0014-挖掘機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0014-挖掘機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),挖掘機(jī),工作,裝置,液壓,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） １　前言 液壓挖掘機(jī)是一種多功能機(jī)械，目前被廣泛應(yīng)用于水利工程，交通運(yùn)輸，電力工程和礦山采掘等機(jī)械施工中，它在減輕繁重的體力勞動(dòng)，保證工程質(zhì)量。加快建設(shè)速度以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。由于液壓挖掘機(jī)具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點(diǎn)，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。 挖掘機(jī)液壓傳動(dòng)緊密地聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)。由于挖掘機(jī)的工作條件惡劣，要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作很復(fù)雜，于是它對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。因此，對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)已經(jīng)成為推動(dòng)挖掘機(jī)發(fā)展中的重要一環(huán)[1]。 1.1　挖掘機(jī)簡(jiǎn)介 挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，可以追溯到1840年。當(dāng)時(shí)美國(guó)西部開(kāi)發(fā)，進(jìn)行鐵路建設(shè)，產(chǎn)生了模仿人體構(gòu)造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類(lèi)似機(jī)械手的挖掘機(jī)，它采用蒸汽機(jī)作為動(dòng)力在軌道上行走。但是此后的很長(zhǎng)時(shí)間挖掘機(jī)沒(méi)有得到很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。 導(dǎo)致挖掘機(jī)發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動(dòng)作復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)范圍大，需要采用多自由度機(jī)構(gòu)，古老的機(jī)械傳動(dòng)對(duì)它不太適合。而且當(dāng)時(shí)的工程建設(shè)主要是國(guó)土開(kāi)發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場(chǎng)地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對(duì)挖掘機(jī)的應(yīng)用相對(duì)較少，在一定程度上也限制了挖掘機(jī)的發(fā)展。 由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，二十世紀(jì)四十年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)。隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動(dòng)技術(shù)，挖掘機(jī)有了適合它的傳動(dòng)裝置，為挖掘機(jī)的發(fā)展建立了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，是挖掘機(jī)技術(shù)上的一個(gè)飛躍 。同時(shí)，工程建設(shè)和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進(jìn)行大規(guī)模國(guó)土開(kāi)發(fā)的同時(shí)，也開(kāi)始進(jìn)行城市型土木施工，這樣，具有較長(zhǎng)的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多自由動(dòng)作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機(jī)得到了廣泛應(yīng)用[2]。 1950年在意大利北部生產(chǎn)了第一臺(tái)液壓挖掘機(jī)。第一臺(tái)液壓挖掘機(jī)采用定量齒輪泵，中位開(kāi)式多路閥，工作壓力為9Mpa，所有執(zhí)行元件互相并聯(lián)連結(jié)。由單泵向6個(gè)執(zhí)行元件供油。由于早期液壓挖掘機(jī)主要采用了定量齒輪泵，不能按需改變供油流量，無(wú)法充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，因此其能量損失很大，不能滿(mǎn)足挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作的復(fù)雜要求，且可操縱性差。另外，早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)，缺少適用于挖掘機(jī)各種工況的液壓元件，配套件也不齊全，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定。從二十世紀(jì)六十年代到八十年代中期，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國(guó)挖掘機(jī)制造廠(chǎng)和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量己經(jīng)達(dá)到挖掘機(jī)總產(chǎn)量的83%，其時(shí)對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的研究也已經(jīng)十分成熟，液壓挖掘機(jī)已經(jīng)具有了同步控制系統(tǒng)和負(fù)載敏感系統(tǒng)L。 自第一臺(tái)手動(dòng)挖掘機(jī)誕生以來(lái)的160多年當(dāng)中，挖掘機(jī)一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相對(duì)成熟穩(wěn)定的階段。目前國(guó)際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，對(duì)其控制方式不斷改進(jìn)和革新，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無(wú)線(xiàn)電操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了良好的前提[3]。 據(jù)有關(guān)專(zhuān)家估算，全世界各種施工作業(yè)場(chǎng)約有65%至70%的土石方工程都是由挖掘機(jī)完成的。挖掘機(jī)是一種萬(wàn)能型工程機(jī)械，目前已經(jīng)無(wú)可爭(zhēng)議地成為工程機(jī)械的第一主力機(jī)種，在世界工程機(jī)械市場(chǎng)上己占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴(kuò)大。挖掘機(jī)的發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，其液壓系統(tǒng)已成為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的主流形式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，液壓挖掘機(jī)需要大幅度的技術(shù)進(jìn)步，技術(shù)創(chuàng)新是液壓挖掘機(jī)行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術(shù)方面，挖掘機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以對(duì)其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1.2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài) 1.2.1　國(guó)外研究狀況及發(fā)展動(dòng)態(tài) 從20世紀(jì)60年代液壓傳動(dòng)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在挖掘機(jī)上至今，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)己經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)成熟的階段。目前國(guó)際上先進(jìn)的挖掘機(jī)產(chǎn)品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術(shù)方向發(fā)展的趨勢(shì)；流量通常在每分鐘數(shù)百升；功率在數(shù)百千瓦以上。如德國(guó)Orensttein& Koppe制造的目前世界上首臺(tái)最大的RH40。型全液壓挖掘機(jī)，鏟斗容量達(dá)42m3,液壓油源為18臺(tái)變量軸向柱塞泵，總流量高達(dá)10200L/min，原動(dòng)機(jī)為2臺(tái)QSK60柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，總功率高達(dá)2014kW,由于液壓挖掘機(jī)經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個(gè)功能部件都會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響.系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國(guó)家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)強(qiáng)度研究方面，不斷提高設(shè)備的可靠性。美國(guó)提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)使液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%，使用壽命超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)。