小型挖掘机底盘行驶液压系统设计【行走机构履带式】
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液压挖掘机的半自动控制系统Hirokazu Araya ,Masayuki Kagoshima日本机械工程研究实验室Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271,2000年7月27日摘要开发出了一种应用于液压挖掘机的半自动控制系统。采用该系统,即使是不熟练的操作者也能容易和精确地操控液压挖掘机。构造出了具有控制器的液压挖掘机的精确数学控制模型,同时通过模拟实验研发出了其控制算法,并将其应用在液压挖掘机上,由此可以估算出它的工作效率。依照此法,可通过正反馈及前馈控制、非线性补偿、状态反馈和增益调度等各种手段获得较高的控制精度和稳定性能。自然杂志2001 版权所有关键词:施工机械;液压挖掘机;前馈;状态反馈;操作1引言液压挖掘机,被称为大型铰接式机器人,是一种施工机械。采用这种机器进行挖掘和装载操作,要求司机要具备高水平的操作技能,即便是熟练的司机也会产生相当大的疲劳。另一方面,随着操作者年龄增大,熟练司机的数量因而也将会减少。开发出一种让任何人都能容易操控的液压挖掘机就非常必要了1-5。液压挖掘机之所以要求较高的操作技能,其理由如下。1.液压挖掘机的操作,至少有两个操作手柄必须同时操作并且要协调好。2.操作手柄的动作方向与其所控的臂杆组件的运动方向不同。例如,液压挖掘机的反铲水平动作,必须同时操控三个操作手柄(动臂,斗柄,铲斗)使铲斗的顶部沿着水平面(图1)运动。在这种情况下,操作手柄的操作表明了执行元件的动作方向,但是这种方向与工作方向不同。如果司机只要操控一个操作杆,而其它自由杆臂自动的随动动作,操作就变得非常简单。这就是所谓的半自动控制系统。开发这种半自动控制系统,必须解决以下两个技术难题。1. 自动控制系统必须采用普通的控制阀。2. 液压挖掘机必须补偿其动态特性以提高其控制精度。现已经研发一种控制算法系统来解决这些技术问题,通过在实际的液压挖掘机上试验证实了该控制算法的作用。而且我们已采用这种控制算法,设计出了液压挖掘机的半自动控制系统。具体阐述如下。2液压挖掘机的模型为了研究液压挖掘机的控制算法,必须分析液压挖掘机的数学模型。液压挖掘机的动臂、斗柄、铲斗都是由液压力驱动,其模型如图2所示。模型的具体描述如下。2.1 动态模型6 假定每一臂杆组件都是刚体,由拉格朗日运动方程可得以下表达式: 其中 g是重力加速度;i铰接点角度;i是提供的扭矩;li组件的长度;lgi转轴中心到重心之距;mi组件的质量;Ii是重心处的转动惯量(下标i=1-3;依次表示动臂,斗柄,铲斗)。2.2 挖掘机模型每一臂杆组件都是由液压缸驱动,液压缸的流量是滑阀控制的,如图3所示。可作如下假设:1.液压阀的开度与阀芯的位移成比例。2.系统无液压油泄漏。3.液压油流经液压管道时无压力损失。4.液压缸的顶部与杆的两侧同样都是有效区域。在这个问题上,对于每一臂杆组件,从液压缸的压力流量特性可得出以下方程:当时;其中,Ai是液压缸的有效横截面积;hi是液压缸的长度;Xi是滑芯的位置;Psi是供给压力;P1i是液压缸的顶边压力;P2i是液压缸的杆边压力;Vi是在液压缸和管道的油量;Bi是滑阀的宽度;是油的密度;K是油分子的黏度;c是流量系数。2.3 连杆关系在图1所示模型中,液压缸长度改变率与杆臂的旋转角速度的关系如下:(1)动臂(2)斗柄(3)铲斗 当 时,2.4 扭矩关系从2.3节的连杆关系可知,考虑到液压缸的摩擦力,提供的扭矩i如下 其中,Cci是粘滞摩擦系数;Fi是液压缸的动摩擦力。2.5 滑阀的反应特性 滑阀动作对液压挖掘机的控制特性产生会很大的影响。因而,假定滑阀相对参考输入有以下的一阶延迟。其中, 是滑芯位移的参考输入; 是时间常数。3 角度控制系统如图4所示,角基本上由随动参考输入角通过位置反馈来控制。为了获得更精确的控制,非线性补偿和状态反馈均加入位置反馈中。以下详细讨论其控制算法。3.1 非线性补偿在普通的自动控制系统中,常使用如伺服阀这一类新的控制装置。在半自动控制系统中,为了实现自控与手控的协调,必须使用手动的主控阀。这一类阀中,阀芯的位移与阀的开度是非线性的关系。因此,自动控制操作中,利用这种关系,阀芯位移可由所要求的阀的开度反推出来。同时,非线性是可以补偿的(图5)。3.2 状态反馈建立在第2节所讨论的模型的基础上,若动臂角度控制动态特性以一定的标准位置逼近而线性化(滑芯位移X 10,液压缸压力差P 110,动臂夹角 10),则该闭环传递函数为其中,Kp是位置反馈增益系数;由于系统有较小的系数a1,所以反应是不稳定的。例如,大型液压挖掘机SK-16中。X10是0,给出的系数a0=2.7 10 ,a1=6.0 10 ,a2=1.2 10 .加上加速度反馈放大系数Ka,因而闭环(图4 的上环)的传递函数就是加入这个因素,系数S 就变大,系统趋于稳定。可见,利用加速度反馈来提高反应特性效果明显。但是,一般很难精确的测出加速度。为了避免这个问题,改用液压缸力反馈取代加速度反馈(图4的下环)。于是,液压缸力由测出的缸内的压力计算而滤掉其低频部分7,8。这就是所谓的压力反馈。4 伺服控制系统当一联轴器是手动操控,而其它的联轴器是因此而被随动作控制时,这必须使用伺服控制系统。例如,如图6所示,在反铲水平动作控制中,动臂的控制是通过保持斗柄底部Z(由1与2计算所得)与Zr 的高度。为了获得更精确的控制引入以下控制系统。4.1 前馈控制由图1计算Z,可以得到将方程(8)两边对时间求导,得到以下关系式,右边第一个式子看作是表达式(反馈部分)将 替换成 1,右边第二个式子是表达式(前馈部分)计算当2手动地改变时,1的改变量。实际上,用不同的2值可确定 1。通过调整改变前馈增益Kff,可实现最佳的前馈率。采用测量斗柄操作手柄的位置(如角度)取代测斗柄的角速度,因为驱动斗柄的角速度与操作手柄的位置近似成比例。4.2 根据位置自适应增益调度类似液压挖掘机的铰接式机器人,其动态特性对位置非常敏感。因此,要在所有位置以恒定的增益稳定的控制机器是困难的。为了解决这个难题,根据位置的自适应增益调度并入反馈环中(图6)。