【正文】 的電子一液壓集成控制技術(shù)近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計算機和檢測儀表的應(yīng)用，使液壓技術(shù)和電子控制有機結(jié)合，開發(fā)和研制出了許多新型電液自動控制系統(tǒng)，提高了挖掘機的自動化程度，推動著挖掘機的迅猛發(fā)展。美國林肯一貝爾特公司新C系列LS5800型液壓挖掘機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。2 國內(nèi)研究情況及發(fā)展動態(tài)從國內(nèi)情況來看，我國挖掘機行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。先進的挖掘機液壓系統(tǒng)都被國際上一流的生產(chǎn)企業(yè)壟斷，國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白，這樣國內(nèi)的挖掘機生產(chǎn)廠家就無法獨立制造出性能優(yōu)異的挖掘機，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的挖掘機所占據(jù)。（三）本設(shè)計的研究內(nèi)容挖掘機液壓系統(tǒng)方面的技術(shù)多種多樣，本文主要通過國外幾種知名品牌的挖掘機液壓系統(tǒng)為參考對象，對其現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)和控制方式進行比較和研究，為挖掘機的液壓系統(tǒng)設(shè)計提供一定的參考信息。分析總結(jié)挖掘機液壓系統(tǒng)方面的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展動態(tài)。根據(jù)液壓挖掘機的主要工作特點，系統(tǒng)地總結(jié)了挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計要求:動力性要求和操縱性要求。本文在分析研究了挖掘機液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求，設(shè)計了一套適合我國生產(chǎn)制造的單斗挖掘機液壓系統(tǒng)。因此液壓挖掘機逐步取代機械式挖掘機是必然的趨勢。它是目前挖掘機械中重要的機種?；剞D(zhuǎn)至卸上位置進行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到地面進行下一次挖掘。因此單斗液壓挖掘機是一種周期作業(yè)的自行式上方機械[8]。液壓挖掘機作為一個有機整體，其性能的優(yōu)劣不僅與工作裝置機械零部件性能有關(guān)，還與液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)性能有關(guān)[9]。因此液壓挖掘機原動力一般由柴油機提供，柴油機具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經(jīng)濟等特點，符號挖掘機工作條件惡劣，負荷多變的要求。拖拉機不同，汽車和拖拉機指在最高轉(zhuǎn)速下、連同機油泵、發(fā)電機等必要附件，巧分鐘內(nèi)的最大功率。挖掘機采用車用柴油機時，最大功率指數(shù)降低?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)使挖掘機上車圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360度的回轉(zhuǎn)的機構(gòu)，包括驅(qū)動裝置和回轉(zhuǎn)支撐。3 液壓系統(tǒng)液壓挖掘機的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動作都由液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，原動機驅(qū)動雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥。液壓挖掘機的主要運動有整機行走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動等。根據(jù)以上工作要求，把各液壓元件用油管有機地連接起來地組合體既是液壓挖掘機地液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)設(shè)計得合理與否，對挖掘機的性能起著決定性的作用。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。電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速進步，使挖掘機有了越來越先進的控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機向高性能、自動化和智能化發(fā)展。（二）液壓挖掘機結(jié)構(gòu)1 液壓挖掘機組成為了實現(xiàn)液壓挖掘機的各項功能，單斗液壓挖掘機需要兩個基本組成部分，即機體(或稱主機)和工作裝置。可細分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動力裝置。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。2 單斗反鏟液壓挖掘機反鏟裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤。其中長期作業(yè)條件相似的挖掘機反鏟裝置大多采用整體鵝頸式動臂結(jié)構(gòu)。剛度相同時，其重量比組合動臂輕，是目前應(yīng)用最廣泛的液壓挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)形式。如圖 2. 1 所示，整體鵝頸式動臂反鏟挖掘機工作裝置主要由動臂、動臂油缸、斗桿、斗一桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。鉸點轉(zhuǎn)動實現(xiàn)動臂的升降。當斗桿油缸伸縮時，斗桿可繞動臂上鉸點轉(zhuǎn)動。為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機構(gòu)來和鏟斗聯(lián)。挖掘機司機扳動操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達控制閥接通，于是回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)動并帶動上部平臺回轉(zhuǎn)，使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點，在執(zhí)行上述過程的同時操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸上腔進油，將動臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進油，配合動斗桿油缸 動臂 油管 動臂油缸 鏟斗 斗齒 側(cè)齒 連桿 搖桿 鏟斗油缸 1斗桿 反鏟挖掘機工作裝置作以加快作業(yè)進度，進行復(fù)合動作的挖掘和裝載: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，再操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸的下腔進油，將動臂提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動平臺回轉(zhuǎn)換向閥手柄，使上部平臺回轉(zhuǎn)，帶動鏟斗轉(zhuǎn)至運輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使鏟斗高度稍降一些，并在適當?shù)母叨炔倏v鏟斗油缸使鏟斗卸土。（三）液壓挖掘機傳動原理液壓挖掘機采用三組液壓缸使工作裝置具有三個自由度，鏟斗可實現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動，加上液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)運動，使鏟斗運動擴大到有限的空間，再通過行走馬達驅(qū)動行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。