挖掘机通用液压系统分析.docx

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挖掘机通用液压系统分析

摘要

单斗液压挖掘机作为完成土石方开挖的主要施工机械设备，已广泛用于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山开掘以及军事工程等机械化施工中。

当今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。

液压系统在挖掘机行业中具有极其重要的作用。

本文对力士德SC330机型液压系统进行了详细的研究。

第一章，介绍挖掘机的概况、国内外挖掘机技术及行业发展、分类以及工作工况，然后又介绍了液压系统的概况。

第二章介绍了系统液压泵，主要介绍了泵功率的调节及泵的变量分析。

第三章、第四章分别对回转系统和行走系统的工作原理及细部动作原理进行分析。

第五章，对挖掘机液压系统进行了工作总结。

关键词：

挖掘机，液压系统，变量分析，工作原理

Abstract

Singlebuckethydraulicexcavatoras忽略pletedearthworkexcavationofmainconstructionequipment,hasbeenwidelyusedinindustrialandcivilconstruction,transportation,waterconservancyandelectricpowerengineering,mineexploitationandmilitaryengineeringmechanizedconstruction.Currentexcavatorproductiontolarge-scale,miniaturization,mutifunctionchange,specialchangeandthedirectionofautomationdevelopment.Thehydraulicsysteminexcavatorindustryplaysanimportantrolein.ThebookdeSC330typehydraulicsystemarestudiedindetail.Thefirstchapter,introductionofexcavatorexcavatortechnologyathomeandabroad,andindustrydevelopment,theclassificationaswellastheworkingcondition,andthenintroducedthegeneralsituationofhydraulicsystem.Thesecondchapterintroducesthesystemofhydraulicpump,mainlyintroducedthepumppowerregulationandpumpvariableanalysis.Thethirdchapter,thefourthchapterofrotarysystemandtheoperatingsystem'sprincipleofworkandthedetailoperationprincipleanarysis.Thefifthchapter,thefulltextofasummaryofthework.

Keywords:

Excavator,Hydraulicsystem,Multivariateanalysis,Workingprinciple

1.4.1液压系统的发展概况7

1.4.2液压系统的介绍7

3.3主阀各工作机能分析26

4.3细部动作原理分析34

5行走系统分析37

6总结分析44

前言

我国的挖掘机起步比较晚，新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪30～40年代W501、W502、W1001、W1002等型号的机械式单斗挖掘机为主，开始了中国挖掘机的生产历史。

到目前，江苏常州、江苏徐州、山东济宁、山东临沂、湖南长沙将成为国内挖掘机主要的产业聚集地。

可改革开放以来，随着中国机械市场的对外开放，越来越多的工程机械进入中国，对中国的机械市场面对的极大的冲击。

长期以来，国内挖掘机生产企业尚未掌握关键部件的核心技术，必须依赖进口。

国内自主品牌一直维持在较低水平上。

国内大中型挖掘机市场，韩、日、欧美等外资企业及合资企业的产品占据了90%的市场份额,其在中国的生产也形成系列化，对国内挖掘机的发展形成了巨大的挑战。

挖掘机作为土方工程施工中的主要施工机械，可单独进行挖土或配合运输工具（自卸汽车等）在工程量较大而运输又较远的工地作挖运土方的的作业。

而单斗液压挖掘机作为完成土石方开挖的主要施工机械设备，已广泛用于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山开掘以及军事工程等机械化施工中。

对于减轻工人繁重的体力劳动，提高机械化施工水平，加快施工进度，保证施工质量都具有很重要的作用。

挖掘机与液压传动紧密的联系在一起，其发展主要是以液压技术的应用为基础。

力士德SC330挖掘机的液压系统主要由以下回路组成：

变量泵总功率调节回路、比例减压阀式先导操纵控制回路、回转回路、行走回路、动臂回路、斗杆回路及铲斗回路。

由于挖掘机的工作环境恶劣，要求实现的动作复杂，于是它对液压系统的设计提出了更高的要求。

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液压挖掘机发展的一个重要环节。

我针对力士德SC330机型单斗液压挖掘机的液压系统进行了详细的分析。

主要有主泵的变量分析及先导泵分析、主阀涉及到的控制功能分析、回转系统和行走系统的工作原理及细部动作原理。

山东交通学院工程机械研究所所使用的《液压挖掘机技术手册》教材只是针对国内外挖掘机的液压系统的结构与原理以及电气系统和发动机进行概述，并未与国外的挖掘机进行比较，无法了解到各自的优劣。

