液压课程设计挖掘机.docx

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液压课程设计挖掘机

液压挖掘机课程设计

渤海船舶职业学院

辅导老师:

***

班级:

12G412

学号:

28

设计人:

邹颜泽

摘要

液压技术是现代挖掘机的技术基础，其性能的优劣决定挖掘机腔重要的组成部分，是挖掘机工作循环的动力系统。

挖掘机的工作条件恶劣，且动臂和地盘动作非常频道，因此要求液压系统工作稳定，评论无故障时间长。

因此，液压系统的性能优劣决定着挖掘机工作性能高低，本文在介绍挖掘机及其液压传动技术的发展历史前提下，首先论述设计了挖掘机液压系统的基本回路。

系统传动的确定，主要液压元件在系统中的作用，传动元件的设计计算，强度校核，泵的流量计算，阀及其液压元件的选择。

前言

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。

液压挖掘机利用液压元件（液压泵、液压马达、液压缸等）带动各种构件动作，具有如下点：

功率密度大，结构紧凑，重量轻；无极调速，调速范围大；启动性能好，能实现快速反转；布置灵活，基本不受总体结构的限制；容易实现自动化，操作简便省力等。

所以液压挖掘机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，具有重要意义。

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。

由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的设计提出啦很高的要求，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。

摘要...........................................................................................................2

前言...........................................................................................................2

1液压挖掘机的液压系统..............................................................................3

5液压挖掘机的应用...........................................................................11

5.1液压随系统在制动器上应用............................................................11

5.2液压随动系统在挖掘机操作中的应用.................................................11

5.3液压随动系统在转向机构上的应用.....................................................11

6液压挖掘机机构方案的创新设...............................................................11

6.1液压挖掘机基本结构及其抽象化表示................................................11

6.2再生运动链和创新运动链....................................................................12

6.3创新机构结构方案................................................................................13

7挖掘机液压系统概述...............................................................................15

7.1挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求........................................15

7.2挖掘机液压系统的基本动作分析........................................................17

7.3 挖掘机液压系统的基本回路分析........................................................18

设计总结.................................................................................................26

参考文献.................................................................................................26

1液压挖掘机的液压系统

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。

我的课程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。

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，可广泛应用于矿山企业，工地建筑，城市工程等等。

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.行走马达

图1.1液压挖掘机整体系统图

2.2国内外发展及概况

2.1国内发展概况及展望

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30－40年代的产品。

由于国家经济建设的需要,后又发展10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。

浙江大学的冯培恩教授开始率先着手研究挖掘机机电一体化技术，首先实现挖掘机器人作业过程的分级规划和局部自主控制。

但是他们在任务规划层面上只停留在仿真阶段，还没有提出显著的实现方案。

联合引进日本小松制作所的PC系列挖掘机制造技术，由于中国建设事业的发展，市场的扩大，随后不久在挖掘机生产领域出现了一个外资企业进入中国的浪潮。

从1994、1995年开始，世界各工业发达国家的著名挖掘机制造企业先后在中国建立众多的中外合资或外商独资挖掘机制造企业，生产世界一流水平的多种型号的挖掘机产品。

截止至2001年年底，包括国有企业在内，中国境内生产液压挖掘机的企业总数达20个左右，共生产挖掘机整机质量从1.3-45t，100余个不同型号和规格的产品。

2000年全国生产各种型号、规格的液压挖掘机8111台，共销售7926台，其中包括出口119台。

2001年全生产12569台，销售12397台，其中包括出口468台。

2.2国外发展概况及展望

国外大型液压挖掘机的开发大约从上世纪70年代开始。

如日本日立建机公司在1972-1976年间开发的UH12型正铲大型液压挖掘机，其斗容量为2.2m3工作重量336t；UH20型斗容量3.2m3，工作重量50t；UH30型斗容量4.4m3，工作重量75t。

1979年，日立建机成功开发了UH50型正铲超大型液压挖掘机，斗容量达8.2m3，工作重量175t。

经过30多年的发展，目前超大型液压挖掘机的最大工作重量已直指1000t级，铲斗斗容达到了50m³。

由于具有结构紧凑、操作方便、运动灵活及易于维护保养等优点，超大型液压挖掘机已形成逐步代替钢索机械式或电动式挖掘机（俗称电铲）的趋势。

超大型液压挖掘机主要用于各种大规模露天矿山的开采及大型基础建设，同时还被用于填海造地工程及港湾河道疏通工程，其中正铲式挖掘机占大部分。

目前生产超大型挖掘机的厂商主要分布在美国、日本、德国等工程机械制造强国，著名的生产企业有利勃海尔、卡特彼勒、日立、小松、特雷克斯（O&K）等公司。

3液压系统的设计

液压系统设计作为机电一体化挖掘机设计的重要组成部分，设计时必须满足挖掘机工作循环所需的全部技术要求，且静动态性能好、效率高、结构简单、工作安全可靠、寿命长、经济性好、使用维护方便。

