机电一体化液压挖掘机铲斗机构液压系统设计

1、邵阳学院毕业设计（论文）1 绪论液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，被广泛应用于建筑、电力水利、铁路公路、采矿以及军事等建设工程。它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。由于液压挖掘机具有多功能，高质量、高效率等特点，因此其具有一定的发展前景和广阔的市场。所以，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。挖掘机是一种万能型工程机械，目前已经无可争议地成为工程机械的第一主力机种，在世界工程机械市场上己占据首位，并且仍在发展扩大。挖掘机的发展主要以液压技术的应用为基础，其液压系统已成为工程机械液压系统的

2、主流形式。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。在技术方面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，所以对其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义。1.1 挖掘机简介挖掘机械的最早雏形，主要用于河道、港口的疏浚工作，第一台有确切记载的挖掘机械是1796年英国人发明的蒸汽“挖掘机”。而能够模拟人的掘土工作，在陆地上使用的蒸气机驱动的“动力铲”于1835年在美国诞生，主要用于修筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有170多年的历史。1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的飞速发展，各

3、种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适以及节能、环保等方面有了长足的进步。目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用，成为土石方施工不可缺少的重要机械设备。但因挖掘机作业装置动作复杂，运动范围大，需要采用多自由度机构，古老的机械传动对它不太适合。而且当时的工程建设主要是国土开发，大规模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因此对挖掘机的应用相对较少，在一定程度上也限制了挖掘机的研发，导致挖掘机发展缓慢。由于液压技术的应用，二十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机。随着液压传动技术迅速发展成

4、为一种成熟的传动技术，挖掘机有了适合它的传动装置，为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术上的一个飞跃 。同时，工程建设和施工形式也发生了很大变化。在进行大规模国土开发的同时，也开 1邵阳学院毕业设计（论文）始进行城市型土木施工，这样，具有较长的臂和杆，能装上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多自由动作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用。1950年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。第一台液压挖掘机采用定量齿轮泵，中位开式多路阀，工作压力为9Mpa，所有执行元件互相并联连结。由单泵向6个执行元件供油。由于早期液压挖掘机主要采用了定量齿轮泵，不能按需改

5、变供油流量，无法充分利用发动机的功率，因此其能量损失很大，不能满足挖掘机复合动作的复杂要求，且可操纵性差。另外，早期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，配套件也不齐全，制造质量不够稳定。从二十世纪六十年代到八十年代中期，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压挖掘机产量己经达到挖掘机总产量的83%，其时对挖掘机液压系统的研究也已经十分成熟，液压挖掘机已经具有了同步控制系统和负载敏感系统L。自第一台手动挖掘机诞生以来的160多年当中，挖掘机一直在不断地飞跃发展，其技术已经发展到相对成熟

6、稳定的阶段。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，对其控制方式不断改进和革新，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了坚实的基础，创造了良好的前提。1.2 国内外研究现状及发展动态1.2.1 国外研究状况及发展动态工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高的市场占有率。从20世纪后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格

7、上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；从功能上看，在满足基本功能的基础上，向多功能化、专用化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。（1）液压挖掘机的大型化和微型化大型液压挖掘机主要用于大型露天矿山的开采及大型基础建设，多数为正铲。如日本的日立建机开发的UH50型正铲液压挖掘机斗容量为8.2m,整机质量 2 3邵阳学院毕业设计（论文）175t,EX3500型正铲斗容量为18.8m3，整机质量为330t。日立建机于2004年开发成功了超大型液压挖掘机EX8000，铲斗容量为40m，整机质量达780t。目前全球最大型液压挖掘机为TEREX-O

8、&K公司制造的RH400型，整机质量为980t，斗容量为50m。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m以下的微型液压挖掘机，最小的斗容量仅有0.01m。例如，美国卡特彼勒公司新近发布的302.5C微型液压挖掘机，其整机质量只有2850kg，配备三菱S3L2型18.6KW柴油发动机，其排放符合美国EPA2级和欧标准，所配备斗容量范围为0.0350.092m，铲斗挖掘力可达25KN。（2）液压挖掘机的多功能化中、小型液压挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置。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、振捣器、推土板、冲击铲、