但就现在形势而言，国内挖掘机与国外挖掘机相比存在比较大的差距。

国内挖掘机要有大的发展仍需要比较长的时间。

1.绪论

1.1挖掘机概述

1.1.1挖掘机的简介[1]

工程机械是工程施工所用的机械设备的统称，广泛用于建筑工程、道路交通、矿山等行业。

工程机械大致可分为：

挖掘机械、铲土运输机械、工程起重机械、机动工业车辆、压实机械、路面机械、桩工机械、混泥土机械、钢筋加工机械、军用工程机械、凿岩机械与气动工具的类型。

挖掘机作为土方工程施工中的主要施工机械，可单独进行挖土或配合运输工具（自卸汽车等）在工程量较大而运输又较远的工地作挖运土方的的作业，当运距超过1000m以上而不宜使用铲运机工作时，使用挖掘机最为合适。

单斗液压挖掘机作为完成土石方开挖的主要施工机械设备，已广泛用于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山开掘以及军事工程等机械化施工中。

对于减轻工人繁重的体力劳动，提高机械化施工水平，加快施工进度，保证施工质量都具有很重要的作用。

全回转式单斗液压挖掘机总体结构组成如下图所示：

图1.1挖掘机总体结构组成

Fig1.1Excavatoroverallstructure

1.1.2国内挖掘机技术及行业发展

⑴国内挖掘机的发展状况

我国的挖掘机起步比较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m³机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。

新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪30～40年代W501、W502、W1001、W1002等型号的机械式单斗挖掘机为主，开始了中国挖掘机的生产历史。

由于当时国家经济建设的需要，先后建立起了十几家挖掘机生产厂。

1967年开始，中国自主研制液压挖掘机。

早期开发成功的产品主要由上海建筑机械厂的WY100型、贵阳矿山机械厂的W4-60型、合肥矿山机械厂的WY60型挖掘机等。

随后又出现了长江挖掘机厂的WY160型和贵州重型机械厂的WY250挖掘机等。

它们为中国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。

到20世纪80年代末，我国的挖掘机厂已有30多家，生产机型大40余种。

中、小型的挖掘机已形成系列，斗容有0.1～2.5m³不等12个等级、20多种型号，还生产0.5～4m³以及大型矿用的10m³、12m³机械传动单斗挖掘机，1m³隧道挖掘机，4m³长臂挖掘机，还开发了斗容量0.25m³船用液压挖掘机，0.4m³、0.6m³、0.8m³水陆两用挖掘机等。

但总的来说，中国生产的挖掘机批量小、分散，生产工艺与产品质量等与世界先进水平相比还有很大差距。

改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进中国挖掘机行业的发展。

其中贵州矿山机械厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机械厂、长江挖掘机厂分别引进德国利勃海尔（Liebherr）公司的A192、R912、R942、A922、R922、R962、R972、R982液压挖掘机制造技术。

稍后几年，杭州重型机械厂引进德国德玛克（Demag）公司H55和H85型液压挖掘机制造技术。

北京建筑机械厂引进德国奥加凯（O＆K）公司的RH6和MH6型液压挖掘机制造技术。

与此同时，还有山东推土机总厂（其挖掘机生产基地改名为山重建基有限公司，包括STRONG和JCM两个品牌）、黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进日本小松制作所的PC100、PC120、PC200、PC220、PC300、PC400型（除发动机外）液压挖掘机全套制造技术。

这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机的性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平，产量也逐年提高。

