挖掘机总体方案设计及液压系统设计

挖掘机总体方案设计及液压系统设计内容摘要：

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 万台，成为世界第一大挖掘机市场。 挖掘机的发展与液压技术密不可分，二者相互促进，一方面，液压技术是现代挖掘机的技术基础，另一方面，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杂，其性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。 近年来，有关挖掘机液压系统方面的文献并不少见，但文献的内容大多针对某一专题进行研究，系统地论述现代液压挖掘机液压系统的论文却较少，因此研究挖掘机液压系统具有重要的现实意义和理论意义。 本次设计概述 本 次毕业设计通过查阅相关图书、 期刊、论文，以及通过网上查询等多种途径，经过课题的专业的调研 ,收集相关资料 , 主要是以 WY220 液压挖掘机的液压系统为研究设计对象，根据其总体技术指标进行，在确定工作结构型式和参数基础上，进行液压计算，分析其液压系统的工作原理和工作过程。 绘制挖掘机的液压系统原理图，并完成部分液压零部件图的绘制，按要求编制设计说明书。 2 总体方案设计 履带式液压挖掘机的组成 液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成。 液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。 电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等 ， 如图。 图 单斗反铲液压挖掘机 Backhoe single bucket hydraulic excavator 1柴油机； 2机罩； 3油泵； 4多路阀； 5邮箱； 6回转减速器； 7回转马达； 8回转头； 9驾驶室； 10动臂； 11动臂油缸； 12操纵台； 13边齿； 14斗齿； 15铲斗； 16斗杆 油缸； 17斗杆； 18铲斗油缸； 19平衡重； 20转台； 21行走减速器； 22行走 马达； 23拖链轮； 24履带； Ⅰ 工作室； Ⅱ 上部转台； Ⅲ 行走机构 挖掘机总体方案设计及液压系统设计 设计依据 1）机重 22t 2）标准斗容量 31m 3）发动机功率 120140KW 总体设计原则 进行液压挖掘机的底盘总体设计时应该遵循以下原则： 1）满足使用要求、满足经济性的要求、满足劳动保护的要求、满足工艺性要求、满足机器的结构性能要求、某些零件、部件满足耐磨性要求。 2）在不增高行走装置总高度的前提下应使行走装置具有较大的离地间隙，使挖掘机在不平地面上行走具有良好的通过性能，力求增强机器对各种运行条件和作业要求的适应性； 3）要降低挖掘机的接地比压或具有较大的支承面积，以提高挖掘机的稳定性。 挖掘机在斜坡下行时不发生超速溜坡现象，挖掘时不发生下滑，提高工作时的安全可靠性； 4）挖掘机的行走装置外型尺寸应符合道路运输要求，外形美观； 5）各个部件或总成的性能应相互协调、匹配，力求整体性能的一致和最优化，不可盲目追求某个局部的最佳性能，否则，可能造成整体性能恶化，或产生薄弱坏节； 6）正确地处理继承与创新的辩证关系，采用成熟技术，通过深入的理论分析，进行必要的科学实验，勇于创新。 动力装置的比较与选型 履带式挖掘机常用的动力源主要有三种：电动机、柴油机以及蒸汽机。 每种动力源都具有其特点； 1） 交流与直流电机 电动机是把电能转换成机械能的设备，按 使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。 他们也有各自的优缺点，各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机）。 它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。 大容量低转速的动力机常用同步电动机。 同步电动机不但功率因数高，而且转速与负载大小无关，只决定于电网频率，工作较稳定。 但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。 和交流电动机相比，直流电机的优点是调速性能好，调速范围广，易于平滑调节，起动自动转矩大；易于快速起动、停车；易于控制。 其缺点是：与异步电动机比 较，直流电动机结构复杂，使用维护部方便，而且要用直流电源。 2） 柴油机 柴油机是用柴油作燃料的内燃机，属于压缩点火式发动机。 柴油机具有热效率高的显著优点，经济性优于汽油机，功率大，符合工程机械向大型化发展的趋势。 其应用范围越来越广。 柴油机具有较好的燃油经济性，使用成本低，在相同的续驶里程内，可以设置容积小些的油箱。 