【文章內(nèi)容簡介】 ......................................................................................... 30 第 6 章 液壓系統(tǒng)性能估算 ................................................................................................. 32 系統(tǒng)壓力損失計(jì)算 .................................................................................................... 32 系統(tǒng)效率 .................................................................................................................... 33 系統(tǒng)液壓沖擊分析 .................................................................................................... 34 結(jié) 論 ................................................................................................................................. 35 致 謝 ................................................................................................................................. 36 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................. 37 外文文獻(xiàn) ................................................................................................................................. 38 中文譯文 ................................................................................................................................. 45 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 小型挖掘機(jī)總體設(shè)計(jì) 第 1章 緒論 中國國土面積大，各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)正處于蓬勃發(fā)展過程中。液壓挖掘機(jī)作為一種重要的工程機(jī)械，廣泛應(yīng)用于房屋建筑、筑路工程、水利建設(shè)、農(nóng)林開 發(fā)、港口建設(shè)、國防工事等的土石方施工和礦山采掘工業(yè)中，對減輕繁重的體力勞動、保證工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度、提高勞動生產(chǎn)率起著十分巨大的作用。隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的需求量將逐年大幅度增長，其在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用將越來越顯著 【 1】 。 中國挖掘機(jī)市場自 1997 年開始已進(jìn)入了一個(gè)較快的發(fā)展時(shí)期，挖掘機(jī)市場需求迅速擴(kuò)大，一些企業(yè)紛紛看好這一市場，挖掘機(jī)行業(yè)如雨后春筍，新企業(yè)不斷涌現(xiàn)，一些原本生產(chǎn)其他工程機(jī)械的企業(yè)，也紛紛加入到挖掘機(jī)行業(yè)。北京奧運(yùn)會、 2020 年上海世博會、西部大開發(fā)、南水北調(diào)工程對機(jī) 械設(shè)備的需求為挖掘機(jī)生產(chǎn)廠商提供了大量商機(jī)。顯然，中國已成為世界上最大的挖掘機(jī)市場 【 2】 。 發(fā)中心不在中國，挖掘機(jī)關(guān)鍵配套零部件也不在中國。在挖掘機(jī)關(guān)鍵的核心技術(shù)研究與掌握方面，國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)差距很大，特別是國內(nèi)企業(yè)在挖掘機(jī)的基礎(chǔ)理論研究方面投入的人力、財(cái)力嚴(yán)重不足 【 3】 。 機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，如何占領(lǐng)挖掘機(jī)市場，盡快為國內(nèi)市場提供產(chǎn)品質(zhì)量好、可靠性高的液壓挖掘機(jī)已成為當(dāng)務(wù)之急。在發(fā)展方向上，小型液壓挖掘機(jī)由于其小巧、靈活、多功能和高效率等特點(diǎn)，已成為挖掘機(jī)市場上的亮點(diǎn)。小型挖掘機(jī)既具有中型挖掘機(jī)的多項(xiàng)功能 ，又具有運(yùn)輸、能耗、靈活性、適應(yīng)等方面的優(yōu)勢，非常適用于空間狹小的施工場地作業(yè)，而且價(jià)格低、質(zhì)量輕、保養(yǎng)維修方便等優(yōu)點(diǎn)，所以在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，市場潛力極其巨大；在技術(shù)水平上，進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)，重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的發(fā)展速度，注重國內(nèi)液壓件的生產(chǎn)。 對于小型液壓挖掘機(jī)來說，設(shè)計(jì)出工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、性能好、成本低、效率高、維護(hù)使用方便的液壓系統(tǒng)，使之與機(jī)械裝置良好的配合顯得尤為重要。以下是小型輪式液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)，希望該設(shè)計(jì)過程能為小型輪式液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)工作獻(xiàn) 上微薄之力【 4】 。 