挖掘机的液压系统设计与仿真计算说明书

摘 要液压系统是目前挖掘机必不可少的组成部分，液压系统通过改变压强增大作用力来工作。完整的液压系统包括：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。挖掘机的工作环境复杂多变，所以对于液压系统提出了很高的设计要求。在搜集国内外液压系统相关资料的基础上，了解其发展过程，分析总结了液压挖包括液压系统、传动系统、操纵系统、发动机、油箱、转台等等。本设计从分析液压挖掘机的基本原理出发，分析了液压挖掘机的结构，工作原理，油路控制，从而确定了液压挖掘液压系统的设计方案，并对所设计的液压系统进行了模型建立，到模型仿真，以确保所设计的液压系统的安全可靠，结构优良，价格经济。本设计还细致分析CADsimulationx运用simulationx建立系统模型的与仿真这是本设计的一大特点关键词： 液压系统 液压挖掘机 液压元件I/76SummaryThehydraulicsystemisanintegralpartofhydraulicsystemistoworkbychangingthepressuretoincreasetheforce.Theintact hydraulic system is including: power components, theimplementationofcomponents,controlcomponents,auxiliarycomponentsandhydraulicoil.The excavator working environment is complexandchangeable,soitis very high requirement of design tohydraulic system.Inthecollectionofdomesticandforeignhydraulicsystemonbasisofrelevantinformation,understandingofitsdevelopmentprocess,analyzedandsummarizedthetechnologydevelopmentofhydraulicexcavator.Understandhydraulicexcavatorhydraulicsystemstructure.Hydraulicexcavatoriscomposedofapluralityofsystemcomponents,includingthehydraulicsystem,drivesystem,controlsystem,engine,fueltank,tableandsoon.Mydesignfocusedonthedesignofhydraulicsystemofexcavator.Keywords:hydraulicsystem excavatory目录第一章 绪论 1挖掘机的简介 1国内外的发展趋势 2国内发展趋势 2国外发展趋势 2本设计的主要内容 3了解液压挖掘机液压系统的结构 3挖掘机液压系统设计要求 3第二章 液压挖掘机结构与工作原理 5液压挖掘机的系统组成 5动力系统 5液压系统 5机械系统 5控制系统 6液压挖掘机传动原理 6第三章 挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定 7液压系统的工况分析 7挖掘工况分析 8挖掘机液压系统的设计要求 8满斗举升回斗工况分析 10卸载工况分析 10空斗返回工况分析 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 12安全性要求 12其它性能要求 12液压系统方案拟订 13第四章 液压系统的设计 14确定油缸所受的作用力 14铲斗油缸作用力的分析 14斗杆油缸作用的确定 16动臂油缸作用力分析 18各油缸尺寸的确定 19铲斗油缸工作压力的确定 19缸径D和油塞杠直径d的确定 19缸壁厚和外径的计算 20斗杆油缸尺寸的计算 21由铲斗油缸计算步骤知斗杆缸受力平衡 21缸壁厚和外径的计算 21动臂缸的尺寸计算 21由铲斗油缸计算步骤知动臂油缸受力平衡 21缸壁厚和外径的计算 21各液压缸和马达流量的确定 23每个缸的流量计算 23回转马达的流量的计算及选型 23行走马达的选用 24主回路液压泵的选择 25管路油管的选择 25油管内径的确定 25管接头的选择 26螺塞的选用 26液压油箱的确定 26液压系统的发热和升温的验算 27液压装置的结构设计 27阀集成款 28第五章 挖掘机液压系统模型的建立与仿真 29关于仿真软件Simulationx 29Simulationx的简介 29S在液压系统中的应用 30在Simulationx中选取液压元器件 30液压元器件的选取 30其他各种元件的选取 33挖掘机液压系统仿真模型的建立 36草图的绘制 36元器件参数的设置 37仿真模式 41仿真的结果 41液压泵的仿真曲线 42内燃机的仿真曲线 42控制铲斗缸的三位四通换向阀的仿真曲线 43液压缸的仿真曲线 43控制液压马达的三位四通阀的仿真曲线 445.4.5回转马达的仿真曲线 44挖掘臂的局部仿真 45元件的参数设置 46结 论 48参考文献 49致 谢 50第一章 绪论234567.8.