挖掘机液压系统毕业设计

.中文题目：XE40小型挖掘机液压系统设计外文题目：DESIGN HYDRAULIC SYSTEM OF XE40 SMALL CRAWLER EXCAVATOR毕业设计（论文）共 76 页（其中：外文文献及译文 8 页） 图纸共 11 张 完成日期 2015年 6 月 答辩日期2015 年 6 月辽宁工程技术大学本科毕业设计（论文）学生诚信承诺保证书本人郑重承诺： 毕业设计（论文）的内容真实、可靠，系本人在 指导教师的指导下，独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担全部责任。学生签名：年 月 日辽宁工程技术大学本科毕业设计（论文）指导教师诚信承诺保证书本人郑重承诺：我已按学校相关规定对 同学的毕业设计（论文）的选题与内容进行了指导和审核，确认由该生独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担指导教师相关责任。指导教师签名： 年 月 日.摘要XE40小型挖掘机是徐工生产的小型液压挖掘机，本次的毕业设计的课题就是对其进行液压系统的参数化设计。为了研究这个课题，我们的主要的思路就是要先根据已知的挖掘机的性能参数对工作速度和工作压力进行初步的确定，再根据这些数据，对铲斗缸进行参数计算。参考所选液压缸的连接方式和XE40小型挖掘机选用的液压缸的具体形状，绘制出液压缸的CAD图。依照铲斗缸的设计方式与计算流程同理也能设计出斗杆缸和动臂缸。同时根据所设计的挖掘机所选用的动臂缸的数量，就能大致确定出运作液压缸所需要的流量。通过已确定的流量，工作压力，还有工作速度，就能初步确定液压泵的型号和液压马达的型号。然后再参考徐工挖掘机XE40的液压系统，根据系统回路和对挖掘机工作方式的了解，初步设计出液压挖掘机系统的原理图，并用CAD绘制出来。经过审核之后，再来确定所要要用的液压油，发动机，以及对液压阀进行选型。关键词:液压缸;参数化设计；徐工挖掘机;液压系统.AbstractXE40 small excavator is xugong production of small hydraulic excavator, this graduation design topic is on the parametric design of hydraulic system. In order to study the subject, our main idea is to first according to the known excavator work parameters on the performance of speed and pressure was determined preliminarily, according to these data, the bucket cylinder parameter calculation. Refer to the connection mode for the selected hydraulic cylinder and hydraulic cylinder of XE40 small excavator selection of specific shape, draw the CAD drawing of the hydraulic cylinder. According to the bucket cylinder design method and calculation of flow in the same way also can design the bucket rod and movable arm cylinder. At the same time according to the design of excavator chooses the number of the movable arm cylinder, can roughly determine the operations required for the hydraulic cylinder of traffic. By the flow have been identified, work stress and work speed, can preliminarily determine the model of hydraulic pump and hydraulic motor model. Then the reference xugong hydraulic system of excavator XE40, based on the system circuit and understanding of the excavator working style, the preliminary design of the hydraulic excavator system schematic diagram, and CAD drawing. After review, and then to determine the need to use the hydraulic oil, engine, as well as to the selection of hydraulic valve. Key word:the hydraulic cylinder ; parametric design; xugong excavator；the hydraulic system.