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1、由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706小型挖掘机液压系统设计 摘 要：本文主要对小型挖掘机液压系统的设计进行了阐述。在论文当中，主要介绍了动臂、斗杆、铲斗的液压运动相关液压原理介绍，包括液压缸和液压阀的设计。其主要是小型挖掘机动作时液压系统的油路分析和各个液压阀的控制原理进行了设计，并通过进一步计算确定了需要的液压元件完成选型。运用CAD软件绘制了液压系统原理图，油缸零件图和小型挖掘机的总体装配图。最后通过验算证明了本设计的可行性。关键词：挖掘机；动臂；斗杆；铲斗；液压系统；液压缸；液压阀Small Excavators Hydraulic Sys
2、tem(Orient Science&Technology College of Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China)Abstract：This paper mainly on small sized excavator hydraulic system design is discussed in this paper.In the thesis, mainly introduced the boom, dipper, bucket hydraulic motion related hydraulic principle i
3、s introduced, including the hydraulic cylinder and the hydraulic valve design.It is mainly small excavator hydraulic system oil movement analysis and various hydraulic valve control principles for the design, calculation and further identified the need for complete selection of hydraulic components.
4、Using CAD software to draw a diagram of hydraulic system, hydraulic cylinder part drawing and assembly drawing of small excavator overall.The results show the feasibility of this design.Key words：Excavator；boom；arm；bucket；hydraulic；Hydraulic cylinder；hydraulic valve1 前言1.1 中国小型挖掘机市场现状自20世纪90年代以来，中国经
5、济快速发展，中国工程机械行业也步入了快速发展期。近几年来，小型工程机械作为后起之秀，在施工中，开始部分取代中大型机械的位置，受到用户的普遍欢迎。目前，我国小型挖掘机市场正处在高速发展阶段。随着我国城镇化进程向深度和广度的发展，道路和市政设施的修缮维护及城市小型工程项目的增多，其工程业务量占社会施工总量的比重越来越大。据测算，一台10吨位小型挖掘机的作业效率可以替代3050个劳动力，极大地降低了施工成本和管理成本，使得多功能小型挖掘机的需求量不断上升。在中国，挖掘机市场市场十年来几乎平均每以30%速度递增，从1995年2503台到2004年48921台，净增19.54倍。2004年全国进口液压挖
6、掘机18670台、出口液压挖掘机2749台，2005年国产挖掘机28812台，同比增长4.3%，进口挖掘机18017台，同比减少3.5%，出口挖掘机3839台，同比增长36.43%（其中6吨及以下小挖出口1345台，同比增长77.9%）。中国成为名副其实的世界最大的市场之一。目前，中国挖掘机行业已成为中国工程机械行业增长最快的机种了，有举足轻重的地位。但行业中产销量80%为日、韩、美等外资所占有，主要外资企业有：日立、小松、神钢、斗山、现代、卡特、特雷克斯、利勃海尔、阿特拉斯、沃尔沃等世界著名大企业。还有一些世界小型挖掘机专业企业如：日本久保田、竹内、石川岛、洋马、小桥、长野等、美国凯斯、山猫
