液压挖掘机液压系统的设计

1、摘 要液压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的土方机械。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，具有许多优点，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，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对推动我国挖掘机发展具有十分重要的意义。在搜集了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上，了解了挖掘机液压系统的发展历史，并对挖掘机液压系统的技术发展动态进行了分析总结。本次毕业设计课题是液压挖掘机。挖掘机由多个系统组成，包括液压系统，传动系统，操纵系统，工作装置，底架，转台，油箱，发动机安装等。

2、本人的设计主要致力于分析和设计中型液压挖掘机液压系统的液压元件。以液压元件和液压回路为主。关键词：挖掘机、液压系统、液压泵 abstractconstruction machinery hydraulic excavator is an important species, is a widely used in construction,railway, highway, water conservancy, mining and other construction projects of earthmoving machinery. the use of hydraulic excava

3、tor hydraulic components (hydraulic pumps, hydraulic motors, hydraulic cylinders, etc.) bring a variety of component movement, has many advantages, so it is the design of the hydraulic system of the high demands, and its hydraulic system engineering machinery hydraulic system is the most complex. th

4、erefore, the analysis of excavator hydraulic system design in promoting the development of chinas excavator of great significance.at home and abroad in gathering relevant information excavator hydraulic system on the basis of the understanding of the excavators of the historical development of the h

5、ydraulic system, hydraulic excavators and technical developments have been analyzed and summarized. the graduation project is the subject of hydraulic excavators yw160. mini-excavator from multiple systems, including hydraulic system, transmission system, control system, the working devices, chassis

6、, turntable, fuel tanks, engine installation. i focused on the design of the analysis and design of medium-sized hydraulic excavator hydraulic system hydraulic components. hydraulic components and the main hydraulic circuit.keywords: hydraulic pump hydraulic system of excavator 目 录前 言1第1章 液压挖掘机结构与工作

7、原理21.1 液压挖掘机整机性能21.2 液压挖掘机结构31.3 液压挖掘机传动原理5第2章 挖掘机工况分析及液压系统设计方案的确定 72.1 液压挖掘机工况72.2 挖掘机液压系统的设计要求122.3液压系统方案拟定14第3章 液压系统设计153.1 确定油缸所受的作用力153.1.1 铲斗油缸作用力的确定153.1.2 斗杆油缸作用力的确定173.1.3 动臂油缸作用力的确定183.2 各油缸尺寸的确定193.2.1 铲斗油缸尺寸的计算193.2.2 斗杆油缸尺寸的计算223.2.3 动臂油缸尺寸的计算223.3 液压系统图的拟定233.4 液压元件的选择243.5 各液压缸和马达流量的确

8、定253.6 管路油管的选择273.7 液压油箱的确定293.8 液压系统的发热和温升的验算293.9 液压装置的结构设计30结 论31参考文献32致谢34前 言我国是一个发展中国家，在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设，这就需要大量的土石方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机械。因此，可以肯定液压挖掘机的发展空间很大。可以预见，随着国家经济建设的不断发展，液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展，液压挖掘机的年产量将会以高于20的速度增长。中国挖掘机市场自1997年开始已进入了一个较快的发展时期，2001年与2000年比较，全国

9、挖掘机的产、销量分别增长55和56。截止到2002年8月底全国挖掘机的销量已超过13000台，超过了2001年全年的销售数。2003年全国液压挖掘机的销售量超过18000台。显然，挖掘机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。2008年北京奥运会、2010年上海世博会、西部大开发、南水北调工程对机械设备的需求为挖掘机生产厂商提供了大量商机。另为满足国民经济发展的需要，尽快为国内市场提供产品质量好、可靠性高的液压挖掘机，改变大中型液压挖掘机长期依靠进口的被动局面当务之急是高速发展我国液压挖掘机。随之从事液压设备设计和调试工作的工程技术人员也越来越多。他们设计出了不少性能良好的液压系统；

