【正文】 獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘軌跡以動臂與斗桿的鉸點(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0. 5m3或在土質(zhì)松軟時(shí)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鳎粗畡t以斗桿挖掘?yàn)橹?。這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)操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運(yùn)動，見圖2. 1所示。此時(shí)斗桿收回，動臂抬起，需要保證彼此動作獨(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、動臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動作，見圖2. 2所示。這些動作決定于液壓系統(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)合動作。圖21直線挖削 Linear dig cut圖22切削壓整 Cutting and press the whole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)動臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動時(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。 滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況分析滿斗舉升回轉(zhuǎn)的運(yùn)動消耗的時(shí)間、用到的能量以及發(fā)熱量在整個(gè)作業(yè)循環(huán)過程中都占了很大的比例，因此我們要盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)時(shí)間。以此來提升挖掘機(jī)工作效率，節(jié)約能源。挖掘結(jié)束后，動臂油缸工作，將動臂頂起頂起，舉升起裝滿的鏟斗，同時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)將轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載位置，此時(shí)是動臂與回轉(zhuǎn)馬達(dá)共同工作。抬升的動臂與回轉(zhuǎn)馬達(dá)同共同工作時(shí)，二者的速度要協(xié)調(diào)一致，也就是說回轉(zhuǎn)到指定卸載區(qū)域時(shí)，動臂與鏟斗自動抬升到了合適的卸載高度。因?yàn)樾遁d所需要的回轉(zhuǎn)角度是不一樣的，隨著液壓挖掘機(jī)相對卸載區(qū)域的改變而變化，所以回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度與動臂的提升速度兩者之間的關(guān)系是可以隨著我們的需要而調(diào)整的。 卸載的回轉(zhuǎn)角度越大，那么要求的回轉(zhuǎn)速度就會更快一些，動臂的提升速度也就會隨之變慢?；剞D(zhuǎn)起動的時(shí)候，因?yàn)閼T性比較大，油壓就會升得非常高，很有可能從溢流閥處發(fā)生溢流，這時(shí)候我們應(yīng)該將溢流出來的油供給動臂。當(dāng)回轉(zhuǎn)和動臂提升的同一時(shí)刻，斗桿還需要外放，有的時(shí)候還需要對鏟斗進(jìn)行一定的調(diào)整。這時(shí)就是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動臂、斗桿和鏟斗所進(jìn)行的復(fù)合動作。 卸載工況分析當(dāng)轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)至卸載區(qū)域的時(shí)候，轉(zhuǎn)臺發(fā)生制動，這時(shí)我們用斗桿調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)整卸載半徑與卸載高度，使用鏟斗油缸進(jìn)行卸載。