挖掘机工作装置液压系统分析与改进设计(附件)
本文首先综述了国内外液压挖掘机工作装置液压系统的发展趋势和研究现状，接着对液压挖掘机工作装置的工作原理及工作过程进行了分析，其次对工作装置中的动臂与斗杆进行了研究。挖掘机产品的核心技术是液压系统的设计，其液压系统也是工程机械液压系统中最复杂的。然后介绍了挖掘机液压系统的工作原理，对挖掘机动臂与斗杆液压系统的基本回路进行了分析。最后通过分析比较三种典型挖掘机动臂与斗杆的基本回路进而提出一种改进后的液压回路，从而为液压系统的分析和改进提供了参考，对新型挖掘机液压系统的开发和创新具有指导意义。关键词 挖掘机，动臂，斗杆，液压系统
目 录
1引言 1
1.1国外发展现状 1
1.2国内发展现状 3
1.3本文研究的主要内容 3
2液压挖掘机工作装置的分析 4
2.1液压挖掘机工作装置的概述 4
2.2液压挖掘机工作装置工作原理 4
2.3液压挖掘机的工作过程 5
2.4液压挖掘机工作装置动臂与斗杆分析 6
3挖掘机工作装置液压系统的分析 8
3.1挖掘机液压系统概述 8
3.2挖掘机的液压系统工作原理 8
3.3挖掘机工作装置液压系统的基本回路分析 10
3.4三种典型挖掘机动臂和斗杆液压回路分析 12
3.5三种典型挖掘机动臂和斗杆液压回路的不足 14
4液压挖掘机工作装置液压系统的改进设计 15
4.1 概述 15
4.2改进设计和验证 15
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1引言
挖掘机（如图1），又称挖掘机械（excavating machinery)，是一种土方机械，通过铲斗挖掘高于或低于承载面的物料，然后将其装载到运输车辆上或卸载到堆场。根据传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖掘机。液压挖掘机为一种多功能的机械，目前被广泛应用于水利工程、交通运输、电力工程及矿山等机械建设中[1]。它对于减少繁重的人工劳动，保证工程质量，加快施工速度，提高劳动生产率具有十分重要的作用。
液压挖掘机主要包括工作装置 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
、回转机构和行走装置等。液压挖掘机工作装置的液压系统是整个液压系统中重要的组成部分，国内外因此对此进行了深入的研究。最近几年来，我国的矿山机械行业虽然取得了不小的进步，但是在产品种类、数量、技术性能及制造质量等方面还是不能满足现代建筑业发展的需要[2]。快速提高矿山机械设计、研究和生产的技术水平，是当前矿山机械行业面临的一项紧迫而艰巨的任务。所以对于提高挖掘机工作装置的可靠性，优化液压系统，提高工作效率，降低能耗是有必要的，进而提升挖掘机生产企业的设计水平和自主研发能力。因此，对挖掘机工作装置液压系统进行分析和研究具有重要意义。
图1 HT60型反铲履带式液压挖掘机
1.1国外发展现状
国外对挖掘机工作装置液压系统的研究相对较早，他们率先采用现代化设计方法、理论及手段。利用计算机以及计算机辅助设计软件(如动态仿真软件、有限元分析软件和疲劳分析软件)对挖掘机工作装置的设计进行仿真和优化，并且应用于工作装置的优化设计[3]。同时，通过结合各种试验，验证了其分析的可靠性，以此为工作装置的结构设计提供重要的参数，进而形成了一套完整的设计理论和设计方法[4]。直
到目前，更新设计理论、提高可靠性、延长使用寿命仍然是国内外挖掘机设计中的重要课题。
韩国工程技术学院的智能工程装备系统研究:韩国现代研究所的机器人研究方面提出了一种名叫鲁棒时滞的控制方法。即在研究的过程中，暂时不考虑挖掘机的行走和旋转，仅考虑动臂、斗杆和铲斗的运动，即挖掘机工作装置的运动，由此建立三自由度的动力学方程，并且设计出基于时滞的控制器。在现代HX60W 2挖掘机上进行了以直线挖掘为主的试验研究。试验表明，无论是水平直线还是倾斜直线开挖，其精度均在100 mm以内[5]。
