挖掘機(jī)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

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1、挖掘機(jī)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)1、設(shè)計(jì)背景液壓挖掘機(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)。其結(jié)構(gòu)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成（如圖所示），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

2、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)。2、設(shè)計(jì)要求2.1使用要求小型挖掘機(jī)主要用于城市、狹窄地區(qū)，代替人力勞動(dòng)。主要作業(yè)是挖掘、裝載、整地、起重等，用于城市管道工程、道路、住宅建設(shè)、基礎(chǔ)工程和園林作業(yè)等。小型挖掘機(jī)體積小，機(jī)動(dòng)靈活，并趨向于一機(jī)多能，配備多種工作裝置，除正鏟、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、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時(shí)，發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī)，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機(jī)等?？傊且环N多用途萬(wàn)能型的城市建

3、設(shè)機(jī)械。由于這種機(jī)械的特點(diǎn)很靠近人，因此在設(shè)計(jì)上除了要求耐久性、可靠性和作業(yè)效率等，還需著重考慮人、機(jī)、環(huán)境的協(xié)調(diào)，特別要注意以下幾點(diǎn)： (1) 安全性即機(jī)械作業(yè)過程中不要與周圍的人和物相碰撞，防傾翻穩(wěn)定性好。(2) 低公害即排放要求高、低震動(dòng)、低噪音，聲音要比較悅耳。(3) 與周圍環(huán)境能調(diào)和，形象要美觀，形體和色彩不要引起人們不愉快感，對(duì)人有親和感。(4) 盡量擴(kuò)大其使用功能，可裝多種附屬裝置，應(yīng)成為城市萬(wàn)能型工程機(jī)械。(5) 操縱簡(jiǎn)便，任何人一學(xué)就會(huì)，都能操縱。2.2 性能要求小型挖掘機(jī)具有中型挖掘機(jī)的多項(xiàng)功能，又具有便于運(yùn)輸、能耗低、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，非常適用于空間狹小的施工場(chǎng)地作業(yè)

4、，而且價(jià)格低、質(zhì)量輕、保養(yǎng)維修方便，所以在小型土石方工程、市政工程、路面修復(fù)、混凝土破碎、電纜埋設(shè)、自來(lái)水管道的鋪設(shè)、園林栽培等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于滿足基本的挖掘、裝載、整地、起重等功能外，必須考慮到工作空間小(人力所不能至)、地形復(fù)雜、方便操作、可控，目前市場(chǎng)對(duì)小型挖掘機(jī)性能要求如下： (1) 改進(jìn)挖掘機(jī)可控性和控制精確性以及復(fù)合動(dòng)作。(2) 簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)、降低成本，達(dá)到大作業(yè)量與低油耗的動(dòng)態(tài)平衡。(3) 改進(jìn)工作可靠性。(4) 改進(jìn)駕駛操作舒適性及降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高單位生產(chǎn)率。(5) 改進(jìn)操作安全性。(6) 低振動(dòng)、低噪音適用生活區(qū)工作。2.3 總體圖液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械的一個(gè)重

5、要品種，對(duì)于減輕工人繁重的體力勞動(dòng)，提高施工機(jī)械化水平，加快施工進(jìn)度，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用，因此，大力發(fā)展液壓挖掘機(jī)，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和加速國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。1.鏟斗缸 2.斗桿缸 3.動(dòng)臂缸 4.回轉(zhuǎn)馬達(dá) 5.冷卻器 6.濾油器 7. 磁濾器 8.油箱 9.液壓泵 10.背壓閥11. 后組合閥 12.前組合閥 13.中央回轉(zhuǎn)接頭14.回轉(zhuǎn)制動(dòng)閥 15.限速閥16.行走馬達(dá)圖1.1 液壓挖掘機(jī)整體系統(tǒng)圖3、 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為機(jī)電一體化挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的重要組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足挖掘機(jī)工作循環(huán)所需的全部技術(shù)要求，且靜動(dòng)態(tài)性能好、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作安全

