挖机液压系统设计毕业论文解读.doc

四 川 交 通 职 业 技 术 学 院 摘 要 液压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、 采矿等建设工程的土方机械。液压挖掘机利用液压元件（液压泵、液压马达、液压缸等） 带动各种构件动作，具有许多优点，挖掘机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。本次毕业设计课题是液压 挖掘机。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中型液压挖掘机液 压系统的液压元件。以液压元件和液压回路为主。 关键词：挖掘机；液压系统；液压泵 Abstract Hydraulic excavator is one of important engineering machinery, is a widely used in construction, railway, highway, water conservancy, mining, etc construction projects of earthwork machinery. Excavator for hydraulic system design and puts forward high demand, the hydraulic systems of engineering machinery in hydraulic system is complex. Therefore, the excavator hydraulic system analysis and design for impelling our country excavator development has the extremely vital significance. In the domestic and foreign excavator hydraulic system based on the materials of, learned about the excavator hydraulic system development history, and for excavator hydraulic system technology development dynamic is summarized. The graduation design task is hydraulic excavator. Excavator by multiple system components, including hydraulic system, transmission system, control systems, work device, chassis, turntable, tank, engine installation, etc. My design is mainly devoted to the analysis and design medium-sized hydraulic excavator hydraulic system hydraulic components. With hydraulic components and hydraulic loop primarily. Keywords: excavator; hydraulic system; hydraulic pump 四 川 交 通 职 业 技 术 学 院 II 目 录 第 一 章 概 论 .1 1.1 挖 掘 机 的 简 介 .18 1.2 行 走 装 置 .18 1.3 回 转 机 构 .19 1.4 工 作 装 置 .19 第 二 章 液 压 挖 掘 机 的 五 个 系 统 2.1 第 二 章 . 液 压 挖 掘 机 的 发 展 概 况 .19 2.1 国 外 液 压 挖 掘 机 目 前 水 平 及 发 展 趋 势 .19 2.2 国 内 液 压 挖 掘 机 的 发 展 概 况 .21 第 三 章 设 计 的 内 容 和 意 义 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。 3.1 设 计 的 内 容 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。 3.2 设 计 内 容 的 意 义 .21 第 四 章 结 论 .22 致 谢 .22 参 考 文 献 .23 四 川 交 通 职 业 技 术 学 院 18 第一章 概 论 液压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、 采矿等建设工程的突发机械。液压挖掘机利用液压元件（液压泵、液压马达、液压缸等） 带动各种构件动作，具有如下有点：功率密度大，结构紧凑，重量轻；无级调速，调速 范围大；启动性能好，能实现快速正反转；布置灵活，基本不受总体结构的限制；运转 平稳，各种可靠，能自行润滑，使用寿命长；有过载保护功能；容易实现自动化，操作 简便省力等。因此，液压挖掘机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，具有重要意义。 液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切 削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开 始下一次的作业。因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。 液 压 挖 掘 机 与 机 械 传 动 挖 掘 机 一 样 ， 在 工 业 与 民 用 建 筑 、 交 通 运 输 、 水 利 施 工 、 露 天 采 矿 及 现 代 化 军 事 工 程 中 都 有 着 广 泛 的 应 用 ， 是 各 种 土 石 施 工 中 不 可 缺 少 的 一 种 重 要 机 械 设 备 。 1.1 挖掘机的简介 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。根据建筑施工部门统计，几十个工人一天 的工作量。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。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。 液压挖掘机结构特点: 挖掘机由工作装置、回转装置、行走装置和液压系统构成。