液压挖掘机液压系统设计
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
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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。
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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、利用液压泵将发元件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。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。
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（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 挖掘机液压系统的基本动作分析
（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 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。
§2.3.1 限压回路
限压回路用来限制压力，使其不超过某一调定值。限压的目的有两个：一是限制系统的最大压力，使系统和元件不因过载而损坏，通常用安全阀来实现，安全阀设置在主油泵出油口附近；二是根据工作需要，使系统中某部分压力保持定值或不超过某值，通常用溢流阀实现，溢流阀可使系统根据调定压力工作，多余的流量通过此阀流回油箱，因此溢流阀是常开的。
液压挖掘机执行元件的进油和回油路上常成对地并联有限压阀，限制液压缸、液压马达在闭锁状态下的最大闭锁压力，超过此压力时限压阀打开、卸载保护了液压元件和管路免受损坏，这种限压阀（图 2-1）实际上起了卸荷阀的作用。维持正常工作，动臂液压缸虽然处于“不工作状态”，但必须具有足够的闭锁力来防止活塞杆的伸出或缩回，因此须在动臂液压缸的进出油路上各装有限压阀，当闭锁压力大于限压阀调定值时，限压阀打开，
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使油液流回油箱。限压阀的调定压力与液压系统的压力无关，且调定压力愈高，闭锁压力愈大，对挖掘机作业愈有利，但过高的调定压力会影响液压元件的强度和液压管路的安全。通常高压系统限压阀的压力调定不超过系统压力的 25%，中高压系统可以调至 25%以上。
1- 换向阀 2- 限压阀 3- 油缸 图2-1 限压回路
Fig. 2-1 limited pressure circuit
§2.3.2 缓冲回路
液压挖掘机满斗回转时由于上车转动惯量很大，在启动、制动和突然换向时会引起很大的液压冲击，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，甚至破坏。挖掘机回转机构的缓冲回路就是利用缓冲阀等使液压马达高压腔的油液超过一定压力时获得出路。图 2-2 为液压挖掘机中比较普遍采用的几种缓冲回路。
图 2-2 (A)中回转马达两个油路上各装有动作灵敏的小型直动式缓冲（限压）阀 2、3，正常情况下两阀关闭。当回转马达突然停止转动或反向转动时，高压油路Ⅱ的压力油经缓冲阀 3 泄回油箱，低压油路Ⅰ则由补油回路经单向阀 4 进行补油，从而消除了液压冲击。缓冲（限压）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。该缓冲回路的特点是溢油和补油分别进行，保持了较低的液压油温度，工作可靠，但补油量较大。
图 2-2（B）是高、低压油路之间并联有缓冲阀，每一缓冲阀的高压油口与另一缓冲阀的低压油口相通。当回转机构制动、停止或反转时，高压腔的油经过缓冲阀直接进入低压腔，减小了液压冲击。这种缓冲回路的补油量很少，背压低，工作效率高。
图 2-2（C）是回转马达油路之间并联有成对单向阀 4、5 和 6、7，回转马达制动或换向时高压腔的油经过单向阀 5、缓冲（限压）阀 2 流回油箱，低压腔从油箱经单向阀 6
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