液壓課程設計挖掘機

1、液壓挖掘機課程設計 渤海船舶職業(yè)學院 輔導老師:郝春玲 班級:12G412 學號:28 設計人:鄒顏澤摘要 液壓技術是現(xiàn)代挖掘機的技術基礎，其性能的優(yōu)劣決定挖掘機腔重要的組成部分，是挖掘機工作循環(huán)的動力系統(tǒng)。挖掘機的工作條件惡劣，且動臂和地盤動作非常頻道，因此要求液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，評論無故障時間長。因此，液壓系統(tǒng)的性能優(yōu)劣決定著挖掘機工作性能高低，本文在介紹挖掘機及其液壓傳動技術的發(fā)展歷史前提下，首先論述設計了挖掘機液壓系統(tǒng)的基本回路。系統(tǒng)傳動的確定，主要液壓元件在系統(tǒng)中的作用，傳動元件的設計計算，強度校核，泵的流量計算，閥及其液壓元件的選擇。前言 液壓挖掘機是一種多功能機械，目前被廣泛應用于

2、水利工程，交通運輸，電力工程和礦山采掘等機械施工中。液壓挖掘機利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達、液壓缸等）帶動各種構(gòu)件動作，具有如下點：功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；無極調(diào)速，調(diào)速范圍大；啟動性能好，能實現(xiàn)快速反轉(zhuǎn)；布置靈活，基本不受總體結(jié)構(gòu)的限制；容易實現(xiàn)自動化，操作簡便省力等。所以液壓挖掘機對于減輕工人繁重的體力勞動，提高施工機械化水平加快施工進度，促進各項建設事業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。 挖掘機液壓傳動緊密地聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎。由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作很復雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出啦很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對

3、挖掘機液壓系統(tǒng)的分析設計已經(jīng)成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán)。目 錄摘要.2前言.2 1液壓挖掘機的液壓系統(tǒng).3 TU222國內(nèi)外發(fā)展概況及展望4TU22 1 國內(nèi)發(fā)展概況及展望UT42.2 國外發(fā)展概況及展望UT5TU3 液壓系統(tǒng)的設計UT6TU3.1 液壓挖掘機的工況分析UT633 2 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)確定UT7TU3.3 負載分析UT733.4機電一體化液壓挖掘機工作原理UT8TU3.5機電一體化液壓挖掘機工作技術要求UT954 各液壓元件的選擇UT10TU4.1 液壓泵的選擇UT10T44 2 柴油發(fā)動機的選擇UT10TU4.3 液壓閥的選擇UT10TU4.4 其他液壓元件的選擇UT1

4、05 液壓挖掘機的應用.115.1 液壓隨系統(tǒng)在制動器上應用.115.2 液壓隨動系統(tǒng)在挖掘機操作中的應用.115.3 液壓隨動系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向機構(gòu)上的應用.116 液壓挖掘機機構(gòu)方案的創(chuàng)新設.116.1 液壓挖掘機基本結(jié)構(gòu)及其抽象化表示.116.2 再生運動鏈和創(chuàng)新運動鏈.126.3 創(chuàng)新機構(gòu)結(jié)構(gòu)方案.137 挖掘機液壓系統(tǒng)概述.157.1 挖掘機液壓系統(tǒng)的基本組成及其基本要求.157.2 挖掘機液壓系統(tǒng)的基本動作分析.177.3 挖掘機液壓系統(tǒng)的基本回路分析.18設計總結(jié).26參考文獻.261液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)小型挖掘機由多個系統(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

5、，轉(zhuǎn)臺，油箱，發(fā)動機安裝等。我的課程設計主要致力于分析和設計小型液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)。本課題選擇了國內(nèi)的質(zhì)量和技術性能都接近設計要求的5t挖掘機作為基型。本液壓挖掘機的優(yōu)點是采用伺服先導操縱系統(tǒng)，造型美觀，具備挖掘，抓物，鉆孔，推土，清溝和破碎等功能。性能可靠，操作舒適，可廣泛應用于礦山企業(yè)，工地建筑，城市工程等等。液壓挖掘機是一種多功能機械，目前被廣泛應用于水利工程，交通運輸，電力工程和礦山采掘等機械施工中，它在減輕繁重的體力勞動，保證工程質(zhì)量。加快建設速度以及提高勞動生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。由于液壓挖掘機具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。液壓

6、挖掘機的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。挖掘機液壓傳動緊密地聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎。其結(jié)構(gòu)主要是由發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成（如圖所示），由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作很復雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析設計已經(jīng)成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán)。所以，液壓挖掘機作為工程機械的一個重要品種，對于減輕工人繁重的體力勞動，提高施工機械化水平，加快施工進度，促進各項建設事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用，因此，大力發(fā)展液壓挖掘機，對于提高勞動生產(chǎn)率和加速國民經(jīng)濟的發(fā)展具有