10、但也经常出现一些因设计时考虑不周或参数调节不当，造成系统达不到要求或不能正常工作，不得不改进设计或采取应急对策的情况。如何设计出工作可靠、结构简单、性能好、成本低、效率高、维护使用方便的液压系统，必须通过调查研究，明确多方面的要求！以下是中型反铲挖掘机液压系统的设计，希望本设计能为从事液压工作的人员献上微薄之力！第1章 液压挖掘机结构与工作原理液压挖掘机由于在动力装置 和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力能进行工作，相对机械传动具有许多优点:能无极调速且调速范围大，最大速度和最小速度之比可达1000:1能得到较低的稳定转速；快速作用时，液压元件产生的运动惯性较小，并可作高速反转；传动

11、平稳，结构简单，可吸收冲击和振动；操纵省力灵活，易实现自动化控制；易实现标准化、通用化、系列化。因此液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械。它是目前挖掘机械中重要的机种。单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗(一般装有斗齿)的切削刃切削土壤并将土装入斗内，斗满后提升。回转至卸上位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到地面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继续作业。因此单斗液压挖掘机是一种周期作业的自行式上方机械。1.1 液压挖掘机整机性能液压挖掘机可分为:动力系统、机械系统、液压系统、控制系统。液压挖掘机作为一

12、个有机整体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有关，还与液压系统、控制系统性能有关。(1) 动力系统挖掘机工作的主要特点是环境温度变化大，灰尘污物较多，负荷变化大，经常倾斜工作，维护条件差。因此液压挖掘机原动力一般由柴油机提供，柴油机具有工作可靠、功率特性曲线硬、燃油经济等特点，符号挖掘机工作条件恶劣，负荷多变的要求。挖掘机的额定负荷与汽车。拖拉机不同，汽车和拖拉机指在最高转速下、连同机油泵、发电机等必要附件，分钟内的最大功率;挖掘机是指在额定转速下一小时以上的额定功率。挖掘机采用车用柴油机时，最大功率指数降低。(2) 机械系统液压挖掘机的机械系统部分是完成挖掘机各项基本动作的直接执行者

13、，主要包括:行走装置是整个机器的支撑部分，承受机器的全部重量和工作装置的反力，同时能使挖掘机作短途行驶.按照结构的不同，分履带式和轮胎式。回转机构使挖掘机上车围绕中央回转轴作360度的回转的机构，包括驱动装置和回转支撑。工作装置是挖掘机完成实际作业的主要组成部分，常用的有反铲、正铲、装载、起重等装置，而同一种装置可以有多种结构形式，前面所述的反铲装置应用最为广泛。(3) 液压系统液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，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，将压力油单独或同时送往液压执行元件(液压马达和液压油缸)驱动执行机构工作。液压挖掘机的主

14、要运动有整机行走、转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗转动等。这些运动都靠液压传动。根据以上工作要求，把各液压元件用油管有机地连接起来地组合体既是液压挖掘机地液压系统。该系统地功能是把发动机地机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等转变为机械能，再传动各执行机构，实现各种运动和工作过程。液压系统设计得合理与否，对挖掘机的性能起着决定性的作用。同样的元件，若系统设计不同，则挖掘机性能差异很大。液压系统习惯上按主油泵的数量、功率调节方式和回路的数量来分类。(4) 控制系统液压挖掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液压马达)等进行控制的系统。电子技术和计

15、算机技术的飞速进步，使挖掘机有了越来越先进的控制系统，使液压挖掘机向高性能、自动化和智能化发展。目前挖掘机研究重点正逐步向智能化机电液控制系统方向转移。1.2 液压挖掘机结构(1) 液压挖掘机组成为了实现液压挖掘机的各项功能，单斗液压挖掘机需要两个基本组成部分，即机体(或称主机)和工作装置。机体是完成挖掘机基本动作并作为驱动和操纵挖掘机进行工作的荃础，可以是履带牵引车辆或轮式牵引车辆。可细分为行走装置、回转装置、液压系统、气压系统、电气系统和动力装置。其中动力装置、操纵机构、回转机构和辅助设备均可在回转平台上，总称上车部分，它与行走机构(又称下车部分)用回转支撑相连，平台可以围绕中央回转轴作3

