挖掘机的工作原理

挖掘机的工作原理
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。

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。

工作装置是直接完成挖掘任务的装置。

它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。

动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。

为了适应各种不同施工作业的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。

回转与行走装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置和传动系统。

发动机是液压挖掘机的动力源，大多采用柴油要在方便的场地，也可改用电动机。

液压传动系统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。

挖掘机液压系统是怎么工作的?
挖掘机有三个部分的液压缸分别是动臂，斗杆，铲斗。

有三个液压马达，左右行走和一个回转。

这些都由换向阀控制供油。

油液从液压泵出来经换向阀分配到以上各执行元件。

挖掘机的换向阀大多是液控的就是用一股压力较小的油推动换向阀的阀芯。

一般中型挖掘机用的是三联泵，两个大泵提供工作所需要的压力。

一个小齿轮泵给控制油路供油。

控制油通过手柄下边的控制阀调节主油路换向阀阀芯的位置从而实现动臂斗杆和铲斗油缸的伸缩。

以及液压马达的转与停以及转动方向。

主油路设溢流阀，压力超过限定值就会打开，油液直接回油箱。

所以系统压力始终保持在一定范围内。

同样道理在各油缸的支路也设溢流阀，实现二次调定压力。

不光是挖掘机，任何液压系统工作原理都是油箱中油液-泵-控制元件-执行元件-油箱。

液控比例阀换向阀的作用和液控比例阀换向阀串联的先导阀是什么作用
传统换向阀的进出油口控制通过一根阀芯来进行，两油口听开口对应关系早在阀芯设计加工时已确定，在使用过程中不可能修改，从而使得通过两油口的流量或压力不能进行独立控制，互不影响。

随着微处理控制器、传感器元件成本的下降，控制技术的不断完善，使得双阀芯控制技术在工程机械领域得以应用。

英国Utronics公司利用自己的技术及专利优势研制出双阀芯多路换向阀，已广泛应用于JCB、Deere、DAWOO、CASE等公司的挖掘机、*车、装载机及挖掘装载机等产品上。

为适应中国工程机械产品对液压系统功能要求。

稳定性以及自动化控制程度的不断提高，Utronics公司产品适时进入中国市场，现已初步完成厦工（5t）装载机、詹阳（8t）挖掘机样机调试并进入试验阶段。

1、传统单阀芯换向阀的缺陷
传统的单阀芯换向阀所组成的液压系统难以合理解决好以下功能和控制之间存在的矛盾：
（1）液压系统设计时为提高系统稳定性，减少负载变化对速度的影响，要么牺牲部分我们想实现的功能，要么增加额外的液压元件，如调速阀、压力控制阀等，通过增加阻尼，提高系统速度刚度来提高系统的稳定性。

但是这样元件的增加又会降低效率，浪费能源；还会使得整个系统的可*性降低、增加成本。

（2）由于换向结构的特殊性，使得用户在实现某一功能时必须购买相应的液压元件，再加上工程机械厂家会根据不同最终用户要求设计出相应的功能，这样会造成生产厂家采购同类、多规格的液压控制元件来满足不同功能要求的需要，不利于产品通用化及产品管理，同时会大大提高产品成本。

（3）由于执行机构进出液压油通过一根阀芯进行控制，单独控制执行机构两侧压力是不可能的。

因此，出油侧背压作用于执行机构运动的反方向，随着出油侧背压升高，为保质执行机构的运动，必须提高进油侧压力。

这样会使得液压系统消耗的功能增加，效率低，发热增加。

采用双阀芯技术的液压系统，由于执行机构进出油侧阀口阀芯位置及控制方式各自独立，互不影响，这样通过对两阀芯控制方式的不同组合，利用软件编程能很好解决传统单阀系统不能解决的问题，同时还可以轻易实现传统液压系统中难以实现的功能。

2、双阀芯换向阀的两种基本控制策略
由于双阀芯换向两油口控制的灵活性，两油口可分别采取流量控制、压力控制或流量压力控制。

正面介绍两种简单的控制策略。

（1）负载方向在整个工作过程中保持不变
我们知道，对于汽车起重机、挖掘机、装载机等而言，其液压缸在整个工作过程中负载方向始终维持不变。

下面以起重机变幅液压缸为例来探讨双阀芯的控制策略。

起重机变幅缸在工作过程中其受力，负载方向始终保持不变，因此我们可以采取液压缸有杆控用压力控制、无杆腔用流量控制的控制策略。

无杆腔流量控制是通过检测连接到无杆腔侧阀前后两侧的压差，再根据所需流入或流出流量的多少，计算出阀芯开口大小；有杆腔侧采用压力控制，使该侧维持一个低值的压力，使得更加节能、高效。

