液压计算书JV55挖掘机液压系统计算.docx
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液压计算书JV55挖掘机液压系统计算
JV55挖掘机液压系统计算
1挖掘机概况1
1.1国内外研究现状及发展动态1
3液压挖掘机工况分析及液压系统设计方案的确定3
3.1液压挖掘机的工况3
3.2挖掘机液压系统的设计要求11
4液压系统的设计20
4.1液压系统方案及参数确定20
4.2执行元件液压缸及系统压力的初选21
4.3计算工作装置铲斗液压缸的主要尺寸22
4.4液压系统原理图的制定25
5液压元件的选择与专用件的设计29
5.1液压泵的选择和泵的参数的计算30
5.2柴油发动机的选择31
5.3液压阀的选择32
5.4其他液压元件的选择35
5.5油箱容量的确定37
6液压系统性能验算38
6.1液压系统压力损失38
6.2液压系统的发热温升计算39
国外挖掘机情况及发展动态
1、挖掘机控制系统发展状况
（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三种。
即普通节流控制技术、负载敏感技术和负流量控制技术，普通节流控制技术因节能效果差，已经很少应用了，只在一些小型挖掘机上有应用，中大型液压挖掘机都选用负载敏感技术和负流量控制技术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）、日本小松（KOMATSU）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。
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100200L/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。
（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。
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，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系统设计要求
（1）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详细的分析，根据工况总结挖掘机液压系统设计要求:
动力性要求和操纵性要求。
分配。
3.1液压挖掘机的工况
液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作（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（例如整机转向等）不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。
1、动臂升降2、斗杆收放3、铲斗装卸4、平台台回转5、整机行走
图3.1液压挖掘机的运动图
由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特殊要求:
（1）实现各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化，因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化;
（2）为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作（例如挖掘与动臂、提升与回转）同时进行复合动作。
液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括:
（1）挖掘：
通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或者两者配合进行挖掘，因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。
（2）满斗举升回转：
挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。
（3）卸载：
转到卸土点时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。
为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。
（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。
3.1.1挖掘工况分析
挖掘过程中主要以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别单独进行挖掘，或者两者复合动作，必要时配以动臂液压缸的动作[15]。
一般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，如图3.2，3.3所示。
此时斗杆收回，动臂抬起，希望斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以保证彼此动作独立，相互之间无干扰，并且要求泵的供油量小，使油缸动作慢，便于控制。
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，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
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。
当斗杆和铲斗复合动作挖掘时，斗杆油压接近溢流阀的压力时，原来溢流的油液此时供给铲斗有效利用;当铲斗和动臂复合动作挖掘时，由于动臂仅仅起调解位置的作用，主要是斗杆进行挖掘，因此采用斗杆优先合流、双泵供油。
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施进行流量分配。
当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，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，因此需要同时向回转马达和斗杆供油。
两者复合动作，回转马达和斗杆收缩同时动作，如果由同一个油泵供油就需要采用回转优先油路，否则铲斗无法紧贴侧壁，使掘削很难正常进行。
在斗杆油缸活塞杆端回油路上设置可变节流阀，此节流阀的开口度即节流程度由回转先导压力来控制。
回转先导压力越大，节流阀开度越小，节流效应越大，则斗杆油缸回油压力增高，使得油泵的供油压力也提高。
因此随着回转操纵杆行程的增大，回转马达油压增加，回转力增大。
