SWE50动功能液压挖掘机工作装置设计液压系统设计.docx
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SWE50动功能液压挖掘机工作装置设计液压系统设计
SWE50动功能液压挖掘机工作装置设计液压系统设计
摘要
挖掘机作为我国工程机械的主力机种，被广泛应用于各种各样的施工作业中。
挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作复杂，于是它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研究对推动我国挖掘机发展具有十分重要的意义。
挖掘机与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。
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研究已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。
在全面搜集了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上，了解了挖掘机液压系统的发展历史，并对挖掘机液压系统的技术发展动态进行了分析总结。
论文对挖掘机的各种工况进行了分析，系统总结了挖掘机液压系统的设计要求。
文中还以现代、林德、小松等著名品牌的挖掘机液压系统为研究对象，了解各种不同类型挖掘机的液压系统
关键词:
挖掘机；液压系统；工作装置
THEWORKOFMULTI-FUNCTIONHYDRAULIC
EXCAVATORSWE50DESIGNOFHYDRAULIC
SYSTEMDESIGN
ABSTRACT
AsChina'sconstructionmachineryexcavatormainmodelshavebeenwidelyusedinavarietyofconstructionoperations.Excavatorproduct'scoretechnologyisthehydraulicsystemdesign,asaresultofpoorworkingconditionsofexcavator,thecomplexityofthedemandsoftheaction,sothedesignofitshydraulicsystemhashighdemands,anditshydraulicengineeringmachineryhydraulicsystemsthemostcomplexsystem.Therefore,theexcavatoroftheanalysisofthehydraulicsysteminpromotingthedevelopmentofChina'sexcavatorofgreatsignificance.
Hydraulicexcavatorsandcloselylinkedtothedevelopmentofthemainhydraulictechnology-based.Excavatorasaresultofpoorworkingconditions,callsforactionarecomplex,soitisthedesignofthehydraulicsystemofthehighdemands,thehydraulicsystemofconstructionmachineryhydraulicsystemisthemostcomplex.Therefore,theexcavator'shydraulicsystemanalysisofexcavatordevelopmenthasbecomeanimportantelement.
Athomeandabroadtogathercomprehensiveinformationintheexcavator'shydraulicsystembasedonrelevantinformationtounderstandtheexcavatorsofthehistoricaldevelopmentofthehydraulicsystem,hydraulicexcavatorsandtechnicaldevelopmentshavebeenanalyzedandsummarized.Papersonavarietyofexcavatorsworkingconditionwereanalyzed,thesystemsummeduptheexcavator'shydraulic
systemdesignrequirements.Thearticlealsomodern,Linde,Komatsuexcavator,suchasthefamousbrandhydraulicsystemforthestudytounderstandthedifferenttypesofexcavator'shydraulicsystem
Keywords:
excavator；hydraulicsystem；theworkdevice
1绪论
1.1挖掘机液压系统研究的必要性…………………….……………………1
1.2国内外挖掘机液压系统的研究现状及发展动态………………………1
1.2.1国外研究状况及发展动态…………………….………………...1
1.2.2国内研究情况及发展动态…………………...………….………3
1.3本论文的研究内容…………………….………………………………...4
2挖掘机液压系统的设计要求和分析方法…………………….……………...5
2.1液压挖掘机的工况分析…………………….…………………………...5
2.1.1挖掘工况分析…………………….……………………………...6
2.1.2满斗举升回转工况分析…………………….…………………..8
2.1.3卸载工况分析…………………….……………………………..9
2.1.4空斗返回工况分析…………………….……………………..…9
2.1.5行走时复合动作…………………….……………………….…10
2.2挖掘机液压系统的设计要求…………………….…………………….10
2.3挖掘机液压系统的分析方法…………………….…………….………12
2.4本章小结…………………….………………………………….………133挖掘机液压系统的分析…………………….…………………….…………14
3.1挖掘机液压系统的特点和设计要求…………………….………..……14
3.1.1挖掘机液压系统的特点和基本组成……………………...……14
3.2挖掘机液压系统的基本回路分析…………………………………..….14
3.2.1单泵、单执行部件液压系统…………………..……...……….14
3.2.2单泵、多执行部件液压系统………………………...…..…….18
3.2.3多泵液压系统…………………….…………………………….19
3.3液压挖掘机液压系统的“理想”特性…………………….…..….…20
3.4先导控制…………………….…………………………………………..21
3.5合流控制…………………….…………………………………..……21
3.6SW50液压挖掘机工作装置液压系统图………………………….....214主要液压元件的计算，选型…………………….………………..…….…23
4.1换向阀的结构…………………….………………………..……...…23
4.2柱塞泵…………………….……………………………..……………24
4.2.1斜盘式轴向柱塞泵……………………………..……………24
4.2.2斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量……………..……………25
4.2.3斜盘式轴向柱塞的结构特点…………………..….……...…255液压缸的设计选型…………………….……………………..……...……28
