除雪車前置推鏟浮動控制設(shè)計

陳泳松，郭丙鋒

（中國重汽集團柳州運力專用汽車有限公司，廣西 柳州545112）

0 引言

每年在我國的北方地區(qū)，都會普遍降雪，尤其是近幾年，極端天氣頻現(xiàn)，時常出現(xiàn)大雪甚至暴雪，同時降雪區(qū)域開始向南擴散。越來越多的前置推雪鏟的除雪車作為應(yīng)急救援設(shè)備被用于機場及城市道路等各個地方的除雪作業(yè)。前置推雪鏟的除雪車通過推雪鏟機械性的鏟除積雪，高效、快捷。為了使設(shè)備能適應(yīng)更多的掃雪場景，前置的屬具需要具備有一定的避障能力，既需要使推鏟在遇到凸起時跳過障礙，也需要使推鏟遇到下坡及凹坑時能緊貼地表，保持足夠的除凈度。

目前，前置推雪鏟的避障方式主要有兩種，一種為機械式的彈簧控制，主要是讓推雪鏟的鏟具與連接架通過鉸接的方式安裝，使鏟具與連接架間在遇到障礙物時能夠通過轉(zhuǎn)動避讓障礙物，同時在鏟具背部使用彈簧與連接架連接，使得鏟具在避讓障礙物后自動回位（如圖1所示）。這種方式的缺點是在作業(yè)時，前置推鏟的全部重量會通過鏟刃與地面的支撐達(dá)到平衡，容易導(dǎo)致推雪鏟作用在地面的力過大，從而在作業(yè)時損害路面。本文所設(shè)計的除雪車前置推雪鏟通過浮動控制的方式使鏟刃與地面的接觸力可控，同時能使推鏟與地面的始終保持接觸狀態(tài)，保證設(shè)備的除雪除凈度，克服上述方案所不可避免的缺點[1]。

圖1 機械避障推鏟示意圖

1 結(jié)構(gòu)組成

除雪車前置推鏟結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要是將推鏟支架3通過液壓油缸2與連接架1相連接，控制鏟刃的離地高度。同時液壓油缸的上下面均有銷軸形式連接的定位板，用于控制鏟刃在需求運動的幾個方向外的其他方向無法自由運動，使得整個推鏟能精準(zhǔn)調(diào)向。其中液壓油缸2安裝方式為有桿腔向上伸出，油缸受推雪鏟自重的影響，柱塞桿受到使之收回的力。

圖2 液壓控制避障推鏟示意圖

2 工作原理與液壓系統(tǒng)

2.1 工作原理

除雪車前置的推雪鏟的浮動功能主要是通過液壓系統(tǒng)控制提升屬具的油缸來實現(xiàn)功能。具體是推雪鏟與連接架連接后，推雪鏟通過油缸的伸縮來控制鏟刃的垂直方向的運動。而推鏟自重使油缸的有桿腔受力，從而液壓桿有收回的趨勢。而該液壓系統(tǒng)則通過調(diào)節(jié)回路總的溢流閥壓力，使得油缸無桿腔的油壓提供的支撐力小于平衡自重所需要的力，但是壓力油能平衡一部分推鏟自重，使得推鏟與地面的接觸力很小，達(dá)到保護道面的作用。液壓缸的無桿腔提供了一個相對低的壓力能保證推鏟時刻能夠在自重的作用下向下運動而接觸地面。當(dāng)前端推鏟遇到下坡或者凹坑而產(chǎn)生懸空狀態(tài)時，在自重的作用下推鏟會隨即下行運動至地面，保持貼地狀態(tài)。而當(dāng)前端遇上坡或凸起障礙時，推鏟大部分的重力作用于推鏟的鏟面，提升推鏟的油缸則有富余的提升力使推鏟提升，從而達(dá)到避障的目的及推鏟，最終實現(xiàn)推鏟的浮動作用[2]。

2.2 液壓系統(tǒng)

