節(jié)能型液壓?jiǎn)味吠诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1 緒 論 1.1 設(shè)計(jì)背景及目的液壓挖掘機(jī)是一種廣泛用于建筑、公路、鐵路、水利、采礦等建設(shè)工程的土方機(jī)械。液壓挖掘機(jī)利用液壓元件(液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等)帶動(dòng)各種構(gòu)件動(dòng)作,具有非常多得優(yōu)點(diǎn),而且只要加裝不同的輔助設(shè)備即可用來(lái)抓物,鉆孔,推土,清溝,破碎等作業(yè), 是工程機(jī)械的一個(gè)重要品種,能適應(yīng)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(dòng)強(qiáng)度。為整個(gè)社會(huì)的快速發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。隨著技術(shù)日漸成熟,國(guó)內(nèi)外一些知名的工程機(jī)械制造企業(yè)發(fā)展均比較迅速。例如,國(guó)外的有日本小松、德國(guó)力士樂(lè)、OK公司等,國(guó)內(nèi)有徐工集團(tuán)、中聯(lián)重科、三一集團(tuán)、廣西柳工集團(tuán)、龍工集團(tuán)、山河智能等企業(yè)。工程機(jī)械制造業(yè)的迅速發(fā)展不僅在專(zhuān)業(yè)方面做出了卓越貢獻(xiàn),同時(shí)也為整個(gè)社會(huì)的建筑風(fēng)貌、自然救災(zāi)等方面作出了偉大的貢獻(xiàn)。如5.12汶川大地震發(fā)生后,三一重工派出數(shù)十臺(tái)挖掘機(jī)日夜兼程趕往災(zāi)區(qū)用于道路疏通,傷員搶救,以及災(zāi)后重建工作等。 我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家,在遼闊的國(guó)土上正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè),這就需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù),而液壓挖掘機(jī)是最重要的一類(lèi)土石方施工機(jī)械。因此,可以肯定液壓挖掘機(jī)的發(fā)展空間很大??梢灶A(yù)見(jiàn),隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展,對(duì)挖掘機(jī)的需求量將逐年大幅度增長(zhǎng)。今后幾年我國(guó)液壓挖掘機(jī)行業(yè)將會(huì)有一個(gè)很大的發(fā)展,其年產(chǎn)量將會(huì)以高于20的速度增長(zhǎng)。從1967年到1977年間,國(guó)內(nèi)通過(guò)數(shù)年堅(jiān)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(jī)產(chǎn)品獲得初步成功,當(dāng)時(shí)有上海建筑機(jī)械廠的WY100;貴陽(yáng)礦山機(jī)器廠的W4-60;合肥礦山機(jī)器廠的WY60;長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠的WY160和杭州重型機(jī)械廠的WY250等,到現(xiàn)在,短短的40多年,挖掘機(jī)的產(chǎn)量和銷(xiāo)量有了飛躍式的提高。尤其是在十一五期間,我國(guó)內(nèi)品牌的液壓挖掘機(jī)發(fā)展迅速,在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率也快速提高,如表1。 表1.1 2006-2010年各品牌挖掘機(jī)市場(chǎng)占有率(%)年份2006年2007年2008年2009年2010年日系34.5336.1837.7837.7535.61韓系34.3931.9026.7625.5924.47歐美系14.9112.7911.9611.0311.62中國(guó)品牌16.1719.1323.5025.6328.30 由表可見(jiàn),國(guó)內(nèi)品牌的挖掘機(jī)市場(chǎng)占有率迅速提高。顯然,挖掘機(jī)在整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)中是產(chǎn)、銷(xiāo)量增長(zhǎng)最快的機(jī)種之一。2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2010年上海世博會(huì)、西部大開(kāi)發(fā)、南水北調(diào)工程對(duì)機(jī)械設(shè)備的需求為挖掘機(jī)生產(chǎn)廠商提供了大量商機(jī)。另為滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,盡快為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)提供產(chǎn)品質(zhì)量好、可靠性高的液壓挖掘機(jī),改變大中型液壓挖掘機(jī)長(zhǎng)期依靠進(jìn)口的被動(dòng)局面當(dāng)務(wù)之急是高速發(fā)展我國(guó)液壓挖掘機(jī)。隨之從事液壓設(shè)備設(shè)計(jì)和調(diào)試工作的工程技術(shù)人員也越來(lái)越多。他們?cè)O(shè)計(jì)出了不少性能良好的液壓系統(tǒng);但也經(jīng)常出現(xiàn)一些因設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周或參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng),造成系統(tǒng)達(dá)不到要求或不能正常工作,不得不改進(jìn)設(shè)計(jì)或采取應(yīng)急對(duì)策的情況。如何設(shè)計(jì)出工作可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能好、成本低、效率高、維護(hù)使用方便的液壓系統(tǒng),必須通過(guò)調(diào)查研究,明確多方面的要求。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 當(dāng)前,國(guó)外挖掘機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化,專(zhuān)用化及智能化的方向邁進(jìn)。國(guó)外挖掘機(jī)行業(yè)重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料,加快了向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展的步伐。我國(guó)己經(jīng)形成了挖掘機(jī)的系列化生產(chǎn),近年來(lái)還開(kāi)發(fā)了許多新產(chǎn)品,引進(jìn)了國(guó)外的一些先進(jìn)的生產(chǎn)率較高的挖掘機(jī)型號(hào),單斗液壓挖掘機(jī)有以下的趨勢(shì): (1)向大型化發(fā)展的同時(shí)向微型化發(fā)展。 (2)更為普遍地采用節(jié)能技術(shù)。目前國(guó)際上采用的節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)有: 1、電液比例控制智能化; 2、柴油機(jī)電噴控制; 3、負(fù)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(jìn)一步改進(jìn)閥控節(jié)能控制; 6、多功能組合; 7、可變參數(shù)控制; 8、泵發(fā)動(dòng)機(jī)匹配控制將進(jìn)一步“智能化”; 9、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)將大量應(yīng)用。 (3)不斷提高可靠性和使用壽命。 (4)工作裝置結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn),工作范圍不斷擴(kuò)大。 (5)由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)向混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)展。 (6)液壓系統(tǒng)不斷改進(jìn),液壓組件不斷更新。 (7)應(yīng)用微電子、氣、液等機(jī)電一體化綜合技術(shù)。 (8)增大鏟斗容量,加大功率,提高生產(chǎn)效率。 (9)盡可能使用先進(jìn)的液壓系統(tǒng),如融入二次調(diào)節(jié)技術(shù),簡(jiǎn)化管路布局。