（光学工程专业论文）小型挖掘机闭中心液压系统的分析研究.pdf

摘要 挖掘机足一种重要的土方工程机械，在多个领域的建i | 殳- 卜l 都起着非常覃要的作 用。液压系统足挖掘机最匝要的系统之，也足最复杂的系统之1 。目日，j ，我围挖 掘机液压技术的研究与丌发还处于全面落后的阶段，凶此，对挖掘机液压系统的研 究具有重大意义。 结合本课题的研究背景，本文埘小型挖掘机闭中心液压系统进行了研究分析。 介绍了挖掘机的分类、结构以及发展史，埘挖掘机的发展现状及发展趋势做了简单 介绍，对罔内挖掘机液压系统的现状与存在问题做了分析，论证了挖掘机液压系统 分析研究的重要性。以某型号小型挖搠l 机为例，对挖掘机闭中心液压系统的油路进 行了具体分析，包括泵、多路阀的工作原理，动臂、斗杆、铲斗、回转、行走等液 压回路。介绍了负载敏感控制等控制系统的工作原理。以斗杆无杆腔进油为例，对 多路阀开口面积的凋速性能进行了研究，对u 形槽、v 形槽、k 形槽等常见开口的 面积公式进行了推导。以a m e s i m 为平台，对小型挖掘机泵、主换向阀、压力补偿 阀、执行机构等进行了建模，并在空载状态下对各执行机构的单独动作与复合动作 进行了仿真分析，得到了比较满意的结果，为挖掘机液压系统的研究提供了参考， 并且对某些阀口面积提出了改进意见。 关键词：小型挖掘机；仿真；液压系统；节流口 a b s t r a c t e x c a v a t o ri sa ni m p o r t a n tc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , p l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nm a n ya r e a s t h eh y d r a u l i cs y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts y s t e m s ，a sw e l la so n eo ft h em o s tc o m p l e x s y s t e m s a ss of a r , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o rt e c h n o l o g ya th o m ei s s t i l li nas t a g eo ff u l lb a c k w a r d a sar e s u l t ，s t u d yo ft h ee x c a v a t o rh y d r a u l i cs y s t e mi so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t a k i n gt h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c hi n t oa c c o u n t ，t h i sp a p e rm a d ead e e pa n a l y s i so ft h e h y d r a u l i cs y s l e mo ft h em i n i - e x c a v a t o r m a d ead e s c r i p t i o no ft h ee x c a v a t o r sc l a s s i f i c a t i o n ，s t r u c t u r e a n dh i s t o r y , i n t r o d u c e dt h es t a t u sa n dt h et r e n do ft h ee x c a v a t o r sd e v e l o p m e n t ，a n dt h e ng a v ea n a n a l y s i so ft h es t a t u sa n dp r o b l e m so f t h ee x c a v a t o rh y d r a u l i cs y s t e m ，d e m o n s t r a t e dt h ei m p o r t a n c eo f t h er e s e a r c h g a v ead e e pa n a l y s i so ft h em i n i e x c a v a t o rh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do no n ec e r t a i n m i n i - e x c a v a t o r , i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eo ft h ep u m p ，d i r e c t i o n a lc o n t r o lb l o c k ，t h ec i r c u i to ft h ej o b d e v i c ea n ds oo n d e s c r i b