挖掘机动臂机构液压系统的设计

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1、目录 摘要 .1 关键词 .1 ABSTRACT .2 KEY WORDS .2 引言 .3 1 课题设计要求 .4 1.1 使用要求 .4 1.2 性能要求 .4 2 国内外研究现状及发展动态 .4 2.1 国外研究状况及发展动态 .4 2.2 国内研究情况及发展动态 3.5 3 液压系统的设计 .6 3.1 液压挖掘机的工况分析 .6 3.1.1挖掘机的典型作业流程: .6 3.1.2工况分析 .6 3.2 液压系统的主要参数确定 .7 3.3 负载分析 .10 3.4 机电一体化液压挖掘机工作原理 6.11 3.5 机电一体化液压挖掘机工作技术要求 .11 3.6 液压缸主要几何尺寸的计

2、算 7.12 3.6.1 动臂液压缸内径尺寸与活塞杆直径的确定 .12 3.6.2 液压缸行程的确定 .13 3.7 液压缸结构参数的计算 .13 3.7.1 缸筒壁厚的计算 .13 3.7.2 液压缸油口直径的计算 .13 3.7.4下盖联接螺钉强度校核计算 .14 3.7.5 活塞杆柔度校核计算 .15 4 液压系统原理图的制定 .15 4.1 制定基本方案 .15 4.2确定回路方式 .17 4.3 选用液压油液 .17 4.4 绘制液压系统原理图 .17 5 选择各执行元件 .20 5.1 液压泵的选择 .20 5.2 柴油发动机的选择 .20 5.3 液压阀的选择 .20 5.3.1

3、 根据液压阀额定压力来选择 .20 5.3.2 液压阀的安装方式的选择 .20 5.3.3 液压阀的控制方式的选择 .20 5.3.4 液压阀的结构形式的选择 1.20 5.4 其他液压元件的选择 .21 5.4.1蓄能器的选择 .21 5.4.2非橡胶管道的选择 .21 5.4.3 胶管的选择 .22 5.5 油箱容量的确定 .22 总 结 .24 参考文献 .25 1 挖掘机动臂机构液压系统的设计 摘要: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

4、的设计要求。课题以企业为依托。小型挖掘机由多个系统组成，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 5t挖掘机作为基型，并在此基础上研究了国外的先进机型，设计出挖掘机的液压系统方案图，总 体装配图以及相应的部件图和零件图,并对动臂机构部分进行了设计，设计了动臂机构原理图，动 臂机构液压缸。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。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

5、设等工程。 关键词：挖掘机 液压系统 液压阀 2 引言 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。其 结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成（如 图所示） ，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

6、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。 所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳 动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大 的作用，因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展 具有重要意义。 1.铲斗缸 2.斗杆缸 3.动臂缸 4.回转马达 5.冷却器 6.滤油器 7. 磁滤器 8.油箱 9.液压泵 10.背压阀 11. 后组合阀 12.前组合阀 13.中央回转接头 14.回转制动阀 15.限速阀 16.行走马

7、达 图 1.1 液压挖掘机整体系统图 3 1 课题设计要求 1.1 使用要求 小型挖掘机主要用于城市、狭窄地区，代替人力劳动。主要作业是挖掘、装载、 整地、起重等，用于城市管道工程、道路、住宅建设、基础工程和园林作业等。小 型挖掘机体积小，机动灵活，并趋向于一机多能，配备多种工作装置，除正铲、反 铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、 推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。 与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用 挖掘机等。总之它是一种多用途万能型的城市建设机械。由于这种机械的特点很靠 近人

8、，因此在设计上除了要求耐久性、可靠性和作业效率等，还需着重考虑人、机、 环境的协调，特别要注意以下几点 ： 1 (1) 安全性即机械作业过程中不要与周围的人和物相碰撞，防倾翻稳定性好。 (2) 低公害即排放要求高、低震动、低噪音，声音要比较悦耳。 (3) 与周围环境能调和，形象要美观，形体和色彩不要引起人们不愉快感，对 人有亲和感。 (4) 尽量扩大其使用功能，可装多种附属装置，应成为城市万能型工程机械。 (5) 操纵简便，任何人一学就会，都能操纵。 1.2 性能要求 小型挖掘机具有中型挖掘机的多项功能，又具有便于运输、能耗低、灵活、适 应性强等优势，非常适用于空间狭小的施工场地作业，而且价格

9、低、质量轻、保养 维修方便，所以在小型土石方工程、市政工程、路面修复、混凝土破碎、电缆埋设、 自来水管道的铺设、园林栽培等工程中得到了广泛的应用。由于满足基本的挖掘、 装载、整地、起重等功能外，必须考虑到工作空间小(人力所不能至)、地形复杂、 方便操作、可控，目前市场对小型挖掘机性能要求如下 ： 2 (1) 改进挖掘机可控性和控制精确性以及复合动作。 (2) 简化液压系统、降低成本，达到大作业量与低油耗的动态平衡。 (3) 改进工作可靠性。 (4) 改进驾驶操作舒适性及降低 劳动强度，提高单位生产率。 (5) 改进操作安全性。 (6) 低振动、低噪音适用生活区工作。 2 国内外研究现状及发展动