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液压挖掘机整体系统图挖掘机的简介130挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机到应用机电一体化技术的全自动液压挖掘40来自于在拖拉机配装液压反铲。拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机相继在502060国内外的发展趋势国内发展趋势至今，技术仍比较薄弱。建国初期从仿制苏联的挖掘机开始了我国挖掘机生产过程由于发展经济的需要先后共建立起十多家挖掘机制造厂从20世纪60年代开始我国开始液压挖掘机的研发。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型杭州重型和机械厂的WY250型挖掘机等。他们是中国液压挖掘机发展道路上的重要里程碑。到20世纪80年代末制造厂已达到30多家品种更是已由40多种斗容在0.1～2.5立方米的挖掘机已成系列，船用和水路两用的特种挖掘机也相继诞生。但是总的来说，和国际水平相比较，我国的挖掘机发展仍处于小规模，技术薄弱阶段。通过改革开放，国外先进技术的引进，促进了我国挖掘机的发展。其中合肥、上海、长江等挖掘机厂引进德国利勃海尔公司的A型R型液压挖掘机制造技术。相继杭州重型机械厂引进德国德玛克公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术还有山东推土机总厂黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的 PC100、PC120.PC200PC220.PC300PC400型液压挖掘机的全套制造技术。这些厂通过技术的引进、消化、吸收，全面的提高了国产液压挖掘机的性能，产量也逐年提高。国外发展趋势发达的工业国家，挖掘机的发展很早，这些国家主要生产斗容量3.5-40立方米的208013015010720专用化和自动化。0.01立方米左右。中小型挖掘机的发展趋势开始向一机铲等等作业动作。并且相继诞生了一些适用于特殊场合的特种挖掘机。3)大力研制全液型挖掘机，采用最前沿的技术不断改进和革新控制方式，使液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵等操纵方式逐步取代简单的杠杆操纵。在危险地区，如水下作业将采用无线电操纵，利用电子计算机接收器和激光导向相结合的技术，实现作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化是其基础和创造的前提。CLS部件的寿命得到增加。德国挖掘机公司率先采用了带有合流性质的油泵自动调节系ECO(电子控制作业)技术被德意志3)大力研制全液型挖掘机，采用最前沿的技术不断改进和革新控制方式，使液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵等操纵方式逐步取代简单的杠杆操纵。在危险地区，如水下作业将采用无线电操纵，利用电子计算机接收器和激光导向相结合的技术，实现作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化是其基础和创造的前提。本设计的主要内容了解液压挖掘机液压系统的结构等部分组成，由于挖掘机的工作环境恶劣，需要完成复杂的动作，所以液压系统的设计要满足很苛刻的要求，液压挖掘机的液压系统也是其他工程机械液压系统中最为复杂的]挖掘机液压系统设计要求液压挖掘机一个工作循环分为四种工况：挖掘、满举回转、卸载和卸载返回。进行详细的分析，总结各个工况各执行元件的主要复合动作，根据它们的工作特点，分析液压挖掘机的系统设计要求：动力性要求和操纵性要求 [2]。.1.3.3挖掘机液压系统模型建立与仿真sim斗杆，铲斗，铲斗连杆机构组成。并根据斗杆油缸行程，铲斗油缸行程，回转速度，行走速度，工作装置压力，行走系统压力，回转系统压力，回转系统压力，伺服系统sim第二章 液压挖掘机结构与工作原理液压挖掘机的系统组成液压挖掘机可分为:动力系统、液压系统、机械系统、控制系统，如图2.1作为一个有机体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有这密切关系，必然也离不开液压系统、控制系统等性能的优劣。动力系统挖掘机工作环境温差大，土石沙粒较多，负荷变化范围大，经常倾斜工作，维护条件恶劣。因此液压挖掘机原动力的第一选择就是柴油机，因为柴油机具有功率特性曲线硬、可靠、燃油经济等特点。液压系统液压传动系统用来实现挖掘机的回转、行走和工作装置的运动等等动作，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，液压泵将压力油单独或同时送往液压执行元件来驱动执行机构工作。液压挖掘机的各种主要动作都依靠液压传动来实现。根据各种运动的需要，有机的连接起液压元件和油管，它们组成的一个整体即是液压系统。这个整体的功能就是用油液当做介质把机械能通过油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等再转变为机械能，再传动各执行机构，以实现各种运动[3]。机械系统机械系统弯沉挖掘机的各种动作，主要包括行走装置、回转机构还有工作装置。行走装置将要负担起支撑整个机械的重量，并且能够保证挖掘机可以小范围内行驶。