小型履带式液压挖掘机动臂液压系统设计

小型履带式液压挖掘机动臂液压系统设计摘要：本毕业设计主要通过对小型履带式挖掘机动臂液压系统的分析从而进行设计。首先通过对目前市面上的挖掘机的液压系统的分析，初拟定动臂液压系统。其次通过对动臂液压缸在不同工况下的受力分析，确定液压缸的型号和尺寸。再次对液压系统中的各个元器件进行选型，同时根据各个型号的元器件的适用条件对液压系统进行改进。最后绘出液压系统原理图、动臂液压缸及其非标准件的CAD图、液压缸的Pro/E三维图。关键词：小型挖掘机；动臂液压系统；动臂油缸。6 ton excavator hydraulic system design boomABSTRACT：This graduation mainly through the project of small crawler excavator arm hydraulic system analysis and to design . First, he is currently on the market analysis of hydraulic system of excavator, hydraulic system of the development boom in the early. Secondly through the boom hydraulic cylinder in the stress analysis under different conditions, determine the hydraulic cylinder type and size. Selection of individual components in the hydraulic system again, at the same time depending on the individual model components to improve conditions for the application of the hydraulic system. Last drawn hydraulic cylinder of the hydraulic system schematics, boom and standard parts for non-CAD, hydraulic cylinder of Pro/E three-dimensional charts .Key words: small excavator; hydraulic boom system; boom cylinder第1章 绪 论1.1 挖掘机的功能及主要技术参数1.1.1 功能挖掘机作业过程是以切削刃切削土壤，实现破土、装土、提升回转、卸土，再返回第二次挖掘，挖完一段后,机械移位继续挖掘。为实现上述周期性作业动作要求，就需要以下组成部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动装置（液压部分）、操纵装置、行走装置等。现通常按结构分为：工作装置、回转平台、行走装置。根据其构造和用途可以区分为：履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型。工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。为了适应各种不同施工作业的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。回转与行走装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置和传动系统。发动机是液压挖掘机的动力源，大多采用柴油要在方便的场地， 也可改用电动机。行走装置（也称下车）由导向轮、驱动轮、支重轮、托带轮、履带、组合行走架、行走马达减速机和张紧缓冲装置等零部件组成。行走装置是挖掘机的支柱，承受挖掘机的全部质量和挖掘机载荷，提供挖掘机行走、转弯和爬坡的能力挖掘机工作时，行走装置起到支撑和稳定的作用。1.1.2主要技术参数：标准斗容0.21m发动机额定功率39.5KW/2200rpm铲斗最大挖掘力45KN斗杆最大挖掘力33KN1.2 挖掘机简史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。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪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。