（机械电子工程专业论文）小型液压挖掘机动臂与回转平台复合运动的协调性研究.pdf

中南大学硕十学位论文 摘要 液压挖掘机动臂与转台的复合运动是挖掘机作业循环中一个必不可少的环 节，用时和能量消耗占整个工作循环的比重大，为了降低能耗，提高作业效率， 要求动臂与转台复合运动在运动时间上协调。 液压系统是液压挖掘机的核心部分，多路阀作为挖掘机液压系统中的关键 元件，控制系统中油液的流动方向和调节通过油液的流量，进而控制执行元件的 运动方向和速度，对挖掘机复合动作的协调性存在直接影响。小型液压挖掘机多 路阀各控制阀块普遍采用三位六通节流阀，这种控制阀内部结构复杂，为了满足 小型液压挖掘机的工作要求，通常在三位六通阀的阀芯节流端面圆周上开有各种 形状、尺寸不一的节流槽。控制阀的阀芯有六个节流端面，阀芯与阀体配合后形 成六个节流口。当控制阀工作时，阀芯移向阀体一端，其中的三个节流口起节流 控制作用，阀芯移向阀体另一端时，另外三个节流口起节流控制作用，同时起作 用的三个节流口的节流槽搭配情况在很大程度上影响执行元件的工作速度和承 载能力。因此，为了使动臂与转台复合运动协调，需要合理设计控制阀各节流口 的节流槽。 本文以s w e l 5 s 小型液压挖掘机动臂与转台复合运动的协调性为研究内容， 目的是为了建立一种设计、分析挖掘机节流控制阀阀芯的有效方法。文章指出控 制阀阀芯节流槽对动臂与转台复合运动协调程度存在较大影响，在对挖掘机动臂 与转台复合运动工况及液压系统进行详细分析的基础上，利用系统建模软件 a m e s i m ( a d v a n c e dm o d l e l i n ge n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o no fe n g i n e e r i n g s y s t e m s ) 建立了挖掘机的动臂和转台液压回路仿真模型，并进行仿真分析，仿 真结果说明动臂提升与转台回转复合运动协调性达不到要求。运用仿真模型作进 一步分析，提出了修改阀芯节流槽的改进方案。最后，把已有的动臂控制阀阀芯 和转台控制阀阀芯安装到试验样机上进行测试，试验结果表明，动臂提升运动时 间能够满足要求，而转台回转运动偏慢，动臂与转台复合运动协调性不够，与仿 真分析结果一致，证明本文建立的动臂和转台液压仿真模型正确可靠。根据仿真 分析提出的修改转台控制阀节流槽的改进方案，重新设计、加工转台控制阀的阀 芯节流槽，再次试验，试验结果表明转台回转速度有所提高，达到设计要求，进 一步证明本文建立的仿真分析方法能够可靠地指导控制阀阀芯节流槽的设计。 关键词小型挖掘机，复合运动，协调，节流槽，a m e s i m 仿真 中南大学硕十学位论文a b a t r a c t a bs t r a c t t h ec o m p o u n dm o v e m e n to f0 1 1 1 1a n ds w i n gp l a t f o r mi si n d i s p e n s a b l ed u r i n ga w o r k i n gl o o po fh y d r a u l i ce x c a v a t o lt h et i m e u s i n ga n de n e r g y - - c o n s u m p t i o no ft h i s c o m p o u n dm o v e m e n tc o u r s ea c c o u n tf o rac o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o n i no r d e rt or e d u c e t h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n di m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c yo fh y d r a u l i ce x c a v a t o r , a r m sm o v e m e n ta n d s w i n gp l a t f o r m sm o v e m e n tm u s tb ec o o r d i n a t ew i t he a c ho t h e r i nt e r m so ft i m e h y d r a u l i cs y s t e mi st h ek e yp a r to nh y d r a u l i ce x c a v a t o r a st h ek e yc o m p o n e n t i nt h ee x c a v a t o rh y d r a u l i cs y s t e m ，t h em u l t i t a n d e mv a l v ec o n t r o l st h ef l o wd i r e c t i o n o fo i la n da d j u s t st h ef l o wr a t eo fo i lp a s s i n gt h r o u g ht h ev a l v e ，a n dt h a tc o n t r o lt h e e x c u t i n gc o m p o n e n t sm o v e