挖掘机液压回路分析项目Word文件下载.docx
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（3）发展集成、复合、小型化、轻量化元件。
（4）开展液压系统自动控制技术方面的研究与开发。
（5）加强以提高安全性和环境保护为目的研究开发。
（6）提高液压元件和系统的工作可靠性。
（7）标准化和多样化。
（8）开展液压系统设计理论和系统性能分析研究。
2国内外研究现状
我国挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台机械式单斗挖掘机至今，大体经历了测绘仿制、自主研发和发展提高三个阶段。
新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪30～40年代的机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史，由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂，到20世纪80年代末，我国的中小型液压挖掘机已形成系列，但总的说来，我国的挖掘机生产批量小，产品质量不稳定，与国际先进水平相比，差距较大。
改革开放以来，生产企业积极引进、消化、吸收国外先进技术，促进了我国挖掘机行业的发展，目前国产液压挖掘机的产品性能指标已达到20世纪80年代的国际水平，部分产品达到了90年代的水平。
国外挖掘机生产历史较长，液压技术的不断成熟使挖掘机得到全面发展。
德国是世界上较早开发研制挖掘机的国家，1954年和1955年德国的德马克和利渤海尔两家公司分别开发了全液压挖掘机；
美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；
日本挖掘机制造业是在二次大战后发展起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；
韩国是液压挖掘机生产的后起之秀，20世纪70年代开始引进技术，由于产业政策支持，很快进入国际市场，并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。
20世纪60年代，挖掘机进入成熟期，各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其它技术相结合，使产品的适应性得到较快发展，产品寿命和质量不断提高操纵更加舒适，产品更加节能。
例如美国卡特彼勒公司1995年以后推出的300B系列液压挖掘机，采用一种命名为maestro的系统，通过载荷传感液压装置，控制发动机的输出功率，实现与液压泵的严格匹配。
Maestro控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态，允许用户自行决定功率工况模式。
再如韩国现代公司生产的ROBEX450-3型液压挖掘机，有四种功率模式，通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参数，使得发动机、液压泵的速度及液压系统压力与实际工况相适应，从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗。
此种技术在日本小松、日立建机、神钢、韩国大宇重工、德国的利渤海尔、英国的JCB等公司均得到普遍应用，代表了当代液压挖掘机的最高水平。
3挖掘机发展趋势
随着液压挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化方向发展，挖掘机对液压技术的要求不断提高并呈现如下特点：
（1）迅速发展全液压挖掘机并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。
因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时用增大流量来补偿，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率；
当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增加；
采用三回路液压系统，产生三个互不成影响的独立工作运动，实现与回转机构的功率匹配，将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速运动。
液压技术在挖掘机上的普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机上的应用与推广创造了条件，液压、电子和自动化技术日益结合，共同促进挖掘机的控制性能不断提高。
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。
20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作更加轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，电子和自动控制技术逐步应用在挖掘机上。
随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，机电一体化技术在挖掘机上得以广泛应用，并使其各种性能有了质的飞跃。
20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。
