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摘 要
挖掘機(jī)作為我國工程機(jī)械中的主要機(jī)種之一，被廣泛運(yùn)用于各種工程施工行業(yè)中。由于挖掘機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，要求的動作也相對比較復(fù)雜。所以對于挖掘機(jī)來說液壓系統(tǒng)的設(shè)計尤為重要。
本文是關(guān)于36000KN單斗通用型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計，即液壓系統(tǒng)方案的擬定，系統(tǒng)管路圖的設(shè)計，液壓油箱的設(shè)計。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作狀況以及工況要求，液壓系統(tǒng)的設(shè)計主要包括5個方面：行走系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，鏟斗系統(tǒng)，斗桿系統(tǒng)以及動臂系統(tǒng)的設(shè)計。為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)各工況的基本要求，本論文中液壓系統(tǒng)采用的是雙泵雙回路系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動機(jī)的功率能得到充分利用，同時實(shí)現(xiàn)了鏟斗轉(zhuǎn)動、斗桿收放和動臂提升有較快的工作速度，從而提高了生產(chǎn)率。同時雙泵回路采用手動閥操控簡單，工作安全可靠。設(shè)計思路是從挖掘機(jī)總體以及各部分的工作性能和動作要求入手，以實(shí)現(xiàn)工作安全可靠，操作簡單為目的，開發(fā)出自己的全套液壓系統(tǒng)方案。經(jīng)過認(rèn)真地設(shè)計計算,查找資料撰寫本次論文。最終完成了采用先導(dǎo)伺服控制，結(jié)構(gòu)簡單，清晰明了，造價低廉，便于檢修的單斗通用型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)。該挖掘機(jī)可廣泛應(yīng)用于建筑，市政，供水，供氣，供電，農(nóng)林及園藝建設(shè)等工程。
關(guān)鍵字：液壓挖掘機(jī)；液壓系統(tǒng)；單斗通用型；雙泵雙回路
Abstract
The excavator as one of the main types in China's construction machinery, is widely used in various engineering and construction industry. Excavators working environment is relatively poor, the requested action is relatively complex. For excavators hydraulic system design is particularly important.
This article is about the 36000KN single general-purpose bucket hydraulic excavator hydraulic system design, program development of the hydraulic system, the system piping diagram of the design, the design of the hydraulic tank. Working conditions and the conditions required of the hydraulic excavator, hydraulic system design includes five aspects: the walking system, rotary system, the bucket system, the system of the stick and boom system design. For the realization of the basic requirements of the conditions of the excavator, the hydraulic system used in this paper is dual-pump dual-circuit system, its main advantage is that the engine power can be fully utilized, while achieving a bucket rotating, retractable and move Stick Raising a faster pace of work, thereby increasing productivity. Dual-pump circuit with manual valve control is simple, safe and reliable. The design idea is from the starting performance and movements of the excavator in general, as well as various parts of the requirements, in order to achieve safe and reliable, easy to operate for the purpose of developing its own full set of hydraulic system solutions. After careful design calculations, to find information to write this paper. The final completion of the pilot servo control, simple structure, clarity, low cost, easy maintenance, a single bucket universal hydraulic excavator hydraulic system. The excavator can be widely used in the construction, municipal, water, gas, electricity, agriculture, forestry and horticulture building project.
Keywords: hydraulic excavators; hydraulic system; single bucket Universal; dual-pump dual loop
目 錄
引 言 1
1 概述 2
1.1 挖掘機(jī)簡史 2
1.2 國內(nèi)外的情況 2
1.2.1 國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r 2
1.2.2 國外挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展動向 3
1.3 挖掘機(jī)的功能 5
2 液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 6
2.1 設(shè)計思想 6
2.1.1 產(chǎn)品開發(fā)目的與適用范圍 6
2.1.2 設(shè)計指導(dǎo)思想 6
2.2 液壓系統(tǒng)分析與擬定 6
2.2.1 本機(jī)主要系統(tǒng) 6
2.2.2單斗液壓挖掘機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) 7
2.2.3 挖掘機(jī)的作業(yè)程序及其動作特點(diǎn) 8
2.2.4 挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng) 9
2.3 本機(jī)的技術(shù)要求 9
2.4 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方案的擬定 9
3 液壓系統(tǒng)的計算 12
3.1 行走驅(qū)動計算 12
3.1.1 行走裝置基本要求及運(yùn)動方式 12
3.1.2 行走系統(tǒng)液壓回路設(shè)計 12
3.1.3 單個行走馬達(dá)計算 13
3.2 回轉(zhuǎn)驅(qū)動計算 14
3.2.1 回轉(zhuǎn)裝置基本要求及運(yùn)動方式 14
3.2.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓回路設(shè)計 15
3.2.3 回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量的計算及選型 15
3.2.4 回轉(zhuǎn)油缸的計算及選型 16
3.3 鏟斗系統(tǒng)設(shè)計 18
3.3.1 鏟斗系統(tǒng)液壓回路設(shè)計 18
3.3.2 鏟斗油缸作用力的確定 19
3.3.3 鏟斗油缸尺寸的計算 20
3.4 斗桿系統(tǒng)設(shè)計 21
3.4.1 斗桿系統(tǒng)液壓回路設(shè)計 21
3.4.2 斗桿油缸作用力的確定 21
3.4.3 斗桿油缸尺寸的計算 22
3.5 動臂系統(tǒng)設(shè)計 23
3.5.1 動臂系統(tǒng)液壓回路設(shè)計 23
3.5.2 動臂油缸作用力的確定 24
3.5.3 動臂油缸尺寸的計算 24
3.6 主回路液壓泵的選擇 25
3.6.1 各液壓缸流量的確定 25
3.6.2 主回路液壓泵的選擇 26
4 液壓原理圖的擬定 27
4.1 制定基本方案 27
4.1.1 制定調(diào)速方案 27
4.1.2 確定回路方式 27
4.1.3 選用液壓油液 27
4.2 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定 28
4.2.1 液壓元件的選擇 28
4.2.2 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定 29
4.3 管路油管的選擇 29
4.3.1 油管內(nèi)徑的確定 30
4.3.2 管接頭的選擇 30
4.3.3 螺塞的選取 30
4.3.4 液壓油箱的確定 30
5 液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 31
5.1 液壓系統(tǒng)壓力損失 31
5.1.1 沿程壓力損失 31
5.1.2 局部壓力損失 31
5.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計算 31
5.3 液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 33
總結(jié) 35
謝 辭 36
參考文獻(xiàn) 37
引 言
當(dāng)今中國正處于開展大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)的關(guān)鍵時期，必不可少的需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù)。液壓挖掘機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的多功能的建設(shè)施工機(jī)械，作為工程機(jī)械中的主要機(jī)種之一。由于液壓挖掘機(jī)具有品種多，功能多，質(zhì)量高及效率高等特點(diǎn)，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞，并且它的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。因此，如何設(shè)計一種工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，高效率，性能好，成本低，維護(hù)簡單，使用方便的液壓系統(tǒng)便成了一個非常具有調(diào)研意義的課題。單斗通用型液壓挖掘機(jī)是采用了液壓傳動的挖掘機(jī)以其技術(shù)性能高，結(jié)構(gòu)簡化，整機(jī)質(zhì)量小，維修簡單等特點(diǎn)，對于減輕工人體力勞動，提高施工機(jī)械化水平，加速施工進(jìn)度，促進(jìn)各項建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都有著重要的作用。
1 概述
1.1挖掘機(jī)簡史
從第一臺手動挖掘機(jī)問世至今已有130多年的歷史，在這期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)到電力驅(qū)動和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)、以及應(yīng)用機(jī)電液一體化技術(shù)的全自動液壓挖掘機(jī)的逐步發(fā)展過程。???