初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，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970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%。1.3 国内外的情况1.3.1 国外挖掘机目前水平及发展动向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。1.3.2 国内挖掘机目前发展水平及状况 2000年来，随着国家新一轮经济发展进入一个更深层次的阶段，包括基础设施建设、新的城镇化建设等，刺激挖掘机行业进一步的发展。所以在2000年以后形成了一个高潮期。据统计，2000年国内挖掘机企业产量为8111台、销售量为7926台，与1999年相比，产销量均增长30%以上。2000年全国液压挖掘机产销量近8000台。 2002年是我国工程机械行业历史上增长速度最快、经济形势最好的一年，堪称“井喷之年”。挖掘机全年销量1.9万台，同比增长58%，挖掘机成了整个工程机械行业中产、销量增长最快的机种之一。 2003年国产挖掘机的价格优势仍然是十分明显的。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，但价格与国外同等机型相比仍相差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WZ25-20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，如常州现代的轮式挖掘机从0.25至0.92立方米都可生产，詹工可生产14至30吨级的轮式挖掘机，其中20吨级的轮式挖掘机的行驶速度可高达54公里/小时。目前我国轮式挖掘机的生产企业大约为10家。 2003年的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。 2003年小型挖掘机的需求继续旺盛。2003年产销3000多台，而需求量在5000台/年左右。久负盛名的久保田已落户上海，久保田生产从0.5至5吨的33个产品系列，年产量在1.2万台左右，久保田先推出无尾超小回转机型的主导机型，以后陆续有其他型号上市，意欲占领中国20%的小型挖掘机市场，其产品的数字化液晶显示、自动怠速功能博得了用户的赞誉。凯斯的小型挖掘机同样采用无尾回转及动臂可回转技术，采用橡胶履带用于液压锤、液压剪的双回路辅助输出液压回路，同样受到使用单位的欢迎。 由于2003年以来我国固定资产投资规模增长过快，中央政府在2004年4月出台了一系列宏观调控政策，抑制投资过热的行业。目前，宏观调控已初见成效，经济开始向“软着陆”发展。2004年下半年开始，固定资产投资增速出现较快的下降，挖掘机械行业增速随之下降，并且下降幅度将高于固定资产投资的下滑速度。这必将对挖掘机行业带来冲击! 1999年-2004年履带式挖掘机进出口量：中国挖掘机近三年增长极为迅速，虽然国内产销量已成为国际上的挖掘机大国，但历年仍有大量挖掘机产品进口，进出口逆差仍较大。2004年国内已形成的局面: 随着我国挖掘机行业持续高速发展，尚未引进外资的企业纷纷加快技术改造，引进技术合作、资产重组、强强联合优势互补，创中国人自己发展之路。如柳工、玉柴、南特、卓尔、军联、山河智能、山东常林、徐工、临工、黄工等相继完成技改，成效显著，争创年千台目标企业。同时，一些大型国企改制后也焕发出极强生命力。如长挖改制后的四川邦立重机有限公司扬长避短搞发展，2004年目标大挖260台，销售收入3亿元。2004年上半年研制出中国最大的液压挖掘机100t级强力矿山型全液压挖掘机，CE(D)1000-6斗容6m3、373kw。同时还为中国矿山研制出系列全液压挖掘机CE400-6、CE420-6、CE(D)460-5、CE(D) 550-6、CE(D)650-6、CE(D)900-6系列产品供应市场，物美价廉，深受市场欢迎，已成为中国大型挖掘机研发基地。玉柴、卓尔、南 特、智能也正在成为中国小挖研发重要基地。柳工、临工、三一、徐工、贵矿、力士德等将成为国产中吨位挖掘机名品与国外品牌抗衡的生产企业。纵观我国液压挖掘机近40年的发展历史,大致可以分成以下几个阶段:一、开发阶段(19671977年):以测绘仿制为主的开发。通过多年坚持不懈的努力,克服一个一个的困难,有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功,为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。 