工程机械（挖掘机）装置液压系统的设计[共39页]

sanylhw 需要图纸或完整说明书的联系我 这里全部是中等成绩以上的毕业设计，非诚勿扰sanylhw挖掘机公装置液压系统设计摘要: 液压技术是现代挖掘机的技术基础，其性能的优劣决定着挖掘机工作性能的高低，目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。本文在介绍挖掘机及其液压传动技术的发展历史前提下，首先论述了挖掘机液压系统的基本回路，其次设计了挖掘机液压系统，包括工作原理分析，系统工作循环和工作回路进行分析，主要液压元件在系统中的作用，液压缸的结构设计和尺寸计算、强度校核、泵的流量计算，阀及其他液压元件的选择；结合挖掘机的基本动作，设计电气控制电路。关键词：挖掘机液压系统; 液压缸; 挖掘机电气系统The Design of Excavator Test PlatformAbstract: Hydraulic technology is the technical foundation of modern excavators, the merits of the function determines the level of excavators working, currently many advanced technology of hydraulic drive were reflected in the excavator. This paper introduces the technology of hydraulic excavators and its history, and under this premise, its discussed the basic circuit of hydraulic excavators. Followed by the design of the excavator hydraulic system, including the operating principle ,system duty cycle and working circuit analysis of the main hydraulic components in the systems role in the structural design of hydraulic cylinder and the size calculation, strength check, pump volume, valves and other hydraulic components of the selection; combination of the basic movements excavator, the design of electrical control circuit.Key words: Excavator hydraulic system; hydraulic cylinder; excavator working cycle electrical system 前言挖掘机的液压系统是挖掘机上重要的组成部分，它是挖掘机工作循环的的动力系统。挖掘机的工作条件恶劣，且动臂和底盘动作非常频繁，因此要求液压系统工作稳定，平均无故障时间长。因此，液压系统的性能优劣决定着挖掘机工作性能的高低。液压技术的发展直接关系挖掘机的发展，挖掘机与液压技术密不可分，二者相互促进。液压技术是现代挖掘机的技术基础，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。挖掘机的液压系统复杂，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操纵回路等，由它们构成具有各种功能的液压系统。随着科技的进步，挖掘机的液压系统将更加复杂，功能更加多样且便于操作控制，工作效率高，耗能少，先进的液压系统会使挖掘机在工程领域发挥更大的作用。1 绪论1.1 选题意义随着国民经济的快速发展，液压挖掘机在各种工程建设领域，特别是基础设施建设中所起的作用越来越明显，液压挖掘机作为一类快速、高效的施工机械愈来愈被人们所认识。据统计，2003 年我国挖掘机总销售量突破 6 万台，其中国内挖掘机生产企业销量总和达到 3.48 万台，成为世界第一大挖掘机市场。挖掘机的发展与液压技术密不可分，二者相互促进，一方面，液压技术是现代挖掘机的技术基础，另一方面，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。挖掘机的液压系统复杂，其性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。