16、60的全回转。工作装置根据工作性质的不同，可配备反铲、正铲、装载、起重等装置，分别完成挖掘、装载、抓取、起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清沟等工作。挖掘机的基本性能决定于各部分的构造、性能及其综合的效果。(2) 单斗反铲液压挖掘机反铲装置主要用于挖掘停机面以下的土壤。斗容量小于1.6的中小型液压挖掘机通常选用反铲装置，它分为整体臂式和组合臂式。其中长期作业条件相似的挖掘机反铲装置大多采用整体鹅颈式动臂结构。采用这种动臂有利于加大挖掘深度，且结构简单、价格低廉。刚度相同时，其重量比组合动臂轻，是目前应用最广泛的液压挖掘机工作装置结构形式。铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式，动臂、斗杆和铲斗

17、等主要部件彼此铰接，在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作。整体鹅颈式动臂反铲挖掘机工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗一杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下。铰点转动实现动臂的升降。斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂相对角度。当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联。(3) 液压挖掘机工作循环过程首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进

18、入作业面，运输车辆倒车、调停，停靠在挖掘机的侧方或后方。挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，配合动作以加快作业进度，进行复合动作的挖掘和装载:铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸

19、使铲斗高度稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。1.3 液压挖掘机传动原理液压挖掘机采用三组液压缸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运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走(移位)，使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业的要求。液压挖掘机由柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给各液压执行元件(液压缸或液压马达)驱动相应的机构进行工作。液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。反铲工作装置由铲斗5、斗杆

20、11、动臂2、连杆8及相应的三组液压缸1、4、10组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动;而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达，转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩;动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖

21、掘位置进行第二次挖掘循环。在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系通的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合随机的。1、斗杆油缸 2、动臂 3、油管 4、动臂油缸 5、铲斗 6、斗齿 7、侧齿 8、连杆 9、摇杆 10、铲斗油缸 11、斗杆图1-1 反铲挖掘机工作装置总之，液压挖掘机是由多学科、多系统组成的有机整体，只有在系统层面上的各系统、各学科协同优化才能获取挖掘机整机的最佳性能。第2章 液压挖掘机工况分析及液压系统设计方案的确定要了解和设计挖掘机的液压系统，首先要分析液压挖掘机的工作过程及其作业要求，掌握各种液压作用元件动作时的流量、力和功率要求以及液压作用元件

22、相互配合的复合动作要求和复合动作时油泵对同时作用的各液压作用元件的流量分配和功率分配。2.1 液压挖掘机的工况液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作(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。1、动臂升降 2、斗杆收放 3、铲斗装卸 4 、平台台回转 5、整机行走图2-1 液压挖掘机的运动图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:(1)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

23、;(2)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，同时回转第2章挖掘机液压系统的设计要求和分析方法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

24、，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。1挖掘工况分析挖掘过程中主要以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别单独进行挖掘，或者两者复合动作，必要时配以动臂液压缸的动作。一般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，如图2-2，2-3所示。此时斗杆收回，动臂抬起，希望斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以保证彼此动作独立，相互之间无干扰，并且要求泵的供油量小，使油缸动作慢，便于控制。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

25、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，如图2-4,2-5所示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。下面以三泵系统为例，来说明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。液压马达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。图2-2 斗尖沿直线平整土地图 图2-3 斗尖沿直线切削斜坡图图2-4 铲斗底压整地面图图2-5 铲斗底保持一定角度切削图当斗杆和铲斗复合动作挖掘时，供油情况如图2-6a 所示。当斗杆油压接近溢流阀的压力时，原来溢流的油液此时供给铲

26、斗有效利用;当铲斗和动臂复合动作挖掘时，由于动臂仅仅起调解位置的作用，主要是斗杆进行挖掘，因此采用斗杆优先合流、双泵供油，如图2-6b 所示。图2-6 三泵供油系统示意图当动臂、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。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，因此需要同时向回转马达和斗杆供油，

27、两者复合动作。回转马达和斗杆收缩同时动作，由同一个油泵供油，因此需要采用回转优先油路，否则铲斗无法紧贴侧壁，使掘削很难正常进行。在斗杆油缸活塞杆端回油路上设置可变节流阀，此节流阀的开口度即节流程度由回转先导压力来控制。回转先导压力越大，节流阀开度越小，节流效应越大，则斗杆油缸回油压力增高，使得油泵的供油压力也提高。因此随着回转操纵杆行程的增大，回转马达油压增加，回转力增大。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，能提高主压力阀的力。2满斗举升回斗工况分析挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处