起重、装载等装置，并且不同的结构形式可以适用于同一装置上，实际运用中，反铲装置得到了广泛的喜爱[4]。控制系统液压挖掘机控制系统用来控制发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液压马达)。电子计算机技术的快速进步，使得挖掘机的控制系统得到了先进的技术支持，促使液压挖掘机的研究重点正逐步向智能化控制系统方向转移。液压挖掘机传动原理动作要求。连杆原理被挖掘机应用于工作装置上，各部分动作的完成依赖于油缸的伸缩。工作装置由三组液压缸、斗杆、动臂等组成。转台上铰接着动臂的一个铰点，动臂油缸控制着动臂及整个工作装置的运动。依靠斗杆缸的伸缩实现斗杆围绕动臂铰点运动。斗杆末端铰接着铲斗，通过铲斗缸伸缩和连杆运动决定铲围绕铰点运动。在作业时，首先需要连接好回转马达，转动转台，使铲斗回转到作业位置，并且还要操作换向阀使动臂缸小腔流进油液完成液压缸收缩运动，此时当铲斗接触到土石时，继续操作斗杆缸及铲斗缸，两个液压缸因大腔流进油液从而伸长，从而驱动铲斗运动作业。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停止动作并操纵动臂缸大腔进油，动臂抬起，同时接通回转马达，使工作装置回转到卸载位置，再操纵铲斗缸和斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。在实际挖掘作业中，由于挖掘机环境和挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作可以采取多样的配合形式[7]。第三章 挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定相互配合运动所满足的要求和油泵对于流量和功率怎么同时分配给各液压元件的问题。液压系统的工况分析3.1类型挖掘机动作，都要考虑全功率驱动[8]。1-动臂升降 2-斗杆收放 3-铲斗装卸 转台回转 整机行图3.1液压挖掘机基本运动挖掘工况分析挖掘过程主要以铲斗缸或斗杆缸分别单独动作来实现，或两者复合动作，有时还需要配以动臂液压缸的动作。3.2，3.33.4,3.5图3.2 斗尖沿直线平整土地图 图3.3 斗尖沿直线切削斜坡图图3.4 铲斗底压整地面图 图3.5 铲斗底保持一定角度切削图挖掘机液压系统的设计要求液压挖掘机需要做很多复杂的动作，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等，具有多种自由度。这些主要机构需要经常实现起动、制动、换向等动作，所以其外负载变化很大，造成更多的冲击和振动，因此挖掘机的液压系统的性能要求非常之高。根据液压挖掘机的工作特点，在设计液压系统时需要考虑如下几点:合所完成的复合动作[9]。当斗杆和铲斗相配合做复合动作挖掘时，供油情况如图3.6a所示。当斗杆油压接近溢流阀的压力时，溢流出的油液会同时供给铲斗有效利用。当斗杆和动臂复合动作挖掘时，动臂的作用是调节挖掘位置，挖掘动作主要由斗杆完成，因此采用斗杆优先合流、双泵供油，如图3.6b所示。图3.6三泵供油系统示意图当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为防止同一油泵同时向不同的液压元件供油产生油压不稳的情况，该系统采用每个油泵单独给一个液压元件供油。对于双泵系统，其在做复杂运作时各个液压元件间发生流量分配不合理的可能性要比三泵系统大，所以采用流量分配措施很必要，两泵的流量分配和三泵系统类似。挖掘机要实施非水平角度作业时，为了保证效率，回转力是必不可少的，因此回转马达需要提供液压油以完成动作。当需要一直让铲斗紧贴斜壁进行作业时，斗杆缸和回转马达需要同时进油，实现缸同时运动。由于同一油泵提供压力油，所以要求运用回转优先油路，保证铲斗能正常的贴住斜壁，否则机械难以进行工作。节流效应取决于回转压力，压力越大，效应越大。此时斗杆缸液压油回油压力将会持续增高，液压泵提供液压油的压力也随之增大。伴着操纵杆移动距离的增大，回转力随着回转马达油压的增大而增大。挖掘过程中难免会遇到坚硬的物体，此时需要瞬间得到较大的挖掘力，所以要求动力元件能瞬间暂时增压，使主压力阀得到较大的压力。满斗举升回斗工况分析作业完成后，动臂油缸收缩将动臂抬起，满斗举升，回转平台随着液压马达的作用旋转到卸载处，此动作由回转马达和动臂配合完成。动臂以及铲斗要求自动停留在一个合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对于装卸车的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系必须有可调性。卸载回转角度越大，则要求回转速度越快些，此时要求动臂的提升速度得慢些。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，此时需要把溢流出的油液提供给动臂，如图3.7a所示。在回转和动臂提升的同时，斗杆要向外放置，有时，因为环境的影响还需调整铲斗。这些动作是由回转马达、动臂、斗杆和铲斗配合完成。由于满斗提升时动臂油缸压力增加到很高，变量泵只能得到很小的流量，为了使动臂提升、回转、斗杆外放相互正常的配合动作，需要由一个油泵专门向动臂油缸供油，以保证压力的平衡，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油缸，如图3.7b。