近年来，有关挖掘机液压系统方面的文献并不少见，但文献的内容大多针对某一专题进行研究，系统地论述现代液压挖掘机液压系统的论文却较少，因此研究挖掘机液压系统具有重要的现实意义和理论意义。1.2 挖掘机及其液压技术概述挖掘机的发展史可追溯到 19 世纪三四十年代。美国实施西部大开发工程催生了以蒸汽机作为动力，模仿人体大臂、小臂和手腕构造，能行走和扭腰的挖掘机。随后的一百多年中，挖掘机并没有得到很大发展，其原因一是当时的工程主要是国土开发、大规模的筑路和整修场地等，平面作业较多，使铲土运输机械成为当时的主力机种，二是挖掘机作业装置动作多、运动范围大、采用多自由度机构，机械传动难以适应这些要求，而当时的液压技术还不成熟，不能大规模地应用到实际工业中。随着社会的不断进步，工程建设和施工形式逐渐向土木施工方向发展，同时液压技术也逐步得以完善，这些因素的变化反过来又促进挖掘机的不断更新换代。20 世纪 40 年代有了在拖拉机上配装液压铲的悬挂式挖掘机，50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机，60 年代，当液压传动技术成为成熟的传动技术时，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展吉阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快（见表 11），产量猛增。19681970年间液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的 83%，目前已接近 100%，所谓挖掘机在现代主要是指液压挖掘机，机械式挖掘机已很少见，液压传动技术为挖掘机的发展提供了强有力的技术支撑。表 1-1 液压挖掘机制造厂及型号增长情况Tab. 1-1 Hydraulic excavator factory and growth circumstance国别制造厂家 产品型号19631966196919721963196619691972西德5171718123674106美国2814174194373法国587310262731意大利36811371842英国36993122228日本4131462844合计1849687232106212324液压传动是挖掘机的重要组成部分之一，目前常用的传动方式有机械传动、电力传动和流体传动。流体传动包括液体传动和气体传动，液体传动又分为液压传动和液力传动。所谓液压传动是指在密闭的回路中，利用液体的压力能来进行能量的转换、传递和分配的液体传动。在现代工业中液压传动技术几乎应用于所有机械设备的驱动、传动和控制，如操纵车辆转向和制动，控制和驱动飞机、机床、工程机械、农业机械、采矿机械、食品机械和医疗机械等1650 年法国帕斯卡提出的封闭静止流体中压力传递的帕斯卡原理成为液压传动的理论基础，此后液压传动理论不断得以丰富和完善，如 1686 年牛顿揭示了粘性流体的内磨擦定律，18 世纪建立了流体力学的两个重要方程：连续性方程和伯努利方程。丰富的理论和实践的需要促进了液体应用技术和成果的不断涌现。1795 年英国人约瑟夫步拉默发明了世界上第一台水压机；随后出现在英国的工业革命促进了液压技术的迅速发展；到 1870 年液压传动技术已经被用来驱动各种液压设备，如液压机、起重机、绞车、挤压机、剪切机和铆接机等； 1900 年，世界上出现了第一台轴向柱塞泵；1910 年及 1922 年海勒.肖及汉斯.托马斯研制出用油作工作介质的径向柱塞泵；1926 第一套由泵控制阀和执行元件组成的集成液压系统在美国诞生；1936 年哈里?威克斯又发明了先导式液流阀。第二次世界大战之后，美国麻省理工学院的布莱克本、李诗颖等人对液压伺服控制问题作了深入的研究，于 1958 年制造了喷嘴挡板型电液伺服阀；20 世纪六十年代末，电液比例阀应运而生；70 年代后期，德美等国相继研制成负载敏感泵及大功率电磁阀；近年来，为适应机电一体化、控制柔性化和计算机集中控制的要求，液压系统的研究已由手动控制转向数字控制和信号控制。目前液压技术的研究和发展动向主要体现在以下几个方面：（1）提高效率，降低能耗。（2）提高技术性能和控制性能。（3）发展集成、复合、小型化、轻量化元件。（4）开展液压系统自动控制技术方面的研究与开发。（5）加强以提高安全性和环境保护为目的研究开发。（6）提高液压元件和系统的工作可靠性。（7）标准化和多样化。（8）开展液压系统设计理论和系统性能分析研究20。1.3 国内外研究现状我国挖掘机生产起步较晚，从 1954 年抚顺挖掘机厂生产第一台机械式单斗挖掘机至今，大体经历了测绘仿制、自主研发和发展提高三个阶段。