1.3論文設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)主要是恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)的液壓系統(tǒng)。簡(jiǎn)單分析液壓挖掘機(jī)的基本機(jī)構(gòu)和工作原理、工況特點(diǎn)和工作范圍;了解目前市場(chǎng)現(xiàn)有的挖機(jī)零部件的生產(chǎn)及技術(shù)情況,進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì),制定出一個(gè)完整的挖機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),提高挖機(jī)工作性能和節(jié)約能耗為目的。以下為本次挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù):如圖 三一重工SY200C履帶式液壓挖掘機(jī)圖1.1 三一重工SY200C履帶式液壓挖掘機(jī)表1.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)整機(jī)尺寸總長(zhǎng)(運(yùn)輸時(shí))9397mm總寬度2800mm總高度(運(yùn)輸時(shí))2956mm上部寬度2710mm總高度(駕駛室頂部)2930mm標(biāo)準(zhǔn)履帶板寬度600mm軌距2200mm最小離地間隙440mm尾部回轉(zhuǎn)半徑2750mm履帶接地長(zhǎng)度3260mm履帶長(zhǎng)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(jī)距離9885mm最小回轉(zhuǎn)半徑3630mm最小回轉(zhuǎn)半徑時(shí)的最大高度7570mm性能參數(shù)工作質(zhì)量20300kg標(biāo)準(zhǔn)鏟斗容量0.83m行走高度(高/低)5.5/3.2km/h回轉(zhuǎn)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(jī)作業(yè)范圍圖1. 最大挖掘深度 2. 最大水平移動(dòng)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(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理總所周知,液壓傳動(dòng)較機(jī)械傳動(dòng)有很多的優(yōu)點(diǎn):1) 由于驅(qū)動(dòng)介質(zhì)為液壓油,故其傳動(dòng)路線(xiàn)可經(jīng)管路彎曲多變,可節(jié)約空間,比機(jī)械傳動(dòng)的布局要靈活很多。2) 被驅(qū)動(dòng)件能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速而且范圍較廣,最大傳動(dòng)比可達(dá)1000,并可高速逆轉(zhuǎn)。3) 傳動(dòng)較平穩(wěn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易,可減少?zèng)_擊和振動(dòng)。4) 操縱靈活而且省力,如汽車(chē)方向盤(pán)的控制,較以往的連桿機(jī)構(gòu)省力多了。也容易自動(dòng)化控制。基于以上的優(yōu)點(diǎn)液壓挖掘機(jī)逐步取代機(jī)械式挖掘機(jī)是必然的趨勢(shì)。2.1 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)(1) 液壓挖掘機(jī)組成一般單斗液壓挖掘機(jī)由兩個(gè)基本組成部分,即主機(jī)和工作裝置。如圖2.1所示。圖2.1 液壓挖掘機(jī)的組成1柴油機(jī)、2-機(jī)罩、3一油箱、4-多路閥、6-回轉(zhuǎn)減速器、7-回轉(zhuǎn)馬達(dá)、8-回轉(zhuǎn)接頭、9-駕駛室、10-動(dòng)臂、11-動(dòng)臂油缸、12-操縱臺(tái)、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(zhuǎn)臺(tái)、21-行走減速器、22-行走馬達(dá)、23-托鏈輪、24-履帶、-工作裝量、-上部轉(zhuǎn)臺(tái)、-行走機(jī)構(gòu) 主機(jī)是完成挖掘機(jī)基本動(dòng)作并作為驅(qū)動(dòng)和操縱挖掘機(jī)進(jìn)行工作的基礎(chǔ),其行走形式可分為履帶式和輪式,可細(xì)分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動(dòng)力裝置。其中動(dòng)力裝置、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備均可在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上,總稱(chēng)上車(chē)部分,它與行走機(jī)構(gòu)(又稱(chēng)下車(chē)部分)用回轉(zhuǎn)支撐相連,平臺(tái)可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360的全回轉(zhuǎn)。工作裝置根據(jù)工作性質(zhì)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(jī)的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果。(2) 液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過(guò)程首先液壓挖掘機(jī)的行走回路控制馬達(dá)行走至待作業(yè)區(qū),然后調(diào)停挖掘機(jī),并鎖緊行走回路防止在作業(yè)過(guò)程中滑坡溜走等,同時(shí)也將運(yùn)輸土方的車(chē)停在挖掘機(jī)旁邊,方便挖掘機(jī)鏟滿(mǎn)土后進(jìn)行卸載。挖掘機(jī)司機(jī)扳動(dòng)操縱手柄,使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通,此時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)上部平臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng),將鏟斗轉(zhuǎn)向待挖區(qū),與此同時(shí)扳動(dòng)動(dòng)臂油缸換向閥,使動(dòng)臂缸上端進(jìn)油,動(dòng)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(wú)桿腔進(jìn)油,以此復(fù)合動(dòng)作提高挖掘速度,鏟斗滿(mǎn)土后,將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄撥到中位,此時(shí)鏟斗缸和斗桿缸均鎖緊,再將動(dòng)臂缸換向閥換向,動(dòng)臂缸的無(wú)桿腔進(jìn)油,動(dòng)臂舉升,升到卸載高度位置,再將回轉(zhuǎn)換向閥換向,使平臺(tái)轉(zhuǎn)到運(yùn)土車(chē)方向,此時(shí)鏟斗處在運(yùn)輸車(chē)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(fù)上述動(dòng)作,進(jìn)行下一次的挖掘。2.2 液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能液壓挖掘機(jī)由:動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。這些組成部分的質(zhì)量將直接影響到挖掘機(jī)的綜合性能。(1) 動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)是整個(gè)挖掘機(jī)動(dòng)作的動(dòng)力源,由于挖掘機(jī)的工況復(fù)雜,負(fù)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(hù),此時(shí)液壓挖掘機(jī)多采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī),柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力可靠,功率特性曲線(xiàn)較硬,而且柴油價(jià)格實(shí)惠,符合工作條件惡劣,負(fù)載多變的需求,挖掘機(jī)的額定負(fù)荷與汽車(chē)、拖拉機(jī)不同,汽車(chē)和拖拉機(jī)指在最高轉(zhuǎn)速下、連同機(jī)油泵、發(fā)電機(jī)等必要附件,一分鐘內(nèi)的最大功率;挖掘機(jī)是指在額定轉(zhuǎn)速下一小時(shí)以上的額定功率。挖掘機(jī)采用車(chē)用柴油機(jī)時(shí),最大功率指數(shù)降低。