挖掘机液压系统设计机械类

、八 、，前言挖掘机的液压系统是挖掘机上重要的组成部分，它是挖掘机工作循环的的动力系统。 挖掘机的工作条件恶劣，且动臂和底盘动作非常频繁，因此要求液压系统工作稳定，平均 无故障时间长。因此，液压系统的性能优劣决定着挖掘机工作性能的高低。液压技术的发 展直接关系挖掘机的发展，挖掘机与液压技术密不可分，二者相互促进。液压技术是现代 挖掘机的技术基础，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。挖掘机的液压系统复杂，可 以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。挖掘机的液压系统都是由一些基本 回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回 路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操纵回路等，由它们构成具有 各种功能的液压系统。随着科技的进步，挖掘机的液压系统将更加复杂，功能更加多样且 便于操作控制，工作效率高，耗能少，先进的液压系统会使挖掘机在工程领域发挥更大的 作用。1 绪论1.1 选题意义随着国民经济的快速发展，液压挖掘机在各种工程建设领域，特别是基础设施建设中 所起的作用越来越明显， 液压挖掘机作为一类快速、 高效的施工机械愈来愈被人们所认识。 据统计， 2003 年我国挖掘机总销售量突破 6 万台，其中国内挖掘机生产企业销量总和达 到 3.48 万台，成为世界第一大挖掘机市场。挖掘机的发展与液压技术密不可分，二者相互促进，一方面，液压技术是现代挖掘机 的技术基础， 另一方面，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。 挖掘机的液压系统复杂， 其性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在 挖掘机上。近年来，有关挖掘机液压系统方面的文献并不少见，但文献的内容大多针对某 一专题进行研究，系统地论述现代液压挖掘机液压系统的论文却较少，因此研究挖掘机液 压系统具有重要的现实意义和理论意义。1.2 挖掘机及其液压技术概述挖掘机的发展史可追溯到 19 世纪三四十年代。美国实施西部大开发工程催生了以蒸 汽机作为动力，模仿人体大臂、小臂和手腕构造，能行走和扭腰的挖掘机。随后的一百多 年中，挖掘机并没有得到很大发展，其原因一是当时的工程主要是国土开发、大规模的筑路和整修场地等，平面作业较多，使铲土运输机械成为当时的主力机种，二是挖掘机作业 装置动作多、运动范围大、采用多自由度机构，机械传动难以适应这些要求，而当时的液 压技术还不成熟，不能大规模地应用到实际工业中。随着社会的不断进步，工程建设和施 工形式逐渐向土木施工方向发展，同时液压技术也逐步得以完善，这些因素的变化反过来 又促进挖掘机的不断更新换代。20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压铲的悬挂式挖 掘机，50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机，60年代，当液压传动技术成为成熟的传动技术时，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展吉阶段， 各国挖掘机制造厂和品种增加很快（见表 1 1），产量猛增。19681970年间液压挖掘机 产量已占挖掘机总产量的83%,目前已接近100%，所谓挖掘机在现代主要是指液压挖掘 机，机械式挖掘机已很少见，液压传动技术为挖掘机的发展提供了强有力的技术支撑。表1-1液压挖掘机制造厂及型号增长情况Tab. 1-1 Hydraulic excavator factory and growth circumsta nee国别制造厂家产品型号19721963196619691972196319661969西德5171718123674106美国2814174194373法国587310262731意大利36811371842英国36993122228日本一41314一62844合计1849687232106212324液压传动是挖掘机的重要组成部分之一，目前常用的传动方式有机械传动、电力传动 和流体传动。流体传动包括液体传动和气体传动，液体传动又分为液压传动和液力传动。 所谓液压传动是指在密闭的回路中，利用液体的压力能来进行能量的转换、传递和分配的 液体传动。在现代工业中液压传动技术几乎应用于所有机械设备的驱动、传动和控制，如 操纵车辆转向和制动，控制和驱动飞机、机床、工程机械、农业机械、采矿机械、食品机 械和医疗机械等1650年法国帕斯卡提出的封闭静止流体中压力传递的帕斯卡原理成为液压传动的理 论基础，此后液压传动理论不断得以丰富和完善，如1686年牛顿揭示了粘性流体的内磨擦定律，18世纪建立了流体力学的两个重要方程：连续性方程和伯努利方程。丰富的理论和实践的需要促进了液体应用技术和成果的不断涌现。 1795 年英国人约瑟夫步拉默发 明了世界上第一台水压机；随后出现在英国的工业革命促进了液压技术的迅速发展；到 1870 年液压传动技术已经被用来驱动各种液压设备，如液压机、起重机、绞车、挤压机、 剪切机和铆接机等； 1900 年，世界上出现了第一台轴向柱塞泵； 1910 年及 1922 年海 勒.肖及汉斯托马斯研制出用油作工作介质的径向柱塞泵；1926第一套由泵、控制阀和执行元件组成的集成液压系统在美国诞生；1936 年哈里?威克斯又发明了先导式液流阀。第二次世界大战之后，美国麻省理工学院的布莱克本、李诗颖等人对液压伺服控制问题作 了深入的研究，于 1958 年制造了喷嘴挡板型电液伺服阀； 20 世纪六十年代末，电液比 例阀应运而生； 70 年代后期，德美等国相继研制成负载敏感泵及大功率电磁阀；近年来， 为适应机电一体化、控制柔性化和计算机集中控制的要求，液压系统的研究已由手动控制 转向数字控制和信号控制。 