新中国成立初期，以测绘仿制前苏联 20 世纪 3040 年代的机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史，由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂，到 20 世纪 80 年代末，我国的中小型液压挖掘机已形成系列，但总的说来，我国的挖掘机生产批量小，产品质量不稳定，与国际先进水平相比，差距较大。改革开放以来，生产企业积极引进、消化、吸收国外先进技术，促进了我国挖掘机行业的发展，目前国产液压挖掘机的产品性能指标已达到 20 世纪 80 年代的国际水平，部分产品达到了 90 年代的水平。国外挖掘机生产历史较长，液压技术的不断成熟使挖掘机得到全面发展。德国是世界上较早开发研制挖掘机的国家，1954 年和 1955 年德国的德马克和利渤海尔两家公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国是液压挖掘机生产的后起之秀，20 世纪 70 年代开始引进技术，由于产业政策支持，很快进入国际市场，并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。20 世纪 60 年代，挖掘机进入成熟期，各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其它技术相结合，使产品的适应性得到较快发展，产品寿命和质量不断提高操纵更加舒适，产品更加节能。例如美国卡特彼勒公司 1995 年以后推出的 300B系列液压挖掘机，采用一种命名为 maestro 的系统，通过载荷传感液压装置，控制发动机的输出功率，实现与液压泵的严格匹配。Maestro 控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态，允许用户自行决定功率工况模式。再如韩国现代公司生产的 ROBEX450-3 型液压挖掘机，有四种功率模式，通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参数，使得发动机、液压泵的速度及液压系统压力与实际工况相适应，从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗。此种技术在日本小松、日立建机、神钢、韩国大宇重工、德国的利渤海尔、英国的 JCB等公司均得到普遍应用，代表了当代液压挖掘机的最高水平。1.4 挖掘机发展趋势随着液压挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化方向发展，挖掘机对液压技术的要求不断提高并呈现如下特点：（1）迅速发展全液压挖掘机并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，压力减小时用增大流量来补偿，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，实现与回转机构的功率匹配，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运动。液压技术在挖掘机上的普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机上的应用与推广创造了条件，液压、电子和自动化技术日益结合，共同促进挖掘机的控制性能不断提高。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。20 世纪 70 年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作更加轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，电子和自动控制技术逐步应用在挖掘机上。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，机电一体化技术在挖掘机上得以广泛应用，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。所有这一切，都是挖掘机的全液压化奠定的基础并为挖掘机的全面发展创造了美好的前景。（2）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），提高了挖掘机的作业功率，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，并延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 即电子功率优化系统，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。