畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 英 文 翻 譯院（系）： 機械電子工程系專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化學生姓名：學 號：指導教師：時 間： 摘要單斗液壓挖掘機是現(xiàn)代機械不可缺少的機種，廣泛應用在房屋建筑、道路工程、水利建設、農田開發(fā)、港口建設、鋪設管道等的土石方施工和礦山采掘工業(yè)中，對減輕繁重的體力勞動、保證工程質量、加快建設速度、提高勞動生產率起著巨大作用。單斗液壓挖掘機有多種形式，按行走裝置分為，履帶式、輪胎式、汽車式、等在小型挖掘機中，履帶式和輪胎是比較靈活，機動性好，用于各個機構都比較齊全，因此結構上比較復雜，制造時零件多，工藝要求高，使得機重增加，成本提高。步履式液壓挖掘機具有一定的機動性，其優(yōu)越性就在于結構簡單，僅需要回轉機構、工作裝置、液壓系統(tǒng)及結構簡單的地盤，其穩(wěn)定很好，使生產率大大增加，更為優(yōu)越，易于制造和推廣，一般的施工工地挖溝槽，條格形基槽都可使用，其整機運輸也很簡單，短距離可靠自己機構行走，遠距離運輸可用汽車，拖拉機等運輸工具托運或拉運。本次設計主要是 YW35SR 型履帶式液壓挖掘機液壓系統(tǒng)的設計計算過程。本機是步履式單斗液壓挖掘機，斗容量是 0.12 立方米。本設計包括：確定液壓系統(tǒng)的主參數、液壓系統(tǒng)方案的擬液壓元件的選擇和液壓系統(tǒng)驗算等。在設計中參考了≤機械設計手冊≥上有關液壓系統(tǒng)設計的要求，并結合所學教材對挖掘機的液壓系統(tǒng)進行了設計，并對動臂油缸和鏟斗油缸進行了設計和驗算。關鍵詞：液壓系統(tǒng)， 液壓缸， 液壓泵AbstractSingle dou hydraulic excavator are indispensable to the modern mechanical model, widely used in the building, road engineering, water conservancy construction of port construction and development, and farmland, laying pipeline construction and mining conditions of industrial, mining to relieve heavy manual labor, ensuring the quality of projects and accelerate the construction speed and improve labor productivity plays a tremendous role.Single dou hydraulic excavator, according to a variety of forms, caterpillar, walk into the device LunTaiShi, automobile, etc in mini excavators, caterpillar and tyre is more flexible, good flexibility, used for various institutions are complete, so the structure is complex, manufacturing, technical requirements of high parts, machine, cost increased to improve. Walking hydraulic excavator has certain flexibility, the advantages of simple structure, is only need to work again institutions, hydraulic system and the device, simple structure, the stability of the site well productivity increases greatly, more advantageous, easy to manufacture and promotion, general construction site to dig the groove, grating base slot can be used, the transportation is very simple, reliable, his short distance transportation agency, tractor, etc can LaYun consign or transportation.This design is mainly YW35SR type hydraulic excavator crawler hydraulic system design and calculation of the process. This machine is of hydraulic excavator, single dou dou capacity is 0.12 cubic meters. The design of the hydraulic system, including: to determine the parameters of hydraulic system solutions, selection of hydraulic components and hydraulic system check, etc.In the design of mechanical design manual acuity than on hydraulic system design, combining the requirement of the hydraulic excavator learned teaching system design, and arm oil cylinder and the cylinder bucket design and calculation.Key Words: hydraulic system, hydraulic cylinders, hydraulic pumps.