挖掘機工作裝置研究及液壓泵設計【反鏟工作裝置】【直軸式軸向柱塞泵的設計】

挖掘機工作裝置研究及液壓泵設計【反鏟工作裝置】【直軸式軸向柱塞泵的設計】,反鏟工作裝置,直軸式軸向柱塞泵的設計,挖掘機工作裝置研究及液壓泵設計【反鏟工作裝置】【直軸式軸向柱塞泵的設計】,挖掘機,工作,裝置,研究,鉆研,液壓泵,設計,直軸式,軸向,柱塞 任務書 學 院 專 業(yè) 班級學號 學 生 指導教師 題 目 挖掘機工作裝置研究及液壓泵設計 任務規(guī)定 進行日期 自 2014 年 1 月 10 日起，至 2014 年 6 月 20 日止 一、題目來源、目的、意義 挖掘機液壓傳動緊密地聯系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎。 其結構主要是由發(fā)動機、液壓系統、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組， 成，由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現的動作很復雜，于是它對液壓系統 的設計提出了很高的要求，其液壓系統也是工程機械液壓系統中最為復雜的。 因此，對挖掘機液壓系統的分析設計已經成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán)。 二、主要工作內容 1. 查閱國內外挖掘機的行業(yè)狀況及發(fā)展方向，同時進行一定數量的外文翻譯 2. 掌握液壓挖掘機的液壓泵工作裝置設計基本原則和任務 3. 理解挖掘機的工作原理 4. 確定液壓泵的總體設計方案 5. 完成工作裝置結構設計、主要零部件的結構設計，流量及排量計算,受力分析 6. 繪制裝配圖及主要零件圖 三、主要技術指標（或主要論點） 1. 旋轉方向：順時針（從傳動尾看） 2. 排量：63ml/r 3. 最高轉速：2600r/min 4. 控制方式：壓力、流量、恒功率控制 5. 輸入功率：30kw（2200rpm) 6. 容積效率≥92% 總效率≥87% 7.注油量 1.42L 四、進度計劃 第一周 外文翻譯 第二周~第四周 制訂課題研究方案，開題報告。 第五周~第八周 液壓主泵結構設計 第九周~第十周 機構及其關鍵部件參數分析 第十一周~第十三周 詳細裝配和零件設計 第十三周~第十六周 撰寫畢業(yè)論文 第十七周 準備答辯 第十八周 答辯 五、主要參考資料（外文資料至少一篇） [1] 許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動.北京.機械工業(yè)出版社.2007 [2] 雷天覺.液壓工程手冊.北京.機械工業(yè)出版社.1990 [3] 徐灝.機械設計手冊：第5卷.北京.機械工業(yè)出版社.1992 [4] 官忠范.液壓傳動系統.北京.機械工業(yè)出版社.1989 [5] Gordon S. 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Theory and Practics，MeGraw-Hill Book Company，1970 [6] 楊培元,朱富元主編.液壓系統設計簡明手冊[M].機械工業(yè)出版社.2002 [7] 霍培祥.斜盤式軸向柱塞泵設計[M].北京.煤炭工業(yè)出版社.1978 [8] 王伯平.互換性與測量技術基礎[M].第2版.北京.機械工業(yè)出版社.2007 [9] 楊文生.液壓與氣動傳動[M].北京：電子工業(yè)出版社.2007 [10] 張利平,(等).液壓氣動技術速查手冊[M].北京.化學工業(yè)出版社.2007 六、系審批意見 系主任 : 七、院領導審核意見 院領導: 八、學生實際完成日期 九、同組設計（論文）者 5 開題報告 學 院 專 業(yè) 班級學號 學 生 指導教師 題 目 挖掘機工作裝置研究及液壓泵設計 1開題的意義和目的 1.1 目的和意義 挖掘機主要用于工程建設。如：公路、橋梁、建筑、養(yǎng)殖池、地下工程、搶險開挖等等。挖掘機主要特點是力氣大，效率高，能完成人力所不能完成的工程，提高工作效率。一般工程隊，建筑業(yè)，搶險部門，甚至私人（開挖養(yǎng)殖遲、道路、開墾）都需要挖掘機。 由于挖掘機在當今社會的作用巨大且相關設計內容及專業(yè)知識與我本身的機械類專業(yè)液比較貼近。因此激勵我趁此畢業(yè)設計的良機選擇此課題，希望能夠掌握挖掘機的基本原理和特點，在設計、研究結構時，根據實際情況，學習如何充分考慮它的特點；了解國內先進的制造技術，盡量采用新想法、新技術。并且鞏固和加深已經學過的理論知識，提高自己的綜合分析和解決工程實際問題的能力，為以后的工作奠定良好的基礎。 1.2 挖掘機的分類及其應用 根據《2013-2017年 中國挖掘機制造行業(yè)產銷需求與投資預測分析報告》分析，以下是常見挖掘機的分類： 常見的挖掘機按驅動方式有內燃機驅動挖掘機和電力驅動挖掘機兩種。其中電動挖掘機主要應用在高原缺氧與地下礦井和其它一些易燃易爆的場所。 1）按照行走方式的不同，挖掘機可分為履帶式挖掘機和輪式挖掘機。 2）按照傳動方式的不同，挖掘機可分為液壓挖掘機和機械挖掘機。機械挖掘機主要用在一些大型礦山上。 3）按照用途來分，挖掘機又可以分為通用挖掘機，礦用挖掘機，船用挖掘機，特種挖掘機等不同的類別 4）按照鏟斗來分，挖掘機又可以分為正鏟挖掘機、反鏟挖掘機、拉鏟挖掘機和抓鏟挖掘機。正鏟挖掘機多用于挖掘地表以上的物料，反鏟挖掘機多用于挖掘地表以下的物料。 1.2.1 挖掘機的鏟斗類別 1）反鏟挖掘機 反鏟式是我們見過最常見的，向后向下，強制切土。可以用于停機作業(yè)面以下的挖掘，基本作業(yè)方式有：溝端挖掘、溝側挖掘、直線挖掘、曲線挖掘、保持一定角度挖掘、超深溝挖掘和溝坡挖掘等。 2）正鏟挖掘機 正鏟挖掘機的鏟土動作形式。其特點是“前進向上，強制切土”。正鏟挖掘力大，能開挖停機面以上的土，宜用于開挖高度大于2m的干燥基坑，但須設置上下坡道。正鏟的挖斗比同當量的反鏟的挖掘機的斗要大一些，可開挖含水量不大于27%的一至三類土，且與自卸汽車配合完成整個挖掘運輸作業(yè)，還可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。正鏟挖土機的開挖方式根據開挖路線與運輸車輛的相對位置的不同，挖土和卸土的方式有以下兩種：正向挖土，側向卸土；正向挖土，反向卸土。 3）拉鏟挖掘機 拉鏟挖土機也叫索鏟挖土機。其挖土特點是：“向后向下，自重切土”。宜用于開挖停機面以下的Ⅰ、Ⅱ類土。工作時，利用慣性力將鏟斗甩出去，挖得比較遠，挖土半徑和挖土深度較大，但不如反鏟靈活準確。尤其適用于開挖大而深的基坑或水下挖土。 4）抓鏟挖土機 抓鏟挖土機也叫抓斗挖土機。其挖土特點是：“直上直下，自重切土”。宜用于開挖停機面以下的Ⅰ、Ⅱ類土，在軟土地區(qū)常用于開挖基坑、沉井等。尤其適用于挖深而窄的基坑，疏通舊有渠道以及挖取水中淤泥等，或用于裝載碎石、礦渣等松散料等。開挖方式有溝側開挖和定位開挖兩種。如將抓斗做成柵條狀，還可用于儲木場裝載礦石塊、木片、木材等。 1.3全液壓全回轉挖掘機 圖1.1液壓挖掘機 現今的挖掘機占絕大部分的是全液壓全回轉挖掘機。液壓挖掘機主要由發(fā)動機、液壓系統、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。液壓系統由液壓泵、控制閥、液壓缸、液壓馬達、管路、油箱等組成。電氣控制系統包括監(jiān)控盤、發(fā)動機控制系統、泵控制系統、各類傳感器、電磁閥等。 1.3.1 液壓挖掘機的結構 圖1.2 液壓挖掘機的結構 液壓挖掘機一般由工作裝置、上部車體和下部車體三大部分組成。據其構造和用途可以區(qū)分為：履帶式、輪胎式、步履式、全液壓、半液壓、全回轉、非全回轉、通用型、專用型、鉸接式、伸縮臂式等多種類型。 工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置。它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。為了適應各種不同施工作業(yè)的需要，液壓挖掘機可以配裝多種工作裝置，如挖掘、起重、裝載、平整、夾鉗、推土、沖擊錘，旋挖鉆等多種作業(yè)機具?；剞D與行走裝置是液壓挖掘機的機體，轉臺上部設有動力裝置和傳動系統。發(fā)動機是液壓挖掘機的動力源，大多采用柴油要在方便的場地，也可改用電動機。液壓傳動系統通過液壓泵將發(fā)動機的動力傳遞給液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行組件，推動工作裝置動作，從而完成各種作業(yè)。 1.3.2 液壓挖掘機的工作原理 液壓挖掘機主要由發(fā)動機、液壓系統、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。液壓系統由液壓泵、控制閥、液壓缸、液壓馬達、管路、油箱等組成。電氣控制系統包括監(jiān)控盤、發(fā)動機控制系統、泵控制系統、各類傳感器、電磁閥等。 液壓挖掘機一般由工作裝置、回轉裝置和行走裝置三大部分組成。根據其構造和用途可以區(qū)分為：履帶式、輪胎式、步履式、全液壓、半液壓、全回轉、非全回轉、通用型、專用型、鉸接式、伸縮臂式等多種類型。 工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置。它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。動臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉動都用往復式雙作用液壓缸控制。