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 第 2 章 內(nèi)容安排及設(shè)計(jì)步驟 本設(shè)計(jì)主要包括小型輪式挖掘機(jī)的上車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓閥塊設(shè)計(jì)、液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、油缸、馬達(dá)和油泵的計(jì)算選型等。 設(shè)計(jì)步驟： 圖 21 設(shè)計(jì)步驟 進(jìn)行挖掘工況分析明確設(shè)計(jì)依據(jù)及參數(shù) 擬訂液壓挖掘機(jī)傳動方案及 上車體和液壓裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 液壓元件選擇計(jì)算和專用件設(shè)計(jì) 液壓系統(tǒng)性能估算 制圖、編制技術(shù)文件 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 3 章 液壓挖掘機(jī)工況分析及設(shè)計(jì)依據(jù) 挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程 液壓挖掘 機(jī)的主要功能運(yùn)動包括以下幾個(gè)動作：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其他輔助工作。典型作業(yè)流程為： ? 整機(jī)移動至合適的工作位置； ? 回轉(zhuǎn)平臺、使工作裝置處于挖掘位置； ? 動臂下降，并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置； ? 斗桿、鏟斗挖掘作業(yè)； ? 動臂升起； ? 回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置； ? 操縱斗桿、鏟斗卸載。 由于挖掘機(jī)的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特殊要求：一是實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼魇?，阻力與作業(yè)速度隨時(shí)變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化；二是充分利用發(fā)動機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間， 工作過程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼魍瑫r(shí)進(jìn)行復(fù)合動作。 液壓挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復(fù)合主要包括： （ 1）挖掘：通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或兩者配合進(jìn)行挖掘。因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動作，必要時(shí)，配以動臂動作。 （ 2）滿斗舉升回轉(zhuǎn)：挖掘結(jié)束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載位置，此時(shí)主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。 （ 3）卸載：轉(zhuǎn)到卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此 時(shí)是斗桿和鏟斗的復(fù)合動作，兼以動臂動作。 （ 4）空斗返回：卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，動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)和動臂或斗桿的復(fù)合動作。 （ 5）整機(jī)移動工況：將整機(jī)移動至合適的工作位置。 （ 6）姿態(tài)調(diào)整與保持工況：滿足停放、運(yùn)輸、檢修等需要。 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 （ 7）其他輔助作業(yè)工況：輔助工作裝置作業(yè)工況。 【 5】 典型挖掘工況 （ 1）鏟斗挖掘工況：有鏟斗油缸單獨(dú)動作進(jìn)行挖掘的工況。采用顫抖液壓缸進(jìn)行挖掘常用與清除障礙，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顫抖挖掘最常 用。 （ 2）斗桿挖掘工況：由斗桿液壓缸單獨(dú)動作進(jìn)行挖掘的工況，在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，為了能夠裝滿鏟斗，中小型液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘。 （ 3）聯(lián)合挖掘工況：由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動作進(jìn)行挖掘的工況，必要時(shí)還需配以動臂液壓缸的動作。 當(dāng)單獨(dú)采用鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定鏟斗液壓缸的行程。以鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)的挖掘行程較短，為了能夠裝滿鏟斗，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，所以一般挖掘機(jī)的斗尖最大挖掘力都在采 用鏟斗液壓缸挖掘時(shí)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)單獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以動臂與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于斗桿液壓缸的行程。當(dāng)動臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。 在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)合工作。如在平整土地或切削斜坡時(shí)，需要同時(shí)操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運(yùn)動。 滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況 滿斗舉升回轉(zhuǎn)的運(yùn)動約占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)間的 50%～ 70%，能量消耗占 25%～50%，回轉(zhuǎn)液壓回路的發(fā)熱量占液壓系統(tǒng)總發(fā) 熱量的 30%～ 50%，因此要求盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)時(shí)間。 