目前液压技术的研究和发展动向主要体现在以下几个方面： （1） 提高效率，降低能耗。（2）提高技术性能和控制性能。 （3）发展集成、复合、小型化、轻 量化元件。（4）开展液压系统自动控制技术方面的研究与开发。 （5）加强以提高安全性和 环境保护为目的研究开发。 （6）提高液压元件和系统的工作可靠性。 （7）标准化和多样化。 （8）开展液压系统设计理论和系统性能分析研究 20 。1.3 国内外研究现状 我国挖掘机生产起步较晚，从 1954 年抚顺挖掘机厂生产第一台机械式单斗挖掘机至 今，大体经历了测绘仿制、自主研发和发展提高三个阶段。新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪3040年代的机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史，由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖 掘机生产厂， 到 20 世纪 80 年代末， 我国的中小型液压挖掘机已形成系列， 但总的说来， 我国的挖掘机生产批量小，产品质量不稳定，与国际先进水平相比，差距较大。改革开放 以来，生产企业积极引进、消化、吸收国外先进技术，促进了我国挖掘机行业的发展，目 前国产液压挖掘机的产品性能指标已达到 20 世纪 80 年代的国际水平，部分产品达到了 90 年代的水平。国外挖掘机生产历史较长，液压技术的不断成熟使挖掘机得到全面发展。德国是世界 上较早开发研制挖掘机的国家， 1954 年和 1955 年德国的德马克和利渤海尔两家公司分 别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和 技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展起来的，其主要特 点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国是液压挖掘机生产 的后起之秀， 20 世纪 70 年代开始引进技术，由于产业政策支持，很快进入国际市场， 并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。20 世纪 60 年代，挖掘机进入成熟期，各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其 它技术相结合，使产品的适应性得到较快发展，产品寿命和质量不断提高操纵更加舒适， 产品更加节能。例如美国卡特彼勒公司 1995 年以后推出的 300B 系列液压挖掘机，采用 一种命名为 maestro 的系统，通过载荷传感液压装置，控制发动机的输出功率，实现与 液压泵的严格匹配。 Maestro 控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态，允许 用户自行决定功率工况模式。再如韩国现代公司生产的 ROBEX450-3 型液压挖掘机，有四 种功率模式，通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参 数，使得发动机、液压泵的速度及液压系统压力与实际工况相适应，从而获得最高的生产 率和最佳的燃油消耗。此种技术在日本小松、日立建机、神钢、韩国大宇重工、德国的利 渤海尔、英国的 JCB 等公司均得到普遍应用，代表了当代液压挖掘机的最高水平。1.4 挖掘机发展趋势随着液压挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化方向发展，挖 掘机对液压技术的要求不断提高并呈现如下特点：（1）迅速发展全液压挖掘机并进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系 统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时用增大流 量来补偿，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油 泵的最大功率；当外阻力增大时则减少流量（降低速度） ，使挖掘力成倍增加；采用三回 路液压系统，产生三个互不成影响的独立工作运动，实现与回转机构的功率匹配，将第三 泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速运动。液压技术在挖掘机上的 普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机上的应用与推广创造了条件，液压、电子 和自动化技术日益结合，共同促进挖掘机的控制性能不断提高。挖掘机由简单的杠杆操纵 发展到液压操纵、气压操纵、液压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采用无线电操纵，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自动化。 20 世纪 70 年代，为了节省能源消耗和 减少对环境的污染，使挖掘机的操作更加轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员 工作条件，电子和自动控制技术逐步应用在挖掘机上。随着对挖掘机的工作效率、节能环 保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，机电一体化技术在挖掘机上 得以广泛应用，并使其各种性能有了质的飞跃。 