WY6型挖掘机液压系统原理分析.docx

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WY6型挖掘机液压系统原理分析

本科生毕业论文（设计）

题目：

WY6型挖掘机液压系统原理分析

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：

汽车与交通工程学院

指导教师：

刘文婷

2013年5月6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

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设计对推动我国挖掘机发展具有十分重要的意义。

本论文主要概述挖掘机液压技术的发展史及其目前在国内的外发展情况，简述了液压挖掘机发展趋势，本文对液压挖掘机的常用液压回路进行了简单阐述和分析，对课题要求设计的小型液压挖掘机液压系统进行了方案设计及分析，并通过进一步计算确定了需要的液压元件完成选型。

最后通过验算证明了本设计的可行性。

关键词：

挖掘机；工作装置；液压系统；液压泵

Abstract

Theexcavatorisamainconsrtuctionalmachine，whichisnowwidelyusedinvariousconstructionsites.Thecoretechniqueofexcavatorishydrau1ictechnique.Becauseofthebadworkingconditionandconmplicatedworkingmovementsoftheexcavatot，ithashighrequitementsforitshydraulicsystem.Sincetheexcavator’shydraulicsystemisthemostcomplicatedoneinallconstructionalmachines,theanalysisandresearchofitshydrau1icsystemmakeveryimportantsens.

Hydraulicexcavatorofthisthesisoutlinesthehistoryoftechnologyanditscurrentdevelopmentsintheforeigncountry,outlinesthedevelopmenttrendofhydraulicexcavators,hydraulicexcavatorsusedthishydrauliccircuitforasimplesetandanalysis,subjecttodesignsmallhydraulicexcavatorhydraulicsystemdesignandanalysis,andbyfurthercalculationtodeterminetheneedforcompleteselectionofhydrauliccomponents.Finally,testsprovethefeasibilityofthisdesign.

Keywords：

Excavator；Workingdevice；Hydraulicsystem；Hydraulicpump

WY6型挖掘机液压系统原理分析

前言

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。

液压挖掘机生产制造业也日益蓬勃发展。

挖掘机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。

其结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，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设计已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。

液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，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，都起着很大的作用，因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。

第一章绪论

液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。

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。

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。

1.1液压挖掘机简介

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。

随着社会的不断进步，工程建设和施工形式逐渐向土木施工方向发展，同时液压技术也逐步得以完善。

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。

1968-1970年间，液压挖掘机产量己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L。

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[3]。

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。

1.2国内外挖掘机发展现状

1.2.1国外挖掘机发展现状

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。

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。

1.2.2国内挖掘机发展现状

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。

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。

1.3液压挖掘机的发展趋势

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，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、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制

（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，提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。

（3）更新设计理论，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。

液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。

第二章挖掘机液压系统结构与工作原理

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。

2.1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。

2.2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2-2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2-2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。

2.3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。

2.3.1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。

如图2-2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2-2限压回路

2.3.2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2-3所示为几种比较常见的缓冲回路。

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2-3缓冲回路

如图（a）中所示，缓冲阀3和4安装在回转马达的两个油路1和2上，正常工作状态下缓冲阀处于关闭状态。

当出现马达停转这种情况时，在高压油路1上的压力油油压会升高，压力油则会打开缓冲阀3流回油箱，实现卸载和消除液压冲击；若马达反转时，不仅缓冲阀3会卸载和消除液压冲击，同时单向阀6打开从油箱吸油对马达进行补油，而且补油量很大。

通常缓冲阀的调定压力要低于系统工作的最高压力。

如图（b）中所示，两个缓冲阀是并联在高低压油路1和2之间的，当回转马达停止转动或者反转时，高压油路的高压油就会经过缓冲阀留到低压油路，实现卸荷和消除液压冲击，同时在发转时还能通过单向阀进行补油，但补油量较少。

如图（c）中所示，由四个单向阀5、6和8、9成对的并联在回路里，只有一个缓冲阀3，当马达停转时，高压油先经单向阀5留到缓冲阀3把3打开实现卸荷和消除液压冲击，若马达反转时还可经过单向阀9补油。

