22吨履带式液压挖掘机总体设计

22吨履带式液压挖掘机总体设计 70摘 要参照国内外著名品牌的先进机型，收集分析挖掘机的尺寸参数，性能参数，作业要求等相关资料。以此为基础，进行对挖掘机的机械结构，液压系统，电气控制的设计等。设计思路是从挖掘机总体的工作性能和动作要求入手，确定整机必要的性能参数并对整机的稳定性进行校核。随后将对挖掘机工作装置的具体结构、基于单片机对柴油机油门控制系统进行设计并运用软件将其绘制。关键词：液压挖掘机，总体设计，单片机，柴油机油门控制ABSTRACTAccording to the domestic and international famous brands of advanced type，collecting and analyzing the information of the hydraulic excavator about their size, performance parameters, operational requirements other relevant information. On this basis, I designed the mechanical structure, hydraulic excavator, electrical control system of hydraulic excavator and so on. The way to solve the task is on the basis of the function of the whole of the excavator ,calculated the performance parameters of the excavator and checked the stability of the excavator. Then I designed the structure of the platform of type excavator, desgin control system based on MCU（Micro Controller Unit），and use software to draw.Key words: Hydraulic excavator, overall design, micro-controller unit (MCU), control of diesel engines accelerator目 录1 绪论01 1.1 液压挖掘机的工作特点和基本类型01 1.2 液压挖掘机的发展状况 032 总体设计方案 05 2.1 工作装置设计方案原则 05 2.2 液压设计方案原则 053 液压系统及元件的选型 07 3.1 液压系统的工况分析 07 3.2 挖掘机液压系统的回路分析 08 3.3 系统初步计算和液压元件的选型 114 挖掘机工作装置的设计 14 4.1 反铲装置工作原理 14 4.2 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式15 4.3确定动臂、斗杆、铲斗的铰点布置17 4.4 动臂、斗杆、铲斗机构参数选择 215 行走部分参数选择 28 5.1 最大牵引力计算 28 5.2 行驶速度的计算 29 5.3 挖掘机原地转弯能力校核 29 5.4 爬坡能力校核 30 5.5 履带平均接地比压计算 316 回转机构参数计算32 6.1 对回转机构的基本要求 32 6.2 转台回转机构的确定 327 液压挖掘机的工作稳定性 36 7.1 斗杆垂直于地面状态 36 7.2 最大挖掘深度状态 37 7.3 最大挖掘半径状态 398 液压挖掘机控制系统设计 41 8.1控制系统分析 41 8.2 油门控制设计 41 8.3 油门控制的软件设计45结论 49参考文献50致谢 51附录. 运用Matlab软件对挖掘机的挖掘力进行计算 52附录. 基于单片机柴油机油门制程序64一 绪论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。 液压挖掘机的应用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，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。 在建筑工程中，可用来挖掘苦坑、排水沟，拆除旧有建筑物，平整场地等。更换工作装置后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深原有河道等。在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟和管道等。在露天采矿场上，可用来剥离矿石或煤，也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。在军事工程中，或用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，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，都起着很大的作用。据建筑施工部门统计，一台斗容量1.0m3的液压挖掘机挖掘级土壤埋，每班生产率大约相当于300400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。