由于液壓技術(shù)的初步應(yīng)用，在20世紀(jì)40年代初開始出現(xiàn)了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)，到了20世紀(jì)50年代初期和中期先后研制出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機(jī)和履帶式全液壓挖掘機(jī)。在初期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，但由于缺少適用于挖掘機(jī)各種工況的液壓元件，制造質(zhì)量的穩(wěn)定性不夠，配套件也不齊全。到了20世紀(jì)60年代起，液壓挖掘機(jī)正式進(jìn)入全面推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國挖掘機(jī)制造廠和品種增加速度很快，產(chǎn)量急劇上升。在1968-1970年間，液壓挖掘機(jī)的總產(chǎn)量已占挖掘機(jī)總產(chǎn)量的83%，目前已接近100%。
1.2國內(nèi)外的情況
1.2.1國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r
我國的挖掘機(jī)生產(chǎn)起步相對較晚，從1954年撫順挖掘機(jī)廠生產(chǎn)第一臺斗容量為1m3的機(jī)械式單斗挖掘機(jī)到現(xiàn)在，大體上經(jīng)歷了測繪仿制、自主研制開發(fā)和發(fā)展提高等三個階段。在新中國成立初期，主要以測繪仿制前蘇聯(lián)20世紀(jì)30～40年代的W501.W502.W1001.W1002等機(jī)械式單斗挖掘機(jī)為主，從而開始了我國的挖掘機(jī)生產(chǎn)歷史。由于當(dāng)時國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，先后共建立起十多家挖掘機(jī)生產(chǎn)廠。從1967年起，我國開始自主研制液壓挖掘機(jī)。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機(jī)械廠的WYl00型、貴陽礦山機(jī)器廠的W4-60型、合肥礦山機(jī)器廠的WY60型挖掘機(jī)等。之后又出現(xiàn)了長江挖掘機(jī)廠的WYl60型和杭州重型機(jī)械廠的WY250型挖掘機(jī)等。它們的成功研制為我國液壓挖掘機(jī)行業(yè)的形成和發(fā)展邁出了極其重要的一步。
到20世紀(jì)80年代末，在我國挖掘機(jī)生產(chǎn)廠已有30多家，生產(chǎn)機(jī)型達(dá)到40余種。中、小型液壓挖掘機(jī)已形成系列，斗容有0.1～2.5 m3等12個等級、20多種型號，還生產(chǎn)0.5-4.0m3以及大型礦用10m3、12m3機(jī)械傳動單斗挖掘機(jī)，1m3隧道挖掘機(jī)，4m3長臂挖掘機(jī)，1000m3/h的排土機(jī)等，同時還開發(fā)了斗容量為O.25m3的船用液壓挖掘機(jī)，斗容量為O.4m3、O.6m3、0.8m3的水陸雙用挖掘機(jī)等。但總體來講，我國挖掘機(jī)生產(chǎn)批量小、分散，生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量等與國際先進(jìn)水平相比，還是具有有很大的差距。
改革開放以來，我國積極引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，以促進(jìn)我國挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展。其中貴陽礦山機(jī)器廠、上海建筑機(jī)械廠、合肥礦山機(jī)器廠、長江挖掘機(jī)廠等分別引進(jìn)德國利勃海爾(Liebherr)公司的A912.R912.R942.A922.R922.R962.R972.R982型液壓挖掘機(jī)制造技術(shù)。在這之后幾年，杭州重型機(jī)械廠引進(jìn)德國德瑪克(Demag)公司的H55和H85型液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)技術(shù)，北京建筑機(jī)械廠引進(jìn)德國奧加凱(0&K)公司的RH6和MH6型液壓挖掘機(jī)制造技術(shù)。與此同時，還有山東推土機(jī)總廠(其挖掘機(jī)生產(chǎn)基地改名為山重建機(jī)有限公司，包括STRONG和JCM兩個品牌)、黃河工程機(jī)械廠、江西長林機(jī)械廠、山東臨沂工程機(jī)械廠等聯(lián)合引進(jìn)了日本小松制作所的PC100、PC120.PC200、PC220.PC300、PC400型液壓挖掘機(jī)(除發(fā)動機(jī)外)的全套制造技術(shù)。這些廠通過數(shù)年引進(jìn)技術(shù)的消化、吸收、移植，使國產(chǎn)液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品性能指標(biāo)全面提高到20世紀(jì)80年代的國際水平，產(chǎn)量也逐年提高。由于國內(nèi)對液壓挖掘機(jī)的需求量不斷增加而且多樣化，在國有大、中型企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整的基礎(chǔ)上，牽動了一些其他機(jī)械行業(yè)的制造廠加入液壓挖掘機(jī)行業(yè)。
同時業(yè)內(nèi)人士指出，在我國單斗通用型液壓挖掘機(jī)應(yīng)向全液壓方向發(fā)展，同時斗容量宜控制在0.1-15 m3，而對于大型及多斗液壓挖掘機(jī)，由于液壓元件的制造、裝配精度要求比較高，施工現(xiàn)場維修條件相對比較差等，則仍以機(jī)械式為主。目前應(yīng)著手研究、運(yùn)用電液控制技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)操縱的自動化。
1.2.2國外挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展動向
工業(yè)相對比較發(fā)達(dá)的國家的挖掘機(jī)生產(chǎn)相對比較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量為3.5-40m3單斗液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國，在20世紀(jì)80年代時開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。例如，美國馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量50-150m3剝離用挖掘機(jī)，斗容量132m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)；B-E（布比賽路斯-伊利）公司生產(chǎn)的斗容量168.2m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)，斗容量107m3的剝離用挖掘機(jī)等，是世界上目前最大的挖掘機(jī)。
自從20世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)面向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展，其主要表現(xiàn)在以下7個方面：?
