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挖掘机液压系统的分析研究
同济大学
硕士学位论文
挖掘机液压系统的分析与研究
姓名：
张珊珊
申请学位级别：
硕士
专业：
机械设计及理论
指导教师：
刘钊
20050301
摘要
摘要
挖掘机作为我国工程机械的主力机种，被广泛应用于各种各样的施工作业
中。
挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，要
求实现的动作复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，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研究对推动
我国挖掘机发展具有十分重要的意义。
在全面搜集了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上，了解了挖掘机液压
系统的发展历史，并对挖掘机液压系统的技术发展动态进行了分析总结。
论文对
挖掘机的各种工况进行了分析，系统总结了挖掘机液压系统的设计要求。
文中还
以现代、林德、小松等著名品牌的挖掘机液压系统为研究对象，深入分析了负流
量控制系统和负载敏感压力补偿液压系统的控制原理，并着重对负载敏感压力补
偿技术进行了分析研究。
根据挖掘机液压系统的设计要求，论文中还创新地采用通用多路阀，配以专
用控制阀和简单的电子控制系统，设计了一套适合我国生产制造的负载敏感压力
补偿挖掘机液压系统，为今后我国挖掘机液压系统的开发研究提供了很好的参
考。
针对负载敏感压力补偿液压系统，论文建立了比较完善的数学模型，并采用
国际先进的仿真软件AMEsim对整个液压系统的动态特性进行仿真，验证了负载
敏感压力补偿液压系统的控制特性，并为液压系统设计中的参数选择提供了依
据。
另外，论文针对负载敏感压力补偿液压系统提出了试验方案，具体设计制造
了试验台。
通过静态特性试验和动态特性试验，进一步验证了负载敏感压力补偿
液压系统的控制特性，并获得了系统参数变化对其控制特性的影响。
关键词：
挖掘机，液压系统，负载敏感，压力补偿
垒!
翌塑
ABSTRACT
TheexcavatoriSamainconstructionalmachine．whichisnOWwidelyusedin
variousconstructionsites．Thecoretechniqueofexcavatori8hvdraulictechnique．
Becauseofthebadworkingconditionandcomplicatedworkingmovementsofthe
excavator,ithashighrequirementsforitShydraulicsystem．Sincetheexcavator‘S
hydraulicsystemiSthemostcomplicatedoneinallconstmctionalmachines．the
analysisandresearchofilshydraulicsystemmakeveryimportantsense．
Onthebasisofcomprehensivecollectionofrelatedinfornlationaboutthe
excavator’Shydraulicsystemathomeandabroad，themainworkingconditionsofthe
excavatorarestudiedandthedesignrequirementsofitshy击anlics3，stemare
systematicall3，summarized．Inthethesis，thehydraulicsystemofsomefamous
excavators，suchasHYUNDAI，LrNDE，and砭OMATSUarestudiedastheexamples，
andthenegativeflowcOntro】system’Stogetherwithloadsensingpressure
compensatedcontroIsystem’Scon廿oltheoryareintroducedindetail．
AccordingtOthedesignrequirementsoftheexcavator’Shydraulicsystem，anew
10adsensingpressurecompensatedhydraulicsystemiscreativelydesignedusing
generaImultipleunitvalveequippedwithspeciaIconffoJvalveandelectroniccontroI
systems．whichhasusefulreferencevalueforthefutureresearchanddevelopmentof
theexcavator’Shydraulicsysteminourcountry
AimingtOtheloadsensingpressurecompensatedhydraulicsystem，acompleted
mathematicmodelisbuiltanddynamiccharacteristicsaresimulatedusingAMEsim．
whichiSoneoftheadvancedsimulationSOftwareintheworld．Thesimulation
validalesthecontr01characteristicsoftheloadsensingpressurecompensated
hydraulicsystem．andguidefortheparameters’selectionindesign．Inaddition．the
testsofloadsensingpressurecompensatedhydraulicsystem’Scontrolcharacteristics
includingstaticcharacteristicanddynamiccharacteristicareconducted．Thetesting
