轮式液压挖掘机液压系统设计４Ｊ７轮式液压挖掘机液压系统设计张文海１１．山东交通学院工程机械研究所济南市２５００３２２．武警交通部队西藏阿里嘎尔县八支队阿里８５９０００摘要：随着经济的发展，轮式液压挖掘机的需求量日益增长，结合轮式液压挖掘机的开发实践，分析了轮式液压挖掘机液压系统设计计算的过程。关键词：工程机械轮式液压挖掘机液压系统设计述轮式液压挖掘机是轮胎行走、周期作业、建筑型的挖掘机，是铲土运输机械中的机种之一。它由于行走速度快、能远距离自行转场及可快速更换多种作业装置，以其机动、灵活、高效的鲜明特点在机场、港口、油田、矿藏、城乡建设、农田水利、快速抢修等的物料挖掘、搬移方面得到充分利用。液压单斗反铲轮胎挖掘机由柴油机或电动机驱动液压主泵，产生高压油输送到多路阀，由先导控制阀操纵经多路阀送往有关液压执行元件（液压缸或液压马达等），驱动相应机构进行工作。轮式液压挖掘机的主要结构由工作装置、驾驶室、回转机构、动力装置、传动操纵机构、底盘和辅助设备等组成。一般工作装置工作过程中往往需要两个以上复合动作以及动臂、斗杆动作的合流，以充分利用发动机的功率和缩短循环作业时间。现代轮式液压挖掘机的行走一般采用液压——机械传动，即高压油由中心回转体至行走液压马达直接驱动变速器，再经传动轴、驱动桥驱动车辆的行走。
行走速度一般分为高低两挡或多挡位，低挡为工作或越野时行走速度，高挡为公路行走速度。由于使用变量液压机构，从而实现行驶速度与牵引力的无级变化。后桥采用刚性联接，使结构简单，前桥采用悬挂摆动式，中部与车架铰接，两侧设有悬挂油缸，目的是提高挖掘机的性能。目前轮胎式液压挖掘机广泛采用偏转前轮液压转向方式，并利用反馈机械解决转向盘与转向轮之间的联锁问轮胎式液压挖掘机偏转前轮液压转向是通过转向器的操纵，油泵输出的压力油经中心回转接头进入转向油缸，推动左转向节臂，使其绕转向节主销转动。通过转向横拉杆带动右转向节臂，使两侧转向轮同时偏转，从而实现转向。转向器由驾驶员操纵转向盘控制。２对液压系统的要求（１）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以互相配合实现复合动作。（２）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能做复合动作，以提高挖掘机的生产率。（３）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。（４）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带下降和整机超速溜坡。（５）挖掘作业时，防止前桥摆动，以提高挖掘机的作业稳定性；行走时，使挖掘机要有足够的附着力。
（６）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。（７）转向灵活，减轻驾驶员的劳动强度。３系统方案的拟定（以８ｔ轮式液压挖掘机为例）系统工作压力Ｐ、流量Ｑ，以及两者的乘积，即系统液压功率Ｎ是液压系统的主参数。在液压系统的设计中，４１８中国公路学会筑路机械分会第１６届学术年会论文集一般先选定工作压力Ｐ，然后根据各执行元件的运动速度，来确定流量Ｑ．系统工作压力Ｐ要根据技术要求、经济性及制造可能性等三方面来选定，选系统工作压力ｐ＝３００００ｋＰａ，辅助泵压力ｐ＝１６ＭＰａ。液压元件的选择要根据主机的性能，要选批量生产的标准产品，在液压挖掘机中，一般执行元件采用液压缸、液压马达，动力元件采用液压泵。循环形式分开式和闭式两种，开式系统是液压挖掘机的基本循环形式，闭式系统中的油液自成循环，无须经过油箱交换，吸油条件好，能实现功率反馈，没有节流损失和换向损失，系统效率较高。闭式液压系统工作原理如图ｌ所示。图１闭式系统调速方式分为节流调速、容积调速、容积节流调速三大类，调速回路的选用主要考虑执行机构的负载性质、运动速度、速度稳定性等要求，工作环境要求，经济性要求。
