挖掘机液压系统的设计.doc

1、邵阳学院毕业设计（论文） 1 目 录 1 前言 1 1.1 挖掘机间介 1 1.2 国内外研究现状及发展动态 2 1.3 本设计的研究内容 5 2 液压挖掘机结构与工作原理 7 2.1 液压挖掘机整机性能 7 2.2 液压挖掘机结构 8 2.3 液压挖掘机传动原理 10 3 液压挖掘机工况分析及液压系统设计方案的确定 12 3.1 液压挖掘机的工况 12 3.2 挖掘机液压系统的设计要求 17 3.3 挖掘机液压系统的分析 19 3.4 液压系统方案拟订 20 4 液压系统的设计 21 4.1 液压系统方案及参数确定 21 4.2 执行元件液压缸及系统压力 的初选 22 4.3 计算工作装置铲

2、斗液压缸的主要尺寸 23 4.4 液压系统原理图的制定 26 5 液压元件的选择与专用件的设计 31 5.1 液压泵的选择和泵的参数的计算 31 5.2 柴油发动机的选择 33 5.3 液压阀的选择 33 5.4 其他液压元件的选择 36 5.5 油箱容量的 确定 38 6 压系统性能验算 40 6.1 液压系统压力损失 40 6.2 液压系统的发热温升计算 41 总 结 46 参考文献 47 致 谢 49 邵阳学院毕业设计（论文） 2 内容提要 挖掘机作为我国工程机械的主力机种，被广泛应用于各种各样的施工作业 中。挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作

3、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。论文对挖掘机的各种工况进行了分析，系统总结了挖掘机液压系统的设计要求。根据挖掘机液压系统的设计要求，论文中采用通用多路阀，配以专用控制阀和简 单的电子控制系统，设计了一套适合我国生产制造的 LS恒功率控制单斗挖掘机液压系统。 本次毕业设计课题是 WY200 型液压挖掘机。课题 以 企业 为依 托。小型挖掘机由

4、多个系统组成，包括液压系统，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小型液压挖掘机 工作装置的 液压系统。本课题选择了国内的质量和技术性能都接近设计要求的 1620t 挖掘机作为基型，并在此基础上研究了国外的先进机型，设计出我们挖掘机的液压系统方按图，总体装配图以及相应的部件图和零件图。图纸基本采用 Auto CAD 二维软件绘图。本液压挖掘机的优点是采用伺服先导操纵系统，造型美观，具备挖掘，抓物，钻孔，推土，清沟和破碎等功能。平台可 360旋转，性能可靠，操作舒适，可广泛应用于建筑，市政，供水，供气，供电农林建设等工程。 Summary 邵

5、阳学院毕业设计（论文） 3 The excavator is a main consrtuctional machine， which is now widely used in various construction sites.The core technique of excavator is hydrau1ic technique. Becauseofthe bad working condition and conmplicated working movements of the excavatot ， it has high requitements for its hydra

6、ulic system.Since the excavators hydraulic system is the most complicated one in all constructional machines ,the analysis and research of its hydrau1ic system make very important sens. On the basis of comprehensive co11ection of re1ated information about the excavators hydraulic system at home and

7、abroad， the main working conditions of the excavator are studied and the design requitments of its hydraulic system are systematically summarized. According to the design pressure compensated hydraulic system is creatively designed using general multiple until value equipped with special contol valv

8、e and electronic contor systems,which has useful reference value for the future research and development of the excavators hydraulic system in our country. The name of this graduated task is “WY200 medium type hydraulic excavator”.This task is requested by company. My task is to analyze and design t

9、he hydraulic system of the medium type hydraulic excavator. This task choose the domestic excavator whose quality and character is most similar to our request as the basic type, further study the overseas advanced type. Then I designed projects of hydraulic system of our excavator,collectivity assem

10、blage drawing and interrelated parts drawing, accessory drawing. All the blueprints drawn by the soft of AutoCAD. The strongpoint of this hydraulic excavator is used servo forerunner control system. It has beautiful sculpt. Beijing provided with the fuction of excavating, grappling, drilling, pushin

11、g, cleaning channel and crashing etc. 360swwing plat roof,good quality, controlling comfortable, be widely used in construction,supply and city planning. 前言 液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工邵阳学院毕业设计（论文） 4 程和矿山采掘等机械施工中，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。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

12、大施工作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。 挖掘机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设计已经成为推动挖掘机发展中的重要一环 1。 1.1 挖掘机 简 介 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

13、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

14、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 2。 1950年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。第一台液压挖掘机采用定量齿轮泵，中位开式多路阀，工作压力为 9Mpa，所有执行元件互相并联连结。由单泵向 6个执行元件供油。由于早期液压挖掘机主要采用了定量齿轮泵，不能按需改变供油流量，无法充分利用发动机的功率，因此其能量损失很大，不能满足挖掘机复 合动作的复杂要求，且可操纵性差。另外，早期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，配套件也不齐全，制造质