澳大利亚机器人技术中心(ACFR)开展了自动采矿研究。该中心对PC057型小松小型挖掘机进行了改造，将原主阀改为电液伺服阀，在机器上安装编码器和负载传感器，采用M2000伺服控制器对挖掘机进行控制。该中心提出了一种适用于大多数挖掘机运动控制的两级控制结构。在实际控制中，高级控制(由上位机执行)首先进行工作计划，计划完成后，上位机向下位机发送计算机指令，低级控制(由下位机实现)执行高级控制指令，驱动电液伺服阀，控制挖掘机工作装置的运动。ACFR建立出挖掘机工作装置的动力学模型，将挖掘机的连杆运动及关节力矩与外力联系起来，由此建立出液压伺服系统模型。在研究中，给出从传统PID控制到反馈线性控制，再到滑模控制及模糊滑模控制的多种控制型策略，最后给出了阻抗控制，并由此给出了各种控制方法的试验结果及仿真结果。最后，通过对试验结果的分析表明，传统的PID控制不能满足实际开采过程中轨迹跟踪控制的精度，但模糊滑模控制和力/阻抗控制均具有较好的控制精度，控制精度均在200 mm以内[6]。
波兰华沙建筑机械化和采矿研究所对挖掘机工作装置的运动控制进行了研究。本学院的实验挖掘机采用了负载敏感液压系统，且挖掘机工作装置上未安装传感器。其控制系统可分为两部分:微机和液压单元(泵+负载独立阀)[7]。通过建立出挖掘机工作装置的三自由度运动学模型，把铲斗速度矢量与三个液压缸的流量联系起来，再将流量信号转换为电信号驱动负载无关阀[8]。通过突然改变液压缸的流量，对系统的性能进行了校核，得到了试验结果。该系统的控制精度水平方向在100 mm以内，垂直方向在500mm以内[9]。
国外挖掘机液压系统目前大多采用负载敏感控制系统和正向流量控制系统。值得国内厂家关注的国外厂家对液压油路中的油源进行回收和再生，优化了液压系统本身的控制功能，从而大大提高了工作装置的速度，实现了具有特色的先进液压控制技术。例如，美国Keith的“会思考”挖掘机在液压控制中增加了液压速度补偿系统，采用双泵提升动臂，向斗杆缩回回路供油，通过再生回路向动臂下落供油，从斗杆回收油[10]。这些特点进一步节约了动力机械的燃料消耗，加快了土方工程施工进度。日立新引进的ZAXIS240采用液压系统协同技术，挖掘机增速系统提高了斗杆的回收速度，返回油箱的动臂回油压力油再次用于斗杆运动。“新动臂再生系统”利用动臂下降时其前端工作装置的重量，使液压油液在动臂油路中循环，当在动臂/斗杆中复合运行时，可以大大的提高斗杆的运行速度。
目 录
1引言 1
1.1国外发展现状 1
1.2国内发展现状 3
1.3本文研究的主要内容 3
2液压挖掘机工作装置的分析 4
2.1液压挖掘机工作装置的概述 4
2.2液压挖掘机工作装置工作原理 4
2.3液压挖掘机的工作过程 5
2.4液压挖掘机工作装置动臂与斗杆分析 6
3挖掘机工作装置液压系统的分析 8
3.1挖掘机液压系统概述 8
3.2挖掘机的液压系统工作原理 8
3.3挖掘机工作装置液压系统的基本回路分析 10
3.4三种典型挖掘机动臂和斗杆液压回路分析 12
3.5三种典型挖掘机动臂和斗杆液压回路的不足 14
4液压挖掘机工作装置液压系统的改进设计 15
4.1 概述 15
4.2改进设计和验证 15
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1引言
挖掘机（如图1），又称挖掘机械（excavating machinery)，是一种土方机械，通过铲斗挖掘高于或低于承载面的物料，然后将其装载到运输车辆上或卸载到堆场。根据传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖掘机。液压挖掘机为一种多功能的机械，目前被广泛应用于水利工程、交通运输、电力工程及矿山等机械建设中[1]。它对于减少繁重的人工劳动，保证工程质量，加快施工速度，提高劳动生产率具有十分重要的作用。
液压挖掘机主要包括工作装置 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
