XE40小型挖掘机液压系统设计毕业论文Word下载.docx
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4.2.10油缸强度计算 30
4.2.11油缸稳定性验算 31
4.2.12液压缸的技术要求 33
4.2.13液压缸选型 34
4.3回转马达计算与选型 36
4.4行走马达计算与选型 37
4.4.1轨链节节距 37
4.4.2四轮计算 37
4.4.3承载能力计算 37
4.4.4牵引力功率计算 38
4.4.5马达计算及选型 38
4.5液压泵的确定 39
4.5.1工作装置油泵选择 39
4.5.2行走油泵的选择 41
5工作介质及主要元器件选择 44
5.1工作介质的选择 44
5.2柴油发动机的选择 44
5.3液压阀的选择 45
5.4其他液压元件的选型 47
5.4.1管路的选择 47
5.4.2油箱设计 49
5.4.3液压油的选择 50
5.4.4过滤器的选择 53
技术与经济性分析 55
结论 55
致谢 58
参考文献 59
附录A 60
附录B 66
IV
质量轻。
当传递相同功率时，液压传动装置比机械传动装置的尺寸小、结构紧凑，
辽宁工程技术大学毕业设计（论文）
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。
小型挖掘机的工作是进行泥土的挖掘和装载，还能进行一些土地的平整、修复坡断、
吊起装载、破碎石块、拆迁等其他作用。
而小型履带挖掘机主要是在那些路况很差，其他
工具比较难弄，而且大型挖掘机不好进入的地方起作用。
给人们减轻了很多的负担和压力。
近几年来小型挖掘机市场发展得越来越好，最主要是该类的产品多样性，高质量，高效率，
能在中大型挖掘机无法作业的地方进行工作。
小型挖掘机小巧灵活，能在很多复杂的地方工作，而且节省了劳动力，受到了广大用
户青睐。
小型履带挖掘机能够那么小，而且灵活，最主要的是挖掘机的“零空间”回转。
“零空间”其实是指挖掘机在工作时，车的尾巴旋转轨迹不超过这台挖掘机履带的轨迹。
液压挖掘机的优点：
（l）
质量轻，其质量可减轻30%-40%。
（2）能实现无级调速，调速范围大。
它的最高与最低的速度比可达1000：
1。
采用柱塞
式油马达，可获得稳定转速1r/min
。
在快速运行时，液压元件产生的运动惯性小，可实
现高速反转。
（3）传动平稳，T作可靠。
液压系统中设置各种安全阀、溢流阀，即使偶然出现过载或
误操作的情况，也不会发生人身事故和损坏机器。
（4）操作简单、灵活、省力，改善了司机的工作条件。
另外，液压系统容易实现自动
化操纵，可与电动、气动联合组成自动控制和遥控系统。
（5）工作装置的品种可以扩大。
可以配置各种新型的工作装置，如组合型动臂、伸缩
9
对液压元件的制造精度要求较高，装配要求严格，维修也较困难。
液压系统出现
刘力维：
XE40小型挖掘机液压系统设计
式动臂、底卸式装载斗等;
另外，便于替换和调节工作装置，一般小型液压挖掘机可配有
30-40
种替换T作装置。
（6）维护检修简单。
由于液压挖掘机不需要庞大复杂的中间机械传动系统，结构被简
化，易损件减少了将近50%，故维护、检修T作大为简化。
（7）液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，便于组织专业化生产.提高质量和降
低成本。
液压挖掘机的主要缺点是：
故障，要确定事故发生的原因和排除故障较困难，维护修理和调整技术要求也较高。
（2）工作油液的黏度受温度的影响较大。
因而汞矿粉烘干机在高温和低温下工作均影
响传动效率。
另外，油液的泄漏，也会影响动作的平稳和传动效率。
总之，液压挖掘机是一种性能和结构比较先进的新型机械，它的使用越来越广泛，特
别是中小型挖掘机，可能很快被液压挖掘机所取代。
随着我国液压技术的发展和液压元件
制造质量的提高，大、中型液压挖掘机也必将得到迅速地发展。
小型挖掘机操作室的和大型挖掘机一样，做得都很舒适。
因为，操纵者在恶劣环境中
施工，工作状态容易受到影响，所以挖掘机要考虑到驾驶员工作的效率、工程的质量甚至
其周围人群和设备的安全。
因此，小型挖掘机配备一个安全和舒适的驾驶室是很重要的，
绝大多数的小型挖掘机都是可以装配上独立的封闭的驾驶室。
小型挖掘机的属具也是十分
丰富的。
早起挖掘机会在尾部装个推土板，这不是用来推土的，其实是用来配重用的。
在
近些年来“零回转”技术的逐渐成熟和车身结构的优化，这样的推土板拿来当推土用。
根
据专家统计，一台斗量为0.5m³
的液压挖掘机挖掘时，每回的生产率大概相当于150-200个
普通工人一天的工作量。
1挖掘机现状及研究准备
1.1国内外发展状况
1.1.1 国外发展状况
工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。