目录前言11 挖掘机现状及研究准备31.1 国内外发展状况31.1.1 国外发展状况31.1.2 国内发展状况31.2 本课题研究内容及意义42 液压挖掘机的工况分析62.1挖掘工况分析72.2满斗举升回转工况分析82.3卸载工况分析92.4空斗返回工况分析92.5整机移动工况分析93 液压系统及液压回路的设计113.1液压系统概述113.2工作原理113.3基本要求113.4基本动作及系统分析123.5 小型液压挖掘机的基本回路133.5.1 回转机构液压系统133.5.2 液压缸液压系统143.5.3限压回路143.5.4卸荷回路153.5.5缓冲回路163.5.6节流限速回路173.5.7行走限速回路174 液压系统主要参数计算194.1 工作装置构成与分析194.2 液压缸参数化设计214.2.1 液压缸速度计算及流量选择234.2.2 液压缸工作压力的确定244.2.3 液压缸内径D和活塞杆直径d的确定244.2.4 液压缸壁厚和外径的计算以及校核和活塞杆的校核264.2.5 液压缸油口直径的计算284.2.6 液压缸工作行程计算294.2.7 液压缸安装距的确定294.2.8 最小导向长度的确定294.2.9 缸体长度的确定304.2.10 油缸强度计算304.2.11 油缸稳定性验算314.2.12 液压缸的技术要求334.2.13 液压缸选型344.3回转马达计算与选型364.4行走马达计算与选型374.4.1轨链节节距374.4.2四轮计算374.4.3承载能力计算374.4.4牵引力功率计算384.4.5马达计算及选型384.5 液压泵的确定394.5.1工作装置油泵选择394.5.2行走油泵的选择415 工作介质及主要元器件选择445.1 工作介质的选择445.2 柴油发动机的选择445.3 液压阀的选择455.4 其他液压元件的选型475.4.1管路的选择475.4.2油箱设计495.4.3液压油的选择505.4.4过滤器的选择53技术与经济性分析55结论57致谢58参考文献59附录A60附录B66 .前言 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。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，具有如下点：功率密度大，结构紧凑，重量轻；无极调速，调速范围大；启动性能好，能实现快速反转；布置灵活，基本不受总体结构的限制；容易实现自动化，操作简便省力等。所以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。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啦很高的要求，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。小型挖掘机的工作是进行泥土的挖掘和装载，还能进行一些土地的平整、修复坡断、吊起装载、破碎石块、拆迁等其他作用。而小型履带挖掘机主要是在那些路况很差，其他工具比较难弄，而且大型挖掘机不好进入的地方起作用。给人们减轻了很多的负担和压力。近几年来小型挖掘机市场发展得越来越好，最主要是该类的产品多样性，高质量，高效率，能在中大型挖掘机无法作业的地方进行工作。小型挖掘机小巧灵活，能在很多复杂的地方工作，而且节省了劳动力，受到了广大用户青睐。小型履带挖掘机能够那么小，而且灵活，最主要的是挖掘机的“零空间”回转。“零空间”其实是指挖掘机在工作时，车的尾巴旋转轨迹不超过这台挖掘机履带的轨迹。液压挖掘机的优点：(l)质量轻。当传递相同功率时，液压传动装置比机械传动装置的尺寸小、结构紧凑，质量轻，其质量可减轻30% - 40%。(2)能实现无级调速，调速范围大。它的最高与最低的速度比可达1000：1。采用柱塞式油马达，可获得稳定转速1 r/min。在快速运行时，液压元件产生的运动惯性小，可实现高速反转。(3)传动平稳，T作可靠。液压系统中设置各种安全阀、溢流阀，即使偶然出现过载或误操作的情况，也不会发生人身事故和损坏机器。(4)操作简单、灵活、省力，改善了司机的工作条件。另外，液压系统容易实现自动化操纵，可与电动、气动联合组成自动控制和遥控系统。(5)工作装置的品种可以扩大。可以配置各种新型的工作装置，如组合型动臂、伸缩式动臂、底卸式装载斗等;另外，便于替换和调节工作装置，一般小型液压挖掘机可配有30 - 40种替换T作装置。(6)维护检修简单。由于液压挖掘机不需要庞大复杂的中间机械传动系统，结构被简化，易损件减少了将近50%，故维护、检修T作大为简化。(7)液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，便于组织专业化生产.提高质量和降低成本。液压挖掘机的主要缺点是：(l)对液压元件的制造精度要求较高，装配要求严格，维修也较困难。液压系统出现故障，要确定事故发生的原因和排除故障较困难，维护修理和调整技术要求也较高。(2)工作油液的黏度受温度的影响较大。因而汞矿粉烘干机在高温和低温下工作均影响传动效率。另外，油液的泄漏，也会影响动作的平稳和传动效率。总之，液压挖掘机是一种性能和结构比较先进的新型机械，它的使用越来越广泛，特别是中小型挖掘机，可能很快被液压挖掘机所取代。