m e n td i r e c t i o na n dv e l o c i t y s o ，t h em u l t i t a n d e mv a l v e i m p o s e s d i r e c ta f f e c t o nc o o r d i n a t i o no fe x c a v a t o r s c o m p o u n dm o v e m e n t 3 - p o s i t i o n - - 6 p o r tt h r o t t l ev a l v ei su s e da tl a r g eo nm i n ie x c a v a t o r t h ei n n e rs t r u c t u r e o ft h i st y p eo fv a l v ei sv e r yc o m p l i c a t e d i no r d e rt om e e tt h ew o r kr e q u i r e m e n to f m i n ih y d r a u l i ce x c a v a t o r , s o m en o t c h e sw i t hd i f f e r e n ts h a p ea n dd i m e n t i o nw a ss l o t e d o nt h ep i s t o ne n d s t o p so f 3 - p o s i t i o n 一6 一p o r tt h r o t t l ev a l v e ss p 0 0 1 t h e r ea r es i xp i s t o n e n d s t o p so nt h es p o o lo ft h i sk i n do fc o n t r o lv a l v e s i xo r i f i c e sa r ef o r m e dw h e nt h e v a l v eb o d ya n ds p o o lc o m b i n e d i nw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h r e eo ft h es i xo r i f i c e sa c t w h e nt h es p o o lm o v e st o w a r d so n es i d e ，t h es p a r et h r e eo r i f i c e sa c tw h e nt h es p o o l m o v e st o w a r d st h eo t h e rs i d e i no r d e rt oc o o r d i n a t et h ec o m p o u n dm o v e m e n to fa n n a n ds w i n gp l a t f o r m ，t h en o t c h so ne a c hp i s t o ne n d s t o p sm u s tb ed e s i g n e dr e a s o n a b l y t h i sp a p e ri sa b o u tr e s e a r c ho nt h ec o h e r e n c eo fc o m p o u n dm o v e m e n tb e t w e e n a l t na n ds w i n gp l a t f o r mo ns w e15 sm i n ie x c a v a t o r t h ep u r p o s ei se s t a b l i s h i n ga f e a s i b l ew a yt od e s i g na n da n a l y z et h es p o o lo ft h r o t t l ev a l v e f i r s t l y , t h i sp a p e r p o i n t s o u tt h a tn o t c h so nt h es p o o lg r e a t l yi n f l u e n c et h ec o m p o u n dm o v e m e n t sc o o r d i n a t i o n b e t w e e na r l na n ds w i n gp l a t f o r m t h e n ，b a s e do nt h ed e t a i la n a l y s i st o w o r k i n g c o n d i t i o no fc o m p o u n dm o v e m e n ta n de x c a v a t o rh y d r a u l i cs y s t e m ，t h es i m u l a t i o n m o d e l so fa n l lh y d r a u l i cl o o pa n ds w i n gp l a t f o r mh y d r a u l i cl o o pw e r eb u i l tw i t h a m e s i m a f t e rt h a t ，r u n n i n gt h es i m u l a t i o nm o