小型液压挖掘机液压和工作系统的设计

吉林大学本科生毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计）小型液压挖掘机液压系统和工作装置设计The design of small hydraulic excavator hydraulic system and device 学生姓名： 班级： 学号： 学 院：机械科学与工程学院 专 业：机械工程及自动化 指导教师： 摘要 本次毕业设计课题是小型液压挖掘机的液压系统和工作装置。设计思路是根据液压挖掘机各部分的动作要求，参照同类型其他液压挖掘机来设计。工作装置结构图和液压系统图采用CAD2004绘制。 小型液压挖掘机主要由结构件、覆盖件、工作装置、行走装置、回转装置、液压系统、动力系统、电器系统等部分构成,最关键核心的是液压系统和动力系统。本文对小型液压挖掘机做了简要介绍，分析了液压挖掘机的主要动作，并根据动作要求设计了挖掘机的液压系统和工作装置。同时对回转装置、行走装置和各液压缸的参数进行初步估算。此液压系统采用液压先导控制，性能可靠，操纵强度低。关键词：挖掘机；液压系统 ；工作装置 ；液压缸AbstractThe subject of graduation design is a small hydraulic excavator hydraulic system and device. Design concept is based on the various parts of the movement of hydraulic excavators requirements, taking into account the other same type hydraulic excavator design.Working device structure diagram and Hydraulic system diagram used AutoCAD2004 drawing. Mainly by the structure of small hydraulic excavator parts, covering parts, working devices,walking devices, rotating equipment, hydraulic systems, power system, electrical system parts, the most critical core is the hydraulic system and power systems. In this paper, a small hydraulic excavator gives a brief introduction, analysis of the major movements of hydraulic excavators and in accordance with movements to design the excavator hydraulic system and working devices. The same time, rotating equipment, walking equipment and the hydraulic cylinder parameters initial estimates. The hydraulic system adopts the hydraulic pilot control, reliable performance, manipulation of low intensity.Key words：Excavator;Hydraulic system ；Working device ；Hydraulic urn 吉林大学本科生毕业论文（设计）目录第1章 绪论11.1 小型液压挖掘机简介11.2 国内外小挖的现状和发展情况31.2.1 国外现状和发展情况31.2.2 国内现状和发展情况31.3 本文拟达到的要求4第2章 小型液压挖掘机工作装置总体方案设计52.1 工作装置构成52.2 动臂和斗杆的结构形式82.3 