挖掘机液压系统设计.docx

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挖掘机液压系统设计

Companynumber：

【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

挖掘机液压系统设计

绪论----------------------------------------3

1.1现代液压技术的发展状况---------------4

1.2液压传动的研究对象-------------------4

1.3液压传动的组成-----------------------4

1.4液压传动的优缺点---------------------5

------------------5

液压传动的主要缺点------------------5

1.5液压技术的发展应用-------------------6

---------6

-------------7

第1章挖掘机的液压系统----------------------8

挖掘机的工作循环及对液压系统的要求-----8

WY—100挖掘机液压系统的工作原理-------9

第3章液压系统的设计-----------------------12

明确设计要求进行工况分析---------------12

确定液压系统的主要参数-----------------13

-----------------13

-----------------------15

计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排---------------------------------------15

---------------------15

-------------------16

液压泵的确定与所需功率的计算-----------17

-------------------------17

选择液压泵的规格--------------------18

阀类元件的选择-------------------------18

----------------------------18

------------18

管道的选择----------------------------19

----------------------19

----------------------19

油箱的设计----------------------------20

------------------------20

----------------------------20

滤油器的选择--------------------------20

液压系统的性能验算--------------------21

体会与感受---------------------------------23

参考资料------------------------------------24

绪论

随着液压技术的不断发展进步，液压设备的年增长率远远大于其它设备的年增长率，其原因是由于液压传动在许多领域是机械传动无法取代的。

液压传动能实现低速大吨位运动；采用适当的节流技术可使运动机构的速度十分均匀稳定；使用伺服、仿形、调速等机构可使执行元件的运动精度达到很高，可以微米计；液压系统各部分间是用管道连接的，其布局安装有很大的灵活性，而其体积重量比却比机械传动小得多，因此能够成用其它方法难以组成的复杂系统；液压传动可以用很小的功率控制速度、方向；液压元件体积小、重量轻，标准化程度高，便于集中大批量生产。

由于采用集成、叠加、插装技术，使装配容易，造价低，比起机械传动来，它是一种最经济的选择。

近年来微电子技术应用到工程机械中，实现了智能化和自动化，静液压传动装置替代了传统的液压便矩——齿轮箱传动，使传统技术有了新的发展。

总之，液压技术在各行业中得到了广泛的发展和应用。

为适合液压技术的发展，设计完成了这篇论文。

本论文采用液压技术，运用了大学三年所学的综合知识，结合即便从事这项工作的实际，设计了挖掘机的液压系统。

由于自己的实践水平有限，设计过程难免出现纰漏，敬请各位评委老师不吝赐教，提出宝贵的意见。

以便可以改正，并能找到目标和方向。

第1章现代液压技术的发展状况

1．2液压传动的研究对象

液压传动是以研究有压流体为传动介质来实现各种机械的传动和控制的学科。

液压传动是基于流体力学的帕斯卡原理，主要利用流体的压力能来进行能量传递和控制的传动方式，它实现传动和控制的方法是利用各种元件组成具有所需功能的基本回路，在有若干基本回路有机组合成传递的控制系统，从而实现能量的转换、传递和控制。

因此，了解穿传动介质的基本物理特性及力学特性，研究各类元件的结构、工作原理和性能，以及各种回路的性能和特点，并在此基础上形成对传动及控制系统的分析、设计和使用，这就是本学科研究的对象。

