挖掘機液壓系統(tǒng)設計

邵陽學院畢業(yè)設計（論文）1目 錄1 前言11.1 挖掘機間介11.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)21.3 本設計的研究內容52 液壓挖掘機結構與工作原理72.1 液壓挖掘機整機性能72.2 液壓挖掘機結構82.3 液壓挖掘機傳動原理103 液壓挖掘機工況分析及液壓系統(tǒng)設計方案的確定123.1 液壓挖掘機的工況123.2 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求173.3 挖掘機液壓系統(tǒng)的分析193.4 液壓系統(tǒng)方案擬訂204 液壓系統(tǒng)的設計214.1 液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定214.2 執(zhí)行元件液壓缸及系統(tǒng)壓力的初選224.3 計算工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸234.4 液壓系統(tǒng)原理圖的制定265 液壓元件的選擇與專用件的設計315.1 液壓泵的選擇和泵的參數(shù)的計算315.2 柴油發(fā)動機的選擇335.3 液壓閥的選擇335.4 其他液壓元件的選擇365.5 油箱容量的確定386 壓系統(tǒng)性能驗算406.1 液壓系統(tǒng)壓力損失406.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計算41總 結46參考文獻47致 謝49邵陽學院畢業(yè)設計（論文）2內容提要挖掘機作為我國工程機械的主力機種，被廣泛應用于各種各樣的施工作業(yè)中。挖掘機產品的核心技術就是液壓系統(tǒng)設計，由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作復雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析設計對推動我國挖掘機發(fā)展具有十分重要的意義。在搜集了國內外挖掘機液壓系統(tǒng)相關資料的基礎上，了解了挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史，并對挖掘機液壓系統(tǒng)的技術發(fā)展動態(tài)進行了分析總結。論文對挖掘機的各種工況進行了分析，系統(tǒng)總結了挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求。根據(jù)挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求，論文中采用通用多路閥，配以專用控制閥和簡單的電子控制系統(tǒng)，設計了一套適合我國生產制造的LS恒功率控制單斗挖掘機液壓系統(tǒng)。本次畢業(yè)設計課題是 WY200 型液壓挖掘機。課題以企業(yè)為依托。小型挖掘機由多個系統(tǒng)組成，包括液壓系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，操縱系統(tǒng)，工作裝置，底架，轉臺，油箱，發(fā)動機安裝等。本人的設計主要致力于分析和設計小型液壓挖掘機工作裝置的液壓系統(tǒng)。本課題選擇了國內的質量和技術性能都接近設計要求的 1620t 挖掘機作為基型，并在此基礎上研究了國外的先進機型，設計出我們挖掘機的液壓系統(tǒng)方按圖，總體裝配圖以及相應的部件圖和零件圖。圖紙基本采用 Auto CAD 二維軟件繪圖。本液壓挖掘機的優(yōu)點是采用伺服先導操縱系統(tǒng)，造型美觀，具備挖掘，抓物，鉆孔，推土，清溝和破碎等功能。平臺可 360旋轉，性能可靠，操作舒適，可廣泛應用于建筑，市政，供水，供氣，供電農林建設等工程。Summary邵陽學院畢業(yè)設計（論文）3The excavator is a main consrtuctional machine，which is now widely used in various construction sites.The core technique of excavator is hydrau1ic technique. Becauseofthe bad working condition and conmplicated working movements of the excavatot，it has high requitements for its hydraulic system.Since the excavators hydraulic system is the most complicated one in all constructional machines ,the analysis and research of its hydrau1ic system make very important sens.On the basis of comprehensive co11ection of re1ated information about the excavators hydraulic system at home and abroad，the main working conditions of the excavator are studied and the design requitments of its hydraulic system are systematically summarized. According to the design pressure compensated hydraulic system is creatively designed using general multiple until value equipped with special contol valve and electronic contor systems,which has useful reference value for the future research and development of the excavators hydraulic system in our country.The name of this graduated task is “WY200 medium type hydraulic excavator”.This task is requested by company. My task is to analyze and design the hydraulic system of the medium type hydraulic excavator. This task choose the domestic excavator whose quality and character is most similar to our request as the basic type, further study the overseas advanced type. Then I designed projects of hydraulic system of our excavator,collectivity assemblage drawing and interrelated parts drawing, accessory drawing. All the blueprints drawn by the soft of AutoCAD. The strongpoint of this hydraulic excavator is used servo forerunner control system. It has beautiful sculpt. Beijing provided with the fuction of excavating, grappling, drilling, pushing, cleaning channel and crashing etc. 360swwing plat roof,good quality, controlling comfortable, be widely used in construction,supply and city planning. 