28、，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升到合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对自卸车的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整的。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。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，此时应该将溢流的油供给动臂，如图2-7a所示。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。由于满斗提升时动臂油缸压力高，导致变量

29、泵流量减小，为了使动臂提升和回转、斗杆外放相互配合动作，由一个油泵专门向动臂油缸供油，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，如图2-7b所示。但是由于动臂提升时油压较高，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2-7c所示。各个油泵分别向一个液压作用元件供油，复合动作时无相互干扰。3卸载工况分析回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合动作，间以动臂动作。图2-7 回转举升供油情况4空斗返回工况分析当卸载结束后，转台反向回转，同时

30、动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给动臂，少部分油经节流阀供给斗杆。发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。5行走时复合动作在行走的过程有可能要求对作业装置液压元件(如回转机构、动臂、斗杆和铲斗)进行调整。在双泵系统中，一个油泵为左行走马达供油、另一个油泵为右行走马达供油，此时如果某一液压

31、元件动作，使某一油泵分流供油，就会造成一侧行走速度降低，影响直线行驶性，特别是当挖掘机进行装车运输或上下卡车行走时，行驶偏斜会造成事故。为了保证挖掘机的直线行驶性，在三泵供油系统中，左右行走马达分别由一个油泵单独供油，另一个油泵向其它液压作用元件(如动臂、斗杆、铲斗和回转)供油，如图2-8a所示。对于双泵系统，目前采用以下供油方式:一个油泵并联向左、右行走马达供油，另一个油泵向其他液压作用元件供油，其多余的油液通过单向阀向行走马达供油，如图2-8b所示;双泵合流并联向左、右行走马达和作业装置液压作用元件同时供油，如图2-8c所示。 图2-8 行走复合动作时的几种供油情况2.2 挖掘机液压系统的

32、设计要求液压挖掘机的动作繁复，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等，是一种具有多自由度的工程机械。这些主要机构经常起动、制动、换向，外负载变化很大，冲击和振动多，因此挖掘机对液压系统提出了很高的设计要求。根据液压挖掘机的工作特点，其液压系统的设计需要满足以下要求: 1动力性要求所谓动力性要求，就是在保证发动机不过载的前提下，尽量充分地利用发动机的功率，提高挖掘机的生产效率。尤其是当负载变化时，要求液压系统与发动机的良好匹配，尽量提高发动机的输出功率。例如，当外负载较小时，往往希望增大油泵的输出流量，提高执行元件的运动速度。双泵液压系统中就常常采用合流的方式来提高发动机的功率

33、利用率。2操纵性要求(1) 调速性要求挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高，如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现调速操纵控制，对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠，成为挖掘机液压系统设计十分重要的一方面。挖掘机在工作过程中作业阻力变化大，各种不同的作业工况要求功率变化大，因此要求对各个执行元件的调速性要好。(2) 复合操纵性要求挖掘机在作业过程中需要各个执行元件单独动作，但是在更多情况下要求各个执行元件能够相互配合实现复杂的复合动作，因此如何实现多执行元件的复合动作也是挖掘机液压系统操纵性要求的一方面。当多执行元件共同动作时，要求其相互间不千涉，能够合理分配共同动作时各个执行元件的流盘，实现理想的

34、复合动作。尤其对行走机构来说，左、右行走马达的复合动作问题，即直线行驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。如果挖掘机在行使过程中由于液压泵的油分流供应，导致一侧行走马达速度降低，形成挖掘机意外跑偏，很容易发生事故。另外，当多执行元件同时动作时，各个操纵阀都在大开度下工作，往往会出现系统总流量需求超过油泵的最大供油流量，这样高压执行元件就会因压力油优先供给低压执行元件而出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，如何协调多执行元件复合动作时的流量供应问题也是挖掘机液压系统设计中需要考虑的。3节能性要求挖掘机工作时间长，能量消耗大，要求液压系统的效率高，就要降低各个执行元件和管路的能耗，因此在挖掘机液压

35、系统中要充分考虑各种节能措施。当对各个执行元件进行调速控制时，系统所需流量大于油泵的输出流量，此时必然会导致一部分流量损失掉。系统要求此部分的能量损失尽量小;当挖掘机处于空载不工作的状态下，如何降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，也是降低能耗的关键。.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，对于其液压系统要求有良好的过载保护措施，防止油泵过载和因外负载冲击对各个液压作用元件的损伤。回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快带下降和整机超速溜坡。5其它性能要求实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低挖掘机的制造成本:液压挖掘机作业条件恶劣，各功能部件要求有很高的工

