SWE50动功能液压挖掘机工作装置设计液压系统设计 - 图文

SWE50多功能液压挖掘机工作装置设计液压系统设计

SWE50动功能液压挖掘机工作装置设计液压系统设计

摘要

挖掘机作为我国工程机械的主力机种，被广泛应用于各种各样的施工作业 中。挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，要 求实现的动作复杂，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对推动 我国挖掘机发展具有十分重要的意义。

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已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。 在全面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。论文对 挖掘机的各种工况进行了分析，系统总结了挖掘机液压系统的设计要求。文中还 以现代、林德、小松等著名品牌的挖掘机液压系统为研究对象，了解各种不同类 型挖掘机的液压系统

关键词:挖掘机；液压系统；工作装置

SWE50多功能液压挖掘机工作装置设计液压系统设计

THE WORK OF MULTI-FUNCTION HYDRAULIC EXCAVATOR SWE50 DESIGN OF HYDRAULIC

SYSTEM DESIGN

ABSTRACT

As China's construction machinery excavator main models have been widely used in a variety of construction operations. Excavator product's core technology is the hydraulic system design, as a result of poor working conditions of excavator, the complexity of the demands of the action, so the design of its hydraulic system has high demands, and its hydraulic engineering machinery hydraulic systems the most complex system. Therefore, the excavator of the analysis of the hydraulic system in promoting the development of China's excavator of great significance.

Hydraulic excavators and closely linked to the development of the main hydraulic technology-based. Excavator as a result of poor working conditions, calls for action are complex, so it is the design of the hydraulic system of the high demands, the hydraulic system of construction machinery hydraulic system is the most complex. Therefore, the excavator's hydraulic system analysis of excavator development has become an important element.

At home and abroad to gather comprehensive information in the excavator's hydraulic system based on relevant information to understand the excavators of the historical development of the hydraulic system, hydraulic excavators and technical developments have been analyzed and summarized. Papers on a variety of excavators working condition were analyzed, the system summed up the excavator's hydraulic system design requirements. The article also modern, Linde, Komatsu excavator, such as the famous brand hydraulic system for the study to understand the different types of excavator's hydraulic system

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Key words: excavator； hydraulic system； the work device

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目 录

1 绪论

1.1挖掘机液压系统研究的必要性…………………….……………………1 1.2 国内外挖掘机液压系统的研究现状及发展动态………………………1

1.2.1 国外研究状况及发展动态…………………….………………...1 1.2.2 国内研究情况及发展动态…………………...………….………3 1.3 本论文的研究内容…………………….………………………………...4 2 挖掘机液压系统的设计要求和分析方法…………………….……………...5 2.1 液压挖掘机的工况分析…………………….…………………………...5

2.1.1 挖掘工况分析…………………….……………………………...6 2.1.2 满斗举升回转工况分析…………………….…………………..8 2.1.3 卸载工况分析…………………….……………………………..9 2.1.4 空斗返回工况分析…………………….……………………..…9 2.1.5 行走时复合动作…………………….……………………….…10 2.2 挖掘机液压系统的设计要求…………………….…………………….10 2.3 挖掘机液压系统的分析方法…………………….…………….………12 2.4 本章小结…………………….………………………………….………13 3 挖掘机液压系统的分析…………………….…………………….…………14 3.1挖掘机液压系统的特点和设计要求…………………….………..……14

3.1.1挖掘机液压系统的特点和基本组成……………………...……14 3.2挖掘机液压系统的基本回路分析…………………………………..….14

3.2.1 单泵、单执行部件液压系统…………………..……...……….14 3.2.2 单泵、多执行部件液压系统………………………...…..…….18 3.2.3 多泵液压系统…………………….…………………………….19 3.3 液压挖掘机液压系统的 “理想”特性…………………….…..….…20 3.4先导控制…………………….…………………………………………..21

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3.5合流控制…………………….…………………………………..……21 3.6 SW50液压挖掘机工作装置液压系统图………………………….....21 4 主要液压元件的计算，选型…………………….………………..…….…23 4.1 换向阀的结构…………………….………………………..……...…23 4.2柱塞泵…………………….……………………………..……………24

4.2.1 斜盘式轴向柱塞泵……………………………..……………24 4.2.2 斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量……………..……………25 4.2.3 斜盘式轴向柱塞的结构特点…………………..….……...…25

5 液压缸的设计选型…………………….……………………..……...……28 5.1铲斗机构及液压缸主要参数的设计计算……………..……….……28 5.2 动臂、斗杆长度尺寸…………………….………..…………...……32 5.3斗杆液压缸主要参数的设计…………………….………..…………33 5.4 动臂液压缸的设计…………………….……………..…………...…35 5.5 液压系统闭锁压力的确定………………………..…………………38 6 结论…………………….………………………………..……………...…40 参考文献 …………………….…………………………..……………….…41 致谢 附录

附录A 开题报告…………………….……………………..……………43 附录B 论文翻译…………………….……………..……………………49

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1 绪论

液压挖掘机是一种多功能机械，目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。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。

1.1 挖掘机液压系统研究的必要性

挖掘机行业的发展历史久远，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。

1.2 国内外挖掘机液压系统的研究现状及发展动态

1.2.1国外研究状况及发展动态

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 己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

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挖掘机在国际上的竞争力，主要表现在五个方面:①液压系统逐渐从开式系统向闭式系统转变;②系统的节能技术成为研究的重点;③系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显;④系统的操纵特性上升到很重要的地位;⑤液压系统与电子控制的结合成为潮流。

(1)从开式液压系统向闭式液压系统的转变

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，在国际上己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 小松公司已经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。 (2)提高负载能力和可靠性

