機(jī)電一體化液壓挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械的一個重要品種，被廣泛應(yīng)用于建筑、電力水利、鐵路公路、采礦以及軍事等建設(shè)工程。它對于減輕工人繁重的體力勞動，提高施工機(jī)械化水平，加快施工進(jìn)度，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用。由于液壓挖掘機(jī)具有多功能，高質(zhì)量、高效率等特點(diǎn)，因此其具有一定的發(fā)展前景和廣闊的市場。所以，大力發(fā)展液壓挖掘機(jī)，對于提高勞動生產(chǎn)率和加速國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。挖掘機(jī)是一種萬能型工程機(jī)械，目前已經(jīng)無可爭議地成為工程機(jī)械的第一主力機(jī)種，在世界工程機(jī)械市場上己占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴(kuò)大。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

2、主流形式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，液壓挖掘機(jī)需要大幅度的技術(shù)進(jìn)步，技術(shù)創(chuàng)新是液壓挖掘機(jī)行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術(shù)方面，挖掘機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以對其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1 挖掘機(jī)簡介挖掘機(jī)械的最早雛形，主要用于河道、港口的疏浚工作，第一臺有確切記載的挖掘機(jī)械是1796年英國人發(fā)明的蒸汽“挖掘機(jī)”。而能夠模擬人的掘土工作，在陸地上使用的蒸氣機(jī)驅(qū)動的“動力鏟”于1835年在美國誕生，主要用于修筑鐵路的繁重工作，被認(rèn)為是現(xiàn)代挖掘機(jī)的先驅(qū)，距今已有170多年的歷史。1950年，德國研制出世界上第一臺全液壓挖掘機(jī)。由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各

3、種新技術(shù)、新材料不斷在挖掘機(jī)上得到應(yīng)用，尤其是電子技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用使得液壓挖掘機(jī)在作業(yè)效率、可靠性、安全性和操作舒適以及節(jié)能、環(huán)保等方面有了長足的進(jìn)步。目前液壓挖掘機(jī)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，成為土石方施工不可缺少的重要機(jī)械設(shè)備。但因挖掘機(jī)作業(yè)裝置動作復(fù)雜，運(yùn)動范圍大，需要采用多自由度機(jī)構(gòu)，古老的機(jī)械傳動對它不太適合。而且當(dāng)時的工程建設(shè)主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機(jī)的應(yīng)用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機(jī)的研發(fā)，導(dǎo)致挖掘機(jī)發(fā)展緩慢。由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，二十世紀(jì)四十年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)。隨著液壓傳動技術(shù)迅速發(fā)展成

4、為一種成熟的傳動技術(shù)，挖掘機(jī)有了適合它的傳動裝置，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)上的一個飛躍 。同時，工程建設(shè)和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進(jìn)行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開 1邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）始進(jìn)行城市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。1950年在意大利北部生產(chǎn)了第一臺液壓挖掘機(jī)。第一臺液壓挖掘機(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)。由單泵向6個執(zhí)行元件供油。由于早期液壓挖掘機(jī)主要采用了定量齒輪泵，不能按需改

5、變供油流量，無法充分利用發(fā)動機(jī)的功率，因此其能量損失很大，不能滿足挖掘機(jī)復(fù)合動作的復(fù)雜要求，且可操縱性差。另外，早期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機(jī)各種工況的液壓元件，配套件也不齊全，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定。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。1968-1970年間，液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量己經(jīng)達(dá)到挖掘機(jī)總產(chǎn)量的83%，其時對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的研究也已經(jīng)十分成熟，液壓挖掘機(jī)已經(jīng)具有了同步控制系統(tǒng)和負(fù)載敏感系統(tǒng)L。自第一臺手動挖掘機(jī)誕生以來的160多年當(dāng)中，挖掘機(jī)一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相對成熟

6、穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，對其控制方式不斷改進(jìn)和革新，使挖掘機(jī)由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險地區(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)操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了良好的前提。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)1.2.1 國外研究狀況及發(fā)展動態(tài)工業(yè)發(fā)達(dá)國家的液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，產(chǎn)品線齊全，技術(shù)成熟。美國、德國和日本是液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國，具有較高的市場占有率。從20世紀(jì)后期開始，國際上液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)從產(chǎn)品規(guī)格

7、上看，在穩(wěn)定和完善主力機(jī)型的基礎(chǔ)上向大型化、微型化方向發(fā)展；從功能上看，在滿足基本功能的基礎(chǔ)上，向多功能化、專用化方向發(fā)展；從產(chǎn)品性能上看，向高效節(jié)能化、自動化、信息化、智能化的方向發(fā)展。（1）液壓挖掘機(jī)的大型化和微型化大型液壓挖掘機(jī)主要用于大型露天礦山的開采及大型基礎(chǔ)建設(shè)，多數(shù)為正鏟。如日本的日立建機(jī)開發(fā)的UH50型正鏟液壓挖掘機(jī)斗容量為8.2m,整機(jī)質(zhì)量 2 3邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）175t,EX3500型正鏟斗容量為18.8m3，整機(jī)質(zhì)量為330t。日立建機(jī)于2004年開發(fā)成功了超大型液壓挖掘機(jī)EX8000，鏟斗容量為40m，整機(jī)質(zhì)量達(dá)780t。目前全球最大型液壓挖掘機(jī)為TEREX-O

8、&K公司制造的RH400型，整機(jī)質(zhì)量為980t，斗容量為50m。為滿足市政建設(shè)和農(nóng)田建設(shè)的需要，國外發(fā)展了斗容量在0.25m以下的微型液壓挖掘機(jī)，最小的斗容量僅有0.01m。例如，美國卡特彼勒公司新近發(fā)布的302.5C微型液壓挖掘機(jī)，其整機(jī)質(zhì)量只有2850kg，配備三菱S3L2型18.6KW柴油發(fā)動機(jī)，其排放符合美國EPA2級和歐標(biāo)準(zhǔn)，所配備斗容量范圍為0.0350.092m，鏟斗挖掘力可達(dá)25KN。（2）液壓挖掘機(jī)的多功能化中、小型液壓挖掘機(jī)趨向于一機(jī)多能，配備了多種工作裝置。除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振搗器、推土板、沖擊鏟、