d e l s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h ee x i s t i n gd e s i g no fs p o o ln o t c h sc o u l dn o tm a d et h ec o m p o u n dm o v e m e n t b e t w e e na r ma n ds w i n gp l a t f o r mo ns w e15 sm i n ie x c a v a t o rm e e tt h er e q u i r e m e n t a ni m p r o v e ds c h e m ew a so b t a i n e d b y f u r t h e rs i m u l a t i o n a n a l y s i s f i n a l l y , 中南人学硕士学位论文 a b a t r a c t c o r r e s p o n d i n gt e s t sw e r ed o n ew i t he x i s t i n ga r ms p o o la n ds w i n gs p o o li n s t a l l e dt o t h et a r g e te x c a v a t o lt h et e s tr e s u l t sw e r ea c c o r d a n tw i t l ls i m u l a t i o nr e s u l t s t h a t p r o v e dt h es i m u l a t i o nm o d e l sw h i c hw e r eb u i l ti n t h i sp a p e ri s c o r r e c t n o t c h s t r u c t u r ew a sm o d i f i e da c c o r d i n gt ot h ei m p r o v e ds c h e m ea n dan e w s w i n gs p o o lw a s m a d e t h em o v e m e n to fs w i n gp l a t f o r mw a st e s t e do n c ea g a i nw i t ht h en e w s p o o l i n s t a l l e d t h et e s tr e s u l t sp r o v et h a tt h er o t a t i n gv e l o c i t yi si m p r o v e da n da l r e a d ym e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o nm e t h o dw h i c hw a se x p l o r e di n t h i sp a p e r p r o v e sf e a s i b l ei ng u i d i n gt h ed e s i g no fs p o o ln o t c h e s k e yw o r d s m i n i - e x c a v a t o r , c o m p o u n dm o v e m e n t ，c o o r d i n a t i o n ，v a l v en o t c h ， a m e s i ms i m u l a t i o n 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 。1 引言 第一章绪论 小型液压挖掘机主要用于城市小型基础工程和园林作业工程的开挖、装载、 回填、平整，因其体积小、机动灵活、一机多用，施工时对道路交通影响小等特 点，广受相关施工单位的青睐n 1 。近年来我国国民经济的持续高速发展，拉动了 工程机械产品的市场需求。目前，挖掘机正朝着大型化和小型化两个方向发展。 小型液压挖掘机的生产始于2 0 世纪7 0 年代初，8 0 - 9 0 年代小型机械设备在市政 工程、交通、管道等施工中表现出了较大优势并得到迅速发展，技术上同臻成熟、 完善。1 9 9 7 年我国挖掘机全年的市场销量仅为3 4 0 6 台，而2 0 0 6 年销量己达到 了4 6 万台。仅仅1 0 年时间，挖掘机的产销量增长了1 3 5 倍。据统计，2 0 0 7 年 国内主要2 0 家挖掘机制造公司的挖掘机市场销量再次历史性地突破6 6 ，0 0 0 台， 同比2 0 0 6 年大幅增长4 5 。在巨大的市场需求导引下，2 0 0 8 年中国挖掘机销量 仍将继续以两位数增长。其中，小型挖掘机的发展势头更为迅猛，2 0 0 6 年，小 型挖掘机所占比例已接近3 0 ，销量超过了1 3 万台。预计到“十一五”末，小型 挖掘机市场会更加成熟，销量可望达到3 万台以上心1 。 挖掘机具有执行机构多、工况复杂、能耗大等特点。在操作过程中，为了 提高工作效率，节省燃料，往往需要其中一些执行机构做复合运动，其中最典型 的两种复合运动就是满斗举升回转和空斗返回。在一个完整的挖掘循环内，仅满 斗举升回转就占整个作业循环时间的5 0 , - 一7 0 ，能量消耗占2 5 q 0 ，回转液 压回路的发热量占液压系统总发热量的3 0 - - - 4 0 口1 。