柳工挖掘机基本知识培训及液压系统分析

挖掘机土石方作业的主力施工机种增长速度最快、增长绝对值最快对装载机的取代作用最显著柳工技术中心挖掘机室挖掘机概述•挖掘机械作为一种快速、高效的施工作业机械是工程机械中的一个主要机种，是土石方施工工程中的主要机械设备之一，据统计，工程施工中约有60%以上的土石方量是靠挖掘机械来完成的•各种类型与功能的挖掘机械，广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等行业的机械化施工中•近年来，挖掘机是整个工程机械行业中产、销量增长最快的一个机种挖掘机简史•第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史•期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程挖掘机简史•由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机•20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机•初期液压挖掘机采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全挖掘机简史•从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增•1968-1970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%当前挖掘机水平及发展动向•工业发达国家生产挖掘机较早•法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40m3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当前挖掘机水平及发展动向•美国马利昂公司生产的斗容量50-150m3剥离用挖掘机，斗容量132m3的步行式拉铲挖掘机•B-E（布比赛路斯-伊利）公司生产的斗容量168.2m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m3的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。挖掘机之最•最小的挖掘机：（研究阶段）进入人体血管的医用挖掘机•生产历史最悠久的国家：美国•最早采用液压技术的国家：德国，1950年•发展最快的国家：日本•需求增长最快的国家：中国挖掘机分类挖掘机履带式轮胎式汽车式建筑型单斗挖掘机采矿型单斗挖掘机剥离型单斗挖掘机隧洞型单斗挖掘机周期作业式单斗挖掘机连续作业式多斗挖掘机单斗挖掘机分类（传动方式）液压传动式挖掘机机械传动式挖掘机单斗挖掘机斗轮式挖掘机挖沟机机械式挖掘机单斗液压挖掘机单斗液压反铲挖掘机履带式轮式汽车式步履式单斗液压挖掘机表征挖掘机大小的主要指标•标准斗容量：单位，立方米。这是早几年表述挖掘机大小的第一指标。•机重：单位，吨。这是近几年开始表述挖掘机大小的第一指标。•发动机额定功率：单位，千瓦。履带式单斗液压反铲挖掘机基本组成工作装置动力装置液压系统回转装置驾驶室回转平台行走装置挖掘机液压挖掘机工作原理驱动控制油操纵柴油机先导泵先导阀司机控制油驱动工作油工作油工作泵主控阀马达工作油实现实现工作装置工作油缸旋转、行走反铲挖掘机的作业过程•挖掘：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•回转：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挖掘机每一作业循环包括：反铲挖掘机的作业过程•卸料：将铲斗向前推出，使斗口朝下进行卸土•返回：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挖掘机工作的特点•多自由度作业机械。•利用杠杆原理，液压缸推动动臂、斗杆和铲斗产生各构件之间的相对旋转运动从而实现人为控制的挖掘和卸料动作；•上部回转平台绕垂直轴旋转；•远距离悬臂挖掘和卸料；•靠履带转移或移动整机的工作面。