挖掘机液压系统的设计与研究

毕 业 论 文

      题目：  挖掘机液压系统的设计与研究                              

             院    部    机械电子与工程学院     

             专业班级  

             届    次                     

             学生姓名                    

             学    号                   

             指导教师                    

二О一一年六月十日

目录

引言    4

1挖掘机发展的历史和现状及发展    5

1.1国内挖掘机发展的历史和现状    5

1.2 国外挖掘机发展的历史和现状及发展    6

2 挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求    7

3 挖掘机液压系统的基本动作分析    8

4 挖掘机液压系统的基本回路分析    8

4.1限压回路    8

4.2缓冲回路    9

4.3节流回路    10

4.4行走限速回路    11

4.5合流回路    12

4.6闭锁回路    13

4.7再生回路    13

5  负载敏感压力补偿液压系统的设计    13

5.1负载敏感压力补偿液压系统控制回路设计    14

5.1.1降低系统溢流损失    16

5.1.2液压系统的最高压力    17

5.1.3防止系统压力冲击    18

5.1.4二次压力反馈式LS控制系统    18

5.1.5发动机扭矩控制    19

5.2负载敏感压力补偿液压系统的基本回路    21

5.2.1回转回路    21

5.2.2行走回路    22

5.2.3动臂、斗杆、铲斗回路    22

致谢词    25

参考文献    25

 Contents

Introduction    4

1 Development and present of excavator    5

1.1 Development and present of excavator internal    5

1.2 Development and present of excavator overseas    6

2 The basic compose and requirment of hydraulic system of excavator    7

3 The basic motion analysis of hydraulic system of excavator    8

4 The basic circuit analysis hydraulic system of excavator    8

4.1Pressure limiting circuit    8

4.2Buffer circuit    9

4.3Cuttingloop ………………………………………………………………10

4.4Walking speed limit of loop    11

4.5 Combined Loop    12

4.6 Closed loop    13

4.7 Regeneration circuit    13

5  The design of pressure compensated load sensing hydraulic system    13

5.1The design of load sensing hydraulic system pressure compensation control loop    14

5.1.1 Overflow losses reduce system    16

5.1.2Limit the maximum pressure hydraulic system    17

5.1.3 To prevent the system pressure shock    18

5.1.4LS secondary pressure feedback control system    18

5.1.5Engine torque contro    19

5.2Pressure compensated load sensing hydraulic system of the basic circuit    21

5.2.1Turn loop    21

5.2.2Walking Loop    22

5.2.3The boom；Stick；Bucket Loop    22

Acknowledgement    25

References    25

挖掘机液压系统的设计与研究

【摘要】本次设计主要是对挖掘机的液压系统进行设计和研究。介绍了国内国外的挖掘机发展和现状作了概述，并对挖掘机液压系统基本动作和基本回路做了详细的分析与介绍，其中包括限压回路、缓冲回路、节流回路、行走限速回路、合流回路、闭锁回路、再生回路。并且对负载敏感压力补偿液压系统、二次压力反馈式LS控制系统和动臂、斗杆、铲斗回路进行设计。文中对各液压回路给出了具体的结构简图以及相关研究资料。文中运用运算和图表以及数据分析、CAD制图对挖掘机液压系统进行了具体的设计和研究。

关键词：挖掘机，液压系统，回路分析

Design and Study on Hydraulic System of Excavator

    Author：SunYongteng，Supervisor：Li Rushen

（Professor of Shandong Agriculture University）

    Abstract The research focus on design and study on hydraulic system of excavator. It introduces the development of excavator internal and overseas, and give a general introduction to the presents of excavator. The research has a detail motion analysis and circuit analysis of hydraulic system of excavator. It includes pressure limiting circuit, buffer circuit, cutting loop, walking speed limit of loop, combined Loop, walking speed limit of loop, combined loop, closed loop, Regeneration circuit. Except that it also have a design of Pressure compensated load sensing hydraulic system, LS secondary pressure feedback control system, and  the boom stick and bucket loop. The thesis has a detail design and research on hydraulic system of excavator by calculation, charm data analysis and drafting of CAD.