所有这一切，都是挖掘机的全液压化奠定的基础并为挖掘机的全面发展创造了美好的前景。
（2）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），提高了挖掘机的作业功率，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，并延长了零部件的使用寿命；
德国奥加凯（O&
K）公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；
日本神钢公司在新型的904、905、907、909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；
德国利勃海尔公司开发了ECO（电子控制作业）的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；
美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。
韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS即电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。
4挖掘机液压系统概述
4.1挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求
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就组成一个挖掘机液压系统。
它是以油液为工作介质、利用液压泵将发元件将液压能转变为机械能，进而实现挖掘机的各种动作。
按照不同的功能可将挖掘机液压系统分为三个基本部分：
工作装置系统，回转系统、行走系统。
挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压缸组成，它包括动臂、斗杆、铲斗三个液压回路。
回转装置的功能是将工作装置和上部转台向左或向右回转，以便进行挖掘和卸料，完成该动作的液压元件是回转马达。
回转系统工作时必须满足如下条件：
回转迅速、起动和制动无冲击、振动和摇摆，与其它机构同时动作时，能合理地分配去各机构的流量。
行走装置的作用是支撑挖掘机的整机质量并完成行走任务，多采用履带式和轮胎式机构，所用的液压元件主要是行走马达。
行走系统的设计要考虑直线行驶问题，即在挖掘机行走过程中，如果某一工作装置动作，不至于造成挖掘机发生行走偏转现象。
挖掘机的动作复杂，主要机构经常启动、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，因此挖掘机的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，也可以相互配合实现复合动作。
（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速下降和整机超速溜坡。
为此，液压系统应做到：
（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变化大的负载、急剧的振动作用下，具有足够的可靠性。
（3）设置轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时的液压油温不超过80℃，或温升不超过45℃。
（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要低，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。
挖掘机液压系统的基本动作分析
（1）挖掘。
通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘，或者两者配合进行挖掘。
在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作，必要时配以动臂动作。
（2）满斗举升回转。
挖掘结束后，动臂缸将动臂顶起、满斗提升，同时回转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。
动臂举升和臂和铲斗自动举升到正确的卸载高度。
由于卸载所需回转角度不同，随挖掘机相对自卸车的位置而变，因此动臂举升速度和回转速度相对关系应该是可调整的，若卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂举升速度慢些。
（3）卸载。
回转至卸土位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗缸卸载。
为了调整卸载位置，还需动臂配合动作。
卸载时，主要是斗杆和铲斗复合作用，兼以动臂动作。
（4）空斗返回。
卸载结束后，转台反向回转，同时动臂缸和斗杆缸相互配合动作，把空斗放到新的挖掘点，此工况是回转、动臂、和斗杆复合动作。
由于动臂下降有重力作用、压力低、泵的流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况通常是一个泵全部流量供回转，另一泵大部分油供动臂，少部分油经节流供斗杆。
4.2挖掘机液压系统的基本回路
基本回路是由一个或几个液压元件组成、能够完成特定的单一功能的典型回路，它是液压系统的组成单元。
液压挖掘机液压系统中基本回路有限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流回路、行走回路、合流回路、再生回路、闭锁回路、操纵回路等。
