（机械工程专业论文）小型工程机械液压回转系统动态特性的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 挖掘装载机是一种典型的小型工程机械，液压系统缓冲技术是影响回转运动平稳 性的重要因素，既要满足回转机构的快速回转运动以获得较高的作业效率，又要保证 回转运动的平稳停止和精确定位性能，就必须有效的优化液压回转系统的动态特性。 本文首先分析了小型工程机械和挖掘装载机的发展趋势及市场需求，以及挖掘装 载机的液压回转机理，不同回转作业工况下对挖掘回转机构运动性能的要求，分析了 挖掘装载机液压回转系统的动态特性是影响挖掘回转机构运动性能的关键因素，在小 型工程机械中具有典型性，国内外工程机械企业都十分重视回转运动平稳性及精确定 位性能的研究与应用，提出了解决现有技术问题的意义，以及进行本课题研究的必要 性。 在研究中本文利用功率键合图法及仿真技术，分析了液压回转系统的动态特性， 建立了挖掘装载机液压回转系统的运动学模型、动态特性数学模型，研究分析了节流 缓冲、溢流缓冲形式对机构回转的起动、制动、平稳运动至中间位置停车过程动态特 性的影响，节流阻尼对动态特性的影响。对样机的液压回转系统动态特性进行了试验 研究，通过对样机在不同回转工况下压力特性蓝线的测试，获得了具有设计指导意义 的数据，为样机阻尼系统的整改提供了依据，利用试验研究结果整改现有样机的节流 阻尼系统，经验证并运用到产品中，取得了较显著的效果。 通过研究，得出了小型工程机械液压回转系统的动态特性研究分析的理论依据， 掌握了合理应用基础的液压元件对液压系统进行优化匹配的科学方法，同时为其它工 程设计者提供了可参考的理论依据，不但可以提升国产小型工程机械产品的技术性能 及整体的技术水平，为中国工程机械走向国际化打下了基础。 关键词：小型工程机械液压回转功率键合图法动态特性节流缓冲 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a c k h o el o a d e ri sat y p i c a lt y p eo fs m a l ls i z ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y t h eb u f f e t i n g t e c h n i q u eo fh y d r a u l i cs y s t e mi s a 1 1i m p o r t a n tf a c t o ro nt h es m o o t h n e s so fr e v o l v i n g m o v e m e n t i no r d e rt or o t a t ef a s tf o rh i 曲w o r k i n ge f f i c i e n c ya n ds t o ps m o o t h l ya n d a c c u r a t e l y , t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cr e v o l v i n gs y s t e mm u s tb ee f f e c t i v e l y o p t i m i z e d t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n da n dt h em a r k e tr e q u i r e m e n to fs m a l l s i z ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , t h eh y d r a u l i cr e v o l v i n gm e c h a n i s ma n dt h er e v o l v i n g m o v e m e n tp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f b a c k h o el o a d e r sr e v o l v i n gs y s t e mp l a yac r i t i c a lr o l eo nt h em o v e m e n tp e r f o r m a n c e ；i t s v e r yr e p r e s e n t a t i v ei nt h es m a l ls i z ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y b o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a e n t e r p r i s e sa r ev e r yc o n c e r n e dw i t ht h er e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o no ft h er e v o l v i n g m o v e m e n t ss m o o t h n e s sa n