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面向?qū)ο蟮挠嬎銠C輔助設(shè)計(CAD)的液壓系統(tǒng)設(shè)計
E K. WONG
香港理工大學(xué)、香港
T. E LEUNG
香港理工大學(xué)、香港
C. W. CHUEN
香港理工大學(xué)、香港
（獲得1995年10月,1996年5月修訂后的形式)
本文主要介紹了用來設(shè)計和實現(xiàn)面向?qū)ο蟮挠嬎銠C輔助設(shè)計(CAD)的液壓系統(tǒng)的一種新的方法。這是一個智能CAD計算機輔助工具,來幫助液壓工程師設(shè)計自己的系統(tǒng)。該工作主要致力于一個新的class- modelling的方法的CAD系統(tǒng)對象模型。該方法也可以為現(xiàn)有模型提供更為嚴(yán)格的液壓回路和部件,以避免錯誤。而且對液壓系統(tǒng)的物理數(shù)據(jù)也被其它數(shù)據(jù)模型所應(yīng)用,即流體動力系統(tǒng)裝配問題,這里做一個簡要評述。例如,用一個深拉的壓力測試,來說明計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)的有效性。
科學(xué)出版社有限公司1978年出版
關(guān)鍵詞:面向?qū)ο竽Ｐ?、智能計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)、液壓回路設(shè)計
1 介紹
目前的方法有著廣泛的應(yīng)用前景應(yīng)用于計算機輔助設(shè)計(CAD)為簡單液壓系統(tǒng)。大多數(shù)的專家系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)計建立了液壓系統(tǒng)無論是以規(guī)則為基礎(chǔ)的或者是以框架表示。其主要缺點是：基于規(guī)則的形式化會比較困難的代表
異常信息,所以,知識在進一步擴展成為龐大的和整體的系統(tǒng)的行為是很難預(yù)測的,而且這些規(guī)則是結(jié)構(gòu)獨立。其主要缺點：定義表示是比較有難度的因果關(guān)系，互動對象之間的關(guān)系,因為每個對象是被動的,通常是驅(qū)動推動引擎。那些幀并不能開動其他對象。在這本文是建造一個新計算機輔助設(shè)計(CAD)方法對復(fù)雜液壓回路的設(shè)計，并且是基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)算法。
2 為液壓設(shè)計問題開發(fā)的一種新型CAD方法
液壓回路的設(shè)計過程一般包括一個可能的電路布局和素描選擇合適的液壓元件。液壓的基本功能系統(tǒng)主要依賴于回路,而電路的性能主要依賴于尺寸和不同類型的液壓元件。在實踐中,液壓系統(tǒng)設(shè)計不是建立在從零開始的,許多設(shè)計師要解決這一問題系統(tǒng)，然后再設(shè)計子系統(tǒng)中每個電路模塊或指的是許多已經(jīng)存在的、有效的設(shè)計。通常,這樣可以有效的在現(xiàn)有電路和子系統(tǒng)上采用了經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整子系統(tǒng)組件。在調(diào)整的方法整合的基礎(chǔ)上確定設(shè)計師的設(shè)計經(jīng)驗。每一個設(shè)計電路僅僅是理論上的合理;微調(diào)的液壓元件是必要的為測試和調(diào)試后的實時系統(tǒng)的建設(shè)。
該方法可以更有效地完成計算機及其輔助的一個有效的數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)。然而,如果所有的液壓系統(tǒng)在工業(yè)都要求在傳統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)庫格式中，由于結(jié)合液壓子系統(tǒng)及其變化規(guī)律組件，將大量的信息被指定為并儲存整合。另外,在他們的之中工程數(shù)據(jù)各種各樣的數(shù)據(jù)類型應(yīng)對于一個復(fù)雜的關(guān)系。面向?qū)ο蟊硎痉ǖ母拍罱榻B了人工智能的主題。有許多論文討論面向?qū)ο蟮闹R庫的方法,并且應(yīng)用不同的設(shè)計域名。張教授提出一種利用面向?qū)ο蟮闹R應(yīng)用于液壓設(shè)計。在面向?qū)ο蟮膶哟谓Y(jié)構(gòu)中，他只定義了一些標(biāo)準(zhǔn)的液壓元件的參數(shù)。每一個定義的對象是一套靜態(tài)數(shù)據(jù),同時也被要求生產(chǎn)一定規(guī)則,這是一個叫設(shè)計方法。 因此許多設(shè)計規(guī)則還待要求。對于復(fù)雜的設(shè)計問題這不是一個有效的途徑。
面向?qū)ο蠹夹g(shù)的最新發(fā)展有了一個新的方法來實現(xiàn)液壓設(shè)計。特別重要的是面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫中的（OODB）提供一個強大的知識循環(huán)能力,以及復(fù)雜的數(shù)據(jù)定義。這種新學(xué)科在本文采用是代表各種油壓在解空間的電路分解成液壓元件和標(biāo)準(zhǔn)組件,這是代表和儲存在一個面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫作為一個活躍的格式設(shè)計文庫。
在該體系結(jié)構(gòu),設(shè)計說明書分為功能需求、績效目標(biāo)和要求。功能上的要求來講,一個基本功能是從面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫來設(shè)計框架概括。通過這個函數(shù)骨骼方案,然后映射到合適的目標(biāo)其要么能代表液壓元件,或能滿足性能目標(biāo)和約束。映射的過程功能(通常指守則和屬性值存在的功能)液壓元件直接相關(guān)的能夠表現(xiàn)其目標(biāo)和約束。它的解決的辦法是重新合成形成的得到的及其設(shè)備。可以通過由參考一些調(diào)整或設(shè)備,以及交互作用的每一個，該設(shè)計方法,建立了與一個面向?qū)ο蟮谋硎?是能夠提供的以下功能:(1)一個模塊化程度高;并且具有柔性化建模和容易改造；（2）通過減少對信息冗余技術(shù)產(chǎn)業(yè),從而形成一個設(shè)計緊湊的文庫；（3）通過利用概念封裝從而保證數(shù)據(jù)獨立和安全；（4）由于層次結(jié)構(gòu)的對象模型，數(shù)據(jù)記錄的時間比較短；（5）一個基礎(chǔ)設(shè)施以及支持其它流體動力系統(tǒng)的設(shè)計活動。
