液压挖掘机斗杆机构液压系统设计.doc

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1、邵阳学院毕业设计（论文） 前言 以液压技术应用为基础的挖掘机是工程机械领域中一种典型的土石方施工设备，液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建筑、道路建设、农田水利、油田矿山、市政工程、机场港口等部门的土石方施工中起到十分重要的作用。在建筑工程中，可用来挖掘基坑、排水沟，拆除旧建筑物，平整场地等。更换工作装置后，可进行装卸、安装、打桩等工作。在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠、挖深原有河道等。在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘管道沟等。在军事工程中，可用来筑路、挖

2、壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用，因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。1.1挖掘机简介第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。 从20世纪40年代就有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪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。初期试制的液压挖掘

3、机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。但由于液压挖掘机的技术性能，挖掘力大、牵引力大，机器重量轻，传动平稳，作业效率高，结构紧凑，使用安全可靠，操纵简便，易于实现自动控制，便于组织大规模专业化生产，进一步提高质量和降低成本，所以从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970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%。1.2国内外研究现状及发展动态1.2.1国外研究状况及发展动态工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容

4、量3.5-40m单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150m剥离用挖掘机，斗容量132m的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯-伊利）公司生产的斗容量168.2m的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。 1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01m。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多

5、能，配备了多种工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。 2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使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。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前

6、提。 3）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，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；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，并处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

7、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-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

8、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。 4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。美国日本等发达国家借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%-95%，使用寿命超过1万小时。 5）加强对驾驶

9、员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。 6）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，压力减小时和增大流量来裣，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），使挖掘力成倍增长率加；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。实现与回转达机械的功率匹配。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成运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为

10、电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。 7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机口音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。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，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，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

11、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，如澳大利亚机器人中心(Australian Center of Field Robotics, ACFR)的自主挖掘研究，英国兰卡斯特大学的智能挖掘机研究等的成功推动了自动化的进一步发展。1.2.2国内研究情况及发展动态早在1954年我国就已开始生产机械式挖掘机,当时的抚顺重型机器厂(抚顺挖掘机厂前身)引进前苏联的机械式挖掘机W10012和W5012等国际20世纪3040年代的产品。由于国家经济建设的需要,后又发展10余家厂生产,到1966年12年全国共生产了机械式挖掘机3000余台,后又延续生产到八十年

12、代初。在80年代初引进德国系列液压挖掘机制造技术（例如有德国Liebherr公司、Demag公司和O&P公司），浙江大学的冯培恩教授开始率先着手研究挖掘机机电一体化技术，首先实现挖掘机器人作业过程的分级规划和局部自主控制。但是他们在任务规划层面上只停留在仿真阶段，还没有提出显著的实现方案。 20世纪90年代初国内几家新进入挖掘机待业的企业以“技贸结合，合作生产”的方式联合引进日本小松制作所的PC系列挖掘机制造技术，由于 中国建设事业的发展，市场的扩大，随后不久在挖掘机生产领域出现了一个外资企业进入中国的浪潮。从1994、1995年开始，世界各工业发达国家的著名挖掘机制造企业先后在中国建立众多的

13、中外合资或外商独资 挖掘机制造企业，生产世界一流水平的多种型号的挖掘机产品。截止至2001年年底，包括国有企业在内，中国境内生产液压挖掘机的企业总数达20个左右，共生产挖掘机整机质量从1.3-45t,100余个不同型号和规格的产品。2000年全国生产各种型号、规格的液压挖掘机8111台，共销售7926台，其中包括出口119台。2001年全生产12569台，销售12397台，其中包括出口468台。表1 20002001年我国挖掘机械主要产品产、销、存情况主要产品名称产量销量库存量2001年2000年2001年2000年2001年2000年履带式挖掘机12147760311995741319311

14、383轮胎式挖掘机3704233634205143挖掘装载机518437872246机械式挖掘机112600合计125698111123977926200414721.3 本设计的研究内容机电一体化液压挖掘机与传统的液压挖掘机相比，具有自动操纵、工况监测与故障报警、节能控制的新功能，本文主要通过国外几种知名品牌的挖掘机液压系统为参考对象，对其现有的关键技术和控制方式进行比较和研究，为机电一体化的挖掘机斗杆机构的液压系统设计提供一定的参考信息。1.3.1 机电一体化挖掘机液压系统技术发展动态的分析研究大量搜集国内外机电一体化挖掘机液压系统方面的相关技术资料，系统了解机电一体化挖掘机液压系统的发展