e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h el o a d - s e n s i n gc o n t r o ls y s t e m s t a k i n gt h e e x c a v a t i n gm o v e m e n to ft h ea r ma s a l l e x a m p l e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h es p e e da d j u s t i n g p e r f o r m a n c eo ft h ef l o wa r e a s t u d i e dt h ea r e ap r o p e r t yo ft h eu s h a p e do p e n n i n g ，v - s h a p e do p e n n i n g a n ds oo n u s i n ga m e s i ma sap l a t f o r m ，t h i sp a p e rm a d eam o d e lo ft h ep u m p ，d i r e c t i o n a lc o n t r o l v a l v e ，p r e s s u r ec o m p e n s a t e dv a l v e ，a n dt h ej o bd e v i c e a f t e rt h es i m u l a t i o no ft h ei n d i v i d u a la n d i m p l e m e n t i n ga c t i o n so ft h en o n l o a ds t a t e ，t h em o d e lg a v e as a t i s f a c t o r yr e s u l t ，a n dt h u sp r o v i d e da n i m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho ft h ee x c a v a t o r p u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n so no p t i m i z i n g k e yw o r d s ：m i n i - - e x c a v a t o r ：s i m u l a t i o n ：h y d r a u l i cs y s t e m ；t h r o u g h - f l o wa r e a i i 第一章绪论 第一章绪论 挖掘机是用来开挖土壤的施工机械。它是用铲斗上的斗齿切削土壤并装入斗 内，装满土后提升铲斗并回转到卸土地点卸土，然后再使转台回转、铲斗下降到挖 掘面，进行下一次挖掘。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，得n - f 广泛的应用【l 】。专家估算， 全世界各种施工作业场约有6 5 至7 0 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【z j i j j 。 1 1 挖掘机的分类 按照不同的方式，挖掘机有不同的分类。按作业方式分：单斗挖掘机与多斗挖 掘机，图1 1 为单斗挖掘机，图1 2 为多斗挖掘机；按工作装置分：正铲挖掘机， 反铲挖掘机；按驱动方式分：电动挖掘机，内燃机驱动挖掘机；按行走方式分：履 带式挖掘机，轮胎式挖掘机，汽车式挖掘机，步行式挖掘机，轨道式挖掘机，拖式 挖掘机；按用途分：建筑型( 通用式) 、采矿型( 专用型) ；按动力装置分：电动机 驱动、内燃机驱动、复合驱动；按传动方式分：机械传动式、液压传动式、混合传 动式等【4 】。 图1 - 1 单斗挖掘机图l - 2 多斗挖掘机 1 2 液压反铲式挖掘机结构 液压反铲式挖掘机在国内获得了非常广泛的应用，图1 3 为液压反铲式挖掘机 结构图。 青岛人学坝i j 学位论文 剿 溪多+ 麓! 邀 图卜3 挖掘机结构图 卜动臂；2 一动臂油缸；3 一斗杆油缸；4 一斗杆；5 一铲斗油缸；6 一摇杆；7 一连杆；8 一铲斗： 9 一回转平台：1 0 _ 发动机机罩；1 1 一燃油箱；1 2 一液压油箱；1 3 - 驾驶室；1 4 - 配重；1 5 一推 土铲；1 6 一推土铲油缸：1 7 一导向轮；1 8 张紧弹簧；1 9 一支重轮；2 0 - 行走马达；2 1 - 散 热器；2 2 一发动机；2 3 一履带 挖掘机主要由以下四大部分组成的： 1 ) 底盘( 四轮一带：支重轮、驱动轮、导向轮、托链轮、履带) ； 2 ) 工作装置( 动臂、斗杆、铲斗等) ； 3 ) 回转装置( 回转机构、回转平台、动力系统) ； 钔液压系统，电控系统。 2 第一章绪论 1 3 挖掘机发展史 挖搠| ；机行业的发腱历史久远，1 9 雌纪t 四十年代，美国西部，：发进行铁路建设 时，人们模仿人体构造，；制造了仃大臂和小悸，能行走和于j i 腰，类似机械的挖掘 机，它利用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时m 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【5 j 。 