Key words: excavator; hydraulic system; circuit analysis 

引言

挖掘机是土方工程中的主要施工机械，可用来开挖和装卸土石方、采石和其他建筑材料，它是土石方工程施工机械化中最重要的机械之一。在公路交通、铁道建设、石油化工、矿山开采以及城市乡村建设等方面，挖掘机现在已成为各种施工工程的首选机种。对减轻繁重的体力劳动，加快施工进度，提高劳动生产率起了很大作用。

随着我国国民经济的不断向前发展，我国液压挖掘机市场形势不断趋好，现已成为世界上最大的挖掘机市场，及世界挖掘机的制造中心。首先是国内基础设施建设项目的陆续启动，投资不断加大和资金到位，扩大了内需；其次是按照国外同一标准生产的合资、独资企业的液压挖掘机产品，在不降低质量要求的前提下，随着国产化率的提高，产品成本有所下降，其性能价格逐步得到用户的认可和接受，另外，广大用户，各级施工单位逐渐认识到了液压挖掘机在施工中的重要性和不可缺少性的地位，用液压挖掘机在众多场合替代装载机、推土机进行施工作业的合理性也越来越明显。同时，在我国的综合实力达到一定程度，我们的强势产品必将走出国门的大趋势下，国产挖掘机在第三世界具有非常广阔的国际市场空间。

二十世纪年代至五十年代初，挖掘机开始应用液压传动，并且由半液压发展到全液压。全液压挖掘机产量日益增长，六十年代初期液压挖掘机产量占挖掘机总产15%，发展到七十年代初期占总产量90%左右，近年来，市场出售的挖掘机己全部采用液压传动。

液压挖掘利用液体的压力能进行工作，因此，具有如下优点：能无级调速且调速范围大，最高速度和最低速度之比可达1000：1；能得到较低的稳定转速；快速作用时，液压元件产生的运动惯性较小作高速反转；传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动；操纵省力灵活，易实现自动化控制；易实现标准化、通用化、系列化。

液压挖掘机主要由发动机、液压传动系统、工作装置、回转与行走装置和电气控制等部分组成。液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。液压挖掘机一般由工作装置、回转装置和行走装置三大部分组成。根据其构造和用途可以区分为：履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型。

发动机是液压挖掘机的动力源，大多采用柴油机，在方便的场地， 也可改用电动机。以柴油机为动力的挖掘机使用最为广泛，主要原因是在于它的使用方面性。

液压传动系统它以油液为工作介质通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执行元件，将液压能转变为机械能推动工作装置动作，从而完成各种作业。

1挖掘机发展的历史和现状及发展

1.1国内挖掘机发展的历史和现状

我国从1958年开始研制液压挖掘机，逐步形成了中小型液压挖掘机系列。然而在液压挖掘机机电一体化进程中，我国远远落后于技术先进国家。

我国液压挖掘机工业在1983年以后采用引进技术进行生产的方法，加快了液压挖掘机的发展，这种引进技术的方式，是在较高的起点上，在较短的时间内，用较少的资金提高技术水平，促进技术进步的捷径。计算机技术在液压挖掘机产品开发、研制中的作用愈来愈大。但是由于受客观条件的，在产品设计制造中大多采用传统的方法和理论。引进挖掘机技术时，只注意了整机技术，将有限元分析方法应用到挖掘机动臂结构动态设计、分析及优化还不是很多，往往都是静态分析，特别是通过完整的试验进行验证就更少。现在国内外正在通过动力学研究的设法提高产品的设计质量，以求在根本上保证产品的动强度和可靠性，另外振动和噪声被认为是工程机械作业时的两大公害，随着动臂强度要求越来越高，机械重量如何减轻也显得越来越重要，因此对挖掘机动臂进行结构的动态分析、试验验证以及进一步优化，显得越来越迫切。