除雪車前置推鏟浮動控制主要通過實時控制油缸受力端的壓力，油缸保持托舉推鏟的力實現(xiàn)浮動控制的目的。液壓系統(tǒng)如圖3所示。其中：1為液壓油箱；2為液壓泵，提供系統(tǒng)所需要的壓力油：3為常開式液壓鎖，作為液壓系統(tǒng)的總閥，在電磁鐵不得電狀態(tài)下為打開狀態(tài)，壓力油直接回液壓油箱1，使得系統(tǒng)無法建立高壓，系統(tǒng)輸出最小，節(jié)省能源：4為溢流閥，在總閥關(guān)閉時，設(shè)定系統(tǒng)最高壓力，保護系統(tǒng)內(nèi)各液壓原件的。在非浮動狀態(tài)下，通過控制換向閥7，同時換向閥7任何一組電磁閥得電時，液壓鎖11同時得電，從而控制液壓油缸的伸出或收回，從而實現(xiàn)對推鏟的提升及放下操作。其中節(jié)流閥9、節(jié)流閥10起控制油路流量作用，用于控制液壓缸的動作速度。在浮動狀態(tài)開啟下，換向閥位于中位，即為液壓鎖8及液壓鎖11開啟，溢流閥6起作用，溢流閥6設(shè)置為一個壓力小于油缸由于受到前置推鏟自重所產(chǎn)生的壓力，使得推鏟即能因自重而下降，同時由于液壓系統(tǒng)產(chǎn)生部分將推鏟往上提升的力，推鏟實際作用到地面的力減小，從而有效保護作業(yè)所經(jīng)過的地面。因為溢流閥6為壓力可調(diào)，所以該系統(tǒng)裝配在不同大小的推鏟或其他屬具上時可以根據(jù)屬具的重量調(diào)節(jié)溢流壓力，達(dá)到適當(dāng)調(diào)節(jié)屬具適當(dāng)接地的狀態(tài)。在浮動開啟時，屬具遇到凸起障礙或凹坑時，油缸由于兩側(cè)壓力變化，產(chǎn)生壓差，從而向壓力相對小的一側(cè)運動，從而達(dá)到浮動調(diào)節(jié)的作用[3]。

圖3 液壓原理圖

3 設(shè)計驗證

試制樣車制造完成后，選擇在凹凸不平的路面進(jìn)行測試。以下是傳感器顯示的壓力測試結(jié)果[4]。

凸臺障礙測試：測試時，推雪鏟開至浮動動能，使推雪鏟接地。同時在舉升油缸的舉升壓力腔安裝壓力傳感器，用于檢測浮動動能開啟后舉升腔的壓力狀況。車輛以車速10 km/h的速度經(jīng)過100 mm凸起障礙路段時的壓油舉升油缸舉升壓力腔的壓力變化情況如圖4、5所示。

圖4 過不平路面時油缸舉升壓力腔的壓力變化情況

圖5 過有凹坑路面時油缸舉升壓力腔的壓力變化情況

結(jié)論：通過測試所的的傳感器數(shù)據(jù)可以看出，在推鏟遇到凸起障礙時，推鏟大部分重量承托于障礙，油缸的壓力腔壓力瞬間減小后恢復(fù)，油缸的支撐力未減小的情況下地面給推鏟的支撐力增加，此時推鏟根據(jù)地勢提升高度，使油缸壓力腔維持于系統(tǒng)設(shè)定值附近。同時當(dāng)推鏟遇到凹坑時，推鏟靠地面支撐的里減小或消失，此時油缸的力不足以支撐推鏟自重，所以推鏟會下降至與地面接觸位置，從而實現(xiàn)了推鏟的“貼地”功能，即浮動功能，從而驗證了該系統(tǒng)能達(dá)到設(shè)計所需要的功能。

4 主要性能特點

4.1 有效保護性

該液壓系統(tǒng)能使推鏟達(dá)到與地面保持相對穩(wěn)定的著地力，達(dá)到浮動的功效；能有效得保護地面，同時也可以在遇到凸起的障礙時有效保護鏟刃不被突然的沖擊而導(dǎo)致破壞，延長設(shè)備的使用壽命。

4.2 較高的可靠性

同時該系統(tǒng)使用的液壓原件為簡單的換向及調(diào)節(jié)原件，結(jié)構(gòu)簡單。所組成的液壓系統(tǒng)同樣簡潔并且高效，可以有效減小故障率，并且該液壓系統(tǒng)為中壓液壓系統(tǒng)，元器件的替換方便、快捷。能保證設(shè)備有較高的保障性能。

5 結(jié)論

除雪車前置推鏟使用以上液壓系統(tǒng)能實現(xiàn)在作業(yè)時浮動功能開啟狀態(tài)后的保持與地面接觸力幾乎不變的浮動狀態(tài)，能在設(shè)備除雪作業(yè)時有效保護地面。同時系統(tǒng)所使用的元器件常規(guī)且系統(tǒng)簡單，能有效保證系統(tǒng)作業(yè)時的穩(wěn)定性，提高作業(yè)效率。根據(jù)以上的測試情況可以知道，該系統(tǒng)方案能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計效果。