孫丙磊
(力士德工程機(jī)械股份有限公司,山東 臨沂 276715)
我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶動(dòng)了一系列行業(yè)的進(jìn)步,工程機(jī)械也不甘落后。其中挖掘機(jī)的發(fā)展受益于經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)健發(fā)展,逐漸成為挖掘機(jī)重要力量的小型挖掘機(jī)也得到了較快的發(fā)展。
小型液壓挖掘機(jī)具有質(zhì)量小、功能多、效率高、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保養(yǎng)維修方便等諸多優(yōu)勢(shì),在城鎮(zhèn)的管道開挖與鋪設(shè)、修復(fù)路面、小型的基礎(chǔ)建設(shè)、公共事業(yè)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(jī)無法施工的環(huán)境中,體型緊湊、行動(dòng)便捷的小型挖掘機(jī)首當(dāng)其沖,并在越來越多的領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。小型挖掘機(jī)具有獨(dú)特的液壓動(dòng)力系統(tǒng),使得其可以安裝更多輔助作業(yè)工具。小型挖掘機(jī)相較于其他挖掘機(jī)具有尾部旋轉(zhuǎn)半徑為零的特點(diǎn),在作業(yè)空間狹小的情況下,不必過多考慮是否阻礙挖掘機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),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(xiàn)場(chǎng)損壞建筑物以及自身的可能性。小型挖掘機(jī)能夠在很大的范圍內(nèi)擺動(dòng),得益于自身動(dòng)臂與機(jī)身鉸接的設(shè)計(jì),這樣的設(shè)計(jì)讓小型挖掘機(jī)在周圍有障礙物的情況下有了更多的操作空間,同時(shí)也減少了經(jīng)常移動(dòng)機(jī)身的麻煩,在墻壁或者圍墻旁邊進(jìn)行挖掘工作也沒有絲毫問題。在運(yùn)輸方面,小型挖掘機(jī)更小的體型大大方便了它的運(yùn)輸,小型的運(yùn)輸工具就可以滿足各個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移的需求,大大降低了機(jī)器的運(yùn)輸成本。
目前,挖掘機(jī)發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展主要體現(xiàn)在功能多樣性,操作智能化,表現(xiàn)為:(1)研發(fā)品種多樣、功能齊全的挖掘機(jī),同時(shí)保證其使用壽命以及較高的效率,以滿足更多、更復(fù)雜施工環(huán)境的要求。(2)液壓系統(tǒng)的研發(fā)一刻不能停止,高新電子技術(shù)、無線電控制、電子計(jì)算機(jī)與其配套的一系列電子產(chǎn)品,為挖掘機(jī)的操作提供更精準(zhǔn)的保障,未來無人遙控挖掘機(jī)執(zhí)行任務(wù),甚至一人控制多臺(tái)設(shè)備將不再是夢(mèng)。(3)液壓挖掘機(jī)理論知識(shí)的發(fā)展同樣不能落下,歷史已經(jīng)證明一套成熟的理論知識(shí)能夠不斷提升其性能。
挖掘機(jī)液壓系統(tǒng),作為液壓挖掘機(jī)最重要的組成部分,簡(jiǎn)單來說就是按照整體的工作裝置以及各種元件之間的設(shè)計(jì)要求,用管路將各種液壓元件合理地連接起來。液壓系統(tǒng)是通過液壓油來傳遞能量,實(shí)現(xiàn)將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,借助液壓泵激發(fā)液壓元件,最終實(shí)現(xiàn)小型挖掘機(jī)的所有規(guī)定動(dòng)作。小型挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)按照不同的功能可以分為三大部分,首先是執(zhí)行基本動(dòng)作的工作裝置系統(tǒng),然后是完成整機(jī)回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)裝置,最后則是執(zhí)行液壓機(jī)行走功能的行走系統(tǒng)。小型挖掘機(jī)的工作裝置有三大部件以及相應(yīng)的液壓缸組成,三大部件分別是動(dòng)臂、斗桿和鏟斗,各自組成了自己的液壓回路。回轉(zhuǎn)裝置是為了將行走裝置以上所有部件能夠向左或右回轉(zhuǎn),主要包括整個(gè)工作裝置系統(tǒng)和上部轉(zhuǎn)臺(tái),回轉(zhuǎn)馬達(dá)是完成該動(dòng)作的主要液壓元件,并且有專門的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)?;剞D(zhuǎn)系統(tǒng)是整體設(shè)計(jì)中比較重要的部分,具有較高的設(shè)計(jì)要求,在執(zhí)行復(fù)合動(dòng)作時(shí),必須考慮合理分配機(jī)構(gòu)的流量,具體工作是要求能夠迅速回轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)減小沖擊、振動(dòng)、搖擺。行走裝置顧名思義主要負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)構(gòu)的行走任務(wù)和支撐挖掘機(jī)的全部質(zhì)量,本論文主要采用履帶式結(jié)構(gòu),并不過多研究。行走裝置的主要液壓元件為左右行走馬達(dá),可以完成左右2邊單獨(dú)行進(jìn)和同時(shí)行進(jìn)。在小型挖掘機(jī)直線行進(jìn)過程中,同時(shí)執(zhí)行挖掘動(dòng)作時(shí)不會(huì)造成行進(jìn)路線偏移。