為了適應各種不同施工作業(yè)的需要，液壓挖掘機可以配裝多種工作裝置，如挖掘、起重、裝載、平整、夾鉗、推土、沖擊錘等多種作業(yè)機具。 回轉與行走裝置是液壓挖掘機的機體，轉臺上部設有動力裝置和傳動系統。發(fā)動機是液壓挖掘機的動力源，大多采用柴油要在方便的場地， 也可改用電動機。 液壓傳動系統通過液壓泵將發(fā)動機的動力傳遞給液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行組件，推動工作裝置動作，從而完成各種作業(yè)。 1.3.3 液壓系統的工作原理 圖1.3 泵控制原理 挖掘機液壓系統是由一些基本回路和輔助回路組成，它們包括工作回路、限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流調速和節(jié)流限速回路、行走限速回路和先導閥控制回路等。其元器件主要由工作泵、補油泵、先導控制閥、分配閥、安全閥、大臂油缸、小臂油缸、鏟斗油缸、油箱及相關管路等組成。 挖掘機液壓系統在工作過程中，液壓油自油箱底部通過濾油器被工作泵吸入，從油泵輸出具有一定壓力的液壓油進入一組并聯的分配閥。通過手柄―→先導閥―→工作閥組來實現相應的動作，系統通過總油路上的總安全閥限定整個系統的總壓力，各組工作油路的安全閥分別對相應油路起過載保護和補油作用。 2挖掘機行業(yè)的歷史，及國內外發(fā)展現狀和趨勢 2.1 挖掘機的歷史進程 圖2.1 早期挖掘機珍貴影集 挖掘機行業(yè)的發(fā)展歷史久遠，可以追溯到1840年。當時美國西部開發(fā)，進行鐵路建設，產生了模仿人體構造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機械手的挖掘機，它采用蒸汽機作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間挖掘機沒有得到很大的發(fā)展，應用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。 導致挖掘機發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動作復雜，運動范圍大，需要采用多自由度機構，古老的機械傳動對它不太適合。而且當時的工程建設主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機的應用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機的發(fā)展。 由于液壓技術的應用，二十世紀四十年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機。隨著液壓傳動技術迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術，挖掘機有了適合它的傳動裝置，為挖掘機的發(fā)展建立了強有力的技術支撐，是挖掘機技術上的一個飛躍 。同時，工程建設和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進行城市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉，實現多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機得到了廣泛應用。 1950年在意大利北部生產了第一臺液壓挖掘機。第一臺液壓挖掘機采用定量齒輪泵，中位開式多路閥，工作壓力為9Mpa，所有執(zhí)行組件互相并聯連結。由單泵向6個執(zhí)行組件供油。由于早期液壓挖掘機主要采用了定量齒輪泵，不能按需改變供油流量，無法充分利用發(fā)動機的功率，因此其能量損失很大，不能滿足挖掘機復合動作的復雜要求，且可操縱性差。另外，早期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術，缺少適用于挖掘機各種工況的液壓組件，配套件也不齊全，制造質量不夠穩(wěn)定。從二十世紀六十年代到八十年代中期，液壓挖掘機進入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機產量己經達到挖掘機總產量的83%，其時對挖掘機液壓系統的研究也已經十分成熟，液壓挖掘機已經具有了同步控制系統和負載敏感系統L。 自第一臺手動挖掘機誕生以來的160多年當中，挖掘機一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術已經發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，對其控制方式不斷改進和革新，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合過程控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了堅實的基礎，創(chuàng)造了良好的前提。 據有關專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有65%至70%的土石方工程都是由挖掘機完成的。挖掘機是一種萬能型工程機械，目前已經無可爭議地成為工程機械的第一主力機種，在世界工程機械市場上己占據首位，并且仍在發(fā)展擴大。挖掘機的發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎，其液壓系統已成為工程機械液壓系統的主流形式。隨著科學技術的發(fā)展和建筑施工現代化生產的需要，液壓挖掘機需要大幅度的技術進步，技術創(chuàng)新是液壓挖掘機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術方面，挖掘機產品的核心技術就是液壓系統設計，所以對其液壓系統的分析研究具有十分重要的現實意義。 2.2 國內挖掘機行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 從國內情況來看，我國挖掘機行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機液壓系統方面的理論還比較薄弱。 國內大部分挖掘機企業(yè)在挖掘機液壓系統傳統技術方面的研究具有一定基礎，但由于采用傳統液壓系統的挖掘機產品在性能、質量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差，因此采用傳統液壓系統的挖掘機在國內市場上基本失去了競爭力，取而代之的是采用各種高新技術的國外挖掘機產品。先進的挖掘機液壓系統都被國際上一流的生產企業(yè)壟斷，國內企業(yè)在該領域的研究幾乎是空白，這樣國內的挖掘機生產廠家就無法獨立制造出性能優(yōu)異的挖掘機，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的挖掘機所占據。以20t級的中型液壓挖掘機為例，國產20t級挖掘機大多數是歐洲80年代初的技術，同90年代初以來在國內形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國大宇、現代等機型相比，其主要差距柴油機功率偏低，液壓系統流量偏小，液壓系統特性差，導致平臺回轉速度低，行走速度低，各種性能參數均偏小，整機性能和作業(yè)效率較國外偏低。 2.3 國外挖掘機行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 從20世紀60年代液壓傳動技術開始應用在挖掘機上至今，挖掘機液壓系統己經發(fā)展到了相當成熟的階段。 目前國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢；流量通常在每分鐘數百升；功率在數百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的目前世界上首臺最大的RH40。型全液壓挖掘機，鏟斗容量達42m3,液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高10200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓挖掘機經常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響.系統的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統使液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。 2.4 國際挖掘機行業(yè)的趨勢 近幾年來，隨著液壓挖掘機產量的提高和使用范圍的擴大，世界上著名的挖掘機生產商紛紛采用各種高新技術，來提高自己挖掘機在國際上的競爭力，主要表現在五個方面: (1) 開式向閉式液壓系統的轉變 采用三位六通閥，其特點是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯供油路。由于這種油路調速方式是進油節(jié)流調速和旁路節(jié)流調速同時起作用，其調速特性受負載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統的操縱性能、調速性能和微調性能差。另外，當液壓作用組件一起復合動作時，相互干擾大，使得復合動作操縱非常困難。