近幾年來(lái)，隨著液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴(kuò)大，世界上著名的挖掘機(jī)生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術(shù)，來(lái)提高自己挖掘機(jī)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力，主要表現(xiàn)在五個(gè)方面: (1)液壓系統(tǒng)逐漸從開(kāi)式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變;(2)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成為研究的重點(diǎn); (3)系統(tǒng)的高壓化和高可靠性發(fā)展趨勢(shì)日益凸顯; (4)系統(tǒng)的操縱特性上升到很重要的地位;(5)液壓系統(tǒng)與電子控制的結(jié)合成為潮流[4]。 (1) 開(kāi)式向閉式液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變 采用三位六通閥，其特點(diǎn)是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯(lián)供油路。由于這種油路調(diào)速方式是進(jìn)油節(jié)流調(diào)速和旁路節(jié)流調(diào)速同時(shí)起作用，其調(diào)速特性受負(fù)載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統(tǒng)的操縱性能、調(diào)速性能和微調(diào)性能差。另外，當(dāng)液壓作用元件一起復(fù)合動(dòng)作時(shí)，相互干擾大，使得復(fù)合動(dòng)作操縱非常困難。由于挖掘機(jī)作業(yè)工程中要求對(duì)液壓元件能很好地控制其運(yùn)動(dòng)速度和進(jìn)行微調(diào)，而且在其工作的許多工況下要求多個(gè)執(zhí)行元件完成復(fù)合動(dòng)作，而長(zhǎng)期以來(lái)使用的開(kāi)式液壓系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足挖掘機(jī)的調(diào)速和復(fù)合動(dòng)作的要求。近年來(lái)在國(guó)外的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負(fù)載敏感系統(tǒng)(CLSS)。它可以采用一個(gè)油泵同時(shí)向所有液壓作用元件供油，每一個(gè)液壓作用元件的運(yùn)動(dòng)速度只與操縱閥的閥桿行程有關(guān)，與負(fù)載壓力無(wú)關(guān)，泵的流量按需提供，而且多個(gè)液壓作用元件同時(shí)動(dòng)作時(shí)相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。這種系統(tǒng)非常符合挖掘機(jī)操作的要求，它操縱簡(jiǎn)單，對(duì)司機(jī)的操縱技巧要求低，在國(guó)際上己經(jīng)獲得較廣泛的使用，是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。目前日本小松公司已經(jīng)把大量挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)從開(kāi)式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)了。 (2) 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用 目前液壓挖掘機(jī)上典型的節(jié)能技術(shù)基本上有兩種。即負(fù)載敏感技術(shù)和負(fù)流量控制技術(shù)，目前液壓挖掘機(jī)都選用其中一種控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求。負(fù)載敏感技術(shù)是一種利用泵的出口壓力與負(fù)載壓力差值的變化而使系統(tǒng)流量隨之相應(yīng)變化的技術(shù)。德國(guó)曼內(nèi)斯曼(Mannesmann)公司研制的一種負(fù)載傳感系統(tǒng)，將其安裝在液壓系統(tǒng)中，可以控制一個(gè)或幾個(gè)液壓作用元件，而與對(duì)其施加的載荷無(wú)關(guān)。該系統(tǒng)不僅易于操縱，而且微動(dòng)控制特性很好。其最大的特點(diǎn)就是可以根據(jù)負(fù)載大小和調(diào)速要求對(duì)油泵進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)在按需供流的同時(shí)，使調(diào)速節(jié)流損失△P控制在很小的固定值，從而達(dá)到節(jié)能的目的lzs.e57負(fù)流量控制技術(shù)是通過(guò)位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對(duì)主泵的排量進(jìn)行調(diào)節(jié)的技術(shù)。日前以韓國(guó)現(xiàn)代(HYUNDAI)、日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國(guó)外著名品牌的挖掘機(jī)生產(chǎn)商都在自己的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中使用了負(fù)流量控制技術(shù)。這種控制技術(shù)具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、可靠性和維修性好等特點(diǎn)，但在起始點(diǎn)為重負(fù)荷下作業(yè)時(shí)，因流量與負(fù)載有關(guān)，所以可控制性較差[5]。 (3) 提高負(fù)載能力和可靠性 為了提高挖掘機(jī)的負(fù)載能力，直接的方法是提高其液壓系統(tǒng)工作壓力、流量和功率。目前，國(guó)際上先進(jìn)的挖掘機(jī)產(chǎn)品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術(shù)方向發(fā)展的趨勢(shì);流量通常在每分鐘數(shù)百升;功率在數(shù)百千瓦以上。如德國(guó)Orensttein&Koppe制造的型全液壓挖掘機(jī)，鏟斗容量達(dá)42立方米液壓油源為18臺(tái)變量軸向柱塞泵，總流量高達(dá)100200 L/min，原動(dòng)機(jī)為2臺(tái)QSK60柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，總功率高達(dá)2014kW,由于液壓挖掘機(jī)經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個(gè)功能部件都會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響。系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國(guó)家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)強(qiáng)度研究方面，不斷提高設(shè)備的可靠性。美國(guó)提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%，使用壽命超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)。 (4) 重視操縱特性 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的操縱特性越來(lái)越受到重視。日前國(guó)際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。各種高新技術(shù)的應(yīng)用，使得挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。 (5) 電子一液壓集成控制成為當(dāng)前主要研究目標(biāo) 電子控制技術(shù)與液壓控制技術(shù)相結(jié)合的電子一液壓集成控制技術(shù)近年來(lái)獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計(jì)算機(jī)和檢測(cè)儀表的應(yīng)用，使液壓技術(shù)和電子控制有機(jī)結(jié)合，開(kāi)發(fā)和研制出了許多新型電液自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高了挖掘機(jī)的自動(dòng)化程度，推動(dòng)著挖掘機(jī)的迅猛發(fā)展。目前國(guó)外先進(jìn)品牌的挖掘機(jī)在電液聯(lián)合控制方面的研究己趨成熟。美國(guó)林肯一貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五中新型號(hào)挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助的功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗，并延長(zhǎng)了零部件的使用壽命。 1.2.2　國(guó)內(nèi)研究情況及發(fā)展動(dòng)態(tài) 從國(guó)內(nèi)情況來(lái)看，我國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)整體發(fā)展水平較國(guó)外緩慢，在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。國(guó)內(nèi)大部分挖掘機(jī)企業(yè)在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)技術(shù)方面的研究具有一定基礎(chǔ)，但由于采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)產(chǎn)品在性能、質(zhì)量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差，因此采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上基本失去了競(jìng)爭(zhēng)力，取而代之的是采用各種高新技術(shù)的國(guó)外挖掘機(jī)產(chǎn)品。