挖掘机液压系统设计.docx
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1、第1页(共26页) 挖掘机液压系统设计 1 液压挖掘机结构与工作原理 液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动,靠液体的压 力能进行工 作,相对机械传动具有许多优点:能无极调速且调速范围大,最大速度和 最小速度之比可达 1000:1能得到较低的稳定转速;快速作用时,液压元件产生的运 动惯性较小,并可作高速反转; 传动平稳,结构简单,可吸收冲击和振动;操纵省力 灵活,易实现自动化控制;易实现标准化、 通用化、系列化。因此液压挖掘机逐步取 代机械式挖掘机是必然的趋势。 单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械。 它是目前 挖掘机械 中重要的机种。单斗液压挖掘机的
2、作业过程是以铲斗(一般装有斗齿)的切削 刃切削土壤并将土 装入斗内,斗满后提升。回转至卸上位置进行卸土,卸空后铲斗再 转回并下降到地面进行下一次 挖掘。 当挖掘机挖完一段土后,机械移动一段距离,以 便继续作业。因此单斗液压挖掘机是一 种周期作业的自行式上方机械。 1.1 液压挖掘机整机性能 液压挖掘机可分为:动力系统、机械系统、液压系统、控制系统。液压挖掘机作 为一个有 机整体,其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有关, 还与液压系统、 控制系统性能有 关。 (1)动力系统 挖掘机工作的主要特点是环境温度变化大, 灰尘污物较多,负荷变化大,经常倾 斜工作, 维护条件差。因此液压挖掘机原动力
3、一般由柴油机提供, 柴油机具有工作可 靠、功率特性曲线 硬、燃油经济等特点,符号挖掘机工作条件恶劣,负荷多变的要求。 挖掘机的额定负荷与汽车。 拖拉机不同,汽车和拖拉机指在最高转速下、连同机油泵、 发电机等必要附件,分钟内的最大功 率;挖掘机是指在额定转速下一小时以上的额定 功率。挖掘机采用车用柴油机时,最大功率指 数降低。 (2)机械系统 第2页(共26页) 液压挖掘机的机械系统部分是完成挖掘机各项基本动作的直接执行者,主要包括: 行走装置是整个机器的支撑部分,承受机器的全部重量和工作装置的反力,同时能使 挖掘机作短 途行驶按照结构的不同,分履带式和轮胎式。回转机构使挖掘机上车围 绕中央回转
4、轴作360度 的回转的机构,包括驱动装置和回转支撑。工作装置是挖掘机 完成实际作业的主要组成部分,常 用的有反铲、正铲、装载、起重等装置,而同一种 装置可以有多种结构形式,前面所述的反铲装 置应用最为广泛。 (3)液压系统 液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现,原动机驱动 双联液压泵,把压力油分别送到两组多路换向阀。 通过司机的操纵,将压力油单独或 同时送往 液压执行元件(液压马达和液压油缸)驱动执行机构工作。液压挖掘机的主要 运动有整机行走、 转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗转动等。这些运动都靠液压 传动。根据以上工作要求,把 各液压元件用油管有机地连接起来地组合体既
5、是液压挖 掘机地液压系统。该系统地功能是把发动 机地机械能以油液为介质,利用油泵转变为 液压能,传送给油缸、油马达等转变为机械能,再传 动各执行机构,实现各种运动和 工作过程。液压系统设计得合理与否,对挖掘机的性能起着决定 性的作用。 同样的元 件,若系统设计不同,则挖掘机性能差异很大。液压系统习惯上按主油泵 的数量、功 率调节方式和回路的数量来分类。 (4)控制系统 液压挖掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液 压马达)等进行控制的系统。电子技术和计算机技术的飞速进步,使挖掘机有了越来 越先进的控 制系统,使液压挖掘机向高性能、自动化和智能化发展。目前挖掘机研究 重
6、点正逐步向智能化机 电液控制系统方向转移。 1.2 液压挖掘机结构 (1)液压挖掘机组成 在现在社会中的挖掘机为了实现液压挖掘机的各项功能,单斗液压挖掘机需要两 个基本组成部分,即机体(或称主机)和工作装置。机体是完成挖掘机基本动作并作为 驱动和 操纵挖掘机进行工作的荃础, 可以是履带牵引车辆或轮式牵引车辆。 可细分为 行走装置、回转 装置、液压系统、气压系统、电气系统和动力装置。其中动力装置、 操纵机构、回转机构和辅助 第3页(共26页) 设备均可在回转平台上, 总称上车部分,它与行走机构(又 称下车部分)用回转支撑相连,平台 可以围绕中央回转轴作360。的全回转。工作装 置根据工作性质的不