36、作可靠性和耐久性;由于挖掘机在城市建设施工中应用越来越多，因此要不断提高挖掘机的作业性能，降低振动和噪声，重视其作业中的环保性。2.3 液压系统方案拟订(1)在液压挖掘机一个工作循环中的四种工况一挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况和卸载返回工况进行详细分析的基础上，总结每个工况下各执行机构的主要复合动作后提出初步方案。(2)根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结出挖掘机液压系统的设计要求:动力性要求、操纵性要求、节能性要求、安全性要求和其它性能的要求。(3)提出一种有效、直观的挖掘机液压系统的设计方案，并详细介绍设计的步骤。第3章 液压系统的设计3.1 确定油缸所受的作用力3.1.1 铲斗

37、油缸作用力的确定反铲装置在作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗缸设计的依据。初步设计时按额定斗容及工作条件（土壤级别），参考有关资料可初选斗齿最大挖掘力（最大挖掘力有任务书要求为），并按反铲最重要的工作位置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工作力，如图所示。为简单起见，可以忽略斗和土的质量，并且忽略了各构件质量及连杆机构效率影响因素，此时铲斗油缸作用力为 （3-1）式中 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； 对铲斗与斗杆铰点c的力臂，m。已知 而这时斗杆及动臂油缸均处于闭锁状态，斗杆油缸闭锁力应满足 （3-2） 式中 斗杆闭锁力对斗

38、杆与动臂铰点的力臂，m； 对斗杆与动臂铰点b的力臂，m； 对斗杆与动臂铰点b的力臂，m； 图3-1 铲斗缸受力分析图 挖掘阻力的法向分力，取 已知 动臂油缸闭锁力应满足 （3-3）式中 动臂油缸闭锁力对铰点a的力臂，m；对动臂下铰点a的力臂，m；对铰点a的力臂，m。 已知 又动臂缸两个油缸同时作用，则每个缸闭3.1.2 斗杆油缸作用力的确定当挖掘机以斗杆挖掘时，其最大挖掘力则有斗杆油缸来保证。斗杆油缸最大作用力位置为动臂下放到最低位置，斗杆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矩，并使斗齿尖和铰点b、c在一条直线上，如图所示。与前面推导铲斗油缸作用力一样，忽略各构件及斗中土

39、壤质量和连杆机构效率影响因素，此时斗杆油缸作用力为 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应满足 动臂缸闭锁力应满足 动臂缸有两个，则每个缸闭锁力 图3-2斗杆缸受力分析图 3.1.3 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，其计算简图如图所示，此时动臂油缸作用力为 （3-4）式中：图3-3 动臂油缸受力分析图 铲斗及其装载土壤的的重力，n； 斗杆所受重力，n； 动臂所受重力，n； 铲斗质心到动臂下铰点a的水平距离，m； 斗杆质心到动臂下铰点a的水平距离，m； 动臂质心到动臂下铰点a的水平距离，m。 每

40、个缸的闭锁力3.2 各油缸尺寸的确定3.2.1 铲斗油缸尺寸的计算1 铲斗缸工作压力的确定液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时可用类比法来确定。设备类型精加工机床组合机床拉床农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构液压机、重型机械、大中型挖掘机、起重运输机械工作压力p/mpa0.8-23-55-101-1616-32表3-1 各类机械常用的系统工作压力初选系统工作压力为25mpa 缸径d和油塞杆直径d的确定 挖掘机液压缸均为单活塞杆液压缸，其原理图如下所示 图3-4 液压缸原理图工作压力 d/d 表3-2 按工作压

