關(guān)于挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計課件

畢業(yè)設(shè)計題目液壓挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院06機制專業(yè)合肥230036）

目錄1.緒論..................................................................................12.挖掘機液壓系統(tǒng)的工況分析和設(shè)計要求..............................23.液壓傳動系統(tǒng)液壓元件的設(shè)計............................................94.液壓系統(tǒng)回路設(shè)計.............................................................165.液壓元件的選擇.................................................................176.系統(tǒng)的組成、運行及安裝要求............................................187.挖掘機的主要性能參數(shù)和使用注意事項...............................218.結(jié)論.................................................................................229.致謝.................................................................................2210.參考文獻(xiàn).........................................................................221.緒論

挖掘機是70%的土石方開挖的主要機械設(shè)備：在各種類型與功能的挖掘機中，單斗挖掘機不僅作土石方的挖掘工作，而且通過工作裝置的更換，還可以用做起重、裝載、抓取、打樁、鉆孔等多種作業(yè)，它在各種工程施工中已成為首要機械化施工設(shè)備考慮之一。因此,對液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)設(shè)計具有很重要的意義。液壓傳動與機械傳動相比,具有調(diào)速范圍大、可實現(xiàn)無級調(diào)速、能得到穩(wěn)定的低轉(zhuǎn)速、快速作用時液壓元件的運動慣量小,可作高速反轉(zhuǎn)、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、能吸收振動和沖擊、操作省力、易實現(xiàn)自動化控制等特點,因而液壓傳動單斗挖掘機已得到廣泛應(yīng)用。

按液流循環(huán)方式的不同，液壓傳動系統(tǒng)可分開式和閉式兩種。在開式系統(tǒng)中，油泵從油箱吸油，輸入液動機后再排回油箱。其結(jié)構(gòu)簡單、散熱良好、油液能在油箱內(nèi)澄清，因而應(yīng)用較普遍。閉式系統(tǒng)中，油泵進(jìn)油管直接與液動機的排油相通，形成一個閉合循環(huán)，為了補償系統(tǒng)的泄漏損失，因而常要附設(shè)一只小型輔助補償油泵和油箱，閉式系統(tǒng)機構(gòu)較復(fù)雜，散熱條件較差，要求有較高的過濾精度，因此應(yīng)用較少，考慮到液壓挖掘機進(jìn)行土石方開挖環(huán)境惡劣，易污染等特點并從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本設(shè)計采用開式系統(tǒng)。2.挖掘機工況分析和設(shè)計要求2.1液壓挖掘機的工況分析........................................22.1.1挖掘工況分析..................................................32.1.2滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況分析................................52.1.3卸載工況分析...................................................62.1.4空斗返回工況分析.........................................62.1.5行走時復(fù)合動作..............................................72.2挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求................................72.2.1動力性要求......................................................82.2.2操縱性要求.....................................................82.2.3節(jié)能性要求......................................................82.2.4安全性要求.......................................................92.2.5其它性能要求..................................................92.1液壓挖掘機的工況分析2.1.1挖掘工況分析

挖掘過程中主要以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別單獨進(jìn)行挖掘，或者兩者復(fù)合動作，必要時配以動臂液壓缸的動作。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，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時，就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復(fù)合動作，見圖2.1.2滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況分析

挖掘結(jié)束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動作。動臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機相對自卸車的位置而變，因此動臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度的相對關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動臂的提升速度慢些。

在雙泵系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)起動時，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時應(yīng)該將溢流的油供給動臂，如圖2.6a所示。在回轉(zhuǎn)和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進(jìn)行調(diào)整。這時是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動作。

由于滿斗提升時動臂油缸壓力高，導(dǎo)致變量泵流量減小，為了使動臂提升和回轉(zhuǎn)、斗桿外放相互配合動作，由一個油泵專門向動臂油缸供油，另一個油泵除了向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油外，還有部分油供給動臂，如圖2.6b所示。但是由于動臂提升時油壓較高，單向閥大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)，因此左側(cè)油泵只向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油。回轉(zhuǎn)舉升供油情況

2.1.3卸載工況分析

回轉(zhuǎn)至卸載位置時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動作，間以動臂動作。2.1.4空斗返回工況分析

當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動臂和斗桿復(fù)合動作。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿，如圖空斗返回供油情況

2.1.5行走時復(fù)合動作

在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件(如回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗)進(jìn)行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達(dá)供油、另一個油泵為右行走馬達(dá)供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側(cè)行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當(dāng)挖掘機進(jìn)行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故。為了保證挖掘機的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達(dá)分別由一個油泵單獨供油，另一個油泵向其它液壓作用元件(如動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn))供油，如圖

對于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式:①一個油泵并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)供油，另一個油泵向其他液壓作用元件供油，其多余的油液通過單向閥向行走馬達(dá)供油，如圖雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件同時供油，如圖行走復(fù)合動作時的幾種供油情況

