節(jié)能型液壓?jiǎn)味吠诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

節(jié)能型液壓?jiǎn)味吠诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì),節(jié)能型液壓?jiǎn)味吠诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì),節(jié)能型,液壓,挖掘機(jī),系統(tǒng),設(shè)計(jì) 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 緒 論 1.1 設(shè)計(jì)背景及目的 液壓挖掘機(jī)是一種廣泛用于建筑、公路、鐵路、水利、采礦等建設(shè)工程的土方機(jī)械。液壓挖掘機(jī)利用液壓元件（液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等）帶動(dòng)各種構(gòu)件動(dòng)作，具有非常多得優(yōu)點(diǎn)，而且只要加裝不同的輔助設(shè)備即可用來抓物，鉆孔，推土，清溝，破碎等作業(yè)， 是工程機(jī)械的一個(gè)重要品種，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境狀況，大大提高了工作效率，改善了人的勞動(dòng)強(qiáng)度。為整個(gè)社會(huì)的快速發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。 隨著技術(shù)日漸成熟，國內(nèi)外一些知名的工程機(jī)械制造企業(yè)發(fā)展均比較迅速。例如，國外的有日本小松、德國力士樂、OK公司等，國內(nèi)有徐工集團(tuán)、中聯(lián)重科、三一集團(tuán)、廣西柳工集團(tuán)、龍工集團(tuán)、山河智能等企業(yè)。工程機(jī)械制造業(yè)的迅速發(fā)展不僅在專業(yè)方面做出了卓越貢獻(xiàn)，同時(shí)也為整個(gè)社會(huì)的建筑風(fēng)貌、自然救災(zāi)等方面作出了偉大的貢獻(xiàn)。如5.12汶川大地震發(fā)生后，三一重工派出數(shù)十臺(tái)挖掘機(jī)日夜兼程趕往災(zāi)區(qū)用于道路疏通，傷員搶救，以及災(zāi)后重建工作等。 我國是一個(gè)發(fā)展中國家，在遼闊的國土上正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，這就需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù)，而液壓挖掘機(jī)是最重要的一類土石方施工機(jī)械。因此，可以肯定液壓挖掘機(jī)的發(fā)展空間很大。可以預(yù)見，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)挖掘機(jī)的需求量將逐年大幅度增長(zhǎng)。今后幾年我國液壓挖掘機(jī)行業(yè)將會(huì)有一個(gè)很大的發(fā)展，其年產(chǎn)量將會(huì)以高于20％的速度增長(zhǎng)。 從1967年到1977年間，國內(nèi)通過數(shù)年堅(jiān)持不懈的努力，克服了重重困難，終于有少量幾種規(guī)格的液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品獲得初步成功，當(dāng)時(shí)有上海建筑機(jī)械廠的WY100；貴陽礦山機(jī)器廠的W4-60；合肥礦山機(jī)器廠的WY60；長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠的WY160和杭州重型機(jī)械廠的WY250等，到現(xiàn)在，短短的40多年，挖掘機(jī)的產(chǎn)量和銷量有了飛躍式的提高。尤其是在十一五期間，我國內(nèi)品牌的液壓挖掘機(jī)發(fā)展迅速，在國內(nèi)的市場(chǎng)占有率也快速提高，如表1。 表1.1 2006-2010年各品牌挖掘機(jī)市場(chǎng)占有率(%) 年份 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 日系 34.53 36.18 37.78 37.75 35.61 韓系 34.39 31.90 26.76 25.59 24.47 歐美系 14.91 12.79 11.96 11.03 11.62 中國品牌 16.17 19.13 23.50 25.63 28.30 由表可見，國內(nèi)品牌的挖掘機(jī)市場(chǎng)占有率迅速提高。顯然，挖掘機(jī)在整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長(zhǎng)最快的機(jī)種之一。2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2010年上海世博會(huì)、西部大開發(fā)、南水北調(diào)工程對(duì)機(jī)械設(shè)備的需求為挖掘機(jī)生產(chǎn)廠商提供了大量商機(jī)。另為滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，盡快為國內(nèi)市場(chǎng)提供產(chǎn)品質(zhì)量好、可靠性高的液壓挖掘機(jī)，改變大中型液壓挖掘機(jī)長(zhǎng)期依靠進(jìn)口的被動(dòng)局面當(dāng)務(wù)之急是高速發(fā)展我國液壓挖掘機(jī)。隨之從事液壓設(shè)備設(shè)計(jì)和調(diào)試工作的工程技術(shù)人員也越來越多。他們?cè)O(shè)計(jì)出了不少性能良好的液壓系統(tǒng)；但也經(jīng)常出現(xiàn)一些因設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周或參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)，造成系統(tǒng)達(dá)不到要求或不能正常工作，不得不改進(jìn)設(shè)計(jì)或采取應(yīng)急對(duì)策的情況。 如何設(shè)計(jì)出工作可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能好、成本低、效率高、維護(hù)使用方便的液壓系統(tǒng)，必須通過調(diào)查研究，明確多方面的要求。 1.2國內(nèi)外發(fā)展情況 當(dāng)前，國外挖掘機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化，專用化及智能化的方向邁進(jìn)。國外挖掘機(jī)行業(yè)重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料，加快了向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展的步伐。我國己經(jīng)形成了挖掘機(jī)的系列化生產(chǎn)，近年來還開發(fā)了許多新產(chǎn)品，引進(jìn)了國外的一些先進(jìn)的生產(chǎn)率較高的挖掘機(jī)型號(hào)，單斗液壓挖掘機(jī)有以下的趨勢(shì): (1)向大型化發(fā)展的同時(shí)向微型化發(fā)展。 (2)更為普遍地采用節(jié)能技術(shù)。目前國際上采用的節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)有： 1、電液比例控制智能化； 2、柴油機(jī)電噴控制； 3、負(fù)荷傳感控制將繼續(xù)發(fā)展； 4、六通多路閥繼續(xù)存在； 5、進(jìn)一步改進(jìn)閥控節(jié)能控制； 6、多功能組合； 7、可變參數(shù)控制； 8、泵—發(fā)動(dòng)機(jī)匹配控制將進(jìn)一步“智能化”； 9、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)將大量應(yīng)用。 (3)不斷提高可靠性和使用壽命。 (4)工作裝置結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，工作范圍不斷擴(kuò)大。 (5)由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)向混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)展。 (6)液壓系統(tǒng)不斷改進(jìn)，液壓組件不斷更新。 (7)應(yīng)用微電子、氣、液等機(jī)電一體化綜合技術(shù)。 (8)增大鏟斗容量，加大功率，提高生產(chǎn)效率。 (9)盡可能使用先進(jìn)的液壓系統(tǒng)，如融入二次調(diào)節(jié)技術(shù)，簡(jiǎn)化管路布局。 1.3論文設(shè)計(jì)內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要是恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)的液壓系統(tǒng)。簡(jiǎn)單分析液壓挖掘機(jī)的基本機(jī)構(gòu)和工作原理、工況特點(diǎn)和工作范圍；了解目前市場(chǎng)現(xiàn)有的挖機(jī)零部件的生產(chǎn)及技術(shù)情況，進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定出一個(gè)完整的挖機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高挖機(jī)工作性能和節(jié)約能耗為目的。以下為本次挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)：如圖 三一重工SY200C履帶式液壓挖掘機(jī) 圖1.1 三一重工SY200C履帶式液壓挖掘機(jī) 表1.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù) 整機(jī)尺寸 ? 總長(zhǎng)（運(yùn)輸時(shí)） 9397mm 總寬度 2800mm 總高度（運(yùn)輸時(shí)） 2956mm 上部寬度 2710mm 總高度（駕駛室頂部） 2930mm 標(biāo)準(zhǔn)履帶板寬度 600mm 軌距 2200mm 最小離地間隙 440mm 尾部回轉(zhuǎn)半徑 2750mm 履帶接地長(zhǎng)度 3260mm 履帶長(zhǎng)度 4064mm 作業(yè)范圍 ? 最大挖掘高度 9305mm 最大卸載高度 6630mm 最大挖掘深度 6630mm 最大垂直臂挖掘深度 5980mm 最大挖掘機(jī)距離 9885mm 最小回轉(zhuǎn)半徑 3630mm 最小回轉(zhuǎn)半徑時(shí)的最大高度 7570mm 性能參數(shù) ? 工作質(zhì)量 20300kg 標(biāo)準(zhǔn)鏟斗容量 0.83m3 行走高度（高/低） 5.5/3.2km/h 回轉(zhuǎn)速度 12.5rmp 爬坡能力 70%/35° 接地比壓 44.8kPa 鏟斗挖掘力 138kN 工作范圍示意圖如1.2圖： 圖1.2 挖掘機(jī)作業(yè)范圍圖 1. 最大挖掘深度 2. 最大水平移動(dòng)距離 3. 最大挖掘高度 4. 最大裝載高度 5. 最小裝載高度 6. 最大水平切削深度 7. 最大垂直挖掘深度 2 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 總所周知，液壓傳動(dòng)較機(jī)械傳動(dòng)有很多的優(yōu)點(diǎn)： 1) 由于驅(qū)動(dòng)介質(zhì)為液壓油，故其傳動(dòng)路線可經(jīng)管路彎曲多變，可節(jié)約空間，比機(jī)械傳動(dòng)的布局要靈活很多。 2) 被驅(qū)動(dòng)件能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速而且范圍較廣，最大傳動(dòng)比可達(dá)1000，并可高速逆轉(zhuǎn)。 3) 傳動(dòng)較平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，可減少?zèng)_擊和振動(dòng)。 4) 操縱靈活而且省力，如汽車方向盤的控制，較以往的連桿機(jī)構(gòu)省力多了。也容易自動(dòng)化控制。 基于以上的優(yōu)點(diǎn)液壓挖掘機(jī)逐步取代機(jī)械式挖掘機(jī)是必然的趨勢(shì)。 2.1 液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu) (1) 液壓挖掘機(jī)組成 一般單斗液壓挖掘機(jī)由兩個(gè)基本組成部分，即主機(jī)和工作裝置。如圖2.1所示。 圖2.1 液壓挖掘機(jī)的組成 1—柴油機(jī)、2-機(jī)罩、3一油箱、4-多路閥、6-回轉(zhuǎn)減速器、7-回轉(zhuǎn)馬達(dá)、8-回轉(zhuǎn)接頭、 9-駕駛室、10-動(dòng)臂、11-動(dòng)臂油缸、12-操縱臺(tái)、13-邊齒、14-斗齒、15-鏟斗、16-斗桿油缸、17-斗桿、18-鏟斗油缸、19-平衡重、 20-轉(zhuǎn)臺(tái)、21-行走減速器、22-行走馬達(dá)、23-托鏈輪、24-履帶、Ⅰ-工作裝量、Ⅱ-上部轉(zhuǎn)臺(tái)、Ⅲ-行走機(jī)構(gòu) 主機(jī)是完成挖掘機(jī)基本動(dòng)作并作為驅(qū)動(dòng)和操縱挖掘機(jī)進(jìn)行工作的基礎(chǔ)，其行走形式可分為履帶式和輪式，可細(xì)分為行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動(dòng)力裝置。其中動(dòng)力裝置、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備均可在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，總稱上車部分，它與行走機(jī)構(gòu)(又稱下車部分)用回轉(zhuǎn)支撐相連，平臺(tái)可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360°的全回轉(zhuǎn)。工作裝置根據(jù)工作性質(zhì)的不同，可配備反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，分別完成挖掘、裝載、抓取、起重、鉆孔、打樁、破碎、修坡、清溝等工作。挖掘機(jī)的基本性能決定于各部分的構(gòu)造、性能及其綜合的效果。 (2) 液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程 首先液壓挖掘機(jī)的行走回路控制馬達(dá)行走至待作業(yè)區(qū)，然后調(diào)停挖掘機(jī)，并鎖緊行走回路防止在作業(yè)過程中滑坡溜走等，同時(shí)也將運(yùn)輸土方的車停在挖掘機(jī)旁邊，方便挖掘機(jī)鏟滿土后進(jìn)行卸載。挖掘機(jī)司機(jī)扳動(dòng)操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通，此時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)上部平臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將鏟斗轉(zhuǎn)向待挖區(qū)，與此同時(shí)扳動(dòng)動(dòng)臂油缸換向閥，使動(dòng)臂缸上端進(jìn)油，動(dòng)臂下降，直至鏟斗接觸地面，在操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，兩缸的無桿腔進(jìn)油，以此復(fù)合動(dòng)作提高挖掘速度，鏟斗滿土后，將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄撥到中位，此時(shí)鏟斗缸和斗桿缸均鎖緊，再將動(dòng)臂缸換向閥換向，動(dòng)臂缸的無桿腔進(jìn)油，動(dòng)臂舉升，升到卸載高度位置，再將回轉(zhuǎn)換向閥換向，使平臺(tái)轉(zhuǎn)到運(yùn)土車方向，此時(shí)鏟斗處在運(yùn)輸車上方，再操作斗桿缸使鏟斗稍降，然后再控制鏟斗缸將土卸載，完成后又重復(fù)上述動(dòng)作，進(jìn)行下一次的挖掘。 2.2 液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能 液壓挖掘機(jī)由:動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。這些組成部分的質(zhì)量將直接影響到挖掘機(jī)的綜合性能。 (1) 動(dòng)力系統(tǒng) 動(dòng)力系統(tǒng)是整個(gè)挖掘機(jī)動(dòng)作的動(dòng)力源，由于挖掘機(jī)的工況復(fù)雜，負(fù)荷大小多變，而且環(huán)境溫差變化大，粉塵顆粒多，易造成污染，不變維護(hù)，此時(shí)液壓挖掘機(jī)多采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力可靠，功率特性曲線較硬，而且柴油價(jià)格實(shí)惠，符合工作條件惡劣，負(fù)載多變的需求，挖掘機(jī)的額定負(fù)荷與汽車、拖拉機(jī)不同，汽車和拖拉機(jī)指在最高轉(zhuǎn)速下、連同機(jī)油泵、發(fā)電機(jī)等必要附件，一分鐘內(nèi)的最大功率；挖掘機(jī)是指在額定轉(zhuǎn)速下一小時(shí)以上的額定功率。