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 &

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Koppe制造的目前世界上首台最大的RH40。型全液压挖掘机，铲斗容量达42m', 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 85%-95%，使用寿命超过1万小时。 (3)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。日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，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。 (4)电子一液压集成控制成为当前主要研究目标

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、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命。

1.2.2 国内研究情况及发展动态

从国内情况来看，我国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

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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['a7，同90年代初以来在国内形成批量的日本小松、日立、神钢以及韩国大宇、现代等机型相比，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。

1.3 本论文的研究内容

挖掘机液压系统方面的技术多种多样，本文主要以国外几种知名品牌的挖掘 机液压系统为主要研究对象，对其现有的关键技术和控制方式进行比较和研究， 采用数字仿真系统建模仿真，为挖掘机的液压系统的控制理论研究提供一定的参 考信息。

(1)挖掘机液压系统技术发展动态的分析研究

大量搜集国内外挖掘机液压系统方面的相关技术资料，系统了解挖掘机液压 系统的发展历史。分析总结挖掘机液压系统方面的研究现状和技术发展动态。 (2)挖掘机液压系统设计要求的分析总结

对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了详细的分析，总结了每个工况下各执行机构的主 要复合动作。根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结了挖掘机液压系统的 设计要求:动力性要求和操纵性要求。另外，还提出了一种有效、简便、直观的 挖掘机液压系统的分析方法，并详细介绍此方法的步骤。 (3)挖掘机工作装置液压系统的分析

本文将对工作装置液压系统各工况分析，对工作装置液压系统采用双泵变量系统研究，分析绘制工作装置液压系统的液压原理图，多路换向阀，轴向柱塞泵，动臂油缸，斗杆油缸，颤抖油缸结构，以及主要油缸进行分析设计，了解其优缺点，对今后我国挖掘机液压系统的研究开发具有很好的参考价值。

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2 挖掘机液压系统的设计要求和分析方法

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 业要求，掌握各种液压作用元件动作时的流量、力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复合动作时油泵对同时作用的各液压作用元件的 量分配和功率分配。

2.1 液压挖掘机的工况分析

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。

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。

图2.1 液压挖掘机的工作运动

1-动臂升降；2-斗杆收放；3-铲斗装卸；4-转台回转；5-整机行走

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，此，

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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。

(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。

2.1.1 挖掘工况分析

挖掘过程中主要以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别单独进行挖掘，或者两者复 合动作，必要时配以动臂液压缸的动作。

一般在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，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，希望斗杆和动臂分别由独立 的油泵供油，以保证彼此动作独立，相互之间无干扰，并且要求泵的供油量小， 使油缸动作慢，便于控制。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，见图2.3所示。

图2.2 平整土地（a）或切削斜坡（b）时斗尖沿直线切削

图2.3铲斗保持一定角度切削（a）或压整地面（b）

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单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有采三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。下面以三泵系统为例，来说明复合动作挖掘时油泵流量的分配情况和分合流油路的连接情况。

当斗杆和铲斗复合动作挖掘时，供油情况如图2. 4a所示。当斗杆油压接近 溢流阀的压力时，原来溢流的油液此时供给铲斗有效利用;当铲斗和动臂复合动 作挖掘时，由于动臂仅仅起调解位置的作用，主要是斗杆进行挖掘，因此采用斗 杆优先合流、双泵供油，如图2.4b所示。

图2.4三泵供油系统示意图

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。 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，因此需要同时向 回转马达和斗杆供油，两者复合动作，如图2.5所示。回转马达和斗杆收缩同时 动作，由同一个油泵供油，因此需要采用回转优先油路，否则铲斗无法紧贴侧壁， 使掘削很难正常进行。在斗杆油缸活塞杆端回油路上设置可变节流阀，此节流阀 的开口度即节流程度由回转先导压力来控制。回转先导压力越大，节流阀开度越 小，节流效应越大，则斗杆油缸回油压力增高，使得油泵的供油压力也提高。因

此随着回转操纵杆行程的增大，回转马达油压增加，回转力增大。

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图2.5沟槽侧壁掘削或斜坡掘削时，油泵供油连接情况

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。

2.1.2 满斗举升回转工况分析

挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转 向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同时动 作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升 到合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对自卸车的 位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整 的。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。 在双泵系统中，回转起动时，由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢 流阀溢流，此时应该将溢流的油供给动臂，如图2-.6a所示。在回转和动臂提升 的同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗 杆和铲斗进行复合动作。

由于满斗提升时动臂油缸压力高，导致变量泵流量减小，为了使动臂提升和 回转、斗杆外放相互配合动作，由一个油泵专门向动臂油缸供油，另一个油泵除 了向回转马达和斗杆供油外，还有部分油供给动臂，如图2-6b所示。但是由于 动臂提升时油压较高，单向阀大部分时间处于关闭状态，因此左侧油泵只向回转 马达和斗杆供油。

三泵系统的供油情况如图2.6c所示。各个油泵分别向一个液压作用元件供

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油，复合动作时无相互干扰。

图2.6回转举升供油情况

2.1.3 卸载工况分析

回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗油 缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗 复合动作，间以动臂动作。

2.1.4 空斗返回工况分析

当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把 空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降 有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的 供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给动臂，少 部分油经节流阀供给斗杆，如图2.7所示。

发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂油 缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的 油供至有杆腔。

图2.7空斗返回供油情况

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2.1.5 行走时复合动作

在行走的过程有可能要求对作业装置液压元件(如回转机构、动臂、斗杆和 铲斗)进行调整。在双泵系统中，一个油泵为左行走马达供油、另一个油泵为右 行走马达供油，此时如果某一液压元件动作，使某一油泵分流供油，就会造成一 侧行走速度降低，影响直线行驶性，特别是当挖掘机进行装车运输或上下卡车行 走时，行驶偏斜会造成事故。

