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挖掘机的液压系统设计
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毕业设计（论文）
题目：
液压挖掘机的液压系统设计
作者陆佳届别2008届
系别机械工程学院专业机械设计制造及其自动化
指导教师李实职称
完成时间2012年5月20日
摘要
液压系统是目前挖掘机必不可少的组成部分，液压系统通过改变压强增大作用力来工作。
完整的液压系统包括：
动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。
挖掘机的工作环境复杂多变，所以对于液压系统提出了很高的设计要求。
在搜集国内外液压系统相关资料的基础上，了解其发展过程，分析总结了液压挖掘机的技术发展动态,了解液压挖掘机液压系统的结构。
液压挖掘机由多个系统组成，包括液压系统、传动系统、操纵系统、发动机、油箱、转台等等。
本设计致力于挖掘机的液压系统的设计。
关键词：
液压系统 液压挖掘机液压元件
Summary
Thehydraulicsystemisanintegralpartofexcavator，hydraulicsystemistoworkbychangingthepressuretoincreasetheforce.Theintacthydraulicsystemisincluding:
powercomponents,theimplementationofcomponents,controlcomponents,auxiliarycomponentsandhydraulicoil.Theexcavatorworkingenvironmentiscomplexandchangeable,soitisveryhighrequirementofdesigntohydraulicsystem.
Inthecollectionofdomesticandforeignhydraulicsystemonthebasisofrelevantinformation,understandingofitsdevelopmentprocess,analyzedandsummarizedthetechnologydevelopmentofhydraulicexcavator.Understandhydraulicexcavatorhydraulicsystemstructure.Hydraulicexcavatoriscomposedofapluralityofsystemcomponents,includingthehydraulicsystem,drivesystem,controlsystem,engine,fueltank,tableandsoon.Mydesignfocusedonthedesignofhydraulicsystemofexcavator.
Keywords:
hydraulicsystemexcavator
摘要II
SummaryIII
第一章前言1
1.1前言1
1.2挖掘机的简介2
1.3国内外的发展趋势2
1.3.1国内发展趋势2
1.3.2国外发展趋势3
1.4本设计的主要内容4
1.4.1了解液压挖掘机液压系统的结构4
1.4.2挖掘机液压系统设计要求4
第二章液压挖掘机结构与工作原理4
2.1液压挖掘机的系统组成4
2.1.1动力系统4
2.1.2液压系统5
2.1.3机械系统5
2.1.4控制系统5
2.2液压挖掘机结构5
2.2.1液压挖掘机组成5
2.2.2单斗反铲液压挖掘机6
2.2.3液压挖掘机工作循环过程7
2.3液压挖掘机传动原理7
第三章挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定8
3.1液压系统的工况分析8
3.1.1挖掘工况分析9
3.2挖掘机液压系统的设计要求9
3.2.1满斗举升回斗工况分析11
3.2.2卸载工况分析11
3.2.3空斗返回工况分析12
3.3挖掘机液压系统的设计要求12
3.3.1动力性要求13
3.3.2操纵性要求13
3.3.3节能性要求14
3.3.4安全性要求14
3.3.5其它性能要求14
3.4液压系统方案拟订14
第四章液压系统的设计15
4.1确定油缸所受的作用力15
4.1.1铲斗油缸作用力的分析15
4.1.2斗杆油缸作用的确定18
4.1.3动臂油缸作用力分析19
4.2各油缸尺寸的确定20
4.2.1铲斗油缸工作压力的确定20
4.2.2缸径和油塞杠直径的确定21
4.2.3缸壁厚和外径的计算21
4.3斗杆油缸尺寸的计算22
4.3.1由铲斗油缸计算步骤知斗杆缸受力平衡22
4.3.2缸壁厚和外径的计算22
4.4动臂缸的尺寸计算23
4.4.1由铲斗油缸计算步骤知动臂油缸受力平衡23
4.4.2缸壁厚和外径的计算23
4.6各液压缸和马达流量的确定24
