一种矿用液压挖掘机铲斗开闭液压控制系统设计

孙祥云 王卓群 付圣灵

（1．邢台职业技术学院，河北 邢台 054000；2．石家庄工程技术学校，河北 石家庄 050000）

0 引言

当前，随着社会经济飞速的发展，各个行业取得了显著的进步，各个行业对矿产资源的需求量在不断提升，因此挖掘机械得到了普遍应用，从国内工程机械的实际情况来看，品系化明显不足，产品结构也显得较为单一，尤其是液压系统出现明显的问题，例如发生故障的概率较高，使用寿命偏低，而且维护需要投入较大的成本，所以当前的主要任务是要对挖掘机液压系统展开深入研究，使得系统的可靠性大幅提升。

对于大型的露天矿来说，液压挖掘机是不可缺少的。在此类挖掘机中，铲斗是十分关键的部件，其组成部分包括了斗体、斗底，在对其开闭予以控制时，主要依靠的是油缸。在利用液压挖掘机实施挖掘工作的时候，在挖掘机运转到指定的卸载位置的时候，需要操作油缸柱塞杆进行收缩，在这个过程中，斗底会逐渐打开，最终完成物料的运输和卸载。要想不断地提高挖掘效率，可以采用适当的方法来缩短斗油缸的开关时长，同时要保证不会出现较大的冲击。进行挖掘作业时，当铲斗打开时产生的自重势能如果想得到有效利用，专门设计出一种矿用液压挖掘机铲斗开闭液压系统[1]。

1 设计计算及选型

对当前使用的液压挖掘机铲斗开闭液压系统进行分析可知，其只可以对铲斗开闭予以控制，并对闭合速度进行限制。某个大型矿所使用的液压挖掘机铲斗的重量达到了20 t，所以在铲斗打开后会产生非常大的势能。如果想使液压系统的能力输出减少，斗体的自重势能可以得到有效利用，选用了差动液压控制回路，这样就能利用斗体自重释放的能量，整个液压系统的功率输出也就明显减少，所消耗的能源也就能够降低。开闭斗油缸在工作时产生的压力分别是P1和P2，通过计算将油缸无杆腔的有效工作面积予以确定：

开闭斗油缸有杆腔有效工作面积：

式中：F为负载力，η为液压缸的机械效率，D为无杆腔缸径，d为有杆腔杆径。

此外，充分地结合铲斗的结构构造，并且借助专业的挖掘技术，在规定的时间内完成闭斗，确保在开闭斗的过程中油缸的移动距离是s，进而对油缸工作流量予以设计计算：

依据计算所得的结果，确定开闭斗油缸使用M 型多路阀作为主控制阀，此种阀能够将闭斗差动功能予以集成[2]。式中：Q为节流口流量，A为过流面积，ν为运动黏度，ρ为油液密度。

当前常用的液压挖掘机所使用的铲斗开闭液压系统一般是通过单向节流阀来对铲斗闭合时的速度予以限制，在铲斗全部打开后，产生的势能是非常大的，因而要据此来确定节流阀的流口大小。当铲斗没有全部打开时，斗体势能则会变小，此时节流阀的节流口就会显得太小，这样就会对铲斗闭合的实际速度造成影响，作业效率也就变得较低。依据计算所得结果，选用的是MHFS 单向节流阀，这样能够有效地避免节流面积不在规定范围内。

要想保证在整个挖掘过程中，斗体以及斗底2 个结构不会发生闭合接触，最为重要的是要确保油缸内油体压力的极限值不会出现快速泄压的情况，这样才能对铲斗起到良好的保护作用[3]。

设计完成的液压系统如图1 所示，这个系统包括10 个组成部分，1 是开闭斗油缸，2 是有杆腔次级压力阀，3 是单向节流阀，4 是主控制阀，5 是软管，6 是无杆腔次级单向压力阀，7 是有杆腔补油单向阀，8 是油箱，9 是主溢流阀，10是液压泵[4]。

这个系统在工作时遵循的原理如下：司机将开斗指令发出后，先导油会对Pst4 产生作用，这个时候，主体控制阀门会移动到另外一边，从而使得液压泵的P2 端口能够完成与控制阀门A 端口之间形成连接，从而核心控制阀门B 能够与邮箱完成连接。处在液压泵P2 端口的压力油会被按照既定的顺序输送至油缸有杆腔中，使得油缸实现回缩，之后开闭斗油缸，无杆腔中的液压油会按照设计的路线被输送到邮箱中，最终会将斗体、斗底2 个结构彻底分开，实现物料的装卸[5]。

在物料运输和装卸完成后，工作人员可以进行闭斗操作，这个时候，先导油液压会施加作用力，对控制阀门Pst3口产生作用，使得主控制阀换至右侧位置，这样一来，液压泵P 口就会和主控制阀B 口实现连通，而且主控制阀A 口则和B 口实现连通。由于斗体具备一定的重量，在移动的过程中，会形成一定的作用力，在这种作用力的影响下，油缸内杆腔中的压力油会被输送到主控阀门中，在实施闭斗操作的时候，主控阀门是处在右侧的，2 个主要控制阀门A、B 保持通连的状态，这个时候，有缸内的压力油会经过主控阀门流入无杆腔，这样就能够对斗体下放过程中产生的能量予以利用，进而使得铲斗实现闭合，如此一来，液压泵输出就能够切实减少，节能目标也就能够达成[6]。

为了能够切实适应斗体、斗底部分打开的情况，确保闭斗速度不会过慢，所以选用的是带固定节流口单向节流阀，这个时候斗体以及斗底都会处于打开的状态，压力油会从C口到D 口维持稳定节流面积，这样一来，即使铲斗的打开状态不同，闭斗依然是能够迅速完成的[7]。

要想规避斗体与斗底2 个结构发生接触的情况，需要在油缸有杆腔处安装有杆腔次级压力阀，这样就可及时实现泄压，油缸、软管也就不会受到冲击，铲斗机械机构能够得到切实保护。

2 应用情况

当前，域外先进国家中对大型矿用液压挖掘机的使用是较为普遍的，在我们国家，这种类型的液压机也开始得到使用，但这些挖掘机械大多是从国外进口的。而且在场内就对此种大型矿用液压挖掘机进行了反复的试车调试，从调试所得的结果来看，这种铲斗装置并不会产生太大的冲击，而且其开闭的速度也是相对较快的，并能够在开闭的过程中保持平稳的状态，一般来说，闭斗所花费的时间只需要2.3 s 左右。这个系统还对铲斗自身重量所形成的作用力加以切实的运用，这样就可以有效地对液压泵的能量使用量加以控制，节能效果是较为显著的。

3 结语

综上所述，矿用液压挖掘机铲斗开闭液压控制系统的作用是对液压挖掘机铲斗进行控制，基于原有的液压控制系统，借助具备良好性能的核心控制阀以及具备稳定节流性能的节流阀，将杆腔次级压力阀安设在相应的位置，这样能够有效地保证在斗体开启的过程中会形成一定的能力，随之加以利用，降低系统功率的输出，实现节能的目的。其次，可以安设利用带有固定节流口的单向节流阀，铲斗在各种情况下都可以在最短的时间内完成闭斗。再次，将有杆腔次级压力阀安设在开闭斗的油缸内，能够对整个系统结构起到保护的作用，设计系统有效地促进了液压挖掘液压系统的运行效率，适合大范围加以使用。

图1 矿用液压挖掘机铲斗开闭液压控制系统