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，需要在主阀上设置短时加压功能，以提高主压力阀的压力。
3.1.2满斗举升回斗工况分析
挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。
动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升到合适的卸载高度。
由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对自卸车的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整的。
卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。
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，此时应该将溢流的油供给动臂，如图3.6a所示。
在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。
这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作[18]。
由于满斗提升时动臂油缸压力高，导致变量泵流量减小，为了使动臂提升和回转、斗杆外放相互配合动作，由一个油泵专门向动臂油缸供油，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。
但是由于动臂提升时油压较高，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3.6c所示。
各个油泵分别向一个液压作用元件供油，复合动作时无相互干扰。
3.1.3卸载工况分析
回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。
为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。
卸载时，主要是斗杆和铲斗复合动作，间以动臂动作。
图3.6 回转举升供油情况
3.1.4空斗返回工况分析
当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。
此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。
由于动臂下降有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给动臂，少部分油经节流阀供给斗杆，如图3.7所示。
图3.7 空斗返回供油情况
发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。
3.1.5行走时复合动作
在行走的过程有可能要求对作业装置液压元件（如回转机构、动臂、斗杆和铲斗）进行调整。
在双泵系统中，一个油泵为左行走马达供油、另一个油泵为右行走马达供油，此时如果某一液压元件动作，使某一油泵分流供油，就会造成一侧行走速度降低，影响直线行驶性，特别是当挖掘机进行装车运输或上下卡车行走时，行驶偏斜会造成事故[19]。
为了保证挖掘机的直线行驶性，在三泵供油系统中，左右行走马达分别由一个油泵单独供油，另一个油泵向其它液压作用元件（如动臂、斗杆、铲斗和回转）供油。
对于双泵系统，目前采用以下供油方式:
①一个油泵并联向左、右行走马达供油，另一个油泵向其他液压作用元件供油，其多余的油液通过单向阀向行走马达供油；②双泵合流并联向左、右行走马达和作业装置液压作用元件同时供油。
3.2挖掘机液压系统的设计要求
液压挖掘机的动作繁复，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等，是一种具有多自由度的工程机械。
这些主要机构经常起动、制动、换向，外负载变化很大，冲击和振动多，因此挖掘机对液压系统提出了很高的设计要求。
根据液压挖掘机的工作特点，其液压系统的设计需要满足以下要求[20]:
3.2.1动力性要求
所谓动力性要求，就是在保证发动机不过载的前提下，尽量充分地利用发动机的功率，提高挖掘机的生产效率。
尤其是当负载变化时，要求液压系统与发动机的良好匹配，尽量提高发动机的输出功率。
例如，当外负载较小时，往往希望增大油泵的输出流量，提高执行元件的运动速度。
双泵液压系统中就常常采用合流的方式来提高发动机的功率利用率。
3.2.2操纵性要求
（1）调速性要求
挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高，如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现调速操纵控制，对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠，成为挖掘机液压系统设计十分重要的一方面。
挖掘机在工作过程中作业阻力变化大，各种不同的作业工况要求功率变化大，因此要求对各个执行元件的调速性要好。
（2）复合操纵性要求
挖掘机在作业过程中需要各个执行元件单独动作，但是在更多情况下要求各个执行元件能够相互配合实现复杂的复合动作，因此如何实现多执行元件的复合动作也是挖掘机液压系统操纵性要求的一方面。
当多执行元件共同动作时，要求其相互间不千涉，能够合理分配共同动作时各个执行元件的流盘，实现理想的复合动作。
尤其对行走机构来说，左、右行走马达的复合动作问题，即直线行驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。
如果挖掘机在行使过程中由于液压泵的油分流供应，导致一侧行走马达速度降低，形成挖掘机意外跑偏，很容易发生事故。
另外，当多执行元件同时动作时，各个操纵阀都在大开度下工作，往往会出现系统总流量需求超过油泵的最大供油流量，这样高压执行元件就会因压力油优先供给低压执行元件而出现动作速度降低，甚至不动的现象。
因此，如何协调多执行元件复合动作时的流量供应问题也是挖掘机液压系统设计中需要考虑的。
3.2.3节能性要求
挖掘机工作时间长，能量消耗大，要求液压系统的效率高，就要降低各个执行元件和管路的能耗，因此在挖掘机液压系统中要充分考虑各种节能措施。
当对各个执行元件进行调速控制时，系统所需流量小于油泵的输出流量，此时必然会导致一部分流量损失掉。
系统要求此部分的能量损失尽量小;当挖掘机处于空载不工作的状态下，如何降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，也是降低能耗的关键[23]。
3.2.4安全性要求
挖掘机的工作条件恶劣，载荷变化和冲击振动大，对于其液压系统要求有良好的过载保护措施，防止油泵过载和因外负载冲击对各个液压作用元件的损伤。