9、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，如低接地比压、低噪声、水下专用和水陆两用液压挖掘机等。（3）液压挖掘机的电子化、信息化世界上各大液压挖掘机生产厂商在应用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度的过程中，重视电子技术、信息技术在挖掘机上的应用，使挖掘机向高效、节能、安全、环保以及操作方便舒适的方向发展。从20世纪80年代开始，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上的应用和推广，并已成为液压挖掘机现代化的重要标志。目前先进的液压挖掘机均装有电子控

10、制单元（ECU），用于发动机和泵阀的电子控制以及工作模式控制和工作状态监控。应用在液压挖掘机柴油机上的控制装置主要有电子调速器、自动怠速系统、电子功率优化系统和电子油门控制系统等。卡特彼勒和阿特拉斯等公司开发了挖掘机车载卫星全球定位系统33333（GPS），用户可通过电信数据中心和国际互联网随时了解挖掘机的工作位置和工作环境，并通过对各种参数的分析了解挖掘机的工作状况，以确保安全使用和提高工作效率。（4）液压挖掘机设计制造手段的现代化美国、英国、日本等国家的液压挖掘机制造厂商在更新设计理论、提高可靠性、延长使用寿命等方面做了大量工作，推广采用寿命设计理论，以替代传统的无限寿命 3邵阳学院毕业设

11、计（论文）设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳实验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用与液压挖掘机的强度研究，提高了产品质量和竞争力。随着大型CAE软件的日渐成熟，虚拟设计技术和计算机仿真技术也被应用到液压挖掘机的设计过程中。以往一种新机型需要经过多次反复试制、试验和修改，一般需要几年时间才能定型。而采用虚拟设计和计算机仿真技术，新产品设计可利用专业CAD软件、有限元分析软件和动力学仿真软件进行三维数字化建模、三维虚拟装配和基础零部件分析、优化，并进行整机的虚拟样机仿真和虚拟试验，直接在虚拟样机上修改设计，最终生成用于生产的产品工程图

12、和工艺文件，缩短了新产品的研制周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程。（5）增强液压挖掘机的安全性和舒适性随着世界贸易一体化进程的加快，各国对液压挖掘机的乘员安全保护及工作环境条件提出了更高要求。国外先进的液压挖掘机普遍采用带有落物保护结构（FOPS）和滚翻保护结构（ROPS）的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰，操纵机构采用液压先导控制或电液比例控制，操作轻快、省力，操作环境的设计更加符合人机工程学。（6）液压挖掘机的液压系统得到进一步改进国外液压挖掘机液压系统总的发展趋势是高压、高速、大流量、低成本、高质量和高可靠性。国外知名公司的主流机型广泛采用双泵变量系统、液压先导控制

13、、负荷传感控制等新技术。例如卡特彼勒公司推出的325D型挖掘机系统压力最大为35MPa，主泵流量为2×235L/min。卡特彼勒的D系列挖掘机提供两种性能设定模式，标准操作模式和经济操作模式，以增强操作人员对机器性能与施工需要相匹配的控制能力。在标准模式中，可获得高生产率和燃油效率，在市政建设等较轻的作业中，可切换到经济模式，耗油量可降低15%。1.2.2 国内研究情况及发展动态我国从1967年开始自行研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WY100、贵阳矿山机器厂的W4-60、合肥矿山机器厂的WY60等。到20世纪70年代末80年代初，长江挖掘机厂和杭州重型机械厂

14、分别研制成功了WY160和WY250等液压挖掘机产品。从1994年开始，美国的卡特彼勒公司、日本的神户制钢所、日本的小松制作所、日本的日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔沃等公司先后在中国建立 4邵阳学院毕业设计（论文）了中外合资、外商独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近年来我国经济增长迅速，液压挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场空间，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械行业的上市股份公司通过合资的方式介入了挖掘机产业，同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机，但

