完整挖掘机的液压系统设计.docx
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完整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
中。
挖掘机产品核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，其性
能的优劣决定挖掘机工作性能的高低，要求实现的动作复杂，于是他对液压系统
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的发展具有十分重要意义。
关键词：
液压挖掘机液压系统回路
前言..................................................
4
1绪论
................................................
5
1.1
选题的意义.........................................
5
1.2
挖掘机的发展趋势...................................
5
1.3
挖掘机的设计方案...................................
5
1.3.1
挖掘机液压系统技术发展动态的分析研究.............
5
1.3.2
挖掘机液压系统总体设计...........................
6
1.3.3
挖掘机液压系统设计..............................
6
2挖掘机液压系统概述...............................
7
2.1
挖掘机液压系统的基本组成及其要求..................
7
2.2
挖掘机液压系统的基本动作分析......................
8
2.3
挖掘机液压系统的基本回路分析......................
9
2.3.1
限压回路........................................
9
2.3.2
缓冲回路.......................................
10
2.3.3
节流回路.......................................
11
2.3.4
行走限速回路...................................
12
2.3.5
闭锁回路.......................................
13
2.3.6
再生回路.......................................
13
3挖掘机液压系统设计.............................
14
3.1
挖掘机的功用和对液压系统的要求..................
14
3.2
挖掘机液压系统分析...............................
15
3.2.1
挖掘机的液压系统原理图如下图....................
15
3.2.2
系统工作循环分析...............................
15
3.2.4
液压系统中几种低压回路作用......................
17
3.3
液压元件的选用....................................
17
3.3.1
泵、马达的选用.................................
17
3.3.2
液压阀的选用...................................
18
4液压缸的设计计算和泵的参数计算................
19
4.1
液压的计算设计...................................
19
4.1.1
外负载计算.....................................
19
4.1.2
液压缸结构尺寸计算.............................
19
4.1.3
油缸强度计算...................................
21
4.2
泵的参数计算......................................
23
4.2.1
泵的压力计算...................................
23
4.2.2
计算所需要的泵的流量...........................
24
5溢流阀的作用和设计计算..........................
25
5.1
溢流阀的作用.....................................
25
5.2
溢流阀的设计计算.................................
25
5.2.1
设计要求.......................................
25
5.2.2
几何尺寸确定...................................
26
5.2.3
静态特性计算...................................
28
6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
动力系统。
挖掘机的工作条件恶劣，且动臂和底盘动作非常频繁，因此要求液压系统工作稳定，平均无故障时间长。
因此，液压系统的性能优劣决定着挖掘机工作性能的高低。
液压技术的发展直接关系挖掘机的发展，挖掘机遇液压技术密不可分，二者相互促进。
液压技术是现代挖掘机的技术基础，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。
挖掘机的液压系统复杂，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。
挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操纵回路等，由它们构成具有各种功能的液压系统。
随着科技的进步，挖掘机的液压系统将更加复杂，功能更加多样且便于操作控制，工作效率高，耗能少，先进的液压系统会使挖掘机在工程领域发挥更大作用。
1绪论
1.1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
现代挖掘机的技术基础，另一方面，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。
挖掘机的液压系统复杂，其性能的优劣决定挖掘机工作性能的高低，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。
近年来，有关挖掘机液压系统方面的文献并不少见，但文献的内容大多针对某一专题进行研究，系统的论述现代液压挖掘机液压系统的论文却比较少，因此研究挖掘机液压系统具有重要的现实意义和理论意义。
1.2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
起的作用越来越明显，液压挖掘机作为一类快速、高效的施工机械越来越被人们
所认识。
据统计，2003年我国挖掘机总销售量突破6万台，其中国内挖掘机生
产企业售量总和达到3.48万台，成为世界第一挖掘机市场。
1.3挖掘机的设计方案
挖掘机液压系统方面的技术多种多样,本文分析了传统挖掘机液压系统中的单泵定量系统,双泵定量系统和双变量泵液压系统,详细分析了其主要优点和
存在的问题，并对国外几种知名品牌的挖掘机液压系统的关键技术和控制方式进
行比较和研究。
然后根据挖掘机液压系统的设计要求,采用多路阀系统,配以专
用控制阀和简单的伺服控制系统，设计了一套适合我国生产制造的单斗挖掘机液
压系统。
1.3.1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.
