小型液压挖掘机机械结构和液压系统设计探究

孙丙磊

（力士德工程机械股份有限公司，山东 临沂 276715）

1 液压挖掘机

1.1 小型液压挖掘机简介

我国经济的高速发展带动了一系列行业的进步，工程机械也不甘落后。其中挖掘机的发展受益于经济的稳健发展，逐渐成为挖掘机重要力量的小型挖掘机也得到了较快的发展。

小型液压挖掘机具有质量小、功能多、效率高、价格低、结构简单、保养维修方便等诸多优势，在城镇的管道开挖与铺设、修复路面、小型的基础建设、公共事业与房屋维修、栽培园林、清淤河道等情景下具有不可替代的作用。在大型挖掘机无法施工的环境中，体型紧凑、行动便捷的小型挖掘机首当其冲，并在越来越多的领域发光发热。小型挖掘机具有独特的液压动力系统，使得其可以安装更多辅助作业工具。小型挖掘机相较于其他挖掘机具有尾部旋转半径为零的特点，在作业空间狭小的情况下，不必过多考虑是否阻碍挖掘机转动，这就使得驾驶员可以专注于前方铲斗的操作，大大降低了周围施工现场损坏建筑物以及自身的可能性。小型挖掘机能够在很大的范围内摆动，得益于自身动臂与机身铰接的设计，这样的设计让小型挖掘机在周围有障碍物的情况下有了更多的操作空间，同时也减少了经常移动机身的麻烦，在墙壁或者围墙旁边进行挖掘工作也没有丝毫问题。在运输方面，小型挖掘机更小的体型大大方便了它的运输，小型的运输工具就可以满足各个施工现场转移的需求，大大降低了机器的运输成本。

1.2 小型液压挖掘机发展趋势

目前，挖掘机发展趋势发展主要体现在功能多样性，操作智能化，表现为：（1）研发品种多样、功能齐全的挖掘机，同时保证其使用寿命以及较高的效率，以满足更多、更复杂施工环境的要求。（2）液压系统的研发一刻不能停止，高新电子技术、无线电控制、电子计算机与其配套的一系列电子产品，为挖掘机的操作提供更精准的保障，未来无人遥控挖掘机执行任务，甚至一人控制多台设备将不再是梦。（3）液压挖掘机理论知识的发展同样不能落下，历史已经证明一套成熟的理论知识能够不断提升其性能。

2 挖掘机液压系统概述

2.1 小型挖掘机液压系统的基本组成及其基本要求

挖掘机液压系统，作为液压挖掘机最重要的组成部分，简单来说就是按照整体的工作装置以及各种元件之间的设计要求，用管路将各种液压元件合理地连接起来。液压系统是通过液压油来传递能量，实现将液压能转化为机械能，借助液压泵激发液压元件，最终实现小型挖掘机的所有规定动作。小型挖掘机的液压系统按照不同的功能可以分为三大部分，首先是执行基本动作的工作装置系统，然后是完成整机回转的回转装置，最后则是执行液压机行走功能的行走系统。小型挖掘机的工作装置有三大部件以及相应的液压缸组成，三大部件分别是动臂、斗杆和铲斗，各自组成了自己的液压回路。回转装置是为了将行走装置以上所有部件能够向左或右回转，主要包括整个工作装置系统和上部转台，回转马达是完成该动作的主要液压元件，并且有专门的回转系统。回转系统是整体设计中比较重要的部分，具有较高的设计要求，在执行复合动作时，必须考虑合理分配机构的流量，具体工作是要求能够迅速回转、启动和制动时减小冲击、振动、摇摆。行走装置顾名思义主要负责整个机构的行走任务和支撑挖掘机的全部质量，本论文主要采用履带式结构，并不过多研究。行走装置的主要液压元件为左右行走马达，可以完成左右2边单独行进和同时行进。在小型挖掘机直线行进过程中，同时执行挖掘动作时不会造成行进路线偏移。

小型液压挖掘机执行的动作比较复杂，工作装置系统主要机构需要频繁的启动、制动、回转、换向，挖掘和卸料负载变化大，这就导致了整个系统冲击摇摆振动比较多，同时工作环境无法保证，温度环境影响较大，所以对设计小型液压挖掘机具有较高要求，主要包括如下方面。

