WY100履带式液压挖掘机斗杆油缸液压系统设计要点.docx

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WY100履带式液压挖掘机斗杆油缸液压系统设计要点

重庆交通大学

综合课程设计说明书

题

目：

WY100履带式液压发掘机

斗杆油缸液压系统设计

专

业：

交通建设与装备

班

级：

装备1101班

姓

名：

******

学

号：

************

指导教师：

******

重庆交通大学交通建设与装备综合课程设计

摘要

液压发掘机应用面广、使用量大，在工程机械市场据有很重要的地位。

当前已成为工程机械第一主力机械。

关于液压式发掘机而言，其设计中心就是对液压系统的设计，因为工程作业环境条件恶劣，要务实现的动作复杂，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较为复杂的。

所以，对发掘机的液压系统的解析设计对推进我国发掘机发展拥有十分重要的意义。

本次课程设计是在基于工程机械液压传动、机械原理、机械设计等方面的理论知识上针对WY100型液压发掘机工作装置斗杆油缸部分的液压系统进行设计，同时采纳伺服先导操控系统、联合人机关系原理，使其拥有造型雅观、操作酣畅、性能稳固靠谱、具备多种作业功能的特色。

要点词：

液压发掘机，斗杆油缸，WY100

I

重庆交通大学交通建设与装备综合课程设计

ABSTRACT

Hydraulicexcavator,awiderangeofapplications,theuseofalargequantity,averyimportantpositioninthemarketengineeringmachinery,hasnowbecomethefirstmainmachinesofmechanicalengineering.Forthehydraulicexcavator,thecoreofdesigningexcavatorishydraulictechnique.Becauseofthebadworkingconditionandcomplicatedworkingmovementsoftheexcavator,ithashighrequirementsforitshydraulicsystem.Sincetheexcavator’hydraulicssystemistheprettycomplicatedoneinallconstructionalmachine,theanalysisandresearchofitshydraulicsystemmakeveryimportanttopromotethedevelopmentofexcavator.

ThetaskofcurriculumdesignbasedonthetheoreticalknowledgeofHydraulicTransmissionofEngineeringMachinery,TheoryofMachines,MechanicalDesigning,etc,isthedesignofdippercylinderhydraulicsystemforWY100typehydraulicexcavator.Atthesametime,adoptingtheservopilotcontrolsystemandcombiningwithhuman-technologyrelationshipsmaketheexcavatorhavebeautifulsculpt,controllingcomfortable,goodquality,multiplefunctionsofworking.