近几年，随着国内各挖掘机制造厂积极引进国外的先进技术并消化吸收，挖掘机制造水平迅速提升。今天，国内已经能够生产机重达到200吨的液机，最小的挖掘机则仅有800公斤左右。挖掘机在我国的发展可以用飞快来形容。2001年在我国的产销量还不到两万台，到2007年已经突破6万台。市场大，吸引众多的厂商投入生产。据统计，2008年国内生产挖掘机的厂商达一百二十多家。各个生产厂家在引进技术的基础上，深入研究，逐渐消化吸收，但受技术、资金、配件等的，在有些关键制造环节上显得能力不足，产品还有一定差距，产品的生产主要集中在9家合资、独资企业，其销售量占全国销售量的98%，并保持了强劲的增长势头。国内某些挖掘机产品采用从国外进口的的关键配套零部件和某些当代国际上比较先进的技术，使挖掘机性能和可靠性大大提高，其主要性能参数达到和接近国际先

进水平，深受用户欢迎。如四川长江挖掘机有限责任公司生产的WY200-5新一代液压挖掘机、合肥万方矿山机器有限公司的HK200型液压挖掘机、上海建筑机械厂生产的SW200-3、SW200LC-3与SW330LC-3等。

我国迅速跨入世界挖掘机生产的大国行列。但是我国还远不是掘机技术的强国，国内众多的生产商仍然处于低级的模仿制造阶段，缺乏对挖掘机技术的深入理解，核心技术依然掌握在欧美日发达国家的手中，主要的仍然要仰仗西方的供应，这些情况严重制约了我国挖掘机的发展。因此加快国外先进挖掘机技术的消化吸收、加强结构优化和创新技术开发区的研究，是国产挖掘机走出低谷的必由之路。

1.2 国外挖掘机发展的历史和现状及发展

挖掘机械的最早雏形，远在十六世纪于意大利威尼斯用于运河的疏浚。早期的挖掘机采用蒸汽动力，通过机械机构驱动工作装置，机器十分笨重，了挖掘机的推广使用。随着工业发展，在十九世纪出现了内燃机，内燃机由于效率高，功率密度大等优点，很快取代了蒸气机在挖掘机上的位置。二十世纪年代至五十年代初，挖掘机开始应用液压传动，并且由半液压发展到全液压。全液压挖掘机产量日益增长，六十年代初期液压挖掘机产量占挖掘机总产15%，发展到七十年代初期占总产量90%左右，近年来，市场出售的挖掘机己全部采用液压传动。

2 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、利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送，然后通过液压缸和液压马达等执行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，不致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，徐工工程挖掘机液压系统应做到：

（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

3 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。动臂举升和回转同时动作时，两者要求在速度上匹配，要求回转到指定卸载位置时，动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。

4 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。邦立重机BonnyCE650-666000工程挖掘机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。

4.1限压回路

限压回路用来压力，使其不超过某一调定值。限压的目的有两个：一是系统的最大压力，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，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4-1）实际上起了卸荷阀的作用例如挖掘机铲斗液压缸和斗杆液压缸配合进行挖掘时，动臂必然受力，为了维持正常工作，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，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调定压力不超过系统压力的25%，中高压系统可以调至25%以上。

图4-1限压回路

4.2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4-2为液压挖掘机中比较普遍采用的几种缓冲回路。

图4-2(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4-2（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，背压工作效率高。

图2-2（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（限压）阀2流回油箱，低压腔从油箱经单向阀6获得补油。

上述各回转回路中的缓冲（限压）阀实际上起了制动作用，换向阀1中位时回转马达两腔油路截断，只要油路压力低于限压阀的调定压力，回转马达即被制动，其最大制动力矩由限压阀决定。当回转操纵阀回中位产生液压制动作用时， 

图4-2 缓冲回路

1—换向阀     2、3—缓冲阀   4、5、6、7—单向阀

挖掘机上部回转体的惯性动能将转换成液压位能，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，致使铲斗中的土洒落，因此挖掘机的回转油路中一般装设防反弹阀。

4.3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，缺点是功率损失大，效率低，温升大，系统易发热，作业速度受负载变化的影响较大。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两种。

图4-3 节流回路

1—齿轮泵   2—溢流阀   3—节流阀  4—换向阀   5—油缸

图4-3(a)为进油节流调速，节流阀3安装在高压油路上，液压泵1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的大腔使活塞右移。负载增大时液压缸大腔压力增大，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，一部分油液通过液流阀流回油箱。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，液流量相应地减少。这种节流方式由于节流后进入执行元件的油温较高，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4-3(b)为回油节流调速，节流阀安装在低压回路上，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4-3（c）所示，为了防止动臂因自重降落。

