【正文】 在軍事工程中，可用來筑路、挖壕溝和掩體、建造各種軍事建筑物。因此，大力發(fā)展液壓挖掘機(jī)，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和加速國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。 2)能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，例如柱塞式液壓馬達(dá)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可低達(dá) 1r/min. 3)快速作用時(shí)，液壓元件產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣性小，加速性能好，并可作調(diào)整反轉(zhuǎn)。 基于液壓傳動(dòng)的上述優(yōu)點(diǎn)，液壓挖掘機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)相比，具有下列主要特點(diǎn)。這種入選運(yùn)動(dòng)一般速度不高，而所需作用力卻很大，要求在短時(shí)間內(nèi)通過變速或換向來完成各種復(fù)雜動(dòng)作。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，液壓挖掘機(jī)的質(zhì)量大約比相同斗容量的機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)輕 30%，不僅節(jié)省了鋼材，而且降低了接地比壓。更換工作裝置時(shí)，由于不牽連轉(zhuǎn)臺(tái)上部的其他機(jī)構(gòu)，因此更換工作裝置容易，而機(jī)械式挖掘機(jī)則受到提升機(jī)構(gòu)和推壓機(jī)構(gòu)的牽連和限制。 1)根據(jù)液壓挖掘機(jī)種類主要機(jī)構(gòu)傳動(dòng)類型劃分。一般說來，這種 區(qū)別主要表現(xiàn)在行走機(jī)構(gòu)上。在土質(zhì)松軟或沼澤地帶作業(yè)的液壓挖掘機(jī)，還 可通過加寬履帶來降低接地比壓。近年來，輪胎式挖掘機(jī)的生產(chǎn)量日漸增長(zhǎng)。 拖式液壓挖掘機(jī)沒有行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，行走時(shí)由拖拉機(jī)牽引， 3)根據(jù)工作裝置劃分 根據(jù)工作裝置結(jié)構(gòu)不同， 可分為鉸接式和伸縮臂式挖掘機(jī)。伸縮臂前端裝有鏟斗，適于進(jìn)行平整和清理作業(yè)，尤其是修整溝坡。 1950年，德國(guó)研制出世界上第一臺(tái)全液壓挖掘機(jī)。美國(guó)、德國(guó)和日本是液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)，具有較高 市場(chǎng)占有率。到 20世紀(jì) 70年代末 80年代初，長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠和杭州重型機(jī)械研制成功了 WY160和 WY250 等液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。為了發(fā)展民族挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，必須瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平，圍繞國(guó)內(nèi)外兩個(gè)市場(chǎng)，在充分利用國(guó)際化配套的國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)自主創(chuàng)新意識(shí)，掌握核心設(shè)計(jì)制造技術(shù)，發(fā)揮性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，把我國(guó)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品做大做強(qiáng)。挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)復(fù)雜，其性能的優(yōu)劣決定著挖掘工作性能的高低，可以說目前液壓傳動(dòng)的許多先進(jìn)技術(shù)都體現(xiàn)在挖掘機(jī)上。 2 總體方案設(shè)計(jì) 履帶式液壓挖掘機(jī)的組成 液壓挖掘機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。 2）在不增高行走裝置總高度的前提下應(yīng)使行走裝置具有較大的離地間隙，使挖掘機(jī)在不平地面上行走具有良好的通過性能，力求增強(qiáng)機(jī)器對(duì)各種運(yùn)行條件和作業(yè)要求的適應(yīng)性； 3）要降低挖掘機(jī)的接地比壓或具有較大的支承面積，以提高挖掘機(jī)的穩(wěn)定性。他們也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，各種電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣的是交流異步電動(dòng)機(jī)（又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）。但它有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維護(hù)困難，不適于惡劣環(huán)境。 柴油機(jī)具有熱效率高的顯著優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于汽油機(jī)，功率大，符合工程機(jī)械向大型化發(fā)展的趨勢(shì)。 