小型遥控式挖掘机液压系统设计.docx

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小型遥控式挖掘机液压系统设计

小型遥控式挖掘机液压系统设计

摘要

近年来，有关挖掘机液压系统方面的文献并不少见，但文献的内容大多针对某一专题进行研究，系统地论述现代液压挖掘机液压系统的论文却较少，而且大多数局限于人工操作的挖掘机液压系统设计，未对遥控控制方面做过多的涉及。

因此研究和设计小型遥控式挖掘机液压系统具有重要的现实意义和理论意义。

本论文主要概述遥控式挖掘机液压技术的发展史及其目前在国内的外发展情况，并简述了液压挖掘机发展趋势。

本文对液压挖掘机的常用液压回路进行了简单阐述和分析，对课题要求设计的小型遥控式挖掘机液压系统进行了方案设计及分析，并通过进一步计算确定了需要的液压元件完成选型。

尤其对于控制部分做了比较完善的设计改进，争取最大程度实现挖掘机的作业智能化。

运用AutoCAD绘制液压系统原理图、工作油箱总成、液压布置图、油箱零件图、控制部分设计图等。

最后通过验算证明了本设计的可行性。

关键词：

液压系统，挖掘机，智能控制

MiniRemoteExcavatorHydraulicSystemofDesign

Abstract

目录

1绪论····························································································1

1.1选题意义···············································································1

1.2挖掘机及其液压技术概述·····························································1

1.3国内外研究现状·······································································1

1.4挖掘机发展趋势·······································································1

2挖掘机液压系统概述·······································································5

2.1挖掘机液压系统基本组成及基本要求···············································6

2.2挖掘机工作循环过程及液压系统基本动作分析·····································7

2.3液压挖掘机传动原理·································································8

2.4挖掘机液压系统基本回路分析·······················································9

3挖掘机液压系统设计·····································································15

3.1挖掘机液压系统设计要求···························································10

3.2挖掘机液压系统工况分析···························································11

3.3液压系统方案拟定···································································12

3.4挖掘机液压元件的计算和选择······················································13

3.5液压系统性能验算···································································14

4结论··························································································15

表1设计参数

铲斗容量

最大挖掘深度

最大挖掘半径

最大挖掘高度

最大卸载高度

最大挖掘力

0.2（

）

3646（mm）

6140（mm）

5600（mm）

3990（mm）

40（KN）

1绪论

1.1选题意义

随着国民经济的快速发展，液压挖掘机在各种工程建设领域，特别是基础设施建设中所起的作用越来越明显，液压挖掘机作为一类快速、高效的施工机械愈来愈被人们所认识。

据统计，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m3的机械式单斗挖掘机至今，我国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达40余种。

挖掘机的发展与液压技术密不可分，二者相互促进，一方面，液压技术是现代挖掘机的技术基础，另一方面，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。

挖掘机的液压系统复杂，其性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。

近年来，有关挖掘机液压系统方面的文献并不少见，但文献的内容大多针对某一专题进行研究，系统地论述现代液压挖掘机液压系统的论文却较少，因此研究挖掘机液压系统具有重要的现实意义和理论意义。

1.2挖掘机及其液压技术概述

挖掘机的发展史可追溯到19世纪三四十年代。

美国实施西部大开发工程催生了以蒸汽机作为动力，模仿人体大臂、小臂和手腕构造，能行走和扭腰的挖掘机。

随后的一百多年中，挖掘机并没有得到很大发展，其原因一是当时的工程主要是国土开发、大规模的筑路和整修场地等，平面作业较多，使铲土运输机械成为当时的主力机种，二是挖掘机作业装置动作多、运动范围大、采用多自由度机构，机械传动难以适应这些要求，而当时的液压技术还不成熟，不能大规模地应用到实际工业中。

随着社会的不断进步，工程建设和施工形式逐渐向土木施工方向发展，同时液压技术也逐步得以完善，这些因素的变化反过来又促进挖掘机的不断更新换代。

20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压铲的悬挂式挖掘机，50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机，60年代，当液压传动技术成为成熟的传动技术时，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展吉阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。

1968～1970年间液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。

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，液压传动技术为挖掘机的发展提供了强有力的技术支撑。

液压传动是挖掘机的重要组成部分之一，目前常用的传动方式有机械传动、电力传动和流体传动。

流体传动包括液体传动和气体传动，液体传动又分为液压传动和液力传动。

所谓液压传动是指在密闭的回路中，利用液体的压力能来进行能量的转换、传递和分配的液体传动。

在现代工业中液压传动技术几乎应用于所有机械设备的驱动、传动和控制，如操纵车辆转向和制动，控制和驱动飞机、机床、工程机械、农业机械、采矿机械、食品机械和医疗机械等。

