挖掘机液压系统开发设计.doc

挖掘机液压系统开发设计学 院： 机电工程学院 专 业： 车辆工程专业 学 号： 200640501004 2010年 3 月 15 日青岛大学毕业论文摘要小型液压挖掘机主要用于城市等狭窄地区，代替人力劳动，在世界工程机械市场，属于销量最大的工程机械产品之一。考虑到小挖的工作空间小、作业地形复杂、方便操作、可控性要求高，就要求小挖具有良好的复合动作、精简的液压系统以及优越的精细作业能力。博世力士乐公司开发的独立流量分配系统(LUDV)为单回路系统，具有装配费用低、占用空间小、系统紧凑等特点，仅用1台变量泵即满足了所有作业功能要求，同时小挖复合动作时各负载相近，LUDV系统引起的能量损失较少。本文从整机液压系统的设计入手，详细地分析了该液压系统各组成部分的工作原理，并以此为基础，分析了挖掘机节能控制系统的控制特性。本机所采用的液压系统即为博世力士乐的LUDV控制系统。本文对小型挖掘机的液压控制系统进行研究，对负流量控制系统、正流量控制系统、LS控制系统与LUDV控制系统进行了详细的比较，得出在流量供应充足的情况下，LS系统与LUDV系统都具有良好的控制特性以及在流量供应不能满足需求时LUDV系统特有的优点。此外，作为控制系统的核心部分之一的多路阀液压系统，对挖掘机的控制特性及节能起着至关重要的作用，本文分析了博世力士乐多路阀液压系统的组成、工作原理及各个部分的作用，确定了多路阀的结构。通过分析国际知名品牌挖掘机液压系统的工作原理，并比较其优缺点，最后提出了一种挖掘机液压系统方案。目录第一章 前言11.1课题的来源及意义11.2 挖掘机技术现状及发展趋势11.3 课题内容2第二章 挖掘机液压系统分析32.1 挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求32.2 挖掘机液压系统的基本回路分析42.2.1 限压回路42.2.2 节流回路52.2.3 再生回路62.2.4 闭锁回路82.2.5 回转液压回路分析82.2.6 行走液压回路分析13第三章 挖掘机控制系统分析163.1 挖掘机功率损失分析163.2 液压系统节能控制技术173.2.1 负流量控制系统173.2.2 正流量控制系统193.2.3 LUDV负荷传感系统20第四章 液压挖掘机多路阀304.1 多路阀液压系统分析304.2 力士乐M7多路阀324.2.1 进油联324.2.2 换向联334.2.3 回转联344.3 力士乐SX14型多路阀354.3.1 进油联364.3.2 换向联374.3.3 尾联374.3.4 多路阀结构38第五章 挖掘机液压系统原理图及主要元件395.1 挖掘机液压系统原理图395.2 主要液压元件395.2.1 液压泵395.2.2 主控制阀405.2.3 回转和行走驱动40第六章 总结与展望416.1 完成的工作416.2 挖掘机技术的发展展望41致 谢42参考文献43第一章 引言1.1课题的来源及意义挖掘机是一种重要的土方工程机械，由工作装置、回转机构和行走装置组成，已广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水力电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代军事工程等机械化施工中。液压挖掘机虽然能进行大功率、高灵敏度的各种作业，但其能量的总利用率仅为左右，因此液压挖掘机的节能一直成为人们追求的目标，对劳动生产率和工程质量的提高以及体力劳动的减轻有着重大的现实意义。全世界各种施工作业场所有至的土方工作量是由挖掘机来完成的。近年来，液压挖掘机的销售量增长迅速。液压挖掘机在西部大开发建设中具有极为重要的作用，随着西部各省市建设项目特别是基础设施工程的不断开工，液压挖掘机的需求量将越来越大，这是一个长期的、不断发展的市场，须花更多的精力去开拓。小型挖掘机的技术发展顺应全球多样化施工现场的需求，经历了三十多年的历史演变过程，经过不断的改进完善，在技术性能、作业功能、作业效率、安全、环保、节能和维护保养等方面有了大幅度的提高，形成了比较一致的技术标准和作业规范。现在，国外几乎所有的挖掘机制造商都涵盖了小型挖掘机的所有型号，具有性能优越、多功能化的显著特点。