挖掘机的液压系统设计

1、挖掘机的液压系统设计-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One 1期裔理工孝覘毕业设计（论文）题目：液压挖掘机的液压系统设计作者陆佳届别2008届系别机械工程学院专业机械设计制造及其自动化指导教师李实职称液压系统是LI前挖掘机必不可少的组成部分，液压系统通过改变圧强增大作 用力来工作。完整的液压系统包括：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件 和液压油。挖掘机的工作环境复杂多变，所以对于液压系统提出了很高的设计要 求。在搜集国内外液压系统相关资料的基础上，了解其发展过程，分析总结了液压挖 掘机的技术发展动态，了解液压挖掘机液压系统的结构。液压挖掘机山多个系统组 成，包括

2、液压系统、传动系统、操纵系统、发动机、油箱、转台等等。本设计致力于 挖掘机的液压系统的设讣。关键词： 液压系统 液压挖掘机 液压元件SummaryThe hydraulic system is an integral part of excavator hydraulic system is to work by changing the pressure to in crease the force. The intact hydraulic system is including: power comp on entsz the impleme ntati on of comp on en

3、ts, control compone nts, auxiliary comp on ents and hydraulic oil. The excavator working environment is complex and changeable, so it is very high requirement of design to hydraulic systemIn the collection of domestic and foreign hydraulic system on the basis of relevant information, understanding o

4、f its development process, analyzed and summarized the technology development of hydraulic excavator. Understand hydraulic excavator hydraulic system structure. Hydraulic excavator is composed of a plurality of system components, including the hydraulic system, drive system, control system, engine,

5、fuel tank, table and so on. My design focused on the design of hydraulic system of excavatorKeywords： hydraulic system excavator摘要IllSummaryIV第一章前言0前言0挖掘机的简介1国内外的发展趋势1国内发展趋势1国外发展趋势2本设计的主要内容3了解液压挖掘机液压系统的结构3挖掘机液压系统设计要求3第二章 液压挖掘机结构与工作原理3液压挖掘机的系统组成3动力系统3液压系统4机械系统4控制系统4液压挖掘机结构5液压挖掘机组成5单斗反铲液压挖掘机5液压挖掘机工作循环

6、过程6液压挖掘机传动原理6第三章挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定7液压系统的工况分析7挖掘工况分析9挖掘机液压系统的设计要求9满斗举升回斗工况分析11卸载工况分析11空斗返回工况分析12挖掘机液压系统的设计要求12动力性要求13操纵性要求13节能性要求14安全性要求14其它性能要求14液压系统方案拟订14第四章 液压系统的设计15确定油缸所受的作用力15铲斗油缸作用力的分析15斗杆油缸作用的确定18动臂油缸作用力分析19各油缸尺寸的确定20铲斗油缸工作压力的确定20缸径D和油塞杠直径的确定21缸壁厚和外径的计算22斗杆油缸尺寸的计算22由铲斗油缸计算步骤知斗杆缸受力平衡22缸壁厚和外

7、径的计算23动臂缸的尺寸计算23山铲斗油缸计算步骤知动臂油缸受力平衡23缸壁厚和外径的计算23各液压缸和马达流量的确定24每个缸的流量计算25回转马达的流量的计算及选型25行走马达的选用26主回路液压泵的选择27管路油管的选择28油管内径的确定28管接头的选择28螺塞的选用29液压油箱的确定29液压系统的发热和升温的验算29液压装置的结构设计30阀集成款30结论32参考文献33致谢34第一章前言前言作为具有多功能这一特性的机械，液压挖掘机被广泛使用于交通运输，矿山采掘 和电力工程等施工中，挖掘机减轻了作业难度，提高作业效率，加快建设速度以及提 高劳动生产率方面表现出十分显著的作用。具有多种品种

8、、多功能、高质量及高效率 等特点的液压挖掘机，受到了施工作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造也日益发 展起来。液压挖掘机和液压传动密不可分，液压技术是其发展的基础。液压挖掘机的结构 主要是山发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，恶劣的工 作条件，加上要实现复杂的动作，因此它对液压系统的设汁提出了很高的要求，所以 对挖掘机液压系统的分析设汁已经成为推动挖掘机发展的关键环节。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&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液压挖掘机整体

9、系统图挖掘机的简介从第一台挖掘机的诞生，距今挖掘机历史已有130多年，经历了山蒸汽驱动斗 回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机到应用机电一体化技术的全自动液压 挖掘机的逐步发展过程。山于液压技术的应用，20世纪40年代诞生了悬挂式挖掘 机，灵感来自于在拖拉机配装液压反铲。拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘 机相继在50年代中期研发出来。进入到20世纪60年代，液压挖掘机进入了发展的 黄金阶段，各国挖掘机制造厂产量猛增，并且品种越发的多。国内外的发展趋势国内发展趋势我国的挖掘机发展较晚，1954年抚顺挖掘机厂才生产出第一台机械式单斗挖掘机， 至今，技术仍比较薄弱。建国初期，从仿制苏联的

