CN101858091A - 地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，包括转向油泵、转向多路阀、工作油泵、工作多路阀、先导阀，先导阀与工作多路阀之间设有多条控制油路，转向油泵的出口油路与转向多路阀的进口油路连接，转向多路阀的中路出口油路与工作油泵的出口油路合为一条油路与工作多路阀的进口油路连接；转向多路阀的中路出口油路或工作油泵的出口油路设有泄压旁路，泄压旁路上设有液控两位两通阀，可以实现地下铲运机工作机构按照作业需要自动选择单泵供油状态或双泵供油状态。能够提升地下铲运机定量泵液压系统的能量利用率，提高地下铲运机设备完好率。

Description

地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统

技术领域

本发明涉及一种地下铲运机工作机构的液压控制系统，尤其涉及一种地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统。

背景技术

液压系统是地下铲运机的关键系统之一，其性能的好坏直接影响铲运机整机的可靠性和综合性能指标。

现有技术中的地下铲运机的液压系统有定量泵液压系统与变量泵液压系统。定量泵液压系统与变量泵液压系统相比，系统简单、成本低、使用可靠、维护方便，对油液清洁度要求不是很苛刻，适应性强，能够适应井下的恶劣环境，因此在地下矿山采矿设备中得到了广泛的应用。

现有技术中，在地下铲运机的铲取工况，铲斗铲装是铲运机工作循环中最紧迫、最重要的部分。这时发动机全速运转，以使底盘液力变矩器可有最大的力矩输出，并通过传动系统将扭矩放大后来驱动4个轮胎，产生强大的驱动力，来使铲运机铲斗克服矿石料堆阻力，插入料堆。由于随着铲斗斗刃的不断插入，在斗刃前方会产生压缩密实核，阻碍铲斗的进一步插入，使得铲斗插入困难。特别是地下金属矿山，矿石料堆的阻力更大，如果此时铲斗不上下撬动的话，铲斗插入深度往往不够，使得铲斗不能一次装满，还得让铲斗第二次、甚至第三次插入料堆，才能完成铲斗装满，这样不仅造成铲取时间延长，生产效率降低，同时铲运机多铲取一次，就多一次严重磨损，因为此时发动机全速运转，铲运机前车架、后车架、副车架、铲斗、动臂、摇臂、连杆、底盘传动系统(包括发动机、液力变矩器、变速箱、前后驱动桥、传动轴、轮胎等)、各铰接处(包括销孔、销轴)，液压传动系统(包括工作油泵、转向油泵、工作多路阀、转斗油缸、举升油缸、液压管路等)，都是受力很大的时候，铲运机最大的磨损，甚至铲运机上传动件损坏、结构件焊缝撕裂往往发生在这个时候。

因此，为了提高地下铲运机铲取一次装满率，在实际操纵地下铲运机铲取矿石过程中，铲运机操作者通常通过不断来回扳动铲斗转斗操纵手柄，使铲斗上下小幅摆动，产生铲斗斗刃的上下撬动作用(有时还要同时配合动臂小幅提升，来提高前轮附着力)，通过操纵铲运机边插入料堆边让铲斗斗刃上下撬动，来使铲斗不断破坏掉硬核，减小铲斗插入阻力，使其顺利插入到足够深度，然后操纵转斗手柄使铲斗收斗，实现一次插入就装满铲斗，提高装载效率。

但是，铲斗斗刃上下撬动量(包括动臂提升量)都比较小，此时需要的液压流量也较小，但是为了产生很大的牵引力发动机需要接近全速运转，此时定量泵液压系统输出的流量是接近最大的，由于铲斗插入料堆后斗刃上下撬动阻力很大，铲斗工作液压系统油压接近额定工作油压，此时液压取用功率约占到发动机总输出功率的50％，但由于铲斗撬动量比较小，仅有一小部分液压能量用于铲斗撬动所需要的能量，绝大部分能量都从液压阀溢流，变成了热量损失，使得液压系统油温升高，使液压密封件、液压油等寿命降低。为了防止液压系统油温过高，还需要加大散热功率，这样一方面增加了燃油消耗，另一方面占用了发动机的功率，使得发动机用于底盘驱动的功率进一步减少，导致牵引力和插入力减少。插入力减少又需要多次铲取才能装满铲斗，这又进一步加剧了液压系统发热，造成了恶性循环。