液压传动所用的介质是液体（主要是矿物油）。

液压传递动力大（液体工作压力高），运动平稳，但液体粘性较大，流动过程阻力损失大因而不宜做远距离的传动和控制。

1．3液压传动系统的组成

液压传动系统由以下四部分组成：

（1）能量装置液压泵（又称动力元件），其功能是将原动机输出的机械能转换成液压能，为系统提供动力。

（2）执行元件液压缸、液压马达，它们的功能是将液体的压力能转换成机械能，以带动负载进行直线运动或旋转运动。

（3）控制元件压力、流量和方向控制阀，它们的作用是控制和调节系统中液体的压力、流量和流动方向，以保证执行元件达到所要求的输出力（或力矩）、运动速度和运动方向。

（4）辅助元件保证系统正常工作所需要的辅助装置，包括管道、管接头、油箱或贮气罐、过滤器和指示仪表。

1．3液压传动的优缺点

液压传动的主要优点

（1）体积小、重量轻，单位重量输出的功率大。

这是由于液压传动可以采用很高的压力（一般已达30MP，个别场合更高），因此具有体积小、重量轻的特点。

如同功率下，液压马达的外形尺寸和重量为电动机的12%左右。

在中、大功率以及实现直线往复运动时，这一优点尤为突出。

（2）可在大范围内实现无级调速，且调节方便。

调速范围一般可达100：

1，甚至高达2000：

1。

（3）操纵控制方便，与电子技术结合更易于实现各种自动控制和远距离操纵。

（4）由于体积小、重量轻，因而惯性小，响应速度快，启动、制动和换向迅速。

如一个中等功率的电动机起动需要几秒钟，而液压马达只需。

（5）因执行元件的多样性（如液压缸、液压马达等）和各元件之间仅靠管路连接。

使得机器的结构简化，布置灵活方便。

（6）易于实现过载保护，安全性好；采用矿物油作介质，自润性好。

液压传动的主要缺点

（1）液压传动系统中存在的泄漏和油液的压缩性，影响了传动的准确性，不易在温度变化较大的场合工作。

（2）由于油液粘度随温度变化，容易引起工作性能的变化，所以液压传动不宜在温度变化范围较大的场合工作。

（3）由于受液体流动阻力和泄漏的影响，液压传动的效率还不高。

（4）液压传动系统对油液的污染比较敏感，必须有良好的防护和过滤措施。

液压传动的优点是主要的，液压元件已标准化和通用化，便于系统的设计、制造和推广应用。

因此液压传动在现代化的生产中有着广阔的发展前途和应用前景。

1.4液压技术的发展及应用

、液压传动在各类机械中的应用

液压传动在机械设备中的应用非常广泛。

有的设备是利用其能传递大的动力，且结构简单、体积小、重量轻的优点，如工程机械、矿山机械、冶金机械等；有的设备是利用它操纵控制方便，能较容易地实现较复杂工作循环的优点，如各类金属切削机床、轻工机械、运输机械、军工机械、各类装载机等。

液压传动在其他机械工业部门的应用情况见下表所示：

液压传动在各类机械行业中的应用实例

行业名称

应用场所举例

工程机械

挖掘机、装载机、推土机、压路机、铲运机等

起重运输机械

汽车吊、港口龙门吊、叉车、装卸机械、皮带运输机等

矿山机械

凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、提升机、液压支架等

建筑机械

打桩机、液压千斤顶、平地机等

农业机械

联合收割机、拖拉机、农具悬挂系统等

冶金机械

电炉炉顶及电极升降机、轧钢机、压力机等

轻工机械

打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等

汽车工业

自卸式汽车、平板车、高空作业车、汽车中的转向器、减振器等

智能机械

折臂式小汽车装卸器、数字式体育锻炼机、模拟驾驶舱、机器人等

：

液压传动相对于机械传动来说，是一门发展较晚的技术。

自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术只有二三百年的历史。

直到20世纪30年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。

在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。

第二次世界大战结束后，战后液压技术迅速转向民用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自动生产线，从而使它在机械制造、工程机械、农业机械、汽车制造等行业得到推广应用。

20世纪60年代以来，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展，并渗透到各个工业领域中。

液压技术开始向高速、高压、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。

同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。

我国的液压工业开始于20世纪50年代，最初只应用于机床和锻压设备上，后来又用于拖拉机和工程机械。

现在，我国的液压元件随着从国外引进一些液压元件、生产技术以及进行自行设计，现已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。

