矿用液压挖掘机结构原理及故障分析.docx
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矿用液压挖掘机结构原理及故障分析
矿用液压挖掘机结构原理及故障分析
摘要
随着近年来露天煤矿的开发和开采，矿用液压挖掘机也随之发展。
无论新建矿山还是老矿山技术改造，已采用液压挖掘机。
它具有重量轻、行动速度快、机动灵活、调度速度快、作业率高；售价低、投资少、机械更新快；传动系统简单、平稳可靠、维修保养方便；操作省力、工作环境好；液压元件寿命长、可靠性高等，比机械挖掘机又更多优点。
所以在露天开采中得到了广泛的应用，已经成为了露天矿开采和生产中不可缺少的一部分机械，而在挖掘机的使用过程中，不免会发生一些故障和使用问题，因此，我们需要对其进行具体分析，来减少故障的发生，保证挖掘机长时间工作，满足煤矿生产的需要。
本文通过对挖掘机结构及液压系统工作原理简单分析，介绍了挖掘机的工作方法，及挖掘机对液压系统的要求，并且介绍了挖掘机在工作中应注意的各种事项，安全操作方法，也简单的对挖掘机在使用过程中遇到的故障进行分析并且排除，介绍了一些品牌挖掘机，这样，可以对挖掘机有进行更好的选择。
关键词：
挖掘机；故障；排除；分析；维护
Abstract
Summarywiththedevelopmentandexploitationofopen-pitcoalminesinrecentyears,hydraulicexcavatorforminingisdevelopment.Technicaltransformationofbothnewmineandtheoldmine,hadhydraulicexcavators.Ithasalightweight,speedandflexibilityofaction,scheduling,speed,highoperationrate;lowprice,lowinvestment,mechanicalupdatesfaster;transmissionsystemsimple,smoothandreliable,easymaintenance;operationeffort,goodworkingenvironment;hydrauliccomponentsoflonglifeandhighreliabilitythanmechanicalexcavatorsandmuchmore.Sohasbeenwidelyusedinopenpitmining,hasbecomeanintegralpartoftheopen-pitminingandproductionmachinery,andintheprocessofexcavatorused,somefailuresanduseproblemswillinevitablyoccur,soweneedtobespecificanalysis,toreducetheincidenceoffailure,ensuretheexcavatortoworklonghours,meetingtheneedsofmineproduction.
Thisarticlebyonexcavatorstructureandthehydraulicsystemworkprinciplesimpleanalysis,describeshasexcavatorofworkmethod,andtheexcavatoronhydraulicsystemofrequirements,anddescribeshasexcavatorinworkintheshouldnoteofvariousmatters,securityoperationmethod,alsosimpleofonexcavatorinusingprocessintheencounteredoffaultforanalysisandexcluded,describeshassomebrandexcavator,such,canonexcavatorhasforbetterofselect.
Keywords:
excavator;failure;clearing;analysis;maintain
第1章矿用挖掘机的结构和原理
1.1挖掘机简史
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。
由于液压技术的应用，20世纪40年代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。
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。
下面介绍一些在世界上有名到挖掘机品牌：
1、小松（KOMATSU）是著名的工程机械制造商，株式会社小松制作所成立于1921年，至今已有80年的历史，在工程机械领域有着先进的生产经验。
于2001年2月在上海市注册小松（中国）投资有限公司，注册资金3457万美元。
2、日立（HITACHI）日立建机株式会社于1970年10月1日在日本东京成立，现今日立建机集团是全球最大的建筑机械、运输机械及其他机械设备的制造、销售和服务综合性的公司之一。
日立建机（中国）有限公司成立于1995年3月27日，坐落在安徽省合肥市经济技术开发区。
公司主营挖掘机及其它建设机械的制造、销售、服务、配件供应。
3、卡特彼勒（CAT）美国卡特彼勒公司成立于1925年，是世界上最大的工程机械和矿山设备生产厂家、燃气发动机和工业用燃气轮机生产厂家之一，也是世界上最大的柴油机厂家之一。
卡特彼勒（中国）投资有限公司于1996年在北京成立。
