1、第10讲 挖掘机电液控制系统n项目剖析与目标n挖掘机是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史了，期间经历了由蒸汽驱动回转挖掘机、电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机到应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。本任务项目主要针对全液压挖掘机的结构、原理、选型以及故障诊断与检修方法等进行论述。2n任务描述n挖掘机作为土方工程施工中的主力机种之一，可以用作挖掘、装载、起重、打桩、捣固、钻孔及平整等作业，具有用途广、性能优、挖掘力大、操控方便等特点。由于挖掘机系统复杂，涉及技术领域广、机型多种多样，本项目要求掌握挖掘机
2、的结构特点、电液控制技术的基本原理以及挖掘机综合故障诊断与检修方法。n任务分析n机电液一体化技术是液压挖掘机的主要发展方向，其目的是实现液压挖掘机的全自动化，即人们对液压挖掘机的研究，逐步向机电液控制系统方向转移，使挖掘机由传统的杠杆操纵逐步发展到液压操纵、气压操纵、电气操纵、液压伺服操纵、无线电操纵、电液比例操纵和计算机直接操纵。3n【知识准备】挖掘机的结构与工作原理n1.液压挖掘机结构特点n液压挖掘机在各种工程建设领域，特别是在基础设施建设中所起的重要作用越来越明显，是工程机械行业中产销量最大、增长率最高的产品之一。随着挖掘机技术的不断进步，市场上挖掘机品牌的增多，为用户选购和使用挖掘机提
3、供了更多的选择。4n1）履带式行走装置n履带式行走装置由“四轮一带”（即驱动轮、导向轮、支重轮、托轮以及履带）、张紧装置和缓冲弹簧、行走机构、行走架等组成。n液压泵控制阀行走马达，行走和转向很方便实现。56n2）回转装置n液压挖掘机回转装置由转台、回转支撑和回转机构等组成。回转支撑的外座圈用螺栓与转台连接，带齿的内座与底架用螺栓连接，内、外座圈之间设有滚动体。挖掘机工作装置作用在转台上的垂直载荷、水平载荷和倾覆力矩通过回转支撑的外座圈、滚动体和内座圈传给底架。n3）工作装置n（1）反铲工作装置铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式，动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接如图 6.2所示，在液压
4、缸的作用下各部件绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作。789n（2）正铲工作装置n单斗液压挖掘机的正铲结构如图 6.5所示，主要由动臂 2、动臂油缸 1、铲斗 5、斗底油缸 4等组成。铲斗的斗底利用液压缸来开启，斗杆 6铰接在动臂的顶端，由双作用的斗杆油缸 7使其转动。斗杆油缸的一端铰接在动臂上，另一端铰接在斗杆上。其铰接形式有两种：一种是铰接在斗杆的前端；另一种是铰接在斗杆的尾端。1011n4）液压系统n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，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
5、机液压系统主要有定量系统、变量系统和定量、变量复合系统等 3种类型。n5）控制系统n机电液一体化是液压挖掘机的主要发展方向，其目的是实现液压挖掘机的全自动化，使挖掘机由传统的杠杆操纵逐步发展到液压操纵、气压操纵、电气操纵、液压伺服操纵、无线电操纵、电液比例操纵和计算机直接操纵。目前，液压挖掘机控制系统已发展到复合控制系统。1213n2.挖掘机液压系统n液压挖掘机是目前使用非常广泛的一种工程机械，其行走、回转、举升、挖掘动作都是通过液压传动来实现，因此液压系统对挖掘机的功能和效率的影响巨大。n1）挖掘机的液压系统类型 n按照液压泵的流量特性不同，液压挖掘机液压系统分为定量系统、变量系统两种类型。