铲斗的结构选择9第3章 工作装置基本尺寸计算123.1 铲斗参数的选择123.2 动臂和斗杆参数的确定123.2.1动臂和斗杆基本尺寸的选择123.2.2斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取13第4章 工作装置挖掘力分析184.1 铲斗油缸和斗杆作用力的确定184.2 动臂油缸作用力的确定194.3 各液压缸实际作用力的确定20第5章 小型液压挖掘机液压系统概述215.1 小型液压挖掘机液压系统的基本组成及要求225.2 小型液压挖掘机的基本动作分析235.3 小型液压挖掘机的基本回路分析245.3.1 限压回路245.3.2 卸荷回路265.3.3 缓冲回路275.3.4 节流调速回路295.3.5 节流限速回路305.3.6 行走限速回路315.3.7 支腿顺序回路和锁紧回路32第6章 小型液压挖掘机液压系统分析346.1 液压系统原理图346.2 液压系统工作原理简述366.3 液压系统特殊部件作用366.4 液压系统参数确定376.4.1 确定液压系统的工作压力376.4.2 确定液压缸的主要参数和工作压力386.4.3 液压马达所需流量396.4.4 确定液压马达的排量和工作压力396.4.5 液压泵流量和输入功率的确定406.4.6 发动机功率的确定41第7章 液压缸的设计计算417.1 液压缸结构尺寸设计计算417.2 油缸强度计算447.3 油缸稳定性验算45总结48致谢49参考文献50第1章 绪论就目前全球范围来看，挖掘机无论是在技术上还是市场上都很成熟了，像欧美那些工业发达国家的挖掘机需求和供应相对稳定。但由于国民经济发展和基础设施建设的需要，以中国为代表的发展中国家和新兴经济体对挖掘机的需求正不断增多。特别是自从我国改革开放以来，随着我国城镇化率的不断提高和公路铁路等基础设施建设项目的不断增多，施工建设也由以前的粗放型不断向精细型发展，而且由于我国劳动力成本的大幅上涨和施工建设对施工效率的要求越来越高，最终促使了以挖掘机等工程机械高效率的施工手段替代了高成本低效率的人工劳动。随着社会经济的快速发展，液压挖掘机在各种工程建设领域，特别是基础设施建设方面所发挥的作用越来越大，统计称在工程施工中约65%70%的土石方量是由挖掘机来完成的，液压挖掘机以其快速高效的施工特点被人们所熟知，因此被人们作称为工程机械之王。1.1 小型液压挖掘机简介业界对小挖没有比较明确的定义，一般认为标准斗容量在0.25以下或者整机重在13T以下的挖掘机都是小型挖掘机。在公路养护、园林绿化、小区建设、市政工程及农田建设等土方量分散、作业空间狭窄的工况下，小型挖掘机以其体积小、机动性好等优点受到广大用户的青睐。近几年来，我国的经济活动建设带动了以挖掘机为代表的工程机械行业的快速发展，小挖作为其中一个重要力量也取得了迅速的发展。小挖以其价格便宜、功能多样、机动灵活、作业效率高等优势，逐渐成为挖掘机这个子行业版块的主力军，受到大家的青睐。小型液压挖掘机价格低、质量轻、保养维修方便，具有独特优势。小型液压挖掘机体积小，机动灵活，非常适用于城镇的各种管道开挖、基础施工、公用事业以及房屋维修等作业。其紧凑的体积、特殊的设计使其能够在大型挖掘机无法施工的环境中进行作业。由于有相关的液压动力系统，小挖能够安装许多辅助作业工具。尾部旋转半径为零的设计应用，使得小型挖掘机在作业空间有限的环境下作业时挖掘机操作人员无须考虑施工现场是否有障碍物阻碍挖掘机的转动，从而使操作人员能够更专心于铲斗的操作，这也防止了施工现场周围建筑物以及挖掘机自身的损坏。小型挖掘机的动臂与机身铰接的设计，使其能够在一个很大的范围内进行摆动。使得挖掘机在周围有障碍物时也能避开障碍物进行作业而无需经常移动机身。同时，这也使得挖掘机能够便于在墙壁或是围墙的旁边进行挖掘作业。小型液压挖掘机便于各个施工现场间的转移，无需大型拖车或是重型卡车来进行运输，小型的运输工具就可将其运载。不但能够方便运输，还可以大大降低机器的运输费用。小型工程机械在市政工程、交通等施工中发挥较大优势并得以迅速发展。