二、液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(19781986年)。这个阶段通过各主机厂引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)的消化、吸收和移植,使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际70年代末80年代初的水平。全国液压挖掘机的平均年产量达到1230台。 三、液压挖掘机生产企业数量增加,新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合、合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术(19871993年)。由于国内对挖掘机的需求量的不断提高,新加入挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术,其产品批量或小批量的投放国内市场或出口,打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面,形成了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到2000余台。 四、国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大,国外各著名挖掘机制造厂商看好中国市场纷纷前来创办合资、独资挖掘机生产企业(1994年至今)。从1994年开始,特别到1995年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。其中美国卡特彼勒公司和日本神户制钢所率先在徐州金山桥开发区和与成都工程集团公司合作在成都相继建立了生产液压挖掘机的中外合资企业,随后日本小松制作所、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Atlas、瑞典Volvo公司等都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。近几年这些企业运营情况良好，发展速度很快。第2章 液压系统分析与设计2.1 设计思想2.1.1 产品开发目的与适用范围由于2004年我国经济实行宏观调控后，国内固定资产投资比例减小，严重影响了挖掘机的销售市场。2003年13家企业共销售挖掘机30139台，其中15吨以下挖掘机销售了2957台，占销售总量的9.8%；2004年13家企业共销售挖掘机2764台，下降了9%。其中15吨以下挖掘机销售了4631台，占销售总量的16.75%。增量为6.77%。2004年15吨以下的挖掘机比2003年增长56.58%。这说明宏观调控对15吨以下小挖不但没有影响，反而销量增加，预计以后每年需要50007000台的量。市场发展很快。目前生产小挖的企业有玉柴、山河、柳工、现代京城、大宇、日立等企业。快速开发15吨以下挖掘机，以适应市场的需要。2003以来国家对农业的投资力度正在加大，另外我国西部开发建设，南水北调工程的启动，将需要大量的工程机械产品，尤其是对中小型号的液压挖掘机的需求量必将持续增长。经过调研，610吨级液压挖掘机在农业、农村、农民以及城乡个体、私营、集体企业中具有较好市场。本产品主要用于民用建设、市政工程、农田水利、修筑道路、房产开发等土石方施工。2.1.2 设计指导思想一、贯彻“质量第一”的方针，力求结构合理，可靠性高。二、要贯彻“三化”原则，尽量考虑零部件的通用性，要投资少，见效快（标准化、通用化、系列化）。三、外协件应立足于国内，但液压件尽量选国外产品，并有一定的先进性和可靠性。四、产品应符合国家、有关标准，并学习引用国外先进技术。2.2 液压系统分析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的组合体，称为挖掘机的液压系统。其功能是，以油液为工作介质，利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送，然后通过液压缸和液压马达等将液压能转换为机械能，实现挖掘机的各种动作。2.2.1、基本要求： 液压挖掘机的动作复杂，凡要机构经常启动、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，因此根据挖掘机的工作特点和环境特点，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，也可以互相配合实现复合动作。 