【正文】 削角度并按 照一定的軌跡進行切削時，或者需要用鏟斗斗底壓整地面時，就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復合動作，如圖 ,所示。 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。單獨采用鏟斗挖掘時，也有采用雙泵合流的情況。下面以三泵系統為例，來說明 21 復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。液壓馬 達使轉臺轉向卸土處，此時主要是動臂和回轉的復合動作 [16]。 當斗桿和鏟斗復合動作挖掘時，供油情況如圖 所示。當斗桿油壓接近溢流閥的壓力時，原來溢流的油液此時供給鏟斗有效利用 。當鏟斗和動臂復合動作挖掘時，由于動臂僅僅起調解位置的作用，主要是斗桿進行挖掘，因此采用斗桿優(yōu)先合流、雙泵供油，如圖 所示。 圖 三泵供油系統示意圖 當動臂、斗桿和鏟斗復合運動時，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，其復合動作時各液壓作用元件間出現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相同。 當進行溝槽側壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進行垂直掘削，還要求向回轉馬達提供壓力油，產生回轉力，保持鏟斗貼緊側壁進行切削，因此需要同時向回轉馬達和斗桿供油，兩者復合動作，如圖 ?；剞D馬達和斗桿收縮同時動作，由同一個油泵供油，因此需要采用回轉優(yōu)先油路，否則鏟斗無法緊貼側壁，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 轉先導壓力來控制?；剞D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。因此隨著回轉操縱桿行程的增大，回轉馬達油壓增加，回轉力增大。 滿斗舉升回斗工況分析 22 挖掘結束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉液壓馬達使轉臺轉向卸載處，此時主要是動臂和回轉馬達的復合動作。動臂抬升和回轉馬達同時動作時，要求二者在速度上匹配，即回轉到指定卸載位置時，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 速度和回轉馬達的回轉速度的相對關系應該是可調整的。卸載回轉角度大，則要求回轉速度快些，而動臂的提升速度慢些。 在雙泵系統中，回轉起動時，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。在回轉和動臂提升的同時，斗桿要外放，有時還需要對鏟斗進行調整。這時是回轉馬達、動臂、斗桿和鏟斗進行復合動作 [18]。 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、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)，因此左側油泵只向回轉馬達和斗桿供油。 三泵系統的供油情況如圖 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 回轉至卸載位置時，轉臺制動，用斗桿調節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。為了調整卸載位置，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。 圖 回轉舉升供油情況 空斗返回工況分析 23 當卸載 結束后，轉臺反向回轉，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馬達，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經節(jié)流閥供給斗桿，如圖 所示。 圖 空斗返回供油情況 發(fā)動機在低轉速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油 缸產生吸空現象，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 (如回轉機構、動臂、斗桿和鏟斗 )進行調整。在雙泵系統中，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]。 為了保證挖掘機的直線行駛性，在三泵供油系統中，左右行走馬達分別由一個油泵單獨供油，另一個油泵向其它液壓作用元件 (如動臂、斗桿、鏟斗和回轉 )供油，如圖 所示。對于雙泵系統 ，目前采用以下供油方式 :①一個油泵并聯向左、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。 24 圖 行走復合動作時的幾種供油情況 挖掘機液壓系統的設計要求 液壓挖掘機的動作繁復，且具有多種機構，如行走機構、回轉機構、動臂、斗桿和鏟斗等，是一種具有多自由度的工程機械。這些主要機構經常起動、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提出 了很高的設計要求。根據液壓挖掘機的工作特點，其液壓系統的設計需要滿足以下要求 [20]: 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，提高挖掘機的生產效率。