7、同,可配备反铲、正铲、 装载、起重等装置,分别完成挖掘、装 载、抓取、起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清沟等工作。 挖掘机的基本性能决定于 各部分的构造、性能及其综合的效果。 (2) 单斗反铲液压挖掘机 反铲装置主要用于挖掘停机面以下的土壤。斗容量小于1.6的中小型液压挖掘机 通常选用 反铲装置,它分为整体臂式和组合臂式。其中长期作业条件相似的挖掘机反 铲装置大多采用整体 鹅颈式动臂结构。采用这种动臂有利于加大挖掘深度,且结构简 单、价格低廉。刚度相同时,其 重量比组合动臂轻,是目前应用最广泛的液压挖掘机 工作装置结构形式。铰接式反铲是单斗液压 挖掘机最常用的结构型式,动臂、斗杆和 铲斗等主要部
8、件彼此铰接,在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动, 完成挖掘、提升 和卸土等 动作。整体鹅颈式动臂反铲挖掘机工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗杆、 斗一杆油缸、铲斗、 铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。装置各运动部件之间全部 采用销轴铰接,以动臂油缸来支 撑和改变动臂的倾角,通过动臂油缸的伸缩可使动臂 绕下。铰点转动实现动臂的升降。斗杆铰接 于动臂的上端,由斗杆油缸控制斗杆与动 臂相对角度。当斗杆油缸伸缩时,斗杆可绕动臂上铰点 转动。铲斗与斗杆前端铰接, 并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角,通常采用摇 臂连杆机构来和铲 斗联。 (3) 液压挖掘机工作循环过程 首先液压挖掘机驱动行走马达
9、和配套土方运输车辆一起进入作业面, 运输车辆 倒车、 调停, 停靠在挖掘机的侧方或后方。挖掘机司机扳动操纵手柄,使回转马达控 制阀接通,于是回转马达 转动并带动上部平台回转, 使工作装置转向挖掘地点,在执 行上述过程的同时操纵动臂油缸换 向阀, 使动臂油缸上腔进油,将动臂下降,直至铲 斗接触地面,然后司机操纵斗杆油缸和铲斗 油缸的换向阀,使两者的大腔进油,配合 动作以加快作业进度,进行复合动作的挖掘和装载:铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油 缸的操纵 手柄扳回中位,使铲斗和斗杆油缸闭锁,再操纵动臂油缸换向阀,使动臂油 缸的下腔进油,将动 臂提升,举起装满土的铲斗离开工作面, 随即扳动平台回转换向 阀
10、手柄,使上部平台回转,带 动铲斗转至运输车辆上方,再操纵斗杆油缸使铲斗高度 稍降一些,并在适当的高度操纵铲斗油缸 使铲斗卸土。 土方卸完后,使平台反转并降 低动臂,直到铲斗回到作业点上方,以便进行下一 工作循环。 第4页(共26页) 1.3 液压挖掘机传动原理 液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度,铲斗可实现有限的平面 转动,加上 液压马达驱动回转运动,使铲斗运动扩大到有限的空间, 再通过行走马达 驱动行走(移位), 使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大, 从而满足挖掘作业要求。 液压挖掘机由柴油机驱动液压泵, 操纵分配阀,将高压油送给各液压执行元件(液 压缸或 液压马达)驱动相应
11、的机构进行工作。 液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理,各部分的运动通过液压缸的伸缩来实 现。反铲工 作装置由铲斗5、斗杆11、动臂2、连杆8及相应的三组液压缸1、4、10组成。动臂下铰点铰 接在转台上,通过动臂缸的伸缩,使动臂连同整个工作装置绕动 臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗 杆绕动臂的上铰点转动;而铲斗铰接于斗杆前端,通 过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转 动。挖掘作业时,接通回转马达,转动转台, 使工作装置转到挖掘位置,同时操纵动臂缸小腔进 油使液压缸回缩;动臂下降至铲斗 触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸,液压缸大腔进油而伸长,使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满 后,铲斗缸和斗杆缸停动并操纵
