––1緒論1.1課題背景及研究意義我國目前的國情還處在發(fā)展中國家的隊列中，在地域廣闊的國土上正席飛速發(fā)展著中國特色的經(jīng)濟建設(shè)，形形色色的建筑施工機械就在工程建設(shè)中得到應(yīng)用，就在這當中液壓型挖掘機表現(xiàn)出不可代替的作用。由此可見：土石方施工機械的開發(fā)跟隨著我國經(jīng)濟建的如日方升，我國施工機械由原來的使用量正在翻倍的增長，開發(fā)技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍自1997年以來，我國挖掘機潛在市場步入到了捷速發(fā)展時期的關(guān)鍵時期。截止2001年，挖掘機的生產(chǎn)率增長了55%和銷售率擴大了56%，截至2002年9月初，全國已售出超過13000多臺液壓挖掘機，遠超于2001全年的銷量總和[1]。2003年，中國銷售了18000多臺液壓挖掘機。挖掘機是整個工程機械行業(yè)發(fā)展最快的機械之一，在過去的西部大開發(fā)和南水北調(diào)重大典型工程的出現(xiàn)，為挖掘機制造企業(yè)創(chuàng)造了許許多多優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)業(yè)機遇。本著充分調(diào)動我國國民生產(chǎn)經(jīng)濟和社會經(jīng)濟基礎(chǔ)的發(fā)展的責任，盡最大速度為國內(nèi)生產(chǎn)方供給物美價廉的液壓型挖掘機。小型液壓挖掘機長期依賴進口的模式正在逐漸改變，助力我國脫離核心技術(shù)卡脖子的問題的解決成為擺在面前的問題。越來越多的工程師和研究人員致力于液壓裝置的設(shè)計和調(diào)試，他們設(shè)計了許多先進的液壓傳動系統(tǒng)和液壓傳動系統(tǒng)。表現(xiàn)良好；然而，由于設(shè)計或參數(shù)調(diào)整的錯誤，系統(tǒng)往往不能滿足所有要求或不能正常工作。如何設(shè)計一個安全、可靠、簡單、性能好、成本低、效率高、易于維護和使用的小型液壓傳動系統(tǒng)，是一個長期研究的課題。要求是明確的，小型反鏟的液壓驅(qū)動系統(tǒng)如下所述。希望本設(shè)計能對所有從事液壓傳動的專業(yè)技術(shù)人員有所幫助。1.2國內(nèi)外研究及發(fā)展小型液壓挖掘機是小型施工機械中的代表性作業(yè)機械，由于施工場地狹小，日本于1970年開發(fā)并銷售了小型液壓挖掘機，以適應(yīng)國內(nèi)市場，從1970年到1976年，小型液壓挖掘機的噸位一般在2.6-4.5噸，1985年開始在城市、居民區(qū)等狹窄區(qū)域增加實用反鏟，1986年幾乎所有小型液壓挖掘機都采用這種小型旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，1983年，小型橡膠履帶式液壓挖掘機問世，1988年小型變履帶式液壓挖掘機已經(jīng)上市，由于小型液壓挖掘機的工作設(shè)備種類繁多，工作設(shè)備的多樣性為各種施工提供了方便。研制了一種小型液壓挖掘機直噴式電機，同時工作裝置的工作方式由四桿變?yōu)閮蓷U，三泵液壓系統(tǒng)帶動挖掘機行走、挖掘機掘進、作業(yè)和推土。小型挖掘機行走機構(gòu)的輪型也在不斷增加，與履帶式相比，輪胎型雖然功能稍差，但在軟土地區(qū)的通行能力較好，隨著城市建設(shè)項目的增加，這種小型液壓挖掘機的優(yōu)點是在施工過程中不會損壞道路。從我國目前的挖掘機行業(yè)的發(fā)展來看，我國小型挖掘機的制造水平與發(fā)達國家相比還有一定的技術(shù)空缺，而在這方面液壓系統(tǒng)的設(shè)計更是落后于德國和日本，雖說國內(nèi)一些工程機械制造企業(yè)對挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計有一定的技術(shù)沉淀，但由于使用效果、質(zhì)量等方面的原因。傳統(tǒng)意義上的液壓挖掘機已經(jīng)不能滿足我國市場的需求，于是在這市場中國外的企業(yè)就將其中挖掘機占有的份額快速蠶食。挖掘機液壓系統(tǒng)的核心科技部位被國外大型科研技術(shù)企業(yè)壟斷，國內(nèi)企業(yè)對挖掘機液壓系統(tǒng)核心技術(shù)的掌握還在滯留不前。國內(nèi)制造企業(yè)還不能獨立完成物美價廉的挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計，在國內(nèi)銷售的液壓挖掘機基本來自發(fā)達國家的進口，以5-15噸小中型液壓挖掘機為代表，國產(chǎn)5-15噸位的挖掘機幾乎還在使用歐洲技術(shù)上世紀八十年代的落后技術(shù)。與日本小松、大宇、日立、現(xiàn)代等，與進入90年代批量生產(chǎn)的小挖掘機來看，主要優(yōu)勢在于柴油機功率相對較低、使用油耗較小。于是就出現(xiàn)了工作實際與理論自相矛盾的設(shè)計缺陷，各項性能參數(shù)低，整機的性能和運行效率低于國外。