如图7所示,自适应放大系数(KZ或K)作为函数的两个变量, 2和Z 、 2表示斗柄的伸长量,Z是表示铲斗的高度。5 模拟实验结论反铲水平动作控制的模拟实验是将本文第4节所描述的控制算法用在本文第2节所讨论的液压挖掘机的模型上。(在SK-16大型液压挖掘机进行模拟实验。)图8表示其中一组结果。控制系统启动5秒以后,逐步加载扰动。图9表示使用前馈控制能减少控制错误的产生.6 半自动控制系统建立在模拟实验的基础上,半自动控制系统已制造出来,应用在SK-16型挖掘机上试验。通过现场试验可验证其操作性。这一节将讨论该控制系统的结构与功能。6.1 结构图10的例子中,控制系统由控制器、传感器、人机接口和液压系统组成。 控制器是采用16位的微处理器,能接收来自动臂、斗柄、铲斗传感器的角度输入信号,控制每一操作手柄的位置,选择相应的控制模式和计算其实际改变量,将来自放大器的信号以电信号形式输出结果。液压控制系统控制产生的液压力与电磁比例阀的电信号成比例,主控阀的滑芯的位置控制流入液压缸液压油的流量。为获得高速度、高精度控制,在控制器上采用数字处理芯片,传感器上使用高分辨率的磁编码器。除此之外,在每一液压缸上安装压力传感器以便获得压力反馈信号。以上处理后的数据都存在存储器上,可以从通信端口中读出。6.2 控制功能控制系统有三种控制模式,能根据操作杆和选择开关自动切换。其具体功能如下。(1)反铲水平动作模式:用水平反铲切换开关,在手控斗柄推动操作中,系统自动的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平运动。在这种情况下,当斗柄操作杆开始操控时,其参考位置是从地面到斗柄底部的高度。对动臂操作杆的手控操作能暂时中断自动控制,因为手控操作的优先级高于自动控制。(2)铲斗水平举升模式:用铲斗水平举升切换开关,在手控动臂举升操作中,系统自动控制铲斗。保持铲斗角度等于其刚开始举升时角度以阻止原材料从铲斗中泄漏。(3)手控操作模式:当既没有选择反铲水平动作模式,也没有选择铲斗水平举升模式时,动臂,斗柄,铲斗都只能通过手动操作。系统主要采用C语言编程来实现这些功能,以构建稳定模组提高系统的运行稳定性。7 现场试验结果与分析通过对系统进行现场试验,证实该系统能准确工作。核实本文第3、4节所阐述的控制算法的作用,如下所述。7.1 单个组件的自动控制测试对于动臂、斗柄、铲斗每一组件,以5的梯度从最初始值开始改变其参考角度值,测量其反应,从而确定第3节所描述的控制算法的作用。7.1.1 非线性补偿的作用图11 表明动臂下降时的测试结果。因为电液系统存在不灵敏区,当只有简单的位置反馈而无补偿时(图11中的关)稳态错误仍然存在。加入非线性补偿后(图11中的开)能减少这种错误的产生。7.1.2 状态反馈控制的作用对于斗柄和铲斗,只需位置反馈就可获得稳定响应,但是增加加速度或压力反馈能提高响应速度。以动臂为例,仅只有位置反馈时,响应趋向不稳定。加入加速度或压力反馈后,响应的稳定性得到改进。例如,图12表示动臂下降时,采用压力反馈补偿时的测试结果。7.2 反铲水平控制测试在不同的控制和操作位置下进行控制测验,观察其控制特性,同时确定最优控制参数(如图6所示的控制放大系数)。7.2.1 前馈控制作用在只有位置反馈的情况下,增大放大系数Kp,减少Z错误,引起系统不稳定,导致系统延时,例如图13所示的“关”,也就是Kp不能减小。采用第4.1节所描述的斗柄臂杆前馈控制能减少错误而不致于增大Kp。如图示的“开”。7.2.2 位置的补偿作用当反铲处在上升位置或者反铲动作完成时,反铲水平动作趋于不稳定。不稳定振荡可根据其位置改变放大系数Kp来消除,如第4.2节所讨论的。图14 表示其作用,表明反铲在离地大约2米时水平动作结果。与不装补偿装置的情况相比较,图中的关表示不装时,开的情况具有补偿提供稳定响应。7.2.3 控制间隔的作用关于控制操作的控制间隔的作用,研究结果如下: 1.当控制间隔设置在超过100ms时,不稳定振荡因运动的惯性随位置而加剧。2.当控制间隔低于50ms时,其控制操作不能作如此大提高。因此,考虑到计算精度,控制系统选定控制间隔为50ms。7.2.4 受载作用利用控制系统,使液压挖掘机执行实际挖掘动作,以研究其受载时的影响。在控制精度方面没有发现与不加载荷时有很大的不同。 8 结论本文表明状态反馈与前馈控制组合,使精确控制液压挖掘机成为可能。同时也证实了非线性补偿能使普通控制阀应用在自动控制系统中。因而应用这些控制技术,允许即使是不熟练的司机也能容易和精确地操控液压挖掘机。将这些控制技术应用在其它结构的机器上,如履带式起重机,能使普通结构的机器改进成为可让任何人容易操控的机器。参考文献1 J. Chiba, T. Takeda, Automatic control in construction machines, Journal of SICE 21 8 1982 4046.2 H. Nakamura, A. Matsuzaki, Automation in construction machinery, Hitachi Review 57 3 1975 5562.3 T. Nakano et al., Development of large hydraulic excavator,. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 22 2 1985 4251.4 T. Morita, Y. Sakawa, Modeling and control of power shovel, Transactions of SICE 22 1 1986 6975.5 H. Araya et al., Automatic control system for hydraulic excavator, R&D Kobe Steel Engineering Reports 37 2 1987 7478.6 P.K. Vaha, M.J. Skibniewski, Dynamic model of excavator, Journal of Aerospace Engineering 6 2 1990 April.7 H. Hanafusa, Design of electro-hydraulic servo system for articulated robot, Journal of the Japan Hydraulics and Pneumatics Society 13 7 1982 18.8 H.B. Kuntze et al., On the model-based control of a hydraulic large range robot, IFAC Robot Control 1991 207212. 