【正文】 運(yùn)動(dòng)速度和進(jìn)行微調(diào)，而且在其工作的許多工況下要求多個(gè)執(zhí)行元件完成復(fù)合動(dòng)作，而長(zhǎng)期以來使用的開式液壓系統(tǒng)無法滿足挖掘機(jī)的調(diào)速和復(fù)合動(dòng)作的要求。目前日本小松公司已經(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。德國(guó)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(duì)其施加的載荷無關(guān)。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[5]。功率在數(shù)百千瓦以上。美、英、日等國(guó)家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(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。日前國(guó)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(jiǎn)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。美國(guó)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)。先進(jìn)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)都被國(guó)際上一流的生產(chǎn)企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白，這樣國(guó)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(chǎng)份額都被國(guó)外各種品牌的挖掘機(jī)所占據(jù)。分析總結(jié)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。本文在分析研究了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一套適合我國(guó)生產(chǎn)制造的單斗挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)。它是目前挖掘機(jī)械中重要的機(jī)種。因此單斗液壓挖掘機(jī)是一種周期作業(yè)的自行式上方機(jī)械[8]。因此液壓挖掘機(jī)原動(dòng)力一般由柴油機(jī)提供，柴油機(jī)具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，符號(hào)挖掘機(jī)工作條件惡劣，負(fù)荷多變的要求。挖掘機(jī)采用車用柴油機(jī)時(shí)，最大功率指數(shù)降低。3 液壓系統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動(dòng)作都由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥。根據(jù)以上工作要求，把各液壓元件用油管有機(jī)地連接起來地組合體既是液壓挖掘機(jī)地液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)習(xí)慣上按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)節(jié)方式和回路的數(shù)量來分類。（二）液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)1 液壓挖掘機(jī)組成為了實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的各項(xiàng)功能，單斗液壓挖掘機(jī)需要兩個(gè)基本組成部分，即機(jī)體(或稱主機(jī))和工作裝置。工作裝置根據(jù)工作性質(zhì)的不同，可配備反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，分別完成挖掘、裝載、抓取、起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清溝等工作。其中長(zhǎng)期作業(yè)條件相似的挖掘機(jī)反鏟裝置大多采用整體鵝頸式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)。如圖 2. 1 所示，整體鵝頸式動(dòng)臂反鏟挖掘機(jī)工作裝置主要由動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、斗桿、斗一桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。當(dāng)斗桿油缸伸縮時(shí)，斗桿可繞動(dòng)臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。挖掘機(jī)司機(jī)扳動(dòng)操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通，于是回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)上部平臺(tái)回轉(zhuǎn)，使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點(diǎn)，在執(zhí)行上述過程的同時(shí)操縱動(dòng)臂油缸換向閥，使動(dòng)臂油缸上腔進(jìn)油，將動(dòng)臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機(jī)操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進(jìn)油，配合動(dòng)斗桿油缸 動(dòng)臂 油管 動(dòng)臂油缸 鏟斗 斗齒 側(cè)齒 連桿 搖桿 鏟斗油缸 1斗桿 反鏟挖掘機(jī)工作裝置作以加快作業(yè)進(jìn)度，進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作的挖掘和裝載:鏟斗裝滿后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中位，使鏟斗和斗桿油缸閉鎖，再操縱動(dòng)臂油缸換向閥，使動(dòng)臂油缸的下腔進(jìn)油，將動(dòng)臂提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動(dòng)平臺(tái)回轉(zhuǎn)換向閥手柄，使上部平臺(tái)回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鏟斗轉(zhuǎn)至運(yùn)輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使鏟斗高度稍降一些，并在適當(dāng)?shù)母叨炔倏v鏟斗油缸使鏟斗卸土。液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，各部分的運(yùn)動(dòng)通過液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)。而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。