随着我国液压技术的发展和液压元件制造质量的提高，大、中型液压挖掘机也必将得到迅速地发展。小型挖掘机操作室的和大型挖掘机一样，做得都很舒适。因为，操纵者在恶劣环境中施工，工作状态容易受到影响，所以挖掘机要考虑到驾驶员工作的效率、工程的质量甚至其周围人群和设备的安全。因此，小型挖掘机配备一个安全和舒适的驾驶室是很重要的，绝大多数的小型挖掘机都是可以装配上独立的封闭的驾驶室。小型挖掘机的属具也是十分丰富的。早起挖掘机会在尾部装个推土板，这不是用来推土的，其实是用来配重用的。在近些年来“零回转”技术的逐渐成熟和车身结构的优化，这样的推土板拿来当推土用。根据专家统计，一台斗量为0.5m的液压挖掘机挖掘时，每回的生产率大概相当于150-200个普通工人一天的工作量。1 挖掘机现状及研究准备1.1 国内外发展状况1.1.1 国外发展状况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、日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高的市场占有率。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；从功能上看，在满足基本功能的基础上，向多功能化、专用化方向发展；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。挖掘机已经经历了130多年的历史了，最起初的挖掘机都是人为手动式，经历了水蒸汽驱动，电能力驱动，和内燃机驱动等多种方式驱动。而履带挖掘机是在20世纪被发明出来的。说到目前最大的挖掘机，那就是RH400了，而OK于1997年推出了第一台样机（工作重量830吨），最新的RH400由两台Cummins QSK60-C型柴油机（16缸）提供动力，铲斗的容量有50立方米。然而，大型挖掘机的活动限制也是一个很大的问题。所以，小型挖掘机的应用在国外也迅速地发展起来。早在10年前，北美工程机械市场中大约只有8个品牌的48种型号的小型挖掘机，到了今天，已经迅速增长到20多个品牌超过了100多个型号的小型挖掘机。1.1.2 国内发展状况我国从1967年开始自行研制液压挖掘机。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W4-60、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厂分别研制成功了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空间，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械行业的上市股份公司通过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和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。随着我国国民经济的迅速发展起来，小型的工程机械市场逐渐的升温。很多设施进入了保养期，而且城市化的推进和农业的迅速发展起来，都使得小型工程机械的使用频率有所提到，小型工程机械正在向着又好又快发展。目前国外有20多家公司专门批量生产小型的挖掘机。而国内的生产商主要有三一、山河、玉柴、福田、柳工和山重建机等企业。小型挖掘机是说那些整台机械重量小于或者等于13t的挖掘机，要是小于6t的就叫做微型挖掘机。小型挖掘机具有功能多样性，又具有输送、低能耗、灵活、适应性高、高作业效率等方面的优势，所以小型挖掘机采用那么广泛用在狭小的空间。跟着我们国家基础建设的不断改善，使得小型工程机械也有了越来越大的应用和发展空间。再加上中国新农村建设的不断深入，因此小型设备在农村和小城镇建设用得越来越多了。面对我国国民经济的发展水平不断地提高，而且尤其是面对劳动力成本的不断上升，用小型挖掘机来减轻劳动力是一个很明智的选择。中国挖掘机发展短短20多年来，现在有了一些知名的品牌，像三一、柳工、玉柴、山河智能、福田，徐挖、雷沃等品牌挖掘机。他们的产品各具特色，而且受到越来越多用户的认可。根据2005年挖掘机械协会统计国内的13家主要企业挖掘机的销量在2005年比2004年增幅达到了85%，总量占到了整个挖掘机市场将近三分之一，而销量的话已经占据到全球市场销量的十分之一。在2007年，协会又对21家挖掘机主要厂家的销售进行统计，在两千零七年挖掘机销量达到六万多台，而内资品牌的占有量又有了提升，已经提升至五分之一，达到了13376台。1.2 本课题研究内容及意义通过对本课题的研究，能在了解小型履带式挖掘机的特点及发展趋势的基础上，通过对4吨小型履带式挖掘机工况分析的基础上设计液压控制系统，并进行工作装置参数化分析。通过XE40小型履带式挖掘机液压控制系统的分析与元器件选型，以及工作装置铲斗油缸的设计培养学生的科学分析能力、综合能力和解决工程实际问题能力，从而为掌握液压控制系统的设计方法打下基础。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。液压挖掘机作为土石方施工设备，其动臂、斗杆、铲斗在工作过程中起着关键性作用，因此对其进行结构优化设计十分必要。在工程设计中优化设计是将设计问题转化为最优化问题。通常是借助计算机高速运算与逻辑判断功能，从满足设计方案中，按照预定的目标，利用计算机对其进行优化设计，对挖掘机的动臂、斗杆、铲斗进行优化，关键是符合实际且有效的数学模型。