小型挖掘机在这些工程中为节省人力、物力做出了较大贡献，满足了城市各种作业要求，在城市狭窄的工作空间内能够最大限度地发挥其生产能力，逐步成为城市施工中具有代表性的施工机械。 从全球范围看，小型挖掘机市场已处于成熟发展期，需求稳定并呈缓慢上升趋势，中国的小型挖掘机产业仍处于市场导入和发展的初级阶段，需求持续快速增长。小型挖掘机的发展主要依赖于城市建设的发展，由于城市的改造、建设施工较多，要求施工时间短、施工机械对周围环境影响小、安全、低污染、回转半径小、便于运输以及具有与城市景色相协调的外观。1.2 国内外小挖的现状和发展情况1.2.1 国外现状和发展情况 国外小型挖掘机的生产始于二十世纪70年代，1985年以后，由于技术的不断成熟，这种产品得到了快速发展。目前国外小挖产品在可靠性、操作的流畅性和舒适性等方面已经非常完美，而且其驾驶室里美观的内饰及舒适的质感也可与家用轿车媲美。国外专业生产小挖的公司主要分布在美国、日本、欧洲等国家，比较有代表性的公司比如日本的久保田、小松、洋马等，美国的凯斯和山猫，德国的英孚和英国的JCB等。目前国外的小挖主要向着以一机多用的多功能化、以提高操作性能的智能化、以功率匹配控制的节能化、以有限元分析的可靠性设计、以基于微电子技术的智能监控系统设计和以符合人机工程学的驾驶室设计等方向发展。1.2.2 国内现状和发展情况 目前国内已形成1.5T至13T全系列规格型号的小型挖掘机 ，在国内占据了大部分市场份额，而且出口量在逐年攀升，其中国内生产小挖比较著名企业的是玉柴和山河智能。现阶段国内小挖的技术水平相比于国外来说还有很大差距，主要体现在整机的功率匹配、操作的稳定性和精确性、产品质量的可靠性以及人性化设计等方面。现阶段处于仿制后自主提高阶段，生产的大部分是标准型小挖，缺乏自主创新开发能力，特别是在核心液压元件和动力方面受制于人，大部分配件都需要进口。而且很多技术都来自于较成熟的大中型液压挖掘机，在动力匹配和技术创新方面有待进一步突破，特别是国产液压元件要替代进口液压元件还得不断努力。1.3 本文拟达到的要求本文设计的小型液压挖掘机斗容量为0.2，整机重量为6吨。挖掘土壤级别为级以下。本文主要对由动臂、斗杆、铲斗、连杆机构组成的工作装置和液压系统进行设计，设计的工作装置和液压系统要能满足挖掘机基本动作要求，并能完成复杂的复合动作。本文主要的设计内容包括小挖工作装置的总体设计和机构挖掘力分析，液压系统的整体设计和设计完成后对关键液压元件进行设计计算并校核。第2章 小型液压挖掘机工作装置总体方案设计2.1 工作装置构成 1油管；2动臂油缸；3动臂；4斗杆油缸；5斗杆；6铲斗油缸；7曲柄；8连杆；9铲斗；10侧板；11斗齿。 图 2.1.1 工作装置组成图图2.1.1为小型液压挖掘机工作装置组成图和传动示意图，反铲工作装置由曲柄7、连杆8、铲斗9、斗杆5、动臂3以及相应的直线液压缸6、4、2等组成。转台上连接动臂的下铰点和动臂油缸的一端，整个动臂装置随着动臂油缸的伸缩绕着动臂下铰点不断转动，实现动臂的动作。斗杆缸两端分别连接在动臂和斗杆上，通过斗杆缸的伸缩使斗杆绕着动臂上的那个铰点转动。铲斗和斗杆是铰接的，铲斗缸伸缩通过曲柄连杆机构使铲斗绕着铰接点转动，从而实现挖掘和卸土等动作。在进行挖掘作业时，启动回转马达，通过转台的转动使工作装置转动需要挖掘的位置，同时控制操作杆使动臂油缸的有杆腔进油使动臂油缸收缩，动臂下降到铲斗接触挖掘面时开始操作斗杆油缸和铲斗油缸，斗杆缸和铲斗缸的无杆腔进油，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操作，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，马上启动回转马达，转台回转，工作装置转到卸载的位置，再操作铲斗油缸和斗杆油缸使有杆腔进油，油缸收缩，铲斗翻转进行卸载作业。之后挖掘机再回转到挖掘位置进行循环挖掘作业。但在实际挖掘作业中，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。小型液压挖掘机工作装置的动臂和斗杆是变截面的箱型结构，铲斗是由很薄的钢板通过焊接而成的，而对应的那三个油缸可简化为只承受拉压载荷的杆，这样工作装置就可以进行适当的简化处理使的分析更加容易。