1.1液压挖掘机的工作特点和基本类型1.1.1液压挖掘机的主要优点液压挖掘机在动力装置之间采用容积式液压静压传动，即靠液体的压力能进行工作。液压传动与机械传动相比有许多优点。能无级调速且调速范围大，例如液压马达的最高转速与最低转速之比可达到10001。能得到较低的稳定转速，例如柱塞式液压马达的稳定转速可低达1r/min.快速作用时，液压元件产生的运动惯性小，加速性能好，并可作调整反转。例如电动机在启动时的惯性力矩比其平稳盍时的驱动力矩大50%，而液压马达则不大于5%，加速中等功率电动机需1s到数秒，而加速液压马达只需0.1s。传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动，操纵省力，易实现自动化控制。易于实现标准化、系列化、通用化。基于液压传动的上述优点，液压挖掘机与机械传动挖掘机相比，具有下列主要特点。大大改善了挖掘机的技术性能，挖掘力大、牵引力大，机器重量，传动平稳，作用效率高，结构紧凑。液压挖掘机与同级机械传动挖掘机相比，挖掘力约高30%，例如1.0m液压挖掘机铲斗挖掘力120150KN，而同级机械传动挖掘机只有100KN左右。挖掘机在工作时的主要动作包括行走、转台回转和工作装置的作业动作，其中动作最频繁的是回转和工作装置的循环往复运动。这种入选运动一般速度不高，而所需作用力却很大，要求在短时间内通过变速或换向来完成各种复杂动作。机械传动挖掘机完成上述运动需通过磨擦离合器、减速器、制动器、逆转机构、 提升和推压机构等配合来完成。因此，机械传动挖掘力不仅结构复杂，而且还要产生很大的惯性力和冲击载荷。而液压挖掘机则不需要庞大和复杂的蹭传动，大大简化了结构，也减少了易损件。由于结构简化，液压挖掘机的质量大约比相同斗容量的机械传动挖掘机轻30%，不仅节省了钢材，而且降低了接地比压。液压挖掘机上的各种液压元件可相对独立布置，使整机结构紧凑、外形美观，同时也易于改进或变型。液压挖掘机的液压系统有防止过载的能力，所以使用安全可靠，操纵简便。由于可采用液压先导控制，无论驱动功率多大，操纵均很灵活、省力，司机的工作条件得到改善。更换工作装置时，由于不牵连转台上部的其他机构，因此更换工作装置容易，而机械式挖掘机则受到提升机构和推压机构的牵连和限制。由于液压传动易于实现自动控制，因此现代液压挖掘机普遍采用了以微处理器国核心的电子控制单元（ECU），使发动机、液压泵、控制阀和执行元件在最佳匹配状态下工作，以实现节能和提高作业效率，同时还可实现整机状态参数的电子监控和故障诊断。液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，便于组织大规模专业化生产，进一步提高质量和降低成本。1.1.2液压挖掘机的基本类型及主要特点液压挖掘机种类繁多，可以从不同角度对其类型进行划分。（1）根据液压挖掘机种类主要机构传动类型划分。根据液压挖掘机主要机构是否全部采用液压传动，分为全液压传动和非全液压（或称半液压）传动两种。若挖掘、回转、行走等几个主要机构的动作均为液压传动，则为全液压挖掘机。若液压挖掘机中的某一个机构采用机械传动，则称其为非全液压（或半液压）挖掘机。一般说来，这种区别主要表现在行走机构上。 对液压挖掘机来说，工作装置及回转机构必须是液压传动，只有行走机构有的为液压传动，有的为机械传动。（2）根据行走机构的类型划分根据行走机构的不同，液压挖掘机可分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式。履带式液压挖掘机应用最广，在任何路面行走均有良好的通过性，对土壤有足够的附着力，接地比压小，作业时不需设支腿，适用范围较大。在土质松软或沼泽地带作业的液压挖掘机，还可通过加宽履带来降低接地比压。为防止对路面的碾压破坏、有些液压挖掘机还采用了橡胶履带。通用通常，履带行走的液压挖掘机多为全液压传动。轮胎式液压挖掘机具有行走速度快，机动性好，可在多种路面通行的特点。近年来，轮胎式挖掘机的生产量日渐增长。悬挂式液压挖掘机是将工作装置安装在轮胎式或履带式拖拉机上，可以达到一机多用的目的。这种挖掘机拆装方便，成本低廉。汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车底盘，速度快，机动性好。拖式液压挖掘机没有行走传动机构，行走时由拖拉机牵引，（3）根据工作装置划分根据工作装置结构不同，可分为铰接式和伸缩臂式挖掘机。铰接式工作装置应用较为普遍。这种挖掘机的工作装置靠各构件绕铰点转动来完成作业动作。伸缩臂式挖掘机的动臂由主臂及伸缩臂组成，伸缩臂可在主臂臂内伸缩，还可以变幅。伸缩臂前端装有铲斗，适于进行平整和清理作业，尤其是修整沟坡。1.2液压挖掘机的发展概况挖掘机械的最早雏形，主要用于河道。港口的疏浚工作，第一台有确切记载的挖掘机械是1796年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”。而能够模拟人的掘土工作，在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”于1835年 在美国诞生，主要用于修筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有170多年历史。1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的飞速发展，各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以节能、环保等方面有了长足的进步。