1.3課題研究的主要內(nèi)容本次設(shè)計對相關(guān)材料調(diào)研，在綜合國內(nèi)和國外小型挖掘機的基礎(chǔ)上，以綜合性、有效性、實用性和可靠性為前提，進一步改善液壓挖掘機的各種工況下的性能。本設(shè)計所設(shè)計的挖掘機液壓裝置是依據(jù)液壓手冊和機械手冊查詢后得到的重要參數(shù)，是工程建設(shè)當中不可缺少的工程機械，用于處理狹小地段施工和一些裝載量較小的場合進行施工。本次課題的主要內(nèi)容包括：（1）通過對相關(guān)的液壓方面知識的學(xué)習，經(jīng)過查詢和學(xué)習一些液壓相關(guān)手冊，對液壓挖掘機進行分析，找的合適的方法設(shè)計出工作可靠，挖掘機液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，具體工作包括：液壓挖掘機設(shè)計研究，結(jié)合現(xiàn)有挖掘機的優(yōu)缺點和使用范圍，從而選擇出適合該小型挖掘機，通過進行比對，選擇適合本次設(shè)計的小型挖掘機。（2）在細致總結(jié)挖掘機工作裝置的循環(huán)作業(yè)過程后、總結(jié)了挖掘機多種工作狀況下不同的液壓缸的作用，并在此基礎(chǔ)上建立了合理的挖掘機液壓回路方案，對各液壓缸進行計算。（3）對工作裝置進行了方案的設(shè)計，同時在SolidWorks軟件中繪制出各個設(shè)備的零件圖，整體裝配圖。（4）在液壓系統(tǒng)仿真軟件FluidSim4.2.繪制液壓回路圖，對挖掘機液壓回路進行仿真分析，并在FluidSim4.2中導(dǎo)出本系統(tǒng)的液壓回路CAD圖。2液壓挖掘機結(jié)構(gòu)與工作原理2.1液壓挖掘機整機性能液壓挖掘機功能系統(tǒng)包括：動力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。挖掘機系統(tǒng)是一個復(fù)合系統(tǒng)不能片面考慮單個系統(tǒng)的作用，要把系統(tǒng)聯(lián)系到一起考慮，再分析性能是否能滿足。(1)動力系統(tǒng)液壓挖掘機經(jīng)常出現(xiàn)在溫度變化劇烈、揚塵多，承載變化范圍較廣的場合，挖掘機經(jīng)常傾斜作業(yè)，維修保養(yǎng)間隔時間久，由于所需要的驅(qū)動力比一般機械的大，所以動力部分一般需要柴油發(fā)動機提供充足動力。發(fā)動機要運行可靠、功率特性曲線將會表現(xiàn)得剛度大、相較于汽油機燃油經(jīng)濟性普遍較好。為了在惡劣工作環(huán)境與負載變動較大的要求下工作，挖掘機額定負載量與卡車的負載模型有相似之處，與拖拉機的負載方式不一致。(2)機械系統(tǒng)構(gòu)成液壓挖掘機的機械系統(tǒng)簡而言之就是一種完成挖掘、行走、轉(zhuǎn)向這些基本,主要由以下幾點組成:行走設(shè)備是整臺挖掘機最重要的支持部分。在承載整個挖掘機重量與對工作設(shè)備的相互摩擦力與反作用力同時,可以促進挖掘機運轉(zhuǎn)在一定的短距離內(nèi)?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)指的是一臺挖掘機沿著回轉(zhuǎn)中心線進行360度旋轉(zhuǎn)。其中包含了驅(qū)動設(shè)備和回轉(zhuǎn)式支架，工作裝置是挖掘機進行實際工作的主要部件。常用于反鏟、裝載、提升等裝置，同一裝置可以有多種結(jié)構(gòu)形式。上述反鏟裝置使用最廣泛。(3)液壓系統(tǒng)柴油發(fā)動機驅(qū)動兩臺液壓變量泵將帶有壓力的液壓油供給到閥體，由挖掘機司機控制。壓力油經(jīng)過管路輸送至液壓馬達和液壓油缸。挖掘機要完成：鏟斗的挖土、斗桿的收放、動臂的俯仰、回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)和行走馬達的運轉(zhuǎn)等。都是經(jīng)過壓力油的做功，根據(jù)這些要求設(shè)計出最基本的液壓系統(tǒng)。根據(jù)這套系統(tǒng)把柴油發(fā)動機的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成帶有壓力的壓力能，再經(jīng)過執(zhí)行元器件的轉(zhuǎn)化變?yōu)闄C械能。然后將機械能，然后將這些機械能直接傳遞到油缸、柴油機等,轉(zhuǎn)化成其他的機械動力學(xué),液壓系統(tǒng)的制造對于挖掘機的工作性能也有著重要而決定性的影響。挖掘機在各個部位的性能隨著系統(tǒng)的設(shè)計而有所差別。液壓控制系統(tǒng)通常根據(jù)其數(shù)量分別進行各種油泵、功率調(diào)整方式及各個回路次數(shù)。(4)控制系統(tǒng)液壓式挖掘機的控制傳動系統(tǒng)主要是隨著我國現(xiàn)代信息電子技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)以及計算機科學(xué)技術(shù)的進步和飛速發(fā)展,對于電機、液壓泵、多路控制閥及其液壓缸、液壓馬達而采用的一種控制傳動系統(tǒng)。