7、重要意義。1.鏟斗缸 2.斗桿缸 3.動臂缸 4.回轉(zhuǎn)馬達 5.冷卻器 6.濾油器 7. 磁濾器 8.油箱 9.液壓泵 10.背壓閥11. 后組合閥 12.前組合閥 13.中央回轉(zhuǎn)接頭 14.回轉(zhuǎn)制動閥 15.限速閥16.行走馬達圖1.1 液壓挖掘機整體系統(tǒng)圖2.2國內(nèi)外發(fā)展及概況2.1 國內(nèi)發(fā)展概況及展望 早在1954年我國就已開始生產(chǎn)機械式挖掘機,當時的撫順重型機器廠(撫順挖掘機廠前身)引進前蘇聯(lián)的機械式挖掘機W10012和W5012等國際20世紀3040年代的產(chǎn)品。由于國家H經(jīng)濟H建設的需要,后又H發(fā)展H10余家廠生產(chǎn),到1966年12年全國共生產(chǎn)了機械式挖掘機3000余臺,后又延續(xù)生產(chǎn)

8、到八十年代初。在80年代初引進德國系列液壓挖掘機制造技術。浙江大學的馮培恩教授開始率先著手研究挖掘機機電一體化技術，首先實現(xiàn)挖掘機器人作業(yè)過程的分級規(guī)劃和局部自主控制。但是他們在任務規(guī)劃層面上只停留在仿真階段，還沒有提出顯著的實現(xiàn)方案。聯(lián)合引進日本小松制作所的PC系列挖掘機制造技術，由于中國建設事業(yè)的發(fā)展，市場的擴大，隨后不久在挖掘機生產(chǎn)領域出現(xiàn)了一個外資企業(yè)進入中國的浪潮。從1994、1995年開始，世界各工業(yè)發(fā)達國家的著名挖掘機制造企業(yè)先后在中國建立眾多的中外合資或外商獨資挖掘機制造企業(yè)，生產(chǎn)世界一流水平的多種型號的挖掘機產(chǎn)品。截止至2001年年底，包括國有企業(yè)在內(nèi)，中國境內(nèi)生產(chǎn)液壓挖掘機

9、的企業(yè)總數(shù)達20個左右，共生產(chǎn)挖掘機整機質(zhì)量從1.3-45t，100余個不同型號和規(guī)格的產(chǎn)品。2000年全國生產(chǎn)各種型號、規(guī)格的液壓挖掘機8111臺，共銷售7926臺，其中包括出口119臺。2001年全生產(chǎn)12569臺，銷售12397臺，其中包括出口468臺。2.2 國外發(fā)展概況及展望國外大型液壓挖掘機的開發(fā)大約從上世紀70年代開始。如日本日立建機公司在1972-1976年間開發(fā)的UH12型正鏟大型液壓挖掘機，其斗容量為2.2m3工作重量336t；UH20型斗容量3.2m3，工作重量50t；UH30型斗容量4.4m3，工作重量75t。1979年，日立建機成功開發(fā)了UH50型正鏟超大型液壓挖掘機

10、，斗容量達8.2m3，工作重量175t。經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前超大型液壓挖掘機的最大工作重量已直指1000t級，鏟斗斗容達到了50m³。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、運動靈活及易于維護保養(yǎng)等優(yōu)點，超大型液壓挖掘機已形成逐步代替鋼索機械式或電動式挖掘機（俗稱電鏟）的趨勢。超大型液壓挖掘機主要用于各種大規(guī)模露天礦山的開采及大型基礎建設，同時還被用于填海造地工程及港灣河道疏通工程，其中正鏟式挖掘機占大部分。目前生產(chǎn)超大型挖掘機的廠商主要分布在美國、日本、德國等工程機械制造強國，著名的生產(chǎn)企業(yè)有利勃海爾、卡特彼勒、日立、小松、特雷克斯（O&K）等公司。3 液壓系統(tǒng)的設計液壓系

11、統(tǒng)設計作為機電一體化挖掘機設計的重要組成部分，設計時必須滿足挖掘機工作循環(huán)所需的全部技術要求，且靜動態(tài)性能好、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、工作安全可靠、壽命長、經(jīng)濟性好、使用維護方便。其中液壓系統(tǒng)的設計作為挖掘機總體設計的一部分，必須要滿足整機工作要求，并要求進行相關參數(shù)的計算與分析驗證，選取合適的各液壓元件。3.1 液壓挖掘機的工況分析液壓挖掘機的主要功能運動包括以下幾個動作(如圖3.1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。除了輔助動作 (例如整機轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅(qū)動。液壓挖掘機一個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復合主要

12、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。(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，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復合動作。(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。為了調(diào)整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟斗的復合動作，間以動臂動作。 (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，此時是回轉(zhuǎn)和動臂或斗桿的復合動作。 （5）整機移動

