【正文】 目： 挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計及工作裝置 內(nèi)容提要： 挖掘機作為我國工程機械的主力機種，被廣泛應(yīng)用于各種各樣的施工作業(yè) 中。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計對推動我國挖掘機發(fā) 展具有十分重要 的意義。 論文對挖掘機的各種工況進(jìn)行了分析，系統(tǒng)總結(jié)了挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求。 本次 畢業(yè)設(shè)計課題是 WY200 型液壓挖掘機 ， 小型挖掘機由多個系統(tǒng)組成，包括液壓系統(tǒng)， 傳動系統(tǒng)，操縱系統(tǒng)，工作裝置，底架，轉(zhuǎn)臺，油箱，發(fā)動 機安裝等。本液壓挖掘機的優(yōu)點是采 用伺服先導(dǎo)操縱系統(tǒng)，造型美觀，具備挖掘，抓物，鉆孔，推土，清溝和破碎等功能 ， 平臺可 360176。 6 指導(dǎo)教師評語 該生基本上能按時獨立完成任務(wù)書中規(guī)定的任務(wù)，基本滿足教學(xué)要求?；旧夏塥毩Σ殚單墨I(xiàn)，綜合歸納和分析問題的能力較好。翻譯較準(zhǔn)確，圖紙較齊 全，圖面質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)。同意參加答辯，建議評定成績?yōu)? 。加快建設(shè)速度以及提高勞動生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。液壓挖掘機的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作很復(fù)雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。 挖掘機簡介 挖掘機行業(yè)的發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，可以追溯到 1840年。但是此后的很長時間挖掘機沒有得到很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。而且當(dāng)時的工程建設(shè)主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是 大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機的應(yīng)用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機的發(fā)展。隨著液壓傳動技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術(shù)，挖掘機有了適合它的傳動裝置，為挖掘機的發(fā)展建立了強有力的技術(shù)支撐，是挖掘機技術(shù)上的一個飛躍 。在進(jìn)行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進(jìn)行城市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑 和溝槽的挖掘機得到了廣泛應(yīng)用 [2]。第一臺液壓挖掘機采用定量齒輪 9 泵，中位開式多路閥，工作壓力為 9Mpa，所有執(zhí)行元件互相并聯(lián)連結(jié)。由于早期液壓挖掘機主要采用了定量齒輪泵，不能按需改變供油流量，無法充分利用發(fā)動機的功率，因此其能量損失很大，不能滿足挖掘機復(fù)合動作的復(fù)雜要求，且可操縱性差。從二十世紀(jì)六十年代到八十年代 中期，液壓挖掘機進(jìn)入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。 自第一臺手動挖掘機誕生以來的 160多年當(dāng)中，挖掘機一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。 據(jù)有關(guān)專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有 65%至 70%的土石方工程都是由挖掘機完成的。挖掘機的發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，其液壓系統(tǒng)已成為工程機械液壓系統(tǒng)的主流形式。在技術(shù)方面，挖掘機產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)計，所以對其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前國際上先進(jìn)的挖掘機產(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；流 量通常在每分鐘數(shù)百升；功率在數(shù)百千瓦以上。 Koppe制造的目前世界上首臺最大的 RH40。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計理論和方法，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、電 子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術(shù)、疲勞強度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機強度研究方面，不斷提高設(shè)備的可靠性。日本制定了液壓挖掘機構(gòu)件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)使液壓挖掘機的運轉(zhuǎn)率達(dá)到 85%95%，使用壽命超過 1萬小時。(2)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成為研究的重點 。 (4)系統(tǒng)的操縱特性上升到很重要的地位 。 (1) 開式向閉式液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變 采用三位六通閥，其特點是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯(lián)供油路。另外，當(dāng)液壓作用元件一起復(fù)合動作時，相互干擾大，使得復(fù)合動作操縱非常困難。