【正文】
為節(jié)省能源提高效率,液壓泵的供油量要盡量與系統(tǒng)所需流量相匹配。例如液壓泵無載啟動(dòng),經(jīng)過一段時(shí)間,當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,延時(shí)繼電器發(fā)出電信號(hào)使卸荷閥關(guān)閉,建立起正常的工作壓力。工程機(jī)械的操縱機(jī)構(gòu)多為手動(dòng),一般用手動(dòng)的多路換向閥控制。:液壓執(zhí)行元件工作時(shí),要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內(nèi)工作,也有的需要多級(jí)或無級(jí)連續(xù)地調(diào)節(jié)壓力,一般在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中,通常由定量泵供油,用溢流閥調(diào)節(jié)所需壓力,并保持恒定。只有完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)才能解決節(jié)省能源問題。普通三位六通換向閥無論采用定量泵還是變量泵,總要有一部分油液經(jīng)溢流閥溢掉,浪費(fèi)了能量。閥控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是節(jié)流式系統(tǒng)。按控制功能,可分為位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)和力(或壓力)控制系統(tǒng);按控制元件,可分為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、液壓泵控制系統(tǒng)、多路換向閥控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件控制系統(tǒng)和整機(jī)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制功能的不同,液壓閥可分為村力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。其結(jié)構(gòu)緊湊,但散熱條件差[27]。在開式系統(tǒng)中,液壓泵從油箱吸油,壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后,再排回油箱。節(jié)流調(diào)速又分別有進(jìn)油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。但為了散熱和補(bǔ)充泄漏,需要有輔助泵。節(jié)流調(diào)速一般采用定量泵供油,用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng),大多通過換向閥的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。拉應(yīng)力: σ== MPa剪應(yīng)力: τ== MPaK:螺紋擰緊系數(shù),此處取K=K1: 螺紋摩擦系數(shù),一般取K1=d1:螺紋內(nèi)徑,d1= d0:螺紋外徑,d0=20mmZ:24σs螺釘材料屈服強(qiáng)度,σs≥900Mpa()[σ]= [σs]/2=450Mpa得:σn=≈[σ] 符合工況要求(7) 活塞桿柔度校核計(jì)算活塞桿細(xì)比計(jì)算如下: λ=≤[λ] ()此處:L為折算長度,導(dǎo)向套中心至吊頭尺寸,約1500mm活塞桿直徑d=85mm,[λ]活塞桿許用細(xì)長比,按規(guī)定拉力桿此處[λ]≤100?!∮?jì)算工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸活塞桿直徑d與缸筒內(nèi)徑D的計(jì)算 受拉時(shí): d=()D受壓時(shí): d=()D (p15mpa) d=()D(5mpa p17mpa) d=(p17mpa)(1) 液壓油缸的缸徑、桿徑和工作壓力確定根據(jù)技術(shù)條件:確定液壓缸徑和桿徑及行程為:缸徑D=Φ125mm,桿徑d==Φ85mm 由此計(jì)算出液壓系統(tǒng)工作壓力為:P= ()=(2847103)/(π(1252852))=32MPa 式中F為鎖緊力,F(xiàn)=284KN(2) 缸筒壁厚計(jì)算根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),在此液壓系統(tǒng)中,≤D/δ<16,故缸筒壁厚應(yīng)用中等壁厚計(jì)算公式,此時(shí):δ= +C () ψ:強(qiáng)度系數(shù),對(duì)無縫鋼管, ψ=1C:用來圓整壁厚數(shù) Py:液壓缸內(nèi)最高工作壓力。一般是根據(jù)機(jī)械的類型來選擇工作壓力。要使機(jī)構(gòu)正常工作且具有平穩(wěn)性,兩動(dòng)臂液壓缸必須同步運(yùn)動(dòng),這就要求任何時(shí)刻進(jìn)出油路的壓力油,必須保持一定的壓力平衡。m最大挖掘高度廣泛用于建筑施工、市政工程、水電、國防工程和一般礦山采掘,挖掘IVI級(jí)土壤[23]。(2) 根據(jù)液壓挖掘機(jī)的主要工作特點(diǎn),系統(tǒng)地總結(jié)出挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求:動(dòng)力性要求、操縱性要求、節(jié)能性要求、安全性要求和其它性能的要求。(3) 將簡化后的液壓系統(tǒng)連接起來。各個(gè)閥桿先導(dǎo)操縱油路連接口all, bll, alt, b12, a13, b13, ajA, b14和arl、brl, ar2, br2, ar3, br3。因此可以把上述系統(tǒng)圖進(jìn)一步簡化,突出核心內(nèi)容。挖掘機(jī)多路閥液壓系統(tǒng)圖通常十分復(fù)雜,對(duì)各種液壓作用元件的供油路線、回油路線以及控制油路等紛雜在一起,很難對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一目了然,這樣就需要花費(fèi)很多的時(shí)間才能將其分析透徹。由于挖掘機(jī)在城市建設(shè)施工中應(yīng)用越來越多,因此要不斷提高挖掘機(jī)的作業(yè)性能,降低振動(dòng)和噪聲,重視其作業(yè)中的環(huán)保性[21]。當(dāng)挖掘機(jī)處于空載不工作的狀態(tài)下,如何降低泵的輸出流量,降低空載回油的壓力,也是降低能耗的關(guān)鍵[23]。因此,如何協(xié)調(diào)多執(zhí)行元件復(fù)合動(dòng)作時(shí)的流量供應(yīng)問題也是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的。當(dāng)多執(zhí)行元件共同動(dòng)作時(shí),要求其相互間不千涉,能夠合理分配共同動(dòng)作時(shí)各個(gè)執(zhí)行元件的流盤,實(shí)現(xiàn)理想的復(fù)合動(dòng)作。雙泵液壓系統(tǒng)中就常常采用合流的方式來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)、換向,外負(fù)載變化很大,沖擊和振動(dòng)多,因此挖掘機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)提出了很高的設(shè)計(jì)要求。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, 所示。