1、毕业设计 1 第 页 共 72 页 1 绪 论 1.1 设计背景及目的 液压挖掘机是一种广泛用于建筑、公路、铁路、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，具有非常多得优点，而且只要加装不同的辅助设备即可用来抓物，钻孔，推土，清沟，破碎等作业， 是工程机械的一个重要品种，能适应各种恶劣环境状况，大大提高了工作效率，改善了人的劳动强度。为整个社会的快速发展作出了巨大的贡献 。 随着技术日渐成熟，国内外一些知名的工程机械制造企业发展均比较迅速。例如，国外的有日本小松、 德国力士乐、 OK 公司等，国内有徐工集团、中联重科、三一集团、广西柳
2、工集团、龙工集团、山河智能等企业。工程机械制造业的迅速发展不仅在专业方面做出了卓越贡献，同时也为整个社会的建筑风貌、自然救灾等方面作出了伟大的贡献。如 5.12 汶川大地震发生后，三一重工派出数十台挖掘机日夜兼程赶往灾区用于道路疏通，伤员抢救，以及灾后重建工作等。 我国是一个发展中国家，在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设，这就需要大量的土石方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机械。因此，可以肯定液压挖掘机的发展空间 很大。可以预见，随着国家经济建设的不断发展，对挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展，其年产量将会以高于 20的速度
3、增长。 从 1967 年到 1977 年间，国内通过数年坚持不懈的努力，克服了重重困难，终于有少量几种规格的液压挖掘机产品获得初步成功，当时有上海建筑机械厂的WY100；贵阳矿山机器厂的 W4-60；合肥矿山机器厂的 WY60；长江挖掘机厂的 WY160和杭州重型机械厂的 WY250 等，到现在，短短的 40多年，挖掘机的产量和销量有了飞跃式的提高。尤其是在十一五期间，我国 内品牌的液压挖掘机发展迅速，在国内的市场占有率也快速提高，如表 1。 毕业设计 2 第 页 共 72 页 表 1.1 2006-2010 年各品牌挖掘机市场占有率 (%) 年份 2006 年 2007 年 2008 年 2
4、009 年 2010 年 日系 34.53 36.18 37.78 37.75 35.61 韩系 34.39 31.90 26.76 25.59 24.47 欧美系 14.91 12.79 11.96 11.03 11.62 中国品牌 16.17 19.13 23.50 25.63 28.30 由表可见，国 内品牌的挖掘机市场占有率迅速提高。显然，挖掘机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。 2008 年北京奥运会、 2010 年上海世博会、西部大开发、南水北调工程对机械设备的需求为挖掘机生产厂商提供了大量商机。另为满足国民经济发展的需要，尽快为国内市场提供产品质量好、可靠性高的液
5、压挖掘机，改变大中型液压挖掘机长期依靠进口的被动局面当务之急是高速发展我国液压挖掘机。随之从事液压设备设计和调试工作的工程技术人员也越来越多。他们设计出了不少性能良好的液压系统；但也经常出现一些因设计时考虑不周或参数调节不当，造成 系统达不到要求或不能正常工作，不得不改进设计或采取应急对策的情况。 如何设计出工作可靠、构造简单、性能好、成本低、效率高、维护使用方便的液压系统，必须通过调查研究，明确多方面的要求。 1.2 国内外发展情况 当前，国外挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化，专用化及智能化的方向迈进。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化
6、发展的步伐。我国己经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号，单斗液压挖掘机有以下 的趋势 : (1)向大型化发展的同时向微型化发展。 (2)更为普遍地采用节能技术。目前国际上采用的节能发展趋势有： 1、电液比例控制智能化； 2、柴油机电喷控制； 3、负荷传感控制将继续发展； 4、六通多路阀继续存在； 毕业设计 3 第 页 共 72 页 5、进一步改进阀控节能控制； 6、多功能组合； 7、可变参数控制； 8、泵 发动机匹配控制将进一步“智能化”； 9、现场总线技术和嵌入式系统将大量应用。 (3)不断提高可靠性和使用寿命。 (4)工作装置结
