挖掘機液壓系統(tǒng)設計及工作裝置

1、湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書題 目： 挖掘機液壓系統(tǒng)設計及工作裝置 學 院： 興 湘 學 院 專 業(yè)： 08機械設計制造及其自動化 學 號： 2008963023 姓 名： 全 小 張 指導教師： 周 里 群 完成日期： 2012-5-30 湘 潭 大 學 興 湘 學 院畢業(yè)論文（設計）任務書論文（設計）題目： 挖掘機液壓系統(tǒng)設計及工作裝置 學號： 2008963023 姓名： 全 小 張 專業(yè)：機械設計制造及其自動化指導教師： 周 里 群 系主任： 周 友 行 一、主要內容及基本要求 主要內容：1、對挖掘機進行結構分析。 2、繪制挖掘機的液壓系統(tǒng)原理圖。 3、設計挖掘機工作裝置的液壓系統(tǒng)。

2、 基本要求：1、必須獨立完成畢業(yè)設計工作 2、按制圖標準設計多功能液壓系統(tǒng)圖和有關零件的零件圖，圖紙為1:1， 畢業(yè)設計圖紙總工作量不少于2張零號圖紙 3、按學院畢業(yè)設計的書寫嚴格要求，撰寫設計說明書，畢業(yè)設計說明書 不少于2000字。 4、每個學生應完成與畢業(yè)設計有關的3000-5000個文字的外文翻譯，澤文 要求準確、文字流暢。 二、重點研究的問題挖掘機液壓系統(tǒng)方面的技術多種多樣，本文主要通過國外幾種知名品牌的挖掘機液壓 系統(tǒng)為參考對象，對其現有的關鍵技術和控制方式進行比較和研究為挖掘機的液壓。 系統(tǒng)設計提供一定的參考信息：(1) 挖掘機液壓系統(tǒng)技術發(fā)展動態(tài)的分析研究。 (2) 挖掘機液壓

3、系統(tǒng)設計要求。 (3) 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計。 三、進度安排序號各階段完成的內容完成時間1確定課題2012年3月上旬2搜集資料，完成開題報告2012年3月上旬3挖掘機的結構確定2012年3月中旬4繪制挖掘機液壓系統(tǒng)圖2012年4月中旬5外文資料翻譯，撰寫設計說明書2012年5月上旬6畢業(yè)設計打印，撰寫答辯提綱準確答辯2012年5月下旬78四、應收集的資料及主要參考文獻 1張云電、雷天覺。液壓工程手冊M。北京：工業(yè)機械出版社，2011 2楊培元，等，液壓系統(tǒng)設計簡明手冊M.。北京：工業(yè)機械版本社，1993 3官忠范，液壓傳動系統(tǒng)M。北京：工業(yè)機械出版社，1997 4李洪人，液壓控制系統(tǒng)M。北京：

4、國防工業(yè)出版社，1981 5劉春生，等，液壓綜合試驗臺的研制J，煤礦機械，1999 6周書、胡斌梁等，采煤機泵、馬達綜合試驗臺研究，液壓與氣動，1982 7郭華偉，液壓故障診斷專家系統(tǒng)研究，機床與液壓，2002 8魯建平，液壓系統(tǒng)廣義可靠性設計，機床與液壓，2001 9張鐵，液壓挖掘機結構原理及使用，東營：石油出版社，2002 10石輝榮，周春華，零件疲勞可靠性計算理論的改進，鐵道學院學報，2001 11周大力，工程機械結構現代強度設計方法的研究，工程機械，1995 12雷天覺，新編液壓工程手冊。北京：理工大學出版。1998 13徐灝，機械設計手冊(第四卷)。北京:機械工業(yè)出版社。1992 湘

5、 潭 大 學 興 湘 學 院畢業(yè)論文（設計）評閱表學號 2008963023 姓名 全 小 張 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 挖掘機液壓系統(tǒng)設計及工作裝置 評價項目評 價 內 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經濟分析能力。論文（設計）質量1.立論是否正確，論述是否充分，

6、結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評 價 論文選題綜合性較強，基本符合機械專業(yè)培養(yǎng)目標和要求；題目難度適中，與工業(yè)生產實際結合較緊密。論文作者具有較強的查閱文獻和綜合歸納資料的能力，綜合應用本科所學知識能力一般；同時，論文作者計算機能力較好，英文水平及應用不錯；方案設計時有一定的經濟分析能力。論文立論正確，論述比較充分，整體結構尚可；設計與計算比較科學，技術用語比較準確，圖紙比較完備，但圖表不