在此次设计的系统中，行走和回转部分采用容积调速回路。原因是：容积调速中既没有溢流损失，也没有节流损失，系统发热低，调速范围大、效率高。变量泵和变量马达组成的调速回路工作原理如图２所示。回路方案如图３所示图２变量泵和变量马达组成的容积调速回路图３回路方案图轮式液压挖掘机液压系统设计４Ｊ９４液压系统的计算（１）已知参数：发动机功率、发动机转速、机械总重、行走速度、回转速度、动臂油缸推力、斗杆油缸推力、铲斗油缸推力、推土铲有缸推力。（２）液压泵参数的确定。液压泵是能量转换装置，是液压系统的动力元件，把原动机的机械能转换成液体的压力能输入到液压系统中，供液压系统使用。目前，由于轴向柱塞泵具有密封性能好，工作压力高，容易实现变量和单位功率，重量轻等优点。所以，轴向柱塞泵在液压挖掘机得到广泛应用。为此，主泵选用变量轴向柱塞泵，辅助泵采用齿轮泵。泵的功率为Ｎ＝ＰＴ１式中ｎ发动机的效率，ｋｗ。由于系统采用一个主泵和一个辅助泵，所以要进行功率匹配，为使液压泵用足发动机的功率，假设主泵的功率Ｎ，＝４９ｋｗ，辅助泵的功率Ｎ：＝８ｋｗ，则主泵的流量为Ｑ。＝Ｎ。／ｐ，式中ｐ为主泵的压力，为３０ＭＰａ。主泵的排量为Ｑ＝Ｑｔ／ｎ，主泵的实际功率为式中Ｔ１液压泵的效率，Ｔ１＝Ｔ１ｎ。
；Ｔ１，，液压泵的容积效率；Ｔ１。液压泵的机械效率。辅助泵的流量为Ｑ＝Ｎ声辅助泵的排量为Ｑ．＝Ｑ，，Ｎ，辅助泵的实际功率为Ｎ２＝Ｐ。Ｑ。‘ｒ１式中ｎ——液压泵的效率，ｎ＝Ｔ１ｒ１。；ｒ１．，——液压泵的容积效率；Ｔ１。——液压泵的机械效率。（３）油缸参数的确定。液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的能量转换装置。由于其结构简单，工作可靠，在挖掘机中得到广泛应用。工作液压油缸缸径根据液压油缸推力决定，由于采用高压系统：油缸的回油背压初算时可忽略不计。动臂液压缸Ｄ１－岳抖液压缸。，＝辱推土铲液压缸Ｄ４－辱变量系统具有流量调节的特性，允许以低速克服高峰负荷，假设动臂、斗杆液压缸全推力时，伸ｍ逮度降为ｖ＝５ｃＩｌｌ，ｓ，铲斗液压缸全推力时，伸出速度降为ｖ＝６ｃＩＩｌ，ｓ，则液压缸所需流量为斗杆液压缸Ｑ：＝铲斗液压缸Ｑ，＝式中Ｔ１。——液压缸的容积效率。６０６０１０００‘ｎ。（４）行走马达参数的确定。液压马达和液压缸一样，都是把液压能装换成机械能，在液压系统中都是执行元ＶＶＡＡ４２Ｄ中国公路学会筑路机械分会第１６届学术年会论文集件。按其结构形式的不同液压马达可分为齿轮式、叶片式和柱塞式。
目前，柱塞式液压马达在挖掘机上应用较多。根据液压泵的参数确定液压马达的流量，应稍大于液压泵的流量，使柴油机最高转速时不使液压马达超速。设液压马达的流量仍为１６５‰ｉｎ，而转速ｎ＝２００，血ｎ。马达的排量ｑ＝（（１０）马达的最高转速ｎ＝Ｑ，ｑＴ１。（１１）式中Ｔ１，，马达的容积效率。最大输出扭矩Ｍ～＝０．１５９Ｐｍ。‘ｑ‘”。（１２）起动扭矩Ｍｏ．０．１５９Ｐ。。‘ｑ’ｎ’。（１３）式中Ｔ１。马达的机械效率。因为挖掘机工作条件很差，经常在崎岖不平的土地上行驶，为使挖掘机的行走性能优越，能根据道路阻力或 上坡等工况自动调节输出扭矩，所以采用变量液压马达。 （５）回转马达参数的确定。参考同类机型，假设转台以上总转动惯量Ｊ＝４００００Ｎ ｍｓ２、回转角加速度ｄ／ｄｔ＝０． ３ｒ／ｓ２，回转马达的工作压力Ｐ－２２ＭＰａ，则挖掘机回转部分惯性阻力矩 （１４）设回转支撑阻力矩：Ｍ，＝１５００Ｎ 则总阻力矩：Ｍ＝Ｍ，＋Ｍ，根据回转速度ｎ＝１０ｒ／ｒＩｌｉｎ，回转机构传动比ｉ－１２０，算出回转马达的转速：ｎ’＝ｉｎ 回转马达的输出力矩Ｍ’＝Ｔ詈｝ （１５） 式中ｒ１回转机构的效率。 回转马达的排量ｑ＝ Ｍ０．１５９ ＰＭ积‘Ｔ１ ｍ式中Ｔ１。