2 挖掘机液压系统概述2.1 挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求按照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就组成一个挖掘机液压系统。它是以油液为工作介质、利用液压泵将发元件将液压能转变为机械能，进而实现挖掘机的各种动作。挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压缸组成，它包括动臂、斗杆、铲斗三个液压回路。挖掘机的动作复杂，主要机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此挖掘机的液压系统应满足如下要求（1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。（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）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速下降和整机超速溜坡。为此，液压系统应做到：（1）有高的传动效率，以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。（2）液压系统和液压元件在变化大的负载、急剧的振动作用下，具有足够的可靠性。（3）设置轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时的液压油温不超过 80，或温升不超过 45。（4）由于挖掘机作业现场尘土多，液压油容易被污染，因此液压系统的密封性能要好，液压元件对油液污染的敏感性要低，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。（5）采用液压或电液伺服操纵装置，以便挖掘机设置自动控制系统，进而提高挖掘机技术性能和减轻驾驶员的劳动强度。因为此课题只是挖掘机的实验平台的设计，所以只要求对挖掘机的工作装置进行分析设计。2.2 挖掘机工作装置液压系统的挖掘动作分析通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘，或者两者配合进行挖掘。在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作，必要时配以动臂动作。2.3 挖掘机工作装置液压系统的基本回路分析基本回路是由一个或几个液压元件组成、能够完成特定的单一功能的典型回路，它是液压系统的组成单元。液压挖掘机液压系统中基本回路有限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流回路、行走回路、合流回路、再生回路、闭锁回路、操纵回路等。2.3.1 限压回路限压回路用来限制压力，使其不超过某一调定值。限压的目的有两个：一是限制系统的最大压力，使系统和元件不因过载而损坏，通常用安全阀来实现，安全阀设置在主油泵出油口附近；二是根据工作需要，使系统中某部分压力保持定值或不超过某值，通常用溢流阀实现，溢流阀可使系统根据调定压力工作，多余的流量通过此阀流回油箱，因此溢流阀是常开的。液压挖掘机执行元件的进油和回油路上常成对地并联有限压阀，限制液压缸、液压马达在闭锁状态下的最大闭锁压力，超过此压力时限压阀打开、卸载保护了液压元件和管路免受损坏，这种限压阀（图 2-1）实际上起了卸荷阀的作用。维持正常工作，动臂液压缸虽然处于“不工作状态”，但必须具有足够的闭锁力来防止活塞杆的伸出或缩回，因此须在动臂液压缸的进出油路上各装有限压阀，当闭锁压力大于限压阀调定值时，限压阀打开，使油液流回油箱。限压阀的调定压力与液压系统的压力无关，且调定压力愈高，闭锁压力愈大，对挖掘机作业愈有利，但过高的调定压力会影响液压元件的强度和液压管路的安全。通常高压系统限压阀的压力调定不超过系统压力的 25%，中高压系统可以调至 25%以上。 1- 换向阀 2- 溢流阀 3- 油缸 图2-1 限压回路 上述各回转回路中的缓冲（限压）阀实际上起了制动作用，换向阀 1 中位时回转马达两腔油路截断，只要油路压力低于限压阀的调定压力，回转马达即被制动，其最大制动力矩由限压阀决定。当回转操纵阀回中位产生液压制动作用时，挖掘机上部回转体的惯性动能将转换成液压位能，接着位能又转换为动能，使上部回转体产生反弹运动来回振动，使回转齿圈和油马达小齿轮之间产生冲击、振动和噪声，同时铲斗来回晃动，致使铲斗中的土洒落，因此挖掘机的回转油路中一般装设防反弹阀。2.3.2 节流回路节流调速是利用节流阀的可变通流截面改变流量而实现调速的目的，通常用于定量系统中改变执行元件的流量。