南京理工大学紫金学院毕业设计(论文)任务书系:机械工程系专 业:车辆工程学 生 姓 名:学 号:设计(论文)题目:起 迄 日 期:2012年 1 月 10 日 5 月 10 日设计(论文)地点:南京理工大学紫金学院指 导 教 师:专业负责人:发任务书日期: 2013 年 1 月 8 日任务书填写要求1毕业设计(论文)任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写,经学生所在专业的负责人审查、系领导签字后生效。此任务书应在毕业设计(论文)开始前一周内填好并发给学生;2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,不得随便涂改或潦草书写,禁止打印在其它纸上后剪贴;3任务书内填写的内容,必须和学生毕业设计(论文)完成的情况相一致,若有变更,应当经过所在专业及系主管领导审批后方可重新填写;4任务书内有关“系”、“专业”等名称的填写,应写中文全称,不能写数字代码。学生的“学号”要写全号;5任务书内“主要参考文献”的填写,应按照国标GB 77142005文后参考文献著录规则的要求书写,不能有随意性;6有关年月日等日期的填写,应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“2008年3月15日”或“2008-03-15”。毕 业 设 计(论 文)任 务 书1.24号交货 20号给点说明书给学生中期检查1本毕业设计(论文)课题应达到的目的: 选题结合实际工程应用,完成履带式小型挖掘机的液压驱动系统设计,课题所涉及到的工程技术问题,具有一定的通用性和实用性。通过毕业设计能让学生系统掌握主液压系统设计方法,培养和锻炼学生基本理论分析和解决工程实际问题的能力。,拓宽知识面,提高综合运用基础理论知识,解决工程设计问题的能力。2本毕业设计(论文)课题任务的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等):课题内容: 设计一个小型挖掘机的总体设计,挖掘机选用履带式挖掘机。通过产品发展概况的了解,选择确定液压驱动系统的方法,行走控制方法以及液压系统匹配设计方法与校核方法,完成主要方案选择,液压系统参数匹配,发动机选型以及相关参数校核,得到液压回路图纸,完成毕业设计说明书的撰写。技术要求:1履带式;2. 两个液压马达分别驱动两侧履带行走;3. 液压制动系统;4.工作装置液压控制;5.刚性机架;6.刚性悬挂;7.有转台。主要性能参数:发动机功率 kw20 最大爬坡角 30整机质量 kg1800最高行驶速度km/h4.5整机宽度mm1800整机高度(行驶状态)mm2500最大挖掘高度 mm5000铲斗容量m0.2最大铲掘力kN30最大挖掘深度 mm3000接地长度mm1800履带宽度mm300400上车回转速度rpm10推土铲尺寸(长高)mm1800330工作要求:1. 开题报告字数不小于2000字,外文翻译不少于10000个印刷符(译成中文不少于3000汉字),完成的翻译稿要求段落内容连续完整。2. 进行行走驱动液压系统总体设计方案的选择、论证和计算。3. 对系统的组件进行匹配计算与选型设计。4. 整理设计文档资料,给出系统的液压系统方案图纸,要求计算机出图。5. 毕业设计说明书字数不少于10000字,所有文档资料要做成电子档。毕 业 设 计(论 文)任 务 书3对本毕业设计(论文)课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等:(1)液压挖掘机发展概况(2)液压驱动方案选择(3)发动机选型设计(4)液压系统参数匹配与校核(5)液压驱动回路图纸4主要参考文献: 1赵坤. 全液压平地机单泵双马达系统参数匹配与同步性研究 D. 西安; 长安大学, 2011.2张永华. 轮式铣刨机双速液压底盘性能匹配研究 D. 西安; 长安大学, 2009.3余亮. 沥青混凝土摊铺机行驶静压驱动系统研究 D. 西安; 长安大学, 2001.4姚怀新. 工程车辆液压动力学关键问题的理论研究与实验台建设 D. 西安; 长安大学, 2006.5孙博. 抛丸养护车低速行驶驱动系统研究 D. 西安; 长安大学, 2010.6朱学超. 小功率全液压推土机行驶驱动系统研究 D; 长安大学, 2008.7赵坤. 全液压平地机单泵双马达系统参数匹配和同步性研究 D; 长安大学, 2011.8张久林. 工程机械液压行走系统的设计及理论研究 D; 同济大学, 2007.9袁江. 小功率全液压平地机行驶驱动系统研究 D; 长安大学, 2009.10袁超峰. TLC450运梁车液压系统设计及行走液压系统仿真分析 D; 燕山大学, 2012.11元万荣. 滑移装载机闭式行走系统研究 D; 吉林大学, 2012.12杨梅生. 采煤机液压牵引系统设计与仿真分析 D; 安徽理工大学, 2011.13吴卫国. 50t轮胎式搬运机行走驱动液压系统和卷扬液压系统研究 D; 长安大学, 2008.14魏艳. 船体分段转运车动力与液压系统及其设计平台软件的研究 D; 武汉理工大学, 2007.15王月行. 拖式混凝土泵发动机-泵功率匹配控制系统研究 D; 吉林大学, 2005.16宋海林. 泵控马达静液驱动系统分析与研究 D; 吉林大学, 2005.17刘志敏. 智能型沥青洒布车系统方案研究 D; 长安大学, 2005.18范斌. 滑移装载机行走闭式液压系统研究 D; 吉林大学, 2011.19陈峰. 深海底采矿机器车运动建模与控制研究 D; 中南大学, 2005.20陈丰峰. 装载机行驶液压传动特性研究 D; 西安科技大学, 2005.