1.3.2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。
1.3.3挖掘机液压系统设计
（1）根据工作部件的运动形式，合理选择液压执行元件；
（2）根据部件的动作顺序和性能要求，列出可实现的各种基本回路，选择
合理的调速方案。
（3）计算液压系统的主要参数和选择主要元件。
1）计算液压缸的主要参数；
2）计算液压缸所需的流量和液压泵的选用；
3）选用吸油管
4）选择元件规格；
5）计算系统实际工作压力；
6）计算功率，选用电动机；
7）发热和容积油箱计算。
2挖掘机液压系统概述
2.1挖掘机液压系统的基本组成及其要求
按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机的连接起来就组成一个挖掘机液压系统。
它是以油液为工作介质、利用液压泵将发元件液压能转变为机械能，进而实现挖掘机的各种动作。
按照不同的功能可将挖掘机液压系统分为三个基本部分：
工作装置系统、回转系统、行走系统。
挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压缸组成，它包括动臂、斗杆、铲斗三个液压回路。
回转装置的功能是将工作装置和上部转台向左或向右回转，以便进行挖掘和卸料，完成该动作的液压元件是回转马达。
回转系统工作时必须满足如下条件：
回转迅速、启动和制动无冲击、震动和摇摆，与其它机构同时动作时，能合理的分配去各机构的流量。
行走装置的作用是支撑挖掘机的整机质量并完成行走任务，多采用履带式和轮胎式机构，所用的液压元件主要是行走马达。
行走系统的实际要考虑直线行使问题，即在挖掘机行走过程中，如果某一个工作装置动作，不至于挖掘机行走时发生偏转现象。
挖掘机的动作复杂，主要机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此挖掘机的液压系统应满足以下要求：
（1）要保证挖掘机动臂、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。
（2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能复合动作，以提高挖掘机的生产率。
（3）履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。
（4）保证挖掘机一切动作可逆，且无级变速。
（5）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、斗杆图2.1挖掘机工作装置
图2.2液压挖掘机整体系统图
2.2挖掘机液压系统的基本动作分析
（1）挖掘通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘，或者两者配合进行挖掘，在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆复合动作，必要时配以动臂动作。
（2）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
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。
动臂举升和铲斗自动举升到正确的卸载高度。
由于卸载所需回转角度不同，随挖掘机相对自卸车的位置而变，因此动臂举升速度和回转速度相对应是可调整的。
若卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂举升速度慢些。
（3）卸载回转至卸土位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗缸卸载。
为了调整卸载位置，还需动臂配合动作。
卸载时，主要是斗杆和铲斗复合作用兼以动臂动作。
（4）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。
由于动臂下降有动力作用、压力低泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供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。
2.3挖掘机液压系统的基本回路分析
基本回路是由一个或几个液压元件组成，能够完成特定的单一功能的典型回
路，它是液压系统的组成单元。
液压挖掘机液压系统中的基本回路有限压回路、
卸荷回路、缓冲回路、节流回路、行走回路、合流回路、再生回路、闭锁回路、
操纵回路等。
2.3.1限压回路
限压回路用来限制压力，使其不超过某一调定值。
