液压挖掘机分析工况（精选7篇）
毕业设计说明书(论文)
设计(论文)题目: 小型挖掘机液压回路分析 专 业: 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师: 2015年 11 月 1
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目 录
第一章 概论.......................................................1 1.1前言......................................................1 1.2 小型液压挖掘机简介........................................3 1.3挖掘机国内外发展趋势及研究现状............................4 1.3.1 国外发展情况........................................4 1.3.2 国内发展情况........................................5 1.4本文拟达到的要求..........................................5 第二章 挖掘机液压基本回路分析.....................................6 2.1 限压回路..................................................6 2.2 卸荷回路..................................................7 2.3 缓冲回路..................................................8 2.4 节流调速回路..............................................9 2.5 节流限速回路.............................................10 2.6 行走限速回路.............................................11 第三章 挖掘机液压系统的设计......................................12 3.1挖掘机的功用和对液压系统的要求...........................12 3.2挖掘机液压系统分析.......................................13 3.2.1挖掘机的液压系统原理图.............................13 3.2.2液压系统工作原理简述...............................15 3.2.3液压系统特殊部件作用...............................17 第四章 液压元件的计算与选择......................................18 4.1 液压元件的计算..........................................18 4.1.1液压缸内径.........................................18 4.1.2缸筒壁厚...........................................19 4.1.3缸筒壁厚验算.......................................19 4.1.4活塞杆计算.........................................19
4.1.5活塞杆强度计算.....................................20 4.1.6确定液压系统的工作压力.............................20 4.1.7确定液压缸的主要参数和工作压力.....................20 4.1.8确定液压马达的排量和工作压力.......................21 4.1.9计算液压缸与液压马达的流量.........................21 4.2液压元件的选用...........................................21 4.2.1液压阀的选用.......................................21 4.2.2辅助元件的选用.....................................22 4.2.3液压缸的选择.......................................23 4.2.4液压泵的选择.......................................23 4.2.5液压马达的选择.....................................23 4.2.6发动机的选择.......................................23 总 结............................................................25 展 望............................................................26 致 谢............................................................27 参考文献.........................................................28
摘 要
本次毕业设计课题是小型液压挖掘机的液压系统和工作装置。设计思路是根据液压挖掘机各部分的动作要求，参照同类型其他液压挖掘机来设计。工作装置结构图和液压系统图采用CAD绘制。
小型液压挖掘机主要由结构件、覆盖件、工作装置、行走装置、回转装置、液压系统、动力系统、电器系统等部分构成,最关键核心的是液压系统和动力系统。本文对小型液压挖掘机做了简要介绍，分析了液压挖掘机的主要动作，并根据动作要求设计了挖掘机的液压系统和工作装置。同时对回转装置、行走装置和各液压缸的参数进行初步估算。此液压系统采用液压先导控制，性能可靠，操纵强度低。
关键词：挖掘机；液压系统 ；液压
第一章 概 论
1.1前言
图1.1 挖掘机液压部分
挖掘机的液压系统是挖掘机上重要的组成部分，它是挖掘机工作循环的动力系统。挖掘机的工作环境恶劣，且动臂和底盘动作非常频繁，因此要求液压系统工作稳定，平均无故障时间长,如图1.1。因此，液压系统的性能优劣决定着挖掘机工作性能的高低。液压技术的发展直接关系挖掘机的发展，挖掘机与液压技术密不可分，二者相互促进。液压技术是现代挖掘机的技术基础，挖掘机的发展又促进了液压技术的提高。挖掘机的液压系统复杂，可以说目前液压传动的许多先进技术都体现在挖掘机上。挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操纵回路等，由它们构成具有各种功能的液压系统。随着科技的进步，挖掘机的液压系统将更加复杂，功能更加多样且便于操作控制，工作效率高，耗能少，先进的液压系统会使挖掘机在工程领域发挥更大的作用。
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液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，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。
挖掘机液压传动紧密地联系在一起，其发展主要以液压技术的应用为基础。由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作很复杂，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。因此，对挖掘机液压系统的分析设计已经成为推动挖掘机发展中的重要一环。
目前液压技术的研究和发展动向主要体现在以下几个方面：（1）提高效率，降低能耗。（2）提高技术性能和控制性能。
（3）发展集成、复合、小型化、轻量化元件。（4）开展液压系统自动控制技术方面的研究与开发。（5）加强以提高安全性和环境保护为目的研究开发。（6）提高液压元件和系统的工作可靠性。（7）标准化和多样化。
（8）开展液压系统设计理论和系统性能分析研究。
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1.2 小型液压挖掘机简介
图1.2 小型挖掘机
业界对小挖没有比较明确的定义，一般认为标准斗容量在0.25m以下或者整机重在13T以下的挖掘机都是小型挖掘机，如图1.2。在公路养护、园林绿化、小区建设、市政工程及农田建设等土方量分散、作业空间狭窄的工况下，小型挖掘机以其体积小、机动性好等优点受到广大用户的青睐。
近几年来，我国的经济活动建设带动了以挖掘机为代表的工程机械行业的快速发展，小挖作为其中一个重要力量也取得了迅速的发展。小挖以其价格便宜、功能多样、机动灵活、作业效率高等优势，逐渐成为挖掘机这个子行业版块的主力军，受到大家的青睐。
