摘 要
挖掘机作为我国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。在挖掘机产品中，其核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，常常要求挖掘机要实现的动作普遍复杂，于是，在这种条件下，对液压系统提出了很高的设计要求。挖掘机的液压系统，同时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与设计，对于推动我国挖掘机设计以及相关技术的发展具有十分重要的意义。
在充分学习了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上，认识了挖掘机液压系统的设计与发展历史，对挖掘机液压系统的技术发展动态进行了分析总结，本论文对于挖掘机的各种工况进行了分析，系统的总结了挖掘机液压系统的设计与制造要求，根据挖掘机液压系统的设计要求，设计了一套适合我国生产制造的，应用于单斗挖掘机的液压系统。
本次毕业设计课题，以某型号履带式全液压小型单斗挖掘机作为研究对象，文中所研究的液压系统是斗容量为1m³的履带式全液压小型单斗挖掘机上的液压系统，其采用双泵定量系统，多路换向阀的并联油路、专用手动换向阀的合流方式。小型挖掘机具有结构紧凑、传动平稳、挖掘力大、操作简便以及容易实现自动控制等优点。本文着重研究液压系统的设计与分析，在此基础上研究了国外的先进机型设计挖掘机的液压系统。装配图以及相应的部件图和零件图图纸基本采用AutoCAD二维软件绘图。
关键词：挖掘机；液压系统；混合动力
挖掘机作为我国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。在挖掘机产品中，其核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，常常要求挖掘机要实现的动作普遍复杂，于是，在这种条件下，对液压系统提出了很高的设计要求。挖掘机的液压系统，同时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与设计，对于推动我国挖掘机设计以及相关技术的发展具有十分重要的意义。
在充分学习了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上，认识了挖掘机液压系统的设计与发展历史，对挖掘机液压系统的技术发展动态进行了分析总结，本论文对于挖掘机的各种工况进行了分析，系统的总结了挖掘机液压系统的设计与制造要求，根据挖掘机液压系统的设计要求，设计了一套适合我国生产制造的，应用于单斗挖掘机的液压系统。
本次毕业设计课题，以某型号履带式全液压小型单斗挖掘机作为研究对象，文中所研究的液压系统是斗容量为1m³的履带式全液压小型单斗挖掘机上的液压系统，其采用双泵定量系统，多路换向阀的并联油路、专用手动换向阀的合流方式。小型挖掘机具有结构紧凑、传动平稳、挖掘力大、操作简便以及容易实现自动控制等优点。本文着重研究液压系统的设计与分析，在此基础上研究了国外的先进机型设计挖掘机的液压系统。装配图以及相应的部件图和零件图图纸基本采用AutoCAD二维软件绘图。
关键词：挖掘机；液压系统；混合动力
Abstract
As the main type of construction machinery in China, excavators are widely used in various construction operations. The core technology of excavator products is the design of hydraulic systems. Due to the harsh working conditions of excavators, complex movements are required, which puts forward high requirements for the design of hydraulic systems. The hydraulic system is also the most complex among the hydraulic systems of construction machinery. Therefore, the analysis and design of excavator hydraulic systems is crucial for promoting excavation in China The development of machinery is of great significance.
On the basis of collecting relevant information on excavator hydraulic systems at home and abroad, we have gained an understanding of the development history of excavator hydraulic systems and analyzed and summarized the technological development trends of excavator hydraulic systems. The paper analyzes various working conditions of excavators and summarizes the design requirements of excavator hydraulic systems. Based on the design requirements of excavator hydraulic systems, we have designed a set of suitable for production and manufacturing in China, Single bucket excavator hydraulic system.
The topic of this graduation project is a tracked full hydraulic small single bucket excavator with a bucket capacity of. The hydraulic system we are studying is a tracked full hydraulic small single bucket excavator with a bucket capacity of. It is a dual pump quantitative system that uses a parallel oil circuit with multiple directional valves and a combined flow method with a dedicated manual directional valve. Small excavators have the advantages of compact structure, smooth transmission, large excavation force, easy operation, and easy automatic control. This article focuses on the design and analysis of hydraulic systems. Based on a certain type of small excavator as the base model, the hydraulic system of the excavator was designed using advanced foreign models. Assembly drawings and corresponding component and part drawings are basically drawn using AutoCAD 2D software.
