小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說(shuō)明書(shū)】

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Key words：Excavator；boom；arm；bucket；hydraulic；Hydraulic cylinder；hydraulic valve 1 前言 1.1 中國(guó)小型挖掘機(jī)市場(chǎng)現(xiàn)狀 自20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)也步入了快速發(fā)展期。近幾年來(lái)，小型工程機(jī)械作為后起之秀，在施工中，開(kāi)始部分取代中大型機(jī)械的位置，受到用戶的普遍歡迎。目前，我國(guó)小型挖掘機(jī)市場(chǎng)正處在高速發(fā)展階段。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程向深度和廣度的發(fā)展，道路和市政設(shè)施的修繕維護(hù)及城市小型工程項(xiàng)目的增多，其工程業(yè)務(wù)量占社會(huì)施工總量的比重越來(lái)越大。據(jù)測(cè)算，一臺(tái)10噸位小型挖掘機(jī)的作業(yè)效率可以替代30～50個(gè)勞動(dòng)力，極大地降低了施工成本和管理成本，使得多功能小型挖掘機(jī)的需求量不斷上升。 在中國(guó)，挖掘機(jī)市場(chǎng)市場(chǎng)十年來(lái)幾乎平均每以30%速度遞增，從1995年2503臺(tái)到2004年48921臺(tái)，凈增19.54倍。2004年全國(guó)進(jìn)口液壓挖掘機(jī)18670臺(tái)、出口液壓挖掘機(jī)2749臺(tái)，2005年國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)28812臺(tái)，同比增長(zhǎng)4.3%，進(jìn)口挖掘機(jī)18017臺(tái)，同比減少3.5%，出口挖掘機(jī)3839臺(tái)，同比增長(zhǎng)36.43%（其中6噸及以下小挖出口1345臺(tái)，同比增長(zhǎng)77.9%）。中國(guó)成為名副其實(shí)的世界最大的市場(chǎng)之一。目前，中國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)已成為中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)增長(zhǎng)最快的機(jī)種了，有舉足輕重的地位。但行業(yè)中產(chǎn)銷量80%為日、韓、美等外資所占有，主要外資企業(yè)有：日立、小松、神鋼、斗山、現(xiàn)代、卡特、特雷克斯、利勃海爾、阿特拉斯、沃爾沃等世界著名大企業(yè)。還有一些世界小型挖掘機(jī)專業(yè)企業(yè)如：日本久保田、竹內(nèi)、石川島、洋馬、小橋、長(zhǎng)野等、美國(guó)凱斯、山貓、英國(guó)JCB、德國(guó)雪孚等許多世界廠商也開(kāi)始挺進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)。 從全球范圍看，小型挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)處于市場(chǎng)成熟期，需求量穩(wěn)定并呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。隨著中國(guó)、印度等發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程機(jī)械市場(chǎng)也日趨好轉(zhuǎn)，世界知名工程機(jī)械廠商為了降低制造成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，逐漸將生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到這些生產(chǎn)成本較低的國(guó)家，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、當(dāng)?shù)劁N售，并開(kāi)始進(jìn)入全球市場(chǎng)的供應(yīng)體系。 　　從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)看，中國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)經(jīng)過(guò)10余年的快速發(fā)展，以外資企業(yè)占主導(dǎo)地位的中國(guó)中大型挖掘機(jī)市場(chǎng)格局日漸穩(wěn)定，已經(jīng)成為世界最大的挖掘機(jī)生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)之一。樂(lè)觀預(yù)計(jì)，5年之后中國(guó)挖掘機(jī)的年均需求量將達(dá)到100,000臺(tái)。但是小型挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)仍然處于市場(chǎng)導(dǎo)入和發(fā)展初級(jí)階段，需求正在持續(xù)快速的增長(zhǎng)。目前小型挖掘機(jī)僅占中國(guó)全部挖掘機(jī)銷售量比例的20%，而5年后這個(gè)數(shù)字預(yù)計(jì)將達(dá)到40%，產(chǎn)銷量達(dá)到近40000臺(tái)。這樣中國(guó)小型挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)將同其他消費(fèi)品產(chǎn)業(yè)一樣，用10年的時(shí)間走完歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家30年的市場(chǎng)之路。 挖掘機(jī)是工程機(jī)械的標(biāo)志性產(chǎn)品，部分中國(guó)工程機(jī)械企業(yè)也正以小挖為突破口，進(jìn)軍挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)，并由此擴(kuò)展到其他小型工程機(jī)械。中國(guó)挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)基本走出了宏觀調(diào)控帶來(lái)的不利影響，而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和區(qū)域結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化。小挖產(chǎn)業(yè)近兩年的需求變化也說(shuō)明這一點(diǎn)。 1.2 挖掘機(jī)的類型 挖掘機(jī)械的類型與構(gòu)造型式繁多，可按照挖掘工作原理與過(guò)程、用途、構(gòu)造特征等進(jìn)行劃分。 按照挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程；可分成周期作業(yè)式和連續(xù)作業(yè)式閥類．凡是挖掘、運(yùn)載、卸載等作業(yè)依次重復(fù)循環(huán)進(jìn)行的挖掘機(jī)為周期作業(yè)式，各種單斗挖掘機(jī)都屬于這一類。凡是上述作業(yè)同時(shí)連續(xù)進(jìn)行的挖掘機(jī)為連續(xù)作業(yè)式，各種多斗挖掘機(jī)以及滾切式挖掘機(jī)、隧洞掘進(jìn)機(jī)等屬于這一類。通常簡(jiǎn)稱單斗挖掘機(jī)與多斗挖掘機(jī)兩類。 挖掘機(jī)的行走裝置型式有：履帶式、輪胎式、汽車式、步行式、軌道式，拖式等。履帶式與輪胎式采用廣泛。步行式主要用于剝離型挖掘機(jī)，此外還有浮式（船舶式）挖掘機(jī)，專用于水下采掘或港口疏浚（單斗或多斗）。 1.3 小型挖掘機(jī)的特點(diǎn) 小型挖掘機(jī)價(jià)格低、質(zhì)量輕、保養(yǎng)維修方便，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于其小巧、靈活、多功能和高效率等特點(diǎn)，極受用戶的歡迎。 　　