带反馈的液压挖掘机设计说明书 毕业设计.doc

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1、某型号液压挖掘机（负载敏感系统）液压系统设计摘 要液压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的土方机械。液压挖掘机利用液压元件（液压泵、液压马达、液压缸等）带动各种构件动作，具有许多优点，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析设计对推动我国挖掘机发展具有十分重要的意义。在搜集了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上，了解了挖掘机液压系统的发展历史，并对挖掘机液压系统的技术发展动态进行了分析总结。本次毕业设计课题是负载敏感系统液压挖掘机。挖掘机由多个系统组成，包括液压系统，传动系

2、统，操纵系统，工作装置，底架，转台，油箱，发动机安装等。本人的设计主要致力于分析和设计负载敏感系统液压挖掘机液压系统的液压站装配图，以液压元件和液压回路为主。 关键词：挖掘机；液压系统；液压泵；负载敏感系统 AbstractConstruction machinery hydraulic excavator is an important species, and it is widely used in construction, railway, highway, water conservancy, mining and other construction projects of Ea

3、rthmoving Machinery. The use of hydraulic excavator hydraulic components (hydraulic pumps, hydraulic motors, hydraulic cylinders, etc.) bring a variety of component movement, has many advantages, so it is the design of the hydraulic system of the high demands, and its hydraulic system engineering ma

4、chinery hydraulic system is the most complex. Therefore, the analysis of excavator hydraulic system design in promoting the development of Chinas excavator of great significance.At home and abroad in gathering relevant information excavator hydraulic system on the basis of the understanding of the e

5、xcavators of the historical development of the hydraulic system, hydraulic excavators and technical developments have been analyzed and summarized. The graduation project is the subject of hydraulic excavators . Mini-excavator from multiple systems, including hydraulic system, transmission system, c

6、ontrol system, the working devices, chassis, turntable, fuel tanks, engine installation were designed. I focused on the design of the analysis and design of small-sized hydraulic excavator hydraulic system hydraulic components such as hydraulic components and the main hydraulic circuit.Keywords: hyd

7、raulic pump;hydraulic system of excavator;Load sensitive system目 录摘 要IAbstractII1 绪 论1 1.1 液压挖掘机工作装置与液压系统研究的必要性1 1.2 国内外液压挖掘机工作装置的发展动态及研究现状2 1.2.1 国外发展动态及研究状况2 1.2.2 国内发展动态及研究状况3 1.3 国内外液压挖掘机液压系统的发展动态及研究现状4 1.3.1 国外发展动态及研究状况4 1.3.2 国内研究情况及发展动态62 液压挖掘机工作装置的设计要求与传统设计方法7 2.1 液压挖掘机的工况分析7 2.1.1 挖掘工况分析8 2

8、.1.2 满斗举升回转工况分析12 2.1.3 卸载工况分析12 2.1.4 空斗返回工况分析12 2.1.5 整机移动工况分析12 2.1.6 姿态调整与保持工况分析13 2.2 液压挖掘机工作装置的设计要求13 2.2.1 几何尺寸要求13 2.2.2 各功能运动的动力特性要求14 2.2.3 结构强度要求15 2.2.4 经济性要求16 2.2.5 其它性能要求16 2.3 液压挖掘机的主要参数16 2.3.1 描述挖掘机性能的主要参数16 2.3.2 液压挖掘机的主参数17 2.4 液压挖掘机工作装置的传统设计方法分析17 2.4.1 通过类比及经验方法的工作装置的设计17 2.4.2

9、 基于计算机辅助设计方法的工作装置的设计173 液压系统设计19 3.1 系统主参数的确定19 3.1.1 确定系统的工作压力19 3.1.2 确定系统的型式20 3.2 系统方案的拟定20 3.2.1 确定元件类型20 3.2.2 拟定主回路214 系统初步计算和液压元件的选择22 4.1 动臂液压缸的设计计算22 4.1.1 液压缸缸筒的设计22 4.1.2 液压缸缸盖及导向套的设计24 4.1.3 液压缸缸头的设计27 4.1.4 活塞杆的设计及其强度校核29 4.1.5 活塞的设计31 4.1.6 缸筒长度的确定33 4.1.7 缸头的结构设计33 4.1.8 活塞杆长度的确定35 4

