挖掘机的液压系统设计

学 号 [1**********]

毕业设计（论文）

题目：液压挖掘机的液压系统设计

作 者 届 别系 别 专 业 指导教师 李实 职 称

完成时间 2012年5月20日

摘 要

液压系统是目前挖掘机必不可少的组成部分，液压系统通过改变压强增大作用力来工作。完整的液压系统包括：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。挖掘机的工作环境复杂多变，所以对于液压系统提出了很高的设计要求。

在搜集国内外液压系统相关资料的基础上，了解其发展过程，分析总结了液压挖掘机的技术发展动态,了解液压挖掘机液压系统的结构。液压挖掘机由多个系统组成，包括液压系统、传动系统、操纵系统、发动机、油箱、转台等等。本设计致力于挖掘机的液压系统的设计。

关键词： 液压系统 液压挖掘机 液压元件

Summary

The hydraulic system is an integral part of excavator， hydraulic system is to work by changing the pressure to increase the force. The intact hydraulic system is including: power components, the implementation of components, control components, auxiliary components and hydraulic oil. The excavator working environment is complex and changeable, so it is very high requirement of design to hydraulic system.

In the collection of domestic and foreign hydraulic system on the basis of relevant information, understanding of its development process, analyzed and summarized the technology development of hydraulic excavator. Understand hydraulic excavator hydraulic system structure. Hydraulic excavator is composed of a plurality of system components, including the hydraulic system, drive system, control system, engine, fuel tank, table and so on. My design focused on the design of hydraulic system of excavator. Keywords: hydraulic system excavator

目 录

摘 要 ................................................................ II Summary ................................................................ III

第一章 前言 ............................................................. 1

1.1前言 .............................................................. 1

1.2 挖掘机的简介 ...................................................... 2

1.3 国内外的发展趋势 .................................................. 2

1.3.1 国内发展趋势 ................................................ 2

1.3.2 国外发展趋势 ................................................ 3

1.4 本设计的主要内容 .................................................. 4

1.4.1 了解液压挖掘机液压系统的结构 ................................ 4

1.4.2 挖掘机液压系统设计要求 ...................................... 4

第二章 液压挖掘机结构与工作原理 ......................................... 4

2.1 液压挖掘机的系统组成 .............................................. 4

2.1.1 动力系统 .................................................... 4

2.1.2 液压系统 .................................................... 5

2.1.3 机械系统 .................................................... 5

2.1.4 控制系统 .................................................... 5

2.2 液压挖掘机结构 .................................................... 5

2.2.1 液压挖掘机组成 .............................................. 5

2.2.2 单斗反铲液压挖掘机 .......................................... 6

2.2.3 液压挖掘机工作循环过程 ...................................... 7

2.3 液压挖掘机传动原理 ................................................ 7

第三章 挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定 ....................... 8

3.1 液压系统的工况分析 ................................................ 8

3.1.1 挖掘工况分析 ................................................ 9

3.2 挖掘机液压系统的设计要求 .......................................... 9

3.2.1 满斗举升回斗工况分析 ....................................... 11

3.2.2 卸载工况分析 ............................................... 11

3.2.3 空斗返回工况分析 ........................................... 12

3.3 挖掘机液压系统的设计要求 ......................................... 12

3.3.1 动力性要求 ................................................. 13

3.3.2 操纵性要求 ................................................. 13

3.3.3 节能性要求 ................................................. 13

3.3.4 安全性要求 ................................................. 14

3.3.5 其它性能要求 ............................................... 14

3.4 液压系统方案拟订 ................................................. 14

第四章 液压系统的设计 ................................................. 15

4.1 确定油缸所受的作用力 ............................................. 15

4.1.1 铲斗油缸作用力的分析 ....................................... 15

4.1.2 斗杆油缸作用的确定 ......................................... 18

4.1.3 动臂油缸作用力分析 ......................................... 19

4.2 各油缸尺寸的确定 ................................................. 20

4.2.1 铲斗油缸工作压力的确定 ..................................... 20

4.2.2 缸径D和油塞杠直径d的确定 ................................. 21

4.2.3 缸壁厚和外径的计算 ......................................... 21

4.3 斗杆油缸尺寸的计算 ............................................... 22

4.3.1 由铲斗油缸计算步骤知斗杆缸受力平衡 ......................... 22

4.3.2 缸壁厚和外径的计算 ......................................... 22

4.4 动臂缸的尺寸计算 ................................................. 23

4.4.1 由铲斗油缸计算步骤知动臂油缸受力平衡 ....................... 23

4.4.2 缸壁厚和外径的计算 ......................................... 23

4.6 各液压缸和马达流量的确定 ......................................... 24

4.6.1 每个缸的流量计算 ........................................... 25

4.6.2 回转马达的流量的计算及选型 ................................. 25

4.6.3 行走马达的选用 ............................................. 26

4.6.4 主回路液压泵的选择 ......................................... 27

4.7 管路油管的选择 ................................................... 28

4.7.1 油管内径的确定 ............................................. 28

4.7.2 管接头的选择 ............................................... 28

4.7.3 螺塞的选用 ................................................. 29

4.8 液压油箱的确定 ................................................... 29

4.8.1 液压系统的发热和升温的验算 ................................. 29

4.9 液压装置的结构设计 ............................................... 30

4.9.1 阀集成款 ................................................... 30

结 论 ................................................................. 31

参考文献 ................................................................ 32

致 谢 ................................................................. 33

i

第一章 前言

1.1前言

作为具有多功能这一特性的机械，液压挖掘机被广泛使用于交通运输，矿山采掘和电力工程等施工中，挖掘机减轻了作业难度，提高作业效率，加快建设速度以及提高劳动生产率方面表现出十分显著的作用。具有多种品种、多功能、高质量及高效率等特点的液压挖掘机，受到了施工作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造也日益发展起来。