7、构不断改进，工作范围不断扩大。 (5)由内燃机驱动向混合动力驱动发展。 (6)液压系统不断改进，液压组件不断更新。 (7)应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。 (8)增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。 (9)尽可能使用先进的液压系统，如融入二次调节技术，简化管路布局。 1.3 论文设计内容 本设计主要是恒压网络二次调节技术的液压系统。简单分析液压挖掘机的基本机构和工作原理、工况特点和工作范围；了解目前市场现有的挖机零部件的生产及技术情况，进行对比优 化设计，制定出一个完整的挖机液压驱动系统，提高挖机工作性能和节约能耗为目的。以下为本次挖掘机液压系统设计的参数：如图 三一重工 SY200
8、C 履带式液压挖掘机 图 1.1 三一重工 SY200C 履带式液压挖掘机 毕业设计 4 第 页 共 72 页 表 1.2 挖掘机液压系统设计的参数 整机尺寸 总长（运输 时） 9397mm 总宽度 2800mm 总高度（运输时） 2956mm 上部宽度 2710mm 总高度（驾驶室顶部） 2930mm 标准履带板宽度 600mm 轨距 2200mm 最小离地间隙 440mm 尾部回转半径 2750mm 履带接地长度 3260mm 履带长度 4064mm 作业范围 最大挖掘高度 9305mm 最大卸载高度 6630mm 最大挖掘深度 6630mm 最大垂直臂挖掘深度 5980mm 最大挖掘机距
9、离 9885mm 最小回转半径 3630mm 最小回转半径时的最大高度 7570mm 性能参数 工作质量 20300kg 标准铲斗容量 0.83m 行走高度（高 /低） 5.5/3.2km/h 回转速度 12.5rmp 爬坡能力 70%/35 毕业设计 5 第 页 共 72 页 接地比压 44.8kPa 铲斗挖掘力 138kN 工作范围示意图如 1.2 图： 图 1.2 挖掘机作业范围图 1. 最大挖掘深度 2. 最大水平移动距离 3. 最大挖掘高度 4. 最大装载高度 5. 最小装载高度 6. 最大水平切削深度 7. 最大垂直挖掘深度 毕业设计 6 第 页 共 72 页 2 液压挖掘机结构与
10、工作原理 总所周知，液压传动较机械传动有很多的优点： 1)由于驱动介质为液压油，故其传动路线可经管路弯曲多变，可节约空间，比机械传动的布局要灵活很多。 2)被驱动件能实现无级调速而且范围较广，最大传动比可达 1000，并可高速逆转。 3)传动较平稳，结构简易，可减少冲击和振动。 4)操纵灵活而且省力，如汽车方向盘的控制，较以往的连杆机构省力多了。也容易自动化控制。 基于以上的优点液压挖掘 机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。 2.1 液压挖掘机结构 (1) 液压挖掘机组成 一般单斗液压挖掘机由两个基本组成部分，即主机和工作装置。如图 2.1所示。 图 2.1 液压挖掘机的组成 1 柴油机、 2
11、-机罩、 3 一油箱、 4-多路阀、 6-回转减速器、 7-回转马达、 8-回转接头、 9-驾驶室、 10-动臂、 11-动臂油缸、 12-操纵台、 13-边齿、 14-斗齿、 15-铲斗、 16-斗杆油毕业设计 7 第 页 共 72 页 缸、 17-斗杆、 18-铲斗油缸、 19-平衡重、 20-转台、 21-行走减速器、 22-行走马达、 23-托链轮、 24-履带、 -工作 装量、 -上部转台、 -行走机构 主机是完成挖掘机基本动作并作为驱动和操纵挖掘机进行工作的基础，其行走形式可分为履带式和轮式，可细分为行走装置、回转装置、液压系统、气压系统、电气系统和动力装置。其中动力装置、操纵机构
12、、回转机构和辅助设备均可在回转平台上，总称上车部分，它与行走机构 (又称下车部分 )用回转支撑相连，平台可以围绕中央回转轴作 360 的全回转。工作装置根据工作性质的不同，可配备反铲、正铲、装载、起重等装置，分别完成挖掘、装载、抓取、起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清沟等工作。挖掘机的基本性能决 定于各部分的构造、性能及其综合的效果。 (2) 液压挖掘机工作循环过程 首先液压挖掘机的行走回路控制马达行走至待作业区，然后调停挖掘机，并锁紧行走回路防止在作业过程中滑坡溜走等，同时也将运输土方的车停在挖掘机旁边，方便挖掘机铲满土后进行卸载。挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，此时回转马达带动
13、上部平台一起转动，将铲斗转向待挖区，与此同时扳动动臂油缸换向阀，使动臂缸上端进油，动臂下降，直至铲斗接触地面，在操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，两缸的无杆腔进油，以此复合动作提高挖掘速度，铲斗满土后，将斗杆油 缸和铲斗油缸的操纵手柄拨到中位，此时铲斗缸和斗杆缸均锁紧，再将动臂缸换向阀换向，动臂缸的无杆腔进油，动臂举升，升到卸载高度位置，再将回转换向阀换向，使平台转到运土车方向，此时铲斗处在运输车上方，再操作斗杆缸使铲斗稍降，然后再控制铲斗缸将土卸载，完成后又重复上述动作，进行下一次的挖掘。 2.2 液压挖掘机整机性能 液压挖掘机由 :动力系统、机械系统、液压系统、控制系统组成。这些组成部分的质