同時(shí)為了調(diào)整卸載的位置，我們還需要?jiǎng)颖圻M(jìn)行配合動作。卸載的時(shí)候，主要是斗桿和鏟斗的復(fù)合動作，期間配合動臂動作。 空斗返回工況分析當(dāng)卸載工作結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺會進(jìn)行反向回轉(zhuǎn)，同一時(shí)刻動臂與斗桿相互之間進(jìn)行配合動作，把清空的鏟斗移動到新的挖掘區(qū)域。這個(gè)工作是由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動臂和斗桿的復(fù)合動作配合完成的。因?yàn)閯颖鄣南陆涤兄亓Φ淖饔?，壓力小、流量大、下降隨度快，所以要求回轉(zhuǎn)的速度也較快，因此這時(shí)的情況應(yīng)該是由一個(gè)油泵的所有流量來支持回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一個(gè)油泵的大多數(shù)油量供給動臂，小部分的油通過節(jié)流閥供給斗桿。柴油發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速的時(shí)候油泵的供油量較小，為了防止動臂因?yàn)橹亓Φ淖饔醚杆俚南陆狄约皠颖塾透装l(fā)生吸空的現(xiàn)象，可以使用動臂下降的再生補(bǔ)油回路，我們可以利用重力將動臂油缸的無桿腔的油運(yùn)輸?shù)接袟U腔。這個(gè)特點(diǎn)有些類似于滿載回轉(zhuǎn)，但是滿足它的轉(zhuǎn)動慣量相對來講比較小。 整機(jī)移動工況分析挖掘機(jī)一般來說并不擅長長距離的行走，因此只能在在工地的小范圍內(nèi)移動，作業(yè)的時(shí)候可以用來調(diào)整挖掘機(jī)的作業(yè)位置。基本要求:挖掘機(jī)的左右履帶均可以進(jìn)行獨(dú)立操縱，可自由調(diào)速，且具有直線行走的功能，行走速度能達(dá)到每小時(shí)二至五千米，可以爬上三十五度左右的上坡路，并且具有制動能力。挖掘機(jī)在行走的過程中有可能需要調(diào)整作業(yè)裝置的液壓元件進(jìn)行調(diào)整，比如鏟斗、斗桿和動臂。挖掘機(jī)的系統(tǒng)中有雙泵，其中一個(gè)油泵為左側(cè)的行走馬達(dá)進(jìn)行供油、而另一個(gè)油泵為右側(cè)的行走馬達(dá)進(jìn)行供油，如果此時(shí)某一個(gè)液壓元件突然工作，使得某一個(gè)油泵突然分流進(jìn)行供油，這時(shí)就會造成挖掘機(jī)的一側(cè)的行走速度突然降低，從而影響到直線行駛的穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行裝車運(yùn)輸工作、從運(yùn)載卡車上行駛下來或者返回卡車上時(shí)，行駛偏斜都有可能造成事故。因此我們?yōu)榱吮ＷC挖掘機(jī)穩(wěn)定的的直線行駛性，在三個(gè)液壓泵供油的系統(tǒng)中，分別有一個(gè)油泵單獨(dú)為左、右側(cè)的行走馬達(dá)供油，而另一個(gè)油泵則向鏟斗等其它的液壓作用元件供油。而目前雙泵系統(tǒng)則采用下列供油方式:①左、右側(cè)行走馬達(dá)由一個(gè)油泵并聯(lián)供油，另一個(gè)油泵則向其他的液壓作用元件供油，而如果有多余的油液則通過單向閥供向行走馬達(dá)。②左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件由雙泵合流并聯(lián)向其同時(shí)進(jìn)行供油。3 液壓系統(tǒng)及液壓回路的設(shè)計(jì) 液壓系統(tǒng)概述 我們說的挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)就是幾個(gè)機(jī)構(gòu)用管路連接起來，成為一體之后能行駛我們要的工作能力的系統(tǒng)。而里面的東西包含了像斗桿、液壓主泵、液壓主閥、存油的油箱、一些馬達(dá)用到的部件（像閥之類的）、管路還有幾個(gè)油缸等。