挖掘装载机回转系统设计.docx
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挖掘装载机回转系统设计
1引言
1.1挖掘装载机综述
挖掘装载机俗称“两头忙”，是一种前端带着装载装置，后端带着挖掘装置的小型工程机械[1]（如图1.1）。
它广泛应用于园林、工业建筑、市政建设、民用建筑、农田水利建设、公路养护、港口和油田及电力建设维护等领域.适用于基坑、基槽、管沟之类的小型土方工程的开挖回填[2]，它能通过更换装置，装上多种不同的工作附具，使其用途更加广泛。
图1.1挖掘装载机
1.2挖掘装载机发展现状
1.2.1国内发展现状
在挖掘装载机技术方面我国起点低，研究起步较晚，上世纪80年代初才有这方面的初步研究。
最初由北京机械厂研制出WZ2A和WZ2B这两种型号[3]。
目前生产它的企业主要有:
广西柳工、山东工程机械厂、烟台机械有限公司、辽宁朝阳集团、厦工集团、山东常林集团、北建集团、徐工集团、山东省农机研究所等[4]。
由于缺乏对其基础理论的研究与实验,所以此方面核心技术发展较为缓慢,与欧洲、美国等发达国家相比,有很大的技术差距。
下面几家厂商的产品代表了我国挖掘装载机的总体技术水平：
（1）山东常林的产品型号主要有WZ30-25和WZ30-25C型这两种。
它们的发动机系统选用了东风康明斯涡轮增压发动机,额定功率约为63kW。
前桥为非驱动摆动桥,并且和后桥都是专用进口件。
这两种型号的制动器都是具有免维护功能的湿式制动器,使之行车的安全指数得到了大幅度提升。
WZ型号为了达到大幅度提高它的牵引性能目的，在这两种型号都安装了差速锁。
该型号为两轮驱动,公司也可以根据用户要求定制可以四轮驱动的机型。
该公司型号的液压系统都是采用了高效齿轮泵系统,它的主要部件全部出自国外知名厂商，例如单泵、多路阀、转向器。
（2）烟台机械厂最初的机型是以装载机为原型进行设计改装的，该公司通过参照外购机器样型，把装载机的前面换成了多用途的铲斗，把后面的装置换成了挖掘装置。
后来该厂研制出了东方红904WZ型。
该机型也是在引进外国技术制造了拖拉机的基础上改装而成。
它配套设计了具有前装载、后挖掘等多种功能的农业工程机械[5]。
（3）柳州机械有限公司生产的HACH995E系列，其配备国外先进的涡轮增压柴油发动机,其额定功率可达70kW,它的转速达到1500r/min时，扭矩可达到384N·m[6]。
此型号的关键零部件均采用欧美品牌产品,故使其可靠性和稳定性更加高。
运用全新的设计理念使的外观造型美观大方,内部空间更大，更加人性化。
四合一铲斗的标配置,使的此型号具有更多用途。
1.2.2国外发展现状
挖掘装载机的起源是在欧美等发达国家，他们对挖掘装载机各个方面的技术研究的很深入。
因为欧洲、美国国家建设重点在后期维护上所以挖掘装载机在国外发展迅速，应用广泛。
国外生产的挖掘装载机工作稳定性比国内好，人员操作环境优良，舒适性好，并且它在环保减排方面做得更好，国外整体技术水平以及达到了一个很高的水平。
国外产品稳定性是它的最主要的优势，因为它们可以在挖掘回转时抗冲击，回转角度可控制精度高。
而国内对此研究还没有，国内机型稳定性差。
在国外，以JCB、CAT、CASE、JOHNDEERE这些大批量生产的制造商的产品最具代表性，以下对这些制造厂商作简要介绍：
CASE是挖掘装载机的发明者，也是农业机械的领头羊。
至今CASE已经生产超过500，000台机械产品。
CASE的产品的型号有580L、580Super、590Super等机型[7]。
最近该公司推出了新系列挖掘装载机，被称为M型。
M系列创造出了许多革命性的新概念，例如独一无二的精准控制系统，例如挖掘工作控制及快速工作循环。
