ZE330履帶式反鏟液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZE330履帶式反鏟液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)PAGEVPAGEI摘要本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)是為履帶式全液壓?jiǎn)味吠诰驒C(jī)所配套，它是雙泵變量系統(tǒng)，采用多路換向閥的并聯(lián)油路、專用手動(dòng)換向閥的合流方式。設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)將泵、馬達(dá)、液壓缸和各種閥有機(jī)的組合在一起，以最大化的滿足整機(jī)的性能，從根本上解決了現(xiàn)行液壓系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)。本篇論文主要的研究點(diǎn)有以下兩點(diǎn):(1)為了避免系統(tǒng)超過(guò)最大壓力，在多路換向閥的進(jìn)油路上安裝有安全閥，在其他分支油路安有過(guò)載閥，避免工作裝置收到?jīng)_擊;為了防止油液的倒流使得液壓執(zhí)行原件受到?jīng)_擊造成損害進(jìn)而會(huì)對(duì)泵造成危害，在油路中設(shè)有單向閥。(2)為了能使液壓系統(tǒng)的功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率得到充分利用，不論是液壓系統(tǒng)與工作裝置的動(dòng)力匹配還是行走或回轉(zhuǎn)與液壓系統(tǒng)的匹配，只要能提高傳動(dòng)率，通過(guò)各種方式使機(jī)械多做有效功，就可以使液壓系統(tǒng)的有效利用率得到大幅度提高。關(guān)鍵詞:液壓挖掘機(jī);液壓系統(tǒng);設(shè)計(jì)

HydraulicSystemDesignofCrawlerHydraulicExcavatorEX330AbstractInthisarticleasmallcrawler-typehydraulicexcavatorwithabucketofwhichisdouble-pumpquantitativesystem.Itworksintheconfluenceformofmergingmultipledirectionalcontrolvalveparalleloil-wayandthespecialhand-operateddirectionvalvea.Thetopicsofthispaperischosentoovercometheabove-mentionedshortcomingsinthehydraulicsystemusedatpresent,andtheoptimaldesignisdevelopedforthisobject.Thispapermainlyconcludestwoinnovatorasfollows:(1)Inordertoavoidthesystemexceedthemaximumpressure，intheoilsafetyvalvewasinstalledinthemulti-wayvalve,otherbranchcircuitoverloadsafetyvalve,toavoiddevicetoreceivestheshock;inordertopreventhydraulicoilinthebackwhiletheimplementationoftheoriginalDamagecausedbytheimpactofthepumpwillcauseharmandthen,inaone-wayvalveintheoil.(2)Inordertofullyandeffectiveuseofenginepower,throughvariouschannelssothatthemachinerymoreefficientpower,includingpowerdevicewithhydraulicsystemoptimalmatching,increaseoftransmissionefficiency,swingmechanismofrecycling,efficientpowerhydraulicsystemresearchandsoon.Keywords:Hydraulicexcavator;HydraulicSystem;Design

目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 -1-1.1液壓挖掘機(jī)概述 -1-1.1.1液壓挖掘機(jī)概述 -1-1.1.2液壓系統(tǒng)研究的必要性 -1-1.2液壓挖掘機(jī)液壓技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀 -2-1.2.1國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 -2-1.2.2國(guó)外挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 -3-1.3液壓挖掘機(jī)的發(fā)展前景 -5-第二章液壓系統(tǒng)概述與回路分析 -6-2.1液壓系統(tǒng)概述 -6-2.1.1液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu) -6-2.1.2挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)基本組成與要求 -7-2.2確定液壓執(zhí)行元件與挖掘機(jī)作業(yè)過(guò)程 -7-2.2.1液壓執(zhí)行元件 -7-2.2.2挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程 -8-2.3擬定液壓執(zhí)行元件 -9-2.3.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的確定 -9-2.3.2回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算 -9-2.3.3工作機(jī)構(gòu)的確定 -10-2.3.4行走機(jī)構(gòu)的確定 -11-2.4挖掘機(jī)的液壓源與主機(jī)功能機(jī)構(gòu) -11-2.5挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)基本回路分析 -12-2.5.1限壓回路 -12-2.5.2緩沖回路 -13-2.5.3行走限速回路 -13-2.5.4節(jié)流回路 -14-2.6挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖 -15-第三章工作裝置油缸缸徑及其線性尺寸的確定 -17-3.1反鏟工作裝置總體方案的選擇 -17-3.1.1工作裝置構(gòu)成 -17-3.1.2動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式 -19-3.1.3動(dòng)臂油缸與鏟斗油缸的布置 -19-3.1.4鏟斗與鏟斗油缸的連接方式 -19-3.1.5鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇 -20-3.2反鏟工作裝置自身幾何參數(shù)及閉鎖力校核 -21-3.2.1斗形參數(shù)的確定 -21-3.2.2動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇 -21-3.3動(dòng)臂機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的校核 -24-3.3.1動(dòng)臂機(jī)構(gòu)閉鎖力的校核 -24-3.3.2滿斗處于最大挖掘半徑時(shí)動(dòng)臂油缸提升力矩的校核 -25-3.3.3滿斗處于最大高度時(shí),動(dòng)臂提升力矩的校核 -27-3.4斗桿機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選擇 -27-3.5鏟斗機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選擇 -29-3.5.1轉(zhuǎn)角范圍 -29-3.5.2鏟斗機(jī)構(gòu)其它基本參數(shù)的計(jì)算 -29-第四章液壓執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)和計(jì)算 -32-4.1液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 -32-4.1.1外負(fù)載荷的計(jì)算 -32-4.1.2液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算 -32-4.1.3油缸強(qiáng)度計(jì)算: -34-4.2泵的設(shè)計(jì)計(jì)算 -37-4.2.1泵的壓力計(jì)算 -37-4.2.2計(jì)算所需要的泵的流量 -37-4.2.3液壓泵的計(jì)算與選擇 -38-4.3液壓元件選型計(jì)算 -39-4.4回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主參數(shù)的確定和液壓馬達(dá)的選定 -40-4.4.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式及基本要求 -40-4.4.2轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及回轉(zhuǎn)啟動(dòng)制動(dòng)力矩的計(jì)算 -41-4.4.3轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角范圍及最佳轉(zhuǎn)速的確定 -42-4.4.4液壓馬達(dá)的計(jì)算選定 -44-第五章輔件的計(jì)算和選擇 -46-5.1油箱設(shè)計(jì) -46-5.1.1油箱設(shè)計(jì)應(yīng)注意的關(guān)鍵問(wèn)題 -46-5.1.2液壓油油箱容積的確定 -46-5.1.3油箱的計(jì)算 -46-5.2蓄能器設(shè)計(jì)計(jì)算 -47-5.2.1蓄能器簡(jiǎn)介 -47-5.2.2蓄能器的容積計(jì)算 -48-5.3溢流閥的作用和設(shè)計(jì)計(jì)算 -48-5.3.1溢流閥的作用 -48-5.3.2溢流閥的設(shè)計(jì)計(jì)算 -49-5.4管道 -52-5.4.1管道 -52-5.4.2管道內(nèi)徑 -52-5.4.3管道壁厚 -53-5.4.4管道外徑d -53-5.5過(guò)濾器 -53-5.5.1過(guò)濾器的主要性能參數(shù) -53-5.5.2濾油器的選擇 -54-第六章液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 -55-6.1計(jì)算液壓系統(tǒng)壓力損失 -55-6.2液壓系統(tǒng)的發(fā)熱 -57-6.3液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算 -60-6.3.1液壓系統(tǒng)損失功率 -60-6.3.2計(jì)算系統(tǒng)的散熱功率 -62-6.3.3冷卻器所需冷卻面積的計(jì)算 -62-第七章全文總結(jié) -64-參考文獻(xiàn) -66-附錄 -67-致謝 -68-3-第一章緒論1.1液壓挖掘機(jī)概述1.1.1液壓挖掘機(jī)概述從國(guó)內(nèi)和國(guó)外來(lái)看，挖掘機(jī)的市場(chǎng)己經(jīng)處于成熟期，尤其是以工業(yè)化為主的國(guó)家，供需更是處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)的急速發(fā)展和國(guó)內(nèi)需求的不斷增長(zhǎng)，以我國(guó)為代表的新興國(guó)家對(duì)挖掘機(jī)具有非常巨大的需求。