3 面向?qū)ο蠼橐簤合翟O(shè)計
建立一個面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型為代表設(shè)計解決方案,開發(fā)過程可以借一些國家的面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)思想的流動方法。目前,常用的方法是面向?qū)ο筌浖拈_發(fā)，實質(zhì)-聯(lián)系的模型是基于諸如Coad和Yourdon,Booch或?qū)ο蠼＜夹g(shù)(OMT),但沒有一種單一的方法能發(fā)現(xiàn)自己本身的不完整。無論如何這些方法,他們開始從識別對象和種類這個問題領(lǐng)域,然后識別別的語義和這些種類以及對象之間的關(guān)系,以及最后實施。在發(fā)展過程中基于液壓應(yīng)用設(shè)計算法提出了在可分解成以下選擇步驟:
（1）識別所有可能的和有效的電路在問題領(lǐng)域一個電路的抽象級別。
（2）分解電路模塊/子系統(tǒng)。
（3）識別這些子系統(tǒng)的性質(zhì)和小組按照共同的特征,進入課程。
（4）識別組件對象從鑒定模塊/子系統(tǒng),并重復(fù)步驟3在液壓組件的抽象別。
（5）確定課程和對象的關(guān)系。
（6）設(shè)計一個課程,面向的對象數(shù)據(jù)模型。
（7）指定接口和實施類和對象。
3.1 液壓回路的分析與鑒定
一般來說,液壓領(lǐng)域比較少模塊除了電子電路,所以很難找到一些現(xiàn)有的子電路,滿足實際需要的互換和可重用性。此外,如果一個電路分解通過傳統(tǒng)單功能分解方法,會有很多冗余和矛盾配置。在許多真實案例,一個速度控制神經(jīng)元結(jié)合子電路定向控制經(jīng)常導(dǎo)致電路,可以兩個都要速度和方向控制功能。通過參照許多液壓回路,通常一個適當(dāng)?shù)淖与娐纷孕l(wèi)兩個或兩個以上的功能,比如一個再生的電路至少有一個定向控制功能加上速度控制功能。此外,液壓系統(tǒng)也可以容易被定義為使用一個動態(tài)的概念模塊,找到一個固定的子模塊代替。 動態(tài)模塊顯示,子模塊的概念可以分解成一個網(wǎng)絡(luò)功能塊的一些條件連接。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的原則完全支持動態(tài)模塊的概念,因此,他們可以表現(xiàn)為對象。
廣泛的分析多種液壓實用電路,加上豐富的水力設(shè)計的經(jīng)驗,一個新的
分解的概念(圖1的一般液壓回路)算法。 液壓回路可被看作了建筑的基本功能電路(如再生,預(yù)填和同步電路)、二次調(diào)整功能電路(如減壓和壓力減少電路)和電源電路(如壓力控制電源,恒功率供應(yīng))。各種液壓應(yīng)用定義出不同的初選功能和次要或者調(diào)節(jié)功能作為他們的默認(rèn)的功能。子電路檢索的中功能取決于用戶提供信息驅(qū)動電路的計算參數(shù)為基礎(chǔ)功能(通常是流量、壓力和成本因素各主要參數(shù)確定類型的電路其中,）和部件之間的相互作用電路。
圖1 液壓回路的合成
3.2 現(xiàn)有的有效的液壓造型子系統(tǒng)
不僅僅是代表一個子系統(tǒng)使用符號;還有許多因素需要考慮?，F(xiàn)有都是仿制子系統(tǒng)作為復(fù)合對象封裝設(shè)計規(guī)范及組織面向?qū)ο蟮膶哟谓Y(jié)構(gòu)支持的財產(chǎn)產(chǎn)業(yè)。一個現(xiàn)有的子電路 能被表示為:
這里的集合C代表通用零部件已可在設(shè)計文庫中。每個sub-circuit只有提供合適的指針及預(yù)先設(shè)定的組件,這些組件是它們本身確定的細(xì)節(jié)組件類。1是這條賽道的接口。它由外部的輸入/輸出號碼的特點,電路的位置,比如說明了接口位置在圖2(a)。
F的特點和及其運行條件的設(shè)計,這是最基本的在選擇子電路索引屬性,并保證選定的子電路,不會無法運行而受限制。在一個實施中屬性或許是編碼形式的整數(shù),漂浮的點或線。
一個表示集電路的性能屬性特色,它通常指方法和公式計算子系統(tǒng)的輸出參數(shù)。對這類的屬性，生產(chǎn)規(guī)則和數(shù)學(xué)函數(shù)是比較好的實施工具。
美國(網(wǎng)表連接信息描述)的內(nèi)部構(gòu)成本文的形式。文件格式網(wǎng)表常用于當(dāng)前CAD工具在設(shè)計電子板。Inter是由不的描述設(shè)計的和其它組件的約束和分支電路交互作用。而我們的目標(biāo)是確保兼容性模塊,并消除非法組合。互動審查程序主要有賴于檢查系統(tǒng)參數(shù)、種類關(guān)系和類名。為矛盾關(guān)系實施類別,其相互牴觸類的名字都封裝在相應(yīng)的模塊。每當(dāng)一個合適的模塊被恢復(fù),它就會開動內(nèi)部開關(guān)的自相矛盾的“信息傳遞”。
一個例子的關(guān)鍵性能的常用類型面再生電路見表1和圖2。圖3顯示的數(shù)據(jù)模型如這些再生電路在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了面向?qū)ο蠹夹g(shù)的特點,該模型分為子系統(tǒng)和組件層。在3.4節(jié)該技術(shù)用于模型討論。
a.位置控制 d.定向閥門控制
b. 邏輯單元控制 e. 簡單的閥控制
c.壓力控制 f. 比例速度控制與線性可變的
差動變壓器(LVDI”)速度反饋
圖2 一個普遍的類的例子,現(xiàn)有的有效再生電路液壓
3.3 造型的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件
標(biāo)準(zhǔn)的液壓元件的組織系統(tǒng)：(1)系統(tǒng)參數(shù),如流體類型,流量,操作壓力等,(2)特殊組成要求,如尺寸、重量、成本、可靠性,其姓名符號在圖紙,等等。(3)特殊組成功能,如圖形顯示,檢索算法適合面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫目錄組件,(4)穩(wěn)態(tài)特性。在臺上的組成部分選擇,一般來說一個合適的對象一旦收到一封來自它的抽象類會自我重新獲得補償。每一個抽象類封裝的一些措施可以確定適當(dāng)?shù)挠嵪⒙窂阶宇?基于輸入?yún)?shù)或信息。不同種類的組成元件有多種成分上漿方法。例如:理論生雙大小缸推動負(fù)載并且具有一個返回線壓力相等大氣壓力取決于以下關(guān)系:
這里D是活塞直徑（m），P是操作壓力（），F(xiàn)是最大負(fù)荷（N）而0.95是
水力-機械摩擦的指導(dǎo)系數(shù)。然而,實現(xiàn)平等的延伸和回縮速度再生電路,活塞面積之間的比率面積等于2。如果一個再生的電路想要轉(zhuǎn)會申請,則桿直徑為一個單一的桿雙動氣缸FIP是公平的。
然后,由于對工作壓力的限制。最后,圓柱桿尺寸檢查對屈曲極限,是基于歐拉公式安裝方法。事實上,類型和尺寸的方法氣瓶多樣是根據(jù)具體類電路,從而使氣缸對象通常被認(rèn)為是的部件之一的。在環(huán)形課題上也有在指針連接適當(dāng)?shù)纳蠞{方法。
數(shù)據(jù),作為一個標(biāo)準(zhǔn)的選擇目錄組件。通常指的性能數(shù)據(jù)實證操作曲線由制造商提供的目錄。簡單的關(guān)系可以描述由適當(dāng)?shù)姆匠?發(fā)現(xiàn)利用系數(shù)最小二乘方法。然而,對于代表復(fù)雜isoefficiency approximarion Btzier-Bernstein的方法選擇這三個不規(guī)則的變量之間的關(guān)系。根據(jù)這個方法復(fù)雜的特點,可以存儲,以最大與最小值沿x軸和y軸,x和y區(qū)間,并提出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)沿z軸。Isoefficiency線總是存在于一些部件,如變量泵或液壓馬達(dá),眾所周知,有必要為了獲得更高的效率優(yōu)化利用，他們被用于識別那些操作條件。
此外,每個閥門的對象還捕捉了身體上的問題信息的應(yīng)用擴展液壓電路設(shè)計系統(tǒng)裝配設(shè)計在另外一個國家項目。物理屬性是閥門的邊界,閥體尺寸、閥口的位置、閥口直徑、固定孔位置和直徑。
3.4 建設(shè)面向?qū)ο竽Ｐ?
識別的關(guān)系和語義是目標(biāo)識別的工作原理基礎(chǔ)上的元件和子系統(tǒng)。其優(yōu)點實:（1）提供之間的一種連接功能和結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)一個功能是通過一個物理設(shè)備評價的工作原理允許識別有前途的課程的通用設(shè)備或子電路組件沒有通過檢索大量的目錄組件或子電路組件。（2）增強可讀性的系統(tǒng)。（3）提供一個獨特的框架體系維護和擴展。
換句話說,子電路組件或部件具有相同的功能模塊劃分為高級。這些模塊通常指一個抽象類,包含了許多虛擬功能和共同的特征。然而,文摘將不會產(chǎn)生任何物體，再生電路例如,抽象類的氣缸。如果對象模型構(gòu)造發(fā)生不小心考慮，這
問題的技術(shù)的濫用可能被禁止。例如下面例子,如圖4(a)。假設(shè)一個類部件或子電路組件物體1，它有T1和功能屬性F1(P1 < T1、F1 >即一個類的課題/對象)，同時一個類別的部件或子電路組件物體2具有T2和F2。如果兩個課題,例如1和2,卻有著相似的特性,該對象模型將通常是建立在下面分級形式。一個抽象的課題將會被得到分享它們共同資源的機會。所以課題將同時具有課題1和課題2的特點。（例如，）。同時被當(dāng)做是，分別包含了的一些額外的設(shè)置性能。一個新的類部件或sub-circuit是創(chuàng)建對象ADD,再加上本身的資源，從而ADD和1和2具有相似的性能。ADD的流函數(shù)是和1和2不同的課題,即使函數(shù)的名稱都是相同的。使用
Eiffel的風(fēng)格將繼承ADD課題,同時定義的差異,導(dǎo)致了重新流動功能。通過重新定義的功能實現(xiàn)圖 4(b)。這個問題的在種類結(jié)構(gòu)上是,隨著一個物體在ADD上也是一種物體在,它可能有兩個“流量特性”和函數(shù)定義。實施object-searching
在第二章提出的概念,是極為困難的。計算機知道哪些流量特性功能被提到。這個問題在c++是可以實際進行了論證實現(xiàn)的(圖5)。
圖4 重組的一個新的種類階層結(jié)構(gòu)及一個后來補充說明的ADD
class
{ public:
int pressure;
void display( ) {...};
float flow( ) {return (pressure * 1.3972);} //實現(xiàn)流量1特性的功能。};
class I : public
{ int max_rpm;
public:
1( ) { pressure =100; ..... }//構(gòu)造函數(shù)對象的默認(rèn)的壓力限制100磅};
class 2: public
{ public:
2( ) (pressure = 140; ...... }//構(gòu)造函數(shù)對象2的默認(rèn)的壓力限制140磅};
class ADD :public
{public:
ADD( ){pressure = 210; ..... }//構(gòu)造函數(shù)對象ADD的默認(rèn)的壓力限制210磅
float flow( ) {return( pow( pressure, 2 )*2.583);}//實施兩流量特性的功能};
main( )
{
et *p[2]; //這個模塊和搜索指針,它屬于抽象類
p[0] = new 1( ); p[1] = new 2( ); p[2] = new ADD( ) ; //構(gòu)建物體
for(int i=0; i<3; i++)
{ if(p[i]->pressure > 200)
p[i]->flow( ); }
}
//從第一層搜索
//搜索的方法得到第一層找到一個組分極限壓力大于200磅
//實施1參與,這是一個意想不到的實施。
圖5 一個意想不到的實例通過使用c++實現(xiàn)了一個函數(shù)
實施2是被稱之為調(diào)用執(zhí)行的問題。這是一個有許多程序員的所期待的。然而,在c++中實施1常被作為代替.一個更好的分類結(jié)構(gòu)可以通過面向?qū)ο髣澐值母拍??？紤]上述例子;這類可被劃分的面向?qū)ο蟮?和2以及ADD,在這里ADD=-1-2.為了實現(xiàn)概念、原類都應(yīng)當(dāng)被重組使用，必須滿足下面的關(guān)系(機制):
........