M型采用了最新型的驾驶室，具有独一无二的精度控制系统，挖掘装置中置和侧腿，过中点式挖掘臂设计[8]。
JCB公司的主打产品有：
1CX、2CX、3CX、4CX等[9]。
其中后两种型号在生产率上得到了同行业的高度认可，然而前两种型号在机器灵活性上的到广泛认可。
JCB挖掘装载机众多的工作装置使其功能更加强大，能实现多种装置的快速更换，以适应不同的作业要求。
美国CAT公司所生产制造的CAT型挖掘装载机共有十几个机型。
采用负载敏感系统是CAT系列产品的一大亮点，该系统使用有信号反馈的多路阀和斜盘变量轴向柱塞泵，由此泵到阀的系统形成了一个信号反馈系统[10]。
此系统具有在被允许的工作负载压力下，在阀的任何可操纵的位置均可调节使流量趋于稳定，减小负载的影响。
JOHNDEERE的最主要的代表产品有：
110TLB、315SG、410G、710G等。
110TLB型是四缸直喷柴油发动机，功率是32KW[11]。
其落物保护结构和四柱形翻车保护完全达到了机械行业规定的安全标准[12]。
1.3本课题研究的目的和意义
通过设计本课题了解挖掘装载机国内外发展情况，理解其工作原理和基本组成结构。
再根据相关文献，设计本课题中要求的回转液压系统回路，制定原理图。
查阅机械手册选取满足系统要求的液压元器件。
对主要执行机构液压缸进行设计与计算，最后强度校核检查改善设计有误的地方。
本文的所有设计，上以满足计算和工作要求为目的进行设计的，同时本文还兼顾了装置整体的结构形式，使之更加容易安装和日后的维修。
通过设计本课题，我们进一步了解到国内挖掘装载机研究甚少，挖掘装载机液压系统设计就是挖掘装载机核心技术，所以对其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义；通过课题设计，我们巩固了自己的专业知识，特别是通过课题方案的选择，文献的查阅，设计的计算，液压系统图的绘制，使我们能够独立思考，独立处理综合问题，培养了我们综合运用知识和分析问题的能力。
2回转液压系统方案确定
2.1回转系统回转执行机构方案确定
在挖掘装载机上应用最普遍的是半回转结构，回转角度一般较小，目前国外最大的可达270°。
挖掘装载机的执行机构一般分为液压缸和液压马达两种形式，其中液压马达在全回转挖掘机中应用较多，在挖掘装载机上，双液压缸驱动应用较多[13]。
本文采用的是双液压缸作为执行机构。
挖掘装载机回转装置和挖掘装置如下图2.1所示。
图示双液压缸执行机构对称分布，两个回转液压缸的活塞杆通过耳环分别固定在回转支座1的A、B两处，液压缸固定在底盘2上，通过两个液压油缸的来回伸缩来实现工作装置的左右回转运动。
图2.1挖掘装载机回转机构
1.回转支座2.回转油缸
2.2回转系统主要参数的确定
根据任务书上可得：
发动机功率≈65kw最大爬坡角30°
整机质量≈7600kg行驶速度km/h0~20工作速度km/h0~9
铲斗容量m³≈1最大卸料高度mm4500最大挖掘深度mm3700
2.2.1拟定系统压力
在初步设定系统压力时，我们通常会根据所受载荷程度和设备功用来设定。
拟定负载为80KN,查找相关公司挖掘装载机资料，综合机械手册23-51页表23.4-2和表23.4-3，由表2.1、2.2，选定系统压力约为17Mpa。
表2.1按载荷选择工作压力
载荷/kN
＜5
5～10
10～20
20～30
30～50
＞50
工作压力/Mpa
＜
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5
表2.2各种机械常用的系统工作压力
机械类型
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
小型工程机械
液压机重型机械
工作压力/MPa
0.8～2