目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用，成为土石方施工不可缺少的重要机械设备。1.2.1国外液压挖掘机目前水平及发展趋势工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高市场占有率。从20世纪后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；从产品性能上看，向 高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。1.2.2国内液压挖掘机的发展概况我国从1967年开始研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WY100、贵阳矿山机器厂的W460、合肥矿山机器厂的WY60等。到20世纪70年代末80年代初，长江挖掘机厂和杭州重型机械研制成功了WY160和WY250等液压挖掘机产品。从1994年开始，美国的卡特彼勒公司、日本的神户制钢所、日本的小松制作所、日本的日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔沃等公司先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近年来我国经济增长迅速，液压挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场窨，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械待业的上市股分公司合资的方式介入了挖掘机产业，同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机， 但在生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内外两个市场，在充分利用国际化配套的国外先进技术的基础上，增强自主创新意识，掌握核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强。1.2.3 本次设计概述本次设计斗容量为，由于履带式液压挖掘机因有良好通过性能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履带来降低接地比压。二 总体设计方案2.1工作装置设计方案原则设计合理的工作装置应能满足下列要求：主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结构碰撞限制等的可能性。整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并具有一定的先进性。功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短。确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重。作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便。运输或停放时工作装置应有合理的姿态，使运输尺寸小，行驶稳定性好，保证安全可靠，并尽可能使液压缸卸载或减载。工作装置液压缸设计应考虑三化。采用系列参数，尽可能减少液压缸零件种类，尤其是易损件的种类。工作装置的结构型式和布置使于装拆和维修，尤其是易损件的更换。要采取合理措施来满足特殊使用要求。2.2液压系统设计方案原则（总体）按照挖掘机各个机构和装置的传动要求，把各种液压元件用管路有机连接起来的组合体叫做挖掘机的液压系统。液压系统的功能是把发动机的机械能以油液为工作介质，利用液压泵转变为液压能进行传送，然后通过液压缸和液压马达等执行元件将液压能再转变为机械能，实现液压挖掘机的各种动作。2.2.1单斗液压挖掘机作业过程液压挖掘机的作业过程包括下列几个间歇动作：动臂升降、斗杆收放、铲斗装载、转台回转、整机行走，以及其它辅助动作，除辅助动作不需要功率驱动外，其它都是挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。由于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：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。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同时进行，叫做复合动作，这两项要求需要由液压系统来保证。2.2.2对液压系统作业动作要求液压挖掘机的动作复杂，机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外施工作业，温度变化和地理条件差别大，因此，应根据液压挖掘机的工作特点和环境特点，对其液压系统提出一些有别于其他应用的基本要求。液压挖掘机的液压系统应满足的作业动作要求如下。保证液压挖掘机动臂、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。