先進(jìn)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)都被國(guó)際上一流的生產(chǎn)企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白，這樣國(guó)內(nèi)的挖掘機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家就無(wú)法獨(dú)立制造出性能優(yōu)異的挖掘機(jī)，絕大部分的市場(chǎng)份額都被國(guó)外各種品牌的挖掘機(jī)所占據(jù)。以20t級(jí)的中型液壓挖掘機(jī)為例，國(guó)產(chǎn)20t級(jí)挖掘機(jī)大多數(shù)是歐洲80年代初的技術(shù)，同90年代初以來(lái)在國(guó)內(nèi)形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國(guó)大宇、現(xiàn)代等機(jī)型相比，其主要差距柴油機(jī)功率偏低，液壓系統(tǒng)流量偏小，液壓系統(tǒng)特性差，導(dǎo)致平臺(tái)回轉(zhuǎn)速度低，行走速度低，各種性能參數(shù)均偏小，整機(jī)性能和作業(yè)效率較國(guó)外偏低[6]。 1.3　本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的技術(shù)多種多樣，本文主要通過(guò)國(guó)外幾種知名品牌的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)為參考對(duì)象，對(duì)其現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)和控制方式進(jìn)行比較和研究，為挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考信息。 (1) 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)的分析研究 大量搜集國(guó)內(nèi)外挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的相關(guān)技術(shù)資料，系統(tǒng)了解挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史。分析總結(jié)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。 (2) 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 對(duì)液壓挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中的四種工況一挖掘工況、滿(mǎn)斗舉升回轉(zhuǎn)工況、卸載工況和卸載返回工況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，總結(jié)了每個(gè)工況下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要復(fù)合動(dòng)作。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的主要工作特點(diǎn)，系統(tǒng)地總結(jié)了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:動(dòng)力性要求和操縱性要求。 (3) 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 分析了傳統(tǒng)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的單泵定量系統(tǒng)、雙泵定量系統(tǒng)和雙變量泵液壓系統(tǒng)，詳細(xì)分析了其主要優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題。本文在分析研究了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一套適合我國(guó)生產(chǎn)制造的單斗挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)旨在采用通用的多路閥系統(tǒng)，配以專(zhuān)用控制閥和簡(jiǎn)單的伺服控制系統(tǒng)[7]。 2　液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 液壓挖掘機(jī)由于在動(dòng)力裝置和工作裝置之間采用容積式液壓傳動(dòng)，靠液體的壓力能進(jìn)行工作，相對(duì)機(jī)械傳動(dòng)具有許多優(yōu)點(diǎn):能無(wú)極調(diào)速且調(diào)速范圍大，最大速度和最小速度之比可達(dá)1000:1能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；快速作用時(shí)，液壓元件產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣性較小，并可作高速反轉(zhuǎn)；傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可吸收沖擊和振動(dòng)；操縱省力靈活，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化。因此液壓挖掘機(jī)逐步取代機(jī)械式挖掘機(jī)是必然的趨勢(shì)。 單斗液壓挖掘機(jī)是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動(dòng)進(jìn)行挖掘作業(yè)的機(jī)械。它是目前挖掘機(jī)械中重要的機(jī)種。單斗液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程是以鏟斗(一般裝有斗齒)的切削刃切削土壤并將土裝入斗內(nèi)，斗滿(mǎn)后提升。回轉(zhuǎn)至卸上位置進(jìn)行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到地面進(jìn)行下一次挖掘。當(dāng)挖掘機(jī)挖完一段土后，機(jī)械移動(dòng)一段距離，以便繼續(xù)作業(yè)。因此單斗液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的自行式上方機(jī)械[8]。 2.1　液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能 液壓挖掘機(jī)可分為:動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，如圖2.1所示。液壓挖掘機(jī)作為一個(gè)有機(jī)整體，其性能的優(yōu)劣不僅與工作裝置機(jī)械零部件性能有關(guān)，還與液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)性能有關(guān)[9]。 圖2.1 液壓挖掘機(jī)整體系統(tǒng)圖 (1) 動(dòng)力系統(tǒng) 挖掘機(jī)工作的主要特點(diǎn)是環(huán)境溫度變化大，灰塵污物較多，負(fù)荷變化大，經(jīng)常傾斜工作，維護(hù)條件差。因此液壓挖掘機(jī)原動(dòng)力一般由柴油機(jī)提供，柴油機(jī)具有工作可靠、功率特性曲線(xiàn)硬、燃油經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，符號(hào)挖掘機(jī)工作條件惡劣，負(fù)荷多變的要求。挖掘機(jī)的額定負(fù)荷與汽車(chē)。拖拉機(jī)不同，汽車(chē)和拖拉機(jī)指在最高轉(zhuǎn)速下、連同機(jī)油泵、發(fā)電機(jī)等必要附件，巧分鐘內(nèi)的最大功率;挖掘機(jī)是指在額定轉(zhuǎn)速下一小時(shí)以上的額定功率。挖掘機(jī)采用車(chē)用柴油機(jī)時(shí)，最大功率指數(shù)降低。 (2) 機(jī)械系統(tǒng) 液壓挖掘機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)部分是完成挖掘機(jī)各項(xiàng)基本動(dòng)作的直接執(zhí)行者，主要包括:行走裝置是整個(gè)機(jī)器的支撐部分，承受機(jī)器的全部重量和工作裝置的反力，同時(shí)能使挖掘機(jī)作短途行駛.按照結(jié)構(gòu)的不同，分履帶式和輪胎式?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使挖掘機(jī)上車(chē)圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360度的回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)裝置和回轉(zhuǎn)支撐。工作裝置是挖掘機(jī)完成實(shí)際作業(yè)的主要組成部分，常用的有反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，而同一種裝置可以有多種結(jié)構(gòu)形式，前面所述的反鏟裝置應(yīng)用最為廣泛。 (3) 液壓系統(tǒng) 液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動(dòng)作都由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥。通過(guò)司機(jī)的操縱，將壓力油單獨(dú)或同時(shí)送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)和液壓油缸)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。液壓挖掘機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)有整機(jī)行走、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)等。這些運(yùn)動(dòng)都靠液壓傳動(dòng)。根據(jù)以上工作要求，把各液壓元件用油管有機(jī)地連接起來(lái)地組合體既是液壓挖掘機(jī)地液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)地功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)地機(jī)械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，傳送給油缸、油馬達(dá)等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再傳動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)得合理與否，對(duì)挖掘機(jī)的性能起著決定性的作用。