近年來在國外的挖掘機液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負(fù)載敏感系統(tǒng) (CLSS)。這種系統(tǒng)非常符合挖掘機操作的要求，它操縱簡單，對司機的操縱技巧要求低，在國際上己經(jīng)獲得較 廣泛的使用，是挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 (2) 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用 目前液壓挖掘機上典型的節(jié)能技術(shù)基本上有兩種。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)。該系統(tǒng)不僅易于操縱，而且 微動控制特性很好。日前以韓國現(xiàn)代 (HYUNDAI)、日本小松 (KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國外著名品牌的挖掘機生產(chǎn)商都在自己的挖掘機液壓系統(tǒng)中使用了負(fù)流量控制技術(shù)。 (3) 提高負(fù)載能力和可靠性 為了提高挖掘機的負(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。流量通常在每分鐘數(shù)百升 。如德國 Orenstteinamp。系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美國提出了考核動強度的動態(tài)設(shè)計分析方法。 (4) 重視操縱特性 挖掘機液壓系統(tǒng)的操縱特性越來越受到重視。各種高新技術(shù)的應(yīng)用，使得挖掘機液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。目前國外先進(jìn)品牌的挖掘機在電液聯(lián)合控制方面的研究己趨成熟。日本住友公司生產(chǎn)的 FJ系列五中新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機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)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命。國內(nèi)大部分挖掘機企業(yè)在挖掘機液壓系統(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)的挖掘機在國內(nèi)市場上基本失去了競爭力，取而代之的是采用各種高新技術(shù)的國外挖掘機產(chǎn)品。以 20t級的中型液壓挖掘機為例，國產(chǎn) 20t級挖掘機大多數(shù)是歐洲 80年代初的技術(shù)，同 90年代初以來在國內(nèi)形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國大宇、現(xiàn)代等機型相比，其主要差距柴油機功率偏低，液壓系統(tǒng)流量偏小，液壓系統(tǒng)特性差，導(dǎo)致平臺回轉(zhuǎn)速度低，行走速度低，各種性能參數(shù)均偏小，整機性能和作業(yè)效率較國外偏低 [6]。 (1) 挖掘機液壓系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展動態(tài)的分析研究 大量搜集國內(nèi)外挖掘機液壓系統(tǒng)方面的相關(guān)技術(shù)資料，系統(tǒng)了解挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史。 (2) 挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計要求 對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(jìn)行了詳細(xì)的分析，總結(jié)了每個工況下各執(zhí)行機構(gòu)的主要復(fù)合動作。 (3) 挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計 分析了傳統(tǒng)挖掘機液壓系統(tǒng)中的 單泵定量系統(tǒng)、雙泵定量系統(tǒng)和雙變量泵液壓系統(tǒng)，詳細(xì)分析了其主要優(yōu)點和存在的問題。本設(shè)計旨在采用通用的多路閥系統(tǒng)，配以專用控制閥和簡單的伺服控制系統(tǒng) [7] 14 2 液壓挖掘機結(jié)構(gòu)與工作原理 液壓挖掘機由于在動力裝置和工作裝置之間采用容積式液壓傳動，靠液體的壓力能進(jìn)行工作，相對機械傳動具有許多優(yōu)點 :能無極調(diào)速且調(diào)速范圍大，最大速度和最小速度之比可達(dá) 1000:1能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；快速作用時，液壓元件產(chǎn)生的運動慣性較小，并可作高速反轉(zhuǎn)；傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，可吸收沖擊和振動；操縱省力靈活，易實現(xiàn)自動化控制；易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化。 單斗液壓挖掘機是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動進(jìn)行挖掘作業(yè)的機械。單斗液壓挖掘機的作業(yè)過程是以鏟斗 (一般裝有斗齒 )的切削刃切削土壤并將土裝入斗內(nèi)，斗滿后提升。當(dāng)挖掘機挖完一段土后， 機械移動一段距離，以便繼續(xù)作業(yè)。 液壓挖掘機整機性能 液壓挖掘機可分為 :動力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，如圖 。 15 圖 液壓挖掘機整體系統(tǒng)圖 (1) 動力系統(tǒng) 挖掘機工作的主要特點是環(huán)境溫度變化大，灰塵污物較多，負(fù)荷變化大，經(jīng)常傾斜工作，維護條件差。挖掘機的額定負(fù)荷與汽車。挖掘機是指在額定轉(zhuǎn)速下一小時以上的額定功率。 (2) 機械系統(tǒng) 液壓挖掘機的機械系統(tǒng)部分是完成挖掘機各項基本動作的直接執(zhí)行者，主要包括 :行走裝置是整個機器的支撐部分，承受機器的全部重量和工作裝置的反力，同時能使挖掘機作短途行駛 .按照結(jié)構(gòu)的不同，分履帶式和輪胎式。