6、可靠、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性好、使用維護(hù)方便。其中液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為挖掘機(jī)總體設(shè)計(jì)的一部分，必須要滿足整機(jī)工作要求，并要求進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算與分析驗(yàn)證，選取合適的各液壓元件。3.1 液壓挖掘機(jī)的工況分析液壓挖掘機(jī)的主要功能運(yùn)動(dòng)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?，要考慮全功率驅(qū)動(dòng)。3.1.1挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程:(1) 整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置(2) 回轉(zhuǎn)平臺(tái)，使用工作裝置處于挖掘位置(3) 動(dòng)臂下降，并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置(4) 斗桿、鏟斗挖掘作業(yè)(5

7、) 動(dòng)臂升起(6) 回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置(7) 操縱斗桿、鏟斗卸載1一動(dòng)臂升降;2一斗桿收放:3一鏟斗裝卸;4一轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn):5一整機(jī)行走圖3. 1液壓挖掘機(jī)的工作運(yùn)動(dòng)3.1.2工況分析(1) 鏟斗挖掘工況:由鏟斗液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況。采用鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率，因此，在一般土方工程挖掘中(III級(jí)土以下土壤的挖掘)鏟斗挖掘最常用。(2) 斗桿挖掘工況:由斗桿液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況。在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，為了能夠裝滿鏟斗，中小型液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘。(3) 聯(lián)合挖掘工況:由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，

8、必要時(shí)還需 配以動(dòng)臂液壓缸的動(dòng)作。主要用于需要軌跡控制的情況。當(dāng)單獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，鏟斗斗尖所作的圓弧線的長(zhǎng)度決定于斗桿液壓缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂液壓缸位于最小長(zhǎng)度并以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。(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。(5) 整機(jī)移動(dòng)工況:將整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置。(6) 姿態(tài)調(diào)整與保持工況:滿足停放、運(yùn)輸、檢修等需要。(7) 其他輔助作業(yè)工況:輔助工作裝置作業(yè)工況。在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)

9、合工作。如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，以使斗尖能沿直線運(yùn)動(dòng)，見圖3.2所示。此時(shí)斗桿收回，動(dòng)臂抬起，需要保證彼此動(dòng)作獨(dú)立，相互之間無(wú)干擾。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，見圖3.3所示。這些動(dòng)作決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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，因此需要回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗桿機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作。 a-水平地面的切削和壓整 b-斜坡地面的切削和壓整a一水平地面的挖削 b一坡地面的挖削圖3.3地面的切

10、削和壓整單獨(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。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。挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅(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。3.2 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)確定液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù)表明了液壓挖掘機(jī)

11、的規(guī)格和主要技術(shù)性能，液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù)分為發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)、主要性能參數(shù)、尺寸參數(shù)四大類，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、轉(zhuǎn)速等，液壓系統(tǒng)參數(shù)包換主泵的流量、壓力等，主要性能參數(shù)包括整機(jī)工作質(zhì)量、主要部件質(zhì)量、鏟斗容量范圍或標(biāo)稱鏟斗容量、挖掘力、牽引力等，尺寸參數(shù)包括工作尺寸、機(jī)體外形尺寸和工作裝置尺寸等，其中液壓挖掘機(jī)主要參數(shù)中最重要的參數(shù)有三個(gè)，即斗容量、整機(jī)質(zhì)量和發(fā)動(dòng)機(jī)功率，因?yàn)橥ㄟ^這三個(gè)參數(shù)可以從使用要求、機(jī)械本身的技術(shù)性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、動(dòng)力裝置的配套、國(guó)際上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)以及傳統(tǒng)習(xí)慣等方面反映液壓挖掘機(jī)的級(jí)別，故有主參數(shù)之稱。所以有時(shí)采用挖掘機(jī)的斗容量作為主參數(shù)。例如，機(jī)械式