da c c u r a c y w et h e np r o p o s et h es i g n i f i c a n c eo fr e s o l v i n g c u r r e n tt e c h n i c a lp r o b l e ma n dt h ei m p o r t a n c eo f t h i sr e s e a r c h t h i sr e s e a r c hu s ep o w e rb o n dg r a p hm e t h o da n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt oa n a l y z et h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cr e v o l v i n gs y s t e m ，t ob u i l dt h ek i n e m a t i c sm o d e lo f b a c k h o el o a d e r sh y d r a u l i c r e v o l v i n gs y s t e ma n dt h em a t h e m a t i cm o d e lo fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s u n d e rd i f f e r e n ts i t u a t i o ns u c ha ss t a r t , s t o po rs m o o t h l ys t o pi nt h em i d d l e p o s i t i o n , t h ee f f e c t so ft h r o t t l i n gb u f f e r , f l o o d i n gb u f f e ra n dt h r o t t l i n gd a m p i n g o nd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e ns t u d i e d b yt e s t i n gt h ep r e s s u r ec 1 u v eo fs a m p l em a c h i n eu n d e r d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n , w eg e tt h ei n s t r u c t i v ed a t af o rd e s i g n w eu s e dt h er e s e a r c h s r e s u l tt oi m p r o v et h es a m p l em a c h i n e st h r o t t l i n gd a m p i n gs y s t e m ，t h e na p p l ya n dv e r i f yi n t h ep r o d u c t , g o o dr e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e d i nt h i ss t u d yw ek n o wt h et h e o r yb a s i si nt h er e s e a r c ho fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f s m a l ls i z ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y sh y d r a u l i cr e v o l v i n gs y s t e m w em a s t e rt h es c i e n t i f i c m e t h o di nc o r r e c t l yu s i n gb a s i ch y d r a u l i cc o m p o n e n t st oo p t i m i z ea n dm a t c hh y d r a u l i c s y s t e m w ea l s op r o v i d es o m et h e o r yb a s i st h a tc a nb er e f c r r e db yo t h e re n g i n e e r i n g d e s i g n e r t h i sr e s e a r c hc a ne n h a n c ed o m e s t i cc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yp r o d u c t s t e c h n i c a l p e r f o r m a n c ea n do v e r a l lt e c h n i q u el e v e l ；m a k et h ef o u n d a t i o nf o rt h ei n