MWD 型矿用挖掘机摇臂控制系统的优化研究

李世杰

（山西焦煤西山煤电官地矿， 山西 太原 030022）

引言

MWD 系列矿用液压挖掘机是一种广泛应用在煤矿上的大型挖掘机设备，在工作时主要依靠液压系统向摇臂控制液压缸供油，从而控制摇臂的上下运动，完成物料的装卸作业，矿用挖掘机的总体工作时间长、工作环境恶劣，对液压系统的功率消耗极大，系统发热量大，特别是挖掘机的摇臂液压控制系统采用多泵供油、阀外合流方式控制，导致摇臂在下降过程中存在冲击载荷大、摇臂调整速度慢的缺陷，不仅严重影响了挖掘机的使用寿命，而且也极大地影响了物料的装卸效率[1]。因此本文分析研究一种新的采用电磁比例控制阀的挖掘机液压控制系统。

1 采用电磁比例控制阀的摇臂液压控制系统结构与原理

针对传统的挖掘机液压控制系统所存在的缺陷，本文提出了新的基于能量回收的液压控制系统，该新的液压控制系统采用了全新的电磁比例溢流阀控制，当挖掘机的摇臂下降时，通过流量再生回路实现对能量的存储和转换，该新的采用比例溢流阀控制的能量再生回路的结构如图1 所示[2]，图中1 表示比例再生阀，2 表示常规溢流阀，3 表示单向阀，4表示主控阀。

图1 煤矿井下贯防水闸墙结构示意图

挖掘机的摇臂液压控制原理如图1-1 所示，在系统内设置有一个电磁比例再生阀，当挖掘机的摇臂在物料和自身重力作用下逐渐下降时，执行油缸无杆腔内的液压油通过电磁比例再生阀再流回到执行油缸的有杆腔内，其他油液则通过管路流回到油箱内。电磁比例再生阀的结构简图如1-2 所示，可以简化为两个相互关联的节流阀，通过控制电磁比例再生阀的阀口A 和阀口B 的开度大小即可实现对摇臂下降速度的调节。根据对挖掘机摇臂下降时的液压泵功率的测量，当采用电磁比例再生阀时[3]，通过重力作用将部分的液压油传输到执行油缸内，其功率比采用传统溢流阀情况下能够降低43%，因此可以看出能够显著降低挖掘机在作业时的功率消耗，特别是当挖掘机在长时间连续工作的情况下，节能效果显著。

2 采用电磁比例控制阀的摇臂液压控制系统控制下摇臂下降时的稳定性分析

为了验证该新型的液压控制系统对挖掘机摇臂工作时的稳定性的影响，本文以挖掘机在空载情况下摇臂下降时执行油缸的工作压力[4]为研究对象分别进行实验验证，为了确保验证结果的准确性，搭建了以WMD 为核心的实验验证平台，模拟挖掘机在空载下行时执行油缸的压力变化情况，设定挖掘机空载下行时自身重力为2.7 t，下降高度为4.7 m，传统液压控制系统下执行油缸的压力变化曲线如下页图2-1 所示，新的基于能量回收的液压控制系统下执行油缸的压力变化曲线如图2-2 所示。

图2 不同控制方式下挖掘机执行油缸压力变化情况

由图2-1 可知，在采用传统的液压控制系统下，随着挖掘机摇臂的下降，执行油缸无杆腔的压力基本无变化，待下降到位后由于突然的冲击作用导致系统压力突然增加，由稳定时的14.5 MPa，增加到16.1 MPa。而有杆腔的压力在整个工作过程中基本上不会变化，摇臂的整个下降时间约为37 s，周期较长，对挖掘机的作业效率产生了较大的影响，摇臂液压控制系统在冲击力的作用下不仅操作性下降，而且也会给系统内的各个元器件造成较大的损伤，降低液压系统的使用寿命。

由图2-2 可知，在采用新的基于能量回收的液压控制系统的作用下，挖掘机摇臂在下降时的时间约为20 s，比传统控制方式的下降时间降低了45.9%，在整个下降的过程中执行油缸无杆腔内的压力变化较为平稳，未出现显著的波动现象，有杆腔的压力变化趋势和无杆腔的压力变化趋势基本一致，这是由于在能量回收系统的作用下，将有杆腔的油液转移到无杆腔内，实现了降低能耗，提升系统平稳性，在整个下降过程中新的控制方式下的能量消耗比优化前降低了约17%。由此可见，采用新的液压控制系统能够在显著提升挖掘机作业效率的情况下还能降低系统的液压冲击，提升可操作性。

3 结论

1）液压控制系统采用了全新的电磁比例溢流阀控制，当挖掘机的摇臂下降时，通过流量再生回路，实现对能量的存储和转换，能够显著提升工作效率，降低能量消耗；

2）优化后挖掘机摇臂的下降时间比传统控制方式的下降时间降低了45.9%，能量消耗比优化前降低了约17%，且工作过程中的平稳性极高，显著提升了挖掘机的可操作性，提升了系统元件的使用寿命。