工程机械液压系统毕业设计论文.doc

毕业设计
挖掘机液压系统设计

课题名称：

专业：
机械工程系
班级：
2008级1班
姓名：
杨情
学号：
08045110
指导：
刘艳宾
重庆三峡职业学院机械工程系

毕业设计任务书

课题名称 挖掘机液压系统设计
专业 工程机械运用与维护
班级 08级工程1班
姓名 杨情
学号 08045110
预定完成日期：2010年 3 月 25日
设计指导教师： 刘艳宾
教研室主任： 刘艳宾
任务下达日期： 2010.11.30

机械工程系
毕业设计任务书
一、 题目：挖掘机液压系统
二、 任务与要求：
三 步骤及时间安排
日期
星期
内 容

12 月 日1至12 月5 日
第一周准备阶段
分析题目，明确任务
调查研究，收集资料

12月6日至12月20日
第二周实施阶段
1、设计、计算、绘图；

2编制设计说明书；
12月21至12月25日
第三周实施阶段

整理、修改并且完成论文。

12月26至12月31日
第四周答辩
审查设计（论文）质量，确定成绩

教师：刘艳宾
2010年12月 1日
说明：内容一栏的行数可根据自己的计划进行增减

目 录
１　　概 论
1.1　挖掘机的简介
1.2　液压挖掘机的发展概况
1.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势
1.2.2 国内液压挖掘机的发展概况
1.3　设计的内容和设计内容的意义
1.4 设计内容的安排
２　　挖掘机液压系统的计算
2.1　液压挖掘机的基本系统
2.1.1 挖掘机液压系统的简介
2.1.2　 YW-160型单斗液压挖掘机液压系统
2.2　液压挖掘机工作装置油缸作用力的确定 15
2.2.1 　动臂油缸作用力分析 15
2.2.2 　铲斗油缸工作受力分析 16
2.2.3 　斗杆油缸作用力分析 18
2.3　液压元件的计算 20
2.3.1 　液压缸内径 20
2.3.2 　缸筒壁厚 20
2.3.3 　缸筒壁厚验算 20
2.3.4 　活塞杆计算 21
2.3.5 　活塞杆强度计算 21
2.3.6 　确定液压系统的工作压力 21
2.3.7确定液压缸的主要参数和工作压力 21
2.3.8 　确定液压马达的排量和工作压力 22
2.3.9 　计算液压缸与液压马达的流量 22
３　　液压元件的选择 22
3.1　液压缸的选择 22
3.2 液压泵的选择 23
3.3　液压马达的选择 23
3.4　发动机的选择 23
４　　液压系统回路的设计 24
4.1　液压缸控制回路 24
4.2　液压马达控制回路 24
4.3　计算系统所需的最大流量 25
4.4　压力损失的计算 25
4.5　拟定液压源控制回路 26
５　　液压系统性能验算 28
5.1　液压系统功率损失 28
5.2　液压油油温过高的原因及预防措施 29
6　　结论和展望 32
6.1　结论 32
6.2　展望 32
参考文献 32
致谢

