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單斗挖掘機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 生：羅浩穩(wěn)
指導(dǎo)老師：吳 彬
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 ,長沙410128)
摘 要：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，改革開放的深入，我國的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目不斷增多，對工程機(jī)械產(chǎn)品的需求量也越來越大。液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的重要產(chǎn)品之一，具有較高的技術(shù)含量，由于挖掘機(jī)的工作條件惡劣，要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作復(fù)雜，于是它對工作裝置的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，因此，對挖掘機(jī)工作裝置的分析設(shè)計(jì)對推動(dòng)我國挖掘機(jī)的發(fā)展具有重要意義。
關(guān)鍵詞：單斗挖掘機(jī)； 工作裝置；液壓系統(tǒng)；
The Design of The Hydraulic System of Excavator with One Bucket Working Device
Student:Luo Haowen
Tutor: Wu Bin
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128 ,China)
Abstract:With the development of the society and economy in China,many fundamental engineering projects needs to be completed by the excavator.The hydraulic excavator is one of the most important contruction machineries.The hydraulic excavator includes the higher technical specification.Because of the bad working condition and conmplicated working movements of the excavator,it's has high requitements for it's working device,the analysis and research of its working device make very important sens.
Keyword: excavator with one bucket;working device ;hydraulic system;
１ 前言
單斗挖掘機(jī)是工程機(jī)械中重要的機(jī)械，它廣泛應(yīng)用于工程建筑、施工筑路、水利工程、國防工事等土石方施工機(jī)械以及礦山采掘作業(yè)中。按其傳動(dòng)形式分為機(jī)械式和液壓式兩類挖掘機(jī)。目前中型單斗挖掘機(jī)幾乎全部采用了液壓傳動(dòng)。
由于挖掘機(jī)的工作條件惡劣，要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作很復(fù)雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。因此，對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)已經(jīng)成為推動(dòng)挖掘機(jī)發(fā)展中的重要一環(huán)[1]。
1.1 挖掘機(jī)簡介
挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，可以追溯到1840年。當(dāng)時(shí)美國西部開發(fā)，進(jìn)行鐵路建設(shè)，產(chǎn)生了模仿人體構(gòu)造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機(jī)械手的挖掘機(jī)，它采用蒸汽機(jī)作為動(dòng)力在軌道上行走。但是此后的很長時(shí)間挖掘機(jī)沒有得到很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。
導(dǎo)致挖掘機(jī)發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動(dòng)作復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)范圍大，需要采用多自由度機(jī)構(gòu)，古老的機(jī)械傳動(dòng)對它不太適合。而且當(dāng)時(shí)的工程建設(shè)主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機(jī)的應(yīng)用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機(jī)的發(fā)展。
由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，二十世紀(jì)四十年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)。隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動(dòng)技術(shù)，挖掘機(jī)有了適合它的傳動(dòng)裝置，為挖掘機(jī)的發(fā)展建立了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，是挖掘機(jī)技術(shù)上的一個(gè)飛躍 。同時(shí)，工程建設(shè)和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進(jìn)行大規(guī)模國土開發(fā)的同時(shí)，也開始進(jìn)行城市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多自由動(dòng)作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機(jī)得到了廣泛應(yīng)用[2]。
1.2 挖掘機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)
1950年在意大利北部生產(chǎn)了第一臺(tái)液壓挖掘機(jī)。第一臺(tái)液壓挖掘機(jī)采用定量齒輪泵，中位開式多路閥，工作壓力為9Mpa，所有執(zhí)行元件互相并聯(lián)連結(jié)。由單泵向6個(gè)執(zhí)行元件供油。由于早期液壓挖掘機(jī)主要采用了定量齒輪泵，不能按需改變供油流量，無法充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，因此其能量損失很大，不能滿足挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作的復(fù)雜要求，且可操縱性差。另外，早期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機(jī)各種工況的液壓元件，配套件也不齊全，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定。從二十世紀(jì)六十年代到八十年代中期，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量己經(jīng)達(dá)到挖掘機(jī)總產(chǎn)量的83%，其時(shí)對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的研究也已經(jīng)十分成熟，液壓挖掘機(jī)已經(jīng)具有了同步控制系統(tǒng)和負(fù)載敏感系統(tǒng)。
自第一臺(tái)手動(dòng)挖掘機(jī)誕生以來的160多年當(dāng)中，挖掘機(jī)一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，對其控制方式不斷改進(jìn)和革新，使挖掘機(jī)由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了良好的前提[3]。
據(jù)有關(guān)專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有65%至70%的土石方工程都是由挖掘機(jī)完成的。挖掘機(jī)是一種萬能型工程機(jī)械，目前已經(jīng)無可爭議地成為工程機(jī)械的第一主力機(jī)種，在世界工程機(jī)械市場上己占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴(kuò)大。挖掘機(jī)的發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，其液壓系統(tǒng)已成為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的主流形式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，液壓挖掘機(jī)需要大幅度的技術(shù)進(jìn)步，技術(shù)創(chuàng)新是液壓挖掘機(jī)行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術(shù)方面，挖掘機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以對其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
從20世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。
1.3 本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容
挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的技術(shù)多種多樣，本文主要通過國外幾種知名品牌的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)為參考對象，對其現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)和控制方式進(jìn)行比較和研究，為挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考信息。
(1)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)的分析研究
大量搜集國內(nèi)外挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的相關(guān)技術(shù)資料，系統(tǒng)了解挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史。分析總結(jié)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。
(2)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
對液壓挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中的四種工況--挖掘工況、滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況、卸載工況和卸載返回工況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，總結(jié)了每個(gè)工況下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要復(fù)合動(dòng)作。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的主要工作特點(diǎn)，系統(tǒng)地總結(jié)了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:動(dòng)力性要求和操縱性要求。
(3)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
分析了傳統(tǒng)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的單泵定量系統(tǒng)、雙泵定量系統(tǒng)和雙變量泵液壓系統(tǒng)，詳細(xì)分析了其主要優(yōu)點(diǎn)和存在的問題。本文在分析研究了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一套適合我國生產(chǎn)制造的單斗挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)旨在采用通用的多路閥系統(tǒng)，配以專用控制閥和簡單的伺服控制系統(tǒng)[4]。