小型液压挖掘机价格低、质量轻、保养维修方便，具有独特优势。小型液压挖掘机体积小，机动灵活，非常适用于城镇的各种管道开挖、基础施工、公用事业以及房屋维修等作业。其紧凑的体积、特殊的设计使其能够在大型挖掘机无法施工的第3页
环境中进行作业。由于有相关的液压动力系统，小挖能够安装许多辅助作业工具。尾部旋转半径为零的设计应用，使得小型挖掘机在作业空间有限的环境下作业时挖掘机操作人员无须考虑施工现场是否有障碍物阻碍挖掘机的转动，从而使操作人员能够更专心于铲斗的操作，这也防止了施工现场周围建筑物以及挖掘机自身的损坏。小型挖掘机的动臂与机身铰接的设计，使其能够在一个很大的范围内进行摆动。使得挖掘机在周围有障碍物时也能避开障碍物进行作业而无需经常移动机身。同时，这也使得挖掘机能够便于在墙壁或是围墙的旁边进行挖掘作业。小型液压挖掘机便于各个施工现场间的转移，无需大型拖车或是重型卡车来进行运输，小型的运输工具就可将其运载。不但能够方便运输，还可以大大降低机器的运输费用。
小型工程机械在市政工程、交通等施工中发挥较大优势并得以迅速发展。小型挖掘机在这些工程中为节省人力、物力做出了较大贡献，满足了城市各种作业要求，在城市狭窄的工作空间内能够最大限度地发挥其生产能力，逐步成为城市施工中具有代表性的施工机械。
从全球范围看，小型挖掘机市场已处于成熟发展期，需求稳定并呈缓慢上升趋势，中国的小型挖掘机产业仍处于市场导入和发展的初级阶段，需求持续快速增长。小型挖掘机的发展主要依赖于城市建设的发展，由于城市的改造、建设施工较多，要求施工时间短、施工机械对周围环境影响小、安全、低污染、回转半径小、便于运输以及具有与城市景色相协调的外观。
1.3挖掘机国内外发展趋势及研究现状
1.3.1 国外发展情况
国外小型挖掘机的生产始于二十世纪70年代，1985年以后，由于技术的不断成熟，这种产品得到了快速发展。目前国外小挖产品在可靠性、操作的流畅性和舒适性等方面已经非常完美，而且其驾驶室里美观的内饰及舒适的质感也可与家用轿车媲美。
国外专业生产小挖的公司主要分布在美国、日本、欧洲等国家，比较有代表性的公司比如日本的久保田、小松、洋马等，美国的凯斯和山猫，德国的英孚和英国的JCB等。
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目前国外的小挖主要向着以一机多用的多功能化、以提高操作性能的智能化、以功率匹配控制的节能化、以有限元分析的可靠性设计、以基于微电子技术的智能监控系统设计和以符合人机工程学的驾驶室设计等方向发展。
1.3.2 国内发展情况
目前国内已形成1.5T至13T全系列规格型号的小型挖掘机，在国内占据了大部分市场份额，而且出口量在逐年攀升，其中国内生产小挖比较著名企业的是玉柴和山河智能。现阶段国内小挖的技术水平相比于国外来说还有很大差距，主要体现在整机的功率匹配、操作的稳定性和精确性、产品质量的可靠性以及人性化设计等方面。
现阶段处于仿制后自主提高阶段，生产的大部分是标准型小挖，缺乏自主创新开发能力，特别是在核心液压元件和动力方面受制于人，大部分配件都需要进口。而且很多技术都来自于较成熟的大中型液压挖掘机，在动力匹配和技术创新方面有待进一步突破，特别是国产液压元件要替代进口液压元件还得不断努力。
1.4本文拟达到的要求
本文设计的小型液压挖掘机斗容量为0.23m，整机重量为6吨。挖掘土壤级别为Ⅲ级以下。本文主要对由动臂、斗杆、铲斗、连杆机构组成的工作装置和液压系统进行设计，设计的工作装置和液压系统要能满足挖掘机基本动作要求，并能完成复杂的复合动作。本文主要的设计内容包括小挖工作装置的总体设计和机构挖掘力分析，液压系统的整体设计和设计完成后对关键液压元件进行设计计算并校核。
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第二章 挖掘机液压基本回路分析
图2.1 挖掘机液压控制回路
基本回路是由一个或几个液压元件组成、能够完成特定的单一功能的典型回路，它是液压系统的组成单元。液压挖掘机液压系统中基本回路有限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流回路、行走回路、合流回路、再生回路等，如图2.1。
液压系统基本回路是由一个或者几个液压元件有机连接而成的、能够完成特定动作的典型液压回路，它是挖掘机液压系统的组成单元。液压系统是由基本回路组成的一个有机整体，主要包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速回路和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路和锁紧回路等。
2.1 限压回路
限压回路是用来限制系统压力的，使压力值不超过其一调定值。限压的目的有两个：
一、限制系统的最高压力，避免液压系统和液压元件因过载而损坏，通常用安全阀来实现限压，安全阀设置在液压泵出油口附近油路上；
二、保证系统中某部分的压力保持定值或不超过特定值，通常用溢流阀来实现。溢流阀在调定系统压力
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时，其多余的流量最终通过此阀流回到油箱，因此溢流阀阀口是常开的。
限压回路不仅能限制系统压力，对系统进行卸荷，还能保证挖掘机正常工作。如图2.2所示来说明限压回路的工作原理，当换向阀l处在中位时，液压泵与主回路断开，处于不工作位置；若换向阀处于左位时，液压泵与主回路接通，液压缸上有负载W，则液压缸无杆腔会受到很大的闭锁压力，当此压力很大的话，就有可能损坏管路和液压元件，因此，液压缸的进出油路处都要安装溢流阀2和3。当闭锁压力大于溢流阀的调定压力时，溢流阀2和3就都打开，液压油流回油箱，从而实现卸荷；换向阀处于右位同理。溢流阀的调定压力与液压系统的压力无关，通常溢流阀的调定压力越大，液压缸的闭锁力就越大，对挖掘机的作业就越有利，但过高的压力则会损坏管路和元件，所以一般情况下，高压系统限压阀的压力调定值通常为系统压力的125%上下，若是中高压系统的话比125%还要高。
1.换向阀 2、3.溢流阀 4.液压缸
图2.2 限压回路
2.2 卸荷回路
卸荷回路是设计是为了让挖掘机在不工作时液压泵能以最低的功率运行，从而
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减少发动机的燃料消耗。液压挖掘机卸荷回路通常有换向阀中位卸荷回路（2.2(a)）和穿越换向阀卸荷回路图2.3(b)两种。
在换向阀中位卸荷回路中，通常采用中位机能是M型的三位四通换向阀，当挖掘机不工作时，换向阀处于中位，进油口和出油口联通，油液经过系统能各个换向阀后流回油箱，实现卸荷功能。这种回路通常用于高压的串联液压系统，结构简单，但受系统冲击影响大而且操作很不稳定。
在穿越换向阀卸荷回路中，换向阀采用的是带有过油通路三位六通换向阀，当挖掘机不工作时，换向阀处于中位，液压油液依次经过换向阀通路以最低压力流回油箱，最终实现卸荷。这种回路常用于高压并联系统，受液压换向冲击小，操作时比较平稳而且工作可靠。
（a）换向阀中位卸荷（b）穿越换向阀卸荷
图2.3 卸荷回路
2.3 缓冲回路
当挖掘机的上转台在满斗情况下回转或者在启动、突然间换向和制动时会对液压系统产生很大的液压冲击，从而产生振动和噪音，损坏液压元件。挖掘机的缓冲回路就是为了解决这个液压冲击问题而设置在回转回路中的，原理是挖掘机液压系
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统中回转马达中的高压油压力过大时和低压油路连通，而且还能对马达进行补油。如下图2.4所示为几种比较常见的缓冲回路。
（a）直动缓冲阀式（b）并联缓冲阀式（c）成对单向阀式
1.高压油路 2.低压油路 3、4.缓冲阀 5、6、8、9.单向阀 7.换向阀
图2.4缓冲回路
如图（a）中所示，缓冲阀3和4安装在回转马达的两个油路1和2上，正常工作状态下缓冲阀处于关闭状态。当出现马达停转这种情况时，在高压油路1上的压力油油压会升高，压力油则会打开缓冲阀3流回油箱，实现卸载和消除液压冲击；若马达反转时，不仅缓冲阀3会卸载和消除液压冲击，同时单向阀6打开从油箱吸油对马达进行补油，而且补油量很大。通常缓冲阀的调定压力要低于系统工作的最高压力。
如图（b）中所示，两个缓冲阀是并联在高低压油路1和2之间的，当回转马达停止转动或者反转时，高压油路的高压油就会经过缓冲阀留到低压油路，实现卸荷和消除液压冲击，同时在发转时还能通过单向阀进行补油，但补油量较少。
如图（c）中所示，由四个单向阀5、6和8、9成对的并联在回路里，只有一个缓冲阀3，当马达停转时，高压油先经单向阀5留到缓冲阀3把3打开实现卸荷和消除液压冲击，若马达反转时还可经过单向阀9补油。
2.4 节流调速回路
在定量系统中为了改变执行元件的流量通常是利用带有可变截面的节流阀来实现节流调速的，按照节流阀安装位置不同，节流调速回路一般分为两种：进油节流调速回路，如图2.5（a）和回油节流调速回路，如图2.5（b）。
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（a）进油节流调速回路（b）回油节流调速回路 1.定量泵 2.液压缸 3.节流阀 4.溢流阀 5.换向阀 6.滤油器
图2.5节流调速回路
（a）进油节流调速回路。液压泵前面有过滤,6，液压泵后面安装有溢流阀4和节流阀3，节流阀3和液压泵串联安装在高压油路上，液压油先经节流阀和换向阀再进入液压缸左侧，然后液压缸往右移。如果外负载变大，导致液压缸大腔压力变大，节流阀两端压差减小，流过节流阀的压力油减少，最后液压缸右移速度变慢；若外负载变小，同理可知，活塞缸移动速度变快。这种回路由于油液先经过节流阀，油温会升高，发热量大，泄露会增大，而且工作不稳定，效率低。
