【文章內(nèi)容簡介】 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)先導壓力來控制?；剞D(zhuǎn)先導壓力越大，節(jié)流閥開度越小，節(jié)流效應越大，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。 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。 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)速度的相對關系應該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則 17 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，此時應該將溢流的油供給動臂，如圖 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、斗桿和鏟斗進行復合動作。 由于滿斗提升時動臂油缸壓力高，導致變量泵流量減小，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，如圖 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閉狀態(tài)，因此左側(cè)油泵只向回轉(zhuǎn)馬達和斗桿供油。 三泵系統(tǒng)的供油情況如圖 所示。各個油 泵分別向一個液壓作用元件供 油，復合動作時無相互干擾。 卸載工況分析 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合動作，間以動臂動作。 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，如圖 所示 。 18 圖 回轉(zhuǎn)舉升供油情況 圖 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。 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 19 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，如圖 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，如圖 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，如圖 所示。 圖 行走復合動作時的幾種供油情況 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求 液壓挖掘 機的動作繁復，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)提出了很高的設計要求。根據(jù)液壓挖掘機的工作特點，其液壓系統(tǒng)的設計需要滿足以下要求 。 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。 操縱性要求 (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) 20 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)復雜的復合動作，因此如何實現(xiàn)多執(zhí)行元件的復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)理想的復合動作。尤其對行走機構(gòu)來說，左、右行走馬達的復合動作問題，即直線行駛性也是設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，導致一側(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)行元件復合動作時的流量供應問題也是挖掘機液壓系統(tǒng)設計中需要考慮的。 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，也是降低能耗的關鍵。 安全性要求 挖掘機的工作條件惡劣，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。 回轉(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。 其它性能要求 實現(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 21 施工中應用越來越多，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。 挖掘機液壓系統(tǒng)的 基本回路 分析 挖掘機液壓系統(tǒng)的 基本回路包括回轉(zhuǎn)回路，行走回路，動臂，斗桿，鏟斗，回路等 [11]。 回轉(zhuǎn)回路 液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)運動時由于上車轉(zhuǎn)動慣量打，在啟動，制動和突然換向時會引起很大的液壓沖擊。尤其是回轉(zhuǎn)過程中遇到障礙突然停車。液壓沖擊會使整個液壓系統(tǒng)和遠見產(chǎn)生震動和噪音，甚至破壞。因此挖 掘機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用特殊的回路來 過載保護 。回轉(zhuǎn)回路見圖 。 圖 挖掘機液壓系統(tǒng)回轉(zhuǎn)回路 （ 1）緩沖回路 本設計中回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用并聯(lián)緩沖閥式緩沖回路。