第一，廣泛的適用性。小挖體積小，機(jī)動(dòng)靈活，非常適用于城鎮(zhèn)的各種管道開(kāi)挖、基礎(chǔ)施工、公用事業(yè)以及房屋維修等作業(yè)。小挖緊湊的體積、特殊的設(shè)計(jì)使其能夠在大型挖掘機(jī)無(wú)法施工的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。 　　第二，鮮明的作業(yè)特點(diǎn)。小型挖掘機(jī)適合狹窄區(qū)域作業(yè)的最主要的特點(diǎn)就是其特殊動(dòng)臂和斗桿的設(shè)計(jì)。小型挖掘機(jī)的動(dòng)臂是與機(jī)身鉸接的，這就使其能夠在一個(gè)很大的范圍內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)。同時(shí)，這也使得挖掘機(jī)能夠便于在墻壁或是圍墻的旁邊進(jìn)行挖掘作業(yè)。小型挖掘機(jī)的橡膠履帶有助于減少挖掘機(jī)施工時(shí)對(duì)狹窄施工范圍內(nèi)的景觀區(qū)域以及道路的損壞。 　　第三，便于運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移作業(yè)場(chǎng)地。小挖便于各個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)間的轉(zhuǎn)移，無(wú)需大型拖車或是重型卡車來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸，小型的運(yùn)輸工具就可將其運(yùn)載。這樣不但能夠方便運(yùn)輸，還可以大大降低機(jī)器的運(yùn)輸費(fèi)用。 　　第四，投資回報(bào)率高。小挖的價(jià)格便宜，成本回收快。以6噸級(jí)小挖為例，美歐日品牌機(jī)的價(jià)格在40萬(wàn)左右，韓國(guó)的機(jī)器價(jià)格在32萬(wàn)左右，國(guó)產(chǎn)機(jī)器價(jià)格在30萬(wàn)～32萬(wàn)左右；而20噸級(jí)的中挖價(jià)格在70萬(wàn)～100萬(wàn)左右。 1.4 液壓挖掘機(jī)基本結(jié)構(gòu)和其選擇 單斗液壓挖掘機(jī)是一種采用液壓傳動(dòng)并以一個(gè)鏟斗進(jìn)行挖掘作業(yè)的機(jī)械。它是在機(jī)械傳動(dòng)單斗挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是日前挖掘機(jī)械中重要的品種。它的作業(yè)過(guò)程是以鏟斗的切削刃(通常裝有斗齒)切削土壤并將土裝入斗內(nèi)，斗裝滿后提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置進(jìn)行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到挖掘面進(jìn)行下一次挖掘。當(dāng)挖掘機(jī)挖完一段土后，機(jī)械移位，以便繼續(xù)工作，因此，是一種周期作業(yè)的自行式土方機(jī)械。 單斗液壓按掘機(jī)為了實(shí)現(xiàn)上述周期性作業(yè)動(dòng)作的要求，設(shè)有下列基本組成部分：工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)、行走裝置和輔助設(shè)備等。因而常又把這類機(jī)械概括成由：工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺(tái)和行走裝置三大部分組成。 鏟斗；2—斗桿；3—?jiǎng)颖郏?—連桿；5、6、7—液壓缸 Ⅰ—挖掘裝置；Ⅱ—回轉(zhuǎn)裝置；Ⅲ—行走裝置 圖1 液壓挖掘機(jī)的基本組成及傳動(dòng)示意圖 Fig.1 Hydraulic excavator's basic composition and the transmission schematic diagram 液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，而各部分的運(yùn)動(dòng)則通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。 挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)，轉(zhuǎn)動(dòng)上部轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘地點(diǎn)，同時(shí)操縱動(dòng)臂液壓缸，小腔進(jìn)油液壓缸回縮，使動(dòng)臂下降至鏟斗接觸挖掘面為止，然后操縱斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長(zhǎng)，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。斗裝滿后，將斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂液壓缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)臂升離挖掘面，隨之接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使斗轉(zhuǎn)到卸載地點(diǎn)，再操縱斗桿和鏟斗液壓缸回縮，使鏟斗反轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，將工作裝置轉(zhuǎn)至挖掘地點(diǎn)進(jìn)行第二次循環(huán)挖掘工作。 2 液壓挖掘機(jī)的總體設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)方案的確定 2.1.1挖掘機(jī)型式的確定 本設(shè)計(jì)采用單斗液壓挖掘機(jī)，其工作裝置采用反鏟裝置，行走裝置采用履帶式，回轉(zhuǎn)裝置采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。 2.1.2單斗液壓挖掘機(jī)的特點(diǎn) 單斗液壓挖掘機(jī)由于采用了液壓傳動(dòng)裝量而使其在結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能和使用效果等方面與機(jī)械傳動(dòng)的單斗挖掘機(jī)相比具有很多特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)綜合敘述如下： (1)技術(shù)性能提高，工作裝置品種擴(kuò)大。單斗液壓挖掘機(jī)與同級(jí)機(jī)重的機(jī)械挖掘機(jī)相比挖掘力約提高一倍，液壓挖掘機(jī)最大挖掘力可達(dá)機(jī)重的1/2，而機(jī)械挖掘機(jī)只達(dá)機(jī)重的1/4。 (2)操作簡(jiǎn)便﹑靈活。采用的液壓伺服（先導(dǎo)閥）操縱，手柄操縱力小于20N，而機(jī)械挖掘機(jī)操縱力達(dá)80～200N；主操縱手柄為2個(gè)，故操縱輕便司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度大為減輕；駕駛室與機(jī)棚完全隔開(kāi)，噪音減小﹑視野良好，振動(dòng)減輕，改善了司機(jī)的工作條件。 (3)傳動(dòng)性能改善，工作平穩(wěn)﹑安全可靠。采用液壓傳動(dòng)后能無(wú)級(jí)調(diào)速且調(diào)速范圍大；能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；液壓元件的運(yùn)動(dòng)慣性較小并可作高速反轉(zhuǎn)。 (4)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)﹑減少易損件﹑機(jī)重小。同級(jí)的液壓挖掘機(jī)可比機(jī)械挖掘機(jī)總重量減輕30～40％。 (5)液壓元件易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化﹑系列化﹑通用化。便于組織專業(yè)化生產(chǎn)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量﹑減低成本。也便于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 (6)機(jī)構(gòu)布置合理緊湊。由于液壓元件采用油管連接，各機(jī)構(gòu)部件之間相互位置不受傳動(dòng)關(guān)系的影響限制，布置可較靈活﹑合理﹑緊湊。 (7)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。便于與電﹑氣動(dòng)聯(lián)合組成自動(dòng)控制和遙控系統(tǒng)。 2.1.3所選機(jī)型的適用范圍 主要用于小型土石方工程、市政工程、路面修復(fù)、混凝土破碎、埋設(shè)電纜、自來(lái)水管道的鋪設(shè)、園林栽培及河道河溝清淤工程。小型單斗液壓挖掘機(jī)具有中型挖掘機(jī)的多項(xiàng)功能，又具有運(yùn)輸、能耗、靈活性、適應(yīng)、高效率等方面的優(yōu)勢(shì)，非常適用于空間狹小的施工場(chǎng)地作業(yè)。 2.2液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù)的確定 2.2.1總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 根據(jù)學(xué)校指導(dǎo)老師提出的液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)的有關(guān)，在充分調(diào)查研究基礎(chǔ)上首先進(jìn)行液壓挖掘機(jī)的總體設(shè)計(jì)工作?？傮w設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有：分析或擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)， 確定設(shè)計(jì)思想原則，并提出整機(jī)結(jié)構(gòu)方案的初步設(shè)想； (1)液壓挖掘機(jī)主要參數(shù)的確定； (2)液壓挖掘機(jī)各主要機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案確定； (3)各主要機(jī)構(gòu)作用力、速度、功率等分析計(jì)算； (4)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； (5)液壓挖掘機(jī)的平衡、穩(wěn)定、生產(chǎn)率以及其他總體特性的分析計(jì)算等。通過(guò)總體設(shè)計(jì)對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)作出初步全面的規(guī)劃，提出有關(guān)數(shù)據(jù)、資料、總體草圖等為進(jìn)一步設(shè)計(jì)、分析計(jì)算提供基礎(chǔ)。 2.2.2小型液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù) 小型液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù)（或稱基本參數(shù)）有以下幾類： (1)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、轉(zhuǎn)速等。 (2)液壓系統(tǒng)參數(shù)，如主泵的流量、壓力等。 主要性能參數(shù)，如整機(jī)工作質(zhì)量、主要部件質(zhì)量、鏟斗容量范圍或標(biāo)稱鏟斗質(zhì)量、挖掘機(jī)、牽引力等。 (3)尺寸參數(shù)，如工作尺寸、機(jī)體外形尺寸和工作裝置尺寸等。 其中最主要的參數(shù)有三個(gè)，即斗容量﹑機(jī)重和發(fā)動(dòng)機(jī)功率。因?yàn)橥ㄟ^(guò)這三個(gè)參數(shù)可以從使用要求﹑技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)﹑動(dòng)力裝置的配備﹑國(guó)際上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)以及傳統(tǒng)習(xí)慣等方面反映液壓挖掘機(jī)的級(jí)別，故有主參數(shù)之稱。如：斗容量直接反映挖掘機(jī)的挖掘能力和效果，據(jù)此選擇施工配套的運(yùn)輸車輛，而土石方工程量也以體積計(jì)算。機(jī)械式挖掘機(jī)一般就以斗容量作為挖掘機(jī)分級(jí)的主要標(biāo)志，液壓挖掘機(jī)也有采用標(biāo)準(zhǔn)斗容量作為分級(jí)標(biāo)志的。但也有認(rèn)為，液壓挖掘機(jī)工作裝置多，同一機(jī)械可以設(shè)有多種不同斗容量的鏟斗（按土質(zhì)不同及施工尺寸要求），故斗容量分級(jí)不夠明確。發(fā)動(dòng)機(jī)功率反映了機(jī)械的動(dòng)力級(jí)，與其他參數(shù)有函數(shù)關(guān)系，如定量系統(tǒng)挖掘機(jī)0.1m3斗容量約需功率12～15kW，影響挖掘機(jī)的性能，故也可作為挖掘機(jī)分級(jí)標(biāo)志，但也有認(rèn)為由于液壓系統(tǒng)不同，輔助設(shè)備能耗不同，或功率儲(chǔ)備不同，以功率分級(jí)亦不妥。機(jī)重則直接反映了機(jī)械本身的重量級(jí)，它對(duì)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)影響很大，因挖掘機(jī)挖掘能力的發(fā)揮﹑功率的充分利用﹑機(jī)械的穩(wěn)定性都要以一定的機(jī)重來(lái)保證，因此機(jī)重反映了挖掘機(jī)的實(shí)際工作能力，可用作標(biāo)志。 我國(guó)液壓挖掘機(jī)標(biāo)準(zhǔn)所定的定義為： (1)標(biāo)準(zhǔn)斗容量：指挖掘Ⅲ級(jí)或容重為18000N/m3的土壤時(shí)，鏟斗堆尖時(shí)的斗容量（m3）。為充分發(fā)揮挖掘機(jī)的挖掘力，對(duì)于不同等級(jí)的土可以配備相應(yīng)不同斗容量的鏟斗m3。 (2)機(jī)重：是指帶標(biāo)準(zhǔn)反鏟或正鏟工作裝置和標(biāo)準(zhǔn)行走裝置時(shí)的整機(jī)質(zhì)量（t）。 (3)發(fā)動(dòng)機(jī)功率：指發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率（12小時(shí)工作），即正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下本身消耗以外的輸出凈功率（kW）。 2.2.3 選擇確定液壓挖掘機(jī)主要參數(shù)的基本依據(jù) 首先確定標(biāo)準(zhǔn)斗容VR =0.25m3。 整機(jī)質(zhì)量直接反映了液壓挖掘機(jī)本身的重量等級(jí)，對(duì)其他技術(shù)參數(shù)影響較大，如挖掘力的發(fā)揮、發(fā)動(dòng)機(jī)功率的充分利用、作業(yè)的穩(wěn)定性等都要以一 定的整機(jī)質(zhì)量來(lái)保證，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要先將其確定。在標(biāo)準(zhǔn)斗容、挖掘力、工作尺寸等參數(shù)的設(shè)定中，不同廠家會(huì)根據(jù)其各自的理念和方案，針對(duì)某一特定的挖掘環(huán)境及客戶要求對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這自然會(huì)導(dǎo)致同一噸位挖掘機(jī)的相應(yīng)參數(shù)呈現(xiàn)出一種“百花齊放”的狀態(tài)，但是通過(guò)對(duì)這些基本參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析顯示，從整體上講，這些參數(shù)的數(shù)據(jù)走向有一定的規(guī)律可以遵循。