2013年挖掘机液压系统毕业设计

毕 业 设 计

中文题目 SY135小型履带式挖掘机液压控制系统设计 英文题目 Design hydraulic system of SY135 small crawler excavator

学 院： 机械与汽车工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 年级班级： 2009级（3）班 姓 名： *** 学 号： 09******** 指导教师： *** 职 称： 助教

2013.5.10 -2013.5.17

毕业设计（论文）诚信声明书

本人郑重声明：在毕业设计（论文）工作中严格遵守学校有关规定，恪守学术规范；我所提交的毕业设计（论文）是本人在 *** 指导教师的指导下独立研究、撰写的成果，设计（论文）中所引用他人的文字、研究成果，均已在设计（论文）中加以说明；在本人的毕业设计（论文）中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改实验数据。

本设计（论文）和资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。

学生签名：

年 月 日

目 录

摘要 ...................................................................... 1 关键词 .................................................................... 1 1 前言 .................................................................... 2 1.1 国内外发展状况 ........................................................ 2 1.1.1 国外发展状况 ........................................................ 2 1.1.2 国内发展状况 ........................................................ 3 1.2 本课题研究内容及意义 .................................................. 3 2 液压系统分析设计 ........................................................ 4 2.1液压系统概述 .......................................................... 4 2.2工作原理 .............................................................. 4 2.3基本要求 .............................................................. 4 2.4基本动作及系统分析 .................................................... 5 2.5 小型液压挖掘机的基本回路 .............................................. 6 2.6 主泵原理图设计 ........................................................ 7 2.7 回转机构原理图设计 .................................................... 8 2.8 中位负载控制设计 ...................................................... 8 2.9 行走机构原理图设计 .................................................... 9 2.10 主阀原理图设计 ....................................................... 9 2.11 先导系统原理图设计 .................................................. 12 2.12整体液压系统设计图 .................................................. 14 3 液压缸设计 ............................................................. 16 3.1 工作装置构成与分析 ................................................... 16 3.2 液压缸参数化设计 ..................................................... 18 3.2.1 液压缸速度计算及流量选择 ........................................... 18 3.2.2 液压缸工作压力的确定 ............................................... 18 3.2.3 液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 ................................... 19 3.2.4 液压缸壁厚和外径的计算以及校核和活塞杆的校核 ....................... 21 3.2.5 液压缸油口直径的计算 ............................................... 22 3.2.6 液压缸工作行程计算 ................................................. 22

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3.2.7 液压缸安装距的确定 ................................................. 23 3.2.8 最小导向长度的确定 ................................................. 23 3.2.9 缸体长度的确定 ..................................................... 24 3.2.10 油缸强度计算 ...................................................... 24 3.2.11 油缸稳定性验算 .................................................... 25 3.2.12 液压缸的技术要求 .................................................. 26 3.2.13 液压缸选型 ........................................................ 28 3.3 液压泵和液压马达的确定 ............................................... 30 3.3.1 液压缸所需流量 ..................................................... 31 3.3.2 液压泵的确定 ....................................................... 31 3.3.3 液压马达的确定 ..................................................... 32 4 工作介质及主要元器件选择 ............................................... 34 4.1 工作介质的选择 ....................................................... 34 4.2 柴油发动机的选择 ..................................................... 34 4.3 液压阀的选择 ......................................................... 34 5 结论 ................................................................... 37 致 谢 ................................................................. 38 参考文献 ................................................................. 39 附 录 ................................................................. 40

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SY135小型履带式挖掘机液压控制系统设计

学 生：*** 指导老师：*** （机械工程系，）

【摘 要】： 本次毕业设计课题是要对SY135小型履带式挖掘机液压系统参数化设计和对铲斗

缸参数化设计。做这个课题，主要的思路是要先根据已知挖掘机的性能参数对工作速度和工作压力进行初步的确定，再根据这些数据，对铲斗缸进行参数计算。参考三一液压缸的连接方式，和SY135挖掘机用的液压缸的具体形状，绘制出铲斗的CAD图。依照铲斗缸的设计同理也能设计出斗杆缸和动臂缸。根据设计的挖掘机所用到的动臂缸的数目，就能确定出液压缸所需要的工作流量。通过流量，工作压力，还有速度，就能初步确定液压泵和液压马达。然后再参考三一挖掘机的液压系统，根据几个回路和对挖掘机工作方式的了解，初步设计液压挖掘机的液压系统原理图，并用CAD2007绘制出来。经过审核之后，再来确定要用的液压油，发动机，最后就是对液压阀进行选型。

此液压系统时采用负流量调节，用先导系统进行控制。操作安全可靠，而且操作的难度低。

【关键词】：铲斗缸;参数化设计; 负流量调节

Design hydraulic system of SY135 small crawler excavator

Student: *** Tutor: ***

(School of Mechanical and Automotive Engineering,

of Technology, ,China)

【Abstract】： My graduation project is the parametric designs of SY135 small-scale crawler

excavator's hydraulic system and the bucket cylinder. To do this project, the main idea is according to the

known performance parameters of the excavator to determine the working speed and working pressure. Then calculate the bucket cylinder's parameters based on these data .Reference to the connection of three-one hydraulic cylinder and SY135 excavator's hydraulic cylinder's shape to draw a CAD drawing for bucket. According to the number of the excavator's boom cylinder, we can determine the work flow required by the hydraulic cylinder. And according to the flow, working pressure and speed, we will be able to initially determine the hydraulic pumps and hydraulic motors. Then reference to the three-one excavator's hydraulic system, a few loops and how the excavator works. We can preliminary design the hydraulic system schematic of the hydraulic excavator and use CAD2007 to draw out. After the audit, then determine the hydraulic oil, engine, and select the hydraulic valve we will use. This hydraulic system using negative flow regulation, and control by the pilot system. This system is safety and reliable, also easy to operate.

