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液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)
Hirokazu Araya ,Masayuki Kagoshima
日本機械工程研究實驗室Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271,
2000年7月27日
摘要
開發(fā)出了一種應用于液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)，即使是不熟練的操作者也能容易和精確地操控液壓挖掘機。構造出了具有控制器的液壓挖掘機的精確數(shù)學控制模型，同時通過模擬實驗研發(fā)出了其控制算法，并將其應用在液壓挖掘機上，由此可以估算出它的工作效率。依照此法，可通過正反饋及前饋控制、非線性補償、狀態(tài)反饋和增益調度等各種手段獲得較高的控制精度和穩(wěn)定性能。自然雜志2001 版權所有
關鍵詞：施工機械；液壓挖掘機；前饋；狀態(tài)反饋；操作
1．引言
液壓挖掘機，被稱為大型鉸接式機器人，是一種施工機械。采用這種機器進行挖掘和裝載操作，要求司機要具備高水平的操作技能，即便是熟練的司機也會產生相當大的疲勞。另一方面，隨著操作者年齡增大，熟練司機的數(shù)量因而也將會減少。開發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機就非常必要了[1-5]。
液壓挖掘機之所以要求較高的操作技能，其理由如下。
1.液壓挖掘機的操作，至少有兩個操作手柄必須同時操作并且要協(xié)調好。
2.操作手柄的動作方向與其所控的臂桿組件的運動方向不同。
例如，液壓挖掘機的反鏟水平動作，必須同時操控三個操作手柄（動臂，斗柄，鏟斗）使鏟斗的頂部沿著水平面（圖1）運動。在這種情況下，操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的動作方向，但是這種方向與工作方向不同。
如果司機只要操控一個操作桿，而其它自由桿臂自動的隨動動作，操作就變得非常簡單。這就是所謂的半自動控制系統(tǒng)。
開發(fā)這種半自動控制系統(tǒng)，必須解決以下兩個技術難題。
1. 自動控制系統(tǒng)必須采用普通的控制閥。
2. 液壓挖掘機必須補償其動態(tài)特性以提高其控制精度。
現(xiàn)已經(jīng)研發(fā)一種控制算法系統(tǒng)來解決這些技術問題，通過在實際的液壓挖掘機上試驗證實了該控制算法的作用。而且我們已采用這種控制算法，設計出了液壓挖掘機的半自動控制系統(tǒng)。具體闡述如下。
2．液壓挖掘機的模型
為了研究液壓挖掘機的控制算法,必須分析液壓挖掘機的數(shù)學模型。液壓挖掘機的動臂、斗柄、鏟斗都是由液壓力驅動，其模型如圖2所示。模型的具體描述如下。
2.1 動態(tài)模型[6]
假定每一臂桿組件都是剛體，由拉格朗日運動方程可得以下表達式： 其中
g是重力加速度；θi鉸接點角度；τi是提供的扭矩；li組件的長度；lgi轉軸中心到重心之距；mi組件的質量；Ii是重心處的轉動慣量(下標i=1-3;依次表示動臂，斗柄，鏟斗)。
2.2 挖掘機模型
每一臂桿組件都是由液壓缸驅動，液壓缸的流量是滑閥控制的，如圖3所示?？勺魅缦录僭O：
1.液壓閥的開度與閥芯的位移成比例。
2.系統(tǒng)無液壓油泄漏。
3.液壓油流經(jīng)液壓管道時無壓力損失。
4.液壓缸的頂部與桿的兩側同樣都是有效區(qū)域。
在這個問題上，對于每一臂桿組件，從液壓缸的壓力流量特性可得出以下方程：
當
時；
其中，Ai是液壓缸的有效橫截面積;hi是液壓缸的長度;Xi是滑芯的位置；Psi是供給壓力;P1i是液壓缸的頂邊壓力；P2i是液壓缸的桿邊壓力；Vi是在液壓缸和管道的油量；Bi是滑閥的寬度；γ是油的密度；K是油分子的黏度；c是流量系數(shù)。
2.3 連桿關系
在圖1所示模型中，液壓缸長度改變率與桿臂的旋轉角速度的關系如下：
(1)動臂
(2)斗柄
(3)鏟斗
當 時，
2.4 扭矩關系
從2.3節(jié)的連桿關系可知，考慮
到液壓缸的摩擦力，提供的扭矩τi如下
?
其中，Cci是粘滯摩擦系數(shù);Fi是液壓缸的動摩擦力。
2.5 滑閥的反應特性
滑閥動作對液壓挖掘機的控制特性產生會很大的影響。因而，假定滑閥相對參考輸入有以下的一階延遲。
其中， 是滑芯位移的參考輸入； 是時間常數(shù)。
3 角度控制系統(tǒng)
如圖4所示，θ角基本上由隨動參考輸入角θγ通過位置反饋來控制。為了獲得更精確的控制，非線性補償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。以下詳細討論其控制算法。
3.1 非線性補償
在普通的自動控制系統(tǒng)中，常使用如伺服閥這一類新的控制裝置。在半自動控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)自控與手控的協(xié)調，必須使用手動的主控閥。這一類閥中，閥芯的位移與閥的開度是非線性的關系。因此，自動控制操作中，利用這種關系，閥芯位移可由所要求的閥的開度反推出來。同時，非線性是可以補償?shù)模▓D5）。
3.2 狀態(tài)反饋
建立在第2節(jié)所討論的模型的基礎上，若動臂角度控制動態(tài)特性以一定的標準位置逼近而線性化（滑芯位移X 10，液壓缸壓力差P 110，動臂夾角 θ10），則該閉環(huán)傳遞函數(shù)為
其中，Kp是位置反饋增益系數(shù)；
由于系統(tǒng)有較小的系數(shù)a1,所以反應是不穩(wěn)定的。例如，大型液壓挖掘機SK-16中。X10是0，給出的系數(shù)a0=2.7 10 ,a1=6.0 10 ,a2=1.2 10 .加上加速度反饋放大系數(shù)Ka，因而閉環(huán)（圖4 的上環(huán)）的傳遞函數(shù)就是
加入這個因素,系數(shù)S 就變大，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定?？梢姡眉铀俣确答亖硖岣叻磻匦孕Ч黠@。
但是，一般很難精確的測出加速度。為了避免這個問題，改用液壓缸力反饋取代加速度反饋（圖4的下環(huán)）。于是，液壓缸力由測出的缸內的壓力計算而濾掉其低頻部分[7，8]。這就是所謂的壓力反饋。
4 伺服控制系統(tǒng)
當一聯(lián)軸器是手動操控，而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動作控制時，這必須使用伺服控制系統(tǒng)。例如，如圖6所示，在反鏟水平動作控制中，動臂的控制是通過保持斗柄底部Z（由θ1與θ2計算所得）與Zr 的高度。為了獲得更精確的控制引入以下控制系統(tǒng)。
4.1 前饋控制
由圖1計算Z，可以得到
將方程（8）兩邊對時間求導，得到以下關系式，
右邊第一個式子看作是表達式（反饋部分）將 替換成 1，右邊第二個式子是表達式（前饋部分）計算當θ2手動地改變時，θ1的改變量。
實際上，用不同的△θ2值可確定 1。通過調整改變前饋增益Kff，可實現(xiàn)最佳的前饋率。
采用測量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代測斗柄的角速度，因為驅動斗柄的角速度與操作手柄的位置近似成比例。
4.2 根據(jù)位置自適應增益調度
類似液壓挖掘機的鉸接式機器人，其動態(tài)特性對位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益穩(wěn)定的控制機器是困難的。為了解決這個難題，根據(jù)位置的自適應增益調度并入反饋環(huán)中（圖6）。如圖7所示，自適應放大系數(shù)（KZ或Kθ）作為函數(shù)的兩個變量， 2和Z 、 2表示斗柄的伸長量，Z是表示鏟斗的高度。
5 模擬實驗結論
反鏟水平動作控制的模擬實驗是將本文第4節(jié)所描述的控制算法用在本文第2節(jié)所討論的液壓挖掘機的模型上。（在SK-16大型液壓挖掘機進行模擬實驗。）圖8表示其中一組結果?？刂葡到y(tǒng)啟動5秒以后，逐步加載擾動。圖9表示使用前饋控制能減少控制錯誤的產生.
