挖掘机液压缸设计计算结构设计说明文档格式.docx

1、1.2 挖掘机液压系统概述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地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、利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送,然后通过液压缸和液压马达等执行元件将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

2、速、起动和制动无冲击、振动和摇摆,与其它机构同时动作时,能合理地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。行走系统的设计要考虑直线行驶问题,即在挖掘机行走过程中,如果某一工作装置动作,不致于造成挖掘机发生行走偏转现象。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如下要求：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

3、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保证挖掘机工作安全可靠,且各执行元件液压缸、液压马达等良好的过载保护；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速下降和整机超速溜坡。为此,液压系统应做到：1有高的传动效率,以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。2液压系统和液压元件在变化大的负载、急剧的振动作用下,具有足够的可靠性。3设置轻便耐振的冷却器,减少系统总发热量,使主机持续工作时的液压油温不超过 80,或温升不超过 45。4由于挖掘机作业现场尘土多,液压油容易被污染,因此液压系统的密封性能要好,液压元件对油

4、液污染的敏感性要低,整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。1.3 小型挖掘机液压系统工作装置工况分析 挖掘机的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、摆动杆和连杆等组成。工作装置液压系统的功能就是控制动臂油缸,斗杆油缸和铲斗油缸的各自动作或复合动作,从而获得理想的挖掘动力和挖掘轨迹。挖掘机工作时一个完整的挖掘过程主要包括:挖掘一满斗举升一卸载一空斗返回。1.3.1 挖掘工况 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。因此,在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作,必要时配以动臂动作。平整土地和切削斜坡时,须同时操纵动臂和斗杆,使斗尖能沿直线移动,此时

5、斗杆收回和动臂抬起,希望斗杆和动臂保证彼此独立、互不干扰,并要求泵供油流量小、油缸动作慢,容易控制,使铲斗保持一定切削角并按一定轨迹进行切削,或用斗底来压整地面,则需铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作。铲斗单独挖掘时,也有采用双泵合流。采用多泵的主要目的是为了防止复合动作时的相互干扰。1.3.2 满斗举升工况 满斗举升回转的运动时间约占整个作业循环时间的50%70%。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旋向卸土处,此时主要是动臂和回转的复合动作。动臂举升和回转同时动作时,两者要求在速度上匹配,要求回转到指定卸载位置时,动臂和铲斗自动举升到正确的卸载高度。回转起动

6、时由于惯性较大,油压会升得很高,有可能从溢流阀溢出,此时应将溢流的油供给动臂。在回转举升时除了动臂举升外,斗杆要同时外放,有时还需对铲斗进行调整,此时是回转、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。1.3.3 卸载工况 转到卸载位置时,转台制动,用斗杆液压缸调节卸载半径和卸荷高度,铲斗液压缸回缩进行铲斗卸荷。为了调整卸荷位置,还要有动臂液压缸的配合。因此卸荷时主要是斗杆和铲斗的复合动作,兼以动臂动作。1.3.4 空斗返回工况卸载结束,转台反向回转,同时动臂缸和斗杆缸相互配合动作,把空斗放到新的挖掘点。此工况是回转、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用,压力低、变量泵流量大、下降快,要求回转速度快,

7、为防止动臂因重力作用迅速下降、动臂油缸产生吸空现象,可采用动臂下降再生补油,利用重力将动臂缸无杆腔的油供至有杆腔。1.3选题背景和研究意义 随着国民经济的快速发展,液压挖掘机作为一类快速、高效的施工机械愈来愈广地泛使用在各种工程建设领域,特别是在基础设施建设中所起的重要作用越来越重要。液压技术是挖掘机动力技术的基础,极大地促进了挖掘机的发展;另一方面液压挖掘机的发展也促进了液压技术的提高。自从德国研制的第一台液压挖掘机诞生以来,液压技术被证明是挖掘机最适合的传动方式。多年来人们对挖掘机的液压传动技术及控制理论的研究就从来没有中断过。液压元件的技术进步和高质量、高水平的专业化生产,国内外高等院校