【Key word】： Bucket cylinder; Parametric design; Negative flow regulation

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1 前言

对于那些工作环境狭窄且复杂的作业环境，中大型挖掘机活动很受限。这时就需要一种高效而且紧凑的挖掘机！而小型挖掘机能够解决工程上复杂地段的大部分问题。大多数小型挖掘机的构件要比中大型的挖掘机还要坚固，污染还要低。而在挖掘力方面，当然了，小型挖掘机的挖掘力和其他挖掘机的挖掘力没得比，但这样的挖掘力足以在大部分的情况下作业。在中大型挖掘机不能进行作业的区域中，所有的小型挖掘机都可以进行高效的作业。根据一些测试者的多年测试经验发现，小型挖掘机的作业效率和中大型挖掘机几近相等，有的能力甚至超过了中大型挖掘机。这样的测试结果是因为，设计人员早在设计之初就把中大型挖掘机的标准运用到小型挖掘机中，所以才有这样的作业能力。

小型挖掘机的工作是进行泥土的挖掘和装载，还能进行一些土地的平整、修复坡断、吊起装载、破碎石块、拆迁等其他作用。而小型履带挖掘机主要是在那些路况很差，其他工具比较难弄，而且大型挖掘机不好进入的地方起作用。给人们减轻了很多的负担和压力。近几年来小型挖掘机市场发展得越来越好，最主要是该类的产品多样性，高质量，高效率，能在中大型挖掘机无法作业的地方进行工作。

三一小型挖掘机系列包括： SY55系列、SY60系列、SY65系列、SY75系列、SY95系列、SY135系列等等。小型挖掘机小巧灵活，能在很多复杂的地方工作，而且节省了劳动力，受到了广大用户青睐。小型履带挖掘机能够那么小，而且灵活，最主要的是挖掘机的“零空间”回转。什么叫“零空间”回转呢，其实是指挖掘机在工作时，车的尾巴旋转轨迹不超过这台挖掘机履带的轨迹。

小型挖掘机操作室的和大型挖掘机一样，做得都很舒适。因为，操纵者在恶劣环境中施工，工作状态容易受到影响，所以挖掘机要考虑到驾驶员工作的效率、工程的质量甚至其周围人群和设备的安全。因此，小型挖掘机配备一个安全和舒适的驾驶室是很重要的，绝大多数的小型挖掘机都是可以装配上独立的封闭的驾驶室。小型挖掘机的属具也是十分丰富的。早起挖掘机会在尾部装个推土板，这不是用来推土的，其实是用来配重用的。在近些年来“零回转”技术的逐渐成熟和车身结构的优化，这样的推土板拿来当推土用。根据专家统计，一台斗量为0.5m3的液压挖掘机挖掘时，每回的生产率大概相当于150-200个普通工人一天的工作量。

1.1 国内外发展状况

1.1.1 国外发展状况

挖掘机已经经历了130多年的历史了，最起初的挖掘机都是人为手动式，经历了水蒸汽驱动，电能力驱动，和内燃机驱动等多种方式驱动。而履带挖掘机是在20世纪被发明出来的。

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说到目前最大的挖掘机，那就是RH400了，而O＆K于1997年推出了第一台样机（工作重量830吨），最新的RH400由两台Cummins QSK60-C型柴油机（16缸）提供动力，铲斗的容量有50立方米。然而，大型挖掘机的活动限制也是一个很大的问题。所以，小型挖掘机的应用在国外也迅速地发展起来。早在10年前，北美工程机械市场中大约只有8个品牌的48种型号的小型挖掘机，到了今天，已经迅速增长到20多个品牌超过了100多个型号的小型挖掘机。 1.1.2 国内发展状况

随着我国国民经济的迅速发展起来，小型的工程机械市场逐渐的升温。很多设施进入了保养期，而且城市化的推进和农业的迅速发展起来，都使得小型工程机械的使用频率有所提到，小型工程机械正在向着又好又快发展。目前国外有20多家公司专门批量生产小型的挖掘机。而国内的生产商主要有三一、山河、玉柴、福田、柳工和山重建机等企业。小型挖掘机是说那些整台机械重量小于或者等于13t的挖掘机，要是小于6t的就叫做微型挖掘机。小型挖掘机具有功能多样性，又具有输送、低能耗、灵活、适应性高、高作业效率等方面的优势，所以小型挖掘机采用那么广泛用在狭小的空间。跟着我们国家基础建设的不断改善，使得小型工程机械也有了越来越大的应用和发展空间。再加上中国新农村建设的不断深入，因此小型设备在农村和小城镇建设用得越来越多了。面对我国国民经济的发展水平不断地提高，而且尤其是面对劳动力成本的不断上升，用小型挖掘机来减轻劳动力是一个很明智的选择。