6 半自動控制系統(tǒng)
建立在模擬實驗的基礎上，半自動控制系統(tǒng)已制造出來，應用在SK-16型挖掘機上試驗。通過現(xiàn)場試驗可驗證其操作性。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結構與功能。
6.1 結構
圖10的例子中，控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機接
口和液壓系統(tǒng)組成。
控制器是采用16位的微處理器，能接收來自動臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號，控制每一操作手柄的位置，選擇相應的控制模式和計算其實際改變量，將來自放大器的信號以電信號形式輸出結果。液壓控制系統(tǒng)控制產生的液壓力與電磁比例閥的電信號成比例，主控閥的滑芯的位置控制流入液壓缸液壓油的流量。
為獲得高速度、高精度控制，在控制器上采用數(shù)字處理芯片，傳感器上使用高分辨率的磁編碼器。除此之外，在每一液壓缸上安裝壓力傳感器以便獲得壓力反饋信號。
以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲器上，可以從通信端口中讀出。
6.2 控制功能
控制系統(tǒng)有三種控制模式，能根據(jù)操作桿
和選擇開關自動切換。其具體功能如下。
（1）反鏟水平動作模式：用水平反鏟切換開關，在手控斗柄推動操作中，系統(tǒng)自動的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平運動。在這種情況下，當斗柄操作桿開始操控時，其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。對動臂操作桿的手控操作能暫時中斷自動控制，因為手控操作的優(yōu)先級高于自動控制。
（2）鏟斗水平舉升模式：用鏟斗水平舉升切換開關，在手控動臂舉升操作中，系統(tǒng)自動控制鏟斗。保持鏟斗角度等于其剛開始舉升時角度以阻止原材料從鏟斗中泄漏。
（3）手控操作模式：當既沒有選擇反鏟水平動作模式，也沒有選擇鏟斗水平舉升模式時，動臂，斗柄，鏟斗都只能通過手動操作。
系統(tǒng)主要采用C語言編程來實現(xiàn)這些功能，以構建穩(wěn)定模組提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。
7 現(xiàn)場試驗結果與分析
通過對系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗，證實該系統(tǒng)能準確工作。核實本文第3、4節(jié)所闡述的控制算法的作用，如下所述。
7.1 單個組件的自動控制測試
對于動臂、斗柄、鏟斗每一組件，以±5o的梯度從最初始值開始改變其參考角度值，測量其反應，從而確定第3節(jié)所描述的控制算法的作用。
7.1.1 非線性補償?shù)淖饔?
圖11 表明動臂下降時的測試結果。因為電液系統(tǒng)存在不靈敏區(qū)，當只有簡單的位置反饋而無補償時（圖11中的關）穩(wěn)態(tài)錯誤仍然存在。加入非線性補償后（圖11中的開）能減少這種錯誤的產生。
7.1.2 狀態(tài)反饋控制的作用
對于斗柄和鏟斗，只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應，但是增加加速度或壓力反饋能提高響應速度。以動臂為例，僅只有位置反饋時，響應趨向不穩(wěn)定。加入加速度或壓力反饋后，響應的穩(wěn)定性得到改進。例如，圖12表示動臂下降時，采用壓力反饋補償時的測試結果。
7.2 反鏟水平控制測試
在不同的控制和操作位置下進行控制測驗，觀察其控制特性，同時確定最優(yōu)控制參數(shù)（如圖6所示的控制放大系數(shù)）。
7.2.1 前饋控制作用
在只有位置反饋的情況下，增大放大系數(shù)Kp，減少△Z錯誤，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，導致系統(tǒng)延時，例如圖13所示的“關”，也就是Kp不能減小。采用第4.1節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能減少錯誤而不致于增大Kp。如圖示的“開”。
7.2.2 位置的補償作用
當反鏟處在上升位置或者反鏟動作完成時，反鏟水平動作趨于不穩(wěn)定。不穩(wěn)定振蕩可根據(jù)其位置改變放大系數(shù)Kp來消除，如第4.2節(jié)所討論的。圖14 表示其作用，表明反鏟在離地大約2米時水平動作結果。與不裝補償裝置的情況相比較，圖中的關表示不裝時，開的情況具有補償提供穩(wěn)定響應。
7.2.3 控制間隔的作用
關于控制操作的控制間隔的作用，研究結果如下：
1.當控制間隔設置在超過100ms時，不穩(wěn)定振蕩因運動的慣性隨位置而加劇。
2.當控制間隔低于50ms時，其控制操作不能作如此大提高。
因此，考慮到計算精度，控制系統(tǒng)選定控制間隔為50ms。
7.2.4 受載作用
利用控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機執(zhí)行實際挖掘動作，以研究其受載時的影響。在控制精度方面沒
有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時有很大的不同。
8 結論
本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合，使精確控制液壓挖掘機成為可能。同時也證實了非線性補償能使普通控制閥應用在自動控制系統(tǒng)中。因而應用這些控制技術，允許即使是不熟練的司機也能容易和精確地操控液壓挖掘機。
將這些控制技術應用在其它結構的機器上，如履帶式起重機，能使普通結構的機器改進成為可讓任何人容易操控的機器。
參考文獻
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南京理工大學紫金學院
畢業(yè)設計（論文）任務書
系：
機械工程系
專 業(yè)：
車輛工程
學 生 姓 名：
學 號：
設計(論文)題目：
起 迄 日 期:
2012年 1 月 10 日 ~ 5 月 10 日
設計(論文)地點:
南京理工大學紫金學院
指 導 教 師:
專業(yè)負責人:
發(fā)任務書日期: 2013 年 1 月 8 日
任務書填寫要求
1．畢業(yè)設計（論文）任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學生所在專業(yè)的負責人審查、系領導簽字后生效。此任務書應在畢業(yè)設計（論文）開始前一周內填好并發(fā)給學生；
2．任務書內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；
3．任務書內填寫的內容，必須和學生畢業(yè)設計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應當經(jīng)過所在專業(yè)及系主管領導審批后方可重新填寫；
4．任務書內有關“系”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”要寫全號；
5．任務書內“主要參考文獻”的填寫，應按照國標GB 7714—2005《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
6．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2008年3月15日”或“2008-03-15”。
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
1.24號交貨 20號給點說明書給學生中期檢查
1．本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的：
選題結合實際工程應用，完成履帶式小型挖掘機的液壓驅動系統(tǒng)設計，課題所涉及到的工程技術問題，具有一定的通用性和實用性。通過畢業(yè)設計能讓學生系統(tǒng)掌握主液壓系統(tǒng)設計方法，培養(yǎng)和鍛煉學生基本理論分析和解決工程實際問題的能力。，拓寬知識面，提高綜合運用基礎理論知識，解決工程設計問題的能力。
2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：
課題內容：
設計一個小型挖掘機的總體設計，挖掘機選用履帶式挖掘機。通過產品發(fā)展概況的了解，選擇確定液壓驅動系統(tǒng)的方法，行走控制方法以及液壓系統(tǒng)匹配設計方法與校核方法，完成主要方案選擇，液壓系統(tǒng)參數(shù)匹配，發(fā)動機選型以及相關參數(shù)校核，得到液壓回路圖紙，完成畢業(yè)設計說明書的撰寫。
技術要求：
1．履帶式；2. 兩個液壓馬達分別驅動兩側履帶行走；3. 液壓制動系統(tǒng)；4.工作裝置液壓控制；5.剛性機架；6.剛性懸掛；7.有轉臺。
主要性能參數(shù)：
發(fā)動機功率 kw ≈20 最大爬坡角 30° 整機質量 kg ≈1800
最高行駛速度km/h 4.5 整機寬度mm ≈1800 整機高度（行駛狀態(tài)）mm ≤2500
最大挖掘高度 mm 5000 鏟斗容量m3 ≈0.2 最大鏟掘力kN 30
最大挖掘深度 mm 3000 接地長度mm ≈1800 履帶寬度mm 300~400
上車回轉速度rpm 10 推土鏟尺寸（長×高）mm 1800×330
工作要求：
1. 開題報告字數(shù)不小于2000字，外文翻譯不少于10000個印刷符（譯成中文不少于3000漢字），完成的翻譯稿要求段落內容連續(xù)完整。
2. 進行行走驅動液壓系統(tǒng)總體設計方案的選擇、論證和計算。
3. 對系統(tǒng)的組件進行匹配計算與選型設計。
4. 整理設計文檔資料，給出系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)方案圖紙，要求計算機出圖。
5. 畢業(yè)設計說明書字數(shù)不少于10000字，所有文檔資料要做成電子檔。
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
3．對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設計論文、圖表、實物樣品等〕：
（1）液壓挖掘機發(fā)展概況
（2）液壓驅動方案選擇
（3）發(fā)動機選型設計
（4）液壓系統(tǒng)參數(shù)匹配與校核
（5）液壓驅動回路圖紙
4．主要參考文獻：
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畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
