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挖掘机通用液压系统分析


摘 要
单斗液压挖掘机作为完成土石方开挖的主要施工机械设备,已广泛用于工业与民用 建筑、交通运输、水利电力工程、矿山开掘以及军事工程等机械化施工中。当今挖掘机 的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。液压系统在挖 掘机行业中具有极其重要的作用。本文对力士德 SC330 机型液压系统进行了详细的研 究。 第一章,介绍挖掘机的概况、国内外挖掘机技术及行业

发展、分类以及工作工况, 然后又介绍了液压系统的概况。 第二章介绍了系统液压泵, 主要介绍了泵功率的调节及 泵的变量分析。第三章、第四章分别对回转系统和行走系统的工作原理及细部动作原理 进行分析。 第五章,对挖掘机液压系统进行了工作总结。 关键词:挖掘机,液压系统,变量分析 ,工作原理

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Abstract

Single bucket hydraulic excavator as completed earthwork excavation of main construction equipment, has been widely used in industrial and civil construction, transportation, water conservancy and electric power engineering, mine exploitation and military engineering mechanized construction.Current excavator production to large-scale, miniaturization, muti function change, special change and the direction of automation development. The hydraulic system in excavator industry plays an important role in. The book de SC330type hydraulic system are studied in detail. The first chapter, introduction of excavator excavator technology at home and abroad, and industry development, the classification as well as the working condition, and then introduced the general situation of hydraulic system. The second chapter introduces the system of hydraulic pump, mainly introduced the pump power regulation and pump variable analysis. The third chapter, the fourth chapter of rotary system and the operating system's principle of work and the detail operation principle anar ysis. The fifth chapter, the full text of a summary of the work.

Key words: Excavator, Hydraulic system, Multivariate analysis,Working principle

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言 ........................................................................................................................................ 1

1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 挖掘机概述 ..................................................................................................................... 1 1.1.1 挖掘机的简介 ....................................................................................................... 3 1.1.2 国内挖掘机技术及行业发展 ............................................................................... 4 1.1.3 国外挖掘机技术及行业发展 .............................................................................................. 4 1.2 挖掘机的分类 ................................................................................................................. 5 1.3 挖掘机的工作循环 ......................................................................................................... 6 1.4 液压系统概述....................................................................................................................................... 7 1.4.1 液压系统的发展概况 .......................................................................................... 7 1.4.2 液压系统的介绍 .................................................................................................. 7 2 系统液压泵 .......................................................................................................................... 10 2.1 先导控制 ....................................................................................................................... 10 2.1.1 先导泵 ................................................................................................................. 10 2.1.2 先导系统 ............................................................................................................. 11 2.2 主泵系统 ....................................................................................................................... 12 2.2.1 调节器 ................................................................................................................. 12 2.2.2 主泵及先导泵的变量分析 .................................................................................. 15 2.2.2 主泵功率调节 ..................................................................................................... 17 3 主阀 ...................................................................................................................................... 19 3.1 主要阀的介绍 ............................................................................................................... 19 3.1.1 主溢流阀 ............................................................................................................. 19 3.1.2 安全吸油阀 ......................................................................................................... 21 3.1.3 保持阀 ................................................................................................................. 22 3.2 主阀涉及到的控制功能分析 ........................................................................................ 24 3.2.1 斗杆再生回路 ..................................................................................................... 24 3.2.2 保持回路 ............................................................................................................. 24 3.2.3 回转优先回路 ..................................................................................................... 25 3.3 主阀各工作机能分析 .................................................................................................. 26

III

3.3.1 动臂动作 ............................................................................................................. 26 3.3.2 斗杆动作 ............................................................................................................. 27 3.3.3 铲斗动作 ............................................................................................................. 29 3.2.4 回转动作 ............................................................................................................. 31 3.2.5 行走动作 ............................................................................................................. 32 4 回转系统分析 ...................................................................................................................... 33 4.1 概述 ............................................................................................................................... 33 4.2 回转马达工作原理 ....................................................................................................... 33 4.3 细部动作原理分析 ...................................................................................................... 34 4.3.1 安全吸油阀 ......................................................................................................... 34 4.3.2 回转停车制动及延时阀 ..................................................................................... 35 4.3.3 防逆转阀 .................................................................................................................................. 35 5 行走系统分析 ...................................................................................................................... 37 5.1 概述 ............................................................................................................................... 37 5.2 细部动作原理分析 ....................................................................................................... 38 5.2.1 平衡阀 ................................................................................................................. 38 5.2.2 左右安全阀 ......................................................................................................... 39 5.2.3 自动双速切换阀 .................................................................................................................... 40 5.2.4 直线行走功能 ......................................................................................................................... 41 5.2.5 停车制动功能 ......................................................................................................................... 42 5.2.6 中心回转接头 ......................................................................................................................... 44 6 总结分析 .............................................................................................................................. 44 结 致 论 ...................................................................................................................................... 45 谢 ...................................................................................................................................... 46

参考文献 .................................................................................................................................. 47

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前 言
我国的挖掘机起步比较晚,新中国成立初期,以测绘仿制前苏联 20 世纪 30~40 年 代 W501、W502、W1001、W1002 等型号的机械式单斗挖掘机为主,开始了中国挖掘机的 生产历史。到目前,江苏常州、江苏徐州、山东济宁、山东临沂、湖南长沙将成为国内 挖掘机主要的产业聚集地。可改革开放以来,随着中国机械市场的对外开放,越来越多 的工程机械进入中国,对中国的机械市场面对的极大的冲击。长期以来,国内挖掘机生 产企业尚未掌握关键部件的核心技术,必须依赖进口。国内自主品牌一直维持在较低水 平上。国内大中型挖掘机市场,韩、日、欧美等外资企业及合资企业的产品占据了 90% 的市场份额,其在中国的生产也形成系列化,对国内挖掘机的发展形成了巨大的挑战。 挖掘机作为土方工程施工中的主要施工机械,可单独进行挖土或配合运输工具(自 卸汽车等)在工程量较大而运输又较远的工地作挖运土方的的作业。而单斗液压挖掘机 作为完成土石方开挖的主要施工机械设备,已广泛用于工业与民用建筑、交通运输、水 利电力工程、矿山开掘以及军事工程等机械化施工中。对于减轻工人繁重的体力劳动, 提高机械化施工水平,加快施工进度,保证施工质量都具有很重要的作用。 挖掘机与液压传动紧密的联系在一起,其发展主要是以液压技术的应用为基础。力 士德 SC330 挖掘机的液压系统主要由以下回路组成:变量泵总功率调节回路、比例减压 阀式先导操纵控制回路、回转回路、行走回路、动臂回路、斗杆回路及铲斗回路。由于 挖掘机的工作环境恶劣,要求实现的动作复杂,于是它对液压系统的设计提出了更高的 要求。其液压系统也是工程机械液压系统中最为复杂的。因此对挖掘机液压系统的分析 设计已经成为推动液压挖掘机发展的一个重要环节。 我针对力士德 SC330 机型单斗液压挖掘机的液压系统进行了详细的分析。 主要有主 泵的变量分析及先导泵分析、主阀涉及到的控制功能分析、回转系统和行走系统的工作 原理及细部动作原理。 山东交通学院工程机械研究所所使用的《液压挖掘机技术手册》教材只是针对国内 外挖掘机的液压系统的结构与原理以及电气系统和发动机进行概述, 并未与国外的挖掘 机进行比较,无法了解到各自的优劣。但就现在形势而言,国内挖掘机与国外挖掘机相 比存在比较大的差距。国内挖掘机要有大的发展仍需要比较长的时间。

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1.绪论
1.1 挖掘机概述
1.1.1 挖掘机的简介
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工程机械是工程施工所用的机械设备的统称,广泛用于建筑工程、道路交通、矿山 等行业。工程机械大致可分为:挖掘机械、铲土运输机械、工程起重机械、机动工业车 辆、压实机械、路面机械、桩工机械、混泥土机械、钢筋加工机械、军用工程机械、凿 岩机械与气动工具的类型。 挖掘机作为土方工程施工中的主要施工机械,可单独进行挖土或配合运输工具(自 卸汽车等)在工程量较大而运输又较远的工地作挖运土方的的作业,当运距超过 1000m 以上而不宜使用铲运机工作时,使用挖掘机最为合适。单斗液压挖掘机作为完成土石方 开挖的主要施工机械设备,已广泛用于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿 山开掘以及军事工程等机械化施工中。对于减轻工人繁重的体力劳动,提高机械化施工 水平,加快施工进度,保证施工质量都具有很重要的作用。 全回转式单斗液压挖掘机总体结构组成如下图所示:

图 1.1 挖掘机总体结构组成 Fig 1.1 Excavator overall structure

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1.1.2 国内挖掘机技术及行业发展 ⑴国内挖掘机的发展状况 我国的挖掘机起步比较晚,从 1954 年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为 1 m?机械 式单斗挖掘机至今,大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。 新中国成立初期, 以测绘仿制前苏联 20 世纪 30~40 年代 W501、 W502、 W1001、 W1002 等型号的机械式单斗挖掘机为主,开始了中国挖掘机的生产历史。由于当时国家经济建 设的需要, 先后建立起了十几家挖掘机生产厂。 1967 年开始, 中国自主研制液压挖掘机。 早期开发成功的产品主要由上海建筑机械厂的 WY100 型、贵阳矿山机械厂的 W4-60 型、 合肥矿山机械厂的 WY60 型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的 WY160 型和贵州重 型机械厂的 WY250 挖掘机等。它们为中国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要 的一步。 到 20 世纪 80 年代末,我国的挖掘机厂已有 30 多家,生产机型大 40 余种。中、小 型的挖掘机已形成系列, 斗容有 0.1~2.5 m?不等 12 个等级、 多种型号, 20 还生产 0.5~ 4 m?以及大型矿用的 10 m?、12 m?机械传动单斗挖掘机,1 m?隧道挖掘机,4 m?长臂挖 掘机,还开发了斗容量 0.25 m?船用液压挖掘机,0.4 m?、0.6 m?、0.8 m?水陆两用挖 掘机等。但总的来说,中国生产的挖掘机批量小、分散,生产工艺与产品质量等与世界 先进水平相比还有很大差距。 改革开放以来,积极引进、消化、吸收国外先进技术,以促进中国挖掘机行业的发 展。其中贵州矿山机械厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机械厂、长江挖掘机厂分别引进 德国利勃海尔(Liebherr)公司的 A192、R912、R942、A922、R922、R962、R972、R982 液压挖掘机制造技术。稍后几年,杭州重型机械厂引进德国德玛克(Demag)公司 H55 和 H85 型液压挖掘机制造技术。北京建筑机械厂引进德国奥加凯(O&K)公司的 RH6 和 MH6 型液压挖掘机制造技术。与此同时,还有山东推土机总厂(其挖掘机生产基地改名 为山重建基有限公司,包括 STRONG 和 JCM 两个品牌) 、黄河工程机械厂、江西长林机械 厂、山东临沂工程机械厂等联合引进日本小松制作所的 PC100、PC120、PC200、PC220、 PC300、PC400 型(除发动机外)液压挖掘机全套制造技术。这些厂通过数年引进技术的 消化、吸收、移植,使国产液压挖掘机的性能指标全面提高到 20 世纪 80 年代的国际水 平,产量也逐年提高。由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化,在国有大、 中型企业产品结构的调整,牵动了其他一些机械行业的制造厂加入到液压挖掘机的行 列。 ⑵国内挖掘机的现状分析 ①.我国挖掘机制造行业自主开发能力不足,部分元件依然依赖进口。国内挖掘机生产 企业尚未掌握关键部件的核心技术,必须依赖进口。国内自主品牌一直维持在较低水平 上。长期以来,国内大中型挖掘机市场,韩、日、欧美等外资企业及合资企业的产品占 据了 90%的市场份额。
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②.国产挖掘机产品结构单一、知名度较低。与斗山、卡特、沃尔沃等国外知名挖掘 机生产企业相比,我国自主品牌的挖掘机的品种相对较少,适应买方市场的能力较低。 ③.缺少在国际市场叫的响的国际品牌。国内自主品牌的挖掘机主要集中在柳工、徐 工等少数几家企业。 未来几年的中国挖掘机市场, 外资品牌还将占有大部分的市场份额。 ⑶国内挖掘机的发展趋势 ①.行业整合:行业洗牌在即,行业的整合成为必然,行业集中度将进一步提高,为 了实现生产、销售和服务的规模效应,生产厂家的数量将由目前的 40 家整合到不足 20 家。 ②.产业族群:全国挖掘机零配件配套体系将进一步形成,族群效应凸显。 (江苏常 州、江苏徐州、山东济宁、山东临沂、湖南长沙将成为主要的产业聚集地) ③.销售模式:挖掘机租赁成为主要模式,未来几年,全国将出现大量拥有 100 台以 上挖掘机的租赁业企业。 ④.绿色环保:节能、高效、低排量、舒适度高等将成为未来客户关注的焦点。 ⑤.竞争加剧:国际国内工程机械巨头巨资进入挖掘机领域,参与竞争;市场上的主 要竞争对手都在扩大产能,例如徐州卡特、成都神钢、三一重工等。 1.1.3 国外挖掘机技术及行业发展 ⑴国外挖掘机的发展状况 工业发达国家的挖掘机生产较早,法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容 量 3.5-40 m3 单斗液压挖掘机的主要生产国,从 20 世纪 80 年代开始生产特大型挖 掘机。例如,美国马利昂公司生产的斗容量 50-150m3 的剥离用挖掘机,斗容量 132 m3 的步行式拉铲挖掘机;B-E(布比赛路斯一伊利)公司生产的斗容量 168.2m3 的步 行式拉铲挖掘机,斗容量 107 m3 的剥离用挖掘机等,是世界上目前最大的挖掘机。 ⑵国外挖掘机的现状分析 国外挖掘机总的发展趋势是围绕提高可靠性和效率、降低成本为核心,继续向大型 化发展的同时向微型化发展;着眼于动力、传动系统改进以达到高效节能,应用范围不 断扩大,实现标准化、组件化以提高零部件和整机的可靠性;由于微电子技术的应用, 使其自动化、机电一体化和智能化的进程加快;为适应使用条件,不仅可以提供柴油机 也可提供电力动力;延长维修周期、加快维修进度和降低维修费用;提高机械作业性能, 降低震动和噪声,消除公害,更好的设计和装备驾驶室。国外挖掘机企业凭借自己技术 优势不断扩大产品的输出,在国内市场上占有绝对优势,在相当长的时间内,国外挖掘 机企业将一直处于主导地位。 ⑶国外挖掘机的发展趋势 从 20 世纪后期开始,国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专 用化和自动化的方向发展。 ①开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。
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②迅速发展全液压挖掘机,不断改进和革新控制方式,使挖掘机由简单的杠杆 操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控 、电子计 算机综合程序控制。 ③重视采用新技术、新工艺、新结构,加快标准化、系列化、通用化发展速度。 ④更新设计理论,提高可靠性,延长使用寿命。 ⑤加强对驾驶员的劳动保护,改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠 物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室,安装可调节的弹性座椅,用隔音措施降低噪 声干扰。 ⑥进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的 明显趋势。 ⑦迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。 ⑧更注重环境保护,CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。

1.2 挖掘机的分类[1]
挖掘机根据作业的不同有回转作业式和连续作业式两种基本形式,前一种形式的工 作装置是单斗,称为单斗挖掘机;后一种形式的工作装置是多斗,称为多斗挖掘机。单 斗挖掘机根据工作装置动力传动形式,又分为机械式和液压式两类。在道路及建筑工程 中大多采用单斗挖掘机,而且大多数为中小型单斗液压挖掘机。 挖掘机可按用途及主要装置的特征分类 ⑴按用途分为通用型和专用型,一般中小型挖掘机均为通用型,即以挖掘土壤容重为 18KN/ m3 的标准反铲铲斗为主要工作装置,此外还配合有适合于挖掘各种轻重土质和挖 掘幅度的反铲、正铲、抓斗、起重等多种可更换工作装置。而大型液压挖掘机以矿用正 铲铲斗为主要工作装置,用于矿山采掘和装载作业。用于隧道等专门作业的挖掘机则称 为专用型。 ⑵按工作装置的特点,单斗液压挖掘机可分为正铲、反铲、抓斗、装载以及起重等多 种。 ⑶按行走装置,单斗液压挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式等。履带式单 斗液压挖掘机因具有良好的通过性能,应用最广。轮式挖掘机具有行走速度快,机动性 好,可在城市街道上行驶等特点,中小挖掘机大都亦采用。汽车式、悬挂式是以汽车及 拖拉机为基础机械装设挖掘装置的小型液压挖掘机,适用于小量分散的土方工程。 ⑷按工作装置回转的角度 按工作装置回转的角度,单斗液压挖掘机可分为全回转式挖掘机和半回转式挖掘 机。全回转式的工作装置可作 360°回转,其功能好,被广泛的采用。小型挖掘机的工 作装置仅能作 180°左右的转动,为半回转式。 ⑸按主要机构是否全部采用液压传动

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按主要机构是否全部采用液压传动,单斗液压挖掘机可分为全液压式挖掘机和半液 压式挖掘机。 ⑹按铲斗的容积 按铲斗的容积, 单斗液压挖掘机可分为小型 (斗容量<0.75 m3) 中型 、 (斗容量<0.75~ 4 m3) 、大型(斗容量>4 m3)三类。

1.3 挖掘机的工作循环[1]