中国挖掘机发展短短20多年来，现在有了一些知名的品牌，像三一、柳工、玉柴、山河智能、福田，徐挖、雷沃等品牌挖掘机。他们的产品各具特色，而且受到越来越多用户的认可。根据2005年挖掘机械协会统计国内的13家主要企业挖掘机的销量在2005年比2004年增幅达到了85%，总量占到了整个挖掘机市场将近三分之一，而销量的话已经占据到全球市场销量的十分之一。在2007年，协会又对21家挖掘机主要厂家的销售进行统计，在两千零七年挖掘机销量达到六万多台，而内资品牌的占有量又有了提升，已经提升至五分之一，达到了13376台。 1.2 本课题研究内容及意义

通过对本课题的研究，能在了解小型履带式挖掘机的特点及发展趋势的基础上，通过对13吨小型履带式挖掘机工况分析的基础上设计液压控制系统，并进行工作装置参数化分析。通过SYC135小型履带式挖掘机液压打控制系统的分析与元器件选型，以及工作装置铲斗油缸的设计培养学生的科学分析能力、综合能力和解决工程实际问题能力，从而为掌握液压控制系统的设计方法打下基础。

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2 液压系统分析设计

2.1液压系统概述

我们说的挖掘机的液压系统就是几个机构用管路连接起来，成为一体之后能行驶我们要的工作能力的系统。而里面的东西包含了像斗杆、液压主泵、液压主阀、存油的油箱、一些马达用到的部件（像阀之类的）、管路还有几个油缸等。它们都是以油液来作为工作介质，利用液压泵将柴油机产生的机械能转为液压能来供应给那些执行元件，像那些马达还有油缸。这样我们就能实现挖掘机的各种功能了。

2.2工作原理

我们都知道挖掘机液压系统都是由那些我们大二学到的基本回路组成的，还有一些是很关键的辅助回路。像我的学的，用溢流阀，调压阀还有节流阀来组成的调压回路；还有就是用溢流阀还有换向阀所组成的卸荷回路，将油引到油箱里面；还有像我们说的利用溢流阀，减压阀还有单向阀来做到起减压作用的减压回路；还有就是用单向阀和节流阀组成平衡回路；我们挖掘机有时候要保持一些状态，就要用到单向阀来组成的保压回路和锁紧回路；速度控制的像调速；挖掘机用的方向控制回路像换向就要用到了，还有要制动刹车也要用等。

我们说的液压系统的工作，事实上就是将液压油从油箱底部抽出来然后通过滤油器的过滤，然后吸入到液压泵中，等再从油泵出来的时候就有一定压力了。它将那些液压油分配到那些阀路里面。然后驾驶员通过控制那些手柄，脚踏―→先导阀―→工作阀进而实现了我们要的一些动作，在这个系统，为了不让它的压力过大，我们会设置一些像限压阀，安全阀之类的，那些安全阀对系统有保护和补油的作用。

2.3基本要求

我们研究的液压挖掘机它们的运动组成相对其它的液压系统难好多的，因为我们的挖掘机需要经常开关、刹车、变换方向，而且有时候的受力也是在发生变化的，像挖硬土块，突然挖穿遇到松的泥巴一样，这样它受到的冲击还有振动也会比较地频繁，我设计的履带挖掘机通常都是在野外山地工作的，城市走履带不好，影响路面而且跑得慢，通过这些考虑我觉得这样的挖掘机要满足下面的几个要求：

1)需要保证挖掘机的动臂、铲斗和斗杆能够各自单独地动作，并可以互相配合来实现复合的运动。

2)为了使挖掘机具备较高的生产效率，必须将挖掘机那些工作装置的运动和挖掘机转台的回转运动给区分开来。不仅如此，还需要挖掘机可以进行复合运动，比如一边挖掘，一边移动其动臂，这样可以明显的提高其工作效率。

3)由于挖掘机的工作地点一般都是不平坦的地带，因此在对其进行驱动的时候，最好

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能将其左右两边的履带传动轴给区分开来，这样的话就能使其移动更加方便、灵活，也能适应各种复杂地形。

4)挖掘机的动臂经常会因为其自身的重量比较大，在挖掘的时候因为重力的原因，其会迅速的下降，如果是在坡度较陡的情况下还会有滑坡的危险，所以为了避免这种情况的出现，挖掘机上各个元件都需要有过载保护的要求，并且履带行走也要有制动限制。

大部分挖掘机的液压系统都会有如下几点要求限制：：

1)为了提高挖掘机燃料的使用效率，必须保证挖掘机的传动系统要非常的合理，这样才可以提高其传动效率。而且因为良好的传动设计，反过来减少传动浪费，提高发动机的动力性能。