随着小型挖掘机市场的慢慢兴起，国内生产小型挖掘机的企业逐年增多，产量的不断增加，小型挖掘机市场的竞争将会愈演愈烈。1.2 挖掘机技术现状及发展趋势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。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阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。19681970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，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。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。我国挖掘机生产起步较晚，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，不论在产品品种、性能参数以及使用可靠性、售后服务等方面，与国外相比均存在着相当大的差距。国产液压元件的技术水平、质量水平和可靠性，特别是可靠性水平达不到小型液压挖掘机配套的要求。从国外采购配件的弊端已让国内小挖生产企业倍受煎熬，价格高。目前国产的液压挖掘机液压元件基本上全部依赖国外进口，如变量柱塞泵、马达和多路阀等，为小型液压挖掘机配套的全套液压系统从国外采购成本约占整机的30，由于国内目前生产出这类元件，就只能花高价买国外的产品。因此，挖掘机的发展趋势是引进国外的先进技术，开发高质量、多功能、多品种、多规格的系列产品，加强基础元件、部件的生产，尤其是提高液压元件的质量，以达到在满足产品可靠性的前提下，降低产品成本，并提高产品的售后服务水平。目前液压技术的研究和发展发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开发。（5）加强以提高安全性和环境保护为目的的研究开发。（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 课题内容本文第二章对挖掘机液压系统的常见回路进行分析，包括限压回路、节流回路、再生回路、闭锁回路、回转机构、行走机构，第三章对挖掘机的控制系统进行，其中有负流量控制、正流量控制和LUDV负荷传感控制，第四章分析多路阀的组成及功能，最终得出挖掘机的液压系统图。43第二章 挖掘机液压系统分析2.1 挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求挖掘机液压系统以油液为介质、利用液压泵将发动机的机械能转化为液压能，然后通过液压缸、马达等执行元件将液压能转化为机械能，从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、启动和制动无冲击、震动及摇摆，与其它机构同时动作时能合理分配去各机构的流量。但设计回转油路时,在注重功能实现的同时,还必须考虑回转油路的节能。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，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，不致于造成挖掘机发生行走偏转现象。现在我所设计的是履带式挖掘机，所用的液压元件是行走马达。液压挖掘机的动作繁复，且具有多种机构，如行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等，是一种具有多自由度的工程机械。这些主要机构经常起动、制动、换向，外负载变化很大，冲击和振动多，因此挖掘机对液压系统提出了很高的设计要求。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）动力性要求所谓动力性要求，就是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，往往希望增大油泵的输出流量，提高执行元件的运动速度。