挖掘機(jī)采用車用柴油機(jī)時(shí)，最大功率指數(shù)降低。 (2) 機(jī)械系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng)部分是實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)各種基本動(dòng)作的直接執(zhí)行者，其行走裝置是整機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)，承受機(jī)器的全部重量和工作裝置的反力，而且能使挖掘機(jī)作短途行駛?？煞譃槁膸胶洼喬ナ絻煞N。上車部分可繞回轉(zhuǎn)軸作回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)挖掘和卸載動(dòng)作的需要，包括驅(qū)動(dòng)裝置和回轉(zhuǎn)支撐。工作裝置是挖掘機(jī)完成各種動(dòng)作的主要部分，可分為反鏟、正鏟、裝載、起重等裝置，相同的裝置結(jié)構(gòu)也可以不同，在挖掘機(jī)中應(yīng)用最廣范的工作裝置是反鏟裝置。 (3) 液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)是控制各執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)和停止的系統(tǒng)，如對(duì)回轉(zhuǎn)、行走及工作裝置的控制都由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)完成。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生壓力油液，然后壓力油液可以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，但壓力油的接通和切斷由主換向閥來控制，多路壓力油可單路驅(qū)動(dòng)，也可以多路同時(shí)驅(qū)動(dòng)，即形成工作裝置的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在液壓系統(tǒng)中，各子回路均有溢流閥，起到過載溢流的作用，主回路上也有主溢流，起安全保護(hù)作用，回路中還有液壓變壓器二次元件，可起到調(diào)速作用，以及能量回收和再利用，系統(tǒng)中的蓄能器可以儲(chǔ)存回收能量也可減少?zèng)_擊和振動(dòng)。把各液壓元件用油管有機(jī)地連接起來地組合體既是液壓挖掘機(jī)地液壓系統(tǒng)。挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有不同的類型，較典型的有：負(fù)流量控制系統(tǒng)、正流量控制系統(tǒng)、負(fù)載敏感控制系統(tǒng)等。本次設(shè)計(jì)采用了恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不同的液壓系統(tǒng)，均可達(dá)到工作要求，但在節(jié)能方面卻有所不同，主要體現(xiàn)在形式上、節(jié)能效率上。而且管路的布局復(fù)雜程度不一樣，成本費(fèi)用也不一樣。 (4) 控制系統(tǒng) 在挖掘機(jī)中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、主油泵的排量，換向閥的換向，執(zhí)行元件的速度的控制稱為挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)。當(dāng)前，閉式的控制系統(tǒng)應(yīng)用較廣泛，可以將輸出信號(hào)反饋到輸入信號(hào)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的功率更匹配，達(dá)到節(jié)能目的。此時(shí)，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)揮了重要作用，既可實(shí)現(xiàn)節(jié)能又可使操作更方便，如近控，遙控等。所以其控制系統(tǒng)越來越先進(jìn)，目前挖掘機(jī)研究重點(diǎn)正逐步向智能化機(jī)電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移。 2.3 液壓挖掘機(jī)傳動(dòng)原理 液壓挖掘機(jī)采用三組液壓缸使工作裝置具有三個(gè)自由度，鏟斗可實(shí)現(xiàn)有限的平面轉(zhuǎn)動(dòng)，加上液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使鏟斗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大到有限的空間，再通過行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走(移位)，使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地?cái)U(kuò)大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。 液壓挖掘機(jī)由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，操縱分配閥，將高壓油送給各液壓執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達(dá))驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。 液壓挖掘機(jī)的工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，各部分的運(yùn)動(dòng)通過液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)。如圖2.2所示。 圖2.2 反鏟挖掘機(jī)工作裝置 1、斗桿油缸 2、動(dòng)臂 3、油管 4、動(dòng)臂油缸 5、鏟斗 6、斗齒 7、側(cè)齒 8、連桿 9、搖桿 10、鏟斗油缸 11、斗桿 裝置由鏟斗5、斗桿11、動(dòng)臂2、連桿8及相應(yīng)的三組液壓缸1、4、10組成。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過動(dòng)臂缸的伸縮，使動(dòng)臂連同整個(gè)工作裝置繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。依靠斗桿缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng);而鏟斗鉸接于斗桿前端，通過鏟斗缸和連桿則使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。挖掘作業(yè)時(shí)，接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使工作裝置轉(zhuǎn)到挖掘位置，同時(shí)操縱動(dòng)臂缸小腔進(jìn)油使液壓缸回縮；動(dòng)臂下降至鏟斗觸地后再操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進(jìn)油而伸長(zhǎng)，使鏟斗進(jìn)行挖掘和裝載工作。鏟斗裝滿后，鏟斗缸和斗桿缸停動(dòng)并操縱動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油，使動(dòng)臂抬起，隨即接通回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使工作裝置轉(zhuǎn)到卸載位置，再操縱鏟斗缸或斗桿缸回縮，使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸土。卸完后，工作裝置再轉(zhuǎn)至挖掘位置進(jìn)行第二次挖掘循環(huán)。在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系通的不同，反鏟裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動(dòng)作配合隨機(jī)的。 