机械设计制造及其自动化专业挖掘机工作装置液压系统设计

济南大学泉城学院毕业设计

题目挖掘机工作装置液压系统设计专业机械设计制造及其自动化

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学生

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指导教师

二〇一一年五月三十日

1前言

液压挖掘机目前在水利工程，电力工程，矿山采掘，交通运输和城市建设等大型机械施工环境中被得到了广泛的应用，液压挖掘机的发明对人类做出最大的贡献就是它减轻了以前人们工作中疲劳的体力劳动，在保证工程的质量同时，还加快了城市发展的建设速度以及大量提高劳动生产率等诸多方面都起着非常重要的作用。由于液压挖掘机具有品种多，功能多，质量高及效率高等特点，因而受到了广大施工单位的青睐，液压挖掘机制造业的发展也渐渐蓬勃发展起来，现在液压挖掘机成为了中国工程机械中的主力军。挖掘机与液压系统有着非常紧密地联系，并且其发展主要是以液压技术为基础的。由于挖掘机是在非常恶劣的条件下工作的，并且工作过程中实现的动作很复杂，因而对液压系统具有很高的设计要求。因此，在挖掘机发展历程中对挖掘机液压系统的分析与设计已经成为挖掘机发展过程中的一个非常重要环节。

1.1液压挖掘机的介绍

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[1]。

在挖掘机工作过程中工作装置的动作复杂，运动范围广，工作复合动作要求高，以及设计采用多自由度的机构代替传统的机械式传动等因素限制了挖掘机发展的速度。另外，当前我国工程建设主要是以国土资源的开发，筑路和场地的整修等水平作业，这些工程领域对挖掘机的应用相对较少，也在一定程度上限制了挖掘机的迅速发展。

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[2]。

自从第一台手动挖掘机诞生以来，挖掘机技术在160多年中一直在不断地飞跃发展，其技术已经发展到相对成熟稳定阶段。目前国际上迅速发展全液压式挖掘机，对

其控制方式不断进行改进和创新，使挖掘机由最初简单的机械操纵慢慢发展到了液压操纵、液压伺服操纵、电气控制、电子计算机综合控制、无线电遥控等。当挖掘机处于在危险地区操作时可以采用无线电控制其工作，控制时通过计算机接收器和激光导向器的结合，于是就可以实现挖掘机操纵的完全自动化。以上所有的动作及控制，都是挖掘机全液压控制的基础上进行的，因此液压系统的设计发展为挖掘机的进步奠定了坚实的基础。

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[3]。随着挖掘机技术的发展，其在工程机械中已经成为一种多功能型的工程机械，并且广泛的应用于各个工程领域，成为工程机械的主力机，并且在整个世界工程机械市场领域内己占据着第一位，而且仍在不断的发展壮大。挖掘机发展的核心技术就是液压系统的改进和发展，随着科学技术的发展和现代化建设施工的需求，挖掘机还需要由大幅度的技术提升，技术的不断创新是液压挖掘机行在机械行业中所面临的最难的挑战。

1.2 国内外的研究现状和发展动态

1.2.1国外的研究状况和发展动态

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1万小时[4]。近年来，随着挖掘机的产量不断增大及应用领域的广泛，世界上各家挖掘机生产家纷纷开发和使用高新技术，用来提高自己的挖掘机性能以及自己的品牌在国际上的竞争能力，技术发展的历程主要体现在以下四个方面: (1) 液压控制系统与电子控制系统的结合成为发展的潮流；(2)系统的高可靠性和高压化的发展日益凸显；

(3) 系统的节能技术逐渐成为研究的重点方向；(4)液压系统由开环向闭环的转变。

(1) 电子液压集成控制成为当前主要研究目标

液压控制技术与电子控制技术相融合的电子--液压集成控制技术近些年来取得了飞跃的发展，特别是传感器、计算机和检测仪表三者的有机结合应用，电子液压回路通过的计算机辅助装置的的功率控制系统，采用精简模式选择系统，减少发动机功率、燃油以及液压功率的损耗，使液压电子控制得到了充分的发挥，大大的提高了液压挖掘机的自动化程度，使挖掘机事业得到飞快的发展。并且还延长了机器零件的使用年限。

(2) 负载能力的提高和使用可靠性

使挖掘机负载能力的的提高，最直接的办法就是提高液压系统的流量、压力和功率。目前，国际上大多数的挖掘机液压系统的额定功率都在30MPa以上，随着科学技术的进步使挖掘机液压技术向更高的发展方向。美国、日本、英国等国家推广的有限寿命设计理论，用来替代传统的设计理论，并将断裂力学、计算机控制、优化设计的疲劳强度分析、疲劳试验技术等先进技术用于液压挖掘机的强度试验。日本科学家提出的液压挖掘机的动态设计分析及强度评定程序使挖掘机的使用效率达到