這里，；；
；；
而下標(biāo)1,2,3，…n，代表著編號。代表一個抽象類型。（ADD）代表的是一種新的類型。
上述重組機制的擴張已經(jīng)證明，滿足下列性質(zhì)。
性質(zhì)1：lnvariance的功能
；
；
…… …… ……
；
；
性質(zhì)2:獨特的位置實現(xiàn)
性質(zhì)1的目的是確保時在重組不改變功能。性質(zhì)2是獨一無二的定位的功能,為實施一個課題這是非常重要的原因,每個屬性和功能都被定義為一個而且僅僅是一個課題。因此,一個功能可以通過合并所有的其他的在派生類的功能。運用
以上機理的例子,誤差是可以被消除的。
例如：
；
；
；
；
；
；
；
；
；
。
實現(xiàn)的方法是對前面的例子只是改變代碼正如課題顯示如下。
class a
{ virtual float flow( ) {return (pressure*l.3972);} //實現(xiàn)流量特性1的功能。}；
回顧了圖3再生電路模型,閥門是衍生成標(biāo)準(zhǔn)的、邏輯、伺服、比例閥。運用上述類分區(qū)方法,這類閥可以很容易被發(fā)現(xiàn)而沒有任何混淆,它可以被看作是一個抽象的類,這等于標(biāo)準(zhǔn)配置閥門+邏輯閥+伺服閥+比例閥的概念,而不是使用子類(例如,伺服閥通常認(rèn)為是一個種閥)。對于一些子系統(tǒng),他們的功能關(guān)系不清楚,所以在液壓很難組織一個類層次中的子系統(tǒng)。不過,如果液壓子系統(tǒng)被看作是修正一個或多個簡單類型的子系統(tǒng)，這個問題可以是解決。例如:一個雙泵電路可以視為是修改一個單泵供電線路。 它可能更直接的形成了對象模型。一般的方法是把子系統(tǒng)涉及基本/常見的/最少數(shù)量的成分是一流的,然后修改一些的派生類簡單的子系統(tǒng)。然而,而濫用問題也出現(xiàn)在覆蓋技術(shù)這個結(jié)構(gòu)。因此,不是每一個函數(shù)可唯一地定義。另一個問題是,每個液壓子系統(tǒng)是一個集合體的原始對象(即液壓元件)。在某些情況下的一些復(fù)合對象的頂部
不同于他們的子類,他們的派生類將繼承一些不必要的復(fù)合對象,并作為一個結(jié)果會而造成錯誤的對象。圖6描述了兩種子電路組件類,A和B,在B被認(rèn)為是
A的一種修改,A和B的復(fù)合對象的“元件X”和“元件Y”對象和“元件X”和“元件Z ”對象；這兩類也有同樣的相同的功能,但具有不同版本的顯示功能。圖
6(一)表明,B類在這樣一個類對象X結(jié)構(gòu)中繼承一種不希望出現(xiàn)的組成部分。而這些問題都是在c++中,真正得到了實現(xiàn)。一個更好的在類型結(jié)構(gòu)也可以通過上述這個概念劃分。改進后的類別結(jié)構(gòu)[見圖。同樣的例子6(b)]是使用下列關(guān)系得到(機制):
；
；
；
；
；
；
C —— 一個新的抽象類型。
上述類型關(guān)系的性質(zhì)也完成了:
(1) 不變性的功能：
例如：
（2）唯一的安裝位置：
例如：
；
。
圖 6
運用上述方法,可能會有更多課題改革。然而,這些課的關(guān)系變的清了。此外,
一種類的功能可以非常容易地獲得先前種類的功能的。作為每個功能僅出現(xiàn)在唯一的位置上,執(zhí)行功能的位置和它的細(xì)節(jié)可以被輕易獲得的。相信上述塊工作可以作為面向?qū)ο笠迷O(shè)計,并提供一個潛在的實施機制自動類型的重建。然而,系統(tǒng)的可讀性應(yīng)當(dāng)被考慮到，以避免產(chǎn)生一些不容易讀懂的類別。
4 簡要介紹了CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 。 它包括一個面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫,一個物體服務(wù)器對象的操控管理,一個電路的設(shè)計方案。這程序包含一個推理機制整合知識對象,這是一個專用電路設(shè)計規(guī)則。這些規(guī)則的目的推導(dǎo)出了從設(shè)計到液壓系統(tǒng)的要求規(guī)格的不同應(yīng)用。比如:如果一個較深的壓力被設(shè)計,然后負(fù)載型的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)置為“垂直推負(fù)荷”,并以三相電機為原動力。液壓系統(tǒng)設(shè)計知識和應(yīng)用一般是分離的
其結(jié)果依賴于計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)知識的靈活性。只有液壓應(yīng)用的改變
需要專用知識庫的變化模塊。為持久對象的存儲目錄這些器件構(gòu)成的等級上,鏈接到的數(shù)據(jù)模型上。在此基礎(chǔ)上提出的的第二部份電路設(shè)計，液壓系統(tǒng)能自動合成電路。電路設(shè)計過程開始從設(shè)計的輸出驅(qū)動,其次是設(shè)立的力量流動和信號流程,選擇不同的控制單元和發(fā)電單元。如圖8詳細(xì)描述液壓電路設(shè)計程序。在設(shè)計一個液壓系統(tǒng),其最大操作壓力的一個定義系統(tǒng)將根據(jù)如表的類型。以及預(yù)設(shè)值的檢索應(yīng)用知識。
通過用戶界面上，根據(jù)用戶要求確定數(shù)量的組輸出要求和必要的規(guī)格的致動器,兩個壓缸或液壓馬達(dá)。每個氣缸的負(fù)荷中風(fēng)速度、每臺電機轉(zhuǎn)矩的與扶輪
速度,計算的關(guān)鍵參數(shù)最大值流量系統(tǒng)。此外,，如果必要的設(shè)計師們正有時需要輸入序列的運動致動器,并注明團體的執(zhí)行機構(gòu)同時路徑。主要控制一切致動器是直接從面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫,基于匹配的規(guī)格的功能（F）子系統(tǒng)的系統(tǒng)要求,如果必要的可以用旁邊的選擇調(diào)節(jié)控制。調(diào)節(jié)控制(如壓力和流量控制)會補充主要電路。這是選擇驅(qū)動泵源的特點所選擇的子電路組件主要功能。不同泵都有自己的壓力和流量特征;它是合理的結(jié)合起來,形成一個主要泵來供應(yīng)來源不同泵機組。從圖8它可以觀察到,有一個循環(huán)互動的檢查每一對子功能過程之間設(shè)計模塊,是為確保每一個子電路設(shè)備選擇沒有矛盾和消除與復(fù)制函數(shù)控制。有時會要求使用者替代性選擇決策,在設(shè)計過程中,這樣的在使用壓力儀、不同類型的沖擊每個閥門的接口,這些可選的可用性在很大程度上取決于所選擇子電路。
之后,所有的控制閥門,其大小將根據(jù)流量選擇和操作壓力系統(tǒng)。實際模型數(shù)量和閥門的尺寸被定義為在持久的對象存儲在數(shù)據(jù)庫中。最后一步是確定其他附件例如油箱、冷卻系統(tǒng)與過濾系統(tǒng)等。然后一個完整的原理圖電路圖可以借助包含子電路和組件塊圖圖形庫。
該電路的設(shè)計方案，還包含一個從示意圖和指定的液壓元件來捕捉模塊捕捉的連接信息。信息在網(wǎng)表的格式輸入到另一個項目，形成液壓系統(tǒng)的總成設(shè)計。
5 應(yīng)用實例
在本文中一個原型CAD系統(tǒng)的一類液壓壓力系統(tǒng)，通過用C++和運行在Auto CAD繪圖軟件平臺，已建成實施概念。液壓機可分為多種類型，如鍛造，共混，繪畫，等等。每一個都有其個人標(biāo)準(zhǔn)液壓結(jié)構(gòu)，加上一些常見的共享現(xiàn)有的子電路。本部分闡述了CAD系統(tǒng)用于原型設(shè)計一種實用的工業(yè)液壓系統(tǒng)。對減少CAD系統(tǒng)的復(fù)雜性,子電路組件是通過組件的簡單的代碼代表對象身份,類名和屬性價值,以便于符號匹配的過程。系統(tǒng)實現(xiàn),是一種既能推薦適當(dāng)?shù)囊簤夯芈返拇笮『徒M件,一旦接受一個允許CAD系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)格。如圖表2是輸入規(guī)格為50-ton沖液壓機。
5.1 討論的結(jié)果
圖9顯示了電路結(jié)構(gòu)和主要的元件尺寸建議由計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)CAD。這里，主要執(zhí)行器是第一套垂直推動負(fù)載，快速前進的控制和低壓力控制的默認(rèn)功能。流量控制和壓降調(diào)節(jié)功能是用來實現(xiàn)預(yù)期的性能的氣瓶,因為一個深拉伸至少有兩個氣缸壓在不同的工作壓力,提供一個泵源。
表2 輸入規(guī)格的50噸液壓拉深壓力機
液壓缸的名稱 A(汽缸) B(模具緩沖氣缸)
最大負(fù)荷（噸） 50 26
氣缸孔直徑（毫米） 0 0
氣缸孔半徑（毫米） 0 0
行程長度（毫米） 500 300
最大行程速度（毫米/秒） 63.5 63.5
