挖掘机液压系统设计（机械类）

1 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。2 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 11） ，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。3 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 circumstance制造厂家 产品型号国别1963 1966 1969 1972 1963 1966 1969 1972西德 5 17 17 18 12 36 74 106美国 2 8 14 17 4 19 43 73法国 5 8 7 3 10 26 27 31意大利 3 6 8 11 3 7 18 42英国 3 6 9 9 3 12 22 28日本 4 13 14 6 28 44合计 18 49 68 72 32 106 212 324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4 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，5 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。6 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。7 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。8 （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，或温升不超过 45。（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9 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10 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，高压油路的压力油经缓冲阀 3 泄回油箱，低压油路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 4.5.6.7- 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，11 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。12 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 4.5.6- 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，13 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。14 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 loop Fig. 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15 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16 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、8、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17 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。18 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23.24.25。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” ） 。19 （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20 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 O 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 Y 型密封圈，其截面小，结构紧凑。且 Y 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 MPa ，结构简单，流通能510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。21 4 液压缸的设计计算和泵的参数计算4.1 液压缸设计算4.1.1 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 ，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10时挖掘力最大，其值为 12： =C BAZX+D (4-1) maxW1.35max1RCOS=200 +D .5.2.615.3071.5=200 +1500035.1. .=165417+15000=170417(N)式中 C表示土壤硬度的系数,对级土宜取 C=5080，对级土宜取 C=90150，对级土宜取 C=160320，式中取 C=200； R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 1m ,根据反铲3斗主要参数特性计算表，查表得 R=1.15m；B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；22 挖掘过程中铲斗总转角的一半,查表得 = ；max max5A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=1000017000N 范围内选取.设计容量为 1m ,取 D=15000N；3转斗挖掘装土阻力和法向挖掘阻力相对与 很小，所以在计算时可以忽略不计。