这种调速方式结构简单，能够获得稳定的低速，缺点是功率损失大，效率低，温升大，系统易发热，作业速度受负载变化的影响较大。根据节流阀的安装位置，节流调速有进油节流调速和回油节流调速两种 1- 齿轮泵 2- 溢流阀 3- 节流阀 4- 换向阀 5- 油缸 图2-3 节流回路 图 2-3 (A)为进油节流调速，节流阀 3 安装在高压油路上，液压泵 1 与节流阀串联，节流阀之前装有溢流阀 2，压力油经节流阀和换向阀 4 进入液压缸 5 的大腔使活塞右移。负载增大时液压缸大腔压力增大，节流阀前后的压力差减小，因此通过节流阀的流量减少，活塞移动速度降低，一部分油液通过液流阀流回油箱。反之，随着负载减小，通过节流阀进入液压缸的流量增大，加快了活塞移动速度，液流量相应地减少。这种节流方式由于节流后进入执行元件的油温较高，增大渗漏的可能性，加以回油无阻尼，速度平稳性较差，发热量大，效率较低。图 2-3 (B)为回油节流调速，节流阀安装在低压回路上，限制回油流量。回油节流后的油液虽然发热，但进入油箱，不会影响执行元件的密封效果，而且回油有阻尼，速度比较稳定。液压挖掘机的工作装置为了作业安全，常在液压缸的回油回路上安装单向节流阀，形成节流限速回路。如图 2-3（C）所示，为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险，其液压缸大腔的油路上安装由单向阀和节流阀组成的单向节流阀。此外，斗杆液压缸、铲斗液压缸在相应油路上也装有单向节流阀。2.3.3 合流回路为了提高挖掘机生产效率、缩短作业循环时间，要求动臂提升、斗杆收放和铲斗转动有较快的作业速度，要求能双（多）泵合流供油，一般中小型挖掘机动臂液压缸和斗杆液压缸均能合流，大型挖掘机的铲斗液压缸也要求合流。目前采用的合流方式有阀外合流、阀内合流及采用合流阀供油几种合流方式。阀外合流的液压执行元件由两个阀杆供油，操纵油路联动打开两阀杆，压力油通过阀外管道连接合流供给液压作用元件，阀外合流操纵阀数量多，阀外管道和接头的数量也多，使用上不方便。阀内合流的油道在内部沟通，外面管路连接简单，但内部通道较复杂，阀杆直径的设计要综合平衡考虑各种分合流供油情况下通过的流量。合流阀合流是通过操纵合流阀实现油泵的合流，合流阀的结构简单，操纵也很方便。2.3.4 闭锁回路 图2-6 闭锁回路 图2-7 再生回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露，动臂在重力作用下会产生下沉，特别是挖掘机在进行起重作业时要求停留在一定的位置上保持不下降，因此设置了动臂支持阀组。如图 2-6 所示，二位二通阀在弹簧力的作用下处于关闭位置，此时动臂油缸下腔压力油通过阀芯内钻孔通向插装阀上端，将插装阀压紧在阀座上，阻止油缸下腔的油从 B 至 A，起闭锁支撑作用。当操纵动臂下降时，在先导操纵油压 P 作用下二位二通阀处于相通位置，动臂油缸下腔压力油通过阀芯钻孔油道经二位二通阀回油，由于阀芯内钻孔油道节流孔的节流作用，使插装阀上下腔产生压差，在压差作用下克服弹簧力，将插装阀打开，压力油从 B 至 A。2.3.5 再生回路动臂下降时，由于重力作用会使降落速度太快而发生危险，动臂缸上腔可能产生吸空，有的挖掘机在动臂油缸下腔回路上装有单向阀和节流阀组成的单向节流阀，使动臂下降速度受节流限制，但这将引起动臂下降慢，影响作业效率。目前挖掘机采用再生回路，如图 2-7 所示，动臂下降时，油泵的油经单向阀通过动臂操纵阀进入动臂油缸上腔，从动臂油缸下腔排除的油需经节流孔回油箱，提高了回油压力，使得液压油能通过补油单向阀供给动臂缸上腔。这样当发动机在低转速和泵的流量较低时，能防止动臂因重力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生吸空。3 挖掘机液压系统设计3.1 挖掘机的功用和对液压系统的要求液压挖掘机的液压系统是由动力元件(各种液压泵),执行元件(液压缸.液压马达),控制元件(各种阀)以及辅助装置(冷却器.过滤器)用油管按一定方式连接起来组合而成。它将发动机的机械能,以油液作为介质,经动力元件转变为液压能,进行传递,然后再经过执行元件转返为机械能,实现主机的各种动作。由于液压系统的功能是传递,分配和控制机械动力,因此是液压挖掘机的关键部分。,液压挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路等，由它们构成具有各种功能的液压系统。 挖掘一般以斗杆缸动作为主,用铲斗缸调整切削角度,配合挖掘。有特殊要求的挖掘动作,则根据作业要求,进行铲斗,斗杆和动臂三个缸的复合动作,以保证铲斗按某一特定轨迹运动。挖掘机一般工作在施工场合,因此工作环境恶劣,这就要求挖掘机的液压系统和执行元件要有足够的强度和非常好的密封性能。