为了保证挖掘机的直线行驶性，在三泵供油系统中，左右行走马达分别由一 个油泵单独供油，另一个油泵向其它液压作用元件(如动臂、斗杆、铲斗和回转) 供油，如图2.8a所示。对于双泵系统，目前采用以下供油方式:①一个油泵并 联向左、右行走马达供油，另一个油泵向其他液压作用元件供油，其多余的油液 通过单向阀向行走马达供油，如图2.8b所示;②双泵合流并联向左、右行走马 达和作业装置液压作用元件同时供油，如图2.8c所示。

图2.8行走复合动作时的几种供油情况

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

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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。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，导致一侧行走马达速度降低，形成 挖掘机意外跑偏，很容易发生事故。

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

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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。 (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性能，降低振动和 噪声，重视其作业中的环保性。

2.3 挖掘机液压系统的分析方法

挖掘机液压系统中最重要也是最复杂的就是多路阀液压系统。多路阀是挖掘 机液压系统中的重要部件，它确定了液压泵向各个液压作用元件的供油路线和供 油方式;确定了多个液压作用元件同时作用时的流量分配情况和如何实现复合动 作;决定了挖掘机作业时的运动学和动力学特性、动作优先和配合以及合流供油 和直线行走性等等。它的设计决定了能否更好地满足挖掘机的作业要求和工况要 求。

挖掘机多路阀液压系统图通常十分复杂，对各种液压作用元件的供油路线、 回油路线以及控制油路等纷杂在一起，很难对整个液压系统的结构一目了然，这 样就需要花费很多的时间才能将其分析透彻。下面以东芝UX22的多路阀液压系 统简图为例，提出一种有关多路阀液压系统的分析方法。图2.9所示。该系统主要包括7个操纵阀，5个二位二通阀A, B, C, D, E, 1个插装阀x和一些单向阀及节流阀。通过简

化的液压系统，可以清晰了解液压泵的压力油是如何通向各个液压作用元件， 以及在各种操纵情况下，液压传动的路线和可能的供油方式、功率分配和流量分 配情况。

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图2.9东芝UX22多路阀液压系统简图

2.4 本章小结

(1)对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了详细的分析，总结了每个工况下各执行机构的主 要复合动作。

(2)根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结了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)提出了一种有效、简便、直观的挖掘机液压系统的分析方法，并详细介绍了 此方法的步骤。

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3 挖掘机液压系统的分析

3.1挖掘机液压系统的特点和设计要求

液压挖掘机具有多种机构，包括动臂机构、斗杆机构和铲斗连杆机构、行 走机构、回转机构等，是一种具有多自由度的工程机械。这些机构经常起动、 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。

3.1.1挖掘机液压系统的特点和基本组成 挖掘机液压系统的特点如下:

. 具有多执行部件:至少包括动臂、斗杆、铲斗、转台、行走;

. 动力特性要求高:要求大功率输出、大输出力 (矩)、高速、高变速指标; . 载载变化大:外负载变化大、多冲击、频繁启制动和换向，功率需求变化剧 烈

. 执行部件可独立动作:各部件动作顺序没有预定的规律; . 需要良好的操纵特性:调速特性、独立操纵特性等; . 特殊功能要求:锁定、制动、同步等。

挖掘机主液压系统的基本组成如见图3.1(其中没有考虑液压附件及先导控 制部分等):

图3.1主系统的基本组成图

3.2挖掘机液压系统的基本回路分析

3.2.1 单泵、单执行部件液压系统 (1)定量泵液压系统

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图3.2 单泵、单执行部件系统

a一定量泵机能图; b一定量泵特性图

早期液压挖掘机主要采用了定量齿轮泵。定量泵结构简单，制造方便。定 量泵要求发动机达到最大功率(最大压力X最大流量)，发动机功率利用率低， 影响生产率。同时定量泵不能按需变流量供油，功率损失大，油耗高，经济性 差，排放不好。

单泵定量液压系统中常采用通用多路阀片，如图 3.2所示。当系统工作在 低压状态 (负载小)时，泵的工作点在 1点上。当系统工作在高压状态 (负载 大)时，泵的实际工作点在2点上，但无变速功能，泵的工作点仍在2’点上， 一部分 〔2-2\油通过溢流阀流回油箱，因此使得整个液压系统溢流损失大。 单泵定量系统采用节流来实现调速，在工作过程中无法实现在节流调速工 作点 3上的工作，因此使得整个液压系统溢流损失和节流损失较大，功率损失 大，能量利用率低。另外，各个执行元件的作业速度受外负载变化的影响很大， 且同时动作时相互间干扰大，复合操纵性很差。

经过多次的发展，80年代开始采用变量柱塞泵。在同一发动机功率下，采用变量泵的挖掘机比采用定量泵的挖掘机具有更高的速度 (图3.3中的区域B)和更

大的作用力 (图3.3中的区域C)。变量泵与定量泵的比较如图3.3所

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图3.3定量泵和变量泵的特性比较图

(2)恒压力控制变量泵液压系统

当最高限制压力不可调节时，称为恒压力控制。其控制特性曲线和机能图 如图3.4所示。

· (a) (b)

图 3.4 恒压力控制变量泵 a-机能图: b-特性图

从恒压力变量泵液压系统控制特性曲线图3.4b看得出，恒压力变量泵液压 系统虽可避免溢流损失，但仍存在压力损失。恒压力变量泵液压系统也无变速 功能，因此当负载小时，无法增加流量。

