小型液压挖掘机液压和工作系统的设计文档格式.doc
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工作装置；
液压缸
Abstract
Thesubjectofgraduationdesignisasmallhydraulicexcavatorhydraulicsystemanddevice.Designconceptisbasedonthevariouspartsofthemovementofhydraulicexcavatorsrequirements,takingintoaccounttheothersametypehydraulicexcavatordesign.WorkingdevicestructurediagramandHydraulicsystemdiagramusedAutoCAD2004drawing.
Mainlybythestructureofsmallhydraulicexcavatorparts,coveringparts,workingdevices,walkingdevices,rotatingequipment,hydraulicsystems,powersystem,electricalsystemparts,themostcriticalcoreisthehydraulicsystemandpowersystems.Inthispaper,asmallhydraulicexcavatorgivesabriefintroduction,analysisofthemajormovementsofhydraulicexcavatorsandinaccordancewithmovementstodesigntheexcavatorhydraulicsystemandworkingdevices.Thesametime,rotatingequipment,walkingequipmentandthehydrauliccylinderparametersinitialestimates.Thehydraulicsystemadoptsthehydraulicpilotcontrol,reliableperformance,manipulationoflowintensity.
Keywords：
Excavator;
Hydraulicsystem；
Workingdevice；
Hydraulicurn
目录
第1章绪论 1
1.1小型液压挖掘机简介 1
1.2国内外小挖的现状和发展情况 3
1.2.1国外现状和发展情况 3
1.2.2国内现状和发展情况 3
1.3本文拟达到的要求 4
第2章小型液压挖掘机工作装置总体方案设计 5
2.1工作装置构成 5
2.2动臂和斗杆的结构形式 8
2.3铲斗的结构选择 9
第3章工作装置基本尺寸计算 12
3.1铲斗参数的选择 12
3.2动臂和斗杆参数的确定 12
3.2.1动臂和斗杆基本尺寸的选择 12
3.2.2斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取 13
第4章工作装置挖掘力分析 18
4.1铲斗油缸和斗杆作用力的确定 18
4.2动臂油缸作用力的确定 19
4.3各液压缸实际作用力的确定 20
第5章小型液压挖掘机液压系统概述 21
5.1小型液压挖掘机液压系统的基本组成及要求 22
5.2小型液压挖掘机的基本动作分析 23
5.3小型液压挖掘机的基本回路分析 24
5.3.1限压回路 24
5.3.2卸荷回路 26
5.3.3缓冲回路 27
5.3.4节流调速回路 29
5.3.5节流限速回路 30
5.3.6行走限速回路 31
5.3.7支腿顺序回路和锁紧回路 32
第6章小型液压挖掘机液压系统分析 34
6.1液压系统原理图 34
6.2液压系统工作原理简述 36