9、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時，發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī)，如低接地比壓、低噪聲、水下專用和水陸兩用液壓挖掘機(jī)等。（3）液壓挖掘機(jī)的電子化、信息化世界上各大液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)廠商在應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度的過程中，重視電子技術(shù)、信息技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，使挖掘機(jī)向高效、節(jié)能、安全、環(huán)保以及操作方便舒適的方向發(fā)展。從20世紀(jì)80年代開始，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器和檢測儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用和推廣，并已成為液壓挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。目前先進(jìn)的液壓挖掘機(jī)均裝有電子控

10、制單元（ECU），用于發(fā)動機(jī)和泵閥的電子控制以及工作模式控制和工作狀態(tài)監(jiān)控。應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)柴油機(jī)上的控制裝置主要有電子調(diào)速器、自動怠速系統(tǒng)、電子功率優(yōu)化系統(tǒng)和電子油門控制系統(tǒng)等?？ㄌ乇死蘸桶⑻乩沟裙鹃_發(fā)了挖掘機(jī)車載衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)33333（GPS），用戶可通過電信數(shù)據(jù)中心和國際互聯(lián)網(wǎng)隨時了解挖掘機(jī)的工作位置和工作環(huán)境，并通過對各種參數(shù)的分析了解挖掘機(jī)的工作狀況，以確保安全使用和提高工作效率。（4）液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)制造手段的現(xiàn)代化美國、英國、日本等國家的液壓挖掘機(jī)制造廠商在更新設(shè)計(jì)理論、提高可靠性、延長使用壽命等方面做了大量工作，推廣采用壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命 3邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)

11、計(jì)（論文）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實(shí)驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用與液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。隨著大型CAE軟件的日漸成熟，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也被應(yīng)用到液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)過程中。以往一種新機(jī)型需要經(jīng)過多次反復(fù)試制、試驗(yàn)和修改，一般需要幾年時間才能定型。而采用虛擬設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)可利用專業(yè)CAD軟件、有限元分析軟件和動力學(xué)仿真軟件進(jìn)行三維數(shù)字化建模、三維虛擬裝配和基礎(chǔ)零部件分析、優(yōu)化，并進(jìn)行整機(jī)的虛擬樣機(jī)仿真和虛擬試驗(yàn)，直接在虛擬樣機(jī)上修改設(shè)計(jì)，最終生成用于生產(chǎn)的產(chǎn)品工程圖

12、和工藝文件，縮短了新產(chǎn)品的研制周期，加速了液壓挖掘機(jī)更新?lián)Q代的進(jìn)程。（5）增強(qiáng)液壓挖掘機(jī)的安全性和舒適性隨著世界貿(mào)易一體化進(jìn)程的加快，各國對液壓挖掘機(jī)的乘員安全保護(hù)及工作環(huán)境條件提出了更高要求。國外先進(jìn)的液壓挖掘機(jī)普遍采用帶有落物保護(hù)結(jié)構(gòu)（FOPS）和滾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾，操縱機(jī)構(gòu)采用液壓先導(dǎo)控制或電液比例控制，操作輕快、省力，操作環(huán)境的設(shè)計(jì)更加符合人機(jī)工程學(xué)。（6）液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)得到進(jìn)一步改進(jìn)國外液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢是高壓、高速、大流量、低成本、高質(zhì)量和高可靠性。國外知名公司的主流機(jī)型廣泛采用雙泵變量系統(tǒng)、液壓先導(dǎo)控制

13、、負(fù)荷傳感控制等新技術(shù)。例如卡特彼勒公司推出的325D型挖掘機(jī)系統(tǒng)壓力最大為35MPa，主泵流量為2×235L/min。卡特彼勒的D系列挖掘機(jī)提供兩種性能設(shè)定模式，標(biāo)準(zhǔn)操作模式和經(jīng)濟(jì)操作模式，以增強(qiáng)操作人員對機(jī)器性能與施工需要相匹配的控制能力。在標(biāo)準(zhǔn)模式中，可獲得高生產(chǎn)率和燃油效率，在市政建設(shè)等較輕的作業(yè)中，可切換到經(jīng)濟(jì)模式，耗油量可降低15%。1.2.2 國內(nèi)研究情況及發(fā)展動態(tài)我國從1967年開始自行研制液壓挖掘機(jī)。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機(jī)械廠的WY100、貴陽礦山機(jī)器廠的W4-60、合肥礦山機(jī)器廠的WY60等。到20世紀(jì)70年代末80年代初，長江挖掘機(jī)廠和杭州重型機(jī)械廠

14、分別研制成功了WY160和WY250等液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。從1994年開始，美國的卡特彼勒公司、日本的神戶制鋼所、日本的小松制作所、日本的日立建機(jī)株式會社、韓國大宇重工、韓國現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾、德國雪孚、德國阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司先后在中國建立 4邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）了中外合資、外商獨(dú)資挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)具有世界先進(jìn)水平的多種型號和規(guī)格的液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品。近年來我國經(jīng)濟(jì)增長迅速，液壓挖掘機(jī)市場需求不斷擴(kuò)大，形成了巨大的挖掘機(jī)市場空間，但該行業(yè)主要由合資企業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國內(nèi)一些工程機(jī)械行業(yè)的上市股份公司通過合資的方式介入了挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，同時國內(nèi)還有眾多的企業(yè)也在生產(chǎn)液壓挖掘機(jī)，但

15、在生產(chǎn)規(guī)模、品種、質(zhì)量等方面與國外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展民族挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，必須瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)水平，圍繞國內(nèi)外兩個市場，在充分利用國際化配套和國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)自主創(chuàng)新意思，掌握核心設(shè)計(jì)制造技術(shù)，發(fā)揮性價比優(yōu)勢，提高產(chǎn)品競爭力，把我國液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品做大做強(qiáng)。1.3 本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容鏟斗是挖掘機(jī)工作裝置(鏟斗、斗桿、動臂)三大部件之一，是主要承載件 。在挖掘過程巾，鏟斗直接承受很大外力，鏟斗與礦巖的接觸滑移，造成鏟斗激烈的磨損。作業(yè)環(huán)境的狀況也對鏟斗的強(qiáng)度和變形在一定程度上造成很大影響。因此，鏟斗結(jié)構(gòu)性能的好壞對挖掘機(jī)工作的影響非常重要 。目前，在國內(nèi)液壓挖掘機(jī)沒計(jì)中，對斗桿和動臂的