由于挖掘机的动作频繁,因此,液压元件和管路要能够承受频繁的液压冲击,以保证挖掘机能够长时间安全稳定的工作。设计出便于操作，更加人性化，工作效率高，耗能少的挖掘机，才会在工程领域发挥更大的作用。3.2 挖掘机液压系统分析3.2.1 挖掘机的液压系统原理图挖掘机的液压系统原理图如下1：A、B液压泵 1-铲斗液压缸 2-斗杆液压缸 3-动臂液压缸 4 5 6-调速阀 7 8 11-三位四通换向阀 9-合流阀 10-梭阀 12-限速阀 13-单向阀 14-散热器 15-滤油器 16-溢流阀 图示挖掘机的液压系统原理图。系统中所用的是斜轴式径向柱塞泵。它有两个出油口，相当于A，B两台泵供油。A泵输出的压力油进入三位四通电磁阀7和8，分别驱动铲斗液压缸1和动臂液压缸3动作。泵B输出的压力油进入三位四通换向阀9驱动斗杆液压缸2动作。3.2.2 系统工作分析 根据挖掘机的作业要求，液压系统应完成挖掘，上述工作由系统中的一般工作回路实现。（1） 通常以铲斗缸或两者配合进行挖掘；必要时配以动臂动作。操纵换向阀7处于右位，这时油液的流动是：进油路：A泵换向阀7右位铲斗液压缸1大腔。回油路：铲斗液压缸1小腔调速阀5换向阀7右位换向阀8中位合流阀9右位限速阀12右位单向阀13散热器14滤油器15油箱。此时铲斗缸活塞伸出，推动铲斗挖掘。或者同时操纵换向阀7，8使两者配合进行挖掘。必要时操作换向阀11，使处于右位或左位，则B泵来油进入斗杆液压缸2的大腔或小腔，使液压缸的动作相互配合，提高挖掘效率。3.2.3 主要液压元件在系统中的作用为了限制铲斗，斗杆，动臂因自重而快速下降，在其回路上均设置了单向节流阀4,5,6。 该机在挖掘作业时，常需动臂缸与斗杆缸快速动作以提高生产效率。为此在系统中增加了合流阀9。合流阀在图示位置时，泵A，B不合流。当操纵合流处于左位时A泵输出的压力油经合流阀9的左位进入换向阀11与B泵一起向动臂缸和斗杆缸供油，以加快动臂和斗杆的动作速度。在两组多路阀的进油路上设有安全阀以限制系统的最大工作压力。在各液压缸和液压马达的分支油路上均设有过载阀以吸收工作装置的冲击能量。3.3 液压元件的选用3.3.1 泵的选用选用轴向柱塞泵，这种泵具有结构紧凑，容量大，压力高，容易实现无级变速，寿命长，排量范围大。3.3.2 液压阀的选用（1） 溢流阀.溢流阀的基本功能是限定系统的最高压力，防止系统过载或维持压力近似恒定。本系统中选用二级同心先导式溢流阀，安装在泵的出油口处，用来恒定系统压力，防止超压，保护系统安全运行。（2） 单向阀.系统中多处要用到单向阀，也是必不可少的元件，它用来防止油液倒流，从而使执行元件停止运动，或保持执行元件中的油液压力。还可是保持一定的背压。（4） 换向阀.在系统中为三位四通换向阀。在系统中换向阀的主要作用是改变压力油进入执行元件的方向，进而实现不同的动作要求，在三位四通的换向阀中，左右阀位要求能够进回油，中间的阀位要求禁止油液流通，以达到执行元件动作达到要求后停止或悬停在任一位置。3.3.3 液压缸的选用选用工程机械用液压缸，最高工作压力30MP。3.3.4 辅助元件的选用（1） 油管.由于系统工作压力高，所以在系统中没有相对运动的管路中选用无缝钢管，它能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，装拆方便，所以适合用在高压管道。在系统中有相对运动的压力管道选用高压橡胶管。（2） 管接头.在采用无缝钢管的管路中，管接头采用锥密封焊接式管接头，他除了具有焊接头的优点外，由于它的O形密封圈装在锥体上，使密封有调节的可能，密封更可靠。工作压力为34.5MP工作温度为-25+80摄氏度。在橡胶管的接头处选用扣压式胶管接头，安装方便，与钢丝编织胶管配套总成，适合在油温为-30+80摄氏度的环境工作。（3） 密封装置.在液压系统中密封装置非常重要，它是用来防止工作介质泄露及外界灰尘和异物的侵入，以保证系统建立起必要的压力，使其能够正常工作。密封装置应满足在一定的压力.湿度范围内具有良好的密封性能。密封装置和运动件之间的摩檫力要小，摩檫系数要稳定，抗腐蚀能力强，不易老化，工作寿命长，耐磨性好，磨损后在一定程度上能自动补偿，结构简单，使用维护方便，价格低。其于以上几点，在有相对运动且有摩檫的元件上使用Y型密封圈，其截面小，结构紧凑。且Y型密封圈能随压力增高而增大，并能自动补偿磨损。在相对摩檫不严重或无相对摩檫的元件上用O型密封圈，其结构简单，容易制造，密封性能好，摩檫力小，安装方便。（4） 滤油器.在液压系统中，不允许液压油含有超过限制的固体颗粒和其他不溶性赃物。因为这些杂质可以使间隙表面划伤，造成内部泄露量增加，从而降低效率增加发热。这些杂质还会使阀芯卡死，小孔或缝隙堵塞，润滑表面破坏，造成液压系统故障，胶状物和淤渣等杂质，将会引起元件粘着，酸类还将加速运动件的腐蚀和使油液进一步恶化。