（1）工作装置的3个主要部件动臂、斗杆、铲斗之间可以相互配合执行复杂的复合运动，同时单独运动时对其他部件无影响。

（2）工作装置系统和回转系统之间既可以单独运动又可以相互配合执行复合运动，从而提高小型挖掘机的生产效率。

（3）行走系统的左右履带需要实现各自驱动和共同驱动，提高小型挖掘机的灵活性，保证在狭窄环境以及一些不适合转弯的地方可以原地转向。

（4）小型液压挖掘机的一切动作均可以实现可逆，且无级变速，确保生产效率。

（5）确保挖掘机的安全性能，保证和液压元件有可靠的过载保护，行走装置系统和回转系统制动和限速确保安全，要设置安全提醒，确保动臂不会因为超重而迅速下落，损坏周围和自身设备。

对其液压系统也要有一定要求，如下。

（1）传动效率较高，充分利用发动机功率，寻找动力装置和液压传动最佳配合，能量回手，保证节能和经济最大化。

（2）工作装置系统和回转系统在工作过程中经常面对较大的负载变化，保证在启动制动连续工作时有解决冲击振动的能力，确保安全可靠。

（3）为挖掘机安装必要的冷却装置，确保油箱液压油的温度不可过高，保证主力机具备连续工作的能力，生产效率最大化。

（4）施工现场环境变化不确定，大多尘土飞扬，容易造成液压元件阻塞和液压油污染，做好整个系统的密封和安装防尘装置，同时为了保证污染的液压油不会进一步污染液压系统，液压系统中要增设必要的过滤器和滤油器。

运用电液伺服控制系统，提高液压系统可操纵性，减少驾驶员劳动强度，完善自动控制系统。

2.2 小型挖掘机液压系统的基本动作分析

为了充分了解小型液压挖掘机的液压系统，就要明白小型挖掘机的整个工作流程，以及在此流程中各个元件如何运动，尤其是多个液压作用元件共同作用执行复合运动时，各个系统之前的配合情况。接下来，对挖掘机进行简单挖掘动作的基本工作循环，分别是挖掘—挖斗举臂回转—卸料—回转至原来位置，最后行走至下一工作地点。

2.2.1 挖掘

铲斗液压缸和斗杆液压缸均可推动液压杆执行挖掘动作，有时二者需同时工作进行挖掘。当二者同时工作时，铲斗与斗杆有复合运动，必要时辅以动臂动作。面对挖掘过程中“挖不动”情况时，液压系统短时增加压力，提高主要压力阀压力，继而将障碍物挖除。

2.2.2 挖斗举臂回转

第一个动作结束时，动臂液压缸推动动臂升起，挖斗提升，与此同时回转系统工作，旋转工作台转向卸料位置。此动作主要包括动臂和回转系统的配合运动。

2.2.3 卸料

回转装置完毕，到达指定位置，斗杆液压缸推动斗杆调节卸料半径和卸料高度，用铲斗液压缸工作完成卸料，此过程主要是斗杆液压缸和铲斗液压缸的共同动作，必要时辅以动臂液压缸。

2.2.4 回转至原来位置

卸料结束，回转系统工作，反向回转至挖掘位置，同时动臂液压缸和斗杆液压杆执行复合运动，准备重新进行挖掘动作。

2.2.5 行走至下一工作地点

行走过程中可能将液压元件动作调整，要注意直线行驶，在装车运输和上下卡车时，容易发生倾斜危险。

3 挖掘机液压系统设计

3.1 挖掘机液压系统的设计要求

液压挖掘机能够执行复杂动作，同时具有行走系统、回转系统、动臂系统、斗杆系统、铲斗系统的多系统、多自由度工程施工机械。这些系统在野外环境工作时，常常面临启动、换向、制动、回转以及外界负载较大变化、冲击、摇摆、振动频繁的状况。因此挖掘机液压系统需要具备很高的设计要求，以保证工作效率和工作年限，同时避免需要经常维修的问题。根据以上液压挖掘机特点，对液压系统设计提出以下5点要求。

3.1.1 动力性要求

在挖掘机发动机最大允许范围内，利用发动机功率让系统做更多的有用功，提高整体的挖掘效率，这需要液压系统与发动机之间优良的传动匹配。面对不同情况，需要液压系统能给出不同的解决方式。

