毕业设计说明书

太原科技大学

本科生毕业设计（说明书）

液压挖掘机液压系统设计

Hydraulic Excavator Hydraulic System of Design

学 院（系）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化（液压） 学 生 姓 名： 简立瑞 学 号： 200812030134 指 导 教 师： 魏聪梅 评 阅 老 师： 完 成 日 期： 2012.6.8

太原科技大学 Taiyuan University of Science and Technology

目 录

I 摘要········································································

Abstract··································································· I 1 绪论 ...................................................................... 1

1.1 选题意义 ............................................................ 1

1.2 挖掘机及其液压技术概述 .............................................. 1 1.3 国内外研究现状 ...................................................... 2 1.4 挖掘机发展趋势 ...................................................... 3 2 挖掘机液压系统概述 ........................................................ 5

2.1 挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求 ................................ 5

2.2 挖掘机液压系统的基本动作分析 ........................................ 6 2.3 挖掘机液压系统的基本回路分析 ........................................ 6

2.3.1 限压回路 ....................................................... 6 2.3.2 缓冲回路 ...................................................... 7 2.3.3 节流回路 ....................................................... 8 2.3.4 行走限速回路 ................................................... 9 2.3.5 合流回路 ..................................................... 11 2.3.6 闭锁回路 ..................................................... 11 2.3.7 再生回路 ...................................................... 12 3 整机参数 ................................................................. 13 3.1 尺寸参数的选择······················································13

4 工作装置的设计···························································14

4.1 动臂机构参数选择····················································14 4.2 斗杆机构参数选择····················································15 4.3 铲斗机构参数选择····················································16 4.4 挖掘范围····························································18 5 挖掘机液压系统设计 ....................................................... 19 5.1 挖掘机的功用和对液压系统的要求 ..................................... 19 5.2 挖掘机液压系统原理图 ............................................... 20 5.3 系统分析 ........................................................... 20 5.4 元件的选择及其元件的设计计算········································22 5.4.1泵的选择······················································22

5.4.2液压缸的设计及其计算··········································22 1 斗杆液压缸的设计·············································22 2 铲斗液压缸的设计·············································30 3 各液压缸的参数···············································34 5.4.3 回转马达的计算及选型·········································36 5.4.4 行走马达的选择···············································37 5.4.5 油箱容积计算·················································37 5.4.6 油管尺寸计算·················································37 5.4.7 管接头的选择·················································38 5.4.8 阀类元件的选择···············································38 6 热平衡验算·······························································39

7 结论 ..................................................................... 42 参考文献 ................................................................... 43

致谢 ....................................................................... 44

液压挖掘机液压系统的设计

摘要

单斗挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。随着国家经济建设的不断发展，单斗挖掘机的需求量将逐年大幅度增长，其在国民经济建设中的作用将越来越显著。

近年来，有关挖掘机液压系统方面的文献并不少见，但文献的内容大多针对某一专题进行研究，系统地论述现代液压挖掘机液压系统的论文却较少，因此研究和设计液压挖掘机液压系统具有重要的现实意义和理论意义。

本论文主要概述挖掘机液压技术的发展史及其目前在国内的外发展情况，简述了液压挖掘机发展趋势，本文对液压挖掘机的常用液压回路进行了简单阐述和分析，对课题要求设计的液压挖掘机液压系统进行了方案设计及分析，并通过进一步计算确定了需要的液压元件完成选型。运用AutoCAD绘制液压系统原理图、液压布置图。最后通过验算证明了本设计的可行性。

关键词：单斗挖掘机，液压系统，液压布置图。

I

Hydraulic Excavator Hydraulic System of Design

Abstract

. Single dou excavator is a kind of important engineering machinery, widely used in building, road engineering, water conservancy construction, forestry development, port construction, national defense construction and the conditions of fortifications mining extraction industries, to reduce heavy manual labor, ensuring the quality of projects and accelerate the construction speed and improve labor productivity plays an enormous role. With the continuous development of national economic construction, dou excavator demand will greatly increase year by year, its role in national economic construction will become more and more prominent. In recent years, the excavator hydraulic systems, the literature is not uncommon, but most of the content documents of a topic for research, systematic exposition of modern hydraulic excavator hydraulic system of the paper is less, so the research and design of hydraulic excavator system has important practical and theoretical significance.

Hydraulic excavator of this thesis outlines the history of technology and its current developments in the foreign country, outlines the development trend of hydraulic excavators, hydraulic excavators used this hydraulic circuit for a simple set and analysis, subject to design hydraulic excavator hydraulic system design and analysis, and by further calculation to determine the need for complete selection of hydraulic components. AutoCAD drawing using hydraulic system diagram, hydraulic layout, . Finally, tests prove the feasibility of this design. Keywords： Single dou excavator，the excavator hydraulic systems ，hydraulic layout。

II

I

液压挖掘机液压系统设计

1 绪论

§1.1 选题意义

随着国民经济的快速发展，液压挖掘机在各种工程建设领域，特别是基础设施建设中所起的作用越来越明显，液压挖掘机作为一类快速、高效的施工机械愈来愈被人们所认识。据统计，国内主要23家主要挖掘机制造公司2009年挖掘机市场总计销售各级别挖掘机约95,000台，同比2008年大幅增长23%，再次创造中国挖掘机年度销量记录。

挖掘机的发展与液压技术密不可分，二者相互促进，一方面，液压技术是现代挖掘机的技术基础，另一方面，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。挖掘机的液压系统复杂，其性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。近年来，有关挖掘机液压系统方面的文献并不少见，但文献的内容大多针对某一专题进行研究，系统地论述现代液压挖掘机液压系统的论文却较少，因此研究挖掘机液压系统具有重要的现实意义和理论意义。