因此要采用滤油器对油液进行过滤，以保证油液质量符合标准。因此选用网式滤油器安装在泵吸油管上，这种滤油器压力损失不超过0.04MPa，结构简单，流通能力大，可以满足泵的流量，清洗方便。（5） 蓄能器.它能把压力油的液压能储存在耐压容器里，待需要时又将其释放出来的一种装置。主要用途：做辅助动力源.减小压力冲击和压力脉动。在本系统中选用气囊式蓄能器，这种蓄能器密封可靠，胶囊惯性小，反映灵敏，结构紧凑，尺寸小，重量轻，并有系列批量生产 。 4 液压缸的设计计算和泵的参数计算4.1 液压缸设计算4.1.1 外负载计算斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数。斗杆在挖掘过程中总转角为，在这转角行程中铲斗被装满。铲斗缸外负载为最大时，缸内压力最大，此时挖掘力最大，其值为： =CBAZX+D =250+D =200+12000=206771+12000=218771(N)式中 C表示土壤硬度的系数,对级土宜取C=5080，对级土宜取C=90150，对级土宜取C=160320，式中取C=250； R铲斗与斗杆铰点到斗齿尖的距离，即转斗切削半径，取斗容量为1m,根据反铲斗主要参数特性计算表，查表得R=1.15m；B切削刃宽度影响系数,B=1+2.6b,其中b为铲斗宽度,查表得b=1.25m；挖掘过程中铲斗总转角的一半,查表得=；A切削角变化影响系数,取A=1.3；Z带有齿的系数,取Z=0.75；X斗侧臂厚度影响系数,X=1+0.3s,其中s为侧臂厚度,单位为cm,初步设计时可取X=1.15；D切削刃挤压土壤的力,根据斗容大小在D=1000017000N范围内选取.设计容量为1m,取D=12000N；转斗挖掘装土阻力和法向挖掘阻力相对与很小，所以在计算时可以忽略不计。4.1.2 液压缸结构尺寸计算(1) 根据铲斗缸的最大外负载，可以设计计算铲斗缸的结构尺寸： 当推力驱动工作负载时： 由此可求出缸筒内径为: D 求出D=99mm本系统为高压系统，因此速比取=2，d= 式中 系统背压P=1MPa 系统最高压力P=30Mpa根据查表GB/T23481993圆整得到D=100mm(2) 活塞杆直径为 d=100=70.7(mm)根据GB/T23481993规定的活塞杆尺寸圆整为d=80mm(3) 最大工作行程 行程S=12D S=12x100=1200（mm）根据国家标准GB/T1980规定的液压缸行程系列圆整到S=1250mm(4) 活塞有效计算长度液压缸的安装尺寸，可查设计手册得 安装尺寸=+S=377+1250=1627（mm）当活塞杆全部伸出时，有效计算长度为： L=1250+1250+377=2877（mm）S液压缸的安装尺寸(查设计手册得到) (5) 最小导向长度 取最小导向长度为120（mm）式中 L液压缸最大行程； D缸筒内径。(6) 导向套长度A=（0.61.0）d =(4880)mm导向套长度为60mm(7) 活塞宽度 B=（0.61.0）D =（60100）mm活塞杆宽度B=80mm式中 D缸筒内径(8) 缸筒壁厚：材料的许用应力计算 =式中 缸体材料此处删除500字此处删除500字此处删除500字此处删除500字此处删除500字此处删除500字此处删除500字此处删除500字 =8.65（mm）由此可见,即为大柔度压杆时，稳定力为： =式中 为长度折算系数，对于两端铰接约束方式一般取1；f. 油缸最大闭锁力 = =式中 油缸最大闭锁压力g. 稳定系数 =2.1由此可见，稳定性可以满足要求。4.2 泵的参数计算4.2.1 泵的压力计算在设计液压系统时，要求泵的压力高于系统压力，差值以10%30%为宜15。因此： =30 =34.4Mpa取泵的最高压力式中 P系统最高压力，P=30Mpa4.2.2 计算所需要的泵的流量(1) 设计要求每个液压缸的伸缩速度，根据铲斗缸计算初步确定其余液压缸的参数：（单位：mm）a. 动臂缸（2个）：缸内径D=100 活塞杆径d=70 b. 铲斗缸：缸内径D=100 活塞杆径d=80 c. 斗杆缸：缸内径D=110 活塞杆径d=80(2) 每个缸的流量计算a. 动臂缸（2个）： =48.042L/minb. 斗杆缸： =16.956 L/min c. 铲斗缸： =28.731 L/min式中 R缸筒内半径 r活塞杆半径 f. 系统总流量 =1.2（48.04216.95628.731）=113(L/min)式中 K系统泄露系数，一般取1.11.3，本式中取K=1.2； 同时工作的执行元件流量之和的最大值。根据上面的计算，系统中选用主泵为双联斜轴式轴向柱塞泵，所以A泵的最大流量为92 L/min，B泵的最大流量为21 L/min。