单斗通用型液压挖掘机液压系统设计【含CAD图纸+文档】
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面向对象的计算机辅助设计(CAD)的液压系统设计E K. WONG香港理工大学、香港T. E LEUNG香港理工大学、香港C. W. CHUEN香港理工大学、香港(获得1995年10月,1996年5月修订后的形式)本文主要介绍了用来设计和实现面向对象的计算机辅助设计(CAD)的液压系统的一种新的方法。这是一个智能CAD计算机辅助工具,来帮助液压工程师设计自己的系统。该工作主要致力于一个新的class- modelling的方法的CAD系统对象模型。该方法也可以为现有模型提供更为严格的液压回路和部件,以避免错误。而且对液压系统的物理数据也被其它数据模型所应用,即流体动力系统装配问题,这里做一个简要评述。例如,用一个深拉的压力测试,来说明计算机辅助设计(CAD)系统的有效性。 科学出版社有限公司1978年出版关键词:面向对象模型、智能计算机辅助设计(CAD)系统、液压回路设计1 介绍目前的方法有着广泛的应用前景应用于计算机辅助设计(CAD)为简单液压系统。大多数的专家系统应用于设计建立了液压系统无论是以规则为基础的或者是以框架表示。其主要缺点是:基于规则的形式化会比较困难的代表异常信息,所以,知识在进一步扩展成为庞大的和整体的系统的行为是很难预测的,而且这些规则是结构独立。其主要缺点:定义表示是比较有难度的因果关系,互动对象之间的关系,因为每个对象是被动的,通常是驱动推动引擎。那些帧并不能开动其他对象。在这本文是建造一个新计算机辅助设计(CAD)方法对复杂液压回路的设计,并且是基于面向对象技术算法。2 为液压设计问题开发的一种新型CAD方法液压回路的设计过程一般包括一个可能的电路布局和素描选择合适的液压元件。液压的基本功能系统主要依赖于回路,而电路的性能主要依赖于尺寸和不同类型的液压元件。在实践中,液压系统设计不是建立在从零开始的,许多设计师要解决这一问题系统,然后再设计子系统中每个电路模块或指的是许多已经存在的、有效的设计。通常,这样可以有效的在现有电路和子系统上采用了经过仔细调整子系统组件。在调整的方法整合的基础上确定设计师的设计经验。每一个设计电路仅仅是理论上的合理;微调的液压元件是必要的为测试和调试后的实时系统的建设。该方法可以更有效地完成计算机及其辅助的一个有效的数据库及其管理系统。然而,如果所有的液压系统在工业都要求在传统的模拟数据库格式中,由于结合液压子系统及其变化规律组件,将大量的信息被指定为并储存整合。另外,在他们的之中工程数据各种各样的数据类型应对于一个复杂的关系。面向对象表示法的概念介绍了人工智能的主题。有许多论文讨论面向对象的知识库的方法,并且应用不同的设计域名。张教授提出一种利用面向对象的知识应用于液压设计。在面向对象的层次结构中,他只定义了一些标准的液压元件的参数。每一个定义的对象是一套静态数据,同时也被要求生产一定规则,这是一个叫设计方法。 因此许多设计规则还待要求。对于复杂的设计问题这不是一个有效的途径。面向对象技术的最新发展有了一个新的方法来实现液压设计。特别重要的是面向对象数据库中的(OODB)提供一个强大的知识循环能力,以及复杂的数据定义。这种新学科在本文采用是代表各种油压在解空间的电路分解成液压元件和标准组件,这是代表和储存在一个面向对象的数据库作为一个活跃的格式设计文库。 在该体系结构,设计说明书分为功能需求、绩效目标和要求。功能上的要求来讲,一个基本功能是从面向对象的数据库来设计框架概括。通过这个函数骨骼方案,然后映射到合适的目标其要么能代表液压元件,或能满足性能目标和约束。映射的过程功能(通常指守则和属性值存在的功能)液压元件直接相关的能够表现其目标和约束。它的解决的办法是重新合成形成的得到的及其设备。可以通过由参考一些调整或设备,以及交互作用的每一个,该设计方法,建立了与一个面向对象的表示,是能够提供的以下功能:(1)一个模块化程度高;并且具有柔性化建模和容易改造;(2)通过减少对信息冗余技术产业,从而形成一个设计紧凑的文库;(3)通过利用概念封装从而保证数据独立和安全;(4)由于层次结构的对象模型,数据记录的时间比较短;(5)一个基础设施以及支持其它流体动力系统的设计活动。3 面向对象建模为液压系设计建立一个面向对象数据模型为代表设计解决方案,开发过程可以借一些国家的面向对象的软件开发思想的流动方法。目前,常用的方法是面向对象软件的开发,实质-联系的模型是基于诸如Coad和Yourdon,Booch或对象建模技术(OMT),但没有一种单一的方法能发现自己本身的不完整。无论如何这些方法,他们开始从识别对象和种类这个问题领域,然后识别别的语义和这些种类以及对象之间的关系,以及最后实施。在发展过程中基于液压应用设计算法提出了在可分解成以下选择步骤: (1)识别所有可能的和有效的电路在问题领域一个电路的抽象级别。 (2)分解电路模块/子系统。 (3)识别这些子系统的性质和小组按照共同的特征,进入课程。 (4)识别组件对象从鉴定模块/子系统,并重复步骤3在液压组件的抽象别。 (5)确定课程和对象的关系。 (6)设计一个课程,面向的对象数据模型。 (7)指定接口和实施类和对象。 3.1 液压回路的分析与鉴定一般来说,液压领域比较少模块除了电子电路,所以很难找到一些现有的子电路,满足实际需要的互换和可重用性。此外,如果一个电路分解通过传统单功能分解方法,会有很多冗余和矛盾配置。在许多真实案例,一个速度控制神经元结合子电路定向控制经常导致电路,可以两个都要速度和方向控制功能。通过参照许多液压回路,通常一个适当的子电路自卫两个或两个以上的功能,比如一个再生的电路至少有一个定向控制功能加上速度控制功能。此外,液压系统也可以容易被定义为使用一个动态的概念模块,找到一个固定的子模块代替。 动态模块显示,子模块的概念可以分解成一个网络功能块的一些条件连接。面向对象程序设计的原则完全支持动态模块的概念,因此,他们可以表现为对象。广泛的分析多种液压实用电路,加上丰富的水力设计的经验,一个新的分解的概念(图1的一般液压回路)算法。 液压回路可被看作了建筑的基本功能电路(如再生,预填和同步电路)、二次调整功能电路(如减压和压力减少电路)和电源电路(如压力控制电源,恒功率供应)。各种液压应用定义出不同的初选功能和次要或者调节功能作为他们的默认的功能。子电路检索的中功能取决于用户提供信息驱动电路的计算参数为基础功能(通常是流量、压力和成本因素各主要参数确定类型的电路其中,)和部件之间的相互作用电路。图1 液压回路的合成3.2 现有的有效的液压造型子系统 不仅仅是代表一个子系统使用符号;还有许多因素需要考虑。现有都是仿制子系统作为复合对象封装设计规范及组织面向对象的层次结构支持的财产产业。一个现有的子电路 能被表示为: 这里的集合C代表通用零部件已可在设计文库中。每个sub-circuit只有提供合适的指针及预先设定的组件,这些组件是它们本身确定的细节组件类。1是这条赛道的接口。它由外部的输入/输出号码的特点,电路的位置,比如说明了接口位置在图2(a)。F的特点和及其运行条件的设计,这是最基本的在选择子电路索引属性,并保证选定的子电路,不会无法运行而受限制。在一个实施中属性或许是编码形式的整数,漂浮的点或线。一个表示集电路的性能属性特色,它通常指方法和公式计算子系统的输出参数。对这类的属性,生产规则和数学函数是比较好的实施工具。美国(网表连接信息描述)的内部构成本文的形式。文件格式网表常用于当前CAD工具在设计电子板。Inter是由不的描述设计的和其它组件的约束和分支电路交互作用。而我们的目标是确保兼容性模块,并消除非法组合。互动审查程序主要有赖于检查系统参数、种类关系和类名。为矛盾关系实施类别,其相互牴触类的名字都封装在相应的模块。每当一个合适的模块被恢复,它就会开动内部开关的自相矛盾的“信息传递”。一个例子的关键性能的常用类型面再生电路见表1和图2。图3显示的数据模型如这些再生电路在此基础上构造了面向对象技术的特点,该模型分为子系统和组件层。在3.4节该技术用于模型讨论。 a.位置控制 d.定向阀门控制 b. 逻辑单元控制 e. 简单的阀控制 c.压力控制 f. 比例速度控制与线性可变的 差动变压器(LVDI”)速度反馈图2 一个普遍的类的例子,现有的有效再生电路液压3.3 造型的标准液压元件标准的液压元件的组织系统:(1)系统参数,如流体类型,流量,操作压力等,(2)特殊组成要求,如尺寸、重量、成本、可靠性,其姓名符号在图纸,等等。