最后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、动臂液压油缸、斗杆液压油缸、铲斗液压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，工作装置的结构简图如图2.1.2所示，进一步简化的工作装置结构简化图如图2.1.3所示。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。图2.1.2 工作装置结构简图 1动臂油缸；2动臂；3斗杆油缸；4斗杆；5铲斗油缸；6连杆；7曲柄；8铲斗图2.1.3 工作装置结构简化图2.2 动臂和斗杆的结构形式动臂是反铲工作装置的主要部件，分为整体式和组合式两种结构形式。整体式动臂虽然能更换的工作装置少，通用性较差，但其具有结构简单、重量轻、刚度大等很多优点，所以整体式动臂被广泛运用在液压挖掘机上。而组合式动臂是由辅助连杆或液压缸用螺栓连接而成，上下动臂之间的夹角由辅助连杆或者液压缸来调节，从而在挖掘窄而深的基坑时，使用这种结构形式的工作装置能使垂直挖掘深度更大，提高挖掘作业的质量和效率。虽然组合式动臂能在较短时间内调整挖掘机工作装置的作业尺寸和挖掘力，且能更换工作装置，从而满足多样化的作业要求，但其使用组合动臂而使质量大，生产成本较高。本文所用的是整体式动臂，如下图2.2.1所示。图2.2.1 整体式动臂斗杆也有整体式和组合式两种结构形式，大部分挖掘机都采用整体式斗杆，因为其质量轻刚度大，结构简单，容易制造而且生产成本低，所有本文设计的小型液压挖掘机也采用整体式斗杆。如下图2.2.2所示。 图2.2.2 整体式斗杆2.3 2.3 铲斗的结构选择 小型液压挖掘机反铲工作装置铲斗的形状和尺寸由作业对象决定，不同的作业需求可以在一台挖掘机上配备不同的铲斗来作业。铲斗与液压缸的连接形式通常有四连杆机构和六连杆机构两种，如图2.3.1所示。其中四连杆机构是铲斗液压缸直接铰接在铲斗上，铲斗转动角度较小，但铲斗可获得较大的工作力矩；六连杆机构是铲斗油缸通过曲柄连杆连接铲斗，这种连接形式的特点是在相同的铲斗液压缸活塞杆行程的情况下，铲斗可获得较大的转动角度，而且铲斗机构的传动性能较好。 （a）四连杆机构 （b）六连杆机构 1曲柄；2连杆 图2.3.1铲斗与液压缸连接形式铲斗结构的形状和参数的合理选择对小型液压挖掘机工作性能的影响很大，其设计时应满足以下的设计要求：（1） 铲斗的内壁尽量不要设置凸缘和棱角等，要有利于物料在铲斗里面流动并迅速装满铲斗，斗底纵向剖面形状也应该满足各种物料的运动规律。（2） 斗齿的设计应具有较小的切削阻力，便于切入土壤。（3） 为了使物料不易从铲斗中掉出来，铲斗的宽度和物料的粒径之比应大于4，当比值大于50时，物料尺寸可以忽略，物料看做是均质的。（4） 铲斗设计要利于物料在最短时间卸尽，提高作业效率。综上考虑，选择现在各大厂家广泛使用的铲斗，如下图2.3.2所示。 综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图2-6所示。图2.3.2 铲斗其中，铲斗的卡齿的安装形式采用橡胶卡销式，结构示意图如图2.3.3所示。 1-卡销 ；2 橡胶卡销；3 齿座； 4斗齿图2.3.3 卡销式斗齿结构示意图第3章 工作装置基本尺寸计算3.1 铲斗参数的选择 铲斗容量q ：由设计任务书知q = 0.2m3初选铲斗最大转角：=165度标准斗宽B：其可以由经验公式和差分法选择，当q = 0.2 m3时，再参考其它机型的标准斗宽预初定B = 0.56m = 560mm挖掘半径：按经验统计和参考同斗容的其它型号的机械，初选= 900mm 。铲斗挖掘满转角（2）：在经验公式 q = 0.5 R2B（2-Sin2）KS中，KS为土壤的松散系数，取值为1.25，将q = 0.2m3和B = 0.56m代入上式有：2-Sin2 = 0.66 ，化简得： = 95/2 = 47.5铲斗两个铰点之间的间距和的比值的选取：太大将影响机构的传动特性，太小则影响铲斗的结构刚度3，初选特性参数k2 = 0.29。