由于挖掘機作業(yè)工程中要求對液壓組件能很好地控制其運動速度和進行微調，而且在其工作的許多任務況下要求多個執(zhí)行組件完成復合動作，而長期以來使用的開式液壓系統無法滿足挖掘機的調速和復合動作的要求。近年來在國外的挖掘機液壓系統中出現了閉式負載敏感系統(CLSS)。它可以采用一個油泵同時向所有液壓作用組件供油，每一個液壓作用組件的運動速度只與操縱閥的閥桿行程有關，與負載壓力無關，泵的流量按需提供，而且多個液壓作用組件同時動作時相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統的主要特點。這種系統非常符合挖掘機操作的要求，它操縱簡單，對司機的操縱技巧要求低，在國際上己經獲得較廣泛的使用，是挖掘機液壓系統的發(fā)展趨勢。目前日本小松公司已經把大量挖掘機液壓系統從開式系統改為閉式系統了。 (2) 節(jié)能技術的應用 目前液壓挖掘機上典型的節(jié)能技術基本上有兩種。即負載敏感技術和負流量控制技術，目前液壓挖掘機都選用其中一種控制技術來實現節(jié)能要求。負載敏感技術是一種利用泵的出口壓力與負載壓力差值的變化而使系統流量隨之相應變化的技術。德國曼內斯曼(Mannesmann)公司研制的一種負載傳感系統，將其安裝在液壓系統中，可以控制一個或幾個液壓作用組件，而與對其施加的載荷無關。該系統不僅易于操縱，而且微動控制特性很好。其最大的特點就是可以根據負載大小和調速要求對油泵進行控制，從而實現在按需供流的同時，使調速節(jié)流損失△P控制在很小的固定值，從而達到節(jié)能的目的lzs.e57負流量控制技術是通過位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對主泵的排量進行調節(jié)的技術。日前以韓國現代(HYUNDAI)、日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國外著名品牌的挖掘機生產商都在自己的挖掘機液壓系統中使用了負流量控制技術。這種控制技術具有穩(wěn)定性好、響應快、可靠性和維修性好等特點，但在起始點為重負荷下作業(yè)時，因流量與負載有關，所以可控制性較差。 (3) 提高負載能力和可靠性 為了提高挖掘機的負載能力，直接的方法是提高其液壓系統工作壓力、流量和功率。目前，國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢;流量通常在每分鐘數百升;功率在數百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的型全液壓挖掘機，鏟斗容量達42立方米液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達100200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓挖掘機經常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響。系統的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統，使液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。 (4) 重視操縱特性 挖掘機液壓系統的操縱特性越來越受到重視。日前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制，無線電遙控、電子計算機綜合過程控制。各種高新技術的應用，使得挖掘機液壓系統操縱特性大大提高。 (5) 電子一液壓集成控制成為當前主要研究目標 電子控制技術與液壓控制技術相結合的電子一液壓集成控制技術近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計算機和檢測儀表的應用，使液壓技術和電子控制有機結合，開發(fā)和研制出了許多新型電液自動控制系統，提高了挖掘機的自動化程度，推動著挖掘機的迅猛發(fā)展。目前國外先進品牌的挖掘機在電液聯合控制方面的研究己趨成熟。美國林肯一貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費。日本住友公司生產的FJ系列五中新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機輔助的功率控制系統，利用精控模式選擇系統，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命。 3方案擬定 3.1 設計參數 1） 旋轉方向：順時針（從傳動尾看） 2） 排量：63ml/r 3） 最高轉速：2600r/min 4） 控制方式：壓力、流量、恒功率控制 5） 輸入功率：30kw（2200rpm) 6） 容積效率≥92% 總效率≥87% 7） 注油量： 1.42L 3.2 方案擬定 在查閱資料對挖掘機工作裝置的研究，本次設計主要工作是完成液壓泵的結構設計，初步選擇柱塞泵。 3.2.1 柱塞泵 柱塞泵是液壓系統的一個重要裝置。它依靠柱塞在缸體中往復運動，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來實現吸油、壓油。柱塞泵具有額定壓力高、結構緊湊、效率高和流量調節(jié)方便等優(yōu)點，被廣泛應用于高壓、大流量和流量需要調節(jié)的場合，在液壓挖掘機中起到了非常重要的作用，是其的一個重要的核心。 柱塞泵一般分為單柱塞泵、臥式柱塞泵、軸向柱塞泵和徑向柱塞泵。 3.2.2軸向柱塞泵 軸向柱塞泵由于柱塞和柱塞孔都是圓形零件，加工時可以達到很高的精度配合，因此容積效率高。 軸向柱塞泵是采用配油盤配油，缸體旋轉，靠變量頭變量的斜盤式軸向柱塞泵。該泵采用液壓靜力平衡的最佳油膜厚度設計，使缸體與配油盤、滑靴與變量頭之間處于純液體摩擦下運轉，具有結構簡單、體積小、噪音低、效率高、壽命長和有自吸能力等優(yōu)點。因此本設計采用軸向柱塞泵。 軸向柱塞泵又分為斜軸式軸向柱塞泵與斜盤式軸向柱塞泵。軸向柱塞泵中的柱塞是軸向排列的。 1）當缸體軸線和傳動軸軸線重合時，稱為斜盤式軸向柱塞泵。 2）當缸體軸線和傳動軸軸線不在一條直線上，而成一個夾角γ時，稱為斜軸式軸向柱塞泵。 3.2.3 斜盤式軸向柱塞泵與斜軸式軸向柱塞泵的比較 1）斜盤式軸向液壓泵：柱塞受側向力作用，對缸體產生傾覆力矩，故斜盤角一般小于20度抗扭振性能好，集成化容易。變量機構驅動斜盤擺動，慣性力小，變量響應速度快。 圖3.1 斜盤式軸向液壓泵 2）斜軸式軸向液壓泵：柱塞不受側向力作用，缸體產生傾覆力矩較小，軸傾角可達25-30度.抗扭振性能不好，集成化困難。變量機構驅動缸體擺動，變量響應速度慢。 3.2.4 方案設定結論 圖3.2 斜盤式軸向液壓泵的結構 根據以上所查及的資料及分析，本設計方案設定為用于挖掘機的斜盤式軸向柱塞泵。 4 執(zhí)行步驟 第一周 ：外文翻譯。 第二周～第四周 ：制訂課題研究方案，開題報告。 第五周～第八周 ：液壓主泵結構設計。 第九周～第十周 ：機構及其關鍵部件參數分析。 第十一周～第十三周 ：詳細裝配和零件設計。 第十三周～第十六周 ：撰寫畢業(yè)論文。 第十七周 ：準備答辯。 第十八周 ：答辯。 參考文獻 [1] 王紅彬.國外液壓挖掘機新技術發(fā)展動向．國外工程機械．1993.19 [2]?Gordon?S.?G.Beveridge?and?Robert?S.?Schrchter.?Optimization[M].?Theory?and?Practics，MeGraw-Hill?Book?Company，1970 [3]?楊培元,朱富元主編.液壓系統設計簡明手冊[M].機械工業(yè)出版社.2002 [4]?霍培祥.斜盤式軸向柱塞泵設計[M].北京.煤炭工業(yè)出版社.1978 [5] Linde Hydraulic. 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Ausgabe. 1987 [6] 黃誼等. 液壓傳動[M].機械工業(yè)出版社.2000.9 [7]?許福玲. 陳堯明.液壓與氣壓傳動.北京.機械工業(yè)出版社.2007 [8]?雷天覺.液壓工程手冊.北京.機械工業(yè)出版社.1990 [9]?徐灝.機械設計手冊.第5卷.北京.機械工業(yè)出版社.1992 [10] 李建啟.負載傳感系統壓力補償方案的分析比較.液壓氣動與密封，1992.3 [11] 張利平,(等).液壓氣動技術速查手冊[M].北京.化學工業(yè)出版社.2007 [12] 王伯平.互換性與測量技術基礎[M].第2版.北京.機械工業(yè)出版社.2007 [13] 楊文生.液壓與氣動傳動[M].北京：電子工業(yè)出版社.2007 [14] 官忠范.液壓傳動系統.北京.機械工業(yè)出版社.1989 [15] 許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動.北京.