挖掘機已經(jīng)開始具備越來越先進的工業(yè)自動化管理控制系統(tǒng),這也就使得挖掘機研究方向正在向智能化方向發(fā)展。2.2液壓挖掘機結(jié)構(gòu)(1)液壓挖掘機組成為了能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘機挖掘作業(yè)的基本功能，液壓挖掘機需要兩個基礎(chǔ)部分配合實現(xiàn)：即挖掘機主體構(gòu)件和工作裝置。要有操縱系統(tǒng)以及輔助設(shè)備設(shè)置在回轉(zhuǎn)臺的上方。通過旋轉(zhuǎn)支架與行走機構(gòu)（也稱為下部）相連，平臺可在上面順時針與逆時針全方位旋轉(zhuǎn)。根據(jù)挖掘機工作工作地作業(yè)性質(zhì)的多樣性，鏟斗可進行改裝，可用于正鏟、反鏟、起重、鉆孔、找平、打樁等作業(yè)。挖掘機的結(jié)構(gòu)直接影響到整體的性能。(2)液壓挖掘機簡述首先，液壓挖掘在行走液壓馬達的帶動下的帶動下進入工作面，運輸車開始移動到指定位置后，停在挖掘機側(cè)面或后部，挖掘機司機拉動控制手柄，連接液壓馬達控制閥。在液壓馬達的旋轉(zhuǎn)帶動下帶動上平臺進行旋轉(zhuǎn)，工作裝置在上平臺的帶動下緩慢轉(zhuǎn)向需要挖掘的現(xiàn)場。此時在手柄的操作下動臂油缸換向閥處于連通狀態(tài)，使液壓油流向動臂油缸有桿腔，動臂緩慢下降，直到鏟斗與地面相接觸。駕駛員操縱讓斗桿與鏟斗聯(lián)合運動以達到操作的目的。司機配合加速作業(yè)，進行聯(lián)合挖掘,鏟斗挖掘裝滿土后司機將換向閥回歸中位,鎖止鏟斗和鏟斗油缸不再發(fā)生旋轉(zhuǎn)。再控制動臂換向閥,將液壓油輸送到動臂兩個同步缸,在動臂的旋轉(zhuǎn)下鏟斗開始向上移動把土提升到工作臺以上。然后操作回轉(zhuǎn)機構(gòu)的換向閥,使上下平臺產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),將鏟斗平移到渣土車的車廂上方,然后使鏟斗反鏟向上翹。操作鏟斗時將油缸移至適宜高度進行卸載。土方工程施工完成后,翻轉(zhuǎn)一個平臺并降下移動臂。鏟斗再次返回到作業(yè)位置，下次循環(huán)開始。(3)單斗反鏟液壓挖掘機反鏟主要在停機作業(yè)面以下開挖，反鏟挖掘機的斗容一般是小于1.6立方米的中小型液壓式挖掘機。挖掘機通常采用鵝頸臂整體結(jié)構(gòu)的反鏟裝置，一般工況不會有太大變動。這種鵝頸臂具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本優(yōu)勢。它與組合臂具有相同的剛度和重量，是液壓挖掘機工作設(shè)備中最廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式，通常采用鉸接反鏟的結(jié)構(gòu)。2.3液壓挖掘機的工作循環(huán)過程利用三組液壓氣缸,使得工作設(shè)備具有三個獨立的自由度。鏟斗能夠在一定范圍內(nèi)進行有限度的平面轉(zhuǎn)移。此外,液壓馬達旋轉(zhuǎn)式運動也能將鏟斗的移位擴大到有限空間。然后由行走電機的移動帶來運動,使得開挖空間能夠沿著水的移動方向進行間歇性擴展,以滿足開挖的要求。操縱動臂液壓桿7收縮，使動臂2下降，同時收縮斗桿液壓桿9，使斗桿3外伸到預(yù)先設(shè)定的挖掘半徑處。并使鏟斗外轉(zhuǎn)到挖掘機準備狀態(tài)。如果此時發(fā)現(xiàn)挖掘半徑不合適。應(yīng)使整機向前或向后移動，直到鏟斗4落到預(yù)定的挖掘位置為止，此時即可開始挖掘。斗桿液壓缸10向外伸展，使斗桿3帶動鏟斗4向下做挖掘動作。為了達到預(yù)定的挖掘深度，動臂液壓缸8可配合收縮。為了調(diào)整到最佳的切削角度，鏟斗液壓缸8也適當外伸。斗桿液桿7繼續(xù)外伸，鏟斗4將要完成裝貨時，鏟斗液壓缸8繼續(xù)向外伸展。使物料裝滿鏟斗、當鏟斗開口基本水平時提升動臂使整個工作裝置上升，鏟斗4離開地面即可回轉(zhuǎn)平臺1，并繼續(xù)調(diào)整動臂2和斗桿液壓缸10，使工作裝置回轉(zhuǎn)到卸載區(qū)或運載車輛上方。在調(diào)整卸載高度后，即可收縮鏟斗液壓缸8，使物料在自重的作用下落到運載車輛上或卸載區(qū)。鏟斗卸載后，要及時把平臺回轉(zhuǎn)到下一個挖掘工位，同時要把動臂8一般是下降、斗桿3外伸和鏟斗4外轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)適當后一個循環(huán)結(jié)束，緊接著下一個周期動作。當在一個工位作業(yè)到一定程度時，就要通過行走調(diào)整停機位置，以免距離物料較遠面影響挖掘機因為作業(yè)范圍不夠而影響作業(yè)效率，工位一般是往后退。當挖掘機再次就位時，下一個作業(yè)階段即開始如圖2-1。