下面以轮式液压挖掘机 为例来说明一下： 单斗液压挖掘机是一种周期性作业的自行式土方机械，它采用液压传动，由一个铲 斗切削土装入斗内，然后提升装满土石的铲斗，再回转一定的角度进行装车，接下来空 当斗回到原来的位置，准备进行下一个循环的挖掘，此外整机还要定期移位，使铲斗能 在适当位置上有效地作业，单斗挖掘机装载，抓取起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清 沟等工作，挖掘机可分为提供动力和基本动作（行走回转）的主机部分及进行不同作业 的工作装置部分，主机又可分为行走装置、回转装置、液压系统、工作装置。 1.2 行走装置 液压挖掘机行走装置的反力同时能使挖掘机作短距离行走，按结构不同，可分为履 带式、轮胎式两类。履带式行走装置由履带、支重轮、托链轮、驱动轮、导向轮、张紧 装置、行走架液压马达、减速机等组成，液压挖掘机的行走装置采用液压马达、减速机、 驱动轮，每条履带有各自的液压马达和减速机，由于两个液压马达可独立操作，因此， 机器的左右履带可以同步前进后退，也可以通过一条履带制动来实现转弯，还可以通过 两条履带相反方向驱动，来实现原地转向，操作十分简单。 四 川 交 通 职 业 技 术 学 院 19 1.3 回转机构 回转机构包括回转驱动装置、回转支承，回转驱动装置一般采用定量马达，经过回 转减速机两行星齿轮与回转支承的内齿圈相齿合而实现转台的回转，具有结构紧凑，体 积小、效率高速比大，承载能力强，发热量和功率损失小，工作可靠等优点，回转支承 一般采用的滚动轴承，其中用的最广泛的是单排滚球式和双排式滚轴柱式回转支承。 1.4 工作装置 工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一，由于工作的不同，工作装置不同类很 多常用挖掘、装载和起重装置也可以有很多形式，挖掘装置一般采用斗杠油缸进行挖掘， 动臂油缸主要用于调节切削角度，清除障碍，以及挖掘，铲斗多用于开启斗底的方式卸 载，斗底的开启、关闭也用了油缸。 第二章 液压挖掘机的发展概况 第一台手动挖掘机问世至今已有 130 多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖 掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机 的逐步发展过程。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。 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。 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。 2 四 川 交 通 职 业 技 术 学 院 20 2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势 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。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。 (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。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 其奠定了基础和创造了良好的前提。 (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。例 如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适 合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新 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。还安装了 CAPS（计 算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友 公司生产的 FJ 系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统， 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，并处长了零部件的 使用寿命；德国奥加凯(O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具 有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的 904、905、907、909 型液压挖掘机上采用智 能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发 了 ECO（电子控制作业）的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了 高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型 B 系统挖掘机上采用最新的 3114T 型 柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效 率和稳定性。韩国大宇公司在 DH280 型挖掘机上采用了 EPOS电子功率优化系统， 根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定 转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机 的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。 (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。 美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的的理论。 日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性住处处理系统。在上述基础 理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换 代的进程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到 85%-95%，使用 四 川 交 通 职 业 技 术 学 院 21 寿命超过 1 万小时。 (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。