带反馈的液压挖掘机设计说明书.doc

1、 I 某型号液压挖掘机 （负载敏感系统）液压系统设计 摘 要 液压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的土方机械。液压挖掘机利用液压元件（液压泵、液压马达、液压缸等）带动各种构件动作，具有许多优点，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析设计对推动我国挖掘机发展具有十分重要的意义。 在搜集了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上，了解了挖掘机液压系统的发展历史，并对挖掘机液压系统的技术发 展动态进行了分析总结。本次毕业设计课题是负载敏感系统液压挖掘机。挖掘机由多个系统组成，包括

2、液压系统，传动系统，操纵系统，工作装置，底架，转台，油箱，发动机安装等。本人的设计主要致力于分析和设计负载敏感系统液压挖掘机液压系统的液压站装配图，以液压元件和液压回路为主。 关键词 ：挖掘机；液压系统；液压泵；负载敏感系统 II Abstract Construction machinery hydraulic excavator is an important species, and it is widely used in construction, railway, highway, water conservancy, mining and other construction p

3、rojects of Earthmoving Machinery. The use of hydraulic excavator hydraulic components (hydraulic pumps, hydraulic motors, hydraulic cylinders, etc.) bring a variety of component movement, has many advantages, so it is the design of the hydraulic system of the high demands, and its hydraulic system e

4、ngineering machinery hydraulic system is the most complex. Therefore, the analysis of excavator hydraulic system design in promoting the development of Chinas excavator of great significance. At home and abroad in gathering relevant information excavator hydraulic system on the basis of the understa

5、nding of the excavators of the historical development of the hydraulic system, hydraulic excavators and technical developments have been analyzed and summarized. The graduation project is the subject of hydraulic excavators . Mini-excavator from multiple systems, including hydraulic system, transmis

6、sion system, control system, the working devices, chassis, turntable, fuel tanks, engine installation were designed. I focused on the design of the analysis and design of small-sized hydraulic excavator hydraulic system hydraulic components such as hydraulic components and the main hydraulic circuit

7、. Keywords: hydraulic pump;hydraulic system of excavator;Load sensitive system III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪 论 . 1 1.1 液压挖掘机工作装置与液压系统研究 的必要性 . 1 1.2 国内外液压挖掘机工作装置的发展动态及研究现状 . 2 1.2.1 国外发展动态及研究状况 . 2 1.2.2 国内发展动态及研究状况 . 3 1.3 国内外液压挖掘机液压系统的发展动态及研究现状 . 4 1.3.1 国外发展动态及研究状况 . 4 1.3.2 国内研究情况及发展动态 . 6 2

8、 液压挖掘机工作装置的设计要求与传统设计方法 . 7 2.1 液压挖掘机的工况分析 . 7 2.1.1 挖掘工况分析 . 8 2.1.2 满斗举升回转工况分析 . 12 2.1.3 卸载工况分析 . 12 2.1.4 空斗返回工况分析 . 12 2.1.5 整机移动工况分析 . 12 2.1.6 姿态调整与保持工况分析 . 13 2.2 液压挖掘机工作装置的设计要求 . 13 2.2.1 几何尺寸要求 . 13 2.2.2 各功能运动的动力特性要求 . 14 2.2.3 结构强度要求 . 15 2.2.4 经济性要求 . 16 2.2.5 其它 性能要求 . 16 2.3 液压挖掘机的主要参数

9、 . 16 2.3.1 描述挖掘机性能的主要参数 . 16 2.3.2 液压挖掘机的主参数 . 17 2.4 液压挖掘机工作装置的传统设计方法分析 . 17 2.4.1 通过类比及经验方法的工作装置的设计 . 17 2.4.2 基于计算机辅助设计方法的工作装置的设计 . 17 3 液压系统设计 . 19 3.1 系统主参数的确定 . 19 3.1.1 确定系统的工作压力 . 19 3.1.2 确定系统的型式 . 20 3.2 系统方案的拟定 . 20 3.2.1 确定元件类型 . 20 3.2.2 拟定主回路 . 21 4 系统初步计算和液压元件的选择 . 22 4.1 动臂液压缸的设计计算