16、應(yīng)力分布進(jìn)行分析較多，而對鏟斗的應(yīng)力分布規(guī)律研究得較少。本文結(jié)合SWE70H挖掘機(jī)的實(shí)際作業(yè)工況，對挖掘機(jī)鏟斗在典型工況下挖掘時液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究改進(jìn)設(shè)計(jì)，為挖掘機(jī)鏟斗液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2 液壓挖掘機(jī)的組成及挖掘阻力分析2.1 液壓挖掘機(jī)的組成為了實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的各項(xiàng)功能，單斗液壓挖掘機(jī)需要兩個基本組成部分，即機(jī)體(或稱主機(jī))和工作裝置。機(jī)體是完成挖掘機(jī)基本動作并作為驅(qū)動和操縱挖掘機(jī)進(jìn)行工作的基礎(chǔ)，可以是履帶牽引車輛或輪式牽引車輛?？杉?xì)分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動力裝置。其中動力裝置、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備均可在回轉(zhuǎn)平臺上，總稱上

17、車部分，它與行走機(jī)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360°的全回轉(zhuǎn)。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。挖掘機(jī)的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果。液壓挖掘機(jī)可分為:動力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，如圖2.1所示。圖2.1 液壓挖掘機(jī)整體系統(tǒng)圖(1) 動力系統(tǒng)挖掘機(jī)工作的主要特點(diǎn)是環(huán)境溫度變化大，灰塵污物較多，負(fù)荷變化大，經(jīng)常傾斜工作，維護(hù)條件差。因此液壓挖掘機(jī)原動力一般由柴油機(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)，符號挖掘

18、機(jī)工作條件惡劣，負(fù)荷多變的要求。挖掘機(jī)的額定負(fù)荷與汽車。拖拉機(jī)不同，汽車和拖拉機(jī)指在最高轉(zhuǎn)速下、連同機(jī)油泵、 6邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）發(fā)電機(jī)等必要附件，巧分鐘內(nèi)的最大功率;挖掘機(jī)是指在額定轉(zhuǎn)速下一小時以上的額定功率。挖掘機(jī)采用車用柴油機(jī)時，最大功率指數(shù)降低。(2) 機(jī)械系統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)部分是完成挖掘機(jī)各項(xiàng)基本動作的直接執(zhí)行者，主要包括:行走裝置是整個機(jī)器的支撐部分，承受機(jī)器的全部重量和工作裝置的反力，同時能使挖掘機(jī)作短途行駛.按照結(jié)構(gòu)的不同，分履帶式和輪胎式?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使挖掘機(jī)上車圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360度的回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動裝置和回轉(zhuǎn)支撐。工作裝置是挖掘機(jī)完成實(shí)際作業(yè)的主要組成部分，

19、常用的有反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，而同一種裝置可以有多種結(jié)構(gòu)形式，前面所述的反鏟裝置應(yīng)用最為廣泛。(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作都由液壓傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，原動機(jī)驅(qū)動雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥。通過司機(jī)的操縱，將壓力油單獨(dú)或同時送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)和液壓油缸)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。液壓挖掘機(jī)的主要運(yùn)動有整機(jī)行走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動等。這些運(yùn)動都靠液壓傳動。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)。該系統(tǒng)地功能是把發(fā)動機(jī)地機(jī)械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，傳送給油缸、油馬達(dá)等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能

20、，再傳動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動和工作過程。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)得合理與否，對挖掘機(jī)的性能起著決定性的作用。同樣的元件，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，則挖掘機(jī)性能差異很大。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。(4) 控制系統(tǒng)液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)是對發(fā)動機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件(液壓缸、液壓馬達(dá))等進(jìn)行控制的系統(tǒng)。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，使挖掘機(jī)有了越來越先進(jìn)的控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)向高性能、自動化和智能化發(fā)展。目前挖掘機(jī)研究重點(diǎn)正逐步向智能化機(jī)電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移。單斗反鏟液壓挖掘機(jī)反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下的土壤。斗容量小于1.6M3的中小型液壓挖掘機(jī)通常選用反鏟裝置，

21、它分為整體臂式和組合臂式。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臂結(jié)構(gòu)。采用這種動臂有利于加大挖掘深度，且結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。剛度相同時，其重量比組合動臂輕，是目前應(yīng)用最廣泛的液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)形式。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機(jī)最常用的結(jié)構(gòu)型式，動臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接點(diǎn)擺動，完成挖掘、提升和卸土等動作。如圖 2. 2 所示，整體鵝頸式動臂反鏟挖掘機(jī)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。裝置各運(yùn)動部件之間全部采用銷軸鉸接，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動

22、臂油缸的伸縮可使動臂繞下。鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)動臂的升降。斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂相對角度。當(dāng)斗桿油缸伸縮時，斗桿可繞動臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動。為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機(jī)構(gòu)來和鏟斗聯(lián)接組合。1、斗桿油缸 2、動臂 3、油管 4、動臂油缸 5、鏟斗 6、斗齒7、側(cè)齒 8、連桿 9、搖桿 10、鏟斗油缸 11、斗桿圖2.2 反鏟挖掘機(jī)工作裝置液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程包括以下幾個動作(如圖2.3 所示):動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動作。除了輔助動作(例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主

23、要動作，要考慮全功率驅(qū)動。由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特殊要求:(1)實(shí)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(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化；(2)為了充分利用發(fā)動機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作(例如挖掘與動臂、提升與回轉(zhuǎn))同時進(jìn)行復(fù)合動作。 8邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1、動臂升降 2、斗桿收放 3、鏟斗裝卸 4 、平臺臺回轉(zhuǎn) 5、整機(jī)行走圖2.3 液壓挖掘機(jī)的運(yùn)動圖2.2 液壓挖掘機(jī)挖掘阻力的計(jì)算當(dāng)液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù)和機(jī)構(gòu)方案確定后，應(yīng)計(jì)算挖掘機(jī)斗齒上的挖掘阻力，以便作為液壓系統(tǒng)功率、發(fā)動機(jī)功率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)