2)挖掘机在工作的时候，会造成很大的冲击或者是振动，这样的话就必须要确保液压系统中的各个液压元件都要有很好的抗震效果。

3)由于液压系统长期处于高功率的工作状态，其散发出来的热量会使得油温升高，当然，油温过高的话就可能会导致爆炸，根据规定，油温的温度不能超过80摄氏度。

4)挖掘机基本上都是在一些尘土比较多的地方工作，这就出现了一个问题，灰尘长期对液压油还有液压元件进行污染，时间久了，就会使挖掘机的性能降低，其使用寿命也会大大受到影响，因此，者就对液压系统有了很高的密封要求。虽然液压元件想比较与液压油，其比较不容易受到污染，但也需要设计一些一些滤油器和防尘装置来保护液压油免受污染。

5)通过采用液压和电液操纵装置，用于挖掘机进行设置自动控制系统，这样就可以大大的提高挖掘机的技术操作性，也可以降低驾驶员的劳动强度，提高工作效率。

2.4基本动作及系统分析

挖掘机的一个作业循环包含了下面动作：

1，挖掘－通过回转铲斗来完成破土还有装土，通过改变斗杆的位置来完成挖土距离和位置的改变。

2，满斗回转－等铲斗装满土之后，动臂提起来，这个时候回转马达工作，挖掘机转向。

3，卸土－等挖掘机的回转马达停了之后，用斗杆来决定在哪里卸土，由铲斗来把土放下。

4，回位－就是等卸完土之后，回到原来的工作地方，准备进行1到4的循环。 整机移动过程中包括：

直线行驶－由于挖掘机左右两边的履带式通过两个传动系统控制的，这样的话，要使其沿着直线行走，，只要保证相关传动轴具备相投的转速就可以达到目的了。

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转弯－同直线行走有相同的原理，只要让传动轴转速不一致，其自然也就向两边偏转了。甚至，当一边履带不动的话，该挖掘机还可以实现原地转圈。

下图是挖掘机的液压系统简图，其中包括了原始动力源，动力源，控制元件，执行元件。

2.5 小型液压挖掘机的基本回路

液压系统的基本回路其实是由一个或多个液压元件有机连接形成的、并且通过这些液压元件形成一些典型的回路，通过这种回路就可以使得液压机械实现一些特定的功能。在本文所设计的小型履带式挖掘机自然也包含了这些液压元件所组成的液压回路。在下面的说明里面，那些重要的回路我会讲到。

目前SY135采用的都是双泵恒功率控制液压系统，负流量控制，两液压泵按照全功率变量。全功率变量指的是两泵功率之和保持恒定，这主要是为了当执行单泵动作时，此泵可吸收另一不工作的液压泵进行运动，此泵也可吸收另一不工作的泵的功率，从而充分发挥了柴油机的功率。

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2.6 主泵原理图设计

说明

A:变量活塞 B：功率调节阀 aa:本泵功率控制 bb：交叉功率控制 cc：变功率控制 dd：中位负流量控制

附图

a1，a2：泵的测压点

a3：先导泵供油给手柄 a4：电磁阀压力测压点 A1,A2：泵1，2的出油口；

A3：先到泵供油给电磁阀 B1:主泵吸油口

B3：先导泵吸油口 Dr：泵的泄油口

P1：电磁阀入油口

Pi1，Pi2：负流量控制端口 主泵系统在整机的右侧门，其作 用是为了给主液压系统提供液压油的。主泵的话是通过负流量调节的，它的原理是泵的输出流量会随着先导压力的上升而减少。负流量控制是在主控阀中位有回油的时候，通过负反馈阀组的节流孔，能使油液在节流孔前后产生压力差。还有就是能够将节流孔前的压力引导到泵调节器进而来进行泵的排量控制。

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2.7 回转机构原理图设计

说明

A,B：马达进油口 M：补油口 DB：泄油口

PA,PB：马达进油口测压点 PG：来自于先导泵的推开制动活塞 SH：来自于主阀PX的解锁压力 马达进油口测压点上方的两个阀为KRD22EK系列的回转安全阀，其作用是改善升压缓冲特性，降低起动，停止时的冲击。回转安全阀构成了缓冲回路，解决了缓冲问题。

马达进油口测压点下方两个阀为2KAR6P系列的防反转阀，其特点是（1）防止回转时的摇摆，（2）能够安装在回转马达上，（3）紧凑设计。

SH与PG侧那块为延时阀MRB，其原理是在回转停止时，回转上部件由于慢性地继续旋转，回转制动器延时大约5-8秒后起作用。

附图

2.8 中位负载控制设计

说明 当阀处于中位时，P1、 P2通过阀的中位油道，最 后经过NR1、NR2节流

后回油箱，在节流口NR1、 NR2前取得压力信号FL、 FR，就可以控制主泵到最 小排量。

附图

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2.9 行走机构原理图设计

说明

附图

A,B：主油口

P5:行走速度控制口 T1,T2:马达泄油口

T1下两个安全阀，和节流阀构成行走限速回路。顾名思义，用于限制行走速度。

2.10 主阀原理图设计

在主阀块原理图中，包含了控制挖掘机的大部分主要功能 1：直线行走

2：合流（动臂上升能加快速度，斗杆伸出得时候可以加快速度，铲斗在挖掘时候力能够更大）

3：回转优先

4：再生回路（动臂在下降还有斗杆在缩进的时候可以利用这个原理） 5：动臂，斗杆的锁定

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功能分析： 功能项目

说明

行走直线功能，是在挖掘机附图

直线行走

动臂提升合流斗杆伸出合流

陷到坑里面或者在一些特殊的环境时，又要行走，又要自救（让其他机构能动来自救），就要用到这个功能。

仅仅在工作行走下，来自每台泵的工作液压油都供应给每台行走马达。在工作行走和其他附件下，来自于前面的工作液压油都供应给两台行走马达，而来自后面的泵的工作液压油供应给附件。

