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液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng) Hirokazu Araya ,Masayuki Kagoshima 日本機(jī)械工程研究實(shí)驗(yàn)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(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)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(jī)。構(gòu)造出了具有控制器的液壓挖掘機(jī)的精確數(shù)學(xué)控制模型，同時(shí)通過模擬實(shí)驗(yàn)研發(fā)出了其控制算法，并將其應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)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(bǔ)償、狀態(tài)反饋和增益調(diào)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(quán)所有 關(guān)鍵詞：施工機(jī)械；液壓挖掘機(jī)；前饋；狀態(tài)反饋；操作 1．引言 液壓挖掘機(jī)，被稱為大型鉸接式機(jī)器人，是一種施工機(jī)械。采用這種機(jī)器進(jìn)行挖掘和裝載操作，要求司機(jī)要具備高水平的操作技能，即便是熟練的司機(jī)也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的疲勞。另一方面，隨著操作者年齡增大，熟練司機(jī)的數(shù)量因而也將會(huì)減少。開發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機(jī)就非常必要了[1-5]。 液壓挖掘機(jī)之所以要求較高的操作技能，其理由如下。 1.液壓挖掘機(jī)的操作，至少有兩個(gè)操作手柄必須同時(shí)操作并且要協(xié)調(diào)好。 2.操作手柄的動(dòng)作方向與其所控的臂桿組件的運(yùn)動(dòng)方向不同。 例如，液壓挖掘機(jī)的反鏟水平動(dòng)作，必須同時(shí)操控三個(gè)操作手柄（動(dòng)臂，斗柄，鏟斗）使鏟斗的頂部沿著水平面（圖1）運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的動(dòng)作方向，但是這種方向與工作方向不同。 如果司機(jī)只要操控一個(gè)操作桿，而其它自由桿臂自動(dòng)的隨動(dòng)動(dòng)作，操作就變得非常簡(jiǎn)單。這就是所謂的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。 開發(fā)這種半自動(dòng)控制系統(tǒng)，必須解決以下兩個(gè)技術(shù)難題。 1. 自動(dòng)控制系統(tǒng)必須采用普通的控制閥。 2. 液壓挖掘機(jī)必須補(bǔ)償其動(dòng)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(shù)問題，通過在實(shí)際的液壓挖掘機(jī)上試驗(yàn)證實(shí)了該控制算法的作用。而且我們已采用這種控制算法，設(shè)計(jì)出了液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。具體闡述如下。 2．液壓挖掘機(jī)的模型 為了研究液壓挖掘機(jī)的控制算法,必須分析液壓挖掘機(jī)的數(shù)學(xué)模型。液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗柄、鏟斗都是由液壓力驅(qū)動(dòng)，其模型如圖2所示。模型的具體描述如下。 2.1 動(dòng)態(tài)模型[6] 假定每一臂桿組件都是剛體，由拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程可得以下表達(dá)式： 其中 g是重力加速度；θi鉸接點(diǎn)角度；τi是提供的扭矩；li組件的長(zhǎng)度；lgi轉(zhuǎn)軸中心到重心之距；mi組件的質(zhì)量；Ii是重心處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(下標(biāo)i=1-3;依次表示動(dòng)臂，斗柄，鏟斗)。 2.2 挖掘機(jī)模型 每一臂桿組件都是由液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸的流量是滑閥控制的，如圖3所示?？勺魅缦录僭O(shè)： 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(shí)無壓力損失。 4.液壓缸的頂部與桿的兩側(cè)同樣都是有效區(qū)域。 在這個(gè)問題上，對(duì)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(dāng) 時(shí)； 其中，Ai是液壓缸的有效橫截面積;hi是液壓缸的長(zhǎng)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(guān)系 在圖1所示模型中，液壓缸長(zhǎng)度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下： (1)動(dòng)臂 (2)斗柄 (3)鏟斗 當(dāng) 時(shí)， 2.4 扭矩關(guān)系 從2.3節(jié)的連桿關(guān)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(dòng)摩擦力。 2.5 滑閥的反應(yīng)特性 滑閥動(dòng)作對(duì)液壓挖掘機(jī)的控制特性產(chǎn)生會(huì)很大的影響。因而，假定滑閥相對(duì)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(shí)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(dòng)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(bǔ)償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。以下詳細(xì)討論其控制算法。 3.1 非線性補(bǔ)償 在普通的自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)自控與手控的協(xié)調(diào)，必須使用手動(dòng)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(guān)系。因此，自動(dòng)控制操作中，利用這種關(guān)系，閥芯位移可由所要求的閥的開度反推出來。同時(shí)，非線性是可以補(bǔ)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(chǔ)上，若動(dòng)臂角度控制動(dòng)態(tài)特性以一定的標(biāo)準(zhǔn)位置逼近而線性化（滑芯位移X 10，液壓缸壓力差P 110，動(dòng)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(yīng)是不穩(wěn)定的。例如，大型液壓挖掘機(jī)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(gè)因素,系數(shù)S 就變大，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定?？梢?，利用加速度反饋來提高反應(yīng)特性效果明顯。 但是，一般很難精確的測(cè)出加速度。為了避免這個(gè)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(cè)出的缸內(nèi)的壓力計(jì)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(dāng)一聯(lián)軸器是手動(dòng)操控，而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動(dòng)作控制時(shí)，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(dòng)作控制中，動(dòng)臂的控制是通過保持斗柄底部Z（由θ1與θ2計(jì)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(jì)算Z，可以得到 將方程（8）兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到以下關(guān)系式， 右邊第一個(gè)式子看作是表達(dá)式（反饋部分）將 替換成 1，右邊第二個(gè)式子是表達(dá)式（前饋部分）計(jì)算當(dāng)θ2手動(dòng)地改變時(shí)，θ1的改變量。 實(shí)際上，用不同的△θ2值可確定 1。通過調(diào)整改變前饋增益Kff，可實(shí)現(xiàn)最佳的前饋率。 采用測(cè)量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代測(cè)斗柄的角速度，因?yàn)轵?qū)動(dòng)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(yīng)增益調(diào)度 類似液壓挖掘機(jī)的鉸接式機(jī)器人，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)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(jī)器是困難的。為了解決這個(gè)難題，根據(jù)位置的自適應(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中（圖6）。如圖7所示，自適應(yīng)放大系數(shù)（KZ或Kθ）作為函數(shù)的兩個(gè)變量， 2和Z 、 2表示斗柄的伸長(zhǎng)量，Z是表示鏟斗的高度。 5 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論 反鏟水平動(dòng)作控制的模擬實(shí)驗(yàn)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(jī)的模型上。（在SK-16大型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。）圖8表示其中一組結(jié)果?？刂葡到y(tǒng)啟動(dòng)5秒以后，逐步加載擾動(dòng)。圖9表示使用前饋控制能減少控制錯(cuò)誤的產(chǎn)生. 6 半自動(dòng)控制系統(tǒng) 建立在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，半自動(dòng)控制系統(tǒng)已制造出來，應(yīng)用在SK-16型挖掘機(jī)上試驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可驗(yàn)證其操作性。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。 6.1 結(jié)構(gòu) 圖10的例子中，控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機(jī)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(dòng)臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號(hào)，控制每一操作手柄的位置，選擇相應(yīng)的控制模式和計(jì)算其實(shí)際改變量，將來自放大器的信號(hào)以電信號(hào)形式輸出結(jié)果。液壓控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生的液壓力與電磁比例閥的電信號(hào)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(hào)。 以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲(chǔ)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(guān)自動(dòng)切換。其具體功能如下。 （1）反鏟水平動(dòng)作模式：用水平反鏟切換開關(guān)，在手控斗柄推動(dòng)操作中，系統(tǒng)自動(dòng)的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，當(dāng)斗柄操作桿開始操控時(shí)，其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。對(duì)動(dòng)臂操作桿的手控操作能暫時(shí)中斷自動(dòng)控制，因?yàn)槭挚夭僮鞯膬?yōu)先級(jí)高于自動(dòng)控制。 （2）鏟斗水平舉升模式：用鏟斗水平舉升切換開關(guān)，在手控動(dòng)臂舉升操作中，系統(tǒng)自動(dòng)控制鏟斗。保持鏟斗角度等于其剛開始舉升時(shí)角度以阻止原材料從鏟斗中泄漏。 （3）手控操作模式：當(dāng)既沒有選擇反鏟水平動(dòng)作模式，也沒有選擇鏟斗水平舉升模式時(shí)，動(dòng)臂，斗柄，鏟斗都只能通過手動(dòng)操作。 系統(tǒng)主要采用C語言編程來實(shí)現(xiàn)這些功能，以構(gòu)建穩(wěn)定模組提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。 7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析 通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)該系統(tǒng)能準(zhǔn)確工作。核實(shí)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(gè)組件的自動(dòng)控制測(cè)試 對(duì)于動(dòng)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(cè)量其反應(yīng)，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(bǔ)償?shù)淖饔? 圖11 表明動(dòng)臂下降時(shí)的測(cè)試結(jié)果。因?yàn)殡娨合到y(tǒng)存在不靈敏區(qū)，當(dāng)只有簡(jiǎn)單的位置反饋而無補(bǔ)償時(shí)（圖11中的關(guān)）穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤仍然存在。加入非線性補(bǔ)償后（圖11中的開）能減少這種錯(cuò)誤的產(chǎn)生。 7.1.2 狀態(tài)反饋控制的作用 對(duì)于斗柄和鏟斗，只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應(yīng)，但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度。以動(dòng)臂為例，僅只有位置反饋時(shí)，響應(yīng)趨向不穩(wěn)定。加入加速度或壓力反饋后，響應(yīng)的穩(wěn)定性得到改進(jìn)。例如，圖12表示動(dòng)臂下降時(shí)，采用壓力反饋補(bǔ)償時(shí)的測(cè)試結(jié)果。 7.2 反鏟水平控制測(cè)試 在不同的控制和操作位置下進(jìn)行控制測(cè)驗(yàn)，觀察其控制特性，同時(shí)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(cuò)誤，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)延時(shí)，例如圖13所示的“關(guān)”，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(cuò)誤而不致于增大Kp。如圖示的“開”。 7.2.2 位置的補(bǔ)償作用 當(dāng)反鏟處在上升位置或者反鏟動(dòng)作完成時(shí)，反鏟水平動(dòng)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(shí)水平動(dòng)作結(jié)果。與不裝補(bǔ)償裝置的情況相比較，圖中的關(guān)表示不裝時(shí)，開的情況具有補(bǔ)償提供穩(wěn)定響應(yīng)。 7.2.3 控制間隔的作用 關(guān)于控制操作的控制間隔的作用，研究結(jié)果如下： 1.當(dāng)控制間隔設(shè)置在超過100ms時(shí)，不穩(wěn)定振蕩因運(yùn)動(dòng)的慣性隨位置而加劇。 2.當(dāng)控制間隔低于50ms時(shí)，其控制操作不能作如此大提高。 因此，考慮到計(jì)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(jī)執(zhí)行實(shí)際挖掘動(dòng)作，以研究其受載時(shí)的影響。在控制精度方面沒 有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時(shí)有很大的不同。 8 結(jié)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(jī)成為可能。同時(shí)也證實(shí)了非線性補(bǔ)償能使普通控制閥應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中。因而應(yīng)用這些控制技術(shù)，允許即使是不熟練的司機(jī)也能容易和精確地操控液壓挖掘機(jī)。 將這些控制技術(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機(jī)器上，如履帶式起重機(jī)，能使普通結(jié)構(gòu)的機(jī)器改進(jìn)成為可讓任何人容易操控的機(jī)器。 參考文獻(xiàn) [1] J. Chiba, T. Takeda, Automatic control in construction machines, Journal of SICE 21 8 1982 40–46. [2] H. Nakamura, A. Matsuzaki, Automation in construction machinery, Hitachi Review 57 3 1975 55–62. [3] T. Nakano et al., Development of large hydraulic excavator,. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 22 2 1985 42–51. [4] T. Morita, Y. Sakawa, Modeling and control of power shovel, Transactions of SICE 22 1 1986 69–75. [5] H. Araya et al., Automatic control system for hydraulic excavator, R&D Kobe Steel Engineering Reports 37 2 1987 74–78. [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 1–8. [8] H.B. Kuntze et al., On the model-based control of a hydraulic large range robot, IFAC Robot Control 1991 207–212. 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 系： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 車輛工程 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 設(shè)計(jì)(論文)題目： 起 迄 日 期: 2012年 1 月 10 日 ~ 5 月 10 日 設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn): 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 專業(yè)負(fù)責(zé)人: 發(fā)任務(wù)書日期: 2013 年 1 月 8 日  任務(wù)書填寫要求 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負(fù)責(zé)人審查、系領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生； 2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)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(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及系主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫； 4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“系”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號(hào)”要寫全號(hào)； 5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫，應(yīng)按照國(guó)標(biāo)GB 7714—2005《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性； 6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2008年3月15日”或“2008-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 1.24號(hào)交貨 20號(hào)給點(diǎn)說明書給學(xué)生中期檢查 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 選題結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，完成履帶式小型挖掘機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，課題所涉及到的工程技術(shù)問題，具有一定的通用性和實(shí)用性。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)能讓學(xué)生系統(tǒng)掌握主液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生基本理論分析和解決工程實(shí)際問題的能力。，拓寬知識(shí)面，提高綜合運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)，解決工程設(shè)計(jì)問題的能力。 2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 課題內(nèi)容： 設(shè)計(jì)一個(gè)小型挖掘機(jī)的總體設(shè)計(jì)，挖掘機(jī)選用履帶式挖掘機(jī)。通過產(chǎn)品發(fā)展概況的了解，選擇確定液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法，行走控制方法以及液壓系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)選型以及相關(guān)參數(shù)校核，得到液壓回路圖紙，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的撰寫。 技術(shù)要求： 1．履帶式；2. 兩個(gè)液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)履帶行走；3. 液壓制動(dòng)系統(tǒng)；4.工作裝置液壓控制；5.剛性機(jī)架；6.剛性懸掛；7.有轉(zhuǎn)臺(tái)。 主要性能參數(shù)： 發(fā)動(dòng)機(jī)功率 kw ≈20 最大爬坡角 30° 整機(jī)質(zhì)量 kg ≈1800 最高行駛速度km/h 4.5 整機(jī)寬度mm ≈1800 整機(jī)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(zhǎng)度mm ≈1800 履帶寬度mm 300~400 上車回轉(zhuǎn)速度rpm 10 推土鏟尺寸（長(zhǎng)×高）mm 1800×330 工作要求： 1. 開題報(bào)告字?jǐn)?shù)不小于2000字，外文翻譯不少于10000個(gè)印刷符（譯成中文不少于3000漢字），完成的翻譯稿要求段落內(nèi)容連續(xù)完整。 2. 進(jìn)行行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的選擇、論證和計(jì)算。 3. 對(duì)系統(tǒng)的組件進(jìn)行匹配計(jì)算與選型設(shè)計(jì)。 4. 整理設(shè)計(jì)文檔資料，給出系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)方案圖紙，要求計(jì)算機(jī)出圖。 5. 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書字?jǐn)?shù)不少于10000字，所有文檔資料要做成電子檔。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕： （1）液壓挖掘機(jī)發(fā)展概況 （2）液壓驅(qū)動(dòng)方案選擇 （3）發(fā)動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì) （4）液壓系統(tǒng)參數(shù)匹配與校核 （5）液壓驅(qū)動(dòng)回路圖紙 4．主要參考文獻(xiàn)： [1] 趙坤. 全液壓平地機(jī)單泵雙馬達(dá)系統(tǒng)參數(shù)匹配與同步性研究 [D]. 