KEYWORDS：

Hydraulicexcavator，dippercylinder，WY100

II

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大纲I

ABSTRACTII

第1章绪论1

发掘机的功用及种类1

发展动向2

液压传动应用于发掘机上的优弊端3

本设计的内容4

第2章液压发掘机的构造与传动原理5

液压发掘机整机构成5

液压发掘机构造6

液压发掘机传动原理8

第3章发掘机工况解析及液压系统设计10

液压发掘机的工作解析10

发掘机液压系统的设计要求15

发掘机液压系统的解析16

液压系统原理图的设计18

第4章工作装置铲斗油缸液压系统的设计20

4.1WY100液压发掘机参数23

斗杆液压缸和系统压力初选24

斗杆液压缸设计及校核25

斗杆油缸主要设计参数27

第5章液压系统发热温升计算28

计算液压系统的发热功率28

计算液压系统散热功率29

第6章结论31

参照文件32

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第1章绪论

发掘机是用来进行土方开挖的一种施工机械。

发掘机的作业过程是用铲斗的切

削刃切土并把土装入斗内，装满土后提高铲斗并辗转到卸土地点卸土，而后，再使

转台辗转，铲斗降落到发掘面，进行下一次发掘。

1.1发掘机的功用及种类

发掘机在建筑、筑路、水利、电力、石油等工程以及天然气管道铺设和现代军

事工程中，被广泛使用。

发掘机的主要用途：

在筑路工程顶用来开挖堑壕，在建筑

工程顶用来开挖基础，在水利工程顶用来开挖沟渠、运河和疏浚河流，在采石场、

露天采矿等工程顶用于剥离和矿石的发掘等。

持外还可对碎石隐形装在作业，更换

工作装置后还可以进行浇筑、起重、安装、打桩夯土和拔桩的工作。

1—动臂起落2—斗杆收放3—铲斗装卸4—平台台辗转5—整机行走

图液压发掘机的工作运动

发掘机的种类很多，它可以按以下几个方面分类。

按动力装置分：

有电驱式、内燃机驱动式、复合驱动式等；

按传动装置分：

有机械传动式、半液压传动式、全液压传动式；

按行走机构分：

有履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式；

按工作装置分：

有铰接式和伸缩臂式。

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各种种类的发掘机可依据需要换装正铲、反铲、拉铲和抓斗的任何一种工作装置，都属于一种循环作业机械。

当前国际上迅速发展全液压发掘机，对其控制方式千锤百炼和改革，使发掘机由简单的杠杆操控发展到液压操控、气压操控、液压伺服操控和电气控制、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纳无线电操控，利用电子计算机控制接收器和激光导向相联合，实现了发掘机作业操控的完整自动化。

所有这全部，发掘机的全液压化为其确定了坚固的基础，创建了优异的前提。

跟着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压发掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压发掘机行业所面对的新挑战。

在技术方面，发掘机产品的中心技术就是液压系统设计，所以对其液压系统的解析研究拥有十分重要的现实意义。

发掘机与液压传动密切地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。

因为发掘机的工作条件恶劣，要务实现的动作很复杂，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。

所以，对发掘机液压系统的解析设计已经成为推进发掘机发展中的重要环节。

1.2发展动向

外国研究状况及发展动向

从20世纪60年月液压传动技术开始应用在发掘机上到现在，发掘机液压系统己经发展到了相当作熟的阶段。

近几年来，跟着液压发掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上有名的发掘机生产商纷纷采纳各种高新技术，来提高自己发掘机在国际上的竞争力，主要表此刻五个方面：

（1）液压系统逐渐从开式向闭式转变

（2）系统的节能技术成为研究的要点

（3）系统的高压化和高靠谱性发展趋向日趋突显（4）系统的操控特征上涨到很重要的地位

（5）电子一液压集成控制成为当前主要研究目标

国内研究状况及发展动向

从国内状况来看，我国发掘机行业整体发展水平较外国缓慢，在发掘机液压系统

方面的理论还比较单薄。

国内大多数发掘机企业在发掘机液压系统传统技术方面的

研究拥有必定基础，但因为采纳传统液压系统的发掘机产品在性能、质量、作业效

率、靠谱性等方面均较差，所以采纳传统液压系统的发掘机在国内市场上基本失去

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了竞争力，取而代之的是采纳各种高新技术的外国发掘机产品。

先进的发掘机液压

系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎是空白，这样

国内的发掘机生产厂家就没法独立制造出性能优异的发掘机，绝大多数的市场份额

都被外国各种品牌的发掘机所据有。

以20t级的中型液压发掘机为例，国产20t级挖

掘机大多数是欧洲80年月初的技术，同90年月初以来在国内形成批量的日本小松、

日立、神钢以及韩国大宇、现代等机型对比，其主要差距柴油机功率偏低，液压系

统流量偏小，液压系统特征差，以致平台辗转速度低，行走速度低，各种性能参数

均偏小，整机性能和作业效率较外国偏低。

1.3液压传动应用发掘机上的优弊端

在发掘机的构造和技术性能上的长处

（1）来自觉动机的动力经油泵变换到工作机构，此间可以获取很大的传动比，省去了机械传动所需的复杂而粗笨的传动装置。

不仅使构造紧凑，并且使整机重量

大大的减少，例仿佛功率液压马达的重量约只有电动机的1/6左右。

增添了整机的起重性能。

（2）液压传动的各种元件，可依据需要方便、灵巧地来部署；既易实现机器的自动化，又易于实现过载保护，当采纳电液联合控制甚至计算机控制后，可实现大负载、高精度、远程自动控制。