动臂提升合流它的原理很简单，主要是要用到换向阀和插装阀来进行，为提高

作业效率，双泵合流，以提高动臂提升速度。 要知道在换向阀打到左边得时候，这时候动臂就可以提升了。

斗杆伸出合流它的原理不复杂，主要靠换向阀和插装阀来进行的，这种合流是

为了提高作业效率，双泵合流可以来提高斗杆的伸出速度。

要知道在换向阀换到右边的时候，就是斗杆伸出的时候。 10

而铲斗挖掘是在换向阀换到A，在B的挖掘条件下，为了能够加快挖掘的速度，

铲斗挖掘

还有就是能够提高挖掘力，这时候就要依靠双泵的合流，来提高铲斗挖掘的挖掘力了

动臂和斗杆的锁定时同样的道理，由换向阀自锁，用以保持工作状态

动臂，斗杆锁定

当斗杆无负载下落时斗杆油缸大腔压力很小，两位两通阀在弹簧的作用下往下

再生回路

运动，关闭活塞杆腔的回油通道，这样活塞杆腔的油就直接回到油缸大腔，实现活塞杆的快速伸出。

当回转与斗杆复合动作 时，通过PSP压力信号控制SP阀左移，切断斗杆的供油，

回转优先

保证回转起动，实现回转优先。（此时斗杆由另一油泵供油）

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2.11 先导系统原理图设计

先导系统包括：

先导泵（带安全阀）－是用来给先导控制系统提供压力油 先导阀（手，脚先导阀）－它是比例来控制主阀的动作的 电磁阀组－它包括了先导开关还有行走换速以及增力

单向阀－让液压油单向流动，而且确保蓄能器里面的压力不会跑掉 蓄能器－要是发动机突然间熄火了，压力降不下来，这时候就要用到它了 功率控制电磁阀－顾名思义，这是用来控制系统的功率的

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项目名称

说明

黑色框框C为手，脚先导系统，框框B构成了先导泵，剩下的就是先导阀组了。

先导液压系统

附图

伺服手先导阀采用川崎 TH40K1314。

P：压力有源；T：油箱 1，2，3，4：控制油口 川崎TH40K1314参数：额定流

手先导

量20L/Min 最大入口压力6.9MPa

川崎TH40K1314特性： 尺寸紧凑；总体减震；证明可靠；高反应性；滞后性低；污染影响小；操作员工作强度小 对于脚伺服阀，选型用川崎的RCV8C

川崎RCV8C参数：额定流量10L/min，最大入口压力9.8MPa

脚先导

川崎RCV8C特性：

总体减震室；总体止回阀；独一的减震机械；坚固的总隔断构造；脚先导式操纵杆型；具有多样的控制任选项；大回流和控制流量通道

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2.12整体液压系统设计图

主机启动后，当先导控制阀组不进行工作情况下，液压泵提供的压力油就会经过多路换向阀直接回到油箱。先导泵（齿轮泵）给先导控制油路提供液压，要是压力太大了，为了保证系统里面的压力，压力油就会通过溢流阀流出来回到油箱。

当挖掘机需要行走到工作位置时，先导控制阀的第二个控制行走的电磁铁通电，来自先导泵的压力油通过控制多路换向阀组里面相应的换向阀，这样一来挖掘机的左右两个行走马达就可以工作，使挖掘机移动到工作位置。

到达我们的目的地后，我们就可以操作它工作了。（1）刚开始我们可以通过控制先导控制阀中第三个控制手柄的电磁铁换向来调整挖掘机的铲斗，斗杆，

说明

动臂的位置，让挖掘机处于合适的挖掘角度。

调整好了之后，就要开始挖掘了。先导控制阀中的手柄电磁铁通电，根据我们上面说的铲斗和斗杆的配合来完成我们要的挖掘。

挖掘完成后，先导控制阀的电磁铁通电，动臂液压缸伸出，使动臂提升到一定的高度。

我们起动回转马达让机身回转，这样就能让铲斗到达我们想要的卸载位置，有些时候我们也需要行走一段距离才能达到想要的位置。接着先导控制阀中的电磁铁通电，铲斗油缸伸出，完成卸载过程（4）。

卸载结束后，控制先导控制阀，使机身反方向回转。循环工作（1）-（4）。

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附图

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3 液压缸设计

3.1 工作装置构成与分析

在设计液压缸的时候，要对其进行全面地研究分析，而且需要收集必要的资料并且加以整理当作设计的依据。

（1）了解并且掌握液压缸对于机器上的工作要求和用途。做液压缸设计的主要目的是为了满足挖掘机的基本功能。像在液压翻斗自卸汽车中，它的液压缸的用途是将翻斗（车厢）举升成为倾斜的状态，使得所承载的物料能够自动卸载掉，要求回程的时候也能够在翻斗重力条件下完成。像这种液压缸就可以设计成单（活塞）杆单作用液压缸，而且也可以设计成柱塞缸。