§1.2 挖掘机及其液压技术概述

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力，模仿人体大臂、小臂和手腕构造，能行走和扭腰的挖掘机。随后的一百多年中，挖掘机并没有得到很大发展，其原因一是当时的工程主要是国土开发、大规模的筑路和整修场地等，平面作业较多，使铲土运输机械成为当时的主力机种，二是挖掘机作业装置动作多、运动范围大、采用多自由度机构，机械传动难以适应这些要求，而当时的液压技术还不成熟，不能大规模地应用到实际工业中。随着社会的不断进步，工程建设和施工形式逐渐向土木施工方向发展，同时液压技术也逐步得以完善，这些因素的变化反过来又促进挖掘机的不断更新换代。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吉阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快（见表 1—1），产量猛增。1968～1970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，机械式挖掘机已很少见，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。流体传动包括液体传动和气体传动，液体传动又分为液压传动和液力传动。所谓液压传动是指在密闭的回路中，利用液体的压力能来进行能量的转换、传递和分配的

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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

1650 年法国帕斯卡提出的封闭静止流体中压力传递的帕斯卡原理成为液压传动的理论基础，此后液压传动理论不断得以丰富和完善，如 1686 年牛顿揭示了粘性流体的内磨擦定律，18 世纪建立了流体力学的两个重要方程：连续性方程和伯努利方程。丰富的理论和实践的需要促进了液体应用技术和成果的不断涌现。1795 年英国人约瑟夫步拉默发明了世界上第一台水压机；随后出现在英国的工业革命促进了液压技术的迅速发展；到 1870 年液压传动技术已经被用来驱动各种液压设备，如液压机、起重机、绞车、挤压机、剪切机和铆接机等； 1900 年，世界上出现了第一台轴向柱塞泵；1910 年及 1922 年海勒.肖及汉斯.托马斯研制出用油作工作介质的径向柱塞泵；1926 第一套由泵﹑控制阀和执行元件组成的集成液压系统在美国诞生；1936 年哈里威克斯又发明了先导式液流阀。第二次世界大战之后，美国麻省理工学院的布莱克本、李诗颖等人对液压伺服控制问题作了深入的研究，于 1958 年制造了喷嘴挡板型电液伺服阀；20 世纪六十年代末，电液比例阀应运而生；70 年代后期，德美等国相继研制成负载敏感泵及大功率电磁阀；近年来，为适应机电一体化、控制柔性化和计算机集中控制的要求，液压系统的研究已由手动控制转向数字控制和信号控制。目前液压技术的研究和发展动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与开发。（5）加强以提高安全性和环境保护为目的研究开发。（6）提高液压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 国内外研究现状

我国挖掘机生产起步较晚，从 1954 年抚顺挖掘机厂生产第一台机械式单斗挖掘机至今，大体经历了测绘仿制、自主研发和发展提高三个阶段。

新中国成立初期，以测绘仿制前苏联 20 世纪 30～40 年代的机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史，由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂，到 20 世纪 80 年代末，我国的中小型液压挖掘机已形成系列，但总的说来，我国的挖掘机生产批量小，产品质量不稳定，与国际先进水平相比，差距较大。改革开放以来，生产企业积极引进、消化、吸收国外先进技术，促进了我国挖掘机行业的发展，目前国产液压挖掘机的产品性能指标已达到 20 世纪 80 年代的国际水平，部分产品达到了 90 年代的水平。

国外挖掘机生产历史较长，液压技术的不断成熟使挖掘机得到全面发展。德国是世界上较早开发研制挖掘机的国家，1954 年和 1955 年德国的德马克和利渤海尔两家公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和

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液压挖掘机液压系统设计

技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国是液压挖掘机生产的后起之秀，20 世纪 70 年代开始引进技术，由于产业政策支持，很快进入国际市场，并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。

20 世纪 60 年代，挖掘机进入成熟期，各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其它技术相结合，使产品的适应性得到较快发展，产品寿命和质量不断提高操纵更加舒适，产品更加节能。例如美国卡特彼勒公司 1995 年以后推出的 300B系列液压挖掘机，采用一种命名为 maestro 的系统，通过载荷传感液压装置，控制发动机的输出功率，实现与液压泵的严格匹配。Maestro 控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态，允许用户自行决定功率工况模式。再如韩国现代公司生产的 ROBEX450-3 型液压挖掘机，有四种功率模式，通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参数，使得发动机、液压泵的速度及液压系统压力与实际工况相适应，从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗。此种技术在日本小松、日立建机、神钢、韩国大宇重工、德国的利渤海尔、英国的 JCB等公司均得到普遍应用，代表了当代液压挖掘机的最高水平。

§1.4 挖掘机发展趋势

随着液压挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化方向发展，挖掘机对液压技术的要求不断提高并呈现如下特点：

（1）迅速发展全液压挖掘机并进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时用增大流量来补偿，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率；当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增加；采用三回路液压系统，产生三个互不成影响的独立工作运动，实现与回转机构的功率匹配，将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速运动。液压技术在挖掘机上的普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机上的应用与推广创造了条件，液压、电子和自动化技术日益结合，共同促进挖掘机的控制性能不断提高。挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。20 世纪 70 年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作更加轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，电子和自动控制技术逐步应用在挖掘机上。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，机电一体化技术在挖掘机上得以广泛应用，并使其各种性能有了质的飞跃。20 世纪 80 年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖

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掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。所有这一切，都是挖掘机的全液压化奠定的基础并为挖掘机的全面发展创造了美好的前景。

（2）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如美国林肯贝尔特公司新 C 系列 LS-5800 型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费，还安装了 CAPS（计算机辅助功率系统），提高了挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的 FJ 系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命；德国奥加凯（O&K）公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的 904、905、907、909 型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了 ECO（电子控制作业）的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型 B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。韩国大宇公司在 DH280 型挖掘机上采用了 EPOS 即电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。