7、、英国JCB、德国雪孚等许多世界厂商也开始挺进中国市场。从全球范围看，小型挖掘机产业已经处于市场成熟期，需求量稳定并呈现缓慢上升趋势。随着中国、印度等发展中国家经济的快速发展，工程机械市场也日趋好转，世界知名工程机械厂商为了降低制造成本，增强市场竞争力，逐渐将生产制造环节转移到这些生产成本较低的国家，实现当地生产、当地销售，并开始进入全球市场的供应体系。从国内市场看，中国挖掘机行业经过10余年的快速发展，以外资企业占主导地位的中国中大型挖掘机市场格局日渐稳定，已经成为世界最大的挖掘机生产国和消费国之一。乐观预计，5年之后中国挖掘机的年均需求量将达到100,000台。但是小型挖掘机产业仍然处于市
8、场导入和发展初级阶段，需求正在持续快速的增长。目前小型挖掘机仅占中国全部挖掘机销售量比例的20%，而5年后这个数字预计将达到40%，产销量达到近40000台。这样中国小型挖掘机产业将同其他消费品产业一样，用10年的时间走完欧美等发达国家30年的市场之路。挖掘机是工程机械的标志性产品，部分中国工程机械企业也正以小挖为突破口，进军挖掘机产业，并由此扩展到其他小型工程机械。中国挖掘机产业基本走出了宏观调控带来的不利影响，而且产品结构和区域结构发生了显著的变化。小挖产业近两年的需求变化也说明这一点。1.2 挖掘机的类型挖掘机械的类型与构造型式繁多，可按照挖掘工作原理与过程、用途、构造特征等进行划分。
9、按照挖掘机的作业过程；可分成周期作业式和连续作业式阀类凡是挖掘、运载、卸载等作业依次重复循环进行的挖掘机为周期作业式，各种单斗挖掘机都属于这一类。凡是上述作业同时连续进行的挖掘机为连续作业式，各种多斗挖掘机以及滚切式挖掘机、隧洞掘进机等属于这一类。通常简称单斗挖掘机与多斗挖掘机两类。挖掘机的行走装置型式有：履带式、轮胎式、汽车式、步行式、轨道式，拖式等。履带式与轮胎式采用广泛。步行式主要用于剥离型挖掘机，此外还有浮式（船舶式）挖掘机，专用于水下采掘或港口疏浚（单斗或多斗）。1.3 小型挖掘机的特点小型挖掘机价格低、质量轻、保养维修方便，具有独特优势。由于其小巧、灵活、多功能和高效率等特点，极受
10、用户的欢迎。第一，广泛的适用性。小挖体积小，机动灵活，非常适用于城镇的各种管道开挖、基础施工、公用事业以及房屋维修等作业。小挖紧凑的体积、特殊的设计使其能够在大型挖掘机无法施工的环境中进行作业。第二，鲜明的作业特点。小型挖掘机适合狭窄区域作业的最主要的特点就是其特殊动臂和斗杆的设计。小型挖掘机的动臂是与机身铰接的，这就使其能够在一个很大的范围内进行摆动。同时，这也使得挖掘机能够便于在墙壁或是围墙的旁边进行挖掘作业。小型挖掘机的橡胶履带有助于减少挖掘机施工时对狭窄施工范围内的景观区域以及道路的损坏。第三，便于运输和转移作业场地。小挖便于各个施工现场间的转移，无需大型拖车或是重型卡车来进行运输，小
11、型的运输工具就可将其运载。这样不但能够方便运输，还可以大大降低机器的运输费用。第四，投资回报率高。小挖的价格便宜，成本回收快。以6吨级小挖为例，美欧日品牌机的价格在40万左右，韩国的机器价格在32万左右，国产机器价格在30万32万左右；而20吨级的中挖价格在70万100万左右。1.4 液压挖掘机基本结构和其选择单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是在机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是日前挖掘机械中重要的品种。它的作业过程是以铲斗的切削刃(通常装有斗齿)切削土壤并将土装入斗内，斗装满后提升、回转至卸土位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下一次挖掘。
