挖掘机工作装置液压系统设计论文-本科论文.doc

济南大学泉城学院毕业设计

济南大学泉城学院
毕 业 设 计

题 目 挖掘机工作装置液压系统设计
专 业 机械设计制造及其自动化
班 级 机设07Q3
学 生 于正翔
学 号 20073006127
指导教师 邵海燕

二〇一一年五月三十日

32

1 前言
液压挖掘机目前在水利工程，电力工程，矿山采掘，交通运输和城市建设等大型机械施工环境中被得到了广泛的应用，液压挖掘机的发明对人类做出最大的贡献就是它减轻了以前人们工作中疲劳的体力劳动，在保证工程的质量同时，还加快了城市发展的建设速度以及大量提高劳动生产率等诸多方面都起着非常重要的作用。由于液压挖掘机具有品种多，功能多，质量高及效率高等特点，因而受到了广大施工单位的青睐，液压挖掘机制造业的发展也渐渐蓬勃发展起来，现在液压挖掘机成为了中国工程机械中的主力军。挖掘机与液压系统有着非常紧密地联系，并且其发展主要是以液压技术为基础的。由于挖掘机是在非常恶劣的条件下工作的，并且工作过程中实现的动作很复杂，因而对液压系统具有很高的设计要求。因此，在挖掘机发展历程中对挖掘机液压系统的分析与设计已经成为挖掘机发展过程中的一个非常重要环节。
1.1 液压挖掘机的介绍
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[1]。
在挖掘机工作过程中工作装置的动作复杂，运动范围广，工作复合动作要求高，以及设计采用多自由度的机构代替传统的机械式传动等因素限制了挖掘机发展的速度。另外，当前我国工程建设主要是以国土资源的开发，筑路和场地的整修等水平作业，这些工程领域对挖掘机的应用相对较少，也在一定程度上限制了挖掘机的迅速发展。
1950年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。第一台液压挖掘机采用定量齿轮泵，中位开式多路阀，工作压力为9Mpa，所有执行元件互相并联连结。由单泵向6个执行元件供油。由于早期液压挖掘机主要采用了定量齿轮泵，不能按需改变供油流量，无法充分利用发动机的功率，因此其能量损失很大，不能满足挖掘机复合动作的复杂要求，且可操纵性差。另外，早期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，配套件也不齐全，制造质量不够稳定。从二十世纪六十年代到八十年代中期，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压挖掘机产量己经达到挖掘机总产量的83%，其时对挖掘机液压系统的研究也已经十分成熟，液压挖掘机已经具有了同步控制系统和负载敏感系统[2]。
自从第一台手动挖掘机诞生以来，挖掘机技术在160多年中一直在不断地飞跃发展，其技术已经发展到相对成熟稳定阶段。目前国际上迅速发展全液压式挖掘机，对其控制方式不断进行改进和创新，使挖掘机由最初简单的机械操纵慢慢发展到了液压操纵、液压伺服操纵、电气控制、电子计算机综合控制、无线电遥控等。当挖掘机处于在危险地区操作时可以采用无线电控制其工作，控制时通过计算机接收器和激光导向器的结合，于是就可以实现挖掘机操纵的完全自动化。以上所有的动作及控制，都是挖掘机全液压控制的基础上进行的，因此液压系统的设计发展为挖掘机的进步奠定了坚实的基础。
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[3]。随着挖掘机技术的发展，其在工程机械中已经成为一种多功能型的工程机械，并且广泛的应用于各个工程领域，成为工程机械的主力机，并且在整个世界工程机械市场领域内己占据着第一位，而且仍在不断的发展壮大。挖掘机发展的核心技术就是液压系统的改进和发展，随着科学技术的发展和现代化建设施工的需求，挖掘机还需要由大幅度的技术提升，技术的不断创新是液压挖掘机行在机械行业中所面临的最难的挑战。
1.2 国内外的研究现状和发展动态
1.2.1 国外的研究状况和发展动态
