挖掘机动臂机构液压系统

挖掘机动臂机构液压系统1、设计背景液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。

加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。

由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐。

液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。

挖掘机液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。

其结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成（如图所示），由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。

因此，对挖掘机液压系统的分析设计已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。

2、设计要求2.1使用要求小型挖掘机主要用于城市、狭窄地区，代替人力劳动。

主要作业是挖掘、装载、整地、起重等，用于城市管道工程、道路、住宅建设、基础工程和园林作业等。

小型挖掘机体积小，机动灵活，并趋向于一机多能，配备多种工作装置，除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。

与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。

总之它是一种多用途万能型的城市建设机械。

由于这种机械的特点很靠近人，因此在设计上除了要求耐久性、可靠性和作业效率等，还需着重考虑人、机、环境的协调，特别要注意以下几点：(1)安全性即机械作业过程中不要与周围的人和物相碰撞，防倾翻稳定性好。

(2)低公害即排放要求高、低震动、低噪音，声音要比较悦耳。

(3)与周围环境能调和，形象要美观，形体和色彩不要引起人们不愉快感，对人有亲和感。

(4)尽量扩大其使用功能，可装多种附属装置，应成为城市万能型工程机械。

(5)操纵简便，任何人一学就会，都能操纵。

2.2 性能要求小型挖掘机具有中型挖掘机的多项功能，又具有便于运输、能耗低、灵活、适应性强等优势，非常适用于空间狭小的施工场地作业，而且价格低、质量轻、保养维修方便，所以在小型土石方工程、市政工程、路面修复、混凝土破碎、电缆埋设、自来水管道的铺设、园林栽培等工程中得到了广泛的应用。

由于满足基本的挖掘、装载、整地、起重等功能外，必须考虑到工作空间小(人力所不能至)、地形复杂、方便操作、可控，目前市场对小型挖掘机性能要求如下]2[：(1)改进挖掘机可控性和控制精确性以及复合动作。

(2)简化液压系统、降低成本，达到大作业量与低油耗的动态平衡。

(3)改进工作可靠性。

(4)改进驾驶操作舒适性及降低劳动强度，提高单位生产率。

(5)改进操作安全性。

(6)低振动、低噪音适用生活区工作。

2.3 总体图液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用，因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。

1.铲斗缸2.斗杆缸3.动臂缸4.回转马达5.冷却器6.滤油器7. 磁滤器8.油箱9.液压泵10.背压阀11. 后组合阀 12.前组合阀 13.中央回转接头14.回转制动阀 15.限速阀16.行走马达图1.1 液压挖掘机整体系统图3、液压系统的设计液压系统设计作为机电一体化挖掘机设计的重要组成部分，设计时必须满足挖掘机工作循环所需的全部技术要求，且静动态性能好、效率高、结构简单、工作安全可靠、寿命长、经济性好、使用维护方便。

其中液压系统的设计作为挖掘机总体设计的一部分，必须要满足整机工作要求，并要求进行相关参数的计算与分析验证，选取合适的各液压元件。

3.1 液压挖掘机的工况分析液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作(如图3.1所示):动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作。

除了辅助动作 (例如整机转向等)不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。

3.1.1．挖掘机的典型作业流程:(1) 整机移动至合适的工作位置(2) 回转平台，使用工作装置处于挖掘位置(3) 动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置(4) 斗杆、铲斗挖掘作业(5) 动臂升起(6) 回转工作装置至卸载位置(7) 操纵斗杆、铲斗卸载1一动臂升降;2一斗杆收放:3一铲斗装卸;4一转台回转:5一整机行走图3. 1液压挖掘机的工作运动3.1.2．工况分析(1) 铲斗挖掘工况:由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。

采用铲斗液压缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中(III级土以下土壤的挖掘)铲斗挖掘最常用。

(2) 斗杆挖掘工况:由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。

在较坚硬的土质条件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘。

(3) 联合挖掘工况:由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时还需配以动臂液压缸的动作。

主要用于需要轨迹控制的情况。

当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。

当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。

(4) 空斗返回:卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。

(5) 整机移动工况:将整机移动至合适的工作位置。

(6) 姿态调整与保持工况:满足停放、运输、检修等需要。

(7) 其他辅助作业工况:辅助工作装置作业工况。

在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。

如在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图3.2所示。

此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。

如果需要铲斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作]5[，见图3.3所示。

这些动作决定于液压系统的设计。

当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力，保持铲斗贴紧侧壁进行切削，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。

a-水平地面的切削和压整b-斜坡地面的切削和压整a一水平地面的挖削b一坡地面的挖削图3.3地面的切削和压整单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有采用三泵合流。

单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。

当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油较好。

对于双泵系统，其复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能性大，因此需要采用节流等措施进行流量分配，其流量分配要求和三泵系统相同。

挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要短时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主压力阀的压力。