10、挖掘机开始了我国挖掘机生产过程。山于发展经济的需 要，先后共建立起十多家挖掘机制造厂。从20世纪60年代开始，我国开始液压挖 掘机的研发。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYI00型、贵阳矿山机 器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。随后乂出现了长江挖掘机 厂的WYI60型杭州重型和机械厂的WY250型挖掘机等。他们是中国液压挖掘机发展 道路上的重要里程碑。到20世纪80年代末，制造厂已达到30多家，品种更是已曲 40多种。斗容在立方米的挖掘机已成系列，船用和水路两用的特种挖掘机也相继 诞生。但是总的来说，和国际水平相比较，我国的挖掘机发展仍处于小规模，技术薄 弱阶段

11、。通过改革开放，国外先进技术的引进，促进了我国挖掘机的发展。其中合 肥、上海、长江等挖掘机厂引进德国利勃海尔公司的A型、R型液压挖掘机制造技 术。相继杭州重型机械厂引进德国徳玛克公司的H55和H85型液压挖掘机生产技 术，还有山东推土机总厂、黃河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂 等联合引进了日本小松制作所的PC100、PC400型液压挖掘机的全套制造技术。 这些厂通过技术的引进、消化、吸收，全面的提高了国产液压挖掘机的性能，产量也 逐年提高。国外发展趋势发达的工业国家，挖掘机的发展很早，这些国家主要生产斗容量立方米的单斗 液压挖掘机，并且从20世纪80年代就开始生产各种大型挖掘机

12、。比如，美国马利 昂公司研制的步行式拉铲挖掘机，此大型挖掘机的的斗容量达到130多立方米。还 有剥离式挖掘机，此挖掘机的斗容量已达150。伊利公司制造的步行式挖掘机，该种 挖掘机的斗容量是恐怖的107立方米。从20世纪后期开始，发达国家挖掘机的发展趋势变为大型化、微型化、多功能 化、专用化和自动化。1）研发多功能化的挖掘机。为满足市场需要，国外开始研发特型挖掘机，此类挖 掘机以小著称，斗容量仅为立方米左右。中小型挖掘机的发展趋势开始向一机多能 的方向发展，为了满足多样的作业需求，配备了多种装备，适用于抓、装、拉、铲等 等作业动作。并且相继诞生了一些适用于特殊场合的特种挖掘机。2）重视先进的技术

13、，现代化工艺和新结构，挖掘机生产规模更具标准化。例如， 采用发动机自动转速调整装置的挖掘机，来自于德国阿特拉斯公司制造。确保挖 掘机在最合适的速度下完成动作。贝尔特公司采用了全自动液压系统，使新C系 列LS型液压挖掘机得到了更优越的操纵特性，该系统可以根据需要调节流量的供 应，大大的提高了生产效率。日本住友集团在新研制的挖掘机上采用功率控制系 统，该系统运用了计算机技术，不仅节省了燃料，发动机和液压功率也很大程度 的得到了节省，使零部件的寿命得到增加。德国挖掘机公司率先采用了带有合流 性质的油泵自动调节系统，工作效率得到最大限度的提高。智能调节系统被日本 神钢挖掘机公司运用在新型液压机上，使各

14、种难度的作业操作变的简单明了。 ECO（电子控制作业）技术被德意志利勃海尔公司研制出来，作业性能可以视情况调 整，取得了高效率、低油耗的效果。3）大力研制全液型挖掘机，釆用最前沿的技术不断改进和革新控制方式，使 液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵等操纵方式逐步取代简单的杠杆操纵。在危 险地区，如水下作业将采用无线电操纵，利用电子计算机接收器和激光导向相结 合的技术，实现作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化是其基 础和创造的前提。本设计的主要内容了解液压挖掘机液压系统的结构挖掘机结构主要是曲发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部 分组成，山于挖掘机的工作环境恶劣，需要完成

15、复杂的动作，所以液压系统的设 汁要满足很苛刻的要求，液压挖掘机的液压系统也是其他工程机械液压系统中最 为复杂的。挖掘机液压系统设讣要求液压挖掘机一个工作循环分为四种工况：挖掘、满举回转、卸载和卸载返回。进 行详细的分析，总结各个工况各执行元件的主要复合动作，根据它们的工作特点，分 析液压挖掘机的系统设汁要求：动力性要求和操纵性要求。第二章液压挖掘机结构与工作原理液压挖掘机的系统组成液压挖掘机可分为:动力系统、液压系统、机械系统、控制系统，如图所示。作 为一个有机体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有这密切关系，必然也 离不开液压系统、控制系统等性能的优劣。动力系统挖掘机工作环境温差大，

