挖掘机液压系统的现状与前景研究

叶建根

（中国葛洲坝集团第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

液压挖掘机是一个被广泛使用的土方施工机械，被广泛使用在道路工程、施工作业、矿山、水利建设和农田生产，以此降低操作人员的劳动强度，提高生产效率，在大型工程建设及保证工程质量方面发挥了巨大的作用。

土方工程在各种类型的工程建设中占了很大的比例。据统计，施工建设中由挖掘机完成的土方工程比例大约占60 %左右。由于液压挖掘机具有多功能、多品种、高效率、高品质等特点，受到了大量施工作业单位的青睐。因此，液压挖掘机的生产制造业日益蓬勃发展。

根据历史的经验，挖掘机的发展大部分是基于其液压技术的改进，因此，挖掘机和液压传动的发展是紧密相连的。挖掘机通过高难度动作的实现完成工作任务，其所需的条件是极其复杂的，所以，液压系统的设计要求很高，也是最繁杂的。挖掘机液压系统的分析对促进挖掘机发展有着至关重要的作用。

我国很晚才开始挖掘机的生产和设计, 自从1954年抚顺挖掘机机厂制造出第一台机械式单斗挖掘机到今天，已经达到了20 世纪80年代的国际水平，部分产品甚至达到了90年达的水平。相比于我国落后的挖掘机生产，国外挖掘机制造商很早便将液压技术与其他的技术相结合，不但使产品质量和寿命大幅度提高，操纵更加舒适，产品的适应性能提高，产品更加节能、环保，获得最佳的燃油消耗和更高的生产效率。韩国大宇重工、神钢、日本小松、日立建机、英国的ICB、德国的利勃海尔等公司应用了很多先进的技术，代表了当代液压挖掘机的最高水平。

1 国外研究现状及趋势

液压传动技术开始应用在挖掘机上可以追溯到20 世纪60年代，目前，挖掘机液压系统已经发展到非常成熟的阶段。

最近，由于液压挖掘机使用范围的扩大和产量的提高，很多世界上著名的挖掘机生产商不断利用液压系统的多种高新技术来提高其产品在国际上的竞争力。

这些高新技术主要表现在六个方面：液压系统向大型化和小型化两极发展；高压化和高可靠性发展趋势日益显著；系统的高操纵特性日趋重要；液压系统从开式系统向闭式系统发展；液压系统与电子精密控制的结合成为很重要的发展方向；节能环保技术成为研究的趋势。

1.1 向大型化和小型化发展

随着工程项目和科技发展的要求越来越高，挖掘机及其液压系统向小型化和大型化的两极发展成为必然。

挖掘机的施工重量最大的几百吨最小的几百公斤，二者相差近1 000 倍，和其他工程机械相比，挖掘机向两极分化的差别是最大的。在施工作业当中，为了提高生产率大型工地和大型矿区需配备超大型机械，园艺作业（私人小园林）需配备微型机械[1]。

表格1 为目前世界上最大级和最小级挖掘机的对比。使用重量超过100 吨的为超大型机械，使用重量低于6 吨的为微型挖掘机，二者约占挖掘机总量的40%。

表1 世界上最小级和最大级挖掘机的对比

1.2 提高负载和可靠性

（1）提高负载

提高挖掘机的负载能力最直接的方法是提高液压系统的流量、工作压力和功率。

当今世界上先进的挖掘机产品的额定压力大部分超过30 MPa，同时随着材料科学技术的进步，液压技术有朝着更高压力甚至采用超高压力的方向发展的趋势，功率超过几百千瓦，流量一般在每分钟几百升。

如目前世界上首台最大的RH400 型全液压挖掘机是德国的Orensttein＆Koppe 制造的，铲斗容量42 m3，液压油源为18 台变量轴向柱塞泵，总流量达到10 200 L／min，原动机为2 台QSK60 柴油发动机，总功率达到了2 014 kW[2]。

（2）提高可靠性

挖掘机系统的可靠性越来越受到研究和开发人员的重视。因为液压挖掘机的工作环境经常是很恶劣的，各个功能组件在恶劣的环境下能否持续正常的工作就受到了工程使用和维护人员的格外重视。

美、英、德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的方法，并将断裂力学、疲劳损伤累积理论、疲劳强度分析方法、优化设计、有限元法、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术等先进技术应用于液压挖掘机可靠性的研究方面，不断提高设备的可靠性[3]。日本提出了液压挖掘机构件的强度评定流程并开发了可靠性信息处理系统；美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，使液压挖掘机的使用寿命达到l 万小时，运转率超过85%~95%。

总线技术在挖掘机上逐渐得到了推广应用，其对挖掘机的工作状态可以进行实时的监控。但是，常用的监控系统，只是针对挖掘机的一些状态信号的变化而做出反应，如何更进一步在进行故障诊断的同时利用这些状态信息，从而提高系统的可靠性，确实是挖掘机研究中的难点。

