挖掘机液压系统分析及故障诊断1.解读

摘要挖掘机作为工程机械的主力机种，被广泛应用于各种各样的施工作业中。挖掘机产品的核心技术就是液压系统，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作复杂，于是它对液压系统的使用与维护提出了很高的要求，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研究对推动我国挖掘机发展具有十分重要的意义。随着挖掘机自动化水平的提高,液压系统的故障诊断已经成为现代挖掘机的关键技术之一,开展挖掘机液压系统故障诊断方法的研究,对于提高挖掘机的可靠性水平和施工效率具有重要的意义。若其液压系统出现故障时，如能在现场准确、快速的诊断出故障的所在部位和原因，并及时排除，将对加快工程进度、减少经济损失有重要意义。在全面搜集了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上，了解了挖掘机液压系统的发展历史，并对挖掘机液压系统的技术发展动态进行了分析总结。论文对挖掘机的各种工况进行了分析，系统总结了挖掘机液压系统。在分析挖掘机液压系统理论的基础上，本文对挖掘机液压系统常见故障进行系统的总结分析。总结了较为完善挖掘机液压系统故障判断及维修方式方法。本文以国外挖掘机液压系统为主要研究对象进行了具体分析。关键字：挖掘机，液压系统，故障诊断，故障维修目录前言1正文3第1章挖掘机液压系统发展概况31．1国内外挖掘机液压系统的研究现状及发展趋势31．1．1国外研究状况及发展趋势1．1．2国内研究现状及发展趋势第2章挖掘机液压系统分析72.1挖掘机液压系统概述72．2液压挖掘机的基本动作及工况分析8第3章挖掘机液压系统故障诊断103.1故障诊断时应遵循的一般原则103.2诊断液压系统故障的方法103.2.1根据液压系统图查找液压故障103.2.2利用因果分析图查找液压故障103.2.3利用故障现象与故障原因相关分析表查找液压故障113.3实例分析113.3.1PC200-5型挖掘机液压系统故障诊断与排除113.3.2日立EX220挖掘机的故障诊断12结论16致谢17参考文献18前言液压挖掘机是一种多功能机械，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，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量．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。挖掘机与液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，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研究已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯到1840年。当时美国西部开发，进行铁路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似机械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时间挖掘机没有得到很大的发展，应用范围也只局限于矿山作业中。导致挖掘机发展缓慢的主要原因是：其作业装置动作复杂，运动范围大，需要采用多自由度机构，古老的机械传动对它不太适合。而且当时的工程建设主要是国土开发，大规模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因此对挖掘机的应用相对较少，在一定程度上也限制了挖掘机的发展。由于液压技术的应用，二十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机。随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的传动技术，挖掘机有了适合它的传动装置，为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术上的一个飞跃，同时，工程建设和施工形式也发生了很大变化。在进行大规模国土开发的同时，也开始进行城市型土木施工，这样，具有较长的臂和杆，能装上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多自由动作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用。全世界各种施工作业场约有65％至70％的土石方工程都是由挖掘机完成的。挖掘机是一种万能型工程机械，目前已经无可争议地成为工程机械的第一主力机种，在世界工程机械市场上已占据首位，并且仍在发展扩大。挖掘机的发展主要以液压技术的应用为基础，其液压系统已成为工程机械液压系统的主流形式。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。在技术方面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，所以对其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义。正文第1章挖掘机液压系统发展概况1．1国内外挖掘机液压系统的研究现状及发展趋势1．1．1国外研究状况及发展趋势从20世纪60年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统已经发展到了相当成熟的阶段⋯。近几年来，随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高自己挖掘机在国际上的竞争力，主要表现在五个方面；①液压系统逐渐从开式系统向闭式系统转变；②系统的节能技术成为研究的重点；③系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显；④系统的操纵特性上升到很重要的地位；⑤液压系统与电子控制的结合成为潮流。（1）从开式液压系统向闭式液压系统的转变日本小松(KAMATSU公司90年代以前一直致力开发开式负载敏感系统(OLSS，用以降低液压系统的损耗。开式液压系统采用三位六通阀，其特点是有两条供油路，其中一条是直通供油路，另一条是并联供油路。由于这种油路调速方式是进油节流调速和旁路节流调速同时起作用，其调速特性受负载压力和油泵流量的影响，因此这种系统的操纵性能、调速性能和微调性能差。另外，当液压元件一起复合动作时，相互干扰大，使得复合动作操纵非常困难。这是开式系统的大缺点。