【正文】 缸筒與缸蓋法蘭采用 5個(gè) M16 的螺栓連接，均與布置在直徑為 106? 的圓周上。如欲防止腐不損壞密封件，缸筒內(nèi)孔應(yīng)倒 15 度角。缸筒與缸底采用焊接方式，故采用焊接性能較好的 35 鋼的冷拔無(wú)縫鋼管，粗加工后調(diào)制，由手冊(cè)中查得 35鋼的抗拉強(qiáng)度 Mpab 520?? ，屈服極限 Mpas 310?? 3．缸筒缸徑 D 的計(jì)算 14mFD p??? （ 41） 式中： 1F — 活塞桿上的最大負(fù)載 )(N ,此處 1F? 113KN p — 工作壓力，初取 16p MPa? m? — 液壓缸的機(jī)械效率，取 23 所以： 14 9 9 .9mFD m mp???? （ 42） 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》卷 表 1762 表 41 液壓缸內(nèi)徑的選擇 液壓缸內(nèi)徑系列（ GB/T23481993） /mm 8 1 1 2 3 50、 6 80、 (90)、100、 (110)、 12 (140)、 160、 (180)、 200、 (220)、 250、(280)、 3 (360)、 400、 (450)、 500 取液壓缸缸筒內(nèi)徑 D? 100mm 4．缸外經(jīng)的確定 根據(jù)上面所算出來(lái)的 缸筒內(nèi)經(jīng)為 D=100mm，從而根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第 20 篇表20— 6— 9 如下表。 22 4 系統(tǒng)初步計(jì)算和液壓元件的選擇 動(dòng)臂 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)油缸時(shí)，先要知道的參數(shù)有活塞桿上的作用力，工作行程（由工作裝置設(shè)計(jì)部分得出）；安裝形式和安裝長(zhǎng)度；供油壓力；負(fù)載特點(diǎn)和工作環(huán)境等。 因?yàn)橄到y(tǒng)的工作壓力為 25MPa，所以有 25（ 1+25%） =（ MPa） 在定量系統(tǒng)中，流量固定，不能因外負(fù)荷變化而使流量 作相應(yīng)的變化，因此，負(fù)荷小時(shí)不能提高作業(yè)速度，功率得不到重分利用。在外負(fù)荷已定情況下，系統(tǒng)壓力選的愈高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，可以獲得比 20 較輕巧緊湊的結(jié)構(gòu)，對(duì)大型挖掘機(jī)來(lái)說(shuō)，更為重要，所以，一般應(yīng)盡可能選取較高的工作壓力。一般小功率機(jī)器用低壓，大功率機(jī)器用高壓。 ：保證系統(tǒng)正常工作所需要的輔助裝置，例如油箱，濾油器，油管等。著手設(shè)計(jì)時(shí)，必須從實(shí)際情 況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動(dòng)形式，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡(jiǎn)單、維修方便的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，得到了挖掘機(jī)在整個(gè)挖掘過(guò)程中的作業(yè)范圍，該系統(tǒng)還提供了挖掘時(shí)挖掘機(jī)上各個(gè)鉸點(diǎn)的受力分析功能和現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫功能。以功率平衡原理來(lái)計(jì)算斗齒的挖掘力，沒有考慮挖掘力與各油缸的閉鎖力、整機(jī)穩(wěn)定性和附著性之間的關(guān)系。對(duì)于通用式挖掘機(jī)，其最大挖掘半徑 R~一般為 ,最大挖掘深度 H~一般為1. G3，最大卸載高度 hs~一般為 39。液壓挖掘機(jī)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 。從能容指標(biāo)角度來(lái)看，要求液壓挖掘機(jī)的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度高。為了減少焊接變形及焊接應(yīng)力，要求采用型鋼及壓型等結(jié)構(gòu)。作業(yè)范圍圖 (圖 )有部分區(qū)間深入到挖掘機(jī)停機(jī)點(diǎn)地下，這一范圍的土壤雖能挖掘，但可能引起土壤的崩塌而影響挖掘機(jī)的穩(wěn)定和安全工作，除有條件的挖溝作業(yè)以外一般不使用。 姿態(tài)調(diào)整與保持工況分析 基本要求 :工作裝置及其他功能運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)與鎖定，要滿足接地比壓要求，保證合適的停放與運(yùn)輸尺寸與姿態(tài)和特殊的檢查姿態(tài)。特點(diǎn)與滿載回轉(zhuǎn)類似，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比滿足時(shí)減小。這時(shí)是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。挖掘過(guò)程中還有可能碰到石塊、樹根等堅(jiān)硬障礙物，往往由于挖不動(dòng) 而需要短時(shí)間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時(shí)增壓，能提高主壓力閥的壓力。 11 斗桿挖掘時(shí)切削行程較長(zhǎng)，切土厚度在挖掘過(guò)程中可視為常數(shù)，見圖 斗桿在挖掘過(guò)程中的總轉(zhuǎn)角為 (p = 500 800，在這轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。 