液压挖掘机和液压传动密不可分，液压技术是其发展的基础。液压挖掘机的结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，恶劣的工作条件，加上要实现复杂的动作，因此它对液压系统的设计提出了很高的要求，所以对挖掘机液压系统的分析设计已经成为推动挖掘机发展的关键环节。

1.铲斗缸 2.斗杆缸 3.动臂缸 4.回转马达 5.冷却器 6.滤油器 7. 磁滤器

8.油箱 9.液压泵 10.背压阀11. 后组合阀 12.前组合阀 13.中央回转接头

14.回转制动阀 15.限速阀16.行走马达

图1 液压挖掘机整体系统图

1.2 挖掘机的简介

从第一台挖掘机的诞生，距今挖掘机历史已有130多年，经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机到应用机电一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。由于液压技术的应用，20世纪40年代诞生了悬挂式挖掘机，灵感来自于在拖拉机配装液压反铲。拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机相继在50年代中期研发出来。进入到20世纪60年代，液压挖掘机进入了发展的黄金阶段，各国挖掘机制造厂产量猛增，并且品种越发的多。

1.3 国内外的发展趋势

1.3.1 国内发展趋势

我国的挖掘机发展较晚，1954年抚顺挖掘机厂才生产出第一台机械式单斗挖掘机，至今，技术仍比较薄弱。

建国初期，从仿制苏联的挖掘机开始了我国挖掘机生产过程。由于发展经济的需要，先后共建立起十多家挖掘机制造厂。从20世纪60年代开始，我国开始液压挖掘机的研发。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型杭州重型和机械厂的WY250型挖掘机等。他们是中国液压挖掘机发展道路上的重要里程碑。到20世纪80年代末，制造厂已达到30多家，品种更是已由40多种。斗容在0.1～2.5 立方米的挖掘机已成系列，船用和水路两用的特种挖掘机也相继诞生。但是总的来说，和国际水平相比较，我国的挖掘机发展仍处于小规模，技术薄弱阶段。通过改革开放，国外先进技术的引进，促进了我国挖掘机的发展。其中合肥、上海、长江等挖掘机厂引进德国利勃海尔公司的A型、R型液压挖掘机制造技术。相继杭州重型机械厂引进德国德玛克公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术，还有山东推土机总厂、黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的PC100、PC120.PC200、PC220.PC300、PC400型液压挖掘机的全套制造技术。这些厂通过技术的引进、消化、吸收，全面的提高了国产液压挖掘机的性能，产量也逐年提高。

1.3.2 国外发展趋势

发达的工业国家，挖掘机的发展很早，这些国家主要生产斗容量3.5-40 立方米的单斗液压挖掘机，并且从20世纪80年代就开始生产各种大型挖掘机。比如，美国马利昂公司研制的步行式拉铲挖掘机，此大型挖掘机的的斗容量达到130多立方米。还有剥离式挖掘机，此挖掘机的斗容量已达150。伊利公司制造的步行式挖掘机，该种挖掘机的斗容量是恐怖的107立方米。

从20世纪后期开始，发达国家挖掘机的发展趋势变为大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化。

1)研发多功能化的挖掘机。为满足市场需要，国外开始研发特型挖掘机，此类挖掘机以小著称，斗容量仅为0.01 立方米左右。中小型挖掘机的发展趋势开始向一机多能的方向发展，为了满足多样的作业需求，配备了多种装备，适用于抓、装、拉、铲等等作业动作。并且相继诞生了一些适用于特殊场合的特种挖掘机。

2) 重视先进的技术，现代化工艺和新结构，挖掘机生产规模更具标准化。例如，采用发动机自动转速调整装置的挖掘机，来自于德国阿特拉斯公司制造。确保挖掘机在最合适的速度下完成动作。贝尔特公司采用了全自动液压系统，使新C系列LS型液压挖掘机得到了更优越的操纵特性，该系统可以根据需要调节流量的供应，大大的提高了生产效率。日本住友集团在新研制的挖掘机上采用功率控制系统，该系统运用了计算机技术，不仅节省了燃料，发动机和液压功率也很大程度的得到了节省，使零部件的寿命得到增加。德国挖掘机公司率先采用了带有合流性质的油泵自动调节系统，工作效率得到最大限度的提高。智能调节系统被日本神钢挖掘机公司运用在新型液压机上，使各种难度的作业操作变的简单明了。ECO(电子控制作业)技术被德意志利勃海尔公司研制出来，作业性能可以视情况调整，取得了高效率、低油耗的效果。 3)大力研制全液型挖掘机，采用最前沿的技术不断改进和革新控制方式，使液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵等操纵方式逐步取代简单的杠杆操纵。在危险地区，如水下作业将采用无线电操纵，利用电子计算机接收器和激光导向相结合的技术，实现作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化是其基础和创造的前提。

1.4 本设计的主要内容

1.4.1 了解液压挖掘机液压系统的结构

挖掘机结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，由于挖掘机的工作环境恶劣，需要完成复杂的动作，所以液压系统的设计要满足很苛刻的要求，液压挖掘机的液压系统也是其他工程机械液压系统中最为复杂的[1]。

1.4.2 挖掘机液压系统设计要求

液压挖掘机一个工作循环分为四种工况：挖掘、满举回转、卸载和卸载返回。进行详细的分析，总结各个工况各执行元件的主要复合动作，根据它们的工作特点，分析液压挖掘机的系统设计要求：动力性要求和操纵性要求[2]。