6.3液压系统特殊部件作用 36
6.4液压系统参数确定 37
6.4.1确定液压系统的工作压力 37
6.4.2确定液压缸的主要参数和工作压力 38
6.4.3液压马达所需流量 39
6.4.4确定液压马达的排量和工作压力 39
6.4.5液压泵流量和输入功率的确定 40
6.4.6发动机功率的确定 41
第7章液压缸的设计计算 41
7.1液压缸结构尺寸设计计算 41
7.2油缸强度计算 44
7.3油缸稳定性验算 45
总结 48
致谢 49
参考文献 50
第1章绪论
就目前全球范围来看，挖掘机无论是在技术上还是市场上都很成熟了，像欧美那些工业发达国家的挖掘机需求和供应相对稳定。
但由于国民经济发展和基础设施建设的需要，以中国为代表的发展中国家和新兴经济体对挖掘机的需求正不断增多。
特别是自从我国改革开放以来，随着我国城镇化率的不断提高和公路铁路等基础设施建设项目的不断增多，施工建设也由以前的粗放型不断向精细型发展，而且由于我国劳动力成本的大幅上涨和施工建设对施工效率的要求越来越高，最终促使了以挖掘机等工程机械高效率的施工手段替代了高成本低效率的人工劳动。
随着社会经济的快速发展，液压挖掘机在各种工程建设领域，特别是基础设施建设方面所发挥的作用越来越大，统计称在工程施工中约65%~70%的土石方量是由挖掘机来完成的，液压挖掘机以其快速高效的施工特点被人们所熟知，因此被人们作称为工程机械之王。
1.1小型液压挖掘机简介
业界对小挖没有比较明确的定义，一般认为标准斗容量在0.25以下或者整机重在13T以下的挖掘机都是小型挖掘机。
在公路养护、园林绿化、小区建设、市政工程及农田建设等土方量分散、作业空间狭窄的工况下，小型挖掘机以其体积小、机动性好等优点受到广大用户的青睐。
近几年来，我国的经济活动建设带动了以挖掘机为代表的工程机械行业的快速发展，小挖作为其中一个重要力量也取得了迅速的发展。
小挖以其价格便宜、功能多样、机动灵活、作业效率高等优势，逐渐成为挖掘机这个子行业版块的主力军，受到大家的青睐。
小型液压挖掘机价格低、质量轻、保养维修方便，具有独特优势。
小型液压挖掘机体积小，机动灵活，非常适用于城镇的各种管道开挖、基础施工、公用事业以及房屋维修等作业。
其紧凑的体积、特殊的设计使其能够在大型挖掘机无法施工的环境中进行作业。
由于有相关的液压动力系统，小挖能够安装许多辅助作业工具。
尾部旋转半径为零的设计应用，使得小型挖掘机在作业空间有限的环境下作业时挖掘机操作人员无须考虑施工现场是否有障碍物阻碍挖掘机的转动，从而使操作人员能够更专心于铲斗的操作，这也防止了施工现场周围建筑物以及挖掘机自身的损坏。
小型挖掘机的动臂与机身铰接的设计，使其能够在一个很大的范围内进行摆动。
使得挖掘机在周围有障碍物时也能避开障碍物进行作业而无需经常移动机身。
同时，这也使得挖掘机能够便于在墙壁或是围墙的旁边进行挖掘作业。
小型液压挖掘机便于各个施工现场间的转移，无需大型拖车或是重型卡车来进行运输，小型的运输工具就可将其运载。
不但能够方便运输，还可以大大降低机器的运输费用。
小型工程机械在市政工程、交通等施工中发挥较大优势并得以迅速发展。
小型挖掘机在这些工程中为节省人力、物力做出了较大贡献，满足了城市各种作业要求，在城市狭窄的工作空间内能够最大限度地发挥其生产能力，逐步成为城市施工中具有代表性的施工机械。
从全球范围看，小型挖掘机市场已处于成熟发展期，需求稳定并呈缓慢上升趋势，中国的小型挖掘机产业仍处于市场导入和发展的初级阶段，需求持续快速增长。
小型挖掘机的发展主要依赖于城市建设的发展，由于城市的改造、建设施工较多，要求施工时间短、施工机械对周围环境影响小、安全、低污染、回转半径小、便于运输以及具有与城市景色相协调的外观。
1.2国内外小挖的现状和发展情况
1.2.1国外现状和发展情况
国外小型挖掘机的生产始于二十世纪70年代，1985年以后，由于技术的不断成熟，这种产品得到了快速发展。