（3）操控控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：

1），它还可以在运行的过程中进行调速；同时还很方便的把旋转运动变成平移运动，易于实现

起重机的变幅和自动伸缩。

各机构使用管路联系，可以获取紧迁就理的速度，改进了发动机的技术特征。

便于实现自动操作，改进了司机的劳动强度和条件。

因为元件操控可以微动，所以作业比较安稳，从而改进了起重机的安装精度，提高了作业质量。

在经济上的长处

液压传动的起重机，构造上简单实现标准化，通用化和系列化，便于大量量生

产时采纳先进的工艺方法和设备。

一般采纳矿物油为工作介质，相对运动面可自行

润滑，使用寿命长此种起重机作业效率高，辅助时间短，因此提高了起重机总使用

时期的利用率，对加快实现四个现代化大有好处。

主要弊端

（1）液压传动不可以保证严格的传动比，这是因为液压油的可压缩性和

泄漏造成的。

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（2）工作性能易受温度变化的影响，所以不宜在很高或很低的温度条件下工作。

（3）因为流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。

假如办理不妥，泄

漏不但污染场所，并且还可能惹起火灾和爆炸事故。

（4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上要求较高，所以它的造价高，且对

油液的污染比较敏感。

比方调试时出现阀卡现象，溢流阀卡造成液压系统无压力失

去动作，方向阀卡以致方向阀不可以换向，某一动作丧失等各种现象。

1.4本设计的内容

发掘机液压系统方面的技术多种多样，本文主要经过外国几种有名品牌的发掘机液压系统为参照对象，对其现有的要点技术和控制方式进行比较和研究，做出以下设计。

（1）发掘机液压系统技术发展动向的解析研究

大量采集国内外发掘机液压系统方面的相关技术资料，系统认识发掘机液压系统的发展历史。

解析总结发掘机液压系统方面的研究现状和技术发展动向。

（2）液压发掘机整体构造及工作过程解析

对液压发掘机一个工作循环中的四种工况一发掘工况、满斗举升辗转工况、卸载工况和卸载返回工况进行了详细的解析，总结了每个工况下各执行机构的主要复

合动作。

依据液压发掘机的主要工作特色，系统地总结了发掘机液压系统设计要求、动力性要乞降操控性要求。

（3）WY100发掘机液压系统的设计

解析了传统发掘机液压系统中的单泵定量系统、双泵定量系统和双变量泵液压系统，详细解析了其主要长处和存在的问题。

本文在解析研究了发掘机液压系统的基础上，依据发掘机液压系统的设计要求，设计了一套适合我国生产制造的单斗发掘机液压系统。

本设计旨在采纳通用的多路阀系统，配以专用控制阀和简单的伺服控制系统。

（4）WY100液压发掘机斗杆油缸设计

依据现有WY100型液压发掘机工作及性能参数，联合当前掌握的知识，对该型号液压发掘机斗杆油缸进行设计。

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第2章液压发掘机的构造与传动原理

2.1液压发掘机整机构成

液压发掘机可分为：

动力系统、机械系统、液压系统、控制系统。

液压发掘机作为一个有机整体，其性能的好坏不但与工作装置机械零零件性能相关，还与液压系统、控制系统性能相关。

油缸（动臂、铲斗、斗杆）

液压传达路线：

发动机→联轴器→液压泵→多路阀→辗转马达

行走马达

动力系统

发掘机工作的主要特色是环境温度变化大，灰尘污物许多，负荷变化大，常常

倾斜工作，保护条件差。

所以液压发掘机原动力一般由柴油机供应，柴油机拥有工

作靠谱、功率特征曲线硬、燃油经济等特色，符号发掘机工作条件恶劣，负荷多变

的要求。

发掘机的额定负荷与汽车。

拖沓机不一样，汽车和拖沓机指在最高转速下、

连同机油泵、发电机等必需附件，巧分钟内的最大功率;发掘机是指在额定转速下一

小时以上的额定功率。

发掘机采纳车用柴油机时，最大功率指数降低。

机械系统

液压发掘机的机械系统部分是完成发掘机各项基本动作的直接执行者，主要包

括：

行走装置是整个机器的支撑部分，承受机器的所有重量和工作装置的反力，同

时能使发掘机作短途行驶。

依据构造的不一样，分履带式和轮胎式。

辗转机构使发掘

机上车环绕中央辗转轴作360°的辗转的机构，包含驱动装置和辗转支撑。

工作装置

是发掘机完成本质作业的主要构成部分，常用的有反铲、正铲、装载、起重等装置，

而同一种装置可以有多种构造形式，前方所述的反铲装置应用最为广泛。

液压系统

液压发掘机的辗转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，原动机驱

动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀。

经过司机的操控，将压力油单

独或同时送往液压执行元件（液压马达和液压油缸）驱动执行机构工作。

