一種礦用液壓挖掘機鏟斗開閉液壓控制系統設計

孫祥云 王卓群 付圣靈

（1．邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054000；2．石家莊工程技術學校，河北 石家莊 050000）

0 引言

當前，隨著社會經濟飛速的發展，各個行業取得了顯著的進步，各個行業對礦產資源的需求量在不斷提升，因此挖掘機械得到了普遍應用，從國內工程機械的實際情況來看，品系化明顯不足，產品結構也顯得較為單一，尤其是液壓系統出現明顯的問題，例如發生故障的概率較高，使用壽命偏低，而且維護需要投入較大的成本，所以當前的主要任務是要對挖掘機液壓系統展開深入研究，使得系統的可靠性大幅提升。

對于大型的露天礦來說，液壓挖掘機是不可缺少的。在此類挖掘機中，鏟斗是十分關鍵的部件，其組成部分包括了斗體、斗底，在對其開閉予以控制時，主要依靠的是油缸。在利用液壓挖掘機實施挖掘工作的時候，在挖掘機運轉到指定的卸載位置的時候，需要操作油缸柱塞桿進行收縮，在這個過程中，斗底會逐漸打開，最終完成物料的運輸和卸載。要想不斷地提高挖掘效率，可以采用適當的方法來縮短斗油缸的開關時長，同時要保證不會出現較大的沖擊。進行挖掘作業時，當鏟斗打開時產生的自重勢能如果想得到有效利用，專門設計出一種礦用液壓挖掘機鏟斗開閉液壓系統[1]。

1 設計計算及選型

對當前使用的液壓挖掘機鏟斗開閉液壓系統進行分析可知，其只可以對鏟斗開閉予以控制，并對閉合速度進行限制。某個大型礦所使用的液壓挖掘機鏟斗的重量達到了20 t，所以在鏟斗打開后會產生非常大的勢能。如果想使液壓系統的能力輸出減少，斗體的自重勢能可以得到有效利用，選用了差動液壓控制回路，這樣就能利用斗體自重釋放的能量，整個液壓系統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產生的壓力分別是P1和P2，通過計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為負載力，η為液壓缸的機械效率，D為無桿腔缸徑，d為有桿腔桿徑。

此外，充分地結合鏟斗的結構構造，并且借助專業的挖掘技術，在規定的時間內完成閉斗，確保在開閉斗的過程中油缸的移動距離是s，進而對油缸工作流量予以設計計算：

依據計算所得的結果，確定開閉斗油缸使用M 型多路閥作為主控制閥，此種閥能夠將閉斗差動功能予以集成[2]。式中：Q為節流口流量，A為過流面積，ν為運動黏度，ρ為油液密度。

當前常用的液壓挖掘機所使用的鏟斗開閉液壓系統一般是通過單向節流閥來對鏟斗閉合時的速度予以限制，在鏟斗全部打開后，產生的勢能是非常大的，因而要據此來確定節流閥的流口大小。當鏟斗沒有全部打開時，斗體勢能則會變小，此時節流閥的節流口就會顯得太小，這樣就會對鏟斗閉合的實際速度造成影響，作業效率也就變得較低。依據計算所得結果，選用的是MHFS 單向節流閥，這樣能夠有效地避免節流面積不在規定范圍內。

要想保證在整個挖掘過程中，斗體以及斗底2 個結構不會發生閉合接觸，最為重要的是要確保油缸內油體壓力的極限值不會出現快速泄壓的情況，這樣才能對鏟斗起到良好的保護作用[3]。

設計完成的液壓系統如圖1 所示，這個系統包括10 個組成部分，1 是開閉斗油缸，2 是有桿腔次級壓力閥，3 是單向節流閥，4 是主控制閥，5 是軟管，6 是無桿腔次級單向壓力閥，7 是有桿腔補油單向閥，8 是油箱，9 是主溢流閥，10是液壓泵[4]。

這個系統在工作時遵循的原理如下：司機將開斗指令發出后，先導油會對Pst4 產生作用，這個時候，主體控制閥門會移動到另外一邊，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 端口的壓力油會被按照既定的順序輸送至油缸有桿腔中，使得油缸實現回縮，之后開閉斗油缸，無桿腔中的液壓油會按照設計的路線被輸送到郵箱中，最終會將斗體、斗底2 個結構徹底分開，實現物料的裝卸[5]。

在物料運輸和裝卸完成后，工作人員可以進行閉斗操作，這個時候，先導油液壓會施加作用力，對控制閥門Pst3口產生作用，使得主控制閥換至右側位置，這樣一來，液壓泵P 口就會和主控制閥B 口實現連通，而且主控制閥A 口則和B 口實現連通。由于斗體具備一定的重量，在移動的過程中，會形成一定的作用力，在這種作用力的影響下，油缸內桿腔中的壓力油會被輸送到主控閥門中，在實施閉斗操作的時候，主控閥門是處在右側的，2 個主要控制閥門A、B 保持通連的狀態，這個時候，有缸內的壓力油會經過主控閥門流入無桿腔，這樣就能夠對斗體下放過程中產生的能量予以利用，進而使得鏟斗實現閉合，如此一來，液壓泵輸出就能夠切實減少，節能目標也就能夠達成[6]。

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

要想規避斗體與斗底2 個結構發生接觸的情況，需要在油缸有桿腔處安裝有桿腔次級壓力閥，這樣就可及時實現泄壓，油缸、軟管也就不會受到沖擊，鏟斗機械機構能夠得到切實保護。

2 應用情況

當前，域外先進國家中對大型礦用液壓挖掘機的使用是較為普遍的，在我們國家，這種類型的液壓機也開始得到使用，但這些挖掘機械大多是從國外進口的。而且在場內就對此種大型礦用液壓挖掘機進行了反復的試車調試，從調試所得的結果來看，這種鏟斗裝置并不會產生太大的沖擊，而且其開閉的速度也是相對較快的，并能夠在開閉的過程中保持平穩的狀態，一般來說，閉斗所花費的時間只需要2.3 s 左右。這個系統還對鏟斗自身重量所形成的作用力加以切實的運用，這樣就可以有效地對液壓泵的能量使用量加以控制，節能效果是較為顯著的。

3 結語

綜上所述，礦用液壓挖掘機鏟斗開閉液壓控制系統的作用是對液壓挖掘機鏟斗進行控制，基于原有的液壓控制系統，借助具備良好性能的核心控制閥以及具備穩定節流性能的節流閥，將桿腔次級壓力閥安設在相應的位置，這樣能夠有效地保證在斗體開啟的過程中會形成一定的能力，隨之加以利用，降低系統功率的輸出，實現節能的目的。其次，可以安設利用帶有固定節流口的單向節流閥，鏟斗在各種情況下都可以在最短的時間內完成閉斗。再次，將有桿腔次級壓力閥安設在開閉斗的油缸內，能夠對整個系統結構起到保護的作用，設計系統有效地促進了液壓挖掘液壓系統的運行效率，適合大范圍加以使用。

圖1 礦用液壓挖掘機鏟斗開閉液壓控制系統