同樣的元件，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，則挖掘機(jī)性能差異很大。液壓系統(tǒng)習(xí)慣上按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)節(jié)方式和回路的數(shù)量來(lái)分類(lèi)。 (4) 控制系統(tǒng) 液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件(液壓缸、液壓馬達(dá))等進(jìn)行控制的系統(tǒng)。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，使挖掘機(jī)有了越來(lái)越先進(jìn)的控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)向高性能、自動(dòng)化和智能化發(fā)展。目前挖掘機(jī)研究重點(diǎn)正逐步向智能化機(jī)電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移[10]。 2.2　液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu) (1) 液壓挖掘機(jī)組成 為了實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的各項(xiàng)功能，單斗液壓挖掘機(jī)需要兩個(gè)基本組成部分，即機(jī)體(或稱(chēng)主機(jī))和工作裝置。機(jī)體是完成挖掘機(jī)基本動(dòng)作并作為驅(qū)動(dòng)和操縱挖掘機(jī)進(jìn)行工作的荃礎(chǔ)，可以是履帶牽引車(chē)輛或輪式牽引車(chē)輛。可細(xì)分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動(dòng)力裝置。其中動(dòng)力裝置、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備均可在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，總稱(chēng)上車(chē)部分，它與行走機(jī)構(gòu)(又稱(chēng)下車(chē)部分)用回轉(zhuǎn)支撐相連，平臺(tái)可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作3600的全回轉(zhuǎn)。工作裝置根據(jù)工作性質(zhì)的不同，可配備反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，分別完成挖掘、裝載、抓取、起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清溝等工作。挖掘機(jī)的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果[11]。 (2) 單斗反鏟液壓挖掘機(jī) 反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下的土壤。斗容量小于1.6M 3的中小型液壓挖掘機(jī)通常選用反鏟裝置，它分為整體臂式和組合臂式。其中長(zhǎng)期作業(yè)條件相似的挖掘機(jī)反鏟裝置大多采用整體鵝頸式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)。采用這種動(dòng)臂有利于加大挖掘深度，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。剛度相同時(shí)，其重量比組合動(dòng)臂輕，是目前應(yīng)用最廣泛的液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)形式。 鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機(jī)最常用的結(jié)構(gòu)型式，動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接點(diǎn)擺動(dòng)，完成挖掘、提升和卸土等動(dòng)作。如圖 2. 1 所示，整體鵝頸式動(dòng)臂反鏟挖掘機(jī)工作裝置主要由動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、斗桿、斗一桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷(xiāo)軸等組成。裝置各運(yùn)動(dòng)部件之間全部采用銷(xiāo)軸鉸接，以動(dòng)臂油缸來(lái)支撐和改變動(dòng)臂的傾角，通過(guò)動(dòng)臂油缸的伸縮可使動(dòng)臂繞下。鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂的升降。斗桿鉸接于動(dòng)臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動(dòng)臂相對(duì)角度。當(dāng)斗桿油缸伸縮時(shí)，斗桿可繞動(dòng)臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過(guò)鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機(jī)構(gòu)來(lái)和鏟斗聯(lián)。 (3) 液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過(guò)程 首先液壓挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)和配套土方運(yùn)輸車(chē)輛一起進(jìn)入作業(yè)面，運(yùn)輸車(chē)輛倒車(chē)、調(diào)停，停靠在挖掘機(jī)的側(cè)方或后方。挖掘機(jī)司機(jī)扳動(dòng)操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通，于是回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)上部平臺(tái)回轉(zhuǎn)，使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點(diǎn)，在執(zhí)行上述過(guò)程的同時(shí)操縱動(dòng)臂油缸換向閥，使動(dòng)臂油缸上腔進(jìn)油，將動(dòng)臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機(jī)操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進(jìn)油，配合動(dòng) 1、斗桿油缸 2、動(dòng)臂 3、油管 4、動(dòng)臂油缸 5、鏟斗 6、斗齒 7、側(cè)齒 8、連桿 9、搖桿 10、鏟斗油缸 11、斗桿 圖2.2 反鏟挖掘機(jī)工作裝置 作以加快作業(yè)進(jìn)度，進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作的挖掘和裝載:鏟斗裝滿(mǎn)后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中位，使鏟斗和斗桿油缸閉鎖，再操縱動(dòng)臂油缸換向閥，使動(dòng)臂油缸的下腔進(jìn)油，將動(dòng)臂提升，舉起裝滿(mǎn)土的鏟斗離開(kāi)工作面，隨即扳動(dòng)平臺(tái)回轉(zhuǎn)換向閥手柄，使上部平臺(tái)回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鏟斗轉(zhuǎn)至運(yùn)輸車(chē)輛上方，再操縱斗桿油缸使鏟斗高度稍降一些，并在適當(dāng)?shù)母叨炔倏v鏟斗油缸使鏟斗卸土。土方卸完后，使平臺(tái)反轉(zhuǎn)并降低動(dòng)臂，直到鏟斗回到作業(yè)點(diǎn)上方，以便進(jìn)行下一工作循環(huán)[12]。 2.3 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)原理 液壓挖掘機(jī)采用三組液壓缸使工作裝置具有三個(gè)自由度，鏟斗可實(shí)現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動(dòng)，加上液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使鏟斗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大到有限的空間，再通過(guò)行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地?cái)U(kuò)大，從而滿(mǎn)足挖掘作業(yè)的要求。 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)示意圖，如圖2.3所示，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達(dá))驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。 液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，各部分的運(yùn)動(dòng)通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。反鏟工作裝置由鏟斗1、斗桿2、動(dòng)臂3、連桿4及相應(yīng)的三組液壓缸5. 6. 7組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng);而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過(guò)鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮;動(dòng)臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長(zhǎng)，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿(mǎn)后，鏟斗缸和斗桿缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動(dòng)作配合可以是多樣的、隨機(jī)的[13]。 1、鏟斗 2、斗桿 3、動(dòng)臂 4、連桿 5、 6、 7、液壓油缸 I、挖掘裝置 II、回轉(zhuǎn)裝置 III、行走裝置 圖2.3 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)示意圖 總之，液壓挖掘機(jī)是由多學(xué)科、多系統(tǒng)組成的有機(jī)整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學(xué)科協(xié)同優(yōu)化才能獲取挖掘機(jī)整機(jī)的最佳性能。 