15、在生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内外两个市场，在充分利用国际化配套和国外先进技术的基础上，增强自主创新意思，掌握核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强。1.3 本设计的研究内容铲斗是挖掘机工作装置(铲斗、斗杆、动臂)三大部件之一，是主要承载件 。在挖掘过程巾，铲斗直接承受很大外力，铲斗与矿岩的接触滑移，造成铲斗激烈的磨损。作业环境的状况也对铲斗的强度和变形在一定程度上造成很大影响。因此，铲斗结构性能的好坏对挖掘机工作的影响非常重要 。目前，在国内液压挖掘机没计中，对斗杆和动臂的

16、应力分布进行分析较多，而对铲斗的应力分布规律研究得较少。本文结合SWE70H挖掘机的实际作业工况，对挖掘机铲斗在典型工况下挖掘时液压系统进行研究改进设计，为挖掘机铲斗液压系统设计提供理论依据。邵阳学院毕业设计（论文）2 液压挖掘机的组成及挖掘阻力分析2.1 液压挖掘机的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基础，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

17、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360°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。液压挖掘机可分为:动力系统、机械系统、液压系统、控制系统，如图2.1所示。图2.1 液压挖掘机整体系统图(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

18、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、 6邵阳学院毕业设计（论文）发电机等必要附件，巧分钟内的最大功率;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，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，

19、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

20、，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。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1.6M3的中小型液压挖掘机通常选用反铲装置，

21、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。邵阳学院毕业设计（论文）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。如图 2. 2 所示，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

22、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接组合。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2.2 反铲挖掘机工作装置液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作(如图2.3 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

23、要动作，要考虑全功率驱动。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；(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。 8邵阳学院毕业设计（论文）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2.3 液压挖掘机的运动图2.2 液压挖掘机挖掘阻力的计算当液压挖掘机的主要参数和机构方案确定后，应计算挖掘机斗齿上的挖掘阻力，以便作为液压系统功率、发动机功率和结构强度计

24、算的依据。对于液压反铲，挖掘方式主要是转斗挖掘、斗杆挖掘和这两种方式的联合，实际工作时以哪种方式为主，取决于挖掘机工作状态和所挖掘土壤的情况。2.2.1 土壤的主要性质和工程分类土壤是液压挖掘机的主要工作对象，又是支承其作业的承载体，因此要确定挖掘机的挖掘阻力，必须考虑与挖掘阻力有关的土壤的主要性质和工程分类。（1） 土壤的工程分类土方工程中通常把土壤（包括岩石）按挖掘的难易程度分为十六级，用罗马数字表示，称为土壤的工程分类。表2.1所列为级土壤的工程分类及主要性质。第级是最易开挖的土壤（砂、种植土），最坚硬的岩石属于 级。级土壤可以用机械直接开挖，级以上需要爆破后才能用机械进行装载作业。邵阳

25、学院毕业设计（论文）（2） 土壤密度和松散系数Ks土壤密度指单位体积的土壤质量，单位为kg/m。土壤密度可分为自然状态下的实土密度和松散状态下的密度，分别以和s表示。常见土壤密度见上表2-1。土方工作量一般按实土体积进行计算。相同质量的土，疏松后的体积Vs和原始体积V之比称为松散系数，以Ks表示，则有-3VssKs = = (2.1)V 土壤的松散系数是确定液压挖掘机生产率的主要因素，其值大于1，与土壤级别、铲斗形状和铲斗容量有关。（3） 土壤的安息角邵阳学院毕业设计（论文）松散土壤从高处落下形成土堆时，自然形成的土堆坡角称安息角或自然静止角，一般以坡面与地面所成夹角（°）表示，或以