(2) 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)部分是實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)各種基本動(dòng)作的直接執(zhí)行者,其行走裝置是整機(jī)的支撐機(jī)構(gòu),承受機(jī)器的全部重量和工作裝置的反力,而且能使挖掘機(jī)作短途行駛。可分為履帶式和輪胎式兩種。上車(chē)部分可繞回轉(zhuǎn)軸作回轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)挖掘和卸載動(dòng)作的需要,包括驅(qū)動(dòng)裝置和回轉(zhuǎn)支撐。工作裝置是挖掘機(jī)完成各種動(dòng)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(jié)構(gòu)也可以不同,在挖掘機(jī)中應(yīng)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(yùn)動(dòng)和停止的系統(tǒng),如對(duì)回轉(zhuǎn)、行走及工作裝置的控制都由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)完成。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生壓力油液,然后壓力油液可以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng),但壓力油的接通和切斷由主換向閥來(lái)控制,多路壓力油可單路驅(qū)動(dòng),也可以多路同時(shí)驅(qū)動(dòng),即形成工作裝置的復(fù)合運(yùn)動(dòng),在液壓系統(tǒng)中,各子回路均有溢流閥,起到過(guò)載溢流的作用,主回路上也有主溢流,起安全保護(hù)作用,回路中還有液壓變壓器二次元件,可起到調(diào)速作用,以及能量回收和再利用,系統(tǒng)中的蓄能器可以?xún)?chǔ)存回收能量也可減少?zèng)_擊和振動(dòng)。把各液壓元件用油管有機(jī)地連接起來(lái)地組合體既是液壓挖掘機(jī)地液壓系統(tǒng)。挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有不同的類(lèi)型,較典型的有:負(fù)流量控制系統(tǒng)、正流量控制系統(tǒng)、負(fù)載敏感控制系統(tǒng)等。本次設(shè)計(jì)采用了恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng),不同的液壓系統(tǒng),均可達(dá)到工作要求,但在節(jié)能方面卻有所不同,主要體現(xiàn)在形式上、節(jié)能效率上。而且管路的布局復(fù)雜程度不一樣,成本費(fèi)用也不一樣。(4) 控制系統(tǒng)在挖掘機(jī)中,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(chēng)為挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)。當(dāng)前,閉式的控制系統(tǒng)應(yīng)用較廣泛,可以將輸出信號(hào)反饋到輸入信號(hào),從而使發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的功率更匹配,達(dá)到節(jié)能目的。此時(shí),電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)揮了重要作用,既可實(shí)現(xiàn)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(lái)越先進(jìn),目前挖掘機(jī)研究重點(diǎn)正逐步向智能化機(jī)電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移。2.3 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)原理液壓挖掘機(jī)采用三組液壓缸使工作裝置具有三個(gè)自由度,鏟斗可實(shí)現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動(dòng),加上液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使鏟斗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大到有限的空間,再通過(guò)行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走(移位),使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地?cái)U(kuò)大,從而滿(mǎn)足挖掘作業(yè)的要求。液壓挖掘機(jī)由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá))驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理,各部分的運(yùn)動(dòng)通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2.2所示。圖2.2 反鏟挖掘機(jī)工作裝置1、斗桿油缸 2、動(dòng)臂 3、油管 4、動(dòng)臂油缸 5、鏟斗 6、斗齒 7、側(cè)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(dòng)臂2、連桿8及相應(yīng)的三組液壓缸1、4、10組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上,通過(guò)動(dòng)臂缸的伸縮,使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng);而鏟斗鉸接于斗桿前端,通過(guò)鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。挖掘作業(yè)時(shí),接通回轉(zhuǎn)馬達(dá),轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái),使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置,同時(shí)操縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮;動(dòng)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(jìn)油而伸長(zhǎng),使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿(mǎn)后,鏟斗缸和斗桿缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油,使動(dòng)臂抬起,隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá),使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置,再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮,使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后,工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。在實(shí)際挖掘作業(yè)中,由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)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(dòng)作配合隨機(jī)的??傊簤和诰驒C(jī)是由多學(xué)科、多系統(tǒng)組成的有機(jī)整體,只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學(xué)科協(xié)同優(yōu)化才能獲取挖掘機(jī)整機(jī)的最佳性能。3 液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定要了解和設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng),首先要分析液壓挖掘機(jī)的工作過(guò)程及其作業(yè)要求,掌握各種液壓作用元件動(dòng)作時(shí)的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復(fù)合動(dòng)作要求和復(fù)合動(dòng)作時(shí)油泵對(duì)同時(shí)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(jī)的工況 挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)是按照挖掘機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)和裝置的傳動(dòng)要求,把各種液壓組件用管路有機(jī)地連接起來(lái)的組合體。