（b）回油节流调速回路。与进油节流调速回路想比，主要是节流阀安装在了回油路上，其他工作原理相同。由于节流阀安在了回油路上，油液经过节流阀后直接流回油箱，冷却效果好，而且工作较稳定，效率高。
2.5 节流限速回路
节流限速回路是在液压挖掘机的回油路上安装单向节流阀，从而来保证挖掘机
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工作装置安全作业的，如图2.6所示。动臂缸、斗杆缸和铲斗缸三个液压缸的回油路上都有单向节流阀，可以防止动臂等因自重而下降速度过快而导致危险的发生。
图2.6 节流限速回路
2.6 行走限速回路
为了防止履带式液压挖掘机下坡时因自重而加速行走导致溜车和行走马达吸空，常在液压系统加入行走限速回路，对行走马达进行限速和补油，如图2.7所示。
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1.换向阀 2、3.压力阀 4、5、6、7.单向阀 8、9.安全阀 10.行走马达
图2.7 行走限速回路
当换向阀处于左位1时，行走马达10顺时针转动。若履带式挖掘机下坡时，挖掘机超速行走马达超速旋转，则马达左边油路油压将下降，从而使压力阀3的截面开口变小，经过压力阀3的油液流量将减少，从而实现回油节流，达到限制挖掘机速度的目的；挖掘机行走马达吸空时，进油侧油路上的压力油不够，单向阀7将打开，从油箱里吸油进行补油。若行走马达发生故障停转时，进油侧的油液压力过高，安全阀9将打开，高压油经过安全阀9流回油箱，实现卸荷。当换向阀处于2位时，同理。
第三章 挖掘机液压系统的设计
3.1 挖掘机的功用和对液压系统的要求
挖掘机主要用来开挖堑壕，基坑，河道与沟渠以及用来进行剥土和挖掘矿石。他在筑路，建筑，水利施工，露天开采矿作业中都有广泛的应用。
液压挖掘机的液压系统是由动力元件(各种液压泵),执行元件(液压缸.液压马达),控制元件(各种阀)以及辅助装置(冷却器.过滤器)用油管按一定方式连接起来组合而成。它将发动机的机械能,以油液作为介质,经动力元件转变为液压能,进行传递,然后再经过执行元件转返为机械能,实现主机的各种动作。由于液压系统的功能是传递,分配和控制机械动力,因此是液压挖掘机的关键部分。，液压挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，它们包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操纵回路等，由它们构成具有各种功能的液压系统。
液压挖掘机的工作过程,包括作业循环和整机移动两项主要动作。
挖掘机一般工作在施工场合,因此工作环境恶劣,这就要求挖掘机的液压系统和执行元件要有足够的强度和非常好的密封性能。由于挖掘机的动作频繁,因此,液压
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元件和管路要能够承受频繁的液压冲击,以保证挖掘机能够长时间安全稳定的工作。设计出便于操作，更加人性化，工作效率高，耗能少的挖掘机，才会在工程领域发挥更大的作用。
3.2 挖掘机液压系统分析
要了解和设计挖掘机的液压系统，首先要分析液压挖掘机的工作过程及其作业要求，掌握各种液压作用元件动作时的流量、力和功率要求以及液压作用元件相互配合的复合动作要求和复合动作时油泵对同时作用的各液压作用元件的流量分配和功率分配。
3.2.1 挖掘机的液压系统原理图
挖掘机的液压系统原理图如下：
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图3.1 液压原理图
Ⅰ、Ⅱ.多路阀组 Ⅲ.先导控制阀组
1.斗杆液压缸 2.动臂液压缸 3、4.左右行走马达 5.铲斗液压缸 6.回转马达 7.限速阀 8、9、10.多路阀组 11.梭阀 12—合流阀 13、14、15.多路阀组 16.压力表 17、18.液压泵 19.冷却器 20.滤油器 21.蓄能器 22.齿轮泵 23.节流阀 24、25、26、27、28、29.先导控制阀
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3.2.2液压系统工作原理简述
如图3.1所示，图中Ⅲ是低压控制回路，Ⅰ和Ⅱ是高压控制回路。通过低压回路对高压回路进行控制，这样能使操作者更安全便捷的控制挖掘机动作。
主机启动后，当先导控制阀组Ⅲ不工作时，液压泵17、18提供的压力油分别通过多路换向阀组Ⅰ、Ⅱ以及限速阀7返回油箱。齿轮泵22为先导控制油路供压，压力过大时则压力油通过溢流阀流回油箱。
先导控制阀26、27中的电磁铁6Y、7Y同时通电，来自齿轮泵22的压力油控制多路换向阀组Ⅱ中的10、13换向阀，液压挖掘机左右行走马达开始工作，使挖掘机移动到工作位置（先导阀26、27单独控制时液压挖掘机单侧行走）。
到达工作地点后，通过控制先导控制阀24、25、28中的电磁铁调整液压挖掘机斗杆、动臂和铲斗液压缸，使铲斗调整到合适的切削角度。
调整好铲斗工作位置后，先导控制阀24中的电磁铁1Y通电，斗杆液压缸伸出，完成挖掘动作。
挖掘完成后，先导控制阀25中的电磁铁4Y通电，动臂油缸伸出，使动臂提升到指定位置。
控制先导控制阀29使机身回转，令铲斗回转到指定卸载位置。先导控制阀中28中的电磁铁10Y通电，铲斗油缸收回，完成卸载（复杂的卸载动作需要斗杆、动臂和铲斗液压缸的复合动作）。
卸载结束后，控制先导控制阀29使机身反方向回转。同时斗杆、动臂、铲斗液压缸配合动作使空斗置于新的挖掘位置。
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图3.2 小挖操作位置
如图3.2是小挖上的座位，在这里通过操作杆和脚踏板可以对小挖进行控制，对左边的操作杆移动，操作杆向下接通先导控制阀1Y，操作杆向左接通先导控制阀2Y，控制斗杆液压缸，如图3.3。
图3.3 斗杆液压缸控制回路
操作杆向右接通先导控制阀3Y，操作杆向上接通先导控制阀4Y，控制动臂液压缸，如图3.4。
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图3.4 动臂液压缸控制回路
右边的操作杆移动，控制挖掘机的回转马达以及铲斗液压缸，操作杆向下接通先导控制阀9Y，操作杆向左接通先导控制阀10Y，控制挖斗挖掘，如图3.5。
图3.5 铲斗液压缸控制回路
操作杆向右接通先导控制阀11Y，挖掘机工作室向左边旋转，操作杆向上接通先导控制阀12Y，挖掘机工作室向右边旋转，如图3.6。
图3.6 回转马达控制回路
两个踏板分别控制左右履带行走马达，左边踏板向上踩接通5Y，控制左侧履带前行，左边踏板向下踩接通6Y，控制左侧履带后退。右边踏板向上踩接通7Y，控制右边履带前行；右边踏板向下踩接通8Y，控制右边履带后退，如图3.7。
图3.7 左右行走马达控制回路
3.2.3液压系统特殊部件作用
限速阀：两组多路换向阀采用串联油路，其回油路并联。油液经过限速阀7流
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回邮箱。限速阀7的液控作用着由梭阀11提供给的17、18两油泵的最大压力。当挖掘机下坡行走出现超速情况时，油泵出口压力降低，限速阀7自动对回油路进行节流，防止溜坡现象，保证液压挖掘机安全。
合流阀：多路换向阀组Ⅱ不工作时候通过合流阀，液压泵17输出的压力油经过合流阀进入多路换向阀Ⅰ。以加快动臂或斗杆的移动速度。
蓄能器：保持先导油路油压稳定和熄火后提供油压还能完成几个动作的控制。节流阀：防止动臂、斗杆、和铲斗发生因重力超速现象，起限速作用。缓冲阀：用于缓冲惯性负载所引起的压力冲击。
节流阀：进入回转马达6内部和壳体内的液压油温度不同，会造成液压马达各零件热膨胀程度不同，引起密封滑动面卡死的热冲击现象。为此，在液压马达壳体上设有两个油口，一个油口直接接回油箱，另一个油口经节流阀与有背压回路（背压单向阀）相通，使部分回油进入壳体。由于液压马达壳体内经常有循环油流过，带走热量，因此可以防止热冲击的发生。此外，循环油还能冲洗壳体内磨损物。
第四章 液压元件的计算与选择
4.1 液压元件的计算
液压元件的性能分析包括：液压缸内径，缸筒壁厚，活塞杆强度，液压缸的工作压力，液压马达的排量和工作压力，液压缸与液压马达排量。
4.1.1液压缸内径
由《机械设计手册》表知铲斗油缸内直径：
D=式中 F—液压缸负载 P—系统压力
D—液压缸内径 取液压缸负载为：F=231.853KN
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4FgP
代入数据得D=186.4mm。参考液压缸系列尺寸取D=200mm。对斗杆缸:
D=
4FgP= 231.674mm 取D=200mm 4.1.2缸筒壁厚
缸筒的壁厚对于液压系统的稳定性和安全性有很大的影响，所以对它的设计非常重要。查《机械设计手册》得：
0c1c2 0Pmax*D
2*[]其中： Pmax--缸内最高工作压力MPa
[]--缸筒材料许用应力MPa C1--为缸筒外径公差余量m C2--腐蚀余量m 代入数据0=24 由D1:020得，查《机械设计手册》知D1=225mm。
4.1.3缸筒壁厚验算