(3)特殊组成功能,如图形显示,检索算法适合面向对象数据库目录组件,(4)稳态特性。在台上的组成部分选择,一般来说一个合适的对象一旦收到一封来自它的抽象类会自我重新获得补偿。每一个抽象类封装的一些措施可以确定适当的讯息路径子类,基于输入参数或信息。不同种类的组成元件有多种成分上浆方法。例如:理论生双大小缸推动负载并且具有一个返回线压力相等大气压力取决于以下关系:这里D是活塞直径(m),P是操作压力(),F是最大负荷(N)而0.95是水力-机械摩擦的指导系数。然而,实现平等的延伸和回缩速度再生电路,活塞面积之间的比率面积等于2。如果一个再生的电路想要转会申请,则杆直径为一个单一的杆双动气缸FIP是公平的。 然后,由于对工作压力的限制。最后,圆柱杆尺寸检查对屈曲极限,是基于欧拉公式安装方法。事实上,类型和尺寸的方法气瓶多样是根据具体类电路,从而使气缸对象通常被认为是的部件之一的。在环形课题上也有在指针连接适当的上浆方法。数据,作为一个标准的选择目录组件。通常指的性能数据实证操作曲线由制造商提供的目录。简单的关系可以描述由适当的方程,发现利用系数最小二乘方法。然而,对于代表复杂isoefficiency approximarion Btzier-Bernstein的方法选择这三个不规则的变量之间的关系。根据这个方法复杂的特点,可以存储,以最大与最小值沿x轴和y轴,x和y区间,并提出了相应的数据沿z轴。Isoefficiency线总是存在于一些部件,如变量泵或液压马达,众所周知,有必要为了获得更高的效率优化利用,他们被用于识别那些操作条件。此外,每个阀门的对象还捕捉了身体上的问题信息的应用扩展液压电路设计系统装配设计在另外一个国家项目。物理属性是阀门的边界,阀体尺寸、阀口的位置、阀口直径、固定孔位置和直径。3.4 建设面向对象模型识别的关系和语义是目标识别的工作原理基础上的元件和子系统。其优点实:(1)提供之间的一种连接功能和结构。实现一个功能是通过一个物理设备评价的工作原理允许识别有前途的课程的通用设备或子电路组件没有通过检索大量的目录组件或子电路组件。(2)增强可读性的系统。(3)提供一个独特的框架体系维护和扩展。换句话说,子电路组件或部件具有相同的功能模块划分为高级。这些模块通常指一个抽象类,包含了许多虚拟功能和共同的特征。然而,文摘将不会产生任何物体,再生电路例如,抽象类的气缸。如果对象模型构造发生不小心考虑,这问题的技术的滥用可能被禁止。例如下面例子,如图4(a)。假设一个类部件或子电路组件物体1,它有T1和功能属性F1(P1 即一个类的课题/对象),同时一个类别的部件或子电路组件物体2具有T2和F2。如果两个课题,例如1和2,却有着相似的特性,该对象模型将通常是建立在下面分级形式。一个抽象的课题将会被得到分享它们共同资源的机会。所以课题将同时具有课题1和课题2的特点。(例如,)。同时被当做是,分别包含了的一些额外的设置性能。一个新的类部件或sub-circuit是创建对象ADD,再加上本身的资源,从而ADD和1和2具有相似的性能。ADD的流函数是和1和2不同的课题,即使函数的名称都是相同的。使用Eiffel的风格将继承ADD课题,同时定义的差异,导致了重新流动功能。通过重新定义的功能实现图 4(b)。这个问题的在种类结构上是,随着一个物体在ADD上也是一种物体在,它可能有两个“流量特性”和函数定义。实施object-searching在第二章提出的概念,是极为困难的。计算机知道哪些流量特性功能被提到。这个问题在c+是可以实际进行了论证实现的(图5)。 图4 重组的一个新的种类阶层结构及一个后来补充说明的ADDclass public:int pressure;void display( ) .;float flow( ) return (pressure * 1.3972); /实现流量1特性的功能。;class I : public int max_rpm;public:1( ) pressure =100; . /构造函数对象的默认的压力限制100磅;class 2: public public:2( ) (pressure = 140; . /构造函数对象2的默认的压力限制140磅;class ADD :public public:ADD( )pressure = 210; . /构造函数对象ADD的默认的压力限制210磅float flow( ) return( pow( pressure, 2 )*2.583);/实施两流量特性的功能;main( )et *p2; /这个模块和搜索指针,它属于抽象类p0 = new 1( ); p1 = new 2( ); p2 = new ADD( ) ; /构建物体for(int i=0; ipressure 200)pi-flow( ); /从第一层搜索/搜索的方法得到第一层找到一个组分极限压力大于200磅/实施1参与,这是一个意想不到的实施。图5 一个意想不到的实例通过使用c+实现了一个函数实施2是被称之为调用执行的问题。这是一个有许多程序员的所期待的。然而,在c+中实施1常被作为代替.一个更好的分类结构可以通过面向对象划分的概念。考虑上述例子;这类可被划分的面向对象的1和2以及ADD,在这里ADD=-1-2.为了实现概念、原类都应当被重组使用,必须满足下面的关系(机制):. 这里,; ;而下标1,2,3,n,代表着编号。代表一个抽象类型。(ADD)代表的是一种新的类型。上述重组机制的扩张已经证明,满足下列性质。性质1:lnvariance的功能 ; ; ;性质2:独特的位置实现 性质1的目的是确保时在重组不改变功能。性质2是独一无二的定位的功能,为实施一个课题这是非常重要的原因,每个属性和功能都被定义为一个而且仅仅是一个课题。因此,一个功能可以通过合并所有的其他的在派生类的功能。运用以上机理的例子,误差是可以被消除的。例如: ; ;。 实现的方法是对前面的例子只是改变代码正如课题显示如下。 class a virtual float flow( ) return (pressure*l.3972); /实现流量特性1的功能。; 回顾了图3再生电路模型,阀门是衍生成标准的、逻辑、伺服、比例阀。运用上述类分区方法,这类阀可以很容易被发现而没有任何混淆,它可以被看作是一个抽象的类,这等于标准配置阀门+逻辑阀+伺服阀+比例阀的概念,而不是使用子类(例如,伺服阀通常认为是一个种阀)。对于一些子系统,他们的功能关系不清楚,所以在液压很难组织一个类层次中的子系统。不过,如果液压子系统被看作是修正一个或多个简单类型的子系统,这个问题可以是解决。例如:一个双泵电路可以视为是修改一个单泵供电线路。 它可能更直接的形成了对象模型。一般的方法是把子系统涉及基本/常见的/最少数量的成分是一流的,然后修改一些的派生类简单的子系统。然而,而滥用问题也出现在覆盖技术这个结构。因此,不是每一个函数可唯一地定义。另一个问题是,每个液压子系统是一个集合体的原始对象(即液压元件)。在某些情况下的一些复合对象的顶部 不同于他们的子类,他们的派生类将继承一些不必要的复合对象,并作为一个结果会而造成错误的对象。图6描述了两种子电路组件类,A和B,在B被认为是A的一种修改,A和B的复合对象的“元件X”和“元件Y”对象和“元件X”和“元件Z ”对象;这两类也有同样的相同的功能,但具有不同版本的显示功能。图6(一)表明,B类在这样一个类对象X结构中继承一种不希望出现的组成部分。而这些问题都是在c+中,真正得到了实现。一个更好的在类型结构也可以通过上述这个概念划分。改进后的类别结构见图。同样的例子6(b)是使用下列关系得到(机制):;C 一个新的抽象类型。上述类型关系的性质也完成了:(1) 不变性的功能:例如: (2)唯一的安装位置: 例如: ; 。图 6运用上述方法,可能会有更多课题改革。然而,这些课的关系变的清了。此外,一种类的功能可以非常容易地获得先前种类的功能的。作为每个功能仅出现在唯一的位置上,执行功能的位置和它的细节可以被轻易获得的。相信上述块工作可以作为面向对象引用设计,并提供一个潜在的实施机制自动类型的重建。然而,系统的可读性应当被考虑到,以避免产生一些不容易读懂的类别。4 简要介绍了CAD系统的结构 CAD系统结构如图7 。 它包括一个面向对象数据库,一个物体服务器对象的操控管理,一个电路的设计方案。这程序包含一个推理机制整合知识对象,这是一个专用电路设计规则。这些规则的目的推导出了从设计到液压系统的要求规格的不同应用。