液壓系統(tǒng)的功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能以液壓油為介質(zhì),利用液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗埽M(jìn)行傳遞,然后通過(guò)液壓缸和液壓馬達(dá)等執(zhí)行組件返回機(jī)械能,實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程包括下列幾個(gè)間歇?jiǎng)幼鳎簞?dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走,以及其它輔助動(dòng)作,它們即可以單獨(dú)動(dòng)作又可以復(fù)合動(dòng)作。由于挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大,主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特殊要求:(1)實(shí)行各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí),阻力與作業(yè)速度隨時(shí)變化,因此,要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化;(2)為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間,工作過(guò)程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼魍瑫r(shí)進(jìn)行,即復(fù)合動(dòng)作。這兩項(xiàng)要求需要由液壓系統(tǒng)來(lái)保證。單斗液壓挖掘機(jī)一個(gè)動(dòng)作循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合,包括: (1)挖掘 通常以鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘,或兩者配合進(jìn)行瓦解,因此,在此過(guò)程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作,必要時(shí),配以動(dòng)臂動(dòng)作。(2)滿(mǎn)產(chǎn)回轉(zhuǎn) 挖掘結(jié)束,動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起,滿(mǎn)斗提升,同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)向卸土處,主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。(3)卸載 轉(zhuǎn)到卸土點(diǎn)時(shí),轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng),用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑,然后鏟斗液壓缸回縮,鏟斗卸載,為了調(diào)整卸載位置,還要有動(dòng)臂液壓缸的配合,此時(shí),是斗桿和鏟斗的復(fù)合動(dòng)作,間以動(dòng)臂動(dòng)作。(4)返回 卸載結(jié)束,轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn),動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合,把空斗放在新的挖掘點(diǎn),此時(shí),是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。3.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求單斗液壓挖掘機(jī)的動(dòng)作繁復(fù),主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)、外負(fù)載變化很大,沖擊和振動(dòng)多,而且野外工作,溫度和環(huán)境變化大,所以對(duì)液壓系統(tǒng)的要求是多方面的。故有以下設(shè)計(jì)要求: (1)要保證挖掘機(jī)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動(dòng)作,也可以互相配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作。 (2)工作裝置的動(dòng)作和轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)既能單獨(dú)進(jìn)行,又能作復(fù)合動(dòng)作,以提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)率。 (3)履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶分別驅(qū)動(dòng),使挖掘機(jī)行走方便、轉(zhuǎn)向靈活,并且可就地轉(zhuǎn)向,以提高挖掘機(jī)的靈活性。 (4)保證挖掘機(jī)的一切動(dòng)作可逆,且無(wú)級(jí)變速。 (5)保證挖掘機(jī)工作安全可靠,且各執(zhí)行元件(液壓缸、液壓馬達(dá)等)有良好的過(guò)載保護(hù);回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動(dòng)和限速;防止動(dòng)臂因自重而快帶下降和整機(jī)超速溜坡。3.3 液壓系統(tǒng)方案的論證 目前有關(guān)挖掘機(jī)的主流液壓控制系統(tǒng)主要有負(fù)流量控制、正流量控制和負(fù)載敏感控制等幾種控制技術(shù)。第一種負(fù)流量控制技術(shù)發(fā)展歷史久遠(yuǎn),技術(shù)非常成熟。在挖掘機(jī)市場(chǎng)份額中,具有這三種控制系統(tǒng)的挖掘機(jī)各占一定比例,與此同時(shí)它們也有各自適用的場(chǎng)合。但是在節(jié)能方式上它們的節(jié)能效率不高。針對(duì)節(jié)能效率不高的這個(gè)缺陷,本文現(xiàn)提出一種基于恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,下面就這幾種節(jié)能控制方案分別進(jìn)行分析。1.負(fù)流量控制系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末期,其控制原理為:當(dāng)主回路的多路換向閥(即主換向閥)處于中位時(shí),執(zhí)行元件不工作,主液壓泵處于卸荷狀態(tài),此時(shí)在主回路接入一個(gè)節(jié)流閥,油液通過(guò)節(jié)流口產(chǎn)生一個(gè)壓差,利用節(jié)流閥兩端口的壓力差來(lái)作為主液壓泵流量的一個(gè)反饋信號(hào),顯然當(dāng)卸荷時(shí),節(jié)流閥的背壓近似為零,由于主泵流量全部卸荷,此時(shí)節(jié)流閥的進(jìn)口壓力會(huì)達(dá)到最大值,則可反饋到主泵的流量控制機(jī)構(gòu),使主泵的排量自動(dòng)減少到最小,可以達(dá)到節(jié)能的目的,主要是可以減少主閥在中位時(shí)主泵的流量損耗,主泵的輸出流量通過(guò)操作者對(duì)節(jié)流口面積改變而控制,按需求供應(yīng)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(dòng)機(jī)的功率,意義重大。由于節(jié)流口的壓差與主泵的流量成負(fù)線(xiàn)性關(guān)系,故稱(chēng)為負(fù)流量控制,負(fù)流量控制系統(tǒng)的原理如圖3.1。 圖3.1 負(fù)流量控制系統(tǒng)原理圖 優(yōu)點(diǎn):發(fā)展歷史悠久,技術(shù)非常較成熟,應(yīng)用較廣泛。但存在以下缺陷:六通多路閥死區(qū)較大、調(diào)速范圍有限、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、流量波動(dòng)較大、可操作性差、節(jié)能效果有待加強(qiáng)等。2. 正流量控制系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代,它主要是用容積調(diào)速取代定流量系統(tǒng)中的節(jié)流調(diào)速,其調(diào)速效率更高。