挖掘机液压控制系统分析

孙超  秦文裕

山重建机有限公司山东临沂276000

摘要：近年来，社会进步迅速，我国的机械行业建设的发展也有了改善。液压传动技术作为当前我国工程机械领域中应用较广泛的一项技术，不仅可以节省劳动力，还可以提高工程施工质量和加快施工进度。随着我国科学技术的飞速发展，不断优化工程机械技术，特别是使先进液压传动技术很好地融入工程机械当中，不仅能合理控制机械发动机运转功率，而且能有效提高工作任务量，推进了机械工业领域相关产业的科学化发展。此外，还可以在施工过程中实现节约能量的目的。本文论述了液压传动技术的多种应用技术手段，并分析了其在工程机械中的重要运用现状。

关键词：挖掘机；液压控制；系统分析

引言

随着社会经济飞速的发展，各个行业取得显著的进步，各个行业对挖掘机机械的应用逐渐普遍。[1]挖掘机，作为一种专门用来进行挖掘矿岩用的专用挖掘机械。它主要用途是用铲斗齿的刀刃来切削整个采场内部的矿岩并将其全部装入铲斗内，整个矿岩装满后即可通过提升回转带动起铲斗并通过回转完成挖掘目的。而液压动力挖掘机由于在液压动力装置和液压工作传动装置之间分别采用较为容积式的的液压动力传动，靠着对液体的流动压力更加能效地进行液压工作。

1液压传动的特点

液压传动相较于机械传动和电气传动，有着更加显著的优势。液压传动工作介质液压油的可压缩性对动态工作的液压系统来说影响较大，但对于动态性能要求不高，而仅考虑在稳态下工作的液压系统，一般可以不予考虑，所以可以依靠油液的连续流动进行传动。油液有较强的吸振能力，在油路上可以安装液压缓冲装置，避免因加工和装配误差引起的振动与撞击，使传动十分平稳，方便频繁地换向，所以其广泛地应用在要求传动平稳的工程机械上。在输出相同的功率条件下，液压传动比机械传动和电力传动的体积与质量可以缩小很多，所以其惯性小、工作动作灵敏，多用于液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器的场合。液压传动易于获得较大的力和转矩，可以广泛用于压制机、隧道掘进机和万吨轮船操舵机等。液压系统中安装了很多控制阀，必要时可起到安全保护作用，能自动防止过载，避免发生安全事故。采用液压传动，可以获得各种复杂的机械动作，如应用在仿形车床的液压仿形刀架和数控铣床的液压工作台上，可加工出各种形状的零件。当然液压传动也存在不少的缺点，如使用维护的要求较高、实现定比传动较困难、对使用环境的温度要求较高、不能远距离输送动力、液压油的纯净度要求高、发生故障不易检查等。所以在使用时要充分发挥其优点，尽量规避缺点。

2.液压挖掘机作原理

挖掘机的液压系统也是由许多基本回路构成，包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、行走限速回路、直线行走回路、节流调速回路等。将这些回路通过串并联，再添加一些辅助回路，就能构成复杂的挖掘机液压系统。[2]以一台单斗大型液压液力挖掘机来作为举例，单斗大型液压液力挖掘机主要是一台装有一只液力铲斗并同时采用一台液压液力传动系统进行液力挖掘装卸作业的一种机械。单斗反铲挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇臂、连杆、销轴等组成斗杆铰与动臂的一端连接，斗杆油缸控制斗杆和动臂的运动角度。斗杆油缸伸缩带动斗杆绕动臂上铰点运动。铲斗与斗杆一端以铰接方式连接，铲斗油缸伸缩运动时带动铲斗进行转动。

液压传动挖掘机系统可以细分为：机械动力系统、机械系统、液压传动系统、控制传动系统。液压传动挖掘机系统作为一个有机的整体，其机械性能的整体优劣不仅与内部工作传动装置内部机械以及零部件本身性能优劣有关，还与内部液压传动系统、控制器等系统设备性能优劣有关。