10、态 2.1 国外研究状况及发展动态 工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量 3.5-40m单斗液压挖掘机的主要生产国，从 20 世纪 80 年代开始生产特大型挖掘 机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量 50-150m剥离用挖掘机，斗容量 132m 的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯-伊利）公司生产的斗容量 168.2m的步行 式拉铲挖掘机，斗容量 107m的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。 从 20 世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专 用化和自动化的方向发展。 (1) 开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政

11、建设和农田 4 建设的需要，国外发展了斗容量在 0.25m以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在 0.01m。另外，数量最多的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置 除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻 花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等， 以满足各种施工的需要。 (2) 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、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子 计算机综合程序控制 (3) 重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速 度，提高挖掘机的

12、作业功率，更好地发挥液压系统的功能。 (4) 更新设计理论。提高可靠性，延长使用寿命。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的强度研究方面，促进了产品的优 质高效率和竞争力。 (5) 加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有 坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低 噪声干扰。 (6) 进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变 的明显趋势。

13、液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机 的应用与推广创造了条件。 (7) 迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20 世纪 80 年代，以微电 子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上 的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重 要标志。 2.2 国内研究情况及发展动态 3 早在 1954 年我国就已开始生产机械式挖掘机,当时的抚顺重型机器厂(抚顺挖掘 机厂前身) 引进前苏联的机械式挖掘机W10012 和 W5012 等国际 20 世纪 3040 年代的产品。由于国家H经济H建设的需要,后又H发展 H10

14、 余家厂生产,到 1966 年 12 年 全国共生产了机械式挖掘机 3000 余台,后又延续生产到八十年代初。在 80 年代初 引进德国系列液压挖掘机制造技术（例如有德国Liebherr公司、Demag公司和 O2 一斗杆收放:3 一铲斗装卸;4 一转台回转:5 一整机行走 图 3. 1液压挖掘机的工作运动 3.1.2工况分析 (1) 铲斗挖掘工况:由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。采用铲斗液压缸进 行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程 挖掘中(III 级土以下土壤的挖掘)铲斗挖掘最常用。 (2) 斗杆挖掘工况:由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。在较坚硬

15、的土质条 件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸 进行挖掘。 (3) 联合挖掘工况:由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需 配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。 6 当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，铲 斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位于最小长度 并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行 程。 (4) 空斗返回:卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空 斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。 (5) 整机移动工

16、况 :将整机移动至合适的工作位置。 (6) 姿态调整与保持工况 :满足停放、运输、检修等需要。 (7) 其他辅助作业工况 :辅助工作装置作业工况。 在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。如在平整土地或切削 斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图 3.2 所示。此时 斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。如果需要铲斗保 持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗斗底压整地面时， 就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作 ，见图 3.3 所示。这些动作5 决定于液压系统的设计。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直

17、 掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力，保持铲斗贴紧侧壁进行切削， 因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。 a一水平地面的挖削 图 3.2斗尖沿直线挖削 a-水平地面的切削和压整 b-斜坡地面的切削和压整 图 3.3地面的切削和压整 单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有采用 三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。 当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件供油 时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油较好。 对于双泵系统，其复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能性大，因此需 要采用节流等措

18、施进行流量分配，其流量分配要求和三泵系统相同。 挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要短 时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主压力阀的压力。 3.2 液压系统的主要参数确定 b一斜坡地面 的挖削 7 液压挖掘机的主要参数表明了液压挖掘机的规格和主要技术性能，液压挖掘机 的主要参数分为发动机参数、液压系统参数、主要性能参数、尺寸参数四大类，发 动机参数包括发动机额定功率、转速等，液压系统参数包换主泵的流量、压力等， 主要性能参数包括整机工作质量、主要部件质量、铲斗容量范围或标称铲斗容量、 挖掘力、牵引力等，尺寸参数包括工作尺寸、机体外形尺寸和工作装置尺寸等

19、，其 中液压挖掘机主要参数中最重要的参数有三个，即斗容量、整机质量和发动机功率， 因为通过这三个参数可以从使用要求、机械本身的技术性能和技术经济指标、动力 装置的配套、国际上统一的标准以及传统习惯等方面反映液压挖掘机的级别，故有 主参数之称。所以有时采用挖掘机的斗容量作为主参数。例如，机械式挖掘机一般 就以斗容量作为挖掘机的主参数并作为主要分级指标。但液压挖掘机可更换的工作 装置多，而且同一机型可以根据作业对象或工作尺寸的要求换装不同斗容的铲斗。 由于不同厂家的挖掘机采用不同的液压系统，辅助设备能耗及功率储备也有所不同， 而且同一型挖掘机在后续改进时，也会改变发动机功率，所以液压挖掘机以功率分

20、 级不十分合理。整机质量则直接反映了液压挖掘机本身的重量等级，对其他技术参 数影响较大，如挖掘能力的发挥、发动机功率的充分利用、作业的稳定性等要以一 定的整机质量来保证，因此整机质量反映了挖掘机的实际工作能力，目前已被广泛 用作液压挖掘机的分级指标。 比较其他同类型挖掘机，可得 SWE50H 的主要参数（如下表 3.1，表 3.2 所 示），其中图 3.4 为液压挖掘机的外观尺寸图，作业参数表 3.2 是根据图 3.4 所示。 图 3.4 SWE50H型液压挖掘机的外观尺寸图 表 3.1SWE50H 液压挖掘机的主要参数 整机重量（kg） 4680 标准斗容（m3） 0.18 履带板宽（mm）