20 世纪 80 年代，以微电子技术为核心 的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子 控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖 掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系 统等电控系统。所有这一切，都是挖掘机的全液压化奠定的基础并为挖掘机的全面发展创 造了美好的前景。（2）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。 例如美国林肯贝尔特公司新 C 系列 LS-5800 型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统， 可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费，还安装了 CAPS（计算机辅助功率系统），提高 了挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的 FJ 系列五种新 型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，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；德国奥加凯（O&K）公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢 公司在新型的 904 、905、907、909 型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的 驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了 ECO （电子控制作业）的操纵 装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特 匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、 功率方式选择器等， 进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。 韩国大宇公司在 DH280 型 挖掘机上采用了 EPOS 即电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所 吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样 既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。 2 挖掘机液压系统概述2.1 挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来 就组成一个挖掘机液压系统。它是以油液为工作介质、利用液压泵将发元件将液压能转变 为机械能，进而实现挖掘机的各种动作。按照不同的功能可将挖掘机液压系统分为三个基 本部分：工作装置系统，回转系统、行走系统。挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲 斗及相应的液压缸组成，它包括动臂、斗杆、铲斗三个液压回路。回转装置的功能是将工 作装置和上部转台向左或向右回转，以便进行挖掘和卸料，完成该动作的液压元件是回转 马达。回转系统工作时必须满足如下条件：回转迅速、起动和制动无冲击、振动和摇摆， 与其它机构同时动作时，能合理地分配去各机构的流量。行走装置的作用是支撑挖掘机的 整机质量并完成行走任务， 多采用履带式和轮胎式机构， 所用的液压元件主要是行走马达 行走系统的设计要考虑直线行驶问题，即在挖掘机行走过程中，如果某一工作装置动作， 不至于造成挖掘机发生行走偏转现象。挖掘机的动作复杂，主要机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁， 而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此挖掘机的液压系统应满足如下要求（1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合 动作。（2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能复合动作，以提高挖掘机的 生产率。（3）履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可 就地转向，以提高挖掘机的灵活性。（4）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。（5）保证挖掘机工作安全可靠，且各执行元件（液压缸、液压马达等）有良好的过 载保护；回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快速下降和整机超 速溜坡。为此，液压系统应做到：（1）有高的传动效率，以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。（2）液压系统和液压元件在变化大的负载、急剧的振动作用下，具有足够的可靠性。（3）设置轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时的液压油温不 超过80 C,或温升不超过45 C。（4）由于挖掘机作业现场尘土多，液压油容易被污染，因此液压系统的密封性能要 好,液压元件对油液污染的敏感性要低,整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。（5）采用液压或电液伺服操纵装置,以便挖掘机设置自动控制系统,进而提高挖掘 机技术性能和减轻驾驶员的劳动强度。2.2 挖掘机液压系统的基本动作分析（1）挖掘。