benchiSdesignedandmanufactured．Thetestsfurthervalidatethecontrol
characteristicsoftheloadsensingpressurecompensatedhydraulicsystem．and
acquiretheeffectsofvariousparameters，
KeyWords：
Excavator，Hy&aulicSystem，LoadSensing，Pressurecompensated
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学位论文作者签名：
茆u一耐
抄f年弓月,x-日
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体，均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任
由本人承担。
签名：
强舛计
如g年多月·5日
第1章绪论
第1章绪论
液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电
力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量．加
快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。
由于液压挖掘机具有
多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐。
液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。
挖掘机与液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基
础。
由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的
设计提出了很高的要求，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研究已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。
1．1挖掘机液压系统研究的必要性
挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯到1840年。
当时美国西部开发，进
行铁路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似机
械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。
但是此后的很长时间挖掘
机没有得到很大的发展，应用范围也只局限于矿山作业中。
导致挖掘机发展缓慢的主要原因是：
其作业装置动作复杂，运动范围大，需
要采用多自由度机构，古老的机械传动对它不太适合。
而且当时的工程建设主要
是国土丌发，大规模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因此对挖
掘机的应用相对较少，在一定程度上也限制了挖掘机的发展。
由于液压技术的应用，二十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬
挂式挖掘机。
随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的传动技术，挖掘机有了
适合它的传动装置，为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术上
的一个飞跃”“”3。
同时，工程建设和施工形式也发生了很大变化。
在进行大规模
国土开发的同时，也开始进行城市型土木施工，这样，具有较长的臂和杆，能装
上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多自由动作，可以切削高的垂直壁
面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用。
1950年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。
第一台液压挖掘机采用定
量齿轮泵，中位开式多路阀，工作压力为9Mpa，所有执行元件互相并联连结。
由单泵向6个执行元件供油。
由于早期液压挖掘机主要采用了定量齿轮泵，不能
按需改变供油流量，无法充分利用发动机的功率，因此其能量损失很大，不能满
足挖掘机复合动作的复杂要求，且可操纵性差。
另外，早期试制的液压挖掘机是
第1章绪论
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，配套件也
不齐全，制造质量不够稳定。
从二十世纪六十年代到八十年代中期，液压挖掘机
进入了推广和蓬勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。
1968～1970年间，液压挖掘机产量已经达到挖掘机总产量的83％，其时对挖掘机
液压系统的研究也已经十分成熟，液压挖掘机已经具有了同步控制系统和负载敏
感系统.’。
自第一台手动挖掘机诞生以来的160多年当中，挖掘机一直在不断地飞跃发
展，其技术已经发展到相对成熟稳定的阶段。
目前国际上迅速发展全液压挖掘机，
对其控制方式不断改进和革新，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。
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。
所有这一切，挖掘机的全液压化为
其葵定了坚实的基础，创造了良好的前提。
据有关专家估算，全世界各种施工作业场约有65％至70％的土石方工程都
是由挖掘机完成的。
挖掘机是一种万能型工程机械，目前已经无可争议地成为工
程机械的第一主力机种，在世界工程机械市场上已占据首位，并且仍在发展扩大。
