带反馈的液压挖掘机设计说明书(编辑修改稿)

带反馈的液压挖掘机设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

新 4 设计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。 这样，引进和消化国外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。 国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，其原因除了国内挖掘机加 工水平落后之外，挖掘机设计水平与发达国家相比也有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。 国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了其设计软件，他们的研究基本上局限于解决某些问题，即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。 关于工作装置设计参数分析和在 CAD 上其自动设计的综合研究文献还没有。 因此，开发出的软件缺少通用性，不能使用于挖掘机工作装置的一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通用性。 特别是国内， CAD 在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用 CAD进行空间布置设计。 虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能达到设计需要，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。 经过近十年的研究，获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结果己进入实际应用过程中。 目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于，为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，即大多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基础上局限地进行的。 在这样一种情况下，开发一个专业化的工作装置的设计工具和软件显得非常必要。 国 内外液压挖掘机液压系统的发展动态及研究现状 国外发展动态及研究状况 从 20 世纪 60年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统已经发展到了相当成熟的阶段。 近几年来，随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力 :①液压系统逐渐从开式系统向闭式系统转变。 ②系统的节能技术成为研究的重点。 ③液压系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显。 ④很重视液压系统的操纵特性提高。 ⑤液压系统与电子控制的结合成为潮流。 日本小松 (KAMATSU)公司 90年代以前一直致力开发开式负载敏感系统 (OLSS )，用以降低液压系统的损耗。 开式液压系统采用三位六通阀，其特点是有两条供油路，其中一条是直通供油路，另一条是并联供油路。 由于这种油路调速方式是进油节流调速和旁路节流调速同时起作用，其调速特性受负载压力和油泵流量的影响，因此这种系统的操纵性能、调速性能和微调性能差。 另外， 当液压作用元件一起复合动作时，相互干扰大，使得复合动作操纵非常困难。 这是开式系统的大缺点。 由于挖掘机作业工程中要求对液压元件能很好地控制其运动速度和进行微 调，而且在其工作的许多工况下要求多个执行元件完成复合动作，而长期以来使用的开式液压系统无法满足挖掘机的调速和复合动作的要求。 近年来在国外的挖掘机液压系统中出现了闭式负载敏感系统 (CLSS)。 它可以采用一个油泵同时向所有液压作用元件供油，每一个液压作用元件的运动速度只与操纵阀的阀 5 杆行程有关，与负载压力无关，泵的流量按需提供，而且多个液压作用元件同时动作时相互之间干扰小，因此操纵性好是闭式液压系统的主要特点。 这种系统非常符合挖掘机操作的要求，它操纵简单，对司机的操纵技巧要求低，在国际上已经获得较广泛的使用， 是挖掘机液压系统的发展趋势。 目前日本小松公司己经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。 目前液压挖掘机上典型的节能技术基本上有两种，即负载敏感技术和负流量控制技术，目前液压挖掘机都选用其中一种控制技术来实现节能要求。 负载敏感技术是一种利用泵的出口压力与负载压力差值的变化而使系统流量随之相应变化的技术。 德国曼内斯曼 (Mannesmann)公司研制的一种负载传感系统，将其安装在液压系统中，可以控制一个或几个液压作用元件，而与对其施加的载荷无关。 该系统不仅易于操纵，而且微动控制特性很好。 其 最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对油泵进行控制，从而实现在按需供流的同时，使调速节流损失△ P控制在很小的固定值，从而达到节能的目的。 负流量控制技术是通过位于主控制阀后面的节流阀建立的压力对主泵的排量进行调节的技术。 目前以日本小松 (KOMATSU)和日本日立 (HITACHI)为代表的许多国外著名品牌的挖掘机生产商都在自己的挖掘机液压系统中使用了负流量控制技术。 这种控制技术具有稳定性好、响应快、可靠性和维修性好等特点，但在起始点为重负荷下作业时，因流量与负载有关，所以可控制性较差。 高 为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流量和功率。 目前，国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在 30MPa 以上，并且随着材料科学技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势。 流量通常在每分钟数百升。 功率在数百千瓦以上。 如德国 Orenstteinamp。 Koppe 制造的目前世界上首台最大的 RH400 型全液压挖掘机，铲斗容量达 42m 32M 液压油源为 18台变量轴向柱塞泵，总流量高达 10200L/min:原动机为 2台 QSK60 柴油发动机，总功率高达 20xxkW。 由于液压 挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响，系统的可靠性日益受到重视。 美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机强度研究方面，不断提高设备的可靠性。 美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。 日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统，使液压挖掘机的运转率达到 85969596，使用寿命超过 1 万小 时。 挖掘机液压系统的操纵特性越来越受到重视。 目前国际上迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。 各种高新技术的应用，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。 电子控制技术与液压控制技术相结合的电子一液压集成控制技术近年来获得了巨大发展，特别是传感器、计算机和检测仪表的应用，使液压技术和电子控制有机结合，开发和研制出了许多新型电液自动控制系统，提高了挖掘机的自动化程 度，推动着挖掘机的迅猛发展。 目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方面的研究己趋成熟。 美国 6 林肯一贝尔特公司新 C系列 LS5800 型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。 