5.1铲斗机构及液压缸主要参数的设计计算……………..……….……28
5.2动臂、斗杆长度尺寸…………………….………..…………...……32
5.3斗杆液压缸主要参数的设计…………………….………..…………33
5.4动臂液压缸的设计…………………….……………..…………...…35
5.5液压系统闭锁压力的确定………………………..…………………386结论…………………….………………………………..……………...…40参考文献…………………….…………………………..……………….…41致谢
附录
附录A开题报告…………………….……………………..……………43附录B论文翻译…………………….……………..……………………49
1绪论
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。
1.1挖掘机液压系统研究的必要性
挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯到1840年。
当时美国西部开发，进行铁路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似机械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。
但是此后的很长时间挖掘机没有得到很大的发展，应用范围也只局限于矿山作业中。
导致挖掘机发展缓慢的主要原因是:
其作业装置动作复杂，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发展。
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。
1.2国内外挖掘机液压系统的研究现状及发展动态
1.2.1国外研究状况及发展动态
从20世纪60年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统己经发展到了相当成熟的阶段〔，，。
近几年来，随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己
挖掘机在国际上的竞争力，主要表现在五个方面:
①液压系统逐渐从开式系统向闭式系统转变;②系统的节能技术成为研究的重点;③系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显;④系统的操纵特性上升到很重要的地位;⑤液压系统与电子控制的结合成为潮流。
（1从开式液压系统向闭式液压系统的转变
日本小松〔KAMATSU公司90年代以前一直致力开发开式负载敏感系统（OLSS，用以降低液压系统的损耗。
开式液压系统采用三位六通阀，其特点是有两条供油路，其中一条是直通供油路，另一条是并联供油路。
由于这种油路调速方式是进油节流调速和旁路节流调速同时起作用，其调速特性受负载压力和油泵流量的影响，因此这种系统的操纵性能、调速性能和微调性能差。
另外，当液压作用元件一起复合动作时，相互干扰大，使得复合动作操纵非常困难。
这是开式系统的大缺点。
由于挖掘机作业工程中要求对液压元件能很好地控制其运动速度和进行微调，而且在其工作的许多工况下要求多个执行元件完成复合动作，而长期以来使用的开式液压系统无法满足挖掘机的调速和复合动作的要求。
近年来在国外的挖掘机液压系统中出现了闭式负载敏感系统（CLSS。
它可以采用一个油泵同时向所有液压作用元件供油，每一个液压作用元件的运动速度只与操纵阀的阀杆行程有关，与负载压力无关，泵的流量按需提供，而且多个液压作用元件同时动作时相互之间干扰小，因此操纵性好是闭式液压系统的主要特点。
这种系统非常符合挖掘机操作的要求，它操纵简单，对司机的操纵技巧要求低，在国际上己经获得较广泛的使用，是挖掘机液压系统的发展趋势。
目前日本小松公司已经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。
（2提高负载能力和可靠性
为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流量和功率。
目前，国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在30MPa以上，并且随
着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势;流量通常在每分钟数百升;功率在数百千瓦以上。
如德国Orensttein&
Koppe制造的目前世界上首台最大的RH40。
型全液压挖掘机，铲斗容量达42m',液压油源为18台变量轴向柱塞泵，总流量高达10200L/min:
原动机为2台QSK60柴油发动机，总功率高达2014kW"',
由于液压挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响.系统的可靠性日益受到重视。
美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，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试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机强度研究方面，不断提高设备的可靠性。
美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。
日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统，使液压挖掘机的运转率达到85%-95%，使用寿命超过1万小时。
（3重视操纵特性
挖掘机液压系统的操纵特性越来越受到重视。
日前国际上迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制，无线电遥控、电子计算机综合程序控制。
各种高新技术的应用，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。
（4电子一液压集成控制成为当前主要研究目标
电子控制技术与液压控制技术相结合的电子一液压集成控制技术近年来获得了巨大发展，特别是传感器、计算机和检测仪表的应用，使液压技术和电子控制有机结合，开发和研制出了许多新型电液自动控制系统，提高了挖掘机的自动化程度，推动着挖掘机的迅猛发展。
目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方面的研究己趋成熟。
美国林肯一贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。
日本住友公司生产的FJ系列五中新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命。
1.2.2国内研究情况及发展动态
从国内情况来看，我国挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压系统方面的理论还比较薄弱。
国内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术
方面的研究具有一定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能、质量、作业效率、可靠性等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在国内市场上基本失去了竞争力，取而代之的是采用各种高新技术的国外挖掘机产品。
先进的挖掘机液压系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造出性能优异的挖掘机，绝大部分的市场份额都被国外各种品牌的挖掘机所占据。
