一種礦用液壓挖掘機(jī)鏟斗開閉液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫祥云 王卓群 付圣靈

（1．邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054000；2．石家莊工程技術(shù)學(xué)校，河北 石家莊 050000）

0 引言

當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速的發(fā)展，各個(gè)行業(yè)取得了顯著的進(jìn)步，各個(gè)行業(yè)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量在不斷提升，因此挖掘機(jī)械得到了普遍應(yīng)用，從國(guó)內(nèi)工程機(jī)械的實(shí)際情況來看，品系化明顯不足，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也顯得較為單一，尤其是液壓系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的問題，例如發(fā)生故障的概率較高，使用壽命偏低，而且維護(hù)需要投入較大的成本，所以當(dāng)前的主要任務(wù)是要對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)展開深入研究，使得系統(tǒng)的可靠性大幅提升。

對(duì)于大型的露天礦來說，液壓挖掘機(jī)是不可缺少的。在此類挖掘機(jī)中，鏟斗是十分關(guān)鍵的部件，其組成部分包括了斗體、斗底，在對(duì)其開閉予以控制時(shí)，主要依靠的是油缸。在利用液壓挖掘機(jī)實(shí)施挖掘工作的時(shí)候，在挖掘機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到指定的卸載位置的時(shí)候，需要操作油缸柱塞桿進(jìn)行收縮，在這個(gè)過程中，斗底會(huì)逐漸打開，最終完成物料的運(yùn)輸和卸載。要想不斷地提高挖掘效率，可以采用適當(dāng)?shù)姆椒▉砜s短斗油缸的開關(guān)時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)要保證不會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊。進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，當(dāng)鏟斗打開時(shí)產(chǎn)生的自重勢(shì)能如果想得到有效利用，專門設(shè)計(jì)出一種礦用液壓挖掘機(jī)鏟斗開閉液壓系統(tǒng)[1]。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算及選型

對(duì)當(dāng)前使用的液壓挖掘機(jī)鏟斗開閉液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，其只可以對(duì)鏟斗開閉予以控制，并對(duì)閉合速度進(jìn)行限制。某個(gè)大型礦所使用的液壓挖掘機(jī)鏟斗的重量達(dá)到了20 t，所以在鏟斗打開后會(huì)產(chǎn)生非常大的勢(shì)能。如果想使液壓系統(tǒng)的能力輸出減少，斗體的自重勢(shì)能可以得到有效利用，選用了差動(dòng)液壓控制回路，這樣就能利用斗體自重釋放的能量，整個(gè)液壓系統(tǒng)的功率輸出也就明顯減少，所消耗的能源也就能夠降低。開閉斗油缸在工作時(shí)產(chǎn)生的壓力分別是P1和P2，通過計(jì)算將油缸無桿腔的有效工作面積予以確定：

開閉斗油缸有桿腔有效工作面積：

式中：F為負(fù)載力，η為液壓缸的機(jī)械效率，D為無桿腔缸徑，d為有桿腔桿徑。

此外，充分地結(jié)合鏟斗的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，并且借助專業(yè)的挖掘技術(shù)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成閉斗，確保在開閉斗的過程中油缸的移動(dòng)距離是s，進(jìn)而對(duì)油缸工作流量予以設(shè)計(jì)計(jì)算：

依據(jù)計(jì)算所得的結(jié)果，確定開閉斗油缸使用M 型多路閥作為主控制閥，此種閥能夠?qū)㈤]斗差動(dòng)功能予以集成[2]。式中：Q為節(jié)流口流量，A為過流面積，ν為運(yùn)動(dòng)黏度，ρ為油液密度。

當(dāng)前常用的液壓挖掘機(jī)所使用的鏟斗開閉液壓系統(tǒng)一般是通過單向節(jié)流閥來對(duì)鏟斗閉合時(shí)的速度予以限制，在鏟斗全部打開后，產(chǎn)生的勢(shì)能是非常大的，因而要據(jù)此來確定節(jié)流閥的流口大小。當(dāng)鏟斗沒有全部打開時(shí)，斗體勢(shì)能則會(huì)變小，此時(shí)節(jié)流閥的節(jié)流口就會(huì)顯得太小，這樣就會(huì)對(duì)鏟斗閉合的實(shí)際速度造成影響，作業(yè)效率也就變得較低。依據(jù)計(jì)算所得結(jié)果，選用的是MHFS 單向節(jié)流閥，這樣能夠有效地避免節(jié)流面積不在規(guī)定范圍內(nèi)。

要想保證在整個(gè)挖掘過程中，斗體以及斗底2 個(gè)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生閉合接觸，最為重要的是要確保油缸內(nèi)油體壓力的極限值不會(huì)出現(xiàn)快速泄壓的情況，這樣才能對(duì)鏟斗起到良好的保護(hù)作用[3]。

設(shè)計(jì)完成的液壓系統(tǒng)如圖1 所示，這個(gè)系統(tǒng)包括10 個(gè)組成部分，1 是開閉斗油缸，2 是有桿腔次級(jí)壓力閥，3 是單向節(jié)流閥，4 是主控制閥，5 是軟管，6 是無桿腔次級(jí)單向壓力閥，7 是有桿腔補(bǔ)油單向閥，8 是油箱，9 是主溢流閥，10是液壓泵[4]。