12、挖掘機(jī)一般就以斗容量作為挖掘機(jī)的主參數(shù)并作為主要分級(jí)指標(biāo)。但液壓挖掘機(jī)可更換的工作裝置多，而且同一機(jī)型可以根據(jù)作業(yè)對(duì)象或工作尺寸的要求換裝不同斗容的鏟斗。由于不同廠家的挖掘機(jī)采用不同的液壓系統(tǒng)，輔助設(shè)備能耗及功率儲(chǔ)備也有所不同，而且同一型挖掘機(jī)在后續(xù)改進(jìn)時(shí)，也會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)功率，所以液壓挖掘機(jī)以功率分級(jí)不十分合理。整機(jī)質(zhì)量則直接反映了液壓挖掘機(jī)本身的重量等級(jí)，對(duì)其他技術(shù)參數(shù)影響較大，如挖掘能力的發(fā)揮、發(fā)動(dòng)機(jī)功率的充分利用、作業(yè)的穩(wěn)定性等要以一定的整機(jī)質(zhì)量來(lái)保證，因此整機(jī)質(zhì)量反映了挖掘機(jī)的實(shí)際工作能力，目前已被廣泛用作液壓挖掘機(jī)的分級(jí)指標(biāo)。比較其他同類型挖掘機(jī)，可得SWE50H的主要參數(shù)（如下表3

13、.1，表3.2所示），其中圖3.4為液壓挖掘機(jī)的外觀尺寸圖，作業(yè)參數(shù)表3.2是根據(jù)圖3.4所示。圖3.4 SWE50H型液壓挖掘機(jī)的外觀尺寸圖3.3 負(fù)載分析動(dòng)臂油缸一般布置在動(dòng)臂前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接。常見的有兩種具體布置方式。油缸前傾布置方案，如圖3.5A所示，動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂鉸接于E點(diǎn)。當(dāng)動(dòng)臂油臂全伸出，將動(dòng)臂舉升至上極限時(shí)，動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)前方傾斜。油缸后傾布置方案，如圖3.5B所示，當(dāng)動(dòng)臂油缸全伸出，將動(dòng)臂舉升至上極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺(tái)后方傾斜 當(dāng)兩方案的動(dòng)臂油缸安裝尺寸DE1、鏟斗最大挖掘H和地面 最大挖掘半徑R相等時(shí)，后傾方案的最大挖掘深度比前傾方案小，即h1h2。此

14、外，在后傾方案中，動(dòng)臂EF部分往往比前傾方案的長(zhǎng)，因此動(dòng)臂所受彎矩也比較大。以上為動(dòng)臂油缸后傾方案的缺點(diǎn)。然后，后傾方案動(dòng)臂下鉸點(diǎn)C與動(dòng)臂油缸下鉸點(diǎn)D的距離CD比前傾方案的大，則動(dòng)臂在上下兩極限位置時(shí)，動(dòng)臂油缸的作用力臂也就比較大。因此，在動(dòng)臂油缸作用力相同時(shí)，后傾方案能得到較大的動(dòng)臂作用矩，這就是其優(yōu)點(diǎn)。圖3.5 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)油缸布置方案為了增大后傾方案的挖掘深度，有的挖掘?qū)㈤L(zhǎng)動(dòng)臂CEF改成CE1F1（圖3.5B），并配以長(zhǎng)斗桿，在最大深度處挖掘時(shí)，采用鏟斗挖掘而不是斗桿挖掘，這樣得到的最大挖掘深度為h1h2。顯然，不論是動(dòng)臂油缸前傾還是后傾方案，當(dāng)C、D兩鉸點(diǎn)位置和CE長(zhǎng)度不變時(shí)，通過加大動(dòng)臂

15、油缸長(zhǎng)度可以增大動(dòng)臂仰角，從而增大最大挖掘高度，但會(huì)影響到最大挖掘深度。所以，在布置動(dòng)臂油缸時(shí)，應(yīng)綜合考慮動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)、工作裝置的作業(yè)尺寸及動(dòng)臂舉升力和挖掘力等因素。動(dòng)臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升鏟斗內(nèi)裝滿土壤的工作裝置至最 大卸載距離位置進(jìn)行卸載來(lái)確定，其 圖3.6 動(dòng)臂油缸作用力分析設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖3.6所示，此時(shí)動(dòng)臂油缸作用力(N)為： (3.1)式中 鏟斗質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離(m)動(dòng)臂質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離(m)斗桿質(zhì)心動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離(m) 動(dòng)臂油缸作用力對(duì)鉸點(diǎn)的力臂(m) 斗桿所受重力(N) 動(dòng)臂所受重力(N)鏟斗及其裝載土壤的重力(N) 查閱相關(guān)資料，選取N+