图 1.2 挖掘机工作循环 Fig.1.2 Excavator working cycle 1.铲斗 2.抖杆 3 动臂

以履带式单斗液压挖掘机(反铲工作装置)为例,其工作循环主要包括: 挖掘工况——通常以斗杆液压缸 2 和铲斗液压缸 1 的伸缩来驱动斗杆和铲斗的转动 来进行挖掘。有时还需动臂液压缸 3 的伸缩来驱动动臂转动配合,以保证铲斗按特定的 轨迹运动。 满斗回装工况——挖掘结束,动臂液压缸 3 伸出使动臂提升,与此同时回转马达旋 转,驱动转台回转到卸土处卸土。 卸载工况——当回转到卸载处时,回转停止。通过动臂液压缸 3 和斗杆液压缸 2 的 配合使得铲斗对准卸土位置,对准后铲斗液压缸 1 收缩,使铲斗向上翻转卸土。 返回工况——卸载结束,转台反转,配以动臂和斗杆的复合动作,将空斗返回到新 的挖掘位置,开始第二个循环动作。

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1.4 液压系统的概述
1.4.1 液压系统发展概况
[2]

早期的液压传动以水作为传动介质, 近代液压传动是由 19 世纪崛起并蓬勃发展的石 油推动起来的。最早实践成功用油代替水作为传动介质的液压传动装置是 1906 年应用 于舰艇上的炮塔转位器,其后才出现了液压转塔车床和磨床由于缺乏成熟的液压元件, 一些通用机床到 20 世纪 30 年代才用上了液压传动。第二次世界大战期间,在一些兵器 上用上了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置,它大大提高了兵器的性能, 也大大促进了液压技术的发展。战后,液压技术迅速转向民用,并随着各种标准的不断 制定和完善,各类元件的标准化、规格化、系列化在机械制造、工程机械、农用机械、 汽车制造等等行业中推广开来。20 世纪 60 年代后,原子能技术、空间技术、计算机技 术、微电子技术等的发展再次将液压技术推向前进,使它发展成为包括传动、控制、检 测在内的一门完整的自动化技术,使它在国民经济的各个方面都得到了应用。当前,液 压技术在实现高压、高速、大功率、低噪声、经久耐用、高度集成化、微型化、智能化 等各项要求方面都取得了重大的进展,在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上 也有许多新成就。 力士德 SC330 挖掘机的液压系统主要包括以下回路组成:变量泵总功率调节回路、 比例减压阀式先导操纵控制回路、回转回路、行走回路、动臂回路、斗杆回路及铲斗回 路。常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设 备和驾驶室等都安装在可回转的平台上,通常称为上部转台。因此又可以将单斗液压挖 掘机概括成工作装置、上部转台和行走机构等部分组成。 1.4.2 液压系统简介 ⑴液压系统的组成及作用 ①动力元件——液压泵 将原动机输入的机械能转换为液体压力能,作为系统供油能源装置。 ②执行元件——液压缸(或马达) 将流体压力能转换为机械能,而对负载作功。 ③控制调节元件 用以控制流体的压力、方向和流量,以保证执行元件完成预期的工作任务。 ④辅助元件 创造必要条件,保证系统正常工作。 ⑤工作介质 作为传递运动和动力的介质。 ⑵液压系统中的能量转换

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⑶液压传动系统的图形符号

图 1.3 液压系统图形符号 Fig. 1.3 Hydraulic system graphic symbol

1.油箱 2.过滤器 3.液压泵 4.溢流阀 5.节流阀 6.换向阀 7.液压缸 8.工作台 ⑷液压传动的应用
[2]

表 1.1 液压传动的应用 Table 1.1 Hydraulic drive application
行业名称 工程机械 起重运输机械 矿山机械 建筑机械 农业机械 冶金机械 轻工机械 汽车行业 智能机械 应用场所举例 挖掘机、装载机、推土机、压路机、铲运机等 汽车吊、港口龙门吊、叉车、装卸机械、皮带运输机等 凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、提升机、液压支架等 打桩机、液压千斤顶、平地机等 联合收割机、拖拉机、农具悬挂系统等 电炉炉顶及电极升降机、轧钢机、压力机等 打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等 自卸式汽车、平板车、高空作业车、汽车中的转向器、减振器等 折臂式小汽车装卸器、数字式体育锻炼机、模拟驾驶舱、机器人等

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五.液压传动的优缺点 1.优点: ⑴体积小,输出力大且调节容易; ⑵执行元件运动平稳; ⑶易于实现过载保护; ⑷速度调节容易且调速范围大; ⑸易于实现自动化 。 2.缺点 ⑴不能保证严格的传动比; ⑵液压系统能量损失较大; ⑶液压系统工作的稳定性易受温度的影响; ⑷为减小泄漏损失,元件的加工精度要求较高; ⑸液压系统出现故障的原因复杂,查找困难。

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2.系统液压泵
力士德 SC330 挖掘机的泵包括两个串联的主变量泵(前泵和后泵)和一个先导泵。该 主泵是由两个单泵串联而成,泵通过花键轴与发动机飞轮输出端花键套相联,其中靠近 发动机一侧的称为前泵, 远离发动机的称为后泵。 主泵吸收发动机传来的机械旋转能量, 变为液压能量以高压油的形式输出出去,来驱动液压油缸和液压马达的工作。先导泵是 用来提供先导系统压力的。

2.1 先导控制
2.1.1 先导泵 ⑴概述 该先导油泵为为单级齿轮泵,安装在主泵的后端,作用是提供先导系统压力,设定 先导压力为 3.2Mpa。 ⑵工作原理 先导泵的工作原理图(如下图所示) :

图 2.1 先导泵工作原理图 Fig.2.1 Pilot pump working principle diagram

如图 2.1 所示,一对相互啮合的齿轮,通过两齿轮的齿顶、中间啮合线和齿轮两端 面,把泵体和泵盖围成的空间分成互不相通的吸油腔和压油腔。当齿轮按箭头方向旋转 时,处于吸油腔的一对对轮齿连续退出啮合,使该腔容积变大形成一定的真空度,油箱 的油在大气压力的作用下进入吸油腔。而处于排油腔的一对对轮齿则同时连续进入啮 合,使排油腔容积不断减小,油液便被挤出进入高压管路。这样不断地往复循环源源不 断的向液压系统供给液压油,保证系统的正常运行。
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2.1.2 先导系统 ⑴先导系统的结构

图 2.2 先导系统的结构 Fig. 2.2 Guide system structure

由图 2.2 可知,先导泵供油,从先导泵输出的压力油(主路上设有溢流阀,调定压 力为 3.2MPa)经过滤清器,一路经全车安全电磁阀并联入 3 个先导操纵阀中,左操纵手 柄控制斗杆和回转液压回路,右操纵手柄控制动臂和铲斗的液压回路,行走操纵阀有两 个手柄进行操纵,每个手柄有前后两个位置,分别控制左右行走液压回路;一路则通过 行走切换电磁阀来控制挖掘机行走速度的改变;一路则通过挖掘加力电磁阀作用于主溢 流阀上,当按下此按钮后,主油路上的主溢流阀的调定压力由一级调定压力 31.4Mpa 变 为二级调定压力 34.3Mpa,短时间内提高液压系统的安全阀压力,时间持续 5~8s 左右; 一路则通过主阀的 PG 口,经过两个Φ 0.7 的节流器,当各阀处于中位时泄油(左右端出 口油压近似为 0) ,当各阀有动作时,阀口关闭,左端先导节流器的油口被堵死,配合右 端节流口后控制直线行走换向阀的换位,以实现挖机的直线行走功能。 ⑵电磁阀 先导系统中的电磁阀(如下图所示) :

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图 2.3 电磁阀 Fig. 2.3 Solenoid valves

A1 是挖掘加力电磁阀,未通电时此阀回油,接通电路时,短时间内提高液压系统的安全 阀设定压力,重载挖掘,时间持续 5~8s 左右。当挖掘过程中遇到大的石块或树根时可 以使用这个功能。此外先导油压经滤清器、节流器,通过梭阀作用于主溢流阀上,也起 到了挖掘加力的作用。 A2 是行走切换电磁阀,不接通电磁阀为低速行走,接通电磁阀为高速行走。 A3 是全车安全锁定阀,不接通电路时此阀回油,各操纵机构无动作,开车时,全车安全 锁定阀打开,通过先导操纵阀,来控制系统的工作。

2.2 主泵系统
2.2.1 调节器 ⑴调节器的作用 调节器是用来调节主泵的排量,通过主泵负荷压力 P1+P2 的变化作用于功率控制活 塞上或是通过先导油压作用于负流量功率控制活塞上,继而通过改变伺服活塞内活塞杆 的移动来改变斜盘倾角,最终改变了主泵的排量。 ⑵工作原理 主变量泵是通过调节器控制伺服活塞,继而斜盘角度来控制泵向系统的供油量。 调节器的工作原理(如下图所示)

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图 2.4 调节器的工作原理 Fig. 2.4 Regulator principle of work 1—驱动连杆 2—功率控制阀杆 3—伺服阀杆 4—负流量控制阀 5—伺服活塞