挖掘机的工作装置工作装置是挖掘机的重要部分，常用工作装置类型有：•反铲：以挖掘地面以下为主•正铲：以挖掘地面以上为主•装载：以装载地面以上松散物料为主•抓斗：深井作业、装卸物料•起重装置：主要用于装卸及埋设管道反铲装置•铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式•主要用于挖掘地面以下土方，往往以转斗挖掘为主•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•厚板小截面：同等强度条件下，重量略大一些•薄板大截面：同等强度条件下，重量略小一些，但要保证薄板不失稳•最终目的：重量轻，强度高，刚性好•有效的工具：计算机有限元应力分析动臂、斗杆结构箱型截面动臂动臂是反铲装置的主要部件，其结构有：•整体式动臂：多用于长期作业条件相似的挖掘机上•组合式动臂：整体式动臂•结构简单，质量轻而刚度大；•缺点是更换的工作装置少，通用性较差。•整体式动臂又可分为直动臂和弯动臂两种。•直动臂结构简单、质量轻、制造方便，但不能获得较大的挖掘深度，主要用于悬挂式液压挖掘机；•弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，它可以使挖掘机有较大的挖掘深度。但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。组合式动臂•组合式动臂用辅助连杆或液压缸连接而成。•可根据作业条件，即时用辅助连杆或液压缸大幅度调节上、下动臂之间的夹角，调整挖掘机的作业尺寸和挖掘力，提高挖掘机的作业性能，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹。•互换工作装置多，可满足各种作业的需要•其缺点是结构和操作复杂化，质量大，制造成本高，一般用于中、小型挖掘机上。•标准动臂、标准斗杆、标准铲斗用于大多数作业；•变形1：短动臂长斗杆用于坡道平整作业和挖掘基坑；•变形2：超长臂反铲用于疏浚河道；•变形3：拐臂式用于挖掘墙基。•……工作装置的变化超长臂反铲的应用铲斗•铲斗形式、尺寸与其作业对象有很大关系。为了满足各种挖掘作业的需要，在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗•铲斗的斗齿采用装配式，其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式。多种斗容多种用途的铲斗岩石斗主动挖掘力•主动挖掘力=工作装置油缸的推力×相应的杠杆比×杠杆机构效率•其中工作装置油缸的推力与下列因素相关：液压系统压力、回油背压、油缸本身的效率等影响挖掘力发挥的因素•动臂油缸的闭锁能力•用铲斗挖掘时，斗杆油缸的闭锁能力•用斗杆挖掘时，铲斗油缸的闭锁能力•整机与地面的附着能力•整机向前倾翻的可能性•整机向后倾翻的可能性挖掘性能的分析——挖掘图挖掘机专用CAD软件土的切削•土的切削是个很复杂的过程。土在楔型刀具的压力作用下受到挤压和剪切而开始变形，土体的原始结构被破坏，土块或土层便被切离。•土被切削时，在刀具上产生三种力：土的原始结构破坏时所产生的阻力；土的内摩擦力；土与刀具之间的摩擦力。我们把这三种力叫做切削阻力。切削阻力问题•切削阻力是变化的。随土的性质如粘性、干性、含水量、砂石量变化，又随刀具和铲斗的形状而变化，还随切入厚度和切入过程而变化。•切削阻力一般用实验方法获得，也可以按经验公式计算。•合理地设计切削装置的形状如斗齿的切削角度，铲斗的宽度，铲斗的形状等可以减小切削阻力。•只有主动挖掘力大于切削阻力时才能完成挖掘。挖掘机性能与挖掘力•挖掘机性能取决于实际斗齿挖掘力、生产率和工作尺寸三方面•就工作装置而言，归结于挖掘力、工作装置动作速度和工作尺寸三方面•挖掘力和挖掘速度是一对统一于纯挖掘功率之下的矛盾，挖掘力是矛盾的主要方面挖掘机的作业范围A：最大挖掘高度B：最大卸载高度C：最大挖掘深度F：最大挖掘距离G：在地平面的最大挖掘距离正铲装置•通用正铲：以挖掘土方为主•挖掘装载装置：以装载岩石为主以挖掘地面以上为主，且大多用于采矿装岩作业，工作对象坚硬，须采用切削厚度较小、挖掘行程较长的挖掘方式，故一般以斗杆挖掘为主。根据挖掘对象不同可分为：挖掘装载装置其他工作装置•抓斗装置•起重装置•挖掘平整装置•破碎锤•抓钳装置•液压剪。。。。。。