挖掘机的液压系统设计与仿真计算说明书.docx

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1、摘要液压系统是目前挖掘机必不可少的组成部分，液压系统通过改变压强增大作用力来工作。完整的液压系统包括：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。挖掘机的工作环境复杂多变，所以对于液压系统提出了很高的设计要求。在搜集国内外液压系统相关资料的基础上，了解其发展过程，分析总结了液压挖掘机的技术发展动态,了解液压挖掘机液压系统的结构。液压挖掘机由多个系统组成， 包括液压系统、传动系统、操纵系统、发动机、油箱、转台等等。本设计从分析液压挖掘机的基本原理出发，分析了液压挖掘机的结构，工作原理，油路控制，从而确定了液压挖掘液压系统的设计方案，并对所设计的液压系统进行了模型建立，到模型仿真，以确保所设计

2、的液压系统的安全可靠，结构优良，价格经济。本设计还细致分析了液压挖掘机的液压元件的选型，与设计计算，采用的 CAD 设计出了液压挖掘机的原理图，运用了 simulationx 进行的模型建立与仿真，确保了所建立的模型的正确性。运用 simulationx 建立系统模型的与仿真这是本设计的一大特点。关键词：液压系统液压挖掘机液压元件I / 76SummaryThe hydraulic system is an integral part of excavator， hydraulic system is to work by changing the pressure to increase t

3、he force. The intacthydraulicsystemisincluding:powercomponents,the implementation of components, control components, auxiliary components and hydraulic oil. Theexcavatorworkingenvironmentiscomplex and changeable, so it isveryhighrequirementofdesignto hydraulicsystem.In the collection of domestic and

4、 foreign hydraulic system on the basis of relevant information, understanding of its development process, analyzed and summarized the technology development of hydraulic excavator. Understand hydraulic excavator hydraulic system structure. Hydraulic excavator is composed of a plurality of system com

5、ponents, including the hydraulic system, drive system, control system, engine, fuel tank, table and so on. My design focused on the design of hydraulic system of excavator.Keywords: hydraulic systemexcavatory目录第一章绪论11.1 挖掘机的简介11.2 国内外的发展趋势21.2.1 国内发展趋势21.2.2 国外发展趋势21.3 本设计的主要内容31.3.1 了解液压挖掘机液压系统的结构3

6、1.3.2 挖掘机液压系统设计要求3第二章液压挖掘机结构与工作原理52.1 液压挖掘机的系统组成52.1.1 动力系统52.1.2 液压系统52.1.3 机械系统52.1.4 控制系统62.2 液压挖掘机传动原理6第三章挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定73.1 液压系统的工况分析73.1.1 挖掘工况分析83.2 挖掘机液压系统的设计要求83.2.1 满斗举升回斗工况分析103.2.2 卸载工况分析103.2.3 空斗返回工况分析113.3 挖掘机液压系统的设计要求113.3.1 动力性要求113.3.2 操纵性要求113.3.3 节能性要求123.3.4 安全性要求123.3.5

7、其它性能要求123.4 液压系统方案拟订13第四章液压系统的设计144.1 确定油缸所受的作用力144.1.1 铲斗油缸作用力的分析144.1.2 斗杆油缸作用的确定164.1.3 动臂油缸作用力分析184.2 各油缸尺寸的确定194.2.1 铲斗油缸工作压力的确定194.2.2 缸径 D 和油塞杠直径d 的确定194.2.3 缸壁厚和外径的计算204.3 斗杆油缸尺寸的计算214.3.1 由铲斗油缸计算步骤知斗杆缸受力平衡214.3.2 缸壁厚和外径的计算214.4 动臂缸的尺寸计算214.4.1 由铲斗油缸计算步骤知动臂油缸受力平衡214.4.2 缸壁厚和外径的计算214.6 各液压缸和马

8、达流量的确定234.6.1 每个缸的流量计算234.6.2 回转马达的流量的计算及选型234.6.3 行走马达的选用244.6.4 主回路液压泵的选择254.7 管路油管的选择254.7.1 油管内径的确定254.7.2 管接头的选择264.7.3 螺塞的选用264.8 液压油箱的确定264.8.1 液压系统的发热和升温的验算274.9 液压装置的结构设计274.9.1 阀集成款28第五章挖掘机液压系统模型的建立与仿真295.1 关于仿真软件Simulationx295.1.1 Simulationx 的简介295.1.2 S 在液压系统中的应用305.2 在Simulationx 中选取液压