13、工況:將整機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、運輸、檢修等需要。 (7) 其他輔助作業(yè)工況:輔助工作裝置作業(yè)工況。圖3. 1液壓挖掘機的工作運動1一動臂升降;2一斗桿收放:3一鏟斗裝卸;4一轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn):5一整機行走3.2 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)確定液壓挖掘機的主要參數(shù)表明了液壓挖掘機的規(guī)格和主要技術性能，液壓挖掘機的主要參數(shù)分為發(fā)動機參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)、主要性能參數(shù)、尺寸參數(shù)四大類，發(fā)動機參數(shù)包括發(fā)動機額定功率、轉(zhuǎn)速等，液壓系統(tǒng)參數(shù)包換主泵的流量、壓力等，主要性能參數(shù)包括整機工作質(zhì)量、主要部件質(zhì)量、鏟斗容量范圍或標稱鏟斗容量、挖掘力、牽引力等，尺寸參數(shù)包括工作尺寸、機體外

14、形尺寸和工作裝置尺寸等，其中液壓挖掘機主要參數(shù)中最重要的參數(shù)有三個，即斗容量、整機質(zhì)量和發(fā)動機功率，因為通過這三個參數(shù)可以從使用要求、機械本身的技術性能和技術經(jīng)濟指標、動力裝置的配套、國際上統(tǒng)一的標準以及傳統(tǒng)習慣等方面反映液壓挖掘機的級別，故有主參數(shù)之稱。所以有時采用挖掘機的斗容量作為主參數(shù)。例如，機械式挖掘機一般就以斗容量作為挖掘機的主參數(shù)并作為主要分級指標。但液壓挖掘機可更換的工作裝置多，而且同一機型可以根據(jù)作業(yè)對象或工作尺寸的要求換裝不同斗容的鏟斗。由于不同廠家的挖掘機采用不同的液壓系統(tǒng)，輔助設備能耗及功率儲備也有所不同，而且同一型挖掘機在后續(xù)改進時，也會改變發(fā)動機功率，所以液壓挖掘機以

15、功率分級不十分合理。整機質(zhì)量則直接反映了液壓挖掘機本身的重量等級，對其他技術參數(shù)影響較大，如挖掘能力的發(fā)揮、發(fā)動機功率的充分利用、作業(yè)的穩(wěn)定性等要以一定的整機質(zhì)量來保證，因此整機質(zhì)量反映了挖掘機的實際工作能力，目前已被廣泛用作液壓挖掘機的分級指標。3.3 負載分析動臂油缸一般布置在動臂前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺鉸接。常見的有兩種具體布置方式。圖3.3 動臂機構(gòu)油缸布置方案3.4 機電一體化液壓挖掘機工作原理機電一體化液壓挖掘機采用三組液壓缸使工作裝置具有三個自由度，鏟斗可實現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動，加上液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)運動，使鏟斗運動擴大到有限的空間，再通過行走馬達驅(qū)動行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向

16、得到間歇地擴大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。機電一體化液壓挖掘機傳動示意圖，如圖3.7所示，利用各種傳感器，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。機電一體化液壓挖掘機的工作裝置采用連桿機構(gòu)原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。反鏟工作裝置由鏟斗1、斗桿2、動臂3、連桿4及相應的三組液壓缸5. 6. 7組成。動臂下鉸點鉸接在轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉(zhuǎn)動;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)

17、到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮;動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。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。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進行第二次挖掘循環(huán)。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統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機的。圖3.4 機電一體化液壓挖掘機傳動示意圖1、鏟斗 2、斗桿 3、動臂 4、連桿 5、 6、 7、液壓油缸3.5 機電一體化液壓挖掘

18、機工作技術要求采用了柴油機-液壓泵復合控制。操作者根據(jù)工況，利用作業(yè)模式選擇開關（功率預選開關）選擇合理的功率模式：重載高速、正常工作、輕載低速。通過電子調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)發(fā)動機油門和液壓泵的排量，使供給功率與負載需要功率相匹配。采用了電液比例控制技術，通過改變34B-R6/H6型帶閥芯位移反饋的電液比例方向閥的比例電磁鐵的輸入電流，不但可以改變閥的工作液流方向，而且可以改變閥口大小實現(xiàn)流量控制，是一種較為理想的電、液轉(zhuǎn)換和功率放大元件，與伺服控制相比具有成本低、抗干擾性好、能量損失小、對油液清潔度無特殊要求等優(yōu)點。工況在線監(jiān)測系統(tǒng)包括單片主處理器模塊、面板控制系統(tǒng)、模擬信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換及光電

19、隔離模塊、電源模塊及傳感器等部分。其中單片主處理器模塊是系統(tǒng)的核心部分，主要功能有面板的控制管理，A/D轉(zhuǎn)換部分的控制管理、模擬量、開關量和轉(zhuǎn)換信號的輸入、處理和存儲。面板控制模塊是整個系統(tǒng)的入機接口，它包括鍵盤、聲光報警電路和點陣式液晶顯示器。模擬信號調(diào)理電路的任務是實現(xiàn)各路模擬量信號的輸入和調(diào)整，將傳感器和敏感元件的輸出電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足A/D轉(zhuǎn)換輸入要求的標準電平信號。A/D轉(zhuǎn)換及光電隔離模塊的功能是將所有的被檢測轉(zhuǎn)變成為單片機所接受的數(shù)字量，具體包括開關量、轉(zhuǎn)換信號的整形、模擬量的A/D轉(zhuǎn)換和輸入輸出信號的光電隔離等。電源模塊將液壓挖掘機上的蓄電池或發(fā)電機輸出的+24V直流電轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)各

