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 3
1．1 国内外挖掘机液压系统的研究现状及发展趋势3
1．1．1 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 7
2.1挖掘机液压系统概述 7
2．2 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 10
3.1故障诊断时应遵循的一般原则 10
3.2 诊断液压系统故障的方法 10
3.2.1 根据液压系统图查找液压故障 10
3.2.2 利用因果分析图查找液压故障 10
3.2.3 利用故障现象与故障原因相关分析表查找
液压故障 11
3.3实例分析 11
3.3.1 PC200-5型挖掘机液压系统故障诊断与排除
11
3.3.2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-900VⅡ型挖掘机作为研究对象，认真查阅该机型相关资料，分析该挖掘机液压系统的组成、特点及工作原理。

对其某些典型故障进行详细分析、诊断，提出检查内容、检查方法、检查结果、故障原因和处理措施；对其常见故障进行原因分析并列出处理方法。

第2章挖掘机液压系统分析
要了解和设计挖掘机的液压系统，首先要分析液压挖掘机的工作过程及其作业要求，掌握各种液压作用元件动作时的流量、力和功率要求以及液压作用元件相互配合的复合动作要求和复合动作时油泵对同时作用的各液压作用元件的流量分配和功率分配。

2.1挖掘机液压系统概述
按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来就组成一个挖掘机液压系统。

它是以油液为工作介质、利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送，然后通过液压缸和液压马达等执行元件将液压能转变为机械能，进而实现挖掘机的各种动作。

按照不同的功能可将挖掘机液压系统分为三个基本部分：工作装置系统，回转系统、行走系统。

挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压缸组成，它包括动臂、斗杆、铲斗三个液压回路。

回转装置的功能是将工作装置和上部转台向左或向右回转，以便进行挖掘和卸料，完成该动作的液压元件是回转马达。

回转系统工作时必须满足如下条件：回转迅速、起动和制动无冲击、振动和摇摆，与其它机构同时动作时，能合理地分配去各机构的流量。

行走装置的作用是支撑挖掘机的整机质量并完成行走任务，多采用履带式和轮胎式机构，所用的液压元件主要是行走马达。

挖掘机的动作复杂，主要机构经常启动、制动、换向，负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此挖掘机的液压系统应满足如下要求：
（1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以相互配合实现复合动作。

（2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能复合动作，以提高挖掘机的生产率。

（3）履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。

（4）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。

（5）保证挖掘机工作安全可靠，且各执行元件（液压缸、液压马达等）有良好的过载保护回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因自重而快速下降和整机超速溜坡。

2．2 液压挖掘机的基本动作及工况分析
液压挖掘机的作业过程包括以下几个动作(如图 2.1所示：动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作。

除了辅助动作(例如整机转向等不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。

由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特殊要求：(1实现各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化，因此，要求液压缸和液压马达的压力和流量也能相应变化：(2为了充分利用发动机功率和缩短作业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作(例如挖掘与动臂、提升与回转同时进行复合动作。

斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液压缸回缩，铲斗卸载。

1一动臀升降：2一斗杆收放；3—铲斗装卸；4一转台回转；5—整机行走
图2.1 液压挖掘机作业过程
液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括：
（1）挖掘：通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或者两者配合进行挖掘，因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。

（2）满斗举升回转：挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，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。

（3）卸载：转到卸土点时，转台制动，用了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。

（4）空斗返回：卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗秆的复合动作。

挖掘过程中主要以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别单独进行
挖掘，或者两者复合动作，必要时配以动臂液压缸的动
作。

一般在平整土地或切削斜坡时，需要同时操纵动臂和
斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图2．2所示。

此时斗杆
收回，动臂抬起，希望斗杆和动臂分别由独立的油泵供
油，以保证彼此动作独立，相互之间无干扰，并且要求泵
的供油量小，使油缸动作慢，便于控制。

如果需要铲斗保
持一定切削角度并按照一定的轨逊进行切削时，或者需要
用铲斗斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂
三者同时作用完成复合动作见图2．3所示。

(a或切削斜坡（b）时斗尖沿直线切削
图2.2 平整土地
（a或压整路面
图2.3 铲斗保持一定角度切削
第3章挖掘机液压系统故障诊断
3.1故障诊断时应遵循的一般原则
当发生故障时要根据不同机型的特点,充分利用设备自身的监控系统，具体问题具体分析,掌握有效的故障分析方法。

