隧道挖装机液压系统设计与研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 9期 隧道挖装机液压系统设计与研究 何邵灿 ， 许明恒， 高宏力 西南交通大学 机械工程学院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 摘要 基 于 目前 中国隧道施工量不断增加 ， 由此而来的对隧道施工专用工程机械的需求量 的增加。 应 国内某公司需要 ． 该文通过对工 作装置 、 动力装 置、 行走装置的分析 ， 设计了一种符合 中国隧道施工的新型隧道挖装机的液压系统 。 关键词 挖装机； 液压系统 ； 隧道施工 中图分 类号 T H1 3 7 ； U 4 5 5 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 6 8 0 4 Th e De s i g n a nd Re s e a r c h o f Hy d r a u h c S y s t e m i n Tu nn e l Lo a d i n g M a c h i ne HE S h o o - c a n， XU Mi n g - h e n g， G A0 Ho n g - l i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e a mo u n t o f t u n n e l c o n s t r u c t i o n g r a d u a l l y i n c r e a s e d i n c u r r e n t C h i n a ， t h e d e ma n d f o r s p e c i a l ma c h i n e r y for t u n n e l c o n s t ruc t i o n gra d u a l l y i n c r e a s e d ． F o r t h e r e q u i r e me n t o f a d o me s t i c c o mp a n y ， Hy d r a u l i c s y s t e ms o f a t u n n e l l o a d i n g ma c h i n e c o n f o r me d t o Ch i n a’ S t u n n e l c o n s t r u c t i o n r e q u i r e me n t w e r e d e s i g n e d t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f w o r k u n i t ， p o we r p l a n t ， w alk i n g d e v i c e s ． Ke y wo r d s t u n n e l l o a d i n g ma c h i n e ； h y d r a u l i c s y s t e m； t u n n e l c o n s t r u c t i o n 0 引言 近年来 ， 随着国家对西部大开发项 目的进行 ， 随之 而来的对运输能力要求不断提高 ，铁路运输作为一种 高效和经济的运输手段 ． 有了越来越重要的地位 。由于 西部地 区多山地 ，发展铁路就不可避免的要求隧道施 工 。在 中小型隧道出渣过程中， 由于工作空问有一定的 限制 ， 不能满足多台工程机械车同时进行施工 ， 为了高 效的完成施工任务 ，要求一种专用工程机械来解决 中 小型隧道施工出渣问题 ，挖装机作为一种中小型隧道 施工出渣的专用机械 ． 能高效的运送爆破后的渣土 。能 在一定程度上解决 中小型隧道施工 出渣速度的难题 。 根据 中国隧道施工 的特点 ，本文设计 了一种新型隧道 挖装机的液压系统。 1 液压系统设计 和说 明 挖装机 由工作装置 、 动力装置 、 行走装置 、 输送装 置等组成 ， 本文通过 工作装置 、 动力装置、 行走装置三 个方面的研究设计 了该挖装机液压系统。 1 ． 1 工 作装 置液压 系统 设计 根据公司提出的设计要求 ，挖装机的工作装置采 基金项 目 国家科技重大专项资助项 目 2 0 1 0 Z X 0 4 0 1 5 一 O l 1 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 一 l 3 作者简介 何邵灿 1 9 8 7 一 ， 男 ， 湖南邵 阳人 ， 主要从事机 电液一体化方 面 的研究。 