保证工作装置的动作与回转平台的回转动作既能单独动作，又能作复合动作，以提高液压挖掘机的作业效率。履带式液压挖掘机的左、右履带应能分别驱动，使挖掘机行走转弯方便灵活，并能实现原地转向，以提高挖掘机的机动性。保证液压挖掘机工作安全可靠，对各机构及液压执行元件应具有完善的安全保护措施。例如，对回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而下降过快；防止机器下坡行驶时超速溜坡等。2.2.2对液压系统基本的要求根据液压挖掘机的作业动作和环境特点，对液压系统提出如下要求。液压挖掘机的液压系统应具有较高效率，以充分发动机的动力性和燃油经济性。液压系统和液压元件在大负载和剧烈振动冲击作用下，应具有足够的可靠性。选择轻便、适用、耐振的冷却散热系统，减少系统总发热量，使液压系统工作温度及温升在规定范围内。由于液压挖掘机作业现场尘土多，液压油被污染，因此液压稭密封性能要好，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。在必要时采用液压先导或电液伺服操纵装置，提高液压挖掘机操作的舒适性，减轻操作人员的劳动强度。在液压系统中采用先进的自动控制技术，提高液压挖掘机的技术性能指标，使液压挖掘机具有节能、高效和自动适应负载变化的特点。三 液压系统及元件的选型按照液压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，称为挖掘机的液压系统。液压挖掘机的基本液压系统是由能使挖掘机完成基本作业动作并以手动控制为主的基本功能回路所构成的液压系统。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件（如液压缸和液压马达）的作用是将液体的压力能转换成机械能，驱动负载做直线往复运动或回转运动。控制元件（即各种液压阀）在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀（安全阀）、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方向不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例阀。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。液压系统设计的主要内容是系统设计和液压元件选择。液压系统的合理设计，要满足机械传动要求、并考虑动作配合和运动速度，力求效率高，液压元件容易制造或购置，此外，还要保证工作安全可靠，操作简便，造价低廉和便于检修。因此，必须充分了解所设计挖掘机的工作条件、负荷大小与变化、动作特性、元件配套和三化要求等。3.1 液压系统的工况分析液压挖掘机的作业过程包括以下几个间歇的动作(图3-1):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。1、动臂升降 2、斗杆收放 3、铲斗装卸 4 、平台台回转 5、整机行走图3-1 单斗液压挖掘机的工作运动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)实现各种主要动作的时侯，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时间内的符合运动主要包括:(1) 挖掘:通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸来进行挖掘，或者两者配合进行挖掘，所以，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，同时回转液压马达使转台转向卸土点，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，铲斗进行卸载。为了调整卸载位置，还需要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂配合动作。(4)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动作，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。3.2 挖掘机液压系统的回路分析为了提高生产率，中型以上挖掘机在挖掘过程中，要求铲斗缸和斗杆缸同时动作；在满斗提升及回转过程中要求动臂缸和回转马达同时动作。为保证同时动作的执行机构各自动作的独立性，通常采用双泵双回路系统，即用两个同功率的液压泵分别向两个回路供油：一个液压泵供铲斗缸、动臂缸和左行走马达；另一个液压泵供斗杆缸、回转马达和右行走马达。当动臂缸或斗杆缸单独动作时，要求双泵合流供油，以提高工作速度。小型及微型挖掘机常采用单泵单回路系统，对于复合动作较多、各执行机构动作独立性较强的大型挖掘机，多采用多泵多回路系统。液压挖掘机负流量控制系统的液压回路主要由液压泵控制部分、安全锁部分、先导控制部分、操纵阀部分和执行机构部分。如图示：图3-2 液压系统图3.2.1 液压泵控制回路 液压泵部分由两个变量泵和一个齿轮泵组成，变量泵1和变量泵2提供系统主油路所需流量，齿轮泵提供先导油路所需流量。液压泵1的驱动轴一端通过弹性联接盘与柴油机的飞轮联接，另一端通过花键套与变量泵2的驱动轴相联，齿轮泵由液压泵2的驱动轴带动。