16、土石沙粒较多，负荷变化范围大，经常倾斜工作，维护 条件恶劣。因此液压挖掘机原动力的第一选择就是柴油机，因为柴油机具有功率特性 曲线硬、可幕、燃油经济等特点。液压系统液压传动系统用来实现挖掘机的回转、行走和工作装置的运动等等动作，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，液压泵将压力 油单独或同时送往液压执行元件来驱动执行机构工作。液压挖掘机的各种主要动作都 依靠液压传动来实现。根据各种运动的需要，有机的连接起液压元件和油管，它们组 成的一个整体即是液压系统。这个整体的功能就是用油液当做介质把机械能通过油泵 转变为液压能，传送给油缸、油马达等再转变为机械能，再传动各

17、执行机构，以实现 各种运动。机械系统机械系统弯沉挖掘机的各种动作，主要包括行走装置、回转机构还有工作装 置。行走装置将要负担起支撑整个机械的重量，并且能够保证挖掘机可以小范围内行 驶。根据结构不同可分为轮胎和履带式。回转机构可以确保挖掘机上半部分绕着回转 轴作360度回转。挖掘机作业过程所用到的主要装置是工作装置，常用的装置有 正、反铲、起重、装载等装置，并且不同的结构形式可以适用于同一装置上，实际运 用中，反铲装置得到了广泛的喜爱。控制系统液压挖掘机控制系统用来控制发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件（液压 缸、液压马达）。电子计算机技术的快速进步，使得挖掘机的控制系统得到了先进的 技术支持

18、，促使液压挖掘机的研究重点正逐步向智能化控制系统方向转移。液压挖掘机结构液压挖掘机组成为了实现液压挖掘机的各种运动，单斗液压挖掘机有两个基本组成部分，即机 体（或称主机）和工作装置。机体是完成挖掘机基本动作的基础，可以是履带牵引车辆 或为轮式牵引车辆。上车部分包括动力装置、操纵装置、回转装置和一些辅助装置， 回转平台上装配着上车部分。回转支撑连接着回转平台和行走机构（乂称下车部分）， 平台可以绕着中央轴做360度的回转。不同的工作性质配备不同的工作装置，例如 配备反铲、正铲、装载、起重等装置时，将分别完成挖掘、装载、抓取、起重、破 碎、修坡、清沟等不同性质的工作。挖掘机的各部分的构造、性能决定

19、挖掘机的总体 性能。单斗反铲液压挖掘机反铲装置是挖掘机的主要工作装置，口前得到很广泛的适用。选用反铲装置的 液压挖掘机的斗容量一般小于立方米，它分为整体臂式和组合臂式。整体鹅颈式动臂 结构适用于长期作业的挖掘机。该动臂有利于增加挖掘机深度，结构简单、更经济。 刚度相同时，其重量轻于组合动臂，所以该工作装置受到广泛的青睐。单斗液压挖掘机最常用的结构型式为狡接式，即为动臂、斗杆和铲斗等主要部 件彼此较接。在液压缸的压力作用下各部件绕较接点转动，完成挖掘、提升和卸土等 动作。如图所示，整体鹅颈式动臂反铲挖掘机工作装置主要山动臂、动臂油缸、斗 杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。斗杆

20、較接于动臂的上 端，斗杆与动臂的相对角度山斗杆油箱控制。当斗杆油缸伸缩时，斗杆绕动臂上较点 转动。同理，铲斗与斗杆前端较接，铲斗油缸伸缩带动铲斗转动。、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斗杆图反铲挖掘机工作装置液压挖掘机匸作循环过程首先土石装载车和液压挖掘机进入施工场所，装载停靠在合适位置。司机操控挖掘机行驶到作业地点，在执行上面所诉动作时，同时操纵动臂油缸伸缩，动臂会下 降，直至铲斗停靠到地面为止。然后司机通过控制斗杆和铲斗油缸的换向阀，使得两 个油缸大腔流进油液，继而进行挖和装的复合动作。铲斗装满土石后，将两油缸的操 纵把手扳回原

21、位，从而使斗杆和铲斗油缸停止进油，继而调节动臂缸换向阀，使动臂 下腔进油使动臂提升，抬起满载的铲斗到半空，操纵换向手柄，使平台回转，使土石 转移到装载车的上面，再操纵斗杆油缸使铲斗高度下降一点，在适当的高度使铲斗卸 土。土方卸完后，使平台回转并且降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以进行下一 工作循环。液压挖掘机传动原理液压挖掘机通常采用三组液压缸从而使工作装置具有三个自山度，铲斗可实现有 限的平面转动，加上液压马达驱动回转平台运动，所以使铲斗运动范围扩大到有限的 空间。再通过行走马达驱动行走，挖掘空间间断性的得到扩大，从而满足复杂的作业 动作要求。连杆原理被挖掘机应用于工作装置上，各部分动作的

