四挖掘机液压系统的设计

1、四挖掘机液压系统的设计1刖S液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用丁水利工程，交通运输，电力工程和 矿山釆掘等机械沌工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。加快建设速度以及提 高劳动生产率方面起着十分重要的作用。由丁液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及 高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐。液圧挖掘机的生产制造业也日益蓬 勃发展。挖掘机液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。由丁挖掘 机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，丁是它对液压系统的设计提出了很高的要求, 其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析设计己 经成为推动

2、挖掘机发展中的重要一环。1.1挖掘机简介挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯到1840年。当时美国西部开发，进行铁路建 设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似机械手的挖掘机，它 采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时间挖掘机没有得到很大的发展，应 用范围也只局限于矿山作业中。导致挖掘机发展缓慢的主要原因是:其作业装置动作复朵，运动范围大，需要采用多 口由度机构，古老的机械传动对它不太适合。而II当时的工程建设主要是国土开发，大规 模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因此对挖掘机的应用相对较少，在一 定程度上也限制了挖掘机的发展。由于液压技术的应用，二十世

3、纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘 机。随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的传动技术，挖掘机有了适合它的传动装置, 为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术上的一个飞跃。同时，工程建 设和施工形式也发生了很大变化。在进行大规模国土开发的同时，也开始进行城市型土木 施工，这样，具有较长的臂和杆，能装上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多口 由动作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用.1950年在意大利北部生产了第一台液圧挖掘机。第一台液压挖掘机采用定量齿轮泵， 中位开式多路阀，工作压力为9Hpa,所有执行元件互相并联连结。由单泵向6个执行

4、元件 供油。由于早期液压挖掘机主要采用了定量齿轮泵，不能按需改变供油流量，无法充分利 用发动机的功率，因此其能量损失很大，不能满足挖掘机复合动作的复朵要求，11可操纵性差。另外，早期试制的液压挖掘机是釆用飞机 和机床的液圧技术，缺少适用丁挖掘机各种工况的液圧元件，配套件也不齐全，制造质量 不够稳定。从二十世纪六十年代到八十年代中期，液圧挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶 段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液圧挖掘机产量己经达到挖掘机总产量的83%,其时对挖掘机液压系统的研究也已经十分成熟，液圧挖掘机已经具有了同步控制系统和负载敏感 系统L。口第一台手动挖掘机诞生

5、以来的160多年当中，挖掘机一直在不断地飞跃发展，其技 术己经发展到相对成熟稳定的阶段。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，对其控制方式不 断改进和革新，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液圧操纵、气圧操纵、液圧伺服操纵和 电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业釆用无线电操 纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全口动化。 所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了坚实的基础，创造了良好的前提。据有关专家估算，全世界各种施工作业场约有65%至70$的土石方工程都是由挖掘机 完成的。挖掘机是一种万能型工程机械，目前已经无可争议地成为工程机械的第一主

6、力机 种，在世界工程机械市场上己占据首位，并且仍在发展扩大。挖掘机的发展主要以液圧技 术的应用为基础，其液压系统己成为匚程机械液圧系统的主流形式。随着科学技术的发展 和建筑施工现代化生产的需要，液圧挖掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘 机行业所面临的新挑战。在技术方面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，所以对 其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义。1.2国内外研究现状及发展动态1. 2. 1国外研究状况及发展动态从20世纪60年代液圧传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统己经发展 到了相当成熟的阶段。目前国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在30MPa以上，并且 随

7、着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势： 流量通常在每分钟数白升；功率在数白千瓦以上。如徳国Orensttein&Koppe制造的目前 世界上首台最大的RH10.型全液压挖掘机铲斗容量达42m3,液压油源为18台变量轴向柱 塞泵，总流量高达10200L/min原动机为2台QSK60柴油发动机，总功率高达202lkW,由丁液压挖掘机经常在较恶劣 环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响.系统的可靠性日益受到重视。 美、英、日等国家推广釆用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法， 并将疲劳损伤累积理论断裂力学、有限元法、优化设计

8、、电子计算机控制的电液伺服疲劳 试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用丁-液压挖掘机强度研究方面，不断提高设备 的可靠性。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。日本制定了液圧挖掘机构件的强 度评定程序，研制了可靠性信息处理系统使液压挖掘机的运转率达到85%-95%,使用寿命 超过1万小时。近儿年來，随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的 挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，來提高口己挖掘机在国际上的竞争力，主要表现在 五个方面：液丿玉系统逐渐从开式系统的转变；系统的节能技术成为研究的重点；系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显；系统的操纵特性上升到很重要的地位； 液圧系统与电

