和方案，针对某一特定的挖掘环境及客户要求对参数进行优化设计，这自然会导致同一吨位挖掘机的相应参数呈现出一种“百花齐放”的状态，但是通过对这些基本参数进行统计分析显示，从整体上讲，这些参数的数据走向有一定的规律可以遵循。2.3 整机参数确定1 标准斗容与整机质量关系下文中斗容定义采用SAE（美国汽车工程师协会）标准。标准斗容VR如公式(2-1)所示。 VR = VS + VE (2-1)式中 VS 平装斗容。铲斗前后壁、侧壁以及平装面所包容的物料体积，m；VE 平装面以上的物料以45安息角堆积的体积，m。图1所示为整机质量与标准斗容的统计数据散点图。图 2.1 标准斗容与整机质量关系由图2.1可以看出，斗容数据点分布大致接近线性函数分布,但是在实际的曲线拟合过程中，要分别对数据点用线性函数、多项式函数、幂函数、指数函数、对数函数等函数类型进行拟合，然后对拟合方程进行近似精度比较，即比较方程中y与x的相关系数R与1的接近程度，越接近1说明精度越高，最终选择相对精度高的函数作为所求曲线函数。标准斗容与整机质量的拟合曲线经分析比较以后选择线性函数形式，曲线方程如公式（2-2）所示。y=510-5x-0.0618 (2-2)式中 y标准斗容，m；x整机质量，。由图1看出，拟合曲线和实际数据点存在着一定程度的偏差，有些点甚至偏差很大，因为图中所拟合的曲线只是一条趋势走向曲线，得出的参数值不可能完全合适。在具体参数设计过程中，拟合曲线可以作为设计的初步参考，然后根据结构方案、强度以及挖掘机的特殊要求再按标准选定和进行理论分析计算，综合上述方法以后即可得到相应的参数值。通过计算得：x=6036 kg。2 挖掘力与整机质量的关系铲斗切入物料是铲斗挖掘力和斗杆挖掘力共同作用的结果，SAE对上述两种挖掘力进行了定义。计算公式分别如公式（2-3）、（2-4）所示。 式中 FB 铲斗挖掘力，N；FS 斗杆挖掘力，N；PB 工作装置液压系统最大设定压力，Pa；AB 铲斗油缸作用面积，；AS 斗杆油缸作用面积，；lA 转斗油缸作用力臂，mm；lB 摇杆作用力臂，mm；lC 连杆作用力臂，mm；lD 斗齿尖在转斗挖掘时的作用半径，mm；lE 斗杆油缸作用力臂，mm；lF 转斗油缸在计算位置闭锁时，斗齿尖在斗杆挖掘时的作用半径，mm。图 2.2 铲斗、斗杆挖掘力与整机质量关系从数据的分布来看,两种挖掘力的参数值大致随着整机质量的增加呈现上升趋势，可以初步定为线性函数拟合。但是在拟合过程中，用阶数为2的多项式拟合方法更能接近数据散点的分布。拟合后的两种挖掘力同整机质量的关系如公式（2-5）、（2-6）所示。y1 =-610-7x+0.0135x-17.695 （2-5）y2 =0.0047x+2.0409 （2-6）式中 y1 铲斗挖掘力，kN；y2 斗杆挖掘力，kN；x 整机质量，kg。通过计算得：y1 =41.93 kN y2 =30.41 kN。3 工作尺寸与整机质量关系目前，对于一些线性尺寸（外形尺寸、工作装置尺寸、工作尺寸）还没有具体的定义公式，只有近似的经验公式通过查表来求得。最大挖掘高度、深度以及半径均可以通过公式（2-7）求得。 Li=kli (2-7)式中 Li 工作尺寸，mm；kli 尺寸系数；x整机质量，kg。最大挖掘高度、最大挖掘深度和最大挖掘半径的尺寸系数kH 、kZ 、kR的推荐值分别为2.25、2.05、3.35。图2.3和图2.4所示为整机质量与工作尺寸的统计数据散点图。图 2.3 最大挖掘高度。最大挖掘深度与整机质量关系图 2.4 最大挖掘半径与整机质量关系通过对图示散点进行线性函数、多项式函数、幂函数、指数函数、对数函数5种函数类型拟合后近似精度的分析比较，最终确定最大挖掘半径和最大挖掘高度采用二次多项式拟合，最大挖掘深度采用线性拟合。拟合关系如公式（2-8）、（2-9）、（2-10）所示。h1 =-510-6x+0.4892x+3350.4 (2-8)h2 =-410-5x+0.7526x+3239.3 (2-9) h3 =0.1689x+2810.3 (2-10)式中 h1 最大挖掘高度，mm；h2 最大挖掘半径，mm；h3 最大挖掘深度，mm；x 整机质量，kg。通过计算得：最大挖掘高度 h1 =6121.05 mm 最大挖掘半径 h2 =6324.66 mm最大挖掘深度 h3 =3829.78 mm。第3章 液压挖掘机的工作装置反铲装置3.1 动臂及斗杆的结构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（见图3.1），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。图3.1 反铲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 反铲动臂分整体式与组合式(图3.2)两类。整体臂又有直臂和弯臂两种型式。直臂构造筒单、轻巧、布置紧凑，适用于挖掘幅度大而挖深要求不大的机型，多用于悬挂式挖掘机。整体弯臂可得较大挖掘深度，是反铲常用的型式。弯臂弯曲处的形状及强度应注意改善，可采用三节弯臂或大圆弧过渡以减少该处的应力集中。整体臂结构简单、价廉、刚度相同时结构重量较组合式轻。缺点是可更换工装少，通用性较差。