由于我们在无杆腔采用了流量控制，因此原控制系统中所用的平衡阀可用一个液控单向阀来代替。

这样可消除因平衡阀所带来的系统不稳定，从而提高系统稳定性。

（2）负载方向在工作过程中发生改变
在这种情况下，采取“进油侧压力控制，出油侧流量控制”，在液压缸有杆腔侧用压力控制，无杆腔侧有流量控制。

如负载方向不变，由于出油侧采取了流量控制，我们可将双向平衡阀用液控单向阀来替换，从而提高系统的稳定性。

进油侧用压力控制器来维持一个较低的参考压力，一方面提高系统效率，另一方面使系统不发生气穴。

为了使负载方向变化的工作机构能得到很好控制，另外一个PI控制器将被运用到有杆腔的压力控制器中，当负载方向改变后，无杆腔的压力将减小；如果仍将有杆腔维持一个很低的压力，当负载很大时，液
压缸将向反方向运动。

此时我们可用所增加的PI控制器监视无杆腔压力的变化，当PI控制器检测到无杆腔压力低于所设定的参考值时，将提高有杆腔压力控制器所设定的压力，从而保证系统的正常工作。

3、Ultronics液压控制系统
Ultronics公司是一家集设计、研究和制造的电子液压技术公司。

其液压控制系统采用了CAN总线通信，双阀芯控制技术，通过两个阀芯的组合控制，可实现对执行机构多种控制，以提高系统的稳定性，降低能源损耗，同时还可使得系统更加简单，降低成本，加快产品开发速度，这些都是传统的电子系统所不能做到的。

Ultronics控制系统的硬件一般由操纵手柄、电控单元ECU、调节阀、双阀芯液压阀组和外接传感器或开关等组成，其间通过CAN总线通信，液压阀组为电控系统与液压系统的交汇点，系统的另一个重要组成部分就是软件。

手柄为光电非接触形式，最多可带4个比例输出或2个比例输出和最多5个开关。

开关有比例式和自锁式供选择。

其防护等级达到了IP67。

手柄的延时特性、输出曲线和死区等可通过专用软件JoyVal进行修改。

电控单元ECU其供电压有12V和24V两种，25路和50路两种接口，提供模拟与数字输入、输出接口，同时该电控单元还提供了CAN信接口，使得系统可以接收传感器或控制信号或与其它系统进行连接。

ECU 中存储了系统控制所需的所有应用程序，该应用程序可将来自于手柄或连接于ECU上的其它器件和信号（如传感器检测信号、发动机控制系统信息等），经处理后转换成各个阀芯动作的指令。

Ultronics控制系统的关键在于其独特的双阀芯控制技术，每片阀有两个阀芯，相当于将一个三位四通阀变成两个三位三通阀的组合，两个阀芯既可单独控制，也可根据控制逻辑进行成对控制，并且两个工作油口都有压力传感器，每一个阀芯都有位置传感器，通过对传感信号的闭环控制可以分别对两路液压油的压力或流量进行控制，具有很高的控制精度，通过不同的组合可以得到许许多多的控制方案，以满足系统的需要。

每片阀都有两个完整的设置好的混合信号ASIC（模拟型专用集成电路）和一个RISC（精简指令处理器）。

这些控制器给传感器提供激励和补偿、给控制传动装置提供动力、提供阀芯控制软件以及CAN总线通信。

阀芯动作控制策略以及具体的参数可由用户根据被控执行元件的要求进行设置或修改。

控制阀接收到指令后，其内嵌式处理器就运行阀芯动作控制软件实现设定的机能，多个阀间的功能协调是由ECU完成的，从而实现复杂的系统功能。

这种分级控制方式使系统的应用具有非常好的灵活性，同时易于构建复杂的控制系统。

Ultronics控制系统功能的多样性是通过应用软件实现的，通过有针对性的编制控制软件。

Ultronics 控制系统可实现的功能是极其广泛的。

履带挖掘机、轮式挖掘机、装载机等先进机型在操作舒适性、作业效率、作业成本消耗、故障诊断、环境保护等方面所做的努力，比如发动机状态与液压系统的适应控制、特定作业功能等，采用Ultronics系统都可实现。

总之，通过CAN总线通讯、独特的双阀芯结构和压力、位移传感器的应用以及压力或流量的闭环控制技术、Ultronics公司的电子液压控制系统使工程机械控制系统在功能的多样性、实现的灵活性、较低的性价比以及控制理念、维修模式等诸多方面都将引发一次革命性的变化。

方向控制阀分类
在实际应用中，可根据不同的需要将方向控制阀分成若干类别：
（1）按照气体在管道的流动方向，如果只允许气体向一个方向流动，这样的阀叫做单向型控制阀，比如单向阀，梭阀等；可以改变气体流向的控制阀叫做换向阀，比如常用的2way2port，2way3port，2way5port，3way5port等。

（2）按照控制方式可分为电磁阀，机械阀，气控阀，人控阀。

其中电磁阀又可以分为单和双电控阀两种；机械阀可分为球头阀，滚轮阀等多种；气控阀也可分为单气控和双气控阀；人力阀可以分为手动阀，脚踏阀两种。

（3）按工作原理可以分为直动阀和先导阀，直动阀就是靠人力或者电磁力，气动力直接实现换向要求的阀；先导阀是由先导头和阀主体2部分构成，有先导头活塞驱动阀主体里面的阀杆实现换向。

