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毕业论文设计--挖掘机液压系统开发设计.doc
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1、挖掘机液压系统开发设计学 院: 机电工程学院 专 业: 车辆工程专业 学 号: 200640501004 2010年 3 月 15 日青岛大学毕业论文摘要小型液压挖掘机主要用于城市等狭窄地区,代替人力劳动,在世界工程机械市场,属于销量最大的工程机械产品之一。考虑到小挖的工作空间小、作业地形复杂、方便操作、可控性要求高,就要求小挖具有良好的复合动作、精简的液压系统以及优越的精细作业能力。博世力士乐公司开发的独立流量分配系统(LUDV)为单回路系统,具有装配费用低、占用空间小、系统紧凑等特点,仅用1台变量泵即满足了所有作业功能要求,同时小挖复合动作时各负载相近,LUDV系统引起的能量损失较少。本文
2、从整机液压系统的设计入手,详细地分析了该液压系统各组成部分的工作原理,并以此为基础,分析了挖掘机节能控制系统的控制特性。本机所采用的液压系统即为博世力士乐的LUDV控制系统。本文对小型挖掘机的液压控制系统进行研究,对负流量控制系统、正流量控制系统、LS控制系统与LUDV控制系统进行了详细的比较,得出在流量供应充足的情况下,LS系统与LUDV系统都具有良好的控制特性以及在流量供应不能满足需求时LUDV系统特有的优点。此外,作为控制系统的核心部分之一的多路阀液压系统,对挖掘机的控制特性及节能起着至关重要的作用,本文分析了博世力士乐多路阀液压系统的组成、工作原理及各个部分的作用,确定了多路阀的结构。
3、通过分析国际知名品牌挖掘机液压系统的工作原理,并比较其优缺点,最后提出了一种挖掘机液压系统方案。目录第一章 前言11.1课题的来源及意义11.2 挖掘机技术现状及发展趋势11.3 课题内容2第二章 挖掘机液压系统分析32.1 挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求32.2 挖掘机液压系统的基本回路分析42.2.1 限压回路42.2.2 节流回路52.2.3 再生回路62.2.4 闭锁回路82.2.5 回转液压回路分析82.2.6 行走液压回路分析13第三章 挖掘机控制系统分析163.1 挖掘机功率损失分析163.2 液压系统节能控制技术173.2.1 负流量控制系统173.2.2 正流量控制系统
4、193.2.3 LUDV负荷传感系统20第四章 液压挖掘机多路阀304.1 多路阀液压系统分析304.2 力士乐M7多路阀324.2.1 进油联324.2.2 换向联334.2.3 回转联344.3 力士乐SX14型多路阀354.3.1 进油联364.3.2 换向联374.3.3 尾联374.3.4 多路阀结构38第五章 挖掘机液压系统原理图及主要元件395.1 挖掘机液压系统原理图395.2 主要液压元件395.2.1 液压泵395.2.2 主控制阀405.2.3 回转和行走驱动40第六章 总结与展望416.1 完成的工作416.2 挖掘机技术的发展展望41致 谢42参考文献43第一章 引言
5、1.1课题的来源及意义挖掘机是一种重要的土方工程机械,由工作装置、回转机构和行走装置组成,已广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水力电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代军事工程等机械化施工中。液压挖掘机虽然能进行大功率、高灵敏度的各种作业,但其能量的总利用率仅为左右,因此液压挖掘机的节能一直成为人们追求的目标,对劳动生产率和工程质量的提高以及体力劳动的减轻有着重大的现实意义。全世界各种施工作业场所有至的土方工作量是由挖掘机来完成的。近年来,液压挖掘机的销售量增长迅速。液压挖掘机在西部大开发建设中具有极为重要的作用,随着西部各省市建设项目特别是基础设施工程的不断开工,液压挖掘机的需求量将越来越大
6、,这是一个长期的、不断发展的市场,须花更多的精力去开拓。小型挖掘机的技术发展顺应全球多样化施工现场的需求,经历了三十多年的历史演变过程,经过不断的改进完善,在技术性能、作业功能、作业效率、安全、环保、节能和维护保养等方面有了大幅度的提高,形成了比较一致的技术标准和作业规范。现在,国外几乎所有的挖掘机制造商都涵盖了小型挖掘机的所有型号,具有性能优越、多功能化的显著特点。随着小型挖掘机市场的慢慢兴起,国内生产小型挖掘机的企业逐年增多,产量的不断增加,小型挖掘机市场的竞争将会愈演愈烈。1.2 挖掘机技术现状及发展趋势挖掘机的发展史可追溯到19世纪三四十年代。美国实施西部大开发工程催生了以蒸汽机作为动
