【正文】 技巧要求低，在國際上已經(jīng)獲得較廣泛的使用，是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。目前日本小松公司己經(jīng)把大量挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)從開式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)了。 目前輪式挖掘機(jī)上典型的節(jié)能技術(shù)基本上有兩種，即負(fù)載敏感技術(shù)和負(fù)流量控制技術(shù)，目前液壓挖掘機(jī)都選用其中一種控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求。 負(fù)載敏感技術(shù)是一種利用泵的出口壓力與負(fù)載壓力差值的變化而使系統(tǒng)流 量隨之相應(yīng)變化的技術(shù)。德國曼內(nèi)斯曼 (Mannesmann)公司研制的一種負(fù)載傳感系統(tǒng)，將其安裝在液壓系統(tǒng)中，可以控制一個(gè)或幾個(gè)液壓作用元件，而與對其施加的載荷無關(guān)。該系統(tǒng)不僅易于操縱，而且微動(dòng)控制特性很好。其最大的特點(diǎn)就是可以根據(jù)負(fù)載大小和調(diào)速要求對油泵進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)在按需供 流的同時(shí)，使調(diào)速節(jié)流損失 △ P 控制在很小的固定值，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 負(fù)流量控制技術(shù)是通過位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對主泵的排量進(jìn)行調(diào)節(jié)的技術(shù)。目前以日本小松 (KOMATSU)和日本日立 (HITACHI )為代表的許多國外著名品牌的挖掘機(jī)生產(chǎn)商都在自己的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中使用了負(fù)流量控制技術(shù)。這種控制技術(shù)具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、可靠性和維修性好等特點(diǎn)，但在起始點(diǎn)為重負(fù)荷下作業(yè)時(shí)，因流量與負(fù)載有關(guān)，所以可控制性較差。 為了提高挖掘機(jī)的負(fù)載能力，直接的方 法是提高其液壓系統(tǒng)工作壓力、流量和功率。目前，國際上先進(jìn)的挖掘機(jī)產(chǎn)品的額定壓力大都在 30MPa 以上，并且隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術(shù)方向發(fā)展的趨勢 。流量通常在每分鐘數(shù)百升 。功率在數(shù)百千瓦以上。如德國 Orenstteinamp。 Koppe 制造的目前世界上首臺(tái)最大的 RH400型全液壓挖掘機(jī)，鏟斗容量達(dá) 42 m3 液壓油源為 18 臺(tái)變量軸向柱塞泵，總流量高達(dá)10200L/min:原動(dòng)機(jī)為 2 臺(tái) QSK60 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) ，總功率高達(dá) 2021kW。 由于液壓挖掘機(jī)經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個(gè)功能部件都會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響，系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替林生龍：輪式挖掘機(jī)工作裝置及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)強(qiáng)度研究方面，不斷提高設(shè)備的可靠性。美國提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn) 率達(dá)到 8596～ 9596，使用壽命超過 1 萬小時(shí)。 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的操縱特性越來越受到重視。目前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制、無線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。各種高新技術(shù)的應(yīng)用，使得挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。 電子控制技術(shù)與液壓控制技術(shù)相結(jié)合的電子一液壓集成控制技術(shù)近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計(jì)算機(jī)和檢測儀表的應(yīng)用，使液 壓技術(shù)和電子控制有機(jī)結(jié)合，開發(fā)和研制出了許多新型電液自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高了挖掘機(jī)的自動(dòng)化程度，推動(dòng)著挖掘機(jī)的迅猛發(fā)展。目前國外先進(jìn)品牌的挖掘機(jī)在電液聯(lián)合控制方面的研究己趨成熟。美國林肯一貝爾特公司新 C 系列 LS5800 型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。日本住友公司生產(chǎn)的 FJ 系列五中新型號挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助的功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命。 從國內(nèi)情況 來看，國內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。國內(nèi)大部分挖掘機(jī)企業(yè)在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)技術(shù)方面的研究具有一定基礎(chǔ)，但由于采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)產(chǎn)品在性能、質(zhì)量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差，因此采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)在國內(nèi)市場上基本失去了競爭力，取而代之的是采用各種高新技術(shù)的國外挖掘機(jī)產(chǎn)品。