這種緩沖回路在高，低壓回路之間并聯(lián)有緩沖閥，每一緩沖閥的高壓油口與另一緩沖閥的低壓油口相通。當回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動，停止或反轉(zhuǎn)時，高壓腔的液壓油經(jīng)過緩沖閥直接進入低壓腔，減小了液壓沖擊。兩個單向閥起補油的作用。 （ 2）制動油路 本設計中采用機械制動和液壓制動結(jié)合的方式對回轉(zhuǎn)馬達進行制動?；剞D(zhuǎn)馬達的 22 制動型采用常閉式制動器。當回轉(zhuǎn)馬達停止供油時，制動油缸的先導壓力油回油箱，回轉(zhuǎn)制動器在彈簧的作用下制動。一旦油泵向馬達供 油，先導壓力油同時進入制動油缸，壓縮彈簧，制動解除。 制動油路 如圖 。 圖 制動油路 行走回路 行走回路如下圖 所示。和回轉(zhuǎn)回路相同，行走回路中也設置了制動油路。制動油缸為常閉式制動器。當油泵向向行走馬達供油時，壓力油進入制動油缸，壓縮彈簧，制動解除。此外，還設置了變速回路。這種回路由兩檔行駛速度，可以根據(jù)需要進行選擇。圖中變速閥由先導壓力控制。當變速閥上沒有先導壓力左右時，行走馬達以較低的速度運轉(zhuǎn)。檔變速閥上有先導壓力作用時，變速閥動作使得壓力油進入調(diào)節(jié)油缸的大腔，調(diào)節(jié)行 走馬達的排量，使得行走馬達供油量增大并高速運轉(zhuǎn)。 圖 挖掘機液壓系統(tǒng)行走回路 動臂 斗桿 鏟斗回路 （ 1）動臂、斗桿、鏟斗回路 液壓挖掘機工作時，鏟斗上受到外負載的作用，這就需要動臂油缸和斗桿油缸必 23 須有足夠的壓力來承受。但是如果壓力過大會造成液壓元件和管道的破壞。為此，需要在動臂油缸和斗桿油缸的進出油路上各安裝個一限壓閥， 當 閉鎖壓力大于限壓閥的調(diào)定壓力時，可以實現(xiàn)卸荷，以保護液壓元件和管道。限壓油路如下圖 。 圖中兩個單向閥起補油的作用 圖 動臂 、 斗桿 、 鏟斗限壓補 油回路 （ 2）動臂支持防下落油路 動臂操縱閥在中位時，油缸口閉鎖，由于滑閥的密封性不好會產(chǎn)生泄漏，動臂在重力作用下會產(chǎn)生下沉，這是不允許的 ，特別是挖掘機在進行起重作業(yè)的時候，要求動臂停留在某一位置上保持不下降，因此設置了動臂支持閥，如圖 所示。在彈簧力的作用下，動臂油缸下腔壓力油通過支持閥閥芯內(nèi)的鉆孔通向支持閥上端，將支持閥壓緊在閥座上，阻止動臂油缸下腔的壓力油從 B 流向 A，起到閉鎖支撐的作用。當操縱動臂下降時，在先導操縱油壓的作用下，液控單向閥開啟。動臂油缸下腔壓力油通過支持閥閥芯鉆孔油道經(jīng)液控單向 閥回油。由于支持閥閥芯內(nèi)鉆孔油道節(jié)流孔的節(jié)流作用，使支持閥上下腔產(chǎn)生壓差，在壓差的作用下克服彈簧力，支持閥打開，壓力油從 B 流向 A。 圖 動臂支持防下落回路 24 液壓系統(tǒng)方案擬訂 (1) 在 液壓挖掘機一個工作循環(huán)中的四種工況一挖掘工況、滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況、 卸載工況和卸載返回工況進行詳細 分析 的基礎上，總結(jié) 每個工況下各執(zhí)行機構(gòu)的主要復合動作 后提出初步方案 。 (2) 根據(jù)液壓挖掘機的主要工作特點，系統(tǒng)地總結(jié)出 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求 :動力性要求、操縱性要求、節(jié)能性要求、安全性要求和其它性能的要 求。 (3) 提出一種有效 、直觀的挖掘機液壓系統(tǒng)的 設計方案，并詳細介紹設計 的步驟。 25 4 液壓系統(tǒng)的設計 液壓挖掘機 具有多種機構(gòu)，包括動臂機構(gòu)、斗桿機構(gòu)和鏟斗連桿機構(gòu)、行走機構(gòu) 回轉(zhuǎn)機構(gòu)等。這些機構(gòu)經(jīng)常起動、制動、換向，外負載變換很大，沖擊和振動多，因此挖掘機對液壓系統(tǒng)提出了很高的設計要求。 WY200 液壓履帶式挖掘機采用全功率變量系統(tǒng)，先導液壓操縱，整體式多路閥等先進結(jié)構(gòu)。該機 構(gòu) 具有操作輕便、使用安全可靠、發(fā)動機功率利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。根據(jù)作業(yè)需要可配備 立方米四種反鏟斗及斗容為 和 立米方的兩種正鏟斗。 液壓系統(tǒng)方案及主要技術參數(shù)確定 [12] 根據(jù)技術條件 確定 WY200 液壓履帶式挖掘機主要技術參數(shù) 如表 所示 。 表 WY200液壓履帶式挖掘機主要技術參數(shù) 項目名稱 單位 數(shù) 值 發(fā)動機型號 6135K16 標準斗容量 3m 發(fā)動機標定輸出功率 kW/r/min 106/2100 最大挖掘半徑 m 最大挖掘深度 m 最大卸載高度 m 回轉(zhuǎn)速度 r/min 行走速度 km/h 爬坡能力 % 70 作業(yè)循環(huán)時間 S 1822 主機長 /寬度 m 履帶平均接地比壓 MPa 發(fā)動機額定轉(zhuǎn)數(shù) r/min 2100 整機質(zhì)量 t 理論生產(chǎn)率 3m /h 200 最大挖掘力 kN 142 系統(tǒng)工作壓力 MPa 38 履帶板寬度 m 主機運輸尺寸 (長 X寬 X高 ) mm 9860x3000x3120 26 執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分，必須滿足機器設備的運動功能、性能要求和結(jié)構(gòu)、安 裝上的限制。根據(jù)所要求的負載運動形態(tài)，選用不同的執(zhí)行元件配置，如 表 所示 。 表 執(zhí)行元件配置 運 動 方 式 執(zhí) 行 元 件 左行走 右行走 直 線 行走 左液壓馬達 右液壓馬達 左液壓馬