毕 业 设 计(论 文)任 务 书5本毕业设计(论文)课题工作进度计划:起 迄 日 期工 作 内 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 日完成开题报告完成调研、参数准备计算与设计撰写论文论文答辩所在专业审查意见:负责人: 年 月 日系意见:系领导: 年 月 日1 摘要 液压挖掘机是工程机械的一个重要品种,是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、 采矿等建设工程的土方机械。液压挖掘机利用液压元件(液压泵、液压马达、液压缸等) 带动各种构件动作,具有许多优点,于是它对液压系统的设计提出了很高的要求,其液 压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此,对挖掘机液压系统的分析设计对推 动我国挖掘机发展具有十分重要的意义。 本文设计了一个小型挖掘机的总体方案,挖掘机行走机构选用履带式。通过产品发 展概况的了解,选择确定液压驱动系统的方法,行走控制方法以及液压系统匹配设计方 法与校核方法,完成了主要方案选择,液压系统参数匹配,发动机选型以及相关参数校 核,最后通过 AUTOCAD 绘制了液压回路图纸。 关键词:挖掘机;液压系统;液压泵 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 Chinas 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 目录 摘要 .1 ABSTRACT .2 目录 .3 第一章 概 论 .4 1.1 挖掘机的简介 .4 1.2 液压挖掘机的发展概况 .5 1.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势 .7 1.2.2 国内液压挖掘机的发展概况 .9 第二章 液压挖掘机总体方案设计 .10 2.1 液压挖掘机结构和工作原理 .10 2.1.1 液压挖掘机整机性能 .10 2.1.2 液压挖掘机结构 .12 2.1.3 液压挖掘机传动原理 .13 2.2 液压挖掘机工况分析及液压系统设计方案的确定 .14 2.2.1 液压挖掘机的工况 .14 2.2.2 挖掘机液压系统的设计要求 .19 第三章 挖掘机行驶液压系统的设计 .20 3.1 底盘行驶液压系统方案设计 .20 3.2 液压元件的选择 .24 3.2.1 液压泵的参数计算及选择 .25 3.2.2 液压马达的计算与选择 .25 3.2.3 柴油发动机的选择 .26 3.2.4 液压阀的选择 .26 3.2.5 其他液压元件的选择 .28 3.2.6 油箱容量的确定 .31 3.3 液压系统性能验算 .31 3.3.1 液压系统压力损失 .31 3.3.2 液压系统的发热温升计算 .33 3.4 绘制液压系统图 .37 第四章 结论和展望 .38 4.1 结论 .38 4.2 展望 .38 参考文献 .39 4 第一章 概 论 液压挖掘机是工程机械的一个重要品种,是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、 采矿等建设工程的突发机械。液压挖掘机利用液压元件(液压泵、液压马达、液压缸等) 带动各种构件动作,具有如下有点:功率密度大,结构紧凑,重量轻;无级调速,调速 范围大;启动性能好,能实现快速正反转;布置灵活,基本不受总体结构的限制;运转 平稳,各种可靠,能自行润滑,使用寿命长;有过载保护功能;容易实现自动化,操作 简便省力等。因此,液压挖掘机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,具有重要意义。 液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切 削刃切削土壤,铲斗装满后提升、回转至卸土位置,卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开 始下一次的作业。因此,液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。 液压挖掘机与机械传动挖掘机一样,在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露 天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用,是各种土石施工中不可缺少的一种重要 机械设备。 1.1 挖掘机的简介 液压挖掘机是一种多功能机械 1,目前被广泛应用于水利工程,交通运输,电力工 程和矿山采掘等机械施工中,它在减轻繁重的体力劳动,保证工程质量。加快建设速度 以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。根据建筑施工部门统计,一台斗量为 1.0m的液压挖掘机挖掘土壤时,每班生产率大约相当个工人一天的工 作量。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。由于液压挖掘机具有多品种,多功能,高质量及高效率等特点,因此受到了广 大施工作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。 挖掘机液压传动紧密地联系在一起,其发展主要以液压技术的应用为基础。由于挖 掘机的工作条件恶劣,要求实现的动作很复杂,于是它对液压系统的设计提出了很高的 要求,其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此,对挖掘机液压系统的分 析设计已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。 液压挖掘机结构特点: 挖掘机由工作装置、回转装置、行走装置和液压系统构成。下面以轮式液压挖掘机 为例来说明一下: 5 单斗液压挖掘机是一种周期性作业的自行式土方机械,它采用液压传动,由一个铲 斗切削土装入斗内,然后提升装满土石的铲斗,再回转一定的角度进行装车,接下来空 当斗回到原来的位置,准备进行下一个循环的挖掘,此外整机还要定期移位,使铲斗能 在适当位置上有效地作业,单斗挖掘机装载,抓取起重、钻孔、打桩、破碎、修坡、清 沟等工作,挖掘机可分为提供动力和基本动作(行走回转)的主机部分及进行不同作业 的工作装置部分,主机又可分为行走装置、回转装置、液压系统、工作装置。 