8、和科研院所的深入研究,挖掘机主机厂的产品研发及不断更新换代,使挖掘机的液压系统及其控制技术水平不断提高。近年来随着电子技术尤其是计算机技术的飞速发展,给液压控制技术赋予了新的内涵。液压技术给挖掘机带来了一个飞跃,计算机控制技术给挖掘机插上高科技的翅膀。 虽然我国正成为世界上最大的挖掘机市场,然而在我国挖掘机产品中,约有90%左右的市场份额被合资和外资企业占有。据统计20XX国内主要企业挖掘机销量增长66%,市场需求增幅高达172%,国内需求量已经超过6万台;20XX液压挖掘机销量增幅在20%左右。但20XX最突出的工程机械进口设备是二手挖掘机。随着国外新型挖掘机和二手挖掘机大量进入中国市场,中

9、国用户对国外挖掘机的性能有了较深入的了解,也认识到国产挖掘机在制造质量、外观造型、技术性能、作业可靠性、作业效率、油耗与污染、以及操作性和舒适性等方面,与国外液压挖掘机相比存在一定差距。不少用户为了追求高效率的作业以保证工期的按时完成,投入更多的资金来购买进口挖掘机或者跟国产新挖掘机价格相当但工作可靠性仍然较高的国外二手挖掘机。近几年国外二手挖掘机的进口和销售走红就是这个原因。巨大的挖掘机市场和国产产品技术落后,国外先进技术产品不断引进、充斥国内市场的现状,己经引起国家有关部门的高度重视,因此必须对挖掘机进行细致深入地分析研究。 我国工程机械行业发展规划中把液压挖掘机作为重点发展产品,同时对挖

10、掘机的节能、高效、操作简化和舒适等方面的研究,也被列为挖掘机工作装置液压系统分析重点研发内容及关键技术。挖掘机智能化研究可以带动其他工程机械机电一体化的发展,自主开发研制智能化节能挖掘机也必将获得更多的市场份额。 随着世界性的技术进步,当今全液压挖掘机的液压系统将高效、节能、操作舒适、安全、可靠作为其主要追求目标,相继开发出多种形式的液压系统和元件。 工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一,是直接完成挖掘任务的装置。工作装置的作业是三个油缸的复合动作对土壤的作用。作为挖掘机液压系统关键元件之一的多路阀,除了要满足对动臂、斗杆、铲斗三组液压缸以及回转,左、右行走马达等六个执行元件进行换向、单动、

11、复合动作,双泵合流供油控制以及对元件的过载保护等功能外,当今液压挖掘机对多路阀还提出了向主泵提供流量控制信号,节能、行驶与作业复合动作,主安全阀两级压力控制等多种功能的要求。 通过对各节流口的开口面积的调整,就可以调整流过各节流口的流量,而不会随着各自负载压力的高低而变。只要泵的输出流量足够,就可以避免低负载过快、高负载停止的现象。 除传统型挖掘机工作装置的动臂、斗杆和铲斗三元件构成的通用型产品迅速发展外,由大臂、中臂、斗杆和快换作业装置四元件构成的产品也迅速发展,这既体现了各个厂家市场差异化的产品发展战略,也体现了各自的技术水平和实力。液压挖掘机多用途工作装置是国际挖掘机的一个发展方向。多执

12、行器负载敏感系统是目前广泛应用于车辆、工程机械以及其他机械的一种节能型液压系统。由于系统在仅由单泵供油的情况下,通过压力补偿同时控制多个具有不同负载压力的执行器,因而可以仅通过改变各操作阀的操作量来调整各执行器的速度,使控制速度不随负载压力而变。2 液压缸设计方案的确定2.1 挖掘机型号及主要参数 本人所选择设计的挖掘机的型号为徐工XE65D型小型挖掘机,小型液压挖掘机主要用于城市等狭窄地区,代替人力劳动,在世界工程机械市场,属于销量最大的工程机械产品之一。近来又由于社会的发展,市场条件的变化,社会对全液压小型、微型挖掘机又有了新的需求,其生产制造也日益蓬勃发展。该挖掘机的具体参数如下： 铲斗

