流量控制阀在挖掘机中的应用.docx

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流量控制阀在挖掘机中的应用

摘要................................................................2

第一章绪论..........................................................5

1.1工程机械的发展概况..........................................5

1.2挖掘机简介..................................................6

1.3国内外研究现状及发展动态....................................7

1.4本课题研究的意义...........................................10

1.5机型选择及特点分析.........................................10

第二章流量控阀.....................................................12

2.1流量控制阀的分类及其应用...................................12

2.2流量控制阀的故障及排除方法.................................18

第三章挖掘机液压系统设计...........................................20

3.1挖掘机的功用和对液压系统的要求............................20

3.2挖掘机液压系统分析........................................21

3.3液压元件的选用............................................23

第四章流量控制阀在挖掘机中的应用...................................26

4.1节流回路..................................................26

4.2合流回路..................................................27

4.3速度控制回路..............................................27

4.4三种典型的液压控制模式....................................28

第五章挖掘机的系统分析及工作原理...................................32

5.1挖掘机控制系统............................................32

5.2挖掘机原理................................................33

5.3液压挖掘机工作装置液压系统原理分析........................35

结论...............................................................38

参考文献...........................................................39

致谢...............................................................40

流量控制阀在挖掘机中的应用

摘要：

液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机种。

出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，其生产制造来了日益蓬勃发展。

液压挖掘机主要由发动机、工作装置、回转装置、行走装置和、电气装置和液压系统等部分组成。

液压挖掘机整体系统图

关键词：

液压挖掘机、液压系统、流量控制

Flowcontrolvalveinhydraulicexcavatorapplication

Abstract:

theconstructionofmulti-functionhydraulicexcavatorisawidelyusedconstructionmachinery,asthemainforceofconstructionmachinerymodels.Forhydraulicexcavatorshavemanyvarieties,multi-purpose,highqualityandefficientfeatures,sofavoredbytheunitofthevastnumberofconstructionjobs,itsmanufacturingtoincreasinglyflourish.

Mainengine,workingdeviceofhydraulicexcavator,Rotarydevices,runninggearandelectricalequipmentandhydraulicsystemsandothercomponents.

Hydraulicexcavatoroverallsystemdiagram

Keywords:

hydraulicexcavator,hydraulicsystem,flowcontrol

液压挖掘机的总体结构图

第一章绪论

我国是一个发展中国家，在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设，这就需要大量的土石方施工机械为其服务，而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机械。

因此，可以肯定液压挖掘机的发展空间很大。

可以预见，随着国家经济建设的不断发展，液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增长。

今后几年我国液压挖掘机行业将会有一个很大的发展，液压挖掘机的年产量将会以高于20％的速度增长。

中国挖掘机市场自1997年开始已进入了一个较快的发展时期，2001年与2000年比较，全国挖掘机的产、销量分别增长55％和56％。

截止到2002年8月底全国挖掘机的销量已超过13000台，超过了2001年全年的销售数。

2003年全国液压挖掘机的销售量超过18000台。

显然，挖掘机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。

而在挖掘机中最为重要的就是关于工作装置设计，因为挖掘机的工作装置能够最为明显的体现机器的工作能力和工作寿命，所以设计工作可靠，性能好，成本低，效率高，维护使用方便的工作装置就显得格外重要。

随着全球经济的高速发展以及基本建设范围的持续拓宽，液压挖掘机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，保证工程质量和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，挖掘机液压系统的分析设计对推动挖掘机的发展具有重要的意义。

1.1工程机械的发展概况

在十八世纪以后，英国、美国相继完成工业革命。

随着城市及城市工业的发展，需要大量的劳动力，因此，农村大批劳动力向城市转移，这就促进了拖拉机、播种机、收割机等农业机械、城市施工机械的大发展。

综观工程机械的发展过程，从其结构、控制系统以及性能来看：

经历了动力技术革命、传统技术革命、钢结构技术革命、控制技术革命几个阶段，也所谓经历了几次飞跃和更新换代。

首先是动力技术革命:

随着体积小、重量轻、强有力的内燃机技术的出现，解决了工程机械移动的动力源，促使工程机械的诞生和发展。

其次是传动技术革命:

移动性动力源的问题解决之后，主要矛盾转移到如何有效地传递动力、完成作业的焦点上。

20世纪50年代出现了液体传动（液压和液力），由于液压传动具有功率密度高、结构紧凑、容易实现各种运动形式的转换以满足复杂的作业要求，速度刚性大、便于冷却散热，配置灵活、组装方便、可靠耐用等独到特点，以最小的空间、最灵便的途径、传递最大的动力，而且动力特性好，具有许多优良的传动性能，传动平稳、自动防止过载，容易实现无极变速，操纵简单轻便、控制性能好。

因此，液压技术作为机械传动的一中有力的补充，以成功地用语一切需要中等以上功率输出，以及需要对运动工程进行灵活控制和调节的地方，在工程机械中得到广泛的应用。

1.2　挖掘机简介

1840年美国西部开发，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开发，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。

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。

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。

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奠定了坚实的基础，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己占据首位，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。

1.3.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，挖掘机液压系统己经发展到了相当成熟的阶段。

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RH40型全液压挖掘机，铲斗容量达42立方米,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1万小时。

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的转变;

（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）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口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△P控制在很小的固定值，从而达到节能的目的lzs.e57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。

日前以韩国（HYUNDAI）、日本小松（KOMATSU）和日本日立（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，所以可控制性较差。

（2）提高负载能力和可靠性

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制造的型全液压挖掘机，铲斗容量达42立方米液压油源为18台变量轴向柱塞泵，总流量高达100200