今天，卡特彼勒在中国投资建立了11家生产企业，制造液压挖掘机、压实机、柴油发动机、履带行走装置、铸件、动力平地机、履带式推土机、轮式装载机、再造的工程机械零部件以及电力发电机组。
4、沃尔沃（VOLVO）瑞典沃尔沃集团成立于1924年，沃尔沃建筑设备公司是沃尔沃集团成员之一，是全球知名的建筑设备制造商。
主要生产不同型号的挖掘机，轮式装载机，自行式平地机，铰接式卡车等产品。
沃尔沃建筑设备（中国）有限公司于2002年3月成立，总部设在上海。
5、大宇（DAEWOO）韩国大宇集团1967年由金宇中创建，其产品一直以来代表着韩国机械工业的发展水平，在柴油发动机、挖掘机、车辆、自动机床、机器人等领域创造了公认的成就。
1994年10月1日在中国烟台成立大宇重工业烟台有限公司，主要生产挖掘机、叉车及机床等重工业产品。
大宇公司于2005年被斗山公司收购51%的股份。
1.2生产发展情况
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。
1.3液压挖掘机的整机性能
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有关。
还与液压系统、控制系统性能有关。
1.3.1动力系统
挖掘机工作的主要特点是环境温度大，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，柴油具有工作可靠、功率特性曲线硬、燃油经济等特点，符合挖掘机工作条件差，符合多变的条件。
挖掘机的额定负荷汽车，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。
1.3.2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，同时能使挖掘急救作短途行驶。
回转机构是挖掘机上车围绕中央转轴做360°的回转机构，包括回转支撑和驱动装置。
工作装置式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广泛，本文主要介绍反铲。
1.3.3液压系统
液压挖掘机的回转、行走和工作装置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的连接起来的组合体既是液压挖掘机的液压系统。
1.3.4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。
1.4挖掘机工作原理
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。
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。
工作装置是直接完成挖掘任务的装置。
它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。
动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。
为了适应各种不同施工作业的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。
回转与行走装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置和传动系统。
发动机是液压挖掘机的动力源，大多采用柴油要在方便的场地，也可改用电动机。
液压传动系统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。
1.5挖掘机分类
以下是常见挖掘机的分类：
挖掘机分类一：
常见的挖掘机按驱动方式有内燃机驱动挖掘机和电力驱动挖掘机两种。
其中电动挖掘机主要应用在高原缺氧与地下矿井和其它一些易燃易爆的场所。
分类二：
按照行走方式的不同，挖掘机可分为履带式挖掘机和轮式挖掘机。
分类三：
按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖掘机。
机械挖掘机主要用在一些大型矿山上。
分类四：
按照用途来分，挖掘机又可以分为通用挖掘机，矿用挖掘机，船用挖掘机，特种挖掘机等不同的类别
1.6挖掘机工作装置
1.6.1反铲
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（见图1-1），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。
反铲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，上部转台带动铲总裁及动臂回转到卸土处。
将铲斗向前推出，使斗口朝下进行卸土。
卸土后将动臂及铲斗回转并下放至工作面，准备下一循环的挖掘作业。
图1-1反铲
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
动臂：
动臂是反铲的主要部件，其结构有整体式和组合式两种。
（1）整体式动臂其优点是结构简单，质量轻而刚度大。
缺点是更换的工作装置少，通性较差。
多用于长期作业条件相似的挖掘机上。
整体式动臂又可分为直动臂和变动臂两种。
其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便，主要用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，与同长度的直动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度。
但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。