3.2 动臂和斗杆参数的确定 3.2.1动臂和斗杆基本尺寸的选择 初选动臂转角： = 120度由设计经验和统计分析知，最大挖掘半径R的值很接近铲斗挖掘半径、动臂长度、斗杆产度三者之和+，即R=+；又由设计参数知，最大挖掘半径R=6250mm；由经验统计和参考其它同斗容机型有下列关系存在：=1.8。综上可知：R=+ 即：6250=900+1.8+ 得：=1910mm =1.8=3440按照经验统计和参考同斗容的其它型号的挖掘机，并结合计算出的动臂和斗杆长度，初步确定动臂上盖板的宽度：=280mm，斗杆上盖板的宽度=190mm。斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取 按照经验统计和参考同斗容的其它型号的挖掘机，并结合计算出的斗杆长度，选取斗杆宽度为：=190mm；挖掘机所用钢板的厚度在我国一般为，初选底板厚度如图4.2.2.1所示。10为斗杆侧板的厚度； 12为斗杆底板和顶板的厚度；190为底板的宽度图4.2.2.1 斗杆箱型结构 在斗杆与动臂铰接处，由设计经验即查表知，此处所受应力最大，故此处的侧板宽度h也是最大的，侧板其他截面宽度按规律减少。 在挖掘机中选用的结构钢材一般为16Mn，其有足够大的屈服极限和良好的机械性能。其屈服极限。在斗杆中取安全系数，则斗杆的许用安全应力为： 危险截面的有效面积： （41） 该截面对y轴的惯性矩: （42） 该截面对z轴的惯性距: （43） 横截面总面积: （44） 该危险截面所受到的正应力: （45） 该截面所受到的最大弯曲正应力: （46） （47） 则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有: （48） 由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要小得多，为简化计算，在计算中简应力忽略不计，仅在校核中用，则有： （49） 由4-1、4-2、4-3、 4-4、4-5解得h=380mm。3.2.2 动臂宽度、钢板厚度、许用应力的选取 由分析知在动臂拐点处所受到的应力可能最大，是危险截面。因此我们首先要选择该截面进行计算，算出截面最大宽度，然后再以此为基础，就可以用作图法或计算得到动臂的其它结构尺寸。由查阅相关资料和经验统计，初步选择：动臂底板的宽度：底板的厚度：由于上动臂所受的载荷较大，故取上动臂侧板的厚度，而下动臂所受的载荷相对要小，故选择下动臂的侧板的厚度为。许用应力的选取：动臂钢板所选的材料为挖掘机中所普遍采用的低合金结构钢16Mn，其屈服极限，并初选安全系数则许用应力： （4-10）应力的计算与危险截面尺寸的求取：危险截面所围成的面积：危险截面所围成的有效面积： （4-11） 则上动臂的有效面积： （4-12）下动臂的有效面积： （4-13）上动臂危险截面对Y轴的惯性矩 （4-14）下动臂危险截面对Y轴的惯性矩 （4-15）上动臂危险截面对Z轴的惯性矩 （4-16）同理下动臂危险截面对Z轴的惯性矩 （4-17）上动臂危险截面中拉伸轴向力所产生的正应力： （4-18）弯曲所产生的正应力： （4-19）由应力的合成有： （4-20）解之：第4章 工作装置挖掘力分析4.1 铲斗油缸和斗杆作用力的确定 铲斗油缸作用力确定。反铲装置工作过程中，以反铲最主要的位置最大挖掘深度时能保证最大挖掘力来分析确定铲斗油缸作用力。此时，计算位置为动臂下放到最低位置。铲斗油缸作用力对铲斗与斗杆铰点有最大力臂，如图5.1.1。式中l1铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂长度），m；lcF1max对铲斗与斗杆铰点C的力臂，m。斗杆油缸最大作用力计算位置为动臂下放到最低位置，斗杆油缸对斗杆与动臂铰点有最大力臂。即对斗杆产生最大作用力矩，并使斗齿间和铰点B、C在一条直线上，如图5.1.1。图5.1.1 铲斗、斗杆油缸作用力分析4.2 动臂油缸作用力的确定动臂油缸作用力的确定。动臂油缸的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，如图5.2.1.