恒功率控制时两泵的排量相等（原理见液压系统原理图），负流量控制时每个液压泵的排量与加至各变量泵的负流量压力成反比。液压泵排量调节器为一伺服变量机构，由一个双边滑阀和差动液压缸组成。 3.2.2 安全锁回路 安全锁部分主要由安全杆（电磁阀）、蓄能器、阀座等组成。安全杆的位置决定了先导油路的断通，为操作挖掘机提供安全保证，即：柴油机启动后，在安全杆放下之前，先导油路是断开的，即使扳动操纵手柄，工作机构也不会动作；放下安全杆，先导油路接通，扳动操纵手柄，挖掘机可以工作；司机离开驾驶室，必须拉起安全杆，断开先导油路，以防止由于误动作而启动工 作机构。 3.2.3 先导控制回路 先导控制油路提供开启操纵阀阀芯的压力，改变工作液流的大小和方向。主要包括四个先导手柄，分别控制动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、回转马达、左行走马达和右行走马达的动作。 3.2.4 操纵阀回路 操纵阀的阀体为整体式结构，为了满足挖掘机工作时独立动作、复合动作及合流要求，必须按照作业情况对操纵阀从功能上进行分组。负流量控制系统将其操纵阀分为两组：阀组1由四个换向阀组成，油路按并联方式连接，依次为左行走马达操纵阀、回转马达操纵阀、动臂合流阀及斗杆缸操纵阀1，由液压泵1供油；阀组2由五个换向阀组成，第一联与第二联的油路为串联方式连接，其余为并联方式连接，依次为右行走马达操纵阀、破碎锤操纵阀、动臂油缸操纵阀、铲斗油缸操纵阀和斗杆操纵阀2，由液压泵2供油，操纵阀的分组如图示。 图3-3 多路阀分组铲斗油缸回转马达左行走马达斗杆油缸2组1动臂油缸破碎锤右行走马达动臂合流斗杆油缸1组2泵1泵23. 2.5 回转回路 回转部分主要由回转马达、行星减速机、常闭式液压制动器、缓冲补油阀和防摆动阀等组成。因挖掘机上部回转惯量很大，在启动、制动、回转中突然停车和换向时会引起很大的液压冲击，产生振动和噪声。由单向阀和溢流阀组成的缓冲补油阀的作用是使液压马达高压腔的油液超过一定压力时溢流，低压腔经单向阀补油。当回转操纵阀回中位时产生液压制动作用，挖掘机上部的惯性动能将转换为液压位能，接着位能由转换为动能，使上部回转体产生反弹运动，引起啮合齿轮间的冲击、振动和噪声。防摆动阀的作用是当操纵阀回中位时避免两腔的液压油反冲和振荡。 3.3 系统初步计算和液压元件的选择3.3.1 液压泵液压泵的选择要根据主机的性能和功率，为充分利用系统液压功率，尤其是大、中型挖掘机，要选用恒功率调节的变量泵。所选液压泵的额定压力宜比系统工作压力大25%以上，使液压泵有一定的压力储能。所以本次设计选用型号为K3V112DT、流量为224 L/min的柱塞式液压泵。3.3.2 液压马达根据机构或装置的运动形式选择执行元件，在挖掘机中的工作中，行走及回转装置都为回转运动，所以选用液压马达。在回转装置中选择M5X130CHB-RG10D型号的回转马达，排量是121.6 ml/r。在行走装置中在一台M5X130CHB-RG10D型号的行走马达，减速比是56，最小排量是87.3 ml/r，最大排量是134.7 ml/r。3.3.3 液压缸通过对已有产品的对比，确定液压缸径及杆径为：动臂、斗杆液压缸缸径，杆径。铲斗液压缸缸径D=，杆径变量系统具有流量调节的特性，允许以低速克服高峰负荷，假定动臂、斗杆液压缸全推力时，伸出速度降为8cm/s，铲斗液压缸全推力时，伸出速度降为9cm/s，其液压缸的容积效率为0.98，则液压缸所需流量为：动臂、斗杆液压缸： L/min （3-1）铲斗液压缸: L/min （3-2）3.3.4 发动机功率计算根据以上计算，选用工作压力32000 Kpa, 流量为224 L/min的变量泵两台，且泵的总效率为0.85，则发动机的输出功率： kw （3-3）3.3.5 液压阀根据系统工作压力和通过该阀的最大流量来选择标准阀类或设计专用阀。单向阀：单向阀是系统中最常用到的，单向阀安装在泵的出口用来防止系统压力冲击泵的影响；在泵不工作时还可以防止系统油液倒流回邮箱。在某些情况下，起保压作用。溢流阀：溢流阀安装在液压系统的进油路上，通过阀口的溢流，是被控系统或回路的压力维持恒定，防止系统过载，限定系统的最高压力，保护系统安全运行。换向阀：选用三位六通换向阀，利用阀芯在阀体中的相对运动，使液体的联通、关断、变换流动方向，从而使执行元件启动、停止以及变换运动方向。3.3.6 辅助元件包含有油管、管接头、邮箱、滤油器、冷却装置和密封件的选择。主油管管径和油箱容量（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24.5MP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，公称压力可达16Mpa，以满足系统压力的要求。四挖掘机的工作装置设计计算图4-1 整体式动弯臂4.1反铲装置的工作原理反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置，如图41所示。液压反铲工作装置一般由动臂1、动臂液压缸2、斗杆液压缸3、斗杆4、铲斗液压缸5、铲斗6、连杆7和摇杆8等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。动臂1的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸2来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。