比如:如果一个较深的压力被设计,然后负载型的执行机构设置为“垂直推负荷”,并以三相电机为原动力。液压系统设计知识和应用一般是分离的其结果依赖于计算机辅助设计(CAD)系统知识的灵活性。只有液压应用的改变需要专用知识库的变化模块。为持久对象的存储目录这些器件构成的等级上,链接到的数据模型上。在此基础上提出的的第二部份电路设计,液压系统能自动合成电路。电路设计过程开始从设计的输出驱动,其次是设立的力量流动和信号流程,选择不同的控制单元和发电单元。如图8详细描述液压电路设计程序。在设计一个液压系统,其最大操作压力的一个定义系统将根据如表的类型。以及预设值的检索应用知识。 通过用户界面上,根据用户要求确定数量的组输出要求和必要的规格的致动器,两个压缸或液压马达。每个气缸的负荷中风速度、每台电机转矩的与扶轮速度,计算的关键参数最大值流量系统。此外,,如果必要的设计师们正有时需要输入序列的运动致动器,并注明团体的执行机构同时路径。主要控制一切致动器是直接从面向对象数据库,基于匹配的规格的功能(F)子系统的系统要求,如果必要的可以用旁边的选择调节控制。调节控制(如压力和流量控制)会补充主要电路。这是选择驱动泵源的特点所选择的子电路组件主要功能。不同泵都有自己的压力和流量特征;它是合理的结合起来,形成一个主要泵来供应来源不同泵机组。从图8它可以观察到,有一个循环互动的检查每一对子功能过程之间设计模块,是为确保每一个子电路设备选择没有矛盾和消除与复制函数控制。有时会要求使用者替代性选择决策,在设计过程中,这样的在使用压力仪、不同类型的冲击每个阀门的接口,这些可选的可用性在很大程度上取决于所选择子电路。之后,所有的控制阀门,其大小将根据流量选择和操作压力系统。实际模型数量和阀门的尺寸被定义为在持久的对象存储在数据库中。最后一步是确定其他附件例如油箱、冷却系统与过滤系统等。然后一个完整的原理图电路图可以借助包含子电路和组件块图图形库。该电路的设计方案,还包含一个从示意图和指定的液压元件来捕捉模块捕捉的连接信息。信息在网表的格式输入到另一个项目,形成液压系统的总成设计。5 应用实例在本文中一个原型CAD系统的一类液压压力系统,通过用C+和运行在Auto CAD绘图软件平台,已建成实施概念。液压机可分为多种类型,如锻造,共混,绘画,等等。每一个都有其个人标准液压结构,加上一些常见的共享现有的子电路。本部分阐述了CAD系统用于原型设计一种实用的工业液压系统。对减少CAD系统的复杂性,子电路组件是通过组件的简单的代码代表对象身份,类名和属性价值,以便于符号匹配的过程。系统实现,是一种既能推荐适当的液压回路的大小和组件,一旦接受一个允许CAD系统的设计规格。如图表2是输入规格为50-ton冲液压机。5.1 讨论的结果图9显示了电路结构和主要的元件尺寸建议由计算机辅助设计系统CAD。这里,主要执行器是第一套垂直推动负载,快速前进的控制和低压力控制的默认功能。流量控制和压降调节功能是用来实现预期的性能的气瓶,因为一个深拉伸至少有两个气缸压在不同的工作压力,提供一个泵源。表2 输入规格的50吨液压拉深压力机液压缸的名称 A(汽缸) B(模具缓冲气缸)最大负荷(吨) 50 26气缸孔直径(毫米) 0 0气缸孔半径(毫米) 0 0行程长度(毫米) 500 300最大行程速度(毫米/秒) 63.5 63.5最大行程速度加载(毫米/秒) 10 10安装方法 正面 背面 执行机构的功能 紧迫的 支撑的变力控制 0 0控制动作的类型 位移控制 位移控制可变速度的控制 0 0工作同步路径 0 0模具顶针:0每天运行时间:24小时默认为拉深压力机序列没有引射:A+P1:T1B,A-,B+备注: 延迟时间() 压力开关 + 制动器机构前进 - 制动器机构后退 ():() 触发信号:运动 遍历了执行机构通过设计搜索后,一个再生的位置控制电路被匹配主要功能为冲压气缸。模具缓冲机构气缸组是一个简单的方向控制子电路结合减压阀组和流量控制的阀门为实现初级和调节功能。为满足最大操作压力的限制,由低到高压力要求和经济效益的条件下,一种高低压供电子电路如图9所示的封闭区域是选定的供电模块。在这里有关的主要组成部分的大小,气缸的类型和大小都是第。图9 通过计算机辅助设计(CAD)系统设计的拉深压力机液压回路。一个推断随后的供电单元。内部和外部流速分布在每个子电路选择计算中,根据其定义电路特征,和这些参数作为信息传递给对方。这些信息,加上操作压力的限制,很重要的内部部件大小的选择和其他子系统。参考图9,外部输出流量选定的位置控制再生电路用于选择泵电路。其内在的流量是用来确定RGV1,RGV2和RGV3尺寸的阀门,每个选择阀门已检查与许可的流量限制在计算系统参数、使用个人绩效实证数据封装。结果产生的CAD原型设计系统已建成,并验证了按照符合规定的规格的水利工程单位。结果在与图10的设计进行了比较,其目的是由一名经验丰富的工程师实际上是已采用工业产品。这一些组件用于图10的内容远远不止这些用于图9。图9中的设计采用再生电路提供高速运动与节能的考虑,而在图10只有选定的大型低压力泵控制,从而形成大尺寸的原动力。因此,从长期的节能和元件成本考虑,设计图9是比在图10中的较佳。图10 由经验丰富的工程师设计的拉深压力机液压回路除了提高其设计和品质草案之外,其另一个贡献是CAD系统减少设计时间。专家通常花一两个月完成这类设计,而计算机辅助设计(CAD)系统,只需要几分钟。本主要的困难是找到适当的设计手册有效的子电路部件和很多目录以及手册,尤其是在选择子系统的时候。这是因为定义子系统没有标准化,并且甚至对于专家来讲发现和理解性能的每一个有效的候选子电路是一个耗时任务。此外,本计算机辅助设计系统是不局限于某一特定液压应用程序。而是采用面向对象的编程原则,应用程序可以以最小的修改改变,补充和修改该组件并且现有的子电路可以容易纳入计划。事实上,在这个原型系统对象使用有一些对象重用开发为气力时序电路设计进行了研究。此外,面向对象的方法项目可以提供给液压系统工程师比基于规则的,以及设计方面的知识的新的思维形式。6 结论 这项工作已经涵盖了混合的人工自能、面向对象技术和CAD技术建设的系统并且有能力解决问题的结构设计。这提出了面向对象的方法是一种新的方法电路设计。如果概念的基础上,采用动态模块液压系统识别物体它已经被证实是成功的工作,而且复杂液压应用领域是十分有效的。在文献中发现了组件细节考虑和建议在这个CAD系统相比其他更为广泛的液压应用的专门系统。此外,该重建原则使类型结构液压电路和组件具有不定义错误。该系统将进一步扩展处理流体动力系统装配问题。声明作者要感谢曼内斯曼博世力士乐(中国)有限公司员工在核查的系统的帮助。这项研究是由香港理工大学研究,批准号为:341 /165。参考文献1。伯顿,R. 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Excavators working environment is relatively poor, the requested action is relatively complex. For excavators hydraulic system design is particularly important. This article is about the 36000KN single general-purpose bucket hydraulic excavator hydraulic system design, program development of the hydraulic system, the system piping diagram of the design, the design of the hydraulic tank. Working conditions and the conditions required of the hydraulic excavator, hydraulic system design includes five aspects: the walking system, rotary system, the bucket system, the system of the stick and boom system design. For the realization of the basic requirements of the conditions of the excavator, the hydraulic system used in this