6 8 用两节臂。工作装置的液压元件包括动臂油缸 、 斗杆油 缸 、 铲斗油缸 、 摆动油缸。挖装机在实施挖掘动作时 ， 通 过多个液压油缸联合动作来实施挖掘动作 。为了设计 方便驾驶员操作的液压系统‘ ，比较 目前最常用的负载 敏感控制和 L U D V控制来选择合适 的控制。 1 负载敏感控制 传统 的工程机械工作装置多是采用负载敏感控制 L o a d s e n s i n g ， 其原理如图 1 所示 ， 通过调节两个节 流阀来操作两个执行元件工作时 ， 分析其过程如下 1 当系统饱和时 通过系统 自动调节 ， 减压 阀达 到一定的开度 ， 减压阀两端压力平衡， 得式 1 2 P 3 -- p l k x 1 1 p 4 -- p 2 k x 2 2 式 中．i} 弹簧弹性 系数 ； 阀口开启时弹簧的位移， 设定 ． ， 。 则节流阀的压差为 1 3 - p 1 k x l c 3 △ p 2 4 - p 2 k x 2 C 4 又因为节流阀的流量公式为 r 一 Q C qA V -； - 5 式中 流量系数； A 节流 口通 流面积 △ p 常数。 兰 P 3 2 k x 7 p 4 2 k x 8 即P -- p 则节流阀的压差计算式如下 △ p 1 P 3 P - p 4 △ p 2 9 两个节流阀压差相等 ，则不会 出现液压油优先满 足负载小的液压执行元件的情况 。 又通过式 5可知进入液压缸的流量只和此时节流 阀阀芯的开度有关。这样在非饱 和液压系统中， 不会 出 现最高负载 的液压缸没有油液流人的情况。因此在本 挖装机设计 中，对工作装置的多个液压油缸采用并联 的 L U D V多路 阀进行控制 ， 增强了驾驶员的可操作性。 1 - 2动力装置设计研究 由于本产品主要工作地点处于隧道 内，隧道 内空 气质量差 ， 且空气稀薄。为了工作人员的健康考虑 ， 挖 装机在隧道内进行扒渣作业时。采用电动机进行工作 ， 进行行走作业时， 采用发动机进行作业。下面以发动机 带动液压泵作为动力源为例来说明设计流程 1 液压泵的选择 设计工作装置 的液压系统时，选用 了 L U D V多路 阀对多个液压油缸进行控制 ， 在选择液压泵时 ， 即要求 所选择的液压泵应该具有负荷传感反馈功能。为了防 止发动机过载 ， 还需限制液压泵的输 出功率 ， 因此选择 了原理如图 3所示 的变量泵 。根据图 3对该液压泵做 出一定的分析。 由上式可知通过节流阀的流量 Q只和节流 口的通 流面积 A有关 。则驾驶员在操作挖装机的过程中能 比 较好 的控制各个液压缸 的动作。 图 1 负 载 敏 感 控 制 2 当系统不饱和时 斜盘倾角达到最大时 ， 输 出流 量达到最大且不能同时满足个执行元件的流量需求。 设 P 。 p ， 根据 公式 1 ， 2 可得 p ， 6 当液压系统压力增加时 ，减压阀 3先达到设定压 力 ． 液压油先进入右边的油缸 ， 又 因为泵提供的流量不 能 同时满足两个液压缸 的需要 ，即有可能出现需要 2 个液压缸联动时， 只有一个液压缸动作。 即负载敏感控制的缺点是在非饱 和系统中，液压 油优先流向较低负载压力的执行元件 ，而较高负载压 力的液压油缸速度降低或者停止运行。 2 L U D V控 制 L U D V 1 o a d p r e s s u r e - i n d e p e n d e n t f l o w d i s t r i b u t i o n 控制系统 ， 即是指负载独立流量分配系统。该系统 以执 行元件的最高负载压力来控制液压泵的倾角并具有压 力补偿功能 ．这种功能是通过设在主阀芯后的压力补 偿阀来实现的。当执行元件所需 的流量大于液压泵所 能提供的流量时，系统将按 比例把液压泵所提供 的流 量分配给各执行元件 ．而不是流 向较低负载压力 的执 行元件 。以图 2来说明 L U D V控制。 图 2 L UDV 控 制 若 P ， 可由图 2 得公式 7 8 图 3液 压 泵原 理 1 执行元件对液压泵 的反馈 L U D V多路 阀的反 馈压力通过 X 口作用到负载敏感阀 1上，当多路阀的 反馈压力和负载敏感 阀弹簧的合力大于泵的出口压力 时使得阀芯左移， 即负载敏感 阀处于左位。