因此，本文着重研究并建立动臂、斗杆、铲斗的数学模型，对于提高挖掘机工作装置设计质量和确保优化设计有效性具有十分重要的意义。2 液压挖掘机的工况分析液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作(如图2. 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。挖掘机的典型作业流程:1.整机移动至合适的工作位置2.回转平台，使工作装置处于挖掘位置3.动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置4.斗杆、铲斗挖掘作业5.动臂升起6.回转工作装置至卸载位置7.操纵斗杆、铲斗卸载图2-1液压挖掘机的工作运动Fig.2-1 The work movement of the hydraulic excavator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: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(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，同时回转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。(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，间以动臂动作。(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。(5)整机移动工况:将整机移动至合适的工作位置。(6)姿态调整与保持工况:满足停放、运输、检修等需要。(7)其他辅助作业工况:辅助工作装置作业工况。2.1 挖掘工况分析1.典型挖掘工况铲斗挖掘工况:由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。采用铲斗液压缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中(III级土一下土壤的挖掘)铲斗挖掘最常用。斗杆挖掘工况:由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。在较坚硬的土质条件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘。联合挖掘工况:由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。当单独采用铲斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于铲斗液压缸的行程。以铲斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较短，为了能够装满铲斗，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，所以一般挖掘机的斗尖最大掘力都在采用铲斗液压缸挖掘时实现。当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。 一般认为斗容量小于0. 5m3或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之则以斗杆挖掘为主。这两种情况的挖掘阻力不同。在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。如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，见图2. 1所示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。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，见图2. 2所示。这些动作决定于液压系统的设计。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，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。图2-1直线挖削 Fig.2-1 Linear dig cut图2-2切削压整 Fig.2-2 Cutting and press the whole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。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。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。2.2 满斗举升回转工况分析满斗举升回转的运动消耗的时间、用到的能量以及发热量在整个作业循环过程中都占了很大的比例，因此我们要尽可能地缩短转台的回转时间。以此来提升挖掘机工作效率，节约能源。挖掘结束后，动臂油缸工作，将动臂顶起顶起，举升起装满的铲斗，同时回转马达将转台转向卸载位置，此时是动臂与回转马达共同工作。