從而造就了這一代液壓機(jī)械和小型挖掘機(jī)的時(shí)代。 2.3 整機(jī)參數(shù)確定 2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)斗容與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系 下文中斗容定義采用SAE（美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)。 標(biāo)準(zhǔn)斗容VR如公式(1)所示。 VR = VS + VE (1) 式中 VS ——平裝斗容。鏟斗前后壁、側(cè)壁以及平裝面所包容的物料體積，m3； VE ——平裝面以上的物料以45°安息角堆積的體積，m3。 圖1所示為整機(jī)質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)斗容的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖。 圖 2 標(biāo)準(zhǔn)斗容與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系 Fig.2 Standard bucket capacity and overall quality 由圖2可以看出，斗容數(shù)據(jù)點(diǎn)分布大致接近線性函數(shù)分布,但是在實(shí)際的曲線擬合過(guò)程中，要分別對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)用線性函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)等函數(shù)類型進(jìn)行擬合，然后對(duì)擬合方程進(jìn)行近似精度比較，即比較方程中y與x的相關(guān)系數(shù)R2與1的接近程度，越接近1說(shuō)明精度越高，最終選擇相對(duì)精度高的函數(shù)作為所求曲線函數(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)斗容與整機(jī)質(zhì)量的擬合曲線經(jīng)分析比較以后選擇線性函數(shù)形式，曲線方程如公式（2）所示。 y=5×10-5x-0.0618 (2) 式中 y——標(biāo)準(zhǔn)斗容，m3；x——整機(jī)質(zhì)量，㎏。 由圖1看出，擬合曲線和實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)存在著一定程度的偏差，有些點(diǎn)甚至偏差很大，因?yàn)閳D中所擬合的曲線只是一條趨勢(shì)走向曲線，得出的參數(shù)值不可能完全合適。在具體參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，擬合曲線可以作為設(shè)計(jì)的初步參考，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)方案、強(qiáng)度以及挖掘機(jī)的特殊要求再按標(biāo)準(zhǔn)選定和進(jìn)行理論分析計(jì)算，綜合上述方法以后即可得到相應(yīng)的參數(shù)值。 通過(guò)計(jì)算得：x=6036 kg。 2.3.2 挖掘力與整機(jī)質(zhì)量的關(guān)系 鏟斗切入物料是鏟斗挖掘力和斗桿挖掘力共同作用的結(jié)果，SAE對(duì)上述兩種挖掘力進(jìn)行了定義。計(jì)算公式分別如公式（3）所示。 式中 FB ——鏟斗挖掘力，N；FS ——斗桿挖掘力，N； PB ——工作裝置液壓系統(tǒng)最大設(shè)定壓力，Pa； AB ——鏟斗油缸作用面積，㎡； AS ——斗桿油缸作用面積，㎡；lA ——轉(zhuǎn)斗油缸作用力臂，mm； lB ——搖桿作用力臂，mm；lC ——連桿作用力臂，mm； lD ——斗齒尖在轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)的作用半徑，mm； lE ——斗桿油缸作用力臂，mm； lF ——轉(zhuǎn)斗油缸在計(jì)算位置閉鎖時(shí)，斗齒尖在斗桿挖掘時(shí)的作用半徑，mm。 圖 3 鏟斗、斗桿挖掘力與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系 Fig.3 Bucket, the bucket rod digging force and overall quality relationship 從數(shù)據(jù)的分布來(lái)看,兩種挖掘力的參數(shù)值大致隨著整機(jī)質(zhì)量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，可以初步定為線性函數(shù)擬合。但是在擬合過(guò)程中，用階數(shù)為2的多項(xiàng)式擬合方法更能接近數(shù)據(jù)散點(diǎn)的分布。擬合后的兩種挖掘力同整機(jī)質(zhì)量的關(guān)系如公式（4）、（5）所示。 y1 =-6×10-7x2+0.0135x-17.695 （4） y2 =0.0047x+2.0409 （5） 式中 y1 ——鏟斗挖掘力，kN； y2 ——斗桿挖掘力，kN； x ——整機(jī)質(zhì)量，kg。 通過(guò)計(jì)算得：y1 =41.93 kN y2 =30.41 kN。 2.3.3 工作尺寸與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系 目前，對(duì)于一些線性尺寸（外形尺寸、工作裝置尺寸、工作尺寸）還沒(méi)有具體的定義公式，只有近似的經(jīng)驗(yàn)公式通過(guò)查表來(lái)求得。最大挖掘高度、 深度以及半徑均可以通過(guò)公式（6）求得。 Li=kli (6) 式中 Li ——工作尺寸，mm； kli ——尺寸系數(shù)； x——整機(jī)質(zhì)量，kg。 最大挖掘高度、最大挖掘深度和最大挖掘半徑的尺寸系數(shù)kH 、kZ 、kR的推薦值分別為2.25、2.05、3.35。 通過(guò)對(duì)圖示散點(diǎn)進(jìn)行線性函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)5種函數(shù)類型擬合后近似精度的分析比較，最終確定最大挖掘半徑和最大挖掘高度采用二次多項(xiàng)式擬合，最大挖掘深度采用線性擬合。擬合關(guān)系如公式（7）、（8）、（9）所示。 h1 =-5×10-6x2+0.4892x+3350.4 (7) h2 =-4×10-5x2+0.7526x+3239.3 (8) h3 =0.1689x+2810.3 (9) 式中 h1 ——最大挖掘高度，mm； h2 ——最大挖掘半徑，mm； h3 ——最大挖掘深度，mm； x ——整機(jī)質(zhì)量，kg。 通過(guò)計(jì)算得：最大挖掘高度 h1 =6121.05 mm 最大挖掘半徑 h2 =6324.66 mm 最大挖掘深度 h3 =3829.78 mm。 圖4和圖5所示為整機(jī)質(zhì)量與工作尺寸的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖。 圖 4 最大挖掘高度。最大挖掘深度與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系 Fig.4 The maximum digging height.Maximum digging depth and the quality of machine relationship 將主泵出口壓力處（手動(dòng)換向閥前）與副泵出口壓力處連通， 在聯(lián)通中間加裝“流量控制閥”（必須是帶壓力補(bǔ)償?shù)哪欠N）和單向閥。主泵的手動(dòng)換向閥中位機(jī)能要改成Y型的。這樣才能保證在主泵馬達(dá)不旋轉(zhuǎn)的時(shí)候系統(tǒng)也能提供足夠的壓力和流量而不是卸荷的狀態(tài)。