7、力,模仿人体大臂、小臂和手腕构造,能行走和扭腰的挖掘机。20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压铲的悬挂式挖掘机,50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机,60年代,当液压传动技术成为成熟的传动技术时,液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展阶段,各国挖掘机制造厂和品种增加很快,产量猛增。19681970年间液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%,目前已接近100%,所谓挖掘机在现代主要是指液压挖掘机,液压传动技术为挖掘机的发展提供了强有力的技术支撑。液压传动是挖掘机的重要组成部分之一,目前常用的传动方式有机械传动、电力传动和流体传动。所谓液压传动是指在密闭的回路中,利用液体的
8、压力能来进行能量的转换、传递和分配的液体传动。在现代工业中液压传动技术几乎应用于所有机械设备的驱动、传动和控制,如操纵车辆转向和制动,控制和驱动飞机、机床、工程机械、农业机械、采矿机械、食品机械和医疗机械等。我国挖掘机生产起步较晚,生产批量小,产品质量不稳定,与国际先进水平相比,差距较大,不论在产品品种、性能参数以及使用可靠性、售后服务等方面,与国外相比均存在着相当大的差距。国产液压元件的技术水平、质量水平和可靠性,特别是可靠性水平达不到小型液压挖掘机配套的要求。从国外采购配件的弊端已让国内小挖生产企业倍受煎熬,价格高。目前国产的液压挖掘机液压元件基本上全部依赖国外进口,如变量柱塞泵、马达和多
9、路阀等,为小型液压挖掘机配套的全套液压系统从国外采购成本约占整机的30,由于国内目前生产出这类元件,就只能花高价买国外的产品。因此,挖掘机的发展趋势是引进国外的先进技术,开发高质量、多功能、多品种、多规格的系列产品,加强基础元件、部件的生产,尤其是提高液压元件的质量,以达到在满足产品可靠性的前提下,降低产品成本,并提高产品的售后服务水平。目前液压技术的研究和发展发向主要体现在以下几个方面:(1)提高效率,降低能耗。(2)提高技术性能和控制性能。(3)发展集成、复合、小型化、轻量化元件。(4)开展液压系统自动控制技术方面的研究开发。(5)加强以提高安全性和环境保护为目的的研究开发。(6)提高液压
10、元件和系统的工作可靠性。(7)标准化和多样化。(8)开展液压系统设计理论和系统性能分析研究。1.3 课题内容本文第二章对挖掘机液压系统的常见回路进行分析,包括限压回路、节流回路、再生回路、闭锁回路、回转机构、行走机构,第三章对挖掘机的控制系统进行,其中有负流量控制、正流量控制和LUDV负荷传感控制,第四章分析多路阀的组成及功能,最终得出挖掘机的液压系统图。43第二章 挖掘机液压系统分析2.1 挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求挖掘机液压系统以油液为介质、利用液压泵将发动机的机械能转化为液压能,然后通过液压缸、马达等执行元件将液压能转化为机械能,从而实现挖掘机的各种动作。按照不同的功能可将挖掘
11、机液压系统分为三个基本部分:工作装置系统,回转系统、行走系统。挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压缸组成,它包括动臂、斗杆、铲斗三个液压回路。回转装置的功能是将工作装置和上部转台向左或向右回转,以便进行挖掘和卸料,完成该动作的液压元件是回转马达。回转系统工作时必须满足如下条件:回转迅速、启动和制动无冲击、震动及摇摆,与其它机构同时动作时能合理分配去各机构的流量。但设计回转油路时,在注重功能实现的同时,还必须考虑回转油路的节能。行走装置的作用是支撑挖掘机的整机质量并完成行走任务,行走系统的设计要考虑直线行驶问题,即在挖掘机行走过程中,如果某一工作装置动作,不致于造成挖掘机发生行走偏
12、转现象。现在我所设计的是履带式挖掘机,所用的液压元件是行走马达。液压挖掘机的动作繁复,且具有多种机构,如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等,是一种具有多自由度的工程机械。这些主要机构经常起动、制动、换向,外负载变化很大,冲击和振动多,因此挖掘机对液压系统提出了很高的设计要求。根据液压挖掘机的工作特点,其液压系统的设计需要满足以下要求:(1)动力性要求所谓动力性要求,就是在保证发动机不过载的前提下,尽量充分地利用发动机的功率,提高挖掘机的生产效率。尤其是当负载变化时,要求液压系统与发动机的良好匹配,尽量提高发动机的输出功率。例如,当外负载较小时,往往希望增大油泵的输出流量,提高执行元件的运动