柴油机压缩比可以达到 1 5～ 23，而汽油机一般控制在 8～ 10；柴油机热效率高达 38％，而汽油机为 30％；柴油机工作可靠，寿命长，排污量少。 随着强化程度的提高，柴油机单位功率的重量也显 著降低。 为了节能，各国都在注重改善燃烧过程，研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。 此外，降低摩擦损失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染，都是柴油机的重要发展方向。 3）蒸汽机 蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。 蒸汽机有很大的历史作用，它曾推动了机械工业甚至社会的发展。 随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础。 但是蒸汽机离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是 一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。 逐渐为其他动力装置所代替。 挖掘机总体方案设计及液压系统设计 综上所述，液压挖掘机常作业于野外，需要经常行走移动。 由于柴油机作为动力装置不受电源、电缆的限制，使得液压挖掘机移动、行驶方便，故本设计采用了 柴油机 作为动力源。 工作装置的比较与选择 工作装置是直接完成挖掘任务的装置，是液压挖掘机的重要组成部分，它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。 其动作接近于人的手腕运动，具有较大的挖掘和作业性能。 动臂起落、斗杆伸缩和 铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。 为了适应各种不同施工作业的需要，液压挖掘机可以装配多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具，如图。 图 液压挖掘机的多种工作装置 Fig working device of hydraulic excavator range 常见的液压挖掘机的动作装置的功用之一是做挖掘机工作，根据斗杆和动臂刚性连接可主要分为正铲和反铲两种。 反铲工作装置 铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式，动臂、斗杆和铲斗等主要 部件彼此铰接（见图 ），在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作。 1）动臂 动臂是反铲的主要部件，其结果有整体式和组合式两种。 其优点是结构简单，质量轻而刚度大。 缺点是更换的工作装置少，通用性较差。 多用于长期作业条件相似的挖掘机上。 整体式动臂又可分为直动臂和变动臂两种。 其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便，主要用于悬挂式液压挖掘机，它不能使挖掘机机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机；变动臂是目前应用最广泛的结构型式，与同长度的直动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖 掘深度。 但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。 图 反铲 Fig. backhoe 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 如图 ，组合式动臂用辅助连杆或液压缸 3或螺栓连接而成。 上、下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节，虽然使结构和操作 挖掘机总体方案设计及液压系统设计 (a) (b) 图 组合式动臂 Fig bined boom 1—下动臂； 2—上动臂； 3—连杆或液压缸 复 杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下臂之间的夹角，从而提高挖掘机的作业性能，尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深的基坑时，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产率。 组合式动臂的优点是，可以根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘力，且调整时间短。 此外，它的互换工作装置多可满足各种作业的需要，装车运输方便。 其缺点是质量大，制造成本高，一般用于中、小型挖掘机上。 