21、 350 高/宽/长（mm） 2593/1950/5321 推土铲宽 x高(mm) 1960 x300 铲斗挖掘力（kN） 44 斗杆挖掘力（kN） 26.7 最大牵引力（kN） 45.2 动臂偏转角度（） 50(左)75(右) 行走速度（km/h） 4.5/2.4 8 爬坡能力（） 30 接地比压（kPa） 31.3 回转速度（rpm） 10.1 发动机 YANMAR4TNV88-SSU 最大扭矩（Nm） 144 排量（L） 2.19 功率/转速（kW/rpm） 27.1/2200 燃油箱容量（L） 99 主泵 类型 2个变量柱塞泵,1 个齿轮泵 压力（Mpa） 24.5 最大流量（L/mi

22、n） 45.82 齿轮泵 压力（Mpa） 21 最大流量（L/min） 37 液压油箱容量（L） 73 表 3.2 SWE50H型液压挖掘机的作业参数 最大挖掘高度 4943mm 最大卸载高度 3389mm 最大挖掘深度 3302mm 最大垂直挖掘深度 2432mm 最大挖掘半径 5504mm 最大停机面挖掘距离 5373mm 轮距 1950mm 履带总长 2502mm 平台离地间隙 708mm 底盘宽度 1200mm 履带宽度 350mm 底盘离地间隙 313mm 履带高度 602mm 9 运输长度 3180mm 3.3 负载分析 动臂油缸一般布置在动臂前 下方，下端与回转平台铰接。常 见的

23、有两种具体布置方式。 油缸前倾布置方案，如图 3.5A 所示，动臂油缸与动臂铰接于 E 点。当动臂油臂全伸出，将动 臂举升至上极限时，动臂油缸轴 线向转台前方倾斜。 油缸后倾布置方案，如图 3.5B 所示，当动臂油缸全伸出， 将动臂举升至上极限位置时，动 臂油缸轴线向转台后方倾斜。 当两方案的动臂油缸安装尺寸 DE1、铲斗最大挖掘 H 和地面 图 3.5 动臂机构油缸布置方案 最大挖掘半径 R 相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即 h1h2。此外， 在后倾方案中，动臂 EF 部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。 以上为动臂油缸后倾方案的缺点。然后，后倾方案动臂下铰点 C

24、 与动臂油缸下铰点 D 的距离 CD 比前倾方案的大，则动臂在上下两极限位置时，动臂油缸的作用力臂 也就比较大。因此，在动臂油缸作用力相同时，后倾方案能得到较大的动臂作用矩， 这就是其优点。 为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘将长动臂 CEF 改成 CE1F1（图 3.5B） ，并配以长斗杆，在最大深度处挖掘时，采用铲斗挖掘而不是斗杆挖掘，这 样得到的最大挖掘深度为 h1h2。 显然，不论是动臂油缸前倾还是后 倾方案，当 C、D 两铰点位置和 CE 长 度不变时，通过加大动臂油缸长度可以 增大动臂仰角，从而增大最大挖掘高度， 但会影响到最大挖掘深度。所以，在布 置动臂油缸时，应综合考虑动臂的

25、结构、 工作装置的作业尺寸及动臂举升力和挖 掘力等因素。 动臂油缸的作用力，即最大提升力，以 能提升铲斗内装满土壤的工作装置至最 大卸载距离位置进行卸载来确定，其 图 3.6 动臂油缸作用力分析 设计简图 3.6 所示，此时动臂油缸作用力(N)为： (3.1)g3 1l)bdtAAbFGlGll 式中 铲斗质心到动臂下铰点 A 的水平距离(m)dAl 动臂质心到动臂下铰点 A 的水平距离(m)b 斗杆质心动臂下铰点 A的水平距离(m)g 10 动臂油缸作用力对铰点的力臂(m)3l 斗杆所受重力(N)gG 动臂所受重力(N)b 铲斗及其装载土壤的重力(N) dt 查阅相关资料，选取 N+mg，

26、N， N，dt31.50gG34.10bG35.140 3.8m， =2.8m, =1.2m, =0.55m. AlgAlbAll 其中铲斗的重力为 N，根据公式3. (3.2) SmV (3.3)Rk (3.4)Ss 式中 装载土壤的质量（kg） 平均有效斗容量（ ）V3m 铲斗充满系数（ ） ，根据工作环境，选择充满系数为 1 自然情况下土壤的密度，根据工作环境，选择 3750kgm 疏松后的土壤密度S 土壤的松散系数，根据工作环境，取k .3Sk 代入数据，求得： 31296.skgm 23.g3(4.046.17)05601bFxN 3.4 机电一体化液压挖掘机工作原理 机电一体化液压