7、是十分準確，引文比較規(guī)范。論文文字尚算通順，但觀點提煉不足，綜合概括能力一般，論文用一定的實際應用價值，但創(chuàng)新能力不是很強。評閱人： 年 月 日湘 潭 大 學 興 湘 學 院畢業(yè)論文（設計）鑒定意見學號： 2008963023 姓名： 全 小 張 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 47 頁 圖 表 10 張論文（設計）題目： 挖掘機液壓系統(tǒng)設計及工作裝置 內容提要：挖掘機作為我國工程機械的主力機種，被廣泛應用于各種各樣的施工作業(yè)中。挖掘機產品的核心技術就是液壓系統(tǒng)設計，由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現的動作復雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程

8、機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析設計對推動我國挖掘機發(fā)展具有十分重要的意義。在搜集了國內外挖掘機液壓系統(tǒng)相關資料的基礎上，了解了挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史，并對挖掘機液壓系統(tǒng)的技術發(fā)展動態(tài)進行了分析總結。論文對挖掘機的各種工況進行了分析，系統(tǒng)總結了挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求。根據挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求，論文中采用通用多路閥，配以專用控制閥和簡單的電子控制系統(tǒng)，設計了一套適合我國生產制造的LS恒功率控制單斗挖掘機液壓系統(tǒng)。本次畢業(yè)設計課題是WY200型液壓挖掘機，小型挖掘機由多個系統(tǒng)組成，包括液壓系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，操縱系統(tǒng)，工作裝置，底架，轉臺，油箱，發(fā)動機安裝等。本人的設計主

9、要致力于分析和設計小型液壓挖掘機工作裝置的液壓系統(tǒng)。本液壓挖掘機的優(yōu)點是采用伺服先導操縱系統(tǒng)，造型美觀，具備挖掘，抓物，鉆孔，推土，清溝和破碎等功能，平臺可360°旋轉，性能可靠，操作舒適，可廣泛應用于建筑，市政，供水，供氣，供電農林建設等工程。指導教師評語 該生基本上能按時獨立完成任務書中規(guī)定的任務，基本滿足教學要求。工作量飽滿?；旧夏塥毩Σ殚單墨I，綜合歸納和分析問題的能力較好。方案論證充分，設計計算 分析基本正確。翻譯較準確，圖紙較齊全，圖面質量符合國家標準。設計說明書內容正確，文字通順，格式規(guī)范。同意參加答辯，建議評定成績?yōu)?。指導教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯

10、小組組長： 年 月 日答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日目 錄1 前言71.1 挖機的簡介71.2 目前挖掘機的研究現狀及發(fā)展動態(tài)81.3 本設計的研究內容112 液壓挖掘機的工作原理和結構132.1 液壓挖掘機的性能132.2 液壓挖掘機的結構152.3 液壓挖掘機傳動原理163 液壓系統(tǒng)設計方案的確定與液壓挖掘機工況分析183.1 液壓挖掘機的工作情況193.2 挖掘機液壓系統(tǒng)設計要求243.3 挖掘機液壓系統(tǒng)分析253.4 液壓系統(tǒng)方案的擬訂264 液壓系統(tǒng)的設計274.1 液壓系統(tǒng)方案274.2 系統(tǒng)壓力的初選及執(zhí)行元件液壓缸284.3工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸294.4

11、液壓系統(tǒng)原理圖的制定325 液壓元件的選擇375.1 液壓泵的選擇375.2 柴油發(fā)動機的選擇395.3 液壓閥的選擇395.4 其他液壓元件的選擇425.5 油箱容量的確定456 壓系統(tǒng)性能驗算466.1 液壓系統(tǒng)壓力的損耗466.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升的計算47總 結53參考文獻53英文翻譯 5 4內容提要前言液壓挖掘機是一種多功能機械，目前被廣泛應用于水利工程，交通運輸，電力工程和礦山采掘等機械施工中，它在減輕繁重的體力勞動，保證工程質量。加快建設速度以及提高勞動生產率方面起著十分重要的作用。由于液壓挖掘機具有多品種，多功能，高質量及高效率等特點，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。液壓挖