如圖3.2所示。圖3.2 液壓挖掘機(jī)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(dǎo)壓力控制,在工作過(guò)程中,先導(dǎo)壓力的增加,泵排量也相應(yīng)隨著增加。操縱兩個(gè)液壓油缸可以由操縱手柄來(lái)完成,引出的先導(dǎo)液壓信號(hào)一方面控制兩個(gè)六通多路閥,另一方面通過(guò)梭閥組將最大先導(dǎo)壓力挑選出來(lái),以此來(lái)控制泵排量,使液壓泵輸出流量與多路閥工作口的開(kāi)度成正比。當(dāng)手柄無(wú)操作時(shí),先導(dǎo)操縱信號(hào)壓力為零,相應(yīng)泵排量也為零,有效地消除了空流損耗;當(dāng)手柄開(kāi)始操作時(shí),先導(dǎo)壓力上升,控制泵排量增加。在這一控制過(guò)程中,依舊需要多路閥的旁路節(jié)流作用來(lái)克服負(fù)載壓力,使泵輸出壓力升高。由于系統(tǒng)只輸出與先導(dǎo)操縱壓力相匹配的流量,以此來(lái)減少旁路節(jié)流損耗,達(dá)到良好的節(jié)能效果。相對(duì)于負(fù)流量控制系統(tǒng),正流量控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間更短、流量波動(dòng)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(gòu)造復(fù)雜,花費(fèi)成本較高,同時(shí)由于依然存在節(jié)流損失,故節(jié)流效率還有待得到進(jìn)一步提高。 采用這種液壓系統(tǒng)國(guó)外比較典型的一種產(chǎn)品是日立建機(jī)生產(chǎn)的EX400液壓挖掘機(jī),國(guó)內(nèi)產(chǎn)品中比較典型的有四川長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠生產(chǎn)的WY403型全液壓挖掘機(jī)和廣西玉柴工程機(jī)械有限公司出產(chǎn)的WY20-YC液壓挖掘。3.負(fù)載敏感控制系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代后,并且被廣泛地應(yīng)用在中小型挖掘機(jī)上,節(jié)能效果非常顯著。它在各執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)工作時(shí),流量供給只由操縱手柄的開(kāi)度來(lái)決定,而與負(fù)荷大小無(wú)關(guān),使得工作的可操作性變得很強(qiáng),如圖3.3所示。圖3.3 負(fù)載敏感控制原理 負(fù)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(kāi)口面積A和壓差P的函數(shù),若P保持不變,流量Q不受負(fù)荷變化的影響,且只與開(kāi)口面積有關(guān), 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)利用將負(fù)載壓力反饋到壓力補(bǔ)償閥的方法即可實(shí)現(xiàn)P=常數(shù)。壓力補(bǔ)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(jìn)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(guò)壓力補(bǔ)償閥直接返回油箱,從而保證P恒定不變。傳統(tǒng)的負(fù)荷傳感閥一般都匹配有相應(yīng)的壓力補(bǔ)償器,使每一個(gè)閥口上的壓力都保持定值。當(dāng)泵的供油能力達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),負(fù)傳感功能將會(huì)失效。最高負(fù)載回路上的執(zhí)行元件速度將會(huì)逐漸降低,直至運(yùn)動(dòng)停止,使挖掘機(jī)動(dòng)作失去協(xié)調(diào)性。然而在多路閥上采用流量分配型的壓力補(bǔ)償原理,將壓力補(bǔ)償閥設(shè)在多路閥的下游,各執(zhí)行元件中的最高壓力信號(hào)被傳遞給所有壓力補(bǔ)償閥和液壓泵,上述問(wèn)題將可以得到解決,如圖3.4所示。圖7 流量分配型壓力補(bǔ)償原理最高負(fù)載壓力信號(hào)被當(dāng)作為比例控制信號(hào)傳遞給所有的壓力補(bǔ)償閥,使全部的多路閥的輸出壓力都不能超過(guò)最高負(fù)載壓力,而負(fù)荷傳感控制器亦在最高負(fù)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(fù)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(diào)節(jié)在同一個(gè)值。即便泵輸出流量不夠,不能保持多路閥閥口上正常的負(fù)荷傳感壓差,但在溢流壓力補(bǔ)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(shí),盡管執(zhí)行器的工作速度會(huì)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(guān)系可保持不變,故可保證挖掘機(jī)動(dòng)作的準(zhǔn)確性。較典型的產(chǎn)品有Linde公司的VW系列同步閥和Rexroth公司的LUDV閥。采用該技術(shù)的公司還有韓國(guó)大宇、小松公司等。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也能夠生產(chǎn)這種液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī),如合肥日立公司生產(chǎn)的EX系列挖掘機(jī)。4.恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代初提出的一種壓力偶聯(lián)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于節(jié)能效果好,節(jié)能原因有兩點(diǎn):一方面采用了二次調(diào)節(jié)技術(shù),可以很好地回收勢(shì)能和制動(dòng)能等,然后再釋放利用,可控性較好。另一方面僅通過(guò)調(diào)節(jié)液壓變壓器就可以控制執(zhí)行元件的速度,關(guān)鍵是無(wú)節(jié)流損失地調(diào)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(dòng)機(jī)的油耗。發(fā)展前景非常廣泛。其基本組成為負(fù)載、二次元件及動(dòng)力源、高壓油路和低壓油路構(gòu)成的恒壓網(wǎng)絡(luò)和蓄能器,如圖3.5所示 圖3.5 恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本組成 恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)在國(guó)外很早就已經(jīng)提出來(lái)了,大約在20世紀(jì)80年代,而國(guó)內(nèi)研究的比較晚,且進(jìn)展也不樂(lè)觀,主要體現(xiàn)在變壓比的范圍過(guò)窄,一般在1-1.2倍,連續(xù)可調(diào),最好的變壓比為12倍,連續(xù)可調(diào),而在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)該要求的變壓比為1-4倍,國(guó)內(nèi)研究的變壓器調(diào)節(jié)范圍過(guò)窄的主要原因?yàn)榕淞鞅P(pán)上的三個(gè)油口的位置不太理想,三個(gè)油槽的大小相同,且為120度等間距分布,這種變壓比范圍過(guò)窄的情況有待改善。由于液壓變壓器有如此強(qiáng)大的潛能,故對(duì)它的研究非常有意義,雖然還有些不足,但已經(jīng)應(yīng)用在一些領(lǐng)域了,比如卷?yè)P(yáng)機(jī)上、汽車(chē)上、船舶機(jī)械上、甚至是工程機(jī)械中。圖3.6為恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用。 圖3.6 挖掘機(jī)恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)原理圖1. 過(guò)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(zhuǎn)馬達(dá);12.左行走馬達(dá);13.壓力閥;14.三位四通換向閥;15.右行走馬達(dá);16溢流閥;17.油溫表;18.液位計(jì);19.壓力表;20.風(fēng)冷馬達(dá);21.球閥;22.二位二通電磁閥。