26、土堆边坡水平投影与垂直高度间的比率表示。土壤安息角与土壤种类和含水量有关。 2.2.2 挖掘阻力计算土壤挖掘理论认为，挖掘阻力是挖掘总阻力的切向分力，主要由土壤切削阻力，土壤对铲斗的摩擦阻力和装土附加阻力组成，这三项阻力分别与切削断面面积、铲斗与土壤的摩擦系数、土壤的内摩擦系数及铲斗容量和装满系数等因素有关。在实际应用中，可综合上述三项阻力的影响，将挖掘阻力简化表示为：F1 = wbc (2.2) 式中 F1挖掘阻力，N； b铲斗切削宽度，m； c切削层厚度，m； w挖掘比阻力，N/m2表2.2给出了常见土壤的挖掘比阻力值。表2.2 挖掘比阻力值w液压挖掘机的铲斗挖掘和斗杆挖掘分别由各自的液压

27、缸实现，因此，相应的挖掘阻力可分别计算，由于本设计课题主要是铲斗机构的相关设计，所以在此，只对铲斗挖掘阻力作分析说明了。邵阳学院毕业设计（论文）根据土壤切削理论，当液压反铲以转斗进行挖掘时，铲斗挖掘阻力是铲斗转角的函数，且最大值发生在铲斗总转角一半的位置。忽略转斗挖掘阻力的法向分力和装土阻力，可得最大铲斗挖掘阻力为F1max = 5012CRD(1-COSmax)1.35kBkAkZkX+17000 (2.3) 式中 F1max最大铲斗挖掘阻力，N；C土壤硬度密实计打击次数，对级土壤，C=915，对级土壤，C=1635；RD铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即铲斗的转斗切削半径，m； max挖掘过程

28、中总转角的一半，即最大转斗挖掘力位置，（°）； kB切削刃宽度影响系数，kB=1+2.6b，b为铲斗宽度，m；kA切削角变化影响系数，取kA=1.3；kZ斗齿的影响系数，取kZ=0.75（无齿时取kZ=1）；kX前边斗齿对地面倾斜角度的影响系数，取kX=1.15。式（2.3）是根据试验研究得到的经验公式，对计算结果影响较大的因素是铲斗的转斗切削半径和一次挖掘的总转角。一次转斗挖掘的总转角取值一般不应该超过110°，即max不超过55°，否则计算出的最大转斗挖掘阻力值偏大。邵阳学院毕业设计（论文）3 液压挖掘机液压系统设计按照液压挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，

29、把各个液压元件用管路有机地连接起来的组合体，称为挖掘机的液压系统。液压挖掘机的基本液压系统是由能使挖掘机完成基本作业动作并以手动控制为主的基本功能回路所构成的液压系统。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。液压系统设计设计得合理与否，对挖掘机的性能起着决定性的作用。同样的元件，若系统设计的不同，则机器的性能差异很大。因此，分析和研究各种液压系统，弄清其设计原理是非常必要的。3.1 液压挖掘机对液压系统的基本要求液压挖掘机的动作复杂，机构经常启动、制动、换向、负载变化大，冲击和振动频繁，而却野外施工作业，温度变化和地理条件差别大，因此，应根据液压挖掘

30、机的工作特点和环境特点，对其液压系统提出一些有别于其他应用的要求。3.1.1 液压挖掘机的作业动作要求液压挖掘机的液压系统应满足的动作要求如下：保证液压挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。保证工作装置的动作与回转平台的回转动作既能单独运行，有能作复合动作，以提前液压挖掘机的作叶效率。履带式液压挖掘机左右履带应能分别驱动，使挖掘机行走转弯方便灵活，并能实现原地转向，以提高挖掘机的机动性。保证液压挖掘机工作安全可靠，对各机构及液压执行元件应具有完善的安全保护措施。例如，对回转机构和行走装置有可靠的制动和限速：防止动臂因自重而下降过快;防止机器下坡行驶时超速留坡等。3