但是由于动臂提升时油压较高，避免损坏单向阀，所以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。3.7c供油，复合动作时并不会相互干扰。卸载工况分析回转至卸载位置时，制动转向台，通过斗杆调节，铲斗油缸伸缩完成卸载动作。为了调整卸载位置，还需要动臂配合。卸载时，主要是斗杆以及铲斗配合动作，加以动臂运动。图3.7 回转举升供油情况空斗返回工况分析卸载动作完成后，转台转动，同时动臂缸及斗杆缸复合动作，把空斗放到新的作业位置。该工况需要三者相互合作完成动作。由于受到重力作用，尤其是动臂下降过程中，压力变低，变量泵得到较大流量，使得下降快，并需要以很快的速度回转，因此完成该工况动作时，回转马达将会得到一个油泵的所有流量，另一油泵的大部分油供给动臂，其余部分油经节流阀供给斗杆，如图3.8所示。发动机在低转速时油泵供油量较小，为了防止动臂因受重力迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，需要采用补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。图3.8 空斗返回供油情况挖掘机液压系统的设计要求此机械具有多自由度的特能。所有机构经常要承受较大范围的负载冲击以及振动。所动力性要求确保发动机在没超过最高功率的前提下，最大限度的利用其功率，使生产效率最大化，这就是所说的动力要求。液压系统要做到与发动机的完美匹配，尤其是在外负载不断变化的情况下。确保当负载比较小时，实现油泵的大流量输出，增快执行元件的速度。在双泵系统中，合流方式很好的增大了发动机的工作效率。操纵性要求调速性要求调速的性能优劣程度对于挖掘机来说具有很重要的作用，怎样实现机器方便的顺从人员的操作控制，每个元件的性能是否具有稳定可靠性，本就是液压系统设计中必不可少要考虑的问题。机械在挖掘作业中会承受很大的外载变化，截然不同的工作环境需要不同的功率，所以每个元件都需要有很高的性能。复合操纵性要求统操纵性并不可少的一面。必须解决好流量的合理分配。对于行走机构，如何实现左、右马达的相互配合动作更需要引起高度重视。在行驶动作中，如果油液供应得不到满足，将会导致两侧马达得到不同的行驶速度，造成挖掘机跑偏，很大程度上增加了安全隐患。另外，当多执行元件同时动作时，各操纵阀都在最大限度下作业，往往会出现油泵的最大供油量满足不了系统所需要的总流量，此时因压力油由于优先供给低压执行元件，这样高压执行元件就会出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，调节多执行元件共同作用时流量分配问题也是液压系统设计需着重考虑的问题。节能性要求降低各个执行元件和管路的能量损耗，因此挖掘机液压系统设计中应做好各节能措时，怎样降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，都是降低能量损耗的关键所在[10]。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，挖掘机的使用寿命需经历很大的考验，所以其液压系统要具有良好的过载保护措施，以防止油泵过载和因外负载冲击而造成额外的损伤。其它性能要求速问题，以及防止动臂因重力作用快速下降和整机超速溜坡等现象。要实现各液压元件的标准化，系类化，可以降低挖掘机的制造成本。液压挖掘机作业环境恶劣，各功能部件必须具有很高的可靠性和耐久性。由于挖掘机在建设施工中得到越来越多的青睐。提高挖掘机的性能，降低振动和噪音，环保性等人性化的设计理念也越来越得到人们的重视。液压系统方案拟订(1)液压挖掘机一个工作循环可分为四种工况：挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况和卸载返回工况。在详细分析各工况的基础上，分析各执行元件在不同工况下的配合动作后提出初步方案。(2)依据其工作特点，总结设计要求。(3)提出一种简洁、客观的液压系统的研究方案，并且详细的介绍设计步骤。第四章 液压系统的设计表格1主要参数动臂长度mm3520斗杆长度mm1520摇杆长度mm320最大挖掘半径m6.7最大挖掘高度mm7.8最大挖掘深度m6.6最大卸载高度m5.7铲斗容量最大卸载高度m5.7铲斗容量m3主机长/宽度m0.20履带平均接地比压Mpa0.470.36回转速度rmpKm系统工作压力Mpa12.13525履带板宽度m0.6整机重量（/不带推铲）Kg8350/8150铲斗油缸作用力的分析反铲装置载作业过程中，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。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，铲斗油缸作用力与斗杆铰点的最大力臂。铲斗机构作用力分析的过程中，一定要明确，铲斗的作用力的来源及其方向，这样才能计算分析出铲斗的作用力。图4.1铲斗油缸作用力分析由图计算铲斗油缸作用力为：F lF 1maxC （4-1）d l1式中l—铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（摇臂长度）1lFC