（一）液壓挖掘機(jī)的工況液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程包括以下幾個(gè)動(dòng)作( 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。（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)第2章挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和分析方法液壓馬達(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。1 挖掘工況分析挖掘過程中主要以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別單獨(dú)進(jìn)行挖掘，或者兩者復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)配以動(dòng)臂液壓缸的動(dòng)作[15]。 斗尖沿直線平整土地圖 斗尖沿直線切削斜坡圖 鏟斗底壓整地面圖　　　　　　　 鏟斗底保持一定角度切削圖單獨(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。當(dāng)斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)， 所示。對(duì)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?；剞D(zhuǎn)先導(dǎo)壓力越大，節(jié)流閥開度越小，節(jié)流效應(yīng)越大，則斗桿油缸回油壓力增高，使得油泵的供油壓力也提高。動(dòng)臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，動(dòng)臂和鏟斗自動(dòng)提升到合適的卸載高度。在回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂提升的同時(shí)，斗桿要外放，有時(shí)還需要對(duì)鏟斗進(jìn)行調(diào)整。 所示。卸載時(shí)，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作，間以動(dòng)臂動(dòng)作。　空斗返回供油情況發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)油泵供油量小，為防止動(dòng)臂因重力作用迅速下降和動(dòng)臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動(dòng)臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動(dòng)臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。對(duì)于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式:①一個(gè)油泵并聯(lián)向左、右行走馬達(dá)供油，另一個(gè)油泵向其他液壓作用元件供油，其多余的油液通過單向閥向行走馬達(dá)供油， 所示。根據(jù)液壓挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求[20]: 1動(dòng)力性要求所謂動(dòng)力性要求，就是在保證發(fā)動(dòng)機(jī)不過載的前提下，盡量充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率。2 操縱性要求（1）調(diào)速性要求挖掘機(jī)對(duì)調(diào)速操縱控制性能的要求很高，如何按照駕駛員的操縱意圖方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速操縱控制，對(duì)各個(gè)執(zhí)行元件的調(diào)速操縱是否穩(wěn)定可靠，成為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要的一方面。尤其對(duì)行走機(jī)構(gòu)來說，左、右行走馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作問題，即直線行駛性也是設(shè)計(jì)中需要考慮的重要一方面。（3）節(jié)能性要求挖掘機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)，能量消耗大，要求液壓系統(tǒng)的效率高，就要降低各個(gè)執(zhí)行元件和管路的能耗，因此在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中要充分考慮各種節(jié)能措施。（4）安全性要求挖掘機(jī)的工作條件惡劣，載荷變化和沖擊振動(dòng)大，對(duì)于其液壓系統(tǒng)要求有良好的過載保護(hù)措施，防止油泵過載和因外負(fù)載沖擊對(duì)各個(gè)液壓作用元件的損傷。（三）挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中最重要也是最復(fù)雜的就是多路閥液壓系統(tǒng)。下面對(duì)多路閥液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析：[22]。去掉以下部分:油泵的負(fù)流量控制連接口FR和隊(duì)?；赜涂赿rl, dr2, dr3, dr4, dr5:通向各個(gè)閥桿的先導(dǎo)控制油路。該系統(tǒng)主要包括7個(gè)操縱閥， 5個(gè)二位二通閥A, B, C, D, E, 1個(gè)插裝閥x和一些單向閥及節(jié)流閥。3 提出一種有效、直觀的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)的步驟。（一）液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定 WY200C液壓履帶式挖掘機(jī)主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目名稱單位m3/h最大挖掘深度為此，采用平衡閥控制油路中液壓油的壓力值[24]。執(zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負(fù)載值或者主機(jī)設(shè)備類型選取。Py=10Mpa D：缸筒內(nèi)徑[σ]= [σs]/=175/=70MPaδ=10220/(60310)+C=25mm故油缸缸筒外圓取D1=125mm.3 缸筒強(qiáng)度校核根據(jù)SL4193，缸體合成應(yīng)力按下式計(jì)算：σzh1=≤[σ] （）式中：[σ]=60MPaσz1：縱向應(yīng)力： σz1==22MPa ()σh1：環(huán)向應(yīng)力： σh1==75 MPa ()P：工作壓力，P=32MPaD：油缸缸徑，D=Φ125mmd：油缸桿徑，d=Φ85mmδ：缸筒壁厚，δ=終計(jì)算， σzh1== MPa 70 MPa即: σzh1 [σ],符合要求.4 活塞桿長(zhǎng)度和缸筒長(zhǎng)度計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求的行程，來設(shè)計(jì)活塞桿的長(zhǎng)度；本油缸的行程為1020mm，故油缸的活塞桿的長(zhǎng)度為1265mm，缸筒的長(zhǎng)度為1500mm。計(jì)算得λ=41265/85=＜[λ]，故滿足要求。對(duì)高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥，故效率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場(chǎng)合。