抬升的动臂与回转马达同共同工作时，二者的速度要协调一致，也就是说回转到指定卸载区域时，动臂与铲斗自动抬升到了合适的卸载高度。因为卸载所需要的回转角度是不一样的，随着液压挖掘机相对卸载区域的改变而变化，所以回转马达的回转速度与动臂的提升速度两者之间的关系是可以随着我们的需要而调整的。 卸载的回转角度越大，那么要求的回转速度就会更快一些，动臂的提升速度也就会随之变慢。回转起动的时候，因为惯性比较大，油压就会升得非常高，很有可能从溢流阀处发生溢流，这时候我们应该将溢流出来的油供给动臂。当回转和动臂提升的同一时刻，斗杆还需要外放，有的时候还需要对铲斗进行一定的调整。这时就是回转马达、动臂、斗杆和铲斗所进行的复合动作。2.3 卸载工况分析当转台回转至卸载区域的时候，转台发生制动，这时我们用斗杆调节进行调整卸载半径与卸载高度，使用铲斗油缸进行卸载。同时为了调整卸载的位置，我们还需要动臂进行配合动作。卸载的时候，主要是斗杆和铲斗的复合动作，期间配合动臂动作。2.4 空斗返回工况分析当卸载工作结束后，转台会进行反向回转，同一时刻动臂与斗杆相互之间进行配合动作，把清空的铲斗移动到新的挖掘区域。这个工作是由回转马达、动臂和斗杆的复合动作配合完成的。因为动臂的下降有重力的作用，压力小、流量大、下降随度快，所以要求回转的速度也较快，因此这时的情况应该是由一个油泵的所有流量来支持回转马达，另一个油泵的大多数油量供给动臂，小部分的油通过节流阀供给斗杆。柴油发动机在低转速的时候油泵的供油量较小，为了防止动臂因为重力的作用迅速的下降以及动臂油缸发生吸空的现象，可以使用动臂下降的再生补油回路，我们可以利用重力将动臂油缸的无杆腔的油运输到有杆腔。这个特点有些类似于满载回转，但是满足它的转动惯量相对来讲比较小。2.5 整机移动工况分析挖掘机一般来说并不擅长长距离的行走，因此只能在在工地的小范围内移动，作业的时候可以用来调整挖掘机的作业位置。基本要求:挖掘机的左右履带均可以进行独立操纵，可自由调速，且具有直线行走的功能，行走速度能达到每小时二至五千米，可以爬上三十五度左右的上坡路，并且具有制动能力。挖掘机在行走的过程中有可能需要调整作业装置的液压元件进行调整，比如铲斗、斗杆和动臂。挖掘机的系统中有双泵，其中一个油泵为左侧的行走马达进行供油、而另一个油泵为右侧的行走马达进行供油，如果此时某一个液压元件突然工作，使得某一个油泵突然分流进行供油，这时就会造成挖掘机的一侧的行走速度突然降低，从而影响到直线行驶的稳定性，尤其是当挖掘机进行装车运输工作、从运载卡车上行驶下来或者返回卡车上时，行驶偏斜都有可能造成事故。因此我们为了保证挖掘机稳定的的直线行驶性，在三个液压泵供油的系统中，分别有一个油泵单独为左、右侧的行走马达供油，而另一个油泵则向铲斗等其它的液压作用元件供油。而目前双泵系统则采用下列供油方式:左、右侧行走马达由一个油泵并联供油，另一个油泵则向其他的液压作用元件供油，而如果有多余的油液则通过单向阀供向行走马达;左、右行走马达和作业装置液压作用元件由双泵合流并联向其同时进行供油。3 液压系统及液压回路的设计3.1 液压系统概述 我们说的挖掘机的液压系统就是几个机构用管路连接起来，成为一体之后能行驶我们要的工作能力的系统。而里面的东西包含了像斗杆、液压主泵、液压主阀、存油的油箱、一些马达用到的部件（像阀之类的）、管路还有几个油缸等。它们都是以油液来作为工作介质，利用液压泵将柴油机产生的机械能转为液压能来供应给那些执行元件，像那些马达还有油缸。这样我们就能实现挖掘机的各种功能了。3.2 工作原理我们都知道挖掘机液压系统都是我们大学学到的基本回路组成的，还有一些是很关键的辅助回路。比如用溢流阀，调压阀还有节流阀来组成的调压回路；还有就是用溢流阀还有换向阀所组成的卸荷回路，将油引到油箱里面；还有像我们说的利用溢流阀，减压阀还有单向阀来做到起减压作用的减压回路；还有就是用单向阀和节流阀组成平衡回路；我们挖掘机有时候要保持一些状态，就要用到单向阀来组成的保压回路和锁紧回路；速度控制的像调速。我们说的液压系统的工作，事实上就是将液压油从油箱底部抽出来然后通过滤油器的过滤，然后吸入到液压泵中，等再从油泵出来的时候就有一定压力了。它将那些液压油分配到那些阀路里面。然后驾驶员通过控制那些手柄，脚踏先导阀工作阀进而实现了我们要的一些动作，在这个系统，为了不让它的压力过大，我们会设置一些像限压阀，安全阀之类的，那些安全阀对系统有保护和补油的作用。3.3 基本要求我们研究的液压挖掘机它们的运动组成相对其它的液压系统难好多的，因为我们的挖掘机需要经常开关、刹车、变换方向，而且有时候的受力也是在发生变化的，像挖硬土块，突然挖穿遇到松的泥巴一样，这样它受到的冲击还有振动也会比较地频繁，我设计的履带挖掘机通常都是在野外山地工作的，城市走履带不好，影响路面而且跑得慢，通过这些考虑我觉得这样的挖掘机要满足下面的几个要求：1)需要保证挖掘机的动臂、铲斗和斗杆能够各自单独地动作，并可以互相配合来实现复合的运动。2)为了使挖掘机具备较高的生产效率，必须将挖掘机那些工作装置的运动和挖掘机转台的回转运动给区分开来。不仅如此，还需要挖掘机可以进行复合运动，比如一边挖掘，一边移动其动臂，这样可以明显的提高其工作效率。3)由于挖掘机的工作地点一般都是不平坦的地带，因此在对其进行驱动的时候，最好能将其左右两边的履带传动轴给区分开来，这样的话就能使其移动更加方便、灵活，也能适应各种复杂地形。4)挖掘机的动臂经常会因为其自身的重量比较大，在挖掘的时候因为重力的原因，其会迅速的下降，如果是在坡度较陡的情况下还会有滑坡的危险，所以为了避免这种情况的出现，挖掘机上各个元件都需要有过载保护的要求，并且履带行走也要有制动限制。