對于小型液壓挖掘機機械結構及液壓系統設計分析

摘 要：近些年，我國加強了對制造業數字化轉型升級發展的推動，提出制造業與新一代信息技術融合發展，制造生產智能化產品。在這種背景下，挖掘機設計及制造也面臨著智能化的轉型升級。液壓系統在小型挖掘機中的應用，對于推動其智能化、信息化發展和提高小型挖掘機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機械結構及液壓系統設計做簡要分析。

關鍵詞：小型液壓挖掘機 機械結構 液壓系統

1 引言

從上世紀90年代以來，小型挖掘機進入中國市場后，以其功能多、施工效率高、機身質量小、購入成本低、結構簡單、維修保養便利等優點，快速的搶占了挖掘機大部分市場，取代了大中型挖掘機在市場的主導地位。小型液壓挖掘機在整機設計上保留了通用挖掘機的結構特征，設計為底盤、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、液壓閥設計而成。其動力主要由液壓系統提供，液壓系統根據功能分為執行裝置系統、整機回轉裝置系統及行走系統，設計時用到的主要部件有動臂、鏟斗和斗桿。隨著我國中小企業的快速發展，小型液壓挖掘機應用到各類中小型工程建設施工中，為社會的建設和經濟的發展做出了突出的貢獻。

2 小型液壓挖掘機機械結構

2.1 結構組成

根據市場上常見的小型液壓挖掘機，其整機結構主要由底盤、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、斗桿構成。工作裝置由液壓系統控制。液壓系統由先導油源閥組及基本回路組成。先導油源閥組部分設計用到的構件包括過濾器、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 結構問題

傳統的小型液壓挖掘機液壓系統在設計上未考慮到負載壓力、功率及流量變化在系統中的信息反饋。kuuvvFjI3NomAFAth7IVJLafHzyoBse4pW35w3IDqCA=由于系統在運轉狀態下不能及時收到負載壓力、功率及流量變化等信息反饋，補償器就無法準確的判斷液壓系統工作所需要的準確的流量和壓力。在挖補荷載恒定的情況下，這種結構設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，液壓系統的工作狀態不穩定，在待機狀態下就需要一個準確的壓力、流量及控制閥信號，根據機身及系統運行狀態調整液壓泵自動轉壓。這就導致挖掘機工作狀態下調速難度較大，且調速過程中存在較大的能量損耗，增加了燃油損耗率。同時，受系統調控影響，挖掘及效率也有所降低。對于駕駛者而言，這種系統設計增加了操作的難度。通過上述分析，可以看出傳統的小型液壓挖掘機結構及系統設計存在以下缺陷：（1）多部件執行操作難度大，共泵工作影響挖掘機工作效率；（2）調速難度較大；（3）油耗高；（4）生產效率低；（5）駕駛操作強度大。

2.3 優化需求

傳統小型液壓挖掘機設計優化需要解決油耗高、調度難度大、多部件共泵執行效率低、操作不便等問題。基于問題，筆者總結出以下結構及系統設計的優化需求：（1）負載敏感液壓系統多執行部件共用泵需求；（2）負載敏感夜里補償液壓系統需求；（3）整機回轉減輕液壓沖擊和振動的需求；（4）行走回路設計多檔行駛調速的需求；（5）動臂、斗桿、鏟斗液壓回路操縱固定回路優化需求；（6）多執行部件同時操作減少油耗的需求；（7）系統主要元件散熱優化；（8）簡化操作，信息化駕駛控制的需要。

2.4 改后效果

改造后的先導油源閥組在挖掘機啟動但不執行挖掘動作時，先導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的油箱，解決了挖掘機啟動狀態下不執行挖掘動作液壓油遺留及壓力損耗的問題，優化了挖掘機整機工作的性能。此外，先導源油閥組對于先導泵能夠起到保護效果，一方面降低了系統維護的成本，另一方面減少了燃油的損耗，節約了燃油成本。

