毕业设计（论文）WY200挖掘机工作装置液压系统设计

前言随着全球经济的高速发展以及基本建设范围的持续拓宽，液压挖掘机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，保证工程质量和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，挖掘机液压系统的分析设计对推动挖掘机的发展具有重要的意义1。1.1 工程机械的发展概况在十八世纪以后，英国、美国相继完成工业革命。随着城市及城市工业的发展，需要大量的劳动力，因此，农村大批劳动力向城市转移，这就促进了拖拉机、播种机、收割机等农业机械、城市施工机械的大发展。综观工程机械的发展过程，从其结构、控制系统以及性能来看：经历了动力技术革命、传统技术革命、钢结构技术革命、控制技术革命几个阶段，也所谓经历了几次飞跃和更新换代。首先是动力技术革命:随着体积小、重量轻、强有力的内燃机技术的出现，解决了工程机械移动的动力源，促使工程机械的诞生和发展。其次是传动技术革命:移动性动力源的问题解决之后，主要矛盾转移到如何有效地传递动力、完成作业的焦点上。20世纪50年代出现了液体传动（液压和液力），由于液压传动具有功率密度高、结构紧凑、容易实现各种运动形式的转换以满足复杂的 作业要求，速度刚性大、便于冷却散热，配置灵活、组装方便、可靠耐用等独到特点，以最小的空间、最灵便的途径、传递最大的动力，而且动力特性好，具有许多优良的传动性能，传动平稳、自动防止过载，容易实现无极变速，操纵简单轻便、控制性能好。因此，液压技术作为机械传动的一中有力的补充，以成功地用语一切需要中等以上功率输出，以及需要对运动工程进行灵活控制和调节的地方，在工程机械中得到广泛的应用2-3。1.2挖掘机简介1840年美国西部开发，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。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。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。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4。1.3国内外研究现状及发展动态1.3.1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42立方米,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5。(1) 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(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6。(2) 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100200L/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。(3) 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。(4) 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。1.3.2国内研究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。湖南省的三一重工、山河智能公司在液压挖掘机的发展中也有显著的成就。三一重工SY420C大型挖掘机，在性能方面：它强化了结构，提高了耐久性；低燃油消耗,高作业效率；按照高安全,低振动,低噪音设计的轿车化舒适操作环境来设计的。山河智能SWE230LC履带式液压挖掘机，在性能方面：满足经济性，改善烧油消耗；负载效率高，作业效率高；合理的机器结构和人机工程，保养更方便；总之国内液压挖掘机的发展前景是一片光明的。1.4课题研究的内容和意义1.4.1 课题研究的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分析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。1.4.2 课题研究的意义本课程设计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，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。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。这些功能在通用挖掘机液压系统是不具备的。2液压挖掘机结构及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 7。2.1液压挖掘机整机性能分析液压挖掘机可分为: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。图2.1 液压挖掘机整体系统图(1) 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。(2) 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。(3) 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。(4) 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8。2.2液压挖掘机结构2.2.1液压挖掘机整体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360度的全回转。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。2.2.2液压挖掘机工作装置的组成液压挖掘机工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摆动杆和连杆组成。反铲装置主要用于挖掘停机面以下的土壤。斗容量小于1.6 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2.2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接。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（1） 动臂结构挖掘机工作装置地动臂均由高强度钢板焊接而成的箱型结构。动臂下部用一根销轴铰接在平台前段中部，由两只铰接在平台前部的动臂油缸支撑。动臂的整体式弯臂采用大圆弧度以减少该处的应力集中，结构简单。动臂主要由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板焊接而成。如图2.3所示：图2.3动臂结构图（2） 斗杆结构挖掘机工作装置的斗杆均由高强度钢板焊接而成的箱型结构，结构简单。斗杆主要由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板焊接而成。