4.6.1每个缸的流量计算25
4.6.2回转马达的流量的计算及选型25
4.6.3行走马达的选用26
4.6.4主回路液压泵的选择27
4.7管路油管的选择28
4.7.1油管内径的确定28
4.7.2管接头的选择28
4.7.3螺塞的选用29
4.8液压油箱的确定29
4.8.1液压系统的发热和升温的验算29
4.9液压装置的结构设计30
4.9.1阀集成款30
结论31
参考文献32
致谢33
第一章前言
1.1前言
作为具有多功能这一特性的机械，液压挖掘机被广泛使用于交通运输，矿山采掘和电力工程等施工中，挖掘机减轻了作业难度，提高作业效率，加快建设速度以及提高劳动生产率方面表现出十分显著的作用。
具有多种品种、多功能、高质量及高效率等特点的液压挖掘机，受到了施工作业单位的青睐。
液压挖掘机的生产制造也日益发展起来。
液压挖掘机和液压传动密不可分，液压技术是其发展的基础。
液压挖掘机的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，恶劣的工作条件，加上要实现复杂的动作，因此它对液压系统的设计提出了很高的要求，所以对挖掘机液压系统的分析设计已经成为推动挖掘机发展的关键环节。
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.行走马达
图1液压挖掘机整体系统图
1.2挖掘机的简介
从第一台挖掘机的诞生，距今挖掘机历史已有130多年，经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机到应用机电一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。
由于液压技术的应用，20世纪40年代诞生了悬挂式挖掘机，灵感来自于在拖拉机配装液压反铲。
拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机相继在50年代中期研发出来。
进入到20世纪60年代，液压挖掘机进入了发展的黄金阶段，各国挖掘机制造厂产量猛增，并且品种越发的多。
1.3国内外的发展趋势
1.3.1国内发展趋势
我国的挖掘机发展较晚，1954年抚顺挖掘机厂才生产出第一台机械式单斗挖掘机，至今，技术仍比较薄弱。
建国初期，从仿制苏联的挖掘机开始了我国挖掘机生产过程。
由于发展经济的需要，先后共建立起十多家挖掘机制造厂。
从20世纪60年代开始，我国开始液压挖掘机的研发。
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。
随后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型杭州重型和机械厂的WY250型挖掘机等。
他们是中国液压挖掘机发展道路上的重要里程碑。
到20世纪80年代末，制造厂已达到30多家，品种更是已由40多种。
斗容在0.1～2.5立方米的挖掘机已成系列，船用和水路两用的特种挖掘机也相继诞生。
但是总的来说，和国际水平相比较，我国的挖掘机发展仍处于小规模，技术薄弱阶段。
通过改革开放，国外先进技术的引进，促进了我国挖掘机的发展。
其中合肥、上海、长江等挖掘机厂引进德国利勃海尔公司的A型、R型液压挖掘机制造技术。
相继杭州重型机械厂引进德国德玛克公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术，还有山东推土机总厂、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型液压挖掘机的全套制造技术。
这些厂通过技术的引进、消化、吸收，全面的提高了国产液压挖掘机的性能，产量也逐年提高。
1.3.2国外发展趋势
发达的工业国家，挖掘机的发展很早，这些国家主要生产斗容量3.5-40立方米的单斗液压挖掘机，并且从20世纪80年代就开始生产各种大型挖掘机。
比如，美国马利昂公司研制的步行式拉铲挖掘机，此大型挖掘机的的斗容量达到130多立方米。
还有剥离式挖掘机，此挖掘机的斗容量已达150。
伊利公司制造的步行式挖掘机，该种挖掘机的斗容量是恐怖的107立方米。
从20世纪后期开始，发达国家挖掘机的发展趋势变为大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化。
1）研发多功能化的挖掘机。
为满足市场需要，国外开始研发特型挖掘机，此类挖掘机以小著称，斗容量仅为0.01立方米左右。
中小型挖掘机的发展趋势开始向一机多能的方向发展，为了满足多样的作业需求，配备了多种装备，适用于抓、装、拉、铲等等作业动作。
并且相继诞生了一些适用于特殊场合的特种挖掘机。
2）重视先进的技术，现代化工艺和新结构，挖掘机生产规模更具标准化。
例如，采用发动机自动转速调整装置的挖掘机，来自于德国阿特拉斯公司制造。
确保挖掘机在最合适的速度下完成动作。