總之，液壓挖掘機(jī)是由多學(xué)科、多系統(tǒng)組成的有機(jī)整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學(xué)科協(xié)同優(yōu)化才能獲取挖掘機(jī)整機(jī)的最佳性能。 3 液壓挖掘機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定 要了解和設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，首先要分析液壓挖掘機(jī)的工作過程及其作業(yè)要求，掌握各種液壓作用元件動(dòng)作時(shí)的流量、力和功率要求以及液壓作用元件相互配合的復(fù)合動(dòng)作要求和復(fù)合動(dòng)作時(shí)油泵對(duì)同時(shí)作用的各液壓作用元件的流量分配和功率分配。 3.1 液壓挖掘機(jī)的工況 挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)是按照挖掘機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)和裝置的傳動(dòng)要求，把各種液壓組件用管路有機(jī)地連接起來的組合體。液壓系統(tǒng)的功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能以液壓油為介質(zhì)，利用液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，進(jìn)行傳遞，然后通過液壓缸和液壓馬達(dá)等執(zhí)行組件返回機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。 液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程包括下列幾個(gè)間歇?jiǎng)幼鳎簞?dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、整機(jī)行走，以及其它輔助動(dòng)作，它們即可以單獨(dú)動(dòng)作又可以復(fù)合動(dòng)作。 由于挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大，主機(jī)的工作有兩項(xiàng)特殊要求：(1)實(shí)行各種主要?jiǎng)幼鲿r(shí)，阻力與作業(yè)速度隨時(shí)變化，因此，要求液壓缸和液壓馬達(dá)的壓力和流量也能相應(yīng)變化；(2)為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，工作過程中往往要求有兩個(gè)主要?jiǎng)幼魍瑫r(shí)進(jìn)行，即復(fù)合動(dòng)作。這兩項(xiàng)要求需要由液壓系統(tǒng)來保證。單斗液壓挖掘機(jī)一個(gè)動(dòng)作循環(huán)的組成和動(dòng)作的復(fù)合，包括： (1)挖掘 通常以鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，或兩者配合進(jìn)行瓦解，因此，在此過程中主要是鏟斗和斗桿的復(fù)合動(dòng)作，必要時(shí)，配以動(dòng)臂動(dòng)作。 (2)滿產(chǎn)回轉(zhuǎn) 挖掘結(jié)束，動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起，滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)向卸土處，主要是動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。 (3)卸載 轉(zhuǎn)到卸土點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液壓缸回縮，鏟斗卸載，為了調(diào)整卸載位置，還要有動(dòng)臂液壓缸的配合，此時(shí)，是斗桿和鏟斗的復(fù)合動(dòng)作，間以動(dòng)臂動(dòng)作。 (4)返回 卸載結(jié)束，轉(zhuǎn)臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗放在新的挖掘點(diǎn)，此時(shí)，是回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂或斗桿的復(fù)合動(dòng)作。 3.2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 單斗液壓挖掘機(jī)的動(dòng)作繁復(fù)，主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)、外負(fù)載變化很大，沖擊和振動(dòng)多，而且野外工作，溫度和環(huán)境變化大，所以對(duì)液壓系統(tǒng)的要求是多方面的。故有以下設(shè)計(jì)要求： (1)要保證挖掘機(jī)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動(dòng)作，也可以互相配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作。 (2)工作裝置的動(dòng)作和轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)既能單獨(dú)進(jìn)行，又能作復(fù)合動(dòng)作，以提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)率。 (3)履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶分別驅(qū)動(dòng)，使挖掘機(jī)行走方便、轉(zhuǎn)向靈活，并且可就地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機(jī)的靈活性。 (4)保證挖掘機(jī)的一切動(dòng)作可逆，且無級(jí)變速。 (5)保證挖掘機(jī)工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)等）有良好的過載保護(hù)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動(dòng)和限速；防止動(dòng)臂因自重而快帶下降和整機(jī)超速溜坡。 3.3 液壓系統(tǒng)方案的論證 目前有關(guān)挖掘機(jī)的主流液壓控制系統(tǒng)主要有負(fù)流量控制、正流量控制和負(fù)載敏感控制等幾種控制技術(shù)。第一種負(fù)流量控制技術(shù)發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，技術(shù)非常成熟。在挖掘機(jī)市場(chǎng)份額中，具有這三種控制系統(tǒng)的挖掘機(jī)各占一定比例，與此同時(shí)它們也有各自適用的場(chǎng)合。但是在節(jié)能方式上它們的節(jié)能效率不高。針對(duì)節(jié)能效率不高的這個(gè)缺陷，本文現(xiàn)提出一種基于恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，下面就這幾種節(jié)能控制方案分別進(jìn)行分析。 1.負(fù)流量控制系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末期，其控制原理為：當(dāng)主回路的多路換向閥（即主換向閥）處于中位時(shí)，執(zhí)行元件不工作，主液壓泵處于卸荷狀態(tài)，此時(shí)在主回路接入一個(gè)節(jié)流閥，油液通過節(jié)流口產(chǎn)生一個(gè)壓差，利用節(jié)流閥兩端口的壓力差來作為主液壓泵流量的一個(gè)反饋信號(hào)，顯然當(dāng)卸荷時(shí)，節(jié)流閥的背壓近似為零，由于主泵流量全部卸荷，此時(shí)節(jié)流閥的進(jìn)口壓力會(huì)達(dá)到最大值，則可反饋到主泵的流量控制機(jī)構(gòu)，使主泵的排量自動(dòng)減少到最小，可以達(dá)到節(jié)能的目的，主要是可以減少主閥在中位時(shí)主泵的流量損耗，主泵的輸出流量通過操作者對(duì)節(jié)流口面積改變而控制，按需求供應(yīng)流量，節(jié)約了泵的空載損失，減少了溢流損失和系統(tǒng)發(fā)熱，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，意義重大。由于節(jié)流口的壓差與主泵的流量成負(fù)線性關(guān)系，故稱為負(fù)流量控制，負(fù)流量控制系統(tǒng)的原理如圖3.1。 