12、掘機的生產制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。挖掘機液壓傳動緊密地聯系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎。由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現的動作很復雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析設計已經成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán)1。1.1挖掘機簡介挖掘機行業(yè)的發(fā)展歷史久遠，可以追溯到1840年。當時美國西部開發(fā)，進行鐵路建設，產生了模仿人體構造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機械手的挖掘機，它采用蒸汽機作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間挖掘機沒有得到很大的發(fā)展，應用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。導致挖掘機發(fā)展緩慢的主要

13、原因是:其作業(yè)裝置動作復雜，運動范圍大，需要采用多自由度機構，古老的機械傳動對它不太適合。而且當時的工程建設主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機的應用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機的發(fā)展。由于液壓技術的應用，二十世紀四十年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機。隨著液壓傳動技術迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術，挖掘機有了適合它的傳動裝置，為挖掘機的發(fā)展建立了強有力的技術支撐，是挖掘機技術上的一個飛躍 。同時，工程建設和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進行城市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置

14、，能行走、回轉，實現多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機得到了廣泛應用2。1950年在意大利北部生產了第一臺液壓挖掘機。第一臺液壓挖掘機采用定量齒輪泵，中位開式多路閥，工作壓力為9Mpa，所有執(zhí)行元件互相并聯連結。由單泵向6個執(zhí)行元件供油。由于早期液壓挖掘機主要采用了定量齒輪泵，不能按需改變供油流量，無法充分利用發(fā)動機的功率，因此其能量損失很大，不能滿足挖掘機復合動作的復雜要求，且可操縱性差。另外，早期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術，缺少適用于挖掘機各種工況的液壓元件，配套件也不齊全，制造質量不夠穩(wěn)定。從二十世紀六十年代到八十年代中期，液壓挖掘機進入了推廣和

15、蓬勃發(fā)展的階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機產量己經達到挖掘機總產量的83%，其時對挖掘機液壓系統(tǒng)的研究也已經十分成熟，液壓挖掘機已經具有了同步控制系統(tǒng)和負載敏感系統(tǒng)L。自第一臺手動挖掘機誕生以來的160多年當中，挖掘機一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術已經發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，對其控制方式不斷改進和革新，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現了挖掘機作業(yè)操縱的完全

16、自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了堅實的基礎，創(chuàng)造了良好的前提3。據有關專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有65%至70%的土石方工程都是由挖掘機完成的。挖掘機是一種萬能型工程機械，目前已經無可爭議地成為工程機械的第一主力機種，在世界工程機械市場上己占據首位，并且仍在發(fā)展擴大。挖掘機的發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎，其液壓系統(tǒng)已成為工程機械液壓系統(tǒng)的主流形式。隨著科學技術的發(fā)展和建筑施工現代化生產的需要，液壓挖掘機需要大幅度的技術進步，技術創(chuàng)新是液壓挖掘機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術方面，挖掘機產品的核心技術就是液壓系統(tǒng)設計，所以對其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現實意義。1.2國內

17、外研究現狀及發(fā)展動態(tài)1.2.1國外研究狀況及發(fā)展動態(tài)從20世紀60年代液壓傳動技術開始應用在挖掘機上至今，挖掘機液壓系統(tǒng)己經發(fā)展到了相當成熟的階段。目前國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢；流量通常在每分鐘數百升；功率在數百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的目前世界上首臺最大的RH40。型全液壓挖掘機，鏟斗容量達42m3,液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達10200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓挖掘機經常在較惡劣環(huán)

18、境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響.系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)使液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。近幾年來，隨著液壓挖掘機產量的提高和使用范圍的擴大，世界上著名的挖掘機生產商紛紛采用各種高新技術，來提高自己挖掘

19、機在國際上的競爭力，主要表現在五個方面: (1)液壓系統(tǒng)逐漸從開式系統(tǒng)的轉變;(2)系統(tǒng)的節(jié)能技術成為研究的重點; (3)系統(tǒng)的高壓化和高可靠性發(fā)展趨勢日益凸顯; (4)系統(tǒng)的操縱特性上升到很重要的地位;(5)液壓系統(tǒng)與電子控制的結合成為潮流4。(1) 開式向閉式液壓系統(tǒng)的轉變采用三位六通閥，其特點是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯供油路。由于這種油路調速方式是進油節(jié)流調速和旁路節(jié)流調速同時起作用，其調速特性受負載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統(tǒng)的操縱性能、調速性能和微調性能差。另外，當液壓作用元件一起復合動作時，相互干擾大，使得復合動作操縱非常困難。由于挖掘機作業(yè)工程中要求

