挖掘機液壓系統(tǒng)及工作裝置的畢業(yè)設(shè)計(專業(yè)版)

　　

【正文】 == ()式中 工作周期（s）； z、n、m—分別為液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)的數(shù)量； 、第i臺泵的實際輸出壓力、流量、效率； 第i臺泵工作時間（s）；、液壓缸外載荷及驅(qū)動此載荷的行程（N（5）膠管應(yīng)避免與機械上的尖角部分想接觸和摩擦，以免管子損壞。一般按照系統(tǒng)的工作需要來確定液壓閥的結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)以上的要求來選擇液壓控制閥，所選的液壓閥能滿足工作的需要。此時，大小泵同時參與工作小泵排油除保證鎖緊力外，還通過順序閥將壓力油供給加料門油缸。注意各元件間的聯(lián)鎖關(guān)系，避免誤動作發(fā)生。當(dāng)某一執(zhí)行元件完成預(yù)定動作時，回路中的壓力達(dá)到一定的數(shù)值，通過壓力繼電器發(fā)出電信號或打開順序閥使壓力油通過，來啟動下一個動作。LUDV系統(tǒng)能保證在供油不足時所有執(zhí)行元件的工作速度按正比例下降，以獲得與負(fù)載壓力無關(guān)的控制[28]。后者是用先導(dǎo)閥控制先導(dǎo)油液，再用先導(dǎo)油液控制換向閥的主閥芯，它又分為機液先導(dǎo)型和電液先導(dǎo)型兩類。調(diào)速回路一經(jīng)確定，回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。　液壓系統(tǒng)原理圖的制定 制定基本方案(1) 制定調(diào)速方案液壓執(zhí)行元件確定之后，其運動方向和運動速度的控制是擬定液壓回路的核心問題。m最大卸載高度m回轉(zhuǎn)速度r/min行走速度km/h*爬坡能力%70作業(yè)循環(huán)時間S1822主機長/寬度MPa履帶平均接地比壓MPa發(fā)動機額定轉(zhuǎn)數(shù)r/min2100整機質(zhì)量t理論生產(chǎn)率m3/h200最大挖掘力kN142系統(tǒng)工作壓力MPa36履帶板寬度m主機運輸尺寸(長X寬X高)mm9850x3000x3100執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分，必須滿足機器設(shè)備的運動功能、性能要求和結(jié)構(gòu)、安裝上的限制。與各個液壓作用元件油路有關(guān)的限壓閥、動臂和斗桿的支持閥以及再生閥等。回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因自重而快帶下降和整機超速溜坡。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。各個油泵分別向一個液壓作用元件供油，復(fù)合動作時無相互干擾。對于雙泵系統(tǒng)，其復(fù)合動作時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。(2) 滿斗舉升回轉(zhuǎn):挖掘結(jié)束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉(zhuǎn)第2章挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求和分析方法液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。反鏟工作裝置由鏟斗斗桿動臂連桿4及相應(yīng)的三組液壓缸5. 6. 7組成。采用這種動臂有利于加大挖掘深度，且結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。該系統(tǒng)地功能是把發(fā)動機地機械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗埽瑐魉徒o油缸、油馬達(dá)等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再傳動各執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)各種運動和工作過程。　液壓挖掘機整機性能液壓挖掘機可分為:動力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。以20t級的中型液壓挖掘機為例，國產(chǎn)20t級挖掘機大多數(shù)是歐洲80年代初的技術(shù)，同90年代初以來在國內(nèi)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(dǎo)致平臺回轉(zhuǎn)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]。如德國Orenstteinamp。近年來在國外的挖掘機液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負(fù)載敏感系統(tǒng)(CLSS)。目前國際上先進(jìn)的挖掘機產(chǎn)品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術(shù)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。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(jié)。加快建設(shè)速度以及提高勞動生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。同時，工程建設(shè)和施工形式也發(fā)生了很大變化。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，液壓挖掘機需要大幅度的技術(shù)進(jìn)步，技術(shù)創(chuàng)新是液壓挖掘機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。由于這種油路調(diào)速方式是進(jìn)油節(jié)流調(diào)速和旁路節(jié)流調(diào)速同時起作用，其調(diào)速特性受負(fù)載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統(tǒng)的操縱性能、調(diào)速性能和微調(diào)性能差。目前，國際上先進(jìn)的挖掘機產(chǎn)品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術(shù)方向發(fā)展的趨勢。　國內(nèi)研究情況及發(fā)展動態(tài)從國內(nèi)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。