从20世纪60年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统己经发展到了相当成熟的阶段。目前国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在30MPa以上，并且随着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势；流量通常在每分钟数百升；功率在数百千瓦以上。如德国Orensttein&Koppe制造的目前世界上首台最大的RH40。型全液压挖掘机，铲斗容量达42m3,液压油源为18台变量轴向柱塞泵，总流量高达10200L/min，原动机为2台QSK60柴油发动机，总功率高达2014kW,由于液压挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响.系统的可靠性日益受到重视。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强度研究方面，不断提高设备的可靠性。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统使液压挖掘机的运转率达到85%-95%，使用寿命超过1万小时[4]。近年来，随着挖掘机的产量不断增大及应用领域的广泛，世界上各家挖掘机生产家纷纷开发和使用高新技术，用来提高自己的挖掘机性能以及自己的品牌在国际上的竞争能力，技术发展的历程主要体现在以下四个方面: (1) 液压控制系统与电子控制系统的结合成为发展的潮流；(2)系统的高可靠性和高压化的发展日益凸显；(3) 系统的节能技术逐渐成为研究的重点方向；(4)液压系统由开环向闭环的转变。
(1) 电子液压集成控制成为当前主要研究目标
液压控制技术与电子控制技术相融合的电子--液压集成控制技术近些年来取得了飞跃的发展，特别是传感器、计算机和检测仪表三者的有机结合应用，电子液压回路通过的计算机辅助装置的的功率控制系统，采用精简模式选择系统，减少发动机功率、燃油以及液压功率的损耗，使液压电子控制得到了充分的发挥，大大的提高了液压挖掘机的自动化程度，使挖掘机事业得到飞快的发展。并且还延长了机器零件的使用年限。
(2) 负载能力的提高和使用可靠性
使挖掘机负载能力的的提高，最直接的办法就是提高液压系统的流量、压力和功率。目前，国际上大多数的挖掘机液压系统的额定功率都在30MPa以上，随着科学技术的进步使挖掘机液压技术向更高的发展方向。美国、日本、英国等国家推广的有限寿命设计理论，用来替代传统的设计理论，并将断裂力学、计算机控制、优化设计的疲劳强度分析、疲劳试验技术等先进技术用于液压挖掘机的强度试验。日本科学家提出的液压挖掘机的动态设计分析及强度评定程序使挖掘机的使用效率达到80%-95%，而国产的使用效率还不到30%，通过技术改进使挖掘机的寿命超过了1万小时。
(3) 挖掘机节能技术的开发与应用
当前，液压挖掘机上基本有两种节能技术，一个是负载流量控制技术另一个是负载敏感技术。负载流量控制技术是指利用由主阀后面的节流阀形成的控制压力对主泵的排量进行调节的技术。负荷敏感技术是利用泵的出口压力与负载压力的差值的变化而使得系统的流量随之产生变化的技术。德国Mannesmann公司开发了一种负荷传感系统用于液压系统的安装，可以对一个或多个液压元件起到控制作用，而与作用在元件上面的载荷无关。该系统不仅易于操作而且其微动操纵控制性能非常好。其最大的特点是可以通过调速要求和负载大小来对液压泵进行控制，进而使调速节流损失固定在一个很小的值，最后达到节省的目的。目前以日本小松(KOMATSU)、韩国现代(HYUNDAI)、美国卡特（CATE）和日本日立(HITACHI)为代表的诸多国外知名品牌的液压挖掘机生产厂家都在自己生产的挖掘机的液压系统中加载了负流量控制技术。这种控制技术具有速度和负载稳定性好，响应快以及更好的可靠性和可维护性的特点
(4) 液压系统由开环向闭环的转变
液压系统中的三位六通阀的特点是有两条供油路组成的，其中的一条是直通接通供油油路的，另一条则是并联于供油路的。由于这种供油方式是速度进油节流和旁路节流同时运作的，因而调速特性直接受到油泵流量和负载压力的影响，因此因此该系统的性能，高速性能和微调操纵性能差。由于挖掘机液压元件要实现良好的工作需要能够控制它的移动速度和进行微调，并在其不同的工况下工作需要多个作执行元件复合动作，而多年来传统上使用的开环式液压系统不能满足多个复合动作挖掘的要求。近年来，国外首先在液压挖掘机的负荷传感系统采用封闭的系统。它的作用是可以实现一个液压泵同时向所有的元件进行油夜得供应，每个液压元件的运动速度受控于操作杆行程和负载压力的大小，与泵的流量无关，同时数液压元件同时作用时相互之间的干扰很小，所以良好的可操作性是封闭式液压系统的主要特点。这个系统操作简单，操纵驾驶技能低，非常符合挖掘机操作人员操作习惯，在国际上已被广泛的应用，而更多的是这是挖掘机液压系统发展的趋势。目前日本小松的挖掘机已经把开环系统的小松挖掘机液压系统改为闭环系统。