主泵排量是通过两种方式来控制的,一种是功率控制,一种是负流量控制。通过系 统负荷的变化、操纵者操纵变化的信号反馈给调节器,可实现以下两种控制功能。 ㈠功率控制 功率控制中的阀杆接有三个油口,分别与前泵、后泵 、比例电磁阀相连。当前后 泵输出的压力 P1、P2 上升时,P1 和 P2 会作用到功率控制活塞的端部→功率转换柱塞向 右移动→功率控制阀杆 2 向右移动→功率控制阀杆克服弹簧阻力向右移动→驱动连杆 1 逆时针转动→伺服阀杆 3 向右移动→此时阀口左位与活塞连接,压力油由后泵经阀口进 入伺服活塞大腔内→(由于面积差引起压强差即差动连接)伺服活塞向右移动,带动主 泵斜盘向右移动,夹角减小,主泵排量减小→反馈连杆逆时针转动→驱动连杆顺时针转 动→伺服阀杆移到左位,此时伺服活塞油口与阀口的中位想通→压力油停止进入伺服活 塞大腔内→伺服活塞保持恒定→主泵的排量保持恒定。反之,当前后泵输出的压力 P1、 P2 减小时,泵的倾斜角将自动变大,主泵的排量也会随之增加(p↓﹡Q↑≤P 发动机) 。 因此,泵的流量是根据串联双泵的负荷压力的总和来进行调节的,在实现了恒功率 的控制的状态下,控制各活塞泵的调节器使其倾斜角相同(即输出流量相同) 。不管两 个柱塞泵的负荷如何变化,该机构总是能自动防止发动机超负荷运转,即随着 P1、P2 的变化,泵斜盘倾角也发生变化,从而使泵的流量也相应的发生变化,防止发动机的超 负荷。
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图 2.5 功率控制流量-压力曲线 Fig.2.5 Power control flow-pressure curve

由曲线图可知,在 O~A 段,随着负荷压力的 P1+P2 的增加,泵的流量保持不变; 在 A~B 段,当负荷压力 P1+P2 达到一定值时,泵的排量就会减小;在 B~C 段,随着负 荷压力 P1+P2 的不断增加,泵流量减小的幅度变小,泵排量减小的程度变缓。 ㈡负流量控制 通过改变导向压力 Pi,可控制柱塞泵的倾斜角,即改变了主泵的排量。在负流量控 制中,随着先导压力 Pi 的增加→负流量的控制阀杆克服弹簧的弹力向右移动→驱动连 杆逆时针转动→伺服阀杆向右移动→此时阀口左位与活塞连接,压力油由后泵经阀口进 入伺服活塞大腔内→(由于面积差引起压差)伺服活塞向右移动,带动主泵斜盘向右移 动,夹角减小,主泵排量减小→反馈连杆逆时针转动→驱动连杆顺时针转动→伺服阀杆 移到左位,此时伺服活塞与阀口的中位相通→压力油停止进入伺服活塞大腔内→伺服活 塞保持恒定→主泵的排量保持恒定。反之,当先导压力 Pi 减小时,主泵的斜盘倾角增 大,主泵排油量增加。

图 2.6 负流量控制流量-压力曲线 Fig. 2.6 Negative flow control flow-pressure curve

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由曲线图可知,在 A~B 段,随着先导泵压力

Pi 增加, 泵的流量保持不变; A~ 在

B 段,当先导泵压力 Pi 达到一定值时,泵的排量就会减小;在 B~C 段,即使先导泵压 力 Pi 不断增加,泵流量也不再发生变化,泵排量趋于稳定。 2.2.2 主泵及先导泵的变量分析

图 2.7 流量-压力曲线图 Fig.2.7 Flow-pressure curve

⑴启动 冷车时斜盘倾角最大,泵的排量最大。启动过程中,斜盘倾角有一个由最大逐渐到 最小的变化过程。 ⑵空载 如图 2.4 所示,空载时,操纵杆处于中立位置,各阀均无动作且也处于中位位置, 此时负流量控制起作用,在压力油的作用下,推动负流量控制阀杆向右移动,使得控制 阀 P 口与伺服活塞相通,压力油经 P 口进入到伺服活塞的大腔内,在两侧压强差的作用 下,伺服活塞推动斜盘转动,斜盘倾角减小到最小,从而使泵的排量减小。 ⑶单泵轻载 如图 2.4 所示,单泵轻载时,系统出现动作,此时功率控制起作用,由于负荷压力 P1+P2 较小,在弹簧力的作用下控制阀左移,伺服活塞大腔与油箱相通,伺服活塞大腔 内的压力油流回油箱,同时伺服活塞带动斜盘转动,斜盘倾角变大,泵的排量增加。由 于另泵没有负荷也就没有动作产生,此时负流量控制起作用,斜盘倾角最小,泵的排量 最少。 ⑷单泵重载 单泵重载时,一泵是功率控制起作用,由功率控制的负荷-流量图 2.7 可知,当负 荷压力 P1+P2 在 O~A 范围内时,泵的流量保持不变;当负荷压力 P1+P2 在 A~B 范围内
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时,泵的流量逐渐减小,当负荷压力 P1+P2 增大到弹簧设定的压力时,在压力油作用下, 推动功率控制阀杆向右移动,使得伺服阀杆右移,压力油经控制阀左位 P 口进入到伺服 活塞的大腔内,同时伺服活塞带动斜盘转动,斜盘倾角逐渐减小,泵的排量也逐渐减少。 由于另泵没有负荷也就没有动作产生,负流量控制起作用,此时斜盘倾角最小,泵的排 量最少。 ⑸双泵轻载 双泵轻载时,两泵均为功率控制起作用,有功率控制的负荷-流量图 2.7 可知,当 负荷压力 P1+P2 在 O~A 范围内时,泵的流量保持不变;当负荷压力 P1+P2 在 A~B 范围 内时,泵的流量逐渐减小,当负荷压力 P1+P2 增大到弹簧设定的压力时,在压力油作用 下,推动功率控制阀杆向右移动,使得伺服阀杆右移,压力油经控制阀左位 P 口进入到 伺服活塞的大腔内,同时伺服活塞带动斜盘转动,斜盘倾角减小,泵的排量减少。 ⑹双泵重载 由功率控制的负荷-流量图 2.7 所示,双泵重载时,泵的流量随直线 L1 或 L2 变化, 当负荷压力 P1+P2 与流量的变化符合直线 L1 时,随负荷压力 P1+P2 的增大,泵的排量 减小。 (负荷压力 P1+P2 推动功率控制阀杆向右移动,使得伺服阀杆右移,压力油经控 制阀左位 P 口进入到伺服活塞的大腔内,同时伺服活塞带动斜盘转动,斜盘倾角逐渐减 小, 泵的排量逐渐减少。当负荷压力 P1+P2 与流量的变化符合直线 L2 时, ) 负荷压力 P1+P2 在 B~C 范围内变化,随负荷压力 P1+P2 的增大,泵的排量减小,但泵排量减小的幅度 比直线 L1 时泵排量减小的幅度要小。 ⑺再次空载 再次空载时,发动机的转速从 2000r/min 下降到 985r/min,所需时间 3~5s,此时 负流量控制起作用,在压力油的作用下,推动负流量控制阀杆向右移动,使得控制阀左 位与伺服活塞相通,压力油通过左位的 P 口进入到伺服活塞的大腔,同时伺服活塞带动 斜盘转动,斜盘倾角逐渐减小到最小,从而使泵的排量逐渐减小到最小。 ⑻停车 停车过程中,泵的排量要经历一个从小到大的过程。由负流量控制的压力-流量曲 线可知,A 点压力为 1Mpa 左右,B 点压力为 3Mpa 左右,最大压力 3.3Mpa。当压力油的压 力减小到小于弹簧的设定压力时,在弹簧力的作用下,控制阀向左移动,控制阀的右位 T 口与伺服活塞大腔相通,伺服活塞大腔内的压力油流回油箱,此时斜盘倾角逐渐变到 最大,泵的排量最大。 2.2.3 主泵功率的调节 ⑴概述 主泵功率的调节是通过比例电磁阀实现的,先导油压经比例电磁阀作用于功率控制 活塞上。 比例电磁阀的符号(如右图所示) :
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图 2.8 比例电磁阀 Fig. 2.8 Proportion solenoid valves

作用:比例电磁阀是用来调节主泵的输出功率,其输出压力与输入电流成反比,即 输入电流越大,泵输出压力油的压力越小,此阀的输出压力直接控制主泵流量,配合中 央控制器,调整主泵的输出功率。导向压力 Pi 经过滤器、比例电磁阀接到功率控制活 塞上。 ⑵主泵功率的调节