小型液壓挖掘機(jī)執(zhí)行的動(dòng)作比較復(fù)雜,工作裝置系統(tǒng)主要機(jī)構(gòu)需要頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、回轉(zhuǎn)、換向,挖掘和卸料負(fù)載變化大,這就導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)沖擊搖擺振動(dòng)比較多,同時(shí)工作環(huán)境無法保證,溫度環(huán)境影響較大,所以對(duì)設(shè)計(jì)小型液壓挖掘機(jī)具有較高要求,主要包括如下方面。
(1)工作裝置的3個(gè)主要部件動(dòng)臂、斗桿、鏟斗之間可以相互配合執(zhí)行復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng),同時(shí)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)其他部件無影響。
(2)工作裝置系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間既可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)又可以相互配合執(zhí)行復(fù)合運(yùn)動(dòng),從而提高小型挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率。
(3)行走系統(tǒng)的左右履帶需要實(shí)現(xiàn)各自驅(qū)動(dòng)和共同驅(qū)動(dòng),提高小型挖掘機(jī)的靈活性,保證在狹窄環(huán)境以及一些不適合轉(zhuǎn)彎的地方可以原地轉(zhuǎn)向。
(4)小型液壓挖掘機(jī)的一切動(dòng)作均可以實(shí)現(xiàn)可逆,且無級(jí)變速,確保生產(chǎn)效率。
(5)確保挖掘機(jī)的安全性能,保證和液壓元件有可靠的過載保護(hù),行走裝置系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)和限速確保安全,要設(shè)置安全提醒,確保動(dòng)臂不會(huì)因?yàn)槌囟杆傧侣洌瑩p壞周圍和自身設(shè)備。
對(duì)其液壓系統(tǒng)也要有一定要求,如下。
(1)傳動(dòng)效率較高,充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率,尋找動(dòng)力裝置和液壓傳動(dòng)最佳配合,能量回手,保證節(jié)能和經(jīng)濟(jì)最大化。
(2)工作裝置系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在工作過程中經(jīng)常面對(duì)較大的負(fù)載變化,保證在啟動(dòng)制動(dòng)連續(xù)工作時(shí)有解決沖擊振動(dòng)的能力,確保安全可靠。
(3)為挖掘機(jī)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(jī)具備連續(xù)工作的能力,生產(chǎn)效率最大化。
(4)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化不確定,大多塵土飛揚(yáng),容易造成液壓元件阻塞和液壓油污染,做好整個(gè)系統(tǒng)的密封和安裝防塵裝置,同時(shí)為了保證污染的液壓油不會(huì)進(jìn)一步污染液壓系統(tǒng),液壓系統(tǒng)中要增設(shè)必要的過濾器和濾油器。
運(yùn)用電液伺服控制系統(tǒng),提高液壓系統(tǒng)可操縱性,減少駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度,完善自動(dòng)控制系統(tǒng)。
為了充分了解小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng),就要明白小型挖掘機(jī)的整個(gè)工作流程,以及在此流程中各個(gè)元件如何運(yùn)動(dòng),尤其是多個(gè)液壓作用元件共同作用執(zhí)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí),各個(gè)系統(tǒng)之前的配合情況。接下來,對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單挖掘動(dòng)作的基本工作循環(huán),分別是挖掘—挖斗舉臂回轉(zhuǎn)—卸料—回轉(zhuǎn)至原來位置,最后行走至下一工作地點(diǎn)。
2.2.1 挖掘
鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸均可推動(dòng)液壓桿執(zhí)行挖掘動(dòng)作,有時(shí)二者需同時(shí)工作進(jìn)行挖掘。當(dāng)二者同時(shí)工作時(shí),鏟斗與斗桿有復(fù)合運(yùn)動(dòng),必要時(shí)輔以動(dòng)臂動(dòng)作。面對(duì)挖掘過程中“挖不動(dòng)”情況時(shí),液壓系統(tǒng)短時(shí)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(zhuǎn)