（2）组合式动臂如图1-2所示，组合式动臂用辅助连杆或液压缸3或螺栓连接而成。
上、下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节，虽然使结构和操作复杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下动臂之间的夹角，从而提高挖掘机的作业性能，尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深的基坑时，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产率。
组合式动臂的优点是，可以根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘力，且调整时间短。
此外，它的互换工作装置多，可满足各种作业的需要，装车运输方便。
其缺点是质量大，制造成本高，一般用于中、小型挖掘机上。
图1-2组合式动臂
1—下动臂；2—上动臂；3—连杆或液压缸
1.6.2反铲斗
反铲用的铲斗形式，尺寸与其作业对象有很大关系。
为了满足各种挖掘作业的需要，在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗，图1-3为反铲常用铲斗形式。
铲斗的斗齿采用装配式，其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式如图1-3所示。
图1-3反铲铲斗
1—齿座；2—斗齿；3—橡胶卡销；4—卡销；5、6、7—斗齿板
铲斗的斗底利用液压缸来开启，斗杆是铰接在动臂的顶端，由双作用的斗杆油缸使其转动。
斗杆油缸的一端铰接在动臂上，另一端铰接在斗杆上。
其铰接形式有两种：
一种是铰接在斗杆的前端；另一种是铰接在斗杆的尾端。
动臂均为单杆式，顶端呈叉形，以便与斗杆铰接。
动臂有单节的和双节的两种。
单节的动臂有长短两种备品，可根据需要更换。
双节的动臂则由上、下两节拼装而成，根据拼装点的不同，动臂的工作长度也不同。
图1-4斗齿安装形式
（a）螺栓联接；（b）橡胶卡销联接1—卡销；2—橡胶卡销；3—齿座；4—斗齿
第2章单个挖掘机液压系统
按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来的组合体，称为挖掘机的液压系统。
其功能是，以油液为工作介质，利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送，然后通过液压缸和液压马达等将液压能转返为机械能，实现挖掘机的各种动作。
2.1基本要求
液压挖掘机的动作复杂，凡要机构经常启动、制动、换向、负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此根据挖掘机的工作特点和环境特点，液压系统应满足如下要求：
（1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以互相配合实现复合动作。
（2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能作复合动作，以提高挖掘机的生产率。
（3）履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。
（4）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。
（5）保证挖掘机工作安全可靠，且各执行元件（液压缸、液压马达等）有良好的过载保护；回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快带下降和整机超速溜坡。
2.1.1液压系统要求
（1）有高的传动效率，以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。
（2）液压系统和液压元件在负载变化大、急剧的振动冲击作用下，具有足够的可靠性。
（3）调协轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时液压油温不超过80度，或温升不超过45度。
（4）由于挖掘机作业现场尘土多，液压油容易被污染，因此液压系统的密封性能要好，液压元件对油液污染的敏感性低，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。
（5）采用液压或电液伺服操纵装置，以便挖掘机设置自动控制系统，进而提高挖掘机技术性能和减轻驾驶员的劳动强度。
2.1.2类型
按液压泵特性，液压挖掘机采用的液压系统大致上有定量系统、变量系统和定量、变量系统等三种类型。
（1）定量系统
在液压挖掘机采用的定量系统中，其流量不变，即流量不随负载而变化，通常依靠节流来调节速度。
根据定量系统中油泵和回路的数量及组合形式，分为单泵单回路、双泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统及多泵多回路定量系统等。
（2）变量系统
在液压挖掘机采用的变量系统中，是通过容积变量来实现无级调速的，其调节方式有三种：
变量泵-定量马达调速、定量泵-变量马达调速、变量泵-变量马达调速
液压挖掘机采用的变量系统多采用变量泵-定量马达的组合方式实现无级变量，且都是双泵双回路。
根据两个回路的变量有无关连，分为分功率变量系统和全功率变量系统两种。
其中的分功率变量系统的每个油泵各有一个功率调节机械，油泵的流量变化只受自身所在回路压力变化的影响，与另一回路的压力变化无关，即两个回路的油泵各自独立地进行恒功率调节变量，两个油泵各拥有一斗发动机输出功率；全功率变量系统中的两个油泵由一个总功率调节机构进行平衡调节，使两个油泵的摆角始终相同，同步变量、流量相等。