目前国外小挖产品在可靠性、操作的流畅性和舒适性等方面已经非常完美，而且其驾驶室里美观的内饰及舒适的质感也可与家用轿车媲美。
国外专业生产小挖的公司主要分布在美国、日本、欧洲等国家，比较有代表性的公司比如日本的久保田、小松、洋马等，美国的凯斯和山猫，德国的英孚和英国的JCB等。
目前国外的小挖主要向着以一机多用的多功能化、以提高操作性能的智能化、以功率匹配控制的节能化、以有限元分析的可靠性设计、以基于微电子技术的智能监控系统设计和以符合人机工程学的驾驶室设计等方向发展。
1.2.2国内现状和发展情况
目前国内已形成1.5T至13T全系列规格型号的小型挖掘机，在国内占据了大部分市场份额，而且出口量在逐年攀升，其中国内生产小挖比较著名企业的是玉柴和山河智能。
现阶段国内小挖的技术水平相比于国外来说还有很大差距，主要体现在整机的功率匹配、操作的稳定性和精确性、产品质量的可靠性以及人性化设计等方面。
现阶段处于仿制后自主提高阶段，生产的大部分是标准型小挖，缺乏自主创新开发能力，特别是在核心液压元件和动力方面受制于人，大部分配件都需要进口。
而且很多技术都来自于较成熟的大中型液压挖掘机，在动力匹配和技术创新方面有待进一步突破，特别是国产液压元件要替代进口液压元件还得不断努力。
1.3本文拟达到的要求
本文设计的小型液压挖掘机斗容量为0.2，整机重量为6吨。
挖掘土壤级别为Ⅲ级以下。
本文主要对由动臂、斗杆、铲斗、连杆机构组成的工作装置和液压系统进行设计，设计的工作装置和液压系统要能满足挖掘机基本动作要求，并能完成复杂的复合动作。
本文主要的设计内容包括小挖工作装置的总体设计和机构挖掘力分析，液压系统的整体设计和设计完成后对关键液压元件进行设计计算并校核。
第2章小型液压挖掘机工作装置总体方案设计
2.1工作装置构成
1—油管；
2—动臂油缸；
3—动臂；
4—斗杆油缸；
5—斗杆；
6—铲斗油缸；
7—曲柄；
8—连杆；
9—铲斗；
10—侧板；
11—斗齿。
图2.1.1工作装置组成图
图2.1.1为小型液压挖掘机工作装置组成图和传动示意图，反铲工作装置由曲柄7、连杆8、铲斗9、斗杆5、动臂3以及相应的直线液压缸6、4、2等组成。
转台上连接动臂的下铰点和动臂油缸的一端，整个动臂装置随着动臂油缸的伸缩绕着动臂下铰点不断转动，实现动臂的动作。
斗杆缸两端分别连接在动臂和斗杆上，通过斗杆缸的伸缩使斗杆绕着动臂上的那个铰点转动。
铲斗和斗杆是铰接的，铲斗缸伸缩通过曲柄连杆机构使铲斗绕着铰接点转动，从而实现挖掘和卸土等动作。
在进行挖掘作业时，启动回转马达，通过转台的转动使工作装置转动需要挖掘的位置，同时控制操作杆使动臂油缸的有杆腔进油使动臂油缸收缩，动臂下降到铲斗接触挖掘面时开始操作斗杆油缸和铲斗油缸，斗杆缸和铲斗缸的无杆腔进油，使油缸伸长，铲斗就能进行挖掘和装置动作了。
铲斗装满后，先停止斗杆缸和铲斗缸的操作，再操作动臂油缸使油缸无杆腔进油，动臂缸伸长，整个工作装置向上移动，马上启动回转马达，转台回转，工作装置转到卸载的位置，再操作铲斗油缸和斗杆油缸使有杆腔进油，油缸收缩，铲斗翻转进行卸载作业。
之后挖掘机再回转到挖掘位置进行循环挖掘作业。
但在实际挖掘作业中，由于挖掘工况、土质情况和液压系统等这些因素的不同，反铲挖掘机在进行工作时三个油缸的循环动作是多样和随机的，要根据实际情况和经验来灵活运用。
上述过程一般只是一种理想化的工作过程。
小型液压挖掘机工作装置的动臂和斗杆是变截面的箱型结构，铲斗是由很薄的钢板通过焊接而成的，而对应的那三个油缸可简化为只承受拉压载荷的杆，这样工作装置就可以进行适当的简化处理使的分析更加容易。
最后小型单斗液压挖掘机的工作装置可以看做是由动臂、斗杆、铲斗、动臂液压油缸、斗杆液压油缸、铲斗液压油缸以及曲柄连杆机构所组成的具有三个自由度的六杆机构，工作装置的结构简图如图2.1.2所示，进一步简化的工作装置结构简化图如图2.1.3所示。