20、模塊以及系統(tǒng)配備的傳感器所需的各種類型的電平電壓。傳感器處于液壓挖掘機與監(jiān)測系統(tǒng)的接口位置，是一個能量變換器，它直接從液壓挖掘機中提取被除數(shù)檢測的工況特征參數(shù)，感受狀態(tài)的變化并轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量。計算機控制系統(tǒng)將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應的指令控制整個系統(tǒng)有目的的運行。如利用壓力傳感器可實現(xiàn)過載情況下的路徑自主校正；利用超階級聲波測距傳感器能實現(xiàn) 回轉(zhuǎn)過程中的自動避障。4 選擇各執(zhí)行元件4.1 液壓泵的選擇主泵的壓力為，最大流量為；齒輪泵的壓力為，最大流量為。根據(jù)機械設計手冊，可查閱得：此液壓泵可采用NB3-

21、G20F雙聯(lián)柱塞泵，主泵由2個柱塞式串聯(lián)變量柱塞泵組成。4.2 柴油發(fā)動機的選擇取泵的總效率=0.8，泵的總驅(qū)動功率為：= 23.74KW考慮安全系數(shù),故取25KW;查機械設計手冊發(fā)動機參數(shù)表得：發(fā)動機機型號YANMAR功率27.1KW 轉(zhuǎn)速2200r/min4.3 液壓閥的選擇擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。液壓閥的作用是控制液壓系統(tǒng)的油流方向、壓力和流量，從而控制整個液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機構(gòu)的動作順序，工作部件的運動速度、方向，以及變換頻率，輸選出力和力矩等。4.4 其他液壓元件的選擇其他原件的選擇包括蓄能器的選擇,非橡膠管道的選擇,膠管的選擇等。 5 液壓挖掘機系統(tǒng)

22、的應用 5.1 液壓隨動系統(tǒng)在制動器上的應用滑閥式制動器液壓隨動系統(tǒng)的作用是，踩下制踏板時經(jīng)過彈簧來操縱杠桿，使其左端向上壓彈簧，將活塞向上移動并推開錐形閥，使進油口與油腔相通。此時高壓油經(jīng)進油缸而實施制動。當高壓油作用于活塞上的壓力相對于銷軸產(chǎn)生的力矩大于由彈簧的壓縮力對銷軸產(chǎn)生的力矩時，活塞則向下移動，錐形閥即關閉。如果前者力矩仍高于后者，則活塞將再下移動，錐形閥便與閥座脫開，油腔與回油口相通。此時制動系統(tǒng)內(nèi)的部分油液流回油箱，活塞回升到將錐形閥關閉時為止。松開制動踏板時活塞便下降，油液從油腔經(jīng)油道、油孔流向回油口，由此再流回油箱中，這時制動器開。5.2液壓隨動系統(tǒng)在挖掘機操縱系統(tǒng)中的應用

23、液壓隨動系統(tǒng)俗稱液壓放大器，這一方面執(zhí)行機構(gòu)能自動地以一定的準確度重復輸入信號的變化規(guī)律，另一方面又起著功率的放大作用。液壓隨動系統(tǒng)有滑閥式和旋轉(zhuǎn)式之分，其中滑閥式液壓隨動系統(tǒng)又分為外部型式內(nèi)部型式兩種。5.3 液壓隨動系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向機構(gòu)上的應用液壓隨動系統(tǒng)滑閥在向右移動時油液流入轉(zhuǎn)向油缸的大腔，推動活塞向右移動，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。此時轉(zhuǎn)向油缸小腔的油液流入反饋油缸的小腔，實現(xiàn)反饋聯(lián)系；反之，滑閥向左移動時壓力油流入反饋油缸的小腔，其活塞把大腔的油液排向油缸的小腔，使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn)。每側(cè)轉(zhuǎn)向油缸活塞行程終了時差單向閥向轉(zhuǎn)向油缸和反饋油缸的小腔油，以避免吸空現(xiàn)象發(fā)生。6 液壓挖掘機機構(gòu)方案創(chuàng)新設

24、計6.1 液壓挖掘機基本結(jié)構(gòu)及其抽象化表示 液壓挖掘機是一種采用液壓傳動并以一個鏟斗進行挖掘作業(yè)的機械，它由工作裝置上部轉(zhuǎn)臺和行走轉(zhuǎn)置五大部分組成。因用途不同，種類繁多，其中主要有反鏟裝置、正鏟裝置、挖掘機裝載裝置、起重裝置和抓斗裝置等這里只研究應用最廣泛的反鏟裝置。 如圖2（a）所示，液壓挖掘機反鏟轉(zhuǎn)置由動臂、斗桿、鏟斗、以及動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸和連桿機構(gòu)等組成。其結(jié)構(gòu)特點是各部件之間的聯(lián)系全部采用鉸鏈，通過油缸的伸縮來實現(xiàn)挖掘機過程中的各種動作。挖掘機作業(yè)時，將反鏟轉(zhuǎn)置轉(zhuǎn)到挖掘地點，操縱斗桿油缸5和鏟斗油缸6使鏟斗進行挖掘機工作。由于油缸可以簡化為兩個串聯(lián)在一起的二副桿，這兩個二副