回轉(zhuǎn)至卸上位置進(jìn)行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到地面進(jìn)行下一次挖掘。液壓挖掘機的主要運動有整機行走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動等。(2) 單斗反鏟液壓挖掘機反鏟裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤。 液壓挖掘機傳動原理液壓挖掘機采用三組液壓缸使工作裝置具有三個自由度，鏟斗可實現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動，加上液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)運動，使鏟斗運動擴大到有限的空間，再通過行走馬達(dá)驅(qū)動行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。動臂升降 斗桿收放 鏟斗裝卸 4 、平臺臺回轉(zhuǎn) 整機行走 液壓挖掘機的運動圖由于液壓挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊要求:(1)實現(xiàn)各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化，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。當(dāng)斗桿油壓接近溢流閥的壓力時，原來溢流的油液此時供給鏟斗有效利用。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， 所示。　行走復(fù)合動作時的幾種供油情況　挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求液壓挖掘機的動作繁復(fù)，且具有多種機構(gòu)，如行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗等，是一種具有多自由度的工程機械。系統(tǒng)要求此部分的能量損失盡量小。與各個液壓作用元件的連接口AL1, BLl, AL2, BL2, AU, BL3, AL4, BL4和ARl, BR1, AR2, BR2, AR3, BR3, Rsl。標(biāo)準(zhǔn)斗容量m31發(fā)動機型號　6135K16發(fā)動機標(biāo)定輸出功率kW/r/min106/2100最大挖掘半徑(6) 下蓋聯(lián)接螺釘強度校核計算螺釘聯(lián)接采用高強度螺釘M2080(GB/)聯(lián)接,兩端數(shù)量均為24件，其強度校核，按照公式（）、（）。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 液壓挖掘機控制系統(tǒng)是對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)）等所構(gòu)成的動力系統(tǒng)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。定量泵和負(fù)荷傳感控制閥的系統(tǒng)也沒有節(jié)省能源消耗，因為泵所輸出的流量超過執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達(dá)）所需要的流量時，多余的油液經(jīng)壓力補償閥流回油箱（為保持壓差恒定）變?yōu)闊崮堋Ａ硗膺€有時間控制、壓力控制等。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施[29]。[31～32] 柴油發(fā)動機的選擇液壓缸在整個循環(huán)運動中，系統(tǒng)的壓力和流量都是變化的。 液壓閥的控制方式的選擇液壓閥的控制方式一般有四種，有手動控制，機械控制，液壓控制，電氣控制。（2）膠管的長度應(yīng)考慮到膠管在通入壓力油后，長度方向?qū)l(fā)生收縮變形，一般收縮是取3%~4%，膠管安裝時避免處于拉緊狀態(tài)。（4）油液流經(jīng)閥或管道的功率損失 ()式中 通過閥或管路的壓力損失（MPa）； 通過閥或管路的流量（）。 ()=+=式中 油箱的散熱系數(shù) 管路的散熱系數(shù)、分別為油箱、和管道的散熱面積油溫與環(huán)境溫度之差 （W/℃）冷卻條件通風(fēng)條件很差8～9通風(fēng)條件良好15～17用風(fēng)扇冷卻23循環(huán)水強制冷卻110～170則計算出的，油溫會不斷升高，這時，最大溫差,根據(jù)公式() 環(huán)境溫度為，則油溫。此管路長為5m，正常運轉(zhuǎn)后的粘度為= 27 ，油的密度為=918Kg/油在管路的實際流速===Re===3702＞2300油在管路中呈紊流流動狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為：= ()根據(jù)公式=求得沿程壓力損失為:== 局部壓力損失局部壓力損失包括通過管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失，以及通過控制閥的局部壓力損失。 主操作閥原理圖 其他液壓元件的選擇 壓力繼電器的選擇能夠自動感到壓力變化，但壓力達(dá)到預(yù)定壓力時，可以自動將電路進(jìn)行通斷的儀表。本系統(tǒng)工作壓力在9Mpa左右，所以液壓閥都選用中、高壓閥。為便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測元件（如壓力表、溫度計等）。(4) 選擇液壓動力源液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，用變量泵供油，用安全閥起安全保護(hù)作用。在液壓挖掘機上，目前常用的是一般的三位六通多路閥，其滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能差。開式回路結(jié)構(gòu)簡單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。對高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。為此，采用平衡閥控制油路中液壓油的壓力值[24]。該系統(tǒng)主要包括7個操縱閥， 5個二位二通閥A, B, C, D, E, 1個插裝閥x和一些單向閥及節(jié)流閥。　挖掘機液壓系統(tǒng)的分析挖掘機液壓系統(tǒng)中最重要也是最復(fù)雜的就是多路閥液壓系統(tǒng)。　操縱性要求(1) 調(diào)速性要求挖掘機對調(diào)速操縱控制性能的要求很高，如何按照駕駛員的操縱意圖方便地實現(xiàn)調(diào)速操縱控制，對各個執(zhí)行元件的調(diào)速操縱是否穩(wěn)定可靠，成為挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計十分重要的一方面。