20、對液壓元件能很好地控制其運動速度和進行微調，而且在其工作的許多工況下要求多個執(zhí)行元件完成復合動作，而長期以來使用的開式液壓系統(tǒng)無法滿足挖掘機的調速和復合動作的要求。近年來在國外的挖掘機液壓系統(tǒng)中出現了閉式負載敏感系統(tǒng)(CLSS)。它可以采用一個油泵同時向所有液壓作用元件供油，每一個液壓作用元件的運動速度只與操縱閥的閥桿行程有關，與負載壓力無關，泵的流量按需提供，而且多個液壓作用元件同時動作時相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統(tǒng)的主要特點。這種系統(tǒng)非常符合挖掘機操作的要求，它操縱簡單，對司機的操縱技巧要求低，在國際上己經獲得較廣泛的使用，是挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。目前日本小松公司已經把大

21、量挖掘機液壓系統(tǒng)從開式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)了。(2) 節(jié)能技術的應用目前液壓挖掘機上典型的節(jié)能技術基本上有兩種。即負載敏感技術和負流量控制技術，目前液壓挖掘機都選用其中一種控制技術來實現節(jié)能要求。負載敏感技術是一種利用泵的出口壓力與負載壓力差值的變化而使系統(tǒng)流量隨之相應變化的技術。德國曼內斯曼(Mannesmann)公司研制的一種負載傳感系統(tǒng)，將其安裝在液壓系統(tǒng)中，可以控制一個或幾個液壓作用元件，而與對其施加的載荷無關。該系統(tǒng)不僅易于操縱，而且微動控制特性很好。其最大的特點就是可以根據負載大小和調速要求對油泵進行控制，從而實現在按需供流的同時，使調速節(jié)流損失P控制在很小的固定值，從而達到節(jié)能的目的

22、lzs.e57負流量控制技術是通過位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對主泵的排量進行調節(jié)的技術。日前以韓國現代(HYUNDAI)、日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國外著名品牌的挖掘機生產商都在自己的挖掘機液壓系統(tǒng)中使用了負流量控制技術。這種控制技術具有穩(wěn)定性好、響應快、可靠性和維修性好等特點，但在起始點為重負荷下作業(yè)時，因流量與負載有關，所以可控制性較差5。(3) 提高負載能力和可靠性為了提高挖掘機的負載能力，直接的方法是提高其液壓系統(tǒng)工作壓力、流量和功率。目前，國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力

23、甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢;流量通常在每分鐘數百升;功率在數百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的型全液壓挖掘機，鏟斗容量達42立方米液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達100200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓挖掘機經常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響。系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于

24、液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)，使液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。(4) 重視操縱特性挖掘機液壓系統(tǒng)的操縱特性越來越受到重視。日前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制，無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。各種高新技術的應用，使得挖掘機液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。(5) 電子一液壓集成控制成為當前主要研究目標電子控制技術與液壓控制技術相結合的電子一液壓集成控制技術近

25、年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計算機和檢測儀表的應用，使液壓技術和電子控制有機結合，開發(fā)和研制出了許多新型電液自動控制系統(tǒng)，提高了挖掘機的自動化程度，推動著挖掘機的迅猛發(fā)展。目前國外先進品牌的挖掘機在電液聯合控制方面的研究己趨成熟。美國林肯一貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費。日本住友公司生產的FJ系列五中新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機輔助的功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命。1.2.2國內研究情況及發(fā)展動態(tài)從國內情況來看，我國挖掘機行業(yè)整體發(fā)展水

26、平較國外緩慢，在挖掘機液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。國內大部分挖掘機企業(yè)在挖掘機液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)技術方面的研究具有一定基礎，但由于采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機產品在性能、質量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差，因此采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機在國內市場上基本失去了競爭力，取而代之的是采用各種高新技術的國外挖掘機產品。先進的挖掘機液壓系統(tǒng)都被國際上一流的生產企業(yè)壟斷，國內企業(yè)在該領域的研究幾乎是空白，這樣國內的挖掘機生產廠家就無法獨立制造出性能優(yōu)異的挖掘機，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的挖掘機所占據。以20t級的中型液壓挖掘機為例，國產20t級挖掘機大多數是歐洲80年代初的技術，同90年代初以來在國內形成