機械工業(yè)出版社.2007 學 院 專 業(yè) 題目 挖掘機工作裝置研究及液壓泵設計 班級學號 學 生 指導教師 目錄 摘要 3 Abstract 4 第一章 緒論 5 1.1目的和意義 5 1.2挖掘機的分類及其應用 5 1.2.1 挖掘機的鏟斗類別 5 1.3全液壓全回轉挖掘機 6 1.3.1液壓挖掘機的結構 7 1.3.2 液壓挖掘機的工作原理 7 1.4 挖掘機行業(yè)的歷史，及國內外發(fā)展現狀和趨勢 9 1.4.1 挖掘機的歷史進程 9 1.4.2 國內挖掘機行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 10 1.4.3 國外挖掘機行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 11 1.4.4 國際挖掘機行業(yè)的趨勢 11 第二章 液壓挖掘機反鏟工作裝置的組成 14 第三章 反鏟工作裝置的設計 16 3.1工作裝置的設計原則 16 3.2 工作裝置設計 16 第四章 工作裝置受力分析 19 4.1挖掘力的計算 19 4.2 挖掘阻力的計算 19 4.3 液壓挖掘機反鏟裝置油缸作用力的計算 20 第五章 挖掘機液壓泵的選擇 24 5.1 常用泵的性能比較 24 5.2 軸向柱塞泵的選擇 24 第六章 直軸式軸向柱塞泵工作原理 26 第七章 直軸式軸向柱塞泵關鍵零部件的設計 27 7.1設計參數 27 7.2 零部件的設計 27 7.2.1柱塞的設計 27 72.1.1柱塞結構的選擇 27 7.2.1.2 柱塞尺寸的設計 28 7.2.2 滑靴的設計 31 7.2.2.1 滑靴結構的選擇 31 7.2.2.2滑靴尺寸設計 31 7.2.3 回程機構的設計 33 7.2.4 斜盤的設計 34 7.2.5 配流盤的設計 35 7.2.5.1 配流盤結構的選擇 35 7.2.5.2 配油盤尺寸設計 35 7.2.6 缸體的設計 37 7.2.7 變量控制機構的設計 38 7.3 直軸式軸向柱塞泵總裝圖 40 結論 41 結束語 42 參考文獻 43 摘要 本論文對挖掘機的工作裝置進行了分析說明，了解了工作裝置的基本組成，在此基礎上對挖掘機的基本工作裝置進行了設計，獲得了主要零件的相關參數，為建模提供了相關的數據參考，同時對建立好的反鏟工作裝置進行了受力，驗證了該模型的正確性。完成了挖掘機液壓泵的選擇，確定了用直軸式軸向柱塞泵作為挖掘機液壓系統的油源，直軸式軸向柱塞泵的設計包括柱塞、滑靴、回程盤、斜盤、配流盤、缸體的設計，以及變量執(zhí)行機構的對比選擇。最后在現有成熟Q63CY14-1B柱塞泵泵體與泵殼結構基礎上完成泵的總裝。 關鍵詞：挖掘機；反鏟工作裝置；直軸式軸向柱塞泵； 第一章 緒論 1.1目的和意義 挖掘機主要用于工程建設。如：公路、橋梁、建筑、養(yǎng)殖池、地下工程、搶險開挖等等。挖掘機主要特點是力氣大，效率高，能完成人力所不能完成的工程，提高工作效率。一般工程隊，建筑業(yè)，搶險部門，甚至私人（開挖養(yǎng)殖遲、道路、開墾）都需要挖掘機。 由于挖掘機在當今社會的作用巨大且相關設計內容及專業(yè)知識與我本身的機械類專業(yè)液比較貼近。因此激勵我趁此畢業(yè)設計的良機選擇此課題，希望能夠掌握挖掘機的基本原理和特點，在設計、研究結構時，根據實際情況，學習如何充分考慮它的特點；了解國內先進的制造技術，盡量采用新想法、新技術。并且鞏固和加深已經學過的理論知識，提高自己的綜合分析和解決工程實際問題的能力，為以后的工作奠定良好的基礎。 1.2挖掘機的分類及其應用 根據《2013-2017年 中國挖掘機制造行業(yè)產銷需求與投資預測分析報告》分析，以下是常見挖掘機的分類： 常見的挖掘機按驅動方式有內燃機驅動挖掘機和電力驅動挖掘機兩種。其中電動挖掘機主要應用在高原缺氧與地下礦井和其它一些易燃易爆的場所。 1）按照行走方式的不同，挖掘機可分為履帶式挖掘機和輪式挖掘機。 2）按照傳動方式的不同，挖掘機可分為液壓挖掘機和機械挖掘機。機械挖掘機主要用在一些大型礦山上。 3）按照用途來分，挖掘機又可以分為通用挖掘機，礦用挖掘機，船用挖掘機，特種挖掘機等不同的類別 4）按照鏟斗來分，挖掘機又可以分為正鏟挖掘機、反鏟挖掘機、拉鏟挖掘機和抓鏟挖掘機。正鏟挖掘機多用于挖掘地表以上的物料，反鏟挖掘機多用于挖掘地表以下的物料。 1.2.1 挖掘機的鏟斗類別 1）反鏟挖掘機 反鏟式是我們見過最常見的，向后向下，強制切土。可以用于停機作業(yè)面以下的挖掘，基本作業(yè)方式有：溝端挖掘、溝側挖掘、直線挖掘、曲線挖掘、保持一定角度挖掘、超深溝挖掘和溝坡挖掘等。 2）正鏟挖掘機 正鏟挖掘機的鏟土動作形式。其特點是“前進向上，強制切土”。正鏟挖掘力大，能開挖停機面以上的土，宜用于開挖高度大于2m的干燥基坑，但須設置上下坡道。正鏟的挖斗比同當量的反鏟的挖掘機的斗要大一些，可開挖含水量不大于27%的一至三類土，且與自卸汽車配合完成整個挖掘運輸作業(yè)，還可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。正鏟挖土機的開挖方式根據開挖路線與運輸車輛的相對位置的不同，挖土和卸土的方式有以下兩種：正向挖土，側向卸土；正向挖土，反向卸土。 3）拉鏟挖掘機 拉鏟挖土機也叫索鏟挖土機。其挖土特點是：“向后向下，自重切土”。宜用于開挖停機面以下的Ⅰ、Ⅱ類土。工作時，利用慣性力將鏟斗甩出去，挖得比較遠，挖土半徑和挖土深度較大，但不如反鏟靈活準確。尤其適用于開挖大而深的基坑或水下挖土。 4）抓鏟挖土機 抓鏟挖土機也叫抓斗挖土機。其挖土特點是：“直上直下，自重切土”。宜用于開挖停機面以下的Ⅰ、Ⅱ類土，在軟土地區(qū)常用于開挖基坑、沉井等。尤其適用于挖深而窄的基坑，疏通舊有渠道以及挖取水中淤泥等，或用于裝載碎石、礦渣等松散料等。開挖方式有溝側開挖和定位開挖兩種。如將抓斗做成柵條狀，還可用于儲木場裝載礦石塊、木片、木材等。 1.3全液壓全回轉挖掘機 圖 1.1液壓挖掘機 現今的挖掘機占絕大部分的是全液壓全回轉挖掘機。液壓挖掘機主要由發(fā)動機、液壓系統、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。液壓系統由液壓泵、控制閥、液壓缸、液壓馬達、管路、油箱等組成。電氣控制系統包括監(jiān)控盤、發(fā)動機控制系統、泵控制系統、各類傳感器、電磁閥等。 1.3.1液壓挖掘機的結構 圖 1.2 液壓挖掘機的結構 液壓挖掘機一般由工作裝置、上部車體和下部車體三大部分組成。據其構造和用途可以區(qū)分為：履帶式、輪胎式、步履式、全液壓、半液壓、全回轉、非全回轉、通用型、專用型、鉸接式、伸縮臂式等多種類型。 工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置。它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。為了適應各種不同施工作業(yè)的需要，液壓挖掘機可以配裝多種工作裝置，如挖掘、起重、裝載、平整、夾鉗、推土、沖擊錘，旋挖鉆等多種作業(yè)機具?；剞D與行走裝置是液壓挖掘機的機體，轉臺上部設有動力裝置和傳動系統。發(fā)動機是液壓挖掘機的動力源，大多采用柴油要在方便的場地，也可改用電動機。液壓傳動系統通過液壓泵將發(fā)動機的動力傳遞給液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行組件，推動工作裝置動作，從而完成各種作業(yè)。 1.3.2 液壓挖掘機的工作原理 液壓挖掘機主要由發(fā)動機、液壓系統、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。液壓系統由液壓泵、控制閥、液壓缸、液壓馬達、管路、油箱等組成。電氣控制系統包括監(jiān)控盤、發(fā)動機控制系統、泵控制系統、各類傳感器、電磁閥等。 液壓挖掘機一般由工作裝置、回轉裝置和行走裝置三大部分組成。根據其構造和用途可以區(qū)分為：履帶式、輪胎式、步履式、全液壓、半液壓、全回轉、非全回轉、通用型、專用型、鉸接式、伸縮臂式等多種類型。 工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置。它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。動臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉動都用往復式雙作用液壓缸控制。為了適應各種不同施工作業(yè)的需要，液壓挖掘機可以配裝多種工作裝置，如挖掘、起重、裝載、平整、夾鉗、推土、沖擊錘等多種作業(yè)機具。 回轉與行走裝置是液壓挖掘機的機體，轉臺上部設有動力裝置和傳動系統。發(fā)動機是液壓挖掘機的動力源，大多采用柴油要在方便的場地， 也可改用電動機。 液壓傳動系統通過液壓泵將發(fā)動機的動力傳遞給液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行組件，推動工作裝置動作，從而完成各種作業(yè)。 1.3.3 液壓系統的工作原理 圖 1.3 泵控制原理 挖掘機液壓系統是由一些基本回路和輔助回路組成，它們包括工作回路、限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流調速和節(jié)流限速回路、行走限速回路和先導閥控制回路等。其元器件主要由工作泵、補油泵、先導控制閥、分配閥、安全閥、大臂油缸、小臂油缸、鏟斗油缸、油箱及相關管路等組成。 挖掘機液壓系統在工作過程中，液壓油自油箱底部通過濾油器被工作泵吸入，從油泵輸出具有一定壓力的液壓油進入一組并聯的分配閥。通過手柄―→先導閥―→工作閥組來實現相應的動作，系統通過總油路上的總安全閥限定整個系統的總壓力，各組工作油路的安全閥分別對相應油路起過載保護和補油作用。 1.4 挖掘機行業(yè)的歷史，及國內外發(fā)展現狀和趨勢 1.4.1 挖掘機的歷史進程 圖 1.4早期挖掘機珍貴影集 挖掘機行業(yè)的發(fā)展歷史久遠，可以追溯到1840年。當時美國西部開發(fā)，進行鐵路建設，產生了模仿人體構造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機械手的挖掘機，它采用蒸汽機作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間挖掘機沒有得到很大的發(fā)展，應用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。 