斗杆4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由铲斗液压缸5控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。铲斗6则铰接于斗杆4的末端，通过铲斗液压缸5的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆7和摇杆8）与铲斗连接。液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲液压挖掘机的工作过程为，先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作装置开始下一次作业循环。动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由转斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中，熟练的液压挖掘机人员可根据实际情况，合理操纵各个液压缸，往往是各液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。4.2 确定动臂、斗杆、铲斗的结构形式4.2.1 确定动臂的结构形式动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往决定于动臂的结构形式。反铲动臂分为整体式和组合式两类。直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机,如图42所示。采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。整体式弯动臂在弯曲处的结构形状和强度值得注意，有时采用三节变动臂有利于降低弯曲处的应力集中。图4-2 整体式直动臂整体式动臂结构简单、价廉，风度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。为了扩大机械通用性，提高其利用率。往往需要配备几套完全不通用的工作装置。一般说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。组合式动臂的主要优点是：1工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用螺栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级调节。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。因此其替换工作装置较多，替换也方便。一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换。3装车运输比较方便。由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用。尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂较为合适。本次设计作业条件比较单一，所以选用整体式弯动臂。4.2.2确定斗杆的结构形式斗杆也有整体式和合式两种，大多数挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置24个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。有些反铲采用组合式斗杆。在此，选用整体式。4.2.3 确定铲斗的结构形式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甚至十多种斗容量不同，结构形式各异的铲斗。目前，对铲斗结构形式的研究还处于现场试验、实验室试验或模型试验阶段，未建立起较系统的理论。例如有人曾将两只0.6m3容量而斗型不同的反铲斗装在RH6液压挖掘机上进行对比试验，结果如表41所示。由于砂的挖掘阻力较小，对铲斗设计的合理性反映不灵敏，所以这两种铲斗的试验结果差别不大。而对页岩作业效果就大不一样，其中一个铲斗的切削前缘中间略微凸出，不带侧齿，侧臂略呈凹形，这些因素使页岩挖掘阻力降低。另一个铲斗的情况则相反。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，因此铲斗内臂不宜设置横向凸缘、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的粘土铲斗。表41 反铲斗对比试验结果作业条件铲斗编号铲斗充满时间（s）生产率（10KN/h）效率（%）在页岩中作 业铲斗1铲斗219.0540.642.622.6810053.3在砂中作 业铲斗1铲斗25.96.3163.5152.710093.33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有物料。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。 4.3确定动臂、斗杆、铲斗油缸的铰点布置反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的情况下，工作装置各铰点在布置及各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。