通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘,或者两者配合进行挖掘。在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作，必要时配以动臂动作。（2）满斗举升回转。挖掘结束后，动臂缸将动臂顶起、满斗提升，同时回转液压马 达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。动臂举升和臂和铲斗自动举升 到正确的卸载高度。由于卸载所需回转角度不同，随挖掘机相对自卸车的位置而变，因此 动臂举升速度和回转速度相对关系应该是可调整的，若卸载回转角度大，则要求回转速度 快些，而动臂举升速度慢些。（3）卸载。回转至卸土位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲 斗缸卸载。 为了调整卸载位置， 还需动臂配合动作。 卸载时，主要是斗杆和铲斗复合作用， 兼以动臂动作。（4）空斗返回。卸载结束后，转台反向回转，同时动臂缸和斗杆缸相互配合动作， 把空斗放到新的挖掘点，此工况是回转、动臂、和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作 用、压力低、泵的流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况通常是一个 泵全部流量供回转，另一泵大部分油供动臂，少部分油经节流供斗杆。2.3 挖掘机液压系统的基本回路分析基本回路是由一个或几个液压元件组成、能够完成特定的单一功能的典型回路，它是 液压系统的组成单元。 液压挖掘机液压系统中基本回路有限压回路、 卸荷回路、 缓冲回路、 节流回路、行走回路、合流回路、再生回路、闭锁回路、操纵回路等。2.3.1 限压回路限压回路用来限制压力，使其不超过某一调定值。限压的目的有两个：一是限制系统 的最大压力，使系统和元件不因过载而损坏，通常用安全阀来实现，安全阀设置在主油泵 出油口附近；二是根据工作需要，使系统中某部分压力保持定值或不超过某值，通常用溢 流阀实现，溢流阀可使系统根据调定压力工作，多余的流量通过此阀流回油箱，因此溢流 阀是常开的。液压挖掘机执行元件的进油和回油路上常成对地并联有限压阀，限制液压缸、液压马 达在闭锁状态下的最大闭锁压力，超过此压力时限压阀打开、卸载保护了液压元件和管路 免受损坏，这种限压阀（图 2-1 ）实际上起了卸荷阀的作用。维持正常工作，动臂液压缸 虽然处于“不工作状态” ，但必须具有足够的闭锁力来防止活塞杆的伸出或缩回，因此须 在动臂液压缸的进出油路上各装有限压阀， 当闭锁压力大于限压阀调定值时， 限压阀打开， 使油液流回油箱。限压阀的调定压力与液压系统的压力无关，且调定压力愈高，闭锁压力愈大，对挖掘机作业愈有利， 但过高的调定压力会影响液压元件的强度和液压管路的安全。 通常高压系统限压阀的压力调定不超过系统压力的25%，中高压系统可以调至 25%以上。1- 换向阀 2- 限压阀 3- 油缸图 2-1 限压回路Fig. 2-1 limited pressure circuit2.3.2 缓冲回路液压挖掘机满斗回转时由于上车转动惯量很大，在启动、制动和突然换向时会引起很 大的液压冲击，尤其是回转过程中遇到障碍突然停车。液压冲击会使整个液压系统和元件 产生振动和噪音，甚至破坏。挖掘机回转机构的缓冲回路就是利用缓冲阀等使液压马达高 压腔的油液超过一定压力时获得出路。图 2-2 为液压挖掘机中比较普遍采用的几种缓冲 回路。图 2-2 （A） 中回转马达两个油路上各装有动作灵敏的小型直动式缓冲（限压）阀 2 、 3,正常情况下两阀关闭。当回转马达突然停止转动或反向转动时，高压油路U的压力油 经缓冲阀3泄回油箱，低压油路I则由补油回路经单向阀 4进行补油，从而消除了液压 冲击。缓冲（限压） 阀的调定压力取决于所需要的制动力矩， 通常低于系统最高工作压力。 该缓冲回路的特点是溢油和补油分别进行，保持了较低的液压油温度，工作可靠，但补油 量较大。图2-2 （ B）是高、低压油路之间并联有缓冲阀，每一缓冲阀的高压油口与另一缓冲 阀的低压油口相通。当回转机构制动、停止或反转时，高压腔的油经过缓冲阀直接进入低 压腔，减小了液压冲击。这种缓冲回路的补油量很少，背压低，工作效率高。图2-2 （C）是回转马达油路之间并联有成对单向阀 4、5和6、7,回转马达制动或 换向时高压腔的油经过单向阀 5、缓冲（限压） 阀 2 流回油箱， 低压腔从油箱经单向阀 6 获得补油。1- 换向阀 2.3- 缓冲阀 单向阀图 2-2 缓冲回路Fig. 2 -2 buffer circuit上述各回转回路中的缓冲（限压）阀实际上起了制动作用，换向阀 1 中位时回转马 达两腔油路截断，只要油路压力低于限压阀的调定压力，回转马达即被制动，其最大制动 力矩由限压阀决定。当回转操纵阀回中位产生液压制动作用时，挖掘机上部回转体的惯性动能将转换成液 压位能，接着位能又转换为动能，使上部回转体产生反弹运动来回振动，使回转齿圈和油 马达小齿轮之间产生冲击、振动和噪声，同时铲斗来回晃动，致使铲斗中的土洒落，因此 挖掘机的回转油路中一般装设防反弹阀。2.3.3 节流回路 节流调速是利用节流阀的可变通流截面改变流量而实现调速的目的，通常用于定量系 统中改变执行元件的流量。这种调速方式结构简单，能够获得稳定的低速，缺点是功率损 失大，效率低，温升大，系统易发热，作业速度受负载变化的影响较大。根据节流阀的安 装位置，节流调速有进油节流调速和回油节流调速两种1- 齿轮泵 2- 溢流阀 3- 节流阀 4- 换向阀 5- 油缸图 2-3 节流回路Fig. 2 -3 throttle circuit图 2-3 (A) 为进油节流调速， 节流阀 3 安装在高压油路上， 液压泵 1 与节流阀串联， 节流阀之前装有溢流阀 2 ，压力油经节流阀和换向阀 4 进入液压缸 5 的大腔使活塞右 移。