唐山小型挖掘机液压系统的主要内容是系统设计和液压元件选择。

　　液压系统的合理设计，要满足机械传动要求、并考虑动作配合和运动速度，力求效率高，液压元件容易制造或购置，此外，还要保证工作安全可靠，操作简便，造价低廉和便于检修。因此，必须充分了解所设计挖掘机的工作条件、负荷大小与变化、动作特性、元件配套和三化要求等[8,9]。

　　确定液压系统类型

　　挖掘机的液压系统类型很多，习惯上是按主油泵的数量、功率调节方式和回路的数量来分类。一般有六种基本形式：单泵或双泵单回路定量系统；双泵双路定量系统；多泵多路定量系统；双泵双路分功率调节变量系统；双泵双路全功率调节变量系统；多泵多路定量、变量混合系统。另外，按液流循环方式的不同，还可分为开式与闭式两种系统[10]。

　　根据参考定型产品，选择双泵单回路定量系统可以满足工况要求。

　　5.2液压系统的计算和液压元件的选择

　　5.2.1系统主参数的选择

　　系统工作压力 ，流量 ，以及两者的乘积，即系统液压功率 是液压系统的主参数。在系统设计中，往往是先选定工作压力 ，然后根据各执行元件的运动速度，来确定流量 。

　　系统工作压力 要根据技术要求、经济效果和制造可能性等三方面来确定。在外负荷已定情况下，系统压力选得愈高，各液压元件的几何尺寸就越小，可以获得比较轻巧紧凑的结构，对大型挖掘机来说，更为重要，所以，一般应尽可能选取较高的工作压力。但是，压力的选择还要考虑制造、装配、密封、维修等因素，压力太高，密封要求也高、制造维修困难，增大了液压振动与冲击，影响了元件寿命和可靠性，此外，压力增高太多，元件与管道的壁厚相应增加，尺寸与重量的减少率交款愈来愈小。

　　现有单斗液压挖掘机所用工作压力有：

　　①中高压 压力小于20000kPa,常用于机重小于15t，液压功率40kW以下的小型机。

　　②高压 压力小于32000kPa，是目前15t级以上的中型、大型机最普遍采用的压力等级，根据目前生产水平，压力再进一步提高，经济上不能带来相应的优越性。

　　③超高压 压力超过32000kPa，很多液压元件需要专门制造，采用这种压力等级的只占挖掘机总数的10%左右[11]。

　　本设计中由于机重小于15t,液压功率小于40kW，工作压力选用中高压，取 16000 kPa。

　　挖掘机液压缸作用力的确定

　　各油缸的作用力应保证工作装置在挖掘过程中，斗齿有足够的挖掘力，以及保证在卸载时能把满斗土壤举升到最大幅度和高度所需的举升力。

　　工作装置各油缸作用力有以下两种情况。

　　①当油缸两腔分别接高低压油路时产生推动机构进行运动的作用力称为主动作用力（简称作用力或者工作力），其最大值取决于该油路的工作压力和油缸直径（活塞作用面积）。

　　②工作装置工作时作用于闭锁状态（即油缸两腔与高低压油路断开）的油缸上的作用力称为被动作用力，其最大值则取决于该油缸油路的过载溢流阀压力和承载活塞面积。当油缸作用力大于外载荷的作用力的时候，该油缸便无回缩现象；否则由于过载溢流阀打开而溢流，便使油缸发生回缩。

　　确定工作装置各油缸的作用力和可能产生的被动作用力后，便可以按照选定的液压系统的工作压力确定油缸所需的缸径以及过载溢流压力。油缸的行程则由工作装置机构方案所确定，它与工作装置的结构方案及铰点位置有关，而机构方案也决定了各油缸在主动和被动状态下的作用力。

　　液压挖掘机工作装置上设置的油缸主要有三种：铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸。这些油缸作用力的确定，则取决于工作装置的形式和工作情况。

　　反铲装置在作业过程中，当以转斗挖掘为主时，其最大挖掘力为铲斗油缸设计的依据。初步设计时按额定斗容量及工作条件（土壤级别），参考有关资料可初选斗齿最大挖掘力，并按反铲最主要的工作装置—最大挖掘深度时能保证最大挖掘力来分析确定铲斗油缸的工作力。此时计算位置为动臂下放到最低位置，铲斗油缸作用力对铲斗与斗杆铰点有最大力臂，如图5－1所示。

　　为了简单，可以忽略斗和土的质量，并且忽略了各构件质量及连杆机构效率影响因素，此时铲斗油缸作用力为：

　　由于液压挖掘机在工作时需要控制的自由度多，驾驶员操作时手脚有限，往往造成驾驶员无暇。根据负载的大小调节发动机的油门，只能使油门处于固定位置，因而造成大量的能量损耗和严重的机械磨损。针对挖掘机能量损失情况，采用PLC控制，以检测到的柴油机的转速为判断信号。PLC控制程序根据操作员选择的不同档位后，按照控制命令执行指令，驱动步进电机的转向和转角，实现油门开度的高精度控制，使发动机-液压泵系统处于最经济的匹配工作状态，从而使油门的开度始终处于所选择的柴油机转速上。

　　7.2 总体方案的设计

　　由柴油机的外特性可知，柴油机基本上是恒扭矩调节，输出功率的变化表现为输出转速的变化，即不同的油门开度对应着不同的柴油机输出转速。柴油发动机控制的目的是控制油门开度的大小来实现柴油机输出转速的调节。油门控制器根据油门设定值采集当前油门位置，由控制器经过综合分析后控制步进马达，从而控制油门开度，实现发动机的调速。随着步进电机性能提高，步进细分驱动控制技术的发展，步进电机传动逐步克服了震荡，失步和热的不足，性价比大幅提高，步进电机开环控制系统就能达到很高的控制精度，被广泛应用于精密定位的控制。采用步进电机作为控制器动力装置的最大优点是不经任何数／模变换，步进电机通过驱动器接收PLC发出的数字量脉冲信号，从而准确地进行正转、反转和停止等动作，无超调和停滞，加之步进电机本身具有控制性能好、步距精度高及没有累积误差等优点，是数字量调节系统比较理想的动力装置。考虑油门驱动所需的力矩较小，速度与位置控制的精度要求不高，采用步进电机开环控制系统就能满足要求

　　挖掘机的发动机电子控制系统。由油门控制器、调速器马达，步进电机驱动器等组成。

　　根据自动化机组的控制要求，所需PLC的输入点数为16个，输出点数为5个。系统的控制量基本上是开关量，只转速是模拟量，为了降低成本，可以通过检测把模拟量转换成开关量，因为这种检测装置本省就是A/D转换器，他们与控制系统的接口简单方便，节约了成本。