半岛官方网站挖掘机论文doc摘 要 挖掘机作为我国工程机械的主力机种,被广泛应用于各种各样的施工作业中.挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计,由于挖掘机的工作条件恶劣,要求实现的动作复杂,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最为复杂的.因此,对挖掘机液压系统的分析研究对推动我国挖掘机发展具有十分重要的意义.在全面搜集了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上,了解了挖掘机液压系统的发展历史,并对挖掘机液压系统的技术发展动态进行了分析总结.论文对挖掘机的各种工况进行了分析,系统总结了挖掘机液压系统的设计要求.文中还以现代、林德、小松等著名品牌的挖掘机液压系统为研究对象,深入分析了负流量控制系统和负载敏感压力补偿液压系统的控制原理,并着重对负载敏感压力补偿技术进行了分析研究.根据挖掘机液压系统的设计要求,论文中还创新地采用通用多路阀,配以专用控制阀和简单的电子控制系统,设计了一套适合我国生产制造的 挖掘机液压系统负载敏感压力补偿系统参数获得动态特性试验静态试验台设计制造试验方案依据参数选择控制特性验证仿真软件AMEsim，国际数学模型参考生产制造电子控制系统控制阀 多路阀 Abstract Chinas construction machinery excavator as the main aircraft types, are widely used in various construction operations. Excavator products core technology is the hydraulic system design, due to poor working conditions and excavators, the action required to achieve complex, so Hydraulic system design made it a high demand, the hydraulic system, hydraulic system is the most complex. Therefore, a systematic analysis of hydraulic excavators in promoting the development of Chinas excavator is of great significance. in full excavator hydraulic system at home and abroad to collect information based on the understanding of the history of development of hydraulic excavators, Excavator hydraulic system and the technical developments were summarized. Papers on the excavators various work conditions were analyzed, the system summarizes the excavator hydraulic system design requirements. The article also modern, Linde, Komatsu, and other famous brand excavator hydraulic system for the study, in-depth analysis of the negative flow control system and load sensing hydraulic system control theory, and focus on the load sensing techniques were analyzed. According to excavator hydraulic system design requirements paper also innovative use of common multi-way valve, together with the special control valves and a simple electronic control system, design a set for production in China Key words: excavator, hydraulic system, load sensing and pressure compensation, system parameters, access, dynamic test, static, test bed design and manufacture, testing programs, the basis for parameter selection, control features, verification, simulation software, AMEsim, International, mathematical model, reference, manufacturing, electronic control systems, control valves, multiple valves 目 录 前言 2 1绪论 3 1.1轮式液压挖掘机的市场分析 3 1.2轮式液压挖掘机国内外概况 4 2轮式液压挖掘机的工作原理与总体结构 7 2.1工作原理 7 2.2总体结构 9 3液压系统 17 3.1液压系统的组成 17 3.2.