2 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理
相對于機(jī)械傳動(dòng),液壓挖掘機(jī)由于在動(dòng)力裝置和工作裝置之間采用容積式液壓傳動(dòng)，靠液體的壓力能進(jìn)行工作，具有許多優(yōu)點(diǎn):能無極調(diào)速且調(diào)速范圍大，最大速度和最小速度之比可達(dá)1000:1能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；快速作用時(shí)，液壓元件產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣性較小，并可作高速反轉(zhuǎn)；傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，可吸收沖擊和振動(dòng)；操縱省力靈活，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化。因此液壓挖掘機(jī)逐步取代機(jī)械式挖掘機(jī)是必然的趨勢。
單斗液壓挖掘機(jī)是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動(dòng)進(jìn)行挖掘作業(yè)的機(jī)械。它是目前挖掘機(jī)械中重要的機(jī)種。單斗液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程是以鏟斗(一般裝有斗齒)的切削刃切削土壤并將土裝入斗內(nèi)，斗滿后提升?；剞D(zhuǎn)至卸土位置進(jìn)行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到地面進(jìn)行下一次挖掘。當(dāng)挖掘機(jī)挖完一段土后，機(jī)械移動(dòng)一段距離，以便繼續(xù)作業(yè)。因此單斗液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的自行式上方機(jī)械[5]。
2.1 液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能
液壓挖掘機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成一個(gè)有機(jī)整體，其性能的優(yōu)劣不僅與工作裝置機(jī)械零部件性能有關(guān)，還與液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)性能有關(guān)[6]。
(1)動(dòng)力系統(tǒng)
挖掘機(jī)工作的主要特點(diǎn)是環(huán)境溫度變化大，灰塵污物較多，負(fù)荷變化大，經(jīng)常傾斜工作，維護(hù)條件差。因此液壓挖掘機(jī)原動(dòng)力一般由柴油機(jī)提供，柴油機(jī)具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，符合挖掘機(jī)工作條件惡劣，負(fù)荷多變的要求。挖掘機(jī)采用車用柴油機(jī)時(shí)，最大功率指數(shù)降低。
(2)機(jī)械系統(tǒng)
液壓挖掘機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)部分是完成挖掘機(jī)各項(xiàng)基本動(dòng)作的直接執(zhí)行者，主要包括:a.行走裝置是整個(gè)機(jī)器的支撐部分，承受機(jī)器的全部重量和工作裝置的反力，同時(shí)能使挖掘機(jī)作短途行駛。按照結(jié)構(gòu)的不同，分履帶式和輪胎式。b.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使挖掘機(jī)上車圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360度的回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)裝置和回轉(zhuǎn)支撐。c.工作裝置是挖掘機(jī)完成實(shí)際作業(yè)的主要組成部分，常用的有反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，而同一種裝置可以有多種結(jié)構(gòu)形式，前面所述的反鏟裝置應(yīng)用最為廣泛。
(3)液壓系統(tǒng)
液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動(dòng)作都由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥。通過司機(jī)的操縱，將壓力油單獨(dú)或同時(shí)送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)和液壓油缸)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。液壓挖掘機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)有整機(jī)行走、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)等。這些運(yùn)動(dòng)都靠液壓傳動(dòng)。根據(jù)以上工作要求，把各液壓元件用油管有機(jī)地連接起來地組合體既是液壓挖掘機(jī)地液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)地功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)地機(jī)械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗埽瑐魉徒o油缸、油馬達(dá)等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再傳動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和工作過程。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)得合理與否，對挖掘機(jī)的性能起著決定性的作用。同樣的元件，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，則挖掘機(jī)性能差異很大。液壓系統(tǒng)習(xí)慣上按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)節(jié)方式和回路的數(shù)量來分類。
(4) 控制系統(tǒng)
液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)是對發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件(液壓缸、液壓馬達(dá))等進(jìn)行控制的系統(tǒng)。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，使挖掘機(jī)有了越來越先進(jìn)的控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)向高性能、自動(dòng)化和智能化發(fā)展。目前挖掘機(jī)研究重點(diǎn)正逐步向智能化機(jī)電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移[7]。
2.2 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)
(1)液壓挖掘機(jī)組成
為了實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的各項(xiàng)功能，單斗液壓挖掘機(jī)需要兩個(gè)基本組成部分，即機(jī)體(或稱主機(jī))和工作裝置。機(jī)體是完成挖掘機(jī)基本動(dòng)作并作為驅(qū)動(dòng)和操縱挖掘機(jī)進(jìn)行工作的基礎(chǔ)，可以是履帶牽引車輛或輪式牽引車輛。可細(xì)分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動(dòng)力裝置。其中動(dòng)力裝置、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備均可在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，總稱上車部分，它與行走機(jī)構(gòu)(又稱下車部分)用回轉(zhuǎn)支撐相連，平臺(tái)可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360度的全回轉(zhuǎn)。工作裝置根據(jù)工作性質(zhì)的不同，可配備反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，分別完成挖掘、裝載、抓取、起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清溝等工作。挖掘機(jī)的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果[8]。
(2)單斗反鏟液壓挖掘機(jī)
鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機(jī)最常用的結(jié)構(gòu)型式，動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接點(diǎn)擺動(dòng)，完成挖掘、提升和卸土等動(dòng)作。如圖1 所示，整體鵝頸式動(dòng)臂反鏟挖掘機(jī)工作裝置主要由動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、斗桿、斗一桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。裝置各運(yùn)動(dòng)部件之間全部采用銷軸鉸接，以動(dòng)臂油缸來支撐和改變動(dòng)臂的傾角，通過動(dòng)臂油缸的伸縮可使動(dòng)臂繞下。鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂的升降。斗桿鉸接于動(dòng)臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動(dòng)臂相對角度。當(dāng)斗桿油缸伸縮時(shí)，斗桿可繞動(dòng)臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機(jī)構(gòu)來和鏟斗聯(lián)接。
1、斗桿油缸 2、動(dòng)臂3、油管 4、動(dòng)臂油缸5、鏟斗6、斗齒7、側(cè)齒8、連桿9、搖桿10、鏟斗油缸11、斗桿
1.Stick Cylinder 2.movable arm 3.oil pipe 4.movable arm Cylinder 5.Bucket 6.Bucket teeth 7.Lateral teeth 8.Connecting rod 9.Joystick 10.Bucket Cylinder 11.Stick
圖1 工作裝置組成圖
Fig 1 The chart of working device constitutional diagram
(3)液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程
首先液壓挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)和配套土方運(yùn)輸車輛一起進(jìn)入作業(yè)面，運(yùn)輸車輛倒車、調(diào)停，?？吭谕诰驒C(jī)的側(cè)方或后方。挖掘機(jī)司機(jī)扳動(dòng)操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通，于是回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)上部平臺(tái)回轉(zhuǎn)，使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點(diǎn)，在執(zhí)行上述過程的同時(shí)操縱動(dòng)臂油缸換向閥，使動(dòng)臂油缸上腔進(jìn)油，將動(dòng)臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機(jī)操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進(jìn)油，配合動(dòng)作以加快作業(yè)進(jìn)度，進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作的挖掘和裝載:鏟斗裝滿后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中位，使鏟斗和斗桿油缸閉鎖，再操縱動(dòng)臂油缸換向閥，使動(dòng)臂油缸的下腔進(jìn)油，將動(dòng)臂提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動(dòng)平臺(tái)回轉(zhuǎn)換向閥手柄，使上部平臺(tái)回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鏟斗轉(zhuǎn)至運(yùn)輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使鏟斗高度稍降一些，并在適當(dāng)?shù)母叨炔倏v鏟斗油缸使鏟斗卸土。土方卸完后，使平臺(tái)反轉(zhuǎn)并降低動(dòng)臂，直到鏟斗回到作業(yè)點(diǎn)上方，以便進(jìn)行下一工作循環(huán)[9]。
