【正文】 械，目前已經無可爭議地成為工程機械的第一主力機種，在世界工程機械市場上己占據首位并且仍在發(fā)展擴大。液壓挖掘機迅速發(fā)展的根本原因，在于機械本身的優(yōu)越性 (重量輕、挖掘能力大、生產率高 )、通用性好、操縱輕便，也由于下述幾個因素 :(1 重視試驗研究工作，液壓挖掘機的研制除了保證機械技術性能以外，十分重視挖掘機的使用經濟性和工作可靠性，研制過程中，進行各種 I it 能試驗和可靠性試 驗，包括構件強度試驗、系統(tǒng)試驗、操縱試驗、耐久性試驗等等，要通過嚴格的科學試驗和用戶評價，才進行定型生產 。在國外很多科研機構和一些大型企業(yè)，都已經對挖掘機工作裝置的設計進行研究，并開發(fā)出了一些專業(yè)軟件，美國卡特匹勒 (Caterpillar)、德國利勃海爾 (Liebherr )、英國 JBC、日本神鋼 (KOBELCO)等公司將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、結構件優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機的強度研究方面，促進了產品的優(yōu)質高效率和競爭力，但目前市場上可供選用的商品 化的成熟的應用軟件卻還是很少。在這樣一種情況下，開發(fā)一個專業(yè)化的工作裝置的設計工具和軟件顯得非常必要。目前日本小松公司己經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。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。除了輔助動作 (例如整機轉向等 )不需全功率驅動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅動。 ? 斗桿挖掘工況 :由斗桿液壓缸單獨動作進行挖掘的工況。b一斜坡地面的切削和壓整 單獨采用斗桿挖掘時，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個別也有采用三泵合流。 D 一切削刃擠壓土壤的力，根據斗容量大小在 D =10000 17000N 范圍內選取。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖掘力太大或者其變化規(guī)律與阻力的變化不適應，則功率利用率要降低。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵的全部流量供回轉馬達，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經節(jié)流閥供給斗桿。對液壓挖掘機來說最合理最經常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向機身運動的挖掘方式，用這種方式挖掘充斗效 率高，循環(huán)時間短，也便于卸土，裝車，司機視野無阻，因此生產率高而又安全。 經濟性要求 液壓挖掘機經濟性評價指標有能量指標、作業(yè)循環(huán)時間減小、機重輕、延長維修周期和挖掘 機壽命周期、加快維修進度和降低維修費用、司機操作的舒適性等。LZ ,K、 Gz、Nz 一要設計挖掘機構件的長度、鏟斗容量、質量、功率。生成斗桿、鏟斗分別挖掘時的挖掘圖譜等。 ：控制閥，其功能是對系統(tǒng)中的壓力、流量或流動方向進行控制，以保證執(zhí)行元件達到所要求的輸出力（或力矩）、運動速度和運動方向。 （ 3）超高壓 壓力超過 32MPa。 3．調速方式 本系統(tǒng)采用手動換向、無級調速。為便于裝配和必須在半精加工以前進行。當缸筒與缸蓋用法蘭連接時，要驗算連接螺栓的強度。因為本設計是中低壓液壓系統(tǒng)，所以不需要驗算。由于定量泵簡單可靠，價格低來呢，耐沖性能好，在小型液壓挖掘機上定量系統(tǒng)得到應用，但是，其缺點是系統(tǒng)功率不能充分利用，泵的特性很硬，挖掘硬土時引起很大的溢流損失。 目前，建設機械所用工作壓力等級有： （ 1）中壓 壓力為 10~20MPa。本次設計的是履帶式小型無尾液壓挖掘機，它主要是利用液壓系統(tǒng)來實現挖掘機作業(yè)時的基本動作。免去了大量的三角函數和幾何關系推導。 液壓挖掘機的主要參數 描述挖掘機性能的主要參數 描述挖掘機性能的主要參數有如下 。 動臂、斗桿要求改為焊鑄結構，在應力較高的部位以鑄代焊，這樣大大提高結構件的沖擊和疲勞強度。這些主要機構經常啟動、制動、換向，外負載變化很大，工作條件惡劣，沖擊和振動多，因此挖掘機對工作裝置提出了較高的設計要求。為了調整卸載位置，還需要動臂配合動作。斗桿挖掘時的切削厚度 hg 可按下式計算 式中 :K:一土壤松散系數 == 斗桿挖掘阻力為 式中 :Ko 一土 壤的挖掘比阻力，由表查得。 A 一切削角變化影響系數，取 A=。這些動作決定于液壓系統(tǒng)的設計。 (6)姿態(tài)調整與保持工況 :滿足停放、運輸、檢修等需要。先進的挖掘機液壓系統(tǒng)都被國際上一流的生產企業(yè)壟斷，國內企業(yè)在該領域的研究幾乎是空白，這樣國內的挖掘機生產廠家就無法獨立制造出性能優(yōu)異的挖掘機，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的挖掘機所占據。