paper is dual-pump dual-circuit system, its main advantage is that the engine power can be fully utilized, while achieving a bucket rotating, retractable and move Stick Raising a faster pace of work, thereby increasing productivity. Dual-pump circuit with manual valve control is simple, safe and reliable. The design idea is from the starting performance and movements of the excavator in general, as well as various parts of the requirements, in order to achieve safe and reliable, easy to operate for the purpose of developing its own full set of hydraulic system solutions. After careful design calculations, to find information to write this paper. The final completion of the pilot servo control, simple structure, clarity, low cost, easy maintenance, a single bucket universal hydraulic excavator hydraulic system. The excavator can be widely used in the construction, municipal, water, gas, electricity, agriculture, forestry and horticulture building project.Keywords: hydraulic excavators; hydraulic system; single bucket Universal; dual-pump dual loop目 录引 言11 概述21.1 挖掘机简史21.2 国内外的情况21.2.1 国内的发展状况21.2.2 国外挖掘机目前水平及发展动向31.3 挖掘机的功能52 液压系统分析与设计62.1 设计思想62.1.1 产品开发目的与适用范围62.1.2 设计指导思想62.2 液压系统分析与拟定62.2.1 本机主要系统62.2.2单斗液压挖掘机的主要技术参数72.2.3 挖掘机的作业程序及其动作特点82.2.4 挖掘机的液压系统92.3 本机的技术要求92.4 挖掘机液压系统方案的拟定93 液压系统的计算123.1 行走驱动计算123.1.1 行走装置基本要求及运动方式123.1.2 行走系统液压回路设计123.1.3 单个行走马达计算133.2 回转驱动计算143.2.1 回转装置基本要求及运动方式143.2.2 回转系统液压回路设计153.2.3 回转马达流量的计算及选型153.2.4 回转油缸的计算及选型163.3 铲斗系统设计183.3.1 铲斗系统液压回路设计183.3.2 铲斗油缸作用力的确定193.3.3 铲斗油缸尺寸的计算203.4 斗杆系统设计213.4.1 斗杆系统液压回路设计213.4.2 斗杆油缸作用力的确定213.4.3 斗杆油缸尺寸的计算223.5 动臂系统设计233.5.1 动臂系统液压回路设计233.5.2 动臂油缸作用力的确定243.5.3 动臂油缸尺寸的计算243.6 主回路液压泵的选择253.6.1 各液压缸流量的确定253.6.2 主回路液压泵的选择264 液压原理图的拟定274.1 制定基本方案274.1.1 制定调速方案274.1.2 确定回路方式274.1.3 选用液压油液274.2 液压系统原理图的拟定284.2.1 液压元件的选择284.2.2 液压系统原理图的拟定294.3 管路油管的选择294.3.1 油管内径的确定304.3.2 管接头的选择304.3.3 螺塞的选取304.3.4 液压油箱的确定305 液压系统性能的验算315.1 液压系统压力损失315.1.1 沿程压力损失315.1.2 局部压力损失315.2 液压系统的发热温升计算315.3 液压装置的结构设计33总结35谢 辞36参考文献37引 言当今中国正处于开展大规模的经济建设的关键时期,必不可少的需要大量的土石方施工机械为其服务。液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械,作为工程机械中的主要机种之一。由于液压挖掘机具有品种多,功能多,质量高及效率高等特点,因此受到了广大施工作业单位的青睐,并且它的生产制造业也日益蓬勃发展。因此,如何设计一种工作可靠,结构简单,高效率,性能好,成本低,维护简单,使用方便的液压系统便成了一个非常具有调研意义的课题。单斗通用型液压挖掘机是采用了液压传动的挖掘机以其技术性能高,结构简化,整机质量小,维修简单等特点,对于减轻工人体力劳动,提高施工机械化水平,加速施工进度,促进各项建设事业的发展,都有着重要的作用。1 概述1.1挖掘机简史从第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史,在这期间经历了由蒸汽驱动回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、以及应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。 由于液压技术的初步应用,在20世纪40年代初开始出现了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机,到了20世纪50年代初期和中期先后研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。在初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术,但由于缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件,制造质量的稳定性不够,配套件也不齐全。到了20世纪60年代起,液压挖掘机正式进入全面推广和蓬勃发展的阶段,各国挖掘机制造厂和品种增加速度很快,产量急剧上升。在1968-1970年间,液压挖掘机的总产量已占挖掘机总产量的83%,目前已接近100%。1.2国内外的情况1.2.1国内的发展状况 我国的挖掘机生产起步相对较晚,从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m3的机械式单斗挖掘机到现在,大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。在新中国成立初期,主要以测绘仿制前苏联20世纪3040年代的W501.W502.W1001.W1002等机械式单斗挖掘机为主,从而开始了我国的挖掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要,先后共建立起十多家挖掘机生产厂。从1967年起,我国开始自主研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。之后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型和杭州重型机械厂的WY250型挖掘机等。它们的成功研制为我国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。 到20世纪80年代末,在我国挖掘机生产厂已有30多家,生产机型达到40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列,斗容有0.12.5 m3等12个等级、20多种型号,还生产0.5-4.0m3以及大型矿用10m3、12m3机械传动单斗挖掘机,1m3隧道挖掘机,4m3长臂挖掘机,1000m3/h的排土机等,同时还开发了斗容量为O.25m3的船用液压挖掘机,斗容量为O.4m3、O.6m3、0.8m3的水陆双用挖掘机等。