3～5
2～8
8～10
10～18
20～32
2.2.2确定泵参数
根据电机驱动功率公式：
（公式2.1）
式中
----电机功率，65kW；
---液压泵额定压力,17Mpa；
---液压泵额定流量；
-----转换系数，一般去0.8；
-----液压泵总效率取0.7；
算出
=200L/min
2.3拟定原理图
回转液压系统由回转油缸、多路阀、泵、辅助元件组成，根据以往挖掘装载机资料拟定原理图如下图2.2所示。
根据绘制的原理图可得：
系统为开式定量系统，油泵是双联齿轮泵，换向阀为三位六通结构，通过操纵杆控制液压油的流向。
本系统在回油路旁边的单向阀有旁通作用，可以保护元器件以免回油冲击损坏它。
在三位六通滑阀与回转油缸之间设置了过载保护溢流阀和单向补油阀，它们分别起过载保护和真空补油作用。
在回转机构旋转时，操纵杆回到中位或者连到回转方向相反的一边，这时回转机构被制动，减速最后停止。
但由于挖掘装置是个大惯性体，由于惯性它还会继续回转，液压缸的一侧液压油被压缩压力增大，另一侧产生真空。
这时压力大的一侧达到溢流阀调定压力开始溢流回油箱，另一侧通过单向阀补油进油缸。
这样的设计可以避免高压油冲击损坏液压元器件破坏管路，也可避免由于真空引发的震动和气蚀。
当回转液压油缸的活塞运动到缸底时会发生机械碰撞，损坏液压缸。
因此在液压缸缸底部设有缓冲装置。
该缓冲装置由一个单向阀和一个可调节节流阀并联而成。
图2.2回转系统原理图
回转过程：
油从右油泵进入转向器，左油泵为工作装置供油。
当转向器不工作时，优先阀内部阀体向右移动，右油泵经过优先阀与左泵合流。
液压油到达换向阀，通过操纵杆手动换向。
例如油路接换向阀右位时，回转装置逆时针转动如图2.3的a图
ab
图2.3回转装置
3液压元器件选型与计算
3.1发动机及泵的型号
3.1.1电机的选择
根据任务书可得发动机功率65kw，查找挖掘装载机相关资料选择型号：
东风康明斯4BTA3.9-C100；额定功率：
74kw；转速：
2200r/min
最大扭距：
410
；进气方式：
增压中冷
3.1.2泵的型号
1）确定泵的最大工作压力
（公式3.1）
式中
----系统压力；
---从液压泵出口到液压缸入口之间总的管路损失。
对于管路简单流速不大的取0.2Mpa～0.5Mpa；
故
2）计算泵流量Q
上章已经根据发动机功率算出泵额定流量约200L/min
3）选择液压泵的规格
根据以上求得的数据按照系统中拟定的双联液压泵，从机械手册里选择液压泵型号。
根据设计经验所选泵额定压力一般比要最大压力大，最好在25%和60%之间。
根据《机械设计手册（新版）》p23-68表23.5-6得液压泵型号：
CB-100
理论排量：
98ml/r；额定压力：
10Mpa；最高压力：
12.5Mpa；
额定转速：
1500r/min；容积效率：
≥90%；重量：
18.3kg；
3.2确定各类阀的型号
根据系统工作压力17Mpa，单泵额定压力10Mpa,最大压力12.5Mpa，双泵可以最高提供25Mpa的压力。
所以可以选取额定压力接近25Mpa的各种元件。
对于中压、低压的系统我们在选取时一般多按25MPa来选液压元件。
图中右油泵给转向器供油，经过优先阀（二位三通液控滑阀如图3.1），故优先阀额定压力选12Mpa左右的。
查《机械设计手册（新版）》P23-732选取型号：
4WRH-25-EA-325-7X生产厂商：
力士乐
图3.1优先阀
转向器左边溢流阀溢流调定压力为12Mpa,查《机械设计手册》P17-376选取型号：
DBDH25G13/10生产厂商：
沈阳液压件厂。
左边的是液控二位二通换向阀主要起到低压时卸载让液压油回油箱的作用，查《机械设计手册第四版》P17-516选取型号：
WH-25生产厂商：
