挖掘机液压控制系统实验实训设备的开发与研究

徐凯　苏茜

【摘 要】为了满足挖掘机液压控制原理与维修教学的需要，研究开发出适合高职高专院校教学的综合实验实训设备，该设备将理论教学与工程实践紧密结合，系统地反映了挖掘机液压控制系统的结构原理和知识要点，适用于多种教学方法与教学模式，为培养高技能人才提供良好条件。

【关键词】挖掘机 实验设备 液压控制系统 拆装维修

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）07C-0183-02

一、维修现状及设备研制的必要性

挖掘机行业经过爆发式增长，进入翻新维修时代，现从业人员多为直接入行或转岗人员，未经过专业的培训，对故障问题进行简单的零件更换，不能准确地判断和解决问题，给维修行业的发展带来了很大阻碍。因此，急需高技能的维修服务人才提高整个行业素质。

挖掘机设备昂贵，真机拆装维修需要投入大量的资金。现有模拟教学设备极其匮乏，而且该设备仅将普通的液压元件组装起来，进行简单操作动作上的模拟，没有从结构和工作原理上去设计，这类实验设备并不适合专业教学。为此，急需开发出一套适用于挖掘机维修教学的实验设备，改善现有的教学条件，提高维修行业从业人员的整体技能水平。

二、实验设备的开发与研究

（一）实验设备开发的基本思路

挖掘机液压控制系统是工程机械运用与维修专业的一门主干专业课程，学生在此之前已经学习了液压与气动技术课程的相关知识，对液压基础有一定了解。

本实验设备的开发更强调挖掘机专用部件的结构原理，液压系统工作的整体性和系统性，以及对液压系统故障的综合诊断及维修。学生通过使用本实验设备学习该课程后，能够看懂挖掘整机液压原理图，能够掌握各专用部件的拆装和维修方法，能够根据现象快速准确地分析故障，并进行检测维修。

综合考虑教学场所对噪声、空气污染的要求，以及场地的适应性，本实验设备利用电动机代替柴油发动机实现挖掘机的各功能。

（二）实验设备的基本组成

本实验设备采用现实工程液压部件组成，包括了挖掘机的主要液压和执行部件，详见表1。

表1 挖掘机实验设备部件一览表

根据挖掘机的工作原理，本实验设备设计的总体框如图1所示。

图1 挖掘机实验设备总体框图

（三）实验设备的基本功能

合上总电源开关，通过电动机转速调节器控制电动机的转速。将转速调至800rpm左右，模拟发动机启动，调整电动机转速，可以模拟挖掘机在轻载、标准和重载等模式下工作过程。操作手柄，可实现挖掘机的各动作，各动作定义见表2。

本实验设备除可以模拟动作之外，还可以进行挖掘机的工作原理分析和拆装实训等近20个项目的教学，例如：双联柱塞泵的工作原理分析、内部结构拆装、输出压力的调整与检测，主控阀的工作原理分析、内部结构拆装、溢流压力的检测与调整，以及行走马达、先导手柄、液压缸等液压部件的检测与维修。

三、实验设备的具体功能

（一）变量柱塞泵工作原理分析教学

K3V112DT型柱塞泵为双联柱塞泵，其单泵结构分为泵体和调节器两部分，原理图如图2所示。柱塞泵由斜盘、伺服活塞、滑靴、柱塞、缸体、配油盘等主要零件组成。当传动轴按图示方向旋转时，柱塞沿斜盘面自上而下回转，逐渐向缸体外伸出，缸体内空腔增大，液压油经配油盘上的配油口进入，完成吸油过程；同理，柱塞沿斜盘自下而上旋转时，逐渐向缸体内推入，缸体内空腔减小，液压油从配油盘出油口排出，完成出油过程。缸体每转一转，每个柱塞往复运动一次。改变斜盘角度即可改变泵的排量。斜盘角度的改变是通过调节器控制伺服活塞移动实现的。