10、. 22 4.1.1 液压缸缸筒的设计 . 22 IV 4.1.2 液压缸缸盖及导向套的设计 . 24 4.1.3 液压缸缸头的设计 . 27 4.1.4 活塞杆的设计及其强度校核 . 29 4.1.5 活塞的设计 . 31 4.1.6 缸筒长度的确定 . 33 4.1.7 缸头的结构设计 . 33 4.1.8 活塞杆长度的确定 . 35 4.1.9 液压缸纵向弯曲极限应力的计算和稳定性校核 . 35 4.1.10 液压缸油口尺寸的确定 . 37 4.1.11 密封和防尘装置的作用及选取 . 38 4.1.12 缓冲装置 . 38 4.2 斗杆液压缸的设计 . 38 4.3 铲斗液压缸的设计

11、. 38 4.4 推土铲液压缸的设计 . 39 4.5 液压缸推力和流量的计算 . 39 4.5.1 液压缸推力计算 . 39 4.5.2 液压缸的输出功率 . 40 4.5.3 液压缸流量 . 40 5 液压泵与马达的选用 . 41 5.1 液 压泵的流量计算 . 41 5.2 液压缸动作所需流量 . 41 5.3 行走机构所需流量 . 41 5.4 回转机构所需流量 . 42 5.5 液压泵的选择 . 44 6 液压泵站设计及液压附件的选取 . 45 6.1 液压阀的选取 . 45 6.2 液压泵站的设计 . 46 6.2.1 油箱的设计与计算 . 47 6.2.2 过滤器 . 48 6.

12、2.3 放油塞 . 48 6.2.4 原动机的选择 . 49 6.2.5 联轴器 . 49 6.2.6 空气滤清器的选择 . 49 6.2.7 压力表的选择 . 49 6.2.8 液压泵站总图 . 49 7 液压系统性能验算 .50 7.1 液压系统压力损失 . 50 7.1.1 沿程压力损失 . 50 7.1.2 局部压力损失 . 51 7.2 液压系统的发热功率 . 51 7.3 液压系统的散热功率 .52 8 液压系统的安装和维护 .54 V 8.1 液压元件的安装 . 54 8.2 液压元件的维护 . 55 9 挖掘机操作规程 .56 9.1 作业前的技术准备 . 56 9.2 作业与

13、行驶中的技术要求 . 56 9.3 作业后的技术工作 . 56 9.4 液压挖掘机行走操作及注意事项 . 57 总 结 . 58 参考文献 . 59 致 谢 . 60 1 1 绪 论 随着社会建设的不断发展和需要，液压挖掘机在国土建设、大自然改造事业、许多大型基础工程的建设中得到广泛应用 ，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用，称为一种万能机械。一台 1 m3液压挖掘机挖掘 I -IV 级土壤时，每班生产率大约相当于 300-400 工人一天的劳动生产率 2。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位

14、的青睐。液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。 工作装置是液压挖掘机主要组成部分之一，是直接完成挖掘任务的装置。工作装置的作业由三个油缸的复合动作和土壤的相互作用来实现，不借助计算机技术无可实现液压挖掘机工作 装置设计及其性能分析。因此，基于计算机全面仿真的液压挖掘机工作装置设计方法的研究成为推动挖掘机发展中的重要一环。 挖掘机与液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析研究也己经成为推动挖掘机发展中的重要一环。 1.