2、工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能作复合动作，以提高挖掘机的生产率。3、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；防止动臂因自重而快速下降。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负载变化大、急剧的振动冲击作用下，具有足够的可靠性。 （3）调协轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时液压油温不超过80度，或温升不超过45度。 （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。2.2.2、类型： 按液压泵特性，液压挖掘机采用的液压系统大致上有定量系统、变量系统和定量、变量系统等三种类型。 1、定量系统 在液压挖掘机采用的定量系统中，其流量不变，即流量不随负载而变化，通常依靠节流来调节速度。根据定量系统中油泵和回路的数量及组合形式，分为单泵单回路、双泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统及多泵多回路定量系统等。 2、变量系统 在液压挖掘机采用的变量系统中，是通过容积变量来实现无级调速的，其调节方式有三种：变量泵-定量马达调速、定量泵-变量马达调速、变量泵-变量马达调速。 液压挖掘机采用的变量系统多采用变量泵-定量马达的组合方式实现无级变量，且都是双泵双回路。根据两个回路的变量有无关联，分为分功率变量系统和全功率变量系统两种。其中的分功率变量系统的每个油泵各有一个功率调节机械，油泵的流量变化只受自身所在回路压力变化的影响，与另一回路的压力变化无关，即两个回路的油泵各自独立地进行恒功率调节变量，两个油泵各拥有一发动机输出功率；全功率变量系统中的两个油泵由一个总功率调节机构进行平衡调节，使两个油泵的摆角始终相同，同步变量、流量相等。决定流量变化的是系统的总压力，两个油泵的功率在变量范围内是不相同的。其调节机构有机械联动式和液压联动式两种形式。2.3 液压系统图的初拟定本机液压系统与伺服操作系统原理图见图21。原理图中表明了系统的工作原理和主要部件及限压要求。本机采用变量串联组合泵组成的开式液压系统。变量泵最大流量为110L/min，最大工作压力为16Mpa。采用变量泵、液压缸容积式调速回路，液控单向阀锁紧回路。变量泵采用恒功率控制。组合泵由柴油机飞轮经弹性联轴器驱动，从液压油箱中吸入液压油。从泵排出的液压油经多路阀分别进入回转马达、斗杆油缸、动臂油缸、铲斗油缸和左、右行走马达减速机。挖掘机可完成斗杆伸缩、平台回转和履带行走等各项动作。若挖掘机不执行动作时，则变量泵处于最小排量状态，以减小发动机功率损失。油路上各执行元件的安全阀、过载阀和补油阀均设在多路控制阀各主阀上，以保护整个系统。多路控制阀为分片组合式，阀内装有液控单向阀，以防止动臂和斗杆在自重作用下下降速度过快。液压油箱为全封闭式，上置预压式空气过滤器,使油箱有一定预压力油泵不吸空。油箱内设有隔箱，箱内开有回油口和装有回油滤油器，其出口与油箱相通。1、油箱 2、进油滤油器 3、串联泵 4、电磁阀 5、单向阀 6、溢流阀 7、电磁阀 8、动臂油缸 9、安全阀 10、液控单向阀 11、单向阀 12、散热器 13、回油滤油器2.4 贿赂分析吸油回路：柴油机飞轮经弹性联轴器驱动串联泵3使液压油经过进油滤油器2从油箱1中吸入液压油。压油回路：液压油经串联泵3增压后经电磁阀4、单向阀5、电磁阀7、液控单向阀10进入动臂油缸8中。回油回路：液压油从动臂油缸中流出经单向阀10、散热器11、回回油滤油器12流入油箱。在以上三个回路中电磁阀4、7的工作位置不同从而使液压油缸的活塞杆处于伸出获回缩的状态；当液压油经过单向阀5后若压力达到溢流阀6设定的溢流压力，则此时液压油经回油回路直接回流到油箱。当上装工作装置作用在动臂油缸活塞杆上的力使回路中的压力突然上升至安全阀9设定的压力时，此时液压油经回油回路到油箱直至压力降到低于安全阀的开启压力。当动臂因自重下降过快时，液控单向阀10组成液压锁，始终保持动臂的工作位置不变。第3章 液压系统的计算3.1 液压系统设计原始参数标准斗容0.21m发动机额定功率39.5KW/2200rpm铲斗最大挖掘力45KN斗杆最大挖掘力33KN3.2 油缸计算3.2.1动臂油缸简介 动臂油缸的工作原理是通过高压液体对活塞有效作用面积的作用，把液压能转换为机械能对外载做功的装置。在挖掘机中，动臂油缸起一个支撑动臂在垂直面内做往复旋转运动的作用。