速度太快而发生危险，其液压缸大腔的油路上安装由单向阀和节流阀组成的单向节流阀。

此外，斗杆液压缸、铲斗液压缸在相应油路上也装有单向节流阀

4.4行走限速回路

履带式液压挖掘机下坡行驶时因自重加速，可能导致超速溜坡事故，且行走马达易发生吸空现象甚至损坏。因此应对行走马达限速和补油，使行走马达转速控制在允许范围内。

行走限速回路是利用限速阀控制通道大小，以行走马达速度。比较简单的限速方法是使回油通过限速节流阀，挖掘机一旦行走超速，进油供应不及，压力降低，控制油压力也随之降低，限速节流阀的通道减小，回油节流，从而防止挖掘机超速溜坡事故的发生。

履带式液压挖掘机行走马达常用的限速补油回路如图4-4所示，它由压力阀2、3，单向阀4、5、6、7和安全阀8、9等组成。正常工作时换向阀1处于右位，压力油经单向阀4进入行走马达10，同时沿控制油路推动压力阀2，使其处于接通位置，行走马达的回油经压力阀2流回油箱。当行走马达超速运转时，进油供应不足，控制油路压力降低，压力阀2在弹簧的弹力作用下右移，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。这种限速补油回路的回路上装有5～10bar的背压阀，行走马达超速运转时若主油路压力低于此值，回油路上的油液推开单向阀5或7对行走马达进油腔

补油，以消除吸空现象。当高压油路中压力超过安全阀8或9的调定压力时，压力油经安全阀返回油箱。

图4-4 行走限速回路

1—换向阀  2、3—压力阀 4、5、6、7—单项阀  8、9—安全阀 10—行走马达

履带式液压挖掘机行走马达常用的限速补油回路如图4-4所示，它由压力阀2、3，单向阀4、5、6、7和安全阀8、9等组成。正常工作时换向阀1处于右位，压力油经单向阀4进入行走马达10，同时沿控制油路推动压力阀2，使其处于接通位置，行走马达的回油经压力阀2流回油箱。当行走马达超速运转时，进油供应不足，控制油

路压力降低，压力阀2在弹簧的弹力作用下右移，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。这种限速补油回路的回路上装有5～10bar的背压阀，行走马达超速运转时若主油路压力低于此值，回油路上的油液推开单向阀5或7对行走马达进油腔

补油，以消除吸空现象。当高压力油路中压力超过安全阀8或9的调定压力时，压油经安全阀返回油箱。

图4-5 直行阀油路

此外为了实现工作装置、行走同时动作时的直线行驶，一般采用直行阀，图4-5为直行阀工作原理图。在行驶过程中，当任一作业装置动作时，作业装置先导操纵油压就会作用在直行阀上，克服弹簧力，使直行阀处于上位。图中前泵并联供左右行走，后泵并联供回转、斗杆、铲斗和动臂动作，后泵还可通过单向阀和节流孔与前泵合流供给行走。

4.5合流回路

为了提高挖掘机生产效率、缩短作业循环时间，要求动臂提升、斗杆收放和铲斗转动有较快的作业速度，要求能双（多）泵合流供油，一般中小型挖掘机动臂液压缸和斗杆液压缸均能合流，大型挖掘机的铲斗液压缸也要求合流。目前采用的合流方式有阀外合流、阀内合流及采用合流阀供油几种合流方式。

阀外合流的液压执行元件由两个阀杆供油，操纵油路联动打开两阀杆，压力油通过阀外管道连接合流供给液压作用元件，阀外合流操纵阀数量多，阀外管道和接头的数量也多，使用上不方便。阀内合流的油道在内部沟通，外面管路连接简单，但内部通道较复杂，阀杆直径的设计要综合平衡考虑各种分合流供油情况下通过的流量。合流阀合流是通过操纵合流阀实现油泵的合流，合流阀的结构简单，操纵也很方便。

