挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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. 中文題目：XE40小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 外文題目：DESIGN HYDRAULIC SYSTEM OF XE40 SMALL CRAWLER EXCAVATOR 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 76 頁（其中：外文文獻(xiàn)及譯文 8 頁） 圖紙共 11 張 完成日期 2015年 6 月 答辯日期2015 年 6 月 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)生誠信承諾保證書 本人鄭重承諾：《 》畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容真實(shí)、可靠，系本人在 指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立完成。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人承擔(dān)全部責(zé)任。 學(xué)生簽名： 年 月 日 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師誠信承諾保證書 本人鄭重承諾：我已按學(xué)校相關(guān)規(guī)定對(duì) 同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的選題與內(nèi)容進(jìn)行了指導(dǎo)和審核，確認(rèn)由該生獨(dú)立完成。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人承擔(dān)指導(dǎo)教師相關(guān)責(zé)任。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 . 摘要 XE40小型挖掘機(jī)是徐工生產(chǎn)的小型液壓挖掘機(jī)，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題就是對(duì)其進(jìn)行液壓系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。為了研究這個(gè)課題，我們的主要的思路就是要先根據(jù)已知的挖掘機(jī)的性能參數(shù)對(duì)工作速度和工作壓力進(jìn)行初步的確定，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)，對(duì)鏟斗缸進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。參考所選液壓缸的連接方式和XE40小型挖掘機(jī)選用的液壓缸的具體形狀，繪制出液壓缸的CAD圖。依照鏟斗缸的設(shè)計(jì)方式與計(jì)算流程同理也能設(shè)計(jì)出斗桿缸和動(dòng)臂缸。同時(shí)根據(jù)所設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)所選用的動(dòng)臂缸的數(shù)量，就能大致確定出運(yùn)作液壓缸所需要的流量。通過已確定的流量，工作壓力，還有工作速度，就能初步確定液壓泵的型號(hào)和液壓馬達(dá)的型號(hào)。然后再參考徐工挖掘機(jī)XE40的液壓系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)回路和對(duì)挖掘機(jī)工作方式的了解，初步設(shè)計(jì)出液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)的原理圖，并用CAD繪制出來。經(jīng)過審核之后，再來確定所要要用的液壓油，發(fā)動(dòng)機(jī)，以及對(duì)液壓閥進(jìn)行選型。 關(guān)鍵詞:液壓缸;參數(shù)化設(shè)計(jì)；徐工挖掘機(jī);液壓系統(tǒng) . Abstract XE40 small excavator is xugong production of small hydraulic excavator, this graduation design topic is on the parametric design of hydraulic system. In order to study the subject, our main idea is to first according to the known excavator work parameters on the performance of speed and pressure was determined preliminarily, according to these data, the bucket cylinder parameter calculation. Refer to the connection mode for the selected hydraulic cylinder and hydraulic cylinder of XE40 small excavator selection of specific shape, draw the CAD drawing of the hydraulic cylinder. According to the bucket cylinder design method and calculation of flow in the same way also can design the bucket rod and movable arm cylinder. At the same time according to the design of excavator chooses the number of the movable arm cylinder, can roughly determine the operations required for the hydraulic cylinder of traffic. By the flow have been identified, work stress and work speed, can preliminarily determine the model of hydraulic pump and hydraulic motor model. Then the reference xugong hydraulic system of excavator XE40, based on the system circuit and understanding of the excavator working style, the preliminary design of the hydraulic excavator system schematic diagram, and CAD drawing. After review, and then to determine the need to use the hydraulic oil, engine, as well as to the selection of hydraulic valve. Key word:the hydraulic cylinder ; parametric design; xugong excavator；the hydraulic system . 目錄 前言 1 1 挖掘機(jī)現(xiàn)狀及研究準(zhǔn)備 3 1.1 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 3 1.1.1 國外發(fā)展?fàn)顩r 3 1.1.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 3 1.2 本課題研究內(nèi)容及意義 4 2 液壓挖掘機(jī)的工況分析 6 2.1挖掘工況分析 7 2.2滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況分析 8 2.3卸載工況分析 9 2.4空斗返回工況分析 9 2.5整機(jī)移動(dòng)工況分析 9 3 液壓系統(tǒng)及液壓回路的設(shè)計(jì) 11 3.1液壓系統(tǒng)概述 11 3.2工作原理 11 3.3基本要求 11 3.4基本動(dòng)作及系統(tǒng)分析 12 3.5 小型液壓挖掘機(jī)的基本回路 13 3.5.