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┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設計說明書 附錄 中英文翻譯 一種挖掘機的裝載獨立控制 摘要 這項研究主要焦點是調查挖掘過程由應用裝載獨立液壓閥門控制。 這種方法準許避免閉合回路控制系統(tǒng)與傳感器和變換裝置裝在挖掘機附件上。而傳感器單元沒有裝在機器附件上，被考慮的系統(tǒng)由二次子系統(tǒng)組成：微型計算機和一個液壓單元（泵和裝載獨立閥門）。在微型計算機單元中，鏟斗的動力速度與三個液壓缸流過的液壓油有關。然后，油流程轉移為電信號開動裝載獨立閥門。它們的動作由應用傳遞作用提出。系統(tǒng)的表現為檢驗油流入液壓缸時的突然變速。本文的最后部分致力與獲得的實驗性結果。第一結果 處理垂直的鉆井；第二個結果應付挖掘一條水平的軌道。 1、介紹 介于最近研究的令人鼓舞的結果，人類一系列對挖掘過程改進的努力的可能性將大大增加，著也許主要通過反復工作任務控制，譬如槽探和鉆井，要求機器操作人員在執(zhí)行各項任務 期間有穩(wěn)定的表現，特別注意的是，在研究中，挖掘機應該適應沿著指定的軌道，在不同的土壤中工作。 挖掘機的基本控制過程是由佤哈、斯克呢司、合瑪米、哈論和斯克尼德提出的。布丹和古柯尼斯克致力與挖掘機吊桶的感應轉動裝置在運動學中的應用的研究，在這種方法中，液壓油流入液壓缸的速度的很小的變化將影響靈敏度分析，黃教授等提出了機器人挖掘機的阻抗控制研究方法，他們應用了兩個神經網絡：一個是源控制器，另一個是反饋目標阻抗。另外一個阻抗系統(tǒng)，致力于力與位置的混合控制，由哈教授提出。 機器人的第一代被假設成了“開環(huán)”安置設備，這暗示了所有零件必須被制造的具有很高精確性，其次，位置遙控機械裝置與傳感器可觀地減少了對這個準確性的要求。這里是幾種方法，作為參考，使機器人挖掘機提高產業(yè)機器人的工作能力，實施了力量單元細胞、縱向和有角量得傳感器。但是，二個主要區(qū)別在制造機器人和機器人挖掘機得要求之間是應該注意的。第一區(qū)別是，制造機器人工作在幾乎完善的情況下，避免振動、濕氣和其他可能殘損的情況。第二個區(qū)別時制造機器人要求非常高得準確性，經常在微米之內。相反，機器人挖掘機得運轉在非常困難得建造場所內，并且被運行得軌跡所要求的準確性和產業(yè)機器人相比，是有限的，經常在厘米之內，以挖掘機工作的困難情況，所有傳感器被連接到吊桿、機械臂和鏟斗之上必須被很好得保護。 記住上述區(qū)別，它將對通過液壓模塊（油泵和裝載獨立閥門）來檢驗控制挖掘軌跡產生很大作用。換句話說，研究系統(tǒng)傳感器單元避免裝在挖掘機附件上，結合反饋控制器，包括機器的液壓單元。本論文的主要宗旨將擴大討論，由作者[10]創(chuàng)始，裝載獨立閥門可能被安裝在操作員的控制室里面。在這個假定外，系統(tǒng)避免傳感器裝在挖掘機附件上，以后談論系統(tǒng)得數學模型，初步實驗性結果被提出在本文得末端。 2 問題的聲明 本文處理受控問題得聲明，一個挖掘鏟斗的行動沿一個被規(guī)定的道路，問題來源于早先作者的理論調查，對半靜止運動學上導致的挖掘過程為假定拋物線的軌道。在這項研究中，可作如下假定：挖掘機附件是一個平面機制，由吊桿、機械臂、鏟斗組成，三者獨立地工作，由液壓缸操作該系統(tǒng)，它們保證這三個獨立部分能在一個平面內運動，兩個位移和自轉。 挖掘過程，根據演示實驗，假定是足夠慢的，把它作為一個半靜止狀態(tài)，慣性期限在附件的運動就可以被忽略了，只有伺服機械的短管軸被認為是在加速移動，這無法被忽略。 壓力的干擾被認為采取正旋形式，理想的正旋值取決于系統(tǒng)的移動情況。 假定土壤環(huán)境類似，一些小的影響因素如小石頭等是可以被接受的。 我們建議挖掘操作是人工協助的，這就意味著在遇到一個更大的障礙時，操作人員必須干預挖掘機的挖掘工作。 如果我們的假定成功，所提出的控制設定就能應用于一種標準的挖掘機，這種挖掘機將在更大范圍內增強人類的安全作業(yè)能力，比如槽探和鉆井。 實驗假設由三個系統(tǒng)組成：即微型計算機、PLC和液壓部分（液壓泵、閥門、液壓缸），并且機制以三個自由度鏟斗。其次，子系統(tǒng)被考慮作為組成部分，在第一子系統(tǒng)中，以下組成部分可被認為：個人計算機以專業(yè)的軟件，變換行為和軌跡整平機以相等和不等形式轉換為電信號，后者被送到PLC單元那些反過來控制電磁閥的電子驅動。壓力從電磁閥產生變化在短管軸位置上，保證假定的油流量流入液壓缸。短管軸位置，反過來被轉換裝置轉換成一個電反饋信號輸送到電磁閥中，被打開的短管軸讓油流動到第三子系統(tǒng)，即挖掘機的液壓缸。終于，第二子系統(tǒng)由三個組成部分組成：液壓缸、吊桿、機械臂、鏟斗。挖掘機動作時，三個組成部分也在作相應的動作。關于這些信息的改變被輸送到第二液壓系統(tǒng)，在那里，反饋信號改變短管軸的位置，保證油流入被規(guī)定的彈道。 在本文中，所有系統(tǒng)組成部分將被用穩(wěn)定觀點調查研究，作用理論上被定義，或從數字圖形上把液壓設備加以編目，加上所有特殊組成部分的調動作用，整體系統(tǒng)的調動作用被談論。這種觀點表現在突然的單位信號以下。 幾個實驗被執(zhí)行了，表示，假定鏟斗的運動是固定的，在實驗之中，一個致力于鉆井，換句話說，運動學上所說的軌道是平之的垂直線。實驗所獲得的線索被[6]所證實，注意到，有趣的是，實驗時線長的變化不超過10cm。 3、實驗行認識 3．1 微型挖掘機實驗 微型挖掘機K-11用在了實驗中，假設在一個連續(xù)的機器當中，最小的部分被替換掉，需要進行經過考慮的控制，在液壓機構中主要部分被替換掉的是閥門。另外，液壓缸加另外的閥門時需要一定的壓力，這保證附件上的意外事件不會發(fā)生。被用于這個實驗的液壓裝載獨立閥門是由丹富斯提出的，信息從微型計算機上調入裝載獨立閥門是通過一個控制區(qū)域。 在液壓機構的修改后，挖掘機可用于二種不同的方式來控制。第一種方法由安置在操作員辦公室里的操縱桿組成，用這種方法，操縱員能夠以隨意的速度反復移動機器至任意位置。第二種方法是在微型計算機編程吊桶的運動，從那里得到的信息轉換為液壓缸的伸長率，由液壓油油量來移動它們，后者轉換為一個電子信號通過控制區(qū)域網絡輸送到裝載獨立閥門，裝載獨立閥門的電系統(tǒng)機構顯示在圖7中。 圖7 這種控制算法由波蘭巴家私寫出，并在Windows98中被執(zhí)行，控制區(qū)域網絡假定采樣時間在0.5秒和2秒之間。 3.2 實驗結果 為了審查所提議的控制系統(tǒng)的表現情況，上面提及的具有三個液壓缸和三個自由度的微型挖掘機被使用了，一個電動液壓閥門、一個裝載獨立閥門、一個比例閥門控制分開各個液壓缸。 