挖掘机动臂机构液压系统

1、挖掘机动臂机构液压系统1、设计背景液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工 程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。加快建设速 度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。 由于液压挖掘机具有多品种，多功 能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐。 液压挖掘机的生 产制造业也日益蓬勃发展。挖掘机液压传动紧密地联系在一起， 其发展主要以液压技术的应用为基础。 其结 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(如图所 示)，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的设 计提出了很

2、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已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。2、设计要求2.1使用要求小型挖掘机主要用于城市、狭窄地区，代替人力劳动。主要作业是挖掘、装载、 整地、起重等，用于城市管道工程、道路、住宅建设、基础工程和园林作业等。小型 挖掘机体积小，机动灵活，并趋向于一机多能，配备多种工作装置，除正铲、反铲外, 还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、推土板、 冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时， 发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机

3、等。总 之它是一种多用途万能型的城市建设机械。由于这种机械的特点很靠近人，因此在设 计上除了要求耐久性、可靠性和作业效率等，还需着重考虑人、机、环境的协调，特 别要注意以下几点：(1) 安全性即机械作业过程中不要与周围的人和物相碰撞，防倾翻稳定性好。(2) 低公害即排放要求高、低震动、低噪音，声音要比较悦耳。(3) 与周围环境能调和，形象要美观，形体和色彩不要引起人们不愉快感，对 人有亲和感。(4) 尽量扩大其使用功能，可装多种附属装置，应成为城市万能型工程机械。(5) 操纵简便，任何人一学就会，都能操纵。2.2 性能要求小型挖掘机具有中型挖掘机的多项功能，又具有便于运输、能耗低、灵活、适应

4、性强等优势，非常适用于空间狭小的施工场地作业，而且价格低、质量轻、保养维修 方便，所以在小型土石方工程、市政工程、路面修复、混凝土破碎、电缆埋设、自来 水管道的铺设、园林栽培等工程中得到了广泛的应用。由于满足基本的挖掘、装载、 整地、起重等功能外，必须考虑到工作空间小(人力所不能至)、地形复杂、方便操作、 可控，目前市场对小型挖掘机性能要求如下 ：(1) 改进挖掘机可控性和控制精确性以及复合动作。(2) 简化液压系统、降低成本，达到大作业量与低油耗的动态平衡。(3) 改进工作可靠性。(4) 改进驾驶操作舒适性及降低 劳动强度，提高单位生产率。(5) 改进操作安全性。(6) 低振动、低噪音适用生

5、活区工作。2.3总体图液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高 施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用，因 此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。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1.1液压挖掘机整体系统图3、液压系统的设计液压系统设计作为机电一体化挖掘机设计的重要组成部分，设计时必须满足挖掘 机工作循环所需的全部技术要求，且静动态性能好

6、、效率高、结构简单、工作安全可 靠、寿命长、经济性好、使用维护方便。其中液压系统的设计作为挖掘机总体设计的 一部分，必须要满足整机工作要求，并要求进行相关参数的计算与分析验证， 选取合 适的各液压元件。3.1液压挖掘机的工况分析液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作(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 (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。3.1.1 .挖掘机的典型作业流程(1) 整机移动至合适的工作位置(2) 回转平台，使用工作装置处于挖掘位置(3) 动臂下降，并调整斗杆、铲斗至

7、合适位置(4) 斗杆、铲斗挖掘作业(5) 动臂升起(6) 回转工作装置至卸载位置(7)操纵斗杆、铲斗卸载写S1 一动臂升降；2 一斗杆收放：3 一铲斗装卸;4 一转台回转:5 一整机行走 图3. 1液压挖掘机的工作运动3.1.2 .工况分析(1) 铲斗挖掘工况：由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。采用铲斗液压缸进 行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率， 因此，在一般土方工程挖 掘中(III级土以下土壤的挖掘)铲斗挖掘最常用。(2) 斗杆挖掘工况：由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。在较坚硬的土质条 件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进 行挖掘

8、。(3) 联合挖掘工况：由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需 配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心， 铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。(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。(5) 整机移动工况：将整机移动至合适的工作位置。(6) 姿态调整与保持工况：满足停放、运输、检修等需要。(7) 其他辅助作业

9、工况：辅助工作装置作业工况。在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。如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，见图3.2所示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。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 ，见图3.3所示。这些动作决定于液压 系统的设计。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，因此需要回转机 构和斗杆机构复合动作。a-水平地面的切

10、削和压整b-斜坡地面的切削和压整a一水平地面的挖削图3.3地面的切削和压整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。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。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

