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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1万小时。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的转变;(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[4]。 (1) 开式向闭式液压系统的转变 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，当液压作用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。由于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， 而且在其工作的许多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作用元件 供油， 每一个液压作用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， 而且多个液压作用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， 在国际上己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 种利用泵的出口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 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
1.2 国内外研究现状及发展动态
1.2.1 国外研究状况及发展动态 从20世纪60年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统己经 发展到了相当成熟的阶段。目前国际上先进的挖掘机产品的额定压力大都在30MPa以 上， 并且随着材料科学技术的进步，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Orensttein&
Koppe制造的目前世界上首台最大的RH40。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
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要求，且可操纵性差。另外，早期试制的液压挖掘机是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，配套件也不齐全，制造质量不够稳定。从二 十世纪六十年代到八十年代中期，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶段，各国挖 掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压挖掘机产量己经达到 挖掘机总产量的83%，其时对挖掘机液压系统的研究也已经十分成熟，液压挖掘机 已经具有了同步控制系统和负载敏感系统L。 自第一台手动挖掘机诞生以来的160多年当中，挖掘机一直在不断地飞跃发展， 其技术已经发展到相对成熟稳定的阶段。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，对其控 制方式不断改进和革新，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液 压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下 作业采用无线电操纵， 利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机 作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了坚实的基础，创 造了良好的前提[3]。 据有关专家估算，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己占据首位，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。
１ 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 统的分析设计已经成为推动挖掘机发展中的重要一环[1]。
1.1 挖掘机简介
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[2]。 1950年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。 第一台液压挖掘机采用定量齿轮 泵，中位开式多路阀，工作压力为9Mpa，所有执行元件互相并联连结。由单泵向6个 执行元件供油。 由于早期液压挖掘机主要采用了定量齿轮泵， 不能按需改变供油流量， 无法充分利用发动机的功率， 因此其能量损失很大，不能满足挖掘机复合动作的复杂