（2）操纵性要求调速性要求挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高，设计时必须能使驾驶员按照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要稳定、可靠。挖掘机在工作过程中工作载荷变化大，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过程中需要各个执行元件单独动作，但是在更多情况下要求各个执行元件能够相互配合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。当多执行元件共同动作时，要求其相互间不干涉，能够合理分配共同动作时各个执行元件的流量，实现理想的复合动作。尤其对行走机构来说，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。如果挖掘机在行使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。另外，当多执行元件同时动作时，各个操纵阀都在大开度下工作，往往会出现系统总流量需求超过油泵的最大供油流量，这样高压执行元件就会因压力油优先供给低压执行元件而出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，如何协调多执行元件复合动作时的流量供应问题也是挖掘机液压系统设计中需要考虑的。（3）节能性要求挖掘机工作时间长，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，此时必然会导致一都分流量损失掉。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，载荷变化和冲击振动大，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。（5）其它性能要求实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低挖掘机的制造成本；液压挖掘机作业条件恶劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性；由于挖掘机在城市建设施工中应用越来越多，因此要不断提高挖掘机的作业性能，降低振动和噪声，重视其作业中的环保性。2.2 挖掘机液压系统的基本回路分析液压挖掘机液压系统中常见的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、再生回路、闭锁回路等，下面对这些回路进行分析。2.2.1 限压回路限压回路用来限制压力，使回路不超过某一调定值。限压回路可以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；还可以根据工作需要，使系统中某部分压力不超过某一定值，通常用溢流阀实现，溢流阀可使系统在调定压力下工作，多余的流量通过溢流阀流回油箱。421、2-限压阀 3-油缸 4-换向阀图2.1 限压回路 液压挖掘机执行元件的进油和回油路上常成对地并联限压阀，限制液压缸、液压马达在闭锁状态下的最大闭锁压力，超过此限制压力时限压阀打开并卸载，保护了液压元件和管路免受损坏，这种限压阀实际上起了卸荷阀的作用。限压阀的调定压力与液压系统的压力有关，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系统元件及管路的安全。2.2.2 节流回路节流调速是利用节流阀的可变通流截面改变流量而实现调速的目的，通常用于定量系统中改变执行元件的流量。这种调速方式结构简单，能够获得稳定的低速，但是功率损失大、效率低、温升大、系统易发热及作业速度受负载变化的影大。根据节流阀的安装位置，节流调速有进油节流调速和回油节流调速。1-齿轮泵 2-溢流阀 3-节流阀 4-换向阀 5-油缸图2.2 节流回路图22(a)为进油节流调速，节流阀3安装在高压油路上，液压泵l与节流阀串联，节流阀之前装有溢流阀2，压力油经节流阀和换向阀4进入液压缸5的无杆腔使活塞右移。负载增大时液压缸无杆腔压力增大，节流阀前后的压力差减小，因此通过节流阀的流量减少，活塞移动速度降低，一部分油液通过溢流阀流回油箱。反之，随着负载减小，通过节流阀进入液压缸的流量增大，加快了活塞移动速度，溢流量相应地减少。