马达的机械效率。 则回转马达的实际最大输出扭矩ＭＭ胍＝ｏ．１５９‘ＰＭ。’ｑ‘Ｔ１。 回转马达的起动扭矩Ｍｏ＝０．１５９ Ｐ‘ｑ‘Ｔ１’。 式中Ｔ１。马达的机械效率 （６）主油管管径和油箱容量。液压挖掘机中，主管路的油液流速根据系统压力设定， ７ｒＩｌ／ｓ，取ｖ＝６ＩＩｌ，ｓ，高压系统为７～１２ＩＩｌ，ｓ，取ｖ＝１０ＩＩｌ，ｓ．根据此计算主管路的管径 （１６） （１７） （１８） 一般，中高压系统为５～ 油箱容积Ｖ可以取液压泵总流量的１—２倍。 （７）转向器的确定。已知转向液压缸的总排量Ｑａ＝ｏ．７６Ｌ（卡拉罗转向桥）。则 转向器的排量：ｑ－１呵（Ｌ／ｒ）（１９） 式中ｎ转向盘的总圈数。当内导向轮单边转角最大（３５０～５００）时，转向盘单边转动量为１—２圈，车速高时， 可增至２～３圈。所以取ｎ＝２。 ｒ１。转向液压缸的容积效率，取Ｔ１。＝０．９５ （２０）（８）蓄能器的选用。蓄能器是液压系统中得储能元件。它能储存一定量的压力油，并在需要时迅速地或适量地 释放出来，供系统使用。蓄能器的主要作用有：又作辅助动力源（节能）用作应急油源；使系统保压； 缓和冲击，吸收压力脉动，减振。 轮式液压挖掘机液压系统设计 ４２Ｊ 根据公式：作辅助动力源时 ｐ０——充气压力按Ｏ．９ｐ。
＞ｐ０＞０．２５ｐ２充气；ｖ。——工作容积Ｌ； ｐ，——最低压力Ｐａ； ｐ，——最高压力Ｐａ； ｎ——指数，等温时取１，绝温时取１．４。 蓄能器中气体压缩或膨胀的时间在１ＩＩｌｉｎ以上时，可近似认为是等温过程。 蓄能器中气体压缩或膨胀的时间在１ＩＩｌｉｎ以下时，可近似认为是绝温过程。 已知：选择意大利卡拉罗的车桥（前轮转向桥四轮驱动系统） 最大允许制动压力： 前桥４４１０５Ｐａ 后桥５０１０５Ｐａ 最小制动压力： 前桥３７．５１０５Ｐａ 后桥１０５Ｐａ 每个轮子制动所需流量＝ 前桥１１ｒｎＬ（新）／１１．３ ｍＬ（磨损后） 后桥１１ ｒｎＬ（新）／１１．３ ｍＬ（磨损后） 前桥制动蓄能器 Ｖ。（ｐｌ”４ｖ０ 选择有效制动参数３次，则Ｖｘ＝０．０６６。根据Ｐ０充气压力按ｏ．９ｐ。＞ｐｏ＞ｏ．２５ｐ：充气， 后桥制动蓄能器 选择有效制动参数３次，则Ｖｘ＝０．０６６根据ｐｏ充气压力按０．９ｐｌ＞ｐｏ＞ｐ２充气， ５液压系统工作原理 Ｖ。（ｐ１ｐｏ）８Ｖ０ ２Ｔ鞴 Ｖｏ－端 （２１） （２２） （２３） 整个液压系统分为上车和下车两部分。上车液压系统为旋转平台以上，有３个液压缸及液压泵、回转马达、 控制阀等。
下车液压系统处于底盘上，有２个支腿油缸、１个行走马达。上车液压油通过中心接头进入下车液压 系统，驱动行走马达旋转，使整车行驶。 该液压系统主要由主泵供油，主泵输出的液压油经主控阀驱动回转马达、动臂缸、斗杆缸、铲斗缸、行走马 达。辅助泵输出的液压油经油源阀进入先导控制系统和转向系统。 行走马达采用变量马达，它可以根据道路阻力或上坡等工况自动调节输出扭矩。因而挖掘机的行走速度具有 无级调节功能。 在工作过程中，动臂、斗杆都有可能发生重力超速现象，故在回路中采用了限速措施（如图４所示），行走马 ４２２ 中国公路学会筑路机械分会第１６届学术年会论文集 达在下坡时也会产生重力超速现象，为防止超速溜坡，在回路中设置了限速阀。 为了防止马达出现“热冲击”现象，在马达壳体内引出一个油口直接与油箱相通，使马达壳体内保持一定的 循环油，从而使马达各零件内外温度和液压油温保持一致。所谓的“热冲击”现象是指进入液压马达内部（柱塞 腔、配油轴内腔）和马达壳体内（泄漏低压油）的液压油的温度不一致，使马达各零件膨胀不等，会造成密封滑动面 卡死。 控制系统采用德国Ｒｅｘｒｏｔｌｌ公司的ＬｕＤＶ控制系统，所谓ＬＵＤＶ控制系统，即是指负载独立流量分配系统， 该系统以执行元件的最高负载压力来控制液压泵的斜盘并具有压力补偿功能，这种功能是通过设在主阀芯后的压 力补偿阀来实现的。
其工作过程如图４所示。 ４图４轮式液压挖掘机液压系统设计参考文献 【１】张玉川．进口液压挖掘机国产化改造．四川：西南交通大学出版社，１ ９９９． ［２】张铁．液压挖掘机结构原理及应用．东营：石油大学出版社，２００２． 【５】张利平．液压传动系统及设计．北京：化学工业出版社，２００５． ［４】李芳民．工程机械液压与液力传动．北京：人民交通出版社，２００５． 【５】成大先．机械设计手册（单行本）液压传动．北京：化学工业出版社，２００４． ［６】江国耀．力士乐ＬｕＤＶ系统．北京：工程机械，２００４． 【７】同济大学．单斗液压挖掘机（第二版）．北京：中国建筑工业出版社，１ ９８６．