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液压挖掘机液压系统设计

2 挖掘机液压系统概述

§2.1 挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求

按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来就组成一个挖掘机液压系统。它是以油液为工作介质、利用液压泵将发元件将液压能转变为机械能，进而实现挖掘机的各种动作。按照不同的功能可将挖掘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、起动和制动无冲击、振动和摇摆，与其它机构同时动作时，能合理地分配去各机构的流量。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，多采用履带式和轮胎式机构，所用的液压元件主要是行走马达。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，不至于造成挖掘机发生行走偏转现象。

挖掘机的动作复杂，主要机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此挖掘机的液压系统应满足如下要求

（1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。

（2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能复合动作，以提高挖掘机的生产率。

（3）履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。

（4）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。

（5）保证挖掘机工作安全可靠，且各执行元件（液压缸、液压马达等）有良好的过载保护；回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快速下降和整机超速溜坡。

为此，液压系统应做到：

（1）有高的传动效率，以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。

（2）液压系统和液压元件在变化大的负载、急剧的振动作用下，具有足够的可靠性。 （3）设置轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时的液压油温不超过 80℃，或温升不超过 45℃。

（4）由于挖掘机作业现场尘土多，液压油容易被污染，因此液压系统的密封性能要好，液压元件对油液污染的敏感性要低，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。

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（5）采用液压或电液伺服操纵装置，以便挖掘机设置自动控制系统，进而提高挖掘机技术性能和减轻驾驶员的劳动强度。

§2.2 挖掘机液压系统的基本动作分析

（1）挖掘。通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘，或者两者配合进行挖掘。在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作，必要时配以动臂动作。

（2）满斗举升回转。挖掘结束后，动臂缸将动臂顶起、满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。动臂举升和臂和铲斗自动举升到正确的卸载高度。由于卸载所需回转角度不同，随挖掘机相对自卸车的位置而变，因此动臂举升速度和回转速度相对关系应该是可调整的，若卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂举升速度慢些。

（3）卸载。回转至卸土位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗缸卸载。为了调整卸载位置，还需动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合作用，兼以动臂动作。

（4）空斗返回。卸载结束后，转台反向回转，同时动臂缸和斗杆缸相互配合动作，把空斗放到新的挖掘点，此工况是回转、动臂、和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用、压力低、泵的流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况通常是一个泵全部流量供回转，另一泵大部分油供动臂，少部分油经节流供斗杆。

§2.3 挖掘机液压系统的基本回路分析

基本回路是由一个或几个液压元件组成、能够完成特定的单一功能的典型回路，它是液压系统的组成单元。液压挖掘机液压系统中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、合流回路、再生回路、闭锁回路、操纵回路等。

§2.3.1 限压回路

限压回路用来限制压力，使其不超过某一调定值。限压的目的有两个：一是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；二是根据工作需要，使系统中某部分压力保持定值或不超过某值，通常用溢流阀实现，溢流阀可使系统根据调定压力工作，多余的流量通过此阀流回油箱，因此溢流阀是常开的。

液压挖掘机执行元件的进油和回油路上常成对地并联有限压阀，限制液压缸、液压马达在闭锁状态下的最大闭锁压力，超过此压力时限压阀打开、卸载保护了液压元件和管路免受损坏，这种限压阀（图 2-1）实际上起了卸荷阀的作用。维持正常工作，动臂液压缸虽然处于“不工作状态”，但必须具有足够的闭锁力来防止活塞杆的伸出或缩回，因此须在动臂液压缸的进出油路上各装有限压阀，当闭锁压力大于限压阀调定值时，限压阀打开，

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液压挖掘机液压系统设计

使油液流回油箱。限压阀的调定压力与液压系统的压力无关，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元件的强度和液压管路的安全。通常高压系统限压阀的压力调定不超过系统压力的 25%，中高压系统可以调至 25%以上。

1- 换向阀 2- 限压阀 3- 油缸 图2-1 限压回路

Fig. 2-1 limited pressure circuit

§2.3.2 缓冲回路

液压挖掘机满斗回转时由于上车转动惯量很大，在启动、制动和突然换向时会引起很大的液压冲击，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，甚至破坏。挖掘机回转机构的缓冲回路就是利用缓冲阀等使液压马达高压腔的油液超过一定压力时获得出路。图 2-2 为液压挖掘机中比较普遍采用的几种缓冲回路。

图 2-2 (A)中回转马达两个油路上各装有动作灵敏的小型直动式缓冲（限压）阀 2、3，正常情况下两阀关闭。当回转马达突然停止转动或反向转动时，高压油路Ⅱ的压力油经缓冲阀 3 泄回油箱，低压油路Ⅰ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（限压）阀的调定压力取决于所需要的制动力矩，通常低于系统最高工作压力。该缓冲回路的特点是溢油和补油分别进行，保持了较低的液压油温度，工作可靠，但补油量较大。

图 2-2（B）是高、低压油路之间并联有缓冲阀，每一缓冲阀的高压油口与另一缓冲阀的低压油口相通。当回转机构制动、停止或反转时，高压腔的油经过缓冲阀直接进入低压腔，减小了液压冲击。这种缓冲回路的补油量很少，背压低，工作效率高。

图 2-2（C）是回转马达油路之间并联有成对单向阀 4、5 和 6、7，回转马达制动或换向时高压腔的油经过单向阀 5、缓冲（限压）阀 2 流回油箱，低压腔从油箱经单向阀 6

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获得补油。

1- 换向阀 2.3- 缓冲阀 4.5.6.7- 单向阀

图2-2 缓冲回路 Fig. 2 -2 buffer circuit

上述各回转回路中的缓冲（限压）阀实际上起了制动作用，换向阀 1 中位时回转马达两腔油路截断，只要油路压力低于限压阀的调定压力，回转马达即被制动，其最大制动力矩由限压阀决定。