隨著強(qiáng)化程度的提高，柴油機(jī)單位功率的重量也顯 著降低。 蒸汽機(jī)有很大的歷史作用，它曾推動(dòng)了機(jī)械工業(yè)甚至社會(huì)的發(fā)展。 挖掘機(jī)總體方案設(shè)計(jì)及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 綜上所述，液壓挖掘機(jī)常作業(yè)于野外，需要經(jīng)常行走移動(dòng)。動(dòng)臂起落、斗桿伸縮和 鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)都用往復(fù)式雙作用液壓缸控制。 1）動(dòng)臂 動(dòng)臂是反鏟的主要部件，其結(jié)果有整體式和組合式兩種。整體式動(dòng)臂又可分為直動(dòng)臂和變動(dòng)臂兩種。上、下動(dòng)臂之間的夾角可用輔助連桿或液壓缸來調(diào)節(jié)，雖然使結(jié)構(gòu)和操作 挖掘機(jī)總體方案設(shè)計(jì)及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) (a) (b) 圖 組合式動(dòng)臂 Fig bined boom 1—下動(dòng)臂； 2—上動(dòng)臂； 3—連桿或液壓缸 復(fù) 雜化，但在挖掘機(jī)作業(yè)中可隨時(shí)大幅度調(diào)整上、下臂之間的夾角，從而提高挖掘機(jī)的作業(yè)性能，尤其在用反鏟或抓斗挖掘窄而深的基坑時(shí)，容易得到較大距離的垂直挖掘軌跡，提高挖掘質(zhì)量和生產(chǎn)率。 綜上比較，本設(shè)計(jì)選用 組合式動(dòng)臂 。 圖 反鏟 常用鏟斗結(jié)構(gòu) backhoe bucket structure 1—齒座； 2—斗齒； 3—橡膠卡銷； 4—卡銷； 7—斗齒板 圖 斗齒安裝形式 bucket tooth installation （ a） 螺栓連接； （ b）橡膠卡銷連接 1— 卡銷； 2—橡膠卡銷； 3—齒座； 4—斗齒 正鏟工作裝置 單斗液壓挖掘機(jī)的正鏟結(jié) 構(gòu)如圖 所示 ，主要有動(dòng)臂 動(dòng)臂油缸 鏟斗 斗底油缸 4 等組成。另一種是鉸接在斗桿的尾端。雙節(jié)的動(dòng)臂則由上、下兩節(jié)拼裝而成，根據(jù)裝點(diǎn)的不同，動(dòng)臂的工作長(zhǎng)度也不一樣。其工作過程為：先放下動(dòng)臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)斗桿及鏟斗，向著挖掘機(jī)方向拉轉(zhuǎn)，當(dāng)挖掘至裝滿鏟斗時(shí)，提升動(dòng)臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作面，準(zhǔn)備下一循環(huán)的挖掘工作。~ 270176。合理的設(shè)計(jì)選擇回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，對(duì)于提高生產(chǎn)率和能量利用率具有十分重要的意義。 目前，工程機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)有以下四種類型：機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)以及液壓傳動(dòng)。工程機(jī)械中使用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由來已久。這就是要求司機(jī)有熟練的操作技巧； 2） 輪式機(jī) 械在運(yùn)輸工況時(shí)，由于行駛速度較高而行駛阻力較小，在換檔的動(dòng)力中斷期間，機(jī)械雖然減速但不至于停車。另外，停車檔位還影響機(jī)械的通過性能； 3） 對(duì)于循環(huán)作業(yè)的機(jī)械，經(jīng)常要前進(jìn)、后退和改變車速，變換檔位頻繁，每次換檔都要分離主離合器 ，并用人力撥動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)，司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度大； 4） 傳動(dòng)系統(tǒng)零件受到的沖擊載荷大，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)直接傳到傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)零件，而行駛阻力變化引起的沖擊又通過傳動(dòng)系統(tǒng)影響發(fā)動(dòng)機(jī)，以此降低了發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)零件的使用壽命。 在上述機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中串聯(lián)或并聯(lián)加入液力變矩器（或液力偶合器）后，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過液力變矩器（或液力偶合器）及機(jī)械傳動(dòng)部件 傳到驅(qū)動(dòng)輪，這個(gè)系統(tǒng)稱為液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)需要設(shè)置供油系統(tǒng)，其液力元件加工精度要求高、價(jià)格貴，工作油容易泄漏，這使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，同時(shí)增加了運(yùn)行成本。 