使用经验说明，长期用于作业条件近似的反铲，以采用整体臂较好。 组合式动臂基本都是弯臂型式。组合方式有两种：采用辅助连杆或液压缸联接和用螺栓或销轴联接。组合臂与整体臂比较，各有优缺点，组合臂主要优点是： 1. 工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的不同进行调整，充分利用机械的功能。2. 较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的统一化问题。 3. 装车运输比较方便。 组合式动臂结构比整体式动臂复杂，自重较大，但因上述优点，仍得到较广泛应用。但主要用于挖掘作业的反铲动臂，由于强度、则度要求高，自重要轻，工艺性要好，多用整体式。综上所述本设计采用整体式动臂。图3.2 组合式动臂1下动臂；2上动臂；3连杆或液压缸3.2 动臂缸和斗杆缸的布置动臂缸的布置有如下方案（图3.3）；图a和图b方案动臂缸装于动臂的前下方。动臂与转台的铰点一般设于回转中心之前，铰点太后，太高均影响反铲挖掘深度，中小型液压挖掘机多以反铲作业为主，因此都采用动臂支点靠前的布置方案。动臂缸一般都支于转台的前缘，并尽量靠近回转支承，以改善转台结构的受力状况。动臂缸与动臂铰点有两种布置方案。单缸支承大多铰接于动臂下缘（图图3.3动臂缸布置方案综合以上分析，本设计采用动臂缸安装于动臂的下缘，单缸支承动臂。斗杆缸要考虑挖掘时有较大工作力矩（或封锁力矩），对于反铲装置均置于动臂上方，采用大腔工作（液压缸受压）并基本采用单缸。考虑与正铲通用时，动臂下方设铰点，以便作正铲用时将斗杆缸装于动臂下方，斗杆缸前端铰接于斗杆前下方（液压缸同样受压）。3.3 铲斗与铲斗缸的连接方案铲斗与铲斗缸连接方案（图3.4）的区别在于采用的机构方案。图3.4 铲斗缸与铲斗连接方案铲斗缸直接铰接于铲斗（图3.4 a）则由铲斗斗杆及铲斗缸组成四连杆机构，一般使铲斗转角较小，工作力矩变化较大。铲斗缸通过摇杆1推杆2铰接铲斗并于斗杆组成六连杆机构，如图3.4中 bcd方案。b为共点方案，cd为非共点方案，六连杆机构特点是当液压缸行程相同条件下，铲斗可得较大转角并改善了机构的传动特性。c方案铲斗转角超前一个角度，bd方案的不同为相同液压缸行程时，d方案转角更大，铲斗挖掘力小而力矩变化较大，b方案则转角小，挖掘力大，工作力矩变化较小。 反铲广泛采用六连杆方案。由于传动比小，单缸已足以保证挖掘力需要。综上所述经比较，本设计采用b方案。3.4 铲斗结构斗形及斗容量计算反铲用的铲斗形式，尺寸与其作业对象有很大关系。为了满足各种挖掘作业的需要，在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗，图3.5为反铲常用铲斗形式。铲斗的斗齿采用装配式，其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式，如图3.6所示。图3.5 反铲常用铲斗结构1齿座；2斗齿；3橡胶卡销；4卡销；5、6、7斗齿板铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大。铲斗的作业对象繁多，作业条件也不同，用一个铲斗来适应任何作业对象和条件较困难。为了满足各种特定情况，尽可能提高作业效率，通用反铲装置常配有几种甚至十多种斗容量不同，结构型式各异的铲斗。本设计决定采用标准型反铲斗，见图3.5。图3.6 斗齿安装形式（a） 螺栓连接；（b）橡胶卡销连接1 卡销；2橡胶卡销；3齿座；4斗齿对各种铲斗结构形状的共同要求是：1、有利于物料的自由流动，因此铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合各种物料的运动规律。2、要使物料易于卸净。用于粘土的铲斗卸载时不易卸净，因此延长了作业循环时间，降低了有效斗容量。国外采用设有强制卸土板的粘土铲斗。3、为了使装进铲斗的物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗粒直径之比应大于4：1。当此比值大于50：1时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物料为匀质。 4、装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便切入或破碎阻力较大的物料。挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨易于更换。第4章 回转装置4.1 回转装置概述4.1.1 回转装置的组成液压挖掘机回转装置由转台、回转支撑和回转机构等组成。如图4.1所示。回转支撑3的外座圈用螺栓与转台1连接，带齿的内座与底架4用螺栓连接，内、外座圈之间设有滚动体。挖掘机工作装置作用在转台上的垂直载荷、水平载荷和倾覆力矩通过回转支撑的外座圈、滚动体和内座转传给底架。回转机构的壳体固定在转台上，用小齿轮与回转支撑内座圈上的齿圈相啮合。小齿轮既可绕自身的轴线自转，又可绕转台中心线公转，当回转机构工作时转台就相对底架进行回转。图4.1 回转装置1-转台 2-回转机构 3-回转支承 4-底架本设计采用的就是上图所示的回转装置。