25、桿的中間較為驅(qū)動福，因此圖2（a）中的反鏟轉(zhuǎn)置可以轉(zhuǎn)化為圖2（b）所示的平面運動鏈型式。6.2再生運動鏈和創(chuàng)新運動鏈反鏟裝置的工作要求為了下面討論方便，先定義幾個概念：定義1分離桿：如果自由度為F的平面運動鏈中存在某個桿，把此桿“切”為兩塊，該平面運動鏈則被分解成自由度分別為F1、F2的兩個子平面運動鏈，并且F=F1 F2，則稱此桿為分離桿。定義2分離自由度：如果自由度為F的平面運動鏈中至少存在一個桿，把此桿“切”為兩塊，該平面運動鏈則被分解成自由度分別為F1、F2的兩個子平面運動并且F=F1 F2，那么該平面運動鏈的自由度類型為分離自由度。定義3驅(qū)動副：作動力源的運動副稱為驅(qū)動副。分析圖2(

26、b)中所示的反鏟裝置的平面運動鏈，可以發(fā)現(xiàn)，該裝置是一個自由度為3的12桿機構(gòu)，其自由度類型為分離自由度，并且具有二個分離桿，即動臂1和斗桿2。反鏟裝置的工作要求是，能夠控制挖掘高度、卸載高度、挖掘深度和挖掘半徑。為了保證最大的挖掘范圍，反鏟裝置必須具有兩個分離桿。具有兩個分離桿的機構(gòu)，其自由度一定大于或等于3。所以反鏟裝置機構(gòu)結(jié)構(gòu)的最基本要求是：自由度大于或等于3，并且具有兩個分離桿。隨著自由度和桿數(shù)的增加，機構(gòu)的復雜程度將大大增加，因此作者只研究能滿足基本要求的自由度等于3、桿數(shù)不大于12的反鏟裝置。滿足要求的連桿組合由于分離桿的副數(shù)應大于或等于4，因此反鏟裝置至少應有兩個副數(shù)大于或等于4

27、的多副桿。自由度等于3、桿數(shù)不大于12，并至少應有兩個4副以上桿的連桿組合有下列幾種。(1)N=10，N2=8，N3=0，N4=2，N5=0，N6=0(2)N=12，N2=10，N3=0，N4=1，N5=0，N6=1(3)N=12，N2=10，N3=0，N4=0，N5=2，N6=0(4)N=12，N2=9，N3=1，N4=2，N5=0，N6=0(5)N=12，N2=9，N3=0，N4=3，N5=0，N6=0(6)N=12，N2=8，N3=2，N4=2，N5=0，N6=0其中：N為桿數(shù)NI為具有I個運動副的桿數(shù)滿足要求的運動鏈對于以上六種連桿組合，具有分離自由度的平面運動鏈數(shù)目分別是2、5、2、

28、42、12和103共166種，經(jīng)計算，其中只有25個平面運動鏈具有兩個分離桿。又自由度為3的反鏟裝置被兩個分離桿分解成三個子平面運動鏈，每個子平面運動鏈都含有一個驅(qū)動副，也就是說，每個子平面運動鏈中都得有一個油缸。又因為在平面運動鏈中油缸可用兩個串聯(lián)的二副桿來代替，因此反鏟裝置的每個子平面運動鏈至少應有一串聯(lián)的二副桿。如圖3所示的12種運動鏈為滿足上述要求的運動鏈。 運動鏈評價與篩選根據(jù)挖掘機的用途，為了盡量增大挖掘作業(yè)范圍，其機架桿必須在平面運動鏈的一端，而不應位于平面運動鏈的中間。另外，反鏟裝置的底座得承受較大的載荷，要求由機架、動臂及動臂油缸組成一個四桿的子平面運動鏈。編號為1、2、3、

29、9、10的五個平面運動鏈中，可以作為機架的四個桿1、3、4、6，它們互為同位桿，因此可用任一桿作機架，假設桿3是機架，編號為4、5、6的三個平面運動鏈中，機架可以是桿3或桿6，但是若桿3為機架，鉸、為驅(qū)動副，得到反鏟裝置，其中油缸的支撐點鉸在挖掘過程中很可能后移，從而影響反鏟裝置的工作性能，因此機架只能是桿6。編號為7、8、11、12的四個平面運動鏈中，機架是桿3。編號為1、2的平面運動鏈，桿3為機架，鉸、為驅(qū)動副，可以看出，這兩個平面運動鏈中鏟斗6的工作情況完全一樣，因此可以拋棄編號為2的平面運動鏈。編號為9、10的兩個平面運動鏈，桿3為機架，鉸、為驅(qū)動副，斗桿油缸的支承點鉸在挖掘過程中后移