41、力选取d/d由缸受力平衡知 式中 液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力； 液压缸回油腔背压，有表2所示，取； 活塞杆直径与液压缸内径之比，按表3取d/d=0.7; 工作循环中最大的外负载，此处 液压缸机械效率，一般取 将上式代入缸受力平衡方程式得 （3-5） 圆整取则 圆整取 缸壁厚和外径的计算如按薄壁缸进行计算则 （3-6）式中 试验压力，一般取最大工作压力的倍； 缸筒材料许用应力，无缝钢管；式中 取 此时 不满足薄壁缸条件故应按中等壁厚计算公式计算 此时 （3-7） 强度系数，对无缝钢管 ； 用来圆整壁厚。则 取则缸外径 有挖掘机实际运动轨迹和外型尺寸知铲斗缸工作行程为3.2.2 斗杆油

42、缸尺寸的计算 由铲斗缸计算步骤知斗杆缸受力平衡 圆整取 则缸油塞杆直径 圆整取 缸壁厚和外径的计算 由上面计算知按中等壁厚计算 圆整取 则外径 由挖掘机实际运动轨迹和外型尺寸可得出斗杆缸工作行程 3.2.3动臂缸的尺寸计算 由上面计算知动臂缸受力平衡公式 圆整取则缸油塞杆直径 圆整取 缸壁厚和外径的计算 由上面计算知按中等壁厚计算 圆整取 则外经 根据挖掘机实际运动轨迹和外型尺寸可得出动臂缸工作行程 3.3 液压系统图的拟定本次设计的挖掘机液压系统原理图如图所示，该系统为高压定量双泵开式系统，液压泵1、2输出的压力油分别进入两组由三个手动换向阀组成的多路换向阀a、b。进入多路换向阀a的压力油，

43、驱动回转马达、铲斗缸，同时经中央回转接头驱动左行走马达；进入多路阀b的压力油，驱动动臂缸和斗杆缸，并经中央回转接头驱动右行走马达。从多路阀a、b流出的压力油都要经过限速阀进入总回油管，再经背压阀、冷却器、滤油器流回油箱。当单个换向阀处于中间位置时，构成卸载回路。图3-5 挖掘机液压系统原理图3.4 液压元件的选择 序号元件名称规格型号数量1滤油器abzr-s0140-10-1x/m-a22冷却器2lqfw1 3背压阀s30a1.01 4节流阀mg20g1x/v15缓冲补油阀组16双速阀24e-h10b-t27补油单向阀s20a1.018中心回转接头19限速阀dhg-04-3c110多路阀wdf

44、22.4.a111溢流阀dadh10p1x/400212梭阀ks-f32113合流阀4hmm10-15114多路阀dl1-25115截止阀qjn-10wl216单向节流阀mk6g1x/v317缓冲阀dbd-1012表3 -3 系统元部件一览表3.5 各液压缸和马达流量的确定1 取每个液压缸的伸缩速度 根据前面计算出的各缸参数如下： 缸内径 活塞杆径 缸内径 活塞杆径 2 每个缸的流量计算 （3-8） 、 铲斗缸、 斗杆缸 动臂缸平台回转启动力矩一般应小于制动力矩。当回转机构仅靠液压制动时，启动力矩小于或等于制动力矩，可以取当回转机构带附加机械制动时，最高可达，一般取。对于一定的回转机构来说，启

45、动力矩和制动力矩越大，则平台回转加速度和减速度也越大，从而可提高回转速度，缩短回转时间。但回转加速度过大会增加动载荷和冲击，同时启动力矩和制动力矩的增大也受地面附着条件的限制。地面附着条件可用地面附着力矩表示。机械制动一般取，液压制动可取。履带式液压挖掘机地面附着力矩的计算可以采用下面的简化公式 式中 地面附着力矩，； 整机质量，； 地面附着系数，平板履带板取，带筋履带板取。 则 又 设经过四级减速，传动比 则马达所受最大力矩理论排量据此可查手册选出液压马达型号 轴向柱塞马达 排量 额定转速。、行走马达的选用液压挖掘机行走速度有 、 两种可调高低速，故由上面选出的液压马达 。3 主回路液压泵的

46、选择 泵所需总流量 式中 系统渗漏系数，一般取，此处取； 各动作元件同时动作的最大流量之和。 由上面计算得知 本设计采用双联斜轴式定量柱塞泵，则每个泵所需流量 液压泵工作压力的确定液压泵工作压力 式中 液压泵最大工作压力； 执行元件最大工作压力； 进油路压力损失，较复杂系统取，此处取。则 参照产品样本选取额定压力比系统最高压力高10%30%、额定流量不低于上述计算结果的液压泵，可据此选择泵型号 双联定量轴向柱塞泵，额定压力为；最大排量。最高转速。3.6 管路油管的选择管路是液压系统中液压元件之间传递工作介质的各种油管的总称。管接头用于油管与油管和油管与液压元件之间的连接，为了保证液压元件之间工