9、元器件305.2.1 液压元器件的选取305.2.2 其他各种元件的选取335.3 挖掘机液压系统仿真模型的建立365.3.1 草图的绘制365.3.2 元器件参数的设置375.3.3 仿真模式415.4 仿真的结果415.4.1 液压泵的仿真曲线425.4.2 内燃机的仿真曲线425.4.3 控制铲斗缸的三位四通换向阀的仿真曲线435.4.4 液压缸的仿真曲线435.4.5 控制液压马达的三位四通阀的仿真曲线445.4.5 回转马达的仿真曲线445.5 挖掘臂的局部仿真455.5.1 元件的参数设置46结论48参考文献49致谢50第一章绪论作为具有多功能这一特性的机械，液压挖掘机被广泛使用于

10、交通运输，矿山采掘和电力工程等施工中，挖掘机减轻了作业难度，提高作业效率，加快建设速度以及提高劳动生产率方面表现出十分显著的作用。具有多种品种、多功能、高质量及高效率等特点的液压挖掘机，受到了施工作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造也日益发展起来。液压挖掘机和液压传动密不可分，液压技术是其发展的基础。液压挖掘机的结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，恶劣的工作条件，加上要实现复杂的动作，因此它对液压系统的设计提出了很高的要求，所以对挖掘机液压系统的分析设计已经成为推动挖掘机发展的关键环节。1. 铲斗缸 2.斗杆缸 3.动臂缸 4.回转马达 5.冷却器 6.滤油器

11、 7. 磁滤器8.油箱 9.液压泵 10.背压阀 11. 后组合阀 12.前组合阀 13.中央回转接头14.回转制动阀 15.限速阀 16.行走马达图 1 液压挖掘机整体系统图1.1 挖掘机的简介从第一台挖掘机的诞生，距今挖掘机历史已有 130 多年，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到应用机电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 年代诞生了悬挂式挖掘机，灵感来自于在拖拉机配装液压反铲。拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机相继在50 年代中期研发出来。进入到 20 世纪 60 年代，液压挖掘机进入了发展的黄金阶段， 各国

12、挖掘机制造厂产量猛增，并且品种越发的多。1.2 国内外的发展趋势1.2.1 国内发展趋势我国的挖掘机发展较晚，1954 年抚顺挖掘机厂才生产出第一台机械式单斗挖掘机， 至今，技术仍比较薄弱。建国初期，从仿制苏联的挖掘机开始了我国挖掘机生产过程。由于发展经济的需要， 先后共建立起十多家挖掘机制造厂。从 20 世纪 60 年代开始，我国开始液压挖掘机的研发。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00 型、贵阳矿山机器厂的W4-60 型、合肥矿山机器厂的 WY60 型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的 WYl60 型杭州重型和机械厂的 WY250 型挖掘机等。他们是中国液压挖掘机发展道路上

13、的重要里程碑。到 20 世纪 80 年代末，制造厂已达到 30 多家，品种更是已由 40 多种。斗容在 0.12.5 立方米的挖掘机已成系列，船用和水路两用的特种挖掘机也相继诞生。但是总的来说， 和国际水平相比较，我国的挖掘机发展仍处于小规模，技术薄弱阶段。通过改革开放， 国外先进技术的引进，促进了我国挖掘机的发展。其中合肥、上海、长江等挖掘机厂引进德国利勃海尔公司的 A 型、R 型液压挖掘机制造技术。相继杭州重型机械厂引进德国德玛克公司的 H55 和 H85 型液压挖掘机生产技术，还有山东推土机总厂、黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的PC100、P

14、C120.PC200、PC220.PC300、PC400 型液压挖掘机的全套制造技术。这些厂通过技术的引进、消化、吸收，全面的提高了国产液压挖掘机的性能，产量也逐年提高。1.2.2 国外发展趋势发达的工业国家，挖掘机的发展很早，这些国家主要生产斗容量3.5-40 立方米的单斗液压挖掘机，并且从 20 世纪 80 年代就开始生产各种大型挖掘机。比如，美国马利昂公司研制的步行式拉铲挖掘机，此大型挖掘机的的斗容量达到 130 多立方米。还有剥离式挖掘机，此挖掘机的斗容量已达 150。伊利公司制造的步行式挖掘机，该种挖掘机的斗容量是恐怖的 107 立方米。从 20 世纪后期开始，发达国家挖掘机的发展趋