2-1挖掘機工作裝置2.4液壓挖掘機工作裝置三維建模挖掘機的主要結(jié)構(gòu)部件可簡化為履帶、下車、上車、動臂、斗桿、鏟斗、連桿、各油缸缸體及活塞桿，整車結(jié)構(gòu)所示。本次建模的基本準則:挖掘機工作裝置建模盡量細化，包括動臂、斗桿、鏟斗內(nèi)部需詳細建模。除工作裝置以外的部件，在建模時則盡量簡化，僅勾畫出大體的外部形狀，對于內(nèi)部細小部件沒有詳細繪制。2.4.1鏟斗的建模1新建一個零件圖文件，按所需要的尺寸即可完成草圖的畫布和繪制,如圖2-2所示。2在特征工具欄中找到拉伸凸臺/基體工具按圖示尺寸完成拉伸實體。3在所得實體的基礎(chǔ)上按所需尺寸新建草圖后再次執(zhí)行拉伸凸臺/基體命令拉伸出所需的實體。4單擊特征工具欄中的鏡像工具對實體鏡像。5單擊特征工具欄中的圓角命令對鏟斗圖示邊角進行圓角處理。6單擊特征工具欄中的抽殼命令，按圖示斜面進行抽殼。7在鏟斗底部新建斗齒的草圖對其進行拉伸處理。8在所得斗齒拉伸體的基礎(chǔ)上再新建草圖并在所得草圖的基礎(chǔ)上執(zhí)行拉伸切除命令。9在特征工具欄中找到縮放比例放大后最終得到鏟斗的三維模型。2-2鏟斗的建模2.4.2斗桿的建模1新建一個零件圖文件，按所需要的尺寸即可完成草圖的畫布和繪制,如圖2-3所示。2單擊特征工具欄中拉伸凸臺/基體工具按圖示尺寸完成拉伸實體。3在所得拉伸體的基礎(chǔ)上再新建草圖并在所得草圖的基礎(chǔ)上執(zhí)行拉伸切除命令。4在實體表面新建的草圖對其進行拉伸處理。5新建草圖并在此基礎(chǔ)上使用旋轉(zhuǎn)凸臺/基體工具得到旋轉(zhuǎn)體。6在特征工具欄中找到縮放比例放大后最終得到斗桿的三維模型如圖2-3。2-3斗桿的建模2.4.3動臂的建模1新建一個零件圖文件。按所需要的尺寸即可完成草圖的畫布和繪制,并按所需的尺寸拉伸實體如圖2-4所示。2在所得拉伸體的基礎(chǔ)上再新建草圖并在所得草圖的基礎(chǔ)將動臂兩頭的加厚部分拉伸。3在草圖的基礎(chǔ)上采用旋轉(zhuǎn)命令得到與液壓缸相接的凸臺部分。4新建草圖在實體上拉伸液壓缸相接部分。5拉伸體的基礎(chǔ)上新建草圖并執(zhí)行拉伸切除命令。6拉伸體的基礎(chǔ)上新建草圖并執(zhí)行拉伸出油管的固定部分。7新建路徑草圖和油管截面形狀的草圖執(zhí)行掃描命令繪制出兩側(cè)油管。8再次執(zhí)行上一步的命令繪制出中間兩根油管。9在特征工具欄中找到縮放比例放大后最終得到動臂的三維模型如圖2-4。2-4動臂的建模2.5本章小結(jié)本章首先簡述了液壓挖掘機動力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、進行敘述對挖掘機工作循環(huán)過程和工作性能進行分析與總結(jié)，對本挖掘機的重要工作裝置如：鏟斗、動臂、斗桿進行了三維模型的建立，總的來說：液壓挖掘機工作裝置是一個多學(xué)科交叉產(chǎn)生的組合體，各零部件只有在緊密協(xié)調(diào)的狀態(tài)下才可以獲得發(fā)揮出最有效的挖掘功能。3挖掘機工況分析及液壓回路的設(shè)計3.1挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求3.1.1動力要求動力要求在電機工作在未達到過負荷的條件下,充分利用電機的功率,提高了挖掘機的制造效率,特別是在電機負載發(fā)生變化的情況下。要求液壓系統(tǒng)與柴油發(fā)動機的功率匹配良好,盡可能多地提高柴油發(fā)動機的輸入和功率,例如在外部的負載相對較低時,提高柴油發(fā)動機的輸入和功率流量及其執(zhí)行傳動機構(gòu)的運轉(zhuǎn)速度往往都是可取的,在雙泵液壓系統(tǒng)中,通常會采用組合和功率流量的方法來達到提高柴油發(fā)動機的工作能效。3.2.2操縱性要求挖掘機不同工況下作業(yè)，每個執(zhí)行元件必須能在不影響其他部件的條件下獨立完成動作，但只在現(xiàn)實工作環(huán)境下，每個部件要做到聯(lián)合靈活動作。這時，怎么將這些部件在復(fù)雜的工作環(huán)境下整合在一起動作便尤為重要。多執(zhí)行器協(xié)同工作時，不應(yīng)相互干擾，通過協(xié)同工作，可以合理分布各執(zhí)行機構(gòu)的位置，實現(xiàn)理想的復(fù)合作用，特別是對于行走機構(gòu)而言，行走馬達的組合作用，也是設(shè)計的一個重要方面。挖掘機在運行過程中，由于液壓泵供油，單側(cè)行走馬達轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致挖掘機出現(xiàn)意外偏轉(zhuǎn)，容易造成事故。由于液壓油首先供給低壓執(zhí)行機構(gòu)，如何協(xié)調(diào)多執(zhí)行機構(gòu)的供油是一個難點。