高性能的故障检测和诊断系统是先进的挖掘机不可缺少的重要组成部分，对保证设备可靠性有重要的影响。从国内外对挖掘机液压系统的故障诊断的研究来看，故障检测和诊断系统主要有如下几个特点：

一是，理论性很弱。以往的研究工作往往局限于某一类型的挖掘机或者某一类型的故障模式，通过简单的分析就给出了故障诊断结果，极大限制了故障诊断应用的范围。

二是，在线的故障诊断为故障诊断的理论性研究奠定良好的基础。总线测量技术的出现。能够实时采集故障信号，从而有可能实现在线故障诊断。

三是，实用性原则很强，在实际的使用中针对具体的故障问题进行具体分析能够起到很好的效果。

综上所述，挖掘机液压系统的故障诊断研究需要从理论上进一步提高故障诊断的研究水平，仍然具有较大的研究空间和价值。

1.3 操纵特性的提高

世界上的研究开发和工程施工人员越来越重视挖掘机液压系统的操纵特性。

目前，国际上迅速发展的全液压挖掘机，通过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气压操纵、液压操纵、电子计算机综合程序操纵、无线电遥控操纵、液压伺服操作和电气控制。

由于各种高新技术的应用，挖掘机液压系统的操纵特性得以迅速提高[1]。

1.4 闭式液压系统

长期以来，开式液压系统无法满足挖掘机的调速和复合动作的要求，所以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)。

闭式液压系统可以采用一个油泵同时向全部液压元件供油，每一个液压元件的运动速度与负载压力无关，只与操纵阀的阀杆行程有关，泵的流量按需提供，因此闭式液压系统体现出操纵性好的特点。

1.5 电子—液压集成控制

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很大发展，开发出大量的新型电液自动控制系统，大大提高了挖掘机的自动化程度。

当今国外先进品牌的挖掘机在电液控制方面已经成熟。全自动控制液压系统在美国林肯～贝尔特公司的新C 系列LS-5800 型液压挖掘机上安装并服役。它通过自动调节流量避免了驱动功率的浪费；FJ系列五中新型号挖掘机（日本住友公司生产）配有与液压回路连接的辅助功率控制系统，利用精密控制模式选择系统，减少发动机功率和液压功率的消耗，同时大大延长了零部件的服役寿命。

1.6 节能技术的应用

从用户的角度来看，在工程机械上采用节能环保的技术最大的意义在于能够降低使用成本。

资料显示，工程机械将近40%的能耗来自液压系统，15%左右的能耗来自发动机。节能技术可以减少液压系统功率损失，提高发动机的利用率，使负载所需功率与动力系统更好地匹配，提高设备在使用中的可靠性。

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[4]。

2 国内研究现状及趋势

我国挖掘机行业的整体发展较国外慢，尤其是液压系统方面的理论落后较多。

国内挖掘机企业由于采用传统液压系统的挖掘机产品在品质、性能、可靠性、作业效率等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在市场上完全丧失了竞争力，而采用各种高新技术的国外挖掘机产品获得了用户的青睐[4]。

由于国际一流的挖掘机生产企业垄断了先进的挖掘机液压系统，国内企业在该领域的研究几乎空白，因此国内的挖掘机生产厂家无法独立制造出性能优良的挖掘机设备，国外各种品牌的挖掘机占据了大部分的市场份额。

以20 T 级的液压挖掘机为例，国产20t 级挖掘机是欧洲80年代初的技术水平，同90年代初以来在国内广泛使用的日立、神钢、日本小松以及韩国大字、现代等机型相比，主要差距是液压系统流量偏小，柴油机功率偏低，液压系统特性差，从而行走速度低，平台回转速度低，各种性能参数均偏小，作业效率和整机性能较国外偏低[5]。

3 结束语

液压挖掘机需要大幅度的技术进步来适应科学技术的发展和工程施工现代化生产的需要，液压挖掘机行业所面临的新挑战就是技术创新。

在技术创新方面，挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，因此对挖掘机液压系统的分析和研究都有十分重要的实际应用的价值。

闭式系统、节能环保、高负载、高可靠性、良好的操纵特性和电液集成控制是目前乃至未来的重要研究方向。

[1]Wang F H, Jiao A Y, Shao H Z, et al. Numerical Analysis and Experimental Study on Dipper Handle of W1002 Excavator[J].MANUFACTURING PROCESS TECHNOLOGY，PTS 1-5，2011，189-193:1691-1695.

[2]Choi J, Kim H, Yu S, et al. Development of integrated controller for a compound hybrid excavator[J]. JOURNAL OF MECHANICALSCIENCE ANDTECHNOLOGY，2011，25(6):1557-1563.

[3]黄宗益，叶 伟，李兴华.液压挖掘机液压系统概述[J].建筑机械化，2003，24(9):12-16.

[4]刘建民. 液压挖掘机关键技术综述[J]. 建设机械技术与管理，2001，14(12):26-28.

[5]张 铁.液压挖掘机结构、原理及使用[M].北京：石油大学出版社，2002.