挖掘机的发展主要以液压技术的应用为基础，其液压系统已成为工程机械液压系
统的主流形式。
随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机
需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。
在技术方
面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，所以对其液压系统的分析研究具
有十分重要的现实意义。
1．2国内外挖掘机液压系统的研究现状及发展动态
1．2．1国外研究状况及发展动态
从20世纪60年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统
已经发展到了相当成熟的阶段.。
近几年来，随着液压挖掘机产量的提高和使用
范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖
掘机在国际上的竞争力，主要表现在五个方面；①液压系统逐渐从开式系统向闭
式系统转变；②系统的节能技术成为研究的重点；③系统的高压化和高可靠性发
展趋势日益凸显；④系统的操纵特性上升到很重要的地位；⑤液压系统与电子控
制的结合成为潮流。
1．从开式液压系统向闭式液压系统的转变
2
第1章绪论
日本小松（KAMATSU）公司90年代以前一直致力开发开式负载敏感系统
（OLSS），用以降低液压系统的损耗。
开式液压系统采用三位六通阀，其特点是
有两条供油路，其中一条是直通供油路，另一条是并联供油路。
由于这种油路调
速方式是进油节流调速和旁路节流调速同时起作用，其调速特性受负载压力和油
泵流量的影响，因此这种系统的操纵性能、调速性能和微调性能差。
另外，当液
压作用元件一起复合动作时，相互干扰大，使得复合动作操纵非常困难。
这是开
式系统的大缺点。
由于挖掘机作业工程中要求对液压元件能很好地控制其运动速度和进行微
调，而且在其工作的许多工况下要求多个执行元件完成复合动作，而长期以来使
用的开式液压系统无法满足挖掘机的调速和复合动作的要求。
近年来在国外的挖掘机液压系统中出现了闭式负载敏感系统（CLSS）。
它可
以采用一个油泵同时向所有液压作用元件供油，每一个液压作用元件的运动速度
只与操纵阀的阀杆行程有关，与负载压力无关，泵的流量按需提供，而且多个液
压作用元件同时动作时相互之间干扰小，因此操纵性好是闭式液压系统的主要特
点。
这种系统非常符合挖掘机操作的要求，它操纵简单，对司机的操纵技巧要求
低，在国际上已经获得较广泛的使用，是挖掘机液压系统的发展趋势。
目前日本
小松公司已经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。
2．节能技术的应用
目前液压挖掘机上典型的节能技术基本上有两种。
即负载敏感技术和负流量
控制技术，目前液压挖掘机都选用其中一种控制技术来实现节能要求。
负载敏感技术是一种利用泵的出1：
3压力与负载压力差值的变化而使系统流
量随之相应变化的技术。
德国曼内斯曼（Mannesmann）公司研制的一种负载传感
系统，将其安装在液压系统中，可以控制一个或几个液压作用元件，而与对其施
加的载荷无关。
该系统不仅易于操纵，而且微动控制特性很好。
其最大的特点就
是可以根据负载大小和调速要求对油泵进行控制，从而实现在按需供流的同时，
使调速节流损失AP控制在很小的固定值，从而达到节能的目的”12”。
负流量控制技术是通过位于主控制阀后面的节流阀建立的压力对主泵的排
量进行调节的技术。
目前以韩国现代（HYUNDAI）、日本小松（KOMATSU）和日本
R立（HITACHI）为代表的许多国外著名品牌的挖掘机生产商都在自己的挖掘机
液压系统中使用了负流量控制技术。
这种控制技术具有稳定性好、响应快、可靠
性和维修性好等特点，但在起始点为重负荷下作业时，因流量与负载有关，所以
可控制性较羞。
3．提高负载鬣力和可靠性
为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流量
第1章绪论
和功率。
目前，国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在30MPa以上，并且随
着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的
趋势；流量通常在每分钟数百升：
功率在数百千瓦以上。
如德国Orensttein＆
Koppe制造的目前世界上首台最大的RH400型全液压挖掘机，铲斗容量达42m3，
液压油源为18台变量轴向柱塞泵，总流量高达10200L／min：
原动机为2台QSK60
柴油发动机，总功率高达2014kW”“。
由于液压挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶
劣环境的影响．系统的可靠性日益受到重视。
美、英、日等国家推广采用有限寿
命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、
断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲
劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机强度研究方面，不断提高设备的可
靠性。
美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。
日本制定了液压挖掘机构件
的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统，使液压挖掘机的运转率达到
85％～95％，使用寿命超过l万小时。
4重视操纵特性
挖掘机液压系统的操纵特性越来越受到重视。
目前国际上迅速发展全液压挖
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、液压伺服操作和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。