圖3.1 負(fù)流量控制系統(tǒng)原理圖 優(yōu)點(diǎn)：發(fā)展歷史悠久，技術(shù)非常較成熟，應(yīng)用較廣泛。但存在以下缺陷：六通多路閥死區(qū)較大、調(diào)速范圍有限、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、流量波動(dòng)較大、可操作性差、節(jié)能效果有待加強(qiáng)等。 2. 正流量控制系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，它主要是用容積調(diào)速取代定流量系統(tǒng)中的節(jié)流調(diào)速，其調(diào)速效率更高。如圖3.2所示。 圖3.2 液壓挖掘機(jī)正流量控制系統(tǒng)原理圖 在正流量控制系統(tǒng)中泵排量直接由先導(dǎo)壓力控制，在工作過程中，先導(dǎo)壓力的增加，泵排量也相應(yīng)隨著增加。操縱兩個(gè)液壓油缸可以由操縱手柄來完成，引出的先導(dǎo)液壓信號(hào)一方面控制兩個(gè)六通多路閥，另一方面通過梭閥組將最大先導(dǎo)壓力挑選出來，以此來控制泵排量，使液壓泵輸出流量與多路閥工作口的開度成正比。當(dāng)手柄無操作時(shí)，先導(dǎo)操縱信號(hào)壓力為零，相應(yīng)泵排量也為零，有效地消除了空流損耗；當(dāng)手柄開始操作時(shí)，先導(dǎo)壓力上升，控制泵排量增加。在這一控制過程中，依舊需要多路閥的旁路節(jié)流作用來克服負(fù)載壓力，使泵輸出壓力升高。由于系統(tǒng)只輸出與先導(dǎo)操縱壓力相匹配的流量，以此來減少旁路節(jié)流損耗，達(dá)到良好的節(jié)能效果。相對(duì)于負(fù)流量控制系統(tǒng)，正流量控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間更短、流量波動(dòng)更小、可操作性更好、系統(tǒng)的可靠性更高等。但正流量系統(tǒng)的構(gòu)造復(fù)雜，花費(fèi)成本較高，同時(shí)由于依然存在節(jié)流損失，故節(jié)流效率還有待得到進(jìn)一步提高。 采用這種液壓系統(tǒng)國外比較典型的一種產(chǎn)品是日立建機(jī)生產(chǎn)的EX400液壓挖掘機(jī)，國內(nèi)產(chǎn)品中比較典型的有四川長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠生產(chǎn)的WY403型全液壓挖掘機(jī)和廣西玉柴工程機(jī)械有限公司出產(chǎn)的WY20-YC液壓挖掘。 3.負(fù)載敏感控制系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代后，并且被廣泛地應(yīng)用在中小型挖掘機(jī)上，節(jié)能效果非常顯著。它在各執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)工作時(shí)，流量供給只由操縱手柄的開度來決定，而與負(fù)荷大小無關(guān)，使得工作的可操作性變得很強(qiáng)，如圖3.3所示。 圖3.3 負(fù)載敏感控制原理 負(fù)載敏感控制的基本原理可以解釋為，節(jié)流孔的流量Q是開口面積A和壓差P的函數(shù)，若P保持不變，流量Q不受負(fù)荷變化的影響，且只與開口面積有關(guān)， 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)利用將負(fù)載壓力反饋到壓力補(bǔ)償閥的方法即可實(shí)現(xiàn)P=常數(shù)。 壓力補(bǔ)償閥的工作原理如下式： 彈簧力決定了在節(jié)流孔A1處的壓差P恒定不變。進(jìn)入執(zhí)行元件的流量Q正比于節(jié)流孔面積，多余流量通過壓力補(bǔ)償閥直接返回油箱，從而保證P恒定不變。傳統(tǒng)的負(fù)荷傳感閥一般都匹配有相應(yīng)的壓力補(bǔ)償器，使每一個(gè)閥口上的壓力都保持定值。當(dāng)泵的供油能力達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，負(fù)傳感功能將會(huì)失效。最高負(fù)載回路上的執(zhí)行元件速度將會(huì)逐漸降低，直至運(yùn)動(dòng)停止，使挖掘機(jī)動(dòng)作失去協(xié)調(diào)性。然而在多路閥上采用流量分配型的壓力補(bǔ)償原理，將壓力補(bǔ)償閥設(shè)在多路閥的下游，各執(zhí)行元件中的最高壓力信號(hào)被傳遞給所有壓力補(bǔ)償閥和液壓泵，上述問題將可以得到解決，如圖3.4所示。 圖7 流量分配型壓力補(bǔ)償原理 最高負(fù)載壓力信號(hào)被當(dāng)作為比例控制信號(hào)傳遞給所有的壓力補(bǔ)償閥，使全部的多路閥的輸出壓力都不能超過最高負(fù)載壓力，而負(fù)荷傳感控制器亦在最高負(fù)載壓力的作用下控制液壓泵的排量，使泵輸出的壓力值比最高負(fù)載壓力高出一定值。那么，全部的多路閥閥口上的壓力差就可以調(diào)節(jié)在同一個(gè)值。即便泵輸出流量不夠，不能保持多路閥閥口上正常的負(fù)荷傳感壓差，但在溢流壓力補(bǔ)償閥的作用下，仍可以讓全部多路閥閥口上的壓差繼續(xù)保持一致。此時(shí)，盡管執(zhí)行器的工作速度會(huì)降低，但由于全部閥口上的壓差保持一致，各執(zhí)行器的工作速度之間的比例關(guān)系可保持不變，故可保證挖掘機(jī)動(dòng)作的準(zhǔn)確性。較典型的產(chǎn)品有Linde公司的VW系列同步閥和Rexroth公司的LUDV閥。采用該技術(shù)的公司還有韓國大宇、小松公司等。現(xiàn)在國內(nèi)也能夠生產(chǎn)這種液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)，如合肥日立公司生產(chǎn)的EX系列挖掘機(jī)。 4.恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代初提出的一種壓力偶聯(lián)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于節(jié)能效果好，節(jié)能原因有兩點(diǎn)：一方面采用了二次調(diào)節(jié)技術(shù)，可以很好地回收勢(shì)能和制動(dòng)能等，然后再釋放利用，可控性較好。另一方面僅通過調(diào)節(jié)液壓變壓器就可以控制執(zhí)行元件的速度，關(guān)鍵是無節(jié)流損失地調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的速度，減少系統(tǒng)發(fā)熱量，也減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。發(fā)展前景非常廣泛。其基本組成為負(fù)載、二次元件及動(dòng)力源、高壓油路和低壓油路構(gòu)成的恒壓網(wǎng)絡(luò)和蓄能器，如圖3.5所示 圖3.5 恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本組成 恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)在國外很早就已經(jīng)提出來了，大約在20世紀(jì)80年代，而國內(nèi)研究的比較晚，且進(jìn)展也不樂觀，主要體現(xiàn)在變壓比的范圍過窄，一般在1-1.2倍，連續(xù)可調(diào)，最好的變壓比為1~2倍，連續(xù)可調(diào)，而在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)該要求的變壓比為1-4倍，國內(nèi)研究的變壓器調(diào)節(jié)范圍過窄的主要原因?yàn)榕淞鞅P上的三個(gè)油口的位置不太理想，三個(gè)油槽的大小相同，且為120度等間距分布，這種變壓比范圍過窄的情況有待改善。由于液壓變壓器有如此強(qiáng)大的潛能，故對(duì)它的研究非常有意義，雖然還有些不足，但已經(jīng)應(yīng)用在一些領(lǐng)域了，比如卷揚(yáng)機(jī)上、汽車上、船舶機(jī)械上、甚至是工程機(jī)械中。圖3.6為恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用。 圖3.6 挖掘機(jī)恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)原理圖 1. 過濾器；2.低壓定量葉片泵；3.單向閥；4.高壓恒壓柱塞變量泵；5。二位四通換向閥；6.新型液壓變壓器；7.蓄能器；8.二位二通換向閥；9.緩沖限壓閥；10.液壓缸；11.