负载增大时液压缸大腔压力增大，节流阀前后的压力差减小，因此通过节流阀的流量 减少，活塞移动速度降低，一部分油液通过液流阀流回油箱。反之，随着负载减小，通过 节流阀进入液压缸的流量增大，加快了活塞移动速度，液流量相应地减少。这种节流方式 由于节流后进入执行元件的油温较高，增大渗漏的可能性，加以回油无阻尼，速度平稳性 较差，发热量大，效率较低。图 2-3 (B) 为回油节流调速，节流阀安装在低压回路上，限制回油流量。回油节流后 的油液虽然发热，但进入油箱，不会影响执行元件的密封效果，而且回油有阻尼，速度比 较稳定。液压挖掘机的工作装置为了作业安全，常在液压缸的回油回路上安装单向节流阀，形 成节流限速回路。如图2-3 (C)所示，为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险， 其液压缸大腔的油路上安装由单向阀和节流阀组成的单向节流阀。此外，斗杆液压缸、铲 斗液压缸在相应油路上也装有单向节流阀。2.3.4 行走限速回路 履带式液压挖掘机下坡行驶时因自重加速，可能导致超速溜坡事故，且行走马达易发 生吸空现象甚至损坏。 因此应对行走马达限速和补油， 使行走马达转速控制在允许范围内。1- 换向阀 2.3- 压力阀 单向阀 8.9- 安全阀 10- 行走马达图 2-4 行走限速回路Fig. 2 -4 walking limit speed circuit行走限速回路是利用限速阀控制通道大小，以限制行走马达速度。比较简单的限速方 法是使回油通过限速节流阀，挖掘机一旦行走超速，进油供应不及，压力降低，控制油压 力也随之降低，限速节流阀的通道减小，回油节流，从而防止了挖掘机超速溜坡事故的发 生。履带式液压挖掘机行走马达常用的限速补油回路如图 2-4 所示，它由压力阀 2、3， 单向阀 4 、5、6、7 和安全阀 8 、9 等组成。正常工作时换向阀 1 处于右位，压力油经 单向阀 4 进入行走马达 10 ，同时沿控制油路推动压力阀 2，使其处于接通位置，行走马 达的回油经压力阀 2 流回油箱。当行走马达超速运转时，进油供应不足，控制油路压力 降低，压力阀 2 在弹簧的弹力作用下右移，回油通道关小或关闭，行走马达减速或制动， 这样便保证了挖掘机下坡运行时的安全。这种限速补油回路的回油管路上装有 510bar的背压阀，行走马达超速运转时若主 油路压力低于此值，回油路上的油液推开单向阀 5 或 7 对行走马达进油腔补油，以消除 吸空现象。当高压油路中压力超过安全阀 8 或 9 的调定压力时，压力油经安全阀返回油 箱。1- 行走 2- 动臂 . 铲斗 3- 前泵 4- 行走 5- 后泵 6- 回转 . 斗杆 7- 先导油压图 2-5 直走阀油路Fig. 2 -5 turn right valve circuit此外为了实现工作装置、行走同时动作时的直线行驶，一般采用直行阀，图 2-5 为直 行阀工作原理图。在行驶过程中，当任一作业装置动作时，作业装置先导操纵油压就会作 用在直行阀上，克服弹簧力，使直行阀处于上位。图中前泵并联供左右行走，后泵并联供 回转、斗杆、铲斗和动臂动作，后泵还可通过单向阀和节流孔与前泵合流供给行走。2.3.5 合流回路为了提高挖掘机生产效率、缩短作业循环时间，要求动臂提升、斗杆收放和铲斗转动 有较快的作业速度，要求能双（多）泵合流供油，一般中小型挖掘机动臂液压缸和斗杆液 压缸均能合流，大型挖掘机的铲斗液压缸也要求合流。目前采用的合流方式有阀外合流、 阀内合流及采用合流阀供油几种合流方式。阀外合流的液压执行元件由两个阀杆供油，操纵油路联动打开两阀杆，压力油通过阀 外管道连接合流供给液压作用元件， 阀外合流操纵阀数量多， 阀外管道和接头的数量也多， 使用上不方便。阀内合流的油道在内部沟通，外面管路连接简单，但内部通道较复杂，阀 杆直径的设计要综合平衡考虑各种分合流供油情况下通过的流量。合流阀合流是通过操纵 合流阀实现油泵的合流，合流阀的结构简单，操纵也很方便。2.3.6 闭锁回路图 2-6 闭锁回路 图 2-7 再生回路Fig.2 -6 closed loopFig. 2 -7 renewable loop动臂操纵阀在中位时油缸口闭锁，由于滑阀的密封性不好会产生泄露，动臂在重力 作用下会产生下沉，特别是挖掘机在进行起重作业时要求停留在一定的位置上保持不下 降，因此设置了动臂支持阀组。如图 2-6 所示，二位二通阀在弹簧力的作用下处于关闭 位置，此时动臂油缸下腔压力油通过阀芯内钻孔通向插装阀上端， 将插装阀压紧在阀座上， 阻止油缸下腔的油从 B 至 A ，起闭锁支撑作用。 当操纵动臂下降时， 在先导操纵油压 P 作 用下二位二通阀处于相通位置，动臂油缸下腔压力油通过阀芯钻孔油道经二位二通阀回 油，由于阀芯内钻孔油道节流孔的节流作用，使插装阀上下腔产生压差，在压差作用下克 服弹簧力，将插装阀打开，压力油从 B 至 A 。2.3.7 再生回路动臂下降时， 由于重力作用会使降落速度太快而发生危险， 动臂缸上腔可能产生吸空， 有的挖掘机在动臂油缸下腔回路上装有单向阀和节流阀组成的单向节流阀，使动臂下降速 度受节流限制，但这将引起动臂下降慢，影响作业效率。目前挖掘机采用再生回路，如图 2-7 所示，动臂下降时，油泵的油经单向阀通过动臂操纵阀进入动臂油缸上腔，从动臂油 缸下腔排除的油需经节流孔回油箱，提高了回油压力，使得液压油能通过补油单向阀供给 动臂缸上腔。这样当发动机在低转速和泵的流量较低时，能防止动臂因重力作用下迅速下 降而使动臂缸上腔产生吸空。3 挖掘机液压系统设计3.1 挖掘机的功用和对液压系统的要求 挖掘机主要用来开挖堑壕，基坑，河道与沟渠以及用来进行剥土和挖掘矿石。他在筑 路，建筑，水利施工，露天开采矿作业中都有广泛的应用 1液压挖掘机的液压系统是由动力元件 （ 各种液压泵 ）, 执行元件 （ 液压缸 . 液压马达 ）, 控 制元件 （ 各种阀 ） 以及辅助装置 （ 冷却器 . 过滤器 ）用油管按一定方式连接起来组合而成。