上海立新液压件厂。
系统回路上设置了安全阀（溢流阀）查《机械设计手册》P17-376选取型号DBDH25G13/25生产厂商：
沈阳液压件厂。
回路控制回转缸中液压油流向的是手动六通多路阀（由六个三位六通手动换向阀并联组合而成,如图3.2、3.3），图中只画出了控制回转缸的阀。
查《机械设计手册第四版》P18-214选取型号：
DMD-35-C6。
图3.2挖掘端多路阀原理图
图3.3挖掘端多路阀结构图
过载溢流阀在回转缸骤停压力大于16Mpa时会溢流回油箱，故选择型号：
DBDH25G13/16生产厂商：
沈阳液压件厂。
回路中带弹簧的单向阀为同一型号，查《机械设计手册》P17-483选取型号：
S20A21生产厂商：
武汉液压件厂。
3.3液压辅助元件的选择与计算
3.3.1管道的选择
1）管道内径计算
（公式3.2）
式中
----通过管内的流量；
v-----管内允许流速（m/s）；
见表3.1，计算内径后，按标准系列选取相应的管子尺寸。
表3.1允许流速推荐值
管道
推荐流速/（m/s）
液压泵吸油管
0.5～1.5一般去1以下
液压系统压油管
3～6，压力高，管道短，粘度小取大值
液压系统回油管
1.5～2.6
根据表中不同位置的油管确定速度v
液压泵的吸油管
50mm
液压系统压油管
液压系统回油管
2）管道壁厚计算
（公式3.3）
式中p-----管内最高压力
d------管道内径
----管道材料的许用应力，一般为钢，取值95Mpa
吸油管、回油管压力较小根据手册得
=3mm
=2.5mm
计算压油管
=2mm，查手册16Mpa下钢管壁厚取3mm。
3.3.2油箱的选择
根据油箱容量经验公式
（公式3.4）
式中a-----经验系数，其取值见表3.2；
-----液压泵每分钟排出压力油的容积；
表3.2经验系数a
系统类型
行走机械
低压系统
中压系统
锻压机械
冶金机械
a
1～2
2～4
5～7
6～12
10
a取5，计算v=1m3。
3.3.3过滤器的选择
1）过滤器介绍
过滤器，顾名思义它的功用就是过滤掉有害杂质，清洁工作环境，让所处环境的元件无故障时间延长了，工作更加可靠。
大多数情况下液压系统的故障，有近75%是由于液压油的污染，因此过滤器是液压系统中重要的辅助元件。
2）过滤器的选型
（1）吸油过滤器
吸油过滤器：
在泵吸入油之前，我们要对油进行初步过滤避免杂质进入系统，影响系统运作。
故其要安装在系统进油口前的地方，从源头进行控制，改善油液清洁程度。
吸油过滤器安装的位置一般在油箱侧面，并注意让吸油口在液压油的下面[14]。
吸油过滤器选用网式过滤器，其拥有结构简单，通油能力大，阻力小，易于清洗等优点。
缺点是过滤精度低。
查《机械设计手册（第四版）》P23-500选择型号：
WU-250×180FJ生产厂商：
上海高行液压件总厂。
外形尺寸如图3.4，D=88mm,
=50mm，H=203mm。
图3.4吸油过滤器外形尺寸
（2）回油过滤器
回油过滤器：
回油过滤器主要避免由于阀的磨损，泄露产生的杂质，再次进入邮箱又再次被泵吸入，所以安装在液压系统的回油管路上，各类液压元件在工作过程中所产生的磨粒等各种污物可以通过设置回油管路油滤而被拦截。
回油过滤器的容易损坏其中一个主要原因是液压冲击。
本系统执行元件回转方向控制，是由多路阀控制的，在高压下不断换向，液压缸中会产生很大的瞬间流量，流量过大会冲击并破坏回油滤的滤芯，因此在设计时加上了旁通阀（单向阀）。
压力过大会直接经过旁通阀回油箱，保护滤芯。
查机械手册回油路上过滤器一般使用普通过滤器，故选择ZU-A250×50。
生产厂商：
上海高行液压件有限公司。
具体尺寸如图3.5所示
图3.5回油过滤器外形图
3.3.4冷却器的选用