动臂油缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。3.2.2液压缸类型的选择根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类型：(1）活塞式单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两端进出口油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。(2)柱塞式（）柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱 塞回程要靠其它外力或柱塞的自重； （）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸； （）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度； （）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。(3)伸缩式伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。(4)摆动式摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。有单叶片和双叶片两种形式。定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。根据进油方向， 叶片将带动转子作往复摆动。根据以上分析综合知选用活塞式类型双作用的液压缸。3.3.3、液压缸主要零件的结构和材料的选择（1） 缸体的材料液压缸的常用材料为20、35 、45号无缝钢管。因为20号的力学性能略低，且不能调质，应用较少。35号钢的焊接性能较好，粗加工后可调质。一般情况下，均采用45号钢，并调质到241-285HB。（2） 缸盖的材料液压缸的缸盖可选用35、45号锻钢或ZG35、ZG45号铸钢或HT200、HT300、HT350铸铁等材料。缸盖中采用压入导向套的结构，缸盖选用45号钢，导向套选用耐磨铸铁。( 3 ) 缸体和缸盖的连接类型如下图所示 图2-5缸筒和缸盖结构 (a)法兰连接式(b)半环连接式(c)螺纹连接式(d)拉杆连接式(e)焊接连接式1缸盖2缸筒3压板4半环5防松螺帽6拉杆挖掘机的缸体头部、尾部采用法兰连接，结构简单，易加工，易装卸，如图（a）所示。（4）活塞及活塞杆的材料 液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁、灰铸铁、钢、及铝合金等，选用耐磨铸铁。活塞杆分为实心杆和空心杆两种，本次设计选用实心杆，材料选45号钢。 ( 5 ) 活塞与活塞杆连接类型如图 （b）（c）（d）用于工作压力机械振动较大的情况，螺母联接为常用的联接方式。选用螺母联接。活塞杆的端部采用外螺纹与端部的耳环联接( 6 ) 密封装置 液压缸中常见的密封装置如图2-7所示。图2-7(a)所示为间隙密封，它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。它的结构简单，摩擦阻力小，可耐高温，但泄漏大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。图2-7(b)所示为摩擦环密封，它依靠套在活塞上的摩擦环(尼龙或其他高分子材料制成)在O形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。这种材料效果较好，摩擦阻力较小且稳定，可耐高温，磨损后有自动补偿能力，但加工要求高，装拆较不便，适用于缸筒和活塞之间的密封。图2-7(c)、图2-7(d)所示为密封圈(O形圈、V形圈等)密封，它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一端。 图2-7密封装置(a)间隙密封(b)摩擦环密封(c)O形圈密封(d)V形圈密封3.3.4确定基本参数液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、钢缸的长、度活塞杆的直径，主要根据液压缸的负载、活塞运动的速度和行程等因数来确定。1、液压缸工作压力的确定 由给定的参数为标准铲斗容量0.21，铲斗挖掘力45KN，斗杆挖掘力33KN。再参照其他类型的挖掘机可知，该设计的为一台小型的挖掘机。由机械设计手册表23.4-3（如下）可查得：小型工程机械的工作压力为1018MP，选定工作压力为P=16MPa。