馬生鵬

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

液壓挖掘機(jī)憑借著機(jī)動(dòng)性好、調(diào)速范圍大、應(yīng)用靈活可靠的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類礦山開(kāi)采中，礦用挖掘機(jī)懸臂和鏟斗部分的運(yùn)行主要是依靠液壓系統(tǒng)控制液壓油缸的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在現(xiàn)有的挖掘機(jī)動(dòng)臂控制系統(tǒng)中，動(dòng)臂在下降作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)的功率消耗極大，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)發(fā)熱量高，特別是挖掘機(jī)動(dòng)臂的勢(shì)能損失極大，導(dǎo)致在動(dòng)臂下降到較低的位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的液壓沖擊，對(duì)系統(tǒng)各元器件造成極大的影響，嚴(yán)重降低了挖掘機(jī)工作時(shí)的可靠性和使用壽命[1]，因此需要對(duì)挖掘機(jī)的動(dòng)臂液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，提升對(duì)下降時(shí)能量的回收效率，提升掘進(jìn)機(jī)的工作速度，改善設(shè)備操作性能。

1 挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓控制系統(tǒng)

為了改善現(xiàn)有液壓控制系統(tǒng)在動(dòng)臂下降時(shí)能量損失大、工作效率低下的難題，合理利用動(dòng)臂下降時(shí)的重力勢(shì)能，降低系統(tǒng)的能量消耗，本文提出了一種新的流量再生的液壓控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該流量再生的液壓控制系統(tǒng)的核心為一個(gè)比例再生閥，在挖掘機(jī)動(dòng)臂下降的過(guò)程中，其利用動(dòng)臂和所承載物料的自重完成動(dòng)臂的下降，在這個(gè)過(guò)程中執(zhí)行油缸回油腔的油液則經(jīng)過(guò)比例再生閥直接進(jìn)入到執(zhí)行油缸的進(jìn)油腔，超過(guò)溢流比的油液則通過(guò)單向閥回到油箱。挖掘機(jī)的動(dòng)臂液壓缸在下降時(shí)的速度可以通過(guò)比例溢流閥開(kāi)口的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 挖掘機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

礦用挖掘機(jī)的動(dòng)臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 流量再生控制系統(tǒng)液壓原理圖

圖2 礦用挖掘機(jī)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖2可知，位置A為挖掘機(jī)的動(dòng)臂和承臺(tái)的銷接點(diǎn)，位置B為動(dòng)臂和小懸臂的銷接點(diǎn)，位置C為小懸臂和挖掘機(jī)鏟斗的銷接點(diǎn)，位置D為鏟斗的掘齒，位置E表示動(dòng)臂執(zhí)行油缸和承臺(tái)的銷接點(diǎn)，位置I為動(dòng)臂執(zhí)行油缸和動(dòng)臂連接處的銷接點(diǎn)，位置F和位置J表示小懸臂的執(zhí)行油缸和動(dòng)臂的銷接點(diǎn)，位置K表示鏟斗執(zhí)行油缸和鏟斗的銷接點(diǎn)，G1、G2、G3分別表示挖掘機(jī)動(dòng)臂、小懸臂和鏟斗的重心。

挖掘機(jī)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)上各點(diǎn)的坐標(biāo)位置可表示為：

式中：Xi為位置i處在X軸上的坐標(biāo)；Yi為位置i處在Y軸上的坐標(biāo)；θ1為挖掘機(jī)動(dòng)臂和小懸臂之間的夾角。

由式（1）（2）即可根據(jù)挖掘機(jī)動(dòng)臂、小懸臂和鏟斗之間的夾角來(lái)對(duì)挖掘機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