31、.1.2 对液压系统的基本要求根据液压挖掘机的作业动作和环境特点，应对液压系统提出如下要求： 液压挖掘机的液压系统应具有较高效率，以充分发挥发动机的动力性和燃油经济性。液压系统和液压元件在大负载和剧烈震动冲击作用下，应具有足够的可靠性。 选择轻便、适用、耐震的冷却散热系统，减少系统总发热量，使液压系统工作 13邵阳学院毕业设计（论文）温度及温升在规定范围内。由于液压挖掘机作用现场环境恶劣，液压油容易被污染，因此液压系统的密封性能要好，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。在必要时采用液压先导或电液伺服操作装置，提高液压挖掘机操作的舒适性，减轻操作人员的劳动强度。在液压系统中采用先进的自动控制技术

32、，提高液压挖掘机的技术性能指标，使液压挖掘机具有节能、高效和自动适应负载变化的特点。3.2 拟订液压系统原理图拟订液压系统原理图是整个设计工作的关键步骤，它对系统整体性能及设计方案的合理性、经济适用性都具有决定性的影响。这一过程涉及的知识面广，需要理论结合实际，综合运用所学的知识。通常方法是，根据挖掘机的动作和性能要求，先分别选择液压元件和基本回路，然后把她们根据实际情况有机地组合起来，形成一个能充分发挥各部分性能的完整系统。3.2.1 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现。对于一般中小流量

33、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漏，需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运动

34、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 14邵阳学院毕业设计（论文）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循环形式。闭式系统中，液压泵的吸油口直

35、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27。经过上述分析此方案选用 容积节流调速。(2)制定压里控制方案控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。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）等所构成的动力系统

36、进行控制的系统。按控制功能，可分为位置控制系统、速度控制系统和力（或压力）控制系统；按控制元件，可分为发动机控制系统、液压泵控制系统、多路换向阀控制系统、执行元件控制系统和整机控制系统。液压控制阀控制系统：先导型控制系统 换向控制阀的控制形式有直动型（用手柄直接操纵换向阀主阀芯，目前少用）和先导型两种。后者是用先导阀控制先导油液，再用先导油液控制换向阀的主阀芯，它又分为机液先导型和电液先导型两类。负荷传感控制系统 它包括负荷传感控制阀和负荷传感控制泵（或定量泵）。阀控系统实质上是节流式系统。在液压挖掘机上，目前常用的是一般的三位六通多路阀，其滑阀的微调性能和复合操作性能差。20世纪90年代以来

37、，在液压挖掘机上开始采用负荷传感控制系统，其控制闪不论是中位开式方式还是中位闭式方式，都附带有压力补偿阀。采用电子控制压力补偿的液压挖掘机液压系统与传统的液压系统比较，负荷传感控制系统的主要优点是：节省能源消耗。普通三位六通换向阀无论采用定量泵还是变量泵，总要有一部分油液经溢流阀溢掉，浪费了能量。而使用负荷传感变量系统，泵的流量全部用于负载上，泵的压力仅比负荷压力大1-3Mpa；流量控制精度高，不受负荷压力变化的影响；几个执行元件可以同步运动或以某种速比运动，且互不干扰。普通三位六通阀系统用的是并联油路，当几个执行元件同时动作时，泵输出的油液首先流向压力低的执行元件，不能同步。邵阳学院毕业设计

38、（论文）上述的负荷传感控制阀只解决了滑阀的微调性能和复合操作性能，而没有解决节省能源问题。定量泵和负荷传感控制阀的系统也没有节省能源消耗，因为泵所输出的流量超过执行元件（液压缸和液压马达）所需要的流量时，多余的油液经压力补偿阀流回油箱（为保持压差恒定）变为热能。只有完全负荷传感控制系统才能解决节省能源问题。完全负荷传感控制系统 完全负荷传感控制系统由负荷传感控制阀和负荷传感控制变量泵组成带次级压力补偿阀的负荷传感系统德国力士乐公司等）在其生产的液压挖掘机上设置了负荷传感分流器LUOV（Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系统，其主要作用是：当多个执行元件