西安; 長(zhǎng)安大學(xué), 2011. [2] 張永華. 輪式銑刨機(jī)雙速液壓底盤性能匹配研究 [D]. 西安; 長(zhǎng)安大學(xué), 2009. [3] 余亮. 瀝青混凝土攤鋪機(jī)行駛靜壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究 [D]. 西安; 長(zhǎng)安大學(xué), 2001. [4] 姚懷新. 工程車輛液壓動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵問題的理論研究與實(shí)驗(yàn)臺(tái)建設(shè) [D]. 西安; 長(zhǎng)安大學(xué), 2006. [5] 孫博. 拋丸養(yǎng)護(hù)車低速行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究 [D]. 西安; 長(zhǎng)安大學(xué), 2010. [6] 朱學(xué)超. 小功率全液壓推土機(jī)行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究 [D]; 長(zhǎng)安大學(xué), 2008. [7] 趙坤. 全液壓平地機(jī)單泵雙馬達(dá)系統(tǒng)參數(shù)匹配和同步性研究 [D]; 長(zhǎng)安大學(xué), 2011. [8] 張久林. 工程機(jī)械液壓行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及理論研究 [D]; 同濟(jì)大學(xué), 2007. [9] 袁江. 小功率全液壓平地機(jī)行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究 [D]; 長(zhǎng)安大學(xué), 2009. [10] 袁超峰. TLC450運(yùn)梁車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及行走液壓系統(tǒng)仿真分析 [D]; 燕山大學(xué), 2012. [11] 元萬榮. 滑移裝載機(jī)閉式行走系統(tǒng)研究 [D]; 吉林大學(xué), 2012. [12] 楊梅生. 采煤機(jī)液壓牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析 [D]; 安徽理工大學(xué), 2011. [13] 吳衛(wèi)國(guó). 50t輪胎式搬運(yùn)機(jī)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)和卷揚(yáng)液壓系統(tǒng)研究 [D]; 長(zhǎng)安大學(xué), 2008. [14] 魏艷. 船體分段轉(zhuǎn)運(yùn)車動(dòng)力與液壓系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件的研究 [D]; 武漢理工大學(xué), 2007. [15] 王月行. 拖式混凝土泵發(fā)動(dòng)機(jī)-泵功率匹配控制系統(tǒng)研究 [D]; 吉林大學(xué), 2005. [16] 宋海林. 泵控馬達(dá)靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析與研究 [D]; 吉林大學(xué), 2005. [17] 劉志敏. 智能型瀝青灑布車系統(tǒng)方案研究 [D]; 長(zhǎng)安大學(xué), 2005. [18] 范斌. 滑移裝載機(jī)行走閉式液壓系統(tǒng)研究 [D]; 吉林大學(xué), 2011. [19] 陳峰. 深海底采礦機(jī)器車運(yùn)動(dòng)建模與控制研究 [D]; 中南大學(xué), 2005. [20] 陳豐峰. 裝載機(jī)行駛液壓傳動(dòng)特性研究 [D]; 西安科技大學(xué), 2005. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 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(bào)告 完成調(diào)研、參數(shù)準(zhǔn)備 計(jì)算與設(shè)計(jì) 撰寫論文 論文答辯 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 系意見： 系領(lǐng)導(dǎo)： 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(jī)的簡(jiǎn)介 ..........................................................4 1.2 液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況 ..................................................5 1.2.1 國(guó)外液壓挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展趨勢(shì) ..................................7 1.2.2 國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況 ..........................................9 第二章 液壓挖掘機(jī)總體方案設(shè)計(jì) .............................................10 2.1 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理 .............................................10 2.1.1 液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能 ...............................................10 2.1.2 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu) ...................................................12 2.1.3 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)原理 ...............................................13 2.2 液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定 ...........................14 2.2.1 液壓挖掘機(jī)的工況 .................................................14 2.2.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 .........................................19 第三章 挖掘機(jī)行駛液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ...........................................20 3.1 底盤行駛液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .............................................20 3.2 液壓元件的選擇 .......................................................24 3.2.1 液壓泵的參數(shù)計(jì)算及選擇 ...........................................25 3.2.2 液壓馬達(dá)的計(jì)算與選擇 .............................................25 3.2.3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)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(jì)算 ...........................................33 3.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 .......................................................37 第四章 結(jié)論和展望 .........................................................38 4.1 結(jié)論 .................................................................38 4.2 展望 .................................................................38 參考文獻(xiàn) ..................................................................39 1 摘要 液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一個(gè)重要品種，是一種廣泛用于建筑、鐵路、公路、水利、 采礦等建設(shè)工程的土方機(jī)械。液壓挖掘機(jī)利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等） 帶動(dòng)各種構(gòu)件動(dòng)作，具有許多優(yōu)點(diǎn)，于是它對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，其液 壓系統(tǒng)也是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。因此，對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)對(duì)推 動(dòng)我國(guó)挖掘機(jī)發(fā)展具有十分重要的意義。 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)小型挖掘機(jī)的總體方案，挖掘機(jī)行走機(jī)構(gòu)選用履帶式。通過產(chǎn)品發(fā) 展概況的了解，選擇確定液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法，行走控制方法以及液壓系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)選型以及相關(guān)參數(shù)校 核，最后通過 AUTOCAD 繪制了液壓回路圖紙。 關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；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(jī)的簡(jiǎn)介 .................................................................................................................................................4 1.2 液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況 .................................................................................................................................5 1.2.1 國(guó)外液壓挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展趨勢(shì) ...................................................................................................7 1.2.2 國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況 ..................................................................................................................9 第二章 液壓挖掘機(jī)總體方案設(shè)計(jì) .................................................................................................................10 2.1 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理 ........................................................................................................................10 2.1.1 液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能 ............................................................................................................................10 2.1.2 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu) ....................................................................................................................................12 2.1.3 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)原理 ............................................................................................................................13 2.2 液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定 ....................................................................................14 2.2.1 液壓挖掘機(jī)的工況 ................................................................................................................................14 2.2.