5．本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內 容
2013年
1月 10 日 ~ 2月 29 日
3月 1 日 ~ 3 月 20 日
3月 20 日 ~ 3月 29 日
4月 1 日 ~ 4 月 24 日
5月 1 日 ~ 5月 10 日
完成開題報告
完成調研、參數(shù)準備
計算與設計
撰寫論文
論文答辯
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日
系意見：
系領導：
年 月 日
1 目 錄 摘要 .......................................................................1 ABSTRACT...................................................................2 目錄 .......................................................................3 第一章 概 論 ...............................................................4 1.1 挖掘機的簡介 ..........................................................4 1.2 液壓挖掘機的發(fā)展概況 ..................................................5 1.2.1 國外液壓挖掘機目前水平及發(fā)展趨勢 ..................................7 1.2.2 國內液壓挖掘機的發(fā)展概況 ..........................................9 第二章 液壓挖掘機總體方案設計 .............................................10 2.1 液壓挖掘機結構和工作原理 .............................................10 2.1.1 液壓挖掘機整機性能 ...............................................10 2.1.2 液壓挖掘機結構 ...................................................12 2.1.3 液壓挖掘機傳動原理 ...............................................13 2.2 液壓挖掘機工況分析及液壓系統(tǒng)設計方案的確定 ...........................14 2.2.1 液壓挖掘機的工況 .................................................14 2.2.2 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求 .........................................19 第三章 挖掘機行駛液壓系統(tǒng)的設計 ...........................................20 3.1 底盤行駛液壓系統(tǒng)方案設計 .............................................20 3.2 液壓元件的選擇 .......................................................24 3.2.1 液壓泵的參數(shù)計算及選擇 ...........................................25 3.2.2 液壓馬達的計算與選擇 .............................................25 3.2.3 柴油發(fā)動機的選擇 .................................................26 3.2.4 液壓閥的選擇 .....................................................26 3.2.5 其他液壓元件的選擇 ...............................................28 3.2.6 油箱容量的確定 ...................................................31 3.3 液壓系統(tǒng)性能驗算 .....................................................31 3.3.1 液壓系統(tǒng)壓力損失 .................................................31 3.3.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計算 ...........................................33 3.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 .......................................................37 第四章 結論和展望 .........................................................38 4.1 結論 .................................................................38 4.2 展望 .................................................................38 參考文獻 ..................................................................39 1 摘要 液壓挖掘機是工程機械的一個重要品種，是一種廣泛用于建筑、鐵路、公路、水利、 采礦等建設工程的土方機械。液壓挖掘機利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達、液壓缸等） 帶動各種構件動作，具有許多優(yōu)點，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的要求，其液 壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析設計對推 動我國挖掘機發(fā)展具有十分重要的意義。 本文設計了一個小型挖掘機的總體方案，挖掘機行走機構選用履帶式。通過產品發(fā) 展概況的了解，選擇確定液壓驅動系統(tǒng)的方法，行走控制方法以及液壓系統(tǒng)匹配設計方 法與校核方法，完成了主要方案選擇，液壓系統(tǒng)參數(shù)匹配，發(fā)動機選型以及相關參數(shù)校 核，最后通過 AUTOCAD 繪制了液壓回路圖紙。 關鍵詞：挖掘機；液壓系統(tǒng)；液壓泵 2 Abstract Construction machinery hydraulic excavator is an important species, is a widely used in construction ,railway, highway, water conservancy, mining and other construction projects of Earthmoving Machinery. The use of hydraulic excavator hydraulic components (hydraulic pumps, hydraulic motors, hydraulic cylinders, etc.) bring a variety of component movement, has many advantages, so it is the design of the hydraulic system of the high demands, and its hydraulic system engineering machinery hydraulic system is the most complex. Therefore, the analysis of excavator hydraulic system design in promoting the development of China's excavator of great significance. This paper designs a small excavator overall program, selection of crawler excavator institutions. Understanding through product development profile, select the method to determine the hydraulic drive system, walking control method as well as the design of the hydraulic system matching method and checking method to complete a major program selection, match the parameters of the hydraulic system, engine selection, as well as the relevant parameter check, and finally by AUTOCAD draw hydraulic circuit drawings. Keywords：Excavators ；hydraulic system；hydraulic pump 3 目錄 摘要 ..................................................................................................................................................................1 ABSTRACT .........................................................................................................................................................2 目錄 ..................................................................................................................................................................3 第一章 概 論 ...................................................................................................................................................4 1.1 挖掘機的簡介 .................................................................................................................................................4 1.2 液壓挖掘機的發(fā)展概況 .................................................................................................................................5 1.2.1 國外液壓挖掘機目前水平及發(fā)展趨勢 ...................................................................................................7 1.2.2 國內液壓挖掘機的發(fā)展概況 ..................................................................................................................9 第二章 液壓挖掘機總體方案設計 .................................................................................................................10 2.1 液壓挖掘機結構和工作原理 ........................................................................................................................10 2.1.1 液壓挖掘機整機性能 ............................................................................................................................10 2.1.2 液壓挖掘機結構 ....................................................................................................................................12 2.1.3 液壓挖掘機傳動原理 ............................................................................................................................13 2.2 液壓挖掘機工況分析及液壓系統(tǒng)設計方案的確定 ....................................................................................14 2.2.1 液壓挖掘機的工況 ................................................................................................................................14 2.2.2 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求 ................................................................................................................19 第三章 挖掘機行駛液壓系統(tǒng)的設計 .............................................................................................................20 3.1 底盤行駛液壓系統(tǒng)方案設計 ........................................................................................................................20 3.2 液壓元件的選擇 ...........................................................................................................................................24 3.2.1 液壓泵的參數(shù)計算及選擇 ....................................................................................................................25 3.2.2 液壓馬達的計算與選擇 ........................................................................................................................25 3.2.3 柴油發(fā)動機的選擇 ................................................................................................................................26 3.2.4 液壓閥的選擇 ........................................................................................................................................26 3.2.5 其他液壓元件的選擇 ............................................................................................................................28 3.2.6 油箱容量的確定 ....................................................................................................................................31 3.3 液壓系統(tǒng)性能驗算 .......................................................................................................................................31 3.3.1 液壓系統(tǒng)壓力損失 ................................................................................................................................31 3.3.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計算 ....................................................................................................................33 3.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 ...........................................................................................................................................37 第四章 結論和展望 ........................................................................................................................................38 4.1 結論 ...............................................................................................................................................................38 4.2 展望 ...............................................................................................................................................................38 參考文獻 ........................................................................................................................................................39 4 第一章 概 論 液壓挖掘機是工程機械的一個重要品種，是一種廣泛用于建筑、鐵路、公路、水利、 采礦等建設工程的突發(fā)機械。