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1、目录前言2一、关于液压挖掘机行业介绍31.1液压挖掘机行业发展背景31.2液压挖掘机行业现状及发展方向4二、液压挖掘机的基本组成52.1挖掘机控制系统概述52.2发动机的控制系统62.3液压控制阀控制系统72.4 液压元件控制系统72.5执行元件控制系统82.6液压挖掘机整机控制系统9四、混合动力液压挖掘机14五、.国内外超大型液压挖掘机概况及展望15六、CATIA在液压挖掘机产品开发中的应用176.1 应用CATIA建模及虚拟装配176.2 电子样机的空间分析及运动模拟196.3结构件的静力学有限元分析196.4模型的参数化及知识库的建立21七、结论22参考文献23前言液压挖掘机是一种多功能
2、机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它减轻了繁重的体力劳动，保证了工程质量。加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。我国小型挖掘机的零部件配套体系已趋于完善和成熟，国内零部件企业在工作油缸、四轮一带、回转支承、驾驶室、座椅、电气仪表等方面已经取得了技术突破，基本可以替代进口产品，但是在工艺性和可靠性上需要重点加强。其他关键液压件也在进行国产化准备。国内发动机企业在提高设计和制造水平，满足环保要求后，已经可以配套小型挖
3、掘机使用。大型液压挖掘机的特点是，总重在60650t的巨型液压挖掘机已经越来越多地占领了原属于电铲的市场。选用露天矿山设备的原则是投资尽可能省和操作费用尽可能低。液压挖掘机具有使用寿命长、装载能力大、控制能力可选择、可到性高、能耗低、基本不需要辅助设备等优点，符合这些原则。在20世纪70年代制造的130吨级、8 m铲斗的大型液压挖掘机至今累计作业时间已达80000h，而80年代制造的220吨级的挖掘机累计作业时间至今也以超过40000h。由于运输距离的增加，将增加对大型卡车的需求量。超过240吨容量的的、卡车在将来会变得更重要。对这种吨位的卡车，就必须要一种能用三至四铲即可将其装满的挖掘机。对
4、于铲斗容量超过20 m的机型来说，液压挖掘机取代电铲的趋势是必然的，而且也存在着这种潜力。一、关于液压挖掘机行业介绍1.1液压挖掘机行业发展背景自1967年至1977年，这10年我国有少数几家工厂开始研究，开发液压挖掘机，少量几种规格的液压挖掘机产品获得初步成功，有上海建筑机械厂的WY100；贵阳矿山机器厂的W4-60；合肥矿山机器厂的WY60；长江挖掘机厂的WY160和杭州重型机械厂的WY250等。 20世纪80年代初我国最早涉足挖掘机行业的不少挖掘机主机生产厂先后引进了当时国际上比较先进的液压挖掘机制造技术。例如：贵阳矿山机器厂引进了德国利勃海尔（Liebherr）公司的A912和R912
5、型挖掘机制造技术：上海建筑机械厂引进了德国利勃海尔（Liebherr）公司的R942型挖掘机制造技术：合肥矿山机器厂引进了德国利勃海尔（Liebherr）公司的A922和R922型挖掘机制造技术：长江挖掘机厂引进了德国利勃海尔（Liebherr）公司的R962、R972、R982型挖掘机制造技术。稍后几年，杭州重型机械厂也引进了德国德玛克（Demag）公司的H55和H85型液压挖掘机制造技术；北京建筑机械厂引进了德国奥加凯（O&K）公司的RH6和MH6型液压挖掘机制造技术。 自改革开放以来，国内对液压挖掘机需求量的不断增加，挖掘机市场的迅速扩大和需求的多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整中
