半岛官方网站挖掘机论文分析和总结pdf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 关键字： 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, 1 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 2 目 录 前言 2 1 绪论 错误！未定义书签。 1.1 轮式液压挖掘机的市场分析 错误！未定义书签。 1.2 轮式液压挖掘机国内外概况 错误！未定义书签。 2 轮式液压挖掘机的工作原理与总体结构 错误！未定义书签。 2.1 工作原理 错误！未定义书签。 2.2 总体结构 错误！未定义书签。 3 液压系统 错误！未定义书签。 3.1 液压系统的组成 错误！未定义书签。 3.2. 液压系统的类型 错误！未定义书签。 3.3 挖掘机对液压系统的要求 错误！未定义书签。 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 错误！未定义书签。 4.3 执行元件控制系统 错误！未定义书签。 5 轮式液压挖掘机液压系统设计 错误！未定义书签。 5.1 技术要求 错误！未定义书签。 5.2 系统主要参数的确定 错误！未定义书签。 5.3 系统方案的拟定 错误！未定义书签。 5.4 液压系统的初步计算 错误！未定义书签。 5.5 液压系统工作原理 错误！未定义书签。 6 液压技术发展趋势 错误！未定义书签。 7 结论 错误！未定义书签。 9 参考文献 23 3 前 言 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分析。 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 ) 等。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。 本文主要对轮式液压挖掘机的液压系统的设计计算作了具体论述。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 , 所以，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。总之，我们要与时俱进，不断创新，依靠科学技术管 理的各项工作，促进我国轮式液压挖掘机行业的发展。 4 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半岛官方网站、周期作业、建筑型的挖掘机，铲土运 输机械中的机种之一。它由于行走速度快、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 ) 等。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 年挖掘机销售对比如图 1-1 ： 2009 年 1 至 11 月挖掘机销量曲线 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。 统计，在全球市场上，中国工程机械产品在包括中国市场在内的国际市场 上的占有率为 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。 1.2 轮式液压挖掘机国内外概况 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 6 资、外方独资企业纷纷介入，均获得了较好的发展。 1.2.1 国内概况 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、徐挖、小松山推、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 3.5t ～50 ｔ级履带式挖掘机 和 14t ～30t 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。 特别是 JYL-80 型轮式液压挖掘机被评为 2006 中国工程机械行业 TOP50产品。 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 , 轮式液压挖掘机 主要有 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。 其最新产品 XCG140W-8轮式液压挖掘机，采用原装五十铃发动机、 德国 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。 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。 泰 安 市 嘉 和 重 工 机 械 有 限 公 司 。 企 业 自 1996 年 成 立 ， 主 导 产 品 JH120-5,JH120-6 ，JH80-5 ，JH60-5 等型号。其轮式液压挖掘机主要由轮式 70 7 单驱动和轮式 70 双驱动两个型号。 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。 1.2.2 国外概况 国外轮式液压挖掘机技术先进，生产厂家较多且系列齐全。生产厂家主要 有日本小松、神钢，韩国斗山 ( 大宇 ) 、现代，德国利勃海尔、雪孚，美国卡特 彼勒，瑞典沃尔沃，法国 MecalacS.A ，英国 JCB公司等。这些公司的产品基本 体现了当今世界轮式液压挖掘机技术发展的最高水平。 日本小松新型轮式液压挖掘机 PW130ES— 6、PW150ES—6 和 PW170ES—6 采用 同一厂家发动机、内部陈设完全相同的驾驶室、统一电子监控系统和多种工作 模式选择，其全新压力补偿的 CLSS系统尤为突出的特点是液压系统工作时不会 产生液压干涉问题 . 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。 法国 Mecalac S.A 专业生产 6～15t 级轮式液压挖掘机，其 10MXT型机装设 East-Drive 电控液压控制系统、四种不同作业规范、用于远程自动换接的自锁 式夹钳快换装置。 德国利勃海尔生产 A308 （8.9 ～10.3t 级）～ A974Litronic （113t 级）系列 轮式液压挖掘机，其新型的 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 LIEBHERR 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 CARECAB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 （13.5 ～15t 级）、 JS175W （18t 级）新型轮式液压挖 掘机均采用 ISUZU 电喷柴油机、EUROCAB 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 16.5t，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。 