由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了其他一些机械行业的制造厂加入到液压挖掘机的行列。

⑵国内挖掘机的现状分析

①.我国挖掘机制造行业自主开发能力不足，部分元件依然依赖进口。

国内挖掘机生产企业尚未掌握关键部件的核心技术，必须依赖进口。

国内自主品牌一直维持在较低水平上。

长期以来，国内大中型挖掘机市场，韩、日、欧美等外资企业及合资企业的产品占据了90%的市场份额。

②.国产挖掘机产品结构单一、知名度较低。

与斗山、卡特、沃尔沃等国外知名挖掘机生产企业相比，我国自主品牌的挖掘机的品种相对较少，适应买方市场的能力较低。

③.缺少在国际市场叫的响的国际品牌。

国内自主品牌的挖掘机主要集中在柳工、徐工等少数几家企业。

未来几年的中国挖掘机市场，外资品牌还将占有大部分的市场份额。

⑶国内挖掘机的发展趋势

①.行业整合：

行业洗牌在即，行业的整合成为必然，行业集中度将进一步提高，为了实现生产、销售和服务的规模效应，生产厂家的数量将由目前的40家整合到不足20家。

②.产业族群：

全国挖掘机零配件配套体系将进一步形成，族群效应凸显。

（江苏常州、江苏徐州、山东济宁、山东临沂、湖南长沙将成为主要的产业聚集地）

③.销售模式：

挖掘机租赁成为主要模式，未来几年，全国将出现大量拥有100台以上挖掘机的租赁业企业。

④.绿色环保：

节能、高效、低排量、舒适度高等将成为未来客户关注的焦点。

⑤.竞争加剧：

国际国内工程机械巨头巨资进入挖掘机领域，参与竞争；市场上的主要竞争对手都在扩大产能，例如徐州卡特、成都神钢、三一重工等。

1.1.3国外挖掘机技术及行业发展

⑴国外挖掘机的发展状况

　　工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容量3.5-40m3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50-150m3的剥离用挖掘机，斗容量132m3的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯一伊利）公司生产的斗容量168.2m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m3的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。

⑵国外挖掘机的现状分析

国外挖掘机总的发展趋势是围绕提高可靠性和效率、降低成本为核心，继续向大型化发展的同时向微型化发展；着眼于动力、传动系统改进以达到高效节能，应用范围不断扩大，实现标准化、组件化以提高零部件和整机的可靠性；由于微电子技术的应用，使其自动化、机电一体化和智能化的进程加快；为适应使用条件，不仅可以提供柴油机也可提供电力动力；延长维修周期、加快维修进度和降低维修费用；提高机械作业性能，降低震动和噪声，消除公害，更好的设计和装备驾驶室。

国外挖掘机企业凭借自己技术优势不断扩大产品的输出，在国内市场上占有绝对优势，在相当长的时间内，国外挖掘机企业将一直处于主导地位。

⑶国外挖掘机的发展趋势

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。

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。

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。

　④更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。

⑤加强对驾驶员的劳动保护，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。

⑦迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。

⑧更注重环境保护，CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。

1.2挖掘机的分类[1]

挖掘机根据作业的不同有回转作业式和连续作业式两种基本形式，前一种形式的工作装置是单斗，称为单斗挖掘机；后一种形式的工作装置是多斗，称为多斗挖掘机。

单斗挖掘机根据工作装置动力传动形式，又分为机械式和液压式两类。

在道路及建筑工程中大多采用单斗挖掘机，而且大多数为中小型单斗液压挖掘机。

挖掘机可按用途及主要装置的特征分类

⑴按用途分为通用型和专用型，一般中小型挖掘机均为通用型，即以挖掘土壤容重为18KN/m3的标准反铲铲斗为主要工作装置，此外还配合有适合于挖掘各种轻重土质和挖掘幅度的反铲、正铲、抓斗、起重等多种可更换工作装置。

而大型液压挖掘机以矿用正铲铲斗为主要工作装置，用于矿山采掘和装载作业。

用于隧道等专门作业的挖掘机则称为专用型。

⑵按工作装置的特点，单斗液压挖掘机可分为正铲、反铲、抓斗、装载以及起重等多种。

⑶按行走装置，单斗液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式等。

履带式单斗液压挖掘机因具有良好的通过性能，应用最广。

轮式挖掘机具有行走速度快，机动性好，可在城市街道上行驶等特点，中小挖掘机大都亦采用。

汽车式、悬挂式是以汽车及拖拉机为基础机械装设挖掘装置的小型液压挖掘机，适用于小量分散的土方工程。

⑷按工作装置回转的角度

按工作装置回转的角度，单斗液压挖掘机可分为全回转式挖掘机和半回转式挖掘机。

全回转式的工作装置可作360°回转，其功能好，被广泛的采用。

小型挖掘机的工作装置仅能作180°左右的转动，为半回转式。

⑸按主要机构是否全部采用液压传动

按主要机构是否全部采用液压传动，单斗液压挖掘机可分为全液压式挖掘机和半液压式挖掘机。

⑹按铲斗的容积

按铲斗的容积，单斗液压挖掘机可分为小型（斗容量<0.75m3）、中型（斗容量<0.75～4m3）、大型（斗容量>4m3）三类。

1.3挖掘机的工作循环[1]