挖捌机从1 8 3 7 年的蒸汽机驱动的“动力铲”诞生至今，已有1 7 0 余年的力史。 其发展史大致叮分为三个时期( 俗称三代) 【6 j ： 第代：动力举命。f 【l 动机、内燃机的f j 现，使挖捌机有了适川的动力装置， 解决了工程挖掘j 机械移动的动力源难题，促进了挖拥l 机的诞，上和发腱。目f j ，j 国内矿 山使用的电铲就属丁第一代产品。 第二代：传动革命。1 9 5 0 年德困丌发了第一台液压挖掘机，液压传动代替机械 传动。 第三代：操控革命。电子技术的广泛应用，使挖掘机有了合适的控制系统，在 1 9 8 5 年左右，挖掘机逐步电子化。 目前世界挖掘机还处于操控革命中，机电一体化技术是其主要发展方向。液压 挖掘机作为工程机械的主导产品，经过半个多世纪的研究和发展，已逐渐完善。目 前为止，液压挖掘机的工作装置、主要结构件和液压系统已基本定型。人们对液压 挖掘机的研究逐步向机电液控制方向转移。 我国挖掘机事业诞生于新中国成立初期的1 9 5 4 年，经过半个多世纪的发展， 也只是达到国外液压挖掘机发展的第二时期。近些年来借助一些国外的液压公司， 能实现机电一体化以及实现一些较为简单电脑控制【_ 7 1 ，因此，目前国内挖掘机也就 只能算是第二代与第三代之间。 1 4 国内外发展状况及发展趋势 1 4 1 国外发展现状 工业发达国家的挖掘机生产较早，欧、美、同、韩等许多发达国家挖掘机液压 系统的研究和开发处于全面领先状态。几f 年来，恒功率控制、交叉传感控制、正 负流量控制、负荷传感控制、节流控制、过载保护、油路再生、合流、等各种先进 液压技术都出现在固外挖掘机液压系统之中【8 j 【9 1 。 经过不断地发展，国外发达园家的挖拥 机液压系统现在变得更加安全，更加节 能，更加舒适，液压系统丌始集成化，规模化1 1 0 】，控制更加精确。 青岛人学坝t j 学位论义 1 4 2 国内挖掘机液压系统的发展现状和及存在的主要问题 我囤的挖捌机乍产虽然起步较l j 免，仉经过5 0 多年的发展，已形成其有村l 1 规 模和连勃发j 陡i 开力的霓婴7 _ j ：、i k ，围产挖州机亿h 人j 的i t s 场份额也越来越大】。 虽然凼内挖圳机的整体性能有所提高，但是对挖掘机的核心液压系统，国 内还处于全面落后阶段。 我田挖掘机液压行、j k 存在的主要问题有： 1 ) 企业产d 占研发能力不强，技术丌发的水平和速度不能完全满足先进主机产： 品、罩大技术装备和进口设备的配套和维修需要； 2 ) 不少企 l k 的制造工艺、装备水平和管理水甲鄙较落后，而且质量意识不强， 导致产：品整体性能水平低、质量不稳定、可靠性差，服务不及时，缺乏使用户满意 和信赖的名牌产品； 3 ) 行业内尘产号业化程度低，力量分散，低水平重复严重，产品丌发和技术改 造投入不足，严重地制约了行业整体水平的提高以及竞争实力的增强； 4 ) 国内市场国际化程度同益提高，国外公司纷纷进入中国市场参与竞争，给国 内企业造成愈水愈大的冲击。 虽然国内一些挖掘机生产厂除了采取与国外合资的形式外，还积极引进国外先 进的液压元件，使国内生产的一些挖掘机技术水平迅速得到提高，但在最新技术上 与因外相比还存在较大差距i 眨】。由此也产生不少问题，主要表现在以下方面： 1 ) 购买国外先进液压部件成本高，而使整机成本居高不下，售价甚至高于国外 某些同吨位的挖掘机，而性能却依然落后，导致竞争力不高。 2 ) 产量受制于国外厂家。近几年，国内挖掘机需求量居高不下，而国产挖掘机 数量受制于外国厂家提供的泵、主阀数量。 3 ) 维修、匹配困难。由于掌握不了一手资料，在挖掘机的节能匹配、以及维修 方面，国内厂家显得力不从心。 随着国内对挖掘机需求的不断增大，国内企业也一直都在寻求液压系统技术的 突破。但是，要想打破国外品牌在中国挖掘机市场的垄断地位，国产液压系统还有 很长的路要走。 1 4 3 发展趋势 近些年来，国际上挖掘机液压系统有以下发展趋势： 1 ) 流量分配更加精确：目前，国内外挖掘机超大型与小型化发展迅速 i3 1 ，而 与此同时，流量的精确分配越来越引起了人们的重视。 2 ) 高效率：液压挖掘机能量的总利用率一般仅为2 0 左右【1 4 l ，能量损失巨大。 全球变暖己成为不争的事实，随着人们对全球变暖的不断关注，各国政府陆续制定 4 第一章绪论 各项排放指标的制定。当液爪系统节能效果较羞时，主要表现为系统尸矿重发热，将 导致密土寸圈过早老化、运动部件加速磨损、发，i - i j h 卡【”儿1 6 j 等问题，严重时可能导致 各种故障【1 7 - 2 0 1 ，不利于= i ：拓巾场。| 大l 而。i i t l f j t 匕匕技术也h 益成为设计师们关注的问题， 也成为衡咀i - i 7 , 1 义- 压挖掘f 机先进肚的t 要指标。 3 1 高寿命：挖掘机是较为复杂的工程机械，拆装小便，若经常拆修，不但费工 费时，增加成本，而且对厂家束说，不利于占领市场，因此，近年来，挖掘机的寿 命也越米越受人们的天泣，人剑泵，主阀，小剑过滤器，挖拥 机的各个部件的设计 寿命郜在不断提高。