综上比较，本设计选用 组合式动臂。 2) 反铲斗 反铲斗用的铲斗型式、尺寸与其作业对象有很大关系。 为了满足各种挖掘机作业的 需要，在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗，如图。 铲斗的斗齿采用装配式，其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式，如图。 图 反铲 常用铲斗结构 backhoe bucket structure 1—齿座； 2—斗齿； 3—橡胶卡销； 4—卡销； 7—斗齿板 图 斗齿安装形式 bucket tooth installation （ a） 螺栓连接； （ b）橡胶卡销连接 1— 卡销； 2—橡胶卡销； 3—齿座； 4—斗齿 正铲工作装置 单斗液压挖掘机的正铲结 构如图 所示 ，主要有动臂 动臂油缸 铲斗 斗底油缸 4 等组成。 铲斗的斗底利用液压缸来开启，斗 6 是铰接在动臂的顶端，由双作用的斗杆缸 7 使其转动。 斗杆油缸的一端铰接在动臂上，另一端铰接在斗杆上。 其铰接形式有两种：一种是铰接在斗杆的前端。 另一种是铰接在斗杆的尾端。 动臂均为单杆式，顶端呈叉形，以便与斗杆铰接。 动臂有单节的和双节的两种。 单节的动臂有长短两种备品，可根据需要更换。 双节的动臂则由上、下两节拼装而成，根据装点的不同，动臂的工作长度也不一样。 本设计根据设计 要求，立足于 反铲 ，主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等。 其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及组其合。 反铲挖掘机每一作业循环包括挖掘、会转、卸料和返回等四个过程。 其工作过程为：先放下动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，向着挖掘机方向拉转，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作面，准备下一循环的挖掘工作。 因此经过上述比较，选择 组合式动臂反铲装置 作为本设计的工作装置。 挖掘机总体方案设计及液压系统设计 图 正铲 Fig. 1—动臂油缸； 2—动臂； 3—加长臂； 4—斗底油缸； 5—铲斗； 6—斗杆； 7—斗杆油缸； 8—液压软管 回转机构的选择 按照转台的旋转角度分为：完全回转（ 360176。 ）和不完全回转（ 90176。 ~ 270176。 ）。 液压挖掘机回转支承装置用于承载回转平台以上机体的重量并实现回转运动。 除了在悬挂式和伸缩臂式液压挖掘机的上游采用半回转的回转机构外，现代液压挖掘机的回转机构普遍采用了完全回转的液压传动方式。 合理的设计选择回转机构，对于提高生产率和能量利用率具有十分重要的意义。 据此本设计采用 完全回转 机构。 传动方式的比较与选择 动力装置至驱动轮之间所有传动部件的总称为传动系统。 传动系统的功用是把动力装置输出的功率传递给驱动轮，并改变动力装置的输出特性，以满足对自行式工程机械车速和牵引力的要求。 目前，工程机械的传动系统有以下四种类型：机械传动、液力机械传动、电力传动以及液压传动。 每种传动方式各有其特点、用途和适用的范围。 机械传动 所谓机械传动是指传动系统中采用刚性零部件传递动力的方式。 它是通过齿轮、齿条、带、链等机件传递动力和进行控制。 工程机械中使用机械传动系统由来已久。 机械传动具有结构简单、制造容易、工作可靠、重量轻、操作简单、维护方便、价格低廉、传动效率高、可以利用传动系统运动零件的惯性进行作业等优点，同时，湿式离合器的普遍采用及发动机特性的改善（提高适应性系数）在某种程度上改进了机械传动的某些缺点，因此，采用机械传动的工程机械仍然占有相当的比例。 但近年来在一些作业或行驶时阻力变化很大的机械中，日益广泛地采用了液力机械传动或者其他传动方式。 这是因为机械传动存在许多缺点： 1） 在工作阻力急剧变化的工况下，发动机容易过载熄火。 这就是要求司机有熟练的操作技巧； 2） 轮式机 械在运输工况时，由于行驶速度较高而行驶阻力较小，在换档的动力中断期间，机械虽然减速但不至于停车。 但是对于履带式机械或在牵引工况下的轮式机械，由于行驶速度低、阻力大，在作业中换档必然导致停车。 为了能实现原地起步，并在一定的时间内加速到一定的速度，往往逼迫使用较低的档位，即档位的选择不是根据作业时的工作阻力而是根据原地起步和加速的要求。 因此，在作业时发动机的功率利用差，降低了生产率。 另外，停车档位还影响机械的通过性能； 3） 对于循环作业的机械，经常要前进、后退和改变车速，变换档位频繁，每次换档都要分离主离合器 ，并用人力拨动换档机构，司机劳动强度大； 4） 传动系统零件受到的冲击载荷大，发动机的振动直接传到传动系统的各个零件，而行驶阻力变化引起的冲击又通过传动系统影响发动机，以此降低了发动机和传动系。