挖掘机的液压系统设计

摘要挖掘机作为我国工程机械的主力种机，被广泛应用于各种各样的施工作业关键词：液压挖掘机 液压系统 回路目 录前言 4绪论 5选题的意义 5挖掘机的发展趋势 5挖掘机的设计方案 5挖掘机液压系统技术发展动态的分析研究 5挖掘机液压系统总体设计 6挖掘机液压系统设计 6挖掘机液压系统概述 7挖掘机液压系统的基本组成及其要求 7挖掘机液压系统的基本动作分析 8挖掘机液压系统的基本回路分析 9限压回路 9缓冲回路 10节流回路 11行走限速回路 12闭锁回路 13再生回路 13挖掘机液压系统设计 14挖掘机的功用和对液压系统的要求 14挖掘机液压系统分析 15挖掘机的液压系统原理图如下图 15系统工作循环分析 153.2.4液压系统中几种低压回路作用 17液压元件的选用 17泵、马达的选用 17液压阀的选用 18液压缸的设计计算和泵的参数计算 19液压的计算设计 19外负载计算 19液压缸结构尺寸计算 19油缸强度计算 21泵的参数计算 23泵的压力计算 23计算所需要的泵的流量 24溢流阀的作用和设计计算 25溢流阀的作用 25溢流阀的设计计算 25设计要求 25几何尺寸确定 26静态特性计算 286 致谢 33参考文献 34前言挖掘机的液压系统是挖掘机上最重要的组成部分，它是挖掘机工作循环的1 绪论选题的意义挖掘机的发展与液压技术密不可分，二者相互促进，一方面，液压技术是和理论意义。挖掘机的发展趋势随着国民经济的快速发展，液压挖掘机在各工程领域，特别是基础建设所所认识。据统计，200363.48挖掘机的设计方案压系统。挖掘机液压系统技术发展动态的分析研究大量搜集国内外挖掘机液压系统方面的相关技术资料,系统了解挖掘机液压系统的发展史.分析总结挖掘机液压系统方面的研究现状和技术发展趋势.挖掘机液压系统总体设计对液压挖掘机一个工作循环中的四种工况：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,总结了每个工况下各执行机构的主要复合动作.根据液压挖掘机的主要工作特点,总结挖掘机液压系统设计要求:动力性要求和操纵性要求。并以此为依据拟定液压传动系统图。挖掘机液压系统设计根据工作部件的运动形式，合理选择液压执行元件；合理的调速方案。计算液压系统的主要参数和选择主要元件。计算液压缸的主要参数；计算液压缸所需的流量和液压泵的选用；选用吸油管选择元件规格；计算系统实际工作压力；计算功率，选用电动机；发热和容积油箱计算。2挖掘机液压系统概述挖掘机液压系统的基本组成及其要求现复合动作。掘机的生产率。并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。保证挖掘机一切动作可逆，且无级变速。保证挖掘机工作安全可靠，且执行元件有过载保护，回转机构。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、斗图2.1挖掘机工作装置图2.2液压挖掘机整体系统图挖掘机液压系统的基本动作分析挖掘通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘，或者两者配满斗举升回转挖掘结束后，动臂缸将动臂顶起、满斗提升，同时回转度大，则要求回转速度快些，而动臂举升速度慢些。空斗返回 卸载结束后转台反响回转同时动臂缸和斗杆缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点，此工况是回转、动臂和斗杆复合动作。由于动下降有动力作用、压力低泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的油情况通畅是一个泵全部流量供回转另一泵大部分油供动臂少部分油经节流供斗杆。挖掘机液压系统的基本回路分析操纵回路等。限压回路此阀流回邮箱，因此溢流阀是常开的。1-换向阀 2-限压阀 3-油图2.3限压回路缓冲回路掘机中比较普遍采用的几种缓冲回路。A234效率高。C4、56、7，回转马达制动526A Ｂ C1-换向阀 2、3-缓冲阀 4、5、6、7-单向阀图2.4缓冲回路节流回路节流调速是利用节流阀的可变通节流而改变流量实现调速的。通常用于定量根据节流阀的安装位置，节流调速有进油节流调速和回油节流调速两种。1-齿轮泵 2-溢流阀 3-节流阀 4-换向阀 5-油图2.5节流回路A312，45加以回油无阻尼，速度平稳性差，发热量大，效率低。B形成节流限速回路。