【正文】 不斷涌現(xiàn)。第二次世界大戰(zhàn)之后，美國麻省理工學(xué)院的布萊克本、李詩穎等人對液壓伺服控制問題作了深入的研究，于 1958 年制造了噴嘴擋板型電液伺服閥； 20 世紀(jì)六十年代末，電液比例閥應(yīng)運(yùn)而生； 70 年代后期，德美等國相繼研制成負(fù)載敏感泵及大功率電磁閥；近年來，為適應(yīng)機(jī)電一體化、控制柔性化和計算機(jī)集中控制的要求，液壓系統(tǒng)的研究已由手動控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制和信號控制。（ 2）提高技術(shù)性能和控制性能。（ 4）開展液壓系統(tǒng)自動控制技術(shù)方面的研究與開發(fā)。（ 6）提高液壓元件和系統(tǒng)的工作可靠性。（ 8）開展液壓系統(tǒng)設(shè)計理論和系統(tǒng)性能分析研究。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國挖掘機(jī)生產(chǎn)起步較晚，從 1954 年撫順挖掘機(jī)廠生產(chǎn)第一臺機(jī)械式單斗挖掘機(jī)至今，大體經(jīng)歷了測繪仿制、自主研發(fā)和發(fā)展提高三個階段。改革開放以來，生產(chǎn)企業(yè)積極引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)了我國挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展，目前國產(chǎn)液壓挖掘機(jī)的產(chǎn)品性能指標(biāo)已達(dá)到 20 世紀(jì) 80 年代的國際水平，部分產(chǎn)品達(dá)到了 90 年代的水平。德國是世界上較早開發(fā)研制挖掘機(jī)的國家， 1954 年和 1955 年德國的德馬克和利渤海爾兩家公司分別開發(fā)了全液壓挖掘機(jī)；美國是繼德國以后生產(chǎn)挖掘機(jī)歷史最長、數(shù)量最大、品種最多和液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng) 設(shè)計 3 技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位的國家；日本挖掘機(jī)制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)展起來的，其主要特點(diǎn)是在引進(jìn)、消化先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的；韓國是液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)的后起之秀， 20 世紀(jì) 70 年代開始引進(jìn)技術(shù)，由于產(chǎn)業(yè)政策支持，很快進(jìn)入國際市場，并已擠入國際液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國之一。例如美國卡特彼勒公司 1995 年以后推出的 300B 系列液壓挖掘機(jī)，采用一種命名為 maestro 的系統(tǒng)，通過載荷傳感液壓裝置，控制發(fā)動機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)與液壓泵的嚴(yán)格匹配。再如韓國現(xiàn)代公司生產(chǎn)的 ROBEX4503 型液壓挖掘機(jī)，有四種功率模式，通過集成化的電子 控制系統(tǒng)自動確定最佳的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵的輸出參數(shù)，使得發(fā)動機(jī)、液壓泵的速度及液壓系統(tǒng)壓力與實(shí)際工況相適應(yīng)，從而獲得最高的生產(chǎn)率和最佳的燃油消耗。 167。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變 量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢。液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上的普遍使用，為電子技術(shù)、自動控制技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用與推廣創(chuàng)造了條件，液壓、電子和自動化技術(shù)日益結(jié)合，共同促進(jìn)挖掘機(jī)的控制性能不斷提 高。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動化。隨著對挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，機(jī)電一體化技術(shù)在挖掘機(jī)上得以廣泛應(yīng)用 ，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍。所有這一切，都是挖掘機(jī)的全液壓化奠定的基礎(chǔ)并為挖掘機(jī)的全面發(fā)展創(chuàng)造了美好的前景。例如美國林肯貝爾特公司新 C 系列 LS5800 型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動功率的浪費(fèi)，還安裝了 CAPS（計算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高了挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產(chǎn)的 FJ 系列五種新型號挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計算機(jī)輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動機(jī)功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命；德國奧加凱（ Oamp。韓國大宇公司在 DH280 型挖掘機(jī)上采用了 EPOS 即電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化，自動調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，即發(fā)動機(jī)始終 以全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣既充分利用了發(fā)動機(jī)的功率、提高挖掘機(jī)的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動機(jī)因過載而熄火。 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本組成及其基本要求 按照挖掘機(jī)工作裝置和各個機(jī)構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來就組成一個挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)。按照不同的功能可將挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)分為三個基本部分：工作裝置系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)?；剞D(zhuǎn)裝置的功能是將工作裝置和上部轉(zhuǎn)臺向左或向右回轉(zhuǎn)，以便進(jìn)行挖掘和卸料，完成該動作的液壓元件是回轉(zhuǎn)馬達(dá)。行走裝置的作用是支撐挖掘機(jī)的整機(jī)質(zhì)量并完成行走任務(wù)，多采用履帶式和輪胎式機(jī)構(gòu)，所用的液壓元件主要是行走馬達(dá)。 挖掘機(jī)的動作復(fù)雜，主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向，負(fù)載變化大，沖擊和振動頻繁，而且野外作業(yè)，溫度和地理位置變化大，因此挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求 （ 1）要保證挖掘機(jī)動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動作，也可以相互 配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動作。 （ 3）履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶分別驅(qū)動，使挖掘機(jī)行走方便、轉(zhuǎn)向靈活，并且可就地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機(jī)的靈活性。 （ 5）保證挖掘機(jī)工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)等）有良好的過載保護(hù)；回轉(zhuǎn)機(jī)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速下降和整機(jī)超速溜坡。 （ 2）液壓系統(tǒng)和液壓元件在變化大的負(fù)載、急劇的振動作用下，具有足夠的可靠性。 （ 4）由于挖掘機(jī)作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油容易被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性能要好，液壓元件對油液污染的敏感性要低，整個液壓系統(tǒng)要設(shè)置濾油器和防塵裝置。 167。