动4.6闭锁回路

图4-6 闭锁回路

动臂操纵阀在中位时油缸口闭锁，由于滑阀的密封性不好会产生泄露，动臂在重力作用下会产生下沉，特别是挖掘机在进行起重作业时要求停留在一定的位置上保持不下降，因此设置了动臂支持阀组。如图4-6所示，二位二通阀在弹簧的作用下处于关闭位置，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，阻止油缸下腔的油从B至A，起闭锁支撑作用。操纵动臂下降时，在先导操纵油压P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。

4.7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，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4-7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，从动臂油缸下腔排除的油需经节流孔回油箱，提高了回油压力，使得液压油能通过补油单向阀供给动臂缸上腔。这样当发动机在低转速和泵的流量较低时，能防止动臂因重力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生吸空。

5  负载敏感压力补偿液压系统的设计

    负载敏感压力补偿液压系统是当今颇受重视的一种液压系统控制方式，目前已经广泛应用于包括液压挖掘机在内的各种工程机械和农业机械上。该系统以满足动力元件和执行机构的功率匹配方面的要求。其最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对油泵进行控制，从而实现在按需供流的同时，使调节流损失控制在很小的固定值，具有明显的节能效果。

    本设计旨在采用通用的多路阀系统，配以专用控制阀和简单的电子控制系统设计出一套负载敏感压力补偿液压系统，实现徐州工程挖掘机的自动控制

图4-7 再生回路

5.1负载敏感压力补偿液压系统控制回路设计

挖掘机的作业工况复杂多样，要使挖掘机液压系统在原动机能力范围内对工作装置提供所需的压力和流量，就需要对液压系统的最高压力、原动机的功率以及对执行元件的可调速性的控制，因此希望挖掘机液压系统的输出特性如图4-8中阴影部分所示                              

图4-8 挖掘机液压系统的输出特性

从图中分析可知，要得到这样的输出特性，要求挖掘机液压系统具有以下几种控制功能:

（1）按需供流；

（2）当负载所需流量几乎为零时，要求系统压力也降到最低，降低溢流损失；

（3）液压系统的最高压力；

（4）防止系统压力冲击；

（5）当系统所需流量过大时，要求按比例对各个工作装置的流量进行；

（6）发动机的扭矩。

图4-9 负载敏感压力补偿挖掘机液压系统原理图

所设计的负载敏感压力补偿液压系统该系统主要由五部分组成:组合式多路阀、控制系统集成阀、变量泵控制系统、回转回路以及行走回路。整个系统采用一台带有负载敏感控制方式的变量泵为各工作装置提供压力油。为了给各个控制系统提供稳定的控制压力，避免控制压力受到主油路中负载波动的影响，使控制更加可靠，所有先导油路的压力油均由一台定量泵提供。

    组合式多路阀选用带有二次压力反馈式LS控制油口的多路阀片，例如Husco7000cc型组合式多路阀。

图4-10 控制系统集成阀原理图

PLS：二次压力油口 PLmax：最大负载压力油口 P：

系统压力油口 P：先导压力油口 T：回油口

控制系统集成阀(图4-10 )是本设计的关键。其中集成了二次压力反馈式LS控制，降低系统溢流损失，最高压力等多种功能。下面主要针对上述讨论的六种控制要求对所设计的负载敏感压力补偿液压系统阐述其设计原理。

5.1.1降低系统溢流损失

    如图4-8所示，当负载要求的工作点进入(1)区域时，由于泵体本身结构的关系，泵的流量不可能减小到“0"，总会维持一个最小的流量值。那么多余的流量就会通过系统液压安全阀溢流，造成溢流能量损失，见图4-11中阴影面积所示。为了减小这部分能量损失，就要将系统的溢流压力降低。

图 4-11 挖掘机液压系统溢流能量损失

为了达到降低溢流压力的目的，考虑在系统中设置开关阀A ，如图7. 5a所示。复位弹簧的工作压力设置在3～4MPa左右，即当系统压力P大于负载最大压力P3～4MPa时，开关阀A便开启将油泵卸荷。这样保证了负载敏感液压系统正常工作情况下(正常工作情况下P-P≈0.7MPa)，此开关阀A不会开启。只有在系统所需流量很小的情况下，才会打开。而此时系统压力P。远小于系统主安全阀的开启压力，系统工作压力从图4-11中的P点，下移至图4-12b中的P点，可见图中阴影面积明显减少，液压系统的溢流能量损失明显降低。

