挖掘機工作裝置研究及液壓泵設計【反鏟工作裝置】【直軸式軸向柱塞泵的設計】

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正鏟挖掘機的鏟土動作形式。其特點是“前進向上，強制切土”。正鏟挖掘力大，能開挖停機面以上的土，宜用于開挖高度大于2m的干燥基坑，但須設置上下坡道。正鏟的挖斗比同當量的反鏟的挖掘機的斗要大一些，可開挖含水量不大于27%的一至三類土，且與自卸汽車配合完成整個挖掘運輸作業(yè)，還可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。正鏟挖土機的開挖方式根據開挖路線與運輸車輛的相對位置的不同，挖土和卸土的方式有以下兩種：正向挖土，側向卸土；正向挖土，反向卸土。 3）拉鏟挖掘機 拉鏟挖土機也叫索鏟挖土機。其挖土特點是：“向后向下，自重切土”。宜用于開挖停機面以下的Ⅰ、Ⅱ類土。工作時，利用慣性力將鏟斗甩出去，挖得比較遠，挖土半徑和挖土深度較大，但不如反鏟靈活準確。尤其適用于開挖大而深的基坑或水下挖土。 4）抓鏟挖土機 抓鏟挖土機也叫抓斗挖土機。其挖土特點是：“直上直下，自重切土”。宜用于開挖停機面以下的Ⅰ、Ⅱ類土，在軟土地區(qū)常用于開挖基坑、沉井等。尤其適用于挖深而窄的基坑，疏通舊有渠道以及挖取水中淤泥等，或用于裝載碎石、礦渣等松散料等。開挖方式有溝側開挖和定位開挖兩種。如將抓斗做成柵條狀，還可用于儲木場裝載礦石塊、木片、木材等。 1.3全液壓全回轉挖掘機 圖1.1液壓挖掘機 現今的挖掘機占絕大部分的是全液壓全回轉挖掘機。液壓挖掘機主要由發(fā)動機、液壓系統、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。液壓系統由液壓泵、控制閥、液壓缸、液壓馬達、管路、油箱等組成。電氣控制系統包括監(jiān)控盤、發(fā)動機控制系統、泵控制系統、各類傳感器、電磁閥等。 1.3.1 液壓挖掘機的結構 圖1.2 液壓挖掘機的結構 液壓挖掘機一般由工作裝置、上部車體和下部車體三大部分組成。據其構造和用途可以區(qū)分為：履帶式、輪胎式、步履式、全液壓、半液壓、全回轉、非全回轉、通用型、專用型、鉸接式、伸縮臂式等多種類型。 工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置。它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。為了適應各種不同施工作業(yè)的需要，液壓挖掘機可以配裝多種工作裝置，如挖掘、起重、裝載、平整、夾鉗、推土、沖擊錘，旋挖鉆等多種作業(yè)機具。回轉與行走裝置是液壓挖掘機的機體，轉臺上部設有動力裝置和傳動系統。發(fā)動機是液壓挖掘機的動力源，大多采用柴油要在方便的場地，也可改用電動機。液壓傳動系統通過液壓泵將發(fā)動機的動力傳遞給液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行組件，推動工作裝置動作，從而完成各種作業(yè)。 1.3.2 液壓挖掘機的工作原理 液壓挖掘機主要由發(fā)動機、液壓系統、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。液壓系統由液壓泵、控制閥、液壓缸、液壓馬達、管路、油箱等組成。電氣控制系統包括監(jiān)控盤、發(fā)動機控制系統、泵控制系統、各類傳感器、電磁閥等。 液壓挖掘機一般由工作裝置、回轉裝置和行走裝置三大部分組成。根據其構造和用途可以區(qū)分為：履帶式、輪胎式、步履式、全液壓、半液壓、全回轉、非全回轉、通用型、專用型、鉸接式、伸縮臂式等多種類型。 工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置。它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。動臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉動都用往復式雙作用液壓缸控制。為了適應各種不同施工作業(yè)的需要，液壓挖掘機可以配裝多種工作裝置，如挖掘、起重、裝載、平整、夾鉗、推土、沖擊錘等多種作業(yè)機具。 回轉與行走裝置是液壓挖掘機的機體，轉臺上部設有動力裝置和傳動系統。發(fā)動機是液壓挖掘機的動力源，大多采用柴油要在方便的場地， 也可改用電動機。 液壓傳動系統通過液壓泵將發(fā)動機的動力傳遞給液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行組件，推動工作裝置動作，從而完成各種作業(yè)。 1.3.3 液壓系統的工作原理 圖1.3 泵控制原理 挖掘機液壓系統是由一些基本回路和輔助回路組成，它們包括工作回路、限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流調速和節(jié)流限速回路、行走限速回路和先導閥控制回路等。其元器件主要由工作泵、補油泵、先導控制閥、分配閥、安全閥、大臂油缸、小臂油缸、鏟斗油缸、油箱及相關管路等組成。 挖掘機液壓系統在工作過程中，液壓油自油箱底部通過濾油器被工作泵吸入，從油泵輸出具有一定壓力的液壓油進入一組并聯的分配閥。通過手柄―→先導閥―→工作閥組來實現相應的動作，系統通過總油路上的總安全閥限定整個系統的總壓力，各組工作油路的安全閥分別對相應油路起過載保護和補油作用。 