挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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萬臺(tái)，其中國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)銷量總和達(dá)到 3.48 萬臺(tái)，成為世界第一大挖掘機(jī)市場(chǎng)。 挖掘機(jī)的發(fā)展與液壓技術(shù)密不可分，二者相互促進(jìn)，一方面，液壓技術(shù)是現(xiàn)代挖掘機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)，另一方面，挖掘機(jī)的發(fā)展又促進(jìn)了液壓技術(shù)的提高。挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)復(fù)雜，其性能的優(yōu)劣決定著挖掘工作性能的高低，可以說目前液壓傳動(dòng)的許多先進(jìn)技術(shù)都體現(xiàn)在挖掘機(jī)上。近年來，有關(guān)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)方面的文獻(xiàn)并不少見，但文獻(xiàn)的內(nèi)容大多針對(duì)某一專題進(jìn)行研究，系統(tǒng)地論述現(xiàn)代液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的論文卻較少，因此研究挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。 1.2 挖掘機(jī)及其液壓技術(shù)概述 挖掘機(jī)的發(fā)展史可追溯到 19 世紀(jì)三四十年代。美國(guó)實(shí)施西部大開發(fā)工程催生了以蒸汽機(jī)作為動(dòng)力，模仿人體大臂、小臂和手腕構(gòu)造，能行走和扭腰的挖掘機(jī)。隨后的一百多年中，挖掘機(jī)并沒有得到很大發(fā)展，其原因一是當(dāng)時(shí)的工程主要是國(guó)土開發(fā)、大規(guī)模的筑路和整修場(chǎng)地等，平面作業(yè)較多，使鏟土運(yùn)輸機(jī)械成為當(dāng)時(shí)的主力機(jī)種，二是挖掘機(jī)作業(yè)裝置動(dòng)作多、運(yùn)動(dòng)范圍大、采用多自由度機(jī)構(gòu)，機(jī)械傳動(dòng)難以適應(yīng)這些要求，而當(dāng)時(shí)的液壓技術(shù)還不成熟，不能大規(guī)模地應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)中。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，工程建設(shè)和施工形式逐漸向土木施工方向發(fā)展，同時(shí)液壓技術(shù)也逐步得以完善，這些因素的變化反過來又促進(jìn)挖掘機(jī)的不斷更新?lián)Q代。20 世紀(jì) 40 年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓鏟的懸掛式挖掘機(jī)，50年代初期和中期相繼研制出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機(jī)和履帶式全液壓挖掘機(jī)，60 年代，當(dāng)液壓傳動(dòng)技術(shù)成為成熟的傳動(dòng)技術(shù)時(shí)，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入了推廣和蓬勃發(fā)展吉階段，各國(guó)挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快（見表 1—1），產(chǎn)量猛增。1968～1970年間液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量已占挖掘機(jī)總產(chǎn)量的 83%，目前已接近 100%，所謂挖掘機(jī)在現(xiàn)代主要是指液壓挖掘機(jī)，機(jī)械式挖掘機(jī)已很少見，液壓傳動(dòng)技術(shù)為挖掘機(jī)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。 表 1-1 液壓挖掘機(jī)制造廠及型號(hào)增長(zhǎng)情況 Tab. 1-1 Hydraulic excavator factory and growth circumstance 國(guó)別 制造廠家 產(chǎn)品型號(hào) 1963 1966 1969 1972 1963 1966 1969 1972 西德 5 17 17 18 12 36 74 106 美國(guó) 2 8 14 17 4 19 43 73 法國(guó) 5 8 7 3 10 26 27 31 意大利 3 6 8 11 3 7 18 42 英國(guó) 3 6 9 9 3 12 22 28 日本 — 4 13 14 — 6 28 44 合計(jì) 18 49 68 72 32 106 212 324 液壓傳動(dòng)是挖掘機(jī)的重要組成部分之一，目前常用的傳動(dòng)方式有機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和流體傳動(dòng)。流體傳動(dòng)包括液體傳動(dòng)和氣體傳動(dòng)，液體傳動(dòng)又分為液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)。所謂液壓傳動(dòng)是指在密閉的回路中，利用液體的壓力能來進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換、傳遞和分配的液體傳動(dòng)。在現(xiàn)代工業(yè)中液壓傳動(dòng)技術(shù)幾乎應(yīng)用于所有機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制，如操縱車輛轉(zhuǎn)向和制動(dòng)，控制和驅(qū)動(dòng)飛機(jī)、機(jī)床、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、采礦機(jī)械、食品機(jī)械和醫(yī)療機(jī)械等 1650 年法國(guó)帕斯卡提出的封閉靜止流體中壓力傳遞的帕斯卡原理成為液壓傳動(dòng)的理論基礎(chǔ)，此后液壓傳動(dòng)理論不斷得以豐富和完善，如 1686 年牛頓揭示了粘性流體的內(nèi)磨擦定律，18 世紀(jì)建立了流體力學(xué)的兩個(gè)重要方程：連續(xù)性方程和伯努利方程。豐富的理論和實(shí)踐的需要促進(jìn)了液體應(yīng)用技術(shù)和成果的不斷涌現(xiàn)。1795 年英國(guó)人約瑟夫步拉默發(fā)明了世界上第一臺(tái)水壓機(jī)；隨后出現(xiàn)在英國(guó)的工業(yè)革命促進(jìn)了液壓技術(shù)的迅速發(fā)展；到 1870 年液壓傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)被用來驅(qū)動(dòng)各種液壓設(shè)備，如液壓機(jī)、起重機(jī)、絞車、擠壓機(jī)、剪切機(jī)和鉚接機(jī)等； 1900 年，世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)軸向柱塞泵；1910 年及 1922 年海勒.肖及漢斯.托馬斯研制出用油作工作介質(zhì)的徑向柱塞泵；1926 第一套由泵﹑控制閥和執(zhí)行元件組成的集成液壓系統(tǒng)在美國(guó)誕生；1936 年哈里?威克斯又發(fā)明了先導(dǎo)式液流閥。第二次世界大戰(zhàn)之后，美國(guó)麻省理工學(xué)院的布萊克本、李詩(shī)穎等人對(duì)液壓伺服控制問題作了深入的研究，于 1958 年制造了噴嘴擋板型電液伺服閥；20 世紀(jì)六十年代末，電液比例閥應(yīng)運(yùn)而生；70 年代后期，德美等國(guó)相繼研制成負(fù)載敏感泵及大功率電磁閥；近年來，為適應(yīng)機(jī)電一體化、控制柔性化和計(jì)算機(jī)集中控制的要求，液壓系統(tǒng)的研究已由手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制和信號(hào)控制。目前液壓技術(shù)的研究和發(fā)展動(dòng)向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）提高效率，降低能耗。（2）提高技術(shù)性能和控制性能。（3）發(fā)展集成、復(fù)合、小型化、輕量化元件。