五、 液压系统的设计
液压系统设计作为液压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。
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: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。
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
2.液压缸主要几何尺寸的计算
挖掘机各驱动和传动系统包括：发动机、液压泵、液压马达、电液比例换向阀、动臂缸、斗杆缸及齿轮传动。本设计主要对动臂缸进行相关设计。 （1） 动臂液压缸内径尺寸与活塞杆直径的确定
由表4.1、表4.2可知，大型挖掘机液压系统在斗杆最大推压力F推=243KN，铲斗最大破碎力F破=230KN前提下，考虑到铲斗容量为2.5m3，所以宜取液压缸的工作压力P＝30×106Pa，负载Fb=240KN，液压缸选用单杆式，并在工作时进行差动连接。此时
液压缸无杆腔工作面积A1应为有杆腔工作面积A2的两倍。由于液压缸回油路上必须具
6有背压力存在，以防止挖掘机卸土后突然前冲，由表4.3,可取P1＝1.2×10Pa。
表4.1 按负载选择执行元件工作压力
负载F/N <5000 5000～10000 10000～30000 30000～50000 >50000 工作压力<0.8～1 p/MPa 表4.2 按主机类型选择执行元件工作压力 1.5～2 2.5～4 4～5 >5～7 液压机 机床 主机类型 磨床 工作压力 ≤2 p/Mpa 表4.3 执行元件背压力
系统类型 简单系统或轻载节流调速系统 回油路带调速阀的系统 回油路设置有背压阀的系统 用补油泵的闭式回路 回油路较复杂的工程机械 回油路较短，且直接回油箱 背压力/Mpa 0.2～0.5 0.4～0.6 0.5～1.5 0.8～1.5 1.2～3 可忽略不计 3～5 ≤8 8～10 10～16 20～32 组合机床 龙门刨床 拉床 农业机械 中、大挖掘机 小型工程机械 重型机械 工程机械辅助机构 起重运输机构 由于是差动式单杆连接，所以活塞杆直径d与缸筒直径D的关系为d=0.707D。根据公式
2400002A1??cm=81.63 (3.5) P11.26P?(30?)?1022故有
F D=4A1/?=101.78mm，d=0.707D=71.96mm (3.6)
当按GB/T2348－1993将这些直径圆整成就近标准值时得：D=110mm ,
d =72mm，由此求得液压缸两腔的实际有效面积为
A??D2/4?95.03cm2 A2??(D2?d2)/4?54.32cm2 (3.7)
（2） 液压缸行程的确定
液压缸行程主要依据机构的运动要求而定。但为了简化工艺和降低成本，应尽量采用GB/T2348-1993标准的液压缸行程，则根据技术要求，取行程为900mm。
3.液压缸结构参数的计算
（1） 缸筒壁厚的计算
对于低压系统或D/?≥16时，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算，公式如下：
PyD?? (3.8)
2[?]式中 ?－液压缸缸筒厚度
Py－试验压力(Mpa)，当工作压力P≤16 Mpa时，当工作压力31.5Py=1.5P，
≥P≥16 Mpa时，Py=1.25P，当工作压力P≥31.5Mpa时，Py=1.15P，这里应取
Py=1.25P =37.5Mpa。
D－液压缸内径(m)
?－缸体材料的许用应力（Mpa），可通过下面公式求得：
[?]? ?b－缸体材料的抗拉强度(Mpa)
?bn (3.9)
n－安全系数，n=3.5～5，一般取n=5 但对于锻钢45的许用应力[?]一般都取[?]=110(Mpa)
37.5?110则???18.75mm
2?110根据《机械设计手册》，取液压外缸直径为D1=130mm。 （2）液压缸油口直径的计算
液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度v和油口最高液流速度v0而定，公式如下：
d0?0.13Dv/v0 (3.10)
式中 d0－液压缸油口直径(m)
D－液压缸内径(m)
v－液压缸最大输出速度(m/min)
v0－油口液流速度(m/min)，根据《机械设计手册》，取v0=7m/min
同时对于单杆油塞式液压差动联接时，活塞的外伸速度为:
Qvv?60 (3.11)
A3式中 v－液压缸差动联接时，活塞外伸的速度，可视为油口液流的速度(m/min)
Qv－液压泵流量(m3/s)，根据邦立CE６５０－６正铲挖掘机相关数据取：
Qv＝2?400?37?837L/min
A3－活塞杆面积，其公式如下:
A3?式中 d－活塞杆直径(m) 所以A3?代入数据，解析以上公式得：
?4d2 (3.12)
?4d2?0.407?10?2
d0?0.13?8?10?2?837?10?3/(0.407?10?2?7)?5.6?10?2m，
故取d0?56mm
（3）下盖联接螺钉强度校核计算
螺钉联接可采用高强度螺钉M16×1.5(GB/T70.1-2000)联接,两端数量均为24件，螺钉精度等级为10.9级，其强度校核，公式如下：
拉应力： ??4kF=7.7Mpa (3.15)
?Zd02k1kFd0剪应力： ??=3.1Mpa (3.16)
0.2zd13式中
k：螺纹拧紧系数，此处取k=1.25 k1: 螺纹摩擦系数,一般取k1=0.12 d0：螺纹外径，根据《机械设计手册》，取d0=16mm d1：螺纹内径，根据《机械设计手册》，取d1=d0-1.0825×1.5＝14.4mm
z：数量为24
[?]：螺钉材料屈服强度，取45钢，则 [σ] =110Mpa
得：?n??2?3??1.3??10.01Mpa?[?]，符合工况要求，则验证合格，可取。
（4） 活塞杆柔度校核计算
活塞杆细比计算如下： λ=
4L2≤[λ] (3.17) ?d此处：L为折算长度，导向套中心至吊头尺寸，约630mm，活塞杆直径d=63mm，[λ]活塞杆许用细长比，按规定拉力杆此处[λ]≤100。
计算得??4?630/3.14?40.96?10?4?19.6?[?]，故满足要求，则活塞
杆长度和缸筒长度的取值合格。
六、 选择各执行元件
1.液压泵的选择
根据现有产品的相关数据，取主泵的压力为Pp1?30Mpa，最大流量为
qv1?400?2L/min；齿轮泵的压力为Pp2?21Mpa，最大流量为qv2?350L/min。
根据机械设计手册，可查阅得：此液压泵可采用NB3-G20F双联柱塞泵，主泵由2个柱塞式串联变量柱塞泵组成。
2.柴油发动机的选择
取泵的总效率
?p=0.8，泵的总驱动功率为：
w?Pp1qv1?Pp2qv2?p=241.87KW (5.1)
考虑安全系数,故取246KW
3.液压阀的选择
选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。液压阀的作用是控制液压系统的油流方向、压力和流量，从而控制整个液压系统。系统的工作压力，执行机构的动作顺序，工作部件的运动速度、方向，以及变换频率，输出力和力矩等。 （1） 根据液压阀额定压力来选择
选择的液压阀应使系统压力适当低于产品标明的额定值。对液压阀流量的选择，可以按照产品标明的公称流量为依据，根据产品有关流量曲线来确定。
正铲液压挖掘机工作装置设计D