24、算的依據(jù)。對于液壓反鏟，挖掘方式主要是轉(zhuǎn)斗挖掘、斗桿挖掘和這兩種方式的聯(lián)合，實(shí)際工作時以哪種方式為主，取決于挖掘機(jī)工作狀態(tài)和所挖掘土壤的情況。2.2.1 土壤的主要性質(zhì)和工程分類土壤是液壓挖掘機(jī)的主要工作對象，又是支承其作業(yè)的承載體，因此要確定挖掘機(jī)的挖掘阻力，必須考慮與挖掘阻力有關(guān)的土壤的主要性質(zhì)和工程分類。（1） 土壤的工程分類土方工程中通常把土壤（包括巖石）按挖掘的難易程度分為十六級，用羅馬數(shù)字表示，稱為土壤的工程分類。表2.1所列為級土壤的工程分類及主要性質(zhì)。第級是最易開挖的土壤（砂、種植土），最堅(jiān)硬的巖石屬于 級。級土壤可以用機(jī)械直接開挖，級以上需要爆破后才能用機(jī)械進(jìn)行裝載作業(yè)。邵陽

25、學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（2） 土壤密度和松散系數(shù)Ks土壤密度指單位體積的土壤質(zhì)量，單位為kg/m。土壤密度可分為自然狀態(tài)下的實(shí)土密度和松散狀態(tài)下的密度，分別以和s表示。常見土壤密度見上表2-1。土方工作量一般按實(shí)土體積進(jìn)行計(jì)算。相同質(zhì)量的土，疏松后的體積Vs和原始體積V之比稱為松散系數(shù)，以Ks表示，則有-3VssKs = = (2.1)V 土壤的松散系數(shù)是確定液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)率的主要因素，其值大于1，與土壤級別、鏟斗形狀和鏟斗容量有關(guān)。（3） 土壤的安息角邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）松散土壤從高處落下形成土堆時，自然形成的土堆坡角稱安息角或自然靜止角，一般以坡面與地面所成夾角（°）表示，或以

26、土堆邊坡水平投影與垂直高度間的比率表示。土壤安息角與土壤種類和含水量有關(guān)。 2.2.2 挖掘阻力計(jì)算土壤挖掘理論認(rèn)為，挖掘阻力是挖掘總阻力的切向分力，主要由土壤切削阻力，土壤對鏟斗的摩擦阻力和裝土附加阻力組成，這三項(xiàng)阻力分別與切削斷面面積、鏟斗與土壤的摩擦系數(shù)、土壤的內(nèi)摩擦系數(shù)及鏟斗容量和裝滿系數(shù)等因素有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，可綜合上述三項(xiàng)阻力的影響，將挖掘阻力簡化表示為：F1 = wbc (2.2) 式中 F1挖掘阻力，N； b鏟斗切削寬度，m； c切削層厚度，m； w挖掘比阻力，N/m2表2.2給出了常見土壤的挖掘比阻力值。表2.2 挖掘比阻力值w液壓挖掘機(jī)的鏟斗挖掘和斗桿挖掘分別由各自的液壓

27、缸實(shí)現(xiàn)，因此，相應(yīng)的挖掘阻力可分別計(jì)算，由于本設(shè)計(jì)課題主要是鏟斗機(jī)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)，所以在此，只對鏟斗挖掘阻力作分析說明了。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）根據(jù)土壤切削理論，當(dāng)液壓反鏟以轉(zhuǎn)斗進(jìn)行挖掘時，鏟斗挖掘阻力是鏟斗轉(zhuǎn)角的函數(shù)，且最大值發(fā)生在鏟斗總轉(zhuǎn)角一半的位置。忽略轉(zhuǎn)斗挖掘阻力的法向分力和裝土阻力，可得最大鏟斗挖掘阻力為F1max = 5012CRD(1-COSmax)1.35kBkAkZkX+17000 (2.3) 式中 F1max最大鏟斗挖掘阻力，N；C土壤硬度密實(shí)計(jì)打擊次數(shù)，對級土壤，C=915，對級土壤，C=1635；RD鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)至斗齒尖距離，即鏟斗的轉(zhuǎn)斗切削半徑，m； max挖掘過程

28、中總轉(zhuǎn)角的一半，即最大轉(zhuǎn)斗挖掘力位置，（°）； kB切削刃寬度影響系數(shù)，kB=1+2.6b，b為鏟斗寬度，m；kA切削角變化影響系數(shù)，取kA=1.3；kZ斗齒的影響系數(shù)，取kZ=0.75（無齒時取kZ=1）；kX前邊斗齒對地面傾斜角度的影響系數(shù)，取kX=1.15。式（2.3）是根據(jù)試驗(yàn)研究得到的經(jīng)驗(yàn)公式，對計(jì)算結(jié)果影響較大的因素是鏟斗的轉(zhuǎn)斗切削半徑和一次挖掘的總轉(zhuǎn)角。一次轉(zhuǎn)斗挖掘的總轉(zhuǎn)角取值一般不應(yīng)該超過110°，即max不超過55°，否則計(jì)算出的最大轉(zhuǎn)斗挖掘阻力值偏大。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3 液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照液壓挖掘機(jī)工作裝置和各個機(jī)構(gòu)的傳動要求，

29、把各個液壓元件用管路有機(jī)地連接起來的組合體，稱為挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)。液壓挖掘機(jī)的基本液壓系統(tǒng)是由能使挖掘機(jī)完成基本作業(yè)動作并以手動控制為主的基本功能回路所構(gòu)成的液壓系統(tǒng)。一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)得合理與否，對挖掘機(jī)的性能起著決定性的作用。同樣的元件，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同，則機(jī)器的性能差異很大。因此，分析和研究各種液壓系統(tǒng)，弄清其設(shè)計(jì)原理是非常必要的。3.1 液壓挖掘機(jī)對液壓系統(tǒng)的基本要求液壓挖掘機(jī)的動作復(fù)雜，機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向、負(fù)載變化大，沖擊和振動頻繁，而卻野外施工作業(yè)，溫度變化和地理?xiàng)l件差別大，因此，應(yīng)根據(jù)液壓挖掘