当回转操纵阀回中位产生液压制动作用时，挖掘机上部回转体的惯性动能将转换成液压位能，接着位能又转换为动能，使上部回转体产生反弹运动来回振动，使回转齿圈和油马达小齿轮之间产生冲击、振动和噪声，同时铲斗来回晃动，致使铲斗中的土洒落，因此挖掘机的回转油路中一般装设防反弹阀。

§2.3.3 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，缺点是功率损失大，效率低，温升大，系统易发热，作业速度受负载变化的影响较大。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两种

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液压挖掘机液压系统设计

1- 齿轮泵 2- 溢流阀 3- 节流阀 4- 换向阀 5- 油缸 图2-3 节流回路 Fig. 2 -3 throttle circuit

图 2-3 (A)为进油节流调速，节流阀 3 安装在高压油路上，液压泵 1 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 的大腔使活塞右移。负载增大时液压缸大腔压力增大，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，一部分油液通过液流阀流回油箱。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，液流量相应地减少。这种节流方式由于节流后进入执行元件的油温较高，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 2-3 (B)为回油节流调速，节流阀安装在低压回路上，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 2-3（C）所示，为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险，其液压缸大腔的油路上安装由单向阀和节流阀组成的单向节流阀。此外，斗杆液压缸、铲斗液压缸在相应油路上也装有单向节流阀。

§2.3.4 行走限速回路

履带式液压挖掘机下坡行驶时因自重加速，可能导致超速溜坡事故，且行走马达易发生吸空现象甚至损坏。因此应对行走马达限速和补油，使行走马达转速控制在允许范围内。

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1- 换向阀 2.3- 压力阀 4.5.6- 单向阀 8.9- 安全阀 10- 行走马达 图2-4 行走限速回路 Fig. 2 -4 walking limit speed circuit

行走限速回路是利用限速阀控制通道大小，以限制行走马达速度。比较简单的限速方法是使回油通过限速节流阀，挖掘机一旦行走超速，进油供应不及，压力降低，控制油压力也随之降低，限速节流阀的通道减小，回油节流，从而防止了挖掘机超速溜坡事故的发生。

履带式液压挖掘机行走马达常用的限速补油回路如图 2-4 所示，它由压力阀2、3，单向阀 4、5、6、7 和安全阀 8、9 等组成。正常工作时换向阀 1 处于右位，压力油经单向阀 4 进入行走马达 10，同时沿控制油路推动压力阀2，使其处于接通位置，行走马达的回油经压力阀 2 流回油箱。当行走马达超速运转时，进油供应不足，控制油路压力降低，压力阀 2 在弹簧的弹力作用下右移，回油通道关小或关闭，行走马达减速或制动，这样便保证了挖掘机下坡运行时的安全。

这种限速补油回路的回油管路上装有 5～10bar 的背压阀，行走马达超速运转时若主油路压力低于此值，回油路上的油液推开单向阀 5 或 7 对行走马达进油腔补油，以消除吸空现象。当高压油路中压力超过安全阀 8 或 9 的调定压力时，压力油经安全阀返回油箱。

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液压挖掘机液压系统设计

1- 行走 2- 动臂.铲斗 3- 前泵 4- 行走 5- 后泵 6- 回转.斗杆 7- 先导油压

图2-5 直走阀油路 Fig. 2 -5 turn right valve circuit

此外为了实现工作装置、行走同时动作时的直线行驶，一般采用直行阀，图2-5 为直行阀工作原理图。在行驶过程中，当任一作业装置动作时，作业装置先导操纵油压就会作用在直行阀上，克服弹簧力，使直行阀处于上位。图中前泵并联供左右行走，后泵并联供回转、斗杆、铲斗和动臂动作，后泵还可通过单向阀和节流孔与前泵合流供给行走。

§2.3.5 合流回路

为了提高挖掘机生产效率、缩短作业循环时间，要求动臂提升、斗杆收放和铲斗转动有较快的作业速度，要求能双（多）泵合流供油，一般中小型挖掘机动臂液压缸和斗杆液压缸均能合流，大型挖掘机的铲斗液压缸也要求合流。目前采用的合流方式有阀外合流、阀内合流及采用合流阀供油几种合流方式。

阀外合流的液压执行元件由两个阀杆供油，操纵油路联动打开两阀杆，压力油通过阀外管道连接合流供给液压作用元件，阀外合流操纵阀数量多，阀外管道和接头的数量也多，使用上不方便。阀内合流的油道在内部沟通，外面管路连接简单，但内部通道较复杂，阀杆直径的设计要综合平衡考虑各种分合流供油情况下通过的流量。合流阀合流是通过操纵合流阀实现油泵的合流，合流阀的结构简单，操纵也很方便。

§2.3.6 闭锁回路

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图2-6 闭锁回路 图2-7 再生回路

Fig.2 -6 closed loop Fig. 2 -7 renewable loop

动臂操纵阀在中位时油缸口闭锁，由于滑阀的密封性不好会产生泄露，动臂在重力作用下会产生下沉，特别是挖掘机在进行起重作业时要求停留在一定的位置上保持不下降，因此设置了动臂支持阀组。如图 2-6 所示，二位二通阀在弹簧力的作用下处于关闭位置，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 P 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。

§2.3.7 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 2-7 所示，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，从动臂油缸下腔排除的油需经节流孔回油箱，提高了回油压力，使得液压油能通过补油单向阀供给动臂缸上腔。这样当发动机在低转速和泵的流量较低时，能防止动臂因重力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生吸空。