15、历史。分析总结机电一体化挖掘机液压系统方面的研究现状和技术发展动态。1.3.2 与机电一体化液压挖掘机斗杆机构传动有关的液压系统设计要求对液压挖掘机一个工作循环中的四种工况一挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况和卸载返回工况进行了详细的分析，总结了每个工况下各执行机构的主要复合动作，及斗杆机构在其中的作用。根据机电一体化液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结了挖掘机斗杆机构液压系统设计要求:动力性要求和操纵性要求。1.3.3 与机电一体化液压挖掘机斗杆机构传动有关的液压系统设计分析了机电一体化挖掘机液压系统中的驱动与传动系统、执行系统、检测系统和控制系统，详细分析了其主要优点和存在的问题。本文在

16、分析研究了挖掘机液压系统的基础上，进一步对挖掘机斗杆机构液压系统分析，根据挖掘机液压系统的设计要求，设计了一套适合我国生产制造的机电一体化单斗挖掘机斗杆机构液压系统。本设计旨在采用通用的多路阀系统，配以专用控制阀和简单的伺服控制系统。2液压挖掘机结构与工作原理液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，可分为液压系统、动力系统、行走系统、控制系统和金属结构件等几大部分。液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。液压挖掘机一般由工作装置、回转装置和行走装置三大部分组成。根据

17、其构造和用途可以区分为：履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型，如图2-1所示。单斗液压挖掘机的液压传动系统是通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执行元件，推动工作装置动作，从而完成各种作业。单斗液压挖掘机每一作业循环包括挖掘、回转、卸料和返回等四个过程。挖掘时先将铲斗向前伸出，动臂带着铲斗落在工作面上，然后铲斗向着挖掘机方向拉转，铲斗在工作面上挖出一条弧形挖掘带并装满土壤。随后将铲斗连同动臂一起升起，上部转台带动铲斗及动臂回转到卸土处。将铲斗向前推出，使铲斗口朝下进行卸土。卸土后将动臂及铲斗回转并下放至工作面，准备下一

18、循环的挖掘作业。1.铲斗缸 2.斗杆缸 3.动臂缸 4.回转马达 5.冷却器 6.滤油器 7. 磁滤器 8.油箱 9.液压泵 10.背压阀11. 后组合阀 12.前组合阀 13.中央回转接头 14.回转制动阀 15.限速阀16.行走马达图2-1 液压挖掘机整体系统图2.1机电一体化液压挖掘机系统结构2.1.1 机电一电化液压挖掘机系统组成机电一体化液压挖掘机系统是由驱动与传动系统、执行机构、检测系统和控制系统四部分组成。 驱动与传动系统 包括发动机、液压泵、液压马达、电液比例方向阀、动臂缸、斗杆缸、铲斗负荷及齿轮传动，他实现了液压挖掘机中各种能量的传递和转换。执行机构 由回转平台、动臂、斗杆、

19、铲斗及工作装置连杆机构组成。传动系统接到控制信号后，按要求推动执行机构，产生一定的动作，以完成一定的任务。检测系统 以各种传感器为主要组成部分，随时向计算机反馈挖掘机及环境的变化，包括：位置、姿态、速度、加速度、系统压力、柴油机水箱温度、柴油机转速以及外部环境的几何信息等。控制系统 由计算机根据任务要求，自动生成一条从衩始状态到目标状态的安全运动路径，并由控制器控制挖掘机工作装置按照规划好的轨迹运行，直至到达给定的位置状态，完成给定的任务。2.1.2 机电一体化单斗反铲液压挖掘机反铲装置主要用于挖掘停机面以下的土壤。斗容量小于1.6M 3的中小型液压挖掘机通常选用反铲装置，一般分为整体式和组合

20、式结构。其中长期作业条件相似的挖掘机反铲装置大多采用整体鹅颈式动臂结构。采用这种动+6臂有利于加大挖掘深度，且结构简单、价格低廉。刚度相同时，其重量比组合动臂轻，是目前应用最广泛的液压挖掘机工作装置结构形式。铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式，动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接，在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作。如图 2- 1 所示，整体鹅颈式动臂反铲挖掘机工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗一杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下。铰点转动实现

21、动臂的升降。斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂相对角度。当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联。2.1.3 机电一体化液压挖掘机工作循环过程首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运输车辆倒车、调停，停靠在挖掘机的侧方或后方。挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两

