挖掘机液压缸设计计算Word下载.doc

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FEM

目录

摘要 I

Abstract II

1.绪论 1

1.1小型挖掘机的概述 1

1.2挖掘机液压系统概述 2

1.3小型挖掘机液压系统概述 1

1.4选题背景和研究意义 2

2.液压缸设计方案的确定 4

2.1挖掘机型号及主要参数 4

2.2液压缸各部件材料选择及其技术要求 5

2.3铲斗缸的尺寸设计 7

2.3.1铲斗缸各部件尺寸设计 4

2.3.2缸筒、活塞杆强度校核 4

2.3.3缸筒、活塞杆稳定性校核 5

2.4斗杆缸的尺寸设计和校核 7

2.5动臂缸的尺寸设计和校核 7

2.6液压缸的安装方式及结构确定 7

3.液压缸三维模型的建立 10

3.1Pro/e绘图软件及其介绍 10

3.1.1Pro/e软件简介 10

3.1.2Pro/e软件的特点 10

3.2挖掘机液压缸三维模型建立 14

3.2.1缸筒的结构设计 14

3.2.2活塞杆的结构设计 15

3.2.3活塞的结构设计 14

3.2.4前端盖结构设计 15

3.2.5后端盖结构设计 15

3.3液压缸部件组合装配 16

4.液压缸主要部件的有限元分析 18

4.1有限元分析的必要性 18

4.2ANSYS软件介绍 19

结论 38

致谢 39

参考文献 40

附录A 41

附录B 47

IV

1绪论

1.1小型挖掘机的概述

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，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.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。

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：

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。

同时，小型挖掘机的设计原则是确保设备可以在狭窄、复杂，也就是大型挖掘机不能进入的地区进行高效施工。

小型挖掘机因使用环境的特殊要求，它必须具有如起重机的精细作业等特性，此有别于中大型挖掘机。

中国的小挖市场（指机重13t以下）在中国挖掘机行业过去的十年，关键配套液压件等的先天性国产缺损，导致了在中大型挖掘机市场被韩、日、美、欧等外资企业瓜分了90%以上的分额。

经十年艰苦奋斗，国内企业夺回了近27%份额，特别是大型和小型液压挖掘机上，近两年已有较大起色。

中国小型挖掘机市场上人们好像又看到了中国制造的“曙光”，正在夺回和扩大国产小挖市场。

国内小挖制造企业正由少数几家发展到60余家，这不能不说这是行业的大发展，而且出现了许多年产销量超千台企业。

1.2挖掘机液压系统概述

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就组成一个挖掘机液压系统。

它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执行元件将液压能转变为机械能，进而实现挖掘机的各种动作。

按照不同的功能可将挖掘机液压系统分为三个基本部分：

工作装置系统，回转系统、行走系统。

挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压缸组成，它包括动臂、斗杆、铲斗三个液压回路。

回转装置的功能是将工作装置和上部转台向左或向右回转，以便进行挖掘和卸料，完成该动作的液压元件是回转马达。

回转系统工作时必须满足如下条件：

回转迅速、起动和制动无冲击、振动和摇摆，与其它机构同时动作时，能合理地分配去各机构的流量。

行走装置的作用是支撑挖掘机的整机质量并完成行走任务，多采用履带式和轮胎式机构，所用的液压元件主要是行走马达。

行走系统的设计要考虑直线行驶问题，即在挖掘机行走过程中，如果某一工作装置动作，不致于造成挖掘机发生行走偏转现象。

挖掘机的动作复杂，主要机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此挖掘机的液压系统应满足如下要求：