5液压系统的方案的设计和液压元件的选择
5.1确定工作压力
压力的选择要根据载荷大小和设备和类型而定。
还要考虑执行元件的装配空间和经济条件及元件供应情况等的限制。
在载荷一定的情况,工作压力低,势必要加大执行元件的结构尺寸,对某些设备来说,尺寸要受到限制,从材料消耗角度看也不经济;
反之压力选得太高,对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。
一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。
具体选择参考表3.1
表3.1按载荷选择工作压力
载荷/KN
＜5
5～10
10～20
20～30
30～50
＞50
工作压力
/MPa
＜0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5
所以本系统的工作压力5~25Mpa。
5.2分析确定各系统图
该液压系统包括：
行走机构液压系统,回转机构液压系统,铲斗液压系统,斗杆液压系统,动臂.液压系统分别拟订如下：
动臂缸、斗杆缸、铲斗缸液压回路图基本相似，如下图所示。
均由液压泵提供油源，泵出口压力由溢流阀调定，各个液压缸过载阀由液压缸进出油路上的调压阀调定。
行走液压马达和回转液压马达液压回路图也基本相似，如下图所示，回路中设有双向制动溢流阀。
挖掘机的回转机构和行走装置由液压马达驱动，行走液压马达和回转液压马达的控制回路如下：
行走液压马达
一、行走液压马达4有两个，在系统中对称分布，这里分析右半部分行走马达的动作原理：
1。
正转或反转：
手动换向阀13控制液压马达的转向，如果当换向阀右位工作时，液压马达正转，当换向阀左位工作时，液压马达反转。
2。
行走制动：
行走过程中，操作手柄回到中位，行走控制阀停止向马达供油，但是，由于惯性作用，行走马达仍继续旋转，回油腔压力因此而升高。
当压力超过过载补油阀的设定压力时，顺序阀被打开，压力油从回油腔经顺序阀泄出进入液压马达的进油腔进行补油以防止穴蚀。
回油腔的压力就是克服惯性的阻力，行走因此被制动。
二、换向阀回路说明:
手动换向阀7、9、11、13间采用顺序单动油路连接，即各换向阀间进油路串联，回油路并联。
当一个执行机构工作时，后面的执行机构的供油被切断，各执行机构动作只能按顺序进行，不能实现复合动作。
换向阀7控制回转液压马达，换向阀9控制动臂缸，换向阀11控制抖杆缸，换向阀13和换向阀6控制行走液压马达。
可见挖掘机回转运动时，其它动作都是停止的，只有挖掘机不进行回转，动臂缸、抖杆缸、铲斗缸都不动作时，挖掘机才可以进行行走动作。
回转液压马达
回转液压马达的工作原理：
正反转：
回转液压马达由分功率调节变量系统中一个液压泵供油，由手动换向阀7控制旋转方向。
如果当换向阀右位工作时，液压马达正转，当换向阀左位工作时，液压马达反转。
1、回转制动：
回转机构的制动原理和行走马达的制动原理相同。
回转过程中，操作手柄回到中位，行走控制阀停止向马达供油，但是，由于惯性作用，行走马达仍继续旋转，回油腔压力因此而升高。
6液压系统总体原理图
根据各部分单独的液压系统图绘制液压系统总图如图3.6
整体回路特点分析：
1、由于单挖掘机系统大多执行机构工作频繁，流量变化大，系统发热量大,所以采用开式系统，结构简单，油箱容积大，散热条件好。
2、在挖掘机挖掘过程中，要求铲斗缸与斗杆缸同时动作，在在满斗提升及回转过程中又要求动臂缸和回转马达同时动作，以提高生产率。
为保证同时动作的执行机构各自的独立性，采用双泵双回路系统。
3、动臂缸或斗杆缸单独动作时，可使双泵一起供油，提高工作速度。
4、液压挖掘机通常采用恒功率变量泵与定量马达等组成的变量系统，它随着负载变化而自动改变泵的流量和压力，使发动机经常处于接近于其设计功率工作，两个液压泵流量只受液压泵所在回路负载压力的影响。
由于每个回路中负载压力一般不等，因此液压泵的输出流量一般不等。
5、系统采用并联油路的组合方式；
流量的合流采用换向阀的同步动作实现而没有采用合流阀。
6、各液压马达和换向阀均单独引出泄漏油管，经磁性过滤器回油箱。
磁性过滤器主要适用于分离液体介质中含有细度铁屑成分之功能，使之达到液体介质所需工艺要求。
7、换向阀均采用三位六通阀，是为了保证在初始状态时（不工作时），每个缸的进回油口封死，并且油源的油可以到达每个换向阀处，即各个换向阀的进油口与压力油路相连。
（三）系统中液压缸工作原理:
以动臂缸1为例，向右扳动手动换向阀9，右侧液压泵油源的油经过单向阀、换向阀7和换向阀9进入动臂缸的无杆腔，动臂缸伸出，回油经过换向阀9回到油箱。
同时由于换向阀8和9为联动，故换向阀8左位工作，这时，左侧液压泵油源的油经过单向阀、换向阀12、换向阀10和换向阀8进入动臂缸的无杆腔，此时为双泵向动臂缸供油，提高工作速度。
由于控制斗杆缸的换向阀10和11也是联动关系，故斗杆缸单独动作时也可以提高执行元件运动速度，其工作原理与动臂缸原理类似。
铲斗缸工作原理：
由于铲斗缸是负载的最前端，故铲斗缸无需由两个泵提供流量，只需一个手动换向阀控制其两腔的进回油状况即可。
作业顺序
动作特性
顺序
部件动作
挖掘
挖掘和铲斗回转铲斗提升到回转位置
挖掘坚硬土壤以斗杆液压缸动作为主；
挖掘松散土壤三个液压缸复合动作，以铲斗液压缸动作为主
提升.回转
铲斗提升转台回转到卸料位置
铲斗液压缸推出，动臂抬起，满斗提升，回转马达使工作装置至卸料位置
卸斗
斗杆缩回铲斗旋转卸载
铲斗液压缸缩回，斗杆液压缸动作，根据卸料高度，动臂液压缸配合动作