C行走限速回路履带试液压挖掘机下坡行驶时因自重加速，可能导致超速溜坡事故，且行转速控制在允许范围内。1-换向阀2、3-压力阀4、5、6-单向阀8、9-安全阀 10-行走马达图2.6行走限速回路了挖掘机超速溜坡事故的发生。履带式液压挖掘机行走马达常用的限速补油回路如图所示，它由压力阀2、3，4567891422闭，行走马达减速或制动，这样便保证了挖掘机下坡运行时的安全。闭锁回路BPBA。图2.8闭锁回路 图2.9再生回路再生回路3 挖掘机液压系统设计挖掘机的功用和对液压系统的要求他在筑路，建筑，水利施工，露天开采矿作业中都有广泛的应用。液压挖掘机的液压系统是由动力元件（各种液压泵、执行元件（液压马达、控制元件（各种阀）以及辅助装置（冷却器、过滤器）用油管按照一定的方式连接起来组合而成。将发动机的机械能，以油液作为介质，经动力液压挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成的，它们包括挖掘机液压系统分析挖掘机的液压系统原理图如下图A、B-液压泵1、2、3、4-第一组四联换向阀5-合流阀6、7、8、9-第二组四联换向阀10-限速阀11-梭阀12-背压阀13-散热器14油器15-16-17-18--动臂液压缸20-辅助液压缸22-铲斗液压缸23、24、25-单向节流阀图3.1挖掘机的液压系统原理图AB328/minA泵输出的压力油进入多路阀组Ⅰ（带合流阀5）驱动回转马达18，铲斗缸222017.B10）1921，1615.每组多路阀中的四联换向阀组成串联油路。系统工作循环分析根据挖掘机的工作要求，液压系统应完成挖掘，满斗提升回转，卸载和返回工作循环。上述工作循环由系统中的一般工作回路实现。3：A1、322222534510—单向阀12—散热器13—滤油器14—油箱。3、76，B1961A1873此时是斗杆缸和铲斗复合动作，兼以动臂动作。167达和动臂或斗杆复合动作。主要液压元件在系统中的作用换向阀4控制的辅助液压缸20供抓斗作业时使用。23、24、25。16、178216、17速相同（在两条油路的容积效率相等的情况下，因此挖掘机可保持直线行使。若使用单泵系统，则难以做到这一点。（示位置，为高速档。101110A5B缸和液压马达的分支油路上均设有过载阀以吸收工作装置的冲击能量。液压系统中几种低压回路作用（1）背压油路：由系统回路上的背阀所产生的低压油（0.8—1Mpa）26终贴紧导轨表面，使马达工作平稳并有可靠的制动性能。排灌油路：将低压油经节流阀减压后引入液压马达壳体，使马达即使在马达卡住或咬死而发生故障（即所谓的热冲击。泄漏油路（无背压经过滤油器引回邮箱，以减少外泄漏。80℃。液压元件的选用5，A、B泵、马达的选用级变速，寿命长，排量范围大。25L/min。液压阀的选用溢流阀 溢流阀的基本功能是限定系统的最高压力防止系统过载或维持压力近似恒定。本系统中选用二级同心先导式溢流阀，安装在泵的出油口处用来恒定系统压力，防止超压，保护系统安全运行。过载阀 安装在液压缸和行走马达的管路上防止超载用来保护液系统和工作的液压缸和行走马达。单向阀系统中多处要用到单向阀，也是必不可少的元件，它用来防止一定的背压。换向阀 在系统中要用到两组四联换向阀，每个阀为三位四通换向阀在系统中换向阀的主要作用是改变压力油进入执行元件的方向进而实现不同的动作要求在三位四通换向阀中左右阀位要求能够进回油中间的阀位要求禁止油液流通，以达到执行元件动作达到要求后停止或悬停在任一位置。液压缸的选用选用工程机械用液压缸，最高工作压力30MP。辅助元件的选用适合用在高压管道。在系统中有相对运动的压力管道选用高压橡胶管。管接头在采用无缝钢管的管路中，管接头采用锥密封焊接式接头，他0密封更可靠。工作压力为34.5MP，工作温度为-25—+80℃。在橡胶管的接头处选用扣压式胶管接头，安装方便，与钢丝编织胶管配套总成，适合温度为-30—+80℃的工作环境。滤油器在液压系统中，不允许液压油含有超过限制的固体颗粒和其它储能器 它能把压力油的液压能储存在耐压容器里待需要时又将其释放出来的一种装置。主要用途：做辅助动力源，减小压力，冲击和压力脉动。本系统中选用气囊式储能器，这种密封可靠，胶囊惯性小，反应灵敏，结构紧寸小，重量轻，并有系列批量生产。4液压缸的设计计算和泵的参数计算液压的计算设计外负载计算程中总转角为110º，在这转角行程中铲斗被装满。铲斗缸外负载为最大时，缸内压力最大，此时挖掘力最大，其值为：W=C[R(1-COSΦ