22、者的大腔进油，配合动作以加快作业进度，进行复合动作的挖掘和装载:铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使铲斗高度稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。1、斗杆油缸 2、动臂 3、油管 4、动臂油缸 5、铲斗 6、斗齿 7、侧齿 8、连杆 9、摇杆 10、铲斗油缸 11、斗杆图2-2 机电一体化反铲挖掘机工作

23、装置2.2 机电一体化液压挖掘机工作原理机电一体化液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走(移位)，使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业的要求。机电一体化液压挖掘机传动示意图，如图2-3所示，利用各种传感器，柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给各液压执行元件(液压缸或液压马达)驱动相应的机构进行工作。机电一体化液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。反铲工作装置由铲斗1、斗杆2、动臂3、连杆4及相应的三组液压缸5. 6. 7组

24、成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动;而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达，转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩;动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。在实际挖掘作业中，由于土质

25、情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。1、铲斗 2、斗杆 3、动臂 4、连杆 5、 6、 7、液压油缸I、挖掘装置 II、回转装置 III、行走装置图2-3 机电一体化液压挖掘机传动示意图2.3 机电一体化液压挖掘机工作技术要求当采用柴油机-液压泵复合控制。操作者根据工况，利用作业模式选择开关（功率预选开关）选择合理的功率模式：重载高速、正常工作、轻载低速。通过电子调节器调节发动机油门和液压泵的排量，使供给功率与负载需要功率相匹配。采用了电液比例控制技术，通过改变34B-R6/H6型带阀芯位移反馈的电液比例方向阀的比例电磁铁的输

26、入电流，不公可以改变阀的工作液流方向，而且可以挖掘阀口大小实现流量控制，是一种较为理想的电、液转换和功率放大元件，与伺服控制相比具有成本低、抗干扰性好、能量损失小、对油液清洁度无特殊要求等优点。工况在线监测系统包括单片主处理器模块、面板控制系统、模拟信号调理模块、A/D转换及光电隔离模块、电源模块及传感器等部分。其中单片主处理器模块是系统的核心部分，主要功能有面板的控制管理，A/D转换部分的控制管理、模拟量、开关量和转换信号的输入、处理和存储。面板控制模块是整个系统的入机接口，它包括键盘、声光报警电路和点阵式液晶显示器。模拟信号调理电路的任务是实现各路模拟量信号的输入和调整，将传感器和敏感元件

27、的输出电信号转变为满足A/D转换输入要求的标准电平信号。A/D转换及光电隔离模块的功能是将所有的被检测转变成为单片机所接受的数字量，具体包括开关量、转换信号的整形、模拟量的A/D转换和输入输出信号的光电隔离等。电源模块将液压挖掘机上的蓄电池或发电机输出的+24V直流电转换成系统各模块以及系统配备的传感器所需的各种类型的电平电压。传感器处于液压挖掘机与监测系统的接口位置，是一个能量变换器，它直接从液压挖掘机中提取被除数检测的工况特征参数，感受状态的变化并转换成便于测量的物理量。计算机控制系统将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出

28、相应的指令控制整个系统有目的的运行。如利用压力传感器可实现过载情况下的路径自主校正；利用超阶级声波测距传感器能实现 回转过程中的自动避障。总之，机电一体化液压挖掘机是由多学科、多系统组成的有机整体，只有在系统层面上的各系统、各学科协同优化才能获取挖掘机整机的最佳性能。3机电一体化液压挖掘机斗杆构工况分析及液压系统设计拟定要了解和设计挖掘机斗杆机构的液压系统，首先要分析液压挖掘机的工作过程及其作业要求，掌握各种液压作用元件动作时的流量、力和功率要求以及液压作用元件相互配合的复合动作要求和复合动作时油泵对同时作用的各液压作用元件的流量分配和功率分配。3.1液压挖掘机的工况及斗杆机构作用液压挖掘机的

29、作业过程包括以下几个动作(如图3-1 所示):动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作，其中斗杆机构直接参与斗杆收放动作。斗杆机构在工况中支撑着铲斗机构，与动臂机构共同维持着铲斗机构的稳定，并通过斗杆油缸向铲斗油缸输入或输出油压，是联接动臂与铲斗机构的中间结构。1、动臂升降 2、斗杆收放 3、铲斗装卸 4 、平台台回转 5、整机行走图3-1 液压挖掘机的运动图3.1.1 斗杆机构在挖掘工况中的关系分析挖掘过程中主要以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别单独进行挖掘，或者两者复合动作，必要时配以动臂液压缸的动作。反铲挖掘机的作业方式可用于路堑挖掘、填筑路堤、平面挖掘、建筑物基础的挖