例如，f 1 本的雅玛信公司生产的滤芯设计寿命超过了1 0 0 0 小 时，远远高于现在大多数i i 幽凼内品牌5 0 0 小时使用寿命的期限。 4 ) 高安全性：安全性也越来越为人们所重视，例如， | 本川i 崎公司生产：的m 5 x 系列的斜髓式f u l 转马达便配选防逆转阀，防l f ：高转动惯量的车体在回转制动时凶制 动叫路油压过高使马达反转而产生危险。 5 ) 操作性能提高：响应的快慢是决定工作效率最重要的因素，高响应性也是厂 家和用户不断追求的目标。现代挖掘机普遍使用再生、合流等技术来提高挖掘机的 响应 2 l 】。 6 ) 人性化：现在挖掘机液压系统越来越追求低噪声化，低振幅等，越来越人性 化。例如，力士乐、川崎等国际知名品牌的回转马达都装有溢流补油阀，通过回转 溢流阀的升压缓冲特性降低起动停止时的冲击。日本川崎公司生产的k 7 v 系列斜盘 式轴向柱塞泵，由于采用了低噪声型配油盘，而使噪声降低了大约3 d b 。 7 1 电控成分增加：挖掘机工作工程中，有时候工作时问长，条件恶劣，甚至有 时候人类不便进入，提高挖掘机机电液一体化，进而实现挖掘机的自动控制，无疑 是解决这些问题的最佳选择【2 2 1 。现在世界各国对用于各种场合机器人遥控系统的研 发工作都非常重视，在发达国家，挖掘机遥控技术从人工遥控到半自治遥控到上世 纪9 0 年代已经发展到高度自治遥控研究阶段【2 3 1 。比如，德国卡尔斯鲁厄核研究中 心于上世纪7 0 年代研制成功并且投入使用了1 2 吨级牵引式无线遥控挖掘机【2 4 】；上 世纪8 0 年代，美国k r a f tt e l e r o t i c s 公司和j o h nd e e r e 公司等相继成功丌发了遥控 挖掘机【2 5 】，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【2 6 】，遥 控作业范围达到1 5 2 5 m 。电控成分的增加，也使得控制更加精确。 1 5 研究挖掘机液压系统的意义 近几十年来，我州挖掘机的产量和销量一直在不断上涨。由于种种原凶，我国 在挖掘机产品上的技术弓世界先进水平还有很大差距。长期以来挖掘机所配套的关 键液压零部件被欧美日韩所掌控。 业内人士认为，现在国内挖掘机生产企业缺的不是钱，而是技术以及为谋求技 5 青岛人学坝i j 学位论文 术所需要的耐心和决心。只有从拿来卜义中走出来，真f 的消化吸收困外先进技术， 彳嗡邑从根本上解决锅铲挖拐j f 机技术和性能e 的问题。近些年来，多所高校都对挖掘 机进行了研究。从某种意义，卜来讲，液j e 系统的性能决定着挖掘机的质晕与t 作效 率，挖掘机的发腱二、e 受以液压技术的j 衄t j 为基础。对液几挖j j i 机的液压系统进行研 究分析，具有十分重要的现实意义。 1 ) 通过对液压挖掘机的深入研究，打破国外对挖掘机液压系统的垄断局面。 2 ) 运用计算机模拟仿真技术，缩短丌发剧期，降低丌发成本。 3 ) 挖掘机作为结构、原理最为复杂的工程机械之一，在液压技术的应用上具有 代表性。通过埘液爪挖圳机的研究，吖以为幽家培养相应技术人爿。 1 6 论文主要解决问题 1 ) 深入研究挖掘机闭中心液压系统工作原理； 2 ) 研究节流口调速特性与面移 特性，对常见的节流口进行面影 推导； 3 ) 以a m e s i m 为平台，对某刑号挖掘机执 j 机构液压系统进行建模仿真。 6 第二章挖掘村【闭中心液肤系统的油路分析 第二章挖掘机闭中心液压系统的油路分析 2 i 挖掘机液压系统的组成 液压传动是以液压液作为工作介质对能量进行传递和控制的一种传动形式。近 几十年来，微电子和计算机技术迅速发展，并且渗透到液压领域中，也使液压技术 成为实现牛产f i 动化、提高哆7 动乍，皇率等必不可少的程要手段之一。液j k 技术已经 广泛应用在在农业工业、医疗等各个领域。 图2 1 为l u d v 系统部分液压 i i 路简i 仆j 图。挖掘机液爪系统i 四部分组【成，下 面结合图2 1 进行说明。 1 1 能源装置把机械能 转化为液压能的装置。最常见 的就是液压泵，它足整个液压 系统的动力来源，为整个液压 系统提供液压油。 2 ) 执行元件把油液 的液压能转换为机械能的元 件。在图中，液压缸，液压马 达都是执行元件。 3 ) 控制调节元件在 液压系统中，控制调节元件起 着调节系统压力、流量、方向 等作用，如图中的压力补偿阀、 单向阀、调节阀等。这些元件 的不同组合便形成了不同功能 的液压系统。 4 1 辅助元件在液压 系统中，除去以上三部分以外 的元件成为辅助元件。例如挚 圈、油箱、过滤器、油管等。 图2 - 1l u d v 系统挖掘机液压油路简图 1 油箱；2 液压泵；3 一调 了阀；4 安全阀；5 、9 、1 0 压力补偿阀、6 、7 、8 j ，流阀；1 1 单向阀；1 2 液压 马达：1 3 、1 4 液压缸 液压技术之所以获得如此广泛的应用，这与它的优点是密不u j 分的【2 7 】。