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(3)恒功率控制变量泵液压系统

(a) (b)

图3.5功率控制变童泵 a-机能图:b-特性图

恒功率控制就是控制功率值始终保持不变，即W=p.Q=C。恒功率控制特 性曲线如图3.5主要作用是为了充分发挥原动机的功率，并且避免原动机过载 而停车。图中过 2, 3, 4的双曲线 (虚线)即为恒功率曲线。过 2, 3, 4的折 线 (实线)才是泵的实际特性曲线，是近似于恒功率的特性曲线。

恒功率变量泵液压系统的主泵工作点总沿12345性能曲线自动调节，总在最 大功率、最大流量、最大压力极端工况下工作，因此发动机空运转时，轻负载作业时，造成能量的浪费。恒功率控制液压系统在发动机功率利用率方面有了较大提高，解决溢流损失，但仍存在压力损失。 (4)恒压力+恒功率控制变量泵液压系统

恒功率控制变量泵液压系统具有压力损失问题，为解决压力损失问题，采 用恒压力+恒功率控制变量泵液压系统，如图3.6所示。

恒压力+恒功率控制变量泵液压系统的控制功率值是固定的，而是不可以调 节的。由于工程机械的工况十分复杂，恒压力+恒功率控制并不能满足工程机械 的工作要求，不可避免不必要的能量损失。

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图3.6 恒压力+恒功率控制变量泵液压系统

3.2.2 单泵、多执行部件液压系统

如图 3.7所示的单泵、多执行部件液压系统有两条供油路，一条是直通供 油路、另一条是并联供油路。这种油路调速方式是进油节流和旁路节流同时起 作用，其调速特性受负载压力和油泵流量的影响，因此系统操纵性能、调速性 能和微调性能差。同时该系统的液压执行部件一起复合动作时相互间有干扰， 无法独立工作，使得复合动作操纵非常困难。若采用负载敏感压力补偿系统， 可以解决上述问题。

图3.7单泵、多执行液爪系统简图

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3.2.3 多泵液压系统

图3.8 双变量液压系统

挖掘机液压回路发展初期主要着重于研究采用几个泵，各泵如何向各液压 元件进行分配供油。液压系统中泵数量的选取主要考虑同时动作的需要，日本厂 商挖掘机油路中主要考虑二个液压作用元件同时动作情况居多，因此采用双泵 系统较多。双变量泵挖掘机液压系统如图3.8所示。

由于双泵系统只有两个泵，只能保证两个动作完全独立。3个液压元件同时 复合动作时，会失去动作的相互独立性，产生动作不确定性。三泵系统则可实 现 3个动作独立，所以欧美国家为保证回转作业的独立性，回转油路采用了专 用的小排量定量泵，如图 3.9所示。由于大型和超大型液压挖掘机需要的流量 和功率大，只能采用多泵组合。随着液压泵数量的增多，液压零部件数量增加， 泵的驱动麻烦，变量泵的控制比较困难，制造成本提高，液压回路损失也会增 大，因此经济性和可靠性降低。

图3.9三泵液压系统

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日本改进液压回路，不采用专用回转独立泵，用双泵系统实现3个执行元件 的独立动作，因此使系统得到了简单化。

3.3 液压挖掘机液压系统的 “理想”特性

液压挖掘机的作业工况复杂多样，要使挖掘机液压系统在原动机能力范围 内对工作装置提供所需的压力和流量，就需要对液压系统的最高压力限制、原 动机的功率限制以及对执行元件的可调速性的控制，因此希望挖掘机液压系统 的输出特性如图3.10中阴影部分所示。

图3.10 挖掘机液压系统的 “理想”特性

从图中分析可知，要得到这样的输出特性，要求挖掘机液压系统具有以下 几种控制功能:

. 具有功率限制功能，在发动机扭矩限制范围工作; . 泵具有压力切断功能，不造成溢流损失;

. 调速时能够按需供流、供压，避免流量、压力损失; . 合理的合流模式，提高系统变速范围;

. 当不工作时，系统应处于降压、小流量 (泄露)状态，降低待机损失; . 当系统所需流量过大时，要求按比例对各个工作装置的流量进行限制; . 防止系统压力冲击，具有挖掘机液压系统要求的其他功能。

对于普通的中位闭式负载敏感压力补偿液压系统，当系统所需流量超过油 泵的最大供油能力时，即系统工作点进入图3-10所示的(4)区域时，由于多

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个执行元件同时动作且并联供油，油液会首先供给低压执行元件，流经低压操 纵阀的压差能够达到补偿压力，其压力补偿阀能起到控制流量的作用。而流向 高压执行元件操纵阀的流量不足，达不到使压力补偿阀其作用的压力。使得高 压执行元件的运动速度降低，甚至不动(油泵输出压力可能低于最高负载压力)。

为了防止这种现象发生，此设计中采用二次压力反馈式 LS控制系统，这里就不做必要的分析了。

3.4 先导控制

随着挖掘机的大型化，液压系统也朝着高压、大流量方面发展，许多多路换向阀使用杠杆直接操纵就显的重了，甚至超出了人的体力。而且随着流量的增大，管道也很难布置在驾驶室附近恰当位置。这样就产生了手动先导控制形式。由于采用先导控制，多路换向阀就可以布置在液压缸附近恰当位置上，减少管道长度，降低压力损失。先导阀设计的合适，又可以改善多路由换向阀的调速性能，操纵轻便省力，可以通过低压系统控制高压系统，改善了司机的劳动条件

3.5合流控制

合流控制一般是用在双泵或多泵系统中，其目的就是当在工作状况时，需要快速的移动是情况下，这时俩泵流量一并供油，提高其工作速度，在下面的液压原理图中，可以清楚的看到其作用。