t e r n a t i o n a l i z a t i o no f c h i n e s ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y k e y w o r d s ：s m a l ls i z ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y h y d r a u l i cr e v o l v i n g p o w e rb o n dg r a p h d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i ct h r o t t l i n gb u f f e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：书青售 日期：0 伽v 年f 王月2fe j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数锅库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密回。 ( 请在以上方框内打“v ) 学位论文作者签名： p 霹 日期：舢吖年2 月le t 雠：易岳 日期：辨年，堋2 - 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 当今的世界处于高速发展的时代，人的劳力活动逐渐由机器代替，尤其在基础建 设、资源开发、过程的活动中，将逐步由各种土方开挖机械、路面机械、筑路机械、 养护机械承担，随着人们生活水平的提高，欧洲工程机械市场两极分化，矿山用的大 型土方机械、及城市人工向机器转移的普及化小型化机械，已在国际发达国家、地区 经形成了市场需求的定局，因此小型工程机械将成为基础产业的又一支生力军。 1 1 小型工程机械的发展概况 在十八世纪以后，首先是英国，其次是美国，先后完成了工业革命。随着城市及 城市工业产业的发展，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、割草机等农业机械、城市施工工程机械的大发展。 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、传动技术革命、刚结构技术革命、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，促使了工程机械的诞生和发展l l i 。 其次是传动技术革命。移动性动力源的问题解决之后，主要的矛盾便转移到如何 有效地传递动力、完成作业的焦点上。2 0 世纪5 0 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，速度剐性大、便于冷却散热，配置灵活、组装方便，可靠耐用等独到的 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，容易于实现无级变速，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种有力的补充，已成功地用于一切需 要中等以上功率输出，以及需要对运动过程进行灵活控制和调节的地方，在工程机械 中得到了广泛的应用。随着控制技术革命及液压机械向高压、高速、小型轻量及集成 化等方面的发展，液压技术与控制技术密切配合，进一步发挥了在节省劳动力和自动 化方面的作用，因而液压机械的应用范围在逐渐扩大到各个方面i l l 。由于工程机械找 到了理想的传动装置，推动了工程机械的飞速发展，迎来了工程机械的多样化时代， 出现了形形色色完成各种施工作业的工程机械尤其是小型工程机械的诞生。随着 欧美发达地区基础建设的完善及养护阶段的到来，小型工程机械得益于液压传动技术 华中科技大学硕士学位论文 ：的推广应用，丰富多彩的多用途装置辅助功能促使小型机械得到快速发展。 1 2 挖掘装载机的发展概况 挖掘装载机是小型工程机械的最具代表性的品种，国际市场销量位居第二，全球 产销量约弘1 0 万台。 挖掘装载机英文为b a c k h o el o a d e r s 。顾名思义，它的基本机型是一端由挖掘机 ( b a c k h o e ) ，另一端由装载机( 1 0 a d e r s ) 组成，在一台机器上，其基本功能分别能够 完成挖掘机和装载机的工作1 2 1 。 挖掘装载机在国际上已发展了5 0 年，世界上挖掘装载机产销量最大的是c a s e 、 j c b 两大知名公司【3 l 。1 9 5 2 年，英国j c b 公司的创始人首次在拖拉机前端装一个装载 斗，后端装一个挖掘斗，形成了现在流行的挖掘装载机的雏形，开创了挖掘装载机的 先河，世界第一台轮式挖掘装载机就此诞生，挖掘装载机的挖掘作业及装载作业见图 1 1 、图1 2 所示。 图卜1 挖掘装载机挖掘作业 图卜2 挖掘装载机装载作业 二十世纪五十年代中期前后，生产农业机械的美国的凯斯公司也在拖拉机上一端 装上挖掘铲斗，另一端装上装载铲斗，将其改装成挖掘装载机。