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 ................................................................................................................19 第三章 挖掘機(jī)行駛液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .............................................................................................................20 3.1 底盤行駛液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ........................................................................................................................20 3.2 液壓元件的選擇 ...........................................................................................................................................24 3.2.1 液壓泵的參數(shù)計(jì)算及選擇 ....................................................................................................................25 3.2.2 液壓馬達(dá)的計(jì)算與選擇 ........................................................................................................................25 3.2.3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)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(jì)算 ....................................................................................................................33 3.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 ...........................................................................................................................................37 第四章 結(jié)論和展望 ........................................................................................................................................38 4.1 結(jié)論 ...............................................................................................................................................................38 4.2 展望 ...............................................................................................................................................................38 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................................39 4 第一章 概 論 液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一個(gè)重要品種，是一種廣泛用于建筑、鐵路、公路、水利、 采礦等建設(shè)工程的突發(fā)機(jī)械。液壓挖掘機(jī)利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等） 帶動(dòng)各種構(gòu)件動(dòng)作，具有如下有點(diǎn)：功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；無級(jí)調(diào)速，調(diào)速 范圍大；啟動(dòng)性能好，能實(shí)現(xiàn)快速正反轉(zhuǎn)；布置靈活，基本不受總體結(jié)構(gòu)的限制；運(yùn)轉(zhuǎn) 平穩(wěn)，各種可靠，能自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)；有過載保護(hù)功能；容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作 簡(jiǎn)便省力等。因此，液壓挖掘機(jī)對(duì)于減輕工人繁重的體力勞動(dòng)，提高施工機(jī)械化水平， 加快施工進(jìn)度，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。 液壓挖掘機(jī)是在機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)的基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(jī)是一種周期作業(yè)的土方機(jī)械。 液壓挖掘機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)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(yīng)用，是各種土石施工中不可缺少的一種重要 機(jī)械設(shè)備。 1.1 挖掘機(jī)的簡(jiǎn)介 液壓挖掘機(jī)是一種多功能機(jī)械 [1]，目前被廣泛應(yīng)用于水利工程，交通運(yùn)輸，電力工 程和礦山采掘等機(jī)械施工中，它在減輕繁重的體力勞動(dòng)，保證工程質(zhì)量。加快建設(shè)速度 以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。根據(jù)建筑施工部門統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)斗量為 1.0m3的液壓挖掘機(jī)挖掘土壤時(shí)，每班生產(chǎn)率大約相當(dāng)３００～４００個(gè)工人一天的工 作量。因此，大力發(fā)展液壓挖掘機(jī)，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和加速國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重 要意義。由于液壓挖掘機(jī)具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點(diǎn)，因此受到了廣 大施工作業(yè)單位的青睞。液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。 挖掘機(jī)液壓傳動(dòng)緊密地聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)。由于挖 掘機(jī)的工作條件惡劣，要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作很復(fù)雜，于是它對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的 要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。因此，對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分 析設(shè)計(jì)已經(jīng)成為推動(dòng)挖掘機(jī)發(fā)展中的重要一環(huán)。 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 挖掘機(jī)由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置和液壓系統(tǒng)構(gòu)成。下面以輪式液壓挖掘機(jī) 為例來說明一下： 5 單斗液壓挖掘機(jī)是一種周期性作業(yè)的自行式土方機(jī)械，它采用液壓傳動(dòng)，由一個(gè)鏟 斗切削土裝入斗內(nèi)，然后提升裝滿土石的鏟斗，再回轉(zhuǎn)一定的角度進(jìn)行裝車，接下來空 當(dāng)斗回到原來的位置，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的挖掘，此外整機(jī)還要定期移位，使鏟斗能 在適當(dāng)位置上有效地作業(yè)，單斗挖掘機(jī)裝載，抓取起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清 溝等工作，挖掘機(jī)可分為提供動(dòng)力和基本動(dòng)作（行走回轉(zhuǎn)）的主機(jī)部分及進(jìn)行不同作業(yè) 的工作裝置部分，主機(jī)又可分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、工作裝置。 1、行走裝置 液壓挖掘機(jī)行走裝置的反力同時(shí)能使挖掘機(jī)作短距離行走，按結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、張緊 裝置、行走架液壓馬達(dá)、減速機(jī)等組成，液壓挖掘機(jī)的行走裝置采用液壓馬達(dá)、減速機(jī)、 驅(qū)動(dòng)輪，每條履帶有各自的液壓馬達(dá)和減速機(jī)，由于兩個(gè)液壓馬達(dá)可獨(dú)立操作，因此， 機(jī)器的左右履帶可以同步前進(jìn)后退，也可以通過一條履帶制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，還可以通過 兩條履帶相反方向驅(qū)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，操作十分簡(jiǎn)單。 2、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)支承，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置一般采用定量馬達(dá)，經(jīng)過回 轉(zhuǎn)減速機(jī)兩行星齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)齒圈相齒合而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，體 積小、效率高速比大，承載能力強(qiáng)，發(fā)熱量和功率損失小，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，回轉(zhuǎn)支承 一般采用的滾動(dòng)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(zhuǎn)支承。 