27、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。 3.5 机电一体化液压挖掘机工作技术要求 采用了柴油机-液压泵复合控制。操作者根据工况，利用作业模式选择开关（功 率预选开关）选择合理的功率模式：重载高速、正常工作、轻载低速。通过电子调 节器调节发动机油门和液压泵的排量，使供给功率与负载需要功率相匹配。 采用了电液比例控制技术，通过改变 34B-R6/H6 型带阀芯位移反馈的电液比 例方向阀的比例电磁铁的输入电流，不但

28、可以改变阀的工作液流方向，而且可以改 变阀口大小实现流量控制，是一种较为理想的电、液转换和功率放大元件，与伺服 控制相比具有成本低、抗干扰性好、能量损失小、对油液清洁度无特殊要求等优点。 工况在线监测系统包括单片主处理器模块、面板控制系统、模拟信号调理模块、 A/D 转换及光电隔离模块、电源模块及传感器等部分。其中单片主处理器模块是系 统的核心部分，主要功能有面板的控制管理，A/D 转换部分的控制管理、模拟量、 开关量和转换信号的输入、处理和存储。面板控制模块是整个系统的入机接口，它 包括键盘、声光报警电路和点阵式液晶显示器。模拟信号调理电路的任务是实现各 路模拟量信号的输入和调整，将传感器和

29、敏感元件的输出电信号转变为满足 A/D 转 11 换输入要求的标准电平信号。A/D 转换及光电隔离模块的功能是将所有的被检测转 变成为单片机所接受的数字量，具体包括开关量、转换信号的整形、模拟量的 A/D 转换和输入输出信号的光电隔离等。电源模块将液压挖掘机上的蓄电池或发电机输 出的+24V 直流电转换成系统各模块以及系统配备的传感器所需的各种类型的电平 电压。传感器处于液压挖掘机与监测系统的接口位置，是一个能量变换器，它直接 从液压挖掘机中提取被除数检测的工况特征参数，感受状态的变化并转换成便于测 量的物理量。 计算机控制系统将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、 分析加工，

30、根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系 统有目的的运行。如利用压力传感器可实现过载情况下的路径自主校正；利用超阶 级声波测距传感器能实现 回转过程中的自动避障。 3.6 液压缸主要几何尺寸的计算 7 挖掘机各驱动和传动系统包括：发动机、液压泵、液压马达、电液比例换向阀、 动臂缸、斗杆缸及齿轮传动。本设计主要对动臂缸进行相关设计。 3.6.1 动臂液压缸内径尺寸与活塞杆直径的确定 由表 3.1、表 3.3、表 3.4 可知，小挖掘机液压系统在最大负载约为 时宜取液压缸的工作压力 13 ，液压缸选用单杆式，并在3601bFNP610a 工作时进行差动连接。此时液压缸无杆腔工

31、作面积 应为有杆腔工作面积 的两倍。A2A 由于液压缸回油路上必须具有背压力存在，以防止挖掘机卸土后突然前冲，由表 3.5,可取 8 .1P50a 表 3.3 按负载选择执行元件工作压力 负载 F/N 50000 工作压力 p/MPa 57 表 3.4 按主机类型选择执行元件工作压力 表 3.5 执行元件背压力 系统类型 背压力/Mpa 简单系统或轻载节流调速系统 0.20.5 回油路带调速阀的系统 0.40.6 回油路设置有背压阀的系统 0.51.5 用补油泵的闭式回路 0.81.5 回油路较复杂的工程机械 1.23 回油路较短，且直接回油箱 可忽略不计 由于是差动式单杆连接，所以活塞杆直径

32、 d与缸筒直径 D的关系为 d=0.707D。根据公式 1160.8(3)122FAP =47.62 (3.5)2cm 故有 D= =77.9mm，d=0.707D=55.07mm (3.6)4/机床主机类型 磨床 组合机床 龙门刨床 拉床 农业机械小型工程机械工程机械辅助机构 液压机中、大挖掘机重型机械起重运输机构工作压力p/Mpa 2 35 8 810 1016 2032 12 当按 GB/T23481993 将这些直径圆整理成就近标准值时得：D=80mm , d =63mm，由此求得液压缸两腔的实际有效面积为 (3.7)22/450.ADcm222()/419.08ADdcm 3.6.2

33、 液压缸行程的确定 液压缸行程主要依据机构的运动要求而定。但为了简化工艺和降低成本，应尽 量采用 GB/T2348-1993 标准的液压缸行程，则根据技术要求，取行程为 630mm。 3.7 液压缸结构参数的计算 3.7.1 缸筒壁厚的计算 对于低压系统或 16 时，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算，公式如下：/D (3.8)2 yP 式中 液压缸缸筒厚度 试验压力(Mpa)，当工作压力 P16 Mpa 时， =1.5P，当工作压y yP 力 31.5P 16 Mpa 时， =1.25P，当工作压力 P31.5Mpa 时， =1.15P,y y 这里应取 =1.5P =19.5Mpa。y 液压缸