2.3 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)原理
液壓挖掘機(jī)采用三組液壓缸使工作裝置具有三個(gè)自由度，鏟斗可實(shí)現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動(dòng)，加上液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使鏟斗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大到有限的空間，再通過行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地?cái)U(kuò)大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。
液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達(dá))驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。
液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，各部分的運(yùn)動(dòng)通過液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)。反鏟工作裝置由鏟斗、斗桿、動(dòng)臂、連桿及相應(yīng)的三組液壓缸組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng);而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮;動(dòng)臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動(dòng)作配合可以是多樣的、隨機(jī)的[10]。
總之，液壓挖掘機(jī)是由多學(xué)科、多系統(tǒng)組成的有機(jī)整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學(xué)科協(xié)同優(yōu)化才能獲取挖掘機(jī)整機(jī)的最佳性能。
3 液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
要了解和設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機(jī)的工作過程及其作業(yè)要求，掌握各種液壓作用元件動(dòng)作時(shí)的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復(fù)合動(dòng)作要求和復(fù)合動(dòng)作時(shí)油泵對同時(shí)作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。
3.1 液壓挖掘機(jī)的工況分析
液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程包括以下幾個(gè)動(dòng)作:動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動(dòng)作。除了輔助動(dòng)作(例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼?，要考慮全功率驅(qū)動(dòng)[11]。
由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特殊要求:(1)實(shí)現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，阻力與作業(yè)速度隨時(shí)變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化;(2)為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼?例如挖掘與動(dòng)臂、提升與回轉(zhuǎn))同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作[12]。
液壓挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合主要包括:
(1) 挖掘:通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘，因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(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，動(dòng)臂液壓缸將動(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。
(3) 卸載:轉(zhuǎn)到卸土點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動(dòng)臂液壓缸的配合，此時(shí)是斗桿和鏟斗的復(fù)合動(dòng)作，間以動(dòng)臂動(dòng)作。
(4) 空斗返回:卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。
3.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
液壓挖掘機(jī)的動(dòng)作繁復(fù)，且具有多種機(jī)構(gòu)，如行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等，是一種具有多自由度的工程機(jī)械。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)、換向，外負(fù)載變化很大，沖擊和振動(dòng)多，因此挖掘機(jī)對液壓系統(tǒng)提出了很高的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求[13]:
3.2.1 動(dòng)力性要求
所謂動(dòng)力性要求，就是在保證發(fā)動(dòng)機(jī)不過載的前提下，盡量充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率。尤其是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，要求液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的良好匹配，盡量提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。
3.2.2 操縱性要求
(1)調(diào)速性要求
挖掘機(jī)對調(diào)速操縱控制性能的要求很高，如何按照駕駛員的操縱意圖方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速操縱控制，對各個(gè)執(zhí)行元件的調(diào)速操縱是否穩(wěn)定可靠，成為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要的一方面。挖掘機(jī)在工作過程中作業(yè)阻力變化大，各種不同的作業(yè)工況要求功率變化大，因此要求對各個(gè)執(zhí)行元件的調(diào)速性要好。
(2)復(fù)合操縱性要求
挖掘機(jī)在作業(yè)過程中需要各個(gè)執(zhí)行元件單獨(dú)動(dòng)作，但是在更多情況下要求各個(gè)執(zhí)行元件能夠相互配合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的復(fù)合動(dòng)作，因此如何實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行元件的復(fù)合動(dòng)作也是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)操縱性要求的一方面。
當(dāng)多執(zhí)行元件共同動(dòng)作時(shí)，要求其相互間不千涉，能夠合理分配共同動(dòng)作時(shí)各個(gè)執(zhí)行元件的流盤，實(shí)現(xiàn)理想的復(fù)合動(dòng)作。尤其對行走機(jī)構(gòu)來說，左、右行走馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作問題，即直線行駛性也是設(shè)計(jì)中需要考慮的重要一方面。如果挖掘機(jī)在行使過程中由于液壓泵的油分流供應(yīng)，導(dǎo)致一側(cè)行走馬達(dá)速度降低，形成挖掘機(jī)意外跑偏，很容易發(fā)生事故。
因此，如何協(xié)調(diào)多執(zhí)行元件復(fù)合動(dòng)作時(shí)的流量供應(yīng)問題也是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的。
3.2.3 節(jié)能性要求
挖掘機(jī)工作時(shí)間長，能量消耗大，要求液壓系統(tǒng)的效率高，就要降低各個(gè)執(zhí)行元件和管路的能耗，因此在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中要充分考慮各種節(jié)能措施。當(dāng)對各個(gè)執(zhí)行元件進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，系統(tǒng)所需流量大于油泵的輸出流量，此時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致一部分流量損失掉。系統(tǒng)要求此部分的能量損失盡量小;當(dāng)挖掘機(jī)處于空載不工作的狀態(tài)下，如何降低泵的輸出流量，降低空載回油的壓力，也是降低能耗的關(guān)鍵[14]。
3.2.4 安全性要求
挖掘機(jī)的工作條件惡劣，載荷變化和沖擊振動(dòng)大，對于其液壓系統(tǒng)要求有良好的過載保護(hù)措施，防止油泵過載和因外負(fù)載沖擊對各個(gè)液壓作用元件的損傷?；剞D(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。
3.2.5 其它性能要求
實(shí)現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化和通用化，降低挖掘機(jī)的制造成本:液壓挖掘機(jī)作業(yè)條件惡劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性;由于挖掘機(jī)在城市建設(shè)施工中應(yīng)用越來越多，因此要不斷提高挖掘機(jī)的作業(yè)性能，降低振動(dòng)和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性[15]。
4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
WY-200型挖掘機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作輕便，使用維護(hù)安全可靠，發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)作業(yè)需要可配備0.5-1.25立方米四種反鏟斗及斗容為1.0和1.25立米方的兩種正鏟斗。廣泛用于建筑施工、市政工程、水電、國防工程和一般礦山采掘，挖掘I-VI級(jí)土壤[16]。
4.1 液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定
表1 WY200C液壓履帶式挖掘機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
Table 1 The main technical parameters of hydraulic crawler excavators WY200C
項(xiàng)目名稱
單位?
