中型液压挖掘机液压系统的液压元件分析和设计 毕业论文--.doc
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1、I 中型液压挖掘机液压系统的液压元件分析和设计 摘摘 要要 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,挖掘机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液压 挖掘机。挖掘机由多个系统组成,包括液压系统
2、,传动系统,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中型液压挖掘机液 压系统的液压元件。以液压元件和液压回路为主。 关键词关键词:挖掘机;液压系统;液压泵 II Abstract Hydraulic excavator is one of important engineering machinery, is a widely used in construction, railway, highway, water conservancy, mining, etc construction projects of earthwork machine
3、ry. Excavator for hydraulic system design and puts forward high demand, the hydraulic systems of engineering machinery in hydraulic system is complex. Therefore, the excavator hydraulic system analysis and design for impelling our country excavator development has the extremely vital significance. I
4、n the domestic and foreign excavator hydraulic system based on the materials of, learned about the excavator hydraulic system development history, and for excavator hydraulic system technology development dynamic is summarized. The graduation design task is hydraulic excavator. Excavator by multiple
5、 system components, including hydraulic system, transmission system, control systems, work device, chassis, turntable, tank, engine installation, etc. My design is mainly devoted to the analysis and design medium-sized hydraulic excavator hydraulic system hydraulic components. With hydraulic compone
6、nts and hydraulic loop primarily. Keywords: excavator; hydraulic system; hydraulic pump III 目目 录录 1. 概 论1 1.1 挖掘机的简介 .1 1.1.1 行走装置 .1 1.1.2 回转机构 .2 1.1.3 工作装置 .2 1.1.4 液压系统 .2 1.2 液压挖掘机的发展概况 2 1.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势.3 1.2.2 国内液压挖掘机的发展概况 4 1.3 设计的内容和意义 .5 1.3.1 设计的内容 5 1.3.2 设计内容的意义 5 1.4 设计内容的安排 .5