3　液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定 要了解和設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機(jī)的工作過(guò)程及其作業(yè)要求，掌握各種液壓作用元件動(dòng)作時(shí)的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復(fù)合動(dòng)作要求和復(fù)合動(dòng)作時(shí)油泵對(duì)同時(shí)作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。 3.1　液壓挖掘機(jī)的工況 液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程包括以下幾個(gè)動(dòng)作(如圖3.1 所示):動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動(dòng)作。除了輔助動(dòng)作(例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼鳎紤]全功率驅(qū)動(dòng)[14]。 1、動(dòng)臂升降 2、斗桿收放 3、鏟斗裝卸 4 、平臺(tái)臺(tái)回轉(zhuǎn) 5、整機(jī)行走 圖3.1 液壓挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)圖 由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特殊要求:(1)實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，阻力與作業(yè)速度隨時(shí)變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化;(2)為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過(guò)程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼?例如挖掘與動(dòng)臂、提升與回轉(zhuǎn))同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作[15]。 液壓挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合主要包括: (1) 挖掘:通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘，因此，在此過(guò)程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)，配以動(dòng)臂動(dòng)作。 (2) 滿(mǎn)斗舉升回轉(zhuǎn):挖掘結(jié)束，動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起，滿(mǎn)斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)第2章挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和分析方法液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸土處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。 (3) 卸載:轉(zhuǎn)到卸土點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動(dòng)臂液壓缸的配合，此時(shí)是斗桿和鏟斗的復(fù)合動(dòng)作，間以動(dòng)臂動(dòng)作。 (4) 空斗返回:卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。 3.1.1　挖掘工況分析 挖掘過(guò)程中主要以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別單獨(dú)進(jìn)行挖掘，或者兩者復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)配以動(dòng)臂液壓缸的動(dòng)作[15]。 一般在平整土地或切削斜坡時(shí)，需要同時(shí)操縱動(dòng)臂和斗桿，以使斗尖能沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如圖3.2，3.3所示。此時(shí)斗桿收回，動(dòng)臂抬起，希望斗桿和動(dòng)臂分別由獨(dú)立的油泵供油，以保證彼此動(dòng)作獨(dú)立，相互之間無(wú)干擾，并且要求泵的供油量小，使油缸動(dòng)作慢，便于控制。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進(jìn)行切削時(shí)，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時(shí)，就需要鏟斗、斗桿、動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)作，如圖3.4,3.5所示。 圖3.2 斗尖沿直線(xiàn)平整土地圖 圖3.3 斗尖沿直線(xiàn)切削斜坡圖 圖3.4 鏟斗底壓整地面圖　　　　　　　圖3.5 鏟斗底保持一定角度切削圖 單獨(dú)采用斗桿挖掘時(shí)，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個(gè)別也有采用三泵合流。單獨(dú)采用鏟斗挖掘時(shí)，也有采用雙泵合流的情況。下面以三泵系統(tǒng)為例，來(lái)說(shuō)明復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)油泵流量的分配情況和分合流油路的連接情況。液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸土處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作[16]。 當(dāng)斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)，供油情況如圖3.4a 所示。當(dāng)斗桿油壓接近溢流閥的壓力時(shí)，原來(lái)溢流的油液此時(shí)供給鏟斗有效利用;當(dāng)鏟斗和動(dòng)臂復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)，由于動(dòng)臂僅僅起調(diào)解位置的作用，主要是斗桿進(jìn)行挖掘，因此采用斗桿優(yōu)先合流、雙泵供油，如圖3.4b 所示。 圖3.4 三泵供油系統(tǒng)示意圖 當(dāng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止同一油泵向多個(gè)液壓作用元件供油時(shí)動(dòng)作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個(gè)油泵單獨(dú)對(duì)一個(gè)液壓作用元件供油較好。對(duì)于雙泵系統(tǒng)，其復(fù)合動(dòng)作時(shí)各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進(jìn)行流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。 當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時(shí)，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要同時(shí)向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油，兩者復(fù)合動(dòng)作，如圖2.5所示?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿收縮同時(shí)動(dòng)作，由同一個(gè)油泵供油，因此需要采用回轉(zhuǎn)優(yōu)先油路，否則鏟斗無(wú)法緊貼側(cè)壁，使掘削很難正常進(jìn)行。在斗桿油缸活塞桿端回油路上設(shè)置可變節(jié)流閥，此節(jié)流閥的開(kāi)口度即節(jié)流程度由回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力來(lái)控制?；剞D(zhuǎn)先導(dǎo)壓力越大，節(jié)流閥開(kāi)度越小，節(jié)流效應(yīng)越大，則斗桿油缸回油壓力增高，使得油泵的供油壓力也提高。因此隨著回轉(zhuǎn)操縱桿行程的增大，回轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓增加，回轉(zhuǎn)力增大。 圖3.5 溝槽側(cè)壁掘削和斜坡掘削時(shí)，油泵供油連接情況 挖掘過(guò)程中還有可能碰到石塊、樹(shù)根等堅(jiān)硬障礙物，往往由于挖不動(dòng)而需要 短時(shí)間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時(shí)增壓，能提高主壓力閥的壓力[17]。 3.1.2　滿(mǎn)斗舉升回斗工況分析 挖掘結(jié)束后，動(dòng)臂油缸將動(dòng)臂頂起，滿(mǎn)斗舉升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作。動(dòng)臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，動(dòng)臂和鏟斗自動(dòng)提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機(jī)相對(duì)自卸車(chē)的位置而變，因此動(dòng)臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度的相對(duì)關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動(dòng)臂的提升速度慢些。 在雙泵系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，由于慣性較大，油壓會(huì)升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時(shí)應(yīng)該將溢流的油供給動(dòng)臂，如圖3.6a 所示。