4.3.1动臂油缸的布置动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式。油缸前倾布置方案，如图43所示，动臂油缸与动臂铰接于E点。当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。油缸后倾布置方案，如图44所示，当动臂油缸全伸出，将动臂举升到上极限位置时，动臂油缸轴线向后方倾斜。图43动臂油缸后倾布置图44动臂油缸前倾布置当两方案的动臂油缸安装尺寸DE、铲斗最大挖掘高度H和地面最大挖掘半径R相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即。此外，在后倾方案中，动臂EF部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。以上为动臂油缸后倾方案的缺点。然而，后倾方案动臂下铰点C与动臂油缸下铰点D的距离CD双前倾方案的大，则动臂在上下两极位置时，动臂油缸的作用力臂Cp也较大。因此，在动臂油缸作用国相同时，后倾方案得到较大的动臂作用力矩，这是其优点。为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘机将长动臂CEF改换成短动臂CEF（图44），并配以长斗杆。在最大深度处挖掘时，采用铲斗挖掘而还是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为。显然，不论是动臂油缸前倾还是后倾方案，当C、D两铰点位置和CE长度均不变时，通过加大动臂油缸长度可以增大动臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘测试。所以，在布置油缸时，应综合考虑动臂的结构、工作装置的作业尺寸及动臂举升力的挖掘力等因素。本设计选用动臂油缸前倾布置方案。4.3.2斗杆油缸的布置确定斗杆油缸铰点、行程及斗杆力臂比时应该考虑下列因素。保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推伸时和油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。油缸全伸时的偷税漏税力矩应该足以支承满载铲斗和斗杆静止不动。油缸力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘范围可以取得越小一些。保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取100130。在斗杆油缸和转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于10cm。一般来说，斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。铰点位置的确定需要反复进行。在计算中初定铰点位置，如不够合理，应进行适当修改。4.3.3铲斗油缸的布置铲斗与铲斗液压缸的连接有三种连接方式（图4-5），其区别在于液压缸活塞杆端部与铲斗的链接方式不同。图（4-5 a）为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。图（4-5 b）中铲斗液压缸通过摇杆1和连杆2与铲斗链接。它们与斗杆组成六连杆机构。图（4-5 d）与图（4-5 b）类似，区别在于前者液压缸活塞杆端铰接于摇杆两端之间。图（4-5 c）的机构传动比与b差不多，但铲斗摆角位置向顺时针方向转到了一个角度。六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性，所以选用连接方式中的b。图45铲斗与铲斗液压缸的连接方式确定铲斗油缸铰点应考虑以下因素。保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在铲斗油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘应能使满载铲斗静止不动保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取140160，在特殊作业时可以大于180，摆角位置可以按图4-6布置。当铲斗油缸全缩时，铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于10,常取1525，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。铲斗从位置到位置时，铲斗油缸作用力臂最大，这里能得到斗齿最大切切削图46铲斗摆角范围角度的1/2左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿挖掘力也最大。实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下，特别是进行复合动作挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于100，而且铲斗也不一定都在初始位置开始挖掘。