李維華

（泉州領(lǐng)泰科技有限公司，福建 泉州 362101）

0 前言

礦山破碎站廣泛用于砂石骨料加工、建筑垃圾回收以及尾礦治理等領(lǐng)域，集破碎、篩分、輸送等工藝于一體。破碎站輸送帶用于上料、轉(zhuǎn)運(yùn)以及輸送分選后的物料。為同時(shí)滿足道路運(yùn)輸?shù)某叽绾推扑檎据斔烷L(zhǎng)度要求，破碎站輸送帶一般設(shè)計(jì)為可折疊結(jié)構(gòu)，通過(guò)液壓平衡回路控制。平衡回路廣泛應(yīng)用于工程液壓中，主要起負(fù)載保持、平衡反向負(fù)載、抗沖擊等作用。

某型破碎站輸送帶在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了比較明顯的抖動(dòng)爬行現(xiàn)象，該文針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)破碎站輸送帶液壓平衡回路進(jìn)行研究，分析造成油缸振動(dòng)爬行現(xiàn)象的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，同時(shí)也為減輕其他平衡回路振動(dòng)現(xiàn)象提供一種參考。

1 輸送帶液壓油缸抖動(dòng)爬行故障主要影響因數(shù)

破碎站輸送帶的液壓平衡回路液壓原理圖如圖1所示。平衡閥在油缸不動(dòng)作時(shí)起負(fù)載保持作用，防止輸送帶因自重下落；油缸上升動(dòng)作時(shí)平衡閥旁通單向閥開(kāi)啟，壓力油進(jìn)入油缸有桿腔；油缸下落動(dòng)作時(shí)平衡閥產(chǎn)生節(jié)流背壓作用，抗衡負(fù)載保證油缸平穩(wěn)下降，減少振動(dòng)與沖擊。對(duì)該型破碎站輸送帶液壓平衡回路系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)：回油過(guò)濾器回油口未處于油箱液面以下，回油時(shí)容易產(chǎn)生大量氣泡。通過(guò)延長(zhǎng)回油過(guò)濾器回油口至油箱液面以下后，輸送帶折疊過(guò)程振動(dòng)爬行現(xiàn)象有所改善，但該現(xiàn)象依舊明顯。因此初步分析故障的可能影響因素為平衡閥和系統(tǒng)油液含氣量。下文將對(duì)上述兩種影響因素進(jìn)行分析研究，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

圖1 輸送帶的液壓平衡回路

平衡閥作為輸送機(jī)液壓平衡回路的核心部件，其性能好壞直接決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)核算回路上選用的平衡閥壓差-流量曲線以及先導(dǎo)開(kāi)啟比均滿足設(shè)計(jì)要求。工作時(shí)平衡閥主閥芯受力分析如圖2所示。

圖2 平衡閥結(jié)構(gòu)圖

平衡閥主閥芯受力方程如公式（1）所示。

式中：Fg為先導(dǎo)油作用在主閥芯上的力；Ff為負(fù)載作用在主閥芯上的力；Fk為彈簧作用在主閥芯上的力；Ft為彈簧腔回油背壓作用在主閥芯上的力。

Fk彈簧作用力根據(jù)油缸負(fù)載進(jìn)行設(shè)定，F(xiàn)f負(fù)載作用力由負(fù)載決定，兩者作為固有因素影響閥芯動(dòng)態(tài)性能。Ft彈簧腔回油箱背壓小，對(duì)主閥芯動(dòng)態(tài)影響忽略不計(jì)。因此對(duì)液壓回路設(shè)計(jì)者而言，僅剩Fg先導(dǎo)油作用力作為可控制的可變因素影響平衡閥芯動(dòng)態(tài)性能，下文將通過(guò)改變先導(dǎo)油阻尼來(lái)研究平衡閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)對(duì)油缸運(yùn)動(dòng)的影響。

液壓油的彈性模量值容易受含氣量因素影響，當(dāng)油液中含氣量變大時(shí)，其彈性模量值顯著變小。液壓回路回油過(guò)濾器回油口未沒(méi)入油箱液面以下，容易將氣泡混入油液中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也將受到嚴(yán)重影響。