随着液压技术的进 步发展，利用液压技术的进步，通过回转油缸推动挖掘工作装置实现回转作业，在机 构回转至极端位置停车出现瞬间的惯性冲击，回转运动到中间位置时换向阀快速换向 或关闭冲击等危害问题上独具专有技术，推出了真正意义上的挖掘装载机，促进了挖 掘装载机的快速发展。 新型的挖掘装载机换代产品，增添了独有的全新精准控制系统、新型 r o p s f o p s 安全认证的驾驶室、全新低排放发动机等许多革命性的新概念技术。挖掘 装置可以达到2 0 5 。的回转角度，便于垂直挖掘作业诸如挖墙脚等类似工况，集结构 可靠、工作环境宽敞、大转角反铲挖掘和易于保养等特点于一身【4 j 。实现微电子控制 2 华中科技大学硕士学位论文 的智能化操作及智能化液压系统，使操作达到最轻便、最舒适的程度，能量最合理化 分配，最大限度地节能降耗。带有防回转功能，吸收挖掘装置突然停止运动因惯性作 用而产生的左右摆振能量，消除回转过量和不足现象，以改善工作循环时间和工作装 置的定位关系，在消除回转工况和最大收斗位置时因突然停止所造成的冲击等方面下 了很大的工夫。 相比之下，我国工程机械行业创建于6 0 年代初，起步较晚，经历了模仿、引进到 自主创新三十多年的发展历程。在国内，第一台挖掘装载机是在1 9 6 6 年由北建以东方 红- 4 0 型拖拉机为底盘开发出来的，但由于涉足挖掘装载机的领域比世界先进国家晚 1 0 年左右，产品的关键技术研究与国外先进水平相差非常大。 液压技术的发展、有限元设计方法和三维造型技术的诞生并得到推广应用，极大 推动了我国工程机械行业的自主开发技术创新，由于这些技术进步发展的较早，技术 成熟程度较高，所以在中国工程机械以模拟创新和技术引进创新为主的技术进步过程 中，中国工程机械行业在这些领域的技术水平与国际先进技术水平相比差距较小。随 着信息技术进步的发展，通过畅通的渠道也很容易实现小型工程机械动力、传动、主 要液压泵阀部件的国际化采购，新一代的小型工程机械主要功能部件的配置情况和技 术水平与国际先进技术水平距离已经很小，整机主要作业参数与国际先进技术水平相 当。 挖掘装载机集成了装载机的铲装及运输和挖掘机挖掘回转作业的功能，在进行挖 掘回转作业时，对回转作业性能有特定的要求。在挖掘作业中，挖掘装载机将挖掘工 作装置一端的两个支腿油缸支撑在地面，以平衡铲挖作业时产生的倾翻载荷，为了完 成铲装作业，挖掘工作装置在铲挖作业中，在挖土、收斗、提臂后，需要进行回转运 动，将物料从铲挖掌面上转移到运输车辆停靠的位置，强劲的挖掘力和快速的回转移 动速度是保证机器作业效率的关键。但是，随着回转运动速度的提高，具有一定质量 的运动物体由于惯性作用在停止运动时会产生冲量，将给需要来回回转的机构带来较 大的冲击负载。挖掘工作装置另一作业特点就是进行挖沟作业，在回转过程中，需要 控制挖掘工作装置上的铲斗，能够反复在同一条直线上进行定点铲挖，这样，需要准 确地操纵回转换向阀，使阀杆换向返回中位阀口关闭的同时，正在快速回转的挖掘工 作装置能够同时响应并停止回转运动，但是回转惯性将带来整个大臂的摆振现象，这 将影响到挖掘铲斗定位的准确性。如果既要满足回转机构的快速回转运动以获得较高 的作业效率，又要保证回转运动的平稳停止和精确定位性能，液压系统缓冲技术是实 现回转运动平稳性的重要因素，机器运动的平稳性和惯性冲击与回转系统的运动学动 力学性能、回转液压系统的动态特性有着至关重要的关系，应该有效的优化液压回转 华中科技大学硕士学位论文 系统的动态特性。 但是，由于国内在小型工程机械领域投入的精力、经验及研究的深度的局限性， 对系统的特性研究涉足很浅，掌握可供参考的理论和经验甚少，国内对该部分内容的 分析研究远远未达到国际先进水平，在小型工程机械液压回转系统动态特性、回转动 力特性、节流阀开度对回转特性的影响研究方面，与国际先进水平差距很大，缓冲装 置设计的合理性，引起的液压冲击、回转惯量对运动平稳性的影响，甚至损坏机器等 技术难点，成为了制约国内小型工程机械发展的瓶颈。 因此，本文提出了小型工程机械液压回转系统静、动态特性的仿真研究。 1 3 挖掘装载机的液压回转系统研究结果与现状 1 3 1 国内的研究概况 国内许多高等学院、科研单位和厂况企业的研究人员对液压回转系统动态特性及 液压油缸的缓冲装置方面有不同层次的研究，并发表了相应的专题论文，下面是几篇 典型代表作的摘要，列举如下： 北京理工大学车辆与交通工程学院任京教授等在液压转向闭式回路动态仿真建 模与分析一文中，分析研究了履带车辆转向闭式回路建立仿真模型的方法，在多个 设计参数未明确的情况下，利用实验数据修正了仿真模型，并分析了容积效率、输入 功率、负载转矩对液压转向闭式回路动态响应特性的影响，这些规律可用于指导液压 转向系统的设计与使用1 5 1 。 谢英俊等和路甬祥院士在( 1 6 0 t 汽车起重机回转液压系统的动态仿真一文中， 在现有的液压仿真技术的基础上，对其回转液压系统的动态特性能进行了理论研究， 建立了回转系统的元件模型与系统模型，对回转系统的启动过程进行了动态计算及其 仿真结果分析1 6 j 。 中国纺织大学机械系陈冰冰、浙江大学机械系寿松乔教授在液压缸缓冲结构的 分析与计算一文中，讨论了液压缸缓冲的应用意义和设计中存在的问题，概述了常 用的各种缓冲装置的特点，以节流阀缓冲沟槽装置为对象，按最佳的等减速缓冲效果， 推导出理想缓冲结构的数学模型，为缓冲结构的设计提供了理论依据f 7 l 。 