3.6 SW50液压挖掘机工作装置液压系统图

通过以上各种液压系统基本回路图，以及各种回路的优缺点，可以了解到，对于本次设计的SW50型液压系统工作装置液压回路采用的是双泵变量系统，整个系统使用俩只泵，各自组成一个独立的回路，在这个系统中，可将若干个要求复合动作的执行元件分配在不同的回路中。这样复合动作时，就不会产生相互干扰，有利于整机的功率利用和生产率的提高。并且增加了一个换向阀结构，用于当铲斗不工作时，可以接其他工作装置，从而最大优化其作业效率其液压回路图如下图3.11所示

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图3.11 液压系统原理图

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4 主要液压元件的计算，选型

4.1 换向阀的结构

换向阀的作用就是利用阀芯与阀体的相对位移关闭或接通油路，从而改变液流方向，使执行元件启动、停止或者改变运动方向。换向阀的种类很繁多，对于本次设计的液压原理图中采用的三位四通换向阀做介绍。

如下图4.1是三位四通换向阀结构原理图。当先导电磁阀左边的电磁铁3通电时，三位四通电磁阀处于左位工作状态。来自主阀P口（或外接控制口）的压力油进入阀腔后，又经左邻的A口流入主阀左边的单向阀1，后进入主阀阀芯的左端腔室，从而推动主阀芯向右移动。主阀处于左位状态，P与A相通，B与T相通。主阀阀芯的右端腔室的油液通过右边的节流阀6，进入电液阀在流回油箱。调节节流阀就可以控制主阀的换向速度。这在某些应用场合是必须的。反之，如果右边的电磁铁5通电，使电磁阀处于右位，则主阀也随之切换至右位，P与B相通，A与T相通。当两个电磁阀均断电时，主阀芯在复位弹簧的作用下回到中位，P、T、A、B口均互不相通。

图4.1 外部控制、外部回油的弹簧对中电液换向阀

（a）结构图；（b）符号；（c）简化符号

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4.2 柱塞泵

柱塞泵是通过柱塞在柱塞孔内往复运动时密封工作容积的变化来实现吸油和排油的。由于柱塞与缸体内孔均为圆柱表面，滑动表面配合精度高，所以这类泵的特点是泄漏小，容积效率高，可以在高压下工作。

4.2.1 斜盘式轴向柱塞泵

轴向柱塞泵可分为斜盘式(Swash Plate Type)和斜轴式(Bent-axial Type)，图4.2为斜盘式轴向柱塞泵的工作原理。泵由斜盘1、柱塞2、缸体3、配油盘4等主要零件组成，斜盘1和配油盘4是不动的，传动轴5带动缸体3，柱塞2一起转动，柱塞2靠机械装置或在低压油作用压紧在斜盘上。当传动轴按图示方向旋转时，柱塞2在其沿斜盘自下而上回转的半周内逐渐向缸体外伸出，使缸体孔内密封工作腔容积不断增加，产生局部真空，从而将油液经配油盘4上的配油窗口a吸入；柱塞在其自上而下回转的半周内又逐渐向里推入，使密封工作腔容积不断减小，将油液从配油盘窗口b向外排出，缸体每转一转，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油动作。改变斜盘的倾角?，就可以改变密封工作容积的有效变化量，实现泵的变量。

图4.2 斜盘式轴向柱塞泵

1—斜盘；2—柱塞；3—缸体；4—配流盘；5—传动轴；a—吸油窗口；b—压油窗口

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4.2.2 斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量

如图4.2，若柱塞数目为z，柱塞直径为d，柱塞孔分布圆直径为D，斜盘倾角为?，则泵的排量为

V??4d2zDtan? （4-1）

则泵的输出流量为

q??4

d2zDn?vtan? （4-2）

实际上，柱塞泵的排量是转角的函数，其输出流量是脉动的，就柱塞数而言，柱塞数为奇数时的脉动率比偶数柱塞小，且柱塞数越多，脉动越小，故柱塞泵的柱塞数一般都为奇数。从结构工艺性和脉动率综合考虑，常取Z=7或Z=9。 4.2.3 斜盘式轴向柱塞的结构特点 （1）端面间隙的自动补偿

由图4.2可见，使缸体紧压配流盘端面的作用力，除机械装置或弹簧作为预密封的推力外，还有柱塞孔底部台阶面上所受的液压力，此液压力比弹簧力大得多，而且随泵的工作压力增大而增大。由于缸体始终受液压力紧贴着配流盘，就使端面间隙得到了自动补偿。 （2）滑靴的静压支撑结构

在斜盘式轴向柱塞泵中，若各柱塞以球形头部直接接触斜盘而滑动，这种泵称为点接触式轴向柱塞泵。点接触式轴向柱塞泵在工作时，由于柱塞球头与斜盘平面理论上为点接触，因而接触应力大，极易磨损。一般轴向柱塞泵都在柱塞头部装一滑靴，如图4.3所示，滑靴是按静压轴承原理设计的，缸体中的压力油经过柱塞球头中间小孔流入滑靴油室，使滑靴和斜盘间形成液体润滑，改善了柱塞头部和斜盘的接触情况。有利于提高轴向柱塞泵的压力和其它参数，使其在高压、高速下工作。