对铲斗与斗杆铰点C的力臂已知 l=1200mm l1=320mmC1351200F=Fd

320

=506.25KN这时斗杆及动臂油缸处于封闭状态，斗杆油缸封闭力F/g应满足：F lFl/F/g

1maxB 2l2

(4-2)式中l2—斗杆油缸闭锁力F/g对斗杆与动臂铰点B的力臂lFB

对斗杆与动臂铰点B的力臂l/F对斗杆与动臂铰点B的力臂B 2FF2

0.2F1max已知 l2

=320mm lB

=3500mm l/=550mmBF0.2F2 1max

=27KN/ F l

Fl

13527550Fg

1maxBl2

2B = 320 =1522.97KNF/b

F lFl/F/b

1maxA 2l3

(4-3)式中l3

——动臂油缸闭锁力F/对铰点Ａ的力臂blFA

对动臂下铰点Ａ的力臂l/F对铰点Ａ的力臂A 2已经 l3

=300mm lA

=5800mm l/=4400mmAF lFl/ 5800274400F/b

1maxAl3

2A

300

=3006KN斗杆油缸作用的确定力的计算位置为动臂下方到最低位置，斗杆油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距，并使斗齿尖和铰点B，C在一条直线上，如下图所示。图4.2斗杆油缸作用力分析与前面推导斗杆油缸作用力一样，此时斗杆油缸作用力为：F l 135F 1maxB= =1476.56KNg l 3202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F/应满足：dF l 135F/d

1maxCl1

= 320

=506.25KN动臂油缸闭锁力F/应满足：dF/d

F 1max

Fl/A 2l3

=13527300

=3006KN斗杆最大挖掘力也受到挖掘机稳定性条件的限制。当以斗杆油缸进行挖掘时，由于作用力臂的变化、结构自身的影响及铲斗相对斗杆位置的变化，斗杆挖掘机力也相应的变化[6]。4.1.3动臂油缸作用力分析动臂油缸作用力，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，其计算简图如下图所示。图4.3动臂油缸作用力分析此时动臂油缸作用力为：1F＝ （Gl

G

G

） (4-4)b l dtdA3

ggA

bbA式中G

——铲斗及其装载土壤重力G——斗杆所受重力GG——动臂所受重力bl AdAl AgAl AbAGdt＝2103NmgGg＝4.3103N＝5.14103NldA＝5.8m，lgA=4.8m,lbA=1.2m，l3=0.3m。其中铲斗的重力为1.5103N，根据公式mVS(4-6)

V VkRS

(4-5)kS式中 m－装载土壤的质量（kgV－平均有效斗容量（m3）

s(4-7)－铲斗充满系数（m31－自然情况下土壤的密度，根据工作环境，选择1750kgm3S－疏松后的土壤密度kS－土壤的松散系数，根据工作环境，取kS1.35代入数据，求得： m259.3kgsbF(26.6420.646.18)0.3363103Nb各油缸尺寸的确定铲斗油缸工作压力的确定25Mpa。D和油塞杠直径d的确定挖掘机液压缸均为单活塞杠液压缸，其原理图如下所示表格3d/D工作压力工作压力<5.05.0-7.0>7.0d/DO.5-O.55O.62-O.70O.7由受力平衡得 F D2p= （D2d4 1cm 4 2式中 p1

—液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力 pp1 p

25Mpap2—液压缸回油腔背压，可取p

1Mpa1d/D —活塞缸直径与液压缸内径之比，按表取d/D=0.71F—工作循环中最大的负载，此处FFd=506.25KNcm —液压缸机械效率，一般取将上式代入缸受力平衡方程式得

=0.9cmD=0.17m=170mm 则d=0.7×170=119mm 取整d=120mm缸壁厚和外径的计算D/δ＜16，厚计算公式，此时：δ=(4-8)

PDy(2.3[]P)+Cyyψ：强度系数，对无缝钢管， ψ=1 C：用来圆整壁厚数 py取最大工作压力的（1.25—1.5）倍 D：缸筒内[σ]——缸筒材料许用应力，无缝钢[σ]=100——110Mpa

:试验压力，一般式中 py

=1.5py

=37.5Mpa[σ]110Mpaδ= PyD +Cδ(2.3[]Py)=0.030+C 取δ=30mm则缸外径 =D+2δ=170+2×30=230mmL=1350mm斗杆油缸尺寸的计算由铲斗油缸计算步骤知斗杆缸受力平衡4 D24