它們都是以油液來作為工作介質(zhì)，利用液壓泵將柴油機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)為液壓能來供應(yīng)給那些執(zhí)行元件，像那些馬達(dá)還有油缸。這樣我們就能實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的各種功能了。 工作原理我們都知道挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)都是我們大學(xué)學(xué)到的基本回路組成的，還有一些是很關(guān)鍵的輔助回路。比如用溢流閥，調(diào)壓閥還有節(jié)流閥來組成的調(diào)壓回路；還有就是用溢流閥還有換向閥所組成的卸荷回路，將油引到油箱里面；還有像我們說的利用溢流閥，減壓閥還有單向閥來做到起減壓作用的減壓回路；還有就是用單向閥和節(jié)流閥組成平衡回路；我們挖掘機(jī)有時(shí)候要保持一些狀態(tài)，就要用到單向閥來組成的保壓回路和鎖緊回路；速度控制的像調(diào)速。我們說的液壓系統(tǒng)的工作，事實(shí)上就是將液壓油從油箱底部抽出來然后通過濾油器的過濾，然后吸入到液壓泵中，等再從油泵出來的時(shí)候就有一定壓力了。它將那些液壓油分配到那些閥路里面。然后駕駛員通過控制那些手柄，腳踏―→先導(dǎo)閥―→工作閥進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了我們要的一些動作，在這個(gè)系統(tǒng)，為了不讓它的壓力過大，我們會設(shè)置一些像限壓閥，安全閥之類的，那些安全閥對系統(tǒng)有保護(hù)和補(bǔ)油的作用。 基本要求我們研究的液壓挖掘機(jī)它們的運(yùn)動組成相對其它的液壓系統(tǒng)難好多的，因?yàn)槲覀兊耐诰驒C(jī)需要經(jīng)常開關(guān)、剎車、變換方向，而且有時(shí)候的受力也是在發(fā)生變化的，像挖硬土塊，突然挖穿遇到松的泥巴一樣，這樣它受到的沖擊還有振動也會比較地頻繁，我設(shè)計(jì)的履帶挖掘機(jī)通常都是在野外山地工作的，城市走履帶不好，影響路面而且跑得慢，通過這些考慮我覺得這樣的挖掘機(jī)要滿足下面的幾個(gè)要求：1)需要保證挖掘機(jī)的動臂、鏟斗和斗桿能夠各自單獨(dú)地動作，并可以互相配合來實(shí)現(xiàn)復(fù)合的運(yùn)動。2)為了使挖掘機(jī)具備較高的生產(chǎn)效率，必須將挖掘機(jī)那些工作裝置的運(yùn)動和挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)運(yùn)動給區(qū)分開來。不僅如此，還需要挖掘機(jī)可以進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動，比如一邊挖掘，一邊移動其動臂，這樣可以明顯的提高其工作效率。3)由于挖掘機(jī)的工作地點(diǎn)一般都是不平坦的地帶，因此在對其進(jìn)行驅(qū)動的時(shí)候，最好能將其左右兩邊的履帶傳動軸給區(qū)分開來，這樣的話就能使其移動更加方便、靈活，也能適應(yīng)各種復(fù)雜地形。4)挖掘機(jī)的動臂經(jīng)常會因?yàn)槠渥陨淼闹亓勘容^大，在挖掘的時(shí)候因?yàn)橹亓Φ脑颍鋾杆俚南陆?，如果是在坡度較陡的情況下還會有滑坡的危險(xiǎn)，所以為了避免這種情況的出現(xiàn)，挖掘機(jī)上各個(gè)元件都需要有過載保護(hù)的要求，并且履帶行走也要有制動限制。大部分挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)都會有如下幾點(diǎn)要求限制：： 1)為了提高挖掘機(jī)燃料的使用效率，必須保證挖掘機(jī)的傳動系統(tǒng)要非常的合理，這樣才可以提高其傳動效率。而且因?yàn)榱己玫膫鲃釉O(shè)計(jì)，反過來減少傳動浪費(fèi)，提高發(fā)動機(jī)的動力性能。2)挖掘機(jī)在工作的時(shí)候，會造成很大的沖擊或者是振動，這樣的話就必須要確保液壓系統(tǒng)中的各個(gè)液壓元件都要有很好的抗震效果。3)由于液壓系統(tǒng)長期處于高功率的工作狀態(tài)，其散發(fā)出來的熱量會使得油溫升高，當(dāng)然，油溫過高的話就可能會導(dǎo)致爆炸，根據(jù)規(guī)定，油溫的溫度不能超過80攝氏度。