導致挖掘機發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動作復雜，運動范圍大，需要采用多自由度機構，古老的機械傳動對它不太適合。而且當時的工程建設主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機的應用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機的發(fā)展。 由于液壓技術的應用，二十世紀四十年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機。隨著液壓傳動技術迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術，挖掘機有了適合它的傳動裝置，為挖掘機的發(fā)展建立了強有力的技術支撐，是挖掘機技術上的一個飛躍 。同時，工程建設和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進行城市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉，實現多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機得到了廣泛應用。 1950年在意大利北部生產了第一臺液壓挖掘機。第一臺液壓挖掘機采用定量齒輪泵，中位開式多路閥，工作壓力為9Mpa，所有執(zhí)行組件互相并聯連結。由單泵向6個執(zhí)行組件供油。由于早期液壓挖掘機主要采用了定量齒輪泵，不能按需改變供油流量，無法充分利用發(fā)動機的功率，因此其能量損失很大，不能滿足挖掘機復合動作的復雜要求，且可操縱性差。另外，早期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術，缺少適用于挖掘機各種工況的液壓組件，配套件也不齊全，制造質量不夠穩(wěn)定。從二十世紀六十年代到八十年代中期，液壓挖掘機進入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機產量己經達到挖掘機總產量的83%，其時對挖掘機液壓系統的研究也已經十分成熟，液壓挖掘機已經具有了同步控制系統和負載敏感系統L。 自第一臺手動挖掘機誕生以來的160多年當中，挖掘機一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術已經發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，對其控制方式不斷改進和革新，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合過程控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了堅實的基礎，創(chuàng)造了良好的前提。 據有關專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有65%至70%的土石方工程都是由挖掘機完成的。挖掘機是一種萬能型工程機械，目前已經無可爭議地成為工程機械的第一主力機種，在世界工程機械市場上己占據首位，并且仍在發(fā)展擴大。挖掘機的發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎，其液壓系統已成為工程機械液壓系統的主流形式。隨著科學技術的發(fā)展和建筑施工現代化生產的需要，液壓挖掘機需要大幅度的技術進步，技術創(chuàng)新是液壓挖掘機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術方面，挖掘機產品的核心技術就是液壓系統設計，所以對其液壓系統的分析研究具有十分重要的現實意義。 1.4.2 國內挖掘機行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 從國內情況來看，我國挖掘機行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機液壓系統方面的理論還比較薄弱。 國內大部分挖掘機企業(yè)在挖掘機液壓系統傳統技術方面的研究具有一定基礎，但由于采用傳統液壓系統的挖掘機產品在性能、質量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差，因此采用傳統液壓系統的挖掘機在國內市場上基本失去了競爭力，取而代之的是采用各種高新技術的國外挖掘機產品。先進的挖掘機液壓系統都被國際上一流的生產企業(yè)壟斷，國內企業(yè)在該領域的研究幾乎是空白，這樣國內的挖掘機生產廠家就無法獨立制造出性能優(yōu)異的挖掘機，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的挖掘機所占據。以20t級的中型液壓挖掘機為例，國產20t級挖掘機大多數是歐洲80年代初的技術，同90年代初以來在國內形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國大宇、現代等機型相比，其主要差距柴油機功率偏低，液壓系統流量偏小，液壓系統特性差，導致平臺回轉速度低，行走速度低，各種性能參數均偏小，整機性能和作業(yè)效率較國外偏低。 1.4.3 國外挖掘機行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 從20世紀60年代液壓傳動技術開始應用在挖掘機上至今，挖掘機液壓系統己經發(fā)展到了相當成熟的階段。 目前國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢；流量通常在每分鐘數百升；功率在數百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的目前世界上首臺最大的RH40。型全液壓挖掘機，鏟斗容量達42m3,液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高10200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓挖掘機經常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響.系統的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統使液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。 1.4.4 國際挖掘機行業(yè)的趨勢 近幾年來，隨著液壓挖掘機產量的提高和使用范圍的擴大，世界上著名的挖掘機生產商紛紛采用各種高新技術，來提高自己挖掘機在國際上的競爭力，主要表現在五個方面: (1) 開式向閉式液壓系統的轉變 采用三位六通閥，其特點是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯供油路。由于這種油路調速方式是進油節(jié)流調速和旁路節(jié)流調速同時起作用，其調速特性受負載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統的操縱性能、調速性能和微調性能差。另外，當液壓作用組件一起復合動作時，相互干擾大，使得復合動作操縱非常困難。由于挖掘機作業(yè)工程中要求對液壓組件能很好地控制其運動速度和進行微調，而且在其工作的許多任務況下要求多個執(zhí)行組件完成復合動作，而長期以來使用的開式液壓系統無法滿足挖掘機的調速和復合動作的要求。近年來在國外的挖掘機液壓系統中出現了閉式負載敏感系統(CLSS)。它可以采用一個油泵同時向所有液壓作用組件供油，每一個液壓作用組件的運動速度只與操縱閥的閥桿行程有關，與負載壓力無關，泵的流量按需提供，而且多個液壓作用組件同時動作時相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統的主要特點。這種系統非常符合挖掘機操作的要求，它操縱簡單，對司機的操縱技巧要求低，在國際上己經獲得較廣泛的使用，是挖掘機液壓系統的發(fā)展趨勢。目前日本小松公司已經把大量挖掘機液壓系統從開式系統改為閉式系統了。 (2) 節(jié)能技術的應用 目前液壓挖掘機上典型的節(jié)能技術基本上有兩種。即負載敏感技術和負流量控制技術，目前液壓挖掘機都選用其中一種控制技術來實現節(jié)能要求。負載敏感技術是一種利用泵的出口壓力與負載壓力差值的變化而使系統流量隨之相應變化的技術。德國曼內斯曼(Mannesmann)公司研制的一種負載傳感系統，將其安裝在液壓系統中，可以控制一個或幾個液壓作用組件，而與對其施加的載荷無關。該系統不僅易于操縱，而且微動控制特性很好。其最大的特點就是可以根據負載大小和調速要求對油泵進行控制，從而實現在按需供流的同時，使調速節(jié)流損失△P控制在很小的固定值，從而達到節(jié)能的目的lzs.e57負流量控制技術是通過位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對主泵的排量進行調節(jié)的技術。日前以韓國現代(HYUNDAI)、日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國外著名品牌的挖掘機生產商都在自己的挖掘機液壓系統中使用了負流量控制技術。