【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 新 4 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的液壓挖掘機(jī)其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。這樣，引進(jìn)和消化國(guó)外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)行業(yè)近年來(lái)雖有很大發(fā)展，但與國(guó)外挖掘機(jī)行業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在許多不足，其原因除了國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)加 工水平落后之外，挖掘機(jī)設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比也有較大的差距，尤其是一些先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的掌握和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)眾多的研究人員和單位對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了不少研究，開(kāi)發(fā)了其設(shè)計(jì)軟件，他們的研究基本上局限于解決某些問(wèn)題，即工作裝置的幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力參數(shù)等的解決。關(guān)于工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)分析和在 CAD 上其自動(dòng)設(shè)計(jì)的綜合研究文獻(xiàn)還沒(méi)有。因此，開(kāi)發(fā)出的軟件缺少通用性，不能使用于挖掘機(jī)工作裝置的一些通用問(wèn)題的解決，對(duì)工程機(jī)械這個(gè)行業(yè)不具有通用性。特別是國(guó)內(nèi)， CAD 在許多企業(yè)還停留在輔助制圖的程度上，當(dāng)然也有部分企業(yè)用 CAD進(jìn)行空間布置設(shè)計(jì)。雖然部分軟件也有一定的分析計(jì)算能力，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)需要，對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行分析的大型通用軟件目前市場(chǎng)上還很少。 經(jīng)過(guò)近十年的研究，獲得了一些成果，但是研究還不夠深入，有些研究結(jié)果己進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中。目前研究液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于，為了使挖掘機(jī)設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算中解脫出來(lái)，現(xiàn)有工作裝置機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，即大多數(shù)的液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)研究在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上局限地進(jìn)行的。在這樣一種情況下，開(kāi)發(fā)一個(gè)專業(yè)化的工作裝置的設(shè)計(jì)工具和軟件顯得非常必要。 國(guó) 內(nèi)外液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀 國(guó)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究狀況 從 20 世紀(jì) 60年代液壓傳動(dòng)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在挖掘機(jī)上至今，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)成熟的階段。近幾年來(lái)，隨著液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴(kuò)大，世界上著名的挖掘機(jī)生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術(shù)，來(lái)提高自己挖掘機(jī)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力 :①液壓系統(tǒng)逐漸從開(kāi)式系統(tǒng)向閉式系統(tǒng)轉(zhuǎn)變 。②系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成為研究的重點(diǎn) 。③液壓系統(tǒng)的高壓化和高可靠性發(fā)展趨勢(shì)日益凸顯 。④很重視液壓系統(tǒng)的操縱特性提高 。⑤液壓系統(tǒng)與電子控制的結(jié)合成為潮流。 日本小松 (KAMATSU)公司 90年代以前一直致力開(kāi)發(fā)開(kāi)式負(fù)載敏感系統(tǒng) (OLSS )，用以降低液壓系統(tǒng)的損耗。開(kāi)式液壓系統(tǒng)采用三位六通閥，其特點(diǎn)是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯(lián)供油路。由于這種油路調(diào)速方式是進(jìn)油節(jié)流調(diào)速和旁路節(jié)流調(diào)速同時(shí)起作用，其調(diào)速特性受負(fù)載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統(tǒng)的操縱性能、調(diào)速性能和微調(diào)性能差。另外， 當(dāng)液壓作用元件一起復(fù)合動(dòng)作時(shí)，相互干擾大，使得復(fù)合動(dòng)作操縱非常困難。這是開(kāi)式系統(tǒng)的大缺點(diǎn)。 由于挖掘機(jī)作業(yè)工程中要求對(duì)液壓元件能很好地控制其運(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(lái)使用的開(kāi)式液壓系統(tǒng)無(wú)法滿足挖掘機(jī)的調(diào)速和復(fù)合動(dòng)作的要求。 近年來(lái)在國(guó)外的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負(fù)載敏感系統(tǒng) (CLSS)。它可以采用一個(gè)油泵同時(shí)向所有液壓作用元件供油，每一個(gè)液壓作用元件的運(yùn)動(dòng)速度只與操縱閥的閥 5 桿行程有關(guān)，與負(fù)載壓力無(wú)關(guān)，泵的流量按需提供，而且多個(gè)液壓作用元件同時(shí)動(dòng)作時(shí)相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。 這種系統(tǒng)非常符合挖掘機(jī)操作的要求，它操縱簡(jiǎn)單，對(duì)司機(jī)的操縱技巧要求低，在國(guó)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(shì)。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(kāi)式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)了。 目前液壓挖掘機(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(lái)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(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(wú)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(duì)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(guò)位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對(duì)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(guó)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。 高 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(guó)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(shì) 。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(guó) 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) 42m 32M 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) 20xxkW。 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(guó)家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無(wú)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(guó)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(píng)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 85969596，使用壽命超過(guò) 1 萬(wàn)小 時(shí)。 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的操縱特性越來(lái)越受到重視。目前國(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(wú)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(lái)獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計(jì)算機(jī)和檢測(cè)儀表的應(yīng)用，使液壓技術(shù)和電子控制有機(jī)結(jié)合，開(kāi)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(guó)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(guó) 6 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(hào)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(zhǎng)了零部件的使用壽命。 國(guó)內(nèi)研究情況及發(fā)展動(dòng)態(tài) 從國(guó)內(nèi)情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)整體發(fā)展水平較國(guó)外緩慢，在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。國(guó) 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(guó)內(nèi)市場(chǎng)上基本失去了競(jìng)爭(zhēng)力，取而代之的是采用各種高新技術(shù)的國(guó)外挖掘機(jī)產(chǎn)品。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(wú)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)。以 20t 級(jí)的中型液壓挖掘機(jī)為例，國(guó)產(chǎn) 20t 級(jí)挖掘機(jī)大多數(shù)是歐洲 80 年代初 的技術(shù)〔劉，同 90 年代初以來(lái)在國(guó)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(guó)外偏低。 7 2 液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 要了解和設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)的工作裝置，首先要分析液壓挖掘機(jī)的工作過(guò)程及其作業(yè)要求，掌握傳統(tǒng)的挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)方法。 液壓挖掘機(jī)的工況分析 液壓挖掘機(jī)的主要功能運(yùn)動(dòng)包括以下幾個(gè)動(dòng)作 (如圖 ):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，其它都是液壓挖掘機(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 由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特要求 :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(guò)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。 液壓挖掘機(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(guò)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。 圖 2. 1 液壓挖掘機(jī)的工作運(yùn)動(dòng) 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) :5 一整機(jī)行走 (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。 8 (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。 挖掘工況分析 ? 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(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖 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(wú)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 [1. 6]，見(jiàn)圖 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。 圖 斗尖沿直線挖削 a 一水平地面的挖削 。b一斜坡地面的挖削 9 圖 地面的切削和壓整 a水 平地面的切削和壓整 。b一斜坡地面的切削和壓整 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(duì)一個(gè)液壓作用元件供油較好。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。 挖掘過(guò)程中還有可能碰到石塊、樹(shù)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(guò)程切削阻力較后半過(guò)程高，因前半過(guò)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) 式中 :c 一表示土壤硬度的系數(shù)，對(duì) 11級(jí)土宜取 c=s08