我國(guó)從1978年改革開放以來(lái)，不斷加快城市化進(jìn)程，建設(shè)的結(jié)構(gòu)性調(diào)整由粗放型向精細(xì)型轉(zhuǎn)變，雖然國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力價(jià)格相對(duì)低廉，但是經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促使了勞動(dòng)力價(jià)格的上漲，這就要求我們必須轉(zhuǎn)變施工手段，以人力為主轉(zhuǎn)向以機(jī)器化代替人工化。另外，在2008年的世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響下，國(guó)家拿出4萬(wàn)億資金作為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)的主要方式，以增加全國(guó)公路里程、修建高鐵為主，增加了許多的公路養(yǎng)護(hù)和建筑工人。但是，隨著工作任務(wù)的增加，這項(xiàng)工作己不能僅僅單靠人工去完成，否則效率會(huì)很低[1]。目前我國(guó)的挖掘機(jī)行業(yè)還處于初級(jí)階段，市場(chǎng)發(fā)展空間很大，這主要?dú)w因于我國(guó)的挖機(jī)行業(yè)起步晚。從國(guó)內(nèi)外兩個(gè)形式來(lái)看，我國(guó)的挖掘機(jī)和國(guó)外的相比，性價(jià)比太低，配置技術(shù)機(jī)本身主要的還是它的液壓系統(tǒng)，所以我們要不斷地研究新的液壓技術(shù)才能縮小與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的差距—研究挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)是勢(shì)在必行[2]。挖掘機(jī)按重量分，有小型、中型、大型三類。其中，20噸以下的是小型，20-30噸屬于中型，30噸以上的屬于大型[3]。其中，最為常見的是中型機(jī)，它是建設(shè)土石方作業(yè)的主力機(jī)型，其往往配備了發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、各主要環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、GPS等比較先進(jìn)的復(fù)雜電子設(shè)備，這樣機(jī)器的自動(dòng)化水平就相應(yīng)的得到提高，與之對(duì)應(yīng)的是大中型的機(jī)器往往具有較高的價(jià)格。由于價(jià)格和實(shí)際作業(yè)需求的原因，限制了這類機(jī)型向市政工程領(lǐng)域發(fā)展?！靶⊥凇钡膯?wèn)世使得主要以替代人工作業(yè)、工作量又相對(duì)不高的工程領(lǐng)域得到很好的發(fā)展。由于市場(chǎng)上乃至國(guó)內(nèi)外的液壓系統(tǒng)比較多，并且各自具有自己的獨(dú)立特性與優(yōu)點(diǎn)，使得在工程機(jī)械上選擇的范圍較廣，性能不一。1.1.2液壓系統(tǒng)研究的必要性挖掘機(jī)械的最早雛形，早期主要應(yīng)用于河道、港口的開采工作，記錄中的第一臺(tái)挖掘機(jī)應(yīng)該是1796年英國(guó)發(fā)明的“蒸汽鏟”。但是能夠模擬人工作業(yè)的掘土鏟應(yīng)當(dāng)是1835年左右在美國(guó)誕生的，那時(shí)主要用于修建鐵路等比較繁重的工作，被認(rèn)為是最先進(jìn)的機(jī)器，也是挖掘機(jī)的先驅(qū)，距今已經(jīng)有170多年的歷史了，直到1950年德國(guó)最先研制出世界上第一臺(tái)全液壓挖掘機(jī)。為什么中間那么長(zhǎng)的時(shí)間挖掘機(jī)行業(yè)沒有得到一定程度的改進(jìn)和發(fā)展呢?主要原因是:挖掘機(jī)的市場(chǎng)不太樂(lè)觀，很少的地方能夠?qū)嵤┩诰驒C(jī);挖掘機(jī)的作業(yè)范圍太大，科學(xué)技術(shù)跟不上挖掘機(jī)的應(yīng)用，機(jī)械傳動(dòng)對(duì)它不適合;當(dāng)時(shí)的工程建設(shè)主要是大面積作業(yè)，挖掘機(jī)的應(yīng)用相對(duì)較少，在一定程度上限制了挖掘機(jī)的發(fā)展。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液壓水平逐步得到了提高，挖掘機(jī)上開始逐步使用液壓技術(shù)，它的傳動(dòng)技術(shù)支持才有了新的進(jìn)展。隨著工程建設(shè)開始進(jìn)入到城市型土木施工領(lǐng)域，工作的環(huán)境條件也日益惡劣，開采煤礦、挖掘河道，這些由人力實(shí)現(xiàn)己經(jīng)相當(dāng)困難，必須想辦法把人力用到更高的工作上來(lái)。加上人力建設(shè)是需要付出很大的代價(jià)的，所以用機(jī)器代替人工的想法逐漸由工程機(jī)械的工程師們所想到，但是挖掘機(jī)的發(fā)展想要有更大的突破，液壓技術(shù)是其中的重中之重[5]。1.2液壓挖掘機(jī)液壓技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀近幾十年來(lái)，我國(guó)大力搞經(jīng)濟(jì)建設(shè)，制造業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要行業(yè)。第一個(gè)五年經(jīng)濟(jì)建設(shè)時(shí)期，我國(guó)大力發(fā)展制造業(yè)，全國(guó)進(jìn)入了制造業(yè)的新天地，工程機(jī)械行業(yè)也從這時(shí)開始邁向了新的征程[6]。但市，工程機(jī)械行業(yè)要發(fā)展，液壓系統(tǒng)就是其中重要的發(fā)展元素，要想發(fā)展液壓系統(tǒng)，液壓元件就是重要的組成元素，所以液壓技術(shù)發(fā)展的水平應(yīng)當(dāng)成為我國(guó)工業(yè)化發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)正在積極嘗試正流量系統(tǒng)，這和目前的節(jié)能趨勢(shì)是息息相關(guān)的。裝載機(jī)、起重機(jī)包括旋挖鉆機(jī)等目前國(guó)內(nèi)采用的是負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)，也是從發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵的功率匹配即節(jié)能方面來(lái)考慮的德國(guó)工程機(jī)械制造廠廣泛采用閉式回路，產(chǎn)品的趨勢(shì)是將液控方式逐漸升級(jí)到電控，通過(guò)系統(tǒng)中央控制單元CCU對(duì)各泵和馬達(dá)、比例閥進(jìn)行控制[6]。優(yōu)點(diǎn)是:通過(guò)修改程序參數(shù)就可適應(yīng)同系列不同規(guī)格的產(chǎn)品，適應(yīng)性強(qiáng)，可方便解決發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)和工作負(fù)載之間的參數(shù)匹配問(wèn)題，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。缺點(diǎn)是:成本高。國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)性能不高的原因最終歸結(jié)到液壓元件的質(zhì)量和性能，下面就液壓元件的問(wèn)題做一下討論。第一，高技術(shù)液壓挖掘機(jī)，液壓系統(tǒng)壓力可達(dá)32-40mpa，裝載機(jī)只有16-20mpao作為高壓力，對(duì)功率和系統(tǒng)的組件有一個(gè)更高的要求。自上世紀(jì)80年代，我國(guó)引進(jìn)了該技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施組件數(shù)量眾多，但一直沒有進(jìn)一步的發(fā)展、創(chuàng)新，極少數(shù)可以滿足液壓挖掘機(jī)配套件的。隨著主機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展，和市場(chǎng)需求相比，國(guó)內(nèi)液壓產(chǎn)品在生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性等方面仍存在很大的差距。如大型冶金設(shè)備液壓系統(tǒng)，支持挖掘機(jī)雙變量柱塞泵、柱塞馬達(dá)、整體多路閥、先導(dǎo)閥和回轉(zhuǎn)接頭的比例等，這些組成部分基本上是由用戶指定或選擇進(jìn)口部件。而可靠性低、成本低、配套多、重復(fù)生產(chǎn)的產(chǎn)品水平低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)是激烈的。第二，鍛造液壓機(jī)的發(fā)展是從模仿國(guó)外產(chǎn)品開始的。在恢復(fù)自主研發(fā)過(guò)程中大學(xué)開設(shè)鍛造專業(yè)。自1956年以來(lái)，我們的技術(shù)人員開始從學(xué)習(xí)、模仿到自主研發(fā)，在開放大學(xué)初期對(duì)鍛造水壓機(jī)進(jìn)行了深入的理論研究，開設(shè)鍛造工藝專業(yè)，許多教授編寫了一系列專門的書籍，培養(yǎng)了大批專業(yè)鍛造人才。國(guó)家在這一時(shí)期生產(chǎn)鍛造工藝設(shè)備，建立各種協(xié)會(huì)，做出了很多研究和開發(fā)工作，已成功開發(fā)出一系列的鍛造水壓機(jī)。20世紀(jì)60年代，太原重型機(jī)器廠、沈陽(yáng)重型機(jī)器廠、馬鞍山鋼鐵廠的車輪和輪胎生產(chǎn)線研制成功。線成型設(shè)備，有80MN-30錳和鍛造水壓機(jī)。20世紀(jì)60年代后期，第一重型機(jī)械廠研發(fā)了300MN模鍛水壓機(jī)，第二重型機(jī)器廠已成功開發(fā)出了多層次的100MN模鍛水壓機(jī)[7]。中國(guó)西安重型機(jī)械研究所、蘭州石油化工機(jī)械廠還開發(fā)并生產(chǎn)高鍛造液壓機(jī)。在20世紀(jì)70年代中國(guó)還將鍛造液壓機(jī)系列出口到羅馬尼亞。20世紀(jì)后期，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，江蘇、浙江、山東的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和民營(yíng)企業(yè)不斷發(fā)展，也逐漸揭開了中型和大型鍛件出廠編號(hào)，并配備了一系列液壓機(jī)?，F(xiàn)在60MN液壓水平的民營(yíng)企業(yè)己落戶。他們也在不斷地發(fā)展鍛造液壓機(jī)的技術(shù)，從而為液壓技術(shù)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，中國(guó)己成為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)鍛造液壓機(jī)的大國(guó)。