【正文】 能為從事液壓工作的人員獻上微薄之力！ 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 2 第 1 章 液壓挖掘機結(jié)構(gòu)與工作 原理 液壓挖掘機由于在動力裝置 和工作裝置之間采用容積式液壓傳動，靠液體的壓力能進行工作，相對機械傳動具有許多優(yōu)點 :能無極調(diào)速且調(diào)速范圍大，最大速度和最小速度之比可達 1000:1能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 ； 快速作用時，液壓元件產(chǎn)生的運動慣性較小，并可作高速反轉(zhuǎn) ； 傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，可吸收沖擊和振動 ；操縱省力靈活， 易實現(xiàn)自動化控制 ； 易實現(xiàn) 標準化、通用化、系列化。 單斗液壓挖掘機是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動進行挖掘作業(yè)的機械。單斗液壓挖掘機的作業(yè)過程是以鏟斗 (一般裝有斗齒 )的切削刃切削土壤并將土裝入斗內(nèi)，斗滿后提升。當挖掘機挖完一段土后，機械移動一段距離，以便繼續(xù)作業(yè)。 167。液壓挖掘機作為一個有機整 體，其性能的優(yōu)劣不僅與工作裝置機械零部件性能有關(guān)，還與液壓系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)性能有關(guān) 。因此液壓挖掘機原動力一般由柴油機提供，柴油機具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經(jīng)濟等特點，符號挖掘機工作條件惡劣，負荷多變的要求。拖拉機不同，汽車和拖拉機指在最高轉(zhuǎn)速下、連同機油泵、發(fā)電機等必要附件，分鐘內(nèi)的最大功率 。挖 掘機采用車用柴油機時，最大功率指數(shù)降低?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)使挖掘機上車圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作 360度 的回轉(zhuǎn)的機構(gòu)，包括驅(qū)動裝置和回轉(zhuǎn)支撐。 (3) 液壓系統(tǒng) 液壓挖 掘機的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動作都由液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，原動機驅(qū)動雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥。液壓挖掘機的主要運動有整機行走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動等。根據(jù)以上工作要求，把各液壓元件用油管有機地連接起來地組合體既是液壓挖掘機地液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)設計得合理與否，對挖掘機的性能起著決定性的作用。液壓系統(tǒng)習慣上按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)節(jié)方式和回路的數(shù)量來分類。電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速進步，使挖掘機有了越來越先進的控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機向高性能、自動化和智能化發(fā)展。 167。機體是完成挖掘機基本動作并作為驅(qū)動和操縱挖掘機進行工作的荃礎，可以是履帶牽引車輛或輪式牽引車輛。其中動力裝置、操縱機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和輔助設備均可在回轉(zhuǎn)平臺上，總稱上車河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 4 部分，它與行走機構(gòu) (又稱下車部分 )用回轉(zhuǎn)支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作 360176。 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。 (2) 單斗反鏟液壓挖掘機 反鏟裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤。其中長期作業(yè)條件相似的挖掘機反鏟裝置大多采用整體鵝頸式動臂結(jié)構(gòu)。剛度相同時，其重量比組合動臂輕，是目前應用最廣泛的液壓挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)形式。 整體鵝頸式動臂反鏟挖掘機工作裝置主要由動臂、動臂油缸、斗桿、斗一桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。鉸點轉(zhuǎn)動實現(xiàn)動臂的升降。當斗桿油缸伸縮時，斗桿可繞動臂上鉸點轉(zhuǎn)動。為增大 鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機構(gòu)來和鏟斗聯(lián)。挖掘機司機扳動操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達控制閥接通，于是回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)動并帶動上部平臺回轉(zhuǎn)，使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點，在執(zhí)行上述過程的同時操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸上腔進油，將動臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進油，配合動作以加快作業(yè)進度，進行復合動作的挖掘和裝載 :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，再操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸的下腔進油，將動臂提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動平臺回轉(zhuǎn)換向閥手柄，使上部平臺回轉(zhuǎn)，帶動鏟斗轉(zhuǎn)至運輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使鏟斗高度河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 5 稍降一些，并在適當?shù)母叨炔倏v鏟斗油缸使鏟斗卸土。 