數(shù) 值?
標(biāo)準(zhǔn)斗容量
M 3
1
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)
6135K-16
發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定輸出功率
kW/r/min
106/2100
最大挖掘半徑?
m
10.4
最大挖掘高度?
m3/h
7.78
最大挖掘深度?
m
6.46
最大卸載高度
m
5.7
回轉(zhuǎn)速度
r/min
0-13.2
行走速度
km/h
2.5-5.5
爬坡能力
%
70
作業(yè)循環(huán)時(shí)間
S
18-22
主機(jī)長/寬度
MPa
0.077
履帶平均接地比壓
MPa
0.048
發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)
r/min
2100
整機(jī)質(zhì)量
t
20.8
理論生產(chǎn)率
m3/h
200
最大挖掘力
kN
142
系統(tǒng)工作壓力
MPa
36
履帶板寬度
m
0.6
主機(jī)運(yùn)輸尺寸(長X寬X高)
mm
9850x3000x3100
執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分，必須滿足機(jī)器設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能、性能要求和結(jié)構(gòu)、安裝上的限制。根據(jù)所要求的負(fù)載運(yùn)動(dòng)形態(tài)，選用不同的執(zhí)行元件配置，如下表2所示
表2 執(zhí)行元件配置
Table 2 The configuration of the actuator
運(yùn) 動(dòng) 方 式
執(zhí) 行 元 件
續(xù)表
左行走
右行走
直性行走
左液壓馬達(dá)
右液壓馬達(dá)
左液壓馬達(dá)+右液壓馬達(dá)
工作裝置
外擺內(nèi)收
動(dòng)臂液壓缸
斗桿液壓缸
鏟斗液壓缸
回轉(zhuǎn)
回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)
4.2 執(zhí)行元件液壓缸及系統(tǒng)壓力的初選
由于鏟斗的內(nèi)收是為了鏟料，而外擺是為了卸料，工作裝置采用了兩根動(dòng)臂液壓缸、一根斗桿、一根鏟斗油缸。要使機(jī)構(gòu)正常工作且具有平穩(wěn)性，兩動(dòng)臂液壓缸必須同步運(yùn)動(dòng)，這就要求任何時(shí)刻進(jìn)出油路的壓力油，必須保持一定的壓力平衡。為此，采用平衡閥控制油路中液壓油的壓力值[17]。
根據(jù)挖掘機(jī)主要用于建筑施工、礦山的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇雙作用單活塞桿式液壓缸。
液壓缸參數(shù)的選擇
每斗料的重量
M = 1.21650 = 1980 (Kg) （1）
G = mg = 19809.8 = 19404 (Kn) （2） 由卸料斗的尺寸圖按極限情況計(jì)算得
所挖斗料自重G與鏟斗液壓缸產(chǎn)生的推力F在卸料斗底板軸承鉸接處轉(zhuǎn)距平衡
即 F拉L1 = GL2 （3）
F拉374.5 = 194041206
得 (Kn)
工作壓力的選定關(guān)系到設(shè)計(jì)出和系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)合理；工作壓力低，則要求執(zhí)行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系統(tǒng)所需流量也大；壓力過高，則對元件的制造精度和系統(tǒng)的使用維護(hù)要求提高，并使容積效率降低。一般是根據(jù)機(jī)械的類型來選擇工作壓力[18]。
執(zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負(fù)載值或者主機(jī)設(shè)備類型選取，如表3與表4所示。
表3 負(fù)載和工作壓力之間的關(guān)系
Table 3 The relationship between the load and the working pressure
負(fù)載F/KN
＜10
10—20
70—140
140—250
＞250
工作壓力
P/MPa
0.8-1.2
1.5-2.5
10—14
18—21
32
表4 各類機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
Table 4 The various types of machinery commonly used system operating pressure
設(shè)備類型
精加工機(jī)床
組合機(jī)床
拉 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工程機(jī)械、工程機(jī)械輔助機(jī)構(gòu)
液壓機(jī)、重型機(jī)械、大中型挖掘機(jī)、起重運(yùn)輸機(jī)械
工作壓力
P/Mpa
0.8-2
3-5
5-10
1-16
16-32
由負(fù)載值大小查上表，參考同類型挖掘機(jī)，取液壓缸工作壓力為25MPa安裝方式選擇缸頭耳環(huán)帶襯套，活塞桿端連接方式選擇桿端外螺紋桿頭耳環(huán)帶襯套。又因其伸縮速度緩慢但壓力大，故選擇帶緩沖，油口連接方式選擇外螺紋。
4.3 計(jì)算工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸
活塞桿直徑d與缸筒內(nèi)徑D的計(jì)算
受拉時(shí)： d=(0.3-0.5)D
受壓時(shí)： d=(0.5-0.55)D (p1<5Mpa) d=(0.6-0.7)D(5Mpa< p1<7Mpa) d=0.7D(p1>7Mpa)
(1) 液壓油缸的缸徑、桿徑和工作壓力確定
根據(jù)技術(shù)條件：確定液壓缸徑和桿徑及行程為：缸徑D=Φ125mm，桿徑d=0.7D=Φ85mm 由此計(jì)算出液壓系統(tǒng)工作壓力為：
P= （4）
=4F/（π×（125-85））
=32MPa
式中F為鎖緊力，得 F=211KN
(2) 缸筒壁厚計(jì)算
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，在此液壓系統(tǒng)中，3.2≤D/δ＜16，故缸筒壁厚應(yīng)用中等壁厚計(jì)算公式，此時(shí)：
δ= +C （5）
ψ：強(qiáng)度系數(shù)，對無縫鋼管， ψ=1C：用來圓整壁厚數(shù) Py:液壓缸內(nèi)最高工作壓力。Py=10Mpa D：缸筒內(nèi)徑
[σ]= [σs]/2.5=175/2.5=70MPa
δ=10×220/(2.3×60-3×10)+C=25mm
故油缸缸筒外圓取D1=125mm.