液压传 动的主要优点如下： 1 ) 体积小，输出动力大，结构紧凑； 2 ) 工作平稳，可以快速实现启动、制动、换向等操作，而且对液压力、方向以 7 青岛人学硕i j 学位论文 及流量的控制方便准确，易于实现远程控制和自动化： 3 ) 能在大范围内实现无级凋速； 4 ) 在许多方而的应用比机械传动简堆，节省成本： 5 ) 易r 火现过钱仪护。 目前为止，液压传动也存在着能量损失大、对油温变化敏感、要求制造精度高 等顽疾。 2 2 挖掘机液压系统的分类 挖捌机液压系统按不同的分类方式町以分为不同的分类：定量系统、变量系统； 开式系统、闭式系统；恒功率系统、双泵双回路系统；总功率调节、分功率调节； 负流量控制系统、正流最控制系统、负荷传感控制系统等。 2 2 1 定量系统与变量系统 容积不变的液压系统称为定量系统，其流昼不随外负载的变化而变化，采用节 流凋速。早期挖掘机最先采用的便是定量系统 2 8 】。近些年来，随着人们对挖掘机各 方面要求的小断提高，除了1 3 吨的少数挖掘机采用定量泵外，大部分部不再应用 定量系统。 变量系统通过容积变化来实现无级调速的，其调速方式主要有变量泵一定量马 达调速、定量泵一变量马达调速和变量泵一变量马达调速三种。现在绝大部分液压 挖掘机都采用变量系统。 2 2 2 开中心系统与闭中心系统 闭中心液压系统与丌中心液压系统是根据多路阀的不同而分的。当挖掘机多路 阀没有先导压力驱动时，即阀芯在中位时，若泵压力油通过阀口直接与回油路相通， 则称为丌中心系统；若阀芯在中位时，多路阀各阀口关闭，则称为闭中心系统。 文献 2 9 】认为，开中心调速区域随负载和泵流量而变，重负载调速区域小，流 量调整行程小，有负荷漂移现象，微调和精细作业困难，调速性差。而且由于负载 干涉，在挖掘机的操作过程中，一般司机很难按照自己的意愿通过控制多路阀去操 控挖掘机。而闭中心液压系统恰恰克服了这些缺点。 在肖能方面，文献 3 0 】认为闭中心液压系统效率高，冈此节能。然而，也有一 些业内人士表示，由于闭中心系统在进行流量控制时，采用了负载敏感压力补偿， 必定需要一定压差补偿，难免会造成能量损失，因此认为闭中心能景损失也不l i , j i ： 中心小。目前为止，业内也没有有力文献或实验证明哪。一种系统更为节能。不过， 从国外一些优能挖掘机来看，闭中心已经成为挖掘机液压系统的一种趋势。本文分 析的某型号小型挖掘机即为闭中心液压系统。 第二章挖掘机闭中心液肤系统的油路分析 2 2 3 单泵系统与多泵系统 按照泉的个数，分为币泵系统、双象系统等。小薯! 挖掬 机多采用币泵系统，中 大挖多采 j 蚁泵系统。4 1 单泵系统中，除了少数的定量泵以外，大部分采用变垦泵。 2 2 4 全功率调节、分功率调节与交叉传感调节 功率控制可分为总功率、分功率、功率交叉、压力切断和变功率等多种形式。 全功率液爪泵中，通过机械或液胍手段使双泵排量保持一致，任何情况卜双泵 流量都榭同，伞功率泵结构简单，而目能够充分吸收发动机的功率，但是存在较人 功率于! l 失。 分功率控制是指两泉各自最多吸收5 0 的发动机功率，双泵独立工作无干扰， 但不能充分& t l j t d 发动机功率。 功率交叉控制方式是将一个泵的压力信号作用于另个泵的变量控制机构中， 当一个泵较低时，另一个泵上会产生较大功率输出，可以较好的利用发动机功率， 但结构复杂，而且泵与负载工作点不能很好匹配，不可避免地存在功率损失。 2 2 5 正负流量控制与负荷传感控制 针对挖掘机中的各种功率损失，世界上许多著名的工程机械和液压件生产厂商 相继开发出一系列液压元件和控制技术，以提高挖掘机系统效率。在这些措施中， 负流量控制、j 下流量控制和负载敏感控制技术是日前挖掘机的三种主流液压控制 系统。 正流量控制是指液压泵的排量随控制压力信号增大而增大，即控制压力与排 量成f 比。其控制压力信号取自操纵手柄的先导压力。正流量系统具有较好的节能 作用。但正流量系统的结构复杂，成本高，维修比较困难，这也是当前j 下流量系统 急需解决的问题。 负流量控制是指液压泵的排量随控制压力信号增大而减小，即控制压力与排量 成反比。该控制方式用在开中心系统中，压力信号取自多路换向阀中位回油通道上 设置的一个节流口日妒。负流量控制技术主要涉及到旁路回油流量检测与液压泵的负 流量控制两个方面。负流量控制挖掘机发展时间较长，系统结构简单，技术更加成 熟。负流黾控制的压力信号的采集点在主阀的出口处，因此，当主控制阀有动作时 该信号l 会发生变化，这导致液压泵的控制永远滞后于主控制阀的控制。 负荷传感技术的真诈发展是在上世纪8 0 年代1 3 1 1 。无论是丌中心负荷传感技术 还是闭中心复合传感技术，都能按照液压缸、液压马达等执行机构的流量需求来自 动调整泵输出流量，减小了溢流损失，大幅度提高液压系统效率。 9 青岛人学硕l j 学位论文 2 3 挖掘机液压系统油路分析 图2 - 2 为某小型挖捌机液压系统原理图。 l l i j 图2 - 2 小型挖掘机闭中心液压原理图 l o 第二章挖掘机闭中心液压系统的油路分析 2 3 1 泵油路分析 液压泵是挖掘机液压系统的心脏，将发动机发出的机械能转换为压力油的动能 和压力能。挖掘机发动机一般转速变化范围不大，为了充分发挥发动机的功率，挖 掘机大部分采用变量泵。 本小型挖掘机上的泵为某型号轴向柱塞泵。图2 3 为泵的原理图与实体图。 