7、2. 挖掘机液压系统的计算 6 2.1 液压挖掘机的基本系统 6 2.1.1 挖掘机液压系统的简介 .6 2.1.2YW-160 型单斗液压挖掘机液压系统 .6 2.2 液压挖掘机工作装置油缸作用力的确定8 2.2.1 动臂油缸作用力分析 .8 2.2.2 铲斗油缸工作受力分析 .9 2.2.3 斗杆油缸作用力分析 .10 2.3 液压元件的计算 .10 2.3.1 液压缸内径 10 2.3.2 缸筒壁厚 11 2.3.3 缸筒壁厚验算 12 2.3.4 活塞杆计算 12 2.3.5 活塞杆强度计算 12 2.3.6 确定液压系统的工作压力 12 2.3.7 确定液压缸的主要参数和工作压力 .
8、12 2.3.8 确定液压马达的排量和工作压力13 2.3.9 计算液压缸与液压马达的流量 13 3. 液压元件的选择 .14 3.1 液压缸的选择 .14 3.2 液压泵的选择 .14 3.3 液压马达的选择 .14 3.4 发动机的选择 .14 4. 液压系统回路的设计 15 4.1 液压缸控制回路 .15 4.2 液压马达控制回路 15 4.3 计算系统所需的最大流量 16 4.4 压力损失的计算 .16 4.5 拟定液压源控制回路 17 5. 液压系统性能验算 .18 IV 5.1 液压系统功率损失 18 5.2 液压油油温过高的原因及预防措施 19 6. 结论21 致 谢.22 参考
9、文献 .23 1 1.3 设计的内容和设计的内容和意义意义 1.3.1 设计的内容设计的内容 (1)要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作,也可以互相配合实现复合动 作。 (2)工作装置的动作和转台的回转既能单独进行,又能作复合动作,以提高挖掘机的 生产率。 (3)履带式挖掘机的左、右履带分别驱动,使挖掘机行走方便、转向灵活,并且可就 地转向,以提高挖掘机的灵活性。 (4)保证挖掘机的一切动作可逆,且无级变速。 (5)保证挖掘机工作安全可靠,且各执行元件(液压缸、液压马达等)有良好的过载 保护;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。 为此,液压系
10、统应做到: (1)有高的传动效率,以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。 (2)液压系统和液压元件在负载变化大、急剧的振动冲击作用下,具有足够的可靠性。 (3)调协轻便耐振的冷却器,减少系统总发热量,使主机持续工作时液压油温不超过 80 度,或温升不超过 45 度。 (4)由于挖掘机作业现场尘土多,液压油容易被污染,因此液压系统的密封性能要好, 液压元件对油液污染的敏感性低,整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。 (5)采用液压或电液伺服操纵装置,以便挖掘机设置自动控制系统,进而提高挖掘机 技术性能和减轻驾驶员的劳动强度。 1.3.2 设计内容的意义设计内容的意义 挖掘机是一种多功能机械,目
11、前被广泛应用于水利工程,交通运输,电力工程和矿 山采掘等机械施工中,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。液压系统是挖掘机的核心部分,对挖掘机液压 系统设计计算能有效的提高挖掘机性能。 本次设计是以研究探讨为主,了解液压挖掘机的基本结构和原理,在此基础上对液 压挖掘机的液压系统的一些部件进行设计计算,根据所得结果对液压元件(液压泵、液 压马达、液压缸等)进行合理配置,使之能提高挖掘机的使用率、生产率适用范围和使 用寿命等。 1.4 设计内容的安排设计内容的安排 本次设计共分 6 章。第一章介绍液压挖掘机的发展历程和结构特点;第二章对液压
12、挖掘机的液压元件进行设计计算,液压泵、液压马达、液压缸等;第三章根据第二章所 得结果对液压挖掘机的液压元件进行合理选择应用;第四章对整个液压挖掘机的液动系 统回路进行设计,并绘制液压回路图。第五章对液压系统的验算,计算压力损失;第六 章为结论。 2 2. 挖掘机液压系统的计算挖掘机液压系统的计算 2.1 液压挖掘机的基本液压挖掘机的基本系统系统 本次设计的液压挖掘机的基本参数定为: 正铲斗容量为 1.6m3;液压泵的系统工作压力 28MPa,最大排量 2140mL/r;回转液 压马达最大排量 140mL/r;行走液压马达最大排量 2140mL/r。 为了合理的选择液压元件,对这些液压元件进行分