这种节流方式由于节流后进入执行元件的油温较高，油液粘度减小，增大渗漏的可能性，加以回油无阻尼，速度平稳性较差，发热量大，效率较低。图22(b)为回油节流调速，节流阀安装在低压回路上，限制回油流量。回油节流后的油液虽然发热，但进入油箱，不会影响执行元件的密封效果，而且回油有阻尼，速度比较稳定。液压挖掘机的工作装置为了作业安全，常在液压缸的回油回路上安装单向节流阀，形成节流限速回路。如图22(c)所示，为了防止动臂因自重降落速度太快而发生危险，直立液压缸无杆腔的油路上安装由单向阀和节流阀组成的单向节流阀。2.2.3 再生回路动臂下降时，由于重力作用会使降落速度太快而发生危险，动臂缸上腔可能产生吸空，有的挖掘机在动臂油缸下腔回路上装有单向阀和节流阀组成的单向节流阀，使动臂下降速度受节流限制，但这将引起动臂下降慢，影响作业效率。目前挖掘机采用再生回路。如图2.3（a）所示，动臂下降时，油泵的油经单向阀通过动臂操纵阀进入动臂油缸上腔，从动臂油缸下腔排出的油需经节流孔回油箱，提高了回油压力，这样当发动机在低转速和泵的流量较低时，使得液压油能通过补油单向阀供给动臂缸上腔，能防止动臂在重力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生吸空。(a) (b)1-油箱 2-齿轮泵 3-主泵 4-发动机 5-先导阀 6-主控制阀 7-动臂液压缸8-再生阀组 9-高压传感器 10-控制器 1l-低压传感器图2.3 再生回路图2.3（b）所示的动臂液压缸再生回路在目前挖掘机动臂液压缸液压回路上增加了再生阀组、压力传感器和控制器。再生阀组由电控开关阀81、恒流量阀82和液阻83组成，分别连接到动臂液压缸的大小腔。压力传感器包括低压传感器和高压传感器。控制器接收高压与低压传感器的压力信号，并据此判断当前是空载下降阶段还是带载挖掘阶段，进而对再生阀组中的电控开关阀81的输入电流进行控制，这样就控制了动臂液压缸是否再生和再生流量的大小。控制器对输入的压力信号进行逻辑计算并输出一路开关电信号控制再生阀组中的开关阀8一l的电磁铁。针对低压传感器和高压传感器，控制器分别预先设定一个压力临界值PL和PH，当低压传感器的压力输出高于PL时，控制器判断动臂液压缸正在驱动动臂下降;当高压传感器的压力输出高于PH时，控制器判断动臂液压缸的外负载已经由负负载变为负载。当低压传感器的压力输出高于PL且高压传感器的压力输出高于PH时，控制器输出一路开关电信号控制再生阀组中的开关阀81的电磁铁得电。电磁铁克服弹簧力将阀芯81推至左位动臂液压缸大小腔通过开关阀81和恒流量阀82连通，动臂液压缸成差动连接，活塞在工作装置重力负负载的作用下下降实现了动臂液压缸大腔油液向小腔再生。当低压传感器的压力输出低于PL或高压传感器的压力输出低于PH时，电磁铁失电时，开关阀81在弹簧作用下断开，动臂液压缸大小腔断开，液压缸正常连接。恒流量阀芯82受节流孔83两端压力控制当动臂液压缸活塞下降加速时，通过节流孔83的流量增加，其上下游压力差增加，该压力差推动阀芯82向右运动，减小阀芯82的开度，进而减小再生流量和动臂液压缸的运动速度，防止动臂液压缸在重力作用下超速下降。2.2.4 闭锁回路如图所示，该支持阀采用阀芯内钻孔型插装和二位二通控制阀。在弹簧力作用下二位二阀于关闭位置，此时动臂油缸下腔压力油通过阀芯内钻孔通向插装阀上端，将插装阀压紧在阀座上，阻止动臂油缸下腔的油从B至A，起闭锁支撑作用。当操纵动臂下降时，在先导操纵油压PP作用下二位二通阀处于相通位置，动臂油缸下腔压力油通过阀芯钻孔油道经二位二通阀回油，由于阀芯内钻孔油道节流孔的节流作用，使插装阀上下腔产生压差，在压差作用下克服弹簧力，将插装阀打开，压力油从B至A。图2.4 闭锁回路2.2.5 回转液压回路分析回转液压回路由缓冲回路和制动回路两部分组成。（1）缓冲回路 挖掘机挖掘土料后转向时由于挖掘机上部转动惯量很大，在启动、制动和突然换向时会引起非常大的液压冲击，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，甚至不能工作，所以挖掘机转向机构中设置缓冲回路就是利用缓冲阀使液压马达高压腔的油液超过一定压力时能够泄流。图25为液压挖掘机中比较普遍采用的几种缓冲回路。