挖掘机的液压系统设计解读.docx

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挖掘机的液压系统设计解读

学号14081902931

毕业设计（论文）

题目：

液压挖掘机的液压系统设计

作者届别系别专业指导教师李实职称

完成时间2012年5月20日

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，分析总结了液压挖掘机的技术发展动态,了解液压挖掘机液压系统的结构。

液压挖掘机由多个系统组成，包括液压系统、传动系统、操纵系统、发动机、油箱、转台等等。

本设计致力于挖掘机的液压系统的设计。

关键词：

液压系统液压挖掘机液压元件

Summary

Thehydraulicsystemisanintegralpartofexcavator，hydraulicsystemistoworkbychangingthepressuretoincreasetheforce.Theintacthydraulicsystemisincluding:

powercomponents,theimplementationofcomponents,controlcomponents,auxiliarycomponentsandhydraulicoil.Theexcavatorworkingenvironmentiscomplexandchangeable,soitisveryhighrequirementofdesigntohydraulicsystem.

Inthecollectionofdomesticandforeignhydraulicsystemonthebasisofrelevantinformation,understandingofitsdevelopmentprocess,analyzedandsummarizedthetechnologydevelopmentofhydraulicexcavator.Understandhydraulicexcavatorhydraulicsystemstructure.Hydraulicexcavatoriscomposedofapluralityofsystemcomponents,includingthehydraulicsystem,drivesystem,controlsystem,engine,fueltank,tableandsoon.Mydesignfocusedonthedesignofhydraulicsystemofexcavator.Keywords:

hydraulicsystemexcavator

摘要................................................................IISummary................................................................III

第一章前言.............................................................1

1.1前言..............................................................1

1.2挖掘机的简介......................................................2

1.3国内外的发展趋势..................................................2

1.3.1国内发展趋势................................................2

1.3.2国外发展趋势................................................3

1.4本设计的主要内容..................................................4

1.4.1了解液压挖掘机液压系统的结构................................4

1.4.2挖掘机液压系统设计要求......................................4

第二章液压挖掘机结构与工作原理.........................................4

2.1液压挖掘机的系统组成..............................................4

2.1.1动力系统....................................................4

2.1.2液压系统....................................................5

2.1.3机械系统....................................................5

2.1.4控制系统....................................................5

2.2液压挖掘机结构....................................................5

2.2.1液压挖掘机组成..............................................5

2.2.2单斗反铲液压挖掘机..........................................6

2.2.3液压挖掘机工作循环过程......................................7

2.3液压挖掘机传动原理................................................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.......................8

3.1液压系统的工况分析................................................8

3.1.1挖掘工况分析................................................9

3.2挖掘机液压系统的设计要求..........................................9

3.2.1满斗举升回斗工况分析.......................................11

3.2.2卸载工况分析...............................................11

3.2.3空斗返回工况分析...........................................12

3.3挖掘机液压系统的设计要求.........................................12

3.3.1动力性要求.................................................13

3.3.2操纵性要求.................................................13

3.3.3节能性要求.................................................13

3.3.4安全性要求.................................................14

3.3.5其它性能要求...............................................14

3.4液压系统方案拟订.................................................14

第四章液压系统的设计.................................................15

4.1确定油缸所受的作用力.............................................15

4.1.1铲斗油缸作用力的分析.......................................15

4.1.2斗杆油缸作用的确定.........................................18

4.1.3动臂油缸作用力分析.........................................19

4.2各油缸尺寸的确定.................................................20

4.2.1铲斗油缸工作压力的确定.....................................20

4.2.2缸径D和油塞杠直径d的确定.................................21

4.2.3缸壁厚和外径的计算.........................................21

4.3斗杆油缸尺寸的计算...............................................22

4.3.1由铲斗油缸计算步骤知斗杆缸受力平衡.........................22

4.3.2缸壁厚和外径的计算.........................................22

4.4动臂缸的尺寸计算.................................................23

4.4.1由铲斗油缸计算步骤知动臂油缸受力平衡.......................23

4.4.2缸壁厚和外径的计算.........................................23

4.6各液压缸和马达流量的确定.........................................24

4.6.1每个缸的流量计算...........................................25

4.6.2回转马达的流量的计算及选型.................................25

4.6.3行走马达的选用.............................................26

4.6.4主回路液压泵的选择.........................................27

4.7管路油管的选择...................................................28

4.7.1油管内径的确定.............................................28

4.7.2管接头的选择...............................................28

4.7.3螺塞的选用.................................................29

4.8液压油箱的确定...................................................29

4.8.1液压系统的发热和升温的验算.................................29

4.9液压装置的结构设计...............................................30

4.9.1阀集成款...................................................30

结论.................................................................31

参考文献................................................................32

致谢.................................................................33

i

第一章前言

1.1前言

作为具有多功能这一特性的机械，液压挖掘机被广泛使用于交通运输，矿山采掘和电力工程等施工中，挖掘机减轻了作业难度，提高作业效率，加快建设速度以及提高劳动生产率方面表现出十分显著的作用。

具有多种品种、多功能、高质量及高效率等特点的液压挖掘机，受到了施工作业单位的青睐。

液压挖掘机的生产制造也日益发展起来。

液压挖掘机和液压传动密不可分，液压技术是其发展的基础。

液压挖掘机的结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，恶劣的工作条件，加上要实现复杂的动作，因此它对液压系统的设计提出了很高的要求，所以对挖掘机液压系统的分析设计已经成为推动挖掘机发展的关键环节。