39、同时工作、所需的流量大于液压泵的流量时，产生供油不足的现象，这不能使正在工作台的执行元件与负载压力无关的控制得到保证。LUDV系统能保证在供油不足时所有执行元件的工作速度按正比例下降，以获得与负载压力无关的控制。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

40、便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。 在系统的某个局部，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负荷传感控制系统；采用的是双泵双回路恒功率控制液压系统，带四种功率控制模式、中位负流量控制，两液压主泵按全功率变量。(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。工程机械的操纵机构多为手动，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

41、关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，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 16邵阳学院毕业设计（论文）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。(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

42、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。 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。3.2.2 绘制液压系

43、统图整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。注意各元件间的联锁关系，避免误动作发生。要尽量减少能量损失环节。提高系统的工作效率。为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压力表、温度计等）。大型设备的关键部位，要附设备用件，以便意外事件发生时能迅速更换，保证主要连续工作。各液压元件尽量采用国产标准件，在图中要按国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘制。对于自行设计的非标准元件可用结构原理图绘制。系统图中应注明各液压执行元件的名称和动作，注明各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、行程阀

44、。如图3.1所示。邵阳学院毕业设计（论文）图3.1 SWE70H型液压挖掘机液压系统1-油泵；2-回转马达；3-缓冲补油阀组；4-左右履带行走马达；5-行走马达双速电磁阀； 6-补油单向阀；7-中央回转接头；8-限速阀；9-溢流阀；10-梭阀；11-合流阀； 12-斗杆油缸；13-铲斗油缸；14-单向节流阀；15-动臂油缸；16-冷却器；17-冷却器；18-滤油器；19-背压阀；20-节流阀邵阳学院毕业设计（论文）4 铲斗机构及其液压元件的计算液压挖掘机反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。在发动机功率、整机质量和铲斗容量等主要参数及工作装置基本形式初步确定的情况下，工作装置各铰点的布置及各

45、工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。4.1 铲斗油缸的布置确定铲斗油缸铰点、行程及连杆机构力臂比时应考虑以下因素。（1）保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在铲斗油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘力应基本上等于最大挖掘阻力。当油缸全伸时，应能使满载铲斗静止不动。（2）保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取140°160°，在特殊作业时可以大于180°，摆角位置可以按图4.1布置。当铲斗油缸全缩时，铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于10°，常取15

46、°25°，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。图4.1 铲斗摆角范围 （3）铲斗从位置到位置时（图4.1），铲斗油缸作用力臂最大，这时能得到斗齿最大挖掘力。从单独进行转斗挖掘动作的角度看，铲斗从位置到位置的转角应该为铲斗整个切削角度的1/2左右，即当铲斗挖掘深度最大时，正好斗齿挖掘力也最大。实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下，特别是进行复合动作挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于100°， 而且铲斗也不一定都在初始位置开始挖掘。因此，目前一般取位置至位置的转角为30°50°，在这个角度范围内既可以照顾到邵阳学院毕业设计（论文

47、）铲斗在挖掘过程中能较好地适应挖掘阻力的变化，又可以使铲斗在开始挖掘时就有一定的挖掘力。4.2 铲斗油缸作用力的确定反铲工作装置在作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗油缸设计的依据。初步设计时按额定斗容量及工作条件（土壤级别），参考有关资料可初选斗齿最大挖掘力，并按反铲最主要的工作装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。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4.2所示。为了简单，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F1maxlcFd = (N) (4.1) l1式