6、n（1）定量系统 在液压挖掘机采用的定量系统中，其流量不变，即流量不随负载而变化，通常依靠节流来调节速度。根据定量系统中油泵和回路的数量及组合形式不同，分为单泵单回路、双泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统及多泵多回路定量系统等。14n（2）变量系统 在液压挖掘机采用的变量系统中，是通过容积变量来实现无级调速的，其调节方式有 3种：变量泵定量马达调速、定量泵变量马达调速、变量泵变量马达调速。n（3）典型挖掘机液压工作系统n如图 6.7所示的国产 W Y-100型履带式单斗液压挖掘机液压系统是一种典型的挖掘机液压传动控制系统，其工作装置、行走机构、回转装置等均采用液压驱动。n除了主油路，还有低压
7、油路：排灌油路，泄油回路，补油油路。1516n3.液压挖掘机电气控制系统n电气与电子控制系统是挖掘机的重要组成部分，其质量与性能的优劣直接影响到挖掘机的动力性、经济性、可靠性、施工质量、生产效率及使用寿命等。挖掘机电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。n1）美国卡特 BH235DE 液压挖掘机电气控制原理n到了 20世纪 90年代，进口挖掘机几乎全部采用液压结构微机控制，在动力性、经济性、噪声、尾气排放、保护系统等方面的性能得到显著增强。17n（1）预热系统电路分析n卡特 BH235DE 型液压挖掘机电子预热控制器电气原理如图 6.8所示。该机采用封闭式电热
8、塞，6只并联，柴油机每缸 1只，每只电热塞的电阻为 4 ，其总工作电流为36 A，采用预热定时器控制，其工作状态由点火开关、预热继电器、电子预热控制器、温度传感器等控制。n（2）报警保护系统电路分析 报警保护电路由报警信号灯（光源为发光二极管）、报警传感器、报警继电器、报警蜂鸣器、熄火电磁阀和报警电路微机控制模块组成如图 6.9所示。181920n（3）油门电控系统电路分析n油门电控系统的组成n油门电控系统由微机电子调速板、执行器（油门电动机）、电磁式转速传感器、三挡模式转换开关及调速电位器组成，电路框图如图6.10所示。n微机电子调速板的工作原理当把点火启动开关置于 ON 挡时，微机电子调速
9、板接通 24 V 工作电源，此时微机接收到来自转速传感器的零转速信号。微机已为柴油机设定一个标准的怠速转速500r/min，启动，柴油机怠速运转。在这个过程中，微机不断接收转速信号，与设定信号比较，计算出控制信号，不断修正寄到稳速的目的。2122n工作模式 工作模式分为 3种：经济工作模式、正常工作模式和重工工作模式。这 3 种模式工况由驾驶员选择的，合理的选择可延长设备使用年限，节省燃油。n转速传感器的工作原理及检测 转速传感器为电磁感应式，由绕组、永久磁铁、软铁芯、外壳组成。柴油机飞轮齿圈，如果一圈共 120个齿，柴油机每转动一周就产生 120个脉冲信号。23n4.操纵控制系统电路分析n1
10、）操纵控制系统的组成n操作控制系统是由驾驶室内左、右两个操控手柄和驾驶座位前两个手操控杆组成。为了方便操作，杆的底部还连接着脚踏板，可用脚控制来完成液压挖掘机工作中的所有动作。操控手柄和操控杆示意图如图 6.11所示。2425n2）大臂液压起落电控分析n柴油机正常启动后，可根据工况选择工作模式。将油门电位器置于合适的位置。如起升大臂时可将右手侧操控手柄向后拉，此时先导阀内 0.1 MPa的压力将常开式液压开关 S接通，大臂起升继电器 K 得电吸合，同时由常开触点接通大臂起升换向电磁阀 Y，液压油正向流入液压缸，活塞杆外出。n3）行走、前进、后退电控分析n行走、前进、后退是靠驾驶室内座位前面的两