目前液压技术的研究和发展动向主要体现在以下几个方面：

（1）提高效率，降低能耗。

（2）提高技术性能和控制性能。

（3）发展集成、复合、小型化、轻量化元件。

（4）开展液压系统自动控制技术方面的研究与开发。

（5）加强以提高安全性和环境保护为目的研究开发。

（6）提高液压元件和系统的工作可靠性。

（7）标准化和多样化。

（8）开展液压系统设计理论和系统性能分析研究。

1.3国内外研究现状

我国挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台机械式单斗挖掘机至今，大体经历了测绘仿制、自主研发和发展提高三个阶段。

新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪30～40年代的机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史，由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂，到20世纪80年代末，我国的中小型液压挖掘机已形成系列，但总的说来，我国的挖掘机生产批量小，产品质量不稳定，与国际先进水平相比，差距较大。

改革开放以来，生产企业积极引进、消化、吸收国外先进技术，促进了我国挖掘机行业的发展，目前国产液压挖掘机的产品性能指标已达到20世纪80年代的国际水平，部分产品达到了90年代的水平。

国外挖掘机生产历史较长，液压技术的不断成熟使挖掘机得到全面发展。

德国是世界上较早开发研制挖掘机的国家，1954年和1955年德国的德马克和利渤海尔两家公司分别开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机历史最长、数量最大、品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国是液压挖掘机生产的后起之秀，20世纪70年代开始引进技术，由于产业政策支持，很快进入国际市场，并已挤入国际液压挖掘机的主要生产国之一。

20世纪60年代，挖掘机进入成熟期，各国挖掘机制造商纷纷采用液压技术并与其它技术相结合，使产品的适应性得到较快发展，产品寿命和质量不断提高操纵更加舒适，产品更加节能。

例如美国卡特彼勒公司1995年以后推出的300B系列液压挖掘机，采用一种命名为maestro的系统，通过载荷传感液压装置，控制发动机的输出功率，实现与液压泵的严格匹配。

Maestro控制面板在机型上安装两种功率模式和四种工况状态，允许用户自行决定功率工况模式。

再如韩国现代公司生产的ROBEX450-3型液压挖掘机，有四种功率模式，通过集成化的电子控制系统自动确定最佳的发动机转速和液压泵的输出参数，使得发动机、液压泵的速度及液压系统压力与实际工况相适应，从而获得最高的生产率和最佳的燃油消耗。

此种技术在日本小松、日立建机、神钢、韩国大宇重工、德国的利渤海尔、英国的JCB等公司均得到普遍应用，代表了当代液压挖掘机的最高水平。

1.4挖掘机发展趋势

随着液压挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化方向发展，挖掘机对液压技术的要求不断提高并呈现如下特点：

（1）迅速发展全液压挖掘机并进一步改进液压系统。

中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。

因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时用增大流量来补偿，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率；当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增加；采用三回路液压系统，产生三个互不成影响的独立工作运动，实现与回转机构的功率匹配，将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速运动。

液压技术在挖掘机上的普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机上的应用与推广创造了条件，液压、电子和自动化技术日益结合，共同促进挖掘机的控制性能不断提高。

挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。

在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。

20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作更加轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，电子和自动控制技术逐步应用在挖掘机上。

随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，机电一体化技术在挖掘机上得以广泛应用，并使其各种性能有了质的飞跃。

20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。

所有这一切，都是挖掘机的全液压化奠定的基础并为挖掘机的全面发展创造了美好的前景。

（2）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。

例如美国林肯贝尔特公司新C系列LS-5800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，还安装了CAPS（计算机辅助功率系统），提高了挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，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；德国奥加凯（O&K）公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的904、905、907、909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了ECO（电子控制作业）的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。

韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS即电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。

（3）为实现挖掘机的高度智能化，可以将一些固定场合的作业程序输入挖掘机，进行固化，从而减轻操作人员的劳动量。

《我爱发明之智慧挖掘里面最后北航教授提到的两点要求》

2挖掘机液压系统概述

2.1挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求

按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来就组成一个挖掘机液压系统。

它是以油液为工作介质、利用液压泵将液压能转变为机械能，进而实现挖掘机的各种动作。

按照不同的功能可将挖掘机液压系统分为三个基本部分：

工作装置系统，回转系统、行走系统。

如下图所示。

挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压缸组成，它包括动臂、斗杆、铲斗三个液压回路。

回转装置的功能是将工作装置和上部转台向左或

挖掘机构造示意图如下图所示：

向右回转，以便进行挖掘和卸料，完成该动作的液压元件是回转马达。

回转系统工作时必须满足如下条件：

回转迅速、起动和制动无冲击、振动和摇摆，与其它机构同时动作时，能合理地分配去各机构的流量。

行走装置的作用是支撑挖掘机的整机质量并完成行走任务，多采用履带式和轮胎式机构，所用的液压元件主要是行走马达。

行走系统的设计要考虑直线行驶问题，即在挖掘机行走过程中，如果某一工作装置动作，不至于造成挖掘机发生行走偏转现象。

挖掘机的动作复杂，主要机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此挖掘机的液压系统应满足如下要求：

