液压挖掘机工作装置与液压系统设计的研究

摘要：挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此，对挖掘机液压系统的分析研究对推动国内挖掘机发展具有十分重要的意义。

关键词：液压挖掘机; 工作装置;液压系统

中图分类号：TU621文献标识码： A

一、液压挖掘机工作装置的设计要求

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。

1、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。

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，把空斗放到新挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。

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。

2、典型挖掘工况

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-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。

当单独采用铲斗液压缸进行挖掘时，挖掘轨迹以铲斗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铲斗液压缸的行程。以铲斗液压缸进行挖掘时的挖掘行程较短，为了能够装满铲斗，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，所以一般挖掘机的斗尖最大挖掘力都在采用铲斗液压缸挖掘时实现。

二、液压挖掘机工作装置的设计要求

液压挖掘机工作装置由动臂机构、斗杆机构、铲斗机构三部分组成，是一种具有多自由度的工程机械。这些主要机构经常启动、制动、换向，外负载变化很大，工作条件恶劣，冲击和振动多，因此挖掘机对工作装置提出了较高的设计要求。根据液压挖掘机的工作特点，其工作装置的设计需要满足以下要求:

1、几何尺寸要求

挖掘机工作装置的几何尺寸要求满足一定的作业范围和合适的运输尺寸，挖掘机作业范围图如图2，几何尺寸之间要求不要干扰。

图2.挖掘机作业范围主要挖掘区域

工作装置的几何尺寸要求满足合理的挖掘力分布特性，在整个作业范围内的任何位置都要求实现最大挖掘力不经济，要求挖掘机在主要挖掘区内能实现最大挖掘力。

主要挖掘区是指用最合理最经常的挖掘方式，最经常进行挖掘的区域。对液压挖掘机来说最合理最经常的挖掘方式是指挖掘地面以下，由下向上，向机身运动的挖掘方式，用这种方式挖掘充斗效率高，循环时间短，也便于卸土，装车，司机视野无阻，因此生产率高而又安全。

2、各功能运动的动力特性要求

液压挖掘机个功能运动的动力特性要求和常见复合运动要求，如表1和2所示。

表1各功能运动的动力特性要求一览表

表2常见复合运动要求一览表

3、结构强度要求

液压挖掘机结构强度是工作装置设计的关键之一，工作装置的结构和所承受的载荷是十分复杂的。要求正确地反映受力情况下，工作装置各部分的应力分布规律，保证工作装置的强度和刚度特性。

在设计液压挖掘机的工作装置时，要求尽可能减少焊缝和变形，这不仅增加构件强度，而且缩短制造周期降低成本。要求动臂下支点及动臂油缸支承在平台主梁的整块钢板上，这不仅增加构件强度而且减少焊接，防止焊接变形。斗杆要求采取整块钢板下料。为了减少焊接变形及焊接应力，要求采用型钢及压型等结构。在结构件设计中为求等强度，要求采取局部加强的措施。

三、挖掘机液压系统的特点和基本组成

1、挖掘机液压系统的特点如下:

・具有多执行部件:至少包括动臂、斗杆、铲斗、转台、行走;

・动力特性要求高:要求大功率输出、大输出力(矩)、高速、高变速指标;

・载载变化大:外负载变化大、多冲击、频繁启制动和换向，功率需求变化剧烈

・执行部件可独立动作:各部件动作顺序没有预定的规律;

・需要良好的操纵特性:调速特性、独立操纵特性等;

・特殊功能要求:锁定、制动、同步等。

挖掘机主液压系统的基本组成如见图3其中没有考虑液压附件及先导控制部分等):

图3主系统的基本组成图

2、挖掘机液压系统的设计要求

根据液压挖掘机的工作特点，其液压系统的设计需要满足以下要求:

①动力性要求

动力性要求是指在保证发动机不过载的前提下，尽量充分地利用发动机的功率，提高挖掘机的生产效率。尤其是当负载变化时，要求液压系统与发动机的良好匹配，尽量提高发动机的输出功率。例如，当外负载较小时，希望增大油泵的输出流量，提高执行元件的运动速度。双泵液压系统中就常常采用合流的方式来提高发动机的功率利用率。

②操纵性要求

调速性要求；

现代挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高，如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现调速操纵控制，对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠，成为挖掘机液压系统设计十分重要的一方面。挖掘机在工作过程中阻力变化较大，各种不同的作业工况要求功率变化大，因此要求对各个执行元件的调速性要好。

复合操纵性要求；

挖掘机在作业动作复杂多样，这些动作由各个执行元件的相互配合来实现复杂的复合动作，因此如何实现多执行元件的复合动作也是挖掘机液压系统操纵性要求的一方面。

对行走机构来说，左、右行走马达的复合动作问题，即直线行驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。如果挖掘机在行走过程中由于液压泵的油分流供应，导致一侧行走马达速度降低，形成挖掘机意外跑偏，很容易发生事故。

③节能性要求

一般挖掘机工作时间长，能量消耗大，要求液压系统的效率高，就要降低各个执行元件和管路的能耗，因此在挖掘机液压系统中要充分考虑各种节能措施。

当对各个执行元件进行调速控制时，系统所需流量大于油泵的输出流量，此时必然会导致一部分流量损失掉。系统要求此部分的能量损失尽量小;当挖掘机处于空载不工作的状态下，如何降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，也是降低能耗的关键。

④安全性要求

挖掘机的工作条件恶劣，载载变化和冲击振动大，对于其液压系统要求有良好的过载保护措施，防止油泵过载和因外负载冲击对各个液压作用元件的损伤。

结语：

随着国土资源建设的进一步深化，液压挖掘机在水利工程、交通运输、电力工程、矿山采掘和城市建设等方面的应用将越来越广泛。随着科学技术的进步与用户应用的需求，还会需要更加高性能的液压挖掘机参与各方面的工程建设。因此对液压挖掘机工作装置和液压系统进行深入的研究具有很重要的现实意义。

\参考文献：

[1]张铁.液压挖掘机结构原理及使用.石油大学出版社，2002

[2]黄宗益，叶伟，李兴华.液压挖掘机液压系统概述.建筑机械化，2003. 9:12-16

作者简介：李峰，1988-12，男，汉，内蒙古包头市，内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司。