30、機(jī)的工作特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)，對其液壓系統(tǒng)提出一些有別于其他應(yīng)用的要求。3.1.1 液壓挖掘機(jī)的作業(yè)動作要求液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足的動作要求如下：保證液壓挖掘機(jī)動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動作，也可以相互配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動作。保證工作裝置的動作與回轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)動作既能單獨(dú)運(yùn)行，有能作復(fù)合動作，以提前液壓挖掘機(jī)的作葉效率。履帶式液壓挖掘機(jī)左右履帶應(yīng)能分別驅(qū)動，使挖掘機(jī)行走轉(zhuǎn)彎方便靈活，并能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機(jī)的機(jī)動性。保證液壓挖掘機(jī)工作安全可靠，對各機(jī)構(gòu)及液壓執(zhí)行元件應(yīng)具有完善的安全保護(hù)措施。例如，對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動和限速：防止動臂因自重而下降過快;防止機(jī)器下坡行駛時超速留坡等。3

31、.1.2 對液壓系統(tǒng)的基本要求根據(jù)液壓挖掘機(jī)的作業(yè)動作和環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)對液壓系統(tǒng)提出如下要求： 液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)具有較高效率，以充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。液壓系統(tǒng)和液壓元件在大負(fù)載和劇烈震動沖擊作用下，應(yīng)具有足夠的可靠性。 選擇輕便、適用、耐震的冷卻散熱系統(tǒng)，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使液壓系統(tǒng)工作 13邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）溫度及溫升在規(guī)定范圍內(nèi)。由于液壓挖掘機(jī)作用現(xiàn)場環(huán)境惡劣，液壓油容易被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性能要好，整個液壓系統(tǒng)要設(shè)置濾油器和防塵裝置。在必要時采用液壓先導(dǎo)或電液伺服操作裝置，提高液壓挖掘機(jī)操作的舒適性，減輕操作人員的勞動強(qiáng)度。在液壓系統(tǒng)中采用先進(jìn)的自動控制技術(shù)

32、，提高液壓挖掘機(jī)的技術(shù)性能指標(biāo)，使液壓挖掘機(jī)具有節(jié)能、高效和自動適應(yīng)負(fù)載變化的特點(diǎn)。3.2 擬訂液壓系統(tǒng)原理圖擬訂液壓系統(tǒng)原理圖是整個設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵步驟，它對系統(tǒng)整體性能及設(shè)計(jì)方案的合理性、經(jīng)濟(jì)適用性都具有決定性的影響。這一過程涉及的知識面廣，需要理論結(jié)合實(shí)際，綜合運(yùn)用所學(xué)的知識。通常方法是，根據(jù)挖掘機(jī)的動作和性能要求，先分別選擇液壓元件和基本回路，然后把她們根據(jù)實(shí)際情況有機(jī)地組合起來，形成一個能充分發(fā)揮各部分性能的完整系統(tǒng)。3.2.1 制定基本方案(1)制定調(diào)速方案液壓執(zhí)行元件確定之后，其運(yùn)動方向和運(yùn)動速度的控制是擬定液壓回路的核心問題。方向控制用換向閥或邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對于一般中小流量

33、的液壓系統(tǒng)，大多通過換向閥的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)整方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者的結(jié)合容積節(jié)流調(diào)速。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。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥，故效率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場合。容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是沒有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補(bǔ)充泄漏，需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大、運(yùn)動

34、速度高的液壓系統(tǒng)。容積節(jié)流調(diào)速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與需油量相適應(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。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。進(jìn)油節(jié)流起動沖擊較小，回油節(jié)流常用于有負(fù)載荷的場合，旁路節(jié)流多用 14邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）于高速。調(diào)速回路一經(jīng)確定，回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。節(jié)流調(diào)速一般采用開式循環(huán)形式。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。開式回路結(jié)構(gòu)簡單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。容積調(diào)速大多采用閉式循環(huán)形式。閉式系統(tǒng)中，液壓泵的吸油口直

35、接與執(zhí)行元件的排油口相通，形成一個封閉的循環(huán)回路。其結(jié)構(gòu)緊湊，但散熱條件差27。經(jīng)過上述分析此方案選用 容積節(jié)流調(diào)速。(2)制定壓里控制方案控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。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。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)是對發(fā)動機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)）等所構(gòu)成的動力系統(tǒng)

36、進(jìn)行控制的系統(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)。液壓控制閥控制系統(tǒng)：先導(dǎo)型控制系統(tǒng) 換向控制閥的控制形式有直動型（用手柄直接操縱換向閥主閥芯，目前少用）和先導(dǎo)型兩種。后者是用先導(dǎo)閥控制先導(dǎo)油液，再用先導(dǎo)油液控制換向閥的主閥芯，它又分為機(jī)液先導(dǎo)型和電液先導(dǎo)型兩類。負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 它包括負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制泵（或定量泵）。閥控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是節(jié)流式系統(tǒng)。在液壓挖掘機(jī)上，目前常用的是一般的三位六通多路閥，其滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能差。20世紀(jì)90年代以來

37、，在液壓挖掘機(jī)上開始采用負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)，其控制閃不論是中位開式方式還是中位閉式方式，都附帶有壓力補(bǔ)償閥。采用電子控制壓力補(bǔ)償?shù)囊簤和诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較，負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)省能源消耗。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。而使用負(fù)荷傳感變量系統(tǒng)，泵的流量全部用于負(fù)載上，泵的壓力僅比負(fù)荷壓力大1-3Mpa；流量控制精度高，不受負(fù)荷壓力變化的影響；幾個執(zhí)行元件可以同步運(yùn)動或以某種速比運(yùn)動，且互不干擾。普通三位六通閥系統(tǒng)用的是并聯(lián)油路，當(dāng)幾個執(zhí)行元件同時動作時，泵輸出的油液首先流向壓力低的執(zhí)行元件，不能同步。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