1.2.2 国内的研究状况和发展动态
从国内的整体状况来看，我国的挖掘机行业发展水平相对于外国品牌来说发展较缓慢，在挖掘机核心技术液压系统方面还是比较脆弱，处于落后的阶段。目前，虽然国内大部分的挖掘机制造商对挖掘机液压系统技术的研究有了一定的基础，但是由于我国挖掘机仍然应用传统的液压系统，使挖掘机在产品的质量、性能、作业效率等方面均落后于国外品牌，因而应用传统液压系统技术的国产挖掘机在国内市场份额失去了与对手的竞争力，取而代之的是应用先进技术的各个品牌的国外挖掘机。国际上一流的生产企业垄断了先进技术的挖掘机液压系统，而国内的企业在此领域的研究几乎是零，那么国内的挖掘机生产商就无法独立的制造出性能优越的先进挖掘机，最终导致大部分的市场份额都被国外知名品牌所占有。以20吨级别的挖掘机为例，国产20吨级别的挖掘机绝大多数仍然采用的是欧洲80年代初的技术，与在90年代初在国内上市的国外品牌如：美国卡特、日本小松、日立、神钢以及韩国大宇、现代等同等级别的机型相比，主要差距是发动机的功率偏低，液压系统性能差，液压系统流量偏小，回转、行走速度低以及各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率均比国外机型的指数低。
1.3设计的研究内容
挖掘机液压系统的设计技术多种多样，本论文设计主要通过国外知名品牌小松挖掘机pc200-7的液压系统为参考研究对象，对其现有的关键技术和控制方式进行比较和研究，为下文中挖掘机的液压系统设计提供一定的参考信息。
(1) 挖掘机液压系统技术方面的发展动态及研究分析
经查阅国内外的挖掘机在液压系统技术方面的相关资料，系统的认识挖掘机液压系统的发展历程。分析并总结挖掘机液压系统技术的研究状况和未来技术的发展动态。
(2) 挖掘机液压系统的设计要求
液压挖掘机的一个工作循环过程包含四种基本工况：挖掘工况、满斗提升回转工况、卸载工况和卸载返回工况，对每一个工况分别进行详细的解剖分析，总结出每一个工况下各执行构件的主要的动作情况。在了解液压挖掘机的工作特点的基础上，系统地总结出挖掘机液压系统的设计要求，即操纵性要求和动力性要求。
(3) 挖掘机液压系统的设计
在分析研究传统液压挖掘机液压系统中单泵定量系统、双泵定量系统和双变量泵系统的基础上，详细地总结其主要的优点以及存在的缺点。本文在分析研究挖掘机液压系统的基础上，依据挖掘机液压系统的设计要求，设计了一套能够符合我国生产制造的挖掘机液压系统。本次设计的重点在于采用多路阀的控制系统，并配以专用控制阀和简单的伺服控制系统。