電力傳動(dòng)是利用電力設(shè)備并調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞動(dòng)力和進(jìn)行控制。 電力傳動(dòng)存在的缺點(diǎn)是：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差，易受外界負(fù)載的影響，慣性大，起動(dòng)及轉(zhuǎn)向慢，受溫度、濕度、振動(dòng)、腐蝕等環(huán)境因素影響較大。該傳動(dòng)方式取消了主離合器、變速箱、后橋等傳動(dòng)部件，使工作裝置的操縱和整機(jī)驅(qū)動(dòng)方式統(tǒng)一，可減輕機(jī)重、結(jié)構(gòu)緊湊、總體布置簡(jiǎn)單，原地轉(zhuǎn)向性能好，可實(shí)現(xiàn)牽引力和速度的無極調(diào)整，大大提高了牽引性能。 液壓傳動(dòng)雖然有十分突出的有點(diǎn)，但也不能忽視其存在的缺點(diǎn)： 1）使用液壓傳動(dòng)對(duì)維護(hù)的要求高，工作油要始終保持清潔； 2）對(duì)液壓元件制造精度要求高，工藝復(fù)雜，成本較高； 3）液壓元件維修較復(fù)雜，且需有較高的技術(shù)水平； 4）液壓傳動(dòng)對(duì)油溫變化較敏感，這會(huì)影響它的工作穩(wěn)定性。鑒于本機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際要求，在充分考慮其實(shí)現(xiàn)可行性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上本產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。但輪胎式挖掘機(jī)對(duì)路面要求高 ，由于履帶式挖掘機(jī)的附著力大，能達(dá)到輪胎式的 倍，通過性好，接地比壓小，適宜在松軟地段和濕地作業(yè)，抗磨損性能好，可在碎石地段、地形起伏較大的惡劣條件下作業(yè)，爬地能力強(qiáng)，宜在山區(qū)作業(yè)。導(dǎo)向輪既是張緊裝置的一個(gè)組成部分，也是引導(dǎo)履帶正確卷繞。 5）履帶式行走系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬消耗多，磨損嚴(yán)重，維修量大，運(yùn)行速度受限 制。現(xiàn)代中小型液壓挖掘機(jī)多采用雙速行走馬達(dá)，行走速度可在 0~ ~ 。 挖掘機(jī)總體方案設(shè)計(jì)及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體幾何尺寸 的設(shè)計(jì) 在本次設(shè)計(jì)中按照標(biāo)注選定法、理論分析計(jì)算法等方法得出的參數(shù)值不可能都是完全切合的。 2）驅(qū)動(dòng)輪與導(dǎo)向輪軸向中心距 1l ： 1l = 1/3AKM （ 22） =? (22? 109 ) 3/1 ? 3132mm 式中： AK 為尺寸系數(shù) (~ )，取 AK =。 5）履帶板寬 b 由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得： b 的值可在 600~ 800mm 間取值 ,根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) —液壓挖掘機(jī)履帶 GB10677—89》規(guī)格系列查取 b =600mm。 9） 總高 1H 1H = 1/3EKM (28) =? (22? 109 ) 3/1 ? 2961mm 式中： EK 為尺寸系 數(shù) (~ )，取 EK =。 表 機(jī)體主要線性尺寸 Table body main linear dimensions 項(xiàng)目 結(jié)果 (mm) 履帶長(zhǎng)度 1L 4261 軌距 B 2380 輪距 1l 2961 履帶總高 h1 955 懸架底離地高 2h 480 總高 1H 2961 轉(zhuǎn)臺(tái)底部離地高 2H 1116 尾部半徑 R1 2850 前部離回轉(zhuǎn)中心 R2 1120 履帶板寬 b 600 挖掘機(jī)總體方案設(shè)計(jì)及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 總體幾何尺寸 the overall geometry 3 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本組成及其要求 按照挖掘機(jī)工作裝置和各個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來就組 成一個(gè)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)?；剞D(zhuǎn)裝置的功能是將工作裝置和上部轉(zhuǎn)臺(tái)向左或向右回轉(zhuǎn)，以便進(jìn)行挖掘和卸料，完成該動(dòng)作的液壓元件是回轉(zhuǎn)馬達(dá)。 挖掘機(jī)的動(dòng)作復(fù)雜，主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、換向，負(fù)載變化大，沖擊和振動(dòng)頻繁，而且野外作業(yè)，溫度和地理位置變化大，因此挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求 1）要保證挖掘機(jī)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動(dòng)作，也可以相互配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作。 