图 2.9 电流变化时流量-压力曲线图 Fig. 2.9 Current changes-pressure flow graph

如图 2.9 图 1 所示,当电流减小时,泵在同等排量下所需的负荷压力 P1+P2 减小,
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此时流量-压力曲线如虚线所示,在 C′~C 段,由于斜盘倾角存在一最小值,即使负荷 压力 P1+P2 不断增加,泵的排量也不再发生变化。 如图 2.9 图 2 所示,当电流增大时,泵在同等排量下所需的负荷压力 P1+P2 增大, 此时流量-压力曲线如虚线所示,在 C′~C 段,由于斜盘倾角存在一最小值,即使负荷 压力 P1+P2 不断增加,泵的排量也不再发生变化。

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3.主阀
根据驾驶员的手柄要求,主阀把由主泵输出的高压油,按照工作装置的动作的需要 进行分流,从而实现工作装置的不同作业。 主控制阀的主要技术参数: 最大流量最大流量(L/min) 最大压力最大压力(Mpa) 液压油温度范围(℃) 265 34.3 -20~90

主卸油阀主泄压阀设定压力(Mpa) 80L/min 时 31.4(标准) ;60L/min34.3(较高) 端口油阀端口泄压阀设定压力(Mpa) 先导回路泄压压力(Mpa)
表 3.1 主阀参数 Table 3.1 The main valve parameters

20L/min:34.3 30L/min:3.2

3.1 主要阀的介绍
3.1.1 主溢流阀 ⑴概述 主溢流阀安装在主阀集成块上。该阀设定整个液压系统工作时的最高压力。当系统 压力超过主溢流阀设定压力时,主溢流阀打开回油箱油路将液压油溢流回油箱,以保护 整个液压系统,避免油路压力过高。此溢流阀具有两级设定压力,当先导压力为 OFF 时, 为一级设定压力 31.4Mpa;当先导压力为 ON 时,为二级设定压力 34.3Mpa。

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图 3.1 主溢流阀符号 Fig.3.1 The relief valve symbol

主溢流阀(主安全阀)是用来设定整个液压系统工作时的最高压力。当系统的压力 超过主溢流阀设定的压力时,主溢流阀打开回油箱回路,将液压油溢流回油箱,以保证 整个液压系统,避免油路压力过高。 ⑵主溢流阀的工作原理

图 3.2 主溢流阀结构图 Fig. 3.2 The relief valve structure

如图 3.2 所示,当泵压不断升高并超过 31.4Mpa 时,泵压推动提动头克服弹簧力

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向上推开,柱塞中小孔开始有油流动,柱塞由于前后压差(下面大,上面小),随即被向 上推开,高压油经右侧小孔流回油箱,直到泵压下降至 31.4Mpa。 当泵压力低于 31.4Mpa 时,推动头在弹簧力的作用下关闭,柱塞中小孔无油流动, 柱塞两端的压力差为 0,在弹簧力及油压作用下返回,压力油与油箱通路断开,此时泵 的压力可以保持。 3.1.2 安全吸油阀 ⑴概述 安全吸油阀安装在液压装置(油缸、马达)的每一分支油路上。它具有以下两功能 (以油缸为例): ①当油缸或马达受到外界异常的冲击时,油缸内将产生异常的高压,安全吸油阀打 开,将异常高压卸回油箱。 ②当油缸内产生负压时,该阀便起吸油阀作用,将油从油箱管路中补回负压区中, 以避免形成真空,产生气浊。 注:一侧起安全阀作用时另一侧起吸油阀作用 安全吸油阀的符号(如下图所示) :

图 3.3 安全吸油阀 Fig. 3.3 Safety valve oil absorption

⑵安全吸油阀的工作原理

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图 3.4 安全吸油阀结构图 Fig.3.4 Security oil absorption valve structure

①安全部分 当高压油区油压上升到设定的压力时, 高压油推动锥阀克服弹簧 1 的弹力向上打开, 活塞的节流槽中的油开始少量流动,活塞上下由于节流槽节流作用产生压力差,主阀受 此压力差的作用,克服弹簧 2 的弹力向上打开,大量高压油得以泄回油箱,主油路压力 下降,保护了油缸和油管 ②吸油部分 当 E 区为负压时,油压低于油箱压力,油箱油压作用在环行受力面上,推动吸入阀 向上打开,油箱油补进此负压区,避免生成气泡,产生气蚀。 3.1.3 保持阀 ⑴概述 该主阀系统中的保持阀有两处,一处位于主阀至斗杆油缸有杆腔的油口处,一处位 于主阀至动臂油缸无杆腔的油口处。当斗杆的操作杆位于中位时,该阀可防止斗杆油缸 有杆腔的油在斗杆自重作用下经斗杆主阀芯返回油箱,防止斗杆的自然下降。同样,当 动臂的操作杆位于中位时,该阀可防止动臂油缸无杆腔的油在斗杆自重作用下经动臂主 阀芯返回油箱,防止动臂的自然下降。 保持阀的作用: ①保持阀能防止斗杆或动臂的缓慢下沉。 ②保持阀能防止斗杆或动臂发生液压滑移,使之在较长时间内仍能停留在原处。
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保持阀的符号(如下图所示) :

图 3.5 保持阀符号 Fig. 3.5 Keeps the symbols

⑵保持阀的工作原理

图 3.6 斗杆回路简图 Fig. 3.6 Measures stem circuit diagram

以斗杆的液压回路来说明保持阀的工作原理(如上图 3.6 所示) ,当斗杆的主阀芯 位于中位时, 由于动臂自身具有的重力, 使得斗杆液压缸内的活塞具有向下移动的趋势, 油管中的压力油由 A→B,经过电磁阀的右位阀孔后压力油作用于插装阀的的左腔内,使 得插装阀内活塞的右端紧紧地靠在右侧,阻断压力油的流动,从而使液压缸较长时间内
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停留在原来的位置。当动臂阀芯换向时,保持阀中的二位三通的液控换向阀也换位。

3.2 主阀涉及到的控制功能分析
3.2.1 斗杆再生回路 ⑴斗杆再生回路的作用 斗杆小负载挖掘时,回油返回斗杆油箱,加快了坡地平整作业,该功能称之为“回 油再生” 。 斗杆挖掘时可以充分利用自重产生的油压返回到斗杆,加快下降的速度。 ⑵斗杆再生回路的工作原理

图 3.7 斗杆回路简图 Fig. 3.7 Measures stem circuit diagram

当斗杆无负载下落时,为提高斗杆的运行速度,在斗杆油箱伸出时把斗杆油缸有杆 腔一侧的液压油引回无杆腔一侧,实现再生功能。 如图 3.7 所示,由于斗杆自身具有的自重,使得液压缸有杆腔一侧的压力油的压力 升高,称为高压区。而液压缸无杆腔一侧的压力油的压力降低,称为低压区。在两侧压 力差的作用下, 液压油被迫通过主阀芯内部的单向阀, 由有杆腔一侧向无杆腔一侧流动, 防止斗杆油箱进油一侧出现吸空、气浊现象,加快了斗杆的运行速度,即加快了斗杆的 挖掘作业。 3.2.2 保持回路 ⑴保持回路的作用

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①保持回路能防止斗杆或动臂的下沉。 ②保持回路能防止斗杆或动臂发生液压滑移,使之在较长时间内仍能停留在原处。 ⑵保持回路的工作原理

图 3.8 斗杆回路简图 Fig. 3.8 Measures stem circuit diagram

图 3.8 为斗杆的液压回路图,当斗杆的主阀芯位于中位时,由于斗杆本身自重的原 因,斗杆液压缸内的活塞有下移的趋势,此时油管中的压力油经要经过保持阀,由于斗 杆的主阀芯位于中位,没有动作,保持阀中的电磁阀处于右位,压力油从 A→B,经电磁 阀的右位阀孔作用到插装阀内部的活塞上,使得插装阀内部的活塞紧紧地靠在右侧,从 而保证了液压缸在较长时间内仍能停留在原处。 3.2.3 回转优先回路 ⑴概述 在并联回路中,当要两个动作同时运动时,必需使两个动作的负载相同,否则,负 载大的动作就不会运动,在挖掘机中为提高作业效率,很大一部分时间都要求两个动作 同时运动,比如动臂提升与斗杆回收、回转与斗杆回收,但此时动臂提升的负载很大、 回转起动的负载很大,所以要优先保证动臂提升、回转起动。 (当动臂提升与斗杆复合 动作时,在斗杆阀前端节流提高其负荷,保证动臂能够提升。 ) 作用:当斗杆收回和回转同时进行时,回转开始的压力由回转优先阀保持,可以同时进 行斗杆收回和回转。
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⑵工作原理 当回转与斗杆回收复合动作时, 由于回转起动的负载很大而斗杆回收的负载较小, 这 时与回转比例式操纵阀相并联的梭阀发生动作,经回转相对于斗杆优先控制活塞作用, 使得斗杆阀柱的并联油路受到限制 ,因此回转阀柱优先确定回转马达功率,并防止上 部回转平台被斗杆收回时的反作用力转动。