通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別進(jìn)行單獨(dú)挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘。 （ 2）滿斗舉升回轉(zhuǎn)。動臂舉升和臂和鏟斗自動舉升到正確的卸載高度。 （ 3）卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需動臂配合動作。 （ 4）空斗返回。由于動臂下降有重力作用、壓力低、泵的流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況通常是一個泵全部流量供回轉(zhuǎn)，另一泵大部分油供動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流供斗桿。 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本回路分析 基本回路是由一個或幾個液壓元件組成、能夠 完成特定的單一功能的典型回路，它是液壓系統(tǒng)的組成單元。 167。限壓的目的有兩個：一是限制系統(tǒng)的最大壓力，使系統(tǒng)和元件不因過載而損壞，通常用安全閥來實(shí)現(xiàn)，安全閥設(shè)置在主油泵出油口附近；二是根據(jù)工作需要，使系統(tǒng)中某部分壓力保持定值或不超過某值，通常用溢流閥實(shí)現(xiàn)，溢流閥可使系統(tǒng)根據(jù)調(diào)定壓力工作，多余的流量通過此閥流回油箱，因此溢流閥是常開的。維持正常工作，動臂液壓缸雖然處于“不工作狀態(tài)”，但必須具有足夠的閉鎖力來防止活塞桿的伸出或縮回，因此須在動臂液壓缸的進(jìn)出油路上各裝有限壓閥，當(dāng)閉鎖壓力大于限壓閥調(diào)定值時，限壓閥打開，液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng) 設(shè)計 7 使油液流回油箱。通常高壓系統(tǒng)限壓閥的壓力調(diào)定不超過系統(tǒng)壓力的 25%，中高壓系統(tǒng)可以調(diào)至 25%以上。 緩沖回路 液壓挖掘機(jī)滿斗回轉(zhuǎn)時由于上車轉(zhuǎn)動慣量很大，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。挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的緩沖回路就是利用緩沖閥等使液壓馬達(dá)高壓腔的油液超過一定壓力時獲得出路。 圖 22 (A)中回轉(zhuǎn)馬達(dá)兩個油路上各裝有動作靈敏的小型直動式緩沖（限壓）閥 3，正常情況下兩閥關(guān)閉。緩沖（限壓）閥的調(diào)定壓力取決于所需要的制動力矩，通常低于系統(tǒng)最高工作壓力。 圖 22（ B）是高、低壓油路之間并聯(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。這種緩沖回路的補(bǔ)油量很少，背壓低，工作效率高。 1 換向閥 緩沖閥 單向閥 圖 22 緩沖回路 Fig. 2 2 buffer circuit 上述各回轉(zhuǎn)回路中的緩沖（限壓）閥實(shí)際上起了制動作用，換向閥 1 中位時回轉(zhuǎn)馬達(dá)兩腔油路截斷，只要油路壓力低于限壓閥 的調(diào)定壓力，回轉(zhuǎn)馬達(dá)即被制動，其最大制動力矩由限壓閥決定。 167。這種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，能夠獲得穩(wěn)定的低速，缺點(diǎn)是功率損失大，效率低，溫升大，系統(tǒng)易發(fā)熱，作業(yè)速度受負(fù)載變化的影響較大。負(fù)載增大時液壓缸大腔壓力增大，節(jié)流閥前后的壓力差減小，因此通過節(jié)流閥的流量減少，活塞移動速度降低，一部分油液通過液流閥流回油箱。這種節(jié)流方式由 于節(jié)流后進(jìn)入執(zhí)行元件的油溫較高，增大滲漏的可能性，加以回油無阻尼，速度平穩(wěn)性較差，發(fā)熱量大，效率較低?；赜凸?jié)流后的油液雖然發(fā)熱，但進(jìn)入油箱，不會影響執(zhí)行元件的密封效果，而且回油有阻尼，速度比較穩(wěn)定。如圖 23（ C）所示，為了防止動臂因自重降落速度太快而發(fā)生危險，其液壓缸大腔的油路上安裝由單向閥和節(jié)流閥組成的單向節(jié)流閥。 167。因此應(yīng)對行走馬達(dá)限速和補(bǔ)油，使行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制在允許范圍內(nèi)。比較簡單的限速方法是使回油通過限速節(jié)流閥，挖掘機(jī)一旦行走超速，進(jìn)油供應(yīng)不及，壓力降低，控制油壓力也隨之降低，限速節(jié)流閥的通道減小，回油節(jié)流，從而防止了挖掘機(jī)超速溜坡事故的發(fā)生。