活塞 4的右 腔通过阀 1和阀 2和油箱连接 。即活塞左移 ，倾角增 大 ， 泵的排量增大。 2 液压泵功率控制 当系统 的工作压力增大到一 定程度 。 液压油直接进人活塞 3的活塞杆 ， 推动活塞 3 的顶臂。 使功率控制阀 2右移处于左位 。 即液压油通过 6 9 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 l 2年 第 9期 功率控制阀 2进入活塞 4推动活塞杆 4右移。减小排 量。当系统工作压力低于一定程度 ， 不能推动活塞 3的 顶臂 ，只作用在活塞杆 3上 ，推动活塞 3的活塞杆左 移 ， 倾角增加 ， 排量增大 。 2 液压泵和发动机的参数确定 1 液压泵流量的确定 Q K∑Q 一 1 0 式 中Q b 液压泵的流量 ， 单位为 m3 ／ s ； 系统渗漏系数， 一般取 1 ． 1 ～ 1 - 3 ∑Q 一同时动作 的并联液压缸最大流量 的 总和 ， 单位为 m 3 ／ s 。 本挖装机 同时动作的并联液压缸最大流量总和为 2 ． 1 6 x l 0 - 3 ， 单位为 m 3 ／ s 。 同时取系统泄漏系数为 1 ． 2 。 通过式 1 计算 的 Q 为 2 ． 5 9 x 1 0 ， 单位为 m 3 ／ s 。 2 计算 液压泵 的输入功率液压泵实际输入 功 率 P按下式 1 1 计算 l 0 1 1 叼b 式中 液压泵实际输入功率 ， 单位为 k W； p b 液压泵出 口油压力； 叼 液压泵的总效率 ， 柱塞泵取 O ． 8 5 ～ 0 ． 9 。 本挖装机 叼 为 0 ． 9 ，液压泵出 IS l 油压力为 3 2 MP a 则可以计算出 x 1 0- 3 9 2． 3k W u 卵 ． 在挖装机使用柴油机工作过程中 ，柴油机的功率 必须能够充分满足主机工作过程 中的动力要求， 为了保 证功率储备 ， 增加液压泵和发动机的使用寿命 ， 发动机 功率可以取 1 ． 0 1 ． 3 P 式 中 液压泵的输入功率 ， 单位为 k W。 取功率 因数 为 1 ． 3则可得 P r 1 2 O k W 因此选择 发 动机功率为 l 3 0 k W。 1 ． 3 行 走装置 液压 系统 设计 考虑到挖掘机工作地点在隧道 中， 为 了快速施工 ， 在 清理使用爆破法施工带来的渣土时 。要求挖装机能 比 较迅速的到达工作地点 。在完成扒渣后 ， 要求挖装机迅 速退出爆破法施工安全距离 ，因此对行走速度有一定 的要求。在隧道出渣中要求先清理上方的沙土 ． 以免造 成塌方。因此对挖装机爬坡能力有一定 的要求。 为了满 足上述 2个要求 ， 又能比较好 的利用发动机的功率 ， 选 7 n 择 了两点变量马达 。其原理图如下图 4所示 。 图 4行 走 液 压 系统 如图 4所示。当液压油从 B口进入， 通过梭阀进入 减压 阀 1 并进入制动器 。其 中减压 阀 1的作用是流向 制动器的油压降低， 制动器承受降低的压力。有压力油 时制动器松开 。 马达开始运转 ， 卸压时制动器压力油通 过节流孔 回油 ． 使制动器延时缓慢制动[ 6 1 。由于本型挖 装机 自重达到 了 3 0 t ， 当挖装机下坡 时 ， 自重产生沿斜 坡向下的作用力 ， 促使马达转速增加 ， 有可能出现管路 中液压油被吸空 ， 为了防止这种情况的出现 ， 在油路中 增加平衡阀 2 。 以 B口进油为例 ， 点 6压力升高 ， 克服弹 簧力的阻力 ， 推动平衡阀 7的阀芯。液压马达输 出的液 压油通过 A 口排出。当马达转速过高时 ， 吸油量过大 ， 造成多路 阀给马达供油不足。点 6的压力降低 ， 改变阀 芯 7的位移。降低了阀 7的开度。增大马达出口压力 ， 从而降低了马达的转速。阀 3是 由溢流阀和单向阀组 成 的限压阀 ，其第一个作用是限制行走液压系统的系 统压力 ， 第二个作用是当马达转速过快时 ， 可以由油箱 对 系统进行补油 。阀 4为变速阀。当没有输入 电信号 时， X V I 没有液压油流入， 变速阀 4处于上位 ， 活塞 5下 腔通 过变速 阀 4和油箱 联通 。 即液压 马达 排量处 于 i 马达转速升高输出扭矩减小 。 当输入电信号时， 从 X口 提供液压油 ． 推动变速阀 4处于下位。液压油通过变速 阀 4进入活塞 5下腔 ，推动活塞杆向上移动使马达排 量达到 ⋯ ， 马达转速降低输 出扭矩变大。 2 总结 本文通过挖装机的工作装置 、 动力源 、 行走装置的 设计介绍了该型挖装机的液压系统。