13、析计算,得到理论的数据,根据 这些数据选择液压元件。 2.1.1 挖掘机液压系统的简介挖掘机液压系统的简介 液压挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成,它们包括限压回路、 卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿 锁止回路和先导阀操纵回路等,由它们构成具有各种功能的液压系统。 (1)液压挖掘机液压系统的基本类型 液压挖掘机液压系统大致上有定量系统、变量系统和定量、变量复合系统等三种类 型。 (2)定量系统 在液压挖掘机采用的定量系统中,其流量不变,即流量不随外载荷而变化,通常依 靠节流来调节速度。根据定量系统中油泵和回路的数量及组合形式,分为单泵单
14、回路定 量系统、双泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统及多泵多回路定量系统等。 (3)变量系统 在液压挖掘机采用的变量系统中,是通过容积变量来实现无级调速的,其调速方式 有三种:变量泵定量马达调速、定量泵变量马达调速和变量泵变量马达调速。 单斗液压挖掘机的变量系统多采用变量泵定量马达的组合方式实现无极变量,且 都是双泵双回路。根据两个回路的变量有无关连,分为功率变量系统和全功率变量系统 两种。其中的分功率变量系统的每个油泵各有一个功率调节机构,油泵的流量变化只受 自身所在回路压力变化的影响,与另一回路的压力变化无关,即两个回路的油泵各自独 立地进行恒功率调节变量,两个油泵各自拥有一半发动机输出
15、功率;全功率变量系统中 的两个油泵由一个总功率调节机构进行平衡调节,使两个油泵的摆角始终相同。同步变 量、流量相等。决定流量变化的是系统的总压力,两个油泵的功率在变量范围内是不相 同的。其调节机构有机械联动式和液压联动式两种形式。5 2.1.2YW-160 型单斗液压挖掘机液压系统型单斗液压挖掘机液压系统 国产 YW-160 型履带式单斗液压挖掘机的工作装置、行走机构、回转装置等均采用 液压驱动,其液压系统如图 2.1 所示。 该挖掘机液压系统采用双泵双向回路定量系统,由两个独立的回路组成。所用的油 泵 1 为双联泵,分为 A、B 两泵。八联多路换向阀分为两组,每组中的四联换向阀组为串 联油路
16、。油泵 A 输的压力进入第一组多路换向阀,驱动回转马达、铲斗油缸、辅助油缸, 并经中央回转接头驱动右行走马达 7。该组执行元件不工作时油泵 A 输出的压力油经第一 组。 多路换向阀中的合流阀进入第二组多路换向阀,以加快动臂或斗杆的工作速度。油 泵 B 输出的压力油进入第二组多路换向阀,驱动动臂油缸、斗杆油缸,并经中央回转接 头驱动左行走马达 8 和推土板油缸 6。 3 该液压系统中两组多种换向阀均采用串联油路,其回油路并联,油液通过第二组多 路换向阀中的限速阀 5 流向油箱。限速阀的液控口作用着由梭阀提供的 A、B 两油泵的最 大 图图 2.1YW-160 型单斗履带式挖掘机液压系统型单斗履带
17、式挖掘机液压系统 1.油泵; 2、4.分配阀组;3.单向阀;5.速度限制阀;6.推土板油缸;7、8.行走马达;9.双速阀; 10.回转马达;11.动臂油缸;12.辅助油缸;13.斗杆油缸;14.铲斗油缸;15.背压阀;16.冷却器; 17.滤油器 压力,当挖掘机下坡行走出现超速情况时,油泵出口压力降低,限速阀自动对回油 进行节流,防止溜坡现象,保证挖掘机行驶安全。 在左、右行走马达内部除设有补油阀外,还设有双速电磁阀 9,当双速电磁阀在图示 4 位置时马达内部的两排柱塞构成串联油路,此时为高速;当双速电磁阀通电后,马达内 部的两排柱塞呈并联状态,马达排量大、转速降低,使挖掘机的驱动力增大。 为
18、了防止动臂、斗杆、铲斗等因自重而超速降落,其回路中均设有单向节流阀。另 外,两组多路换向阀的进油路中设有安全阀,以限制系统的最大压力,在各执行元件的 分支油路中均设有过载阀,吸收工作装置的冲击;油路中还设有单向阀,以防止油液的 倒流、阻断执行元件的冲击振动向油泵的传递。 YW-160 型单斗液压挖掘机除了主油路外,还有如下低压油路: (1)排灌油路。将背压油路中的低压油,经节流降压后供给液压马达壳体内部,使其 保持一定的循环油量,及时冲洗磨损产物。同时回油温度较高,可对液压马达进行预热, 避免环境温度较低时工作液体对液压马达形成“热冲击”。 (2)泄油回路。将多路换向阀和液压马达的泄漏油液用油