上述现有技术至少存在以下缺点：

采用定量液压泵的地下铲运机面临两难的境地，铲装时不使用铲斗撬动料堆，插入阻力太大，铲斗难于插入足够深度，使得发动机全速运转也难于一次装满矿石；而使用铲斗撬动料堆，由于液压系统的功率占用较大，又会使发动机输出给底盘牵引系统的功率减少较多，使铲斗的插入力减少较大，插入力减少可达20％以上，同样影响铲斗一次装满。致使地下铲运机的故障率较高、设备完好率较低、使用成本较高、液压系统油温较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，该系统能够提升地下铲运机定量泵液压系统的能量利用率，解决铲斗撬动过程中能耗过高问题，减少液压系统发热，能够减少液压系统故障、提高底盘在铲取时的牵引力、提高铲斗一次铲取装满率、提高生产效率、降低出矿成本、提高地下铲运机设备完好率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，包括转向油泵、转向多路阀、工作油泵、工作多路阀、先导阀，所述先导阀与所述工作多路阀之间设有多条控制油路，所述的转向油泵的出口油路与所述转向多路阀的进口油路连接，所述转向多路阀的中路出口油路与所述工作油泵的出口油路合为一条油路与所述工作多路阀的进口油路连接；

所述转向多路阀的中路出口油路或所述工作油泵的出口油路设有泄压旁路，所述泄压旁路上设有液控两位两通阀，所述转向多路阀的中路出口油路与所述工作油泵的出口油路之间设有第五单向阀；

所述液控两位两通阀为常开阀，其液控口与所述先导阀的多条控制油路分别连通，当所述控制油路的压力高于设定的阈值时，所述液控两位两通阀换向，使所述泄压旁路断开。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，由于在常规地下铲运机工作机构液压系统基础上增加液控两位两通阀及其切换控制油路，实现了地下铲运机工作机构按照作业需要自动选择单泵供油状态或双泵供油状态。能够提升地下铲运机定量泵液压系统的能量利用率，解决铲斗撬动过程中能耗过高问题，减少液压系统发热，能够减少液压系统故障、提高底盘在铲取时的牵引力、提高铲斗一次铲取装满率、提高生产效率、降低出矿成本、提高地下铲运机设备完好率。

附图说明

图1为本发明地下铲运机工作机构液压系统(工作油泵卸荷方案)的原理图；

图2为本发明地下铲运机工作机构液压系统(转向油泵卸荷方案)的原理图；

图3为本发明中发动机与变矩器共同工作输入特性曲线(起动工况)。

图中：1～5.单向阀，6.液控两位两通阀，7～9.节流阀，10.工作油泵，11.回油滤油器，12.制动油泵，13.转向油泵，14.转向多路阀，15.转向油缸，16.工作多路阀，17.举升油缸，18.转斗油缸，19.先导阀。

具体实施方式

本发明的地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，其较佳的具体实施方式是：

包括转向油泵、转向多路阀、工作油泵、工作多路阀、先导阀，所述先导阀与所述工作多路阀之间设有多条控制油路，所述的转向油泵的出口油路与所述转向多路阀的进口油路连接，所述转向多路阀的中路出口油路与所述工作油泵的出口油路合为一条油路与所述工作多路阀的进口油路连接；

所述转向多路阀的中路出口油路或所述工作油泵的出口油路设有泄压旁路，所述泄压旁路上设有液控两位两通阀，所述转向多路阀的中路出口油路与所述工作油泵的出口油路之间设有第五单向阀；

所述液控两位两通阀为常开阀，其液控口与所述先导阀的多条控制油路分别连通，当所述控制油路的压力高于设定的阈值时，所述液控两位两通阀换向，使所述泄压旁路断开。

所述先导阀的多条控制油路与所述液控两位两通阀的液控口之间分别设有单独的单向阀。具体所述先导阀与所述工作多路阀之间可以设有4条控制油路，分别为：

动臂举升控制油路、动臂降落控制油路、铲斗卸料控制油路、铲斗收斗控制油路，4条控制油路与所述液控两位两通阀的液控口之间分别设有第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀。