4)挖掘機(jī)基本上都是在一些塵土比較多的地方工作，這就出現(xiàn)了一個(gè)問題，灰塵長期對液壓油還有液壓元件進(jìn)行污染，時(shí)間久了，就會使挖掘機(jī)的性能降低，其使用壽命也會大大受到影響，因此，者就對液壓系統(tǒng)有了很高的密封要求。雖然液壓元件想比較與液壓油，其比較不容易受到污染，但也需要設(shè)計(jì)一些一些濾油器和防塵裝置來保護(hù)液壓油免受污染。5)通過采用液壓和電液操縱裝置，用于挖掘機(jī)進(jìn)行設(shè)置自動控制系統(tǒng)，這樣就可以大大的提高挖掘機(jī)的技術(shù)操作性，也可以降低駕駛員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。 基本動作及系統(tǒng)分析挖掘機(jī)的一個(gè)作業(yè)循環(huán)包含了下面動作：1，挖掘－通過回轉(zhuǎn)鏟斗來完成破土還有裝土，通過改變斗桿的位置來完成挖土距離和位置的改變。2，滿斗回轉(zhuǎn)－等鏟斗裝滿土之后，動臂提起來，這個(gè)時(shí)候回轉(zhuǎn)馬達(dá)工作，挖掘機(jī)轉(zhuǎn)向。3，卸土－等挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)馬達(dá)停了之后，用斗桿來決定在哪里卸土，由鏟斗來把土放下。4，回位－就是等卸完土之后，回到原來的工作地方，準(zhǔn)備進(jìn)行1到4的循環(huán)。整機(jī)移動過程中包括：直線行駛－由于挖掘機(jī)左右兩邊的履帶式通過兩個(gè)傳動系統(tǒng)控制的，這樣的話，要使其沿著直線行走，只要保證相關(guān)傳動軸具備相投的轉(zhuǎn)速就可以達(dá)到目的了。轉(zhuǎn)彎－同直線行走有相同的原理，只要讓傳動軸轉(zhuǎn)速不一致，其自然也就向兩邊偏轉(zhuǎn)了。甚至，當(dāng)一邊履帶不動的話，該挖掘機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)圈。下圖是挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)簡圖，其中包括了原始動力源，動力源，控制元件，執(zhí)行元件。圖31挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)簡圖 The brief of the excavator hydraulic system 小型液壓挖掘機(jī)的基本回路 液壓系統(tǒng)基本回路是由一個(gè)或者幾個(gè)液壓元件有機(jī)連接而成的、能夠完成特定動作的典型液壓回路，它是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的組成單元。液壓系統(tǒng)是由基本回路組成的一個(gè)有機(jī)整體，主要包括限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流調(diào)速回路和節(jié)流限速回路、行走限速回路和鎖緊回路等。 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的工作原理：正反轉(zhuǎn)：回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)由分功率調(diào)節(jié)變量系統(tǒng)中一個(gè)液壓泵供油，由手動換向閥7控制旋轉(zhuǎn)方向。如果當(dāng)換向閥右位工作時(shí)，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)，當(dāng)換向閥左位工作時(shí)，液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)制動：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動原理和行走馬達(dá)的制動原理相同?