這種控制技術具有穩(wěn)定性好、響應快、可靠性和維修性好等特點，但在起始點為重負荷下作業(yè)時，因流量與負載有關，所以可控制性較差。 (3) 提高負載能力和可靠性 為了提高挖掘機的負載能力，直接的方法是提高其液壓系統工作壓力、流量和功率。目前，國際上先進的挖掘機產品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢;流量通常在每分鐘數百升;功率在數百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的型全液壓挖掘機，鏟斗容量達42立方米液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達100200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓挖掘機經常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響。系統的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統，使液壓挖掘機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。 (4) 重視操縱特性 挖掘機液壓系統的操縱特性越來越受到重視。日前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制，無線電遙控、電子計算機綜合過程控制。各種高新技術的應用，使得挖掘機液壓系統操縱特性大大提高。 (5) 電子一液壓集成控制成為當前主要研究目標 電子控制技術與液壓控制技術相結合的電子一液壓集成控制技術近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計算機和檢測儀表的應用，使液壓技術和電子控制有機結合，開發(fā)和研制出了許多新型電液自動控制系統，提高了挖掘機的自動化程度，推動著挖掘機的迅猛發(fā)展。目前國外先進品牌的挖掘機在電液聯合控制方面的研究己趨成熟。美國林肯一貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費。日本住友公司生產的FJ系列五中新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機輔助的功率控制系統，利用精控模式選擇系統，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命。 第二章 液壓挖掘機反鏟工作裝置的組成 圖 2.1挖掘機反鏟裝置結構示意圖 1-連桿；2-曲柄；3-鏟斗油缸；4-抖桿；5-鏟斗；6-抖桿油缸； 7-動臂；8-動臂油缸；9-底盤及其它裝置 挖掘機反鏟工作裝置主要由鏟斗、抖桿、動臂、連桿、曲柄、動臂油缸、鏟斗油缸、抖桿油缸等裝置組成，反鏟裝置的典型結構示意圖如上圖所示，其工作原理是動臂通過鉸接的方式連接到回轉臺，動臂油缸驅動動臂圍繞回轉臺上下運動；抖桿油缸通過鉸接點連接動臂與抖桿，并以此驅動抖桿的運動；鏟斗油缸通過鉸接點連接抖桿與連桿機構來驅動鏟斗的挖掘工作。 液壓挖掘機的整個工作過程為：（1）挖掘：通常以鏟斗油缸或者斗桿油缸進行挖掘，也可以兩者進行配合開展挖掘工作。（2）舉升回轉：挖掘工作結束后，動臂油缸驅動動臂將其頂起，鏟斗載物開始提升，同時回轉液壓馬達驅動回轉臺向卸載位置運行。（3）卸載：當運行到卸載位置后，回轉臺停止運動，用斗桿油缸的伸縮來調節(jié)卸載距離，在使用鏟斗油缸驅動連桿機構與鏟斗，開始卸載。（4）空斗返回：卸載結束之后，回轉臺開始反向運轉，動臂油缸和斗桿油缸配合，把鏟斗放到新的挖掘點，此時是回轉臺和工作裝置的聯合動作。（5）下一個工作循環(huán)：將鏟斗移動至合適的工作位置后，重復上述工作開始下一個工作循環(huán)。 從液壓挖掘機的基本結構與其工作過程可知，液壓挖掘機的工作裝置可以簡化成是由鏟斗、斗桿、動臂、斗桿油缸、鏟斗油缸、動臂油缸及連桿機構組成的六桿機構，同時具有三個自由度，因此可以建立工作裝置的簡化數學模型： 圖 2.2挖掘機工作裝置的簡化模型 簡化后的工作裝置模型為六連桿機構三自由度的模型，此模型中一共含有 16個變量具體為： 式中：長度表示連接點之間的距離用來表示，表示動臂相對于基座的轉角，-動臂油缸全伸時，動臂相對于基座的轉角，-動臂油缸全縮時，動臂相對于基座的轉角；表示動臂相對于抖桿的轉角，-斗桿油缸全伸時，斗桿相對于動臂的轉角，-斗桿油缸全縮時，斗桿相對于動臂的轉角；鏟斗相對于抖桿的轉角，-鏟斗油缸全伸時，鏟斗相對于斗桿的轉角，-鏟斗油缸全縮時，鏟斗相對于斗桿的轉角。 第三章 反鏟工作裝置的設計 3.1工作裝置的設計原則 工作參數與作業(yè)參數要求：液壓挖掘機工作裝置的幾何尺寸要求滿足設計的工作要求，能達到相關的工作幅度與范圍，各個零部件之間不能發(fā)生干涉，性能與主參數應符合國家標準的規(guī)定。 工作裝置尺寸要求滿足挖掘力的要求：要求工作裝置滿足一定的的挖掘力分布特性，要求工作裝置在最主要的挖掘區(qū)內都能達到最大挖掘力。 經濟性要求；液壓挖掘機工作裝置經濟性評價指標有能量消耗低、作業(yè)循環(huán)時間少、延長維修周期和挖掘機壽命周期等要求。 工作裝置強度與剛度要求：因為工作裝置所承受的載荷復雜多變的，因而液壓挖掘機結構強度是工作裝置設計的關鍵因素。工作裝置應在滿足工作要求情況下，保證工作裝置的強度和剛度特性。 工作裝置應安全可靠，拆裝方便，降低振動和噪聲，重視其在工作過程中的的環(huán)保性，方便操作與開展維修與保養(yǎng)工作。 3.2 工作裝置設計 工作裝置的由液壓油缸驅動作業(yè)，其幾何位置由液壓油缸的伸出長度來確定，在上圖挖掘機簡化模型中，CP表示一條水平線，齒尖V到C點的水平距離就表示挖掘半徑，垂直距離即表示挖掘高度，當期為負值時表示挖掘深度。 1）動臂設計 動臂采用整體式彎動臂，其結構簡單、價格較低，加工與制造簡單，當材料相同時，整體質量低，同時有利于得到較大的挖掘深度。 對動臂機構相對于基座的轉角進行計算，在三角形ABC中： 其中：與各個鉸點的位置相關，為已知量。 當動臂油缸的伸出最長時，動臂轉角取最大值，當動臂油缸全部收縮的時候，動臂轉角取最小值，因此動臂的轉角范圍為： 2）抖桿設計 抖桿的形式有組合式與整體式，本文選用最常見的整體式動臂，抖桿的位置有鏟斗油缸與抖桿油缸的伸縮量所確定， 對抖桿相對于動臂的轉角進行計算，在三角形DEF中： 其中：與各個鉸點的位置相關。 當抖桿油缸的伸出最長時，抖桿轉角取最小值，當抖桿油缸全部收縮的時候，抖桿轉角取最大值，因此抖桿的轉角范圍為： 3）鏟斗設計 本方案中采用六連桿的，連接方式，在此種連接方式下能得到較大的鏟斗轉角，改善了整體機構的傳動特性，同時此種連接方式能得到足夠大的挖掘力。在此種連接方式下計算其相對于抖桿的轉角，利用其幾何關系可以得到如下的關系尺寸： 鏟斗裝置可以被當做是帶滑塊的四連桿機構，鏟斗連桿機構的傳動比的計算如下： 鏟斗油缸對N點的作用力臂為： 連桿HK對N點的作用力臂為： 連桿HK對Q點的作用力臂為： 連桿機構總的傳動比為： 鏟斗相對于抖桿的轉角計算為： 當鏟斗油缸為全伸出時，鏟斗轉角取最小值，當抖桿油缸全部收縮的時候，抖桿轉角取最大值，因此抖桿的轉角范圍為： 齒間點V的坐標計算： 齒間坐標的計算公式： 式中：為點到點的長度，為點相對于坐標系的水平距離，為點相對于坐標系的垂直距離。 反鏟裝置工作參數計算 工作參數約束包括最大挖掘半徑約束、最大挖掘深度約束、最大挖掘高度約束、最大卸載深度約束，要求各個參數在優(yōu)化前后在一定的范圍內變化。 最大挖掘半徑R為： 最大挖掘深度為： 最大挖掘高度為： 最大卸載高度為： 本設計的反鏟裝置相關的工作參數為：最大挖掘半徑6090mm，為最大挖掘深度3800mm，為最大挖掘高度5710mm，最大卸載高度為3950mm，鏟斗容量為0.21m3，鏟斗的最大挖掘力45KN,抖桿最大挖掘力為33 KN。 在上述工作要求下，結合以上的計算過程，初步選定工作裝置的基本參數如下： 同時確定液壓缸的一些基本參數為：動臂油缸缸筒的內徑110mm，活塞桿的外徑為65mm，行程885mm，最小安裝距離1310mm；抖桿油缸缸筒的內徑90mm，活塞桿的外徑為60mm，行程900mm，最小安裝距離1300mm；鏟斗油缸缸筒的內徑80mm，活塞桿的外徑為730mm，行程730mm，最小安裝距離1310mm；選定系統的工作壓力為26MPa。 第四章 工作裝置受力分析 4.1挖掘力的計算 挖掘機是通過鏟斗油缸與抖桿油缸提供推力一起作用，來實現鏟斗齒尖挖掘土壤的過程，鏟斗挖掘力與斗桿挖掘力的計算式如下所示： 其中，為鏟斗油缸的作用力，為抖桿油缸作用力，，，，，表示斗桿油缸作用力臂，。 4.2 挖掘阻力的計算 理論上，工作裝置的挖掘阻力主要指總阻力的切線方向上所承受的力，它主要受鏟斗容積、滿載系數、鏟斗對土壤的摩擦系數等的影響。工作裝置的挖掘阻力的計算公式如下： 其中為挖掘比阻力，c切削層作用高度，b切削寬度。 由于工作裝置的挖掘工作主要是通過鏟斗油缸與斗桿油缸的推力來完成，所以在這里只討論，鏟斗挖掘和斗桿挖掘的情況下對挖掘阻力進行了分析計算。 1）鏟斗挖掘阻力的確定 根據巖土切削理論，當鏟斗油缸來挖掘時，其挖掘阻力最大值出現在轉角一半的位置其中挖掘阻力的計算公式為： 其中，；為轉斗切削半徑(cm)；為，通常與鏟斗平均寬度有關，常??；為斗齒系數，其中=0.75，；當時，10000N；，常取1.15；為鏟斗的瞬時轉角，當時，則由式得達到最大其表達式為： 根據模型可知：，則=2.85，由于挖掘機常處在Ⅲ級土壤的條件下進行作業(yè)，取為90，鏟斗有齒，所以=0.75， 取8000N，取550。 挖掘機的舉升阻力，即鏟斗滿載重物所承受的重力。