【文章內(nèi)容簡介】 轉(zhuǎn)臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉(zhuǎn)動。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轉(zhuǎn)動。挖掘作業(yè)時，接通回轉(zhuǎn)馬達，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮。動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進行第二次挖掘循環(huán)。在實際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機的[13]。鏟斗 斗桿 動臂 連桿 液壓油缸I、挖掘裝置 II、回轉(zhuǎn)裝置 III、行走裝置 液壓挖掘機傳動示意圖總之，液壓挖掘機是由多學科、多系統(tǒng)組成的有機整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學科協(xié)同優(yōu)化才能獲取挖掘機整機的最佳性能。3　液壓挖掘機工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計方案的確定要了解和設(shè)計挖掘機的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機的工作過程及其作業(yè)要求，掌握各種液壓作用元件動作時的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復(fù)合動作要求和復(fù)合動作時油泵對同時作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。　液壓挖掘機的工況液壓挖掘機的作業(yè)過程包括以下幾個動作( 所示):動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機行走以及其它輔助動作。除了輔助動作(例如整機轉(zhuǎn)向等)不需全功率驅(qū)動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅(qū)動[14]。動臂升降 斗桿收放 鏟斗裝卸 4 、平臺臺回轉(zhuǎn) 整機行走 液壓挖掘機的運動圖由于液壓挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊要求:(1)實現(xiàn)各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應(yīng)變化。(2)為了充分利用發(fā)動機功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作(例如挖掘與動臂、提升與回轉(zhuǎn))同時進行復(fù)合動作[15]。液壓挖掘機一個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復(fù)合主要包括:(1) 挖掘:通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進行挖掘，或者兩者配合進行挖掘，因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動作，必要時，配以動臂動作。(2) 滿斗舉升回轉(zhuǎn):挖掘結(jié)束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉(zhuǎn)第2章挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求和分析方法液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。(3) 卸載:轉(zhuǎn)到卸土點時，轉(zhuǎn)臺制動，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，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟斗的復(fù)合動作，間以動臂動作。(4) 空斗返回:卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放到新的挖掘點，此時是回轉(zhuǎn)和動臂或斗桿的復(fù)合動作。　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進行挖掘，或者兩者復(fù)合動作，必要時配以動臂液壓缸的動作[15]。一般在平整土地或切削斜坡時，需要同時操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運動。此時斗桿收回，動臂抬起，希望斗桿和動臂分別由獨立的油泵供油，以保證彼此動作獨立，相互之間無干擾，并且要求泵的供油量小，使油缸動作慢，便于控制。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進行切削時，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時，就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復(fù)合動作，,。 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采用斗桿挖掘時，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個別也有采用三泵合流。單獨采用鏟斗挖掘時，也有采用雙泵合流的情況。下面以三泵系統(tǒng)為例，來說明復(fù)合動作挖掘時油泵流量的分配情況和分合流油路的連接情況。液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作[16]。當斗桿和鏟斗復(fù)合動作挖掘時， 所示。當斗桿油壓接近溢流閥的壓力時，原來溢流的油液此時供給鏟斗有效利用。當鏟斗和動臂復(fù)合動作挖掘時，由于動臂僅僅起調(diào)解位置的作用，主要是斗桿進行挖掘，因此采用斗桿優(yōu)先合流、雙泵供油， 所示。 三泵供油系統(tǒng)示意圖當動臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運動時，為了防止同一油泵向多個液壓作用元件供油時動作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個油泵單獨對一個液壓作用元件供油較好。