所述动臂举升控制油路和动臂降落控制油路汇合后与所述液控两位两通阀的液控口之间可以设有第一节流阀；

所述铲斗卸料控制油路和铲斗收斗控制油路汇合后与所述液控两位两通阀的液控口之间可以设有第二节流阀。

所述液控两位两通阀的液控口可以设有泄压管路，所述泄压管路上可以设有第三节流阀。

本发明在常规地下铲运机工作机构液压系统基础上增加液控两位两通阀及其切换控制油路，实现了地下铲运机工作机构按照作业需要自动选择单泵供油状态或双泵供油状态，具有如下优点和效果：

1、实现了地下铲运机工作机构按照作业需要自动选择单泵供油或双泵供油。在单泵供油时，仅该油泵给工作机构供油，另一油泵卸荷，以减少液压系统消耗的发动机功率，节约下来的功率可以加大铲运机底盘牵引力，提高铲斗插入力，提高铲装效率，大幅提高铲运机一次铲取装满率，提高生产能力，增加出矿效率，减少司机操作疲劳，同时减少燃油消耗(对于柴油铲运机)或电力消耗(对于电动铲运机)，节约能源，降低使用成本，减少井下尾气污染，改善井下作业条件；在双泵供油时，两个油泵同时给工作机构供油，可以加快工作机构的动作速度，提高铲运机作业效率。

2、液控两位两通阀的切换由工作机构液压多路阀的先导操纵压力油经节流阀节流后来控制，通过先导操纵油压引入到控制回路，将操作者的操作意图反映进来，然后再控制液压油泵合流与否，达到既实现节能效果，又满足工作机构动作快速性要求，特别是满足铲运机铲装工况要求，实现高效装载。

3、通过分别调节3个节流阀节流口的大小，来实现对举升先导操纵油路与转斗先导操纵油路的分别调整，来适应这两种先导操纵油压可能的不相同及切换点压力要求的不同。

4、由于大幅提高了一次装满率，缩短了总的铲取时间，减少设备在极端高应力下的工作时间，减少铲运机机械零部件的高应力疲劳破坏机会，延长铲运机使用寿命，提高设备完好率，减少停机时间，降低维修费用。比如轮胎的磨损就占到出矿成本20％左右，而铲取时巨大的插入阻力，又往往造成轮胎打滑，此时轮胎磨损最严重，有时轮胎上橡胶会被成块切割下来，显著增加生产成本。

5、减少液压系统发热量，减少液压系统的散热功率(包括风扇功率)和散热面积，一方面可以节省燃料，另一方面可降低设备制造成本。由于液压系统发热减少，可使液压元件(包括：液压泵、液压阀、液压橡胶管总成、特别是液压密封件、液压油)的寿命大大延长。降低故障率，减少维护费用。

6、由于铲斗撬动功率大幅减少，铲运机发动机与变矩器匹配位置可以改变，可以采用特性较硬的液力变矩器，这样的液力变矩器的高效区更宽，效率更高，与该铲运机工作机构液压回路配合后能更好地兼顾铲取和运输两种工况，由此可提高底盘传动系统效率，提高坡道上运输的能力，提高爬坡速度，增加生产效率，降低燃油消耗，减少尾气污染。

7、液控两位两通阀将一台油泵输出的液压油不经工作多路阀中位直接通回油箱，还可以减少工作多路阀合流后的中位回油压力损失，进一步减少液压系统的发热量，节约能源。

下面通过具体实施例并结合对本发明作进一步的说明：

本发明涉及一种地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，该地下铲运机工作机构液压系统具有单泵和双泵两种供油状态，通过选用不同的油泵构成单泵供油回路，可以组成两种方案的地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，如图1和图2所示：

其中图1所示的方案为以转向油泵作为单泵供油油泵，图2所示的方案为以工作油泵作为单泵供油油泵，这两种方案主要考虑到转向油泵与工作油泵一般排量不相同，可根据工作机构在单泵供油时要求达到的运动速度，来选择究竟采用哪个油泵作为单泵供油油泵。由于这两种方案的原理是相同的，下面以图1方案为例来作说明：