液壓挖掘機利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達、液壓缸等） 帶動各種構件動作，具有如下有點：功率密度大，結構緊湊，重量輕；無級調速，調速 范圍大；啟動性能好，能實現(xiàn)快速正反轉；布置靈活，基本不受總體結構的限制；運轉 平穩(wěn)，各種可靠，能自行潤滑，使用壽命長；有過載保護功能；容易實現(xiàn)自動化，操作 簡便省力等。因此，液壓挖掘機對于減輕工人繁重的體力勞動，提高施工機械化水平， 加快施工進度，促進各項建設事業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。 液壓挖掘機是在機械傳動挖掘機的基礎上發(fā)展起來的。它的工作過程是以鏟斗的切 削刃切削土壤，鏟斗裝滿后提升、回轉至卸土位置，卸空后的鏟斗再回到挖掘位置并開 始下一次的作業(yè)。因此，液壓挖掘機是一種周期作業(yè)的土方機械。 液壓挖掘機與機械傳動挖掘機一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利施工、露 天采礦及現(xiàn)代化軍事工程中都有著廣泛的應用，是各種土石施工中不可缺少的一種重要 機械設備。 1.1 挖掘機的簡介 液壓挖掘機是一種多功能機械 [1]，目前被廣泛應用于水利工程，交通運輸，電力工 程和礦山采掘等機械施工中，它在減輕繁重的體力勞動，保證工程質量。加快建設速度 以及提高勞動生產率方面起著十分重要的作用。根據(jù)建筑施工部門統(tǒng)計，一臺斗量為 1.0m3的液壓挖掘機挖掘土壤時，每班生產率大約相當３００～４００個工人一天的工 作量。因此，大力發(fā)展液壓挖掘機，對于提高勞動生產率和加速國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重 要意義。由于液壓挖掘機具有多品種，多功能，高質量及高效率等特點，因此受到了廣 大施工作業(yè)單位的青睞。液壓挖掘機的生產制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。 挖掘機液壓傳動緊密地聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎。由于挖 掘機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作很復雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的 要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分 析設計已經(jīng)成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán)。 液壓挖掘機結構特點: 挖掘機由工作裝置、回轉裝置、行走裝置和液壓系統(tǒng)構成。下面以輪式液壓挖掘機 為例來說明一下： 5 單斗液壓挖掘機是一種周期性作業(yè)的自行式土方機械，它采用液壓傳動，由一個鏟 斗切削土裝入斗內，然后提升裝滿土石的鏟斗，再回轉一定的角度進行裝車，接下來空 當斗回到原來的位置，準備進行下一個循環(huán)的挖掘，此外整機還要定期移位，使鏟斗能 在適當位置上有效地作業(yè)，單斗挖掘機裝載，抓取起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清 溝等工作，挖掘機可分為提供動力和基本動作（行走回轉）的主機部分及進行不同作業(yè) 的工作裝置部分，主機又可分為行走裝置、回轉裝置、液壓系統(tǒng)、工作裝置。 1、行走裝置 液壓挖掘機行走裝置的反力同時能使挖掘機作短距離行走，按結構不同，可分為履 帶式、輪胎式兩類。履帶式行走裝置由履帶、支重輪、托鏈輪、驅動輪、導向輪、張緊 裝置、行走架液壓馬達、減速機等組成，液壓挖掘機的行走裝置采用液壓馬達、減速機、 驅動輪，每條履帶有各自的液壓馬達和減速機，由于兩個液壓馬達可獨立操作，因此， 機器的左右履帶可以同步前進后退，也可以通過一條履帶制動來實現(xiàn)轉彎，還可以通過 兩條履帶相反方向驅動，來實現(xiàn)原地轉向，操作十分簡單。 2、回轉機構 回轉機構包括回轉驅動裝置、回轉支承，回轉驅動裝置一般采用定量馬達，經(jīng)過回 轉減速機兩行星齒輪與回轉支承的內齒圈相齒合而實現(xiàn)轉臺的回轉，具有結構緊湊，體 積小、效率高速比大，承載能力強，發(fā)熱量和功率損失小，工作可靠等優(yōu)點，回轉支承 一般采用的滾動軸承，其中用的最廣泛的是單排滾球式和雙排式滾軸柱式回轉支承。 3、工作裝置 工作裝置是液壓挖掘機的主要組成部分之一，由于工作的不同，工作裝置不同類很 多常用挖掘、裝載和起重裝置也可以有很多形式，挖掘裝置一般采用斗杠油缸進行挖掘， 動臂油缸主要用于調節(jié)切削角度，清除障礙以及挖掘結束時為裝滿鏟斗多用開啟斗底多 用開啟斗底的方式卸載，斗底的開啟、關閉也用了油缸。 4、液壓系統(tǒng) 液壓挖掘機的主要系統(tǒng)運動有整機行走、轉臺回轉、動臂升降，斗桿收放、鏟斗挖 掘等，根據(jù)以上的工作要求把各液壓元件用管路連接起來的組合體叫做液壓挖掘機的液 壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)功能是把發(fā)動機機械能以油液為介質，利用油泵轉變?yōu)橐簤耗軅魉徒o 油缸、馬達等邊為機能，再傳動各個執(zhí)行機構，實現(xiàn)各種運動。國家規(guī)定 8 噸以下的挖 掘機采用定量泵 [1]。 1.2 液壓挖掘機的發(fā)展概況 6 第一臺手動挖掘機問世至今已有 130 多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅動斗回轉挖 掘機到電力驅動和內燃機驅動回轉挖掘機、應用機電液一體化技術的全自動液壓挖掘機 的逐步發(fā)展過程。挖掘機行業(yè)的發(fā)展歷史久遠，可以追溯到 1840 年。當時美國西部開 發(fā)，進行鐵路建設，產生了模仿人體構造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機 械手的挖掘機，它采用蒸汽機作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間挖掘機沒有 得到很大的發(fā)展，應用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。 導致挖掘機發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動作復雜，運動范圍大，需要采用 多自由度機構，古老的機械傳動對它不太適合。而且當時的工程建設主要是國土開發(fā)， 大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機的應用相對較少， 在一定程度上也限制了挖掘機的發(fā)展。 由于液壓技術的應用，二十世紀四十年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖 掘機。隨著液壓傳動技術迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術，挖掘機有了適合它的傳動 裝置，為挖掘機的發(fā)展建立了強有力的技術支撐，是挖掘機技術上的一個飛躍 。同時， 工程建設和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進行城 市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉， 實現(xiàn)多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機得到了廣泛應 用。 自第一臺手動挖掘機誕生以來的 160 多年當中，挖掘機一直在不斷地飛躍發(fā)展，其 技術已經(jīng)發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機，對其控制方 式不斷改進和革新，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(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、電子計算機綜合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用 無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)操縱的 完全自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化為其奠定了堅實的基礎，創(chuàng)造了良好的前 提。 據(jù)有關專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有 65%至 70%的土石方工程都是由挖掘 機完成的。挖掘機是一種萬能型工程機械，目前已經(jīng)無可爭議地成為工程機械的第一主 力機種，在世界工程機械市場上己占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴大。挖掘機的發(fā)展主要以 液壓技術的應用為基礎，其液壓系統(tǒng)已成為工程機械液壓系統(tǒng)的主流形式。隨著科學技 術的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產的需要，液壓挖掘機需要大幅度的技術進步，技術創(chuàng)新 是液壓挖掘機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術方面，挖掘機產品的核心技術就是液壓系統(tǒng) 7 設計，所以對其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實意義 [2]。 1.2.1 國外液壓挖掘機目前水平及發(fā)展趨勢 工業(yè)發(fā)達國家的挖掘機生產較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量 3.5- 40m3單斗液壓挖掘機的主要生產國，從 20 世紀 80 年代開始生產特大型挖掘機。例如， 美國馬利昂公司生產的斗容量 50-150m3剝離用挖掘機，斗容量 132m3的步行式拉鏟挖掘 機；B-E（布比賽路斯-伊利）公司生產的斗容量 168.2m3的步行式拉鏟挖掘機，斗容量 107m3的剝離用挖掘機等，是世界上目前最大的挖掘機。 從 20 世紀后期開始，國際上挖掘機的生產向大型化、微型化、多功能化、專用化 和自動化的方向發(fā)展。 1)開發(fā)多品種、多功能、高質量及高效率的挖掘機。為滿足市政建設和農田建設的 需要，國外發(fā)展了斗容量在 0.25m3以下的微型挖掘機，最小的斗容量僅在 0.01m3。