（1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。

（2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能复合动作，以提高挖掘机的生产率。

（3）履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。

（4）保证挖掘机工作安全可靠，且各执行元件（液压缸、液压马达等）良好的过载保护；

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。

为此，液压系统应做到：

（1）有高的传动效率，以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。

（2）液压系统和液压元件在变化大的负载、急剧的振动作用下，具有足够

的可靠性。

（3）设置轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时的液

压油温不超过80℃，或温升不超过45℃。

（4）由于挖掘机作业现场尘土多，液压油容易被污染，因此液压系统的密

封性能要好，液压元件对油液污染的敏感性要低，整个液压系统要设置滤油器和

防尘装置。

1.3小型挖掘机液压系统工作装置工况分析

挖掘机的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、摆动杆和连杆等组成。

工作装置液压系统的功能就是控制动臂油缸，斗杆油缸和铲斗油缸的各自动作或复合动作，从而获得理想的挖掘动力和挖掘轨迹。

挖掘机工作时一个完整的挖掘过程主要包括:

挖掘一满斗举升一卸载一空斗返回。

1.3.1挖掘工况

通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘，或者两者配合进行挖掘。

因此，在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作，必要时配以动臂动作。

平整土地和切削斜坡时，须同时操纵动臂和斗杆，使斗尖能沿直线移动，此时斗杆收回和动臂抬起，希望斗杆和动臂保证彼此独立、互不干扰，并要求泵供油流量小、油缸动作慢，容易控制，使铲斗保持一定切削角并按一定轨迹进行切削，或用斗底来压整地面，则需铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作。

铲斗单独挖掘时，也有采用双泵合流（特别是大型挖掘机）。

采用多泵的主要目的是为了防止复合动作时的相互干扰。

1.3.2满斗举升工况

满斗举升回转的运动时间约占整个作业循环时间的50%—70%。

挖掘结束后，动臂缸将动臂顶起、满斗提升，同时回转液压马达使转台旋向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。

动臂举升和回转同时动作时，两者要求在速度上匹配，要求回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动举升到正确的卸载高度。

回转起动时由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢出，此时应将溢流的油供给动臂。

在回转举升时除了动臂举升外，斗杆要同时外放，有时还需对铲斗进行调整，此时是回转、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。

1.3.3卸载工况

转到卸载位置时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径和卸荷高度，铲斗液压缸回缩进行铲斗卸荷。

为了调整卸荷位置，还要有动臂液压缸的配合。

因此卸荷时主要是斗杆和铲斗的复合动作，兼以动臂动作。

1.3.4空斗返回工况

卸载结束，转台反向回转，同时动臂缸和斗杆缸相互配合动作，把空斗放到新的挖掘点。

此工况是回转、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，为防止动臂因重力作用迅速下降、动臂油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油，利用重力将动臂缸无杆腔的油供至有杆腔。

1.3选题背景和研究意义

随着国民经济的快速发展，液压挖掘机作为一类快速、高效的施工机械愈来愈广地泛使用在各种工程建设领域，特别是在基础设施建设中所起的重要作用越来越重要。

液压技术是挖掘机动力技术的基础，极大地促进了挖掘机的发展;

另一方面液压挖掘机的发展也促进了液压技术的提高。

自从德国研制的第一台液压挖掘机诞生以来，液压技术被证明是挖掘机最适合的传动方式。

多年来人们对挖掘机的液压传动技术及控制理论的研究就从来没有中断过。

液压元件的技术进步和高质量、高水平的专业化生产，国内外高等院校和科研院所的深入研究，挖掘机主机厂的产品研发及不断更新换代，使挖掘机的液压系统及其控制技术水平不断提高。

近年来随着电子技术尤其是计算机技术的飞速发展，给液压控制技术赋予了新的内涵。

液压技术给挖掘机带来了一个飞跃，计算机控

制技术给挖掘机插上高科技的翅膀。

虽然我国正成为世界上最大的挖掘机市场，然而在我国挖掘机产品中，约有90%左右的市场份额被合资和外资企业占有。

据统计2003年国内主要企业挖掘机销量增长66%，市场需求增幅高达172%，国内需求量已经超过6万台;