为了减少动臂与转台复合 运动的时间消耗和能量消耗，就必须使动臂与转台的复合运动协调。对采用节流 液压系统的挖掘机而言，存在两大影响动臂与转台复合运动协调性的因素h j 3 1 ： 多路阀的影响挖掘机的执行机构多达十种以上，挖掘机液压系统 十分复杂。小型挖掘机普遍采用开中心节流调速回路，控制阀是三位六 通节流换向阀，整个液压系统由阀控液压缸回路和阀控液压马达回路两 种基本回路组成。挖掘机通常采用多路控制阀作为液压系统的控制元 件，同时采用两泵或三泵分块供油的结构，这样可以大大简化整个液压 系统。这样就必然要求多个执行元件由同一个液压泵供油，对于采用节 流系统的小型液压挖掘机，为了提高挖掘机的控制性能，动臂油缸和回 转液压马达往往由两个泵分开供油，回转马达由其中一个泵单独供油， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 另一个泵除了给动臂油缸供油外，还要同时给铲斗油缸供油。为了达到 良好的控制要求，多路阀各单独阀块的阀芯采用非全周开口形式，即在 各节流端面圆周上开有节流槽。节流槽的形状、尺寸大小是否合适直接 影响挖掘机的工作性能，如果设计不合理，就会出现两个执行机构作复 合运动时速度不协调、斗杆内收及动臂下降时活塞杆超速失控、调速范 围不够等一系列问题。 液压泵的影响国内生产的挖掘机目前大多采用恒功率控制模式， 同时采用多泵分块供油的方式，动臂油缸和回转马达通常不是由同一个 泵供油，在动臂与转台做复合运动的时候，随着各自负载的变化，给动 臂油缸供油的液压泵与给回转马达供油的液压泵之间会相互影响。所 以，两个液压泵之间及泵与负载之间是否匹配对动臂和转台复合运动的 协调性也存在影响。 1 。2 挖掘机技术发展概况 挖掘机械的最早雏形，远在十六世纪子意大利威尼斯用于运河的疏浚工作， 模拟人的掘土工作。以蒸汽机驱动的“动力铲 诞生于1 8 3 6 年，发展至今已有 1 7 0 余年的历史。随着工业的发展、科学技术的进步，单斗挖掘机也随着新技术、 新工艺的采用而不断地发展进步，但它的基本工作原理至今未变。动力装置以及 控制方式的不断革新，基本反映了挖掘机发展的几个阶段： 1 蒸汽机驱动的单斗液压挖掘机从发明到广泛应用大约经历了1 0 0 年，当 时主要用于开挖沟河和修建铁路，结构形式由轨道行走的半回转式发展 到履带行走的全回转式。 2 内燃机与电动机驱动的单斗液压挖掘机发展于2 0 世纪初，1 8 9 9 年出现 第一台电动挖掘机。第一次世界大战后汽油机和柴油机先后用于轮胎式 与履带式单斗挖掘机上，改善了挖掘机的越野和机动性能，扩大了挖掘 机的应用范围。 3 挖掘机传动形式的液压化是挖掘机由机械传动结构发展到现代结构的 一次跃进。随着液压传动技术的迅速发展，2 0 世纪4 0 年代末至5 0 年代 初挖掘机开始应用液压传动，并且由半液压传动发展到全液压传动，产 量日益增长，6 0 年代初期液压挖掘机的产量占挖掘机总产量的1 5 ，到 7 0 年代初期已占总产量的9 0 ，现在国内外生产的挖掘机除极少数特殊 用途特大型的挖掘机仍采用机械传动外，基本上都是采用液压传动的挖 掘机。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 4 控制方式的不断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，上世纪9 0 年代以来， 液压挖掘机的控制水平进一步提高，逐渐演化为电子一液压集成控制模 式。使机器的工作效率和能耗利用率显著提高，操作者的劳动强度显著 降低。简化了原有的液压控制机构和控制逻辑，使操纵稳定性和准确性 达到更高的水平。 目前，挖掘机技术研究的焦点主要体现在以下几个方面： 一、 机器人化挖掘机的研究。为延伸人类在复杂、恶劣、危险环境中的作业， 世界各国对机器人化挖掘机的研发工作非常重视，国外在这方面研究比较 早，较为典型的有：c a m e g i e m e l l o n 大学的自主装载系统( a u t o n o m o u s l o a d i n gs y s t e m a l s ) 隅6 1 。a l s 系统使用两个激光扫描测距仪，对车辆进 行确认和准确定位、观测土壤表面情况、识别障碍物等。该系统还提出一种 用于实时轨迹规划和执行复杂挖掘机器人运动的参数化控制方法。相同情况 下，普通挖掘机熟练的操作手装满一卡车需要1 2 0 秒，而使用该系统也不超 过1 5 0 秒，完成一个装载循环的时间小于1 分钟，与熟练的操作手的操作速 度基本相当；澳大利亚机器人中心( a u s t r a l i a nc e n t e ro ff i e l dr o b o t i c s ， a c f r ) 的自主挖掘机研究口1 。a c f r 挖掘机项目的最终目标是实现全自动挖 掘任务，如自动装载和挖掘。实验结果表明，a c f r 的自主挖掘机轨迹精度 在2 0 厘米以内，对于液压系统的非线性及系统的非线性有较好的鲁棒性； 英国兰卡斯特大学的智能挖掘机( l a n c a s t e ru n i v e r s i t yc o m p u t e r i z e d i n t e l l i g e n te x c a v a t o r , l u c i e ) 隅1 。