第二章 液压挖掘机结构与工作原理

2.1 液压挖掘机的系统组成

液压挖掘机可分为:动力系统、液压系统、机械系统、控制系统，如图2.1所示。作为一个有机体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有这密切关系，必然也离不开液压系统、控制系统等性能的优劣。

2.1.1 动力系统

挖掘机工作环境温差大，土石沙粒较多，负荷变化范围大，经常倾斜工作，维护条件恶劣。因此液压挖掘机原动力的第一选择就是柴油机，因为柴油机具有功率特性曲线硬、可靠、燃油经济等特点。

2.1.2 液压系统

液压传动系统用来实现挖掘机的回转、行走和工作装置的运动等等动作，原动机驱动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀。通过司机的操纵，液压泵将压力油单独或同时送往液压执行元件来驱动执行机构工作。液压挖掘机的各种主要动作都依靠液压传动来实现。根据各种运动的需要，有机的连接起液压元件和油管，它们组成的一个整体即是液压系统。这个整体的功能就是用油液当做介质把机械能通过油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等再转变为机械能，再传动各执行机构，以实现各种运动[3]。

2.1.3 机械系统

机械系统弯沉挖掘机的各种动作，主要包括行走装置、回转机构还有工作装置。行走装置将要负担起支撑整个机械的重量，并且能够保证挖掘机可以小范围内行驶。根据结构不同可分为轮胎和履带式。回转机构可以确保挖掘机上半部分绕着回转轴作360度回转。挖掘机作业过程所用到的主要装置是工作装置，常用的装置有正、反铲、起重、装载等装置，并且不同的结构形式可以适用于同一装置上，实际运用中，反铲装置得到了广泛的喜爱[4]。

2.1.4 控制系统

液压挖掘机控制系统用来控制发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液压马达)。电子计算机技术的快速进步，使得挖掘机的控制系统得到了先进的技术支持，促使液压挖掘机的研究重点正逐步向智能化控制系统方向转移。

2.2 液压挖掘机结构

2.2.1 液压挖掘机组成

为了实现液压挖掘机的各种运动，单斗液压挖掘机有两个基本组成部分，即机体(或称主机)和工作装置。机体是完成挖掘机基本动作的基础，可以是履带牵引车辆或为轮

式牵引车辆。上车部分包括动力装置、操纵装置、回转装置和一些辅助装置，回转平台上装配着上车部分。回转支撑连接着回转平台和行走机构(又称下车部分)，平台可以绕着中央轴做360度的回转。不同的工作性质配备不同的工作装置，例如配备反铲、正铲、装载、起重等装置时，将分别完成挖掘、装载、抓取、起重、破碎、修坡、清沟等不同性质的工作。挖掘机的各部分的构造、性能决定挖掘机的总体性能[5]。

2.2.2 单斗反铲液压挖掘机

反铲装置是挖掘机的主要工作装置，目前得到很广泛的适用。选用反铲装置的液压挖掘机的斗容量一般小于1.6立方米，它分为整体臂式和组合臂式。整体鹅颈式动臂结构适用于长期作业的挖掘机。该动臂有利于增加挖掘机深度，结构简单、更经济。刚度相同时，其重量轻于组合动臂，所以该工作装置受到广泛的青睐。

单斗液压挖掘机最常用的结构型式为铰接式，即为动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接。在液压缸的压力作用下各部件绕铰接点转动，完成挖掘、提升和卸土等动作。如图 2.1 所示，整体鹅颈式动臂反铲挖掘机工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。斗杆铰接于动臂的上端，斗杆与动臂的相对角度由斗杆油箱控制。当斗杆油缸伸缩时，斗杆绕动臂上铰点转动。同理，铲斗与斗杆前端铰接，铲斗油缸伸缩带动铲斗转动。

1、斗杆油缸 2、动臂 3、油管 4、动臂油缸 5、铲斗 6、斗齿

7、侧齿 8、连杆 9、摇杆 10、铲斗油缸 11、斗杆

图2.1 反铲挖掘机工作装置

2.2.3 液压挖掘机工作循环过程

首先土石装载车和液压挖掘机进入施工场所，装载停靠在合适位置。司机操控挖掘机行驶到作业地点，在执行上面所诉动作时，同时操纵动臂油缸伸缩，动臂会下降，直至铲斗停靠到地面为止。然后司机通过控制斗杆和铲斗油缸的换向阀，使得两个油缸大腔流进油液，继而进行挖和装的复合动作。铲斗装满土石后，将两油缸的操纵把手扳回原位，从而使斗杆和铲斗油缸停止进油，继而调节动臂缸换向阀，使动臂下腔进油使动臂提升，抬起满载的铲斗到半空，操纵换向手柄，使平台回转，使土石转移到装载车的上面，再操纵斗杆油缸使铲斗高度下降一点，在适当的高度使铲斗卸土。土方卸完后，使平台回转并且降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以进行下一工作循环[6]。

2.3 液压挖掘机传动原理

液压挖掘机通常采用三组液压缸从而使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转平台运动，所以使铲斗运动范围扩大到有限的空间。再通过行走马达驱动行走，挖掘空间间断性的得到扩大，从而满足复杂的作业动作要求。