额定工作压力应低于一定极限值以保证工作安全。
0.35*s(D1D2)PnD1材料选2G330-450，S =330 N/mm2 得Pn=30.8Mpa 选定系统工作压力为28Mpa，可以满足要求。
24.1.4活塞杆计算
dD1 第19页
其中数比由《机械设计手册》表选取＝2再由表得d=150mm。
4.1.5活塞杆强度计算
P*4*106＝105.4N/mm2 2*d式中 P：活塞杆作用力N；
d:活塞杆直径m,=100~110N/mm2
4.1.6确定液压系统的工作压力
在不考虑能量损耗的情况下，系统的功率为：
PpQ10（KW）
式中 P――液压泵的出口压力Pa； Q――液压泵的输出流量m3/s。
由上式可知，当系统传递的功率一定时，提高系统的工作压力就可减少系统中通过液压元件的流量，从而减小相应各液压元件以及整个液压系统的结构尺寸和质量。因此，目前液压挖掘机液压传动多采用中高压和高压系统。根据以上内容对此液压系统的工作压力取P＝28Mpa。
4.1.7确定液压缸的主要参数和工作压力
液压缸的有效工作压力Pg是指液压缸用于克服外载荷所需要的那一部分压力，其数值为：
pgpbpjph式中
pb――液压泵出口压力Mpa；
Ah（Mpa）Aj
pj――进油管路压力损失Mpa;
ph――回油背压力Mpa；
Aj,Ah――液压缸进油腔和回油腔有效工作面积m2。
上式中的压力损失pj，包括压力油从液压泵出口流过管道和各种液压元件（主要是阀类元件）时的压力损失。比较仔细的计算要在管路装配图画出之后才能进行。
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初步计算时，可参考同类液压挖掘机的经验数据来确定，可取pj＝3MPa～4Mpa。
4.1.8确定液压马达的排量和工作压力
液压马达的排量由给定的数值可知q=140mL/r，液压马达的有效工作压力pm按下式计算：
pm＝pb－pj－ph
式中的压力损失，可按前面介绍的经验数据确定。回油背压力ph的数值应根据马达所需的背压力来确定。
根据液压马达驱动的最大载荷力矩Ｍ、排量q、有效工作压力pm、最高转速nmax和最低稳定转速nmin以及系统工作条件等，即可选择液压马达的型号和规格。
4.1.9计算液压缸与液压马达的流量
通常根据最大移动速度和最高转速来计算液压缸和液压马达的流量。(1)液压缸所需流量：
QmaxAgvmax
（m3/s）
式中 Ag――液压缸的有效工作面积m2；
vmax――液压缸的最大速度m/s；
(2)液压马达所需流量：
Qmaxq0max1v（m3/s）
式中 q0――马达的理论排量mL/L；
max――马达的最高转速rad/s； v――马达的容积效率。
4.2液压元件的选用
4.2.1液压阀的选用
（1）溢流阀.溢流阀的基本功能是限定系统的最高压力，防止系统过载或维持压力近似恒定。本系统中选用二级同心先导式溢流阀，安装在泵的出油口处，用来恒定系统压力，防止超压，保护系统安全运行。
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（2）过载阀.安装在液压缸和行走马达的管路上，防止超载，用来保护液压系统和工作的液压缸和行走马达。
（3）单向阀.系统中多处要用到单向阀，也是必不可少的元件，它用来防止油液倒流，从而使执行元件停止运动，或保持执行元件中的油液压力。还可是保持一定的背压。
（4）换向阀.在系统中要用到两组四联换向阀，每个阀为三位四通换想阀。在系统中换向阀的主要作用是改变压力油进入执行元件的方向，进而实现不同的动作要求，在三位四通的换向阀中，左右阀位要求能够进回油，中间的阀位要求禁止油液流通，以达到执行元件动作达到要求后停止或悬停在任意位置。
4.2.2辅助元件的选用
（1）油管.由于系统工作压力高，所以在系统中没有相对运动的管路中选用无缝钢管，它能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，装拆方便，所以适合用在高压管道。在系统中有相对运动的压力管道选用高压橡胶管。
（2）管接头.在采用无缝钢管的管路中，管接头采用锥密封焊接式管接头，他除了具有焊接头的优点外，由于它的O形密封圈装在锥体上，使密封有调节的可能，密封更可靠。工作压力为34.5MP工作温度为-25到+80摄氏度。在橡胶管的接头处选用扣压式胶管接头，安装方便，与钢丝编织胶管配套总成，适合在油温为-30到+80摄氏度的环境工作。
（3）密封装置.在液压系统中密封装置非常重要，它是用来防止工作介质泄露及外界灰尘和异物的侵入，以保证系统建立起必要的压力，使其能够正常工作。密封装置应满足在一定的压力.湿度范围内具有良好的密封性能。密封装置和运动件之间的摩檫力要小，摩檫系数要稳定，抗腐蚀能力强，不易老化，工作寿命长，耐磨性好，磨损后在一定程度上能自动补偿，结构简单，使用维护方便，价格低。其于以上几点，在有相对运动且有摩檫的元件上使用Y型密封圈，其截面小，结构紧凑。且Y型密封圈能随压力增高而增大，并能自动补偿磨损。在相对摩檫不严重或无相对摩檫的元件上用O型密封圈，其结构简单，容易制造，密封性能好，摩檫力小，安装方便。
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（4）滤油器.在液压系统中，不允许液压油含有超过限制的固体颗粒和其他不溶性赃物。因为这些杂质可以使间隙表面划伤，造成内部泄露量增加，从而降低效率增加发热。这些杂质还会使阀芯卡死，小孔或缝隙堵塞，润滑表面破坏，造成液压系统故障，胶状物和淤渣等杂质，将会引起元件粘着，酸类还将加速运动件的腐蚀因此要采用滤油器对油液进行过滤，以保证油液质量符合标准。因此选用网式滤油器安装在泵吸油管上，这种滤油器压力损失不超过0.04*10五次方MPa，以满足泵的流量，清洗方便。
4.2.3液压缸的选择
液压缸在液压系统中有着重要的地位，是整个液压系统的起始循环点，所以对液压缸的选择很重要，根据以上计算的结果，对液压缸的选择就明确了，选择材料为2G330-450的内径为100mm壁厚为21mm的液压缸。
4.2.4液压泵的选择
液压泵的选择时根据液压系统工作压力（即液压泵出口压力）来选定液压泵的形式，选择液压泵的额定压力要比系统压力大25％以上，使液压泵由一定的压力储备，在这为了经济考虑，选择液压泵的额定压力为35Mpa的液压泵。型号为：2ZBZ140的液压泵。
4.2.5液压马达的选择
根据关于液压马达的计算，计算所得的液压马达的参数（液压马达的排量、液压马达的工作压力、液压马达的流量）来选择。型号为：ZM732的液压马达。
4.2.6发动机的选择
发动机是液压挖掘机的核心部件，对挖掘机的要求高，对发动机的要求也就高。选发动机先确定发动机的功率。
液压挖掘机用柴油机驱动，柴油机的功率必需能够充分满足主机工作过程中的动力要求。发动机功率Pf根据系统方案确定，在变量系统中，考虑使用情况的最大限度，可取发动机的功率为：
Pf＝（1.0～1.3）P（KW）式中 P――液压泵的输出功率KW。
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在定量系统中，由于发动机功率利用低，一般为60％左右，损失功率全部转变为热量，因此，确定发动机功率时可以取得低一些，对于双泵双回路定量系统，发动机功率可取为：
Pf＝（0.8～1.1）P（KW）
计算时，发动机功率可按以上两式计算，或将两式合并得：
Pf＝17.7+92.7q（KW）式中 q――液压挖掘机的标准斗容量m3。得此液压挖掘机的发动机功率为：
Pf＝17.7+92.7*1.6＝166.02KW 此时可根据发动机功率选择发动机的型号。
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总 结
在本次毕业设计之中，我对液压挖掘机的液压系统做了简单的设计，以其主要的液压元件为研究的对象，进行计算和分析，然后又根据这些得出的结论对液压元件分析，总结之后再对液压系统中的液压元件选型。
从液压缸的计算开始，液压缸的工作压力，液压马达的排量和工作压力，液压缸与液压马达排量，发动机功率的系统计算，根据这些计算得到的数据，对液压缸，液压马达，液压泵等进行选择。
液压元件的选定是液压回路设计的基础，对液压马达，液压泵的回油路的设计是根据所选定的液压元件来设计的。
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展 望
现在挖掘机的研发生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展，这就对液压系统的密封性能提出了更高的要求。本次液压系统的设计用到了很多液压领域的知识，在这个过程中也学到了很多办公软件和绘图软件的知识。
在本次毕业设计中，我感觉我做的还有许多需要完善的地方，有些地方的设计不够合理，还有许多没有做到的部分，例如：发动机具体型号的选定，和液压阀的选择，因为我能找到的资料有限，一些具体的原始数据无法找到，所有只能做到此。我希望在我以后的工作中能找到这些数据和资料来完善我的这个设计。
本次设计内容中可能会有一些谬误和欠缺，希望各位老师指正，也请各位老师见谅。
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致 谢
在设计完成之际，我向给予我莫大帮助的老师和同学，大学三年一直默默支持和关心我的亲人和朋友，表达由衷的感谢。