15、势变为大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化。1) 研发多功能化的挖掘机。为满足市场需要，国外开始研发特型挖掘机，此类挖掘机以小著称，斗容量仅为 0.01 立方米左右。中小型挖掘机的发展趋势开始向一机多能的方向发展，为了满足多样的作业需求，配备了多种装备，适用于抓、装、拉、铲等等作业动作。并且相继诞生了一些适用于特殊场合的特种挖掘机。3)大力研制全液型挖掘机，采用最前沿的技术不断改进和革新控制方式， 使液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵等操纵方式逐步取代简单的杠杆操纵。在危险地区，如水下作业将采用无线电操纵，利用电子计算机接收器和激光导向相结合的技术，实现作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘

16、机的全液压化是其基础和创造的前提。2) 重视先进的技术，现代化工艺和新结构，挖掘机生产规模更具标准化。例如， 采用发动机自动转速调整装置的挖掘机，来自于德国阿特拉斯公司制造。确保挖掘机在最合适的速度下完成动作。贝尔特公司采用了全自动液压系统，使新 C 系列 LS 型液压挖掘机得到了更优越的操纵特性，该系统可以根据需要调节流量的供应，大大的提高了生产效率。日本住友集团在新研制的挖掘机上采用功率控制系统，该系统运用了计算机技术，不仅节省了燃料，发动机和液压功率也很大程度的得到了节省，使零部件的寿命得到增加。德国挖掘机公司率先采用了带有合流性质的油泵自动调节系 统，工作效率得到最大限度的提高。智能调

17、节系统被日本神钢挖掘机公司运用在新型液压机上，使各种难度的作业操作变的简单明了。ECO(电子控制作业)技术被德意志利勃海尔公司研制出来，作业性能可以视情况调整，取得了高效率、低油耗的效果。1.3 本设计的主要内容1.3.1 了解液压挖掘机液压系统的结构挖掘机结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，由于挖掘机的工作环境恶劣，需要完成复杂的动作，所以液压系统的设计要满足很苛刻的要求，液压挖掘机的液压系统也是其他工程机械液压系统中最为复杂的 1。1.3.2 挖掘机液压系统设计要求液压挖掘机一个工作循环分为四种工况：挖掘、满举回转、卸载和卸载返回。进行详细的分析，总结各个

18、工况各执行元件的主要复合动作，根据它们的工作特点，分析液压挖掘机的系统设计要求：动力性要求和操纵性要求2。.1.3.3 挖掘机液压系统模型建立与仿真本系统采用 sim 软件建立液压挖掘机的液压系统模型，该模型由回转马达，动臂， 斗杆，铲斗，铲斗连杆机构组成。并根据斗杆油缸行程，铲斗油缸行程，回转速度， 行走速度，工作装置压力，行走系统压力，回转系统压力，回转系统压力，伺服系统压力，及爬坡度等，对液压元件液压泵，液压马达，液压缸，控制阀进行合适的选择。然后将各个液压参数输入对应的液压元件进行仿真。通过比较 sim 模型执行元件的输入值和输出值验证模型的合理性。第二章液压挖掘机结构与工作原理2.1

19、 液压挖掘机的系统组成液压挖掘机可分为:动力系统、液压系统、机械系统、控制系统，如图2.1 所示。作为一个有机体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有这密切关系，必然也离不开液压系统、控制系统等性能的优劣。2.1.1 动力系统挖掘机工作环境温差大，土石沙粒较多，负荷变化范围大，经常倾斜工作，维护条件恶劣。因此液压挖掘机原动力的第一选择就是柴油机，因为柴油机具有功率特性曲线硬、可靠、燃油经济等特点。2.1.2 液压系统液压传动系统用来实现挖掘机的回转、行走和工作装置的运动等等动作，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，液压泵将压力油单独或同时送往液压执行元件

20、来驱动执行机构工作。液压挖掘机的各种主要动作都依靠液压传动来实现。根据各种运动的需要，有机的连接起液压元件和油管，它们组成的一个整体即是液压系统。这个整体的功能就是用油液当做介质把机械能通过油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等再转变为机械能，再传动各执行机构，以实现各种运动3。2.1.3 机械系统机械系统弯沉挖掘机的各种动作，主要包括行走装置、回转机构还有工作装置。行走装置将要负担起支撑整个机械的重量，并且能够保证挖掘机可以小范围内行驶。根据结构不同可分为轮胎和履带式。回转机构可以确保挖掘机上半部分绕着回转轴作360 度回转。挖掘机作业过程所用到的主要装置是工作装置，常用的装置有正、反铲、起