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng) 13 3.5.2 液壓缸液壓系統(tǒng) 14 3.5.3限壓回路 14 3.5.4卸荷回路 15 3.5.5緩沖回路 16 3.5.6節(jié)流限速回路 17 3.5.7行走限速回路 17 4 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算 19 4.1 工作裝置構(gòu)成與分析 19 4.2 液壓缸參數(shù)化設(shè)計(jì) 21 4.2.1 液壓缸速度計(jì)算及流量選擇 23 4.2.2 液壓缸工作壓力的確定 24 4.2.3 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 24 4.2.4 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算以及校核和活塞桿的校核 26 4.2.5 液壓缸油口直徑的計(jì)算 28 4.2.6 液壓缸工作行程計(jì)算 29 4.2.7 液壓缸安裝距的確定 29 4.2.8 最小導(dǎo)向長度的確定 29 4.2.9 缸體長度的確定 30 4.2.10 油缸強(qiáng)度計(jì)算 30 4.2.11 油缸穩(wěn)定性驗(yàn)算 31 4.2.12 液壓缸的技術(shù)要求 33 4.2.13 液壓缸選型 34 4.3回轉(zhuǎn)馬達(dá)計(jì)算與選型 36 4.4行走馬達(dá)計(jì)算與選型 37 4.4.1軌鏈節(jié)節(jié)距 37 4.4.2四輪計(jì)算 37 4.4.3承載能力計(jì)算 37 4.4.4牽引力功率計(jì)算 38 4.4.5馬達(dá)計(jì)算及選型 38 4.5 液壓泵的確定 39 4.5.1工作裝置油泵選擇 39 4.5.2行走油泵的選擇 41 5 工作介質(zhì)及主要元器件選擇 44 5.1 工作介質(zhì)的選擇 44 5.2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇 44 5.3 液壓閥的選擇 45 5.4 其他液壓元件的選型 47 5.4.1管路的選擇 47 5.4.2油箱設(shè)計(jì) 49 5.4.3液壓油的選擇 50 5.4.4過濾器的選擇 53 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性分析 55 結(jié)論 57 致謝 58 參考文獻(xiàn) 59 附錄A 60 附錄B 66 . . 前言 液壓挖掘機(jī)是一種多功能機(jī)械，目前被廣泛應(yīng)用于水利工程，交通運(yùn)輸，電力工程和礦山采掘等機(jī)械施工中。液壓挖掘機(jī)利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等）帶動(dòng)各種構(gòu)件動(dòng)作，具有如下點(diǎn)：功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；無極調(diào)速，調(diào)速范圍大；啟動(dòng)性能好，能實(shí)現(xiàn)快速反轉(zhuǎn)；布置靈活，基本不受總體結(jié)構(gòu)的限制；容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作簡便省力等。所以液壓挖掘機(jī)對(duì)于減輕工人繁重的體力勞動(dòng)，提高施工機(jī)械化水平加快施工進(jìn)度，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。 挖掘機(jī)液壓傳動(dòng)緊密地聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)。由于挖掘機(jī)的工作條件惡劣，要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作很復(fù)雜，于是它對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出啦很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。因此，對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)已經(jīng)成為推動(dòng)挖掘機(jī)發(fā)展中的重要一環(huán)。 小型挖掘機(jī)的工作是進(jìn)行泥土的挖掘和裝載，還能進(jìn)行一些土地的平整、修復(fù)坡斷、吊起裝載、破碎石塊、拆遷等其他作用。而小型履帶挖掘機(jī)主要是在那些路況很差，其他工具比較難弄，而且大型挖掘機(jī)不好進(jìn)入的地方起作用。給人們減輕了很多的負(fù)擔(dān)和壓力。近幾年來小型挖掘機(jī)市場發(fā)展得越來越好，最主要是該類的產(chǎn)品多樣性，高質(zhì)量，高效率，能在中大型挖掘機(jī)無法作業(yè)的地方進(jìn)行工作。 小型挖掘機(jī)小巧靈活，能在很多復(fù)雜的地方工作，而且節(jié)省了勞動(dòng)力，受到了廣大用戶青睞。小型履帶挖掘機(jī)能夠那么小，而且靈活，最主要的是挖掘機(jī)的“零空間”回轉(zhuǎn)?！傲憧臻g”其實(shí)是指挖掘機(jī)在工作時(shí)，車的尾巴旋轉(zhuǎn)軌跡不超過這臺(tái)挖掘機(jī)履帶的軌跡。 液壓挖掘機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： (l)質(zhì)量輕。當(dāng)傳遞相同功率時(shí)，液壓傳動(dòng)裝置比機(jī)械傳動(dòng)裝置的尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，其質(zhì)量可減輕30% - 40%。 (2)能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。它的最高與最低的速度比可達(dá)1000：1。采用柱塞式油馬達(dá)，可獲得穩(wěn)定轉(zhuǎn)速1 r/min。在快速運(yùn)行時(shí)，液壓元件產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣性小，可實(shí)現(xiàn)高速反轉(zhuǎn)。 (3)傳動(dòng)平穩(wěn)，T作可靠。液壓系統(tǒng)中設(shè)置各種安全閥、溢流閥，即使偶然出現(xiàn)過載或誤操作的情況，也不會(huì)發(fā)生人身事故和損壞機(jī)器。 (4)操作簡單、靈活、省力，改善了司機(jī)的工作條件。另外，液壓系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操縱，可與電動(dòng)、氣動(dòng)聯(lián)合組成自動(dòng)控制和遙控系統(tǒng)。 (5)工作裝置的品種可以擴(kuò)大。可以配置各種新型的工作裝置，如組合型動(dòng)臂、伸縮式動(dòng)臂、底卸式裝載斗等;另外，便于替換和調(diào)節(jié)工作裝置，一般小型液壓挖掘機(jī)可配有30 - 40種替換T作裝置。 (6)維護(hù)檢修簡單。由于液壓挖掘機(jī)不需要龐大復(fù)雜的中間機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)被簡化，易損件減少了將近50%，故維護(hù)、檢修T作大為簡化。 (7)液壓元件易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，便于組織專業(yè)化生產(chǎn).提高質(zhì)量和降低成本。 液壓挖掘機(jī)的主要缺點(diǎn)是： (l)對(duì)液壓元件的制造精度要求較高，裝配要求嚴(yán)格，維修也較困難。液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，要確定事故發(fā)生的原因和排除故障較困難，維護(hù)修理和調(diào)整技術(shù)要求也較高。 (2)工作油液的黏度受溫度的影響較大。因而汞礦粉烘干機(jī)在高溫和低溫下工作均影響傳動(dòng)效率。另外，油液的泄漏，也會(huì)影響動(dòng)作的平穩(wěn)和傳動(dòng)效率。 總之，液壓挖掘機(jī)是一種性能和結(jié)構(gòu)比較先進(jìn)的新型機(jī)械，它的使用越來越廣泛，特別是中小型挖掘機(jī)，可能很快被液壓挖掘機(jī)所取代。隨著我國液壓技術(shù)的發(fā)展和液壓元件制造質(zhì)量的提高，大、中型液壓挖掘機(jī)也必將得到迅速地發(fā)展。 小型挖掘機(jī)操作室的和大型挖掘機(jī)一樣，做得都很舒適。因?yàn)?，操縱者在惡劣環(huán)境中施工，工作狀態(tài)容易受到影響，所以挖掘機(jī)要考慮到駕駛員工作的效率、工程的質(zhì)量甚至其周圍人群和設(shè)備的安全。因此，小型挖掘機(jī)配備一個(gè)安全和舒適的駕駛室是很重要的，絕大多數(shù)的小型挖掘機(jī)都是可以裝配上獨(dú)立的封閉的駕駛室。小型挖掘機(jī)的屬具也是十分豐富的。早起挖掘機(jī)會(huì)在尾部裝個(gè)推土板，這不是用來推土的，其實(shí)是用來配重用的。在近些年來“零回轉(zhuǎn)”技術(shù)的逐漸成熟和車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，這樣的推土板拿來當(dāng)推土用。根據(jù)專家統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)斗量為0.5m的液壓挖掘機(jī)挖掘時(shí)，每回的生產(chǎn)率大概相當(dāng)于150-200個(gè)普通工人一天的工作量。 1 挖掘機(jī)現(xiàn)狀及研究準(zhǔn)備 1.1 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1.1.1 國外發(fā)展?fàn)顩r 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，產(chǎn)品線齊全，技術(shù)成熟。美國、德國、日本是液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國，具有較高的市場占有率。從20世紀(jì)后期開始，國際上液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)從產(chǎn)品規(guī)格上看，在穩(wěn)定和完善主力機(jī)型的基礎(chǔ)上向大型化、微型化方向發(fā)展；從功能上看，在滿足基本功能的基礎(chǔ)上，向多功能化、專用化方向發(fā)展；從產(chǎn)品性能上看，向高效節(jié)能化、自動(dòng)化、信息化、智能化的方向發(fā)展。 