2挖掘機行業(yè)的歷史，及國內外發(fā)展現狀和趨勢 2.1 挖掘機的歷史進程 圖2.1 早期挖掘機珍貴影集 挖掘機行業(yè)的發(fā)展歷史久遠，可以追溯到1840年。當時美國西部開發(fā)，進行鐵路建設，產生了模仿人體構造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機械手的挖掘機，它采用蒸汽機作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間挖掘機沒有得到很大的發(fā)展，應用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。 導致挖掘機發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動作復雜，運動范圍大，需要采用多自由度機構，古老的機械傳動對它不太適合。而且當時的工程建設主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機的應用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機的發(fā)展。 由于液壓技術的應用，二十世紀四十年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機。隨著液壓傳動技術迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術，挖掘機有了適合它的傳動裝置，為挖掘機的發(fā)展建立了強有力的技術支撐，是挖掘機技術上的一個飛躍 。同時，工程建設和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進行城市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉，實現多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機得到了廣泛應用。 1950年在意大利北部生產了第一臺液壓挖掘機。第一臺液壓挖掘機采用定量齒輪泵，中位開式多路閥，工作壓力為9Mpa，所有執(zhí)行組件互相并聯連結。由單泵向6個執(zhí)行組件供油。由于早期液壓挖掘機主要采用了定量齒輪泵，不能按需改變供油流量，無法充分利用發(fā)動機的功率，因此其能量損失很大，不能滿足挖掘機復合動作的復雜要求，且可操縱性差。另外，早期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術，缺少適用于挖掘機各種工況的液壓組件，配套件也不齊全，制造質量不夠穩(wěn)定。從二十世紀六十年代到八十年代中期，液壓挖掘機進入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機產量己經達到挖掘機總產量的83%，其時對挖掘機液壓系統的研究也已經十分成熟，液壓挖掘機已經具有了同步控制系統和負載敏感系統L。 自第一臺手動挖掘機誕生以來的160多年當中，挖掘機一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術已經發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，對其控制方式不斷改進和革新，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合過程控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了堅實的基礎，創(chuàng)造了良好的前提。 據有關專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有65%至70%的土石方工程都是由挖掘機完成的。挖掘機是一種萬能型工程機械，目前已經無可爭議地成為工程機械的第一主力機種，在世界工程機械市場上己占據首位，并且仍在發(fā)展擴大。挖掘機的發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎，其液壓系統已成為工程機械液壓系統的主流形式。隨著科學技術的發(fā)展和建筑施工現代化生產的需要，液壓挖掘機需要大幅度的技術進步，技術創(chuàng)新是液壓挖掘機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術方面，挖掘機產品的核心技術就是液壓系統設計，所以對其液壓系統的分析研究具有十分重要的現實意義。 2.2 國內挖掘機行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 從國內情況來看，我國挖掘機行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機液壓系統方面的理論還比較薄弱。 國內大部分挖掘機企業(yè)在挖掘機液壓系統傳統技術方面的研究具有一定基礎，但由于采用傳統液壓系統的挖掘機產品在性能、質量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差，因此采用傳統液壓系統的挖掘機在國內市場上基本失去了競爭力，取而代之的是采用各種高新技術的國外挖掘機產品。