贝尔特公司采用了全自动液压系统，使新C系列LS型液压挖掘机得到了更优越的操纵特性，该系统可以根据需要调节流量的供应，大大的提高了生产效率。
日本住友集团在新研制的挖掘机上采用功率控制系统，该系统运用了计算机技术，不仅节省了燃料，发动机和液压功率也很大程度的得到了节省，使零部件的寿命得到增加。
德国挖掘机公司率先采用了带有合流性质的油泵自动调节系统，工作效率得到最大限度的提高。
智能调节系统被日本神钢挖掘机公司运用在新型液压机上，使各种难度的作业操作变的简单明了。
ECO（电子控制作业）技术被德意志利勃海尔公司研制出来，作业性能可以视情况调整，取得了高效率、低油耗的效果。
3）大力研制全液型挖掘机，采用最前沿的技术不断改进和革新控制方式，使液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵等操纵方式逐步取代简单的杠杆操纵。
在危险地区，如水下作业将采用无线电操纵，利用电子计算机接收器和激光导向相结合的技术，实现作业操纵的完全自动化。
所有这一切，挖掘机的全液压化是其基础和创造的前提。
1.4本设计的主要内容
1.4.1了解液压挖掘机液压系统的结构
挖掘机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，由于挖掘机的工作环境恶劣，需要完成复杂的动作，所以液压系统的设计要满足很苛刻的要求，液压挖掘机的液压系统也是其他工程机械液压系统中最为复杂的[1]。
1.4.2挖掘机液压系统设计要求
液压挖掘机一个工作循环分为四种工况：
挖掘、满举回转、卸载和卸载返回。
进行详细的分析，总结各个工况各执行元件的主要复合动作，根据它们的工作特点，分析液压挖掘机的系统设计要求：
动力性要求和操纵性要求[2]。
第二章液压挖掘机结构与工作原理
2.1液压挖掘机的系统组成
液压挖掘机可分为:
动力系统、液压系统、机械系统、控制系统，如图2.1所示。
作为一个有机体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有这密切关系，必然也离不开液压系统、控制系统等性能的优劣。
2.1.1动力系统
挖掘机工作环境温差大，土石沙粒较多，负荷变化范围大，经常倾斜工作，维护条件恶劣。
因此液压挖掘机原动力的第一选择就是柴油机，因为柴油机具有功率特性曲线硬、可靠、燃油经济等特点。
2.1.2液压系统
液压传动系统用来实现挖掘机的回转、行走和工作装置的运动等等动作，原动机驱动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀。
通过司机的操纵，液压泵将压力油单独或同时送往液压执行元件来驱动执行机构工作。
液压挖掘机的各种主要动作都依靠液压传动来实现。
根据各种运动的需要，有机的连接起液压元件和油管，它们组成的一个整体即是液压系统。
这个整体的功能就是用油液当做介质把机械能通过油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等再转变为机械能，再传动各执行机构，以实现各种运动[3]。
2.1.3机械系统
机械系统弯沉挖掘机的各种动作，主要包括行走装置、回转机构还有工作装置。
行走装置将要负担起支撑整个机械的重量，并且能够保证挖掘机可以小范围内行驶。
根据结构不同可分为轮胎和履带式。
回转机构可以确保挖掘机上半部分绕着回转轴作360度回转。
挖掘机作业过程所用到的主要装置是工作装置，常用的装置有正、反铲、起重、装载等装置，并且不同的结构形式可以适用于同一装置上，实际运用中，反铲装置得到了广泛的喜爱[4]。
2.1.4控制系统
液压挖掘机控制系统用来控制发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件（液压缸、液压马达）。
电子计算机技术的快速进步，使得挖掘机的控制系统得到了先进的技术支持，促使液压挖掘机的研究重点正逐步向智能化控制系统方向转移。
2.2液压挖掘机结构
2.2.1液压挖掘机组成
为了实现液压挖掘机的各种运动，单斗液压挖掘机有两个基本组成部分，即机体（或称主机）和工作装置。
机体是完成挖掘机基本动作的基础，可以是履带牵引车辆或为轮式牵引车辆。
上车部分包括动力装置、操纵装置、回转装置和一些辅助装置，回转平台上装配着上车部分。
回转支撑连接着回转平台和行走机构（又称下车部分），平台可以绕着中央轴做360度的回转。
不同的工作性质配备不同的工作装置，例如配备反铲、正铲、装载、起重等装置时，将分别完成挖掘、装载、抓取、起重、破碎、修坡、清沟等不同性质的工作。
挖掘机的各部分的构造、性能决定挖掘机的总体性能[5]。
2.2.2单斗反铲液压挖掘机
反铲装置是挖掘机的主要工作装置，目前得到很广泛的适用。
选用反铲装置的液压挖掘机的斗容量一般小于1.6立方米，它分为整体臂式和组合臂式。
整体鹅颈式动臂结构适用于长期作业的挖掘机。
该动臂有利于增加挖掘机深度，结构简单、更经济。
刚度相同时，其重量轻于组合动臂，所以该工作装置受到广泛的青睐。