4.1.2 对回转机构的基本要求液压挖掘机回转机构的运动约占整个作业循环时间的50%-70%，能量消耗占25%-40%，回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的30%-40%。为提高液压挖掘机生产率和功能利用率，故对回转机构提出如下基本要求： 1. 加速度和回转力矩不超过允许值时，应尽可能地缩短转台的回转时间。在回转部分惯性矩已知的情况下，角加速度的大小受转台最大扭矩的限制，此扭矩不应超过行走部分与土壤的附着力矩。2. 机构运动时挖掘机工作装置的动荷系数不应超过允许值。4.2 回转支承的构造和特点4.2.1 转柱式回转支承的构造和特点转柱式回转支承常用于悬挂式液压挖掘机上，回转部分的转角一般等于成小于180。其构造是由焊接在回转体上的上、下支承轴和上、下轴承座组成。轴承座用螺栓固定在机架上。通过安装在支承轴上的液压马达使回转体转动。4.2.2 滚动轴承式回转支承的构造和特点滚动轴承式回转支承广泛用于全回转的挖掘机起重机和其他机械上。它是在普通滚动轴承基础上发展起来的，结构上相当于放大了的滚动轴承。它与旧式回转支承相比，具有尺寸小，结构紧凑，承载能力大，回转摩擦阻力小，滚动体与滚道之间的间隙小，维护方便使用寿命长，易于实现“三化”等一系列优点，因而得到广泛应用。它与普通滚动轴承相比，又有其特点。普通滚动轴承的内外座圈刚度靠轴与轴承座装配来保证，而它的刚度则靠支承它的转台和底架来保证。设计时必须注意底架和转台的刚度是否符合它的需要。滚动轴承式回转支承转速低，通常承受轴向载荷倾复力矩和径向载荷，因此滚道上接触点的载荷循环次数较少，设计时主要进行负荷能力计算。滚动轴承式回转支承（图4.2）由内外圈10、1、4，滚动体11，隔离体，密封体密封装置5、12，调整垫片8润滑装置和连接螺栓6等组成。内座圈或外座圈可加工带内齿或外齿。根据轴承结构不同可作如下分类：按滚动体型式有滚球和滚柱（包括锥形和鼓形滚动体）；按滚动体排数有单排双排和多排；按滚道型式有曲面（圆弧），平面和钢丝滚道等。4.2.3 滚动轴承式回转支承的系列标准滚动轴承式回转支承，不少国家已有系列标准，由专门的轴承厂制造，主机厂根据用途选用即可。我国已制定的滚动轴承式回转支承系列标准分两大类，六种结构型式，四十种规格。图4.2 单排交叉滚柱内齿式回转支承4.3 回转机构4.3.1 传动方式及其特点单斗液压挖掘机回转机构约占整个工作循环时间的5070，能量消耗约占2540，回转液压油路的发热量约占总发热量的3040。因此，合理地确定回转机构的液压油路和结构方案正确地选择回转机构参数，对提高生产率和功能利用率，改善司机的劳动条件，减少工作装置的冲击等具有十分重要的意义。对回转机构的基本要求是：1. 在角速度和回转力矩不超过允许值的前提下，应尽可能缩短回转时间。在回转部分惯性已知的情况下，角加速度的大小受最大回转扭矩的限制，该扭矩不应超过行走部分与地面的附着力矩。2. 回转时工作装置的动载系数不应超过允许值。非全回转的挖掘机回转时，工作装置不应碰撞定位器。3. 回转能量损失最小。4.3.2 回转机构的类型确定小型液压挖掘机通常选用全回转的回转机构，按液动机的结构形式可分为高速方案和低速方案两类。由高速液压马达经齿轮减速箱带动回转小齿轮绕回转支承上的固定齿圈滚动，促使转台回转的称为高速方案。图4.3所示为斜轴式高速液压马达驱动的回转机构传动简图。图4.3 斜轴式高速液压马达驱动的回转机构传动简图图中a）采用两级正齿轮传动，b）采用一级正齿轮和一级行星齿轮传动，c）采用两级行星齿轮传动，d）采用一级正齿轮和两级行星齿轮传动，因此减速箱的速比以a最小，d最大，此外在高速轴上均装有机械制动器。行星齿轮减速籍虽然加工要求较高，但可用一般渐开线齿廓的模数铣刀进行加工，结构也比较紧凑，速比大，受力好，因而获得了广泛的应用。目前我国对图b）、图c）结构部件已进行了系列化和专业化生产，可供选用。由低速大扭矩液压马达直接带动回转小齿轮促使转台回转的称为低速方案。这种方案所采用的液压马达通常为内曲线式，有平衡式和星形柱塞式等。高速方案和低速方案各有特点。高速液压马达具有体积小，效率高，不需背压补油，便于设置小制动器，发热和功率损失小，工作可靠，可以与轴向柱塞泵的零件通用等优点。低速大扭矩液压马达具有零件小，传动简单，起动制动性能好，对油污染的敏感性小，使用寿命长等优点。据国外统计，约有80左右产品由于买不到经济合理的减速箱而采用低速液压马达。在高速方案中采用弯轴式轴向柱塞液压马达则占大多数。综上所述本设计采用全回转的回转机构并且液动机的结构形式采用高速方案。4.4 转台单斗液压挖掘机由于它的工作装置呈悬臂的特点，因此工作时在其自重和外载荷作用下对底部履带（或轮式的支腿）边缘产生很大的倾复力矩。这个力矩完全靠机身（不包括工作装置）自重和转台后部另加的配重所产生的力矩来平衡，使挖掘机能在各种工况下稳定的工作。挖掘机稳定性能的优劣对整机工作影响很大。稳定性能好的不但能够保证挖掘机安全工作，而且能使其在作业范围内充分发挥挖掘能力。同时回转支承装置磨损也均匀使用寿命长。决定挖掘机稳定性能的因素很多，包括工作装置尺寸转台尺寸配重的大小回转平台上的部件布置以及行走底座支承面尺寸等。这些因素在挖掘机总体设计时须处理好。从挖掘机的稳定性分析：挖掘机的行走底盘部分的重量是固定的，重心位置也较低，是使机械稳定的因素。