【導(dǎo)讀】采礦等建設(shè)工程的土方機(jī)械。液壓挖掘機(jī)利用液壓元件。動我國挖掘機(jī)發(fā)展具有十分重要的意義。本次畢業(yè)設(shè)計課題是負(fù)載。挖掘機(jī)由多個系統(tǒng)組成，包括液壓系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，操縱系統(tǒng)，工作裝置，底架，轉(zhuǎn)臺，油箱，發(fā)動機(jī)安裝等。本人的設(shè)計主要致力于分析和設(shè)計負(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。

　　

【正文】 挖掘圖譜等。開發(fā)了挖掘機(jī)工作裝置輔助設(shè)計 CAD 系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，得到了挖掘機(jī)在整個挖掘過程中的作業(yè)范圍，該系統(tǒng)還提供了挖掘時挖掘機(jī)上各個鉸點(diǎn)的受力分析功能和現(xiàn)實(shí)動畫功能。在動臂工作范圍內(nèi)，動態(tài)顯示工作裝置的舉升、下降、平移、鏟斗挖掘、斗桿運(yùn)動等作業(yè)工況，進(jìn)行了挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動仿真過程。 大多數(shù)研究利用工作裝置各機(jī)構(gòu)的幾何與運(yùn)動關(guān)系，對于挖掘機(jī)工作裝置各機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析運(yùn)動及力分析，導(dǎo)出相應(yīng)的計算公式，編成專用程序，利用計算機(jī)進(jìn)行計算。但是，用這種方法的方程的建立、求解過程較復(fù)雜和冗長，且不便于計算機(jī)程序設(shè)計，每分析一個機(jī)構(gòu)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(fèi)時費(fèi)事、 而且易于出錯的做法。另外，對計算機(jī)編程中最方便靈活的功能一于程序功能來說，使計算機(jī)未能得到充分利用也是一種浪費(fèi)。 眾多人員所研究的結(jié)果對液壓挖掘機(jī)計算機(jī)輔助設(shè)計有很大的意義，但所研究的內(nèi)容一般限制于工作裝置的局部的設(shè)計。目前液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計的從頭到底，即初步方案設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計基于計算機(jī)全面方針的挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計軟件很少，可以說國內(nèi)幾乎沒有。 19 3 液壓系統(tǒng)設(shè)計 液壓傳動系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個組成部分，液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計要同主機(jī)的總體設(shè)計同時進(jìn)行。著手設(shè)計時，必須從實(shí)際情 況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動形式，充分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。 液壓挖掘機(jī)整個機(jī)械包括：底盤行走系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、工作機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。本次設(shè)計的是履帶式小型無尾液壓挖掘機(jī)，它主要是利用液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)時的基本動作。一個完整的、能夠正常工作的液壓系統(tǒng)，應(yīng)該由以下五個主要部分來組成： ：液壓泵，其功能是供給液壓系統(tǒng)壓力油，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能。 ：液壓缸、液壓馬達(dá)，其功能把是液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 液壓缸輸出力 和速度，帶動負(fù)載作直線運(yùn)動； 液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，帶動負(fù)載作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 ：控制閥，其功能是對系統(tǒng)中的壓力、流量或流動方向進(jìn)行控制，以保證執(zhí)行元件達(dá)到所要求的輸出力（或力矩）、運(yùn)動速度和運(yùn)動方向。如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等。 ：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。 ：液壓油 本次液壓系統(tǒng)采用雙泵雙回路定量并聯(lián)系統(tǒng)，因?yàn)檫@種系統(tǒng)的動作正確，操作方便，功率利用較好。由于定量泵簡單可靠，價格低廉，耐沖擊性好，所以選用定量系統(tǒng)。油路的連接方式有并聯(lián)、串 聯(lián)和串并聯(lián)三種。