它 将发动机的机械能 , 以油液作为介质 , 经动力元件转变为液压能 , 进行传递 , 然后再经过执 行元件转返为机械能 , 实现主机的各种动作。由于液压系统的功能是传递 , 分配和控制机械 动力, 因此是液压挖掘机的关键部分。 ,液压挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸 荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止 回路和先导阀操纵回路等，由它们构成具有各种功能的液压系统。液压挖掘机的工作过程 , 包括作业循环和整机移动两项主要动作。液压挖掘机的的一 个作业循环的组成包括 :挖掘一般以斗杆缸动作为主 , 用铲斗缸调整切削角度 , 配合挖掘。有特殊要求的挖掘 动作 , 则根据作业要求 , 进行铲斗 , 斗杆和动臂三个缸的复合动作 , 以保证铲斗按某一特定 轨迹运动。满斗提升及回转挖掘结束 , 铲斗缸推出 , 动臂缸顶起 , 满斗提升 , 同时回转电动机启 动, 转台向卸土方向回转。卸载回转到卸载地点 , 转台制动。斗杆缸调整卸载半径 , 铲斗缸收回 , 转斗卸载。当 对卸载位置和卸载高度有严格的要求时 , 还需要动臂配合动作。返回卸载结束 , 转台向反方向回转。同时 , 动臂缸与斗杆缸配合动作 , 使空斗下放到 新的挖掘位置。挖掘机一般工作在施工场合 , 因此工作环境恶劣 , 这就要求挖掘机的液压系统和执行 元件要有足够的强度和非常好的密封性能。由于挖掘机的动作频繁, 因此, 液压元件和管路要能够承受频繁的液压冲击 , 以保证挖掘机能够长时间安全稳定的工作。设计出便于操作， 更加人性化，工作效率高，耗能少的挖掘机，才会在工程领域发挥更大的作用。3.2 挖掘机液压系统分析3.2.1 挖掘机的液压系统原理图挖掘机的液压系统原理图如下 1：A、B液压泵1、2、3、4 第一组四联换向阀 5 合流阀6、7、& 9 第二组四联换向阀 10 限速阀 11 梭阀 12 背压阀 13 散热器 14 滤油器 15 推土液压缸 16 左行走马达 17右行走马达 18 回转马达 19 动臂液压缸 20 辅助液压缸 21斗杆液压缸 22 铲斗液压缸 23、 24、25单向节流阀 图示全液压挖掘机的液压系统为双泵双路定量系统。系统中所用的是斜轴式径向柱塞 泵。它有两个出油口，相当于 A, B两台泵供油，其流量为328L/min。A泵输出的压力油 进入多路阀组 I （带合流阀 5）驱动回转马达 18，铲斗缸 22 和辅助缸 20 动作，并经中央 回转接头驱动右行走马达 17。泵 B 输出的压力油进入多路阀组 II （带限速阀 10）驱动动 臂缸 19，斗杆缸 21，并经过中央回转接头驱动左行走马达 16 和推土缸 15。每组多路阀中 的四联换向阀组成串联油路。3.2.2 系统工作循环分析根据挖掘机的作业要求， 液压系统应完成挖掘， 满斗提升回转， 卸载和返回工作循环。 上述工作循环由系统中的一般工作回路实现。（1）通常以铲斗缸或两者配合进行挖掘；必要时配以动臂动作。操纵多路阀组 I 中 的换向阀 3 处于右位，这时油液的流动是：进油路： A 泵换向阀 1.2 的中位换向 阀 3 右位产斗缸 22 大腔。回油路：铲斗缸 22 小腔单向节流阀 25换向阀 3 右 位换向阀 4 中位合流阀 5 右位多路阀组 II 限速阀 10 右位单向阀 12 散热器 13滤油器 14油箱。 此时铲斗缸活塞伸出，推动铲斗挖掘。或者同时操纵换向阀 3.7 使两者配合进行挖掘。必 要时操作换向阀 6，使处于右位或左位， 则 B 泵来油进入动臂缸 19的大腔或小腔， 使动臂 上升或下降以配合铲斗缸和斗杆缸动作，提高挖掘效率。（2）满斗提升回转： 操纵换向阀 6 处于右位， B 泵来油进入动臂缸大腔将动臂顶起， 满斗提升；当铲斗提升到一定高度时操纵换向阀 1 处于左位或右位， 则 A 泵来油进入回转 马达 18 驱动马达带转台转向卸土处。完成满斗回转主要是动臂和回转马达的复合动作。（3）卸载：操纵换向阀 7 控制斗杆缸， 调节卸载半径； 然后操纵换向阀 3 处于左位， 使铲斗缸活塞回缩，铲斗卸载。为了调整卸载位置还要有动臂缸的配合。此时是斗杆缸和 铲斗复合动作，兼以动臂动作。（4）返回：操纵换向阀 I 处于右位或左位，则转台反向回转。同时操纵换向阀 6 和 7 使动臂缸和斗杆缸配合动作，把空斗放到挖掘点，此时是回转马达和动臂或斗杆复合动作。3.2.3 主要液压元件在系统中的作用换向阀 4 控制的辅助液压缸 20 供抓斗作业时使用。为了限制动臂 .斗杆 .铲斗因自重而快速下降，在其回路上均设置了单向节流阀 。整机行走由行走马达 16.17 驱动。左右马达分别属于两条独立的油路。如同时操纵换 向阀 8 和 2 使处于左位和右位，左右马达 16.17 即正转或反转，且转速相同（在两条油路 的容积效率相等的情况下） 。因此挖掘机可保持直线行驶。若使用单泵系统，则难以做到 这一（在左右马达行驶阻力不等的情况下） 。在左 .右行走马达内设有电磁双速阀，可获得两档行走速度。一般情况下，行走马达内 部两排柱塞缸并联供油，为低速档；如操纵电磁双速阀，则成串联供油（图示位置） ，为 高速档。系统回油路上的限速阀 10 在挖掘机下坡时用来自动控制行走速度，防止超速滑坡。 在平路上正常行驶或进行挖掘作业时，因液压泵出口油压力较高，高压油将通过梭阀 11 使限速阀 10 处于左位，从而取消回油节流。如在下坡行驶时一旦出现超速现象，液压泵 输出的油压力降低，限速阀在其弹簧力的作用下又会回到图示节流位置，从而防止超速滑 坡。该机在挖掘作业时，常需动臂缸与斗杆缸快速动作以提高生产效率。为此在系统中增 加了合流阀 5。合流阀在图示位置时，泵 A ，B 不合流。当操纵合流处于左位时 A 泵输出 的压力油经合流阀5的左位进入多路阀组II.与B泵一起向动臂缸和斗杆缸供油，以加快动 臂和斗杆的动作速度。在两组多路阀的进油路上设有安全阀以限制系统的最大工作压力。