表23.4-3各种机械常用的系统工作压力机械类型机床农业机械液压机磨床组合机床龙门刨床拉床 小型机械重型机械工作压力/MPa0.823528810101820322、动臂油缸作用力的确定动臂液压缸作用力确定：闭锁力工况分析：工况一： 铲斗挖掘；动臂油缸全缩，斗杆铅直，铲斗油缸发挥最大挖掘力。此时动臂油缸和斗杆油缸处于闭锁状态，最大挖掘力为45KN。如下图所示：动臂油缸闭锁力应满足：FF=45KNF=0KN由图知：l=0.328m l=2.766m =3.797m计算得： F379.48KN工况二：铲斗、斗杆共同作用挖掘。动臂油缸全缩，斗杆铅直，此时动臂油缸处于闭锁状态，FQV共线，如下图所示：动臂油缸闭锁力应满足：FF=0.7545=33.75KNF=0KN由图知：l=0.347m l=4.55m =2.119m计算得： F442KN工况三：斗杆挖掘动臂油缸全缩，斗杆油缸对斗杆力臂最大，此时DEF=90，FQV三点共线，此时铲斗与动臂油缸均处于闭锁状态，斗杆油缸最大挖掘力为F=33KN。如下图所示：动臂油缸闭锁力应满足：FF=33KNF=0KN由图知：l=0.347m l=3.73m =2.407m计算得： F354KN工作力分析：工况一：动臂油缸作用使装满土的铲斗提升至最大卸荷距离位置进行卸载来确定。此时斗杆油缸和铲斗油缸闭锁，仅由动臂油缸提供力。如下图所示：此时动臂油缸作用力为：F=式中的 Gd t-铲斗及其装载土壤的重力，N； Gg-斗杆所受的重力，N； Gb-动臂所受的重力，N； LdA- 铲斗质心到动臂下铰点C的水平距离， m ； LgA-斗杆质心到动臂下铰点C的水平距离， m ； LbA-动臂质心到动臂下铰点C的水平距离， m ； L3-动臂油缸工作压力F对动臂下铰点C的力臂，m；由CAD图上知：LdA=4.3 m ； LgA =3.26m ； LbA=1.45 m ；参照其他类型的挖掘机数据，通过比拟法得： Gg=2.2KN ； Gb=2.7KN ； L3=0.382m ； =0.9KN+3.380.2110KN=8KN； 其中土重=3.380.219.8N=7.1KN,铲斗重=0.9KN计算得：=119KN工况二：铲斗内装满土，动臂油缸全缩，斗杆铅直。此时动臂油缸开始动作，使工作装置提升。如下图所示：此时动臂油缸作用力为：F=式中的 Gd t-铲斗及其装载土壤的重力，N； Gg-斗杆所受的重力，N； Gb-动臂所受的重力，N； LdA- 铲斗质心到动臂下铰点C的垂直距离， m ； LgA-斗杆质心到动臂下铰点C的垂直距离， m ； LbA-动臂质心到动臂下铰点C的垂直距离， m ； L3-动臂油缸工作压力F对动臂下铰点C的力臂，m；由CAD图上知：LdA=1.945m ； LgA =2.257m ； LbA=1.557 m ；L3=0.347m ；参照其他类型的挖掘机数据，通过比拟法得： Gg=2.2KN ； Gb=2.7KN ； L3=0.382m ； =0.9KN+3.380.2110KN=8KN； 其中土重=3.380.219.8N=7.1KN,铲斗重=0.9KN计算得： =71.3KN故液压缸的最大工作压力为119KN。3 、缸筒的内径D的计算根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸无活塞杆侧的缸筒内径D为：D= mm F1-液压缸的理论推力，N P-供油压力，MPa代入数据计算得：D=97mm根据机械设计手册表20-6-2圆整得：D=100mm缸筒的外径D根据机械设计手册表20-6-9可得缸筒的外径为：D=121mm4、活塞杆的直径d根据速度比的要求来计算活塞杆的直径d式中 d-活塞杆直径（m） D-液压缸直径（m） -速度比液压缸的往复运动速度比，一般有2、1.46、1.33、1.25和1.15等几种。根据下表选取速度比。表3-2 和P的关系工作压力p/MPa 10 12.520 20速度比 1.33 1.46；2 2由于工作压力p=16MPa，故选取速度比=1.46。按公式代入数据，根据机械设计手册表20-6-16有：d=56mm5、最小导向长度当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度（如图4所示），若导向长度太小，将使油缸因间隙引起的初始挠度增大，从而影响油缸的工作稳定性。对于一般油缸，其最小导向长度H应满足下式要求 (m)式中 -油缸最大工作行程 (m)-缸筒内径 (m)计算得：H85mm图4 液压缸最小导向长度一般导向套滑面的长度A,在缸筒内径80mm取缸筒内径的 0. 61.0倍;在缸筒内径80mm时则取活塞杆直径的0.61.0倍。