30、；編號為11、12的兩個平面運動鏈，桿3為機架，鉸、為驅(qū)動副，鏟斗油缸的支承點鉸在挖掘過程中后移。因此編號為9、10、11、12這四個平面運動鏈得到的反鏟裝置，其工作性能不佳。6.3創(chuàng)新機構(gòu)結(jié)構(gòu)方案通過以上分析，只有編號為1、3、4、5、6、7、8的平面運動鏈可作為反鏟裝置的結(jié)構(gòu)型式，這七種反鏟裝置見表1。其中，編號7是現(xiàn)有反鏟裝置，其余六種是新型反鏟裝置。與現(xiàn)有反鏟裝置進行比較，編號1最簡單，能增大挖掘力，但其鏟斗擺角較?。痪幪?、4、5、6能增大斗桿擺角；編號8的鏟斗油缸直接驅(qū)動鏟斗，因此挖掘力較大。將編號1、3、4、5、6、8的平面運動鏈分別畫成驅(qū)動機構(gòu)形式，如圖4所示。在圖4中，1是動

31、臂、2是斗桿、3是鏟斗、4是動臂油缸、5是斗桿油缸、6是鏟斗油缸。 7 挖掘機液壓系統(tǒng)概述 7.1 挖掘機液壓系統(tǒng)的基本組成及其基本要求  按照挖掘機工作裝置和各個機構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機地連接起來就組成一個挖掘機液壓系統(tǒng)。它是以油液為工作介質(zhì)、利用液壓泵將發(fā)元件將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，進而實現(xiàn)挖掘機的各種動作。按照不同的功能可將挖掘機液壓系統(tǒng)分為三個基本部分：工作裝置系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)。挖掘機的工作裝置主要由動臂、斗桿、鏟斗及相應的液壓缸組成，它包括動臂、斗桿、鏟斗三個液壓回路?；剞D(zhuǎn)裝置的功能是將工作裝置和上部轉(zhuǎn)臺向左或向右回轉(zhuǎn)，以

32、便進行挖掘和卸料，完成該動作的液壓元件是回轉(zhuǎn)馬達?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)工作時必須滿足如下條件：回轉(zhuǎn)迅速、起動和制動無沖擊、振動和搖擺，與其它機構(gòu)同時動作時，能合理地分配去各機構(gòu)的流量。行走裝置的作用是支撐挖掘機的整機質(zhì)量并完成行走任務，多采用履帶式和輪胎式機構(gòu)，所用的液壓元件主要是行走馬達。行走系統(tǒng)的設計要考慮直線行駛問題，即在挖掘機行走過程中，如果某一工作裝置動作，不至于造成挖掘機發(fā)生行走偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 挖掘機的動作復雜，主要機構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向，負載變化大，沖擊和振動頻繁，而且野外作業(yè)，溫度和地理位置變化大，因此挖掘機的液壓系統(tǒng)應滿足如下要求 （1）要保證挖掘機動臂、斗桿和鏟斗可以

33、各自單獨動作，也可以相互配合實現(xiàn)復合動作。 （2）工作裝置的動作和轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)既能單獨進行，又能復合動作，以提高挖掘機的生產(chǎn)率。 （3）履帶式挖掘機的左、右履帶分別驅(qū)動，使挖掘機行走方便、轉(zhuǎn)向靈活，并且可就地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機的靈活性。 （4）保證挖掘機的一切動作可逆，且無級變速。 （5）保證挖掘機工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達等）有良好的過載保護；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速下降和整機超速溜坡。 為此，液壓系統(tǒng)應做到： （1）有高的傳動效率，以充分發(fā)揮發(fā)動機的動力性和燃料使用經(jīng)濟性。

34、0;（2）液壓系統(tǒng)和液壓元件在變化大的負載、急劇的振動作用下，具有足夠的可靠性。 （3）設置輕便耐振的冷卻器，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使主機持續(xù)工作時的液壓油溫不超過 80，或溫升不超過 45。 （4）由于挖掘機作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油容易被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性能要好，液壓元件對油液污染的敏感性要低，整個液壓系統(tǒng)要設置濾油器和防塵裝置。（5）采用液壓或電液伺服操縱裝置，以便挖掘機設置自動控制系統(tǒng)，進而提高挖掘機技術性能和減輕駕駛員的勞動強度。 7.2 挖掘機液壓系統(tǒng)的基本動作分析 （1）挖掘。通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別進

35、行單獨挖掘，或者兩者配合進行挖掘。在挖掘過程中主要是鏟斗和斗桿有復合動作，必要時配以動臂動作。 （2）滿斗舉升回轉(zhuǎn)。挖掘結(jié)束后，動臂缸將動臂頂起、滿斗提升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復合動作。動臂舉升和臂和鏟斗自動舉升到正確的卸載高度。由于卸載所需回轉(zhuǎn)角度不同，隨挖掘機相對自卸車的位置而變，因此動臂舉升速度和回轉(zhuǎn)速度相對關系應該是可調(diào)整的，若卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動臂舉升速度慢些。 （3）卸載。回轉(zhuǎn)至卸土位置時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復合