L/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1万小时。

（3）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。

日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。

（4）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己趋成熟。

美国林肯一贝尔特公司新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。

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。

1.3.1　国内研究及发展动态

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、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日本小松、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。

湖南省的三一重工、山河智能公司在液压挖掘机的发展中也有显著的成就。

三一重工SY420C大型挖掘机，在性能方面：

它强化了结构，提高了耐久性； 低燃油消耗,高作业效率；按照高安全,低振动,低噪音设计的轿车化舒适操作环境来设计的。

山河智能SWE230LC履带式液压挖掘机，在性能方面：

满足经济性，改善烧油消耗；负载效率高，作业效率高；合理的机器结构和人机工程，保养更方便；总之国内液压挖掘机的发展前景是一片光明的。

1.4本课题研究的意义

本文通过对流量控制阀的原理，分析其在挖掘机系统上的应用。

并运用理论对其工作原理进行分析，得出流量控制阀在挖掘机系统中的工作方式和应用。

1.5机型选择及特点分析

本设计中，我选的是单斗液压挖掘机，其工作装置采用反铲装置。

单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业机械，它是机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机中重要的品种。

1.5.1所用机型的适用范围

在建筑工程，交通工程，露天工程，水利施工及现代军事工程中都广泛采用，是各种土石方施工中重要的机械设备。

由液压挖掘机在构造和性能上有较多的优越性，因此近年来发展迅速，在中小型单斗挖掘机中，已取代了机械传动单斗挖掘机，成为工程机械的主要机种。

1.5.2工作装置构成

铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式，动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接，在液压缸的作用下各部件绕铰点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作，图1-1为挖掘机最常用的反铲工作装置

1-油管；2-动臂；3-斗杆油缸；4-动臂油缸；5-铲斗；6-斗齿；7-侧齿；8-连杆；

9-摇杆10-铲斗油缸11斗杆

图1-1挖掘机反铲工作装置

挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。

各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。

根据以上特征，可以对工作装置进行适当简化处理。

则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂，斗杆，铲斗，动臂油缸，斗杆油缸，铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，处理具体简图1-2所示。

进一步简化图如1-3所示。

图1-2工作装置的结构简图

1-铲斗2-连杆3-斗杆4-动臂5-铲斗油缸6-斗杆油缸

图1-3工作装置结构简化图

挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、铲斗油缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。

第二章流量控阀

2.1流量控阀的分类及其应用

流量控制阀是通过改变节流口通流断面的大小，以改变局部阻力，从而实现对流量的控制。

流量控制阀有节流阀、调速阀和分流集流阀等。

液压系统在工作时，常需随工作状态的不同以不同的速度工作，而只要控制了流量就控制了速度。

无论哪一种流量控制阀，其内部一定有节流阀，因此，节流阀可以说是最基本的流量控制阀。

流量控制阀：

•功用：

控制工作液体流量

•原理：

，改变节流口的通流面积，使液阻发生变化，就可以调节流量的大小

2.1.1节流阀

图右为一种普通节流阀的外观图、工作原理图及图形符号。

这种节流阀的节流通道呈轴向三角槽式。

压力油从进油口P1流人，经阀芯上的三角槽式节流口后从出油口P2流出。

调节手轮，可通过推杆使阀芯做轴向移动，即可改变节流口通流截面积的大小，以调节通过其流量的多少。

阀芯在弹簧的作用下始终贴紧在推杆上，这种节流阀的进、出油口可互换。

节流阀

1-阀体2-阀心 3-调节螺钉 4-阀套 5-阀心上的螺旋断面 6-阀口

   阀套上的窗口W与阀心上的螺旋曲线S之间的相对运动，形成了可变通流断面面积，实现了对流量的控制。

   改变节流口通流断面的大小，在一定的压差下，可以控制节流阀的流量。

图形符号：

常见的几种节流口形式：

针式节流口、三角槽式节流口、转槽式节流口

流量特性：

   节流阀的节流口一定时，其流量随压差的增加而增大。

   节流口小到一定值时流量不稳定，出现时断时续现象，称为节流口堵塞（一般0.05L/min）。

不出现堵塞的最小流量叫最小稳定流量。

   温度变化引起流体粘度变化使流量不稳定（可采用温度补偿装置加以补偿）。

2.1.2调速阀

调速阀能在负载变化的状况下，保持进口、出口压力差恒定。

调速阀

    调速阀是具有恒流量功能的阀类，利用它能使执行元件匀速运动。

1-减压阀部分 2-减压口 3-行程限位装置 4-节流阀部分 5-节流口

   调速阀由两部分组成，一是节流阀部分，二是定差减压阀部分，两部分串联而成。

图形符号：

工作原理：

将节流阀前后压力p2和p3分别引到定压减压阀阀心下、上两端。

当负载压力p3增大即调速阀压差变小时，作用在定差减压阀心的力使阀心下移。

减压口增大，压降减少，使p2也增大，从而使节流阀压差△p=p2-p3保持不变；反之亦然，这样就使调速阀的流量不受其压差变化的影响，而保持恒定。

详细原理说明

原理说明：

通过阀的流量，不随阀前后的压差ΔP（ΔP=P1-P3）而变，而节流阀就无恒流功能。

比较下列曲线可见两者的区别。

调速阀可理解为两个串联节流口组成，Ⅰ为固定节流，Ⅱ为可变节流口。

执行元件工作时，流量Q稳定流过。

 外负载F若减小，两个串联节流口的流量Q将会增大。

这时如果能够及时且自动地减小节流口Ⅱ的开度，使流量重回到原来的稳定值Q。

要做到这些就必需自动地保持（P2-P3）不变。

Ⅰ节流口用节流阀，Ⅱ节流口用定差减压阀，它可保证节流阀前后压差（P2