80%-95%，而国产的使用效率还不到30%，通过技术改进使挖掘机的寿命超过了1万小时。

(3) 挖掘机节能技术的开发与应用

当前，液压挖掘机上基本有两种节能技术，一个是负载流量控制技术另一个是负载敏感技术。负载流量控制技术是指利用由主阀后面的节流阀形成的控制压力对主泵的排量进行调节的技术。负荷敏感技术是利用泵的出口压力与负载压力的差值的变化而使得系统的流量随之产生变化的技术。德国Mannesmann公司开发了一种负荷传感系统用于液压系统的安装，可以对一个或多个液压元件起到控制作用，而与作用在元件上面的载荷无关。该系统不仅易于操作而且其微动操纵控制性能非常好。其最大的特点是可以通过调速要求和负载大小来对液压泵进行控制，进而使调速节流损失固定在一个很小的值，最后达到节省的目的。目前以日本小松(KOMATSU)、韩国现代(HYUNDAI)、美国卡特（CATE）和日本日立(HITACHI)为代表的诸多国外知名品牌的液压挖掘机生产厂家都在自己生产的挖掘机的液压系统中加载了负流量控制技术。这种控制技术具有速度和负载稳定性好，响应快以及更好的可靠性和可维护性的特点

(4) 液压系统由开环向闭环的转变

液压系统中的三位六通阀的特点是有两条供油路组成的，其中的一条是直通接通供油油路的，另一条则是并联于供油路的。由于这种供油方式是速度进油节流和旁路节流同时运作的，因而调速特性直接受到油泵流量和负载压力的影响，因此因此该系统的性能，高速性能和微调操纵性能差。由于挖掘机液压元件要实现良好的工作需要能够控制它的移动速度和进行微调，并在其不同的工况下工作需要多个作执行元件复合动作，而多年来传统上使用的开环式液压系统不能满足多个复合动作挖掘的要求。近年来，国外首先在液压挖掘机的负荷传感系统采用封闭的系统。它的作用是可以实

现一个液压泵同时向所有的元件进行油夜得供应，每个液压元件的运动速度受控于操作杆行程和负载压力的大小，与泵的流量无关，同时数液压元件同时作用时相互之间的干扰很小，所以良好的可操作性是封闭式液压系统的主要特点。这个系统操作简单，操纵驾驶技能低，非常符合挖掘机操作人员操作习惯，在国际上已被广泛的应用，而更多的是这是挖掘机液压系统发展的趋势。目前日本小松的挖掘机已经把开环系统的小松挖掘机液压系统改为闭环系统。

1.2.2 国内的研究状况和发展动态

从国内的整体状况来看，我国的挖掘机行业发展水平相对于外国品牌来说发展较缓慢，在挖掘机核心技术液压系统方面还是比较脆弱，处于落后的阶段。目前，虽然国内大部分的挖掘机制造商对挖掘机液压系统技术的研究有了一定的基础，但是由于我国挖掘机仍然应用传统的液压系统，使挖掘机在产品的质量、性能、作业效率等方面均落后于国外品牌，因而应用传统液压系统技术的国产挖掘机在国内市场份额失去了与对手的竞争力，取而代之的是应用先进技术的各个品牌的国外挖掘机。国际上一流的生产企业垄断了先进技术的挖掘机液压系统，而国内的企业在此领域的研究几乎是零，那么国内的挖掘机生产商就无法独立的制造出性能优越的先进挖掘机，最终导致大部分的市场份额都被国外知名品牌所占有。以20吨级别的挖掘机为例，国产20吨级别的挖掘机绝大多数仍然采用的是欧洲80年代初的技术，与在90年代初在国内上市的国外品牌如：美国卡特、日本小松、日立、神钢以及韩国大宇、现代等同等级别的机型相比，主要差距是发动机的功率偏低，液压系统性能差，液压系统流量偏小，回转、行走速度低以及各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率均比国外机型的指数低。

1.3设计的研究内容

挖掘机液压系统的设计技术多种多样，本论文设计主要通过国外知名品牌小松挖掘机pc200-7的液压系统为参考研究对象，对其现有的关键技术和控制方式进行比较和研究，为下文中挖掘机的液压系统设计提供一定的参考信息。

(1) 挖掘机液压系统技术方面的发展动态及研究分析

经查阅国内外的挖掘机在液压系统技术方面的相关资料，系统的认识挖掘机液压系统的发展历程。分析并总结挖掘机液压系统技术的研究状况和未来技术的发展动态。

(2) 挖掘机液压系统的设计要求

液压挖掘机的一个工作循环过程包含四种基本工况：挖掘工况、满斗提升回转工况、卸载工况和卸载返回工况，对每一个工况分别进行详细的解剖分析，总结出每一

个工况下各执行构件的主要的动作情况。在了解液压挖掘机的工作特点的基础上，系统地总结出挖掘机液压系统的设计要求，即操纵性要求和动力性要求。

(3) 挖掘机液压系统的设计

在分析研究传统液压挖掘机液压系统中单泵定量系统、双泵定量系统和双变量泵系统的基础上，详细地总结其主要的优点以及存在的缺点。本文在分析研究挖掘机液压系统的基础上，依据挖掘机液压系统的设计要求，设计了一套能够符合我国生产制造的挖掘机液压系统。本次设计的重点在于采用多路阀的控制系统，并配以专用控制阀和简单的伺服控制系统。