尽管如此，我国的液压元件与国外先进的同类产品相比，在性能上，在种类上、在规格上仍存在着较大的差距。

我国已瞄准世界发展主流的液压元件系列型谱，有计划地引进、消化、

吸收国外最先进的液压技术和产品，大力开展产品国产化工作。

我国的液压技术在21世纪必将获得更快的发展。

第2章挖掘机液压系统

挖掘机在工业和民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的高效率的机械设备。

液压挖掘机的组成

1——铲斗2——斗杆3——动臂4——转台5——行走机构

上图所为液压挖掘机的组成图。

由柴油机驱动液压泵，向工作装置、转台回转机构和性走机构的执行元件供油。

工作装置由动臂3、斗杆2和铲斗1组成，分别由液压驱动，回转机构4和行走机构5由液压马达驱动。

2.1挖掘机的工作循环及对液压系统的要求

挖掘机的每一工作循环的主要动作是：

挖掘——以斗杆收回动作为主，用铲斗调整切削角度，配合挖掘；

提升回转——动臂升起，满斗提升，转台向卸载方向回转；

卸载——斗杆放出，铲斗打开卸载；

返回——卸载结束，转台反向回转，动臂下降，使铲斗下放到挖掘位开始下一次作业。

有时为了调整或转移挖掘地点，还要作整机行走。

挖掘机对液压系统的要求是：

（1）由工作循环可知，应能实现两个执行机构的复合动作。

（2）工作循环时间短（12~25s），各执行机构起动、制动频繁，负载变化大，因而振动冲击大，要求系统元件耐冲击、抗振动，有足够的可靠性和完善的安全保护措施。

（3）负载变化大，作业时间长，应能充分利用发动机的功率和提高传动效率。

（4）有超越负载工况，应有动臂超速下降、整机超速溜坡的限速措施。

（5）野外作业环境恶劣、温度变化大，应有防尘、过滤和冷却装置。

（6）执行元件多，操作应灵活方便、安全可靠。

WY—100挖掘机液压系统的工作原理

WY—100型挖掘机液压系统原理图

1、2——液压泵3——背压阀4、10——补油阀5——阻尼孔6——回转马达7——双速阀8、9——行走马达11——中心回转接头12——限速阀13、15——多路换向阀组14——梭阀16——合流阀17——过载阀18——单向节流阀19——动臂缸20——斗杆缸21——铲斗缸22——磁性过滤器23——冷却器24——精过滤器25——空气过滤器

上图所视为WY—100型挖掘机的液压系统图。

此挖掘机铲斗容量为1立方米。

液压系统是双泵双回路变量系统，即两台恒功率变量泵1、2分别向两组执行元件供油；液压泵1向回转马达6、铲斗缸21、左行走马达8供油；液压泵2向动臂缸19、斗杆缸20、右行走马达9供油。

每个执行元件由三联多路换向阀控制，并构成串联连接，即前一个执行元件的回油是后一执行元件的进油。

这样可实现任意两个（或两个以上）执行元件的复合动作。

每个执行元件的进、回油路均配有过载阀17。

液压系统工作原理按回路说明：

（1）一般操作回路单个执行元件动作时，操纵某一手动换向阀，切断卸荷回路，使压力油经多路换向阀进入相应的执行元件，回油经多路换向阀、限速阀12回到总回油管B。

要同时操纵两个执行元件的动作时，可同时操纵相应的手动换向阀，实现两个执行元件的复合运动。

（2）合流回路合流阀16断电状态下，两液压泵分别向各自的多路换向阀组供油；需要合流时，电磁合流阀16通电，液压泵1输出的油液经阀组15中的合流阀16进入阀组13，使两泵合流，从而提高阀组13所控制的执行元件的工作速度。

（3）限速回路阀组15、13的回油经限速阀12到总回油管B，限速阀12是一个液控节流阀，其控制压力油经梭阀14取自两多路换向阀组13和15的进油口，当两个回路的进油压力均低于~（即出现超越负载）时，限速阀12自动对回油进行节流，增加回油阻力，实现自动限速作用。