34、内径(m)D 缸体材料的许用应力（Mpa） ，可通过下面公式求得： (3.9)bn 缸体材料的抗拉强度(Mpa)b 安全系数， =3.55，一般取 =5n 但对于锻钢 45 的许用应力 一般都取 =110(Mpa) 则 19.5807.12m 根据机械设计手册 ，取液压缸外直径为 =100mm.1D 3.7.2 液压缸油口直径的计算 液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度 和油口最高液流速度 而定，公式v0v 如下： (3.10)00.13/dDv 式中 液压缸油口直径 (m) 液压缸内径(m) 液压缸最大输出速度(m/min)v 油口液流速度(m/min) ，根据机械设计手册 ，取 =7m/m

35、in0 0v 同时对于单杆油塞式液压差动联接时，活塞的外伸速度为: (3.11)36vQA 13 式中 液压缸差动联接时，活塞外伸的速度，可视为油口液流的速度(m/min)v 液压泵流量( /s)， Q3mvQ245.83712.6/Lmin 活塞杆面积，其公式如下:3A (3.12)24d 式中 活塞杆直径(m) 所以 代入数据，解析以上2230.314Ad 公式得： ，2 20.138018.6/(.7).510d m 故取 25m 3.7.3 缸头厚度计算 本设计采用的是螺钉联接法兰缸头，其厚度的计算公式为： (3.13) 03()cpFDdh 式中 法兰厚度(m) 法兰内径(m)，根据

36、机械设计手册 ，取 =cpd cpd9m 螺钉孔分布圆直径(m)，根据机械设计手册 ，取 =0 0D12.5m 法兰材料的许用应力(Mpa) ，取 45钢， 120 Mpa 法兰受力总和(N)，其计算公式为：F (3.14)22()4HdPdq 密封环内径(m)，根据机械设计手册 ，取 6dm 密封环外径(m)，根据机械设计手册 ，取H 8H 系统工作压力(pa)， paP6130 附加密封力(pa)，若采用金属材料时， 值取屈服点，此处取材料q q 为 45 钢，则 =110Mpa 代入数据，求出得： 2 423(1.59)0(491360491)0.460hm 故取 3.7.4 下盖联接螺

37、钉强度校核计算 螺钉联接可采用高强度螺钉 M161.5(GB/T70.1-2000)联接,两端数量均为 24 件，螺钉精度等级为 10.9 级，其强度校核，公式如下： 14 拉应力： =7.7Mpa (3.15)204kFZd 剪应力： =3.1Mpa (3.16)13.z 式中 ：螺纹拧紧系数，此处取 =1.25kk : 螺纹摩擦系数,一般取 =0.121 1 ：螺纹外径，根据机械设计手册 ，取 =16mm0d 0d ：螺纹内径，根据机械设计手册 ，取 = -1 1.08251.5 14.4mm ：数量为 24z B： B螺钉材料屈服强度，取 45 钢，则 =110Mpa 得： ，符合工况要

38、求，则验证合格，可取。231.0.n Mpa 3.7.5 活塞杆柔度校核计算 活塞杆细比计算如下： = 24dL (3.17) 此处：L 为折算长度，导向套中心至吊头尺寸，约 630mm，活塞杆直径 d=63mm，活塞杆许用细长比，按规定拉力杆此处100。 计算得 ，故满足要求，则活44630/.140.9619.6 塞杆长度和缸筒长度的取值合格。 4 液压系统原理图的制定 4.1 制定基本方案 (1) 制定调速方案 液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心 问题。方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统， 大多通过换向阀的有机组合实现所要求

39、的动作。对高压大流量的液压系统，现多采 用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或 输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调整方式有节流调速、容 积调速以及二者的结合容积节流调速。节流调速一般采用定量泵供油，用流量 控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。此种调速方式结构简单， 由于这种系统必须用闪流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。容积 调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。其优点是没有溢流损失 和节流损失，效率较高。但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。此种调速方式适 用于功率大、运动速度高的液压系统。容积节流调速

40、一般是用变量泵供油，用流量 控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。此种 调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。节流调速又分别有进 油节流、回油节流和旁路节流三种形式。进油节流起动冲击较小，回油节流常用于 15 有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。调速回路一经确定，回路的循环形式也就 随之确定了。节流调速一般采用开式循环形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油， 压力油流经系统释放能量后，再排回油箱。开式回路结构简单，散热性好，但油箱 体积大，容易混入空气。容积调速大多采用闭式循环形式。闭式系统中，液压泵的 吸油口直接与执行元件的排油口相通，形成一个封闭

41、的循环回路。其结构紧凑，但 散热条件差。经过上述分析此方案选用 容积节流调速。 (2) 制定压力控制方案 8 液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作， 也有的需要多级或无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供 油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。在容积调速系统中，用变量泵供油，用 安全阀起安全保护作用。在液压系统中，需要流量不大的高压油时可考虑用增压回 路得到高压，而不用单设高压泵。液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供 油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。 在系统的某个局部，工作压力 需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所

42、需的工作压力。基于以上控制 系统方案分析本次设计选用闭式中心负荷传感系统(CLSS)；采用的是双泵双回路恒 功率控制液压系统。 (3) 指定顺序动作方案 主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的 则是随机的或人为的。工程机械工作环境状况复杂，补丁因数多，故操纵机构多为 手动，一般用手动的多路换向阀控制。加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行 程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推 动电磁阀或直接压下行程阀来控制接续的动作。行程开关安装比较方便，而用行程 阀需连接相应的油路，因此只适用于管路联接比较方便的场合。另外还有时间控制、 压力