但总体来讲,我国挖掘机生产批量小、分散,生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比,还是具有有很大的差距。 改革开放以来,我国积极引进、消化、吸收国外先进技术,以促进我国挖掘机行业的发展。其中贵阳矿山机器厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂等分别引进德国利勃海尔(Liebherr)公司的A912.R912.R942.A922.R922.R962.R972.R982型液压挖掘机制造技术。在这之后几年,杭州重型机械厂引进德国德玛克(Demag)公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术,北京建筑机械厂引进德国奥加凯(0&K)公司的RH6和MH6型液压挖掘机制造技术。与此同时,还有山东推土机总厂(其挖掘机生产基地改名为山重建机有限公司,包括STRONG和JCM两个品牌)、黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的PC100、PC120.PC200、PC220.PC300、PC400型液压挖掘机(除发动机外)的全套制造技术。这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植,使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平,产量也逐年提高。由于国内对液压挖掘机的需求量不断增加而且多样化,在国有大、中型企业产品结构的调整的基础上,牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。 同时业内人士指出,在我国单斗通用型液压挖掘机应向全液压方向发展,同时斗容量宜控制在0.1-15 m3,而对于大型及多斗液压挖掘机,由于液压元件的制造、装配精度要求比较高,施工现场维修条件相对比较差等,则仍以机械式为主。目前应着手研究、运用电液控制技术,从而实现液压挖掘机操纵的自动化。1.2.2国外挖掘机目前水平及发展动向 工业相对比较发达的国家的挖掘机生产相对比较早,法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量为3.5-40m3单斗液压挖掘机的主要生产国,在20世纪80年代时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50-150m3剥离用挖掘机,斗容量132m3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168.2m3的步行式拉铲挖掘机,斗容量107m3的剥离用挖掘机等,是世界上目前最大的挖掘机。 自从20世纪后期开始,国际上挖掘机的生产面向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展,其主要表现在以下7个方面: 1、开发多品种、多功能、高质量以及高效率的挖掘机。为了满足市政建设和农田建设的需要,国外发展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘机,其中最小的斗容量仅仅是在0.01m3。另外,数量最大的中、小型挖掘机趋向于一机多能,配备了多种工作装置其中除了正铲、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,从而能够满足各种施工的需要。与此同时,还发展专门用途的特种挖掘机,例如低比压、低嗓声、水下专用和水陆双用挖掘机等。2、迅速发展全液压挖掘机,不断改进和革新控制方式,从而使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到了液压操纵、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等。在危险地区或水下作业时可采用无线电操纵,利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合,从而实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。挖掘机的全液压化为所有的这一切奠定了基础和创造了良好的前提条件。3、高度重视采用新工艺、新技术、新结构,加快系列化、标准化、通用化的发展速度。例如,德国的阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置,从而使挖掘机按最适合其作业要求,工况情况的速度来工作;美国林肯贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动的控制液压系统,其可自动调节流量,从而避免了驱动功率的浪费。并且安装了CAPS(计算机辅助功率系统),大大提高挖掘机的作业功率,从而更好地发挥了液压系统的功能;日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统,其利用精控模式选择系统,减少燃油、液压功率的消耗和发动机功率,并使零部件的使用寿命大大提高;德国奥加凯(O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性,从而使油泵具有最大的工作效率;日本神钢公司在新型的904、905、907、909型液压挖掘机采用智能型控制系统,即使是无经验的驾驶员也能够进行相对比较复杂的作业操作;德国利勃海尔公司开发了ECO(电子控制作业)的操纵装置,可根据作业要求调节挖掘机的作业性能,取得了低油耗、高效率的效果;美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及功率方式选择器、扭矩载荷传感压力系统等,从而进一步提高了挖掘机的稳定性和作业效率。韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS-电子功率优化系统,根据发动机负荷的变化,可以自动调节液压泵所吸收的功率,使发动机转速始终保持在额定转速左右,即发动机始终以全功率运转,这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率,又防止了发动机因过载而熄火。4、更新设计理论,提高可靠性,延长使用寿命。美、英、日等国家广泛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,并且将疲劳损伤累积理论、断裂力学、优化设计、有限元法、疲劳强度分析方法、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面,从而促进了产品的优质高效和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法,并且创立了预测产品失效和更新的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序,研制了可靠性住处处理系统。在上述基础理论的指导下,同时通过借助于大量试验,大大缩短了新产品的研究周期,加快了液压挖掘机更新换代的进程,并且提高其耐久性和可靠性。例如,液压挖掘机的运转率达到85%-95%,其使用寿命超过1万小时。5、改善驾驶员的劳动条件,加强对驾驶员的劳动保护。液压挖掘机采用倾翻保护结构和带有坠物保护结构的驾驶室,安装可调节的弹性座椅,用隔音措施降低噪声干扰等保护措施,从而加强对驾驶员的劳动保护。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。因为变量系统在油泵工作过程中,压力减小时增大流量,使液压泵功率保持恒定,即装有变量泵的液压挖掘机可以经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量(降低速度),使挖掘力成倍增长率加;采用三回路液压系统,产生三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通,成为开式回路的第二个独立的快速成运动。