小型液壓挖掘機機械結構和液壓系統設計探究

孫丙磊

（力士德工程機械股份有限公司，山東 臨沂 276715）

1 液壓挖掘機

1.1 小型液壓挖掘機簡介

我國經濟的高速發展帶動了一系列行業的進步，工程機械也不甘落后。其中挖掘機的發展受益于經濟的穩健發展，逐漸成為挖掘機重要力量的小型挖掘機也得到了較快的發展。

小型液壓挖掘機具有質量小、功能多、效率高、價格低、結構簡單、保養維修方便等諸多優勢，在城鎮的管道開挖與鋪設、修復路面、小型的基礎建設、公共事業與房屋維修、栽培園林、清淤河道等情景下具有不可替代的作用。在大型挖掘機無法施工的環境中，體型緊湊、行動便捷的小型挖掘機首當其沖，并在越來越多的領域發光發熱。小型挖掘機具有獨特的液壓動力系統，使得其可以安裝更多輔助作業工具。小型挖掘機相較于其他挖掘機具有尾部旋轉半徑為零的特點，在作業空間狹小的情況下，不必過多考慮是否阻礙挖掘機轉動，這就使得駕駛員可以專注于前方鏟斗的操作，大大降低了周圍施工現場損壞建筑物以及自身的可能性。小型挖掘機能夠在很大的范圍內擺動，得益于自身動臂與機身鉸接的設計，這樣的設計讓小型挖掘機在周圍有障礙物的情況下有了更多的操作空間，同時也減少了經常移動機身的麻煩，在墻壁或者圍墻旁邊進行挖掘工作也沒有絲毫問題。在運輸方面，小型挖掘機更小的體型大大方便了它的運輸，小型的運輸工具就可以滿足各個施工現場轉移的需求，大大降低了機器的運輸成本。

1.2 小型液壓挖掘機發展趨勢

目前，挖掘機發展趨勢發展主要體現在功能多樣性，操作智能化，表現為：（1）研發品種多樣、功能齊全的挖掘機，同時保證其使用壽命以及較高的效率，以滿足更多、更復雜施工環境的要求。（2）液壓系統的研發一刻不能停止，高新電子技術、無線電控制、電子計算機與其配套的一系列電子產品，為挖掘機的操作提供更精準的保障，未來無人遙控挖掘機執行任務，甚至一人控制多臺設備將不再是夢。（3）液壓挖掘機理論知識的發展同樣不能落下，歷史已經證明一套成熟的理論知識能夠不斷提升其性能。

2 挖掘機液壓系統概述

2.1 小型挖掘機液壓系統的基本組成及其基本要求

挖掘機液壓系統，作為液壓挖掘機最重要的組成部分，簡單來說就是按照整體的工作裝置以及各種元件之間的設計要求，用管路將各種液壓元件合理地連接起來。液壓系統是通過液壓油來傳遞能量，實現將液壓能轉化為機械能，借助液壓泵激發液壓元件，最終實現小型挖掘機的所有規定動作。小型挖掘機的液壓系統按照不同的功能可以分為三大部分，首先是執行基本動作的工作裝置系統，然后是完成整機回轉的回轉裝置，最后則是執行液壓機行走功能的行走系統。小型挖掘機的工作裝置有三大部件以及相應的液壓缸組成，三大部件分別是動臂、斗桿和鏟斗，各自組成了自己的液壓回路。回轉裝置是為了將行走裝置以上所有部件能夠向左或右回轉，主要包括整個工作裝置系統和上部轉臺，回轉馬達是完成該動作的主要液壓元件，并且有專門的回轉系統。回轉系統是整體設計中比較重要的部分，具有較高的設計要求，在執行復合動作時，必須考慮合理分配機構的流量，具體工作是要求能夠迅速回轉、啟動和制動時減小沖擊、振動、搖擺。行走裝置顧名思義主要負責整個機構的行走任務和支撐挖掘機的全部質量，本論文主要采用履帶式結構，并不過多研究。行走裝置的主要液壓元件為左右行走馬達，可以完成左右2邊單獨行進和同時行進。在小型挖掘機直線行進過程中，同時執行挖掘動作時不會造成行進路線偏移。

小型液壓挖掘機執行的動作比較復雜，工作裝置系統主要機構需要頻繁的啟動、制動、回轉、換向，挖掘和卸料負載變化大，這就導致了整個系統沖擊搖擺振動比較多，同時工作環境無法保證，溫度環境影響較大，所以對設計小型液壓挖掘機具有較高要求，主要包括如下方面。