3.2液壓回路的結(jié)構(gòu)設(shè)計整機的液壓原理圖由設(shè)定的液壓回路和動力源構(gòu)成，在詳細分析液壓挖掘機在一個工作周期內(nèi)的四種工況的基礎(chǔ)上，即開挖、全斗提升、旋轉(zhuǎn)、卸載和卸載回程，當回路相互配合時，消除不必要的元件但要特別留意各元件的聯(lián)合動作，防止誤操作，盡量減少能量損失，提高系統(tǒng)效率，便于系統(tǒng)維護和監(jiān)控液壓、必要的傳感元件（如壓力計）要在能反映特性的部位安裝。大型裝置的關(guān)鍵零部件均應(yīng)固定在裝置的主體部件上,以便發(fā)生重大事故時及快地進行更換,并且必須確保裝置主體連續(xù)地運行。所有的液壓元器件都應(yīng)在盡量采用國家標準件,并按照國家標準法律規(guī)定的液壓元器件功能標志符號在正常地點繪制。對于不同程度上自己設(shè)計的非標準件,可以考慮采用結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)框圖上應(yīng)該清楚地標明每個液壓傳動器和執(zhí)行單元的名字和操作、每個液壓元件的編號和各種電磁鐵的代碼,以及各種液壓電磁鐵和換向閥的操作方式如圖3-1所示,電磁鐵的動作方式順序如表3-1所示(在圖中++表示各種電磁鐵接通,-+則表示切斷,空格表示各種接通與切斷不受任何影響)。3-1液壓原理圖表3-1電磁鐵動作順序表工作名稱YA1YA2YB1YB2YC1YC2GD1GD2YX1YX2ZX1ZX2HZ1HZ2鏟斗缸伸出-+鏟斗缸收縮+-斗桿缸伸出-+斗桿缸收縮+-動臂缸伸出-+動臂缸收縮+-高速行走++低速行走--前進-++-后退+--+左轉(zhuǎn)彎-+-+右轉(zhuǎn)彎+-+-工作裝置順轉(zhuǎn)+-工作裝置逆轉(zhuǎn)-+3.3本章小結(jié)本章首先從挖掘機工作裝置的四種工況下的各個部件的動作過程進行闡述，緊接著對挖掘機動力和操作中不同的工況下所需要的功率有所不同，因此在設(shè)計中需要對元件的運行速度需要調(diào)整然后對挖掘機在工作時的復(fù)合操作進行敘述最后在此基礎(chǔ)上設(shè)計出本液壓系統(tǒng)的基本原理圖和電磁鐵控制部分的動作順序表。4液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定4.1液壓系統(tǒng)參數(shù)確定挖掘機的三個重要參數(shù)分別是挖掘機的整體質(zhì)量(以下簡稱裝置重量)、裝機驅(qū)動能力和鏟斗容量(針對于變形工作設(shè)備裝置使用相應(yīng)的操縱能力)這幾項，對于液壓挖掘機的尺寸規(guī)模,在目前行業(yè)中并沒有一致的答案，在2008年初在標準化技術(shù)修訂委員會的報告會上第一次提議將總重6噸以下的設(shè)備標定為小型機,因此根據(jù)行業(yè)的需求共識和了解市場使用習慣,在這里提出以下的分類設(shè)計方案(請參見表4.1)。20世紀80年代的液壓控制器型號被規(guī)定為以斗容1m2對應(yīng)一臺機重度為25t,往上向下都按一個系數(shù)。現(xiàn)如今與20世紀80年代相比已經(jīng)有了很多變化,因此按照規(guī)格尺寸大小進行分類的概念也日趨淡薄。表4.1按整機重量、驅(qū)動功率、鏟斗容量分類分類整機重量/t驅(qū)動功率/kw鏟斗容量/m3小型機≤6t≤400.2~0.22中小型機≥6t且≤13t≥40且≤850.20~0.6中型機≥13t且≤50t≥85且≤2600.6~2.5大型機≥50t且≤100t≥250且≤4002.5~5.0超大型機≥100t≥350大于5.0由于本課題研究的為小型機在工作項目中的應(yīng)用所以選取斗容量為0.21m3項目名稱數(shù)值標準斗容量m30.21動臂長度mm3520斗桿長度mm1320搖桿長度mm320最大挖掘半徑m6.7最大挖掘高度m7.8最大挖掘深度m6.6最大卸載高度m5.7鏟斗容量m30.2主機長/寬度m0.47履帶平均接地比壓MPa0.36最大挖掘力KN135系統(tǒng)工作壓力MPa25履帶板寬度m0.6整機重量Kg5350鏟斗液壓缸推力KN320斗桿液壓缸推力KN440動臂液壓缸推力KN520行走速度km/h0~5.5回轉(zhuǎn)速度r/min0~13.4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。根據(jù)所要求的負載運動形態(tài)，選用不同的執(zhí)行元件配置，如下表4.2所示表4.2執(zhí)行元件配置運動方式執(zhí)行元件右行走左行走直性行走右液壓馬達左液壓馬達左液壓馬達+右液壓馬達工作裝置動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸回轉(zhuǎn)擺動液壓馬達4.2執(zhí)行元件液壓缸及系統(tǒng)壓力的初選1液壓缸參數(shù)的選擇各個地區(qū)分句相似的情況各個地區(qū)土壤狀態(tài)都千差萬別,基至相同的地區(qū)不同的時間,或者相同時間地點不同深度的土壤狀態(tài)也會發(fā)生改變。這就要求通過將土壤的種類和其性質(zhì)等因素加以區(qū)分,針對不同的土質(zhì)選擇不同的開挖技術(shù)手段和開挖設(shè)備,以便能夠達到大大降低建筑物的施工費用和縮短建筑物的施工周期。