以20t级的中型液压挖掘机为例，国产20t级挖掘机大多数是欧洲80年代初的技术['a7，同90年代初以来在国内形成批量的日本小松、日立、神钢以及韩国大宇、现代等机型相比，其主要差距柴油机功率偏低，液压系统流量偏小，液压系统特性差，导致平台回转速度低，行走速度低，各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率较国外偏低。
1.3本论文的研究内容
挖掘机液压系统方面的技术多种多样，本文主要以国外几种知名品牌的挖掘机液压系统为主要研究对象，对其现有的关键技术和控制方式进行比较和研究，采用数字仿真系统建模仿真，为挖掘机的液压系统的控制理论研究提供一定的参考信息。
（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历史。
分析总结挖掘机液压系统方面的研究现状和技术发展动态。
（2挖掘机液压系统设计要求的分析总结
对液压挖掘机一个工作循环中的四种工况一挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况和卸载返回工况进行了详细的分析，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，系统地总结了挖掘机液压系统的设计要求:
动力性要求和操纵性要求。
另外，还提出了一种有效、简便、直观的挖掘机液压系统的分析方法，并详细介绍此方法的步骤。
（3挖掘机工作装置液压系统的分析
本文将对工作装置液压系统各工况分析，对工作装置液压系统采用双泵变量系统研究，分析绘制工作装置液压系统的液压原理图，多路换向阀，轴向柱塞泵，动臂油缸，斗杆油缸，颤抖油缸结构，以及主要油缸进行分析设计，了解其优缺点，对今后我国挖掘机液压系统的研究开发具有很好的参考价值。
2挖掘机液压系统的设计要求和分析方法
要了解和设计挖掘机的液压系统，首先要分析液压挖掘机的工作过程及其业要求，掌握各种液压作用元件动作时的流量、力和功率要求以及液压作用元件相互配合的复合动作要求和复合动作时油泵对同时作用的各液压作用元件的量分配和功率分配。
2.1液压挖掘机的工况分析
液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作（如图2.1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。
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。
图2.1液压挖掘机的工作运动
1-动臂升降；2-斗杆收放；3-铲斗装卸；4-转台回转；5-整机行走
液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括:
（1挖掘:
通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或者两者配合进行挖掘，此，
在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。
（2满斗举升回转:
挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，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。
（3卸载:
转到卸土点时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗
液压缸回缩，铲斗卸载。
为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。
（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。
2.1.1挖掘工况分析
挖掘过程中主要以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别单独进行挖掘，或者两者复合动作，必要时配以动臂液压缸的动作。
一般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2.2所示。
此时斗杆收回，动臂抬起，希望斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以保证彼此动作独立，相互之间无干扰，并且要求泵的供油量小，使油缸动作慢，便于控制。
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2.3所示。
图2.2平整土地（a）或切削斜坡（b）时斗尖沿直线切削
图2.3铲斗保持一定角度切削（a）或压整地面（b）
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，个别也有采三泵合流。
单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。
下面以三泵系统为例，来说明复合动作挖掘时油泵流量的分配情况和分合流油路的连接情况。
当斗杆和铲斗复合动作挖掘时，供油情况如图2.4a所示。
当斗杆油压接近溢流阀的压力时，原来溢流的油液此时供给铲斗有效利用;当铲斗和动臂复合动作挖掘时，由于动臂仅仅起调解位置的作用，主要是斗杆进行挖掘，因此采用斗杆优先合流、双泵供油，如图2.4b所示。
图2.4三泵供油系统示意图
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。
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，因此需要同时向回转马达和斗杆供油，两者复合动作，如图2.5所示。
回转马达和斗杆收缩同时动作，由同一个油泵供油，因此需要采用回转优先油路，否则铲斗无法紧贴侧壁，使掘削很难正常进行。
在斗杆油缸活塞杆端回油路上设置可变节流阀，此节流阀的开口度即节流程度由回转先导压力来控制。
回转先导压力越大，节流阀开度越小，节流效应越大，则斗杆油缸回油压力增高，使得油泵的供油压力也提高。
因
此随着回转操纵杆行程的增大，回转马达油压增加，回转力增大。
图2.5沟槽侧壁掘削或斜坡掘削时，油泵供油连接情况
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，能提高主压力阀的压力。
2.1.2满斗举升回转工况分析
挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。
动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升到合适的卸载高度。
由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对自卸车的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整的。
卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。
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，此时应该将溢流的油供给动臂，如图2-.6a所示。
在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。
这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。
由于满斗提升时动臂油缸压力高，导致变量泵流量减小，为了使动臂提升和回转、斗杆外放相互配合动作，由一个油泵专门向动臂油缸供油，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，如图2-6b所示。
但是由于动臂提升时油压较高，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。
三泵系统的供油情况如图2.6c
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