另 外，數(shù)量最的的中、小型挖掘機趨向于一機多能，配備了多種工作裝置——除正鏟、反 鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振 搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。 與此同時，發(fā)展專門用途的特種挖掘機，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘 機等。 2）迅速發(fā)展全液壓挖掘機，不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操 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、電子計算機綜 合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激 光導向相結合，實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切，挖掘機的全液壓化 為其奠定了基礎和創(chuàng)造了良好的前提。 3）重視采用新技術、新工藝、新結構，加快標準化、系列化、通用化發(fā)展速度。 例如，德國阿特拉斯公司生產的挖掘機裝有新型的發(fā)動機轉速調節(jié)裝置，使挖掘機按最 適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新 C 系列 LS-5800 型液壓挖掘機安 裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費。還安裝了 CAPS（計算機輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能； 日本住友公司生產的 FJ 系列五種新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機輔助功率 控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并處長 了零部件的使用壽命；德國奧加凱（O挖掘機是指在額定轉速下一小時以上的額定功率。 挖掘機采用車用柴油機時，最大功率指數(shù)降低。 2 機械系統(tǒng) 液壓挖掘機的機械系統(tǒng)部分是完成挖掘機各項基本動作的直接執(zhí)行者，主要包括: 行走裝置是整個機器的支撐部分，承受機器的全部重量和工作裝置的反力，同時能使挖 掘機作短途行駛.按照結構的不同，分履帶式和輪胎式?；剞D機構使挖掘機上車圍繞中 央回轉軸作 360 度的回轉的機構，包括驅動裝置和回轉支撐。工作裝置是挖掘機完成實 際作業(yè)的主要組成部分，常用的有反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，而同一種裝置可以 有多種結構形式，前面所述的反鏟裝置應用最為廣泛。 3 液壓系統(tǒng) 液壓挖掘機的回轉、行走和工作裝置的動作都由液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，原動機驅動雙 聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥。通過司機的操縱，將壓力油單獨或同時 12 送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達和液壓油缸)驅動執(zhí)行機構工作。液壓挖掘機的主要運動有 整機行走、轉臺回轉、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉動等。這些運動都靠液壓傳動。根 據(jù)以上工作要求，把各液壓元件用油管有機地連接起來地組合體既是液壓挖掘機地液壓 系統(tǒng)。該系統(tǒng)地功能是把發(fā)動機地機械能以油液為介質，利用油泵轉變?yōu)橐簤耗?，傳?給油缸、油馬達等轉變?yōu)闄C械能，再傳動各執(zhí)行機構，實現(xiàn)各種運動和工作過程。液壓 系統(tǒng)設計得合理與否，對挖掘機的性能起著決定性的作用。同樣的元件，若系統(tǒng)設計不 同，則挖掘機性能差異很大。液壓系統(tǒng)習慣上按主油泵的數(shù)量、功率調節(jié)方式和回路的 數(shù)量來分類。 4 控制系統(tǒng) 液壓挖掘機控制系統(tǒng)是對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件(液壓缸、液壓 馬達)等進行控制的系統(tǒng)。電子技術和計算機技術的飛速進步，使挖掘機有了越來越先 進的控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機向高性能、自動化和智能化發(fā)展。目前挖掘機研究重點正 逐步向智能化機電液控制系統(tǒng)方向轉移 [10]。 2.1.2 液壓挖掘機結構 1 液壓挖掘機組成 為了實現(xiàn)液壓挖掘機的各項功能，單斗液壓挖掘機需要兩個基本組成部分，即機體 (或稱主機)和工作裝置。機體是完成挖掘機基本動作并作為驅動和操縱挖掘機進行工作 的荃礎，可以是履帶牽引車輛或輪式牽引車輛?？杉毞譃樾凶哐b置、回轉裝置、液壓系 統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動力裝置。其中動力裝置、操縱機構、回轉機構和輔助設備 均可在回轉平臺上，總稱上車部分，它與行走機構(又稱下車部分)用回轉支撐相連，平 臺可以圍繞中央回轉軸作 3600 的全回轉。工作裝置根據(jù)工作性質的不同，可配備反鏟、 正鏟、裝載、起重等裝置，分別完成挖掘、裝載、抓取、起重、鉆孔、打樁、破碎、修 坡、清溝等工作。挖掘機的基本性能決定于各部分的構造、性能及其綜合的效果 [11]。 2 單斗反鏟液壓挖掘機 反鏟裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤。斗容量小于 1.6M 3 的中小型液壓挖掘 機通常選用反鏟裝置，它分為整體臂式和組合臂式。其中長期作業(yè)條件相似的挖掘機反 鏟裝置大多采用整體鵝頸式動臂結構。采用這種動臂有利于加大挖掘深度，且結構簡單、 價格低廉。剛度相同時，其重量比組合動臂輕，是目前應用最廣泛的液壓挖掘機工作裝 置結構形式。 鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機最常用的結構型式，動臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼 13 此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸接點擺動，完成挖掘、提升和卸土等動作。如圖 2. 1 所示，整體鵝頸式動臂反鏟挖掘機工作裝置主要由動臂、動臂油缸、斗桿、斗一 桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖臂、連桿、銷軸等組成。裝置各運動部件之間全部采用銷 軸鉸接，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下。鉸 點轉動實現(xiàn)動臂的升降。斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂相對角度。 當斗桿油缸伸縮時，斗桿可繞動臂上鉸點轉動。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸 伸縮使鏟斗轉動。為增大鏟斗的轉角，通常采用搖臂連桿機構來和鏟斗聯(lián)。 3 液壓挖掘機工作循環(huán)過程 首先液壓挖掘機驅動行走馬達和配套土方運輸車輛一起進入作業(yè)面，運輸車輛倒車、 調停，停靠在挖掘機的側方或后方。挖掘機司機扳動操縱手柄，使回轉馬達控制閥接通， 于是回轉馬達轉動并帶動上部平臺回轉，使工作裝置轉向挖掘地點，在執(zhí)行上述過程的 同時操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸上腔進油，將動臂下降，直至鏟斗接觸地面，然 后司機操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進油，配合動作以加快作業(yè)進 1、斗桿油缸；2、動臂；3、油管；4、動臂油缸；5、鏟斗；6、斗齒；7、側齒；8、連桿；9、搖桿； 10、鏟斗油缸；11、斗桿 圖 2.2 反鏟挖掘機工作裝置 度，進行復合動作的挖掘和裝載:鏟斗裝滿后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中 位，使鏟斗和斗桿油缸閉鎖，再操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸的下腔進油，將動臂 提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動平臺回轉換向閥手柄，使上部平臺回轉， 14 帶動鏟斗轉至運輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使鏟斗高度稍降一些，并在適當?shù)母叨炔?縱鏟斗油缸使鏟斗卸土。土方卸完后，使平臺反轉并降低動臂，直到鏟斗回到作業(yè)點上 方，以便進行下一工作循環(huán) [12]。 2.1.3 液壓挖掘機傳動原理 液壓挖掘機采用三組液壓缸使工作裝置具有三個自由度，鏟斗可實現(xiàn)有限的平面轉 動，加上液壓馬達驅動回轉運動，使鏟斗運動擴大到有限的空間，再通過行走馬達驅動 行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。 液壓挖掘機傳動示意圖，如圖 2.3 所示，柴油機驅動液壓泵，操縱分配閥，將高壓 油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達)驅動相應的機構進行工作。 液壓挖掘機的工作裝置采用連桿機構原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。 反鏟工作裝置由鏟斗 1、斗桿 2、動臂 3、連桿 4 及相應的三組液壓缸 5. 6. 7 組成。動 臂下鉸點鉸接在轉臺上，通過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工作裝置繞動臂下鉸點轉 動。依靠斗桿缸使斗桿繞動臂的上鉸點轉動;而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連 桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點轉動。