30、掘和沟槽挖掘等工程施工。一般在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，如图3-2，3-3所示。此时斗杆收回，动臂抬起，希望斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以保证彼此动作独立，相互之间无干扰，并且要求泵的供油量小，使油缸动作慢，便于控制。如果需要铲斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作，如图3-4,3-5所示。图3-2 斗尖沿直线平整土地图 图3-3 斗尖沿直线切削斜坡图图3-4 铲斗底压整地面图图3-5 铲斗底保持一定角度切削图单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，

31、个别也有采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。下面以三泵系统为例，来说明复合动作挖掘时油泵流量的分配情况和分合流油路的连接情况。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。当斗杆和铲斗复合动作挖掘时，供油情况如图3-6a 所示。当斗杆油压接近溢流阀的压力时，原来溢流的油液此时供给铲斗有效利用;当斗杆和动臂复合动作挖掘时，由于动臂仅仅起调解位置的作用，主要是斗杆进行挖掘，因此采用斗杆优先合流、双泵供油，如图3-6b 所示。当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油较好。

32、对于双泵系统，其复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能性大，因此需要采用节流等措施进行流量分配，其流量分配要求和三泵系统相同。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力，保持铲斗贴紧侧壁进行切削，因此需要同时向回转马达和斗杆供油，两者复合动作，如图3-7所示。回转马达和斗杆收缩同时动作，由同一个油泵供油，因此需要采用回转优先油路，否则铲斗无法紧贴侧壁，使掘削很难正常进行。在斗杆油缸活塞杆端回油路上设置可变节流阀，此节流阀的开口度即节流程度由回转先导压力来控制。回转先导压力越大，节流阀开度越小，节流效应越大，则斗杆油缸回油压力增高，使得油

33、泵的供油压力也提高。因此随着回转操纵杆行程的增大，回转马达油压增加，回转力增大。图3-6 三泵供油系统示意图图3-7 沟槽侧壁掘削和斜坡掘削时，油泵供油连接情况挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要短时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主压力阀的压力。3.1.2斗杆机构在满斗举升回斗工况中的关系分析挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升到合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘

34、机相对自卸车的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整的。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。在双泵系统中，回转起动时，由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢流，此时应该将溢流的油供给动臂，如图3-8a 所示。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。由于满斗提升时动臂油缸压力高，导致变量泵流量减小，为了使动臂提升和回转、斗杆外放相互配合动作，由一个油泵专门向动臂油缸供油，另一个油泵除了向回转马达和斗杆供油外，还有部分油供给动臂，如图3-8b 所示。但是由于动臂提升时油压

35、较高，单向阀大部分时间处于关闭状态，因此左侧油泵只向回转马达和斗杆供油。三泵系统的供油情况如图3-8c 所示。各个油泵分别向一个液压作用元件供油，复合动作时无相互干扰。图3-8回转举升供油情况3.1.3斗杆机构在卸载工况中的关系分析回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合动作，间以动臂动作。3.1.4斗杆机构在空斗返回工况中的关系分析当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用，压力低、变量泵流

36、量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给动臂，少部分油经节流阀供给斗杆，如图3-9 所示。发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。图3-9空斗返回供油情况3.1.5斗杆机构在行走时复合动作中的关系分析在行走的过程有可能要求对作业装置液压元件(如回转机构、动臂、斗杆和铲斗)进行调整。在双泵系统中，一个油泵为左行走马达供油、另一个油泵为右行走马达供油，此时如果某一液压元件动作，使某一油泵分流供油，就会造成一侧行走速度降低，影响

37、直线行驶性，特别是当挖掘机进行装车运输或上下卡车行走时，行驶偏斜会造成事故。为了保证挖掘机的直线行驶性，在三泵供油系统中，左右行走马达分别由一个油泵单独供油，另一个油泵向其它液压作用元件(如动臂、斗杆、铲斗和回转)供油，如图3-10a 所示。对于双泵系统，目前采用以下供油方式:一个油泵并联向左、右行走马达供油，另一个油泵向其他液压作用元件供油，其多余的油液通过单向阀向行走马达供油，如图3-10b 所示;双泵合流并联向左、右行走马达和作业装置液压作用元件同时供油，如图3-10c 所示。图3-10行走复合动作时的几种供油情况3.2 挖掘机斗杆机构液压系统的基本类型与特点目前液压挖掘机的液压系统种类