目錄1.緒論 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 引言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 液壓挖掘機的工作特點和基本類型 ?????????????????????????????????????????????????????????????11.2.1 液壓挖掘機的主要優(yōu)點 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1.2 液壓挖掘機的基本類型及主要特點 ???????????????????????????????????????????????????21.3 液壓挖掘機的發(fā)展概況 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 液壓系統(tǒng)設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.1 系統(tǒng)主參數的確定 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.1.1 確定系統(tǒng)的工作壓力 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.1.2 確定系統(tǒng)流量 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.1.3 確定系統(tǒng)的型式 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.2 系統(tǒng)方案的擬定 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.2.1 確定元件類型 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.2.2 擬訂主回路 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????83 系統(tǒng)初步計算和液壓元件的選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????93.1 液壓功率和發(fā)動機功率 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????94 鏟斗液壓缸設計計算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????254.1 基本參數的確定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????255 輔助元件的選擇 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????365.1 液壓缸的緩沖裝置與閥的選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????365.2 液壓附件 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????376 液壓系統(tǒng)的安裝和維護 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????386.1 液壓元件的安裝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????386.2 液壓元件的維護 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????397 總結 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????41參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42附錄 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43致謝 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????44第 1 頁 1.緒論1.1 引言液壓挖掘機是在機械傳動挖掘機的基礎上發(fā)展起來的。它的工作過程是以鏟斗的切削刃切削土壤，鏟斗裝滿后提升、回轉至卸載位置，卸空后的鏟斗再回到挖掘位置并開始下一次的作業(yè)。因此，液壓挖掘機是一種周期作業(yè)的土方機械。液壓挖掘機與機械傳動挖掘機一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水里施工、露天采礦及現(xiàn)代化軍事工程中有著廣泛的應用，是各種土方施工中不可缺少的一種重要機械設備，在建筑工程中，可用來挖掘基坑、排水溝，拆除舊建筑物，平整場地等。更換工作裝后，可進行裝卸、安裝、打樁和拔出樹根等作業(yè)。在水力施工中，可用來開挖水庫、運河、水電站堤壩的基坑、排水或灌溉的溝渠，疏浚和挖深原有河道等。在鐵路，公路建設中，用來挖掘土方、建筑路基、平整地面和開挖路旁開水溝等。在石油、電力、通信業(yè)的基礎建設及市政建設中，用來挖掘電纜溝和管道溝等。在露天采礦廠上，可用來剝離表土、采掘礦石或煤，也可用來進行堆棄裝在和鉆孔等作業(yè)。