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图4.3滑靴的静压支承原理

（3）变量机构

在斜盘式轴向柱塞泵中，通过改变斜盘倾角?的大小就可调节泵的排量，变量机构的结构型式是多种多样的，这里以手动伺服变量机构为例说明变量机构的工作原理。

如图4.4是手动伺服变量机构简图，该机构由缸筒1，活塞2和伺服阀组成。活塞2的内腔构成了伺服阀的阀体，并有c、d和e三个孔道分别沟通缸筒1下腔a、上腔b和油箱。泵上的斜盘4通过拨叉机构与活塞2下端铰接，利用活塞2的上下移动来改变斜盘倾角?。当用手柄使伺服阀芯3向下移动时，上面的阀口打开，a腔中的压力油经孔道c通向b腔，活塞因上腔有效面积大于下腔的有效面积而移动，活塞2移动时又使伺服阀上的阀口关闭，最终使活塞2自身停止运动。同理，当手柄使伺服阀芯3向上移动时，下面的阀口大开，b和e接通油箱，活塞2在a腔压力油的作用下向上移动，并在该阀口关闭时自行停止运动。变量控制机构就是这样依照伺服阀的动作来实现其控制的。

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图4.4 手动伺服变量机构

1-缸筒 2-活塞 3-伺服阀芯 4- 斜盘

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5 液压缸的设计选型

5.1 铲斗机构及液压缸主要参数的设计计算

斗容量q，平均斗宽B，转斗挖掘半径R和铲斗挖掘装满转角2?（这里令

?=?max）是铲斗的四个主要参数。R、B以及2?三者与q之间有以下关系

q?1 （5—1） 22RB(2??sin2?)Ks式中： q—— 斗容量，取q=0.18m3（设计目标参数）：

?——铲斗挖掘机装满转角的一半，铲斗在挖掘过程中的转角大致为

900~1100，取2?=1000：

B——为平均斗宽，根据经验公式B?(1.0~1.4)3q，以及反铲铲斗平均斗宽统计值和推荐范围，取B=0.7m

Ks——为土壤松散系数，取Ks近似值为1.25 求得转斗挖掘半径R=0.74m

参考图5.1做机构参数选择时，l3=QV=0.74m，l24=K2l3，特性参数取值范围为 K2?l24=0.3~0.8。 l3故取K2=0.33，得l24=K2l3=RK2=0.74×0.33=0.25，参考同类机型，按照成比例的方法，求得 l21=NQ=0.22m，l29=HK=0.27，l13=NH=0.30m

考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动幅度等因素一般去铲斗液压缸全伸长度与全缩长度之比?3?

L3min=1.5~1.7 L3max

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HGl29K

l10l15l13l21l24F

NQl3V

图5.1 铲斗机构参数示意图

铲斗在挖掘过程中的转角大致为900~1000，即铲斗挖掘装满转角为900~1000，为了满足开挖和最后卸载及运输状态要求，铲斗的总转角往往要达到

1500~1800。在本次设计中，取铲斗挖掘装满转角为1000，铲斗总转角为1550。

设L3?L3min时斗齿尖为V0,则V0可能在FQ的延长线上，或在其上侧00~300处。为了适应挖掘深沟及垂直侧壁的作业要求，不使斗底先于斗齿接触地面，本方案取L3?L3min时，斗齿尖V0在FQ延长线上侧200处。

图5.2铲斗液压缸全缩时铲斗机构位置

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图5.3 铲斗液压缸全伸时铲斗机构位置图

以上述已知条件为基础，以?3的取值范围为约束，经过多次作图得到较合理的取l15=948mm，l10=349mm。并得到L3min=702mm，L3max=1207mm，将L3l15，l10的值，mni和L3max两数圆整，取L3min=700mm，L3max=1200mm，此时??（1.5~1.7）（下面将对其进行稳定性校核）。

铲斗机构最大理论挖掘力应与铲斗最大挖掘阻力相适应，常布置在?max处。 在本方案中，铲斗以200的仰角开始挖掘，而取2?max=1000，故最大挖掘力则大致出现在FQ连线下侧300处，因此，铲斗液压缸的作用力P3应满足 P3?r11?r13W1max r12?l3L3min?1.71?1.7L3max式中: W1max——最大挖掘阻力：

r11 ——铲斗液压缸对N点的作用力臂： r12——连杆HK对N点的作用力臂； r13——连杆HK对Q点的作用力臂；

而连杆机构的总传动比 i?r11?r13 r12?l3取W1max的值等于设计目标参数铲斗挖掘力的值，即W1max=30.3KN。通过图求得连

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杆机构处于此位置时的传动比i?r11?r13=0.343，从而求得P3=88.3KN。取铲斗液r12?l31压缸大腔内径D3=80mm，则P3??D3P?123KN?P3?88.3KN，满足要求

4有的资料推荐，当斗齿处于FQ延长线时，铲斗液压缸的理论挖掘力应不小于其最大值之70—80%。在本方案中，当斗齿处于FQ延长线时连杆机构的传动比为0.322，得此位置铲斗液压缸的理论挖掘力与最大值之比为：

由上诉计算过程可知，斗杆液压缸大腔内径D3=80mm，查阅机械设计手册，取活塞杆直径d3=56mm（速比?=2），缸筒外径D3=102mm。斗杆液压缸全缩长度

0.322?100%?93% 满足要求。 0.343L3min?700mm，全伸长度L3max?1200mm。

u??L3u??L30.7?500?d3??25?[?]max?100

56r44故铲斗活塞杆满足稳定性要求。

稳定性校核：活塞杆长细比??第 31 页 共 66 页

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5.2 动臂、斗杆长度尺寸

一般取动臂弯角?1?1100~1300，小弯臂可取?1?1500~1700。?1小对增大挖掘深度有利，但对结构强度不利。特性参数K3?l42。一般取（1.1-1.3），这l41是由反铲以挖掘深度为主要指标的特点锁决定的。

据统计，最大挖掘半径R1值一般与l1?l2?l3?Xc的和的值很接近。Xc为动臂与转台的饺点距转台回转中心的距离，从网上查得Xc=0.94m。因此由要求的

R1，已定的l3和K1，可按下列近似经验公式计算l1和l2的值：

l1?K1l2

l2?R1?l3 1?K1其中：R1——最大挖掘半径，取R1=5.5m（设计目标参数） K1——为动臂与斗杆的长度比，即特性参数K1?l1，参考同类机型，取l2K1=2.