11、力阀的压力。3.2液压系统的主要参数确定液压挖掘机的主要参数表明了液压挖掘机的规格和主要技术性能，液压挖掘机的主要参数分为发动机参数、液压系统参数、主要性能参数、尺寸参数四大类，发动机 参数包括发动机额定功率、转速等，液压系统参数包换主泵的流量、压力等，主要性 能参数包括整机工作质量、主要部件质量、铲斗容量范围或标称铲斗容量、挖掘力、 牵引力等，尺寸参数包括工作尺寸、机体外形尺寸和工作装置尺寸等， 其中液压挖掘 机主要参数中最重要的参数有三个， 即斗容量、整机质量和发动机功率，因为通过这 三个参数可以从使用要求、机械本身的技术性能和技术经济指标、动力装置的配套、 国际上统一的标准以及传统习惯等

12、方面反映液压挖掘机的级别，故有主参数之称。所以有时采用挖掘机的斗容量作为主参数。例如，机械式挖掘机一般就以斗容量作为挖 掘机的主参数并作为主要分级指标。但液压挖掘机可更换的工作装置多，而且同一机 型可以根据作业对象或工作尺寸的要求换装不同斗容的铲斗。由于不同厂家的挖掘机采用不同的液压系统，辅助设备能耗及功率储备也有所不同，而且同一型挖掘机在后 续改进时，也会改变发动机功率，所以液压挖掘机以功率分级不十分合理。整机质量则直接反映了液压挖掘机本身的重量等级， 对其他技术参数影响较大，如挖掘能力的 发挥、发动机功率的充分利用、作业的稳定性等要以一定的整机质量来保证，因此整 机质量反映了挖掘机的实际工

13、作能力，目前已被广泛用作液压挖掘机的分级指标。比较其他同类型挖掘机，可得 SWE50的主要参数（如下表3.1，表3.2所示）， 其中图3.4为液压挖掘机的外观尺寸图，作业参数表 3.2是根据图3.4所示。图3.4 SWE50H型液压挖掘机的外观尺寸图3.3负载分析动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接。常见的有两种具体布置 方式。油缸前倾布置方案，如图3.5A所示，动臂油缸与动臂铰接于E点。当动臂油臂 全伸出，将动臂举升至上极限时，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。油缸后倾布置方案，如图3.5B所示，当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置 时， 动臂油 缸 轴线 向 转 台后 方倾斜 当

14、两方案的动臂油缸安装尺寸 DE1、铲斗最大挖掘H和地面最大挖掘半径R相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即h1h2。此外，在后倾方案中，动臂EF部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。以 上为动臂油缸后倾方案的缺点。然后，后倾方案动臂11下铰点C与动臂油缸下铰点D的距离CD比前倾方案的大，则动臂在上下两极限位置时，动臂油 比较大。因 用力相同时， 大的动臂作 点。缸的作用力臂也就 此，在动臂油缸作 后倾方案能得到较 用矩，这就是其优图3.5动臂机构油缸布置方案为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘将长动臂CEF改成CE1FK图3.5B）， 并配以长斗杆，在最大深度处挖掘时，采用

15、铲斗挖掘而不是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为h1 16寸，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算，公式如下:(3.8)PyD2卯式中 -液压缸缸筒厚度Py 试验压力（Mpa），当工作压力P 16 Mpa 时，Py=1.25P,当工作压力 P31.5Mpa 时，Py=1.15P这里 应取 Py=1.5P =19.5MpaoD 液压缸内径（m）a -缸体材料的许用应力 （Mpa），可通过下面公式求得：匚b(3.9)匚-n二b缸体材料的抗拉强度（Mpa）n 安全系数，n二3.55,般取n=5但对于锻钢45的许用应力二一般都取二=110（Mpa）19.5 汉 80则7.091mm2X10根据机械设计手册，

16、取液压缸外直径为 D1 =100mm.3.7.2液压缸油口直径的计算液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度V和油口最高液流速度V0而定，公式如下：d。= 0.13DJv/v（3.10）式中do 液压缸油口直径（m）D 液压缸内径（m）V 液压缸最大输出速度（m/min）V0 油口液流速度（m/min），根据机械设计手册，取V0=7m/min同时对于单杆油塞式液压差动联接时，活塞的外伸速度为：(3.11)式中V 液压缸差动联接时，活塞外伸的速度，可视为油口液流的速度（m/min）Qv -液压泵流量（m3/s）, Qv = 2 45.8 37 = 128.6L/minA-活塞杆面积，其公式如下兀2A