（D2d2）p41= 24cmD=0.292m=292mm D=300则铲斗油缸活塞杆d=0.7D=210mm缸壁厚和外径的计算PDδ= y(2.3[]P)y

C=0.052mC=52mmC 取整δ=52mm则外径D=D+2δ=300+2×52=404mm 取整D=400mm1 1L=1755mm动臂缸的尺寸计算由铲斗油缸计算步骤知动臂油缸受力平衡D2p

F 2 b （DF 2 4 1= 4 2cmD=0.145m=145mm D=145mm则动臂油缸活塞杆d=0.7D=101.5mm 取整d=100mm缸壁厚和外径的计算PDδ= y(2.3[]P)y

C=0.025mC 取整δ=25mm则外径D=D+2δ=145+2×25=199mm 取整D=200mm1 1取动臂缸活塞工作行程L=1655mm液压系统图的拟定4.4液压原理图各液压缸和马达流量的确定取每个液压缸的伸缩速度 V =6000mm/minmax根据前面计算出的各缸参数如下：铲斗缸：缸内径D=170mm 活塞缸径d=120mm 行程L=1350斗杆缸：缸内径D=300mm活塞缸径d=210mm 行程L=1755mm动臂缸：缸内径D=145mm 活塞缸径d=100mm 行程L=1655每个缸的流量计算Q =max 41

VD2D2

(4-9)铲斗缸Q1=斗杆缸Q2=

4×3.14×1.72×60=136L/min14×3.14×32×60=423L/min1动臂缸Q3=2×4×3.14×1.452×60=198L/min回转马达的流量的计算及选型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MO小于或等于制动力矩MB，可以取MMC= B=1—1.1 (4-10)MOC=1.6.对于一定的回转机FB F B M表示。机械制动一般取M=（0.8—0.9）M，液压制动可取M=（0.5—0.7）FB F B 履带式液压挖掘机地面附着力矩的计算可以采取下面的简化公式4M =50004F

µm3

(4-11)式中 MF

——地面附着力矩，Nm；m——整机质量，t；——地面附着系数，平板履带板取=0.25，带筋履带板取=0.5.3则 M=5000×0.5×8.349F又

MO=12225NmCM=0.8M =12225×0.8=9780Nm (4-12)B FMM= O=6112.5Nm (4-13)O C设经过四级减速，传动比i

=3×3×2×1=18总则马达所受最大力 MO

M= O=339Nm （4-14）i理 论 排 量

q = MO

=15.1m L/rPmm(4-15)据此查手册选出液压马达型号轴向柱塞马达2（YCY14-1B 排量25mL/r 定转速1500r/min行走马达的选用液压挖掘机行走速度有 0—1.7Km/h 和0—3.4Km/h两种可调高低速，由上面选出的液压马达40（YCY）14-1B。主回路液压泵的选择泵所需总流量 q = K q总(4-16)式中 K—系统渗漏系数，一般取1.1—1.3，此外取K=1.2； q——各动作元件同时动作的最大流量之和。由上面的计算得知 q=136+423+198=757L/min则 q=1.2×757=908.4L/min总本设计采用斜轴式轴向柱塞泵，则泵所需要流量q=908.4L/min液压缸工作压力的确定

P PP+p 1P+

(4-17)P--是执行元件的最高工作压力,对于本系统的最高工作压力是销锁油缸的入口压力1P

--是从液压泵出口液压缸之间的管路损失。 p=25+1=26p

p=1Mpa。参照产品选取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XB28Mpa227mL/min4000r/min。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，拆除方便[11]。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：QVdQV

(4-18)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=（1—1.5）m/s1m/s，回油管可取V<（1.5—2.5）m/s，p<2.5MpaV=（3—4）m/spMpaV=（3—4）m/sp>16Mpa时，取V>5m/s。d

QV280QV2805取整d=35mm对回油管有：d

=4.16 =44.03mmQV5605取整QV5605管接头的选择管接头采用焊接式接头，焊接式管接头主要由接头体.螺母和接管组成，在接头0螺塞的选用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。液压油箱的确定3—5能小于泵每分钟流量的3倍。此系统中泵流量为560L/min，则油箱容积V4=2240L1：1.4:1.6（mm）液压系统的发热和升温的验算系统工作时液压泵的输入功率由前面的计算可知1p=225=466.66KW601挖掘机工作时，液压缸的最大输出功率pFV

F

FV 2

(4-19)2 dmax

gmax

bmax

1750=506.250.1+1476.560.1+3630.1+23.140.88960=397.42KWTm——液压马达旋转角速度，rad/s。则系统的总发热功率=p1

p=466.66-397.42=69.24KW (4-20)2已知油箱容积V=2240×103m3则油箱近似散热面积A为：A=0.0653v2=11.13m2 (4-21)G=17×KW102则油压升温 △T=