在軍事工程中，可用來筑路、挖壕溝和掩體、建造各種軍事建筑物。所以，液壓挖掘機作為工程機械的一種品種，對于減輕工人份額、繁重的體力勞動，提高施工機械化水平，加快施工進度，促進各項建設事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用。1.2 液壓挖掘機的工作特點和基本類型1.2.1 液壓挖掘機的主要優(yōu)點液壓挖掘機在動力裝置和工作裝之間采用容積式液壓靜壓傳動，即靠液體的壓力能進行工作。液壓傳動與機械傳動相比有許多優(yōu)點。第 2 頁 1能無極調速且調速范圍大,例如液壓馬達的最高轉速與最低轉速紙比可達 1000:1.2能得到較低的穩(wěn)定轉速,例如柱塞式液壓馬達的穩(wěn)定轉速可達 1r/min.3快速作用時，液壓元件產生的運動慣性小，加速性能好，并可作高速反轉。4傳動平穩(wěn),結構簡單,可吸收沖擊和震動,操縱省力,易實現(xiàn)自動化控制.5易于實現(xiàn)標準化,系列化、通用化.基于液壓傳動的上述優(yōu)點,液壓挖掘機與機械傳動挖掘機相比,具有下列主要特點.1大大改善了挖掘機的技術性能,挖掘力大、牽引力大，機器重量輕，傳動很平穩(wěn)，作業(yè)效率高，結構緊湊。液壓挖掘機與同級機械傳動挖掘機相比，挖掘力約高 30%。挖掘機在工作時的主要動作包括行走、轉臺回轉和工作裝置的作業(yè)動作，其中動作最頻繁的是回轉和工作裝置的循環(huán)往復運動。這種往復運動一般速度不高，而所需的作用力卻很大，要求在短時進內通過變速或換向來完成各種復雜的動作。機械傳動挖掘機完成上述運動，需通過摩摖離合器、減速器、逆轉機構、提升和推壓機構等配合來完成。因此，機械傳動挖掘機不僅結構復雜，而且產生很大的慣性力和沖擊載荷。2液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有防止過載的能力，所以使用安全可靠，操縱簡便。由于可采用液壓先導控制，無論驅動功率多大，操作均很靈活、省力，司機的工作條件得到改善。更換工作裝置時，由于不牽連轉臺上部的其它機構，因此更換工作裝置容易，而機械式挖掘機則受到提升機構和推壓機構的牽連和限制。3液壓元件易于實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，便于組織大規(guī)模專業(yè)化生產，進一步提高質量和降低成本。1.1.2 液壓挖掘機的基本類型及主要特點（1）根據液壓挖掘機主要機構傳動類型劃分根據液壓挖掘機主要機構是否全部采用液壓傳動，分為全液壓傳動河粉液壓傳動兩種。若挖掘、回轉、行走等幾個主要機構的動作均為液壓傳動，則成為全液壓挖掘機。(2)根據行走機構的類型劃分根據行走機構的不同，液壓挖掘機可分為履帶式、輪胎式、汽車式、懸掛式及拖式。第 3 頁 履帶式液壓挖掘機應用最廣，在任何路面行走均有良好的通過性，對土壤有良好的附著力，接地比壓小，作業(yè)是不需設支腿，適用范圍較大。在土質松軟或沼澤地帶作業(yè)的液壓挖掘機，還可通過加寬和加長履帶來降低接地比壓。違反防止對路面的碾壓破壞。輪式液壓挖掘機具有行走速度快，機動性好，可在多種路面通行的特點。近年來，輪胎式挖掘機的生產量日漸增長。懸掛式液壓挖掘機是將工作裝置安裝在輪胎式或履帶式拖拉機上，可以達到一機多用的目的。這種挖掘機拆裝方便，成本低廉。汽車式液壓挖掘機一般采用標準的汽車底盤，速度快，機動性好。（3）根據工作裝置劃分根據工作裝置結構不同，可分為鉸接式和伸縮臂式液壓挖掘機。鉸接式工作裝置應用較為普遍。這種挖掘機的工作裝置靠各構件交接點轉動來完成作業(yè)。伸縮臂視挖掘機的動臂由主臂及伸縮臂組成，伸縮臂可在主臂內伸縮，還可以變幅。伸縮臂前端裝有鏟斗，始于進行平整和清理作業(yè)，尤其是修整溝坡。1.3 液壓挖掘機的發(fā)展概況挖掘機的最早雛形，主要用于河道、港口的疏浚工作，第一臺有確切記載的挖掘機械是 1796 年英國人發(fā)明的蒸汽“挖泥鏟” 。而能夠模擬人的掘土工作，在陸地上使用的蒸汽機驅動的“動力鏟”與 1835 在美國誕生，主要用于修筑鐵路的繁重工作，被認為是現(xiàn)代挖掘機的先驅，距今已有 170 多年的歷史。1950 年，德國制造出世界上第一臺全液壓挖掘機。由于科學技術的飛速發(fā)展，各種新技術、新材料不斷在挖掘機上得到應用，尤其是電子技術和信息技術的應用使得液壓挖掘機在作業(yè)效率、可靠、安全性和操作舒適性以及節(jié)能、環(huán)保等方面有了長足的進步。目前液壓挖掘機已經在全世界范圍內得到了廣泛應用，成為土石方施工不可缺少的重要機械設備。我國從 1967 年開始自行研制液壓挖掘機。早期開發(fā)成功的產品主要有上海建筑機械廠的 WY100、貴陽礦山機械廠的 W4-60、合肥礦山機械廠的 WY60 等。道 20 實際 70 年代末和 80 年代初，長江挖掘機廠杭州重型機械廠分別研制成功了 WY160 和 WY250 等液壓挖掘機產品。從 1994 年開始，美國的卡特彼勒公司、日本的神戶制鋼索、日本的小松制作所、日本的日立建機株式會社、韓國大宇重工、韓國現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾、德國學孚、德國阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司先后在中國建立了中外合資、外商獨資挖掘機生產企業(yè)，生產具有世界先進生產水平的多種型號和規(guī)格的液壓挖掘機產品。第 4 頁 近年來我國經濟增長迅速，液壓挖掘機市場需求不斷擴大，形成了巨大的液壓挖掘機市場空間，但該行也主要由合資企業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國內一些工程機械行業(yè)的上市股份公司通過合資的方式介入了挖掘機產業(yè)，同時國內好有眾多的企業(yè)也在生產液壓挖掘機，但在生產規(guī)模、品牌、質量等方面與國外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展民族挖掘機產業(yè)，必須瞄準國際先進水平，圍繞國內外兩個市場，在充分利用國際化配套和國外先進技術的基礎上，增強自主創(chuàng)新意識，掌握核心設計制造技術，發(fā)揮性價比優(yōu)勢，提高產品競爭力，把我國液壓挖掘機產品做大做強。