對于小型液壓挖掘機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)設(shè)計分析

摘 要：近些年，我國加強(qiáng)了對制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的推動，提出制造業(yè)與新一代信息技術(shù)融合發(fā)展，制造生產(chǎn)智能化產(chǎn)品。在這種背景下，挖掘機(jī)設(shè)計及制造也面臨著智能化的轉(zhuǎn)型升級。液壓系統(tǒng)在小型挖掘機(jī)中的應(yīng)用，對于推動其智能化、信息化發(fā)展和提高小型挖掘機(jī)制造水平有著重要的意義。基于此，本文主要就小型液壓挖掘機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)設(shè)計做簡要分析。

關(guān)鍵詞：小型液壓挖掘機(jī) 機(jī)械結(jié)構(gòu) 液壓系統(tǒng)

1 引言

從上世紀(jì)90年代以來，小型挖掘機(jī)進(jìn)入中國市場后，以其功能多、施工效率高、機(jī)身質(zhì)量小、購入成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維修保養(yǎng)便利等優(yōu)點，快速的搶占了挖掘機(jī)大部分市場，取代了大中型挖掘機(jī)在市場的主導(dǎo)地位。小型液壓挖掘機(jī)在整機(jī)設(shè)計上保留了通用挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計為底盤、工作裝置、上部平臺三部分，上部平臺的主要元件選擇液壓油缸、液壓泵、液壓閥設(shè)計而成。其動力主要由液壓系統(tǒng)提供，液壓系統(tǒng)根據(jù)功能分為執(zhí)行裝置系統(tǒng)、整機(jī)回轉(zhuǎn)裝置系統(tǒng)及行走系統(tǒng)，設(shè)計時用到的主要部件有動臂、鏟斗和斗桿。隨著我國中小企業(yè)的快速發(fā)展，小型液壓挖掘機(jī)應(yīng)用到各類中小型工程建設(shè)施工中，為社會的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。

2 小型液壓挖掘機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)市場上常見的小型液壓挖掘機(jī)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由底盤、工作裝置、上部平臺三大部分組成，工作裝置主要由動臂、鏟斗、斗桿構(gòu)成。工作裝置由液壓系統(tǒng)控制。液壓系統(tǒng)由先導(dǎo)油源閥組及基本回路組成。先導(dǎo)油源閥組部分設(shè)計用到的構(gòu)件包括過濾器、溢流閥、測試接頭、插裝式二位三通電磁換向閥、閥體幾何等。

2.2 結(jié)構(gòu)問題

傳統(tǒng)的小型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)在設(shè)計上未考慮到負(fù)載壓力、功率及流量變化在系統(tǒng)中的信息反饋。kuuvvFjI3NomAFAth7IVJLafHzyoBse4pW35w3IDqCA=由于系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下不能及時收到負(fù)載壓力、功率及流量變化等信息反饋，補(bǔ)償器就無法準(zhǔn)確的判斷液壓系統(tǒng)工作所需要的準(zhǔn)確的流量和壓力。在挖補(bǔ)荷載恒定的情況下，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計在實際工作中并沒有太多的障礙。但外部荷載存在變化，且變化較大時，液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，在待機(jī)狀態(tài)下就需要一個準(zhǔn)確的壓力、流量及控制閥信號，根據(jù)機(jī)身及系統(tǒng)運行狀態(tài)調(diào)整液壓泵自動轉(zhuǎn)壓。這就導(dǎo)致挖掘機(jī)工作狀態(tài)下調(diào)速難度較大，且調(diào)速過程中存在較大的能量損耗，增加了燃油損耗率。同時，受系統(tǒng)調(diào)控影響，挖掘及效率也有所降低。對于駕駛者而言，這種系統(tǒng)設(shè)計增加了操作的難度。通過上述分析，可以看出傳統(tǒng)的小型液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計存在以下缺陷：（1）多部件執(zhí)行操作難度大，共泵工作影響挖掘機(jī)工作效率；（2）調(diào)速難度較大；（3）油耗高；（4）生產(chǎn)效率低；（5）駕駛操作強(qiáng)度大。

