液壓挖掘機工況、液壓系統(tǒng)論述(很經(jīng)典)

1、挖掘機的發(fā)展歷史可追溯到19 世紀三四十年代，由于當時美國進行大規(guī)模西部開發(fā)的需要，產(chǎn)生了以蒸氣機作為動力，模仿人體大臂、小臂和手腕構(gòu)造，能行走和扭腰的挖掘機。早期挖掘機主要用于礦山開采。隨后的 100 余年中挖掘機并沒有得到很大發(fā)展，發(fā)展遲緩的原因主要是挖掘機作業(yè)裝置動作多、運動范圍大、采用多自由度機構(gòu)，古老的機械傳動對它不太合適；而且當時的工程主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，平面作業(yè)多，因此鏟土運輸機械是當時工程機械的主力機種，得到較快的發(fā)展。20世紀60年代開始，液壓傳動技術(shù)得到了很快發(fā)展，逐漸成為成熟的傳動技術(shù)；挖掘機找到了適合它的傳動方式，為其發(fā)展建立了強有力的技術(shù)支撐。同

2、時工程建設(shè)和施工形式也發(fā)生了變化。在大規(guī)模國土開發(fā)的同時，向城市型土木施工發(fā)展給了挖掘機以展現(xiàn)自己才能的機會。具有較長的臂和桿、能裝上各種各樣工作裝置的挖掘機，會行走、能回轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)多自由度動作，既能切削高的垂直壁面，又可以挖掘深的基坑和溝，是一種萬能型的工程機械，因此得到了很迅速的發(fā)展。目前挖掘機已成為工程機械中無可爭議的第一主力機種，在世界工程機械市場上已占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴大。挖掘機和液壓傳動是緊密地聯(lián)系在一起的。所謂挖掘機在現(xiàn)代主要是指液壓挖掘機，機械式挖掘機已很少見。液壓技術(shù)是挖掘機的技術(shù)基礎(chǔ)，反過來由于挖掘機對液壓技術(shù)的高要求，從而大大地推動了液壓技術(shù)的發(fā)展。液壓挖掘機是一個很

3、大家族 ，目前向小型化和大型化兩個方向發(fā)展。最小液壓挖掘機重量僅 100kg 左 右，斗容量<0.01m3；而最大挖掘機重達800t左右，斗容量42m3挖掘機的發(fā)展促使液壓元件的高壓化、小型化和大型化，其液壓系統(tǒng)是工程機械液壓系統(tǒng)中最復雜的，很多液壓傳動的先進技術(shù)體現(xiàn)在挖掘機上?，F(xiàn)代液壓挖掘機作業(yè)動作復雜、功能齊全，要求多功能的多路閥和復雜控制的液壓泵 ，泵、閥和馬達都要采用電子控制，挖掘機的發(fā)展使最初對各液壓元件的個別控制發(fā)展到智能化的綜合控制。先進的液壓挖掘機被稱為土建機械手，是建設(shè)機器人的代表。作者認為有必要對挖掘機液壓系統(tǒng)進行詳細討論。要了解和設(shè)計挖掘機的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓

4、挖掘機的工作過程和了解挖掘機的作業(yè)要求。要掌握各液壓作用元件動作時的流量、力和功率要求，液壓作用元件互相配合的復合動作要求，共同工作時油泵對同時動作的各液壓元件供油時的流量分配和功率分配。下面對液壓挖掘機工作循環(huán)的4 個基本動作：挖掘一滿斗舉升回轉(zhuǎn)一卸載一返回，以及行走進行分別說明。挖掘通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別進行單獨挖掘，或者兩者配合進行挖掘。在挖掘過程中主要是鏟斗和斗桿有復合動作，必要時配以動臂動作。平整土地和切削斜坡時，須同時操縱動臂和斗桿，使斗尖能沿直線移動（圖 1），此時斗桿收回和動臂抬起，希望斗桿和動臂分別由獨立泵供油，以保證彼此獨立、互不干擾，并要求泵供油流量小、油缸動作

5、慢，容易控制，使鏟斗保持一定切削角并按一定軌跡進行切削，或用斗底來壓整地面，則需鏟斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復合動作（圖 2）。由1 4尖沿直選握削圖2鏟斗保持切削南進行切削和壓整埴面液壓挖掘機工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）為提高掘削速度，采用斗桿挖掘時，一般采用雙泵合流，個別采用了三泵合流。鏟斗單獨挖 掘時，也有采用雙泵合流（特別是大型挖掘機）。下面以三泵系統(tǒng)來說明復合動作挖掘時，油 泵流量分配和分合流油路連接供油情況。當斗桿和鏟斗復合運動挖掘時，供油情況如圖3a所示，斗桿油壓接近溢流閥壓力時，原來溢流的油供給鏟斗有效利用；當斗桿和動臂復合動作時，因動臂僅起調(diào)整位置作用，主要是 斗桿挖掘，