图25(a)中回转马达两个油路上各装有动作灵敏的缓冲阀2、3，正常情况下两阀关闭。当转向马达突然停止转动或反向转动时，高压油路B的压力油经缓冲阀3泄回油箱，低压油路A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25(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。当转向机构制动、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25(c)是回转马达油路之间并联有成对的单向阀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、缓冲阀2流回油箱，低压腔从油箱经单向阀6获得补油。 由此可见，图b的缓冲补油效果较好，能较好的起到缓冲的效果，减轻液压冲击，现采取这种回路作为回转回路的缓冲回路。1-换向阀 2、3-缓冲阀 4、5、6、7-单向阀图2.5 缓冲回路（2）制动回路 采用机械制动和液压制动结合的方式对回转马达进行制动。挖掘机回转液压制动由回转操纵阀控制，回转操纵阀回中位回转马达开始制动,回转制动力矩由缓冲阀调定。但马达液压制动不能长久保持,为了在倾斜地防止重力回转和因风力等其它原因自行回转,使制动长久保持、可靠,还需设机械式制动器。机械式制动器一般是弹簧力上闸,液压松闸，制动型式采用常闭式制动器。当回转马达停止供油时，制动油缸的先导压力油回油箱，回转制动器在弹簧的作用下制动。一旦油泵向马达供油，从梭阀引入的压力油使得制动阀动作，先导压力油进入制动油缸，压缩弹簧，制动解除。为了防止机械制动器弹簧上闸制动过猛,减轻制动时齿圈、齿轮之间的冲击,要求液压马达制动以后机械制动器才开始起作用。因此,要求弹簧上闸时制动器油缸延迟回油,使机械制动器延时结合。制动器油缸延迟回油控制有三种方式：1）液压控制 回转操纵杆回到中位,通过液压延时器约经过4s后,制动油缸才在弹簧力作用下上闸制动。回转操纵阀一般采用先导油压力控制，回转操纵阀回中位,先导压力Pp消失,制动阀在弹簧作用下回位,制动油缸回油，制动器在弹簧力作用下制动。制动器油缸延迟回油有两种形式通过节流孔回油,起阻尼作用,如图2.6（a）所示通过流量阀回油,使制动器回油流量基本保持一恒定值,如图2.6（b）所示（ACT采用）。图2.6 制动器油缸延迟回油的形式2）电控制 回转制动一般由电磁阀控制,通过电磁阀的转换使制动器上闸和松闸。图2.7是小松PC200型挖掘机回转制动定时原理图。操纵回转操纵阀，回转先导压力油作用于液压开关，开关处于关闭状态。此时电流流入回转制动电磁阀，电磁阀左位工作，来自控制泵的压力油通过电磁阀流入回转制动器的压力腔，制动解除。回转操纵阀回中位时，作用于液压开关上的先导压力消失，开关处于断开位置。这样，流入定时器内的电流被切断，由于定时器的存在回路中仍有电流存在，经5s后定时器内的开关断开，流入电磁阀的电流消失，制动油缸在弹簧力作用下动作，对回转马达制动。1-回转操纵阀 2-回转制动电磁阀 3-定时器 4-液压开关图2.7 回转制动定时系统3）微机控制 小松系列挖掘机回转油路制动定时采用微机控制,使控制更加精确。液压挖掘机回转停止时冲击的大小,取决于回转制动力矩和回转体转动惯量的相对关系，而制动力矩由缓冲阀的调定压力决定。若回转转动惯量变化大而缓冲阀调定压力不变，则难以满足制动要求。因此，可使缓冲阀的调定压力随工作装置姿态的变化来调整制动力矩，使制动平稳。图2.8（a）是小松PC128UU型挖掘机采用电控制器来控制缓冲阀的调定压力的系统图。工作装置姿态变化信号输人控制器,控制器输出电信号来控制电液比例阀,从而调定缓冲阀的调定压力。图2.8（b）表示回转制动力矩随着回转半径变化的曲线。图2.8 回转制动力可变系统当回转操纵阀回中位产生液压制动作用,挖掘机上部回转体的惯性动能将转换液压位能,接着位能又转换为动能,使上部回转体产生反弹运动来回振动,使回转齿圈和油马达小齿轮之间产生冲击振动和噪声,同时铲斗来回晃动,将使铲斗中的土洒落,为此在挖掘机回转油路要装设防反弹阀。防反弹阀系统符号图如图2.9所示。防反弹阀由电磁阀和控制滑阀来控制实现其是否起作用。当回转操纵杆处于中位时,电磁阀断电,滑阀处于左位接通位置,防反弹阀起作用。