大部分挖掘机的液压系统都会有如下几点要求限制： 1)为了提高挖掘机燃料的使用效率，必须保证挖掘机的传动系统要非常的合理，这样才可以提高其传动效率。而且因为良好的传动设计，反过来减少传动浪费，提高发动机的动力性能。2)挖掘机在工作的时候，会造成很大的冲击或者是振动，这样的话就必须要确保液压系统中的各个液压元件都要有很好的抗震效果。3)由于液压系统长期处于高功率的工作状态，其散发出来的热量会使得油温升高，当然，油温过高的话就可能会导致爆炸，根据规定，油温的温度不能超过80摄氏度。4)挖掘机基本上都是在一些尘土比较多的地方工作，这就出现了一个问题，灰尘长期对液压油还有液压元件进行污染，时间久了，就会使挖掘机的性能降低，其使用寿命也会大大受到影响，因此，者就对液压系统有了很高的密封要求。虽然液压元件想比较与液压油，其比较不容易受到污染，但也需要设计一些一些滤油器和防尘装置来保护液压油免受污染。5)通过采用液压和电液操纵装置，用于挖掘机进行设置自动控制系统，这样就可以大大的提高挖掘机的技术操作性，也可以降低驾驶员的劳动强度，提高工作效率。3.4 基本动作及系统分析挖掘机的一个作业循环包含了下面动作：1，挖掘通过回转铲斗来完成破土还有装土，通过改变斗杆的位置来完成挖土距离和位置的改变。2，满斗回转等铲斗装满土之后，动臂提起来，这个时候回转马达工作，挖掘机转向。3，卸土等挖掘机的回转马达停了之后，用斗杆来决定在哪里卸土，由铲斗来把土放下。4，回位就是等卸完土之后，回到原来的工作地方，准备进行1到4的循环。整机移动过程中包括：直线行驶由于挖掘机左右两边的履带式通过两个传动系统控制的，这样的话，要使其沿着直线行走，只要保证相关传动轴具备相投的转速就可以达到目的了。转弯同直线行走有相同的原理，只要让传动轴转速不一致，其自然也就向两边偏转了。甚至，当一边履带不动的话，该挖掘机还可以实现原地转圈。下图是挖掘机的液压系统简图，其中包括了原始动力源，动力源，控制元件，执行元件。图3-1挖掘机液压系统简图Fig.2-1 The brief of the excavator hydraulic system3.5 小型液压挖掘机的基本回路 液压系统基本回路是由一个或者几个液压元件有机连接而成的、能够完成特定动作的典型液压回路，它是挖掘机液压系统的组成单元。液压系统是由基本回路组成的一个有机整体，主要包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速回路和节流限速回路、行走限速回路和锁紧回路等。3.5.1 回转机构液压系统回转液压马达的工作原理：正反转：回转液压马达由分功率调节变量系统中一个液压泵供油，由手动换向阀7控制旋转方向。如果当换向阀右位工作时，液压马达正转，当换向阀左位工作时，液压马达反转。回转制动：回转机构的制动原理和行走马达的制动原理相同。回转过程中，操作手柄回到中位，行走控制阀停止向马达供油，但是，由于惯性作用，行走马达仍继续旋转，回油腔压力因此而升高。当压力超过过载补油阀的设定压力时，顺序阀被打开，压力油从回油腔经顺序阀泄出进入液压马达的进油腔进行补油以防止穴蚀。回油腔的压力就是克服惯性的阻力，行走因此被制动。3.5.2 液压缸液压系统动臂缸、斗杆缸、铲斗缸液压回路图基本相似，如下图所示。均由液压泵提供油源，泵出口压力由溢流阀调定，各个液压缸过载阀由液压缸进出油路上的调压阀调定。图3-2液压缸液压系统Fig.2-1 The hydraulic systemof the hydraulic cylinder液压系统的基本回路其实是由一个或多个液压元件有机连接形成的，并且通过这些液压元件形成一些典型的回路，通过这种回路就可以使得液压机械实现一些特定的功能。在本文所设计的小型履带式挖掘机自然也包含了这些液压元件所组成的液压回路。在下面的说明里面，那些重要的回路我会讲到。3.5.3 限压回路限压回路是用来限制系统压力的，使压力值不超过其一调定值。限压的目的有两个：一，限制系统的最高压力，避免液压系统和液压元件因过载而损坏，通常用安全阀来实现限压，安全阀设置在液压泵出油口附近油路上；二，保证系统中某部分的压力保持定值或不超过特定值，通常用溢流阀来实现。溢流阀在调定系统压力时，其多余的流量最终通过此阀流回到油箱，因此溢流阀阀口是常开的。限压回路不仅能限制系统压力，对系统进行卸荷，还能保证挖掘机正常工作。如图所示来说明限压回路的工作原理，当换向阀l处在中位时，液压泵与主回路断开，处于不工作位置；若换向阀处于左位时，液压泵与主回路接通，液压缸上有负载W，则液压缸无杆腔会受到很大的闭锁压力，当此压力很大的话，就有可能损坏管路和液压元件，因此，液压缸的进出油路处都要安装溢流阀2和3。当闭锁压力大于溢流阀的调定压力时，溢流阀2和3就都打开，液压油流回油箱，从而实现卸荷；换向阀处于右位同理。溢流阀的调定压力与液压系统的压力无关，通常溢流阀的调定压力越大，液压缸的闭锁力就越大，对挖掘机的作业就越有利，但过高的压力则会损坏管路和元件，所以一般情况下，高压系统限压阀的压力调定值通常为系统压力的125%上下，若是中高压系统的话比125%还要高。1换向阀；2、3溢流阀；4液压缸图3-3限压回路Fig.3-3 Pressure limiting circuit3.5.4 卸荷回路卸荷回路是设计是为了让挖掘机在不工作时液压泵能以最低的功率运行，从而减少发动机的燃料消耗。