1、開發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量以及高效率的挖掘機(jī)。為了滿足市政建設(shè)和農(nóng)田建設(shè)的需要，國外發(fā)展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘機(jī)，其中最小的斗容量僅僅是在0.01m3。另外，數(shù)量最大的中、小型挖掘機(jī)趨向于一機(jī)多能，配備了多種工作裝置——其中除了正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，從而能夠滿足各種施工的需要。與此同時，還發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī)，例如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸雙用挖掘機(jī)等。
2、迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，從而使挖掘機(jī)由簡單的杠桿操縱發(fā)展到了液壓操縱、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(jī)綜合程序控制等。在危險地區(qū)或水下作業(yè)時可采用無線電操縱，利用電子計算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動化。挖掘機(jī)的全液壓化為所有的這一切奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了良好的前提條件。
3、高度重視采用新工藝、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)，加快系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的發(fā)展速度。例如，德國的阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，從而使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求，工況情況的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動的控制液壓系統(tǒng)，其可自動調(diào)節(jié)流量，從而避免了驅(qū)動功率的浪費(fèi)。并且安裝了CAPS（計算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），大大提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，從而更好地發(fā)揮了液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五種新型號挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計算機(jī)輔助功率控制系統(tǒng)，其利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、液壓功率的消耗和發(fā)動機(jī)功率，并使零部件的使用壽命大大提高；德國奧加凱（O&K)公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)的油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有合流特性，從而使油泵具有最大的工作效率；日本神鋼公司在新型的904、905、907、909型液壓挖掘機(jī)采用智能型控制系統(tǒng)，即使是無經(jīng)驗(yàn)的駕駛員也能夠進(jìn)行相對比較復(fù)雜的作業(yè)操作；德國利勃海爾公司開發(fā)了ECO（電子控制作業(yè)）的操縱裝置，可根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)挖掘機(jī)的作業(yè)性能，取得了低油耗、高效率的效果；美國卡特匹勒公司在新型B系統(tǒng)挖掘機(jī)上采用最新的3114T型柴油機(jī)以及功率方式選擇器、扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)等，從而進(jìn)一步提高了挖掘機(jī)的穩(wěn)定性和作業(yè)效率。韓國大宇公司在DH280型挖掘機(jī)上采用了EPOS---電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化，可以自動調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速左右，即發(fā)動機(jī)始終以全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣既充分利用了發(fā)動機(jī)的功率、提高挖掘機(jī)的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動機(jī)因過載而熄火。
4、更新設(shè)計理論，提高可靠性，延長使用壽命。美、英、日等國家廣泛推廣采用有限壽命設(shè)計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計理論和方法，并且將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、優(yōu)化設(shè)計、有限元法、疲勞強(qiáng)度分析方法、電子計算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，從而促進(jìn)了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效和競爭力。美國提出了考核動強(qiáng)度的動態(tài)設(shè)計分析方法，并且創(chuàng)立了預(yù)測產(chǎn)品失效和更新的理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評定程序，研制了可靠性住處處理系統(tǒng)。在上述基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，同時通過借助于大量試驗(yàn)，大大縮短了新產(chǎn)品的研究周期，加快了液壓挖掘機(jī)更新?lián)Q代的進(jìn)程，并且提高其耐久性和可靠性。例如，液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%，其使用壽命超過1萬小時。
5、改善駕駛員的勞動條件，加強(qiáng)對駕駛員的勞動保護(hù)。液壓挖掘機(jī)采用傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)和帶有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾等保護(hù)措施，從而加強(qiáng)對駕駛員的勞動保護(hù)。
6、進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢。因?yàn)樽兞肯到y(tǒng)在油泵工作過程中，壓力減小時增大流量，使液壓泵功率保持恒定，即裝有變量泵的液壓挖掘機(jī)可以經(jīng)常性地充分利用油泵的最大功率。當(dāng)外阻力增大時則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長率加；采用三回路液壓系統(tǒng)，產(chǎn)生三個互不成影響的獨(dú)立工作運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)達(dá)機(jī)械的功率匹配。將第三泵在其他工作運(yùn)動上接通，成為開式回路的第二個獨(dú)立的快速成運(yùn)動。此外，液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上普遍使用，為電子技術(shù)、自動控制技術(shù)在挖掘機(jī)的應(yīng)用與推廣創(chuàng)造了前提條件。
7、迅速拓展電子化、自動化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代起，為了節(jié)省能源消耗和減少對環(huán)境的污染，使挖掘機(jī)的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機(jī)噪音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應(yīng)用了電子和自動控制技術(shù)。隨著對挖掘機(jī)的工作效率、操作輕便、節(jié)能環(huán)保、可靠耐用、安全舒適等方面性能要求的提高，促使了機(jī)電一體化在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，并使其各種性能都有了質(zhì)的飛躍。20世紀(jì)80年代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器和檢測儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和推廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，亦即目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè)有發(fā)動機(jī)自動怠速及功率優(yōu)化系統(tǒng)、油門控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。