38、繁多，从功能上看各有特点，但从液压挖掘机的工作特点和基本控制要求出发，可以归纳出一些基本类型和特点，并从中总结出液压挖掘机液压系统的发展思路。一般按主油泵的数量、功率调节方式和回路的数量来分类，可以有六种基本形式：单泵或双泵单路定量系统，双泵双路定量系统，多泵多路定量系统，双泵双路分功率调节变量系统，双泵双路全功率调节变量系统和多泵多路定量、变量系统。另外，根据液压系统油路的形式还可分为开式油路与闭式油路。下面分别介绍应用于液压挖掘机的各种基本液压系统。3.2.1 液压挖掘机斗杆机构定量系统 机电一体化液压挖掘机定量系统采用定量泵为液压系统提供压力油。单泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统都由

39、于定量系统。系统中泵的输出流量恒定，不能随外负荷的变化而使流量做相应的变化。液压挖掘机在作业过程中，外负载是随作业工况不断变化的，发动机功率只能按最大负载压力和作业速度来确定。一般情况下，单泵定量系统的平均负载为最大负荷的60左右，所以发动机的功率平均只用了约60。因流量恒定，当负荷发生变化时，不能通过改变流量来改变作业速度。为了获得不同的作业速度，常依靠多路阀来进行节流调节，其结果是发热量大，功率浪费严重。定量系统在小型液压挖掘机上应用较多，主要原因是：定量泵结构简单，价格低，工作可靠，由于定量泵经常在非满负荷下工作，其寿命比变量泵相对长一些；由于定量系统流量固定，执行元件的速度也稳定，工作

40、装置的轨迹容易控制，其缺点是在复合动作时，各机构工作速度大大降低。3.2.2 液压挖掘机斗杆机构变量系统 20世纪60年代，液压挖掘机上开始应用恒定功率变量泵，其目的是既能充分利用发动机功率，又不会使发动机过载。双泵双路分功率调节变量系统和双泵双路全功率调节变量系统都属于变量系统。采用恒功率变量泵与定量马达等组成变量系统，一般为双泵双回路系统，它能随负载变化而自动改变液压泵的流量，使发动机经常接近于其设计功率工作。随着液压技术的发展，针对挖掘机作业循环中的各种动作，以提高复合动作，以提高复合动作的准确性为目的，将恒功率控制原理应用于双泵系统，可以组合成为功率调节系统、全功率调节系统和交叉功率调

41、节系统等，其功能各有所长。其中全功率变量系统特点有：可以保证左右履带同步运行；在挖掘作业中，卸土完毕后机构的回转和动臂的下降可同时动作，提高作业功率；两台泵的流量始终相等，方便司控制；当一台泵空载时，另一台泵也可以输出全功率。1油泵；2、4分配阀组；3单向阀；5速度限制阀；6推土板油缸；7、8行走马达；9双速阀；10回转马达；11动臂油缸；12辅助油缸；13斗杆油缸；14铲斗油缸；15背压阀；16冷却器；17滤油器图3-11 SWE70H型单斗履带式挖掘机液压系统3.3 挖掘机斗杆机构液压系统阀联结构液压挖掘机作业过程中工作装置频繁提升和下降，当动臂、斗杆举升时，液压能被转化为工作装置的势能；

42、当它们下降时，该势能又转化为液压能。在传统的多路阀中，往往通过在动臂缸大腔、斗杆缸小腔回油路上设置单向节流阀，限制工作装置因自重造成的超速下降，致使其下降过程中因节流发热增加了系统的热负荷，降低了液压系统的效率。现代液压挖掘机的多路阀，通过设置再生回路回收部分势能转化成的液压能，降低系统发热，既加快了工作装置的下降速度又防止其超速下降。另外，当铲斗内装满物料或用铲斗上的吊钩吊起重物时，工作装置自动下降往往会酿成事故。为了保证液压挖掘机安全可靠地运行，现代液压挖掘机普遍在动臂缸大腔、斗杆缸小腔与其相应的换向阀之间设置锁定阀。斗杆回授功能可在斗杆内旋时增加速度，提高工作效率，并防止气穴现象。斗杆回