22、完成依赖于油缸的伸缩。 工作装置山三组液压缸、斗杆、动臂等组成。转台上狡接着动臂的一个狡点，动臂油 缸控制着动臂及整个工作装置的运动。依靠斗杆缸的伸缩实现斗杆围绕动臂较点运 动。斗杆末端餃接着铲斗，通过铲斗缸伸缩和连杆运动决定铲围绕较点运动。在作业 时，首先需要连接好回转马达，转动转台，使铲斗回转到作业位置，并且还要操作换 向阀使动臂缸小腔流进油液完成液压缸收缩运动，此时当铲斗接触到土石时，继续操 作斗杆缸及铲斗缸，两个液压缸因大腔流进油液从而伸长，从而驱动铲斗运动作业。 铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停止动作并操纵动臂缸大腔进油，动臂抬起，同时接通 回转马达，使工作装置回转到卸载位置，再操纵铲斗

23、缸和斗杆缸回缩，使铲斗翻转进 行卸土。在实际挖掘作业中，由于挖掘机环境和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可以采取多样的配合形式。第三章挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定要着手液压系统的设计，首先要做到对其工作特性和作业要求的分析和总结，了 解各元件在工作时的流量需求惜况，对功率和力的需求，以及多个液压作用元件之间 相互配合运动所满足的要求和油泵对于流量和功率怎么同时分配给各液压元件的问 题。液压系统的工况分析挖掘机的基本运动包括以下动作（如图所示）: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。除了辅助动作不需要全功率驱动，其它类型挖

24、掘机动作，都要考虑全功率驱动。挖掘工况分析挖掘过程主要以铲斗缸或斗杆缸分别单独动作来实现，或两者复合动作，有时还 需要配以动臂液压缸的动作。挖掘机在平整土地或切削斜坡时，需同时操纵动臂和斗杆，以确保斗尖沿直线运 动，如图，所示。此时斗杆收回，动臂抬起，斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以 保证彼此动作独立，互不干扰，并要求泵的供油量要小，使油缸动作慢，易于控制。 如果要使铲斗保持一定角度作业，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成此复合 动作，如图,所示。图斗尖沿直线平整土地图图斗尖沿直线切削斜坡图挖掘机液压系统的设计要求液压挖掘机需要做很多复杂的动作，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、 动

25、臂、斗杆和铲斗等，具有多种自山度。这些主要机构需要经常实现起动、制动、换 向等动作，所以其外负载变化很大，造成更多的冲击和振动，因此挖掘机的液压系统的性能要求非常之高。根据液压挖掘机的工作特点，在设计液压系统时需要考虑如下 儿点：双泵合流可以很好的提高挖掘机速度，所以斗杆挖掘机时多采用双泵合流，当然 个别系统也会采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的悄况。以下 我们用三泵系统为例，来说明机械在做复合动作挖掘时油泵流量的分配情况和分合流 油路的连接惜况。液压马达使回转平台转到卸土处，此时主要是山动臂和回转平台配 合所完成的复合动作9】。当斗杆和铲斗相配合做复合动作挖掘时，供油悄况如

26、图所示。当斗杆油压接近溢 流阀的压力时，溢流出的油液会同时供给铲斗有效利用。当斗杆和动臂复合动作挖掘 时，动臂的作用是调节挖掘位置，挖掘动作主要山斗杆完成，因此采用斗杆优先合 流、双泵供油，如图所示。4斗斗1-I杆a图三泵供油系统示意图当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为防止同一油泵同时向不同的液压元件供油产 生油压不稳的1W况，该系统采用每个油泵单独给一个液压元件供油。对于双泵系统， 其在做复杂运作时各个液压元件间发生流量分配不合理的可能性要比三泵系统大，所 以采用流量分配措施很必要，两泵的流量分配和三泵系统类似。挖掘机要实施非水平角度作业时，为了保证效率，回转力是必不可少的，因此回 转马达需要