maxW4.1.2 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= = (4-2)maxWmPdD02024由此可求出缸筒内径为:D= 020Pm= 24173.0.95D= 214173.0.95求出 D=88mm本系统为高压系统，因此速比 取 =2，d= (4-3)12D式中 系统背压 P =1MPa0系统最高压力 P=30Mpa根据查表 GB/T23481993 圆整得到 D=90mm1623 (2) 活塞杆直径为d= = 90=63.63(mm)12D根据 GB/T23481993 规定的活塞杆尺寸圆整为 d=63mm(3) 最大工作行程行程 S=12D (4-4)2时S=12 =1080（mm）90根据国家标准 GB/T1980 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= +S=377+1100=1377（mm）1L当活塞杆全部伸出时，有效计算长度为：L=1100+1100+377=2577（mm）S液压缸的安装尺寸(查设计手册得到) 4(5) 最小导向长度H (mm) (4-5)109522LD取最小导向长度为 600（mm）式中 L液压缸最大行程；D缸筒内径。(6) 导向套长度A=（0.61.0）d (4-6)=(37.863)mm导向套长度为 60mm(7) 活塞宽度B=（0.61.0）D (4-7)=（5490）mm活塞杆宽度 B=80mm式中 D缸筒内径24 (8) 缸筒壁厚：材料的许用应力计算(4-8)bn=80165MPa式中 缸体材料的抗拉强度，缸体材料为 ， =800Mpa14b#4bn安全系数.一般取 n=5(4-9)2.3PD= =7.99(mm)09.16查缸筒壁厚度 表，取 =12mm式中 P-系统最高压力,P=30Mpa。(9) 缸筒外径(4-10)2eD=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 的无缝钢管。4.1.3 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 校核(4-11)29063gP= 2=61.22Mpa25 活塞杆材质为 调质，经查表得强度极限 为 800Mpa14,材料的许用应力为：#45b= （n 为安全系数）.bn80165MPa由此可见， ，应力完全满足要求。 式中 油缸最大闭锁压力gPb. 缸筒强度验算：由于缸筒壁厚与缸径之比 ，属于厚壁缸筒，可按材料学第二强度理论验7.510D算。（4-0.5.4132PD，12）=0.5160.43116.39 2=8.65（mm）由此可见, ,即为大柔度压杆时，稳定力为：1(4-17)2KEIFL21623.14.06.8057（N）.式中 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= (4-18)maxF24gPD27 30.149（N）5.式中 油缸最大闭锁压力gPg. 稳定系数(4-19)maxKFN52.4109.3由此可见，稳定性可以满足要求。4.2 泵的参数计算4.2.1 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：(2-20)130%BP=30=34.4Mpa取泵的最高压力 34BPMa式中 P系统最高压力，P=30Mpa4.2.2 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 ，根据铲斗缸计算初步确定max60/inv其余 5 个液压缸的参数：（单位：mm）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）： (4-2maxQRrv28 21)= 223.140.5360=48.042L/minb. 杆斗缸： 2maxQRrv= 23.140.5.460=26.847 L/minc. 铲斗缸： 2maxRrv= 223.140.5.3160=19.75 L/mind. 推土板缸： maxQ2Rrv= 23.140.5.460=53.694 L/min式中 R缸筒内半径；r活塞杆半径e. 行走马达选用斜轴式轴向柱塞马达，流量为 25L/min,本系统中共有 5 个行走马达，流量为：25 L/minmaxQ512f. 系统总流量 15(4-22)51maxBiK.248.06.4753.912(L/min).73.2.8式中 K系统泄露系数，一般取 1.11.3，本式中取 K=1.2；同时工作的执行元件流量之和的最大值。51maxiQ根据上面的计算，系统中选用主泵为双联斜轴式轴向柱塞泵，所以每个泵的最大流29 量为 164 L/min。5 溢流阀的作用和设计计算5.1 溢流阀的作用溢流阀是压力控制阀中最基本的一种，以它为基础可以组合成各种进行阀前（进口）压力控制的压力控制阀，如电磁溢流阀就是由溢流阀和电磁换向阀组合而成的。溢流阀在液压系统中使用极为普遍，所有液压系统都要至少使用一个溢流阀来做定压阀或安全阀溢流阀的基本功能有两个，一是限制液压传动系统的最高工作压力，起安全保护作用，通常又称为安全阀；另一个是保持系统压力（主要是液压泵的输出压力）基本稳定不变，起稳压作用，一般称稳压阀或就称其为溢流阀。对安全阀的性能要求主要是：当系统工作压力小于阀的开启压力即阀关闭时，其阀口的密封性要好；当系统压力大于开启压力时，其阀口要及时开启，反应灵敏，以可靠地保护系统和元件的安全。对稳压阀的性能要求主要是：控制压力的变化范围应尽量小；当系统的流量发生变化时，阀芯在运动过程中不应发生冲击和震荡，运动要尽量平稳。溢流阀的主要功用是：(1) 维持液压系统中的压力近于恒定；(2) 对液压系统实行调压；(3) 防止液压系统超载，起安全作用；(4) 对液压系统进行卸荷，以降低系统的功率损耗和热量。30 5.2 溢流阀的设计计算5.2.1 设计要求本章设计的溢流阀是安装在出油口处的溢流阀，它用来控制系统的最高压力，防止超载，保护液压系统安全，使液压系统稳定的运行 18。根据系统的压力，溢流阀设计要求如下：公称压力 =320（kgf/ ）gP2cm公称流量 =200（L/min）Q调压范围 =160 320（kgf/ ）1p:2c起闭特性（调成最高调定压力时）开启压力 =300（kgf/ ）1QP2m闭合压力 =288（kgf/ ） c溢 流 量 =1.56L/min(26 /sec)2L/min(33.34 /sec)3 3cm卸荷压力 4（kgf/ ）1XP2cm内泻流量 150 / minnxq35.2.2 几何尺寸确定