13、速度。(2)操纵性要求调速性要求挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高,设计时必须能使驾驶员按照操纵意图方便地实现调速操纵控制,对各个执行元件的调速操纵要稳定、可靠。挖掘机在工作过程中工作载荷变化大,各种不同的作业工况要求功率变化大,因此要求对各个执行元件的调速性要好。复合操纵性要求挖掘机在作业过程中需要各个执行元件单独动作,但是在更多情况下要求各个执行元件能够相互配合实现复杂的复合动作,因此如何实现多执行元件的复合动作也是挖掘机液压系统操纵性要求的一方面。当多执行元件共同动作时,要求其相互间不干涉,能够合理分配共同动作时各个执行元件的流量,实现理想的复合动作。尤其对行走机构来说,左、右行走马达的
14、复合动作问题,即直线行驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。如果挖掘机在行使过程中由于液压泵的油分流供应,导致一侧行走马达速度降低,形成挖掘机意外跑偏,很容易发生事故。另外,当多执行元件同时动作时,各个操纵阀都在大开度下工作,往往会出现系统总流量需求超过油泵的最大供油流量,这样高压执行元件就会因压力油优先供给低压执行元件而出现动作速度降低,甚至不动的现象。因此,如何协调多执行元件复合动作时的流量供应问题也是挖掘机液压系统设计中需要考虑的。(3)节能性要求挖掘机工作时间长,能量消耗大,要求液压系统的效率高,就要降低各个执行元件和管路的能耗,因此在挖掘机液压系统中要充分考虑各种节能措施。当对各个执行
15、元件进行调速控制时,系统所需流量大于油泵的输出流量,此时必然会导致一都分流量损失掉。系统要求此部分的能量损失尽量小;当挖掘机处于空载不工作的状态下,如何降低泵的输出流量,降低空载回油的压力,也是降低能耗的关键。(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,对于其液压系统要求有良好的过载保护措施,防止油泵过载和因外负载冲击对各个液压作用元件的损伤。(5)其它性能要求实现零部件的标准化、组件化和通用化,降低挖掘机的制造成本;液压挖掘机作业条件恶劣,各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性;由于挖掘机在城市建设施工中应用越来越多,因此要不断提高挖掘机的作业性能,降低振动和噪声,重视其作
16、业中的环保性。2.2 挖掘机液压系统的基本回路分析液压挖掘机液压系统中常见的基本回路有限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流回路、行走回路、再生回路、闭锁回路等,下面对这些回路进行分析。2.2.1 限压回路限压回路用来限制压力,使回路不超过某一调定值。限压回路可以限制系统的最大压力,使系统和元件不因过载而损坏,通常用安全阀来实现,安全阀设置在主油泵出油口附近;还可以根据工作需要,使系统中某部分压力不超过某一定值,通常用溢流阀实现,溢流阀可使系统在调定压力下工作,多余的流量通过溢流阀流回油箱。421、2-限压阀 3-油缸 4-换向阀图2.1 限压回路 液压挖掘机执行元件的进油和回油路上常成对地并联限
17、压阀,限制液压缸、液压马达在闭锁状态下的最大闭锁压力,超过此限制压力时限压阀打开并卸载,保护了液压元件和管路免受损坏,这种限压阀实际上起了卸荷阀的作用。限压阀的调定压力与液压系统的压力有关,且调定压力愈高,闭锁压力愈大,对挖掘机作业愈有利,但过高的调定压力会影响液压系统元件及管路的安全。2.2.2 节流回路节流调速是利用节流阀的可变通流截面改变流量而实现调速的目的,通常用于定量系统中改变执行元件的流量。这种调速方式结构简单,能够获得稳定的低速,但是功率损失大、效率低、温升大、系统易发热及作业速度受负载变化的影大。根据节流阀的安装位置,节流调速有进油节流调速和回油节流调速。1-齿轮泵 2-溢流阀
18、 3-节流阀 4-换向阀 5-油缸图2.2 节流回路图22(a)为进油节流调速,节流阀3安装在高压油路上,液压泵l与节流阀串联,节流阀之前装有溢流阀2,压力油经节流阀和换向阀4进入液压缸5的无杆腔使活塞右移。负载增大时液压缸无杆腔压力增大,节流阀前后的压力差减小,因此通过节流阀的流量减少,活塞移动速度降低,一部分油液通过溢流阀流回油箱。反之,随着负载减小,通过节流阀进入液压缸的流量增大,加快了活塞移动速度,溢流量相应地减少。这种节流方式由于节流后进入执行元件的油温较高,油液粘度减小,增大渗漏的可能性,加以回油无阻尼,速度平稳性较差,发热量大,效率较低。图22(b)为回油节流调速,节流阀安装在低