挖掘机作业工程中要求对液压元件能很好地控制其运动速度和进行微调，而且在多种工况下要求多个执行元件完成复合动作，而长期以来使用的开式液压系统无法满足挖掘机的调速和复合动作的要求。近年来在国外的挖掘机液压系统中出现了闭式负载敏感系统(CLSS。它可以采用一个油泵同时向所有液压元件供油，每一个液压元件的运动速度只与操纵阀的阀杆行程有关，与负载压力无关，泵的流量按需提供，而且多个液压元件同时动作时相互之间干扰小，因此操纵性好是闭式液压系统的主要特点。这种系统非常符合挖掘机操作的要求，它操纵简单，对司机的操纵技巧要求低，在国际上已经获得较广泛的使用，是挖掘机液压系统的发展趋势。目前日本小松公司已经把大量挖掘机液压系统从开式系统改为闭式系统了。（2）节能技术的应用目前液压挖掘机上典型的节能技术基本上有两种。即负载敏感技术和负流量控制技术，目前液压挖掘机都选用其中一种控制技术来实现节能要求。负载敏感技术是一种利用泵的出1：3压力与负载压力差值的变化而使系统流量随之相应变化的技术。德国曼内斯(Mannesmann公司研制的一种负载传感系统，将其安装在液压系统中，可以控制一个或几个液压作用元件，而与对其施加的载荷无关。该系统不仅易于操纵，而且微动控制特性很好。其最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对油泵进行控制，从而实现在按需供流的同时，使调速节流损失控制在很小的固定值，从而达到节能的目的。负流量控制技术是通过位于主控制阀后面的节流阀建立的压力对主泵的排量进行调节的技术。目前以韩国现代(HYUNDAI、日本小松(KOMATSU和日本日立(HITACHI为代表的许多国外著名品牌的挖掘机生产商都在自己的挖掘机液压统中使用了负流量控制技术。这种控制技术具有稳定性好、响应快、可靠性和维修性好等特点，但在起始点为重负荷下作业时，因流量与负载有关，所以可控制性较羞。（3）提高负载能力和可靠性为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流量和功率。目前，国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在30MPa以上，并且随着技术的进步，有朝着更高的压力甚至采用超高压液压技术方向发展的趋势；流量通常在每分钟数百升：功率在数百千瓦以上。如德国O＆K制造的目前世界上首台最大的RH400型全液压挖掘机，铲斗容量达42m3，液压油源为18台变量轴向柱塞泵，总流量高达10200L／min：原动机为2台QSK60柴油发动机，总功率高达2014kW。由于液压挖掘机经常在较恶劣环境下持续工作，其各个功能部件都会受到恶劣环境的影响．系统的可靠性日益受到重视。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机强度研究方面，不断提高设备的可靠性。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统，使液压挖掘机的运转率达到85％～95％，使用寿命超过l万小时。（4）重视操纵特性挖掘机液压系统的操纵特性越来越受到重视。目前国际上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、液压伺服操作和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。各种高新技术的应用，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。（5）液压系统与电子控制的结合电子一液压集成控制成为当前主要研究目标电子控制技术与液压控制技术相结合的电子一液压集成控制技术近年来获得了巨大发展，特别是传感器、计算机和检测仪表的应用，使液压技术和电子控制有机结合，开发和研制出了许多新型电液自动控制系统，提高了挖掘机的自动化程度，推动着挖掘机的迅猛发展。目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方面的研究已趋成熟。美国林肯～贝尔特公司新C系列LS一5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命。1．1．2国内研究现状及发展趋势从国内情况来看，我国挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压系统方面的理论还比较薄弱。国内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术方面的研究具有一定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能、质量、作业效率、可靠性等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在国内市场上基本失去了竞争力，取而代之的是采用各种高新技术的国外挖掘机产品。先进的挖掘机液压系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造出性能优异的挖掘机，绝大部分的市场份额都被国外各种品牌的挖掘机所占据。以20t级的中型液压挖掘机为例，国产20t级挖掘机大多数是欧洲80年代初的技术，同90年代初以来在国内形成批量的日本小松、日立、神钢以及韩国大宇、现代等机型相比，其主要差距柴油机功率偏低，液压系统流量偏小，液压系统特性差，导致平台回转速度低，行走速度低，各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率较国外偏低。国内挖掘机的趋势必然是以技术研发为主，放弃传统液压系统挖掘机，迅速提高其市场竞争力。1．2本论文的研究内容挖掘机液压系统方面的技术多种多样，本文主要以国外几种知名品牌的挖掘机液压系统为主要研究对象，对其现有的关键技术和控制方式进行比较和研究，采用数字仿真系统建模仿真，为挖掘机的液压系统的控制理论研究提供一定的参考信息。（1）挖掘机液压系统技术发展动态的分析研究大量搜集国内外挖掘机液压系统方面的相关技术资料，系统了解挖掘机液压系统的发展历史，分析总结挖掘机液压系统方面的研究现状和技术发展动态。（2）挖掘机液压系统分析对液压挖掘机一个工作循环中的四种工况：挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况和卸载返回工况进行了详细的分析，总结了每个工况下各执行机构的主要复合动作。根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结了挖掘机液压系统：动力性要求和操纵性要求。另外，还提出了一种有效、简便、直观的挖掘机液压系统的分析方法，并详细介绍此方法的步骤。（3）PC200-5型挖掘机、日本加藤HD-9