這個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)遵循的原理如下：司機(jī)將開斗指令發(fā)出后，先導(dǎo)油會(huì)對(duì)Pst4 產(chǎn)生作用，這個(gè)時(shí)候，主體控制閥門會(huì)移動(dòng)到另外一邊，從而使得液壓泵的P2 端口能夠完成與控制閥門A 端口之間形成連接，從而核心控制閥門B 能夠與郵箱完成連接。處在液壓泵P2 端口的壓力油會(huì)被按照既定的順序輸送至油缸有桿腔中，使得油缸實(shí)現(xiàn)回縮，之后開閉斗油缸，無桿腔中的液壓油會(huì)按照設(shè)計(jì)的路線被輸送到郵箱中，最終會(huì)將斗體、斗底2 個(gè)結(jié)構(gòu)徹底分開，實(shí)現(xiàn)物料的裝卸[5]。

在物料運(yùn)輸和裝卸完成后，工作人員可以進(jìn)行閉斗操作，這個(gè)時(shí)候，先導(dǎo)油液壓會(huì)施加作用力，對(duì)控制閥門Pst3口產(chǎn)生作用，使得主控制閥換至右側(cè)位置，這樣一來，液壓泵P 口就會(huì)和主控制閥B 口實(shí)現(xiàn)連通，而且主控制閥A 口則和B 口實(shí)現(xiàn)連通。由于斗體具備一定的重量，在移動(dòng)的過程中，會(huì)形成一定的作用力，在這種作用力的影響下，油缸內(nèi)桿腔中的壓力油會(huì)被輸送到主控閥門中，在實(shí)施閉斗操作的時(shí)候，主控閥門是處在右側(cè)的，2 個(gè)主要控制閥門A、B 保持通連的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候，有缸內(nèi)的壓力油會(huì)經(jīng)過主控閥門流入無桿腔，這樣就能夠?qū)Χ敷w下放過程中產(chǎn)生的能量予以利用，進(jìn)而使得鏟斗實(shí)現(xiàn)閉合，如此一來，液壓泵輸出就能夠切實(shí)減少，節(jié)能目標(biāo)也就能夠達(dá)成[6]。

為了能夠切實(shí)適應(yīng)斗體、斗底部分打開的情況，確保閉斗速度不會(huì)過慢，所以選用的是帶固定節(jié)流口單向節(jié)流閥，這個(gè)時(shí)候斗體以及斗底都會(huì)處于打開的狀態(tài)，壓力油會(huì)從C口到D 口維持穩(wěn)定節(jié)流面積，這樣一來，即使鏟斗的打開狀態(tài)不同，閉斗依然是能夠迅速完成的[7]。

要想規(guī)避斗體與斗底2 個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生接觸的情況，需要在油缸有桿腔處安裝有桿腔次級(jí)壓力閥，這樣就可及時(shí)實(shí)現(xiàn)泄壓，油缸、軟管也就不會(huì)受到?jīng)_擊，鏟斗機(jī)械機(jī)構(gòu)能夠得到切實(shí)保護(hù)。

2 應(yīng)用情況

當(dāng)前，域外先進(jìn)國(guó)家中對(duì)大型礦用液壓挖掘機(jī)的使用是較為普遍的，在我們國(guó)家，這種類型的液壓機(jī)也開始得到使用，但這些挖掘機(jī)械大多是從國(guó)外進(jìn)口的。而且在場(chǎng)內(nèi)就對(duì)此種大型礦用液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了反復(fù)的試車調(diào)試，從調(diào)試所得的結(jié)果來看，這種鏟斗裝置并不會(huì)產(chǎn)生太大的沖擊，而且其開閉的速度也是相對(duì)較快的，并能夠在開閉的過程中保持平穩(wěn)的狀態(tài)，一般來說，閉斗所花費(fèi)的時(shí)間只需要2.3 s 左右。這個(gè)系統(tǒng)還對(duì)鏟斗自身重量所形成的作用力加以切實(shí)的運(yùn)用，這樣就可以有效地對(duì)液壓泵的能量使用量加以控制，節(jié)能效果是較為顯著的。

3 結(jié)語

綜上所述，礦用液壓挖掘機(jī)鏟斗開閉液壓控制系統(tǒng)的作用是對(duì)液壓挖掘機(jī)鏟斗進(jìn)行控制，基于原有的液壓控制系統(tǒng)，借助具備良好性能的核心控制閥以及具備穩(wěn)定節(jié)流性能的節(jié)流閥，將桿腔次級(jí)壓力閥安設(shè)在相應(yīng)的位置，這樣能夠有效地保證在斗體開啟的過程中會(huì)形成一定的能力，隨之加以利用，降低系統(tǒng)功率的輸出，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。其次，可以安設(shè)利用帶有固定節(jié)流口的單向節(jié)流閥，鏟斗在各種情況下都可以在最短的時(shí)間內(nèi)完成閉斗。再次，將有桿腔次級(jí)壓力閥安設(shè)在開閉斗的油缸內(nèi)，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)起到保護(hù)的作用，設(shè)計(jì)系統(tǒng)有效地促進(jìn)了液壓挖掘液壓系統(tǒng)的運(yùn)行效率，適合大范圍加以使用。

圖1 礦用液壓挖掘機(jī)鏟斗開閉液壓控制系統(tǒng)