10 圖 鏟斗挖掘阻力分析圖 圖 挖掘斷面形狀和載荷曲線 a 一挖掘阻力與設(shè)計(jì)載荷曲線 :b一鏟斗挖掘典型斷面 (單位為 N) 式中 :Y 一土壤密實(shí)狀態(tài)密度，單位為 kg/耐 :刀一土壤傾斜角 (。為挖掘起始位置的鏟斗相對(duì)斗桿的初始轉(zhuǎn)角 。 當(dāng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止同一油泵向多個(gè)液壓作用元件供油時(shí)動(dòng)作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個(gè)油泵單獨(dú)對(duì)一個(gè)液壓作用元件供油較好。此時(shí)斗桿收 回，動(dòng)臂抬起，需要保證彼此動(dòng)作獨(dú)立，相互之間無(wú)干擾。 ? 聯(lián)合挖掘工況 :由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，必要時(shí) 還需配以動(dòng)臂液壓缸的 動(dòng)作。4 一轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn) :5 一整機(jī)行走 (4)空斗返回 :卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。②為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過(guò)程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼?(例如挖掘與動(dòng)臂、提升與回轉(zhuǎn) )同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。 國(guó)內(nèi)研究情況及發(fā)展動(dòng)態(tài) 從國(guó)內(nèi)情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)整體發(fā)展水平較國(guó)外緩慢，在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)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 85969596，使用壽命超過(guò) 1 萬(wàn)小 時(shí)。目前，國(guó)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(shì) 。 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)。另外， 當(dāng)液壓作用元件一起復(fù)合動(dòng)作時(shí)，相互干擾大，使得復(fù)合動(dòng)作操縱非常困難。近幾年來(lái)，隨著液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴(kuò)大，世界上著名的挖掘機(jī)生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術(shù)，來(lái)提高自己挖掘機(jī)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力 :①液壓系統(tǒng)逐漸從開式系統(tǒng)向閉式系統(tǒng)轉(zhuǎn)變 。關(guān)于工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)分析和在 CAD 上其自動(dòng)設(shè)計(jì)的綜合研究文獻(xiàn)還沒有。當(dāng)時(shí)由于受配件如發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓件及企業(yè)自身?xiàng)l件的影響，質(zhì)量和產(chǎn)量遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的水平，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比也存在較大差距。只有具有專業(yè)性的挖掘機(jī)設(shè)計(jì)軟件，才能設(shè)計(jì)出適應(yīng)于各種各樣建筑施工的挖掘機(jī)工作裝置，也能夠滿足市場(chǎng)和用戶的要求。 3 當(dāng)前液壓挖掘機(jī)的研制和改進(jìn)主要著眼于 :(1)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的充分有效利用，通過(guò)各種途徑使機(jī)械多做有效的功，其中包括動(dòng)力裝 置與液壓系統(tǒng)的最佳匹配，傳動(dòng)效率的提高，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)功率的回收，高效液壓系統(tǒng)的研究等 。 國(guó)內(nèi)外液壓挖掘機(jī)工作裝置的發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀 最早在液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)類比、查表、理論計(jì)算初步確定性能參數(shù)以后，還需要花大量的時(shí)間對(duì)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析，計(jì)算量大，而且在設(shè)計(jì)過(guò)程中，大都選取幾個(gè)特殊位置進(jìn)行檢討計(jì)算，其精度當(dāng)然較低。