27、提供液压油以完成动作。当需要一直让铲斗紧贴斜壁进行作业时，斗杆缸 和回转马达需要同时进油，实现缸同时运动。由于同一油泵提供压力油，所以要求运 用回转优先油路，保证铲斗能正常的贴住斜壁，否则机械难以进行工作。节流效应取决于回转压力，压力越大，效应越大。此时斗杆缸液压油回油压力将会持续增高，液 压泵提供液压油的压力也随之增大。伴着操纵杆移动距离的增大，回转力随着回转马 达油压的增大而增大。挖掘过程中难免会遇到坚硬的物体，此时需要瞬间得到较大的 挖掘力，所以要求动力元件能瞬间暂时增压，使主压力阀得到较大的压力。满斗举升回斗工况分析作业完成后，动臂油缸收缩将动臂抬起，满斗举升，回转平台随着液压马达的作

28、 用旋转到卸载处，此动作山回转马达和动臂配合完成。动臂以及铲斗要求自动停留在 一个合适的卸载高度。山于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对于装卸车的 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必须有可调性。卸载 回转角度越大，则要求回转速度越快些，此时要求动臂的提升速度得慢些。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，此时需要把溢流出的油液提供给动臂，如图所示。在回转和动臂提升的同时， 斗杆要向外放置，有时，因为环境的影响还需调整铲斗。这些动作是由回转马达、动 臂、斗杆和铲斗配合完成。山于满斗提升时动臂油缸压力增加到很高，变量泵只能得到很小

29、的流量，为了使 动臂提升、回转、斗杆外放相互正常的配合动作，需要山一个油泵专门向动臂油缸供 油，以保证压力的平衡，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 动臂油缸，如图。但是由于动臂提升时油压较高，避免损坏单向阀，所以单向阀大部 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。三泵系统的供油惜况如图所示。各个油泵分别向对应的一个液压作用元件供油， 复合动作时并不会相互干扰。卸载匸况分析回转至卸载位置时，制动转向台，通过斗杆调节，铲斗油缸伸缩完成卸载动作。为了调整卸载位置，还需要动臂配合。卸载时，主要是斗杆以及铲斗配合动作，加以动臂运动。a图回转举升供油情况空斗返回工况分析

30、卸载动作完成后，转台转动，同时动臂缸及斗杆缸复合动作，把空斗放到新的作 业位置。该工况需要三者相互合作完成动作。山于受到重力作用，尤其是动臂下降过 程中，压力变低，变量泵得到较大流量，使得下降快，并需要以很快的速度回转，因 此完成该工况动作时，回转马达将会得到一个油泵的所有流量，另一油泵的大部分油 供给动臂，其余部分油经节流阀供给斗杆，如图所示。发动机在低转速时油泵供油量较小，为了防止动臂因受重力迅速下降和动臂油缸 产生吸空现象，需要釆用补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。图空斗返回供油情况挖掘机液压系统的设计要求挖掘机需要完成很多繁复的动作，且具有多种机构，如行走、回转、工作机

31、构等，此机械具有多自山度的特能。所有机构经常要承受较大范围的负载冲击以及振 动。所以液压系统的设汁需要达到很高的规格才能满足当今挖掘机的苛刻条件。依据 挖掘机的工作特性，需做到以下儿点。动力性要求确保发动机在没超过最高功率的前提下，最大限度的利用其功率，使生产效率 最大化，这就是所说的动力要求。液压系统要做到与发动机的完美匹配，尤其是在外 负载不断变化的惜况下。确保当负载比较小时，实现油泵的大流量输出，增快执行元 件的速度。在双泵系统中，合流方式很好的增大了发动机的工作效率。操纵性要求(1) 调速性要求调速的性能优劣程度对于挖掘机来说具有很重要的作用，怎样实现机器方便的 顺从人员的操作控制，每

32、个元件的性能是否具有稳定可幕性，本就是液压系统设计中 必不可少要考虑的问题。机械在挖掘作业中会承受很大的外载变化，截然不同的工作 环境需要不同的功率，所以每个元件都需要有很高的性能。(2) 复合操纵性要求挖掘动作中每个执行元件都可以单独动作，更多的时候需要相互配合以完成复 杂的作业动作，因此考虑怎样完成多个执行元件互不影响的复朵运动也是挖掘机液压 系统操纵性并不可少的一面。互补影响运动，是多个执行元件配合一起动作的前提，要实现互补干涉完成动 作，必须解决好流量的合理分配。对于行走机构，如何实现左、右马达的相互配合动 作更需要引起高度重视。在行驶动作中，如果油液供应得不到满足，将会导致两侧马 达

33、得到不同的行驶速度，造成挖掘机跑偏，很大程度上增加了安全隐患。另外，当多执行元件同时动作时，各操纵阀都在最大限度下作业，往往会出现 油泵的最大供油量满足不了系统所需要的总流量，此时因压力油山于优先供给低压执 行元件，这样高压执行元件就会出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，调节多 执行元件共同作用时流量分配问题也是液压系统设计需着重考虑的问题。节能性要求挖掘机工作时间长，能量消耗大，所以液压系统需要较高的工作效率，此时就要降低各个执行元件和管路的能量损耗，因此挖掘机液压系统设计中应做好各节能措 施。当对各个执行元件进行调速控制时，油泵的输出流量大于系统所需的总流量，所 以有一部分的流量将会损