当回转操纵杆处于工作位置时,电磁阀接通,在操纵压力油作用下,滑阀处于右位断开位置,防反弹阀不起作用。图2.9 防反弹阀系统原理（3）回转装置的节能 回转装置动作过程中会有很大的能量损失，挖掘机回转质量大，工作频繁，用于回转的能量最后几乎全部变成热能，使油压系统温度升高，为了降低油温进行散热，又将引起附加能量的消耗。因此回转装置的节能具有相当重要的意义。液压挖掘机回转过程中的能量损失有两个方面的原因，其一,回转马达起动时,由于液压泵输出的流量大于马达所需流量而产生的溢流损失；其二,制动过程中,回转的动能由于未被吸收转换成热能而引起的能量损失。解决回转能量损失主要有以下两种途径：在回转油路中加一蓄能器,起动时液压泵提供的多余流量可在蓄能器中储存起来,制动时回转马达变为泵工作状态,排出的油进人蓄能器,从而实现能量回收。回转单泵系统和次级调节技术,这种系统为定量泵和变量马达组成的闭式回路, 液压泵作为液压系统的初级，液压马达则为次级。所谓“次级调节系统”即为液压马达变量系统。回转马达起动时,为无溢流损失的无级加速过程,制动时为动力回收的无级减速过程,这就进一步改善了回转特性，减少了起、制动时的能量损失。次级调节用于机械的回转，除节省能量减少系统发热以外操作过程中系统压力变化平稳，没有冲击现象，且停位比较准确，便于操作。小松公司的回转节能液压系统KHER为次级调节,其结构如图2.9所示。功能是将上体回转的动能制动时储存于蓄能器中,在下次回转时利用以达到节能目的。回转马达入口处通过充油阀与蓄能器相连,充油阀由压力阀和液控单向阀组成。1-回转油泵 2-作用油泵 3-支持阀 4-操纵阀 5-蓄能器 6-充油阀 7-回转马达、泵 8-控制阀 9-操纵杆图2.9 小松节能液压系统由于这些节能系统过高的成本而使其应用受到限制，目前在挖掘机上很少用。最后得到回转液压系统如图2.10所示。其中梭阀4分别接换向阀的两端，当回转液压回路的操纵阀处在中位时，制动阀在弹簧力作用下处于上位，回转油缸对马达进行制动；当控制转台回转时，压力油同时作用在梭阀上，进而使制动阀换向，解除制动。1-单向阀 2-制动阀 3-缓冲阀 4-梭阀图2.10 回转液压回路2.2.6 行走液压回路分析在行走装置液压系统设计中，除与回转机构一样应考虑缓冲、补油外，还应具有限速装置，以控制挖掘机下坡行走时超速发生溜波危险。图2.11为博世力士乐挖掘机行走液压系统图。行走回路中设置了制动油路，制动油缸为常闭式制动器。当通过脚踏阀控制换向并使A口通压力油，此时，压力油一部分通过单向阀进入行走马达，另一支路油压作用于三位三通的液控换向阀2的左端，使阀芯右移，压力油通过阀2后作用于制动阀的右端使阀芯左移，通过制动阀，将压力油引入制动液压缸的上腔，从而解除制动。在此两支路压力油的作用下，行走马达动作。另外，压力油作用于梭阀5，将压力油通向调速阀8，为液压马达的变速作好准备。变速阀8由先导压力控制，先导压力作用于X端，当要求变速时，通过控制先导油源的电磁换向阀接通先导压力，从而使变速阀换向，将通过梭阀的5的压力油引入变量缸的大腔，调节行走马达的排量，使行走马达高速运转；当变速阀上没有先导压力作用时，行走马达以较低速度运转。当行走马达超速运转时，进油供应不足，控制油路压力降低，平衡阀左移，回油通道关小或关闭，行走马达减速或制动，这样便保证了挖掘机下坡运行时的安全。当要求转向时，单独操作左行走操纵杆，右行走压力补偿阀被关闭；单独操作右行走操纵杆，左行走压力补偿阀被关闭。因此，可实现挖掘机的转向操纵。前面提到挖掘机的直线行走问题很重要，当挖掘机需要直线行走时，把左行走压力补偿阀与右行走压力补偿阀连通，使左右压力补偿阀受力相等，如果左右滑阀的操作量相等，则通过左右行走滑阀的流量相等，保证挖掘机实现直线行走。因用于行走马达的换向阀中位机能为Y型，所以在中位时，A、B两口相通，当因外界原因突然制动时，此时A、B两口均约为回油的低压，那么作用于阀3与阀2两端的压差为零，制动活塞在弹簧力的作用下动作制动，马达的高、低压油路通过阀4的缓冲作用，从而减轻对行走装置的冲击，保护元件。1-制动阀 2-换向阀 3-平衡阀 4-限压阀 5-梭阀 6-制动油缸 7-马达自动变速先导控制阀 8-调速阀图2.11 力士乐行走液压回路小松PC200型液压挖掘机的行走控制回路如图2.12所示。它的控制原理跟上图基本相同。