3.1.2 操纵性要求

衡量液压系统设计好坏的重要方面就是具有很好的调速操纵控制性能。一个好的液压系统可以准确反应驾驶员的操纵意图，并且准确反应在液压系统各个执行元件。挖掘机面对不用的工作环境，面对的阻力各有不同，需要快速反应外界变化，依靠液压系统良好的调速性能，快速完成功率变化，从而完成生产要求。操纵性能不仅体现在调速性要求，同时还要有复合操纵性要求。复合操纵性要求具体体现在挖掘机在执行复合动作时，各个液压系统之间的相互配合程度。因此如何在执行复杂运动，各执行机构同时运作时，快速反应到每个执行机构，并且各个机构之间不会互相影响，良好的复合操纵性能是衡量一个液压系统好坏的重要标准。

液压系统中的子系统在执行复杂运动时，要求合理分配系统流量，期间互不影响，共同完成主机的复杂动作要求。就行走系统而言，左右行走马达可以实现单独运动，也需要完成共同运动，在挖掘机运输或者工作时，左右行走装置共同运动情况较多，这就着重考虑左右行走马达的直线行驶能力。如果没有考虑到复合操纵性能，行走过程中，一边行走马达因为流量分配不均、速度降低，发生意外的可能性很大。在执行非常艰巨的挖掘任务时，各工作系统以最大功率工作，将会导致液压系统供油量不足，高压工作系统动力不足，执行速度降低，甚至出现停机的情况。在极端情况下，协调好系统液压油的优先供给顺序也是考验液压系统复合操纵性能的衡量标准。

3.1.3 节能性要求

挖掘机在负荷工作时，工作时间大大增加，能源消耗大，其中因为执行系统和管路中无效的能源消耗也会增加，为了更好地提高系统的工作效率，就要充分考虑到一这部分无效的能源消耗，从这方面下手，充分考虑系统的节能性。

3.1.4 安全性要求

挖掘机在野外工作环境恶劣，工作时负载变化大，情况不明确，要求液压系统具有很好的保护措施，过载时要及时切断系统油路，防止负载过大时，对液压执行元件产生的损害。回转系统要设计缓冲回路，防止突然制动回转对回转系统完成的冲击损坏，行走系统要安装行走限速回路，防止在下坡时，发生溜坡等危险。

3.1.5 其他性能要求

应用标准的零部件和常见的液压元件，要方便挖掘机的维修，降低成本。同时在选择零部件时，尽可能选择耐久性比较好的产品，适用于野外工作。面对不同的工作环境，应有不同的标准，在城市施工时，要选择一些噪音小、振动不明显的机型。要尽可能改善驾驶室环境，提高驾驶人员的操作体验。

3.2 挖掘机液压系统分析

3.2.1 主要技术参数

额定工作压力16MPa，最大流量63l/min，最大负载力50000N。

3.2.2 方案的拟订

（1）进一步分析挖掘机一个工作循环的4个工况，即挖掘、挖斗举臂回转、卸料、回转至原来位置。确定每个工况下各个执行系统所要执行的动作，以及复合动作。

（2）结合上述液压系统的设计要求，选择合适的液压元件。

（3）提出一种拟订的液压系统方案，整体设计有效直观。

3.2.3 拟定的液压系统

该液压系统为开式系统，单泵单回路系统。共有7个执行元件，分别为动臂油缸、铲斗油缸、斗杆油缸、回转马达和左右行走马达。主控制阀为德国Rexroth公司的LUDV系统，采用单泵变量系统，通过负载感应系统分配泵的排量，提高执行元件的运行速度。

4 结语

本文简单介绍了挖掘机液压系统的基本组成部分以及基本要求，明确了液压系统设计中的一些基本概念，为接下来液压系统的进一步设计提供了参考基础。了解挖掘机液压系统中各个回路的作用及各个回路的位置，才能更好地完成对液压系统的设计。液压系统的设计需要从小处着手，从元件到回路到系统，一个成熟的挖掘机液压系统需要各个系统有序精准的配合，这样的液压系统才能使挖掘机具有安全可靠、节能、操作简单、生产效率高等一系列优点。