先進(jìn)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)都被國際上一流的生產(chǎn)企業(yè)壟斷，國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白，這樣國內(nèi)的挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家就無法獨(dú)立制造 出性能優(yōu)異的挖掘機(jī)，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的挖 掘機(jī)所占據(jù)。以 20t 級的中型液壓挖掘機(jī)為例，國產(chǎn) 20t 級挖掘機(jī)大多數(shù)是歐洲 80 年代初的技術(shù)同 90 年代初以來在國內(nèi)形成批量的日本小松、日立、神鋼等機(jī)型相比，其主要差距柴油機(jī)功率偏低，液壓系統(tǒng)流量偏小，液壓系統(tǒng)特性差，導(dǎo)致平臺(tái)回轉(zhuǎn)速度低，行走速度低，各種性能參數(shù)均偏小，整機(jī)性能和作業(yè)效率較國外偏低。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容包括輪式挖掘機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分。工作裝置作為挖掘機(jī)的重要組成部分，對其研究和控制是對整機(jī)開發(fā)的基礎(chǔ)。工作裝置選擇反鏟式，對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并用比例法和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算選擇 出工作裝置各部分的基本尺寸。挖掘機(jī)的發(fā)展與液壓技術(shù)密不可分，因此，液壓系統(tǒng)在輪式挖掘機(jī)中也起著至關(guān)重要的作用。具體設(shè)計(jì)如下： 1） 挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求與總體方案設(shè)計(jì) 2） 工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3） 工作裝置基本尺寸的確定 4） 工作裝置結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì) 5）挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6） 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算和泵的參數(shù)計(jì)算 林生龍：輪式挖掘機(jī)工作裝置及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 2 挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求與總體方案設(shè)計(jì) 輪式挖掘機(jī)的工況分析 輪式挖掘機(jī)的主要功能運(yùn)動(dòng)包括以下幾個(gè)動(dòng)作 (如圖 21 所示 ):動(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。除了輔助動(dòng)作 (例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等 )不需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其它都是輪式挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼?，要考慮全功率驅(qū)動(dòng)。 挖掘機(jī)的典型作業(yè)流程 : 整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置 回轉(zhuǎn)平臺(tái)，使用工作裝置處于挖掘位置 動(dòng)臂下降，并調(diào)整斗桿、鏟斗至合適位置 斗桿、鏟斗挖掘作業(yè) 動(dòng)臂升起 回轉(zhuǎn)工作裝置至卸載位置 操縱斗桿、鏟斗卸載 由于輪式挖掘機(jī)的作業(yè)對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)現(xiàn)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，工作過程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼?(例如挖掘與動(dòng)臂、提升與回轉(zhuǎn) )同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。 輪式挖掘機(jī)一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合主要包括 : (1)挖掘 :通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘，因此，在此過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)滿斗舉升回轉(zhuǎn) :挖掘結(jié)束，動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起，滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸土處，此時(shí)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。 1 一動(dòng)臂升降 。2 一斗桿收放 :3 一鏟斗裝卸 。4 一轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn) : 圖 21 輪式 挖掘機(jī)的工作運(yùn)動(dòng) Fig 21 campaign the work of hydraulic excavator (4)空斗返回 :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，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。 (5)整機(jī)移動(dòng)工況 :將整機(jī)移動(dòng)至合適的 工作位置。 (6)姿態(tài)調(diào)整與保持工況 :滿足停放、運(yùn)輸、檢修等需要。 (7)其他輔助作業(yè)工況 :輔助工作裝置作業(yè)工況。 鏟斗挖掘工況 :由鏟斗液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況。采用鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率，因此，在一般土方工程挖掘中 (III 級土一下土壤的挖掘 )鏟斗挖掘最常用。 斗桿挖掘工況 :由斗桿液壓缸單獨(dú)動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況。在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí)，為了能夠裝滿鏟斗，中小型液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗桿液 壓缸進(jìn)行挖掘。 