第三，產(chǎn)品可用于工程機(jī)械行業(yè)的企業(yè)基本上達(dá)到300多家，總資產(chǎn)己超過(guò)10億元，但大多數(shù)公司不能規(guī)?；a(chǎn)。然而，廠家只有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，才有能力發(fā)展核心技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量才能有所改善。經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)的液壓技術(shù)正在蒸蒸日上，從最初的“模仿”到如今的自主創(chuàng)新，只要我們腳踏實(shí)地，經(jīng)過(guò)努力，我國(guó)的液壓技術(shù)一定能開創(chuàng)出屬于我們自己的新天地。1.2.2國(guó)外挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀近幾年，隨著世界著名的挖掘機(jī)制造商對(duì)液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)的增加，挖掘機(jī)的使用范圍逐漸擴(kuò)大。他們采用了高科技手段來(lái)提高他們的挖掘機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，現(xiàn)在液壓挖掘機(jī)正在朝著以下幾個(gè)方面研究:從開式液壓系統(tǒng)向閉式液壓系統(tǒng)的改變;節(jié)能技術(shù)體系的研究;高壓和系統(tǒng)的高可靠性的研究;對(duì)操縱系統(tǒng)的研究;液壓系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的新趨勢(shì)研究[8]。1.從開式液壓系統(tǒng)向閉式液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變90年代以前，小松挖掘機(jī)公司投入了大量的人力、財(cái)力來(lái)發(fā)展負(fù)載敏感系統(tǒng)，用來(lái)減少液壓系統(tǒng)的損失。常用的先導(dǎo)泵一般是雙泵或三泵供油。開式液壓系統(tǒng)就是用三位六通閥、雙泵或三泵供油，它的兩個(gè)油道分別是直接供油和并聯(lián)供油。這種系統(tǒng)的調(diào)速性能和微調(diào)性很差，因?yàn)楸煤拓?fù)載壓力的變化直接影響它的調(diào)節(jié)特性;它的另一個(gè)缺點(diǎn)就是，當(dāng)多個(gè)執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作時(shí)，液壓油會(huì)流向負(fù)載較輕的那個(gè)裝置，從而造成了高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)再想運(yùn)動(dòng)是很困難的，那么這時(shí)就需要對(duì)控制閥桿進(jìn)行節(jié)流。由于人們對(duì)挖掘機(jī)操縱性能的要求越來(lái)越高，液壓元件對(duì)速度的控制性和微調(diào)性也必須相應(yīng)的提高，更多的是多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作去完成一個(gè)工況，這時(shí)的開式系統(tǒng)就感覺到力不從心了，人們會(huì)相應(yīng)的開發(fā)新的系統(tǒng)滿足市場(chǎng)的需求。閉式液壓系統(tǒng)的代表為德國(guó)林德LSC(1978年就已經(jīng)在Altas上應(yīng)用)。閉式液壓系統(tǒng)在工作時(shí)，每個(gè)液壓件的運(yùn)動(dòng)速度是不受負(fù)載影響的，它只與操縱閥的行程有關(guān)，所有的液壓元件都是由一個(gè)泵來(lái)供油的，并且這些液壓元件之間互不影響，各自運(yùn)動(dòng)各自的，所以它具有良好的操縱性。再者歐洲人生活水平較高，他們對(duì)可操作性要求高，所以具有動(dòng)作可預(yù)知性且與負(fù)載無(wú)關(guān)的LSC在歐州最為流行，但其價(jià)格比負(fù)流量高點(diǎn)[9]。閉式液壓系統(tǒng)非常符合挖掘機(jī)的工況要求，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)功率能夠得到充分的利用，無(wú)溢流損失，節(jié)約了燃料，再者它操作簡(jiǎn)單、對(duì)駕駛員的技能要求不高，所以一些技術(shù)水平較低的人可以輕松的駕駛它，這在國(guó)際上也得到了充分的肯定，大挖正在朝著這樣的方向發(fā)展，所以液壓系統(tǒng)也正在發(fā)生著這樣的轉(zhuǎn)變，即:從開式系統(tǒng)向閉式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。2.節(jié)能技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用如今，隨著人們生活水準(zhǔn)的提高，對(duì)機(jī)器提出了更高的要求，環(huán)境保護(hù)、節(jié)約資源、科學(xué)發(fā)展、都在要求我國(guó)的重工業(yè)以科學(xué)發(fā)展為主，其中節(jié)約能源就是我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)所面臨的一個(gè)重大課題。液壓挖掘機(jī)是新興起來(lái)的行業(yè)，發(fā)展速度非?？?，為了要求挖掘機(jī)節(jié)約燃料、降低系統(tǒng)發(fā)熱和工作強(qiáng)度，對(duì)其節(jié)能的研究也是當(dāng)前的重要任務(wù)。兩種典型的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用在了液壓挖掘機(jī)上。分別為負(fù)載敏感技術(shù)和負(fù)流量控制技術(shù)，現(xiàn)在應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)上的是兩者中的一種負(fù)荷傳感技術(shù)是隨著泵的出口壓力與負(fù)載壓力之間差值的變化而使液壓系統(tǒng)的流量發(fā)生相應(yīng)的變化的技術(shù)。曼內(nèi)斯曼(Mannesmann公司)公司開發(fā)了負(fù)荷傳感系統(tǒng)，在液壓系統(tǒng)中進(jìn)行安裝，你可以控制一個(gè)或多個(gè)液壓元件，并己與負(fù)載無(wú)關(guān)。此系統(tǒng)的操作性和控制特性都很好。其最大的特點(diǎn)是規(guī)模和速度根據(jù)負(fù)載泵的要求，控制流程，在實(shí)現(xiàn)按需供流的同時(shí)，將調(diào)速節(jié)流損失控制在很小的固定值，從而達(dá)到節(jié)能的目的[10]。3.提高負(fù)載能力和可靠性通常的挖掘機(jī)工作負(fù)載能力需要很大，最簡(jiǎn)單的方法就是提高系統(tǒng)的工作壓力、流量和功率。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，液壓系統(tǒng)正在朝著超高壓力的方向發(fā)展，正如現(xiàn)在先進(jìn)的液壓系統(tǒng)的額定壓力已經(jīng)高達(dá)30MPa以上了，相信在未來(lái)的幾年，流量也會(huì)增加到每分鐘數(shù)百升以上，功率在數(shù)百千瓦以上[11]。再者挖掘機(jī)工作的環(huán)境通常是在濕熱或者強(qiáng)光輻射的惡劣環(huán)境中，這時(shí)就會(huì)要求液壓介質(zhì)和元件能夠安全可靠的工作，為此需要不斷的研究新材料、新型過(guò)濾器或者元件本身能夠具有自濾功能。挖掘機(jī)的泵—發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配的“智能化”水平越來(lái)越高，到處都是傳感器、控制器，這使得控制系統(tǒng)很復(fù)雜，可靠性隨之也變得很低，為了降低這種情況的發(fā)生，只好采用現(xiàn)場(chǎng)總線的方式，也就是說(shuō)將所有的控制器和傳感器，在同一段內(nèi)進(jìn)行連接，這樣就將結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，可靠性也會(huì)提高。CAN作為現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用的總線控制，在工程機(jī)械領(lǐng)域也逐漸開始應(yīng)用，但挖機(jī)上還沒有被廣泛的應(yīng)用。如今的電子技術(shù)發(fā)展速度很快，芯片也變得越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)大，充分考慮各種內(nèi)部元件，這種用在挖掘機(jī)上的前景是越來(lái)越廣闊，這也使得挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)逐漸向這方面去發(fā)展。4.重視操縱特性在運(yùn)行工程機(jī)械這樣的大型設(shè)備中，安全工作一直是各種工作的重點(diǎn)，人為因素是其一，更重要的要數(shù)挖掘機(jī)本身的操縱性能，它直接關(guān)系到工程機(jī)械的質(zhì)量的好壞，不管你的配置有多高，節(jié)能效果多么好、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)多么符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，只要你的操作性能不好，都視為廢品。如今越來(lái)越多的工程機(jī)械廠家加入到對(duì)操縱性能研究的隊(duì)伍中來(lái)。新材料、新品種、新工藝、新結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，更是直接加快了液壓件乃至操縱系統(tǒng)的通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展[12]。1.3液壓挖掘機(jī)的發(fā)展前景液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一個(gè)重要品種，是一種廣泛用于建筑、鐵路、公路、水利、采礦等建設(shè)工程的突發(fā)機(jī)械。液壓挖掘機(jī)利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等）帶動(dòng)各種構(gòu)件動(dòng)作，具有如下有點(diǎn)：功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大；啟動(dòng)性能好，能實(shí)現(xiàn)快速正反轉(zhuǎn)；布置靈活，基本不受總體結(jié)構(gòu)的限制；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，各種可靠，能自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)；有過(guò)載保護(hù)功能；容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)便省力等。因此，液壓挖掘機(jī)對(duì)于減輕工人繁重的體力勞動(dòng)，提高施工機(jī)械化水平，加快施工進(jìn)度，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。液壓挖掘機(jī)是在機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它的工作過(guò)程是以鏟斗的切削刃切削土壤，鏟斗裝滿后提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置，卸空后的鏟斗再回到挖掘位置并開始下一次的作業(yè)。因此，液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的土方機(jī)械。液壓挖掘機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水利施工、露天采礦及現(xiàn)代化軍事工程中都有著廣泛的應(yīng)用，是各種土石施工中不可缺少的一種重要機(jī)械設(shè)備。