)]1.35BAZX+Dmax

max=200×[1.15×(1-COS55)]1.35×(1+2.6×1.25)×1.3×0.75×1.15+D=200×[1.15×(1-COS55)]1.35×(1+2.6×1.25)×1.3×0.75×1.15+15000=165417+15000=170417(N)C—C=50～80C=160～320，C=200。R—1m3，R=1.15mB—切屑刃宽度影响系数，B=1+2.6b，其中B为铲斗宽度，查表得b=1.25mФmax—挖掘过程中铲斗总转角的一半，查表得Фmax=55A—切屑角变化影响系数，取A=1.3Z—带有齿的系数，取Z=0.75X—斗侧臂影响系数，X=1+0.3s，其中s为侧臂厚度，单位cm，初步设计时可取X=1.15D—D=10000～17000N1m3，D=15000NWmax计。液压缸结构尺寸计算（1）根据铲斗缸的最大外负载，可以设计计算铲斗缸的结构尺寸，当推力为驱动工作负载时：F=W

=π/4[D2(P-P)+d2P]ηmax 0 0 w由此可求缸筒内径为：==求出D=88mm本系统为高压系统，因此速比φ取φ=2，p=1Mpa0系统最高压力p=30Mpa根据查表圆整得D=90mm活塞杆直径为= =

=（mm）根据GB／T2348-1993规定的活塞杆尺寸圆整为d=63mm最大工作行程φ=2时行程s=12Ds=12×90=1080(mm)GB／T—1980s=1100mm(4)活塞有效计算长度液压缸的安装尺寸，可查设计手册得安装尺寸=L1+S=377+1100=1377（mm）当活塞杆全部伸出时，有效计算长度为：L=1100+1100+377=2577（mm）S—液压缸的安装尺寸最小导向长度H取最小导向长度为600mm式中 L—液压缸最大行程D—缸筒内径导向套长度

A=（0.6～1.0）d=（37.8～63）mm（7）活塞宽度 B=（0.6～1）D=（54～90）mm活塞宽度B=80mm式中D—缸筒内径（8）缸筒壁厚：材料的许用应力计算[σ]=σb/n=800/5=160(Mpa)式中 σb—缸体材料抗拉强度，缸体材料为450，σn—安全系数，一般取n=5查缸筒壁厚度δ表，取δ=12mm

δ=PD/(2.3[σ]-P)=30×90/(2.3×160-P)=7.99(mm)式中P—系统最高压力，P=30Mpa（9）缸筒外径D=D+2δe=90+2×12=114（mm）5mm95mm油缸强度计算已知参数缸径D=90 杆径d=63 行程S=1100 缸筒壁厚δ有效计算长度L=2577mm油缸强度计算活塞杆应力[δ]校核σ=Pg×902∕632=30×902∕632=61.22Mpa45o调质，经查表得强度极限[σb800Mpa，[σ]=σb∕n=800∕5=160Mpa（n）由此可见，σ<[σ],应力完全满足要求式中 Pg—油缸最大闭锁压力油缸强度计算由于缸筒壁厚与缸径之比D∕δ=7.5<10，属于厚壁缸筒，可按材料学第二强度理论验算。δ=D×{[([σ]+0.4P)/([σ]-1.3P)]0.5-1}/2=90×{[(160+0.4×30)/(160-1.3×30)]0.5-1/2=8.65(mm)由此可见，δ<δ，强度满足要求式中 p—系统最高压力，P=30Mpa[σ]—材料许用应力b油缸稳定性验算油缸在工作是承受的压应力最大，所以有必要校核油缸的亚稳定性。活塞断面最小惯性矩I=πd4/64=30.14×634×10-12∕64=0.8×10-6(m4)活塞杆横断面回转半径i=[4I/（πd2×10-6）]0.5=[4×0.8×10-6/(3.14×632×10-6)]0.5=0.016m=16mm