10、.1.9 液压缸纵向弯曲极限应力的计算和稳定性校核35 4.1.10 液压缸油口尺寸的确定37 4.1.11 密封和防尘装置的作用及选取38 4.1.12 缓冲装置38 4.2 斗杆液压缸的设计38 4.3 铲斗液压缸的设计38 4.4 推土铲液压缸的设计39 4.5 液压缸推力和流量的计算39 4.5.1 液压缸推力计算39 4.5.2 液压缸的输出功率40 4.5.3 液压缸流量405 液压泵与马达的选用41 5.1 液压泵的流量计算41 5.2 液压缸动作所需流量41 5.3 行走机构所需流量41 5.4 回转机构所需流量42 5.5 液压泵的选择446 液压泵站设计及液压附件的选取45

11、 6.1 液压阀的选取45 6.2 液压泵站的设计46 6.2.1 油箱的设计与计算47 6.2.2 过滤器48 6.2.3 放油塞48 6.2.4 原动机的选择49 6.2.5 联轴器49 6.2.6 空气滤清器的选择49 6.2.7 压力表的选择49 6.2.8 液压泵站总图497 液压系统性能验算.507.1 液压系统压力损失50 7.1.1 沿程压力损失50 7.1.2 局部压力损失51 7.2 液压系统的发热功率517.3 液压系统的散热功率.528 液压系统的安装和维护.54 8.1 液压元件的安装54 8.2 液压元件的维护559 挖掘机操作规程.56 9.1 作业前的技术准备5

12、6 9.2 作业与行驶中的技术要求56 9.3 作业后的技术工作56 9.4 液压挖掘机行走操作及注意事项57总 结58参考文献59致 谢601 绪 论随着社会建设的不断发展和需要，液压挖掘机在国土建设、大自然改造事业、许多大型基础工程的建设中得到广泛应用，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用，称为一种万能机械。一台1 m3液压挖掘机挖掘I -IV级土壤时，每班生产率大约相当于300-400工人一天的劳动生产率2。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。

13、工作装置是液压挖掘机主要组成部分之一，是直接完成挖掘任务的装置。工作装置的作业由三个油缸的复合动作和土壤的相互作用来实现，不借助计算机技术无可实现液压挖掘机工作装置设计及其性能分析。因此，基于计算机全面仿真的液压挖掘机工作装置设计方法的研究成为推动挖掘机发展中的重要一环。挖掘机与液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析研究也己经成为推动挖掘机发展中的重要一环。1.1 液压挖掘机工作装置与液压系统研究的必要性挖掘机行业

14、的发展历史久远，可以追溯到1840年。当时美国西部开发，进行铁路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似机械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时间挖掘机没有得到很大的发展，应用范围也只局限于矿山作业中。导致挖掘机发展缓慢的主要原因是:其作业装置动作复杂，运动范围大，需要采用多自由度机构，古老的机械传动对它不太适合。而且当时的工程建设主要是国土开发，大规模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因此对挖掘机的应用相对较少，在一定程度上也限制了挖掘机的发展。由于液压技术的应用，二十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机。随着液压传动

15、技术迅速发展成为一种成熟的传动技术，挖掘机有了适合它的传动装置，为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术上的一个飞跃。同时，工程建设和施工形式也发生了很大变化。在进行大规模国土开发的同时，也开始进行城市型土木施工，这样，具有较长的臂和杆，能装上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多自由动作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用。1950年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。当时液压挖掘机主要配置反铲工作装置。在早年，许多液压挖掘机都配组合动臂。这种组合动臂可以调节动臂的长度，现在大多数液压挖掘机都采用整体动臂。优点是重量轻，制造方便，成本低。从20世纪60

16、年代到80年代中期，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压挖掘机产量已经达到挖掘机总产量的83%, 90年代初工作装置的结构有所改进。大多数制造厂家借助计算机技术设计制造更轻便的动臂和斗杆，而不削弱其强度，其时对挖掘机工作装置的研究也已经十分成熟。自第一台手动挖掘机诞生以来的160多年当中，挖掘机一直在不断地飞跃发展，其技术己经发展到相对成熟稳定的阶段。经过几十年的研究，被成为土建机械手，成为建设机器人的代表，据有关专家估算，全世界各种施工作业场约有65%至70%的土石方工程都是由挖掘机完成的。挖掘机是一种万能型工程机械，目