（1）工作裝置的3個主要部件動臂、斗桿、鏟斗之間可以相互配合執行復雜的復合運動，同時單獨運動時對其他部件無影響。

（2）工作裝置系統和回轉系統之間既可以單獨運動又可以相互配合執行復合運動，從而提高小型挖掘機的生產效率。

（3）行走系統的左右履帶需要實現各自驅動和共同驅動，提高小型挖掘機的靈活性，保證在狹窄環境以及一些不適合轉彎的地方可以原地轉向。

（4）小型液壓挖掘機的一切動作均可以實現可逆，且無級變速，確保生產效率。

（5）確保挖掘機的安全性能，保證和液壓元件有可靠的過載保護，行走裝置系統和回轉系統制動和限速確保安全，要設置安全提醒，確保動臂不會因為超重而迅速下落，損壞周圍和自身設備。

對其液壓系統也要有一定要求，如下。

（1）傳動效率較高，充分利用發動機功率，尋找動力裝置和液壓傳動最佳配合，能量回手，保證節能和經濟最大化。

（2）工作裝置系統和回轉系統在工作過程中經常面對較大的負載變化，保證在啟動制動連續工作時有解決沖擊振動的能力，確保安全可靠。

（3）為挖掘機安裝必要的冷卻裝置，確保油箱液壓油的溫度不可過高，保證主力機具備連續工作的能力，生產效率最大化。

（4）施工現場環境變化不確定，大多塵土飛揚，容易造成液壓元件阻塞和液壓油污染，做好整個系統的密封和安裝防塵裝置，同時為了保證污染的液壓油不會進一步污染液壓系統，液壓系統中要增設必要的過濾器和濾油器。

運用電液伺服控制系統，提高液壓系統可操縱性，減少駕駛員勞動強度，完善自動控制系統。

2.2 小型挖掘機液壓系統的基本動作分析

為了充分了解小型液壓挖掘機的液壓系統，就要明白小型挖掘機的整個工作流程，以及在此流程中各個元件如何運動，尤其是多個液壓作用元件共同作用執行復合運動時，各個系統之前的配合情況。接下來，對挖掘機進行簡單挖掘動作的基本工作循環，分別是挖掘—挖斗舉臂回轉—卸料—回轉至原來位置，最后行走至下一工作地點。

2.2.1 挖掘

鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸均可推動液壓桿執行挖掘動作，有時二者需同時工作進行挖掘。當二者同時工作時，鏟斗與斗桿有復合運動，必要時輔以動臂動作。面對挖掘過程中“挖不動”情況時，液壓系統短時增加壓力，提高主要壓力閥壓力，繼而將障礙物挖除。

2.2.2 挖斗舉臂回轉

第一個動作結束時，動臂液壓缸推動動臂升起，挖斗提升，與此同時回轉系統工作，旋轉工作臺轉向卸料位置。此動作主要包括動臂和回轉系統的配合運動。

2.2.3 卸料

回轉裝置完畢，到達指定位置，斗桿液壓缸推動斗桿調節卸料半徑和卸料高度，用鏟斗液壓缸工作完成卸料，此過程主要是斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的共同動作，必要時輔以動臂液壓缸。

2.2.4 回轉至原來位置

卸料結束，回轉系統工作，反向回轉至挖掘位置，同時動臂液壓缸和斗桿液壓桿執行復合運動，準備重新進行挖掘動作。

2.2.5 行走至下一工作地點

行走過程中可能將液壓元件動作調整，要注意直線行駛，在裝車運輸和上下卡車時，容易發生傾斜危險。

3 挖掘機液壓系統設計

3.1 挖掘機液壓系統的設計要求

液壓挖掘機能夠執行復雜動作，同時具有行走系統、回轉系統、動臂系統、斗桿系統、鏟斗系統的多系統、多自由度工程施工機械。這些系統在野外環境工作時，常常面臨啟動、換向、制動、回轉以及外界負載較大變化、沖擊、搖擺、振動頻繁的狀況。因此挖掘機液壓系統需要具備很高的設計要求，以保證工作效率和工作年限，同時避免需要經常維修的問題。根據以上液壓挖掘機特點，對液壓系統設計提出以下5點要求。