5）保證挖掘機(jī)工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)等）有良好的過載保護(hù)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動(dòng)和限速；防止動(dòng)臂因自重而快速下降和整機(jī)超速溜坡。 9）由于挖掘機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)塵土多，液壓油容易被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性能要好，液壓元件對(duì)油液污染的敏感性要低，整個(gè)液壓系統(tǒng)要設(shè)置濾油器和防塵裝置。在挖掘過程中主要是鏟斗和斗桿有復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)配以動(dòng)臂動(dòng)作。由于卸載所需回轉(zhuǎn)角度不同，隨挖掘機(jī)相對(duì)自卸車的位置而變，因此動(dòng)臂舉升速度和回轉(zhuǎn)速度相對(duì)關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的，若卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動(dòng)臂舉升速度慢些。卸載時(shí)，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合作用，兼以動(dòng)臂動(dòng)作。 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的回路分析 基本回路是由一個(gè)或幾個(gè)液壓元件組成、能夠完成特定的單一功能的典型回路，它是液壓系統(tǒng)的組成單元。 液壓挖掘機(jī)執(zhí)行元件的進(jìn)油和回油路上常成對(duì)地并聯(lián)有限壓閥，限制液壓缸、液壓馬達(dá)在閉鎖狀態(tài)下的最大閉鎖壓力，超過此壓力時(shí)限壓閥打開、卸載保護(hù)了液壓元件和管路免受損壞，這種限壓閥（圖 31）實(shí)際上起了卸荷閥 的作用。 1 換向閥 2 限壓閥 3 油缸 圖 31 限壓回 路 Fig. 31 limited pressure circuit 液壓挖掘機(jī)滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)由于上車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，在啟動(dòng)、制動(dòng)和突然換向時(shí)會(huì)引起很大的液壓沖擊，尤其是回轉(zhuǎn)過程中遇到障礙突然停車。 圖 32 (A)中回轉(zhuǎn)馬達(dá)兩個(gè)油路上各裝有動(dòng)作靈敏的小型直動(dòng)式緩沖（限壓）閥 3，正常情況下兩 閥關(guān)閉。 圖 32（ B）是高、低壓油路之間并聯(lián)有緩沖閥，每一緩沖閥的高壓油口與另一緩沖閥的低壓油口相通。 1 換向閥 緩沖閥 單向閥 圖 32 緩沖回路 Fig. 3 2 buffer circuit 上述各回轉(zhuǎn)回路中的緩沖（限壓）閥實(shí)際上起了制動(dòng)作用，換向閥 1 中位時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)兩腔油路截?cái)啵灰吐穳毫Φ陀谙迚洪y的調(diào)定壓力，回轉(zhuǎn)馬達(dá)即 被制動(dòng)，其最大制動(dòng)力矩由限壓閥決定。根據(jù)節(jié)流閥的安裝位置，節(jié)流調(diào)速有進(jìn)油節(jié)流調(diào)速和回油節(jié)流調(diào)速兩種 1 齒輪泵 2 溢流閥 3 節(jié)流閥 4 換向閥 5 油缸 圖 33 節(jié)流回路 3 throttle circuit 圖 33 (A)為進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，節(jié)流閥 3 安裝在高壓油路上，液壓泵 1 與節(jié)流閥串聯(lián)，節(jié)流閥之前裝有溢流閥 2，壓力油經(jīng)節(jié)流閥和換向閥 4 進(jìn)入液壓缸 5 的大腔使活塞右移。 圖 33 (B)為回油節(jié)流調(diào)速，節(jié)流閥安裝在低壓回路上，限制回油流量。此外，斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸在相應(yīng)油路上也裝有單向節(jié)流閥。比較簡(jiǎn)單的限速方法是使回油通過限速節(jié)流閥，挖掘機(jī)一旦行走超速，進(jìn)油供應(yīng)不及，壓力降低，控制油壓力也隨之降低，限速節(jié)流閥的通道減小，回油節(jié)流，從而防止了挖掘機(jī)超速溜坡事故的發(fā)生。 這種限速補(bǔ)油回路的回油管路上裝有 5～ 10bar 的背壓閥，行走馬達(dá)超速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)若主油路壓力低于此值，回油路上的油液推開單向閥 5 或 7 對(duì)行走馬達(dá)進(jìn)油腔補(bǔ)油，以消除吸空現(xiàn)象。圖中前泵并聯(lián)供左右行走，后泵并聯(lián)供回轉(zhuǎn)、斗桿、鏟斗和動(dòng)臂動(dòng)作，后泵還可通過單向閥和節(jié)流孔與前泵合流供給行走。閥內(nèi)合流的油道在內(nèi)部溝通，外面管路連接簡(jiǎn)單，但內(nèi)部通道較復(fù)雜，閥桿直徑的設(shè)計(jì)要綜合平衡 考慮各種分合流供油情況下通過的流量。當(dāng)操縱動(dòng)臂下降時(shí)，在先導(dǎo)操縱油壓 P 作用下二位二通閥處于相通位置，動(dòng)臂油缸下腔壓力油通過閥芯鉆孔油道經(jīng)二位二通閥回油，由于閥芯內(nèi)鉆孔油道