最大行程速度加載（毫米/秒） 10 10
安裝方法 正面 背面
執(zhí)行機構(gòu)的功能 緊迫的 支撐的
變力控制 0 0
控制動作的類型 位移控制 位移控制
可變速度的控制 0 0
工作同步路徑 0 0
模具頂針：0
每天運行時間：24小時
默認(rèn)為拉深壓力機序列沒有引射：A+
P1：T1B，A-，B+
備注： 延遲時間（）
壓力開關(guān)
+ 制動器機構(gòu)前進
- 制動器機構(gòu)后退
（）：（） 觸發(fā)信號：運動
遍歷了執(zhí)行機構(gòu)通過設(shè)計搜索后,一個再生的位置控制電路被匹配主要功能為沖壓氣缸。模具緩沖機構(gòu)氣缸組是一個簡單的方向控制子電路結(jié)合減壓閥組和流量控制的閥門為實現(xiàn)初級和調(diào)節(jié)功能。為滿足最大操作壓力的限制,由低到高
壓力要求和經(jīng)濟效益的條件下,一種高低壓供電子電路如圖9所示的封閉區(qū)域是選定的供電模塊。在這里有關(guān)的主要組成部分的大小，氣缸的類型和大小都是第。
圖9 通過計算機輔助設(shè)計（CAD）系統(tǒng)設(shè)計的拉深壓力機液壓回路。
一個推斷隨后的供電單元。內(nèi)部和外部流速分布在每個子電路選擇計算中，根據(jù)其定義電路特征，和這些參數(shù)作為信息傳遞給對方。這些信息,加上操作壓力的限制,很重要的內(nèi)部部件大小的選擇和其他子系統(tǒng)。參考圖9，外部輸出流量選定的位置控制再生電路用于選擇泵電路。其內(nèi)在的流量是用來確定RGV1，RGV2和RGV3尺寸的閥門,每個選擇閥門已檢查與許可的流量限制在計算系統(tǒng)參數(shù)、使用
個人績效實證數(shù)據(jù)封裝。
結(jié)果產(chǎn)生的CAD原型設(shè)計系統(tǒng)已建成，并驗證了按照符合規(guī)定的規(guī)格的水利工程單位。結(jié)果在與圖10的設(shè)計進行了比較，其目的是由一名經(jīng)驗豐富的工程師實際上是已采用工業(yè)產(chǎn)品。這一些組件用于圖10的內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些用于圖9。圖9中的設(shè)計采用再生電路提供高速運動與節(jié)能的考慮，而在圖10只有選定的大型低壓力泵控制，從而形成大尺寸的原動力。因此，從長期的節(jié)能和元件成本考慮，設(shè)計圖9是比在圖10中的較佳。
圖10 由經(jīng)驗豐富的工程師設(shè)計的拉深壓力機液壓回路
除了提高其設(shè)計和品質(zhì)草案之外，其另一個貢獻(xiàn)是CAD系統(tǒng)減少設(shè)計時間。專家通?；ㄒ粌蓚€月完成這類設(shè)計，而計算機輔助設(shè)計（CAD）系統(tǒng)，只需要幾分鐘。本主要的困難是找到適當(dāng)?shù)脑O(shè)計手冊有效的子電路部件和很多目錄以及手冊，尤其是在選擇子系統(tǒng)的時候。這是因為定義子系統(tǒng)沒有標(biāo)準(zhǔn)化，并且甚至對于專家來講發(fā)現(xiàn)和理解性能的每一個有效的候選子電路是一個耗時任務(wù)。此外，本計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)是不局限于某一特定液壓應(yīng)用程序。而是采用面向?qū)ο蟮木幊淘瓌t，應(yīng)用程序可以以最小的修改改變，補充和修改該組件并且現(xiàn)有的子電路可以容易納入計劃。事實上,在這個原型系統(tǒng)對象使用有一些對象重用開發(fā)為氣力時序電路設(shè)計進行了研究。此外,面向?qū)ο蟮姆椒椖靠梢蕴峁┙o液壓系統(tǒng)工程師比基于規(guī)則的,以及設(shè)計方面的知識的新的思維形式。
6 結(jié)論
這項工作已經(jīng)涵蓋了混合的人工自能、面向?qū)ο蠹夹g(shù)和CAD技術(shù)建設(shè)的系統(tǒng)
并且有能力解決問題的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這提出了面向?qū)ο蟮姆椒ㄊ且环N新的方法電路設(shè)計。如果概念的基礎(chǔ)上,采用動態(tài)模塊液壓系統(tǒng)識別物體它已經(jīng)被證實是成功的工作,而且復(fù)雜液壓應(yīng)用領(lǐng)域是十分有效的。在文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了組件細(xì)節(jié)考慮和建議在這個CAD系統(tǒng)相比其他更為廣泛的液壓應(yīng)用的專門系統(tǒng)。此外，該重建原則使類型結(jié)構(gòu)液壓電路和組件具有不定義錯誤。該系統(tǒng)將進一步擴展處理流體動力系統(tǒng)裝配問題。
聲明——作者要感謝曼內(nèi)斯曼博世力士樂（中國）有限公司員工在核查的系統(tǒng)的幫助。這項研究是由香港理工大學(xué)研究，批準(zhǔn)號為：341 /165。
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摘 要
挖掘機作為我國工程機械中的主要機種之一，被廣泛運用于各種工程施工行業(yè)中。由于挖掘機的工作環(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。為實現(xiàn)挖掘機各工況的基本要求，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)點是發(fā)動機的功率能得到充分利用，同時實現(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)計思路是從挖掘機總體以及各部分的工作性能和動作要求入手，以實現(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的液壓系統(tǒng)。該挖掘機可廣泛應(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；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 國外挖掘機目前水平及發(fā)展動向 3
1.3 挖掘機的功能 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 本機主要系統(tǒng) 6
2.2.2單斗液壓挖掘機的主要技術(shù)參數(shù) 7
2.2.3 挖掘機的作業(yè)程序及其動作特點 8
2.2.4 挖掘機的液壓系統(tǒng) 9
2.3 本機的技術(shù)要求 9
2.4 挖掘機液壓系統(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械為其服務(wù)。液壓挖掘機是一種應(yīng)用廣泛的多功能的建設(shè)施工機械，作為工程機械中的主要機種之一。由于液壓挖掘機具有品種多，功能多，質(zhì)量高及效率高等特點，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是采用了液壓傳動的挖掘機以其技術(shù)性能高，結(jié)構(gòu)簡化，整機質(zhì)量小，維修簡單等特點，對于減輕工人體力勞動，提高施工機械化水平，加速施工進度，促進各項建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都有著重要的作用。
1 概述
1.1挖掘機簡史
從第一臺手動挖掘機問世至今已有130多年的歷史，在這期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動回轉(zhuǎn)挖掘機到電力驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動回轉(zhuǎn)挖掘機、以及應(yīng)用機電液一體化技術(shù)的全自動液壓挖掘機的逐步發(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)了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機，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)液壓挖掘機和履帶式全液壓挖掘機。在初期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術(shù)，但由于缺少適用于挖掘機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，液壓挖掘機正式進入全面推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國挖掘機制造廠和品種增加速度很快，產(chǎn)量急劇上升。在1968-1970年間，液壓挖掘機的總產(chǎn)量已占挖掘機總產(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
