以挖掘机为载体的《液压与气动》教学方法研究.docx

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以挖掘机为载体的《液压与气动》教学方法研究

本科生毕业论文（设计）

题目：

以挖掘机为载体的《液压与气动》教学方法研究

专业代码：

机械设计制造及其自动化（080301）

作者姓名：

王本学

学号：

2009205136

单位：

机械与汽车工程学院

指导教师：

刘文婷

2013年5月25日

原创性声明

　　本人郑重声明：

所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人承担本声明的相应责任。

学位论文作者签名：

　　　　　日期　　　

指导教师签名：

　　　　　　日期　　　

摘要

液压与气压传动是工业动力传动和工业控制技术的重要组成部分，是实现工业自动化的重要手段之一。

《液压与气动》课程的特点是应用性强涉及面广，具有很强的实践性。

在学习的过程中我发现课程主要采用以教师为主体，以教材为中心的传统教学方法,理论偏深、过多强调理论知识缺乏具体实例、内容较抽象，学生感觉内容空洞，逻辑性不强，对学习的积极性不高。

本文针对《液压与气动》课程中的这些不足，运用新的的教学手段和方法，引入挖掘机液压与气动系统作为工程实例教学。

挖掘机液压系统庞大涵盖了课程中所学习的大部分的液压回路和液压元件，首先从总体上让学生认识挖掘机的液压系统然后在将总的系统分解为各个子系统，这样增强了内容前后的逻辑性和联系性，避免了课程内容前后联系不大逻辑性差的弊端。

通过改革教学方法激发学生的学习兴趣和求知欲望，达到了良好教学效果。

关键词:

挖掘机;液压与气压传动;教学方法;研究

Abstract

Hydraulicandpneumaticdriveindustrialpowertransmissionandindustrialcontroltechnology,animportantpartistoachieveanimportantmeansofindustrialautomation."Hydraulicandpneumaticdrive"courseischaracterizedbyastrongapplicationcoversawiderange,withstrongpracticality,whiletheuseoftheteacherasthemainmaterialsforthecenterofthetraditionalteachingmethods,studentswilltouchtheoryandpractice,cannotmeetthecurrentSocialinnovationTalentsoftheapplicationrequirements.

InordertobetteradapttotheMinistryofEducation's"Excellenceengineereducationtrainingprogram"totrainmorehigh-qualityengineeringandtechnicalpersonnelrequirementsforthecurrentChineseUniversities"Hydraulicandpneumatictransmission"courseteachingtheorydarker,toomuchemphasisontheoryspecificexamplesoflackofknowledge,content,combinedwithmoreabstractissuessuchastheanalysisofthecharacteristicsofthecourse,fromtextbookwritingandteachingphilosophyandotheraspectsofthereform,studentabilitytogrowasthecore,theuseofnewteachingtoolsandmethods,combinedwithhydraulicexcavatorandpneumaticsystemsengineeringexamplesofteachingandstimulatethecuriosityofstudents,promotestudentawarenessofinnovationandpracticalabilitytoimprove.

Keywords：

Excavator；Hydraulicandpneumatictransmission；TeachingMethods；Research

目录

摘要i

前言1

1.绪论2

1.1《液压与气动》课程教学现状2

1.2工程实例在《液压与气压传动》教学中的作用3

1.3工程实例的选择4

2.液压挖掘机工作分析4

2.1挖掘机简介5

2.2挖掘机对液压系统的要求5

2.3挖掘机液压系统分析6

2.3.1拟定液压系统原理图6

2.3.2系统工作循环分析8

3.挖掘机液压系统的分解及各子系统分析8

3.1挖掘机液压系统的组成8

3.2挖掘机基本动作分析9

3.3液压挖掘机的基本回路分析10

3.3.1限压回路10

3.3.2缓冲回路11

3.3.3卸荷回路12

3.3.4节流限速回路13

3.3.5节流调速回路13

3.3.6再生回路15

3.3.7行走限速回路15

3.3.8支腿顺序回路16

3.3.9闭锁回路17

3.4液压系统中几种低压回路的作用18

4.结论18

参考文献20

致谢21

以挖掘机为载体的《液压与气动》教学方法研究

前言

液压与气压传动技术在在工程机械、冶金机械、船舶、航空航天、武器装备、农林机械、物流机械、包装机械、实验设备和自动化工业生产线等各个领域得到了广泛的应用。

各个高校机械自动化、机械电子以及车辆工程等相关专业都把液压与气压传动作为必修的专业技术基础课[1]。

但目前《液压与气动》课程具有偏重理论、内容抽象、脱离实际等诸多问题。

随着科技的进步和经济的迅速发展，具有实战能力的创新型、复合型、应用型人才的需求日益增大，因此需要对人才的培养方法与手段不断进行改革，以培养出创新能力强、适应社会发展需要的高质量工程技术人才。