；剞D(zhuǎn)過程中，操作手柄回到中位，行走控制閥停止向馬達(dá)供油，但是，由于慣性作用，行走馬達(dá)仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回油腔壓力因此而升高。當(dāng)壓力超過過載補(bǔ)油閥的設(shè)定壓力時(shí)，順序閥被打開，壓力油從回油腔經(jīng)順序閥泄出進(jìn)入液壓馬達(dá)的進(jìn)油腔進(jìn)行補(bǔ)油以防止穴蝕。回油腔的壓力就是克服慣性的阻力，行走因此被制動。 液壓缸液壓系統(tǒng)動臂缸、斗桿缸、鏟斗缸液壓回路圖基本相似，如下圖所示。均由液壓泵提供油源，泵出口壓力由溢流閥調(diào)定，各個(gè)液壓缸過載閥由液壓缸進(jìn)出油路上的調(diào)壓閥調(diào)定。圖32液壓缸液壓系統(tǒng) The hydraulic systemof the hydraulic cylinder液壓系統(tǒng)的基本回路其實(shí)是由一個(gè)或多個(gè)液壓元件有機(jī)連接形成的，并且通過這些液壓元件形成一些典型的回路，通過這種回路就可以使得液壓機(jī)械實(shí)現(xiàn)一些特定的功能。在本文所設(shè)計(jì)的小型履帶式挖掘機(jī)自然也包含了這些液壓元件所組成的液壓回路。在下面的說明里面，那些重要的回路我會講到。 限壓回路限壓回路是用來限制系統(tǒng)壓力的，使壓力值不超過其一調(diào)定值。限壓的目的有兩個(gè)：一，限制系統(tǒng)的最高壓力，避免液壓系統(tǒng)和液壓元件因過載而損壞，通常用安全閥來實(shí)現(xiàn)限壓，安全閥設(shè)置在液壓泵出油口附近油路上；二，保證系統(tǒng)中某部分的壓力保持定值或不超過特定值，通常用溢流閥來實(shí)現(xiàn)。溢流閥在調(diào)定系統(tǒng)壓力時(shí)，其多余的流量最終通過此閥流回到油箱，因此溢流閥閥口是常開的。限壓回路不僅能限制系統(tǒng)壓力，對系統(tǒng)進(jìn)行卸荷，還能保證挖掘機(jī)正常工作。如圖所示來說明限壓回路的工作原理，當(dāng)換向閥l處在中位時(shí)，液壓泵與主回路斷開，處于不工作位置；若換向閥處于左位時(shí)，液壓泵與主回路接通，液壓缸上有負(fù)載W，則液壓缸無桿腔會受到很大的閉鎖壓力，當(dāng)此壓力很大的話，就有可能損壞管路和液壓元件，因此，液壓缸的進(jìn)出油路處都要安裝溢流閥2和3。當(dāng)閉鎖壓力大于溢流閥的調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥2和3就都打開，液壓油流回油箱，從而實(shí)現(xiàn)卸荷；換向閥處于右位同理。溢流閥的調(diào)定壓力與液壓系統(tǒng)的壓力無關(guān)，通常溢流閥的調(diào)定壓力越大，液壓缸的閉鎖力就越大，對挖掘機(jī)的作業(yè)就越有利，但過高的壓力則會損壞管路和元件，所以一般情況下，高壓系統(tǒng)限壓閥的壓力調(diào)定值通常為系統(tǒng)壓力的125%上下，若是中高壓系統(tǒng)的話比125%還要高。1—換向閥；3—溢流閥；4—液壓缸圖33限壓回路 Pressure limiting circuit 卸荷回路卸荷回路是設(shè)計(jì)是為了讓挖掘機(jī)在不工作時(shí)液壓泵能以最低的功率運(yùn)行，從而減少發(fā)動機(jī)的燃料消耗。液壓挖掘機(jī)卸荷回路通常有換向閥中位卸荷回路(a)和穿越換向閥卸荷回路(b)兩種。在換向閥中位卸荷回路中，通常采用中位機(jī)能是M型的三位四通換向閥，當(dāng)挖掘機(jī)不工作時(shí)，換向閥處于中位，進(jìn)油口和出油口聯(lián)通，油液經(jīng)過系統(tǒng)能各個(gè)換向閥后流回油箱，實(shí)現(xiàn)卸荷功能。這種回路通常用于高壓的串聯(lián)液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，但受系統(tǒng)沖擊影響大而且操作很不穩(wěn)定。在穿越換向閥卸荷回路中，換向閥采用的是帶有過油通路三位六通換向閥，當(dāng)挖掘機(jī)不工作時(shí)，換向閥處于中位，液壓油液依次經(jīng)過換向閥通路以最低壓力流回油箱，最終實(shí)現(xiàn)卸荷。這種回路常用于高壓并聯(lián)系統(tǒng)，受液壓換向沖擊小，操作時(shí)比較平穩(wěn)而且工作可靠。