2 基于AMESim平衡閥建模和平衡回路仿真分析

2.1 基于AMESim平衡閥建模

在如圖2所示的平衡閥結(jié)構(gòu)中，壓力油從②口進(jìn)時(shí)推動(dòng)閥座3克服單向閥彈簧1向左運(yùn)動(dòng)，流入油口①。壓力油從①口進(jìn)時(shí)推動(dòng)閥芯4克服平衡閥壓力調(diào)定彈簧5向右運(yùn)動(dòng)，流入油口②。當(dāng)先導(dǎo)油口③壓力油足夠推動(dòng)閥芯4克服平衡閥壓力調(diào)定彈簧5向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，油液可從油口①流到油口②。

AMESim為機(jī)械、流體動(dòng)力和控制系統(tǒng)提供了一個(gè)完善、優(yōu)越的仿真環(huán)境及最靈活的解決方案，使用戶能夠借助其友好的面向?qū)嶋H應(yīng)用的方案來(lái)研究任何元件或回路的動(dòng)力學(xué)特性[1]。根據(jù)平衡閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸等物理參數(shù)，基于AMESim軟件中的HCD庫(kù)、液壓元件庫(kù)，如圖3（a）所示搭建平衡閥仿真模型及其測(cè)試回路。將測(cè)試回路仿真結(jié)果與平衡閥樣本曲線進(jìn)行擬合對(duì)比，如圖3（b）所示。建模仿真結(jié)果與廠家樣本提供的流量曲線接近，表明本次平衡閥AMESim建模參數(shù)合理。

圖3 平衡閥仿真模型測(cè)試回路及其流量曲線擬合

2.2 基于AMESim平衡回路仿真分析

基于AMESim軟件對(duì)輸送帶的液壓平衡回路進(jìn)行建模，如圖4所示。平衡閥先導(dǎo)油路阻尼孔原設(shè)計(jì)直徑為1.5mm。將圖4阻尼孔直徑分別設(shè)置為1.5mm、1.0mm和0.1mm進(jìn)行仿真研究，結(jié)果如圖5所示。油缸初期運(yùn)動(dòng)速度在選擇三種不同直徑阻尼孔的情形下均出現(xiàn)較大波動(dòng)，其中1.5mm和0.1mm阻尼產(chǎn)生的油缸速度初期波動(dòng)明顯比1mm阻尼大，但1.0mm和0.1mm阻尼孔大約都在0.8s以后使油缸運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定在0.2m/s。

圖4 輸送帶的液壓平衡回路建模

分析圖5的仿真結(jié)果：1）油缸初期運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生的波動(dòng)源于油泵供油流量從零階躍到工作流量產(chǎn)生的沖擊。2）當(dāng)選較大直徑阻尼孔時(shí)，先導(dǎo)油壓響應(yīng)快平衡閥開(kāi)啟迅速，油缸在負(fù)載的作用下快速下降。此時(shí)油缸無(wú)桿腔出現(xiàn)一定的吸空，先導(dǎo)壓力也隨之快速下降，平衡閥快速閉合造成油缸迅速停止。如此往復(fù)，平衡閥啟、閉頻繁導(dǎo)致油缸速度難以穩(wěn)定下來(lái)，并且使油缸初期速度波動(dòng)更明顯。3）相反地，選擇較小直徑阻尼孔時(shí)，先導(dǎo)油壓建立慢平衡閥啟動(dòng)時(shí)開(kāi)啟滯后，導(dǎo)致油缸無(wú)桿腔充油量大，油缸初期速度較大，但較小的平衡閥啟、閉頻率可使油缸速度迅速平穩(wěn)下來(lái)。