1.3挖掘機(jī)的功能
挖掘機(jī)是一種用來開挖土方的施工機(jī)械，它是利用鏟斗上的斗齒切削土壤并裝人斗內(nèi)，裝滿土后再提升鏟斗并回轉(zhuǎn)到卸土地點(diǎn)卸土，然后再使轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、鏟斗下降到挖掘面，進(jìn)行下一次挖掘并如此循環(huán)。挖掘機(jī)在建筑、水利、筑路、采礦、電力、石油、天然氣管道鋪設(shè)和軍事工程中都被廣泛地應(yīng)用。挖掘機(jī)主要用于筑路工程中的塹壕開挖，水利工程開挖溝渠、運(yùn)河和疏浚河道，建筑工程開挖基礎(chǔ)，在采石場、露天開采等工程中剝離和礦石的挖掘等。據(jù)統(tǒng)計，工程施工中大約有60％左右的土石方量是靠挖掘機(jī)完成的。此外，挖掘機(jī)更換工作裝置后還可進(jìn)行澆筑、起重、安裝、打樁、夯土和拔樁、破碎等作業(yè)。
挖掘機(jī)作業(yè)過程是以切削刃切削土壤，實(shí)現(xiàn)破土、裝土、提升回轉(zhuǎn)、卸土，再返回進(jìn)行第二次挖掘，挖完一段時間之后,機(jī)械移位繼續(xù)挖掘。
為了實(shí)現(xiàn)上述周期性作業(yè)動作要求，就需要以下組成部分：工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動力裝置、傳動裝置（液壓部分）、操縱裝置、行走裝置等?，F(xiàn)通常按結(jié)構(gòu)分為：行走裝置、回轉(zhuǎn)平臺、工作裝置。根據(jù)其構(gòu)造和用途可以區(qū)分為：履帶式、步履式、輪胎式、半液壓、全液壓、非全回轉(zhuǎn)、全回轉(zhuǎn)、鉸接式、通用型、專用型、伸縮臂式等多種類型。
行走裝置是挖掘機(jī)的支柱，承受挖掘機(jī)的全部質(zhì)量以及挖掘機(jī)的載荷，為挖掘機(jī)提供行走、轉(zhuǎn)彎和爬坡的能力，總之挖掘機(jī)在工作時行走裝置起到支撐和穩(wěn)定的作用。
回轉(zhuǎn)裝置是液壓挖掘機(jī)的機(jī)體，轉(zhuǎn)臺上部設(shè)有動力裝置和傳動系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)是液壓挖掘機(jī)的動力源，大多采用柴油發(fā)動機(jī)，在方便的場地也可改用電動機(jī)。
工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置。它由鏟斗、斗桿、動臂等三部分鉸接而成。鏟斗轉(zhuǎn)動、斗桿伸縮和動臂起落都用往復(fù)式雙作用液壓缸控制。為了適應(yīng)各種不同施工作業(yè)的需要，液壓挖掘機(jī)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(jī)具。
2 液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計
2.1 設(shè)計思想
2.1.1 產(chǎn)品開發(fā)目的與適用范圍
根據(jù)我國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示表明，在2011年我國挖掘機(jī)銷量已達(dá)到16萬臺以上，同比增幅達(dá)到60%左右。挖掘機(jī)的市場需求與我們國家的固定資產(chǎn)投資息息相關(guān)。不可否認(rèn)，隨著我國城鎮(zhèn)化步伐的加快以及中、西部開發(fā)進(jìn)程的提速，挖掘機(jī)行業(yè)在“十二五”期間仍然會有著較好的市場潛力。2009以來國家對農(nóng)業(yè)的投資力度進(jìn)一步加大，另外2003年起我國西部開發(fā)建設(shè)，南水北調(diào)工程的啟動，同樣將需要大量的工程機(jī)械產(chǎn)品，尤其是針對中，小型號的液壓挖掘機(jī)的需求量必將持續(xù)增長。
因此如何能夠設(shè)計出高質(zhì)量，高效率，高性能，低成本的挖掘機(jī)對于我國市場的發(fā)展，乃至對我國各方面的發(fā)展都將有著非常重要的意義。
經(jīng)過長期調(diào)研，發(fā)現(xiàn)3－10噸級液壓挖掘機(jī)在農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民以及城鄉(xiāng)個體、私營、集體企業(yè)中具有較好市場。
本次畢業(yè)設(shè)計中的單斗通用型液壓挖掘機(jī)主要用于民用建設(shè)、農(nóng)田水利、市政工程、房產(chǎn)開發(fā)、修筑道路等土石方施工。
2.1.2 設(shè)計指導(dǎo)思想
一、貫徹“質(zhì)量第一”的設(shè)計方針，力求結(jié)構(gòu)合理，性能優(yōu)化，可靠性高。
二、要貫徹“三化”原則（標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化），盡可能地考慮零部件的通用性，實(shí)現(xiàn)投資少，見效快。
三、外協(xié)件應(yīng)立足于國內(nèi)，但液壓件盡量選國外產(chǎn)品，并有一定的先進(jìn)性和可靠性。
四、產(chǎn)品應(yīng)符合國家、以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并學(xué)習(xí)引用國外先進(jìn)技術(shù)。
2.2 液壓系統(tǒng)分析與擬定
2.2.1 本機(jī)主要系統(tǒng)
1、 發(fā)動機(jī)
本次畢設(shè)中單斗通用型液壓挖掘機(jī)采用的發(fā)動機(jī)型號是Cummins6BT5.9-C。該發(fā)動
機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：耗油低，噪音小，性能可靠。當(dāng)然，發(fā)動機(jī)的型號并不是唯一確定的，也可以根據(jù)用戶的要求，自己選用滿意的發(fā)動機(jī)型號。
二、液壓系統(tǒng)
根據(jù)本次設(shè)計方案與設(shè)計思路，本次畢設(shè)中單斗通用型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)采用的是雙泵雙回路全功率變量系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動機(jī)的功率能得到充分利用。
3、 行走系統(tǒng)
采用鋼履帶底盤，操作靈活，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，挖掘機(jī)行走也相對比較方便。
2.2.2單斗液壓挖掘機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
圖2-1 單斗通用型液壓挖掘機(jī)
如圖2—1所示挖掘機(jī)的外形尺寸如下：
表2-1 外形尺寸
外形尺寸
尺寸大小（mm）
外形尺寸
尺寸大?。╩m）
A上部寬度
2710
H總長（運(yùn)輸時）
5430
B總高度（駕駛室頂）
2930
I尾部回轉(zhuǎn)半徑
2750
C總高度（運(yùn)輸時）
2960
J配重高
2020
D履帶板寬度
600
K配重離地間隙
1090
E 軌距
2200
L履帶接地長度
3260
F總寬度
2800
M履帶長度
3860
G最小離地間隙
440
N接地長度
4630
挖掘機(jī)的工作范圍的基本要求如下：
表2-2 工作范圍
工作范圍
尺寸大?。╩m）
最大挖掘高度（mm）
7315
最大卸載高度（mm）
6485
最大挖掘深度（mm）
6630
最大垂直壁挖掘深度（mm）
5990
挖出2400mm水平時的最大挖掘深度（mm）
6445
最大挖掘距離（mm）
6885
在地坪面的最大挖掘距離（mm）
6710
最小回轉(zhuǎn)半徑（mm）
3640
最小回轉(zhuǎn)半徑時的最大高度（mm）
5580
根據(jù)設(shè)計要求以及查詢的資料可初步確定挖掘機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
表2-3 挖掘機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
整機(jī)質(zhì)量
36000kg
標(biāo)準(zhǔn)斗容
0.9 m3
發(fā)動機(jī)型號
Cummins6BT5.9-C