图2 双联柱塞泵原理图

调节器内部结构较为复杂，现通过液压原理图说明其工作过程。此泵采用负流量控制方式，Pi1（Pi2）负反馈信号来自于主控阀中位油路末端的节流阀之前的压力点。手柄未进行操作时，前泵液压油P1经主控阀中位油路流回油箱，此时Pi1压力最大，推动滑阀1向右移动。液压油P1同时进入伺服活塞1大、小油腔，由于活塞左右端面积不同，伺服活塞向右移动至末端，斜盘摆角减至最小，此时流量最小。操作手柄，主控阀动作，中位油路逐渐被切断，Pi1减小，滑阀1向左移动，伺服活塞大端油腔接通油箱，在小端油腔的作用下向左移动，斜盘摆角增大，流量增加。

滑阀1的移动还受针阀1的控制。前泵液压油P1和后泵液压油P2的共同作用在针阀1上，随着操作手柄幅度的加大，系统压力增加，当P1和P2的合力大于弹簧力时，滑阀1开始向右移动，伺服活塞1向右移动，流量减小，保证此时压力、流量和转速的乘积不超过发动机的功率，又称恒功率控制。

（二）柱塞泵构造及拆装维修教学

拆卸方法如下：将柱塞泵置于干净的操作台上，用清洗油等去除泵表面的污物。取下泵壳上的油栓盖，将泵中的液压油排出。卸下六角螺栓取下调节器，松开固定在斜盘支撑板、泵壳、阀体上的六角螺栓。将泵与调节器的安装面向下，水平放在操作台上，将前泵壳体、阀体、后泵壳体分离。拆卸前泵，从泵壳内取出缸体，同时取出活塞、压板、球面衬套、油缸弹簧。拆下内六角螺栓，取下前泵密封盖。轻轻地敲击靠泵一侧的斜盘支撑板的发兰盘，使泵壳与支撑板分离。从泵壳中取出活塞瓦、斜盘。

用橡胶锤轻轻地敲击花键轴的端面，从斜盘支撑板内拔出花键轴。从阀体内取出配油盘，并注意前后泵配油盘的区别。还可根据需要，从泵体中取出挡块、伺服活塞、倾斜销，以及阀体内的轴承、花键连接套。

后泵拆卸方法与前泵方法相同，装配方法为拆卸方法的逆序。

四、实验设备的特点

（一）工程实践性强

实验设备主要针对高职高专挖掘机液压控制系统课程而设计，与挖掘机实际应用与维修密切相关，具有很强的工程实践性。学生在学习和维修过程中，需要进行大量的实践操作， 从而提高了自身的动手能力和解决实际问题的能力。如双联柱塞泵，首先要熟悉内部结构，分析工作原理图，然后进行拆装实践，最后进行故障诊断分析与检测。

（二）结构创新性强

实验设备为电动挖掘机模拟实验平台，即用电动机作为动力源，模拟完成挖掘机各功能。系统的液压部件及电气元件采用平铺式结构设计，将所有部件及管路按功能合理有效地展开，管路走向清晰可见，直观性很强，避免了直接使用挖掘机教学的内部结构隐蔽、管路错综复杂等缺点。

（三）功能多样，适用性强

实验设备功能多样，既可以进行实践操作，模拟挖掘机的各主要动作，又可以进行零部件拆装授课与实训，分析其工作原理和故障现象。教学方法灵活多样，既可以采用理实一体化教学，又可作为理论教学的实验部分。知识层次由浅入深，既可作为低年级的认识性教学，又可作为高年级的故障诊断与分析教学。

实验设备的功能和实用性直接影响教学效果。本设备根据实际工程经验而设计，能够系统高效地学习挖掘机液控原理、故障诊断及拆装实践，培养学生的动手能力和解决实际工程问题的能力，同时也为专业教师进行课程开发提供了一个良好的实验平台。

【参考文献】

[1]张群生.液压与气压传动[M].北京：北京机械工业出版社，2011

[2]李合永.挖掘机正流量控制液压系统浅析[J].工程机械， 2013（44）

[3]黄中华.工程机械混合动力系统实验台测控系统[J].振动、测试与诊断，2013，33（1）

【基金项目】2013 年度广西高校科学技术研究项目（2013YB299）

【作者简介】徐 凯（1981- ），男，辽宁辽阳人，工学硕士，广西机电职业技术学院讲师，工程师，研究方向：工程机械维修。

（责编 丁 梦）