液压系统的类型 18 3.3挖掘机对液压系统的要求 21 4液压挖掘机的液压控制系统 23 4.1液压泵的控制系统 24 4.2液压控制阀控制系统 1 4.3执行元件控制系统 3 5轮式液压挖掘机液压系统设计 3 5.1技术要求 4 5.2系统主要参数的确定 7 5.3系统方案的拟定 7 5.4液压系统的初步计算 9 5.5液压系统工作原理 17 6液压技术发展趋势 17 7结论 18 9参考文献 23 轮胎式液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，并作为工程机械的主力机种。由于轮胎式液压挖掘机具有行走速度快，不损坏路面，能远距离自行转场，可快速更换多种作业装置多品种，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，其生产制造业也日益蓬勃发展。此型挖掘机主要有发动机、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置和电器控制等部分组成。本论文由两大部分组成，包括工作装置和液压系统 挖掘机的主要工作就是土壤的挖掘。工作装置是直接完成挖掘任务的装置，许多挖掘机发达的国家广泛采用新技术、新方法来不断地提高液压挖掘机的作业性能和生产率。通过通用性及专业的挖掘机工作装置设计方法，进行工作装置的全面计算机通用性设计研究对推动国内挖掘机发展具有十分重要的意义。 挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作复杂，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最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析研究对推动国内挖掘机发展同样具有十分重要的意义。 近年来随着我国经济建设步伐的加快和工程机械的发展，轮式液压挖掘机在产量、品种和技术水平等方面有了一定的发展。从市场需求分析，估计近几年会有一定的增长，主要品种仍会以中、小吨位产品为主。目前我国生产轮式液压挖掘机的企业有10家左右，其中有3家合资公司如中美合资贵州詹阳机械工业有限公司(詹阳工业)国内市场对工程机械需求量受全社会固定资产投资影响较大，与投资方向关系更为密切。现代工程机械几乎都采用了液压系统，并且与电子系统、计算机控制技术结合，成为现代工程机械的重要组成部分,怎样设计好液压系统,是提高我国机械制造业水平的一项关键技术 1.绪论 1.1轮式液压挖掘机的市场分析 挖掘机是用来开挖土壤的施工机械，主要用于筑路工程中的堑壕开挖，建设工程中开挖基础，水利工程中开挖沟渠、运河和疏浚河道，在采矿场、露天开采等工程中剥离和矿石的挖掘等。它是用铲斗上的斗齿切削土壤并装入斗内，装满土后提升铲斗并回转到卸土地点卸土，然后再使转台回转、铲斗下降到挖掘面，进行下一次挖掘。据统计，工程施工中约60﹪的土石方量是挖掘机来完成的，此外挖掘机在更换工作装置后还可进行浇筑、起重、安装、打桩、夯土和拔桩等作业。 ????轮式液压挖掘机是轮胎行走、周期作业、建筑型的挖掘机，铲土运输机械中的机种之一。它行走速度快、能远距离自行转场及可快速更换多种作业装置，以其机动、灵活、高效的鲜明特点在机场、港口、油田、矿藏、城乡建设、农田水利、快速抢修等的物料挖掘、搬移方面得到充分利用。近年来随着我国经济建设步伐的加快和工程机械的发展，轮式液压挖掘机在产量、品种和技术水平等方面有了一定的发展。从市场需求分析，估计近几年会有一定的增长，主要品种仍会以中、小吨位产品为主。目前我国生产轮式液压挖掘机的企业有10家左右，其中有3家合资公司如中美合资贵州詹阳机械工业有限公司(詹阳工业)国内市场对工程机械需求量受全社会固定资产投资影响较大，与投资方向关系更为密切。 2009年1至11月挖掘机销量曲线图 ??从图表中可以看到，前两个月挖掘机销量是直线月份达到一个销量高峰（13314），之后波动较大，到下半年开始趋向平稳。从1月到11月总体曲线看，我国挖掘机市场的大趋势是上涨，中间有些月份有不同程度的波动。其原因除了金融危机在逐步消退之外，还有我国政府出台的拉动内需的相关政策，4万亿投资计划作用最关键。14.6%，不包括中国市场的占有率为1.56%，这表明，我国的工程机械产业还属于内需型。因此在很多方面都不适应国际市场的要求。2009年挖掘机出口销量百分比如图1-2所示： 2009年1至11月挖掘机出口曲线图 ??从图表看出，挖掘机出口总体形势是稳中有升，从逐月变化幅度看，6月出口量（188）达到一个小高峰，从6月到8月下降最为厉害，之后开始逐月增加，从10月、11月数据我们似乎可以预测2010年年初的挖掘机出口会有幅度不小的增长，事实上，很多行业人士对2010年出口持乐观的心态。随着挖掘机市场的迅猛扩大，轮式液压挖掘机民用市场开始出现起色，合资、外方独资企业纷纷介入，均获得了较好的发展。 