21、重、装载等装置，并且不同的结构形式可以适用于同一装置上，实际运用中，反铲装置得到了广泛的喜爱4。2.1.4 控制系统液压挖掘机控制系统用来控制发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液压马达)。电子计算机技术的快速进步，使得挖掘机的控制系统得到了先进的技术支持，促使液压挖掘机的研究重点正逐步向智能化控制系统方向转移。2.2 液压挖掘机传动原理液压挖掘机通常采用三组液压缸从而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平台运动，所以使铲斗运动范围扩大到有限的空间。再通过行走马达驱动行走，挖掘空间间断性的得到扩大，从而满足复杂的作业动作要求。连杆原理被挖掘机应用于

22、工作装置上，各部分动作的完成依赖于油缸的伸缩。工作装置由三组液压缸、斗杆、动臂等组成。转台上铰接着动臂的一个铰点，动臂油缸控制着动臂及整个工作装置的运动。依靠斗杆缸的伸缩实现斗杆围绕动臂铰点运动。斗杆末端铰接着铲斗，通过铲斗缸伸缩和连杆运动决定铲围绕铰点运动。在作业时， 首先需要连接好回转马达，转动转台，使铲斗回转到作业位置，并且还要操作换向阀使动臂缸小腔流进油液完成液压缸收缩运动，此时当铲斗接触到土石时，继续操作斗杆缸及铲斗缸，两个液压缸因大腔流进油液从而伸长，从而驱动铲斗运动作业。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停止动作并操纵动臂缸大腔进油，动臂抬起，同时接通回转马达，使工作装置回转到卸载位置，

23、再操纵铲斗缸和斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。在实际挖掘作业中，由于挖掘机环境和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可以采取多样的配合形式7。第三章挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定要着手液压系统的设计，首先要做到对其工作特性和作业要求的分析和总结，了解各元件在工作时的流量需求情况，对功率和力的需求，以及多个液压作用元件之间相互配合运动所满足的要求和油泵对于流量和功率怎么同时分配给各液压元件的问 题。3.1 液压系统的工况分析挖掘机的基本运动包括以下动作(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。除了辅助动作不需要全功

24、率驱动，其它类型挖掘机动作，都要考虑全功率驱动8。1-动臂升降2-斗杆收放3-铲斗装卸4-转台回转5-整机行走图 3.1 液压挖掘机基本运动3.1.1 挖掘工况分析挖掘过程主要以铲斗缸或斗杆缸分别单独动作来实现，或两者复合动作，有时还需要配以动臂液压缸的动作。挖掘机在平整土地或切削斜坡时，需同时操纵动臂和斗杆，以确保斗尖沿直线运动，如图 3.2，3.3 所示。此时斗杆收回，动臂抬起，斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以保证彼此动作独立，互不干扰，并要求泵的供油量要小，使油缸动作慢，易于控制。如果要使铲斗保持一定角度作业，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成此复合动作，如图 3.4,3.5 所示

25、。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3.2 挖掘机液压系统的设计要求液压挖掘机需要做很多复杂的动作，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等，具有多种自由度。这些主要机构需要经常实现起动、制动、换向等动作，所以其外负载变化很大，造成更多的冲击和振动，因此挖掘机的液压系统的性能要求非常之高。根据液压挖掘机的工作特点，在设计液压系统时需要考虑如下几点:双泵合流可以很好的提高挖掘机速度，所以斗杆挖掘机时多采用双泵合流，当然个别系统也会采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。以下我们用三泵系

26、统为例，来说明机械在做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。液压马达使回转平台转到卸土处，此时主要是由动臂和回转平台配合所完成的复合动作9。当斗杆和铲斗相配合做复合动作挖掘时，供油情况如图 3.6a 所示。当斗杆油压接近溢流阀的压力时，溢流出的油液会同时供给铲斗有效利用。当斗杆和动臂复合动作挖掘时，动臂的作用是调节挖掘位置，挖掘动作主要由斗杆完成，因此采用斗杆优先合流、双泵供油，如图 3.6b 所示。图3.6 三泵供油系统示意图当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为防止同一油泵同时向不同的液压元件供油产生油压不稳的情况，该系统采用每个油泵单独给一个液压元件供油。对于双泵系统， 其在