11、个长操控杆控制的。由于它要和左右操控手柄配合使用，在使用中根据使用情况既可用两手操控又可用两脚来操控。26n5.挖掘机的合理选择n挖掘机性能参数和结构类型的正确选择将直接影响施工的进度、成本和效益。挖掘机选择的基本原则是：挖掘机的斗容量、台数、工程量和工程进度相适应；挖掘机的结构类型与土壤条件和工程特点相适应。n1）工程规模n工程规模大要选用规格大的液压挖掘机，并按照总投资和配套设备等多种因素进行分析比较和科学计算确定购置液压挖掘机的规格、型号和数量。n2）工程配套设备n购买挖掘机时要考虑与自身现有设备的匹配性，包括挖掘机的作业效率与现有设备作业效率的匹配，主要是与之相配套的自卸载重车的吨位。
12、27n3）现有资金情况n可以根据资金情况考虑分期付款、银行按揭、融资租赁等多种购买方案。如果资金没有问题，可以考虑优化自己的设备结构，购买国际知名品牌的挖掘机，从而可以提升自身承包大型工程项目的竞争力。28n4）作业工况及机动性n作业工程和施工的流动性直接影响到挖掘机行走结构和工作装置的选择。工程量大、工况较差的场合一般可选择履带式液压挖掘机。n5）品牌n现在生产挖掘机的厂家比较多，购买前可以对各品牌及其生产厂家进行调查，比如通过各品牌的老用户了解其使用情况，还可以通过工厂实地参观或各厂家的展示，了解一些产品在质量保证和性能等方面的信息。n6）驾驶舒适性n随着社会的不断发展，科学文明的生产方式
13、越来越受人们重视，从尊重劳动者的观点出发提高司机的工作舒适性和安全性是必要的，也是有效提高生产率的途径。29n【任务实施】挖掘机电液控制系统的检修与故障诊断n1.挖掘机电液控制系统的检修规范n1）挖掘机液压系统检修规范n液压系统是工程机械中的一个重要组成部分。液压系统由于具有体积小、重量轻、易安装、功率密度大、响应快、可控制性强、工作平稳且可实现大范围的无级调速等优点，应用日趋广泛。n（1）油过热n液压油过热的危害n液压油油温过高的主要原因及解决措施30n（2）进空气n空气对挖掘机液压油污染的危害n进空气的主要原因及其解决措施n（3）污染n液压油的污染对液压系统的危害n液压油被污染的主要原因及
14、解决措施n（4）泄漏n泄漏的危害n泄漏产生的主要原因及解决措施31n2）挖掘机电气系统检修规范n电气与电控系统的故障不易直接观察，寻找故障一方面靠经验，更主要的是依靠对电气控制系统和机械结构、传动机构、液压（气动）系统的了解、熟悉程度。生产商提供给用户的维修资料很少，不足以全面了解设备情况，因此要掌握维修的主动权，应做到在设备谈判、购买（安装）、调试全过程中都想着设备维修。n（1）在设备购买谈判阶段，要把必要的资料、培训要点记入合同内。 （2）购买设备时应把电气问题摆在重要位置来考虑。电气系统维修以故障定位为特点，一旦故障定位了，主要又是以调换备件为主。32n（3）电气维修人员必须到安装调试现
15、场接受培训。在现场能清楚看到元件在设备内的整体布置、线路走向、机械传动的结构、液压（气动）系统的来龙去脉，这些都是电气人员必备的知识。n（4）设备一旦发生故障，不要急于动手去拆卸部件，要冷静地分析一下故障发生的特征规律，必要时可设计一个排除步骤的流程图，要多打一些问号，如故障是开机多长时间后出现的？当时处于哪一种工作状态？机械最近调整或修理过吗？有谁调整过设定值吗？电源电压是否正常？所有的保险都处于止常状态吗？n（5）用直接观察的方法查出一些较为明显的故障，如插头插件是否松动，电缆导线是否损坏，焊点有无漏焊和焊锡短路，电阻有无烧焦变色，电容有无漏液，器件有无过烫，等等。33n（6）有时采用部件
