挖掘机液压控制系统设计

引言

挖掘机在施工过程中，坡道作业是一项重大挑战。传统的挖掘机施工坡度为 25^∘～30^∘ ，最稳定作业坡度为 22^∘ ，无法满足地形复杂施工需求。针对该问题，传统方法采用的是降坡或修之字路的方法，该方法占地面积较大，对地表植被土体破坏程度较高，为后续的施工带来了安全风险。本文以设计挖掘机液压控制系统为中心，提高在陡坡环境作业下的安全性和稳定性。

1 挖掘机液压控制系统总体设计

1.1 系统组成

液压控制系统的组成主要包括液压泵、支腿装置、工作装置、控制器。液压泵主要作用是为系统提供动力油源，一般情况下会优先选择变量柱塞泵，并根据负载需求对输出流量进行调节控制，在该设计中配备了 2 台液压泵。工作装置主要设置在挖掘机上车，主要包括工作液压阀组、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸。液压泵需通过工作液压阀组向各油缸提供油，并控制伸缩动作。动臂油缸主要分为两部分，分别为左动臂油缸和右动臂油缸，两者对称位动臂提供驱动力。支腿装置主要设置在挖掘机下车，分别由支腿架阀组、支腿架油缸、支腿爪组成。液压泵通过支腿架法组向支腿架油缸提供油，并控制支腿爪的动作。支腿架油缸主要由支腿架后油缸、支腿架前油缸组成，前者主要是驱动支腿爪抬起和下压，后者主要用于调节直腿爪与挖掘机履带距离。各油缸都分左右设置，比如支腿架前油缸分为左前油缸和右前油缸，而支腿架后油缸又分为左后油缸和右后油缸。控制器是连接工作液压阀组和支退架阀组的控制端，主要作用是收集各种信息数据，并对控制信号进行输出，协调各装置的动作。

1.2 各装置连接关系

液压泵主要是由工作液压阀组和工作装置的动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸连接，并为其供油；此外，液压泵通过支腿架法组与支腿装置的支腿架油缸连接。控制器对各组件数据收集，并根据作业的需求，分别向工作液压阀组和支腿架阀组输出相应的信号，控制各油缸的动作。

2 关键部件设计

2.1 工作液压阀组

工作液压阀组主要由第一反比例溢流阀、第二反比溢流阀、斗杆主阀、动臂主阀、铲斗主阀构成。其中斗杆主阀、动臂主阀、铲斗主阀分别根据控制器信号控制斗杆油缸、动臂油缸、铲斗油缸的伸缩。第一反比例溢流阀分别设计在动壁油缸的小腔油路上，分别与进油口和动臂油缸小腔油路接通，与泄油口和油箱连接。控制器可根据对电流节的调节控制动臂油缸小腔的压力。第二，反比例溢流法设计在斗杆油缸的小腔油路上，进油口与斗杆油缸小腔油路连接，泄油口与油箱连接，控制器能够通过对电流值的调节控制阻感油缸小腔的压力。

2.2 支腿架阀组

支腿架阀组构成较为复杂，阀类种类较多，各阀类之间协同调整完成对支腿架油缸的控制。两位五通液控阀主要作用是对支腿架前油缸和后油缸的压力进行输入。其进油口 P 主要是由主阀备用连阀和液压泵供油路连接，回油口 T和油箱连接，工作油口与支架退前、后油缸的大小腔连接。同时，可通过对阀位的切换，对支腿架后油缸或前油缸的动作进行控制。先导控制油口 k，需要开关阀和先导油路连接，当开关阀通电时，将先导油压推向阀芯换向，随后切换供油的方向。第一比例阀和第二比例阀 : 进油口与先导油路连接，回油口和油箱连接，工作油口需要分别与主阀备用连阀左右阀芯连接并控制油口。控制器，可对两者的电流值进行调节，并控制支腿架油缸的供油量和方向。双向平衡阀 : 主要设置在两位五通液控阀工作油口和支腿架前后油缸之间，对油缸大小腔压力进行控制，并锁闭进出口油路，确保油缸状态的稳定。两位四通电磁换向阀 : 进油口与液压泵供油路连接，回油口与油箱连接，工作油口与支腿架后油缸大小腔连接，实现对支腿架后油缸活塞杆伸出的控制。其他部件主要为截止阀、手动两位三通换向阀。两位五通液控阀进油口与主阀备用连阀之间的油路需要设置截止阀和手动两位三通换向阀的油路，需根据支腿架油缸的动作，对进油和泄油通路进行设置。手动两位三通换向阀可对支腿架油缸和破碎锤的压力油输出进行控制，其中，破碎锤油路与两位五通液控阀共用主阀备用连阀。

2.3 采集组件

采集组件主要是由多个压力传感器组成。压力传感器可对动臂油缸、斗杆油缸、支腿架后油缸的大小腔压力进行收集，控制器可根据采集的压力数据对

决策进行控制。形成传感器。根据对各油缸活塞杆行程数据的收集，控制器根据获取实时位移量，对油缸动作进行精准调节控制。

3 系统工作原理

3.1 陡坡爬坡作业

挖掘机在进行陡坡爬坡工作循环过程中，控制器依次输出第一信号、第三信号、第二信号、第四信号，各型号分别对应着不同装置的动作。第一信号 :出道工作液压阀组，控制铲斗油缸缩回、动臂油缸和斗杆油缸伸出，并控制铲斗插入地面，为挖掘机提供爬坡支撑点。第三信号 : 将信号传至支腿架阀组，通过支腿加油缸驱动支腿爪抬升，防止直腿爪在爬坡过程中与地面形成摩擦阻碍。第二信号 : 传至工作液压阀组，并控制动臂油缸和斗杆油缸缩回，并向工作装置提供爬坡助推力。第四信号 : 主要传送至支腿架阀组，并驱动支腿爪下压地面，减少挖掘机接地比压，提高挖掘机工作稳定性，从而完成一个工作循环。根据以上工作循环，可顺利实现持续爬坡。

3.2 驻坡挖掘作业

在爬坡过程中，挖掘机到达工作地点且控制器输出第四信号后，可进入下一项主坡挖掘作业。此刻，支腿装置区继续下压地面，减少接地比压，为挖掘机作业提供稳定性。

3.3 紧急制动

一旦发生紧急状况，操作人员需启动紧急制动按钮，此刻，控制器可将紧急信号传至支腿架阀组。两位五通液控制阀转换为控制具体架前油缸动作的阀位，两位四通电磁转换向阀接通，支腿加前后右缸活塞杆伸出，支腿爪向地面下压，减少接地比压，提高稳定性后，方可实行紧急制动。

4 系统优势

该系统提高了爬坡与柱坡的能力。借助工作装置，提高助推力和支腿装置调节接地比压，完成 35^∘ 以下坡道的爬坡与主坡作业，与传统挖掘机相比，打破了坡度限制。其次，提高了挖掘机工作适应性。腿爪下压，地面可减少地压比，主要适用于松软湿滑的地表，同时，减少了对地表与植被的破坏，具有较高的环保性，符合绿色可持续施工需求。最后，该系统安全性能较高，能够借助精准控制和紧急制动功能，提高挖掘机在陡坡作业中的安全。

结束语

新型设计的挖掘机，液压控制系统可根据合理的结构组成和精准的控制逻辑完成 35°以下坡道的爬坡和驻坡作业，极大提高了挖掘机的工作范围。该系统在确保挖掘机作业的安全性同时，更加注重环保性，减少对周围施工环境的破坏，体现了该系统绿色可持续发展理念。

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