《液压与气动》课程作为工科机械及近机械类专业重要的专业基础课，具有较强的实践性、综合性和应用性。

课程的教学目标是使学生初步具备分析与设计液压或气压传动系统的能力。

因此，本门课程教学方法与内容的改革在机械专业培养创新型应用型人才方面具有重要的意义。

1.绪论

液压和气压传动统称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理发展起来的一门新兴技术，是工业动力传动与控制技术的重要组成部分，实现工业自动化的重要手段之一。

它不仅是机械类及有关专业的专业必修课，而且是一门能直接用于工程实际的技术学科。

《液压与气压传动》作为一门专业必修课，将为有关专业的学生学习其它专业课和以后所从事的技术工作提供必要的基础。

《液压与气动》课程的特点是应用性强、涉及面广，具有很强的实践性，而采用以教师为主体，以教材为中心的传统教学方法，会使学生理论与实践脱节，导致学生动手能力差，缺乏工程实践能力，不能适应当前社会对应用型创新型人才的需求。

并且目前，我国各高等学校《液压与气动》课程教材内容偏重理论教学、内容更新缓慢、脱离实际等很多不足之处，导致学生在学习的过程中感到内容空洞抽象进而影响学生学习该课程的积极性。

因此，为了提高学生的学习兴趣，让同学们学到更多专业知识，培养更多适应社会发展的高质量人才，有必要对《液压与气动》课程教学进行改革。

1.1《液压与气动》课程教学现状

《液压与气动》课程教学任务是:

使学生掌握液压与气压传动技术的基本概念和基本原理，掌握常见的液压和气压元件的结构、工作原理、特点、应用和选用方法，熟悉各类液压基本回路的功用、组成和应用场合，了解和掌握现有的系统，能够分析系统和设计系统[1]。

了解国内外先进技术成果在机械、车辆等设备中的应用，初步具备机床设备和车辆装置等液压与气压传动系统的安装调整、使用维护、故障分析、诊断和排除的技能和自学能力，为今后解决生产实际问题及继续学习打下宽厚的专业基础。

注重培养学生的工程实践能力和创新能力。

2010年6月23日教育部正式启动实施“卓越工程师教育培养计划”。

“卓越工程师教育培养计划”是贯彻落实党的十七大提出的走中国特色新型工业化道路、建设创新型国家、建设人力资源强国等战略部署，贯彻我国《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010－2020年）》而提出的高等教育重大改革计划，是教育部联合有关部门和行业协（学）会，在全国高校培养一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量、各类型工程技术人才，促进工程教育改革和创新，促进我国从工程教育大国迈向工程教育强国而实施的重大改革项目。

为了适应科学技术和经济发展对人才培养模式、规格和质量的要求，在“十五”和“十一五”期间编写出版了一大批面向211世纪教学内容和课程体系改革的《液压与气动》课程教材，促进了高等学校相关专业的教学改革和教材建设。

但是，目前来看，我国高等教育中《液压与气动》课程教材建设仍然存在以下不足之处[2]。

（1）偏重理论、内容抽象

液压和气动系统中的基本概念、基本原理不容易理解，概念抽象，专业术语多，刚刚接触该门课程的学生会感觉学起来很枯燥，容易对课程是去兴趣。

（2）脱离实践、缺乏逻辑性

随着高等教育改革的深化，各高校调整了专业结构，把拓宽专业口径和灵活设置专业方向有机结合。

事实上，液压与气压传动已经不再是一个单独的专业，这样与其相关的各个专业对教材内容、品格和风格等方面也提出了新的要求，液压与气压传动教材建设严重滞后于教学改革，大多数教材未能突破传统的教学模式，没有注重理论与实践想结合。