1、行走装置 液压挖掘机行走装置的反力同时能使挖掘机作短距离行走,按结构不同,可分为履 带式、轮胎式两类。履带式行走装置由履带、支重轮、托链轮、驱动轮、导向轮、张紧 装置、行走架液压马达、减速机等组成,液压挖掘机的行走装置采用液压马达、减速机、 驱动轮,每条履带有各自的液压马达和减速机,由于两个液压马达可独立操作,因此, 机器的左右履带可以同步前进后退,也可以通过一条履带制动来实现转弯,还可以通过 两条履带相反方向驱动,来实现原地转向,操作十分简单。 2、回转机构 回转机构包括回转驱动装置、回转支承,回转驱动装置一般采用定量马达,经过回 转减速机两行星齿轮与回转支承的内齿圈相齿合而实现转台的回转,具有结构紧凑,体 积小、效率高速比大,承载能力强,发热量和功率损失小,工作可靠等优点,回转支承 一般采用的滚动轴承,其中用的最广泛的是单排滚球式和双排式滚轴柱式回转支承。 3、工作装置 工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一,由于工作的不同,工作装置不同类很 多常用挖掘、装载和起重装置也可以有很多形式,挖掘装置一般采用斗杠油缸进行挖掘, 动臂油缸主要用于调节切削角度,清除障碍以及挖掘结束时为装满铲斗多用开启斗底多 用开启斗底的方式卸载,斗底的开启、关闭也用了油缸。 4、液压系统 液压挖掘机的主要系统运动有整机行走、转台回转、动臂升降,斗杆收放、铲斗挖 掘等,根据以上的工作要求把各液压元件用管路连接起来的组合体叫做液压挖掘机的液 压系统。液压系统功能是把发动机机械能以油液为介质,利用油泵转变为液压能传送给 油缸、马达等边为机能,再传动各个执行机构,实现各种运动。国家规定 8 吨以下的挖 掘机采用定量泵 1。 1.2 液压挖掘机的发展概况 6 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。挖掘机行业的发展历史久远,可以追溯到 1840 年。当时美国西部开 发,进行铁路建设,产生了模仿人体构造,有大臂、小臂和手腕,能行走和扭腰类似机 械手的挖掘机,它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时间挖掘机没有 得到很大的发展,应用范围也只局限于矿山作业中。 导致挖掘机发展缓慢的主要原因是:其作业装置动作复杂,运动范围大,需要采用 多自由度机构,古老的机械传动对它不太适合。而且当时的工程建设主要是国土开发, 大规模的筑路和整修场地等,大多是大面积的水平作业,因此对挖掘机的应用相对较少, 在一定程度上也限制了挖掘机的发展。 由于液压技术的应用,二十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖 掘机。随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的传动技术,挖掘机有了适合它的传动 装置,为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑,是挖掘机技术上的一个飞跃 。同时, 工程建设和施工形式也发生了很大变化。在进行大规模国土开发的同时,也开始进行城 市型土木施工,这样,具有较长的臂和杆,能装上各种各样的工作装置,能行走、回转, 实现多自由动作,可以切削高的垂直壁面,挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应 用。 自第一台手动挖掘机诞生以来的 160 多年当中,挖掘机一直在不断地飞跃发展,其 技术已经发展到相对成熟稳定的阶段。目前国际上迅速发展全液压挖掘机,对其控制方 式不断改进和革新,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坚实的基础,创造了良好的前 提。 据有关专家估算,全世界各种施工作业场约有 65%至 70%的土石方工程都是由挖掘 机完成的。挖掘机是一种万能型工程机械,目前已经无可争议地成为工程机械的第一主 力机种,在世界工程机械市场上己占据首位,并且仍在发展扩大。挖掘机的发展主要以 液压技术的应用为基础,其液压系统已成为工程机械液压系统的主流形式。随着科学技 术的发展和建筑施工现代化生产的需要,液压挖掘机需要大幅度的技术进步,技术创新 是液压挖掘机行业所面临的新挑战。在技术方面,挖掘机产品的核心技术就是液压系统 7 设计,所以对其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义 2。 1.2.1 国外液压挖掘机目前水平及发展趋势 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挖掘机是指在额定转速下一小时以上的额定功率。 挖掘机采用车用柴油机时,最大功率指数降低。 2 机械系统 液压挖掘机的机械系统部分是完成挖掘机各项基本动作的直接执行者,主要包括: 行走装置是整个机器的支撑部分,承受机器的全部重量和工作装置的反力,同时能使挖 掘机作短途行驶.按照结构的不同,分履带式和轮胎式。回转机构使挖掘机上车围绕中 央回转轴作 360 度的回转的机构,包括驱动装置和回转支撑。工作装置是挖掘机完成实 际作业的主要组成部分,常用的有反铲、正铲、装载、起重等装置,而同一种装置可以 有多种结构形式,前面所述的反铲装置应用最为广泛。 3 液压系统 液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现,原动机驱动双 联液压泵,把压力油分别送到两组多路换向阀。通过司机的操纵,将压力油单独或同时 12 送往液压执行元件(液压马达和液压油缸)驱动执行机构工作。液压挖掘机的主要运动有 整机行走、转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗转动等。这些运动都靠液压传动。