冷却器的作用是，当液压系统工作时，液压泵的容积损失，机械损失以及控制元件管路的压力损失和液体摩擦损失等能量损耗，几乎全部转化为热能[15]。
这些热量引起液压油温上升，使之粘度下降，泄漏加重，元器件磨损严重并且加快密封件的老化等问题。
由于油箱散热有限，且油箱体积受挖掘装载机整体结构限制，故需要加上冷却器来快速调节油温，把油温控制在合理范围内。
查阅《机械设计手册第四版》P17-712选取型号：
2LQG210/0.2
图3.6冷却器
3.3.5液压油的选用
选择液压系统工作介质应考虑的因素：
1）液压系统所处的工作环境，对防火安全、保护环境有无特殊要求。
2）液压系统工作情况。
例如具体用的什么泵、系统最适宜工作温度、元器件的材料，它们的精度等级等特点。
3）液压工作介质的适用范围，与元件的相容性等。
4）经济性。
选择合适的液压油，可以减少成本，可以更换和维护。
考虑到以上因素，查《机械设计手册》P17-119选择矿物油型号：
L-HL70
液压油日常维护
1）液压油尽量在密封环境里工作，以免受到杂质空气混入，正确操作使用液压油，保证清洁度。
2）液压介质使用一段时间后会逐渐老化变质。
为了液压系统正常运转，应参照相应标准进行介质检测，定期更换液压油。
3）要远离火源并注意使用的环境温度。
4液压缸的设计与计算
4.1液压缸主要数据计算
1）计算缸径和活塞杆直径
拟定负载
，液压缸工作压力16Mpa
液压缸主要参数见图4.1
图4.1液压缸示意图
根据公式
=
（公式4.1）
=
（公式4.2）
式中P-----工作压力（Mpa）；
----无杆腔活塞面积；
----负载；
求得D=
=79.8mm查《机械设计手册新版》P23-51，见表4.1得D的标准值为80mm。
表4.1常用液压缸内径
40
50
63
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
根据活塞往复运动时的速度比
（公式4.3）
式中d-----活塞杆直径
表4.2速比一般取值
公称压力/Mpa
≤10
12.5～20
≥20
1.33
1.46,2
2
查表4.2速比取1.46，故
=44.91mm查《机械设计手册新版》P23-52，见下表4.3得d的标准值为45mm。
表4.3活塞杆直径
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
活塞杆伸出时的理论推力
（公式4.4）
求得
=80.38KN
活塞杆缩回时的理论拉力
（公式4.5）
求得
=54.97KN
2）缸筒外径及壁厚
根据缸筒内径80mm和液压缸工作压力16Mpa，查《机械设计手册》P17-267表17-6-9，选取A型中16Mpa所对应的
95mm
（公式4.6）
求得壁厚
mm
3）活塞尺寸的确定
活塞的宽度可根据它的直径来确定，系数在0.6到1之间，活塞具体大小还要有密封件决定，所以取系数0.8，活塞外径80mm，那活塞宽度为64mm。
4）活塞行程
活塞行程S，在初步设计时，主要根据实际工作中的长度来拟定。
查阅相关挖掘装载机回转液压缸论文，并参照《机械设计手册（第四版）》P17-257标准活塞行程（表4.4），拟定行程S=220mm。
表4.4液压缸活塞行程系列
40
63
90
110
140
180
220
280
360
450
550
700
900
1100
1400
1800
4.2液压缸结构设计
4.2.1缸筒结构设计
常用的缸筒结构有八大类。
通常根据缸筒与端盖的连接型式选用，而连接型式又取决于额定工作压力、用途和使用环境等因素[16]。
根据工作压力16Mpa，查阅相关液压缸设计资料选用外螺纹式连接如图4.2
图4.2外螺纹连接
螺纹连接的优点：
重量轻，外径较小，安装空间小。