由于梭阀的选择作用，当两个回路中有一个压力高于~时，限速阀不起节流作用。

因此，限速阀可以在整机下坡行走时起限速作用。

另外，动臂缸19活塞杆回缩、铲斗缸21活塞杆回缩和斗杆缸20活塞杆外伸的回油路上均设计有单向节流阀，也起限速作用。

（4）调速回路由于此系统采用手动换向阀控制执行元件的动作，可以实现利用手动控制换向阀的开口大小来实现进、出口同时节流调速。

左右行走马达8和9为双排内曲线径向柱塞马达，双排柱塞采用串、并联连接（用电磁阀7控制）。

电磁阀7断电为并联，马达排量大，为低速档；电磁饭7通电为串联，马达排量是并联时的一半，为高速挡。

（5）背压回路总回油管B上设置背压阀3，形成~1MPa的回油背压，保证内曲线马达的柱塞滚轮始终不脱离滚道。

由背压油路引出的管路C和A，分别经补油阀10和4给行走马达和回转马达补油（这是在马达制动时，为避免马达某一侧可能出现的吸空现象而设置的）。

（6）循环及加热回路从背压油路引出的低压热油，经阻尼孔节流减压后，通向液压马达的壳体，使马达壳体内保持一定的循环热油。

其

目的是：

（1）将马达壳体内的磨损物冲洗掉；

（2）对马达壳体进行预热，防止温差过大造成的马达内部零件卡死现象。

系统设有风冷式冷却器23，系统在连续工作的情况下，油温可保持在50~70摄氏度的范围内。

主要回路上设有精过滤器24（带报警发讯装置），泄露油路设有磁性过滤器22，油箱上设有空气过滤器25，都是用来维持系统油液清洁的。

第3章液压系统的设计

液压系统设计的步骤大致如下：

1.明确设计要求，进行工况分析。

2.初定液压系统的主要参数。

3.拟定液压系统原理图。

4.计算和选择液压元件。

5.估算液压系统性能。

6.绘制工作图和编写技术文件。

根据液压系统的具体内容，上述设计步骤可能会有所不同，下面对各步骤的具体内容进行介绍。

提示：

在本论文里只对提升过程进行计算和分析，兼有其它液压系统的分析和设计过程。

提升过程：

动臂升起，满斗提升。

动臂升起过程中：

电磁合流阀16通电，液压泵1、2同时对液压缸19供油。

明确设计要求进行工况分析

在设计液压系统时，首先应明确以下问题，并将其作为设计依据。

（1）.主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。

（2）.主机对液压系统的性能要求，如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。

（3）.液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。

在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析，工况分析包括运动分析和动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解液压缸或液压马达的负载和速度随时间变化的规律，以下对工况分析的内容作具体介绍。

运动分析主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图（L—t），速度循环图（v—t），或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。

（a）位移循环图（b）速度循环图

（1）.位移循环图L—t

图a为液压机的液压缸位移循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。

该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。

（2）.速度循环图v—t（或v—L）

工程中液压缸的运动特:

图b为三种类型液压缸的v—t图.实线所示,液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动,最后匀减速运动到终点