回轉(zhuǎn)馬達(dá)；12.左行走馬達(dá)；13.壓力閥；14.三位四通換向閥；15.右行走馬達(dá)；16溢流閥；17.油溫表;18.液位計(jì)；19.壓力表；20.風(fēng)冷馬達(dá)；21.球閥；22.二位二通電磁閥。 其實(shí)國內(nèi)應(yīng)用最多的是負(fù)載敏感系統(tǒng)，其技術(shù)也比較成熟，在二次調(diào)節(jié)技術(shù)出現(xiàn)之前，負(fù)載敏感系統(tǒng)算是比較先進(jìn)了，但其在控制速度方面始終有節(jié)流、溢流損失，在原理上比二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)要差，此系統(tǒng)中液壓變壓器是核心元件，但其要發(fā)揮回收勢(shì)能和制動(dòng)能時(shí)，需要蓄能器和電磁換向閥的配合，應(yīng)用二次調(diào)節(jié)后主要有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)液壓變壓器的輸出壓力可高于進(jìn)口壓力也可低于進(jìn)口壓力，負(fù)載口與低壓油口分別接液壓缸的兩腔，兩腔壓差范圍可以很大，而且由于背壓腔有低壓油的壓力，可減少液壓缸的沖擊。 2)動(dòng)臂缸下降時(shí)的勢(shì)能、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置的制動(dòng)均能被系統(tǒng)回收和再利用，可控性較好，達(dá)到了節(jié)能減排的目的了。 3)在高壓網(wǎng)絡(luò)上，各執(zhí)行器獨(dú)立工作，互補(bǔ)干擾，使得液壓管路布局明了、簡(jiǎn)單。 4)通過調(diào)節(jié)液壓變壓器配流盤的角度即可控制執(zhí)行器的速度，理論上無節(jié)流損失，減少系統(tǒng)發(fā)熱量。 基于以上優(yōu)點(diǎn)本次設(shè)計(jì)采用了恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)的節(jié)能型液壓系統(tǒng)。 4 液壓二次調(diào)節(jié)技術(shù) 4.1 基本概念 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由恒壓力源、變量馬達(dá)和蓄能器組成的控制系統(tǒng)。由于它沒有節(jié)流損失和溢流損失的缺陷，發(fā)展前景非常廣泛。 (1)一次調(diào)節(jié)，由原動(dòng)機(jī)到壓力油產(chǎn)生的過程稱為一次調(diào)節(jié)。 (2)二次調(diào)節(jié)，在恒壓力源網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)液壓馬達(dá)（有時(shí)為液壓泵）進(jìn)行控制稱為二次調(diào)節(jié)。 4.2 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理 液壓變壓器是由兩個(gè)液壓?jiǎn)卧S連接組成的。它具有三個(gè)端口，其中兩個(gè)液壓?jiǎn)卧巧ギ悾罕贿M(jìn)入高壓油驅(qū)動(dòng)的一端為液壓馬達(dá)，則另一端為液壓泵。如圖4.1所示為液壓變壓器控制液壓缸裝置。 圖4.1 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng) 由圖10可知，單元1被恒壓網(wǎng)絡(luò)的高壓油驅(qū)動(dòng)，此時(shí)它為液壓馬達(dá)，單元2就是液壓泵，如果忽略摩擦損失，則單元2的輸入轉(zhuǎn)矩等于單元1的輸出轉(zhuǎn)矩，在液壓馬達(dá)的帶動(dòng)下液壓泵產(chǎn)生壓力油，然后由驅(qū)動(dòng)液壓缸。其流量和壓力關(guān)系推導(dǎo)如下，液壓?jiǎn)卧?和2的排量分別為、，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩為T（Nm）,則由能量守恒有： 由于同軸，轉(zhuǎn)速n相同，為定值，液壓?jiǎn)卧?為定量馬達(dá)，即也為定值,所以： 變壓比為兩者的排量的反比，在回路中，通過調(diào)節(jié)單元1的排量就可以調(diào)節(jié)輸出壓力了，而且在無節(jié)流損失的條件下可對(duì)壓力進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，此變壓器為傳統(tǒng)型的，也有兩單元均為排量可調(diào)的，那么變壓比的范圍就更寬些，更適用于工程機(jī)械中，當(dāng)前，國內(nèi)研究的液壓變壓器調(diào)壓比為0-2倍，而在工程機(jī)械中的應(yīng)用應(yīng)達(dá)到0-4倍。 4.2.1 液壓變壓器的發(fā)展史 在20世紀(jì)50年代就有美國專利對(duì)液壓變壓器進(jìn)行闡述，一直到80年代，其在結(jié)構(gòu)上沒有本質(zhì)的改變，一直是采用軸向柱塞泵和馬達(dá)剛性連接構(gòu)成，體積較大，較笨重，稱之為傳統(tǒng)型液壓變壓器，該種變壓器的變壓比為可調(diào)的，還有一種液壓缸變壓器，將兩缸活塞桿剛性連接，利用兩缸活塞面積不等，可產(chǎn)生不同的壓力，其實(shí)就是增壓缸，但它的變壓比為固定值。直到1997年，由荷蘭的Innas公司發(fā)明了新型液壓變壓器，它是將馬達(dá)單元和泵單元的功能集合在一起，其主要辦法是在配流盤上加工出等間距的三個(gè)腰形槽，分別為負(fù)載口、高壓口、低壓口。結(jié)構(gòu)比以前簡(jiǎn)單，正反轉(zhuǎn)敏捷，可控性好。圖4.2為液壓變壓器的簡(jiǎn)圖。 圖4.2 液壓變壓器的簡(jiǎn)圖 為高壓油口，為負(fù)載口，為低壓油口，但是這三個(gè)口均可以進(jìn)出油，所以液壓變壓器可正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而具有工作四象限特性。圖4.3為液壓變壓器的實(shí)物圖。 圖4.3 新型變壓器的實(shí)物圖 由圖可知其結(jié)構(gòu)是斜軸式軸向柱塞泵式的，只是配流盤加工出了等間距的三個(gè)配油槽，而且配流盤由操縱手柄帶動(dòng)小齒輪對(duì)配流盤進(jìn)行角度的調(diào)節(jié)，從而改變變壓比的大小，改變配流盤角度的方式除手動(dòng)式的還有伺服控制式的，伺服控制易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 4.2.2 液壓變壓器三端口的流量關(guān)系 圖4.4為液壓變壓器配油盤三槽口的分布圖，在此體現(xiàn)了新型變壓器與傳統(tǒng)液壓變壓器的區(qū)別。 圖4.4 新型液壓變壓器配油盤三槽口的布局圖 由圖知、、分別為三槽口的吸、排油角度。而且==，由能量守恒可知 (a) 其中、、分別為A、B、T三口的流量，、、分別為三口的壓力，為總能量的損失，取絕對(duì)值。有（a）式可推出變壓器比： (b) 由此可以推導(dǎo)三槽口流量方程如下： (c) 其中：是配油盤調(diào)節(jié)角度，它是A槽中心與下死點(diǎn)D之間的夾角，S是柱塞橫截面積，r是液壓變壓器輸入軸的半徑，z為柱塞個(gè)數(shù)，一般，n為變壓器的轉(zhuǎn)速，，為斜軸的傾角。 聯(lián)合(c)和(b)兩式，可求得變壓比的具體表達(dá)式： (d) 由(d)中可知，如果不考慮能量損失，在結(jié)構(gòu)固定后，亦為固定值，所以變壓器的輸出壓力只為控制角的函數(shù)，改變的大小，可以輸出不同的壓力，其工作原理由此而來。 4.3 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用 隨著二次調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展和成熟，其逐漸被應(yīng)用在卷揚(yáng)機(jī)械、汽車、船舶機(jī)械，甚至是工程機(jī)械領(lǐng)域中。圖4.5為二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用 圖4.5 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用 很顯然在該系統(tǒng)中，懸臂缸、吊桿缸、鏟斗缸、擺吊缸、動(dòng)桿缸、車輪馬達(dá)等執(zhí)行元件的速度直接由各自的液壓變壓器來控制，在受負(fù)負(fù)載時(shí)，各液壓變壓器反轉(zhuǎn)，將能量?jī)?chǔ)存在蓄能器，以備再利用。較目前采用的節(jié)流閥控制速度系統(tǒng)先進(jìn)一些，無節(jié)流損失，減少了系統(tǒng)的發(fā)熱量，可提高液壓元件的使用壽命。