43、控制等。例如液压泵无载启动，经过一段时间，当泵正常运转后，延时继电器 发出电信号使卸荷阀关闭，建立起正常的工作压力。压力控制多用在带有液压夹具 的机床、挤压机压力机等场合。当某一执行元件完成预定动作时，回路中的压力达 到一定的数值，通过压力继电器发出电信号或打开顺序阀使压力油通过，来启动下 一个动作。本设计主要采用手动控制，另根据压力控制 CLSS 系统可进行自动操作， 在计算机的直接操纵下自动完成给定的挖掘任务，并具有一定得局部自主能力。即 当阻力过大挖掘过程中断时，能自主修正挖掘路径，直接完成挖掘过程。在回转过 程中，能自动识别和避开障碍物，达到原定的卸料位置。 (4) 选择液压动力源 液

44、压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速 系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统 的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作 用。容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。为节省能 源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段 中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。对长时间所需 16 流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。 油液的净化装置是液压源中不可缺少 的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过 相应的

45、精过滤器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过 滤器或其他型式的过滤器。根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、 冷却等措施。再根据调速方案及工程机械选用原则，主泵采用变量柱塞泵，辅助油 泵采用齿轮泵。 4.2 确定回路方式 本液压系统采用开式回路。液压系统回路中泵缸回路系统为开式，泵马达 系统为闭式。开式系统利用油箱可以散热、沉淀杂质的特点，并且油液循环大，敝 热条件好，结构简单，因此为大多数工程机械所采用。闭式回路系统结构较为紧凑， 泵的自吸性好，系统与空气接触的机会较少，空气不易渗入系统，故传动的平稳性 较好，且工作机构的变速和换向靠调节泵或马达的变量机构实

46、现，避免了在开式系 统换向过程中所出现的液压冲击和能量损失。但闭式系统较开式系统相对复杂，并 且由于闭式系统本身没有油箱，油液的散热和过滤条件较开式系统差。 4.3 选用液压油液 在任何液压系统中，液压油是一至关重要的组成部分。它的功能是：有效地传 递能量、润滑部件和作为一种散热介质。液压系统能否可靠、灵敏、准确、有效而 且经济地工作，与所选用的液压油的品种及性能密切相关。因此，正确选用液压油 是确保液压系统正常和长期工作的前提。当液压系统发生故障时，及时找出原因， 采取正确的解决办法是保护设备、避免造成重大损失的重要措施。 由于液压传动具有元件体积小、重量轻、传动平稳、工作可靠、操作方便、易

47、 于实现无级变速等优点，因此在许多工业部门的传动系统被采用。不同工业部门由 于使用要求、操作条件、应用环境的差异，所用的液压传动系统差别也很大。正确 选用液压油品种，确保液压系统长期平稳、安全运行，是保证连续生产、节省材料 消耗和提高经济效益的有效措施。 4.4 绘制液压系统原理图 该挖掘机液压系统采用双泵双向回路定量系统，由两个独立的回路组成。所用 的油泵 1 为双联泵，分为 A、B 两泵。八联多路换向阀分为两组，每组中的四联换 向阀组为串联油路。油泵 A 输的压力进入第一组多路换向阀，驱动回转马达、铲斗 油缸、辅助油缸，并经中央回转接头驱动右行走马达 7。该组执行元件不工作时油 泵 A 输

48、出的压力油经第一组多路换向阀中的合流阀进入第二组多路换向阀，以加快 动臂或斗杆的工作速度。油泵 B 输出的压力油进入第二组多路换向阀，驱动动臂油 缸、斗杆油缸，并经中央回转接头驱动左行走马达 8 和推土板油缸 6。 该液压系统中两组多种换向阀均采用串联油路，其回油路并联，油液通过第二 组多路换向阀中的限速阀 5 流向油箱。限速阀的液控口作用着由梭阀提供的 A、B 两油泵的最大压力，当挖掘机下坡行走出现超速情况时，油泵出口压力降低，限速 阀自动对回油进行节流，防止溜坡现象，保证挖掘机行驶安全。 在左、右行走马达内部除设有补油阀外，还设有双速电磁阀 9，当双速电磁阀 17 在图示位置时马达内部的两

49、排柱塞构成串联油路，此时为高速；当双速电磁阀通电 后，马达内部的两排柱塞呈并联状态，马达排量大、转速降低，使挖掘机的驱动力 增大。 为了防止动臂、斗杆、铲斗等因自重而超速降落，其回路中均设有单向节流阀。 另外，两组多路换向阀的进油路中设有安全阀，以限制系统的最大压力，在各执行 元件的分支油路中均设有过载阀，吸收工作装置的冲击；油路中还设有单向阀，以 防止油液的倒流、阻断执行元件的冲击振动向油泵的传递。 SWE50H 型单斗液压挖掘机除了主油路外，还有如下低压油路 ：9 (1) 排灌油路 将背压油路中的低压油，经节流降压后供给液压马达壳体内部，使其保持一定 的循环油量，及时冲洗磨损产物。同时回油