1.铲斗缸2.斗杆缸3.动臂缸4.回转马达5.冷却器6.滤油器7.磁滤器

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

1.2挖掘机的简介

从第一台挖掘机的诞生，距今挖掘机历史已有130多年，经历了由蒸汽驱动斗回转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机的逐步发展过程。

由于液压技术的应用，20世纪40年代诞生了悬挂式挖掘机，灵感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50年代中期研发出来。

进入到20世纪60年代，液压挖掘机进入了发展的黄金阶段，各国挖掘机制造厂产量猛增，并且品种越发的多。

1.3国内外的发展趋势

1.3.1国内发展趋势

我国的挖掘机发展较晚，1954年抚顺挖掘机厂才生产出第一台机械式单斗挖掘机，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.PC200、PC220.PC300、PC400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。

1.3.2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立方米的单斗液压挖掘机，并且从20世纪80年代就开始生产各种大型挖掘机。

比如，美国马利昂公司研制的步行式拉铲挖掘机，此大型挖掘机的的斗容量达到130多立方米。

还有剥离式挖掘机，此挖掘机的斗容量已达150。

伊利公司制造的步行式挖掘机，该种挖掘机的斗容量是恐怖的107立方米。

从20世纪后期开始，发达国家挖掘机的发展趋势变为大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化。

1研发多功能化的挖掘机。

为满足市场需要，国外开始研发特型挖掘机，此类挖掘机以小著称，斗容量仅为0.01立方米左右。

中小型挖掘机的发展趋势开始向一机多能的方向发展，为了满足多样的作业需求，配备了多种装备，适用于抓、装、拉、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。

2重视先进的技术，现代化工艺和新结构，挖掘机生产规模更具标准化。

例如，采用发动机自动转速调整装置的挖掘机，来自于德国阿特拉斯公司制造。

确保挖掘机在最合适的速度下完成动作。

贝尔特公司采用了全自动液压系统，使新C系列LS型液压挖掘机得到了更优越的操纵特性，该系统可以根据需要调节流量的供应，大大的提高了生产效率。

日本住友集团在新研制的挖掘机上采用功率控制系统，该系统运用了计算机技术，不仅节省了燃料，发动机和液压功率也很大程度的得到了节省，使零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统，工作效率得到最大限度的提高。

智能调节系统被日本神钢挖掘机公司运用在新型液压机上，使各种难度的作业操作变的简单明了。

ECO（电子控制作业技术被德意志利勃海尔公司研制出来，作业性能可以视情况调整，取得了高效率、低油耗的效果。

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。

1.4本设计的主要内容

1.4.1了解液压挖掘机液压系统的结构

挖掘机结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，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[1]。

1.4.2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]。

第二章液压挖掘机结构与工作原理

2.1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所示。

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。

2.1.1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。

2.1.2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]。

2.1.3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。

根据结构不同可分为轮胎和履带式。

回转机构可以确保挖掘机上半部分绕着回转轴作360度回转。

挖掘机作业过程所用到的主要装置是工作装置，常用的装置有正、反铲、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]。

2.1.4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。

2.2液压挖掘机结构

2.2.1液压挖掘机组成

为了实现液压挖掘机的各种运动，单斗液压挖掘机有两个基本组成部分，即机体（或称主机和工作装置。

机体是完成挖掘机基本动作的基础，可以是履带牵引车辆或为轮

式牵引车辆。

上车部分包括动力装置、操纵装置、回转装置和一些辅助装置，回转平台上装配着上车部分。

回转支撑连接着回转平台和行走机构（又称下车部分，平台可以绕着中央轴做360度的回转。

不同的工作性质配备不同的工作装置，例如配备反铲、正铲、装载、起重等装置时，将分别完成挖掘、装载、抓取、起重、破碎、修坡、清沟等不同性质的工作。

挖掘机的各部分的构造、性能决定挖掘机的总体性能[5]。

2.2.2单斗反铲液压挖掘机

反铲装置是挖掘机的主要工作装置，目前得到很广泛的适用。

选用反铲装置的液压挖掘机的斗容量一般小于1.6立方米，它分为整体臂式和组合臂式。

整体鹅颈式动臂结构适用于长期作业的挖掘机。

该动臂有利于增加挖掘机深度，结构简单、更经济。

刚度相同时，其重量轻于组合动臂，所以该工作装置受到广泛的青睐。

单斗液压挖掘机最常用的结构型式为铰接式，即为动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接。

在液压缸的压力作用下各部件绕铰接点转动，完成挖掘、提升和卸土等动作。

如图2.1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、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。

斗杆铰接于动臂的上端，斗杆与动臂的相对角度由斗杆油箱控制。

当斗杆油缸伸缩时，斗杆绕动臂上铰点转动。

同理，

铲斗与斗杆前端铰接，铲斗油缸伸缩带动铲斗转动。

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反铲挖掘机工作装置

2.2.3液压挖掘机工作循环过程

首先土石装载车和液压挖掘机进入施工场所，装载停靠在合适位置。

司机操控挖掘机行驶到作业地点，在执行上面所诉动作时，同时操纵动臂油缸伸缩，动臂会下降，直至铲斗停靠到地面为止。

然后司机通过控制斗杆和铲斗油缸的换向阀，使得两个油缸大腔流进油液，继而进行挖和装的复合动作。

铲斗装满土石后，将两油缸的操纵把手扳回原位，从而使斗杆和铲斗油缸停止进油，继而调节动臂缸换向阀，使动臂下腔进油使动臂提升，抬起满载的铲斗到半空，操纵换向手柄，使平台回转，使土石转移到装载车的上面，再操纵斗杆油缸使铲斗高度下降一点，在适当的高度使铲斗卸土。

土方卸完