正常工作時換向閥 1 處于右位，壓力油經(jīng)單向閥 4 進(jìn)入行走馬達(dá) 10，同時沿控制油路推動壓力閥 2，使其處于接通位置，行走馬達(dá)的回油經(jīng)壓力閥 2 流回油箱。 這種限速補(bǔ)油回路的回油管路上裝有 5～ 10bar 的背壓閥，行走馬達(dá)超速運(yùn)轉(zhuǎn)時若主油路壓力低于此值，回油路上的油液推開單向閥 5 或 7 對行走馬達(dá)進(jìn)油腔補(bǔ)油，以消除吸空現(xiàn)象。 液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng) 設(shè)計 11 1 行走 2 動臂 .鏟斗 3 前泵 4 行走 5 后泵 6 回轉(zhuǎn) .斗桿 7 先導(dǎo)油壓 圖 25 直走閥油路 Fig. 2 5 turn right valve circuit 此外為了實(shí)現(xiàn)工作裝置、行走同時動作時的直線行駛，一般采用直行閥，圖 25 為直行閥工作原理圖。圖中前泵并聯(lián)供左右行走，后泵并聯(lián)供回轉(zhuǎn)、斗桿、鏟斗和動臂動作，后泵還可通過單向閥和節(jié)流孔與前泵合流供給行走。 合流回路 為了提高挖掘機(jī)生產(chǎn)效率、縮短作業(yè)循環(huán)時間，要求動臂提升、斗桿收放和鏟斗轉(zhuǎn)動有較快的作業(yè)速度，要求能雙（多）泵合流供油，一般中小型挖掘機(jī)動臂液壓缸和斗桿液壓缸均能合流，大型挖掘機(jī)的鏟斗液壓缸也要求合流。 閥外合流的液壓執(zhí)行元件由兩個閥桿供油，操縱油路聯(lián)動打開兩閥桿，壓力油通過閥外管道連接合流供給液壓作用元件，閥外合流操縱閥數(shù)量多，閥外管道和接頭的數(shù)量也多，使用上不方便。合流閥合流是通過操縱合流閥實(shí)現(xiàn)油泵的合流，合流閥的結(jié)構(gòu)簡單，操縱也很方便。 閉鎖回路 太原科技大學(xué) 生畢業(yè)設(shè)計 (說明書 ) 12 圖 26 閉鎖回路 圖 27 再生回路 6 closed loop Fig. 2 7 renewable loop 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)生泄露，動臂在重力作用下會產(chǎn)生下沉，特別是挖掘機(jī)在進(jìn)行起重作業(yè)時要求停留在一定的位置上保持不下降，因此設(shè)置了動臂支持閥組。當(dāng)操縱動臂下降時，在先導(dǎo)操縱油壓 P 作用下二位二通閥處于相通位置，動臂油缸下腔壓力油通過閥芯鉆孔油道經(jīng)二位二通閥回油，由于閥芯內(nèi)鉆孔油道節(jié)流孔的節(jié)流作用 ，使插裝閥上下腔產(chǎn)生壓差，在壓差作用下克服彈簧力，將插裝閥打開，壓力油從 B 至 A。 再生回路 動臂下降時，由于重力作用會使降落速度太快而發(fā)生危險，動臂缸上腔可能產(chǎn)生吸空，有的挖掘機(jī)在動臂油缸下腔回路上裝有單向閥和節(jié)流閥組成的單向節(jié)流閥，使動臂下降速度受節(jié)流限制，但這將引起動臂下降慢，影響作業(yè)效率。這樣當(dāng)發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速和泵的流量較低時，能防止動臂因重力作用下迅速下降而使動臂缸上腔產(chǎn)生吸空。 尺寸參數(shù)的選擇 以液壓挖掘機(jī)的機(jī)重為指標(biāo)，用以下公式近似確定： 線尺寸參： Li =kli 3G 面積參數(shù)： Si =ksi 3 2G 體積參數(shù)： Vi= G 式中， kli ， ksi ， 分別是各個線向、面積、體積尺寸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查《單斗液壓挖掘機(jī)》表 14。 表 31 計算所得的單斗挖掘機(jī)機(jī)體尺寸和工作尺寸 名 稱 尺寸（米） 名 稱 尺寸（米） 最大挖掘半徑 履帶接地長度 最大挖掘深度 轉(zhuǎn)臺離地高 尾部半徑 履帶長度 最大挖掘高度 履帶 中心距 臂鉸與油缸鉸距 履帶總高 臂鉸離地高 臂鉸離回轉(zhuǎn)中心 最大卸載高度 動臂長度 斗桿長 鏟斗長 kvikvi太原科技大學(xué) 生畢業(yè)設(shè)計 (說明書 ) 14 4. 工作裝置設(shè)計 該挖掘機(jī)工作裝置為反鏟裝置，采用如下結(jié)構(gòu)方案： 一、采用整體式彎動臂，動臂油缸下置式。 三、動臂與斗桿的長度比，采用中間方案，即特性參數(shù) k1 =ll21在 ~2 之間。 167。特性參數(shù) 3k =~ 取 。 ZCFVABQ 圖 41 動臂液壓缸全伸與全縮時的力臂比 ~ ?k ，本設(shè)計 取 ?? 114 , ?k 45? 基本用于反鏟。 BCZ? 取決于油缸布置形式，這里取液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng) 設(shè)計 15 ??? 5BCZ 。 又因： )21(c os 221m i