【文章內(nèi)容簡介】 械運動中，很多時候機械構(gòu)件都會產(chǎn)生負載荷，即可向系統(tǒng)反饋能量的載荷，由負載荷驅(qū)動的形式叫負載驅(qū)動。常見的有挖掘機、泵車的動臂下降勢能、飛輪的慣性能、卷揚產(chǎn)生的負載荷、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置的制動能等。液壓變壓器的工作四象限表現(xiàn)在能量回收和再利用，而且在控制負載時較連續(xù)，可逆性好，可控性好。此過程中,液壓變壓器為能量形式轉(zhuǎn)換的核心元件,液壓變壓器在進行驅(qū)動負載和負載驅(qū)動情況下,液壓變壓器的端口A、B可分別作為“液壓馬達液壓泵”工況和“液壓泵液壓馬達”工況。 液壓變壓器工作四象限的動力學分析，該負載為液壓缸，即直線式負載，液壓缸的兩腔采用差動連接，下面分別以負載上升和下降的工況來分析液壓變壓器的四象限特性，缸體固定，活塞往返運動，不考慮泄露和沿程、局部壓力的損失。 液壓變壓器驅(qū)動液壓缸上升工況(一)負載上升工況：對液壓缸進行受力分析可得: pBA2pAA1mgFf = ma (1)而液壓缸上下腔的流量關(guān)系為： qce =(A1/A2)qB (2)，,液壓缸加速上升即a0,由(1)式可得 pB(pAA1+mg)/A2 (3)從(2)、(3)以及(1)式可得 qAqce+(mg/pAA2 )qB (4) 液壓缸工況圖 各端口吸、排油情況0t1時段當a0時t1t2時段當a=0時t2t3時段當ga0時qA=qc+qceqA=qc+qceqA=qc+qce蓄能器和液壓網(wǎng)絡供油蓄能器和液壓網(wǎng)絡供油蓄能器和液壓網(wǎng)絡供油當PB/PA1時，qAqB當PB/PA1時，qAqB當PB/PA1時, qAqBT端補油，qT=qBqAT端補油，qT=qBqAT端補油，qT=qBqA當PB/PA1時，qAqB當PB/PA1時，qAqB當PB/PA1時，qAqBT端排油，qT=qAqBT端排油，qT=qAqBT端排油，qT=qAqBt2t3時段，當ag時T端補油，qT=qBqAPB/PA1qc=qceqA（負載拖動）蓄能器回油，回收勢能qAqB(二) 液壓缸下降工況：. 對液壓缸進行受力分析可知: pAA1+mgpBA2Ff =ma (8) 液壓變壓器驅(qū)動液壓缸下降工況 各端口吸、排油情況t3t4時段t4t5時段t5t6時段當0ag時當a=0時當a0qc=qAqceqc=qAqceqc=qAqce蓄能器回油，回收勢能蓄能器回油，回收勢能蓄能器回油，回收勢能當pB/pA1時當pB/pA1時當pB/pA1時T端排油，qT=qBqAT端排油，qT=qBqAT端排油，qT=qBqA當pB/pA1時當pB/pA1時當pB/pA1時T端補油，qT=qAqBT端補油，qT=qAqBT端補油，qT=qAqB當ag時qc=qceqA蓄能器和液壓網(wǎng)絡供油T端排油，qT=qBqA 液壓變壓器四象限工作特性分析 下面用表格分類的形式來說明液壓變壓器的四象限特性。記每個端口的流量q0,表示吸油，q0表示排油，變壓器順時針方向運轉(zhuǎn)記為0,變壓器受到的合力矩記為。 變壓器四象限特性分析表第Ⅰ象限負載加速、勻速、減速上升驅(qū)動負載第Ⅱ象限負載減速上升 負負載第Ⅲ象限負載加速下降驅(qū)動負載第Ⅳ象限負載勻速、減速、加速下降負負載 液壓變壓器四象限工作示意圖5 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計 確定油缸所受的作用力 鏟斗油缸作用力的確定反鏟裝置在作業(yè)過程中，當以轉(zhuǎn)斗挖掘為主時，其最大挖掘力為鏟斗缸設計的依據(jù)。初步設計時按額定斗容及工作條件（土壤級別），參考有關(guān)資料可初選斗齒最大挖掘力（最大挖掘力為），并按反鏟最重要的工作位置,即最大挖掘深度時能保證具有最大挖掘力來分析確定鏟斗油缸的工作力。 鏟斗缸受力分析圖 。為簡單起見，可以忽略斗和土的質(zhì)量，并且忽略了各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機構(gòu)效率影響因素，此時鏟斗油缸作用力為在忽略斗和土的質(zhì)量、各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機構(gòu)效率影響下鏟斗油缸作用力為 (51) 式中 ——鏟斗油缸作用力對搖臂與斗桿鉸點的力臂(此位置為搖臂長度)，m ——對鏟斗與斗桿鉸點C的力臂，m。此時斗桿油缸處于閉鎖狀態(tài)，斗桿油缸閉鎖力應滿足 (52)式中 ——斗桿油缸閉鎖力對斗桿與動臂鉸點的力臂，m； ——對斗桿與動臂鉸點B的力臂，m； ——對斗桿與動臂鉸點B的力臂，m； ——挖掘阻力的法向分力，取。動臂油缸閉鎖力應滿足 (53)式中 ——動臂油缸閉鎖力對鉸點A的力臂，m； ——對動臂下鉸點A的力臂，m； ——對鉸點A的力臂，m；通過挖掘機工作范圍圖測得：=430mm，=430mm，=Rd=1300mm，=3900mm，=650mm，=330mm，=6300mm，=4600mm，已知。