根 据以上工作要求,把各液压元件用油管有机地连接起来地组合体既是液压挖掘机地液压 系统。该系统地功能是把发动机地机械能以油液为介质,利用油泵转变为液压能,传送 给油缸、油马达等转变为机械能,再传动各执行机构,实现各种运动和工作过程。液压 系统设计得合理与否,对挖掘机的性能起着决定性的作用。同样的元件,若系统设计不 同,则挖掘机性能差异很大。液压系统习惯上按主油泵的数量、功率调节方式和回路的 数量来分类。 4 控制系统 液压挖掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液压 马达)等进行控制的系统。电子技术和计算机技术的飞速进步,使挖掘机有了越来越先 进的控制系统,使液压挖掘机向高性能、自动化和智能化发展。目前挖掘机研究重点正 逐步向智能化机电液控制系统方向转移 10。 2.1.2 液压挖掘机结构 1 液压挖掘机组成 为了实现液压挖掘机的各项功能,单斗液压挖掘机需要两个基本组成部分,即机体 (或称主机)和工作装置。机体是完成挖掘机基本动作并作为驱动和操纵挖掘机进行工作 的荃础,可以是履带牵引车辆或轮式牵引车辆。可细分为行走装置、回转装置、液压系 统、气压系统、电气系统和动力装置。其中动力装置、操纵机构、回转机构和辅助设备 均可在回转平台上,总称上车部分,它与行走机构(又称下车部分)用回转支撑相连,平 台可以围绕中央回转轴作 3600 的全回转。工作装置根据工作性质的不同,可配备反铲、 正铲、装载、起重等装置,分别完成挖掘、装载、抓取、起重、钻孔、打桩、破碎、修 坡、清沟等工作。挖掘机的基本性能决定于各部分的构造、性能及其综合的效果 11。 2 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,它分为整体臂式和组合臂式。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 13 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。 3 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,使两者的大腔进油,配合动作以加快作业进 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 反铲挖掘机工作装置 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, 14 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 12。 2.1.3 液压挖掘机传动原理 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。 液压挖掘机传动示意图,如图 2.3 所示,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。 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 13。 15 1、铲斗;2、斗杆;3、动臂;4、连杆;5、动臂油缸;6、斗杆油缸;7、铲斗油缸;I、挖掘装置; II、回转装置;III、行走装置 图 2.3 液压挖掘机传动示意图 总之,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。 2.2 液压挖掘机工况分析及液压系统设计方案的确定 要了解和设计挖掘机的液压系统,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。 2.2.1 液压挖掘机的工况 液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作(如图 2.4 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。除了辅助动作(例如整机转向等)不 需全功率驱动以外,其它都是液压挖掘机的主要动作,要考虑全功率驱动 14。 16 1、动臂升降;2、斗杆收放;3、铲斗装卸;4 、平台回转;5、整机行走; 图 2.4 液压挖掘机的运动图 由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大,主机的工作有两项特殊要求:(1)实 现各种主要动作时,阻力与作业速度随时变化,因此,要求液压缸和液压马达的压力和 流量也能相应变化;(2)为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间,工作过程中往 往要求有两个主要动作(例如挖掘与动臂、提升与回转)同时进行复合动作液压挖掘机一 个作业循环的组成和动作的复合主要包括: (1)挖掘:通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘,或者两者配合进行挖掘, 因此,在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作,必要时,配以动臂动作。 (2)满斗举升回转:挖掘结束,动臂液压缸将动臂顶起,满斗提升,同时回转第 2 章挖掘机液压系统的设计要求和分析方法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。 (3)卸载:转到卸土点时,转台制动,用斗杆液压缸调节卸载半径,然后铲斗液 压缸回缩,铲斗卸载。为了调整卸载位置,还要有动臂液压缸的配合,此时是斗杆和铲 斗的复合动作,间以动臂动作。 (4)空斗返回:卸载结束,转台反向回转,动臂液压缸和斗杆液压缸配合,把空 斗放到新的挖掘点,此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。 1、挖掘工况分析 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 15。 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, 17 如图2.5,2.6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2.7,2.8 所示。 