3、工作裝置 工作裝置是液壓挖掘機(jī)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(jìn)行挖掘， 動(dòng)臂油缸主要用于調(diào)節(jié)切削角度，清除障礙以及挖掘結(jié)束時(shí)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(guān)閉也用了油缸。 4、液壓系統(tǒng) 液壓挖掘機(jī)的主要系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)有整機(jī)行走、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、動(dòng)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(jī)的液 壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗軅魉徒o 油缸、馬達(dá)等邊為機(jī)能，再傳動(dòng)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)。國(guó)家規(guī)定 8 噸以下的挖 掘機(jī)采用定量泵 [1]。 1.2 液壓挖掘機(jī)的發(fā)展概況 6 第一臺(tái)手動(dòng)挖掘機(jī)問世至今已有 130 多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動(dòng)斗回轉(zhuǎn)挖 掘機(jī)到電力驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)、應(yīng)用機(jī)電液一體化技術(shù)的全自動(dòng)液壓挖掘機(jī) 的逐步發(fā)展過程。挖掘機(jī)行業(yè)的發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，可以追溯到 1840 年。當(dāng)時(shí)美國(guó)西部開 發(fā)，進(jìn)行鐵路建設(shè)，產(chǎn)生了模仿人體構(gòu)造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機(jī) 械手的挖掘機(jī)，它采用蒸汽機(jī)作為動(dòng)力在軌道上行走。但是此后的很長(zhǎng)時(shí)間挖掘機(jī)沒有 得到很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。 導(dǎo)致挖掘機(jī)發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動(dòng)作復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)范圍大，需要采用 多自由度機(jī)構(gòu)，古老的機(jī)械傳動(dòng)對(duì)它不太適合。而且當(dāng)時(shí)的工程建設(shè)主要是國(guó)土開發(fā)， 大規(guī)模的筑路和整修場(chǎng)地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對(duì)挖掘機(jī)的應(yīng)用相對(duì)較少， 在一定程度上也限制了挖掘機(jī)的發(fā)展。 由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，二十世紀(jì)四十年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖 掘機(jī)。隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動(dòng)技術(shù)，挖掘機(jī)有了適合它的傳動(dòng) 裝置，為挖掘機(jī)的發(fā)展建立了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，是挖掘機(jī)技術(shù)上的一個(gè)飛躍 。同時(shí)， 工程建設(shè)和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進(jìn)行大規(guī)模國(guó)土開發(fā)的同時(shí)，也開始進(jìn)行城 市型土木施工，這樣，具有較長(zhǎng)的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉(zhuǎn)， 實(shí)現(xiàn)多自由動(dòng)作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機(jī)得到了廣泛應(yīng) 用。 自第一臺(tái)手動(dòng)挖掘機(jī)誕生以來的 160 多年當(dāng)中，挖掘機(jī)一直在不斷地飛躍發(fā)展，其 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相對(duì)成熟穩(wěn)定的階段。目前國(guó)際上迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，對(duì)其控制方 式不斷改進(jìn)和革新，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用 無線電操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的 完全自動(dòng)化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了良好的前 提。 據(jù)有關(guān)專家估算，全世界各種施工作業(yè)場(chǎng)約有 65%至 70%的土石方工程都是由挖掘 機(jī)完成的。挖掘機(jī)是一種萬能型工程機(jī)械，目前已經(jīng)無可爭(zhēng)議地成為工程機(jī)械的第一主 力機(jī)種，在世界工程機(jī)械市場(chǎng)上己占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴(kuò)大。挖掘機(jī)的發(fā)展主要以 液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，其液壓系統(tǒng)已成為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的主流形式。隨著科學(xué)技 術(shù)的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，液壓挖掘機(jī)需要大幅度的技術(shù)進(jìn)步，技術(shù)創(chuàng)新 是液壓挖掘機(jī)行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術(shù)方面，挖掘機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng) 7 設(shè)計(jì)，所以對(duì)其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義 [2]。 1.2.1 國(guó)外液壓挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展趨勢(shì) 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，法國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、日本是斗容量 3.5- 40m3單斗液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)，從 20 世紀(jì) 80 年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。例如， 美國(guó)馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量 50-150m3剝離用挖掘機(jī)，斗容量 132m3的步行式拉鏟挖掘 機(jī)；B-E（布比賽路斯-伊利）公司生產(chǎn)的斗容量 168.2m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)，斗容量 107m3的剝離用挖掘機(jī)等，是世界上目前最大的挖掘機(jī)。 從 20 世紀(jì)后期開始，國(guó)際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化 和自動(dòng)化的方向發(fā)展。 1)開發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)。為滿足市政建設(shè)和農(nóng)田建設(shè)的 需要，國(guó)外發(fā)展了斗容量在 0.25m3以下的微型挖掘機(jī)，最小的斗容量?jī)H在 0.01m3。另 外，數(shù)量最的的中、小型挖掘機(jī)趨向于一機(jī)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(shí)，發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī)，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘 機(jī)等。 2）迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)綜 合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激 光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化 為其奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了良好的前提。 3）重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。 例如，德國(guó)阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最 適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國(guó)林肯貝爾特公司新 C 系列 LS-5800 型液壓挖掘機(jī)安 裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。還安裝了 CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機(jī)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(chǎn)的 FJ 系列五種新型號(hào)挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)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(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗，并處長(zhǎng) 了零部件的使用壽命；德國(guó)奧加凱（O挖掘機(jī)是指在額定轉(zhuǎn)速下一小時(shí)以上的額定功率。 挖掘機(jī)采用車用柴油機(jī)時(shí)，最大功率指數(shù)降低。 2 機(jī)械系統(tǒng) 液壓挖掘機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)部分是完成挖掘機(jī)各項(xiàng)基本動(dòng)作的直接執(zhí)行者，主要包括: 行走裝置是整個(gè)機(jī)器的支撐部分，承受機(jī)器的全部重量和工作裝置的反力，同時(shí)能使挖 掘機(jī)作短途行駛.按照結(jié)構(gòu)的不同，分履帶式和輪胎式?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使挖掘機(jī)上車圍繞中 央回轉(zhuǎn)軸作 360 度的回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)裝置和回轉(zhuǎn)支撐。工作裝置是挖掘機(jī)完成實(shí) 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(jié)構(gòu)形式，前面所述的反鏟裝置應(yīng)用最為廣泛。 3 液壓系統(tǒng) 液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動(dòng)作都由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的操縱，將壓力油單獨(dú)或同時(shí) 12 送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)和液壓油缸)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。