美国、德国、日本是
液压挖掘机的主要生产国，具有较高的市场占有率。
从20世纪后期开始，国际上液压挖掘
机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；
从功能上看，在满足基本功能的基础上，向多功能化、专用化方向发展；
从产品性能上看，
向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。
挖掘机已经经历了130多年的历史了，最起初的挖掘机都是人为手动式，经历了水蒸
汽驱动，电能力驱动，和内燃机驱动等多种方式驱动。
而履带挖掘机是在20世纪被发明出
来的。
说到目前最大的挖掘机，那就是RH400了，而O＆K于1997年推出了第一台样机（工作
重量830吨），最新的RH400由两台CumminsQSK60-C型柴油机（16缸）提供动力，铲斗的
容量有50立方米。
然而，大型挖掘机的活动限制也是一个很大的问题。
所以，小型挖掘机
的应用在国外也迅速地发展起来。
早在10年前，北美工程机械市场中大约只有8个品牌的
48种型号的小型挖掘机，到了今天，已经迅速增长到20多个品牌超过了100多个型号的小
型挖掘机。
1.1.2 国内发展状况
我国从1967年开始自行研制液压挖掘机。
早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂
的WY10、0贵阳矿山机器厂的W4-60、合肥矿山机器厂的WY6等0。
到20世纪70年代末80年代
初，长江挖掘机厂和杭州重型机械厂分别研制成功了WY16和0WY25等0液压挖掘机产品。
从
1994年开始，美国的卡特彼勒公司、日本的神户制钢所、日本的小松制作所、日本的日立
建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特
拉斯、瑞典沃尔沃等公司先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业，生产具
有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。
近年来我国经济增长迅速，液压挖
掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场空间，但该行业主要由合资企业和外资
企业所垄断。
国内一些工程机械行业的上市股份公司通过合资的方式介入了挖掘机产业，
同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机，但在生产规模、品种、质量等方面与国外
大公司相比还有一定差距。
为了发展民族挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内
外两个市场，在充分利用国际化配套和国外先进技术的基础上，增强自主创新意识，掌握
核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强。
随着我国国民经济的迅速发展起来，小型的工程机械市场逐渐的升温。
很多设施进入
了保养期，而且城市化的推进和农业的迅速发展起来，都使得小型工程机械的使用频率有
所提到，小型工程机械正在向着又好又快发展。
目前国外有20多家公司专门批量生产小型
的挖掘机。
而国内的生产商主要有三一、山河、玉柴、福田、柳工和山重建机等企业。
小
型挖掘机是说那些整台机械重量小于或者等于13t的挖掘机，要是小于6t的就叫做微型挖
掘机。
小型挖掘机具有功能多样性，又具有输送、低能耗、灵活、适应性高、高作业效率
等方面的优势，所以小型挖掘机采用那么广泛用在狭小的空间。
跟着我们国家基础建设的
不断改善，使得小型工程机械也有了越来越大的应用和发展空间。
再加上中国新农村建设
的不断深入，因此小型设备在农村和小城镇建设用得越来越多了。
面对我国国民经济的发
展水平不断地提高，而且尤其是面对劳动力成本的不断上升，用小型挖掘机来减轻劳动力
是一个很明智的选择。
中国挖掘机发展短短20多年来，现在有了一些知名的品牌，像三一、柳工、玉柴、山
河智能、福田，徐挖、雷沃等品牌挖掘机。
他们的产品各具特色，而且受到越来越多用户
的认可。
根据2005年挖掘机械协会统计国内的13家主要企业挖掘机的销量在2005年比2004
年增幅达到了85%，总量占到了整个挖掘机市场将近三分之一，而销量的话已经占据到全
球市场销量的十分之一。
在2007年，协会又对21家挖掘机主要厂家的销售进行统计，在两
千零七年挖掘机销量达到六万多台，而内资品牌的占有量又有了提升，已经提升至五分之
一，达到了13376台。
1.2本课题研究内容及意义
通过对本课题的研究，能在了解小型履带式挖掘机的特点及发展趋势的基础上，通过
对4吨小型履带式挖掘机工况分析的基础上设计液压控制系统，并进行工作装置参数化分