由以上公式求得：l1=2.60m， l2=1.30m

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5.3斗杆液压缸主要参数的设计

斗杆机构的参数选择可按下述步骤进行。

按设计目标要求的最大挖掘力确定斗杆液压缸的最大作用力臂l9 e2max?l9?PGmax(l2?l3)

P212P 取 P2?A2P??D24式中：P——液压系统的工作压力，取P=24.5MP

A2——斗杆液压缸大腔作用面积，取D2=100mm，得A2=7850mm2 从而求得P2=192KN

将PGmax=26.7KN（设计目标参数）， l2=1.30m，，l3?740.入上式中，可求得 l9=284mm，取 l9=320mm

m，P2=192KN，代

l2maxl2minDE0EZ?maxF

图5.4 斗杆结构参数计算简图

斗杆的摆角范围?2max?1050~1250，在满足工作范围和运输要求的前提下此值尽可能取小些，取 ?2max?1100

由图5.4，取e20?e2z求得：

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L2min?2l9sin?2max

2?2?1式中：?2的取值范围为?2?1.6~1.7，取?2?1.6，得L2min=874mm DF间的距离：

2 l8?L22min?l9?2l9cos(???2max2) 式中：L2min?874mm，l9?320mm，?2max?1000 求得：l8=1150mm，L2max??2L2min?1.6?874?1398mm

经过以上计算过程可知，斗杆液压缸大腔内径D2=100mm，查阅《机械设计手册》，取活塞杆直径d2=70mm（速比??2），缸筒外径D2=120mm ，斗杆液压缸全缩长度L2min=874mm，全伸长度l2max=1398mm。

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5.4 动臂液压缸的设计

动臂液压缸应保证反铲作业过程中在任何位置上都能提起带有满载铲斗的工作装置到达最高和最远的位置。可选用的三个计算位置： （1）从最大挖掘深处提起满载斗(图5.5)； （2）最大挖掘半径时举起满载斗(图5.6)； （3）最大卸载高度时提动满载斗(图5.7)。

对动臂在转台上的铰点C 取矩，可以得各位置下所需的动臂液压缸作用力： Pri?Gt?rt)/e1 1?(?Gi?式中：MPa——工作装置各构件的重量； G1——斗内土重，Gt=（1.6~1.8）q； ri——斗内土壤重心到C点的力臂； e1——动臂液压缸作用力对C点的力臂。 工作装置各构件的重量可以通过参考同类机型求得： 动臂G1?2.64KN 斗杆G2?2.16KN 铲斗G3?1.02KN 斗杆缸G4?0.66KN 铲斗缸G5?0.6KN 连杆机构G6?0.2KN 动臂缸G7?1.32KN

斗内土重Gt?1.7?0.18?3.06KN 图5.5 最大挖掘深处提起满载斗 在计算位置1（图5.5）：

r1=0.669m r2=1.339m r3=0.969m r4 =1.435m

r5=1.635m r6=1.475m r7=0.506m rt =0.969m e1?0.207m 将上述数据代入，求得： P1??Gi?ri?Gt?rt11.5??55.6KN

e10.207在计算位置2（图5.6）：

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r1=1.297m r2=3.127m r3=3.290m r4 =2.044m r5=3.340m r6=3.621m r7=0.669m rt =3.289m e1?0.345m 将上述数据代入，求得： P1?

?Gi?ri?Gt?rt28.55??82.75KN

e10.345

图5.6最大挖掘半径时举起满载斗

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图5.7最大卸载高度时提动满载斗

在计算位置3（图5.7）:

r1=0.745m r2=2.203m r3=2.185m r4 =0.926m

r5=2.238m r6=2.533m r7=0.240m rt =2.182m

e1?0.185m

将上述数据代入中，求得： P1??Gi?ri?Gt?rt18.04??97.5KN

e10.185可见，以上三种位置以第三种位置，即最大卸载高度时提动满载斗(图5.7)时要求动臂液压缸的推力最大。但在后续的计算中发现，动臂液压缸以挖掘机挖掘时所受拉力为主要依据进行设计，为保证实现最大挖掘力，取动臂液压缸大腔内径

D1?140mm，此时动臂液压缸能实现的推力P1?377KN，大于大于上述三个位置所要求的最大推力。查机械设计手册，取活塞杆直径d1?100mm，动臂液压缸外径D1?168mm。

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5.5 液压系统闭锁压力的确定

确定合理的液压缸闭锁能力是保证挖掘力得到充分发挥的基本条件之一。在挖掘范围内当工作装置处于不同位置时各液压缸所受到的被动作用力值也不同，要全面地确定各位置下的液压缸被动作用力，既很繁琐，又无必要。一般常选定几个反铲作业的主要工况作为计算位置来计算各液压缸应有的闭锁力，使之在该工况下不发生被动回缩或伸长的现象，从而保证了工作液压缸作用力的发挥。

为确定各液压缸的闭锁压力，选用以下三个计算位置：

(1)动臂处于最低位置，斗杆呈垂直状态，转斗挖掘，其作用力臂最大。 (2)动臂处于最低位置，斗杆与动臂铰点F、斗与斗杆铰点Q、斗齿尖V 三点共线。 (3)动臂处于最低位置，挖掘深度为最大，F、Q、V 三点共线，铲斗挖掘，并要 求它那能克服平均挖掘阻力。