17、前已经无可争议地成为工程机械的第一主力机种，在世界工程机械市场上己占据首位并且仍在发展扩大。挖掘机工作装置设计参数直接影响作业范围、功率利用、挖掘力发挥等。该参数的设计与挖掘机性能的好坏有关。目前商品化的液压挖掘机工作装置设计软件还没有，都采用各自开发的软件。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。通过开发通用性及专业的液压挖掘机工作装置设计软件，能够实现工作装置设计的自动化，提高挖掘机设计水平。因此，进行挖掘机工作装置设计的自主研究非常必要。挖掘机的发展主要以液压技术的应用为基础，其液压系统已成为工程机械液压系统的主

18、流形式。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。在技术方面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，所以对其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义。1.2 国内外液压挖掘机工作装置的发展动态及研究现状最早在液压挖掘机工作装置设计时，设计人员通过类比、查表、理论计算初步确定性能参数以后，还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大都选取几个特殊位置进行检讨计算，其精度当然较低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置设计得到了很快发展。针对液压挖掘机工作装置的CAD软件也已经有了不少的

19、研究。1.2.1 国外发展动态及研究状况从20世纪50年代开始生产第一台液压挖掘机至今，挖掘机工作装置己经发展到了相当成熟的阶段9。随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力。近几年来，国外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在工程建设和施工行业中占有很重要的位置。液压挖掘机迅速发展的根本原因，在于机械本身的优越性(重量轻、挖掘能力大、生产率高)、通用性好、操纵轻便，也由于下述几个因素:(1重视试验研究工作，液压挖掘机的研制除了保证机械技术性能以外，十分重视挖掘机的使用经济性和工作可靠性，研制过程中，进行各种I it

20、能试验和可靠性试验，包括构件强度试验、系统试验、操纵试验、耐久性试验等等，要通过严格的科学试验和用户评价，才进行定型生产;(2)重视电子计算机技术的引用，加快了新产品的发展速度，国外发展有总体、工作装置、液压系统等的设计程序，出现了总体优化设计方法和适合于计算机数据处理的数学模型描述液压系统和元件特性的程序，这样，就可以利用计算机在很短的时间内进行总体设计，新产品从设计到批量生产的周期缩短到2-v3年左右。当前液压挖掘机的研制和改进主要着眼于:(1)发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效的功，其中包括动力装置与液压系统的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构功率的回收，高效液压系统的

21、研究等;(2)铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标。随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对各种挖掘机需求量迅速增加，因而国际上液压挖掘机工作装置的生产向多功能化和专用化的方向发展。当液压挖掘机配置不同的作业装置时，可以用来吊、夹、推、刮、松、挖、装、铣削、拆除、清除和压实等作业，且大都采用快换装置。驾驶员在驾驶室内就可以完成作业装置的更换，仅用2 min时间，就完成了作业装置的更换。工作装置中，动臂、斗杆结构变化多样，也扩展了主机的使用功能，这一结构主要表现为动臂、斗杆长度的变化，由动臂、斗杆的两元件变化为两节动臂、斗杆的多元件和伸缩臂。在baum

22、a2004展会上的液压挖掘机中，传统型和通用型产品样机较少，多是一些有特殊构造的、有特色的产品和多功能的产品，如挖掘机工作装置的动臂、斗杆和铲斗三元件构成的通用型产品相对较少，由大臂、中臂、斗杆和快换作业装置四元件构成的产品很多，这既体现了各厂家市场差异化的产品发展战略，也体现了各自的技术水平和实力。液压挖掘机多用途工作装置在展会上应有尽有，这些多用途作业装置大大扩展了液压挖掘机的功用，提高了产品的施工适用性。只有具有专业性的挖掘机设计软件，才能设计出适应于各种各样建筑施工的挖掘机工作装置，也能够满足市场和用户的要求。随着计算机辅助设计技术的日益推广，机械设计及制造技术发生了革命性的变化。液压