式中Gdt铲斗及其装载土壤的重力，N；Gg斗杆所受重力，N；Gb动臂所受重力，N；ldA铲斗质心到动臂下铰点A的水平距离，m；lgA斗杆质心到动臂下铰点A的水平距离，m；lbA动臂质心到动臂下铰点A的水平距离，m。图5.2.1 动臂油缸作用力分析4.3 各液压缸实际作用力的确定挖掘机设计初，在其他参数还未确定的情况下。可以对比同类型液压挖掘机，采用经验公式初步确定斗杆、动臂、铲斗液压缸的作用力。图5.3.1为对国内外挖掘机相关数据的统计图，可以看出。铲斗、斗杆最大作用力与整机质量之间存在一定的线性关系。图5.3.1 液压缸作用力与整机质量关系图可通过以下公式估算液压缸作用力f2=6.55MF=0.75f2 f1=0.75F式中F 铲斗油缸作用力，KN；f1斗杆油缸作用力，KN；f2动臂油缸作用力，KN；M整机质量，t。代入公式得 f2=39.3KN F=29.4KN f1=22.5KN第5章 小型液压挖掘机液压系统概述 把液压挖掘机液压元件用管路连接起来从而满足液压挖掘机工作装置以及各个机构传动的要求的系统，叫做挖掘机的液压系统。它是以液压油作为工作介质，通过液压泵将发动机的机械能转变为液压能传送出去，最后经液压马达或者液压缸等执行机构将液压能转变为机械能，完成液压挖掘机的各种动作。5.1 小型液压挖掘机液压系统的基本组成及要求通常挖掘机液压系统由工作装置系统、回转系统和行走系统这三个基本部分组成。其中工作装置系统主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压油缸，工作装置实现的挖掘和卸载动作由动臂回路、斗杆回路和铲斗回路这三个液压回路联合进行控制；回转系统主要由回转液压马达和回转齿轮齿圈等组成，它由液压系统回路里的回转回路进行控制，实现挖掘机工作装置和上回转部分的左右转向，方便工作装置的挖掘和卸载动作，回转系统在工作时还必须满足回转迅速、启动和制动无冲击、合理分配各机构流量等要求；行走系统主要是支撑挖掘机整机重量和完成挖掘机行走动作的，主要分为履带式结构和轮胎式结构，行走动作通常是由行走马达来驱动。单斗液压挖掘机的动作复杂，主要机构经常启动、制动、换向，外负荷变化很大，冲击和振动多，而且野外作业的温度和环境变化大，所以对液压系统的要求是多方面的。根据液压挖掘机的工作特点，液压系统要满足主机正常工作要求，即：（1）动臂、斗杆和铲斗要有独立的传动系统和控制装置，可以各自单独动作，也可以互相配合实现复合动作;（2）工作过程中，要求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，以提高机械生产率；（3）履带式液压挖掘机的左、右履带要求独立驱动，使机械行走方便，转向灵活，并可以原地转弯；（4）液压挖掘机作业时不需行走，行走时不能作业，所以行走装置行走时，工作装置和回转机构不需要动作；（5）液压挖掘机的一切动作都是可逆的，而且要求实现无极调速；（6）要求机械工作可靠，各种作业油缸要有良好的过载保护，回转机构和行走装置要有可靠的制动和限速，能防止动臂因自重而快速下降和整机超速溜坡的异常情况发生。为了达到上述要求，挖掘机液压系统应该做到以下几点：（1） 传动效率高，动力性和燃油经济性好；（2） 液压元件可靠性高，能够承受较大的负载和冲击；（3） 在油箱里装冷却器，减少发热量，尽量使液压油温低于80或温升低于45；（4） 液压系统的密封要好，装设滤油器和防尘装置，避免液压油被粉尘和颗粒等污染；（5） 采用液压伺服操作装置，对驾驶室进行人机工程学设计，提高液压挖掘机工作性能，减少驾驶员的工作强度。5.2 小型液压挖掘机的基本动作分析小型液压挖掘机的工作过程主要包括作业循环过程和整机移动过程两项动作。小型液压挖掘机的一个作业循环过程包括：挖掘通常以斗杆油缸动作为主，然后用铲斗油缸调整切削土壤的角度，两者配合挖掘。有复杂的挖掘动作，参照作业要求，实现铲斗、斗杆和动臂三个油缸的复合动作，来保证铲斗能够按某一特定轨迹转动进行挖掘。满斗提升与回转挖掘结束后，铲斗缸伸出，满斗开始提升，同时回转马达启动，上回转台开始向卸土的方向回转。卸载当上转台回转到卸土地点，转台进行制动。