而挖掘机上部的重心位置变化较大，因为挖掘机在一个工作循环中工作装置的位置经常变化，铲斗也因满斗或空斗的原因重量不等。在挖掘过程中还有土壤的反力作用在工作装置上等，这些都使整个回转平台上部的重心位置经常在变化，有时重心远远超出支承滚盘外面。为了平衡这些载荷力矩，回转平台上的较重部件（如发动机等）通常放在转台尾部，此外在转台尾部还另加配重。即使这样，若满载幅度较大时转台上部的合力还是偏在前面较多。如图4.4所示偏心距为e。但是也不能为了平衡载荷力矩减少偏心距e而过分加大配重，因为这样会在空载时尤其当幅度较小时，载荷力矩大大减少，而配重等造成的平和力矩是不变的，此时转台上的合力R便会大大偏于后部，偏心距e（图4.5）造成向后倾翻的较大力矩。故回转平台所加配重也不宜过大。配重对载荷力矩实际上仅起部分的平衡作用。目前单斗液压挖掘机普遍采用滚动轴承式回转支承装置。这种支承装置基本上将挖掘机上下两部分连成一体，而且滚动表面经过热处理，所以能够承受较大的前后两方向的倾复力矩。图4.4 满载幅度较大时的转台上部的合力位置 图4.5 配重过大后空载时上部的合力位置为了使整机有较好的稳定性，同时使支承滚盘受力均匀，应使挖掘机在一个工作循环中回转平台上部的合力前后移动均匀，即应使e和e值的大小尽量接近，所以要重视回转平台上各种机构的合理布置，同时也可通过调整配重大小来实现。4.4.1 转台平衡的确定挖掘机工作时转台上部自重和载荷合力的位置是经常变化的，而且偏向载荷方面。为了平衡载荷力矩，转台上的各个装置需要合理布置，并在尾部另加配重，以改善下部结构受力、减轻回转支承磨损，保证整机稳定性。有时转合布置受结构尺寸限制，重心偏离纵轴线。致使左右履带接地比压不等，影响行走架结构强度和行驶性能。一般可通过调整配重重心来解决，如图4.6所示。图中x为转台重心偏离纵轨线值，x为配重重心偏离纵轴线值。对纵轴线取力矩平衡可求出x。确定配重的原则应使重载大幅度时转台上部分力FR的偏心距e与空载小幅度时合力FR的偏心距e大致相等，如图4.7所示。图4.6 调整配重横向位置图4.7 确定配重时的偏心距4.4.2 转台配重的确定根据国内外许多挖掘机的统计数据分析，认为挖掘机处于运输状态，斗杆缸和铲斗缸全伸，动臂放低使铲斗离地约1m（图4.8），转台上部连同工作装置的重力G应通过回转中心。由于这些部件的质量和位置已初步确定，配重即可由下式求得： 式中 、分别为动臂，斗杆，铲斗及转台的重量；、为相应的重心至回转中心的距离；为配重的中心至回转中心的距离。图4.8 确定配重工况必需指出，由于平台上部件的布置受结构的局限性、不一定能做到完全对称于纵轴线，因此平台上的重心会偏离纵轴线，致使左右履带对地压力不等、影响底盘强度及行驶性能。当平台重心偏离纵轴线量x不大时可调整配重重心，在横向朝相反方向偏移（图4.6），使平台合力移到纵向轴线上。需调整配重重心的偏移量可由下式求得： 中小型挖掘机当改装成起重机使用时必须调整配重，并验算稳定性。4.5 单斗液压挖掘机的稳定性4.5.1 稳定性验证的条件反铲式液压挖掘机的稳定性（防止倾覆的安全性）是通过计算予以验证的。这种验证使用于挖掘机放置在水平停机面上。进行反铲式液压挖掘机稳定性计算应针对最不利的倾覆线，即同反铲式液压挖掘机重心垂直距离最小的倾覆线。如图4.9所示，所谓倾覆线，对于履带式挖掘机是支重轮的倾覆支点连线AA和左右履带的引导轮或驱动轮的倾覆支点的连线BB。图4.9 反铲式液压挖掘机的倾覆线（a）履带式挖掘机侧向倾覆线；（b）履带式挖掘机纵向倾覆线4.5.2 稳定性反铲式液压挖掘机的稳定性是指在最不利的倾覆线上的稳定力矩之和大于或等于倾覆力矩之和。挖掘机所有零部件、总成由于自重引起的力矩都作为稳定力矩。对于可以变更的或者可以移动的零部件、凡是对挖掘机稳定性有影响的重力，均要考虑其最不利的值和最不利的位置。倾覆力矩主要是由铲斗挖掘力（有效载荷）及工作装置自重引起的。4.5.3 稳定性的计算在计算反铲液压挖掘机稳定性时要使用下列计算力值代替实际的重力值： 式中 挖掘机工作装置自重系数；挖掘机有效载荷系数；挖掘机最大作业半径时超出倾覆线之外的工作装置的重力；有效载荷（土、石方）的重力，=qr，其中q为标准铲斗容量，m3；r为土壤容重，一般取1600N/ m3。1.稳定力矩通过称重求得。（1）挖掘机主机称重条件（无工作装置）。挖掘机已做好作业准备，但无工作装置，上部回转至与前进方向成90夹角。（2）挖掘机整机称重条件。挖掘机已做好作业准备，带工作装置，上部回转至与前进方向成90夹角。工作装置伸出并达到最大作业半径，不会将有效载荷（土、石方）卸出。2.整机稳定性的计算。反铲式液压挖掘机稳定性计算公式（参见图4.10）为图4.10 反铲式液压挖掘机稳定性计算简图 （4-3）式中 主机自重，N；倾覆线间距，m；工作装置自重，N；重心间距，m；有效载荷，N；最大幅度，m。根据第3章中工作装置主要参数可知，工作装置的重量为666kg，整机重量为6t，可以得到主机自重G，工作装置自重E,重心间距e，最大幅度n，即： N Ne=3.602mn=5.91m根据5章中行走装置的主要参数可知，倾覆线间距为s为0.18m。有效载荷N=qr=0.25x1600=400N将以上数据带入公式（4-3）得通过上式计算，整机达到了稳定。