活塞宽度取缸筒内径的0.61.0倍,为了保证最小导向长度而过份地增大导向套长度和活塞宽度都是不适宜的。最好的方法是在导向套与活塞之间装一隔套K，其长度由所需的最小导向长度决定。采用隔套不仅能保证最小导向长度，而且可以扩大导向套及活塞的通用性。 计算得：C=30mm6、液压缸行程s的确定液压缸行程s，主要依据机构的运动要求而定。S=Lmax-Lmin=1725-1078=647mm但为了简化工艺和降低成本，根据机械设计手册按标准系列值选取S=700mm。7、缸底厚度1）如图（a）所示的平底缸底，按下式计算： 2）如图（b）所示的带孔的平底缸底，按下式计算： （a） （b） （c） 图5 几种缸底结构3）如图（c）所示的半球形缸底，按下式计算： 式中 缸底止口内径（m）； 缸底材料的许用应力，缸底材料抗拉强度（Pa）；安全系数，选用图（b）的形式则带入数据计算得：=11mm8、缸头厚度的计算由于在液压缸缸头上有活塞杆导向孔，因此其厚度的计算方法与缸底有所不同。选用螺钉连接法兰型缸头：式中 h-法兰厚度（m） F-法兰受力总和（N） d-密封环内径（m） -密封环外径（m） P-系统工作压力（Pa） q-附加密封力（Pa） -螺钉孔分布圆直径（m） -密封环平均直径（m） -法兰材料的许用应力（Pa）已知：采用o型密封圈d =56mm ,=62mm, =59mm ，P =16MPa ,=130mm , =122MPa ；按公式代入数据，求得 h=13mm9、缓冲装置设计液压缸中缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。液压缸中使用的缓冲装置的工作原理如图9所示。最常用的是节流口可调式和节流口变化式两种。其中，节流口可调式缓冲装置在节流口调定后，工作原理上就相当于一个单孔口式的缓冲装置。表3示节流口可调式和节流口变化式两种缓冲装置的主要性能。图9 液压缸的缓冲装置原理采用螺母连接的缓冲装置。螺母根据机械设计手册选用GB175-86 M36的螺母。10、排气装置液压系统在安装过程中或长时间停止工作之后会渗入空气，油中也会混入空气，由于气体具有较大的可压缩性，将使油缸工作中产生振动、颤抖和爬行，并伴随有噪声和发热等系列不正常现象。因此在设计油缸结构时，要保证能及时排除积聚在缸内的气体。一般利用空气比重较油轻的特点，在油缸内腔的最高部位设置进出油口或专门的排气装置如排气螺钉、排气阀等，使积聚于缸内的气体排出缸外。图2 排气装置的形式排气装置的形式和结构见图2，一般有整体排气塞和组合排气塞两种。整体排气塞（图c、e）由螺纹与缸筒或端盖连接，靠头部锥面起密封作用。排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥面空隙中挤出并经斜孔排出缸外。这种排气装置简单方便，但螺纹与锥面密封处同心度要求较高，否则拧紧排气塞后不能密封，会造成外泄漏。组合排气塞一般由螺塞和锥阀组成。螺塞拧松后，锥阀在压力的推动下脱离密封面而排出空气。锥阀可以采用图a所示的锥面密封，也可以采用图b所示的锥面密封，还可以采用图g所示的钢珠密封。后两种排气密封形式对高压缸比较适用。选用图C形式的排气阀。根基机械设计手册表20-6-23选M12的排气阀。11、耳环和铰轴耳环和铰轴是液压缸的安装连接零件，见图3，液压缸的全部出力和负载重力 全靠耳环或铰轴承载或传递，所以要保证其有足够的强度。 图3 耳环和铰轴的形式 a）不带衬套单耳环 b）带衬套单耳环 c）球铰形单耳环 d）、e）、f）铰轴一般情况下，不带衬套的单耳环尺寸，；带衬套的单耳环尺寸，其余同不带衬套的；球铰型单耳环尺寸，铰轴尺寸。选用带衬套单耳环。12）密封件的选用（1）对密封件的要求在液压元件中，液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊液压缸，如摆动液压缸等。液压缸不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度的适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装拆，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。密封件一般以断面形状分类，有O形、Y形、U形、V形和Yx形等。除O形外，其他都属于唇形密封件。（2）O形密封圈的选用液压缸的静密封部位主要有活塞内孔与活塞杆、支撑座外圆与缸筒内孔、端盖与缸体端面等处。静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。