34、失掉。出于效率，损失越小越好。当挖掘机处于空载状态下 时，怎样降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，都是降低能量损耗的关键所在 10。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，挖掘机的使用寿命需经历很大 的考验，所以其液压系统要具有良好的过载保护措施，以防止油泵过载和因外负载冲 击而造成额外的损伤。其它性能要求对各个液压作用元件的损伤保护，回转机构和行走装置可靠出现的制动和限速问 题，以及防止动臂因重力作用快速下降和整机超速溜坡等现象。要实现各液压元件的标准化，系类化，可以降低挖掘机的制造成本。液压挖掘机作业环境恶劣，各功能部件必须具有很高的可靠性和耐久性。山于挖掘机在建设施 工中

35、得到越来越多的青睐。提高挖掘机的性能，降低振动和噪音，环保性等人性化的 设计理念也越来越得到人们的重视。液压系统方案拟订(1) 液压挖掘机一个工作循环可分为四种工况：挖掘工况、满斗举升回转工况、 卸载工况和卸载返回工况。在详细分析各工况的基础上，分析各执行元件在不同工况 下的配合动作后提出初步方案。(2) 依据其工作特点，总结设计要求。(3) 提出一种简洁、客观的液压系统的研究方案，并且详细的介绍设计步骤。第四章液压系统的设计表格1主要参数动臂长度3520斗杆长度mm1520摇杆长度劝320最大挖掘半径1H最大挖掘高度mm最大挖掘深度m最大卸载高度也铲斗容量龙主机长/宽度加履带平均接地比压M/

36、m最大挖掘力135系统工作压力Mpa25履带板宽度加整机重要（带推铲/不带推铲）Kg8350/8150确定汕缸所受的作用力铲斗油缸作用力的分析图铲斗油缸作用力分析反铲装置载作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗油缸设计的 依据。最大挖掘深度时能保证具有最大挖掘力来分析确定铲斗油缸的作用力。此时计 算位置为动臂下放到最低位置，铲斗油缸作用力与斗杆較点的最大力臂。由图计算铲斗油缸作用力为：耳=牛乞(4-1)式中厶一铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆狡点的力臂(此位置为摇臂长度)对铲斗与斗杆较点C的力臂已知lc =1200 nun 11 =320 mm320这时斗杆及动臂油缸处于封闭状态，斗杆油

37、缸封闭力尸应满足:尸/g n FgJB 土 FJb（4-2）2式中厶一斗杆油缸闭锁力Fg对斗杆与动臂狡点B的力臂lB Flmax对斗杆与动臂钱点B的力臂I； -厲对斗杆与动臂较点B的力臂C挖掘阻力的法向分力，7%=O.2xFlmax 已知 /2 =320 nun lB =3500 mm I； =550 nunF产 02xFg=27KN135x3500 + 27x550320=KN3003铲斗油缸闭锁力用应满足(4-3)式中厶一一动臂油缸闭锁力用对较点A的力臂 lA - -F论对动臂下狡点A的力臂匕-厲对较点八的力臂已经 h =300 mm lA =5800 nun lA =4400 nun13

38、5x5800 + 27x4400=3006 KN斗杆油缸作用的确定当挖掘机以铲斗挖掘时，其最大挖掘力则山斗杆油缸来保证。斗杆油缸最大作用 力的计算位置为动臂下方到最低位置，斗杆油缸作用力对斗杆与动臂较点有最大力 臂，即对斗杆产生最大作用力距，并使斗齿尖和較点3, C在一条直线上，如下图所 示。 AN八5X1b. 7J4320图斗杆油缸作用力分析与前面推导斗杆油缸作用力一样，此时斗杆油缸作用力为:135X3500 =KN320而铲斗油缸及动臂油缸处于闭锁状态，所以铲斗油缸闭锁力斥应满足:p! FimaxC135x1200铲斗油缸闭锁力弓应满足:h F tA + F、l； 135x5800 + 2

39、7x 4400小 rF 吨= 3006 KNd*300斗杆最大挖掘力也受到挖掘机稳定性条件的限制。当以斗杆油缸进行挖掘时，山于作用力臂的变化、结构自身的影响及铲斗相对斗杆位 置的变化，斗杆挖掘机力也相应的变化。动臂油缸作用力分析动臂油缸作用力，即最大提升力，以能提升铲斗内装满土壤的工作装置至最大 卸载距离位置进行卸载来确定，其计算简图如下图所示。图动臂油缸作用力分析此时动臂油缸作用力为：(4-4)Fb = ( GJdA +GJ&A +GblbA)式中5, 一铲斗及其装载土壤重力Gg斗杆所受重力G,动臂所受重力4铲斗质心到动臂下狡点A的水平距离L斗杆质心到动臂下铁点A的水平距离lbA动臂质心到动