单斗液压挖掘机最常用的结构型式为铰接式，即为动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接。
在液压缸的压力作用下各部件绕铰接点转动，完成挖掘、提升和卸土等动作。
如图2.1所示，整体鹅颈式动臂反铲挖掘机工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。
斗杆铰接于动臂的上端，斗杆与动臂的相对角度由斗杆油箱控制。
当斗杆油缸伸缩时，斗杆绕动臂上铰点转动。
同理，铲斗与斗杆前端铰接，铲斗油缸伸缩带动铲斗转动。
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
图2.1反铲挖掘机工作装置
2.2.3液压挖掘机工作循环过程
首先土石装载车和液压挖掘机进入施工场所，装载停靠在合适位置。
司机操控挖掘机行驶到作业地点，在执行上面所诉动作时，同时操纵动臂油缸伸缩，动臂会下降，直至铲斗停靠到地面为止。
然后司机通过控制斗杆和铲斗油缸的换向阀，使得两个油缸大腔流进油液，继而进行挖和装的复合动作。
铲斗装满土石后，将两油缸的操纵把手扳回原位，从而使斗杆和铲斗油缸停止进油，继而调节动臂缸换向阀，使动臂下腔进油使动臂提升，抬起满载的铲斗到半空，操纵换向手柄，使平台回转，使土石转移到装载车的上面，再操纵斗杆油缸使铲斗高度下降一点，在适当的高度使铲斗卸土。
土方卸完后，使平台回转并且降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以进行下一工作循环[6]。
2.3液压挖掘机传动原理
液压挖掘机通常采用三组液压缸从而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平台运动，所以使铲斗运动范围扩大到有限的空间。
再通过行走马达驱动行走，挖掘空间间断性的得到扩大，从而满足复杂的作业动作要求。
连杆原理被挖掘机应用于工作装置上，各部分动作的完成依赖于油缸的伸缩。
工作装置由三组液压缸、斗杆、动臂等组成。
转台上铰接着动臂的一个铰点，动臂油缸控制着动臂及整个工作装置的运动。
依靠斗杆缸的伸缩实现斗杆围绕动臂铰点运动。
斗杆末端铰接着铲斗，通过铲斗缸伸缩和连杆运动决定铲围绕铰点运动。
在作业时，首先需要连接好回转马达，转动转台，使铲斗回转到作业位置，并且还要操作换向阀使动臂缸小腔流进油液完成液压缸收缩运动，此时当铲斗接触到土石时，继续操作斗杆缸及铲斗缸，两个液压缸因大腔流进油液从而伸长，从而驱动铲斗运动作业。
铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停止动作并操纵动臂缸大腔进油，动臂抬起，同时接通回转马达，使工作装置回转到卸载位置，再操纵铲斗缸和斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。
在实际挖掘作业中，由于挖掘机环境和挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作可以采取多样的配合形式[7]。
第三章挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定
要着手液压系统的设计，首先要做到对其工作特性和作业要求的分析和总结，了解各元件在工作时的流量需求情况，对功率和力的需求，以及多个液压作用元件之间相互配合运动所满足的要求和油泵对于流量和功率怎么同时分配给各液压元件的问题。
3.1液压系统的工况分析
挖掘机的基本运动包括以下动作（如图3.1所示）:
动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作。
除了辅助动作不需要全功率驱动，其它类型挖掘机动作，都要考虑全功率驱动[8]。
1-动臂升降2-斗杆收放3-铲斗装卸4-转台回转5-整机行走
图3.1液压挖掘机基本运动
3.1.1挖掘工况分析
挖掘过程主要以铲斗缸或斗杆缸分别单独动作来实现，或两者复合动作，有时还需要配以动臂液压缸的动作。
挖掘机在平整土地或切削斜坡时，需同时操纵动臂和斗杆，以确保斗尖沿直线运动，如图3.2，3.3所示。
此时斗杆收回，动臂抬起，斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以保证彼此动作独立，互不干扰，并要求泵的供油量要小，使油缸动作慢，易于控制。
如果要使铲斗保持一定角度作业，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成此复合动作，如图3.4,3.5所示。
图3.2斗尖沿直线平整土地图图3.3斗尖沿直线切削斜坡图
图3.4铲斗底压整地面图 图3.5铲斗底保持一定角度切削图
3.2挖掘机液压系统的设计要求
液压挖掘机需要做很多复杂的动作，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等，具有多种自由度。