先進的挖掘機液壓系統都被國際上一流的生產企業(yè)壟斷，國內企業(yè)在該領域的研究幾乎是空白，這樣國內的挖掘機生產廠家就無法獨立制造出性能優(yōu)異的挖掘機，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的挖掘機所占據。以20t級的中型液壓挖掘機為例，國產20t級挖掘機大多數是歐洲80年代初的技術，同90年代初以來在國內形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國大宇、現代等機型相比，其主要差距柴油機功率偏低，液壓系統流量偏小，液壓系統特性差，導致平臺回轉速度低，行走速度低，各種性能參數均偏小，整機性能和作業(yè)效率較國外偏低。 2.3 國外挖掘機行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 從20世紀60年代液壓傳動技術開始應用在挖掘機上至今，挖掘機液壓系統己經發(fā)展到了相當成熟的階段。 目前國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢；流量通常在每分鐘數百升；功率在數百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的目前世界上首臺最大的RH40。型全液壓挖掘機，鏟斗容量達42m3,液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高10200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓挖掘機經常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響.系統的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統使液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。 2.4 國際挖掘機行業(yè)的趨勢 近幾年來，隨著液壓挖掘機產量的提高和使用范圍的擴大，世界上著名的挖掘機生產商紛紛采用各種高新技術，來提高自己挖掘機在國際上的競爭力，主要表現在五個方面: (1) 開式向閉式液壓系統的轉變 采用三位六通閥，其特點是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯供油路。由于這種油路調速方式是進油節(jié)流調速和旁路節(jié)流調速同時起作用，其調速特性受負載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統的操縱性能、調速性能和微調性能差。另外，當液壓作用組件一起復合動作時，相互干擾大，使得復合動作操縱非常困難。由于挖掘機作業(yè)工程中要求對液壓組件能很好地控制其運動速度和進行微調，而且在其工作的許多任務況下要求多個執(zhí)行組件完成復合動作，而長期以來使用的開式液壓系統無法滿足挖掘機的調速和復合動作的要求。近年來在國外的挖掘機液壓系統中出現了閉式負載敏感系統(CLSS)。它可以采用一個油泵同時向所有液壓作用組件供油，每一個液壓作用組件的運動速度只與操縱閥的閥桿行程有關，與負載壓力無關，泵的流量按需提供，而且多個液壓作用組件同時動作時相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統的主要特點。這種系統非常符合挖掘機操作的要求，它操縱簡單，對司機的操縱技巧要求低，在國際上己經獲得較廣泛的使用，是挖掘機液壓系統的發(fā)展趨勢。目前日本小松公司已經把大量挖掘機液壓系統從開式系統改為閉式系統了。 (2) 節(jié)能技術的應用 目前液壓挖掘機上典型的節(jié)能技術基本上有兩種。即負載敏感技術和負流量控制技術，目前液壓挖掘機都選用其中一種控制技術來實現節(jié)能要求。負載敏感技術是一種利用泵的出口壓力與負載壓力差值的變化而使系統流量隨之相應變化的技術。德國曼內斯曼(Mannesmann)公司研制的一種負載傳感系統，將其安裝在液壓系統中，可以控制一個或幾個液壓作用組件，而與對其施加的載荷無關。該系統不僅易于操縱，而且微動控制特性很好。其最大的特點就是可以根據負載大小和調速要求對油泵進行控制，從而實現在按需供流的同時，使調速節(jié)流損失△P控制在很小的固定值，從而達到節(jié)能的目的lzs.e57負流量控制技術是通過位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對主泵的排量進行調節(jié)的技術。日前以韓國現代(HYUNDAI)、日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國外著名品牌的挖掘機生產商都在自己的挖掘機液壓系統中使用了負流量控制技術。這種控制技術具有穩(wěn)定性好、響應快、可靠性和維修性好等特點，但在起始點為重負荷下作業(yè)時，因流量與負載有關，所以可控制性較差。 (3) 提高負載能力和可靠性 為了提高挖掘機的負載能力，直接的方法是提高其液壓系統工作壓力、流量和功率。