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液压挖掘机液压系统设计

3、整机参数

§3.1尺寸参数的选择

以液压挖掘机的机重为指标，用以下公式近似确定：

线尺寸参：Li=kli3G 面积参数：Si=ksi3G2 体积参数： Vi=kviG

式中， kli，ksi，kvi分别是各个线向、面积、体积尺寸经验系数，查《单斗液压挖掘机》表1-4。列计算后所得机体尺寸和工作尺寸数据在下表。

表3-1计算所得的单斗挖掘机机体尺寸和工作尺寸

名 称 最大挖掘半径 最大挖掘深度 尾部半径 最大挖掘高度 臂铰与油缸铰距 臂铰离地高 最大卸载高度 斗杆长 尺寸（米） 10.0 6.60 1.345 9.60 0.89 1.87 6.50 2.37 名 称 履带接地长度 转台离地高 履带长度 履带中心距 履带总高 臂铰离回转中心 动臂长度 铲斗长 尺寸（米） 3.83 1.185 4.09 2.40 0.945 0.44 5.33 1.48 13

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4. 工作装置设计

该挖掘机工作装置为反铲装置，采用如下结构方案： 一、采用整体式弯动臂，动臂油缸下置式。 二、采用整体式斗杆。

三、动臂与斗杆的长度比，采用中间方案，即特性参数k1=

l1在1.5~2之间。取k1=1.889。 l2§4.1动臂机构参数选择

最大挖掘半径一般与动臂长、斗杆长和铲斗长的和值相等，按经验公式取其值R1=

l1?l2?l3?9.18米

如图，在三角形CZF中，取：动臂弯角?1=130°，特性参数k3=1.1~1.3取1.2。 得： l41?l1=2.67 （米）

21?k3?2k3cos?1l42?k3l41=3.20 （米）

?ZFC??3922l42?l12?l41?cos()=22.5°

2?l42?l1?1ZBCFQVA

图4-1

动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比k4?0.8~1.1，本设计取k4?1.0,?11?45?基本用于反铲。斗杆全缩时?CFQ为最大值，本设计取为170°。?BCZ取决于油缸布置形式，这里取

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液压挖掘机液压系统设计

?BCZ?5?。

考虑到结构因素，取?1?1.7,?1min?25? 因：k4?sin?1max

?1sin?1min得：?1max?138°

?2?1??2) 又因： ?1min?cos(2??1?1max22?2?1??1??cos()

2??1得： ??3.30,??2.41 符合下列几何条件：??1??,1?????

即得： l5?Keo?0.89（米）

l7?l5??2.937（米） L1min?l5?=2.145（米） L1max??1L1min=3.647（米）

这样，动臂机构的全部参数初步选出。

§4.2 斗杆机构参数选择

根据斗杆挖掘阻力计算，根据已知铲斗最大挖掘力为160KN，忽略各构件质量及其连杆机构效率的影响。则：斗杆液压缸的最大推力：

lF3?3F1maxKQ1其中KQ?l3

3l3为铲斗长度，KQ铲斗上两铰接点的距离,F1max为铲斗最大挖掘力F3?3F1max?480KN

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2D2根据类比可得到斗杆油缸的最大推力为F2?2F3?546KN

D3最大作用力臂：

e2max?l9?FGmax(l2?l3)F2=0.917 （米），其中

FGmax?130KN,为斗杆最大。 如图4-2：

L2maxL2minDE0EZF

图4-2

取斗杆摆角?2?125°，?2?1.7。

2l9sin?2则：L2min?2?2.324（米），L2max??2L2min?3950(米）

?2?12l8?L22MIN?l9?2L2minl9cos(???2max2)?3.166（米）

斗杆总转角?g?50?~80?,取60?。

§4.3 铲斗机构的参数选择

如图4-3：

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液压挖掘机液压系统设计

图4-3

在铲斗连杆机构中可取F、N、Q三点一直线。取k2?0.34,?10??KQV?105°。 则： l24?KQ?k2l3?0.493 （米）

本设计连杆机构选择六连杆共点机构：MN=KQ,MK=MN,NQ=(0.7~0.8)MN。 根据CAD作图可得到：

L3min?1.718(米）,?3?1.5~1.7,取1.7所以L3max??3L3min?2.921（米）

§4.4 挖掘范围

17

E

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图4-4铲斗挖掘轨迹

AB是动臂油缸进行挖掘，且铲斗尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂铰点位于同一直线上；BC是斗杆油缸进行挖掘，且动臂位于最低，铲斗尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂铰点位于同一直线上；CD是动臂油缸全缩，斗杆油缸全伸，铲斗油缸动作；DE是斗杆油缸全伸，铲斗尖到动臂与机架铰点最近，动臂油缸动作；EF是动臂油缸和斗杆油缸全伸，铲斗油缸动作； GF是动臂和铲斗油缸全伸斗杆油缸动作； AG是动臂油缸全伸，斗杆油缸全缩以铲斗进行挖掘。

??????? 18

液压挖掘机液压系统设计

5. 液压系统设计

§5.1 挖掘机的功用和对液压系统的要求

挖掘机主要用来开挖堑壕，基坑，河道与沟渠以及用来进行剥土和挖掘矿石。他在筑路，建筑，水利施工，露天开采矿作业中都有广泛的应用[1]。

液压挖掘机的液压系统是由动力元件(各种液压泵),执行元件(液压缸.液压马达),控制元件(各种阀)以及辅助装置(冷却器.过滤器)用油管按一定方式连接起来组合而成。它将发动机的机械能,以油液作为介质,经动力元件转变为液压能,进行传递,然后再经过执行元件转返为机械能,实现主机的各种动作。由于液压系统的功能是传递,分配和控制机械动力,因此是液压挖掘机的关键部分。,