功率在數百千瓦以上。 由于挖掘機作業(yè)工程中要求對液壓元件能很好地控制其運動速度和進行微 調，而且在其工作的許多工況下要求多個執(zhí)行元件完成復合動作，而長期以來使用的開式液壓系統(tǒng)無法滿足挖掘機的調速和復合動作的要求。特別是國內， CAD 在許多企業(yè)還停留在輔助制圖的程度上，當然也有部分企業(yè)用 CAD進行空間布置設計。液壓挖掘機行業(yè)作為機械行業(yè)的一個重要分支，計算機輔助設計技術的推廣應用勢在必行。針對液壓挖掘機工作裝置的 CAD軟件也已經有了不少的研究。 19681970 年間，液壓挖掘機產量已經達到挖掘機總產量的 83%, 90 年代初工作裝置的結構有所改進。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析研究也己經成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán)。 在搜集了國內外挖掘機液壓系統(tǒng)相關資料的基礎上，了解了挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史，并對挖掘機液壓系統(tǒng)的技術發(fā) 展動態(tài)進行了分析總結。由于液壓挖掘機具有多品種，多功能，高質量及高效率等特點，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。在進行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進行城市型土木施工，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，實現多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機得到了廣泛應用。通過開發(fā)通用性及專業(yè)的液壓挖掘機工作裝置設計軟件，能夠實現工作裝置設計的自動化，提高挖掘機設計水平。當液壓挖掘機配置不同的作業(yè)裝置時，可以用來吊、夾、推、刮、松、挖、裝、銑削、拆除、清除和壓實等作業(yè)，且大都采用快換裝置。 國內原有的數家挖 掘機專業(yè)生產廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實力和豐富的挖掘機生產經驗，紛紛在工廠的技術改造、試驗研究、新產品開發(fā)方面下大功夫。④很重視液壓系統(tǒng)的操縱特性提高 。其 最大的特點就是可以根據負載大小和調速要求對油泵進行控制，從而實現在按需供流的同時，使調速節(jié)流損失△ P控制在很小的固定值，從而達到節(jié)能的目的。各種高新技術的應用，使得挖掘機液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。 (3)卸載 :轉到 卸土點時，轉臺制動，用斗桿液壓缸調節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。當動臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進行挖掘時，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。 鏟斗挖掘時，土壤切削阻力隨挖掘深度改變而有明顯變化，切削阻力與切削深度基本上成正比，前半過程切削阻力較后半過程高，因前半過程的切削角不利，產生了較大的切削阻力，其切削阻力的切向分力可以用下列公式表達 式中 :c 一表示土壤硬度的系數，對 11級土宜取 c=s080，對 m級土宜取 C=%一 150，對 W級土宜取 c 二 160 一 320。 鏟斗挖掘裝土阻力的切向分力與切削阻力的切向分力 W相比很小，產一土壤可忽略不計。動臂抬升和回轉馬達同時動作時，要求二者 在速度上匹配，即回轉到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。 在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件 (如回轉機構、動臂、斗桿和鏟斗 )進行調整。 15 表 2一 1各功能運動的動力特性要求一 覽表 表 2 一 2 常見復合運動要求一覽表 結構強度要求 液壓挖掘機結構強度是工作裝置設計的關鍵之一，工作裝置的結構和所承受的載荷是十分復雜的。為減少運行時間和返回時間應在允許的情況下盡量減小回轉角。 基于計算機輔助設計方法的工作裝置的設計 隨著計算機輔助設計技術的日益推廣，液壓挖掘機設計技術發(fā)生了很大的變化。但是，用這種方法的方程的建立、求解過程較復雜和冗長，且不便于計算機程序設計，每分析一個機構都要按計算公式逐一編程，對于編程人員來說，顯然是一種費時費事、 而且易于出錯的做法。油路的連接方式有并聯、串 聯和串并聯三種。 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 本次設計的履帶式無尾液壓挖掘機有 2 個主要執(zhí)行原件。根據《機械設計手冊》第 4卷表 1766，常用的缸筒結構有八類，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。