图2 - 3 泵原理图与实体图 1 流量阀；2 压力切断阀；3 功率调节阀；4 i 变量缸；5 泵 对于轴向柱塞泵，记q 为泵排量，咒为发动机转速，z 为柱塞数量，d 为柱塞 分布圆直径，目为斜盘倾角，则有 g = ，z 宰y = 等簟d 2 * z * d * t a n o * n 2 - ( 1 ) 此型号泵为恒功率变量泵，在主泵上主要有功率调节阀、压力切断阀和负载敏 感阀。 功率调节阀 如图2 3 泵原理图所示，出口压力增大，压力作用在功率调节阀右侧，使右位 接通，变量缸活塞右移，同时活塞通过一连杆带动功率调节阀左端的弹簧右移，使 功率调节阀右移，直到达到平衡。出口压力减小，在功率阀左端弹簧作用下，左位 接通，压力作用在功率调节阀右侧，使右位接通，变量缸活塞右移，同时活塞通过 一连杆带动功率调节阀左端的弹簧右移，使功率调节阀右移，直到达到平衡。 设变量缸无杆腔的面积为a d ，反馈压力为尸，弹簧刚度为k ，压缩量为x ，平 衡时，有 k 章石= p 幸a o 2 ( 2 ) 理论上的恒功率泵最大功率时，压力与流量的关系如图2 4 所示，但是实际中， 1 l 青岛人学顾 j 学位论义 很难达到完美程度，许多功率渊节阀采用两根调节弹簧，实际中的曲线如图2 5 所 示，第一根弹簧有一预紧力，泵出口压力 1 1 零，l ：始增人，刚丌始一直以最大排量工 作，增大到b 点时，爪力油作片j 存阀芯 ：的力克服第一根弹簧的预紧力，门j 力油进 ：。 唰 蜒 图2 - 4 恒功率泉理想压力流量曲线图2 - 5 恒功率泵实际压力流量曲线 入调节油缸无杆腔，使变量泵斜盘角减小，排量减小，压力流量曲线按照b c 段变 化，到达c 点后，第二根弹簧丌始被压缩，这时两个弹簧并联，刚度增大，流量与 压力的关系沿直线c d 变化。一般来说，当弹簧压缩最大时，依然有一定排量，在 这种情况下泵的排量证好等于泵在调定压力下的泄漏，不同的调定压力就会有不同 的泄漏量。 压力切断阀 压力过高，可能会损坏泵体。在泵中设有一压力切断阀，阀一端的弹簧有一预 设压紧力，如果厂家没有特殊要求，一般为2 5 0 b a r ，泵压力油作用在阀的另一端。 当系统压力达到2 5 0 b a r 或是更高时，压力油克服弹簧压紧力，使变量缸的无杆腔 接通高压油，较高压力使斜盘倾角一下减小为最小，流量将为最低。 流量阀 流量阀的弹簧预设力一般为l o b a r ，它保证了液压泵的压力始终比负载压力高 1 4 施，左右，因此可以保证最小流量的流通。 2 3 2 先导装置 在挖掘机中，一个先导手柄控制两个执行原件。一般来说，动臂和铲斗用一个 手柄控制，斗杆和回转用一个先导手柄控制。图2 - 6 为左手柄所控制的工作装置先 导阀原理图，图2 7 为行走先导机构原理图。如图2 - 6 所示，当手柄在中位时，在 弹簧力的作用下，先导油路接通回油腔，控制压力为零，换向阀阀芯不动作。操纵 第二章挖掘机闭中心液雕系统的油路分析 先导手柄，使左回转的先 导阀芯被按下时，先导阀 接通控制压力油与换向阀 控制端，使回转阀芯动作， 来自主泵的压力油流入回 转马达，使机体左转。右 回转的先导阀芯被按下 时，先导阀接通控制压力 油与换向阀另一控制端， 使回转阀芯反向动作，来 自主泵的压力油流入回转 马达，使机体右转。操纵 斗轩先导阀，斗杆油缸无 杆腔或有杆腔相应进油， 使斗杆挖掘或卸料。一般 来说，同一个手柄，可以 同时操纵两个不 同动作，即可以实p 现动臂上升+ 铲斗 。 挖掘、动臂上升+ 铲斗卸料、动臂下 降+ 铲斗挖掘、动 臂下降+ 铲斗卸料 四组动作。行走先 导阀原理相似，只 不过附加了踏板 图2 - 6 左手柄原理图 p - 先导压力油口；f 回油口；c 1 无杆腔进油控制油路；c 2 无杆腔进油控制回路：c 3 左回转控制油路；弹右回转控 制油路；1 - 无杆腔进油先导控制阀；2 有杆腔进油先导控制 阀；3 左回转先导控制阀；4 右回转先导控制阀 复譬油缸。当竺竺 图2 - 7 行走先导机构原理图 扳被踩下时，脚踏 尸- 先导压力油口；孓回油口；c i 左前进控制油路；c 2 做后退控制油路；c 3 板压下先导阀芯，右前进控制同路；c 4 右后退控制同路；1 左前进复位油缸；2 左前进先导控 使相应阀芯动作， 制阀；3 一左后退先导控制阀；4 一左后退复位油缸；5 右前进复位油缸；6 - 右前 挖掘机产生相应 进先导控制阀；7右后退先导控制阀；8-右后退复位油缸：9左踏板；lo右t：r 鹏j k 皿4 t k - ； 动作。当脚离开脚 踏板，或是不在对脚踏板作用力时，在复位缸的作用下，脚踏板恢复中问位置。 青岛大学硕士学位论文 2 3 3 迸油联 图2 8 为进油联原理图。进油联主 要由主油路流量阀、冲沈阀、系统压力 溢流阀和阀体组成。主油路流量阀一是 起保护作用，防止进油压力过高，同时 保证进油压力比船压力( 系统负载压 力) 高l o b a r 左右，保证系统证常工作。 系统压力溢流阀的主要作用是防止系 统压力过高。冲洗阀的主要作用一是保 证系统的最小流量，减小工作冲击，二 是冲洗内部油道。冲洗阀保证了系统内 部油液的不断流动，龄油道里的液压 油在流经冲洗阀对，将部分杂质带出油 道。 2 3 鼻藏压油路 圈2 - 9 为减 压油鼹原理图。 