小型液压挖掘机经下面的结构简化以后就是一组平面连杆机构，其自由度为3，也即挖掘机工作装置的工作位置是由动臂油缸的长度L1、斗杆油缸的长度L2和铲斗油缸的长度L3决定的，当L1、L2、L3这三个数值为某一确定的值时，挖掘机工作装置的几何位置也就确定了。
图2.1.2工作装置结构简图
1—动臂油缸；
2—动臂；
3—斗杆油缸；
4—斗杆；
5—铲斗油缸；
6—连杆；
8—铲斗
图2.1.3工作装置结构简化图
2.2动臂和斗杆的结构形式
动臂是反铲工作装置的主要部件，分为整体式和组合式两种结构形式。
整体式动臂虽然能更换的工作装置少，通用性较差，但其具有结构简单、重量轻、刚度大等很多优点，所以整体式动臂被广泛运用在液压挖掘机上。
而组合式动臂是由辅助连杆或液压缸用螺栓连接而成，上下动臂之间的夹角由辅助连杆或者液压缸来调节，从而在挖掘窄而深的基坑时，使用这种结构形式的工作装置能使垂直挖掘深度更大，提高挖掘作业的质量和效率。
虽然组合式动臂能在较短时间内调整挖掘机工作装置的作业尺寸和挖掘力，且能更换工作装置，从而满足多样化的作业要求，但其使用组合动臂而使质量大，生产成本较高。
本文所用的是整体式动臂，如下图2.2.1所示。
图2.2.1整体式动臂
斗杆也有整体式和组合式两种结构形式，大部分挖掘机都采用整体式斗杆，因为其质量轻刚度大，结构简单，容易制造而且生产成本低，所有本文设计的小型液压挖掘机也采用整体式斗杆。
如下图2.2.2所示。
图2.2.2整体式斗杆
2.3
2.3铲斗的结构选择
小型液压挖掘机反铲工作装置铲斗的形状和尺寸由作业对象决定，不同的作业需求可以在一台挖掘机上配备不同的铲斗来作业。
铲斗与液压缸的连接形式通常有四连杆机构和六连杆机构两种，如图2.3.1所示。
其中四连杆机构是铲斗液压缸直接铰接在铲斗上，铲斗转动角度较小，但铲斗可获得较大的工作力矩；
六连杆机构是铲斗油缸通过曲柄连杆连接铲斗，这种连接形式的特点是在相同的铲斗液压缸活塞杆行程的情况下，铲斗可获得较大的转动角度，而且铲斗机构的传动性能较好。
（a）四连杆机构（b）六连杆机构
1—曲柄；
2—连杆
图2.3.1铲斗与液压缸连接形式
铲斗结构的形状和参数的合理选择对小型液压挖掘机工作性能的影响很大，其设计时应满足以下的设计要求：
（1）铲斗的内壁尽量不要设置凸缘和棱角等，要有利于物料在铲斗里面流动并迅速装满铲斗，斗底纵向剖面形状也应该满足各种物料的运动规律。
（2）斗齿的设计应具有较小的切削阻力，便于切入土壤。
（3）为了使物料不易从铲斗中掉出来，铲斗的宽度和物料的粒径之比应大于4，当比值大于50时，物料尺寸可以忽略，物料看做是均质的。
（4）铲斗设计要利于物料在最短时间卸尽，提高作业效率。
综上考虑，选择现在各大厂家广泛使用的铲斗，如下图2.3.2所示。
综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图2-6所示。
图2.3.2铲斗
其中，铲斗的卡齿的安装形式采用橡胶卡销式，结构示意图如图2.3.3所示。
1-卡销；
2–橡胶卡销；
3–齿座；
4–斗齿
图2.3.3卡销式斗齿结构示意图
第3章工作装置基本尺寸计算
3.1铲斗参数的选择
铲斗容量q：
由设计任务书知q=0.2m3
初选铲斗最大转角：
α=165度
标准斗宽B：
其可以由经验公式和差分法选择，当q=0.2m3时，再参考其它机型的标准斗宽预初定B=0.56m=560mm
挖掘半径：
按经验统计和参考同斗容的其它型号的机械，初选=900mm。
铲斗挖掘满转角（2φ）：
在经验公式q=0.5×
R2B（2φ-Sin2φ）KS中，KS为土壤的松散系数，取值为1.25，将q=0.2m3和B=0.56m代入上式有：
2φ-Sin2φ=0.66，化简得：
φ=95/2=47.5
铲斗两个铰点之间的间距和的比值的选取：
太大将影响机构的传动特性，太小则影响铲斗的结构刚度[3]，初选特性参数k2=0.29。