复位
转台回转斗杆伸出工作装置下降
回转机构将工作装置转到工作挖掘面，动臂和斗杆液压缸配合动作将铲斗降至地面
7液压元件的选择和专用件的设计
液压泵的压力
+
（3-1）
--是执行元件的最高工作压力,对于本系统的最高工作压力是中间包倾翻油缸的入口压力
--是从液压泵出口液压缸之间的管路损失。
管路复杂，进口有调速阀，则取
=1Mpa。
确定液压泵的流量
多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为
其中K为系统泄露系数，一般取K=1.1~1.3
表示同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，对于在工作过程中用节流调速的系统，还需加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.5×
10
m
/s
选择液压泵的规格根据以上求得的
和
值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或机械设计手册选择相应的液压泵。
为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大
。
确定液压泵的驱动功率在工作循环中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，则
式中
-液压泵的最大工作压力Pa
-液压泵的流量
液压泵的总效率，参考表3.2选择
表3.2
液压泵类型
齿轮泵
螺杆泵
叶片泵
柱塞泵
总效率
0.6—0.7
0.65—0.80
0.60—0.75
0.80—0.85
限压式定量叶片泵的驱动功率，可按流量特性曲线拐点处的流量、压力值计算。
可取
，
，则
KW（3-2）
-液压泵的最大工作压力Pa
Qn-液压泵的额定流量
在工作循环中，如果液压泵的流量和压力变化较大，即（Q-t）（P-t）曲线起伏变化较大，则须分别计算出各个循环阶段内所需的功率，驱动功率取其平均功率：
KW（3-3）
式中
、
、…
-指一个循环系统中每一个动作阶段内所需的时间s
一个循环中每一动作阶段内所需的功率KW
按平均功率选出电动机功率后，还要验算一下每一阶段内电动机超载量是否都在允许范围内。
电动机允许的短时间超载量一般为25%。
7.1选择液压泵的规格
根据以上求的泵的排量
的值，按系统中给定的液压泵的形式，从《机械设计手册》第五卷得双联叶片油泵：
型号—YB-E50/25，排量—25/50ml/r额定压力—16MPa，系统设定压力小流泵—10Mpa，大流量油泵为—8Mpa。
7.2柴油发动机的选择
液压缸在整个循环运动中，系统的压力和流量都是变化的。
所需功率变化较大，为满足整个工作循环的需要，需按照功率段来确定柴油机的功率。
从液压原理图可以看出，快速运动时系统的压力和流量都较大，这时，大小泵同时参加工作，小泵排油压力和流量均较大。
此时，大小泵同时参与工作小泵排油除保证锁紧力外，还通过顺序阀将压力油供给加料门油缸。
前面的计算已知，小泵供油压力为
=6.9MPa,考虑大泵到销锁油缸路损失，大泵供油压力应为
=6.4Mpa
取泵的总效率
=0.8，泵的总驱动功率为：
P=
=17KW（3-5）
考虑安全系数,故取18KW;
查《机械设计手册》发动机参数表得：
发动机型号—Y180M-4-B35（50Hz、AC380V）
功率--18.5KW转速--1470r/min防护等级--IP54
7.3液压控制阀的选择
（1）溢流阀.溢流阀的基本功能是限定系统的最高压力，防止系统过载或维持压力近似恒定。
本系统中选用二级同心先导式溢流阀，安装在泵的出油口处，用来恒定系统压力，防止超压，保护系统安全运行。
（2）过载阀.安装在液压缸和行走马达的管路上，防止超载，用来保护液压系统和工作的液压缸和行走马达。
（3）单向阀.系统中多处要用到单向阀，也是必不可少的元件，它用来防止油液倒流，从而使执行元件停止运动，或保持执行元件中的油液压力。
还可是保持一定的背压。
（4）手动换向阀.在系统中要用到两组四联换向阀，每个阀为三位六通手动换向阀。
在系统中手动换向阀的主要作用是改变压力油进入执行元件的方向，进而实现不同的动作要求，在三位六通的手动换向阀中，左右阀位要求能够进回油，中间的阀位要求禁止油液流通，以达到执行元件动作达到要求后停止或悬停在任一位置。
（1）根据液压阀额定压力来选择
选择的液压阀应使系统压力适当低于产品标明的额定值。
对液压阀流量的选择，可以按照产品标明的公称流量为依据，根据产品有关流量曲线来确定。
（2）液压阀的安装方式的选择
是指液压阀与系统的管路或其他阀的进出油口的连接方式，一般有三种，螺纹连接方式，板式连接方式，法兰连接方式。
安装方式的选择要根据液压阀的规格大小，以及系统的简繁及布置特点来确定。
（3）液压阀的控制方式的选择
液压阀的控制方式一般有四种，有手动控制，机械控制，液压控制，电气控制。
根据系统的操纵需要和电气系统的配置能力进行选择。
（4）液压阀的结构形式的选择
序号
代号
名称及规格
材料
数量
1
AQF-L32H2-A1M60×
2
安全球阀DN32
成品
DIF-L20H1
单向阀
3
S10P10/2
4
DBW10B1-50/20G24NZ5L
电磁溢流阀
5
YJZQ-J15W
高压球阀
24
6
FJL-B10H
分流集流阀
7
4WE10Y31/CG24NZ5L
电磁阀
8
ZDR10DA2-40/150YM
减压阀
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