图2.12 小松PC200型挖掘机行走液压回路图第三章 挖掘机节能控制系统分析3.1 挖掘机功率损失分析挖掘机工作时，若多路阀开度较大，系统没有过载，在不计沿程阻力的条件下，挖掘机液压系统的最高效率可达95以上。但由于挖掘机负载变化较大，操作状况也千差万别，因此，液压系统的效率变化也非常大。挖掘机的功率损失主要有以下几种：1节流损失。液压挖掘机多采用六通型多路阀作为换向和流量控制元件，在对流量进行调节的过程中，大量的液压油以旁路节流的形式回油箱，从而造成液压系统的功率损失。如图3.1.1所示，阀口上的功率损失主要包括旁路空流损失和旁路节流损失。当阀心处于中位时, A、B口关闭, O口全开,全部液压油通过O口卸荷回油箱。由于存在回油背压(约为23MPa),因此造成旁路空流损失。对工作装置进行操纵时,多路阀A、B口逐渐打开, O口逐渐关闭,需要利用O口的旁路节流作用使系统压力升高,以克服负载压力,从而造成功率损失。当系统压力超过负载压力后,单向阀打开,液压油开始流入工作油缸,通过改变A、O口的通流面积比来实现液压缸的速度调节。直到O口全部关闭,旁路节流损失才会消失,在无溢流的情况下液压系统保持较高的效率。图3.1 六通阀变量液压系统等效图2溢流损失。随着负载压力的增加,泵输出压力也逐渐增加,当超出安全阀设定压力时,系统开始溢流。当工作装置因负载过大而停止动作时,如果不采取措施,液压泵输出的全部流量都通过溢流阀回油箱,此时发动机的输出功率都消耗在溢流阀上变成热能,导致油温升高。除过载产生的溢流损失外,系统中还存在其他形式的溢流损失。例如在挖掘机回转马达中,通常都设置缓冲阀,一方面在启动时限制回转压力,另一方面在制动时起耗能作用并对马达起到补油作用；回转启动时,由于挖掘机上车巨大的转动惯量,回转马达不能完全吸收泵输出的流量,多余流量只能通过缓冲阀溢流回油箱,造成功率损失。制动时,回转多路阀关闭,但因上车巨大的的转动惯量,使回转马达继续转动(相当于液压泵),排出的液压油经缓冲阀到回转马达的另一边,因此平衡阀起到溢流阀的作用, 将上车的动能转化为液压系统的热量而耗散。3沿程功率损失。液压系统的沿程压力损失所造成的功率损失也是不可小视的。在泵出口处测得的空流压力(大约有23MPa)中有很大一部分是沿程压力损失。解决的办法是尽量采用大通径液压管路,同时合理布置液压管,采用阻力小的管接头。4动臂下降过程中的势能损失和节流损失。动臂在举升过程中将液压能转换为势能，在下降时为防止动臂下降过快，通常在动臂油路上装有单向节流阀，,在动臂下降时起阻尼作用,从而将势能转化为热能。同样,斗杆在作类似的操作时,也有势能损失的问题。5发动机和液压系统功率匹配不好而引起的损失。由于挖掘机工作负载的多变性，发动机工作点经常偏离经济工作点，处在耗油率较高的区域，未充分利用燃油能量，造成浪费。3.2 液压系统节能控制技术日本日立公司生产的挖掘机是电控模式的典型代表。它采用泵阀控制(PVC)和发动机控制(EC)2个微处理控制器。采用高速开关电磁阀、负载传感控制阀、可变压力补偿阀、比例电磁阀、压差传感器等技术，将负载、速度及工况等信号传递到微处理器，处理后的指令通过控制器输给各控制电机、电磁阀等，对发动机、液压泵和阀进行精确控制，使挖掘机的动作、速度等与工况、负载相适应，实现了挖掘机全部动作的精确控制及发动机输出功率与负载需求的匹配，能量损失大为减由于采用了全电脑控制，自动化程度和效率更高，但发生故障时，尤其是液压系统发生故障时较难排除。日本小松公司生产的液压挖掘机是电液联合控制模式的典型代表。其参数的采集(信号输人)和控制(信号输出)是由微机系统和液压系统共同完成的。发动机的输出功率、转速、主泵功率的设定(与发动机功率相匹配)均由微机系统来控制。主泵的排量由液压系统来控制。微机系统和液压系统各自独立，一个系统出现故障不影响另一个系统的工作。如当电子系统出现故障时，将动力装置设置在某一挡位，挖掘机仍正常工作。此外，该系统还配有自诊断功能，对整机的工作状态进行瞬时检测，为故障诊断提供了方便。目前，国内外生产的液压挖掘机上采用的典型液压控制模式有负流量控制、正流量控制和LUDV负荷传感系统3种。3.2.1 负流量控制系统（1）负流量控制负流量控制模式是指主泵排量与控制压力成反比，各个换向阀都采用开芯结构，液压油在经过换向阀回油箱前增加一个节流阀，根据节流阀前的压力大小来调节主泵排量。