2 液压挖掘机的结构与工作原理
液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力能进行工作，相对机械传动具有许多优点:能无极调速且调速范围大，最大速度和最小速度之比可达1000:1能得到较低的稳定转速；快速作用时，液压元件产生的运动惯性较小，并可作高速反转；传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动；操纵省力灵活，易实现自动化控制；易实现标准化、通用化、系列化。因此液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势[5]。
液压挖掘机上装有一只铲斗，因此又称为单斗液压挖掘机，系统采用液压传动进行挖掘作业。它是目前挖掘机械中重要的机种。液压挖掘机的作业过程是以铲斗的斗齿切削土壤通过小臂与铲斗的复合动作将土装入斗内，斗满后提升。回转至卸载位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到地面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继续作业。因此液压挖掘机是一种周期作业的自行式机械。
2.1 挖掘机的性能
液压挖掘机的整机系统可以分为:动力系统、液压系统、控制系统、机械系统四大系统。液压挖掘机工作性能的好坏不仅受挖掘机的工作装置的零部件性能影响，而且还受挖掘机的控制系统和液压系统的性能影响。
(1) 动力系统
液压挖掘机的动力一般是由柴油发动机来提供，柴油机具有可靠的工作特性、功率特性好、耗油经济实惠等特点，符和液压挖掘机工况环境恶劣、负载多变的要求。挖掘机的额定负荷是指挖掘机在发动机额定的转速下连续工作一小时以上输出的额定功率。
(2) 液压系统
挖掘机的行走、回转以及执行部件的动作均是由液压传动系统来操纵实现的，发动机通过花键与液压泵连接并驱动液压泵，把压力油送到主阀的多路换向阀根据司机对操纵杆的操作行程，分配液压油到各个液压执行元件驱动其工作，例如液压马达和油缸。挖掘机靠液压传动的运动动作有：行走、回转、动臂提升、动臂下降、斗杆挖掘、斗杆卸载、铲斗挖掘卸载等。挖掘机的液压系统的功用是把发动机输出的机械能以油液为介质传递能量进行控制，将发动机的机械能转化为油液的压力能，传送给各执行部件，执行各种运动和动作。
(3) 控制系统
液压挖掘机控制系统是对液压泵、发动机、主阀和各执行元件等进行控制的系统。随着计算机电子技术的蓬勃发展，使挖掘机的控制系统越来越先进，挖掘机的发展向着自动化、智能化和高性能的方向发展。
(4) 机械系统
挖掘机的机械系统是挖掘机完成各项基本动作的执行部件。挖掘机的行走装置支撑着整个机器，承受着工作装置受到的反作用力和整机全部的重量，使挖掘机行走。挖掘机按照行走方式的不同可以分为：分履带式和轮胎式。挖掘机的回转动作使挖掘机上车能够绕着回转轴作360度的旋转动作，包括回转马达和回转支撑。
2.2挖掘机的结构
(1) 液压挖掘机的组成
液压挖掘机各项功能的实现有两个基本部分组成的，即主机体和工作装置。主机体是完成挖掘机各项基本动作并驱动和操纵挖掘机进行工作。主机体还可分为回转装置、行走装置、电气系统、液压系统和动力装置。动力装置、回转装置、操纵机构和其他辅助设备均在机器的回转平台上，统称为上车体；行走装置及其辅助设备称为下车体。工作机构有正铲、反铲、起重、装载等装置，能够完成挖掘、修坡、清沟、破碎等工作。图2.1为反铲挖掘机工作装置示意图。
(2) 液压挖掘机的工作循环过程
启动挖掘机后操纵行走的操作杆驱动行走马达带动挖掘机进入工作场地，土方运输车停靠在挖掘机的后方或侧方。挖掘机司机操作回转操纵手柄，接通回转马达控制阀，回转马达转动并带动上部车体回转，挖掘机转向挖掘地点，同时操纵动臂操纵杆使动臂换向阀接通，使动臂油缸的顶部油腔进油，此时动臂下降，直到铲斗快接触到地面为止，然后操纵斗杆手柄，使斗杆的的底部油腔进油，开始挖掘土壤，此时铲斗手柄的操作要配合斗杆挖掘的操作，在两者的配合下挖掘土壤，铲斗装满后，将铲斗和斗杆的操作手柄回中位，抬大臂将举起装满土的铲斗离开工作面，并且操纵回转手柄，使机体回转至运输车辆上方，然后操纵斗杆油缸使铲斗的高度稍降落一点，在适当的高度下卸载铲斗油缸和斗杆油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使上部车体反转回位并要降下大臂，使铲斗回到作业地点的上方，开始下一个一工作循环。

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[6]