第 5 頁 2 液壓系統(tǒng)設計液壓傳動系統(tǒng)是液壓機械的一個組成部分，液壓傳動系統(tǒng)的設計要同主機的總體設計同時進行。著手設計時，必須從實際情況出發(fā)，有機地結合各種傳動形式，充分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點，力求設計出結構簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。液壓挖掘機整個機械包括：底盤行走系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、工作機構及控制系統(tǒng)。本次設計的是履帶式小型無尾液壓挖掘機，它主要是利用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)挖掘機作業(yè)時的基本動作。一個完整的、能夠正常工作的液壓系統(tǒng)，應該由以下五個主要部分來組成：1.動力元件：液壓泵，其功能是供給液壓系統(tǒng)壓力油，把機械能轉換成壓力能。2.執(zhí)行元件：液壓缸、液壓馬達，其功能把是液壓能轉換成機械能。液壓缸輸出力和速度，帶動負載作直線運動；液壓馬達輸出轉矩和轉速，帶動負載作旋轉運動。3.控制元件：控制閥，其功能是對系統(tǒng)中的壓力、流量或流動方向進行控制，以保證執(zhí)行元件達到所要求的輸出力（或力矩）、運動速度和運動方向。如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等。4.輔助元件：保證系統(tǒng)正常工作所需要的輔助裝置，例如油箱，濾油器，油管等。5.工作介質：液壓油 本次液壓系統(tǒng)采用雙泵雙回路定量并聯(lián)系統(tǒng)，因為這種系統(tǒng)的動作正確，操作方便，功率利用較好。由于定量泵簡單可靠，價格低廉，耐沖擊性好，所以選用定量系統(tǒng)。油路的連接方式有并聯(lián)、串聯(lián)和串并聯(lián)三種。本次選擇并聯(lián)油路，即多路換向閥中各個換向閥的進油路與一條總的壓力油相連，各回油路與一條總的回油路相連，進油和回油互不干擾，稱為并聯(lián)油路。并聯(lián)油路的特點是各滑閥可進行各自獨立操作，幾個工作裝置可以同時進行工作；但當幾個滑閥同時處于換向位置時，負荷小的工作裝置先動，而不能實現(xiàn)嚴格的同步，不過可采用均流器來解決并聯(lián)系統(tǒng)中兩個執(zhí)行原件的同步問題。2.1 系統(tǒng)主參數的確定第 6 頁 2.1.1 確定系統(tǒng)的工作壓力液壓系統(tǒng)工作壓力是指液壓系統(tǒng)在正常運行時所能克服外載荷的最高限定壓力。系統(tǒng)的壓力級級選擇與機器種類、主機功率大小、工況和液壓元件的型式有密切關系。一般小功率機器用低壓，大功率機器用高壓。在一定的允許范圍提高油壓，可是系統(tǒng)的尺寸減小，但容積效率會下降。目前，建設機械所用工作壓力等級有：（1）中壓 壓力為 10~20MPa。常用于裝載機、起重機、小型挖掘機等建設機械。（2）高壓 壓力為 20~32MPa。常用于中、大型挖掘機、混凝土泵等。（3）超高壓 壓力超過 32MPa。通過比較初步選定系統(tǒng)壓力 p=16MPa系統(tǒng)工作壓力 p 要根據技術要求、經濟效果和制造可能性等三反方面來確定。在外負荷已定情況下，系統(tǒng)壓力選的愈高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，可以獲得比較輕巧緊湊的結構，對大型挖掘機來說，更為重要，所以，一般應盡可能選取較高的工作壓力。但造維修困難，增大了液壓振動與沖擊，影響了元件壽命和可靠性，此外，壓力增高太多，元件與管道的壁厚相應增加，尺寸與質量的減少率將愈來愈小。初選工作壓力以后，可以選擇元件，并推算元件所需流量，將同時工作的元件的流量疊加，并取各疊加數中最大值，就是系統(tǒng)流量 Q。2.1.2 確定系統(tǒng)流量確定壓力 P 和流量 Q，應該選用國定系列標準值。適用于液壓挖掘機的工程壓力系列值有：8、10、12.5、16、20、25、32、40MPa ；流量系列值有：32、40、50、63、80、100、125、160、200、250、320、400、500L/min。初步選工作流量 Q=63 L/min。2.1.3 確定系統(tǒng)的型式 國產 0.25 一下和部分 1.0 以下反鏟標準斗容量液壓挖掘機采用定量系3m3m統(tǒng)，其中除 0.2 懸掛式挖掘機以外，都是雙泵雙回路系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的是雙泵雙回路定量并聯(lián)系統(tǒng)。2.2 系統(tǒng)方案的擬定第 7 頁 2.2.1 確定元件類型1．執(zhí)行原件本次設計的履帶式無尾液壓挖掘機有六個主要執(zhí)行原件，即動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸、回轉馬達和兩個行走馬達，采用雙泵雙回路系統(tǒng)，把一切執(zhí)行原件按照作業(yè)要求分成兩組，各由一臺液壓泵驅動，分別構成獨立的回路。第一回路：左行走馬達，回轉馬達，鏟斗液壓缸：第二回路：右行走馬達，動臂油缸，斗桿液壓缸。圖 2-1 液壓系統(tǒng)原理圖液壓泵是將原動機（本機選柴油機）的機械能轉化成油液的液壓能，在意壓力、流量的形式輸送到系統(tǒng)中去。按其職能來說，屬于液壓能元件，又稱為動力元件。液壓泵的額定壓力宜比系統(tǒng)工作壓力大 25%以上，使液壓泵有一定的壓力儲備。