液压挖掘机卸荷回路通常有换向阀中位卸荷回路(a)和穿越换向阀卸荷回路(b)两种。在换向阀中位卸荷回路中，通常采用中位机能是M型的三位四通换向阀，当挖掘机不工作时，换向阀处于中位，进油口和出油口联通，油液经过系统能各个换向阀后流回油箱，实现卸荷功能。这种回路通常用于高压的串联液压系统，结构简单，但受系统冲击影响大而且操作很不稳定。在穿越换向阀卸荷回路中，换向阀采用的是带有过油通路三位六通换向阀，当挖掘机不工作时，换向阀处于中位，液压油液依次经过换向阀通路以最低压力流回油箱，最终实现卸荷。这种回路常用于高压并联系统，受液压换向冲击小，操作时比较平稳而且工作可靠。图3-4卸荷回路Fig.3-4 Unloading loop因此，我选择穿越换向阀卸荷。3.5.5 缓冲回路当挖掘机的上转台在满斗情况下回转或者在启动、突然间换向和制动时会对液压系统产生很大的液压冲击，从而产生振动和噪音，损坏液压元件。挖掘机的缓冲回路就是为了解决这个液压冲击问题而设置在回转回路中的，原理是挖掘机液压系统中回转马达中的高压油压力过大时和低压油路连通，而且还能对马达进行补油。如下图所示为几种比较常见的缓冲回路。1高压油路；2低压油路；3、4缓冲阀；5、6、8、9单向阀；7换向阀图3-5缓冲回路Fig.3-5 The buffer circuit 如图（a）中所示，缓冲阀3和4安装在回转马达的两个油路1和2上，正常工作状态下缓冲阀处于关闭状态。当出现马达停转这种情况时，在高压油路1上的压力油油压会升高，压力油则会打开缓冲阀3流回油箱，实现卸载和消除液压冲击；若马达反转时，不仅缓冲阀3会卸载和消除液压冲击，同时单向阀6打开从油箱吸油对马达进行补油，而且补油量很大。通常缓冲阀的调定压力要低于系统工作的最高压力。如图（b）中所示，两个缓冲阀是并联在高低压油路1和2之间的，当回转马达停止转动或者反转时，高压油路的高压油就会经过缓冲阀留到低压油路，实现卸荷和消除液压冲击，同时在发转时还能通过单向阀进行补油，但补油量较少。如图（c）中所示，由四个单向阀5、6和8、9成对的并联在回路里，只有一个缓冲阀3，当马达停转时，高压油先经单向阀5留到缓冲阀3把3打开实现卸荷和消除液压冲击，若马达反转时还可经过单向阀9补油。因此，我选择（b）并联缓冲阀式缓冲回路。3.5.6 节流限速回路节流限速回路是在液压挖掘机的回油路上安装单向节流阀，从而来保证挖掘机工作装置安全作业的，如图所示。动臂缸、斗杆缸和铲斗缸三个液压缸的回油路上都有单向节流阀，可以防止动臂等因自重而下降速度过快而导致危险的发生。图3-6节流限速回路Fig.2-1 Throttling speed loop3.5.7 行走限速回路为了防止履带式液压挖掘机下坡时因自重而加速行走导致溜车和行走马达吸空，常在液压系统中加入行走限速回路，对行走马达进行限速和补油，如图所示1换向阀；2、3压力阀；4、5、6、7单向阀；8、9安全阀；10行走马达图3-7行走限速回路Fig.2-1 Walking speed loop当换向阀处于左位1时，行走马达10顺时针转动。若履带式挖掘机下坡时，挖掘机超速行走马达超速旋转，则马达左边油路油压将下降，从而使压力阀3的截面开口变小，经过压力阀3的油液流量将减少，从而实现回油节流，达到限制挖掘机速度的目的；挖掘机行走马达吸空时，进油侧油路上的压力油不够，单向阀7将打开，从油箱里吸油进行补油。若行走马达发生故障停转时，进油侧的油液压力过高，安全阀9将打开，高压油经过安全阀9流回油箱，实现卸荷。当换向阀处于2位时，同理。4 液压系统主要参数计算4.1 工作装置构成与分析在设计液压缸的时候，要对其进行全面地研究分析，而且需要收集必要的资料并且加以整理当作设计的依据。（1）了解并且掌握液压缸对于机器上的工作要求和用途。做液压缸设计的主要目的是为了满足挖掘机的基本功能。像在液压翻斗自卸汽车中，它的液压缸的用途是将翻斗（车厢）举升成为倾斜的状态，使得所承载的物料能够自动卸载掉，要求回程的时候也能够在翻斗重力条件下完成。像这种液压缸就可以设计成单（活塞）杆单作用液压缸，而且也可以设计成柱塞缸。（2）要知道液压缸的工作环境和工作条件。以为要是液压缸环境和工作的一些条件不一样，液压缸的结构设计和参数设计也会随着发生变化。像那种在采矿用的液压缸，在工作条件恶劣的条件下，如粉尘很大，负载的变化大，就要求我们设计的液压缸能绝对安全可靠，更重要的是不许有泄漏。再根据这样的工作条件，在设计时就要想到到防尘措施；1-斗杆油缸；2-动臂；3-油管；4-动臂油缸；5-铲斗；6-斗齿；7-侧板；8-连杆；9-曲柄；10-铲斗油缸；11-斗杆图4-1工作装置组成图Fig.2-1 The work device of figure图4-1为小型挖掘机工作装置的组成图和传动示意图，其中反铲工作装置主要由曲柄9、连杆8、铲斗5、斗杆11、动臂2和相应的直线液压缸1、10、4等所组成。转台上连接着动臂的下铰链和动臂油缸的一端，整个动臂装置会随着动臂油缸的伸缩绕着动臂下铰链不断地转动，以实现动臂的动作。斗杆缸的两端分别连接在动臂和斗杆上，通过斗杆缸的伸缩使得斗杆绕着动臂上的铰链进行转动。铲斗和斗杆是铰链连接的，铲斗缸的伸缩通过曲柄连杆机构使铲斗绕着铰链转动，从而使铲斗能够实现挖掘和卸土等动作。在进行挖掘作业时，启动回转马达和行走马达，通过转台的转动和履带的行走使工作装置达到需要挖掘的位置，同时对操作杆进行操作使动臂油缸的有杆腔进油使动臂油缸收缩，在动臂下降到铲斗接触挖掘面时，就能开始操作斗杆缸和铲斗缸，斗杆缸和铲斗缸由无杆腔进油，使油缸伸长，铲斗就能进行挖掘和装置动作了。