液压挖掘机液压系统概述.pdf

一 液 压 挖 掘 机 液压 系统 概 述 黄 宗益 ，叶伟 ，李兴华 同济大学，上海 2 0 0 0 9 2 [ 摘要]在简要说 明液压系统对挖掘机的重要性后 ，提出了挖掘机对液压 系统的几点性能要求 ，具体分析液压 挖掘机工作循环的 4个基本动作 以及行走时的复合动作过程液压作用元件互相配合的流量分配和功率 分配 ，进而介绍挖掘机液压回路的基本类型。 [ 关键词]液压挖掘机 ；液压系统 ；复合动作 ；控制方式 ；流量分配 ；功率分配 [ 中图分类号]T U 6 2 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 1 1 3 6 6 2 0 0 3 0 9 0 0 1 2 - 0 5 1 前言 A s u r v e y o f h y d r a ul i c s y s t e m i n hy d r a ul i c e x c a v a t o r s HI l ANG 2 3 n g - yi ， 、 W e i ， L I Xi n g - h u a 挖掘 机 的发展 历史 可追 溯到 1 9世纪 三 四十年 代 ，由于当时美 国进行 大规 模西部 开发的需要 ，产 生了以蒸气机作为动力 ，模仿人体大臂、小臂和手 腕构造 ，能行走和扭腰 的挖掘机 。早 期挖掘机 主要 用于矿 山开采 。 随后的 1 0 0余 年中挖掘机并没有得到很大发 展 ，发展迟缓的原 因主要是挖掘机作业装置动作 多、运动范围大、采用多自由度机构 ，古老的机械 传动对它不太合适 ；而且当时的工程主要是国土开 发 ，大规模的筑路和整修场地等，平面作业多，因 此铲 土运输 机械是 当时工 程机械 的主力机种 ，得到 较快 的发展 。 2 0世纪 6 0年代开始 ，液压传动技术得到了很 快发展，逐渐成为成熟的传动技术 ；挖掘机找到了 适合它的传动方式，为其发展建立 了强有力的技术 支撑 。 同时工 程建设和施工形 式也发生 了变化 。在大 [ 收稿日期]2 0 0 3 0 5 - 2 1 [ 作者简介]黄宗益 1 9 3 6一 ，男 ，教授 ，博士生导师，上海 市四平路 1 2 3 9 号 ． 维普资讯 ■ 规模 国土开发 的同时 ，向城市 型土木施工发展 ，给 了挖掘机以展现 自己才能的机会。具有较长的臂和 杆、能装上各种各样工作装置的挖掘机 ，会行走 、 能回转 ，可实现多 自由度动作，既能切削高的垂直 壁面 ，又可以挖掘深 的基坑 和沟 ，是一种 万能 型 的 工程机械 ，因此得 到 了很迅 速 的发展 。 目前挖 掘机 已成 为工程机 械 中无可 争议 的第 一主力 机种 ，在世 界工程机械市场上 已占据首位 ，并且仍 在发展扩大。 挖掘机和液压传动是紧密地联系在一起的。所 谓挖掘机在现代主要是指液压挖掘机 ，机械式挖掘 机 已很少 见 。液压技术是 挖掘机 的技 术基础 ，反过 来由于挖掘机对液压技术的高要求 ，从而大大地推 动 了液 压技 术 的发 展 。液 压挖 掘 机 是 一 个很 大家 族 ， 目前 向小 型化 和大型化两个 方 向发展 。最小 液 压挖 掘 机 重 量 仅 l O O k g左 右 ，斗 容 量 0 ． O l m ； 而最大挖掘机 重达 8 0 0 t 左 右 ，斗 容量 4 2 m3 。挖 掘 机的发展促使液压元件 的高压化 、小型化 和大型 化 ，其液 压系统是 工程 机 械液 压 系统 中最 复杂 的 ， 很多液压传动的先进技术体现在挖掘机上。 现代液压挖掘机作业动作复杂、功能齐全 ，要 求多功能 的多路 阀和复 杂控 制 的液压泵 ，泵、阀和 马达都要采用电子控制 ，挖掘机的发展使最初对各 液压元件的个别控制发展到智能化的综合控制。先 进 的液 压挖掘机被称 为土建机械手 ，是建设机器人 的代表。作者认为有必要对挖掘机液压系统进行详 细讨论 。 2 液压挖掘机基本动作分析 要 了解 和设计挖掘机 的液压 系统 ，首先要分析 液压挖掘机的工作过程和 了解挖掘机的作业要求。 