(3) 缸筒強(qiáng)度校核
根據(jù)SL41-93，缸體合成應(yīng)力按下式計(jì)算：
σzh1=≤[σ] （6）
式中：[σ]=60MPa
σz1：縱向應(yīng)力： σz1==22MPa (7) σh1：環(huán)向應(yīng)力： σh1==75 MPa (8)
P：工作壓力，P=32MPa
D：油缸缸徑，D=Φ125mm
d：油缸桿徑，d=Φ85mm
δ：缸筒壁厚，δ=13.5mm
終計(jì)算， σzh1==53.2 MPa <70 MPa
即: σzh1< [σ],符合要求.
(4) 活塞桿長度和缸筒長度計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求的行程，來設(shè)計(jì)活塞桿的長度；本油缸的行程為1020mm，故油缸的活塞桿的長度為1265mm，缸筒的長度為1500mm。
(5) 活塞桿強(qiáng)度計(jì)算
活塞桿受拉力最危險(xiǎn)截面是兩端連接螺紋的退刀槽橫截面，（取截面直徑較少值）其應(yīng)力計(jì)算如下 ：
σn=≤[σ] （9）
式中σ為拉應(yīng)力： σ= (10) τ為剪應(yīng)力： τ= (11)
上面兩公式中，K：螺紋擰緊系數(shù)，此處取K=1.25
K1:螺紋內(nèi)摩擦系數(shù),一般取K1=0.12
d1：活塞桿危險(xiǎn)截面處直徑，d1=80mm
d0：螺紋外徑，d0=82mm
[σ]：70MPa
則：σ==38.4Mpa τ==25.9Mpa 得: σn=64.3MPa
所以: σn< [σ],符合工況要求。
(6) 下蓋聯(lián)接螺釘強(qiáng)度校核計(jì)算
螺釘聯(lián)接采用高強(qiáng)度螺釘M20×80(GB/T70.1-2000)聯(lián)接,兩端數(shù)量均為24件，螺釘精度等級(jí)為10.9級(jí)，其強(qiáng)度校核，按照公式（10）、（11）。
拉應(yīng)力： σ==184.8 MPa
剪應(yīng)力： τ==83.92 MPa
K：螺紋擰緊系數(shù)，此處取K=1.25
K1: 螺紋摩擦系數(shù),一般取K1=0.12
d1：螺紋內(nèi)徑，d1=16.752mm d0：螺紋外徑，d0=20mm
Z：24
σs螺釘材料屈服強(qiáng)度，σs≥900Mpa(10.9級(jí))
[σ]= [σs]/2=450Mpa
得：σn=≈235.12MPa<[σ] 符合工況要求
(7) 活塞桿柔度校核計(jì)算
活塞桿細(xì)比計(jì)算如下： λ=≤[λ] （12）
此處：L為折算長度，導(dǎo)向套中心至吊頭尺寸，約1500mm
活塞桿直徑d=85mm,
[λ]活塞桿許用細(xì)長比，按規(guī)定拉力桿此處[λ]≤100。
計(jì)算得λ=4×1265/85=59.5＜[λ]，故滿足要求。
4.4 液壓系統(tǒng)方案擬訂
(1) 在液壓挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中的四種工況--挖掘工況、滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況、卸載工況和卸載返回工況進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)每個(gè)工況下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要復(fù)合動(dòng)作后提出初步方案。
(2) 根據(jù)液壓挖掘機(jī)的主要工作特點(diǎn)，系統(tǒng)地總結(jié)出挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求:動(dòng)力性要求、操縱性要求、節(jié)能性要求、安全性要求和其它性能的要求。
(3) 提出一種有效、直觀的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)的步驟[19]。
4.5 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的制定
WY-200型挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，采用的是雙泵雙路分功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)。主液壓泵為兩臺(tái)軸向柱塞式變量泵，由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。挖掘機(jī)小負(fù)荷工作時(shí)，泵輸出的流量大，動(dòng)作速度快；大負(fù)荷工作時(shí)，泵輸出的流量小，工作裝置可以較低的速度克服較大的負(fù)荷。流量的改變通過壓力變化反饋到泵本身的變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。由于每臺(tái)泵只能輸出發(fā)動(dòng)機(jī)功率的1/2，且各自獨(dú)立調(diào)節(jié)，故為分功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)。
當(dāng)動(dòng)臂油缸6和斗桿油缸5獨(dú)自工作時(shí)，通過兩個(gè)分配閥由雙泵合流供油。
背壓閥壓力調(diào)到1Mpa，系統(tǒng)中各執(zhí)行元件均設(shè)有各自的過載閥，以起到安全保護(hù)作用。濾油器12并聯(lián)有開啟壓力為0.3Mpa的單向閥，用以防止因?yàn)V油器被污物堵塞而使油泵過載。行走馬達(dá)油路中裝有速度限制閥7，防止挖掘機(jī)溜坡[20]。
4.5.1 液壓系統(tǒng)原理圖的分析
在雙泵雙路分功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)中，泵A驅(qū)動(dòng)左行油馬達(dá)4a、鏟斗油缸2、一側(cè)動(dòng)臂油缸6a、一側(cè)斗桿油缸5a;泵B驅(qū)動(dòng)右行走油馬達(dá)4b，回轉(zhuǎn)油馬達(dá)8、另一側(cè)動(dòng)臂油缸6b和另一側(cè)斗柄油缸5b。斗底的開啟設(shè)有開啟油缸3，由回路中的低壓油驅(qū)動(dòng)，兩臺(tái)變量泵構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的液壓系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)采用串聯(lián)油路。僅回轉(zhuǎn)油馬達(dá)為并聯(lián)油路，這就保證了各個(gè)機(jī)構(gòu)的獨(dú)立操作。當(dāng)挖掘作業(yè)或動(dòng)臂上升需較大動(dòng)力時(shí)，兩臺(tái)泵可以合流，集中供應(yīng)動(dòng)臂油缸或斗柄油缸，使最沉重的動(dòng)作在最短的時(shí)間內(nèi)完成，達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的。
