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      高空作業(yè)車支腿閥定制開發(fā)研究

      2021-07-12 05:23:46CHENLei
      建筑機(jī)械化 2021年6期
      關(guān)鍵詞:回油高空作業(yè)支腿

      陳 磊/CHEN Lei

      (徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司,江蘇 徐州 221004)

      高空作業(yè)車作為一種典型的臂架類載人舉高作業(yè)車輛,近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。整車技術(shù)特點(diǎn)快速向輕量化方向迭代改進(jìn)。行業(yè)主要特點(diǎn)為采用輕量化藍(lán)牌二類底盤作為改制平臺,整車重量的大幅下降極大地降低了整車售價,駕駛員C 照低要求和低售價門檻快速拓展了車載高空作業(yè)車應(yīng)用與普及。在市場競爭日趨激烈的市場環(huán)境下,整車成本控制要求使得液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加重視元件參數(shù)的匹配與模塊集成,在控制參數(shù)優(yōu)化方面做出更多的努力。

      1 支腿液壓回路技術(shù)分析

      高空作業(yè)車支腿液壓回路由支腿油缸、液壓鎖、支腿多路閥組成,結(jié)構(gòu)相對比較簡單。簡化模型如圖1(a)所示,油缸整體倒置,活塞桿與支腳盤雙軸鉸接觸地,缸筒頂端與車架支腿結(jié)構(gòu)鉸接承載整車重量。四支腿八油缸共用一聯(lián)換向閥,支腿多路閥換向聯(lián)控制支腿油缸伸出時,支承車架升高至底盤輪胎離地,以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)要求。

      實(shí)際作業(yè)過程中,操作者經(jīng)常將油缸完全伸出,此操作將導(dǎo)致油缸大腔殘存有系統(tǒng)溢流壓力的高壓。當(dāng)作業(yè)完畢回收支腿時,支腿多路閥換向聯(lián)控制支腿油缸回縮,容易因重力負(fù)載超速導(dǎo)致液壓鎖快速啟閉振蕩從而導(dǎo)致車架震顫,繼而影響車輛單支腿調(diào)整或回收作業(yè)的安全性,而且油缸大腔內(nèi)殘存的高壓則會加重液壓鎖振蕩問題。當(dāng)作業(yè)地面不平整時,有時需要對單個支腿進(jìn)行動作調(diào)整,需要換向聯(lián)在小流量工況下進(jìn)行微調(diào)回縮作業(yè),此時液壓鎖振蕩問題更會增加微調(diào)難度,繼而影響作業(yè)效率與支腿調(diào)平精度。針對油缸運(yùn)動振動問題,擬從回路液阻匹配角度來尋求穩(wěn)定控制的優(yōu)化方法。

      為平衡重力負(fù)載一般教科書或培訓(xùn)教材提供的方法為在系統(tǒng)回路中增加固定液阻,即在液壓鎖與油缸之間增加單向節(jié)流閥[1],該方法基本原理如圖1(b)所示。此方法在額定流量下可通過節(jié)流插件或管式單向節(jié)流閥對負(fù)載和固定流量產(chǎn)生平衡阻尼,能較好地抑制速度波動,但因節(jié)流孔為固定液阻,當(dāng)流量較小時,節(jié)流孔效果不佳。專用車整車尺寸緊湊,支腿空間狹小,難以加裝單向節(jié)流插件或布置管式單向節(jié)流閥。

      圖1 支腿回路模型原理圖

      為更好地滿足支腿微動回縮及兼顧安裝空間與成本各方面的要求,需對系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行建模并匹配合理的回路液阻。主要技術(shù)方案為在三位六通換向閥垂直支腿油缸無桿腔回油路上設(shè)計(jì)節(jié)流槽,達(dá)到較好的運(yùn)動速度控制特性。

      2 支腿液壓回路物理建模分析

      中小米數(shù)高空作業(yè)整車質(zhì)量一般不超過6t,作業(yè)高度一般不超過22m,本文以典型作業(yè)高度21m 型號GKS21 高空作業(yè)車支腿為建模對象。垂直支腿油缸尺寸為?80×?56×800mm,支腿回路單支腿額定流量為16Lpm,單垂直腿負(fù)載質(zhì)量為1·5t。通過Amesim 液壓系統(tǒng)模塊、HCD 模塊和機(jī)械及信號模塊等對其進(jìn)行物理建模。其中負(fù)載簡化為1·5t 質(zhì)量塊,雙向液壓鎖采用HCD液壓元件庫建模,三位六通換向閥先使用液壓系統(tǒng)模塊進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)。支腿液壓回路物理建模示意圖如圖2 所示,模型具體要點(diǎn)如下:①單向閥HCD 模型設(shè)計(jì)通徑為6mm,額定流量為40Lpm,閥芯彈簧腔控制節(jié)流阻尼不能過小,會引起增壓和堵塞等問題,本模型設(shè)置為?1mm;②換向閥模型額定流量為16Lpm,A 至T面積梯度為線性增加,小行程節(jié)流效果較強(qiáng),與實(shí)際換向閥設(shè)計(jì)模型有偏差,可通過HCD 模型進(jìn)行更為精確的仿真分析。

      圖2 支腿液壓回路物理建模

      通過運(yùn)行物理模型,設(shè)置不同的支腿多路閥無桿腔節(jié)流梯度阻尼,得出優(yōu)化支腿油缸穩(wěn)定回縮的對應(yīng)多路閥節(jié)流液阻。如圖3 所示,當(dāng)換向閥回油背壓設(shè)定為10bar@16Lpm 時,支腿回路從油缸全伸極限位置回縮,支腿速度波動幅值小于10%。此速度小幅波動主要是因?yàn)橹扔透谉o桿腔伸出至極限位導(dǎo)致憋壓時產(chǎn)生殘余高壓,無桿腔殘余高壓瞬間釋放沖擊與油缸油液彈簧共同作用導(dǎo)致振動。