發(fā)動機(jī)型式
6缸，四沖程，直噴，渦輪增壓
額定功率
101.5（138PS）/2000(KW/rpm)
額定扭矩
556/1350(Nm/rpm)
行走速度
3.0——6.0(Km/h)
回轉(zhuǎn)速度
12.5(rpm)
接地比壓
45(Kpa)
爬坡能力
30°
鏟斗挖掘力
150(KN)
斗桿挖掘力
100(KN)
最大牽引力
200(KN)
2.2.3 挖掘機(jī)的作業(yè)程序及其動作特點(diǎn)
單斗挖掘機(jī)的工作循環(huán)是：鏟斗切削土壤入斗，裝滿后提升回轉(zhuǎn)到卸料點(diǎn)卸空，再到挖掘位置并開始下次作業(yè)。其作業(yè)程序及其動作特點(diǎn)如下表：
表2—4 單斗挖掘機(jī)的作業(yè)程序及其動作特點(diǎn)
作業(yè)程序
動作特征
順序
部件動作
挖掘
挖掘和鏟斗回轉(zhuǎn)鏟斗提升到回轉(zhuǎn)位置
挖掘堅硬土壤以斗桿液壓缸動作為主；挖掘松散土壤三個液壓缸復(fù)合動作，以鏟斗液壓缸為主。
提升
回轉(zhuǎn)
鏟斗提升轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)
到卸料位置
鏟斗液壓缸推出，動臂抬起，滿斗提升，回轉(zhuǎn)馬達(dá)使工作裝置轉(zhuǎn)至卸料位置。
卸料
斗桿縮回鏟斗
旋轉(zhuǎn)卸載
鏟斗液壓缸縮回，斗桿液壓缸動作，根據(jù)卸料高度，動臂液壓缸配合動作。
復(fù)位
轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)斗桿伸出
工作裝置下降
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將工作裝置轉(zhuǎn)到工作挖掘面，動臂和斗桿液壓缸配合動作將鏟斗降至地面。
此外，由于挖掘機(jī)的工作環(huán)境以及工作對象變化的變化相對較大，因此對主機(jī)的工作有兩項特殊要求：
（1）由于在實(shí)現(xiàn)各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨著時間可能發(fā)生變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能發(fā)生相應(yīng)的變化；
（2）為了充分利用發(fā)動機(jī)的功率和縮短作業(yè)循環(huán)的時間，工作過程中往往需要要求有兩個主要動作(例如挖掘與提升、提升與回轉(zhuǎn))能夠同時進(jìn)行。
2.2.4 挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)
按照挖掘機(jī)工作裝置和各個機(jī)構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來的組合體，稱為挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)。其主要功能是，以油液為工作介質(zhì)，利用液壓泵將發(fā)動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗懿⑦M(jìn)行傳送，然后通過液壓缸和液壓馬達(dá)等將液壓能再次轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的各種動作。挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)類型很多，習(xí)慣上以主泵數(shù)量和類型、變量和功率調(diào)節(jié)方式以及回路數(shù)量分類，分為單泵或多泵單路定量系統(tǒng)、雙泵雙路分功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)、雙泵雙路定量系統(tǒng)、雙泵雙路全功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)、多泵多路定量系統(tǒng)、多泵多路定量變量混合系統(tǒng)，但通常以雙泵雙路定量系統(tǒng)和雙泵雙路變量系統(tǒng)應(yīng)用較多。
2.3 本機(jī)的技術(shù)要求
一、整機(jī)結(jié)構(gòu)布置與液壓管路布置應(yīng)該合理可行，同時操作簡便舒適，外形要美觀，設(shè)計時應(yīng)同時考慮制造工藝，拆裝維修等各方面內(nèi)容。
二、整機(jī)運(yùn)輸、停放時應(yīng)該具有合理的姿態(tài)，確保行駛穩(wěn)定性好，同時又要保證安全可靠。
三、配套件的選用應(yīng)該力求合理、可靠、先進(jìn)。設(shè)計事應(yīng)考慮到“三化”，可以采用系列參數(shù)。
四、總體參數(shù)應(yīng)該符合GB/T9139.1－1988《液壓挖掘機(jī) 分類》的規(guī)定，同時在設(shè)計時應(yīng)貫徹GB/T9139.2－1996《液壓挖掘機(jī) 技術(shù)條件》；GB/T9140－1996《液壓挖掘機(jī) 結(jié)構(gòu)和性能》；JB6030－200《工程機(jī)械 通用安全技術(shù)條件》；GB16710.1－1996《工程機(jī)械 噪聲限值》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
2.4 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方案的擬定
一、對于挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本要求：
單斗通用型液壓挖掘機(jī)的動作繁復(fù)，主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動、制動，換向，外負(fù)荷變化很大，沖擊和振動也比較多，而且常在野外工作，溫度和環(huán)境變化大，所以對其液壓系統(tǒng)的要求是多方面的。
根據(jù)單斗通用型挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，其液壓系統(tǒng)要滿足主機(jī)正常工作要求，即：
1) 要保證鏟斗、斗桿和動臂不僅可以各自單獨(dú)動作，同時也能保證可以互相配合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合動作；
2) 在主機(jī)工作過程中，應(yīng)要求工作裝置的動作和轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)動作既能單獨(dú)進(jìn)行，又能作復(fù)合動作，以提高生產(chǎn)率；
3) 對于履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶要求能夠?qū)崿F(xiàn)分別驅(qū)動，從而使挖掘機(jī)行走更加方便，轉(zhuǎn)向更加靈活，同時又可以原地轉(zhuǎn)彎；
4) 要保證挖掘機(jī)的所有動作基本上都是可逆的，而且要求能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速；
5) 要求確保工作安全可靠，各種工況的液壓缸也要具有良好的過載保護(hù)，同時行走裝置和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也要有可靠的制動和限速能力，從而能夠防止動臂因自重而快速下降和整機(jī)超速溜坡。
根據(jù)挖掘機(jī)的工作環(huán)境和條件，其液壓系統(tǒng)還應(yīng)滿足以下五種條件：
1) 能夠充分利用發(fā)動機(jī)的功率，從而提高其傳動效率；
2) 系統(tǒng)和液壓元件應(yīng)能保證在外負(fù)荷變化較大以及在急劇的振動沖擊作用下，還具有足夠的可靠性和安全性；
3) 應(yīng)力求減少系統(tǒng)發(fā)熱的總量，并且藥設(shè)置輕便耐振的冷卻裝置，使主機(jī)在持續(xù)工作時，能夠保證油溫不能超過85℃，或者溫升不大于45℃；
4) 系統(tǒng)的密封性能要足夠好。由于工作場地塵土較多，油液容易受到污染，所以基本要求是所用元件對油液污染的敏感性要低，同時整個系統(tǒng)要設(shè)置濾油器和防塵裝置；
5) 采用液壓或電液伺服操縱裝置，以便挖掘機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置自動控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高挖掘機(jī)的技術(shù)性能，從而減輕駕駛員的勞動強(qiáng)度。
二、挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)類型的選擇：
單斗液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)壓力和液壓泵特性可以分為中高壓和高壓定量系統(tǒng)，高壓變量系統(tǒng)。各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)如下表：
