液壓挖掘機(jī)工況、液壓系統(tǒng)論述(很經(jīng)典)

1、挖掘機(jī)的發(fā)展歷史可追溯到19 世紀(jì)三四十年代，由于當(dāng)時(shí)美國進(jìn)行大規(guī)模西部開發(fā)的需要，產(chǎn)生了以蒸氣機(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)。早期挖掘機(jī)主要用于礦山開采。隨后的 100 余年中挖掘機(jī)并沒有得到很大發(fā)展，發(fā)展遲緩的原因主要是挖掘機(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)，古老的機(jī)械傳動(dòng)對它不太合適；而且當(dāng)時(shí)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(yùn)輸機(jī)械是當(dāng)時(shí)工程機(jī)械的主力機(jī)種，得到較快的發(fā)展。20世紀(jì)60年代開始，液壓傳動(dòng)技術(shù)得到了很快發(fā)展，逐漸成為成熟的傳動(dòng)技術(shù)；挖掘機(jī)找到了適合它的傳動(dòng)方式，為其發(fā)展建立了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。同

2、時(shí)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(shí)，向城市型土木施工發(fā)展給了挖掘機(jī)以展現(xiàn)自己才能的機(jī)會(huì)。具有較長的臂和桿、能裝上各種各樣工作裝置的挖掘機(jī)，會(huì)行走、能回轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)多自由度動(dòng)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(jī)械，因此得到了很迅速的發(fā)展。目前挖掘機(jī)已成為工程機(jī)械中無可爭議的第一主力機(jī)種，在世界工程機(jī)械市場上已占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴(kuò)大。挖掘機(jī)和液壓傳動(dòng)是緊密地聯(lián)系在一起的。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。液壓技術(shù)是挖掘機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)，反過來由于挖掘機(jī)對液壓技術(shù)的高要求，從而大大地推動(dòng)了液壓技術(shù)的發(fā)展。液壓挖掘機(jī)是一個(gè)很

3、大家族 ，目前向小型化和大型化兩個(gè)方向發(fā)展。最小液壓挖掘機(jī)重量僅 100kg 左 右，斗容量<0.01m3；而最大挖掘機(jī)重達(dá)800t左右，斗容量42m3挖掘機(jī)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(jī)械液壓系統(tǒng)中最復(fù)雜的，很多液壓傳動(dòng)的先進(jìn)技術(shù)體現(xiàn)在挖掘機(jī)上?，F(xiàn)代液壓挖掘機(jī)作業(yè)動(dòng)作復(fù)雜、功能齊全，要求多功能的多路閥和復(fù)雜控制的液壓泵 ，泵、閥和馬達(dá)都要采用電子控制，挖掘機(jī)的發(fā)展使最初對各液壓元件的個(gè)別控制發(fā)展到智能化的綜合控制。先進(jìn)的液壓挖掘機(jī)被稱為土建機(jī)械手，是建設(shè)機(jī)器人的代表。作者認(rèn)為有必要對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)討論。要了解和設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓

4、挖掘機(jī)的工作過程和了解挖掘機(jī)的作業(yè)要求。要掌握各液壓作用元件動(dòng)作時(shí)的流量、力和功率要求，液壓作用元件互相配合的復(fù)合動(dòng)作要求，共同工作時(shí)油泵對同時(shí)動(dòng)作的各液壓元件供油時(shí)的流量分配和功率分配。下面對液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)的4 個(gè)基本動(dòng)作：挖掘一滿斗舉升回轉(zhuǎn)一卸載一返回，以及行走進(jìn)行分別說明。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。平整土地和切削斜坡時(shí)，須同時(shí)操縱動(dòng)臂和斗桿，使斗尖能沿直線移動(dòng)（圖 1），此時(shí)斗桿收回和動(dòng)臂抬起，希望斗桿和動(dòng)臂分別由獨(dú)立泵供油，以保證彼此獨(dú)立、互不干擾，并要求泵供油流量小、油缸動(dòng)作