9、子控制的结合成为潮流。(1)开式向闭式液压系统的转 变：采用三位六通阀，其特点是有两条供油路，其中一条是直通供油路，另一条是并联供 油路。由于这种油路调速方式是进油节流调速和旁路节流调速同时起作用，其调速特性受 负载圧力和油泵流量的影响，因此这种系统的操纵性能、调速性能和微调性能差。另外， 当液压作用元件一起复合动作时，相互干扰大，使得复合动作操纵非常困难。由F挖掘机 作业工程中要求对液压元件能很好地控制其运动速度和进行微调，而11在其工作的许多工 况下要求多个执行元件完成复合动作，而长期以來使用的开式液压系统无法满足挖掘机的 调速和复合动作的要求。近年來在国外的挖掘机液压系统中出现了闭式负载

10、敏感系统 (CLSS)。它可以采用一个油泵同时向所有液压作用元件供油，每一个液压作用元件的运动 速度只与操纵阀的阀杆行程有关，与负载压力无关，泵的流量按需提供，而11多个液圧作 用元件同时动作时相互之间干扰小，因此操纵性好是闭式液压系统的主要特点。这种系统 非常符合挖掘机操作的要求，它操纵简单，对司机的操纵技巧要求低，在国际上己经获得 较广泛的使用，是挖掘机液压系统的发展趋势。目前日本小松公司已经把大量挖掘机液压 系统从开式系统改为闭式系统了。(2)节能技术的应用：目前液压挖掘机上典型的节能技术基本上有两种。即负载敏感技术和负流量控制技术, 目前液圧挖掘机都选用其中一种控制技术來实现节能要求。

11、负載敏感技术是一种利用泵的 出口压力与负载压力差值的变化而使系统流量随之相应变化的技术。德国曼内斯曼 (Mannesmann)公司研制的一种负载传感系统，将其安装在液压系统中，可以控制一个或儿 个液压作用元件，而与对其施加的載荷无关。该系统不仅易于操纵，而11微动控制特性很 好。其最大的特点就是可以根据负載大小和调速要求对油泵进行控制，从而实现在按需供 流的同时，使调速节流损失AP控制在很小的固定值，从而达到节能的目的lzs. e57负流 量控制技术是通过位于主控制阀后面的节流阀建立的圧力对主泵的排量进行调节的技术。 日前以韩国现代(HYUNDAI)、日本小松(KONfATSU)和日本日立(H

12、ITACHI)为代表的许多国外 著名品牌的挖掘机生产商都在口己的挖掘机液压系统中使用了负流量控制技术。这种控制 技术具有稳定性好、响应快、可靠性和维修性好等特点，但在起始点为重负荷下作业时， 因流量与负载有关，所以可控制性较差。(3)提高负载能力和可靠性：为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流1：和功率。 目前，国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在30MPa以上，并II随着材料科学技术的 进步，有朝着更高的压力甚至采用超高圧液圧技术方向发展的趋势;流量通常在每分钟数 百升;功率在数百千瓦以上。如徳国Orensttein&Koppe制造的型全液压挖掘机，铲斗容

13、量达42立方米液压油源为 18台变量轴向柱塞泵，总流量高达100200L/min原动机为2台QSK60柴油发动机，总功率 高达202lkW,由于液压挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶 劣环境的影响。系统的可靠性日益受到重视。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理 论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元 法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术 应用于液压挖掘机强度研究方面，不断提高设备的可靠性。美国提出了考核动强度的动态 设计分析方法。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处

14、理系统, 使液压挖掘机的运转率达到85%-95%,使用寿命超过1万小时。（4）重视操纵特性：挖掘机液圧系统的操纵特性越來越受到重视。日前国际上迅速发展全液圧挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液圧操纵、气压 操纵、液压伺服操作和电气控制，无线电遥控、电子计算机综合程序控制。各种高新技术 的应用，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。（5）电子一液圧集成控制成为当前主 要研究目标：电子控制技术与液压控制技术相结合的电子一液圧集成控制技术近年來获得了乜大发 展，特别是传感器、计算机和检测仪表的应用，使液圧技术和电子控制有机结合，开发和 研制出了许多新型电液口动控制系统，提高

15、了挖掘机的口动化程度，推动着挖掘机的迅猛 发展。目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方面的研究己趋成熟。美国林肯一贝尔 特公司新C系列LS-5800型液圧挖掘机安装了全口动控制液压系统，可口动调节流量，避 免了驱动功率的浪费。日本住友公司生产的FJ系列五中新型号挖掘机配有与液圧回路连 接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压 功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命。1.2.2国内研究情况及发展动态从国内情况來看，我国挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压系统方面 的理论还比较薄弱。国内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术方面的研究具有一 定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能、质量、作业效率、可靠性等方面 均较差，因此釆用传统液圧系统的挖掘机在国内市场上基本失去了竞争力，取而代之的是 采用各种高新技术的国外挖掘机产品。先进的挖掘机液圧系统都被国际上一流的生产企业 垄断，国内企业在该领域的研究儿乎是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造 出性能优异的挖掘机，绝大部分的市场份额都被国外各种品牌的挖掘机所占据。以20t级 的中型液压挖掘机为例，国产20t级