１　　概 论
液压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的突发机械。液压挖掘机利用液压组件（液压泵、液压马达、液压缸等）带动各种构件动作，具有如下有点：功率密度大，结构紧凑，重量轻；无级调速，调速范围大；启动性能好，能实现快速正反转；布置灵活，基本不受总体结构的限制；运转平稳，各种可靠，能自行润滑，使用寿命长；有超载保护功能；容易实现自动化，操作简便省力等。因此，液压挖掘机对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，具有重要意义。
液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。
液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石施工中不可缺少的一种重要机械设备。
1.1　挖掘机的简介
液压挖掘机是一种多功能机械[1]，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。根据建筑施工部门统计，一台斗量为1.0m³的液压挖掘机挖掘土壤时，每班生产率大约相当３００～４００个工人一天的工作量。因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。
挖掘机液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析设计已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。
液压挖掘机结构特点:
挖掘机由工作装置、回转装置、行走装置和液压系统构成。下面以轮式液压挖掘机为例来说明一下：
单斗液压挖掘机是一种周期性作业的自行式土方机械，它采用液压传动，由一个铲斗切削土装入斗内，然后提升装满土石的铲斗，再回转一定的角度进行装车，接下来空当斗回到原来的位置，准备进行下一个循环的挖掘，此外整机还要定期移位，使铲斗能在适当位置上有效地作业，单斗挖掘机装载，抓取起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清沟等工作，挖掘机可分为提供动力和基本动作（行走回转）的主机部分及进行不同作业的工作装置部分，主机又可分为行走装置、回转装置、液压系统、工作装置。
一、行走装置
液压挖掘机行走装置的反力同时能使挖掘机作短距离行走，按结构不同，可分为履带式、轮胎式两类。履带式行走装置由履带、支重轮、托链轮、驱动轮、导向轮、张紧装置、行走架液压马达、减速机等组成，液压挖掘机的行走装置采用液压马达、减速机、驱动轮，每条履带有各自的液压马达和减速机，由于两个液压马达可独立操作，因此，机器的左右履带可以同步前进后退，也可以通过一条履带制动来实现转弯，还可以通过两条履带相反方向驱动，来实现原地转向，操作十分简单。
二、回转机构
回转机构包括回转驱动装置、回转支承，回转驱动装置一般采用定量马达，经过回转减速机两行星齿轮与回转支承的内齿圈相齿合而实现转台的回转，具有结构紧凑，体积小、效率高速比大，承载能力强，发热量和功率损失小，工作可靠等优点，回转支承一般采用的滚动轴承，其中用的最广泛的是单排滚球式和双排式滚轴柱式回转支承。
三、工作装置
工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一，由于工作的不同，工作装置不同类很多常用挖掘、装载和起重装置也可以有很多形式，挖掘装置一般采用斗杠油缸进行挖掘，动臂油缸主要用于调节切削角度，清除障碍以及挖掘结束时为装满铲斗多用开启斗底多用开启斗底的方式卸载，斗底的开启、关闭也用了油缸。
四、液压系统
液压挖掘机的主要系统运动有整机行走、转台回转、动臂升降，斗杆收放、铲斗挖掘等，根据以上的工作要求把各液压组件用管路连接起来的组合体叫做液压挖掘机的液压系统。液压系统功能是把发动机机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能传送给油缸、马达等边为机能，再传动各个执行机构，实现各种运动。国家规定8吨以下的挖掘机采用定量泵。
1.2　液压挖掘机的发展概况
第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间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、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯到1840年。当时美国西部开发，进行铁路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似机械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时间挖掘机没有得到很大的发展，应用范围也只局限于矿山作业中。
导致挖掘机发展缓慢的主要原因是:其作业装置动作复杂，运动范围大，需要采用多自由度机构，古老的机械传动对它不太适合。而且当时的工程建设主要是国土开发，大规模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因此对挖掘机的应用相对较少，在一定程度上也限制了挖掘机的发展。
由于液压技术的应用，二十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机。随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的传动技术，挖掘机有了适合它的传动装置，为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术上的一个飞跃 。同时，工程建设和施工形式也发生了很大变化。在进行大规模国土开发的同时，也开始进行城市型土木施工，这样，具有较长的臂和杆，能装上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多自由动作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用。
自第一台手动挖掘机诞生以来的160多年当中，挖掘机一直在不断地飞跃发展，其技术已经发展到相对成熟稳定的阶段。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，对其控制方式不断改进和革新，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程控。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了坚实的基础，创造了良好的前提。
据有关专家估算，全世界各种施工作业场约有65%至70%的土石方工程都是由挖掘机完成的。挖掘机是一种万能型工程机械，目前已经无可争议地成为工程机械的第一主力机种，在世界工程机械市场上己占据首位，并且仍在发展扩大。挖掘机的发展主要以液压技术的应用为基础，其液压系统已成为工程机械液压系统的主流形式。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。在技术方面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，所以对其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义。
1.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势
工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40m³单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150m³剥离用挖掘机，斗容量132m³的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯-伊利）公司生产的斗容量168.2m³的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m³的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。
从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。
1)开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m³以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01m³。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置——除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。
2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程控。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。
3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了CAPS（计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并处长了零部件的使用寿命；德国奥加凯（O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的904、905、907、909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了ECO（电子控制作业）的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特彼勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS---电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因超载而熄火。
4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性住处处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%-95%，使用寿命超过1万小时。
5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。