连杆原理被挖掘机应用于工作装置上，各部分动作的完成依赖于油缸的伸缩。工作装置由三组液压缸、斗杆、动臂等组成。转台上铰接着动臂的一个铰点，动臂油缸控制着动臂及整个工作装置的运动。依靠斗杆缸的伸缩实现斗杆围绕动臂铰点运动。斗杆末端铰接着铲斗，通过铲斗缸伸缩和连杆运动决定铲围绕铰点运动。在作业时，首先需要连接好回转马达，转动转台，使铲斗回转到作业位置，并且还要操作换向阀使动臂缸小腔流进油液完成液压缸收缩运动，此时当铲斗接触到土石时，继续操作斗杆缸及铲斗缸，两个液压缸因大腔流进油液从而伸长，从而驱动铲斗运动作业。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停止动作并操纵动臂缸大腔进油，动臂抬起，同时接通回转马达，使工作装置回转到卸载位置，再操纵铲斗缸和斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。在实际挖掘作业中，由于挖掘机环境和挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作可以采取多样的配合形式。 [7]

第三章 挖掘机工况分析以及液压系统设计方案的的确定

要着手液压系统的设计，首先要做到对其工作特性和作业要求的分析和总结，了解各元件在工作时的流量需求情况，对功率和力的需求，以及多个液压作用元件之间相互配合运动所满足的要求和油泵对于流量和功率怎么同时分配给各液压元件的问题。

3.1 液压系统的工况分析

挖掘机的基本运动包括以下动作(如图3.1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。除了辅助动作不需要全功率驱动，其它类型挖掘机动作，都要考虑全功率驱动。 [8]

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

图3.1

液压挖掘机基本运动

3.1.1 挖掘工况分析

挖掘过程主要以铲斗缸或斗杆缸分别单独动作来实现，或两者复合动作，有时还需要配以动臂液压缸的动作。

挖掘机在平整土地或切削斜坡时，需同时操纵动臂和斗杆，以确保斗尖沿直线运动，如图3.2，3.3所示。此时斗杆收回，动臂抬起，斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以保证彼此动作独立，互不干扰，并要求泵的供油量要小，使油缸动作慢，易于控制。如果要使铲斗保持一定角度作业，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成此复合动作，如图3.4,3.5所示。

图3.2 斗尖沿直线平整土地图 图3.3 斗尖沿直线切削斜坡图

图3.4 铲斗底压整地面图 图3.5 铲斗底保持一定角度切削图

3.2 挖掘机液压系统的设计要求

液压挖掘机需要做很多复杂的动作，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等，具有多种自由度。这些主要机构需要经常实现起动、制动、换向等动作，所以其外负载变化很大，造成更多的冲击和振动，因此挖掘机的液压系统的性能

要求非常之高。根据液压挖掘机的工作特点，在设计液压系统时需要考虑如下几点:

双泵合流可以很好的提高挖掘机速度，所以斗杆挖掘机时多采用双泵合流，当然个别系统也会采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。以下我们用三泵系统为例，来说明机械在做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。液压马达使回转平台转到卸土处，此时主要是由动臂和回转平台配合所完成的复合动作[9]。

当斗杆和铲斗相配合做复合动作挖掘时，供油情况如图3.6a 所示。当斗杆油压接近溢流阀的压力时，溢流出的油液会同时供给铲斗有效利用。当斗杆和动臂复合动作挖掘时，动臂的作用是调节挖掘位置，挖掘动作主要由斗杆完成，因此采用斗杆优先合流、双泵供油，如图3.6b 所示。

图3.6 三泵供油系统示意图

当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为防止同一油泵同时向不同的液压元件供油产生油压不稳的情况，该系统采用每个油泵单独给一个液压元件供油。对于双泵系统，其在做复杂运作时各个液压元件间发生流量分配不合理的可能性要比三泵系统大，所以采用流量分配措施很必要，两泵的流量分配和三泵系统类似。

挖掘机要实施非水平角度作业时，为了保证效率，回转力是必不可少的，因此回转马达需要提供液压油以完成动作。当需要一直让铲斗紧贴斜壁进行作业时，斗杆缸和回转马达需要同时进油，实现缸同时运动。由于同一油泵提供压力油，所以要求运用回转优先油路，保证铲斗能正常的贴住斜壁，否则机械难以进行工作。节流效应取决于回转

压力，压力越大，效应越大。此时斗杆缸液压油回油压力将会持续增高，液压泵提供液

压油的压力也随之增大。伴着操纵杆移动距离的增大，回转力随着回转马达油压的增大而增大。挖掘过程中难免会遇到坚硬的物体，此时需要瞬间得到较大的挖掘力，所以要求动力元件能瞬间暂时增压，使主压力阀得到较大的压力。

3.2.1 满斗举升回斗工况分析

作业完成后，动臂油缸收缩将动臂抬起，满斗举升，回转平台随着液压马达的作用旋转到卸载处，此动作由回转马达和动臂配合完成。动臂以及铲斗要求自动停留在一个合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对于装卸车的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系必须有可调性。卸载回转角度越大，则要求回转速度越快些，此时要求动臂的提升速度得慢些。

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，此时需要把溢流出的油液提供给动臂，如图3.7a 所示。在回转和动臂提升的同时，斗杆要向外放置，有时，因为环境的影响还需调整铲斗。这些动作是由回转马达、动臂、斗杆和铲斗配合完成。

由于满斗提升时动臂油缸压力增加到很高，变量泵只能得到很小的流量，为了使动臂提升、回转、斗杆外放相互正常的配合动作，需要由一个油泵专门向动臂油缸供油，以保证压力的平衡，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油缸，如图3.7b。但是由于动臂提升时油压较高，避免损坏单向阀，所以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3.7c 所示。各个油泵分别向对应的一个液压作用元件供油，复合动作时并不会相互干扰。