析。
通过XE40小型履带式挖掘机液压控制系统的分析与元器件选型，以及工作装置铲斗油
缸的设计培养学生的科学分析能力、综合能力和解决工程实际问题能力，从而为掌握液压
控制系统的设计方法打下基础。
液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。
它的工作过程是以铲斗的切削
刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下
一次的作业。
因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。
液压挖掘机与机械传动挖
掘机一样，在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代军事工程中都有着
广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。
液压挖掘机作为土石方施工设备，其动臂、斗杆、铲斗在工作过程中起着关键性作用，
因此对其进行结构优化设计十分必要。
在工程设计中优化设计是将设计问题转化为最优化
问题。
通常是借助计算机高速运算与逻辑判断功能，从满足设计方案中，按照预定的目标，
利用计算机对其进行优化设计，对挖掘机的动臂、斗杆、铲斗进行优化，关键是符合实际
且有效的数学模型。
因此，本文着重研究并建立动臂、斗杆、铲斗的数学模型，对于提高
挖掘机工作装置设计质量和确保优化设计有效性具有十分重要的意义。
2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2.1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。
挖掘机的典型作业流程:
1.整机移动至合适的工作位置
2.回转平台，使工作装置处于挖掘位置
3.动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置
4.斗杆、铲斗挖掘作业
5.动臂升起
6.回转工作装置至卸载位置
7.操纵斗杆、铲斗卸载
图2-1液压挖掘机的工作运动
Fig.2-1Theworkmovementofthehydraulicexcavator
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。
（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。
2.1挖掘工况分析
1.典型挖掘工况
铲斗挖掘工况:
由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。
采用铲斗液压缸进行挖掘常
用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中（III
级土
一下土壤的挖掘）铲斗挖掘最常用。
斗杆挖掘工况:
由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。
在较坚硬的土质条件下工作
时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘。
联合挖掘工况:
由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需配以动臂
液压缸的动作。
主要用于需要轨迹控制的情况。
当单独采用铲斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖
所作的圆弧线的长度决定于铲斗液压缸的行程。
以铲斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较
短，为了能够装满铲斗，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，所以一般挖
掘机的斗尖最大掘力都在采用铲斗液压缸挖掘时实现。
当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖
所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。
当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压
缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。
一般认为斗容量小于0.5m3或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之则以斗杆挖掘为主。
这两种情况的挖掘阻力不同。
在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。