本次選擇并聯(lián)油路，即多路換向閥中各個換向閥的進(jìn)油路與一條總的壓力油相連，各回油路與一條總的回油路相連，進(jìn)油和回油互不干擾，稱為并聯(lián)油路。并聯(lián)油路的特點(diǎn)是各滑閥可進(jìn)行各自獨(dú)立操作，幾個工作裝置可以同時進(jìn)行工作；但當(dāng)幾個滑閥同時處于換向位置時，負(fù)荷小的工作裝置先動，而不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步，不過可采用均流器來解決并聯(lián)系統(tǒng)中兩個執(zhí)行原件的同步問題。 系統(tǒng)主參數(shù)的確定 確定系統(tǒng)的工作壓力 液壓系統(tǒng)工作壓力是指液壓系統(tǒng)在正常運(yùn)行時所能克服外載荷的最高限定壓力。系統(tǒng)的壓力級級選擇與機(jī) 器種類、主機(jī)功率大小、工況和液壓元件的型式有密切關(guān)系。一般小功率機(jī)器用低壓，大功率機(jī)器用高壓。在一定的允許范圍提高油壓，可是系統(tǒng)的尺寸減小，但容積效率會下降。 目前，建設(shè)機(jī)械所用工作壓力等級有： （ 1）中壓 壓力為 10~20MPa。常用于裝載機(jī)、起重機(jī)、小型挖掘機(jī)等建設(shè)機(jī)械。 （ 2）高壓 壓力為 20~32MPa。常用于中、大型挖掘機(jī)、混凝土泵等。 （ 3）超高壓 壓力超過 32MPa。 通過比較初步選定系統(tǒng)壓力 p=16MPa 系統(tǒng)工作壓力 p 要根據(jù)技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)效果和制造可能性等三反方面來確定 。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)，對大型挖掘機(jī)來說，更為重要，所以，一般應(yīng)盡可能選取較高的工作壓力。但造維修困難，增大了液壓振動與沖擊，影響了元件壽命和可靠性，此外，壓力增高太多，元件與管道的壁厚相應(yīng)增加，尺寸與質(zhì)量的減少率將愈來愈小。 初選工作壓力以后，可以選擇元件，并推算元件所需流量，將同時工作的元件的流量疊加，并取各疊加數(shù)中最大值，就是系統(tǒng)流量 Q。 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)計的履帶式無尾液壓挖掘機(jī)有 2 個主要執(zhí)行原件。 圖 31 液壓原理圖 液壓泵是將原動機(jī)（本機(jī)選三相異步電機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成油液的液壓能，在意壓力、流量的形式輸送到系統(tǒng)中去。按其職能來說，屬于液壓能元件，又稱為動力元件。液壓泵的額定壓力宜比系統(tǒng)工作壓力大 25%以上，使液壓泵有一定的壓力儲備。 泵的主要參數(shù)有壓力、流量、轉(zhuǎn)速、效率。 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)荷小時不能提高作業(yè)速度，功率得不到重分利用。為了滿足作業(yè)要求，定量 系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)功率要根據(jù)最大外負(fù)荷和作業(yè)速度來確定。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(jī)上定量系統(tǒng)得到應(yīng)用，但是，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)功率不能充分利用，泵的特性很硬，挖掘硬土?xí)r引起很大的溢流損失。 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備。 %)251(25 ???nP （ 31） 式中： np 為系統(tǒng)的額定壓力 擬定主回路 1．回路循環(huán)形式 一般中型挖掘機(jī)多采用變量系統(tǒng)，油路采用開式，這樣可以使系統(tǒng)簡單，成本低，從發(fā)動機(jī)功率充分利用方面考慮多采用雙本雙回路 ,這樣即可獨(dú)立的工作，又可配合動作，還可合流動作。 2．基本回路 本系統(tǒng)采用并聯(lián)回路。 3．調(diào)速方式 本系統(tǒng)采用手動換向、無級調(diào)速。 為了保證主機(jī)工作安全，整個液壓系統(tǒng)必須裝有安全溢流閥，個執(zhí)行原件大多裝有限壓閥。 22 4 系統(tǒng)初步計算和液壓元件的選擇 動臂 液壓缸的設(shè)計計算 設(shè)計油缸時，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)計部分得出）；安裝形式和安裝長度；供油壓力；負(fù)載特點(diǎn)和工作環(huán)境等。 液壓缸缸筒的設(shè)計 缸筒是液壓缸的主要零件，它與缸蓋、活塞等零件構(gòu)成密閉的容腔，形成內(nèi)壓，推動活塞運(yùn)動。設(shè)計缸筒時，不僅要保證液壓缸的作用力、速度和有效行程，而且必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以便抵抗液壓力和其他外力的作用。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》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。綜合考慮上述因素缸筒與缸頭采用焊接形式，具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，工藝性好，使用廣的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是缸體有可能變形。