挖掘作業(yè)時，接通回轉馬達，轉動轉臺，使工作裝置轉 到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮;動臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗 桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟 斗缸和斗桿缸停動并操縱動臂缸大腔進油，使動臂抬起，隨即接通回轉馬達，使工作裝 置轉到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉進行卸土。卸完后，工作裝 置再轉至挖掘位置進行第二次挖掘循環(huán)。在實際挖掘作業(yè)中，由于土質情況、挖掘面條 件以及挖掘機液壓系統(tǒng)的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多 樣的、隨機的 [13]。 15 1、鏟斗；2、斗桿；3、動臂；4、連桿；5、動臂油缸；6、斗桿油缸；7、鏟斗油缸；I、挖掘裝置； II、回轉裝置；III、行走裝置 圖 2.3 液壓挖掘機傳動示意圖 總之，液壓挖掘機是由多學科、多系統(tǒng)組成的有機整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系 統(tǒng)、各學科協(xié)同優(yōu)化才能獲取挖掘機整機的最佳性能。 2.2 液壓挖掘機工況分析及液壓系統(tǒng)設計方案的確定 要了解和設計挖掘機的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機的工作過程及其作業(yè)要求， 掌握各種液壓作用元件動作時的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復合 動作要求和復合動作時油泵對同時作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。 2.2.1 液壓挖掘機的工況 液壓挖掘機的作業(yè)過程包括以下幾個動作(如圖 2.4 所示):動臂升降、斗桿收放、 鏟斗裝卸、轉臺回轉、整機行走以及其它輔助動作。除了輔助動作(例如整機轉向等)不 需全功率驅動以外，其它都是液壓挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅動 [14]。 16 1、動臂升降；2、斗桿收放；3、鏟斗裝卸；4 、平臺回轉；5、整機行走； 圖 2.4 液壓挖掘機的運動圖 由于液壓挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊要求：(1)實 現(xiàn)各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和 流量也能相應變化；(2)為了充分利用發(fā)動機功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往 往要求有兩個主要動作(例如挖掘與動臂、提升與回轉)同時進行復合動作液壓挖掘機一 個作業(yè)循環(huán)的組成和動作的復合主要包括： （1）挖掘：通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進行挖掘，或者兩者配合進行挖掘， 因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復合動作，必要時，配以動臂動作。 （2）滿斗舉升回轉：挖掘結束，動臂液壓缸將動臂頂起，滿斗提升，同時回轉第 2 章挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求和分析方法液壓馬達使轉臺轉向卸土處，此時主要是動 臂和回轉的復合動作。 （3）卸載：轉到卸土點時，轉臺制動，用斗桿液壓缸調節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液 壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調整卸載位置，還要有動臂液壓缸的配合，此時是斗桿和鏟 斗的復合動作，間以動臂動作。 （4）空斗返回：卸載結束，轉臺反向回轉，動臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空 斗放到新的挖掘點，此時是回轉和動臂或斗桿的復合動作。 1、挖掘工況分析 挖掘過程中主要以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸分別單獨進行挖掘，或者兩者復合動作， 必要時配以動臂液壓缸的動作 [15]。 一般在平整土地或切削斜坡時，需要同時操縱動臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運動， 17 如圖2.5，2.6所示。此時斗桿收回，動臂抬起，希望斗桿和動臂分別由獨立的油泵供油， 以保證彼此動作獨立，相互之間無干擾，并且要求泵的供油量小，使油缸動作慢，便于 控制。如果需要鏟斗保持一定切削角度并按照一定的軌跡進行切削時，或者需要用鏟斗 斗底壓整地面時，就需要鏟斗、斗桿、動臂三者同時作用完成復合動作，如圖2.7,2.8 所示。 圖 2.5 斗尖沿直線平整土地圖 圖 2.6 斗尖沿直線切削斜坡圖 圖 2.7 鏟斗底壓整地面圖 圖 2.8 鏟斗底保持一定角度切削圖 單獨采用斗桿挖掘時，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個別也有采用三泵 合流。單獨采用鏟斗挖掘時，也有采用雙泵合流的情況。下面以三泵系統(tǒng)為例，來說明 復合動作挖掘時油泵流量的分配情況和分合流油路的連接情況。液壓馬達使轉臺轉向卸 土處，此時主要是動臂和回轉的復合動作 [16]。 當斗桿和鏟斗復合動作挖掘時，供油情況如圖2.9a 所示。當斗桿油壓接近溢流閥 的壓力時，原來溢流的油液此時供給鏟斗有效利用;當鏟斗和動臂復合動作挖掘時，由 于動臂僅僅起調解位置的作用，主要是斗桿進行挖掘，因此采用斗桿優(yōu)先合流、雙泵供 油，如圖2.9b 所示。 圖 2.9 三泵供油系統(tǒng)示意圖 18 當動臂、斗桿和鏟斗復合運動時，為了防止同一油泵向多個液壓作用元件供油時動 作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個油泵單獨對一個液壓作用元件供油較好。對于雙 泵系統(tǒng)，其復合動作時各液壓作用元件間出現(xiàn)相互干擾的可能性大，因此需要采用節(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。 當進行溝槽側壁掘削和斜坡切削時，為了有效地進行垂直掘削，還要求向回轉馬達 提供壓力油，產生回轉力，保持鏟斗貼緊側壁進行切削，因此需要同時向回轉馬達和斗 桿供油，兩者復合動作，如圖2.5所示?；剞D馬達和斗桿收縮同時動作，由同一個油泵 供油，因此需要采用回轉優(yōu)先油路，否則鏟斗無法緊貼側壁，使掘削很難正常進行。在 斗桿油缸活塞桿端回油路上設置可變節(jié)流閥，此節(jié)流閥的開口度即節(jié)流程度由回轉先導 壓力來控制?；剞D先導壓力越大，節(jié)流閥開度越小，節(jié)流效應越大，則斗桿油缸回油壓 力增高，使得油泵的供油壓力也提高。因此隨著回轉操縱桿行程的增大，回轉馬達油壓 增加，回轉力增大。 挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅硬障礙物，往往由于挖不動而需要短時間 增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時增壓，能提高主壓力閥的壓力 [17]。 2、滿斗舉升回斗工況分析 挖掘結束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉液壓馬達使轉臺轉向卸載 處，此時主要是動臂和回轉馬達的復合動作。動臂抬升和回轉馬達同時動作時，要求二 者在速度上匹配，即回轉到指定卸載位置時，動臂和鏟斗自動提升到合適的卸載高度。 由于卸載所需的回轉角度不同，隨液壓挖掘機相對自卸車的位置而變，因此動臂提升速 度和回轉馬達的回轉速度的相對關系應該是可調整的。卸載回轉角度大，則要求回轉速 度快些，而動臂的提升速度慢些。 在雙泵系統(tǒng)中，回轉起動時，由于慣性較大，油壓會升得很高，有可能從溢流閥溢 流，此時應該將溢流的油供給動臂，如圖2.10a所示。在回轉和動臂提升的同時，斗桿 要外放，有時還需要對鏟斗進行調整。這時是回轉馬達、動臂、斗桿和鏟斗進行復合動 作 [18]。 由于滿斗提升時動臂油缸壓力高，導致變量泵流量減小，為了使動臂提升和回轉、 斗桿外放相互配合動作，由一個油泵專門向動臂油缸供油，另一個油泵除了向回轉馬達 和斗桿供油外，還有部分油供給動臂，如圖2.10b所示。但是由于動臂提升時油壓較高， 單向閥大部分時間處于關閉狀態(tài)，因此左側油泵只向回轉馬達和斗桿供油。 三泵系統(tǒng)的供油情況如圖2.10c所示。各個油泵分別向一個液壓作用元件供油，復 19 合動作時無相互干擾。 3、卸載工況分析 回轉至卸載位置時，轉臺制動，用斗桿調節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。 為了調整卸載位置，還需要動臂配合動作。卸載時，主要是斗桿和鏟斗復合動作，間以 動臂動作。 圖 2.10 回轉舉升供油情況 4、空斗返回工況分析 當卸載結束后，轉臺反向回轉，同時動臂油缸和斗桿油缸相互配合動作，把空斗放 在新的挖掘點。此工況是回轉馬達、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、下降快，要求回轉速度快，因此該工況的供油情況為一個油泵 的全部流量供回轉馬達，另一油泵的大部分油供給動臂，少部分油經(jīng)節(jié)流閥供給斗桿， 如圖2.11所示。 圖 2.11 空斗返回供油情況 發(fā)動機在低轉速時油泵供油量小，為防止動臂因重力作用迅速下降和動臂油缸產生 吸空現(xiàn)象，可采用動臂下降再生補油回路，利用重力將動臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。 5、行走時復合動作 在行走的過程有可能要求對作業(yè)裝置液壓元件(如回轉機構、動臂、斗桿和鏟斗)進 行調整。在雙泵系統(tǒng)中，一個油泵為左行走馬達供油、另一個油泵為右行走馬達供油， 此時如果某一液壓元件動作，使某一油泵分流供油，就會造成一側行走速度降低，影響 20 直線行駛性，特別是當挖掘機進行裝車運輸或上下卡車行走時，行駛偏斜會造成事故 [19]。 2.2.2 挖掘機液壓系統(tǒng)的設計要求 液壓挖掘機的動作繁復，且具有多種機構，如行走機構、回轉機構、動臂、斗桿和 鏟斗等，是一種具有多自由度的工程機械。這些主要機構經(jīng)常起動、制動、換向，外負 載變化很大，沖擊和振動多，因此挖掘機對液壓系統(tǒng)提出了很高的設計要求。根據(jù)液壓 挖掘機的工作特點，其液壓系統(tǒng)的設計需要滿足以下要求 [20]: 動力性要求 所謂動力性要求，就是在保證發(fā)動機不過載的前提下，盡量充分地利用發(fā)動機的功 率，提高挖掘機的生產效率。