圖5 阻尼孔對(duì)油缸運(yùn)動(dòng)速度影響

因此原機(jī)型的輸送帶平衡回路正是使用了過(guò)大的阻尼，才導(dǎo)致出現(xiàn)較大的振動(dòng)爬行現(xiàn)象。以上的仿真結(jié)果表明，在負(fù)載、平衡閥彈簧力兩因素已確定的情況下，通過(guò)調(diào)小液壓系統(tǒng)中平衡閥先導(dǎo)阻尼直徑大小，可有效抑制油缸振動(dòng)爬行現(xiàn)象。但阻尼孔也不是越小越好，過(guò)小的阻尼孔容易引起油缸啟動(dòng)速度的較大波動(dòng)。根據(jù)原機(jī)型平衡回路負(fù)載情況和平衡閥特性，使用1.0mm直徑的先導(dǎo)阻尼孔較為合適，既能快速穩(wěn)定油缸運(yùn)動(dòng)速度，又能減少油缸啟動(dòng)時(shí)速度的波動(dòng)幅度。原機(jī)型輸送帶平衡回路通過(guò)改用1.0mm平衡閥阻尼孔后，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)油缸振動(dòng)爬行現(xiàn)象得到明了顯改善。

3 基于AMESim油液含氣量建模和分析

在液壓系統(tǒng)中，液壓油體積彈性模量是一個(gè)非常重要的物理參數(shù)，在液壓系統(tǒng)和液壓元件的動(dòng)態(tài)研究中，其會(huì)直接影響液壓元件和液壓系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，進(jìn)而影響穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。同時(shí)，液壓油的體積彈性模量是影響液壓統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析、建模與仿真正確性的主要參數(shù)之一[2]。一般液壓油的體積彈性模量為1.4GPa～1.8GPa。如果液壓油混入空氣時(shí)，其可壓縮性將顯著增加。油液的含氣量會(huì)影響有效體積彈性模量的值，而有效體積彈性模量的值又會(huì)影響液壓缸的剛度[3]。油液的彈性模量如公式（2）所示。

式中：Δp為壓力變化值；ΔV為體積化值；V為總體積。當(dāng)油液中含有氣泡時(shí)彈性模量如公式（3）所示。

式中：β—含氣泡油液彈性模量；β1—純油液彈性模量；β2—空氣彈性模量；V1—純油液體積；V2—空氣體積。

氣泡彈性模量β2約為1.4×105Pa[4]，氣泡含量分別為0.1%、0.3%和0.5%時(shí)按公式（3）估算出含氣油液彈性模量分別為0.13GPa、0.045GPa和0.028GPa。

為確定液壓油含氣量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，通過(guò)AMESim軟件分別對(duì)含氣量0.1%、0.3%和0.5%進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖6所示。三種含氣量狀態(tài)穩(wěn)定后油缸平均速度為0.2m/s，含氣量分別為時(shí)0.1%、0.3%和0.5%時(shí)，油缸速度上、下振幅分別約為1.9m/s、3m/s和7.5m/s。

圖6的仿真結(jié)果表明液壓油含氣量越大，油缸的運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差。因此在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡量避免空氣混入系統(tǒng)中，例如回油口應(yīng)沒(méi)入油箱液面以下，加強(qiáng)吸油口的氣密性。原系統(tǒng)通過(guò)延長(zhǎng)回油過(guò)濾器回油口至油箱液面以下后，油缸振動(dòng)爬行現(xiàn)象有明顯改善。

圖6 液壓油不同含氣量油缸運(yùn)動(dòng)速度

4 結(jié)論

該文通過(guò)平衡閥主閥芯的受力分析，確定可變因素，并基于AMESim分析平衡閥不同先導(dǎo)阻尼直徑對(duì)輸送帶液壓平衡回路穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明較小的阻尼直徑可有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但當(dāng)阻尼直徑減少到一定值后再減小，阻尼直徑對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性不再有更大的提升，且過(guò)小的阻尼孔會(huì)導(dǎo)致油缸啟動(dòng)速度波動(dòng)較大。

通過(guò)氣泡油液彈性模量公式估算混入不同含量氣泡液壓油的彈性模量，并基于AMESim直觀地分析展示了含氣泡油液對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。仿真分析表明液壓油混入越多的氣泡，越不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)以上分析，該文對(duì)原輸送帶液壓平衡回路的改進(jìn)措施為適當(dāng)調(diào)小平衡閥先導(dǎo)阻尼直徑；回油過(guò)濾器回油口沒(méi)入油箱液位以下，減少氣泡混入。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，原系統(tǒng)通過(guò)上述兩種措施改進(jìn)后，油缸振動(dòng)爬行現(xiàn)象基本消失。