挖掘機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了130多年的歷史了，最起初的挖掘機(jī)都是人為手動(dòng)式，經(jīng)歷了水蒸汽驅(qū)動(dòng)，電能力驅(qū)動(dòng)，和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種方式驅(qū)動(dòng)。而履帶挖掘機(jī)是在20世紀(jì)被發(fā)明出來的。 說到目前最大的挖掘機(jī)，那就是RH400了，而O＆K于1997年推出了第一臺(tái)樣機(jī)（工作重量830噸），最新的RH400由兩臺(tái)Cummins QSK60-C型柴油機(jī)（16缸）提供動(dòng)力，鏟斗的容量有50立方米。然而，大型挖掘機(jī)的活動(dòng)限制也是一個(gè)很大的問題。所以，小型挖掘機(jī)的應(yīng)用在國外也迅速地發(fā)展起來。早在10年前，北美工程機(jī)械市場中大約只有8個(gè)品牌的48種型號(hào)的小型挖掘機(jī)，到了今天，已經(jīng)迅速增長到20多個(gè)品牌超過了100多個(gè)型號(hào)的小型挖掘機(jī)。 1.1.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國從1967年開始自行研制液壓挖掘機(jī)。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機(jī)械廠的WY100、貴陽礦山機(jī)器廠的W4-60、合肥礦山機(jī)器廠的WY60等。到20世紀(jì)70年代末80年代初，長江挖掘機(jī)廠和杭州重型機(jī)械廠分別研制成功了WY160和WY250等液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。從1994年開始，美國的卡特彼勒公司、日本的神戶制鋼所、日本的小松制作所、日本的日立建機(jī)株式會(huì)社、韓國大宇重工、韓國現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾、德國雪孚、德國阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司先后在中國建立了中外合資、外商獨(dú)資挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)具有世界先進(jìn)水平的多種型號(hào)和規(guī)格的液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。近年來我國經(jīng)濟(jì)增長迅速，液壓挖掘機(jī)市場需求不斷擴(kuò)大，形成了巨大的挖掘機(jī)市場空間，但該行業(yè)主要由合資企業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國內(nèi)一些工程機(jī)械行業(yè)的上市股份公司通過合資的方式介入了挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)國內(nèi)還有眾多的企業(yè)也在生產(chǎn)液壓挖掘機(jī)，但在生產(chǎn)規(guī)模、品種、質(zhì)量等方面與國外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展民族挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，必須瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)水平，圍繞國內(nèi)外兩個(gè)市場，在充分利用國際化配套和國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)自主創(chuàng)新意識(shí)，掌握核心設(shè)計(jì)制造技術(shù)，發(fā)揮性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)品競爭力，把我國液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品做大做強(qiáng)。 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展起來，小型的工程機(jī)械市場逐漸的升溫。很多設(shè)施進(jìn)入了保養(yǎng)期，而且城市化的推進(jìn)和農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展起來，都使得小型工程機(jī)械的使用頻率有所提到，小型工程機(jī)械正在向著又好又快發(fā)展。目前國外有20多家公司專門批量生產(chǎn)小型的挖掘機(jī)。而國內(nèi)的生產(chǎn)商主要有三一、山河、玉柴、福田、柳工和山重建機(jī)等企業(yè)。小型挖掘機(jī)是說那些整臺(tái)機(jī)械重量小于或者等于13t的挖掘機(jī)，要是小于6t的就叫做微型挖掘機(jī)。小型挖掘機(jī)具有功能多樣性，又具有輸送、低能耗、靈活、適應(yīng)性高、高作業(yè)效率等方面的優(yōu)勢(shì)，所以小型挖掘機(jī)采用那么廣泛用在狹小的空間。跟著我們國家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷改善，使得小型工程機(jī)械也有了越來越大的應(yīng)用和發(fā)展空間。再加上中國新農(nóng)村建設(shè)的不斷深入，因此小型設(shè)備在農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)用得越來越多了。面對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平不斷地提高，而且尤其是面對(duì)勞動(dòng)力成本的不斷上升，用小型挖掘機(jī)來減輕勞動(dòng)力是一個(gè)很明智的選擇。 中國挖掘機(jī)發(fā)展短短20多年來，現(xiàn)在有了一些知名的品牌，像三一、柳工、玉柴、山河智能、福田，徐挖、雷沃等品牌挖掘機(jī)。他們的產(chǎn)品各具特色，而且受到越來越多用戶的認(rèn)可。根據(jù)2005年挖掘機(jī)械協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)國內(nèi)的13家主要企業(yè)挖掘機(jī)的銷量在2005年比2004年增幅達(dá)到了85%，總量占到了整個(gè)挖掘機(jī)市場將近三分之一，而銷量的話已經(jīng)占據(jù)到全球市場銷量的十分之一。在2007年，協(xié)會(huì)又對(duì)21家挖掘機(jī)主要廠家的銷售進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在兩千零七年挖掘機(jī)銷量達(dá)到六萬多臺(tái)，而內(nèi)資品牌的占有量又有了提升，已經(jīng)提升至五分之一，達(dá)到了13376臺(tái)。 1.2 本課題研究內(nèi)容及意義 通過對(duì)本課題的研究，能在了解小型履帶式挖掘機(jī)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)4噸小型履帶式挖掘機(jī)工況分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)液壓控制系統(tǒng)，并進(jìn)行工作裝置參數(shù)化分析。通過XE40小型履帶式挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)的分析與元器件選型，以及工作裝置鏟斗油缸的設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)分析能力、綜合能力和解決工程實(shí)際問題能力，從而為掌握液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法打下基礎(chǔ)。 液壓挖掘機(jī)是在機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的工作過程是以鏟斗的切削刃切削土壤，鏟斗裝滿后提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置，卸空后的鏟斗再回到挖掘位置并開始下一次的作業(yè)。因此，液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的土方機(jī)械。液壓挖掘機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水利施工、露天采礦及現(xiàn)代軍事工程中都有著廣泛的應(yīng)用，是各種土石方施工中不可缺少的一種重要機(jī)械設(shè)備。 液壓挖掘機(jī)作為土石方施工設(shè)備，其動(dòng)臂、斗桿、鏟斗在工作過程中起著關(guān)鍵性作用，因此對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。在工程設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)是將設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題。通常是借助計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算與邏輯判斷功能，從滿足設(shè)計(jì)方案中，按照預(yù)定的目標(biāo)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗進(jìn)行優(yōu)化，關(guān)鍵是符合實(shí)際且有效的數(shù)學(xué)模型。