基于项目学习的毕业设计
项目立项报告
题目：挖掘机负载敏感液压系统设计
院（系）
专 业
学 生
学 号
班 号
指导教师
填报日期
哈尔滨工业大学机电工程学院
20##年11月
说 明
一、立项报告应包括下列主要内容：
1．立项依据（研究意义、国内外研究现状并附主要参考文献）；
2．研究内容、研究目标及拟解决的关键问题；
3．拟采取的研究方案及可行性分析；
4．项目的特色与创新；
5．进度安排及预期成果；
6．研究基础与工作条件；
7．项目组成员简介；
8．项目经费预算。
二、报告需用A4纸双面打印，左侧装订，由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。
三、报告的电子版均需交由各单位教学主任存档，由各班班长统一收集、上交，不单独受理。
四、此说明页不得删除。
指导教师评语：
指导教师签字： 检查日期：
1．立项依据
1.1 研究意义
工程机械用于工程建设的施工机械的总称。工程机械是我国装备工业的重要组成部分。概括地说，凡土石方施工工程、路面建设与养护、流动式起重装卸作业和各种建筑工程所需的综合性机械化施工工程所必需的机械装备，称为工程机械。它主要用于国防建设工程、交通运输建设，能源工业建设和生产、矿山等原材料工业建设和生产、农林水利建设、工业与民用建筑、城市建设、环境保护等领域。
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已占据首位，并且仍在发展扩大。液压挖掘机在国土建设、大自然改造事业、许多大型基础工程的建设中得到广泛应用，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。
然而，随着世界范围内经济的高速发展，人类正在面临着前所未有的挑战。在这些挑战当中，能源危机无疑是很具代表性也非常严峻的一个。为应对能源危机，世界各国出台了相关政策大力发展节能，我国更是将节能列入发展规划之中。为了保证节能工作的全方面展开，并为国家乃至人类共同的节能事业贡献一份绵力。 液压挖掘机在数量上占工程机械很大比例，而且又是能耗大户。因此研发出解决挖掘机节能的方案就显得尤为重要了。
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。挖掘机产品的核心技术就是液压系统设计，由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作复杂，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。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。因此，对挖掘机液压系统的分析研究对推动我国挖掘机发展具有十分重要的意义。
1.2 国内外研究现状
从20世纪60年代液压传动技术开始应用在挖掘机上至今，挖掘机液压系统已经发展到了相当成熟的阶段。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向闭式系统转变
日本小松（KAMATSU）公司90年代以前一直致力开发开式负载敏感系统（OLSS），用以降低液压系统的损耗。开式液压系统采用三位六通阀，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液压泵流量的影响，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。这是开式系统的主要缺点。
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）。它可以采用一个液压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，在国际上已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。
（2）系统的节能技术成为研究的重点
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。德国曼内斯曼（Mannesmann）公司研制的一种负载传感系统，将其安装在液压系统中，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液压泵进行控制，从而实现在按需供流的同时，使调速节流损失控制在很小的固定值，从而达到节能的目的。负流量控制技术是通过位于主控制阀后面的节流阀建立的压力对主泵的排量进行调节的技术。目前以韩国现代（HYUNDAI）、日本小松（KOMATSU）和日本日立（HITACHI）为代表的许多国外著名品牌的挖掘机生产商都在自己的挖掘机液压系统中使用了负流量控制技术。这种控制技术具有稳定性好、响应快、可靠性和维修性好等特点，但在起始点为重负荷下作业时，因流量与负载有关，所以可控制性较差。