、回转机构和行走装置等。液压挖掘机工作装置的液压系统是整个液压系统中重要的组成部分，国内外因此对此进行了深入的研究。最近几年来，我国的矿山机械行业虽然取得了不小的进步，但是在产品种类、数量、技术性能及制造质量等方面还是不能满足现代建筑业发展的需要[2]。快速提高矿山机械设计、研究和生产的技术水平，是当前矿山机械行业面临的一项紧迫而艰巨的任务。所以对于提高挖掘机工作装置的可靠性，优化液压系统，提高工作效率，降低能耗是有必要的，进而提升挖掘机生产企业的设计水平和自主研发能力。因此，对挖掘机工作装置液压系统进行分析和研究具有重要意义。
图1 HT60型反铲履带式液压挖掘机
1.1国外发展现状
国外对挖掘机工作装置液压系统的研究相对较早，他们率先采用现代化设计方法、理论及手段。利用计算机以及计算机辅助设计软件(如动态仿真软件、有限元分析软件和疲劳分析软件)对挖掘机工作装置的设计进行仿真和优化，并且应用于工作装置的优化设计[3]。同时，通过结合各种试验，验证了其分析的可靠性，以此为工作装置的结构设计提供重要的参数，进而形成了一套完整的设计理论和设计方法[4]。直
到目前，更新设计理论、提高可靠性、延长使用寿命仍然是国内外挖掘机设计中的重要课题。
韩国工程技术学院的智能工程装备系统研究:韩国现代研究所的机器人研究方面提出了一种名叫鲁棒时滞的控制方法。即在研究的过程中，暂时不考虑挖掘机的行走和旋转，仅考虑动臂、斗杆和铲斗的运动，即挖掘机工作装置的运动，由此建立三自由度的动力学方程，并且设计出基于时滞的控制器。在现代HX60W 2挖掘机上进行了以直线挖掘为主的试验研究。试验表明，无论是水平直线还是倾斜直线开挖，其精度均在100 mm以内[5]。
澳大利亚机器人技术中心(ACFR)开展了自动采矿研究。该中心对PC057型小松小型挖掘机进行了改造，将原主阀改为电液伺服阀，在机器上安装编码器和负载传感器，采用M2000伺服控制器对挖掘机进行控制。该中心提出了一种适用于大多数挖掘机运动控制的两级控制结构。在实际控制中，高级控制(由上位机执行)首先进行工作计划，计划完成后，上位机向下位机发送计算机指令，低级控制(由下位机实现)执行高级控制指令，驱动电液伺服阀，控制挖掘机工作装置的运动。ACFR建立出挖掘机工作装置的动力学模型，将挖掘机的连杆运动及关节力矩与外力联系起来，由此建立出液压伺服系统模型。在研究中，给出从传统PID控制到反馈线性控制，再到滑模控制及模糊滑模控制的多种控制型策略，最后给出了阻抗控制，并由此给出了各种控制方法的试验结果及仿真结果。最后，通过对试验结果的分析表明，传统的PID控制不能满足实际开采过程中轨迹跟踪控制的精度，但模糊滑模控制和力/阻抗控制均具有较好的控制精度，控制精度均在200 mm以内[6]。
波兰华沙建筑机械化和采矿研究所对挖掘机工作装置的运动控制进行了研究。本学院的实验挖掘机采用了负载敏感液压系统，且挖掘机工作装置上未安装传感器。其控制系统可分为两部分:微机和液压单元(泵+负载独立阀)[7]。通过建立出挖掘机工作装置的三自由度运动学模型，把铲斗速度矢量与三个液压缸的流量联系起来，再将流量信号转换为电信号驱动负载无关阀[8]。通过突然改变液压缸的流量，对系统的性能进行了校核，得到了试验结果。该系统的控制精度水平方向在100 mm以内，垂直方向在500mm以内[9]。
国外挖掘机液压系统目前大多采用负载敏感控制系统和正向流量控制系统。值得国内厂家关注的国外厂家对液压油路中的油源进行回收和再生，优化了液压系统本身的控制功能，从而大大提高了工作装置的速度，实现了具有特色的先进液压控制技术。例如，美国Keith的“会思考”挖掘机在液压控制中增加了液压速度补偿系统，采用双泵提升动臂，向斗杆缩回回路供油，通过再生回路向动臂下落供油，从斗杆回收油[10]。这些特点进一步节约了动力机械的燃料消耗，加快了土方工程施工进度。日立新引进的ZAXIS240采用液压系统协同技术，挖掘机增速系统提高了斗杆的回收速度，返回油箱的动臂回油压力油再次用于斗杆运动。“新动臂再生系统”利用动臂下降时其前端工作装置的重量，使液压油液在动臂油路中循环，当在动臂/斗杆中复合运行时，可以大大的提高斗杆的运行速度。
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