尤其是當負載變化時，要求液壓系統(tǒng)與發(fā)動機的良好匹配， 盡量提高發(fā)動機的輸出功率。例如，當外負載較小時，往往希望增大油泵的輸出流量， 提高執(zhí)行元件的運動速度。雙泵液壓系統(tǒng)中就常常采用合流的方式來提高發(fā)動機的功率 利用率。 21 第三章 挖掘機行駛液壓系統(tǒng)的設計 3.1 底盤行駛液壓系統(tǒng)方案設計 1、液壓系統(tǒng)參數(shù)確定 表 3.1 液壓履帶式挖掘機主要技術參數(shù) 項目名稱 單位 數(shù)值 發(fā)動機功率 kW ≈20 最大爬坡角 ° 30 整機質量 kg ≈1800 最高行駛速度 km/h 4.5 整機寬度 mm ≈1800 整機高度（行駛狀態(tài)） mm ≤2500 最大挖掘高度 mm 5000 鏟斗容量 m3 ≈0.2 最大鏟掘力 kN 30 最大挖掘深度 mm 3000 接地長度 mm ≈1800 履帶寬度 mm 300~400 上車回轉速度 rpm 10 推土鏟尺寸（長×高） mm 1800×330 執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分，必須滿足機器設備的運動功能、性能要求和結構、 安裝上的限制。根據(jù)所要求的負載運動形態(tài)，選用不同的執(zhí)行元件配置，如下表 3.2 所 示 表 3.2 執(zhí)行元件配置 運動方式 執(zhí)行元件 左行走 左液壓馬達 右行走 右液壓馬達 直性行走 左液壓馬達+右液壓馬達 2、執(zhí)行元件馬達及系統(tǒng)壓力的初選 當負載確定后，工作壓力就決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟性和合理性。若工作壓力低，則執(zhí)行 元件的尺寸就大，重量也大，完成給定速度所需的流量也大；若壓力過高，則密封要求 22 就高，元件的制造精度也就更高，容積效率也就會降低。所以應根據(jù)實際情況選取適當 的工作壓力。執(zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負載值或主機設備類型選取，見表 3.3 和表 3.4。 表 3.3 負載和工作壓力之間的關系 負載 F/KN ＜10 10—20 70—140 140—250 ＞250 工作壓力 P/MPa 0.8-1.2 1.5-2.5 10—14 18—21 32 表 3.4 各類液壓設備常用工作壓力 設備類型 精加工機床 組合機床 拉床 農業(yè)機械、小 型工程機械、 工程機械輔助 機構 液壓機、重型機械、 大中型挖掘機、起 重運輸機械 工作壓力 P/Mpa 0.8-2 3-5 5-10 10-16 16-32 由表 3.4 本設計選擇的工作壓力為：P=10MPa。 （1）確定液壓馬達的幾何參數(shù) 小型液壓挖掘機底盤行走系統(tǒng)執(zhí)行元件為液壓馬達，則其排量的計算式為 （3-1）mPTV??/2ax? 式中 T 為液壓馬達的總負載轉矩（N·m） ；η m為液壓馬達的機械效率為 0.9；P 為 液壓馬達的工作壓力（Pa） ； V 為所求液壓馬達的排量（m 3/r） 。 液壓馬達所承受的負載： NTp ???8.79560/95mm?2643./ax? 代入式（3-1）中，可得： rV/18.4? 同樣，上式所求的排量也必須滿足液壓馬達最低穩(wěn)定轉速 nmin的要求，即 （3-2）mini/q? 式中 qmin 指能輸入液壓馬達的最低穩(wěn)定流量。排量確定后，可從產品檢本 中選擇液壓馬達的型號。 （2）液壓馬達最大流量的確定 對于液壓馬達，它所需的最大流量 qmax應為馬達的排量 V 與其最大轉數(shù) nmax的乘積， 23 即 （3-3）min/019.in/6/1098. 334maxax rnVq ????? 3、基本方案設計 (1)制定調速方案 液壓執(zhí)行元件確定之后，其運動方向和運動速度的控制是擬定液壓回路的核心問題。 方向控制用換向閥或邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多通過換 向閥的有機組合實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導 控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用 密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應的調整方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者的結合— —容積節(jié)流調速。節(jié)流調速一般采用定量泵供油，用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí) 行元件的流量來調節(jié)速度。此種調速方式結構簡單，由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥，故效 率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場合。容積調速是靠改變液壓泵或液壓馬達的排量 來達到調速的目的。其優(yōu)點是沒有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補充 泄漏，需要有輔助泵。此種調速方式適用于功率大、運動速度高的液壓系統(tǒng)。容積節(jié)流 調速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其 供油量與需油量相適應。此種調速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結構比較復 雜。節(jié)流調速又分別有進油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進油節(jié)流起動沖擊較 小，回油節(jié)流常用于有負載荷的場合，旁路節(jié)流多用于高速。調速回路一經(jīng)確定，回路 的循環(huán)形式也就隨之確定了。節(jié)流調速一般采用開式循環(huán)形式。在開式系統(tǒng)中，液壓泵 從油箱吸油，壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后，再排回油箱。開式回路結構簡單，散熱性好， 但油箱體積大，容易混入空氣。容積調速大多采用閉式循環(huán)形式。閉式系統(tǒng)中，液壓泵 的吸油口直接與執(zhí)行元件的排油口相通，形成一個封閉的循環(huán)回路。其結構緊湊，但散 熱條件差 [27]。 經(jīng)過上述分析此方案選用容積節(jié)流調速。 (2) 制定壓力控制方案 控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù) 控制功能的不同，液壓閥可分為村力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又 分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調整 閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制 方式不同，液壓閥可分為開關式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。 24 液壓挖掘機控制系統(tǒng)是對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓 馬達）等所構成的動力系統(tǒng)進行控制的系統(tǒng)。按控制功能，可分為位置控制系統(tǒng)、速度 控制系統(tǒng)和力（或壓力）控制系統(tǒng)；按控制元件，可分為發(fā)動機控制系統(tǒng)、液壓泵控制 系統(tǒng)、多路換向閥控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件控制系統(tǒng)和整機控制系統(tǒng)。 液壓控制閥控制系統(tǒng)： ①先導型控制系統(tǒng) 換向控制閥的控制形式有直動型（用手柄直接操縱換向閥主閥 芯，目前少用）和先導型兩種。后者是用先導閥控制先導油液，再用先導油液控制換向 閥的主閥芯，它又分為機液先導型和電液先導型兩類。 ②負荷傳感控制系統(tǒng) 它包括負荷傳感控制閥和負荷傳感控制泵（或定量泵）。閥 控系統(tǒng)實質上是節(jié)流式系統(tǒng)。在液壓挖掘機上，目前常用的是一般的三位六通多路閥， 其滑閥的微調性能和復合操作性能差。20 世紀 90 年代以來，在液壓挖掘機上開始采用 負荷傳感控制系統(tǒng)，其控制閃不論是中位開式方式還是中位閉式方式，都附帶有壓力補 償閥。采用電子控制壓力補償?shù)囊簤和诰驒C液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較，負荷傳感 控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：節(jié)省能源消耗。普通三位六通換向閥無論采用定量泵還是變量 泵，總要有一部分油液經(jīng)溢流閥溢掉，浪費了能量。而使用負荷傳感變量系統(tǒng)，泵的流 量全部用于負載上，泵的壓力僅比負荷壓力大 1-3Mpa；流量控制精度高，不受負荷壓力 變化的影響；幾個執(zhí)行元件可以同步運動或以某種速比運動，且互不干擾。普通三位六 通閥系統(tǒng)用的是并聯(lián)油路，當幾個執(zhí)行元件同時動作時，泵輸出的油液首先流向壓力低 的執(zhí)行元件，不能同步。 上述的負荷傳感控制閥只解決了滑閥的微調性能和復合操作性能，而沒有解決節(jié)省 能源問題。定量泵和負荷傳感控制閥的系統(tǒng)也沒有節(jié)省能源消耗，因為泵所輸出的流量 超過執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達）所需要的流量時，多余的油液經(jīng)壓力補償閥流回油 箱（為保持壓差恒定）變?yōu)闊崮堋Ｖ挥型耆摵蓚鞲锌刂葡到y(tǒng)才能解決節(jié)省能源問題。 完全負荷傳感控制系統(tǒng) 完全負荷傳感控制系統(tǒng)由負荷傳感控制閥和負荷傳感控制變量 泵組成 帶次級壓力補償閥的負荷傳感系統(tǒng)德國力士樂公司等）在其生產的液壓挖掘機上設 置了負荷傳感分流器 LUOV（Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系統(tǒng)，其主要作 用是：當多個執(zhí)行元件同時工作、所需的流量大于液壓泵的流量時，產生供油不足的現(xiàn) 象，這不能使正在工作臺的執(zhí)行元件與負載壓力無關的控