第二章液壓系統(tǒng)概述與回路分析2.1液壓系統(tǒng)概述挖掘機(jī)在各種工況下的運(yùn)行都離不開液壓系統(tǒng)的供油。離開了液壓系統(tǒng)，挖掘機(jī)將不能正常的運(yùn)轉(zhuǎn)、行走以及工作。挖掘機(jī)與液壓傳動(dòng)的聯(lián)系是非常緊密的。目前，平常所說(shuō)的挖掘機(jī)主要指的是液壓挖掘機(jī)，機(jī)械式的挖掘機(jī)在市場(chǎng)上己很少見。挖掘機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)在于液壓技術(shù)，由于挖掘機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)的要求較高，使得液壓技術(shù)的發(fā)展比較迅速。液壓挖掘機(jī)是個(gè)非常龐大的家族，目前正在向大型化和微型化兩個(gè)方向同時(shí)發(fā)展。如今，最小液壓挖掘機(jī)的重量?jī)H為0.1噸左右，斗容量<0.01m,，而最大挖掘機(jī)的重量可達(dá)800t左右，斗容量為42m3。挖掘機(jī)的飛速發(fā)展使得液壓元件高壓化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化，其中液壓系統(tǒng)是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中最復(fù)雜的部分，很多先進(jìn)的液壓傳動(dòng)技術(shù)在挖掘機(jī)上得到了充分體現(xiàn)。2.1.1液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)單斗液壓挖掘機(jī)主要由工作裝置(包括動(dòng)臂、斗杠和鏟斗)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)組成。工作裝置由三個(gè)液壓缸分別驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由一個(gè)液壓馬達(dá)通過(guò)減速裝置，使小齒輪和大齒輪嚙合傳動(dòng)，以便使上車和小車相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)是利用行走馬達(dá)使設(shè)備完成行走任務(wù)。履帶式液壓挖掘機(jī)其行走機(jī)構(gòu)是通過(guò)兩個(gè)液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，無(wú)支腿裝置。圖2-1履帶式液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)圖1-鏟斗;2-鏟斗缸;3-斗桿;4-斗桿缸;5-動(dòng)臂;6-動(dòng)臂缸;7-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);8-行走機(jī)構(gòu)2.1.2挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)基本組成與要求挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)是把各種液壓元件按照一定的順序有機(jī)的連接起來(lái)，使挖掘機(jī)能夠按照指定的要求進(jìn)行工作[15]。它是以油液為工作介質(zhì)，通過(guò)液壓泵轉(zhuǎn)換能量，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的工作。根據(jù)不同的功能劃分，挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)由三個(gè)部分組成:工作裝置系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及行走系統(tǒng)。挖掘機(jī)工作裝置包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及相應(yīng)的液壓缸回路;回轉(zhuǎn)裝置的功能是將工作裝置向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn)，方便挖掘和卸載，完成這些動(dòng)作的執(zhí)行原件是回轉(zhuǎn)馬達(dá)。在挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)要求系統(tǒng)必須滿足以下條件:回轉(zhuǎn)快速、啟動(dòng)和制動(dòng)無(wú)沖擊、振動(dòng)和擺動(dòng)，同其他機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，可以合理地分配能量到各機(jī)構(gòu)。行走裝置的作用是支持機(jī)器設(shè)備正常運(yùn)行，完成行走任務(wù)，多采用履帶式和輪胎式機(jī)構(gòu)，所用的液壓元件主要是行走馬達(dá)[18]。行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮直線行駛問(wèn)題，即在挖掘機(jī)行走過(guò)程中，如某一工作裝置動(dòng)作，不致于造成挖掘機(jī)發(fā)生行走偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由于液壓挖掘機(jī)需要頻繁動(dòng)作，主要的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)常的要啟動(dòng)、制動(dòng)及換向，再加上外負(fù)載變化很大，振動(dòng)和沖擊頻繁，而且野外工作溫度和環(huán)境變化大，所以根據(jù)挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)，液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求[19]:（1)當(dāng)工作裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)既要保證各個(gè)部分的單獨(dú)動(dòng)作，也要能實(shí)現(xiàn)同時(shí)動(dòng)作時(shí)互不干擾;（2)當(dāng)主機(jī)在工作載荷變化不大時(shí)，在有沖擊和振動(dòng)的情況下，系統(tǒng)要有足夠的可靠性;（3)履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶分別由各自的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其行走方便、安全，轉(zhuǎn)向靈活，而且可以就地轉(zhuǎn)向，使得挖機(jī)的靈活性得到提高;（4)為了使挖掘機(jī)能頻繁的動(dòng)作，一切動(dòng)作要可逆，且要無(wú)級(jí)變速;（5)為了保證挖掘機(jī)安全和可靠的工作，需要對(duì)液壓元件進(jìn)行過(guò)載保護(hù);制動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和限制行走的速度;避免動(dòng)臂因自重而產(chǎn)生快速下降和整機(jī)超速溜坡。為此，液壓系統(tǒng)應(yīng)該做到[20]:①系統(tǒng)有完善的安全裝置，比如執(zhí)行原件的過(guò)載卸荷、緩沖和限速裝置。②液壓系統(tǒng)要盡可能的簡(jiǎn)單、易于安裝和維修。③減少系統(tǒng)的總發(fā)熱量，使主機(jī)連續(xù)工作時(shí)液壓油溫不超過(guò)80度。④挖掘機(jī)工作的場(chǎng)合環(huán)境較差、污染嚴(yán)重、雜質(zhì)小顆粒繁多，要求密封性能要好。⑤有一定的應(yīng)急能源，為了減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可采用先導(dǎo)操縱。2.2確定液壓執(zhí)行元件與挖掘機(jī)作業(yè)過(guò)程2.2.1液壓執(zhí)行元件液壓缸:實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的起升與下降的往返運(yùn)動(dòng)，要求當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)鎖緊。液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá):完成上機(jī)部分的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器在360。范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，滿足各種工況的正常運(yùn)行，要求馬達(dá)不工作時(shí)鎖緊。液壓行走馬達(dá):左、右馬達(dá)均可獨(dú)立工作實(shí)現(xiàn)直線前進(jìn)、倒退及左右轉(zhuǎn)彎。要求其正常前進(jìn)或后退時(shí)，行走的偏差不超過(guò)允許的誤差范圍。根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求選用下表執(zhí)行元件表2-1執(zhí)行元件的初步選擇名稱特點(diǎn)適用場(chǎng)合單活塞桿液壓缸有效工作面積大、雙向不對(duì)稱，活塞雙向運(yùn)動(dòng)，活塞在形成終了時(shí)緩沖往返不對(duì)稱的直線運(yùn)動(dòng)，差動(dòng)可實(shí)現(xiàn)快進(jìn)，A,=2Az往返速度相等擺線齒輪馬達(dá)體積小、輸出扭矩大低速、小功率、大扭矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)2.2.2挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程反鏟挖掘機(jī)每一作業(yè)循環(huán)包括挖掘、回轉(zhuǎn)、卸料和返回等四個(gè)過(guò)程[21]。(1)挖掘目前通常分別用鏟斗液壓缸、斗桿液壓缸進(jìn)行單獨(dú)挖掘，或者讓兩者進(jìn)行配合挖掘，使其挖掘的深度與范圍能達(dá)到最大值。所以，在挖掘的過(guò)程中有時(shí)候是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作，在必要時(shí)配以動(dòng)臂動(dòng)作。(2)滿斗舉升回轉(zhuǎn)當(dāng)挖掘動(dòng)作結(jié)束以后，動(dòng)臂被其液壓缸頂起，滿斗被提升，同時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)在回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的作用下轉(zhuǎn)向卸土處，這個(gè)時(shí)候主要是動(dòng)臂跟回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。