因此，目前一般取位置至位置的转角为3050，在这个角度范围内可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好地适应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力。4.4动臂、斗杆、铲斗机构参数的选择4.4.1反铲装置总体方案的选择反铲方案选择的主要依据是设计任务书规定的使用要求，据以决定工作装置是通用或是专用的。以反铲为主的通用装置应保证反铲使用要求，并照顾到其它装置的性能。专用装置应根据作业条件决定结构方案，在满足主要作业条件要求的同时照顾其它条件下性能。反铲装置总体方案的选择包括以下方面：1.动臂及动臂液压缸的布置确定用整体式动臂，以及整体式动臂的形状。确定动臂液压缸的布置为下置式。2.斗杆及斗杆液压缸的布置确定用整体式斗杆。3.确定动臂与斗杆的长度比，即特性参数=。对于一定的工作尺寸而言，动臂与斗杆之间的长度比可在很大内选择。一般当K12时，（有反铲取K13）称为长动臂短斗杆方案，当K11.5叶属于短动臂长斗杆方案。K1在1.52之间称为中间比例方案。要求适用性较强而又无配套替换构件或可调结构的反铲常取中间比例方案。相反，当用配套替换构件或可调连接适应不同作业条件时，不同的配置或铰点连接情况可组成各种比例方案。在使用条件单一，作业对象明确的条件下采用整体式动臂和斗杆固定铰接，K1值由作业条件确定。从作业范围看，在挖高、挖深与挖掘半径均相同的条件下，K1愈大作业范围愈窄，从挖掘方式看K1大宜用于斗杆挖掘为主，因其刚度较易保证。而K1值小宜用于以转斗挖掘为主。本设计采用中间比例方案,取1.8。4确定配套铲斗的种类、斗容量及其主参数，并考虑铲斗连杆机构传动比是否需要调节。5根据液压缸系统压力、流量、系统回路供油方式、工厂制造条件和三化要求等确定各液压缸缸数、缸径、全伸长度与全缩长度之比。考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动幅度等因素一般取1.61.7，个别情况下因动臂摆角和铰点布置要求可以取1.75，而取1.61.7，1.61.7。4.4.2机构自身几何参数及工作液压缸的理论挖掘力机构自身几何参数有三类，第一类是决定机构运动特性的必要参数，称原始参数，本次设计主要选择长度参数作为原始参数；第二类是由第一类参数推算出来的参数，称推导参数，多为运算中需要的角度参数；第三类是作方案分析比较所需要的其它特性参数。反铲机构自身几何参数的计算图式及有关符号于图4-7所示。反铲机构各部分原始参数、推导参数和部分特性参数见表4-2所示工作液压缸外伸时由该液压缸理论推力所能产生的斗齿切向挖掘力称为理论挖掘力。图4-7反铲机构自身几何参数的计算简图 表4-2 反铲机构自身几何参数表 参数分类机构组成铲斗斗杆动臂机体符号意义原始参数L3=QV,L12=MHL13=MN,L14=HNL24=QK,L25=KVL29=KHL2=FQ,L9=EFL10=FG,L11=EGL15=GN,L16=FNL21=NQL1=CF,l6=CDL7=CB,l8=DFL22=BFL4=CP,l5=CAL17=CI,l19=CTL30=CS,l38=JTl39=JI推导参数9NMH10KQV4EFG5GNF6GFN7NQF8NFQ2BCF3DFC11CAP9TCP特性参数K2=0.35,L3K5= 0.35,L2K3=1.2,l31CZF=11K1=备注l斗杆长l1动臂长1动臂弯角悬挂式11ACU4.4.3工作装置的自由度计算如图4-8所示，液压挖掘机反铲装置由动臂1、斗杆2、铲斗3以及动臂油缸4、斗杆油缸5、铲斗油缸6和连杆机构7等组成。其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。挖掘作业时，将反铲装置转到挖掘地点，操纵动臂油缸4，使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸5和铲斗油缸6，使铲斗进行挖掘工作。铲斗装满后，将其转到卸载地点卸载，然后进行第二次循环挖掘工作。由于油缸可以简化为两个串联在一起的二副杆，这两个二副杆的中间铰为驱动副(驱动副用两个同心圆表示)，液压挖掘机的反铲装置可以转化为下图所示的平面运动链型式。图4-8 挖掘机的平面运动链型式连杆机构的自由度为： （4-1） 计算所得挖掘机工作装置的自由度为3，而其结构有三个液压缸，可以知道此结构是正确的，可以准确动作的。4.4.4动臂机构参数的选择初定动臂长5700mm，动臂弯角取130，动臂油缸=17803050mm。=2450mm，=807mm。4.4.3.1动臂的摆角范围是的函数。都能够比上的任意一点在任意时刻的坐标值也都是的函数。根据余弦定理：当 =时 =132.05 （4-2）当 =时 =28.19 （4-3） =-=103.86 （4-4） 4.4.4斗杆机构参数的选择动臂与斗杆的长度比1.8，得斗杆长3167mm，斗杆上EFQ取135，斗杆油缸 =20003450mm，=2730mm，=820mm。4.4.4.1斗杆的摆角范围斗杆的位置参数是和的函数。这里暂时先讨论斗杆相对于动臂的运动，也即只是考虑的影响。斗杆机构与动臂机构性质相似，都是四连杆机构，但连杆比不同。=- （4-5） = = 131.88-22.87 = 109.014.4.5铲斗机构参数的选择初选铲斗液压缸=17002800mm，铲斗在挖掘过程中得转角为100，为满足开挖和最后卸载及运输状态得要求，