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1、南通职业大学第一章 绪论1.1 选择该课题的意义随着近年来我国国民经济的快速发展以及实施西部大开发战略的机遇，工程机械在各种工程建设领域中所起的作用越来越明显，液压挖掘机作为主流的工程机械产品，以其应用广泛、使用灵活、工作效率高而愈来愈被人们所重视。液压挖掘机是目前土方开挖的最主要施工机械，在交通、建筑、能源、矿山、水利、港口等工程领域发挥重要作用，一台1m3 液压挖掘机挖掘I 级土壤时，每班生产率大约相当于300-400 工人一天的劳动生产率1。由于液压挖掘机具有多品种，多功能。最近几年的统计表明，液压挖掘机是整个工程机械行业中产销量最大、增长率最高的产品之一。到2006 年国内挖掘机生产企
2、业包括合资和外资企业销量总和接近5 万台，同时我国进口挖掘机数量也极为庞大，据统计，2006 年111月，仅广州口岸就累计进口挖掘机17，000 台（近几年挖掘机销量统计见表1.1）年份1999200020012002200320042005200620072008销量（台）611481111239719710339823361433862496256879176898表1.1 挖掘机年销售统计虽然目前中国已经成为世界上最大的挖掘机市场和产地之一，但是同时我国挖掘机行业整体水平相对落后，制造工艺水平较低，技术条件差，没有形成关键国产元件的配套体系，目前国内挖掘机行业，从产品技术水平、可靠性、寿
3、命、制造质量与国外挖掘机有较大差距，配套件的质量和可靠性差、使用寿命短，液压元件极少、没有关键元件，系统不能配套。特别是液压元件，还远远没有达到国产配套水平。液压挖掘机技术的发展是和液压技术的发展相辅相成的，其一是液压系统是液压挖掘机的技术基础和重要的关键组成部分，其二是挖掘机技术的发展要求又液压技术的进步和提高。液压挖掘机是结构复杂、功能强大、用途广泛的工程机械，它的典型工作过程基本是模仿人类动作，其铲斗、斗杆、动臂和回转动作，极象人的手腕、小臂、大臂和扭腰动作。如此复杂的机械手式的动作的实现是和液压传动的技术密切相关的，现代挖掘机的液压系统非常复杂，除了基本传递功率的功能外，还负责很多的操
4、纵控制。液压系统性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，目前液压传动与控制的许多先进技术都体现在挖掘机上。因此对其液压系统的设计既可以学习到更先进的液压技术巩固所学的知识，又符合时代的步伐。1.2 挖掘机液压技术的发展挖掘机的发展史可追溯到19 世纪三四十年代，但在随后的一百多年中，挖掘机并没有得到很大发展，从20 世纪50 年代开始生产第一台液压挖掘机，到60年代液压传动技术成为成熟的传动技术时，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展阶段，世界各国挖掘机制造厂纷纷采用各种高新技术和研究开发新的挖掘机品种，来提高自己在挖掘机市场的竞争力。可以说迄今为止挖掘机己经发展到了相当成熟的阶段2。世纪30 年代它才
5、较普遍地用于起重机、机床及工程机械。在第一次世界大战期间，液压传动技术得到长足发展。第二次世界大战结束后，液压技术迅速转向民用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自动生产线。液压传动真正的发展也只是近三四十年的事。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制(CDC)、机电一体化技术、自动控制技术、可靠性技术、标准化、多样化液压传动是挖掘机的重要组成部分之一，目前常用的传动方式有机械传动、电力传动和流体传动。流体传动包括液体传动和气体传动，液体传动又分为液压传动
6、和液力传动。所谓液压传动是指在密闭的回路中，利用液体的压力能来进行能量的转换、传递和分配的液体传动。在现代工业中液压传动技术几乎应用于所有机械设备的驱动、传动和控制，如操纵车辆转向和制动，控制和驱动飞机、机床、工程机械、食品机械和医疗机械等34。自18 世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史。直到20、高安全性和环境保护等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。此外，液压系统设计理论、系统性能分析及系统的仿真研究等也逐渐成为主流研究方向之一。1.3 国内外挖掘机液压技术发展现状国外挖掘机生产历史较长，液压技术的不断成熟使挖掘机得到全面发展。近几年来，国外液
7、压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在工程建设和施工行业中占有很重要的位置。液压挖掘机迅速发展的根本原因，在于机械本身的优越性(重量轻、挖掘能力大、生产率高)、通用性好、操纵轻便，也由于下述几个因素：随着挖掘机市场的扩大，适用于挖掘机的动力元件和液压元件及系统受到制造商的日益重视，整个配套体系已经成熟；整机制造商和元件供应商重视试验研究工作，研发重点除了保证机械技术性能以外，十分重视挖掘机的使用经济性和工作可靠性，研制过程中，进行各种性能试验和可靠性试验，包括构件强度试验、系统试验、操纵试验、耐久性试验等等，要通过严格的科学试验和用户评价，才进行定型生产；从各国液压挖掘机技术的发展来看，德国是
8、世界上较早开发研制挖掘机的国家，19 世纪50 年代德马克和利渤海尔两家公司先后开发了全液压挖掘机；美国是继德国以后生产挖掘机数量大、品种多和技术水平处于领先地位的国家；日本挖掘机制造业是在二次大战后发展起来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的，目前其对挖掘机技术的研究已经处于国际领先位置；韩国是液压挖掘机生产的后起之秀，20 世纪70 年代开始引进技术，由于产业政策支持，其技术发展以日本为目标发展很快，并且产品很快进入国际市场，现在已成为国际液压挖掘机的主要生产国之一。当前液压挖掘机的研制和改进主要着眼于：(1)发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做