图 2.5 斗尖沿直线平整土地图 图 2.6 斗尖沿直线切削斜坡图 图 2.7 铲斗底压整地面图 图 2.8 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,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 16。 当斗杆和铲斗复合动作挖掘时,供油情况如图2.9a 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;当铲斗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2.9b 所示。 图 2.9 三泵供油系统示意图 18 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。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2.5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。 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 17。 2、满斗举升回斗工况分析 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2.10a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 18。 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2.10b所示。但是由于动臂提升时油压较高, 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2.10c所示。各个油泵分别向一个液压作用元件供油,复 19 合动作时无相互干扰。 3、卸载工况分析 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。 图 2.10 回转举升供油情况 4、空斗返回工况分析 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2.11所示。 图 2.11 空斗返回供油情况 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。 5、行走时复合动作 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 20 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 19。 2.2.2 挖掘机液压系统的设计要求 液压挖掘机的动作繁复,且具有多种机构,如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和 铲斗等,是一种具有多自由度的工程机械。这些主要机构经常起动、制动、换向,外负 载变化很大,冲击和振动多,因此挖掘机对液压系统提出了很高的设计要求。根据液压 挖掘机的工作特点,其液压系统的设计需要满足以下要求 20: 动力性要求 所谓动力性要求,就是在保证发动机不过载的前提下,尽量充分地利用发动机的功 率,提高挖掘机的生产效率。尤其是当负载变化时,要求液压系统与发动机的良好匹配, 尽量提高发动机的输出功率。例如,当外负载较小时,往往希望增大油泵的输出流量, 提高执行元件的运动速度。双泵液压系统中就常常采用合流的方式来提高发动机的功率 利用率。 21 第三章 挖掘机行驶液压系统的设计 3.1 底盘行驶液压系统方案设计 1、液压系统参数确定 表 3.1 液压履带式挖掘机主要技术参数 项目名称 单位 数值 发动机功率 kW 20 最大爬坡角 30 整机质量 kg 1800 最高行驶速度 km/h 4.5 整机宽度 mm 1800 整机高度(行驶状态) mm 2500 最大挖掘高度 mm 5000 铲斗容量 m3 0.2 最大铲掘力 kN 30 最大挖掘深度 mm 3000 接地长度 mm 1800 履带宽度 mm 300400 上车回转速度 rpm 10 推土铲尺寸(长高) mm 1800330 执行元件是液压系统的输出部分,必须满足机器设备的运动功能、性能要求和结构、 安装上的限制。根据所要求的负载运动形态,选用不同的执行元件配置,如下表 3.2 所 示 表 3.2 执行元件配置 运动方式 执行元件 左行走 左液压马达 右行走 右液压马达 直性行走 左液压马达+右液压马达 2、执行元件马达及系统压力的初选 当负载确定后,工作压力就决定了系统的经济性和合理性。若工作压力低,则执行 元件的尺寸就大,重量也大,完成给定速度所需的流量也大;若压力过高,则密封要求 22 就高,元件的制造精度也就更高,容积效率也就会降低。所以应根据实际情况选取适当 的工作压力。执行元件工作压力可以根据总负载值或主机设备类型选取,见表 3.3 和表 3.4。 表 3.3 负载和工作压力之间的关系 负载 F/KN 10 1020 70140 140250 250 工作压力 P/MPa 0.8-1.2 1.5-2.5 1014 1821 32 表 3.4 各类液压设备常用工作压力 设备类型 精加工机床 组合机床 拉床 农业机械、小 型工程机械、 工程机械辅助 机构 液压机、重型机械、 大中型挖掘机、起 重运输机械 工作压力 P/Mpa 0.8-2 3-5 5-10 10-16 16-32 由表 3.4 本设计选择的工作压力为:P=10MPa。 (1)确定液压马达的几何参数 小型液压挖掘机底盘行走系统执行元件为液压马达,则其排量的计算式为 (3-1)mPTV/2ax 式中 T 为液压马达的总负载转矩(Nm) ; m为液压马达的机械效率为 0.9;P 为 液压马达的工作压力(Pa) ; V 为所求液压马达的排量(m 3/r) 。 