华东交通大学机械工程学院吴国栋教授在液压油缸缓冲装置设计与研究一文 中，从理论上分析了液压油缸缓冲减速的机理和特性，并提出了缓冲装置的设计方法 1 8 1 。 烟台教育学院机械工程系陶苏玉教授、烟台港务局耿雷在液压缸节流缓冲装置 华中科技大学硕士学位论文 的动力学分析一文中，通过对节流口可调缓冲液压缸的动力学分析，导出其特性方 程和最小缓冲量计算式p j 。 唐山高等专科学校机械系杨国权硕士在汽车起重机回转机构液压系统动态仿真 一文中，从研究汽车起重机回转机构液压系统入手，利用计算机数字仿真方法分析其 动态过程，对影响回转机构液压系统动态特性的主要因素进行了讨论，为液压回转系 统的设计提供了理论依据i l “。 李良福学者在动力液压缸缓冲装置新结构一文中，介绍了国外近年来生产和 获得专利的高性能缓冲装置，着重介绍了由于动力液压缸活塞缓冲装置结构的改进， 成功地提高了它们的可靠性和工作寿命，简化了液压缸的结构和制造工艺，降低了制 造成本，减少了外形尺寸和和重量，减少了使用性能【1 1 i 。 1 3 2 国外的研究概况 国外在工程机械回转控制回路的研究应用方面，发明成果集中在产品的技术专利 上面，关键技术基本由生产企业自主控制，下面列举几个典型的专有技术。 工程机械巨头美国卡特匹勒公司c r c r o s s e i u e f f e 心限先生等有关专业人士在 缓冲回转液压回路研究上有独到的创新，提出了控制挖掘机或挖掘装载机动臂的 回转液压油路，在动臂回转运动突然停止时释放掉惯性能量的方法。在缓冲回转液压 油路中设置一个缓冲阀，当连接油压马达和方向阀的某一支路中产生的压力大于预设 值时，缓冲阀溢流卸荷，当压力降至预设值以下，在预设有限时间内缓冲阀仍在打开 位置，使惯性力在液压油路中产生的高压通过溢流管路卸荷，一旦达到预设时间则缓 冲阀关闭，此时油路处于液压锁止状态，缓冲阀在关闭和导通位置之间自动切换。该 项技术解决了当方向控制阀移到中位关闭位置时，正在回转的挖掘动臂突然停止运动， 此时挖掘动臂的运动惯性将造成其中一侧液压油路内压力急剧升高的危害，与此同时 补油阀开启，油液进入发生气穴的容腔，消除另一液压油路出现的气穴现象引起的挖 掘动臂的左右颤动现象，解决了机器定轨迹作业的精确定位问题。 美国s a l t e rd a n f o s si n c 公司专业人士g u n z e n h a u s e rb r u c ee 先生在一种 回转液压缸摆振控制回路及摆振动臂阀中描述了一种回转液压缸摆振控制回路及摆 振动臂阀，能够感知支承或回转动臂的油缸内产生的高压，使动臂在回转运动中任何 停止位置平滑减速，并可克服回转运动惯性，使动臂在回转过程中实现即刻停止的精 确定位效果，避免回转运动的动臂和铲斗的质量惯性带来的运动持续而产生摆振运 动，不能连续地挖掘或实现精确的位置控制等难题。用一个梭阀将动臂回转油缸高 压端接到变压单向阀的进油口，将两个标准单向阀其中之一或另一个油缸的低压端 华中科技大学硕士学位论文 铀口接通到变压单向阀的出油口，在常压状态时变压单向阀常闭，只有当动臂和铲斗 的回转运动惯量造成其中一个油缸内油压升高，当压力超过设定值时变压单向阀才处 于开启状态，回到闭合压力时处于关闭状态。变压单向阀的开启和闭合压力可以调整， 能够精确地控制流经该油路的油液流量。当出现任何过回转现象，来自高压油缸一定量 的油液导入到低压油缸，使回转的动臂和铲斗平滑减速至回转运动停住为止，并且实 现精确位置控制。 美国m a c l e o di a njc 先生在闭式液压回路回转控制系统中，针对起重机、挖 掘装载机以及相关装备在回转驱动、液压控制系统领域的回转摆振问题，提出了一种 改进的回转控制液压系统，不需要既复杂又昂贵的内置分立的回转控制阀，用闭式液 压泵系统直接控制回转控制动力油缸的回转控制，在液压油泵中设置了一个处于泵内 的变量机构，通过与油泵的斜盘连接关联的伺服控制机构，实现了闭合回路中液压油 的流量和流向的控制，位于泵上的伺服控制是控制动力油缸的唯一装置，是一种既精 确又对系统泄漏不敏感并可靠的回转控制液压系统。 美国卡特皮勒m i t s u b i s h i 公司l i n e r o d e j a m e s d 先生在液压回路回转运动控制 方法阐述了一种液压控制系统，即液压回路的回转同步控制方法，控制回转结构的 回转运动。在输入装置和阀组之间设置一个控制器，控制器通过传感器收集信号，反 馈并调整阀组内油液的流动状况，输入装置接收指令后产生相应的压力及流量限额， 使执行器跟随着移动相应的增量，达到同步控制回转机构的运动目的，提出了在中位 保压系统中实现诸如中位卸荷系统对负载有感知功能的回转控制方法。1 1 2 。1 5 1 1 3 2 1c a t 4 2 8 挖掘装载机的液压回转技术 c a t 4 2 8 挖掘装载机的液压系统由装载液压系统、挖掘液压系统、转向液压系统、 制动系统及回转液压系统组成，回转液压系统有液压泵、换向阀、回转油缸、节流阀、 单向阀、管路等元件。