69.24

=36.5度 (4-22)GA1710211.13设环境升温T2=25C 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。液压装置的结构设计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，入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[12]。阀集成款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的可靠性。阀集成块的设计原则：合理选择集成阀的个数，若集成阀的太多，会使阀块的体积过大，设计，3阀。孔径应与通过的流量相匹配。接形式匹配，并考虑安装操作方便。侧。阀块设计时要设计足够数量的测压点，以供阀块试用。第五章 挖掘机液压系统模型的建立与仿真关于仿真软件SimulationxSimulationx 的简介SimulationXCAE1D3DSimulationX是多学科领域系统仿真的领跑者。其模型库包含大量与工业界合作伙伴和研究机构密切合作开发的标准元件。面向用户的模块和版本、多功能性和众多软件接口，使SimulationX可以满足用户不同应用领域的各种需求。技术与功能关系的仿真是对过程进行预测的一个工具。不要再由于“试验-出错”而浪费时间和金钱，而是要基于杰出的预测模拟结果。SimulationX因此，其需要综合考虑整个传动系统，工艺流程和设备。SimulationXSimulationXTypedesigner具。它是基于ModelicaCOM外部函数接口和打印引擎。仿真可以在时间或频域中进行。可以用暂态仿真计算线性和非线性系统行为，也可以用稳态仿真计算周期性激励下（非线性和线性）模型。学科模型库拥有从工程应用角度划分的模型元件。预制的模型元件大大提高了建模的效率。选项和接口为全面的系统与结构分析（例如，平衡计算，线性系统分析，变量计算）以及与其他CAx产品集成、数据库和优化工具的连接提供了齐备的工具箱。插件通过外部模型库（Modelica模型库）调用、StateChartDesigner（状态图设计模块)和虚拟机库扩展和补充了SimulationX的功能。S在液压系统中的应用零部件和系统的研发模型包含着不同的物理领域，从机械到液压，热，气动，电磁，甚至是电子领域，当然也考虑了对这些领域的控制系统。SimulationX代码输入或代码导出/导入。SimulationX200COMITISimulationX您可以选择编程语言（VisualBasic,C,Java）创建您自己的定制脚本，用于与其这样一些案例。件相连的联合仿真接口。通过STLCAD型几何尺寸。Simulationx中选取液压元器件simulationx台尺寸。液压元器件的选取Simulationx（hydraulics，并从中找出所需的液压泵、液压缸、液压马达、三位四通换元器件。图5.1Simulationx工作界面图Simulationx面分别介绍各种液压元件的选取：液压泵的选取:图5.2液压泵在左边的元件库中找到液压元件，然后在液压元件下的执行元件中找到变量泵，另一种方法就是在元件库中的搜索栏目上直接搜索变量泵。变量泵的基本连接方式：如图5.2（x）表示，主要是调节变量泵斜盘转角用以改变液压泵的输出流量。机械ctr1ctr2（portB（portA液压油泄露端portl，直接接回油箱。三位四通换向阀的选取：图5.3三位四通换向阀如图5.3，在左边的元件库找到液压元件一栏，三位四通换向阀就在液压元件中的阀里面，从元件库中拖出4/3换向阀到工作界面上。5.3，三位四通换向阀包括一个信号输入（portB，portP，portT)。1PB,AT。-1PA，BT。0液压缸的选取：图5.4液压缸如上所述，在元件库中找到液压执行元件一栏，就可以在这一栏下面找到我们所需的单活塞干液压缸。并拖入工作界面中。(porta，portb)给液压缸提供压力，使活塞杆运动。另外它有两个外接机械部分，一段在活塞杆上（ctr2，一段在液压缸上（ctr1把液压力传递到外部的机械部分上，驱动机械部分运动。把液压能转化成机械能。液压马达的选取:图5.5变量液压马达变量液压马达的选取同上。它的功能是通过改变斜盘的倾角，进而改变马达的排量，将液压能转变成旋转运动的机械能。液压马达的连接：它的连接和变量液压泵的连接方式类似，不同之处，仅是将油液的接通方向改变。溢流阀的选取：图5.6溢流阀在液压元器件库中找到阀这一类，在阀下面的子栏目中就有溢流阀这一元件。它的设定压力位25Mp,功能是在液压回路中起安全阀的作用，防止液压回路压力过大。如上图，在达到pset之前溢流阀处于关闭状态，当大于这一极限压力，溢流阀处于工作状态。油液通过溢流阀溢流回油箱，从而保护了其他元件的安全。溢流阀的连接：P端通高压油，T端直接接回油箱。将他接在液压泵的两段。其他各种元件的选取旋转惯量等等。将他们选中依次拖入右边的工作界面等待进一步操作。下面分别介绍各种元件的选取：内燃机的选取：图5.7内燃机在动力元件库口选取我们所需要的内燃机，此内燃机由是个活塞杆构成，可以为系统提供更大的动力和转速。一个转矩输出端口，和一个外接固定端口。信号输入端为系统提供一个工作型号控制采油机的运转。转矩输出端（ctr2）将采油机产生的转矩输出到外接机械。固定端口(ctr1)用于固定采油机。固定轴的选取：图5.8固定轴定轮在元件库的机械部分，他主要用于固定具有转矩的机械元件。它有两个外接机械接口，可以任意选取。旋转惯量的选取：图5.9旋转惯量在机械元件库中找到旋转机械元件板块，在这个板块下面，我们可以找到旋转惯量。旋转惯量它有两个外接机械输入端，可以任意选取一端，连接液压马达的机械输出端。以达到结构完整。直线惯量的选取：图5.10直线惯量在机械元件库中找到线性机械元件，在他的子元件库中找到我们所需的直线惯量元件。直线惯量元件连接在液压缸的机械部分，用来仿真液压缸的外接负载。它的两段可以任意选取。信号发生器的选取：图5.11信号输入器角或阀块的工作位置。信号由（y）输出。由它产生的信号用来控制液压回路。在挖掘机液压系统仿真中，它相当于控制手柄。决定着挖掘机的运动。挖掘机液压系统仿真模型的建立统通常用多路阀进行控制,此处仅取出其中用于控制挖掘机动臂的两联建立系统模型,其液压原理图见图11中两个换向阀分别为多路阀中的两联,因动臂往往需要双液压缸驱动,实际使用中根据需要采用双联联合先导液压方式进行控制,通过先导控制实现动臂双液压缸的联动;主溢流阀安装在换向阀之前,用于保护液压泵;SimulationX中建立相应的液压回路模型。图5.12动臂液压系统原理图Simulationx的建模分为三个步骤，下面分别加以介绍:草图的绘制在这个模式下，应根据挖掘机的液压系统原理图来建立仿真模型，主要是利用Simulationx元件库的元素构建自己的模型。图5．13草图绘制元器件参数的设置参数设置是仿真中比较关键的一步，我们可以在草图的元器件上直接设置。仿真的目的就在于不断地改变模型的参数，最终得到一个优化的结果。所以，仔细的设置的每一项成为仿真能否成功的前提。在参数设置中我们要把前面计算设计的各个液压缸，液压马达，液压泵等等的一系列的输入仿真系统中进行仿真。液压泵的参数设置：AB液压马达的参数设置：