液压挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操纵回路等，由它们构成具有各种功能的液压系统。

液压挖掘机的工作过程,包括作业循环和整机移动两项主要动作。液压挖掘机的的一个作业循环的组成包括:

挖掘—一般以斗杆缸动作为主,用铲斗缸调整切削角度,配合挖掘。有特殊要求的挖掘动作,则根据作业要求,进行铲斗,斗杆和动臂三个缸的复合动作,以保证铲斗按某一特定轨迹运动。

满斗提升及回转—挖掘结束,铲斗缸推出,动臂缸顶起,满斗提升,同时回转电动机启动,转台向卸土方向回转。

卸载—回转到卸载地点,转台制动。斗杆缸调整卸载半径,铲斗缸收回,转斗卸载。当对卸载位置和卸载高度有严格的要求时,还需要动臂配合动作。

返回—卸载结束,转台向反方向回转。同时,动臂缸与斗杆缸配合动作,使空斗下放到新的挖掘位置。

挖掘机一般工作在施工场合,因此工作环境恶劣,这就要求挖掘机的液压系统和执行元件要有足够的强度和非常好的密封性能。由于挖掘机的动作频繁,因此,液压元件和管路要能够承受频繁的液压冲击,以保证挖掘机能够长时间安全稳定的工作。设计出便于操作，更加人性化，工作效率高，耗能少的挖掘机，才会在工程领域发挥更大的作用。

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太原科技大学生毕业设计(说明书) §5.2挖掘机的液压系统原理图

§5.3 系统分析

由柴油机驱动液压油泵,向工作装置、转台回转机构和行走装置的执行元件输送液压油。工作装置包括动臂、斗杆和铲斗，分别由液压缸驱动；回转机构和行走装置由液压马达驱动。其工作循环是：以铲斗切削土壤，装满后提升，回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置，开始下一次作业。

液压系统为双泵双回路全功率调节变量系统。液压泵组包括两台轴向柱塞式变量泵（主泵）和一台齿轮泵（先导油泵）。通过操纵减压阀式先导阀手柄的不同方向和位置，使来自先导油泵的液压油控制液控多路换向阀的开度和换向，实现执行机构的单一动作和同步动作。工作回路除容积调速外，尚有节流调速和双泵合流的有级调速。 一、主要回路组成 全功率变量泵组调节回路、减压阀式先导操纵控制回路、回转回路、行走回路、动臂回路、斗杆回路及铲斗回路。以下分别就各回路进行分析。 1、全功率变量泵组调节回路 两台主泵均为轴向柱塞变量泵，由旋转部件、斜盘部件和阀部件组成。根据调节器改变主泵斜盘摆交，就可以改变泵的输出流量和压力。

20 液压挖掘机液压系统设计

2、减压阀式先导操纵控制回路

控制回路的压力油由先导油泵提供。在控制回路进油路上，设有气体隔离式蓄能器，保证有一定的操纵压力，并在液压泵不工作或损坏时仍能使工作机构运转。 3、回转回路

挖掘机回转时，由于上车转动惯量很大，在起动制动和突然换向时，易引起很大的液压冲击，因此设置如图所示缓冲回路。两限压阀常闭，当马达突然停止或转向时，高压腔

的压力油经限压阀泄回油箱，低压腔则由单向阀进行补油，从而消除液压冲击。

4、斗杆回路

斗杆液压缸由单泵供油时，1倍速工作，也可通过操作左合流阀实现双泵合流供油，2倍速作业。 5、动臂回路

动臂操作位于“上升”位置时，由于动臂是双液压缸驱动，要求驱动功率较大，故采用合流。操作左合流阀使两主泵来的压力油合流，实现 2 倍速。

动臂操作位于“下降”位置时，只有单泵供油，即只有 1 倍速。回油时，液压油通过平衡阀使之流速缓慢，足以避免油路中的吸空现象，并防止动臂收缩时因自重失速。 6、铲斗回路

铲斗液压缸由单泵供油时，1倍速工作，也可通过操作右合流阀实现双泵合流供油，2倍速作业。 7、行走回路

左右行走马达液压油分别由两主泵提供。如图所示，为防止超速溜坡现象，设有限速补油回路。当马达超速时，进油供应不及，压力降低，二位二通阀右移，回油通道关小或关闭，行走马达减速制动，保证了行走装置安全运行。

21 太原科技大学生毕业设计(说明书)

工作装置（斗杆、动臂、铲斗）以及回转、行走装置的控制阀和两个合流阀均为三位六通液控阀。 二、同步操作

当两主泵分别供油时，整个液压系统可实现同步操作：回转与动臂、斗杆同步；铲斗分别与动臂、斗杆同步。 三、辅助元件

回路中均设有过载安全阀和单向补油阀。主油路进油路上均设有单向阀保压和防倒流。液压油回油箱油路上设有冷油用的冷油器，以及防止油路堵塞的全流量滤清器。

§5.4 元件的选择及元件的设计计算 5.4.1泵的选择

根据各工作装置的流量情况选择初定为组合泵 由主泵提供：左行走、动臂及斗杆

第二泵提供：右行走、回转、铲斗、斗杆及动臂 主泵选择力士乐柱塞泵A10VSO Vmax=140mlr 第二泵选择力士乐柱塞泵A10VSO Vmax=140mlr 辅助泵选择齿轮泵 CB-C20。

5.4.2液压缸的设计及其计算 1斗杆液压缸的设计

1.1.缸筒内径（缸径）计算

根据液压缸的供油压力和负载，缸筒内径D可按下列公式初步计算：

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液压挖掘机液压系统设计

D?4F ??P式中：F为液压缸实际使用推力，单位为N ?为液压缸的总效率，一般取?=0.8 P为液压缸的供油压力，一般为系统压力。

根据题目要求，取F为546KN，?为0.8，P为35Mpa并代入公式

34?546?10则 D??0.158(m)63.14?0.8?35?10

又依据手册对其进行圆整，取D=160mm。

依据活塞杆直径d的推荐值，取d=0.7D=112mm，根据任务书推荐值，取d=100mm。

1.2.缸壁壁厚的计算

先暂取?/D=0.08---0.3,即??(12.8,48)则可按下列公式计算

??pyD2.3[?]?3Py(m)