前言液壓挖掘機是一種多功能機械，目前被廣泛應用于水利工程，交通運輸，電力邵陽學院畢業(yè)設計（論文）4工程和礦山采掘等機械施工中，它在減輕繁重的體力勞動，保證工程質量。加快建設速度以及提高勞動生產率方面起著十分重要的作用。由于液壓挖掘機具有多品種，多功能，高質量及高效率等特點，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。液壓挖掘機的生產制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。挖掘機液壓傳動緊密地聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎。由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作很復雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析設計已經成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán) 1。1.1 挖掘機簡介挖掘機行業(yè)的發(fā)展歷史久遠，可以追溯到1840年。當時美國西部開發(fā)，進行鐵路建設，產生了模仿人體構造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機械手的挖掘機，它采用蒸汽機作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間挖掘機沒有得到很大的發(fā)展，應用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。導致挖掘機發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動作復雜，運動范圍大，需要采用多自由度機構，古老的機械傳動對它不太適合。而且當時的工程建設主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機的應用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機的發(fā)展。由于液壓技術的應用，二十世紀四十年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機。隨著液壓傳動技術迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術，挖掘機有了適合它的傳動裝置，為挖掘機的發(fā)展建立了強有力的技術支撐，是挖掘機技術上的一個飛躍 。同時，工程建設和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進行城市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉，實現(xiàn)多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機得到了廣泛應用 2。1950年在意大利北部生產了第一臺液壓挖掘機。第一臺液壓挖掘機采用定量齒輪泵，中位開式多路閥，工作壓力為9Mpa，所有執(zhí)行元件互相并聯(lián)連結。由單泵向6個執(zhí)行元件供油。由于早期液壓挖掘機主要采用了定量齒輪泵，不能按需改變供油流量，無法充分利用發(fā)動機的功率，因此其能量損失很大，不能滿足挖掘機復合動作的復雜要求，且可操縱性差。另外，早期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術，缺少適用于挖掘機各種工況的液壓元件，配套件也不齊全，制造質量不夠穩(wěn)定。從二十世紀六十年代到八十年代中期，液壓挖掘機進入了推廣和蓬勃發(fā)展邵陽學院畢業(yè)設計（論文）5的階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機產量己經達到挖掘機總產量的83%，其時對挖掘機液壓系統(tǒng)的研究也已經十分成熟，液壓挖掘機已經具有了同步控制系統(tǒng)和負載敏感系統(tǒng)L。自第一臺手動挖掘機誕生以來的160多年當中，挖掘機一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術已經發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，對其控制方式不斷改進和革新，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了堅實的基礎，創(chuàng)造了良好的前提 3。據(jù)有關專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有65%至70% 的土石方工程都是由挖掘機完成的。挖掘機是一種萬能型工程機械，目前已經無可爭議地成為工程機械的第一主力機種，在世界工程機械市場上己占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴大。挖掘機的發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎，其液壓系統(tǒng)已成為工程機械液壓系統(tǒng)的主流形式。隨著科學技術的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產的需要，液壓挖掘機需要大幅度的技術進步，技術創(chuàng)新是液壓挖掘機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術方面，挖掘機產品的核心技術就是液壓系統(tǒng)設計，所以對其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)1.2.1 國外研究狀況及發(fā)展動態(tài)從20世紀60年代液壓傳動技術開始應用在挖掘機上至今，挖掘機液壓系統(tǒng)己經發(fā)展到了相當成熟的階段。目前國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢；流量通常在每分鐘數(shù)百升；功率在數(shù)百千瓦以上。如德國Orensttein(2)系統(tǒng)的節(jié)能技術成為研究的重點; (3)系統(tǒng)的高壓化和高可靠性發(fā)展趨勢日益凸顯; (4)系統(tǒng)的操縱特性上升到很重要的地位;(5)液壓系統(tǒng)與電子控制的結合成為潮流 4。(1) 開式向閉式液壓系統(tǒng)的轉變采用三位六通閥，其特點是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯(lián)供油路。由于這種油路調速方式是進油節(jié)流調速和旁路節(jié)流調速同時起作用，其調速特性受負載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統(tǒng)的操縱性能、調速性能和微調性能差。另外，當液壓作用元件一起復合動作時，相互干擾大，使得復合動作操縱非常困難。