此外,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前提条件。7、迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。从20世纪70年代起,为了节省能源消耗和减少对环境的污染,使挖掘机的操作轻便和安全作业,降低挖掘机噪音,改善驾驶员工作条件,逐步在挖掘上应用了电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、操作轻便、节能环保、可靠耐用、安全舒适等方面性能要求的提高,促使了机电一体化在挖掘机上的应用,并使其各种性能都有了质的飞跃。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,亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及功率优化系统、油门控制系统、监控系统、工作模式控制系统等电控系统。1.3挖掘机的功能挖掘机是一种用来开挖土方的施工机械,它是利用铲斗上的斗齿切削土壤并装人斗内,装满土后再提升铲斗并回转到卸土地点卸土,然后再使转台回转、铲斗下降到挖掘面,进行下一次挖掘并如此循环。挖掘机在建筑、水利、筑路、采矿、电力、石油、天然气管道铺设和军事工程中都被广泛地应用。挖掘机主要用于筑路工程中的堑壕开挖,水利工程开挖沟渠、运河和疏浚河道,建筑工程开挖基础,在采石场、露天开采等工程中剥离和矿石的挖掘等。据统计,工程施工中大约有60左右的土石方量是靠挖掘机完成的。此外,挖掘机更换工作装置后还可进行浇筑、起重、安装、打桩、夯土和拔桩、破碎等作业。挖掘机作业过程是以切削刃切削土壤,实现破土、装土、提升回转、卸土,再返回进行第二次挖掘,挖完一段时间之后,机械移位继续挖掘。为了实现上述周期性作业动作要求,就需要以下组成部分:工作装置、回转机构、动力装置、传动装置(液压部分)、操纵装置、行走装置等。现通常按结构分为:行走装置、回转平台、工作装置。根据其构造和用途可以区分为:履带式、步履式、轮胎式、半液压、全液压、非全回转、全回转、铰接式、通用型、专用型、伸缩臂式等多种类型。行走装置是挖掘机的支柱,承受挖掘机的全部质量以及挖掘机的载荷,为挖掘机提供行走、转弯和爬坡的能力,总之挖掘机在工作时行走装置起到支撑和稳定的作用。回转装置是液压挖掘机的机体,转台上部设有动力装置和传动系统。发动机是液压挖掘机的动力源,大多采用柴油发动机,在方便的场地也可改用电动机。工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由铲斗、斗杆、动臂等三部分铰接而成。铲斗转动、斗杆伸缩和动臂起落都用往复式双作用液压缸控制。为了适应各种不同施工作业的需要,液压挖掘机可以配装多种工作装置,如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。2 液压系统分析与设计2.1 设计思想2.1.1 产品开发目的与适用范围 根据我国工程机械工业协会统计数据显示表明,在2011年我国挖掘机销量已达到16万台以上,同比增幅达到60%左右。挖掘机的市场需求与我们国家的固定资产投资息息相关。不可否认,随着我国城镇化步伐的加快以及中、西部开发进程的提速,挖掘机行业在“十二五”期间仍然会有着较好的市场潜力。2009以来国家对农业的投资力度进一步加大,另外2003年起我国西部开发建设,南水北调工程的启动,同样将需要大量的工程机械产品,尤其是针对中,小型号的液压挖掘机的需求量必将持续增长。 因此如何能够设计出高质量,高效率,高性能,低成本的挖掘机对于我国市场的发展,乃至对我国各方面的发展都将有着非常重要的意义。 经过长期调研,发现310吨级液压挖掘机在农业、农村、农民以及城乡个体、私营、集体企业中具有较好市场。本次毕业设计中的单斗通用型液压挖掘机主要用于民用建设、农田水利、市政工程、房产开发、修筑道路等土石方施工。2.1.2 设计指导思想一、贯彻“质量第一”的设计方针,力求结构合理,性能优化,可靠性高。二、要贯彻“三化”原则(标准化、通用化、系列化),尽可能地考虑零部件的通用性,实现投资少,见效快。三、外协件应立足于国内,但液压件尽量选国外产品,并有一定的先进性和可靠性。四、产品应符合国家、以及相关标准,并学习引用国外先进技术。2.2 液压系统分析与拟定2.2.1 本机主要系统1、 发动机本次毕设中单斗通用型液压挖掘机采用的发动机型号是Cummins6BT5.9-C。该发动机的主要优点是:耗油低,噪音小,性能可靠。当然,发动机的型号并不是唯一确定的,也可以根据用户的要求,自己选用满意的发动机型号。二、液压系统根据本次设计方案与设计思路,本次毕设中单斗通用型液压挖掘机的液压系统采用的是双泵双回路全功率变量系统,其主要优点是发动机的功率能得到充分利用。3、 行走系统采用钢履带底盘,操作灵活,经济实惠,挖掘机行走也相对比较方便。2.2.2单斗液压挖掘机的主要技术参数 图2-1 单斗通用型液压挖掘机如图21所示挖掘机的外形尺寸如下:表2-1 外形尺寸外形尺寸尺寸大小(mm)外形尺寸尺寸大小(mm)A上部宽度2710H总长(运输时)5430B总高度(驾驶室顶)2930I尾部回转半径2750C总高度(运输时)2960J配重高2020D履带板宽度600K配重离地间隙1090E 轨距2200L履带接地长度3260F总宽度2800M履带长度3860G最小离地间隙440N接地长度4630挖掘机的工作范围的基本要求如下: 表2-2 工作范围工作范围尺寸大小(mm)最大挖掘高度(mm)7315最大卸载高度(mm)6485最大挖掘深度(mm)6630最大垂直壁挖掘深度(mm)5990挖出2400mm水平时的最大挖掘深度(mm)6445最大挖掘距离(mm)6885在地坪面的最大挖掘距离(mm)6710最小回转半径(mm)3640最小回转半径时的最大高度(mm)5580根据设计要求以及查询的资料可初步确定挖掘机的主要技术参数如下:表2-3 挖掘机的主要技术参数整机质量36000kg标准斗容0.9 m3发动机型号Cummins6BT5.9-C发动机型式6缸,四冲程,直喷,涡轮增压额定功率101.5(138PS)/2000(KW/rpm)额定扭矩556/1350(Nm/rpm)行走速度3.06.0(Km/h)回转速度12.5(rpm)接地比压45(Kpa)爬坡能力30铲斗挖掘力150(KN)斗杆挖掘力100(KN)最大牵引力200(KN)2.2.3 挖掘机的作业程序及其动作特点单斗挖掘机的工作循环是:铲斗切削土壤入斗,装满后提升回转到卸料点卸空,再到挖掘位置并开始下次作业。其作业程序及其动作特点如下表:表24 单斗挖掘机的作业程序及其动作特点作业程序动作特征顺序部件动作挖掘挖掘和铲斗回转铲斗提升到回转位置挖掘坚硬土壤以斗杆液压缸动作为主;挖掘松散土壤三个液压缸复合动作,以铲斗液压缸为主。提升回转铲斗提升转台回转到卸料位置铲斗液压缸推出,动臂抬起,满斗提升,回转马达使工作装置转至卸料位置。卸料斗杆缩回铲斗旋转卸载铲斗液压缸缩回,斗杆液压缸动作,根据卸料高度,动臂液压缸配合动作。复位转台回转斗杆伸出工作装置下降回转机构将工作装置转到工作挖掘面,动臂和斗杆液压缸配合动作将铲斗降至地面。 此外,由于挖掘机的工作环境以及工作对象变化的变化相对较大,因此对主机的工作有两项特殊要求:(1)由于在实现各种主要动作时,阻力与作业速度随着时间可能发生变化,因此,要求液压缸和液压马达的压力和流量也能发生相应的变化;(2)为了充分利用发动机的功率和缩短作业循环的时间,工作过程中往往需要要求有两个主要动作(例如挖掘与提升、提升与回转)能够同时进行。2.2.4 挖掘机的液压系统 按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求,把各种液压元件用管路有机地连接起来的组合体,称为挖掘机的液压系统。其主要功能是,以油液为工作介质,利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送,然后通过液压缸和液压马达等将液压能再次转换为机械能,从而实现挖掘机的各种动作。挖掘机的液压系统类型很多,习惯上以主泵数量和类型、变量和功率调节方式以及回路数量分类,分为单泵或多泵单路定量系统、双泵双路分功率调节变量系统、双泵双路定量系统、双泵双路全功率调节变量系统、多泵多路定量系统、多泵多路定量变量混合系统,但通常以双泵双路定量系统和双泵双路变量系统应用较多。