3.3 主阀各工作机能分析
3.3.1 动臂动作 ⑴动臂提升

图 3.9 动臂提升简图 Fig. 3.9 Arm ascension diagram

如图 3.9 所示, 在动臂提升动作过程中,导向压力由 XAb1 口进入并使动臂阀柱向 左移动。由 P2 口进入的压力油经主通道流到旁路中,由于动臂 1 阀柱的转换,旁路被 关闭。液压油通过控制阀右位流到 Ab1 口。 同时,导向压力也通过 XAb2 口进入并使动臂 2 的阀柱向左移动。由 P1 口进入的压 力油,也经主通道流到旁路中,由于动臂 2 阀柱的转换,旁路被关闭。液压油通过控制 阀右位经 Ab1 流出。 两部分的液压油经 Ab1 被输送到动臂液压缸头部一侧,而从动臂液压缸推杆一侧来

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的液压油,通过控制阀,由 Bb1 进入后经油箱(R2)回到液压油箱。此时,两个泵的流 量同时供应,实现了合流,油缸的作业速度增加了一倍,降低了作业循环时间,提高了 工作效率。 ⑵动臂下降

图 3.10 动臂下降简图 Fig.3.10 Arm desecend diagram

如图 3.10 所示,在斗杆回收动作过程中,导向压力由 XBb 口进入并使动臂的阀柱 向左移动。由 P1 口进入的压力油经主通道流到旁路中,由于动臂阀柱的转换,液压油 通过控制阀左位经 Bb1 口流出。经 Bb1 口流出的液压油被输送到推杆一侧油缸油腔中, 从动臂液压缸头部一侧来的液压油,经油箱口(R2)回到液压油箱。 3.3.2 斗杆动作 ⑴斗杆回收

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图 3.11 斗杆回收简图 Fig. 3.11 Measures stem recovery diagram

如图 3.11 所示,在斗杆回收动作过程中,导向压力通过 XBa1 口和 XBa2 口进入。 当压力通过 XBa1 口进入时,滑阀向左方移动,右位接通。经 P1 口进入的液压油通过主 通道流到旁路,由于斗杆 1 阀柱的转换,液压油通过控制阀右位流到 Ba1 口,然后液压 油被输送斗杆液压缸的推杆一侧。 经 P2 口进入的液压油通过主通道流到旁路,由于斗杆 2 阀柱的转换,旁路被关闭。 进入斗杆液压缸推杆一侧的油路被主阀切断,从斗杆液压缸头部一侧来的液压油流过 Aa1 口,然后由油箱口(R2)流回到液压油箱中。 ⑵斗杆挖掘

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图 3.12 斗杆伸出动作简图 Fig.3.12 Measures stem stretch out action diagram

如图 3.12 所示,在斗杆挖掘过程中,导向压力通过 XAa1 口和 XAa2 口进入。当压 力油通过 XAa1 口进入时,阀柱向右转换。经 P1 口进入的液压油通过主通道流到旁路, 由于斗杆 1 阀柱的转换,旁路被关闭。液压油经控制阀的左位流到 Aa1 口,然后又被输 送到斗杆液压缸的头部一侧。 另一方面,在斗杆液压缸推杆一侧内的液压油被斗杆的自重加压并回到 Ba1 口。回 到 Ba1 口的被加压的液压油通过斗杆阀柱外面的孔进入阀柱。仅在轻载的过程中,液压 油推开套止回阀并从阀柱孔反向流经 U 形通道,然后汇到 Aa1 口。 经 P2 口进入的液压油也通过主通道流到旁路, 由于斗杆 2 阀柱的转换, 旁路被关闭。 液压油经控制阀的左位流到 Aa1 口,然后又被输送到斗杆液压缸的头部一侧。在斗杆液 压缸推杆一侧内的液压油被斗杆的自重加压并回到 Ba1 口。回到 Ba1 口的被加压的液压 油通过斗杆 1 的控制阀流回油箱。 在斗杆伸出和挖掘过程中,左右两泵通过两个斗杆控制阀,在阀后实现合流,提高 了斗杆双向运动速度。在斗杆伸出时有杆腔一侧的液压油只通过一个主阀进行回油。

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3.3.3 铲斗动作 ⑴铲斗挖掘

图 3.13 铲斗挖掘简图 Fig. 3.13 Bucket mining diagram

如图 3.13 所示,在铲斗挖掘动作过程中,导向压力经 XAK 口进入并使铲斗阀柱向 左方转换。 P2 口进入的液压油经主通道流到旁路, 由 由于铲斗阀柱的转换, 旁路被关闭。 压力油经控制阀右位流到 AK1 口并被输送到铲斗液压缸头部一侧。从铲斗液压缸推杆一 侧来的液压油由 BK1 进入,经阀柱的外围,然后由油箱口(R2)回到液压油箱。 ⑵铲斗回复

图 3.14 铲斗复位简图 Fig.3.14 Bucket reset diagram
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如图 3.14 所示,在铲斗回复动作过程中,导向压力经 XBK 口进入并使铲斗阀柱向 右转换。由 P2 口进入的压力油经主通道流经旁路,由于铲斗阀柱的转换,旁路被关闭。 压力油经阀柱的外围流到 BK1 口并被输送到铲斗液压缸推杆一侧油腔内。从铲斗液压缸 头部一侧油腔内来的液压油由 AK1 口进入,经过阀柱的外围,然后由油箱口(R2)回到 液压油箱。 3.3.4 回转动作

图 3.15 回转动作简图 Fig. 3.15 Turn diagram

如图 3.15 所示,在回转动作过程中,导向压力经 XAs 口进入并使回转阀柱向左移 动。由 P1 口进入的压力油流到 As 口并被输送到回转马达。从回转马达流回的液压油由 Bs(口进入,然后由油箱口(R2)流到液压油箱。 当导向压力经 XBs 口进入并使回转阀柱向右移动。由 P1 口进入的压力油流到 Bs 口 并被输送到回转马达。从回转马达流回的液压油由 As 口进入,然后由油箱口(R2)流 到液压油箱。

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3.3.5 行走动作

图 3.16 行走动作简图 Fig. 3.16 Walk action diagram

行走马达内的平衡阀处于中位时,马达不旋转,此时制动缸产生制动动作。当行走 控制阀有动作时,平衡阀换位,一部分压力油会通过平衡阀流到制动缸,液压油克服弹 簧弹力,制动解除。 如图 3.16 所示,在行走动作过程中,当右行走阀柱的导向口 XAtr 被加压后,从 P2 口来的压力油经 Atr 口流到右行走马达油腔内。另外,从从行走马达来的回油流过 Btr 口,然后通过油箱(R2)回到液压油箱。 当右行走阀柱的导向口 XBtr 被加压后,从 P2 口来的压力油经 Btr 口流到右行走马 达油腔内。另外,从从行走马达来的回油流过 Atr 口,然后通过油箱(R2)回到液压油 箱。

图 3.17 行走动作简图 Fig. 3.17 Walk action diagram

行走马达内的平衡阀处于中位时,马达不旋转,此时制动缸产生制动动作。当行走
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控制阀有动作时,平衡阀换位,一部分压力油会通过平衡阀流到制动缸,液压油克服弹 簧弹力,制动解除。 如图 3.17 所示,在行走动作过程中,当左行走阀柱的导向口 XAtl 被加压后,从 P1 口来的压力油经 Atl 口流到左行走马达油腔内。另外,从从行走马达来的回油流过 Btl 口,然后通过油箱(R2)回到液压油箱。 当左行走阀柱的导向口 XBtl 被加压后,从 P1 口来的压力油经 Atl 口流到左行走马 达油腔内。另外,从从行走马达来的回油流 Atl 口,然后通过油箱(R2)回到液压油箱。 直线行走阀的作用是当行走并且工作装置有动作时,使左右两侧行走马达的油路相 同,此时,左右行走马达的流量相等,挖掘机直线行走。

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4. 回转系统分析
4.1 概述
液压回转马达(即液压马达)—液压系统中的执行元件之一,是将液体的压力能转 变为机械能的能量转换装置,经行星轮减速机构驱动上部车体做 0~360°旋转。 回转操作手柄动作,从主泵出来的高压油通过回转主阀芯进入 A 口或 B 口推动回转 马达旋转,然后使上部车体做左旋转或右旋转。 回转马达通过减速机驱动转台转动,由于转台上的零部件多、体积大、质量大运动 惯性巨大,当需要停止回转时,通过主阀关闭了回转马达的进出油口,马达停止运动。 由于转台的巨大惯性迫使回转马达在油口封闭的情况下继续转动,出现“泵工况” ,马 达吸油侧会出现真空引起气浊、振动、冲击,马达的出油侧会形成极高的封闭油压而造 成马达损坏。同时由于突然的制动会造成转台、斗杆、动臂的剧烈回转,为克服以上现 象而设置了补油阀、安全阀、防逆转阀。

4.2 回转马达工作原理[2]