图1.2挖掘机工作循环

Fig.1.2Excavatorworkingcycle

1.铲斗2.抖杆3动臂

以履带式单斗液压挖掘机（反铲工作装置）为例，其工作循环主要包括：

挖掘工况——通常以斗杆液压缸2和铲斗液压缸1的伸缩来驱动斗杆和铲斗的转动来进行挖掘。

有时还需动臂液压缸3的伸缩来驱动动臂转动配合，以保证铲斗按特定的轨迹运动。

满斗回装工况——挖掘结束，动臂液压缸3伸出使动臂提升，与此同时回转马达旋转，驱动转台回转到卸土处卸土。

卸载工况——当回转到卸载处时，回转停止。

通过动臂液压缸3和斗杆液压缸2的配合使得铲斗对准卸土位置，对准后铲斗液压缸1收缩，使铲斗向上翻转卸土。

返回工况——卸载结束，转台反转，配以动臂和斗杆的复合动作，将空斗返回到新的挖掘位置，开始第二个循环动作。

1.4液压系统的概述

1.4.1液压系统发展概况[2]

早期的液压传动以水作为传动介质，近代液压传动是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油推动起来的。

最早实践成功用油代替水作为传动介质的液压传动装置是1906年应用于舰艇上的炮塔转位器，其后才出现了液压转塔车床和磨床由于缺乏成熟的液压元件，一些通用机床到20世纪30年代才用上了液压传动。

第二次世界大战期间，在一些兵器上用上了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，它大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。

战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制定和完善，各类元件的标准化、规格化、系列化在机械制造、工程机械、农用机械、汽车制造等等行业中推广开来。

20世纪60年代后，原子能技术、空间技术、计算机技术、微电子技术等的发展再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，使它在国民经济的各个方面都得到了应用。

当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、低噪声、经久耐用、高度集成化、微型化、智能化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上也有许多新成就。

力士德SC330挖掘机的液压系统主要包括以下回路组成：

变量泵总功率调节回路、比例减压阀式先导操纵控制回路、回转回路、行走回路、动臂回路、斗杆回路及铲斗回路。

常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。

因此又可以将单斗液压挖掘机概括成工作装置、上部转台和行走机构等部分组成。

1.4.2液压系统简介

⑴液压系统的组成及作用

①动力元件——液压泵

将原动机输入的机械能转换为液体压力能，作为系统供油能源装置。

②执行元件——液压缸（或马达）

将流体压力能转换为机械能，而对负载作功。

③控制调节元件

用以控制流体的压力、方向和流量，以保证执行元件完成预期的工作任务。

④辅助元件

创造必要条件，保证系统正常工作。

⑤工作介质

作为传递运动和动力的介质。

⑵液压系统中的能量转换

⑶液压传动系统的图形符号

图1.3液压系统图形符号

Fig.1.3Hydraulicsystemgraphicsymbol

1.油箱2.过滤器3.液压泵4.溢流阀5.节流阀6.换向阀7.液压缸8.工作台

⑷液压传动的应用[2]