13、容量 0.25, 铲斗宽度 700, 操作重量 62007 t, 发动机: 型号 YANMAR 4TNV94L 总排量 3.045 L 额定输出功率 39kw/2200 rpm 最大挖掘高度：5660 最大卸载高度：3970 最大挖掘深度：3830 最大挖掘半径：6130 最小回转半径：2452 铲斗挖掘力：43.2 KN 斗杆挖掘力：31.5 KN 动臂挖掘力：50.4 KN 系统工作压力：30MPa 系统流量：160 L/min 液压泵类型：2个变量柱塞泵1个齿轮泵 主泵流量：25942 L/min 燃油箱容量：120 L 主溢流阀压力：24.5 MPa该挖掘机的图片如下： 图2.1 小型

14、挖掘机示意图2.2 液压缸各部件材料选择及加工技术要求端盖：端盖装在缸筒两端,与缸筒形成封闭油腔,同样承受很大的液压力,因此端盖及其连接件都应有足够的强度。当工作压力P10MPa时,也使用HT20HT40、HT25HT47、等铸铁。P20MPa时使用无缝钢管,P20MPa时使用铸钢或锻钢。缸盖常用35钢、45钢的锻件或铸造毛坯。缸盖技术要求如下：缸盖内控尺寸公差一般取H8,粗糙度不低于0.8 um ；缸盖内孔与止口外径D的圆柱度误差不大于直径公差的一半,轴线的圆跳动,在直径100上不大于0.04。缸筒：缸筒毛坯材料可选用25钢,35钢,45钢等,普遍采用退火的冷拔或热轧无缝钢管,对于工作温度低

15、于-50度的液压缸缸筒,必须用35钢、45钢,且要调质处理 ,对于较厚壁的毛坯仍用铸铁或锻件。 缸筒技术要求如下：用足够的强度,能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形。有足够的刚度,能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲。尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。活塞：活塞材料用高强度铸铁HT200HT300或球墨铸铁。 活塞的技术要求如下：活塞的外径基本偏差一般采用f、g、h等；橡胶密封活塞公差等级可选用7、8、9级 ；缸筒与活塞一般采用基孔制的间隙配合；外径对内孔的同轴度公差不大于0.02,端面与轴线的垂直度公差不大于0.04/10,外表面的圆度和圆

16、柱度一般不大于外径公差的一半,表面粗糙度视结构形式不同而各异。活塞杆：一般用中碳钢如45钢、40Cr等,调质处理241286HB。对活塞杆通常要求淬火5258HRC,淬火深度一般为0.51,或活塞杆直径每毫米淬深0.03,再校直,再磨,再镀镍镀鉻,再抛光。 活塞杆技术要求如下 ：其圆柱度和圆度公差大于直径公差的一半。安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01。安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04/10；活塞杆外圆粗糙度值Ra值一般为0.10.3um.为了防锈,活塞杆表面需进行镀鉻处理,镀层厚为0.030.05,并进行抛光和磨削加工。导向套：金属导向套一般采用摩擦因数小,

17、耐磨性好的青铜材料制作。端盖式直接导向型的导向套材料用灰铸铁、球墨铸铁、氧化铸铁等。 导向套技术要求如下：导向套外圆与端盖内孔的配合为H8/f7,内孔与活塞杆外圆的配合多为H9/f9,外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03,圆度和圆柱度公差不大于直径公差的一半,内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽,以保证良好的润滑。2.3 铲斗缸的尺寸设计2.3.1 铲斗缸各部件尺寸确定 根据铲斗缸的最大外负载,可以设计计算铲斗缸的结构尺寸： 当推力驱动工作负载时： F=Wmax=/4D2PP0d2P0 由此可求出缸筒内径为： 其中Wmax=43200 N, P为系统最高压力 P=30MPa 因为上式中系统背压,所

18、以取P0为1MPa, 取速比=2,为机械效率,取 =0.95, 将各值代入上式中,得 D=44, 根据查表GB/T23481993,得到D=502 活塞杆的直径为：所以直径d=35.35, 查表GB/T2348-1993规定的活塞杆尺寸圆整为d=363 最大工作行程为：当=2时,行程 S=10D=500, 根据国家标准GB/T-1980规定的液压缸行程系列圆整到S=5004 活塞有效计算长度液压缸的安装尺寸,可查设计手册得： 安装尺寸=L1S =280+500 =780 当液压缸的活塞杆全部渗出来时,有效计算长度为： L=L1+2S =280+500+500 =1280S-液压缸的安装尺寸查设