第一個(gè)動(dòng)作結(jié)束時(shí),動(dòng)臂液壓缸推動(dòng)動(dòng)臂升起,挖斗提升,與此同時(shí)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作,旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)向卸料位置。此動(dòng)作主要包括動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的配合運(yùn)動(dòng)。
2.2.3 卸料
回轉(zhuǎn)裝置完畢,到達(dá)指定位置,斗桿液壓缸推動(dòng)斗桿調(diào)節(jié)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(dòng)作,必要時(shí)輔以動(dòng)臂液壓缸。
2.2.4 回轉(zhuǎn)至原來位置
卸料結(jié)束,回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作,反向回轉(zhuǎn)至挖掘位置,同時(shí)動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓桿執(zhí)行復(fù)合運(yùn)動(dòng),準(zhǔn)備重新進(jìn)行挖掘動(dòng)作。
2.2.5 行走至下一工作地點(diǎn)
行走過程中可能將液壓元件動(dòng)作調(diào)整,要注意直線行駛,在裝車運(yùn)輸和上下卡車時(shí),容易發(fā)生傾斜危險(xiǎn)。
液壓挖掘機(jī)能夠執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)作,同時(shí)具有行走系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、動(dòng)臂系統(tǒng)、斗桿系統(tǒng)、鏟斗系統(tǒng)的多系統(tǒng)、多自由度工程施工機(jī)械。這些系統(tǒng)在野外環(huán)境工作時(shí),常常面臨啟動(dòng)、換向、制動(dòng)、回轉(zhuǎn)以及外界負(fù)載較大變化、沖擊、搖擺、振動(dòng)頻繁的狀況。因此挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)需要具備很高的設(shè)計(jì)要求,以保證工作效率和工作年限,同時(shí)避免需要經(jīng)常維修的問題。根據(jù)以上液壓挖掘機(jī)特點(diǎn),對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出以下5點(diǎn)要求。
3.1.1 動(dòng)力性要求
在挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)最大允許范圍內(nèi),利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率讓系統(tǒng)做更多的有用功,提高整體的挖掘效率,這需要液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間優(yōu)良的傳動(dòng)匹配。面對(duì)不同情況,需要液壓系統(tǒng)能給出不同的解決方式。
3.1.2 操縱性要求
衡量液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)好壞的重要方面就是具有很好的調(diào)速操縱控制性能。一個(gè)好的液壓系統(tǒng)可以準(zhǔn)確反應(yīng)駕駛員的操縱意圖,并且準(zhǔn)確反應(yīng)在液壓系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行元件。挖掘機(jī)面對(duì)不用的工作環(huán)境,面對(duì)的阻力各有不同,需要快速反應(yīng)外界變化,依靠液壓系統(tǒng)良好的調(diào)速性能,快速完成功率變化,從而完成生產(chǎn)要求。操縱性能不僅體現(xiàn)在調(diào)速性要求,同時(shí)還要有復(fù)合操縱性要求。復(fù)合操縱性要求具體體現(xiàn)在挖掘機(jī)在執(zhí)行復(fù)合動(dòng)作時(shí),各個(gè)液壓系統(tǒng)之間的相互配合程度。因此如何在執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng),各執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)作時(shí),快速反應(yīng)到每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu),并且各個(gè)機(jī)構(gòu)之間不會(huì)互相影響,良好的復(fù)合操縱性能是衡量一個(gè)液壓系統(tǒng)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。