16、mg，N，N，3.8m，=2.8m, =1.2m, =0.55m. 其中鏟斗的重力為N，根據(jù)公式 (3.2) (3.3) (3.4)式中 裝載土壤的質(zhì)量（kg） 平均有效斗容量（）鏟斗充滿系數(shù)（），根據(jù)工作環(huán)境，選擇充滿系數(shù)為1自然情況下土壤的密度，根據(jù)工作環(huán)境，選擇疏松后的土壤密度土壤的松散系數(shù)，根據(jù)工作環(huán)境，取代入數(shù)據(jù)，求得： 3.4 機(jī)電一體化液壓挖掘機(jī)工作原理機(jī)電一體化液壓挖掘機(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，從而滿足挖掘作業(yè)的要

17、求。3.5 機(jī)電一體化液壓挖掘機(jī)工作技術(shù)要求采用了柴油機(jī)-液壓泵復(fù)合控制。操作者根據(jù)工況，利用作業(yè)模式選擇開關(guān)（功率預(yù)選開關(guān)）選擇合理的功率模式：重載高速、正常工作、輕載低速。通過電子調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門和液壓泵的排量，使供給功率與負(fù)載需要功率相匹配。采用了電液比例控制技術(shù)，通過改變34B-R6/H6型帶閥芯位移反饋的電液比例方向閥的比例電磁鐵的輸入電流，不但可以改變閥的工作液流方向，而且可以改變閥口大小實(shí)現(xiàn)流量控制，是一種較為理想的電、液轉(zhuǎn)換和功率放大元件，與伺服控制相比具有成本低、抗干擾性好、能量損失小、對(duì)油液清潔度無(wú)特殊要求等優(yōu)點(diǎn)。工況在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括單片主處理器模塊、面板控制系統(tǒng)、模擬

18、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換及光電隔離模塊、電源模塊及傳感器等部分。其中單片主處理器模塊是系統(tǒng)的核心部分，主要功能有面板的控制管理，A/D轉(zhuǎn)換部分的控制管理、模擬量、開關(guān)量和轉(zhuǎn)換信號(hào)的輸入、處理和存儲(chǔ)。面板控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的入機(jī)接口，它包括鍵盤、聲光報(bào)警電路和點(diǎn)陣式液晶顯示器。模擬信號(hào)調(diào)理電路的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)各路模擬量信號(hào)的輸入和調(diào)整，將傳感器和敏感元件的輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足A/D轉(zhuǎn)換輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換及光電隔離模塊的功能是將所有的被檢測(cè)轉(zhuǎn)變成為單片機(jī)所接受的數(shù)字量，具體包括開關(guān)量、轉(zhuǎn)換信號(hào)的整形、模擬量的A/D轉(zhuǎn)換和輸入輸出信號(hào)的光電隔離等。電源模塊將液壓挖掘機(jī)上的蓄電池或發(fā)電機(jī)輸

19、出的+24V直流電轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)各模塊以及系統(tǒng)配備的傳感器所需的各種類型的電平電壓。傳感器處于液壓挖掘機(jī)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口位置，是一個(gè)能量變換器，它直接從液壓挖掘機(jī)中提取被除數(shù)檢測(cè)的工況特征參數(shù)，感受狀態(tài)的變化并轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲(chǔ)存、分析加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。如利用壓力傳感器可實(shí)現(xiàn)過載情況下的路徑自主校正；利用超階級(jí)聲波測(cè)距傳感器能實(shí)現(xiàn) 回轉(zhuǎn)過程中的自動(dòng)避障。3.6 液壓缸主要幾何尺寸的計(jì)算 挖掘機(jī)各驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、電液比例換向閥、動(dòng)臂缸、

20、斗桿缸及齒輪傳動(dòng)。本設(shè)計(jì)主要對(duì)動(dòng)臂缸進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。3.6.1 動(dòng)臂液壓缸內(nèi)徑尺寸與活塞桿直徑的確定由表3.1、表3.3、表3.4可知，小挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)在最大負(fù)載約為時(shí)宜取液壓缸的工作壓力13，液壓缸選用單桿式，并在工作時(shí)進(jìn)行差動(dòng)連接。此時(shí)液壓缸無(wú)桿腔工作面積應(yīng)為有桿腔工作面積的兩倍。由于液壓缸回油路上必須具有背壓力存在，以防止挖掘機(jī)卸土后突然前沖，可取8.由于是差動(dòng)式單桿連接，所以活塞桿直徑d與缸筒直徑D的關(guān)系為d=0.707D。根據(jù)公式=47.62 (3.5)故有 D=77.9mm，d=0.707D=55.07mm (3.6)當(dāng)按GB/T23481993將這些直徑圓整理成就近標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)得：D=