在诊断时应遵循由外到内、由易到难、由简单到复杂的原则进行，挖掘机液压传动系统故障诊断的顺序是：查问资料(挖掘机使用说明书及运行、维修记录等——了解故障发生前后的设备工作情况—外部检查——试车观察(故障现象、车上仪表——内部系统检查(参照系统原理图——仪器检查系统参数(流量、温度等——逻辑分析判断——调整、拆检、修理——试车——故障总结记录。

挖掘机的故障有许多种，如遇较复杂的综合故障，应仔细分析故障现象，列出可能的原因逐一排除。

3.2 诊断液压系统故障的方法
首先从故障现象分析入手，查明故障原因是排除故障的最重要和最困难的一个环节。

特别是初级液压技术人员，遇到故障往往一筹莫展，感到束手无策。

下面从工作经验出发谈谈查找液压故障的方法。

3.2.1 根据液压系统图查找液压故障
熟悉液压系统图，是从事使用，维修工作技术人员和技术工人的基本功，是排除液压故障的基础，也是查找液压故障的一种基本方法。

液压系统图表明了液压设备的工作原理，表示系统各执行元件的动作循环及控制方法。

在用液压系统图排除故障时，主要方法是抓两头即抓动力源(油泵和执行元件(油缸马达 ,然后是连中间即从动力源到执行元件间经过的管路和控制元件。

“抓两头”要注意分析故障是否就出在油泵 ,油缸和马达本身。

“连中间”时除要注意分析故障是否出在所连管路上的液压元件外,还要特别注意弄清系统从一个工作状态转移到另一个工作状态时采用哪种控制方法 ,控制信号是否有误 ,要针对实物进行检查。

检修中要注意各个主回路间及主回路与控制回路间有无接错而产生相互干涉现象。

3.2.2 利用因果分析图查找液压故障
用因果图（又称鱼刺图）分析，即能对液压系统出现的故障进行快速分析判断 ,找出主次原因，又能积累排除故障的经验。

3.2.3 利用故障现象与故障原因相关分析表查找液压故障
根据工作实践，总结出故障现象与故障原因相关分析表（有时技术资料中也提供，可用于液压系统故障的查找和处理。

3.3实例分析
3.3.1 PC200-5型挖掘机液压系统故障诊断与排除
PC200-5型挖掘机液压系统是由一些基本回路和辅助回路组成，其元器件主要由工作泵、补油泵、先导控制阀、分配阀、安全阀、大臂油缸、小臂油缸、铲斗油缸、
油箱及相关管路等组成。

PC200-5型挖掘机液压系统在工作过程中，液压油自油箱底部通过滤油器被工作泵吸入，从油泵输出具有一定压力的液压油进入一组并联的分配阀。

通过手柄—先导阀—工作阀组来实现相应的动作，系统通过总油路上的总安全阀限定整个系统的总压力，各组工作油路的安全阀分别对相应油路起过载保护和补油作用。

原因分析：PC200-5型挖掘机动臂举升缓慢无力，而转斗翻转正常。

从工作原理图不难看出：其它工作正常，这说明工作泵、总安全阀是正常工作的，他们所提供给整个系统的压力足够，同时也说明泵进油端的管路和滤油器以及油箱的油量、油质没问题。

此时只需检查大臂滑阀、大臂油缸、大臂部分的油管、及其密封件了。

大臂举升缓慢无力，而其它动作正常：在液压系统中，如只是动臂举升缓慢无力，而转斗翻转正常。

从工作原理图不难看出：其它工作正常，这说明工作泵、总安全阀是正常工作的，他们所提供给整个系统的压力足够，同时也说明泵进油端的管路和滤油器以及油箱的油量、油质没问题。

此时只需检查大臂滑阀、大臂油缸、
大臂部分的油管、及其密封件了。

（1）检查油路堵塞情况
先作常规处理，拆下油管，拆下大臂滑阀阀体、阀杆及相关部件进行清洗，把油道清洗干净并用压缩空气吹通吹干。

（2）检查油路泄漏情况。