液壓挖掘機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)有 整機(jī)行走、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)等。這些運(yùn)動(dòng)都靠液壓傳動(dòng)。根 據(jù)以上工作要求，把各液壓元件用油管有機(jī)地連接起來地組合體既是液壓挖掘機(jī)地液壓 系統(tǒng)。該系統(tǒng)地功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)地機(jī)械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，傳?給油缸、油馬達(dá)等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再傳動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和工作過程。液壓 系統(tǒng)設(shè)計(jì)得合理與否，對(duì)挖掘機(jī)的性能起著決定性的作用。同樣的元件，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)不 同，則挖掘機(jī)性能差異很大。液壓系統(tǒng)習(xí)慣上按主油泵的數(shù)量、功率調(diào)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(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件(液壓缸、液壓 馬達(dá))等進(jìn)行控制的系統(tǒng)。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，使挖掘機(jī)有了越來越先 進(jìn)的控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)向高性能、自動(dòng)化和智能化發(fā)展。目前挖掘機(jī)研究重點(diǎn)正 逐步向智能化機(jī)電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移 [10]。 2.1.2 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu) 1 液壓挖掘機(jī)組成 為了實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的各項(xiàng)功能，單斗液壓挖掘機(jī)需要兩個(gè)基本組成部分，即機(jī)體 (或稱主機(jī))和工作裝置。機(jī)體是完成挖掘機(jī)基本動(dòng)作并作為驅(qū)動(dòng)和操縱挖掘機(jī)進(jìn)行工作 的荃礎(chǔ)，可以是履帶牽引車輛或輪式牽引車輛?？杉?xì)分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系 統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動(dòng)力裝置。其中動(dòng)力裝置、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備 均可在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，總稱上車部分，它與行走機(jī)構(gòu)(又稱下車部分)用回轉(zhuǎn)支撐相連，平 臺(tái)可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作 3600 的全回轉(zhuǎn)。工作裝置根據(jù)工作性質(zhì)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(jī)的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果 [11]。 2 單斗反鏟液壓挖掘機(jī) 反鏟裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下的土壤。斗容量小于 1.6M 3 的中小型液壓挖掘 機(jī)通常選用反鏟裝置，它分為整體臂式和組合臂式。其中長(zhǎng)期作業(yè)條件相似的挖掘機(jī)反 鏟裝置大多采用整體鵝頸式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)。采用這種動(dòng)臂有利于加大挖掘深度，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 價(jià)格低廉。剛度相同時(shí)，其重量比組合動(dòng)臂輕，是目前應(yīng)用最廣泛的液壓挖掘機(jī)工作裝 置結(jié)構(gòu)形式。 鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機(jī)最常用的結(jié)構(gòu)型式，動(dòng)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(diǎn)擺動(dòng)，完成挖掘、提升和卸土等動(dòng)作。如圖 2. 1 所示，整體鵝頸式動(dòng)臂反鏟挖掘機(jī)工作裝置主要由動(dòng)臂、動(dòng)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(yùn)動(dòng)部件之間全部采用銷 軸鉸接，以動(dòng)臂油缸來支撐和改變動(dòng)臂的傾角，通過動(dòng)臂油缸的伸縮可使動(dòng)臂繞下。鉸 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂的升降。斗桿鉸接于動(dòng)臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動(dòng)臂相對(duì)角度。 當(dāng)斗桿油缸伸縮時(shí)，斗桿可繞動(dòng)臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸 伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機(jī)構(gòu)來和鏟斗聯(lián)。 3 液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程 首先液壓挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)和配套土方運(yùn)輸車輛一起進(jìn)入作業(yè)面，運(yùn)輸車輛倒車、 調(diào)停，?？吭谕诰驒C(jī)的側(cè)方或后方。挖掘機(jī)司機(jī)扳動(dòng)操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通， 于是回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)上部平臺(tái)回轉(zhuǎn)，使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點(diǎn)，在執(zhí)行上述過程的 同時(shí)操縱動(dòng)臂油缸換向閥，使動(dòng)臂油缸上腔進(jìn)油，將動(dòng)臂下降，直至鏟斗接觸地面，然 后司機(jī)操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進(jìn)油，配合動(dòng)作以加快作業(yè)進(jìn) 1、斗桿油缸；2、動(dòng)臂；3、油管；4、動(dòng)臂油缸；5、鏟斗；6、斗齒；7、側(cè)齒；8、連桿；9、搖桿； 10、鏟斗油缸；11、斗桿 圖 2.2 反鏟挖掘機(jī)工作裝置 度，進(jìn)行復(fù)合動(dòng)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(dòng)臂油缸換向閥，使動(dòng)臂油缸的下腔進(jìn)油，將動(dòng)臂 提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動(dòng)平臺(tái)回轉(zhuǎn)換向閥手柄，使上部平臺(tái)回轉(zhuǎn)， 14 帶動(dòng)鏟斗轉(zhuǎn)至運(yùn)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(dāng)?shù)母叨炔?縱鏟斗油缸使鏟斗卸土。土方卸完后，使平臺(tái)反轉(zhuǎn)并降低動(dòng)臂，直到鏟斗回到作業(yè)點(diǎn)上 方，以便進(jìn)行下一工作循環(huán) [12]。 2.1.3 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)原理 液壓挖掘機(jī)采用三組液壓缸使工作裝置具有三個(gè)自由度，鏟斗可實(shí)現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn) 動(dòng)，加上液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使鏟斗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大到有限的空間，再通過行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng) 行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地?cái)U(kuò)大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)示意圖，如圖 2.3 所示，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá))驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。 液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，各部分的運(yùn)動(dòng)通過液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)。 反鏟工作裝置由鏟斗 1、斗桿 2、動(dòng)臂 3、連桿 4 及相應(yīng)的三組液壓缸 5. 6. 7 組成。動(dòng) 臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn) 動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng);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(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn) 到挖掘位置，同時(shí)操縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮;動(dòng)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(jìn)油而伸長(zhǎng)，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟 斗缸和斗桿缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝 置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，工作裝 置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條 件以及挖掘機(jī)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(dòng)作配合可以是多 樣的、隨機(jī)的 [13]。 15 1、鏟斗；2、斗桿；3、動(dòng)臂；4、連桿；5、動(dòng)臂油缸；6、斗桿油缸；7、鏟斗油缸；I、挖掘裝置； II、回轉(zhuǎn)裝置；III、行走裝置 圖 2.3 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)示意圖 總之，液壓挖掘機(jī)是由多學(xué)科、多系統(tǒng)組成的有機(jī)整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系 統(tǒng)、各學(xué)科協(xié)同優(yōu)化才能獲取挖掘機(jī)整機(jī)的最佳性能。 2.2 液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定 要了解和設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機(jī)的工作過程及其作業(yè)要求， 掌握各種液壓作用元件動(dòng)作時(shí)的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復(fù)合 動(dòng)作要求和復(fù)合動(dòng)作時(shí)油泵對(duì)同時(shí)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(jī)的工況 液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程包括以下幾個(gè)動(dòng)作(如圖 2.4 所示):動(dòng)臂升降、斗桿收放、 鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走以及其它輔助動(dòng)作。