各种高新技术的应用，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。
5电子一液压集成控制成为当前主要研究目标
电子控制技术与液压控制技术相结合的电子一液压集成控制技术近年来获得
了巨大发展，特别是传感器、计算机和检测仪表的应用，使液压技术和电子控制
有机结合，开发和研制出了许多新型电液自动控制系统，提高了挖掘机的自动化
程度，推动着挖掘机的迅猛发展。
目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方
面的研究已趋成熟。
美国林肯～贝尔特公司新C系列LS一5800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。
日本住友公
司生产的FJ系列五中新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控
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。
1．2．2国内研究情况及发展动态
从国内情况来看，我国挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压
系统方面的理论还比较薄弱。
国内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术
方面的研究具有一定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能、质量、
第1章绪论
作业效率、可靠性等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在国内市场上
基本失去了竞争力，取而代之的是采用各种高新技术的国外挖掘机产品。
先进的
挖掘机液压系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎
是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造出性能优异的挖掘机，绝大
部分的市场份额都被国外各种品牌的挖掘机所占据。
以20t级的中型液压挖掘机
为例，国产20t级挖掘机大多数是欧洲80年代初的技术”.，同90年代初以来在
国内形成批量的臼本小松、日立、神钢以及韩国大宇、现代等机型相比，其主要
差距柴油机功率偏低，液压系统流量偏小，液压系统特性差，导致平台回转速度
低，行走速度低，各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率较国外偏低。
1．3本论文的研究内容
挖掘机液压系统方面的技术多种多样，本文主要以国外几种知名品牌的挖掘
机液压系统为主要研究对象，对其现有的关键技术和控制方式进行比较和研究，
采用数字仿真系统建模仿真，为挖掘机的液压系统的控制理论研究提供一定的参
考信息。
1挖掘机液压系统技术发展动态的分析研究
大量搜集国内外挖掘机液压系统方面的相关技术资料，系统了解挖掘机液压
系统的发展历史，分析总结挖掘机液压系统方面的研究现状和技术发展动态。
2挖掘机液压系统设计要求的分析总结
对液压挖掘机一个工作循环中的四种工况一挖掘工况、满斗举升回转工况、
卸载工况和卸载返回工况进行了详细的分析，总结了每个工况下各执行机构的主
要复合动作。
根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结了挖掘机液压系统的
设计要求：
动力性要求和操纵性要求。
另外，还提出了～种有效、简便、直观的
挖掘机液压系统的分析方法，并详细介绍此方法的步骤。
3典型挖掘机液压系统的分析
分析了传统挖掘机液压系统中的单泵定量系统、双泵定量系统和双变量泵液
压系统，详细分析了其主要优点和存在的问题。
文中还主要介绍了目前挖掘机液
压系统中广泛应用的负流量控制系统和负载敏感压力补偿控制系统，并以现代挖
掘机液压系统和林德负载敏感脏力补偿液压系统为研究对象，详细分析了其控制
原理。
另外，还将对小松P120挖掘机的负载敏感液压系统进行详细的分析。
4．负载敏感压办补偿液压系统的设计
在分析研究了各种典型挖掘机液压系统的基础上，根据挖掘机液压系统的设
计要求，设计了～套适合我国生产制造的负载敏感压力补偿挖掘机液压系统。
本
第1章绪论
设计旨在采用通用的多路阀系统，配以专用控制阀和简单的电子控制系统。
该系
统属首次开发，对今后我国挖掘机液压系统的研究开发具有很好的参考价值。
5．负载敏感压力补偿液压系统的动态特性分析
负载敏感压力补偿液压系统是一个复杂的动态系统，包含了较多的影响因
素，因此必须通过计算机仿真来指导设计。
文中将对负载敏感压力补偿液压系统
建立比较完善的数学模型，并采用国际先进的仿真软件AMEsim对模型进行仿真
分析。
6，负载敏感压力补偿液压系统的试验
提出了完整的试验方案，可以对整个负载敏感压力补偿液压系统进行完善的
测试。
具体设计并制造了试验台，并对负载敏感压力补偿液压系统的静态试验和
动态试验进行详细的分析。
通过本课题的研究，对推动国产挖掘机液压系统技术水平的发展，提高国产
挖掘机的设计水平和国内企业挖掘机产品技术含量具有很重要的意义。
6
第2章挖掘机液压系统的设计要求和分析方法
第2章挖掘机液压系统的设计要求和分析方法
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液压挖掘机的工况分析
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。
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。
图2．1液压挖掘机的工作运动
1一动臀升降：
2一斗杆收放；3—铲斗装卸；4一转台回转；5—整机行走
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
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