（4）根据换向阀杆的工作位置可以将阀分为2way，3way阀。

（5）根据阀上气孔的多少来进行划分，可以分为2port，3port，5port阀。

普通单向阀（逆止阀或止回阀）
功用：只允许油液正向流动，不许反流。

分类：直通式、直角式
结构：阀体、阀心锥形、钢球式、弹簧等
工作原理：液流从进油口流入时，A →B
液流从出油口流入时，A → B
开启压力：0、04——0、1MPa
做背压阀：Pk=0.2——0.6 MPa 3
液控单向阀
功用：正向流通，反向受控流通
结构：普通单向阀+液控装置
K不通压力油，A → B
工作原理〈
K通压力油，A → B
结构特点：B→ A，∵ PB=P工，很高
∴弹簧腔背压很大，pk很大时才能顶开阀心,影响可靠性。

故可采用如下措施
1) 采用先导阀预先卸压
2）采用外泄口回油降低背压
应用：∵液控单向阀具有良好的反密封性
∴常用于保压、锁紧和平衡回路
梭阀、双压阀和快速排气阀
1）梭阀
2）双压阀
3）快速排气阀二换向阀
作用：变换阀心在阀体内的相对工作位置，使阀体各油口连通或断开，从而
控制执行元件的换向或启停。

换向阀的分类
按结构形式分：滑阀式换向阀、座阀式换向阀、转阀式换向阀
滑阀式换向阀
（1）换向阀的结构和工作原理
阀体：有多级沉割槽的圆柱孔
结构〈
阀芯：有多段环行槽的圆柱体
分类：
二位
按工作位置数分 < 三位位：阀心相对于阀体的工作位置数。

四位
二通按通路数分 < 三通通: 阀体对外连接的主要油口数
四通（不包括控制油和泄漏油口）
五通
电磁换向阀
液动换向阀
按控制方式分 < 电液换向阀
机动换向阀
手动换向阀
图形符号含义：
1 位——用方格表示，几位即几个方格
2 通——↑ 不通——┴ 、┬ 箭头首尾和堵截符号与一个方格有几个交
点即为几通。

3 油口有固定方位和含义，p——进油口(左下）， T——回油口（右下） ,
A.B——与执行元件连接的工作油口（左、右上）。

4 弹簧——W、M，画在方格两侧
二位阀，靠弹簧的一格。

5 常态位置〈原理图中，油路应该连接在常态位置
三位阀，中间一格。

滑阀的中位机能
滑阀机能：换向阀处于常态位置时，阀中各油口的连通方式，对三位阀即中间位置各油口的连通方式，所以称中位机能。

中位机能：三位换向阀处于中立位置时，阀中各油口的连通方式。

（3）换向阀的主要性能
1）工作可靠
2）压力损失小
3）内泄漏小
4）换向时间与复位时间
5）使用寿命长
（4）操作方式
手动换向阀
特征：利用手动杠杆操纵阀芯运动以控制流向
分类：钢球定位式、弹簧复位式。

多路换向阀
特征：是一种集中布置的组合式手动换向阀
串联式
分类：按组合方式有〈并联式
顺序单动式
机动换向阀（行程阀）
特征：利用挡铁或凸轮使阀心运动以控制流向
分类：常为二位阀，有二位二通、三通、四通
举例：二位二通机动换向阀
组成：阀体、阀心、弹簧、滚轮等
常态：P→ A
工作原理〈
滚轮压下：P→ A
电磁换向阀
特征：利用电磁铁推力，推动阀心运动以控制流向。

二通四通
分类：二位〈三通三位〈等
四通五通
举例：三位四通电磁换向阀：
组成：阀体、阀心、弹簧、电磁铁等
工作原理：图示位置，P、A、B、T均不通
右电磁铁通电，P → A ，B → T
左电磁铁通电，P → B ，A → T
二位三通电磁换向阀：
工作原理：图示位置，P → A B ┴
电磁铁通电，P → B A ┴
符号：
交流（D）
电磁铁分类：按电源分〈直流（E）
本整形干式
按内部有无油液〈
湿式寿命长
液动换向阀
特征：利用压力油改变滑阀位置以控制流向
分类：二位、三位等
组成：
工作原理：图示位置，p、A、B、均→ T
X1通压力油，p → A，B → T X2通压力油，p → B，A → T 电液换向阀
特征：利用电磁阀控制液动阀，以变换液流方向。

电磁阀（先导阀）
组成〈〉组合而成
液动阀（主阀）
工作原理：
电：p ┴ A、B → T
图示〈
液：p 、A 、B、T均不通
电：p → A → 液动阀左腔，液动阀右腔→ B → T
1YA通电〈
液：p → A ，B → T
电：p → B → 液动阀右腔，液动阀左腔→ A → T
2YA通电〈
液：p → B，A → T 特点：（1）阻尼调节器（又称换向时间调节器），实为一叠加式单向节流阀，可叠放在
先导阀和主阀之间。

（2）主阀心行程调节机构
（3）预压阀—常装在以内控方式供油的电液换向阀中。

3 球阀式换向阀特征：球阀式换向阀是座阀式换向阀的一种形式，通过改变钢球在阀体内的相对位置来改变流向。

斗山挖掘机
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