40、臂下较点A的水平距离Gdi = 2x10 N + ing ,选取Gf： = 4.3xlO3 N , Gb = 5.14xlO3 N , Am =加，lA = m t lbA =加,/ 3 = m o其中铲斗的重力为1.5x10N,根据公式m psV(4-5)V = VRks(4-6)k,_卩P,(4-7)式中7装载土壤的质量（kg）V 一平均有效斗容量（mP)一铲斗充满系数（T）,根据工作环境，选择充满系数为1。一自然情况下土壤的密度，根据工作环境，选择q = 1750畑7 。一疏松后的土壤密度Es土壤的松散系数，根据工作环境，取怎= 1.35代入数据，求得：ps = 1296.3kg tny

41、m = 259.3RgFb = （26.64 4- 20.64 4- 6.18）%103 4- 0.3 = 363 x 103 AT各油缸尺寸的确定铲斗油缸工作压力的确定油缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，山于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时可用类比法来确定。表格2各设备工作压力设备类型精加工机床组合机床拉床农业机床、小型工程机 械、匚程机 械辅助机构液压机、重 型机械、大 中型挖掘 机、起重运 输机械工作液压3-55-1010-1616-32(Mpu )初选系统工作压力为25 Mpa o缸径D和油塞杠直径d的确定挖掘机液压缸均为单活塞杠液压缸，其原理

42、图如下所示表格3按匸作压力选择/D工作压力山受力平衡得上心丄+竺(Ddb p,4 r)cm 4式中Pi 一液压缸工作压力，处算时可取系统工作压力= pp =25MpaD 液压缸回油腔背压，可取儿d/D 活塞缸直径与液压缸内径之比，按表取d/D =尸一工作循环中最大的负载，此处F = F，KN耳山 一液压缸机械效率，一般取Tcm =将上式代入缸受力平衡方程式得D = tn =170nun 则 J = X 170=119nun 取整=120mm缸壁厚和外径的讣算根据机械设汁手册，在此液压系统中，WD/6V16,故缸筒壁厚应用中等壁偉计算公式，此时：5 = + C(4-8)(2.3b-R)W巾：强度

43、系数，对无缝钢管，4)=1 C：用来圆整壁厚数匕：试验压力，一般取最大工作压力的(一)倍 D：缸筒内径o 缸筒材料许用应力，无缝钢o =100110Mpa式中py = py = Mpao 取 110MpaxPyDo =+ C(2.3b-Py)屮=+ C 取 =30 mm则缸外径Di =)+2 5 =170+2 X 30=230取铲斗缸工作行程为L =1350 mm斗杆油缸尺寸的计算山铲斗油缸计算步骤知斗杆缸受力平衡押名斗”)P1D = m =292 nun 取整 ) =300 nun 则铲斗油缸活塞杆/ = D=210 mm缸壁厚和外径的计算S = +C = m +C =52mm +C 取整

44、=52mm(2.3Q 则外径Di = D+2 5 =300+2X52=404ww 取整Di =400mm取斗杆缸工作行程L =1755 mm动臂缸的尺寸计算山铲斗油缸计算步骤知动臂油缸受力平衡D = m = 145 mm 取整 D=145 mm则动臂油缸活塞杆d =取整d=100mm 缸壁厚和外径的计算6 = + C = /? + C 取整各=25 mm(2.3Q-代艸则外径 D = D+2 5 =145+2X25=199ww 取整D =200取动臂缸活塞工作行程=1655 mm液压系统图的拟定各液压缸和马达流量的确定取每个液压缸的伸缩速度Vniax=6000/rw/mm根据前面计算出的各缸参

45、数如下：铲斗缸：缸内径D=170nun活塞缸径J=120m/n行程L =1350mm斗杆缸:缸内径D=300nun活塞缸径d =210mm行程L“755mm动臂缸:缸内径D=145mm活塞缸径d =100nun行程=1655mm每个缸的流量计算Qnv D件9)铲斗缸0= lxxi.72 X60=136L/min4斗杆缸 二 i x x 32 X 60=423 L/min4动臂缸(23=2X 丄 X X 1.452 X60=198 L/min4回转马达的流量的计算及选型转启动力矩一般应小于制动力矩。当回转机构仅靠液压制动时，启动力矩小于或等于制动力矩M,可以取Mo(4-10)当回转机构带附加机械