由于挖掘機作業(yè)工程中要求對液壓元件能很好地控制其運動速度和進行微調，而且在其工作的許多工況下要求多個執(zhí)行元件完成復合動作，而長期以來使用的開式液壓系統(tǒng)無法滿足挖掘機的調速和復合動作的要求。近年來在國外的挖掘機液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負載敏感系統(tǒng)(CLSS) 。它可以采用一個油泵同時向所有液壓作用元件供油，每一個液壓作用元件的運動速度只與操縱閥的閥桿行程有關，與負載壓力無關，泵的流量按需提供，而且多個液壓作用元件同時動作時相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統(tǒng)的主要特點。這種系統(tǒng)非常符合挖掘機操作的要求，它操縱簡單，對司機的操縱技巧要求低，在國際上己經獲得較廣泛的使用，是挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。目前日本小松公司已經把大量挖掘機液壓系統(tǒng)從開式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)了。(2) 節(jié)能技術的應用目前液壓挖掘機上典型的節(jié)能技術基本上有兩種。即負載敏感技術和負流量控制技術，目前液壓挖掘機都選用其中一種控制技術來實現(xiàn)節(jié)能要求。負載敏感技術是一種利用泵的出口壓力與負載壓力差值的變化而使系統(tǒng)流量隨之相應變化的技術。德國曼內斯曼(Mannesmann)公司研制的一種負載傳感系統(tǒng)，將其安裝在液壓系統(tǒng)中，可以控制一個或幾個液壓作用元件，而與對其施加的載荷無關。該系統(tǒng)不僅易邵陽學院畢業(yè)設計（論文）7于操縱，而且微動控制特性很好。其最大的特點就是可以根據(jù)負載大小和調速要求對油泵進行控制，從而實現(xiàn)在按需供流的同時，使調速節(jié)流損失P控制在很小的固定值，從而達到節(jié)能的目的lzs.e57 負流量控制技術是通過位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對主泵的排量進行調節(jié)的技術。日前以韓國現(xiàn)代(HYUNDAI)、日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國外著名品牌的挖掘機生產商都在自己的挖掘機液壓系統(tǒng)中使用了負流量控制技術。這種控制技術具有穩(wěn)定性好、響應快、可靠性和維修性好等特點，但在起始點為重負荷下作業(yè)時，因流量與負載有關，所以可控制性較差 5。(3) 提高負載能力和可靠性為了提高挖掘機的負載能力，直接的方法是提高其液壓系統(tǒng)工作壓力、流量和功率。目前，國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢;流量通常在每分鐘數(shù)百升;功率在數(shù)百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的型全液壓挖掘機，鏟斗容量達42立方米液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達100200L/min，原動機為2臺QSK60 柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓挖掘機經常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響。系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)，使液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。(4) 重視操縱特性挖掘機液壓系統(tǒng)的操縱特性越來越受到重視。日前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制，無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。各種高新技術的應用，使得挖掘機液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。(5) 電子一液壓集成控制成為當前主要研究目標電子控制技術與液壓控制技術相結合的電子一液壓集成控制技術近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計算機和檢測儀表的應用，使液壓技術和電子控制有機邵陽學院畢業(yè)設計（論文）8結合，開發(fā)和研制出了許多新型電液自動控制系統(tǒng)，提高了挖掘機的自動化程度，推動著挖掘機的迅猛發(fā)展。目前國外先進品牌的挖掘機在電液聯(lián)合控制方面的研究己趨成熟。美國林肯一貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費。日本住友公司生產的FJ系列五中新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機輔助的功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命。1.2.2 國內研究情況及發(fā)展動態(tài)從國內情況來看，我國挖掘機行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。國內大部分挖掘機企業(yè)在挖掘機液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)技術方面的研究具有一定基礎，但由于采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機產品在性能、質量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差，因此采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機在國內市場上基本失去了競爭力，取而代之的是采用各種高新技術的國外挖掘機產品。先進的挖掘機液壓系統(tǒng)都被國際上一流的生產企業(yè)壟斷，國內企業(yè)在該領域的研究幾乎是空白，這樣國內的挖掘機生產廠家就無法獨立制造出性能優(yōu)異的挖掘機，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的挖掘機所占據(jù)。以20t級的中型液壓挖掘機為例，國產20t 級挖掘機大多數(shù)是歐洲80年代初的技術，同90年代初以來在國內形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國大宇、現(xiàn)代等機型相比，其主要差距柴油機功率偏低，液壓系統(tǒng)流量偏小，液壓系統(tǒng)特性差，導致平臺回轉速度低，行走速度低，各種性能參數(shù)均偏小，整機性能和作業(yè)效率較國外偏低 6。1.3 本設計的研究內容挖掘機液壓系統(tǒng)方面的技術多種多樣，本文主要通過國外幾種知名品牌的挖掘機液壓系統(tǒng)為參考對象，對其現(xiàn)有的關鍵技術和控制方式進行比較和研究，為挖掘機的液壓系統(tǒng)設計提供一定的參考信息。(1) 挖掘機液壓系統(tǒng)技術發(fā)展動態(tài)的分析研究大量搜集國內外挖掘機液壓系統(tǒng)方面的相關技術資料，系統(tǒng)了解挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史。分析總結挖