15、1 液压挖掘机工作装置与液压系统研究的必要性 挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯到 1840 年。当时美国西部开发，进行铁 路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似机械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时间挖掘机没有得到很大的发展，应用范围也只局限于矿山作业中。 导致挖掘机发展缓慢的主要原因是 :其作业装置动作复杂，运动范围大，需要采用多自由度机构，古老的机械传动对它不太适合。而且当时的工程建设主要是国土开发，大规模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因此对挖掘机的应用相对较少，在一定程度上也限制了挖掘机的发展。 由于液压技术的应用，二

16、十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反 铲的悬挂式挖掘机。随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的传动技术，挖掘机有了适合它的传动装置，为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术上的一个飞跃。同时，工程建设和施工形式也发生了很大变化。在进行大规模国土开发的同时，也开始进行城市型土木施工，这样，具有较长的臂和杆，能装上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多自由动作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用。 1950 年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。当时液压挖掘机主要配置反铲工作装置。在早年，许多液压挖掘机都配组合 动臂。这种组合动臂可以调节动臂的长度，现在大

17、多数液压挖掘机都采用整体动臂。优点是重量轻，制造方便，成本低。从 20世纪 60 年代到 80年代中期，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。 1968-1970 年间，液压挖掘机产量已经达到挖掘机总产量的 83%, 90 年代初工作装置的结构有所改进。大多数制造厂家借助计算机技术设计制2 造更轻便的动臂和斗杆，而不削弱其强度，其时对挖掘机工作装置的研究也已经十分成熟。 自第一台手动挖掘机诞生以来的 160 多年当中，挖掘机一直在不断地飞跃发展， 其技术己经发展到相对成熟稳定的阶段。经过几十年的研究，被成为土建机械手，成为建设机器人的代表，据有关专家估

18、算，全世界各种施工作业场约有 65%至 70%的土石方工程都是由挖掘机完成的。挖掘机是一种万能型工程机械，目前已经无可争议地成为工程机械的第一主力机种，在世界工程机械市场上己占据首位并且仍在发展扩大。挖掘机工作装置设计参数直接影响作业范围、功率利用、挖掘力发挥等。该参数的设计与挖掘机性能的好坏有关。 目前商品化的液压挖掘机工作装置设计软件还没有，都采用各自开发的软件。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的 需要，液压挖掘机需要大度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。通过开发通用性及专业的液压挖掘机工作装置设计软件，能够实现工作装置设计的自动化，提高挖掘机设计水平。因此，进行挖

19、掘机工作装置设计的自主研究非常必要。 挖掘机的发展主要以液压技术的应用为基础，其液压系统已成为工程机械液压系统的主流形式。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。在技术方面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，所以对其液压系统的分析研究具有十分 重要的现实意义。 1.2 国内外液压挖掘机工作装置的发展动态及研究现状 最早在液压挖掘机工作装置设计时，设计人员通过类比、查表、理论计算初步确定性能参数以后，还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大都选取几个特殊位置进行检讨计算，其精度当然较

20、低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置设计得到了很快发展。针对液压挖掘机工作装置的 CAD软件也已经有了不少的研究。 1.2.1 国外发展动态及研究状况 从 20 世纪 50 年代开始生产第一台液压挖掘机至今，挖掘机工作装置己经发展 到了相当成熟的阶段 9。随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力。 近几年来，国外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在工程建设和施工行业中占有很重要的位置。液压挖掘机迅速发展的根本原因，在于机械本身的优越性 (重量轻、挖掘能力大、生产率高 )、通用性好、操纵轻便，也由于下

21、述几个因素 :(1 重视试验研究工作，液压挖掘机的研制除了保证机械技术性能以外，十分重视挖掘机的使用经济性和工作可靠性，研制过程中，进行各种 I it 能试验和可靠性试 验，包括构件强度试验、系统试验、操纵试验、耐久性试验等等，要通过严格的科学试验和用户评价，才进行定型生产 ;(2)重视电子计算机技术的引用，加快了新产品的发展速度，国外发展有总体、工作装置、液压系统等的设计程序，出现了总体优化设计方法和适合于计算机数据处理的数学模型描述液压系统和元件特性的程序，这样，就可以利用计算机在很短的时间内进行总体设计，新产品从设计到批量生产的周期缩短到 2-v3 年左右。 3 当前液压挖掘机的研制和改