因此，本文著重研究并建立動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于提高挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)質(zhì)量和確保優(yōu)化設(shè)計(jì)有效性具有十分重要的意義。 2 液壓挖掘機(jī)的工況分析 液壓挖掘機(jī)的主要功能運(yùn)動(dòng)包括以下幾個(gè)動(dòng)作(如圖2. 1所示):動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動(dòng)作。除了輔助動(dòng)作(例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼?，要考慮全功率驅(qū)動(dòng)。 挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程: 1.整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置 2.回轉(zhuǎn)平臺(tái)，使工作裝置處于挖掘位置 3.動(dòng)臂下降，并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置 4.斗桿、鏟斗挖掘作業(yè) 5.動(dòng)臂升起 6.回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置 7.操縱斗桿、鏟斗卸載 圖2-1液壓挖掘機(jī)的工作運(yùn)動(dòng) Fig.2-1 The work movement of the hydraulic excavator 由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特殊要求:①實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，阻力與作業(yè)速度隨時(shí)變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化;②為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼?例如挖掘與動(dòng)臂、提升與回轉(zhuǎn))同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。 液壓挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合主要包括: (1)挖掘:通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘，因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)，配以動(dòng)臂動(dòng)作。 (2)滿斗舉升回轉(zhuǎn):挖掘結(jié)束，動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起，滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸土處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。 (3)卸載:轉(zhuǎn)到卸土點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動(dòng)臂液壓缸的配合，此時(shí)是斗桿和鏟斗的復(fù)合動(dòng)作，間以動(dòng)臂動(dòng)作。 (4)空斗返回:卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。 (5)整機(jī)移動(dòng)工況:將整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置。 (6)姿態(tài)調(diào)整與保持工況:滿足停放、運(yùn)輸、檢修等需要。 (7)其他輔助作業(yè)工況:輔助工作裝置作業(yè)工況。 2.1 挖掘工況分析 1.典型挖掘工況 鏟斗挖掘工況:由鏟斗液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況。采用鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率，因此，在一般土方工程挖掘中(III級(jí)土一下土壤的挖掘)鏟斗挖掘最常用。 斗桿挖掘工況:由斗桿液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況。在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，為了能夠裝滿鏟斗，中小型液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘。 聯(lián)合挖掘工況:由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，必要時(shí)還需配以動(dòng)臂液壓缸的動(dòng)作。主要用于需要軌跡控制的情況。 當(dāng)單獨(dú)采用鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于鏟斗液壓缸的行程。以鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)的挖掘行程較短，為了能夠裝滿鏟斗，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，所以一般挖掘機(jī)的斗尖最大掘力都在采用鏟斗液壓缸挖掘時(shí)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)單獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于斗桿液壓缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。 一般認(rèn)為斗容量小于0. 5m3或在土質(zhì)松軟時(shí)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鳎粗畡t以斗桿挖掘?yàn)橹?。這兩種情況的挖掘阻力不同。 在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)合工作。如在平整土地或切削斜坡時(shí)，需要同時(shí)操縱動(dòng)臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運(yùn)動(dòng)，見圖2. 1所示。此時(shí)斗桿收回，動(dòng)臂抬起，需要保證彼此動(dòng)作獨(dú)立，相互之間無干擾。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進(jìn)行切削時(shí)，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時(shí)，就需要鏟斗、斗桿、動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)作，見圖2. 2所示。這些動(dòng)作決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時(shí)，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗桿機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作。 圖2-1直線挖削 Fig.2-1 Linear dig cut 圖2-2切削壓整 Fig.2-2 Cutting and press the whole 單獨(dú)采用斗桿挖掘時(shí)，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個(gè)別也有采用三泵合流。單獨(dú)采用鏟斗挖掘時(shí)，也有采用雙泵合流的情況。 當(dāng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止同一油泵向多個(gè)液壓作用元件供油時(shí)動(dòng)作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個(gè)油泵單獨(dú)對(duì)一個(gè)液壓作用元件供油較好。對(duì)于雙泵系統(tǒng)，其復(fù)合動(dòng)作時(shí)各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進(jìn)行流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。 挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅(jiān)硬障礙物，往往由于挖不動(dòng)而需要短時(shí)間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時(shí)增壓，能提高主壓力閥的壓力。 2.2 滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況分析 滿斗舉升回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)消耗的時(shí)間、用到的能量以及發(fā)熱量在整個(gè)作業(yè)循環(huán)過程中都占了很大的比例，因此我們要盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)時(shí)間。