50、温度较高，可对液压马达进行预热，避 免环境温度较低时工作液体对液压马达形成“热冲击”。 (2) 泄油回路 将多路换向阀和液压马达的泄漏油液用油管集中起来，通过五通接头和滤油器 流回油箱。该回路无背压以减少外漏。液压系统出现故障时可通过检查泄漏油路滤 油器，判定是否属于液压马达磨损引起的故障。 (3) 补油油路 该液压系统中的回油经背压阀流回油箱，并产生 0.81.0MPa 的补油压力，形 成背压油路，以便在液压马达制动或出现超速时，背压油路中的油液经补油阀向液 压马达补油，以防止液压马达内部的柱塞滚轮脱离导轨表面。 该液压系统采用定量泵，效率较低、发热量大，为了防止液压系统过大的温升， 在回油

51、路中设置强制风冷式散热器，将油温控制在 80以下。 整机的液压系统图（如图 4.1 所示）由拟定好的控制回路及液压源组合而成， 从中分离出动臂机构液压系统的简明工作原理图（如图 4.2 所示） 。机电一体化挖掘 机的控制系统是半自动的，所设计的液压系统是建立在 WY100 型挖掘机液压系统 基础上，改进工作装置的自动化控制，保证工作负载合理，防止在过量的情况下导 致小挖掘机破坏。各液压元件尽量采用国产标准件，在图中要按国家标准规定的液 压元件职能符号的常态位置绘制。对于自行设计的非标准元件可用结构原理图绘制。 系统图中应注明各液压执行元件的名称和动作，注明各液压元件的序号以及各电磁 铁的代号，

52、并附有电磁铁、行程阀。 分析比较动臂机构系统图与整机系统图，可以总结出：动臂机构系统可以作为 一个单独的液压系统，并可以进行半自动化控制，其液压元件选择的合理与否直接 影响着机电一体化液压系统的快速控制能力。 18 1 BM PC2 PCT812 3D/A 接口 4液压阀驱动放大 5油泵 6冷却器 7滤油器 8背压阀 9节流阀 10回转液压马达 11行走马达 12双速电磁阀缸 13补油单向阀 14缓冲补油阀组 15中央回转接头 16限速阀 17冷却器 18位移传感器 19溢流阀 20梭阀 21合流阀 22电液比例方向阀 23斗杆油缸 24铲斗油缸 25单向节流阀 26动臂油缸图 4.1 液压原

53、理图 1TBM PC 2PCT812 3D/A 接口 4液压阀驱动放大器 5油泵 6冷却器 7滤油器 8背压阀 9限速阀 10溢流阀 11梭阀 12电液比例方向阀 13冷却阀 14单向节流阀 15位移传感器 16动臂油缸 图 4.2 动臂机构液压系统原理图 19 5 选择各执行元件 10 5.1 液压泵的选择 由表 3.1 得，主泵的压力为 ，最大流量为124.5pPMa ；齿轮泵的压力为 ，最大流量为14.82/minvqL1p 。根据机械设计手册，可查阅得：此液压泵可采用 NB3-G20F 双237 联柱塞泵，主泵由 2 个柱塞式串联变量柱塞泵组成。 5.2 柴油发动机的选择 取泵的总效率

54、 =0.8，泵的总驱动功率为：p = 23.74KW (5.1)12pvpv Pqw 考虑安全系数,故取 25KW;查机械设计手册发动机参数表得： 发动机机型号 YANMAR 功率 27.1KW 转速 2200r/min 5.3 液压阀的选择 选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。液压阀的作用是控制液压 系统的油流方向、压力和流量，从而控制整个液压系统。系统的工作压力，执行机 构的动作顺序，工作部件的运动速度、方向，以及变换频率，输出力和力矩等。 5.3.1 根据液压阀额定压力来选择 选择的液压阀应使系统压力适当低于产品标明的额定值。对液压阀流量的选择， 可以按照产品标明的公称流量为依

55、据，根据产品有关流量曲线来确定。 5.3.2 液压阀的安装方式的选择 液压阀与系统的管路或其他阀的进出油口的连接方式，一般有三种，螺纹连接 方式，板式连接方式，法兰连接方式。安装方式 的选择要根据液压阀的规格大小， 以及系统的简繁及布置特点来确定。 5.3.3 液压阀的控制方式的选择 液压阀的控制方式一般有四种，有手动控制，机械控制，液压控制，电气控制。 根据系统的操纵需要和电气系统的配置能力进行选择。 5.3.4 液压阀的结构形式的选择 1 液压阀的结构方式分为：管式结构，板式结构。一般按照系统的工作需要来确 定液压阀的结构形式。 选用主操作阀采用川崎 KMX15R/B450，最大流量 80

56、.3/min，能实现动臂提 升合流、斗杆大小腔合流、斗杆再生回路、行走直线、动臂提升优先、回转优先、 斗杆闭锁等功能。原理图如图 5.1 所示 20 图 5.1主操作阀原理图 5.4 其他液压元件的选择 5.4.1 蓄能器的选择 根据蓄能器在液压系统中的功用，确定类型和主要参数。 在本液压系统中，液压缸在短时间内快速运动，由蓄能器来补充供油，则计算公式 为： (5.2)vpiVKAlqt 式中 A各液压缸有效作用面积 L各液压缸的行程 K油液损失系数，一般取 K=1.2 各液压泵流量之和vpq t动作时间，设定 t=0.2s 代入数据，由以上公式得 3 21.2(50.419.8)06(245