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。 缸筒要有足夠的強(qiáng)度，能長期承受較高工作壓力及短期動態(tài)工作壓力而不至產(chǎn)生永久變形；還要有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不至產(chǎn)生彎曲；在內(nèi)表面密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力的作用下，能長期工作而磨損減少，尺寸公差等級和形位公差等級是以保證活塞密封件的密封性；需要焊接的缸筒還要求有良好的可焊 接性，以便在焊上管接頭或缸頭后不至于產(chǎn)生裂紋或過大變形。 液壓缸的常用材料有 20鋼、 35 鋼、 45 鋼的無縫鋼管。缸筒與缸底采用焊接方式，故采用焊接性能較好的 35 鋼的冷拔無縫鋼管，粗加工后調(diào)制，由手冊中查得 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)計手冊》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)上面所算出來的 缸筒內(nèi)經(jīng)為 D=100mm，從而根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第 20 篇表20— 6— 9 如下表。 表 43 缸筒外徑 1D ()mm 的選取 產(chǎn)品系列 代號 額定壓力 /Mpa 內(nèi)徑 A型 20 40 50 63 80 100 125 140 160 200 220 250 外徑 50 60 76 95 121 146 168 194 218 219 245 所以缸筒外徑 1D =121mm 5．缸筒壁厚驗(yàn)算 在中低壓液壓系統(tǒng)中，液壓缸缸筒的壁厚常由結(jié)構(gòu)工藝上的要求決定的，強(qiáng)度問題是次要的，一般不需要驗(yàn)算。因?yàn)楸驹O(shè)計是中低壓液壓系統(tǒng)，所以不需要驗(yàn)算。 24 6．缸筒制造加工要求 缸筒直徑 D 采用 7H 或 8H 級配合，表面粗糙度 Ra 值一般為 ～ m? ，都需進(jìn)行研磨 。熱處理，調(diào)制，硬度 HB ≥ 285~241 ；缸筒內(nèi)徑 D 的圓度、錐度、圓柱度不大于內(nèi)徑公差之半；缸筒直線度公差在 mm500 長度上不大于 ；缸筒端面對內(nèi)徑的垂直度在直徑 mm100 上不大于 。 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。為便于裝配和必須在半精加工以前進(jìn)行。以免精加工后焊接而引起內(nèi)孔變形。如欲防止腐不損壞密封件，缸筒內(nèi)孔應(yīng)倒 15 度角。需要在缸筒上焊接油口、排氣閥座時都蝕和提高使用壽命，在缸筒內(nèi)表面可以鍍鉻，再進(jìn)行研磨或拋光，在缸筒內(nèi)表面涂耐油油漆。 液壓缸缸蓋及導(dǎo)向套的設(shè)計 在單活塞桿液壓缸中，缸蓋、缸底與缸筒構(gòu)成封閉的壓力容腔，不僅要有足夠的強(qiáng)度以承受液壓力，而且必須有一定的連接強(qiáng)度。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。 1）缸蓋材料 缸蓋材料常用 35鋼、 45 鋼鍛件活 ZG3 ZG45鑄鋼及 HT2547， HT3054等灰鐵鑄件等。當(dāng)缸蓋作導(dǎo)向套時，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。綜合上面，選 HT200。 2）與缸筒的連接 缸筒與缸蓋用法蘭連接，這種連接方式裝卸方便，加工容易，缺點(diǎn)是徑向尺寸大，質(zhì)量較大。缸筒與缸蓋法蘭采用 5個 M16 的螺栓連接，均與布置在直徑為 106? 的圓周上。 圖 41 缸筒的外螺紋連接 3）端蓋的設(shè)計計算 缸蓋厚度計算公式： []yphD?? （ 43） 式中： yp —— 系統(tǒng)最大工作壓力， 25p Mpa? ； 25 D —— 液壓缸的內(nèi)徑 m； ??? —— 材料許用應(yīng)力，取 122Mpa 0 .4 3 3 1 9 .6[]yph D m m??? 取 h? 20mm 4）缸蓋螺栓連接處的強(qiáng)度校核如下： 液壓缸缸筒與端蓋的連接方法很多，其中以螺栓（釘）連接最為廣泛。當(dāng)缸筒與缸蓋用法蘭連接時，要驗(yàn)算連接螺栓的強(qiáng)度。驗(yàn)算時可按拉應(yīng)力 ? 和剪應(yīng)力 ? 的合成應(yīng)力 ?? 來進(jìn)行。則有： 214 sKFdZ? ?? （ 44） 103ssKKFddZ? ? （ 45） 223? ? ?? ?? （ 46） ssn???? （ 47） 式中： F —— 液壓缸負(fù) 載 K —— 螺紋擰緊系數(shù)， ~ ? ，本次設(shè)計取 ? 1K —— 螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)，一般取 1 ? 0sd —— 螺紋直徑 1sd —— 螺紋內(nèi)經(jīng)，對于標(biāo)準(zhǔn)堅固螺紋，取 1sd? 0 1224sdt? ， t 為螺紋螺距 Z —— 螺栓個數(shù)，本次設(shè)計取 5Z? s? —— 材料屈服極限，對 45 鋼，取 360s MPa? ? sn —— 安全系數(shù)，一般取 ~ ? ，本次設(shè)計取 ? 查《機(jī)械設(shè)計手冊》