表2—5 三種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)
定量系統(tǒng)
高壓變量系統(tǒng)
中高壓
高壓
優(yōu)點(diǎn)
中高壓定量系統(tǒng)大多采用外嚙合齒輪泵，系統(tǒng)工作壓力為16MPa左右， 這種液壓泵具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，尺寸小，重量輕等特點(diǎn)。
高壓定量系統(tǒng)采用徑向偏心柱塞泵，系統(tǒng)工作壓力為32MPa左右，這種液壓泵結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，工作可靠，耐沖擊和振動，壓力高，壽命長。
高壓變量系統(tǒng)大多采用恒功率調(diào)節(jié)的軸向柱塞泵，系統(tǒng)工作壓力32MPa左右，變量泵在變量范圍以內(nèi)，功率基本上保持恒定，當(dāng)外負(fù)荷變化時，液壓泵能夠自動調(diào)節(jié)流量，達(dá)到充分利用發(fā)動機(jī)功率的目的，而且效率高。
缺點(diǎn)
在定量系統(tǒng)中，流量固定，不能因外負(fù)荷變化而使流量作相應(yīng)的變化，因此負(fù)荷小時不能提高作業(yè)速度，功率得不到充分利用。為了滿足作業(yè)要求，定量系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)功率要根據(jù)最大外負(fù)荷和作業(yè)速度來確定。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)功率不能充分利用，效率低，泵的特性很硬，挖掘硬土?xí)r引起很大的溢流損失。
這種液壓泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓系統(tǒng)元件也比較復(fù)雜，成本也相對比較高。同時液壓泵壽命也相對比較短。
三種系統(tǒng)比較：
（1） 功率比較
對于定量系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)功率要按最大外負(fù)荷來確定，而對于變量系統(tǒng)的功率則主要決定于其平均負(fù)荷，當(dāng)作業(yè)速度相同時，同等級挖掘機(jī)采用定量系統(tǒng)所需功率約為變量系統(tǒng)的1.3—1.4倍，而功率利用率卻平均約為60％。對于變量系統(tǒng)在變量范圍以內(nèi)理論上可得到100％的功率利用。雙回路變量系統(tǒng)中，功率利用情況相對比較復(fù)雜。而在雙泵雙回路系統(tǒng)合流狀態(tài)下，不管是全功率變量或者是分功率變量，功率的利用都是一樣的。但是，當(dāng)在分流狀態(tài)下情況下，在單一動作時，全功率變量的分流功率利用要優(yōu)于分功率變量的分流功率利用，而且調(diào)節(jié)范圍大。
（2） 主機(jī)工作性能和液壓泵壽命
定量泵流量固定，所以所驅(qū)動的執(zhí)行元件的運(yùn)動速度也相對比較穩(wěn)定，不因外負(fù)荷的變化而變化，所以液壓元件工作比較穩(wěn)定，運(yùn)動軌跡相對比較容易控制，同時還有利于開挖平面或斜面等規(guī)則表面。并且由于定量泵不是一直都在滿負(fù)荷情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，故泵的壽命也相對比較長。
而液壓挖掘機(jī)的變量系統(tǒng)則多采用變量泵-定量馬達(dá)的組合方式來實(shí)現(xiàn)無級變量，并且都是雙泵雙回路的。根據(jù)兩個回路的變量有無關(guān)聯(lián)，可以分為分功率變量系統(tǒng)和全功率變量系統(tǒng)兩種。其中分功率變量系統(tǒng)的每個油泵各有一個功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，因而油泵的流量變化只受自身所在的回路壓力變化的影響，而與另一回路的壓力變化則無關(guān)聯(lián)，即兩個回路的油泵是各自獨(dú)立地進(jìn)行著恒功率變量調(diào)節(jié)，兩個油泵各自擁有一發(fā)動機(jī)輸出功率；而全功率變量系統(tǒng)中的兩個油泵則是由一個總功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，使兩個油泵的擺角能夠始終相同，同步變量、流量相等。流量的變化決定系統(tǒng)的總壓力，同時兩個油泵的功率的變量范圍是不相同的。其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可分為機(jī)械聯(lián)動式和液壓聯(lián)動式兩種形式。
分功率變量系統(tǒng)的功率利用相對較好，但是由于各回路的流量要分別調(diào)整，故動作的配合比較困難，尤其是挖掘機(jī)行走時，要求駕駛員必須經(jīng)常手控調(diào)速，使兩條履帶動作協(xié)調(diào)，從而加大駕駛員的勞動強(qiáng)度。
全功率變量系統(tǒng)的功率利用比較好，同時兩臺泵的流量始終相等，駕駛員易于掌握調(diào)速，尤其是履帶式挖掘機(jī)的左、右兩條履帶，由于行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速相同，所以不論兩者阻力如何不同，仍能實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行，從而保證了主機(jī)的直線行駛性能。復(fù)合動作時，盡管一個回路上外負(fù)荷很大，但由于流量相等，作業(yè)速度仍然可以加快。因此，全功率變量系統(tǒng)是目前最普遍采用的液壓系統(tǒng)。然而，全功率變量系統(tǒng)中兩泵負(fù)荷有時不同，當(dāng)一泵空載時，另一泵仍可能全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至可能超載運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，液壓泵壽命比較短。
綜上，基于對效率以及操作等各方面的考慮，本次畢設(shè)中對于單斗通用型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)采用雙泵雙路全功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)。
3 液壓系統(tǒng)的計算
3.1 行走驅(qū)動計算
3.1.1 行走裝置基本要求及運(yùn)動方式
因?yàn)樾凶哐b置要同時兼有液壓挖掘機(jī)的支撐和運(yùn)行兩大功能，因此液壓挖掘機(jī)行走裝置應(yīng)盡量滿足以下要求：
1） 應(yīng)具有較大的驅(qū)動力，從而保證挖掘機(jī)在濕軟或者高低不平等不良地面環(huán)境時可以具有良好的通過性能，同時保證其爬坡性能以及轉(zhuǎn)向性能；
2） 行走裝置應(yīng)具有較大的支撐面積，同時應(yīng)具有較小的接地比壓，從而提高挖掘機(jī)的穩(wěn)定性；
3） 挖掘機(jī)在斜坡下行走時應(yīng)保證不發(fā)生下滑以及超速溜坡等現(xiàn)象，要保證挖掘機(jī)的安全性；
通常，液壓挖掘機(jī)的行走裝置，按其結(jié)構(gòu)可分為履帶式和輪胎式兩大類。由于履帶式行走裝置具有較小的接地比壓，驅(qū)動力大，因而越野性能以及穩(wěn)其定性都比較好，同時具有轉(zhuǎn)彎半徑小，爬坡能力大，且靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，因而本次畢設(shè)中單斗通用型液壓挖掘機(jī)的行走裝置采用履帶式行走裝置，挖掘機(jī)的左、右履帶要求能夠分別驅(qū)動，使挖掘機(jī)行走方便，轉(zhuǎn)向靈活，并且可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。履帶式行走裝置由“四輪一帶”組成，即導(dǎo)向輪、驅(qū)動輪、支重輪、托帶輪、履帶，以及組合行走架、行走馬達(dá)減速機(jī)和張緊緩沖裝置等零部件組成。如圖3-1所示：
1、導(dǎo)向輪 2、組合行走架 3、張緊裝置 4、中護(hù)軌板
5、托帶輪 6、履帶 7、支重輪 8、驅(qū)動輪
圖3-1 行走裝置
在挖掘機(jī)運(yùn)行時，驅(qū)動輪在履帶的緊邊——驅(qū)動段以及支撐段產(chǎn)生一個拉力，企圖把履帶從支重輪下拉出，但由于支撐輪下的履帶與地面間有足夠的附著力，從而阻止履帶的拉出，迫使驅(qū)動輪卷動履帶，導(dǎo)向輪再把履帶鋪設(shè)到地面上，從而使挖掘機(jī)借支重輪沿履帶軌道向前運(yùn)行。
3.1.2 行走系統(tǒng)液壓回路設(shè)計
根據(jù)液壓挖掘機(jī)行走裝置的基本要求以及其運(yùn)動方式，液壓挖掘機(jī)的行走液壓系統(tǒng)回路設(shè)計原理圖如圖3—2所示，當(dāng)挖掘機(jī)運(yùn)動時，先開啟柴油機(jī)，待其穩(wěn)定運(yùn)行后，通過操作機(jī)械腳踏式離合器，使液壓泵上排運(yùn)轉(zhuǎn)并泵油。片刻之后，待液壓系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)時，將2只三位四通手動換向閥5a和5b均置于右位，則此時液壓系統(tǒng)