工作裝置是挖掘機完成實際作業(yè)的主要組成部分，常用的有反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，而同一種裝置可以有多種結(jié)構(gòu)形式，前面所述的反鏟裝置應(yīng)用最為廣泛。通過司機的操縱，將壓力油單獨或同時送往液壓執(zhí)行元件 (液壓馬達(dá)和液壓油缸 )驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作。這些運動都 靠液壓傳動。該系統(tǒng)地功能是把發(fā)動機地機械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，傳送給油缸、油馬達(dá)等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再傳動各執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)各種運動和工作過程。同樣的元件，若系統(tǒng)設(shè)計不同，則挖掘機性能差異很大。 (4) 控制系統(tǒng) 液壓挖掘機控制系統(tǒng)是對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件 (液壓缸、液壓馬達(dá) )等進(jìn)行控 制的系統(tǒng)。目前挖掘機研究重點正逐步向智能化機電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移 [10]。機體是完成挖掘機基本動作并作為驅(qū)動和操縱挖掘機進(jìn)行工作的荃礎(chǔ)，可以是履帶牽引車輛或輪式牽引車輛。其中動力裝置、操縱機 構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和輔助設(shè)備均可在回轉(zhuǎn)平臺上，總稱上車部分，它與行走機構(gòu) (又稱下車部分 )用回轉(zhuǎn)支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作 3600的全回轉(zhuǎn)。挖掘機的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果 [11]。斗容量小于 3的中小型液壓挖掘機通常選用反鏟裝置，它分為整體臂式和組合臂式。采用這種動臂有利于加大挖掘深度，且結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。 鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機最常用的結(jié)構(gòu)型式，動臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接點擺動，完成挖掘、提升和卸土等動作。裝置各運動部件之間全部采用銷軸鉸接，以動臂油缸來支撐和改變動 臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下。斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂相對角度。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動。 (3) 液壓挖掘機工作循環(huán)過程 首先液壓挖掘機驅(qū)動行走馬達(dá)和配套土方運輸車輛一起進(jìn)入作業(yè)面，運輸車輛倒車、調(diào)停，?？吭谕诰驒C的側(cè)方或后方。土方卸完后，使平臺反轉(zhuǎn)并降低動臂，直到鏟斗回到作業(yè)點上方，以便進(jìn)行下一工作循環(huán) [12]。 液壓挖掘機傳動示意圖，如圖 ，柴油機驅(qū)動液壓泵，操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件 (液壓缸或液壓馬達(dá) )驅(qū)動相應(yīng)的機構(gòu)進(jìn)行工作。反鏟工作裝置由鏟斗 斗桿 動臂 連桿 4及相應(yīng)的三組液壓缸 5. 6. 7組成。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉(zhuǎn)動 。挖掘作業(yè)時，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，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(jìn)油使液壓缸回縮 。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進(jìn)油，使動臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，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(jìn)行卸土。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]。 19 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。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]。(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(jìn)行復(fù)合動作 [15]。 (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(dá)使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn) 20 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。 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(jìn)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。 圖 斗尖沿直線平整土地圖 圖 斗尖沿直線切削斜坡圖 圖 鏟斗底壓整地面圖 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 21 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(dāng)斗桿和鏟斗復(fù)合動作挖掘時，供油情況如圖 所示。當(dāng)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(jìn)行挖掘，因此采用斗桿優(yōu)先合流、雙泵供油，如圖 所示。對于雙泵系統(tǒng)，其復(fù)合動作時各液壓作用