（2）要知道液压缸的工作环境和工作条件。以为要是液压缸环境和工作的一些条件不一样，液压缸的结构设计和参数设计也会随着发生变化。像那种在采矿用的液压缸，在工作条件恶劣的条件下，如粉尘很大，负载的变化大，就要求我们设计的液压缸能绝对安全可靠，更重要的是不许有泄漏。再根据这样的工作条件，在设计时就要想到到防尘措施；

1-斗杆油缸；2-动臂；3-油管；4-动臂油缸；5-铲斗；6-斗齿；7-侧板；8-连杆； 9-曲柄；10-铲斗油缸；11-斗杆。

图3.1.1 工作装置组成图

图3.1.1为小型挖掘机工作装置的组成图和传动示意图，其中反铲工作装置主要由曲柄9、连杆8、铲斗5、斗杆11、动臂2和相应的直线液压缸1、10、4等所组成。转台上连接着动臂的下铰链和动臂油缸的一端，整个动臂装置会随着动臂油缸的伸缩绕着动臂下铰链不断地转动，以实现动臂的动作。斗杆缸的两端分别连接在动臂和斗杆上，通过斗杆缸的伸缩使得斗杆绕着动臂上的铰链进行转动。铲斗和斗杆是铰链连接的，铲斗缸的伸缩通过曲柄连杆机构使铲斗绕着铰链转动，从而使铲斗能够实现挖掘和卸土等动作。

在进行挖掘作业时，启动回转马达和行走马达，通过转台的转动和履带的行走使工作装置达到需要挖掘的位置，同时对操作杆进行操作使动臂油缸的有杆腔进油使动臂油缸收缩，在动臂下降到铲斗接触挖掘面时，就能开始操作斗杆缸和铲斗缸，斗杆缸和铲斗缸由无杆腔进油，使油缸伸长，铲斗就能进行挖掘和装置动作了。铲斗装满后，先停止斗杆缸和铲斗缸的动作，再操作动臂油缸使油缸无杆腔进油，动臂缸伸长，整个工作装置向上移动，接着启动行走马达和回转马达，工作装置移动到卸载的位置，然后操作铲斗油缸和斗

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杆油缸使有杆腔进油，油缸收缩，铲斗翻转进行卸载。之后挖掘机再回转到挖掘位置进行循环挖掘作业。

而在实际挖掘作业中，由于挖掘工况、土质情况和液压系统等这些因素的不同，反铲挖掘机在进行工作时三个油缸的循环动作是多样和随机的，要根据实际情况和经验来灵活运用。上述过程一般只是一种理想化的工作过程。

小型单斗液压挖掘机的工作装置可以看做是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸以及曲柄连杆机构所组成的具有三个自由度的六杆机构工作装置的结构图3.1.1，可以进一步简化的工作装置结构简化图如图3.1.2所示。

1-动臂油缸；2-动臂；3-斗杆油缸；4-斗杆；5-铲斗油缸；6-曲柄；7-连杆；8-铲斗

图3.1.2 工作装置结构简图

小型液压挖掘机经下面的结构简化以后就是一组平面连杆机构，其自由度为3，也即挖掘机工作装置的工作位置是由动臂油缸的长度L1、斗杆油缸的长度L2和铲斗油缸的长度L3决定的，当L1、L2、L3这三个数值为某一确定的值时，挖掘机工作装置的几何位置也就确定了。

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3.2 液压缸参数化设计

已知SY135参数： 项目名称 工作质量 标准铲斗容量 额定功率 铲斗挖掘力 斗杆挖掘力

3.2.1 液压缸速度计算及流量选择

液压缸速度的选择要适当。如果速度过高就会让里面的密封件的过热而发生磨损现象，这样的话可能让活塞杆和导向套还有缸筒发生磨损。要是速度太低了，就比较容易发生爬行等不稳定的现象。如果采用橡胶密封件进行密封时，液压缸的最高速度一般不要超过（24-30）m/min 即是（0.4-0.5）m/s，也不要低于6m/min(0.1m/s);根据同类挖掘机液压缸的速度取值是一个比较稳妥的方法。现在取液压缸速度V=0.5m/s

1 液压缸参数的确定要做以下工作： 1） 要初步选择液压缸的工作压力MPa

2） 根据公式计算出液压缸的内径D和活塞杆的外径d 3） 对活塞杆的稳定性和强度进行校核 4） 对液压缸的油口直径进行计算 5） 液压缸的工作行程选择 6） 液压缸的安装距选择 7） 最小导向长度的选择 8） 缸体总长度的确定 9） 液压缸强度的计算 10）液压缸稳定性的校核 3.2.2 液压缸工作压力的确定

在液压缸的工作中，它的压力大小主要是看液压设备的类型来选择的，要是它们的用途不同，因为工作条件的不同，采用的压力范围也是不同的。在设计时，可以用类比法进行确定，初步选择液压缸工作压力为p1=25MPa。