將以上數(shù)據(jù)帶入公式中得到： 由動臂缸有兩個油缸同時作用，則每個缸閉鎖力 根據(jù)缸的應用類型來初選系統(tǒng)工作壓力設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/Mpa35510116 ，忽略缸的背壓力，以下情況相同，則可知鏟斗油缸直徑為 同理，可分別得到在此位置工況下斗桿油缸和動臂油缸直徑應滿足的條件為 斗桿油缸作用力的確定當挖掘機以斗桿挖掘時，其最大挖掘力則由斗桿油缸來保證。斗桿油缸最大作用力位置為動臂下放到最低位置，斗桿缸作用力對斗桿與動臂鉸點有最大力臂，即對斗桿產(chǎn)生最大作用力矩，并使斗齒尖和鉸點B、C在一條直線上。 斗桿缸受力分析圖與前面推導鏟斗油缸作用力一樣，忽略各構(gòu)件及斗中土壤質(zhì)量和連桿機構(gòu)效率影響因素，此時斗桿油缸作用力為 (54)而鏟斗油缸及動臂油缸處于閉鎖狀態(tài)，所以鏟斗油缸閉鎖力應滿足 (55) 動臂缸閉鎖力應滿足 (56) 動臂缸有兩個，則每個缸閉鎖力測得=570mm，=650mm；=1370mm，=3900mm， =，=，=4795m。則有: 取工作裝置液壓系統(tǒng)工作壓力位35Mpa，則可知斗桿油缸直徑為 同理，可分別得到在此位置工況下鏟斗油缸和動臂油缸直徑應滿足的條件為: 動臂油缸作用力的確定動臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升鏟斗內(nèi)裝滿土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進行卸載來確定，此時動臂油缸作用力為 (57)式中： 動臂油缸受力分析圖——鏟斗及其裝載土壤的的重力，N； ——斗桿所受重力，N； ——動臂所受重力，N； ——鏟斗質(zhì)心到動臂下鉸點A的水平距離，m； ——斗桿質(zhì)心到動臂下鉸點A的水平距離，m； ——動臂質(zhì)心到動臂下鉸點A的水平距離，m。通過挖掘機工作范圍圖測得：=6200mm，=4550mm，=1630mm，=540mm。由Solidworks軟件做出工作裝置各部件的三維模型，鋼板厚度取15mm時，利用其“分析—模型—質(zhì)量屬性”進行分析可以得到各部件的重量，得到鏟斗：1000kg、斗桿：1500kg、動臂：3000kg。取III級土壤干黃土密度為，而鏟斗容量則有：每個缸的閉鎖力為：取工作裝置液壓系統(tǒng)工作壓力位35Mpa，則可知鏟斗油缸直徑為 綜合鏟斗缸、斗桿缸和動臂缸的受力分析，計算得到三者的油缸直徑分別為；；。參照《液壓元件手冊》（機械工業(yè)出版社）圓整后，選??；；。 各油缸尺寸的確定 由上述求出三缸直徑分別為；；。又挖掘機液壓缸均為單活塞桿液壓缸， 液壓缸原理圖 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑關(guān)系 工作壓力 d/D ，即d/D=。則 ；選標準值為90mm ；選標準值為125mm ；剛好為標準值以上選值根據(jù)為《液壓元件手冊》表 鏟斗油缸尺寸的計算根據(jù)教材《液壓與氣壓傳動》的第四章可進行設計計算缸壁厚，中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數(shù)屬于薄壁筒，即時，其最薄處的壁厚用材料力學薄壁圓筒公式計算，即 (58) 式中 ——薄壁筒壁厚； ——試驗壓力； ——缸筒材料許用應力，無縫鋼管； D——缸筒內(nèi)徑 取 此時不滿足薄壁缸條件，故應按中等壁厚計算公式計算此時 (59) ——強度系數(shù)，對無縫鋼管 ； ——用來圓整壁厚。則 取則缸外徑，查《液壓元件手冊》表252，取185mm，由挖掘機實際運動軌跡和外型尺寸知，鏟斗缸工作行程為 斗桿油缸尺寸的計算 由上面計算知按中等壁厚計算: (510) 圓整取則 查《液壓元件及選用》。由挖掘機實際運動軌跡和外型尺寸可得出斗桿缸工作行程 動臂缸的尺寸計算由上面計算知按中等壁厚計算 (511) 圓整取則外徑 查《液壓元件手冊》表252選取標準值為150mm。根據(jù)挖掘機實際運動軌跡和外型尺寸可得出動臂缸工作行程 液壓缸性能參數(shù)型號HSGF名稱工作壓力/MPa缸徑/mm桿徑/mm連接形式行程/mm安裝距離/mm緩沖部位最小最大01125鏟斗缸3512590兩端耳環(huán)襯套135017621850桿頭緩沖02180斗桿缸35180125兩端耳環(huán)襯套175523202445兩端緩沖03100動臂缸3510070兩端耳環(huán)襯套162522232355有桿腔緩沖 液壓系統(tǒng)圖的擬定本次設計的挖掘機系統(tǒng)采用了恒壓網(wǎng)絡二次調(diào)節(jié)技術(shù)，是較以往的一些液壓系統(tǒng)的一次革新，其實恒壓網(wǎng)絡二次調(diào)節(jié)技術(shù)在挖掘機上的應用早在20世紀80年代初就已經(jīng)提出來了，但一直未得到較好的發(fā)展和應用。此液壓系統(tǒng)采用單泵供油，配合補油泵和液壓蓄能器就能滿足工作要求，先進之處在于它使用了二次元件“液壓變壓器”，由于液壓變壓器既可作泵用又可作馬達用，具有工作的“四個象限”。使得工作裝置的重力勢能，制動能等可良好的回收和再利用，又由于執(zhí)行元件的工作壓力和執(zhí)行速度全由液壓變壓器控制，減少了以往一些系