（4）開展液壓系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)方面的研究與開發(fā)。（5）加強(qiáng)以提高安全性和環(huán)境保護(hù)為目的研究開發(fā)。（6）提高液壓元件和系統(tǒng)的工作可靠性。（7）標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化。（8）開展液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和系統(tǒng)性能分析研究[20]。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國(guó)挖掘機(jī)生產(chǎn)起步較晚，從 1954 年撫順挖掘機(jī)廠生產(chǎn)第一臺(tái)機(jī)械式單斗挖掘機(jī)至今，大體經(jīng)歷了測(cè)繪仿制、自主研發(fā)和發(fā)展提高三個(gè)階段。 新中國(guó)成立初期，以測(cè)繪仿制前蘇聯(lián) 20 世紀(jì) 30～40 年代的機(jī)械式單斗挖掘機(jī)為主，開始了我國(guó)的挖掘機(jī)生產(chǎn)歷史，由于當(dāng)時(shí)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，先后建立起十多家挖掘機(jī)生產(chǎn)廠，到 20 世紀(jì) 80 年代末，我國(guó)的中小型液壓挖掘機(jī)已形成系列，但總的說來，我國(guó)的挖掘機(jī)生產(chǎn)批量小，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，差距較大。改革開放以來，生產(chǎn)企業(yè)積極引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)了我國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展，目前國(guó)產(chǎn)液壓挖掘機(jī)的產(chǎn)品性能指標(biāo)已達(dá)到 20 世紀(jì) 80 年代的國(guó)際水平，部分產(chǎn)品達(dá)到了 90 年代的水平。 國(guó)外挖掘機(jī)生產(chǎn)歷史較長(zhǎng)，液壓技術(shù)的不斷成熟使挖掘機(jī)得到全面發(fā)展。德國(guó)是世界上較早開發(fā)研制挖掘機(jī)的國(guó)家，1954 年和 1955 年德國(guó)的德馬克和利渤海爾兩家公司分別開發(fā)了全液壓挖掘機(jī)；美國(guó)是繼德國(guó)以后生產(chǎn)挖掘機(jī)歷史最長(zhǎng)、數(shù)量最大、品種最多和技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位的國(guó)家；日本挖掘機(jī)制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)展起來的，其主要特點(diǎn)是在引進(jìn)、消化先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的；韓國(guó)是液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)的后起之秀，20 世紀(jì) 70 年代開始引進(jìn)技術(shù)，由于產(chǎn)業(yè)政策支持，很快進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，并已擠入國(guó)際液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)之一。 20 世紀(jì) 60 年代，挖掘機(jī)進(jìn)入成熟期，各國(guó)挖掘機(jī)制造商紛紛采用液壓技術(shù)并與其它技術(shù)相結(jié)合，使產(chǎn)品的適應(yīng)性得到較快發(fā)展，產(chǎn)品壽命和質(zhì)量不斷提高操縱更加舒適，產(chǎn)品更加節(jié)能。例如美國(guó)卡特彼勒公司 1995 年以后推出的 300B系列液壓挖掘機(jī)，采用一種命名為 maestro 的系統(tǒng)，通過載荷傳感液壓裝置，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)與液壓泵的嚴(yán)格匹配。Maestro 控制面板在機(jī)型上安裝兩種功率模式和四種工況狀態(tài)，允許用戶自行決定功率工況模式。再如韓國(guó)現(xiàn)代公司生產(chǎn)的 ROBEX450-3 型液壓挖掘機(jī)，有四種功率模式，通過集成化的電子控制系統(tǒng)自動(dòng)確定最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵的輸出參數(shù)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵的速度及液壓系統(tǒng)壓力與實(shí)際工況相適應(yīng)，從而獲得最高的生產(chǎn)率和最佳的燃油消耗。此種技術(shù)在日本小松、日立建機(jī)、神鋼、韓國(guó)大宇重工、德國(guó)的利渤海爾、英國(guó)的 JCB等公司均得到普遍應(yīng)用，代表了當(dāng)代液壓挖掘機(jī)的最高水平。 1.4 挖掘機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 隨著液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化方向發(fā)展，挖掘機(jī)對(duì)液壓技術(shù)的要求不斷提高并呈現(xiàn)如下特點(diǎn)： （1）迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)并進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢(shì)。因?yàn)樽兞肯到y(tǒng)在油泵工作過程中，壓力減小時(shí)用增大流量來補(bǔ)償，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機(jī)可經(jīng)常性地充分利用油泵的最大功率；當(dāng)外阻力增大時(shí)則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增加；采用三回路液壓系統(tǒng)，產(chǎn)生三個(gè)互不成影響的獨(dú)立工作運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功率匹配，將第三泵在其他工作運(yùn)動(dòng)上接通，成為開式回路第二個(gè)獨(dú)立的快速運(yùn)動(dòng)。液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上的普遍使用，為電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用與推廣創(chuàng)造了條件，液壓、電子和自動(dòng)化技術(shù)日益結(jié)合，共同促進(jìn)挖掘機(jī)的控制性能不斷提高。挖掘機(jī)由簡(jiǎn)單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。20 世紀(jì) 70 年代，為了節(jié)省能源消耗和減少對(duì)環(huán)境的污染，使挖掘機(jī)的操作更加輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機(jī)噪音，改善駕駛員工作條件，電子和自動(dòng)控制技術(shù)逐步應(yīng)用在挖掘機(jī)上。隨著對(duì)挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，機(jī)電一體化技術(shù)在挖掘機(jī)上得以廣泛應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍。20 世紀(jì) 80 年代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器和檢測(cè)儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動(dòng)了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和推廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，亦即目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。所有這一切，都是挖掘機(jī)的全液壓化奠定的基礎(chǔ)并為挖掘機(jī)的全面發(fā)展創(chuàng)造了美好的前景。 （2）重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如美國(guó)林肯貝爾特公司新 C 系列 LS-5800 型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)，還安裝了 CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高了挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產(chǎn)的 FJ 系列五種新型號(hào)挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗，并延長(zhǎng)了零部件的使用壽命；德國(guó)奧加凱（O&K）公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)的油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神鋼公司在新型的 904、905、907、909 型液壓挖掘機(jī)上采用智能型控制系統(tǒng)，即使無經(jīng)驗(yàn)的駕駛員也能進(jìn)行復(fù)雜的作業(yè)操作；德國(guó)利勃海爾公司開發(fā)了 ECO（電子控制作業(yè)）的操縱裝置，可根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)挖掘機(jī)的作業(yè)性能，取得了高效率、低油耗的效果；美國(guó)卡特匹勒公司在新型 B系統(tǒng)挖掘機(jī)上采用最新的3114T型柴油機(jī)以及扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)、功率方式選擇器等，進(jìn)一步提高了挖掘機(jī)的作業(yè)效率和穩(wěn)定性。韓國(guó)大宇公司在 DH280 型挖掘機(jī)上采用了 EPOS 即電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，即發(fā)動(dòng)機(jī)始終以全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣既充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、提高挖掘機(jī)的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動(dòng)機(jī)因過載而熄火。 2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述 2.1 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本組成及其基本要求 按照挖掘機(jī)工作裝置和各個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來就組成一個(gè)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)。它是以油液為工作介質(zhì)、利用液壓泵將發(fā)元件將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的各種動(dòng)作。按照不同的功能可將挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)分為三個(gè)基本部分：工作裝置系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)。挖掘機(jī)的工作裝置主要由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及相應(yīng)的液壓缸組成，它包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗三個(gè)液壓回路?；剞D(zhuǎn)裝置的功能是將工作裝置和上部轉(zhuǎn)臺(tái)向左或向右回轉(zhuǎn)，以便進(jìn)行挖掘和卸料，完成該動(dòng)作的液壓元件是回轉(zhuǎn)馬達(dá)。回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作時(shí)必須滿足如下條件：回轉(zhuǎn)迅速、起動(dòng)和制動(dòng)無沖擊、振動(dòng)和搖擺，與其它機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，能合理地分配去各機(jī)構(gòu)的流量。行走裝置的作用是支撐挖掘機(jī)的整機(jī)質(zhì)量并完成行走任務(wù)，多采用履帶式和輪胎式機(jī)構(gòu)，所用的液壓元件主要是行走馬達(dá)。行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮直線行駛問題，即在挖掘機(jī)行走過程中，如果某一工作裝置動(dòng)作，不至于造成挖掘機(jī)發(fā)生行走偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 挖掘機(jī)的動(dòng)作復(fù)雜，主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、換向，負(fù)載變化大，沖擊和振動(dòng)頻繁，而且野外作業(yè)，溫度和地理位置變化大，因此挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求 （1）要保證挖掘機(jī)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動(dòng)作，也可以相互配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作。 （2）工作裝置的動(dòng)作和轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)既能單獨(dú)進(jìn)行，又能復(fù)合動(dòng)作，以提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)率。 （3）履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶分別驅(qū)動(dòng)，使挖掘機(jī)行走方便、轉(zhuǎn)向靈活，并且可就地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機(jī)的靈活性。 （4）保證挖掘機(jī)的一切動(dòng)作可逆，且無級(jí)變速。 （5）保證挖掘機(jī)工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)等）有良好的過載保護(hù)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動(dòng)和限速；防止動(dòng)臂因自重而快速下降和整機(jī)超速溜坡。 為此，液壓系統(tǒng)應(yīng)做到： （1）有高的傳動(dòng)效率，以充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃料使用經(jīng)濟(jì)性。 （2）液壓系統(tǒng)和液壓元件在變化大的負(fù)載、急劇的振動(dòng)作用下，具有足夠的可靠性。 （3）設(shè)置輕便耐振的冷卻器，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使主機(jī)持續(xù)工作時(shí)的液壓油溫不超過 80℃，或溫升不超過 45℃。 （4）由于挖掘機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)塵土多，液壓油容易被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性能要好，液壓元件對(duì)油液污染的敏感性要低，整個(gè)液壓系統(tǒng)要設(shè)置濾油器和防塵裝置。 （5）采用液壓或電液伺服操縱裝置，以便挖掘機(jī)設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)而提高挖掘機(jī)技術(shù)性能和減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 2.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本動(dòng)作分析 （1）挖掘。通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別進(jìn)行單獨(dú)挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘。在挖掘過程中主要是鏟斗和斗桿有復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)配以動(dòng)臂動(dòng)作。 （2）滿斗舉升回轉(zhuǎn)。挖掘結(jié)束后，動(dòng)臂缸將動(dòng)臂頂起、滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸土處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。動(dòng)臂舉升和臂和鏟斗自動(dòng)舉升到正確的卸載高度。由于卸載所需回轉(zhuǎn)角度不同，隨挖掘機(jī)相對(duì)自卸車的位置而變，因此動(dòng)臂舉升速度和回轉(zhuǎn)速度相對(duì)關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的，若卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些，而動(dòng)臂舉升速度慢些。 （3）卸載?；剞D(zhuǎn)至卸土位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗缸卸載。為了調(diào)整卸載位置，還需動(dòng)臂配合動(dòng)作。卸載時(shí)，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合作用，兼以動(dòng)臂動(dòng)作。 （4）空斗返回。卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)臂缸和斗桿缸相互配合動(dòng)作，把空斗放到新的挖掘點(diǎn)，此工況是回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、和斗桿復(fù)合動(dòng)作。由于動(dòng)臂下降有重力作用、壓力低、泵的流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況通常是一個(gè)泵全部流量供回轉(zhuǎn)，另一泵大部分油供動(dòng)臂，少部分油經(jīng)節(jié)流供斗桿。 2.3 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本回路分析 基本回路是由一個(gè)或幾個(gè)液壓元件組成、能夠完成特定的單一功能的典型回路，它是液壓系統(tǒng)的組成單元。液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中基本回路有限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流回路、行走回路、合流回路、再生回路、閉鎖回路、操縱回路等。 2.3.1 限壓回路 限壓回路用來限制壓力，使其不超過某一調(diào)定值。限壓的目的有兩個(gè)：一是限制系統(tǒng)的最大壓力，使系統(tǒng)和元件不因過載而損壞，通常用安全閥來實(shí)現(xiàn)，安全閥設(shè)置在主油泵出油口附近；二是根據(jù)工作需要，使系統(tǒng)中某部分壓力保持定值或不超過某值，通常用溢流閥實(shí)現(xiàn)，溢流閥可使系統(tǒng)根據(jù)調(diào)定壓力工作，多余的流量通過此閥流回油箱，因此溢流閥是常開的。 液壓挖掘機(jī)執(zhí)行元件的進(jìn)油和回油路上常成對(duì)地并聯(lián)有限壓閥，限制液壓缸、液壓馬達(dá)在閉鎖狀態(tài)下的最大閉鎖壓力，超過此壓力時(shí)限壓閥打開、卸載保護(hù)了液壓元件和管路免受損壞，這種限壓閥（圖 2-1）實(shí)際上起了卸荷閥的作用。維持正常工作，動(dòng)臂液壓缸雖然處于“不工作狀態(tài)”，但必須具有足夠的閉鎖力來防止活塞桿的伸出或縮回，因此須在動(dòng)臂液壓缸的進(jìn)出油路上各裝有限壓閥，當(dāng)閉鎖壓力大于限壓閥調(diào)定值時(shí)，限壓閥打開，使油液流回油箱。限壓閥的調(diào)定壓力與液壓系統(tǒng)的壓力無關(guān)，且調(diào)定壓力愈高，閉鎖壓力愈大，對(duì)挖掘機(jī)作業(yè)愈有利，但過高的調(diào)定壓力會(huì)影響液壓元件的強(qiáng)度和液壓管路的安全。通常高壓系統(tǒng)限壓閥的壓力調(diào)定不超過系統(tǒng)壓力的 25%，中高壓系統(tǒng)可以調(diào)至 25%以上。 1- 換向閥 2- 限壓閥 3- 油缸 圖2-1 限壓回路 Fig. 2-1 limited pressure circuit 2.3.2 緩沖回路 液壓挖掘機(jī)滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)由于上車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，在啟動(dòng)、制動(dòng)和突然換向時(shí)會(huì)引起很大的液壓沖擊，尤其是回轉(zhuǎn)過程中遇到障礙突然停車。液壓沖擊會(huì)使整個(gè)液壓系統(tǒng)和元件產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，甚至破壞。挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的緩沖回路就是利用緩沖閥等使液壓馬達(dá)高壓腔的油液超過一定壓力時(shí)獲得出路。圖 2-2 為液壓挖掘機(jī)中比較普遍采用的幾種緩沖回路。 圖 2-2 (A)中回轉(zhuǎn)馬達(dá)兩個(gè)油路上各裝有動(dòng)作靈敏的小型直動(dòng)式緩沖（限壓）閥 2、3，正常情況下兩閥關(guān)閉。當(dāng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)或反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高壓油路Ⅱ的壓力油經(jīng)緩沖閥 3 泄回油箱，低壓油路Ⅰ則由補(bǔ)油回路經(jīng)單向閥 4 進(jìn)行補(bǔ)油，從而消除了液壓沖擊。緩沖（限壓）閥的調(diào)定壓力取決于所需要的制動(dòng)力矩，通常低于系統(tǒng)最高工作壓力。該緩沖回路的特點(diǎn)是溢油和補(bǔ)油分別進(jìn)行，保持了較低的液壓油溫度，工作可靠，但補(bǔ)油量較大。 圖 2-2（B）是高、低壓油路之間并聯(lián)有緩沖閥，每一緩沖閥的高壓油口與另一緩沖閥的低壓油口相通。當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)、停止或反轉(zhuǎn)時(shí)，高壓腔的油經(jīng)過緩沖閥直接進(jìn)入低壓腔，減小了液壓沖擊。這種緩沖回路的補(bǔ)油量很少，背壓低，工作效率高。 圖 2-2（C）是回轉(zhuǎn)馬達(dá)油路之間并聯(lián)有成對(duì)單向閥 4、5 和 6、7，回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)或換向時(shí)高壓腔的油經(jīng)過單向閥 5、緩沖（限壓）閥 2 流回油箱，低壓腔從油箱經(jīng)單向閥 6獲得補(bǔ)油。 1- 換向閥 2.3- 緩沖閥 4.5.6.7- 單向閥 圖2-2 緩沖回路 Fig. 2 -2 buffer circuit 上述各回轉(zhuǎn)回路中的緩沖（限壓）閥實(shí)際上起了制動(dòng)作用，換向閥 1 中位時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)兩腔油路截?cái)?，只要油路壓力低于限壓閥的調(diào)定壓力，回轉(zhuǎn)馬達(dá)即被制動(dòng)，其最大制動(dòng)力矩由限壓閥決定。 當(dāng)回轉(zhuǎn)操縱閥回中位產(chǎn)生液壓制動(dòng)作用時(shí)，挖掘機(jī)上部回轉(zhuǎn)體的慣性動(dòng)能將轉(zhuǎn)換成液壓位能，接著位能又轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，使上部回轉(zhuǎn)體產(chǎn)生反彈運(yùn)動(dòng)來回振動(dòng)，使回轉(zhuǎn)齒圈和油馬達(dá)小齒輪之間產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)和噪聲，同時(shí)鏟斗來回晃動(dòng)，致使鏟斗中的土灑落，因此挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)油路中一般裝設(shè)防反彈閥。 2.3.3 節(jié)流回路 節(jié)流調(diào)速是利用節(jié)流閥的可變通流截面改變流量而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，通常用于定量系統(tǒng)中改變執(zhí)行元件的流量。