27、做复杂运作时各个液压元件间发生流量分配不合理的可能性要比三泵系统大，所以采用流量分配措施很必要，两泵的流量分配和三泵系统类似。挖掘机要实施非水平角度作业时，为了保证效率，回转力是必不可少的，因此回转马达需要提供液压油以完成动作。当需要一直让铲斗紧贴斜壁进行作业时，斗杆缸和回转马达需要同时进油，实现缸同时运动。由于同一油泵提供压力油，所以要求运用回转优先油路，保证铲斗能正常的贴住斜壁，否则机械难以进行工作。节流效应取决于回转压力，压力越大，效应越大。此时斗杆缸液压油回油压力将会持续增高，液压泵提供液压油的压力也随之增大。伴着操纵杆移动距离的增大，回转力随着回转马达油压的增大而增大。挖掘过程中难免

28、会遇到坚硬的物体，此时需要瞬间得到较大的挖掘力，所以要求动力元件能瞬间暂时增压，使主压力阀得到较大的压力。3.2.1 满斗举升回斗工况分析作业完成后，动臂油缸收缩将动臂抬起，满斗举升，回转平台随着液压马达的作用旋转到卸载处，此动作由回转马达和动臂配合完成。动臂以及铲斗要求自动停留在一个合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对于装卸车的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系必须有可调性。卸载回转角度越大，则要求回转速度越快些，此时要求动臂的提升速度得慢些。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，此时需要把溢流出的油液提供给

29、动臂，如图 3.7a 所示。在回转和动臂提升的同时，斗杆要向外放置，有时，因为环境的影响还需调整铲斗。这些动作是由回转马达、动臂、斗杆和铲斗配合完成。由于满斗提升时动臂油缸压力增加到很高，变量泵只能得到很小的流量，为了使动臂提升、回转、斗杆外放相互正常的配合动作，需要由一个油泵专门向动臂油缸供油，以保证压力的平衡，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油缸，如图3.7b。但是由于动臂提升时油压较高，避免损坏单向阀，所以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 3.7c 所示。各个油泵分别向对应的一个液压作用元件供油，复合动作时并

30、不会相互干扰。3.2.2 卸载工况分析回转至卸载位置时，制动转向台，通过斗杆调节，铲斗油缸伸缩完成卸载动作。为了调整卸载位置，还需要动臂配合。卸载时，主要是斗杆以及铲斗配合动作，加以动臂运动。图 3.7回转举升供油情况3.2.3 空斗返回工况分析卸载动作完成后，转台转动，同时动臂缸及斗杆缸复合动作，把空斗放到新的作业位置。该工况需要三者相互合作完成动作。由于受到重力作用，尤其是动臂下降过程中，压力变低，变量泵得到较大流量，使得下降快，并需要以很快的速度回转，因此完成该工况动作时，回转马达将会得到一个油泵的所有流量，另一油泵的大部分油供给动臂，其余部分油经节流阀供给斗杆，如图 3.8 所示。发动

31、机在低转速时油泵供油量较小，为了防止动臂因受重力迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，需要采用补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。图 3.8空斗返回供油情况3.3 挖掘机液压系统的设计要求挖掘机需要完成很多繁复的动作，且具有多种机构，如行走、回转、工作机构等， 此机械具有多自由度的特能。所有机构经常要承受较大范围的负载冲击以及振动。所以液压系统的设计需要达到很高的规格才能满足当今挖掘机的苛刻条件。依据挖掘机的工作特性，需做到以下几点。3.3.1 动力性要求确保发动机在没超过最高功率的前提下，最大限度的利用其功率，使生产效率最大化，这就是所说的动力要求。液压系统要做到与发动机的完美匹配，

32、尤其是在外负载不断变化的情况下。确保当负载比较小时，实现油泵的大流量输出，增快执行元件的速度。在双泵系统中，合流方式很好的增大了发动机的工作效率。3.3.2 操纵性要求（1） 调速性要求调速的性能优劣程度对于挖掘机来说具有很重要的作用，怎样实现机器方便的顺从人员的操作控制，每个元件的性能是否具有稳定可靠性，本就是液压系统设计中必不可少要考虑的问题。机械在挖掘作业中会承受很大的外载变化，截然不同的工作环境需要不同的功率，所以每个元件都需要有很高的性能。（2） 复合操纵性要求挖掘动作中每个执行元件都可以单独动作，更多的时候需要相互配合以完成复杂的作业动作，因此考虑怎样完成多个执行元件互不影响的复杂