需要指出的是，在上述三个位置下工作装置都能正常工作而不发生液压缸被动伸缩时液压系统的闭锁压力，并不能保证在任何位置下都不出现伸缩现象。而过高的调整限压阀开启压力，会引起一系列不良后果，它使动臂和斗杆等构件金属结构受力情况恶化，导致这些结构的尺寸和重量增加，它还使液压缸，液压油管及其它液压元件承受的压力增高，相应地提高了对元件的制造要求；或者，有时为了不使闭锁压力与工作压力相差太大，不得不采取增大液压缸尺寸或个数，这当然也不是良策。

实际上，挖掘机不会经常在最大挖掘阻力的条件下工作，在整个作业范围内的任何位置都要求实现最大挖掘力既不经济，又无必要，有时即使遇到很大阻力，可以适当减小切土厚度，使挖掘阻力减小。所以合理的提法应当是要求挖掘机在主要的挖掘区内能实现最大挖掘力。这时被动液压缸的闭锁压力必须予以保证。

所谓主要挖掘区是指用最合理最经常的挖掘方式，挖掘最经常挖掘的区域。对于小型反铲来说是指地面以下靠近机身一方的侧颇或侧壁，其范围大致为地表

2323以下至(~)H1max，履带支撑点前0.5m 至(~)R1的区间。

3434闭锁压力与工作压力之间的比值一般视系统压力而异，其范围为高压系统不超过1.25，中高压系统可以达到1.25 以上。反铲液压挖掘机的闭锁压力通常总是调定在同一压力值上。本方案中液压系统的额定工作压力为24.5MPa，定液压

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系统的闭锁压力为30MPa，闭锁压力与工作压力之间的比值为1.22，小于1.25。 故也符合要求

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6 结论

随着国土资源建设的进一步深化，液压挖掘机在水利工程、交通运输、电 力工程、矿山采掘和城市建设等方面的应用将越来越广泛。随着科学技术的进 步与用户应用的需求，还会需要更加高性能的液压挖掘机参与各方面的工程建 设。因此对液压挖掘机工作装置和液压系统进行深入的研究具有很重要的现实 意义。挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，根据挖掘机液压系统的设计要求论文中，采用了多路换向阀，各种不同的液压缸，最基本的回路系统和安全回路。此外，还较全面地收集了国内外有关挖掘机工作装置和液压系统的技术资料，分析、归纳了目前国内外挖掘机工作装置和液压系统的发展趋势和研究现状;并且在详细分析了挖掘机的各种工况的基础上，系统总结了挖掘机工作装置和液压系统的设计要求。通过对传统挖掘机工作装置设计方法的分析，归纳出传统挖掘机工作装置设计中存在的主要问题，顺利的做出了液压系统工作装置基本回路图。

挖掘机工作装置和液压系统需要研究的内容很多，而且随着计算机控制技 术的迅猛发展，液压一电子联合控制技术在挖掘机上的应用将使挖掘机更具魅 力，微操纵性、复合操纵性的改善，新的液压系统的装备，预示了挖掘机将得 到更快更新的发展。这就为我们提供了许多需要进一部研究的课题，从目前看 来，主要有以下两方面可以进行深入研究:

（1）在工作装置的参数化设计中，对一些次要因素进行了简化了。挖掘机工作装置结构设计重要考虑的因素较多，论文对工作装置结构研究考虑到主要结构影响因素，使计算和建立的仿真模型更接近实际，没有进行结构物的优化设计。 （2）论文设计中并未提到负载敏感压力补偿这一环节，但是在挖掘机液压系统中，这是必须要考虑的。

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参考文献

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[4] 黄宗益.《液压挖掘机液压系统概述》.建筑机械化.2003.9》.石油大学出版社.2002

[5] 黄宗益.液压挖掘机分析工况控制.建筑机械，1998

[6] 郭建瑞等.单斗液压挖掘机系列主参数规律的研究.《工程机械》1994 [7] 李善春.《液压挖掘机动臂结构优化设计》.浙江大学硕士论文.1999

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致谢

经过几个月的紧张忙碌中，我们的毕业设计几乎快完工了，在这几个月的过程中，通过设计内容，把以前从大1到大4的有关课程从新温故了一遍，我们就将要结束了短短的大学4年，即将走上工作岗位，通过这次的毕业设计，对我们帮助很大，同时，我要谢谢我们的指导老师，他真的很负责，从一开始别的组还没开始的时候，我们就已经弄开题报告了，他说，前3个月辛苦一点，后面就轻松了，现在我们终于感受到了。同时谢谢大学4年教我们的老师，你们给了我们一笔很大的财富，这会让我们一生受用。

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附录 A 毕业设计开题报告

毕业设计(论文)开题报告

题目：SWE50多功能液压设计挖掘机工作装置 液压系统设计

课 题 类 别： 设计 □ 论文 □ 学 生 姓 名：沈前进 学 号：200521050134 班 级：机制05-01

专业（全称）：机械设计制造及其自动化 指 导 教 师：何志勇/贺湘宇

200 9年3 月

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SWE50多功能液压挖掘机工作装置设计液压系统设计 一、本课题设计（研究）的目的 挖掘机其工作装置液压系统主要尤多路阀和各工作液压缸组成，通过毕业设计掌握对SWE50型挖掘机工作装置液压系统的设计的基本方法，进一步提高分析问题和解决问题的能力，学会阅读参考文献，收集运用原始资料的方法以及如何使用规范，手册，产品目录，选用标准图的技能，从而提高设计计算及绘图的能力。 第 44 页 共 66 页

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