4.3 发动机的选择4.3.1 泵的驱动功率的计算 =28.25（KW） 式中 PN-液压泵的额定压力，取PN=30MPa ； QN-液压泵的额定流量，取 ； -液压泵的总效率，从规格表中查出为0.8 ； -转换系数：恒功率变量液压泵取0.4 ； 4.3.2 发动机的选择 根据算出的驱动功率和泵的额定转速选择电动机的规格。通常，允许电动机短时间在超载25%的状态下工作。取电动机的效率为80%，则根据计算公式得到电动机的功率为35.31KW，查机械设计手册，选择型号为YEJ200L2-2的电动机，其额定功率为37KW,转速为2950r/min. 5. 液压系统性能验算5.1 液压系统压力损失 5.1.1 沿程压力损失主要是液压缸快速运动时进油管路的损失，设定此管路长为4m，管内径为0.02m。当液压缸快速运动时通过的流量为45.8L/min，正常运转后黏度为v=27mm/s，油密度为918kg/m。 油在管路实际流速： 油在管路中呈层流流动状态，其沿程阻力系数为： 根据公式 求得沿程压力损失为： 5.2.2 局部压力损失 局部压力损失包括通过管路中折管和管接头等处的管路部压力损失P2，以及通过控制阀的局部压力损失P3，其中管路局部压力损失相对来说小的多，故主要考虑通过控制阀的局部压力损失。 从系统图中可以看出，从大泵的出口都油缸的进油口，要经过换向阀，单向调速阀，溢流阀。 设定换向阀的额定流量为160L/min，额定压力损失为0.3MPa，调速阀的额定流量为150L/min，额定压力损失为0.2MPa，溢流阀的额定流量为130L/min，额定压力损失为0.3MPa，通过各阀的局部压力损失之和： =0.632MPa =0.463MPa 以上计算结果是大小泵同时工作的所经过的管道都是一样的，所以大小泵是到油缸之间总的压力损失为： P=P1+P2=1.095MPa 5.2 液压系统的发热温升 液压系统工作中各种压力损失，容积损失和机械损失组成系统总的能量损失。其中绝大部分变为热能，使油液温度升高。油液温度过高对系统产生不利影响：加速油液变质；油液黏度降低，系统泄露增大；及其产生热变形，降低精度；使液压元件中热膨胀系数不同的相对运动零件间隙变小甚至卡死而失效。为了保证系统正常工作，油液温度必须控制在规定范围之内。 各种机械允许油温（ ）液压设备名称 正常工作温度 最高允许温度 油及邮箱的温升 机床 30-55 55-70 30-35 工程机械 矿山机械 50-80 70-90 35-40数控机床 30-50 55-70 25金属粗加工机械 无屑加工机械 40-70 60-90 机车车辆 40-60 70-80 船舶 30-60 80-90油液温升验算是计算系统发热量和散热量，使热平衡后的温度满足上表所示允许值。由于发热和散热的因素复杂，仅以系统效率为主要因素概略计算发热量，以油箱为对象作散热计算。 热流量计算 =35.31(1-80%) =7.62 KW 式中 P电液压泵电机的实际输出功率（KW） 液压系统的总效率取80%油箱散热量QH的近似计算 =132(80-35) 1170 (kcal) 致谢 在论文完成之际，我向给予我莫大帮助的老师和同学，大学四年一直默默支持和关心我的亲人和朋友，表达由衷的感谢。感谢我的导师张高峰教授，在设计上他给予我精心的指导，他严谨的治学态度，渊博的学识，深邃的思想和远见卓识，引导我一步一步进入复杂的设计中去。我的论文是在导师的悉心指导下完成的，从论文选题、资料收集、写作框架、一直到最后定稿，他都倾注了大量的心血，在此谨向导师表示诚挚的谢意。同学的热情鼓励与互相帮助、领导的亲切关怀以及亲朋好友的大力支持使我最终完成学业，再次向关心和支持我的所有老师、同学和领导表示深深的谢意。 最后感谢我的父母，是他们辛苦的劳动使我读完大学并能顺利毕业。参考文献1 赵显新 工程机械液压传动装置原理与检修 第一版 辽宁科学技术出版社 2000年10月2 杨国平 工程机械液压系统的故障诊断排除及实例 第一版 湖南科学技术出版社 2002年5月3 雷天觉 新编液压工程手册（上册） 北京理工大学出版社 1998.124 中国机械大典编委会 中国机械设计大典 江西科学出版社 2002.15 成大先 机械设计图册 化学工业出版社 2000. 6 郑训、张铁、黄厚宝等编著，工程机械通用总成，机械工业出版社， 2001 年 5 月第一版7 周士昌主编，液压系统设计图集，北京-机械工业出版社，2003出版社，2002 年 7 月第一版8 吉林工业大学等编写，工程机械液压与液力传动上册，北京-机械工业出版社，1979.69 潘天宏.液压挖掘机节能控制系统的研究,排灌机械,1999.210 Kazuo Uehara and Hiroyoshi Tominaga. 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