該參數(shù)的設(shè)計(jì)與挖掘機(jī)性能的好壞有關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是重量輕，制造方便，成本低。 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)。 挖掘機(jī)與液壓傳動(dòng)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)。hydraulic system of excavator。液壓挖掘機(jī)利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等）帶動(dòng)各種構(gòu)件動(dòng)作，具有許多優(yōu)點(diǎn)，于是它對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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。本人的設(shè)計(jì)主要致力于分析和設(shè)計(jì)負(fù)載敏感系統(tǒng)液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的液壓站裝配圖，以液壓元件和液壓回路為主。 工作裝置是液壓挖掘機(jī)主要組成部分之一，是直接完成挖掘任務(wù)的裝置。但是此后的很長(zhǎng)時(shí)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。當(dāng)時(shí)液壓挖掘機(jī)主要配置反鏟工作裝置。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，被成為土建機(jī)械手，成為建設(shè)機(jī)器人的代表，據(jù)有關(guān)專家估算，全世界各種施工作業(yè)場(chǎng)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)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。 近幾年來(lái)，國(guó)外液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量急劇上升，結(jié)構(gòu)逐步完善，在工程建設(shè)和施工行業(yè)中占有很重要的位置。工作 裝置中，動(dòng)臂、斗桿結(jié)構(gòu)變化多樣，也擴(kuò)展了主機(jī)的使用功能，這一結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為動(dòng)臂、斗桿長(zhǎng)度的變化，由動(dòng)臂、斗桿的兩元件變化為兩節(jié)動(dòng)臂、斗桿的多元件和伸縮臂。 國(guó)外許多有實(shí)力的生產(chǎn)廠商有了自己的軟件。這樣，引進(jìn)和消化國(guó)外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前研究液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于，為了使挖掘機(jī)設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算中解脫出來(lái)，現(xiàn)有工作裝置機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，即大多數(shù)的液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)研究在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上局限地進(jìn)行的。 日本小松 (KAMATSU)公司 90年代以前一直致力開發(fā)開式負(fù)載敏感系統(tǒng) (OLSS )，用以降低液壓系統(tǒng)的損耗。 這種系統(tǒng)非常符合挖掘機(jī)操作的要求，它操縱簡(jiǎn)單，對(duì)司機(jī)的操縱技巧要求低，在國(guó)際上已經(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(shì)。目前以日本小松 (KOMATSU)和日本日立 (HITACHI)為代表的許多國(guó)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)。 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(gè)功能部件都會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響，系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。目前國(guó)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。 液壓挖掘機(jī)的工況分析 液壓挖掘機(jī)的主要功能運(yùn)動(dòng)包括以下幾個(gè)動(dòng)作 (如圖 ):動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動(dòng)作。 圖 2. 1 液壓挖掘機(jī)的工作運(yùn)動(dòng) 1 一動(dòng)臂升降 。采用鏟斗液壓 缸進(jìn)行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率，因此，在一般 土方工程挖掘中 (III 級(jí)土一下土壤的挖掘 )鏟斗挖掘最常用〔‘。這兩種情況的挖掘阻力不同。b一斜坡地面的挖削 9 圖 地面的切削和壓整 a水 平地面的切削和壓整 。 07max 一挖掘過(guò)程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一 半 。 