完成實驗是為了控制吊桶的運動沿著直線，一個垂直線，一個是水平直線，像在問題的聲明中被提及的，動作被控制在自由空間和裝有類似濕度的潮濕沙子的土壤箱子里 實驗以相對速率為沒分鐘兩米執(zhí)行，鉆井所獲得的彈道沿著一條垂直線，吊桶尖端的運動沿著一條水平線，兩者在圖8和9中被表示出來。 圖8 圖9 4、結論 一個相對簡單的挖掘機的控制系統(tǒng)被提出來了，系統(tǒng)避免傳感器安裝在機器的附件上，整個控制硬件是在裝載獨立閥門之內的，位于操作室內。通過更進一不的研究和改進，系統(tǒng)適用于大規(guī)模制造的挖掘機，幫助工作過程反復進行，比如開掘溝槽或鉆井。 實驗性結果被高質量的表現出來，并且，高質量的結果在水平線情況下是被允許的，在這里獲得的彈道在直線的移動不超過4%。較不準確的情況是在第二種情況下，即為垂直線。在這里，實驗的運行錯誤將達到15%，在其他當中，事實也許導致一個液壓缸在運動中改變軌跡，它意味著在那時，它的卷軸將關閉液壓油對兩個液壓缸末端的輸送，同時，當這個液壓缸的行動被阻礙時，另外兩個液壓缸正在運動。這些判斷在考慮改變當前模型時不得不考慮，這些改變將包括三個液壓缸的聯合控制系統(tǒng)，包括時間的延誤對零流量缸改變其速度的影響。 共 頁 第 6 頁 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 1 緒 論 1.1 設計背景及目的 液壓挖掘機是一種廣泛用于建筑、公路、鐵路、水利、采礦等建設工程的土方機械。液壓挖掘機利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達、液壓缸等）帶動各種構件動作，具有非常多得優(yōu)點，而且只要加裝不同的輔助設備即可用來抓物，鉆孔，推土，清溝，破碎等作業(yè)， 是工程機械的一個重要品種，能適應各種惡劣環(huán)境狀況，大大提高了工作效率，改善了人的勞動強度。為整個社會的快速發(fā)展作出了巨大的貢獻。 隨著技術日漸成熟，國內外一些知名的工程機械制造企業(yè)發(fā)展均比較迅速。例如，國外的有日本小松、德國力士樂、OK公司等，國內有徐工集團、中聯重科、三一集團、廣西柳工集團、龍工集團、山河智能等企業(yè)。工程機械制造業(yè)的迅速發(fā)展不僅在專業(yè)方面做出了卓越貢獻，同時也為整個社會的建筑風貌、自然救災等方面作出了偉大的貢獻。如5.12汶川大地震發(fā)生后，三一重工派出數十臺挖掘機日夜兼程趕往災區(qū)用于道路疏通，傷員搶救，以及災后重建工作等。 我國是一個發(fā)展中國家，在遼闊的國土上正在進行大規(guī)模的經濟建設，這就需要大量的土石方施工機械為其服務，而液壓挖掘機是最重要的一類土石方施工機械。因此，可以肯定液壓挖掘機的發(fā)展空間很大?？梢灶A見，隨著國家經濟建設的不斷發(fā)展，對挖掘機的需求量將逐年大幅度增長。今后幾年我國液壓挖掘機行業(yè)將會有一個很大的發(fā)展，其年產量將會以高于20％的速度增長。 從1967年到1977年間，國內通過數年堅持不懈的努力，克服了重重困難，終于有少量幾種規(guī)格的液壓挖掘機產品獲得初步成功，當時有上海建筑機械廠的WY100；貴陽礦山機器廠的W4-60；合肥礦山機器廠的WY60；長江挖掘機廠的WY160和杭州重型機械廠的WY250等，到現在，短短的40多年，挖掘機的產量和銷量有了飛躍式的提高。尤其是在十一五期間，我國內品牌的液壓挖掘機發(fā)展迅速，在國內的市場占有率也快速提高，如表1。 表1.1 2006-2010年各品牌挖掘機市場占有率(%) 年份 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 日系 34.53 36.18 37.78 37.75 35.61 韓系 34.39 31.90 26.76 25.59 24.47 歐美系 14.91 12.79 11.96 11.03 11.62 中國品牌 16.17 19.13 23.50 25.63 28.30 由表可見，國內品牌的挖掘機市場占有率迅速提高。顯然，挖掘機在整個工程機械行業(yè)中是產、銷量增長最快的機種之一。2008年北京奧運會、2010年上海世博會、西部大開發(fā)、南水北調工程對機械設備的需求為挖掘機生產廠商提供了大量商機。另為滿足國民經濟發(fā)展的需要，盡快為國內市場提供產品質量好、可靠性高的液壓挖掘機，改變大中型液壓挖掘機長期依靠進口的被動局面當務之急是高速發(fā)展我國液壓挖掘機。隨之從事液壓設備設計和調試工作的工程技術人員也越來越多。他們設計出了不少性能良好的液壓系統(tǒng)；但也經常出現一些因設計時考慮不周或參數調節(jié)不當，造成系統(tǒng)達不到要求或不能正常工作，不得不改進設計或采取應急對策的情況。 如何設計出工作可靠、構造簡單、性能好、成本低、效率高、維護使用方便的液壓系統(tǒng)，必須通過調查研究，明確多方面的要求。 1.2國內外發(fā)展情況 當前，國外挖掘機的生產正向大型化、微型化、多能化，專用化及智能化的方向邁進。國外挖掘機行業(yè)重視采用新技術、新工藝、新結構和新材料，加快了向標準化、系列化、通用化發(fā)展的步伐。我國己經形成了挖掘機的系列化生產，近年來還開發(fā)了許多新產品，引進了國外的一些先進的生產率較高的挖掘機型號，單斗液壓挖掘機有以下的趨勢: (1)向大型化發(fā)展的同時向微型化發(fā)展。 (2)更為普遍地采用節(jié)能技術。目前國際上采用的節(jié)能發(fā)展趨勢有： 1、電液比例控制智能化； 2、柴油機電噴控制； 3、負荷傳感控制將繼續(xù)發(fā)展； 4、六通多路閥繼續(xù)存在； 5、進一步改進閥控節(jié)能控制； 6、多功能組合； 7、可變參數控制； 8、泵—發(fā)動機匹配控制將進一步“智能化”； 9、現場總線技術和嵌入式系統(tǒng)將大量應用。 (3)不斷提高可靠性和使用壽命。 (4)工作裝置結構不斷改進，工作范圍不斷擴大。 (5)由內燃機驅動向混合動力驅動發(fā)展。 (6)液壓系統(tǒng)不斷改進，液壓組件不斷更新。 (7)應用微電子、氣、液等機電一體化綜合技術。 (8)增大鏟斗容量，加大功率，提高生產效率。 (9)盡可能使用先進的液壓系統(tǒng)，如融入二次調節(jié)技術，簡化管路布局。 1.3論文設計內容 本設計主要是恒壓網絡二次調節(jié)技術的液壓系統(tǒng)。簡單分析液壓挖掘機的基本機構和工作原理、工況特點和工作范圍；了解目前市場現有的挖機零部件的生產及技術情況，進行對比優(yōu)化設計，制定出一個完整的挖機液壓驅動系統(tǒng)，提高挖機工作性能和節(jié)約能耗為目的。