小泵的出口壓力處要加單向閥防止大泵過(guò)來(lái)的油使小泵反轉(zhuǎn)，并且保證大泵的溢流閥調(diào)節(jié)壓力要高于小泵的溢流閥調(diào)節(jié)壓力。這個(gè)方案只能用在馬達(dá)不工作的時(shí)候分流一部分流量給小泵，馬達(dá)工作地時(shí)候要看負(fù)載的壓力了，如果大泵和小泵同時(shí)工作。如果大泵的負(fù)載小，壓力低于小泵的工作壓力，就不行了，要反復(fù)調(diào)試到最佳的狀態(tài)。起碼大泵不工作的時(shí)候，大泵流量可以很輕松和小泵共同工作了。只要大泵的負(fù)載大那么它的壓力高了才能支援小泵流量。所以說(shuō)液壓系統(tǒng)還是我們現(xiàn)在所用的最好的系統(tǒng)設(shè)施。 圖 5 最大挖掘半徑與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系 Fig.5 The relationship between maximum digging radius and the quality of machine 3 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)介紹 所謂挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)就是根據(jù)挖掘機(jī)工作裝置和各個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來(lái)的組合。液壓系統(tǒng)以油液為工作介質(zhì)，首先利用液壓泵把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液壓能，然后通過(guò)管路把液能傳給液壓執(zhí)行元件，通過(guò)液壓元件再把液壓元件轉(zhuǎn)化成設(shè)計(jì)需要的各種機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。小型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)主要包括三大部分及泵送分，控制部分，執(zhí)行部分。 3.1 壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)基本要求 3.1.1 液壓挖掘機(jī)的作業(yè)動(dòng)作要求 (1)要保證挖掘機(jī)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動(dòng)作，也可以互相配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作。 (2)工作裝置的動(dòng)作和轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)既能單獨(dú)進(jìn)行，又能作復(fù)合動(dòng)作，以提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)率。 (3)履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶分別驅(qū)動(dòng)，使挖掘機(jī)行走方便、轉(zhuǎn)向靈活，并且可就地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機(jī)的靈活性。 (4)保證挖掘機(jī)的一切動(dòng)作可逆，且無(wú)級(jí)變速。 (5)保證挖掘機(jī)工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)等）。 具有良好的過(guò)載保護(hù)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動(dòng)和限速；防止動(dòng)臂因自重而快帶下降和整機(jī)超速溜坡。 對(duì)液壓系統(tǒng)的基本要求 (1)根據(jù)液壓挖掘機(jī)的作業(yè)動(dòng)作和環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)液壓系統(tǒng)提出如下要求。 (2)液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)具有高效率，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。 (3)整個(gè)液壓系統(tǒng)要有過(guò)載保護(hù)和防振動(dòng)沖擊作用。 (4)液壓系統(tǒng)要具備經(jīng)濟(jì)適用散熱系統(tǒng)，保證油溫在工作有效規(guī)定范圍內(nèi)。 (5)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)要有防塵和清理工作油液能力（自潔）。操作系統(tǒng)要求簡(jiǎn)潔，方便使用，有良好的操作舒適性。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須充分考慮后期保養(yǎng)檢修方便。 3.2液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本類型與特點(diǎn) 液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)有定量，變量和定量變量復(fù)合系統(tǒng)三種類型。 定量系統(tǒng) 定量系統(tǒng)采用定量泵提供壓力油的流量是恒定的，不會(huì)隨負(fù)荷變化而變法，及發(fā)動(dòng)機(jī)以恒功率工作，其功率平均 只用了約60%。為了獲得不同德工作速度，長(zhǎng)用多路閥來(lái)進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱量大，功率浪費(fèi)。單定量泵經(jīng)常在非滿負(fù)載下工作，其壽命比變量泵長(zhǎng)一些。由于定量系統(tǒng)流量固定，所以執(zhí)行元件工作相對(duì)穩(wěn)定，工作裝置易控制。但執(zhí)行元件在復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，各機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度大大降低。 變量系統(tǒng) 恒功率變量泵能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，又不會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載。變量系統(tǒng)一般為雙泵雙回路系統(tǒng)，它能隨負(fù)載變法兒變法，使發(fā)動(dòng)機(jī)接近其設(shè)計(jì)功率工作，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的。 小型單斗挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)系統(tǒng)多采用變量泵——定量馬達(dá)組合方式實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。為了保證行走液壓馬達(dá)同步，采用全功率雙泵雙回路變量系統(tǒng)。因?yàn)槿β首兞肯到y(tǒng)中兩個(gè)油泵由同一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制，是兩個(gè)油泵的擺角始終相同，同步變法，流量相等。本設(shè)計(jì)選用液控軸向柱塞單向變量泵，（該泵自帶反饋控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)衡功率調(diào)節(jié)）節(jié)能效果非常好 。 3.3系統(tǒng)的工作需要和工況分析 (1)挖掘。通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別進(jìn)行單獨(dú)挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘。在挖掘過(guò)程中主要是鏟斗和斗桿有復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)配以動(dòng)臂動(dòng)作。 (2)滿斗舉升回轉(zhuǎn)。挖掘結(jié)束后，動(dòng)臂缸將動(dòng)臂頂起、滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸土處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。動(dòng)臂舉升和臂和鏟斗自動(dòng)舉升到正確的卸載高度。由于卸載所需回轉(zhuǎn)角度不同，隨挖掘機(jī)相對(duì)自卸車的位置而變，因此動(dòng)臂舉升速度和回轉(zhuǎn)速度相對(duì)關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的，若卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動(dòng)臂舉升速度慢些。 (3)卸載?；剞D(zhuǎn)至卸土位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需動(dòng)臂配合動(dòng)作。卸載時(shí)，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合作用，兼以動(dòng)臂動(dòng)作。 (4)空斗返回。卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)臂缸和斗桿缸相互配合動(dòng)作，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此工況是回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、和斗桿復(fù)合動(dòng)作。由于動(dòng)臂下降有重力作用、壓力低、泵的流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況通常是一個(gè)泵全部流量供回轉(zhuǎn)，另一泵大部分油供動(dòng)臂，少部分油經(jīng)節(jié)流供斗桿。 3.4液壓執(zhí)行元件 執(zhí)行元件的類型可根據(jù)挖掘機(jī)工作部件的特點(diǎn)來(lái)確定，通常情況下，對(duì)于行程不大的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以選擇液壓油缸；對(duì)于連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以選用液壓馬達(dá)；對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)小于一周的擺動(dòng)，可以選擇擺動(dòng)式液壓油缸。 3.3.1液壓泵設(shè)計(jì)與計(jì)算 (1)液壓泵的基本參數(shù) 液壓泵有兩個(gè)壓力參數(shù)，一個(gè)為額定壓力，另一個(gè)為最高壓力。 額定壓力是指在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下所允許使用得工作壓力，這個(gè)壓力下可以保證泵較高的容積效率和使用壽命。但是額定壓力不是泵工作時(shí)的實(shí)際壓力，泵工作時(shí)的實(shí)際壓力取決與外負(fù)載和管路阻力。最大壓力是指泵在短時(shí)間內(nèi)超載說(shuō)允許的極限壓力，由液壓系統(tǒng)的安全閥限定，主要由密封性能和零件強(qiáng)度所決定，在此情況下，油泵仍能滿足允許的最低容積效率要求。 (2)液壓泵的計(jì)算 液壓泵的排量是指泵每旋轉(zhuǎn)一個(gè)弧度或每旋轉(zhuǎn)一周所排出液體的體積，以QP表示。 液壓泵的流量是指泵在單位時(shí)間內(nèi)排出液體的體積，以QP表示。 泵的容積效率=泵的實(shí)際流量值除以泵的理論流量值。齒輪泵容積效率為0.7-0.9；柱塞泵容積效率為0.85-0.98； 機(jī)械效率=泵的理論轉(zhuǎn)矩除以泵的輸入轉(zhuǎn)矩； 在確定液壓系統(tǒng)工作壓力（即液壓泵的出口壓力）時(shí)已經(jīng)選定了液壓泵的形式。這里是根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的流量來(lái)確定液壓泵的具體規(guī)格。液壓泵的額定壓力應(yīng)比系統(tǒng)工作壓力大25%以上 ，是液壓泵油一定的壓力儲(chǔ)備。 由以上可得泵的輸出功率 (10) Qb=KQmax=(1.3*63)/60 P=47.775KW (3)掘機(jī)齒輪泵設(shè)計(jì) 齒輪泵具有外形尺寸小，重量輕。自吸性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，使用時(shí)工作可靠，耐沖擊，維護(hù)修理方便和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。 因此本機(jī)選用齒輪泵作為控制油路液壓驅(qū)動(dòng)泵。 齒輪泵一般可分為外嚙合和內(nèi)嚙合兩種，二者對(duì)比，內(nèi)嚙合齒輪結(jié)構(gòu)經(jīng)湊，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音小，有良好的高速性能，單加工復(fù)雜，流量脈動(dòng)大，高壓低速時(shí)容積率低；外嚙合齒輪泵工藝簡(jiǎn)單，加工方便。目前漸開(kāi)線圓柱直齒輪的外嚙合齒輪使用得比較多。根據(jù)使用要求本機(jī)選用漸開(kāi)線圓柱直齒輪的外嚙合齒輪。 由于多路閥采用手動(dòng)減壓閥式先導(dǎo)閥。手動(dòng)減壓閥式先導(dǎo)閥的控制油路由齒輪泵單獨(dú)供油，組成操縱回路。操縱先導(dǎo)閥手柄不同方向和位置，可使其輸出壓力在0-2.5MPa范圍內(nèi)變化，以控制液控多路閥的開(kāi)度和換向，是駕駛員在操縱先導(dǎo)閥是，既輕松又有操縱力和位置的感覺(jué)。為力保證油一定的操縱力，并在液壓泵不工作或損壞時(shí)還能是工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。在操縱回路中設(shè)置了儲(chǔ)能器。 為了保證設(shè)計(jì)要求，取齒輪泵容積效率為0.8，機(jī)械效率為0.9。根據(jù)齒輪泵的工作壓力2.5MPa查《液壓技術(shù)手冊(cè)》----范存德主編 選用CB-B10型固定側(cè)板低壓泵，這種泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，工作可靠，適用于低壓液壓系統(tǒng)。CB-B10齒輪泵排量Q=10L/min，額定壓力為2.5MPa，轉(zhuǎn)速1450r/min,驅(qū)動(dòng)效率0.51，質(zhì)量2.14.其外圍最大尺寸為65*95*65. 3.3.2液壓缸設(shè)計(jì)與計(jì)算 (1)活塞桿 用精密磨削的高強(qiáng)度合金鋼來(lái)制造，對(duì)活塞桿表面進(jìn)行中頻淬火，硬度達(dá)到最高HRC62，并且在活塞桿表面鍍硬鉻并拋光到Ra0.08um,提供耐沖擊的表面，防止活塞桿拉傷和碰傷，延長(zhǎng)密封件壽命。所有活塞桿和活塞組件在最小橫截面處具有基于額定壓力下抗拉強(qiáng)度的起碼5倍的安全系數(shù)。 (2)導(dǎo)向套 根據(jù)挖掘機(jī)工況特點(diǎn)專門研制，由球墨鑄鐵制成，有很高的耐磨性，內(nèi)裝日本原裝進(jìn)口的滑動(dòng)軸承，該滑動(dòng)軸承最大承載壓力靜載270N/mm2,動(dòng)載140N/mm2,最高速度5m/s,摩擦系數(shù)0.02～0.07,工作溫度-200℃至280℃,導(dǎo)向面積很大使應(yīng)力減至最小，可以承受很大的側(cè)向載荷，延長(zhǎng)缸和密封件二者的壽命。 (3)活塞桿密封件 活塞桿密封件由防塵圈、活塞桿密封圈和液壓緩沖組成，能有效防止活塞桿液壓油滲漏。