動(dòng)臂舉升跟回轉(zhuǎn)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，兩者在速度上要求匹配;當(dāng)回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，要求動(dòng)臂和鏟斗自動(dòng)下降到正確的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨著挖掘機(jī)相對(duì)自卸車的位置而改變，因此，動(dòng)臂舉升速度和回轉(zhuǎn)速度的相對(duì)關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。若卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快一些，而動(dòng)臂舉升速度慢些，否則，相反。(3)卸載當(dāng)工作裝置運(yùn)動(dòng)到卸土點(diǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)裝置停止轉(zhuǎn)動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。需要?jiǎng)颖鄹着浜蟻?lái)調(diào)整卸載的位置，這時(shí)就要他們進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作，加以動(dòng)臂動(dòng)作。(4)空斗返回卸載結(jié)束以后，轉(zhuǎn)臺(tái)反方向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)臂缸跟斗桿缸互相配合動(dòng)作，把空斗放至新的挖掘點(diǎn)完成空斗的返回。2.3擬定液壓執(zhí)行元件2.3.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的確定由于挖掘機(jī)的工況設(shè)計(jì)，要求回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用低速、大扭矩的擺線齒輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由多路換向閥控制旋轉(zhuǎn)方向及停止，液控單向閥鎖緊。圖2-2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2.3.2回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算回轉(zhuǎn)支承實(shí)際上是一種大型的滾動(dòng)軸承，它起著支承上部轉(zhuǎn)臺(tái)和下部底座的作用，是關(guān)鍵的承載零部件，其選型的正確與否關(guān)系到挖掘機(jī)能否正?；剞D(zhuǎn)及其使用壽命的長(zhǎng)短。根據(jù)其工況特點(diǎn)，正確地確定外載荷及其計(jì)算工況是合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?；剞D(zhuǎn)支承的運(yùn)動(dòng)速度很低，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、旋轉(zhuǎn)靈活、傳動(dòng)精確平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)、安裝簡(jiǎn)便及日常使用維護(hù)方便等特點(diǎn)[21]。對(duì)于不同的使用要求，回轉(zhuǎn)支承有多種結(jié)構(gòu)形式與之相適應(yīng)，并且能以不同制造精度等級(jí)來(lái)滿足主機(jī)功能的需要。在多數(shù)場(chǎng)合下，回轉(zhuǎn)支承不作連續(xù)回轉(zhuǎn)，而僅僅在一定角度內(nèi)往返旋轉(zhuǎn)。靜態(tài)參照載荷Fa′和M′的計(jì)算方法:(1)單排四點(diǎn)接觸球式:計(jì)算時(shí)有以下兩種情況分別進(jìn)行。I:a=45°II:a=60°Fa′=(1.225*Fa+2.676*Fr)*fsFa′=(Fa+5.046*Fr)*fsM′=1.225*M*fsM′=M*fs兩點(diǎn)分別在曲線上標(biāo)出，讓其中一點(diǎn)在曲線下方就可以。(2)單排交叉滾柱式Fa′=(Fa+2.05Fr)*fsM′=M*fs(3)雙排異徑球式對(duì)于雙排異徑球式回轉(zhuǎn)支承選型計(jì)算，當(dāng)Fr≤10%Fa時(shí)，F(xiàn)r忽略不計(jì);當(dāng)Fr≥10%Fa時(shí)，必須考慮軌道內(nèi)側(cè)壓力角的變化。Fa′=Fa*fsM′=M*fs單排球式回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算:1)計(jì)算額定靜容量:Co=f·D·d式中:co-額定靜容量，KNf-靜容量系數(shù)，0.108KN/mm2D-滾道中心直徑，mmd-鋼球的公稱直徑，mm2)根據(jù)組合后的外載荷，計(jì)算當(dāng)量軸向載荷Cp=Fa+4370·M/D+3.44·Fr式中:Cp-當(dāng)量軸向載荷，KNM-傾覆力矩，KN·mFa-軸向力，KNFr-徑向力，KN3)計(jì)算安全系數(shù)fs=Co/Cp2.3.3工作機(jī)構(gòu)的確定工作機(jī)構(gòu)為單純的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)臂缸、斗桿缸、鏟斗缸均采用單活塞雙作用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，由換向閥控制運(yùn)動(dòng)方向。圖2-3工作機(jī)構(gòu)形式2.3.4行走機(jī)構(gòu)的確定兩個(gè)左右行走馬達(dá)各自驅(qū)動(dòng)各自的履帶行走，挖掘機(jī)的前進(jìn)、后退和停止由多路換向閥控制。速度的調(diào)節(jié)(限制速度)通過(guò)改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件內(nèi)的流量來(lái)控制，有兩個(gè)溢流閥起緩沖作用。圖2-4行走機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械上常采用兩個(gè)液控單向閥組合成液壓鎖，其工作原理如圖2-5所示。圖中兩個(gè)液控單向閥共用一個(gè)閥體和控制活塞，兩個(gè)錐閥芯分別置于控制活塞的兩側(cè)，錐閥芯中裝有卸荷閥芯。當(dāng)P1腔通壓力油時(shí)，一方面打開錐閥芯，使P1腔與P2腔相通，另一方面采用兩個(gè)液壓?jiǎn)蜗蜷y的鎖緊系統(tǒng)鎖緊精度高，部分采用單向閥鎖緊系統(tǒng)。圖2-5液壓鎖2.4挖掘機(jī)的液壓源與主機(jī)功能機(jī)構(gòu)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)要想進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，液壓源是必不可少的，其中最主要的要數(shù)液壓泵了。在工作循環(huán)各階段中，有時(shí)系統(tǒng)的需油量不同，如果相差較大的話，我們采用多泵供油[21]。在液壓源中油液繁榮凈化裝置是不可缺少的。在泵的入口裝有粗過(guò)濾器，為防止系統(tǒng)中的雜質(zhì)流回油箱，在回油路上設(shè)置了過(guò)濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境對(duì)油溫的要求，考慮在回油路上設(shè)置冷卻器實(shí)現(xiàn)冷卻的需要.單斗液壓挖掘機(jī)是一種自行式土方工程機(jī)械。鏟斗、斗桿和動(dòng)臂統(tǒng)稱為工作裝置，分別由各自的液壓缸驅(qū)動(dòng)并由主泵分管;回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)由各自的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)提供。2.5挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)基本回路分析基本回路是由單個(gè)或者多個(gè)液壓元件按照一定的次序組成的，能夠完成特定的單一功能的典型回路，它是液壓系統(tǒng)的基本組成單元。液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中基本回路有卸荷回路、限壓回路、緩沖回路、節(jié)流回路、合流回路、再生回路、行走回路、鎖緊回路、操縱回路等等[21]。2.5.1限壓回路所謂的限壓回路就是限制回路中的壓力，使壓力的大小不超過(guò)事先設(shè)定的壓力大小。通常限制在閉鎖狀態(tài)小的液壓缸的壓力，一般都是在進(jìn)油和回油路上設(shè)置限壓閥，如果超過(guò)了設(shè)定的壓力，限壓閥就會(huì)工作，把超過(guò)的壓力卸載掉，進(jìn)而保護(hù)液壓元件和管道的安全。例如，當(dāng)挖掘處于第一作業(yè)時(shí)，也就是處于挖掘狀態(tài)，動(dòng)臂會(huì)受到很大的力，但是為了能夠繼續(xù)工作，不影響機(jī)器的性能，動(dòng)臂液壓缸處于待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)還得抵抗由外力帶來(lái)的拉伸和壓縮，因此必須具有足夠大的閉鎖力。閉鎖力的大小不是總是低于系統(tǒng)的最大壓力，有時(shí)也會(huì)超過(guò)的，但是當(dāng)過(guò)載力的設(shè)定值小于這個(gè)力時(shí)，多余的油就會(huì)流回油箱。從理論上講，液壓系統(tǒng)的壓力與限壓閥的調(diào)定壓力無(wú)關(guān)，但是調(diào)定壓力與閉鎖壓力成正比，這樣就對(duì)機(jī)械作業(yè)有利，如果太高了，將會(huì)影響液壓元件的強(qiáng)度和管路安全。一般情況下，過(guò)載閥的調(diào)定壓力為系統(tǒng)壓力的1.25倍。其中圖2-6就是常用限壓回路。圖2-6限壓回路2.5.2緩沖回路液壓挖掘機(jī)在突然啟動(dòng)、停止或換向時(shí)，會(huì)引起很大的液壓沖擊，這時(shí)就會(huì)對(duì)液壓元件甚至整個(gè)液壓系統(tǒng)帶來(lái)較大的液壓沖擊，甚至損壞。這是由以下兩個(gè)方面引起的，第一，挖掘機(jī)的上車部分重量較大，扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也大;第二，在液壓回路中的高壓腔的液壓油超出指定的壓力時(shí)沒有出路。再者當(dāng)液壓馬達(dá)的進(jìn)回油路同時(shí)被封閉，如果一邊的油路由于液壓沖擊而過(guò)載溢流，那么另一油路中勢(shì)必造成某種程度的真空，而由于真空現(xiàn)象引起的液壓系統(tǒng)的噪聲、震動(dòng)甚至破壞等現(xiàn)象，這時(shí)就要考慮補(bǔ)油方式。所以在回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)、出口油路上裝有兩個(gè)緩沖閥，當(dāng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)突然停止或反轉(zhuǎn)時(shí)，馬達(dá)高壓油路的壓力油從緩沖閥泄回油箱，低壓油路則由補(bǔ)油回路經(jīng)單向閥補(bǔ)油，從而消除了液壓沖擊。挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)就是采用這種兩個(gè)緩沖閥和兩個(gè)單向補(bǔ)油閥的緩沖回路，緩沖閥的調(diào)定壓力等于回轉(zhuǎn)馬達(dá)額定工作壓力。