挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1目 錄1 前言11.1 挖掘機(jī)間介11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)21.3 本設(shè)計的研究內(nèi)容52 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理72.1 液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能72.2 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)82.3 液壓挖掘機(jī)傳動原理103 液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計方案的確定123.1 液壓挖掘機(jī)的工況123.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求173.3 挖掘機(jī)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(shè)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(shè)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(jī)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(jié)46參考文獻(xiàn)47致 謝49邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）2內(nèi)容提要挖掘機(jī)作為我國工程機(jī)械的主力機(jī)種，被廣泛應(yīng)用于各種各樣的施工作業(yè)中。挖掘機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)計，由于挖掘機(jī)的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作復(fù)雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高的要求，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，對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計對推動我國挖掘機(jī)發(fā)展具有十分重要的意義。在搜集了國內(nèi)外挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，了解了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史，并對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展動態(tài)進(jìn)行了分析總結(jié)。論文對挖掘機(jī)的各種工況進(jìn)行了分析，系統(tǒng)總結(jié)了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求。根據(jù)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計了一套適合我國生產(chǎn)制造的LS恒功率控制單斗挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)。本次畢業(yè)設(shè)計課題是 WY200 型液壓挖掘機(jī)。課題以企業(yè)為依托。小型挖掘機(jī)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(zhuǎn)臺，油箱，發(fā)動機(jī)安裝等。本人的設(shè)計主要致力于分析和設(shè)計小型液壓挖掘機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng)。本課題選擇了國內(nèi)的質(zhì)量和技術(shù)性能都接近設(shè)計要求的 1620t 挖掘機(jī)作為基型，并在此基礎(chǔ)上研究了國外的先進(jìn)機(jī)型，設(shè)計出我們挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)方按圖，總體裝配圖以及相應(yīng)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)是采用伺服先導(dǎo)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(zhuǎn)，性能可靠，操作舒適，可廣泛應(yīng)用于建筑，市政，供水，供氣，供電農(nóng)林建設(shè)等工程。Summary邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(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，電力邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）4工程和礦山采掘等機(jī)械施工中，它在減輕繁重的體力勞動，保證工程質(zhì)量。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。由于液壓挖掘機(jī)具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點(diǎn)，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。挖掘機(jī)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)。由于挖掘機(jī)的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作很復(fù)雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高的要求，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，對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計已經(jīng)成為推動挖掘機(jī)發(fā)展中的重要一環(huán) 1。1.1 挖掘機(jī)簡介挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，可以追溯到1840年。當(dāng)時美國西部開發(fā)，進(jìn)行鐵路建設(shè)，產(chǎn)生了模仿人體構(gòu)造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機(jī)械手的挖掘機(jī)，它采用蒸汽機(jī)作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間挖掘機(jī)沒有得到很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。導(dǎo)致挖掘機(jī)發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動作復(fù)雜，運(yùn)動范圍大，需要采用多自由度機(jī)構(gòu)，古老的機(jī)械傳動對它不太適合。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(jī)的應(yīng)用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機(jī)的發(fā)展。由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，二十世紀(jì)四十年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)。隨著液壓傳動技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術(shù)，挖掘機(jī)有了適合它的傳動裝置，為挖掘機(jī)的發(fā)展建立了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，是挖掘機(jī)技術(shù)上的一個飛躍 。同時，工程建設(shè)和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進(jìn)行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進(jìn)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(zhuǎn)，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(jī)得到了廣泛應(yīng)用 2。1950年在意大利北部生產(chǎn)了第一臺液壓挖掘機(jī)。第一臺液壓挖掘機(jī)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)。由單泵向6個執(zhí)行元件供油。由于早期液壓挖掘機(jī)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(jī)的功率，因此其能量損失很大，不能滿足挖掘機(jī)復(fù)合動作的復(fù)雜要求，且可操縱性差。另外，早期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機(jī)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。從二十世紀(jì)六十年代到八十年代中期，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入了推廣和蓬勃發(fā)展邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）5的階段，各國挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量己經(jīng)達(dá)到挖掘機(jī)總產(chǎn)量的83%，其時對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的研究也已經(jīng)十分成熟，液壓挖掘機(jī)已經(jīng)具有了同步控制系統(tǒng)和負(fù)載敏感系統(tǒng)L。自第一臺手動挖掘機(jī)誕生以來的160多年當(dāng)中，挖掘機(jī)一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)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(jī)，對其控制方式不斷改進(jìn)和革新，使挖掘機(jī)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(jī)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(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了堅實的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了良好的前提 3。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(jī)完成的。挖掘機(jī)是一種萬能型工程機(jī)械，目前已經(jīng)無可爭議地成為工程機(jī)械的第一主力機(jī)種，在世界工程機(jī)械市場上己占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴(kuò)大。挖掘機(jī)的發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，其液壓系統(tǒng)已成為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的主流形式。