我國的挖掘機生產(chǎn)起步相對較晚，從1954年撫順挖掘機廠生產(chǎn)第一臺斗容量為1m3的機械式單斗挖掘機到現(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等機械式單斗挖掘機為主，從而開始了我國的挖掘機生產(chǎn)歷史。由于當(dāng)時國家經(jīng)濟建設(shè)的需要，先后共建立起十多家挖掘機生產(chǎn)廠。從1967年起，我國開始自主研制液壓挖掘機。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機械廠的WYl00型、貴陽礦山機器廠的W4-60型、合肥礦山機器廠的WY60型挖掘機等。之后又出現(xiàn)了長江挖掘機廠的WYl60型和杭州重型機械廠的WY250型挖掘機等。它們的成功研制為我國液壓挖掘機行業(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，在我國挖掘機生產(chǎn)廠已有30多家，生產(chǎn)機型達(dá)到40余種。中、小型液壓挖掘機已形成系列，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機械傳動單斗挖掘機，1m3隧道挖掘機，4m3長臂挖掘機，1000m3/h的排土機等，同時還開發(fā)了斗容量為O.25m3的船用液壓挖掘機，斗容量為O.4m3、O.6m3、0.8m3的水陸雙用挖掘機等。但總體來講，我國挖掘機生產(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、消化、吸收國外先進技術(shù)，以促進我國挖掘機行業(yè)的發(fā)展。其中貴陽礦山機器廠、上海建筑機械廠、合肥礦山機器廠、長江挖掘機廠等分別引進德國利勃海爾(Liebherr)公司的A912.R912.R942.A922.R922.R962.R972.R982型液壓挖掘機制造技術(shù)。在這之后幾年，杭州重型機械廠引進德國德瑪克(Demag)公司的H55和H85型液壓挖掘機生產(chǎn)技術(shù)，北京建筑機械廠引進德國奧加凱(0&K)公司的RH6和MH6型液壓挖掘機制造技術(shù)。與此同時，還有山東推土機總廠(其挖掘機生產(chǎn)基地改名為山重建機有限公司，包括STRONG和JCM兩個品牌)、黃河工程機械廠、江西長林機械廠、山東臨沂工程機械廠等聯(lián)合引進了日本小松制作所的PC100、PC120.PC200、PC220.PC300、PC400型液壓挖掘機(除發(fā)動機外)的全套制造技術(shù)。這些廠通過數(shù)年引進技術(shù)的消化、吸收、移植，使國產(chǎn)液壓挖掘機產(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，牽動了一些其他機械行業(yè)的制造廠加入液壓挖掘機行業(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，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，則仍以機械式為主。目前應(yīng)著手研究、運用電液控制技術(shù)，從而實現(xiàn)液壓挖掘機操縱的自動化。
1.2.2國外挖掘機目前水平及發(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。例如，美國馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量50-150m3剝離用挖掘機，斗容量132m3的步行式拉鏟挖掘機；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，斗容量107m3的剝離用挖掘機等，是世界上目前最大的挖掘機。
自從20世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機的生產(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。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，其中最小的斗容量僅僅是在0.01m3。另外，數(shù)量最大的中、小型挖掘機趨向于一機多能，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，例如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸雙用挖掘機等。
2、迅速發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，從而使挖掘機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，利用電子計算機控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，從而實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。挖掘機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)的挖掘機裝有新型的發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，從而使挖掘機按最適合其作業(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。并且安裝了CAPS（計算機輔助功率系統(tǒng)），大大提高挖掘機的作業(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配有與液壓回路連接的計算機輔助功率控制系統(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型液壓挖掘機采用智能型控制系統(tǒng)，即使是無經(jīng)驗的駕駛員也能夠進行相對比較復(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)挖掘機上采用最新的3114T型柴油機以及功率方式選擇器、扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)等，從而進一步提高了挖掘機的穩(wěn)定性和作業(yè)效率。韓國大宇公司在DH280型挖掘機上采用了EPOS---電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機負(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)動機轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速左右，即發(fā)動機始終以全功率運轉(zhuǎn)，這樣既充分利用了發(fā)動機的功率、提高挖掘機的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動機因過載而熄火。
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、疲勞強度分析方法、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術(shù)等先進技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機的強度研究方面，從而促進了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效和競爭力。美國提出了考核動強度的動態(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構(gòu)件的強度評定程序，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，大大縮短了新產(chǎn)品的研究周期，加快了液壓挖掘機更新?lián)Q代的進程，并且提高其耐久性和可靠性。例如，液壓挖掘機的運轉(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，加強對駕駛員的勞動保護。液壓挖掘機采用傾翻保護結(jié)構(gòu)和帶有墜物保護結(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措施，從而加強對駕駛員的勞動保護。