以下為本次挖掘機液壓系統(tǒng)設計的參數：如圖 三一重工SY200C履帶式液壓挖掘機 圖1.1 三一重工SY200C履帶式液壓挖掘機 表1.2 挖掘機液壓系統(tǒng)設計的參數 整機尺寸 ? 總長（運輸時） 9397mm 總寬度 2800mm 總高度（運輸時） 2956mm 上部寬度 2710mm 總高度（駕駛室頂部） 2930mm 標準履帶板寬度 600mm 軌距 2200mm 最小離地間隙 440mm 尾部回轉半徑 2750mm 履帶接地長度 3260mm 履帶長度 4064mm 作業(yè)范圍 ? 最大挖掘高度 9305mm 最大卸載高度 6630mm 最大挖掘深度 6630mm 最大垂直臂挖掘深度 5980mm 最大挖掘機距離 9885mm 最小回轉半徑 3630mm 最小回轉半徑時的最大高度 7570mm 性能參數 ? 工作質量 20300kg 標準鏟斗容量 0.83m3 行走高度（高/低） 5.5/3.2km/h 回轉速度 12.5rmp 爬坡能力 70%/35° 接地比壓 44.8kPa 鏟斗挖掘力 138kN 工作范圍示意圖如1.2圖： 圖1.2 挖掘機作業(yè)范圍圖 1. 最大挖掘深度 2. 最大水平移動距離 3. 最大挖掘高度 4. 最大裝載高度 5. 最小裝載高度 6. 最大水平切削深度 7. 最大垂直挖掘深度 2 液壓挖掘機結構與工作原理 總所周知，液壓傳動較機械傳動有很多的優(yōu)點： 1) 由于驅動介質為液壓油，故其傳動路線可經管路彎曲多變，可節(jié)約空間，比機械傳動的布局要靈活很多。 2) 被驅動件能實現無級調速而且范圍較廣，最大傳動比可達1000，并可高速逆轉。 3) 傳動較平穩(wěn)，結構簡易，可減少沖擊和振動。 4) 操縱靈活而且省力，如汽車方向盤的控制，較以往的連桿機構省力多了。也容易自動化控制。 基于以上的優(yōu)點液壓挖掘機逐步取代機械式挖掘機是必然的趨勢。 2.1 液壓挖掘機結構 (1) 液壓挖掘機組成 一般單斗液壓挖掘機由兩個基本組成部分，即主機和工作裝置。如圖2.1所示。 圖2.1 液壓挖掘機的組成 1—柴油機、2-機罩、3一油箱、4-多路閥、6-回轉減速器、7-回轉馬達、8-回轉接頭、 9-駕駛室、10-動臂、11-動臂油缸、12-操縱臺、13-邊齒、14-斗齒、15-鏟斗、16-斗桿油缸、17-斗桿、18-鏟斗油缸、19-平衡重、 20-轉臺、21-行走減速器、22-行走馬達、23-托鏈輪、24-履帶、Ⅰ-工作裝量、Ⅱ-上部轉臺、Ⅲ-行走機構 主機是完成挖掘機基本動作并作為驅動和操縱挖掘機進行工作的基礎，其行走形式可分為履帶式和輪式，可細分為行走裝置、回轉裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動力裝置。其中動力裝置、操縱機構、回轉機構和輔助設備均可在回轉平臺上，總稱上車部分，它與行走機構(又稱下車部分)用回轉支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉軸作360°的全回轉。工作裝置根據工作性質的不同，可配備反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，分別完成挖掘、裝載、抓取、起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清溝等工作。挖掘機的基本性能決定于各部分的構造、性能及其綜合的效果。 (2) 液壓挖掘機工作循環(huán)過程 首先液壓挖掘機的行走回路控制馬達行走至待作業(yè)區(qū)，然后調停挖掘機，并鎖緊行走回路防止在作業(yè)過程中滑坡溜走等，同時也將運輸土方的車停在挖掘機旁邊，方便挖掘機鏟滿土后進行卸載。挖掘機司機扳動操縱手柄，使回轉馬達控制閥接通，此時回轉馬達帶動上部平臺一起轉動，將鏟斗轉向待挖區(qū)，與此同時扳動動臂油缸換向閥，使動臂缸上端進油，動臂下降，直至鏟斗接觸地面，在操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，兩缸的無桿腔進油，以此復合動作提高挖掘速度，鏟斗滿土后，將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄撥到中位，此時鏟斗缸和斗桿缸均鎖緊，再將動臂缸換向閥換向，動臂缸的無桿腔進油，動臂舉升，升到卸載高度位置，再將回轉換向閥換向，使平臺轉到運土車方向，此時鏟斗處在運輸車上方，再操作斗桿缸使鏟斗稍降，然后再控制鏟斗缸將土卸載，完成后又重復上述動作，進行下一次的挖掘。 2.2 液壓挖掘機整機性能 液壓挖掘機由:動力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。這些組成部分的質量將直接影響到挖掘機的綜合性能。 (1) 動力系統(tǒng) 動力系統(tǒng)是整個挖掘機動作的動力源，由于挖掘機的工況復雜，負荷大小多變，而且環(huán)境溫差變化大，粉塵顆粒多，易造成污染，不變維護，此時液壓挖掘機多采用柴油發(fā)動機，柴油發(fā)動機的動力可靠，功率特性曲線較硬，而且柴油價格實惠，符合工作條件惡劣，負載多變的需求，挖掘機的額定負荷與汽車、拖拉機不同，汽車和拖拉機指在最高轉速下、連同機油泵、發(fā)電機等必要附件，一分鐘內的最大功率；挖掘機是指在額定轉速下一小時以上的額定功率。挖掘機采用車用柴油機時，最大功率指數降低。 (2) 機械系統(tǒng) 機械系統(tǒng)部分是實現挖掘機各種基本動作的直接執(zhí)行者，其行走裝置是整機的支撐機構，承受機器的全部重量和工作裝置的反力，而且能使挖掘機作短途行駛。可分為履帶式和輪胎式兩種。上車部分可繞回轉軸作回轉，以實現挖掘和卸載動作的需要，包括驅動裝置和回轉支撐。工作裝置是挖掘機完成各種動作的主要部分，可分為反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，相同的裝置結構也可以不同，在挖掘機中應用最廣范的工作裝置是反鏟裝置。 (3) 液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)是控制各執(zhí)行器運動和停止的系統(tǒng)，如對回轉、行走及工作裝置的控制都由液壓傳動系統(tǒng)完成。發(fā)動機帶動主液壓泵轉動，產生壓力油液，然后壓力油液可以驅動執(zhí)行器運動，但壓力油的接通和切斷由主換向閥來控制，多路壓力油可單路驅動，也可以多路同時驅動，即形成工作裝置的復合運動，在液壓系統(tǒng)中，各子回路均有溢流閥，起到過載溢流的作用，主回路上也有主溢流，起安全保護作用，回路中還有液壓變壓器二次元件，可起到調速作用，以及能量回收和再利用，系統(tǒng)中的蓄能器可以儲存回收能量也可減少沖擊和振動。