該液壓系統(tǒng)為開式油路(即執(zhí)行元件的回油直接返回油箱。如果油馬達(dá)的回油直接返回油泵，即為閉式油路)。柴油機(jī)通過彈性聯(lián)軸節(jié)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相聯(lián)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)再帶動(dòng)兩臺(tái)恒功率變量軸向柱塞泵A和B，泵從油箱吸油，分兩個(gè)主壓力油路打出，每一
圖2 液壓系統(tǒng)原理圖
Fig 2 The schematic of the hydraulic system
油路通人幾個(gè)三位四通操縱閥，各操縱閥分別控制回轉(zhuǎn)油馬達(dá)、動(dòng)臂油缸、鏟斗油缸和行走油馬達(dá)。
4.5.2 繪制液壓系統(tǒng)圖
整機(jī)的液壓系統(tǒng)圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成。各回路相互組合時(shí)要去掉重復(fù)多余的元件，力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。注意各元件間的聯(lián)鎖關(guān)系，避免誤動(dòng)作發(fā)生。要盡量減少能量損失環(huán)節(jié)。提高系統(tǒng)的工作效率。為便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測元件（如壓力表、溫度計(jì)等）。大型設(shè)備的關(guān)鍵部位，要附設(shè)備用件，以便意外事件發(fā)生時(shí)能迅速更換，保證主要連續(xù)工作。各液壓元件盡量采用國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，在圖中要按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓元件職能符號(hào)的常態(tài)位置繪制。對于自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)元件可用結(jié)構(gòu)原理圖繪制[21]。如圖2所示
５ 液壓元件的選擇與專用件的設(shè)計(jì)
動(dòng)力元件的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。
5.1 液壓泵的選擇和泵的參數(shù)的計(jì)算
5.1.1 液壓泵的工作壓力的確定
+ (13)
--是執(zhí)行元件的最高工作壓力,對于本系統(tǒng)的最高工作壓力是銷鎖油缸的入口壓力
--是從液壓泵出口液壓缸之間的管路損失。管路復(fù)雜，進(jìn)口有調(diào)速閥，則取=1Mpa。
5.1.2 確定液壓泵的流量
多液壓缸同時(shí)工作時(shí)，而且系統(tǒng)使用蓄能器鋪助動(dòng)力源時(shí)，則液壓泵輸出流量公式應(yīng)為
≥ (14)
其中 K-系統(tǒng)泄露系數(shù)，取K=1.2
Tt-液壓系統(tǒng)工作周期
Vi-每個(gè)液壓缸的工作周期中的總耗油
z-液壓缸的個(gè)數(shù)
銷鎖油缸的最大流量 (15)
=60.101=60
加料門油缸的最大流量
=60.140.0031=26
根據(jù)以上可知: =60
大泵流量
=80%=48
小泵流量
=20%=12
大泵排量
=37
小泵排量
=8.1
=0.9L/s
按照泵的排量 和、的值來選擇液壓泵
5.1.3 選擇液壓泵的規(guī)格
根據(jù)以上求的泵的排量、和、的值，按系統(tǒng)中給定的液壓泵的形式，從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第5卷選定雙聯(lián)柱塞泵：主泵: K3V112DT柱塞式串聯(lián)變量雙泵。最大排量112ml/r,該泵按總功率恒定進(jìn)行變量、總功率按4段進(jìn)行控制、高壓切斷、中位負(fù)流量控制額定壓力—35MPa，系統(tǒng)設(shè)定壓力小流量齒輪4Mpa，大流量油泵為32Mpa[22～23]。
5.2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇
液壓缸在整個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，系統(tǒng)的壓力和流量都是變化的。所需功率變化較大，為滿足整個(gè)工作循環(huán)的需要，需按大功率段來確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。
從液壓原理圖可以看出，快速運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的壓力和流量都較大，這時(shí)，大小泵同時(shí)參加工作，小泵排油壓力和流量均較大。此時(shí)，大小泵同時(shí)參與工作小泵排油除保證鎖緊力外，還通過順序閥將壓力油供給加料門油缸。
前面的計(jì)算已知，小泵供油壓力為=4 MPa,考慮大泵到銷鎖油缸路損失，大泵供油壓力應(yīng)為=4Mpa
取泵的總效率=0.8，泵的總驅(qū)動(dòng)功率為：
P= (16) =89KW
考慮安全系數(shù),故取90KW;查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表得：
發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型號(hào)— 6135K—16
功率--106KW 轉(zhuǎn)速--2100r/min
5.3 液壓閥的選擇
選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。本系統(tǒng)工作壓力在9Mpa左右，所以液壓閥都選用中、高壓閥。液壓閥的作用是控制液壓系統(tǒng)的油流方向、壓力和流量，從而控制整個(gè)液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序，工作部件的運(yùn)動(dòng)速度、方向，以及變換頻率，輸出力和力矩等[24]。