Keywords: Excavator; Hydraulic system; Hybrid power
第一章 绪论
1.1 选题依据及课题意义
2020年10月29日通过的“十四五”规划，提出要加快推动绿色低碳发展，推进重点行业和重要领域绿色化改造，降低碳排放强度。工程机械的内燃机使用量仅次于汽车行业，是需要进行节能减排技术研究的重点领域。液压挖掘机作为典型的多执行器工业设备，具有庞大的市场规模及保有量。液压挖掘机具有功率密度高、操作性好和环境适应性强等优点，可以实现多种作业方式，常常用在土石方开掘、矿石开采、房屋建设、淤泥清理等工程领域，液压挖掘机普遍应用柴油机驱动液压泵提供压力油，通过液压控制阀和液压管道进行分配，控制执行器动作，也就是泵集中供能液压阀分配动力控制策略。市场现有挖掘机液压系统多采用LUDV、正流量、负流量控制方式。均不可避免的，由于负载差异多执行器复合运动时，各腔油压不同，控制阀口存在较大节流损失。其节流损失功率占柴油机输出功率的35%~39%[1]。此外，液压挖掘机大部分时间处于低负载工况，柴油机有效燃油消耗率较高，导致燃油效率较低、排放差。还有传统液压挖掘机执行机构回落和制动时动势能会在出油控制阀口节流损失掉，不仅浪费了能量还使液压油温上升易引起系统故障，进一步降低了液压挖掘机的能量利用效率。
随着石油能源的日益枯竭以及国家对以液压挖掘机为代表的工程机械提出“绿色化”的要求[2]，降低能量消耗、提高能量利用效率成为挖掘机可持续发展的研究方向。最近几年，为了提高挖掘机系统的能量利用效率，众多学者从柴油机工作点的优化、对重载执行器动势能进行回收再利用和降低控制阀口节流损失等方面进行了研究。
挖掘机共计分为3种类型，按重量分别为小、中、大型三类。其中，小于20吨为小型、20~30吨属于中型，30吨以上属于大型[3]。在三种挖机类型中，最常见的是中型机，作为土石方作业的主力机型，其往往配备了发动机控制系统、各主要环节的监测系统、GPS等比较先进的复杂电子设备，这样，机器自动化水平就相应的得到了提高，与之对应的是，大中型挖机往往具有较高的价格。由于购机价格和实际作业需求冲突等原因，限制了这类机型向市政工程领域应用的发展。小型挖掘机的问世使得主要以替代人工作业、工作量又相对不高的工程领域得到很好的发展。由于市场上乃至国内外的液压系统比较多‚并且各自具有自己的独立特性与优点‚使得在工程机械上选择的范围较广，性能不一。相比较而言，负载敏感液压系统是应用最广、优点最多、人性化程度最高的。
本文重点研究的是小型反铲式挖掘机，相较于机械式挖掘机，反铲式液压挖掘机更具优势。反铲式液压挖掘机作业位置更加灵活，行走方便，可以在自身站立水平以上和以下进行工作面采装作业，同时爬坡能力更大。反铲式液压挖掘机的挖掘深度取决于型号、尺寸和类型，开采台阶高度可以从4至18m。同时，反铲式液压挖掘机还可以有效解决富水露天矿的开采问题，可以用于挖掘水坑，铺设排水渠道。另外，反铲式液压挖掘机在半硬质岩石的无爆破挖掘中具有特殊的优势，挖掘力更大[4]。
1.2 国内外研究现状
液压挖掘机节能减排方面的研究既符合国家发展要求，同时满足用户的消费需求，是世界相关领域大力发展的科研项目。相关研究成果极大地改善了液压挖掘机的能量利用效率与燃料消耗量，对人与自然的和谐相处做出贡献。