2009年,我國發(fā)布了關(guān)于土壤分類和代碼編制的國家標準。但是,目前在建筑工程中使用土的分類技術(shù)方法還比較不統(tǒng)一。設(shè)計和使用挖掘機械時，需了解和掌握土壤的以下性質(zhì)，在設(shè)計時查到IV級的土壤自然濕度下的容重為γ19500~20000N/m3選取最大值為γ=20000N/m3。每斗料的質(zhì)量根據(jù)卸料斗的尺寸圖按極限情況計算得V=0.21×120%=0.252m3（4.1）G=γ×V=0.252×20000=5040N（4.2）所挖斗料自重G與鏟斗液壓缸產(chǎn)生的推力F在卸料斗底板軸承鉸接處轉(zhuǎn)距平衡即F拉L1=GL2（4.3）F拉374.5=50401320得(KN)工作壓力的選擇關(guān)系到設(shè)計和系統(tǒng)的經(jīng)濟合理性，根據(jù)負載價值和參照在同型號挖掘機上，采用高壓液壓泵，雙泵系統(tǒng)，初選工作壓力為p=15.5MPa。如表4.3和2.4所示。表4.3負載和工作壓力之間的關(guān)系負載F/KN＜1010-2070-140140-250＞250工作壓力P/MPa0.8-1.21.5-2.510-1418-2132表4.4各類機械常用的系統(tǒng)工作壓力設(shè)備類型精加工機床組合機床拉床農(nóng)業(yè)機械、小型工程機械、工程機械輔助機構(gòu)液壓機、重型機械、大中型挖掘機、起重運輸機械工作壓力P/Mpa0.8-23-55-101-1616-324.3計算工作裝置液壓缸的尺寸4.3.1液壓油缸的缸徑、桿徑和流量確定液壓缸壓力損失p1=0.3MPa。液壓缸回油背壓p2=1.3 F=p?p1A?p2A0 F=15.5?0.3A?1×A1.65=14.59A 根據(jù)已有條件鏟斗液壓缸：F1則鏟斗液壓缸：DD1=167.15mm取液壓缸系列值為1根據(jù)已有條件斗桿液壓缸：F1則斗桿液壓缸：DD2=196.00mm取液壓缸系列值為根據(jù)已有條件動臂液壓缸：F1則每個液壓缸的受力：F3則動臂液壓缸：DD3=150.67mm取液壓缸系列值為系統(tǒng)由于是變量泵提供液壓油，可以在低速運行狀態(tài)下消除高峰負載下的力，查閱相類似的挖掘機額定載荷下動臂缸的伸出速度0.3m/s。斗桿缸0.35

m/s。鏟斗液壓缸取0.4m

s則有：Q=式中ηv—液壓缸的容積效率一般取0鏟斗液壓缸所需流量：Q斗桿液壓缸所需流量：Q單個動臂液壓缸所需流量：Q4.3.2行走機構(gòu)傳動計算假設(shè)行走鏈輪節(jié)距x=185mm,齒數(shù)為z=23。在低速行駛時鏈輪轉(zhuǎn)速為n=由于傳動比為i=43則可以計算到液壓行走馬達轉(zhuǎn)速：n左右履帶對稱安裝兩組行走馬達，在低速大扭矩下行走，這時的牽引力可看作機重的80%則兩邊的履帶的牽引力各為：F=作用在鏈輪上的扭矩為：M算式中D為鏈輪節(jié)圓直徑(D=644.6mm)行走馬達輸出扭矩為：Mm算式中η為行走機械效率取η=0.85取行走馬達的兩腔壓差為Δpm可得行走馬達的排量為q算式中ηmm為行走馬達的機械效率取此時左右為兩個履帶各安裝兩50mL/r的行走馬達則需要的流量為：Qηmv為液壓馬達的容積效率ηmv在高速行駛時，可將牽引力看作機重的45%則兩邊的的牽引力各為：F=作用在鏈輪上的扭矩為：M算式中D為鏈輪節(jié)圓直徑(D=644.6mm)行走馬達輸出扭矩為：M算式中η為行走機械效率取η=0.85取行走馬達的兩腔壓差為Δpm可得行走馬達的排量為：q算式中ηmm為行走馬達的機械效率取左右兩個履帶各安裝兩個25mL/r的行走馬達則需要的流量為：Qηmv為液壓馬達的容積效率ηmv所以單個液壓馬達在高速行駛時的排量為5mL/r時的流量為27.5L/min單個液壓馬達在低速行駛時的排量為50mL/r時的流量為55L/min4.3.3回轉(zhuǎn)機構(gòu)傳動計算轉(zhuǎn)臺以上總的轉(zhuǎn)動慣量為J=190000N?m/s2回轉(zhuǎn)角度加速度?wdt則機械回轉(zhuǎn)部位的慣性阻力矩為；M總的慣性阻力矩(包括摩擦阻力矩、回轉(zhuǎn)風阻力矩和回轉(zhuǎn)時坡度阻力矩)為：M2=38760則總力矩即為：M總=M1+根據(jù)轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)速度n=9.5r/min,機械回轉(zhuǎn)機構(gòu)減速裝置傳動比i=150可得回轉(zhuǎn)馬達的轉(zhuǎn)速即為：nm'則回轉(zhuǎn)馬達的輸出力矩即為：M此時液壓缸的壓力與行走馬達的壓力差都比回轉(zhuǎn)馬達的壓力差大，取回轉(zhuǎn)馬達壓力差Δpm=qηmm為回轉(zhuǎn)馬達的機械效率η則選取排量為280Ml/r的回轉(zhuǎn)馬達，這時回轉(zhuǎn)馬達的流量為：Q4.3.4缸筒壁厚計算查閱機械設(shè)計手冊本液壓缸中，3.2≤D/δ＜16，應(yīng)使用中等壁厚計算，此時：δ=+Cψ：液壓缸無縫鋼管強度系Py:液壓缸內(nèi)最高工作壓力。