缺点：
装卸要有专门的工具，结构较复杂。
回转油缸端部需要摆动，故其安装方式为耳轴连接，查机械设计手册可得缸体中部轴的安装尺寸。
缸筒的另一端与后端盖连接，常采用焊接。
这样设计的缸暴露在外面的零部件很少，外形尺寸小，便于安装。
这样安装能在一定恶劣的环境中工作，承受一定的冲击载荷。
因为前端盖与缸筒是螺纹连接，故焊接型液压缸不能用于过大的缸内径和较高的工作压力。
一般缸径D≤250mm，工作压力P≤25Mpa。
广泛应用于车辆，工程机械上。
初步拟定油口为M21的螺纹孔，绘制缸筒图如图4.3，4.4。
图4.3缸筒剖视图
图4.4缸筒外形图
4.2.2活塞结构的设计
活塞在液压力作用下做往复运动，它与缸筒既要有相对运动，又要求油缸有杆腔跟无杆腔隔绝，因此结构上要慎重考虑。
前文已叙述活塞结构形状取决于密封件的形状大小和数量，故先根据液压缸的工作条件来选定密封件。
活塞通常分为组合式和整体式，整体式结构简单，组合式结构复杂，但易于拆卸。
查阅相关资料本文选择机构较为简单地整体式活塞，整体式活塞是在其圆周上开沟槽，这些沟槽用来放置密封件。
活塞与活塞杆联接方式有三种：
整体结构、螺纹连接、半环连接。
整体结构多用于工作压力较大，活塞直径又小的情况下。
螺纹连接多数情况下选用，配合锁紧装置使用，如图4.5所示螺钉。
半环连接适用于工作压力大，机械振动大的场合。
查阅相关资料选用较为常用的螺纹连接，作为活塞与活塞杆的连接。
根据以往设计经验设计螺纹大小M8。
图4.5内六角圆柱端紧定螺钉
活塞与缸体的密封形式常见的有五种：
O型密封圈、Y型密封圈、Yx型密封圈、V型密封圈、U型密封圈。
V型与U型适用于重型液压缸，O型在往复运动中密封性能不好。
在活塞密封设计中选用Yx型，它耐高压，耐磨性好，低温性能好，逐渐取代Y型密封圈。
型号：
Yx-d-67尺寸67×79×14，如图4.6。
图4.6Yx型密封圈尺寸图
活塞与缸筒间需要有导向装置，故设计时加上导向环。
导向环（支撑环），一般用在活塞和活塞杆上零件，在来回运动的液压缸内，它能防止活塞或活塞杆与缸体发生直接接触和摩擦，通过更换导向环可以保护活塞不被损坏，延长使用寿命。
导向环常用的材料为聚甲醛（POM）。
查机械设计手册选用型号为GT00800，Z=1.2，b=10mm，t=2.5，具体尺寸看图4.7。
图4.7导向环
综合以上本设计选用最常用的螺纹连接，再配紧定螺钉防止工作中由于往复运动而松动，同时在活塞与活塞杆间设置密封圈。
背衬与Yx型密封圈结合使用可以防止密封圈由于往返运动卡进活塞与缸筒缝隙间。
如图4.8。
图4.8活塞图
4.2.3活塞杆结构设计
活塞杆直径d=45mm，根据活塞图结构绘制出部分活塞杆图，如图4.9。
图4.9活塞杆部分结构
为了确定活塞杆端结构，必须先确定活塞杆端与外载荷采用何种连接。
回转缸工作时不仅要同一平面上伸缩，轴线要摆动，还要在垂直的平面上作小角度摆动。
所以选择球铰耳环连接。
根据活塞杆直径，和球铰耳环标准件上螺纹孔直径确定杆端直径M39如图4.10所示。
图4.10活塞杆端结构图
4.2.4衬套结构设计
衬套的作用有两个：
一是包裹活塞杆，起到密封作用，二是起到避免轴与端盖直接摩擦损坏。
衬套位于前端盖与缸筒之间，为了防止油腔内的液压油从衬套和缸筒之间流出，需在两者之间加上密封圈密封。
为了防止油从活塞杆和衬套间流出在两者之间加Yx型密封圈。
为了减少衬套的磨损所以在衬套和轴之间加上一个导向环。
根据缸筒内径，活塞杆直径确定了衬套外径和内径，根据密封装置确定了衬套上沟槽的宽度和深度。
为了让液压油能顺利进入油腔在衬套上要设计油槽如图4.11所示
图4.1
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