33、运动也是挖掘机液压系统操纵性并不可少的一面。互补影响运动，是多个执行元件配合一起动作的前提，要实现互补干涉完成动作， 必须解决好流量的合理分配。对于行走机构，如何实现左、右马达的相互配合动作更需要引起高度重视。在行驶动作中，如果油液供应得不到满足，将会导致两侧马达得到不同的行驶速度，造成挖掘机跑偏，很大程度上增加了安全隐患。另外，当多执行元件同时动作时，各操纵阀都在最大限度下作业，往往会出现油泵的最大供油量满足不了系统所需要的总流量，此时因压力油由于优先供给低压执行元件，这样高压执行元件就会出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，调节多执行元件共同作用时流量分配问题也是液压系统设计需着重考虑的

34、问题。3.3.3 节能性要求挖掘机工作时间长，能量消耗大，所以液压系统需要较高的工作效率，此时就要降低各个执行元件和管路的能量损耗，因此挖掘机液压系统设计中应做好各节能措 施。当对各个执行元件进行调速控制时，油泵的输出流量大于系统所需的总流量，所以有一部分的流量将会损失掉。出于效率，损失越小越好。当挖掘机处于空载状态下时，怎样降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，都是降低能量损耗的关键所在10。3.3.4 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，挖掘机的使用寿命需经历很大的考验，所以其液压系统要具有良好的过载保护措施，以防止油泵过载和因外负载冲击而造成额外的损伤。3.3.5 其它

35、性能要求对各个液压作用元件的损伤保护，回转机构和行走装置可靠出现的制动和限速问题，以及防止动臂因重力作用快速下降和整机超速溜坡等现象。要实现各液压元件的标准化，系类化，可以降低挖掘机的制造成本。液压挖掘机作业环境恶劣，各功能部件必须具有很高的可靠性和耐久性。由于挖掘机在建设施工中得到越来越多的青睐。提高挖掘机的性能，降低振动和噪音，环保性等人性化的设计理念也越来越得到人们的重视。3.4 液压系统方案拟订(1) 液压挖掘机一个工作循环可分为四种工况：挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况和卸载返回工况。在详细分析各工况的基础上，分析各执行元件在不同工况下的配合动作后提出初步方案。(2 )依据其工作

36、特点，总结设计要求。(3 )提出一种简洁、客观的液压系统的研究方案，并且详细的介绍设计步骤。第四章液压系统的设计表格1 主要参数动臂长度mm3520斗杆长度mm1520摇杆长度mm320最大挖掘半径m6.7最大挖掘高度mm7.8最大挖掘深度m6.6最大卸载高度m5.7铲斗容量m 3主机长/宽度m0.20履带平均接地比压Mpa0.470.36回转速度rmp最大挖掘力 Km系统工作压力Mpa12.13525履带板宽度m0.6整机重量（带推铲/不带推铲） Kg8350/81504.1 确定油缸所受的作用力4.1.1 铲斗油缸作用力的分析反铲装置载作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗油缸

37、设计的依据。最大挖掘深度时能保证具有最大挖掘力来分析确定铲斗油缸的作用力。此时计算位置为动臂下放到最低位置，铲斗油缸作用力与斗杆铰点的最大力臂。铲斗机构作用力分析的过程中，一定要明确，铲斗的作用力的来源及其方向，这样才能计算分析出铲斗的作用力。图 4.1 铲斗油缸作用力分析由图计算铲斗油缸作用力为：FlF =1max C（4-1）dl1式中l 铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（摇臂长度）1l - FC1max对铲斗与斗杆铰点 C 的力臂已知l =1200 mml 1=320 mmC135 1200F = Fdd=320=506.25 KN这时斗杆及动臂油缸处于封闭状态，斗杆油缸封闭力 F