12、动臂缸大腔进油,使动臂抬起,随即接通回 转马达,使工作装置转到卸载位置,再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩,使铲斗翻转进行卸 土。卸完后, 工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。在实际挖掘作业中,由 于土质情况、挖掘面条件 以及挖掘机液压系通的不同, 反铲装置三种液压缸在挖掘循 环中的动作配合随机的。 1、斗杆油缸 2、动臂 3、油管 4、动臂油缸 5、铲斗 6、斗齿 7、侧齿 8、连杆 9、摇杆 10、铲斗油缸11、斗杆 图 1-1 反铲挖掘机工作装置 2 液压挖掘机结构与工作原理 要了解和设计挖掘机的液压系统,首先要分析液压挖掘机的工作过程及其作业要 求,掌握 各种液压作用元件动作时的流量、 力
13、和功率要求以及液压作用元件相互配合 的复合动作要求和 第5页(共26页) 复合动作时油泵对同时作用的各液压作用元件的流量分配和功率 分配。 2.1 液压挖掘机的工况 液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作(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。 1、动臂升降 2 、斗杆收放3 、铲斗装卸 4、平台台回转5、整机行走 图 2-1 液压挖掘机的运动图 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殊要 求:(1)实 现各种主要动作时,阻
14、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;(2)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,同时回转第2章挖掘 机液压系统的设计要求和分析方法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:
15、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, 第6页(共26页) 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。 (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。 2.2 挖掘机液压系统的设计要求 液压挖掘机的动作繁复,且具有多种机构,如行走机构、回转机构、动臂、斗杆 和铲斗等, 是一种具有多自由度的工程机械。这些主要机构经常起动、制动、换向, 外负载变化很大,冲击 和振动多,因此挖掘机对液压系统提出了很高的设计要求。 根 据液压挖掘机
16、的工作特点,其液 压系统的设计需要满足以下要求: 1、 动力性要求 所谓动力性要求,就是在保证发动机不过载的前提下, 尽量充分地利用发动机的功 率,提高 挖掘机的生产效率。尤其是当负载变化时,要求液压系统与发动机的良好匹 配,尽量提高发动机 的输出功率。例如,当外负载较小时,往往希望增大油泵的输出 流量,提高执行元件的运动速度。 双泵液压系统中就常常采用合流的方式来提高发动 机的功率利用率。 2、 操纵性要求 (1)调速性要求 挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高,如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现 调速操纵控 制,对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠, 成为挖掘机液压系统设计 十分重要的一方面
17、。 挖掘机在工作过程中作业阻力变化大,各种不同的作业工况要求 功率变化大,因此要求对各个执 行元件的调速性要好。 (2)复合操纵性要求 挖掘机在作业过程中需要各个执行元件单独动作,但是在更多情况下要求各个执 行元件能够 相互配合实现复杂的复合动作,因此如何实现多执行元件的复合动作也是 挖掘机液压系统操纵性 要求的一方面。 当多执行元件共同动作时,要求其相互间不千涉,能够合理分配共同动作时各个 执行元件的 流盘,实现理想的复合动作。尤其对行走机构来说,左、右行走马达的复 合动作问题,即直线行 驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。 如果挖掘机在行使过 程中由于液压泵的油分流供应, 导致一侧行走马达