而且整個(gè)系統(tǒng)的油路布局簡(jiǎn)單多了，也便于維修和保養(yǎng)。 4.4 液壓變壓器工作的四象限 在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，很多時(shí)候機(jī)械構(gòu)件都會(huì)產(chǎn)生負(fù)載荷，即可向系統(tǒng)反饋能量的載荷，由負(fù)載荷驅(qū)動(dòng)的形式叫負(fù)載驅(qū)動(dòng)。常見的有挖掘機(jī)、泵車的動(dòng)臂下降勢(shì)能、飛輪的慣性能、卷揚(yáng)產(chǎn)生的負(fù)載荷、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置的制動(dòng)能等。 液壓變壓器的工作四象限表現(xiàn)在能量回收和再利用，而且在控制負(fù)載時(shí)較連續(xù)，可逆性好，可控性好。此過程中,液壓變壓器為能量形式轉(zhuǎn)換的核心元件,液壓變壓器在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)負(fù)載和負(fù)載驅(qū)動(dòng)情況下,液壓變壓器的端口A、B可分別作為“液壓馬達(dá)-液壓泵”工況和“液壓泵-液壓馬達(dá)”工況。 4.4.1 液壓變壓器工作四象限的動(dòng)力學(xué)分析 以圖4.6為例說明，該負(fù)載為液壓缸，即直線式負(fù)載，液壓缸的兩腔采用差動(dòng)連接，下面分別以負(fù)載上升和下降的工況來分析液壓變壓器的四象限特性，缸體固定，活塞往返運(yùn)動(dòng)，不考慮泄露和沿程、局部壓力的損失。 圖4.6 液壓變壓器驅(qū)動(dòng)液壓缸上升工況 (一)負(fù)載上升工況： 對(duì)液壓缸進(jìn)行受力分析可得: pBA2-pAA1-mg-Ff = ma (1) 而液壓缸上下腔的流量關(guān)系為： qce =(A1/A2)qB (2) 如圖4.7所示，液壓缸的上升情況可分為三個(gè)階段.階段一為0t1,液壓缸加速上升即a>0,由(1)式可得 pB>(pAA1+mg)/A2 (3) 從(2)、(3)以及(1)式可得 qA>qce+(mg/pAA2 )qB (4) 圖4.7 液壓缸工況圖 表4.1 各端口吸、排油情況 0t1時(shí)段 當(dāng)a>0時(shí) t1t2時(shí)段 當(dāng)a=0時(shí) t2t3時(shí)段 當(dāng)-g1時(shí)，qA>qB 當(dāng)PB/PA>1時(shí)，qA>qB 當(dāng)PB/PA>1時(shí)，qA>qB T端排油，qT=qA-qB T端排油，qT=qA-qB T端排油，qT=qA-qB t2-t3時(shí)段，當(dāng)a<-g時(shí) T端補(bǔ)油，qT=qB-qA PB/PA<1 qc=qce-qA（負(fù)載拖動(dòng)） 蓄能器回油，回收勢(shì)能 qA1時(shí) 當(dāng)pB/pA>1時(shí) 當(dāng)pB/pA>1時(shí) T端補(bǔ)油，qT=qA-qB T端補(bǔ)油，qT=qA-qB T端補(bǔ)油，qT=qA-qB 當(dāng)a>g時(shí) qc=qce-qA 蓄能器和液壓網(wǎng)絡(luò)供油 T端排油，qT=qB-qA 4.4.2 液壓變壓器四象限工作特性分析 下面用表格分類的形式來說明液壓變壓器的四象限特性，如表4.3。 記每個(gè)端口的流量q>0,表示吸油，q<0表示排油，變壓器順時(shí)針方向運(yùn)轉(zhuǎn)記為>0,變壓器受到的合力矩記為。 表4.3 變壓器四象限特性分析表 第Ⅰ象限 負(fù)載加速、勻速、減速上升 驅(qū)動(dòng)負(fù)載 第Ⅱ象限 負(fù)載減速上升 負(fù)負(fù)載 第Ⅲ象限 負(fù)載加速下降 驅(qū)動(dòng)負(fù)載 第Ⅳ象限 負(fù)載勻速、減速、加速下降 負(fù)負(fù)載 圖4.9為液壓變壓器的工作四象限示意圖 圖4.9 液壓變壓器四象限工作示意圖 5 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5.1 確定油缸所受的作用力 5.1.1 鏟斗油缸作用力的確定 反鏟裝置在作業(yè)過程中，當(dāng)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鲿r(shí)，其最大挖掘力為鏟斗缸設(shè)計(jì)的依據(jù)。初步設(shè)計(jì)時(shí)按額定斗容及工作條件（土壤級(jí)別），參考有關(guān)資料可初選斗齒最大挖掘力（最大挖掘力為），并按反鏟最重要的工作位置,即最大挖掘深度時(shí)能保證具有最大挖掘力來分析確定鏟斗油缸的工作力。 圖5.1 鏟斗缸受力分析圖 如5.1圖所示。為簡(jiǎn)單起見，可以忽略斗和土的質(zhì)量，并且忽略了各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機(jī)構(gòu)效率影響因素，此時(shí)鏟斗油缸作用力為 在忽略斗和土的質(zhì)量、各構(gòu)件質(zhì)量及連桿機(jī)構(gòu)效率影響下鏟斗油缸作用力為 (5-1) 式中 ——鏟斗油缸作用力對(duì)搖臂與斗桿鉸點(diǎn)的力臂(此位置為搖臂長(zhǎng)度)，m ——對(duì)鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)C的力臂，m。 此時(shí)斗桿油缸處于閉鎖狀態(tài)，斗桿油缸閉鎖力應(yīng)滿足 (5-2) 式中 ——斗桿油缸閉鎖力對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的力臂，m； ——對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B的力臂，m； ——對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B的力臂，m； ——挖掘阻力的法向分力，取。 動(dòng)臂油缸閉鎖力應(yīng)滿足 (5-3) 式中 ——?jiǎng)颖塾透组]鎖力對(duì)鉸點(diǎn)A的力臂，m； ——對(duì)動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的力臂，m； ——對(duì)鉸點(diǎn)A的力臂，m； 通過挖掘機(jī)工作范圍圖測(cè)得：=430mm，=430mm，=Rd=1300mm，=3900mm，=650mm，=330mm，=6300mm，=4600mm，已知。將以上數(shù)據(jù)帶入公式中得到： 由動(dòng)臂缸有兩個(gè)油缸同時(shí)作用，則每個(gè)缸閉鎖力 表5.1 根據(jù)缸的應(yīng)用類型來初選系統(tǒng)工作壓力 設(shè)備類型 精加工機(jī)床 組合機(jī)床 拉　床 農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工程機(jī)械、工程機(jī)械輔助機(jī)構(gòu) 液壓機(jī)、重型機(jī)械、大中型挖掘機(jī)、起重運(yùn)輸機(jī)械 工作壓力 P/Mpa 0.8-2 3-5 5-10 1-16 根據(jù)表5.1取工作裝置液壓系統(tǒng)工作壓力位35Mpa，忽略缸的背壓力，以下情況相同，則可知鏟斗油缸直徑為 同理，在考慮油缸憋壓為1.2倍工作壓力下，可分別得到在此位置工況下斗桿油缸和動(dòng)臂油缸直徑應(yīng)滿足的條件為 5.1.2 斗桿油缸作用力的確定 當(dāng)挖掘機(jī)以斗桿挖掘時(shí)，其最大挖掘力則由斗桿油缸來保證。斗桿油缸最大作用力位置為動(dòng)臂下放到最低位置，斗桿缸作用力對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)有最大力臂，即對(duì)斗桿產(chǎn)生最大作用力矩，并使斗齒尖和鉸點(diǎn)B、C在一條直線上，如圖5.2所示。 圖5.2 斗桿缸受力分析圖 與前面推導(dǎo)鏟斗油缸作用力一樣，忽略各構(gòu)件及斗中土壤質(zhì)量和連桿機(jī)構(gòu)效率影響因素，此時(shí)斗桿油缸作用力為 (5-4) 而鏟斗油缸及動(dòng)臂油缸處于閉鎖狀態(tài)，所以鏟斗油缸閉鎖力應(yīng)滿足 (5-5) 動(dòng)臂缸閉鎖力應(yīng)滿足 (5-6) 動(dòng)臂缸有兩個(gè)，則每個(gè)缸閉鎖力 測(cè)得=570mm，=650mm；=1370mm，=3900mm， =342.5mm，=3881.6mm，=4795m。