要掌握各液压作用元件动作时的流量、力和功率要 求 ，液压作用元件互相配合的复合动作要求 ，共同 工作时油泵对同时动作的各液压元件供油时的流量 分 配和功率分 配 。 下面对液压挖掘机工作循环的 4个基本动作 挖掘一满斗举升回转一卸载一返回，以及行走进行 分别说 明。 2 ． 1 挖掘 通 常 以铲 斗液压缸或斗杆 液压缸分别进行单 独 挖掘，或者两者配合进行挖掘。在挖掘过程 中主要 是铲斗和斗杆有复合动作 ，必要时配以动臂动作 。 平整土地和切削斜坡时 ，须同时操纵动臂和斗 杆 ，使斗 尖能 沿 直线 移 动 图 1 ，此 时 斗杆 收 回 和动臂抬起 ，希望斗杆和动臂分别 由独立泵供油， 以保 证 彼 此独 立 、互 不 干 扰 ，并 要 求 泵 供 油 流量 小、油缸动作慢 ，容易控制 ，使铲斗保持一定切削 角并按一定轨 迹进 行 切 削 ，或用 斗底 来压 整地 面 ， 则需铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作 图 2 。 一一 图 1 斗 尖沿 直线 掘 削 b 一一 a b 图 2 铲斗保持切削角进行切削和压整地面 为提高掘削速度，采用斗杆挖掘时，一般采用 双泵合流，个别采用 了三泵合 流。铲斗单独挖掘 时，也有采用双泵合流 特别是大型挖掘机 。下 面以三泵系统来说明复合动作挖掘时 ，油泵流量分 配和分合流油路连接供油情况 。 当斗杆和铲斗复合运动挖掘时 ，供油情况如图 3 a 所示 ，斗杆油 压 接 近 溢 流 阀压 力 时 ，原来 溢 流 的油供给铲斗有效利用；当斗杆和动臂复合动作 时，因动臂仅起调整位置作用 ，主要是斗杆挖掘， 故采用斗杆优先合流、双泵供油 ，如图 3 b 所示。 铲 斗 图 3 三泵供油系统 b 当动臂、斗杆和铲斗复合运动时 ，为了防止同 泵供油时动作相互干扰 ，三泵系统的各泵单独供一 2 0 0 8 ／ 9固圈田l 3 维普资讯 个液压作用元件较好。对双泵系统复合动作相互干 扰可能性大，需采用节流等措施进行流量分配 ，其 流量分 配要求和三泵 系统相 同。 进行沟槽侧 壁掘削和斜坡 整修时 ，为有效 地垂 直掘 削 ，要 求 向 回转 马 达 提 供 压 力 油 ，产 生 回转 力 ，保持铲 斗贴 紧侧壁进行 切削 ，因此需 回转和斗 杆同时供油 ，一起动作 ，如图 4 a 所示。回转和斗 杆收缩 同时动作 ，由同一泵供油 ，需采用回转优先 油路 ，否则油流向压力低处 ，使得掘削时紧贴侧臂 很 困难 。在 斗杆 油缸活塞杆端 回油路上设置 可变节 流阀 ，此 阀开 口大小和节流 程度 由回转先 导压力来 控制 ，回转先导压力大、节流大 ，则斗油缸回油压 力增高 ，使泵供油压力提高。因此随着 回转操纵杆 行程增 大 ，回转 马达油压 增加 、 回转力增大 。 斗杆油缸 图 4 沟槽侧璧掘削 挖掘过程中有可能碰到石块和树根等、往往挖 不动而需短时增大掘起力时，希望液压系统暂时增 压 ，提高主压力阀压力 ，增力把障碍物挖掉 。 2 ． 2 满斗举升回转 挖掘结束后 ，动臂缸将动臂顶起、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。动臂举升和回转同时动作 时 ，两 者要求在速度 上匹配 ，要求 回转到指定卸 载 位置时，动臂和铲斗 自动举升到正确 的卸载高度。 由于卸载所需回转角度不同，随挖掘机相对 自卸车 的位 置而变 ，因此动臂举升 速度和 回转速度相对 关 1 4 圈圈西绷 ／ 9 1 系应该是可调整的。卸载回转角度大 ，则要求回转 速度快些 ，而动臂举升速度 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 出 ，此 时 应 将 溢 流 的 油供 给 动 臂 ，如图 5 a所示 。在 回转举 升时除 了动臂 举升外 ， 斗杆 要同时外放 ，有 时还需对铲斗 进行 调整 ，此时 是回转、动臂 、斗杆和铲斗进行复合动作。 