2.3 優(yōu)化需求

傳統(tǒng)小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計優(yōu)化需要解決油耗高、調(diào)度難度大、多部件共泵執(zhí)行效率低、操作不便等問題?；趩栴}，筆者總結(jié)出以下結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化需求：（1）負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)多執(zhí)行部件共用泵需求；（2）負(fù)載敏感夜里補(bǔ)償液壓系統(tǒng)需求；（3）整機(jī)回轉(zhuǎn)減輕液壓沖擊和振動的需求；（4）行走回路設(shè)計多檔行駛調(diào)速的需求；（5）動臂、斗桿、鏟斗液壓回路操縱固定回路優(yōu)化需求；（6）多執(zhí)行部件同時操作減少油耗的需求；（7）系統(tǒng)主要元件散熱優(yōu)化；（8）簡化操作，信息化駕駛控制的需要。

2.4 改后效果

改造后的先導(dǎo)油源閥組在挖掘機(jī)啟動但不執(zhí)行挖掘動作時，先導(dǎo)泵輸出的液壓油可通過另外一個溢流閥銅扣回流到挖掘機(jī)的油箱，解決了挖掘機(jī)啟動狀態(tài)下不執(zhí)行挖掘動作液壓油遺留及壓力損耗的問題，優(yōu)化了挖掘機(jī)整機(jī)工作的性能。此外，先導(dǎo)源油閥組對于先導(dǎo)泵能夠起到保護(hù)效果，一方面降低了系統(tǒng)維護(hù)的成本，另一方面減少了燃油的損耗，節(jié)約了燃油成本。

3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

2009年3月份，ex3600-6型號的液壓挖掘及在工作狀態(tài)下發(fā)生液壓反鏟下坑的問題。該型號的小型液壓挖掘機(jī)機(jī)身質(zhì)量小、購入價格低、應(yīng)用場景廣泛，適合大部分小型項目工程工作場景。其最高月產(chǎn)記錄達(dá)42.3萬立方米。ex3600-6小型挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)采用KpFKCEL7/kwqj7EBQdEnm2yPZEFf3H9qjSGrYFmS728=了液壓系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)計。這種驅(qū)動設(shè)計可以免去工作現(xiàn)場電纜對于系統(tǒng)控制的感染，行駛回路相對靈活，能夠適應(yīng)刷幫、上1170工作面上、1240踩場上、坡道工程等方面的工作。ex3600-6挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)由動力元件、執(zhí)行元件、控制元件和一些輔助裝置元件組成，各元件采用油管連接組合。基于挖掘機(jī)工作場景的特殊性，以及高強(qiáng)度的工作，要求液壓系統(tǒng)及其他主要元件應(yīng)該具備極好的密封性，系統(tǒng)具有較好的抗沖擊、抗震動性能。特別是液壓元件及油管管理，抗沖擊、抗震動性能越好，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定系數(shù)就越高，挖掘機(jī)在特殊環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和安全性就越高。

3.2 主要元件的選用

3.2.1 溢流閥

溢流閥的作用是限制系統(tǒng)壓力。通過設(shè)定一個最高壓力，預(yù)防系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)過載或壓力過大的問題，是液壓維持在一個相對穩(wěn)定的壓力值范圍內(nèi)。該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計選用二級同心先導(dǎo)式溢流閥，將其設(shè)計在泵的出油口位置，通過溢流閥控制系統(tǒng)壓力，使壓力保持在相對恒定的狀態(tài)，從而預(yù)防液壓系統(tǒng)運行過程中超壓，增加系統(tǒng)的安全性。