在回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂提升的同時(shí)，斗桿要外放，有時(shí)還需要對(duì)鏟斗進(jìn)行調(diào)整。這時(shí)是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作[18]。 由于滿(mǎn)斗提升時(shí)動(dòng)臂油缸壓力高，導(dǎo)致變量泵流量減小，為了使動(dòng)臂提升和回轉(zhuǎn)、斗桿外放相互配合動(dòng)作，由一個(gè)油泵專(zhuān)門(mén)向動(dòng)臂油缸供油，另一個(gè)油泵除了向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油外，還有部分油供給動(dòng)臂，如圖2.6b 所示。但是由于動(dòng)臂提升時(shí)油壓較高，單向閥大部分時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，因此左側(cè)油泵只向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油。 三泵系統(tǒng)的供油情況如圖3.6c 所示。各個(gè)油泵分別向一個(gè)液壓作用元件供油，復(fù)合動(dòng)作時(shí)無(wú)相互干擾。 3.1.3　卸載工況分析 回轉(zhuǎn)至卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要?jiǎng)颖叟浜蟿?dòng)作。卸載時(shí)，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作，間以動(dòng)臂動(dòng)作。 圖3.6　回轉(zhuǎn)舉升供油情況 3.1.4　空斗返回工況分析 當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)臂油缸和斗桿油缸相互配合動(dòng)作，把空斗放在新的挖掘點(diǎn)。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作。由于動(dòng)臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況為一個(gè)油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一油泵的大部分油供給動(dòng)臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿，如圖3.7 所示。 圖3.7　空斗返回供油情況 發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)油泵供油量小，為防止動(dòng)臂因重力作用迅速下降和動(dòng)臂油 缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動(dòng)臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔的 油供至有桿腔。 3.1.5　行走時(shí)復(fù)合動(dòng)作 在行走的過(guò)程有可能要求對(duì)作業(yè)裝置液壓元件(如回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗)進(jìn)行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個(gè)油泵為左行走馬達(dá)供油、另一個(gè)油泵為右行走馬達(dá)供油，此時(shí)如果某一液壓元件動(dòng)作，使某一油泵分流供油，就會(huì)造成一側(cè)行走速度降低，影響直線(xiàn)行駛性，特別是當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行裝車(chē)運(yùn)輸或上下卡車(chē)行走時(shí)，行駛偏斜會(huì)造成事故[19]。 為了保證挖掘機(jī)的直線(xiàn)行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達(dá)分別由一個(gè)油泵單獨(dú)供油，另一個(gè)油泵向其它液壓作用元件(如動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn))供油，如圖3.8a 所示。對(duì)于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式:①一個(gè)油泵并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)供油，另一個(gè)油泵向其他液壓作用元件供油，其多余的油液通過(guò)單向閥向行走馬達(dá)供油，如圖3.8b 所示;②雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件同時(shí)供油，如圖3.8c 所示。 圖3.8　行走復(fù)合動(dòng)作時(shí)的幾種供油情況 3.2　挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 液壓挖掘機(jī)的動(dòng)作繁復(fù)，且具有多種機(jī)構(gòu)，如行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等，是一種具有多自由度的工程機(jī)械。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)、換向，外負(fù)載變化很大，沖擊和振動(dòng)多，因此挖掘機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)提出了很高的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足以下要求[20]: 3.2.1　動(dòng)力性要求 所謂動(dòng)力性要求，就是在保證發(fā)動(dòng)機(jī)不過(guò)載的前提下，盡量充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率。尤其是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，要求液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的良好匹配，盡量提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。例如，當(dāng)外負(fù)載較小時(shí)，往往希望增大油泵的輸出流量，提高執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度。雙泵液壓系統(tǒng)中就常常采用合流的方式來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率。 3.2.2　操縱性要求 (1) 調(diào)速性要求 挖掘機(jī)對(duì)調(diào)速操縱控制性能的要求很高，如何按照駕駛員的操縱意圖方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速操縱控制，對(duì)各個(gè)執(zhí)行元件的調(diào)速操縱是否穩(wěn)定可靠，成為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要的一方面。挖掘機(jī)在工作過(guò)程中作業(yè)阻力變化大，各種不同的作業(yè)工況要求功率變化大，因此要求對(duì)各個(gè)執(zhí)行元件的調(diào)速性要好。 (2) 復(fù)合操縱性要求 挖掘機(jī)在作業(yè)過(guò)程中需要各個(gè)執(zhí)行元件單獨(dú)動(dòng)作，但是在更多情況下要求各個(gè)執(zhí)行元件能夠相互配合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的復(fù)合動(dòng)作，因此如何實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行元件的復(fù)合動(dòng)作也是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)操縱性要求的一方面。 當(dāng)多執(zhí)行元件共同動(dòng)作時(shí)，要求其相互間不千涉，能夠合理分配共同動(dòng)作時(shí)各個(gè)執(zhí)行元件的流盤(pán)，實(shí)現(xiàn)理想的復(fù)合動(dòng)作。尤其對(duì)行走機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，左、右行走馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作問(wèn)題，即直線(xiàn)行駛性也是設(shè)計(jì)中需要考慮的重要一方面。如果挖掘機(jī)在行使過(guò)程中由于液壓泵的油分流供應(yīng)，導(dǎo)致一側(cè)行走馬達(dá)速度降低，形成挖掘機(jī)意外跑偏，很容易發(fā)生事故。 另外，當(dāng)多執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作時(shí)，各個(gè)操縱閥都在大開(kāi)度下工作，往往會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)總流量需求超過(guò)油泵的最大供油流量，這樣高壓執(zhí)行元件就會(huì)因壓力油優(yōu)先供給低壓執(zhí)行元件而出現(xiàn)動(dòng)作速度降低，甚至不動(dòng)的現(xiàn)象。因此，如何協(xié)調(diào)多執(zhí)行元件復(fù)合動(dòng)作時(shí)的流量供應(yīng)問(wèn)題也是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的。 3.2.3　節(jié)能性要求 挖掘機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)，能量消耗大，要求液壓系統(tǒng)的效率高，就要降低各個(gè)執(zhí)行元件和管路的能耗，因此在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中要充分考慮各種節(jié)能措施。當(dāng)對(duì)各個(gè)執(zhí)行元件進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，系統(tǒng)所需流量大于油泵的輸出流量，此時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致一部分流量損失掉。系統(tǒng)要求此部分的能量損失盡量小;當(dāng)挖掘機(jī)處于空載不工作的狀態(tài)下，如何降低泵的輸出流量，降低空載回油的壓力，也是降低能耗的關(guān)鍵[23]。 