由于满 斗举 升时动臂油 缸压力高 ，导致 变量泵 流量减小 ，为使动臂举升和回转、斗杆外放相互配 合 ，由一个泵专供动臂缸，另一泵除供 回转和斗杆 外 ，还有部分油供动臂 ，如图 5 b所示。但 由于动 臂举升油压较高 ，大部分时间单向阀是关闭的，左 泵 只供 回转和 斗杆 。 三泵系统供油情况如图 5 c 所示 ，各泵分别供 给一液压动作元件 ，动作无干扰。回转运动一般所 铲斗复合作用 ，间以动臂动作 。 2 ． 4空斗返 回 卸载结束 ，转台反向回转 ，同时动臂缸和斗杆 缸相互配合动作 ，把空斗放到新的挖掘点。此工况 是回转 、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是一个泵全部流 量供 回转 ，另一泵大部分油供动臂 ，少部分油经节 流供斗杆 ，如图 6所示。 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、动臂油缸产生吸空现象 ，可 采用动臂下降再生补油 ，利用重力将动臂缸无杆腔 的油供 至有杆 腔 。 维普资讯 一 一 2 ． 5 行走 时复合动作 一 要求作业装置液压元件 l l l 回转、动臂、斗杆和铲 l 斗动作进行调整。在双 上 上 泵系统，一泵供左行走、 另一泵供 右行走 ，此 时如 某一液压元件动作 ，使某 图6 空斗返回 供油 一 泵分流供油，就会造成一侧行走速度降低，影响 直线行驶性，特别是当挖掘机进行装车运输或上下 卡车行走时 ，行驶偏斜会造成事故 。 为 了保持 直线行驶性 ，对三泵系统供油 系统左 右行走分别供油 ，另一泵供其它液压作用元件 动 臂、斗杆 、铲斗和回转 ，如图 7 a 所示。对双泵系 统 目前采用以下方式 ①一泵并联供左右行走 ，另 一 泵供液压作用元件，其多余的油通过单向阀向行 走供油，如图 7 b 所示；②双泵合流并联向左 、右 行走马达和作业装置液压作用元件同时供油 ，如图 7 c所 示 。 时要求复合动作时有 良好的复合操纵性能，能合理 地分配共同动作时各液压作用元件的流量和功率。 3 挖掘机作为生产设备 ，工作时间长、能量 消耗大 ，要求液压系统效率高、降低能耗和排放， 使总发热量小 ，液压油温不要太高，对各液压元件 和管路都要求降低能耗 ，因此在液压系统中要充分 考虑 节能措施 。 4 提高挖掘机生产效率很重要 ，液压系统要考 虑与发动机很 好匹配 ，充分利用发动机全功率 。 5 挖掘机工作条件恶劣、载荷变化剧烈、冲 击振动大 ，对各液压元件的可靠性和耐久性有很高 的要求 。 4液压 回路的基本类型 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 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 J 篓 a b C 图 7 行走复合动作 3 对液压 系统的性能要求 液压挖 掘 机具 有 多 种 机 构 行 走 、 回转 、动 臂 、斗杆和铲斗等 、多 自由度，液压作用元件数 量多，要求实现的动作很复杂 ，因此对液压系统提 出很高的要求 。为了实现这些要求液压系统必须采 用各种措施 ，概括起来 ，主要包括以下几点。 1 挖掘机操纵控制性能要求高，精细作业要 求微动，高生产率要求快速 动作 ，调速范围要求 广，作业阻力变化大及各种不同作业工况要求功率 变化范围大，因此各作用元件的调速性要好。 2 挖掘机作业需各液压作用元件单独动作，但 更多情况下要求各作用元件互相配合实现复合动作 ， 而且动臂、斗杆、铲斗、回转和行走之间几乎都要 复合动作，且复合动作范围广、形式复杂多样，同 泵 、双泵、三泵和多泵等。 4 ． 1 中位开式 系统 该 系统 采 用三 位 六通 阀 ，其 特点 是 有两条供油路 ，一条是直通供油路、另 条是并联供油路 ，如图 8所示。这种 油路调速方式是进油节流和旁路节流 同 时起作 用 ，其 调 速特 性受 负 荷 压力 和油 泵流量 的影 响 ，因此 这种 阀系 统操 纵 性 能、调速性能和微调性能差。