43、授系统不正常，将会影响工作的正常进行，甚至不工作。3.3.1 斗杆再生回路在多路阀中，斗杆1换向阀有两个回油通道丁1、丁2，且在丁 通油箱的通道上设置了一个二位二通阀(如图3-12)，并从斗杆大腔进油通道上将压力油引至该二位阀底部。当斗杆缸大腔进油压力升高，作用于二位阀底部的力大于其上端弹簧力时，该二位阀向上换位，丁1回油通道接通。否则，二位阀处于图示位置，T 回油通道被切断。当斗杆1换向阀芯右移，主泵向斗杆缸小腔供油时，斗杆缸大腔回油。此时斗杆缸大腔经T 回油畅通，压图3-12斗杆再生回路原理图力不高，二位阀处于图示位置。大腔回油经 返回油箱，斗杆上升。当斗杆1换向阀芯左移使主泵对斗杆缸大腔

44、供油，铲斗不触地时，在斗杆、铲斗及斗内物料自重的作用下，斗杆会迅速下降，致使斗杆缸大腔的压力降低，二位阀处于图示位置。由于此时斗杆缸小腔经T 通往油箱的通道被切断，该腔压力上升，当其高于大腔压力时，小腔压力油打开主阀芯内设置的单向阀进入斗杆缸大腔，对其补油防止大腔吸空，下降过程中势能转化的液压能被回收利用。若设斗杆缸大、小腔作用面积以及斗杆缸行程分别为A 、A：和L，当采用传统的多路阀时，斗杆缸伸出过程中从小腔排出的压力油A L全部经节流阀返回油箱，使系统发热。设泵的供油量为Q，则此时斗杆缸的伸出速度为QA 。而设置再生回路的多路阀在同样的过程中，若不计损失，从斗杆缸小腔排出的这部分压力油被全

45、部回收供给大腔，斗杆缸的伸出速度加快为Q(A 一A )，在节能的同时又加快了斗杆的下降速度。当斗杆继续下降使铲斗触地，由于斗杆缸继续伸出受阻，导致其大腔压力上升，直到其大于小腔压力时，换向阀芯内单向阀被关闭，而小腔回油被切断又进一步使大腔压力升高。当大腔压力油产生的作用力足以克N-位阀上端弹簧作用力使二位阀换位时，丁1回油箱通道被接通，小腔回油畅通，斗杆缸即转入挖掘状态。图3-13 斗杆再生回路如图3-13，流经油口P 的液压油流向旁通回路，但旁通回路由于斗杆第一阀杆的移动而被关闭。因此，从并联回路来的液压油推开单向阀，经U形通道流到斗杆阀杆。然后，油绕过斗杆阀杆的圆周流到油口A ，并供油到斗

46、杆大腔。另一方面，斗杆小腔里的回油由于斗杆自重等原因受到挤压，并回流到油口B 。回到油口B 的高压油经斗杆阀杆的外孔a流进阀杆。斗杆仅受轻载期问，油推开单向滑阀，从斗杆孔f倒流经U形通道并入油口A 。3.3.2 斗杆保持阀液压挖掘机将铲斗举离地面后，可能由于种种原因控制动臂或斗杆液压缸的换向阀暂时回到中位，且此时发动机又处于怠速状态，这时如果换向阀的阀芯与阀体之间的间隙过大，存在泄漏，即使液压缸无内漏，工作装置也会在自重作用下自动下降。当铲斗内装满物料或用铲斗上的吊钩吊起重物时，工作装置自动下降往往会酿成事故。为了保证液压挖掘机安全、可靠运行，现代液压挖掘机普遍在动臂缸大腔、斗杆缸小腔与其相应

47、的换向阀之间设置锁定阀，且多用一个逻辑阀与一个导阀组合在一起，实现对动臂缸大腔、斗杆缸小腔回油的锁定功能。它们的安装形式采用与多路阀分开安装或以螺纹插装形式与多路阀组成一体。斗杆缸小腔图3-14 斗杆保持阀原理图由图3-14可看到，只要H 阀左端的控制信号PaL的压力小于H 阀右端弹簧力时，H 阀便处于图示位置。在斗杆、铲斗及斗内物料自重作用下，斗杆缸小腔的压力油经斗杆缸换向阀的回油通道被逻辑阀切断，这是因为压力油要由SB腔进入逻辑阀的SC腔必须使逻辑阀的阀芯压缩ST腔的弹簧左移。由于导阀H 右位的油道使ST、SB两腔互通，且ST腔作用面积大于SB腔作用面积，加上ST腔弹簧的作用力，致使阀芯不可能左移将SB、SC两腔切断，此时斗杆缸被锁定。当PaL压力上升到作用在H