挖掘机液压系统设计

挖掘机液压系统设计1 液压挖掘机结构与工作原理液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力能进行工作，相对机械传动具有许多优点:能无极调速且调速范围大，最大速度和最小速度之比可达1000:1能得到较低的稳定转速；快速作用时，液压元件产生的运动惯性较小，并可作高速反转；传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动；操纵省力灵活，易实现自动化控制；易实现标准化、通用化、系列化。

因此液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。

单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械。

它是目前挖掘机械中重要的机种。

单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗(一般装有斗齿)的切削刃切削土壤并将土装入斗内，斗满后提升。

回转至卸上位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到地面进行下一次挖掘。

当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继续作业。

因此单斗液压挖掘机是一种周期作业的自行式上方机械。

1.1 液压挖掘机整机性能液压挖掘机可分为:动力系统、机械系统、液压系统、控制系统。

液压挖掘机作为一个有机整体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件性能有关，还与液压系统、控制系统性能有关。

(1) 动力系统挖掘机工作的主要特点是环境温度变化大，灰尘污物较多，负荷变化大，经常倾斜工作，维护条件差。

因此液压挖掘机原动力一般由柴油机提供，柴油机具有工作可靠、功率特性曲线硬、燃油经济等特点，符号挖掘机工作条件恶劣，负荷多变的要求。

挖掘机的额定负荷与汽车。

拖拉机不同，汽车和拖拉机指在最高转速下、连同机油泵、发电机等必要附件，分钟内的最大功率;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。

1.2 液压挖掘机结构(1) 液压挖掘机组成在现在社会中的挖掘机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360°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。

(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1.6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。

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。

1.3 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，从而满足挖掘作业要求。

液压挖掘机由柴油机驱动液压泵，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5、斗杆11、动臂2、连杆8及相应的三组液压缸1、4、10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通的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合随机的。

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1-1 反铲挖掘机工作装置2 液压挖掘机结构与工作原理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。

2.1 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2-1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。

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。

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2-1 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。

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:1、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。

2、操纵性要求(1) 调速性要求挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高，如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现调速操纵控制，对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠，成为挖掘机液压系统设计十分重要的一方面。