17、3d24(3.12)2_2式中d 活塞杆直径（m）所以A d二0.312 10代入数据，解析以上公4式得：d0=0.13 8 10三；128.6 10”/（0.312 10二 7 2.5 1m,故取 d。二 25mm3.7.3缸头厚度计算本设计采用的是螺钉联接法兰缸头，其厚度的计算公式为：h =式中h -法兰厚度（m）dcp 法兰内径（m），根据机械设计手册，取dcp = 9mmDo-螺钉孔分布圆直径（m），根据机械设计手册，取D0 = 12.5mm；打法兰材料的许用应力（Mpa），取45钢，二=120 MpaF -法兰受力总和（N），其计算公式为：(3.14)：:. 2 * *Fp 4()q

18、d 密封环内径（m），根据机械设计手册，取d = 6mmdH 密封环外径（m），根据机械设计手册，取dH二8mmP 系统工作压力（pa）， P = 13 106paq 附加密封力（pa），若采用金属材料时，q值取屈服点，此处取材料为45 钢，则 q=110Mpa代入数据，求出得：3 二(12.5-9) 10 (49 13 64 110-49 110) 104V9汉10兀汉110汉4= 2.46 10 m故取h = 30mm4、液压系统原理图的制定4.1 制定基本方案(1) 制定调速方案液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问 题。方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实

19、现。 对于一般中小流量的液压系统，大多 通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。 对高压大流量的液压系统，现多采用插装 阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流 量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调整方式有节流调速、容积调速以及 二者的结合一一容积节流调速。节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输 入或输出液压执行元件的流量来调节速度。此种调速方式结构简单，由于这种系统必 须用闪流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。容积调速是靠改变液压 泵或液压马达的排量来达到调速的目的。 其优点是没有溢流损失和节流损失， 效率较 高。但为了散热和补充泄

20、漏，需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运动速度 高的液压系统。容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液 压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。此种调速回路效率也较高，速度 稳定性较好，但其结构比较复杂。节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流 三种形式。进油节流起动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合， 旁路节流多用 于高速。调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。 节流调速一般采用开 式循环形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排 回油箱。开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。容积调速大 多采用闭式

21、循环形式。闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通， 形成一个封闭的循环回路。其结构紧凑，但散热条件差。经过上述分析此方案选用 容 积节流调速。(2) 制定压力控制方案液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作， 也有的需要多级或无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油， 用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀 起安全保护作用。在液压系统中，需要流量不大的高压油时可考虑用增压回路得到高 压，而不用单设高压泵。液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不 便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。在系统

22、的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。基于以上控制系统方案分析 本次设计选用闭式中心负荷传感系统(CLSS)；采用的是双泵双回路恒功率控制液压 系统。(3) 指定顺序动作方案主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则 是随机的或人为的。工程机械工作环境状况复杂，补丁因数多，故操纵机构多为手动， ii一般用手动的多路换向阀控制。加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制， 当工作部件移动到一定位置时， 通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或 直接压下行程阀来控制接续的动作。 行程开关安装比较方便， 而用行程阀需连接相

23、应 的油路，因此只适用于管路联接比较方便的场合。另外还有时间控制、压力控制等。 例如液压泵无载启动， 经过一段时间， 当泵正常运转后， 延时继电器发出电信号使卸 荷阀关闭， 建立起正常的工作压力。 压力控制多用在带有液压夹具的机床、 挤压机压 力机等场合。 当某一执行元件完成预定动作时， 回路中的压力达到一定的数值， 通过 压力继电器发出电信号或打开顺序阀使压力油通过， 来启动下一个动作。 本设计主要 采用手动控制， 另根据压力控制 CLSS 系统可进行自动操作， 在计算机的直接操纵下 自动完成给定的挖掘任务， 并具有一定得局部自主能力。 即当阻力过大挖掘过程中断 时，能自主修正挖掘路径，直接

24、完成挖掘过程。在回转过程中，能自动识别和避开障 碍物，达到原定的卸料位置。(4) 选择液压动力源液压系统的工作介质完全由液压源来提供， 液压源的核心是液压泵。 节流调速系 统一般用定量泵供油， 在无其他辅助油源的情况下， 液压泵的供油量要大于系统的需 油量，多余的油经溢流阀流回油箱， 溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。 容 积调速系统多数是用变量泵供油， 用安全阀限定系统的最高压力。 为节省能源提高效 率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。 对在工作循环各阶段中系统所需 油量相差较大的情况， 一般采用多泵供油或变量泵供油。 对长时间所需流量较小的情 况，可增设蓄能器做辅助油源。