第5章 行走装置5.1 液压挖掘机行走装置介绍 挖掘机的行走装置既是机械的运行部分，又是机械的支承。挖掘作业时机械不行走，行走装置要承受整台机械的自重和外载，这是与运输车辆和铲土运输机所所不同的，因此设计挖掘机的行走装置时应兼顾支承和运行两个方面的需要。因此，液压挖掘机行走装置应尽量满足以下要求：1. 应有较大的驱动力，使挖掘机在湿软或高低不平等不良地面上行走时具有良好的通过性能、爬坡性能和转向性能。2. 在不增大行走装置高度的前提下使挖掘机具有较大的离地间隙，以提高其不平地面上的越野性能。3. 行走装置具有较大的支撑面积或较小的接地比压，以提高挖掘机的稳定性。4. 挖掘机在斜坡下行时不发生下滑和超速溜坡现象，以提高挖掘机的安全性。5. 行走装置的外形尺寸应符合道路运输的要求。液压挖掘机的行走装置，按结构可分为履带式和轮胎式两大类。履带工行走装置的特点是，驱动力大（通常每条履带的驱动力可达机重的35%-45%），接比压小（40-150kPa），因而越野性能及稳定性好，爬坡能力大（一般为50%-80%，最大的可达100%），且转弯半径小，灵活性好。橡胶履带式行走装置在液压挖掘上使用较为普遍。但橡胶履带式行走装置制造成本低，运行速度低，运行和转向时功率消耗大，零件磨损快，因此，挖掘机长距离运行时需借助于其他运输车辆。轮胎式行走装置与履带式的相比，优点是运行速度快、机动性好，运行时轮胎不损坏路面，因而在城市建设中很受欢迎，缺点是接地比压大，爬坡能力小，挖掘作业时需要用专门支腿支撑，以确保挖掘机的稳定性和安全性。 履带式行走装置组成与工作原理： 履带式行走装置由“四轮一带”（即驱动轮、导向轮、支重轮、托轮、以及履带），张紧装置和缓冲弹簧，行走机构，行走架等组成。 挖掘机运行时，驱动轮在履带的紧边驱动段及接地段（支撑段）产生一个拉力，企图把履带从支重轮下拉出，由于支重轮下的履带与地面间有足够的附着力，阻止履带的拉出，迫使驱动轮卷动履带，导向轮再把履带铺设到地面上，从而使挖掘机借支重轮沿着履带轨道向前运行。液压传动的履带行走装置，挖掘机转向时由安装在两条履带上且分别由两台液压泵供油的行走马达（用一台油泵供油时需采用专用的控制阀来操纵）通过对油路的控制，很方便地实现转向或就地转弯，以适应挖掘机在各种地面、场地上运动。与履带式液压挖掘机行走装置相比较，轮胎式行走装置的主要特点是：1. 要求地面平整、坚实，以免轮辙过深，增加挖掘机行驶阻力、转向阻力，影响挖掘机的稳定性。2. 轮胎式挖掘机的行走速度通常不超过20km/h，爬坡能力为40%-60%。3. 为了改善挖掘机的越野性能，宜采用全轮驱动，液压悬挂平衡摆动轴。作业时由液压支腿支撑，使前后桥卸荷并整机稳定性得以提高。5.2 履带式行走装置的结构布置和传动方案5.2.1 履带式行走装置的构造履带式行走装置（图5.1）由连接回转支承装置的行走架1通过支重轮2，履带3将载荷传至地面。履带呈封闭环绕过驱动轮5和导向轮6，为了减少上分支挠度，履带由1-2个托链轮4支持。行走装量的传动是由液压马达8经减速箱9传动驱动轮5使整个行走装置运行。当履带由于磨损而伸长时可由张紧装置7调整其松紧度。图5.1 履带式行走装置1-行走架；2-支重轮；3-履带；4-托链轮；6-驱动轮；6-导向轮；7-张紧装置；8-液压马达；9-减速箱1行走架行走架是履带行走装置的承重骨架，它由底架、横梁和履带架组成，通常用16Mn钢板焊接。底架连接转台，承受上部的载荷，并通过横梁传给履带架。行走架按结构的不同分组合式和整体式两种。2支重轮挖掘机重量通过支重轮传给地面，工作时如地面不平它将经常受到冲击，所以支重轮所受载荷轮大。支重轮的工作条件也较恶劣，经常处于尘土中有时还浸泡于泥水之中，故要求密封可靠。支重轮轮体常用35Mn或50Mn制造，轮面淬火硬度应达HRC48-57。采用滑动轴承较多，并用浮动油封防尘。结构如图5.2.3. 导向轮导向轮用于引导履带正确绕转，可以防止跑偏和越轨。大部分液压挖掘机的导向轮同时起到支重轮的作用，这样可增加履带对地面的接触面积，减小比压。导向轮的轮面大多制成光面，中间有挡肩环作为导向用，两侧的环面则能支撑轨链起支重轮的作用。导向轮的中间挡肩环应有足够的高度，两侧边的斜度要小。导向轮与最靠近的支重轮距离越小则导向性能越好。图5.2 支重轮1-轴；2-轮体；3-轴套；4-螺塞；5-垫圈；6-浮封环；7浮封胶圈；8；轴座4. 驱动轮发动机的动力通过驱动轮传给履带，因此，对驱动轮的主要要求是啮合平稳，并在履带因销套磨损而伸长时，仍能很好地啮合。履带的驱动轮通常置于后部，这样履带的张紧段较短，减少磨损和功率损失。驱动轮的结构有多种型式，如按轮体构造分有整体式和分体式两种。5. 张紧装置履带式行走装置使用一段时间后由于链轨销轴的磨损会使节距增大，并使整个履带伸长，导致摩擦履带架，脱轨等，影响行走性能。因此，每条履带必需装设张紧装置，使履带经常保持一定的张紧度。5.2.2 履带行走装置的传动方式单斗液压挖掘机的履带行走装置绝大部分都采用液压传动，它使履带行走架结构简单化，并且省去了机械传动的一套复杂的锥齿轮离合器及传动轴等零件。液压传动的方式是每条履带各自有驱动的液压马达及减速装置，由于两个液压马达可以独立操纵，因此挖掘机的左右履带除可以同步前进后退或一条履带驱动，一条履带止动的转弯外，还可以两条履带相反方向驱动，使挖掘机实现原地旋转（见图5.3a），提高了作业的灵活性。