（3）动密封部位密封圈的选用由于O型密封圈用于往复运动存在起动阻力大的缺点，所以用于往复运动的密封件一般不用O形圈，而使用唇形密封圈或金属密封圈。液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支撑座（或导向套）的密封等。活塞环是具有弹性的金属密封圈，摩擦阻力小，耐高温，使用寿命长，但密封性能差，内泄漏量大，而且工艺复杂，造价高。对内泄漏量要求不严而要求耐高温的液压缸，使用这种密封圈较合适。V形圈的密封效果一般，密封压力通过压圈可以调节，但摩擦阻力大，温升严重。因其是成组使用，模具多，也不经济。对于运动速度不高、出力大的大直径液压缸，用这种密封圈较好。U形圈虽是唇形密封圈，但安装时需用支撑环压住，否则就容易卷唇，而且只能在工作压力低于10MPa时使用，对压力高的液压缸不适用。比较而言，能保证密封效果，摩擦阻力小，安装方便，制造简单经济的密封圈就属0型密封圈了，根据机械设计手册选用GB97.1-85的0型密封圈。防尘圈根据机械设计手册表10-4-24选用GB/T10708.3-1989的防尘圈。13、液压缸的联接计算（1）、 缸盖联接计算螺栓联接的计算缸体与缸盖采用螺栓联接时，螺纹处拉应力为螺纹处的切应力为 合成应力为 式中 Z-螺栓数由机械设计手册得：K=1.5， K1=0.12，d0=16mm,d1=14mm;已知F=66.84KN Z=4；按公式代入数据，求得 =101.37MPa合应力为n=131.77MPa（2）、活塞与活塞杆的联接计算活塞与活塞杆采用螺纹联接时，活塞杆危险截面（螺纹退刀槽）处的拉应力为切应力为合成应力为式中 -液压缸输出拉力（N） d-活塞杆直径（m） -活塞杆材料的许用应力（Pa）已知：K=1.5, F1=55.0KN,d0=16mm,d1=14mm;按公式代入数据，求得 =536.2MPa合应力为 n=697.1MPa ；14、活塞杆稳定性验算 液压缸承受轴向压缩载荷时，当活塞杆直径d与活塞杆的计算长度l之比大于10时，应校核活塞杆的纵向抗弯强度或稳定性。（1） 、无偏心载荷由材料力学知，受压细长杆，当载荷力接近某一临界值时，杆将产生纵向弯曲。且其挠度值随压缩载荷的增加而急剧增大，以至屈曲破坏。对于没有偏心载荷的细长杆，其纵向弯曲强度的临界值，可按等截面法和非等截面法计算。等截面计算法：当细长比时，可按欧拉公式计算临界载荷。此时式中 -活塞杆纵向弯曲破坏的临界载荷（N） n-末端条件系数 E-活塞杆材料的弹性模量，对于钢，取为 J-活塞杆截面的转动惯量（）实心活塞杆 d-活塞杆直径（m） l-活塞杆计算长度，即活塞杆在最大伸出时，活塞杆端支点和液压缸安装点间的距离（m） k-活塞杆断面的回转半径（m） 实心活塞杆A-活塞杆截面积（）I实心活塞杆 m-柔性系数若活塞杆为实心杆，并用钢铁材料制造时，上式可以简化为已知： ；l=2.5m ；按公式代入数据，求得 E=0.01125m Pk=669.22KN ；根据上述计算与液压系统设计元器件选型手册结合选用HSGF*-121/100AE-EZ1型的工程液压缸。具体结构如下图所示：其Pro/E三维图如附图所示。第四章液压元器件的选择4.1选择液压泵液压泵的流量Q=59.0L/min根据排量计算式： q=Q80%nD nD 发动机额定转速 2200r/min带入数据计算得：q=27ml/r根据机械设计手册表20-5-43【3】选用XBN-F40型斜盘式轴向柱塞泵。4.2 计算工作系统的流量、工作压力和循环周期时间 表4.1工作泵理论输出流量（L/min）油路压力损失 （MP） 工作泵出口压力（MP）QpP=+单泵双泵单泵双泵单泵双泵动臂提升591180.60.617.417.4动臂下降591180.60.617.417.4动臂停止591180016.816.8工作泵实际输出流量L/min液压缸运动速度（m/s）液压缸工作行程（m）动作持续时间（s）Qp=Qp（1-）V=St单泵双泵单泵双泵单泵双泵单泵双泵52.6105.20.110.220.70.76.43.252.6105.20.160.320.70.74.42.252.8105.60000004.3选择液压控制元件经换向阀的最大流量是在动臂提升时的排油流量：Qmax=Qp A1=0.00789m2， A2=0.00539m2， Qp=118L/min代入数据计算得：Qmax=173 L/min根据机械设计手册选用各液压控制元件有：先导式溢流阀：BT-06-32电磁换向阀：4WE66/AG24Z4夜空单向阀：GRT-06-504.4 选择液压辅助元件4.4.1.计算油箱容积油箱的有效容积为90L。油箱部分的长、宽、高尺寸为：abc=2m1.5m0,3m，油面的高度为0.24m，则油面高与油箱高之比为：0.8