日本住友公司生产的 FJ系列五中新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命。 国内研究情况及发展动态 从国内情况来看，国内挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压系统方面的理论还比较薄弱。 国 内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术方面的研究具有一定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能、质量、作业效率、可靠性等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在国内市场上基本失去了竞争力，取而代之的是采用各种高新技术的国外挖掘机产品。 先进的挖掘机液压系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造出性能优异的挖掘机，绝大部分的市场份额都被国外各种品牌的挖掘机所占据。 以 20t 级的中型液压挖掘机为例，国产 20t 级挖掘机大多数是欧洲 80 年代初 的技术〔刘，同 90 年代初以来在国内形成批量的日本小松、日立、神钢等机型相比，其主要差距柴油机功率偏低，液压系统流量偏小，液压系统特性差，导致平台回转速度低，行走速度低，各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率较国外偏低。 7 2 液压挖掘机工作装置的设计要求与传统设计方法 要了解和设计液压挖掘机的工作装置，首先要分析液压挖掘机的工作过程及其作业要求，掌握传统的挖掘机工作装置设计方法。 液压挖掘机的工况分析 液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作 (如图 ):动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作。 除了辅助动作 (例如整机转向等 )不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。 挖掘机的典型作业流程 :  整机移动至合适的工作位置  回转平台，使用工作装置处于挖掘位置  动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置  斗杆、铲斗挖掘作业  动臂升起  回转工作装置至卸载位置  操纵斗杆、铲斗卸载 由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特要求 :①实现各种主要动作时，阻力与作业速度随 时变化，因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化。 ②为了充分利用发动机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 (例如挖掘与动臂、提升与回转 )同时进行复合动作。 液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括 : (1)挖掘 :通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或者两者配合进行挖掘，因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。 (2)满斗举升回转 :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。 为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。 图 2. 1 液压挖掘机的工作运动 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 (4)空斗返回 :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。 8 (5)整机移动工况 :将整机移动至合适的工作位置。 (6)姿态调整与保持工况 :满足停放、运输、检修等需要。 (7)其他辅助作业工况 :辅助工 作装置作业工况。 挖掘工况分析  铲斗挖掘工况 :由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。 采用铲斗液压 缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般 土方工程挖掘中 (III 级土一下土壤的挖掘 )铲斗挖掘最常用〔‘。  斗杆挖掘工况 :由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。 在较坚硬的土 质条件下工作时，为了能够装满铲斗，中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗 杆液压缸进行挖掘。  联合挖掘工况 :由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时 还需配以动臂液压缸的 动作。 主要用于需要轨迹控制的情况。 当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心，铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。 当动臂液压缸位于最小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。 一般认为斗容量小于 0. 5M3 或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之则以斗杆挖掘为主。 这两种情况的挖掘阻力不同。 在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。 如在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图 所示。 此时斗杆收 回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。 如果需要铲斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作 [1. 6]，见图 所示。 这些动作决定于液压系统的设计。 当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切削时，为了有效地进行垂直掘削，还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，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。 图 斗尖沿直线挖削 a 一水平地面的挖削。 b一斜坡地面的挖削 9 图 地面的切削和压整 a水 平地面的切削和压整。 b一斜坡地面的切削和压整 单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有采用三泵合流。 单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。 当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件供油较好。 对于双泵系统，其复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可能性大，因此需要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。 挖掘过程中还有可能碰到石块、树根等坚硬障碍物，往往由于挖不动而需要 短时间增大挖掘力，希望液压系统能暂时增压，能提高主压力阀的压力。 铲斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显变化，切削阻力与切削深度基本上成正比，前半过程切削阻力较后半过程高，因前半过程的切削角不利，产生了较大的切削阻力，其切削阻力的切向分力可以用下列公式表达 式中 :c 一表示土壤硬度的系数，对 11级土宜取 c=s08。