8 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 И ЗTM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，引领着轮胎液压挖掘机技术发展的潮 流。 9 2. 轮式液压挖掘机的工作原理与总体结构 2.1 工作原理 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（液压缸或液 压马达等），驱动相应机构进行工作。 一般工作装置工作过程中往往需要两个以上复合动作以及动臂、斗杆动作 的合流，以充分利用发动机的功率和缩短循环作业时间。 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 度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。后桥采用刚性联接，使结构简单，前桥采用悬挂摆动式，中部与车架铰接， 两侧设有悬挂油缸，目的是提高挖掘机的性能，其具体工作原理如下： 控制阀有两个控制位置：挖掘作业时控制阀将两个液压缸的工作腔与油箱 的油路断开，液压缸将前桥的平衡悬挂锁住，阻止其摆动，以提高挖掘机的作 业稳定性；行走时控制阀使两个悬挂油缸的工作腔相通，并与油箱接通，前桥 便能适应路面情况，使左、右车轮同时着地，保持足够的附着性能，使挖掘机 有足够的附着力。 2.2 总体结构 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、液 压马达、前后桥和轮胎等组成，与回转体装配。其结构可参考图 2-1 ： 10 图 2-1 JYL80 液压挖掘机 11 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： 12 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。 13 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。 14 4. 液压挖掘机的液压控制系统 液压挖掘机的液压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。 由于本论文针对的 是液压系统的设计，所以只对液压泵、换向阀及执行元件的控制系统作如下介 绍： 4.1 液压泵的控制系统 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。 4.1.1 功率控制系统 在液压系统中泵的输入功率为： 1 1 N 2 nM pQ pqn 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 Q nq 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，执行元件不动作，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 17 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 st 度变快。正流量控制是把先导油压中的最高压力 P 送到主泵的变量机构来控制 泵的排量。其工作原理如图 3-1 所示： 图 4-1 正流量控制回路 图 4-2 负流量控制回路 (2) 负流量控制回路 负流量控制是指随着先导控制压力的提高， 泵摆向较小的排量。 即主泵排 量与控制压力成反比。它是通过在液压油经过换向阀回油箱前加一个节流阀， 根据节流孔前后的压差来控制主泵的变量机构以调节泵的排量。通过节流孔的 流量越大，则节流孔前后压差越大，主泵排量越小。执行元件动作的快慢，由 操作人员操纵先导滑阀决定，先导滑阀的控制压力决定换向阀开度，换向阀开 度决定了回油量的大小，进而控制了泵排量。其工作原理如图 3-2 所示： (3) 负流量控制、压力切断控制和总功率控制回路 这种组合控制系统在挖掘机上应用 较多，最典型的是日本小松公司的中位开 式负荷传感流量控制系统 (OLSS)，后来装 上了微机，变成了电子中位开式负 荷传感流量 控制系统 (EOLSS).其原理如 图 4-3 所示；随着科学技术的不断进步， 日本小松在 20世纪 90 年代初在挖掘机上 装配由流量控制型压力补偿器构成的改 进型 CLSS，可实现并行多负载的单独控 制。其原理如图 3-4 所示：该系统有一 个主泵（ 2 个泵）、控制阀、执行机构组 图 4-3. OLSS 系统原理图 成。主甭体包括泵本体、 PC阀和 LS 阀。 18 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。 4.2.2 负荷传感控制系统 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，其控制阀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。 4.2.3 完全负荷传感控制系统 19 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。 4.2.4 带次级压力补偿阀的负荷传感系统 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 LUDV（Lastdruck--Unabhaengigen Durchfluss--Verteilung) 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， 以获得与与负载压力无关的控制。 其工作原理 如图 4-5 所示： 图 4-5 与负载无关的控制 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： 20 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： 21 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。 22 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。所 设计的液压系统要满足如下要求： 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。 3 ）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。 4 ）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。 5.2 系统主参数的确定 系统工作压力 P、流量 Q，以及两者的乘积， 即系统液压功率 N是液压系统 的主参数。