以此來提升挖掘機(jī)工作效率，節(jié)約能源。 挖掘結(jié)束后，動(dòng)臂油缸工作，將動(dòng)臂頂起頂起，舉升起裝滿的鏟斗，同時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)將轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載位置，此時(shí)是動(dòng)臂與回轉(zhuǎn)馬達(dá)共同工作。抬升的動(dòng)臂與回轉(zhuǎn)馬達(dá)同共同工作時(shí)，二者的速度要協(xié)調(diào)一致，也就是說回轉(zhuǎn)到指定卸載區(qū)域時(shí)，動(dòng)臂與鏟斗自動(dòng)抬升到了合適的卸載高度。因?yàn)樾遁d所需要的回轉(zhuǎn)角度是不一樣的，隨著液壓挖掘機(jī)相對(duì)卸載區(qū)域的改變而變化，所以回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度與動(dòng)臂的提升速度兩者之間的關(guān)系是可以隨著我們的需要而調(diào)整的。 卸載的回轉(zhuǎn)角度越大，那么要求的回轉(zhuǎn)速度就會(huì)更快一些，動(dòng)臂的提升速度也就會(huì)隨之變慢?；剞D(zhuǎn)起動(dòng)的時(shí)候，因?yàn)閼T性比較大，油壓就會(huì)升得非常高，很有可能從溢流閥處發(fā)生溢流，這時(shí)候我們應(yīng)該將溢流出來的油供給動(dòng)臂。當(dāng)回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂提升的同一時(shí)刻，斗桿還需要外放，有的時(shí)候還需要對(duì)鏟斗進(jìn)行一定的調(diào)整。這時(shí)就是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗所進(jìn)行的復(fù)合動(dòng)作。 2.3 卸載工況分析 當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)至卸載區(qū)域的時(shí)候，轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生制動(dòng)，這時(shí)我們用斗桿調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)整卸載半徑與卸載高度，使用鏟斗油缸進(jìn)行卸載。同時(shí)為了調(diào)整卸載的位置，我們還需要?jiǎng)颖圻M(jìn)行配合動(dòng)作。卸載的時(shí)候，主要是斗桿和鏟斗的復(fù)合動(dòng)作，期間配合動(dòng)臂動(dòng)作。 2.4 空斗返回工況分析 當(dāng)卸載工作結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)進(jìn)行反向回轉(zhuǎn)，同一時(shí)刻動(dòng)臂與斗桿相互之間進(jìn)行配合動(dòng)作，把清空的鏟斗移動(dòng)到新的挖掘區(qū)域。這個(gè)工作是由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂和斗桿的復(fù)合動(dòng)作配合完成的。因?yàn)閯?dòng)臂的下降有重力的作用，壓力小、流量大、下降隨度快，所以要求回轉(zhuǎn)的速度也較快，因此這時(shí)的情況應(yīng)該是由一個(gè)油泵的所有流量來支持回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一個(gè)油泵的大多數(shù)油量供給動(dòng)臂，小部分的油通過節(jié)流閥供給斗桿。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速的時(shí)候油泵的供油量較小，為了防止動(dòng)臂因?yàn)橹亓Φ淖饔醚杆俚南陆狄约皠?dòng)臂油缸發(fā)生吸空的現(xiàn)象，可以使用動(dòng)臂下降的再生補(bǔ)油回路，我們可以利用重力將動(dòng)臂油缸的無桿腔的油運(yùn)輸?shù)接袟U腔。這個(gè)特點(diǎn)有些類似于滿載回轉(zhuǎn)，但是滿足它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)來講比較小。 2.5 整機(jī)移動(dòng)工況分析 挖掘機(jī)一般來說并不擅長長距離的行走，因此只能在在工地的小范圍內(nèi)移動(dòng)，作業(yè)的時(shí)候可以用來調(diào)整挖掘機(jī)的作業(yè)位置。 基本要求:挖掘機(jī)的左右履帶均可以進(jìn)行獨(dú)立操縱，可自由調(diào)速，且具有直線行走的功能，行走速度能達(dá)到每小時(shí)二至五千米，可以爬上三十五度左右的上坡路，并且具有制動(dòng)能力。 挖掘機(jī)在行走的過程中有可能需要調(diào)整作業(yè)裝置的液壓元件進(jìn)行調(diào)整，比如鏟斗、斗桿和動(dòng)臂。挖掘機(jī)的系統(tǒng)中有雙泵，其中一個(gè)油泵為左側(cè)的行走馬達(dá)進(jìn)行供油、而另一個(gè)油泵為右側(cè)的行走馬達(dá)進(jìn)行供油，如果此時(shí)某一個(gè)液壓元件突然工作，使得某一個(gè)油泵突然分流進(jìn)行供油，這時(shí)就會(huì)造成挖掘機(jī)的一側(cè)的行走速度突然降低，從而影響到直線行駛的穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行裝車運(yùn)輸工作、從運(yùn)載卡車上行駛下來或者返回卡車上時(shí)，行駛偏斜都有可能造成事故。 因此我們?yōu)榱吮ＷC挖掘機(jī)穩(wěn)定的的直線行駛性，在三個(gè)液壓泵供油的系統(tǒng)中，分別有一個(gè)油泵單獨(dú)為左、右側(cè)的行走馬達(dá)供油，而另一個(gè)油泵則向鏟斗等其它的液壓作用元件供油。而目前雙泵系統(tǒng)則采用下列供油方式:①左、右側(cè)行走馬達(dá)由一個(gè)油泵并聯(lián)供油，另一個(gè)油泵則向其他的液壓作用元件供油，而如果有多余的油液則通過單向閥供向行走馬達(dá);②左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件由雙泵合流并聯(lián)向其同時(shí)進(jìn)行供油。 3 液壓系統(tǒng)及液壓回路的設(shè)計(jì) 3.1 液壓系統(tǒng)概述 我們說的挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)就是幾個(gè)機(jī)構(gòu)用管路連接起來，成為一體之后能行駛我們要的工作能力的系統(tǒng)。而里面的東西包含了像斗桿、液壓主泵、液壓主閥、存油的油箱、一些馬達(dá)用到的部件（像閥之類的）、管路還有幾個(gè)油缸等。它們都是以油液來作為工作介質(zhì)，利用液壓泵將柴油機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)為液壓能來供應(yīng)給那些執(zhí)行元件，像那些馬達(dá)還有油缸。這樣我們就能實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的各種功能了。 3.2 工作原理 我們都知道挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)都是我們大學(xué)學(xué)到的基本回路組成的，還有一些是很關(guān)鍵的輔助回路。比如用溢流閥，調(diào)壓閥還有節(jié)流閥來組成的調(diào)壓回路；還有就是用溢流閥還有換向閥所組成的卸荷回路，將油引到油箱里面；還有像我們說的利用溢流閥，減壓閥還有單向閥來做到起減壓作用的減壓回路；還有就是用單向閥和節(jié)流閥組成平衡回路；我們挖掘機(jī)有時(shí)候要保持一些狀態(tài)，就要用到單向閥來組成的保壓回路和鎖緊回路；速度控制的像調(diào)速。 我們說的液壓系統(tǒng)的工作，事實(shí)上就是將液壓油從油箱底部抽出來然后通過濾油器的過濾，然后吸入到液壓泵中，等再從油泵出來的時(shí)候就有一定壓力了。它將那些液壓油分配到那些閥路里面。然后駕駛員通過控制那些手柄，腳踏―→先導(dǎo)閥―→工作閥進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了我們要的一些動(dòng)作，在這個(gè)系統(tǒng)，為了不讓它的壓力過大，我們會(huì)設(shè)置一些像限壓閥，安全閥之類的，那些安全閥對(duì)系統(tǒng)有保護(hù)和補(bǔ)油的作用。 3.3 基本要求 我們研究的液壓挖掘機(jī)它們的運(yùn)動(dòng)組成相對(duì)其它的液壓系統(tǒng)難好多的，因?yàn)槲覀兊耐诰驒C(jī)需要經(jīng)常開關(guān)、剎車、變換方向，而且有時(shí)候的受力也是在發(fā)生變化的，像挖硬土塊，突然挖穿遇到松的泥巴一樣，這樣它受到的沖擊還有振動(dòng)也會(huì)比較地頻繁，我設(shè)計(jì)的履帶挖掘機(jī)通常都是在野外山地工作的，城市走履帶不好，影響路面而且跑得慢，通過這些考慮我覺得這樣的挖掘機(jī)要滿足下面的幾個(gè)要求： 1)需要保證挖掘機(jī)的動(dòng)臂、鏟斗和斗桿能夠各自單獨(dú)地動(dòng)作，并可以互相配合來實(shí)現(xiàn)復(fù)合的運(yùn)動(dòng)。 