2005年液压挖掘机销量增幅在20%左右。

但2003年最突出的工程机械进口设备是二手挖掘机。

随着国外新型挖掘机和二手挖掘机大量进入中国市场，中国用户对国外挖掘机的性能（如作业可靠性、工作效率、节能性等）有了较深入的了解，也认识到国产挖掘机在制造质量、外观造型、技术性能、作业可靠性、作业效率、油耗与污染、以及操作性和舒适性等方面，与国外液压挖掘机相比存在一定差距。

不少用户为了追求高效率的作业以保证工期的按时完成，投入更多的资金来购买进口挖掘机或者跟国产新挖掘机价格相当但工作可靠性仍然较高的国外二手挖掘机。

近几年国外二手挖掘机的进口和销售走红就是这个原因。

巨大的挖掘机市场和国产产品技术落后，国外先进技术产品不断引进、充斥国内市场的现状，己经引起国家有关部门的高度重视，因此必须对挖掘机进行细致深入地分析研究。

我国工程机械行业发展规划中把液压挖掘机作为重点发展产品，同时对挖掘机的节能、高效、操作简化和舒适等方面的研究，也被列为挖掘机工作装置液压系统分析重点研发内容及关键技术。

挖掘机智能化研究可以带动其他工程机械机电一体化的发展，自主开发研制智能化节能挖掘机也必将获得更多的市场份额。

随着世界性的技术进步，当今全液压挖掘机的液压系统将高效、节能、操作舒适、安全、可靠作为其主要追求目标，相继开发出多种形式的液压系统和元件。

工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一，是直接完成挖掘任务的装置。

工作装置的作业是三个油缸的复合动作对土壤的作用。

作为挖掘机液压系统关键元件之一的多路阀，除了要满足对动臂、斗杆、铲斗三组液压缸以及回转，左、右行走马达等六个执行元件进行换向、单动、复合动作，双泵合流供油控制以及对元件的过载保护等功能外，当今液压挖掘机对多路阀还提出了向主泵提供流量控制信号，节能、行驶与作业复合动作，主安全阀两级压力控制等多种功能的要求。

通过对各节流口的开口面积的调整，就可以调整流过各节流口的流量，而不会随着各自负载压力的高低而变。

只要泵的输出流量足够，就可以避免低负载过快、高负载停止的现象。

除传统型挖掘机工作装置的动臂、斗杆和铲斗三元件构成的通用型产品迅速发展外，由大臂、中臂、斗杆和快换作业装置四元件构成的产品也迅速发展，这既体现了各个厂家市场差异化的产品发展战略，也体现了各自的技术水平和实力。

液压挖掘机多用途工作装置是国际挖掘机的一个发展方向。

多执行器负载敏感系统是目前广泛应用于车辆、工程机械以及其他机械的一种节能型液压系统。

由于系统在仅由单泵供油的情况下，通过压力补偿同时控制多个具有不同负载压力的执行器，因而可以仅通过改变各操作阀的操作量来调整各执行器的速度，使控制速度不随负载压力而变。

2液压缸设计方案的确定

2.1挖掘机型号及主要参数

本人所选择设计的挖掘机的型号为“徐工XE65D”型小型挖掘机，小型液压挖掘机主要用于城市等狭窄地区，代替人力劳动，在世界工程机械市场，属于销量最大的工程机械产品之一。

近来又由于社会的发展，市场条件的变化，社会对全液压小型、微型挖掘机又有了新的需求，其生产制造也日益蓬勃发展。

该挖掘机的具体参数如下：

铲斗容量0.25㎡，

铲斗宽度700㎜，

操作重量6200㎏（7t），

发动机:

型号YANMAR4TNV94L

总排量3.045L

额定输出功率39kw/2200rpm

最大挖掘高度：

5660㎜

最大卸载高度：

3970㎜

最大挖掘深度：

3830㎜

最大挖掘半径：

6130㎜

最小回转半径：

2452㎜

铲斗挖掘力：

43.2KN

斗杆挖掘力：

31.5KN

动臂挖掘力：

50.4KN

系统工作压力：

30MPa

系统流量：

160L/min

液压泵类型：

2个变量柱塞泵＋1个齿轮泵

主泵流量：

2×

59＋42L/min

燃油箱容量：

120L

主溢流阀压力：

24.5（MPa）

该挖掘机的图片如下：

图2.1小型挖掘机示意图

2.2液压缸各部件材料选择及加工技术要求

①端盖：

端盖装在缸筒两端，与缸筒形成封闭油腔，同样承受很大的液压力，因此端盖及其连接件都应有足够的强度。

当工作压力P≤10MPa时，也使用HT20—HT40、HT25—HT47、等铸铁。

P≤20MPa时使用无缝钢管，P≥20MPa时使用铸钢或锻钢。

缸盖常用35钢、45钢的锻件或铸造毛坯。

缸盖技术要求如下：

I缸盖内控尺寸公差一般取H8，粗糙度不低于0.8um；

II缸盖内孔与止口外径D的圆柱度误差不大于直径公差的一半，轴线的圆跳动，在直径100㎜上不大于0.04㎜。

②缸筒：

缸筒毛坯材料可选用25钢，35钢，45钢等，普遍采用退火的冷拔或热轧无缝钢管，对于工作温度低于-50度的液压缸缸筒，必须用35钢、45钢，且要调质处理，对于较厚壁的毛坯仍用铸铁或锻件。

缸筒技术要求如下：

I用足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形。

II有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲。

III尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。

③活塞：

活塞材料用高强度铸铁HT200—HT300或球墨铸铁。

活塞的技术要求如下：

I活塞的外径基本偏差一般采用f、g、h等；

橡胶密封活塞公差等级可选用7、8、9级；

II缸筒与活塞一般采用基孔制的间隙配合；

III外径对内孔的同轴度公差不大于0.02㎜，端面与轴线的垂直度公差不大于0.04㎜/10㎜，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差的一半，表面粗糙度视结构形式不同而各异。

④活塞杆：

一般用中碳钢（如45钢、40Cr等），调质处理241—286HB。

对活塞杆通常要求淬火52—58HRC，淬火深度一般为0.5—1㎜，或活塞杆直径每毫米淬深0.03㎜，再校直，再磨，再镀镍镀鉻，再抛光。

活塞杆技术要求如下：

I其圆柱度和圆度公差大于直径公差的一半。

安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01㎜。

安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04㎜/10㎜；

II活塞杆外圆粗糙度值Ra值一般为0.1—0.3um.为了防锈，活塞杆表面需进行镀鉻处理，镀层厚为0.03—0.05㎜，并进行抛光和磨削加工。

⑤导向套：

金属导向套一般采用摩擦因数小，耐磨性好的青铜材料制作。

端盖式直接导向型的导向套材料用灰铸铁、球墨铸铁、氧化铸铁等。

导向套技术要求如下：

I导向套外圆与端盖内孔的配合为H8/f7，内孔与活塞杆外圆的配合多为H9/f9，外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03㎜，圆度和圆柱度公差不大于直径公差的一半，内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，以保证良好的润滑。

2.3铲斗缸的尺寸设计

2.3.1铲斗缸各部件尺寸确定

（1）根据铲斗缸的最大外负载，可以设计计算铲斗缸的结构尺寸：

当推力驱动工作负载时：

F=Wmax=π/4[D2（P－P0）＋d2P0]η

由此可求出缸筒内径为：

其中Wmax=43200N，

P为系统最高压力P=30MPa

因为上式中系统背压，所以取P0为1MPa，

取速比ψ=2，

η为机械效率，取η=0.95，

将各值代入上式中，得D=44㎜，

根据查表GB/T2348—1993，得到D=50㎜

（2）活塞杆的直径为：

所以直径d=35.35㎜,

查表GB/T2348--1993规定的活塞杆尺寸圆整为d=36㎜

（3）最大工作行程为：

当ψ=2时，行程S=10D=500㎜，

根据国家标准GB/T--1