通过对比， 选择了 L U D V的控制方式 。 选择了带负载敏感的液压泵和两点 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e als ， NO ． 9 ． 2 01 2 中型挖掘机正流量控制特性的分析与改进 仉志强 ， 宋建丽 ， 刘志奇 ， 李永堂 ， 贾跃虎 1 ． 太原科技大学 材料科学与工程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 太原科技大学 机械工程学院 。 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 分析了双执行机构的正流量控制原理 ， 重点从 三个方 面对正流量控制特性进行了研究 首先分析 了挖掘机调速 区间， 采用了能 满足精调特性和快速特性 的双折线式调速 曲线 ， 以此 曲线作 为调速特性 的设计 目标 ； 再 者从 调速区的大小 、 精调特性 和快 速特 性三方 面 比较了比例 式泵 流量调节 曲线和双折线式泵流量曲线 的优 缺点 ； 最后分析了当前 旁路 回油 阀的控制思路 ， 提 出了基于瞬时流量不饱 和度的实时控 制原则 。理论分析表明 ， 新方案能够改善系统的控制特性。 关键 词 挖掘机 ； 正流量 ； 旁路 回油 ； 泵阀复合调速 ； 瞬时流量不饱和度 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 7 1 - 0 4 Ana l y s i s a n d I mp r o v e me n t on Po s i t i ve F l o w Con t r o l Cha r a c t e r i s t i c s f o r M e d i u m Ex c a v a t o r Z HANG Z h i - q i a n g a ， S ONG五帆 一 l i ， L I U Z h i q i 2 , L I Yo n g - t a n g a ， J I A ru e h u 1 ． S c h o o l o f Ma t e ri a l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ta i y u a n 0 3 0 02 4， Ch i n a； 2． S c h o o l o f M e c h a n i c a l Eng i ne e rin g， Ta i y ua n Un i v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t P o s i t i v e fl o w c o n t r o l p rin c i p l e a b o u t d o u b l e a c t u a t e s h a s b e e n a n aly z e d ． T h e n a n a l y s i s a n d i mp r o v e me n t o n p o s i t i v e c o n t r o l c h a r a c t e ri s t i c s h a s b e e n ma d e i n t h r e e a s p e c t s 1 s p e e d r e g u l a t i o n a r e a h a s b e e n a n a l y z e d ，a n d d o u b l e l i n e s p e e d r e g u l a t i o n c u r v e a s t h e d e s i g n t a r g e t w h i c h me e t s fi n e s p e e d p e r f o r me n c e a n d h i g h s p e e d p e r f o r me n c e h a s b e e n a d o p t e d ． 