尤其是當負載變化時，要求液壓系統與發(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) 調速性要求 挖掘機對調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調速操縱控制，對各個執(zhí)行元件的調速操縱是否穩(wěn)定可靠，成為挖掘機液壓系統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復雜的復合動作，因此如何實現多執(zhí)行元件的復合動作也是挖掘機液壓系統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，實現理想的復合動作。尤其對行走機構來說，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，往往會出現系統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) 25 行元件而出現動作速度降低，甚至不動的現象。因此，如何協調多執(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)行元件進行調速控制時，系統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 [23]。 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。 回轉機構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 [21]。 挖掘機液壓系統的分析 挖掘機液壓系統中最重要也是最復雜的就是多路閥液壓系統。多路閥是挖掘機液壓系統中的重要部件，它確定了液壓泵 向各個液壓作用元件的供油路線和供油方式；確定了多個液壓作用元件同時作用時的流量分配情況和如何實現復合動作；決定了挖掘機作業(yè)時的運動學和動力學特性、動作優(yōu)先和配合以及合流供油和直線行走性等等。它的設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。挖掘機多路閥液壓系統圖通常十分復雜，對各種液壓作用元件的供油路線、回油路線以及控制油路等紛雜在一起，很難對整個液壓系統的結構一目了然，這樣就需要花費很多的時間才能將其分析透徹。下面對多路閥液壓系統進行分析：如圖 [22]。 簡化步驟具體為 : (1) 為了突出 挖掘機液壓系統的核心部分 — 多路閥液壓系統，首先去掉液壓泵及其控 26 制油路，各個液壓作用元件及其油路，如動臂、斗桿、鏟斗、回轉機構和行走裝置，以及多路閥先導液壓操縱系統 (圖 )。 (2) 對多路閥液壓系統來說，重要的是供油道的設計。因此可以把上述系統圖進一步簡化，突出核心內容。去掉以下部分 :油泵的負流量控制連接口 FR和隊 ?；赜拖涞倪B接口 。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。各個閥桿先導操縱油路連接口 all, bll, alt, b12, a13, b13, ajA, b14和 arl、brl, ar2, br2, ar3, br3?；赜涂?drl, dr2, dr3, dr4, dr5:通向各個閥桿的先導控制油路 。與各個液壓作用元件油路有關的限壓閥、動臂和斗桿的支持閥以及再生閥等。這些部分與多路閥的連接關系已經知道，所以可以將其放到各個液壓作用元件的油路中去討論 [27]。 (3) 將簡化后的液壓系統連接起來，如圖 。該系統主要包括 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。通過簡化后的液壓系統，可以清晰了解液壓泵的壓力油是如何通向各個液壓作用元件，以及在各種操縱情況下，液壓傳動的路線和可能的供油方式、功率分配和流量分配情況。 圖 多路閥液壓系統圖 27 液壓系統方案擬訂 (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，總結每個工況下各執(zhí)行機構的主要復合動作后提出初步方案。 (2) 根據液壓挖掘機的主要工作特點，系統地總結出 挖掘機液壓系統的設計要求 :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的設計方案，并詳細介紹設計的步驟。 28 4 液壓系統的設計 WY200 液壓履帶式挖掘機采用全功率變量系統，先導液壓操縱，整體式多路閥等先進結構。該機具有結構緊湊，操作輕便，使用維護安全可靠，發(fā)動機功率利用率高、生產效率高等優(yōu)點。根據作業(yè)需要可配備 立米方的兩種正鏟 斗。廣泛用于建筑施工、市政工程、水電、國防工程和一般礦山采掘，挖掘 IVI 級土壤 [23]。 液壓系統方案及參數確定 表 WY200C 液壓履帶式挖掘機主要技術參數 項目名稱 單位 數 值 標準斗容量 m3 1 發(fā)動機型號 6135K16 發(fā)動機標定輸出功率 kW/r/min 106/2100 最大挖掘半徑 m 最大挖掘高度 m3/h 最大挖掘深度 m 最大卸載高度 m 回轉速度 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 MPa 履帶平均接地比壓 MPa 發(fā)動機額定轉數 r/min 2100 整機質量 t 理論生產率 m3/h 200 最大挖掘力 kN 142 系統工作壓力 MPa 36 履帶板寬度 m 主機運輸尺寸 (長 X寬 X高 ) mm 9850x3000x3100 29 執(zhí)行元件是液壓系統的輸出部分，必須滿足機器設備的運動功能、性能要求和結構、安裝上的限制。根據所要求的負載運動形態(tài)，選 用不同的執(zhí)行元件配置，如下表 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 外擺內收 動臂液壓缸 斗桿液壓缸 鏟斗液壓缸 回