我国挖掘机行业由于政策导向的影响，得到了空前的发展壮大。但生产轮式液压挖掘机的厂家较生产履带式挖掘机的厂家要少得多。目前国内生产轮式液压挖掘机的厂家主要有詹阳工业、常州现代、泰安市嘉和重工机械有限公司等。 贵州詹阳机械工业有限公司（詹阳工业）由贵阳矿山机器厂和美国ＣＣ詹森国际有限公司共同投资组建的合资公司。其生产～ｔ级履带式挖掘机和级液压轮式液压挖掘机，以及用户需要的特别产品。轮式液压挖掘机作为詹阳工业的主产业发展产品，技术已基本趋于成熟。其发动机采用康明斯或道依茨产品，主泵为进口斜盘式轴向柱塞变量泵，组合阀及回转马达多用日本东芝或川崎产品，液压系统为双泵双回路全功率调节负流量控制系统。驾驶室及转台外围弧线形设计，外观紧凑、整洁。其行走系统采用本厂配套件，双桥驱动、两档变速。动臂有整体弯曲式和分体双臂两种，其后者独特结构在行驶时可支撑于车架上，使整机重心降低，提高了行车稳定性并具良好视野。现代(江苏)工程机械有限公司是由韩国现代集团之现代重工业株式会社与常林股份有限公司双方投资成立的合资企业,公司由现代重工控股管理,全套生产设备由现代集团引进,专业生产销售现代ROBEX系列挖掘机,6吨级、13吨级（R130W）、20吨级（R200W-5）3个基本型号，以R130W机型最多。 徐州徐挖机械制造有限公司是国内知名的专业挖掘机制造公司，公司前身为成立于1992年的徐工集团核心层之一的徐州挖掘机厂。XCG140W-8轮式液压挖掘机Rexroth公司的LUDV闭芯系统、意大利DANA公司轮式液压挖掘机专用桥、摆线转阀式全液压转向器、变速箱采用意大利DANA公司的HSE07型动力液压换档变速箱半岛官方网站。相对于目前国内市场的同级别产品，XCG140W-8轮式液压挖掘机作为一款高技术起点、高性价比、高可靠性、并且有着良好操纵性能的轮式液压挖掘机，相信在投放市场后将极大地满足国内市场的中端和高端需求，从而迅速占领市场满足国内外客户的要求。 纵观国产轮式液压挖掘机产品（含詹阳工业），尽管设计制造有了长足进步，但由于设计手段的落后、开发制造投入严重不足等因素制约，同国外产品相比，在高可靠性、安全舒适性、外观造型尤其电子节能及微机控制技术方面尚存在明显差距。 神钢ITCS先进的电脑控制系统能运用电脑对机械运行进行全面控制，检测并显示各项信息。新型的A 954 C轮式液压挖掘机取代了它同级别的前一代的B系列产品。新的A 954 C挖掘机采用了全新的326马力的L D 936 L发动机，可达到Tier-3标准动力强劲，可以承载更多的重量，具有更大的举升能力。瑞典Volvo?EW系列轮式液压挖掘机的功率增强按钮、功能先进的ACS控制系统、内置Con-tronic模式选择系统、独创C驾驶室等使该系列产品具有大功率、性能超群、生产率高的优点。 英国JCB的JS145W（135～15t级）、JS175W（18t级）新型轮式液压挖掘机均采用ISUZU喷柴油机、E专用驾驶室和AMC电子监控系统，全系列产品统一安装自动闭锁式工作装置。韩国大宇独有EPOS自动控制系统、三种工作模式/三种功率模式可适应不同工况下的作业要求美国Gradall最近推出的新型XL3300伸缩臂式轮式液压挖掘机最大质量为，装备有该公司自行研制的高压、载荷传感式液压装置，能够在桥下、树干下和隧道内进行低空作业；伸缩式吊杆能够倾斜至220°，其独特的工程系统挖掘力强大、循环时间短，可以快速完成路面转移、拆除和大规模的挖掘工程。XL系列轮式液压挖掘机无须进行选择作业模式等的估测工作，而自动适应操纵工作，还可以自动节省燃料。美用1285轮式液压挖掘机主要用于陆军、海军陆战队等各种工程保障作业中的挖掘作业及辅助的装卸作业，其作业装置除挖斗外还有一前置装载铲斗，该机经美国陆军、空军和海军陆战队试用后已大批量生产。 俄罗斯科夫罗夫挖掘机厂的新型ЗО-4328轮式液压挖掘机是继ЗО-4228履带式挖掘机之后的第二种“科夫罗夫”的新系列产品，其技术参数比基辅和特维尔挖掘机厂生产的类似机器的参数要高。它的上部与ЗО-4228完全相同，配置有工作装置、回转平台、驾驶室、液压油箱和燃油箱、配重、发动机装置、蓄电池室和机罩系统等，最大限度地借用了动力和控制系统、电气设备和驾驶室设备。其液压系统的油冷却器安装在带有柴油发动机散热器的一个装置上，为驾驶室创造了舒适的条件。操纵台上装有倒车、停车制动器接合、铰接支承车轮转向电子控制辅助设备等。驾驶室地板上装有行驶踏板控制装置、工作制动器和辅助设备，转向操纵杆可向前倾，使驾驶员自由通行到工作地点。其行走装置由行走车架、铰接支承、推土铲、桥、变速器等组成。行走车架有两种构造形式，带两个铰接支承和推土铲或者带四个铰接支承，其中间部分是箱形焊接结构，在1?600mm回转支承装置的下方有焊接在车架上的齿圈。行走装置采用MЗKT?ZF或ИЗTM生产的桥，前桥借助于纵轴平衡地固定在行走车架上，在挖掘机行驶时处于浮动位置，当接合变速器时前桥的平衡器就会自动地转到锁定位置；后桥与行走车架刚性连接；前后桥均为驱动桥和转向桥，因此挖掘机具有较高的通过性和机动性。液压转向系统能够仅使前桥转向或者同时使前后桥转向，在这种情况下车轮既可在一个方向（斜线运动）上转向，也可反方向转向。前后桥通过两挡变速器由可调来传动。可以看出，这些产品在保证整机先进性能、高可靠性的同时，在节能、环保、安全、信息化方面都有出色的表现，引领着轮胎挖掘机技术发展的潮流。