λ=μL/i=1×2577/16=161.0025≈161式中式中 μ—为长度折算系数，对于两端铰接约束方式μ一般取L—有效计算长度钢材柔度极限值=式中 σp—45钢材比例极E—材料弹性模量

=60.8从以上计算得知，λ

，即为大柔度压杆时，稳定力为1F=π2EI/(μL)2k=3.142×2.06×1011×0.8×10-6/1×2.5772=2.45×105(N)式中 μ—为长度折算系数，对于两端铰接约束方式μ一般取f．油缸最大闭锁力F=PπD2/4max

g=30×3.14×90/4=1.91×105(N)式中Pg—油缸最大闭锁力g．稳定系数N=F/Fmaxk k=2.45×105/1.91×105=1.3由此可见，稳定性满足要求。泵的参数计算泵的压力计算在设计液压系统时，要求泵的压力高于系统压力，差值以10%—30%为宜。因此Pg=P（1+30%）=30×（1+30%）=34.4mpa取泵的最高压力Pg=34Mpa式中P—系统的最高压力，P=30Mpa计算所需要的泵的流量设计要求每个液压缸的伸缩速度Vmax=6000mm/min，5（单位：m）动臂缸2个：缸内径D=100 活塞杆径d=70 行程s=1250铲斗缸：缸内径D=110 活塞杆径d=80 行程s=1500c．行走液压缸：缸内径D=100 活塞杆径d=80 行程s=1500每个缸的流量计算动臂缸：Qmax=2π（R2－r2）v=2×3.14×（0.52－0.352）×60=48.0421L/min杆斗缸：Qmax=π（R2－r2）v=3.14×（0.552－0.42）×60=26.847L/min铲斗缸：Qmax=π（R2－r2）v=3.14×（0.452－0.3152）×60=19.75L/min推土板缸：Qmax=2π（R2－r2）v=3.14（0.552－0.42）×60=53.694L/min式中R—缸筒内半径r—活塞杆半径行走马达选用斜轴式轴向柱塞马达，流量为25L/min5个行走马达，流量为：Q=25×5=125L/minmax系统总流量=1.2×(48.042+26.847+53.694+125)=1.2×273.333=328L/min式中k—系统泄漏系数，一般取1.1～1.3，本式取k=1.2—同时工作时的执行元件流量之和的最大值根据上面的计算，系统中选用主泵为双联斜轴式轴向柱塞泵，所以每个泵的最大流量为164L/min。5溢流阀的作用和设计计算溢流阀的作用阀。溢流阀的主要功用是：维持液压系统压力近于恒定对液压系统进行调压防止液压系统超载，起安全作用对液压系统进行卸荷，以降低系统的功率损耗和热量。溢流阀的设计计算设计要求设计的溢流阀是安装在出油口处的溢流阀，它用来控制系统的最高压力，防止超载，保护液压系统安全，使液压系统稳定运行。根据系统的压力，溢流阀设计要求如下：公称压力 P=320（N/cm2）g公称流量 Q=200（L/min）g调压范围 P=160-320（N/cm2）1启闭特性（调成最高调定压力时）开启压力[P]=300（N/cm2）1q闭合压力[P]=288（N/cm2）1q溢流量 [Q]=1.56L/min（26cm3/sec）<2L/min（33.34cm3/sec）卸荷压力[P]≤4（N/cm2）1x内卸流量[q]≤150cm3/min几何尺寸确定dd=0.463 =0.463取d=2.8cm式中Q—公称流量gV—进、出口油口直径液流速，一般取Vz=6cm/secz主阀座孔径D=d－（0.03～0.4）1=2.8－0.1=2.7cmD2取，代入上式得D=2.8cm2式中 A—主阀座孔直径D处面积 A—主阀芯上侧面积，1 1 2A/AA/A=0.95～0.98，0.961 2 1 2LL=（0.6～1.5）D1=0.75×2.8=2.1cm取L=2cmdld0

0 0d=0.08～0.2（cm）0l=（7～19）d=7.5×2.80l=0.60

0=0.6cm主阀阀芯口处锥角半角ａ1一般取ａ1触，即保证密封可靠，又便于加工。S=4.47=0.639（cm）取S=0.64cm式中D—主阀座孔径1ａ—主阀芯阀口锥角半角1g—重力加速度（cm/sec2）γ—油液重度（N/cm3）[P]—卸荷压力允许值（N/cm2）1xQ—公称流量（L/min）g导阀芯锥角半角ａ2导阀过流面积和导阀芯与导阀座的接触应力的大小与ａ值有关，ａ值小过2 流面积和接触应力大，反之就小。过流面积的大小涉及主阀工作性能的好坏，接触应力的大小涉及导阀使用寿命长短，所以ａ2来确定。根据经验一般取ａ=20o2