9、有效的功，其中包括动力装置与液压系统的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构功率的回收，高效液压系统的研究等。(2)铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标。(3）注重人机工程学的研究，将操控性能的提升和操作舒适性提升作为重要发展目标。(4）重视安全和环保，随着各国法规的不断要求，噪音、排放、安全等指标也越来越重要。此外，加快换装置的多功能化如吊、夹、推、刮、松、挖、装、铣削、拆除、清除和压实等作业也成为方向发展方向。国内挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压技术方面的理论还比较薄弱。我国从20 世纪60 年代开始研制液压挖掘机，但到70 年代末
10、，大部分产品与发达国家相比性能仍较落后。在这种情况下，我国通过引进技术(主要是德国和日本挖掘机制造技术)5，使我国挖掘机产品性能得到了一定的提高。但经过将近20 年的发展，与国外相比在技术上仍然落后，产品质量也不稳定，影响了整机的可靠性。进入90 年代以来，国内一些科研院所、大专院校纷纷与挖掘机厂家合作研究机电一体化挖掘机678，如天津工程机械研究所，同济大学浙江大学等分别与合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂、广西玉林柴油机厂合作，取得了一些成果。但随着国外先进的挖掘机越来越多地进入国内市场，国产挖掘机与进口挖掘机的性能差别越来越明显。在这种情况下，国内一些挖掘机生产厂除了采取与国外合资的形式外，还
11、积极引进国外先进的液压元件，使国内生产的一些挖掘机技术水平迅速得到提高，但在最新技术研究和应用上与国外相比还存在较大的差距。与国外挖掘机生产商相比较，国内生产厂家技术和研究开发实力还处于弱势地位，为了尽快适应国内挖掘机市场的发展形势，国内挖掘机液压的开发应重点。考虑以下几个方面：1、加快专用液压元件的设计开发，形成自己的配套体系。适应目前行业快速发展的需求。2、提高产品可靠性和寿命，提高整机平均无故障时间，延长维修周期。3、着眼于液压系统与发动机的动力匹配，提高能源利用率。4、着眼于整个系统的研究，5、考虑人机工程学问题，提高操纵舒适性，改善司机工作条件。各个厂家在这个过程中都有一个共同的原因
12、，那就是整个仿制消化过程简单化，仅仅时拆样机，照抄零件，对引进和仿制的产品缺乏系统的领会，没有真正吃透本质。无论是整机、系统还是元件引进，都是急于求成的做出仿制品后就轻易满足，缺乏进一步的技术消化吸收，没有能够转化成自己的技术，不能真正组建自己的引进技术平台，然后继续开发和发展。目前我国的挖掘机企业和其配套元件企业，基本都是低水平的重复生产，基本没有真正的核心技术。在仿制的基础上系统的开发是我们重点的内容，在选用通用元件，搭建成系统之后的后期测试、调试，整改及提出自己系统对元件的专用要求，甚至形成自己的专用元件是非常重要的环节，它甚至可以整整提高一个技术台阶。第二章 液压挖掘机结构与工作原理2
13、.1挖掘机的功能结构单斗液压挖掘机是一种自行式土方工程机械，斗容量从0.256.0m3不等，按行走机构不同，有履带式轮胎式两类。履带式应用较多，其主机结构示意图图2.1所示。图中铲斗a斗杆b和动臂c统称为工作机构，分别由相应的液压缸f. g. 驱动；回转机构d和行走机构e由各自的液压马达（图中未绘出）驱动，整个机构由柴油发动机提供。ij bhe gfa c d图2. 1液压挖掘机的结构及运动示意a铲斗；b斗杆；c动臂；d回转机构；e行走机构；f铲斗液压缸； g斗杆液压缸；h动臂液压缸;i连杆； j摇杆;l一动臂升降;2一斗杆收放:3一铲斗装卸;4一转台回转:5一整机行走2.2 挖掘机的工作装置
14、与工作原理反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置，如图2.1所示。液压反铲工作装置一般由动臂c.动臂液压缸h.斗杆液压缸g.斗杆b.铲斗液压缸f.铲斗a.连杆i.和摇杆j等组成。其构造特点是各机构之间全部采用铰链连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。动臂1得下铰点与回转回转平台铰接，并以动臂液压缸h来支撑动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。斗杆4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由铲斗液压缸f控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。铲斗a则铰接于斗杆b的末端，通过铲斗液压缸f伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗转角
15、，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆i和摇杆j）与铲斗连接。液压挖掘机反铲工作装置主要应用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕.基坑等，其挖掘轨迹取决于个液压缸的运动及其组合。动臂液压缸主要应用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可挖掘较大的行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，以此挖掘机的最大挖掘力一般是由铲斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，以此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中，熟练的液压挖掘机操作人员可根据实际情况，合理操作各个液压缸，往往是各个液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖掘基坑是由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。第三章 液压挖掘机工况及液压系统的分析3. 1液压挖掘机的工况分析液压挖掘机的主要功能运动包括以下几个动作(如图2.