液压单斗反铲轮胎挖掘机由柴油机或电动机驱动液压主泵，产生高压油输送到多路阀，由先导控制阀操纵经多路阀送往有关液压执行元件（液压缸或等），驱动相应机构进行工作。 回转一般由马达驱动行星减速机小齿轮与座式安装的回转支承内或外齿啮合，实现转台360全回转或液压缸作用的限角度回转。工作装置往往需要设置两个以上复合动作以及动臂、斗杆动作的合流，以充分利用发动机功率和缩短作业循环时间。 现代轮式液压挖掘机的行走一般采用液压－－机械传动，即高压油由中心回转体至行走直接驱动变速箱，再经传动轴、驱动桥驱动车辆的行走。行走速度一般分为高低两档或多档位，低档为工作或越野时行走速度，高档为公路行走速度。由于使用变量液压机构，从而实现行驶速度与牵引力的无级变化。液压轮式液压挖掘机的主要结构由工作装置、驾驶室、回转机构、动力装置、传动操纵机构、底盘和辅助设备等组成。工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗和连杆等部分组成，动臂主要有鹅颈整体弯曲式和液压作用分体多节动臂，铲斗按其工作方式有正铲、反铲、拉铲、抓铲等几种形式，反铲斗多节动臂形式在国外同类产品中已得到广泛应用。驾驶室、动力装置和辅助设备等都安装于可全回转的平台上，通称为上部转台。轮胎底盘由车架、支撑、变速箱、、前后桥和轮胎等组成，与回转体装配。 图2-1 JYL80液压挖掘机 3.液压系统 3.1液压系统的组成 工程机械液压传动系统和机械传动系统、电力传动系统一样，是工程机械整机传动系统中一种重要的传动系统之一。工程机械液压传动系统可以是不一样的，但它总是由一些基本液压回路组成。每个液压基本回路在系统中一般只用来完成某一项作用，例如调压、减压、增压、卸荷、缓冲补油等压力回路，调速、限速、制动、同步等调速回路，换向、顺序、锁紧、浮动等换向回路等。这些液压传动系统基本回路又是由有关的液压元件组成。 以液体为工作介质，主要利用液体压力传递和控制能量的传动叫液压传动。液压传动的工作原理就是利用液体的静压能对原动机的能量进行控制，并传递到工作机构，液压传动系统不仅可以传递力，而且可以传递位移和速度。液压传动有两个工作特征：力或力矩的传递符合帕斯卡压强传递原理；运动、速度、位移等的传递符合容积变化相等的原则。而且这两个特征是独立存在的。 液压传动系统，除以液体为传动介质外，通常由以下四部分组成： 动力元件——把机械能转化为液体压力能的元件。最常见的形式是液压泵，它为液压系统提供压力油。 执行元件——把液体的压力能转化为机械能的液压元件。在液压系统中最常见的是作直线往复运动的液压缸或作回转运动的。 控制调节元件——对液压系统的压力、流量和液流方向进行控制或调节的元件。液压系统中的液压控制阀均为控制调节元件。 辅助元件——上述三部分以外的元件。例如，液压系统中的油箱、油管、管接头、滤油器和冷却器等均为辅助元件，它们对保证系统的正常工作也有重要作用。 3.2液压系统的类型 根据不同的分类方法，液压系统有不同的形式 3.2.1按油液循环方式的不同，液压系统可分为开式系统和闭式系统 开式系统是指液压泵从液压油箱吸油，通过换向阀给液压缸或供油以驱动工作机构，液压缸或的回油再经换向阀流回液压油箱。其系统原理如图3-1（a）所示： 在闭式系统中，液压泵的进油管直接与执行元件的回油管相联，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。其系统原理如图3-1（b）所示： 图3-1 系统原理图 a.开式系统 b.闭式系统 3.2.2按系统中液压泵的数目，系统可分为单泵系统、双泵系统和多泵系统。 由一个液压泵向一个或一组执行元件供油的液压系统，即为单泵系统。 双泵液压系统实际上是两个单泵系统的组合。每台泵可以分别向各自回路中的执行元件供油。每台泵的功率是根据各自回路中所需要的功率而定，可以保证进行复合动作。 多泵系统把不同的回路组合在一起，以获得主机最佳的工作性能。 3.2.3按所用液压泵形式的不同，系统可分为定量系统和变量系统。 采用定量泵的液压系统称为定量系统，定量系统中所采用的液压泵为齿轮泵、双作用叶片泵或固定斜盘的柱塞泵。 变量系统中所用的液压泵为恒功率控制的轴向柱塞泵。 3.2.4按调速方法不同分为有级调速，无级调速和复合调速系统。 工程机械液压传动系统可以在保持原动机的功率和转速不变的情况下，方便的实现大范围的调速。调速的方法：只要改变进入执行元件的流量或改变液压泵和的排量即可。 3.3挖掘机对液压系统的要求 液压挖掘机的动作复杂，凡要机构经常启动、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，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负载变化大、急剧的振动冲击作用下，具有足够的可靠性。 3）调协轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时液压油温不超过80度，或温升不超过45度。 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低，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。 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。 