把各液壓元件用油管有機地連接起來地組合體既是液壓挖掘機地液壓系統(tǒng)。挖掘機的液壓系統(tǒng)有不同的類型，較典型的有：負流量控制系統(tǒng)、正流量控制系統(tǒng)、負載敏感控制系統(tǒng)等。本次設計采用了恒壓網絡二次調節(jié)系統(tǒng)，不同的液壓系統(tǒng)，均可達到工作要求，但在節(jié)能方面卻有所不同，主要體現在形式上、節(jié)能效率上。而且管路的布局復雜程度不一樣，成本費用也不一樣。 (4) 控制系統(tǒng) 在挖掘機中，對發(fā)動機轉速、主油泵的排量，換向閥的換向，執(zhí)行元件的速度的控制稱為挖掘機的控制系統(tǒng)。當前，閉式的控制系統(tǒng)應用較廣泛，可以將輸出信號反饋到輸入信號，從而使發(fā)動機和泵的功率更匹配，達到節(jié)能目的。此時，電子技術和計算機技術發(fā)揮了重要作用，既可實現節(jié)能又可使操作更方便，如近控，遙控等。所以其控制系統(tǒng)越來越先進，目前挖掘機研究重點正逐步向智能化機電液控制系統(tǒng)方向轉移。 2.3 液壓挖掘機傳動原理 液壓挖掘機采用三組液壓缸使工作裝置具有三個自由度，鏟斗可實現有限的平面轉動，加上液壓馬達驅動回轉運動，使鏟斗運動擴大到有限的空間，再通過行走馬達驅動行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。 液壓挖掘機由柴油機驅動液壓泵，操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達)驅動相應的機構進行工作。 液壓挖掘機的工作裝置采用連桿機構原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現。如圖2.2所示。 圖2.2 反鏟挖掘機工作裝置 1、斗桿油缸 2、動臂 3、油管 4、動臂油缸 5、鏟斗 6、斗齒 7、側齒 8、連桿 9、搖桿 10、鏟斗油缸 11、斗桿 裝置由鏟斗5、斗桿11、動臂2、連桿8及相應的三組液壓缸1、4、10組成。動臂下鉸點鉸接在轉臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉動;而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉動。挖掘作業(yè)時，接通回轉馬達，轉動轉臺，使工作裝置轉到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮；動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉馬達，使工作裝置轉到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉進行卸土。卸完后，工作裝置再轉至挖掘位置進行第二次挖掘循環(huán)。在實際挖掘作業(yè)中，由于土質情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系通的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合隨機的。 總之，液壓挖掘機是由多學科、多系統(tǒng)組成的有機整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學科協同優(yōu)化才能獲取挖掘機整機的最佳性能。 3 液壓挖掘機工況分析及液壓系統(tǒng)設計方案的確定 要了解和設計挖掘機的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機的工作過程及其作業(yè)要求，掌握各種液壓作用元件動作時的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復合動作要求和復合動作時油泵對同時作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。 3.1 液壓挖掘機的工況 挖掘機的液壓系統(tǒng)是按照挖掘機各個機構和裝置的傳動要求，把各種液壓組件用管路有機地連接起來的組合體。液壓系統(tǒng)的功能是把發(fā)動機的機械能以液壓油為介質，利用液壓泵將機械能轉變?yōu)橐簤耗?，進行傳遞，然后通過液壓缸和液壓馬達等執(zhí)行組件返回機械能，實現各種動作。 液壓挖掘機的作業(yè)過程包括下列幾個間歇動作：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉臺回轉、整機行走，以及其它輔助動作，它們即可以單獨動作又可以復合動作。 由于挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊要求：(1)實行各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應變化；(2)為了充分利用發(fā)動機功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作同時進行，即復合動作。這兩項要求需要由液壓系統(tǒng)來保證。單斗液壓挖掘機一個動作循環(huán)的組成和動作的復合，包括： (1)挖掘 通常以鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸進行挖掘，或兩者配合進行瓦解，因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復合動作，必要時，配以動臂動作。 (2)滿產回轉 挖掘結束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉液壓馬達使轉臺向卸土處，主要是動臂和回轉的復合動作。 (3)卸載 轉到卸土點時，轉臺制動，用斗桿液壓缸調節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載，為了調整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時，是斗桿和鏟斗的復合動作，間以動臂動作。 (4)返回 卸載結束，轉臺反向回轉，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放在新的挖掘點，此時，是回轉和動臂或斗桿的復合動作。 3.2 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求 單斗液壓挖掘機的動作繁復，主要機構經常起動、制動、外負載變化很大，沖擊和振動多，而且野外工作，溫度和環(huán)境變化大，所以對液壓系統(tǒng)的要求是多方面的。