5.1.2液压系统的最高压力

    为了防止压力过高对液压系统元件造成损伤，一般液压系统中都设有最高压力功能。如图4-8中(2)区域所示，当系统压力达到最高压力值P时，需要通过推动排量调节机构减小排量使系统的压力在最高压力值P以下。对最高压力的一般方法都是在油泵的控制机构中添加压力阀，通过液控调节的方式，对系统的最高压力进行。此方法虽好，但是会使本来已经十分复杂的挖掘机液压系统的控制油路变得更加复杂。本设计中采用电控的方式对系统的最高压力进行，只需要在油泵的出口油路上安装一个压力传感器检测出系统压力Pp，将其通过A/D转换输入电子控制器，实时与设置的系统最高压力进行比较，得到压力差△P，经功率放大输入电磁比例减压阀，对液压泵的排量调节机构进行控制调节。控制系统方框图见图4-13所示。

5.1.3防止系统压力冲击

    当液压系统压力瞬时升高，进入图4-8所示的(3)区域时，设计中虽然己经对系统的最高压力进行了，但是无法响应系统压力的瞬时变化，因此出于安全角度考虑，还应该在油泵的出口油路上设置主安全阀。

图4-12 开关阀A及其作用

控制系统实现形式见图4-9负载敏感压力补偿液压液压系统原理图所示。

4-13 系统最高压力控制系统方框图

5.1.4二次压力反馈式LS控制系统

    对于普通的中位闭式负载敏感压力补偿液压系统，当系统所需流量超过油泵的最大供油能力时，即系统工作点进入图4-8所示的(4)区域时，由于多个执行元件同时动作且并联供油，油液会首先供给低压执行元件，流经低压操纵阀的压差能够达到补偿压力，其压力补偿阀能起到控制流量的作用。而流向高压执行元件操纵阀的流量不足，达不到使压力补偿阀其作用的压力。使得高压执行元件的运动速度降低，甚至不动(油泵输出压力可能低于最高负载压力)。为了防止这种现象发生，此设计中采用二次压力反馈式LS控制系统。二次压力反馈式LS控制系统和其性能曲线见图4-14和图4-15。

图4-14 二次压力反馈式LS控制系统

图4-15 普通中位闭式负载敏感压力补偿系统的性能曲线

a-油泵供油充足时；b-油泵供油量不足时（流量饱和时）

5.1.5发动机扭矩控制

    为了使液压挖掘机的发动机与油泵合理匹配，既能充分利用发动机的功率，又能避免发动机过载熄火，控制发动机在其能力范围内正常工作，就需要对发动机的扭矩进行控制，使发动机保持在图4-8中的发动机最大功率处工作。

发动机扭矩控制系统如图4-16所示。该系统主要由泵的排量控制机构、电磁比例减压阀、电子控制器、转速传感器和油门开度传感器组成。油门开度传感器检测出发动机的油门开度，输入电子控制器，通过微处理器计算出此油门开度下发动机

最大功率时的转速N，并将此转速作为控制目标。当泵吸收的功率过大使发动机最大功率时的转速N，并将此转速作为控制目标。当泵吸收的功率过大使发动机

的转速低于目标转速时，控制器发出控制信号，通过电磁比例减压阀，使泵吸收的功率降低，减小发动机的负荷，使发动机的转速上升；当泵吸收的功率过小，使发动机的转速高于目标转速时，电子控制器也会发出控制信号，通过电磁比例减压阀调节泵的变量机构，使泵的吸收功率增加，增大发动机的负荷，使发动机转速下降，始终保持发动机工作在最大功率下，如图4-17所示。

图4-16 发动机扭矩控制系统

图 4-17 发动机特性

比例减压阀采用脉宽调制方式驱动，进行电流反馈，并有电源电压变动和温度补偿装置。电磁比例减压阀输出压力P，供给油泵的排量控制机构，操纵控制油泵的斜盘转角，从而改变油泵的P-Q特性，如图4-18所示。