3 液壓系統的設計

3.1 設計要求

2009年3月份，ex3600-6型號的液壓挖掘及在工作狀態下發生液壓反鏟下坑的問題。該型號的小型液壓挖掘機機身質量小、購入價格低、應用場景廣泛，適合大部分小型項目工程工作場景。其最高月產記錄達42.3萬立方米。ex3600-6小型挖掘機發動機采用KpFKCEL7/kwqj7EBQdEnm2yPZEFf3H9qjSGrYFmS728=了液壓系統驅動設計。這種驅動設計可以免去工作現場電纜對于系統控制的感染，行駛回路相對靈活，能夠適應刷幫、上1170工作面上、1240踩場上、坡道工程等方面的工作。ex3600-6挖掘機的液壓系統由動力元件、執行元件、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。基于挖掘機工作場景的特殊性，以及高強度的工作，要求液壓系統及其他主要元件應該具備極好的密封性，系統具有較好的抗沖擊、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，系統運行的穩定系數就越高，挖掘機在特殊環境下工作的穩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壓力。通過設定一個最高壓力，預防系統在運行過程中出現過載或壓力過大的問題，是液壓維持在一個相對穩定的壓力值范圍內。該系統的優化設計選用二級同心先導式溢流閥，將其設計在泵的出油口位置，通過溢流閥控制系統壓力，使壓力保持在相對恒定的狀態，從而預防液壓系統運行過程中超壓，增加系統的安全性。

3.2.2 過載閥

過載閥的作用是超載提醒，以及限制超載執行。想要實現這一作用，需要在原液壓系統的液壓缸與行走馬達管路中間增設一個過載閥和高敏感監測傳感器。在挖掘機出現超載問題后，液壓系統的液壓量加大，傳感器就能自動監測到油液量和流量的變化，將液壓變化信息反饋給系統。系統在接受到信息反饋后調動過載閥指令，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，并限制超載執行。為系統增加過載閥有利于保護液壓缸、行走馬達等重要元件及液壓系統，延長部件使用壽命，降低維護成本。

3.2.3 單向閥

傳統小型液壓挖掘機在多部件執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，就能保證執行元件油液壓力的恒定，從而確保多部件執行時系統能夠有效的控制執行元件停止。

3.2.4 換向閥

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

3.3 基本回路的設計

3.3.1 閉鎖回路

當動臂操縱閥處于中位時油缸口呈閉鎖狀態，但是，由于滑閥密封性等因素影響容易產生漏油情況，由于動臂受重力影響會產生下沉，特別是小型挖掘機在作業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閉狀態，此時動臂油缸下腔的壓力油通過閥芯內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

當動力臂下降時，在重力的作用下導致降落速度過快而容易產生危險，加上動力臂缸上容易產生吸空。少數小型挖掘機會選擇裝上單向節流閥，致使動力臂的下降速度收到限制，但是這也導致動力臂工作效率降低。當小型挖掘機采用再生回路時，如圖2所示，動力臂下降，油泵的又通過動力臂操縱閥進入到油缸內，再由動力臂下腔的油經過節流孔流回郵箱，以此提升回油壓力，使得液壓油通過補油的方式來給動力臂提供動力，因此，當發動機在轉速低或泵的流量底時，防止因為動力臂重力原因導致動臂缸產生吸空現象。

3.3.3 節流回路

節流回路設計借助節流閥實現對油液流量、流速的調控，根據系統設定的各執行部件所需要的油耗量定量提供油量和，達到調節執行部件油耗量和降低油耗的目的。圖3（A）展示的是進油節流調速，節流閥3安裝在高壓油路上，液壓泵1此時與節流閥3進行串聯，在節流閥3前面裝設了溢流閥2，壓力油經過節流閥3和換向閥4進入到液壓缸5當中，使得活塞向右移動。當挖掘機負載增加時，液壓缸內壓力增加，導致節流閥前后壓力產生變化，節流閥流量減少，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，當挖掘機負重較小時，節流閥進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，這種方式容易產生滲漏風險，回油無阻尼，容易發熱，導致效率低。

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

DmRJKWWCaA8uZnrIlDVJdF3rTfsRvp9KYa4C0CzUlNM=小型液壓機的工作裝置上為了保障作業安全，在液壓缸的回油路上安裝單向的節流閥，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生危險，特地將液壓缸的大腔回油路上安裝單向節流閥，此外，在斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸上都有安裝單向節流閥。

3.4 設計參數的計算

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

（2）泵的選擇

根據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、鏟斗、斗桿及動臂

在轉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到要求。

4 結語

傳統的小型液壓挖掘機在系統穩定性、安全性等方面性能有待提高，駕駛操作強度較高，微操縱和復合操縱性能有待提升。隨著新一代信息技術的發展及在機械制造中的應用，促進了小型液壓挖掘機信息化、智能化的發展。本文對傳統的液壓系統問題進行了分析，針對問題提出了設計優化及改進思路。通過在液壓系統設計中加入一些智能化高敏感傳感器元件，設計出新一代的負載敏感壓力補償液壓系統，再對先導油源閥組和油路進行改進，從結構和系統設計方面進行全面優化設計，設計出節流效果好、生產高效、操作便捷簡單、機身質量較輕、執行靈活性好、油耗低、系統穩定性和安全性好、維護管理便利的信息化、智能化小型液壓挖掘機。

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