2.3.3卸荷回路

卸荷回路是设计是为了让挖掘机在不工作时液压泵能以最低的功率运行，从而减少发动机的燃料消耗。

液压挖掘机卸荷回路通常有换向阀中位卸荷回路（2-4（a））和穿越换向阀卸荷回路（2-4（b））两种。

在换向阀中位卸荷回路中，通常采用中位机能是M型的三位四通换向阀，当挖掘机不工作时，换向阀处于中位，进油口和出油口联通，油液经过系统能各个换向阀后流回油箱，实现卸荷功能。

这种回路通常用于高压的串联液压系统，结构简单，但受系统冲击影响大而且操作很不稳定。

在穿越换向阀卸荷回路中，换向阀采用的是带有过油通路三位六通换向阀，当挖掘机不工作时，换向阀处于中位，液压油液依次经过换向阀通路以最低压力流回油箱，最终实现卸荷。

这种回路常用于高压并联系统，受液压换向冲击小，操作时比较平稳而且工作可靠。

（a）换向阀中位卸荷（b）穿越换向阀卸荷

图2-4卸荷回路

2.3.4节流限速回路

节流限速回路是在液压挖掘机的回油路上安装单向节流阀，从而来保证挖掘机工作装置安全作业的，如图2-5所示。

动臂缸、斗杆缸和铲斗缸三个液压缸的回油路上都有单向节流阀，可以防止动臂等因自重而下降速度过快而导致危险的发生。

图2-5节流限速回路

2.3.5节流调速回路

节流调速是利用节流阀的可变通流截面改变流量而实现调速的目的，通常用于定量系统中改变执行元件的流量。

这种调速方式结构简单，能够获得稳定的低速，缺点是功率损失大，效率低，温升大，系统易发热，作业速度受负载变化的影响较大。

按照节流阀安装位置不同，节流调速回路一般分为两种：

进油节流调速回路（图2-6（a））和回油节流调速回路（图2-6（b））。

（a）进油节流调速回路（b）回油节流调速回路（c）

1—定量泵；2—液压缸；3—节流阀；4—溢流阀；5—换向阀；6—滤油器；

图2-6节流调速回路

（a）进油节流调速回路。

液压泵前面有过滤,6，液压泵后面安装有溢流阀4和节流阀3，节流阀3和液压泵串联安装在高压油路上，液压油先经节流阀和换向阀再进入液压缸左侧，然后液压缸往右移。

如果外负载变大，导致液压缸大腔压力变大，节流阀两端压差减小，流过节流阀的压力油减少，最后液压缸右移速度变慢；若外负载变小，同理可知，活塞缸移动速度变快。

这种回路由于油液先经过节流阀，油温会升高，发热量大，泄露会增大，而且工作不稳定，效率低。

（b）回油节流调速回路。

与进油节流调速回路想比，主要是节流阀安装在了回油路上，其他工作原理相同。

由于节流阀安在了回油路上，油液经过节流阀后直接流回油箱，冷却效果好，而且工作较稳定，效率高。

（c）液压挖掘机的工作装置为了作业安全，常在液压缸的回油回路上安装单向节流阀，形成节流限速回路。

如图2-6（C）所示，为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险，其液压缸大腔的油路上安装由单向阀和节流阀组成的单向节流阀。

此外，斗杆液压缸、铲斗液压缸在相应油路上也装有单向节流阀。

2.3.6再生回路

动臂下降时，由于重力作用会使降落速度太快而发生危险，动臂缸上腔可能产生吸空，有的挖掘机在动臂油缸下腔回路上装有单向阀和节流阀组成的单向节流阀，使动臂下降速度受节流限制，但这将引起动臂下降慢，影响作业效率。

目前挖掘机采用再生回路，如图2-7所示，动臂下降时，油泵的油经单向阀通过动臂操纵阀进入动臂油缸上腔，从动臂油缸下腔排除的油需经节流孔回油箱，提高了回油压力，使得液压油能通过补油单向阀供给动臂缸上腔。

这样当发动机在低转速和泵的流量较低时，能防