在中大挖上， 挖掘机先导系 统的压力油一 般由专门的先 导齿轮泵提 供，但是在大 部分小挖上， 为了减少成 本，同时也为 了简化其内部 结构，在不影 响小挖作业性 能的同时，先 导压力油是经 过将主泵出口 油液经过减压 二3 图2 4 进油联原理图 尸- 主泵压力油；硌系统负载压力油；筘回 油口；1 - 主油路流量阀；2 舛洗阀；3 系统 压力溢流阀 图2 - 9 减压油路原理图 只主泵油口；1 - 回油口：c 1 一先导控制油路；c 2 珩走高低速控制油油路； 1 先导油路电磁开关控制阀；2 - 溢流阀；3 、铷梭阀；5 减压阀：6 单向阀； 7 行走高低速电磁开关控制阀；8 ，蓄能器 1 4 第二章挖掘机闭中心液压系统的油路分析 系统减压得到。如图2 9 所示，主泵额定压力为2 5 0 b a r ，减压油路将高压油经过减 压阀5 定差减压，又经过溢流阀2 的作用，得到比较稳定的压力油。蓄能器8 使先 导油液的压力进一步平稳，使先导油维持在3 0 b a r 左右。先导油路电磁开关控制阀 不通电时，在弹簧作用下，先导油路与回油相接，此时先导系统不起作用；先导油 路电磁开关控制阀通电，电磁阀推力克服弹簧预紧力，使先导油路接通经过减压后 得到的压力。行走高低速电磁开关控制阀不通电，行走马达低速行走，通电，则高 速行走。 2 3 5 动臂回路 图2 1 0 为多路阀原理图与剖面示意图。以动臂无杆腔进油为例说明动臂油路工 作过程。 圈2 - l o 多路闵鳆理圈与削由图 p 主泵压力油；必系统负载压力油；c l 、c 1 2 先导控制油路；t - 圃油口；1 动臂油缸； 2 主控制阀；3 聿 、偿阀：4 溢流阀 操纵先导阀，使动臂无杆腔进油先导油接通时，在压力油作用下，主控制阀芯 右移。当朋压力小于动臂无杆腔工作压力时，补偿阀阀芯被推倒上位。主油路压 力油经过主控制闽，然后经过补偿阀，最终由主控制阀进入动臂无杆腔。当l s 压 力大于无杆腔工作压力时，在丛压力作用下，补偿阀阀芯被推到下位，油路被切 断，动臂无杆腔不进油。 l s 青岛人学颂i j 学位论文 2 3 6 斗杆、铲斗、推土铲回路 斗杆、铲斗、推土铲的回路与动臂回路原理相同，在此不再赘述。本文研究的 某型号挖掘机为闭中心负载敏感系统。负载敏感控制系统中的压力补偿分为阀前补 偿与阀后补偿两种补偿类型，也称为己s 系统和l u d v 系统。图2 11 为s 系统， 图2 1 2 为l u d v 系统。 己 酐酐 辞晰t ， 。o 。锢二 u 图2 - 1 1 岱系统 图2 - 1 2 互u d v 系统 如图2 1 1 所示，阀前补偿系统中，压力补偿阀比较多路阀节流口前后的压力并 保持节流压降却恒定，梭阀选取系统最高执行元件压力，并且将此信号转递到油 泵的船阀，变量泵的变量机构根据来自l s 口的负荷压力自动地对泵的斜盘摆角进 行调节，从而使泵的流量始终等于执行元件所需流量。当负荷压力升高时，泵的摆 角自动调小，从而减小泵的流量，反之，则泵的摆角增大，增大泵的流量。 船系统具有良好的执行起动性能和操纵性能，与负载的大小无关，并且成本较 低。但当执行元件的流量需求大于油泵供油量时，不再具有流量分配功能。节流阀 前后压差不变，泵的出口压力，即压力补偿阀前的压力是相等的，这时，油泵将根 据补偿阀后的压力进行油量分配，油泵的油根据负载大小流向压力最低的执行元 件，具有高负载压力的执行元件将降低工作速度直至停止运动。这显然不能满足液 压挖掘机的工作要求。 l u d v ( l o a di n d e p e n d e n tf l o wd i s t r i b u t i o n ) 系统，也称为负载独立流量分配系 1 6 ，；o勰翱戮锱删。 一旦圈 ，。鞠瓣秘镄篓；爹隧隧巨| 第一：章挖粕机闭中心液脉系统的油路分析 统，是住各类挖拥 机中广泛应川的一种控制方式。压力补偿阀选取执行机构最高压 力，然后通过管路连接到泵的流量调节阀一端，以此控制泵的排量。当执行器所需 流晕大十泉的流量时，系统按节流阀外【j 而私 的比例将流量分配给各执行器，而小是 流阳轻负找的执ij ：器。 铲斗和斗卡i 的主换向阀都可以等效为一个节流孔，补偿阀获取系统的最高工作 压力，由于两个补偿阀足一样的，在铲斗和斗杆工作时，通过补偿阀的作用，使斗 卡1 和铲斗的 换向阀阀后压j 保持村i 等，由于两阀进l i 压力也相等，所以 a p l 刊p z = a p = 常数，流经两阀的流量 厂= 一 q ：c ia t 丝 2 - ( 3 ) vp q 广c 2 a 2 、丝 2 - ( 4 ) v乒7 式中c l 、c 2 为流量常数，a l 、a 2 为阀口开度，p 为油液的密度。从式子町以看 出，两回路所得的流量只与换向阀的丌度成比例，即 鱼：鱼 2 ( 5 ) q v 2a 2 一 流量分配型压力补偿阀的出现，使得单泵多执行机构的负荷传感控制变得更加 实用。这种负荷传感控制普遍采用单泵供油方式，省掉了复杂的合流控制功能，使 液压系统变得更简单，可靠性更高。它既具有传统负荷传感控制系统节能增效的优 点，又通过后置压力补偿阀解决了在工作系统要求的流量大于泵的极限流量时的各 工作装置实现复合动作的问题。但是，这种系统使挖掘机操作者失去手感。 