3.2.2 過載閥

過載閥的作用是超載提醒，以及限制超載執(zhí)行。想要實現(xiàn)這一作用，需要在原液壓系統(tǒng)的液壓缸與行走馬達(dá)管路中間增設(shè)一個過載閥和高敏感監(jiān)測傳感器。在挖掘機(jī)出現(xiàn)超載問題后，液壓系統(tǒng)的液壓量加大，傳感器就能自動監(jiān)測到油液量和流量的變化，將液壓變化信息反饋給系統(tǒng)。系統(tǒng)在接受到信息反饋后調(diào)動過載閥指令，控制油液輸出量和流速，限制行走回路行走，提醒駕駛員超載，并限制超載執(zhí)行。為系統(tǒng)增加過載閥有利于保護(hù)液壓缸、行走馬達(dá)等重要元件及液壓系統(tǒng)，延長部件使用壽命，降低維護(hù)成本。

3.2.3 單向閥

傳統(tǒng)小型液壓挖掘機(jī)在多部件執(zhí)行運動時無法固定到制定位置。針對該問題，可利用單向閥控制油液倒流的原理，在油管管路端口增加單向閥，解決油液倒流的問題。單向閥阻擋油液倒流，就能保證執(zhí)行元件油液壓力的恒定，從而確保多部件執(zhí)行時系統(tǒng)能夠有效的控制執(zhí)行元件停止。

3.2.4 換向閥

換向閥是用于改變壓力油的方向。傳統(tǒng)小型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)采用了一組三位四通換向閥，換向閥換過程中易發(fā)生油液倒流的問題。在進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時，將一組三位四通換向閥更換為兩組兩位兩通換向閥，設(shè)計左右閥位換向，簡化了換向操作，提高了換向效率。這種設(shè)計有利于系統(tǒng)換向過程中更加高效的完成壓力油的調(diào)整，快速的改變壓力，從而提高系統(tǒng)控制執(zhí)行元件的效率，增加了執(zhí)行元件動作的靈活性和停止固定位置的靈活性。

3.3 基本回路的設(shè)計

3.3.1 閉鎖回路

當(dāng)動臂操縱閥處于中位時油缸口呈閉鎖狀態(tài)，但是，由于滑閥密封性等因素影響容易產(chǎn)生漏油情況，由于動臂受重力影響會產(chǎn)生下沉，特別是小型挖掘機(jī)在作業(yè)時需要停留在空中保持不變，因此特地增加了動臂支持閥組。如圖1所示，二位二通閥在彈簧力的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，此時動臂油缸下腔的壓力油通過閥芯內(nèi)鉆孔通向插裝閥上端，將插裝閥固定住，也阻止了油缸里面的油從B流向A，起到一個閉鎖作用。當(dāng)操縱臂下降時，在油壓P的作用下，此時二位二通閥處于互通位置，動力臂的油缸里的油通過油道流向二位二通閥，在節(jié)流孔的的作用下，插裝閥上下會形成壓力差，在壓力差的作用下客服彈簧力后將插裝閥打開，由此壓力油由B流向A。

3.3.2 再生回路

當(dāng)動力臂下降時，在重力的作用下導(dǎo)致降落速度過快而容易產(chǎn)生危險，加上動力臂缸上容易產(chǎn)生吸空。少數(shù)小型挖掘機(jī)會選擇裝上單向節(jié)流閥，致使動力臂的下降速度收到限制，但是這也導(dǎo)致動力臂工作效率降低。當(dāng)小型挖掘機(jī)采用再生回路時，如圖2所示，動力臂下降，油泵的又通過動力臂操縱閥進(jìn)入到油缸內(nèi)，再由動力臂下腔的油經(jīng)過節(jié)流孔流回郵箱，以此提升回油壓力，使得液壓油通過補(bǔ)油的方式來給動力臂提供動力，因此，當(dāng)發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速低或泵的流量底時，防止因為動力臂重力原因?qū)е聞颖鄹桩a(chǎn)生吸空現(xiàn)象。