其中液压系统的设计作为挖掘机总体设计的一部分，必须要满足整机工作要求，并要求进行相关参数的计算与分析验证，选取合适的各液压元件。

3.1液压挖掘机的工况分析

液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作（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。

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。

（5）整机移动工况:

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。

图3.1液压挖掘机的工作运动

1一动臂升降;2一斗杆收放:

3一铲斗装卸;4一转台回转:

5一整机行走

3.2液压系统的主要参数确定

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，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。

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。

常见的有两种具体布置方式。

图3.3动臂机构油缸布置方案

3.4机电一体化液压挖掘机工作原理

机电一体化液压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。

机电一体化液压挖掘机传动示意图，如图3.7所示，利用各种传感器，柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给各液压执行元件（液压缸或液压马达）驱动相应的机构进行工作。

机电一体化液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。

反铲工作装置由铲斗1、斗杆2、动臂3、连杆4及相应的三组液压缸5.6.7组成。

动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。

依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动;而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。

挖掘作业时，接通回转马达，转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩;动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。

铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。

卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。

在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及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配合可以是多样的、随机的。

图3.4机电一体化液压挖掘机传动示意图

1、铲斗2、斗杆3、动臂4、连杆5、6、7、液压油缸

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，将传感器和敏感元件的输出电信号转变为满足A/D转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，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。

4选择各执行元件

4.1液压泵的选择

主泵的压力为

，最大流量为

；齿轮泵的压力为

，最大流量为

。

根据机械设计手册，可查阅得：

此液压泵可采用NB3-G20F双联柱塞泵，主泵由2个柱塞式串联变量柱塞泵组成。

4.2柴油发动机的选择

取泵的总效率

=0.8，泵的总驱动功率为：

=23.74KW

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

4.3液压阀的选择

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，输选出力和力矩等。

4.4其他液压元件的选择

其他原件的选择包括蓄能器的选择,非橡胶管道的选择,胶管的选择等。

5液压挖掘机系统的应用

5.1液压随动系统在制动器上的应用

　　滑阀式制动器液压随动系统的作用是，踩下制踏板时经过弹簧来操纵杠杆，使其左端向上压弹簧，将活塞向上移动并推开锥形阀，使进油口与油腔相通。

此时高压油经进油缸

而实施制动。

　　当高压油作用于活塞上的压力相对于销轴产生的力矩大于由弹簧的压缩力对销轴产生的力矩时，活塞则向下移动，锥形阀即关闭。

如果前者力矩仍高于后者，则活塞将再

下移动，锥形阀便与阀座脱开，油腔与回油口相通。

　　此时制动系统内的部分油液流回油箱，活塞回升到将锥形阀关闭时为止。

松开制动踏板时活塞便下降，油液从油腔经油道、油孔流向回油口，由此再流回油箱中，这时制动器开。

5.2　液压随动系统在挖掘机操纵系统中的应用

　　液压随动系统俗称液压放大器，这一方面执行机构能自动地以一定的准确度重复

输入信号的变化规律，另一方面又起着功率的放大作用。

　　液压随动系统有滑阀式和旋转式之分，其中滑阀式液压随动系统又分为外部型式

内部型式两种。

5.3液压随动系统在转向机构上的应用

　　液压随动系统滑阀在向右移动时油液流入转向油缸的大腔，推动活塞向右移动，使转向轮偏转。

此时转向油缸小腔的油液流入反馈油缸的小腔，实现反馈联系；反之，滑阀向左移动时压力油流入反馈油缸的小腔，其活塞把大腔的油液排向油缸的小腔，使转向轮向相反的方向偏转。

每侧转向油缸活塞行程终了时差单向阀向转向油缸和反馈油缸的小腔

油，以避免吸空现象发生。

6液压挖掘机机构方案创新设计

6.1液压挖掘机基本结构及其抽象化表示

液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械，它由工作装置上部转台和行走转置五大部分组成。

因用途不同，种类繁多，其中主要有反铲装置、正铲装置、挖掘机装载装置、起重装置和抓斗装置等这里只研究应用最广泛的反铲装置。

如图2（a）所示，液压挖掘机反铲转置由动臂、斗杆、铲斗、以及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆机构等组成。