m，初步設(shè)計(jì)時(shí)可取 X=。從隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的角度看，取法向分力 Wz 為零來(lái)簡(jiǎn) 化計(jì)算是允許的。顯然，研究挖掘 阻力的目的是確定需要的斗齒挖掘力及其變化規(guī)律，以便在工作裝置設(shè)計(jì)中給予保證。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動(dòng)臂的提升速度慢些。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作。 為了保證挖掘機(jī)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(gè)油泵單獨(dú)供油，另一個(gè)油泵向其它液壓作用元件 (如動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn) )供油。 主要挖掘區(qū)是指用最合理最經(jīng)常的挖掘方式，最經(jīng)常進(jìn)行挖掘的區(qū)域。 16 在設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置時(shí)，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增加構(gòu)件強(qiáng)度，而且縮短制造周期降低成本。為減少應(yīng)力集中，應(yīng)使焊縫與應(yīng)力集中部位錯(cuò)開，在主要受力鉸接支承處采用鑄鋼件。回轉(zhuǎn)角度過(guò)小時(shí)，由于達(dá)不到最大回轉(zhuǎn)速度，不能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，從而增加運(yùn)行和返回時(shí)間。然后，再按照具體的受力狀況，進(jìn)行必要的驗(yàn)算： 式中 :L, ,K、 G, ,私一已知挖掘機(jī)構(gòu)件的長(zhǎng)度、鏟斗容量、質(zhì)量、功率 。 18 國(guó)內(nèi)外眾多研究人員進(jìn)行了基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)。給出各個(gè)油缸的作用力臂變化特性、主要工作尺寸 。 眾多人員所研究的結(jié)果對(duì)液壓挖掘機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有很大的意義，但所研究的內(nèi)容一般限制于工作裝置的局部的設(shè)計(jì)。 液壓缸輸出力 和速度，帶動(dòng)負(fù)載作直線運(yùn)動(dòng)； 液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)負(fù)載作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。并聯(lián)油路的特點(diǎn)是各滑閥可進(jìn)行各自獨(dú)立操作，幾個(gè)工作裝置可以同時(shí)進(jìn)行工作；但當(dāng)幾個(gè)滑閥同時(shí)處于換向位置時(shí)，負(fù)荷小的工作裝置先動(dòng)，而不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步，不過(guò)可采用均流器來(lái)解決并聯(lián)系統(tǒng)中兩個(gè)執(zhí)行原件的同步問(wèn)題。常用于中、大型挖掘機(jī)、混凝土泵等。按其職能來(lái)說(shuō)，屬于液壓能元件，又稱為動(dòng)力元件。 2．基本回路 本系統(tǒng)采用并聯(lián)回路。缸筒與缸蓋采用外螺紋連接具有重量輕，外徑較小的優(yōu)點(diǎn)，而且便于拆卸和檢修。 此外，還有通往油口、排 99氣閥孔的內(nèi)孔口必須有倒角，不允許有飛邊、毛刺，以免劃傷密封件。當(dāng)缸蓋作導(dǎo)向套時(shí)，應(yīng)采用鑄鐵并在其工作表面堆焊青銅、黃銅或是其他耐磨材料。驗(yàn)算時(shí)可按拉應(yīng)力 ? 和剪應(yīng)力 ? 的合成應(yīng)力 ?? 來(lái)進(jìn)行。端蓋上有 活塞桿導(dǎo)向套及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺孔，受力比較復(fù)雜，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。 24 6．缸筒制造加工要求 缸筒直徑 D 采用 7H 或 8H 級(jí)配合，表面粗糙度 Ra 值一般為 ～ m? ，都需進(jìn)行研磨 。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第 4卷表 1766，常用的缸筒結(jié)構(gòu)有八類，通常缸筒與缸蓋、缸頭的連接型式取決于額定工作壓力、 用途和使用環(huán)境等因素。 21 本系統(tǒng)采用中壓定量系統(tǒng)泵，系統(tǒng)壓力 25MPa，考慮到額定壓力比系統(tǒng)壓力大 25%左右，液壓泵具有一定的液力儲(chǔ)備。 確定系統(tǒng)的型式 采用二次壓力反饋式敏感系統(tǒng) 系統(tǒng)方案的擬定 確定元件類型 1．執(zhí)行原件 本次設(shè)計(jì)的履帶式無(wú)尾液壓挖掘機(jī)有 2 個(gè)主要執(zhí)行原件。常用于裝載機(jī)、起重機(jī)、小型挖掘機(jī)等建設(shè)機(jī)械。油路的連接方式有并聯(lián)、串 聯(lián)和串并聯(lián)三種。一個(gè)完整的、能夠正常工作的液壓系統(tǒng)，應(yīng)該由以下五個(gè)主要部分來(lái)組成：