38、（論文）上述的負(fù)荷傳感控制閥只解決了滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能，而沒有解決節(jié)省能源問題。定量泵和負(fù)荷傳感控制閥的系統(tǒng)也沒有節(jié)省能源消耗，因?yàn)楸盟敵龅牧髁砍^執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達(dá)）所需要的流量時，多余的油液經(jīng)壓力補(bǔ)償閥流回油箱（為保持壓差恒定）變?yōu)闊崮?。只有完全?fù)荷傳感控制系統(tǒng)才能解決節(jié)省能源問題。完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)由負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制變量泵組成帶次級壓力補(bǔ)償閥的負(fù)荷傳感系統(tǒng)德國力士樂公司等）在其生產(chǎn)的液壓挖掘機(jī)上設(shè)置了負(fù)荷傳感分流器LUOV（Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系統(tǒng)，其主要作用是：當(dāng)多個執(zhí)行元件

39、同時工作、所需的流量大于液壓泵的流量時，產(chǎn)生供油不足的現(xiàn)象，這不能使正在工作臺的執(zhí)行元件與負(fù)載壓力無關(guān)的控制得到保證。LUDV系統(tǒng)能保證在供油不足時所有執(zhí)行元件的工作速度按正比例下降，以獲得與負(fù)載壓力無關(guān)的控制。制定壓力控制方案 ：液壓執(zhí)行元件工作時，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，也有的需要多級或無級連續(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。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，用變量泵供油，用安全閥起安全保護(hù)作用。在液壓系統(tǒng)中，需要流量不大的高壓油時可考慮用增壓回路得到高壓，而不用單設(shè)高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中，某段時間不需要供油，而又不

40、便停泵的情況下，需考慮選擇卸荷回路。 在系統(tǒng)的某個局部，工作壓力需低于主油源壓力時，要考慮采用減壓回路來獲得所需的工作壓力。基于以上控制系統(tǒng)方案分析本次設(shè)計(jì)選用負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)；采用的是雙泵雙回路恒功率控制液壓系統(tǒng)，帶四種功率控制模式、中位負(fù)流量控制，兩液壓主泵按全功率變量。(3)指定順序動作方案主機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動作，根據(jù)設(shè)備類型不同，有的按固定程序運(yùn)行，有的則是隨機(jī)的或人為的。工程機(jī)械的操縱機(jī)構(gòu)多為手動，一般用手動的多路換向閥控制。加工機(jī)械的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動作多采用行程控制，當(dāng)工作部件移動到一定位置時，通過電氣行程開關(guān)發(fā)出電信號給電磁鐵推動電磁閥或直接壓下行程閥來控制接續(xù)的動作。行程開

41、關(guān)安裝比較方便，而用行程閥需連接相應(yīng)的油路，因此只適用于管路聯(lián)接比較方便的場合。另外還有時間控制、壓力控制等。例如液壓泵無載啟動，經(jīng)過一段時間，當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，延時繼電器發(fā)出電信號使卸荷閥關(guān)閉，建立起正常的工作壓力。壓力控制多用在帶有液壓夾具的機(jī)床、擠壓機(jī)壓力機(jī)等場合。當(dāng)某一執(zhí)行元件 16邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成預(yù)定動作時，回路中的壓力達(dá)到一定的數(shù)值，通過壓力繼電器發(fā)出電信號或打開順序閥使壓力油通過，來啟動下一個動作。(4)選擇液壓動力源液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余

42、的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油，用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。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。對在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況，一般采用多泵供油或變量泵供油。對長時間所需流量較小的情況，可增設(shè)蓄能器做輔助油源。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺少的。一般泵的入口要裝有粗過濾器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護(hù)元件的要求，通過相應(yīng)的精過濾器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁性過濾器或其他型式的過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。3.2.2 繪制液壓系

43、統(tǒng)圖整機(jī)的液壓系統(tǒng)圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成。各回路相互組合時要去掉重復(fù)多余的元件，力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。注意各元件間的聯(lián)鎖關(guān)系，避免誤動作發(fā)生。要盡量減少能量損失環(huán)節(jié)。提高系統(tǒng)的工作效率。為便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測元件（如壓力表、溫度計(jì)等）。大型設(shè)備的關(guān)鍵部位，要附設(shè)備用件，以便意外事件發(fā)生時能迅速更換，保證主要連續(xù)工作。各液壓元件盡量采用國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，在圖中要按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓元件職能符號的常態(tài)位置繪制。對于自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)元件可用結(jié)構(gòu)原理圖繪制。系統(tǒng)圖中應(yīng)注明各液壓執(zhí)行元件的名稱和動作，注明各液壓元件的序號以及各電磁鐵的代號，并附有電磁鐵、行程閥

44、。如圖3.1所示。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖3.1 SWE70H型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)1-油泵；2-回轉(zhuǎn)馬達(dá)；3-緩沖補(bǔ)油閥組；4-左右履帶行走馬達(dá)；5-行走馬達(dá)雙速電磁閥； 6-補(bǔ)油單向閥；7-中央回轉(zhuǎn)接頭；8-限速閥；9-溢流閥；10-梭閥；11-合流閥； 12-斗桿油缸；13-鏟斗油缸；14-單向節(jié)流閥；15-動臂油缸；16-冷卻器；17-冷卻器；18-濾油器；19-背壓閥；20-節(jié)流閥邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4 鏟斗機(jī)構(gòu)及其液壓元件的計(jì)算液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置實(shí)際上是多個連桿機(jī)構(gòu)的組合。在發(fā)動機(jī)功率、整機(jī)質(zhì)量和鏟斗容量等主要參數(shù)及工作裝置基本形式初步確定的情況下，工作裝置各鉸點(diǎn)的布置及各

45、工作油缸參數(shù)的選擇是否合理，會直接影響液壓挖掘機(jī)的實(shí)際挖掘能力。4.1 鏟斗油缸的布置確定鏟斗油缸鉸點(diǎn)、行程及連桿機(jī)構(gòu)力臂比時應(yīng)考慮以下因素。（1）保證轉(zhuǎn)斗挖掘時產(chǎn)生足夠大的斗齒挖掘力，即在鏟斗油缸全行程中產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)大于正常工作情況下的挖掘阻力。當(dāng)鏟斗油缸作用力臂最大時，所產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)基本上等于最大挖掘阻力。當(dāng)油缸全伸時，應(yīng)能使?jié)M載鏟斗靜止不動。（2）保證鏟斗的擺角范圍。鏟斗的擺角范圍一般取140°160°，在特殊作業(yè)時可以大于180°，擺角位置可以按圖4.1布置。當(dāng)鏟斗油缸全縮時，鏟斗與斗桿軸線夾角（在軸線上方）應(yīng)大于10°，常取15