3.2.4　安全性要求 挖掘機(jī)的工作條件惡劣，載荷變化和沖擊振動(dòng)大，對(duì)于其液壓系統(tǒng)要求有良好的過(guò)載保護(hù)措施，防止油泵過(guò)載和因外負(fù)載沖擊對(duì)各個(gè)液壓作用元件的損傷。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動(dòng)和限速；防止動(dòng)臂因自重而快帶下降和整機(jī)超速溜坡。 3.2.5　其它性能要求 實(shí)現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化和通用化，降低挖掘機(jī)的制造成本:液壓挖掘機(jī)作業(yè)條件惡劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性;由于挖掘機(jī)在城市建設(shè)施工中應(yīng)用越來(lái)越多，因此要不斷提高挖掘機(jī)的作業(yè)性能，降低振動(dòng)和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性[21]。 3.3　挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中最重要也是最復(fù)雜的就是多路閥液壓系統(tǒng)。多路閥是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的重要部件，它確定了液壓泵向各個(gè)液壓作用元件的供油路線(xiàn)和供油方式；確定了多個(gè)液壓作用元件同時(shí)作用時(shí)的流量分配情況和如何實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作；決定了挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性、動(dòng)作優(yōu)先和配合以及合流供油和直線(xiàn)行走性等等。它的設(shè)計(jì)決定了能否更好地滿(mǎn)足挖掘機(jī)的作業(yè)要求和工況要求。挖掘機(jī)多路閥液壓系統(tǒng)圖通常十分復(fù)雜，對(duì)各種液壓作用元件的供油路線(xiàn)、回油路線(xiàn)以及控制油路等紛雜在一起，很難對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一目了然，這樣就需要花費(fèi)很多的時(shí)間才能將其分析透徹。下面對(duì)多路閥液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析：如圖3.9所示[22]。 簡(jiǎn)化步驟具體為: (1)　為了突出挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的核心部分— 多路閥液壓系統(tǒng)，首先去掉液壓泵及其控制油路，各個(gè)液壓作用元件及其油路，如動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置，以及多路閥先導(dǎo)液壓操縱系統(tǒng)(圖2.9中己經(jīng)去掉了上述部分的油路)。(2)　對(duì)多路閥液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，重要的是供油道的設(shè)計(jì)。因此可以把上述系統(tǒng)圖進(jìn)一步簡(jiǎn)化，突出核心內(nèi)容。去掉以下部分:油泵的負(fù)流量控制連接口FR和隊(duì);回油箱的連接口;與各個(gè)液壓作用元件的連接口A(yíng)L1, BLl, AL2, BL2, AU, BL3, AL4, BL4和ARl, BR1, AR2, BR2, AR3, BR3, Rsl;各個(gè)閥桿先導(dǎo)操縱油路連接口all, bll, alt, b12, a13, b13, ajA, b14和arl、brl, ar2, br2, ar3, br3;回油口drl, dr2, dr3, dr4, dr5:通向各個(gè)閥桿的先導(dǎo)控制油路;與各個(gè)液壓作用元件油路有關(guān)的限壓閥、動(dòng)臂和斗桿的支持閥以及再生閥等。這些部分與多路閥的連接關(guān)系已經(jīng)知道，所以可以將其放到各個(gè)液壓作用元件的油路中去討論[27]。 (3)　將簡(jiǎn)化后的液壓系統(tǒng)連接起來(lái)，如圖2.10所示。該系統(tǒng)主要包括7個(gè)操縱閥， 5個(gè)二位二通閥A, B, C, D, E, 1個(gè)插裝閥x和一些單向閥及節(jié)流閥。通過(guò)簡(jiǎn)化后的液壓系統(tǒng)，可以清晰了解液壓泵的壓力油是如何通向各個(gè)液壓作用元件，以及在各種操縱情況下，液壓傳動(dòng)的路線(xiàn)和可能的供油方式、功率分配和流量分配情況。 圖3.9　多路閥液壓系統(tǒng)圖 3.4　液壓系統(tǒng)方案擬訂 (1)　在液壓挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中的四種工況一挖掘工況、滿(mǎn)斗舉升回轉(zhuǎn)工況、卸載工況和卸載返回工況進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)每個(gè)工況下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要復(fù)合動(dòng)作后提出初步方案。 (2)　根據(jù)液壓挖掘機(jī)的主要工作特點(diǎn)，系統(tǒng)地總結(jié)出挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求:動(dòng)力性要求、操縱性要求、節(jié)能性要求、安全性要求和其它性能的要求。 (3)　提出一種有效、直觀(guān)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)的步驟。 4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) WY200液壓履帶式挖掘機(jī)采用全功率變量系統(tǒng)，先導(dǎo)液壓操縱，整體式多路閥等先進(jìn)結(jié)構(gòu)。該機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作輕便，使用維護(hù)安全可靠，發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)作業(yè)需要可配備0.5-1.25立方米四種反鏟斗及斗容為1.0和1.25立米方的兩種正鏟斗。廣泛用于建筑施工、市政工程、水電、國(guó)防工程和一般礦山采掘，挖掘I-VI級(jí)土壤[23]。 4.1 液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定 表4.1　WY200C液壓履帶式挖掘機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目名稱(chēng) 單位? 數(shù) 值? 標(biāo)準(zhǔn)斗容量 m3 1 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) 　 6135K-16 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定輸出功率 kW/r/min 106/2100 最大挖掘半徑? m 10.4 最大挖掘高度? m3/h 7.78 最大挖掘深度? m 6.46 最大卸載高度 m 5.7 回轉(zhuǎn)速度 r/min 0-13.2 行走速度 km/h *0-5.5 爬坡能力 % 70 作業(yè)循環(huán)時(shí)間 S 18-22 主機(jī)長(zhǎng)/寬度 MPa 0.077 履帶平均接地比壓 MPa 0.048 發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù) r/min 2100 整機(jī)質(zhì)量 t 20.8 理論生產(chǎn)率 m3/h 200 最大挖掘力 kN 142 系統(tǒng)工作壓力 MPa 36 履帶板寬度 m 0.6 主機(jī)運(yùn)輸尺寸(長(zhǎng)X寬X高) mm 9850x3000x3100 執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分，必須滿(mǎn)足機(jī)器設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能、性能要求和結(jié)構(gòu)、安裝上的限制。根據(jù)所要求的負(fù)載運(yùn)動(dòng)形態(tài)，選用不同的執(zhí)行元件配置，如下表4.2所示 表 4.2　執(zhí)行元件配置 運(yùn) 動(dòng) 方 式 執(zhí) 行 元 件 左行走 右行走 直性行走 左液壓馬達(dá) 右液壓馬達(dá) 左液壓馬達(dá)+右液壓馬達(dá) 工作裝置 外擺內(nèi)收 動(dòng)臂液壓缸 斗桿液壓缸 鏟斗液壓缸 回轉(zhuǎn) 擺動(dòng)液壓馬達(dá) 4.2　執(zhí)行元件液壓缸及系統(tǒng)壓力的初選 由于鏟斗的內(nèi)收是為了鏟料，而外擺是為了卸料，工作裝置采用了兩根動(dòng)臂液壓缸、一根斗桿、一根鏟斗油缸。要使機(jī)構(gòu)正常工作且具有平穩(wěn)性，兩動(dòng)臂液壓缸必須同步運(yùn)動(dòng)，這就要求任何時(shí)刻進(jìn)出油路的壓力油，必須保持一定的壓力平衡。為此，采用平衡閥控制油路中液壓油的壓力值[24]。 根據(jù)挖掘機(jī)主要用于建筑施工、礦山的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇雙作用單活塞桿式液壓缸。 (1) 液壓缸參數(shù)的選擇 每斗料的重量 M = 1.21.65 = 1980 (Kg) （4.1） G = mg = 19809.8 = 19404 (KN) （4.2） 由卸料斗的尺寸圖按極限情況計(jì)算得 所挖斗料自重G與鏟斗液壓缸產(chǎn)生的推力F在卸料斗底板軸承鉸接處轉(zhuǎn)距平衡 即 F拉L1 = GL2 （4.3）F拉374.5 = 194041206 得 　 (KN) 工作壓力的選定關(guān)系到設(shè)計(jì)出和系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)合理；工作壓力低，則要求執(zhí)行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系統(tǒng)所需流量也大；壓力過(guò)高，則對(duì)元件的制造精度和系統(tǒng)的使用維護(hù)要求提高，并使容積效率降低。一般是根據(jù)機(jī)械的類(lèi)型來(lái)選擇工作壓力。 執(zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負(fù)載值或者主機(jī)設(shè)備類(lèi)型選取，如表2.3與表2.4所示。 