2.2挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求2.2.1動力性要求

動力性要求，就是在保證發(fā)動機不過載的前提下，盡量充分地利用發(fā)動機的功率，提高挖掘機的生產(chǎn)效率。尤其是當(dāng)負(fù)載變化時，要求液壓系統(tǒng)與發(fā)動機的良好匹配，盡量提高發(fā)動機的輸出功率2.2.2操縱性要求

①調(diào)速性要求②復(fù)合操縱性要求2.2.3．節(jié)能性要求

挖掘機工作時間長，能量消耗大，要求液壓系統(tǒng)的效率高，就要降低各個執(zhí)行元件和管路的能耗，因此在挖掘機液壓系統(tǒng)中要充分考慮各種節(jié)能措施。2.2.4．安全性要求挖掘機的工作條件惡劣，載荷變化和沖擊振動大，對于其液壓系統(tǒng)要求有良好的過載保護(hù)措施，防止油泵過載和因外負(fù)載沖擊對各個液壓作用元件的損傷。2.2.5．其它性能要求實現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化和通用化，降低挖掘機的制造成本:液壓挖掘機作業(yè)條件惡劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性;3.液壓傳動系統(tǒng)液壓元件的設(shè)計3.1液壓挖掘機工作裝置油缸作用力的確定

3.1.1鏟斗油缸工作受力分析

反鏟裝置在作業(yè)過程中，當(dāng)以轉(zhuǎn)斗挖掘為主時，其最大挖掘力為鏟斗油缸設(shè)計的依據(jù)。反鏟最重要的工作位置---最大挖掘深度時能保證具有最大挖掘力來分析確定鏟斗油缸的工作力。此時計算位置為動臂下放到最低位置，鏟斗油缸作用力與斗桿鉸點有最大力臂。鏟斗油缸工作受力分析簡圖3.1.2斗桿油缸作用力分析

挖掘機以鏟斗挖掘時，其最大挖掘力則由斗桿油缸來保證。斗桿油缸最大作用力計算位置為動筆下方到最低位置，斗桿油缸作用力對斗桿與動臂鉸點有最大力臂，即對斗桿產(chǎn)生最大作用力矩，并使斗齒尖和鉸點B,C在一條直線上，如圖

3.1.3動臂油缸作用力分析

動臂油缸作用力，即最大提升力，以能提升鏟斗內(nèi)裝滿土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進(jìn)行卸載來確定，其計算簡圖如圖同樣根據(jù)受力平衡可求出斗桿油缸閉鎖力和鏟斗油缸閉鎖力。因為動臂油缸只承受大臂、斗桿、鏟斗及各液壓缸的自重，而不進(jìn)行挖掘動作，但是要承受很大的彎曲力矩，要考慮液壓缸的抗彎能力，所以如果計算出動臂油缸所需過載壓力太大，只要采取增加動臂缸徑和活塞桿徑的措施即可解決。

3.2初選系統(tǒng)壓力

系統(tǒng)工作壓力是液壓傳動系統(tǒng)的基本參數(shù)之一，也是選擇和設(shè)計液壓元件的基本依據(jù)之一，對液壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性等工作特性具有很大的影響。系統(tǒng)工作壓力由設(shè)備類型載荷大小結(jié)構(gòu)要求和技術(shù)水平而定，系統(tǒng)工作壓力高省材料，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕是液壓的發(fā)展方向。但是要注意泄漏，噪聲控制和可靠性問題的妥善處理。由《機械設(shè)計手冊》表17-2-11取系統(tǒng)工作壓力P=28MPa3.3計算執(zhí)行元件的尺寸、容量3.3.1液壓缸內(nèi)徑