2)為了使挖掘機(jī)具備較高的生產(chǎn)效率，必須將挖掘機(jī)那些工作裝置的運(yùn)動(dòng)和挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)給區(qū)分開來。不僅如此，還需要挖掘機(jī)可以進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)，比如一邊挖掘，一邊移動(dòng)其動(dòng)臂，這樣可以明顯的提高其工作效率。 3)由于挖掘機(jī)的工作地點(diǎn)一般都是不平坦的地帶，因此在對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，最好能將其左右兩邊的履帶傳動(dòng)軸給區(qū)分開來，這樣的話就能使其移動(dòng)更加方便、靈活，也能適應(yīng)各種復(fù)雜地形。 4)挖掘機(jī)的動(dòng)臂經(jīng)常會(huì)因?yàn)槠渥陨淼闹亓勘容^大，在挖掘的時(shí)候因?yàn)橹亓Φ脑?，其?huì)迅速的下降，如果是在坡度較陡的情況下還會(huì)有滑坡的危險(xiǎn)，所以為了避免這種情況的出現(xiàn)，挖掘機(jī)上各個(gè)元件都需要有過載保護(hù)的要求，并且履帶行走也要有制動(dòng)限制。 大部分挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)都會(huì)有如下幾點(diǎn)要求限制：： 1)為了提高挖掘機(jī)燃料的使用效率，必須保證挖掘機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)要非常的合理，這樣才可以提高其傳動(dòng)效率。而且因?yàn)榱己玫膫鲃?dòng)設(shè)計(jì)，反過來減少傳動(dòng)浪費(fèi)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。 2)挖掘機(jī)在工作的時(shí)候，會(huì)造成很大的沖擊或者是振動(dòng)，這樣的話就必須要確保液壓系統(tǒng)中的各個(gè)液壓元件都要有很好的抗震效果。 3)由于液壓系統(tǒng)長期處于高功率的工作狀態(tài)，其散發(fā)出來的熱量會(huì)使得油溫升高，當(dāng)然，油溫過高的話就可能會(huì)導(dǎo)致爆炸，根據(jù)規(guī)定，油溫的溫度不能超過80攝氏度。 4)挖掘機(jī)基本上都是在一些塵土比較多的地方工作，這就出現(xiàn)了一個(gè)問題，灰塵長期對(duì)液壓油還有液壓元件進(jìn)行污染，時(shí)間久了，就會(huì)使挖掘機(jī)的性能降低，其使用壽命也會(huì)大大受到影響，因此，者就對(duì)液壓系統(tǒng)有了很高的密封要求。雖然液壓元件想比較與液壓油，其比較不容易受到污染，但也需要設(shè)計(jì)一些一些濾油器和防塵裝置來保護(hù)液壓油免受污染。 5)通過采用液壓和電液操縱裝置，用于挖掘機(jī)進(jìn)行設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)，這樣就可以大大的提高挖掘機(jī)的技術(shù)操作性，也可以降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。 3.4 基本動(dòng)作及系統(tǒng)分析 挖掘機(jī)的一個(gè)作業(yè)循環(huán)包含了下面動(dòng)作： 1，挖掘－通過回轉(zhuǎn)鏟斗來完成破土還有裝土，通過改變斗桿的位置來完成挖土距離和位置的改變。 2，滿斗回轉(zhuǎn)－等鏟斗裝滿土之后，動(dòng)臂提起來，這個(gè)時(shí)候回轉(zhuǎn)馬達(dá)工作，挖掘機(jī)轉(zhuǎn)向。 3，卸土－等挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)馬達(dá)停了之后，用斗桿來決定在哪里卸土，由鏟斗來把土放下。 4，回位－就是等卸完土之后，回到原來的工作地方，準(zhǔn)備進(jìn)行1到4的循環(huán)。 整機(jī)移動(dòng)過程中包括： 直線行駛－由于挖掘機(jī)左右兩邊的履帶式通過兩個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)控制的，這樣的話，要使其沿著直線行走，，只要保證相關(guān)傳動(dòng)軸具備相投的轉(zhuǎn)速就可以達(dá)到目的了。 轉(zhuǎn)彎－同直線行走有相同的原理，只要讓傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速不一致，其自然也就向兩邊偏轉(zhuǎn)了。甚至，當(dāng)一邊履帶不動(dòng)的話，該挖掘機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)圈。 下圖是挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)簡圖，其中包括了原始動(dòng)力源，動(dòng)力源，控制元件，執(zhí)行元件。 圖3-1挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)簡圖 Fig.2-1 The brief of the excavator hydraulic system 3.5 小型液壓挖掘機(jī)的基本回路 液壓系統(tǒng)基本回路是由一個(gè)或者幾個(gè)液壓元件有機(jī)連接而成的、能夠完成特定動(dòng)作的典型液壓回路，它是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的組成單元。液壓系統(tǒng)是由基本回路組成的一個(gè)有機(jī)整體，主要包括限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流調(diào)速回路和節(jié)流限速回路、行走限速回路和鎖緊回路等。 3.5.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng) 回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的工作原理： 正反轉(zhuǎn)：回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)由分功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)中一個(gè)液壓泵供油，由手動(dòng)換向閥7控制旋轉(zhuǎn)方向。如果當(dāng)換向閥右位工作時(shí)，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)，當(dāng)換向閥左位工作時(shí)，液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)。 回轉(zhuǎn)制動(dòng)：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)原理和行走馬達(dá)的制動(dòng)原理相同?；剞D(zhuǎn)過程中，操作手柄回到中位，行走控制閥停止向馬達(dá)供油，但是，由于慣性作用，行走馬達(dá)仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回油腔壓力因此而升高。當(dāng)壓力超過過載補(bǔ)油閥的設(shè)定壓力時(shí)，順序閥被打開，壓力油從回油腔經(jīng)順序閥泄出進(jìn)入液壓馬達(dá)的進(jìn)油腔進(jìn)行補(bǔ)油以防止穴蝕。回油腔的壓力就是克服慣性的阻力，行走因此被制動(dòng)。 3.5.2 液壓缸液壓系統(tǒng) 動(dòng)臂缸、斗桿缸、鏟斗缸液壓回路圖基本相似，如下圖所示。均由液壓泵提供油源，泵出口壓力由溢流閥調(diào)定，各個(gè)液壓缸過載閥由液壓缸進(jìn)出油路上的調(diào)壓閥調(diào)定。 圖3-2液壓缸液壓系統(tǒng) Fig.2-1 The hydraulic systemof the hydraulic cylinder 液壓系統(tǒng)的基本回路其實(shí)是由一個(gè)或多個(gè)液壓元件有機(jī)連接形成的，并且通過這些液壓元件形成一些典型的回路，通過這種回路就可以使得液壓機(jī)械實(shí)現(xiàn)一些特定的功能。在本文所設(shè)計(jì)的小型履帶式挖掘機(jī)自然也包含了這些液壓元件所組成的液壓回路。在下面的說明里面，那些重要的回路我會(huì)講到。 3.5.3 限壓回路 限壓回路是用來限制系統(tǒng)壓力的，使壓力值不超過其一調(diào)定值。限壓的目的有兩個(gè)：一，限制系統(tǒng)的最高壓力，避免液壓系統(tǒng)和液壓元件因過載而損壞，通常用安全閥來實(shí)現(xiàn)限壓，安全閥設(shè)置在液壓泵出油口附近油路上；二，保證系統(tǒng)中某部分的壓力保持定值或不超過特定值，通常用溢流閥來實(shí)現(xiàn)。溢流閥在調(diào)定系統(tǒng)壓力時(shí)，其多余的流量最終通過此閥流回到油箱，因此溢流閥閥口是常開的。 限壓回路不僅能限制系統(tǒng)壓力，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行卸荷，還能保證挖掘機(jī)正常工作。如圖所示來說明限壓回路的工作原理，當(dāng)換向閥l處在中位時(shí)，液壓泵與主回路斷開，處于不工作位置；若換向閥處于左位時(shí)，液壓泵與主回路接通，液壓缸上有負(fù)載W，則液壓缸無桿腔會(huì)受到很大的閉鎖壓力，當(dāng)此壓力很大的話，就有可能損壞管路和液壓元件，因此，液壓缸的進(jìn)出油路處都要安裝溢流閥2和3。