此種調(diào)速方式適用于功率大、運(yùn)動(dòng)速度高的液壓系統(tǒng)。進(jìn)油節(jié)流起動(dòng)沖擊較小，回油節(jié)流常用于有負(fù)載荷的場(chǎng)合，旁路節(jié)流多用于高速。開式回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。經(jīng)過上述分析此方案選用壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。液壓控制閥控制系統(tǒng)：①先導(dǎo)型控制系統(tǒng) 換向控制閥的控制形式有直動(dòng)型（用手柄直接操縱換向閥主閥芯，目前少用）和先導(dǎo)型兩種。在液壓挖掘機(jī)上，目前常用的是一般的三位六通多路閥，其滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能差。而使用負(fù)荷傳感變量系統(tǒng)，泵的流量全部用于負(fù)載上，泵的壓力僅比負(fù)荷壓力大13Mpa；流量控制精度高，不受負(fù)荷壓力變化的影響；幾個(gè)執(zhí)行元件可以同步運(yùn)動(dòng)或以某種速比運(yùn)動(dòng)，且互不干擾。完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)由負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制變量泵組成帶次級(jí)壓力補(bǔ)償閥的負(fù)荷傳感系統(tǒng)德國(guó)力士樂公司等）在其生產(chǎn)的液壓挖掘機(jī)上設(shè)置了負(fù)荷傳感分流器LUOV（Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系統(tǒng)，其主要作用是：當(dāng)多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)工作、所需的流量大于液壓泵的流量時(shí)，產(chǎn)生供油不足的現(xiàn)象，這不能使正在工作臺(tái)的執(zhí)行元件與負(fù)載壓力無關(guān)的控制得到保證。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，用變量泵供油，用安全閥起安全保護(hù)作用。在系統(tǒng)的某個(gè)局部，工作壓力需低于主油源壓力時(shí)，要考慮采用減壓回路來獲得所需的工作壓力。加工機(jī)械的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作多采用行程控制，當(dāng)工作部件移動(dòng)到一定位置時(shí)，通過電氣行程開關(guān)發(fā)出電信號(hào)給電磁鐵推動(dòng)電磁閥或直接壓下行程閥來控制接續(xù)的動(dòng)作。壓力控制多用在帶有液壓夾具的機(jī)床、擠壓機(jī)壓力機(jī)等場(chǎng)合。(4) 選擇液壓動(dòng)力源液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。對(duì)在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況，一般采用多泵供油或變量泵供油。一般泵的入口要裝有粗過濾器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護(hù)元件的要求，通過相應(yīng)的精過濾器再次過濾。各回路相互組合時(shí)要去掉重復(fù)多余的元件，力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。為便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測(cè)，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測(cè)元件（如壓力表、溫度計(jì)等）。系統(tǒng)圖中應(yīng)注明各液壓執(zhí)行元件的名稱和動(dòng)作，注明各液壓元件的序號(hào)以及各電磁鐵的代號(hào)，并附有電磁鐵、行程閥。2確定液壓泵的流量多液壓缸同時(shí)工作時(shí)，而且系統(tǒng)使用蓄能器鋪助動(dòng)力源時(shí)，則液壓泵輸出流量公式應(yīng)為≥ ()其中 K系統(tǒng)泄露系數(shù)，取K=Tt液壓系統(tǒng)工作周期Vi每個(gè)液壓缸的工作周期中的總耗油 z液壓缸的個(gè)數(shù)銷鎖油缸的最大流量 ()==60加料門油缸的最大流量==26根據(jù)以上可知: =60大泵流量=80%=48小泵流量=20%=12大泵排量=37小泵排量 = =按照泵的排量 和、的值來選擇液壓泵3選擇液壓泵的規(guī)格根據(jù)以上求的泵的排量、和、的值，按系統(tǒng)中給定的液壓泵的形式，從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四卷得雙聯(lián)柱塞泵：主泵: K3V112DT柱塞式串聯(lián)變量雙泵。從液壓原理圖可以看出，快速運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的壓力和流量都較大，這時(shí)，大小泵同時(shí)參加工作，小泵排油壓力和流量均較大。本系統(tǒng)工作壓力在9Mpa左右，所以液壓閥都選用中、高壓閥?？梢允瓜到y(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，性能優(yōu)良，安裝簡(jiǎn)便，維修容易，并保證系正常工作的重要條件。2液壓閥的安裝方式的選擇是指液壓閥與系統(tǒng)的管路或其他閥的進(jìn)出油口的連接方式，一般有三種，螺紋連接方式，板式連接方式，法蘭連接方式。4 液壓閥的結(jié)構(gòu)形式的選擇液壓閥的結(jié)構(gòu)方式分為：管式結(jié)構(gòu)，板式結(jié)構(gòu)。 主操作閥原理圖（四）其他液壓元件的選擇1 壓力繼電器的選擇能夠自動(dòng)感到壓力變化，但壓力達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，可以自動(dòng)將電路進(jìn)行通斷的儀表。 測(cè)壓軟管 ， 最大壓力40Mpa PT3 測(cè)壓排氣接頭4 液位液溫計(jì)空氣濾清器和直回式回油過濾器的選擇依據(jù)液壓系統(tǒng)的壓力和流量，系統(tǒng)的發(fā)熱量來選擇，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：直回式回油過濾器 RFA250*20FY液位液溫計(jì) YWZ200TA液位液溫計(jì) WSSX411，40～80176。高壓膠管的工作壓力對(duì)不正常使用的情況下可提高20%；對(duì)于使用頻繁，經(jīng)常扭變的要降低40%。（4）膠管的接頭軸線，應(yīng)盡量放置在運(yùn)動(dòng)的平面內(nèi)，避免兩端互相運(yùn)動(dòng)時(shí)膠管受力。此管路長(zhǎng)為5m，正常運(yùn)轉(zhuǎn)后的粘度為= 27 ，油的密度為=918Kg/油在管路的實(shí)際流速===Re===3702＞2300油在管路中呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為：= ()根據(jù)公式=求得沿程壓力損失為:==2 局部壓力損失局部壓力損失包括通過管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失，以及通過控制閥的局部壓力損