 6）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量来裣，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增长率加；采用三回路液压系统。产生三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其它工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速成运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。
7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机口音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。
1.2.2 国内液压挖掘机的发展概况
近年来，我国的挖掘机市场90%被外国独资或合资企业垄断，而国产品的价格优势仍然是十分明显的。成都神钢的挖掘机、凯斯的挖掘装载机、JCB的挖掘装载机、常林的挖掘装载机、柳工的挖掘机、詹工的挖掘机、玉柴的挖掘机以及山河智慧、南特的小挖等诸多企业的产品一一呈现在市场上。
挖掘机在2003年国内产销量达35000台，市场总量突破6万台，升幅达80%。国产机的价格优势是十分明显的，以13至14吨级的轮式挖掘机为例，虽然其关键零部件系国外配置，但价格仍相差25万至30万元。小功率、多功能的挖掘机尤其受到青睐。通过快速换装不同的工作装置以完成挖、装、填、夯、抓、刨、吊钻、剪等多种作业，挖掘装载机出现了需求不断上升的势头。除了JCB、凯斯等品牌外，德工的WZ 25-20型也出现了较好的销售趋势。轮胎挖掘机的需求一直在稳步增长，如常州现代的轮挖从0.25至0.92立方米都可生产，詹工可生产14至30吨级的轮挖，其中20吨级的轮挖的行驶速度可高达54公里/小时。目前我国轮挖的生产企业大约为10家。
大型挖掘机在我国一直处于薄弱地位，主要依赖进口。长挖的CE600 -5型其斗容达4立方米，常州现代的R450LC-5型挖掘机属于43.53吨级，而相比之下，德国的利勃海尔生产的600吨级的挖掘机最大斗容可达 34 立方米。
小型挖掘机兼具有中型挖掘机的多项功能,又具有运输、能耗、灵活性、适应性等方面优势,而且价格低、重量轻、保养维修方便等优点得到了广泛的。目前,国内外有关小型挖掘机的划分标准并不统一。这里,我们暂且将整机质量在10吨或10吨以下称小型挖掘机(整机质量等于或小于4吨的挖掘机称作为微型挖掘机或叫做迷你型挖掘机)。 
　　总之,中国挖掘机市场将持续呈波浪型发展,从的发展观来看,要摒弃一切脱离实际的超前。[4] 
　　今后一个时期挖掘机市场火爆式的炎夏恐难遇到,我们期待温暖、柔和、生机勃勃的春天的到来。期望中国挖掘机市场能够持续、稳定、健康发展。
国内挖掘机的发展起步较晚，目前国内市场上国产挖掘机大多数为20t—40t级的，超过50t级的液压挖掘机极少。
1.3　设计的内容和设计内容的意义
⑴设计的内容：A
1、对挖掘机的液压系统进行设计计算；
2、对液压系统进行动态性能分析；
3、对液压系统零部件进行设计计算。
按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压组件用管路有机地连接起来的组合体，称为挖掘机的液压系统。其功能是，以油液为工作介质，利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送，然后通过液压缸和液压马达等将液压能转返为机械能，实现挖掘机的各种动作。
设计基本要求：
液压挖掘机的动作复杂，凡要机构经常启动、制动、换向、负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此根据挖掘机的工作特点和环境特点，液压系统应满足如下要求：
1)要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以互相配合实现复合动作。
2)工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能作复合动作，以提高挖掘机的生产率。
3)履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。
4)保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。
5)保证挖掘机工作安全可靠，且各执行组件（液压缸、液压马达等）有良好的超载保护；回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快带下降和整机超速溜坡。
为此，液压系统应做到：
1)有高的传动效率，以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。
2)液压系统和液压组件在负载变化大、急剧的振动冲击作用下，具有足够的可靠性。
3)调协轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时液压油温不超过80度，或温升不超过45度。
4)由于挖掘机作业现场尘土多，液压油容易被污染，因此液压系统的密封性能要好，液压组件对油液污染的敏感性低，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。
    5)采用液压或电液伺服操纵装置，以便挖掘机设置自动控制系统，进而提高挖掘机技术性能和减轻驾驶员的劳动强度。
⑵设计内容的意义：
挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。液压系统是挖掘机的核心部分，对挖掘机液压系统设计计算能有效的提高挖掘机性能。
本次设计是以研究探讨为主，了解液压挖掘机的基本结构和原理，在此基础上对液压挖掘机的液压系统的一些部件进行设计计算，根据所得结果对液压组件（液压泵、液压马达、液压缸等）进行合理配置，使之能提高挖掘机的使用率、生产率适用范围和使用寿命等。
1.4 设计内容的安排
本次设计共分6章。第一章介绍液压挖掘机的发展历程和结构特点；第二章对液压挖掘机的液压组件进行设计计算，液压泵、液压马达、液压缸等；第三章根据第二章所得结果对液压挖掘机的液压组件进行合理选择应用；第四章对整个液压挖掘机的液动系统回路进行设计，并绘制液压回路图。第五章对液压系统的验算，计算压力损失；第六章为结论和展望。
２　　挖掘机液压系统的计算
2.1　液压挖掘机的基本系统
本次设计的液压挖掘机的基本参数定为：
正铲斗容量为1.6m3；液压泵的系统工作压力28MPa，最大排量2×140mL/L；回转液压马达最大排量140mL/r；行走液压马达最大排量2×140mL/L。
为了合理的选择液压组件，对这些液压组件进行分析计算，得到理论的数据，根据这些数据选择液压组件。
2.1.1 挖掘机液压系统的简介
液压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。
　　一．液压挖掘机液压系统的基本类型
液压挖掘机液压系统大致上有定量系统、变量系统和定量、变量复合系统等三种类型。
1．定量系统
　　在液压挖掘机采用的定量系统中，其流量不变，即流量不随外载荷而变化，通常依靠节流来调节速度。根据定量系统中油泵和回路的数量及组合形式，分为单泵单回路定量系统、双泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统及多泵多回路定量系统等。
2．变量系统
在液压挖掘机采用的变量系统中，是通过容积变量来实现无级调速的，其调速方式有三种：变数泵－定量马达调速、定量泵－变量马达调速和变量泵－变量马达调速。
单斗液压挖掘机的变量系统多采用变量泵－定量马达的组合方式实现无极变量，且都是双泵双回路。根据两个回路的变量有无关连，分为功率变量系统和全功率变量系统两种。其中的分功率变量系统的每个油泵各有一个功率调节机构，油泵的流量变化只受自身所在回路压力变化的影响，与另一回路的压力变化无关，即两个回路的油泵各自独立地进行恒功率调节变量，两个油泵各自拥有一半发动机输出功率；全功率变量系统中的两个油泵由一个总功率调节机构进行平衡调节，使两个油泵的摆角始终相同。同步变数、流量相等。决定流量变化的是系统的总压力，两个油泵的功率在变量范围内是不相同的。其调节机构有机械联动式和液压联动式两种形式。
2.1.2　 YW-160型单斗液压挖掘机液压系统
国产YW-160型履带式单斗液压挖掘机的工作装置、行走机构、回转装置等均采用液压驱动，其液压系统如图1所示。
该挖掘机液压系统采用双泵双向回路定量系统，由两个独立的回路组成。所用的油泵1为双联泵，分为A、B两泵。八联多路换向阀分为两组，每组中的四联换向阀组为串联油路。油泵A输的压力进入第一组多路换向阀，驱动回转马达、铲斗油缸、辅助油缸，并经中央回转接头驱动右行走马达7。该组执行组件不工作时油泵A输出的压力油经第一组多路换向阀中的合流阀进入第二组多路换向阀，以加快动臂或斗杆的工作速度。油泵B输出的压力油进入第二组多路换向阀，驱动动臂油缸、斗杆油缸，并经中央回转接头驱动左行走马达8和推土板油缸6。
该液压系统中两组多种换向阀均采用串联油路，其回油路并联，油液通过第二组多路换向阀中的限速阀5流向油箱。限速阀的液控口作用着由梭阀提供的A、B两油泵的最大压力，当挖掘机下坡行走出现超速情况时，油泵出口压力降低，限速阀自动对回油进行节流，防止溜坡现象，保证挖掘机行驶安全。
在左、右行走马达内部除设有补油阀外，还设有双速电磁阀9，当双速电磁阀在图标位置时马达内部的两排柱塞构成串联油路，此时为高速；当双速电磁阀通电后，马达内部的两排柱塞呈并联状态，马达排量大、转速降低，使挖掘机的驱动力增大。
为了防止动臂、斗杆、铲斗等因自重而超速降落，其回路中均设有单向节流阀。另外，两组多路换向阀的进油路中设有安全阀，以限制系统的最大压力，在各执行组件的分支油路中均设有超载阀，吸收工作装置的冲击；油路中还设有单向阀，以防止油液的倒流、阻断执行组件的冲击振动向油泵的传递。
YW-160型单斗液压挖掘机除了主油路外，还有如下低压油路： 
1．排灌油路。将背压油路中的低压油，经节流降压后供给液压马达壳体内部，使其保持一定的循环油量，及时冲洗磨损产物。同时回油温度较高，可对液压马达进行预热，避免环境温度较低时工作液体对液压马达形成“热冲击”。
2．泄油回路。将多路换向阀和液压马达的泄漏油液用油管集中起来，通过五通接头和滤油器流回油箱。该回路无背压以减少外漏。液压系统出现故障时可通过检查泄漏油路滤油器，判定是否属于液压马达磨损引起的故障。
3．补油油路。该液压系统中的回油经背压阀流回油箱，并产生0.8~1.0MPa的补油压力，形成背压油路，以便在液压马达制动或出现超速时，背压油路中的油液经补油阀向液压马达补油，以防止液压马达内部的柱塞滚轮脱离导轨表面。
该液压系统采用定量泵，效率较低、发热量大，为了防止液压系统过大的温升，在回油路中设置强制风冷式散热器，将油温控制在80℃以下。