其實(shí)國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是負(fù)載敏感系統(tǒng),其技術(shù)也比較成熟,在二次調(diào)節(jié)技術(shù)出現(xiàn)之前,負(fù)載敏感系統(tǒng)算是比較先進(jìn)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(diào)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(shì)能和制動(dòng)能時(shí),需要蓄能器和電磁換向閥的配合,應(yīng)用二次調(diào)節(jié)后主要有以下優(yōu)點(diǎn): 1)液壓變壓器的輸出壓力可高于進(jìn)口壓力也可低于進(jìn)口壓力,負(fù)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(dòng)臂缸下降時(shí)的勢(shì)能、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置的制動(dòng)均能被系統(tǒng)回收和再利用,可控性較好,達(dá)到了節(jié)能減排的目的了。 3)在高壓網(wǎng)絡(luò)上,各執(zhí)行器獨(dú)立工作,互補(bǔ)干擾,使得液壓管路布局明了、簡(jiǎn)單。 4)通過(guò)調(diào)節(jié)液壓變壓器配流盤(pán)的角度即可控制執(zhí)行器的速度,理論上無(wú)節(jié)流損失,減少系統(tǒng)發(fā)熱量?;谝陨蟽?yōu)點(diǎn)本次設(shè)計(jì)采用了恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)的節(jié)能型液壓系統(tǒng)。4 液壓二次調(diào)節(jié)技術(shù)4.1 基本概念二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由恒壓力源、變量馬達(dá)和蓄能器組成的控制系統(tǒng)。由于它沒(méi)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(diào)節(jié),由原動(dòng)機(jī)到壓力油產(chǎn)生的過(guò)程稱(chēng)為一次調(diào)節(jié)。 (2)二次調(diào)節(jié),在恒壓力源網(wǎng)絡(luò)中,對(duì)液壓馬達(dá)(有時(shí)為液壓泵)進(jìn)行控制稱(chēng)為二次調(diào)節(jié)。4.2 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理 液壓變壓器是由兩個(gè)液壓?jiǎn)卧S連接組成的。它具有三個(gè)端口,其中兩個(gè)液壓?jiǎn)卧巧ギ悾罕贿M(jìn)入高壓油驅(qū)動(dòng)的一端為液壓馬達(dá),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(diào)節(jié)系統(tǒng)由圖10可知,單元1被恒壓網(wǎng)絡(luò)的高壓油驅(qū)動(dòng),此時(shí)它為液壓馬達(dá),單元2就是液壓泵,如果忽略摩擦損失,則單元2的輸入轉(zhuǎn)矩等于單元1的輸出轉(zhuǎn)矩,在液壓馬達(dá)的帶動(dòng)下液壓泵產(chǎn)生壓力油,然后由驅(qū)動(dòng)液壓缸。其流量和壓力關(guān)系推導(dǎo)如下,液壓?jiǎn)卧?和2的排量分別為、,轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩為T(mén)(Nm),則由能量守恒有:由于同軸,轉(zhuǎn)速n相同,為定值,液壓?jiǎn)卧?為定量馬達(dá),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(guò)調(diào)節(jié)單元1的排量就可以調(diào)節(jié)輸出壓力了,而且在無(wú)節(jié)流損失的條件下可對(duì)壓力進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),此變壓器為傳統(tǒng)型的,也有兩單元均為排量可調(diào)的,那么變壓比的范圍就更寬些,更適用于工程機(jī)械中,當(dāng)前,國(guó)內(nèi)研究的液壓變壓器調(diào)壓比為0-2倍,而在工程機(jī)械中的應(yīng)用應(yīng)達(dá)到0-4倍。4.2.1 液壓變壓器的發(fā)展史在20世紀(jì)50年代就有美國(guó)專(zhuān)利對(duì)液壓變壓器進(jìn)行闡述,一直到80年代,其在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有本質(zhì)的改變,一直是采用軸向柱塞泵和馬達(dá)剛性連接構(gòu)成,體積較大,較笨重,稱(chēng)之為傳統(tǒng)型液壓變壓器,該種變壓器的變壓比為可調(diào)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(chǎn)生不同的壓力,其實(shí)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(dá)單元和泵單元的功能集合在一起,其主要辦法是在配流盤(pán)上加工出等間距的三個(gè)腰形槽,分別為負(fù)載口、高壓口、低壓口。結(jié)構(gòu)比以前簡(jiǎn)單,正反轉(zhuǎn)敏捷,可控性好。圖4.2為液壓變壓器的簡(jiǎn)圖。 圖4.2 液壓變壓器的簡(jiǎn)圖為高壓油口,為負(fù)載口,為低壓油口,但是這三個(gè)口均可以進(jìn)出油,所以液壓變壓器可正反轉(zhuǎn),進(jìn)而具有工作四象限特性。圖4.3為液壓變壓器的實(shí)物圖。圖4.3 新型變壓器的實(shí)物圖 由圖可知其結(jié)構(gòu)是斜軸式軸向柱塞泵式的,只是配流盤(pán)加工出了等間距的三個(gè)配油槽,而且配流盤(pán)由操縱手柄帶動(dòng)小齒輪對(duì)配流盤(pán)進(jìn)行角度的調(diào)節(jié),從而改變變壓比的大小,改變配流盤(pán)角度的方式除手動(dòng)式的還有伺服控制式的,伺服控制易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。4.2.2 液壓變壓器三端口的流量關(guān)系圖4.4為液壓變壓器配油盤(pán)三槽口的分布圖,在此體現(xiàn)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(pán)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(duì)值。有(a)式可推出變壓器比: (b)由此可以推導(dǎo)三槽口流量方程如下: (c) 其中:是配油盤(pán)調(diào)節(jié)角度,它是A槽中心與下死點(diǎn)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(gè)數(shù),一般,n為變壓器的轉(zhuǎn)速,為斜軸的傾角。聯(lián)合(c)和(b)兩式,可求得變壓比的具體表達(dá)式: (d) 由(d)中可知,如果不考慮能量損失,在結(jié)構(gòu)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(shù),改變的大小,可以輸出不同的壓力,其工作原理由此而來(lái)。4.3 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用 隨著二次調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展和成熟,其逐漸被應(yīng)用在卷?yè)P(yáng)機(jī)械、汽車(chē)、船舶機(jī)械,甚至是工程機(jī)械領(lǐng)域中。圖4.5為二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用圖4.5 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用 很顯然在該系統(tǒng)中,懸臂缸、吊桿缸、鏟斗缸、擺吊缸、動(dòng)桿缸、車(chē)輪馬達(dá)等執(zhí)行元件的速度直接由各自的液壓變壓器來(lái)控制,在受負(fù)負(fù)載時(shí),各液壓變壓器反轉(zhuǎn),將能量?jī)?chǔ)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(jìn)一些,無(wú)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(gè)系統(tǒng)的油路布局簡(jiǎn)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(jī)械運(yùn)動(dòng)中,很多時(shí)候機(jī)械構(gòu)件都會(huì)產(chǎn)生負(fù)載荷,即可向系統(tǒng)反饋能量的載荷,由負(fù)載荷驅(qū)動(dòng)的形式叫負(fù)載驅(qū)動(dòng)。