其结构特点是各部件之间的联系全部采用铰链，通过油缸的伸缩来实现挖掘机过程中的各种动作。

挖掘机作业时，将反铲转置转到挖掘地点，操纵斗杆油缸5和铲斗油缸6使铲斗进行挖掘机工作。

由于油缸可以简化为两个串联在一起的二副杆，这两个二副杆的中间较为驱动福，因此图2（a）

中的反铲转置可以转化为图2（b）所示的平面运动链型式。

6.2再生运动链和创新运动链

　　　①反铲装置的工作要求

　　为了下面讨论方便，先定义几个概念：

　　定义1　分离杆：

如果自由度为F的平面运动链中存在某个杆，把此杆“切”为两块，该平面运动链则被分解成自由度分别为F1、F2的两个子平面运动链，并且F=F1F2，则称此杆为分离杆。

定义2　分离自由度：

如果自由度为F的平面运动链中至少存在一个杆，把此杆“切”为两块，该平面运动链则被分解成自由度分别为F1、F2的两个子平面运动

并且F=F1F2，那么该平面运动链的自由度类型为分离自由度。

　　定义3　驱动副：

作动力源的运动副称为驱动副。

　　分析图2（b）中所示的反铲装置的平面运动链，可以发现，该装置是一个自由度为3的12杆机构，其自由度类型为分离自由度，并且具有二个分离杆，即动臂1和斗杆2。

　　反铲装置的工作要求是，能够控制挖掘高度、卸载高度、挖掘深度和挖掘半径。

为了保证最大的挖掘范围，反铲装置必须具有两个分离杆。

具有两个分离杆的机构，其自由度一定大于或等于3。

所以反铲装置机构结构的最基本要求是：

自由度大于或等于3，并且具有两个分离杆。

随着自由度和杆数的增加，机构的复杂程度将大大增加，因此作者只研究能满足基本要求的自由度等于3、杆数不大于12的反铲装置。

　　②满足要求的连杆组合

　　由于分离杆的副数应大于或等于4，因此反铲装置至少应有两个副数大于或等于4的多副杆。

自由度等于3、杆数不大于12，并至少应有两个4副以上杆的连杆组合有下列几种。

（1）N=10，N2=8，N3=0，N4=2，N5=0，N6=0

（2）N=12，N2=10，N3=0，N4=1，N5=0，N6=1

　　（3）N=12，N2=10，N3=0，N4=0，N5=2，N6=0

　　（4）N=12，N2=9，N3=1，N4=2，N5=0，N6=0

　　（5）N=12，N2=9，N3=0，N4=3，N5=0，N6=0

　　（6）N=12，N2=8，N3=2，N4=2，N5=0，N6=0

其中：

N为杆数

　　NI为具有I个运动副的杆数

　　③满足要求的运动链

　　对于以上六种连杆组合，具有分离自由度的平面运动链数目分别是2、5、2、42、12和103共166种，经计算，其中只有25个平面运动链具有两个分离杆。

又自由度为3的反铲装置被两个分离杆分解成三个子平面运动链，每个子平面运动链都含有一个驱动副，也就是说，每个子平面运动链中都得有一个油缸。

又因为在平面运动链中油缸可用两个串联的二副杆来代替，因此反铲装置的每个子平面运动链至少应有一串联的二副杆。

如图3所示的12种运动链为满足上述要求的运动链。

④运动链评价与筛选

　　根据挖掘机的用途，为了尽量增大挖掘作业范围，其机架杆必须在平面运动链的一端，而不应位于平面运动链的中间。

另外，反铲装置的底座得承受较大的载荷，要求由机架、动臂及动臂油缸组成一个四杆的子平面运动链。

编号为1、2、3、9、10的五个平面运动链中，可以作为机架的四个杆1、3、4、6，它们互为同位杆，因此可用任一杆作机架，假设杆3是机架，编号为4、5、6的三个平面运动链中，机架可以是杆3或杆6，但是若杆3为机架，铰①、⑨、⑤为驱动副，得到反铲装置，其中油缸的支撑点铰⑩在挖掘过程中很可能后移，从而影响反铲装置的工作性能，因此机架只能是杆6。

编号为7、8、11、12的四个平面运动链中，机架是杆3。

　　编号为1、2的平面运动链，杆3为机架，铰①、⑨、⑤为驱动副，可以看出，这两个平面运动链中铲斗6的工作情况完全一样，因此可以抛弃编号为2的平面运动链