虽然液压传动的效率低，仅为50左右（机械传动的效率约70），但因具备上述优点，目前国产履带式液压挖掘机都采用此种型式。本设计亦采用此种型式。单斗液压挖掘机的行走装置按照传动方式可分为液压式和机械式两类。选择行走装置的型式时，应根据工作地点的土壤条件工作量运输距离及使用条件等决定。本设计采用液压式传动方式。履带式行走装置的传动方式与回转机构相仿，可分为高速马达和低速马达两种方案。图5.3 履带式液压挖掘机的行走装置转弯a) 原地转弯 b) 绕一条履带转弯高速方案通常是采用定量轴向柱塞式叶片式或齿轮式液压马达通过多级正齿轮减速或正齿轮和行星齿轮组合的减速箱，最后驱动履带的驱动轮。即通过采用高速液压马达通过专门的行走减速器驱动履带的驱动轮。这种减速器常常连同液压马达和制动器组成一个独立而紧凑的部件进行专业化生产。低速方案是采用低速大转矩液压马达。由于该马达在低速时效率很低，故一般仍加一级正齿轮或一级行星轮减速，使马达转速不致过低。采用高速液压液压马达驱动，由于马达转速可达20003000r/min，因此减速器装置需一对或两对正齿轮与一列或两列行星齿轮组合成减速箱，这种减速箱常常连液压马达和制动器组成一个独立紧凑的部件，我国已进行了部件系列化和专业化的生产，因而使挖掘机的设计和制造工作大为简化。因此，综上所述本设计中选用高速方案，采用高速液压马达驱动。5.3 履带行走装置参数的确定5.3.1 主要性能参数的确定性能参数的选择是挖掘机总体方案设计中的首要环节。对其履带行走装置而言，主要包括行驶速度、爬坡能力、接地比压、最大牵引力等。一般这些性能参数都是根据挖掘机的整机质量，由设计人员自己的经验来确定，或是参考现有成熟产品进行类比。1. 行驶速度考虑到挖掘机在作业时工地行走的需要，一般将行驶速度设定为高低两档，这样就可以根据行走路面的状况及工作场地的大小选择合适的行驶速度。为了减少挖掘机现场作业的移动时间、提高生产率，根据一些知名品牌（小松、竹内、洋马、久保田建机、日立、石川岛中俊、小桥机械、沃尔沃、特雷克斯、现代、斗山、山河智能、福田雷沃、玉柴、徐工、龙工、柳工、三一，图1图8 数据均来自这些品牌）小挖行驶速度与整机质量关系的数据统计结果（见图5.1），推荐高速行驶速度为4.05.5km/h，低速行驶速度为2.03.5km/h。图 5.1 行驶速度与整机质量关系2. 爬坡能力履带行走装置一个显著特点就是爬坡能力大，一般为50%80%。由小挖爬坡度与整机质量关系的数据统计结果（见图5.2），推荐爬坡度a 为3035，即爬坡能力为58%70%。图 5.2 爬坡度与整机质量关系3. 接地比压接地比压指平均接地比压，是履带式液压挖掘机的一个重要指标，主要根据地面条件、挖掘机的附着性能、外形尺寸等进行合理选取。在设计挖掘机时，在结构允许的范围内，尽量取小值，依据小挖平均接地比压与整机质量关系的数据统计结果（见图5.3），推荐平均接地比压p 35kPa。图 5.3 平均接地比压与整机质量关系4. 最大牵引力履带行走装置的牵引力必须大于或等于各阻力之和，小于或等于履带对地面的附着力。一般情况下，履带行走装置爬坡不与转弯同时进行，因此只考虑挖掘机在最大设计爬坡能力的情况下确定的最大牵引力，不再考虑转弯阻力，而且行驶速度低，运行空气阻力忽略不计，则履带行走装置的最大牵引力T 计算公式为：TTfTifGsinaG（5-1）式中Tf 履带行走装置的滚动阻力；Ti 履带行走装置的坡道阻力；f 履带行走装置的滚动阻力系数； a 最大设计坡度角。另外，目前大多数履带式挖掘机的最大牵引力也可按挖掘机整机质量的一定比例选取，即T(0.70.85)G104（5-2）式中T 整机最大牵引力（N）； G 为整机质量（t）。计算得：T=0.86.023104 =48184 N =48.18 kN考虑到挖掘机需具备较好的爬坡、转弯等性能，可根据小挖最大牵引力与整机质量关系的数据统计结果恰当选择（见图5.4）。图 5.4 最大牵引力与整机质量关系5.3.2主要设计参数分析1. 行走装置主要零部件的选择履带行走传动系统的设计思想一般是凭设计经验和用户要求，首先根据最大牵引力确定履带链轨节距t，再根据公式确定四轮一带等。1）链轨节节距t 与四轮一带液压挖掘机已采用标准化履带链轨节节距t，如101、125、135 和154mm 等多种。一般根据经验，链轨节的断裂拉力应是履带最大牵引力的23 倍，即履带总牵引力应小于或等于链轨节的允许拉力。因此可根据已经确定的最大牵引力和标准链轨节的允许拉力，即可确定标准节距t。另外，也可按经验公式选取 t (1517.5)G0.25 （5-3）式中G整机质量(kg)。计算得： t=1660360.25 =141.03 mm确定链轨节节距t 后，就可以根据t 计算四轮一带的有关参数。履带板宽度：可根据链轨节节距t和液压挖掘机履带国标来确定标准履带宽b。在某些土壤条件下，应采用加宽履带板以提高挖掘机的附着牵引性能和通过性。根据给出的小挖标准履带宽与整机质量关系的数据统计结果（见图5.5）以及良好的通过性要求， 推荐小挖的标准履带宽为4 0 0 m m。图 5.5 标准履带宽与整机质量关系驱动轮节圆直径(mm)Dqt/sin(360/z) （5-4）式中，z为驱动轮齿数，通常小挖的驱动轮齿数取23 或25。