  发动机扭矩控制系统方框图如图4-19所示。油门开度传感器检测出发动机的油门开度，通过A/D转换输入微机处理器，通过内存查表求得控制的目标转速。转速传感器检测出旋转脉冲，通过F/D变换将脉冲量转换为数字量，输入微机处理器，通过计算求得发动机的实际转速，并将其与目标转速进行比较得到转速差△N，通。

图4-18 油泵的控制特性

图 4-19 发动机扭矩控制系统方框图

过微机PID运算，以脉宽调制方式输出，经功率放大输入电磁比例减压阀，对液压泵的排量进行控制调节

5.2负载敏感压力补偿液压系统的基本回路

    挖掘机液压系统的基本回路包括回转回路，行走回路，动臂、斗杆、铲斗回路等。

5.2.1回转回路

液压挖掘机的回转机构运动时由于上车转动惯量大，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。因此挖掘机的回转机构常采用特殊回路来保证安全，保护元件。回转回路见图4-20所示。

（1）级冲回路

本设计中的回转机构采用并联缓冲阀式缓冲回路。这种缓冲回路在高、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，高压腔的液压油经过缓冲阀直接进入低压腔，减小了液压冲击。两个单向阀起补油作用。这种缓冲回路的特点是补油量少，背压低，工作效率高。

5.2.2行走回路

行走回路如图4-21所示。和回转回路相同，行走回路中也设置了制动油路。制动油缸为常闭式制动器。当油泵向行走马达供油时，压力油进入制动油缸，压缩弹簧，制动解除。此外，设计中还设置了变速回路。这种回路有两档行驶速度，可以根据需要进行选择。图中变速阀由先导压力控制。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。当变速阀上有先导压力作用时，变速阀动作，使得压力油进入调节油缸的大腔，调节行走马达的排量，使行走马达供油量增大并高速运转。4-22为液压行走回路改进原理图。

5.2.3动臂、斗杆、铲斗回路

（1）动臂、斗杆、铲斗限压补油回路

    液压挖掘机工作时，铲斗上受到外负载的作用，这就需要动臂油缸和斗杆油缸必须有足够的压力来承受。但是如果此压力过大，会造成液压元件和管道的破坏。为此，需要在动臂油缸和斗杆油缸的进、出油路上各装一个限压阀，当闭锁压力大于限压阀的调定压力时，可以实现卸荷，以保护液压元件和管道。限压阀的调定压力必须高于液压系统的工作压力。限压补油回路如图4-22所示。图中两个单向阀起补油作用。

（2）动衡支持防下落油路

    动臂操纵阀在中位时，油缸口闭锁，由于滑阀的密封性不好会产生泄漏，动臂在重力作用下会产生下沉，这是不允许的，特别是挖掘机在进行起重作业的时候，要求动臂停留在某一位置上保持不下降，因此设置了动臂支持阀，如图4-23所示。

4-20 挖掘机液压系统回转回路

图4-21 挖掘机液压系统行走回路

    在弹簧力的作用下，动臂油缸下腔压力油通过支持阀阀芯内的钻孔通向支持阀上端，将支持阀压紧在阀座上，阻止动臂油缸下腔的压力油从B流向A，起闭锁支撑的作用。当操纵动臂下降时，在先导操纵油压的作用下，液控单向阀开启。动臂油缸下腔压力油通过支持阀阀芯钻孔油道经液控单向阀回油。由于支持阀阀芯内钻

图4-22 液压系统行走回路改进原理图

图 4-23 动臂、斗杆、铲斗限压补油回路

孔油道节流孔的节流作用，使支持阀上下腔产生压差，在压差的作用下克服弹簧力，支持阀打开，压力油从B流向A。

致谢词

这两个月的毕业设计是徐工集团建机公司实习期间完成的，我能在公司完成毕业设计，是与李汝莘老师的指导和关心分不开的，在此向王老师表示感谢。

这次毕业设计是我四年大学所学专业知识的一个综合应用，机械设计、传动、材料、液压、Autocad等都得到了综合的应用，也使我对挖掘机等机械设备的整机设计有了初步的认识。可以说这次毕业设计使我收获很多。

最后，再一次感谢李汝莘老师对我做毕业实际的指导和帮助！

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附录：

    图1液压挖掘机的工作装置的组成

    图2 挖掘机双履带简化模型