27、批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國大宇、現代等機型相比，其主要差距柴油機功率偏低，液壓系統(tǒng)流量偏小，液壓系統(tǒng)特性差，導致平臺回轉速度低，行走速度低，各種性能參數均偏小，整機性能和作業(yè)效率較國外偏低6。1.3本設計的研究內容挖掘機液壓系統(tǒng)方面的技術多種多樣，本文主要通過國外幾種知名品牌的挖掘機液壓系統(tǒng)為參考對象，對其現有的關鍵技術和控制方式進行比較和研究，為挖掘機的液壓系統(tǒng)設計提供一定的參考信息。(1) 挖掘機液壓系統(tǒng)技術發(fā)展動態(tài)的分析研究大量搜集國內外挖掘機液壓系統(tǒng)方面的相關技術資料，系統(tǒng)了解挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史。分析總結挖掘機液壓系統(tǒng)方面的研究現狀和技術發(fā)展動態(tài)。(2) 挖掘機液壓系統(tǒng)設

28、計要求對液壓挖掘機一個工作循環(huán)中的四種工況一挖掘工況、滿斗舉升回轉工況、卸載工況和卸載返回工況進行了詳細的分析，總結了每個工況下各執(zhí)行機構的主要復合動作。根據液壓挖掘機的主要工作特點，系統(tǒng)地總結了挖掘機液壓系統(tǒng)設計要求:動力性要求和操縱性要求。(3) 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計分析了傳統(tǒng)挖掘機液壓系統(tǒng)中的單泵定量系統(tǒng)、雙泵定量系統(tǒng)和雙變量泵液壓系統(tǒng)，詳細分析了其主要優(yōu)點和存在的問題。本文在分析研究了挖掘機液壓系統(tǒng)的基礎上，根據挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求，設計了一套適合我國生產制造的單斗挖掘機液壓系統(tǒng)。本設計旨在采用通用的多路閥系統(tǒng)，配以專用控制閥和簡單的伺服控制系統(tǒng)72液壓挖掘機結構與工作原理液壓挖掘

29、機由于在動力裝置和工作裝置之間采用容積式液壓傳動，靠液體的壓力能進行工作，相對機械傳動具有許多優(yōu)點:能無極調速且調速范圍大，最大速度和最小速度之比可達1000:1能得到較低的穩(wěn)定轉速；快速作用時，液壓元件產生的運動慣性較小，并可作高速反轉；傳動平穩(wěn)，結構簡單，可吸收沖擊和振動；操縱省力靈活，易實現自動化控制；易實現標準化、通用化、系列化。因此液壓挖掘機逐步取代機械式挖掘機是必然的趨勢。單斗液壓挖掘機是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動進行挖掘作業(yè)的機械。它是目前挖掘機械中重要的機種。單斗液壓挖掘機的作業(yè)過程是以鏟斗(一般裝有斗齒)的切削刃切削土壤并將土裝入斗內，斗滿后提升?；剞D至卸上位置進行卸土，卸空

30、后鏟斗再轉回并下降到地面進行下一次挖掘。當挖掘機挖完一段土后，機械移動一段距離，以便繼續(xù)作業(yè)。因此單斗液壓挖掘機是一種周期作業(yè)的自行式上方機械8。2.1液壓挖掘機整機性能液壓挖掘機可分為:動力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，如圖2.1所示。液壓挖掘機作為一個有機整體，其性能的優(yōu)劣不僅與工作裝置機械零部件性能有關，還與液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)性能有關9。圖2.1 液壓挖掘機整體系統(tǒng)圖(1) 動力系統(tǒng)挖掘機工作的主要特點是環(huán)境溫度變化大，灰塵污物較多，負荷變化大，經常傾斜工作，維護條件差。因此液壓挖掘機原動力一般由柴油機提供，柴油機具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經濟等特點，符號挖掘機工作條件惡劣

31、，負荷多變的要求。挖掘機的額定負荷與汽車。拖拉機不同，汽車和拖拉機指在最高轉速下、連同機油泵、發(fā)電機等必要附件，巧分鐘內的最大功率;挖掘機是指在額定轉速下一小時以上的額定功率。挖掘機采用車用柴油機時，最大功率指數降低。(2) 機械系統(tǒng)液壓挖掘機的機械系統(tǒng)部分是完成挖掘機各項基本動作的直接執(zhí)行者，主要包括:行走裝置是整個機器的支撐部分，承受機器的全部重量和工作裝置的反力，同時能使挖掘機作短途行駛.按照結構的不同，分履帶式和輪胎式。回轉機構使挖掘機上車圍繞中央回轉軸作360度的回轉的機構，包括驅動裝置和回轉支撐。工作裝置是挖掘機完成實際作業(yè)的主要組成部分，常用的有反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，而同