18、速度降低,形成挖掘机意外跑偏, 很容易发生事故。 第7页(共26页) 另外,当多执行元件同时动作时,各个操纵阀都在大开度下工作,往往会出现系 统总流量需 求超过油泵的最大供油流量,这样高压执行元件就会因压力油优先供给低 压执行元件而出现动作 速度降低,甚至不动的现象。因此,如何协调多执行元件复合 动作时的流量供应问题也是挖掘机 液压系统设计中需要考虑的。 3、节能性要求 挖掘机工作时间长,能量消耗大,要求液压系统的效率高,就要降低各个执行元 件和管路的 能耗,因此在挖掘机液压系统中要充分考虑各种节能措施。当对各个执行 元件进行调速控制时, 系统所需流量大于油泵的输出流量,此时必然会导致一部分流
19、 量损失掉。系统要求此部分的能量 损失尽量小;当挖掘机处于空载不工作的状态下, 如何降低泵的输出流量,降低空载回油的压 力,也是降低能耗的关键。 4、安全性要求 挖掘机的工作条件恶劣,载荷变化和冲击振动大,对于其液压系统要求有良好的 过载保护措 施,防止油泵过载和因外负载冲击对各个液压作用元件的损伤。回转机构 和行走装置有可靠的制动和限速;防止动臂因自重而快带下降和整机超速溜坡。 5、其它性能要求 实现零部件的标准化、组件化和通用化,降低挖掘机的制造成本:液压挖掘机作业 条件恶劣, 各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性;由于挖掘机在城市建设施 工中应用越来越多, 因此要不断提高挖掘机的作业
20、性能, 降低振动和噪声,重视其作 业中的环保性。 第8页(共26页) 2.3 液压系统方案拟订 (1)在液压挖掘机一个工作循环中的四种工况一挖掘工况、满斗举升回转工况、 卸载工况和卸载返回工况进行详细分析的基础上,总结每个工况下各执行机构的主要 复合动作后 提出初步方案。 (2)根据液压挖掘机的主要工作特点,系统地总结出挖掘机液压系统的设计要求 动力性 要求、操纵性要求、节能性要求、安全性要求和其它性能的要求。 (3)提出一种有效、直观的挖掘机液压系统的设计方案,并详细介绍设计的步骤. 3 液压系统的设计 3.1 确定油缸所受的作用力 1、铲斗油缸作用力的确定 反铲装置在作业过程中,当以转斗挖
21、掘为主时,其最大挖掘力为铲斗缸设计的依 据。初步设 计时按额定斗容及工作条件(土壤级别),参考有关资料可初选斗齿最大 挖掘力(最大挖掘力有 任务书要求为F1max120KN),并按反铲最重要的工作位置一 最大挖掘深度时能保证具有最大挖掘 力来分析确定铲斗油缸的工作力,如图所示。 为简单起见,可以忽略斗和土的质量,并且忽略了 各构件质量及连杆机构效率影响因 素,此时铲斗油缸作用力为 F1maxlc(3-1) Fd 11 式中|1铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂(此位置为摇臂长度),m; lcF1max对铲斗与斗杆铰点C的力臂,m。 已知lcRD1300mm|1430mm 而这时斗杆及动臂油缸
22、均处于闭锁状态,斗杆油缸闭锁力 Fg应满足 式中|2斗杆闭锁力 Fg对斗杆与动臂铰点的力臂,m; Fd 120 1300 430 345.79KN F1maxlBF2|B l2丨2 (3-2) 第9页(共26页) IBF1max对斗杆与动臂铰点B的力臂,m; |B F2对斗杆与动臂铰点B的力臂,m; 图 3-1 铲斗缸受力分析图 F2挖掘阻力的法向分力,取 F2(0.10.2)F1max,N 已知|2430mm IB3900mmIB650mm F20.1F1max0.1 120KN 12KN 第10页(共26页) 动臂缸闭锁力Fd应满足 动臂缸有两个,则每个缸闭锁力 Fg 120 390012
23、 650 430430 1060.4KN 动臂油缸闭锁力Fb应满足 F1 maxlAF2lAFb l3|3 (3-3) 式中l3动臂油缸闭锁力Fd对铰点 A的力臂,m; lAF1max对动臂下铰点 A的力臂,m; |A F2对铰点A的力臂,m。 已知13330mm|A6300mm|A4600mm Fb 1206300 *00 330330 2458KN 又动臂缸两个油缸同时作用,则每个缸闭 Fb 更 2458 1229KN 2 2 2、斗杆油缸作用力的确定 当挖掘机以斗杆挖掘时,其最大挖掘力则有斗杆油缸来保证。斗杆油缸最大作用 力位置为动臂下放到最低位置,斗杆缸作用力对斗杆与动臂铰点有最大力臂
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