57、.837)0.61 =9.53L 考虑安全系数和其他方面 取 20L,查机械设计手册得： NXQ1-L40/31.5 蓄能器 F219 5.4.2 非橡胶管道的选择 本系统管路很复杂，取其中主要的几条来计算，按照公式： (5.3)130 qd 液体流量 流速，对于吸油管 =12m/s，一般取 1m/s 以下，对于压油管 36m/s，对于回油管 1.52.5m/s。通过以下公式算出管道内径： 4vqd(5.4) 21 T式中 T 液体流量vq 流速 其设定值与计算数值如表 5.1 所示 表 5.1 计算数值 管路名称 通过流量(L/min) 允许流速(m/min) 管道内径(m) 实际取值(m)

58、 大泵吸油管 20.42 0.8 0.0421 0.045 小泵吸油胳 15 0.9 0.0142 0.021 大泵排油管 26.92 4 0.017 0.021 小泵排油管 19.2 4 0.007 0.010 查机械设计手册得：102、213、454 5.4.3 胶管的选择 根据工作压力和按公式得管子的内径选择胶管的尺寸规格。高压胶管的工作压 力对不正常使用的情况下可提高 20%；对于使用频繁，经常扭变的要降低 40%。 胶管在使用及设计中应主要下列事项： (1) 胶管的弯曲半径不宜过小，一般不应小于 320，胶管与管接头联接处应留 有一段直的部分，此段长不应小于管外径的两倍。 (2) 胶

59、管的长度应考虑到胶管在通入压力油后，长度方向将发生收缩变形，一 般收缩是取 3%4%，胶管安装时避免处于拉紧状态。 (3) 胶管安装是应保证不发生扭转变形，为便于安装，可沿管长涂以色纹，以 便检查。 (4) 胶管的接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动时胶管 受力。 (5) 胶管应避免与机械上的尖角部分想接触和摩擦，以免管子损坏。 5.5 油箱容量的确定 初步确定油箱的有效容积,跟据经验公式来确定油箱的容量, (5.5)Vqv 式中 液压泵每分钟排出的压力油的容积 经验系数 已知所选泵的总流量为 128.6L/min,这样,液压泵每分钟排出的压力油体积为 128.6L,查表 5.

60、1 表 5.1油箱经验系数表 系统类型 行走机械 低压系统 中压系统 锻压系统 冶金系统 12 24 57 612 10 得 =3，故 V= =30.1286=0.3858qv3m 根据以上的要求来选择液压控制阀，所选的液压阀能满足工作的需要。其具体 规格型号和名称见表 5.2。 表 5.2液压控制阀 序号 代 号 名称及规格 材料 数量 22 序号 代 号 名称及规格 材料 数量 1 Q9F-25P-25 不锈钢截止阀 成品 2 2 DB10G5X/13G24N25 电磁溢流阀 成品 1 3 S20P1O S型单向阀 成品 1 4 S10P1O S型单向阀 成品 1 5 XJF-25/13

61、蓄能器截止阀 成品 1 6 DRV10-1-13/2 单向节流阀 成品 1 9 S6A1O/2 S型单向阀 成品 1 10 ZDR6DP2-21/7YM 叠加式减压阀 成品 1 11 Z1S6P-1-25/ 叠加式单向阀 成品 1 12 4WE10J3X/CG24NZ5L 电磁换向阀 成品 1 13 ZDR10DP2-25/7.5YM 叠加式减压阀 成品 1 14 Z2FS8-13/S2 叠加式双单向节流阀 成品 2 15 4WEH16Y10/OF6AG25NETS2Z5L/B08 电液换向阀 成品 1 16 Z2FS6-10/S2 叠加式双单向节流阀 成品 2 23 总 结 本课题液压挖掘机

62、动臂机构的液压系统设计，其设计终于完成。虽然不是 很复杂，但通过这一设计实践，我感到自己在这方面仍存在许多不足之处。对于我 的本次设计，我觉得设计计算部分非常认真。在各种机械设备上，液压系统得到了 广泛的使用。液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压系统原理图的设计要 同主机的结构相适宜。着手设计时，必须从实际情况出发，有机的结合各种传动形 式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、 操作简单、维修方便的液压传动系统。 此次设计，利用油泵产生油压，再经过电磁阀控制液压缸来达到控制油缸伸缩 的效果。其中结合了需方需要的技术要求，根据计算来确定发动机、油箱容积、油 泵的型号及各种液压元件的选择。 根据已知的条件和性能要求，计算了液压系统在挖掘工作时的受力情况，计算 了液压缸在不同的运动状态下的各种受力情况。参照了机械设计手册上的计算公式， 根据计算所得的结果来选取各种液压元件。对系统的性能、发热温升进行了验算。 并对液压系统的液压原理、操作进行了说明，其中主要是对液压缸进行分析计算， 并绘画相关的 CAD 二维图纸，实现设计零件的可制造性与工艺性。