这种系统有助于消除六通多路阀中产生的空流损失和节流损失，由日本小松(Komatsu)公司在20世纪80年代初期首先推出，用于其著名的PC系列挖掘机上，称为OLSS(Open Center Load Sensing System)系统。当所有换向阀阀芯处于中位时，泵输出的液压油直接通油箱，控制油路的压力升高，最后调节主泵排量减小。控制先导压力，使油缸的换向阀阀芯移动，这时通向油缸的阀芯开口逐渐增大，通向油箱的阀芯开口逐渐减小，当阀芯移动到一定位置时中位最终关闭，这一过程中控制油路压力逐渐下降，主泵排量逐渐增大。执行元件动作的快慢，由操作人员操纵先导滑阀决定，先导滑阀的控制压力决定换向阀开度，换向阀开度决定了回油量的大小，进而控制泵排量。负流量控制系统的原理如图3.2所示(实际上有多个液压缸和马达，但其工作原理跟2个工作装置相同)。图3.2 负流量控制系统原理图在传统的负流量控制挖掘机上,负流量控制功能通常用负流量控制泵实现。如图3.3所示, X1口为先导压力油入口,来自于六通阀的中位回油流量检测装置。将流量检测节流口前的压力直接连到负流量先导控制口X1,在负流量控制阀的作用下实现泵排量随先导压力的增加而减小。当先导压力油压力较小时，负流量控制阀位于右位，液压泵控制油缸在弹簧力作用下经功率限制阀、压力切断阀、负流量控制阀回油箱，液压泵排量较大；先导压力油压力较大时，负流量控制阀右移，从液压泵出来的油由单向阀经负流量控制阀左位、压力切断阀、功率限制阀进入液压泵控制油缸大腔，并克服弹簧力使阀芯左移，从而降低泵的排量。压力切断阀的功能是使泵在接近系统溢流压力时，能进一步将排量降低，将系统压力维持在所谓的切断压力(稍低于溢流压力)，避免溢流损失。压力切断实际上是一种恒压控制，在系统达到设定的切断压力时，对泵排量进行控制，使泵输出压力维持在这一设定值；当系统所有工作油路都关闭时，泵排量在压力切断阀控制下趋于零，在保持设定的压力切断值的同时只输出维持系统泄漏的流量，从而消除溢流损失。其不足之处在于多路阀调速范围有限,受负载影响较大。一旦阀心越过调速区,负流量控制功能就失去作用,使切换过程中系统流量变化较大。1-负流量控制阀 2-功率限制阀 3-压力切断阀图3.3 负流量控制泵原理负流量系统中，手柄偏角改变导致先导压力改变，先导压力改变导致主阀位移改变，主阀位移改变导致主阀到油箱的流量改变，主阀到油箱的流量改变导致负压改变，负压改变导致主泵排量和流量改变，主泵排量和流量的改变要适应先导压力的改变造成执行元件的流量需求改变，所以，这种控制方式存在较严重的滞后，较长的响应时间也降低了系统流量匹配精度。可见，负流量系统虽然在功率利用上取得了较好的效果，但其响应的实时性和准确性有待提高。3.2.2 正流量控制系统正流量控制模式是指主泵排量与控制压力成正比。控制压力取自换向阀两边先导压力差，控制手柄在中位时，执行元件不工作，控制压力为零，主泵的斜盘角度很小，排量很低；当操作手柄动作时，换向阀的阀芯向一端移动，开口面积增大，系统的先导压力由小变大，控制压力作用于主泵的变量机构，主泵排量增大，执行元件的运动速度变快。正流量控制模式是在控制回路中建立起与操作手柄偏转量成正比例的压力来控制换向阀阀芯的位移和泵的排量，这种控制模式的最大优点是节能，实现了主泵按照执行元件实际需要(速度快慢)调节排量，不需溢流。利用此系统可以有效地消除操纵手柄处于中位时系统产生的空流损失。当手柄处在中位时，先导操纵信号压力为零，泵排量也为零，没有空流损失；当手柄开始操作时，先导压力开始上升，控制泵排量增加，因此系统只输出与先导操纵压力相适应的流量，大大减少了中位回油损失。正流量控制原理如图3.4所示(实际上有多个液压缸和液压马达，但其工作原理跟1个工作装置相同)。正流量控制系统不采用负流量系统中对主泵排量的控制方式，而是直接采用手柄的先导压力控制主泵排量，这样，手柄的先导压力同时并联控制系统流量的供给元件和需求元件，这样就克服了负流量系统中间环节过多、响应时间过长的问题。如果合理配置主阀对先导压力的响应时间主泵对先导压力的响应时间，从理论上可以实现主泵流量供给对主阀流量需求的无延时的响应，实现了系统流量的“所得即所需”。可见，正流量系统不但功率损失小，还具有响应快速、流量匹配精度高等优点。图3.4