如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，见图2.1所示。
此时斗杆收回，动臂
抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。
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，见图2.2所示。
这些动作决定于液压系统的设计。
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，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。
图2-1直线挖削
Fig.2-1Lineardigcut
图2-2切削压整
Fig.2-2Cuttingandpressthewhole
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，其流量分配要求和三泵系统相同。
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，能提高主压力阀的压力。
2.2满斗举升回转工况分析
满斗举升回转的运动消耗的时间、用到的能量以及发热量在整个作业循环过程中都占
了很大的比例，因此我们要尽可能地缩短转台的回转时间。
以此来提升挖掘机工作效率，
节约能源。
挖掘结束后，动臂油缸工作，将动臂顶起顶起，举升起装满的铲斗，同时回转马达将
转台转向卸载位置，此时是动臂与回转马达共同工作。
抬升的动臂与回转马达同共同工作
时，二者的速度要协调一致，也就是说回转到指定卸载区域时，动臂与铲斗自动抬升到了
合适的卸载高度。
因为卸载所需要的回转角度是不一样的，随着液压挖掘机相对卸载区域
的改变而变化，所以回转马达的回转速度与动臂的提升速度两者之间的关系是可以随着我
们的需要而调整的。
卸载的回转角度越大，那么要求的回转速度就会更快一些，动臂的
提升速度也就会随之变慢。
回转起动的时候，因为惯性比较大，油压就会升得非常高，很
有可能从溢流阀处发生溢流，这时候我们应该将溢流出来的油供给动臂。
当回转和动臂提
升的同一时刻，斗杆还需要外放，有的时候还需要对铲斗进行一定的调整。
这时就是回转
马达、动臂、斗杆和铲斗所进行的复合动作。
2.3
卸载工况分析
当转台回转至卸载区域的时候，转台发生制动，这时我们用斗杆调节进行调整卸载半
径与卸载高度，使用铲斗油缸进行卸载。
同时为了调整卸载的位置，我们还需要动臂进行
配合动作。
卸载的时候，主要是斗杆和铲斗的复合动作，期间配合动臂动作。
2.4
空斗返回工况分析
当卸载工作结束后，转台会进行反向回转，同一时刻动臂与斗杆相互之间进行配合动
作，把清空的铲斗移动到新的挖掘区域。
这个工作是由回转马达、动臂和斗杆的复合动作
配合完成的。
因为动臂的下降有重力的作用，压力小、流量大、下降随度快，所以要求回
转的速度也较快，因此这时的情况应该是由一个油泵的所有流量来支持回转马达，另一个
油泵的大多数油量供给动臂，小部分的油通过节流阀供给斗杆。
柴油发动机在低转速的时
候油泵的供油量较小，为了防止动臂因为重力的作用迅速的下降以及动臂油缸发生吸空的
现象，可以使用动臂下降的再生补油回路，我们可以利用重力将动臂油缸的无杆腔的油运
输到有杆腔。
这个特点有些类似于满载回转，但是满足它的转动惯量相对来讲比较小。
2.5
整机移动工况分析
挖掘机一般来说并不擅长长距离的行走，因此只能在在工地的小范围内移动，作业的
时候可以用来调整挖掘机的作业位置。
基本要求:
挖掘机的左右履带均可以进行独立操纵，可自由调速，且具有直线行走的
功能，行走速度能达到每小时二至五千米，可以爬上三十五度左右的上坡路，并且具有制
动能力。
挖掘机在行走的过程中有可能需要调整作业装置的液压元件进行调整，比如铲斗、斗
杆和动臂。
挖掘机的系统中有双泵，其中一个油泵为左侧的行走马达进行供油、而另一个
油泵为右侧的行走马达进行供油，如果此时某一个液压元件突然工作，使得某一个油泵突
然分流进行供油，这时就会造成挖掘机的一侧的行走速度突然降低，从而影响到直线行驶
的稳定性，尤其是当挖掘机进行装车运输工作、从运载卡车上行驶下来或者返回卡车上时，
行驶偏斜都有可能造成事故。
因此我们为了保证挖掘机稳定的的直线行驶性，在三个液压泵供油的系统中，分别有
一个油泵单独为左、右侧的行走马达供油，而另一个油泵则向铲斗等其它的液压作用元件
供油。
而目前双泵系统则采用下列供油方式:
①左、右侧行走马达由一个油泵并联供油，
另一个油泵则向其他的液压作用元件供油，而如果有多余的油液则通过单向阀供向行走马
达;
②左、右行
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