矿用液压挖掘机动臂升降控制系统研究

2018-11-28马生鹏

机械管理开发 2018年11期

马生鹏

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

引言

液压挖掘机凭借着机动性好、调速范围大、应用灵活可靠的特点广泛应用于各类矿山开采中，矿用挖掘机悬臂和铲斗部分的运行主要是依靠液压系统控制液压油缸的动作来实现的。在现有的挖掘机动臂控制系统中，动臂在下降作业时，系统的功率消耗极大，导致液压系统发热量高，特别是挖掘机动臂的势能损失极大，导致在动臂下降到较低的位置时会产生一个较大的液压冲击，对系统各元器件造成极大的影响，严重降低了挖掘机工作时的可靠性和使用寿命[1]，因此需要对挖掘机的动臂液压控制系统进行优化研究，提升对下降时能量的回收效率，提升掘进机的工作速度，改善设备操作性能。

1 挖掘机动臂液压控制系统

为了改善现有液压控制系统在动臂下降时能量损失大、工作效率低下的难题，合理利用动臂下降时的重力势能，降低系统的能量消耗，本文提出了一种新的流量再生的液压控制系统，其结构如图1所示。

该流量再生的液压控制系统的核心为一个比例再生阀，在挖掘机动臂下降的过程中，其利用动臂和所承载物料的自重完成动臂的下降，在这个过程中执行油缸回油腔的油液则经过比例再生阀直接进入到执行油缸的进油腔，超过溢流比的油液则通过单向阀回到油箱。挖掘机的动臂液压缸在下降时的速度可以通过比例溢流阀开口的大小来进行调节。

2 挖掘机数学模型的建立

矿用挖掘机的动臂机构的结构示意图如图2所示。

图1 流量再生控制系统液压原理图

图2 矿用挖掘机动臂机构结构简图

由图2可知，位置A为挖掘机的动臂和承台的销接点，位置B为动臂和小悬臂的销接点，位置C为小悬臂和挖掘机铲斗的销接点，位置D为铲斗的掘齿，位置E表示动臂执行油缸和承台的销接点，位置I为动臂执行油缸和动臂连接处的销接点，位置F和位置J表示小悬臂的执行油缸和动臂的销接点，位置K表示铲斗执行油缸和铲斗的销接点，G1、G2、G3分别表示挖掘机动臂、小悬臂和铲斗的重心。

挖掘机动臂机构上各点的坐标位置可表示为：

式中：Xi为位置i处在X轴上的坐标；Yi为位置i处在Y轴上的坐标；θ1为挖掘机动臂和小悬臂之间的夹角。

由式（1）（2）即可根据挖掘机动臂、小悬臂和铲斗之间的夹角来对挖掘机的工作状态进行分析。

挖掘机工作时各执行油缸的作用力可表示为[2]：

式中：Wi为挖掘机悬臂结构重量；Wx为挖掘机铲斗内负载的质量；bi为挖掘机悬臂结构对位置A处的悬臂的力臂；bx为挖掘机铲斗内负载对位置A处的悬臂的力臂；e为动臂执行油缸对位置A处的力臂。

3 试验验证

为对流量再生液压控制系统[3]的工作效果进行验证，本文采用高灵敏性的压力传感器及数据信号记录仪[4]对挖掘机在最大负载情况下的工作情况进行验证。

当挖掘机在满载情况下进行动臂抬升作业时，动臂执行油缸及液压泵在出口位置的压力变化曲线如图3所示。

图3 动臂执行油缸及液压泵压力变化曲线

由图3可知，挖掘机动臂在流量再生液压回路的作用下，动臂从最低位置到的最高位置用时约14.1 s，在挖掘机铲斗满载负荷的作用下，动臂在提升时执行油缸无杆腔的压力波动较大，最大压力峰值可达23.8 MPa，最后压力稳定在约22.5 MPa，当上升到指定位置后，在动臂及物料重力的作用下执行油缸无杆腔的压力将在惯性冲击作用下产生一定的波动。执行动臂抬升过程中的变化趋势基本一致，分析可知，该流量再生回路完全满足挖掘机动臂抬升过程中的压力需求，且该系统回路工作时的速度也满足挖掘机的控制要求。

挖掘机在采用流量再生液压回路和常规液压控制系统下，在动臂满载负载下降情况下执行油缸的负载压力变化曲线分别如图4、图5所示。

图4 流量再生控制回路下的执行油缸压力变化曲线

图5 常规液压控制回路下的执行油缸压力变化曲线

由试验结果可知，当挖掘机采用再生液压控制回路情况下，动臂从最高点降低到最低点所需时间约为17 s，而当采用常规液压控制回路情况下，则需要近35 s，其运行控制速度提高了约51.43%。新的液压控制系统在工作过程中的压力波动明显低于采用传统回路的液压控制系统，在到位后的停止阶段也无明显的液压冲击，因此采用新的挖掘机动臂升降控制回路能够显著提升挖掘机在执行下降作业时的速度，降低工作过程中的液压冲击，提升挖掘机的使用寿命，可操作性得到了极大的优化和提高，达到了预期的设计目的。