回转油缸为双作用油缸，左右回转油缸的大小腔分别互相短接， 挖掘动臂进行左右回转运动时，泵来油流经回转换向阀的换向位置，进到左、右回转 油缸的大、小腔，或左、右回转油缸的小、大腔，压力油推动回转油缸的活塞、活塞 杆做伸缩运动，分别使安装在回转上的挖掘工作装置实现向右、向左的回转运动，完 成一个回转作业循环。 c a t 4 2 8 的回转液压系统由于采用适宜的节流缓冲调速回路，从左极限位置起步 回转运动到至右极限位置停止需要的回转时间为4 5 5 s ，运动过程分成三个步骤：慢 速起步快速回转一节流限速制动，最后由限位块限速至停止，实现了挖掘工作装置 左右回转的慢速起步一快速回转一减速刹车制动的变速运动过程，使回转运动产生的 华中科技大学硕士学位论文 液压冲击及运动惯量得到很好的吸收，达到了平稳运动的舒适效果。 c a 陇8 回转油缸的缓冲装置属于间隙缓冲形式，见图1 3 所示，缓冲装置在缓冲 过程中，节流面积不变，而液压油基本上是不可压缩的，所以在缓冲柱塞2 进入缸端 孔的瞬间，产生较大的缓冲压力即冲击压力。缓冲压力在缓冲过程开始时为最大，随 着缓冲行程增大而减小。这种缓冲方式缓冲效果较好，但瞬间缓冲压力大，因此在油 缸的缸头部位插装了过载溢流阀1 ，避免系统过载而引起密封件、连接件管路损坏。 回转油缸的缸头部位设置有节流缓冲装置和单向过载溢流阀，节流缓冲装置由活 塞上的缓冲柱塞与缸端孔之间的环型缝隙形成，活塞上的缓冲柱塞在进入缸端孔时， 孔内油液从柱塞与孔壁的环形间隙挤出，形成缓冲压力，吸收惯性引起的机械动能， 此时单向过载溢流阀处于关闭状态，回转油缸的进回油通过缝隙流动，背压升高致使 运动速度减缓降速。 回转装置运动过程中，当活塞秆接近行程终端缓冲位置时，活塞背部的回油路被 切断，油经缓冲柱塞与缸端孔的环状缝隙流出，形成困油现象致使活塞的背压升高， 回转速度变慢，直至回转支座碰到限位块并停止运动为止。当回转装置处于左右极限 位置准各起步回转时，进入回转油缸的液压油流经缓冲柱塞与缸端孔的环状缝隙，进 入回转油缸的活塞一侧，起步时压力油 仅作用于无杆腔活塞上的缓冲柱塞端面 较小的面积上，形成一个较小的推力， 推动缓冲柱塞向有杆腔移动，随着位移 的产生节流缝隙长度减短，缓冲柱塞开 始形成微小位移时，压力油流经环状缝 隙形成压差，此时作用于回转油缸无杆 腔活塞上的压力低于进口油路中的压 力，作用于活塞面的推力也较小，因此 形成了慢速起步的运动过程。 1 3 2 2c a s e 挖掘装载机的液压回转技术 1 过载溢流阀2 缓冲柱塞 图卜3c a t 4 2 8 回转油缸的缓冲装置 c a s e 挖掘装载机的液压回转系统基本元件组成与上一节中c a t 4 2 8 挖掘装载机的 系统大同小异，见图1 - 4 所示。回转油缸大腔油路、管路中设有节流阀、单向阀，主 要差别在于液压回转系统中的回转油缸缓冲装置的结构形式上，c a t 4 2 8 油缸缓冲装 7 华中科技大学硕士学位论文 置采用的是缓冲柱塞，c a s e 油缸缓冲装置采用的是活塞节流小孔及活塞轴向节流槽 开度调节的结构。c a s e 的回转油缸缓冲装置结构形式见图1 5 所示。 c a s e 挖掘装载机的同样设有液压回转系统端部减速装置的双作用油缸，主要在油 缸的进出油口部位实现缓冲慢速运动，回转油缸的无杆腔油口中设置了一个活动挡块， 挡块在液压油流进、流出的方向变化中，随着压力的变化方向而活动，调节控制油口 液压油流量的大小。节流缓冲装置设置在回转油缸的活塞上，活塞的中部加工有一环 形长槽，通过一个节流小孔与活塞、缸头端相通。当活塞接近行程终端时，活塞背部 的回油腔被遮住，即活塞背部的回油路被切断，油流只好经过活塞上的节流孔，回流 到活塞环之后再流出油口，通过节流孔时形成压差，活塞的背压升高，对运动中的活 塞产生一个反作用力，减缓了活塞的运动速度，节流位移继续增加，活塞的背压逐渐 升高，此时挖掘回转装置的惯量转化为液压能，刹车停止运动。活塞杆接近行程终端 时，活塞背部的回油路被切断，油只能经过与回油路并联的减速装置的节流阀流出， 所以活塞的背压升高，活塞的运动速度也就降低了。 图卜5c a s e 回转油缸缓冲装置 c a s e 的液压回转系统专用技术的控制系统，并带有防回转功能，吸收突然停止产 生的振动，并消除回转过量和不足现象，以改善工作循环时间和工作装置的放置。管 路中设有可调节流阀及单向阀，该可调节流功能主要是针对回转过程中的中间刹车停 止设置的。在高速回转的中间过程中，回转油缸活塞处于油缸的油口中间，此时处于 两端位置的油缸内部的节流缓冲装置是不起作用的，回转作业时如果在中间位置停车 定位，操纵手柄使回转换向阀回到中位，此时阀开口快速关闭，挖掘装置回转运动的 惯性将带动整个回转机构继续运动，延时停止，因此无法准确定位，或过了或回得太 多，并会因运动件的惯量产生来回摆振的现象。管路中设置可调节流阀及单向阀可以 实现准确定位，在回转过程中操纵手柄返回中位，回转换向阀阀口关闭，由于回转机 构的惯性作用，带动油缸的活塞继续伸缩，此时管路中的单向阀关闭，高压油流经节 流阀形成压差，造成油缸的回油腔背压升高，产生反作用阻力，回转油缸的活塞两边 的背压相等，快速吸收液压冲击能量，停止回转运动，准确定位。 8 华中科技大学硕士学位论文 c a s e 的油缸缓冲装置结构属于可调缓冲形式。这种形式通过调节阀的开启度，可 改变缓冲压力。