3.2 液压系统的主要参数确定液压挖掘机的主要参数表明了液压挖掘机的规格和主要技术性能，液压挖掘机的主要参数分为发动机参数、液压系统参数、主要性能参数、尺寸参数四大类，发动机参数包括发动机额定功率、转速等，液压系统参数包换主泵的流量、压力等，主要性能参数包括整机工作质量、主要部件质量、铲斗容量范围或标称铲斗容量、挖掘力、牵引力等，尺寸参数包括工作尺寸、机体外形尺寸和工作装置尺寸等，其中液压挖掘机主要参数中最重要的参数有三个，即斗容量、整机质量和发动机功率，因为通过这三个参数可以从使用要求、机械本身的技术性能和技术经济指标、动力装置的配套、国际上统一的标准以及传统习惯等方面反映液压挖掘机的级别，故有主参数之称。

所以有时采用挖掘机的斗容量作为主参数。

例如，机械式挖掘机一般就以斗容量作为挖掘机的主参数并作为主要分级指标。

但液压挖掘机可更换的工作装置多，而且同一机型可以根据作业对象或工作尺寸的要求换装不同斗容的铲斗。

由于不同厂家的挖掘机采用不同的液压系统，辅助设备能耗及功率储备也有所不同，而且同一型挖掘机在后续改进时，也会改变发动机功率，所以液压挖掘机以功率分级不十分合理。

整机质量则直接反映了液压挖掘机本身的重量等级，对其他技术参数影响较大，如挖掘能力的发挥、发动机功率的充分利用、作业的稳定性等要以一定的整机质量来保证，因此整机质量反映了挖掘机的实际工作能力，目前已被广泛用作液压挖掘机的分级指标。

比较其他同类型挖掘机，可得SWE50H的主要参数（如下表3.1，表3.2所示），其中图3.4为液压挖掘机的外观尺寸图，作业参数表3.2是根据图3.4所示。

图3.4 SWE50H型液压挖掘机的外观尺寸图3.3 负载分析动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接。

常见的有两种具体布置方式。

油缸前倾布置方案，如图3.5A所示，动臂油缸与动臂铰接于E点。

当动臂油臂全伸出，将动臂举升至上极限时，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。

油缸后倾布置方案，如图3.5B所示，当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台后方倾斜当两方案的动臂油缸安装尺寸DE1、铲斗最大挖掘H和地面最大挖掘半径R相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即h1<h2。

此外，在后倾方案中，动臂EF部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。

以上为动臂油缸后倾方案的缺点。

然后，后倾方案动臂下铰点C 与动臂油缸下铰点D 的距离CD 比前倾方案的大，则动臂在上下两极限位置时，动臂油缸的作用力臂也就比较大。

因此，在动臂油缸作用力相同时，后倾方案能得到较大的动臂作用矩，这就是其优点。

图3.5 动臂机构油缸布置方案为了增大后倾方案的挖掘深度，有的挖掘将长动臂CEF 改成CE1F1（图3.5B ），并配以长斗杆，在最大深度处挖掘时，采用铲斗挖掘而不是斗杆挖掘，这样得到的最大挖掘深度为h1<h2。

显然，不论是动臂油缸前倾还是后倾方案，当C 、D 两铰点位置和CE 长度不变时，通过加大动臂油缸长度可以增大动臂仰角，从而增大最大挖掘高度，但会影响到最大挖掘深度。

所以，在布置动臂油缸时，应综合考虑动臂的结构、工作装置的作业尺寸及动臂举升力和挖掘力等因素。

动臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升铲斗内装满土壤的工作装置至最 大卸载距离位置进行卸载来确定，其 图3.6 动臂油缸作用力分析 设计简图3.6所示，此时动臂油缸作用力(N )为：g 31(l )b dt dA g A b bA F G l G G l l =++ (3.1) 式中 dA l －铲斗质心到动臂下铰点A 的水平距离(m)bA l －动臂质心到动臂下铰点A 的水平距离(m)g A l －斗杆质心动臂下铰点A 的水平距离(m)3l －动臂油缸作用力对铰点的力臂(m)g G －斗杆所受重力(N) b G －动臂所受重力(N)dt G －铲斗及其装载土壤的重力(N)查阅相关资料，选取dt G ＝31.510⨯N+mg ，g G ＝34.310⨯N ，b G ＝35.1410⨯N ，dA l ＝3.8m ，g A l =2.8m, bA l =1.2m, 3l =0.55m. 其中铲斗的重力为31.510⨯N ，根据公式S m V ρ= (3.2)R S V V k = (3.3) S sk ρρ= (3.4) 式中 m －装载土壤的质量（kg ） V －平均有效斗容量（3m ）δ－铲斗充满系数（3m ），根据工作环境，选择充满系数为1ρ－自然情况下土壤的密度，根据工作环境，选择31750kg m ρ-=⋅Sρ－疏松后的土壤密度 S k －土壤的松散系数，根据工作环境，取 1.35Sk = 代入数据，求得：31296.3s kg m ρ-=⋅ 233.3m kg =33(14.3912.04 6.17)100.556010b F x N=++÷=⨯3.4 机电一体化液压挖掘机工作原理机电一体化液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走(移位)，使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业的要求。