23、挖掘机行业作为机械行业的一个重要分支，计算机辅助设计技术的推广应用势在必行。计算机辅助设计技术既能缩短产品的设计周期和制造周期，同时又能大大提高产品的质量，相应也就提高了机器整体质量的可靠性和稳定性。采用新结构和新材料，利用现代设计技术和先进制造技术，仍是保证和提高液压挖掘机性能的一个较重要的途径。国外许多有实力的生产厂商有了自己的软件。在国外很多科研机构和一些大型企业，都已经对挖掘机工作装置的设计进行研究，并开发出了一些专业软件，美国卡特匹勒(Caterpillar)、德国利勃海尔(Liebherr )、英国JBC、日本神钢(KOBELCO)等公司将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、结构

24、件优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力，但目前市场上可供选用的商品化的成熟的应用软件却还是很少。1.2.2 国内发展动态及研究状况早在1958年国内便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品。当时由于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，质量和产量远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。到了80年代末和90年代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅速的提高，突出表现在追求高效率(同一机重的挖掘机功率普遍提高，液压系统流量增大，作业循环时间减小，

25、作业效率大大提高);高可靠性和追求司机操作的舒适性。国内原有的数家挖掘机专业生产厂为了生存和发展，利用自身的实力和丰富的挖掘机生产经验，纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的新开发的产品(也包括某些已生产多年的老产品)为了提高作业的可靠性，干脆采用了进口的液压件和发动机，甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计，这种经过改型或新设计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化国外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，其原因除了国内挖掘机加工水平落后之外，挖掘机

26、设计水平与发达国家相比也有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了其设计软件，他们的研究基本上局限于解决某些问题，即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。关于工作装置设计参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能使用于挖掘机工作装置的一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通用性。特别是国内，CAD在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用CAD进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能达到设计需要，对液压挖掘机进行分析的大型

27、通用软件目前市场上还很少。经过近十年的研究，获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结果己进入实际应用过程中。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于，为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，即大多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限地进行的。在这样一种情况下，开发一个专业化的工作装置的设计工具和软件显得非常必要。1.3 国内外液压挖掘机液压系统的发展动态及研究现状1.3.1 国外发展动态及研究状况从20世纪60年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统已经发展到了相当成熟的阶段。近几年来，随着液压挖掘机产量的提高

28、和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力:液压系统逐渐从开式系统向闭式系统转变;系统的节能技术成为研究的重点;液压系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显;很重视液压系统的操纵特性提高;液压系统与电子控制的结合成为潮流。1. 液压系统的转变日本小松(KAMATSU)公司90年代以前一直致力开发开式负载敏感系统(OLSS )，用以降低液压系统的损耗。开式液压系统采用三位六通阀，其特点是有两条供油路，其中一条是直通供油路，另一条是并联供油路。由于这种油路调速方式是进油节流调速和旁路节流调速同时起作用，其调速特性受负载压力和油泵流量的影响，因此这

29、种系统的操纵性能、调速性能和微调性能差。另外，当液压作用元件一起复合动作时，相互干扰大，使得复合动作操纵非常困难。这是开式系统的大缺点。由于挖掘机作业工程中要求对液压元件能很好地控制其运动速度和进行微调，而且在其工作的许多工况下要求多个执行元件完成复合动作，而长期以来使用的开式液压系统无法满足挖掘机的调速和复合动作的要求。近年来在国外的挖掘机液压系统中出现了闭式负载敏感系统(CLSS)。它可以采用一个油泵同时向所有液压作用元件供油，每一个液压作用元件的运动速度只与操纵阀的阀杆行程有关，与负载压力无关，泵的流量按需提供，而且多个液压作用元件同时动作时相互之间干扰小，因此操纵性好是闭式液压系统的主

30、要特点。这种系统非常符合挖掘机操作的要求，它操纵简单，对司机的操纵技巧要求低，在国际上已经获得较广泛的使用，是挖掘机液压系统的发展趋势。目前日本小松公司己经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。2. 应用节能技术目前液压挖掘机上典型的节能技术基本上有两种，即负载敏感技术和负流量控制技术，目前液压挖掘机都选用其中一种控制技术来实现节能要求。负载敏感技术是一种利用泵的出口压力与负载压力差值的变化而使系统流量随之相应变化的技术。德国曼内斯曼(Mannesmann)公司研制的一种负载传感系统，将其安装在液压系统中，可以控制一个或几个液压作用元件，而与对其施加的载荷无关。该系统不仅易于操纵，而且