挖掘机的应用广泛，除反铲、正铲以外，可以更换多种类型的工作装置，常见的其他装置有：抓斗装置抓斗分液压抓斗和钢绳抓斗两类，液压挖掘机一般采用液压抓斗。抓斗装置按用途不同有：•圆井抓斗•木材抓斗•松散料抓斗•挖土抓斗•梅花(多颚)抓斗。。。。。。吊管用起重装置吊管用起重装置是反铲的替换装置，主要用于吊装地下管道。它有三种不同形式。起重量受以下三个条件限制：•倾复载荷（不得超过75%）•液压油缸能力（不得超过87%）•结构强度建筑安装用起重装置•这种装置只保留动臂和动臂油缸，在动臂上加装一个桁架起重臂•吊钩升降利用钢绳滑轮机构挖掘平整装置•伸缩臂式：•铰接式：能保证工作机构沿水平面或倾斜面作长距离运动液压破碎锤主要用来打桩、开挖冻土和岩层、破坏路面表层、捣实土壤等工作抓钳装置•用在疏松和开挖冻土层或沥青路面等工程中•它是在反铲基础上增加了一个松土器快换装置•随着多种工作装置的广泛应用，更换作业装置频繁，且不易更换•快换装置能方便、快捷地进行作业装置的更换回转装置•挖掘机的回转时间约占工作循环时间的50%以上，能量消耗约占25-40%，液压发热量约占系统总发热量的30-40%•在角加速度和回转力矩允许的前提下，回转时间越短越好•角加速度的大小受最大回转扭矩的限制，最大回转扭矩不应超过机器的附着力矩•回转机构可分为：a、半回转b、全回转两种型式全回转的回转机构•高速方案：高速小扭矩液压马达+减速机+回转支承•低速方案：低速大扭矩液压马达+回转支承全回转机构按液压马达的结构型式可分为：据统计，约有80%左右的挖掘机采用高速方案回转支承回转支承实际上就是一个带内齿圈的、放大了的滚动轴承，内齿圈（相当于轴承内圈）固定在行走架上，外圈固定在转台上，安装在转台上的液压马达+减速机驱动小齿轮带着回转转台转动生产率•理论生产率：在“计算条件”下连续工作一小时的生产率。“计算条件”是：1、操作熟练；2、常见工作条件和工作尺寸；3、工作、运输工具的位置恰当。•技术生产率：在“给定条件”下连续工作一小时的生产率。•实际生产率：机器工作一段时间所得到的实际平均生产率。它在技术生产率的基础上受机器利用率和操作熟练程度两方面影响。生产率是挖掘机主要技术经济指标之一。•较大的牵引力，使挖掘机具有良好的越野性能，并有较强的爬坡和转弯能力•在行走装置有合适总高度的情况下，应有较大的离地间隙，使挖掘机具有良好的通过能力•使挖掘机接地比压小，且具有较大的支承面积•制动性能好，且能防止失速，使挖掘机工作安全可靠行走装置行走装置是挖掘机的支承部分，它承受机器的自重及工作装置挖掘时的反力，同时能使挖掘机作工作场内运行或运输性运行（轮式）；根据挖掘机的性能要求，行走装置应满足：•履带式行走装置牵引力大（机重的70-90%），接地比压小，越野性能好，通过能力强，爬坡能力大，转弯半径小，但行驶速度低，且易损坏道路•轮胎式行走装置机动性好，行驶速度快，易拖拉，但接地比压较大，爬坡能力小，挖掘时需要专门的支腿支撑使机器稳定行走装置常见的行走装置有：履带式和轮胎式两大类•履带式行走装置由连接回转支承的行走架通过支重轮，履带将载荷传至地面•履带呈封闭环绕过驱动轮和引导轮，为减小上分支的挠度，履带由1~2个托链轮支持•行走装置的传动是由液压马达及减速机带动驱动轮使行走装置运行•履带的松紧程度可由张紧装置调整履带式行走装置•行走架是履带行走装置的承重骨架•它由底架、横梁和履带梁组成•行走架按结构的不同分组合式和整体式两种行走架•液压挖掘机采用整体式行走架较多•整体式行走架结构简单、自重轻且刚性好•履带与其所绕过的驱动轮、导向轮、支重轮及托链轮组成所谓“四轮一带”，是行走装置的重要零部件，直接关系到挖掘机的工作性能和行走性能•有齿的驱动轮带动履带链轨运动•导向轮引导方向•支重轮支撑整机重量•托链轮托住履带使其不过分下垂•履带太松时将黄油打进张紧装置就可以自动张紧四轮一带转台平衡和整机稳定•由于工作装置呈悬臂的特点，因此工作时在其自重和外载荷作用下对底部履带边缘产生很大的倾覆力矩。这个力矩完全靠机身自重和转台后部的配重所产生的力矩来平衡，使挖掘机在各种工况下都能稳定地工作•稳定性能的优劣对整机工作影响很大转台平衡•挖掘机行走装置固定的，重心位置较低，是机器稳定的因素•由于作业时工作装置的位置经常变化，且铲斗装料量也在变化，以致上部转台的重心位置变化较大•挖掘过程中还有土壤的反