3.2.2 卸载工况分析

回转至卸载位置时，制动转向台，通过斗杆调节，铲斗油缸伸缩完成卸载动作。为了调整卸载位置，还需要动臂配合。卸载时，主要是斗杆以及铲斗配合动作，加以动臂运动。

图3.7 回转举升供油情况

3.2.3 空斗返回工况分析

卸载动作完成后，转台转动，同时动臂缸及斗杆缸复合动作，把空斗放到新的作业位置。该工况需要三者相互合作完成动作。由于受到重力作用，尤其是动臂下降过程中，压力变低，变量泵得到较大流量，使得下降快，并需要以很快的速度回转，因此完成该工况动作时，回转马达将会得到一个油泵的所有流量，另一油泵的大部分油供给动臂，其余部分油经节流阀供给斗杆，如图3.8 所示。

发动机在低转速时油泵供油量较小，为了防止动臂因受重力迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，需要采用补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。

图3.8 空斗返回供油情况

3.3 挖掘机液压系统的设计要求

挖掘机需要完成很多繁复的动作，且具有多种机构，如行走、回转、工作机构等，此机械具有多自由度的特能。所有机构经常要承受较大范围的负载冲击以及振动。所以液压系统的设计需要达到很高的规格才能满足当今挖掘机的苛刻条件。依据挖掘机的工作特性，需做到以下几点。

3.3.1 动力性要求

确保发动机在没超过最高功率的前提下，最大限度的利用其功率，使生产效率最大化，这就是所说的动力要求。液压系统要做到与发动机的完美匹配，尤其是在外负载不断变化的情况下。确保当负载比较小时，实现油泵的大流量输出，增快执行元件的速度。在双泵系统中，合流方式很好的增大了发动机的工作效率。

3.3.2 操纵性要求

（1）调速性要求

调速的性能优劣程度对于挖掘机来说具有很重要的作用，怎样实现机器方便的顺从人员的操作控制，每个元件的性能是否具有稳定可靠性，本就是液压系统设计中必不可少要考虑的问题。机械在挖掘作业中会承受很大的外载变化，截然不同的工作环境需要不同的功率，所以每个元件都需要有很高的性能。

（2）复合操纵性要求

挖掘动作中每个执行元件都可以单独动作，更多的时候需要相互配合以完成复杂的作业动作，因此考虑怎样完成多个执行元件互不影响的复杂运动也是挖掘机液压系统操纵性并不可少的一面。

互补影响运动，是多个执行元件配合一起动作的前提，要实现互补干涉完成动作，必须解决好流量的合理分配。对于行走机构，如何实现左、右马达的相互配合动作更需要引起高度重视。在行驶动作中，如果油液供应得不到满足，将会导致两侧马达得到不同的行驶速度，造成挖掘机跑偏，很大程度上增加了安全隐患。

另外，当多执行元件同时动作时，各操纵阀都在最大限度下作业，往往会出现油泵的最大供油量满足不了系统所需要的总流量，此时因压力油由于优先供给低压执行元件，这样高压执行元件就会出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，调节多执行元件共同作用时流量分配问题也是液压系统设计需着重考虑的问题。

3.3.3 节能性要求

挖掘机工作时间长，能量消耗大，所以液压系统需要较高的工作效率，此时就要降低各个执行元件和管路的能量损耗，因此挖掘机液压系统设计中应做好各节能措施。当

对各个执行元件进行调速控制时，油泵的输出流量大于系统所需的总流量，所以有一部分的流量将会损失掉。出于效率，损失越小越好。当挖掘机处于空载状态下时，怎样降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，都是降低能量损耗的关键所在[10]。

3.3.4 安全性要求

挖掘机的工作条件恶劣，载荷变化和冲击振动大，挖掘机的使用寿命需经历很大的考验，所以其液压系统要具有良好的过载保护措施，以防止油泵过载和因外负载冲击而造成额外的损伤。

3.3.5 其它性能要求

对各个液压作用元件的损伤保护，回转机构和行走装置可靠出现的制动和限速问题，以及防止动臂因重力作用快速下降和整机超速溜坡等现象。

要实现各液压元件的标准化，系类化，可以降低挖掘机的制造成本。液压挖掘机作业环境恶劣，各功能部件必须具有很高的可靠性和耐久性。由于挖掘机在建设施工中得到越来越多的青睐。提高挖掘机的性能，降低振动和噪音，环保性等人性化的设计理念也越来越得到人们的重视。

3.4 液压系统方案拟订

(1) 液压挖掘机一个工作循环可分为四种工况：挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况和卸载返回工况。在详细分析各工况的基础上，分析各执行元件在不同工况下的配合动作后提出初步方案。

(2 )依据其工作特点，总结设计要求。

(3 )提出一种简洁、客观的液压系统的研究方案，并且详细的介绍设计步骤。

第四章 液压系统的设计

表格 1主要参数

4.1 确定油缸所受的作用力

4.1.1 铲斗油缸作用力的分析

图4.1 铲斗油缸作用力分析

反铲装置载作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗油缸设计的依据。最大挖掘深度时能保证具有最大挖掘力来分析确定铲斗油缸的作用力。此时计算位置为动臂下放到最低位置，铲斗油缸作用力与斗杆铰点的最大力臂。 由图计算

