摘要：液压挖掘机是重要的工程机械，应用范围广泛，设计要求较高。掘机的主要工作就是挖掘土壤，其挖掘任务由工作装置来完成，挖掘机一般在户外工作，因此经常面临复杂的工作环境，这就对其液压系统的设计提出了更高的要求。本文就挖掘机工作装置的液压系统设计展开探讨。
关键词：挖掘机；工作装置；液压系统
引言
目前，随着最前沿技术和控制方式的不断改进、革新，液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵等操纵方式逐步取代传统的杠杆操纵，大大提高了生产效率，但由于挖掘机的工作环境复杂多变，需要高性能的液压系统，使得挖掘机在极端情况下保持稳定的工作状态，因此，针对已有的液压装置的缺陷，对挖掘机工作装置的液压系统的工作机理进行研究，进行设计改良，完善作业能力，为实现作业操纵的完全自动化创造基础和前提。
1典型挖掘机液压系统的基本动作分析
(1)挖掘。通常情况是铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘，或者二者配合进行挖掘，在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作，必要时配以动臂动作。(2)满斗举升回转。挖掘结束后，动臂缸将动臂顶起、满斗提升，同时回转液压马达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。动臂举升和回转同时动作时，二者要求在速度上匹配，要求回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动举升到正确的卸载高度。由于卸载所需要回转角度不同，随挖掘机相对自卸车的位置而变，因此动臂举升速度和回转速度相对关系应该是可调整的，若卸载回转角度大，应该要求回转速度快些，而动臂举升速度慢些。(3)卸载。回转至卸土位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合作用，兼以动臂动作。(4)空斗返回。卸载结束后，转台反向回转，同时动臂缸和斗杆缸相互配合动作，把空斗放到新的挖掘点，此时工况是回转、动臂和斗杆复合动作。由于动臂下降有重力作用，压力低、泵的流量大、下降快，要求回转速度快，因此该工况的供油情况通常是一个泵全部流量供回转，另一泵大部分油供动臂，少部分油经节流供应斗杆。
2液压挖掘机液压系统的设计
2.1动力性要求
动力性要求指的是在发动机不发生过载现象的基础上尽量充分发挥发动机的功率作用，以此来提升挖掘机的生产效率。液压挖掘机的外负载变化较大，这就对挖掘机发动机和液压系统的匹配性提出了较高的要求，如果外负载较小，则应当提升油泵的输出流量以此来提升挖掘机相关元件的运动速度，从而提升生产效率，在液压系统设计的过程中，可以采用合流设计方式来提升挖掘机发动机的功率利用率。
2.2操纵性要求
（1）调速性要求。现代挖掘机对调速操纵控制性能的要求很高，如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现调速操纵控制，对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠，成为挖掘机液压系统设计十分重要的一方面。挖掘机在工作过程中阻力变化较大，各种不同的作业工况要求功率变化大，因此要求对各个执行元件的调速性要好。（2）复合操纵性要求。挖掘机在作业动作复杂多样，这些动作由各个执行元件的相互配合来实现复杂的复合动作，因此如何实现多执行元件的复合动作也是挖掘机液压系统操纵性要求的一方面。当多执行元件共同动作时，要求能够合理分配各个执行元件的流量，要求其相互间不干涉，实现理想的复合动作。尤其对行走机构来说，左、右行走马达的复合动作问题，即直线行驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。如果挖掘机在行走过程中由于液压泵的油分流供应，导致一侧行走马达速度降低，形成挖掘机意外跑偏，很容易发生事故。另外，当多执行元件同时动作时，各个操纵阀都在大开度下工作，往往会出现系统总流量需求超过油泵的最大供油流量，这样高压执行元件就会因压力油优先供给低压执行元件而出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，如何协调多执行元件复合动作时的流量供应问题也是挖掘机液压系统设计中需要考虑的。
2.3节能性要求
挖掘机工作时间较长，如何实现节能对于保证挖掘机的工作效率有着重要的作用，在进行液压系统的设计过程中，应当积极采用各种节能措施。在进行挖掘机相关执行元件的速度条件控制的过程中，液压系统需要的流量比油泵输出流量大，会导致流量损耗，因此在进行液压系统的设计过程中，要求尽量减小此部分流量的损耗。
3液压原理
3.1液压系统油缸尺寸的设计选择
液压设备的类型很大程度上决定了油缸工作压力用途不一的液压设备，其工况不同，油缸工作压力各异，本文初选系统工作压力为25MPa[3].挖掘机液压缸均为单活塞杠液压缸，由受力平衡得：
（1）
式中：p1为液压缸工作压力，计算时可取系统工作压力p1＝pp=25MPa；p2为液压缸回油腔背压，可取p2＝2MPa；d/D为活塞缸直径与液压缸内径之比，按表2取d/D=0.7；F为工作循环中最大的负载，此处F＝Fd=506.25kN；ηcm为液压缸机械效率，一般取ηcm＝0.9。
表2工作压力d/D
根据机械设计手册，在此液压系统中，3.2≤D/δ≤16，故缸筒壁厚应用中等壁厚计算公式，此时：
（2）
式中：Ψ为强度系数，对无缝钢管Ψ=1；C为圆整壁厚数；Py为试验压力，一般取最大工作压力的1.25~1.5倍；D为缸筒内径；[σ]为缸筒材料许用应力，无缝钢[σ]=100~110MPa.经计算，各缸的工作参数如下：铲斗缸：缸内径D＝170mm，活塞缸径d=120mm，行程L=1350m；
斗杆缸：缸内径D＝300mm，活塞缸径d=210mm，行程L=1755mm；动臂缸：缸内径D=145mm，活塞缸径d=100mm，行程L=1655mm。
3.2马达的选型
当回转机构仅靠液压制动时，启动力矩MO小于制动力矩MB，取C=MO/MB=1.6.地面附着条件可用附着力矩MF表示，液压制动时取MB=0.5~0.7MF.履带式液压挖掘机地面附着力矩的计算采取下面的简化公式
（3）
式中：MF为地面附着力矩，N•m；m为整机质量；μ地面附着系数，平板履带板取μ＝0.25，带筋履带板取μ＝0.50.则：MF=12225N•m，MB=0.8MF=9780N•m，MO=6112.5N•m设经过四级减速，传动比i总=3×3×2×1=18，则马达所受最大力MT=MO/i=339.58N•m，理论排量q=MO/（ηmPm）=15.1mL/h，据此选择转液压马达型号为25（YCY）14-1B，0~1.7km/h和0~3.4km/h为液压挖掘机两种不同的行驶速度，选择液压马达的为40（YCY）14-1B。
结语
综上所述，液压挖掘机在各个建设领域中都有着重要的应用，挖掘机中的工作装置是其重要组成部分，而挖掘机的液压系统也有着重要的作用。本文简要研究了液压挖掘机的工作装置设计，分析了液压系统的相关设计要求，旨在为液压挖掘机工作装置与液压系统设计的完善提供参考。
参考文献
[1]黄宗益，叶伟，李兴华.液压挖掘机液压系统概述[J].建筑机械化，2014，24（9）：12-16.
[2]陈建，周鑫，刘欣，等.液压挖掘机动臂结构优化设计[J].工程机械，2018，39（7）：19-22.
[3]李建仁．挖掘机工作装置液压系统分析［D］．兰州:兰州理工大学，2015.
论文作者:裴红科
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/25
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