泵的主要參數有壓力、流量、轉速、效率。因為系統(tǒng)的工作壓力為 16MPa，所以有 16×（1+25%）=20（MPa）在定量系統(tǒng)中，流量固定，不能因外負荷變化而使流量作相應的變化，因此，第 8 頁 負荷小時不能提高作業(yè)速度，功率得不到重分利用。為了滿足作業(yè)要求，定量系統(tǒng)的發(fā)動機功率要根據最大外負荷和作業(yè)速度來確定。由于定量泵簡單可靠，價格低來呢，耐沖性能好，在小型液壓挖掘機上定量系統(tǒng)得到應用，但是，其缺點是系統(tǒng)功率不能充分利用，泵的特性很硬，挖掘硬土時引起很大的溢流損失。本系統(tǒng)采用中壓定量系統(tǒng)泵，系統(tǒng)壓力ｐ=16MPa，考慮到額定壓力比系統(tǒng)壓力大 25%左右，式液壓泵具有一定的液力儲備。16×（1+25%）=20（MPa）表 2-1 不同型號齒輪泵的參數壓力MPa 轉速（r/min）型號理論排量（ ml/r） 額定最高 額定 最高最低驅動功率（KW）額定工況下）CB-Fc10 10.44 6.4CB-Fc16 16.01 9.9CB-Fc20 20.19 12.4CB-Fc25 25.06 15.36CB-Fc31.5 32.02 19.6CB-Fc40 4016 20 2000 2500 60024.82.2.2 擬定主回路1．回路循環(huán)形式一般小型挖掘機多采用定量系統(tǒng)，油路采用開式，這樣可以使系統(tǒng)簡單，成本低，從發(fā)動機功率充分利用方面考慮多采用雙本雙回路,這樣即可獨立的工作，又可配合動作，還可合流動作。2．基本回路本系統(tǒng)采用并聯(lián)回路。3．調速方式本系統(tǒng)采用手動換向、無級調速。為了保證主機工作安全，整個液壓系統(tǒng)必須裝有安全溢流閥，個執(zhí)行原件大多裝有限壓閥。第 9 頁 3 系統(tǒng)初步計算和液壓元件的選擇3.1 液壓功率和發(fā)動機功率1 液壓泵或泵組的功率是 .60pyPQN?η R式中Pp — 液壓泵的最大工作壓力（KPa）Qp — 液壓泵的最大流量（L/min）η — 液壓泵的總效率，柱塞泵取 0.85～0.90；齒輪泵取0.75～0.85；R — 變量系數，對定量系統(tǒng) R=1。本系統(tǒng)中： Pp=16×1000KPa Qp=50L/min η=0.85 R= 1求得 Ny=15.69KW 單斗液壓挖掘機采用柴油機驅動，本系統(tǒng)也采用柴油機驅動，柴油機的功率必須能夠充分滿足主機工作過程中的動力需要。中小型機以反鏟為基本裝置，所以功率計算以反鏟為依據。定量系統(tǒng)的發(fā)動機功率利用率較低，一般只有 60%左右，所損失的功率全部變?yōu)闊崃?，因此，確定發(fā)動機功率時可以取得低些，對于雙泵雙回路定量系統(tǒng)，發(fā)動機功率可取為N =(0.8～1.1)Ny.2所以 N=(25～34.5)又因為發(fā)動機功率為 33KW，在上式所求范圍之內，所以基本符合要求。2.液壓泵本系統(tǒng)選擇液壓泵的型號為 CB—FC25：理論排量 25.06； 額定壓力 16最高壓力 20 額定轉速 2000最高轉速 2500 驅動功率 15.36第 10 頁 Pp≥Pl +ΔPlPp — 油泵工作壓力P1 — 系統(tǒng)最大壓力ΔP1 — 從泵到執(zhí)行原件的壓力損失取 ΔP1=0.5MPa；取 P1=17.5MPa即得：20≥17.5+0.5 =18 滿足。3 動臂液壓缸設計計算液壓缸通常有后蓋、鋼筒、活塞桿、活塞組件、前端蓋等主要部件組成。為防止油液向液壓缸外泄或由高壓缸向低壓缸泄露，在缸筒和端蓋、活塞和活塞桿、活塞和缸筒、活塞桿和前端蓋之間均設置有密封裝置；在前端蓋外側，還裝有防塵裝置；有時還設有排氣裝置，防止氣蝕或因體積變化產生震動等。1）液壓缸缸筒內徑 D 的計算（1）液壓缸工作壓力 p 的確定液壓缸的工作壓力主要取決于液壓設備的類型，系統(tǒng)壓力 p=16MPa（2）液壓缸的機械效率 的確定pη液壓缸的機械效率由活塞及活塞桿封密處的摩摖阻力產生的。在額定壓力下，通?？扇?=0.9~0.95.本次設計取 =0.9。pη pη（3）液壓缸速比系數確定由于本次液壓缸的設計采取緩沖裝置來避免工作時的震動劇烈，故需選定速比系數。速比系數過大或過小均對機械有影響，易產生背壓，因此選取合適的速比系數很重要。 《液壓傳動》第五章表 5-4-2。表 2-2 不同工作壓力時的速比工稱壓力/MPa ≤10 12.5~20 20速比系數（Ф） 1.33 1.46， 2 2選取速比系數 Ф=1.46（4）活塞桿的工作阻力 F 的確定已知 =40KN,本設計選取安全系數 S=1.46。maxF所以 058KN?（5）液壓缸內徑 D 的確定 第 11 頁 04mFDp??η代入數據計算得： 4580.933.16.D?×根據≤機械設計手冊≥ 表 21-6-2 得：215P?表 2-3 液壓缸的內徑系列表液壓缸內徑系列（GB/T2348-1993/mm）8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、 （90） 、100、 （110） 、125、140、160、180、2500、250、280、320、360、400、450、500故選取 D=100mm2）液壓缸壁厚 δ 和外徑 的確定1Da 液壓缸的壁厚由強度條件來計算，液壓缸的壁厚一般是指缸筒結構中最薄處的厚度，即各處相同。 ??2ypDδ ≥ σ式中：P —— 液壓缸中最高工作壓力（MPa） ；［σ］ —— 缸筒材料許用應力（MPa）D —— 液壓缸內徑（cm）又因為：［σ］= bnσ其中：—— 材料的抗拉強度極限（MPa） ；bσn —— 安全系數；表 2-4 各種載荷參數材料種類 交變載荷 靜載荷 沖擊載荷第 12 頁 不對稱對稱鋼 5 8 3 12鑄鐵 6 10 10 15缸筒材料通常用 20、35、45 號鋼的無縫缸筒，由于后面缸筒與缸蓋采用焊接結構，故本次設計缸筒材料采用 35 號鋼，并進行調制處理。