除了輔助動(dòng)作(例如整機(jī)轉(zhuǎn)向等)不 需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼?，要考慮全功率驅(qū)動(dòng) [14]。 16 1、動(dòng)臂升降；2、斗桿收放；3、鏟斗裝卸；4 、平臺(tái)回轉(zhuǎn)；5、整機(jī)行走； 圖 2.4 液壓挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)圖 由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特殊要求：(1)實(shí) 現(xiàn)各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，阻力與作業(yè)速度隨時(shí)變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和 流量也能相應(yīng)變化；(2)為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過程中往 往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼?例如挖掘與動(dòng)臂、提升與回轉(zhuǎn))同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作液壓挖掘機(jī)一 個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合主要包括： （1）挖掘：通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或者兩者配合進(jìn)行挖掘， 因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)，配以動(dòng)臂動(dòng)作。 （2）滿斗舉升回轉(zhuǎn)：挖掘結(jié)束，動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起，滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)第 2 章挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和分析方法液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸土處，此時(shí)主要是動(dòng) 臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。 （3）卸載：轉(zhuǎn)到卸土點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液 壓缸回縮，鏟斗卸載。為了調(diào)整卸載位置，還要有動(dòng)臂液壓缸的配合，此時(shí)是斗桿和鏟 斗的復(fù)合動(dòng)作，間以動(dòng)臂動(dòng)作。 （4）空斗返回：卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空 斗放到新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)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(dú)進(jìn)行挖掘，或者兩者復(fù)合動(dòng)作， 必要時(shí)配以動(dòng)臂液壓缸的動(dòng)作 [15]。 一般在平整土地或切削斜坡時(shí)，需要同時(shí)操縱動(dòng)臂和斗桿，以使斗尖能沿直線運(yùn)動(dòng)， 17 如圖2.5，2.6所示。此時(shí)斗桿收回，動(dòng)臂抬起，希望斗桿和動(dòng)臂分別由獨(dú)立的油泵供油， 以保證彼此動(dòng)作獨(dú)立，相互之間無干擾，并且要求泵的供油量小，使油缸動(dòng)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(jìn)行切削時(shí)，或者需要用鏟斗 斗底壓整地面時(shí)，就需要鏟斗、斗桿、動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)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(dú)采用斗桿挖掘時(shí)，為了提高掘削速度，一般采用雙泵合流，個(gè)別也有采用三泵 合流。單獨(dú)采用鏟斗挖掘時(shí)，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(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)油泵流量的分配情況和分合流油路的連接情況。液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸 土處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作 [16]。 當(dāng)斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)，供油情況如圖2.9a 所示。當(dāng)斗桿油壓接近溢流閥 的壓力時(shí)，原來溢流的油液此時(shí)供給鏟斗有效利用;當(dāng)鏟斗和動(dòng)臂復(fù)合動(dòng)作挖掘時(shí)，由 于動(dòng)臂僅僅起調(diào)解位置的作用，主要是斗桿進(jìn)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(dāng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止同一油泵向多個(gè)液壓作用元件供油時(shí)動(dòng) 作的相互干擾，一般三泵系統(tǒng)中，每個(gè)油泵單獨(dú)對(duì)一個(gè)液壓作用元件供油較好。對(duì)于雙 泵系統(tǒng)，其復(fù)合動(dòng)作時(shí)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(jìn)行流量分配，其流量分配要求和三泵系統(tǒng)相同。 當(dāng)進(jìn)行溝槽側(cè)壁掘削和斜坡切削時(shí)，為了有效地進(jìn)行垂直掘削，還要求向回轉(zhuǎn)馬達(dá) 提供壓力油，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力，保持鏟斗貼緊側(cè)壁進(jìn)行切削，因此需要同時(shí)向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗 桿供油，兩者復(fù)合動(dòng)作，如圖2.5所示?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿收縮同時(shí)動(dòng)作，由同一個(gè)油泵 供油，因此需要采用回轉(zhuǎn)優(yōu)先油路，否則鏟斗無法緊貼側(cè)壁，使掘削很難正常進(jìn)行。在 斗桿油缸活塞桿端回油路上設(shè)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(zhuǎn)先導(dǎo) 壓力來控制?；剞D(zhuǎn)先導(dǎo)壓力越大，節(jié)流閥開度越小，節(jié)流效應(yīng)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(zhuǎn)操縱桿行程的增大，回轉(zhuǎn)馬達(dá)油壓 增加，回轉(zhuǎn)力增大。 挖掘過程中還有可能碰到石塊、樹根等堅(jiān)硬障礙物，往往由于挖不動(dòng)而需要短時(shí)間 增大挖掘力，希望液壓系統(tǒng)能暫時(shí)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(jié)束后，動(dòng)臂油缸將動(dòng)臂頂起，滿斗舉升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載 處，此時(shí)主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作。動(dòng)臂抬升和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，要求二 者在速度上匹配，即回轉(zhuǎn)到指定卸載位置時(shí)，動(dòng)臂和鏟斗自動(dòng)提升到合適的卸載高度。 由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨液壓挖掘機(jī)相對(duì)自卸車的位置而變，因此動(dòng)臂提升速 度和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度的相對(duì)關(guān)系應(yīng)該是可調(diào)整的。卸載回轉(zhuǎn)角度大，則要求回轉(zhuǎn)速 度快些，而動(dòng)臂的提升速度慢些。 在雙泵系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，由于慣性較大，油壓會(huì)升得很高，有可能從溢流閥溢 流，此時(shí)應(yīng)該將溢流的油供給動(dòng)臂，如圖2.10a所示。在回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂提升的同時(shí)，斗桿 要外放，有時(shí)還需要對(duì)鏟斗進(jìn)行調(diào)整。這時(shí)是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗進(jìn)行復(fù)合動(dòng) 作 [18]。 由于滿斗提升時(shí)動(dòng)臂油缸壓力高，導(dǎo)致變量泵流量減小，為了使動(dòng)臂提升和回轉(zhuǎn)、 斗桿外放相互配合動(dòng)作，由一個(gè)油泵專門向動(dòng)臂油缸供油，另一個(gè)油泵除了向回轉(zhuǎn)馬達(dá) 和斗桿供油外，還有部分油供給動(dòng)臂，如圖2.10b所示。但是由于動(dòng)臂提升時(shí)油壓較高， 單向閥大部分時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，因此左側(cè)油泵只向回轉(zhuǎn)馬達(dá)和斗桿供油。 三泵系統(tǒng)的供油情況如圖2.10c所示。各個(gè)油泵分別向一個(gè)液壓作用元件供油，復(fù) 19 合動(dòng)作時(shí)無相互干擾。 3、卸載工況分析 回轉(zhuǎn)至卸載位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿調(diào)節(jié)卸載半徑和卸載高度，用鏟斗油缸卸載。 為了調(diào)整卸載位置，還需要?jiǎng)颖叟浜蟿?dòng)作。卸載時(shí)，主要是斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作，間以 動(dòng)臂動(dòng)作。 圖 2.10 回轉(zhuǎn)舉升供油情況 4、空斗返回工況分析 當(dāng)卸載結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)臂油缸和斗桿油缸相互配合動(dòng)作，把空斗放 在新的挖掘點(diǎn)。此工況是回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作。由于動(dòng)臂下降有重力作用， 壓力低、變量泵流量大、下降快，要求回轉(zhuǎn)速度快，因此該工況的供油情況為一個(gè)油泵 的全部流量供回轉(zhuǎn)馬達(dá)，另一油泵的大部分油供給動(dòng)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(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)油泵供油量小，為防止動(dòng)臂因重力作用迅速下降和動(dòng)臂油缸產(chǎn)生 吸空現(xiàn)象，可采用動(dòng)臂下降再生補(bǔ)油回路，利用重力將動(dòng)臂油缸無桿腔的油供至有桿腔。 5、行走時(shí)復(fù)合動(dòng)作 在行走的過程有可能要求對(duì)作業(yè)裝置液壓元件(如回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗)進(jìn) 行調(diào)整。在雙泵系統(tǒng)中，一個(gè)油泵為左行走馬達(dá)供油、另一個(gè)油泵為右行走馬達(dá)供油， 此時(shí)如果某一液壓元件動(dòng)作，使某一油泵分流供油，就會(huì)造成一側(cè)行走速度降低，影響 20 直線行駛性，特別是當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行裝車運(yùn)輸或上下卡車行走時(shí)，行駛偏斜會(huì)造成事故 [19]。 2.2.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 液壓挖掘機(jī)的動(dòng)作繁復(fù)，且具有多種機(jī)構(gòu)，如行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿和 鏟斗等，是一種具有多自由度的工程機(jī)械。