挖掘机液压系统设计.docx
《挖掘机液压系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《挖掘机液压系统设计.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
挖掘机液压系统设计
挖掘机液压系统设计
1液压挖掘机结构与工作原理
液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力能进行工作，相对机械传动具有许多优点:
能无极调速且调速范围大，最大速度和最小速度之比可达1000:
1能得到较低的稳定转速；快速作用时，液压元件产生的运动惯性较小，并可作高速反转；传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动；操纵省力灵活，易实现自动化控制；易实现标准化、通用化、系列化。
因此液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。
单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械。
它是目前挖掘机械中重要的机种。
单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗（一般装有斗齿）的切削刃切削土壤并将土装入斗内，斗满后提升。
回转至卸上位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到地面进行下一次挖掘。
当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继续作业。
因此单斗液压挖掘机是一种周期作业的自行式上方机械。
1.1液压挖掘机整机性能
液压挖掘机可分为:
动力系统、机械系统、液压系统、控制系统。
液压挖掘机作为一个有机整体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有关，还与液压系统、控制系统性能有关。
（1）动力系统
挖掘机工作的主要特点是环境温度变化大，灰尘污物较多，负荷变化大，经常倾斜工作，维护条件差。
因此液压挖掘机原动力一般由柴油机提供，柴油机具有工作可靠、功率特性曲线硬、燃油经济等特点，符号挖掘机工作条件恶劣，负荷多变的要求。
挖掘机的额定负荷与汽车。
拖拉机不同，汽车和拖拉机指在最高转速下、连同机油泵、发电机等必要附件，分钟内的最大功率;挖掘机是指在额定转速下一小时以上的额定功率。
挖掘机采用车用柴油机时，最大功率指数降低。
（2）机械系统
液压挖掘机的机械系统部分是完成挖掘机各项基本动作的直接执行者，主要包括:
行走装置是整个机器的支撑部分，承受机器的全部重量和工作装置的反力，同时能使
挖掘机作短途行驶.按照结构的不同，分履带式和轮胎式。
回转机构使挖掘机上车围
绕中央回转轴作360度的回转的机构，包括驱动装置和回转支撑。
工作装置是挖掘机
完成实际作业的主要组成部分，常用的有反铲、正铲、装载、起重等装置，而同一种装置可以有多种结构形式，前面所述的反铲装置应用最为广泛。
（3）液压系统
液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，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，将压力油单独或同时送往液压执行元件（液压马达和液压油缸）驱动执行机构工作。
液压挖掘机的主要运动有整机行走、转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗转动等。
这些运动都靠液压传动。
根据以上工作要求，把各液压元件用油管有机地连接起来地组合体既是液压挖掘机地液压系统。
该系统地功能是把发动机地机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等转变为机械能，再传动各执行机构，实现各种运动和工作过程。
液压系统设计得合理与否，对挖掘机的性能起着决定性的作用。
同样的元件，若系统设计不同，则挖掘机性能差异很大。
液压系统习惯上按主油泵的数量、功率调节方式和回路的数量来分类。
（4）控制系统
液压挖掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件（液压缸、液压马达）等进行控制的系统。
电子技术和计算机技术的飞速进步，使挖掘机有了越来越先进的控制系统，使液压挖掘机向高性能、自动化和智能化发展。
目前挖掘机研究重点正逐步向智能化机电液控制系统方向转移。
1.2液压挖掘机结构
（1）液压挖掘机组成
在现在社会中的挖掘机为了实现液压挖掘机的各项功能，单斗液压挖掘机需要两个基本组成部分，即机体（或称主机）和工作装置。
机体是完成挖掘机基本动作并作为驱动和操纵挖掘机进行工作的荃础，可以是履带牵引车辆或轮式牵引车辆。
可细分为行走装置、回转装置、液压系统、气压系统、电气系统和动力装置。
其中动力装置、
操纵机构、回转机构和辅助设备均可在回转平台上，总称上车部分，它与行走机构（又称下车部分）用回转支撑相连，平台可以围绕中央回转轴作360°的全回转。
工作装置根据工作性质的不同，可配备反铲、正铲、装载、起重等装置，分别完成挖掘、装载、抓取、起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清沟等工作。
挖掘机的基本性能决定于各部分的构造、性能及其综合的效果。
（2）单斗反铲液压挖掘机
反铲装置主要用于挖掘停机面以下的土壤。
斗容量小于1.6的中小型液压挖掘机通常选用反铲装置，它分为整体臂式和组合臂式。
其中长期作业条件相似的挖掘机反铲装置大多采用整体鹅颈式动臂结构。
采用这种动臂有利于加大挖掘深度，且结构简单、价格低廉。
刚度相同时，其重量比组合动臂轻，是目前应用最广泛的液压挖掘机工作装置结构形式。
铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式，动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接，在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作。
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、斗一杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。
装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下。
铰点转动实现动臂的升降。
斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂相对角度。
当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。
铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。
为增大铲斗的转角，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联。
（3）液压挖掘机工作循环过程
首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运输车辆倒车、调停，停靠在挖掘机的侧方或后方。
挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，配合动作以加快作业进度，进行复合动作的挖掘和装载:
铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使铲斗高度
稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。
土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。
1.3液压挖掘机传动原理
液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走（移位），使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业要求。
液压挖掘机由柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给各液压执行元件（液压缸或液压马达）驱动相应的机构进行工作。
液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。
反铲工作装置由铲斗5、斗杆11、动臂2、连杆8及相应的三组液压缸1、4、10组成。
动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。
依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动;而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。
挖掘作业时，接通回转马达，转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩;动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。
铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。
卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。
在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系通的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合随机的。
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1-1反铲挖掘机工作装置
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。
1、动臂升降2、斗杆收放3、铲斗装卸4、平台台回转5、整机行走
图2-1液压挖掘机的运动图
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。
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，因此，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，同时回转第2章挖掘机液压系统的设计要求和分析方法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。
2.2挖掘机液压系统的设计要求
液压挖掘机的动作繁复，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等，是一种具有多自由度的工程机械。
这些主要机构经常起动、制动、换向，外负载变化很大，冲击和振动多，因此挖掘机对液压系统提出了很高的设计要求。
根据液压挖掘机的工作特点，其液压系统的设计需要满足以下要求:
1、动力性要求
所谓动力性要求，就是在保证发动机不过载的前提下，尽量充分地利用发动机的功率，提高挖掘机的生产效率。
尤其是当负载变化时，要求液压系统与发动机的良好匹配，尽量提高发动机的输出功率。
例如，当外负载较小时，往往希望增大油泵的输出流量，提高执行元件的运动速度。
双泵液压系统中就常常采用合流的方式来提高发动机的功率利用率。
2、操纵性要求
（1）调速性要求
挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高，如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现调速操纵控制，对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠，成为挖掘机液压系统设计十分重要的一方面。
挖掘机在工作过程中作业阻力变化大，各种不同的作业工况要求功率变化大，因此要求对各个执行元件的调速性要好。
（2）复合操纵性要求
挖掘机在作业过程中需要各个执行元件单独动作，但是在更多情况下要求各个执行元件能够相互配合实现复杂的复合动作，因此如何实现多执行元件的复合动作也是挖掘机液压系统操纵性要求的一方面。
当多执行元件共同动作时，要求其相互间不千涉，能够合理分配共同动作时各个执行元件的流盘，实现理想的复合动作。
尤其对行走机构来说，左、右行走马达的复合动作问题，即直线行驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。
如果挖掘机在行使过程中由于液压泵的油分流供应，导致一侧行走马达速度降低，形成挖掘机意外跑偏，很容易发生事故。
另外，当多执行元件同时动作时，各个操纵阀都在大开度下工作，往往会出现系统总流量需求超过油泵的最大供油流量，这样高压执行元件就会因压力油优先供给低压执行元件而出现动作速度降低，甚至不动的现象。
因此，如何协调多执行元件复合动作时的流量供应问题也是挖掘机液压系统设计中需要考虑的。
3、节能性要求
挖掘机工作时间长，能量消耗大，要求液压系统的效率高，就要降低各个执行元件和管路的能耗，因此在挖掘机液压系统中要充分考虑各种节能措施。
当对各个执行元件进行调速控制时，系统所需流量大于油泵的输出流量，此时必然会导致一部分流量损失掉。
系统要求此部分的能量损失尽量小;当挖掘机处于空载不工作的状态下，如何降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，也是降低能耗的关键。
4、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，对于其液压系统要求有良好的过载保护措施，防止油泵过载和因外负载冲击对各个液压作用元件的损伤。
回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快带下降和整机超速溜坡。
5、其它性能要求
实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低挖掘机的制造成本:
液压挖掘机作业条件恶劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性;由于挖掘机在城市建设施工中应用越来越多，因此要不断提高挖掘机的作业性能，降低振动和噪声，重视其作业中的环保性。
2.3
液压系统方案拟订
（1）在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详细分析的基础上，总结每个工况下各执行机构的主要复合动作后提出初步方案。
（2）根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结出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、安全性要求和其它性能的要求。
（3）提出一种有效、直观的挖掘机液压系统的设计方案，并详细介绍设计的步骤。
3
液压系统的设计
3.1确定油缸所受的作用力
1、铲斗油缸作用力的确定
反铲装置在作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗缸设计的依
据。
初步设计时按额定斗容及工作条件（土壤级别），参考有关资料可初选斗齿最大挖掘力（最大挖掘力有任务书要求为F1max=120KN），并按反铲最重要的工作位置—
—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工作力，如图所示。
为简单起见，可以忽略斗和土的质量，并且忽略了各构件质量及连杆机构效率影响因素，此时铲斗油缸作用力为
F
=
F1maxlc（3-1）
dl
1
式中l1—铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂长度），m；
—
c1max
对铲斗与斗杆铰点C的力臂，m。
已知=R
=1300mml1
=430mm
⇒Fd
=120⨯1300
430
=345.79KN
g
而这时斗杆及动臂油缸均处于闭锁状态，斗杆油缸闭锁力F'应满足
F
l
F1maxB
'
F2lB'
（3-2）
g≥l2+l2
式中l2—斗杆闭锁力Fg'对斗杆与动臂铰点的力臂，m；
lB—F1max对斗杆与动臂铰点B的力臂，m；
l—F对斗杆与动臂铰点B的力臂，m；
B'2
图3-1铲斗缸受力分析图
F2——挖掘阻力的法向分力，取F2=（0.1~0.2）F1max,N
已知l2=430mmlB=3900mmlB'=650mm
F2=0.1F1max=0.1⨯120KN=12KN
⇒F
g'
动臂油缸闭锁力Fb'应满足
≥120⨯3900+12⨯650430430
=1060.4KN
Fb'≥
F1maxlA+
l3
F2lA'l3
（3-3）
d
式中l3——动臂油缸闭锁力F
对铰点A的力臂，m；
'
lF
——对动臂下铰点A的力臂，m；
A1max
A
l'——F2对铰点A的力臂，m。
已知l3=330mmlA=6300mmlA'=4600mm
120⨯630012⨯4600
Fb'≥
330+
330
=2458KN
又动臂缸两个油缸同时作用，则每个缸闭F
=Fb'
2458
==1229KN
b''22
2、斗杆油缸作用力的确定
当挖掘机以斗杆挖掘时，其最大挖掘力则有斗杆油缸来保证。
斗杆油缸最大作用力位置为动臂下放到最低位置，斗杆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矩，并使斗齿尖和铰点B、C在一条直线上，如图所示。
