挖掘機液壓系統的現狀與前景研究

葉建根

（中國葛洲壩集團第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

液壓挖掘機是一個被廣泛使用的土方施工機械，被廣泛使用在道路工程、施工作業、礦山、水利建設和農田生產，以此降低操作人員的勞動強度，提高生產效率，在大型工程建設及保證工程質量方面發揮了巨大的作用。

土方工程在各種類型的工程建設中占了很大的比例。據統計，施工建設中由挖掘機完成的土方工程比例大約占60 %左右。由于液壓挖掘機具有多功能、多品種、高效率、高品質等特點，受到了大量施工作業單位的青睞。因此，液壓挖掘機的生產制造業日益蓬勃發展。

根據歷史的經驗，挖掘機的發展大部分是基于其液壓技術的改進，因此，挖掘機和液壓傳動的發展是緊密相連的。挖掘機通過高難度動作的實現完成工作任務，其所需的條件是極其復雜的，所以，液壓系統的設計要求很高，也是最繁雜的。挖掘機液壓系統的分析對促進挖掘機發展有著至關重要的作用。

我國很晚才開始挖掘機的生產和設計, 自從1954年撫順挖掘機機廠制造出第一臺機械式單斗挖掘機到今天，已經達到了20 世紀80年代的國際水平，部分產品甚至達到了90年達的水平。相比于我國落后的挖掘機生產，國外挖掘機制造商很早便將液壓技術與其他的技術相結合，不但使產品質量和壽命大幅度提高，操縱更加舒適，產品的適應性能提高，產品更加節能、環保，獲得最佳的燃油消耗和更高的生產效率。韓國大宇重工、神鋼、日本小松、日立建機、英國的ICB、德國的利勃海爾等公司應用了很多先進的技術，代表了當代液壓挖掘機的最高水平。

1 國外研究現狀及趨勢

液壓傳動技術開始應用在挖掘機上可以追溯到20 世紀60年代，目前，挖掘機液壓系統已經發展到非常成熟的階段。

最近，由于液壓挖掘機使用范圍的擴大和產量的提高，很多世界上著名的挖掘機生產商不斷利用液壓系統的多種高新技術來提高其產品在國際上的競爭力。

這些高新技術主要表現在六個方面：液壓系統向大型化和小型化兩極發展；高壓化和高可靠性發展趨勢日益顯著；系統的高操縱特性日趨重要；液壓系統從開式系統向閉式系統發展；液壓系統與電子精密控制的結合成為很重要的發展方向；節能環保技術成為研究的趨勢。

1.1 向大型化和小型化發展

隨著工程項目和科技發展的要求越來越高，挖掘機及其液壓系統向小型化和大型化的兩極發展成為必然。

挖掘機的施工重量最大的幾百噸最小的幾百公斤，二者相差近1 000 倍，和其他工程機械相比，挖掘機向兩極分化的差別是最大的。在施工作業當中，為了提高生產率大型工地和大型礦區需配備超大型機械，園藝作業（私人小園林）需配備微型機械[1]。

表格1 為目前世界上最大級和最小級挖掘機的對比。使用重量超過100 噸的為超大型機械，使用重量低于6 噸的為微型挖掘機，二者約占挖掘機總量的40%。

表1 世界上最小級和最大級挖掘機的對比

1.2 提高負載和可靠性

（1）提高負載

提高挖掘機的負載能力最直接的方法是提高液壓系統的流量、工作壓力和功率。

當今世界上先進的挖掘機產品的額定壓力大部分超過30 MPa，同時隨著材料科學技術的進步，液壓技術有朝著更高壓力甚至采用超高壓力的方向發展的趨勢，功率超過幾百千瓦，流量一般在每分鐘幾百升。

如目前世界上首臺最大的RH400 型全液壓挖掘機是德國的Orensttein＆Koppe 制造的，鏟斗容量42 m3，液壓油源為18 臺變量軸向柱塞泵，總流量達到10 200 L／min，原動機為2 臺QSK60 柴油發動機，總功率達到了2 014 kW[2]。

（2）提高可靠性

挖掘機系統的可靠性越來越受到研究和開發人員的重視。因為液壓挖掘機的工作環境經常是很惡劣的，各個功能組件在惡劣的環境下能否持續正常的工作就受到了工程使用和維護人員的格外重視。

美、英、德等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統的無限壽命設計理論的方法，并將斷裂力學、疲勞損傷累積理論、疲勞強度分析方法、優化設計、有限元法、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術等先進技術應用于液壓挖掘機可靠性的研究方面，不斷提高設備的可靠性[3]。日本提出了液壓挖掘機構件的強度評定流程并開發了可靠性信息處理系統；美國提出了考核動強度的動態設計分析方法，使液壓挖掘機的使用壽命達到l 萬小時，運轉率超過85%~95%。

總線技術在挖掘機上逐漸得到了推廣應用，其對挖掘機的工作狀態可以進行實時的監控。但是，常用的監控系統，只是針對挖掘機的一些狀態信號的變化而做出反應，如何更進一步在進行故障診斷的同時利用這些狀態信息，從而提高系統的可靠性，確實是挖掘機研究中的難點。

高性能的故障檢測和診斷系統是先進的挖掘機不可缺少的重要組成部分，對保證設備可靠性有重要的影響。從國內外對挖掘機液壓系統的故障診斷的研究來看，故障檢測和診斷系統主要有如下幾個特點：