液压挖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、）等所构成的动力系统进行控制的系统。按控制功能，可分为位置控制系统、速度控制系统和力（或压力）控制系统；按控制元件，可分为发动机控制系统、液压泵控制系统、多路换向阀控制系统、执行元件控制系统和整机控制系统。 ??? 目前，液压挖掘机控制系统已发展到复合控制系统。对液压泵的控制都是通过调节其变量摆角来实现的。根据控制形式的不同，可分为功率控制系统、流量控制系统和组合控制系统等三大类。其中的功率控制系统有恒功率控制、总功率控制、压力切断控制和变功率控制等；流量控制系统有手动流量控制、正流量控制、负流量控制、最大流量二段控制、负荷传感控制和电气流量控制等；组合控制系统是功率控制和流量控制的组合控制。 式中：N为泵的输入功率；n为泵的转速；M为泵的扭矩；p为泵的出口压力；Q为泵的输出流量；q为泵的排量；η为泵的总效率。 由上式可知，当泵的转速n不变时，功率控制实际上就是扭矩的控制。扭矩不变是恒功率控制，扭矩变化是变功率控制。 各种功率控制形式、控制曲线流量控制系统 式中：ηv 为泵的容积效率 有式可知，当泵的转速n不变时，流量Q的控制实际上是泵排量q的控制 其各种流量控制形式、控制曲线组合控制系统 目前，液压挖掘机的液压泵控制系统大多采用功率控制和流量控制的组合控制系统，而很少采用单一控制形式的控制系统。典型的控制回路有正流量控制回路；负流量控制回路；负流量控制、压力切断控制和总功率控制回路。 (1)正流量控制回路 正流量控制是指随着先导控制压力的提高，泵摆向较大的排量。即主泵排量与控制压力成正比控制压力为零时，执行元件不作，主泵的斜盘角度很小，排量很低；当操作手柄动作时，系统的先导压力由小变大，控制压力同时作用于主泵的变量机构和换向阀的一端，则主泵排量增大，执行元件的运动速度变快主泵排量与控制压力成比OLSS系统原理图 成。主甭体包括泵本体、PC阀和LS阀。 图4-4.CLSS系统原理图 4.2 液压控制阀控制系统 4.2.1先导型控制系统 换向控制阀的控制形式有直动型（用手柄直接操纵换向阀主阀芯，目前少用）和先导型两种。后者是用先导阀控制先导油液，再用先导油液控制换向阀的主阀芯，它又分为机液先导型和电液先导型两类。 负荷传感控制系统包括负荷传感控制阀和负荷传感控制泵（或定量泵）。阀控系统实质上是节流式系统。在液压挖掘机上，目前常用的是一般的三位六通多路阀，其滑阀的微调性能和复合操作性能差。20世纪90年代以来，在液压挖掘机上开始采用负荷传感控制系统，其控制不论是中位开式方式还是中位闭式方式，都附带有压力补偿阀。? 完全负荷传感控制系统由负荷传感控制阀和负荷传感控制变量泵组成。上述的负荷传感控制阀只解决了滑阀的微调性能和复合操作性能，而没有解决节省能源问题。定量泵和负荷传感控制阀的系统也没有节省能源消耗，因为泵所输出的流量超过执行元件（液压缸和）所需要的流量时，多余的油液经压力补偿阀流回油箱（为保持压差恒定）变为热能。只有完全负荷传感控制系统才能解决节省能源问题。德国力士乐公司等（包括Atlas公司、Eder公司）在其生产的液压挖掘机上设置了负荷传感分流器LUV（Lastdruck--Unabhaengigen Durchfluss--Verteilung)系统，所谓控制系统，即是指负载独立流量分配系统，该系统以执行元件的最高负载压力来控制液压泵的斜盘并具有压力补偿功能，这种功能是通过设在主阀芯后的压力补偿阀来实现的。当执行元件所需的流量大于液压泵所能提供的流量时，系统将按比例把液压泵所提供的流量分配给各执行元件，而不是流向较低负载压力的执行元件。 4.3执行元件控制系统 4.3.1行走自动二速系统 行走自动二速系统只有在行走速度转换开关处于二速位置时才具有此功能。此时，其信号使行走二速电磁阀换向；与此同时，通过二速用伺机服缸使行走马达处于二速位置，挖掘机可高速行走。 另外，控制选择阀还受行走压力的作用，在上坡等负载大的时候，控制选择阀向一速的一侧换向；二速用伺服的控制油压卸荷，使行走马达自动向一速位置转换，驱动力增大。挖掘机在平地上行走及下坡行走等工况时，行走阻力变小，控制选择阀再换向，对二速用伺服缸作用，行走马达自动地又回到二速位置上，使控制机高速行走。其工作原理如图4-6所示： 图4-6.行走二速系统 4.3.2转台回转摇晃防止机构 转台回转摇晃防止机构是挖掘机转台回转停止后消除其摇晃的机构，其工作原理是：回转马达停止运转的过程中，反转防止阀两侧受卸荷压力作用，弹簧压缩。由于左、右压力相等，反转防止阀不能换向。其工作原理如图4-7所示： 图4-7. 转台回转摇晃防止系统 4.3.3工作装置控制系统 轮式液压挖掘机的液压系统中有五个执行元件——行走马达，转台回转马达，动臂液压缸，斗杆液压缸，铲斗液压缸。为了提高挖掘机的生产率和节省能源消耗，在挖掘机的挖掘装载过程中，需要回转马达和三种液压缸协调动作，即工作装置控制系统应具备如下三项功能： （1）控制机控制功能。铲斗沿水平面或与水平面成一定角度的直线运动，圆弧运动；任意轨迹运动。 （2）装载挖掘功能。完成满斗提升、回转和卸载。在这一过程中要求铲斗相对于地平面保持开始提升时的角度，以防止铲斗内物料在提升过程中撒落。 （3）复位控制功能。卸载后通过动臂、斗杆、铲斗和回转等四个动作的联动，使铲斗恢复到开始挖掘的位置。 