22、进主要着眼于 :(1)发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效的功，其中包括动力装 置与液压系统的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构功率的回收，高效液压系统的研究等 ;(2)铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标。 随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对各种挖掘机需求量迅速增加，因而国际上液压挖掘机工作装置的生产向多功能化和专用化的方向发展。当液压挖掘机配置不同的作业装置时，可以用来吊、夹、推、刮、松、挖、装、铣削、拆除、清除和压实等作业，且大都采用快换装置。驾驶员在驾驶室内就可以完成作业装置的更换，仅用 2 min 时间，就完成了作业装

23、置的更换。工作 装置中，动臂、斗杆结构变化多样，也扩展了主机的使用功能，这一结构主要表现为动臂、斗杆长度的变化，由动臂、斗杆的两元件变化为两节动臂、斗杆的多元件和伸缩臂。 在 bauma2004 展会上的液压挖掘机中，传统型和通用型产品样机较少，多是一些有特殊构造的、有特色的产品和多功能的产品，如挖掘机工作装置的动臂、斗杆和铲斗三元件构成的通用型产品相对较少，由大臂、中臂、斗杆和快换作业装置四元件构成的产品很多，这既体现了各厂家市场差异化的产品发展战略，也体现了各自的技术水平和实力。液压挖掘机多用途工作装置在展会上应有尽有，这 些多用途作业装置大大扩展了液压挖掘机的功用，提高了产品的施工适用性

24、。只有具有专业性的挖掘机设计软件，才能设计出适应于各种各样建筑施工的挖掘机工作装置，也能够满足市场和用户的要求。 随着计算机辅助设计技术的日益推广，机械设计及制造技术发生了革命性的变化。液压挖掘机行业作为机械行业的一个重要分支，计算机辅助设计技术的推广应用势在必行。计算机辅助设计技术既能缩短产品的设计周期和制造周期，同时又能大大提高产品的质量，相应也就提高了机器整体质量的可靠性和稳定性。采用新结构和新材料，利用现代设计技术和先进制造技术，仍是 保证和提高液压挖掘机性能的一个较重要的途径。 国外许多有实力的生产厂商有了自己的软件。在国外很多科研机构和一些大型企业，都已经对挖掘机工作装置的设计进行

25、研究，并开发出了一些专业软件，美国卡特匹勒 (Caterpillar)、德国利勃海尔 (Liebherr )、英国 JBC、日本神钢 (KOBELCO)等公司将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、结构件优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力，但目前市场上可供选用的商品 化的成熟的应用软件却还是很少。 1.2.2 国内发展动态及研究状况 早在 1958 年国内便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品。当时由于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，质量和产量远未达到应有

26、的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。 到了 80年代末和 90 年代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅速的提高，突出表现在追求高效率 (同一机重的挖掘机功率普遍提高，液压系统流量增大，作业循环时间减小，作业效率大大提高 );高可靠性和追求司机操作的舒适性。 国内原有的数家挖 掘机专业生产厂为了生存和发展，利用自身的实力和丰富的挖掘机生产经验，纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的新开发的产品 (也包括某些已生产多年的老产品 )为了提高作业的可靠性，干脆采用了进口的液压件和发动机，甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计，这种经过改型或新4 设计开发的

27、液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化国外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。 国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，其原因除了国内挖掘机加 工水平落后之外，挖掘机设计水平与发达国家相比也有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了其设计软件，他们的研究基本上局限于解决某些问题，即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。关于工作装置设计参数分析和在 CAD 上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能使用于挖掘机工

28、作装置的一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通用性。特别是国内， CAD 在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用 CAD 进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能达到设计需要，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。 经过近十年的研究，获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结果己进入实际应用过程中。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于，为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，即大多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限地进行的。在这样一种情况下，开发一个专业化的

29、工作装置的设计工具和软件显得非常必要。 1.3 国 内外液压挖掘机液压系统的发展动态及研究现状 1.3.1 国外发展动态及研究状况 从 20 世纪 60 年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统已经发展到了相当成熟的阶段。近几年来，随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力 :液压系统逐渐从开式系统向闭式系统转变 ;系统的节能技术成为研究的重点 ;液压系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显 ;很重视液压系统的操纵特性提高 ;液压系统与电子控制的结合成为潮流。 1.液压系统的转变 日本小松 (KAMATS