Py=10MpaD：缸筒內(nèi)徑[σ]=[σs]/2.5=175/2.5=70MPaδ=10×220/(2.3×60?3×10)+C=25mm故油缸缸筒外圓取D1=125mm.3缸筒強度校核根據(jù)缸體合成應(yīng)力按下式計算：σzh1=≤[σ] 式中：[σ]=60MPaσz1σz1==22MPa σy1σP：工作壓力，P=16MPaD：油缸缸徑，D=Φ160mmd：油缸桿徑，d=Φ90mmδ：缸筒壁厚，δ=13.5mm終計算：σzy1==53.2MPa<70MPa 即:σzy14活塞桿強度計算活塞桿危險截面在最小直徑處即在螺紋退刀槽，則應(yīng)力為：σn=≤[σ]（4.10）式中σ為拉應(yīng)力：σ=(4.11)τ為剪應(yīng)力：τ=(4.12)上面兩公式中，K：螺紋預(yù)緊系數(shù)，此處取K=1.25K1:螺紋內(nèi)摩擦系數(shù),一般取K1=0.12d1：活塞桿危險截面處直徑，d1=80mmd0：螺紋外徑，d0=82mm[σ]：70MPa則：σ==38.4Mpaτ==25.9Mpa得:σn=64.3MPa所以:σn<[σ],符合工況要求。4.4液壓系統(tǒng)液壓泵和發(fā)動機的選擇4.4.1液壓泵的選擇和參數(shù)計算1液壓泵的工作壓力的確定+（4.12)--液壓缸最高工作壓力--管道壓力損失則取=1Mpa。2確定液壓泵的流量本系統(tǒng)由于需要聯(lián)動作，液壓缸就需要同時跟著動作，而且系統(tǒng)使用經(jīng)驗公式，算的流量為≥(4.13)其中K-系統(tǒng)泄露系數(shù)，取K=1.2Tt-液壓系統(tǒng)工作周期Vi-每個液壓缸的工作周期中的總耗油z-液壓缸的個數(shù)銷鎖油缸的最大流量(4.15)=6油缸的最大流量=6根據(jù)以上可知:=60大泵流量=小泵流量=泵排量q=0.9L/s按照泵的排量和、的值來選擇液壓泵3選擇液壓泵的規(guī)格依據(jù)本系統(tǒng)中所需的額定排量與流量以及所選柱塞泵的基礎(chǔ)上，從機械設(shè)計手冊第四卷中查表選取型號為90L250DCS00EBA的變量柱塞泵。4.4.2柴油發(fā)動機的選擇液壓缸在整個運動周期中，系統(tǒng)的壓力和流量都在變化。為了滿足整個工作循環(huán)的需要，發(fā)動機功率應(yīng)按大功率范圍來確定。如液壓示意圖所示，當系統(tǒng)在快速移動狀態(tài)時兩個柱塞泵都參與油液的供給，此時系統(tǒng)中的壓力和所需的流量尤為重要，不能出現(xiàn)油液提供不足的情況。除了要提供必要的鎖緊力外還要為液壓缸提供足夠的油液和壓力經(jīng)計算雙泵的壓力都取16MPa。取泵的總效率=0.8，泵的總驅(qū)動功率為：P==89KW(4.16)在考慮安全的情況下取大于89KW的柴油發(fā)動機;查《機械設(shè)計手冊》查得柴油發(fā)動機的型號為6135K—16功率--106KW轉(zhuǎn)速--2100r/min。變量泵的變量系數(shù)取2，則每一個泵：變量啟始的壓力為7MPa，輸出流量取系統(tǒng)最大值為398.4L/min變量最大的壓力為14MPa，輸出流量取系統(tǒng)最大值為200L/min油箱容積取最大流量的1.25倍由此可得油箱容積V=1.25×2×398.4L=996L4.5液壓閥的選擇根據(jù)所選回路的作用中不同支路所需要到額定壓力的不同選取不同開啟壓力的溢流閥，在系統(tǒng)中作為安全保護作用。液壓泵旁邊的溢流閥一般是系統(tǒng)中壓力最大的閥，保護液壓泵不應(yīng)為壓力過大使得損壞，在液壓缸所在回路中的溢流閥起到保護液壓缸和所在管路的安全運轉(zhuǎn)，不應(yīng)為挖掘機鏟斗挖到巨石后過大的載荷使得液壓缸回路中壓力急劇升高損壞液壓缸。在液壓馬達回路中的溢流閥同樣起到安全保護的作用，當在遇到路況復(fù)雜多變的情況時可能會在挖掘過程中鏟斗插入土壤后履帶前進時提供挖掘力時履帶受到較大阻力后卸荷保護液壓馬達不被損壞。液壓回路中行走裝置中液壓馬達與工作裝置液壓缸所需的壓力和流量不同這時需要在行走液壓馬達回路中添加節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量與壓力防止液壓馬達的損壞。根據(jù)回路中各控制閥的工作性質(zhì)不同，在行走液壓馬達回路中要提供高速行駛與低速兩種檔位的運行模式所以選擇一個兩位閥，使得在單個液壓馬達作用時高速行駛，雙馬達工作時低速大扭矩傳動。換向閥采用M型三位四通電磁換向閥規(guī)格見表4.2。表4.2元件選擇表序號代號名稱及規(guī)格材料數(shù)量1996L油箱成品1290L250DCS00EBA變量泵成品23GLCW-55冷卻器成品14S20P1.0單向閥成品105H060-012B5過濾器成品16萬齊WQ-YLB壓力計成品17F3-MVB15FLSWY-20-CCD-11-PRC液壓馬達成品58SPVM20A1GB12ATEX溢流閥成品139液壓缸成品310MG15G/1.3節(jié)流閥成品6114WE10E3X/CG24NZ5L兩位四通手動換向閥成品112力士樂REXROTH高壓優(yōu)先梭閥成品1134WE10T6/AG24Z5三位四通電磁換向閥成品61424ENH20BTZ兩位四通電磁換向閥成品215FG/FCG帶單向閥調(diào)速閥成品316Q11F-16P-25截止閥成品11722DYF3ME10BZ兩位兩通液動換向閥成品1主操作閥選擇成4WE10T6/AG24Z5，最大流量230L/min，可實現(xiàn)工作裝置的啟閉，行走裝置的啟停和轉(zhuǎn)向，回轉(zhuǎn)裝置的協(xié)調(diào)。