铲斗油缸作用力为：

Fd

F1maxlC

l1

（4-1）

式中l1—铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂长度）

lCF1max

对铲斗与斗杆铰点C的力臂

已知 lC=1200mm l1=320mm

Fd=Fd

1351200

320

=506.25KN

这时斗杆及动臂油缸处于封闭状态，斗杆油缸封闭力F/g应满足：

Fg

/

F1maxlBF2lB

/

(4-2)

l2

式中l2—斗杆油缸闭锁力F/g对斗杆与动臂铰点B的力臂

lBF1max对斗杆与动臂铰点B的力臂

l/

BF2对斗杆与动臂铰点B

的力臂

F2—挖掘阻力的法向分力，F20.2F1max

已知 l/

2=320mm lB=3500mm lB=550mm

F20.2F1max=27KN

/

F/

g

F1maxlBF2lB

27550

l =

135KN2

320

=1522.97铲斗油缸闭锁力F/b应满足

/

F/

maxlAF2lA

b

F1l 3

式中l/3——动臂油缸闭锁力Fb对铰点Ａ的力臂

lAF1max

对动臂下铰点Ａ的力臂

l/

AF2对铰点Ａ的力臂

已经 l/3=300mm lA=5800mm lA=4400mm

/

F/



F1maxlAF2lA

b

l =

5800274400

3

300

=3006KN

(4-3)

4.1.2 斗杆油缸作用的确定

当挖掘机以铲斗挖掘时，其最大挖掘力则由斗杆油缸来保证。斗杆油缸最大作用力的计算位置为动臂下方到最低位置，斗杆油缸作用力对斗杆与动臂铰点有最大力臂，即对斗杆产生最大作用力距，并使斗齿尖和铰点B，C在一条直线上，如下图所示。

图4.2斗杆油缸作用力分析

与前面推导斗杆油缸作用力一样，此时斗杆油缸作用力为：

Fg

F1maxlB

l2

=

135

320

=1476.56KN

而铲斗油缸及动臂油缸处于闭锁状态，所以铲斗油缸闭锁力Fd/应满足：

/Fd

F1maxlC

l1

=

135

320

=506.25KN

铲斗油缸闭锁力Fd/应满足：

/

F

/d

F1maxlAF2lA

=

13527

= 3006KN

l3

300

斗杆最大挖掘力也受到挖掘机稳定性条件的限制。

当以斗杆油缸进行挖掘时，由于作用力臂的变化、结构自身的影响及铲斗相对斗杆位置 的变化，斗杆挖掘机力也相应的变化[6]。 4.1.3 动臂油缸作用力分析

动臂油缸作用力，即最大提升力，以能提升铲斗内装满土壤的工作装置至最大卸载距离位置进行卸载来确定，其计算简图如下图所示。

图4.3 动臂油缸作用力分析

此时动臂油缸作用力为：

F1b＝

l（GdtldAGglgAGblbA） (4-4)

3

式中Gdt——铲斗及其装载土壤重力

GG——斗杆所受重力 Gb——动臂所受重力

ldA——铲斗质心到动臂下铰点A的水平距离

lgA——斗杆质心到动臂下铰点A

的水平距离

lbA——动臂质心到动臂下铰点A的水平距离

Gdt＝2103

Nmg

lgA=4.8m, ldA＝5.8m，Gb＝5.14103N，，选取Gg＝4.3103N，

lbA=1.2m， l3=0.3m。

其中铲斗的重力为1.5103N，根据公式 m

S

V (4-5)

VVRkS (4-6)

k

 (4-7) 式中 m－装载土壤的质量（kg）

S

s

V－平均有效斗容量（m3）

－铲斗充满系数（m3），根据工作环境，选择充满系数为1

－自然情况下土壤的密度，根据工作环境，选择－疏松后的土壤密度

S

S

1750kgm

3

kS－土壤的松散系数，根据工作环境，取k1.35

代入数据，求得：

s1296.3kgm m259.3kg

3

Fb(26.6420.646.18)x100.336310N

33

4.2 各油缸尺寸的确定

4.2.1 铲斗油缸工作压力的确定

油缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时可用类比法来确定。

表格 2各设备工作压力

初选系统工作压力为25Mpa。

4.2.2 缸径D和油塞杠直径d的确定

挖掘机液压缸均为单活塞杠液压缸，其原理图如下所示

d/D由受力平衡得

4Dp1=

2

Fcm22

Dd）p2

4

式中 p1 —液压缸工作压力，处算时可取系统工作压力 p1pp25Mpa

p2

—液压缸回油腔背压，可取

p11Mpa

d/D —活塞缸直径与液压缸内径之比，按表取d/D=0.7 F —工作循环中最大的负载，此处F=Fd=506.25KN cm —液压缸机械效率，一般取cm=0.9 将上式代入缸受力平衡方程式得

D

=0.17m=170mm 则d=0.7×170=119mm 取整d=120mm

4.2.3 缸壁厚和外径的计算

根据机械设计手册，在此液压系统中，3.2≤D/δ＜16，故缸筒壁厚应用中等壁厚计算公式，此时：

PyD(2.3[]Py)

δ=

+ C (4-8)

ψ：强度系数，对无缝钢管， ψ=1 C：用来圆整壁厚数 py:试验压力，一般取最大工作压力的（1.25—1.5）倍 D：缸筒内径 [σ]——缸筒材料许用应力，无缝钢[σ]=100——110Mpa 式中 py=1.5py=37.5Mpa [σ]取110Mpa

δ=PyD + (2.3[]Py)

C

=0.030+ C 取δ=30mm

则缸外径 D1 =D+2δ=170+2×30=230mm 取铲斗缸工作行程为L=1350mm

4.3 斗杆油缸尺寸的计算

4.3.1 由铲斗油缸计算步骤知斗杆缸受力平衡

D2

pFg4

1=

22

cm

4

Dd）p2

D

=0.292m=292mm 取整D=300mm

则铲斗油缸活塞杆d=0.7D=210mm 4.3.2 缸壁厚和外径的计算

δ=PyD(2.3[]P +C = 0.052m+C=52mm+C y)