图 4.1 回转马达工作原理图 Fig. 4.1 Rotary motor work principle diagram

在缸体上均匀分布若干柱塞孔,每个柱塞孔内均装有柱塞,柱塞可在缸体柱塞孔做 往复运动,柱塞在弹簧力的作用下使其头部始终紧贴斜盘,斜盘相对于传动轴线的垂直 面倾斜γ 角,配流盘由定位销定位。 如图 4.1 所示,在工作过程中,配流盘固定不动,斜盘可以通过摆动来改变γ 角, 传动轴带动缸体按图示方向旋转,处于剖面内侧半圆部位的柱塞一边随缸体转动,一边 在弹簧力的作用下向外伸出,使柱塞与柱塞孔形成的密封工作容腔不断增大,通过配流 盘的吸油窗口吸油;剖面外侧半圆部位的柱塞在斜盘的强制作用下,向柱塞孔内缩回,
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使密封工作容腔减小,油液通过配流盘的压油窗口排出。 高压油通过配流盘进油口流入缸体内,推动柱塞从右向左移动,此时轴向产生力 F, 力 F 通过滑靴对斜盘产生垂直于斜盘表面的分力 F1 和垂直于主轴的分力 F2, 分力 F2 使 滑靴在斜盘表面运动从而带动柱塞做活塞运动,此时缸体与柱塞、导靴一同转动。

4.3 细部动作原理
4.3.1 安全吸油阀

图 4.2 安全吸油阀工作原理图 Fig. 4.2 Safety valve oil absorption principle diagram

⑴安全部分 当主阀流入回转马达的油口被切断后,由于挖掘机上部车体回转惯性很大,使得 回转马达出油口的油压急剧升高, 出油口的高压油通过安全阀将部分压力油转向压力较 小的进油口。 ⑵吸油部分 由于在封闭油口时马达的转动惯性很大,会出现真空或有可能马达回转超过供给油 量。如右图所示,为防止供油不足引起的抽空,安装了补油阀。若马达右腔口的压力为 高压油,一部分高压油通过卸载阀 4 经单向阀 1 流到马达低压油腔一侧,一部分通过 M 接口将油箱中的压力油经单向阀 1 流到马达低压油腔一侧。由于马达本身存在泄漏,马 达低压油腔一侧不足的液压油主要通过油箱来补给。在马达回转量超过供油时,可从油 箱内直接吸入不够油量,这样避免了在马达内出现真空的现象,也保证了马达安全。

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4.3.2 回转停车制动和延时阀 ⑴作用 回转停车制动装置多为摩擦片式制动器,由多个制动弹簧压紧摩擦片,从而制动 马达,解除制动是通过先导压力来实现的。 ⑵工作原理

图 4.3 回转制动工作原理图 Fig. 4.3 Back brake work principle diagram

1.制动解除 操作先导操纵阀时,先导压力油通过 SH 口将制动阀内的阀芯向下推动,阀芯被推 动后,阀芯上的开口使 PG 口的先导压力油经控制阀上位流向制动活塞 1 腔内,制动活 塞 1 腔内的压力油克服弹簧力向右移动从而解除制动。 2.制动启动 操作先导操纵阀回到中位时,SH 口不再有先导压力,制动阀的阀芯受弹簧力的作 用向上移动将 PG 油口断开,制动活塞受弹簧力的作用向左移动压紧弹簧片实现停车制 动。压力油通过制动阀下位经延时阀流到马达油腔内,最后通过马达油腔将压力油卸 回到油箱。由于经过节流器的液压油是缓慢排放的,因此制动活塞也是被慢慢压紧。 从开始回转制动到回转制动完成需要 5~8s 的时间。 4.3.3 防逆转阀 ⑴作用 防逆转阀主要是回转操作停止时,减少由于上部车体的惯性力或是液压油的压缩 量引起的逆回转。 ⑵工作原理

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图 4.4 防逆转阀工作原理图 Fig. 4.4 And reverse the work principle diagram

当马达右腔出油口为高压油时,马达右腔出油口的高压油一路通过防逆转阀 1,由 于防逆转阀 1 进油处下侧接有节流器,高压油经防逆转阀的上位流回到马达低压油腔一 侧;另一路通过防逆转阀 2,由于防逆转阀 2 上下进油口压力相同,此时防逆转阀 2 不 动作。 当马达左腔出油口为高压油时,马达左腔出油口的高压油一路通过防逆转阀 2,由 于防逆转阀 2 进油处下侧接有节流器,高压油经防逆转阀的上位流回到马达低压油腔一 侧;另一路通过防逆转阀 1,由于防逆转阀 1 上下进油口压力相同,此时防逆转阀 1 不 动作。

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5.行走系统分析
5.1 概述
行走系统是挖掘机不可缺少的重要组成部分。挖掘机行走系统有单边行走系统(右 行走系统、左行走系统) 、直线行走系统。行走系统主要由行走控制阀、平衡阀、带缓 冲活塞的安全阀、变量马达、自动双速切换阀、双速活塞、中心回转接头、制动缸等组 成。行走系统中的自动双速切换阀可实现挖掘机的高低速行驶。常规状态时,行走切换 电磁阀不接通,行走马达处于一速。当行走切换电磁阀接通后会推动自动双速切换阀换 位,通过双速活塞使得马达斜盘倾角减小,马达转速提高( Q =V×n) ,从而实现马达 的高速行驶。平衡阀可实现马达供油而旋转,也可以向液压缸供油从而解除制动,马达 旋转工作。车辆在行走(直线行走或单边行走) 时后泵处于分流的状态,后泵供应左 右行走控制阀,前泵供应其他控制阀。活塞马达内置停车制动功能,马达停止时,机械 制动器发挥作用,防止因外部负载而旋转。要实现挖掘机的直线行走功能,左右行走控 制阀换位而且上车至少有一个动作,这样才能建压使得直线控制阀换位实现直线行走功 能。

图 5.1 行走马达结构图 Fig. 5.1 Walk motor structure

1—变量马达

2—双速活塞

3—自动双速切换阀

4—平衡阀

5—带缓冲活塞的安全阀

6—缓冲

活塞 7—制动缸

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5.2 细部动作原理分析
5.2.1 平衡阀 ⑴作用 ①平衡阀接通马达油路,液压油由平衡阀进入马达腔体内,使得马达进行旋转。 ②平衡阀与制动缸相连接,液压油经平衡阀进入制动缸从而解除制动。 ⑵工作原理

图 5.2 平衡阀工作原理图 Fig. 5.2 Balancing valve work principle diagram

当左右行走控制阀处于中位时,压力油由 A、B 端进入到行走马达两侧油腔内,由 于由 A、B 端进入的压力油的压力相等,此时行走马达不动作。 当压力油由 A 端进入时,压力油通过左侧单向阀推动平衡阀向右移动,左位接通油 路。此时压力油通过平衡阀左位,一路液压油流到制动缸,推动制动缸活塞下移,制动 解除;另一路通过平衡阀左位内部的单向阀流到行走变量马达左侧油腔内,使得行走变 量马达旋转工作。从行走变量马达右腔来的液压油通过平衡阀左位经左右行走控制阀流 回油箱。 当压力油由 B 端进入时,压力油通过右侧单向阀推动平衡阀向左移动,右位接通油 路。此时压力油通过平衡阀右位,一路液压油流到制动缸,推动制动缸活塞下移,制动 解除;另一路通过平衡阀右位内部的单向阀流到行走变量马达右侧油腔内,行走马达旋 转工作。从行走变量马达左腔来的液压油通过平衡阀右位经左右行走控制阀流回油箱。
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5.2.2 左右安全阀 一.作用 左右安全阀是两个带缓冲活塞的安全阀。主要用于限定马达驱动力和制动力,因此 这个阀具有抗冲击能力,缓冲马达的起动、停止时的冲击,提供良好的抗冲击性。而且 与平衡阀紧密成一体构成制动回路。 二.工作原理

图 5.3 左右安全阀工作原理图 Fig.5.3 Or so the relief valve work principle diagram

开启控制阀,当压力油由 A 端进入,活塞马达启动,由于启动时要产生冲击,压力 油流到右安全阀 2 的缓冲活塞内,推动缸内可动活塞向右移动,缓冲了启动时产生的冲 击。同时,由于启动时产生的冲击,使得行走变量马达左侧油腔内的液压油变为高压油, 高压油通过左安全阀 1 将部分高压油流到低压油腔一侧。当压力油由 B 端进入,活塞马 达启动,由于启动时要产生冲击,压力油流到左安全阀 1 的缓冲活塞内,推动缸内可动 活塞向左移动,缓冲了启动时产生的冲击。同时,由于启动时产生的冲击,使得行走变 量马达右侧油腔内的液压油变为高压油,高压油通过右安全阀 2 将部分高压油流到低压 油腔一侧。 行走变量马达在制动时,由于惯性而产生冲击。此时左右行走控制阀处于中位,行 走变量马达右侧一腔的高压油一路通过左安全阀 1 的缓冲活塞,推动缓冲活塞内的可动 活塞向左移动,缓冲了制动时产生的冲击;另一路通过右安全阀 2 将部分高压油流到低
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压油腔一侧,防止低压油腔一侧产生真空或气浊。 5.2.3 自动双速切换阀 一.作用 在自动双速位置,将选择与马达的负荷压力相适应的马达容量,进行低高速自动切 换。当马达容量固定在大容量位置时低速行走,当马达容量固定在小容量位置时高速行 走,通过自动双速切换阀可以进行低高速转换。 二.工作原理