式中：D为缸筒内径（m）

py为缸筒的最高允许压力（MPa），py=1.25P=40MP

[?]为缸筒材料的许用应力（MPa）[?]=

?sn

?s为缸筒材料的屈服强度（MPa） N为安全系数，一般取n=1.5~3.5

在本题中，缸筒的材料选为45钢，其屈服强度为600MPa,,安全系数n取3.5，代入公式

40?106?160?10?3则 ???23.3(mm)2.3?600/3.5?3?40?106

由结果可知在所假设的范围内。圆整，取为30mm。

所以液压缸外径D1?220mm。

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1.3 最小导向长度的确定

对于一般液压缸，最小导向长度应满足：

LD1630160H?????161.5mm取160mm。

2022021.4缸筒底部厚度计算

缸筒底部为有孔，厚度?进行近似的计算

??0.433D

pyD[?](D?d)?48mm

1.5隔套长度C的确定

为保证最小导向长度H，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即

1C?H?(l1?B)

2当D?80mm时，取l1?(0.6~1.0)d?60~100mm，取80mm。 活塞宽度B一般取

B=(0.6~1.0)D=96~160mm 取B=130mm

1则：C?160?(80?130)?55mm。

21.6缸体长度的确定

液压缸缸体内部长度应等于活塞行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。则 液压缸的内部长度l?1630?130?1760mm。

1.7缸筒与缸盖连接方式选择螺纹连接 螺纹处的拉应力

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液压挖掘机液压系统设计

??KF?4(d12?D2)k1kFd0

0.2(d13?D3)螺纹处的切应力??合应力?n??2?3?2??p许用应力?p??snk—拧紧螺纹系数，不变载荷取1.25~1.5，变载荷取2.5~4。

k1—螺纹连接的因数，均取0.12。 d1??螺纹底孔

d1?0.85D1?0.85?220?187mm

1.5?5.46?105???111.36MPa

3.14?(1872?1602)40.12?1.5?5.46?105?220???44.25MPa330.2?（187?160）

?n??2?3?2?111.362?3?44.252?135.19MPa?p??sn?n0安全系数，取n0?1.2~2.5?0600?p??240MPa2.5

?n??p 则螺纹连接符合要求。

缸筒厚度的验算

液压缸的额定压力

pn?0.35?s(D12?D2)D21

6?32?32600?10?[(220?10)?(160?10)] pn?0.35?98.93?106Pa?98.93MPa?32(220?10)

而题目所给pn?35MPa?98.93Mpa，符合要求。

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额定压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以免塑性变形的发生，即

PN?(0.35~0.42)PrlPrl?2.3?slg?190.86MPa（0.35~0.42）Prl?66.80~80.16MPaPN?35MPa?(0.35~0.42)PrlD1220?2.3?600?lgD160

所以，满足要求。

验算缸筒的爆裂压力

D1220?2.3?610?lgD160?194.04MPa?Pr PE?2.3?blg所以，满足要求。

液压缸稳定性的校核和活塞杆强度验算

有公式

?2E?1??pE?210GPa?p为比例极限，45钢?p?280MPa3.142?210?109则?1??866280?10

由于两端铰支，??1，截面为圆形。

i?Id100???25A44?l1?3950????158i25???1，所以用欧拉公式3.14?(100?10?3)43.14?210?10??2EI64FK???2.54?106N22(?l)229

FK为液压缸的稳定临界点力，

nk为稳定性安全系数，一般取nk=2~4，取nk=4。

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液压挖掘机液压系统设计

FK2.54?106??6.35?105N?635KN?F2?546KN 则nk4所以，稳定性满足要求。

活塞杆在稳定工况下，如果只承受轴向推力或拉力，可以近似用直杆承受拉力载荷的简单强度计算公式进行计算

5.46?105????69.56MPa?3.1422?d?10044而无缝钢管许用应力[?]?100~110MPa

F?10?6??[?]所以，满足要求。

1.8活塞杆杆体的选择

活塞杆的杆体分为实心杆和空心杆。实心杆加工简单，采用较多。空心杆多用于d/D比值较大或杆体内有位置传感器等场合。本课题选用实心杆。

活塞杆的外端是液压缸用以与负载连接的部位，可根据液压缸的安装连接形式有多种结构形式。本课题因液压缸垂直安装且活塞杆下端要装压板，为方便连接，活塞杆外端采用外螺纹（带肩）形式。

此次设计选用的是实心杆件，形式如下图：

1.9 活塞结构的设计

活塞根据压力、速度、温度等工作条件来选用密封件的型式，而选定的密封件型式决定了活塞的结构型式。

常见的活塞结构型式分为整体活塞和分体活塞。本课题因密封件的安装要求不是很高，故采用分体活塞的结构型式，其密封件和导向环分体安装。

活塞的宽度一般由密封件、导向环的安装沟槽尺寸来决定，本课题，依据结构要求与密封件与导向件的结构，取B为130mm.