确定液压系统的主要参数

工作载荷Fu17000N

运动部件受的重力G15000N

外载荷作用于导轨上的正压力Fn30000N

（1）工作载荷Fg

Fg=17000N

（2）导轨摩擦载荷Ff

Ff=f∑Fn

f为摩擦因数

摩擦因数f

导轨类型

导轨材料

运动状态

摩擦因数（f）

滑动导轨

铸铁对铸铁

启动时

低速（v＜s）高速（v＞s）

～～～

滚动导轨

铸铁对滚柱（珠）淬火钢导轨对滚柱（珠）

～～

静压导轨

铸铁

取f=

计算得Ff=4500N

（3）惯性载荷Fa

Fa=G△v/g△t

g=10m/ss

行走机械一般取△v/△t=～m/ss

取△v/△t=1m/ss

计算得：

Fa=1500N

（4）液压系统的外载荷FW

起动加速时FW=Fg+Fa+Ff

稳态运动时FW=Fg+Ff

减速制动时FW=Fg-Fa+Ff

计算得：

起动加速时FW=23000N

稳态运动时FW=21500N

减速制动时FW=20000N

工作机构作旋转运动时，液压马达必须克服的外负载为：

M=Me+Mf+Mi

（1）工作负载力矩Me。

工作负载力矩可能是定值，也可能随时间变化，应根据机器工作条件进行具体分析。

（2）摩擦力矩Mf。

为旋转部件轴颈处的摩擦力矩，其计算公式为：

Mf=GfR（N·m）

式中：

G为旋转部件的重量（N）；f为摩擦因数，启动时为静摩擦因数，启动后为动摩擦因数；R为轴颈半径（m）。

（3）惯性力矩Mi。

为旋转部件加速或减速时产生的惯性力矩，其计算公式为：

Mi=Jε=J

（N·m）

式中：

ε为角加速度（r/s2）；Δω为角速度的变化（r/s）；Δt为加速或减速时间（s）；J为旋转部件的转动惯量（kg·m2），J=1GD2/4g。

式中：

GD2为回转部件的飞轮效应（Nm2）。

各种回转体的GD2可查《机械设计手册》。

根据式M=Me+Mf+Mi，分别算出液压马达在一个工作循环内各阶段的负载大小，便可绘制液压马达的负载循环图。

计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量

（1）.初定液压缸工作压力液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：

（a）各类设备的不同特点和使用场合。

（b）考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。

所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：

一是根据机械类型选；二是根据切削负载选。

如下表所示：

按负载选执行文件的工作压力

负载/N

＜5000

500～10000

10000～20000

20000～30000

30000～50000

＞50000

工作压力/MPa

≤～1

～2

～3

3～4

4～5

＞5

按机械类型选执行文件的工作压力

机械类型

机床

农业机械

工程机械

磨床

组合机床

龙门刨床

拉床

工作压力/MPa

a≤2

3～5

≤8

8～10

10～16

20～32

由上表可得：

初选液压缸的工作压力为20MPa.

（2）液压缸主要尺寸的计算

缸的有效面积和活塞杆直径，可根据缸受力的平衡关系具体计算。

也可以根据液压缸的缸径，活塞杆直径，活塞行程，供油孔直径选择合适的液压缸。

（3）液压缸的流量计算

液压缸的最大流量：

qmax=A·vmax（m3/s）

式中：

A为液压缸的有效面积A1或A2（m2）；vmax为液压缸的最大速度（m/s）。

液压缸的最小流量：

qmin=A·vmin（m3/s）

式中：

vmin为液压缸的最小速度。

液压缸的最小流量qmin，应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。

若不满足此要求时，则需重新选定液压缸的工作压力，使工作压力低一些，缸的有效工作面积大一些，所需最小流量qmin也大一些，以满足上述要求。

流量阀和变量泵的最小稳定流量，可从产品样本中查到。

（1）计算液压马达排量液压马达排量根据下式决定：

vm=Δpmηmin（m3/r）

式中：

T为液压马达的负载力矩（N·m）；Δpm为液压马达进出口压力差（N/m3）；ηmin为液压马达的机械效率，一般齿轮和柱塞马达取～，叶片马达取～。

（2）计算液压马达所需流量液压马达的最大流量：

qmax=vm·nmax（m3/s）

式中：

vm为液压马达排量（m3/r）；nmax为液压马达的最高转速（r/s）。

液压泵的确定与所需功率的计算

（1）确定液压泵的最大工作压力。

液压泵所需工作压力的确定，主要根据液压缸在工作循环各阶段所需最大压力p1，再加上油泵的出油口到缸进油口处总的压力损失ΣΔp，即

pB=p1+ΣΔp

ΣΔp包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损失等，在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验估计，一般管路简单的节流阀调速系统ΣΔp为（2～5）×105Pa，用调速阀及管路复杂的系统ΣΔp为（5～15）×105Pa，ΣΔp也可只考虑流经各控制阀的压力损失，而将管路系统的沿程损失忽略不计，各阀的额定压力损失可从液压元件手册或产品样本中查找，也可参照下表选取。

常用中、低压各类阀的压力损失（Δpn）

阀名

Δpn（×105Pa）

阀名

Δpn（×105Pa）

阀名

Δpn（×105Pa）

阀名

Δpn（×105Pa）

单向阀

～

背压阀

3～8

行程阀

～2

转阀

～2

换向阀

～3

节流阀

2～3

顺序阀

～3

调速阀

3～5

（2）确定液压泵的流量qB。

泵的流量qB根据执行元件动作循环所需最大流量qmax和系统的泄漏确定。

多液压缸同时动作时，液压泵的流量要大于同时动作的几个液压缸（或马达）所需的最大流量，并应考虑系统的泄漏和液压泵磨损后容积效率的下降，即

qB≥K（Σq）max（m3/s）

系统压力为20MPa

流量为55×2l/min

回油流量为l/min

总流量为l/min

取K=

得：

qB≧m3/s

式中：

K为系统泄漏系数，一般取～，大流量取小值，小流量取大值；（Σq）max为同时动作的液压缸（或马达）的最大总流量（m3/s）。

选择液压泵的规格：

根据上面所计算的最大压力pB和流量qB，查液压元件产品样本选择与PB和qB相当的液压泵的规格型号。