取整δ=52mm

则外径D1=D+2δ=300+2×52=404mm 取整D1=400mm 取斗杆缸工作行程L=1755mm

4.4 动臂缸的尺寸计算

4.4.1 由铲斗油缸计算步骤知动臂油缸受力平衡

4

Fbcm

22

Dd）p2

4

Dp1=

2

D

=0.145m=145mm 取整D=145mm

则动臂油缸活塞杆d=0.7D=101.5mm 取整d=100mm 4.4.2 缸壁厚和外径的计算

PyD(2.3[]Py)

δ= +C=0.025m+C 取整δ=25mm

则外径D1=D+2δ=145+2×25=199mm 取整D1=200mm

取动臂缸活塞工作行程L=1655mm

4.5 液压系统图的拟定

4.6 各液压缸和马达流量的确定

取每个液压缸的伸缩速度 Vmax=6000mm/min 根据前面计算出的各缸参数如下：

铲斗缸：缸内径D=170mm 活塞缸径d=120mm 行程L=1350mm 斗杆缸：缸内径D=300mm 活塞缸径d=210mm 行程L=1755mm 动臂缸：缸内径D=145mm 活塞缸径d=100mm 行程L=1655mm 4.6.1 每个缸的流量计算

Qmax=

铲斗缸Q1= 斗杆缸Q2=

1414

4

D

2

Vmax

(4-9)

×3.14×1.72×60=136L/min ×3.14×32×60=423 L/min

14

动臂缸Q3=2×

×3.14×1.452×60=198 L/min

4.6.2 回转马达的流量的计算及选型

转启动力矩一般应小于制动力矩。当回转机构仅靠液压制动时，启动力矩MO小于或等于制动力矩MB，可以取

C=

MBMO

=1—1.1 (4-10)

当回转机构带附加机械制动时，C最高可达2，一般取C=1.6.对于一定的回转机构来说，启动力矩和制动力矩越大，则平台回转加速和减速度也越大，从而可提高回转速度，缩短回转时间。但回转加速度过大会增加动载荷和冲击，同时启动力矩和制动力矩的增大也受地面附着条件的限制。地面附着条件可用附着力矩MF表示。机械制动一般取MB=（0.8—0.9）MF，液压制动可取MB=（0.5—0.7）MF

履带式液压挖掘机地面附着力矩的计算可以采取下面的简化公式

3

M

F

=5000µm4 (4-11)

式中 MF——地面附着力矩，Nm； m——整机质量，t；

——地面附着系数，平板履带板取=0.25，带筋履带板取=0.5.

3

则 MF=5000×0.5× 8.349又

MOC

=12225Nm

MB=0.8M

F

=12225×0.8=9780Nm (4-12)

M

O

=

MOC

=6112.5Nm (4-13)

设经过四级减速，传动比i总=3×3×2×1=18

则马达所受最大力 MO=

理论排量 q=

MOi

=339Nm （4-14）

MOmPm

=15.1mL/r (4-15)

据此查手册选出液压马达型号，轴向柱塞马达25（YCY）14-1B 排量25mL/r 额定转速1500r/min

4.6.3 行走马达的选用

液压挖掘机行走速度有 0—1.7Km/h 和 0—3.4 Km/h两种可调高低速，故由上面选出的液压马达40（YCY）14-1B。

4.6.4 主回路液压泵的选择

泵所需总流量 q总=K

式中 K—系统渗漏系数，一般取1.1—1.3，此外取K=1.2；

q (4-16)



q——各动作元件同时动作的最大流量之和。

由上面的计算得知 q=136+423+198=757L/min 则 q总=1.2×757=908.4 L/min

本设计采用双联斜轴式定量柱塞泵，则每个泵所需要流量

q=454.2 L/min

液压缸工作压力的确定

Pp

P1+P (4-17)

P1--是执行元件的最高工作压力,对于本系统的最高工作压力是销锁油缸的入口压力

P--是从液压泵出口液压缸之间的管路损失。 p=1Mpa

则pp=25+1=26Mpa

。

参照产品选取压力比系统最高压力高10%--30%.额定流量不低于上述计算结果的液压泵，可据此选择泵型号160YCY-1B 双联定量轴向柱塞泵，额定压力为32Mpa，最大排量160mL/min，最高转速1750r/min。

4.7 管路油管的选择

管路是液压系统中液压元件之间传递工作介质的各种油管的总称。管接头用于油管与油管和油管与液压元件之间的连接，为了保证液压元件之间工作的可靠性，管路及管接头应具有足够的强度，良好的密封性，其压力损失也要小，拆除方便[11]。 4.7.1 油管内径的确定

油管的内径取决于管路的种类及管内的流速。油管的内径由下面的公式确定：

d

式中：Q——流经管路的流量；V——油管内的允许流速。

对吸油管可取V=（1—1.5）m/s 一般取1m/s，回油管可取V16Mpa时，取V>5m/s。

对吸油管有：d

4.16

=31.13mm

取整d=35mm

对回油管有：d

4.16

取整d=45mm

4.7.2 管接头的选择

管接头采用焊接式接头，焊接式管接头主要由接头体.螺母和接管组成，在接头盒接管之间用0型密封圈密封。当接头体拧入机体时，采用金属垫圈组合实现断面密封。接管和管路系统中的钢管接头用焊接连接，管接头和机体的连接主要采用普通细牙螺纹，根据《机械设计手册》选用焊接式管接头。

4.7.3 螺塞的选用

螺塞主要用于堵塞工艺孔和油箱放油孔，以及缸筒需要堵死的地方。选用六角螺塞。

4.8 液压油箱的确定

油箱的容积一般是泵没分钟流量的3—5倍，当系统采用定量泵时油箱的容量不能小于泵每分钟流量的3倍。此系统中泵流量为560L/min，则油箱容积V=560×4=2240L。外形尺寸按1：1.4:1.6设计，可得出油箱长×宽×高=1000×1400×1600（mm） 4.8.1 液压系统的发热和升温的验算 系统工作时液压泵的输入功率由前面的计算可知

p1

=

225

60

=466.66KW

挖掘机工作时，液压缸的最大输出功率

p2FdVmaxFgVmaxFbVmax2m (4-19)