液压发掘机

的主要运动有整机行走、转台辗转、动臂起落、斗杆收放、铲斗转动等。

这些运动

都靠液压传动。

依据以上工作要求，把各液压元件用油管有机地连接起来地组合体

既是液压发掘机地液压系统。

该系统地功能是把发动机地机械能以油液为介质，利

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用油泵转变成液压能，传递给油缸、油马达等转变成机械能，再传动各执行机构，

实现各种运动和工作过程。

液压系统设计得合理与否，对发掘机的性能起着决定性

的作用。

相同的元件，若系统设计不一样，则发掘机性能差异很大。

液压系统习惯上

按主油泵的数目、功率调理方式和回路的数目来分类。

控制系统

液压发掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件（液压缸、液

压马达）等进行控制的系统。

电子技术和计算机技术的飞速进步，使发掘机有了越来

越先进的控制系统，使液压发掘机向高性能、自动化和智能化发展。

当前发掘机研

究要点正逐渐向智能化机电液控制系统方向转移。

2.2液压发掘机构造

液压发掘机构成

为了实现液压发掘机的各项功能，单斗液压发掘机需要两个基本构成部分，即

机体（或称主机）和工作装置。

机体是完成发掘机基本动作并作为驱动和操控发掘机

进行工作的基础，可以是履带牵引车辆或轮式牵引车辆。

可细分为行走装置、辗转

装置、液压系统、气压系统、电气系统和动力装置。

此中动力装置、操控机构、回

转机构和辅助设备均可在辗转平台上，总称上车部分，它与行走机构（又称下车部分）

用辗转支撑相连，平台可以环绕中央辗转轴作360°的全辗转。

工作装置依据工作性

质的不一样，可装备反铲、正铲、装载、起重等装置，分别完成发掘、装载、抓取、

起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清沟等工作。

发掘机的基天性能决定于各部分的

构造、性能及其综合的成效。

单斗反铲液压发掘机

反铲装置主要用于发掘停机面以下的土壤。

斗容量小于的中小型液压发掘

机平时采纳反铲装置，它分为整体臂式和组合臂式。

此中长久作业条件相似的发掘

机反铲装置大多采纳整体鹅颈式动臂构造。

采纳这类动臂有益于加大发掘深度，且

构造简单、价格便宜。

刚度相同时，其重量比组合动臂轻，是当前应用最广泛的液

压发掘机工作装置构造形式。

铰接式反铲是单斗液压发掘机最常用的构造型式，动臂、斗杆和铲斗等主要部

件相互铰接，在液压缸的作用下各零件绕铰接点摇动，完成发掘、提高和卸土等动

作。

以下图，整体鹅颈式动臂反铲发掘机工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗

杆、斗一杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等构成。

装置各运动零件之

间所有采纳销轴铰接，以动臂油缸来支撑和改改动臂的倾角，经过动臂油缸的伸缩

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可使动臂绕下。

铰点转动实现动臂的起落。

斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂相对角度。

当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。

铲斗与斗杆前端铰接，并经过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。

为增大铲斗的转角，平时采纳摇臂连杆机构来和铲斗联。

图液压发掘机简图

液压发掘机工作循环过程

第一液压发掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运输车辆

倒车、调解，停靠在发掘机的侧方或后方。

发掘机司机扳动操控手柄，使辗转马达

控制阀接通，于是辗转马达转动并带动上部平台辗转，使工作装置转向发掘地点，

在执行上述过程的同时操控动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂降落，

直至铲斗接触地面，而后司机操控斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使二者的大腔进

油，配合动作以加快作业进度，进行复合动作的发掘和装载：

铲斗装满后将斗杆油

缸和铲斗油缸的操控手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操控动臂油缸换向

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阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提高，举起装满土的铲斗走动工作面，随即扳