由于動(dòng)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,因此該工況的供油情況為一個(gè)油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達(dá),另一油泵的大部分油供給動(dòng)臂,少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿, 所示。為了調(diào)整卸載位置,還需要?jiǎng)颖叟浜蟿?dòng)作。但是由于動(dòng)臂提升時(shí)油壓較高,單向閥大部分時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài),因此左側(cè)油泵只向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油。在雙泵系統(tǒng)中,回轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí),由于慣性較大,油壓會(huì)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(dòng)臂, 所示。 滿斗舉升回斗工況分析挖掘結(jié)束后,動(dòng)臂油缸將動(dòng)臂頂起,滿斗舉升,同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載處,此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作。在斗桿油缸活塞桿端回油路上設(shè)置可變節(jié)流閥,此節(jié)流閥的開口度即節(jié)流程度由回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力來控制。 三泵供油系統(tǒng)示意圖當(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。液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸土處,此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作[16]。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進(jìn)行切削時(shí),或者需要用鏟斗斗底壓整地面時(shí),就需要鏟斗、斗桿、動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)作,,。(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。液壓挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)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,或者兩者配合進(jìn)行挖掘,因此,在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作,必要時(shí),配以動(dòng)臂動(dòng)作?!∫簤和诰驒C(jī)的工況液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程包括以下幾個(gè)動(dòng)作( 所示):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。卸完后,工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。而鏟斗鉸接于斗桿前端,通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理,各部分的運(yùn)動(dòng)通過液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)。挖掘機(jī)司機(jī)扳動(dòng)操縱手柄,使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通,于是回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)上部平臺(tái)回轉(zhuǎn),使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點(diǎn),在執(zhí)行上述過程的同時(shí)操縱動(dòng)臂油缸換向閥,使動(dòng)臂油缸上腔進(jìn)油,將動(dòng)臂下降,直至鏟斗接觸地面,然后司機(jī)操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥,使兩者的大腔進(jìn)油,配合動(dòng)斗桿油缸 動(dòng)臂 油管 動(dòng)臂油缸 鏟斗 斗齒 側(cè)齒 連桿 搖桿 鏟斗油缸 1斗桿 反鏟挖掘機(jī)工作裝置作以加快作業(yè)進(jìn)度,進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作的挖掘和裝載:鏟斗裝滿后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中位,使鏟斗和斗桿油缸閉鎖,再操縱動(dòng)臂油缸換向閥,使動(dòng)臂油缸的下腔進(jìn)油,將動(dòng)臂提升,舉起裝滿土的鏟斗離開工作面,隨即扳動(dòng)平臺(tái)回轉(zhuǎn)換向閥手柄,使上部平臺(tái)回轉(zhuǎn),帶動(dòng)鏟斗轉(zhuǎn)至運(yùn)輸車輛上方,再操縱斗桿油缸使鏟斗高度稍降一些,并在適當(dāng)?shù)母叨炔倏v鏟斗油缸使鏟斗卸土。當(dāng)斗桿油缸伸縮時(shí),斗桿可繞動(dòng)臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖 2. 1 所示,整體鵝頸式動(dòng)臂反鏟挖掘機(jī)工作裝置主要由動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、斗桿、斗一桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。其中長期作業(yè)條件相似的挖掘機(jī)反鏟裝置大多采用整體鵝頸式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)。工作裝置根據(jù)工作性質(zhì)的不同,可配備反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置,分別完成挖掘、裝載、抓取、起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清溝等工作。 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)(1) 液壓挖掘機(jī)組成為了實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的各項(xiàng)功能,單斗液壓挖掘機(jī)需要兩個(gè)基本組成部分,即機(jī)體(或稱主機(jī))和工作裝置。液壓系統(tǒng)習(xí)慣上按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)節(jié)方式和回路的數(shù)量來分類。根據(jù)以上工作要求,把各液壓元件用油管有機(jī)地連接起來地組合體既是液壓挖掘機(jī)地液壓系統(tǒng)。(3) 液壓系統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動(dòng)作都由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)液壓泵,把壓力油分別送到兩組多路換向閥。挖掘機(jī)采用車用柴油機(jī)時(shí),最大功率指數(shù)降低。