6、進一步改進液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢。因為變量系統(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立工作運動。實現(xiàn)與回轉(zhuǎn)達(dá)機械的功率匹配。將第三泵在其他工作運動上接通，成為開式回路的第二個獨立的快速成運動。此外，液壓技術(shù)在挖掘機上普遍使用，為電子技術(shù)、自動控制技術(shù)在挖掘機的應(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，使挖掘機的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機噪音，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，促使了機電一體化在挖掘機上的應(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、微處理器、傳感器和檢測儀表在挖掘機上的應(yīng)用，推動了電子控制技術(shù)在挖掘機上應(yīng)用和推廣，并已成為挖掘機現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，亦即目前先進的挖掘機上設(shè)有發(fā)動機自動怠速及功率優(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挖掘機的功能
挖掘機是一種用來開挖土方的施工機械，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)到卸土地點卸土，然后再使轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、鏟斗下降到挖掘面，進行下一次挖掘并如此循環(huán)。挖掘機在建筑、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。挖掘機主要用于筑路工程中的塹壕開挖，水利工程開挖溝渠、運河和疏浚河道，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完成的。此外，挖掘機更換工作裝置后還可進行澆筑、起重、安裝、打樁、夯土和拔樁、破碎等作業(yè)。
挖掘機作業(yè)過程是以切削刃切削土壤，實現(xiàn)破土、裝土、提升回轉(zhuǎn)、卸土，再返回進行第二次挖掘，挖完一段時間之后,機械移位繼續(xù)挖掘。
為了實現(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。
行走裝置是挖掘機的支柱，承受挖掘機的全部質(zhì)量以及挖掘機的載荷，為挖掘機提供行走、轉(zhuǎn)彎和爬坡的能力，總之挖掘機在工作時行走裝置起到支撐和穩(wěn)定的作用。
回轉(zhuǎn)裝置是液壓挖掘機的機體，轉(zhuǎn)臺上部設(shè)有動力裝置和傳動系統(tǒng)。發(fā)動機是液壓挖掘機的動力源，大多采用柴油發(fā)動機，在方便的場地也可改用電動機。
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。
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年我國挖掘機銷量已達(dá)到16萬臺以上，同比增幅達(dá)到60%左右。挖掘機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)進程的提速，挖掘機行業(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械產(chǎn)品，尤其是針對中，小型號的液壓挖掘機的需求量必將持續(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)引用國外先進技術(shù)。
2.2 液壓系統(tǒng)分析與擬定
2.2.1 本機主要系統(tǒng)
1、 發(fā)動機
本次畢設(shè)中單斗通用型液壓挖掘機采用的發(fā)動機型號是Cummins6BT5.9-C。該發(fā)動
機的主要優(yōu)點是：耗油低，噪音小，性能可靠。當(dāng)然，發(fā)動機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)點是發(fā)動機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)濟實惠，挖掘機行走也相對比較方便。
2.2.2單斗液壓挖掘機的主要技術(shù)參數(shù)
圖2-1 單斗通用型液壓挖掘機
如圖2—1所示挖掘機的外形尺寸如下：
表2-1 外形尺寸
外形尺寸
尺寸大?。╩m）
外形尺寸
尺寸大?。╩m）
A上部寬度
2710
H總長（運輸時）
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的主要技術(shù)參數(shù)如下：
表2-3 挖掘機的主要技術(shù)參數(shù)
整機質(zhì)量
36000kg
標(biāo)準(zhǔn)斗容
0.9 m3
發(fā)動機型號
Cummins6BT5.9-C
發(fā)動機型式
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 挖掘機的作業(yè)程序及其動作特點
單斗挖掘機的工作循環(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)程序及其動作特點如下表：
表2—4 單斗挖掘機的作業(yè)程序及其動作特點
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，因此對主機的工作有兩項特殊要求：
（1）由于在實現(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))能夠同時進行。
2.2.4 挖掘機的液壓系統(tǒng)
按照挖掘機工作裝置和各個機構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機地連接起來的組合體，稱為挖掘機的液壓系統(tǒng)。其主要功能是，以油液為工作介質(zhì)，利用液壓泵將發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗懿⑦M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)換為機械能，從而實現(xiàn)挖掘機的各種動作。挖掘機的液壓系統(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 本機的技術(shù)要求
一、整機結(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、整機運輸、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。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 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 技術(shù)條件》；GB/T9140－1996《液壓挖掘機 結(jié)構(gòu)和性能》；JB6030－200《工程機械 通用安全技術(shù)條件》；GB16710.1－1996《工程機械 噪聲限值》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
2.4 挖掘機液壓系統(tǒng)方案的擬定
一、對于挖掘機液壓系統(tǒng)的基本要求：
單斗通用型液壓挖掘機的動作繁復(fù)，主要機構(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)單斗通用型挖掘機的工作特點，其液壓系統(tǒng)要滿足主機正常工作要求，即：
1) 要保證鏟斗、斗桿和動臂不僅可以各自單獨動作，同時也能保證可以互相配合，實現(xiàn)復(fù)合動作；
2) 在主機工作過程中，應(yīng)要求工作裝置的動作和轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)動作既能單獨進行，又能作復(fù)合動作，以提高生產(chǎn)率；
3) 對于履帶式挖掘機的左、右履帶要求能夠?qū)崿F(xiàn)分別驅(qū)動，從而使挖掘機行走更加方便，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，同時行走裝置和回轉(zhuǎn)機構(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超速溜坡。
根據(jù)挖掘機的工作環(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，以便挖掘機能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置自動控制系統(tǒng)，進一步提高挖掘機的技術(shù)性能，從而減輕駕駛員的勞動強度。
二、挖掘機液壓系統(tǒng)類型的選擇：
單斗液壓挖掘機的液壓系統(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)缺點如下表：
表2—5 三種系統(tǒng)的優(yōu)缺點
定量系統(tǒng)
高壓變量系統(tǒng)
中高壓
高壓
優(yōu)點