l u c i e 将小型挖掘机进行改造，配备d a n f o s s 电液比例阀，由3 块堆栈式p c i 0 4 计算机控制，并用精度为2 5 m m 的g p s 导航与定位，激光扫描器用于探测干涉和了解环境。l u c i e 在没有人干预的 情况下能适应各种土壤和障碍，使工作装置能够正确地运动。国内机器人化 挖掘机的研究相对较迟，浙江大学冯培恩教授在上世纪8 0 年代开始率先着 手研究挖掘机机电一体化技术哼1 ，首先实现挖掘机器人作业过程的分级规划 和局部自主控制，但是他们在任务规划层面上只停留在仿真阶段，还没有提 出显著的实现方案；2 0 世纪末由戴炬负责的8 6 3 计划项目“挖掘机器人工作 装置控制系统研究与开发 ，以挖掘臂轨迹和工作循环的自动半自动控制为 目标，开发研制相应的控制装置，安装在挖掘机上形成挖掘机器人产品，研 制出一台挖掘机器人功能样机；湖南山河智能机械股份有限公司研制的机电 一体化挖掘机等功能，将挖掘机的自动化研究推向实用化引。 二、遥控挖掘机的研究。世界各国对于各种场合机器人遥控系统的研发工作 都非常重视，并取得了大量遥控机器人的研究成果。上世纪8 0 年代初，美 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 国k r a f tt e l e r o b t i c s 公司和j o h nd e e r e 公司等都相继成功开发出遥控挖掘机。 其中，比较典型的是j o h nd e e r e 公司的6 9 0 c r 型遥控液压挖掘机，该机无 线遥控作业范围达1 5 2 5 m ，也可以用同轴电缆在3 0 5 m 的范围内完成作业。 控制台包括图像声音接收器，以及为处理输入信号所需要的译码装置，这类 挖掘机遥控系统可以对被控车辆的工作状态借助摄像机，将有关图像传递 给操作者。但事实上由于工程车辆工作现场环境恶劣，灰尘量大，摄像头容 易被遮挡，故障诊断监控系统的信息却未能真正反馈给操纵人员，从而影响 了正常工作效果。1 9 8 3 年3 月，日本小松制作所以p c 2 0 0 2 型液压挖掘机 为基本机型进行遥控挖掘机研制，实现了各工作装置的微动控制和复合动作 的无线电操纵。改装成功后的p c 2 0 0 r 2 型挖掘机可以进入恶劣环境、救灾 工程等危险现场并利用无线遥控操作进行作业。该系统没有进行双向数据通 讯，出现较大意外负载的情况不能及时被遥控操作者所发现，采用伺服电机 驱动耗电量较大，本身不具备自调节功能而影响正常工作。德国h b c 公司 于1 9 8 7 年研制成功应用于工程车辆领域的工业无线电遥控装置，这种遥控 装置采用了先进的数字化通讯技术，传输的比例控制信号安全、可靠、实用。 近年来，h b c 对于矿山机械、混凝土泵车、随车起重机和移动式汽车起重机 等工程机械提出了一系列无线遥控作业的解决方案。浙江大学在1 9 9 6 年初 研制成了一种结构简单、价格低廉的液压挖掘机近距离无线遥控系统，该系 统遥控半径在2 0 m 左右，通过目测进行遥控作业完成简单作业。中南大学与 山河智能合作也在无线遥控、g p s g p r s 、无线网络远程监控等方面进行了 研究，目前的无线遥控半径为1 0 0 m 左右。目前国内外已有利用g p s g p r s 技术将远程挖掘机的工作状态数据传送到服务中心进行分析处理，由车载数 据采集及发送系统、无线网络传输系统、服务控制系统组成挖掘机远程实时 监控与故障诊断系统的专利申请，。 挖掘机节能技术的研究。液压挖掘机作为一种灵活的多功能工程机械， 节能性一直是其追求的目标。传统工程机械的能量利用率较低，仅为2 0 左 右。各大公司均把节能技术作为科技重点发展目标，以提高其产品在世界市 场上的竞争力。在技术上，一方面对液压系统及液压元件进行改善；另一方 面，从功率链的思想出发，研究分析发动机与泵、液压系统与负载的功率匹 配问题，从而达到整机功率的优化设置n 幻。上世纪8 0 年代后，美、日、德 等国在液压系统节能的基础上，纷纷开始研制电子节能的液压挖掘机。如日 本小松公司开发研制的新型节能控制器( o l s s 系统) ，可使燃油节省2 3 ； 日立公司对u h l 6 型挖掘机的动力系统实施电子控制，生产效率提高2 0 ， 使其燃料消耗降低1 2 - - 1 8 ；美国卡特彼勒公司采用的卡特电子功率控制 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 系统，能够平衡发动机功率和泵的输出，在大幅度提高生产率的同时能使 发动机功率的9 8 转换为液压能。上世纪8 0 年代末期，3 档功率预选模式节 能控制系统的出现，使系统平均节能效果提高2 0 左右n 引。其后日立公司的 电子负载传感e l l e 系统，以及德国利勃海尔公司在1 9 9 0 年推出的9 4 2 型 挖掘机，可获得全部的液压功率，起到较好的节能效果。目前，以微机或微 处理器为核心的电子控制系统在国外液压挖掘机中应用相当普及，并已成为 现代高性能液压挖掘机不可缺少的组成部分。 1 3 分析挖掘机复合运动协调性的方法 在为新开发的挖掘机设计、选配液压元件时，根据液压挖掘机的功率确定 液压泵和液压马达、液压缸等元件后，需要对多路阀阀芯进行反复调试、修改， 保证泵的输出流量得到合理分配，才能使挖掘机执行元件的单动作和复合动作满 足运动速度要求，在这一领域国外一些知名挖掘机液压元件供应商都已建立了成 熟的集分析、设计、制造于一体的方法。