31、微动控制特性很好。其最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对油泵进行控制，从而实现在按需供流的同时，使调速节流损失P控制在很小的固定值，从而达到节能的目的。负流量控制技术是通过位于主控制阀后面的节流阀建立的压力对主泵的排量进行调节的技术。目前以日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)为代表的许多国外著名品牌的挖掘机生产商都在自己的挖掘机液压系统中使用了负流量控制技术。这种控制技术具有稳定性好、响应快、可靠性和维修性好等特点，但在起始点为重负荷下作业时，因流量与负载有关，所以可控制性较差。3. 负载能力和可靠性的提高为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流

32、量和功率。目前，国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在30MPa以上，并且随着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势;流量通常在每分钟数百升;功率在数百千瓦以上。如德国Orensttein& Koppe制造的目前世界上首台最大的RH400型全液压挖掘机，铲斗容量达42m 32M液压油源为18台变量轴向柱塞泵，总流量高达10200L/min:原动机为2台QSK60柴油发动机，总功率高达2014kW。由于液压挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响，系统的可靠性日益受到重视。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿

33、命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机强度研究方面，不断提高设备的可靠性。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统，使液压挖掘机的运转率达到8596-9596，使用寿命超过1万小时。4. 重视操纵特性挖掘机液压系统的操纵特性越来越受到重视。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。各种高新技术的应用

34、，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。5. 电子一液压集成控制电子控制技术与液压控制技术相结合的电子一液压集成控制技术近年来获得了巨大发展，特别是传感器、计算机和检测仪表的应用，使液压技术和电子控制有机结合，开发和研制出了许多新型电液自动控制系统，提高了挖掘机的自动化程度，推动着挖掘机的迅猛发展。目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方面的研究己趋成熟。美国林肯一贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。日本住友公司生产的FJ系列五中新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机

35、功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命。1.3.2 国内研究情况及发展动态从国内情况来看，国内挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压系统方面的理论还比较薄弱。国内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术方面的研究具有一定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能、质量、作业效率、可靠性等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在国内市场上基本失去了竞争力，取而代之的是采用各种高新技术的国外挖掘机产品。先进的挖掘机液压系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造出性能优异的挖掘机，绝大部分的市场份额都被国外各种品牌

36、的挖掘机所占据。以20t级的中型液压挖掘机为例，国产20t级挖掘机大多数是欧洲80年代初的技术刘，同90年代初以来在国内形成批量的日本小松、日立、神钢等机型相比，其主要差距柴油机功率偏低，液压系统流量偏小，液压系统特性差，导致平台回转速度低，行走速度低，各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率较国外偏低。2 液压挖掘机工作装置的设计要求与传统设计方法要了解和设计液压挖掘机的工作装置，首先要分析液压挖掘机的工作过程及其作业要求，掌握传统的挖掘机工作装置设计方法。2.1 液压挖掘机的工况分析液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作(如图2.1所示):动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以

37、及其它辅助动作。除了辅助动作(例如整机转向等)不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。挖掘机的典型作业流程:l 整机移动至合适的工作位置l 回转平台，使用工作装置处于挖掘位置l 动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置l 斗杆、铲斗挖掘作业l 动臂升起l 回转工作装置至卸载位置l 操纵斗杆、铲斗卸载由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特要求:实现各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化，因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化;为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作(例如挖掘与动臂、提升与回转)同时进行

38、复合动作。液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括:(1) 挖掘:通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或者两者配合进行挖掘，因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。(2) 满斗举升回转:挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。(3)卸载:转到卸土点时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。图2. 1液压挖掘机的工作运动1一动臂升降;2一斗杆收放;3一铲斗装卸;4一转台回转:5一整机

39、行走(4) 空斗返回:卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。(5) 整机移动工况:将整机移动至合适的工作位置。(6) 姿态调整与保持工况:满足停放、运输、检修等需要。(7)其他辅助作业工况:辅助工作装置作业工况。2.1.1 挖掘工况分析1.典型挖掘工况l 铲斗挖掘工况:由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。采用铲斗液压缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中(III级土一下土壤的挖掘)铲斗挖掘最常用，。l 斗杆挖掘工况:由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。在较坚硬的土质条件下工作时，为