由于工作性質為挖掘作業(yè)，故工作載荷為交變載荷且不對稱，選取 n=5。35 號鋼的許用應力 =610MPa；bσ所以??6102()5bMPan?σσ =系統(tǒng)最高工作壓力 的確定：2?當額定壓力 時，最高工作壓力 =1.25 ；160ha≥ Pyh當額定壓力 時，最高工作壓力 ；PM3000mm ，最大挖掘深度3400mm 并有同組同學計算得：L=1900mm4 液壓缸推力計算當液壓缸的無桿腔進油時，作用在活塞上的理論推力為： 21()NFDP??cmη當液壓缸的有桿腔進油時，作用在活塞上的有用推力為： 21())4Ncmd?η式中： P —— 工作壓力 （Pa） ；D —— 活塞直徑（液壓缸內徑） （m） ；d —— 活塞桿直徑（m） ；—— 液壓缸的機械效率，取 =0.9；cη cη第 14 頁 所以得： 261()0.10.91344NFN???×262()(.).782?5 活塞桿安全狀況的校核當 l≤10d 時，應按強度條件進行校核；當 l10d 時，應按彎曲條件進行校核；有材料力學所學知識知：當一根受壓時，其軸向負荷超過臨界力 時，kF及失去原有直線狀態(tài)的穩(wěn)定性，引起失穩(wěn)。對于液壓缸，其穩(wěn)定性保證條件為： 2219.4.631900dl mdDP??×kFn?式中： —— 活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力；k—— 安全系數，本次設計取 =4；knkn液壓缸的穩(wěn)定臨界力 與活塞桿和缸體的材料、長度、剛度、和兩端的支kF撐情況等因素有關。當細長比 時，lmnk≥ 2kEjl??當細長 時，l?21()kfAF?式中： l —— 活塞桿的計算長度（m） ；k —— 活塞截面的回轉半徑；j —— 活塞桿界面的轉動慣量；A—— 活塞桿的截面面積；m—— 柔度系數；n —— 端點安裝的形式系數；f —— 材料強度試驗值；第 15 頁 E—— 材料彈性模量；因為 =121.21 =85lkmn所以= = = （N ）2knEjFl??246dl 42923.1063.106×5.310= =115750k54.310×因為最大工作推力 =1.22 ；1()NF40kFn所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。6 活塞桿結構設計(a)活塞桿結構形式的選取活塞桿是與工作機構直接相連，承擔著工作機構的主要載荷，因此必須具備足夠的剛度和強度，醫(yī)保在承受拉力，彎曲應力、振動、沖擊時，能使系統(tǒng)正常運作。活塞桿對活塞的有效面積也會產生一定的影響，必須將這些影響降低到最小，保證液壓缸的運動速度和推力?；钊L時間往復運動，采用耐磨材料使其具備一定的耐磨性，提高活塞的尺寸精度和表面光潔度，使摩摖減小，提高活塞使用壽命。桿體： 采用實心結構；桿體表面： 進行鍍鉻處理；活塞與活塞桿的連接形式：活塞與活塞桿的連接形式有許多，各種形式內部均有鎖緊措施，以防止工作時由于反復運動而松開，并且活塞和活塞桿之間還設置靜密封。一般工程液壓缸活塞與活塞桿連接多采用卡環(huán)連接。桿外圈：為了避免活塞承受偏心載荷，產生擠壓應力，根據工作安裝要求，選取適當桿頭形狀。因液壓缸工作時軸線擺動，本次設計采用軸銷式連接。用于連接的銷，其直徑可根據連接的活塞特點按經驗確定，本次設計銷的材料采用 35 號鋼，選取帶孔銷，直徑為 d=25mm。液壓缸的耳環(huán)結構與銷軸連接，其結構設計要滿足與銷的連接，考慮到外形美觀，期內經與銷軸外徑相匹配，外徑與液壓缸外徑相匹配。(b)活塞桿的材料選取與相關技術要求材料： 選取 45 號鋼；第 16 頁 技術要求：1)淬火，淬火深度 0.5～1cm，表面鍍鉻 20～30mm；2)活塞桿在導向套中滑動，采用 配合；87Hh3)圓柱的圓柱度公差不大于直徑公差一半； 4)安裝活塞的軸間端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于 ，0.41m以保證安裝時不產生偏斜；5)安裝活塞的軸頸與外圓的同軸度公差不大于 0.01mm；6)活塞桿的外圓粗糙度 R=0.1～0.3mm，不宜太光，負責無法產生油膜；7)活塞桿內端的卡鍵和緩沖裝置也要保證與軸線同心，特別是緩沖柱，最好與活塞做成一體；(6)活塞桿中隔圈的設計計算(a)在長行程液壓缸內，由于安裝方式及負載的導向條件，可能是活塞桿導向套受到過大的傾向力而導致嚴重磨損，因此在長行程液壓缸內需在活塞與有桿側端蓋之間安裝一個隔圈，是活塞在全部外伸時能有足夠的支撐強度。活塞桿的最小支撐長度 的最小值應滿足下式： =100+31.5=131.5mmgLgLd≥ D+2(b)中隔圈長度 的計算t各生產廠按各自生產的液壓缸結構、間隙等因素和試驗結果來確定中隔圈的長度 。根據≤機械設計手冊≥可取，當 1000mmL2500mm 時，需安裝gL中隔圈的長度如下：L=1000mm～1500mm， =50mm； tLL=1501～2000mm；L=2001～2500mm， =150mm；t由于 L=1147mm，所以 =50mm；tL(7)活塞桿的防塵圈的選擇根據≤機械設計手冊≥表 6-38 本設計材料為丁青橡膠，在外表面上具有數字形截面的密封表面，保證它在溝槽中可靠的定位。表 2-6 防塵圈的選用第 17 頁 工作范圍名稱 作用 直徑范圍/mm 溫度/0C速度 msA 型防塵圈 防塵 6～390 -30～110≤17 液壓缸效率和液壓缸流量的確定a 液壓缸效率 的計算cη已知 cvcmη =η ×η式中： —— 液壓缸機械效率，取 =0.9；mη cmη—— 液壓缸的容積效率；cvη當活塞密封為彈性材料時， =1；cvη當活塞密封為金屬環(huán)時， =0.98；η本次設計密封裝置均為彈性密封圈，故 =1。cvη= × =0.9×1=0.9cη mη cvηb 液壓缸的流量 Q 的確定CVA?η式中：A —— 活塞有效作用面積；無桿腔時的面積 ;有桿腔時的214D??