32、一種裝置可以有多種結構形式，前面所述的反鏟裝置應用最為廣泛。(3) 液壓系統(tǒng)液壓挖掘機的回轉、行走和工作裝置的動作都由液壓傳動系統(tǒng)實現，原動機驅動雙聯液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥。通過司機的操縱，將壓力油單獨或同時送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達和液壓油缸)驅動執(zhí)行機構工作。液壓挖掘機的主要運動有整機行走、轉臺回轉、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉動等。這些運動都靠液壓傳動。根據以上工作要求，把各液壓元件用油管有機地連接起來地組合體既是液壓挖掘機地液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)地功能是把發(fā)動機地機械能以油液為介質，利用油泵轉變?yōu)橐簤耗?，傳送給油缸、油馬達等轉變?yōu)闄C械能，再傳動各執(zhí)行機構，實現各種運動和工作過程

33、。液壓系統(tǒng)設計得合理與否，對挖掘機的性能起著決定性的作用。同樣的元件，若系統(tǒng)設計不同，則挖掘機性能差異很大。液壓系統(tǒng)習慣上按主油泵的數量、功率調節(jié)方式和回路的數量來分類。(4) 控制系統(tǒng)液壓挖掘機控制系統(tǒng)是對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件(液壓缸、液壓馬達)等進行控制的系統(tǒng)。電子技術和計算機技術的飛速進步，使挖掘機有了越來越先進的控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機向高性能、自動化和智能化發(fā)展。目前挖掘機研究重點正逐步向智能化機電液控制系統(tǒng)方向轉移10。2.2液壓挖掘機結構(1) 液壓挖掘機組成為了實現液壓挖掘機的各項功能，單斗液壓挖掘機需要兩個基本組成部分，即機體(或稱主機)和工作裝置。機體是完成挖

34、掘機基本動作并作為驅動和操縱挖掘機進行工作的荃礎，可以是履帶牽引車輛或輪式牽引車輛?？杉毞譃樾凶哐b置、回轉裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動力裝置。其中動力裝置、操縱機構、回轉機構和輔助設備均可在回轉平臺上，總稱上車部分，它與行走機構(又稱下車部分)用回轉支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉軸作3600的全回轉。工作裝置根據工作性質的不同，可配備反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，分別完成挖掘、裝載、抓取、起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清溝等工作。挖掘機的基本性能決定于各部分的構造、性能及其綜合的效果11。(2) 單斗反鏟液壓挖掘機反鏟裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤。斗容量小于1.6M 3的中小型液

35、壓挖掘機通常選用反鏟裝置，它分為整體臂式和組合臂式。其中長期作業(yè)條件相似的挖掘機反鏟裝置大多采用整體鵝頸式動臂結構。采用這種動臂有利于加大挖掘深度，且結構簡單、價格低廉。剛度相同時，其重量比組合動臂輕，是目前應用最廣泛的液壓挖掘機工作裝置結構形式。鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機最常用的結構型式，動臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接點擺動，完成挖掘、提升和卸土等動作。如圖 2. 1 所示，整體鵝頸式動臂反鏟挖掘機工作裝置主要由動臂、動臂油缸、斗桿、斗一桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。裝置各運動部件之間全部采用銷軸鉸接，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過

36、動臂油缸的伸縮可使動臂繞下。鉸點轉動實現動臂的升降。斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂相對角度。當斗桿油缸伸縮時，斗桿可繞動臂上鉸點轉動。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉動。為增大鏟斗的轉角，通常采用搖臂連桿機構來和鏟斗聯。(3) 液壓挖掘機工作循環(huán)過程首先液壓挖掘機驅動行走馬達和配套土方運輸車輛一起進入作業(yè)面，運輸車輛倒車、調停，停靠在挖掘機的側方或后方。挖掘機司機扳動操縱手柄，使回轉馬達控制閥接通，于是回轉馬達轉動并帶動上部平臺回轉，使工作裝置轉向挖掘地點，在執(zhí)行上述過程的同時操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸上腔進油，將動臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機操縱斗桿油