图 5.4 自动双速切换阀工作原理图 Fig. 5.4 To be automatic double speed switch valve work principle diagram

如图 5.4 所示,通常情况下,行走切换电磁阀不接通,自动双速切换阀处于左位, 进入自动双速切换阀的液压油处于待油状态。此时,行走变量马达的马达容积处于大容 量状态,挖掘机低速行驶。 当行走切换电磁阀接通后,先导压力油经 Ps 口作用于自动双速切换阀的右端,推 动自动双速切换阀左移,油路接通。右端口 A、B 进入的压力油通过自动双速切换阀右 位经双速活塞作用于变量马达的斜盘上,使得变量马达的斜盘倾角减小,变量马达容积 减小,变量马达的转速提高,车辆高速行驶。 另外, 在挖掘机爬坡时, 制动缸一端来的液压油也会作用于自动双速切换阀的左端, 液压油处于待油状态,开始时由于液压油的压力比较小,此时不起作用。但挖掘机爬坡 时在液压油的压力升高,自动双速切换阀的左端面积小,产生的作用力大于右端先导油

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压作用到右端面上的作用力,此时即使行走切换电磁阀接通,也不能推动自动双速切换 阀进行换位,从而保证挖掘机低速行驶。 5.2.4 行走直线功能 一.作用 当挖掘机陷入坑中或其他特殊工况时,要求挖掘机边行走边动工作装置(动臂、斗 杆、铲斗、回转) ,能实现挖掘机的自救或其他功能。 二.工作原理

图 5.5 行走直线功能原理图 Fig. 5.5 Walk straight line function principle diagram

如图 5.5 所示, 左侧先导油进入后分三路, 第一路通过单向阀进入左右行走控制阀, 第二路作用于直线行走控制阀左端,第三路通过单向阀进入其他控制阀。要想使直线行 走控制阀换位,必须在直线行走控制阀左端建压,因此必须保证第一路和第三路油路被 阻断,这样才能在直线行走控制阀左端建压,推动控制阀右移,从而控制阀左位接通油 路。也就是说,要想实现挖掘机的直线行走,左右行走控制阀要有动作,而且上车(斗 杆、动臂、铲斗、回转)至少有一个动作。

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图 5.6 行走直线功能原理图 Fig. 5.6 Walk straight line function principle diagram

当液压油通过直线行走控制阀后进行了液压油的再分配,后泵向左右行走变量马达 供油,左右马达供油量相等,前泵向其他控制阀供油。 当左行走马达负载增大时,液压油的压力升高,由后泵来的液压油无法进入左行走 马达油腔内,高压油通过直线行走控制阀内的节流器流到右行走马达油箱,使得两油腔 内的压力油压力都升高。当右行走马达负载增大时,部分高压油通过直线行走控制阀内 的单向阀进入左行走马达油腔中,两油腔的压力也都会升高。最终保证了挖掘机的直线 行走。 5.2.5 停车制动功能 一.作用 活塞马达内置停车制动功能,马达停止时,机械制动器发挥作用,防止因外部负载 而旋转。 二,工作原理 1.停车制动的解除 当平衡阀有动作时,压力油通过平衡阀进入到制动缸,在液压油作用下克服制动缸 内弹簧力的作用,制动解除。 2. 停车制动的动作 如图 5.4 所示,当平衡阀处于中位位置时,制动缸推杆一侧的液压油在弹簧力的作 用下经回油路流到油箱,从而产生停车制动动作。

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5.2.6 中心回转接头 一.概述 用一根液压软管连接两点,只要连接点无相对旋转运动,几乎没有问题。但是,若 连接点旋转,如由位于上部车体的主泵向位于下部车体的行走马达供油的时候,因上下 车体会做相对转动,会使液压软管发生扭曲。为了防止这类事情的发生,在上部车体的 中心安装了中心回转接头。 二.工作原理 中心回转接头由壳体和芯轴组成,壳体安装在上部车体上,而芯轴则安装在下部车 体上。 在芯轴上开出与管路数相等的环形沟槽,从壳体入口来的液压油,通过这些沟槽从 芯轴上的垂直孔供给行走马达。即使壳体随上部车体不断地回转,芯轴上的沟槽也与壳 体上油口保持畅通,使得液压油可以自由的进入。

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6 总结分析
力士德 SC330 挖掘机的液压系统主要包括以下回路组成:变量泵总功率调节回路、 比例减压阀式先导操纵控制回路、回转回路、行走回路、动臂回路、斗杆回路及铲斗回 路。 该型号挖掘机的泵包括两个串联的主变量泵(前泵和后泵)和一个先导泵。该主泵是 由两个单泵串联而成,泵通过花键轴与发动机飞轮输出端花键套相联,其中靠近发动机 一侧的称为前泵,远离发动机的称为后泵。 主泵吸收发动机传来的机械旋转能量,变为液压能量以高压油的形式输出出去,来 驱动液压油缸和液压马达的工作。先导泵是用来提供先导系统压力的。先导油一路通过 电磁阀,经比例式减压操纵阀作用于主控制阀上,用于调节主控制阀的换位;另一路流 到 PG 口。通过调节器(功率控制和负流量控制)和比例电磁阀可以调节泵的排量和泵 的功率。 主泵变量分析是关键,空载、单泵空载、单泵重载、双泵轻载、双泵重载、在空载、 停车等过程中泵排量的变化。主阀主要介绍了主溢流阀、安全吸油阀、保持阀(斗杆保 持阀和动臂保持阀) 。主溢流阀可实现二级调压,一级调定压力 31.4Mpa,二级调定压力 34.3Mpa。安全吸油阀用于防止因杆件自身的重力引起的振动和气浊。保持阀用于保持 杆件能在某一位置保持较长时间而不发生掉缸。主阀实现了斗杆再生、回路保持以及回 转优先功能,保证了挖掘机的安全工作和正常工况。 在斗杆动作过程中两个泵的流量同时供应,实现了合流,油缸的作业速度增加了一 倍,降低了作业循环时间,提高了工作效率。斗杆挖掘时可以充分利用自重产生的油压 返回到斗杆,加快下降的速度。挖掘机的基本动作(单动作)有动臂动作、斗杆动作、 铲斗动作,还可以实现复杂的复合动作。 在回转系统中分析了回转系统的工作原理以及细部动作原理 (安全吸油阀、 延时阀、 防逆转阀以及制动解除和制动动作) 。安全吸油阀用于防止马达惯性产生的冲击而引起 的高压油区液压油压力过高和低压油区液压油压力过低,也防止了马达的振动和低压油 区产生气浊。延时阀使得在 5~8s 产生制动,减轻了制动片的磨损。防逆转阀用于防止 因马达惯性产生的反作用力而引起马达反向回转。 在行走系统中分析了行走系统的工作原理以及细部动作原理(带缓冲活塞的安全吸 油阀、平衡阀、自动双速切换阀、双速活塞以及制动解除和制动动作) 。平衡阀一方面 接通油路,使得马达旋转工作,另一方面在平衡阀换位后向制动缸供油,通过压力油克 服弹簧力解除制动。自动双速切换阀可以实现挖掘机的低高速转换,通常状况下,自动 双速切换阀处于左位,马大容积最大,此时马达转速低,挖掘机低速行驶;当行走切换 电磁阀接通后,推动自动控制活塞换位,右位接通油路,通过双速活塞改变了变量马达 的斜盘倾角,马达容积减小,马达转速提高,挖掘机高速行驶。

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参考文献
[1]王树明,穆瑞华,陈勇.公路工程机械(中册).东营:石油大学出版社,2004 [2]王积伟,章宏甲,黄谊.液压传动(第二版).北京:机械工业出版社,2006.12 [3]官忠范.液压传动系统.北京:机械工业出版社,1998 [4]林建亚,何存兴.液压元件.北京:机械工业出版社,1988 [5]吴振顺,液压控制系统,高等教育出版社,2008.05 [6]薛祖德.液压传动.北京:中央广播电视大学出版社,1995 [7]张奕,工程机械液压系统分析及故障诊断,人民交通出版社,2008.01 [8] 宋永刚 龙水根,工程机械专用英语,人民交通出版社,2008.08 [9] COBO M, INGRAM R, CETINKUNT S. Modeling, identification and real-time control of bucket hydraulic system for a wheel type loader earth moving equipment[J]. Mechatronics, 1998, 8 [10] SEWARD D, PACEA C, MORREYB R, et al. Safety analysis of autonomous excavator functionality[J]. Reliability Engineering and System Safety, 2000.7

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