限压的目的有两个：
限制系统的最大压力，使系统不因过载而损坏，通常用安全阀来实现，安全阀设置在主油泵出油口附近；二是根据工作需要，使系统中某部分压力保持定值或不超过某值，通常用溢流阀实现，溢流阀可使系统根据调定压力工作，多余的流量通过此阀流回邮箱，因此溢流阀是常开的。
1-换向阀
2-
图2.3
限压阀限压回路
3-
油缸
2.3.2缓冲回路
液压挖掘机满斗回转时由于上车转动惯量很大，在启动、制动和突然换向时会引起很大的液压冲击，尤其是回转过程中遇到障碍突然停车。
液压冲击会使整
个液压系统和元件产生振动和噪音，甚至破坏。
挖掘机回转机构的缓冲回路就是
利用缓冲阀等使液压马达高压腔的油液超过一定压力时获得出路。
图中为液压挖
掘机中比较普遍采用的几种缓冲回路。
图中A中回转马达两个油路上各装有动力灵敏的小型直线式缓冲阀2、阀3，
正常情况下两阀关闭。
当回转马达突然停止转动或反向转动时，高压油路Ⅱ的压
力油经缓冲阀3泄回邮箱，低压回路Ⅰ则由补油回路经单向阀4进行补油，从而
消除液压冲击。
缓冲阀的调定压力取决于所需要的制动力矩，通常低于系统最高
工作压力。
该缓冲回路的特点是溢油和补油分别进行，保持较低的液压由温度，
工作可靠，但补油量大。
图中Ｂ是高、低压油路之间并联有缓冲阀，每一缓冲阀的高压油口与另一缓
冲阀的低压油口相通。
当回转机构制动、停止或反转时，高压腔的油经过缓冲阀直接进入低压腔，减小了液压冲击。
这种缓冲回路的补油量很少，背压低，工作效率高。
图C是回转马达油路之间并联有成对单向阀4、5和6、7，回转马达制动
或换向时高压腔的油经过单向阀5、缓冲阀2流回邮箱，低压腔从邮箱经单向阀
6获得补油。
A
Ｂ
C
1-
换向阀
2、3-缓冲阀4图2.4缓冲回路
、5、6、7-单向阀
2.3.3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
系统中改变执行原件的流量。
这种调速方式结构简单，能够获得稳定的低速，但是它功率损失大、效率低、温升大，系统易发热，作业速度受负载变化影响大。
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
图2.5节流回路
4-
换向阀
5-
油缸
A图为进油节流调速，节流阀3安装在高压油路上，液压泵1与节流阀串联，节流阀之前装有溢流阀2，压力油经节流阀和换向阀4进入液压缸5的大腔使活塞右移。
负载增大时液压缸大腔压力增大，节流阀前后压力差减小，因此通过节流阀的流量减少，活塞移动速度降低，一部分油液通过液流阀回邮箱。
反之，随负载减小，通过节流阀进入液压缸流量增大，加快活塞移动速度，液流量
相应减小。
这种节流方式由于节流后进入执行元件的油温较高，增大渗漏可能性，加以回油无阻尼，速度平稳性差，发热量大，效率低。
B图为回油节流调速，节流阀安装在低压回路上，限制回油流量。
回油节流后的油液虽然发热，但进入邮箱，不会影响执行元件的密封效果，而且回油有阻尼，速度比较稳定。
液压挖掘机的工作装置为了作业安全，常在液压缸的回油路上安装单向节流阀，形成节流限速回路。
C图，为了防止动臂印自重降落速度太快而发生危险，其液压缸大腔的回路
上安装由单向阀和节流阀组成的单向节流阀。
此外，斗杆液压缸、铲斗液压缸在
相应的油路上也装有单向节流阀。
2.3.4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
走马达易发生吸空现象甚至损坏。
因此，应对行走马达限速和补油，使行走马达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
行走限速回路是利用限速阀控制通道大小，以限制行走马达速度。
比较简单
的限速方法是使回油通过限速节流阀，挖掘机一旦行走超速，进油供应不及，压
力降低，控制油压力也随之降低，限速节流阀的通道减小，回油节流，从而防止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，
单向阀4、5、6、7和安全阀8、9等组成。
正常工作时换向阀1处于右位，压力油经单向阀4进入行走马达10，同时沿控制油路推动压力阀2，使其处于接通位
置，行走马达的回油经压力阀2流回邮箱。
当行走马达超速运转时，进油供应不
足，控制油路压力降低，压力阀2在弹簧的弹力作用下右移，回油通道关小或关闭，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。
2.3.5闭锁回路
动臂操纵阀在中位时油腔闭锁，由于滑阀的密封性不好产生泄露，动臂在重
力作用下会产生下沉，特别是挖掘机在进行起重作业时要求停留在一定的位置上