2 t h e c o mp a r i s i o n o f p r o p o r t i o n c u r v e a n d d o u b l e - l i n e c u rve a b o u t p u mp fl o w c o n t r o l c h a r a c t e ris t i c s h a s b e e n ma d e i n t h r e e a s p e c t s wh i c h i s t h e s i z e o f s p e e d r e gu l a t i o n a r e a ，fi n e s p e e d p e r f o r me n c e a n d h i g h s p e e d p e r f o r ma n c e ． 3 1 t h e wo r k r u l e s o f p rin c i p l e o f b y - p a s s o i l r e t u r n v a v l e i n h y d r a u l i c e x c a v a t o r h a s b e e n a n a l y z e d ， a n d i t s w o k i n g rul e s b a s e d o n d e g r e e o f u n s a t u r a t i o n o f i n s t a n t a n e o u s fl o w h a s b e e n p r e s e n t e d ．I t i s d e mo n s t r a t e d tha t t h e n e w s c h e me i s g o o d f o r the p o s i t i v e c o n t r o l c h ara c t e ris t i c o f e x c a v a t o r ． Ke y wo r d s e x c a v a t o r ； p o s i t i v e fl o w； b y p a s s r e t u r n o i l ； s p e e d r e g u l a t i n g b y b o t h p u mp a n d v a v l e ； d e g r e e o f u n s a t u r a t i o n o f i n s t a n t a n e o u s fl o w O 引言 现阶段 ，中型挖掘机正流量系统的重要发展特征 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 - 0 8 作者 简介 仉志 强 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东潍坊人 ， 博士生 ， 研究方 向为 塑性成 形 与机电液系统控制。 是 液压 系统与 电控系统 主要 由压力传感器 、 控制器 、 电液 比例阀组成 一体化。正流量电液系统一方面可以 对多样化工况作出准确判断 ．按预定方案进行合理 的 实 时半智能或智能控制 ；另一方面可使正流量控制本 身的诸多优点 节能性好 、 响应速度快 、 起动死区小等 得以更好发挥 。所以对正流量 电液系统控制特性进行 变量的液压马达 。并介绍了设计 的液压系统的原理和 系统 的优 点 。通 过 实验 证 明 了该 系统 能 比较 好 的应用 到挖装机 中。 参 考 文 献 [ 1 】 康宝 生． 隧道挖装 机的使用 管理与 国产开发 [ J ] ． 建 筑机械 化， 2 0 0 8 ， 1 1 ． 【 2 】 王玉 良． 挖掘装载机 的发展 现状 、 趋势及研制思 路『 J 1 _ 广西机 械， 2 0 0 3 ， 1 ． 【 3 ] 陈欠根， 纪云锋， 吴万荣． 负载独立流量分I L U D V 控制系统 - ～- - 一 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 3 ， 1 0 ． 【 4 ] 蒋道成， 于兰英， 柯坚， 邓斌 ． L U D V控制系统的 动态仿真 [ J ] ． 机 械工程师， 2 0 0 7 ， 4 ． 【 5 ] 孔德文， 赵克利， 徐宁生 ， 等． 液压 挖掘机【 M】 ． 北京 化学工业 出 版社 ． 2 O o 7 ． [ 6 】 黄宗益， 李兴华， 陈明． 挖掘机力 士乐液压系统分析[ J ] ． 建筑机 械化 ， 2 0 0 4 ， 1 2 ． 【 7 ] 韩 彗仙 ， 曹显利 ． 工程 机械液压控 制系统技 术体系分析 【 J ] ． 液 压气动与密封， 2 0 1 0 ， 5 ． 7 1