图1中，从转向油泵13输出的液压油，首先接到转向多路阀14的进油口，给转向液压回路供油，操纵转向多路阀14可控制通往转向油缸15的液压流量，使转向油缸15产生伸缩动作，实现铲运机铰接转向。当转向多路阀14不操纵时，该阀阀芯处于中位位置，此时来自转向油泵13的液压油经转向多路阀14中位机能直接通到工作多路阀16的进油口，给工作机构液压回路供油。一般情况下地下铲运机工作机构动作时不转向，转向时工作机构不动作，因此转向油泵13能够为工作机构液压回路可靠供油。

先导阀19用来操纵控制工作多路阀16，使得转斗油缸18或举升油缸17动作，实现铲运机工作机构的操作控制。先导阀19的操纵手柄一般位于司机的右侧，将该操纵手柄向右扳动，先导阀19油口a输出先导操纵油压，使动臂举升；将该操纵手柄向左扳动，先导阀19油口b输出先导操纵油压，使动臂降落；将该操纵手柄向前推动，先导阀19油口c输出先导操纵油压，使铲斗卸料；将该操纵手柄向后扳动，先导阀19油口d输出先导操纵油压，使铲斗收斗。另外，该先导阀19各油口输出油压与其操纵手柄扳动角度成比例，扳动角度越大，输出油压越高，对应工作多路阀16输出流量越大，工作机构动作速度越快。

从工作油泵10输出的液压油，可有两条通路，一路通往单向阀5，另一路通往液控两位两通阀6。液控两位两通阀6的切换与否由其控制油口e的控制油压来决定，当控制油压小于调定的切换压力时，液控两位两通阀6处于初始位置，当控制油压大于调定的切换压力时，液控两位两通阀6处于切换位置，该调定的切换压力可以根据需要进行调节。

当液控两位两通阀6在初始位置时，该阀进出油口连通，工作油泵10输出的液压油经液控两位两通阀6直接流回油箱，这时工作油泵10不能与转向油泵13合流，处于卸荷状态。此时工作机构仅由转向油泵13供油，处于单泵供油状态。此状态对于工作机构的中低速动作，特别是在大负载情况下的中低速动作，例如铲斗撬动插入工况，这时具有显著的节能效果，节省的功率可用于加大铲运机底盘驱动力，提高铲斗的插入力，提高一次插入的铲斗装满率，提高铲装效率，并减少液压系统的发热量。

当液控两位两通阀6在切换位置时，该阀进出油口不通，工作油泵10输出的液压油经单向阀5与来自转向油泵13的液压油合流，一起为工作机构供油，从而处于双泵供油状态。此状态可实现工作机构的快速动作，提高地下铲运机的作业效率。

以载重10吨的KCY-4地下铲运机为例，该机发动机为康明斯QSL9C250，额定功率186kW、额定转速2000r/min，变矩器为Dana C5502。铲运机插入铲取时，基本处于起动工况，此时变矩器涡轮与泵轮转速比i≈0。

单泵供油状态和双泵供油状态的发动机与变矩器共同工作输入特性曲线(起动工况)如图3所示：

其中，曲线1为单泵供油状态且工作机构油压达到额定压力时发动机输出给液力变矩器泵轮的扭矩曲线，曲线2为双泵供油状态且工作机构油压达到额定压力时发动机输出给液力变矩器泵轮的扭矩曲线，曲线3为液力变矩器泵轮处于失速工况时的输入特性曲线，A点为曲线1与曲线3的交点，B点为曲线2与曲线3的交点，A点、B点为两种供油状态下发动机与变矩器共同工作的工况点。其中A点对应的扭矩比B点对应的扭矩大20％以上，相应地铲运机牵引力也大20％以上，可见单泵供油状态铲运机可有更大的牵引力。

液控两位两通阀6的切换由先导阀19输出的先导操纵油压来控制，当操纵先导阀19使得油口c或油口d有先导操纵油压输出时，该先导操纵压力油可经过单向阀1或单向阀2，流经节流阀8后，进入液控两位两通阀6的控制腔并作用到该阀的阀芯端面上。当阀芯端面作用的液压力小于阀芯另一端的弹簧弹力时，液控两位两通阀6保持在初始位置，工作油泵10卸荷，系统处于单泵供油状态；当阀芯端面作用的液压力大于阀芯另一端的弹簧弹力时，液控两位两通阀6切换，系统进入双泵供油状态。当先导阀19回到中位时，先导阀19此时无先导操纵油压输出，液控两位两通阀6控制腔的压力油通过节流阀9流回油箱，液控两位两通阀6的阀芯在弹簧力的作用下切换回到初始位置，工作油泵10重又回到卸荷状态。