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)、換向，外負(fù) 載變化很大，沖擊和振動(dòng)多，因此挖掘機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)提出了很高的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)液壓 挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求 [20]: 動(dòng)力性要求 所謂動(dòng)力性要求，就是在保證發(fā)動(dòng)機(jī)不過載的前提下，盡量充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功 率，提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率。尤其是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，要求液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的良好匹配， 盡量提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。例如，當(dāng)外負(fù)載較小時(shí)，往往希望增大油泵的輸出流量， 提高執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的功率 利用率。 21 第三章 挖掘機(jī)行駛液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 底盤行駛液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 1、液壓系統(tǒng)參數(shù)確定 表 3.1 液壓履帶式挖掘機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目名稱 單位 數(shù)值 發(fā)動(dòng)機(jī)功率 kW ≈20 最大爬坡角 ° 30 整機(jī)質(zhì)量 kg ≈1800 最高行駛速度 km/h 4.5 整機(jī)寬度 mm ≈1800 整機(jī)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(zhǎng)度 mm ≈1800 履帶寬度 mm 300~400 上車回轉(zhuǎn)速度 rpm 10 推土鏟尺寸（長(zhǎng)×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(jī)器設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能、性能要求和結(jié)構(gòu)、 安裝上的限制。根據(jù)所要求的負(fù)載運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方式 執(zhí)行元件 左行走 左液壓馬達(dá) 右行走 右液壓馬達(dá) 直性行走 左液壓馬達(dá)+右液壓馬達(dá) 2、執(zhí)行元件馬達(dá)及系統(tǒng)壓力的初選 當(dāng)負(fù)載確定后，工作壓力就決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(huì)降低。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng) 的工作壓力。執(zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負(fù)載值或主機(jī)設(shè)備類型選取，見表 3.3 和表 3.4。 表 3.3 負(fù)載和工作壓力之間的關(guān)系 負(fù)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(shè)備常用工作壓力 設(shè)備類型 精加工機(jī)床 組合機(jī)床 拉床 農(nóng)業(yè)機(jī)械、小 型工程機(jī)械、 工程機(jī)械輔助 機(jī)構(gòu) 液壓機(jī)、重型機(jī)械、 大中型挖掘機(jī)、起 重運(yùn)輸機(jī)械 工作壓力 P/Mpa 0.8-2 3-5 5-10 10-16 16-32 由表 3.4 本設(shè)計(jì)選擇的工作壓力為：P=10MPa。 （1）確定液壓馬達(dá)的幾何參數(shù) 小型液壓挖掘機(jī)底盤行走系統(tǒng)執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)，則其排量的計(jì)算式為 （3-1）mPTV??/2ax? 式中 T 為液壓馬達(dá)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m） ；η m為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率為 0.9；P 為 液壓馬達(dá)的工作壓力（Pa） ； V 為所求液壓馬達(dá)的排量（m 3/r） 。 液壓馬達(dá)所承受的負(fù)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(dá)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 nmin的要求，即 （3-2）mini/q? 式中 qmin 指能輸入液壓馬達(dá)的最低穩(wěn)定流量。排量確定后，可從產(chǎn)品檢本 中選擇液壓馬達(dá)的型號(hào)。 （2）液壓馬達(dá)最大流量的確定 對(duì)于液壓馬達(dá)，它所需的最大流量 qmax應(yīng)為馬達(dá)的排量 V 與其最大轉(zhuǎn)數(shù) nmax的乘積， 23 即 （3-3）min/019.in/6/1098. 334maxax rnVq ????? 3、基本方案設(shè)計(jì) (1)制定調(diào)速方案 液壓執(zhí)行元件確定之后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多通過換 向閥的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對(duì)高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導(dǎo) 控制閥的邏輯組合來實(shí)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(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)整方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者的結(jié)合— —容積節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)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(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)合。容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量 來達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是沒有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補(bǔ)充 泄漏，需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大、運(yùn)動(dòng)速度高的液壓系統(tǒng)。容積節(jié)流 調(diào)速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)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(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù) 雜。節(jié)流調(diào)速又分別有進(jìn)油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進(jìn)油節(jié)流起動(dòng)沖擊較 小，回油節(jié)流常用于有負(fù)載荷的場(chǎng)合，旁路節(jié)流多用于高速。調(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱性好， 但油箱體積大，容易混入空氣。容積調(diào)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(gè)封閉的循環(huán)回路。其結(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)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(diào)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(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。 24 液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓 馬達(dá)）等所構(gòu)成的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)。 液壓控制閥控制系統(tǒng)： ①先導(dǎo)型控制系統(tǒng) 換向控制閥的控制形式有直動(dòng)型（用手柄直接操縱換向閥主閥 芯，目前少用）和先導(dǎo)型兩種。后者是用先導(dǎo)閥控制先導(dǎo)油液，再用先導(dǎo)油液控制換向 閥的主閥芯，它又分為機(jī)液先導(dǎo)型和電液先導(dǎo)型兩類。 ②負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 它包括負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制泵（或定量泵）。閥 控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是節(jié)流式系統(tǒng)。在液壓挖掘機(jī)上，目前常用的是一般的三位六通多路閥， 其滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能差。20 世紀(jì) 90 年代以來，在液壓挖掘機(jī)上開始采用 負(fù)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(bǔ) 償閥。采用電子控制壓力補(bǔ)償?shù)囊簤和诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較，負(fù)荷傳感 控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)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(fèi)了能量。而使用負(fù)荷傳感變量系統(tǒng)，泵的流 量全部用于負(fù)載上，泵的壓力僅比負(fù)荷壓力大 1-3Mpa；流量控制精度高，不受負(fù)荷壓力 變化的影響；幾個(gè)執(zhí)行元件可以同步運(yùn)動(dòng)或以某種速比運(yùn)動(dòng)，且互不干擾。普通三位六 通閥系統(tǒng)用的是并聯(lián)油路，當(dāng)幾個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作時(shí)，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(fù)荷傳感控制閥只解決了滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能，而沒有解決節(jié)省 能源問題。定量泵和負(fù)荷傳感控制閥的系統(tǒng)也沒有節(jié)省能源消耗，因?yàn)楸盟敵龅牧髁?超過執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達(dá)）所需要的流量時(shí)，多余的油液經(jīng)壓力補(bǔ)償閥流回油 箱（為保持壓差恒定）變?yōu)闊崮?。只有完全?fù)荷傳感控制系統(tǒng)才能解決節(jié)省能源問題。 完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)由負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制變量 泵組成 帶次級(jí)壓力補(bǔ)償閥的負(fù)荷傳感系統(tǒng)德國(guó)力士樂公司等）在其生產(chǎn)的液壓挖掘機(jī)上設(shè) 置了負(fù)荷傳感分流器 LUOV（Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系統(tǒng)，其主要作 用是：當(dāng)多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)工作、所需的流量大于液壓泵的流量時(shí)，產(chǎn)生供油不足的現(xiàn) 象，這不能使正在工作臺(tái)的執(zhí)行元件與負(fù)載壓力無關(guān)的控