上述挖掘机工作装置的控制形式有机液控制和计算机控制等两种方式。 5.轮式液压挖掘机液压系统设计 5.1 技术要求 欲设计一个轮式液压挖掘机的液压系统，由于液压挖掘机的动作复杂液压系统满足如下要求1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以互相配合实现复合动作。 2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能作复合动作，以提高挖掘机的生产率。）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。 ）保证挖掘机工作安全可靠，且各执行元件（液压缸、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带下降和整机超速溜坡。 节流调速回路 容积调速回路 容积节流 调速回路 用节流阀 用调速阀 限压式 ? 进回油 旁路 进回油 旁路 ? 机械特性 速度稳定性 较差 差 好 较好 好 承载能力 较好 较差 好 较好 好 调速范围 较大 小 较大 大 较大 功率特性 效率 低 较高 低 较高 最高 较高 高 发热 大 较小 大 较小 最小 较小 小 适用范围 小功率、轻载的中、低压系统 大功率、重载高速的中、高压系统 中、小功率的中压系统 根据表5-3，在此次设计的系统中，行走和回转部分采用容积调速回路。原因是：容积调速中既没有溢流损失，也没有节流损失，系统发热低，调速范围大、效率高。变量泵和变量马达组成的调速回路工作原理如图5-2所示： 图5-2.变量泵和变量马达组成的容积调速回路 (4)回路方案如图5-3所示： 图5-3. 回路方案图 5.4 液压系统的初步计算 已知参数如下： 发动机功率 P=60KW 发动机转速 n=2200rpm 机械总重 G=8吨 行走速度 v=0-30km/h 回转速度 v=0-10r/min 动臂油缸推力 F=275KN 斗杆油缸推力 F=200KN 铲斗油缸推力 F=160KN 推土铲有缸推力 F=275KN 5.4.1 液压泵参数的确定 液压泵是能量转换装置，是液压系统的动力元件，把原动机的机械能转换成液体的压力能输入到液压系统中，共液压系统使用。液压泵根据其排量是否恒定分为定量泵和变量泵；根据其结构形式，分为齿轮泵、叶片泵、轴向柱塞泵和径向柱塞泵等类型。在国外，80年代以前挖掘机主要采用的都是定量泵，到了80年代初期，挖掘机上开始应用机电一体化技术，而机电一体化首先考虑的是在提高液压挖掘机工作效率的同时减少燃油消耗，应此，最初的改进是将定量泵改成变量泵，使发动机在较好的状态下运行，目前，由于轴向柱塞泵具有密封性能好，工作压力高，容易实现变量和单位功率重量轻等优点。所以，轴向柱塞泵在液压挖掘机得到广泛应用。为此，主泵选用变量轴向柱塞泵，辅助泵采用齿轮泵。 泵的功率 : 由于系统采用一个主泵和一个辅助泵，所以要进行功率匹配，为使液压泵用足发动机的功率，假设主泵的功率N1 =49Kw,辅助泵的功率N2 =8Kw,则： 主泵的流量 ： 取系列值 式中p为主泵的压力，30MPa 主泵的排量 ： 式中η—— 液压泵的效率，η = ηv×ηm ηv ——液压泵的容积效率，取ηv = 0.95 ηm ——液压泵的机械效率，取ηm = 0.95 根据所算的参数，选用力士乐的柱塞泵，其型号为：A11VO75LRDS/10R-NSD12N00。 辅助泵的流量： 取系列值： 辅助泵的排量 ： 式中η—— 液压泵的效率，η = ηv×ηm ηv ——液压泵的容积效率，取ηv = 0.95 ηm ——液压泵的机械效率，取ηm = 0.95 根据所算的参数，选用榆次的柱塞泵，其型号为：PFE-31022 5.4.2油缸参数的确定 液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的能量转换装置。由于其结构简单，工作可靠，在挖掘机中得到广泛应用。工作液压油缸缸径根据液压油缸推力决定，由于采用高压系统，油缸的回油背压初算时可忽略不计。 动臂液压缸，F= 275000N 取系列值 D1= 110mm 斗杆液压缸，F= 200000N 取系列值 D2 = 90mm 铲斗液压缸，F = 160000N 取系列值D3 = 80mm 推土铲液压缸，F= 275000N 取系列值D4 = 110mm 变量系统具有流量调节的特性，允许以低速克服高峰负荷，假设动臂、斗杆液压缸全推力时，伸出速度降为v = 5cm/s,铲斗液压缸全推力时，伸出速度降为v = 6cm/s,则液压缸所需流量为： 动臂液压缸 ： 斗杆液压缸 ： 铲斗液压缸 ： 式中ηv —— 液压缸的容积效率，取ηv = 0.98 5.4.3行走马达参数的确定 和液压缸一样，都是把液压能装换成机械能，在液压系统中都是执行元件。按其结构形式的不同可分为齿轮式、叶片式和柱塞式。目前，柱塞式在挖掘机上应用较多。 根据液压泵的参数确定的流量，应稍大于液压泵的流量，是柴油机最高转速时不使超速。设的流量仍为165l/min,而转速n = 2000r/min. 马达的排量 ： 取系列值 q = 80ml/r 马达的最高转速 ： 式中ηv —— 马达的容积效率，取ηv = 0.98 最大输出扭矩 ： 起动扭矩 ： 式中ηm —— 马达的机械效率，取ηm = 0.9, ηm/ = 0.8 因挖掘机工作条件很差，经常在畸岖不平的土地上行驶A6VM80HAXT/63W-VZB380A+ BVD20F27S/41B-V02K16D0400S00。 