聯(lián)合挖掘工況 :由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行挖掘的工況，必要時(shí) 還需配以動(dòng)臂液壓缸的動(dòng)作。主要用于需要軌跡控制的情況。 當(dāng)單獨(dú)采用鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)為中心， 鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定于鏟斗液壓缸的行程。以鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)的挖掘行程較短，為了能夠裝滿鏟斗，較大厚度的土壤，所以一般挖掘機(jī)的斗尖最大挖掘力都在采用鏟斗液壓缸挖掘時(shí)實(shí)現(xiàn)。 林生龍：輪式挖掘機(jī)工作裝置及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 當(dāng)單獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)為中心， 鏟斗斗尖所作的圓弧線的長度決定 于斗桿液壓缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂液壓缸位于最小長度并以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有較大的挖掘行程。 一般認(rèn)為斗容量小于 m3 或在土質(zhì)松軟時(shí)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹?，反之則以斗桿挖掘?yàn)橹鳌＿@兩種情況的挖掘阻力不同。 在實(shí)際挖掘工作中，往往需要采用各液壓缸的復(fù)合工作。如在平整土地或切削斜坡時(shí)，需要同時(shí)操縱動(dòng)臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運(yùn)動(dòng)，見圖 22 所示。此時(shí)斗桿收回，動(dòng)臂抬起，需要保證彼此動(dòng)作獨(dú)立，相 互之間無干擾。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進(jìn)行切削時(shí)，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時(shí)，就需要鏟斗、斗桿、動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)作，見圖 23 所示。這些動(dòng)作決定于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時(shí)，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗桿機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作。 a 一水平地面的挖削 。b 一斜坡地面的挖削 圖 22 斗尖沿直線挖削 Fig22 tip bucket dug along a straight line cut a水平地面的切削和壓整 :b斜坡地面的切削和壓整 圖 23 地面的切削和壓整 Fig 23 Cutting the ground and the whole pressure 單獨(dú)采用斗桿挖掘時(shí)，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個(gè)別也有采用三泵合流。單獨(dú)采用鏟斗挖掘時(shí)，也有采用雙泵合流的情況。 當(dāng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止同一油泵向多個(gè)液壓作用元件供油時(shí)動(dòng)作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個(gè)油泵單獨(dú)對一個(gè)液壓作用元件供油較好。對于雙泵系統(tǒng)，其復(fù)合動(dòng)作時(shí)各液壓作用元件 間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(jié)流等措施進(jìn)行流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。 挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅(jiān)硬障礙物，往往由于挖不動(dòng)而需要短時(shí)間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時(shí)增壓，能提高主壓力閥的壓力。 鏟斗挖掘時(shí)，土壤切削阻力隨挖掘深度改變而有明顯變化，切削阻力與切削深度基本上成正比，前半過程切削阻力較后半過程高，因前半過程的切削角不利，產(chǎn)生了較大的切削阻力，其切削阻力的切向分力可以用下列公式表達(dá) [1] 。 W1 =C{R[1－ m axm ax ]})cos (cos ??? ? BAZX＋ D （ 21） 式中 :c 一表示土壤硬度的系數(shù)，對 II 級土宜取 c=50～ 80，對 III 級土宜取 C=90～ 150，對W級土宜取 C=160～ 320 。 R 一鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)至斗齒尖距離，即轉(zhuǎn)斗切削半徑 ，單位為㎝ 。 ?max 一挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半 。 ? 一鏟斗瞬時(shí)轉(zhuǎn)角， ? =?r ?0r ， ?r 為鏟斗相對斗桿轉(zhuǎn)角， ?0r 為挖掘起始位置的鏟斗相對斗桿的初始轉(zhuǎn)角 。 B 一切削刃寬度影響系數(shù)， B =1 + ，其中 b 為鏟斗平均寬度，單位為 m。 A 一切削角變化影響系數(shù)，取 A= 。Z一斗齒系數(shù)，帶有斗齒時(shí)取 Z = ，無斗齒時(shí)取 Z=1。 X 一斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)， X =1+S，其中 S 為側(cè)壁厚度，單位為㎝，初步設(shè)計(jì)時(shí)可取 X = 。 D 一 切削刃擠壓土壤的力，根據(jù)斗容量大小在 D =10000 ～ 17000N 范圍內(nèi)選取。當(dāng)斗容量 q 時(shí) D 小于 1000N。 林生龍：輪式挖掘機(jī)工作裝置及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 24 鏟斗挖掘阻力分析圖 Fig 24 Mining resistance analysis bucket a 一挖掘阻力與設(shè)計(jì)載荷曲線 :b 一鏟斗挖掘典型斷面 圖 25 挖掘斷面形狀和載荷曲線 Fig 25 Section Mining and load curve shape (單位為 N) w39。1 =q? ? cos? ,N （ 22） 式中 :? 一土壤密實(shí)狀態(tài)密度，單位為 kg/ m3 :? 一土壤傾斜角 (。 )。? —土壤與鋼的摩擦系數(shù)。 鏟斗挖掘裝土阻力的切向 分力與切削阻