导向轮工作面直径(mm) Dd(0.80.9)Dq （5-5）托链轮踏面直径 dt(0.81.0)t（5-6）支重轮踏面直径 dz(0.81.0)t（5-7）f 托链轮与支重轮个数：为减小摩擦损失，小挖每侧托链轮一般为1 个；考虑到滚动阻力的大小和接地比压的均匀性，小挖每侧支重轮通常为45 个，具体数量随机重或功率的增加而增多。2）张紧装置履带行走装置使用一段时间后由于链轨销轴的磨损会使节距增大，使整个履带伸长，导致摩擦履带架、脱轨等，影响行走性能。因此每条履带必须设有张紧装置，使履带保持一定张紧度，一般要保证履带的下挠度不超过2040mm。张紧装置的程应大于履带节距的1/2，以便在履带因磨损而造成节距伸长时，可拆去一块而继续使用。2. 主要外形尺寸的分析这里讨论的主要外形尺寸包括履带接地长度L，左右履带中心距离B即轨距，最小离地间隙h。挖掘机行走装置的接近角和离开角一般较小，可近似认为导向轮与驱动轮中心距离即轴距A 等于履带接地长度L。接地长度L与轨距B，对挖掘机的工作性能和行走性能都有较大的影响。这两个参数的合理配合，能保证挖掘机工作和行驶时的稳定性与通过性，提高原地转弯能力。根据小挖履带接地长度、轨距与整机质量关系的数据统计结果（见图5.6），考虑到稳定性与通过性要求，推荐履带接地长度为1 5002 300mm，轨距为1 2501 900mm。图 5.6 履带接地长度、轨距与整机质量关系实际工作时由于地面不平，两条履带不完全与地面接触，以及由于整机重心的偏移等原因，履带上的实际接地比压不均匀，则会出现最大接地比压Pmax，其计算公式为：Pmax 2G/3b(L B) （5-8）从上式可看出，L/B 值不应太小，否则会加大Pmax 值，降低其通过性。挖掘机在原地转弯时需要克服滚动阻力和转弯阻力，而转弯阻力TZ 计算公式为： Tz GL/4B （5-9）式中 履带板对地面的摩擦系数。从上式可看出，L/B 值又不能太大，否则将增大转弯阻力值，降低原地转弯能力，因此L/B的比值应恰当选择。根据给出L/B 的数据统计结果（见图5.7），推荐L/B 的比值为1.21.35。图 5.7 L/B的比值与整机质量关系最小离地间隙h 也是一个重要参数。它的大小表明挖掘机通过地面障碍的能力，也会影响到整机的重心位置、稳定性以及机械结构等，通常取h 0.13G1/3。根据小挖最小离地间隙与整机质量关系的数据统计结果（见图5.8）选取，推荐h为300380mm。D六挖掘机液压系统介绍所谓挖掘机的液压系统就是根据挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来的组合。液压系统以油液为工作介质，首先利用液压泵把机械能转化成液压能，然后通过管路把液能传给液压执行元件，通过液压元件再把液压元件转化成设计需要的各种机械能，实现各种动作。小型液压挖掘机液压系统主要包括三大部分及泵送部分，控制部分，执行部分。6.1压挖掘机液压系统基本要求6.1.1液压挖掘机的作业动作要求1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以互相配合实现复合动作。2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能作复合动作，以提高挖掘机的生产率。3）履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。4）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。5）保证挖掘机工作安全可靠，且各执行元件（液压缸、液压马达等具有良好的过载保护；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。（1） 对液压系统的基本要求根据液压挖掘机的作业动作和环境特点，应对液压系统提出如下要求。1) 液压挖掘机的液压系统应具有高效率，充分发挥发动机动力性和燃油经济性。2) 整个液压系统要有过载保护和防振动冲击作用。3) 液压系统要具备经济适用散热系统，保证油温在工作有效规定范围内。4) 挖掘机液压系统要有防尘和清理工作油液能力（自洁）。5) 操作系统要求简洁，方便使用，有良好的操作舒适性。6) 液压系统设计必须充分考虑后期保养检修方便。6.1.2液压挖掘机液压系统的基本类型与特点液压挖掘机液压系统有定量，变量和定量变量复合系统三种类型。1） 定量系统定量系统采用定量泵提供压力油的流量是恒定的，不会随负荷变化而变法，及发动机以恒功率工作，其功率平均 只用了约60%。为了获得不同德工作速度，长用多路阀来进行节流调节，导致系统发热量大，功率浪费。单定量泵经常在非满负载下工作，其寿命比变量泵长一些。由于定量系统流量固定，所以执行元件工作相对稳定，工作装置易控制。但执行元件在复合运动时，各机械运动速度大大降低。2）变量系统恒功率变量泵能充分利用发动机功率，又不会使发动机过载。变量系统一般为双泵双回路系统，它能随负载变法儿变法，使发动机接近其设计功率工作，以达到节能环保目的。小型单斗挖掘机的液压系统系统多采用变量泵定量马达组合方式实现无级调速。为了保证行走液压马达同步，采用全功率双泵双回路变量系统。