48、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； clF1max对铲斗与斗杆铰点C的力臂，m。而这时斗杆及动臂油缸均处于闭锁状态，斗杆油缸闭锁力Fg应满足FlFl' + (N) (4.2) l2l2式中 l2斗杆油缸闭锁力Fg对斗杆与动臂铰点的力臂，m；lBF1max对斗杆与动臂铰点B的力臂，m；l'BF2对斗杆与动臂铰点B的力臂，m；F2挖掘阻力的法向分力，取F2=（0.10.2）F1max，N。 (4.3) 动臂油缸闭锁力F'b应满足F1maxlAF2l'A F'b+ (N) (4.4) l3l3式中 l3动臂油缸闭锁力F

49、9;b对铰点A的力臂，m；lAF1max对动臂下铰点A的力臂，m；lAF2对铰点A的力臂，m。此外，最大铲斗挖掘力在其工作位置能否实现，还受到挖掘机稳定性的限制，以为有可能当挖掘力尚未达到最大值时，挖掘机已失去稳定（如前支点已被抬起）。因此，选取铲斗油缸最大推力时，应以保证挖掘机的稳定性为前提条件。20 '邵阳学院毕业设计（论文）图4.2 铲斗油缸作用力分析4.3 铲斗主要参数当铲斗容量q一定时，切削转角2、切削半径RD和切削宽度b之间存在着一定的关系，即具有尺寸RD和b的铲斗转过2角度所切下的土壤刚好装满铲斗（图4.3）。于是斗容量可按下式计算：1ks2 q=RDb(2-sin2)

50、(4.5) 2Ks式中 ks铲斗充满系数； Ks图4.3 反铲铲斗几何参数邵阳学院毕业设计（论文）铲斗挖掘1m体积土壤所消耗的能量称为切削能容量。试验研究结果表明，反铲铲斗的主要参数，即平均铲斗宽度b，切削半径RD和切削转角2对转斗挖掘的切削能容量有直接影响，可表示为 32000ksin-cos-1.5sin2+2cos2E=(2k2+100RDk) (4.6) b式中 E铲斗切削能容量，N·m/m；k1考虑切削过程中其他影响因素的系数； 3k2具有应力因次的系数，在铲斗容量q=0.151 m3时，取k2=1.5； k3具有容积质量因次的系数，在铲斗容量q=0.151 m3时，取k3

51、=0.07；显然，设计铲斗时，在满足铲斗容量q的条件下，应使铲斗切削能容量E最小。由式（4.6）可以看出，减小角、增大铲斗宽度b和切削半径RD能够降低E，但受到铲斗结构的限制，一般取b=(1.01.4)3q (4.7) 式中 q铲斗容量，m；b铲斗平均宽度，m。考虑到铲斗切削入土和出土的余量，一般取2<140°同时考虑到在转斗速度一定时，转斗角度太大会增大挖掘阻力，降低生产率，因此一般取2=90°110°。在确定铲斗宽度b和转斗角度后，根据公式（3.5）即可导出铲斗转斗切削半径 32qKsRD)1/2(m) (4.8) -sin2)ks90式中 b铲斗半径，

52、m；铲斗转斗角度的一半，（°）；Ks土壤松散系数；ks铲斗充满系数，这里可以取Ks/ ks=1。当铲斗宽度b和转斗角度在上述推荐范围内时，RD的取值范围为RD=(1.31.6)3q (4.9)邵阳学院毕业设计（论文）4.4 斗形尺寸计算根据铲斗主要参数可进一步设计计算斗形其他机构尺寸，如图4.4所示。2y=k(x-R')x图4.4 反铲铲斗计算尺寸图中三角形OGE为等腰三角形，OA段为直线，AB弧段为为抛物线。A点至直线EB的距离为H，抛物线定点高度为L，一般取H=L。斗尖角取108°。常见铲斗斗形参数见表4.1。改变三角形OEG的形状可以获得不同的斗形。设计铲斗时