如下图2.3所示：图2.3斗杆结构（3）铲斗结构挖掘机工作装置的铲斗均由高强度钢板焊接而成的箱型结构，结构简单。铲斗主要由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板焊接而成。如下图2.4所示：图2.4铲斗结构(4) 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。当土卸完后，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9。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2.5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。液压泵操作分配阀动臂压液缸 斗杆液压缸 铲斗液压缸发电机图2.5 液压挖掘机传动示意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、斗杆、动臂、连杆及相应的三组液压缸组成。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。3液压挖掘机工况分析及液压系统设计方案的分析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液压挖掘机的工况分析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10。1、动臂升降 2、斗杆收放 3、铲斗装卸 4 、平台回转 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，同时挖掘机的液压回转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，配合动臂动作。(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。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。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 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。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。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3.5a 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。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3.5b 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3.5c 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。3.1.3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。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3.6 所示。图3.5回转举升供油情况图3.6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。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3.7a 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3.7b 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3.7c 所示。图3.7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。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(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。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。3.3 挖掘机液压系统的基本回路分析挖掘机液压系统的基本回路包括回转回路，行走回路，动臂，斗杆，铲斗，回路等11。3.3.1 回转回路液压挖掘机回转机构运动时由于上车转动惯量打，在启动，制动和突然换向时会引起很大的液压冲击。尤其是回转过程中遇到障碍突然停车。液压冲击会使整个液压系统和远见产生震动和噪音，甚至破坏。因此挖掘机的回转机构采用特殊的回路来过载保护。回转回路见图3.8。图3.8挖掘机液压系统回转回路（1）缓冲回路本设计中回转机构采用并联缓冲阀式缓冲回路。这种缓冲回路在高，低压回路之间并联有缓冲阀，每一缓冲阀的高压油口与另一缓冲阀的低压油口相通。当回转机构制动，停止或反转时，高压腔的液压油经过缓冲阀直接进入低压腔，减小了液压冲击。两个单向阀起补油的作用。（2）制动油路本设计中采用机械制动和液压制动结合的方式对回转马达进行制动。回转马达的制动型采用常闭式制动器。当回转马达停止供油时，制动油缸的先导压力油回油箱，回转制动器在弹簧的作用下制动。一旦油泵向马达供油，先导压力油同时进入制动油缸，压缩弹簧，制动解除。制动油路如图3.9。图3.9制动油路3.3.2 行走回路行走回路如下图3.10所示。和回转回路相同，行走回路中也设置了制动油路。制动油缸为常闭式制动器。当油泵向向行走马达供油时，压力油进入制动油缸，压缩弹簧，制动解除。此外，还设置了变速回路。这种回路由两档行驶速度，可以根据需要进行选择。图中变速阀由先导压力控制。当变速阀上没有先导压力左右时，行走马达以较低的速度运转。档变速阀上有先导压力作用时，变速阀动作使得压力油进入调节油缸的大腔，调节行走马达的排量，使得行走马达供油量增大并高速运转。图3.10挖掘机液压系统行走回路3.3.3 动臂 斗杆 铲斗回路（1）动臂、斗杆、铲斗回路液压挖掘机工作时，铲斗上受到外负载的作用，这就需要动臂油缸和斗杆油缸必须有足够的压力来承受。但是如果压力过大会造成液压元件和管道的破坏。为此，需要在动臂油缸和斗杆油缸的进出油路上各安装个一限压阀，当闭锁压力大于限压阀的调定压力时，可以实现卸荷，以保护液压元件和管道。限压油路如下图3.11所示。图中两个单向阀起补油的作用图3.11动臂、斗杆、铲斗限压补油回路（2）动臂支持防下落油路动臂操纵阀在中位时，油缸口闭锁，由于滑阀的密封性不好会产生泄漏，动臂在重力作用下会产生下沉，这是不允许的 ，特别是挖掘机在进行起重作业的时候，要求动臂停留在某一位置上保持不下降，因此设置了动臂支持阀，如图3.12所示。在弹簧力的作用下，动臂油缸下腔压力油通过支持阀阀芯内的钻孔通向支持阀上端，将支持阀压紧在阀座上，阻止动臂油缸下腔的压力油从B流向A，起到闭锁支撑的作用。当操纵动臂下降时，在先导操纵油压的作用下，液控单向阀开启。动臂油缸下腔压力油通过支持阀阀芯钻孔油道经液控单向阀回油。由于支持阀阀芯内钻孔油道节流孔的节流作用，使支持阀上下腔产生压差，在压差的作用下克服弹簧力，支持阀打开，压力油从B流向A。