图２.１YW－160型单斗履带式挖掘机液压系统
１－油泵； ２、４－分配阀组；３－单向阀；５－速度限制阀；６－推土板油缸；７、８－行走马达；９－双速阀；１０－回转马达；１１－动臂油缸；１２－辅助油缸；１３－斗杆油缸；１４－铲斗油缸；１５－背压阀；１６－冷却器；１７－滤油器
2.2　液压挖掘机工作装置油缸作用力的确定
对液压挖掘机的油缸研究，先以动臂油缸、铲斗油缸、斗杆油缸做为研究对象。
2.2.1 　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２.２动臂油缸作用力分析
此时动臂油缸作用力为：
＝（）
式中——铲斗及其装载土壤重力
——斗杆所受重力
——动臂所受重力
——铲斗质心到动臂下铰点A的水平距离
——斗杆质心到动臂下铰点A的水平距离
——动臂质心到动臂下铰点A的水平距离
同样根据受力平衡可求出斗杆油缸闭锁力和铲斗油缸闭锁力。
因为动臂油缸只承受大臂、斗杆、铲斗及各液压缸的自重，而不进行挖掘动作，但是要承受很大的弯曲力矩，要考虑液压缸的抗弯能力，所以如果计算出动臂油缸所需过载压力太大，只要采取增加动臂油缸径和活塞杆径的措施即可解决。
2.2.2 　铲斗油缸工作受力分析