2 3 7 行走回路 行走回路是挖掘机液压回路中比较复杂的一个回路。按照方向分，分为直线行 走与弯道行走。以右转弯为例，如图2 1 3 所示，操纵先导手柄，使左前进控制油路 通油，c l 变为高压，主换向阀上位接通，压力油进入左行走马达，在压力油作用 下，左行走马达的换向阀l o 左位接通，同时制动阀8 在压力油的作用下，左位接 通，压力油经过制动阀进入制动油缸有杆腔，克服弹簧预紧力，解除制动。同时， 压力油进入行走马达，使马达转动，开始行走。直线行走时，节流孔1 7 保证了两 马达进油压力的相同，使马达不至于跑偏。 按照速度分，可以分为制动、低速行走、高速行走和超速行走叫种种情况。行 走先导阀不动作时，在弹簧作用下，制动油缸l 的活塞被压紧，使回转马达制动。 行走高低速开关阀不通电时，尸l 为低压油，高低速控制油缸无杆腔内为低压油，斜 青岛人学硕i j 学位论文 图2 - 1 3 行走原理图 p l 一高低速控制油路；只主泵压力油；骆系统负载压力油；二回油口；c i 一左行走前进控制油 路；c 2 右行走前进控制油路；c 3 左行走后退控制油路；右行走后退控制油路；l 制动油 缸；2 高低速控制油缸；3 - ：f 亍走马达；4 - 高低速控制阀；5 棱阀；昏缓冲阀；7 溢流阀；8 制 动阀；9 单向阀；1 0 - 换向阀；1 1 左行走主控制阀；1 2 - 右行走主控制阀；1 3 左行走压力补偿 阀；1 4 一右行走压力补偿阀；1 5 左行走单向阀；1 6 - 右行走单向阀；1 7 节流孔 盘摆角最大，转速最低。行走高低速开关阀通电时，尸l 为高压油，高压油通过高低 速控制阀进入高低速控制油缸无杆腔，斜盘摆角最大，转速最低。在下坡情况时， 行走速度加快，可能出现超速状态。超速状态时，泵供油量不足，此时压力油压力 降低，制动油缸有杆腔内部的压力也降低，制动活塞起作用，使速度有所降低。 2 3 8 回转回路 回转原理图如图2 1 4 所示。挖掘机挖掘土料后转向时由于挖掘机上部转动惯量 很大，在启动、制动和突然换向时会引起非常大的液压冲击，尤其是回转过程中遇 到障碍突然停车。液压冲击会使整个液压系统和元件产生振动和噪音，甚至不能工 笫二帝挖掘机闭中心液胝系统的油路分析 作，凶此，大多数挖掘机转向机构中设置缓冲回路，就是利用缓冲阀使液j i i 马达 高压腔的油液超过一定压力时能够泄流。回转马达两个油路上各装有动作灵敏的缓 冲阀2 、3 ，i r 常情况下两i 侧关闭。当转向马达突然停止转动或反向转动时，高j f i 油 路口的脏力： | l i 经缓冲阀3 泄旧油衍，低压油路a 则山补i l | i 【l i i 路经单阳阀4 进i j ：补；| | l ， 从而消除了液压冲击。缓冲阀的调定压力取决于所需要的制动力矩，通常低于系统 最高工作压力。该缓冲回路的特点足溢油和补油分别进行，保持了较低的液，k 油温 度，一l ：作u j + 靠，但补油量较大。 c l 图2 1 4 回转原理图 p 土泵压力油；p 系统负载压力油；弘同油口；p i 一先导压力油；c 1 右同转先导压力控制 汕：c 2 左转先导压力控制油；】一梭阀；2 一制动解除蒯：3 制动阀：4 f 情 马边；5 一安全阀； 6 单向阀；7 州转主控阀：8 一同转压力补偿阀；9 单向阀 1 9 青岛人学坝l j 学位论支 2 3 9 油箱油路 油箱 l 路如图2 1 5 所 示。甲f 勺阀l 亍胍0 3 m p a ， 单向n2 背压o 5 m p a ，单 向阀6 背压0 4 m p a 。当多 路阀网油压力大于0 9 m p a 以后，网油不再经过滤清 器3 ，而直接通过单向阀l i i j l 油。币向阀6 的0 4 b a r 的背厂使得液爪镐抬升。 通气罩4 由两个单向阀和 一个空气滤清器组成。当 由于泄漏、温度降低等原 因导致油箱内压强降低 时，外部大气进入油箱， 当因温度升高等原因导致 图2 1 5 油箱原理图 p l 一多路阀回油口；p 2 液压镐抬升控制油：l 、2 单向阀；3 滤 清器；4 通气罩；5 滤清器：6 一单向阀；7 一油箱 内部大气压力升高时，内部空气经过单向阀通到大气中。通气罩的存在使得油箱内 的压强保持在j 下常范围，不会因为压强过高导致回油不畅，也不会因为压强过低导 致吸油受阻。 2 4 本章小结 本章介绍了挖掘机液压系统的组成，总体上介绍了挖掘机液压系统的分类。以 某型号挖掘机为例，对小型挖掘机的液压系统的原理进行了较为深入的研究。对泵 的分析中，本章对压力切断阀、流量阀与功率阀的工作原理做了重点研究。继而本 章对先导装置、进油联、油箱进行了剖析。本章对动臂网路、斗杆铲斗回路、行走 回路、回转回路等油箱等进行了分析，并且以斗杆与铲斗的联合工作为例，详细介 绍了阀后补偿的工作原理。 2 0 第三章节流u 特件研究 第三章节流口特性研究 3 i 节流口调速特性研究 多路阀的基本特性包括流量压力损失特性、阀j 签行程压力特性、阀芯 行程操作力特性和微调特性等。其中最重要的是流蛩微调特性。它表示了阀芯 位移与进入执行机构的压力油的流景之i h j 的关系。而从根本i ：浼，它是通过改变节 流几通流面积来控制的。 降i3 1 为h 杆挖掘f 时的受力图。 图3 1 斗杆工作