故有以下設計要求： (1)要保證挖掘機動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨動作，也可以互相配合實現復合動作。 (2)工作裝置的動作和轉臺的回轉既能單獨進行，又能作復合動作，以提高挖掘機的生產率。 (3)履帶式挖掘機的左、右履帶分別驅動，使挖掘機行走方便、轉向靈活，并且可就地轉向，以提高挖掘機的靈活性。 (4)保證挖掘機的一切動作可逆，且無級變速。 (5)保證挖掘機工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達等）有良好的過載保護；回轉機構和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因自重而快帶下降和整機超速溜坡。 3.3 液壓系統(tǒng)方案的論證 目前有關挖掘機的主流液壓控制系統(tǒng)主要有負流量控制、正流量控制和負載敏感控制等幾種控制技術。第一種負流量控制技術發(fā)展歷史久遠，技術非常成熟。在挖掘機市場份額中，具有這三種控制系統(tǒng)的挖掘機各占一定比例，與此同時它們也有各自適用的場合。但是在節(jié)能方式上它們的節(jié)能效率不高。針對節(jié)能效率不高的這個缺陷，本文現提出一種基于恒壓網絡二次調節(jié)技術的挖掘機液壓系統(tǒng)的設計方案，下面就這幾種節(jié)能控制方案分別進行分析。 1.負流量控制系統(tǒng)出現于20世紀70年代末期，其控制原理為：當主回路的多路換向閥（即主換向閥）處于中位時，執(zhí)行元件不工作，主液壓泵處于卸荷狀態(tài)，此時在主回路接入一個節(jié)流閥，油液通過節(jié)流口產生一個壓差，利用節(jié)流閥兩端口的壓力差來作為主液壓泵流量的一個反饋信號，顯然當卸荷時，節(jié)流閥的背壓近似為零，由于主泵流量全部卸荷，此時節(jié)流閥的進口壓力會達到最大值，則可反饋到主泵的流量控制機構，使主泵的排量自動減少到最小，可以達到節(jié)能的目的，主要是可以減少主閥在中位時主泵的流量損耗，主泵的輸出流量通過操作者對節(jié)流口面積改變而控制，按需求供應流量，節(jié)約了泵的空載損失，減少了溢流損失和系統(tǒng)發(fā)熱，減少發(fā)動機的功率，意義重大。由于節(jié)流口的壓差與主泵的流量成負線性關系，故稱為負流量控制，負流量控制系統(tǒng)的原理如圖3.1。 圖3.1 負流量控制系統(tǒng)原理圖 優(yōu)點：發(fā)展歷史悠久，技術非常較成熟，應用較廣泛。但存在以下缺陷：六通多路閥死區(qū)較大、調速范圍有限、響應時間較長、流量波動較大、可操作性差、節(jié)能效果有待加強等。 2. 正流量控制系統(tǒng)出現在20世紀80年代，它主要是用容積調速取代定流量系統(tǒng)中的節(jié)流調速，其調速效率更高。如圖3.2所示。 圖3.2 液壓挖掘機正流量控制系統(tǒng)原理圖 在正流量控制系統(tǒng)中泵排量直接由先導壓力控制，在工作過程中，先導壓力的增加，泵排量也相應隨著增加。操縱兩個液壓油缸可以由操縱手柄來完成，引出的先導液壓信號一方面控制兩個六通多路閥，另一方面通過梭閥組將最大先導壓力挑選出來，以此來控制泵排量，使液壓泵輸出流量與多路閥工作口的開度成正比。當手柄無操作時，先導操縱信號壓力為零，相應泵排量也為零，有效地消除了空流損耗；當手柄開始操作時，先導壓力上升，控制泵排量增加。在這一控制過程中，依舊需要多路閥的旁路節(jié)流作用來克服負載壓力，使泵輸出壓力升高。由于系統(tǒng)只輸出與先導操縱壓力相匹配的流量，以此來減少旁路節(jié)流損耗，達到良好的節(jié)能效果。相對于負流量控制系統(tǒng)，正流量控制系統(tǒng)的響應時間更短、流量波動更小、可操作性更好、系統(tǒng)的可靠性更高等。但正流量系統(tǒng)的構造復雜，花費成本較高，同時由于依然存在節(jié)流損失，故節(jié)流效率還有待得到進一步提高。 采用這種液壓系統(tǒng)國外比較典型的一種產品是日立建機生產的EX400液壓挖掘機，國內產品中比較典型的有四川長江挖掘機廠生產的WY403型全液壓挖掘機和廣西玉柴工程機械有限公司出產的WY20-YC液壓挖掘。 3.負載敏感控制系統(tǒng)出現于20世紀90年代后，并且被廣泛地應用在中小型挖掘機上，節(jié)能效果非常顯著。它在各執(zhí)行機構同時工作時，流量供給只由操縱手柄的開度來決定，而與負荷大小無關，使得工作的可操作性變得很強，如圖3.3所示。 圖3.3 負載敏感控制原理 負載敏感控制的基本原理可以解釋為，節(jié)流孔的流量Q是開口面積A和壓差P的函數，若P保持不變，流量Q不受負荷變化的影響，且只與開口面積有關， 負載敏感控制系統(tǒng)利用將負載壓力反饋到壓力補償閥的方法即可實現P=常數。 壓力補償閥的工作原理如下式： 彈簧力決定了在節(jié)流孔A1處的壓差P恒定不變。進入執(zhí)行元件的流量Q正比于節(jié)流孔面積，多余流量通過壓力補償閥直接返回油箱，從而保證P恒定不變。傳統(tǒng)的負荷傳感閥一般都匹配有相應的壓力補償器，使每一個閥口上的壓力都保持定值。當泵的供油能力達到飽和狀態(tài)時，負傳感功能將會失效。最高負載回路上的執(zhí)行元件速度將會逐漸降低，直至運動停止，使挖掘機動作失去協調性。然而在多路閥上采用流量分配型的壓力補償原理，將壓力補償閥設在多路閥的下游，各執(zhí)行元件中的最高壓力信號被傳遞給所有壓力補償閥和液壓泵，上述問題將可以得到解決，如圖3.4所示。 圖7 流量分配型壓力補償原理 最高負載壓力信號被當作為比例控制信號傳遞給所有的壓力補償閥，使全部的多路閥的輸出壓力都不能超過最高負載壓力，而負荷傳感控制器亦在最高負載壓力的作用下控制液壓泵的排量，使泵輸出的壓力值比最高負載壓力高出一定值。那么，全部的多路閥閥口上的壓力差就可以調節(jié)在同一個值。即便泵輸出流量不夠，不能保持多路閥閥口上正常的負荷傳感壓差，但在溢流壓力補償閥的作用下，仍可以讓全部多路閥閥口上的壓差繼續(xù)保持一致。此時，盡管執(zhí)行器的工作速度會降低，但由于全部閥口上的壓差保持一致，各執(zhí)行器的工作速度之間的比例關系可保持不變，故可保證挖掘機動作的準確性。較典型的產品有Linde公司的VW系列同步閥和Rexroth公司的LUDV閥。采用該技術的公司還有韓國大宇、小松公司等。現在國內也能夠生產這種液壓系統(tǒng)的挖掘機，如合肥日立公司生產的EX系列挖掘機。 4.