图5.14液压泵的参数设置及结果显示同上，双击液压马达进入马达的参数界面，它的设置参数项目上同液压泵是一样的，本设计中的液压马达的参数，我们都采用默认值。并打开结果显示，对结果显示进行单位的更改。选择合适的单位。液压缸的参数设置：

图5.15液压马达的参数设置在液压缸的参数设置中，需要设置液压的行程，活塞直径，以及杆的直径，这些在之前的液压缸的设计中已经计算过，把计算出的数据，直接填入相应的位置。这里的死区容积我们采用默认值。PropeProperties-diffCylinder1GeometryIFrictionIngIEndStopsILe<1kageIults1IResults2IGene420ntonRoddRod·3三AdB5I0n•dxh: lmv信号产生器的参数设置：

图5.16液压缸的参数设置在它的参数设置中，在函数一栏，我们可以直接设置信号函数，也可以通过编程来设置我们所需要的信号函数。直线惯量的参数设置：

图5.17信号产生器的参数设置直线惯量模拟的是铲斗，斗杆以及动臂的工作压力，通过第四章的计算我们可以把计算的结果直接填在(mass)中进行模拟仿真。旋转惯量的参数设置：

直线惯量参数设置旋转惯量连接的是液压马达的机械输出部分，模拟的是挖掘机的行走系统和回转系统，通过第四章的计算，我们已经得知了挖掘的回转系统的工作载荷，将这些书记直接带入旋转惯量的参数设置即可。内燃机的参数设置：

旋转惯量的参数设置内燃机需要设置的参数有，信号输入，功率，转速，以及转子的个数。其他采用默认值即可。图5.20内燃机的参数设置其他液压元件的参数设置均采用默认值即可。仿真模式一切参数设置好后就可以进行参数仿真了，仿真中需要注意的是仿真的设置。其仿真的结果110合理无误，再可根据仿真结果进行改进。液压泵的仿真曲线图5.21泵的转速与泵的A口流量