6、故采用斗桿優(yōu)先合流、雙泵供油，如圖 3b所示。S3三泵供油系線液壓挖掘機工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）當動臂、斗桿和鏟斗復合運動時，為了防止同泵供油時動作相互干擾，三泵系統(tǒng)的各泵單獨 供一個液壓作用元件較好。對雙泵系統(tǒng)復合動作相互干擾可能性大，需采用節(jié)流等措施進行 流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。進行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡整修時，為有效地垂直掘削，要求向 回轉(zhuǎn)馬達提供壓力油，產(chǎn)生 回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進行切削 ，因此需 回轉(zhuǎn)和斗桿同時供油，一起動作，如圖4a所示?；剞D(zhuǎn)和斗桿收縮同時動作，由同一泵供油，需采用回轉(zhuǎn)優(yōu)先油路，否則油流向壓力低處，使得掘削時緊貼側(cè)臂很困難。在斗桿油缸活塞 桿端回

7、油路上設(shè)置可變節(jié)流閥，此閥開口大小和節(jié)流程度由回轉(zhuǎn)先導壓力來控制，回轉(zhuǎn)先導壓力大、節(jié)流大，則斗油缸回油壓力增高，使泵供油壓力提高。因此隨著回轉(zhuǎn)操縱桿行程 增大，回轉(zhuǎn)馬達油壓增加、回轉(zhuǎn)力增大。轉(zhuǎn)球霸柄 同先攙手94詞和想削液壓挖掘機工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）挖掘過程中有可能碰到石塊和樹根等、往往挖不動而需短時增大掘起力時，希望液壓系統(tǒng)暫 時增壓，提高主壓力閥壓力，增力把障礙物挖掉。滿斗舉升回轉(zhuǎn)挖掘結(jié)束后，動臂缸將動臂頂起、滿斗提升，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸土處，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復合動作。動臂舉升和回轉(zhuǎn)同時動作時，兩者要求在速度上匹配 ，要求回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動舉升到正

8、確的卸載高度。由于卸載所需回轉(zhuǎn)角度不 同，隨挖掘機相對自卸車的位置而變，因此動臂舉升速度和回轉(zhuǎn)速度相對關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速度快些 ，而動臂舉升速度慢些?；剞D(zhuǎn)起動時由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流 閥溢出，此時應(yīng)將溢流的油供 給動臂，如圖5a所示。在回轉(zhuǎn)舉升時除了動臂舉升外，斗桿要同時外放，有時還需對鏟斗進行調(diào)整，此時是回轉(zhuǎn)、動臂、斗桿和鏟斗進行復合動作。由于滿斗舉升時動臂油缸壓力高 ，導致變量泵流量減小，為使動臂舉升和回轉(zhuǎn)、斗桿外放相互配合，由一個泵專供動臂缸，另一泵除供回轉(zhuǎn)和斗桿外，還有部分油供動臂，如圖 5b所示。 但由于動臂舉升油壓較高，大部分時間單

9、向閥是關(guān)閉的，左泵只供回轉(zhuǎn)和斗桿。三泵系統(tǒng)供油情況如圖 5c所示，各泵分別供給一液壓動作元件，動作無干擾?；剞D(zhuǎn)運動一般 所需流量較小，宜采用小流量泵，若用大流量泵驅(qū)動在啟動和制動過程中轉(zhuǎn)動慣量很大，功 率損失較大。口beS5回轉(zhuǎn)率升供消液壓挖掘機工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）卸載回轉(zhuǎn)至卸土位置，轉(zhuǎn)臺制動，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和高度，用鏟斗缸卸載。為了調(diào)整卸載位 置，還需要動臂配合工作。卸載時主要是斗桿和鏟斗復合作用，間以動臂動作?？斩贩祷匦遁d結(jié)束，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時動臂缸和斗桿缸相互配合動作，把空斗放到新的挖掘點。此 工況是回轉(zhuǎn)、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

10、 降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況是一個泵全部流量供回轉(zhuǎn)，另一泵大部分油 供動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流供斗桿，如圖 6所示。發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時油泵供油量小，為防止動 臂因重力作用迅速下降、動臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補油，利用重力將動 臂缸無桿腔的油供至有桿腔?？斩吩g回供油液壓挖掘機工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）行走時復合動作在行走路過程中可能要求作業(yè)裝置液壓元件（回轉(zhuǎn)、動臂、斗桿和鏟斗）動作進行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)，一泵供左行走、另一泵供右行走，此時如某一液壓元件動作，使某一泵分流供油會造成一側(cè)形成速度降低，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時，行駛偏斜會造成事故