40、了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘。l 联合挖掘工况:由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。一般认为斗容量小于0. 5M3或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之则以斗杆挖掘为主。这两种情况的挖掘阻力不同。在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。如在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵

41、动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图2.2所示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。如果需要铲斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作1. 6，见图2.3所示。这些动作决定于液压系统的设计。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力，保持铲斗贴紧侧壁进行切削，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。图2.2斗尖沿直线挖削a一水平地面的挖削;b一斜坡地面的挖削图2.3地面的切削和压整a-水平地面的切削和压整;b一斜坡地面的切削和压整单独采用

42、斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油较好。对于双泵系统，其复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能性大，因此需要采用节流等措施进行流量分配，其流量分配要求和三泵系统相同。挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要短时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主压力阀的压力。2. 铲斗挖掘工况的挖掘阻力铲斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显变化，切

43、削阻力与切削深度基本上成正比，前半过程切削阻力较后半过程高，因前半过程的切削角不利，产生了较大的切削阻力，其切削阻力的切向分力可以用下列公式表达式中:c一表示土壤硬度的系数，对11级土宜取c=s0-80，对m级土宜取C=%一150，对W级土宜取c二160一320;R一铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削半径，单位为CM; 07max一挖掘过程中铲斗总转角的一半;p一铲斗瞬时转角，尹二(A. -(Pro , Pr为铲斗相对斗杆转角，97r。为挖掘起始位置的铲斗相对斗杆的初始转角;B一切削刃宽度影响系数，B=1+2.6b，其中b为铲斗平均宽度，单位为m; A一切削角变化影响系数，取A=1.3;

44、Z一斗齿系数，带有斗齿时取Z = 0.75，无斗齿时取Z=1;X一斗侧壁厚度影响系数，X=1+0.03xS，其中S为侧壁厚度，单位为。m，初步设计时可取X=1.15; D一切削刃挤压土壤的力，根据斗容量大小在D =10000 - 17000N范围内选取。当斗容量q 0.25m3时D应小于10000N。图2.4铲斗挖掘阻力分析图图2.5挖掘断面形状和载荷曲线 a一挖掘阻力与设计载荷曲线:b一铲斗挖掘典型断面3. 装土阻力(单位为N)式中:Y一土壤密实状态密度，单位为kg/耐:刀一土壤倾斜角(。);与钢的摩擦系数。铲斗挖掘装土阻力的切向分力与切削阻力的切向分力W相比很小，产一土壤可忽略不计。试验表

45、明法向挖掘阻力叭的指向是可变的，数值也较小，一般叭=0一0.2W o土质愈均匀，W2愈小。从随机统计的角度看，取法向分力Wz为零来简化计算是允许的。国外有试验认为平均挖掘阻力为最大挖掘阻力的70-80%，可作为参考。铲斗挖掘时，挖掘阻力设计载荷曲线如图2.5所示。4. 斗杆挖掘时的挖掘阻力斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数，见图2.6.一般取斗杆在挖掘过程中的总转角为(p = 500 - 800，在这转角行程中铲斗被装满。这时斗齿的挖掘行程为S=0.01745r6g式中:r6一斗干挖掘时的切削半径。斗杆挖掘时的切削厚度hg可按下式计算式中:K:一土壤松散系数=1.250斗杆挖掘阻力为式中:Ko一土壤的挖掘比阻力，由表查得。当取主要挖掘土壤的Ko值时可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土质Ko值时则得最大挖掘阻力。斗杆挖掘时，挖掘阻力设计载荷曲线图2.6斗杆挖掘阻力分析和设计载荷曲线图一般斗杆挖掘阻力比铲斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度较小。显然，研究挖掘阻力的目的是确定需要的斗齿挖掘力及其变化规律，以便在工作装置设计中给予保证。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖掘力太大或者其变化规律与阻力的变化不适应，则功率利用率要降低。挖掘作业过程中有时即使遇到很大阻力时，可以适当减小切土