感谢老师，在设计上他给予我精心的指导，他严谨的治学态度，渊博的学识，深邃的思想和远见卓识，引导我一步一步进入复杂的设计中去。我的设计是在导师的悉心指导下完成的，从设计选题、资料收集、设计框架、一直到最后定稿，他都倾注了大量的心血，在此谨向导师表示诚挚的谢意。
同学的热情鼓励与互相帮助、领导的亲切关怀以及亲朋好友的大力支持使我最终完成学业，再次向关心和支持我的所有老师、同学和领导表示深深的谢意。
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参考文献 高衡.张全根.液压挖掘机；中国建筑工业出版社.1981年 2 张利平.现代液压技术应用；化学工业出版社.2004年 孔德文.赵克利.徐宁生.液压挖掘机；化学工业出版社.2007年 4 成大先.机械设计手册；化学工业出版社.1993年 5 何存兴.液压元件；机械工业出版社.1982年 张利平.液压传动系统及设计；化学工业出版社.2005年 7 高衡.张全根.液压挖掘机；中国建筑工业出版社.1981年 8 张利平.现代液压技术应用；化学工业出版社.2004年
随着科学技术的不断进步,煤矿机械的发展也日新月异,设备类型多种多样,这对煤矿机械的液压系统设计提出了更加严格的要求。为了更好地适应煤矿生产的需求,保证机械设备的安全与稳定,在设计液压系统时,明确设计要求,正确分析机械设备所需适应的工况显得尤为重要。为此本文针对煤矿机械设备的这些方面进行了讨论分析,为更深入的研究提供理论支持。
2 设计要求分析
液压系统设计是煤矿机械产品中整个机器设计的一部分,与主机性能的安全稳定密切相关。因此在设计液压系统时,首先要明确主机对液压系统的要求,这是液压系统设计的依据。
2.1 明确主机和总体布局
煤矿机械的主机功能和工作原理,机器总体结构,主要部件结构、布置及在主机中的位置、作业方式和工作循环等,这些不仅是合理确定液压执行元件的运动方式及其工作范围的需要,也是合理确定液压执行元件安装位置及其空间尺寸限制条件的需要。
2.2 明确主机对液压系统的动作和性能要求
具体要求主要包括:哪些动作要求用液压传动实现,这些动作有无同步要求、互锁要求、是否构成一定的自动循环,运动方式(如往复直线运动、连续转动、往复摆动),行程和速度范围,负载条件,运动平稳性和精度,完成一个循环的时间(周期),工作可靠性,安全性等。
2.3 明确主机工作环境
煤矿机械的工作环境的温度、湿度、污染、冲击振动以及是否有腐蚀性和易燃性等情况均应有明确答案。这涉及液压元件和工作介质的选择。必要时设计中需附加防护措施。
2.4 其他要求
煤矿机械的液压装置在重量、外观尺寸方面的限制及经济性、能耗方面的要求等。另外要了解和搜集同类型机器的有关技术资料,如液压系统工作原理,使用情况及存在问题等,为设计准备必要的参考资料。
3 工况分析
明确设计要求以后,就可对煤矿机械的主机作工况分析,包括负载分析和运动分析及编制负载和运动循环图。对于简单的机器,不必作工况分析,只需根据经验设计。而对于复杂的机器,则必须编制运动和负载循环图,这是进一步明确主机在性能方面的要求。
负载分析即确定主机负载的变化规律,通常用负载-时间(F-t,T-t)或负载-位移(F-x,T-θ)曲线表示,称负载循环图。液压系统承受的负载可由主机规格或样机实测确定,也可由理论分析得出。当理论分析确定实际负载时,应考虑工作负载、摩擦负载、惯性负载等。主机负载即液压缸、液压马达负载,本文以液压缸负载为例进行分析。
液压缸带动主机工作结构作往复直线运动时,其负载为:
式中FL(t)——工作负载,N;Ff(t)——摩擦负载(摩擦阻力),N;Fa(t)——惯性负载,N。
(1)工作负载FL(t)。FL(t)与主机工作性质有关,它可能是定值(如挤压过程),也可能是变值(如弯曲工艺可以是正值如提升重物),也可以是负值(如下放重物)。一般情况下,FL是时间t的函数即FL=f(t)。
(2)惯性负载。即启动或制动过程中的惯性力,按下式计算
式中m——运动部件质量,kg;a——运动部件加速度,a=ΔtΔu,m/s2;Δu——速度变化值,m/s;Δt——启动或制动时间,s;G——运动部件重量,G=mg,N;g——重量加速度,m/s2。
(3)摩擦负载。即液压缸驱动工作机构时所要克服的外部机械摩擦阻力。按下式计算
式中Ni——作用在第i个支撑面(如导轨面)上的法向力,N;
fi——第i个支撑面的摩擦系数;fi与润滑条件、支撑面类型、材料及运动状态有关。可从有关手册中查出。
执行元件的内部摩擦力,详细计算比较繁琐,一般将它算在液压缸的机械效率ηm中考虑,通常可取ηm=0.9-0.97。
由上述各工况的负载与其相应时间或位移关系,便可绘制负载循环图F-t或F-x。图1为一部机器的F-t图,其中o-t1为启动过程,t1-t2为加速过程,t2-t3为横速过程,t3-t4为制动过程。F-t图清楚地表示了在动作循环内的负载变化规律。图中最大负载是初选液压缸工作压力和确定其结构尺寸的依据。
4 结论
通过对煤矿机械液压系统设计要求和所需工况的分析研究,得出了有益的结论,为后续液压系统的设计和改进提供了依据。
参考文献
[1]路甬祥.液压气动技术手册[M].北京:机械工业出版社,2002.
[2]赵显新.工程机械液压传动装置原理与检修.沈阳:辽宁科学技术出版社,2000.
关键词：日立挖掘机；常见故障；维修
中图分类号：TU621文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）18－0018－02
1前言
液压挖掘机是一种多功能机械，被广泛应用于水电、矿山等工程施工中。而日立系列挖掘机是液压挖掘机中常见的品牌，广东水电二局股份有限公司拥有多台日立系列液压挖掘机，在使用过程中经常出现各种各样的故障，影响工程施工的进度。在此，介绍几种日立系列液压挖掘机的常见故障，并从构造方面分析故障原因，并提出解决方法和建议。
2常见故障分析与维修
2.1回转无力
故障分析：造成挖掘机回转无力的原因可能有：回油阻力过大、回转机构运动阻力过大和伺服操纵压力过低；主泵、马达和换向阀磨损等，可能发生的原因：
2.1.1限压阀阻尼孔堵塞
一般回转油路的调定压力较系统其他压力低，主要与液压马达的额定压力有关，也远低于上泵额定压力，回转油路的限压阀的状态是经常开启的。而限压阀的经常开启，一方面会引起阀芯阀套的磨损，另一方面油液中的杂质会堵塞阀芯阻尼孔。阻尼孔堵塞后，限压阀的开启压力完全由主阀芯回位弹簧的预紧力所决定，而该预紧力的大小仅能满足克服阀芯的摩擦力和液动力，不能驱动回转马达。
2.1.2补油阀磨损
补油阀由于经常启闭，阀座与阀芯之间会产生挤压变形和磨损，其磨损形态以阀芯锥面的磨损为主。磨损后的阀芯、阀座会造成回路在非补油状态（即驱动状态）的密封性下降，工作压力油从补油阀泄漏，从而导致回转无力。
（1）故障检查：首先检查液压主泵的工作情况，在动臂全速提升状态下观察发动机的负载程度，主要根据发动机的排气烟色和声音来判断。如负载程度能达到额定功率的2/3以上，说明主泵工作正常。再操纵回转装置，如发动机负载程度很低，且回转速度很慢，甚至不能回转，便可初步判定是补油阀和限压阀的故障
（2）故障排除：拆检补油阀和限压阀，如补油阀阀芯磨损小于0.3 mm可将阀芯用外圆磨床按原来锥度磨平，也可在钻床或车床上用细锉刀锉平并抛光。装配时，可根据需要在阀芯弹簧的一端垫上垫片。如磨损量大于0.3 mm，则需要更换补油阀。修理限压阀主要看先导阀的磨损情况。应急修理时也可采用修磨法，必要时则更换。修理限压阀一定要用透光法检查阻尼孔是否畅通。如不畅通，应使用压缩空气吹通。装配时，如现场无测压装置，可将调整螺栓在锁紧螺母外留1～2扣，然后根据运转情况再适当调整。
对于阀芯的修磨情况，阀芯过早磨损的主要原因是阀芯硬度偏低，建议制造者适当地增加阀芯的表面硬度，改变阀芯材质。利用上述方法修复的挖掘机经数百小时使用，均未再发生回转无力的故障，保证了挖掘机的正常运行。
2.2回转马达松动
2.2.1故障现象
回转马达与回转平台接合处螺栓松动、结合不牢。
2.2.2故障分析
挖掘环境及惯性产生于接合处的力作用是回转马达松动的关键因素。一般新的挖掘机在使用过程中极少出现回转马达松动。但在进行保养时，如果回转马达与回转平台曾拆开过，那么即使其螺栓的紧固扭矩并不小于原紧固扭矩值，回转马达松动的现象也会从此产生。
（1）回转马达与回转平台的接合处是通过选用一定直径的螺栓并施以与之匹配的扭矩紧固的，紧固后的螺栓有足够的预紧力，此预紧力使接合处平面之间产生符合设计要求的摩擦力，以抵御挖掘环境及惯性所产生的冲击作用，使回转马达不至于松动。
如果重新安装回转马达时的紧固扭矩小于技术规定值，必然使螺栓的顶紧力减小，接合处平面之间的摩擦力也相应减小，使挖掘机工作一段时间后就会发生回转马达松动现象。
螺栓反复使用后，其抗拉强度会稍有下降，尽管重新安装时的扭矩符合技术规定值，但螺栓的拉伸应力将减小，紧固后的螺栓预紧力也将减小。因此，重新安装回转马达时，紧固扭矩要比规定值大30～50 N•m。
（2）接合平面之间摩擦力的大小，不仅取决于平面之间受力的大小，还取决于平面之间的摩擦系数和接触面积。由于接合平面油污与杂物的存在，将降低平面之间的摩擦系数并减小接触面积，使得紧固后平面之间的摩擦力减小，导致回转马达松动。
（3）回转马达与顺转平台之间的定位销不只是起定位作用，定位销与孔为过盈配合，在很大程度上增加了回转马达相对于回转平台松动时的起始阻力，借以减少回转马达松动的可能性。因此，当出现定位销松旷现象时，将导致回转马达松动。
2.2.3故障排除