167。 液壓挖掘機 由 柴油機驅(qū)動液壓泵，操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件 (液壓缸或液壓馬達 )驅(qū)動相應的機構(gòu)進行工作。反鏟工作裝置由鏟斗 斗桿 1動臂 連桿 8 及相應的三組液壓缸 10 組成。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉(zhuǎn)動 。挖掘作業(yè)時，接通回轉(zhuǎn)馬達，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮 。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進行卸土。在實際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機液 壓系通的不同，反鏟裝置三種液壓 缸在挖掘循環(huán)中的動作配合 隨機的。 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 7 第 2 章 液壓挖掘機工況分析及液壓系統(tǒng)設計方案的確定 要了解和設計挖掘機的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機的工作過程及其作業(yè)要求，掌握各種液壓作用元件動作時的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復合動作要求和復合動作時油泵對同時作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。 液壓挖掘機的工況 液壓挖掘機的作業(yè)過程包括以下幾個動作 (如圖 21所示 ):動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機行走以及其它輔助動作。 動臂升降 斗桿收放 鏟斗裝卸 4 、平臺臺回轉(zhuǎn) 整機行走 圖 21 液壓挖掘機的運動圖 由于液壓挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊要求 :(1)實現(xiàn)各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應變化 。 液壓挖掘機一個 作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復合主要包括 : (1) 挖掘 :通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進行挖掘，或者兩者配合進行挖掘，因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復合動作，必要時，配以動臂動作。 (3) 卸載 :轉(zhuǎn)到卸土點時，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。 (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，此時是回轉(zhuǎn)和動臂或斗桿的復合動作。 一般在平整土 地或切削斜坡時，需要同時操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運動，如 圖 22， 23所示。如 果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進行切削時，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時，就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時 作用完成復合動作，如 圖 24,25所示 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。下面以三泵系統(tǒng)為例，來說明復合動作挖掘時油泵流量的分配情況和分合流油路的連接情況。 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 9 圖 22 斗尖沿直線平整土地圖 圖 23 斗尖沿直線切削斜坡圖 圖 24 鏟斗底壓整地面圖 圖 25 鏟斗底保持一定角度切削圖 當斗桿和鏟斗復合動作挖掘時，供油情況如圖 26a 所示。當鏟斗和動臂復合動作挖掘時，由于動臂僅僅起調(diào)解位置的作用，主要是斗桿進行挖掘，因此采用斗桿優(yōu)先合流、雙泵供油，如圖 26b 所示。對于雙泵系統(tǒng)，其復合動作時各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進行流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同?；剞D(zhuǎn)馬達和斗桿收縮同時動作，由同一個油泵供油，因此需要采用回轉(zhuǎn)優(yōu)先油路，否則鏟斗無法緊貼側(cè)壁，使掘削很難正常進行。回轉(zhuǎn)先導壓力越大，節(jié)流閥開度越小，節(jié)流效應越大，則斗桿油缸回油壓力增高，使得油泵的供油壓力也提高。 挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅硬障礙物，往往由于挖不動而需要 短時間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時增壓，能提高主壓力閥的 力。動臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)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。