12、当挖掘机挖完一段土后，机械移位，以便继续工作，因此，是一种周期作业的自行式土方机械。单斗液压按掘机为了实现上述周期性作业动作的要求，设有下列基本组成部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动操纵机构、行走装置和辅助设备等。因而常又把这类机械概括成由：工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。铲斗；2斗杆；3动臂；4连杆；5、6、7液压缸挖掘装置；回转装置；行走装置图1 液压挖掘机的基本组成及传动示意图Fig.1 Hydraulic excavators basic composition and the transmission schematic diagram此处已删除静态特性计算静态特性的
13、计算有两个目的：一是根据静态特性的设计要求，校核上面确定的主要结构尺寸能否满足对静态特性的要求，并进行必要的调整与复算；二是求出主伐弹簧和调压弹簧的刚度及预压缩量，作为弹簧的设计依据。(1)在最高调定压力下主伐芯的额定开口量： = (37) = =0.0723(cm)式中 主阀阀口流量系数，取=0.770.88，本式中取=0.80；油液重度，取=0.903（上调30-1号液压油在油温为，油液压力为320时的值）；主阀座孔径(cm)；公称流量；主阀芯阀口处锥角半角（）；g 重力加速度（）；最高调定压力。(2)卸荷时主阀芯的开口量 = (38) = =0.639(cm)式中 卸荷压力（kgf/）；
14、 主阀阀口流量系数，取=0.770.88，本式中取=0.80；油液重度，取=0.885（上调30-1号液压油在油温为，油液压力为010时的值）。(3)系统压力为开启压力时导阀前油腔的压力=- (39)= =277.5（）式中 主阀芯开启压力（kgf/）； 开启压力时的溢流量，根据设计要求规定: 0.01（06.67）（）；g重力加速度（）；阻尼孔直径(cm)； 阻尼孔长度(cm)；油液重度，取=0.8995；油液运动粘度，取=0.235（）（上调30-1号液压油在油温为，油液压力为200320时的值）； 阻尼孔面积，=0.005（）。(4)液压卡紧阻力F F=0.27fLD (40) =0.2
15、70.080.02722.8277.54 =0.906(kgf) 式中 f摩擦系数，取f=0.040.08； 液压卡紧系数，取=0.027； L主阀芯与阀套的配合长度，取2（cm）； D主阀芯直径（cm）； 导阀前油腔的压力（kgf/）。(5)主阀弹簧刚度K与预压缩量X KX=A-A-G- F (41)取主阀芯重力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=（15）=1.50.639=0.9585（cm）代入KX乘积式中得: K=7/0.9585=7.3（kgf/cm）取K=
16、7（kgf/cm） X=1（cm）式中 导阀前油腔的压力（kgf/）；G主阀芯重力(kgf)；F液压卡紧阻力(kgf)。(6)系统压力为开启压力时导阀的开口量X X= (42) = =0.0032（cm）式中 C导阀阀口的流量系数，可取C=0.77；d导阀座孔径（cm）；导阀芯锥角半角（）；油液重度，取=0.8995；g重力加速度（）；导阀前油腔的压力（）；溢流量，=1.56L/min(26/sec)。 为了使导阀不受几何精度和油液清洁度的影响，保证工作稳定，求得的X值应满足： X0.003（cm）所以X的值满足要求(7)调压弹簧刚度与预压缩量X = (43) 取 =0.1256（cm） X=
17、0.32（cm） 代入上面公式： = =107（kgf/cm） 取=107（kgf/cm） X =0.32（cm）式中 导阀座孔截面积；为了保证达到启闭性能的要求，要求0.850.90，校核由上面上面求得的，X可求出两者乘积，=0.8520.85,因此，可以达到启闭特性的要求。(8)调成最高调定压力时的闭合压力根据经验公式得： =（0.950.98） (44) =0.965 =289.5（）288（）式中 开启压力（kgf/）(9)最低调定压力最低调定压力时是将调压手轮全松，使调压弹簧的预压缩量=0，主阀的开口量达到卸荷压力撕毁的开口量，设导阀油腔压力=0，代入公式： = (45) = =3.