對于雙泵系統(tǒng)，其復(fù)合動作時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)流等措施進行流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。當進行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進行切削，因此需要同時向回轉(zhuǎn)馬達和斗桿供油，兩者復(fù)合動作。回轉(zhuǎn)馬達和斗桿收縮同時動作，由同一個油泵供油，因此需要采用回轉(zhuǎn)優(yōu)先油路，否則鏟斗無法緊貼側(cè)壁，使掘削很難正常進行。在斗桿油缸活塞桿端回油路上設(shè)置可變節(jié)流閥，此節(jié)流閥的開口度即節(jié)流程度由回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力來控制。回轉(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。因此隨著回轉(zhuǎn)操縱桿行程的增大，回轉(zhuǎn)馬達油壓增加，回轉(zhuǎn)力增大。 溝槽側(cè)壁掘削和斜坡掘削時，油泵供油連接情況挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅硬障礙物，往往由于挖不動而需要短時間增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時增壓，能提高主壓力閥的壓力[17]。　滿斗舉升回斗工況分析挖掘結(jié)束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)馬達的復(fù)合動作。動臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機相對自卸車的位置而變，因此動臂提升速度和回轉(zhuǎn)馬達的回轉(zhuǎn)速度的相對關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動臂的提升速度慢些。在雙泵系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)起動時，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢流，此時應(yīng)該將溢流的油供給動臂， 所示。在回轉(zhuǎn)和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進行調(diào)整。這時是回轉(zhuǎn)馬達、動臂、斗桿和鏟斗進行復(fù)合動作[18]。由于滿斗提升時動臂油缸壓力高，導(dǎo)致變量泵流量減小，為了使動臂提升和回轉(zhuǎn)、斗桿外放相互配合動作，由一個油泵專門向動臂油缸供油，另一個油泵除了向回轉(zhuǎn)馬達和斗桿供油外，還有部分油供給動臂， 所示。但是由于動臂提升時油壓較高，單向閥大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)，因此左側(cè)油泵只向回轉(zhuǎn)馬達和斗桿供油。 所示。各個油泵分別向一個液壓作用元件供油，復(fù)合動作時無相互干擾?！⌒遁d工況分析回轉(zhuǎn)至卸載位置時，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需要動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動作，間以動臂動作。 　回轉(zhuǎn)舉升供油情況　空斗返回工況分析當卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放在新的挖掘點。此工況是回轉(zhuǎn)馬達、動臂和斗桿復(fù)合動作。由于動臂下降有重力作用，壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿， 所示。　空斗返回供油情況發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。　行走時復(fù)合動作在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件(如回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗)進行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達供油、另一個油泵為右行走馬達供油，此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側(cè)行走速度降低，影響直線行駛性，特別是當挖掘機進行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故[19]。為了保證挖掘機的直線行駛性，在三泵供油系統(tǒng)中，左右行走馬達分別由一個油泵單獨供油，另一個油泵向其它液壓作用元件(如動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn))供油， 所示。對于雙泵系統(tǒng)，目前采用以下供油方式:①一個油泵并聯(lián)向左、右行走馬達供油，另一個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供油， 所示。②雙泵合流并聯(lián)向左、右行走馬達和作業(yè)裝置液壓作用元件同時供油， 所示?！⌒凶邚?fù)合動作時的幾種供油情況　挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求液壓挖掘機的動作繁復(fù)，且具有多種機構(gòu)，如行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動臂、斗桿和鏟斗等，是一種具有多自由度的工程機械。這些主要機構(gòu)經(jīng)常起動、制動、換向，外負載變化很大，沖擊和振動多，因此挖掘機對液壓系統(tǒng)提出了很高的設(shè)計要求。