這種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠獲得穩(wěn)定的低速，缺點(diǎn)是功率損失大，效率低，溫升大，系統(tǒng)易發(fā)熱，作業(yè)速度受負(fù)載變化的影響較大。根據(jù)節(jié)流閥的安裝位置，節(jié)流調(diào)速有進(jìn)油節(jié)流調(diào)速和回油節(jié)流調(diào)速兩種 1- 齒輪泵 2- 溢流閥 3- 節(jié)流閥 4- 換向閥 5- 油缸 圖2-3 節(jié)流回路 Fig. 2 -3 throttle circuit 圖 2-3 (A)為進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，節(jié)流閥 3 安裝在高壓油路上，液壓泵 1 與節(jié)流閥串聯(lián)，節(jié)流閥之前裝有溢流閥 2，壓力油經(jīng)節(jié)流閥和換向閥 4 進(jìn)入液壓缸 5 的大腔使活塞右移。負(fù)載增大時(shí)液壓缸大腔壓力增大，節(jié)流閥前后的壓力差減小，因此通過節(jié)流閥的流量減少，活塞移動(dòng)速度降低，一部分油液通過液流閥流回油箱。反之，隨著負(fù)載減小，通過節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸的流量增大，加快了活塞移動(dòng)速度，液流量相應(yīng)地減少。這種節(jié)流方式由于節(jié)流后進(jìn)入執(zhí)行元件的油溫較高，增大滲漏的可能性，加以回油無阻尼，速度平穩(wěn)性較差，發(fā)熱量大，效率較低。 圖 2-3 (B)為回油節(jié)流調(diào)速，節(jié)流閥安裝在低壓回路上，限制回油流量?；赜凸?jié)流后的油液雖然發(fā)熱，但進(jìn)入油箱，不會(huì)影響執(zhí)行元件的密封效果，而且回油有阻尼，速度比較穩(wěn)定。 液壓挖掘機(jī)的工作裝置為了作業(yè)安全，常在液壓缸的回油回路上安裝單向節(jié)流閥，形成節(jié)流限速回路。如圖 2-3（C）所示，為了防止動(dòng)臂因自重降落速度太快而發(fā)生危險(xiǎn)，其液壓缸大腔的油路上安裝由單向閥和節(jié)流閥組成的單向節(jié)流閥。此外，斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸在相應(yīng)油路上也裝有單向節(jié)流閥。 2.3.4 行走限速回路 履帶式液壓挖掘機(jī)下坡行駛時(shí)因自重加速，可能導(dǎo)致超速溜坡事故，且行走馬達(dá)易發(fā)生吸空現(xiàn)象甚至損壞。因此應(yīng)對(duì)行走馬達(dá)限速和補(bǔ)油，使行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制在允許范圍內(nèi)。 1- 換向閥 2.3- 壓力閥 4.5.6- 單向閥 8.9- 安全閥 10- 行走馬達(dá) 圖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閥控制通道大小，以限制行走馬達(dá)速度。比較簡(jiǎn)單的限速方法是使回油通過限速節(jié)流閥，挖掘機(jī)一旦行走超速，進(jìn)油供應(yīng)不及，壓力降低，控制油壓力也隨之降低，限速節(jié)流閥的通道減小，回油節(jié)流，從而防止了挖掘機(jī)超速溜坡事故的發(fā)生。 履帶式液壓挖掘機(jī)行走馬達(dá)常用的限速補(bǔ)油回路如圖 2-4 所示，它由壓力閥2、3，單向閥 4、5、6、7 和安全閥 8、9 等組成。正常工作時(shí)換向閥 1 處于右位，壓力油經(jīng)單向閥 4 進(jìn)入行走馬達(dá) 10，同時(shí)沿控制油路推動(dòng)壓力閥2，使其處于接通位置，行走馬達(dá)的回油經(jīng)壓力閥 2 流回油箱。當(dāng)行走馬達(dá)超速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)油供應(yīng)不足，控制油路壓力降低，壓力閥 2 在彈簧的彈力作用下右移，回油通道關(guān)小或關(guān)閉，行走馬達(dá)減速或制動(dòng)，這樣便保證了挖掘機(jī)下坡運(yùn)行時(shí)的安全。 這種限速補(bǔ)油回路的回油管路上裝有 5～10bar 的背壓閥，行走馬達(dá)超速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)若主油路壓力低于此值，回油路上的油液推開單向閥 5 或 7 對(duì)行走馬達(dá)進(jìn)油腔補(bǔ)油，以消除吸空現(xiàn)象。當(dāng)高壓油路中壓力超過安全閥 8 或 9 的調(diào)定壓力時(shí)，壓力油經(jīng)安全閥返回油箱。 1- 行走 2- 動(dòng)臂.鏟斗 3- 前泵 4- 行走 5- 后泵 6- 回轉(zhuǎn).斗桿 7- 先導(dǎo)油壓 圖2-5 直走閥油路 Fig. 2 -5 turn right valve circuit 此外為了實(shí)現(xiàn)工作裝置、行走同時(shí)動(dòng)作時(shí)的直線行駛，一般采用直行閥，圖2-5 為直行閥工作原理圖。在行駛過程中，當(dāng)任一作業(yè)裝置動(dòng)作時(shí)，作業(yè)裝置先導(dǎo)操縱油壓就會(huì)作用在直行閥上，克服彈簧力，使直行閥處于上位。圖中前泵并聯(lián)供左右行走，后泵并聯(lián)供回轉(zhuǎn)、斗桿、鏟斗和動(dòng)臂動(dòng)作，后泵還可通過單向閥和節(jié)流孔與前泵合流供給行走。 2.3.5 合流回路 為了提高挖掘機(jī)生產(chǎn)效率、縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，要求動(dòng)臂提升、斗桿收放和鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)有較快的作業(yè)速度，要求能雙（多）泵合流供油，一般中小型挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸均能合流，大型挖掘機(jī)的鏟斗液壓缸也要求合流。目前采用的合流方式有閥外合流、閥內(nèi)合流及采用合流閥供油幾種合流方式。 閥外合流的液壓執(zhí)行元件由兩個(gè)閥桿供油，操縱油路聯(lián)動(dòng)打開兩閥桿，壓力油通過閥外管道連接合流供給液壓作用元件，閥外合流操縱閥數(shù)量多，閥外管道和接頭的數(shù)量也多，使用上不方便。閥內(nèi)合流的油道在內(nèi)部溝通，外面管路連接簡(jiǎn)單，但內(nèi)部通道較復(fù)雜，閥桿直徑的設(shè)計(jì)要綜合平衡考慮各種分合流供油情況下通過的流量。合流閥合流是通過操縱合流閥實(shí)現(xiàn)油泵的合流，合流閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操縱也很方便。 2.3.6 閉鎖回路 圖2-6 閉鎖回路 圖2-7 再生回路 Fig.2 -6 closed loop Fig. 2 -7 renewable loop 動(dòng)臂操縱閥在中位時(shí)油缸口閉鎖，由于滑閥的密封性不好會(huì)產(chǎn)生泄露，動(dòng)臂在重力作用下會(huì)產(chǎn)生下沉，特別是挖掘機(jī)在進(jìn)行起重作業(yè)時(shí)要求停留在一定的位置上保持不下降，因此設(shè)置了動(dòng)臂支持閥組。如圖 2-6 所示，二位二通閥在彈簧力的作用下處于關(guān)閉位置，此時(shí)動(dòng)臂油缸下腔壓力油通過閥芯內(nèi)鉆孔通向插裝閥上端，將插裝閥壓緊在閥座上，阻止油缸下腔的油從 B 至 A，起閉鎖支撐作用。當(dāng)操縱動(dòng)臂下降時(shí)，在先導(dǎo)操縱油壓 P 作用下二位二通閥處于相通位置，動(dòng)臂油缸下腔壓力油通過閥芯鉆孔油道經(jīng)二位二通閥回油，由于閥芯內(nèi)鉆孔油道節(jié)流孔的節(jié)流作用，使插裝閥上下腔產(chǎn)生壓差，在壓差作用下克服彈簧力，將插裝閥打開，壓力油從 B 至 A。 2.3.7 再生回路 動(dòng)臂下降時(shí)，由于重力作用會(huì)使降落速度太快而發(fā)生危險(xiǎn)，動(dòng)臂缸上腔可能產(chǎn)生吸空，有的挖掘機(jī)在動(dòng)臂油缸下腔回路上裝有單向閥和節(jié)流閥組成的單向節(jié)流閥，使動(dòng)臂下降速度受節(jié)流限制，但這將引起動(dòng)臂下降慢，影響作業(yè)效率。目前挖掘機(jī)采用再生回路，如圖 2-7 所示，動(dòng)臂下降時(shí)，油泵的油經(jīng)單向閥通過動(dòng)臂操縱閥進(jìn)入動(dòng)臂油缸上腔，從動(dòng)臂油缸下腔排除的油需經(jīng)節(jié)流孔回油箱，提高了回油壓力，使得液壓油能通過補(bǔ)油單向閥供給動(dòng)臂缸上腔。