的值应根据性能要求和使用寿命dd2 1d=（2～5）d0cm2d=0.16cm3式中 d—阻尼孔直径0d值取得大则调压弹簧的刚度要大，尺寸也会加大，取得大小又会影2响阀的稳定性。一般取验取得

d=0.4cm2对于d在实践中发现，取得大了会使阀发生尖叫和振动。所以跟经3d=0.16cm3静态特性计算求出主阀弹簧和调压弹簧的刚度及预压缩量，作为弹簧的设计依据。P1maxX10==0.0723（cm）CC=0.77—0.88，0.801 1γ油液重度，取γ=0.903×103（N/cm3）D—主阀座孔径（cm）1Q—公称流量；gａ—主阀芯阀口处锥角半径1g—重力加速度（cm/sec2）P—最高调定压力。maxX1x=式中

=0.639（cm）]—卸荷压力（N/cm2）1xCC=0.77—.0880.81 1γ0.885×10-3（N/cm3）系统压力为开启压力[P1Q]时导阀前邮箱压力[P2Q]=277.5(N/cm2)式中[p]–主阀芯开启压力（N/cm2）1Q[Q]-开启压力[p

]时的溢流量，根据设计要求规定：[Q]≤0.01（6.67Q）1Q g（cm/sec）（cm/sec2）d（cm）0I（cm）0γ0.8995×10-3（N/cm3）vv=0.235（cm2/sec）a，a=d2=×0.082=0.005cm20 0 0FgF=0.27fλLDPk k 22Q=0.27×0.08×0.027×2×2.8×277.54=0.906（N）式中f—摩擦系数，取f=0.04～0.08λ—液压卡紧系数，取λk

=0.027kL—主阀芯和阀套的配合长度，取2cmD—主阀芯直径2P—导阀前油腔压力（N/cm2）2QKt1

与预压缩量Xt1KX=A[p

]-A

-G-Ft1t1

22Q k=D=×2.72=5.72cm2,A=D2=×2.82=6.154cm式得：

1 1 2 2KX=5.72×300-6.145×277.5-0.2-0.906=7(N)t1t1X=（1-5）X1x=1.5×0.639=0.9585（cm）t1代入KX乘积式中得t1t1

K=7/0.9585=7.3（N/cm）t1取K=7（N/cm）t1X=1（cm）t1式中[P

]—导阀前油腔的压力（N/cm2）2QG—主阀芯重力（N）F—液压卡紧阻力(N)k系统压力为开启压力[P1Q

]时导阀的开口量X2Q=式中 C2d2α2

=0.0032(cm)C=0.772导阀座孔径导阀芯锥角半角γ 油液重度，取γ=0.8995×103（N/cm3）g 重力加速度（cm/sec2）[P] 导阀前油腔压力（N/cm2）2Q[Q] 溢流量，取[Q]=1.56L/min（26cm3/sec）为了使导阀不受几何精度和油液清洁度影响，保证工作稳定，求得X值应2Q满足：X≥0.003（cm）2Q所以X2Q

值应满足要求Kt2

与预压缩量Xt2K=(a-Cπd

X)/(X+X)P=X/X

t2 2 2 2≤0.01

22Q

t2 2Q 2Q2Q t2取aπ/4d2=π/4×0.42=0.1256(cm2)2 2X=X/0.01=0.0032/0.01=0.32(cm)t2 2Q带入上面公式K=0.1256-0.77×π0.4×sin200×0.0032/（0.32+0.0032）×277.5t2=107（N/cm）取K=107（N/cm）t2X=0.32（cm）t2式中 a2导阀座孔面积

X/a

≥0.85～0.90。校核有上t2t2 21maxK

X/a

=107×0.32/0.1256×320=0.852〉t2 t2

t2t2

1max0.85因此可以达到启闭性能的要求。P1Q根据经验公式得：P

1Q

=（0.95~0.98）[P]1Q

1min

=0.956×300=289.5(N/cm2)>288(N/cm2)最低调定压力时是将调压手手轮全松，使调压弹簧的预压缩量X=0，主t2X1x，P=0，代入公式：2P =[K(X

)+G]/(A-CπDsin2аX)1min

t1 t1

1