37、缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進油，配合動1、斗桿油缸 2、動臂 3、油管 4、動臂油缸 5、鏟斗 6、斗齒 7、側齒 8、連桿 9、搖桿 10、鏟斗油缸 11、斗桿圖2.2 反鏟挖掘機工作裝置作以加快作業(yè)進度，進行復合動作的挖掘和裝載:鏟斗裝滿后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中位，使鏟斗和斗桿油缸閉鎖，再操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸的下腔進油，將動臂提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動平臺回轉換向閥手柄，使上部平臺回轉，帶動鏟斗轉至運輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使鏟斗高度稍降一些，并在適當的高度操縱鏟斗油缸使鏟斗卸土。土方卸完后，使平臺反轉并降低動臂，直到鏟斗回到作業(yè)點上方，以

38、便進行下一工作循環(huán)12。2.3 液壓挖掘機傳動原理液壓挖掘機采用三組液壓缸使工作裝置具有三個自由度，鏟斗可實現有限的平面轉動，加上液壓馬達驅動回轉運動，使鏟斗運動擴大到有限的空間，再通過行走馬達驅動行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。液壓挖掘機傳動示意圖，如圖2.3所示，柴油機驅動液壓泵，操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達)驅動相應的機構進行工作。液壓挖掘機的工作裝置采用連桿機構原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現。反鏟工作裝置由鏟斗1、斗桿2、動臂3、連桿4及相應的三組液壓缸5. 6. 7組成。動臂下鉸點鉸接在轉臺上，通過動臂

39、缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉動;而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉動。挖掘作業(yè)時，接通回轉馬達，轉動轉臺，使工作裝置轉到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮;動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉馬達，使工作裝置轉到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉進行卸土。卸完后，工作裝置再轉至挖掘位置進行第二次挖掘循環(huán)。在實際挖掘作業(yè)中，由于土質情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統(tǒng)的

40、不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機的13。1、鏟斗 2、斗桿 3、動臂 4、連桿 5、 6、 7、液壓油缸I、挖掘裝置 II、回轉裝置 III、行走裝置圖2.3 液壓挖掘機傳動示意圖總之，液壓挖掘機是由多學科、多系統(tǒng)組成的有機整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學科協同優(yōu)化才能獲取挖掘機整機的最佳性能。3液壓挖掘機工況分析及液壓系統(tǒng)設計方案的確定要了解和設計挖掘機的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機的工作過程及其作業(yè)要求，掌握各種液壓作用元件動作時的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復合動作要求和復合動作時油泵對同時作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。3

41、.1液壓挖掘機的工況液壓挖掘機的作業(yè)過程包括以下幾個動作(如圖3.1 所示):動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉臺回轉、整機行走以及其它輔助動作。除了輔助動作(例如整機轉向等)不需全功率驅動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅動14。1、動臂升降 2、斗桿收放 3、鏟斗裝卸 4 、平臺臺回轉 5、整機行走圖3.1 液壓挖掘機的運動圖由于液壓挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊要求:(1)實現各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應變化;(2)為了充分利用發(fā)動機功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作(

42、例如挖掘與動臂、提升與回轉)同時進行復合動作15。液壓挖掘機一個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復合主要包括:(1) 挖掘:通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進行挖掘，或者兩者配合進行挖掘，因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復合動作，必要時，配以動臂動作。(2) 滿斗舉升回轉:挖掘結束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉第2章挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求和分析方法液壓馬達使轉臺轉向卸土處，此時主要是動臂和回轉的復合動作。(3) 卸載:轉到卸土點時，轉臺制動，用斗桿液壓缸調節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟斗的復合動作，間以動臂動作。(4) 空斗

43、返回:卸載結束，轉臺反向回轉，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點，此時是回轉和動臂或斗桿的復合動作。3.1.1挖掘工況分析挖掘過程中主要以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別單獨進行挖掘，或者兩者復合動作，必要時配以動臂液壓缸的動作15。一般在平整土地或切削斜坡時，需要同時操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運動，如圖3.2，3.3所示。此時斗桿收回，動臂抬起，希望斗桿和動臂分別由獨立的油泵供油，以保證彼此動作獨立，相互之間無干擾，并且要求泵的供油量小，使油缸動作慢，便于控制。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進行切削時，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時，就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時作