46、°25°，鏟斗油缸全伸、鏟斗滿載回轉(zhuǎn)時，應(yīng)使土壤不從斗中撒落。圖4.1 鏟斗擺角范圍 （3）鏟斗從位置到位置時（圖4.1），鏟斗油缸作用力臂最大，這時能得到斗齒最大挖掘力。從單獨(dú)進(jìn)行轉(zhuǎn)斗挖掘動作的角度看，鏟斗從位置到位置的轉(zhuǎn)角應(yīng)該為鏟斗整個切削角度的1/2左右，即當(dāng)鏟斗挖掘深度最大時，正好斗齒挖掘力也最大。實(shí)際上鏟斗的切削轉(zhuǎn)角是可變的。在許多情況下，特別是進(jìn)行復(fù)合動作挖掘時，鏟斗的切削轉(zhuǎn)角一般都小于100°， 而且鏟斗也不一定都在初始位置開始挖掘。因此，目前一般取位置至位置的轉(zhuǎn)角為30°50°，在這個角度范圍內(nèi)既可以照顧到邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文

47、）鏟斗在挖掘過程中能較好地適應(yīng)挖掘阻力的變化，又可以使鏟斗在開始挖掘時就有一定的挖掘力。4.2 鏟斗油缸作用力的確定反鏟工作裝置在作業(yè)過程中，當(dāng)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鲿r，其最大挖掘力為鏟斗油缸設(shè)計(jì)的依據(jù)。初步設(shè)計(jì)時按額定斗容量及工作條件（土壤級別），參考有關(guān)資料可初選斗齒最大挖掘力，并按反鏟最主要的工作裝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。此時計(jì)算位置為動臂下放到最低位置，鏟斗油缸作用力對鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)有最大力臂，如圖4.2所示。為了簡單，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(jī)構(gòu)效率影響因素，此時鏟斗油缸作用力為F1maxlcFd = (N) (4.1) l1式

48、中 l1鏟斗油缸作用力對搖臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂（此位置為搖臂長度），m； clF1max對鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)C的力臂，m。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Fg應(yīng)滿足FlFl' + (N) (4.2) l2l2式中 l2斗桿油缸閉鎖力Fg對斗桿與動臂鉸點(diǎn)的力臂，m；lBF1max對斗桿與動臂鉸點(diǎn)B的力臂，m；l'BF2對斗桿與動臂鉸點(diǎn)B的力臂，m；F2挖掘阻力的法向分力，取F2=（0.10.2）F1max，N。 (4.3) 動臂油缸閉鎖力F'b應(yīng)滿足F1maxlAF2l'A F'b+ (N) (4.4) l3l3式中 l3動臂油缸閉鎖力F

49、9;b對鉸點(diǎn)A的力臂，m；lAF1max對動臂下鉸點(diǎn)A的力臂，m；lAF2對鉸點(diǎn)A的力臂，m。此外，最大鏟斗挖掘力在其工作位置能否實(shí)現(xiàn)，還受到挖掘機(jī)穩(wěn)定性的限制，以為有可能當(dāng)挖掘力尚未達(dá)到最大值時，挖掘機(jī)已失去穩(wěn)定（如前支點(diǎn)已被抬起）。因此，選取鏟斗油缸最大推力時，應(yīng)以保證挖掘機(jī)的穩(wěn)定性為前提條件。20 '邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖4.2 鏟斗油缸作用力分析4.3 鏟斗主要參數(shù)當(dāng)鏟斗容量q一定時，切削轉(zhuǎn)角2、切削半徑RD和切削寬度b之間存在著一定的關(guān)系，即具有尺寸RD和b的鏟斗轉(zhuǎn)過2角度所切下的土壤剛好裝滿鏟斗（圖4.3）。于是斗容量可按下式計(jì)算：1ks2 q=RDb(2-sin2)

50、(4.5) 2Ks式中 ks鏟斗充滿系數(shù)； Ks圖4.3 反鏟鏟斗幾何參數(shù)邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）鏟斗挖掘1m體積土壤所消耗的能量稱為切削能容量。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，反鏟鏟斗的主要參數(shù)，即平均鏟斗寬度b，切削半徑RD和切削轉(zhuǎn)角2對轉(zhuǎn)斗挖掘的切削能容量有直接影響，可表示為 32000ksin-cos-1.5sin2+2cos2E=(2k2+100RDk) (4.6) b式中 E鏟斗切削能容量，N·m/m；k1考慮切削過程中其他影響因素的系數(shù)； 3k2具有應(yīng)力因次的系數(shù)，在鏟斗容量q=0.151 m3時，取k2=1.5； k3具有容積質(zhì)量因次的系數(shù)，在鏟斗容量q=0.151 m3時，取k3

51、=0.07；顯然，設(shè)計(jì)鏟斗時，在滿足鏟斗容量q的條件下，應(yīng)使鏟斗切削能容量E最小。由式（4.6）可以看出，減小角、增大鏟斗寬度b和切削半徑RD能夠降低E，但受到鏟斗結(jié)構(gòu)的限制，一般取b=(1.01.4)3q (4.7) 式中 q鏟斗容量，m；b鏟斗平均寬度，m?？紤]到鏟斗切削入土和出土的余量，一般取2<140°同時考慮到在轉(zhuǎn)斗速度一定時，轉(zhuǎn)斗角度太大會增大挖掘阻力，降低生產(chǎn)率，因此一般取2=90°110°。在確定鏟斗寬度b和轉(zhuǎn)斗角度后，根據(jù)公式（3.5）即可導(dǎo)出鏟斗轉(zhuǎn)斗切削半徑 32qKsRD)1/2(m) (4.8) -sin2)ks90式中 b鏟斗半徑，