1，過濾器 2，液壓齒輪泵 3，單向閥 4a,4b 調(diào)速閥
5a,5b 三位四通手動換向閥 6，電磁溢流閥 7單向背壓閥
圖3—2 液壓挖掘機(jī)行走系統(tǒng)液壓回路
中的油液流動方向?yàn)椋哼^濾器1——液壓齒輪泵2——單向閥3——調(diào)速閥 4a和4b——三位四通手動換向閥5a和5b——左右兩驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)——三位四通手動換向閥5a和5b——單向背壓閥7——回流油箱，此時兩驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，挖掘機(jī)向前行駛。當(dāng)遇到后退情況時，只需分別將2只三位四通手動換向閥5a和5b換位，使兩驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，挖掘機(jī)向后倒退。當(dāng)挖掘機(jī)需要改變行駛方向時，只需調(diào)節(jié)調(diào)速閥 4a和4b（其中的一件）改變兩履帶驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)的轉(zhuǎn)速差既能達(dá)到：若挖掘機(jī)向右轉(zhuǎn)向時，調(diào)節(jié)4a閥件使右驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)減速；若挖掘機(jī)向左轉(zhuǎn)向時，調(diào)節(jié)4b閥件使左驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)減速。當(dāng)需緊急轉(zhuǎn)彎時，將一側(cè)驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)保持正向運(yùn)轉(zhuǎn)，將另一側(cè)驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)向完成時，需要繼續(xù)向前運(yùn)行時，只需恢復(fù)兩驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)是的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)即可。
3.1.3 單個行走馬達(dá)計算
由于軸向柱塞式馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，轉(zhuǎn)動慣量小，轉(zhuǎn)速高，易于變量，能用多種方式自動調(diào)節(jié)流量，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。故本次畢設(shè)中行走系統(tǒng)的液壓馬達(dá)選用軸向柱塞式馬達(dá)，其有利于調(diào)節(jié)牽引力以及運(yùn)行速度。
根據(jù)樣機(jī)數(shù)據(jù)以及參考《機(jī)械設(shè)計手冊單行本——液壓傳動》，液壓馬達(dá)選用長江液壓件廠的GM—16型液壓馬達(dá)，額定壓力為35MPa。排量V=0.1L/r,轉(zhuǎn)速=1800r/min,則：
式中：
——馬達(dá)的流量，
——馬達(dá)理論輸出轉(zhuǎn)矩，
——馬達(dá)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，
——馬達(dá)理論輸出功率，
——馬達(dá)的實(shí)際輸出功率，
——馬達(dá)機(jī)械效率，0.92
——馬達(dá)容積效率，0.93
——馬達(dá)的總效率。
3.2 回轉(zhuǎn)驅(qū)動計算
3.2.1 回轉(zhuǎn)裝置基本要求及運(yùn)動方式
液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置是由轉(zhuǎn)臺，回轉(zhuǎn)支撐以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等幾部分組成。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的外座圈用螺栓與轉(zhuǎn)臺連接，而帶齒的內(nèi)座與底架則是用螺栓連接，內(nèi)外座之間設(shè)有滾動體。挖掘機(jī)工作裝置作用在轉(zhuǎn)臺上的水平載荷，垂直載荷和傾覆力矩是通過回轉(zhuǎn)支撐的外座圈，滾動體和內(nèi)座轉(zhuǎn)傳給底架?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的殼體是固定在轉(zhuǎn)臺上，用小齒輪與回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)座圈相嚙合。小齒輪既可繞自身的軸線自轉(zhuǎn)，又可繞轉(zhuǎn)臺中心線公轉(zhuǎn)，當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作時轉(zhuǎn)臺就相對底架進(jìn)行回轉(zhuǎn)。
液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動約占整個作業(yè)循環(huán)時間的50%—70%，能量消耗占25%—40%，回轉(zhuǎn)液壓回路的發(fā)熱量占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%—40%。為提高液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)率和功率利用率，故對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提出如下基本要求：
1） 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，挖掘機(jī)工作裝置的動載荷系數(shù)不應(yīng)超過允許值。
2） 當(dāng)回轉(zhuǎn)力矩和角加速度沒有超過允許值時，應(yīng)該盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)時間。在回轉(zhuǎn)部分慣性矩已知的情況下，由于角加速度的大小受到轉(zhuǎn)臺最大扭矩的限制，因此此扭矩不應(yīng)超過行走部分與土壤的附著力矩。
3.2.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓回路設(shè)計
根據(jù)液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置的基本要求以及其運(yùn)動方式，液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)回路設(shè)計原理圖如圖3—3所示，當(dāng)挖掘機(jī)處于挖掘狀態(tài)時，需要挖掘平臺做頻繁的
1，過濾器 2，液壓齒輪泵 3，單向閥 4，三位四通手動換向閥
5a,5b 液控溢流閥 6a,6b 單向閥 7a,7b 液控單向閥 8 溢流閥
圖3—3 液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓回路
回轉(zhuǎn)運(yùn)動此時將三位四通手動換向閥4置于左位則此時液壓系統(tǒng)中的油液流入方向?yàn)椋哼^濾器1——液壓齒輪泵2——單向閥3——三位四通手動換向閥4——單向閥6a——液控單向閥7a——左油缸右腔，右油缸左腔；而油液流出方向?yàn)椋鹤笥透鬃笄?，右油缸右腔——液控單向閥7b——液控溢流閥5b——三位四通手動換向閥4——回流油箱，此時挖掘機(jī)機(jī)工作平臺順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)需要工作臺逆時針旋轉(zhuǎn)時，將三位四通手動換向閥4置于左位此時油液流過該換向閥之后的流動方向變?yōu)椋簡蜗蜷y6b——液控單向閥7b——左油缸左腔，右油缸右腔?；赜头较?yàn)椋鹤笥透子仪唬矣透鬃笄弧嚎貑蜗蜷y7a——液控溢流閥5a——三位四通手動換向閥4——回流油箱。挖掘平臺回轉(zhuǎn)速度的快慢可以通過調(diào)節(jié)溢流閥5a和5b，改變兩液壓油缸進(jìn)油和回油的速度來實(shí)現(xiàn)。
3.2.3 回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量的計算及選型
平臺回轉(zhuǎn)啟動力矩一般小于制動力矩，當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)僅靠液壓制動時，啟動力矩小于或等于制動力矩，所以可以?。?