2.3 液压挖掘机传动原理
液压挖掘机的三组液压缸工作使挖掘机的工作装置产生三个自由度，铲斗可以实现旋转挖掘，再通过液压马达的回转运动，行走马达驱动其行走，使挖掘机的挖掘范围大大的扩大了，从而用以满足挖掘作业的需求。
发动机驱动着液压泵的工作，通过操纵分配阀，使高压油被分配输送给各执行元件，最终驱动其相应的构件工作。
液压挖掘机的工作装置主要应用的是连杆机构的原理，各部分通过液压缸的伸缩来实现运动的。反铲挖掘机的工作装置的组成由动臂、斗杆、铲斗、连杆及相应的三组液压缸组成。其传动原理为：首先通过操作大臂油缸的伸缩，使大臂带动小臂和颤抖一同绕着大臂下的铰点转动，然后由斗杆油缸的伸缩使斗杆能够绕大臂的上铰接点进行转动;，最后通过铲斗缸的伸缩带动着位于小臂最前端的铰接处的铲斗绕着斗杆前的铰接点进行转动，完成挖掘动作。在挖掘机进行挖掘作业时侯，通过回转马达转动上车体，将工作装置旋转到合适的挖掘地点，同时操纵动臂手柄使动臂油缸的顶部油腔进油驱使液压缸收缩，此时动臂下降，当动臂下降至铲斗快接触到地面以后，操纵斗杆和铲斗手柄，使斗杆油缸和铲斗油缸进油挖掘，通过斗杆和铲斗的复合运动进行挖掘液。当铲斗挖掘装满后，斗杆油缸和铲斗油缸停止运动，此时操作动臂手柄使动臂提升一定的高度，然后操作回转手柄通过回转马达的运动带动上车体旋转至指定的卸载位置，再通过操纵斗杆和铲斗手柄使铲斗油缸和铲斗油缸卸载，完成卸土工作。卸载完成后，再操作回转手柄使工作装置旋转至挖掘位置进行下一次的挖掘循环工作。然而在实际的挖掘环境中，由于挖掘面的条件、土质的软硬等诸多因素影响，工作装置的配合动作是不一样的。
总之，液压挖掘机是由多个系统、多个学科共同组成的一个有机的整体，只有在这个系统的层面上各个系统、各个学科之间的协同优化才能使液压挖掘机获得最佳的工作性能。

3 液压挖掘机的工况及液压系统设计方案的确定
要研究和设计液压挖掘机的液压系统，首先要对液压挖掘机的工作过程及其作业要求分析，在掌握各种液压执行元件动作时的压力、流量和功率的同时还应该掌握各执行液压元件之间的复合动作和在复合动作时油泵对各液压执行元件同一时刻提供的油液进行功率和流量的分配。
3.1 液压挖掘机的工况
液压挖掘机的挖掘作业过程应包含以下几个动作(如图3.1 所示): 回转、行走、铲斗的挖掘装卸、斗杆的挖掘卸载、动臂的提升下降以及其它等辅助动作。