决定流量变化的是系统的总压力，两个油泵的功率在变量范围内是不相同的。
其调节机构有机械联动式和液压联动式两种形式。
2.2双泵双回路定量系统
双泵双回路定量系统在液压挖掘机中使用较多，它可以使发动机功率分别用于两种动作，既能很好的相互配合，又可以各自独立运动。
国产WY100型履带式液压挖掘机采用的双泵双回路定量系统，如图所示：
该系统的两个回路各自独立，所用的油泵1为双联泵，分为A和B两泵。
八联多回路换向阀分为两组，每组中的四联换向阀组为串联右路。
油泵A输出的压力油进入第一组多路换向阀组，驱动回转马达、铲斗油缸、辅助油缸，并经过中央回转接头驱动右行走马达7。
改组执行元件不工作时油泵A输出的压力油经第一组多路换向阀中合流阀进入第二组多路换向阀，以加快动臂或斗杠的工作速度。
油泵B输出的压力油进入第二组多路换向阀，驱动动臂油缸、斗杆油缸，并经过中央回转接头驱动左行走马达8和推土油缸6。
该液压系统中两组多路换向阀均采用串联回路，其回油路并联，油液通过第二组多路换向阀中的限速阀5流回邮箱，限速发的液控口作用着由梭阀提供的A、B两油泵的最大压力，挡挖掘机下坡行走出现超速情况时，油泵出口压力降低，限速阀自动对回油进行节流，防止溜破现象，保证行驶安全。
在左、右行走马达内部除设有补油阀外，还设有双速电磁阀9，当双速电磁阀在图示位置时行走马达内部两排柱塞构成串联油路，此时为高速；当双速电磁阀通电后，行走马达内部两排柱塞呈并联状态，行走马达排量增大，转速降低，使挖掘机的驱动力加大。
为了防止动臂、斗杆、铲斗等因自重而超速降落，其回路中均设有单向节流阀。
另外，两组多路换向阀的进油路中设有安全阀，以限制系统的最大压力。
在各执行元件的分支油路中均设有过载阀，吸收工作装置的冲击；油路中海设有单向阀，以防止油液的倒流、阻断执行元件的冲击振动向油泵的传递
2.2.1挖掘机的液压系统原理图
挖掘机的液压系统原理图如下:
图示全液压挖掘机的液压系统为双泵双路定量系统。
系统中所有的是斜轴式径向柱塞泵。
A泵输出的压力油进入多路阀组Ⅰ驱动回转马达10，铲斗油缸14和辅助阀组Ⅱ驱动动臂缸11，斗杆缸13，并经过中央回转接头驱动左行走马达8和推土缸6。
图2-1双泵双回路定量系统
1—A、B-液压泵2、4—分配阀组3—单向阀5—限速阀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18、19、20、单向节流阀
2.2.2双泵双回路定量系统工作原理
挖掘机主要用来开挖堑壕，基坑，河道与沟渠以及用来进行剥土和挖掘矿石。
他在筑路，建筑，水利施工，露天开采作业中都有广泛的应用。
液压挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操纵回路等，由由它们构成具有各种功能的液压系统。
液压挖掘机的工作过程，包括作业循环和整机移动两项主要动作。
液压挖掘机的一个作业循环的组成包括：
挖掘-一般以斗杆动作为主，用铲斗缸调整切削角度，配合挖掘。
有特殊要求的挖掘动作，则根据作业要求，进行铲斗，斗杆和动臂三个缸的复合动作，以保证铲斗按某一特定轨迹运动。
满斗提升及回转-挖掘结束，铲斗缸推出，动臂缸顶起，满斗提升，同时回转电动机启动，转台向卸土方向回转。
卸载-回转到卸载地点，转台制动。
斗杆缸调整卸载半径，铲斗缸回收，转斗卸载。
当对卸载位置和卸载高度有严格的要求时，还需要动臂配合动作。
返回-卸载结束，转台向反方向回转。
同时，动臂缸与斗杆缸配合动作，使空斗下放到新的挖掘位置。
2.3液压系统中几种低压回路的作用
（1）背压油路：
由系统上的背压阀所产生的低压油（0.8～1MPa）在制动或出现超速吸空时通过双向补油阀向液压马达的低油腔补油，以保证滚轮始终贴紧导轨表面，使马达工作平稳并有可靠的制动性能。
（2）排进油路:
将低压油经节流阀减压后引入液压马达壳体，使马达即使在不运转的情况下壳体内仍保持一定的循环油量。
其目的，一是使马达壳体内的吗，磨损物经常得到冲洗；二是对马达进行预热，防止当外界温度过低时有主油路通入温度较高的工作油液以后引起配油轴及柱塞副等精密配合局部不均匀的热膨胀，使马达卡住或咬死而发生故障（即所谓的“热冲击”）。
（3）泄漏油路（无背压）：
将多路阀和液压马达的内部漏油用油管集中起来，经过滤油器引回油箱，以减少外泄漏。
液压系统的回油路进过风冷式冷却器、滤油器后流回油箱，使回油的到冷却和过滤，以保证挖掘机在连续工作状态下油箱内的油温不超过80℃。
第3章
液压挖掘机常见故障实例分析及排除
3.1机械故障实例
目前，在施工中使用的挖掘机多数为斗容1吨左右的单斗液压挖掘机，它们多数采用双泵双回路全功率变量液压系统。
我们在矿山开采中经常遇到的机械故障有整机全部动作故障、单个动作故障等。
3.1.1整机全部动作故障
分析：
整机全部动作故障的原因有：
（l）液压油不足，吸油油路不畅（如吸油滤芯堵塞），油路吸空等造成液压泵吸油不足或吸不到油，使得整机全部动作发生故障。
（2）先导油路故障。
此故障只存在于伺服操纵的挖掘机，对于机械式拉杆操纵的挖掘机则不存在。
先导油路故障会造成先导油压力不足，使得操纵系统失灵，从而表现为整机动作故障。
（3）液压泵与发动机之间的传动连接损坏。
这样发动机不能带动液压泵，泵口也就没有压力油输出，使得整机不动作。
（4）前后液压泵均严重磨损或损坏，造成泵的输出流量、压力不足，从而引起整机动作迟缓无力或完全不动作。
（5）液压泵的功率调节系统故障。
在进行故
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