36、作用，兼以動臂動作。 （4）空斗返回。卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時動臂缸和斗桿缸相互配合動作，把空斗放到新的挖掘點，此工況是回轉(zhuǎn)、動臂、和斗桿復合動作。由于動臂下降有重力作用、壓力低、泵的流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況通常是一個泵全部流量供回轉(zhuǎn)，另一泵大部分油供動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流供斗桿。 7.3 挖掘機液壓系統(tǒng)的基本回路分析  基本回路是由一個或幾個液壓元件組成、能夠完成特定的單一功能的典型回路，它是液壓系統(tǒng)的組成單元。液壓挖掘機液壓系統(tǒng)中基本回路有限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流回路、行走回路、合流回路、再生回路、閉鎖回路、

37、操縱回路等。  1 限壓回路  限壓回路用來限制壓力，使其不超過某一調(diào)定值。限壓的目的有兩個：一是限制系統(tǒng)的最大壓力，使系統(tǒng)和元件不因過載而損壞，通常用安全閥來實現(xiàn)，安全閥設置在主油泵出油口附近；二是根據(jù)工作需要，使系統(tǒng)中某部分壓力保持定值或不超過某值，通常用溢流閥實現(xiàn)，溢流閥可使系統(tǒng)根據(jù)調(diào)定壓力工作，多余的流量通過此閥流回油箱，因此溢流閥是常開的。  液壓挖掘機執(zhí)行元件的進油和回油路上常成對地并聯(lián)有限壓閥，限制液壓缸、液壓馬達在閉鎖狀態(tài)下的最大閉鎖壓力，超過此壓力時限壓閥打開、卸載保護了液壓元件和管路免受損壞，這種限壓閥（圖 2-1）實際上起

38、了卸荷閥的作用。維持正常工作，動臂液壓缸雖然處于“不工作狀態(tài)”，但必須具有足夠的閉鎖力來防止活塞桿的伸出或縮回，因此須在動臂液壓缸的進出油路上各裝有限壓閥，當閉鎖壓力大于限壓閥調(diào)定值時，限壓閥打開，使油液流回油箱。限壓閥的調(diào)定壓力與液壓系統(tǒng)的壓力無關，且調(diào)定壓力愈高，閉鎖壓力愈大，對挖掘機作業(yè)愈有利，但過高的調(diào)定壓力會影響液壓元件的強度和液壓管路的安全。通常高壓系統(tǒng)限壓閥的壓力調(diào)定不超過系統(tǒng)壓力的 25%，中高壓系統(tǒng)可以調(diào)至 25%以上。  1- 換向閥     2- 限壓閥 

39、0;   3- 油缸                               圖2-1 限壓回路 2  緩沖回路  液壓挖掘機滿斗回轉(zhuǎn)時由于上車轉(zhuǎn)動慣量很大，在啟動、制動和突然換向時會引起很大的液壓沖擊，尤其是回轉(zhuǎn)過

40、程中遇到障礙突然停車。液壓沖擊會使整個液壓系統(tǒng)和元件產(chǎn)生振動和噪音，甚至破壞。挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的緩沖回路就是利用緩沖閥等使液壓馬達高壓腔的油液超過一定壓力時獲得出路。 圖 2-2 為液壓挖掘機中比較普遍采用的幾種緩沖回路。圖 2-2 (A)中回轉(zhuǎn)馬達兩個油路上各裝有動作靈敏的小型直動式緩沖（限壓）閥 2、3，正常情況下兩閥關閉。當回轉(zhuǎn)馬達突然停止轉(zhuǎn)動或反向轉(zhuǎn)動時，高壓油路的壓力油經(jīng)緩沖閥 3 泄回油箱，低壓油路則由補油回路經(jīng)單向閥 4 進行補油，從而消除了液壓沖擊。緩沖（限壓）閥的調(diào)定壓力取決于所需要的制動

41、力矩，通常低于系統(tǒng)最高工作壓力。該緩沖回路的特點是溢油和補油分別進行，保持了較低的液壓油溫度，工作可靠，但補油量較大。 圖 2-2（B）是高、低壓油路之間并聯(lián)有緩沖閥，每一緩沖閥的高壓油口與另一緩沖閥的低壓油口相通。當回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動、停止或反轉(zhuǎn)時，高壓腔的油經(jīng)過緩沖閥直接進入低壓腔，減小了液壓沖擊。這種緩沖回路的補油量很少，背壓低，工作效率高。  圖 2-2（C）是回轉(zhuǎn)馬達油路之間并聯(lián)有成對單向閥 4、5 和 6、7，回轉(zhuǎn)馬達制動或換向時高壓腔的油經(jīng)過單向閥 5、緩沖（限壓）閥 2 流回油箱，低壓腔從油箱經(jīng)