3.2动臂和斗杆参数的确定
3.2.1动臂和斗杆基本尺寸的选择
初选动臂转角：
β=120度
由设计经验和统计分析知，最大挖掘半径R的值很接近铲斗挖掘半径、动臂长度、斗杆产度三者之和++，即R=++；
又由设计参数知，最大挖掘半径R=6250mm；
由经验统计和参考其它同斗容机型有下列关系存在：
=1.8。
综上可知：
R=++
即：
6250=900+1.8+
得：
=1910mm=1.8=3440
按照经验统计和参考同斗容的其它型号的挖掘机，并结合计算出的动臂和斗杆长度，初步确定动臂上盖板的宽度：
=280mm，斗杆上盖板的宽度=190mm。
斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取
按照经验统计和参考同斗容的其它型号的挖掘机，并结合计算出的斗杆长度，选取斗杆宽度为：
=190mm；
挖掘机所用钢板的厚度在我国一般为，初选底板厚度如图4.2.2.1所示。
10为斗杆侧板的厚度；
12为斗杆底板和顶板的厚度；
190为底板的宽度
图4.2.2.1斗杆箱型结构
在斗杆与动臂铰接处，由设计经验即查表知，此处所受应力最大，故此处的侧板宽度h也是最大的，侧板其他截面宽度按规律减少。
在挖掘机中选用的结构钢材一般为16Mn，其有足够大的屈服极限和良好的机械性能。
其屈服极限。
在斗杆中取安全系数，则斗杆的许用安全应力为：
危险截面的有效面积：
（4—1）
该截面对y轴的惯性矩:
（4—2）
该截面对z轴的惯性距:
（4—3）
横截面总面积:
（4—4）
该危险截面所受到的正应力:
（4—5）
该截面所受到的最大弯曲正应力:
（4—6）
（4—7）
则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有:
（4—8）
由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要小得多，为简化计算，在计算中简应力忽略不计，仅在校核中用，则有：
（4—9）
由4-1、4-2、4-3、4-4、4-5解得h=380mm。
3.2.2动臂宽度、钢板厚度、许用应力的选取
由分析知在动臂拐点处所受到的应力可能最大，是危险截面。
因此我们首先要选择该截面进行计算，算出截面最大宽度，然后再以此为基础，就可以用作图法或计算得到动臂的其它结构尺寸。
由查阅相关资料和经验统计，初步选择：
动臂底板的宽度：
底板的厚度：
由于上动臂所受的载荷较大，故取上动臂侧板的厚度，而下动臂所受的载荷相对要小，故选择下动臂的侧板的厚度为。
许用应力的选取：
动臂钢板所选的材料为挖掘机中所普遍采用的低合金结构钢16Mn，其屈服极限，并初选安全系数
则许用应力：
（4-10）
应力的计算与危险截面尺寸的求取：
危险截面所围成的面积：
危险截面所围成的有效面积：
（4-11）
则上动臂的有效面积：
（4-12）
下动臂的有效面积：
（4-13）
上动臂危险截面对Y轴的惯性矩
（4-14）
下动臂危险截面对Y轴的惯性矩
（4-15）
上动臂危险截面对Z轴的惯性矩
（4-16）
同理下动臂危险截面对Z轴的惯性矩
（4-17）
上动臂危险截面中
拉伸轴向力所产生的正应力：
（4-18）
弯曲所产生的正应力：
（4-19）
由应力的合成有：
（4-20）
解之：
第4章工作装置挖掘力分析
4.1铲斗油缸和斗杆作用力的确定
铲斗油缸作用力确定。
反铲装置工作过程中，以反铲最主要的位置——最大挖掘深度时能保证最大挖掘力来分析确定铲斗油缸作用力。
此时，计算位置为动臂下放到最低位置。
铲斗油缸作用力对铲斗与斗杆铰点有最大力臂，如图5.1.1。
式中
l1——铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂长度）
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