16、代换这一传统也是最直接最确切的方法，对故障确认、元件性能鉴别能起到事半功倍的效果，但采用此方法的前提条件是不会对代换元件造成损伤。n（7）安装及维修中，需电焊时应格外当心，搭铁线必须牢靠地连接在施焊部位的同一金属构件上。n（8）安装时一定要将电线扎紧并固定好尤其是在抖动比较严重的部位。n（9）机械停置一段时间，开机后若某些动作无法完成，则首先检查有无鼠害印记，气温较低时更应注意。34n2.PC220LC-7型液压挖掘机液压系统控制原理与检测n1）PC220LC-7型液压挖掘机结构特点nPC220LC-7型液压挖掘机采用小松 SA6D102E-2型四冲程、直列、立式、水冷、直喷式、带涡轮增压器的
17、柴油机，额定功率为107kW /2200r/min。n2）液压系统工作原理n（1）组成nCLSS由主泵（两个主泵）、操作阀和工作装置用油缸等构成。其中的主泵包括液压油泵、PC 阀、LS阀等。n（2）功能和作用n液压泵为双联轴向柱塞泵，根据斜盘角度的变化改变压力油的输出流量。35n LS阀是感知负荷、对输出流量进行控制的阀，LS阀依据主泵压力Pp与操作阀输出压力 Pls的压差Pls=Pp-Pls，控制主泵输出流量Q，当LS阀的压差Pls比LS阀的设定压力低时（设定压力为：2.2MPa），油泵斜盘角度朝增大方向变化；当比设定压力高时，油泵斜盘朝减小方向变化，Pls的大小依据分配阀杆的行程而定。nP
18、C 阀的作用是适合发动机不同级别功率的设定，使泵的驱动功率不超过发动机的功率，实现恒功率控制。n减压阀是由顺序阀、减压阀、溢流阀组成，其功能是减小主泵的输出压力，此压力可作为电磁阀、PPC 阀等的控制压力，可减少一个先导油泵。36n3）工作原理n（1）泵控制器正常（见图 6.13）n当执行元件负荷小，油泵压力 Pp1（左泵压力）和 Pp2（右泵压力）低时，在 PC-EPC 电磁阀 1中，有从泵控制器传来的指令电流。指令电流 X 的大小，取决于作业内容（操纵操作杆）、作业方式的选择、发动机转速设定以及实际转速。n当负荷变大，泵输出压力高时，滑阀 3向右移动，与泵的输出压力油相通的 B 孔与 C
19、孔接通，C 孔流出的压力油经 LS阀进入大径活塞一侧，伺服活塞 9向左移动，泵的流量变小。373839n发动机功率的多模式设定：设指定电流X提供给滑阀3的力为Fs，泵的平均压力值为PD，作用面积为A，滑阀3平衡时弹簧力为F1，则Fs+PDA=F1。设F1为定值，侧伺服活塞的位置固定时泵的流量为定值，此时指令电流X增大，提供给滑阀3的力Fs也增大，导致PD下降。40n（2）泵控制器异常n当泵控制器出现故障时，将 PC 备用开关置于 ON（开）的位置，可对 PC-EPC 阀输入指令电流。电阻的作用是控制流入 PC-EPC阀的电流。此时指令电流成为恒量，因此活塞推动滑阀的推力也是固定的。工作过程与泵
20、控制器正常时类同。41n4）系统检测n挖掘机一般都是在恶劣条件下工作，为了更好地掌握挖掘机各系统工作性能，及时地发现故障给予排除，使挖掘机运行良好，延长挖掘机使用寿命，提高工作效益，一般挖掘机每工作 5 000 h左右或系统出现无力、动作偏慢或出现某些异常现象时，应对挖掘机功能检测一次。n（1）工作装置、回转、行走回路油压的检测n安装油压测试表。把工作装置放在地面上，停止发动机运转，拧松加油口盖。n卸荷油压的检测。发动机高速空转状态，测量全部操作杆在中位时的油压。泵溢流压力的检测。42n（2）PC 阀输出压力（伺服活塞的输入压力）的检测n安装油压测试表。卸下测压螺塞，安装油压表；在伺服阀侧安装
21、 39.2 MPa的压力表，在泵输出口安装 58.8 MPa的压力表。n检测油压。nLS阀输出压力和 LS阀压差的检测。43nLS阀压差的检测。44n5）先导控制油路油压的检测n将工作装置降至地面，发动机熄火，慢慢地松开液压油箱盖，释放其内的压力，然后将安全锁定杆置于锁定位置，卸下测压螺塞，安装压力表，启动发动机，在发动机高速空转状态下测量回路的油压（设定压力为 3.2 MPa）。n6）电磁阀输出压力的检测n拆下电磁阀出口软管，在软管上安装接头，在电磁阀输出压力的测压螺塞处安装压力表，按表 6.3测量电磁阀的输出压力。4546n7）PPC 阀输出压力的检测n拆下要测的软管并安装压力表，发动机高