19、管集中起来,通过五通接头 和滤油器流回油箱。该回路无背压以减少外漏。液压系统出现故障时可通过检查泄漏油 路滤油器,判定是否属于液压马达磨损引起的故障。 (3)补油油路。该液压系统中的回油经背压阀流回油箱,并产生 0.81.0MPa 的补油 压力,形成背压油路,以便在液压马达制动或出现超速时,背压油路中的油液经补油阀 向液压马达补油,以防止液压马达内部的柱塞滚轮脱离导轨表面。 该液压系统采用定量泵,效率较低、发热量大,为了防止液压系统过大的温升,在 回油路中设置强制风冷式散热器,将油温控制在 80以下。C 2.2 液压挖掘机工作装置油缸作用力的确定液压挖掘机工作装置油缸作用力的确定 对液压挖掘机
20、的油缸研究,先以动臂油缸、铲斗油缸、斗杆油缸做为研究对象。 2.2.1 动臂油缸作用力分析动臂油缸作用力分析 动臂油缸作用力,即最大提升力,以能提升铲斗内装满土壤的工作装置至最大卸载 距离位置进行卸载来确定,其计算简图如下图 2.2 所示。 图图 2.2 动臂油缸作用力分析动臂油缸作用力分析 此时动臂油缸作用力为: () (2.1) b F 3 1 l bAbgAgdAbt lGlGlG 式中,铲斗及其装载土壤重力 bt G 斗杆所受重力 G G 动臂所受重力 b G 5 铲斗质心到动臂下铰点的水平距离 dA lA 斗杆质心到动臂下铰点的水平距离 gA lA 动臂质心到动臂下铰点的水平距离 b
21、A lA 同样根据受力平衡可求出斗杆油缸闭锁力和铲斗油缸闭锁力。 因为动臂油缸只承受大臂、斗杆、铲斗及各液压缸的自重,而不进行挖掘动作,但 是要承受很大的弯曲力矩,要考虑液压缸的抗弯能力,所以如果计算出动臂油缸所需过 载压力太大,只要采取增加动臂油缸径和活塞杆径的措施即可解决。 2.2.2 铲斗油缸工作受力分析铲斗油缸工作受力分析 反铲装置载作业过程中,当以转斗挖掘为主时,其最大挖掘力为铲斗油缸设计的依 据。反铲最重要的工作位置最大挖掘深度时能保证具有最大挖掘力来分析确定铲斗 油缸的作用力。此时计算位置为动臂下放到最低位置,铲斗油缸作用力与斗杆铰点由最 大力臂,如图 2.3 所示 铲斗油缸作用
22、力为: (2.2) 1 max1 l lF F C d 6 图图 2.3 铲斗油缸作用力铲斗油缸作用力 式中, 铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂(此位置为要比长度) 1 l 这时斗杆及动臂油缸处于封闭状态,斗杆油缸封闭力应满足:gF / (2.3) gF / 2 / 2max1 l lFlF BB 式中,斗杆油缸闭锁力对斗杆与动臂铰点的力臂 2 lgF / B 对斗杆与动臂铰点的力臂 b l max1 FB 对斗杆与动臂铰点的力臂 B l 2 FB 挖掘阻力的法向分力, 2 F max12 2 . 0FF 动臂油缸闭锁力应满足 / b F (2.4) / b F 3 / 2max1 l l
23、FlF AA 式中,动臂油缸闭锁力对铰点的力臂 3 l / b FA 7 对动臂下铰点的力臂 A l max1 FA 对铰点的力臂 A l 2 FA 此外,最大铲斗挖掘力在其工作位置能否实现,还受到挖掘机稳定性的限制,因为 有可能挖掘力尚未达到最大值时,挖掘机已经失去稳定。因此,选取铲斗油缸最大推力 时应以保证挖掘机的稳定为前提条件。 2.2.3 斗杆油缸作用力分析斗杆油缸作用力分析 当挖掘机以铲斗挖掘时,其最大挖掘力则由斗杆油缸来保证。斗杆油缸最大作用力计 算位置为动臂下方到最低位置,斗杆油缸作用力对斗杆与动臂铰点有最大力臂,即对斗 杆产生最大作用力距,并使斗齿尖和铰点,在一条直线上,如图
24、2.4 所示。BC 与前面推导斗杆油缸作用力一样,此时斗杆油缸作用力为: (2.5) 2 max1 l lF F B g 而铲斗油缸及动臂油缸处于闭锁状态,所以铲斗油缸闭锁力应满足: / b F (2.6) / b F 1 max1 l lF C 动臂油缸闭锁力应满足: / b F (2.7) / b F 3 / 2max1 l lFlF AA 斗杆最大挖掘力也受到挖掘机稳定性条件的限制。 当以斗杆油缸进行挖掘时,由于其作用力臂的变化、结构自身的影响以及铲斗相对 斗杆位置的变化,其斗杆齿挖掘力也随之变化。6 2.3 液压元件的计算液压元件的计算 液压元件的性能分析包括:液压缸内径,缸筒壁厚,活
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