25、油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的 入口要装有粗过滤器， 进入系统的油液根据被保护元件的要求， 通过相应的精过滤器 再次过滤。 为防止系统中杂质流回油箱， 可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的 过滤器。根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。再根 据调速方案及工程机械选用原则，主泵采用变量柱塞泵，辅助油泵采用齿轮泵。4.2 确定回路方式本液压系统采用开式回路。 液压系统回路中泵缸回路系统为开式， 泵马达系 统为闭式。开式系统利用油箱可以散热、沉淀杂质的特点，并且油液循环大，敝热条 件好，结构简单，因此为大多数工程机械所采用。闭式回路系统结构较为紧凑，泵的 自吸

26、性好，系统与空气接触的机会较少，空气不易渗入系统，故传动的平稳性较好， 且工作机构的变速和换向靠调节泵或马达的变量机构实现， 避免了在开式系统换向过 程中所出现的液压冲击和能量损失。 但闭式系统较开式系统相对复杂， 并且由于闭式 系统本身没有油箱，油液的散热和过滤条件较开式系统差。4.3 选用液压油液在任何液压系统中， 液压油是一至关重要的组成部分。 它的功能是： 有效地传递 能量、润滑部件和作为一种散热介质。液压系统能否可靠、灵敏、准确、有效而且经 济地工作， 与所选用的液压油的品种及性能密切相关。 因此，正确选用液压油是确保 液压系统正常和长期工作的前提。 当液压系统发生故障时， 及时找出

27、原因， 采取正确 的解决办法是保护设备、避免造成重大损失的重要措施。由于液压传动具有元件体积小、重量轻、传动平稳、工作可靠、操作方便、易于 实现无级变速等优点， 因此在许多工业部门的传动系统被采用。 不同工业部门由于使 用要求、操作条件、应用环境的差异，所用的液压传动系统差别也很大。正确选用液 压油品种，确保液压系统长期平稳、安全运行，是保证连续生产、节省材料消耗和提 高经济效益的有效措施。4.4 绘制液压系统原理图该挖掘机液压系统采用双泵双向回路定量系统， 由两个独立的回路组成。 所用的 油泵 1 为双联泵，分为 A 、B 两泵。八联多路换向阀分为两组，每组中的四联换向 阀组为串联油路。油泵

28、 A 输的压力进入第一组多路换向阀，驱动回转马达、铲斗油 缸、辅助油缸，并经中央回转接头驱动右行走马达 7。该组执行元件不工作时油泵 A 输出的压力油经第一组多路换向阀中的合流阀进入第二组多路换向阀， 以加快动臂或 斗杆的工作速度。油泵 B 输出的压力油进入第二组多路换向阀，驱动动臂油缸、斗 杆油缸，并经中央回转接头驱动左行走马达 8 和推土板油缸 6。该液压系统中两组多种换向阀均采用串联油路， 其回油路并联， 油液通过第二组 多路换向阀中的限速阀 5 流向油箱。限速阀的液控口作用着由梭阀提供的 A 、 B 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， 限速阀自

29、动对回油进行节流，防止溜坡现象，保证挖掘机行驶安全。在左、右行走马达内部除设有补油阀外，还设有双速电磁阀 9，当双速电磁阀在 图示位置时马达内部的两排柱塞构成串联油路，此时为高速；当双速电磁阀通电后， 马达内部的两排柱塞呈并联状态，马达排量大、转速降低，使挖掘机的驱动力增大。为了防止动臂、斗杆、铲斗等因自重而超速降落，其回路中均设有单向节流阀。 另外，两组多路换向阀的进油路中设有安全阀， 以限制系统的最大压力， 在各执行元 件的分支油路中均设有过载阀， 吸收工作装置的冲击； 油路中还设有单向阀， 以防止 油液的倒流、阻断执行元件的冲击振动向油泵的传递。SWE50H 型单斗液压挖掘机除了主油路外，还有如下低压油路 9 ：(1) 排灌油路将背压油路中的低压油， 经节流降压后供给液压马达壳体内部， 使其保持一定的 循环油量，及时冲洗磨损产物。同时回油温度较高，可对液压马达进行预热，避免环 境温度较低时工作液体对液压马达形成“热冲击”。(2) 泄油回路将多路换向阀和液压马达的泄漏油液用油管集中起来， 通过五通接头和滤油器流 回油箱。该回路无背压以减少外漏。 液