3.3.3 節(jié)流回路

節(jié)流回路設(shè)計借助節(jié)流閥實現(xiàn)對油液流量、流速的調(diào)控，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的各執(zhí)行部件所需要的油耗量定量提供油量和，達(dá)到調(diào)節(jié)執(zhí)行部件油耗量和降低油耗的目的。圖3（A）展示的是進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，節(jié)流閥3安裝在高壓油路上，液壓泵1此時與節(jié)流閥3進(jìn)行串聯(lián)，在節(jié)流閥3前面裝設(shè)了溢流閥2，壓力油經(jīng)過節(jié)流閥3和換向閥4進(jìn)入到液壓缸5當(dāng)中，使得活塞向右移動。當(dāng)挖掘機(jī)負(fù)載增加時，液壓缸內(nèi)壓力增加，導(dǎo)致節(jié)流閥前后壓力產(chǎn)生變化，節(jié)流閥流量減少，活塞的移動速度減少，少部分油通過液流閥回到油箱中。反之，當(dāng)挖掘機(jī)負(fù)重較小時，節(jié)流閥進(jìn)入到液壓缸的流量變大，活塞移動速度提高，液流量減少。但是，這種方式容易產(chǎn)生滲漏風(fēng)險，回油無阻尼，容易發(fā)熱，導(dǎo)致效率低。

圖3（B）為回油節(jié)流調(diào)速，把節(jié)流閥安裝在低壓回路上，以此來限制回流量。當(dāng)回油進(jìn)入到油箱后，并不會直接影響元件的密封效果以及回油有阻尼，工作速度穩(wěn)定。

DmRJKWWCaA8uZnrIlDVJdF3rTfsRvp9KYa4C0CzUlNM=小型液壓機(jī)的工作裝置上為了保障作業(yè)安全，在液壓缸的回油路上安裝單向的節(jié)流閥，以此限制回油流速。如圖3（C）所示，為了有效防止動力臂的重力過大而產(chǎn)生危險，特地將液壓缸的大腔回油路上安裝單向節(jié)流閥，此外，在斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸上都有安裝單向節(jié)流閥。

3.4 設(shè)計參數(shù)的計算

（1）小型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計涉及到的主要參數(shù)包括泵流量、油箱容積、油管尺寸等，設(shè)計參數(shù)的計算分別參考下式1、式2、式3。

（2）泵的選擇

根據(jù)各工作裝置的流量情況選擇初定為組合泵，由主泵提供：左行走、動臂及斗桿；第二泵提供：右行走、回轉(zhuǎn)、鏟斗、斗桿及動臂

在轉(zhuǎn)速的情況下除動臂缸無法單泵滿足外其他各個回路均滿足，動臂采用兩泵合流也能達(dá)到要求。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的小型液壓挖掘機(jī)在系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性等方面性能有待提高，駕駛操作強(qiáng)度較高，微操縱和復(fù)合操縱性能有待提升。隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展及在機(jī)械制造中的應(yīng)用，促進(jìn)了小型液壓挖掘機(jī)信息化、智能化的發(fā)展。本文對傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)問題進(jìn)行了分析，針對問題提出了設(shè)計優(yōu)化及改進(jìn)思路。通過在液壓系統(tǒng)設(shè)計中加入一些智能化高敏感傳感器元件，設(shè)計出新一代的負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)，再對先導(dǎo)油源閥組和油路進(jìn)行改進(jìn)，從結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計方面進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出節(jié)流效果好、生產(chǎn)高效、操作便捷簡單、機(jī)身質(zhì)量較輕、執(zhí)行靈活性好、油耗低、系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性好、維護(hù)管理便利的信息化、智能化小型液壓挖掘機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳加才，李翔龍，唐昊.面向液壓挖掘機(jī)優(yōu)化設(shè)計過程的專題知識庫研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2023（04）：223-228.

[2]孫丙磊.小型液壓挖掘機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)設(shè)計探究[J].中國設(shè)備工程，2022（12）：21-23.

[3]王智森，汪兆棟，張少懷.液壓挖掘機(jī)動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].中國工程機(jī)械學(xué)報，2022（01）：75-80.

[4]劉春梅，梁德堅，梁永江.清潔高效新型礦用液壓挖掘機(jī)設(shè)計研究[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018（03）：75-79+87.

[5]劉慶元.小型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計[J].民營科技，2012（12）：17.

[6]楊敬，邢少華.小型液壓挖掘機(jī)液壓機(jī)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2012，33（06）：256-258.