19、压回路上,限制回油流量。回油节流后的油液虽然发热,但进入油箱,不会影响执行元件的密封效果,而且回油有阻尼,速度比较稳定。液压挖掘机的工作装置为了作业安全,常在液压缸的回油回路上安装单向节流阀,形成节流限速回路。如图22(c)所示,为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险,直立液压缸无杆腔的油路上安装由单向阀和节流阀组成的单向节流阀。2.2.3 再生回路动臂下降时,由于重力作用会使降落速度太快而发生危险,动臂缸上腔可能产生吸空,有的挖掘机在动臂油缸下腔回路上装有单向阀和节流阀组成的单向节流阀,使动臂下降速度受节流限制,但这将引起动臂下降慢,影响作业效率。目前挖掘机采用再生回路。如图2.3(a)所
20、示,动臂下降时,油泵的油经单向阀通过动臂操纵阀进入动臂油缸上腔,从动臂油缸下腔排出的油需经节流孔回油箱,提高了回油压力,这样当发动机在低转速和泵的流量较低时,使得液压油能通过补油单向阀供给动臂缸上腔,能防止动臂在重力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生吸空。(a) (b)1-油箱 2-齿轮泵 3-主泵 4-发动机 5-先导阀 6-主控制阀 7-动臂液压缸8-再生阀组 9-高压传感器 10-控制器 1l-低压传感器图2.3 再生回路图2.3(b)所示的动臂液压缸再生回路在目前挖掘机动臂液压缸液压回路上增加了再生阀组、压力传感器和控制器。再生阀组由电控开关阀81、恒流量阀82和液阻83组成,分别连接到
21、动臂液压缸的大小腔。压力传感器包括低压传感器和高压传感器。控制器接收高压与低压传感器的压力信号,并据此判断当前是空载下降阶段还是带载挖掘阶段,进而对再生阀组中的电控开关阀81的输入电流进行控制,这样就控制了动臂液压缸是否再生和再生流量的大小。控制器对输入的压力信号进行逻辑计算并输出一路开关电信号控制再生阀组中的开关阀8一l的电磁铁。针对低压传感器和高压传感器,控制器分别预先设定一个压力临界值PL和PH,当低压传感器的压力输出高于PL时,控制器判断动臂液压缸正在驱动动臂下降;当高压传感器的压力输出高于PH时,控制器判断动臂液压缸的外负载已经由负负载变为负载。当低压传感器的压力输出高于PL且高压传
22、感器的压力输出高于PH时,控制器输出一路开关电信号控制再生阀组中的开关阀81的电磁铁得电。电磁铁克服弹簧力将阀芯81推至左位动臂液压缸大小腔通过开关阀81和恒流量阀82连通,动臂液压缸成差动连接,活塞在工作装置重力负负载的作用下下降实现了动臂液压缸大腔油液向小腔再生。当低压传感器的压力输出低于PL或高压传感器的压力输出低于PH时,电磁铁失电时,开关阀81在弹簧作用下断开,动臂液压缸大小腔断开,液压缸正常连接。恒流量阀芯82受节流孔83两端压力控制当动臂液压缸活塞下降加速时,通过节流孔83的流量增加,其上下游压力差增加,该压力差推动阀芯82向右运动,减小阀芯82的开度,进而减小再生流量和动臂液压
23、缸的运动速度,防止动臂液压缸在重力作用下超速下降。2.2.4 闭锁回路如图所示,该支持阀采用阀芯内钻孔型插装和二位二通控制阀。在弹簧力作用下二位二阀于关闭位置,此时动臂油缸下腔压力油通过阀芯内钻孔通向插装阀上端,将插装阀压紧在阀座上,阻止动臂油缸下腔的油从B至A,起闭锁支撑作用。当操纵动臂下降时,在先导操纵油压PP作用下二位二通阀处于相通位置,动臂油缸下腔压力油通过阀芯钻孔油道经二位二通阀回油,由于阀芯内钻孔油道节流孔的节流作用,使插装阀上下腔产生压差,在压差作用下克服弹簧力,将插装阀打开,压力油从B至A。图2.4 闭锁回路2.2.5 回转液压回路分析回转液压回路由缓冲回路和制动回路两部分组成
24、。(1)缓冲回路 挖掘机挖掘土料后转向时由于挖掘机上部转动惯量很大,在启动、制动和突然换向时会引起非常大的液压冲击,尤其是回转过程中遇到障碍突然停车。液压冲击会使整个液压系统和元件产生振动和噪音,甚至不能工作,所以挖掘机转向机构中设置缓冲回路就是利用缓冲阀使液压马达高压腔的油液超过一定压力时能够泄流。图25为液压挖掘机中比较普遍采用的几种缓冲回路。图25(a)中回转马达两个油路上各装有动作灵敏的缓冲阀2、3,正常情况下两阀关闭。当转向马达突然停止转动或反向转动时,高压油路B的压力油经缓冲阀3泄回油箱,低压油路A则由补油回路经单向阀4进行补油,从而消除了液压冲击。缓冲阀的调定压力取决于所需要的制
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