多年来，众多企业与科研机构对液压挖掘机进行了相关研究，在每代产品推出后，其性能均有提升。整机系统中元件自身的能量效率较高，节能技术较成熟。但是，挖掘机系统中的柴油机受液压系统工况影响，其工作点大部分时间处于低效区，当两者之间匹配不恰当时，系统能耗较高。还有，虽然液压系统普遍采用泵阀复合这一节能控制技术，但是由于控制阀口存在非必要节流损失，液压系统整体能量利用效率并不高[5]。最近几年以来，众多学者对液压系统的相关技术进行了大量研究，有效地减少了挖掘机的燃油消耗量，一定程度上实现了节能减排。然而挖掘机自身的工作状况决定了其作业过程中会积聚大量动势能，在传统液压系统中，这部分能量会在液压阀口被消耗，不仅白白浪费掉，还提升了液压油温，加剧密封老化，造成系统泄漏及故障率增加。挖掘机液压系统中，多执行器复合动作过程中负载差异效应节流损失也是影响系统能量利用效率提升的因素。电气式混合动力技术依靠其较高的控制性能，是节能减排的较优方案，目前已成功应用于汽车领域，作为能量回收再利用的典范，可以为液压挖掘机油电混合动力提供方案指导。
国外研究人员中Weber J教授[6]研究了比例阀在进出油口独立系统中的应用，并设计了一种以进油压力补偿阀芯位移为控制量，从而匹配其流量的方案。Choi K[7]以挖掘机为研究对象，仿真分析了进出油独立控制系统，设计了流量再生回路，提高了整机能量利用效率。德国亚琛工业大学的Murrenhoff教授[8]设计了利用六个开关阀与一个三位比例方向阀的组合，分别控制液压执行器两腔的挖掘机系统，其设置有高、中、低压三个等级的压力回路，可以依据载荷大小进行模式切换，有效地降低了系统能量消耗，更进一步地，通过比例方向阀与开关阀的搭配，设计了进出油独立回路，采用出口节流控制，对回路结构进行优化。国内研究人员中，权龙在双出杆缸进回油路均设置一个泵，并分析系统动态特性[9]，董致新[10]采用泵阀复合进出口独立方式控制液压挖掘机执行机构，并构建了试验测试样机，降低了液压系统压力波动，动臂一个工作循环能耗降低15%，斗杆能耗降低5.6%。李立科[11]在挖掘机回转液压马达进出油口各自设置一个比例阀，并做了样机测试，相比于原机系统节能比例25.5%~35.6%。师建鹏[12]将位置速度复合控制策略应用于进出油口独立系统，驱动挖掘机动臂，测试显示其输出速度与给定信号接近，并且定位误差较小，没有显著增加系统能耗。曾亿山等[13]以挖掘机为研究对象，应用LS系统的压力补偿方法对进出油口独立系统进行了研究。刘英杰[14]通过在进出口独立控制系统中设置比例溢流阀控制液压执行器进油压力，并分析了系统特性；丁孺琦[15]设计出以进口压力为控制量的自镇定控制方案，改善了进出口独立控制系统的动态特性。
一些研究人员在回油路设置储能元件，让回油改经储能元件来平衡超越负载，或者对液压执行器进行减速制动，控制其动作并回收能量。夏连鹏等[16]设计了双液气储能三腔液压缸，将其安装于挖掘机动臂，独立的储能腔直接连接蓄能器，同样工况下，节能比例为20.7%。刘昌盛等[17]提出了采用发电机和液压马达构成的能量转换单元，用于回收上车动能，搭建了测试样机，电气式储能效率为40%。林添良教授团队[18]对挖掘机动臂重力势能和上车回转动能回收与再利用做过相关研究，结果显示设置的储能单元可以较好地提高系统能量利用效率。中南大学何清华教授[19]，设置了两套动臂重力势能储能装置，分别为发电机与定量液压马达、电气式储能元件构成的单元和液压蓄能器，其可以依据系统运行速度要求，在蓄能器储能与电气储能模式之间切换。中国矿业大学Li Wei[20]通过判断挖掘机工况与电池电量状态，对动臂重力势能回收系统进行控制，提高了能量回收效率。韩国蔚山大学的Yu Yingxiao[21]采用液压马达与发电机构成动臂重力势能回收单元，并在系统中并联两个开关阀，根据动臂下降速度，选择势能回收模式，降低了电气式储能单元的容量需求与系统的能量消耗。日立建机和住友公司都公布了液压马达和发电机回收回转机构动能的专利，在制动时，电动/发电机回收上车回转动能[22]。因为液压马达与发电机建立制动压力存在延时性，日立建机在液压马达进油路设置了节流阀或溢流阀，提高制动可控性；中南大学朱建新教授[23]基于上述回路原理，做了相关研究，结果表明挖掘机上车空载回转时的动能回收效率达到27.8%。