斗杆油缸开始调整卸载半径，铲斗油缸收缩，铲斗卸载。返回当卸载结束时，上转台向反方向回转。同时，动臂油缸和斗杆油缸两者配合动作，使空斗转到于新的挖掘位置进行下一个循环的挖掘作业。整机移动过程包括：直线行驶对于履带式挖掘机来说，行驶主要是由左右两边的马达进行驱动的，当两个马达转速一致时，挖掘机直线行驶。转弯当履带式挖掘机行驶过程中要转弯时，只要两个马达转速不一样即可，可边走边转也可原地转弯。5.3 小型液压挖掘机的基本回路分析 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、支腿顺序回路和锁紧回路等。5.3.1 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6.3.1.1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6.3.1.1 限压回路 5.3.2 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（6.3.2.1(a)）和穿越换向阀卸荷回路（6.3.2.1(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。 （a） 换向阀中位卸荷 （b） 穿越换向阀卸荷 图6.3.2.1 卸荷回路5.3.3 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6.3.3.1所示为几种比较常见的缓冲回路。 （a）直动缓冲阀式 （b）并联缓冲阀式 （c）成对单向阀式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6.3.3.1 缓冲回路 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。5.3.4 节流调速回路 在定量系统中为了改变执行元件的流量通常是利用带有可变截面的节流阀来实现节流调速的，按照节流阀安装位置不同，节流调速回路一般分为两种：进油节流调速回路（图6.3.4.1（a）和回油节流调速回路（图6.3.4.1（b）。 （a） 进油节流调速回路 （b） 回油节流调速回路 1定量泵；2液压缸；3节流阀；4溢流阀；5换向阀；6滤油器；图6.3.4.1 节流调速回路（a） 进油节流调速回路。液压泵前面有过滤,6，液压泵后面安装有溢流阀4和节流阀3，节流阀3和液压泵串联安装在高压油路上，液压油先经节流阀和换向阀再进入液压缸左侧，然后液压缸往右移。如果外负载变大，导致液压缸大腔压力变大，节流阀两端压差减小，流过节流阀的压力油减少，最后液压缸右移速度变慢；若外负载变小，同理可知，活塞缸移动速度变快。这种回路由于油液先经过节流阀，油温会升高，发热量大，泄露会增大，而且工作不稳定，效率低。（b） 回油节流调速回路。与进油节流调速回路想比，主要是节流阀安装在了回油路上，其他工作原理相同。由于节流阀安在了回油路上，油液经过节流阀后直接流回油箱，冷却效果好，而且工作较稳定，效率高。5.3.5 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6.3.5.1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6.3.5.1 节流限速回路5.3.6 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6.3.6.1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5.3.6 行走限速回路当换向阀处于左位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。5.3.7 支腿顺序回路和锁紧回路 这个回路是用在轮胎式液压挖掘机上的，工作时前后支腿的收放要按照一定的顺序进行，所以要在回路中安顺序阀，形成顺序回路；同时还要在回路中安装液压锁，保证支腿在外负载存在时不会缩回，形成锁紧回路，两者组成的回路如图6.3.7.1所示。