液壓系統(tǒng)中的子系統(tǒng)在執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí),要求合理分配系統(tǒng)流量,期間互不影響,共同完成主機(jī)的復(fù)雜動(dòng)作要求。就行走系統(tǒng)而言,左右行走馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)動(dòng),也需要完成共同運(yùn)動(dòng),在挖掘機(jī)運(yùn)輸或者工作時(shí),左右行走裝置共同運(yùn)動(dòng)情況較多,這就著重考慮左右行走馬達(dá)的直線行駛能力。如果沒有考慮到復(fù)合操縱性能,行走過程中,一邊行走馬達(dá)因?yàn)榱髁糠峙洳痪?、速度降低,發(fā)生意外的可能性很大。在執(zhí)行非常艱巨的挖掘任務(wù)時(shí),各工作系統(tǒng)以最大功率工作,將會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)供油量不足,高壓工作系統(tǒng)動(dòng)力不足,執(zhí)行速度降低,甚至出現(xiàn)停機(jī)的情況。在極端情況下,協(xié)調(diào)好系統(tǒng)液壓油的優(yōu)先供給順序也是考驗(yàn)液壓系統(tǒng)復(fù)合操縱性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)。
3.1.3 節(jié)能性要求
挖掘機(jī)在負(fù)荷工作時(shí),工作時(shí)間大大增加,能源消耗大,其中因?yàn)閳?zhí)行系統(tǒng)和管路中無效的能源消耗也會(huì)增加,為了更好地提高系統(tǒng)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(tǒng)的節(jié)能性。
3.1.4 安全性要求
挖掘機(jī)在野外工作環(huán)境惡劣,工作時(shí)負(fù)載變化大,情況不明確,要求液壓系統(tǒng)具有很好的保護(hù)措施,過載時(shí)要及時(shí)切斷系統(tǒng)油路,防止負(fù)載過大時(shí),對(duì)液壓執(zhí)行元件產(chǎn)生的損害?;剞D(zhuǎn)系統(tǒng)要設(shè)計(jì)緩沖回路,防止突然制動(dòng)回轉(zhuǎn)對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)完成的沖擊損壞,行走系統(tǒng)要安裝行走限速回路,防止在下坡時(shí),發(fā)生溜坡等危險(xiǎn)。
3.1.5 其他性能要求
應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的零部件和常見的液壓元件,要方便挖掘機(jī)的維修,降低成本。同時(shí)在選擇零部件時(shí),盡可能選擇耐久性比較好的產(chǎn)品,適用于野外工作。面對(duì)不同的工作環(huán)境,應(yīng)有不同的標(biāo)準(zhǔn),在城市施工時(shí),要選擇一些噪音小、振動(dòng)不明顯的機(jī)型。要盡可能改善駕駛室環(huán)境,提高駕駛?cè)藛T的操作體驗(yàn)。
3.2.1 主要技術(shù)參數(shù)
額定工作壓力16MPa,最大流量63l/min,最大負(fù)載力50000N。
3.2.2 方案的擬訂
(1)進(jìn)一步分析挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的4個(gè)工況,即挖掘、挖斗舉臂回轉(zhuǎn)、卸料、回轉(zhuǎn)至原來位置。確定每個(gè)工況下各個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)所要執(zhí)行的動(dòng)作,以及復(fù)合動(dòng)作。
(2)結(jié)合上述液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,選擇合適的液壓元件。
(3)提出一種擬訂的液壓系統(tǒng)方案,整體設(shè)計(jì)有效直觀。
3.2.3 擬定的液壓系統(tǒng)
該液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng),單泵單回路系統(tǒng)。共有7個(gè)執(zhí)行元件,分別為動(dòng)臂油缸、鏟斗油缸、斗桿油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)和左右行走馬達(dá)。主控制閥為德國(guó)Rexroth公司的LUDV系統(tǒng),采用單泵變量系統(tǒng),通過負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)分配泵的排量,提高執(zhí)行元件的運(yùn)行速度。
本文簡(jiǎn)單介紹了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本組成部分以及基本要求,明確了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些基本概念,為接下來液壓系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了參考基礎(chǔ)。了解挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中各個(gè)回路的作用及各個(gè)回路的位置,才能更好地完成對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要從小處著手,從元件到回路到系統(tǒng),一個(gè)成熟的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)需要各個(gè)系統(tǒng)有序精準(zhǔn)的配合,這樣的液壓系統(tǒng)才能使挖掘機(jī)具有安全可靠、節(jié)能、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。