表1.1液压传动的应用

Table1.1Hydraulicdriveapplication

行业名称

应用场所举例

工程机械

挖掘机、装载机、推土机、压路机、铲运机等

起重运输机械

汽车吊、港口龙门吊、叉车、装卸机械、皮带运输机等

矿山机械

凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、提升机、液压支架等

建筑机械

打桩机、液压千斤顶、平地机等

农业机械

联合收割机、拖拉机、农具悬挂系统等

冶金机械

电炉炉顶及电极升降机、轧钢机、压力机等

轻工机械

打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等

汽车行业

自卸式汽车、平板车、高空作业车、汽车中的转向器、减振器等

智能机械

折臂式小汽车装卸器、数字式体育锻炼机、模拟驾驶舱、机器人等

五．液压传动的优缺点

1.优点：

⑴体积小，输出力大且调节容易；

⑵执行元件运动平稳；

⑶易于实现过载保护；

⑷速度调节容易且调速范围大；

⑸易于实现自动化。

2.缺点

⑴不能保证严格的传动比；

⑵液压系统能量损失较大；

⑶液压系统工作的稳定性易受温度的影响；

⑷为减小泄漏损失，元件的加工精度要求较高；

⑸液压系统出现故障的原因复杂，查找困难。

2.系统液压泵

力士德SC330挖掘机的泵包括两个串联的主变量泵（前泵和后泵）和一个先导泵。

该主泵是由两个单泵串联而成，泵通过花键轴与发动机飞轮输出端花键套相联，其中靠近发动机一侧的称为前泵，远离发动机的称为后泵。

主泵吸收发动机传来的机械旋转能量，变为液压能量以高压油的形式输出出去，来驱动液压油缸和液压马达的工作。

先导泵是用来提供先导系统压力的。

2.1先导控制

2.1.1先导泵

⑴概述

该先导油泵为为单级齿轮泵，安装在主泵的后端，作用是提供先导系统压力，设定先导压力为3.2Mpa。

⑵工作原理

先导泵的工作原理图（如下图所示）：

图2.1先导泵工作原理图

Fig.2.1Pilotpumpworkingprinciplediagram

如图2.1所示，一对相互啮合的齿轮，通过两齿轮的齿顶、中间啮合线和齿轮两端面，把泵体和泵盖围成的空间分成互不相通的吸油腔和压油腔。

当齿轮按箭头方向旋转时，处于吸油腔的一对对轮齿连续退出啮合，使该腔容积变大形成一定的真空度，油箱的油在大气压力的作用下进入吸油腔。

而处于排油腔的一对对轮齿则同时连续进入啮合，使排油腔容积不断减小，油液便被挤出进入高压管路。

这样不断地往复循环源源不断的向液压系统供给液压油，保证系统的正常运行。

2.1.2先导系统

⑴先导系统的结构

图2.2先导系统的结构

Fig.2.2Guidesystemstructure

由图2.2可知，先导泵供油，从先导泵输出的压力油（主路上设有溢流阀，调定压力为3.2MPa）经过滤清器，一路经全车安全电磁阀并联入3个先导操纵阀中，左操纵手柄控制斗杆和回转液压回路，右操纵手柄控制动臂和铲斗的液压回路，行走操纵阀有两个手柄进行操纵，每个手柄有前后两个位置，分别控制左右行走液压回路；一路则通过行走切换电磁阀来控制挖掘机行走速度的改变；一路则通过挖掘加力电磁阀作用于主溢流阀上，当按下此按钮后，主油路上的主溢流阀的调定压力由一级调定压力31.4Mpa变为二级调定压力34.3Mpa，短时间内提高液压系统的安全阀压力，时间持续5～8s左右；一路则通过主阀的PG口，经过两个Φ0.7的节流器,当各阀处于中位时泄油（左右端出口油压近似为0），当各阀有动作时，阀口关闭，左端先导节流器的油口被堵死，配合右端节流口后控制直线行走换向阀的换位，以实现挖机的直线行走功能。

⑵电磁阀

先导系统中的电磁阀（如下图所示）：

图2.3电磁阀

Fig.2.3Solenoidvalves

A1是挖掘加力电磁阀，未通电时此阀回油，接通电路时，短时间内提高液压系统的安全阀设定压力，重载挖掘，时间持续5～8s左右。

当挖掘过程中遇到大的石块或树根时可以使用这个功能。

此外先导油压经滤清器、节流器，通过梭阀作用于主溢流阀上，也起到了挖掘加力的作用。

A2是行走切换电磁阀，不接通电磁阀为低速行走，接通电磁阀为高速行走。

A3是全车安全锁定阀，不接通电路时此阀回油，各操纵机构无动作，开车时，全车安全锁定阀打开，通过先导操纵阀，来控制系统的工作。

2.2主泵系统

2.2.1调节器

⑴调节器的作用

调节器是用来调节主泵的排量，通过主泵负荷压力P1+P2的变化作用于功率控制活塞上或是通过先导油压作用于负流量功率控制活塞上，继而通过改变伺服活塞内活塞杆的移动来改变斜盘倾角，最终改变了主泵的排量。

⑵工作原理

主变量泵是通过调节器控制伺服活塞，继而斜盘角度来控制泵向系统的供油量。

调节器的工作原理（