在液壓系統(tǒng)中，液壓閥的選擇是非常重要的。可以使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，性能優(yōu)良，安裝簡便，維修容易，并保證系正常工作的重要條件。不但要按系統(tǒng)功需要選擇各種類型的液壓控制閥，還需要考慮額定壓力，通過流量，安裝形式，動(dòng)作方式，性能特點(diǎn)因素[24]。
5.3.1 根據(jù)液壓閥額定壓力來選擇
選擇的液壓閥應(yīng)使系統(tǒng)壓力適當(dāng)?shù)陀诋a(chǎn)品標(biāo)明的額定值。對液壓閥流量的選擇，可以按照產(chǎn)品標(biāo)明的公稱流量為依據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品有關(guān)流量曲線來確定。
5.3.2 液壓閥的安裝方式的選擇
是指液壓閥與系統(tǒng)的管路或其他閥的進(jìn)出油口的連接方式，一般有三種，螺紋連接方式，板式連接方式，法蘭連接方式。安裝方式的選擇要根據(jù)液壓閥的規(guī)格大小，以及系統(tǒng)的簡繁及布置特點(diǎn)來確定。
5.3.3 液壓閥的控制方式的選擇
液壓閥的控制方式一般有四種，有手動(dòng)控制，機(jī)械控制，液壓控制，電氣控制。根據(jù)系統(tǒng)的操縱需要和電氣系統(tǒng)的配置能力進(jìn)行選擇。
5.3.4 液壓閥的結(jié)構(gòu)形式的選擇
液壓閥的結(jié)構(gòu)方式分為：
管式結(jié)構(gòu)，板式結(jié)構(gòu)。
一般按照系統(tǒng)的工作需要來確定液壓閥的結(jié)構(gòu)形式。
根據(jù)以上的要求來選擇液壓控制閥，所選的液壓閥能滿足工作的需要。所以本液壓系統(tǒng)所選的液壓閥有中、高壓閥。具體規(guī)格型號(hào)和名稱見表5
選用主操作閥采用川崎KMX15R/B450，最大流量270L/min，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂提升合流、斗桿大小腔合流、斗桿再生回路、行走直線、動(dòng)臂提升優(yōu)先、回轉(zhuǎn)優(yōu)先、斗桿閉鎖等功能。
表5 液壓控制閥
Table 5 The hydraulic control valve
序號(hào)
代 號(hào)
名稱及規(guī)格
材料
數(shù)量
1
Q11F-16P-25
不銹鋼截止閥
成品
2
2
DBDW10B-1-50X/10UG24NZ5L
電磁溢流閥
同上
1
3
S20P1.0
S型單向閥
同上
1
4
S10P1.0
S型單向閥
同上
1
5
XJF-32/10
蓄能器截止閥
同上
1
6
DRV16-1-10/2
單向節(jié)流閥
同上
1
7
S6A1.0/2
S型單向閥
同上
1
8
ZDR6DP2-30/7.5YM
疊加式減壓閥
同上
1
9
Z1S6P-1-30/
疊加式單向閥
同上
1
10
4WE10J3X/CG24NZ5L
電磁換向閥
同上
1
11
ZDR10DP2-30/7.5YM
疊加式減壓閥
同上
1
12
Z2FS16-30/S2
疊加式雙單向節(jié)流閥
同上
2
13
4WEH16Y50/OF6AG24NETS2Z5L/B08
電液換向閥
同上
1
14
Z2FS16-30/S2
疊加式雙單向節(jié)流閥
同上
2
15
DR20-5-5X/10YM
先導(dǎo)式減壓閥
同上
2
16
DR20-5-5X/10Y
先導(dǎo)式減壓閥
同上
1
17
4WEH16E50/6AG24NETS2Z5L/B08
電液換向閥
同上
1
18
4WE10E3X/CG24NZ5L
電磁換向閥
同上
1
19
DB20-2-5X/315
溢流閥
同上
2
20
S20P1.0/
單向閥
同上
1
21
Z2FS10-20/
疊加式雙單向節(jié)流閥
同上
1
22
溢流閥
同上
1
23
QJH—6WL
高壓球閥DN6
同上
3
5.4 其他液壓元件的選擇
5.4.1 壓力繼電器的選擇
能夠自動(dòng)感到壓力變化，但壓力達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，可以自動(dòng)將電路進(jìn)行通斷的儀表。壓力預(yù)定值是根據(jù)壓力控制要求，預(yù)先在壓力校驗(yàn)臺(tái)還是調(diào)定的點(diǎn)觸點(diǎn)動(dòng)作的壓力值。根據(jù)要求查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得：
HED10A20/35L24/2 壓力繼電器
5.4.2 壓力表的選擇
由液壓系統(tǒng)的壓力來選擇壓力表，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得：
YN100-Ⅲ-0-16Mpa 壓力表
YN100-Ⅲ-0-25Mpa 壓力表
5.4.3 測壓軟管和測壓排氣接頭的選擇
根據(jù)系統(tǒng)的壓力來選擇測壓軟管和測壓排氣接頭，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得：
HF測壓軟管的有關(guān)參數(shù)：公稱通經(jīng)3.0mm,最大動(dòng)態(tài)壓力40Mpa。軟管通徑2.9 mm，最大靜大壓力64Mpa，化學(xué)性能，耐酸性溶劑。
HFH2-P2-3-P-1.000 測壓軟管 公稱通徑3.0mm， 最大壓力40Mpa PT-3 測壓排氣接頭
5.4.4 液位液溫計(jì)，空氣濾清器和直回式回油過濾器的選擇
依據(jù)液壓系統(tǒng)的壓力和流量，系統(tǒng)的發(fā)熱量來選擇，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得：
直回式回油過濾器 RFA-250*20FY
液位液溫計(jì) YWZ-200TA
液位液溫計(jì) WSSX-411，-40～80°C
空氣濾清器 QUQ2-20*1.0
5.4.5 蓄能器的選擇
根據(jù)蓄能器在液壓系統(tǒng)中的功用，確定類型和主要參數(shù)。
在本液壓系統(tǒng)中，液壓缸在短時(shí)間內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)，由蓄能器來補(bǔ)充供油，則計(jì)算公式為： △V=∑K- (17)
A--液壓缸有效作用面積
L—液壓缸的行程
K—油液損失系數(shù)，一般取K=1.2
--液壓泵流量△V=15.32L
t--動(dòng)作時(shí)間
由以上公式得△V=15.32L
考慮安全系數(shù)和其他方面△V取20L,查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得：
NXQ1-L40/31.5 蓄能器Φ219
5.4.6 管道尺寸的確定