常見(jiàn)的有挖掘機(jī)、泵車(chē)的動(dòng)臂下降勢(shì)能、飛輪的慣性能、卷?yè)P(yáng)產(chǎn)生的負(fù)載荷、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置的制動(dòng)能等。液壓變壓器的工作四象限表現(xiàn)在能量回收和再利用,而且在控制負(fù)載時(shí)較連續(xù),可逆性好,可控性好。此過(guò)程中,液壓變壓器為能量形式轉(zhuǎn)換的核心元件,液壓變壓器在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)負(fù)載和負(fù)載驅(qū)動(dòng)情況下,液壓變壓器的端口A、B可分別作為“液壓馬達(dá)-液壓泵”工況和“液壓泵-液壓馬達(dá)”工況。4.4.1 液壓變壓器工作四象限的動(dòng)力學(xué)分析以圖4.6為例說(shuō)明,該負(fù)載為液壓缸,即直線(xiàn)式負(fù)載,液壓缸的兩腔采用差動(dòng)連接,下面分別以負(fù)載上升和下降的工況來(lái)分析液壓變壓器的四象限特性,缸體固定,活塞往返運(yùn)動(dòng),不考慮泄露和沿程、局部壓力的損失。 圖4.6 液壓變壓器驅(qū)動(dòng)液壓缸上升工況(一)負(fù)載上升工況:對(duì)液壓缸進(jìn)行受力分析可得: pBA2-pAA1-mg-Ff = ma (1)而液壓缸上下腔的流量關(guān)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(gè)階段.階段一為0t1,液壓缸加速上升即a0,由(1)式可得 pB(pAA1+mg)/A2 (3)從(2)、(3)以及(1)式可得 qAqce+(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(shí)段當(dāng)a0時(shí)t1t2時(shí)段當(dāng)a=0時(shí)t2t3時(shí)段當(dāng)-ga0時(shí)qA=qc+qceqA=qc+qceqA=qc+qce蓄能器和液壓網(wǎng)絡(luò)供油蓄能器和液壓網(wǎng)絡(luò)供油蓄能器和液壓網(wǎng)絡(luò)供油當(dāng)PB/PA1時(shí),qAqB當(dāng)PB/PA1時(shí),qAqB當(dāng)PB/PA1時(shí), qA1時(shí),qAqB當(dāng)PB/PA1時(shí),qAqB當(dāng)PB/PA1時(shí),qAqBT端排油,qT=qA-qBT端排油,qT=qA-qBT端排油,qT=qA-qBt2-t3時(shí)段,當(dāng)a-g時(shí)T端補(bǔ)油,qT=qB-qAPB/PA1qc=qce-qA(負(fù)載拖動(dòng))蓄能器回油,回收勢(shì)能qAqB(二) 液壓缸下降工況:液壓缸下降工況如圖4.8所示. 對(duì)液壓缸進(jìn)行受力分析可知: pAA1+mg-pBA2-Ff =ma (8)圖4.8 液壓變壓器驅(qū)動(dòng)液壓缸下降工況表4.2 各端口吸、排油情況t3t4時(shí)段t4t5時(shí)段t5t6時(shí)段當(dāng)0ag時(shí)當(dāng)a=0時(shí)當(dāng)a0qc=qA-qceqc=qA-qceqc=qA-qce蓄能器回油,回收勢(shì)能蓄能器回油,回收勢(shì)能蓄能器回油,回收勢(shì)能當(dāng)pB/pA1時(shí)當(dāng)pB/pA1時(shí)當(dāng)pB/pA1時(shí)當(dāng)pB/pA1時(shí)當(dāng)pB/pA1時(shí)T端補(bǔ)油,qT=qA-qBT端補(bǔ)油,qT=qA-qBT端補(bǔ)油,qT=qA-qB當(dāng)ag時(shí)qc=qce-qA蓄能器和液壓網(wǎng)絡(luò)供油T端排油,qT=qB-qA4.4.2 液壓變壓器四象限工作特性分析 下面用表格分類(lèi)的形式來(lái)說(shuō)明液壓變壓器的四象限特性,如表4.3。記每個(gè)端口的流量q0,表示吸油,q0,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象限負(fù)載加速、勻速、減速上升驅(qū)動(dòng)負(fù)載第象限負(fù)載減速上升 負(fù)負(fù)載第象限負(fù)載加速下降驅(qū)動(dòng)負(fù)載第象限負(fù)載勻速、減速、加速下降負(fù)負(fù)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(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guò)程中,當(dāng)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鲿r(shí),其最大挖掘力為鏟斗缸設(shè)計(jì)的依據(jù)。初步設(shè)計(jì)時(shí)按額定斗容及工作條件(土壤級(jí)別),參考有關(guān)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(shí)能保證具有最大挖掘力來(lái)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(jiǎn)單起見(jiàn),可以忽略斗和土的質(zhì)量,并且忽略了各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機(jī)構(gòu)效率影響因素,此時(shí)鏟斗油缸作用力為在忽略斗和土的質(zhì)量、各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機(jī)構(gòu)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(duì)搖臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂(此位置為搖臂長(zhǎng)度),m 對(duì)鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)C的力臂,m。此時(shí)斗桿油缸處于閉鎖狀態(tài),斗桿油缸閉鎖力應(yīng)滿(mǎn)足 (5-2)式中 斗桿油缸閉鎖力對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的力臂,m; 對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B的力臂,m; 對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B的力臂,m; 挖掘阻力的法向分力,取。動(dòng)臂油缸閉鎖力應(yīng)滿(mǎn)足 (5-3)式中 動(dòng)臂油缸閉鎖力對(duì)鉸點(diǎn)A的力臂,m; 對(duì)動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的力臂,m; 對(duì)鉸點(diǎn)A的力臂,m;通過(guò)挖掘機(jī)工作范圍圖測(cè)得:=430mm,=430mm,=Rd=1300mm,=3900mm,=650mm,=330mm,=6300mm,=4600mm,已知。將以上數(shù)據(jù)帶入公式中得到: 由動(dòng)臂缸有兩個(gè)油缸同時(shí)作用,則每個(gè)缸閉鎖力 表5.1 根據(jù)缸的應(yīng)用類(lèi)型來(lái)初選系統(tǒng)工作壓力設(shè)備類(lèi)型精加工機(jī)床組合機(jī)床拉床農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工程機(jī)械、工程機(jī)械輔助機(jī)構(gòu)液壓機(jī)、重型機(jī)械、大中型挖掘機(jī)、起重運(yùn)輸機(jī)械工作壓力P/Mpa0.8-23-55-101-16 根據(jù)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(dòng)臂油缸直徑應(yīng)滿(mǎn)足的條件為 5.1.2 斗桿油缸作用力的確定當(dāng)挖掘機(jī)以斗桿挖掘時(shí),其最大挖掘力則由斗桿油缸來(lái)保證。斗桿油缸最大作用力位置為動(dòng)臂下放到最低位置,斗桿缸作用力對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)有最大力臂,即對(duì)斗桿產(chǎn)生最大作用力矩,并使斗齒尖和鉸點(diǎn)B、C在一條直線(xiàn)上,如圖5.2所示。 