因此液壓挖掘機(jī)原動(dòng)力一般由柴油機(jī)提供,柴油機(jī)具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),符號(hào)挖掘機(jī)工作條件惡劣,負(fù)荷多變的要求。因此單斗液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的自行式上方機(jī)械[8]。它是目前挖掘機(jī)械中重要的機(jī)種。本設(shè)計(jì)旨在采用通用的多路閥系統(tǒng),配以專用控制閥和簡單的伺服控制系統(tǒng)[7]。(2) 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求對(duì)液壓挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中的四種工況一挖掘工況、滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況、卸載工況和卸載返回工況進(jìn)行了詳細(xì)的分析,總結(jié)了每個(gè)工況下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要復(fù)合動(dòng)作。以20t級(jí)的中型液壓挖掘機(jī)為例,國產(chǎn)20t級(jí)挖掘機(jī)大多數(shù)是歐洲80年代初的技術(shù),同90年代初以來在國內(nèi)形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國大宇、現(xiàn)代等機(jī)型相比,其主要差距柴油機(jī)功率偏低,液壓系統(tǒng)流量偏小,液壓系統(tǒng)特性差,導(dǎo)致平臺(tái)回轉(zhuǎn)速度低,行走速度低,各種性能參數(shù)均偏小,整機(jī)性能和作業(yè)效率較國外偏低[6]。日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五中新型號(hào)挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助的功率控制系統(tǒng),利用精控模式選擇系統(tǒng),減少燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗,并延長了零部件的使用壽命。各種高新技術(shù)的應(yīng)用,使得挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。美國提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法。如德國Orenstteinamp。(3) 提高負(fù)載能力和可靠性為了提高挖掘機(jī)的負(fù)載能力,直接的方法是提高其液壓系統(tǒng)工作壓力、流量和功率。該系統(tǒng)不僅易于操縱,而且微動(dòng)控制特性很好。(2) 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用目前液壓挖掘機(jī)上典型的節(jié)能技術(shù)基本上有兩種。近年來在國外的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負(fù)載敏感系統(tǒng)(CLSS)。(1) 開式向閉式液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變采用三位六通閥,其特點(diǎn)是有兩條供油路,其中一條是直通供油路,另一條是并聯(lián)供油路。(2)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成為研究的重點(diǎn)。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論,以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論和方法,并將疲勞損傷累積理論斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)強(qiáng)度研究方面,不斷提高設(shè)備的可靠性。目前國際上先進(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);流量通常在每分鐘數(shù)百升;功率在數(shù)百千瓦以上。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。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱,利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。從二十世紀(jì)六十年代到八十年代中期,液壓挖掘機(jī)進(jìn)入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段,各國挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快,產(chǎn)量猛增。第一臺(tái)液壓挖掘機(jī)采用定量齒輪泵,中位開式多路閥,工作壓力為9Mpa,所有執(zhí)行元件互相并聯(lián)連結(jié)。隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動(dòng)技術(shù),挖掘機(jī)有了適合它的傳動(dòng)裝置,為挖掘機(jī)的發(fā)展建立了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,是挖掘機(jī)技術(shù)上的一個(gè)飛躍 。但是此后的很長時(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。由于挖掘機(jī)的工作條件惡劣,要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作很復(fù)雜,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。加快建設(shè)速度以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。SummaryThe excavator is a main consrtuctional machine,which is now widely used in various construction core technique of excavator is hydrau1ic technique. Becauseofthe bad working condition and conmplicated working movements of the excavatot,it has high requitements for its hydraulic the excavator’s hydraulic system is the most plicated one in all constructional machines ,the analysis and research of its hydrau1ic system make very important sens.On the basis of prehensive co11ection of re1ated information about the excavator’s hydraulic system at home and abroad,the main working conditions of the excavator are studied and the design requitments of its