节流面积随缓冲行程增大而减小，缓冲行程中制动加速度和缓冲压力 不变，因而这种缓冲方式的缓冲压力小，定位精度高。缓冲柱塞进入缸端孔时，封住 了回油通路，迫使回油通过一个可调节流阀而建立缓冲压力。 1 3 2 3j c b 挖掘装载机的液压回转技术 j c b 挖掘装载机的液压回转系统基本元件组成也大同小异，主要差别仍在液压回 转系统中的缓冲装置结构上。管路中不设置任何的节流阀、单向阀，缓冲装置，以及 相应建立缓冲油压及节流减速的功能部件，均内置在回转油缸的内部，这样，使得回 转液压系统的管路布置简单、明了，比较适应于批量装机生产，回转支座附近的维修 空间也让了出来，维修性很好。 j c b 的回转液压系统见图l _ 6 、图1 7 所示。 回转油缸为双作用油缸，左右回转缸的大小腔同样用管路进行互相短接，见图i - 6 所示，4 j 、4 h 是设置在挖掘回转换向阀中的插装式过载阀，作用基本上与c a t 4 2 8 回 转油路中的过载阀相同。向上拉动回转换向阀的阀杆4 a ，高压油流经该阀b 、c 腔， 进入左回转油缸的有杆小腔、右回转油缸的无杆大腔，在回转油缸活塞杆伸缩的推力 作用下，挖掘机构产生左回转运动，回转油缸另一腔的回油经过d 口、回转换向阀的 回油道流回油箱，过载阀4 h 、4 j 的回油腔通过回转换向阀的回油腔相通。同样，向 下压下回转换向阀的阀杆4 a ，高压油流经该阀的b 、d 腔，进入右回转油缸的有杆小 腔、左回转油缸的无杆大腔，在回转油缸活塞杆伸缩的推力作用下，挖掘机构产生右 回转运动，完成一个工作循环。中间位置时，当回转换向阀的阀杆4 a 回复中位( 见 图1 7 ) ，此时阀口关闭，回转油缸两腔的液压油形成密闭回路。但是运动惯性使挖掘 a 活塞b 缓冲柱塞c 圆锥形节流油口d 弹簧 4 a 换向阀阀杆4 h 、4 j 插装式过载阀4 a 换向阀阀杆4 h 、4 j 插装式过载阀 图1 - 6j c b 液压回转系统油路简图 图卜7j c b 液压回转系统左回转油路简图 9 华中科技大学硕士学位论文 2 装置回转机构继续左转，回转惯量引起左回转油缸大腔、右回转油缸小腔密闭的液压 油压力升高，卸荷溢流，溢流的油液通过阀体内部油道作用于过载阀4 h ，推开过载阀 4 h 进入到左回转油缸的小腔、右回转油缸的大腔，直至油缸两腔的压力达到平衡，油 液停止流动，挖掘装置回转机构因此停止回转，该溢流机构设置主要是消除回转过程 回路中的液压冲击。 j c b 的油缸缓冲装置与c a r 4 2 8 回转油缸的缓冲装置结构形式基本相同，见图1 8 所示，均属间隙缓冲形式，由a 活塞、b 缓冲柱塞、c 圆锥形节流油口、d 弹簧组成。 制动时，当活塞a 在液压油的推动下，向回转油缸的缸头端面运动，缓冲柱塞b 在弹簧d 产生的作用力推动下保持在伸出的位置，当活塞a 靠近缸头端面时，缓冲柱 塞b 进入节流孔c ，在二者接触的瞬间，高压油流经狭窄的环型缝隙，引起背压急剧 升高，产生一个反作用推力，阻碍活塞继续保持原来的速度运动，促使运动中的活塞 减速，从而吸收回转运动惯性产生的机械能，挖掘工作装置回转机构的运动速度由快 速回转减速直至运动停止。 起步时，液压油流经油道节流孔c 作用于回转油缸中的缓冲柱塞b 端面上，推动 缓冲柱塞b 克服弹簧力的作用，向离开缸底的方向慢速移动，液压油流经环型缝隙的 压力油形成压降，致使流进缸端底作用在活塞面上的油液压力较低，因此，起步时活 塞结构运动缓慢。随着缓冲柱塞b 位移加大，缓冲柱塞b 与节流孔c 之间的节流间隙 长度变短，油流的开口变大，液压油由少到多 进到油缸底端与活塞之间的空间中，压降逐渐 减少，作用于活塞上的液压油压升至进口的系 统压力，当运动至缓冲柱塞b 完全离开节流孔 c 时，更畅通的油道使高压油迅速地流进油缸 端面，活塞移动更快，机构回转的速度由慢速 转向快速回转，因此形成了慢速起步的运动过 程，实现了挖掘工作装置左右回转的慢速起步 一快速回转减速刹车制动的变速运动过程， 使操作时的液压冲击及运动惯量得到很好的吸 收，达到了运动平稳的舒适效果。 a 活塞、b 缓冲柱塞、c 圆锥形节流油口、d 弹簧 图卜8j c b 回转油缸缓冲装置 1 4 液压回转系统动态特性研究的目的意义 工程机械行业中以装载机行业处于无利润的竞争局面，装载机全行业的生产能力 估计已超7 0 0 0 0 台，远超市场需求的一半甚至更多，整个装载机行业的竞争仍然十分 1 0 华中科技大学硕士学位论文 激烈与残酷。因此，进驻新的领域，拓展新的业务，可以增强企业的影响力，改变企 业经营格局，拓展企业经营模式，扩大企业外延。 国外发达地区对小型工程机械的需求在快速增长，发展中国家不可避免的紧跟其 后，随着养护阶段的到来，小型工程机械如挖掘装载机作为多用途市政养护机械主要 一族，潜在的市场将爆发井喷，尽快研究解决挖掘装载机的回转特性问题，是促使挖 掘装载机技术水平得到进一步提高的关键。如果国产挖掘装载机的液压回转系统动态 特性存在的冲击问题得到解决，那么挖掘装载机将成为企业进入小型工程机械领域的 先驱者。发展小型工程机械是工程机械商家的机遇，选择全球销售量占第二位的挖掘 装载机切入市场，是开拓市场走向成功的捷径，对挖掘装载机的液压回转系统动态特 性的研究，是确保研发的小型工程机械挖掘装载机技术跻身于世界先进领先水平的基 础。 