      圖3 支腿油缸回縮速度波動

      3 回油節(jié)流阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

      高空作業(yè)車支腿一般為四支腿,四支腿共用一聯(lián)換向閥。支腿多路閥通過四聯(lián)選擇閥操作可四支腿同時伸出或回縮,也可以單獨(dú)動作。支腿多路閥額定流量約60Lpm,三位六通換向閥閥芯直徑約為20mm,擬定換向聯(lián)閥芯對應(yīng)油缸無桿回油節(jié)流槽數(shù)為4 條,此布置既保證換向閥受力平衡,又能降低小面積節(jié)流槽加工制造難度。因垂直支腿油缸伸出時負(fù)載值較小約為2·5MPa,通過優(yōu)化入口旁路節(jié)流可達(dá)到入口流量近似線性增加。

      參照圖2 模型仿真數(shù)據(jù),對多路閥換向聯(lián)油缸無桿回油節(jié)流槽建模,如圖4 所示。該模型主要思路為兼顧考慮加工工藝難度和經(jīng)濟(jì)性以及近似等效回油節(jié)流效果。通過設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證可知,較高的回油節(jié)流壓力可提升系統(tǒng)穩(wěn)定性,故換向閥回油節(jié)流全行程在入口流量線性增加的前提下保證全行程壓力大于10bar 即可。該模型設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

      圖4 回油節(jié)流HCD模型

      1)回油節(jié)流槽采用簡單的圓柱銑刀直線或傾斜加工,此模型采用R1 和R1·5 兩種圓柱銑刀組合加工,采用較小的圓柱銑刀可使節(jié)流面的面積增益在圓柱部分較小且可控。

      2)為獲取線性面積增益可采用槽底深度線性增加的方法,具體加工時可使用夾具定位換向閥芯傾斜一定角度進(jìn)行加工,方法簡單可靠。

      3)回油節(jié)流通道單區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格數(shù)應(yīng)盡可能地密集,計(jì)算推薦網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)不小于1 000,否則易導(dǎo)致計(jì)算等效面積出現(xiàn)較大偏差。

      4)計(jì)算等效面積是封閉曲面通道簡化計(jì)算的模型,最終輸出的結(jié)果為等效面積,與實(shí)際測試結(jié)果存在一定的偏差。

      5)因起始壓力沖擊較高,實(shí)際測試時開啟回油節(jié)流壓力較小,一般為實(shí)際模型有相關(guān)卸荷槽緩沖起始沖擊,故模型并聯(lián)增加起始位為微小卸荷槽進(jìn)行修正。

      運(yùn)行模型的過流面積與回油節(jié)流壓力如圖5所示,最大過流面積約為19mm2,最小回油節(jié)流壓力在對應(yīng)的線性流量點(diǎn)約為10bar,最大換向位行程時工作流量為60Lpm。支腿多路換向閥典型工作流量一般為最大換向位60Lpm 和微動換向位5Lpm,故此閥芯模型設(shè)計(jì)可滿足支腿油缸在重力負(fù)載下回縮的操控需求,并且能很好平衡抑制重力負(fù)載導(dǎo)致的液控單向閥啟閉振動。

      圖5 回油節(jié)流壓力及過流面積

      4 結(jié)語

      通過以上設(shè)計(jì)分析基本實(shí)現(xiàn)了在換向閥上集成節(jié)流控制的目標(biāo),使液壓系統(tǒng)無需使用額外的單向節(jié)流元件或者更為復(fù)雜的平衡閥就實(shí)現(xiàn)了負(fù)載運(yùn)動速度控制。實(shí)際應(yīng)用支腿多路閥如圖6 所示,文中分析的換向節(jié)流具體應(yīng)用在該多路閥從右起第二聯(lián)。該支腿多路閥為專用車液壓系統(tǒng)定制開發(fā)的典型應(yīng)用,集成上下車油路選擇、四垂直支腿油缸和四水平支腿油缸一起或單獨(dú)換向、水平油缸鎖止、上下車電磁閥互鎖等功能。

      圖6 多功能支腿多路換向閥

      液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)對元件設(shè)計(jì)要求與元件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工存在一定的偏差,同時兼顧液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能與經(jīng)濟(jì)性對系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提出了更高的要求。僅僅將設(shè)計(jì)工作停留在單一的理想線性模型要求中無法經(jīng)濟(jì)合理的解決實(shí)際工程問題。合理的利用設(shè)計(jì)仿真計(jì)算工具能為系統(tǒng)工程師與元件工程師之間架起分析溝通的良好平臺,最終的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)還需在液壓試驗(yàn)臺上進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證。

      在此多路閥應(yīng)用中存在制造偏差問題,我們通過在系統(tǒng)中合理利用其他元件也能很好補(bǔ)償此類問題。例如在臂架舉高類液壓系統(tǒng)中為了防止管路因整車靜置管路漏空導(dǎo)致油液含氣量偏高問題,一般會在回油管路上增設(shè)背壓單向閥鎖止泄漏,此單向閥產(chǎn)生的開啟壓力和節(jié)流壓損約為3bar,此壓力也能起到很好的負(fù)載波動抑制和制造偏差補(bǔ)償效果。

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