管道內(nèi)徑的計(jì)算
本系統(tǒng)管路很復(fù)雜，取其中主要的幾條來計(jì)算，按照公式：d≥1130
--液體流量
v--流速，對于吸油管v=1~2m/s,一般取1m/s以下，對于壓油管v≤3~6m/s,對于回油管v≤1.5~2.5m/s。
再按照公式 d=
算出管道內(nèi)徑：
--液體流量
--流速
計(jì)算數(shù)值如表6所示
表6 計(jì)算數(shù)值
Table 6 The calculated values
管路名稱
通過流量
/(L/s)
允許流速
/(m/s)
管道內(nèi)徑
/m
實(shí)際取值
/m
大泵吸油管
2.5
0.8
0.0621
0.065
小泵吸油胳
0.635
0.9
0.0302
0.034
大泵排油管
2.56
4
0.027
0.034
小泵排油管
0.625
4
0.013
0.018
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得：Φ18×2、Φ34×3、Φ65×4
5.4.7 膠管的選擇
根據(jù)工作壓力和按公式得管子的內(nèi)徑選擇膠管的尺寸規(guī)格。高壓膠管的工作壓力對不正常使用的情況下可提高20%；對于使用頻繁，經(jīng)常扭變的要降低40%。膠管在使用及設(shè)計(jì)中應(yīng)主要下列事項(xiàng)：
（1）膠管的彎曲半徑不宜過小，一般不應(yīng)小于320，膠管與管接頭聯(lián)接處應(yīng)留有一段直的部分，此段長不應(yīng)小于管外徑的兩倍。
（2）膠管的長度應(yīng)考慮到膠管在通入壓力油后，長度方向?qū)l(fā)生收縮變形，一般收縮是取3%~4%，膠管安裝時(shí)避免處于拉緊狀態(tài)。
（3）膠管安裝是應(yīng)保證不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，為便于安裝，可沿管長涂以色紋，以便檢查。
（4）膠管的接頭軸線，應(yīng)盡量放置在運(yùn)動(dòng)的平面內(nèi)，避免兩端互相運(yùn)動(dòng)時(shí)膠管受力。
（5）膠管應(yīng)避免與機(jī)械上的尖角部分想接觸和摩擦，以免管子損壞。
5.5 油箱容量的確定
初步確定油箱的有效容積,跟據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來確定油箱的容量[34],
V= (18)
式中--液壓泵每分鐘排出的壓力油的容積
--經(jīng)驗(yàn)系數(shù)
已知所選泵的總流量為207L/min,這樣,液壓泵每分鐘排出的壓力油體積為207L,查表7
表7 油箱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表
Table7 The empirical coefficient of fuel tank
系統(tǒng)類型
行走機(jī)械
低壓系統(tǒng)
中壓系統(tǒng)
鍛壓系統(tǒng)
冶金系統(tǒng)
1～2
2～4
5～7
6～12
10
得=8
故V==6×0.207=1.242
6 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算
6.1 液壓系統(tǒng)壓力損失
本系統(tǒng)較為復(fù)雜，有多個(gè)液壓缸執(zhí)行元件動(dòng)作回路，其中環(huán)節(jié)較多，管路損失較大的要算快速運(yùn)動(dòng)回路，故主要驗(yàn)算由泵到液壓缸這段管路的損失[25]。
6.1.1 沿程壓力損失
沿程壓力損失，主要是液壓缸快速運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)油管路的損失。此管路長為5m，管內(nèi)徑0.034m速運(yùn)動(dòng)時(shí)通過的流量為2.7L/s，正常運(yùn)轉(zhuǎn)后的粘度為= 27，油的密度為=918Kg/
油在管路的實(shí)際流速===2.93m/s
Re===3702＞2300
油在管路中呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為：
= (19)
根據(jù)公式=求得沿程壓力損失為:
=
=0.023MPa
6.1.2 局部壓力損失
局部壓力損失包括通過管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失，以及通過控制閥的局部壓力損失。其中管路局部壓力損失相對來說小得多，故主要考慮通過控制閥的局部壓力損失[26]。
從系統(tǒng)圖中可以看出,從大泵的出口到油缸的進(jìn)油口,要經(jīng)過單向閥、電磁換向閥、單向調(diào)速閥、溢流閥。
單向閥的額定流量為50L/min,額定壓力損失0.3MPa, 電磁換向閥的額定流量為150L/min,額定壓力損失為0.2MPa, 單向調(diào)速閥的額定流量為160L/min,額定壓力損失為0.3MPa。溢流閥的額定流量為120L/min,額定壓力損失為0.2MPa。
通過各閥的局部壓力損失之和：
=0.65 MPa
從小泵出油口到油缸進(jìn)油口也要經(jīng)過單向閥、電磁換向閥、單向調(diào)速閥、溢流閥。
向閥的額定流量為50L/min,額定壓力損失0.3MPa, 電磁換向閥的額定流量150L/min,額定壓力損失為0.2MPa, 單向調(diào)速閥的額定流量為160L/min,額定壓力損0.3MPa。溢流閥的額定流量為120L/min,額定壓力損失為0.2MPa
通過各閥的損失之和為:
通過各閥的損失之和為:
=0.76Mpa
以上計(jì)算結(jié)果是大小是同時(shí)工作的,所經(jīng)過的管道都是一樣的。則大小泵是同時(shí)工作的,所以大小泵到油缸之間總的壓力損失為
=0.023+0.76=0.783MPa
6.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計(jì)算
6.2.1 計(jì)算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率
液壓系統(tǒng)工作時(shí)，除執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)外載荷輸出有效功率外，其余功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，使油溫升高。液壓系統(tǒng)的功率損失主要有以下幾種形式[27]：
（1）液壓泵的功率損失
(20)
式中--工作循環(huán)周期（s）；
z—投入工作液壓泵的臺(tái)數(shù)；
--液壓泵的輸入功率（W）；
--各臺(tái)液壓泵的總效率；
--第I臺(tái)泵工作時(shí)間（