4.6本章小結(jié)通過查詢液壓相關(guān)的手冊對液壓回路中的液壓缸進行參數(shù)的確定，對行走裝置中的排量等參數(shù)進行確定，計算回轉(zhuǎn)機構(gòu)所要的排量和流量進行確定，再根據(jù)算到的結(jié)果匯總選出液壓系統(tǒng)中液壓泵和柴油發(fā)動機進行參數(shù)的確定，最后對系統(tǒng)中出現(xiàn)的液壓閥查手冊進行規(guī)格代號的選擇。5液壓系統(tǒng)仿真分析本文在研究挖掘機在空載狀態(tài)時按照設(shè)計的液壓原理圖在FluidSim4.2.中將所需要的鏟斗液壓缸的最大行程設(shè)置為512mm、液壓缸內(nèi)徑設(shè)置為160mm、活塞桿直徑90mm、內(nèi)部泄露設(shè)置為0.5L/(min*MPa)(如圖5-1所示)。如圖5-1鏟斗液壓缸參數(shù)設(shè)置動臂液壓缸的最大行程設(shè)置為667mm、液壓缸內(nèi)徑設(shè)置為160mm、活塞桿直徑80mm、內(nèi)部泄露設(shè)置為0.5L/(min?MPa)(如圖5-2所示)。如圖5-2動臂液壓缸參數(shù)設(shè)置斗桿液壓缸的最大行程設(shè)置為672mm、液壓缸內(nèi)徑設(shè)置為160mm、活塞桿直徑110mm、內(nèi)部泄露設(shè)置為0.6L/(min?MPa)(如圖5-3所示)換向閥按照算到的數(shù)據(jù)設(shè)置完成。如圖5-3斗桿液壓缸參數(shù)設(shè)置5.1空載工況仿真分析鏟斗在不受外部載荷時鏟斗伸出位移與時間呈現(xiàn)線性上升關(guān)系，當換向閥在中位時液壓缸曲線不再上升，這時再次改變液壓油的流向鏟斗活塞桿的位移與時間呈現(xiàn)線性下降曲線中蔚藍色為位移-時間曲線，綠色為負載-時間曲線如圖5-4。5-4鏟斗空載仿真曲線斗桿在不受外部載荷時斗桿伸出位移與時間呈現(xiàn)線性上升關(guān)系，當換向閥在中位時液壓缸曲線不再上升，這時再次改變液壓油的流向鏟斗活塞桿的位移與時間呈現(xiàn)線性下降曲線中蔚藍色為位移-時間曲線，綠色為負載-時間曲線如圖5-5。5-5斗桿空載仿真曲線動臂在不受外部載荷時動臂伸出位移與時間呈現(xiàn)線性上升關(guān)系，當換向閥在中位時液壓缸曲線不再上升，這時再次改變液壓油的流向鏟斗活塞桿的位移與時間呈現(xiàn)線性下降曲線中蔚藍色為位移-時間曲線，綠色為負載-時間曲線如圖5-6。5.6動臂空載仿真曲線由此可見本挖掘機的工作裝置在空載狀態(tài)時可以滿足設(shè)計要求的動作。5.2承載工況仿真分析根據(jù)前面設(shè)計時鏟斗受到載荷最大為320KN,所以在液壓缸的負載上加一變力，其最大值設(shè)置為320KN建立如圖5-7所示的變力。此時接通換向得到如圖5-8所示，在途中閥蔚藍色為位移-時間曲線，綠色為負載-時間曲線，圖中液壓缸伸出時在受到最大的力時液壓缸還可以繼續(xù)伸出說明鏟斗部分液壓回路參數(shù)選取合理。5-7鏟斗負載變力曲線5-7鏟斗承載工況仿真斗桿受到載荷最大為440KN,所以在液壓缸的負載上加一變力，其最大值設(shè)置為440KN建立如圖5-9所示的變力。此時接通換向得到如圖5-10所示，在圖中閥蔚藍色為位移-時間曲線，綠色為負載-時間曲線，圖中液壓缸伸出時在受到最大的力時液壓缸還可以繼續(xù)伸出說明斗桿部分液壓回路參數(shù)選取合理。5-9斗桿負載變力曲線5-10鏟斗承載工況仿真動臂受到載荷最大為520KN,所以在液壓缸的負載上加一變力，其最大值設(shè)置為520KN建立如圖5-11所示的變力。此時接通換向得到如圖5-12所示，在圖中閥蔚藍色為位移-時間曲線，綠色為負載-時間曲線，圖中液壓缸伸出時在受到最大的力時液壓缸還可以繼續(xù)伸出說明動臂部分液壓回路參數(shù)選取合理。5-11動臂負載變力曲線5-12動臂承載工況仿真5.3本章小結(jié)本章完成了對挖掘機液壓系統(tǒng)空載狀態(tài)和承載狀態(tài)下鏟斗油缸、斗桿油缸、動臂油缸進行仿真分析得到性能曲線為挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)，在空載狀態(tài)和承載狀態(tài)下液壓缸都可以正常收放得出本液壓系統(tǒng)設(shè)計合理。結(jié)論本課題——挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析，雖說結(jié)構(gòu)設(shè)計不太復(fù)雜，但因為這次的設(shè)計實踐，自認為還有