1、动臂升降 2、斗杆挖掘卸载 3、铲斗挖掘装卸 4 、回转 5、行走
图3.1 液压挖掘机的运动图

在液压挖掘机的工作条件和作业对象变化频繁的条件下，对于挖掘机要工作需满足两个方面的要求: (1)为了充分的利用发动机的功率和提高工作效率，在工作过程中要有两个主要的动作相互配合进行复合动作; (2)在操作挖掘机进行动作时，由于挖掘机的负载与工作速度在随时的变化，因而，要求液压马达和液压缸的流量和压力也随之做出相应变化。一台液压挖掘机的作业时的工况主要包括: 挖掘、满斗举升回转、卸载、空斗返回。
3.2 挖掘机液压系统的设计要求
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[7]。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:
3.2.1 操作性能要求
操作性要求往往又包含两方面的内容：
(1) 调速性要求
挖掘机液压系统设的一个十分重要方面就是挖掘机能够对调速操纵控制性能的要求按照驾驶员的操纵意图能够简单的地实现调速性操纵控制，并对各个执行元件的调速操纵能够稳定可靠。由于挖掘机在工作时承载的负载变化范围大，在各种不同的工况作业时功率变化也比较频繁，因而这就要求液压系统对各个执行元件的调速控制性能要好。
(2) 复合操纵性要求
挖掘机在挖掘作业过程中的动作是由各执行元件单独动作组成的，但是在更多的挖掘工况下挖掘机的执行元件要相互配合实现复杂的复合运动，因此挖掘机液压系统操纵性能的重要方面就是如何实现多执行部件的复合动作。
此外，当多个执行元件同时动作，各个操纵阀芯都在最大开度的位置时，系统往往会出现对总的流量的需求超过了主泵供油的最大流量，这样会导致高压执行元件因压力油优先供给低压执行元件而使高压执行元件出现运动速度缓慢，甚至不动的现象。因此，挖掘机液压系统设计时还需考虑多执行元件复合动作时如何协调油液流量的供应问题。
3.2.2 动力性能要求
所谓的动力性要求，是在发动机运行时不超载的前提下，能够充分地利用发动机的功率，进而提高挖掘机的生产效率。由于挖掘机的负载频繁变化的，这就要求液压系统与发动机的要具有良好匹配性，已达到输出最大功率的目的。例如，当外载负载比较小的时侯，主泵的输出流量就变大，加快了执行部件的运行速度。
3.2.3 安全性能要求
挖掘机在工作环境恶劣，载荷变化频繁和受到冲击力巨大，其液压系统对挖掘机的这种工作条件有着良好的过载保护作用，主要是通过液压系统中的溢流阀、安全阀、安全吸油阀及单向阀来起到保护的作用。防止主油泵受到过载力的冲击和有效的保护了外负载的冲击力对各个液压元件的损伤。
3.2.4 节能性能要求
挖掘机在工作的时候一般都能量消耗大、工作时间长，要使液压系统有高的工作效率，那么就要想法降低各个执行部件以及油液经过管路的能量损耗，因此在进行挖掘机液压系统的设计时要充分考虑到各种有效的节能措施。
3.2.5 其它性能要求
液压挖掘机的工作条件恶劣，各部件的功能要有很高的可靠性和耐用持久性。挖掘机的零部件实现了通用化、组件化和标准化，降低了挖掘机的生产制造成本。由于挖掘机在城市的发展建设及大型工程施工中的应用越来越广泛，因而在挖掘机的制造生产中要不断地提高挖掘机的工作性能，还要考虑到降低振动和噪声，注重工作环境的环保性。
3.3 挖掘机液压系统的分析
挖掘机液压系统的核心技术多路阀液压系统（主阀）是整个系统中最重要也是最复杂的部分。主阀在液压系统中主要职能是使液压泵来的油液分配到各个液压执行元件；在多个液压执行元件同时动作的时候的进行流量的合理分配以及实现挖掘机工作时的复合动作；确定了挖掘机工作时的动力学和运动学特性，动作优先原则以及控制油液的合/分流等特性。挖掘机多路阀的液压系统原理图是十分复杂的，各液压执行元件的回油路线、供油路线以及先导油路等混杂在一起，不好辨认，需要花费大量的时间才能分析透彻。下面就对主阀液压系统进行分析如图3.2所示。具体步骤为:
(1)　分析时首先去掉液压泵和液压系统的控制油路，斗杆、铲斗、动臂、回转和行走装置等各个液压执行元件及其油路，以及主阀的先导液压系统。主阀设计的核心就是主阀内部供油油道的设计。因而我们可以把上述简化的系统图再进一步进行简化，突出其中的核心部分。这些部分与主阀的连接关系已经知道，因此可以放在后面的液压执行部件的油路进行讨论研究。去掉回油箱的连接口;油泵的负载流量控制口FR; 通向各阀芯的先导油路;各液压执行元件的连接口AL1, BLl, AL2, BL2, AU, BL3, AL4, BL4和ARl, BR1, AR2, BR2, AR3, BR3, Rsl;各阀芯先导油路连接口all, bll, alt, b12, a13, b13, ajA, b14和arl、brl, ar2, br2, ar3, br3;回油口drl, dr2, dr3, dr4, dr5;压力补偿阀、主溢流阀、斗杆和动臂的安全吸油阀等。
(2)　将经过以上步骤简化后的液压系统连接起来，如下图3.2所示。观察整个系统发现主阀主要包括5个中位机能为O型的二位二通换向阀A, B, C, D, E，7个三位八通换向操作阀和一些单向阀与节流阀。简化后的液压系统原理图，使我们可以清晰地了解液压泵的液压油是怎样实现由主泵通向各液压执行元件的，以及液压传动的路线供油、功率和流量的分配情况。