38、/ g 应满足：Fl + F l /F / g 1max B2 Bl2(4-2)式中l2 斗杆油缸闭锁力 F / g 对斗杆与动臂铰点 B 的力臂l - -FB1max对斗杆与动臂铰点 B 的力臂l / - -F 对斗杆与动臂铰点 B 的力臂B2F 挖掘阻力的法向分力， F22= 0.2 F1max已知l2=320 mmlB=3500 mml / =550 mmBF = 0.2 F21max=27 KN/Fl+ F l /1353500 + 27 550F g 1max Bl22 B=320=1522.97 KN动臂油缸闭锁力 F / 应满足bFl + F l /F / b1max A2 Al

39、3(4-3)式中l3动臂油缸闭锁力 F / 对铰点的力臂bl - -FA1max对动臂下铰点的力臂l / - -F 对铰点的力臂A2已经l3=300 mmlA=5800 mml / =4400 mmAFl + F l /135 5800 + 27 4400F / b1max Al32 A=300=3006 KN4.1.2 斗杆油缸作用的确定当挖掘机以铲斗挖掘时，其最大挖掘力则由斗杆油缸来保证。斗杆油缸最大作用力的计算位置为动臂下方到最低位置，斗杆油缸作用力对斗杆与动臂铰点有最大力 臂，即对斗杆产生最大作用力距，并使斗齿尖和铰点B ，C 在一条直线上，如下图所示。图 4.2 斗杆油缸作用力分析与

40、前面推导斗杆油缸作用力一样，此时斗杆油缸作用力为：Fl1353500F =1max B =1476.56 KNgl3202而铲斗油缸及动臂油缸处于闭锁状态，所以铲斗油缸闭锁力 F / 应满足：dFl135 1200F / d1max Cl1=320=506.25 KN动臂油缸闭锁力 F / 应满足：dF / dFl1max+ F l /A2 Al3= 135 5800 + 27 4400300= 3006 KN斗杆最大挖掘力也受到挖掘机稳定性条件的限制。当以斗杆油缸进行挖掘时，由于作用力臂的变化、结构自身的影响及铲斗相对斗杆位置 的变化，斗杆挖掘机力也相应的变化6。4.1.3 动臂油缸作用力分

41、析动臂油缸作用力，即最大提升力，以能提升铲斗内装满土壤的工作装置至最大卸载距离位置进行卸载来确定，其计算简图如下图所示。图 4.3 动臂油缸作用力分析此时动臂油缸作用力为：1F （ G l+ G l+ G l）(4-4)bldt dA3g gAb bA式中Gdt铲斗及其装载土壤重力G 斗杆所受重力GG 动臂所受重力bl铲斗质心到动臂下铰点 A 的水平距离dAl斗杆质心到动臂下铰点 A 的水平距离gAl动臂质心到动臂下铰点 A 的水平距离bAG dt 2 103 N + mg ，选取 G g 4.3 103 N ， Gb 5.14 103 N ， ldA 5.8 m ，l g A =4.8 m

42、, lbA =1.2 m ， l 3 =0.3 m 。其中铲斗的重力为1.5 103 N，根据公式m = r VS(4-6)VV kR S(4-5)r=rkS式中m 装载土壤的质量（ kg ）V 平均有效斗容量（ m 3）s(4-7)d 铲斗充满系数（ m 3），根据工作环境，选择充满系数为 1r 自然情况下土壤的密度，根据工作环境，选择r = 1750 kg m -3r S疏松后的土壤密度k S 土壤的松散系数，根据工作环境，取 k S = 1.35代入数据，求得：r= 1296.3kg m-3m = 259.3kgsbF = (26.64 + 20.64 + 6.18) x103 0.3

43、= 363 103 N4.2 各油缸尺寸的确定4.2.1 铲斗油缸工作压力的确定根据任务书确定系统工作压力为 25 Mpa 。4.2.2 缸径 D 和油塞杠直径 d 的确定挖掘机液压缸均为单活塞杠液压缸，其原理图如下所示表格 3 按工作压力选择d / D工作压力7.0d/DO.5-O.55O.62-O.70O.7由受力平衡得pFpD2 p =+ （D2 - d 2）p41 hcm42式中p1液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力p = p1p= 25 Mpap 2 液压缸回油腔背压，可取 p= 1Mpa1d / D活塞缸直径与液压缸内径之比，按表取d / D =0.7F 工作循环中最大的负载，此处F = Fd =506.25KNh cm液压缸机械效率，一般取h 将上式代入缸受力平衡方程式得=0.9cmD =0.17 m =170 mm则d =0.7170=