18、5（） 式中 卸荷时主阀芯的开口量(cm)； K主阀弹簧刚度（kgf/cm）； X主阀弹簧预压缩量（cm）； G主阀芯重力(kgf)； 主阀阀口流量系数，取=0.770.88，本式中取=0.80；主阀芯阀口处锥角半角（）；主阀座孔径(cm)； A1主阀芯下侧承压面积(cm)。实际值略大于计算值，因为计算是假定=0，实际上由于流道损失总是大于零的。(10)最小溢流量所谓最小溢流量是指在某一调定压力时，溢流阀所能通过的最小稳定流量。由公式可得出： (46) 取=160320（），代入上式得： =9.81（L/min） =13.9（L/min）式中 调压范围； 主阀阀口流量系数，取=0.770.88
19、，本式中取=0.80； 主阀座孔径(cm)； 主阀芯阀口处锥角半角（）；油液重度，取=0.8995；g重力加速度（）；(11)内泄露量 =0.654 (47) =0.654 =2.385（cm/sec）=143cm/min式中 主阀芯直径（cm）；主阀芯直径与阀套间的单边配合间隙，取=0.00115（cm）；公称压力，=320（）；L主阀芯与阀套的配合长度（cm）； ZL处均压槽数，Z=7；均压槽宽度，b=0.05（cm）；油液动力粘度，（上调30-1号液压油在油温为，油液压力为200320时的值）。(12)缓冲有杆腔缓冲套是一个自对中套筒，可以自动调整同心度，并且因为缓冲套和活塞杆之间有较大
20、间隙，可以减小启动压力。缓冲柱塞采用钢球限位，可以浮动。由于缓冲套和缓冲柱塞都具有浮动特征，故可以有很小的缓冲间隙，自动对心，消除同轴度误差的影响，缓冲性能良好，可降低噪声和冲击载荷，延长机器寿命。3.3.3回转液压马达设计与计算(1)液压马达额定压力确定按照经验公式液压马达的额定压力应比系统工作压力小25%以上，使液压马达有一定的压力储备。 P马达=P系统/1.25=22.4MPa取标准 P马达=20MPa。(2)根据马达计算公式(已知T扭 =17345N.M; n转=11.52r/min) P功= P马达*Q;留；Q;留=q排*n转P功= T扭*2*3.14* n转由以上可得 P功=20.
21、913KW q排=20mL/r为了保证挖掘机能够同时操作回转和其他一个动作，取回转马达最大需求流量为50% QMAX(QMAX泵最大流量=63L/min),取容积效率为0.8；0.8* QMAX *50%= q排*n转*I传动比I=103跟据以上数据决定选用意宁液压IGH28.5T2-B101A2FE45液压回转装置，该回转装置自带减速器。回转装置输出扭矩为28.5KN*M ； I=101.0 ; 液压马达为力士乐A2FE45，静制动扭矩为400-700N*M;图 6 马达参数Fig.6 Motor parameters3.3.4行走液压马达设计与计算(1)行走液压马达额定压力确定按照经验公式
22、液压马达的额定压力应比系统工作压力小25%以上，使行走液压马达有一定的压力储备。 P马达=P系统/1.25=22.4MPa取标准 P马达=20MPa。(2)根据马达计算公式(已知T扭 =7.44KN.M; n转=42.53r/min) P功= P马达*Q;留；Q;留=q排*n转P功= T扭*2*3.14* n转由以上可得 P功=33.12KW；q排=39mL/r； 由于行走马达是两个主泵分别驱动，且行走时不需要其他动作，取行走马达最大需求流量为90% QMAX(QMAX泵最大流量=63L/min),取容积效率为0.8；0.8* QMAX *90%= q排*n转*I；传动比I=28；跟据以上数据
23、决定选用意宁液压行走马达IGY7600T2-B45-42/53 行走装置单侧输出扭矩为7.6KN*M ；用于附带驱动，采用二级行星减速，带停车制动器，总传动比为45，液压马达低速档排量为42m/L,高速档排量为53m/L挖掘机的液压系统是挖掘机上重要的组成部分，它是挖掘机工作循环的的动力系统。挖掘机的工作条件恶劣，且动臂和底盘动作非常频繁，因此要求液压系统工作稳定，平均无故障时间长。因此，液压系统的性能优劣决定着挖掘机工作性能的高低。液压技术的发展直接关系挖掘机的发展，挖掘机与液压技术密不可分，二者相互促进。液压技术是现代挖掘机的技术基础，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。挖掘机的液压系统复