图２.３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。反铲最重要的工作位置―――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由最大力臂。
由图计算
铲斗油缸作用力为：

式中——铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为要比长度）
对铲斗与斗杆铰点C的力臂
这时斗杆及动臂油缸处于封闭状态，斗杆油缸封闭力应满足：

式中——斗杆油缸闭锁力对斗杆与动臂铰点B的力臂
对斗杆与动臂铰点B的力臂
对斗杆与动臂铰点B的力臂
——挖掘阻力的法向分力，
动臂油缸闭锁力应满足

式中——动臂油缸闭锁力对铰点Ａ的力臂
对动臂下铰点Ａ的力臂
对铰点Ａ的力臂
此外，最大铲斗挖掘力在其工作位置能否实现，还受到挖掘机稳定性的限制，因为有可能挖掘力尚未达到最大值时，挖掘机已经失去稳定。因此，选取铲斗油缸最大推力时应以保证挖掘机的稳定为前提条件。
2.2.3 　斗杆油缸作用力分析
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２.４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：

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应满足：

动臂油缸闭锁力应满足：

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，由于其作用力臂的变化、结构自身的影响以及铲斗相对斗杆位置的变化，其斗杆齿挖掘力也随之变化。
2.3　液压元件的计算
液压元件的性能分析包括：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。
2.3.1 　液压缸内径
由《机械设计手册》[7]表知：
D=
式中F—液压缸负载
P—系统压力
D—液压缸内径
取液压缸负载为：P=231.853KN
代入数据得D=186.4mm。
参考液压缸系列尺寸取D=200mm。
对斗杆缸D== 231.674mm 取D=200mm。
2.3.2 　缸筒壁厚

其中： --缸内最高工作压力（MPa）
【】--缸筒材料许用应力N/
代入数据=24
由:20得，查《机械设计手册》知=225mm。
2.3.3 　缸筒壁厚验算
额定工作压力应低于一定极限值以保证工作安全。