6、，牵动了一批其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。其中不少还具有相当强的实力，在原来从事的行业中大都是龙头企业。如：中国第一拖拉机工程机械公司、山东推土机厂、黄河工程机械厂、广西玉柴股份有限公司、柳州工程机械厂等。大型挖掘机在我国一直处于薄弱地位，主要依赖进口。常州现代的R450LC-5型挖掘机属于43.53吨级，而相比之下，德国的利勃海尔生产的600吨级的挖掘机最大斗容可达 34 立方米。1.2液压挖掘机行业现状及发展方向业内人士认为，现在国内挖掘机生产企业真正缺乏的不是钱，面是技术以及为谋求技术进步所需要的耐心和决心。针对国产挖掘机机能质量，作业效率与可靠性均低的现状，国内企业首先需要从
7、组织结构调整入手，在国内联合组建新一代国产液压挖掘机企业集团，建立强有力的技术研发中心，从日本、德国等国家引进必要的先进软硬件，以确保国产挖掘机拥有优良的质量和性能，从而打开国产挖掘机的市场，进而促进国产挖掘机的大批量生产。在此基础上，还要考虑以下两点：（1） 国内挖掘机生产要不断研究市场需求、开发新品和变型产品，以适应市场需要。前几年大量投入使用的高速公路等基础设施，越来越多地进入维修保养期，城市建设也从“大拆大建”逐渐向“精雕细刻”转变，小型化的土方工程施工越来越多，因此小型挖掘机的需求量增加较快。关注国内市场的同时，生产商还应该加大国际市场力度。（2） 挖掘机生产企业既要树立为用户服务的
8、思想，也要具备相应的能力和条件，不断学习国外的先进管理理念和手段，提升自身的服务水平和竞争能力，切实满足挖掘机用户的施工需求。这就要求挖掘机业务人员既精通业务知识，又要成为挖掘机用户的好参谋；挖掘机服务人员不仅要为用户服务好，同时还要协助客户（尤其是那些缺乏经验的客户）做好设备管理、现场调度、安全检查等工作；挖掘机出现故障要在最短的时间内修复从而实现挖掘机企业与用户在利益上的双赢。国内市场对液压挖掘机机型的需求，以2025t中型机型为主。这是由于2025t级产品优良的效率所决定的。它们的作业效率高，使用面广，质量上乘，配套件供应充足，而价格适中。因此，国外独资与合资公司在我国大多以生产这一类机
9、型为主。国内用户对液压机的高性能、高质量与高可靠性的要求已被视为首要条件。而日本、韩国的机型采用国际先进的配套件、制造工艺先进，产品的性能、质量、作业效率可靠性较国产的老机型有很大的提高，即使其单台价格高过75100万元，仍受到用户青睐。采用国际先进配套件，注意不断提高制造水平与产品质量的国有企业，才能够在国内液压挖掘机市场中占有一定的份额。二、液压挖掘机的基本组成2.1挖掘机控制系统概述液压系统是挖掘机实现各种运动和进行自动控制的基础。从某种意义上来讲，液压系统的性能决定着挖掘机的质量与工作效率。现代挖掘机能够根据工作环境和作业条件，自动实现分功率的变量与全功率变量，以保证任何情况下发动机均
10、不超载，使发动机运行平稳且功率得到充分利用；还应设置减速系统（AutoSlow）和负控制系统（Negative Control），以便当其工作装置不动作时，使发动机油门自动减小，并使液压泵排量减至最小以节省能量。根据挖掘机工况变化大而快这一特点，为有效利用以动机功率，且保证安全，正常作业，现代挖掘机控制系统应具有下列功能：（1）速度传感检查发动机转速是否在输出范围内，并控制液压泵驱动扭矩使二者匹配及防止发动机熄火。（2）负荷传感调节液压泵排量，确定实际工作时每个执行元件对流量的需求，节省能量并获得精确操纵机器的效果。（3）流量分配控制 为实现工作装置的联合动作，需对每执行元件（如斗杆液压缸、铲
11、斗液压缸等）提供不同的压力和流量。当液压系统只有一台主泵时，通过流量分配控制使各执行元件同时动作，满足不同作业的要求。（4）工作制式选择 满足不同工作方式的需要求，包括挖掘作业、挖沟、平整和精细动作制式。（5）行走马达控制 设置高速、中速、低速行走自动选择系统，实现机器行走随外载荷变化自动无级调速，使行走速度与操纵手柄原位置相对应。（6）回转停车制动控制 当机器停止时，回转停车制动器用以防止上部结构因重力而回转。作业时，回转停车制动应在操纵手柄复位几秒钟后才能起作用，防止上部结构回转运动的慢性力引起零部件的损坏。（7）预热 在液压油温低于某一界线时，发动机转速自动增高，液压磁流量即随之增加，液