动平台展变换向阀手柄，使上部平台辗转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操控斗

杆油缸使铲斗高度稍降一些，并在适合的高度操控铲斗油缸使铲斗卸土。

土方卸完

后，使平台反转并降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。

2.3液压发掘机传动原理

液压发掘机采纳三组液压缸使工作装置拥有三个自由度，铲斗可实现有限的平

面转动，加上液压马达驱动辗转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再经过行走

马达驱动行走（移位），使发掘空间可沿水平方向获取间歇地扩大，从而满足发掘作

业的要求。

l—铲斗；2—斗杆；3—动臂；4—连杆；5、6、7—液压油缸；8—安全阀；9—分配阀；10—油

箱；1l、12—油泵；13—发动机；Ⅰ—发掘装置；Ⅱ-辗转装置；III－行走装置

图液压发掘机传动表示图

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液压发掘机传动表示图，如图所示，柴油机驱动液压泵，操控分配阀，将高

压油送给各液压执行元件（液压缸或液压马达）驱动相应的机构进行工作。

液压发掘机的工作装置采纳连杆机构原理，各部分的运动经过液压缸的伸缩来

实现。

反铲工作装置由铲斗1、斗杆2、动臂3、连杆4及相应的三组液压缸5、6、

7构成。

动臂下铰点铰接在转台上，经过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。

依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动；而铲斗铰接于斗杆前端，经过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。

发掘作业时，接通辗转马达，转动转台，使工作装置转到发掘地点，同时操控动臂缸小腔进油使液压缸回缩；动臂降落至铲斗触地后再操控斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行发掘和装载工作。

铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操控动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通辗转马达，使工作装置转到卸载地点，再操控铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。

卸完后，工作装置再转至发掘地点进行第二次发掘循环。

在本质发掘作业中，因为土质状况、发掘面条件以及发掘机液压系统的不一样，反铲装置三种液压缸在发掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。

总之，液压发掘机是由多学科、多系统构成的有机整体，只有在系统层面上的各系统、各学科共同优化才能获取发掘机整机的最正确性能。

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第3章发掘机工况解析及液压系统设计

要认识和设计发掘机的液压系统，第一要解析液压发掘机的工作过程及其作业要求，掌握各种液压作用元件动作时的流量、力和功率要求以及液压作用元件互相配合的复合动作要乞降复合动作时油泵对同时作用的各液压作用元件的流量分配和功率分配。

3.1液压发掘机的工作解析

液压发掘机的作业过程包含以下几个动作（如图1.1所示）：

动臂起落、斗杆收放、铲斗装卸、转台辗转、整机行走以及其余辅助动作。

除了辅助动作（比方整机转向等）不需全功率驱动之外，其余都是液压发掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。

因为液压发掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特别要求：

（1）实现各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化，所以，要求液压缸和液

压马达的压力和流量也能相应变化；

（2）为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间，工作过程中常常要求有两个

主要动作（比方发掘与动臂、提高与辗转）同时进行复合动作。

液压发掘机一个作业循环的构成和动作的复合主要包含：

（1）发掘：

平时以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行发掘，也许二者配合进行发掘，所以，在此过程中主若是铲斗和斗杆的复合动作，必需时，配以动臂动作。

（2）满斗举升辗转：

发掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提高，同时辗转液压马达使转台转向卸土处，此时主若是动臂和辗转的复合动作。

（3）卸载：

转到卸土点时，转台制动，用斗杆液压缸调理卸载半径，而后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。

为了调整卸载地点，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。

（4）空斗返回：

卸载结束，转台反向辗转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的发掘点，此时是辗转和动臂或斗杆的复合动作。

发掘工况解析

发掘过程中主要以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别单独进行发掘，也许二者复合

动作，必需时配以动臂液压缸的动作。

一般在平坦土地或切削斜坡时，需要同时操控动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线

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运动，如图，3.2所示。

此时斗杆回收，动臂抬起，希望斗杆和动臂分别由独立

的油泵供油，以保证相互动作独立，互相之间无搅乱，并且要求泵的供油量小，使

油缸动作慢，便于控制。

假如需要铲斗保持必定切削角度并依据必定的轨迹进行切

削时，也许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，如图，3.4所示。

图斗尖沿直线平坦土地图图斗尖沿直线切削斜坡图

图铲斗底压整地面图图铲斗底保持必定