目前，國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢;流量通常在每分鐘數百升;功率在數百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的型全液壓挖掘機，鏟斗容量達42立方米液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達100200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓挖掘機經常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響。系統的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統，使液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。 (4) 重視操縱特性 挖掘機液壓系統的操縱特性越來越受到重視。日前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制，無線電遙控、電子計算機綜合過程控制。各種高新技術的應用，使得挖掘機液壓系統操縱特性大大提高。 (5) 電子一液壓集成控制成為當前主要研究目標 電子控制技術與液壓控制技術相結合的電子一液壓集成控制技術近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計算機和檢測儀表的應用，使液壓技術和電子控制有機結合，開發(fā)和研制出了許多新型電液自動控制系統，提高了挖掘機的自動化程度，推動著挖掘機的迅猛發(fā)展。目前國外先進品牌的挖掘機在電液聯合控制方面的研究己趨成熟。美國林肯一貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費。日本住友公司生產的FJ系列五中新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機輔助的功率控制系統，利用精控模式選擇系統，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命。 3方案擬定 3.1 設計參數 1） 旋轉方向：順時針（從傳動尾看） 2） 排量：63ml/r 3） 最高轉速：2600r/min 4） 控制方式：壓力、流量、恒功率控制 5） 輸入功率：30kw（2200rpm) 6） 容積效率≥92% 總效率≥87% 7） 注油量： 1.42L 3.2 方案擬定 在查閱資料對挖掘機工作裝置的研究，本次設計主要工作是完成液壓泵的結構設計，初步選擇柱塞泵。 3.2.1 柱塞泵 柱塞泵是液壓系統的一個重要裝置。它依靠柱塞在缸體中往復運動，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來實現吸油、壓油。柱塞泵具有額定壓力高、結構緊湊、效率高和流量調節(jié)方便等優(yōu)點，被廣泛應用于高壓、大流量和流量需要調節(jié)的場合，在液壓挖掘機中起到了非常重要的作用，是其的一個重要的核心。 柱塞泵一般分為單柱塞泵、臥式柱塞泵、軸向柱塞泵和徑向柱塞泵。 3.2.2軸向柱塞泵 軸向柱塞泵由于柱塞和柱塞孔都是圓形零件，加工時可以達到很高的精度配合，因此容積效率高。 軸向柱塞泵是采用配油盤配油，缸體旋轉，靠變量頭變量的斜盤式軸向柱塞泵。該泵采用液壓靜力平衡的最佳油膜厚度設計，使缸體與配油盤、滑靴與變量頭之間處于純液體摩擦下運轉，具有結構簡單、體積小、噪音低、效率高、壽命長和有自吸能力等優(yōu)點。因此本設計采用軸向柱塞泵。 軸向柱塞泵又分為斜軸式軸向柱塞泵與斜盤式軸向柱塞泵。軸向柱塞泵中的柱塞是軸向排列的。 1）當缸體軸線和傳動軸軸線重合時，稱為斜盤式軸向柱塞泵。 2）當缸體軸線和傳動軸軸線不在一條直線上，而成一個夾角γ時，稱為斜軸式軸向柱塞泵。 3.2.3 斜盤式軸向柱塞泵與斜軸式軸向柱塞泵的比較 1）斜盤式軸向液壓泵：柱塞受側向力作用，對缸體產生傾覆力矩，故斜盤角一般小于20度抗扭振性能好，集成化容易。變量機構驅動斜盤擺動，慣性力小，變量響應速度快。 圖3.1 斜盤式軸向液壓泵 2）斜軸式軸向液壓泵：柱塞不受側向力作用，缸體產生傾覆力矩較小，軸傾角可達25-30度.抗扭振性能不好，集成化困難。變量機構驅動缸體擺動，變量響應速度慢。 3.2.4 方案設定結論 圖3.2 斜盤式軸向液壓泵的結構 根據以上所查及的資料及分析，本設計方案設定為用于挖掘機的斜盤式軸向柱塞泵。 4 執(zhí)行步驟 第一周 ：外文翻譯。 第二周～第四周 ：制訂課題研究方案，開題報告。 第五周～第八周 ：液壓主泵結構設計。 第九周～第十周 ：機構及其關鍵部件參數分析。 第十一周～第十三周 ：詳細裝配和零件設計。 第十三周～第十六周 ：撰寫畢業(yè)論文。 第十七周 ：準備答辯。 第十八周 ：答辯。 參考文獻 [1] 王紅彬.國外液壓挖掘機新技術發(fā)展動向．國外工程機械．1993.19 [2]?Gordon?S.?G.Beveridge?and?Robert?S.?Schrchter.?Optimization[M].?Theory?and?Practics，MeGraw-Hill?Book?Company，1970 [3]?楊培元,朱富元主編.液壓系統設計簡明手冊[M].機械工業(yè)出版社.2002 [4]?霍培祥.斜盤式軸向柱塞泵設計[M].北京.煤炭工業(yè)出版社.1978 [5] Linde Hydraulic. 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