47、作的可靠性，管路及管接头应具有足够的强度，良好的密封性，其压力损失也要小，拆卸方便。（1）油管内径的确定油管的内径取决于管路的种类及管内的流速。油管的内径由下面的公式确定： （3-9） 式中：q流经管路的流量；v油管内的允许流速。对吸油管可取v=（11.5）m/s一般取1m/s，回油管可取v（1.52.5）m/s，压力油管：当p2.5mpa时，取v=(34) m/s ,当p=（2.516）mpa时，取v=（34）m/s ，当p16mpa时，取v5m/s。对吸油管有：圆整取d=65mm。对回油管有：圆整取。（3）管接头的选择管接头采用焊接式管接头，焊接式管接头主要由接头体、螺母和接管组成，在接头

48、体和接管之间用o型密封圈密封。当接头体拧入机体时，采用金属垫圈或组合实现端面密封。接管和管路系统中的缸管接头用焊接连接，管接头和机体的连接主要采用普通细牙螺纹，根据机械设计手册第四版第四卷表17-8-6选用焊接式管接头。（4）螺塞的选取螺塞主要用于堵塞工艺孔和油箱放油孔，以及缸筒需要堵死的地方。选用六角螺塞（jb/zq4450-1997）其主要参数见机械设计手册第四版第四卷p17-674表17-8-78。 3.7 液压油箱的确定油箱的容积一般区泵每分钟流量的3-5倍，当系统采用定量泵时油箱的容量不能小于泵每分钟流量的3倍。此系统中泵流量为，则油箱容积。外型尺寸按设计，可得出油箱长宽高。3.8

49、液压系统的发热和温升的验算 系统工作时液压泵的输入功率由前面的计算可知 挖掘机工作时，液压缸的最大输出功率 （3-10） 式中：液压马达的外工作负载力矩， 液压马达旋转角速度，rad/s。则系统的总发热功率为： 已知油箱容积 则油箱近似散热面积为： 油箱通风良好，取油箱散热系数则油液温升 （3-11）设环境温度 则热平衡温度为： 在工程机械中，系统油温的正常值为50-80,所以油箱的散热平衡。3.9 液压装置的结构设计1、液压装置的结构形式液压装置按配置形式可以分为集中配置和分散配置两种形式。集中式配置主要用于固定的液压设备中，如机床及其自动线液压系统。分散式配置主要用于移动式液压设备，如工程

50、机械液压系统等。本次设计的是挖掘机液压系统，所以采用分散式配置，不需要进行液压站的设计。采用分散式配置的优点是结构紧凑，节省占地面积。缺点是安装维修较复杂，动力源的震动和油温影响主机的精度。2、阀集成块液压阀集成块在液压系统的设计中占有很重要的地位，它不仅便于集中管理，而且可以减少管路，提高液压系统的工作可靠性。阀集成块的设计原则为：（1）合理选择集成阀的个数，若集成的阀太多，会使阀块的体积过大，设计、加工困哪；集成的太少，集成的意义又不大。在本次设计中，每个块上集成3个阀。（2）在阀块设计时，块内的油路应尽量简捷，尽量减少深孔、斜孔，阀块中的孔径应与通过的流量相匹配。（3）阀块设计时应注意进出油口的方向和位置，应与系统的总体布置及管道连接形式匹配，并考虑安装操作方便。（4）阀块设计时还要考虑有水平或垂直安装要求的阀，必须符合要求。需要调节的阀应放在便于操作的位置，需要经常检修的阀应安装在阀块的上方或外侧。（5）阀块设计时要设置足够数量的测压点，以供阀块试用。结 论本课题挖掘机机液压系统设计，其说明书的编写终于完成。虽然不是很复杂，但通过这一设计实践，我感到自己在这方面仍存在许多不足之处。对于我的本次设计，我觉得设计计算部分非常认真。在各种机械设备上，液压系统得到了广泛的使用。