这些主要机构需要经常实现起动、制动、换向等动作，所以其外负载变化很大，造成更多的冲击和振动，因此挖掘机的液压系统的性能要求非常之高。
根据液压挖掘机的工作特点，在设计液压系统时需要考虑如下几点:
双泵合流可以很好的提高挖掘机速度，所以斗杆挖掘机时多采用双泵合流，当然个别系统也会采用三泵合流。
单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。
以下我们用三泵系统为例，来说明机械在做复合动作挖掘时油泵流量的分配情况和分合流油路的连接情况。
液压马达使回转平台转到卸土处，此时主要是由动臂和回转平台配合所完成的复合动作[9]。
当斗杆和铲斗相配合做复合动作挖掘时，供油情况如图3.6a所示。
当斗杆油压接近溢流阀的压力时，溢流出的油液会同时供给铲斗有效利用。
当斗杆和动臂复合动作挖掘时，动臂的作用是调节挖掘位置，挖掘动作主要由斗杆完成，因此采用斗杆优先合流、双泵供油，如图3.6b所示。
图3.6三泵供油系统示意图
当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为防止同一油泵同时向不同的液压元件供油产生油压不稳的情况，该系统采用每个油泵单独给一个液压元件供油。
对于双泵系统，其在做复杂运作时各个液压元件间发生流量分配不合理的可能性要比三泵系统大，所以采用流量分配措施很必要，两泵的流量分配和三泵系统类似。
挖掘机要实施非水平角度作业时，为了保证效率，回转力是必不可少的，因此回转马达需要提供液压油以完成动作。
当需要一直让铲斗紧贴斜壁进行作业时，斗杆缸和回转马达需要同时进油，实现缸同时运动。
由于同一油泵提供压力油，所以要求运用回转优先油路，保证铲斗能正常的贴住斜壁，否则机械难以进行工作。
节流效应取决于回转压力，压力越大，效应越大。
此时斗杆缸液压油回油压力将会持续增高，液压泵提供液压油的压力也随之增大。
伴着操纵杆移动距离的增大，回转力随着回转马达油压的增大而增大。
挖掘过程中难免会遇到坚硬的物体，此时需要瞬间得到较大的挖掘力，所以要求动力元件能瞬间暂时增压，使主压力阀得到较大的压力。
3.2.1满斗举升回斗工况分析
作业完成后，动臂油缸收缩将动臂抬起，满斗举升，回转平台随着液压马达的作用旋转到卸载处，此动作由回转马达和动臂配合完成。
动臂以及铲斗要求自动停留在一个合适的卸载高度。
由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对于装卸车的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系必须有可调性。
卸载回转角度越大，则要求回转速度越快些，此时要求动臂的提升速度得慢些。
在双泵系统中，回转起动时，由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢流，此时需要把溢流出的油液提供给动臂，如图3.7a所示。
在回转和动臂提升的同时，斗杆要向外放置，有时，因为环境的影响还需调整铲斗。
这些动作是由回转马达、动臂、斗杆和铲斗配合完成。
由于满斗提升时动臂油缸压力增加到很高，变量泵只能得到很小的流量，为了使动臂提升、回转、斗杆外放相互正常的配合动作，需要由一个油泵专门向动臂油缸供油，以保证压力的平衡，另一个油泵除了向回转马达和斗杆供油外，还有部分油供给动臂油缸，如图3.7b。
但是由于动臂提升时油压较高，避免损坏单向阀，所以单向阀大部分时间处于关闭状态，因此左侧油泵只向回转马达和斗杆供油。
三泵系统的供油情况如图3.7c所示。
各个油泵分别向对应的一个液压作用元件供油，复合动作时并不会相互干扰。
3.2.2卸载工况分析
回转至卸载位置时，制动转向台，通过斗杆调节，铲斗油缸伸缩完成卸载动作。
为了调整卸载位置，还需要动臂配合。
卸载时，主要是斗杆以及铲斗配合动作，加以动臂运动。
图3.7 回转举升供油情况
3.2.3空斗返回工况分析
卸载动作完成后，转台转动，同时动臂缸及斗杆缸复合动作，把空斗放到新的作业位置。
该工况需要三者相互合作完成动作。
由于受到重力作用，尤其是动臂下降过程中，压力变低，变量泵得到较大流量，使得下降快，并需要以很快的速度回转，因此完成该工况动作时，回转马达将会得到一个油泵的所有流量，另一油泵的大部分油供给动臂，其余部分油经节流阀供给斗杆，如图3.8所示。
发动机在低转速时油泵供油量较小，为了防止动臂因受重力迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，需要采用补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。
图3.8空斗返回供油情况
3.3挖掘机液压系统的设计要求
挖掘机需要完成很多繁复的动作，且具
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