19、计手册得到（5） 活塞宽度： 查表得 B=0.61.0D =此时选取活塞杆的宽度 B=40式中 D为液压缸缸筒的内径（6） 最小导向长度 当S=10D时,查设计手册,得最小导向距离H507 缸筒壁厚： 因为缸筒材料选用无缝钢管45,所以b=800MPa, n-安全系数,一般取 n=5 该材料的许用应力计算为： =b/n =800/5 =160MPa 由壁厚计算公式 所以查标准壁厚表,取=98 缸筒外颈 De=D+2 =68 因为液压缸的缸筒是无缝钢管,因此加工内部要留出510的加工余量 9 铲斗缸的流量计算：设计要求每缸伸缩速度Vmax=6000/min 当活塞杆前进时： Q= D2V/4 =

20、11.775 L/min 当活塞杆后退时： Q=V/4 =6.00 L/min10 铲斗缸运动时间计算： a. 铲斗油缸全伸最短时间T1计算： T1 = D2S/ 4Q =5.08 b. 铲斗油缸全缩最短时间T2计算： T2 = D2d2S/4Q =5.004 2.3.2缸筒、活塞杆强度校核 1 已知尺寸参数如下： 缸筒内径 D=50 , 活塞杆直径 d= 36, 行程 S=500, 缸筒内壁厚 = 9, 有效计算长度 L=1280 活塞杆应力校核：= PgD2/ d2 Pg 为油缸最大闭锁压力 =57.87MPa 活塞杆的材质采用45调质处理,查表得该材料的强度极限 b = 800MPa ,

21、 所以该材料的许用应力为： = b/n =800/5 =160MPa 由此可见, ,应力状况满足要求。 3 缸筒强度验算： 因为壁厚 = 9,缸筒内径 D = 50 ,所以壁厚与缸筒内径之比： 3.2D/ = 5.5 16 ,属于中等壁厚缸筒,可按材料学第二强度理论验算。 = 4.025 , 上式中 P-为系统最高压力 P = 30MPa, 所以 1,该缸筒强度满足要求。2.3.3缸筒、活塞杆稳定性校核 1 活塞杆的压稳定性校核： 活塞杆断面最小惯性矩： =0.073710-6 m4 活塞杆横断面的回转半径： =0.00875 m =8.75 活塞杆柔性系数： =147.13 147 式中 -

22、为长度折算系数,对于两端铰接约束方式一般取 1, L-为有效计算长度 钢材柔度极限值： =60.7760.8 式中 P-45号钢材的比例极限； E-为材料的弹性模量,E = 2.06105MPa； 根据上面的计算可知,1时,用欧拉公式计算临界力 FK=0.867105 L-为有效计算长度 油缸最大闭锁力： =5.9104 N 式中 Pg-油缸最大闭锁压力 D-为缸筒内径 求该活塞杆稳定性系数： = 2.406 1 所以,该活塞杆的稳定性满足要求。2.4 斗杆缸的尺寸设计及校核2.4.1 斗杆缸各部件尺寸确定 根据斗杆缸的最大外负载,可以设计计算铲斗缸的结构尺寸： 其中Wmax=31500 N,

23、 将各值代入上式中,得 D=37.83, 根据查表GB/T23481993,得到D=40所以直径d=28.2, 查表GB/T2348-1993规定的活塞杆尺寸圆整为d=28 当=2时,行程 S=10D=400, 根据国家标准GB/T-1980规定的液压缸行程系列圆整到S=400 =255+400 =655 =255+400+400 =1055（6） 活塞宽度：2440此时选取活塞杆的宽度 B = 35（7） 最小导向长度 所以查标准壁厚表,取=8.5 =57 9 斗杆缸的流量计算： =7.563 L/min2.4.2缸筒、活塞杆强度校核 缸筒内径 D=40 , 活塞杆直径 d= 28, 行程 S=400, 缸筒内壁厚 = 8.5, 有效计算长度 L=1055 =61.22MPa 因为壁厚 = 8.5,缸筒内径 D = 40 ,所以壁厚与缸筒内径之比： 3.2D/ = 4.70 10 ,属于中等壁厚缸筒,可按材料学第二强度理论验算。 = 3.80 2.4.3缸筒、活塞杆稳定性校核 =0.03 =0.0069 m =6.9 活塞杆柔