恒壓網絡二次調節(jié)系統(tǒng)是20世紀80年代初提出的一種壓力偶聯系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于節(jié)能效果好，節(jié)能原因有兩點：一方面采用了二次調節(jié)技術，可以很好地回收勢能和制動能等，然后再釋放利用，可控性較好。另一方面僅通過調節(jié)液壓變壓器就可以控制執(zhí)行元件的速度，關鍵是無節(jié)流損失地調節(jié)執(zhí)行元件的速度，減少系統(tǒng)發(fā)熱量，也減少了發(fā)動機的油耗。發(fā)展前景非常廣泛。其基本組成為負載、二次元件及動力源、高壓油路和低壓油路構成的恒壓網絡和蓄能器，如圖3.5所示 圖3.5 恒壓網絡二次調節(jié)系統(tǒng)的基本組成 恒壓網絡二次調節(jié)系統(tǒng)在國外很早就已經提出來了，大約在20世紀80年代，而國內研究的比較晚，且進展也不樂觀，主要體現在變壓比的范圍過窄，一般在1-1.2倍，連續(xù)可調，最好的變壓比為1~2倍，連續(xù)可調，而在工程機械領域應該要求的變壓比為1-4倍，國內研究的變壓器調節(jié)范圍過窄的主要原因為配流盤上的三個油口的位置不太理想，三個油槽的大小相同，且為120度等間距分布，這種變壓比范圍過窄的情況有待改善。由于液壓變壓器有如此強大的潛能，故對它的研究非常有意義，雖然還有些不足，但已經應用在一些領域了，比如卷揚機上、汽車上、船舶機械上、甚至是工程機械中。圖3.6為恒壓網絡二次調節(jié)技術在液壓挖掘機上的應用。 圖3.6 挖掘機恒壓網絡二次調節(jié)液壓系統(tǒng)原理圖 1. 過濾器；2.低壓定量葉片泵；3.單向閥；4.高壓恒壓柱塞變量泵；5。二位四通換向閥；6.新型液壓變壓器；7.蓄能器；8.二位二通換向閥；9.緩沖限壓閥；10.液壓缸；11.回轉馬達；12.左行走馬達；13.壓力閥；14.三位四通換向閥；15.右行走馬達；16溢流閥；17.油溫表;18.液位計；19.壓力表；20.風冷馬達；21.球閥；22.二位二通電磁閥。 其實國內應用最多的是負載敏感系統(tǒng)，其技術也比較成熟，在二次調節(jié)技術出現之前，負載敏感系統(tǒng)算是比較先進了，但其在控制速度方面始終有節(jié)流、溢流損失，在原理上比二次調節(jié)系統(tǒng)要差，此系統(tǒng)中液壓變壓器是核心元件，但其要發(fā)揮回收勢能和制動能時，需要蓄能器和電磁換向閥的配合，應用二次調節(jié)后主要有以下優(yōu)點： 1)液壓變壓器的輸出壓力可高于進口壓力也可低于進口壓力，負載口與低壓油口分別接液壓缸的兩腔，兩腔壓差范圍可以很大，而且由于背壓腔有低壓油的壓力，可減少液壓缸的沖擊。 2)動臂缸下降時的勢能、回轉裝置、行走裝置的制動均能被系統(tǒng)回收和再利用，可控性較好，達到了節(jié)能減排的目的了。 3)在高壓網絡上，各執(zhí)行器獨立工作，互補干擾，使得液壓管路布局明了、簡單。 4)通過調節(jié)液壓變壓器配流盤的角度即可控制執(zhí)行器的速度，理論上無節(jié)流損失，減少系統(tǒng)發(fā)熱量。 基于以上優(yōu)點本次設計采用了恒壓網絡二次調節(jié)技術的節(jié)能型液壓系統(tǒng)。 4 液壓二次調節(jié)技術 4.1 基本概念 二次調節(jié)系統(tǒng)是由恒壓力源、變量馬達和蓄能器組成的控制系統(tǒng)。由于它沒有節(jié)流損失和溢流損失的缺陷，發(fā)展前景非常廣泛。 (1)一次調節(jié)，由原動機到壓力油產生的過程稱為一次調節(jié)。 (2)二次調節(jié)，在恒壓力源網絡中，對液壓馬達（有時為液壓泵）進行控制稱為二次調節(jié)。 4.2 二次調節(jié)系統(tǒng)的原理 液壓變壓器是由兩個液壓單元同軸連接組成的。它具有三個端口，其中兩個液壓單元角色互異：被進入高壓油驅動的一端為液壓馬達，則另一端為液壓泵。如圖4.1所示為液壓變壓器控制液壓缸裝置。 圖4.1 二次調節(jié)系統(tǒng) 由圖10可知，單元1被恒壓網絡的高壓油驅動，此時它為液壓馬達，單元2就是液壓泵，如果忽略摩擦損失，則單元2的輸入轉矩等于單元1的輸出轉矩，在液壓馬達的帶動下液壓泵產生壓力油，然后由驅動液壓缸。其流量和壓力關系推導如下，液壓單元1和2的排量分別為、，轉軸的轉矩為T（Nm）,則由能量守恒有： 由于同軸，轉速n相同，為定值，液壓單元2為定量馬達，即也為定值,所以： 變壓比為兩者的排量的反比，在回路中，通過調節(jié)單元1的排量就可以調節(jié)輸出壓力了，而且在無節(jié)流損失的條件下可對壓力進行無級調節(jié)，此變壓器為傳統(tǒng)型的，也有兩單元均為排量可調的，那么變壓比的范圍就更寬些，更適用于工程機械中，當前，國內研究的液壓變壓器調壓比為0-2倍，而在工程機械中的應用應達到0-4倍。 4.2.1 液壓變壓器的發(fā)展史 在20世紀50年代就有美國專利對液壓變壓器進行闡述，一直到80年代，其在結構上沒有本質的改變，一直是采用軸向柱塞泵和馬達剛性連接構成，體積較大，較笨重，稱之為傳統(tǒng)型液壓變壓器，該種變壓器的變壓比為可調的，還有一種液壓缸變壓器，將兩缸活塞桿剛性連接，利用兩缸活塞面積不等，可產生不同的壓力，其實就是增壓缸，但它的變壓比為固定值。直到1997年，由荷蘭的Innas公司發(fā)明了新型液壓變壓器，它是將馬達單元和泵單元的功能集合在一起，其主要辦法是在配流盤上加工出等間距的三個腰形槽，分別為負載口、高壓口、低壓口。結構比以前簡單，正反轉敏捷，可控性好。圖4.2為液壓變壓器的簡圖。 圖4.2 液壓變壓器的簡圖 為高壓油口，為負載口，為低壓油口，但是這三個口均可以進出油，所以液壓變壓器可正反轉，進而具有工作四象限特性。圖4.3為液壓變壓器的實物圖。 圖4.3 新型變壓器的實物圖 由圖可知其結構是斜軸式軸向柱塞泵式的，只是配流盤加工出了等間距的三個配油槽，而且配流盤由操縱手柄帶動小齒輪對配流盤進行角度的調節(jié)，從而改變變壓比的大小，改變配流盤角度的方式除手動式的還有伺服控制式的，伺服控制易實現自動化。 4.2.2 液壓變壓器三端口的流量關系 圖4.4為液壓變壓器配油盤三槽口的分布圖，在此體現了新型變壓器與傳統(tǒng)液壓變壓器的區(qū)別。 圖4.4 新型液壓變壓器配油盤三槽口的布局圖 由圖知、、分別為三槽口的吸、排油角度。而且==，由能量守恒可知 (a) 其中、、分別為A、B、T三口的流量，、、分別為三口的壓力，為總能量的損失，取絕對值。有（a）式可推出變壓器比： (b) 由此可以推導三槽口流量方程如下： (c) 其中：是配油盤調節(jié)角度，它是A槽中心與下死點D之間的夾角，S是柱塞橫截面積，r是液壓變壓器輸入軸的半徑，z為柱塞個數，一般，n為變壓器的轉速，，為斜軸的傾角。 