當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶附加機(jī)械制動時，可高達(dá)2，一般取=1.6.對于一定的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來說，當(dāng)啟動力矩和制動力矩越大時，則平臺回轉(zhuǎn)加速度和減速度也越大，從而提高回轉(zhuǎn)速度，縮短了回轉(zhuǎn)時間。但當(dāng)回轉(zhuǎn)速度過大時會增加動載荷以及沖擊，同時啟動力矩和制動力矩的增大也受地面附著條件的限制。地面附著條件可用地面附著力矩表示。機(jī)械制動一般取液壓制動可取。
履帶式液壓挖掘機(jī)地面附著力矩的計算可以采用下面的簡化公式：
式中 ——地面附著力矩，；
——整機(jī)質(zhì)量，
——地面附著系數(shù)，平面履帶板取，帶筋履帶板取。
則
又
設(shè)經(jīng)過四級減速，傳動比；
則馬達(dá)所受的最大力矩：
理論排量：
據(jù)此，可根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊單行本——液壓傳動》可選用柱塞馬達(dá)GY—A6V160HD2FZ20900，排量為160，最高轉(zhuǎn)速為2650。
3.2.4 回轉(zhuǎn)油缸的計算及選型
1，回轉(zhuǎn)油缸工作壓力的確定
液壓缸的工作壓力主要是根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定，對不同的液壓設(shè)備，由于工作條件的不同，通常采用的壓力范圍也是不同的。設(shè)計時可采用類比法來確定。各種常見液壓設(shè)備的壓力范圍如下表：
表3—1各類機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備類型
精加工機(jī)床
組合機(jī)床
拉床
農(nóng)用機(jī)械，小型工程機(jī)械，工程機(jī)械輔助機(jī)構(gòu)
液壓機(jī)，重型機(jī)械，大中型挖掘機(jī)，起重運(yùn)輸機(jī)械
工作壓力P/
0.8—2
3—5
5—10
1—16
16—32
初選系統(tǒng)工作壓力為30。
2， 缸徑D和柱塞缸直徑d的確定
挖掘機(jī)液壓缸均為單活塞桿液壓缸，其原理圖如下所示：
圖3—4 液壓缸原理圖
液壓缸直徑D和柱塞缸直徑d的選取可根據(jù)如下表所示：
表3—2按工作壓力選取d/D值
工作壓力
0.50.55
0.620.70
0.7
由缸受力平衡知：
（3-1）
式中 ——液壓缸的工作壓力，初算時可選取系統(tǒng)工作壓力=30；
——液壓缸回油腔背壓，初算時可選取系統(tǒng)工作壓力=1；
——活塞缸與液壓缸內(nèi)徑之比，按表3—2取=0.7；
F——工作循環(huán)中的最大外載荷，此處一般選取F=500；
——液壓缸機(jī)械效率，一般取=0.9
將上式代入液壓缸受力平衡方程式得：
（3-2）
=0.155
=155 圓整取D=160
則，圓整取。
3， 缸壁厚和外徑的計算
先按薄缸進(jìn)行計算則應(yīng)滿足
（3-3）
式中 ——試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25—1.5）倍；
——缸桶材料許用應(yīng)力，無縫鋼管=100—110；
則可取=1.3=，=110。
此時，=0.16/0.028=5.71，不滿足薄缸條件。
故應(yīng)按中等缸壁厚計算公式計算 。
此時
（3-3）
式中 ——強(qiáng)度系數(shù)，對無縫鋼管 =1；
——用來圓整壁厚。
則
取
此時，=0.16/0.03=5.33，滿足中等缸條件，則缸外徑=。
3.3 鏟斗系統(tǒng)設(shè)計
3.3.1 鏟斗系統(tǒng)液壓回路設(shè)計
單斗通用型液壓挖掘機(jī)的雙泵雙回路系統(tǒng)中，為了提高生產(chǎn)率，要求鏟斗轉(zhuǎn)動、斗桿收放和動臂提升有較快的工作速度，因此，需要考慮雙泵合流問題。即雙泵雖然各自構(gòu)成獨(dú)立的回路，但必要時，可以向一個執(zhí)行元件共同供油。根據(jù)鏟斗缸的工況情況，設(shè)計鏟斗系統(tǒng)液壓回路如圖3—5所示。
當(dāng)鏟斗缸正向運(yùn)動時，此時三位四通換向閥處于右位，其進(jìn)油方向?yàn)椋河拖洹^濾器1b——液壓齒輪泵2b——調(diào)速閥8——三位四通換向閥4——鏟斗缸左腔；回油方向?yàn)椋虹P斗缸右腔——單向閥6——過濾器1c——回流油箱。若需要雙泵合流，則需將二位二通換向閥置于右位，如圖所示即可，則此時進(jìn)油方向?yàn)椋河拖洹^濾器1a，
1a,1b,1c 過濾器 2a,2b 液壓齒輪泵 3 二位二通換向閥
4 三位四通換向閥 5 液壓缸 6 單向閥 7 溢流閥 8 調(diào)速閥
圖3—5 鏟斗系統(tǒng)液壓回路
1b——液壓齒輪泵2a,2b——調(diào)速閥8——三位四通換向閥4——鏟斗缸左腔；回油方向?yàn)椋虹P斗缸右腔——單向閥6——過濾器1c——回流油箱。若要鏟斗缸反向運(yùn)動時，只需將三位四通換向閥處于左位即可。
3.3.2 鏟斗油缸作用力的確定
反鏟裝置在工作過程中，當(dāng)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鲿r，其最大挖掘力為鏟斗缸設(shè)計依據(jù)。初步設(shè)計時按額定斗容及工作條件（如土壤級別），按照任務(wù)書的設(shè)計要求，選斗齒的最大挖掘力，并按最大挖掘深度時所能保證的具有最大挖掘力來分析確定鏟斗油缸的工作力。如圖3—6所示，為簡單起見，可忽略斗和土的質(zhì)量，并且忽略了各構(gòu)件質(zhì)量以及連桿機(jī)構(gòu)效率影響因素，此時鏟斗油缸的作用力為：
(3-4)
式中
——鏟斗缸作用力對搖臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂，；
——對鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)的力臂，；
已知 ==1500 =450
而這時斗桿及動臂油缸均處于閉鎖狀態(tài)，斗桿油缸閉鎖力應(yīng)滿足
（3-5）
式中 ——斗桿閉鎖力對斗桿與動臂鉸點(diǎn)的力臂，；
——對斗桿與動臂鉸點(diǎn)的力臂，；
——對斗桿與動臂鉸點(diǎn)的力臂，；
——挖掘阻力的法向方向力，取
圖3—6 鏟斗缸受力分析圖
已知 =450 =4000 =700
動臂油缸閉鎖力應(yīng)滿足