21、80mm , d =63mm，由此求得液壓缸兩腔的實(shí)際有效面積為 (3.7)3.6.2 液壓缸行程的確定液壓缸行程主要依據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求而定。但為了簡(jiǎn)化工藝和降低成本，應(yīng)盡量采用GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸行程，則根據(jù)技術(shù)要求，取行程為630mm。3.7 液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算3.7.1 缸筒壁厚的計(jì)算對(duì)于低壓系統(tǒng)或16時(shí)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計(jì)算，公式如下： (3.8)式中 液壓缸缸筒厚度 試驗(yàn)壓力(Mpa)，當(dāng)工作壓力P16 Mpa時(shí)，=1.5P，當(dāng)工作壓力31.5P16 Mpa時(shí)，=1.25P，當(dāng)工作壓力P31.5Mpa時(shí)，=1.15P,這里應(yīng)取=1.5P =19.5Mpa

22、。 液壓缸內(nèi)徑(m) 缸體材料的許用應(yīng)力（Mpa），可通過下面公式求得： (3.9) 缸體材料的抗拉強(qiáng)度(Mpa) 安全系數(shù)，=3.55，一般取=5但對(duì)于鍛鋼45的許用應(yīng)力一般都取=110(Mpa)則根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取液壓缸外直徑為=100mm.3.7.2 液壓缸油口直徑的計(jì)算液壓缸油口直徑應(yīng)根據(jù)活塞最高運(yùn)動(dòng)速度和油口最高液流速度而定，公式如下： (3.10)式中 液壓缸油口直徑(m) 液壓缸內(nèi)徑(m) 液壓缸最大輸出速度(m/min) 油口液流速度(m/min)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取=7m/min同時(shí)對(duì)于單桿油塞式液壓差動(dòng)聯(lián)接時(shí)，活塞的外伸速度為: (3.11)式中 液壓缸差動(dòng)聯(lián)接時(shí)，活塞

23、外伸的速度，可視為油口液流的速度(m/min) 液壓泵流量(/s)，活塞桿面積，其公式如下: (3.12)式中 活塞桿直徑(m) 所以代入數(shù)據(jù)，解析以上公式得：，故取3.7.3 缸頭厚度計(jì)算本設(shè)計(jì)采用的是螺釘聯(lián)接法蘭缸頭，其厚度的計(jì)算公式為： (3.13)式中 法蘭厚度(m)法蘭內(nèi)徑(m)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取=螺釘孔分布圓直徑(m)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取=法蘭材料的許用應(yīng)力(Mpa)，取45鋼，120 Mpa 法蘭受力總和(N)，其計(jì)算公式為： (3.14) 密封環(huán)內(nèi)徑(m)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取 密封環(huán)外徑(m)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取 系統(tǒng)工作壓力(pa)， pa 附加密封力(pa)，若采

24、用金屬材料時(shí)，值取屈服點(diǎn)，此處取材料為45鋼，則=110Mpa代入數(shù)據(jù)，求出得：故取4、 液壓系統(tǒng)原理圖的制定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

25、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)

26、確定，回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。節(jié)流調(diào)速一般采用開式循環(huán)形式。在開式系統(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。經(jīng)過上述分析此方案選用容積節(jié)流調(diào)速。(2) 制定壓力控制方案 液壓執(zhí)行元件工作時(shí)，要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內(nèi)工作，也有的需要多級(jí)或無(wú)級(jí)連續(xù)地調(diào)節(jié)壓力，一般在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，通常由定量泵供油，用溢流閥調(diào)節(jié)所需壓力，并保持恒定。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，用變量泵供油，