22、速空转，操纵要检测回路的操纵杆，测量PPC 阀输出压力（不小于 2.7 MPa）。n8）工作装置自然下降部位的检测n若工作装置（油缸）有自然下降的情况，则按下述方法检查，并判断其原因是否油缸密封圈损坏还是主阀中有内泄漏。n（1）检查油缸密封。n（2）动臂保持阀的检查。n（3）检查 PPC 阀。发动机运转，安全锁定操纵杆在锁定位置或松开时，若自然下降不相同，则是 PPC 阀的故障。47n3.典型挖掘机电液控制系统的综合故障诊断与检修n1）DH280型挖掘机电子功率优化系统应用及故障诊断n韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS (Electronic Power Optimizing S
23、ystem)电子功率优化系统对发动机和液压泵进行功率匹配优化控制。n（1）发动机与变量泵的匹配n液压油泵的最大输入功率与发动机的最大输出功率的匹配问题是液压挖掘机设计过程中的一个重要内容。4849n（2）电子功率优化系统n工作模式 DH280型挖掘机同样有 3种作业模式可供选择，模式的选择可以通过模式选择开关实现。下面对 3种模式进行介绍。n工作原理 如图 6.16所示，DH280型挖掘机的电子功率优化系统由柱塞泵斜盘倾角调节装置、电磁比例减压阀、EPOS控制器、发动机转速传感器及发动机油门位置传感器等组成。发动机转速传感器为电磁感应式，它固定在飞轮壳的上方，发动机油门位置传感器由行程开关和微
24、动开关组成，前者安装在驾驶室内，与油门拉杆相连；后者安装在发动机高压油泵调速器上。505152n（3）故障诊断nDH280型挖掘机采用了典型的机电液一体化控制模式，发动机液压泵分配阀外部负荷的匹配问题是 DH280 型挖掘机的主要常见故障。一般在挖掘机作业中，如果这几方面不能正确匹配，经常会表现为：发动机转速下降，工作速度变慢，挖掘无力等。n发动机转速下降n首先测试发动机的输出功率，如果发动机输出功率大大低于额定功率，首先检查燃油滤芯是否堵塞，燃油路中是否有泄漏的地方，燃油泵中的柱塞、喷油器、出油阀是否严重磨损，空气滤芯进气是否通畅，发动机机油是否黏度下降，造成缸壁封闭不严而使压缩比下降，发动
25、机缸套组件是否磨损造成缸内严重窜气，气门封闭是否不严等。53n工作速度变慢 如果是使用多年的旧挖掘机速度逐渐变慢，这属于正常磨损所致。主要因素是整机各部件磨损造成发动机功率下降或液压系统存在内部泄漏。n挖掘无力 一种情况是外部负荷增大时发动机急剧减速，需要对以下两个方面进行检查：（1）按前面所述方法先检查发动机动力；（2）检查液压泵排量是否遵循恒功率输出。即在不影响速度的前提下，调整液压泵斜盘角度以减小排量。5455n2）小松 PC200-5型挖掘机电子油门控制系统故障检测与诊断n采用电子油门控制系统以后，可以显著提高发动机功率的利用率，减少排放，降低发动机和液压元件的工作强度，提高设备的使用
26、性能和可靠性。n（1）电子油门控制系统工作原理n小松 PC200-5型挖掘机电子油门控制系统电路如图 6.18所示，该系统由油门控制器、调速器马达、燃油控制盘、监控仪表板、蓄电池继电器等主要元件组成。系统功能主要有 3个即发动机转速控制、自动升温控制和发动机停车控制。n发动机转速控制 发动机的转速通过燃油控制盘来选定。56n自动升温控制 发动机启动之后，监控仪表盘中的微电脑通过热敏电阻式温度传感器不断监测发动机冷却水温度。n发动机停车控制 油门控制器的端子 2与启动开关的 BR 端子相连，用于检测启动开关的位置。当检测到启动开关转至切断位置，即油门控制器的端子 2上没有电压信号时，油门控制器输