其計算式為： G 式中g取9.8m/s2， V即為斗容取0.21m3，土壤下取，將各個參數代入式2-6得： G==3.7KN 2）斗桿挖掘阻力的確定 工作裝置以斗桿油缸進行挖掘時，由于切削過程中行程較大，在整個挖掘工作中其切削厚度通常被當做是一個常數來處理，與此同時，滿斗挖掘時總轉角常取為，鏟斗斗齒尖行程的計算公式為： （m） 鏟斗切削厚度h的計算表達式為： 斗桿挖掘阻力的計算表達式為： 式中，q表示鏟斗容量；r表示切削半徑；表示挖掘比阻力；b表示切削寬度。 4.3 液壓挖掘機反鏟裝置油缸作用力的計算 挖掘機工作裝置的工作完成主要是由鏟斗油缸、斗桿油缸、動臂油缸提供驅動力來推動鏟斗、抖桿、動臂來完成相對應的工作，因而下面對鏟斗、斗桿及動臂油缸進行了力學分析。 1）鏟斗油缸作用力的計算 在挖掘機主要以鏟斗油缸工作時，因為此種挖掘方式下，能產生最大的挖掘力，因此以此來作為依據來計算鏟斗油缸的最大作用力。如下圖所示位置，根據工作裝置處于最大挖掘深度時依然具備產生最大挖掘力來實現挖掘工作來分析計算鏟斗工作油缸的作用力。 圖 4.1鏟斗油缸作用力分析 此時鏟斗缸作用力，斗桿缸閉鎖力及動臂缸閉鎖力應分別滿足以下數學關系： 其中：；表示鏟斗挖掘阻力法向分力（一般?。?；表示作用在鉸點C的作用力臂；表示鏟斗油缸作用力對連桿與斗桿鉸接點的作用力臂； 表示對鉸點B的作用力臂；表示對鉸點B的力臂；表示B的作用力臂；表示A的作用力臂；表示對鉸點A的作用力臂；表示A的作用力臂。 根據上文搭建了挖掘機工作裝置模型知各參數取值分別為：=45KN；=0.392m； =0.88m； =1.22m；=1.85m；=0.34m；=4.29m；=2.04m；=0.305m。參數代入表達式即有： ； 234KN； 364kN 經計算，鏟斗油缸的作用力為63KN；斗桿油缸閉鎖力最小為234KN；動臂油缸的最小閉鎖力為364KN。 2）斗桿工作油缸作用力的計算 工作裝置主要以斗桿油缸作為驅動力進行挖掘時，進行工作是能提供較大的挖掘力和鏟斗油缸的最大作用力，以此作為計算斗桿油缸承受最大作用力的根據。當前的計算位置如下圖所示，即當斗桿油缸作用力具有最大力臂時，同時B、C點與V點處在一條線上。 圖 4.2斗桿油缸作用力分析 此時，動臂油缸與鏟斗油缸均是閉鎖狀態(tài)，斗桿工作油缸作用力、鏟斗工作油缸閉鎖力與動臂工作油缸閉鎖力應分別滿足以下數學關系式： 據參考模型中各參數取值分別為：=0.55m， =2.23m， =35 kN，=0.88m ，=0.314m，=3.26m，=2.966m，=0.305m；參數代入2-13式中得： =98KN =95KN =325KN 經過計算可以得到：斗桿油缸的作用力為，動臂油缸閉鎖力的最小值為，鏟斗油缸閉鎖力最小為。 3）動臂工作油缸作用力的計算 動臂工作油缸的最大舉升力為動臂油缸提供，即是動臂油缸作用力，它的大小由舉升滿斗土石到最大卸載位置來決定，如計算簡圖4.3所示： 圖 4.3動臂油缸作用力分析 動臂工作油缸的作用力的計算公式為： 斗桿油缸閉鎖力應滿足的公式： 鏟斗油缸閉鎖力應滿足的公式： 式中、、分別表示滿載土石的鏟斗所受重力、斗桿重力、動臂重力； 、、表示鏟斗、斗桿、動臂各質心分別到鉸點A的距離。 依據已經搭建模型知各參數的取值分別為：=4.266m，=3.181m，=1.138m，=0.412m，，，，土壤密度為，=1.436m 計算得動臂油缸作用力=255KN，此時鏟斗油缸閉鎖力64KN，斗桿油缸閉鎖力53 KN。 綜合三種挖掘形式下油缸作用力的計算結果如下表所示： 表 4.1油缸作用力 油缸作用力 0 0 0 63KN 98KN 255KN 第五章 挖掘機液壓泵的選擇 5.1 常用泵的性能比較 液壓泵是一種能量轉換裝置，它能把驅動電機的機械能轉換成輸出到系統中去的油液的壓力，供液壓系統使用，常見的液壓泵按照流量是否可調為定量泵與變量泵，根據泵的結構可分為齒輪泵、葉片泵與柱塞泵三類典型的泵。液壓泵是液壓系統的心臟，在設計系統時，首先應該根據執(zhí)行機構的工作情況合理的選擇或者設計液壓泵，各類型液壓泵的相關性能比較如表51所示： 表 5.1常用液壓泵的性能比較 性能 外嚙合齒輪泵 雙作用葉片泵 限壓式變量葉片泵 徑向柱塞泵 軸向柱塞泵 螺桿泵 輸出壓力 低壓、中高壓 中壓、中高壓 中壓、中高壓 高壓、超高壓 高壓、超高壓 低壓、中高壓、超高壓 流量調節(jié) 不能 不能 能 能 能 不能 效率 低 較高 較高 高 高 較高 輸出流量脈動 很大 很小 一般 一般 一般 最小 自吸特性 好 較差 較差 差 差 好 對油的污染敏感性 不敏感 較敏感 較敏感 很敏感 很敏感 不敏感 噪聲 大 小 較大 大 大 最小 依據表5.1中各常見液壓泵的性能比較可知，齒輪泵與雙作用葉片泵可用于負載小、功率小的機械設備，螺桿泵與雙作用葉片泵可用于精度較高的機械設備，限壓式變量泵可用于負載較大并有快速與慢速行程的機械設備，柱塞泵可用于負載大、功率大的機械設備。 5.2 軸向柱塞泵的選擇 挖掘機的作業(yè)過程主要包括五個間歇動作：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉臺回轉和整機行走。在挖掘機工作過程中，各動作的阻力負載與作業(yè)速度隨時會發(fā)生變化，故要求供給液壓缸與液壓馬達的壓力與流量也是相應變化的。上述五個動作均為間歇動作，工作效率低且耗時，為了提高工作效率和縮短作業(yè)時間，在工作過程中常常要求上述五個動作之中的兩個實現復合運動，故要求挖掘機的液壓系統能夠實現執(zhí)行機構的復合運動功能。從上述挖掘機的工作狀況可知，挖掘機動作繁復，挖掘機上的液壓缸或者液壓馬達需要經常啟動、制動、換向，外加負載大變化也大，沖擊與振動多，且經常在野外作業(yè)。 考慮上述挖掘機的工作狀況與要求，結合表1中常用液壓泵的性能比較，挖掘機液壓系統中的液壓泵可選用軸向柱塞泵與徑向柱塞泵。在相同功率下，徑向柱塞泵的徑向尺寸大、徑向力大，接觸副易于磨損，常用于大扭矩、低轉速的工況，做液壓馬達使用；而軸向柱塞泵結構緊湊，徑向尺寸小，轉動慣量小，轉速較高，可用于挖掘機液壓系統。軸向柱塞泵高壓、效率高的優(yōu)點完全適用于挖掘機負載大、負載變化大、執(zhí)行機構復合運動的工作要求，通過調節(jié)軸向柱塞泵的斜盤傾斜角度可以調節(jié)系統的流量以適應挖掘機各執(zhí)行機構速度的變化。至于軸向柱塞泵對油液污染很敏感，可以在吸油回路加合適過濾精度濾油器來濾除油液中的污染物；至于軸向柱塞泵輸出流量脈動一般、噪聲大的不足，考慮挖掘機一般在野外工作，可以忽略該不足的影響。 軸向柱塞泵又可分為直軸式軸向柱塞泵與斜軸式軸向柱塞泵，斜軸式軸向柱塞泵與直軸式軸向柱塞泵相比有以下優(yōu)點： 1）柱塞側向力小，因而由此引起的摩擦損失很小。 2）主軸與缸體的軸線夾角較大，斜軸式泵一般為25°，最大達40°；而直軸式泵一般是15°，最大為20°，所以斜軸式泵變量范圍大。 3）主軸不穿過配油盤，故其球面配油盤的分布圓直徑可以設計得很小，在同樣工作壓力下摩擦副的比功率值較小，因此可以提高泵的轉速。 4）連桿球頭和主軸盤連接比較牢固，故自吸能力較強。 5）轉動部件的轉動慣量小，起動性能好，起動效率高。 斜軸式軸向柱塞泵的缺點是：結構中多處球面摩擦副的加工精度要求較高，動態(tài)響應慢。直軸式軸向柱塞泵相比斜軸式軸向柱塞泵主要的劣勢就是效率相對較低，但是加工精度相對較低，綜合考慮經濟性以及實用性，挖掘機液壓系統初步選擇直軸式軸向柱塞泵供油。 第六章 直軸式軸向柱塞泵工作原理 直軸式軸向柱塞泵是依靠柱塞在缸體孔內的往復運動，造成密封容積的變化，來實現吸油和排油。直軸式軸向柱塞泵的驅動方式有兩種，一種是斜盤與配油盤固定，傳動軸通過鍵連接帶動缸體轉動，實現吸油與排油，此種驅動方式轉動慣量較大，但是斜盤角度易于調節(jié)，便于流量調節(jié)；另一種是缸體與配油盤固定，傳動軸通過鉸接帶動斜盤轉動，實現吸油與排油，此種驅動方式轉動慣量較小，但是不易于調節(jié)斜盤的傾角，不易于流量調節(jié)。綜合考慮，挖掘機液壓系統采用斜盤與配油盤固定，傳動軸帶動缸體轉動的直軸式軸向柱塞泵供油。 直軸式軸向柱塞泵的結構如圖6.1所示，柱塞的頭部安裝有滑靴，滑靴底面始終貼著斜盤平面運動。當缸體帶動柱塞旋轉時，由于斜盤平面相對缸體平面（xoy面）存在一傾斜角r，迫使柱塞在柱塞腔內作直線往復運動。缸體按n方向旋轉，在180°～360°范圍內，柱塞由180°開始不斷伸出，柱塞腔容積不斷增大，直至上止點。在這過程中，柱塞腔剛好與配油盤吸油窗相通，油液被吸人柱塞腔內，這是吸油過程。隨著缸體繼續(xù)旋轉，在0°～180°，柱塞在斜盤約束下開始不斷進入腔內，柱塞腔容積不斷減小，直至下止點。在這過程中，柱塞腔剛好與配油盤排油窗相通，油液通過排油窗排出。這就是排油過程。可見，缸體每轉一圈，各個柱塞有半周吸油、半周排油。如果缸體不斷旋轉，泵便連續(xù)地吸油和排油。如果改變傳動軸的旋轉方向或斜盤的傾斜方向，就可改變泵的吸、排油方向；泵的排量大小可通過改變斜盤的傾角r的大小來實現。 圖6.1 柱塞泵結構示意圖 1-斜盤 2-回程盤 3-滑靴 4-柱塞 5-缸體 6-配油盤 7-傳動軸 第七章 直軸式軸向柱塞泵關鍵零部件的設計 7.1設計參數 依據挖掘機負載與速度要求，考慮經濟型與實用性，初步擬定直軸式軸向柱塞泵的設計參數如表8.1所示： 表 8.1設計參數 旋轉方向 最大工作壓力 排量 額定 轉速 控制方式 輸入功率 容積效率 總效率 順時針（從傳動尾看） 32MPa 63ml/r 2600 r/min 伺服式手動 30kw ≥92% ≥87% 7.2 零部件的設計 7.2.1柱塞的設計 72.1.1柱塞結構的選擇 直軸式軸向柱塞泵采用圓柱形柱塞。根據柱塞頭部結構，可有以下三種形式： 1）點接觸式柱塞，如圖7.1（a）所示。這種柱塞頭部為一球面，與斜盤為點接觸，其零件簡單，加工方便。