27、用安全閥起安全保護(hù)作用。在液壓系統(tǒng)中，需要流量不大的高壓油時(shí)可考慮用增壓回路得到高壓，而不用單設(shè)高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中，某段時(shí)間不需要供油，而又不便停泵的情況下，需考慮選擇卸荷回路。在系統(tǒng)的某個(gè)局部，工作壓力需低于主油源壓力時(shí)，要考慮采用減壓回路來(lái)獲得所需的工作壓力。基于以上控制系統(tǒng)方案分析本次設(shè)計(jì)選用閉式中心負(fù)荷傳感系統(tǒng)(CLSS)；采用的是雙泵雙回路恒功率控制液壓系統(tǒng)。(3) 指定順序動(dòng)作方案 主機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作，根據(jù)設(shè)備類型不同，有的按固定程序運(yùn)行，有的則是隨機(jī)的或人為的。工程機(jī)械工作環(huán)境狀況復(fù)雜，補(bǔ)丁因數(shù)多，故操縱機(jī)構(gòu)多為手動(dòng)，一般用手動(dòng)的多路換向閥控制。加工機(jī)械的各執(zhí)

28、行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作多采用行程控制，當(dāng)工作部件移動(dòng)到一定位置時(shí)，通過電氣行程開關(guān)發(fā)出電信號(hào)給電磁鐵推動(dòng)電磁閥或直接壓下行程閥來(lái)控制接續(xù)的動(dòng)作。行程開關(guān)安裝比較方便，而用行程閥需連接相應(yīng)的油路，因此只適用于管路聯(lián)接比較方便的場(chǎng)合。另外還有時(shí)間控制、壓力控制等。例如液壓泵無(wú)載啟動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，延時(shí)繼電器發(fā)出電信號(hào)使卸荷閥關(guān)閉，建立起正常的工作壓力。壓力控制多用在帶有液壓夾具的機(jī)床、擠壓機(jī)壓力機(jī)等場(chǎng)合。當(dāng)某一執(zhí)行元件完成預(yù)定動(dòng)作時(shí)，回路中的壓力達(dá)到一定的數(shù)值，通過壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)或打開順序閥使壓力油通過，來(lái)啟動(dòng)下一個(gè)動(dòng)作。本設(shè)計(jì)主要采用手動(dòng)控制，另根據(jù)壓力控制CLSS系統(tǒng)可進(jìn)行自動(dòng)

29、操作，在計(jì)算機(jī)的直接操縱下自動(dòng)完成給定的挖掘任務(wù)，并具有一定得局部自主能力。即當(dāng)阻力過大挖掘過程中斷時(shí)，能自主修正挖掘路徑，直接完成挖掘過程。在回轉(zhuǎn)過程中，能自動(dòng)識(shí)別和避開障礙物，達(dá)到原定的卸料位置。(4) 選擇液壓動(dòng)力源 液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來(lái)提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無(wú)其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油，用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。為節(jié)省能源提高效率，液壓泵的供油量要盡量與系統(tǒng)所需流量相匹配。對(duì)在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較

30、大的情況，一般采用多泵供油或變量泵供油。對(duì)長(zhǎng)時(shí)間所需流量較小的情況，可增設(shè)蓄能器做輔助油源。油液的凈化裝置是液壓源中不可缺少的。一般泵的入口要裝有粗過濾器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護(hù)元件的要求，通過相應(yīng)的精過濾器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁性過濾器或其他型式的過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對(duì)溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。再根據(jù)調(diào)速方案及工程機(jī)械選用原則，主泵采用變量柱塞泵，輔助油泵采用齒輪泵。4.2確定回路方式本液壓系統(tǒng)采用開式回路。液壓系統(tǒng)回路中泵缸回路系統(tǒng)為開式，泵馬達(dá)系統(tǒng)為閉式。開式系統(tǒng)利用油箱可以散熱、沉淀雜質(zhì)的特點(diǎn)，并且油液循環(huán)大，敝熱條件好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