德国b o s c hr e x r o t h 公司采用现场调试 的方法嘲1 ，首先根据挖掘机的型号预制控制阀的阀芯，在液压回路上安装大量的 压力、流量传感器，挖掘机执行机构运动的同时，在线实时检测回路的压力、流 量，根据传感器获得的压力、流量信号，判断节流口的节流槽该作怎样的改进， 反复修改、测试、再修改，直到执行元件单动作和复合动作的速度满足要求；日 本的k a y a b a 公司则采用仿真分析的方法瞄1 ，该公司建立了挖掘机虚拟仿真分析 平台，对所有模型参数化，可以参数定义控制阀阀芯节流槽的形状和尺寸，通过 仿真结果就可以确定控制阀阀芯节流槽的设计是否满足执行元件单动作和复合 动作的速度满足要求，这种方法快速、准确、重复性好。国内目前在这方面还没 有相关的文献报道，没有形成一套成熟的研究方法。 1 4 课题研究意义及研究内容 1 4 1 课题研究意义 随着小型挖掘机市场需求的与日俱增，国产液压配套件无法与之配套已经成 为制约国内小型挖掘机企业发展的关键问题，国产的挖掘机液压件在可靠性、控 制准确性、使用寿命等方面与国外同类产品还存在较大差距，而且没有形成系列。 国内的挖掘机生产厂商为了提高自己产品的市场竞争力，往往更倾向于购买国外 液压件，小型挖掘机的液压系统中，泵、阀、马达等关键技术、工艺和知识产权 基本掌握在日本、德国等少数国家的厂商手中，产品采购成本约占了整机成本的 5 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 4 0 。尽管近几年国产液压配套件每年都以两位数在增长，但仍满足不了市场需 求，国际国内市场主要被日本、德国、美国等发达国家占领n 钔。 多路阀是挖掘机整个液压系统中的控制元件，用来控制系统中油液的流动方 向和调节流过油液的压力及流量，在能量的传输过程中起着重要的作用。在实际 生产过程中，挖掘机液压件供应商在为新开发的挖掘机配制多路阀时，需要不断 修改各节流口节流槽的大小尺寸，然后进行调试，如果节流槽开得不合理，就会 出现执行机构作复合运动时速度不协调、斗杆内收及动臂下降时活塞杆超速失 控、调速范围不够等一系列问题。国外各大液压件公司的挖掘机控制阀设计技术 已经很成熟，但国内在这方面的研究目前还很欠缺，也未曾有相关报道。为了促 进国内挖掘机液压件设计能力的提高，本文以控制阀节流槽对动臂与转台复合运 动协调性的影响为研究内容，探索一条指导小型挖掘机用控制阀阀芯节流槽设计 的新方法，以促进国内挖掘机多路控制阀设计水平的提高。 1 4 2 课题主要研究内容 挖掘机动臂与转台复合运动的协调性是评价挖掘机操作性能的一个重要指 标，对挖掘机的工作效率和能量利用率有很大影响。挖掘机动臂提升加转台回转 复合运动过程中，两个执行机构运动要达到协调一致，就需要在转台回转到预定 位置时，动臂提升到卸载要求的高度。对于s w e l 5 s 小型挖掘机，为了追求高效 率、低油耗的目标，需要从系统上保证这两个执行机构做复合运动时相互协调， 这就要求在额定发动机转速条件下，转台回转9 0 。所用时间不超过2 1 秒，动臂 提升时油缸活塞杆走完总行程的9 0 用时不能超过转台回转9 0 。所用时间。本文 以山河智能公司生产的s w e l 5 s 小型挖掘机为研究对象，在发动机和液压泵既 定的条件下，研究节流阀节流槽的优化设计方法，以满足动臂与转台复合运动时 速度协调性的要求。具体研究思路和工作内容如下： ( 1 ) 在大量查阅国内外相关文献的基础上，叙述挖掘机的发展历史和当前 挖掘机技术发展概况，阐明影响小型挖掘机动臂与转台复合运动协调性的主 要因素及对此进行研究的意义； ( 2 ) 分析动臂、斗杆、铲斗和回转等机构的单动作和常用复合动作的特点； 对三种节流调速回路进行理论分析，对动臂和转台两个液压回路特点进行阐 述，在此基础上对开中心三位六通节流阀的节流口匹配特性进行理论分析； ( 3 ) 在a m e s i m 环境下建立动臂和回转机构的机械、液压综合仿真模型， 对关键仿真元件的参数进行计算和确定，并对动臂与转台的运动协调性进行 仿真分析： ( 4 ) 试验研究，验证仿真分析结果及建立的指导挖掘机三位六通控制阀阀 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 芯设计的仿真分析方法的可行性。 1 5 本章小结 本章论述了挖掘机械的发展历史及液压挖掘机技术的国内外研究动态，指出 影响挖掘机动臂与转台复合运动协调性的两大因素，并介绍国外在解决挖掘机复 合运动协调问题上采用的分析方法，在此基础上，阐明了课题的研究目的和意义， 明确了本文的研究思路和研究内容。 7 中南人学硕士学位论文第二章动臂与转台工况特点及其液压同路分析 第二章动臂与转台工况特点及其液压回路分析 2 1 小型挖掘机主机工况特点 2 1 1 整机工况特点 单斗液压挖掘机的作业过程包括以下几个i 白j 歇动作：动臂升降、斗杆收放、 铲斗装卸、转台回转、整机行走，如图3 1 所示，以及其他一些辅助动作( 包括 动臂偏转、履带张紧、推土铲升降等) 。除辅助动作不需要全功率驱动以外，其 他都是挖掘机的主要动作，需要考虑全功率驱动n 引。 