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。在回轉(zhuǎn)和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進行調(diào)整。 由于滿斗提升時動臂油缸壓力高，導致變量泵流量減小，為了使動臂提升和回轉(zhuǎn)、斗桿外放相互配合動作，由一個油泵專門向動臂油缸供油，另一個油泵除了向回轉(zhuǎn)馬達和斗桿供油外，還有部分油供給動臂，如圖 27b所示。 三泵系統(tǒng)的供油情況如圖 27c所示。 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 11 3 卸載工況分析 回轉(zhuǎn)至卸載位置時，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。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復合動作，間以動臂動作。此工況是回轉(zhuǎn)馬達、動臂和斗桿復合動作。 發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時油泵供油量小，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油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿 腔。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達供油、另一個油泵為右行走馬達供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側(cè)行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當挖掘機進行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故。對于雙泵系統(tǒng)，目前采 用以下供油方式 :①一河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 12 個油泵并聯(lián)向左、右行走馬達供油，另一個油泵向其他液壓作用元件供油，其多余的油液通過單向閥向行走馬達供油，如圖 28b所示 。 圖 28 行走復合動作時的幾種供油情況 167。這些主要機構(gòu)經(jīng)常起動、制動、換向，外負載變化很大，沖擊和振動多，因此挖掘機對液壓系統(tǒng)提出了很高的 設計要求。尤其是當負載變化時，要求液壓系統(tǒng)與發(fā)動機的良好匹配，盡量提高發(fā)動機的輸出功率。雙泵液壓系統(tǒng)中就常常采用合流的方式來提高發(fā)動機的功率利用率。挖掘機在工作過程中作業(yè)阻力變化大，各種不同的作業(yè)工況要求功率變化大，因此要求對各個執(zhí)行元件的調(diào)速性要河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 13 好。 當多執(zhí)行元件共同動作時，要求其相互間不千涉，能夠合理分配共同動作時各個執(zhí)行元件的流盤，實現(xiàn)理想的復合動作。如果挖掘機在行使過程中由于液壓泵的油分流供應，導致一側(cè)行走馬達速度降低，形成挖掘機意外跑偏，很容易發(fā)生事故。因此，如何協(xié)調(diào)多執(zhí)行元件復合動作時的流量供應問題也是挖掘機液壓系統(tǒng)設計中需要考慮的。當對各個執(zhí)行元件進行調(diào)速控制時，系統(tǒng)所需流量大于油泵的輸出流量，此時必然會導致一部分流量損失掉。當挖掘機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。 回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走裝置有可靠的 制動和限速；防止動臂因自重而快帶下降和整機超速溜坡。由于挖掘河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 14 機在城市建設施工中應用越來越多，因此要不斷提高挖掘機的作業(yè)性能，降低振動和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性。 液壓系統(tǒng)方案擬訂 (1) 在 液壓挖掘機一個工作循環(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行詳細 分析 的基礎上，總結(jié) 每個工況下各執(zhí)行機構(gòu)的主要復合動作 后提出初步方案 。 (3) 提出一種有效 、直觀的挖掘機液壓系統(tǒng)的 設計方案，并詳細介紹設計 的步驟。 確定油缸所受的作用力 167。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 有任務書要求為 1 max 120F KN? ），并按反鏟最重要的工作位置 —— 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，如圖所示。 已知 1300cDl R mm?? 1 430l mm? 1 2 0 1 3 0 0 3 4 5 . 7 9430dF K N?? ? ? 而這時斗桿及動臂油缸均處于閉鎖狀態(tài)，斗桿油缸閉鎖力gF? 應滿足 1m ax 222BBg F l F lF ll?? ?? （ 32） 式中 2l — 斗桿閉鎖力 gF? 對斗桿與動臂鉸點的力臂， m； Bl — max1F 對斗桿與動臂鉸點 B 的力臂， m； Bl? — 2F 對斗桿與動臂鉸點 B 的力臂， m； 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 16 圖 31 鏟斗缸受力分析圖 2F —— 挖掘阻力的法向分力，取2 1 m a x,( 0. 1 ~ 0. 2)F F N? 已知 2 430l mm? 3900Bl mm? 650Bl mm?? 2 1 m a 120 12F F K N K N? ? ? ? 120 3900 12 650 430 430gF K N???? ? ? ? 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 17 動臂油缸閉鎖力 bF? 應滿足