铲斗装满后，先停止斗杆缸和铲斗缸的动作，再操作动臂油缸使油缸无杆腔进油，动臂缸伸长，整个工作装置向上移动，接着启动行走马达和回转马达，工作装置移动到卸载的位置，然后操作铲斗油缸和斗杆油缸使有杆腔进油，油缸收缩，铲斗翻转进行卸载。之后挖掘机再回转到挖掘位置进行循环挖掘作业。而在实际挖掘作业中，由于挖掘工况、土质情况和液压系统等这些因素的不同，反铲挖掘机在进行工作时三个油缸的循环动作是多样和随机的，要根据实际情况和经验来灵活运用。上述过程一般只是一种理想化的工作过程。小型单斗液压挖掘机的工作装置可以看做是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸以及曲柄连杆机构所组成的具有三个自由度的六杆机构工作装置的结构图4-2，可以进一步简化的工作装置结构简化图如图4-2所示。1-动臂油缸；2-动臂；3-斗杆油缸；4-斗杆；5-铲斗油缸；6-曲柄；7-连杆；8-铲斗图4-2工作装置结构简图Fig.2-1 Working device structure diagram小型液压挖掘机经下面的结构简化以后就是一组平面连杆机构，其自由度为3，也即挖掘机工作装置的工作位置是由动臂油缸的长度L1、斗杆油缸的长度L2和铲斗油缸的长度L3决定的，当L1、L2、L3这三个数值为某一确定的值时，挖掘机工作装置的几何位置也就确定了。4.2 液压缸参数化设计表4-1 XE40参数Tab.2-6The parameter of XE40项目名称单位数值型号操作重量kg4050铲斗容量0.14发动机发动机型号/4TNV88直喷/冲程/水冷/涡轮增压/缸数/4发动机输出功率Kw/rpm27.6/2200最大扭矩/转速Nm142/1320排量L2.19主要性能行走速度km/h4.2/2.6回转速度r/min13.5爬坡能力30接地比压kPa36.3铲斗挖掘力kN23.2斗杆挖掘力kN19.3最大牵引力kN33.9主泵额定流量L/min1110+11主安全阀压力MPa21行走系统压力MPa21回转系统压力MPa21先导系统压力MPa3.9油类容量燃油箱容积L65液压油箱容积L70发动机机油容量L7.4外形尺寸A总长mm5455B总宽mm1650C总高mm2440D转台宽度mm1500E底盘总宽mm1635F履带宽度mm300G轮距mm1721H轨距mm1335I配重离地间隙mm578J最低离地间隙mm350推土铲（宽/高）mm1650300工作范围A最大挖掘高度mm5317B最大卸载高度mm3700C最大挖掘深度mm3600D最大垂直挖掘深度mm2580E最大挖掘半径mm5810F最小回转半径mm2385推土铲最大提升高度mm255推土铲最大掘地深度mm375标配动臂长度mm2795斗杆长度mm1600斗容m0.144.2.1 液压缸速度计算及流量选择液压缸速度的选择要适当。如果速度过高的话就会让里面的密封件的过热从而发生磨损现象，这样的话就可能让活塞杆、导向套还有缸筒发生磨损。要是速度太低了，就容易发生爬行等不稳定的现象。如果采用橡胶的密封件进行密封时，液压缸的最高速度最好不要超过（24-30）m/min 即（0.4-0.5）m/s，同时也不要低于6m/min(0.1m/s);根据同类挖掘机液压缸的速度来取值是一个比较稳妥的方法。现取液压缸速度V=0.2m/s1 液压缸参数的确定要做以下工作：1） 要初步选择液压缸的工作压力MPa2） 根据公式计算出液压缸的内径D和活塞杆的外径d3） 对活塞杆的稳定性和强度进行校核4） 对液压缸的油口直径进行计算5） 液压缸的工作行程选择6） 液压缸的安装距选择7） 最小导向长度的选择8） 缸体总长度的确定9） 液压缸强度的计算10）液压缸稳定性的校核4.2.2 液压缸工作压力的确定在液压缸的工作中，它的压力大小主要是看液压设备的类型来选择的，要是它们的用途不同，因为工作条件的不同，采用的压力范围也是不同的。在设计时，可以用类比法进行确定，初步选择液压缸工作压力为=16MPa。（确保液压缸的输出力。包括推拉力，行程和往返运动速度都必须满足要求。液压缸的额定的工作压力要根据我们选的液压泵的额定压力的70%来计算。一般挖掘机液压泵的额定工作压力为34-35MPa，峰值能达到40MPa。）4.2.3 液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 （4-1） （4-2） 式中 液压缸的工作压力 液压缸回油腔的背压力，根据表4-2进行估计=1MPa； 活塞杆直径与液压缸内径的比，根据表4-3进行选取=0.7； 工作循环中的最大外负载力表4-2 执行元件背压的估计值Tab.4-2Estimates of actuators back pressure系 统 类 型背 压 (MPa)中、低压系统08MPa简单和轻载的节流调速系统0.20.5回油路上带有调速阀的调速系统0.50.8回油路上带背压阀0.51.5带补油液压泵的闭式回路中0.81.5中高压系统816MPa带补油液压泵的闭式回路中比中低压系统高50%100%高压系统1632MPa如锻压机械等初算时背压可忽略不计表4-3 d/D的值Tab.4-3The numerical of the d/D根据机床类型选取 d/D根据液压缸工作压力选取 d/D机床类别d/D工作压力p/MPad/D珩磨床、磨床及研磨床0.20.320