图2 - 1 挖掘机的工作运动 1 一动臂升降； 2 一斗杆收放；3 一铲斗装卸； 4 一转台回转；5 一整机行走 由于挖掘机的作业对象和工作条件变化很大，主机的工作有两项特殊要求： ( 1 ) 由于实现各主要动作时阻力与作业速度随时变化，因此要求供给液压缸和 液压马达的压力和流量也能作相应变化；( 2 ) 为了充分利用发动机的功率和缩短 作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作( 例如挖掘与提升、提升与 回转) 同时进行，叫做复合动作。这两项要求需要由液压系统来保证。图2 2 是 单斗液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合，包括： 1 挖掘通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或两者配合进行挖 掘，因此在此过程中主要是铲斗与斗杆的复合动作，必要时配以动臂动作。 8 中南人学硕士学位论文第二章动臂与转台工况特点及其液压回路分析 2 满斗回转挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升；同时回转 液压马达使转台转向卸土处，此时，主要是动臂和回转的复合动作。 3 卸载 转到卸土点时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲 斗液压缸回缩，铲斗卸载，为了调节卸载高度，还要有动臂液压缸的配合， 此时是斗杆与铲斗的复合动作，间以动臂动作。 4 返回卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空 斗放到新的挖掘点，此时，是回转和动臂或斗杆的复合动作。 铲斗 斗杆 动臂 转台 l 内收放出 提升下降 芦隧 图2 - 2 液压挖掘机的作业循环 七 实践证明，除个别情况外挖掘机工作时很少出现两种以上的复合动作。 液压挖掘机的动作繁复，主要机构经常启动、制动、换向，外负荷变化大， 冲击和振动多，而且野外工作，温度和环境变化大，所以对液压系统的要求是多 方面的。根据挖掘机的工作特点，液压系统要满足主机正常工作的要求，即： 1 动臂、斗杆和铲斗的传动，要保证可以各自单独动作，也可以互相配合 实现复合动作； 2 主机工作过程中，要求工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又 能作复合动作，以提高机械生产率； 3 履带式挖掘机的左、右履带要求分别驱动，使机械行走方便，转向灵活， 并且可以原地转弯； 4 挖掘机的一切动作都是可逆的，而且要求无级变速；要求机械工作安全 可靠，各种执行元件要有良好的过载保护，回转装置和行走装置要有可 靠的制动和限速，要防止动臂、斗杆因自重而快速下降和整机超速滑坡。 2 1 2 满斗举升回转工况特点 满斗举升回转的运动约占整个作业循环时间的5 0 7 0 ，能量消耗占 2 5 - 5 0 ，回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的3 0 - 5 0 ，因此要 求尽可能地缩短转台的回转时间n6 1 。挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举 9 中南大学硕士学位论文 第二章动臂与转台工况特点及其液压回路分析 升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动 作。动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸 载位置时，动臂和铲斗自动提升到合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不 同，随液压挖掘机相对卸载的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速 度的相对关系应该是可调整的。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂 的提升速度慢些。回转起动时，由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流 阀溢流。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。 这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。 2 1 3 空斗返回工况特点 当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作， 把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下 降有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况 的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给动臂， 少部分油经节流阀供给斗杆。发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重 力作用迅速下降和动臂油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用 重力将动臂油缸无杆腔的油供至有杆腔。特点与满载回转类似，但转动惯量比满 载时减小。 