如发现回转马达松动，应查清造成松动的原因，然后采取相应的方法进行解决，不可仅使用重新紧固螺栓的办法。
（1）在接近规定扭矩的紧固过程中，螺母与螺杆沿轴向承受很大的作用力。尽管其表面有很高的光洁度，也会因紧固造成螺纹表面磨损，表面光洁度破坏，有时还会出现毛刺。因此，在重新安装回转马达之前必须去掉螺纹的毛刺，并在螺纹之间、螺母或螺钉与回转马达接触平面之间涂上少许润滑油，以减轻因轴向力造成螺纹表面之间摩擦力过大。只有这样，才能比较真实、准确地反映出紧固时所用的扭矩值。
（2）当螺栓或螺钉需要更换新件时，必须保证其具有原件的机械强度。
（3）在重新安装马达时，必须对接合处平面进行处理，修整平面上的凸起部分及毛刺，然后用汽油清洗并揩净，待汽油挥发后，用气焊火焰稍加烘烤，再进行安装。
（4）如果一时查不到有关的螺栓的紧固扭矩值，也不能用拆卸时所反映出的扭矩数据作为紧固扭矩值。因为正常情况下的拆卸扭矩比技术规定的紧固扭矩小10%～15%。
（5）当定位销和销孔磨损过大但还能修整时，可在原孔上扩孔、配销，否则应重新钻孔（须铰孔）和配销。
（6）对磨损严重的接合处平面必须进行彻底修整。回转平台镶有止口盘的，可用气焊将止口盘拆下，重新制作。安装时，必须先将止口盘与回转马达固定在一起，而后将其放置在回转平台上。调整回转小齿轮与大齿圈之间的啮合间隙，待合格后将止口盘点焊在回转平台上，最后取下回转马达，再将止口盘焊牢。
（7）如果回转马达松动并长时间不解决，将使回转小齿轮齿面遭到破坏，必要时应予更换，否则将加重由惯性引起的对回转马达与回转平台接合处的冲击。
2.3因铲斗缸内漏、拉缸和控制阀发卡、拉伤原因造成工作无力
2.3.1故障分析
（1）铲斗缸工作时活塞环及密封圈相对液压缸内壁作往复直线滑动，摩擦副表面长期受交变接触应力的作用会出现疲劳、点蚀现象，使金属小块剥落。同时，液压油中的氧气及水分又对金属产生腐蚀作用，生成Fe2O3等物质，这些硬质颗粒加剧了接触面的摩擦，引起材料黏着并脱落，造成零件的磨损甚至拉伤、断裂。控制阀柱塞和阀体同样存在着上述磨损和拉伤现象。
（2）铲斗缸及其控制阀的运动频率一般是其他液压缸及其控制阀的2～3倍，运动量的增加也相对缩短了其使用寿命。
2.3.2故障排除
（1）当挖掘机工作无力、同时伴随有自动卷斗或落斗现象时，即可断定是铲斗缸严重内漏或拉缸，可立即对其进行全面拆检，排除故障；若是内漏，则更换活塞环及密封圈；若是拉缸，则更换缸体、活基、活塞环及密封圈，也可对铲斗缸进行镗削、喷镀修复。
（2）当挖掘机虽工作无力但却没有自动卷斗或落斗现象时，应首先拆检控制阀，因其工作量较小且复杂度较低，往往可快速地查到故障原因。案例表明，控制阀损坏基本上是柱塞偶件被轻微划伤，一般用1 000#砂纸打磨并配研，清洗后装配即可。对严重拉伤的则应更换总成件。
2.3.3故障预防
预防挖掘机出现上述故障，除要求驾驶员必须严格遵守操作规程外，还应注意以下两点：①定期更换液压油和滤芯；②增加滤网，在挖掘机铲斗缸至控制阀间的液压管路中安装双控单向过滤器，使已在液压缸内的油液得到净化后再进入控制阀或液压缸。这虽然是局部性的保护措施，但在定期更换液压油和滤芯的情祝下，却能使速机故障率下降近1/2；同时，如果设计合理，此双控单向过滤器不会给整机带来不必要的负担。
3结束语
总之，由于液压挖掘机构造的复杂性，液压挖掘机故障维修是一项复杂性的工作，必须从挖掘机的构造和原理方面分析故障产生的原因，才能从源头上、根本上解决问题，这样才能有效地延长挖掘机的使用寿命，挖掘机维修的成功率才能得到有效的保证。
Hitachi Hydraulic Excavator Common Failure Analysis and Maintenance
Sheng Li, Zhu Shiwu
Abstract: At present, widely used in the construction of the hydraulic excavator, in the course of the common faults are turning weakness; rotary motor loose; leakage due to bucket cylinder, the cylinder and control valve card, inability to work caused injury . Articles from the hydraulic excavator to analyze the cause of the fault structure, and proposed solution and recommendations.
液压挖掘机一般在运转2000h以后就需要更换液压油，否则将使系统污染，造成液压系统故障。据统计，液压系统的故障中90％左右是由于系统污染所造成的。本文介绍挖掘机换油的工艺步骤和注意事项。
一、准备工作
1、熟悉液压系统的工作原理、操作规程、维修及使用要求，做到心中有数，不盲目蛮干。
2、按说明书上规定的油品准备新油，新油使用前要沉淀48h以下。
3、准备好拆卸各管接头用的工具、加注新油用的滤油机、液压系统滤芯等。
4、准备清洗液、刷子和擦拭用的绸布等。
5、准备盛废油的油捅。
6、选择平整、坚实的场地，保证机器在铲斗、斗杆臂完全外展的工况下能回转无障碍，动臂完全举升后不碰任何障碍物，离电线的距离应＞2m以上。
7、准备4块枕木，以便能前后挡住履带。
8、作业人员至少需4人，其中：驾驶员、现场指挥各一人，换油人员2人。
二、换油方法及步骤
1、将动臂朝履带方向平行放置，并在向左转45°位置后停止，使铲斗缸活塞杆完全伸出，斗杆缸活塞杆完全缩回，慢慢地下落动臂，使铲斗放到地面上，然后将发动机熄火，打开油箱放气阀，来回扳动各操作手柄、踩踏板数次，以释放自重等造成的系统余压。
2、用汽油彻底清洗各管接头、泵与马达的接头、放油塞、油箱顶部加油盖和底部放油塞处及其周围。
3、打开放油阀和油箱底部的放油塞，使旧油全部流进盛废油的油桶中。
4、打开油箱的加油盖，取出加油滤芯、检查油箱底部及其边、角处的残留油品中是否含有金属粉末或其他杂质。彻底清洗油箱，先用柴油清洗两次，然后用压缩空气吹干油箱内部。检查内部边角处是否还有残留的油泥、杂质等，直至清理干净为止，最后再用新油冲洗一遍。
5、拆卸以下各油管：
①、拆下回油路中的各油管，如主控制阀至全流滤清器、回油滤清器的油管，滤清器至油箱、油冷却器之间的油管等。
②、拆开回转控制阀至滤清器的回油管及回转马达的补油管。③、拆下液压泵的进油管路。④、拆开先导系统回油路油管。
⑤、拆开主泵、马达的泄油管。彻底清洗其油管。钢管用柴油清洗两遍，软管用清洗液清洗两遍，然后用压缩空气吹干，再用新油冲洗一遍。各接头用尼龙堵、盖堵住，或用于净的塑料布包扎好，以防灰尘、水分等进入而污染系统。
6、拆下系统内所有滤清器的滤芯。更换滤芯时，要仔细地检查滤芯上有无金属粉末或其他杂质，这样可以了解系统中零件的磨损情况。
7、放掉主液压泵、回转马达、行走马达腔内的旧油，并注满新油。
8、安装曾拆卸过的油管。安装各油管前，一定要重新清洗管接头，并用绸布擦干净，严禁用棉纱、毛巾等纤维织物擦拭管接头。安装螺纹接头时应使用密封胶带，粘贴时应与螺纹的旋转方向相反。应按次序、按规定的扭矩依次安装和连接好各管接头。
9、从加油口给油箱加油。先将加油滤芯安装好，再打开新油油桶，用滤油机将新油注人油箱内，将油加至油标的上限处为止，盖好加油盖。
10、更换下列各动作回路中的旧油。各回路换油前，机器均应处在铲斗缸活塞杆完全伸出、斗杆缸活塞杆完全缩回和铲斗自由地放于地面上这三种状态下。①、先导控制系统回路
拆开左、右行走马达停车制动器的控制油管接头，使选择阀处于中位，用启动马达带动发动机空转数圈，从而使先导系统供油路中的旧油排出，然后清洗管接头，再将其连接好；启动发动机，怠速运转5min，再分别松开控制阀上的先导油管接头，并分别来回操作各动作，直至有新油排出为止，再清洗各管接头并连接好。②、动臂回路
将铲斗放于地面，来回扳动各手柄数次，拆开动臂缸无杆腔的油管接头，放掉液压缸无杆腔中的旧油，再操作动臂手柄，向举升方向慢慢地扳动手柄，待接头排出新油为止，然后清洗管接头并连接好；松开动臂缸有杆腔的油管接头，操作动臂手柄，向降落方向慢慢地扳动手柄，直至油管排出新油为止；操作动臂手柄，向举升方向慢慢地扳动手柄，以排出有杆腔中的旧油，清洗管接头并连接；操作动臂使之升、降数次，以排出系统中的空气。③、铲斗回路
松开铲斗缸有杆腔的油管，操作手柄，向铲斗外转方向慢慢地扳动手柄，到管接头排出新油为止，清洗管接头并连接之；拆开无杆腔油管接头，慢慢地举升动臂，使铲斗离地约1.5m，然后慢慢地操作铲斗手柄，使之外转至顶端，下落动臂，使铲斗一着地；操作铲斗手柄，向铲斗内转方向慢慢地扳动手柄，从而排出油管中的旧
油，清洗管接头并连接之；举升动臂，使铲斗离地2.5m，向内、外方向转铲斗数次，以排出残存于回路中的空气。④、斗杆回路
拆开斗杆缸无杆腔的油管接头，操作手柄，向斗杆内转方向慢慢地扳动手柄，排出油管中的旧油，直至流出新油为止，清洗管接头并连接之；松开斗杆缸的有杆腔管接头，放出有杆腔中的旧油，向斗杆外转方向慢慢地扳动手柄，顶出管中的旧油至排出新油为止，清洗管接头并连接之；举升动臂，向内、外力向转斗杆数次。⑤、回转系统
拆开回转控制阀上的右（后）端油管接头，操作回转手柄，使之慢慢地向右回转一圈后再插上回转锁销，待无旧油排出时清洗管接头并连接之。用同样的方法排出左回转缓冲制动阀中的旧油 ⑥、行走系统