因为全功率变量系统中两个油泵由同一个调节机构控制，是两个油泵的摆角始终相同，同步变法，流量相等。本设计选用液控轴向柱塞单向变量泵，（该泵自带反馈控制系统，可以实现衡功率调节）节能效果非常好 。6.2统的工作需要和工况分析6.2.确定对液压系统的工作要求a) 根据挖掘机使用要求和用途，确定挖掘机动臂斗杆铲斗直线动作需要采用液压油缸传动，回转与行走旋转连续动作装置需要由液压马达传动来完成。其中动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以互相配合实现复合动作；3）挖掘机的左、右履带能分别驱动，并且可就地转向。b) 为了使挖掘机能在温度，湿度，污染和振动冲击情况下工作，整个液压系统选用了风冷却油液和冷却马达双用冷却方式。c) 根据工况要求回转装置采用了回转制动阀，来完成回转装置的制动和锁紧要求。如图（1） 图（1）d) 行走装置采用两个流量相同主泵分别给两个相同液压马达供油，及保证了左右行走马达能同步驱动，又能分别驱动，实现就地转向要求。6.3液压执行元件执行元件的类型可根据挖掘机工作部件的特点来确定，通常情况下，对于行程不大的直线往复运动，可以选择液压油缸；对于连续旋转运动，可以选用液压马达；对于转动小于一周的摆动，可以选择摆动式液压油缸。6.3.1液压泵设计于计算6.3.11液压泵的基本参数液压泵有两个压力参数，一个为额定压力，另一个为最高压力。额定压力是指在连续运转情况下所允许使用得工作压力，这个压力下可以保证泵较高的容积效率和使用寿命。但是额定压力不是泵工作时的实际压力，泵工作时的实际压力取决与外负载和管路阻力。最大压力是指泵在短时间内超载说允许的极限压力，由液压系统的安全阀限定，主要由密封性能和零件强度所决定，在此情况下，油泵仍能满足允许的最低容积效率要求。6.3.1.1液压泵的计算液压泵的排量是指泵每旋转一个弧度或每旋转一周所排出液体的体积，以Qp表示。液压泵的流量是指泵在单位时间内排出液体的体积，以QP表示。泵的容积效率=泵的实际流量值除以泵的理论流量值。齿轮泵容积效率为0.7-0.9；柱塞泵容积效率为0.85-0.98； 机械效率=泵的理论转矩除以泵的输入转矩；在确定液压系统工作压力（即液压泵的出口压力）时已经选定了液压泵的形式。这里是根据液压系统所需要的流量来确定液压泵的具体规格。液压泵的额定压力应比系统工作压力大25%以上 ，是液压泵油一定的压力储备。由以上可得泵的输出功率 Qb=KQmax=(1.3*63)/60P=47.775KW6.3.1.2掘机齿轮泵设计齿轮泵具有外形尺寸小，重量轻。自吸性能好，结构简单，工艺性好，使用时工作可靠，耐冲击，维护修理方便和价格便宜等优点。 因此本机选用齿轮泵作为控制油路液压驱动泵。齿轮泵一般可分为外啮合和内啮合两种，二者对比，内啮合齿轮结构经凑，运转平稳，噪音小，有良好的高速性能，单加工复杂，流量脉动大，高压低速时容积率低；外啮合齿轮泵工艺简单，加工方便。目前渐开线圆柱直齿轮的外啮合齿轮使用得比较多。根据使用要求本机选用渐开线圆柱直齿轮的外啮合齿轮。由于多路阀采用手动减压阀式先导阀。手动减压阀式先导阀的控制油路由齿轮泵单独供油，组成操纵回路。操纵先导阀手柄不同方向和位置，可使其输出压力在0-2.5MPa范围内变化，以控制液控多路阀的开度和换向，是驾驶员在操纵先导阀是，既轻松又有操纵力和位置的感觉。为力保证油一定的操纵力，并在液压泵不工作或损坏时还能是工作机构运动。在操纵回路中设置了储能器。为了保证设计要求，取齿轮泵容积效率为0.8，机械效率为0.9。根据齿轮泵的工作压力2.5MPa查液压技术手册-范存德主编 选用CB-B10型固定侧板低压泵，这种泵结构简单，维护方便，工作可靠，适用于低压液压系统。CB-B10齿轮泵排量Q=10L/min，额定压力为2.5MPa，转速1450r/min,驱动效率0.51，质量2.14.其外围最大尺寸为65*95*65.6.3.2液压缸设计与计算 (1)活塞杆用精密磨削的高强度合金钢来制造，对活塞杆表面进行中频淬火，硬度达到最高HRC62，并且在活塞杆表面镀硬铬并抛光到Ra0.08um,提供耐冲击的表面，防止活塞杆拉伤和碰伤，延长密封件寿命。所有活塞杆和活塞组件在最小横截面处具有基于额定压力下抗拉强度的起码5倍的安全系数。(2)导向套根据挖掘机工况特点专门研制，由球墨铸铁制成，有很高的耐磨性，内装日本原装进口的滑动轴承，该滑动轴承最大承载压力静载270N/mm2,动载140N/mm2,最高速度5m/s,摩擦系数0.020.07,工作温度-200至280,导向面积很大使应力减至最小，可以承受很大的侧向载荷，延长缸和密封件二者的寿命。(3)活塞杆密封件活塞杆密封件由防尘圈、活塞杆密封圈和液压缓冲组成，能有效防止活塞杆液压油渗漏。防尘圈是双唇防尘圈，作用是防止粉尘、污物、砂粒及金属屑的进入，它大大的防止了刮伤，保护了导向元件，延长了密封件的使用寿命，面向介质的密封唇减少了剩余的油膜，聚氨脂材料保证在干摩擦时有极好的特点，增加耐磨性，由于对因气候条件而引起的臭氧和辐射有很好的抵抗能力，延长了使用寿命，工作温度35至100，表面速度2ms。活塞杆
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