图3.12动臂支持防下落回路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。4 液压系统的设计 液压挖掘机具有多种机构，包括动臂机构、斗杆机构和铲斗连杆机构、行走机构 回转机构等。这些机构经常起动、制动、换向，外负载变换很大，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。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。该机构具有操作轻便、使用安全可靠、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0.5-1.28立方米四种反铲斗及斗容为1.2和1.28立米方的两种正铲斗。4.1 液压系统方案及主要技术参数确定12根据技术条件确定WY200液压履带式挖掘机主要技术参数如表4.1所示。表4.1 WY200液压履带式挖掘机主要技术参数项目名称单位数 值发动机型号6135K-16标准斗容量1.2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/h2.5-5.5爬坡能力%70作业循环时间S18-22主机长/宽度m0.077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/h200最大挖掘力kN142系统工作压力MPa38履带板宽度m0.8主机运输尺寸(长X宽X高)mm9860x3000x3120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 件左行走右行走直线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液压元件的选择液压系统是由液压元件和基本的控制回路组成的，而基本控制回路也是由液压元件通过管道和阀体组合而成的，因此液压元件是组成液压系统最基本单元。按照功能和执行任务不同，液压元件大致可以分为液压动力元件，液压执行元件，液压控制元件和辅助元件四大类。液压动力元件的功能是为液压系统提供具有一定压力和流量的液体，如液压泵。液压执行元件的功能是将液体的压力能转化为机械能，以驱动工作装置，如液压缸和液压马达。液压控制元件是用来控制，调节液流方向、速度、流量、压力等参数，使整个系统按要求协调的工作，如各种控制阀。辅助元件包括蓄能器、油箱、滤清器等。4.3执行元件液压缸及系统压力的初选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。单活塞杆式液压缸只有一端有活塞杆，它主要由缸底、缸筒 缸头 活塞 活塞杆 导向套 缓冲套 节流阀 带放气孔的单向阀及密封装置等组成。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。液压缸参数的选择液压缸是将液压能转变成机械能的一种能量转换装置，由已知条件及机械相关手册有：设每斗料的重量为G 则根据相关条件得G的计算公式： （4.1）= V （4.2）其中密度，容量将相关的数据代入到公式（4.1）和（4.2）中得： 在这里设铲斗液压缸产生的推力为F拉,又由条件知 ,所以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得 F拉= G （4.3） 将相关数据代入到（4.3） 中 F拉325.5 = 205801240 得 根据上面的相关数据来选定液压缸工作压力，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4.3与表4.4所示。表4.3负载和工作压力之间的关系负载F/KN10102070140140250250工作压力P/Mpa0.8-1.21.5-2.51025252832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/Mpa0.8-23-55-101-1616-32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24MPa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。4.4计算工作装置液压缸的主要尺寸缸筒内径D： 根据液压缸推力F和选定工作压力P，或者运动速度和输入流量，按液压与气压传动的相关公式来计算，然后在从GB/T2348-1993标准中选取相近的尺寸加以圆整。活塞杆直径d： 通常先满足液压缸速度或往返速比来确定活塞杆的直径d，按GB/T2348-1993标准进行园整。液压缸缸筒长度S： 液压缸缸筒长度S由最大工作行程长度决定，缸筒的长度一般不 超过其内径的20倍。根据活塞杆直径d与缸筒内径D的计算的要求及相关条件，查机械手册得下面的关系： 受拉时： d=(0.3-0.5)D受压时： d=(0.5-0.55)D (p15mpa) 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来确定斗杆液压缸径和杆径为：缸径D=140mm，再根据活塞杆直径d与缸筒内径D的计算的要求及相关条件得到杆径d=0.7D=100mm。根据技术条件来确定铲斗和动臂液压缸径和杆径为：缸径D=125mm，再根据活塞杆直径d与缸筒内径D的计算的要求及相关条件有杆径d=0.7D=84mm。在这里只计算铲斗的缸筒。再根据公式计算：P= (4.4) 将相关的数据代入 (4.4)得到： 其中紧力F=150KN; 缸筒内径D=125mm; 活塞杆直径d=84mm.根据机械设计手册得知斗杆、动臂、铲斗缸筒的尺寸是符合要求的。 (2)缸筒壁厚计算根据机械设计手册，在此液压系统中，3.2D/16，故缸筒壁厚应用中等壁厚计算公式，此时：= +C （4.5） ：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：缸筒内径根据设计要求s =165 那么 = s/2.5=165/2.5=66Mpa 将有关数据代入到上面的公式中： =10.5(mm)(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）式中：=66Mpaz1：纵向应力： z1=20MPa (4.7)h1：环向应力： h1=72MPa (4.8)P：工作压力，P=28MPaD：油缸内径，D=125mmd：油缸杆径，d=84mm：缸筒壁厚，=10.5mm终计算， zh1=54.25 MPa 66 MPa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1000mm，故油缸的活塞杆的长度为1240mm，油缸主要由缸底、缸筒、缸头、活塞、活塞杆、导向套、缓冲套、节流阀、带放气孔的单向阀及密封装置等组成。考虑到其他零件的尺寸在这里确定缸筒的长度为1100mm。(5) 下盖联接螺钉强度校核计算螺钉联接采用高强度螺钉M2080(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（4.9）、（4.10）。拉应力： = （4.9）剪应力： = （4.10）K：螺纹拧紧系数，此处取K=1.25K1: 螺纹摩擦系数,一般取K1=0.12d1：螺纹