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動作，間以動臂動作。在斗桿油缸活塞桿端回油路上設(shè)置可變節(jié)流閥，此節(jié)流閥的開口度即節(jié)流程度由回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力來控制。(4) 空斗返回:卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點，此時是回轉(zhuǎn)和動臂或斗桿的復(fù)合動作。而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉(zhuǎn)動。如圖 2. 1 所示，整體鵝頸式動臂反鏟挖掘機工作裝置主要由動臂、動臂油缸、斗桿、斗一桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。液壓系統(tǒng)習(xí)慣上按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)節(jié)方式和回路的數(shù)量來分類。因此液壓挖掘機原動力一般由柴油機提供，柴油機具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經(jīng)濟等特點，符號挖掘機工作條件惡劣，負(fù)荷多變的要求。分析總結(jié)挖掘機液壓系統(tǒng)方面的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展動態(tài)。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術(shù)、疲勞強度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設(shè)備的可靠性。目前日本小松公司已經(jīng)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。型全液壓挖掘機，鏟斗容量達(dá)42m3,液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達(dá)10200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達(dá)2014kW,由于液壓挖掘機經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作。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(shù)，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(zhì)量不夠穩(wěn)定。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(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)。而且當(dāng)時的工程建設(shè)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(yīng)用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機的發(fā)展。據(jù)有關(guān)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。 (4)系統(tǒng)的操縱特性上升到很重要的地位。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(chǎn)商都在自己的挖掘機液壓系統(tǒng)中使用了負(fù)流量控制技術(shù)。目前國外先進(jìn)品牌的挖掘機在電液聯(lián)合控制方面的研究己趨成熟。單斗液壓挖掘機是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動進(jìn)行挖掘作業(yè)的機械。工作裝置是挖掘機完成實際作業(yè)的主要組成部分，常用的有反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，而同一種裝置可以有多種結(jié)構(gòu)形式，前面所述的反鏟裝置應(yīng)用最為廣泛。其中動力裝置、操縱機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和輔助設(shè)備均可在回轉(zhuǎn)平臺上，總稱上車部分，它與行走機構(gòu)(又稱下車部分)用回轉(zhuǎn)支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作3600的全回轉(zhuǎn)。(3) 液壓挖掘機工作循環(huán)過程首先液壓挖掘機驅(qū)動行走馬達(dá)和配套土方運輸車輛一起進(jìn)入作業(yè)面，運輸車輛倒車、調(diào)停，停靠在挖掘機的側(cè)方或后方。3　液壓挖掘機工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計方案的確定要了解和設(shè)計挖掘機的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機的工作過程及其作業(yè)要求，掌握各種液壓作用元件動作時的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復(fù)合動作要求和復(fù)合動作時油泵對同時作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。下面以三泵系統(tǒng)為例，來說明復(fù)合動作挖掘時油泵流量的分配情況和分合流油路的連接情況。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， 所示。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， 所示。因此，如何協(xié)調(diào)多執(zhí)行元件復(fù)合動作時的流量供應(yīng)問題也是挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的。因此可以把上述系統(tǒng)圖進(jìn)一步簡化，突出核心內(nèi)容。廣泛用于建筑施工、市政工程、水電、國防工程和一般礦山采掘，挖掘IVI級土壤[23]。　計算工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸活塞桿直徑d與缸筒內(nèi)徑D的計算 受拉時： d=()D受壓時： d=()