當(dāng)閉鎖壓力大于溢流閥的調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥2和3就都打開，液壓油流回油箱，從而實(shí)現(xiàn)卸荷；換向閥處于右位同理。溢流閥的調(diào)定壓力與液壓系統(tǒng)的壓力無關(guān)，通常溢流閥的調(diào)定壓力越大，液壓缸的閉鎖力就越大，對(duì)挖掘機(jī)的作業(yè)就越有利，但過高的壓力則會(huì)損壞管路和元件，所以一般情況下，高壓系統(tǒng)限壓閥的壓力調(diào)定值通常為系統(tǒng)壓力的125%上下，若是中高壓系統(tǒng)的話比125%還要高。 1—換向閥；2、3—溢流閥；4—液壓缸 圖3-3限壓回路 Fig.3-3 Pressure limiting circuit 3.5.4 卸荷回路 卸荷回路是設(shè)計(jì)是為了讓挖掘機(jī)在不工作時(shí)液壓泵能以最低的功率運(yùn)行，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗。液壓挖掘機(jī)卸荷回路通常有換向閥中位卸荷回路(a)和穿越換向閥卸荷回路(b)兩種。 在換向閥中位卸荷回路中，通常采用中位機(jī)能是M型的三位四通換向閥，當(dāng)挖掘機(jī)不工作時(shí)，換向閥處于中位，進(jìn)油口和出油口聯(lián)通，油液經(jīng)過系統(tǒng)能各個(gè)換向閥后流回油箱，實(shí)現(xiàn)卸荷功能。這種回路通常用于高壓的串聯(lián)液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，但受系統(tǒng)沖擊影響大而且操作很不穩(wěn)定。 在穿越換向閥卸荷回路中，換向閥采用的是帶有過油通路三位六通換向閥，當(dāng)挖掘機(jī)不工作時(shí)，換向閥處于中位，液壓油液依次經(jīng)過換向閥通路以最低壓力流回油箱，最終實(shí)現(xiàn)卸荷。這種回路常用于高壓并聯(lián)系統(tǒng)，受液壓換向沖擊小，操作時(shí)比較平穩(wěn)而且工作可靠。 圖3-4卸荷回路 Fig.3-4 Unloading loop 因此，我選擇穿越換向閥卸荷。 3.5.5 緩沖回路 當(dāng)挖掘機(jī)的上轉(zhuǎn)臺(tái)在滿斗情況下回轉(zhuǎn)或者在啟動(dòng)、突然間換向和制動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生很大的液壓沖擊，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，損壞液壓元件。挖掘機(jī)的緩沖回路就是為了解決這個(gè)液壓沖擊問題而設(shè)置在回轉(zhuǎn)回路中的，原理是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)馬達(dá)中的高壓油壓力過大時(shí)和低壓油路連通，而且還能對(duì)馬達(dá)進(jìn)行補(bǔ)油。如下圖所示為幾種比較常見的緩沖回路。 1—高壓油路；2—低壓油路；3、4—緩沖閥；5、6、8、9—單向閥；7—換向閥 圖3-5緩沖回路 Fig.3-5 The buffer circuit 如圖（a）中所示，緩沖閥3和4安裝在回轉(zhuǎn)馬達(dá)的兩個(gè)油路1和2上，正常工作狀態(tài)下緩沖閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)馬達(dá)停轉(zhuǎn)這種情況時(shí)，在高壓油路1上的壓力油油壓會(huì)升高，壓力油則會(huì)打開緩沖閥3流回油箱，實(shí)現(xiàn)卸載和消除液壓沖擊；若馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，不僅緩沖閥3會(huì)卸載和消除液壓沖擊，同時(shí)單向閥6打開從油箱吸油對(duì)馬達(dá)進(jìn)行補(bǔ)油，而且補(bǔ)油量很大。通常緩沖閥的調(diào)定壓力要低于系統(tǒng)工作的最高壓力。 如圖（b）中所示，兩個(gè)緩沖閥是并聯(lián)在高低壓油路1和2之間的，當(dāng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)或者反轉(zhuǎn)時(shí)，高壓油路的高壓油就會(huì)經(jīng)過緩沖閥留到低壓油路，實(shí)現(xiàn)卸荷和消除液壓沖擊，同時(shí)在發(fā)轉(zhuǎn)時(shí)還能通過單向閥進(jìn)行補(bǔ)油，但補(bǔ)油量較少。 如圖（c）中所示，由四個(gè)單向閥5、6和8、9成對(duì)的并聯(lián)在回路里，只有一個(gè)緩沖閥3，當(dāng)馬達(dá)停轉(zhuǎn)時(shí)，高壓油先經(jīng)單向閥5留到緩沖閥3把3打開實(shí)現(xiàn)卸荷和消除液壓沖擊，若馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)還可經(jīng)過單向閥9補(bǔ)油。 因此，我選擇（b）并聯(lián)緩沖閥式緩沖回路。 3.5.6 節(jié)流限速回路 節(jié)流限速回路是在液壓挖掘機(jī)的回油路上安裝單向節(jié)流閥，從而來保證挖掘機(jī)工作裝置安全作業(yè)的，如圖所示。動(dòng)臂缸、斗桿缸和鏟斗缸三個(gè)液壓缸的回油路上都有單向節(jié)流閥，可以防止動(dòng)臂等因自重而下降速度過快而導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生。 圖3-6節(jié)流限速回路 Fig.2-1 Throttling speed loop 3.5.7 行走限速回路 為了防止履帶式液壓挖掘機(jī)下坡時(shí)因自重而加速行走導(dǎo)致溜車和行走馬達(dá)吸空，常在液壓系統(tǒng)中加入行走限速回路，對(duì)行走馬達(dá)進(jìn)行限速和補(bǔ)油，如圖所示 1—換向閥；2、3—壓力閥；4、5、6、7—單向閥； 8、9—安全閥；10—行走馬達(dá) 圖3-7行走限速回路 Fig.2-1 Walking speed loop 當(dāng)換向閥處于左位1時(shí)，行走馬達(dá)10順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若履帶式挖掘機(jī)下坡時(shí)，挖掘機(jī)超速行走馬達(dá)超速旋轉(zhuǎn)，則馬達(dá)左邊油路油壓將下降，從而使壓力閥3的截面開口變小，經(jīng)過壓力閥3的油液流量將減少，從而實(shí)現(xiàn)回油節(jié)流，達(dá)到限制挖掘機(jī)速度的目的；挖掘機(jī)行走馬達(dá)吸空時(shí)，進(jìn)油側(cè)油路上的壓力油不夠，單向閥7將打開，從油箱里吸油進(jìn)行補(bǔ)油。若行走馬達(dá)發(fā)生故障停轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)油側(cè)的油液壓力過高，安全閥9將打開，高壓油經(jīng)過安全閥9流回油箱，實(shí)現(xiàn)卸荷。當(dāng)換向閥處于2位時(shí)，同理。 4 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算 4.1 工作裝置構(gòu)成與分析 在設(shè)計(jì)液壓缸的時(shí)候，要對(duì)其進(jìn)行全面地研究分析，而且需要收集必要的資料并且加以整理當(dāng)作設(shè)計(jì)的依據(jù)。 （1）了解并且掌握液壓缸對(duì)于機(jī)器上的工作要求和用途。做液壓缸設(shè)計(jì)的主要目的是為了滿足挖掘機(jī)的基本功能。像在液壓翻斗自卸汽車中，它的液壓缸的用途是將翻斗（車廂）舉升成為傾斜的狀態(tài)，使得所承載的物料能夠自動(dòng)卸載掉，要求回程的時(shí)候也能夠在翻斗重力條件下完成。像這種液壓缸就可以設(shè)計(jì)成單（活塞）桿單作用液壓缸，而且也可以設(shè)計(jì)成柱塞缸。 （2）要知道液壓缸的工作環(huán)境和工作條件。以為要是液壓缸環(huán)境和工作的一些條件不一樣，液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)也會(huì)隨著發(fā)生變化。像那種在采礦用的液壓缸，在工作條件惡劣的條件下，如粉塵很大，負(fù)載的變化大，就要求我們?cè)O(shè)計(jì)的液壓缸能絕對(duì)安全可靠，更重要的是不許有泄漏。再根據(jù)這樣的工作條件，在設(shè)計(jì)時(shí)就要想到到防塵措施； 1-斗桿油缸；2-動(dòng)臂；3-油管；4-動(dòng)臂油缸；5-鏟斗；6-斗齒；7-側(cè)板；8-連桿； 9-曲柄；10-鏟斗油缸；11-斗桿 圖4-1工作裝置組成圖 Fig.2-1 The work device of figure 圖4-1為小型挖掘機(jī)工作裝置的組成圖和傳動(dòng)示意圖，其中反鏟工作裝置主要由曲柄9、連桿8、鏟斗5、斗桿11、動(dòng)臂2和相應(yīng)的直線液壓缸1、10、4等所組成。轉(zhuǎn)臺(tái)上連接著動(dòng)臂的下鉸鏈和動(dòng)臂油缸的一端，整個(gè)動(dòng)臂裝置會(huì)隨著動(dòng)臂油缸的伸縮繞著動(dòng)臂下鉸鏈不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂的動(dòng)作。斗桿缸的兩端分別連接在動(dòng)臂和斗桿上，通過斗桿缸的伸縮使得斗桿繞著動(dòng)臂上的鉸鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。