中国是全球挖掘机生产大国，国内挖掘机生产技术逐渐成熟并具备自主研发能力。2019年，国内挖掘机制造商销售总量超过40万台，市场份额达到了全球75%以上，主流的国内挖掘机品牌有徐工、中联、三一、柳工等。随着国内建筑、公路、桥梁等基础设施建设的不断加强，挖掘机市场需求量持续增长，同时国内市场对环保、安全、智能化等方面的要求也在不断提高。
日本是挖掘机制造业的重要发展国家，占据了全球约20%的市场份额。主要品牌有小松、日立、神钢等。欧洲挖掘机市场主要由德国、瑞典、法国等国家的制造商占据，如卡特彼勒、沃尔沃等。美国挖掘机市场相对分散，主要制造商包括约翰迪尔、卡特彼勒、康明斯等。随着世界范围内挖掘机市场的逐渐饱和，厂商们开始加大研发力度以追求更高端的市场增长。例如，日本小松公司推出新一代“智能挖掘机”美国康明斯公司开发了全电动挖掘机。
第二章 混合动力系统的结构方案研究
2.1 系统动力方案选择原因
传统液压挖掘机主动力源的选用普遍以柴油发动机为主，为挖掘机液压泵提供源动力，为整个液压系统运行提供能量。高压油通过控制阀流入液压缸及回转马达，实现液压缸的直线位移和回转马达的旋转，进而完成挖掘机的挖掘动作。相关研究表明，传统液压挖掘机在实际工程作业时，工作装置做功能量还不到挖掘机动力源输出能量的30%[24]，其中大部分能量在液压回路中多以液压阀的溢流或节流形式的造成能量损失，导致整机能量利用率低[25,26]。
在传统挖掘机的工作过程中，挖掘机系统的具体能量损耗如下：
1）摩擦及势能的浪费损失：
挖掘机的各个部件运动时，会产生摩擦，导致能量转化为热能而损失；工作装置下降时，势能大部分通过液压阀的节流作用，将其转换成热能消耗掉，造成了大量的能量流失[27,28]。
2）液压能损失：
挖掘机使用液压系统来控制各个部件的动作，但在液压系统中，由于压力、流量等因素的影响，液压能就有可能会损失[29]。
3）外部环境因素：
挖掘机的工作环境可能会受到气温、湿度、风力等因素的影响，进而影响挖掘机的工作效率和能量损失[30,31]。
4）动力源的能量转换损失:
在传统液压挖掘机系统中，发动机作为主动力源，需要通过机械结构与液压泵相连接，从而实现机械能向液压能的转换，但是在转换过程中，存在大量的能量浪费[32]。
通过对以上因素进行分析和优化，可以降低挖掘机的能量损失，提升工作效率和使用寿命。
2.2 动力方案选择
传统的液压挖掘机一直存在着能耗高、排放污染严重的缺点,其主要原因就是传统的液压挖掘机所使用的是柴油发动机。柴油机燃烧的过程中会产生大量的有害气体，例如氮氧化物（NOx）、碳氧化物（CO、CO2）等，这对环境造成了严重的污染。不过柴油发动机也有其优点：动力强，能够承受较高负载；油路系统简单，易于维修和保养。若是不考虑环境污染，只追求经济效益，那自然选柴油发动机较优。但如今，随着人们生活水准的提高，对机器提出了更高的要求，环境保护、节约资源，都在要求我国的重工业以科学发展为主，其中节约能源就是我国工程机械行业所面临的一个重大课题[32]。本研究也考虑过纯电动挖掘机，纯电动挖掘机不需要使用燃油，不会产生二氧化碳、氮氧化物等有害气体，对环境影响小；利用电能作为动力源，电能的能量损失比燃油能源的损失小很多，从而可以节约能源。可是由于目前技术所限，阻碍纯电动挖掘机发展的主要难题就是电池储存的能量有限，目前纯电动挖掘机的续航时间普遍较短，需要及时充电。而挖掘机一般一天需要工作8小时,偶尔加班一天工作12个小时,属于正常情况。给电池充电的速度又比较慢，烧油又会污染环境，混合动力可以结合两者的优点，尽可能达到一种相对平衡的状态。目前混合动力挖掘机研究的也比较成熟，作为燃油挖掘机到电动挖掘机转变的一个过渡方案是比较合适的，考虑以上因素，本论文采用混合动力源。