面積 ；22()4Dd???V —— 活塞運動速度，取 V=1.5 ；min—— 活塞容積效率；cvη第 18 頁 所以 210.15.8min4CVALQ???×η22(.63).71/i?η(9)缸筒端蓋厚度的計算根據≤機械設計手冊≥得：本次設計采用焊接型液壓缸，即前端蓋與缸筒之間采用內外螺紋連接，而后端蓋與缸筒之間采用焊接連接。(10)厚度 t 的計算無孔時： ??20.43yPD≥ ×σ有孔時： 220.()yt d??σ式中： t —— 缸蓋有效厚度（m） ；—— 缸蓋止口內徑（m） ；2D—— 缸蓋孔直徑（m）0d其中： =122MPa；??bn?σσ所以： =0.433×100× =23.72mm；??20.43yPtD≥ ×σ 3712取 t=25mm；(11)厚度強度驗算缸筒與端蓋間為焊接連接，根據≤機械設計手冊≥得： 6210()4bFnDd????σσ η式中： F —— 缸內最大推力； F=113040(N);—— 缸筒外徑，根據前面計算知 =120mm；1 1D第 19 頁 —— 焊接底徑，設計為 =91mm；1d1dη —— 焊接效率，η=0.8；——焊接材料的抗拉強度；bσn —— 安全系數，n=5；因為 =450MPa。bσ所以 22130465.72(9).8MPa????σ ×bσ n所以 可知焊接安全bn?σσ圖 3-2 后缸蓋與缸筒的焊接(12)缸筒制造加工要求a 缸筒內徑采用 H7 或 H8P 配合，表面粗糙度一般為 0.16~0.32μm，都需要進行研磨；b 熱處理：調制處理，硬度 HB≥241～285;c 缸內徑的圓度，錐度，圓柱度均不大于內徑公差的一半；d 缸筒直徑大于 100mm，故垂直度不大于 0.03mm；(13)活塞的設計計算活塞在崗內徑作往復直線運動，因此配合不應過緊；但活塞應保證有桿腔和無桿腔兩端油液不相通，故配合又不應過松；活塞設計的好壞，將直接影響第 20 頁 液壓系統(tǒng)效率的高低。a 活塞結構形式的選取活塞結構形式多種多樣，通常分為整體活塞和組合活塞兩類。整體活塞在活塞圓周上開溝槽，安置密封圈，結構簡單，但給活塞的加工帶來困難，密封安裝時也容易拉傷和扭曲。組合式活塞結構多樣，主要有密封形式決定。組合式活塞大多可以多次拆裝，密封件使用壽命長。隨著耐磨導向環(huán)大量的使用，多數密封圈與導向套聯(lián)合使用，大大降低了活塞加工成本。因此，經比較選擇組合式活塞。根據≤機械設計手冊≥得選用車氏 C 型滑環(huán)密封組合式活塞。b 活塞密封裝置選取活塞的結構形式主要由密封形式決定。本系統(tǒng)采用車氏組合密封。該密封材料的特點：聚氯橡膠材料制作的滑環(huán)及 O 型圈組合，結構簡單，摩摖阻力小，密封性能好，多次拆卸可重復使用等?；钊拿芊庑问脚c活塞的結構有關，可根據液壓缸的不同作用力和不同工作壓力選擇。c 活塞的材料選取本次設計采用導向環(huán)的活塞：優(yōu)質碳素鋼 45 鋼，在外徑套氯乙烯 PTFE+玻璃纖維和聚三氯乙烯材料制成的支撐環(huán)。d 活塞外徑 Ф 的計算活塞外徑的大小與活塞的缸徑 D 和活塞表面的支撐形式有關，根據上面的活塞結構形式的選取，知 Ф=D-2δ式中：D —— 缸筒的內徑；δ —— 支撐環(huán)材料的厚度；一般 δ=2 ～4mm ，缸徑較小時取值較小，在此取 δ=3mm。Ф=D-2δ=100-2×3=94mme 活塞中心孔直徑 ??2ycDPd???2σ式中： ——系統(tǒng)工作時最高壓力；yP—— 活塞材料許用應力， =0.75 ；??cσ ??cσ sσ—— 活塞材料的屈服極限，選用 45 號鋼；sσ=360MPa；sσ第 21 頁 所以 取 =51mm220.1.6350.97m????×62?f 活塞寬度 β 的計算活塞寬度一般是活塞外徑的 0.6～1.0 倍，具體設計時還需考慮密封件的形式，本次設計取活塞寬度為外徑的 0.8 倍。Ф=D-6=100-6=94β=0.6×94=56.4mm?。害?64mmg 活塞的配合要求及加工公差活塞外徑的配合一般采用 f8，外徑對內孔的同軸度公差不大于 0.02mm，端面與軸線的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm，外表面圓度和圓柱度一般不大于外徑公差的一半，表面粗糙度根據結構形式不同而定。本次設計表面粗糙度選用 0.16μm。圖 3-3 活塞的裝配方式圖9 連接螺栓強度的校核（1）主要受力的螺栓校核螺紋強度計算公式：螺紋處的拉應力： 6310()4KFdD??σ =×螺紋處的剪應力： 6103.2()??τ合成應力： 2n?σ σ τ第 22 頁 式中： F —— 缸筒端部承受最大推力；D —— 缸筒內徑；—— 螺紋外徑；0d—— 螺紋底徑；1K —— 擰緊螺紋系數；不變載荷取 K=1.25～1.5,變載荷取K=2.5～4,本次設計為變載荷，取 K=3;—— 螺紋連接摩摖系數；一般 =0.07～0.2，平均取 =0.121 1K1K—— 許用應力， ；pσ 0spn?σσ—— 缸筒材料屈服極限；45 好鋼的 =360MPa；sσ sσ—— 安全系數，本次設計取 =1.5； cncn39120413564802(6).9MPa???×σ 3. .τ 2918.762.47.n a????σ σ τ因為 ??nσ σ所以螺紋連接強度滿足要求。（2）其它非主要螺栓的設計這些螺栓只起到外殼連接作用：a 連接結合面的幾何形狀合理，考慮到盡可能成軸對稱，結合接觸面合理，便于加工制造。b 螺栓組的形心與結合面形心基本重合。c 螺栓靠近結合面邊緣，減少受力。d 同一組螺栓的規(guī)格都一樣，便于選用裝配?？紤]其受力用途，本設計選用小六角頭鉸制孔用螺栓：GB/T27—1998-M20×215第 23 頁 此螺栓的特點是：能夠精確的固定被連接件的相互位置，并且能夠承受有橫向力產生的剪切和擠壓。由于其為非主要受力件，故不需要對其進行強度校核。1)活塞桿最小導向長度 H 的確定(1)活塞桿的導向套用以對活塞桿進行導向，內段有密封裝置以保證缸筒有桿腔的密封，外側裝有防塵圈，以防止活塞桿右后退時把雜質、灰塵、以及水分帶到密封裝置處，損毀密封裝置。