15、量不够稳定。从二十世纪六十年代到八十年代中期，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶段，各国挖邵阳学院毕业设计（论文） 5 掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。 1968-1970年间，液压挖掘机产量己经达到挖掘机总产量的 83%，其时对挖掘机液压系统的研究也已经十分成熟，液压挖掘机已经具有了同步控制系统和负载敏感系统 L。 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，其技术已 经发展到相对成熟稳定的阶段。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，对其控制方式不断改进和革新，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序

16、控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了坚实的基础，创造了良好的前提 3。 据有关专家估算，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

17、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 研究现状及发展动态 1.2.1 国外研究状况及发展动态 从 20世纪 60年代液压传动技术开始应用 在挖掘机上至今， 挖掘机液压系统己经发展到了相当成熟的阶段。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(2)系统的节能技术成为研究的重点 ; (3)系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显 ;

18、(4)系统的操纵特性上升到很重要的地位 ;(5)液压系统与电子控制的结合成为潮流 4。 (1) 开式 向闭式 液压系统 的转变 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。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速和

19、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，在国际上己经获得较广泛的使用，是挖掘机液压系统的发展趋势。目前日本小松公司已经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。 (2) 节能技术的应用 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技术，

20、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 lzs.e57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。日前以韩国现代 (HYUNDAI)、

21、日本小松 (KOMATSU)邵阳学院毕业设计（论文） 7 和日本日立 (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 5。 (3) 提高负载能力和可靠性 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。

22、如德国 Orensttein&Koppe制造的型全液压挖掘机，铲斗容量达 42立方米 液压油源为 18台变量轴向柱塞泵，总流量高 达 100200 L/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

23、强度的动态设计分析方法。日本制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 85%-95%，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。日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成为当前主要研究目标 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

24、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。美国林肯一贝尔特公司新 C系列 LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。日本住友公司生产的 FJ系列五中新型号挖掘机配有与液压回 路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系邵阳学院毕业设计（论文） 8 统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命。 1.2.2 国内研究情况及发展动态 从国内情况来看，我国挖掘机行业整体发展水平较国

25、外缓慢，在挖掘机液压系统方面的理论还比较薄弱。国内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术方面的研究具有一定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能、质量、作业效率、可靠性等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在国内市场上基本失去了竞争力，取而代之的是采用各种高新技术的国外挖掘机产品。先进的挖掘机 液压系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造出性能优异的挖掘机，绝大部分的市场份额都被国外各种品牌的挖掘机所占据。以 20t级的中型液压挖掘机为例，国产 20t级挖掘机大多数是欧洲 80年代初的技术，同 90年代初以来在国内

26、形成批量的日本小松、日立、神钢以及韩国大宇、现代等机型相比，其主要差距柴油机功率偏低，液压系统流量偏小，液压系统特性差，导致平台回转速度低，行走速度低，各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率较国外偏低 6。 1.3 本设计 的研究 内容 挖掘机液压系统方面的技术多种多样，本文主要通过国外几种知名品牌的挖掘机液压系统为参考对象，对其现有的关键技术和控制方式进行比较和研究，为挖掘机的液压系统设计提供一定的参考信息。 (1) 挖掘机液压系统技术发展动态的分析研究 大量搜集国内外挖掘机液压系统方面的相关技术资料，系统了解挖掘机液压系统的发展历史。分析总结挖掘机液压系统方面的研究现状和技术发展动态。 (

27、2) 挖掘机液压系统设计 要求 对液压挖掘机一个工作循环中的四种工况一挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况和卸载返回工况进行了详细的分析，总结了每 个工况下各执行机构的主要复合动作。根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结了挖掘机液压系统设计要求 :动力性要求和操纵性要求。 (3) 挖掘机液压系统的 设计 分析了传统挖掘机液压系统中的单泵定量系统、双泵定量系统和双变量泵液压系统，详细分析了其主要优点和存在的问题。本文在分析研究了挖掘机液压系统的基础上，根据挖掘机液压系统的设计要求，设计了一套适合我国生产制造的单斗挖掘机液邵阳学院毕业设计（论文） 9 压系统。本设计旨在采用通用的多路阀系统，配以

28、专用控制阀和简单的 伺服 控制系统7。 2 液压挖掘机 结构 与工作原理 液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力邵阳学院毕业设计（论文） 10 能进行工作，相对机械传动具有许多优点 :能无极调速且调速范围大，最大速度和最小速度之比可达 1000:1能得到较低的稳定转速 ； 快速作用时，液压元件产生的运动惯性较小，并可作高速反转 ； 传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动 ；操纵省力灵活，易实现自动化控制 ； 易实现标准化、通用化、系列化。因此液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。 单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械。它是目前挖掘机械

29、中重要的机种。单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗 (一般装有斗齿 )的切削刃切削土壤并将土装入斗内，斗满后提升。回转至卸上位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到地面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继续作业。因此单斗液压挖掘机是一种周期作业的自行式上方机械 8。 2.1 液压挖掘机 整机性能 液压挖掘机可分为 :动力系统、机械系统、液压系统、控制系统，如图 2.1所示 。液压挖掘机作为一个有机整 体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有关，还与液压系统 、 控制系统性能有关 9。 图 2.1 液压挖掘机整体系统图 (1) 动力系统 挖掘机工作的主要特点是环境温度变化大，灰尘污物较多，负荷变化大，经常倾