图3.2 主阀液压系统原理图

3.4 液压系统方案的制定
(1)液压挖掘机一个工作循环包含的四种基本的工况，即挖掘、满斗举升回转、卸载和卸载返回工况，在对每个工况进行了解的基础上，总结出每个工况下各执行构件的复合动作后提出初步的设计方案。
(2)根据液压挖掘机的液压系统的工作特点，总结出液压挖掘机液压系统的主要设计要求: 操纵性要求、安全性要求、动力性要求、节能性要求和其它性能的要求。
(3)最后拟定一种有效而直观的挖掘机液压系统的设计方案，并详细介绍液压系统的设计步骤。

4 液压系统的设计
小松PC200/220-7型履带式液压挖掘机采用全功率型变量液压系统，采用先导液压操纵，整体式多路选择阀等先进的结构构成。该机的结构紧凑，操作方便实用，使用起来维护安全可靠，发动机功率利用率高、生产效率高等诸多优点。被广泛用于建筑施工、市政工程、水电、国防工程和一般矿山采掘，挖掘土壤等等。
4.1 液压系统方案及参数的确定

表4.1 小松PC200-7液压履带式挖掘机主要技术参数
项目名称
单位 
数 值 
标准斗容量
m3
0.8
发动机型号

SAA6D102E-2-A
发动机标定输出功率
kW/r/min
106.7/1950
最大挖掘半径 
mm
9875
最大挖掘高度 
mm
10000
最大挖掘深度 
mm
6620
最大卸载高度
mm
7110
回转速度
rpm
12.4
行走速度
km/h
0-5.5
爬坡能力
°
35
作业循环时间
S
18-22
主机长/宽度
MPa
0.077
履带平均接地比压
kPa
44.9
发动机额定转数
r/min
2150
整机质量
t
20
理论生产率
m3/h
200
最大挖掘力
kN
138.3
系统工作压力
MPa
40
履带板宽度
mm
2800
主机运输尺寸(长X宽X高)
mm
9425x2800x3000

4.2 液压缸及系统压力的选择
挖掘机铲斗向内收是为了铲料，向外摆是为了卸料，在挖掘机的工作装置中采用了两个动臂液压缸、一根斗杆油缸和一铲斗油缸。为了使机器能够正常而平稳的工作，因此在大臂上的两个动臂液压缸必须同步运动，这就要求任何时刻进出油路的压力油必须保持一定的压力平衡。由于挖掘机主要用于建筑、施工、矿山、水利工程等大型工程中，本文挖掘机液压缸的设计采用双作用单活塞杆式液压缸。下文是对液压缸及系统压力的初选。
双作用单活塞杆式液压缸的参数选择：
每斗料的重量