混合动力挖掘机按能量混合形式一般分为油电混合和油液混合。油电混合动力是发动机和电池提供动力，油液混合动力是发动机和蓄能器作为动力源。吴文海等[33]基于对23t液压挖掘机进行节能改造，设计了油电混合动力系统和油液混合动力系统，见图2.1、图2.2。
2.2.1油电混合和油液混合的对比
1）能源消耗：
油电混合挖掘机采用电力驱动和内燃机驱动相结合的方式，具有很高的能源利用率和经济性。油液混合挖掘机则采用传统的内燃机驱动方式，能源利用率相对低一些。
2）安全性：
油电混合挖掘机在电力部分采用了高压电设备，要求操作者具备一定的电气知识和安全意识。而油液混合挖掘机相对来说更加容易操作和维护。
3）环境污染：
油电混合挖掘机采用电力驱动，排放的废气和废液少，对环境污染也相对较小。油液混合挖掘机则需要使用燃油，排放的废气和废液较多，污染环境的可能性也较大。
4）动力性能：
油电混合挖掘机的动力性能相对油液混合挖掘机要好一些，不仅能够提供更高的功率，还具有更好的响应性和稳定性。
5）使用成本：
油液混合挖掘机的使用成本相对油电混合挖掘机要高一些，主要体现在长期使用上，例如油费、维护成本等。
总体来说，油电混合挖掘机具有更高的能源利用率和经济性，对环境污染的影响也相对较小，但需要操作者具备一定的电气知识和安全意识。油液混合挖掘机则相对来说更加容易操作和维护，但使用成本较高，并且对环境污染的影响也比较大。由此选择油电混合挖掘机。
2.2.2油电混合动力分类与选择
由发动机、电动机和超级电容三者之间的连接位置关系,油电混合动力驱动系统主要有串联式、并联式和混联式三种形式,见图2.3所示[34-36]。
串联式中发动机为整个驱动系统提供动能驱动发电机发电，电能储存于超级电容中。优点是可以达到较高的燃油经济性，节能效果好。结构简单，随着工况的变化发动机的工作点不受影响。缺点是能量转换过程多，电动机输出功率有限，会导致系统燃油效率下降，元器件的体积较大，需要大容量的电池，成本高。
并联式中发动机作为系统运行的主要动力，电动机作为辅助动力。优点是电动机和发动机可以独立工作，提高了动力性能；电池容量相对较小，成本较低；可以通过电动机回收制动能量，提高能量利用率。缺点是系统复杂度较高，维护成本较高；燃油经济性相对较低，燃油消耗量较大。
混联式结合串联系统和并联系统的特点，具有综合性能高的优点，但结构太复杂，转换元件过多，燃油经济性较低，维护成本高，不易控制等问题限制了其进一步发展，目前应用范围较窄。
吴文海[37]针对串联式和并联式的优缺点，结合20t级普通液压挖掘机结构，分别对串联系统、并联系统和普通系统从装机功率、效率和发动机工作点等方面进行对比分析，找出最佳匹配方案为并联式混合动力液压挖掘机。
董丽娟、朱哲煜[38]对基于混合动力技术的液压挖掘机系统设计方案开展了比较深入的研究,对串联式和并联式综合性能、环保性以及节能效果进行考虑，得出并联式的混合动力液压挖掘机要更具优势的结论。
李优[39]以6 t级挖掘机的动力系统需求为研究对象，综合对比三种混合动力方案的优缺点，分别从工作效率、经济性能和产品体积三个角度分析，选出最适合的动力系统方案为并联式油液混合动力系统。