（3）系统的高压化和高可靠性发展趋势日益凸显
为了提高挖掘机的负载能力，直接的方法是提高其液压系统工作压力、流量和功率。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。
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。
（4）系统的操纵特性上升到很重要的地位
挖掘机液压系统的操纵特性越来越受到重视。目前国际上迅速发展全液压挖掘机，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液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。各种高新技术的应用，使得挖掘机液压系统操纵特性大大提高。
（5）电子—液压集成控制成为当前主要研究目标
电子控制技术与液压控制技术相结合的电子—液压集成控制技术近年来获得了巨大发展，特别是传感器、计算机和检测仪表的应用，使液压技术和电子控制有机结合，开发和研制出了许多新型电液自动控制系统，提高了挖掘机的自动化程度，推动着挖掘机的迅猛发展。目前国外先进品牌的挖掘机在电液联合控制方面的研究已趋成熟。美国林肯·贝尔特公司新C系列LS—5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。日本住友公司生产的FJ系列五中新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命。
从国内情况来看，我国挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压系统方面的理论还比较薄弱。国内大部分挖掘机企业在挖掘机液压系统传统技术方面的研究具有一定基础，但由于采用传统液压系统的挖掘机产品在性能作业效率、可靠性等方面均较差，因此采用传统液压系统的挖掘机在国内市场上基本失去了竞争力，取而代之的是采用各种高新技术的国外挖掘机产品。先进的挖掘机液压系统都被国际上一流的生产企业垄断，国内企业在该领域的研究几乎是空白，这样国内的挖掘机生产厂家就无法独立制造出性能优异的挖掘机，绝大部分的市场份额都被国外各种品牌的挖掘机所占据。以20t级的中型液压挖掘机为例，国产20t级挖掘机大多数是欧洲80年代初的技术，同90年代初以来在国内形成批量的日本小松、日立、神钢以及韩国大宇、现代等机型相比，其主要差距柴油机功率偏低，液压系统流量偏小，液压系统特性差，导致平台回转速度低，行走速度低，各种性能参数均偏小，整机性能和作业效率较国外偏低。
早在1958年国内便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品。当时出于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。
到了80年代末和90年代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅速的提高，突出表现在追求高效率（同一机重的挖掘机功率普遍提高，液压系统流量增大，作业循环时间减小，作业效率大大提高），高可靠性和追求司机操作的舒适性。
国内原有的数家挖掘机专业生产厂为了生存和发展，利用自身的实力和丰富的挖掘机生产经验，纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的新开发的产品（也包括某些已生产多年的老产品）为了提高作业的可靠性，干脆采用了进口的液压件和发动机，甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计，这种经过改型或新设计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化国外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。
经过近十年的研究，获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结果已进入实际应用过程中。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于，从挖掘机的液压系统入手，把液压系统中最为先进的负载敏感系统进行改良改进，使我国的挖掘机的水平再上一层楼。
参考文献
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2．研究内容、研究目标及拟解决的关键问题
2.1 研究内容
液压挖掘机是一种功率比较大的工程机械，但是其能量的总利用率仅为20％左右。受世界能源危机和环境保护的影响，液压挖掘机实现节约能源、降低排放一直是业界努力追求的目标。采用节能技术的液压挖掘机能使动力系统与负载所需功率匹配更好，系统发热减少，燃油消耗降低，从而提高系统设备的可靠性和液压元件的寿命。