=506.250.1+1476.560.1+3630.1+23.140.889

=397.42KW

式中：Tm——液压马达的外工作负载力矩，Nm

175060

——液压马达旋转角速度，rad/s。

则系统的总发热功率



=p1p2=466.66-397.42=69.24KW (4-20)

已知油箱容积

V=2240×10

3

m

3

则油箱近似散热面积A为：

A

m2 (4-21)

油箱通风良好，取油箱散热系统G=17×KW102

则油压升温 △T=

GA

=

69.241710

2

11.13

=36.5度 (4-22)

设环境升温T2=25C 则热平衡温度为： T1=T2+△T=25+36.5=61.5

4.9 液压装置的结构设计

液压装置按配置形式可以分为集中配置和分散配置两种形式。集中式配置主要用于固定的液压设备中，入机床及其自动线液压系统。分散式配置主要用于移动式液压设备，入工程机械液压系统等。本次设计的是挖掘机液压系统，所以采用分散式配置，不需要进行液压站的设计。采用分散式配置的优点是结构紧凑，节省占地面积。缺点是安装维修较复杂，动力源的震动和油温影响主机的精度[12]。 4.9.1 阀集成款

液压阀集成快哉液压系统的设计中占有很重要的地位，它不仅便于集中管理，而且可以减少管路，提高液压系统的工作的可靠性。阀集成块的设计原则：

（1） 合理选择集成阀的个数，若集成阀的太多，会使阀块的体积过大，设计，加

工困难；集成的太少，集成的意义又不大。本次设计中每个块集成3个阀。

（2） 在阀块设计时，块内的油路应尽量简捷，尽量减少深孔，斜孔，阀块中的孔

径应与通过的流量相匹配。

（3） 阀块设计时应注意进出油口的方向和位置，应与系统的总体布置及管道连接

形式匹配，并考虑安装操作方便。

（4） 阀块设计时还要考虑水平或垂直安装要求的阀，必须符合要求。需要调节的

阀应放在便于操作的位置，需要经常检修的阀应安装在阀块的上方或外侧。

（5） 阀块设计时要设计足够数量的测压点，以供阀块试用。

结 论

在本次毕业设计之中，我对液压挖掘机的液压系统做了简单的设计，以其主要的的液压元件为研究的对象，进行计算和分析，然后又根据这些得出的结论对液压元件分析，总结之后再对液压系统中的液压元件选型。

从液压缸的计算开始，液压缸内径，缸筒壁厚，活塞杆强度，液压缸的工作压力，液压马达的排量和工作压力，液压缸与液压马达排量，发动机功率的系统计算，根据这些计算得到的数据，对液压缸，液压马达，液压泵，发动机进行选择。

液压元件的选定是液压回路设计的基础，对液压马达，液压泵的回油路的设计是根据所选定的液压元件来设计的。

在最后对液压系统性能的验算，对液压油的油温进行分析，总结油温过高的原因以及预防措施。

参考文献

[1] 杨曙东 何存兴.液压传动与气压传动[M].第三版.武汉:华中科技大学出版社,2008 [2] 隗金文，王慧.液压传动[M].第一版.沈阳：东北大学出版社，2001 [3] 陈嘉上主编.2006版实用液压气动技术手册.北京：中国知识出版社 2006； [4] 成大先主编.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2002； [5] 周世昌主编，液压系统设计图集，北京：机械工业出版社,2004； [6] 周涌明等，液压传动设计指导书，武汉：华中工学院出版社，1987； [7] 朱龙根主编，简单机械零件设计手册，北京：机械工业出版社，2003；

[8] Patton W.J.Mechanical Power Transmission. New Jersey:Prinrice-Hall,1980; [9] Mechanical Drive(Reference Issue).Machine Design,1980;

[10] Kennel M R.Toroidal Drive Commines Concepts. Product Engineering.Aug.1979； [11] 胡邦喜主编，设备润滑基础，北京，冶金工业出版社，2002； [12] 李壮云主编.液压元件与系统.北京：机械工业出版社，2005；

致 谢

经过这次毕业设计过程，我觉得收获甚丰。毕业设计是我大学过程中重要的实践教学环节，让我学到了许多课本上学不到的东西，学会了独立设计液压系统，以及如何查阅资料。得到了一个很好的锻炼机会，为以后的走上工作岗位打下了良好的基础。在此，我忠诚的感谢学校的领导和各位导师给我的帮助。

回想大学三年的学习生活，我真诚地感谢我的导师和学校所有领导，在他们精心的培养、指导、无私的关怀与帮助下，促使我顺利完成了学业。各位老师，不仅在学业上严格要求我，而且在工作、生活中给予了我无微不至的长者的关怀和照顾。他们渊博的知识，严谨的治学态度，执着的敬业精神、认真的教学作风以及高尚的人品，使我受益终生。在此我谨向老师们致以最崇高的敬意和最衷心的感谢！

这次毕业设计培养了我科学的思维方式和正确的设计思想，以及分析和解决实际问题的能力，是我在毕业前全面素质教育的重要实践训练。在毕业设计工作中，我认真贯彻理论与实践相结合，教学与科研、生产相结合，教育与国民经济建设和社会发展相结合的原则，加强多学科理论知识和技能综合运用能力的训练，加强了我的创新意识、创新能力和创业精神的培养。