材料选2G330-450 =330 N/
得=30.8Mpa
选定系统工作压力为28Mpa
可以满足要求。
2.3.4 　活塞杆计算

　　　其中数比由《机械设计手册》表选取＝2再由表得
d=150mm。
2.3.5 　活塞杆强度计算
＝105.4N/
其中Ｐ：活塞杆作用力，Ｎ；
d:活塞杆直径，m,=100~110N/
2.3.6 　确定液压系统的工作压力
　　在不考虑能量损耗的情况下，系统的功率为：
　　　　　　　　　　（kＷ）　
式中　　p――液压泵的出口压力，Ｐa；
　　　　Ｑ――液压泵的输出流量，/s。
由上式可知，当系统传递的功率一定时，提高系统的工作压力就可减少系统中通过液压元件的流量，从而减小相应各液压元件以及整个液压系统的结构尺寸和质量。因此，目前液压挖掘机液压传动多采用中高压和高压系统。根据以上内容对此液压系统的工作压力取Ｐ＝28ＭＰa。
2.3.7　确定液压缸的主要参数和工作压力
液压缸的有效工作压力是指液压缸用于克服外载荷所需要的那一部分压力，其数值为：
　　　　（Mpa）
式中　　――液压泵出口压力，Mpa；
　　　　――进油管路压力损失，Mpa；
　　　　――回油背压力，Mpa；
――液压缸进油腔和回油腔有效工作面积，。
上式中的压力损失，包括压力油从液压泵出口流过管道和各种液压元件（主要是阀类元件）时的压力损失。比较仔细的计算要在管路装配图画出之后才能进行。初步计算时，可参考同类液压挖掘机的经验数据来确定，可取＝３～４Mpa。
2.3.8 　确定液压马达的排量和工作压力
液压马达的排量由给定的数值可知q=140mL/r
液压马达的有效工作压力按下式计算
　　　　　　　＝－－
式中的压力损失，可按前面介绍的经验数据确定。回油背压力的数值应根据马达所需的背压力来确定。
根据液压马达驱动的最大载荷力矩Ｍ、排量q、有效工作压力、最高转速和最低稳定转速以及系统工作条件等，即可选择液压马达的型号和规格。
2.3.9 　计算液压缸与液压马达的流量
通常根据最大移动速度和最高转速来计算液压缸和液压马达的流量。
①液压缸所需流量：
　　　　　　　　　　（/s）
式中　――液压缸的有效工作面积，；
　　――液压缸的最大速度，m/s；
②液压马达所需流量：
（）
式中　――马达的理论排量，mL/L；
　　――马达的最高转速，rad/s；
　　　――马达的容积效率
３　　液压元件的选择
3.1　液压缸的选择
　　　液压缸在液压系统中有着重要的地位，是整个液压系统的起始循环点，所以对液压缸的选择很重要，根据以上计算的结果，对液压缸的选择就明确了，选择材料为2G330-450的内径为100mm壁厚为21mm的液压缸。
3.2 液压泵的选择
液压泵的选择时根据液压系统工作压力（即液压泵出口压力）来选定液压泵的形式，选择液压泵的额定压力要比系统压力大25％以上，使液压泵由一定的压力储备，在这为了经济考虑，选择液压泵的额定压力为35Mpa的液压泵。
型号为：2ZBZ140的液压泵。
3.3　液压马达的选择
　　　根据第二章关于液压马达的计算，计算所得的液压马达的参数（液压马达的排量、液压马达的工作压力、液压马达的流量）来选择。型号为：ZM732的液压马达。
3.4　发动机的选择
　　　发动机是液压挖掘机的核心部件，对挖掘机的要求高，对发动机的要求也就高。选发动机先确定发动机的功率。
　　　液压挖掘机用柴油机驱动，柴油机的功率必需能够充分满足主机工作过程中的动力要求。发动机功率根据系统方案确定，在变量系统中，考虑使用情况的最大限度，可取发动机的功率为：
　　　　　　　＝（1.0～1.3）Ｐ　　　（ＫＷ）
式中Ｐ――液压泵的输出功率，ＫＷ。
在定量系统中，由于发动机功率利用低，一般为60％左右，损失功率全部转变为热量，因此，确定发动机功率时可以取得低一些，对于双泵双回路定量系统，发动机功率可取为：
　　　　　　　＝（0.8～1.1）Ｐ　　　　（ＫＷ）
计算时，发动机功率可按以上两式计算，或将两式合并得：
　　　　　　　＝17.7+92.7q　　　　　（ＫＷ）
式中q――液压挖掘机的标准斗容量，。
得此液压挖掘机的发动机功率为　
＝17.7+92.7*1.6＝166.02ＫＷ
此时可根据发动机功率选择发动机的型号。
４　　液压系统回路的设计
4.1　液压缸控制回路
执行元件的工作压力由负载确定。在运行过程中必需保证回路通畅要设置必要的安全设施。普通标准型油缸在行程两端。设有缓冲装置，使油缸在行程两端能平滑停止，然而当活塞在行程中途停止或反转时，由于运行部件的动能会引