31、，因此為大多數(shù)工程機(jī)械所采用。閉式回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為緊湊，泵的自吸性好，系統(tǒng)與空氣接觸的機(jī)會(huì)較少，空氣不易滲入系統(tǒng)，故傳動(dòng)的平穩(wěn)性較好，且工作機(jī)構(gòu)的變速和換向靠調(diào)節(jié)泵或馬達(dá)的變量機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，避免了在開式系統(tǒng)換向過程中所出現(xiàn)的液壓沖擊和能量損失。但閉式系統(tǒng)較開式系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，并且由于閉式系統(tǒng)本身沒有油箱，油液的散熱和過濾條件較開式系統(tǒng)差。4.3 選用液壓油液在任何液壓系統(tǒng)中，液壓油是一至關(guān)重要的組成部分。它的功能是：有效地傳遞能量、潤(rùn)滑部件和作為一種散熱介質(zhì)。液壓系統(tǒng)能否可靠、靈敏、準(zhǔn)確、有效而且經(jīng)濟(jì)地工作，與所選用的液壓油的品種及性能密切相關(guān)。因此，正確選用液壓油是確保液壓系統(tǒng)正常和長(zhǎng)期工作的前提

32、。當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)找出原因，采取正確的解決辦法是保護(hù)設(shè)備、避免造成重大損失的重要措施。由于液壓傳動(dòng)具有元件體積小、重量輕、傳動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠、操作方便、易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多工業(yè)部門的傳動(dòng)系統(tǒng)被采用。不同工業(yè)部門由于使用要求、操作條件、應(yīng)用環(huán)境的差異，所用的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)差別也很大。正確選用液壓油品種，確保液壓系統(tǒng)長(zhǎng)期平穩(wěn)、安全運(yùn)行，是保證連續(xù)生產(chǎn)、節(jié)省材料消耗和提高經(jīng)濟(jì)效益的有效措施。4.4 繪制液壓系統(tǒng)原理圖該挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)采用雙泵雙向回路定量系統(tǒng)，由兩個(gè)獨(dú)立的回路組成。所用的油泵1為雙聯(lián)泵，分為A、B兩泵。八聯(lián)多路換向閥分為兩組，每組中的四聯(lián)換向閥組為串聯(lián)油路。油泵A

33、輸?shù)膲毫M(jìn)入第一組多路換向閥，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)、鏟斗油缸、輔助油缸，并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動(dòng)右行走馬達(dá)7。該組執(zhí)行元件不工作時(shí)油泵A輸出的壓力油經(jīng)第一組多路換向閥中的合流閥進(jìn)入第二組多路換向閥，以加快動(dòng)臂或斗桿的工作速度。油泵B輸出的壓力油進(jìn)入第二組多路換向閥，驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂油缸、斗桿油缸，并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動(dòng)左行走馬達(dá)8和推土板油缸6。該液壓系統(tǒng)中兩組多種換向閥均采用串聯(lián)油路，其回油路并聯(lián)，油液通過第二組多路換向閥中的限速閥5流向油箱。限速閥的液控口作用著由梭閥提供的A、B兩油泵的最大壓力，當(dāng)挖掘機(jī)下坡行走出現(xiàn)超速情況時(shí)，油泵出口壓力降低，限速閥自動(dòng)對(duì)回油進(jìn)行節(jié)流，防止溜坡現(xiàn)象，保證挖掘機(jī)行駛安全。在左、

34、右行走馬達(dá)內(nèi)部除設(shè)有補(bǔ)油閥外，還設(shè)有雙速電磁閥9，當(dāng)雙速電磁閥在圖示位置時(shí)馬達(dá)內(nèi)部的兩排柱塞構(gòu)成串聯(lián)油路，此時(shí)為高速；當(dāng)雙速電磁閥通電后，馬達(dá)內(nèi)部的兩排柱塞呈并聯(lián)狀態(tài)，馬達(dá)排量大、轉(zhuǎn)速降低，使挖掘機(jī)的驅(qū)動(dòng)力增大。為了防止動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等因自重而超速降落，其回路中均設(shè)有單向節(jié)流閥。另外，兩組多路換向閥的進(jìn)油路中設(shè)有安全閥，以限制系統(tǒng)的最大壓力，在各執(zhí)行元件的分支油路中均設(shè)有過載閥，吸收工作裝置的沖擊；油路中還設(shè)有單向閥，以防止油液的倒流、阻斷執(zhí)行元件的沖擊振動(dòng)向油泵的傳遞。SWE50H型單斗液壓挖掘機(jī)除了主油路外，還有如下低壓油路：(1) 排灌油路 將背壓油路中的低壓油，經(jīng)節(jié)流降壓后供給液壓馬