（1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。

（2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能复合动作，以提高

挖掘机的生产率。

（3）履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。

（4）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。

（5）保证挖掘机工作安全可靠，且各执行元件（液压缸、液压马达等）有良好的过载保护；回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快速下降和整机超速溜坡。

为此，液压系统应做到：

（1）有高的传动效率，以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。

（2）液压系统和液压元件在变化大的负载、急剧的振动作用下，具有足够的可靠性。

（3）设置轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时的液压油温不超过80℃，或温升不超过45℃。

（4）由于挖掘机作业现场尘土多，液压油容易被污染，因此液压系统的密封性能要好，液压元件对油液污染的敏感性要低，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。

（5）采用液压或电液伺服操纵装置，以便挖掘机设置自动控制系统，进而提高挖掘机技术性能和减轻驾驶员的劳动强度。

2.2挖掘机工作循环过程及液压系统基本动作分析

2.2.1挖掘机工作循环过程

首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运输车辆倒车、调停，停靠在挖掘机的侧方或后方。

挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，配合动作以加快作业进度，进行复合动作的挖掘和装载:

铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使铲斗高度稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。

土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。

2.2.2挖掘机液压系统基本动作分析

（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。

（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系应该是可调整的，若卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂举升速度慢些。

（3）卸载。

回转至卸土位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗缸卸载。

为了调整卸载位置，还需动臂配合动作。

卸载时，主要是斗杆和铲斗复合作用，兼以动臂动作。

（4）空斗返回。

卸载结束后，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、泵的流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况通常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。

2.3液压挖掘机传动原理

液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走（移位），使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业的要求。

液压挖掘机由柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给各液压执行元件（液压缸或液压马达）驱动相应的机构进行工作。

液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。

反铲工作装置由铲斗5、斗杆11、动臂2、连杆8及相应的三组液压缸1、4、10组成。

动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。

依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动;而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。

挖掘作业时，接通回转马达，转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩;动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。

铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。

卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。

在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系通的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合随机的。

1、斗杆油缸2、动臂3、油管4、动臂油缸5、铲斗6、斗齿7、侧齿8、连杆9、摇杆10、铲斗油缸11、斗杆

单斗液压挖掘机工作装置

总之，液压挖掘机是由多学科、多系统组成的有机整体，只有在系统层面上的各系统、各学科协同优化才能获取挖掘机整机的最佳性能。

2.3挖掘机液压系统的基本回路分析

基本回路是由一个或几个液压元件组成、能够完成特定的单一功能的典型回路，它是液压系统的组成单元。

液压挖掘机液压系统中基本回路有限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流回路、行走回路、合流回路、再生回路、闭锁回路、操纵回路等。

小型遥控式挖掘机液压系统设计要求：

挖掘机一般工作在施工场合,因此工作环境恶劣,这就要求挖掘机的液压系统和执行元件要有足够的强度和非常好的密封性能。

由于挖掘机的动作频繁,因此,液压元件和管路要能够承受频繁的液压冲击,以保证挖掘机能够长时间安全稳定的工作。

设计出便于操作，更加人性化，工作效率高，耗能少的挖掘机，才会在工程领域发挥更大的作用。

此外，由于是小型遥控式挖掘机，对于控制部分有一定的要求。

要求内容如下：

小型遥控式挖掘机工况分析：

液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作（如图2-1所示）:

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。

1、动臂升降2、斗杆收放3、铲斗装卸4、平台台回转5、整机行走

液压挖掘机的运动图

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殊要求:

（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即挖掘机的基本动作之前已作说明，故此处不在赘。

（1）挖掘工况分析：

挖掘过程中主要以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别单独进行挖掘，或者两者复合动作，必要时配以动臂液压缸的动作。

一般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，如图2-2，2-3所示。

此时斗杆收回，动臂抬起，希望斗杆和动臂分别由独立的油泵供油，以保证彼此动作独立，相互之间无干扰，并且要求泵的供油量小，使油缸动作慢，便于控制。

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，如图2-4,2-5所示

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。

下面以三泵系统为例，来说明复合动作挖掘时油泵流量的分配情况和分合流油路的连接情况。

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。

图2-2斗尖沿直线平整土地图图2-3斗尖沿直线切削斜坡图

图2-4铲斗底压整地面图　　　　　图2-5铲斗底保持一定角度切削图

未完待续