1换向阀；2、3顺序阀；4、5单向阀；6、7液压锁；8、9液压缸图6.3.7.1 支腿顺序回路和锁紧回路对于顺序回路来说，支腿动作的顺序应该是：后支腿液压缸8伸前支腿液压缸9伸前支腿液压缸9缩后支腿液压缸8缩，这一组顺序动作由顺序阀2和3实现。当换向阀1处于右位时液压油进入液压缸8的无杆腔，后支腿伸出，回油分别经液压锁6、单向阀5和换向阀1最后返回油箱。当后支腿伸出以后不动，液压油压力升高，压力达到顺序阀2的调整压力时，顺序阀2打开，液压油进入液压缸9的无杆腔腔使前支腿伸出，回油返回油箱。当支腿伸出以后换向阀处于中位，压力油使液控单向阀8和9(液压锁)锁紧。 在顺序回路中，顺序阀的调定压力值要大于上个动作的最高工作压力，才能实现顺序动作。第6章 小型液压挖掘机液压系统分析6.1 液压系统原理图 根据液压挖掘机对系统的要求，采用双泵双回路定量系统，控制方式为液控换向。液压原理图，如图7.1.1。 图7.1.1 液压原理图、多路阀组 .先导控制阀组1斗杆液压缸； 2动臂液压缸； 3、4左右行走马达； 5铲斗液压缸；6回转马达；7限速阀；8、9、10多路阀组；11梭阀；12合流阀； 13、14、15多路阀组；16压力表；17、18液压泵；19冷却器； 20滤油器； 21蓄能器；22齿轮泵； 23节流阀； 24、25、26、27、28、29先导控制阀。6.2 液压系统工作原理简述主机启动后，当先导控制阀组不工作时，液压泵17、18提供的压力油分别通过多路换向阀组、以及限速阀7返回油箱。齿轮泵22为先导控制油路供压，压力过大时则压力油通过溢流阀流回油箱先导控制阀26、27中的电磁铁6Y、7Y同时通电，来自齿轮泵22的压力油控制多路换向阀组中的10、13换向阀，液压挖掘机左右行走马达开始工作，使挖掘机移动到工作位置（先导阀26、27单独控制时液压挖掘机单侧行走）。到达工作地点后，通过控制先导控制阀24、25、28中的电磁铁调整液压挖掘机斗杆、动臂和铲斗液压缸，使铲斗调整到合适的切削角度。调整好铲斗工作位置后，先导控制阀24中的电磁铁1Y通电，斗杆液压缸伸出，完成挖掘动作。挖掘完成后，先导控制阀25中的电磁铁4Y通电，动臂油缸伸出，使动臂提升到指定位置。控制先导控制阀29.使机身回转，令铲斗回转到指定卸载位置。先导控制阀中28中的电磁铁10Y通电，铲斗油缸收回，完成卸载（复杂的卸载动作需要斗杆、动臂和铲斗液压缸的复合动作）。卸载结束后，控制先导控制阀29使机身反方向回转。同时斗杆、动臂、铲斗液压缸配合动作使空斗置于新的挖掘位置。6.3 液压系统特殊部件作用限速阀。两组多路换向阀采用串联油路，其回油路并联。油液经过限速阀7流回邮箱。限速阀7的液控作用着由梭阀11提供的17、18两油泵的最大压力。当挖掘机下坡行走出现超速情况时，油泵出口压力降低，限速阀7自动对回油路进行节流，防止溜坡现象，保证液压挖掘机安全 。合流阀；多路换向阀组不工作时候通过合流阀，液压泵17输出的压力油经过合流阀进入多路换向阀。以加快动臂或斗杆的移动速度。蓄能器；保持先导油路油压稳定和熄火后提供油压还能完成几个动作的控制。节流阀；防止动臂、斗杆、和铲斗发生因重力超速现象，起限速作用。缓冲阀；用于缓冲惯性负载所引起的压力冲击。节流阀2。进入回转马达6内部和壳体内的液压油温度不同，会造成液压马达各零件热膨胀程度不同，引起密封滑动面卡死的热冲击现象。为此，在液压马达壳体上设有两个油口，一个油口直接接回油箱，另一个油口经节流阀32与有背压回路（背压单向阀33）相通，使部分回油进入壳体。由于液压马达壳体内经常有循环油流过，带走热量，因此可以防止热冲击的发生。此外，循环油还能冲洗壳体内磨损物。6.4 液压系统参数确定6.4.1 确定液压系统的工作压力不考虑能量损耗的情况下，系统的功率为9式中p液压泵的出口压力，Pa；Q液压泵的输出流量，m3/s。取p=20Mpa,则P=148KW提高系统的工作压力就可以减少系统中通过液压元件的流量，从而减小相应各液压元件以至整个液压系统的结构尺寸和质量。6.4.2 确定液压缸的主要参数和工作压力通常根据最大移动速度和最高转速来计算液压缸和液压马达的流量液压缸所需流量10式中Ag液压缸工作面积，m2；Vmax液