一是，理論性很弱。以往的研究工作往往局限于某一類型的挖掘機或者某一類型的故障模式，通過簡單的分析就給出了故障診斷結果，極大限制了故障診斷應用的范圍。

二是，在線的故障診斷為故障診斷的理論性研究奠定良好的基礎。總線測量技術的出現。能夠實時采集故障信號，從而有可能實現在線故障診斷。

三是，實用性原則很強，在實際的使用中針對具體的故障問題進行具體分析能夠起到很好的效果。

綜上所述，挖掘機液壓系統的故障診斷研究需要從理論上進一步提高故障診斷的研究水平，仍然具有較大的研究空間和價值。

1.3 操縱特性的提高

世界上的研究開發和工程施工人員越來越重視挖掘機液壓系統的操縱特性。

目前，國際上迅速發展的全液壓挖掘機，通過不斷改進和革新控制方式，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發展到氣壓操縱、液壓操縱、電子計算機綜合程序操縱、無線電遙控操縱、液壓伺服操作和電氣控制。

由于各種高新技術的應用，挖掘機液壓系統的操縱特性得以迅速提高[1]。

1.4 閉式液壓系統

長期以來，開式液壓系統無法滿足挖掘機的調速和復合動作的要求，所以近年來在國外的挖掘機液壓系統中出現了閉式負載敏感系統(CLSS)。

閉式液壓系統可以采用一個油泵同時向全部液壓元件供油，每一個液壓元件的運動速度與負載壓力無關，只與操縱閥的閥桿行程有關，泵的流量按需提供，因此閉式液壓系統體現出操縱性好的特點。

1.5 電子—液壓集成控制

電子控制技術與液壓控制技術相結合的電子一液壓集成控制技術近年來獲得了很大發展，開發出大量的新型電液自動控制系統，大大提高了挖掘機的自動化程度。

當今國外先進品牌的挖掘機在電液控制方面已經成熟。全自動控制液壓系統在美國林肯～貝爾特公司的新C 系列LS-5800 型液壓挖掘機上安裝并服役。它通過自動調節流量避免了驅動功率的浪費；FJ系列五中新型號挖掘機（日本住友公司生產）配有與液壓回路連接的輔助功率控制系統，利用精密控制模式選擇系統，減少發動機功率和液壓功率的消耗，同時大大延長了零部件的服役壽命。

1.6 節能技術的應用

從用戶的角度來看，在工程機械上采用節能環保的技術最大的意義在于能夠降低使用成本。

資料顯示，工程機械將近40%的能耗來自液壓系統，15%左右的能耗來自發動機。節能技術可以減少液壓系統功率損失，提高發動機的利用率，使負載所需功率與動力系統更好地匹配，提高設備在使用中的可靠性。

目前液壓挖掘機上典型的節能技術基本上有兩種，即負載敏感技術和負流量控制技術，目前液壓挖掘機都選用其中一種控制技術來實現節能要求[4]。

2 國內研究現狀及趨勢

我國挖掘機行業的整體發展較國外慢，尤其是液壓系統方面的理論落后較多。

國內挖掘機企業由于采用傳統液壓系統的挖掘機產品在品質、性能、可靠性、作業效率等方面均較差，因此采用傳統液壓系統的挖掘機在市場上完全喪失了競爭力，而采用各種高新技術的國外挖掘機產品獲得了用戶的青睞[4]。

由于國際一流的挖掘機生產企業壟斷了先進的挖掘機液壓系統，國內企業在該領域的研究幾乎空白，因此國內的挖掘機生產廠家無法獨立制造出性能優良的挖掘機設備，國外各種品牌的挖掘機占據了大部分的市場份額。

以20 T 級的液壓挖掘機為例，國產20t 級挖掘機是歐洲80年代初的技術水平，同90年代初以來在國內廣泛使用的日立、神鋼、日本小松以及韓國大字、現代等機型相比，主要差距是液壓系統流量偏小，柴油機功率偏低，液壓系統特性差，從而行走速度低，平臺回轉速度低，各種性能參數均偏小，作業效率和整機性能較國外偏低[5]。

3 結束語

液壓挖掘機需要大幅度的技術進步來適應科學技術的發展和工程施工現代化生產的需要，液壓挖掘機行業所面臨的新挑戰就是技術創新。

在技術創新方面，挖掘機產品的核心技術就是液壓系統設計，因此對挖掘機液壓系統的分析和研究都有十分重要的實際應用的價值。

閉式系統、節能環保、高負載、高可靠性、良好的操縱特性和電液集成控制是目前乃至未來的重要研究方向。

[1]Wang F H, Jiao A Y, Shao H Z, et al. Numerical Analysis and Experimental Study on Dipper Handle of W1002 Excavator[J].MANUFACTURING PROCESS TECHNOLOGY，PTS 1-5，2011，189-193:1691-1695.

[2]Choi J, Kim H, Yu S, et al. Development of integrated controller for a compound hybrid excavator[J]. JOURNAL OF MECHANICALSCIENCE ANDTECHNOLOGY，2011，25(6):1557-1563.

[3]黃宗益，葉 偉，李興華.液壓挖掘機液壓系統概述[J].建筑機械化，2003，24(9):12-16.

[4]劉建民. 液壓挖掘機關鍵技術綜述[J]. 建設機械技術與管理，2001，14(12):26-28.

[5]張 鐵.液壓挖掘機結構、原理及使用[M].北京：石油大學出版社，2002.