表4.3　負(fù)載和工作壓力之間的關(guān)系 負(fù)載F/KN ＜10 10—20 70—140 140—250 ＞250 工作壓力 P/MPa 0.8-1.2 1.5-2.5 10—14 18—21 32 表4.4　各類(lèi)機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力 設(shè)備類(lèi)型 精加工機(jī)床 組合機(jī)床 拉　床 農(nóng)業(yè)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/Mpa 0.8-2 3-5 5-10 1-16 16-32 由負(fù)載值大小查上表，參考同類(lèi)型挖掘機(jī)，取液壓缸工作壓力為25MPa安裝方式選擇缸頭耳環(huán)帶襯套，活塞桿端連接方式選擇桿端外螺紋桿頭耳環(huán)帶襯套。又因其伸縮速度緩慢但壓力大，故選擇帶緩沖，油口連接方式選擇外螺紋[25]。 4.3　計(jì)算工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸 活塞桿直徑d與缸筒內(nèi)徑D的計(jì)算 受拉時(shí)： d=(0.3-0.5)D 受壓時(shí)： d=(0.5-0.55)D (p1<5mpa) d=(0.6-0.7)D(5mpa< p1<7mpa) d=0.7D(p1>7mpa) (1) 液壓油缸的缸徑、桿徑和工作壓力確定 根據(jù)技術(shù)條件：確定液壓缸徑和桿徑及行程為：缸徑D=Φ125mm，桿徑d=0.7D=Φ85mm 由此計(jì)算出液壓系統(tǒng)工作壓力為： P= （4.4） =（2847×103）/（π×（1252-852）） =32MPa 式中F為鎖緊力，F(xiàn)=284KN (2) 缸筒壁厚計(jì)算 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，在此液壓系統(tǒng)中，3.2≤D/δ＜16，故缸筒壁厚應(yīng)用中等壁厚計(jì)算公式，此時(shí)： δ= +C （4.5） ψ：強(qiáng)度系數(shù)，對(duì)無(wú)縫鋼管， ψ=1C：用來(lái)圓整壁厚數(shù) Py:液壓缸內(nèi)最高工作壓力。Py=10Mpa D：缸筒內(nèi)徑 [σ]= [σs]/2.5=175/2.5=70MPa δ=10×220/(2.3×60-3×10)+C=25mm 故油缸缸筒外圓取D1=125mm. (3) 缸筒強(qiáng)度校核 根據(jù)SL41-93，缸體合成應(yīng)力按下式計(jì)算： σzh1=≤[σ] （4.6） 式中：[σ]=60MPa σz1：縱向應(yīng)力： σz1==22MPa (4.7)σh1：環(huán)向應(yīng)力： σh1==75 MPa (4.8) P：工作壓力，P=32MPa D：油缸缸徑，D=Φ125mm d：油缸桿徑，d=Φ85mm δ：缸筒壁厚，δ=13.5mm 終計(jì)算， σzh1==53.2 MPa <70 MPa 即: σzh1< [σ],符合要求. (4) 活塞桿長(zhǎng)度和缸筒長(zhǎng)度計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)要求的行程，來(lái)設(shè)計(jì)活塞桿的長(zhǎng)度；本油缸的行程為1020mm，故油缸的活塞桿的長(zhǎng)度為1265mm，缸筒的長(zhǎng)度為1500mm。 (5) 活塞桿強(qiáng)度計(jì)算 活塞桿受拉力最危險(xiǎn)截面是兩端連接螺紋的退刀槽橫截面，（取截面直徑較少值）其應(yīng)力計(jì)算如下 ： σn=≤[σ] （4.9） 式中σ為拉應(yīng)力： σ= 　　　　 (4.10) τ為剪應(yīng)力： τ= 　　 (4.11) 上面兩公式中，K：螺紋擰緊系數(shù)，此處取K=1.25 K1:螺紋內(nèi)摩擦系數(shù),一般取K1=0.12 d1：活塞桿危險(xiǎn)截面處直徑，d1=80mm d0：螺紋外徑，d0=82mm [σ]：70MPa 則：σ==38.4Mpa τ==25.9Mpa 得: σn=64.3MPa 所以: σn< [σ],符合工況要求[26]。 (6) 下蓋聯(lián)接螺釘強(qiáng)度校核計(jì)算 螺釘聯(lián)接采用高強(qiáng)度螺釘M20×80(GB/T70.1-2000)聯(lián)接,兩端數(shù)量均為24件，螺釘精度等級(jí)為10.9級(jí)，其強(qiáng)度校核，按照公式（4.10）、（4.11）。 拉應(yīng)力： σ==184.8 MPa 剪應(yīng)力： τ==83.92 MPa K：螺紋擰緊系數(shù)，此處取K=1.25 K1: 螺紋摩擦系數(shù),一般取K1=0.12 d1：螺紋內(nèi)徑，d1=16.752mm d0：螺紋外徑，d0=20mm Z：24 σs螺釘材料屈服強(qiáng)度，σs≥900Mpa(10.9級(jí)) [σ]= [σs]/2=450Mpa 得：σn=≈235.12MPa<[σ] 符合工況要求 (7) 活塞桿柔度校核計(jì)算 活塞桿細(xì)比計(jì)算如下： λ=≤[λ] （4.12） 此處：L為折算長(zhǎng)度，導(dǎo)向套中心至吊頭尺寸，約1500mm 活塞桿直徑d=85mm, [λ]活塞桿許用細(xì)長(zhǎng)比，按規(guī)定拉力桿此處[λ]≤100。 計(jì)算得λ=4×1265/85=59.5＜[λ]，故滿(mǎn)足要求。 4.4　液壓系統(tǒng)原理圖的制定 4.4.1 制定基本方案 (1) 制定調(diào)速方案 液壓執(zhí)行元件確定之后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制是擬定液壓回路的核心問(wèn)題。方向控制用換向閥或邏輯控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多通過(guò)換向閥的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對(duì)高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。速度控制通過(guò)改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)整方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者的結(jié)合——容積節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速一般采用定量泵供油，用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來(lái)調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥，故效率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場(chǎng)合。容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補(bǔ)充泄漏，需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大、運(yùn)動(dòng)速度高的液壓系統(tǒng)。容積節(jié)流調(diào)速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與需油量相適應(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。節(jié)流調(diào)速又分別有進(jìn)油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進(jìn)油節(jié)流起動(dòng)沖擊較小，回油節(jié)流常用于有負(fù)載荷的場(chǎng)合，旁路節(jié)流多用于高速。調(diào)速回路一經(jīng)確定，回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。節(jié)流調(diào)速一般采用開(kāi)式循環(huán)形式。在開(kāi)式系統(tǒng)中，液壓泵從油箱吸油，壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后，再排回油箱。開(kāi)式回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。容積調(diào)速大多采用閉式循環(huán)形式。閉式系統(tǒng)中，液壓泵的吸油口直接與執(zhí)行元件的排油口相通，形成一個(gè)封閉的循環(huán)回路。其結(jié)構(gòu)緊湊，但散熱條件差[27]。 經(jīng)過(guò)上述分析此方案選用?容積節(jié)流調(diào)速。 (2) 制定壓里控制方案 控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為村力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開(kāi)關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。 液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)）等所構(gòu)成的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。按控制功能，可分為位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)和力（或壓力）控制系統(tǒng)；按控制元件，可分為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、液壓泵控制系統(tǒng)、多路換向閥控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件控制系統(tǒng)和整機(jī)控制系統(tǒng)。 液壓控制閥控制系統(tǒng)： ①先導(dǎo)型控制系統(tǒng) 換向控制閥的控制形式有直動(dòng)型（用手柄直接操縱換向閥主閥芯，目前少用）和先導(dǎo)型兩種。后者是用先導(dǎo)閥控制先導(dǎo)油液，再用先導(dǎo)油液控制換向閥的主閥芯，它又分為機(jī)液先導(dǎo)型和電液先導(dǎo)型兩類(lèi)。 ②負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 它包括負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制泵（或定量泵）。閥控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是節(jié)流式系統(tǒng)。在液壓挖掘機(jī)上，目前常用的是一般的三位六通多路閥，其滑閥的微調(diào)性