在各液压缸和液压 马达的分支油路上均设有过载阀以吸收工作装置的冲击能量。3.2.4 液压系统中几种低压回路的作用（1）背压油路：由系统回路上的背阀所产生的低压油（0.81MPa ）在制动或出现超 速吸空时通过双向补油阀 26 向液压马达的低油腔补油，以保证滚轮始终贴紧导轨表面， 使马达工作平稳并有可靠的制动性能。（2）排灌油路：将低压油经节流阀减压后引入液压马达壳体，使马达即使在不运转 的情况下客体内仍保持一定的循环油量。其目的，一是使马达壳体内的磨损物经常得到冲 洗；二是对马达进行预热，防止当外界温度过低时由主油路通入温度较高的工作油液以后 引起配油轴及柱塞副等精密配合局部不均匀的热膨胀，使马达卡住或咬死而发生故障（即 所谓的“热冲击” ） 。（3）泄露油路（无背压） ：将多路阀和液压马达的内部漏油用油管集中起来，经过 滤油器引回油箱，以减少外泄露。液压系统的回油路经过风冷式冷却器 .滤油器后流回油箱，使回油得到冷却和过滤，以 保证挖掘机在连续工作状态下油箱内的油温不超过 80 摄氏度。3.3 液压元件的选用3.3.1 泵. 马达的选用（1）选用轴向柱塞泵，这种泵具有结构紧凑，容量大，压力高，容易实现无级变速， 寿命长，排量范围大。（2）选用轴向柱塞马达，它和泵在结构上有许多相同繁荣优点，选用泵的流量为 25L/min3.3.2 液压阀的选用（1）溢流阀 . 溢流阀的基本功能是限定系统的最高压力，防止系统过载或维持压力 近似恒定。本系统中选用二级同心先导式溢流阀，安装在泵的出油口处，用来恒定系统压 力，防止超压，保护系统安全运行。（2）过载阀 . 安装在液压缸和行走马达的管路上，防止超载，用来保护液压系统和 工作的液压缸和行走马达。（3）单向阀 . 系统中多处要用到单向阀，也是必不可少的元件，它用来防止油液倒 流，从而使执行元件停止运动，或保持执行元件中的油液压力。还可是保持一定的背压。（4）换向阀 . 在系统中要用到两组四联换向阀，每个阀为三位四通换想阀。在系统 中换向阀的主要作用是改变压力油进入执行元件的方向，进而实现不同的动作要求，在三 位四通的换向阀中，左右阀位要求能够进回油，中间的阀位要求禁止油液流通，以达到执 行元件动作达到要求后停止或悬停在任一位置。3.3.3 液压缸的选用选用工程机械用液压缸，最高工作压力 30MP3.3.4 辅助元件的选用（1）油管. 由于系统工作压力高，所以在系统中没有相对运动的管路中选用无缝钢 管，它能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，装拆方便，所以适合用在高压管 道。在系统中有相对运动的压力管道选用高压橡胶管。（2）管接头.在采用无缝钢管的管路中，管接头采用锥密封焊接式管接头，他除了具有焊接头的优点外，由于它的 0形密封圈装在锥体上，使密封有调节的可能，密封更可 靠。工作压力为34.5MP工作温度为-25 +80摄氏度。在橡胶管的接头处选用扣压式胶管 接头，安装方便，与钢丝编织胶管配套总成，适合在油温为-30 +80摄氏度的环境工作。（3）密封装置.在液压系统中密封装置非常重要，它是用来防止工作介质泄露及外界灰尘和异物的侵入，以保证系统建立起必要的压力，使其能够正常工作。密封装置应满 足在一定的压力.湿度范围内具有良好的密封性能。密封装置和运动件之间的摩檫力要小， 摩檫系数要稳定，抗腐蚀能力强，不易老化，工作寿命长，耐磨性好，磨损后在一定程度 上能自动补偿，结构简单，使用维护方便，价格低。其于以上几点，在有相对运动且有摩 檫的元件上使用丫型密封圈，其截面小，结构紧凑。且 丫型密封圈能随压力增高而增大， 并能自动补偿磨损。在相对摩檫不严重或无相对摩檫的元件上用O型密封圈，其结构简单,容易制造，密封性能好，摩檫力小，安装方便。（4）滤油器.在液压系统中，不允许液压油含有超过限制的固体颗粒和其他不溶性赃物。因为这些杂质可以使间隙表面划伤， 造成内部泄露量增加，从而降低效率增加发热。 这些杂质还会使阀芯卡死，小孔或缝隙堵塞，润滑表面破坏，造成液压系统故障，胶状物 和淤渣等杂质，将会引起元件粘着，酸类还将加速运动件的腐蚀和使油液进一步恶化。因此要采用滤油器对油液进行过滤，以保证油液质量符合标准。因此选用网式滤油器安装 在泵吸油管上，这种滤油器压力损失不超过0.04 105MPa，结构简单，流通能力大，可以满足泵的流量，清洗方便。（5）蓄能器.它能把压力油的液压能储存在耐压容器里，待需要时又将其释放出来 的一种装置。主要用途：做辅助动力源减小压力 冲击和压力脉动。在本系统中选用气囊 式蓄能器，这种蓄能器密封可靠，胶囊惯性小，反映灵敏，结构紧凑，尺寸小，重量轻， 并有系列批量生产，例如NXQ L63/* H,公称压力可达31.5Mpa，可以满足系统压力 的要求。4液压缸的设计计算和泵的参数计算4.1液压缸设计算外负载计算斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数。斗杆在挖掘过程中总转角为110，在这转角行程中铲斗被装满。铲斗缸外负载为最大时，缸内压力最大，此时 挖掘力最大，其值为12:_4_1.35Wmax =C R 1 -COS max BAZX+D(4-1)=200 1.15 1 -COS55 严1 2.6 1.25 1.3 0.75 1.15+D=200 1.15 1 -COS55 严 1 2.6 1.25 1.3 0.75 1.15+15000 =165417+15000=170417(N)式中C 表示土壤硬度的系数，对U级土宜取C=5(P80,对川级土宜取C=90-150,对W 级土宜取C=16(P320,式中取C=20QR铲斗与斗杆铰点到斗齿尖的距离，即转斗切削半径，取斗容量为1m3,根据反铲斗主要参数特性计算表，查表得 R=1.15mB切削刃宽度影响系数，B=1+2.6b,其中b为铲斗宽度,查表得b=1.25m；max 挖掘过程中铲斗总转角的一半,查表得 max = 55 ；A切削角变化影响系数,取A=1.3;Z带有齿的系数,取Z=0.75;X斗侧臂厚度影响系数,X=1+0.3s,其中s为侧臂厚度,单位为cm,初步设计时可取X=1.15;D切削刃挤压土壤的力,根据斗容大小在 D=10000- 17000N范围内选取.