但由于接觸應力大，柱塞頭部容易磨損﹑剝落和邊緣掉塊，不能承受過高的工作壓力，壽命較低。這種點接觸式柱塞在早期泵中可見，現在很少有應用。 2）線接觸式柱塞，如圖7.1（b）所示。柱塞頭部安裝有擺動頭，擺動頭下部可繞柱塞球窩中心擺動。擺動頭上部是球面或平面與斜盤或面接觸，以降低接觸應力，提高泵工作比壓。擺動頭與斜盤的接觸面之間靠殼體腔的油液潤滑，相當于普通滑動軸承，其比功值必須限制在規(guī)定的范圍內。 3）帶滑靴的柱塞，如圖7.1（c）所示。柱塞頭部同樣裝有一個擺動頭，稱滑靴，可以繞柱塞球頭中心擺動。滑靴與斜盤間為面接觸，接觸應力小，能承受較高的工作壓力。高壓油液還可以通過柱塞中心孔及滑靴中心孔，沿滑靴平面泄漏，保持與斜盤之間有一層油膜潤滑，從而減少了摩擦和磨損，使壽命大大提高。目前大多采用這種軸向柱塞泵。 （a） （b） （c） 圖 7.1柱塞結構型式 圖 7.1封閉薄壁柱塞 航空液壓泵通常采用圖7.2所式的封閉壁結構。這種結構不僅有足夠的剛度，而且重量減輕10%～20%。剩余無效容積也沒有增加。但這種結構工藝比較復雜，需要用電子束焊接。 從圖7.1與圖7.2可見，三種型式的柱塞大多做成空心結構，以減輕柱塞重量，減小柱塞運動時的慣性力。采用空心結構還可以利用柱塞底部高壓油液使柱塞局部擴張變形補償柱塞與柱塞腔之間的間隙，取得良好的密封效果?？招闹麅冗€可以安放回程彈簧，使柱塞在吸油區(qū)復位。 但空心結構無疑增加了柱塞在吸排油過程中的剩余無效容積。在高壓泵中，由于液體可壓縮性能的影響，無效容積會降低泵容積效率，增加泵的壓力脈動，影響調節(jié)過程的動態(tài)品質。 綜合考慮四種結構的利弊，選擇帶滑靴的柱塞作為直軸式軸向柱塞泵的柱塞。 7.2.1.2 柱塞尺寸的設計 1）柱塞直徑dz及柱塞分布圓直徑D 柱塞直徑dz﹑柱塞分布塞直徑D和柱塞數Z都是互相關聯的。根據統計資料，在缸體上各柱塞孔直徑dz所占的弧長約為分布圓周長πD的75%，即 ZdzπD=0.75（1） 由此可得 m=Ddz=Z0.75π（2） 式中m為結構參數。m隨柱塞數Z而定。對于軸向柱塞泵，其m值如表7.1所示。 表 7.1柱塞結構參數 Z 7 9 11 m 3.1 3.9 4.5 直軸式軸向柱塞泵的輸出流量是脈動的，當柱塞數Z為單數時，脈動較小，其脈動率的計算公式如式3所示。直軸式軸向柱塞泵脈動率隨柱塞數的增加變小，但是當柱塞書增加時會增加缸體、回程盤、斜盤、配油盤的結構尺寸與加工量，故合理選擇柱塞數對直軸式軸向柱塞泵的性能與經濟性都有重要影響。 σ=π2Ztanπ4Z（3） 綜合考慮上述柱塞數對泵輸出流量脈動率的影響，結合表7.1，初步取直軸式柱塞泵的柱塞數Z=9，由式2計算得結構參數m=3.82，與表7.1理論數值相符。由式3計算直軸式軸向柱塞泵的脈動率σ=0.0153。 直軸式軸向柱塞泵的額定排量計算如式（4）所示： V=π4dz2DtanγZ（4） 式中γ----------斜盤傾角，最大傾斜角為20°。 直軸式軸向柱塞泵的額定流量計算如式（5）所示： Q=Vn=π4dz2DtanγZn（5） 式中n----------驅動電機額定轉速。 結合表3.1，依據式5，計算得直軸式軸向柱塞泵額定流量Q=163.8L/min 結合式2、4、5，按最大傾斜角計算，可推導出柱塞直徑dz的計算公式如式（6）所示： dz=34QmπZntanγ≈18.45mm (6） 依據機械設計手冊以及最優(yōu)尺寸系列，取柱塞直徑dz=20mm，結合式2和表7.1計算柱塞分布圓直徑D=78mm。 取柱塞的壁厚δ=4mm，由于dz/δ=5<10，故可將該柱塞視為厚壁，則δ的校核應按下面公式進行。其中工作壓力P=32MPa≥16MPa，可取Py=1.25P，其中液壓缸的材料為球墨鑄鐵，σb=500MPa，安全系數S=4，故許用應力σ=σbS=125MPa。校核如下 δ≥dz2σ+0.4Pyσ-1.3Py-1 （7） 計算的δ=4mm≥3.89mm，故經過校核滿足要求，即取柱塞壁厚δ=4mm。 2）柱塞名義長度l 由于柱塞圓球中心作用有很大的徑向力，為使柱塞不致被卡死以及保持有足夠的密封長度，應保證有最小留孔長度l1，一般在工作壓力大于30MPa時，取 l1=（2~2.5）dz，這里取l1=2.5dz=50mm。 柱塞在完全縮進缸體時還有一部分暴露在缸體之外，這部分尺寸稱為柱塞最小外伸長度l2，一般取最小外伸長度l2=0.2dz=4mm。 柱塞在完全伸出缸體時的行程稱為柱塞最大行程l3，最大行程與柱塞分布圓直徑D和斜盤傾斜角度γ有關，l3=Dtanγ=28.4mm。 柱塞的名義長度l應滿足：l≥l1+l2+l3=82.4mm 根據經驗公式，當直軸式軸向柱塞泵的工作壓力大于30MPa時，柱塞的名義長度常取：l=（3.2~4.2）dz，這里取l=4.2dz=84mm。 3）柱塞球頭直徑d1 柱塞球頭直徑按照經驗常取按經驗常取d1=（0.7~0.8）dz， 這里取d1=0.8dz=16mm。 為使柱塞在排油結束時圓柱面能完全進入柱塞腔，應使柱塞球頭中心至圓柱面保持一定的距離l4，一般取l4=（0.4~0.55）dz，這里取l4=0.5dz=10mm。 柱塞球頭與柱塞內腔之間有一通流油路，該油路的作用是將工作腔的高壓油引入滑靴底面，使滑靴底面與斜盤面之間形成支撐油膜，降低柱塞與斜盤摩擦副之間的摩擦，減少能耗。通流油路的管徑d2如果過小，會形成阻尼小孔，造成壓力損失，使得滑靴底面與斜盤面之間的油壓過低，形成不了支撐油膜，摩擦增大，能耗增加，故通流油路的管徑d2應較大，取d2=2mm。 4）柱塞均壓槽 高壓柱塞泵中往往在柱塞表面開有環(huán)行均壓槽，起均衡側向力﹑改善潤滑條件和存儲贓物的作用。均壓槽的尺寸常?。荷頷=0.3~0.7mm；間距t=2~10mm。考慮柱塞的名義長度l=84mm最小留孔長度l1=50mm，故均壓槽開槽的長度只有34mm，且均壓槽的數量為8，故取均壓槽的間距t=2mm，均壓槽的深度h=0.5mm。 綜合上述柱塞各關鍵部件的結構尺寸，設計出直軸式軸向柱塞泵的柱塞如圖7.3所示： 圖 7.3柱塞結構圖 7.2.2 滑靴的設計 7.2.2.1 滑靴結構的選擇 挖掘機液壓系統直軸式軸向柱塞泵柱塞采用帶滑靴的結構，滑靴增大了與斜盤的接觸面積，減少了接觸應力，并且通過柱塞球頭的小孔將工作腔的壓力引入滑靴與斜盤接觸副上面，在一定油壓與運動速度作用下，滑靴與斜盤之間形成油膜支撐，大大減少了相對運動件間的摩擦損失，提高了機械效率。這種結構能適應高壓力和高轉速的需要。 滑靴結構有如圖7.4所示的3種型式。 圖 7.4滑靴結構示意圖 1）圖7.4（a）所示為簡單型，靜壓油池較大，只有封油帶而無輔助支承面。結構簡單，是目前常用的一種型式。 2）圖7.4（b）所式滑靴增加了內﹑外輔助支承面。減小了由剩余壓緊力產生的比壓，同時可以克服滑靴傾倒產生的偏磨使封油帶被破壞的情況。 3）圖7.4（c）所示的滑靴在支承面上開設了阻尼形螺旋槽與縫隙阻尼共同形成液阻。從而實現滑靴油膜的靜壓支承。 圖7.4（c）所示的滑靴結構能夠實現滑靴油膜靜壓支撐，大大減少滑靴在斜盤上運動的摩擦力，故挖掘機挖掘機液壓系統直軸式軸向柱塞泵柱塞采用圖7.4（c）所示的滑靴結構。 7.2.2.2滑靴尺寸設計 1）滑靴外徑D1 滑靴在斜盤上布局，當傾角γ=0°時，相互之間仍留有一定的間隙s，一般取s=0.2~1，這里取s=1mm。則滑靴外徑計算如式（8）所示： D1=DsinπZ-s≈25.5mm（8） 滑靴的頸部直徑D1‘=22.2mm 2）油室直徑D2 在計算簡單型滑靴油室直徑可按D2=0.6~0.8D1，但是開設了支撐環(huán)與密封環(huán)的滑靴結構，其滑靴油室直徑會變小，考慮結構的合理性，取D2=0.4D1=10.2mm。 3）中心孔d0與引流口直徑d0'及中心孔長度l0 中心孔d0的作用是將流通柱塞油口的工作腔的高壓油引入到滑靴與斜盤配合處，在油室、支撐環(huán)與密封環(huán)之間形成壓力油膜，減少運動摩擦，降低能耗。滑靴中心孔的尺寸與柱塞球頭通流孔的直徑d2一樣，取d0=d2=2mm。引入口直徑d0'與柱塞端部喇叭口直徑尺寸一致，讓柱塞通流孔中的高壓油液經柱塞端部喇叭口、滑靴引流口到滑靴中心孔中，取d0'=7.5mm。 考慮油液在中心孔中的壓力損失，中心孔應加工細長孔，因為細長孔中液流為層流，大部分壓力損失為沿程壓力損失，而沿程壓力損失一般造成的壓力損失較小，故選用細長孔作為中心孔的結構有利于油液壓力的傳遞，細長孔的定義為孔的長度與直徑之比大于4，這里細長孔的直徑d0=2mm，初步擬定細長孔的長度l0=10mm 4）支撐環(huán)與密封環(huán) 考慮滑靴外徑尺寸與油室直徑尺寸，支撐環(huán)與密封環(huán)之間可以加工的空間只有15.3mm，支撐環(huán)與密封環(huán)的寬度與深度加工為一樣的尺寸，則可初步擬定支撐環(huán)與密封環(huán)的寬度t=1.5mm，支撐環(huán)與密封環(huán)的深度h一般取0.5~2mm，暫取h=1.5mm。 綜合上述滑靴各關鍵部件的結構尺寸，設計出直軸式軸向柱塞泵的柱塞滑靴如圖3.5所示： 圖 7.5滑靴結構圖 7.2.3 回程機構的設計 直軸式軸向柱塞泵一般都有柱塞回程結構，其作用是在吸油過程中幫助把柱塞從柱塞腔中提伸出來，完成吸油工作，并保證滑靴與斜盤有良好的貼合。 帶滑靴的柱塞常使用固定間隙式回程結構。它的特點是在滑靴頸部裝一回程盤，并用螺紋環(huán)聯結在斜盤上。當滑靴下表面與回程盤貼緊時，應保證滑靴上表面與斜盤墊板之間有一固定間隙，并可調。 滑靴安裝孔徑d3與滑靴安裝孔分布圓直徑D2這兩個尺寸是回程盤的關鍵尺寸，設計不好會使滑靴頸部及肩部嚴重磨損?；爻瘫P的結構示意圖如圖3.6所示。 滑靴在斜盤平面上運動軌跡是一個橢圓，橢圓的兩軸是短軸a=D=78mm，長軸b=Dcosγ=83mm?；グ惭b孔徑d3與滑靴安裝