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量来裣，使液压泵功率保 持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力 增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增长率加；采用三回路液压系统。产生 三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其他工作 运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速成运动。此外，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 70 年代，为了节省能 源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机口音，改善 驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、 节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电一体化 在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。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，亦即目前先 进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、 监控系统等电控系统。 3 2.2 国内液压挖掘机的发展概况 近年来，我国的挖掘机市场 90%被外国独资或合资企业垄断，而国产品的价格优势 仍然是十分明显的。成都神钢的挖掘机、凯斯的挖掘装载机、JCB 的挖掘装载机、常林的 挖掘装载机、柳工的挖掘机、詹工的挖掘机、玉柴的挖掘机以及山河智能、南特的小挖 等诸多企业的产品一一呈现在市场上。 挖掘机在 2003 年国内产销量达 35000 台，市场总量突破 6 万台，升幅达 80%。国产 机的价格优势是十分明显的，以 13 至 14 吨级的轮式挖掘机为例，虽然其关键零部件系 国外配置，但价格仍相差 25 万至 30 万元。小功率、多功能的挖掘机尤其受到青睐。通 过快速换装不同的工作装置以完成挖、装、填、夯、抓、刨、吊钻、剪等多种作业，挖 掘装载机出现了需求不断上升的势头。除了 JCB、凯斯等品牌外，德工的 WZ 25-20 型也 出现了较好的销售趋势。轮胎挖掘机的需求一直在稳步增长，如常州现代的轮挖从 0.25 至 0.92 立方米都可生产，詹工可生产 14 至 30 吨级的轮挖，其中 20 吨级的轮挖的行驶速 度可高达 54 公里/小时。目前我国轮挖的生产企业大约为 10 家。 大型挖掘机在我国一直处于薄弱地位，主要依赖进口。长挖的 CE600 -5 型其斗容达 4 立方米，常州现代的 R450LC-5 型挖掘机属于 43.53 吨级，而相比之下，德国的利勃海 尔生产的 600 吨级的挖掘机最大斗容可达 34 立方米。 小型挖掘机兼具有中型挖掘机的多项功能,又具有运输、能耗、灵活性、适应性等方面优 势,而且价格低、重量轻、保养维修方便等优点得到了广泛的。目前,国内外有关小型挖 掘机的划分标准并不统一。这里,我们暂且将整机质量在 10 吨或 10 吨以下称小型挖掘机 (整机质量等于或小于 4 吨的挖掘机称作为微型挖掘机或叫做迷你型挖掘机)。 总之,中国挖掘机市场将持续呈波浪型发展,从的发展观来看,要摒弃一切脱离实际的 超前。 4 今后一个时期挖掘机市场火爆式的炎夏恐难遇到,我们期待温暖、柔和、生机勃勃的 春天的到来。期望中国挖掘机市场能够持续、稳定、健康发展。 四 川 交 通 职 业 技 术 学 院 22 国内挖掘机的发展起步较晚，目前国内市场上国产挖掘机大多数为 20t40t 级的， 超过 50t 级的液压挖掘机极少。 第三章 设计内容的意义 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。液压系统是挖掘机的核心部分，对挖掘机液压 系统设计计算能有效的提高挖掘机性能。 本次设计是以研究探讨为主，了解液压挖掘机的基本结构和原理，在此基础上对液 压挖掘机的基本装置做了简单的介绍。以及对液压挖掘机的发展历史和目前的发展情况 做了简单的评价。这对了解挖掘机的情况有一定的初步理解。 第四章 结论 在本次毕业设计之中，我对液压挖掘机做了简单的介绍，对行走装置，回转机构， 工作装置做了系列的简单介绍。对液压挖掘机国内，国外的发展历史和目前的发展情况 做了系列的简单介绍。最后对挖掘机做出的 致 谢 首先衷心感谢席老师在毕业设计过程中给予的指导和关怀，无论是课题的确定还是 研究的方法都给了我很大的帮助，他们对于科研工作认真严肃，精益求精 的 态 度 以 及 踏 实 勤 恳 的 工 作 精 神 给 我 留 下 了 深 刻 的 印 象 ， 这 些 对 于 以 后 我 在 工 作 ， 生 活 中 都 会 产 生 很 大 的 影 响 。 在 四 川 交 通 学 院 求 学 的 三 年 中 ， 各 位 老 师 都 给 了 我 很 大 的 帮 助 ， 使 我 积 累 了 丰 富 的 专 业 知 识 。 他 们 无 微 不 至 的 关 怀 ， 细 心 的 教 导 ， 使 我 在 求 学 过 程 中 受 益 匪 浅 。 衷 心 感 谢 你 们 。 大 学 生 活 至 此 划 上 了 圆 满 的 句 号 ， 我 永 远 不 会 忘 记 敬 爱 的 老 师 和 可 爱 的 同 学 ， 我 会 永 远 记 得 这 片 土 地 。 感 谢 所 有 曾 经 关 心 过 我 的 老 师 和 同 学 们 ， 是 你 们 让 我 的 求 学 经 历 更 加 美 好 。 四 川 交 通 职 业 技 术 学 院 23 参考文献 1 张 铁 .液 压 挖 掘 机 机 构 原 理 及 使 用 .东 营 ： 石 油 大 学 出 版 社 ， 2002 2 章 宏 甲 ,黄 谊 .液 压 传 动 .北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 1997 3 官 忠 范 .液 压 传 动 系 统 .北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 1981 4 陈 正 利 .我 国 液 压 挖 掘 机 发 展 的 几 个 重 要 阶 段 及 其 前 景 展 望 .建 筑 机 械 ， 1999， 30(12)： 1275-1277 5 龚 向 东 ,张 玉 川 .液 压 挖 掘 机 的 机 电 一 体 化 技 术 .工 程 机 械 ， 6 成大先.机械设计手册. 北 京 ： 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