设计容量 为 1m3,取 D=15000N转斗挖掘装土阻力和法向挖掘阻力相对与 Wmax很小，所以在计算时可以忽略不计。液压缸结构尺寸计算(1) 根据铲斗缸的最大外负载，可以设计计算铲斗缸的结构尺寸15:当推力驱动工作负载时：F=Wmax = b2 P - Po d 2P。丨 m(4-2)4由此可求出缸筒内径为D=24W max d P0P - P0m P F0j4x170417d22丿3.14(30-1)x0.9529jOd】24x17041712 丿3.14嘗0-1 严 0.9529求出D=88mm本系统为高压系统，因此速比取=2, d= 寻(4-3)式中系统背压P0=1MPa系统最咼压力P=30Mpa根据查表GB/T2348-1993圆整得到D=90m胛(2) 活塞杆直径为d=二今 d= x90=63.63(mm)根据GB/T2348-1993规定的活塞杆尺寸圆整为d=63mm(3) 最大工作行程(4-4)=2时行程S=12DS=1290=1080 ( mm根据国家标准GB/T-1980规定的液压缸行程系列圆整到 S=1100mm(4) 活塞有效计算长度液压缸的安装尺寸，可查设计手册得安装尺寸=Lj+S=377+1100=1377( mm当活塞杆全部伸出时，有效计算长度为：L=1100+1100+377=2577(mmS液压缸的安装尺寸(查设计手册得到)(5) 最小导向长度L D 1100H20 2 20取最小导向长度为90595 (mm)(4-5)2600(mm式中L液压缸最大行程；D缸筒内径。导向套长度A= (0.6 1.0 )d(4-6)63)mm=(37.8导向套长度为60mm(7)活塞宽度B=(0.6 1.0 ) D(4-7)(5490) mm活塞杆宽度B=80mm式中D 缸筒内径(8)缸筒壁厚：材料的许用应力计算lc I - ；b(4-8)800MPa5= 160MPa式中-b 缸体材料的抗拉强度，缸体材料为45#，二b=800Mpa4n安全系数.一般取n=5PD2.3I - P(4-9)30 902.3 160 -30=7.99(mm)查缸筒壁厚度：表，取：=12mm式中P-系统最高压力，P=30Mps。(9)缸筒外径De =D 2、(4-10)=90+2 12=114(mm)因为液压缸的缸筒是无缝钢管，因此缸筒内部要留出5mm加工余量所以查手册，选取内径为95mm勺无缝钢管。油缸强度计算：(1) 已知参数:缸径D=90杆径d=63行程S=1100缸筒壁厚：=12有效计算长度L=2577( 参数单位:mm)(2) 油缸强度计算a. 活塞杆应力30(4-11)=61.22Mpa活塞杆材质为45#调质，经查表得强度极限 匕bl为800Mpg4,材料的许用应力为:| _: BOOMPa =160MPa ( n 为安全系数). n 5由此可见，；：卜丨，应力完全满足要求。式中 Pg 油缸最大闭锁压力b. 缸筒强度验算:由于缸筒壁厚与缸径之比 -=7.5 b 1材料的许用应力。(3) 油缸稳定性验算油缸在工作是承受的压应力最大，所以有必要校核活塞杆的压稳定性。a. 活塞杆断面最小惯性矩二 d464(4-13)30.14 634 10264= 0.8 10(m4)b. 活塞杆横断面回转半径(4-14)=4x0.8x10；/(3.14x632“0厘0.5)j=0.016m=16mmc. 活塞杆柔性系数二丄(4-15)i1 2577J 2577 =161.0025 16116式中 J为长度折算系数，对于两端铰接约束方式J 一般取1 ；L为有效计算长度d. 钢材柔度极限值(4-16)/25、.5=3.142 汉 2.06 汉 105.550丿=60.8式中二p 45钢材比例极限勺E材料弹性模量14e. 从以上计算得知，即为大柔度压杆时，稳定力为:(4-17)二2EI2(呵5=2.45 10 ( N)式中 一为长度折算系数，对于两端铰接约束方式一般取1 ；f.油缸最大闭锁力Pg算 D2Fmax =45 = 1.91 105 (N(4-18)式中 Pg 油缸最大闭锁压力g.稳定系数Nk _(4-19)由此可见，稳定性可以满足要求。4.2泵的参数计算泵的压力计算在设计液压系统时，要求泵的压力高于系统压力，差值以10%- 30%为宜15因此：FB =P 1 30%(2-20)=301 30%=34.4Mpa取泵的最高压力PB =34MPa式中P 系统最咼压力，P=30Mpa计算所需要的泵的流量(1) 设计要求每个液压缸的伸缩速度 Vmax = 6000mm/min，根据铲斗缸计算初步确定其余5个液压缸的参数：(单位：mrj)a. 动臂缸(2个)：缸内径D=100 活塞杆径d=70 行程S=1250b. 铲斗缸：缸内径D=110活塞杆径d=80 行程S=1500c. 行走液压缸：缸内径 D=100 活塞杆径d=80 行程S=1500(2) 每个缸的流量计算a. 动臂缸(2 个)：Qmax =2兀(R2-r2 )v(4-21)=2 3.140.52 -0.35260=48.042L/mi nb. 杆斗缸：Qmax -二 R2 - r2 v=3.14 0.552 -0.4260=26.847 L/mi nc. 铲斗缸：Qmax =二 R2 -r2 v= 3.140.452 -0.315260=19.75 L/mind. 推土板缸：Qmax = 2二 R2 -r2 v=2 3.140.552 -0.4260=53.694 L/min式中R 缸筒内半径；r 活塞杆半径25L/min,本系统中共有5个行走e. 行走马达选用斜轴式轴向柱塞马达，流量为马达，流量为：Qmax =25 5 = 125 L/minf.系统总流量15QB(4-22)max-1.2 273.333 = 327.9996 328 (L/min)式中K 系统泄露系数，一般取1.