46、制动时，C最高可达2, 般取C=对于一定的回转机构 来说，启动力矩和制动力矩越大，则平台回转加速和减速度也越大，从而可提高回转 速度，缩短回转时间。但回转加速度过大会增加动载荷和冲击，同时启动力矩和制动 力矩的增大也受地面附着条件的限制。地面附着条件可用附着力矩M,.表示。机械制 动一般取M厂(一)液压制动可取M厂(-) 履带式液圧挖掘机地面附着力矩的讣算可以采取下面的简化公式(4-11)式中M尸地面附着力矩，Nm ；m整机质量，t:“一一地面附着系数，平板履带板取带筋履带板取“汛1M()贝 lj M“=5000XX &34x9x =12225 Nm C又M B = M F =12225 X

47、=9780 Nm(4-12)_M。C=Nm(4-13)设经过四级减速，传动比=3X3X2X1=18则马达所受最大力Mo = =339 Nm(4-14)i理论排量 q = Ur(4-15)m化据此查手册选出液压马达型号，轴向柱塞马达25 (YCY) 14-1B排量25mL/r额定转速 1500 r/miii行走马达的选用液压挖掘机行走速度有0KmJh和0 Km/h两种可调高低速，故山上面选岀的 液压马达 40 CYCY) 14-1 Bo主回路液圧泵的选择泵所需总流量qjKD件16)式中K系统渗漏系数，一般取一，此外取K=；为q一一各动作元件同时动作的最大流量之和。由上面的计算得知=136+423

48、+198=757 L/min贝 U傀= X757=厶/min本设计采用双联斜轴式定量柱塞泵，则每个泵所需要流量q= L/min液压缸工作压力的确定Pp-p(4-1是执行元件的最高工作压力，对于本系统的最高工作压力是销锁油缸的入口压力 工是从液压泵出口液压缸之间的管路损失。为则匕” =25+1=26 M/m参照产品选取压力比系统最高压力高10%-30%.额定流量不低于上述计算结果的液压泵，可据此选择泵型号160YCY-1B双联定量轴向柱塞泵，额定压力为32 Mpa,最大排量 160 mL/min ,最高转速 1750 r/min。管路汕管的选择管路是液压系统中液压元件之间传递工作介质的各种油管的

49、总称。管接头用于油 管与油管和油管与液压元件之间的连接，为了保证液压元件之间工作的可靠性，管路 及管接头应具有足够的强度，良好的密封性，其压力损失也要小，拆除方便11】。油管内径的确定 油管的内径取决于管路的种类及管内的流速。油管的内径山下面的公式确定：dig(4-18)式中：Q一一流经管路的流量；V油管内的允许流速。对吸油管可取V二(1) m/s 般取lm/s,回油管可取() m/s ,压力油 管：3 p 16Mpa时,取 V 5m/s。取整 =35mm对回油管有：dn对吸油管有：d取整d =45mm管接头的选择管接头采用焊接式接头，焊接式管接头主要山接头体螺母和接管组成，在接头盒 接管之间

50、用0型密封圈密封。当接头体拧入机体时，釆用金属垫圈组合实现断面密 封。接管和管路系统中的钢管接头用焊接连接，管接头和机体的连接主要采用普通细 牙螺纹，根据机械设讣手册选用焊接式管接头。螺塞的选用螺塞主要用于堵塞工艺孔和油箱放油孔，以及缸筒需要堵死的地方。选用六角螺塞。液压汕箱的确定油箱的容积一般是泵没分钟流量的3-5倍，当系统采用定量泵时油箱的容量不 能小于泵每分钟流量的3倍。此系统中泵流量为560厶/min,则油箱容积V=560X 4=2240 Lo外形尺寸按1:设计,可得出油箱长X宽X高=1000X1400X1600(nun )液圧系统的发热和升温的验算系统工作时液压泵的输入功率山前面的计

51、算可知n 2x560x25二二 KW60挖掘机工作时，液压缸的最大输出功率Pl = Vmax + 几 Vnwc + Vmax + 2冗心(4-19)1750=x X X X X X60= KXV式中：X, 一液压马达的外工作负载力矩，Nm可一一液压马达旋转角速度,rad/s. 则系统的总发热功率已知油箱容积V=2240X 10“ m3= p2 = KW(4-20)则油箱近似散热面积4为:(4-21)油箱通风良好，取油箱散热系统G=17X KW 10-2则油压升温七69.2417x10_2x11.13=&(4-22)设环境升温T2=25C则热平衡温度为：Tl=T2+AT=25+=80 在工程机械中，系统油温的正常值为50-80,所以油箱的散热平衡。液压装置的结构设计液压装置按配置形式可以分为集中配置和分散配置两种形式。集中式配置主要用 于固定的液压设备中，入机床及其自动线液压系