(4.1)
(4.2)
根据查阅的资料尺寸图按极限情况计算可以得到挖斗料自重G与铲斗液压缸产生力F在卸料斗底板轴承铰接处转距平衡方程式为：
(4.3)
(4.4)
经计算：
挖掘机的液压系统工作压力的选定直接关系到所设计出的挖掘机液压系统是否具有合理性；如果系统的工作压力低，则就要求执行元件的容量要大，系统所需流量也大；如果系统的工作压力过高，对元件的制造精度和系统的使用维护就要求高。系统的压力的选择一般根据机械的类型来选择工作压力。
参考小松挖掘机，取液压缸工作压力为25MPa，安装方式选择缸头耳环处带衬套，活塞杆端连接方式选择杆端外螺纹，杆头耳环处带衬套。由于液压缸活塞杆的伸缩速度缓慢且压力巨大，因而设计的时候选择带缓冲，油口连接方式选择外螺纹连接。
4.3 工作装置铲斗液压缸主要尺寸的计算
首先，对活塞杆直径d和缸筒内径D的计算，计算过程如下：
受拉时：
(4.5)
受压时：
（4.6）
（4.7）
（4.8）
(1) 液压油缸的缸径、杆径和工作压力确定
根据小松挖掘机的《pc200-7技术读本》和《pc200-7装修手册》我们可以得到以下的尺寸结果：
缸径D=Φ120mm，杆径d=0.67D=Φ80mm
因而可以计算出液压系统工作压力为：
(4.9)
式中F为锁紧力，F＝284KN
(2) 缸筒壁厚计算
查阅机械设计手册，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：
(4.10)
Ψ：强度系数,Ψ＝1 C：圆整壁厚数 Py:液压缸内最高工作压力,Py＝10MPa D：缸筒内径
（4.11）
（4.12）
故油缸缸筒外圆 D1＝120mm.
(3) 缸筒强度的校核
由参考资料可知，缸体合成应力按下式计算：
(4.13)
式中：[σ]=70MPa
σz1：纵向应力: (4.14)
σh1：环向应力：
P：工作压力，P=34MPa
D：油缸缸径，D=Φ120mm
d：油缸杆径，d=Φ80mm
δ：缸筒壁厚，δ=25mm
最后有: (4.15)
即: ,因而设计符合要求。
(4) 活塞杆长度以及缸筒长度的计算
经过查阅小松挖掘机的技术读本和装修手册，根据设计要求的行程，设计活塞杆的长度。最终确定本文中油缸的行程为1200mm，油缸的活塞杆的长度为1450mm，缸筒的长度为1700mm。
(5) 活塞杆强度的校核
液压缸活塞当杆受到拉力时最危险区域是两端连接处的螺纹退刀槽横截面，其应力计算过程如下：
(4.16)
式中σ为拉应力：
(4.17)
τ为剪应力：
(4.18)
上面面的公式中，
K：螺纹拧紧系数，取K=1.25
K1:螺纹内摩擦系数,一般取K1=0.12
d1：活塞杆危险截面处直径，d1=80mm
d0：螺纹外径，d0=82mm
[σ]：70MPa
则：σ＝38.6Mpa τ＝26.1Mpa σn=59.4MPa
所以: σn< [σ],符合要求。
(6) 活塞杆柔度校核计算
活塞杆细比计算如下：
此处：L为折算长度，导向套中心至吊头尺寸，约1500mm
活塞杆直径d=80mm,
[λ]活塞杆许用细长比，按规定拉力杆此处[λ]≤100。
计算得λ=4×1300/80=65＜[λ]，故满足设计要求。
(7) 下盖联接螺钉强度校核计算
螺钉联接采用高强度螺钉M20×80(GB/T70.1-2000)联接,两端数量均为24件，螺钉精度等级为10级，其强度校核，按照活塞杆强度校核的计算公式。
拉应力： (4.19)
剪应力： (4.20)
K：螺纹拧紧系数，此处取K=1.20
K1:：螺纹摩擦系数,一般取=0.15
d1：螺纹内径，d1=16.50mm d0：螺纹外径，d0=20mm
Z：24
σs螺钉材料屈服强度，σs≥900Mpa(10级)
(4.21)
得：
满足设计要求。

4.4 液压系统原理图的制定
4.4.1 制定液压系统设计的基本方案
(1) 制定压力控制方案
制定压力控制方案 ：液压执行元件在工作时，要求系统要保持在一定的工作压力或在一定的压力范围内工作。在节流调速系统中，通常是由定量泵来进行供油的，溢流阀来调节所需的压力，并使系统保持在一定的范围或者维持在恒定的。一般在液压系统中，当系统需要高压油的流量不大时可以用增压回路来得到高压油。液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。 在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。
(2) 制定调速方案
在系统的液压执行元件确定之后，其运动速度和运动方向的控制是制动整个液压回路的核心思路。运动方向的控制通过换向阀来实现的，而对于一般的中小流量的液压系统，大多数采用的是换向阀的有机组合来实现动作，对高压大流量的液压系统，目前来说多数采用的是先导控制阀与插装阀的逻辑组合来实现的。运动速度的控制是通过改变液压执行元件的输入或输出油液的流量来实现。相应的调整方式有容积调速、节流调速以及二者相结合组成的容积--节流调速。容积调速是通过改变液压泵或液压马达的排量来实现调速的目的。其主要的优点是没有节流损失和溢流损失，使用效率高。此种调速方式适用于运动速度高、功率要求大的液压系统。节流调速通常是有定量泵来供油的，通过流量控制阀改变压执行元件流量的输入或输出液来实现调节速度的。容积--节流调速一般情况下是采用变量泵来供油的，与节流调速一样通过流量控制阀调节液压执行元件流量的输入或输出，并控制供油量和需油量相匹配。此种调速回路的主要特点是稳定性好，工作效率高，但是结构设计的复杂。
经过上述的方案分析选用本次论文选用的是容积--节流调速。
(3) 制定顺序动作方案
主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是随机的或人为的。工程