防塵圈是雙唇防塵圈，作用是防止粉塵、污物、砂粒及金屬屑的進(jìn)入，它大大的防止了刮傷，保護(hù)了導(dǎo)向元件，延長(zhǎng)了密封件的使用壽命，面向介質(zhì)的密封唇減少了剩余的油膜，聚氨脂材料保證在干摩擦?xí)r有極好的特點(diǎn)，增加耐磨性，由于對(duì)因氣候條件而引起的臭氧和輻射有很好的抵抗能力，延長(zhǎng)了使用壽命，工作溫度－35至100℃，表面速度≤2m∕s?；钊麠U主密封圈是一種有兩道密封唇且在外徑處為緊配合的唇形密封，由于兩道唇口之間有額外的潤(rùn)滑劑，故大大地防止了干摩擦和磨損，耐沖擊、抗擠出，提高了零壓力下的密封性能，工作壓力≤40Mpa,工作溫度－35至110℃，表面速度≤0.5m∕s。液壓緩沖的作用是吸收高負(fù)荷下的沖擊和波動(dòng)壓力，隔絕高溫流體，提高密封件的耐用度，壓力峰值可至100Mpa,由于在滑動(dòng)唇口上有可以泄放背壓的特殊形狀縫槽，能消除活塞桿密封圈和緩沖之間的壓力，將處于主密封和緩沖密封之間形成的壓力傳遞回系統(tǒng)。 (4) 液壓缸設(shè)計(jì)算 外負(fù)載計(jì)算:斗桿挖掘時(shí)切削行程較長(zhǎng)，切土厚度在挖掘過(guò)程中可視為常數(shù)。斗桿在挖掘過(guò)程中總轉(zhuǎn)角為，在這轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。鏟斗缸外負(fù)載為最大時(shí)，缸內(nèi)壓力最大，此時(shí)挖掘力最大，其值為[12]： =CBAZX+D (11) =200+D =200+15000 =165417+15000 =170417(N) 式中 C—表示土壤硬度的系數(shù),對(duì)Ⅱ級(jí)土宜取C=50～80，對(duì)Ⅲ級(jí)土宜取C=90～150，對(duì)Ⅳ級(jí)土宜取C=160～320，式中取C=200； R—鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)到斗齒尖的距離，即轉(zhuǎn)斗切削半徑，取斗容量為1m,根據(jù)反鏟斗主要參數(shù)特性計(jì)算表，查表得R=1.15m； B—切削刃寬度影響系數(shù),B=1+2.6b,其中b為鏟斗寬度,查表得b=1.25m； —挖掘過(guò)程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半,查表得=； A—切削角變化影響系數(shù),取A=1.3； Z—帶有齒的系數(shù),取Z=0.75； X—斗側(cè)臂厚度影響系數(shù),X=1+0.3s,其中s為側(cè)臂厚度,單位為cm,初步設(shè)計(jì)時(shí)可取X=1.15； D—切削刃擠壓土壤的力,根據(jù)斗容大小在D=10000～17000N范圍內(nèi)選取.設(shè)計(jì)容量為1m,取D=15000N； 轉(zhuǎn)斗挖掘裝土阻力和法向挖掘阻力相對(duì)與很小，所以在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。 液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算 (1)根據(jù)鏟斗缸的最大外負(fù)載，可以設(shè)計(jì)計(jì)算鏟斗缸的結(jié)構(gòu)尺寸[15]： 當(dāng)推力驅(qū)動(dòng)工作負(fù)載時(shí)： F= = (12) 由此可求出缸筒內(nèi)徑為: D= = = 求出D=88mm本系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，因此速比取=2 d= (13) 式中 系統(tǒng)背壓P=1MPa 系統(tǒng)最高壓力P=30Mpa 根據(jù)查表GB/T2348—1993圓整得到D=90mm[16] (2)活塞桿直徑為 d==90=66.35(mm) (14) 根據(jù)GB/T2348—1993規(guī)定的活塞桿尺寸圓整為d=66mm (3)最大工作行程 行程S=12D (15) S=12=1080（mm） 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T—1980規(guī)定的液壓缸行程系列圓整到S=1100mm (4)活塞有效計(jì)算長(zhǎng)度 液壓缸的安裝尺寸，可查設(shè)計(jì)手冊(cè)得 安裝尺寸=+S=377+1100=1377（mm） 當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，有效計(jì)算長(zhǎng)度為： L=1100+1100+377=2577（mm） S—液壓缸的安裝尺寸(查設(shè)計(jì)手冊(cè)得到) [4] (5)最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 H(mm) (16) 取最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為600（mm） 式中 L—液壓缸最大行程； D—缸筒內(nèi)徑。 (6)導(dǎo)向套長(zhǎng)度 A=（0.6～1.0）d (17) =(114.5～120)mm 導(dǎo)向套長(zhǎng)度為115mm (7)活塞寬度 B=（0.6～1.0）D (18) =（54～90）mm 活塞桿寬度B=80mm 式中 D—缸筒內(nèi)徑 (8)缸筒壁厚： 材料的許用應(yīng)力計(jì)算 (19) = 式中 —缸體材料的抗拉強(qiáng)度，缸體材料為，=800Mpa[14] n—安全系數(shù).一般取n=5 (20) ==7.99(mm) 查缸筒壁厚度表，取=12mm 式中 P-系統(tǒng)最高壓力,P=30Mpa。 (9)缸筒外徑 (21) =90+212 =114(mm) 因?yàn)橐簤焊椎母淄彩菬o(wú)縫鋼管，因此缸筒內(nèi)部要留出5mm加工余量所以查手冊(cè)，選取內(nèi)徑為95mm的無(wú)縫鋼管。 油缸強(qiáng)度計(jì)算： (1)已知參數(shù)： 缸徑D=90 桿徑d=63 行程S=1100 缸筒壁厚=12有效計(jì)算長(zhǎng)度L=2577 (參數(shù)單位：mm) (2)油缸強(qiáng)度計(jì)算 a. 活塞桿應(yīng)力校核 =P8×902/632 (22) =30×902/632 =61.22Mpa 活塞桿材質(zhì)為調(diào)質(zhì)，經(jīng)查表得強(qiáng)度極限為800Mpa[14],材料的許用應(yīng)力為： =（n為安全系數(shù)）. 由此可見(jiàn)，，應(yīng)力完全滿足要求。 式中 —油缸最大閉鎖壓力 b. 缸筒強(qiáng)度驗(yàn)算： 由于缸筒壁厚與缸徑之比，屬于厚壁缸筒，可按材料學(xué)第二強(qiáng)度理論驗(yàn)算。 由此可見(jiàn),<,強(qiáng)度滿足要求。 式中 P—系統(tǒng)最高壓力,P=30Mpa； —材料的許用應(yīng)力。 (3)油缸穩(wěn)定性驗(yàn)算 油缸在工作是承受的壓應(yīng)力最大，所以有必要校核活塞桿的壓穩(wěn)定性。 a. 活塞桿斷面最小 I= （24） = = b. 活塞桿橫斷面回轉(zhuǎn)半徑 c. 活塞桿柔性系數(shù) = (26) ==161.0025161 式中 —為長(zhǎng)度折算系數(shù)，對(duì)于兩端鉸接約束方式一般取1； L—為有效計(jì)算長(zhǎng)度 d. 鋼材柔度極限值 = (27) = =60.8 式中 —45鋼材比例極限[14]； E—材料彈性模量[14] e. 從以上計(jì)算得知，>,即為大柔度壓桿時(shí)，穩(wěn)定力為： (28) （N） 式中 —為長(zhǎng)度折算系數(shù)，對(duì)于兩端鉸接約束方式一般取1； f. 油缸最大閉鎖力 = (29) （N） 式中 —油缸最大閉鎖壓力 g. 穩(wěn)定系數(shù) (30) 由此可見(jiàn)，穩(wěn)定性可以滿足要求。 (4)活塞和活塞密封件 標(biāo)準(zhǔn)活塞為鑄件，并為同心度而配合于活塞桿?；钊揽柯菽概c活塞桿之間的螺紋旋合而牢靠鎖定，保證在高速度和高負(fù)載條件下的可靠工作?；钊芊饧坎捎眠M(jìn)口Parker和NOK產(chǎn)品?