這樣當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速和泵的流量較低時(shí)，能防止動(dòng)臂因重力作用下迅速下降而使動(dòng)臂缸上腔產(chǎn)生吸空?！? 3 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 挖掘機(jī)的功用和對(duì)液壓系統(tǒng)的要求 挖掘機(jī)主要用來開挖塹壕，基坑，河道與溝渠以及用來進(jìn)行剝土和挖掘礦石。他在筑路，建筑，水利施工，露天開采礦作業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用[1]。 液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)是由動(dòng)力元件(各種液壓泵),執(zhí)行元件(液壓缸.液壓馬達(dá)),控制元件(各種閥)以及輔助裝置(冷卻器.過濾器)用油管按一定方式連接起來組合而成。它將發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能,以油液作為介質(zhì),經(jīng)動(dòng)力元件轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?進(jìn)行傳遞,然后再經(jīng)過執(zhí)行元件轉(zhuǎn)返為機(jī)械能,實(shí)現(xiàn)主機(jī)的各種動(dòng)作。由于液壓系統(tǒng)的功能是傳遞,分配和控制機(jī)械動(dòng)力,因此是液壓挖掘機(jī)的關(guān)鍵部分。, 液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)都是由一些基本回路和輔助回路組成，它們包括限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流調(diào)速和節(jié)流限速回路、行走限速回路、支腿順序回路、支腿鎖止回路和先導(dǎo)閥操縱回路等，由它們構(gòu)成具有各種功能的液壓系統(tǒng)。 液壓挖掘機(jī)的工作過程,包括作業(yè)循環(huán)和整機(jī)移動(dòng)兩項(xiàng)主要?jiǎng)幼鳌Ｒ簤和诰驒C(jī)的的一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成包括: 挖掘—一般以斗桿缸動(dòng)作為主,用鏟斗缸調(diào)整切削角度,配合挖掘。有特殊要求的挖掘動(dòng)作,則根據(jù)作業(yè)要求,進(jìn)行鏟斗,斗桿和動(dòng)臂三個(gè)缸的復(fù)合動(dòng)作,以保證鏟斗按某一特定軌跡運(yùn)動(dòng)。 滿斗提升及回轉(zhuǎn)—挖掘結(jié)束,鏟斗缸推出,動(dòng)臂缸頂起,滿斗提升,同時(shí)回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng),轉(zhuǎn)臺(tái)向卸土方向回轉(zhuǎn)。 卸載—回轉(zhuǎn)到卸載地點(diǎn),轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)。斗桿缸調(diào)整卸載半徑,鏟斗缸收回,轉(zhuǎn)斗卸載。當(dāng)對(duì)卸載位置和卸載高度有嚴(yán)格的要求時(shí),還需要?jiǎng)颖叟浜蟿?dòng)作。 返回—卸載結(jié)束,轉(zhuǎn)臺(tái)向反方向回轉(zhuǎn)。同時(shí),動(dòng)臂缸與斗桿缸配合動(dòng)作,使空斗下放到新的挖掘位置。 挖掘機(jī)一般工作在施工場(chǎng)合,因此工作環(huán)境惡劣,這就要求挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)和執(zhí)行元件要有足夠的強(qiáng)度和非常好的密封性能。由于挖掘機(jī)的動(dòng)作頻繁,因此,液壓元件和管路要能夠承受頻繁的液壓沖擊,以保證挖掘機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定的工作。設(shè)計(jì)出便于操作，更加人性化，工作效率高，耗能少的挖掘機(jī)，才會(huì)在工程領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。 3.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)分析 3.2.1 挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖 挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖如下[1]： A、B—液壓泵 1、2、3、4—第一組四聯(lián)換向閥 5—合流閥 6、7、8、9—第二組四聯(lián)換向閥 10—限速閥 11—梭閥 12—背壓閥 13—散熱器 14—濾油器 15—推土液壓缸 16—左行走馬達(dá) 17—右行走馬達(dá) 18—回轉(zhuǎn)馬達(dá) 19—?jiǎng)颖垡簤焊? 20—輔助液壓缸21—斗桿液壓缸 22—鏟斗液壓缸 23、24、25—單向節(jié)流閥 圖示全液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)為雙泵雙路定量系統(tǒng)。系統(tǒng)中所用的是斜軸式徑向柱塞泵。它有兩個(gè)出油口，相當(dāng)于A，B兩臺(tái)泵供油，其流量為328L/min。A泵輸出的壓力油進(jìn)入多路閥組I（帶合流閥5）驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)18，鏟斗缸22和輔助缸20動(dòng)作，并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動(dòng)右行走馬達(dá)17。泵B輸出的壓力油進(jìn)入多路閥組II（帶限速閥10）驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂缸19，斗桿缸21，并經(jīng)過中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動(dòng)左行走馬達(dá)16和推土缸15。每組多路閥中的四聯(lián)換向閥組成串聯(lián)油路。 3.2.2 系統(tǒng)工作循環(huán)分析 根據(jù)挖掘機(jī)的作業(yè)要求，液壓系統(tǒng)應(yīng)完成挖掘，滿斗提升回轉(zhuǎn)，卸載和返回工作循環(huán)。 上述工作循環(huán)由系統(tǒng)中的一般工作回路實(shí)現(xiàn)。 （1） 通常以鏟斗缸或兩者配合進(jìn)行挖掘；必要時(shí)配以動(dòng)臂動(dòng)作。操縱多路閥組I中的換向閥3處于右位，這時(shí)油液的流動(dòng)是：進(jìn)油路：A泵——換向閥1.2的中位——換向閥3右位——產(chǎn)斗缸22大腔。回油路：鏟斗缸22小腔——單向節(jié)流閥25——換向閥3右位——換向閥4中位——合流閥5右位——多路閥組II——限速閥10右位——單向閥12——散熱器13——濾油器14——油箱。 此時(shí)鏟斗缸活塞伸出，推動(dòng)鏟斗挖掘?；蛘咄瑫r(shí)操縱換向閥3.7使兩者配合進(jìn)行挖掘。必要時(shí)操作換向閥6，使處于右位或左位，則B泵來油進(jìn)入動(dòng)臂缸19的大腔或小腔，使動(dòng)臂上升或下降以配合鏟斗缸和斗桿缸動(dòng)作，提高挖掘效率。 （2） 滿斗提升回轉(zhuǎn)：操縱換向閥6處于右位，B泵來油進(jìn)入動(dòng)臂缸大腔將動(dòng)臂頂起，滿斗提升；當(dāng)鏟斗提升到一定高度時(shí)操縱換向閥1處于左位或右位，則A泵來油進(jìn)入回轉(zhuǎn)馬達(dá)18驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸土處。完成滿斗回轉(zhuǎn)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作。 （3） 卸載：操縱換向閥7控制斗桿缸，調(diào)節(jié)卸載半徑；然后操縱換向閥3處于左位，使鏟斗缸活塞回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置還要有動(dòng)臂缸的配合。此時(shí)是斗桿缸和鏟斗復(fù)合動(dòng)作，兼以動(dòng)臂動(dòng)作。 （4） 返回：操縱換向閥I處于右位或左位，則轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)。