液压与气压传动系统具有很强的逻辑性，系统的整体性很强，各个环节的知识联系紧密，如前面一个环节没有掌握好，后面的环节就很难入手。

由于液压与气动系统的实际应用实例很多，相同的部件在不同的工作环境中可以产生不同的效果，组成不同的系统。

教材中的实例大多是就事论事，在介绍各个阀体或者系统时引用的实例没有结合实际，是学生感到比较空洞不知道这个系统要实现什么功能且前后缺乏联系性。

（3）内容分离、联系性不强

液压与气动系统由于工作介质不同，系统的控制方式也不同，有纯液压控制、纯气动控制、液气混合控制以及电液气混合控制等。

而在教材中讲到液压控制系统时就纯介绍液压系统不联系气动系统，讲解气动系统时又脱离液压系统，而实际中液压与气动往往是相辅相成、混合控制系统的。

1.2工程实例在《液压与气压传动》教学中的作用

《液压与气压传动》课程的特点是应用性强、涉及面广、具有很强的实践性，而采用以教师为主体、以教材为中心的传统教学方法，会使学生理论与实践脱节，导致学生动手能力差，缺乏工程实践能力，不能适应当前社会对应用型、创新型人才的需求，将工程实例应用于教学过程中，能够有效激发学生运用所学知识解决液压与气压传动工程实际问题的积极性和创造性。

而且，工程实例通常会涵盖各门课程的主要内容，涉及《机械原理》、《机电传动控制》、《可编程控制器》等多门课程的综合问题，有助于学生将多门知识融会贯通，掌握知识间的联系，锻炼学生综合运用所学知识解决工程问题的能力，培养出适应社会发展需求的复合型应用人才[3]。

成功地将案例引入到教学中能够极大的激发学生学习的兴趣。

教学过程中可通过视频、图片等多种方法进行案例呈现，而且不同的案例导入时间也不相同，启发型案例通常在课前或课堂教学开始的时候导入，而综合性很强的工程实例可以在课堂教学开始阶段呈现，激发学生学习兴趣，使学生带着问题进行有针对性的学习。

1.3工程实例的选择

工程实例选择的是否合适对教学效果起着举足轻重的作用，因此教材应该从案例的典型性、科学性、启发性、综合性角度出发，并且大家在生活中常见熟知的工程实例进行筛选。

工程实例的来源主要包括各个工程领域的机械设备和实际科研课题两个方面。

各个领域的众多机械设备都应用有液压或气动系统，可从中筛选优化典型的、有代表性的实例，引入到课堂教学中去丰富教学内容[4]。

例如在液压系统教学中可以引入液压挖掘机中常见的液压系统中的部分作为典型案例进行分析。

液压挖掘机作为一种很常见的大型工程机械，因此同学们在学习之前就能够在脑海中有一个大概的印象，便于同学们的理解，从而可以有效避免同学们感到学习内容空洞缺乏具体的实例。

并且液压挖掘机，涵盖了多种液压控制阀，涉及卸荷回路、限压回路、节流限速回路、保压回路等多种液压基本回路，可以有效的将各部分液压元件和回路进行串联讲解，避免了教材逻辑性联系性不强的弊端。

下面我们以挖掘机为载体分析液压挖掘机的液压系统。

2.液压挖掘机工作分析

2.1挖掘机简介

压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的突发机械。

液压挖掘机利用液压元件（液压泵、液压马达、液压缸等）带动各种构件动作，具有如下有点：

功率密度大，结构紧凑，重量轻；无级调速，调速范围大；启动性能好，能实现快速正反转；布置灵活，基本不受总体结构的限制；运转平稳，各种可靠，能自行润滑，使用寿命长；有过载保护功能；容易实现自动化，操作简便省力等。