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活塞分为整体式和组合式，组合式制作和使用比较复杂，所以在此选用整体式活塞，形式如下图：

此整体式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的。

1.10 活塞杆的导向、密封和防尘

1、导向环

在液压缸的前端盖内，有对活塞杆导向的内孔,在这对内孔中装导向环。活塞杆的导向有无导向套、金属导向套和非金属导向环三种结构形式。本设计采用金属导向环。在前盖得内孔压入如青铜等耐磨材料制成的导向套，对活塞杆导向。

选择非金属导向环，用高强度塑料制成，这种导向环的优点是摩擦阻力小、耐磨、使用寿命长、装导向环的沟槽加工简单，并且磨损后导向环易于更换。 2、密封

在液压缸的前端盖内，有对缸筒有杆侧腔密封的密封件，里面装有密封件。

以往活塞杆的密封多采用O形密封圈、窄端面Y形密封圈及V形密封圈。这些密封型式由于活塞杆与密封件之间是干摩擦，摩擦阻力大，往往导致密封唇过早磨损。因此，近年来较多选用组合式密封圈。它具有低摩擦阻力、启动时无爬行、极低的泄露量和抗磨损等特点。

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图7. 活塞杆的导向、密封和防尘

在液压缸的前端盖内，有活塞杆内缩时刮除附着在表层的杂质、灰尘和水分的防尘圈活塞杆的防尘。以往多采用无骨架防尘圈。目前多采用既可以防尘又可以密封的双唇形防尘圈。其外唇起防尘作用，保持活塞杆表面干净，内唇相当于密封唇口。当活塞杆外伸时，通过主密封圈粘在活塞杆表层的油膜，即倍双唇形防尘圈的内唇（密封唇口）刮下，这样就在主密封圈与防尘圈之间保留一层油膜，起润滑作用，提高了密封圈的使用寿命。 3、防尘

使用DH防尘圈，材料是聚氨酯，既有防尘作用，又有润滑作用。 4、缓冲装置和排气阀

由于时间原因和课程的要求，这两项酌情省略。设计

1.11 液压缸的调整

1）排气装置调整。先将缸内工作压力降到（0.5--1）MPa左右，然后使活塞杆往复运动，打开排气塞进行排气。打开的方法是：当活塞到达行程末端，压力升高的瞬间打开排气塞，而在开始返回之前立即关闭。排气塞排气时，可听到嘘嘘的气声，随后喷出白浊色的泡沫状油液，空气排尽时喷出的油呈澄清色。可以用肉眼判别排气是否彻底。

2）缓冲装置调整。在装有可调节缓冲装置的情况下，而活塞又在运动中，应先将节流阀放在流量较小的位置上，然后逐渐调节节流口大小，直到满足要求为止。

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3）液压缸各部位的检查。液压缸除做上述调整工作外，还要检查各个密封件的漏油情况，以及安装联结部件的螺栓有无松动等现象，防止意外事故的发生。

4）定期检查。根据液压缸的使用情况，安排定期检查的时间，并做好检查记录。

2铲斗液压缸的设计

2.1 缸筒内径（缸径）计算

根据液压缸的供油压力和负载，缸筒内径D可按下列公式初步计算：

D?4F ??P式中：F为液压缸实际使用推力，单位为N ?为液压缸的总效率，一般取?=0.8 P为液压缸的供油压力，一般为系统压力。

根据题目要求，取F为546KN，?为0.8，P为35Mpa并代入公式 则 D?

4?480?103?0.147(m)3.14?0.8?35?106又依据手册对其进行圆整，取D=150mm。

依据活塞杆直径d的推荐值，取d=0.7D=105mm,根据任务书推荐值d=95mm。

2.2 缸壁壁厚的计算

先暂取?/D=0.08---0.3,即??(12.8,48)则可按下列公式计算

??pyD2.3[?]?3Py(m)

式中：D为缸筒内径（m）

py为缸筒的最高允许压力（MPa），py=1.25P=40MP

[?]为缸筒材料的许用应力（MPa）[?]=

30

?sn

液压挖掘机液压系统设计

?s为缸筒材料的屈服强度（MPa） N为安全系数，一般取n=1.5~3.5

在本题中，缸筒的材料选为45钢，其屈服强度为600MPa,,安全系数n取3.5，代入公式

40?106?150?10?3则 ???21.8(mm)2.3?600/3.5?3?40?106

由结果可知在所假设的范围内。圆整，取为30mm。

所以液压缸外径D1?210mm。

2.3 最小导向长度的确定

对于一般液压缸，最小导向长度应满足：

LD1200150H?????135mm。

2022022.4 缸筒底部厚度计算

缸筒底部为有孔，厚度?进行近似的计算

??0.433D

pyD[?](D?d)?48mm

2.5 隔套长度C的确定

为保证最小导向长度H，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即

1C?H?(l1?B)

2当D?80mm时，取l1?(0.6~1.0)d?57~95mm，取80mm。 活塞宽度B一般取

B=(0.6~1.0)D=90~150mm 取B=130mm

1则：C?150?(80?130)?45mm。

22.6缸体长度的确定

液压缸缸体内部长度应等于活塞行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。则

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太原科技大学生毕业设计(说明书)

液压缸的内部长度l?1200?130?1300mm。

2.7 缸筒与缸盖连接方式选择螺纹连接

螺纹处的拉应力

??KF?4(d12?D2)k1kFd0

0.2(d13?D3)螺纹处的切应力??合应力?n??2?3?2??p许用应力?p??snk—拧紧螺纹系数，不变载荷取1.25~1.5，变载荷取2.5~4。

k1—螺纹连接的因数，均取0.12。 d1??螺纹底孔

d1?0.85D1?0.85?210?178.5mm

1.5?4.8?105???98.0MPa

3.14?(178.52?1502)40.12?1.5?4.8?105?210???39.23MPa0.2?（178.53?1503）

?n??2?3?2?98.02?3?39.232?119.25MPa?p??sn?n0安全系数，取n0?1.2~2.5?0600?p??240MPa2.5

?n??p 则螺纹连接符合要求。

缸筒厚度的验算

液压缸的额定压力

pn?0.35

?s(D12?D2)D12

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