單向補(bǔ)油閥的補(bǔ)油壓力由回油路的背壓閥提供，補(bǔ)油背壓一般是0.3-0.5MPa[22]。正是基于這種情況，在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中設(shè)置緩沖回路來(lái)減少這種情況的發(fā)生。挖掘機(jī)常見的液壓緩沖回路有下面幾種情況，如圖2-7所示:圖2-7液壓緩沖回路該回路采用兩個(gè)補(bǔ)油單向閥分別為液壓馬達(dá)兩邊緩沖補(bǔ)油，右邊油路由過(guò)載閥1和單向閥3保證緩沖補(bǔ)油，左邊油路則由閥2和閥4負(fù)責(zé)保證。這種回路能根據(jù)馬達(dá)兩邊各自的負(fù)載情況分別調(diào)定過(guò)載壓力值，適應(yīng)性較好。在結(jié)構(gòu)上，往往將緩沖補(bǔ)油閥制作在多路閥組中。2.5.3行走限速回路挖掘機(jī)在行駛過(guò)程中，尤其是下坡的過(guò)程中，由于自身的重量較大，導(dǎo)致下坡時(shí)的慣性較大，而由此造成的超速下滑或者溜坡事故時(shí)有發(fā)生，造成人員傷害。造成這種現(xiàn)象的主要原因是在溜坡時(shí)，馬達(dá)超速運(yùn)轉(zhuǎn)，造成馬達(dá)出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，因此對(duì)行走時(shí)的速度限制是至關(guān)重要的。這就要對(duì)行走液壓馬達(dá)進(jìn)行限速和補(bǔ)油，為了操作人的安全性，使速度控制在指定的范圍內(nèi)。限速回路就是利用限速閥控制油路通油面積的大小，以限制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速[21]。如圖2-8所示。圖2-8動(dòng)臂、斗桿、鏟斗限壓補(bǔ)油回路2.5.4節(jié)流回路節(jié)流調(diào)速是利用節(jié)流閥的可變通流截面改變流量而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，通常用于定量系統(tǒng)中改變執(zhí)行元件的流量。這種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠獲得穩(wěn)定的低速，缺點(diǎn)是功率損失大，效率低，溫升大，系統(tǒng)易發(fā)熱，作業(yè)速度受負(fù)載變化的影響較大。根據(jù)節(jié)流閥的安裝位置，節(jié)流調(diào)速有進(jìn)油節(jié)流調(diào)速和回油節(jié)流調(diào)速兩種。圖2-9節(jié)流回路1-齒輪泵;2溢流閥;3-節(jié)流閥;4-換向閥;5-油缸圖2-9(A)為進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，節(jié)流閥3安裝在高壓油路上，液壓泵1與節(jié)流閥串聯(lián)，節(jié)流閥之前裝有溢流閥2，壓力油經(jīng)節(jié)流閥和換向閥4進(jìn)入液壓缸5的大腔使活塞右移。負(fù)載增大時(shí)液壓缸大腔壓力增大，節(jié)流閥前后的壓力差減小，因此通過(guò)節(jié)流閥的流量減少，活塞移動(dòng)速度降低，一部分油液通過(guò)液流閥流回油箱。反之，隨著負(fù)載減小，通過(guò)節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸的流量增大，加快了活塞移動(dòng)速度，液流量相應(yīng)地減少。這種節(jié)流方式由于節(jié)流后進(jìn)入執(zhí)行元件的油溫較高，增大滲漏的可能性，加以回油無(wú)阻尼，速度平穩(wěn)性較差，發(fā)熱量大，效率較低。圖2-9(B)為回油節(jié)流調(diào)速，節(jié)流閥安裝在低壓回路上，限制回油流量。回油節(jié)流后的油液雖然發(fā)熱，但進(jìn)入油箱，不會(huì)影響執(zhí)行元件的密封效果，而且回油有阻尼，速度比較穩(wěn)定.液壓挖掘機(jī)的工作裝置為了作業(yè)安全，常在液壓缸的回油回路上安裝單向節(jié)流閥，形成節(jié)流限速回路。如圖2-9(C)所示，為了防止動(dòng)臂因自重降落速度太快而發(fā)生危險(xiǎn)，其液壓缸大腔的油路上安裝由單向閥和節(jié)流閥組成的單向節(jié)流閥。此外，斗桿液壓缸、斗液壓缸在相應(yīng)油路上也裝有單向節(jié)流閥。2.6挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖如下：圖2-10ZE330液壓系統(tǒng)原理圖圖示全液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)為雙泵雙路定量系統(tǒng)。系統(tǒng)中所用的是斜軸式徑向柱塞泵。它有兩個(gè)出油口，相當(dāng)于A,B兩臺(tái)泵供油，其流量為1000L/mineA泵輸出的壓力油進(jìn)入多路閥組工〔帶合流閥5)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)1，鏟斗缸4和輔助缸20動(dòng)作，并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動(dòng)右行走馬達(dá)泵B輸出的壓力油進(jìn)入多路閥組11(帶限速閥10)驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂缸2，斗桿缸3并經(jīng)過(guò)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動(dòng)左行走馬達(dá)7。每組多路閥中的四聯(lián)換向閥組成串聯(lián)油路。液壓系統(tǒng)中幾種低壓回路的作用：(1)背壓油路:由系統(tǒng)回路上的背閥所產(chǎn)生的低壓油(0.8-1MPa)在制動(dòng)或出現(xiàn)超速吸空時(shí)通過(guò)雙向補(bǔ)油閥26向液壓馬達(dá)的低油腔補(bǔ)油，以保證滾輪始終貼緊導(dǎo)軌表面使馬達(dá)工作平穩(wěn)并有可靠的制動(dòng)性能。(2)排灌油路:將低壓油經(jīng)節(jié)流閥減壓后引入液壓馬達(dá)殼體，使馬達(dá)即使在不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下殼體內(nèi)仍保持一定的循環(huán)油量。其目的一，使馬達(dá)殼體內(nèi)的磨損物經(jīng)常得到?jīng)_洗；二是對(duì)馬達(dá)進(jìn)行預(yù)熱，防止當(dāng)外界溫度過(guò)低時(shí)，由主油路通入溫度較高的工作油液以后引起配油軸及柱塞副等精密配合局部不均勻的熱膨脹，使馬達(dá)卡住或咬死而發(fā)生故障(即所謂的“熱沖擊”)。(3)泄露油路(無(wú)背壓):將多路閥和液壓馬達(dá)的內(nèi)部漏油用油管集中起來(lái)，經(jīng)過(guò)濾油器引回油箱，以減少外泄露。液壓系統(tǒng)的回油路經(jīng)過(guò)風(fēng)冷式冷卻器.濾油器后流回油箱，使回油得到冷卻和過(guò)濾，以保證挖掘機(jī)在連續(xù)工作狀態(tài)下油箱內(nèi)的油溫不超過(guò)80攝氏度。

第三章工作裝置油缸缸徑及其線性尺寸的確定3.1反鏟工作裝置總體方案的選擇3.1.1工作裝置構(gòu)成圖3-1工作裝置組成圖1-斗桿油缸；2-動(dòng)臂；3-油管；4-動(dòng)臂油缸；5-鏟斗；6-斗齒；7-側(cè)板；8-連桿；9-曲柄：10-鏟斗油缸；11-斗桿圖2-1為液壓挖掘機(jī)工作裝置基本組成及傳動(dòng)示意圖，如圖所示反鏟工作裝置由鏟斗5、連桿9、斗桿11、動(dòng)臂2、相應(yīng)的三組液壓缸1,4,10等組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過(guò)鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)、轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮，動(dòng)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(jìn)油而伸長(zhǎng)，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)[21]。在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動(dòng)作配合可以是多樣的、隨機(jī)的。上述過(guò)程僅為一般的理想過(guò)程。挖掘機(jī)工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，可以對(duì)工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理[3]。則可知單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看成是由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸及連桿機(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)，處理的具體簡(jiǎn)圖如2-2所示。進(jìn)一步簡(jiǎn)化得圖如2-3所示。圖3-2工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖3-3工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖1-鏟斗；2-連桿；3-斗桿；4-動(dòng)臂；5-鏟斗油缸；6-斗桿油缸挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡(jiǎn)化后實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是3，即工作裝置的幾何位置由動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度L1、斗桿油缸長(zhǎng)度L2、鏟斗油缸長(zhǎng)度L3決定，當(dāng)L1、L2、L3為某一確定的值時(shí)，工作裝置的位置也就能夠確定[21]。3.1.2動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式動(dòng)臂采用整體式彎動(dòng)臂，這種結(jié)構(gòu)形式在中型挖掘機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕[3]，且有利于得到較大的挖掘深度。斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體式斗桿。在本設(shè)計(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長(zhǎng)度，故也采用整體式斗桿。3.1.3動(dòng)臂油缸與鏟斗油缸的布置動(dòng)臂油缸裝在動(dòng)臂的前下方，動(dòng)臂的下支承點(diǎn)（即動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸點(diǎn)）設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺(tái)平面[3]，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。油缸活塞桿端部與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)設(shè)在動(dòng)臂箱體的中間，這樣雖然削弱了動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但不影響動(dòng)臂的下降幅度。