单边支起左履带，要以铲斗的圆面部分接触地面，并使动臂与牛杆之间的夹角为90°～110°；拆开左行走控制阀上的前端油管接头，踩下左行走踏板，使左边履带慢慢地向前行走，直至管接头排出新油为止，清洗管接头并连接之。以同样方法排出右行走管路中的旧油。
11、当全部油换完并接好各管接头后，还须再一次排放系统中的残存空气，因为此残存空气会引起润滑不良、振动、噪声及性能下降等。因此，换完油后应使发动机至少运转5min，再来回数次慢慢地操作动臂、斗杆、铲斗及回转动作；行走系统若处于单边支起履带的状态下，可使液压油充满整个系统，残存的空气经运动后便会自动经油箱排放掉。最后关闭好放气阀。
12、复检油箱油位。将铲斗缸活塞杆完全伸出、斗杆缸活塞杆完全缩回，降落动臂使铲斗着地；查看油箱油位是否在油位计的上限与下限之间，如油面低于下限，）、应将油添加到油面接近上限为止。
三、注意事项
1、在换油过程中，当油箱未加油，以及液压泵和马达的腔内未注满油时，严禁启动发动机。
2、换油过程中，履带前、后必须放置挡块，回转机构插上锁销；铲斗、斗杆和动臂等动作时，严禁其下方或动作范围内站人。
3、拆卸各管接头时，一定要使该系统自由地放置在地面上，确认该管路无压力时方可拆卸。拆卸时，人要尽量避开接头泄油的方向；工作时，要戴防护眼镜。
4、挖掘机上部回转或行走时，驾驶员一定要按喇叭，做出警示。严禁上部站人，以及履带和回转范围内站人。
5、拆装时，不要损伤液压系统各管接头的结合面和螺纹等处。
6、作业现场，严禁吸烟和有明火。
商用车驾驶室弯曲工况力学性能分析与测试方法研究
对商用车驾驶室弯曲工况进行分析,提出弯曲工况的边界条件和载荷条件.根据弯曲工况的约束和载荷条件,提出进行弯曲工况力学性能分析的`试验方案和试验设备.对某型商用车弯曲工况的刚度和强度进行测试,并对测试结果进行了分析.
作 者：王少军 徐海英 丁飞 WANG Shao-jun XU Hai-ying DING Fei 作者单位：王少军,徐海英,WANG Shao-jun,XU Hai-ying(安徽华菱汽车股份有限公司,马鞍山,243061)丁飞,DING Fei(湖南大学,长沙,410082)
刊 名：汽车科技 英文刊名：AUTOMOBILE SCIENCE & TECHNOLOGY 年，卷(期)：2010 “”(3) 分类号：U463.81 关键词：驾驶室 弯曲工况 测试方法 刚度 强度从近几年工程机械的发展来看, 挖掘机的发展相对较快, 已经成为工程建设中最主要的工程机械之一。目前挖掘机基本采用了液压传动的方式驱动工作装置和行走装置进行工作。在整个挖掘机液压系统中, 不但工作系统和行走系统的动力传动是液压传动, 甚至大部分液压系统的控制也是由液压实现的, 如液压泵的控制系统、液压阀的控制系统和液压执行机构的安全控制系统等。
液压系统所传递的功率表现为液压系统的工作压力和有效流量, 液压系统的控制实际上可划分为压力和流量两种控制方式。当液压挖掘机工作时, 发动机将燃油的化学能转化为机械能, 其输出功率通过液压泵转化为液压能, 液压能传递和转换为机械能后, 通过动臂、斗杆、铲斗等装置对外界负载进行工作, 挖掘机液压和控制系统运行时的系统压力决定于挖掘机所遇到的负载, 从经典控制理论的角度来分析, 液压系统的压力是系统对外输入的响应, 是不取决于系统本身的参数。而液压系统的流量不是外界施加的参数, 只能间接受外负载的影响。由此可知, 不能通过控制系统压力来控制系统的功率, 而只能通过控制系统的流量来控制系统的功率。
1 挖掘机液压系统流量控制机理分析
液压系统的流量由液压泵产生, 由液压阀传递和控制, 由此可见, 液压系统可分为泵控液压系统和阀控液压系统。液压泵的理论流量计算公式为:
其中:Qb为液压泵流量, L/min;Ne为液压泵输入转速, r/min;Vb为液压泵排量, L/r。
由式 (1) 可见, 改变液压泵的转速和排量都可以改变其流量, 进而改变执行元件的速度。挖掘机在工作过程中, 一般要求柴油机转速和功率稳定在某个设定值附近, 所以, 在对液压泵的流量进行控制时, 可以忽略挖掘机转速的小范围波动, 而假定液压泵输入转速是固定不变的。因此, 控制液压泵输出流量的方式是控制其排量的大小。
液压阀主要对液压泵输出的流量进行分配和调整。液压阀的流量计算公式为:
其中:Qf为液压阀的流量, L/min;Cq为流量系数;A为液压阀的开度;Δp为液压阀上的压降, MPa;ρ液压油的密度。
由式 (2) 可见, 液压阀的流量主要由液压阀的开度A和阀上的压降Δp两个变量决定。由于液压系统的压力大小是由外负载决定的, 而外负载往往是不可预知的, 因此, 对液压阀的流量控制主要通过控制其开口A来实现。即通过PWM电流信号驱动电磁铁推动阀芯产生一个位移, 阀芯位移对应一个阀的开口A, 从而得到液压阀的输出流量。
由前述分析可知, 液压系统的流量控制分为泵控和阀控两种方式, 二者各有其优点和缺点。泵控方式能量损失小, 节能性好, 对于大功率工程机械的节能降耗有很大意义, 但其调节时间相对较长, 系统的响应速度较慢, 因为改变液压泵的排量需要一定的时间, 一般是几百毫秒;而阀控系统响应速度快, 一般只需几十毫秒即可, 因为液压阀对流量的调节是通过改变阀芯的同流面积实现的, 其运动质量较小, 动作很快, 但其经济性不好, 因为阀控方式的本质不是改变总流量的大小, 而是从总流量中获取一部分来工作, 其余的部分全部回到油箱, 这部分流量所承载的功率全部浪费了。
液压系统的两种流量控制方式各有其优点和缺点, 又优势互补, 因此, 目前主流的挖掘机液压系统的技术路线都是通过集成这两种流量控制方式的优点, 同时消除这两种控制方式的缺点, 形成一种混合的流量控制方式, 比如目前在中吨位挖掘机上广泛使用的负流量控制方式和正流量控制方式、在小吨位挖掘机上大量使用的负载敏感控制方式、在大吨位挖掘机上使用的节流调速控制方式等。
2 负流量液压系统控制性能分析
日本川崎公司开发的负流量控制系统液压原理示意图如图1所示。系统主要元件包括变量液压泵、比例多路阀、液压执行元件、液压控制回路、液压操纵元件和系统等。其中, 液压泵是流量提供元件, 其输出的流量经过液压比例阀的分配和调整后, 进入液压油缸进行工作。其技术的关键是, 液压阀上具有一套流量检测和转换装置, 能够实时检测液压泵与液压阀之间的流量供需匹配关系, 当液压泵与液压阀的流量关系为供大于求时, 该系统会自动把液压泵的排量关小;当液压泵与液压阀的流量关系为供小于求时, 该系统又会自动把液压泵的排量开大。从经典控制理论的角度来看, 这套流量控制系统实质上是一个反馈控制系统, 系统的流量是控制量, 而外负载是对流量的干扰。
由上述的原理分析可以发现, 操作人员并不能直接控制液压系统的流量发生元件———液压泵, 而是控制液压系统的调节和分配元件———液压阀, 再通过液压阀来间接控制液压泵, 由于液压阀对液压泵的排量控制信号是负反馈信号, 因此这套系统命名为负流量控制系统。
负流量控制系统目前得到了广泛的应用, 是因为该系统相对原来的单纯泵控调速系统或单纯的阀控调速系统具有一定的优势, 但该系统也有缺点。随着液压技术的发展和挖掘机作业要求的提高, 负流量系统的缺点也日益凸显, 主要体现在系统响应迟缓、液压泵的寿命和可靠性不高、在有些工况下挖掘机容易发生动作振荡。负流量系统是一种负反馈的闭环控制系统, 一般系统的时间常数较大, 控制信号在系统的多个环节之间传递需要较长的时间, 因此导致系统的操控性不高, 响应速度较低。一般来讲, 液压泵与液压阀总是不能达到供需平衡, 不是供大于求就是供小于求, 所以, 液压泵的排量总是在不断调节之中, 如此加大了液压泵排量机构的磨损, 降低了使用寿命和可靠性。由于负反馈系统的物理延时, 在周期操作信号的输入下, 当输入信号的频率与系统的固有频率基本重合时, 操作信号与油缸的动作信号的相位差接近180°, 此时系统会发生振荡失稳, 导致系统不能正常工作, 甚至会发生故障。
3 正流量液压系统的控制性能分析
针对负流量系统的诸多缺陷, 国外主要挖掘机液压系统制造商如川崎、力士乐等公司又开发了正流量液压系统, 其液压系统原理示意图如图2所示。系统主要元件包括变量液压泵、比例多路阀、液压执行元件、液压操纵元件和系统等。
正流量系统的技术路线摈弃了负流量系统的反馈控制方式, 而是采用更加简单可靠的开环控制, 把液压泵的控制与液压阀的控制分开, 即操作手柄的控制信号分别直接控制液压泵的排量和液压阀的流量, 可通过计算和试验的方式, 实现两条开环上的流量特性匹配和延时特性匹配。
正流量系统克服了原有负流量系统的3个主要缺点, 这也是正流量系统的主要优势。但其主要缺陷是执行机构的动作速度受负载的影响较大, 当外界负载发生变化时, 该特性会影响操作人员的手感。
所谓负载对挖掘机执行机构速度的影响, 其实是在发动机和液压系统功率基本稳定的条件下, 液压系统压力随着外负载的变化而变化的同时, 导致液压系统的流量也随之变化, 流量的变化体现为挖掘机速度的变化。此时, 操作人员会感觉到挖掘机不够“硬”, 但是也要看到这种特性的好处, 即这种特性可以让操作人员感知到外界负载的强度。
4 结论
负流量系统大大提高了挖掘机液压系统的经济性, 而正流量系统改善了挖掘机液压系统的操控性, 负流量系统仍然有其存在的技术价值, 在大部分工况下, 仍然能够高效稳定地工作, 正流量系统是在负流量系统上的改进。后续继续改进的方向是提高液压执行元件的速度对负载变化的敏感程度, 提高系统速度的稳定性。
参考文献
[1]韩慧仙, 曹显利.挖掘机正流量液压系统的控制性能分析[J].机床与液压, 2012 (4) :100-102.