同时这种油路系统的 液压作用元件一起复合动作时相互间有干扰，使得 复合动作操纵非 常困难 ，对液压挖 掘机来 说调速性 能和复合动作操纵性很重要 ，这是 中位形式系统的 大缺点 。 图 8 开 式油 路 2 o o 3 ／ 9 q囝瞳1 5 维普资讯 4 ． 2闭式 负荷传感压 力补偿 系统 闭式油路 如图 9所示 ，可 以采用 一个泵 同时供 给所有液压作用元件 ，每一个液压元件动作速度只 和操纵阀的阀杆行程有关 、与负荷和泵流量无关， 多个液压元件同时动作时相互无干扰，因此操纵性 好是 闭式油路 的主要 特点 。 图 9闭式油 路 有人认 为压力补偿产生压差会使系统效率降 低 、能量 损失 大 。根据 日本 小松在 1 0 t 级和 2 0 t 级 两种挖掘机所作实际测试结果 ，作业效率以每小时 土方 量 来 表 示 以 开 式 油 路 为 1 ，对 闭 式 油 路 ， 1 0 t 级 为 1 ． 0 4、2 0 t 级为 1 ． 1 3 ；燃 料消 耗量 以每 升 燃料 的土方量来表示以开式油路为 1 ，对闭式油 路 ，1 0 t 级为 1 ． 0 2 、2 0 t 级为 1 ． 0 9 。结 论是 闭 式 回 路的作业效率高 、燃料消耗量低 ，因此 日 本小松把 大量挖 掘机从开式油路 改为 闭式油路 。 一 开式 和闭式油路 的对 比开式油路 主要 问题是 阀调速特性 随负荷波动；多负荷 同时工作互相干 扰 ，液压元件最大速度不能任意设定 。这些问题采 用闭式油路后 都可 以解决 ，而且对各种 附属装 置适 应性强 ，根据 附属装置需要 ，可 以通过调整补偿程 度来 实现完全 补偿特性 、接 近开式油路特性 和 中间 状态 特性 。闭式油路 主要 问题是动态性 能差 ， 目前 已有 改进措施 。 4． 3定量泵和变量 泵 定量泵结构简单、制造方便 ，用于需要价格便 宜的微型挖 掘机 。但定 量泵角功 率大 最 大压力乘 最大流量 ，要求发动机功率大，使发动机功率利用 率低，影响生产率；同时定量泵不能按需变流量供 油，功率损失大，油耗高、经济性差和排放不好 ， 因此从挖掘机作业要求来说应该采用变量泵。 4 ． 4油泵控 制方式 节 能控制方式有 负流量 控制 、正流量控制 和负 荷敏 感压力补偿控制 三种 ，目前挖掘机都选 用其 中 一 种控制方式来 实现节能要求 。 与发动机 匹配 的控制方式有 压力感应控制 和转 速感应控制，目前挖掘机一般都具有这两种控制方 式 。另外 一般 液压挖掘机还 有工况控制 、 自动怠 速 控制、平稳操纵控制和 自动掘削控制等。 编辑昊 学松 l 高学术水平高知名度的双高期刊 “ 首届国家期刊奖”获奖期刊 中国建筑科学类核心期刊国际建筑数据库 I C O N D A 收录期刊 欢迎订阅 工业建筑 月 刊 邮发代 号 28 2 5 单价 6元／ 期 全年价 7 2元 工业建筑由中国钢铁工业协会主管、冶金部建筑研究总院主办 、1 9 6 4 年创刊。多年来一直本着指导性 、针对 性、实用性 、创新性的办刊宗旨 ，重点报道建筑设计、建筑结构 、地基和基础、建筑材料、施工技术等方面的应用研 究成果及开发技术，突 出工业建筑、钢结构、鉴定加固技术等特点 ；优先报道国家级或者省部级科学基金资助项 目和 重大工程建设 ；内容丰富翔实 ，理论结合实际 ；适于土木工程界广大科研 、设计、教学、施工等专业 技术人员及大、 中专学生阅读 。 工业建筑为大 1 6 开本 ，彩色胶版印刷 ，每月 2 0日出版 ，国内外公开发行。全国各地邮局均可订阅 ，也可直接 汇款到本编辑部订阅。本刊兼营广告 ，收费合理 ，具有一定的规模 ，是展示企业形象的理想舞台。 本刊地址 北京海淀区西土城路 3 3 号 邮编 1 0 0 0 8 8 E m a i l g y j z p u b l i c ． s t i ． a c ． c n 联系电话 0 1 0 8 2 2 2 7 2 3 9 兼传真 0 1 0 8 2 2 2 7 2 3 5 总编／ 7 2 3 6 发行／ 7 3 3 7 编辑 ／ 7 2 3 8 广告 维普资讯