挖掘結(jié)束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載處，此時(shí)主要是動臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動作。動臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時(shí)動作時(shí)，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機(jī)相對卸載的位置而變，因此動臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度的相對關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動臂的提升速度慢些。 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 回轉(zhuǎn)起動時(shí)，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可 能從溢流閥溢流，此時(shí)應(yīng)該將溢流的油供給動臂。在回轉(zhuǎn)和動臂提升的同時(shí)，斗桿要外放，有時(shí)還需要對鏟斗進(jìn)行調(diào)整。這時(shí)是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動作 【 4】 。 卸載及空斗返回工況 回轉(zhuǎn)至卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要?jiǎng)颖叟浜蟿幼鳌Ｐ遁d時(shí)，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動作，間以動臂動作。 當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點(diǎn)。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動臂和斗桿復(fù)合動作。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(zhuǎn)速度快。發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。特點(diǎn)與滿載回轉(zhuǎn)類似，但轉(zhuǎn)動慣量比滿載時(shí)減小。 運(yùn)動和動力特性要求 液壓挖掘機(jī)各功能運(yùn)動的動力特性要求和常見復(fù)合運(yùn)動要求，如表 和 所示： 表 3. 1 各功能運(yùn)動的動力特性要求 功能運(yùn)動名稱 應(yīng)用工況 功率要求 變速要求 制動及鎮(zhèn)定要求 顫抖正轉(zhuǎn) 挖掘、姿勢調(diào)整 大 不大 鏟斗反轉(zhuǎn) 卸載、姿勢調(diào)整 不大 不大 最好有鎖定 斗桿正轉(zhuǎn) 挖掘、姿 勢調(diào)整 大 高 最好有鎖定 斗桿反轉(zhuǎn) 姿勢調(diào)整 不大 較高 最好有鎖定 動臂舉升 舉升、姿態(tài)調(diào)整 較大 高 動臂下降 姿態(tài)調(diào)整、輔助作業(yè) 一般 較高 回轉(zhuǎn)運(yùn)動 挖掘與卸載轉(zhuǎn)位 高 高 行走運(yùn)動 場內(nèi)轉(zhuǎn)位、調(diào)整作業(yè)位置 高 高 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 表 3. 2 常見復(fù)合運(yùn)動要求 復(fù)合運(yùn)動 應(yīng)用工況 特點(diǎn)與要求說明 顫抖正轉(zhuǎn) +斗桿正轉(zhuǎn) 負(fù)荷挖掘 功率需求大、變速要求高 鏟斗反轉(zhuǎn) +斗桿反轉(zhuǎn) 卸載 功率需求較小 斗桿正轉(zhuǎn) +動臂舉升 平整土地 要求操作性能好 動臂舉升 +回轉(zhuǎn)運(yùn)動 挖掘與卸載轉(zhuǎn)位 功率需求大變速要求高、動力分配可調(diào) 動臂下降 +回轉(zhuǎn)運(yùn)動 返回向挖掘處 兩者載荷差別大、速度要求高 設(shè)計(jì)依據(jù) 液壓挖掘機(jī)主要參數(shù) 液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù)為整機(jī)重量、發(fā)動機(jī)功率和斗容量。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是小型輪胎式液壓挖掘機(jī)，整機(jī)重量在 8t 左右，發(fā)動機(jī)功率大概為 56kw，斗容量為 179。 壓力和流量是液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)來計(jì)算和選擇液壓元、輔件和原動機(jī)的規(guī)格。當(dāng)系統(tǒng)壓力選定后，液壓缸的主要尺寸或馬達(dá)排量即可確定，接著就可根據(jù)液壓缸的速 度或液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速確定其流量 【 5】 。 液壓系統(tǒng)的壓力 系統(tǒng)壓力選定得是否合理，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理程度。在液壓系統(tǒng)功率一定的情況下，若系統(tǒng)壓力選得過低，則液壓元、輔件的尺寸和重量就增加，系統(tǒng)造價(jià)也相應(yīng)增加；若系統(tǒng)壓力選得過高，則液壓設(shè)備的重量、尺寸和造價(jià)會相應(yīng)降低。然而，若系統(tǒng)壓力選得過高，由于對制造液壓元、輔件的材質(zhì)、密封、制造精度等要求的提高，反而會增大液壓設(shè)備的尺寸、重量和造價(jià)，其系統(tǒng)效率和使用壽命也會相應(yīng)下降，因此不能一味追求高壓。 本次設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮各因素，液壓系統(tǒng)的壓力上 限取 20Mp，且液壓油缸兩端的壓力差為 16Mp。 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 4 章 液壓挖掘機(jī)傳動方案的擬定以及上車體和液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 液壓挖掘機(jī)傳動方案的擬定 通過查閱資料，在明確了設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)參數(shù)后，接下來