則有: 取工作裝置液壓系統(tǒng)工作壓力位35Mpa，則可知斗桿油缸直徑為 同理，在考慮油缸憋壓為1.2倍工作壓力下，可分別得到在此位置工況下鏟斗油缸和動(dòng)臂油缸直徑應(yīng)滿足的條件為: 5.1.3 動(dòng)臂油缸作用力的確定 動(dòng)臂油缸的作用力，即最大提升力，以能提升鏟斗內(nèi)裝滿土壤的工作裝置至最大卸載距離位置進(jìn)行卸載來確定，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如5.3所示，此時(shí)動(dòng)臂油缸作用力為 (5-7) 式中： 圖5.3 動(dòng)臂油缸受力分析圖 ——鏟斗及其裝載土壤的的重力，N； ——斗桿所受重力，N； ——?jiǎng)颖鬯苤亓?，N； ——鏟斗質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離，m； ——斗桿質(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離，m； ——?jiǎng)颖圪|(zhì)心到動(dòng)臂下鉸點(diǎn)A的水平距離，m。 通過挖掘機(jī)工作范圍圖測(cè)得：=6200mm，=4550mm，=1630mm，=540mm。由Solidworks軟件做出工作裝置各部件的三維模型，鋼板厚度取15mm時(shí)，利用其“分析—模型—質(zhì)量屬性”進(jìn)行分析可以得到各部件的重量，得到鏟斗：1000kg、斗桿：1500kg、動(dòng)臂：3000kg。取III級(jí)土壤干黃土密度為，而鏟斗容量則有： 每個(gè)缸的閉鎖力為： 取工作裝置液壓系統(tǒng)工作壓力位35Mpa，則可知鏟斗油缸直徑為 綜合鏟斗缸、斗桿缸和動(dòng)臂缸的受力分析，計(jì)算得到三者的油缸直徑分別為；；。參照《液壓元件手冊(cè)》---（機(jī)械工業(yè)出版社）圓整后，選取；；。 5.2 各油缸尺寸的確定 由上述求出三缸直徑分別為；；。 又挖掘機(jī)液壓缸均為單活塞桿液壓缸，其原理圖5.4所示 圖5.4 液壓缸原理圖 表5.2 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑關(guān)系 工作壓力 d/D 根據(jù)表6顯然易見取活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比為0.7，即d/D=0.7。則 ；選標(biāo)準(zhǔn)值為90mm ；選標(biāo)準(zhǔn)值為125mm ；剛好為標(biāo)準(zhǔn)值 以上選值根據(jù)為《液壓元件手冊(cè)》表2-5-1。 5.2.1 鏟斗油缸尺寸的計(jì)算 根據(jù)教材《液壓與氣壓傳動(dòng)》的第四章可進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算缸壁厚，中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數(shù)屬于薄壁筒，即時(shí)，其最薄處的壁厚用材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算，即 (5-8) 式中 ——薄壁筒壁厚； ——試驗(yàn)壓力； ——缸筒材料許用應(yīng)力，無縫鋼管； D——缸筒內(nèi)徑 取 此時(shí)不滿足薄壁缸條件，故應(yīng)按中等壁厚計(jì)算公式計(jì)算 此時(shí) (5-9) ——強(qiáng)度系數(shù)，對(duì)無縫鋼管 ； ——用來圓整壁厚。 則 取 則缸外徑，查《液壓元件手冊(cè)》表2-5-2，取185mm，由挖掘機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和外型尺寸知，鏟斗缸工作行程為 5.2.2 斗桿油缸尺寸的計(jì)算 由上面計(jì)算知按中等壁厚計(jì)算: (5-10) 圓整取 則 查《液壓元件及選用》表3.60選標(biāo)準(zhǔn)值為219mm。由挖掘機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和外型尺寸可得出斗桿缸工作行程 5.2.3 動(dòng)臂缸的尺寸計(jì)算 由上面計(jì)算知按中等壁厚計(jì)算 (5-11) 圓整取 則外徑 查《液壓元件手冊(cè)》表2-5-2選取標(biāo)準(zhǔn)值為150mm。 根據(jù)挖掘機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和外型尺寸可得出動(dòng)臂缸工作行程 表5.3 液壓缸性能參數(shù) 型號(hào) HSGF 名稱 工作 壓力 /MPa 缸徑 /mm 桿徑 /mm 連接 形式 行程 /mm 安裝距離/mm 緩沖部位 最小 最大 01-125 鏟斗缸 35 125 90 兩端耳環(huán)襯套 1350 1762 1850 桿頭緩沖 02-180 斗桿缸 35 180 125 兩端耳環(huán)襯套 1755 2320 2445 兩端緩沖 03-100 動(dòng)臂缸 35 100 70 兩端耳環(huán)襯套 1625 2223 2355 有桿腔緩沖 5.3 液壓系統(tǒng)圖的擬定 本次設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)系統(tǒng)采用了恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)，是較以往的一些液壓系統(tǒng)的一次革新，其實(shí)恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用早在20世紀(jì)80年代初就已經(jīng)提出來了，但一直未得到較好的發(fā)展和應(yīng)用。此液壓系統(tǒng)采用單泵供油，配合補(bǔ)油泵和液壓蓄能器就能滿足工作要求，先進(jìn)之處在于它使用了二次元件-“液壓變壓器”，由于液壓變壓器既可作泵用又可作馬達(dá)用，具有工作的“四個(gè)象限”。使得工作裝置的重力勢(shì)能，制動(dòng)能等可良好的回收和再利用，又由于執(zhí)行元件的工作壓力和執(zhí)行速度全由液壓變壓器控制，減少了以往一些系統(tǒng)中的節(jié)流損失和溢流損失，（以往的一些液壓系統(tǒng)有明確的調(diào)速回路，其回路中設(shè)有節(jié)流閥）。目前挖掘機(jī)上使用較多的液壓系統(tǒng)為負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，其原理是通過一個(gè)反饋壓力來改變主油泵的排量，即負(fù)載敏感泵，此時(shí)的泵的好壞決定了整個(gè)回路的性能。而采用液壓變壓器就可以解決這一弊端，而且各回路可以獨(dú)立工作，互不影響。其液壓原理圖如圖5.5 圖5.5 挖掘機(jī)恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)原理圖 1. 過濾器；2.低壓定量葉片泵；3.單向閥；4.高壓恒壓柱塞變量泵；5。二位四通換向閥；6.新型液壓變壓器；7.蓄能器；8.二位二通換向閥；9.緩沖限壓閥；10.液壓缸；11.回轉(zhuǎn)馬達(dá)；12.左行走馬達(dá)；13.壓力閥；14.三位四通換向閥；15.右行走馬達(dá)；16溢流閥；17.油溫表;18.液位計(jì)；19.壓力表；20.風(fēng)冷馬達(dá)；21.球閥；22.二位二通電磁閥。 工作原理摡述：低壓定量葉片泵2產(chǎn)生一個(gè)低壓油回路，高壓恒壓變量柱塞泵4產(chǎn)生一個(gè)高壓油回路，泵2亦可為泵4補(bǔ)油，在恒壓油網(wǎng)絡(luò)上，各執(zhí)行器能獨(dú)立工作，互不影響，其流量和壓力僅由各自回路上的液壓變壓器來控制，避免了節(jié)流損失，減少了系統(tǒng)發(fā)熱量，另外當(dāng)挖掘機(jī)動(dòng)臂下降時(shí)，該回路上的液壓變壓器反轉(zhuǎn)，將勢(shì)能回收到液壓蓄能器7中，然后再釋放利用，同理回轉(zhuǎn)、行走裝置的制動(dòng)能亦可進(jìn)行回收和再利用，大大節(jié)約了系統(tǒng)的功耗。 表5.4 系統(tǒng)元部件一覽表 序號(hào) 元件名稱 規(guī)格型號(hào) 數(shù)量 1 過濾器 RFA-80065 1 2 補(bǔ)油泵 YB1-6.3 1 3 單向閥 DF-F50K1 25 4 主油泵 A7V500 1 5 二位四通電磁閥 24E-H10B-T 4 6 液壓變壓器 7 7 蓄能器 NXQA-10/10-L 2 8 二位二通電磁閥 22B-H10B-T 12 9 緩沖限壓閥 DGMC2-5-AT-BT-*H-10 11 10 液壓缸 HSGF 4 11 回轉(zhuǎn)馬達(dá) 25(YCY)14-1B 1 12 左行走馬達(dá) XB-40 1 13 壓力閥 24Y-63BMZ 2 14 三位四通電磁閥 34DG4S4V-01 2 15 右行走馬達(dá) XB-40 1 16 溢流閥 Y1-F*16D-A/0 1 17 油溫表 WXG-12t 1