最终达到一个目的，通过对小型工程机械液压回转系统动态特性的仿真验证，总 结掌握液压回转特性的研究理论及研究方法，打破传统的设计方法、设计理论，走技 术进步，解决由于关键技术制约造成在小型工程机械技术水平落后的局面，丰富小型 工程机械的液压回转特性理论，同时可以应用到工程机械其它回转系统，工程机械技 术进步将取得更高的发展，赶超国际技术水平。 1 5 本文主要研究内容 本文主要研究小型工程机械挖掘装载机挖掘装置在液压回转系统动态特性上的技 术应用问题。对国内外小型工程机械的技术发展、液压回转系统研究结果与国内产品 现状进行研究分析，选择国内c l g 7 7 0 样机和c a = r 4 2 8 进口样机进行研究，对液压回 转系统结构原理与静态流量压力特性、动态流量压力特性进行理论分析，建立液压回 转系统动态特性数学模型，进行动态特性模拟仿真，确定试验方案与方法和采用的试 验设备，开展静态、动态特性研究试验，分析启动过程动态特性、制动过程动态特性、 平稳过程动态特性、阻尼等参数对动态特性的影响，利用国外产品中已经得到使用验 证的回转系统特性，分析对比并得出产品的改进依据，应用研究结果，对国产样机的 回转液压油缸的节流缓冲装置、阻尼系统中节流阀的开度进行改进，修正系统的动态 特性，模拟应用到国产样机上。 1 6 论文的主要组成部分 本文从以下五个部分进行介绍： 华中科技大学硕士学位论文 第一部分：绪论，从总体上论述小型工程机械的技术发展，已涉足的挖掘装载机 的液压回转系统的研究结果与现状，以及解决现有技术问题的意义。 第二部分：液压回转机构运动学分析，论述挖掘装载机液压回转系统及回转油缸 缓冲装置的结构及组成，建立挖掘装载机液压回转机构的运动学数学模型，并准备以 c l g 7 7 0 为模型进行运动学仿真，找出活塞杆移动速度及工作装置回转角度日与活塞 的位移变化关系。 第三部分：进行回转液压系统动态仿真，采用功率键合图法建立回转液压系统的 动态特性数学模型，确定相关的参数，利用s i m u l i n k 对数学模型进行仿真。对油缸节 流缓冲装置和溢流缓冲装置对回转的启动、制动、平稳至中间停车过程动态特性的进 行仿真计算。 第四部分：回转液压系统动态特性试验与分析，论述液压回转系统的试验研究， 拟定试验的方法和方案，利用企业现有的先进测试设各、得天独厚的资金条件，对产 出的样机c l g 7 7 0 挖掘装载机和现有c a t 4 2 8 进口样机的液压回转系统进行压力流量 的动态特性试验，研究油缸节流缓冲装置和溢流缓冲装置对回转的启动、制动、平稳 至中间停车过程动态特性的影响，阻尼对动态特性的影响，确定理想的液压回转系统 的动态特性模型，并依据研究结果，对现有样机的阻尼系统部件进行设计改进、装机 应用，通过试验研究分析验证其技术水平及实用效果。 第五部分：总结与展望，总结全文，指出今后工作仍要开展需研究的方向。 华中科技大学硕士学位论文 2 液压回转机构运动学分析 2 1 液压回转系统介绍 2 1 1 液压回转机构介绍 挖掘装载机的反铲挖掘装置回转机构见图2 1 所示。图示位置中左右回转油缸 是对称的，此时挖掘装置处于挖掘装载机的轴线上。左右回转油缸的活塞杆端通过销 轴分别与回转支座1 的a 、b 支点上相连，油缸缸筒上的安装支耳分别安装在车架c 、 d 支点上。回转油缸采用双作用单活塞杆式，通过左右回转油缸2 的活塞杆来回伸缩 运动，推动回转支座l 绕回转销轴o 旋转，从而带动整个反铲挖掘装置左右回转工作。 回转运动过程如下：左右回转油缸的大小腔交叉相连，即左回转油缸大腔与右回 转油缸小腔相连，左回转油缸小腔与右回转油缸大腔相通。当压力油进入左回转油缸 小腔、右回转油缸大腔时，左回转油缸活塞杆收缩、右回转油缸活塞杆外伸，推动回 转支座逆时针运动，实现左回转：反之，当压力油进入左回转油缸大腔、右回转油缸 小腔时，右回转油缸活塞杆收缩、左回转油缸活塞杆外伸，推动回转支座顺时针运动， 实现右回转运动。绝大部分作业过程中，挖掘装置工作回转运动范围在从中间位置向 左右各6 0 。范围内，但对整个工作装置要求能够从左极限位置到右极限位置作1 8 0 。 回转，图2 - 2 、图2 3 所示分别为回转支座回转到左、右极限位置的状况。 l 回转支座2 左、右回转油缸 图2 1 挖掘装载机回转机构 华中科技大学硕士学位论文 由于整个回转装置的质量很大，在作业过程中制动和回转到左右极限位置停车的 惯性冲击很大，造成液压冲击。为了减轻回转惯性所造成的液压冲击，本系统左右油 钲均设置了缓冲装置；在中间位置制动时，本系统通过溢流阀进行溢流缓冲。因此， 回转系统内设有两种不同的缓冲形式。 l 回转支座2 左、右回转油缸 图2 2 左极限位置 2 1 2 回转液压系统组成 l 回转支座2 左、右回转油缸 图2 - - 3 右极限位置 液压回转系统主要由双联定量齿轮泵、三位四通回转换向阀、双作用单活塞秆油 缸组成，辅助元件包括高低压卸荷阀、转向优先阀、散热器、回油滤等，挖掘装载机 回转液压系统原理图见图2 - - 4 所示。系统为开式定量系统，液压油泵为定量齿轮泵， 回转换向阀是三位四通的结构。通过操纵回转换向阀的操纵杆，控制液压油的流向， 即可实现左右回转的抉向。当扳动回转换向阀的操纵手柄使阀杆移至右侧位置，