同時(shí)操縱換向閥6和7使動(dòng)臂缸和斗桿缸配合動(dòng)作，把空斗放到挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)馬達(dá)和動(dòng)臂或斗桿復(fù)合動(dòng)作。 3.2.3 主要液壓元件在系統(tǒng)中的作用 換向閥4控制的輔助液壓缸20供抓斗作業(yè)時(shí)使用。 為了限制動(dòng)臂.斗桿.鏟斗因自重而快速下降，在其回路上均設(shè)置了單向節(jié)流閥23.24.25。 整機(jī)行走由行走馬達(dá)16.17驅(qū)動(dòng)。左右馬達(dá)分別屬于兩條獨(dú)立的油路。如同時(shí)操縱換向閥8和2使處于左位和右位，左右馬達(dá)16.17即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速相同（在兩條油路的容積效率相等的情況下）。因此挖掘機(jī)可保持直線行駛。若使用單泵系統(tǒng)，則難以做到這一（在左右馬達(dá)行駛阻力不等的情況下）。 在左.右行走馬達(dá)內(nèi)設(shè)有電磁雙速閥，可獲得兩檔行走速度。一般情況下，行走馬達(dá)內(nèi)部?jī)膳胖撞⒙?lián)供油，為低速檔；如操縱電磁雙速閥，則成串聯(lián)供油（圖示位置），為高速檔。 系統(tǒng)回油路上的限速閥10在挖掘機(jī)下坡時(shí)用來自動(dòng)控制行走速度，防止超速滑坡。在平路上正常行駛或進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，因液壓泵出口油壓力較高，高壓油將通過梭閥11使限速閥10處于左位，從而取消回油節(jié)流。如在下坡行駛時(shí)一旦出現(xiàn)超速現(xiàn)象，液壓泵輸出的油壓力降低，限速閥在其彈簧力的作用下又會(huì)回到圖示節(jié)流位置，從而防止超速滑坡。 該機(jī)在挖掘作業(yè)時(shí)，常需動(dòng)臂缸與斗桿缸快速動(dòng)作以提高生產(chǎn)效率。為此在系統(tǒng)中增加了合流閥5。合流閥在圖示位置時(shí)，泵A，B不合流。當(dāng)操縱合流處于左位時(shí)A泵輸出的壓力油經(jīng)合流閥5的左位進(jìn)入多路閥組II.與B泵一起向動(dòng)臂缸和斗桿缸供油，以加快動(dòng)臂和斗桿的動(dòng)作速度。 在兩組多路閥的進(jìn)油路上設(shè)有安全閥以限制系統(tǒng)的最大工作壓力。在各液壓缸和液壓馬達(dá)的分支油路上均設(shè)有過載閥以吸收工作裝置的沖擊能量。 3.2.4 液壓系統(tǒng)中幾種低壓回路的作用 （1） 背壓油路：由系統(tǒng)回路上的背閥所產(chǎn)生的低壓油（0.8~1MPa）在制動(dòng)或出現(xiàn)超速吸空時(shí)通過雙向補(bǔ)油閥26向液壓馬達(dá)的低油腔補(bǔ)油，以保證滾輪始終貼緊導(dǎo)軌表面，使馬達(dá)工作平穩(wěn)并有可靠的制動(dòng)性能。 （2） 排灌油路：將低壓油經(jīng)節(jié)流閥減壓后引入液壓馬達(dá)殼體，使馬達(dá)即使在不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下客體內(nèi)仍保持一定的循環(huán)油量。其目的，一是使馬達(dá)殼體內(nèi)的磨損物經(jīng)常得到?jīng)_洗；二是對(duì)馬達(dá)進(jìn)行預(yù)熱，防止當(dāng)外界溫度過低時(shí)由主油路通入溫度較高的工作油液以后引起配油軸及柱塞副等精密配合局部不均勻的熱膨脹，使馬達(dá)卡住或咬死而發(fā)生故障（即所謂的“熱沖擊”）。 （3） 泄露油路（無背壓）：將多路閥和液壓馬達(dá)的內(nèi)部漏油用油管集中起來，經(jīng)過濾油器引回油箱，以減少外泄露。 液壓系統(tǒng)的回油路經(jīng)過風(fēng)冷式冷卻器.濾油器后流回油箱，使回油得到冷卻和過濾，以保證挖掘機(jī)在連續(xù)工作狀態(tài)下油箱內(nèi)的油溫不超過80?攝氏度。 3.3 液壓元件的選用 3.3.1 泵.馬達(dá)的選用 （1） 選用軸向柱塞泵，這種泵具有結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，壓力高，容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，壽命長(zhǎng)，排量范圍大。 （2） 選用軸向柱塞馬達(dá)，它和泵在結(jié)構(gòu)上有許多相同繁榮優(yōu)點(diǎn)，選用泵的流量為25L/min 3.3.2 液壓閥的選用 （1） 溢流閥.溢流閥的基本功能是限定系統(tǒng)的最高壓力，防止系統(tǒng)過載或維持壓力近似恒定。本系統(tǒng)中選用二級(jí)同心先導(dǎo)式溢流閥，安裝在泵的出油口處，用來恒定系統(tǒng)壓力，防止超壓，保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。 （2） 過載閥.安裝在液壓缸和行走馬達(dá)的管路上，防止超載，用來保護(hù)液壓系統(tǒng)和工作的液壓缸和行走馬達(dá)。 （3） 單向閥.系統(tǒng)中多處要用到單向閥，也是必不可少的元件，它用來防止油液倒流，從而使執(zhí)行元件停止運(yùn)動(dòng)，或保持執(zhí)行元件中的油液壓力。還可是保持一定的背壓。 （4） 換向閥.在系統(tǒng)中要用到兩組四聯(lián)換向閥，每個(gè)閥為三位四通換想閥。在系統(tǒng)中換向閥的主要作用是改變壓力油進(jìn)入執(zhí)行元件的方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作要求，在三位四通的換向閥中，左右閥位要求能夠進(jìn)回油，中間的閥位要求禁止油液流通，以達(dá)到執(zhí)行元件動(dòng)作達(dá)到要求后停止或懸停在任一位置。 3.3.3 液壓缸的選用 選用工程機(jī)械用液壓缸，最高工作壓力30MP 3.3.4 輔助元件的選用 （1） 油管.由于系統(tǒng)工作壓力高，所以在系統(tǒng)中沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的管路中選用無縫鋼管，它能承受高壓，價(jià)格低廉，耐油，抗腐蝕，剛性好，裝拆方便，所以適合用在高壓管道。在系統(tǒng)中有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的壓力管道選用高壓橡膠管。 （2） 管接頭.在采用無縫鋼管的管路中，管接頭采用錐密封焊接式管接頭，他除了具有焊接頭的優(yōu)點(diǎn)外，由于它的O形密封圈裝在錐體上，使密封有調(diào)節(jié)的可能，密封更可靠。工作壓力為34.5MP工作溫度為-25—+80攝氏度。在橡膠管的接頭處選用扣壓式膠管接頭，安裝方便，與鋼絲編織膠管配套總成，適合在油溫為-30—+80攝氏度的環(huán)境工作。 （3） 密封裝置.在液壓系統(tǒng)中密封裝置非常重要，它是用來防止工作介質(zhì)泄露及外界灰塵和異物的侵入，以保證系統(tǒng)建立起必要的壓力，使其能夠正常工作。密封裝置應(yīng)滿足在一定的壓力.濕度范圍內(nèi)具有良好的密封性能。密封裝置和運(yùn)動(dòng)件之間的摩檫力要小，摩檫系數(shù)要穩(wěn)定，抗腐蝕能力強(qiáng)，不易老化，工作壽命長(zhǎng)，耐磨性好，磨損后在一定程度上能自動(dòng)補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，價(jià)格低。其于以上幾點(diǎn)，在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)且有摩檫的元件上使用Y型密封圈，其截面小，結(jié)構(gòu)緊湊。且Y型密封圈能隨壓力增高而增大，并能自動(dòng)補(bǔ)償磨損。在相對(duì)摩檫不嚴(yán)重或無相對(duì)摩檫的元件上用O型密封圈，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，密封性能好，摩檫力小，安裝方便。 （4） 濾油器.在液壓系統(tǒng)中，不允許液壓油含有超過限制的固體顆粒和其他不溶性贓物。因?yàn)檫@些雜質(zhì)可以使間隙表面劃傷，造成內(nèi)部泄露量增加，從而降低效率增加發(fā)熱。這些雜質(zhì)還會(huì)使閥芯卡死，小孔或縫隙堵塞，潤(rùn)滑表面破壞，造成液壓系統(tǒng)故障，膠狀物和淤渣等雜質(zhì)，將會(huì)引起元件粘著，酸類還將加速運(yùn)動(dòng)件的腐蝕和使油液進(jìn)一步惡化。因此要采用濾油器對(duì)油液進(jìn)行過濾，以保證油液質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。因此選用網(wǎng)式濾油器安裝在泵吸油管上，這種濾油器壓力損失不超過0.04MPa，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流通能力大，可以滿足泵的流量，清洗方便。 （5） 蓄能器.它能把壓力油的液壓能儲(chǔ)存在耐壓容器里，待需要時(shí)又將其釋放出來的一種裝置。主要用途：做輔助動(dòng)力源.減小壓力沖擊和壓力脈動(dòng)。在本系統(tǒng)中選用氣囊式蓄能器，這種蓄能器密封可靠，膠囊慣性小，反映靈敏，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，重量輕，并有系列批量生產(chǎn) ，例如NXQ*—L63/*—H，公稱壓力可達(dá)31.5Mpa，可以滿足系統(tǒng)壓力的要求。 4 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算和泵的參數(shù)計(jì)算 4.1 液壓缸設(shè)計(jì)算 4.1.1 外負(fù)載計(jì)算 斗桿挖掘時(shí)切削行程較長(zhǎng)，切土厚度在挖掘過程中可視為常數(shù)。斗桿在挖掘過程中總轉(zhuǎn)角為，在這轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。鏟斗缸外負(fù)載為最大時(shí)，缸內(nèi)壓力最大，此時(shí)挖掘力最大，其值為[12]： =CBAZX+D (4-1) =200+D =200+15000 =165417+15000 =170417(N) 式中 C—表示土壤硬度的系數(shù),對(duì)Ⅱ級(jí)土宜取C=50～80，對(duì)Ⅲ級(jí)土宜取C=90～150，對(duì)Ⅳ級(jí)土宜取C=160～320，式中取C=200； R—鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)到斗齒尖的距離，即轉(zhuǎn)斗切削半徑，取斗容量為1m,根據(jù)反鏟斗主要參數(shù)特性計(jì)算表，查表得R=1.15m； B—切削刃寬度影響系數(shù),B=1+2.6b,其中b為鏟斗寬度,查表得b=1.25m； —挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半,查表得=； A—切削角變化影響系數(shù),取A=1.3； Z—帶有齒的系數(shù),取Z=0.75； X—斗側(cè)臂厚度影響系數(shù),X=1+0.3s,其中s為側(cè)臂厚度,單位為cm,初步設(shè)計(jì)時(shí)可取X=1.15； D—切削刃擠壓土壤的力,根據(jù)斗容大小在D=10000～17000N范圍內(nèi)選取.設(shè)計(jì)容量為1m,取D=15000N； 轉(zhuǎn)斗挖掘裝土阻力和法向挖掘阻力相對(duì)與很小，所以在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。 4.1.2 液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算 (1) 根據(jù)鏟斗缸的最大外負(fù)載，可以設(shè)計(jì)計(jì)算鏟斗缸的結(jié)構(gòu)尺寸[15]： 當(dāng)推力驅(qū)動(dòng)工作負(fù)載時(shí)： F= = (4-2) 由此可求出缸筒內(nèi)徑為: D= = = 求出D=88mm 本系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，因此速比取=2，d= (4-3) 式中 系統(tǒng)背壓P=1MPa 系統(tǒng)最高壓力P=30Mpa 根據(jù)查表GB/T2348—1993圓整得到D=90mm[16] (2) 活塞桿直徑為 d==90=63.63(mm) 根據(jù)GB/T2348—1993規(guī)定的活塞桿尺寸圓整為d=63mm (3) 最大工作行程 行程S=12D (4-4) S=12=1080（mm） 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T—1980規(guī)定的液壓缸行程系列圓整到S=1100mm (4) 活塞有效計(jì)算長(zhǎng)度 液壓缸的安裝尺寸，可查設(shè)計(jì)手冊(cè)得 安裝尺寸=+S=377+1100=1377（mm） 當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，有效計(jì)算長(zhǎng)度為： L=1100+1100+377=2577（mm） S—液壓缸的安裝尺寸(查設(shè)計(jì)手冊(cè)得到) [4] (5) 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 H(mm) (4-5) 取最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為600（mm） 式中 L—液壓缸最大行程； D—缸筒內(nèi)徑。 (6) 導(dǎo)向套長(zhǎng)度 A=（0.6～1.0）d (4-6) =(37.8～63)mm 導(dǎo)向套長(zhǎng)度為60mm (7) 活塞寬度 B=（0.6～1.0）D (4-7) =（54～90）mm 活塞桿寬度B=80mm 式中 D—缸筒內(nèi)徑 (8) 缸筒壁厚： 材料的許用應(yīng)力計(jì)算 (4-8) = 式中 —缸體材料的抗拉強(qiáng)度，缸體材料為，=800Mpa[14] n—安全系數(shù).一般取n=5 (4-9) ==7.99(mm) 查缸筒壁厚度表，取=12mm 式中 P-系統(tǒng)最高壓力,P=30Mpa。 (9) 缸筒外徑 (4-10) =90+212 =114(mm) 因?yàn)橐簤焊椎母淄彩菬o縫鋼管，因此缸筒內(nèi)部要留出5mm加工余量所以查手冊(cè)，選取內(nèi)徑為95mm的無縫鋼管。 4.1.3 油缸強(qiáng)度計(jì)算： (1) 已知參數(shù)： 缸徑D=90 桿徑d=63 行程S=1100 缸筒壁厚=12有效計(jì)算長(zhǎng)度L=2577 (參數(shù)單位：mm) (2) 油缸強(qiáng)度計(jì)算 a. 活塞桿應(yīng)力校核 (4-11) = =61.22Mpa 活塞桿材質(zhì)為調(diào)質(zhì)，經(jīng)查表得強(qiáng)度極限為800Mpa[14],材料的許用應(yīng)力為： =（n為安全系數(shù)）. 由此可見，，應(yīng)力完全滿足要求。 式中 —油缸最大閉鎖壓力 b. 缸筒強(qiáng)度驗(yàn)算： 由于缸筒壁厚與缸徑之比，屬于厚壁缸筒，可按材料學(xué)第二強(qiáng)度理論驗(yàn)算。 （4-12） = =8.65（mm） 由此可見,<,強(qiáng)度滿足要求。 式中 P—系統(tǒng)最高壓力,P=30Mpa； —材料的許用應(yīng)力。 (3) 油缸穩(wěn)定性驗(yàn)算 油缸在工作是承受的壓應(yīng)力最大，所以有必要校核活塞桿的壓穩(wěn)定性。 a. 活塞桿斷面最小慣性矩 I= （4-13） = = b. 活塞桿橫斷面回轉(zhuǎn)半徑 i (4-14) = =0.016m=16mm c. 活塞桿柔性系數(shù) = (4-15) ==161.0025161 式中 —為長(zhǎng)度折算系數(shù)，對(duì)于兩端鉸接約束方式一般取1； L—為有效計(jì)算長(zhǎng)度 d. 鋼材柔度極限值 = (4-16) = =60.8 式中 —45鋼材比例極限[14]； E—材料彈性模量[14] e. 從以上計(jì)算得知，>,即為大柔度壓桿時(shí)，穩(wěn)定力為： (4-17) （N） 式中 —為長(zhǎng)度折算系數(shù)，對(duì)于兩端鉸接約束方式一般取1； f. 油缸最大閉鎖力 = (4-18) （N） 式中 —油缸最大閉鎖壓力 g. 穩(wěn)定系數(shù) (4-19) 由此可見，穩(wěn)定性可以滿足要求。 4.2 泵的參數(shù)計(jì)算 4.2.1 泵的壓力計(jì)算 在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，要求泵的壓力高于系統(tǒng)壓力，差值以10%—30%為宜[15]。 因此： (2-20) =30 =34.4Mpa 取泵的最高壓力 式中 P—系統(tǒng)最高壓力，P=30Mpa 4.2.2 計(jì)算所需要的泵的流量 (1) 設(shè)計(jì)要求每個(gè)液壓缸的伸縮速度，根據(jù)鏟斗缸計(jì)算初步確定其余5個(gè)液壓缸的參數(shù)：（單位：mm） a. 動(dòng)臂缸（2個(gè)）：缸內(nèi)徑D=100 活塞桿徑d=70 行程S=1250 b. 鏟斗缸：缸內(nèi)徑D=110 活塞桿徑d=80 行程S=1500 c. 行走液壓缸：缸內(nèi)徑D=100 活塞桿徑d=80 行程S=1500 (2) 每個(gè)缸的流量計(jì)算 a. 動(dòng)臂缸（2個(gè)）： (4-21) = =48.042L/min b. 桿斗缸： = =26.847 L/min c. 鏟斗缸： = =1