35、達(dá)殼體內(nèi)部，使其保持一定的循環(huán)油量，及時(shí)沖洗磨損產(chǎn)物。同時(shí)回油溫度較高，可對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行預(yù)熱，避免環(huán)境溫度較低時(shí)工作液體對(duì)液壓馬達(dá)形成“熱沖擊”。(2) 泄油回路 將多路換向閥和液壓馬達(dá)的泄漏油液用油管集中起來(lái)，通過五通接頭和濾油器流回油箱。該回路無(wú)背壓以減少外漏。液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可通過檢查泄漏油路濾油器，判定是否屬于液壓馬達(dá)磨損引起的故障。(3) 補(bǔ)油油路 該液壓系統(tǒng)中的回油經(jīng)背壓閥流回油箱，并產(chǎn)生0.81.0MPa的補(bǔ)油壓力，形成背壓油路，以便在液壓馬達(dá)制動(dòng)或出現(xiàn)超速時(shí)，背壓油路中的油液經(jīng)補(bǔ)油閥向液壓馬達(dá)補(bǔ)油，以防止液壓馬達(dá)內(nèi)部的柱塞滾輪脫離導(dǎo)軌表面。該液壓系統(tǒng)采用定量泵，效率較低、發(fā)熱

36、量大，為了防止液壓系統(tǒng)過大的溫升，在回油路中設(shè)置強(qiáng)制風(fēng)冷式散熱器，將油溫控制在80以下。整機(jī)的液壓系統(tǒng)圖（如圖4.1所示）由擬定好的控制回路及液壓源組合而成，從中分離出動(dòng)臂機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)明工作原理圖（如圖4.2所示）。機(jī)電一體化挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)是半自動(dòng)的，所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)是建立在WY100型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上，改進(jìn)工作裝置的自動(dòng)化控制，保證工作負(fù)載合理，防止在過量的情況下導(dǎo)致小挖掘機(jī)破壞。各液壓元件盡量采用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，在圖中要按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓元件職能符號(hào)的常態(tài)位置繪制。對(duì)于自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)元件可用結(jié)構(gòu)原理圖繪制。系統(tǒng)圖中應(yīng)注明各液壓執(zhí)行元件的名稱和動(dòng)作，注明各液壓元件的序號(hào)以及各電磁鐵

37、的代號(hào)，并附有電磁鐵、行程閥。 分析比較動(dòng)臂機(jī)構(gòu)系統(tǒng)圖與整機(jī)系統(tǒng)圖，可以總結(jié)出：動(dòng)臂機(jī)構(gòu)系統(tǒng)可以作為一個(gè)單獨(dú)的液壓系統(tǒng)，并可以進(jìn)行半自動(dòng)化控制，其液壓元件選擇的合理與否直接影響著機(jī)電一體化液壓系統(tǒng)的快速控制能力。1 BM PC2 PCT812 3D/A接口 4液壓閥驅(qū)動(dòng)放大 5油泵 6冷卻器7濾油器8背壓閥 9節(jié)流閥10回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)11行走馬達(dá)12雙速電磁閥缸13補(bǔ)油單向閥 14緩沖補(bǔ)油閥組 15中央回轉(zhuǎn)接頭16限速閥 17冷卻器 18位移傳感器 19溢流閥20梭閥 21合流閥22電液比例方向閥23斗桿油缸24鏟斗油缸 25單向節(jié)流閥26動(dòng)臂油缸圖4.1 液壓原理圖1TBM PC 2PCT812 3D/A接口 4液壓閥驅(qū)動(dòng)放大器5油泵 6冷卻器 7濾油器 8背壓閥 9限速閥10溢流閥 11梭閥 12電液比例方向閥 13冷卻閥14單向節(jié)流閥 15位移傳感器 16動(dòng)臂油缸圖4.2 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖6、繪制總體設(shè)計(jì)圖及編寫設(shè)計(jì)文件對(duì)液壓系統(tǒng)的液壓原理、操作進(jìn)行了說明，其中主要是對(duì)液壓缸進(jìn)行分析計(jì)算，并繪畫相關(guān)的CAD二維圖紙，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)零件的可制造性。16