液压马达所承受的负载: NTp 8.79560/95mm2643./ax 代入式(3-1)中,可得: rV/18.4 同样,上式所求的排量也必须满足液压马达最低稳定转速 nmin的要求,即 (3-2)mini/q 式中 qmin 指能输入液压马达的最低稳定流量。排量确定后,可从产品检本 中选择液压马达的型号。 (2)液压马达最大流量的确定 对于液压马达,它所需的最大流量 qmax应为马达的排量 V 与其最大转数 nmax的乘积, 23 即 (3-3)min/019.in/6/1098. 334maxax rnVq 3、基本方案设计 (1)制定调速方案 液压执行元件确定之后,其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。 方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统,大多通过换 向阀的有机组合实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统,现多采用插装阀与先导 控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用 密封空间的容积变化来实现。相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合 容积节流调速。节流调速一般采用定量泵供油,用流量控制阀改变输入或输出液压执 行元件的流量来调节速度。此种调速方式结构简单,由于这种系统必须用闪流阀,故效 率低,发热量大,多用于功率不大的场合。容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量 来达到调速的目的。其优点是没有溢流损失和节流损失,效率较高。但为了散热和补充 泄漏,需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。容积节流 调速一般是用变量泵供油,用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量,并使其 供油量与需油量相适应。此种调速回路效率也较高,速度稳定性较好,但其结构比较复 杂。节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。进油节流起动冲击较 小,回油节流常用于有负载荷的场合,旁路节流多用于高速。调速回路一经确定,回路 的循环形式也就随之确定了。节流调速一般采用开式循环形式。在开式系统中,液压泵 从油箱吸油,压力油流经系统释放能量后,再排回油箱。开式回路结构简单,散热性好, 但油箱体积大,容易混入空气。容积调速大多采用闭式循环形式。闭式系统中,液压泵 的吸油口直接与执行元件的排油口相通,形成一个封闭的循环回路。其结构紧凑,但散 热条件差 27。 经过上述分析此方案选用容积节流调速。 (2) 制定压力控制方案 控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据 控制功能的不同,液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又 分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等;流量控制阀包括节流阀、调整 阀、分流集流阀等;方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制 方式不同,液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。 24 液压挖掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液压 马达)等所构成的动力系统进行控制的系统。按控制功能,可分为位置控制系统、速度 控制系统和力(或压力)控制系统;按控制元件,可分为发动机控制系统、液压泵控制 系统、多路换向阀控制系统、执行元件控制系统和整机控制系统。 液压控制阀控制系统: 先导型控制系统 换向控制阀的控制形式有直动型(用手柄直接操纵换向阀主阀 芯,目前少用)和先导型两种。后者是用先导阀控制先导油液,再用先导油液控制换向 阀的主阀芯,它又分为机液先导型和电液先导型两类。 负荷传感控制系统 它包括负荷传感控制阀和负荷传感控制泵(或定量泵)。阀 控系统实质上是节流式系统。在液压挖掘机上,目前常用的是一般的三位六通多路阀, 其滑阀的微调性能和复合操作性能差。20 世纪 90 年代以来,在液压挖掘机上开始采用 负荷传感控制系统,其控制闪不论是中位开式方式还是中位闭式方式,都附带有压力补 偿阀。采用电子控制压力补偿的液压挖掘机液压系统与传统的液压系统比较,负荷传感 控制系统的主要优点是:节省能源消耗。普通三位六通换向阀无论采用定量泵还是变量 泵,总要有一部分油液经溢流阀溢掉,浪费了能量。而使用负荷传感变量系统,泵的流 量全部用于负载上,泵的压力仅比负荷压力大 1-3Mpa;流量控制精度高,不受负荷压力 变化的影响;几个执行元件可以同步运动或以某种速比运动,且互不干扰。普通三位六 通阀系统用的是并联油路,当几个执行元件同时动作时,泵输出的油液首先流向压力低 的执行元件,不能同步。 上述的负荷传感控制阀只解决了滑阀的微调性能和复合操作性能,而没有解决节省 能源问题。定量泵和负荷传感控制阀的系统也没有节省能源消耗,因为泵所输出的流量 超过执行元件(液压缸和液压马达)所需要的流量时,多余的油液经压力补偿阀流回油 箱(为保持压差恒定)变为热能。只有完全负荷传感控制系统才能解决节省能源问题。 完全负荷传感控制系统 完全负荷传感控制系统由负荷传感控制阀和负荷传感控制变量 泵组成 带次级压力补偿阀的负荷传感系统德国力士乐公司等)在其生产的液压挖掘机上设 置了负荷传感分流器 LUOV(Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系统,其主要作 用是:当多个执行元件同时工作、所需的流量大于液压泵的流量时,产生供油不足的现 象,这不能使正在工作台的执行元件与负载压力无关的控
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