圖5.2 斗桿缸受力分析圖與前面推導(dǎo)鏟斗油缸作用力一樣,忽略各構(gòu)件及斗中土壤質(zhì)量和連桿機(jī)構(gòu)效率影響因素,此時(shí)斗桿油缸作用力為 (5-4)而鏟斗油缸及動(dòng)臂油缸處于閉鎖狀態(tài),所以鏟斗油缸閉鎖力應(yīng)滿(mǎn)足 (5-5) 動(dòng)臂缸閉鎖力應(yīng)滿(mǎn)足 (5-6) 動(dòng)臂缸有兩個(gè),則每個(gè)缸閉鎖力測(cè)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(dòng)臂油缸直徑應(yīng)滿(mǎn)足的條件為: 5.1.3 動(dòng)臂油缸作用力的確定動(dòng)臂油缸的作用力,即最大提升力,以能提升鏟斗內(nèi)裝滿(mǎn)土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進(jìn)行卸載來(lái)確定,其計(jì)算簡(jiǎn)圖如5.3所示,此時(shí)動(dòng)臂油缸作用力為 (5-7)式中:圖5.3 動(dòng)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(dòng)臂所受重力,N; 鏟斗質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離,m; 斗桿質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離,m; 動(dòng)臂質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離,m。通過(guò)挖掘機(jī)工作范圍圖測(cè)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(shí),利用其“分析模型質(zhì)量屬性”進(jìn)行分析可以得到各部件的重量,得到鏟斗:1000kg、斗桿:1500kg、動(dòng)臂:3000kg。取III級(jí)土壤干黃土密度為,而鏟斗容量則有:每個(gè)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(dòng)臂缸的受力分析,計(jì)算得到三者的油缸直徑分別為;。參照液壓元件手冊(cè)-(機(jī)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(jī)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(guān)系 工作壓力 d/D 根據(jù)表6顯然易見(jiàn)取活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比為0.7,即d/D=0.7。則 ;選標(biāo)準(zhǔn)值為90mm ;選標(biāo)準(zhǔn)值為125mm ;剛好為標(biāo)準(zhǔn)值以上選值根據(jù)為液壓元件手冊(cè)表2-5-1。5.2.1 鏟斗油缸尺寸的計(jì)算根據(jù)教材液壓與氣壓傳動(dòng)的第四章可進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算缸壁厚,中、高壓缸一般用無(wú)縫鋼管作缸筒,大多數(shù)屬于薄壁筒,即時(shí),其最薄處的壁厚用材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算,即 (5-8) 式中 薄壁筒壁厚; 試驗(yàn)壓力; 缸筒材料許用應(yīng)力,無(wú)縫鋼管; D缸筒內(nèi)徑 取 此時(shí)不滿(mǎn)足薄壁缸條件,故應(yīng)按中等壁厚計(jì)算公式計(jì)算此時(shí) (5-9) 強(qiáng)度系數(shù),對(duì)無(wú)縫鋼管 ; 用來(lái)圓整壁厚。則 取則缸外徑,查液壓元件手冊(cè)表2-5-2,取185mm,由挖掘機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(jì)算 由上面計(jì)算知按中等壁厚計(jì)算: (5-10) 圓整取則 查液壓元件及選用表3.60選標(biāo)準(zhǔn)值為219mm。由挖掘機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和外型尺寸可得出斗桿缸工作行程5.2.3 動(dòng)臂缸的尺寸計(jì)算由上面計(jì)算知按中等壁厚計(jì)算 (5-11) 圓整取則外徑 查液壓元件手冊(cè)表2-5-2選取標(biāo)準(zhǔn)值為150mm。根據(jù)挖掘機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和外型尺寸可得出動(dòng)臂缸工作行程表5.3 液壓缸性能參數(shù)型號(hào)HSGF名稱(chēng)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3512590兩端耳環(huán)襯套135017621850桿頭緩沖02-180斗桿缸35180125兩端耳環(huán)襯套175523202445兩端緩沖03-100動(dòng)臂缸3510070兩端耳環(huán)襯套162522232355有桿腔緩沖5.3 液壓系統(tǒng)圖的擬定本次設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)系統(tǒng)采用了恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù),是較以往的一些液壓系統(tǒng)的一次革新,其實(shí)恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用早在20世紀(jì)80年代初就已經(jīng)提出來(lái)了,但一直未得到較好的發(fā)展和應(yīng)用。此液壓系統(tǒng)采用單泵供油,配合補(bǔ)油泵和液壓蓄能器就能滿(mǎn)足工作要求,先進(jìn)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(dá)用,具有工作的“四個(gè)象限”。使得工作裝置的重力勢(shì)能,制動(dòng)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(diào)速回路,其回路中設(shè)有節(jié)流閥)。目前挖掘機(jī)上使用較多的液壓系統(tǒng)為負(fù)載敏感液壓系統(tǒng),其原理是通過(guò)一個(gè)反饋壓力來(lái)改變主油泵的排量,即負(fù)載敏感泵,此時(shí)的泵的好壞決定了整個(gè)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(dú)立工作,互不影響。其液壓原理圖如圖5.5 圖5.5 挖掘機(jī)恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)原理圖1. 過(guò)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(zhuǎn)馬達(dá);12.左行走馬達(dá);13.壓力閥;14.三位四通換向閥;15.右行走馬達(dá);16溢流閥;17.油溫表;18.液位計(jì);19.壓力表;20.風(fēng)冷馬達(dá);21.球閥;22.二位二通電磁閥。工作原理?yè)┦觯旱蛪憾咳~片泵2產(chǎn)生一個(gè)低壓油回路,高壓恒壓變量柱塞泵4產(chǎn)生一個(gè)高壓油回路,泵2亦可為泵4補(bǔ)油,在恒壓油網(wǎng)絡(luò)上,各執(zhí)行器能獨(dú)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(lái)控制,避免了節(jié)流損失,減少了系統(tǒng)發(fā)熱量,另外當(dāng)挖掘機(jī)動(dòng)臂下降時(shí),該回路上的液壓變壓器反轉(zhuǎn),將勢(shì)能回收到液壓蓄能器7中,然后再釋放利用,同理回轉(zhuǎn)、行走裝置的制動(dòng)能亦可進(jìn)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(hào)元件名稱(chēng)規(guī)格型號(hào)數(shù)量1過(guò)濾器 RFA-8006512補(bǔ)油泵 YB1-6.31 3單向閥DF-F50K1254主油泵A7V50015二位四通電磁閥24E-H10B-T46液壓變壓器77蓄能器NXQA-10/10-L28二位二通電磁閥22B-H10B-T129緩沖限壓閥 DGMC2-5-AT-BT-*H-101110液壓缸HSGF411回轉(zhuǎn)馬達(dá) 25(YCY)14-1B112左行走馬達(dá) XB-40113壓力閥24Y-63BMZ214三位四通電磁閥 34DG4S4V-01215右行走馬達(dá)XB-40116溢流閥 Y1-F*16D-A/0117油溫表WXG-12t1
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節(jié)能型液壓?jiǎn)味吠诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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液壓
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系統(tǒng)
設(shè)計(jì)
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