同样，当操纵先导阀19使得油口a或油口b有先导操纵油压输出时，该先导操纵压力油可经过单向阀4或单向阀3，流经节流阀7后，进入液控两位两通阀6的控制腔并作用到该阀的阀芯端面上。液控两位两通阀6在该液压力作用下的工作情况与上述说明相同。由于先导阀19输出的用于控制动臂举升和铲斗转斗的先导油压有可能存在差别，所以在控制油路上分别设置了节流阀7和节流阀8，用来分别调节作用在液控两位两通阀6上的控制油压大小和控制流量大小，使得动臂举升和铲斗转斗两种操纵可以对应不同的切换点压力，满足动臂举升和铲斗转斗之间存在的不同要求。

一般来说，要使铲运机工作机构动作慢，手柄扳动角度就要小，要使工作机构动作快，手柄扳动角度就要大。于此相对应，当手柄扳动角度小时，控制油压较低，不足以推动液控两位两通阀6的阀芯，液控两位两通阀6处在初始位置，工作油泵10卸荷，这时只有单个油泵供油，可以满足工作机构中低速动作要求，减少液压所占用的发动机功率，并减少液压系统发热。当手柄扳动角度接近最大时，较大的控制油压使液控两位两通阀6处在切换位置，工作油泵10与转向油泵合流给工作机构供油，使得工作机构可以快速动作，提高作业效率。

单向阀1、单向阀2、单向阀3、单向阀4的作用是使先导阀19输出的4条控制油路既能通到液控两位两通阀6实现控制作用，又要使这4条控制油路相互隔离，互不干扰。

节流阀7、节流阀8、节流阀9的作用是，通过分别调节这3个节流阀的大小，产生不同的节流分压效果，来实现对举升先导操纵油路与转斗先导操纵油路的分别调整，来适应这两种先导操纵油压可能存在的不相同及切换点压力要求的不同。

通过将先导操纵油压经过单向阀及节流阀分压后引入到控制回路，将操作者的操作意图反映进来，从而决定液压油泵是否合流，达到既实现节能效果，又满足工作机构动作快速性要求，特别是满足铲运机铲装工况要求，使得液压系统在撬动插入铲装时不过多占用发动机功率，节省下来的发动机功率可用于加大铲运机底盘牵引力和插入力，实现高效装载。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，包括转向油泵、转向多路阀、工作油泵、工作多路阀、先导阀，所述先导阀与所述工作多路阀之间设有多条控制油路，所述的转向油泵的出口油路与所述转向多路阀的进口油路连接，其特征在于，所述转向多路阀的中路出口油路与所述工作油泵的出口油路合为一条油路与所述工作多路阀的进口油路连接；

所述转向多路阀的中路出口油路或所述工作油泵的出口油路设有泄压旁路，所述泄压旁路上设有液控两位两通阀，所述转向多路阀的中路出口油路与所述工作油泵的出口油路之间设有第五单向阀；

所述液控两位两通阀为常开阀，其液控口与所述先导阀的多条控制油路分别连通，当所述控制油路的压力高于设定的阈值时，所述液控两位两通阀换向，使所述泄压旁路断开。

2.根据权利要求1所述的地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，其特征在于，所述先导阀的多条控制油路与所述液控两位两通阀的液控口之间分别设有单独的单向阀。

3.根据权利要求2所述的地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，其特征在于，所述先导阀与所述工作多路阀之间设有4条控制油路，分别为：

动臂举升控制油路、动臂降落控制油路、铲斗卸料控制油路、铲斗收斗控制油路，4条控制油路与所述液控两位两通阀的液控口之间分别设有第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀。

4.根据权利要求3所述的地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，其特征在于，所述动臂举升控制油路和动臂降落控制油路汇合后与所述液控两位两通阀的液控口之间设有第一节流阀；

所述铲斗卸料控制油路和铲斗收斗控制油路汇合后与所述液控两位两通阀的液控口之间设有第二节流阀。

5.根据权利要求4所述的地下铲运机工作机构的定量泵液压控制系统，其特征在于，所述液控两位两通阀的液控口设有泄压管路，所述泄压管路上设有第三节流阀。

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