在液压系统的设计中，一般先选定工作压力 P，然后根据各执行元 件的运动速度，来确定流量 Q. 系统工作压力 P 要根据技术要求、经济性及制造可能性等三方面来选定， 根据表 5-1 ，初选系统工作压力 P=30000Kpa，辅助泵压力 P=16MPa。 表 5-1. 各种机械常用的系统工作压力 机床 农业机械 液压机 机械类型 磨床 组合机床 拉床 小型工程机械 大中型挖掘机 建筑机械 重型机械 工作压力 /MPa 0.8--2 3--5 8--12 10--18 20--32 5.3 系统方案的拟定 系统方案的拟定包括：初步确定液压元件的类型，并把这些元件案工作要 求组合起来。 5.3.1 确定液压元件的类型 23 液压元件的选择要根据主机的性能，要选批量生产的标准产品，在液压挖 掘机中，一般执行元件采用液压缸、，动力元件采用液压泵。本系统 选用的液压元件见表 5-2 ： 表 5-2. 液压元件的类型 元 件 液压泵 ( 数量 ) 液压缸（数量） ( 数量 ) 部 名 称 位 动力元件 1 个 动臂 1 个 斗杆 1 个 铲斗 1 个 回转 1 个 行走 1 个 5.3.2 拟定主回路 包括确定循环形式，基本回路和调速回路。 (1) 循环形式 分开式和闭式两种，开式系统是液压挖掘机的基本循环形式，闭式系统中 的油液自成循环，无须经过油箱交换，吸油条件好，能实现功率反馈，没有节 流损失和换向损失，系统效率较高。闭式液压系统工作原理如图 5-1 所示： 图 5-1. 闭式系统 (2) 基本回路 任何复杂的液压系统都有一些简单的基本回路组成，分别完成一定的功能 24 要求。有方向控制、压力控制、速度控制回路三种基本形式。起着调速、限压、 卸荷、缓冲、制动、锁紧等作用。在此次设计的系统中，上述回路基本都有。 (3) 调速方式 调速方式分为：节流调速、容积调速、容积节流调速三大类，调速回路的 选用主要考虑执行机构的负载性质、运动速度、速度稳定性等要求，工作环境 要求，经济性要求。三种回路的比较如表 5-3 所示： 表 5-3. 调速回路的比较 容积节流 节流调速回路 回路类 容 积 调 速 回 调速回路 主要性能 用节流阀 用调速阀 路 限压式 进回油 旁路 进回油 旁路 速 度 稳 较差 差 好 较好 好 机 定性 械特性 承 载 能 较好 较差 好 较好 好 力 调速范围 较大 小 较大 大 较大 功 效率 低 较高 低 较高 最高 较高 高 率特性 发热 大 较小 大 较小 最小 较小 小 大功率、 重载 小功率、轻载的中、低压系 中、小功率的中 适用范围 高速的中、 高 统 压系统 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： 25 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 26 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。 N P 泵的功率 : 60 0.95 57 Kw 式 中 发 动 机 的 效 率，取 0.95 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 N =49Kw, 辅助泵的功率 N =8Kw,则： 1 2 主泵的流量 ：Qt N1 p 49 Kw 30 MPa 163.3 L min 取系列值 Q 165L min t 式中 p 为主泵的压力， 30MPa 主泵的排量 ： q Qt n 165 2200 L r 0.075 L r 75 ml r 27 主泵的实际功率： N=P Q t =300 165 0.9025 =44.67kw v m 式中 η—— 液压泵的效率， η = η × η v v η ——液压泵的容积效率，取 η = 0.95 m m η ——液压泵的机械效率，取 η = 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： Qt N 2 p 8 Kw 16 MPa 50 L min 取系列值： Q 50L min t 辅助泵的排量 ： q Q t n 50 2200 L r 0.0227 L r 22.7 ml r 辅助泵的实际功率： N=P Qt =160 50 0.9025 =7.22kw 式中 η—— 液压泵的效率， η = ηv × ηm ——液压泵的容积效率，取 η = 0.95 ηv v m ——液压泵的机械效率，取 ηm = 0.95 η 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 D 4 F 1 P 4 275000 6 3.14 30 10 10.8 cm 28 1 取系列值 D = 110mm 斗杆液压缸， F= 200000N D2 4 F P 4 200000 6 3.14 30 10 9.4 cm 取系列值 D2 = 90mm 铲斗液压缸， F = 160000N D 4 F 3 P 4 160000 6 3.14 30 10 8.2cm 3 取系列值 D = 80mm 推土铲液压缸， F= 275000N D 4F 4 P 4 275000 6 3.14 30 10 10.8cm 108mm 4 取系列值 D = 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： 60 动臂液压缸 ： Q1 1000 A v 2 60 11 1000 0.98 3.14 4 5 29.077 l min Q 60 A v 斗杆液压缸 ： 2 1000 2 60 3.14 9 5 1000 0.98 4 18.69 L min 29 Q 60 A 3 1000 铲斗液压缸 ： 2 60 3.14 8 6 1000 0.98 4 L 17.725 min 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 ：q Q n 165 2000 L r 0.0825L r 取系列值 q = 80ml/r 马达的最高转速 ： n Q q 165 0.08 0.98 2021rpm 式中 ηv —— 马达的容积效率，取 ηv = 0.98 最大输出扭矩 ： M 0.159P q max max m 5 3 0.159 300 10 0.08 10 0.9 343.44N m 起动扭矩 ： M 0.159P q Q max m 5 3 0.159 300 10 0.08 10 0.8 305.28N m / 式中 ηm —— 马达的机械效率，取 ηm = 0.9, ηm = 0.8 因为挖掘机工作条件很差，经常在畸岖不平的土地上行驶，为使挖掘机的 行走性能优越，能根据道路阻力或上坡等工况自动调节输出扭矩，所以采用变 量。 根据所算参数， 选用的型号为： 力士乐 A6VM80HAXT/63W-VZB3

　　原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者