负载敏感系统发展于20世纪80年代的欧洲，越来越广泛地应用于中小型挖掘机上，节能效能显著。负载敏感系统是一种感受系统压力-流量需求，且仅提供所需求的流量和压力的液压回路。负载敏感控制系统的功率损耗较低，效率远高于常规液压系统。高效率、功率损失小意味着燃料的节省以及液压系统较低的发热量。负载敏感控制技术本应用于构造一种未来的传动及控制系统，其高效的特点使负载敏感控制成为所有传动及控制系统的理想设计方案（见图1）。
图1 负载敏感液压系统
现代工程机械要求液压系统能耗低，精度高，并且能够实现同步动作的几个执行元件在运动时互不干扰，负载敏感技术利用负载变化引起的压力变化去调节泵或阀的压力与流量以适应系统的工作需求，因此在很多工况下能够很好地满足上述要求。
采用“闭中心”系统的负载敏感系统，是由负载感应式变量柱塞泵与负载敏感控制阀组成，如图1所示。泵的排量可调，无需设置溢流阀，比“开中心”系统节省能源。
当液压系统未工作时，在较低的压力下保持处于待机状态，多路阀切断执行器与变量柱塞泵之间的压力信号。当多路阀工作时，先从执行器得到压力需求，并将压力信号通过负载感应油路传递给压差调节阀（即负载敏感阀）它和最高压力调节阀共同控制柱塞泵的变量机构，使泵的输出压力对系统压力做出响应。
2.2 研究目标
对挖掘机液压系统进行调研，分析挖掘机液压系统的正流量、负流量和负载敏感的区别，设计具有负载敏感的挖掘机液压系统，选配关键元件，并进行计算机仿真研究。
挖掘机的具体参数：
（1） 整车重量：8200kg；
（2） 柴油发动机转速：2200r/min；
（3） 发动机功率：53.1kW；
（4） 液压泵最高压力：26.5MPa；
（5） 液压泵最大流量：160L/min。
2.3 拟解决的关键问题
分析挖掘机液压系统的正流量、负流量和负载敏感各自的原理应用条件及其优缺点。着重分析负载敏感系统在实际应用过程中遇到的难题，并提出改良改进的建议以及方案。
对新提出的方案进行整体设计，选择关键元件，并进行计算机仿真研究。对系统进行评价。
3．拟采取的研究方案及可行性分析
根据现有的正流量、负流量以及负载敏感液压系统进行分析，并实施改良改进。在分析的过程中，引入仿真软件对研究对象进行仿真，辅助设计。综合世界各国公司的现有产品，分析其优缺点，最后设计出最终方案。
负载敏感液压系统已经在各种工程机械实际应用了很久，并已经充分证明了其优越性。挖掘机的负载敏感液压系统在节能方面、液压元件使用寿命方面以及设备的使用寿命方面都有提高。
在有大量实际负载敏感系统的理论和实际信息数据。本项目组成员理论基础扎实，并有较高的热情通过中外文献提高自身的科研水平。通过查阅文献和咨询各个领域方面的专家，可以较好地完成项目。本项目将结合现有的成果，进行创新，并通过仿真软件进行验证。可行性较高。
4．项目的特色与创新
现有的挖掘机液压系统中，负载敏感液压系统在节能方面已经优于正流量和负流量系统。但是还有提升的空间。
在项目的进行中不断探索改善负载敏感系统的方法，通过仿真软件辅助设计。最终设计出一种新的挖掘机负载敏感液压系统。
5．进度安排及预期成果
5.1 进度安排
2011.12.05~2011.12.19 申报项目；
2011.12.20~2011.12.26 立项检查；
2011.12.27~2012.01.13 调研分析，外文翻译；
2012.01.14~2012.03.12 系统分析；
2012.03.13~2012.05.04 系统设计；
2012.05.04~2012.06.04 关键元件选择，建模仿真；
2012.06.05~2012.06.29 撰写论文，项目总结。
5.2 预期成果
项目总结报告1份。主要包括：
（1）挖掘机液压系统调研报告1份；
（2）挖掘机液压系统分析报告1份；
（3）挖掘机关键液压元件分析和选择报告1份。
6．研究基础与工作条件
该项目成员在本科在读期间，学习过液压相关专业课程。课余时间也投入大量精力在液压系统方面。
该项目将在哈尔滨工业大学流体传动及控制研究所内完成，可与研究所内领导以及成员进行学术交流，并共享相关资料。
本项目基于哈尔滨工业大学流体传动及控制研究所。
该研究所有实验室面积800多平方米，仪器设备总价值1500多万元，装机总功率300多千瓦，有教学科研试验台30台，微机50台。
该研究所有大量基础性研究的数据和资料。在设计系统的理论分析，各个元件的选用以及整个系统的仿真操作过程中，都可以提供强有力的支持。
7．项目组成员简介
项目组长：吕佩章，男，1988年生，本科在读。
20##年至今，就读于哈尔滨工业大学机电工程学院飞行器制造工程专业。就读期间，在长春第一汽车集团、哈电集团以及哈尔滨轴承厂实习。完成了减速器和夹具的课程设计。
理论知识扎实，热爱科研，可胜任该课题。
8．项目经费预算
详见表1。
表1 经费预算