挖掘機(jī)工作時(shí)各執(zhí)行油缸的作用力可表示為[2]：

式中：Wi為挖掘機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)重量；Wx為挖掘機(jī)鏟斗內(nèi)負(fù)載的質(zhì)量；bi為挖掘機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)對(duì)位置A處的懸臂的力臂；bx為挖掘機(jī)鏟斗內(nèi)負(fù)載對(duì)位置A處的懸臂的力臂；e為動(dòng)臂執(zhí)行油缸對(duì)位置A處的力臂。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為對(duì)流量再生液壓控制系統(tǒng)[3]的工作效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文采用高靈敏性的壓力傳感器及數(shù)據(jù)信號(hào)記錄儀[4]對(duì)挖掘機(jī)在最大負(fù)載情況下的工作情況進(jìn)行驗(yàn)證。

當(dāng)挖掘機(jī)在滿載情況下進(jìn)行動(dòng)臂抬升作業(yè)時(shí)，動(dòng)臂執(zhí)行油缸及液壓泵在出口位置的壓力變化曲線如圖3所示。

圖3 動(dòng)臂執(zhí)行油缸及液壓泵壓力變化曲線

由圖3可知，挖掘機(jī)動(dòng)臂在流量再生液壓回路的作用下，動(dòng)臂從最低位置到的最高位置用時(shí)約14.1 s，在挖掘機(jī)鏟斗滿載負(fù)荷的作用下，動(dòng)臂在提升時(shí)執(zhí)行油缸無(wú)桿腔的壓力波動(dòng)較大，最大壓力峰值可達(dá)23.8 MPa，最后壓力穩(wěn)定在約22.5 MPa，當(dāng)上升到指定位置后，在動(dòng)臂及物料重力的作用下執(zhí)行油缸無(wú)桿腔的壓力將在慣性沖擊作用下產(chǎn)生一定的波動(dòng)。執(zhí)行動(dòng)臂抬升過(guò)程中的變化趨勢(shì)基本一致，分析可知，該流量再生回路完全滿足挖掘機(jī)動(dòng)臂抬升過(guò)程中的壓力需求，且該系統(tǒng)回路工作時(shí)的速度也滿足挖掘機(jī)的控制要求。

挖掘機(jī)在采用流量再生液壓回路和常規(guī)液壓控制系統(tǒng)下，在動(dòng)臂滿載負(fù)載下降情況下執(zhí)行油缸的負(fù)載壓力變化曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 流量再生控制回路下的執(zhí)行油缸壓力變化曲線

圖5 常規(guī)液壓控制回路下的執(zhí)行油缸壓力變化曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)挖掘機(jī)采用再生液壓控制回路情況下，動(dòng)臂從最高點(diǎn)降低到最低點(diǎn)所需時(shí)間約為17 s，而當(dāng)采用常規(guī)液壓控制回路情況下，則需要近35 s，其運(yùn)行控制速度提高了約51.43%。新的液壓控制系統(tǒng)在工作過(guò)程中的壓力波動(dòng)明顯低于采用傳統(tǒng)回路的液壓控制系統(tǒng)，在到位后的停止階段也無(wú)明顯的液壓沖擊，因此采用新的挖掘機(jī)動(dòng)臂升降控制回路能夠顯著提升挖掘機(jī)在執(zhí)行下降作業(yè)時(shí)的速度，降低工作過(guò)程中的液壓沖擊，提升挖掘機(jī)的使用壽命，可操作性得到了極大的優(yōu)化和提高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)論

1）采用新的控制系統(tǒng)，動(dòng)臂從最低位置到的最高位置用時(shí)約14.1 s，在挖掘機(jī)鏟斗滿載負(fù)荷的作用下，工作時(shí)的最大壓力峰值可達(dá)23.8 MPa，完全滿足挖掘機(jī)動(dòng)臂抬升過(guò)程中的壓力和速度要求；

2）采用新的液壓控制系統(tǒng)后，挖掘機(jī)下降時(shí)的速度提升了51.43%，液壓系統(tǒng)在工作時(shí)的穩(wěn)定性和可操作性得到了顯著的提升。