徐淼[40]从串联式、并联式、混联式基本构成出发，综合动力性能和节能效果等方面分析得出结论并联式结构在节能效果、整车布置和控制难易程度上更可取。
王超[41]在 SimulationX 联合仿真软件中构建了液电混合驱动挖掘机铲斗和斗杆系统联合仿真模型。以铲斗完成一个挖掘和卸载动作为周期，分别对传统液压挖掘机铲斗系统和液电混合驱动液压挖掘机铲斗系统进行仿真，得出两个系统中液压缸的速度位移曲线以及各自系统的能耗曲线。结果显示，液电混合驱动液压挖掘机铲斗系统相对于传统液压挖掘机，其系统运行特性更加稳定，系统能量利用率更高，一个工作周期内节省176kJ能量，节能效率约为45.3%。进行相同步骤，对斗杆系统进行仿真，得出结论：液电混合驱动液压挖掘机斗杆系统相对于传统液压挖掘机，不仅提高了斗杆动作的运行稳定性，而且系统能量利用率也有大幅度提高更高，一个工作周期内节省119kJ能量，节能效率约为42.5%。
由此综合得出结论：并联式混合动力挖掘机要比串联式混合动力挖掘机更具优势。
2.2.3并联式混合动力挖掘机工作原理
并联式混合动力挖掘机是一种利用内燃机和电动机联合驱动的设计，是现代节能环保的优质设备。主要由内燃机、发电机、电池和电动机等部件组成，内燃机主要提供动力，发电机将内燃机输出的机械能转换为电能并储存在电池中，电动机通过控制器从电池中获取电能，带动挖掘机的动力传递系统（即行走、转向和挖掘等部分）。当挖掘机行驶时，内燃机提供动力向发电机供能，发电机将其转换为电能并储存，电能再转化成动力供电给电动机。在挖掘工作过程中，内燃机和电动机共同提供动力，能够快速高效地完成任务。而当挖掘机处于怠速或工作状态的低负荷时，内燃机将停止工作，电池将为电动机提供所需要的能量，从而实现能量的高效利用[42-44]。
通过使用并联式混合动力的挖掘机，能够达到节约能源、减少污染，提高工作效率和可持续发展的目的。目前混合动力挖掘机研究的也比较成熟，作为燃油挖掘机到电动挖掘机转变的一个过渡方案是比较合适的，因此本论文也是使用混合动力来作为挖掘机的动力源。
2.3本章小结
讨论了混合动力系统的可行方案，并进行了综合比较，根据比较结果，提出的并联混合动力方案在节能效果性、成本等方面具有较大的优势。
第六章 结论与展望
6.1 结论
液压挖掘机是用量大、能耗高、排放质量较差的工程机械之一，在能源紧缺和环境污染越来越严重的当前情况下关于液压挖掘机节能效果改善的研究是有待进一步研究，而且作为最典型的工程机械之一，关于液压挖掘机节能效果改善的研究将为其它工程机械的节能问题的解决提供许多参考资料。
本文在搜集了国内外挖掘机液压系统相关资料的基础上，对挖掘机混合动力系统进行了一系列研究，简略说明了动力方案选择原因，一步步通过对比研究，最终选定并联式混合动力方案。对液压系统进行了简单概述，对三种回路进行了简单分析。对挖掘机关键部件如铲斗液压缸、活塞杆、活塞等液压系统关键部件进行了设计与计算。最后计算了下液压系统压力损失和发热温升。
6.2 展望
挖掘机液压系统需要研究的内容很多，而且随着计算机控制技术的迅猛发展，液压、电子联合控制技术在挖掘机上的应用将使挖掘机更具魅力，微操纵性、复合操纵性的改善，新的液压系统的装备，预示了挖掘机将得到更快更新的发展。这就为我们提供了许多需要进一步研究的课题。
由于时间关系以及自身掌握的知识还远远不足，本论文只是针对铲斗液压缸进行了设计计算，而且未能做出实物，进行效率优化，因此，如何进行产品的产业化设计，将其从实验室推向市场是一个值得深入探讨的问题。不过我相信会有专业人士来解决这个问题，我国的挖掘机产业确信大有可为！
参考文献 略