27、出电流，驱动蓄电池继电器，使其触点保持闭合，以保持主电路继续接通。57n（2）电子油门控制系统故障检测方法n一般原则n自诊断法 PC200-5型液压挖掘机的电子油门控制系统本身具有较强的自诊断功能，在电子油门控制器上装有三只发光二极管。通过发光二极管的亮与灭的组合来显示整个控制系统工作是否正常。发光二极管的显示状态与故障诊断情况如表 6.5所示。585960n直接检测诊断法 对发动机油门控制按钮、调速器电机、发动机油门控制器的相关电器接头或引脚进行测试，在正常状态下，相应的电阻或电压值如表 6.6所示。6162636465n【知识拓展】液压挖掘机的节能控制技术未来发展趋势n在液压挖掘机领域，节
28、能控制的目的不仅仅是提高燃油利用率，更重要的意义在于能够取得一系列降低使用成本的效果。资料显示，工程机械将近 40% 的故障来自液压系统，约 15% 的故障来自发动机。66n从国内外发展状况来看，液压挖掘机的节能控制有以下发展趋势：（1）进一步改进阀控节能控制 在采用六通多路阀的液压系统中，仍然有许多可以改进的地方，如操纵性、节能性等，至今国外各挖掘机生产厂仍在研究。n（2）多功能组合 为提高挖掘机性能，各种节能措施的结合将更加广泛。在以往的系统中，液压泵上已经集成有多种功能，但由于各种条件的限制，一般不超过 3 种。67n（3）可变参数控制n为使挖掘机更好地适应各种工况下的负载要求，动力系统
29、内部一些控制元件的设定参数将不再是固定值，而是能随着挖掘机具体工作状况而改变。n（4）泵发动机匹配控制将进一步“智能化”n借助计算机控制技术，泵与发动机的匹配控制将进一步实现“智能化”，两者之间的结合将更密切，实现一体化控制。n（5）电液比例控制智能化电液比例控制在 20世纪80年代初就开始应用于工程机械，目前在液压挖掘机上得到了大量应用。n（6）柴油机电喷控制在传统的机械调速柴油机上，喷油泵的循环供油量、喷油提前角等都受到转速影响，使柴油机性能难以进一步提高。68n（7）负荷传感控制将继续发展 负荷传感控制从 20世纪 70年代开始兴起，各工程机械液压件生产厂商纷纷推出有关产品。n（8）六通
30、多路阀继续存在n尽管采用四通阀的负荷传感系统能提供精确操作，但并非所有场合都需要精确操作，而且熟练司机也能用非负荷传感系统挖掘机完成精确操作。n（9）现场总线技术和嵌入式系统将大量应用 随着液压挖掘机“智能化”程度的提高，各种传感器、控制器将遍布挖掘机各处，这将导致挖掘机内部充斥各种导线、接头，使控制系统变得复杂、可靠性降低。解决这一问题的方法是采用现场总线，用一条串行线将所有的传感器、控制器和执行器连接起来，在保证系统具有强大功能的同时，具有简单的结构和高可靠性。69n项目小结n本项目在介绍了挖掘机总体结构、液压系统和电气控制系统的基础上，提出挖掘机的一般选型、检修方法，并且以韩国大宇公司生
31、产的 DH280型挖掘机的 EPOS系统和日本小松 PC200-5型挖掘机的电子油门控制系统作为具体案例，总结了挖掘机电液控制系统的综合故障诊断与检修过程。70n液压挖掘机是工程机械的主要机型之一。随着对挖掘机在工作效率、节省能源、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等各方面性能要求的提高，单凭液压控制技术是不能满足要求的。机电一体化技术在液压挖掘机上的应用，使挖掘机的各种性能指标得到了迅速地提高。以计算机技术为核心的高新技术在挖掘机上越来越广泛地使用，使挖掘机的设计、制造以及使用与维修技术得到了发展。n10.1 电子监测控制系统n10.2 电子功率优化控制系统n10.3 工作模式控制系统n10.4 自动怠速控制系统n10.5 柴油发动机负荷电子控制系统