2.3 本机的技术要求一、整机结构布置与液压管路布置应该合理可行,同时操作简便舒适,外形要美观,设计时应同时考虑制造工艺,拆装维修等各方面内容。二、整机运输、停放时应该具有合理的姿态,确保行驶稳定性好,同时又要保证安全可靠。三、配套件的选用应该力求合理、可靠、先进。设计事应考虑到“三化”,可以采用系列参数。 四、总体参数应该符合GB/T9139.11988液压挖掘机分类的规定,同时在设计时应贯彻GB/T9139.21996液压挖掘机技术条件;GB/T91401996液压挖掘机结构和性能;JB6030200工程机械通用安全技术条件;GB16710.11996工程机械噪声限值等相关标准。2.4 挖掘机液压系统方案的拟定 一、对于挖掘机液压系统的基本要求:单斗通用型液压挖掘机的动作繁复,主要机构经常启动、制动,换向,外负荷变化很大,冲击和振动也比较多,而且常在野外工作,温度和环境变化大,所以对其液压系统的要求是多方面的。根据单斗通用型挖掘机的工作特点,其液压系统要满足主机正常工作要求,即: 1) 要保证铲斗、斗杆和动臂不仅可以各自单独动作,同时也能保证可以互相配合,实现复合动作;2) 在主机工作过程中,应要求工作装置的动作和转台的回转动作既能单独进行,又能作复合动作,以提高生产率;3) 对于履带式挖掘机的左、右履带要求能够实现分别驱动,从而使挖掘机行走更加方便,转向更加灵活,同时又可以原地转弯;4) 要保证挖掘机的所有动作基本上都是可逆的,而且要求能够实现无级变速;5) 要求确保工作安全可靠,各种工况的液压缸也要具有良好的过载保护,同时行走装置和回转机构也要有可靠的制动和限速能力,从而能够防止动臂因自重而快速下降和整机超速溜坡。根据挖掘机的工作环境和条件,其液压系统还应满足以下五种条件:1) 能够充分利用发动机的功率,从而提高其传动效率;2) 系统和液压元件应能保证在外负荷变化较大以及在急剧的振动冲击作用下,还具有足够的可靠性和安全性;3) 应力求减少系统发热的总量,并且药设置轻便耐振的冷却装置,使主机在持续工作时,能够保证油温不能超过85,或者温升不大于45;4) 系统的密封性能要足够好。由于工作场地尘土较多,油液容易受到污染,所以基本要求是所用元件对油液污染的敏感性要低,同时整个系统要设置滤油器和防尘装置;5) 采用液压或电液伺服操纵装置,以便挖掘机能够实现设置自动控制系统,进一步提高挖掘机的技术性能,从而减轻驾驶员的劳动强度。二、挖掘机液压系统类型的选择:单斗液压挖掘机的液压系统根据系统压力和液压泵特性可以分为中高压和高压定量系统,高压变量系统。各种系统的优缺点如下表:表25 三种系统的优缺点定量系统高压变量系统中高压高压优点中高压定量系统大多采用外啮合齿轮泵,系统工作压力为16MPa左右, 这种液压泵具有结构简单,工作可靠,尺寸小,重量轻等特点。高压定量系统采用径向偏心柱塞泵,系统工作压力为32MPa左右,这种液压泵结构不复杂,工作可靠,耐冲击和振动,压力高,寿命长。高压变量系统大多采用恒功率调节的轴向柱塞泵,系统工作压力32MPa左右,变量泵在变量范围以内,功率基本上保持恒定,当外负荷变化时,液压泵能够自动调节流量,达到充分利用发动机功率的目的,而且效率高。缺点在定量系统中,流量固定,不能因外负荷变化而使流量作相应的变化,因此负荷小时不能提高作业速度,功率得不到充分利用。为了满足作业要求,定量系统的发动机功率要根据最大外负荷和作业速度来确定。其缺点是系统功率不能充分利用,效率低,泵的特性很硬,挖掘硬土时引起很大的溢流损失。这种液压泵结构复杂,液压系统元件也比较复杂,成本也相对比较高。同时液压泵寿命也相对比较短。三种系统比较: (1) 功率比较对于定量系统的发动机功率要按最大外负荷来确定,而对于变量系统的功率则主要决定于其平均负荷,当作业速度相同时,同等级挖掘机采用定量系统所需功率约为变量系统的1.31.4倍,而功率利用率却平均约为60。对于变量系统在变量范围以内理论上可得到100的功率利用。双回路变量系统中,功率利用情况相对比较复杂。而在双泵双回路系统合流状态下,不管是全功率变量或者是分功率变量,功率的利用都是一样的。但是,当在分流状态下情况下,在单一动作时,全功率变量的分流功率利用要优于分功率变量的分流功率利用,而且调节范围大。 (2) 主机工作性能和液压泵寿命定量泵流量固定,所以所驱动的执行元件的运动速度也相对比较稳定,不因外负荷的变化而变化,所以液压元件工作比较稳定,运动轨迹相对比较容易控制,同时还有利于开挖平面或斜面等规则表面。并且由于定量泵不是一直都在满负荷情况下运转,故泵的寿命也相对比较长。而液压挖掘机的变量系统则多采用变量泵-定量马达的组合方式来实现无级变量,并且都是双泵双回路的。根据两个回路的变量有无关联,可以分为分功率变量系统和全功率变量系统两种。其中分功率变量系统的每个油泵各有一个功率调节机构,因而油泵的流量变化只受自身所在的回路压力变化的影响,而与另一回路的压力变化则无关联,即两个回路的油泵是各自独立地进行着恒功率变量调节,两个油泵各自拥有一发动机输出功率;而全功率变量系统中的两个油泵则是由一个总功率调节机构进行平衡调节,使两个油泵的摆角能够始终相同,同步变量、流量相等。流量的变化决定系统的总压力,同时两个油泵的功率的变量范围是不相同的。其调节机构可分为机械联动式和液压联动式两种形式。分功率变量系统的功率利用相对较好,但是由于各回路的流量要分别调整,故动作的配合比较困难,尤其是挖掘机行走时,要求驾驶员必须经常手控调速,使两条履带动作协调,从而加大驾驶员的劳动强度。全功率变量系统的功率利用比较好,同时两台泵的流量始终相等,驾驶员易于掌握调速,尤其是履带式挖掘机的左、右两条履带,由于行走马达转速相同,所以不论两者阻力如何不同,仍能实现同步运行,从而保证了主机的直线行驶性能。复合动作时,尽管一个回路上外负荷很大,但由于流量相等,作业速度仍然可以加快。因此,全功率变量系统是目前最普遍采用的液压系统。然而,全功率变量系统中两泵负荷有时不同,当一泵空载时,另一泵仍可能全负荷运转,甚至可能超载运转,因此,液压泵寿命比较短。综上,基于对效率以及操作等各方面的考虑,本次毕设中对于单斗通用型液压挖掘机的液压系统采用双泵双路全功率调节变量系统。3 液压系统的计算3.1 行走驱动计算3.1.1 行走装置基本要求及运动方式因为行走装置要同时兼有液压挖掘机的支撑和运行两大功能,因此液压挖掘机行走装置应尽量满足以下要求:1) 应具有较大的驱动力,从而保证挖掘机在湿软或者高低不平等不良地面环境时可以具有良好的通过性能,同时保证其爬坡性能以及转向性能;2) 行走装置应具有较大的支撑面积,同时应具有较小的接地比压,从而提高挖掘机的稳定性;3) 挖掘机在斜坡下行走时应保证不发生下滑以及超速溜坡等现象,要保证挖掘机的安全性; 通常,液压挖掘机的行走装置,按其结构可分为履带式和轮胎式两大类。由于履带式行走装置具有较小的接地比压,驱动力大,因而越野性能以及稳其定性都比较好,同时具有转弯半径小,爬坡能力大,且灵活性好等优点,因而本次毕设中单斗通用型液压挖掘机的行走装置采用履带式行走装置,挖掘机的左、右履带要求能够分别驱动,使挖掘机行走方便,转向灵活,并且可以实现原地转弯。履带式行走装置由“四轮一带”组成,即导向轮、驱动轮、支重轮、托带轮、履带,以及组合行走架、行走马达减速机和张紧缓冲装置等零部件组成。如图3-1所示:1、导向轮 2、组合行走架 3、张紧装置 4、中护轨板 5、托带轮 6、履带 7、支重轮 8、驱动轮图3-1 行走装置 在挖掘机运行时,驱动轮在履带的紧边驱动段以及支撑段产生一个拉力,企图把履带从支重轮下拉出,但由于支撑轮下的履带与地面间有足够的附着力,从而阻止履带的拉出,迫使驱动轮卷动履带,导向轮再把履带铺设到地面上,从而使挖掘机借支重轮沿履带轨道向前运行。3.1.2 行走系统液压回路设计 根据液压挖掘机行走装置的基本要求以及其运动方式,液压挖掘机的行走液压系统回路设计原理图如图32所示,当挖掘机运动时,先开启柴油机,待其稳定运行后,通过操作机械脚踏式离合器,使液压泵上排运转并泵油。片刻之后,待液压系统进入稳定的工作状态时,将2只三位四通手动换向阀5a和5b均置于右位,则此时液压系统1,过滤器 2,液压齿轮泵 3,单向阀 4a,4b 调速阀5a,5b 三位四通手动换向阀 6,电磁溢流阀 7单向背压阀图32 液压挖掘机行走系统液压回路中的油液流动方向为:过滤器1液压齿轮泵2单向阀3调速阀 4a和4b三位四通手动换向阀5a和5b左右两驱动轮液压齿轮马达三位四通手动换向阀5a和5b单向背压阀7回流油箱,此时两驱动轮液压齿轮马达处于正转状态,挖掘机向前行驶。