因此，液压挖掘机对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，具有重要意义[5]。

挖掘机的液压系统是挖掘机上重要的组成部分，它是挖掘机工作循环的的动力系统。

挖掘机的工作条件恶劣，且动臂和底盘动作非常频繁，因此要求液压系统工作稳定，平均无故障时间长。

因此，液压系统的性能优劣决定着挖掘机工作性能的高低。

液压技术的发展直接关系挖掘机的发展，挖掘机与液压技术密不可分，二者相互促进。

液压技术是现代挖掘机的技术基础，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。

挖掘机的液压系统复杂，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。

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，由它们构成具有各种功能的液压系统[6]。

随着科技的进步，挖掘机的液压系统将更加复杂，功能更加多样且便于操作控制，工作效率高，耗能少，先进的液压系统会使挖掘机在工程领域发挥更大的作用[7]。

2.2挖掘机对液压系统的要求

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，露天开采矿作业中都有广泛的应用。

挖掘机的液压系统是由动力元件（各种液压泵）,执行元件（液压缸.液压马达）,控制元件（各种阀）以及辅助装置（冷却器.过滤器）用油管按一定方式连接起来组合而成。

由于挖掘机工作环境恶劣,这就要求挖掘机的液压系统和执行元件要有足够的强度和非常好的密封性能。

挖掘机的动作频繁,因此,液压元件和管路要能够承受频繁的液压冲击,以保证挖掘机能够长时间安全稳定的工作[8]。

设计出便于操作，更加人性化，工作效率高，耗能少的挖掘机，才会在工程领域发挥更大的作用。

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。

液压挖掘机的的一个作业循环的组成包括:

挖掘—一般以斗杆缸动作为主,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,铲斗缸收回,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挖掘机液压系统分析

2.3.1拟定液压系统原理图

液压挖掘机液压系统简图[9]（如图2-1所示）

图2-1液压系统简图

挖掘机的液压系统原理图（如图2-2所示）

图2-2液压原理图

Ⅰ、Ⅱ多路阀组Ⅲ.先导控制阀组

1—斗杆液压缸；2—动臂液压缸；3、4—左右行走马达；5—铲斗液压缸；6—回转马达；7—限速阀；8、9、10—多路阀组；11—梭阀；12—合流阀；13、14、15—多路阀组；16—压力表；17、18—液压泵；19—冷却器；20—滤油器；21—蓄能器；22—齿轮泵；23—节流阀；24、25、26、27、28、29—先导控制阀；30—油箱；31—卸荷阀；31—节流阀；32—单向阀

2.3.2系统工作循环分析

如图2-2所示，主机启动后，当先导控制阀组Ⅲ不工作时，液压泵17、18提供的压力油分别通过多路换向阀组Ⅰ、Ⅱ以及限速阀7返回油箱。

齿轮泵22为先导控制油路供压，压力过大时则压力油通过溢流阀流回油箱

先导控制阀26、27中的电磁铁6Y、7Y同时通电，来自齿轮泵22的压力油控制多路换向阀组Ⅱ中的10、13换向阀，液压挖掘机左右行走马达开始工作，使挖掘机移动到工作位置（先导阀26、27单独控制时液压挖掘机单侧行走）。

到达工作地点后，通过控制先导控制阀24、25、28中的电磁铁调整液压挖掘机斗杆、动臂和铲斗液压缸，使铲斗调整到合适的切削角度。

调整好铲斗工作位置后，先导控制阀24中的电磁铁1Y通电，斗杆液压缸伸出，完成挖掘动作。

挖掘完成后，先导控制阀25中的电磁铁4Y通电，动臂油缸伸出，使动臂提升到指定位置。

控制先导控制阀29.使机身回转，令铲斗回转到指定卸载位置。

先导控制阀中28中的电磁铁10Y通电，铲斗油缸收回，完成卸载（复杂的卸载动作需要斗杆、动臂和铲斗液压缸的复合动作）。

卸载结束后，控制先导控制阀29使机身反方向回转。

同时斗杆、动臂、铲斗液压缸配合动作使空斗置于新的挖掘位置。

3.挖掘机液压系统的分解及各子系统分析

所谓挖掘机的液压系统就是按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把液压挖掘机液压元件用管路连接起来从而满足液压挖掘机工作装置以及各个机构传动的要求的系统。

它是以液压油作为工作介质，通过液压泵将发动机的机械能转变为液压能传送出去，最后经液压马达或者液压缸等执行机构将液压能转变为机械能，完成液压挖掘机的各种动作。

3.1挖掘机液压系统的组成

我们通常把挖掘机液压系统根据功能的不同分为工作装置系统、回转系统和行走系统这三个基本组成部分。

其中工作装置系统主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压油缸，工作装置实现的挖掘和卸载动作由动臂回路、斗杆回路和铲斗回路这三个液压回路联合进行控制；回转系统主要由回转液压马达和回转齿轮齿圈等组成，它由液压系统回路里的回转回路进行控制，实现挖掘机工作装置和上回转部分的左右转向，方便工作装置的挖掘和卸载动作，回转系统在工作时还必须满足回转迅速、启动和制动无冲击、合理分配各机构流量等要求；行走系统主要是用来支撑挖掘机整机重量和完成挖掘机行走动作，主要分为履带式结构和轮胎式结构，行走动作通常是由行走马达来驱动的。