保持不降，因此，设置动臂支持阀组。
如图所示，二位二通阀在弹簧力作用下处
于关闭位置，此时动臂油腔压力油通过阀芯内砖孔通向插装阀上端，将插装阀压
紧在阀座上，阻止油缸下腔的油从B至A，起闭锁支撑作用。
当操纵动臂下降时，
在先导操纵油压P作用下二位二通阀处于相通位置，动臂油缸下腔压力油通过阀
芯钻孔油道经二位二通阀回油，由于阀芯内钻孔油道节流孔的节流作用，使插装
阀上下腔产生压力差，在压力差作用下克服弹簧力，将插装阀打开，压力油从B
至A。
图2.8闭锁回路图2.9再生回路
2.3.6再生回路
动臂下降时，由于重力作用会使降落速度太快而发生危险，动臂缸上腔可能产生吸空，有的挖掘机在动臂油缸下腔回路上装有单向阀和节流阀组成的单向节流阀，使动臂下降速度受节流限制，但这将引起动臂下降慢，影响作业效率。
目前挖掘机采用再生回路，如图所示，动臂下降时，油泵的油经单向阀通过动臂操纵阀进入动臂油缸上腔，从动臂油缸下腔排除的油需经节流孔回邮箱，提高回油压力，使得液压油通过补油单向阀供给动臂缸上腔。
这样当发动机在低转速和泵的流量较低时，能防止动臂因重力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生吸空。
3挖掘机液压系统设计
3.1挖掘机的功用和对液压系统的要求
挖掘机主要用来开挖壕，基坑，河道与沟渠以及用来进行剥土和挖掘矿石。
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（液压缸、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，经动力元件转为液压能，进行传递，然后再经过执行元件转反为机械能，实现主机的各
种动作。
由于液压系统的功能是传递，分配和控制机械动力，因此是液压挖掘机的关键部分。
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，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限制回路、行走限制回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操作回路等，由它们构成具有各种功能的液压系统。
3.2挖掘机液压系统分析
3.2.1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-滤
油器15-推土液压缸16-左行走马达17-右行走马达18-回转马达
19-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
图示全液压挖掘机的液压系统为双泵双向定量系统。
系统中所用的是斜轴式
径向柱塞泵，它有两个出油口，相当于A、B两台泵供油，其流量为328/min。
A
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22
和辅助缸20动作，并经中央回转接头驱动右行走马达17.泵B输出的压力油进
入多路阀组Ⅱ（带限速阀10）驱动动臂缸19，斗杆缸21，并经过中央回转接头
驱动左行走马达16和推土缸15.每组多路阀中的四联换向阀组成串联油路。
3.2.2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。
（1）通常以铲斗缸或两者配合进行挖掘：
必要时配以动臂动作。
操纵多路阀组Ⅰ中的换向阀3处于右位，这是油液的流动是：
进油路：
A泵—换向阀1、2
的中位—换向阀3右位—铲斗缸22大腔。
回油路：
铲斗缸22小腔—单向节流阀25—换向阀3右位—换向阀4中位—合流阀5右位—多路阀组—限速阀10右位—单向阀12—散热器13—滤油器14—油箱。
此时铲斗缸活塞伸出，推动铲斗挖掘，或者同时操纵换向阀3、7使两者配合进
行挖掘，必要时操纵换向阀6，使处于右位或左位，则B泵来油进入动臂缸19
的大腔或小腔，使动臂上升或下降以配合铲斗缸和斗杆腔动作，提高挖掘效率。
（2）满斗提升回转：
操纵换向阀6处于右位，B泵来油进入动臂缸大腔将
动臂顶起，满斗提升：
当铲斗提升到一定高度时操纵换向阀1处于左位或右位，
则A泵来油进入回转马达18驱动马达带转台转向卸土处。
完成满斗回转主要是动臂和回转马达的复合动作。
（3）卸载：
操纵换向阀7控制斗杆缸，调节卸载半径，然后操纵换向阀3处于左位，使铲斗缸活塞回缩，铲斗卸载。
为了调整卸载位置还要动臂缸的配合。
此时是斗杆缸和铲斗复合动作，兼以动臂动作。
（4）
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