当遇到后退情况时,只需分别将2只三位四通手动换向阀5a和5b换位,使两驱动轮液压齿轮马达处于反转状态,挖掘机向后倒退。当挖掘机需要改变行驶方向时,只需调节调速阀 4a和4b(其中的一件)改变两履带驱动轮液压齿轮马达的转速差既能达到:若挖掘机向右转向时,调节4a阀件使右驱动轮液压齿轮马达减速;若挖掘机向左转向时,调节4b阀件使左驱动轮液压齿轮马达减速。当需紧急转弯时,将一侧驱动轮液压齿轮马达保持正向运转,将另一侧驱动轮液压齿轮马达停转或者反转。当转向完成时,需要继续向前运行时,只需恢复两驱动轮液压齿轮马达正常运转是的旋转状态即可。3.1.3 单个行走马达计算由于轴向柱塞式马达具有结构紧凑,径向尺寸小,转动惯量小,转速高,易于变量,能用多种方式自动调节流量,适用范围广等优点。故本次毕设中行走系统的液压马达选用轴向柱塞式马达,其有利于调节牵引力以及运行速度。根据样机数据以及参考机械设计手册单行本液压传动,液压马达选用长江液压件厂的GM16型液压马达,额定压力为35MPa。排量V=0.1L/r,转速=1800r/min,则:式中:马达的流量,马达理论输出转矩,马达实际输出转矩,马达理论输出功率,马达的实际输出功率,马达机械效率,0.92马达容积效率,0.93马达的总效率。3.2 回转驱动计算3.2.1 回转装置基本要求及运动方式液压挖掘机回转装置是由转台,回转支撑以及回转机构等几部分组成。回转机构的外座圈用螺栓与转台连接,而带齿的内座与底架则是用螺栓连接,内外座之间设有滚动体。挖掘机工作装置作用在转台上的水平载荷,垂直载荷和倾覆力矩是通过回转支撑的外座圈,滚动体和内座转传给底架。回转机构的壳体是固定在转台上,用小齿轮与回转支撑内座圈相啮合。小齿轮既可绕自身的轴线自转,又可绕转台中心线公转,当回转机构工作时转台就相对底架进行回转。液压挖掘机回转机构的运动约占整个作业循环时间的50%70%,能量消耗占25%40%,回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的30%40%。为提高液压挖掘机生产率和功率利用率,故对回转机构提出如下基本要求:1) 回转机构运动时,挖掘机工作装置的动载荷系数不应超过允许值。2) 当回转力矩和角加速度没有超过允许值时,应该尽可能地缩短转台的回转时间。在回转部分惯性矩已知的情况下,由于角加速度的大小受到转台最大扭矩的限制,因此此扭矩不应超过行走部分与土壤的附着力矩。3.2.2 回转系统液压回路设计 根据液压挖掘机回转装置的基本要求以及其运动方式,液压挖掘机的回转液压系统回路设计原理图如图33所示,当挖掘机处于挖掘状态时,需要挖掘平台做频繁的 1,过滤器 2,液压齿轮泵 3,单向阀 4,三位四通手动换向阀5a,5b 液控溢流阀 6a,6b 单向阀 7a,7b 液控单向阀 8 溢流阀图33 液压挖掘机回转系统液压回路回转运动此时将三位四通手动换向阀4置于左位则此时液压系统中的油液流入方向为:过滤器1液压齿轮泵2单向阀3三位四通手动换向阀4单向阀6a液控单向阀7a左油缸右腔,右油缸左腔;而油液流出方向为:左油缸左腔,右油缸右腔液控单向阀7b液控溢流阀5b三位四通手动换向阀4回流油箱,此时挖掘机机工作平台顺时针旋转,当需要工作台逆时针旋转时,将三位四通手动换向阀4置于左位此时油液流过该换向阀之后的流动方向变为:单向阀6b液控单向阀7b左油缸左腔,右油缸右腔。回油方向为:左油缸右腔,右油缸左腔液控单向阀7a液控溢流阀5a三位四通手动换向阀4回流油箱。挖掘平台回转速度的快慢可以通过调节溢流阀5a和5b,改变两液压油缸进油和回油的速度来实现。3.2.3 回转马达流量的计算及选型平台回转启动力矩一般小于制动力矩,当回转机构仅靠液压制动时,启动力矩小于或等于制动力矩,所以可以取:当回转机构带附加机械制动时,可高达2,一般取=1.6.对于一定的回转机构来说,当启动力矩和制动力矩越大时,则平台回转加速度和减速度也越大,从而提高回转速度,缩短了回转时间。但当回转速度过大时会增加动载荷以及冲击,同时启动力矩和制动力矩的增大也受地面附着条件的限制。地面附着条件可用地面附着力矩表示。机械制动一般取液压制动可取。履带式液压挖掘机地面附着力矩的计算可以采用下面的简化公式:式中 地面附着力矩,; 整机质量, 地面附着系数,平面履带板取,带筋履带板取。则 又 设经过四级减速,传动比;则马达所受的最大力矩: 理论排量:据此,可根据机械设计手册单行本液压传动可选用柱塞马达GYA6V160HD2FZ20900,排量为160,最高转速为2650。3.2.4 回转油缸的计算及选型1,回转油缸工作压力的确定液压缸的工作压力主要是根据液压设备的类型来确定,对不同的液压设备,由于工作条件的不同,通常采用的压力范围也是不同的。设计时可采用类比法来确定。各种常见液压设备的压力范围如下表:表31各类机械常用的系统工作压力设备类型精加工机床组合机床拉床农用机械,小型工程机械,工程机械辅助机构液压机,重型机械,大中型挖掘机,起重运输机械工作压力P/0.82355101161632初选系统工作压力为30。2, 缸径D和柱塞缸直径d的确定 挖掘机液压缸均为单活塞杆液压缸,其原理图如下所示:图34 液压缸原理图液压缸直径D和柱塞缸直径d的选取可根据如下表所示:表32按工作压力选取d/D值工作压力0.50.550.620.700.7由缸受力平衡知: (3-1)式中 液压缸的工作压力,初算时可选取系统工作压力=30; 液压缸回油腔背压,初算时可选取系统工作压力=1; 活塞缸与液压缸内径之比,按表32取=0.7; F工作循环中的最大外载荷,此处一般选取F=500; 液压缸机械效率,一般取=0.9将上式代入液压缸受力平衡方程式得:(3-2) =0.155 =155 圆整取D=160则,圆整取。3, 缸壁厚和外径的计算先按薄缸进行计算则应满足 (3-3) 式中 试验压力,一般取最大工作压力的(1.251.5)倍; 缸桶材料许用应力,无缝钢管=100110;则可取=1.3=,=110。此时,=0.16/0.028=5.71,不满足薄缸条件。故应按中等缸壁厚计算公式计算 。此时 (3-3)式中 强度系数,对无缝钢管 =1; 用来圆整壁厚。则 取此时,=0.16/0.03=5.33,满足中等缸条件,则缸外径=。3.3 铲斗系统设计3.3.1 铲斗系统液压回路设计 单斗通用型液压挖掘机的双泵双回路系统中,为了提高生产率,要求铲斗转动、斗杆收放和动臂提升有较快的工作速度,因此,需要考虑双泵合流问题。即双泵虽然各自构成独立的回路,但必要时,可以向一个执行元件共同供油。根据铲斗缸的工况情况,设计铲斗系统液压回路如图35所示。 当铲斗缸正向运动时,此时三位四通换向阀处于右位,其进油方向为:油箱过滤器1b液压齿轮泵2b调速阀8三位四通换向阀4铲斗缸左腔;回油方向为:铲斗缸右腔单向阀6过滤器1c回流油箱。若需要双泵合流,则需将二位二通换向阀置于右位,如图所示即可,则此时进油方向为:油箱过滤器1a,1a,1b,1c 过滤器 2a,2b 液压齿轮泵 3 二位二通换向阀4 三位四通换向阀 5 液压缸 6 单向阀 7 溢流阀 8 调速阀图35 铲斗系统液压回路1b液压齿轮泵2a,2b调速阀8三位四通换向阀4铲斗缸左腔;回油方向为:铲斗缸右腔单向阀6过滤器1c回流油箱。若要铲斗缸反向运动时,只需将三位四通换向阀处于左位即可。3.3.2 铲斗油缸作用力的确定 反铲装置在工作过程中,当以转斗挖掘为主时,其最大挖掘力为铲斗缸设计依据。初步设计时按额定斗容及工作条件(如土壤级别),按照任务书的设计要求,选斗齿的最大挖掘力,并按最大挖掘深度时所能保证的具有最大挖掘力来分析确定铲斗油缸的工作力。如图36所示,为简单起见,可忽略斗和土的质量,并且忽略了各构件质量以及连杆机构效率影响因素,此时铲斗油缸的作用力为: (3-4)式中 铲斗缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂,; 对铲斗与斗杆铰点的力臂,;已知 =1500 =450而这时斗杆及动臂油缸均处于闭锁状态,斗杆油缸闭锁力应满足 (3-5) 式中 斗杆闭锁力对斗杆与动臂铰点的力臂,; 对斗杆与动臂铰点的力臂,; 对斗杆与动臂铰点的力臂,; 挖掘阻力的法向方向力,取图36 铲斗缸受力分析图 已知 =450 =4000 =700 动臂油缸闭锁力应满足
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