5.4.4回转马达参数的确定 参考同类机型，假设转台以上总转动惯量J=40000N m s2 、回转角加速度dω/dt=0.3rad/s2 ,回转马达的工作压力P=22MPa,则挖掘机回转部分惯性阻力矩: 设回转支撑阻力矩: 则总阻力矩: 根据回转速度n = 10r/min,回转机构传动比i=120,算出回转马达的转速: 回转马达的输出力矩: 式中η—— 回转机构的效率，取η= 0.95 回转马达的排量： 取系列值q=0.0455l/r 式中ηm —— 马达的机械效率，取ηm = 0.9 则回转马达的实际最大输出扭矩: 回转马达的起动扭矩: 式中ηm —— 马达的机械效率，取ηm = 0.9, ηm/ = 0.8 根据所算参数，选用力士乐的。其型号为： GFB9T2 4000 + A10FD45 5.4.5主油管管径和油箱容量 液压挖掘机中，主管路的油液流速根据系统压力设定，一般，中高压系统为5---7m/s,取v = 6m/s,高压系统为7—12m/s,取v =10m/s.根据此计算主管路的管径： 取d = 2cm 油箱容积V可以取液压泵总流量的1—2倍，假定取1.5倍，则： V = 1.5×(165+30) = 292.5L 5.4.6多路阀的确定 多路阀根据阀的中位机能，可分为开中心和闭中心两种形式。根据阀的中位机能，挖掘机的液压系统可分为开中心系统和闭中心系统或称节流系统和LS系统。阀在中位时，进油口直接与油箱相通的系统为开中心系统阀在中位时，进油口直接被堵死的为闭中心系统阀在中位时，进油口的油分为两部分，一部分回油箱，另一部分流向执行机构，使用这种阀的液压系统称为节流系统，是目前小型液压挖掘机上比较常用的一种液压系统。 目前国外生产这种比较典型的多路阀公司有：Nabco、Kayaba、Hanil、小松、力士乐，虽然其目的都是为了控制挖掘机，但实现的方式不一样，所以设计的阀口形状和组合方式有明显的区别。力士乐公司的节流口形状比较复杂，而公司生产的阀芯的节流口相对来说比较常见，基本上都是U型、V型、L型及它们的组合。目前国内生产此类多路阀的厂家有四川长江液压件有限公司等，但由于多路阀的功能及性能限制，未能在挖掘机上得到广泛应用。9SX14H2X/ S265。 5.4.7转向器的确定 履带式液压挖掘机是通过操纵阀控制油泵对行走马达的供油方式来实现转向的，而轮胎式液压挖掘机则有自己专用的转向机构。轮胎式液压挖掘机的转向方式转向原理轮胎式液压挖掘机的转向方式有： 按整机转向型式有偏转车轮转向和折腰式转向等。 按转向机构的传动方式有机械式转向、液压助力转向、液压转向和气压助力转向等。 按转向轮位置有前轮转向、后轮转向和全转向等。转向原理 目前轮胎式液压挖掘机广泛采用偏转前轮液压转向方式，并利用反馈机械解决方向盘与转向轮之间的联锁问题。 轮胎式液压挖掘机偏转前轮液压转向是通过转向器的操纵，油泵输出的压力油经中心回转接头进入转向油缸，推动左转向节臂，使其绕转向节主销转动。通过转向横拉杆带动右转向节臂，使两侧转向轮同时偏转，从而实现转向。转向器由驾驶员操纵方向盘控制。上述转向节臂有用液压推动、液压助力推动、气压助力推动和静液压推动等几种方式，但以液压推动最为普遍。 式中n—方向盘的总圈数。当内导向轮单边转角最大（350 --500）时，方向盘单边转动量为1—2圈，车速高时，可增至2---3圈。所以取n=2. 则 根据其排量，选用镇江液压件厂有限责任公司生产的转向器，其型号为：BZZ1.3-E400*。 5.4.8液压阀的选用 选择液压阀主要根据法的工作压力和通过阀的流量。本系统工作压力为30MPa,所以液压阀都选高压阀。所选阀的规格型号见表5-4： 表5-4.8吨轮式液压挖掘机液压阀明细表 序号 名称 规格 数量 31 油源阀 MHSTE5G-1X/35-45B132W3M01 DC12V 1 7 先导控制元件 4TH6NE70-1X/ST43M01 1 9 先导控制元件 4TH6NE70-1X/ST23M01 1 34 先导控制元件 2TH6L06-1X/M01 1 8 踏板阀 1TH7QL06-1X/M01 1 28 踏板阀 LT17MFEA-4X/060-150RFOEAG24C4/02M14 1 18 切换阀 MH6WH22AG1X/003M01 1 33 电磁阀 3WE6A6X/EC12N9K4 2 32 电磁阀 4WE6J73/EG12N9K4 2 5.4.9蓄能器的选用 蓄能器是液压系统中得储能元件。它能储存一定量的压力油，并在需要时迅速地或适量地释放出来，供系统使用。蓄能器的主要作用有：1.又作辅助动力源(节能)；2.用作应急油源；3.使系统保压；4.缓和冲击，吸收压力脉动，减震。 根据公式：作辅助动力源时 式中 ： Po?充气 最大允许制动压力 前桥 44bar 后桥 50bar 最小制动压力 前桥 37.5bar 后桥 44.5bar 每个轮子制动所需流量 前桥 11毫升(新)/11.3毫升(磨损后) 后桥 11毫升(新)/11.3毫升(磨损后) 前桥制动蓄能器： 选择有效制动参数3次，则Vx=0.066 根据Po?充气 取系列值V0=1L 后桥制动蓄能器： 选择有效制动参数3次，则Vx=0.066 根据Po?