5、慢，容易控制，使鏟斗保持一定切削角并按一定軌跡進(jìn)行切削，或用斗底來壓整地面，則需鏟斗、斗桿、動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)作（圖 2）。由1 4尖沿直選握削圖2鏟斗保持切削南進(jìn)行切削和壓整埴面液壓挖掘機(jī)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(shí)，一般采用雙泵合流，個(gè)別采用了三泵合流。鏟斗單獨(dú)挖 掘時(shí)，也有采用雙泵合流（特別是大型挖掘機(jī)）。下面以三泵系統(tǒng)來說明復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)，油 泵流量分配和分合流油路連接供油情況。當(dāng)斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)挖掘時(shí)，供油情況如圖3a所示，斗桿油壓接近溢流閥壓力時(shí)，原來溢流的油供給鏟斗有效利用；當(dāng)斗桿和動(dòng)臂復(fù)合動(dòng)作時(shí)，因動(dòng)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(jī)工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）當(dāng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止同泵供油時(shí)動(dòng)作相互干擾，三泵系統(tǒng)的各泵單獨(dú) 供一個(gè)液壓作用元件較好。對雙泵系統(tǒng)復(fù)合動(dòng)作相互干擾可能性大，需采用節(jié)流等措施進(jìn)行 流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡整修時(shí)，為有效地垂直掘削，要求向 回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供壓力油，產(chǎn)生 回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削 ，因此需 回轉(zhuǎn)和斗桿同時(shí)供油，一起動(dòng)作，如圖4a所示。回轉(zhuǎn)和斗桿收縮同時(shí)動(dòng)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(shí)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(dǎo)壓力來控制，回轉(zhuǎn)先導(dǎo)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(dá)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(jī)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(dòng)而需短時(shí)增大掘起力時(shí)，希望液壓系統(tǒng)暫 時(shí)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(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)臂舉升和回轉(zhuǎn)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，兩者要求在速度上匹配 ，要求回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，動(dòng)臂和鏟斗自動(dòng)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(jī)相對自卸車的位置而變，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(dòng)臂舉升速度慢些?；剞D(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)由于慣性較大，油壓會(huì)升得很高，有可能從溢流 閥溢出，此時(shí)應(yīng)將溢流的油供 給動(dòng)臂，如圖5a所示。在回轉(zhuǎn)舉升時(shí)除了動(dòng)臂舉升外，斗桿要同時(shí)外放，有時(shí)還需對鏟斗進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)是回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。由于滿斗舉升時(shí)動(dòng)臂油缸壓力高 ，導(dǎo)致變量泵流量減小，為使動(dòng)臂舉升和回轉(zhuǎn)、斗桿外放相互配合，由一個(gè)泵專供動(dòng)臂缸，另一泵除供回轉(zhuǎn)和斗桿外，還有部分油供動(dòng)臂，如圖 5b所示。 但由于動(dòng)臂舉升油壓較高，大部分時(shí)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(dòng)作元件，動(dòng)作無干擾?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一般 所需流量較小，宜采用小流量泵，若用大流量泵驅(qū)動(dòng)在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，功 率損失較大。口beS5回轉(zhuǎn)率升供消液壓挖掘機(jī)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(tái)制動(dòng)，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?jiǎng)颖叟浜瞎ぷ?。卸載時(shí)主要是斗桿和鏟斗復(fù)合作用，間以動(dòng)臂動(dòng)作。空斗返回卸載結(jié)束，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、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(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，如圖 6所示。發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)油泵供油量小，為防止動(dòng) 臂因重力作用迅速下降、動(dòng)臂油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，可采用動(dòng)臂下降再生補(bǔ)油，利用重力將動(dòng) 臂缸無桿腔的油供至有桿腔?？斩吩g回供油液壓挖掘機(jī)工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）行走時(shí)復(fù)合動(dòng)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(dòng)臂、斗桿和鏟斗）動(dòng)作進(jìn)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(shí)如某一液壓元件動(dòng)作，使某一泵分流供油會(huì)造成一側(cè)形成速度降低，影響直線行駛性，特別是當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行裝車運(yùn)輸或上下卡車行時(shí)，行駛偏斜會(huì)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(dòng)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(dá)和作業(yè)裝置液壓作用元件同時(shí)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(fèi)匾用伸件斌柞元BH7行青統(tǒng)合動(dòng)柞液壓挖掘機(jī)工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）液壓挖掘機(jī)具有多種機(jī)構(gòu)（行走、回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等）、多自由度，液壓作用元件數(shù) 量多，要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作很復(fù)雜，因此對液壓系統(tǒng)提出很高的要求。為了實(shí)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(diǎn)。1）挖掘機(jī)操縱控制性能要求高，精細(xì)作業(yè)要求微動(dòng)，高生產(chǎn)率要求快速動(dòng)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(jī)作業(yè)需各液壓作用元件單獨(dú)動(dòng)作，但更多情況下要求各作用元件互相配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合 動(dòng)作，而且動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)和行走之間幾乎都要復(fù)合動(dòng)作，且復(fù)合動(dòng)作范圍廣、形 式復(fù)雜多樣，同時(shí)要求復(fù)合動(dòng)作時(shí)有良好的復(fù)合操縱性能，能合理地分配共同動(dòng)作時(shí)各液壓 作用元件的流量和功率。3）挖掘機(jī)作為生產(chǎn)設(shè)備，工作時(shí)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(jī)生產(chǎn)效率很重要，液壓系統(tǒng)要考慮與發(fā)動(dòng)機(jī)很好匹配，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)全功率。5）挖掘機(jī)工作條件惡劣、載荷變化劇烈、沖擊振動(dòng)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(jī)液壓系統(tǒng)的形式和種類很多，可以從不同的角度進(jìn)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(fù)荷傳感壓力補(bǔ)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(diǎn)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(jìn)油節(jié)流和旁路節(jié)流同時(shí)起作用，其調(diào)速特性受負(fù)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(shí)這種油路系 統(tǒng)的液壓作用元件一起復(fù)合動(dòng)作時(shí)相互間有干擾，使得復(fù)合動(dòng)作操縱非常困難，對液壓挖掘 機(jī)來說調(diào)速性能和復(fù)合動(dòng)作操縱性很重要，這是中位形式系統(tǒng)的大缺點(diǎn)。網(wǎng)8開式油路液壓挖掘機(jī)工況、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）閉式負(fù)荷傳感壓力補(bǔ)償系統(tǒng)閉式油路如圖9所示，可以采用一個(gè)泵同時(shí)供給所有液壓作用元件，每一個(gè)液壓元件動(dòng)作速 度只和操縱閥的閥桿行程有關(guān)、與負(fù)荷和泵流量無關(guān)，多個(gè)液壓元件同時(shí)動(dòng)作時(shí)相互無干擾， 因此操縱性好是閉式油路的主要特點(diǎn)。n 9閉式融路液壓挖掘機(jī)工況

15、、液壓系統(tǒng)論述（很經(jīng)典）有人認(rèn)為壓力補(bǔ)償產(chǎn)生壓差會(huì)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(jī)所作實(shí)際測試結(jié)果，作業(yè)效率以每小時(shí)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(jī)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(fù)荷波動(dòng)；多負(fù)荷同時(shí)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(qiáng)，根據(jù)附屬裝置需要，可以通過調(diào)整補(bǔ)償程度來實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)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(dòng)態(tài)性能差，目前已有改進(jìn)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(jià)格便宜的微型挖掘機(jī)。但定量泵角功