聯合(c)和(b)兩式，可求得變壓比的具體表達式： (d) 由(d)中可知，如果不考慮能量損失，在結構固定后，亦為固定值，所以變壓器的輸出壓力只為控制角的函數，改變的大小，可以輸出不同的壓力，其工作原理由此而來。 4.3 二次調節(jié)系統(tǒng)在工程機械中的應用 隨著二次調節(jié)技術的發(fā)展和成熟，其逐漸被應用在卷揚機械、汽車、船舶機械，甚至是工程機械領域中。圖4.5為二次調節(jié)系統(tǒng)在工程機械中的應用 圖4.5 二次調節(jié)系統(tǒng)在工程機械中的應用 很顯然在該系統(tǒng)中，懸臂缸、吊桿缸、鏟斗缸、擺吊缸、動桿缸、車輪馬達等執(zhí)行元件的速度直接由各自的液壓變壓器來控制，在受負負載時，各液壓變壓器反轉，將能量儲存在蓄能器，以備再利用。較目前采用的節(jié)流閥控制速度系統(tǒng)先進一些，無節(jié)流損失，減少了系統(tǒng)的發(fā)熱量，可提高液壓元件的使用壽命。而且整個系統(tǒng)的油路布局簡單多了，也便于維修和保養(yǎng)。 4.4 液壓變壓器工作的四象限 在機械運動中，很多時候機械構件都會產生負載荷，即可向系統(tǒng)反饋能量的載荷，由負載荷驅動的形式叫負載驅動。常見的有挖掘機、泵車的動臂下降勢能、飛輪的慣性能、卷揚產生的負載荷、回轉裝置和行走裝置的制動能等。 液壓變壓器的工作四象限表現在能量回收和再利用，而且在控制負載時較連續(xù)，可逆性好，可控性好。此過程中,液壓變壓器為能量形式轉換的核心元件,液壓變壓器在進行驅動負載和負載驅動情況下,液壓變壓器的端口A、B可分別作為“液壓馬達-液壓泵”工況和“液壓泵-液壓馬達”工況。 4.4.1 液壓變壓器工作四象限的動力學分析 以圖4.6為例說明，該負載為液壓缸，即直線式負載，液壓缸的兩腔采用差動連接，下面分別以負載上升和下降的工況來分析液壓變壓器的四象限特性，缸體固定，活塞往返運動，不考慮泄露和沿程、局部壓力的損失。 圖4.6 液壓變壓器驅動液壓缸上升工況 (一)負載上升工況： 對液壓缸進行受力分析可得: pBA2-pAA1-mg-Ff = ma (1) 而液壓缸上下腔的流量關系為： qce =(A1/A2)qB (2) 如圖4.7所示，液壓缸的上升情況可分為三個階段.階段一為0t1,液壓缸加速上升即a>0,由(1)式可得 pB>(pAA1+mg)/A2 (3) 從(2)、(3)以及(1)式可得 qA>qce+(mg/pAA2 )qB (4) 圖4.7 液壓缸工況圖 表4.1 各端口吸、排油情況 0t1時段 當a>0時 t1t2時段 當a=0時 t2t3時段 當-g1時，qA>qB 當PB/PA>1時，qA>qB 當PB/PA>1時，qA>qB T端排油，qT=qA-qB T端排油，qT=qA-qB T端排油，qT=qA-qB t2-t3時段，當a<-g時 T端補油，qT=qB-qA PB/PA<1 qc=qce-qA（負載拖動） 蓄能器回油，回收勢能 qA1時 當pB/pA>1時 當pB/pA>1時 T端補油，qT=qA-qB T端補油，qT=qA-qB T端補油，qT=qA-qB 當a>g時 qc=qce-qA 蓄能器和液壓網絡供油 T端排油，qT=qB-qA 4.4.2 液壓變壓器四象限工作特性分析 下面用表格分類的形式來說明液壓變壓器的四象限特性，如表4.3。 記每個端口的流量q>0,表示吸油，q<0表示排油，變壓器順時針方向運轉記為>0,變壓器受到的合力矩記為。 表4.3 變壓器四象限特性分析表 第Ⅰ象限 負載加速、勻速、減速上升 驅動負載 第Ⅱ象限 負載減速上升 負負載 第Ⅲ象限 負載加速下降 驅動負載 第Ⅳ象限 負載勻速、減速、加速下降 負負載 圖4.9為液壓變壓器的工作四象限示意圖 圖4.9 液壓變壓器四象限工作示意圖 5 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計 5.1 確定油缸所受的作用力 5.1.1 鏟斗油缸作用力的確定 反鏟裝置在作業(yè)過程中，當以轉斗挖掘為主時，其最大挖掘力為鏟斗缸設計的依據。初步設計時按額定斗容及工作條件（土壤級別），參考有關資料可初選斗齒最大挖掘力（最大挖掘力為），并按反鏟最重要的工作位置,即最大挖掘深度時能保證具有最大挖掘力來分析確定鏟斗油缸的工作力。 圖5.1 鏟斗缸受力分析圖 如5.1圖所示。為簡單起見，可以忽略斗和土的質量，并且忽略了各構件質量及連桿機構效率影響因素，此時鏟斗油缸作用力為 在忽略斗和土的質量、各構件質量及連桿機構效率影響下鏟斗油缸作用力為 (5-1) 式中 ——鏟斗油缸作用力對搖臂與斗桿鉸點的力臂(此位置為搖臂長度)，m ——對鏟斗與斗桿鉸點C的力臂，m。 此時斗桿油缸處于閉鎖狀態(tài)，斗桿油缸閉鎖力應滿足 (5-2) 式中 ——斗桿油缸閉鎖力對斗桿與動臂鉸點的力臂，m； ——對斗桿與動臂鉸點B的力臂，m； ——對斗桿與動臂鉸點B的力臂，m； ——挖掘阻力的法向分力，取。 動臂油缸閉鎖力應滿足 (5-3) 式中 ——動臂油缸閉鎖力對鉸點A的力臂，m； ——對動臂下鉸點A的力臂，m； ——對鉸點A的力臂，m； 通過挖掘機工作范圍圖測得：=430mm，=430mm，=Rd=1300mm，=3900mm，=650mm，=330mm，=6300mm，=4600mm，已知。將以上數據帶入公式中得到： 由動臂缸有兩個油缸同時作用，則每個缸閉鎖力 表5.1 根據缸的應用類型來初選系統(tǒng)工作壓力 設備類型 精加工機床 組合機床 拉　床 農業(yè)機械、小型工程機械、工程機械輔助機構 液壓機、重型機械、大中型挖掘機、起重運輸機械 工作壓力 P/Mpa 0.8-2 3-5 5-10 1-16 根據表5.1取工作裝置液壓系統(tǒng)工作壓力位35Mpa，忽略缸的背壓力，以下情況相同，則可知鏟斗油缸直徑為 同理，在考慮油缸憋壓為1.2倍工作壓力下，可分別得到在此位置工況下斗桿油缸和動臂油缸直徑應滿足的條件為 5.1.2 斗桿油缸作用力的確定 當挖掘機以斗桿挖掘時，其最大挖掘力則由斗桿油缸來保證。斗桿油缸最大作用力位置為動臂下放到最低位置，斗桿缸作用力對斗桿與動臂鉸點有最大力臂，即對斗桿產生最大作用力矩，并使斗齒尖和鉸點B、C在一條直線上，如圖5.2所示。 圖5.2 斗桿缸受力分析圖 與前面推導鏟斗油缸作用力一樣，忽略各構件及斗中土壤質量和連桿機構效率影響因素，此時斗桿油缸作用力為 (5-4) 而鏟斗油缸及動臂油缸處于閉鎖狀態(tài)，所以鏟斗油缸閉鎖力應滿足 (5-5) 動臂缸閉鎖力應滿足 (5-6) 動臂缸有兩個，則每個缸閉鎖力 測得=570mm，=650mm；=1370mm，=3900mm， =342.5mm，=3881.6mm，=4795m。