30、U)公司 90 年代以前一直致力开发开式负载敏感系统 (OLSS )，用以降低液压系统的损耗。开式液压系统采用三位六通阀，其特点是有两条供油路，其中一条是直通供油路，另一条是并联供油路。由于这种油路调速方式是进油节流调速和旁路节流调速同时起作用，其调速特性受负载压力和油泵流量的影响，因此这种系统的操纵性能、调速性能和微调性能差。另外， 当液压作用元件一起复合动作时，相互干扰大，使得复合动作操纵非常困难。这是开式系统的大缺点。 由于挖掘机作业工程中要求对液压元件能很好地控制其运动速度和进行微 调，而且在其工作的许多工况下要求多个执行元件完成复合动作，而长期以来使用的开式液压系统无法满足挖掘机的调

31、速和复合动作的要求。 近年来在国外的挖掘机液压系统中出现了闭式负载敏感系统 (CLSS)。它可以采用一个油泵同时向所有液压作用元件供油，每一个液压作用元件的运动速度只与操纵阀的阀5 杆行程有关，与负载压力无关，泵的流量按需提供，而且多个液压作用元件同时动作时相互之间干扰小，因此操纵性好是闭式液压系统的主要特点。 这种系统非常符合挖掘机操作的要求，它操纵简单，对司机的操纵技巧要求低，在国际上已经获得较广泛的使用， 是挖掘机液压系统的发展趋势。目前日本小松公司己经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。 2.应用节能技术 目前液压挖掘机上典型的节能技术基本上有两种，即负载敏感技术和负流量控制

32、技术，目前液压挖掘机都选用其中一种控制技术来实现节能要求。 负载敏感技术是一种利用泵的出口压力与负载压力差值的变化而使系统流量随之相应变化的技术。德国曼内斯曼 (Mannesmann)公司研制的一种负载传感系统，将其安装在液压系统中，可以控制一个或几个液压作用元件，而与对其施加的载荷无关。该系统不仅易于操纵，而且微动控制特性很好。其 最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对油泵进行控制，从而实现在按需供流的同时，使调速节流损失 P 控制在很小的固定值，从而达到节能的目的。负流量控制技术是通过位于主控制阀后面的节流阀建立的压力对主泵的排量进行调节的技术。目前以日本小松 (KOMATSU)和日本

33、日立 (HITACHI)为代表的许多国外著名品牌的挖掘机生产商都在自己的挖掘机液压系统中使用了负流量控制技术。这种控制技术具有稳定性好、响应快、可靠性和维修性好等特点，但在起始点为重负荷下作业时，因流量与负载有关，所以可控制性较差。 3.负载能力和可靠性的提 高 为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流量和功率。目前，国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在 30MPa 以上，并且随着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势 ;流量通常在每分钟数百升 ;功率在数百千瓦以上。如德国 Orensttein& Koppe 制造的目前世界上首台最大

34、的 RH400 型全液压挖掘机，铲斗容量达 42m 32M 液压油源为 18 台变量轴向柱塞泵，总流量高达 10200L/min:原动机为 2 台 QSK60 柴油发动机，总功率高达 2014kW。 由于液压 挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响，系统的可靠性日益受到重视。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机强度研究方面，不断提高设备的可靠性。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。日本制

35、定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统，使液压挖掘机的运转率达到 8596-9596，使用寿命超过 1万小 时。 4.重视操纵特性 挖掘机液压系统的操纵特性越来越受到重视。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。各种高新技术的应用，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。 5.电子一液压集成控制 电子控制技术与液压控制技术相结合的电子一液压集成控制技术近年来获得了巨大发展，特别是传感器、计算机和检测仪表的应用，使液压技术和电子控制有机结合，开发和研制出了许多新型电液自动控制系统，提高了挖掘机的自动化程 度，推动着挖掘机的迅猛发展。目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方面的研究己趋成熟。美国