11、。為了保持直線行駛性，對三泵系統(tǒng)供油系統(tǒng)左右行走分別供油，另一泵供其它液壓作用元件（動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)），如圖7a所示。對雙泵系統(tǒng)目前采用以下方式：一泵并聯(lián)供左右行走，另一泵供液壓作用元件，其多余的油通過單向閥向行走供油，如圖 7b所示；雙泵 合流并聯(lián)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7c所示。業(yè)壓用件作液作元左斤走右行走在行走右行走費匾用伸件斌柞元BH7行青統(tǒng)合動柞液壓挖掘機工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）液壓挖掘機具有多種機構(gòu)（行走、回轉(zhuǎn)、動臂、斗桿和鏟斗等）、多自由度，液壓作用元件數(shù) 量多，要求實現(xiàn)的動作很復雜，因此對液壓系統(tǒng)提出很高的要求。為了實現(xiàn)這些要求液壓系 統(tǒng)必

12、須采用各種措施，概括起來，主要包括以下幾點。1）挖掘機操縱控制性能要求高，精細作業(yè)要求微動，高生產(chǎn)率要求快速動作，調(diào)速范圍要求 廣，作業(yè)阻力變化大及各種不同作業(yè)工況要求功率變化范圍大，因此各作用元件的調(diào)速性要 好。2）挖掘機作業(yè)需各液壓作用元件單獨動作，但更多情況下要求各作用元件互相配合實現(xiàn)復合 動作，而且動臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)和行走之間幾乎都要復合動作，且復合動作范圍廣、形 式復雜多樣，同時要求復合動作時有良好的復合操縱性能，能合理地分配共同動作時各液壓 作用元件的流量和功率。3）挖掘機作為生產(chǎn)設(shè)備，工作時間長、能量消耗大，要求液壓系統(tǒng)效率高、降低能耗和排放， 使總發(fā)熱量小，液壓油溫不要太高

13、，對各液壓元件和管路都要求降低能耗，因此在液壓系統(tǒng) 中要充分考慮節(jié)能措施。4）提高挖掘機生產(chǎn)效率很重要，液壓系統(tǒng)要考慮與發(fā)動機很好匹配，充分利用發(fā)動機全功率。5）挖掘機工作條件惡劣、載荷變化劇烈、沖擊振動大，對各液壓元件的可靠性和耐久性有很 高的要求。液壓挖掘機液壓系統(tǒng)的形式和種類很多，可以從不同的角度進行分類。從多路閥的形式可以分成中位開式系統(tǒng)和閉式負荷傳感壓力補償系統(tǒng)兩大類；從泵的形式來看有定量泵和變量泵； 泵的控制方式也有多種，而且根據(jù)泵的數(shù)量不同還可分為單泵、雙泵、三泵和多泵等。中位開式系統(tǒng)該系統(tǒng)采用三位六通閥，其特點是有兩條供油路，一條是直通供油路、另一條是并聯(lián)供油路， 如圖8所示。

14、這種油路調(diào)速方式是進油節(jié)流和旁路節(jié)流同時起作用，其調(diào)速特性受負荷壓力 和油泵流量的影響，因此這種 閥系統(tǒng)操縱性能、調(diào)速性能和微調(diào)性能差。同時這種油路系 統(tǒng)的液壓作用元件一起復合動作時相互間有干擾，使得復合動作操縱非常困難，對液壓挖掘 機來說調(diào)速性能和復合動作操縱性很重要，這是中位形式系統(tǒng)的大缺點。網(wǎng)8開式油路液壓挖掘機工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）閉式負荷傳感壓力補償系統(tǒng)閉式油路如圖9所示，可以采用一個泵同時供給所有液壓作用元件，每一個液壓元件動作速 度只和操縱閥的閥桿行程有關(guān)、與負荷和泵流量無關(guān)，多個液壓元件同時動作時相互無干擾， 因此操縱性好是閉式油路的主要特點。n 9閉式融路液壓挖掘機工況

15、、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）有人認為壓力補償產(chǎn)生壓差會使系統(tǒng)效率降低、能量損失大。根據(jù) 日本小松在10t級和20t 級兩種挖掘機所作實際測試結(jié)果，作業(yè)效率以每小時土方量來表示：以開式油路為1,對閉式油路，10t級為1.04、20t級為1.13;燃料消耗量以每升燃料的土方量來表示：以開式油路為 1,對閉式油路，10t級為1.02、20t級為1.09。結(jié)論是閉式回路的作業(yè)效率高、燃料消耗量 低，因此日本小松把大量挖掘機從開式油路改為閉式油路。開式和閉式油路的對比：開式油路主要問題是閥調(diào)速特性隨負荷波動；多負荷同時工作互相干擾，液壓元件最大速度不能任意設(shè)定。這些問題采用閉式油路后都可以解決，而且對各種附屬裝置適應(yīng)性強，根據(jù)附屬裝置需要，可以通過調(diào)整補償程度來實現(xiàn)完全補償特性、接近開式油路特性和中間狀 態(tài)特性。閉式油路主要問題是動態(tài)性能差，目前已有改進措施。定量泵和變量泵定量泵結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，用于需要價格便宜的微型挖掘機。但定量泵角功