鏟斗和斗桿是鉸鏈連接的，鏟斗缸的伸縮通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)使鏟斗繞著鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使鏟斗能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘和卸土等動(dòng)作。 在進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)和行走馬達(dá)，通過轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和履帶的行走使工作裝置達(dá)到需要挖掘的位置，同時(shí)對(duì)操作桿進(jìn)行操作使動(dòng)臂油缸的有桿腔進(jìn)油使動(dòng)臂油缸收縮，在動(dòng)臂下降到鏟斗接觸挖掘面時(shí)，就能開始操作斗桿缸和鏟斗缸，斗桿缸和鏟斗缸由無桿腔進(jìn)油，使油缸伸長，鏟斗就能進(jìn)行挖掘和裝置動(dòng)作了。鏟斗裝滿后，先停止斗桿缸和鏟斗缸的動(dòng)作，再操作動(dòng)臂油缸使油缸無桿腔進(jìn)油，動(dòng)臂缸伸長，整個(gè)工作裝置向上移動(dòng)，接著啟動(dòng)行走馬達(dá)和回轉(zhuǎn)馬達(dá)，工作裝置移動(dòng)到卸載的位置，然后操作鏟斗油缸和斗桿油缸使有桿腔進(jìn)油，油缸收縮，鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸載。之后挖掘機(jī)再回轉(zhuǎn)到挖掘位置進(jìn)行循環(huán)挖掘作業(yè)。 而在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于挖掘工況、土質(zhì)情況和液壓系統(tǒng)等這些因素的不同，反鏟挖掘機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)三個(gè)油缸的循環(huán)動(dòng)作是多樣和隨機(jī)的，要根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)來靈活運(yùn)用。上述過程一般只是一種理想化的工作過程。 小型單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看做是由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸以及曲柄連桿機(jī)構(gòu)所組成的具有三個(gè)自由度的六桿機(jī)構(gòu)工作裝置的結(jié)構(gòu)圖4-2，可以進(jìn)一步簡化的工作裝置結(jié)構(gòu)簡化圖如圖4-2所示。 1-動(dòng)臂油缸；2-動(dòng)臂；3-斗桿油缸；4-斗桿；5-鏟斗油缸；6-曲柄；7-連桿；8-鏟斗 圖4-2工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.2-1 Working device structure diagram 小型液壓挖掘機(jī)經(jīng)下面的結(jié)構(gòu)簡化以后就是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，其自由度為3，也即挖掘機(jī)工作裝置的工作位置是由動(dòng)臂油缸的長度L1、斗桿油缸的長度L2和鏟斗油缸的長度L3決定的，當(dāng)L1、L2、L3這三個(gè)數(shù)值為某一確定的值時(shí)，挖掘機(jī)工作裝置的幾何位置也就確定了。 4.2 液壓缸參數(shù)化設(shè)計(jì) 表4-1 XE40參數(shù) Tab.2-6The parameter of XE40 項(xiàng)目名稱 單位 數(shù)值 型號(hào) 操作重量 kg 4050 鏟斗容量 0.14 發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) / 4TNV88 直噴 / √ 沖程 / √ 水冷 / √ 渦輪增壓 / 缸數(shù) / 4 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率 Kw/rpm 27.6/2200 最大扭矩/轉(zhuǎn)速 Nm 142/1320 排量 L 2.19 主要性能 行走速度 km/h 4.2/2.6 回轉(zhuǎn)速度 r/min 13.5 爬坡能力 30 接地比壓 kPa 36.3 鏟斗挖掘力 kN 23.2 斗桿挖掘力 kN 19.3 最大牽引力 kN 33.9 主泵額定流量 L/min 1110+11 主安全閥壓力 MPa 21 行走系統(tǒng)壓力 MPa 21 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力 MPa 21 先導(dǎo)系統(tǒng)壓力 MPa 3.9 油類容量 燃油箱容積 L 65 液壓油箱容積 L 70 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油容量 L 7.4 外形尺寸 A總長 mm 5455 B總寬 mm 1650 C總高 mm 2440 D轉(zhuǎn)臺(tái)寬度 mm 1500 E底盤總寬 mm 1635 F履帶寬度 mm 300 G輪距 mm 1721 H軌距 mm 1335 I配重離地間隙 mm 578 J最低離地間隙 mm 350 推土鏟（寬/高） mm 1650300 工作范圍 A最大挖掘高度 mm 5317 B最大卸載高度 mm 3700 C最大挖掘深度 mm 3600 D最大垂直挖掘深度 mm 2580 E最大挖掘半徑 mm 5810 F最小回轉(zhuǎn)半徑 mm 2385 推土鏟最大提升高度 mm 255 推土鏟最大掘地深度 mm 375 標(biāo)配 動(dòng)臂長度 mm 2795 斗桿長度 mm 1600 斗容 m 0.14 4.2.1 液壓缸速度計(jì)算及流量選擇 液壓缸速度的選擇要適當(dāng)。如果速度過高的話就會(huì)讓里面的密封件的過熱從而發(fā)生磨損現(xiàn)象，這樣的話就可能讓活塞桿、導(dǎo)向套還有缸筒發(fā)生磨損。要是速度太低了，就容易發(fā)生爬行等不穩(wěn)定的現(xiàn)象。如果采用橡膠的密封件進(jìn)行密封時(shí)，液壓缸的最高速度最好不要超過（24-30）m/min 即（0.4-0.5）m/s，同時(shí)也不要低于6m/min(0.1m/s);根據(jù)同類挖掘機(jī)液壓缸的速度來取值是一個(gè)比較穩(wěn)妥的方法?，F(xiàn)取液壓缸速度V=0.2m/s 1 液壓缸參數(shù)的確定要做以下工作： 1） 要初步選擇液壓缸的工作壓力MPa 2） 根據(jù)公式計(jì)算出液壓缸的內(nèi)徑D和活塞桿的外徑d 3） 對(duì)活塞桿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度進(jìn)行校核 4） 對(duì)液壓缸的油口直徑進(jìn)行計(jì)算 5） 液壓缸的工作行程選擇 6） 液壓缸的安裝距選擇 7） 最小導(dǎo)向長度的選擇 8） 缸體總長度的確定 9） 液壓缸強(qiáng)度的計(jì)算 10）液壓缸穩(wěn)定性的校核 4.2.2 液壓缸工作壓力的確定 在液壓缸的工作中，它的壓力大小主要是看液壓設(shè)備的類型來選擇的，要是它們的用途不同，因?yàn)楣ぷ鳁l件的不同，采用的壓力范圍也是不同的。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以用類比法進(jìn)行確定，初步選擇液壓缸工作壓力為=16MPa。 （確保液壓缸的輸出力。包括推拉力，行程和往返運(yùn)動(dòng)速度都必須滿足要求。液壓缸的額定的工作壓力要根據(jù)我們選的液壓泵的額定壓力的70%來計(jì)算。一般挖掘機(jī)液壓泵的額定工作壓力為34-35MPa，峰值能達(dá)到40MPa。） 4.2.3 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 （4-1） （4-2） 式中 －液壓缸的工作壓力 －液壓缸回油腔的背壓力，根據(jù)表4-2進(jìn)行估計(jì)=1MPa； －活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑的比，根據(jù)表4-3進(jìn)行選取=0.7； －工作循環(huán)中的最大外負(fù)載力 表4-2 執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值 Tab.4-2Estimates of actuators back pressure 系 統(tǒng) 類 型 背 壓 (MPa) 中、低壓系統(tǒng)0～8MPa 簡單和輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2～0.5 回油路上帶有調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng) 0.5～0.8 回油路上帶背壓閥 0.5～1.5 帶補(bǔ)油液壓泵的閉式回路中 0.8～1.5 中高壓系統(tǒng)〉8～16MPa 帶補(bǔ)油液壓泵的閉式回路中 比中低壓系統(tǒng)高50%～100% 高壓系統(tǒng)〉16～32MPa 如鍛壓機(jī)械等 初算時(shí)背壓可忽略不計(jì) 表4-3 d/D的值 Tab.4-3The numerical of the d/D 根據(jù)機(jī)床類型選取 d/D 根據(jù)液壓缸工作壓力選取 d/D 機(jī)床類別 d/D 工作壓力p/MPa d/D 珩磨床、磨床及研磨床 0.2～0.3 ≤2 0