回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快速下降和整机超速溜坡。
3.2.5其它性能要求
实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低挖掘机的制造成本:
液压挖掘机作业条件恶劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性;由于挖掘机在城市建设施工中应用越来越多，因此要不断提高挖掘机的作业性能，降低振动和噪声，重视其作业中的环保性。
液压系统计算
2.4整机性能参数
项目
参数
1
标准斗容
0.23m3
2
标准铲斗宽度
585mm
3
操作重量
6300kg
4
接地比压
0.39kg/cm²
5
机体尺寸（运输时）
长
6045mm
6
宽
1950mm
7
高
2645mm
8
最小离地间隙
320mm
9
发动机
型号
康明斯B3.3
10
额定功率
45kw/2200rpm
11
最大扭矩
214/1600Nm/rpm
12
总排气量
3.3L
13
液压系统
液压泵类型
变量泵×3+齿轮泵×1
14
主控阀类型
负载敏感系统
15
回转额定压力
24.5Mpa
16
行走额定压力
21.5Mpa
17
主泵流量L/min
58×2+39
18
最高工作压
24.5Mpa
19
回转速度
0–10
20
行走装置
行驶速度
4.3/2.2km/h
21
履带类型
钢/橡胶/钢-橡胶复合
22
履带宽度
400mm
23
履带接地长度
2015mm
24
轨距
1050mm
25
最大行驶牵引力
43kN
26
爬坡能力
35°（70%）
27
挖掘性能
铲斗挖掘力
41.3kN
28
斗杆挖掘力
26.6kN
29
最大挖掘高度
5460mm
30
最大卸载高度
3620mm
31
最大挖掘深度
3910mm
32
最大挖掘范围
6018mm
33
最大垂直挖掘深度
3361mm
34
动臂偏摆
无
35
后部回转半径
1690mm
36
前部最小回转半径
2657mm
37
推土板
宽
1960mm
38
高
400mm
39
升降距离（上/下）
278/280mm
40
燃油箱容量
100L
41
液压油箱容量
100L
液压系统主要配置
配置一：
派克主阀（BCV-65/10MCV）+东明主泵（T5VP2D28E-18.5/4.5）
主泵：
T5VP2D28E-18.5/4.5轴向柱塞泵（最大排量27.5×2cc/rev；回转泵：
17.8cc/rev；额定转速2200rpm，最高压力24.5MPa，额定压力21.5MPa）
主阀：
BCV-65/10MCV（单片阀的通流量55l/min，回转联通流量39.6l/min，最高压力24.5MPa）
主阀各油口的流量及压力设定：
油口Port
流量Flow
（L/min）
过载溢流阀压力
SecondaryValve（MPa）
动臂Boom
A
110
23.5
B
55
23.5
铲斗Bucket
A
55
23.5
B
55
23.5
斗杆Arm
A
55
23.5
B
110
23.5
左行走TravelL
A
55
无过载溢流阀
B
55
无过载溢流阀
右行走TravelR
A
55
无过载溢流阀
B
55
无过载溢流阀
液压锤Hammer
A
55
15.7
B
55
15.7
推土Dozer
A
39
无过载溢流阀
B
39
无过载溢流阀
回转Slew
A
39
无过载溢流阀
B
39
无过载溢流阀
动臂偏摆
无
无
无
无
回转机构：
SDS043019-01（6410483）
排量：
43cc/rev，速比：
19.46，过载溢流阀压力：
22.5Mpa，
齿轮参数：
模数8，齿数12，变位系数+0.55
行走机构：
型号：
PHV-4B-60BP-1S-8502A，
减速机速比：
47.53
马达排量（大/小）：
28.6/17.4cc/rev
过载溢流阀设定压力：
25Mpa
性能：
回转速度：
9.4rpm
行走速度：
4.6km/h，2.8km/h
最大牵引力：
41.2kN
爬坡能力：
30゜
参考价格：
68500元（人民币含税价）
第二方案：
厂家：
REXROTH负载敏感系统
主泵：
A10V045DFLR轴向柱塞泵（最大排量45cc/rev，最高转速2600rpm，最高压力35MPa）
主阀：
9SX12（最大通流量180l/min，单片阀的最大通流量95l/min，最高压力25MPa）
油口Port
流量Flow
（L/min）
过载溢流阀压力
SecondaryValve（MPa）
动臂Boom
A
82.5
27.0
B
46
27.0
铲斗Bucket
A
48
27.0
B
39
27.0
斗杆Arm
A
56.5
27.0
B
86.5
27.0
左行走TravelL
A
49
无过载溢流阀
B
49
无过载溢流阀
右行走TravelR
A
49
无过载溢流阀
B
49
无过载溢流阀
液压锤Hammer
A
86
13.0
B
86
13.0
推土Dozer
A
37
27.0
B
33.5
12.0
回转Slew
A
37
无过载溢流阀
B
37
无过载溢流阀
动臂偏摆
A
40
B
30
回转机构：
MCR520A（低速大扭矩轴向柱塞马达，直接驱动）
排量：
520cc/rev，过载溢流阀压力：
21Mpa，
齿轮参数：
模数6.5，齿数17，
行走机构：
型号：
GFT7T2B51+A10VT28，
减速机速比：
51
马达排量（大/小）：
28/14.2cc/rev
过载溢流阀设定压力：
25Mpa
性能：
回转速度：
10rpm
行走速度：
4.5km/h，2.3km/h
最大牵引力：
52kN
爬坡能力：
35゜
参考价格：
62000元（人民币含税价）
第三方案：
厂家：
日本KYB负载敏感系统
主泵：
轴向柱塞泵PSVL-54
主阀：
KVSX-14B
油口Port
流量Flow
L/min
过载溢流阀压力
SecondaryValve（bar）
动臂Boom
A
80
28.0
B
55
28.0
铲斗Bucket
A
55
28.0
B
42
28.0
斗杆Arm
A
56.5
28.0
B
80
28.0
左行走TravelL
A
49
无过载溢流阀
B
49
无过载溢流阀
右行走TravelR
A
49
无过载溢流阀
B
49
无过载溢流阀
液压锤Hammer
A
80
13.0
B
80
13.0
推土Dozer
A
37
28.0
B
33.5
回转Slew
A
39
无过载溢流阀
B
39
无过载溢流阀
动臂偏摆
A
40
B
30
回转机构：
MSG-27-18E
马达排量：
27.4cc/rev，过载溢流阀设定压力：
20.6Mpa，
减速机速比：
18.35
齿轮参数：
模数6，齿数11，
行走机构：
MAG-33VP-5
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