由《機械設(shè)計手冊》表17-6-8知由可知條件：鏟斗挖掘力F鏟斗=138kN

斗桿挖掘力F斗桿=100kN

可得：鏟斗液壓缸內(nèi)徑D鏟斗=79.4mm

參考表17-6-9，液壓缸系列尺寸取D鏟斗=80mm

同樣對斗桿液壓缸內(nèi)徑D斗桿=67.5mm

參考表17-6-9，液壓缸系列尺寸取D斗桿=80mm3.3.2缸筒壁厚

中、高壓液壓缸一般用無縫鋼管做缸筒，大多屬薄壁筒，即/D0.08,由《機械設(shè)計手冊》表17-6-8

由《機械設(shè)計手冊》表17-6-7

材料選2G230-450，σb≥450Mpa∴由上面結(jié)果可以求得鏟斗液壓缸缸筒壁厚δ鏟斗=14mm

斗桿液壓缸缸筒壁厚δ斗桿=14mm

查《機械設(shè)計手冊》表17-6-9

鏟斗液壓缸外徑D1鏟斗=100mm

斗桿液壓缸外徑D1斗桿=100mm3.3.3缸筒壁厚驗算

額定工作壓力Pn應(yīng)低于一定極限值以保證工作安全。材料選2G230-450σs=230N/mm2

由上面算出的結(jié)果代入，得Pn=28.98Mpa∵選定系統(tǒng)工作壓力為28Mpa∴能滿足要求。3.3.4活塞桿直徑計算

活塞桿是液壓缸傳遞力的重要零件，它承受拉力、壓力、彎曲力和振動沖擊等多種作用力，必須有足夠的強度和剛度。對于雙作用單邊活塞桿液壓缸，其活塞桿直徑d可根據(jù)往復(fù)運動速比ψ即面積比）來確定因此查《機械設(shè)計手冊》表17-6-16得鏟斗液壓缸活塞桿直徑d鏟斗=56.57mm取56mm，斗桿液壓缸活塞桿直徑d斗桿=56.57mm取56mm，3.3.5活塞桿的強度計算

活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向推力或拉力，可以近似地用直桿承受拉壓載荷的簡單強度計算公式進(jìn)行計算：

鏟斗挖掘力F鏟斗=138kN

斗桿挖掘力F斗桿=100kN

鏟斗液壓缸活塞桿直徑d鏟斗=56mm；斗桿液壓缸活塞桿直徑d斗桿=56mm；求得σ鏟斗=40.6≤[σ]；

σ斗桿=40.6≤[σ]；∴活塞桿的強度滿足要求。3.3.6活塞桿最大許用行程確定

由《機械設(shè)計手冊》表17-6-4S=（L-L1-L2）/2

其中：d--活塞桿直徑，mmD--缸筒內(nèi)徑，mmP—系統(tǒng)工作壓力，Mpa

由上面求得的結(jié)果代入，得

L鏟斗=1425.32mm，L斗桿=1425.32mm

由《機械設(shè)計手冊》表17-6-2，查得

L1=L2=100mm∴S鏟斗=612.66mmS斗桿=612.66mm3.4選擇液壓泵和確定發(fā)動機功率

由于系統(tǒng)壓力是28Mpa，所以所選液壓泵的額定壓力應(yīng)比系統(tǒng)工作壓力大25﹪以上，使液壓泵有一定的壓力儲備。由經(jīng)驗初步選取的液壓泵為斜盤式軸向柱塞泵250PCY14-1B。由《機械設(shè)計手冊》表17-5-5Q=q0*n*ηv*0.001（3-15）查《機械設(shè)計手冊》表17-5-4Q=250*1000*0.83*0.001=207L/min

液壓泵的額定壓力35Mpa

額定轉(zhuǎn)速1000r/min

計算液壓泵的輸入功率

P=PbQ/ηb（3-16）其中：P—液壓泵的實際輸入功率，kNPb--液壓泵出口壓力，MpaQ—液壓泵的流量，L/sΗb—液壓泵的總效率，柱塞泵取0.85—0.90∴P=28*3.45/0.88=109.77kN

發(fā)動機功率

Pf=1.3P（3-17）∴Pf=1.3*109.77=142.7kN4.液壓系統(tǒng)回路設(shè)計4.1液壓缸控制回路

執(zhí)行元件的工作壓力由負(fù)載確定。在運行過程中必須保證回路通暢要設(shè)置必要的安全設(shè)施。普通標(biāo)準(zhǔn)型油缸在行程的兩端設(shè)有緩沖裝置，使油缸在行程兩端能平滑停止，然而當(dāng)活塞在行程中途停止或反轉(zhuǎn)時，由于運動部件的動能會引起激烈的沖擊，為此在油缸的端部設(shè)置小型溢流閥以消除沖擊，此閥的調(diào)定壓力須超過最大工作壓力的5-10%。另外為了減小回路的沖擊，各閥件、泵及油缸之間的管路應(yīng)盡量縮短和減少不必要的管路彎曲。經(jīng)驗認(rèn)為，因為管路復(fù)雜而產(chǎn)生噪音時，在振動的地方接入軟管，是非常簡易有效的處理方法.4.2液壓馬達(dá)控制回路

閥門組包括雙向液控閥兩只溢流閥和兩只單向閥，它具有限制，鎖閉，制動，補油的功能。當(dāng)主換向閥處于中位時，液控閥的兩條回路都與回油相通，故液控閥返回中位，液壓馬達(dá)的腔被封死，此時起制動和閉鎖作用，當(dāng)慣性過大，液壓馬達(dá)回油腔壓力高于溢流閥調(diào)定的壓力時，溢流閥打開起到緩沖作用，限制制動力矩，當(dāng)主換向閥在工作位置時，液控閥的一條油路通暢，使制動閥移到右位（或左位），液壓馬達(dá)運轉(zhuǎn)。當(dāng)挖掘機發(fā)生顛坡現(xiàn)象行走液壓馬達(dá)超速回轉(zhuǎn)時，進(jìn)油回路壓力大大降低，則對應(yīng)于制動閥高壓側(cè)的壓力也大大降低，在回位彈簧作用下，閥芯向中位移動使回油發(fā)生節(jié)流，從而限制了馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，起到了限速作用，當(dāng)馬達(dá)的高壓腔被吸空產(chǎn)生負(fù)壓時，在回油背壓的作用下推開制動閥中位的單向閥向該腔補油。