2 2 小型挖掘机液压系统分析 2 2 1 小型挖掘机典型液压控制系统分析 液压系统是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动系统。挖掘 机液压系统由液压泵、控制阀、液压执行元件( 液压缸、液压马达) 通过油管连 接而成，利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力来传 递能量。液压挖掘机液压系统的形式和种类很多，可以从不同的角度进行分类。 从多路阀的形式可以分成中位开式系统和闭式系统，或节流系统和负荷传感压力 补偿系统两大类；从泵的形式来看有定量泵和变量泵；泵的控制方式也有多种， 而且根据泵的数量不同还可分为单泵、双泵、三泵和多泵等n 9 4 9 1 。图2 3 显示了 挖掘机标准的液压系统组成m 引。 l o 中南大学硕士学位论文 第二章动臂与转台工况特点及其被压回路分析 图2 - 3 挖掘机液压系统组成 挖掘机的液压系统经历了带定量泵和节流阀控制的定量系统、恒功率变景泵 和节流阀控制的恒功率变量系统，到了上世纪8 0 年代中期，对节能的要求迸一 步提高，一种全新的概念按需流量控制被提了出来。最初的目的是减少系统 在中位和微调时的能量损失。从广义上说，按需流量控制有以下三种“。”3 ： ( a ) 负流量控制模式 是指主泵排量与控制压力成反比各个换向阀都采用丌芯结构，液压油 在经过换向阀回油箱前增加一个节流阀，根据节流阀前的压力大小来调节主 泵排量。当所有换向阀阀芯处于中位时，泵输出的液压油直接通油箱，控制 油路的压力p 升高，最后调节主泵排量减小。控制先导压力，使一个或多个换 向阀阀茁移动，这时通向油缸或马达的阀芯逐渐增大，通向油箱的阀芯丌口 逐渐减少，阀芯移动到一定位置最终关闭，这一过程中p 逐渐下降，主泵排 量逐渐增大。执行元件动作的快慢，由操作人员操纵先导滑阀决定，先导滑阀 的控带怔力决定换向阀开度，换向阀开度决定了回油量的大小，进而控制泵排 量。负流量控制系统的原理如图2 4 所示( 实际上有多个液压缸和马达，但其 工作原理跟两个工作装置相同) ，泵出口油液流量q 矿通向油缸和马达的流 量见及系统回油流量g 与先导雎力的关系曲线如图2 - 5 所示。 中南大学硕士学位论文第二章动臂与转台工况特点及其液压回路分析 图2 - 4 负流量控制原理 图2 5 绯、q 口、g 与先导压力关系 ( b ) 正流量控制模式 是指主泵排量与控制压力尸成正比。控制压力取自换向阀两边先导压 力差，控制手柄在中位时，执行元件不工作，控制压力为零，主泵的斜盘角 度很小，排量q 。很低；当操作手柄动作时，系统的先导压力由小变大，控制压力 作用于主泵的变量机构，换向阀的阀芯往一端移动，开口面积增大，主泵排量 q 。增大，执行元件的运动速度加快。所以正流量控制模式是在控制回路中建 立起与操作手柄偏转量成正比例的压力来控制换向阀阀芯的位移和泵的排 量。这种控制模式最大优点是节能，实现了主泵按照执行元件实际需要( 速度 1 2 中南大学硕士学位论文第二章动臂与转台工况特点及其液压回路分析 快慢) 调整排量，不需溢流。正流量控制原理如图2 6 所示( 实际上有多个液压 缸和液压马达，但其工作原理跟一个工作装置相同) ，泵的出口流量g 、通 向工作装置的流量q 口与先导压力的关系曲线如图2 - 7 所示。 q 垲丁 口 ) - 厂 q j r ： 罗 j q 图2 6 正流量控制原理 图2 7 绯、q 与先导压力关系 ( c ) 负荷传感控制 按压力补偿阀在主阀的前后位置，又分为初级负荷传感控制系统( 即 标准型l s 系统) 和次级负荷传感控制系统( 即l u d v 系统) ，l u d v ( 不受 载荷影响的流量分配) 是一种广泛应用于各类挖掘机的液压系统，系统一 般由一个负荷传感控制的变量液压泵供油，多路控制阀内部设有压力补偿 阀，l u d v 负荷传感原理如图2 8 所示( 实际上有多个液压缸和马达，但其 工作原理跟两个工作装置相同) 。与传统的压力补偿不同，l u d v 系统的压 力补偿阀被安排在多路阀节流口的后面，对换向阀口的前后压差进行调节， 压力补偿阀的控制压力不一定是本回路的负载压力，而是整个工作装置系 统的最大负载压力，最大负载压力的大小通过换向阀的l s 口检测，本文用 只。代表最大负载压力咖1 。 1 3 中南大学硕士学位论文第二章动臂与转台工况特点及其液压回路分析 图2 - 8l u d v 负荷传感控制原理 而l s 调节阀根据最大负载压力对泵的出口压力进行调节，在这里设泵的出口 压力为b 。在图2 8 中，系统的最大负载压力通过梭阀同时作用在两个压力 补偿阀上，两个换向阀的节流阀前后的压力分别为只、只。和只：、只：，l s 调节阀的弹簧压力为岛( 即设定的p 值) 。由压力补偿阀及l s 调节阀的平 衡关系，可得 b = 。= 只：= 比+ 岛 晶= l a p = 气 e ：= 只：一凹= 气 由公式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 可得 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 邮= 必= 珞= 凹 ( 2 4 ) 故经过阀口的流量为 q = 巴洲括尸 ( 2 5 ) 其中q 为流量系数，其大小由阀口的形状和尺寸所决定，w 为节流口的面积 梯度，p 为油液密度，挖掘机正常工作中( 系统不饱和时) ，a p 的设定值 中南人