3.2挖掘机基本动作分析

液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作（如图3-1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。

1、动臂升降2、斗杆收放3、铲斗装卸4、平台台回转5、整机行走

图3-1液压挖掘机的运动图

挖掘机的工作过程主要包括作业循环过程和整机移动过程两项动作。

小型液压挖掘机的一个作业循环过程包括：

挖掘——通常以斗杆油缸动作为主，然后用铲斗油缸调整切削土壤的角度，两者配合挖掘。

有复杂的挖掘动作，参照作业要求，实现铲斗、斗杆和动臂三个油缸的复合动作，来保证铲斗能够按某一特定轨迹转动进行挖掘。

满斗提升与回转——挖掘结束后，铲斗缸伸出，满斗开始提升，同时回转马达启动，上回转台开始向卸土的方向回转

卸载——当上转台回转到卸土地点，转台进行制动。

斗杆油缸开始调整卸载半径，铲斗油缸收缩，铲斗卸载。

返回——当卸载结束时，上转台向反方向回转。

同时，动臂油缸和斗杆油缸两者配合动作，使空斗转到于新的挖掘位置进行下一个循环的挖掘作业。

整机移动过程包括：

直线行驶——对于履带式挖掘机来说，行驶主要是由左右两边的马达进行驱动的，当两个马达转速一致时，挖掘机直线行驶。

转弯——当履带式挖掘机行驶过程中要转弯时，只要两个马达转速不一样即可，可边走边转也可原地转弯。

3.3液压挖掘机的基本回路分析

液压系统基本回路是由一个或者几个液压元件有机连接而成的、能够完成特定动作的典型液压回路，它是挖掘机液压系统的组成单元。

液压系统是由基本回路组成的一个有机整体，主要由限压回路、缓冲回路、卸荷回路、节流限速回路和节流调速回路、合流回路、再生回路、行走限速回路、支腿顺序回路、闭锁回路等组成[10]~[11]。

3.3.1限压回路

限压回路用来限制压力，使其不超过某一调定值。

限压的目的有两个：

一是限制系统的最大压力，使系统和元件不因过载而损坏，通常用安全阀来实现，安全阀设置在主油泵出油口附近；二是根据工作需要，使系统中某部分压力保持定值或不超过某值，通常用溢流阀实现，溢流阀可使系统根据调定压力工作，多余的流量通过此阀流回油箱，因此溢流阀是常开的[7][12]。

如图3-2所示，限压回路不仅能限制系统压力，对系统进行卸荷，还能保证挖掘机正常工作。

当换向阀l处在中位时，液压泵与主回路断开，处于不工作位置；若换向阀处于左位时，液压泵与主回路接通，液压缸上有负载W，则液压缸无杆腔会受到很大的闭锁压力，当此压力很大的话，就有可能损坏管路和液压元件，因此，液压缸的进出油路处都要安装溢流阀2和3。

当闭锁压力大于溢流阀的调定压力时，溢流阀2和3就都打开，液压油流回油箱，从而实现卸荷；换向阀处于右位同理。

溢流阀的调定压力与液压系统的压力无关，通常溢流阀的调定压力越大，液压缸的闭锁力就越大，对挖掘机的作业就越有利，但过高的压力则会损坏管路和元件，所以一般情况下，高压系统限压阀的压力调定值通常为系统压力的125%上下，若是中高压系统的话比125%还要高。

1—换向阀；2、3—溢流阀；4—液压缸

图3-2限压回路

3.3.2缓冲回路

当挖掘机的上转台在满斗情况下回转或者在启动、突然间换向和制动时会对液压系统产生很大的液压冲击，从而产生振动和噪音，损坏液压元件。

挖掘机的缓冲回路就是为了解决这个液压冲击问题而设置在回转回路中的，原理是挖掘机液压系统中回转马达中的高压油压力过大时和低压油路连通，而且还能对马达进行补油。

如下图3-3所示为几种比较常见的缓冲回路。

（a）直动缓冲阀（b）并联缓冲阀（c）成对单向阀式

1—高压油路；2—低压油路；3、4—缓冲阀；5、6、8、9—单向阀；7—换向阀

图3-3缓冲回路

如图（a）中所示为，缓