12、压系统很快被加热。（8）突发增力 对主溢流阀施以背压，使系统溢流额定压力上升，短时间提高作业功率。2.2发动机的控制系统由柴油机的外型特性曲线可知，柴油机是近似的恒扭矩调节，其输出功率的变化表现为转速的变化，但输出扭矩基本不变化。油门开度增加（或减小），柴油机输出功率就增加（或减小），由于输出扭矩基本不变，所以柴油机转速也增加（或减小），即不同的油门开度对应着不同的柴油机转速。由此可见，对柴油机控制的目的是，通过对油门开度的控制来实现柴油机转速的调节。目前应用在液压挖掘机柴油机上的控制装置有电子功率优化系统、自动减速装置、电子调速器、电子油门控制系统等。2.3液压控制阀控制系统a.先导型控制系
13、统 换向控制阀的控制形式有直动型（用手柄直接操纵换向阀主阀芯，目前少用）和先导型两种。后者是用先导阀控制先导油液，再用先导油液控制换向阀的主阀芯，它又分为机液先导型和电液先导型两类。 b.负荷传感控制系统 阀控系统实质上是节流式系统。在液压挖掘机上，目前常用的是一般的三位六通多路阀，其滑阀的微调性能和复合操作性能差。20世纪90年代以来，在液压挖掘机上开始采用负荷传感控制系统，其控制不论是中位开式方式还是中位闭式方式，都附带有压力补偿阀。采用电子控制压力补偿的液压挖掘机液压系统与传统的液压系统比较，负荷传感控制系统的主要优点是： （1）节省能源消耗。普通三位六通换向阀无论采用定量泵还是变量泵，
14、总要有一部分油液经溢流阀溢掉，浪费了能量。而使用负荷传感变量系统，泵的流量全部用于负载上，泵的压力仅比负荷压力大1-3MPa。 （2）流量控制精度高，不受负荷压力变化的影响。 （3）几个执行元件可以同步运动或以某种速比运动，且互不干扰。普通三位六通阀系统用的是并联油路，当几个执行元件同时动作时，泵输出的油液首先流向压力低的执行元件，不能同步。 负荷传感控制系统包括负荷传感控制阀和负荷传感控制泵（或定量泵）。 2.4 液压元件控制系统对液压泵的控制都是通过调节其变量摆角来实现的。根据控制形式的不同，可分为功率控制系统、流量控制系统和组合控制系统等三大类。其中的功率控制系统有恒功率控制、总功率控制
15、、压力切断控制和变功率控制等；流量控制系统有手动流量控制、正流量控制、负流量控制、最大流量二段控制、负荷传感控制和电气流量控制等；组合控制系统是功率控制和流量控制的组合控制，在液压控制机上应用最多。 2.5执行元件控制系统a.行走自动二速系统 行走自动二速系统只有在行走速度转换开关处于二速位置时才具有此功能。此时，其信号使行走二速电磁阀换向；与此同时，通过二速用伺机服缸使行走马达处于二速位置，挖掘机可高速行走。 另外，控制选择阀还受行走压力的作用，在上坡等负载大的时候，控制选择阀向一速的一侧换向；二速用伺服的控制油压卸荷，使行走马达自动向一速位置转换，驱动力增大。 挖掘机在平地上行走及下坡行走
16、等工况时，行走阻力变小，控制选择阀再换向，对二速用伺服缸作用，行走马达自动地又回到二速位置上，使控制机高速行走。 b.转台回转摇晃防止机构 转台回转摇晃防止机构是挖掘机转台回转停止后消除其摇晃的机构，其工作原理是： 回转马过停止运转的过程中，反转防止阀两侧受卸荷压力作用，弹簧压缩。由于左、右压力相等，反转防止阀不能换向。 c.工作装置控制系统 液压挖掘机的液压系统中有六个执行元件左、右行走马达，转达台回转马达，动臂液压缸，斗杆液压缸，铲斗液压缸。为了提高挖掘机的生产率和节省能源消耗，在挖掘机的挖掘装载过程中，需要回转马达和三种液压缸协调动作，即工作装置控制系统应具备如下三项功能： （1）控制机控制功能。铲斗沿水平面或与水平面成一定角