并且布置中，動(dòng)臂油缸在動(dòng)臂的兩側(cè)各裝一只，這樣的雙動(dòng)臂在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)筋的作用，以彌補(bǔ)前面的不足。具體結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。1111121212 圖3-4動(dòng)臂油缸鉸接示意圖1-動(dòng)臂；2-動(dòng)臂油缸3.1.4鏟斗與鏟斗油缸的連接方式本方案中采用六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在相同的鏟斗油缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性。該布置中1桿與2桿的鉸接位置雖然使鏟斗的轉(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠大的鏟斗平均挖掘力。如圖3-5所示。32232111圖3-5鏟斗連接布置示意圖1-斗桿；2-連桿機(jī)構(gòu)；3-鏟斗3.1.5鏟斗的結(jié)構(gòu)選擇鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對(duì)挖掘機(jī)的作業(yè)效果影響很大，其應(yīng)滿足以下的要求[21]：（1）有利于物料的自由流動(dòng)。鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合于各種物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（2）要使物料易于卸盡。（3）為使裝進(jìn)鏟斗的物料不易于卸出，鏟斗的寬度與物料的粒徑之比應(yīng)大于4，大于50時(shí)，顆粒尺寸不考慮，視物料為均質(zhì)。綜上考慮，選用中型挖掘機(jī)常用的鏟斗結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。圖3-6鏟斗斗齒的安裝連接采用橡膠卡銷式，結(jié)構(gòu)示意圖如3-7所示。圖3-7卡銷式斗齒結(jié)構(gòu)示意圖1-卡銷；2-橡膠卡銷；3-齒座；4-斗齒3.2反鏟工作裝置自身幾何參數(shù)及閉鎖力校核3.2.1斗形參數(shù)的確定斗容量q：在設(shè)計(jì)任務(wù)書中已給出q=1.2m3平均斗寬B：其可以由經(jīng)驗(yàn)公式和差分法選擇，又由續(xù)表知[1]：當(dāng)q=1.0m3時(shí)，B=1.16m；B=1.16m再參考其它機(jī)型的平均斗寬預(yù)初定B=1.04m=1040mm挖掘半徑R：按經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和參考同斗容的其它型號(hào)的機(jī)械，初選R=1450mm。轉(zhuǎn)斗挖掘滿轉(zhuǎn)角（2φ）：在經(jīng)驗(yàn)公式q=0.5×R2B（2φ-Sin2φ）KS中，KS為土壤的松散系數(shù)，取值為1.25，將q=1m3和B=1.16m代入上式有：2φ-Sin2φ=0.66φ=95/2=47.5鏟斗兩個(gè)鉸點(diǎn)K、Q之間的間距l(xiāng)24和l3的比值k2的選取：l24太大將影響機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性，太小則影響鏟斗的結(jié)構(gòu)剛度[3]，初選特性參數(shù)k2=0.29。由于鏟斗的轉(zhuǎn)角較大，而k2的取值較小，故初選α10=∠KQV=110。3.2.2動(dòng)臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇3.2.2.1α1與A點(diǎn)坐標(biāo)的選取初選動(dòng)臂轉(zhuǎn)角α1=120由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和參考其它同斗容機(jī)型，初選特性參數(shù)k3=1.4（k3=L42/L41）鉸點(diǎn)A坐標(biāo)的選擇：由底盤和轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合同斗容其它機(jī)型的測(cè)繪，初選：XA=1500mm；YA=1000mm3.2.2.2L1與L2的選擇由統(tǒng)計(jì)分析，最大挖掘半徑R1值與l1+l2+l3的值很接近，由已給定的最大挖掘距離R1、已初步選定的l3和k1，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式有：l2=（R-l3）/（1+k1）=（9885-1550）/（1+1.8）=3540mm則l1=k1l2=1.8×3540=6380mm3.2.2.3L41與L42的計(jì)算如圖3-1所示，在三角形CZF中：l42=k3l41=1.4×2585=3620mmα39=∠ZFC=COS-1（l422+l12–l412）/2×l1×l42=24.53.2.2.4L5的計(jì)算由經(jīng)驗(yàn)和反鏟工作裝置對(duì)閉鎖力的要求初取k4=0.4α11的取值對(duì)特性參數(shù)k4、最大挖掘深度H1max和最大挖高H2max均有影響，增大α11會(huì)使k4減少或使H1max增大，這符合反鏟作業(yè)的要求，初選α11=62.5。斗桿油缸全縮時(shí)，∠ CFQ=α32–α8最大，依經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和便于計(jì)算，初選（α32–α8）max=160。由于采用雙動(dòng)臂油缸，∠BCZ的取值較小，初取∠BCZ=5如上圖4-1所示，在三角形CZF中：∠ZCF=π-α1-α39=180-120-24.5=35.5∠BCF=α3=∠ZCF-∠ZCB=35.5-10=30.5H3max=YC+l1Sin（θ1-α20-α11）–l2–l3(3-1)=YA+l5Sinα11+l1Sin（θ1max-α2-α11）+l2Sin（θ1max+α32max-α11-α8-α2-180）–l3H1max=l2+l3+l1Sin（α11-θ1min+α2）-l5Sinα11-YA)(3-2)由3-1、3-2式有：H1max+H3max=l1Sin（θ1max-α2-α11）+l2Sin（θ1max+α32max-α11-α8-α2-180）+l1Sin（α11-θ1min+α2）+l2(3-3)令A(yù)=α2+α11=30.5+62.5=93B=A+（α32–α8）max=93+（-160）=-67將A、B的值代入3-3式中有H1max+H3max-l1[Sin（θ1max-93）+Sin（93-θ1min）]+l2Sin[（θ1max+67）+1]=0(3-4)又特性參數(shù)k4=Sinθ1max/λ1Sinθ1min則有Sinθ1min=Sinθ1max/λ1k4=Sinθ1max/0.65(（3-5)(3-6)將3-5、3-6代入到3-4式中6485+6630-5400×[Sin（θ1max-93）+Sin（93-θ1min）]+l2[Sin（θ1max+67）]=0(3-7)解之：θ1max=152θ1min=46.1由3-2式有：H1max=l2+l3+l1Sin（α11-θ1min+α2）-l5Sinα11-YAl5=[l2+l3+l1Sin（α11-θ1min+α2）-YA-H1max]/Sinα11=[1550+3000+5400Sin（93-46）-1200-6630]/Sin62.5=750mm而θ1min與θ1max需要滿足以下條件θ1min=COS-1[（σ2+1-ρ2）/2σ](3-8)θ1max=COS-1[（σ2+1-λ12ρ2）/2σ](3-9)將θ1max、θ1min的值代入3-8、3-9中得：ρ=2.51σ=3.11而ρ+1=2.51+1=3.51〉σ(3-10)（1+σ）/ρ=4.11/2.51=1.64〉λ（λ=1.6）(3-11)ρ、σ滿足3-10、3-11兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)條件，說(shuō)明ρ、σ的取值是可行的。則l7=σl5=3.11×750=2335mm(3-12)L1min=ρl5=2.51×750=1880mm(3-13)L1max=λ1L1min=1.6×1880=3010mm(3-14)至此，動(dòng)臂機(jī)構(gòu)的各主要基本參數(shù)已初步確定。3.3動(dòng)臂機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的校核3.3.1動(dòng)臂機(jī)構(gòu)閉鎖力的校核正常的挖掘阻力 W1J：(3-15)在3-15式中：W1——切削阻力的切向分力；C——土壤的硬度系數(shù)，對(duì)不同的土壤條件取值不同，這里設(shè)挖機(jī)用于Ⅲ級(jí)土壤的挖掘，取值為3；R——鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)到斗齒尖距離，即轉(zhuǎn)斗切削半徑其在前面已經(jīng)初步確定，取值為1550mm；ψmax——某一挖掘位置時(shí)鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半；ψ——某一挖掘位置處轉(zhuǎn)斗的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角，在此處由于是求平均挖掘阻力，故初取ψmax=ψ=54.5；B——切削刃寬度影響系數(shù)，B=1+2.6b=1+2.6×1.04=3.7；A——切削角變化影響系數(shù)，取A=1.3.；Z——帶有斗齒的系數(shù)，取Z=0.75；X——斗側(cè)壁厚影響系數(shù)，X=1+0.03S,其中S為側(cè)壁厚度，由于是初步設(shè)計(jì)，故預(yù)取X=1.15；D——切削刃擠壓土壤的力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和斗容量的大小選取D=1.35×104N。將以上的數(shù)值代入到3-15式中可以解得： W1J=0.55×105N。由圖3-7知，最大挖掘深度時(shí)的挖掘阻力力矩M1J：M1J=W1J（H1max+YC）=0.55×105×（6.63+1.775）=4.6×105N.m(3-16)動(dòng)臂油缸的閉鎖力F1′F1′=P1×S1′（S1′：動(dòng)臂油缸小腔的作用面積）=3.43×107×π×（702–452）×10-6=3.1×105N最大挖掘半徑工作裝置自身重力所產(chǎn)生的力矩MG：要求力矩，首先應(yīng)該需要知道作用力和作用力臂。在此處，則是先要求出工作裝置各部分的重量：由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，初步估計(jì)工作裝置的各部分重量如下[20]：表3-1工作裝置的各部分重量表動(dòng)臂G1=1320kg斗桿G2=700kg鏟斗G3=700kg斗桿缸G4=200kg鏟斗缸G5=115kg連桿機(jī)構(gòu)G6=130kg動(dòng)臂缸G7=350kg當(dāng)處于最大挖掘深度時(shí)：θ1=θ1min=46.1α2=θ1+α21-α11=46+47–62.5=30.5由圖3-7有MG≈（G1/2+G2+G3+G4+G5+G6）l1COS20=（660+700+700+200+115+130）×5.4×COS20=0.94×05N .m(3-17)動(dòng)臂油缸的閉鎖力與工作裝置重力所產(chǎn)生的力矩（對(duì)C點(diǎn)的矩）：M3=F1′×l7×l5Sinθ1min/l1min+MG=2×3.1×105×2.335×0.75×Sin46/1.88+0.94×105=5.1×105N .m≈M1J=4.6×105N.m(3-18)在3-18中說(shuō)明動(dòng)臂油缸的閉鎖力與工作裝置重力所產(chǎn)生的力矩略大于平均挖掘阻力，滿足要求。