3.1.1 動力性要求

在挖掘機發動機最大允許范圍內，利用發動機功率讓系統做更多的有用功，提高整體的挖掘效率，這需要液壓系統與發動機之間優良的傳動匹配。面對不同情況，需要液壓系統能給出不同的解決方式。

3.1.2 操縱性要求

衡量液壓系統設計好壞的重要方面就是具有很好的調速操縱控制性能。一個好的液壓系統可以準確反應駕駛員的操縱意圖，并且準確反應在液壓系統各個執行元件。挖掘機面對不用的工作環境，面對的阻力各有不同，需要快速反應外界變化，依靠液壓系統良好的調速性能，快速完成功率變化，從而完成生產要求。操縱性能不僅體現在調速性要求，同時還要有復合操縱性要求。復合操縱性要求具體體現在挖掘機在執行復合動作時，各個液壓系統之間的相互配合程度。因此如何在執行復雜運動，各執行機構同時運作時，快速反應到每個執行機構，并且各個機構之間不會互相影響，良好的復合操縱性能是衡量一個液壓系統好壞的重要標準。

液壓系統中的子系統在執行復雜運動時，要求合理分配系統流量，期間互不影響，共同完成主機的復雜動作要求。就行走系統而言，左右行走馬達可以實現單獨運動，也需要完成共同運動，在挖掘機運輸或者工作時，左右行走裝置共同運動情況較多，這就著重考慮左右行走馬達的直線行駛能力。如果沒有考慮到復合操縱性能，行走過程中，一邊行走馬達因為流量分配不均、速度降低，發生意外的可能性很大。在執行非常艱巨的挖掘任務時，各工作系統以最大功率工作，將會導致液壓系統供油量不足，高壓工作系統動力不足，執行速度降低，甚至出現停機的情況。在極端情況下，協調好系統液壓油的優先供給順序也是考驗液壓系統復合操縱性能的衡量標準。

3.1.3 節能性要求

挖掘機在負荷工作時，工作時間大大增加，能源消耗大，其中因為執行系統和管路中無效的能源消耗也會增加，為了更好地提高系統的工作效率，就要充分考慮到一這部分無效的能源消耗，從這方面下手，充分考慮系統的節能性。

3.1.4 安全性要求

挖掘機在野外工作環境惡劣，工作時負載變化大，情況不明確，要求液壓系統具有很好的保護措施，過載時要及時切斷系統油路，防止負載過大時，對液壓執行元件產生的損害。回轉系統要設計緩沖回路，防止突然制動回轉對回轉系統完成的沖擊損壞，行走系統要安裝行走限速回路，防止在下坡時，發生溜坡等危險。

3.1.5 其他性能要求

應用標準的零部件和常見的液壓元件，要方便挖掘機的維修，降低成本。同時在選擇零部件時，盡可能選擇耐久性比較好的產品，適用于野外工作。面對不同的工作環境，應有不同的標準，在城市施工時，要選擇一些噪音小、振動不明顯的機型。要盡可能改善駕駛室環境，提高駕駛人員的操作體驗。

3.2 挖掘機液壓系統分析

3.2.1 主要技術參數

額定工作壓力16MPa，最大流量63l/min，最大負載力50000N。

3.2.2 方案的擬訂

（1）進一步分析挖掘機一個工作循環的4個工況，即挖掘、挖斗舉臂回轉、卸料、回轉至原來位置。確定每個工況下各個執行系統所要執行的動作，以及復合動作。

（2）結合上述液壓系統的設計要求，選擇合適的液壓元件。

（3）提出一種擬訂的液壓系統方案，整體設計有效直觀。

3.2.3 擬定的液壓系統

該液壓系統為開式系統，單泵單回路系統。共有7個執行元件，分別為動臂油缸、鏟斗油缸、斗桿油缸、回轉馬達和左右行走馬達。主控制閥為德國Rexroth公司的LUDV系統，采用單泵變量系統，通過負載感應系統分配泵的排量，提高執行元件的運行速度。

4 結語

本文簡單介紹了挖掘機液壓系統的基本組成部分以及基本要求，明確了液壓系統設計中的一些基本概念，為接下來液壓系統的進一步設計提供了參考基礎。了解挖掘機液壓系統中各個回路的作用及各個回路的位置，才能更好地完成對液壓系統的設計。液壓系統的設計需要從小處著手，從元件到回路到系統，一個成熟的挖掘機液壓系統需要各個系統有序精準的配合，這樣的液壓系統才能使挖掘機具有安全可靠、節能、操作簡單、生產效率高等一系列優點。