52、m；鏟斗轉(zhuǎn)斗角度的一半，（°）；Ks土壤松散系數(shù)；ks鏟斗充滿系數(shù)，這里可以取Ks/ ks=1。當(dāng)鏟斗寬度b和轉(zhuǎn)斗角度在上述推薦范圍內(nèi)時，RD的取值范圍為RD=(1.31.6)3q (4.9)邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4.4 斗形尺寸計(jì)算根據(jù)鏟斗主要參數(shù)可進(jìn)一步設(shè)計(jì)計(jì)算斗形其他機(jī)構(gòu)尺寸，如圖4.4所示。2y=k(x-R')x圖4.4 反鏟鏟斗計(jì)算尺寸圖中三角形OGE為等腰三角形，OA段為直線，AB弧段為為拋物線。A點(diǎn)至直線EB的距離為H，拋物線定點(diǎn)高度為L，一般取H=L。斗尖角取108°。常見鏟斗斗形參數(shù)見表4.1。改變?nèi)切蜲EG的形狀可以獲得不同的斗形。設(shè)計(jì)鏟斗時

53、，還應(yīng)綜合考慮鏟斗的主要用途和挖掘?qū)ο螅侠磉x擇鏟斗主要參數(shù)，使鏟斗的挖掘阻力最小，作業(yè)效率最高。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4.5 液壓元件的計(jì)算SWE70H液壓履帶式挖掘機(jī)采用三泵全功率控制變量系統(tǒng)，能充分利用發(fā)動機(jī)功率。系統(tǒng)具有直線行駛、動臂鎖止、動臂優(yōu)先、動臂合流、輔助回路合流、斗桿流量再生等功能，合合理理利用流量，改善和提升整機(jī)性能。精心匹配操縱性。液壓泵、主控閥、行走馬達(dá)及回轉(zhuǎn)馬達(dá)全部采用原裝進(jìn)口產(chǎn)品，品質(zhì)優(yōu)良，工作穩(wěn)定，整個系統(tǒng)運(yùn)行可靠。4.5.1 液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定SWE70H液壓履帶式挖掘機(jī)的主要參數(shù)和作業(yè)參數(shù)以及作業(yè)參數(shù)的意義參見表4.2和圖4.5。圖4.5 SWE70H液

54、壓履帶式挖掘機(jī)的外形尺寸邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分，必須滿足機(jī)器設(shè)備的運(yùn)動功能、性能要求和結(jié)構(gòu)、安裝上的限制。根據(jù)所要求的負(fù)載運(yùn)動形態(tài)，鏟斗機(jī)構(gòu)選用的執(zhí)行元件為液壓缸來進(jìn)行配置。執(zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負(fù)載值或者主機(jī)設(shè)備類型選取，如表4.3與表4.4所示。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）由負(fù)載值大小查上表，參考同類型挖掘機(jī)，取液壓缸工作壓力為25MPa安裝方式選擇缸頭耳環(huán)帶襯套，活塞桿端連接方式選擇桿端外螺紋桿頭耳環(huán)帶襯套。又因其伸縮速度緩慢但壓力大，故選擇帶緩沖，油口連接方式選擇外螺紋。4.5.2 鏟斗液壓缸的參數(shù)計(jì)算由于鏟斗的內(nèi)收是為了鏟料，而外擺是為了卸料，所以采用一

55、根鏟斗油缸。根據(jù)挖掘機(jī)主要用于建筑施工、礦山的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇雙作用單活塞桿式液壓缸。初選液壓缸的工作壓力參考同類型液壓挖掘機(jī)，根據(jù)初定的系統(tǒng)壓力Ps，液壓缸的最高工作壓力Pmax=0.9Ps ，Pmax=0.9Ps =0.9×25=22.5(MP) (4.10)確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸(1) 液壓油缸的缸徑、桿徑確定F1maxlc根據(jù)公式（4.1）Fd = l1l1=270mm lc=RD2qKs又根據(jù)公式（4.8）RD)1/2(m) -sin2)ks90=55°而b又可根據(jù)公式（4.7）b=(1.01.4)q計(jì)算得知，取b=1.2q 因?yàn)閝=0.26 m， 所以計(jì)算得

56、b=0.766所以 RD=0.8323根據(jù)公式（2.3）計(jì)算 3F1max = 5012CRD(1-COSmax)1.35kBkAkZkX+17000取C=12 kB=1+2.6b=2.9916 kA=1.3 kZ=0.75 kX=1.15邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）得 F1max=66830.5所以， Fd =206011.2由于在回油路中裝有背壓閥，初選背壓Pb=8×10Pa，按此計(jì)算A1則 5Fd A1= =93.22cm2 (4.11) Pmax-(1/2) Pb4A1液壓缸直徑D=（ ）1/2=10.89cm 受拉時：d=(0.3-0.5)D受壓時：d=(0.5-0.55)D

57、(p1<5mpa) d=(0.6-0.7)D(5mpa< p1<7mpa)d=0.7D(p1>7mpa)所以，d=0.7D=0.7×10.89cm=7.62cm按標(biāo)準(zhǔn)將所計(jì)算的D與d值分別圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封裝置。圓整后得 D=100mm d=70mm222按標(biāo)準(zhǔn)直徑算出 A1=D=100=7853.98mm 4422222 A2=(D-d)= (100-70)=4005.53 mm 44(2) 液壓缸行程s及活塞桿長度和缸筒長度的確定液壓缸行程s，主要依據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動要求而定。但為了簡化工藝和降低成本，參考標(biāo)準(zhǔn)系列取值。本油缸的行程為530mm，故油缸的活塞桿的長度為670mm，缸筒的長度為780mm。(3) 缸筒壁厚的計(jì)算根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，在此液壓系統(tǒng)中，3.2D/16，故缸筒壁厚應(yīng)用中等壁厚計(jì)算公式，此時：PyD+C (4.12) (2.3- Py) 強(qiáng)度系數(shù)，對無縫鋼管，=1； C用來圓整壁厚數(shù) Py=1.25p=31.25MPa D缸筒內(nèi)徑=60MPa=31.25×100/(2.3×60-31.25)