44、用完成復合動作，如圖3.4,3.5所示。圖3.2 斗尖沿直線平整土地圖 圖3.3 斗尖沿直線切削斜坡圖圖3.4 鏟斗底壓整地面圖圖3.5 鏟斗底保持一定角度切削圖單獨采用斗桿挖掘時，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個別也有采用三泵合流。單獨采用鏟斗挖掘時，也有采用雙泵合流的情況。下面以三泵系統(tǒng)為例，來說明復合動作挖掘時油泵流量的分配情況和分合流油路的連接情況。液壓馬達使轉臺轉向卸土處，此時主要是動臂和回轉的復合動作16。當斗桿和鏟斗復合動作挖掘時，供油情況如圖3.4a 所示。當斗桿油壓接近溢流閥的壓力時，原來溢流的油液此時供給鏟斗有效利用;當鏟斗和動臂復合動作挖掘時，由于動臂僅僅起調解位置

45、的作用，主要是斗桿進行挖掘，因此采用斗桿優(yōu)先合流、雙泵供油，如圖3.4b 所示。圖3.4 三泵供油系統(tǒng)示意圖當動臂、斗桿和鏟斗復合運動時，為了防止同一油泵向多個液壓作用元件供油時動作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個油泵單獨對一個液壓作用元件供油較好。對于雙泵系統(tǒng)，其復合動作時各液壓作用元件間出現相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進行流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。當進行溝槽側壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進行垂直掘削，還要求向回轉馬達提供壓力油，產生回轉力，保持鏟斗貼緊側壁進行切削，因此需要同時向回轉馬達和斗桿供油，兩者復合動作，如圖2.5所示?；剞D馬達和斗桿收縮同時動作，由同

46、一個油泵供油，因此需要采用回轉優(yōu)先油路，否則鏟斗無法緊貼側壁，使掘削很難正常進行。在斗桿油缸活塞桿端回油路上設置可變節(jié)流閥，此節(jié)流閥的開口度即節(jié)流程度由回轉先導壓力來控制?；剞D先導壓力越大，節(jié)流閥開度越小，節(jié)流效應越大，則斗桿油缸回油壓力增高，使得油泵的供油壓力也提高。因此隨著回轉操縱桿行程的增大，回轉馬達油壓增加，回轉力增大。3.1.2滿斗舉升回斗工況分析挖掘結束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉液壓馬達使轉臺轉向卸載處，此時主要是動臂和回轉馬達的復合動作。動臂抬升和回轉馬達同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回

47、轉角度不同，隨液壓挖掘機相對自卸車的位置而變，因此動臂提升速度和回轉馬達的回轉速度的相對關系應該是可調整的。卸載回轉角度大，則要求回轉速度快些，而動臂的提升速度慢些。在雙泵系統(tǒng)中，回轉起動時，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時應該將溢流的油供給動臂，如圖3.6a 所示。在回轉和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進行調整。這時是回轉馬達、動臂、斗桿和鏟斗進行復合動作18。由于滿斗提升時動臂油缸壓力高，導致變量泵流量減小，為了使動臂提升和回轉、斗桿外放相互配合動作，由一個油泵專門向動臂油缸供油，另一個油泵除了向回轉馬達和斗桿供油外，還有部分油供給動臂，如圖2.6b 所

48、示。但是由于動臂提升時油壓較高，單向閥大部分時間處于關閉狀態(tài)，因此左側油泵只向回轉馬達和斗桿供油。三泵系統(tǒng)的供油情況如圖3.6c 所示。各個油泵分別向一個液壓作用元件供油，復合動作時無相互干擾。3.1.3卸載工況分析回轉至卸載位置時，轉臺制動，用斗桿調節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調整卸載位置，還需要動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復合動作，間以動臂動作。圖3.6回轉舉升供油情況3.1.4空斗返回工況分析當卸載結束后，轉臺反向回轉，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點。此工況是回轉馬達、動臂和斗桿復合動作。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵的全部流量供回轉馬達，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經節(jié)流閥供給斗桿，如圖3.7 所示。圖3.7空斗返回供油情況發(fā)動機在低轉速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產生吸空現象，可采用動臂下降再生補油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。3.1.5行走時復合動作在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件(如回轉機構、動臂、斗桿和鏟斗)進行調整。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達供油、另一個油泵為右行走馬達供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油