根據(jù)液壓挖掘機的工作特點，其液壓系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足以下要求[20]: 　動力性要求所謂動力性要求，就是在保證發(fā)動機不過載的前提下，盡量充分地利用發(fā)動機的功率，提高挖掘機的生產(chǎn)效率。尤其是當負載變化時，要求液壓系統(tǒng)與發(fā)動機的良好匹配，盡量提高發(fā)動機的輸出功率。例如，當外負載較小時，往往希望增大油泵的輸出流量，提高執(zhí)行元件的運動速度。雙泵液壓系統(tǒng)中就常常采用合流的方式來提高發(fā)動機的功率利用率?！〔倏v性要求(1) 調(diào)速性要求挖掘機對調(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現(xiàn)調(diào)速操縱控制，對各個執(zhí)行元件的調(diào)速操縱是否穩(wěn)定可靠，成為挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計十分重要的一方面。挖掘機在工作過程中作業(yè)阻力變化大，各種不同的作業(yè)工況要求功率變化大，因此要求對各個執(zhí)行元件的調(diào)速性要好。(2) 復(fù)合操縱性要求挖掘機在作業(yè)過程中需要各個執(zhí)行元件單獨動作，但是在更多情況下要求各個執(zhí)行元件能夠相互配合實現(xiàn)復(fù)雜的復(fù)合動作，因此如何實現(xiàn)多執(zhí)行元件的復(fù)合動作也是挖掘機液壓系統(tǒng)操縱性要求的一方面。當多執(zhí)行元件共同動作時，要求其相互間不千涉，能夠合理分配共同動作時各個執(zhí)行元件的流盤，實現(xiàn)理想的復(fù)合動作。尤其對行走機構(gòu)來說，左、右行走馬達的復(fù)合動作問題，即直線行駛性也是設(shè)計中需要考慮的重要一方面。如果挖掘機在行使過程中由于液壓泵的油分流供應(yīng)，導(dǎo)致一側(cè)行走馬達速度降低，形成挖掘機意外跑偏，很容易發(fā)生事故。另外，當多執(zhí)行元件同時動作時，各個操縱閥都在大開度下工作，往往會出現(xiàn)系統(tǒng)總流量需求超過油泵的最大供油流量，這樣高壓執(zhí)行元件就會因壓力油優(yōu)先供給低壓執(zhí)行元件而出現(xiàn)動作速度降低，甚至不動的現(xiàn)象。因此，如何協(xié)調(diào)多執(zhí)行元件復(fù)合動作時的流量供應(yīng)問題也是挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的。　節(jié)能性要求挖掘機工作時間長，能量消耗大，要求液壓系統(tǒng)的效率高，就要降低各個執(zhí)行元件和管路的能耗，因此在挖掘機液壓系統(tǒng)中要充分考慮各種節(jié)能措施。當對各個執(zhí)行元件進行調(diào)速控制時，系統(tǒng)所需流量大于油泵的輸出流量，此時必然會導(dǎo)致一部分流量損失掉。系統(tǒng)要求此部分的能量損失盡量小。當挖掘機處于空載不工作的狀態(tài)下，如何降低泵的輸出流量，降低空載回油的壓力，也是降低能耗的關(guān)鍵[23]?！“踩砸笸诰驒C的工作條件惡劣，載荷變化和沖擊振動大，對于其液壓系統(tǒng)要求有良好的過載保護措施，防止油泵過載和因外負載沖擊對各個液壓作用元件的損傷?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因自重而快帶下降和整機超速溜坡?！∑渌阅芤髮崿F(xiàn)零部件的標準化、組件化和通用化，降低挖掘機的制造成本:液壓挖掘機作業(yè)條件惡劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性。由于挖掘機在城市建設(shè)施工中應(yīng)用越來越多，因此要不斷提高挖掘機的作業(yè)性能，降低振動和噪聲，重視其作業(yè)中的環(huán)保性[21]?！⊥诰驒C液壓系統(tǒng)的分析挖掘機液壓系統(tǒng)中最重要也是最復(fù)雜的就是多路閥液壓系統(tǒng)。多路閥是挖掘機液壓系統(tǒng)中的重要部件，它確定了液壓泵向各個液壓作用元件的供油路線和供油方式；確定了多個液壓作用元件同時作用時的流量分配情況和如何實現(xiàn)復(fù)合動作；決定了挖掘機作業(yè)時的運動學和動力學特性、動作優(yōu)先和配合以及合流供油和直線行走性等等。它的設(shè)計決定了能否更好地滿足挖掘機的作業(yè)要求和工況要求。挖掘機多路閥液壓系統(tǒng)圖通常十分復(fù)雜，對各種液壓作用元件的供油路線、回油路線以及控制油路等紛雜在一起，很難對整個液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一目了然，這樣就需要花費很多的時間才能將其分析透徹。下面對多路閥液壓系統(tǒng)進行分析：[22]。簡化步驟具體為:(1)　為了突出挖掘機液壓系統(tǒng)的核心部分— 多路閥液壓系統(tǒng)，首先去掉液壓泵及其控制油路，各個液壓作用元件及其油路，如動臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走裝置，以及多路閥先導(dǎo)液壓操縱系統(tǒng)()。(2)　對多路閥液壓系統(tǒng)來說，重要的是供油道的設(shè)計。因此可以把上述系統(tǒng)圖進一步簡化，突出核心內(nèi)容。去掉以下部分:油泵的負流量控制連接口FR和隊。回油箱的連接口。與各個液壓作用元件的連接口AL1, BLl, AL2, BL2, AU, BL3, AL4, BL4和ARl, BR1, AR2, BR2, AR3, BR3, Rsl。各個閥桿先導(dǎo)操縱油路連接口all, bll, alt, b12, a13, b13, ajA, b14和arl、brl, ar2, br2, ar3, br3?；赜涂赿rl, dr2, dr3, dr4, dr5:通向各個閥桿的先導(dǎo)控制油路。與各個液壓作用元件油路有關(guān)的限壓閥、動臂和斗桿的支持閥以及再生閥等。這些部分與多路閥的連接關(guān)系已經(jīng)知道，所以可以將其放到各個液壓作用元件的油路中去討論[27]。(3)　將簡化后的液壓系統(tǒng)連接起來。該系統(tǒng)主要包括7個操縱閥， 5個二位二通閥A, B, C, D, E, 1個插裝閥x和一些單向閥及節(jié)流閥。通過簡化后的液壓系統(tǒng)，可以清晰了解液壓泵的壓力油是如何通向各個液壓作用元件，以及在各種操縱情況下，液壓傳動的路線和可能的供油方式、功率分配和流量分配情況。　多路閥液壓系統(tǒng)圖　液壓系統(tǒng)方案擬訂(1)　在