則有: 取工作裝置液壓系統(tǒng)工作壓力位35Mpa，則可知斗桿油缸直徑為 同理，在考慮油缸憋壓為1.2倍工作壓力下，可分別得到在此位置工況下鏟斗油缸和動臂油缸直徑應滿足的條件為: 5.1.3 動臂油缸作用力的確定 動臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升鏟斗內裝滿土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進行卸載來確定，其計算簡圖如5.3所示，此時動臂油缸作用力為 (5-7) 式中： 圖5.3 動臂油缸受力分析圖 ——鏟斗及其裝載土壤的的重力，N； ——斗桿所受重力，N； ——動臂所受重力，N； ——鏟斗質心到動臂下鉸點A的水平距離，m； ——斗桿質心到動臂下鉸點A的水平距離，m； ——動臂質心到動臂下鉸點A的水平距離，m。 通過挖掘機工作范圍圖測得：=6200mm，=4550mm，=1630mm，=540mm。由Solidworks軟件做出工作裝置各部件的三維模型，鋼板厚度取15mm時，利用其“分析—模型—質量屬性”進行分析可以得到各部件的重量，得到鏟斗：1000kg、斗桿：1500kg、動臂：3000kg。取III級土壤干黃土密度為，而鏟斗容量則有： 每個缸的閉鎖力為： 取工作裝置液壓系統(tǒng)工作壓力位35Mpa，則可知鏟斗油缸直徑為 綜合鏟斗缸、斗桿缸和動臂缸的受力分析，計算得到三者的油缸直徑分別為；；。參照《液壓元件手冊》---（機械工業(yè)出版社）圓整后，選??；；。 5.2 各油缸尺寸的確定 由上述求出三缸直徑分別為；；。 又挖掘機液壓缸均為單活塞桿液壓缸，其原理圖5.4所示 圖5.4 液壓缸原理圖 表5.2 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑關系 工作壓力 d/D 根據表6顯然易見取活塞桿直徑與液壓缸內徑之比為0.7，即d/D=0.7。則 ；選標準值為90mm ；選標準值為125mm ；剛好為標準值 以上選值根據為《液壓元件手冊》表2-5-1。 5.2.1 鏟斗油缸尺寸的計算 根據教材《液壓與氣壓傳動》的第四章可進行設計計算缸壁厚，中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數屬于薄壁筒，即時，其最薄處的壁厚用材料力學薄壁圓筒公式計算，即 (5-8) 式中 ——薄壁筒壁厚； ——試驗壓力； ——缸筒材料許用應力，無縫鋼管； D——缸筒內徑 取 此時不滿足薄壁缸條件，故應按中等壁厚計算公式計算 此時 (5-9) ——強度系數，對無縫鋼管 ； ——用來圓整壁厚。 則 取 則缸外徑，查《液壓元件手冊》表2-5-2，取185mm，由挖掘機實際運動軌跡和外型尺寸知，鏟斗缸工作行程為 5.2.2 斗桿油缸尺寸的計算 由上面計算知按中等壁厚計算: (5-10) 圓整取 則 查《液壓元件及選用》表3.60選標準值為219mm。由挖掘機實際運動軌跡和外型尺寸可得出斗桿缸工作行程 5.2.3 動臂缸的尺寸計算 由上面計算知按中等壁厚計算 (5-11) 圓整取 則外徑 查《液壓元件手冊》表2-5-2選取標準值為150mm。 根據挖掘機實際運動軌跡和外型尺寸可得出動臂缸工作行程 表5.3 液壓缸性能參數 型號 HSGF 名稱 工作 壓力 /MPa 缸徑 /mm 桿徑 /mm 連接 形式 行程 /mm 安裝距離/mm 緩沖部位 最小 最大 01-125 鏟斗缸 35 125 90 兩端耳環(huán)襯套 1350 1762 1850 桿頭緩沖 02-180 斗桿缸 35 180 125 兩端耳環(huán)襯套 1755 2320 2445 兩端緩沖 03-100 動臂缸 35 100 70 兩端耳環(huán)襯套 1625 2223 2355 有桿腔緩沖 5.3 液壓系統(tǒng)圖的擬定 本次設計的挖掘機系統(tǒng)采用了恒壓網絡二次調節(jié)技術，是較以往的一些液壓系統(tǒng)的一次革新，其實恒壓網絡二次調節(jié)技術在挖掘機上的應用早在20世紀80年代初就已經提出來了，但一直未得到較好的發(fā)展和應用。此液壓系統(tǒng)采用單泵供油，配合補油泵和液壓蓄能器就能滿足工作要求，先進之處在于它使用了二次元件-“液壓變壓器”，由于液壓變壓器既可作泵用又可作馬達用，具有工作的“四個象限”。使得工作裝置的重力勢能，制動能等可良好的回收和再利用，又由于執(zhí)行元件的工作壓力和執(zhí)行速度全由液壓變壓器控制，減少了以往一些系統(tǒng)中的節(jié)流損失和溢流損失，（以往的一些液壓系統(tǒng)有明確的調速回路，其回路中設有節(jié)流閥）。目前挖掘機上使用較多的液壓系統(tǒng)為負載敏感液壓系統(tǒng)，其原理是通過一個反饋壓力來改變主油泵的排量，即負載敏感泵，此時的泵的好壞決定了整個回路的性能。而采用液壓變壓器就可以解決這一弊端，而且各回路可以獨立工作，互不影響。其液壓原理圖如圖5.5 圖5.5 挖掘機恒壓網絡二次調節(jié)液壓系統(tǒng)原理圖 1. 過濾器；2.低壓定量葉片泵；3.單向閥；4.高壓恒壓柱塞變量泵；5。二位四通換向閥；6.新型液壓變壓器；7.蓄能器；8.二位二通換向閥；9.緩沖限壓閥；10.液壓缸；11.回轉馬達；12.左行走馬達；13.壓力閥；14.三位四通換向閥；15.右行走馬達；16溢流閥；17.油溫表;18.液位計；19.壓力表；20.風冷馬達；21.球閥；22.二位二通電磁閥。 工作原理摡述：低壓定量葉片泵2產生一個低壓油回路，高壓恒壓變量柱塞泵4產生一個高壓油回路，泵2亦可為泵4補油，在恒壓油網絡上，各執(zhí)行器能獨立工作，互不影響，其流量和壓力僅由各自回路上的液壓變壓器來控制，避免了節(jié)流損失，減少了系統(tǒng)發(fā)熱量，另外當挖掘機動臂下降時，該回路上的液壓變壓器反轉，將勢能回收到液壓蓄能器7中，然后再釋放利用，同理回轉、行走裝置的制動能亦可進行回收和再利用，大大節(jié)約了系統(tǒng)的功耗。 表5.4 系統(tǒng)元部件一覽表 序號 元件名稱 規(guī)格型號 數量 1 過濾器 RFA-80065 1 2 補油泵 YB1-6.3 1 3 單向閥 DF-F50K1 25 4 主油泵 A7V500 1 5 二位四通電磁閥 24E-H10B-T 4 6 液壓變壓器 7 7 蓄能器 NXQA-10/10-L 2 8 二位二通電磁閥 22B-H10B-T 12 9 緩沖限壓閥 DGMC2-5-AT-BT-*H-10 11 10 液壓缸 HSGF 4 11 回轉馬達 25(YCY)14-1B 1 12 左行走馬達 XB-40 1 13 壓力閥 24Y-63BMZ 2 14 三位四通電磁閥 34DG4S4V-01 2 15 右行走馬達 XB-40 1 16 溢流閥 Y1-F*16D-A/0 1 17 油溫表 WXG-12t 1