6.机电一体化液压挖掘机斗杆机构液压系统设计(2)

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2 液压挖掘机结构与工作原理

液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成，可分为液压系统、动力系统、行走系统、控制系统和金属结构件等几大部分。液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。

液压挖掘机一般由工作装置、回转装置和行走装置三大部分组成。根据其构造和用途可以区分为：履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型，如图2-1所示。

单斗液压挖掘机的液压传动系统是通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执行元件，推动工作装置动作，从而完成各种作业。单斗液压挖掘机每一作业循环包括挖掘、回转、卸料和返回等四个过程。挖掘时先将铲斗向前伸出，动臂带着铲斗落在工作面上，然后铲斗向着挖掘机方向拉转，铲斗在工作面上挖出一条弧形挖掘带并装满土壤。随后将铲斗连同动臂一起升起，上部转台带动铲斗及动臂回转到卸土处。将铲斗向前推出，使铲斗口朝下进行卸土。卸土后将动臂及铲斗回转并下放至工作面，准备下一循环的挖掘作业。

1.铲斗缸 2.斗杆缸 3.动臂缸 4.回转马达 5.冷却器 6.滤油器 7. 磁滤器 8.油箱 9.液压泵 10.背压阀11. 后组合阀 12.前组合阀 13.中央回转接头

14.回转制动阀 15.限速阀16.行走马达

图2-1 液压挖掘机整体系统图

2.1 机电一体化液压挖掘机系统结构

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2.1.1 机电一电化液压挖掘机系统组成

机电一体化液压挖掘机系统是由驱动与传动系统、执行机构、检测系统和控制系统四部分组成。

驱动与传动系统 包括发动机、液压泵、液压马达、电液比例方向阀、动臂缸、斗杆缸、铲斗负荷及齿轮传动，他实现了液压挖掘机中各种能量的传递和转换。执行机构 由回转平台、动臂、斗杆、铲斗及工作装置连杆机构组成。传动系统接到控制信号后，按要求推动执行机构，产生一定的动作，以完成一定的任务。检测系统 以各种传感器为主要组成部分，随时向计算机反馈挖掘机及环境的变化，包括：位置、姿态、速度、加速度、系统压力、柴油机水箱温度、柴油机转速以及外部环境的几何信息等。控制系统 由计算机根据任务要求，自动生成一条从衩始状态到目标状态的安全运动路径，并由控制器控制挖掘机工作装置按照规划好的轨迹运行，直至到达给定的位置状态，完成给定的任务。 2.1.2 机电一体化单斗反铲液压挖掘机

反铲装置主要用于挖掘停机面以下的土壤。斗容量小于1.6M 3的中小型液压挖掘机通常选用反铲装置，一般分为整体式和组合式结构。其中长期作业条件相似的挖掘机反铲装置大多采用整体鹅颈式动臂结构。采用这种动+6臂有利于加大挖掘深度，且结构简单、价格低廉。刚度相同时，其重量比组合动臂轻，是目前应用最广泛的液压挖掘机工作装置结构形式。

铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式，动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接，在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作。如图 2- 1 所示，整体鹅颈式动臂反铲挖掘机工作装置主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗一杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成。装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下。铰点转动实现动臂的升降。斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂相对角度。当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联。 2.1.3 机电一体化液压挖掘机工作循环过程

首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运输车辆倒车、调停，停靠在挖掘机的侧方或后方。挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘

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地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，配合动作以加快作业进度，进行复合动作的挖掘和装载:铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使铲斗高度稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直到铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。

1、斗杆油缸 2、动臂 3、油管 4、动臂油缸 5、铲斗 6、斗齿 7、侧齿 8、连杆 9、摇杆 10、铲斗油缸 11、斗杆

图2-2 机电一体化反铲挖掘机工作装置

2.2 机电一体化液压挖掘机工作原理

机电一体化液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通过行走马达驱动行走(移位)，使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足挖掘作业的要求。

机电一体化液压挖掘机传动示意图，如图2-3所示，利用各种传感器，柴油机驱动液压泵，操纵分配阀，将高压油送给各液压执行元件(液压缸或液压马达)驱动相应的机构进行工作。

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机电一体化液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。反铲工作装置由铲斗1、斗杆2、动臂3、连杆4及相应的三组液压缸5. 6. 7组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动;而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达，转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩;动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。

1、铲斗 2、斗杆 3、动臂 4、连杆 5、 6、 7、液压油缸

I、挖掘装置 II、回转装置 III、行走装置 图2-3 机电一体化液压挖掘机传动示意图

2.3 机电一体化液压挖掘机工作技术要求

当采用柴油机-液压泵复合控制。操作者根据工况，利用作业模式选择开关（功率预选开关）选择合理的功率模式：重载高速、正常工作、轻载低速。通过电子调节器调节发动机油门和液压泵的排量，使供给功率与负载需要功率相匹配。采用了电液比例控制技术，通过改变34B-R6/H6型带阀芯位移反馈的电液

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比例方向阀的比例电磁铁的输入电流，不公可以改变阀的工作液流方向，而且可以挖掘阀口大小实现流量控制，是一种较为理想的电、液转换和功率放大元件，与伺服控制相比具有成本低、抗干扰性好、能量损失小、对油液清洁度无特殊要求等优点。工况在线监测系统包括单片主处理器模块、面板控制系统、模拟信号调理模块、A/D转换及光电隔离模块、电源模块及传感器等部分。其中单片主处理器模块是系统的核心部分，主要功能有面板的控制管理，A/D转换部分的控制管理、模拟量、开关量和转换信号的输入、处理和存储。面板控制模块是整个系统的入机接口，它包括键盘、声光报警电路和点阵式液晶显示器。模拟信号调理电路的任务是实现各路模拟量信号的输入和调整，将传感器和敏感元件的输出电信号转变为满足A/D转换输入要求的标准电平信号。A/D转换及光电隔离模块的功能是将所有的被检测转变成为单片机所接受的数字量，具体包括开关量、转换信号的整形、模拟量的A/D转换和输入输出信号的光电隔离等。电源模块将液压挖掘机上的蓄电池或发电机输出的+24V直流电转换成系统各模块以及系统配备的传感器所需的各种类型的电平电压。传感器处于液压挖掘机与监测系统的接口位置，是一个能量变换器，它直接从液压挖掘机中提取被除数检测的工况特征参数，感受状态的变化并转换成便于测量的物理量。

计算机控制系统将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的的运行。如利用压力传感器可实现过载情况下的路径自主校正；利用超阶级声波测距传感器能实现 回转过程中的自动避障。

总之，机电一体化液压挖掘机是由多学科、多系统组成的有机整体，只有在系统层面上的各系统、各学科协同优化才能获取挖掘机整机的最佳性能。

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