當導向套采用非耐磨材質時，其內圈還可設置導向環(huán)，用作活塞桿的導向。導向套的典型結構形式有軸套式和端蓋式兩種，本設計選用軸套式，導向套長度過短，將使缸因配合間隙引起的初始撓度增大，影響液壓缸的工作性能和穩(wěn)定性，因此，設計時必須保證有一定的最小導向長度，一般液壓缸的最小導向長度按如下公式計算： 20LDH?≥式中： L —— 最大工作行程；D —— 缸筒內徑；所以20LDH?≥導向套的長度為：H= mm1714?(2)導向套的材料選取金屬導向套一般采用摩摖系數小，耐磨材料好的青銅制作，非金屬導向套可以用塑料、聚四氯乙烯或聚三氟氯乙烯材料制作端蓋式直接導向性型的導向套材料用灰鑄鐵、球墨鑄鐵、氧化鑄鐵等。本次設計采用青銅材料制作導向套。2)導向套的加工要求導向套的外圓與端蓋內孔的配合多為 H8/h7，內控與活塞桿外圓的配合多為公差的一半，內孔中的環(huán)形油槽要淺而寬要保證良好的潤滑。3)液壓油口直徑 D 的確定油口包括油口孔和油口連接螺紋，液壓缸的進、出油口可布置在缸蓋或缸筒上。液壓油口直徑：第 24 頁 4.63QdV?式中：Q —— 液壓缸最大流量；V —— 液壓油流速，取 v=1.5m/min；所以： = =12.99mm4.63QdV?1.854)前端蓋的設計計算裝配長度： ，其值與缸徑大小有關，缸徑較小時，取值較小，45~1Lm本次設計取 =10mm；缸頭內孔尺寸： 1???δ式中： Ф —— 活塞桿緊固裝置的最大外徑；δ —— 緊固裝置孔壁間的最大間隙；一般取 2~10mm，本設計取 δ=6mm所以 =49+6=54mm1???δ前端蓋的材料一般要求要有足夠的強度和沖擊韌性，所以本次設計采用 45號鋼。5）液壓缸筒長度 43xLSL??β式中：—— 裝配長度；4L—— 活塞行程系數，本設計取 =3mm；xSxS—— 活塞寬度；βL —— 油缸行程；—— 缸蓋配合臺階長度，本設計為 =6mm；3 3L所以 =10+3+844+26=883mm4xLS??β第 25 頁 4 鏟斗液壓缸設計計算4.1 基本參數的確定1）液壓缸最大外力的確定液壓缸的機械效率由活塞機活塞桿密封處的摩摖阻力所造成，在額定壓力下通常取 ηm =0.9～ 0.95，本次設計取 ηm =0.9對于鏟斗油缸來說，根據受力分析可知最大挖掘力 Fmax=28.18考慮到工作安全系數，取安全系數 n = 1.4所以活塞桿受到的最大作用力為 Fmax = 28.18×1.4 = 40.35 2）液壓缸筒的設計a.缸筒的結構 缸筒是液壓缸的主要零件，它與缸蓋、活塞等零件構成密閉的容腔，形成內壓，推動活塞運動。設計缸筒時，不僅要保證液壓缸的作用力、速度和有效行程，而且必須要有足夠的剛度和強度，以便于抵抗液壓力和其他外力的作用。根據≤液壓設計手冊≥可知，為滿足不同型式機械的不同用途需要，液壓缸相應的具有多種結構和不同性能的類型。如按運動方式分，有直線運動剛和回轉擺動缸；按液壓作用情況分，有單作用缸和雙作用缸；按結構形式則可分為活塞缸、柱塞缸、伸縮套筒缸和擺動缸等。通常缸筒與缸蓋、缸頭的連接形式取決于額定的工作壓力、用途和使用環(huán)境等因素。綜合考慮上述因素剛同于杠頭采用焊接形式，具有結構簡單，尺寸小，工藝性好，適用廣的優(yōu)點；缺點是缸體有可能變形。缸筒與缸蓋采用外螺紋連接，具有重量輕，外徑較小的優(yōu)點，而且便于拆卸和檢修。2 應根據負載特性和運動方式綜合考慮液壓缸的安裝方式，使液壓缸只受運動方向的負載而不受徑向負載。液壓缸的安裝方式有法蘭型、銷軸型、耳環(huán)型、拉桿型等安裝方式，在選定時，應使液壓缸不受復合力的作用并應考慮易找正性、剛度、成本和可維護性等。綜合考慮液壓缸的結構和安裝方式后，即可確定所需液壓桿的規(guī)格。液壓缸由缸筒、活塞、活塞桿、端蓋和密封件等主要部件構成，液壓缸可作成缸筒固定活塞桿運動形式和活塞桿固定缸筒運動形式。本設計所采用的是缸筒固定活塞桿運動形式，為滿足各種機械的不同用途，液壓缸種類繁多，其分類根據結構作用特點，活塞桿形式，用途和安裝支撐形式來確定，按供油方式可分為單作用缸和雙作用缸，單作用缸只往缸的一側輸入壓力油，活塞僅作第 26 頁 單向出力運動，靠外力使活塞桿返回，雙作用缸則分別向缸的兩側輸入壓力油，活塞的正反向運動均靠液壓力來完成，由《液壓氣動系統(tǒng)設計手冊》得知，工程液壓缸為雙作用單活塞桿液壓缸，安裝方式多采用耳環(huán)型，所以本液壓系統(tǒng)選用雙作用單活塞桿液壓缸。液壓執(zhí)行元件實質上是一種能量轉換裝置，液壓缸把輸入液體的液壓能轉換成活塞直線移動或葉片回轉擺動的機械能予以輸出。所謂輸入的液壓能是指輸入工作液體所具有的流量 Q 和液力 P，輸出的機械能對活塞桿缸是指葉片軸擺動時所具有的速度 V 和扭矩 M。這些所有參數都是靠工作容積的變化來實現(xiàn)的，所以說，液壓缸也是一種容積式的執(zhí)行元件，它具有容積液壓元件的共性。b．缸筒材料缸筒要有足夠的的溫度，能長期承受較高工作壓力及短動態(tài)工作壓力而不致產生永久變形；還要有足夠的剛度，能承受活塞側向力和安裝的反作用力而不致產生彎曲；在內表面密封件及導向環(huán)的摩摖力的作用下，能長期工作而磨損減少，尺寸公差等級和行位公差等級是以保證活塞密封件的密封性；需要焊接的鋼筒還要求有良好的焊接性，以便在焊上管接頭和缸頭后不至于產生裂紋或過大變形。根據液壓缸的參數、用途及上述要求現(xiàn)采用 45 號退火的冷拔無縫鋼管。由手冊中差得鋼的抗拉強度 σb≥610MPa，屈服強度 σs≥360MPa。C．缸筒內徑的計算D= mP??ax14Fη式中： Fmax —— 活塞桿上的最大負荷，N 此處為 50.68KN;—— 負載率，一般取 0.5～0.7；?P —— 工作壓力，本系統(tǒng)取 16MPa；ηt —— 液壓缸的總效率，本系統(tǒng)取 0.9；3649.510.763.16Dm??×通過上式所得結果,在參考≤機械設計手冊≥表 2-4 可知：表 5-1 液壓缸內徑尺寸系列（