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(jī)需要大幅度的技術(shù)進(jìn)步，技術(shù)創(chuàng)新是液壓挖掘機(jī)行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術(shù)方面，挖掘機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)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(nèi)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(jì)60年代液壓傳動技術(shù)開始應(yīng)用在挖掘機(jī)上至今，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)己經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)成熟的階段。目前國際上先進(jìn)的挖掘機(jī)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。如德國Orensttein(2)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成為研究的重點(diǎn); (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(jié)合成為潮流 4。(1) 開式向閉式液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變采用三位六通閥，其特點(diǎn)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(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。另外，當(dāng)液壓作用元件一起復(fù)合動作時，相互干擾大，使得復(fù)合動作操縱非常困難。由于挖掘機(jī)作業(yè)工程中要求對液壓元件能很好地控制其運(yùn)動速度和進(jìn)行微調(diào)，而且在其工作的許多工況下要求多個執(zhí)行元件完成復(fù)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(jī)的調(diào)速和復(fù)合動作的要求。近年來在國外的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負(fù)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(yùn)動速度只與操縱閥的閥桿行程有關(guān)，與負(fù)載壓力無關(guān)，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(diǎn)。這種系統(tǒng)非常符合挖掘機(jī)操作的要求，它操縱簡單，對司機(jī)的操縱技巧要求低，在國際上己經(jīng)獲得較廣泛的使用，是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。目前日本小松公司已經(jīng)把大量挖掘機(jī)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(shù)的應(yīng)用目前液壓挖掘機(jī)上典型的節(jié)能技術(shù)基本上有兩種。即負(fù)載敏感技術(shù)和負(fù)流量控制技術(shù)，目前液壓挖掘機(jī)都選用其中一種控制技術(shù)來實現(xiàn)節(jié)能要求。負(fù)載敏感技術(shù)是一種利用泵的出口壓力與負(fù)載壓力差值的變化而使系統(tǒng)流量隨之相應(yīng)變化的技術(shù)。德國曼內(nèi)斯曼(Mannesmann)公司研制的一種負(fù)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(guān)。該系統(tǒng)不僅易邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）7于操縱，而且微動控制特性很好。其最大的特點(diǎn)就是可以根據(jù)負(fù)載大小和調(diào)速要求對油泵進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)在按需供流的同時，使調(diào)速節(jié)流損失P控制在很小的固定值，從而達(dá)到節(jié)能的目的lzs.e57 負(fù)流量控制技術(shù)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(jìn)行調(diào)節(jié)的技術(shù)。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(jī)生產(chǎn)商都在自己的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中使用了負(fù)流量控制技術(shù)。這種控制技術(shù)具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、可靠性和維修性好等特點(diǎn)，但在起始點(diǎn)為重負(fù)荷下作業(yè)時，因流量與負(fù)載有關(guān)，所以可控制性較差 5。(3) 提高負(fù)載能力和可靠性為了提高挖掘機(jī)的負(fù)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(jìn)的挖掘機(jī)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。如德國Orensttein&Koppe制造的型全液壓挖掘機(jī)，鏟斗容量達(dá)42立方米液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達(dá)100200L/min，原動機(jī)為2臺QSK60 柴油發(fā)動機(jī)，總功率高達(dá)2014kW,由于液壓挖掘機(jī)經(jīng)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(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(jī)控制的電液伺服疲勞試驗技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)強(qiáng)度研究方面，不斷提高設(shè)備的可靠性。美國提出了考核動強(qiáng)度的動態(tài)設(shè)計分析方法。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。(4) 重視操縱特性挖掘機(jī)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(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)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(jī)綜合程序控制。各種高新技術(shù)的應(yīng)用，使得挖掘機(jī)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(dāng)前主要研究目標(biāo)電子控制技術(shù)與液壓控制技術(shù)相結(jié)合的電子一液壓集成控制技術(shù)近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計算機(jī)和檢測儀表的應(yīng)用，使液壓技術(shù)和電子控制有機(jī)邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）8結(jié)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(jī)的自動化程度，推動著挖掘機(jī)的迅猛發(fā)展。目前國外先進(jìn)品牌的挖掘機(jī)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(jī)安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動功率的浪費(fèi)。日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五中新型號挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計算機(jī)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(jī)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(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(jī)行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。國內(nèi)大部分挖掘機(jī)企業(yè)在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)技術(shù)方面的研究具有一定基礎(chǔ)，但由于采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)產(chǎn)品在性能、質(zhì)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(jī)在國內(nèi)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(shù)的國外挖掘機(jī)產(chǎn)品。先進(jìn)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)都被國際上一流的生產(chǎn)企業(yè)壟斷，國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白，這樣國內(nèi)的挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家就無法獨(dú)立制造出性能優(yōu)異的挖掘機(jī)，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的挖掘機(jī)所占據(jù)。以20t級的中型液壓挖掘機(jī)為例，國產(chǎn)20t 級挖掘機(jī)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(jī)型相比，其主要差距柴油機(jī)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(jī)性能和作業(yè)效率較國外偏低 6。1.3 本設(shè)計的研究內(nèi)容挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的技術(shù)多種多樣，本文主要通過國外幾種知名品牌的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)為參考對象，對其現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)和控制方式進(jìn)行比較和研究，為挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計提供一定的參考信息。(1) 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展動態(tài)的分析研究大量搜集國內(nèi)外挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的相關(guān)技術(shù)資料，系統(tǒng)了解挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史。分析總結(jié)挖