充气 取系列值V0=1L 停车制动蓄能器：参考同类机型的力士乐液压系统，蓄能器的容积： V0=0.7L 油源阀蓄能器：参考同类机型的力士乐液压系统，蓄能器的容积： V0=0.32L 本系统所选蓄能器见表5-5： 表5-5.蓄能器型号 序号 规格 数量 27 NXQA-1/16-L 2 29 NXQA-0.7/16-L 1 5.4.10过滤器的确定 过滤器以前称滤油器，其功用是过滤液压油中的杂质，降低油液污染度，保证液压系统正常工作。由于液压系统的各种故障绝大多数由油液污染引起，而过滤器是保持油液清洁的主要手段，所以合理选用过滤器十分重要。本系统所选过滤器见表5-6： 表5-6.过滤器型号 序号 部位 规格 厂家 2 吸油 WU-630×100F-J 常州市遥观液压成套有限公司 3 回油 GP-A300×10Q2C 常州市遥观液压成套有限公司 先导过滤 CJS-4磁性管路过滤器 常州市遥观液压成套有限公司 5.5液压系统工作原理 整个液压系统分为上车和下车两部分。上车液压系统为旋转平台以上，有三个液压缸及液压泵、回转马达、控制阀等。下车液压系统处于底盘上，有两个支腿油缸、一个行走马达。上车液压油通过中心接头进入下车液压系统，驱动行走马达旋转，使整车行驶。液压系统原理图如图5-4所示： 图5-4. 液压系统原理图 控制系统采用德国Rexroth公司的LUDV控制系统，所谓LUDV控制系统，即是指负载独立流量分配系统，该系统以执行元件的最高负载压力来控制液压泵的斜盘并具有压力补偿功能，这种功能是通过设在主阀芯后的压力补偿阀来实现的。当挖掘机2个执行元件同时作业时（复合动作），假定压力F1F2 ，则P1P2，故梭阀6自动选取P2作为控制压力（虚线）。此时，压力补偿阀不动作，P2= P2＇，压力补偿阀3在控制压力P2的作用下，产生△P3 =P2 - P1＇，从而使P1＇增加，最终P1＇=P2 =P2＇，这样，△P=△P1=△P2= Pp - P2 ，在P1、P2不等的情况下，保持了△P恒定，避免了执行元件（小负载F1）流量的增加，确保了执行元件工作速度平稳。 当挖掘机执行元件负载较小时，如果泵的排量未达到额定排量（未饱和），△P不因负载大小改变而改变，则QV 与A成正比，与负载无关，确保了执行元件速度稳定。 当挖掘机执行元件负载较大时（饱和状态），如图所示。泵排量Qmax=100 L/min，执行元件1、执行元件2的需求流量之和超过泵的最大流量时，则泵的流量Qmax按比例100（80+50）=0.77重新分配给执行元件，即Q1实际=80×0.77=61.5 L/min，Q2实际=50×0.77=38.5 L/min，这样，尽管执行元件1、执行元件2负载增加，但其作业速度仍维持稳定。 该液压系统主要由主泵供油，主泵输出的液压油经主控阀驱动回转马达、动臂缸、斗干缸、铲斗缸、行走马达。辅助泵输出的液压油经油源阀进入先导控制系统和转向系统。 行走马达采用变量马达，它可以根据道路阻力或上坡等工况自动调节输出扭矩。因而挖掘机的行走速度具有无级调节功能。 在工作过程中，动臂、斗杆都有可能发生重力超速现象，故在回路中采用了限速措施(如图中所示)，行走马达在下坡时也会产生重力超速现象，为防止超速溜坡，在回路中设置了限速阀。 为了防止马达出现“热冲击”现象，在马达壳体内引出一个油口直接与油箱相通，使马达壳体内保持一定的循环油，从而使马达各零件内外温度和液压油温保持一致。所谓的“热冲击”现象是指进入内部(柱塞腔、配油轴内腔)和马达壳体内(泄漏低压油)的液压油的温度不一致，使马达各零件膨胀不等，会造成密封滑动面卡死。 液压系统还采用了转台回转摇晃防止机构其工作过程是：回转马达停止运转后B口侧压力比A口侧高，对回转马达产生反力作用，回转马达摇晃，此时A口侧压力比B口侧的高，对反转防止阀产生压力。由于阀中有节流孔，产生时间滞后，滑阀向右移动，从而使A口与B口联通、压力相等。因此，转台回转摇晃仅一次而已。 6.液压技术发展趋势 液压技术是一门即古老又新兴的技术，它以液体为工作介质进行能量的传递。这种液体传动因工作原理的不同，又可分为液压传动和液力传动。液压传动以液体的压力能为基本能量形式，有控制地进行能量的转换与传递，液压传动由液压泵将原动机的机械能转变成流动液体的压力能，经控制、调节元件，由执行元件将液体的压力能变为工作机构所需要的机械能输出，因此液压传动伴随着两次能量转换过程。液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。世界液压元件的总销售额为350亿美元。据统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的2%~3.5%，而我国只占1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低，努力扩大其应用领域，将有广阔的发展前景。液压技术具有功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动等优点。但是近年来，液压技术面临与机械传动和电气传动的竞争，如：数控机床、中小型塑机已采用电控伺服系统取代或部分取代液压传动。其主要原因是液压技术存在渗漏、维护性差等缺点。为此，必须努力发挥液压技术的优点，克服缺点，注意和电子技术相结合，不断扩大应用领域，同时降低能耗，提高效率，适应环保需
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