14、量将直接影响到挖掘机的综合性能。 (1) 动力系统 动力系统是整个挖掘机动作的动力源，由于挖掘机的工况复杂，负荷大小多变，而 且环境温差变化大，粉尘颗粒多，易造成污染，不变维护，此时液压挖掘机多采用柴油发动机，柴油发动机的动力可靠，功率特性曲线较硬，而且柴油价毕业设计 8 第 页 共 72 页 格实惠，符合工作条件恶劣，负载多变的需求，挖掘机的额定负荷与汽车、拖拉机不同，汽车和拖拉机指在最高转速下、连同机油泵、发电机等必要附件，一分钟内的最大功率；挖掘机是指在额定转速下一小时以上的额定功率。挖掘机采用车用柴油机时，最大功率指数降低。 (2) 机械系统 机械系统部分是实现挖掘机各种基本动作的直接
15、执行者，其行走装置是整机的支撑机构，承受机器的全部重量和工作装置的反力，而 且能使挖掘机作短途行驶。可分为履带式和轮胎式两种。上车部分可绕回转轴作 0360 回转，以实现挖掘和卸载动作的需要，包括驱动装置和回转支撑。工作装置是挖掘机完成各种动作的主要部分，可分为反铲、正铲、装载、起重等装置，相同的装置结构也可以不同，在挖掘机中应用最广范的工作装置是反铲装置。 (3) 液压系统 液压系统是控制各执行器运动和停止的系统，如对回转、行走及工作装置的控制都由液压传动系统完成。发动机带动主液压泵转动，产生压力油液，然后压力油液可以驱动执行器运动，但压力油的接通和切断由主换向阀来控制，多路压力油可单路驱动
16、，也可以多路同时驱动，即形成工作装置的复合运动，在液压系统中，各子回路均有溢流阀，起到过载溢流的作用，主回路上也有主溢流，起安全保护作用，回路中还有液压变压器二次元件，可起到调速作用，以及能量回收和再利用，系统中的蓄能器可以储存回收能量也可减少冲击和振动。把各液压元件用油管有机地连接起来地组合体既是液压挖掘机地液压系统。挖掘机的液压系统有不同的类型，较典型的有：负流量控制系统、正流量控制系统、负载敏感控制系统等。本次设计采用 了恒压网络二次调节系统，不同的液压系统，均可达到工作要求，但在节能方面却有所不同，主要体现在形式上、节能效率上。而且管路的布局复杂程度不一样，成本费用也不一样。 (4)
17、控制系统 在挖掘机中，对发动机转速、主油泵的排量，换向阀的换向，执行元件的速度的控制称为挖掘机的控制系统。当前，闭式的控制系统应用较广泛，可以将输出信号反馈到输入信号，从而使发动机和泵的功率更匹配，达到节能目的。此时，电子技术和计算机技术发挥了重要作用，既可实现节能又可使操作更方便，如近毕业设计 9 第 页 共 72 页 控，遥控等。所以其控制系统越来越先进，目前挖掘机研究重 点正逐步向智能化机电液控制系统方向转移。 2.3 液压挖掘机传动原理 液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行
18、走 (移位 )，使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业的要求。 液压挖掘机由柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给各液压执行元件 (液压缸或液压马达 )驱动相应的机构进行工作。 液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。如图 2.2 所示。 图 2.2 反铲挖掘机工作装置 1、斗杆油缸 2、动臂 3、油管 4、动臂油缸 5、铲斗 6、斗齿 7、侧齿 8、连杆 9、摇杆 10、铲斗油缸 11、斗杆 装置由铲斗 5、斗杆 11、动臂 2、连杆 8 及相应的三组液压缸 1、 4、 10 组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整
19、个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动 ;而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达，毕业设计 10 第 页 共 72 页 转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩；动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循 环。在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系通的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合随机的。 总之，液压挖掘机是由多学科、多系统组成的有机整体，只有在系统层面上的各系统、各学科协同优化才能获取挖掘机整机的最佳性能。