4.3計算系統(tǒng)所需的最大流量

由前計算可知鏟斗缸與斗桿缸的流量為207L/min，當(dāng)兩缸合流或鏟斗與斗桿缸同時動作時其流量為2*207L/min，加上動臂缸的流量2*207L/min，即為系統(tǒng)最大流量4*207L/min。4.4壓力損失的計算

由《機械設(shè)計手冊》P59頁知：

P損=7.2*V*l/d2=1400Pa

局部壓力損失：換向閥0.2-0.3Mpa，取0.25Mpa；節(jié)流閥0.2-0.25Mpa，取0.25Mpa；

P損=960*10-6*2+0.25*2+0.25*2=1Mpa。故可確定液壓泵工作壓力P≥29Mpa。4.5擬定液壓源控制回路

液壓源是液壓系統(tǒng)的心臟，它的性能好壞，直接影響到液壓系統(tǒng)的性能。對液壓源的控制是指對其輸出壓力及流量的控制。主溢流閥起到安全限壓的作用，由前面的計算可知此閥的調(diào)定壓力為29Mpa。

5.液壓元件的選擇

由前面的計算可知：液壓系統(tǒng)的工作壓力為28Mpa；系統(tǒng)的最大流量為2*207L/min。由《機械設(shè)計手冊》選液壓泵：250PCY14-1B；主溢流閥對整個系統(tǒng)工作性能影響較大因而在選擇時應(yīng)十分注意。主溢流閥在液壓系統(tǒng)中有兩大作用，其一是穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，其二是與節(jié)流閥共同完成節(jié)流調(diào)速工作。主溢流閥的調(diào)整壓力與其溢流量及系統(tǒng)流量之間的關(guān)系。6.系統(tǒng)的組成、運行及安裝要求6.1系統(tǒng)的組成及運行

整個系統(tǒng)由六個回路組成，即左、右行走液壓馬達(dá)回路、回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)回路、動臂液壓缸回路、鏟斗液壓缸回路和斗桿液壓缸回路。這六個回路由三位六通液控多路換向閥組控制、六個回路由兩臺液壓泵按雙向?qū)α鞣绞焦┯?/p>

系統(tǒng)調(diào)速方式：(1)發(fā)動機油門調(diào)節(jié),(2)變量泵恒功率控制根據(jù)外部載荷自動實現(xiàn)低速大扭矩的恒功率特性，(3)雙泵，單獨或合流供油實現(xiàn)有級調(diào)速.控制操縱系統(tǒng)：該機由液控?fù)Q向閥來操縱，操縱閥由減壓閥供油，調(diào)定壓力為3-5MPa。6.2濾油器的作用和要求

6.2.1濾油器的作用

液壓傳動系統(tǒng)中的液壓油不可避免地含有各種雜質(zhì).液壓油油箱沉淀一部分大顆粒雜志外，主要是利用各種濾油器來濾除6.2.2濾油器的要求

一般濾油器主要由濾芯和殼體組成，由濾芯上的無數(shù)微笑間隙或小孔構(gòu)成油液的通流面積，當(dāng)混入油液中雜質(zhì)的尺寸大于這些微笑間隙或小孔時，被阻隔從油液中濾出來，由于不同的液壓系統(tǒng)有著不同的要求，而要完全濾清混入油液中的雜志既是不可能的，有時也是不必苛求的，因此，對濾油器的要求，應(yīng)根據(jù)具體情況來定，其基本要求包括：（1）能滿足液壓系統(tǒng)對過濾精度的要求。（2）能滿足液壓系統(tǒng)對過濾能力的要求。（3）濾油器材料應(yīng)具有一定的機械強度，保證在一定的工作壓力下不會因液壓了力的作用而受到破壞6.2.3濾油器在液壓系統(tǒng)中的安裝位置濾油器的連接形式有板式，管式和法蘭式3種,安裝在液壓泵的吸油管路上,安裝在壓油管路上,安裝在回油路上,安裝在輔助泵的輸油路上,綜上所述，除了在液壓泵的吸油管上必須裝粗濾油器，在重要液壓元件前裝精濾油器外，一般應(yīng)將濾油器安裝在低回油管路上。6.3液壓油箱容積的確定

液