端蓋上有 活塞桿導向套及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺孔，受力比較復雜，必須進行強度校核。當缸蓋作導向套時，應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。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，而且便于拆卸和檢修。按其職能來說，屬于液壓能元件，又稱為動力元件。并聯油路的特點是各滑閥可進行各自獨立操作，幾個工作裝置可以同時進行工作；但當幾個滑閥同時處于換向位置時，負荷小的工作裝置先動，而不能實現嚴格的同步，不過可采用均流器來解決并聯系統(tǒng)中兩個執(zhí)行原件的同步問題。 眾多人員所研究的結果對液壓挖掘機計算機輔助設計有很大的意義，但所研究的內容一般限制于工作裝置的局部的設計。 18 國內外眾多研究人員進行了基于計算機輔助設計方法的挖掘機工作裝置的設計?；剞D角度過小時，由于達不到最大回轉速度，不能充分利用發(fā)動機的功率，從而增加運行和返回時間。 16 在設計液壓挖掘機的工作裝置時，要求盡可能減少焊縫和變形，這不僅增加構件強度，而且縮短制造周期降低成本。 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 )供油。卸載回轉角度大，則要求回轉速度快些，而動臂的提升速度慢些。從隨機統(tǒng)計的角度看，取法向分力 Wz 為零來簡 化計算是允許的。 07max 一挖掘過程中鏟斗總轉角的一 半 。這兩種情況的挖掘阻力不同。 圖 2. 1 液壓挖掘機的工作運動 1 一動臂升降 。目前國外先進品牌的挖掘機在電液聯合控制方面的研究己趨成熟。目前以日本小松 (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商都在自己的挖掘機液壓系統(tǒng)中使用了負流量控制技術。 日本小松 (KAMATSU)公司 90年代以前一直致力開發(fā)開式負載敏感系統(tǒng) (OLSS )，用以降低液壓系統(tǒng)的損耗。這樣，引進和消化國外的不少技術，在技術方面都有了長足的進步。工作 裝置中，動臂、斗桿結構變化多樣，也擴展了主機的使用功能，這一結構主要表現為動臂、斗桿長度的變化，由動臂、斗桿的兩元件變化為兩節(jié)動臂、斗桿的多元件和伸縮臂。 挖掘機的發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎，其液壓系統(tǒng)已成為工程機械液壓系統(tǒng)的主流形式。當時液壓挖掘機主要配置反鏟工作裝置。 工作裝置是液壓挖掘機主要組成部分之一，是直接完成挖掘任務的裝置。液壓挖掘機利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達、液壓缸等）帶動各種構件動作，具有許多優(yōu)點，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。 挖掘機與液壓傳動緊密地聯系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎。優(yōu)點是重量輕，制造方便，成本低。 國內外液壓挖掘機工作裝置的發(fā)展動態(tài)及研究現狀 最早在液壓挖掘機工作裝置設計時，設計人員通過類比、查表、理論計算初步確定性能參數以后，還需要花大量的時間對設計的合理性進行分析，計算量大，而且在設計過程中，大都選取幾個特殊位置進行檢討計算，其精度當然較低。只有具有專業(yè)性的挖掘機設計軟件，才能設計出適應于各種各樣建筑施工的挖掘機工作裝置，也能夠滿足市場和用戶的要求。關于工作裝置設計參數分析和在 CAD 上其自動設計的綜合研究文獻還沒有。另外， 當液壓作用元件一起復合動作時，相互干擾大，使得復合動作操縱非常困難。目前，國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在 30MPa 以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢 。 國內研究情況及發(fā)展動態(tài) 從國內情況來看，國內挖掘機行業(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。4 一轉臺回轉 :5 一整機行走 (4)空斗返回 :卸載結束，轉臺反向回轉，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點，此時是回轉和動臂或斗桿的復合動作。此時斗桿收 回，動臂抬起，需要保證彼此動作獨立，相互之間無干擾。為挖掘起始位置的鏟斗相對斗桿的初始轉角 。 11 斗桿挖掘時切削行程較長，切土厚度在挖掘過程中可視為常數，見圖 斗桿在挖掘過程中的總轉角為 (p = 500 800，在這轉角行程中鏟斗被裝滿。這時是回轉馬達、動臂、斗桿和鏟斗進行復合動作。 姿態(tài)調整與保持工況分析 基本要求 :工作裝置及其他功能運動的制動與鎖定，要滿足接地比壓要求，保證合適的停放與運輸尺寸與姿態(tài)和特殊