液壓挖掘機的工作裝置采用連桿機構(gòu)原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。動臂下鉸點鉸接在轉(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。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。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。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)。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(xué)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(xué)科協(xié)同優(yōu)化才能獲取挖掘機整機的最佳性能。（一）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。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）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。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。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]。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。 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。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。當斗桿和鏟斗復(fù)合動作挖掘時， 所示。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。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。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?；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。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]。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。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。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。 所示。3 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。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動作，間以動臂動作。此工況是回轉(zhuǎn)馬達、動臂和斗桿復(fù)合動作。　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。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]。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。（二） 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。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]: 1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。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。2 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)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。（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。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。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。（3）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。系統(tǒng)要求此部分的能量損失盡量小。（4）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。（5）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。（三）挖掘機液壓系統(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)。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。下面對多路閥液壓系統(tǒng)進行分析：[22]。2 對多路閥液壓系統(tǒng)來說，重要的是供油道的設(shè)計。去掉以下部分:油泵的負流量控制連接口FR和隊。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?；赜涂赿rl, dr2, dr3, dr4, dr5:通向各個閥桿的先導(dǎo)控制油路。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]。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。（四）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(chǔ)上，總結(jié)每個工況下各執(zhí)行機構(gòu)的主要復(fù)合動作后提出初步方案。3 提出一種有效、直觀的挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計方案，并詳細介紹設(shè)計的步驟。該機具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作輕便，使用維護安全可靠，發(fā)動機功率利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。（一）液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定 WY200C液壓履帶式挖掘機主要技術(shù)參數(shù)項目名稱單位標準斗容量m31發(fā)動機型號　6135K16發(fā)動機標定輸出功率kW/r/min106/2100最大挖掘半徑m3/h最大挖掘深度根據(jù)所要求的負載運動形態(tài)，選用不同的執(zhí)行元件配置，表 執(zhí)行元件配置運 動 方 式執(zhí) 行 元 件左行走右行走直性行走左液壓馬達右液壓馬達左液壓馬達+右液壓馬達工作裝置外擺內(nèi)收動臂液壓缸斗桿液壓缸鏟斗液壓缸回轉(zhuǎn)擺動液壓馬達（二）執(zhí)行元件液壓缸及系統(tǒng)壓力的初選由于鏟斗的內(nèi)收是為了鏟料，而外擺是為了卸料，工作裝置采用了兩根動臂液壓缸、一根斗桿、一根鏟斗油缸。為此，采用平衡閥控制油路中液壓油的壓力值[24]。1 液壓缸參數(shù)的選擇每斗料的重量 M = = 1980 (Kg) （） G = mg = = 19404 (KN) （）由卸料斗的尺寸圖按極限情況計算得所挖斗料自重G與鏟斗液壓缸產(chǎn)生的推力F在卸料斗底板軸承鉸接處轉(zhuǎn)距平衡即 F拉L1 = GL2 （） = 194041206得 (KN)工作壓力的選定關(guān)系到設(shè)計出和系統(tǒng)是否經(jīng)濟合理；工作壓力低，則要求執(zhí)行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系統(tǒng)所需流量也