24、杂，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操纵回路等，由它们构成具有各种功能的液压系统。随着科技的进步，挖掘机的液压系统将更加复杂，功能更加多样且便于操作控制，工作效率高，耗能少，先进的液压系统会使挖掘机在工程领域发挥更大的作用。据统计，2003 年我国挖掘机总销售量突破 6 万台，其中国内挖掘机生产企业销量总和达到 3.48 万台，成为世界第一大挖掘机市场。下面图7图 7 马达参数Fig.7 Motor parameter
25、s3.5拟定液压系统原理图根据挖掘机的动作和性能要求，先分别选择液压元件和基本回路，然后把它们根据实际情况有机地结合起来，形成一个能充分发挥.图8原理图Fig.8 Schematic diagram4 结论近年来，我国的工程机械取得了蓬勃的发展，其中，液压传动技术起到了至关重要的作用。而且，随着液压传动技术的快速发展和广泛应用，它已成为下业机械、下程建筑机械等行业小可缺少的重要技术。然而，尽管液压技术在机械能与压力能的转换方而，已取得很大进展，但它在能量损失和传动效率上仍然存在着问题。因为，在液压系统中，随着油液的流动，有相当多的液体能量损失掉，这种能量损失不仅体现在油液流动过程中的内摩擦损失
26、上，还反映在系统的容积损失上，使系统能量利用率降低，传动效率无法提高。高能耗和低效率又使油液发热增加，使性能达小到理想的状况，给液压技术的进一步发展带来障。因此，探索和研究高效液压传动技术，提高其综合性能就成为了液压技术领域研究的重点之一。参考文献1 高衡，张全根.液压挖掘机同编M.北京：中国建筑工业出版社，1981：13-152 章宏甲，黄谊.液压传动M.北京：主编机械工业出版社，2002：25-273 刘希平.工程机械构造图册M.北京：主编机械工业出版社，1990：59-604 李玉琳.液压元件与系统设计M. 北京：北京航空航天大学出版社，19915 陈育仪.工程机械优化设计M. 北京：中
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28、vators, 1995：20-2812 Gregory W,Davis.The Development of an Electro-Hydraulically Controlled Five-Speed Transmission for a Hybrid Electric VehicleJ.London,2001：10911813 段鹏飞，毛君.工程机械M.北京：中国华侨出版社，2002：99-12014 冷兴聚，王春华.机械设计基础M.山东：东北大学出版社，2003：77-8415 马壮，赵越超，孟繁盛.机械工程材料M.湖南：湖南科技技术出版社，2000：11-1516 隗金文，王慧.液压
29、传动M.黑龙江：东北大学出版社，2001：53-57 17 赵显新.工程机械液压传动装置原理与检修M.辽宁：辽宁科学技术出版社，2000：15-1918 杨国平.工程机械液压系统的故障诊断排除及实例M.湖南：湖南科学技术出版社，2002：55-5919 雷天觉.新编液压工程手册M.北京：北京理工大学出版社 ，1998：68-6920 费天.中国机械设计大典M.江西：江西科学出版社，2002：94-9821 成大先.机械设计图册M.河南：化学工业出版社，2000：77-87 致 谢在本次设计完成之际，首先要感谢我的指导老师，治学严谨，工作仔细认真，教给了我许多先进的设计方法和设计理念，在我困惑时耐心地给予分析和讲解，正是在她的大力帮助和支持下，才使这次设计得以顺利完成。也让我在学习新事物、检索资料、绘图、分析并解决问题等各方面的能力得到了较大的锻炼和提高,巩固和加深了所学的知识，培养了独立工作的能力。其次要感谢我的同学，他们在我的毕业设计过程中给了我很大的帮助和支持。感谢工学院所有无私传授知识的各位老师。感谢在百忙中抽出时间来评阅本文的各位老师。