；钊麅啥税惭b由PTFE制成4mm厚度的納污環(huán)，由于它有雜質(zhì)浸沒(méi)功能，故可防止油缸內(nèi)的油因混有外界物質(zhì)而引起密封件的損壞，確保密封件有較長(zhǎng)的使用壽命，而且能起導(dǎo)向支承作用。支承環(huán)具有很高的耐壓承載能力，可以消除活塞與缸體之間的所有的金屬對(duì)金屬接觸，提供高的側(cè)向承載能力，吸收沖擊，增加接觸面積，避免劃傷缸體?；钊芊饧捎门煽说拈_(kāi)口式結(jié)構(gòu)的OK型密封件，耐沖擊負(fù)荷，摩擦阻力低，安裝簡(jiǎn)單，由于其密封圈特殊的材料性能，故在高壓和大間隙下均有較強(qiáng)的抗擠壓能力，工作壓力高達(dá)50Mpa。 (5)溢流閥的設(shè)計(jì) 計(jì)算設(shè)計(jì)要求:章設(shè)計(jì)的溢流閥是安裝在出油口處的溢流閥，它用來(lái)控制系統(tǒng)的最高壓力，防止超載，保護(hù)液壓系統(tǒng)安全，使液壓系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行[18]。 根據(jù)系統(tǒng)的壓力，溢流閥設(shè)計(jì)要求如下： 公稱壓力 =320（kgf/） 公稱流量 =200（L/min） 調(diào)壓范圍 =160-320（kgf/） 起閉特性（調(diào)成最高調(diào)定壓力時(shí)） 開(kāi)啟壓力 =300（kgf/） 閉合壓力 =288（kgf/） 溢 流 量 =1.56L/min(26/sec)<2L/min(33.34/sec) 卸荷壓力 4（kgf/） 內(nèi)瀉流量 150/ min 幾何尺寸確定 (1)進(jìn)出油口直徑d d=0.463=0.463=2.69(cm) (31) 取d=2.8cm 式中 —公稱流量（L/min）； —進(jìn)、出油口直徑d處油液流速，一般可取 =6m/sec (2)主閥座孔徑 =d-(0.03～0.4)=208-0.1=2.7(cm) (32) 取=2.7 cm (3)主閥芯直徑 = (33) 取=，代入上式得 =2.7=2.81(cm) 取D=2.8(cm) 式中 —主伐座孔徑處面積，=()； —主伐芯上側(cè)面積，=()； —主閥芯上下側(cè)面積比，一般取=0.95～0.98，本式中取 =0.96 (4)主閥芯與閥套的配合長(zhǎng)度L L=（0.6～1.5）D=0.752.8=2.1 (cm) （34） 取L=2(cm) (5) 阻尼孔直徑及長(zhǎng)度 =0.08～0.2(cm) 取=0.08(cm) =（7～19）=7.50.08=0.6(cm) 取=0.6(cm) (6)主閥芯閥口處錐角半角 一般取=,主閥座閥口處為直角。這樣選取能使主閥芯與閥座接近線接觸，即保證密封可靠，又便于加工。 (7)主閥芯閥與閥蓋的間距S S4.47 (35) = =0.639 (cm) 取S=0.64(cm) 式中 —主閥座孔徑(cm)； —主閥芯閥口處錐角半角（）； g—重力加速度（）； —油液重度； []—卸荷壓力允許值（kgf/）； —公稱流量（L/min）。 (8)導(dǎo)閥芯錐角半角 導(dǎo)閥過(guò)流面積和導(dǎo)閥芯與導(dǎo)閥座的接觸應(yīng)力的大小與值有關(guān)，值小 過(guò)流面積和接觸應(yīng)力大，反之就小。過(guò)流面積的大小涉及主閥工作性能的好壞，接觸應(yīng)力的大小涉及導(dǎo)閥的使用壽命長(zhǎng)短，所以 值應(yīng)根據(jù)性能要求和使用壽命來(lái)確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取= (9)導(dǎo)閥座孔徑和 =（2～5）(cm) （36） =0.16(cm) 式中 —阻尼孔直徑 值取得大則調(diào)壓彈簧的剛度要大，尺寸也會(huì)加大，取得大小又會(huì)影響閥的穩(wěn)定性。一般?。? =0.4(cm) 對(duì)于在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，取得大了易使閥發(fā)生尖叫和振動(dòng)。所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取得： =0.16(cm) 靜態(tài)特性計(jì)算 靜態(tài)特性的計(jì)算有兩個(gè)目的：一是根據(jù)靜態(tài)特性的設(shè)計(jì)要求，校核上面確定的主要結(jié)構(gòu)尺寸能否滿足對(duì)靜態(tài)特性的要求，并進(jìn)行必要的調(diào)整與復(fù)算；二是求出主伐彈簧和調(diào)壓彈簧的剛度及預(yù)壓縮量，作為彈簧的設(shè)計(jì)依據(jù)。 (1)在最高調(diào)定壓力下主伐芯的額定開(kāi)口量： = (37) = =0.0723(cm) 式中 —主閥閥口流量系數(shù)，取=0.77～0.88，本式中取=0.80； —油液重度，取=0.903（上調(diào)30-1號(hào)液壓油在油溫為，油液壓力為320時(shí)的值）； —主閥座孔徑(cm)； —公稱流量； —主閥芯閥口處錐角半角（）； g —重力加速度（）； —最高調(diào)定壓力。 (2)卸荷時(shí)主閥芯的開(kāi)口量 = (38) = =0.639(cm) 式中 [] —卸荷壓力（kgf/）； —主閥閥口流量系數(shù)，取=0.77～0.88，本式中取=0.80； —油液重度，取=0.885（上調(diào)30-1號(hào)液壓油在油溫為，油液壓力為010時(shí)的值）。 (3)系統(tǒng)壓力為開(kāi)啟壓力時(shí)導(dǎo)閥前油腔的壓力 =- (39) = =277.5（） 式中 —主閥芯開(kāi)啟壓力（kgf/）； —開(kāi)啟壓力時(shí)的溢流量，根據(jù)設(shè)計(jì)要求規(guī)定: 0.01（06.67）（）； g—重力加速度（）； —阻尼孔直徑(cm)； —阻尼孔長(zhǎng)度(cm)； —油液重度，取=0.8995； —油液運(yùn)動(dòng)粘度，取=0.235（）（上調(diào)30-1號(hào)液壓油在油溫為，油液壓力為200～320時(shí)的值）； —阻尼孔面積，=0.005（）。 (4)液壓卡緊阻力F F=0.27fLD (40) =0.270.080.02722.8277.54 =0.906(kgf) 式中 f—摩擦系數(shù)，取f=0.04～0.08； —液壓卡緊系數(shù)，取=0.027； L—主閥芯與閥套的配合長(zhǎng)度，取2（cm）； D—主閥芯直徑（cm）； —導(dǎo)閥前油腔的壓力（kgf/）。 (5)主閥彈簧剛度K與預(yù)壓縮量X KX=A-A-G- F (41) 取主閥芯重力G=0.2(kgf)，A===5.72（cm）, A===6.154（cm）.代入上式得： KX=5.72300-6.154277.5-0.2-0.906=7(kgf) X=（1～5）=1.50.639=0.9585（cm） 代入KX乘積式中得: K=7/0.9585=7.3（kgf/cm） 取K=7（kgf/cm） X=1（cm） 式中 —導(dǎo)閥前油腔的壓力（kgf/）； G—主閥芯重力(kgf)； F—液壓卡緊阻力(kgf)。 (6)系統(tǒng)壓力為開(kāi)啟壓力時(shí)導(dǎo)閥的開(kāi)口量X X= (42) = =0.0032（cm） 式中 C—導(dǎo)閥閥口的流量系數(shù)，可取C=0.77； d—導(dǎo)閥座孔徑（cm）； —導(dǎo)閥芯錐角半角（）； —油液重度，取=0.8995； g—重力加速度（）； —導(dǎo)閥前油腔的壓力（）； —溢流量，=1.56L/min(26/sec)。 為了使導(dǎo)閥不受幾何精度和油液清潔度的影響，保證工作穩(wěn)定，求得的X值應(yīng)滿足： X0.003（cm） 所以X的值滿足要求 (7)調(diào)壓彈簧剛度與預(yù)壓縮量X = (43) 取 ===0.1256（cm） X===0.32（cm） 代入上面公式： = =107（kgf/cm） 取=107（kgf/cm） X =0.32（cm） 式中 —導(dǎo)閥座孔截面積； 為了保證達(dá)到啟閉性能的要求，要求0.85～0.90，校核由上面上面求得的，X可求出兩者乘積，==0.852>0.85,因此，可以達(dá)到啟閉特性