与前面推导铲斗油缸作用力一样，忽略各构件及斗中土壤质量和连杆机构效率影
响因素，此时斗杆油缸作用力Fg为
F
=
g
F1maxlBl2
=120⨯3900=720KN
650
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Fd'应满足
Fd'≥
F1maxlCl1
=140⨯1370
570
=336.5KN
动臂缸闭锁力Fd'应满足
Fb'≥
F1maxlA+F2lA'
l3
=140⨯3881.6+21⨯4795
342.5
=1880.6KN
动臂缸有两个，则每个缸闭锁力
F=Fb'=1880.6=940.3KN
b''
22
图3-2斗杆缸受力分析图
动臂油缸的作用力，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，其计算简图如图所示，此时动臂油缸作用力为
F
=
（G
l
+G
b
bA
1
l
b
g
dtdA
3
lgA
+
Gl
）（3-4）
式中：
图3-3动臂油缸受力分析图
Gdt——铲斗及其装载土壤的的重力，N；Gg——斗杆所受重力，N；
b
G——动臂所受重力，N；
dA
l——铲斗质心到动臂下铰点A的水平距离，m；
lgA——斗杆质心到动臂下铰点A的水平距离，m；
bA
l——动臂质心到动臂下铰点A的水平距离，m。
此处Gdt=ρq+Gdρ=1800kg为土壤密度；q=0.9m
m3
则Gdt=25KN
gb
G=15KN;G=30KN;
3/min
dAbAgA3
l=6200mm;l=1630mm;l=4550mm;l=540mm;
⇒Fb=504KN
每个缸的闭锁力Fb'=
b=504=252KN
F
22
（1）铲斗缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于
工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。
设计时可用类比法来确定。
农业机械、小液压机、重型机
型工程机械、械、大中型挖掘
设备类型精加工机床组合机床拉床
工程机械辅
助机构
机、起重运输机
械
工作压力
P/Mpa0.8-23-55-101-1616-32
表3-1各类机械常用的系统工作压力
初选系统工作压力为25MPa
⑵缸径D和油塞杆直径d的确定
挖掘机液压缸均为单活塞杆液压缸，其原理图如下所示
图3-4液压缸原理图
工作压力
≤5.05.0~7.0
≥7.0
d/D
0.5~0.55
0.62~0.70
0.7
由缸受力平衡知
表3-2按工作压力选取d/D
πF
4
D2P1=η
cm
+π（D2-d2）P
42
22
式中P1——液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力Pp=25MPa；P——液压缸回油腔背压，有表2所示，取P=1MPa；
dD——活塞杆直径与液压缸内径之比，按表3取d/D=0.7;
d
F——工作循环中最大的外负载，此处F=F
=345KN
ηcm——液压缸机械效率，一般取ηcm=0.9
将上式代入缸受力平衡方程式得
D=
（3-5）
=
=0.141m
=141mm圆整取D=140mm
则d=0.7D=0.7⨯140=98mm圆整取d=100mm
⑶缸壁厚和外径的计算
如按薄壁缸进行计算则D/δ≥10
δ≥PyD
2σ
（3-6）
式中P
——试验压力，一般取最大工作压力的⎛1.25~1.5⎫倍；
yç⎪
[][]⎝⎭
p
σ——缸筒材料许用应力，无缝钢管σ
=100~110MPa；
式中Py
=1.3P
=1.3⨯25≈33MPa
[σ]取110MPa
⇒δ≥32.5⨯0.14=0.021m
2⨯110
此时D/δ=0.14/0.021=6.67不满足薄壁缸条件故应按中等壁厚计算公式计算3.2≤D/δ≤10
此时⇒δ=（
[]y
）+C（3-7）
PD
y
2.3σ-Pψ
ψ——强度系数，对无缝钢管ψ=1；
C——用来圆整壁厚。
则δ=（
32.5⨯0.14+C
）
2.3⨯110-32.5⨯1
=0.021+C取δ=0.021m=21mm
则缸外径D1=D+2δ=140+2⨯21=182mm
有挖掘机实际运动轨迹和外型尺寸知铲斗缸工作行程为L=1350mm
2、斗杆油缸尺寸的计算
⑴由铲斗缸计算步骤知斗杆缸受力平衡
πF
4D2P1=η
cm
+π（D2-d2）P
42
D=
=
=203.9mm圆整取D=200mm
则缸油塞杆直径d=0.7D=0.7⨯200=140mm圆整取d=140mm
⑵缸壁厚δ和外径D1的计算
由上面计算知按中等壁厚计算
δ=（
[]y
）+C
PD
y
2.3σ-Pψ
=（32.5⨯0.2）+C
2.3⨯110-32.5⨯1
=0.027+C
圆整取δ=27mm则外径D1=D+2δ=200+2⨯27=254mm
⑶由挖掘机实际运动轨迹和外型尺寸可得出斗杆缸工作行程
L=1755mm
3、动臂缸的尺寸计算
⑴由上面计算知动臂缸受力平衡公式
πF
4D2P1=η
cm
+π（D2-d2）P
42
D=
=
=0.124m
=124mm圆整取D=125mm
则缸油塞杆直径d=0.7D=0.7⨯125=87.5mm圆整取d=90mm
⑵缸壁厚δ和外径D1的计算由上面计算知按中等壁厚计算
δ=（
[]y
）+C
PD
y
2.3σ-Pψ
=（）
32.5⨯0.125+C
2.3⨯110-32.5⨯1
=0.0184+C圆整取δ=19mm
则外经D1=D+2δ=125+2⨯19=163mm
⑶根据挖掘机实际运动轨迹和外型尺寸可得出动臂缸工作行程
L=1625mm
本次设计的挖掘机液压系统原理图如图所示，该系统为高压定量双泵开式系统，液压泵1、2输出的压力油分别进入两组由三个手动换向阀组成的多路换向阀A、B。
进入多路换向阀A的压力油，驱动回转马达、铲斗缸，同时经中央回转接头驱动左行走马达；进入多路阀B的压力油，驱
升级会员 