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数值 13500kg 0.53m3 69.6kW 92.7kN 66.13KN

（确保液压缸的输出力。包括推拉力，行程和往返运动速度都必须满足要求。液压缸的额定的工作压力要根据我们选的液压泵的额定压力的70%来计算。一般挖掘机液压泵的额定工作压力为34-35MPa，峰值能达到40MPa。） 3.2.3 液压缸内径D和活塞杆直径d的确定

?2?Dp1?F?(D2?d2)p2?Ffc 44D2?式中

4(F?Ffc)?p1?(D2?d2)p2 p1p1－液压缸的工作压力

p2－液压缸回油腔的背压力，根据表3-1进行估计p2=1MPa；

d/D－活塞杆直径与液压缸内径的比，可根据表3-2进行选取d/D=0.7；

F－工作循环中的最大外负载力

表3-1 执行元件背压的估计值

系 统 类 型

那些简单和轻载的节流调速系统

中、低压系统0～8MPa

在回油路上带有调速阀的调速系统

回油路上带背压阀 用到带补油液压泵的闭式回路中

中高压系统〉8～16MPa 高压系统〉16～32MPa

同上 如锻压机械等

背 压 p2(MPa)

0.2～0.5 0.5～0.8 0.5～1.5 0.8～1.5 比中低压系统高50%～

100%

初算时背压可忽略不计

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表3-2 液压缸内径D和活塞杆直径d的比

根据机床类型选取 d/D 机床类别 珩磨床、磨床及研磨

床 拉、插、刨床 镗、钻、铣、车床

—

d/D 0.2～0.3 0.5 0.7 —

根据液压缸工作压力选取 d/D 工作压力p/(MPa)

≤2 ＞2～5 ＞5～7 ＞7

d/D 0.2～0.3 0.5～0.58 0.62～0.70

0.7

Ffc在液压缸密封处受到的摩擦力，可以根据那些常用的液压缸的机械效率进行估值计算。

F?Ffc?F?cm

式中?cm－为液压缸的机械效率，一般情况下 ?cm=0.9~0.97,初定为0.9 将?cm代入式中，

已知F=92.7KN p1=P=25MPa 可求得D为

D?4F=73.2mm

p2d2?p1?cm{1?[1?()}p1DD活塞杆直径可以按照d来进行计算，D和d值要按照表3-3与3-4圆整到相近的标

准直径，方便后面密封元件的选择。

表3-3 液压缸内径尺寸系列（GB2348-80） （mm）

8 10 12 16 20 25 32

40 125 320

50 （140） 400

63 160 500

80 （180） 630

（90） 200

100 （220）

（110） 250

注:不带括号请优先选择

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表3-4 活塞杆直径系列（GB2348-80） （mm） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 56 160

22 63 180

25 70 200

28 80 220

32 90 250

36 100 280

40 110 320

45 125 360

50 140 400

d=0.7 F=92.7?103 N ?cm=0.9 P1=25MPa P2=1MPa DD取80mm d=80?0.7=56mm

3.2.4 液压缸壁厚和外径的计算以及校核和活塞杆的校核

液压缸的缸筒壁厚度?和活塞杆直径 d，要是系统的压力高，就要进行校核。 液压缸的壁厚可以由液压缸的强度要求来计算的，但是主要还是由材料决定。

PD25?80缸壁厚度为????5.8mm

2.3[?]?p2.3?160?25查三一的液压缸类型，选用HSG工程用液压缸壁厚??11mm

对于那些低压系统或者是D/??10的液压缸，液压缸要根据薄壁筒来进行计算，公式如下：

??PyD2[?]

当D??10时，壁厚要按照下面公式来进行校核

D????2??????0.4py?1??????1.3py??

式中 ?－液压缸缸筒厚度

Py－试验压力(MPa)，当工作压力P≤16MPa时，Py=1.5P，而当工作压力31.5≥P≥16MPa时，Py=1.25P，在工作压力P≤31.5MPa时，Py=1.15P,在这里应取Py=1.25P =31.25MPa。

D－液压缸的内径(m)

[?]－缸体的材料的许用应力（MPa），可以用下面的公式来进行计算：

[?]??bn

?b－缸体的材料的抗拉强度(MPa)

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n－安全系数，安全系数是在3.5～5之间取值，一般是取最大值5

但对于锻钢45的抗拉强度?b为600(MPa)（GB/T699-1999），则许用应力[?]=120(MPa) 根据上面所计算的壁厚，和之前算得的缸的内径，取液压缸外径为D1=102mm. （2）活塞杆直径的校核 根据下面公式来计算：

d?4F???? 得d=31mm

d=80?0.7=56mm符合条件

式中，F为作用在活塞杆上力；[?]为活塞杆材料的许用应力=120MPa。 3.2.5 液压缸油口直径的计算

油口直径的计算要根据液压缸的最大输出速度和液流速度来计算，公式如下：

d0?0.13D?/?0

式中d0－液压缸的油口直径(m) D－液压缸的内径(m)

?－液压缸的最大输出运动速度(m/min) ?0－油口的液流速度(m/min)，

当单活塞杆进行差动连接的情况下，活塞向外伸出的速度计算公式:

Q??60v

A3式中?－液压缸在差动联接时，活塞的外伸速度，可看成油口液流的速度(m/min) Qv－液压泵的流量(m3/s)

A3－活塞杆的面积，它的计算公式方法:

?A3?d2

4公式里的d－活塞杆直径(m) 所以A3=0.25?10?2m2 代入数据，根据以上公式初选得：

d0=11mm

3.2.6 液压缸工作行程计算

液压缸的工作行程长度，可以根据执行机构的实际工作情况的最大行程来确定，可以查考表3-5中的系列尺寸来选择。

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表3-5 液压缸活塞行程参数系列（GB2349-80） （mm）

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Ⅰ

320 2000 40

Ⅱ

360 2200 240

Ⅲ

600 1500

50 400 2500 63 450 2800 260 650 1700

80 500 3200 90 550 3900 300 750 1900

100 630 4000 110 700

340 850 2100

125 800

140 900

380 950 2400

160 1000

180 1100

420 1050 2600

200 1250

220 1400

480 1200 3000

250 1600

280 1800

530 1300 3800

当速比为2时，行程S=10D=800mm 由表工作行程取800mm符合 3.2.7 液压缸安装距的确定

我设计的液压缸采用耳环式，安装距可以看成两耳环之间的距离，根据《机械设计手册》知安装距L=317+S（mm） 其中S=800mm

得L=1117mm

3.2.8 最小导向长度的确定

最小导向长度就是在活塞杆在全部外伸的时候，活塞的支撑面的中点到缸盖滑动支撑面的中点的距离。设置导向就是为了让液压缸的稳定性能够更好。但是导向长度不能太小了，不然会使得绕度变大。

一般来讲液压缸的最小导向长度计算公式如下

LDH??202 式中 L－液压缸的最大行程长度； D－液压缸的内径

一般活塞的宽度是在缸内径的0.6到1倍中选择，符号B ；缸盖滑动支撑面的长度l1,也还是要根据液压缸内径定的；在D小于80mm时，在缸内径的0.6到1倍中选择；在D小于80mm 时，则在活塞杆的0.6到1倍中选择。

为了保证最小导向长度，要是只知道增大l1和B肯定是不合理的，在有必要的时候就要在缸盖与活塞之间增加个隔套：

23

1C?H?(l1?B)2

最小导向长度：H=100mm 活塞的宽度B一般取B=60mm 1C?H?(l1?B)?40mm

23.2.9 缸体长度的确定

计算知，液压缸内部长度L'=860mm

也就是缸体的外形的长度再增加个两端端盖的厚度。 3.2.10 油缸强度计算

已知参数：

油缸内径D=80mm； 活塞杆径d=56mm; 最大行程S=800mm； 壁厚?=11mm 油缸强度计算 活塞杆应力[?]校核

D2??P?2d

802 ?25?2

56 ?51MPa

活塞杆的材质我选用45钢，经查表知该材料的强度极限是[?b]?600MPa

[?]这样，我们就算出材料的许用应力为[?]?b?120MPa（n为安全系数）

5可以看出,??[?]，能够满足要求。

（b）缸筒的强度验算

D缸筒内径和壁厚之比=7.3<10，就属于厚壁缸筒，按照材料力学第二强度理论验算。

?0.5????D??????0.4Py?????????-1?2???????-1.3Py??????

?80120?0.4?1.25?25{?1} 2120?1.3?1.25?25 =11.7mm

可以看出,[?]??,强度不能达到要求。

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为了让液压缸的结构紧凑，成本降低，尽可能地让液压缸小点，但不能破坏其稳定性和实用性，在不改变其大小的情况下，由于许用应力相差不大，可采取材料表面处理的方法，提高许用应力来达到要求。则最终选择还是选择液压缸内径80mm的液压缸。 3.2.11 油缸稳定性验算

因为液压缸在工作时，受到压应力蛮大的，所以要验算下它的稳定性能。 活塞杆断面最小惯性矩

I??d464

3.14?564?10?12 ?

64 =0.48?10?6（m） （b）活塞杆横截面中的最小回转半径

??4Ii???d2?10-6???

0.54??4?0.48?10?60.5 ?[] 2?6(3.14?56?10) =0.014m =14mm （c）活塞杆柔性系数

???Li

317?800?800

14 ? =136.9

式中，?－为长度的折算系数，对于两端用铰接约束方式的?一般取1； L－为有效的计算长度。 （d）钢材柔度极限值

??2E??1??????P??

0.53.142?2.06?1050.5) ?(550 =60.7

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在上面的式子里，?P表示45号钢的比例极限；

E－材料弹性模量。

（e）从以上计算可知，?1??，即为大柔度压杆，稳定力为：

?2EIFK?2???L

3.142?2.06?1011?0.48?10?6 ? 2(1?1.917) =2.669?10（N） （f）油缸最大闭锁力

FmaxP???D2?4

525?3.14?802?4

=1.256?10（N） （g）稳定系数

NK?FKFmax 2.6691.256

5

? =2.125

可以看出，计算的稳定性是可以满足的。 3.2.12 液压缸的技术要求

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