3挖掘机控制系统的研究

3.1正流量控制系统特性分析

在正流量控制系统中，驾驶者通过操纵挖掘机手柄来驱动与之相连的压力阀，压力阀输出的先导压力(或者是电压信号)分别和多路阀和主泵的变量机构相联通，使得操纵杆可以驱动多路阀的换向和主泵排量的变化。之所以称其为“正流量”，是因为操纵杆输出的先导压力越大，泵源的输出流量越大，最终泵源的流量再经过多路阀的调节来驱动相应的执行器。正流量控制方式是通过先导式的多路阀的调节作用来控制变量泵的排量，但是系统内梭阀组系统的结构十分复杂，因此会在一定程度上影响系统的响应速度。

3.2负流量控制系统特性分析

负流量控制在旁通油路上设置了一个节流阀，液压油在节流阀前后出现压差，这样就可以反馈到变量机构来调节泵的排量。当每条支路的六通多路阀的阀芯均处于中位时，液压油直接回到油箱中，控制油路的压力升高，以此来促使泵的排量减小。当控制先导压力使某个或多个六通阀阀芯移动时，与执行器相连的阀芯开口慢慢增大，与油箱相连的阀芯开口慢慢减小，最终停止在一个确定位置。这一过程中，随着控制油路压力逐渐减小，泵的排量反而会慢慢增大，因此，该系统被称为“负流量控制系统”。

3.3负载敏感系统特性分析

负载敏感技术主要针对的是液压执行系统的流量控制。回路主要包含三个部分:主泵系统、多路阀系统以及执行器系统。主泵系统能够接收执行器系统最大负载压力的反馈，最大负载压力是经过系统中的梭阀比较来获得，最终油泵输出相应的油源压力来满足最大负载压力，多路阀系统中各条支路的压力补偿阀能够自动补偿支路主控阀两端的压力差。负载敏感控制系统将保持主控制阀两端的压差稳定，其中值得注意的是该系统通过压力补偿将压差设置为期望值并进行自动控制和调节，压力调节的关键是压力补偿阀对节流阀两端压力的补偿，使其不受液压泵排量和负载压力的变化而产生较大的波动。在负载敏感控制系统中，压力补偿阀分布在液压系统中位置的不同，能够使得整个液压系统具有不同的控制特性，根据压力补偿阀分布在主控制阀的前后位置的不同，可以将负载敏感控制系统划分为阀前压力补偿系统(LS)和阀后压力补偿系统(LUDV)。

3.4阀前压力补偿阀系统

阀前压力补偿系统是负载敏感系统传统的压力补偿法，能够使各工作油口均可按主机构执行元件的要求，提供相应的流量，且保证执行机构的工作速度不受负载变化的影响。阀前补偿全负载敏感多路阀基于调速阀的工作原理。调速阀由定差减压阀和节流阀2部分组成。负载敏感阀中的压力补偿器相当于调速阀中的定差减压阀，比例换向阀可以控制阀的开口度，相当于调速阀中的节流阀。定差减压阀（压力补偿阀）位于主阀节流口之前，压力补偿阀弹簧腔测压力为该回路的负载压力，但是负载敏感泵的负载敏感阀引入的压力为该系统通过梭阀比较后的最大负载压力。

3.5线性与分段相结合控制策略

分段式控制策略在温度突变的情况下能快速响应，进入恒电流加大风扇的转速，能够应对散热器阻塞等外部情况造成的突发状况。线性控制策略能够缩短调节时间和超调量，并且能够解决分段式控制策略的控制滞后的缺点。因此本文采用温度变化在正常情况下线性控制策略，温度变化加速度超过一定范围内采用分段式控制策略的阶跃性特点的控制策略，提高散热系统在温度突变情况下的控制鲁棒性。

结语

挖掘机是人类开拓自然、改造自然的重要工具，且挖掘机行业是工程机械中最具代表性的子行业。因此，提高挖掘机的节能性和操纵性对工程机械的发展具有重要的意义。

[1]孙祥云，王卓群，付圣灵.一种矿用液压挖掘机铲斗开闭液压控制系统设计[J].中国新技术新产品，2020（01）：45-46.

[2]薛亚峰.负载独立流量分配多路阀三通压力补偿器仿真分析［J］.工矿自动化，2017，43（2）：71-74.

[3]李博.DWY3000型全液压轮斗挖掘机工艺及其适用性分析［J］.露天采矿技术，2016，31（8）：30-33．