42、單向閥 6獲得補油。1- 換向閥          2.3- 緩沖閥        .7- 單向閥                       

43、60;    圖2-2 緩沖回路  上述各回轉(zhuǎn)回路中的緩沖（限壓）閥實際上起了制動作用，換向閥 1 中位時回轉(zhuǎn)馬達兩腔油路截斷，只要油路壓力低于限壓閥的調(diào)定壓力，回轉(zhuǎn)馬達即被制動，其最大制動力矩由限壓閥決定。  當回轉(zhuǎn)操縱閥回中位產(chǎn)生液壓制動作用時，挖掘機上部回轉(zhuǎn)體的慣性動能將轉(zhuǎn)換成液壓位能，接著位能又轉(zhuǎn)換為動能，使上部回轉(zhuǎn)體產(chǎn)生反彈運動來回振動，使回轉(zhuǎn)齒圈和油馬達小齒輪之間產(chǎn)生沖擊、振動和噪聲，同時鏟斗來回晃動，致使鏟斗中的土灑落，因此挖掘機的回轉(zhuǎn)油路中一般裝設防反彈閥。3 節(jié)流回路 

44、; 節(jié)流調(diào)速是利用節(jié)流閥的可變通流截面改變流量而實現(xiàn)調(diào)速的目的，通常用于定量系統(tǒng)中改變執(zhí)行元件的流量。這種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，能夠獲得穩(wěn)定的低速，缺點是功率損失大，效率低，溫升大，系統(tǒng)易發(fā)熱，作業(yè)速度受負載變化的影響較大。根據(jù)節(jié)流閥的安裝位置，節(jié)流調(diào)速有進油節(jié)流調(diào)速和回油節(jié)流調(diào)速兩種。1- 齒輪泵   2- 溢流閥  3- 節(jié)流閥  4- 換向閥   5- 油缸       &#

45、160;                        圖2-3 節(jié)流回路                 圖 2-3 (A)為進油節(jié)流調(diào)速，節(jié)流閥 3 安裝在

46、高壓油路上，液壓泵 1 與節(jié)流閥串聯(lián)，節(jié)流閥之前裝有溢流閥 2，壓力油經(jīng)節(jié)流閥和換向閥 4 進入液壓缸 5 的大腔使活塞右移。負載增大時液壓缸大腔壓力增大，節(jié)流閥前后的壓力差減小，因此通過節(jié)流閥的流量減少，活塞移動速度降低，一部分油液通過液流閥流回油箱。反之，隨著負載減小，通過節(jié)流閥進入液壓缸的流量增大，加快了活塞移動速度，液流量相應地減少。這種節(jié)流方式由于節(jié)流后進入執(zhí)行元件的油溫較高，增大滲漏的可能性，加以回油無阻尼，速度平穩(wěn)性較差，發(fā)熱量大，效率較低。  圖 2-3 (B)為回油節(jié)流調(diào)速，節(jié)

47、流閥安裝在低壓回路上，限制回油流量?；赜凸?jié)流后的油液雖然發(fā)熱，但進入油箱，不會影響執(zhí)行元件的密封效果，而且回油有阻尼，速度比較穩(wěn)定。  液壓挖掘機的工作裝置為了作業(yè)安全，常在液壓缸的回油回路上安裝單向節(jié)流閥，形成節(jié)流限速回路。如圖 2-3（C）所示，為了防止動臂因自重降落速度太快而發(fā)生危險，其液壓缸大腔的油路上安裝由單向閥和節(jié)流閥組成的單向節(jié)流閥。此外，斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸在相應油路上也裝有單向節(jié)流閥。  4 行走限速回路 履帶式液壓挖掘機下坡行駛時因自重加速，可能導致超速溜坡事故，且行走馬達易發(fā)生吸空現(xiàn)象甚至損壞。因此應對行走馬達限速和補油，使行走馬

48、達轉(zhuǎn)速控制在允許范圍內(nèi)。 1-換向閥 2.3-壓力閥 -單向閥 8.9-安全閥 10-行走馬達  圖2-4 行走限速回路 行走限速回路是利用限速閥控制通道大小，以限制行走馬達速度。比較簡單的限速方法是使回油通過限速節(jié)流閥，挖掘機一旦行走超速，進油供應不及，壓力降低，控制油壓力也隨之降低，限速節(jié)流閥的通道減小，回油節(jié)流，從而防止了挖掘機超速溜坡事故的發(fā)生。  履帶式液壓挖掘機行走馬達常用的限速補油回路如圖 2-4 所示，它由壓力閥2、3，單向閥 4、5、6、7 和安全閥 8、9

49、 等組成。正常工作時換向閥 1 處于右位，壓力油經(jīng)單向閥 4 進入行走馬達 10，同時沿控制油路推動壓力閥2，使其處于接通位置，行走馬達的回油經(jīng)壓力閥 2 流回油箱。當行走馬達超速運轉(zhuǎn)時，進油供應不足，控制油路壓力降低，壓力閥 2 在彈簧的彈力作用下右移，回油通道關小或關閉，行走馬達減速或制動，這樣便保證了挖掘機下坡運行時的安全。  這種限速補油回路的回油管路上裝有 510bar 的背壓閥，行走馬達超速運轉(zhuǎn)時若主油路壓力低于此值，回油路上的油液推開單向閥 5 或 7 對行走馬達進油腔補油，以消除吸空現(xiàn)象。當高壓油路中壓力超過安全閥 8 或 9 的調(diào)定壓力時，壓力油經(jīng)安全閥返回油箱。1-行走 2-動臂.鏟斗