53、，还应综合考虑铲斗的主要用途和挖掘对象，合理选择铲斗主要参数，使铲斗的挖掘阻力最小，作业效率最高。邵阳学院毕业设计（论文）4.5 液压元件的计算SWE70H液压履带式挖掘机采用三泵全功率控制变量系统，能充分利用发动机功率。系统具有直线行驶、动臂锁止、动臂优先、动臂合流、辅助回路合流、斗杆流量再生等功能，合合理理利用流量，改善和提升整机性能。精心匹配操纵性。液压泵、主控阀、行走马达及回转马达全部采用原装进口产品，品质优良，工作稳定，整个系统运行可靠。4.5.1 液压系统方案及参数确定SWE70H液压履带式挖掘机的主要参数和作业参数以及作业参数的意义参见表4.2和图4.5。图4.5 SWE70H液

54、压履带式挖掘机的外形尺寸邵阳学院毕业设计（论文）执行元件是液压系统的输出部分，必须满足机器设备的运动功能、性能要求和结构、安装上的限制。根据所要求的负载运动形态，铲斗机构选用的执行元件为液压缸来进行配置。执行元件工作压力可以根据总负载值或者主机设备类型选取，如表4.3与表4.4所示。邵阳学院毕业设计（论文）由负载值大小查上表，参考同类型挖掘机，取液压缸工作压力为25MPa安装方式选择缸头耳环带衬套，活塞杆端连接方式选择杆端外螺纹杆头耳环带衬套。又因其伸缩速度缓慢但压力大，故选择带缓冲，油口连接方式选择外螺纹。4.5.2 铲斗液压缸的参数计算由于铲斗的内收是为了铲料，而外摆是为了卸料，所以采用一

55、根铲斗油缸。根据挖掘机主要用于建筑施工、矿山的特点，本设计选择双作用单活塞杆式液压缸。初选液压缸的工作压力参考同类型液压挖掘机，根据初定的系统压力Ps，液压缸的最高工作压力Pmax=0.9Ps ，Pmax=0.9Ps =0.9×25=22.5(MP) (4.10)确定液压缸的主要结构尺寸(1) 液压油缸的缸径、杆径确定F1maxlc根据公式（4.1）Fd = l1l1=270mm lc=RD2qKs又根据公式（4.8）RD)1/2(m) -sin2)ks90=55°而b又可根据公式（4.7）b=(1.01.4)q计算得知，取b=1.2q 因为q=0.26 m， 所以计算得

56、b=0.766所以 RD=0.8323根据公式（2.3）计算 3F1max = 5012CRD(1-COSmax)1.35kBkAkZkX+17000取C=12 kB=1+2.6b=2.9916 kA=1.3 kZ=0.75 kX=1.15邵阳学院毕业设计（论文）得 F1max=66830.5所以， Fd =206011.2由于在回油路中装有背压阀，初选背压Pb=8×10Pa，按此计算A1则 5Fd A1= =93.22cm2 (4.11) Pmax-(1/2) Pb4A1液压缸直径D=（ ）1/2=10.89cm 受拉时：d=(0.3-0.5)D受压时：d=(0.5-0.55)D

57、(p1<5mpa) d=(0.6-0.7)D(5mpa< p1<7mpa)d=0.7D(p1>7mpa)所以，d=0.7D=0.7×10.89cm=7.62cm按标准将所计算的D与d值分别圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封装置。圆整后得 D=100mm d=70mm222按标准直径算出 A1=D=100=7853.98mm 4422222 A2=(D-d)= (100-70)=4005.53 mm 44(2) 液压缸行程s及活塞杆长度和缸筒长度的确定液压缸行程s，主要依据机构的运动要求而定。但为了简化工艺和降低成本，参考标准系列取值。本油缸的行程为530mm，故油缸的活塞杆的长度为670mm，缸筒的长度为780mm。(3) 缸筒壁厚的计算根据机械设计手册，在此液压系统中，3.2D/16，故缸筒壁厚应用中等壁厚计算公式，此时：PyD+C (4.12) (2.3- Py) 强度系数，对无缝钢管，=1； C用来圆整壁厚数 Py=1.25p=31.25MPa D缸筒内径=60MPa=31.25×100/(2.3×60-31.25)