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。
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)動機功率的目的，而且效率高。
缺點
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)動機功率要根據(jù)最大外負(fù)荷和作業(yè)速度來確定。其缺點是系統(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)荷情況下運轉(zhuǎn)，故泵的壽命也相對比較長。
而液壓挖掘機的變量系統(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立地進行著恒功率變量調(diào)節(jié)，兩個油泵各自擁有一發(fā)動機輸出功率；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)機構(gòu)進行平衡調(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)機構(gòu)可分為機械聯(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，仍能實現(xiàn)同步運行，從而保證了主機的直線行駛性能。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)荷運轉(zhuǎn)，甚至可能超載運轉(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動方式
因為行走裝置要同時兼有液壓挖掘機的支撐和運行兩大功能，因此液壓挖掘機行走裝置應(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，從而提高挖掘機的穩(wěn)定性；
3） 挖掘機在斜坡下行走時應(yīng)保證不發(fā)生下滑以及超速溜坡等現(xiàn)象，要保證挖掘機的安全性；
通常，液壓挖掘機的行走裝置，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，因而本次畢設(shè)中單斗通用型液壓挖掘機的行走裝置采用履帶式行走裝置，挖掘機的左、右履帶要求能夠分別驅(qū)動，使挖掘機行走方便，轉(zhuǎn)向靈活，并且可以實現(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
在挖掘機運行時，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，從而使挖掘機借支重輪沿履帶軌道向前運行。
3.1.2 行走系統(tǒng)液壓回路設(shè)計
根據(jù)液壓挖掘機行走裝置的基本要求以及其運動方式，液壓挖掘機的行走液壓系統(tǒng)回路設(shè)計原理圖如圖3—2所示，當(dāng)挖掘機運動時，先開啟柴油機，待其穩(wěn)定運行后，通過操作機械腳踏式離合器，使液壓泵上排運轉(zhuǎn)并泵油。片刻之后，待液壓系統(tǒng)進入穩(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 液壓挖掘機行走系統(tǒng)液壓回路
中的油液流動方向為：過濾器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)，挖掘機向后倒退。當(dāng)挖掘機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)向前運行時，只需恢復(fù)兩驅(qū)動輪液壓齒輪馬達(dá)正常運轉(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。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)牽引力以及運行速度。
根據(jù)樣機數(shù)據(jù)以及參考《機械設(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)實際輸出轉(zhuǎn)矩，
——馬達(dá)理論輸出功率，
——馬達(dá)的實際輸出功率，
——馬達(dá)機械效率，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)裝置基本要求及運動方式
液壓挖掘機回轉(zhuǎn)裝置是由轉(zhuǎn)臺，回轉(zhuǎn)支撐以及回轉(zhuǎn)機構(gòu)等幾部分組成?；剞D(zhuǎn)機構(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。回轉(zhuǎn)機構(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)機構(gòu)工作時轉(zhuǎn)臺就相對底架進行回轉(zhuǎn)。
液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動約占整個作業(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%。為提高液壓挖掘機生產(chǎn)率和功率利用率，故對回轉(zhuǎn)機構(gòu)提出如下基本要求：
1） 回轉(zhuǎn)機構(gòu)運動時，挖掘機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)液壓挖掘機回轉(zhuǎn)裝置的基本要求以及其運動方式，液壓挖掘機的回轉(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 液壓挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓回路
回轉(zhuǎn)運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)中的油液流入方向為：過濾器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；而油液流出方向為：左油缸左腔，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，此時挖掘機機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?；赜头较驗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，改變兩液壓油缸進油和回油的速度來實現(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)機構(gòu)帶附加機械制動時，可高達(dá)2，一般取=1.6.對于一定的回轉(zhuǎn)機構(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。機械制動一般取液壓制動可取。
履帶式液壓挖掘機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各類機械常用的系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備類型
精加工機床
組合機床
拉床
農(nóng)用機械，小型工程機械，工程機械輔助機構(gòu)
液壓機，重型機械，大中型挖掘機，起重運輸機械
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
先按薄缸進行計算則應(yīng)滿足
（3-3）
式中 ——試驗壓力，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)鏟斗缸正向運動時，此時三位四通換向閥處于右位，其進油方向為：油箱——過濾器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；回油方向為：鏟斗缸右腔——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，則此時進油方向為：油箱——過濾器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；回油方向為：鏟斗缸右腔——單向閥6——過濾器1c——回流油箱。若要鏟斗缸反向運動時，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)斗挖掘為主時，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的力臂，；
——對鏟斗與斗桿鉸點的力臂，；
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的力臂，；
——對斗桿與動臂鉸點的力臂，；
——對斗桿與動臂鉸點的力臂，；
——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