[2]郭雄华, 曹显利.挖掘机负流量液压系统的控制特性分析[J].液压与气动, 2011 (5) :55-57.
[3]韩慧仙, 曹显利.工程机械液压控制系统技术体系分析[J].液压气动与密封, 2010 (5) :6-8.
[4]韩慧仙, 曹显利.挖掘机液压系统功率控制方式及性能分析[J].科技资讯, 2009 (2) :103-104.
[5]高炳天.工程机械液压控制系统的技术分析[J].液压与气动, 2012 (5) :110-112.
关键词：仿真技术；液压挖掘机；联合仿真
中图分类号：TU72
文献标识码：A
文章编号：1000—8136(2009)32—0025—02
液压挖掘机是一种功能典型、工况复杂、用途非常广泛的工程机械，特别是在中国这样一个发展中国家，几乎在所有的基础建设中都要用到挖掘机。节能型挖掘机就成为发展的方向和趋势，利用计算机仿真技术进行液压挖掘机的设计开发成为目前主要的先进设计手段之一。
1计算机仿真技术产生的背景
1.1传统技术的缺陷
传统批量产品的开发过程通过单件产品的模型试验来获取信息，然后再制造物理样机来核查设计要求是否达到。要加快设计周期，满足市场需求，可以采用“并行设计”的思想，但是产品有实质性变化时设计需要反复试验和修正，影响了并行设计的效果。要有效地加快设计进程，最合理的方法是加快样机的试制。由于物理样机的试验和改进延长了设计周期，多个样机的制造更导致成本高昂，可见传统的基于物理样机的产品开发设计模式有待改进。
1.2市场竞争的需要
随着世界经济和科学技术的飞速发展，企业为了提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发，降低产品的研发成本，进行创新性设计.计算机仿真技术就是在这种迫切需要的驱动下产生的。
1.3仿真技术实现的可能性
计算机软硬件的发展，为计算机仿真技术的实现提供了良好的支持和技术环境。仿真技术的产生和发展与CAD技术的成熟及大规模推广应用分不开。此外，机械系统动力学建模理论的计算机实现使得参数化机械系统动力学数学“软模型”得以很好实现。计算机硬件的发展，加上数值算法的进步，加快了复杂的数学模型仿真运算速度，促进了计算机可视化技术及动画显示技术的提高，为虚拟样机技术提供了良好的用户交互界面。
2计算机仿真技术发展趋势
虽然现有的仿真工具可以有效辅助产品某个功能单元的设计开发，但随着产品规模和复杂程度的不断增长，分系统问的关系也越来越复杂。仅靠传统的单领域仿真已经很难满足对整个产品或其某个复杂子系统的功能和行为分析。目前，有不少商用仿真软件本身里边有好多模块，它既可以对一个产品进行联合仿真，同时也提供了与其他仿真软件之间的接口。通过这些接口，实现多领域建模，并提供联合仿真运行功能。
3联合仿真技术的特点
传统的设计思想是串行的过程，从设计到产品的批量生产按照从前至后的顺序进行。在整个过程中各个小组往往把注意力集中在各自的细节上而忽略了整机性能，最终产品集成后存在冲突缺陷。
联合仿真技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发，仿真模型的参数就是物理样机的设计参数，虚拟样机因为参数修改方便，相比物理样机而言是“软模型”，能轻易地实现原型的多样化，柔性好。无需制造实物样机就可预测产品的性能.节省了物理样机制造时间，降低了开发成本，减少了风险。
4仿真技术与液压挖掘机开发
4.1复杂产品仿真技术研究现状
复杂产品通常涉及众多学科领域，其每个子系统都可能是由各学科领域的零部件组成。众多的子系统相互作用，组成一个有机的整体，展示出产品的外观和功能。
仿真通过对所要研究系统模型的开发，帮助人们了解系统的行为，使人们在产品设计阶段即可对产品行为进行全面的分析，并有可能根据产品行为进行优化设计。复杂产品由于自身的复杂性，开发难度大、时间长、成本高，因此要求将仿真应用于其设计中，使企业能以更短的时间、更好的质量、更低的成本推出自己的产品。在过去的10—20年内，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，仿真技术已在复杂产品设计中得到大量应用。
4.1.1系统动力学仿真现状
虚拟样机是一种新型的设计、开发和评估手段，其在工程中的应用是通过商业化软件实现的。由于系统仿真技术能够满足真实产品设计要求，通过建立机械系统的虚拟样机。使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能，因而其日益受到国内外机械领域的重视。目前，国际上有20多家公司在这个日益增长的市场上竞争，比较有影响的有美国MSC.Soflware公司的ADAMS、比利时LMS公司的DADS等。
4.1.2液压控制系统仿真现状
从20世纪70年代初开始，国外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究，经过几十年的研究开发，液压仿真软什的性能实现了从原先的精度低、速度慢，发展到精度高、速度快：从只能处理线性系统发展到能处理非线性系统；从复杂的编程和输入发展到交互友好的图形用户界面等。随着计算机技术的发展，液压系统仿真技术得到了迅速发展，近几年来，各款老牌的液压仿真软件公司纷纷推出了面目一新的版本，例如，英国的Bathfp、瑞典的Hopsan等。
4.1.3联合仿真现状
目前。人们已经开始将机械、控制、电子和软件等多领域的联合仿真应用于汽车、铁路车辆、作战系统等复杂产品的设计中，例如：福特公司将整车多体动力学仿真和汽车姿态控制系统仿真集成，通过机械、控制的多领域联合仿真，使机械设计人员和控制系统设计人员能够更好地进行通信和协同工作，极大地缩短了产品开发时间。
虽然联合仿真已经在很多领域得到应用，但目前的应用还存在诸多局限，主要体现在：通常只能做到机械、控制和液压等少数领域的联合仿真。通常只能局限于单台计算机上集中进行，分布式协同建模和分布式仿真运行几乎不可能。
4.2仿真技术在液压挖掘机领域的应用
4.2.1国内应用现状
国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，设计水平与发达国家相比有较大的差距。国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了设计软件，他们的研究基本上局限于某些问题的解决，关于工作装置设计参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能用于挖掘机一些通用问题的解决，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。
4.2.2国外应用现状
仿真技术在国外工程机械的很多方面都得到应用，如车辆悬架设计、发动机设计和冲击特性预测、驾驶员行为特性仿真、挖掘功率预测及工作效率预测等多方面都成功地应用了仿真技术。
世界最大的工程机械设备制造企业Caterpiller公司，采用仿真技术改进了设计过程，节省了制造物理样机所需的数月时间和数百万美元，实现了快速、低成本、高质量的开发。