3.3.2滿斗處于最大挖掘半徑時(shí)動(dòng)臂油缸提升力矩的校核圖3-8最大挖掘半徑時(shí)工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖NH-搖臂；HK-連桿；C-動(dòng)臂下鉸點(diǎn)；A-動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)；B-動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)；F-動(dòng)臂上鉸點(diǎn)；D-斗桿油缸上鉸點(diǎn)；E-斗桿下鉸點(diǎn)；G-鏟斗油缸下鉸點(diǎn)；Q-鏟斗下鉸點(diǎn)；K-鏟斗上鉸點(diǎn)；V-鏟斗斗齒尖 工作裝置重量GG+D=G2+G3+G5+G6=700+700+115+130=1645kg≈1.8q×103（q：斗容）按經(jīng)驗(yàn)公式取土的重量：GT=1.7q×103=1530kg當(dāng)處于最大挖掘半徑時(shí)，工作裝置簡(jiǎn)圖如圖38所示，則有：MZ=G1+4×l1/2+GG+D（l1+0.7l2）+GT（l1+l2+l3/2）=（1320+200）×2.7+1645×（5.4+0.7×3）+1530×（5.4+3-0.775）=2.8×105N.m動(dòng)臂油缸的推力：F1=P1S1=3.14×107×π×702×10-6=4.83×105N在如圖3-3所示，在三角形CAB中：∠ACB=α2+α11+α21=30.5+62.5+0=93L1e1=AC×BC×Sin∠ACB(3-19)即:2320×e1=750×2335×Sin97e1=750mm則此時(shí)斗桿油缸提升力矩:MT=F1e1=31.4×106×π×(70)2×10-6×2×0.75=1.5×106N.m＞MZ(3-20)故滿足要求3.3.3滿斗處于最大高度時(shí),動(dòng)臂提升力矩的校核當(dāng)斗桿在最大高度時(shí)的工況類似于圖3-6，此時(shí)動(dòng)臂油缸全伸，斗桿油缸全縮。θ1=θ1max=152α32=α32max=160α2=30.5α21=θ1-（α2+α11）=152-（30.5+62.5）=59α37=α32-（π-α21）=160-（180-59）=39則工作裝置所受重力和土的重力所產(chǎn)生的載荷力矩MZ′：MZ′=G1+4H1+GG+D（H1+l2COS39/2）+GT（H1+l2COS39–l3/2）=（1320+200）×36.4+（3.64+3×COS39/2）×10+15300×（3.64+3×COS39-1.55/2）(3-21)=2.2×105N.m此時(shí)對(duì)于動(dòng)臂油缸而言：L1=L1max=2454mmθ1=θ1max=152同3-19的計(jì)算可求得此時(shí)的動(dòng)臂油缸的力臂e2=375mm此時(shí)動(dòng)臂油缸的提升力矩MT可參考4-20求得：MT=2.8×105N.m＞MZ′說(shuō)明滿足要求。3.4斗桿機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選擇D Ell9l9ll9ll8ψ2maxψ2maxFFF圖3-9斗桿機(jī)構(gòu)基本參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖D：斗桿油缸的下鉸點(diǎn)；E：鏟斗油缸的上鉸點(diǎn)；F動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)；ψ2：斗桿的擺角；l9：斗桿油缸的最大作用力臂取整個(gè)斗桿為研究對(duì)象，可得斗桿油缸最大作用力臂的表達(dá)式：e2max=l9=PGmax（l2+l3）/P2=100×103×（3000+1550）×10-3/31.4×π×(70)2×10-6=940mm(3-22)如圖3-9所示圖中，D：斗桿油缸的下鉸點(diǎn)；E：鏟斗油缸的上鉸點(diǎn)；F動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)；ψ2：斗桿的擺角；l8：斗桿油缸的最大作用力臂。斗桿油缸的初始位置力臂e20與最大力臂e2max有以下關(guān)系:e20/e2max=l9COS(ψ2max/2)/l9=COS(ψ2max/2)(3-23)由3-23知,ψ2max越大,則e20越小,即平均挖掘阻力越小.要得到較大的平均挖掘力,就要盡量減少ψ2max,初取ψ2max=90由上圖3-3的幾何關(guān)系有:L2min=2×l9×Sin(ψ2max/2)/(λ2-1)=2×940×Sin45/(1.6-1)=2215mmL2max=L2min+2×l9×Sin(ψ2max/2)=2215+2×940×Sin45=3545mml82=L22min+l29+2×L2min×l9×COS[(π-ψ2max)/2]=22152+9402+2×2215×940×COS135l8=2995mm而∠EFQ取決于結(jié)構(gòu)因素和工作范圍,一般在130～170之間[1].初定∠EFQ=150,動(dòng)臂上∠DFZ也是結(jié)構(gòu)尺寸,按結(jié)構(gòu)因素分析,可初選∠DFZ=10.3.5鏟斗機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的選擇3.5.1轉(zhuǎn)角范圍由最大挖掘高度H2max和最大卸載高度H3max的分析，可以得到初始轉(zhuǎn)角φD0：H2max-H3max=l3（SinφD0+1）9315-6485=1550（SinφD0+1）φD0=55最大轉(zhuǎn)角φ3max：φ3max=∠V0QVZ，其不易太大，太大會(huì)使斗齒平均挖掘力降低，初選φ3max=165[21]。3.5.2鏟斗機(jī)構(gòu)其它基本參數(shù)的計(jì)算KL3Ml29KL3Ml29GKGMGMl24l12l24l12FFFNQNQl21lFNQNQl21l2VVlVVl3圖3-10鏟斗機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖F：斗桿的下鉸點(diǎn)G：鏟斗油缸的下鉸點(diǎn)；N：搖臂與斗桿的鉸接點(diǎn)；K：鏟斗的上鉸點(diǎn)；Q：鏟斗的下鉸點(diǎn)在圖3-3中，l12：搖臂的長(zhǎng)度；l29：連桿的長(zhǎng)度；l3：鏟斗的長(zhǎng)度；l2：斗桿的長(zhǎng)度；F：斗桿的下鉸點(diǎn)；G：鏟斗油缸的下鉸點(diǎn)；N：搖臂與斗桿的鉸接點(diǎn)；K：鏟斗的上鉸點(diǎn)；Q：鏟斗的下鉸點(diǎn)。則有：l24=KQ=k2l3=0.29×1550=1550mmL3max與L3min的確定鏟斗的最大挖掘阻力F3Jmax應(yīng)該等于斗桿的最大挖掘力，即F3Jmax=138KN。粗略計(jì)算知斗桿挖掘平均阻力F3Jmax=F3Jmax/2=69KN挖掘阻力F3J所做的功W3J：W3J=F3Jmaxl3φ3max(3-24)=6.9×105×1.55×165×π/180=3.08×105N.m 由圖3-4知，鏟斗油缸推力所做的功W3：W3=F3（λ2-1）L3min=31.4×106×π×552×10-6×0.6×L3min………………（3-25）由功的守恒知鏟斗油缸推力所做的功W3應(yīng)該等于鏟斗挖掘阻力所做的功W3J：W3=W3J（3-26）將3-24、3-25式代入3-26中計(jì)算可得：L3min=1720mm則L3max=λ3L3min=2750mm剩余未選定的基本尺寸大部分為連桿機(jī)構(gòu)尺寸，其應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：(1)挖掘力的要求：鏟斗油缸的挖掘力應(yīng)與轉(zhuǎn)斗最大挖掘阻力相適應(yīng)，當(dāng)斗齒尖處于V1時(shí)，斗桿油缸的理論挖掘力應(yīng)不低于最大挖掘阻力的80%[1，79-80]。即PD0≥80%PD0max；當(dāng)處于最大理論挖掘力位置時(shí)∠V1QV應(yīng)為30。幾何相容。保證△GFN、△GHN、□HNQK在l3的任意一行程下都不被破壞。在保證以上兩個(gè)條件，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和同斗容的其它機(jī)型的測(cè)繪對(duì)照，初步選定剩余的基本尺寸如下：HK=600mm；HN=640mm；NQ=400mm；FN=l2-NQ=2600mm；GF=800mm；由預(yù)選∠GFN=60則GN2=FN2+GF2–2×COS∠GFN×FN×GFGN=2300mm至此，工作裝置的基本尺寸均已初步確定3-6總結(jié)有上述閉鎖力計(jì)算計(jì)算可知，可知各個(gè)油缸缸徑：表3-1液壓缸缸徑尺寸表液壓缸缸徑（mm）鏟斗油缸x1140斗桿油缸x1160動(dòng)臂油缸x2140

第四章液壓執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)和計(jì)算4.1液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1.1外負(fù)載荷的計(jì)算挖機(jī)在挖掘的過(guò)程中需要承受很大的外載荷的影響，囚此需要對(duì)外載荷進(jìn)行計(jì)算。斗桿在挖掘過(guò)程中總轉(zhuǎn)角為110時(shí)的鏟斗才一可以達(dá)到最大斗容量[20]。鏟斗缸外負(fù)載為最大時(shí)，缸內(nèi)壓力最大，此時(shí)挖掘力最大，其值為:（4-1）式中：C一表示土壤硬度的系數(shù)。根據(jù)不同的土壤級(jí)別，對(duì)C取不同的參數(shù)，根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的小型挖掘機(jī)選取C=200;R一轉(zhuǎn)斗切削半徑，取斗容量為0.lm,，查看主要的參數(shù)表可以得到R=1.15m;X一斗側(cè)臂厚度影響系數(shù)，X=1十0.3s，其中s為側(cè)臂厚度，單位為cm，初步設(shè)計(jì)時(shí)可取X=1.15;D一切削刃擠壓土壤的力，根據(jù)斗容大小在D=10000-17000N范圍內(nèi)選取.設(shè)計(jì)容量為lm,，取D=15000N;B一切削刃寬度影響系數(shù)，B=1+2.6b，其中b為鏟斗寬度，查表得b=1.25m;A一切削角變化影響系數(shù)，取A--1.3;Z一帶有齒的系數(shù)，取Z=0.75;轉(zhuǎn)斗挖掘裝土阻力和法向挖掘阻力相對(duì)與很小，所以在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。4.1.2液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算(1)根據(jù)鏟斗缸的最大外負(fù)載，根據(jù)第三章閉鎖力計(jì)算可知：表4-1液壓缸缸徑尺寸表液壓缸缸徑D（mm）鏟斗油缸x1140斗桿油缸x1160動(dòng)臂油缸x2140因?yàn)橥诰驒C(jī)屬于工程機(jī)械類，根據(jù)《液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)元器件選型手冊(cè)》可知，選擇工程液壓缸系列[26]。速比選擇為1.33，既D=2d;(2)液壓缸活塞桿的直徑：表4-2液壓缸活塞桿直徑尺寸表液壓缸活塞桿直徑d（mm）鏟斗油缸x170斗桿油缸x180動(dòng)臂油缸x270〔3〕液壓缸的最大工作行程：當(dāng)速比=1.33時(shí)，S=8D=8×140=1120(mm)（4-2）根據(jù)GB/T2349-1980表2-53，按第三系列進(jìn)行選擇，＆=1200mm（4）活塞有效計(jì)算長(zhǎng)度根據(jù)表2-76