斗輪堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

肖艷軍，孟照建，梁新宇，郭偉鑫，郭迪明，關(guān)玉明

(1.河北工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院，天津300130;2.天津重鋼機械裝備股份有限公司，天津300459)

懸臂式斗輪堆取料機主要由行走機構(gòu)、俯仰機構(gòu)(變幅裝置)、斗輪機構(gòu)、上部回轉(zhuǎn)機構(gòu)和平臺、底架、斗臂架和斗臂架帶式輸送機(既受料、又卸料)、門架、平衡梁架和配重、司機室、液壓系統(tǒng)、電氣設(shè)備等組成。俯仰機構(gòu)有機械和液壓變幅兩種形式，由于液壓系統(tǒng)在懸臂俯仰運動過程中能對俯仰進(jìn)行靈活的控制和平穩(wěn)的啟停，而且具有結(jié)構(gòu)小巧、配置靈活、組裝方便、可靠耐用等獨到的特點，因此液壓系統(tǒng)在堆取料機和其他裝卸設(shè)備中得到了更為廣泛的應(yīng)用。俯仰機構(gòu)的作用是支承取料斗輪、懸臂機構(gòu)及配重裝置的重量，并在俯仰液壓缸的牽引下，改變?nèi)×隙份喌母叨?，使斗輪機構(gòu)可以在原、燃料場中的不同高度的料堆上方便地進(jìn)行堆料和取料作業(yè)，俯仰機構(gòu)的工作安全可靠性非常重要，一旦因俯仰機構(gòu)失效而引發(fā)懸臂架高空墜落，不僅會造成斗輪堆取料機整體永久破壞，還會嚴(yán)重危害到操作人員的人身安全。傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)回路存在運行不可靠、穩(wěn)定性差、使用壽命短等不足，因此，有必要對液壓系統(tǒng)回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以增強設(shè)備運行的平穩(wěn)性，延長使用壽命，減少維護(hù)量，降低運行成本，提高斗輪堆取料的工作效率。

1 液壓系統(tǒng)類型選擇

液壓系統(tǒng)的類型即油路循環(huán)方式有開式和閉式兩種。開式回路，即執(zhí)行元件的排油回油箱，油液經(jīng)過沉淀、冷卻后再進(jìn)入液壓泵的進(jìn)口。該系統(tǒng)采用開式還是采用閉式，主要取決于它的調(diào)速方式和散熱要求。一般來說，凡備有較大空間可以存放油箱且不另設(shè)置散熱裝置的系統(tǒng)、要求結(jié)構(gòu)盡可能簡單的系統(tǒng)，或采用節(jié)流調(diào)速或容積－節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，都宜采用開式;凡允許采用輔助泵進(jìn)行補油并通過換油來達(dá)到冷卻的目的的系統(tǒng)、對工作穩(wěn)定性和效率有較高要求的系統(tǒng)，或采用容積調(diào)速的系統(tǒng)，都宜采用閉式，行走裝置或者航空航天等裝置為了減輕體積和質(zhì)量可選用閉式回路。因此，液壓系統(tǒng)選用開式回路。

2 液壓回路優(yōu)化設(shè)計

選擇系統(tǒng)的液壓回路是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求和工況，從眾多的成熟方案中挑選出來的。挑選時既要保證滿足各項主機要求，也要考慮符合節(jié)省能源、減少發(fā)熱、減少沖擊等原則。由設(shè)計要求可知，此設(shè)計中是靠2 個液壓缸同步動作來實現(xiàn)懸臂的頻繁間歇上下運動，并要保證懸臂在某一位置能夠保持不動，即不能因懸臂重力使之下降。因此需考慮的基本回路有卸荷回路、鎖緊回路、平衡回路、同步回路等。

2.1 卸荷回路

卸荷回路的功用是在液壓泵驅(qū)動電動機不頻繁啟閉的情況下，液壓泵在功率損耗接近零的情況下運轉(zhuǎn)，以減少功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，延長泵和電動機的壽命。因為液壓泵的輸出功率為其流量和壓力的乘積，因而，兩者任一近似為零，功率損耗即近似為零，因此液壓泵的卸荷有流量卸荷和壓力卸荷兩種，前者主要是使用變量泵，使泵僅為補償泄漏而以最小流量運轉(zhuǎn)，此方法比較簡單，但泵仍處在高壓狀態(tài)下運行，磨損比較嚴(yán)重。壓力卸荷的方法是使泵在接近零壓下運轉(zhuǎn)，使其輸出流量在壓力很低的情況下流回油箱，傳統(tǒng)系統(tǒng)采用電液換向閥作為主換向閥，但是系統(tǒng)中的三位閥是Y 型中位機能，油泵不能卸荷，在系統(tǒng)非工作狀態(tài)下，必須使電機停止，這會造成電機頻繁起動?；趯鹘y(tǒng)方式的優(yōu)化，將此處的電液換向閥采用M 型中位機能，當(dāng)三位換向閥處于中位時，油泵可以卸荷，系統(tǒng)在非工作狀態(tài)時電機不必停止，避免了電機頻繁起動。圖1所示為采用M型中位機能的電液換向閥的卸荷回路。這種回路切換時壓力沖擊小，但回路中必須設(shè)置單向閥，以使系統(tǒng)能保持0.3 MPa 左右的壓力，供控制油路之用。

圖1 卸荷回路

2.2 鎖緊回路(保壓回路)

鎖緊回路的功用是在液壓執(zhí)行元件不工作時切斷其進(jìn)、出油液通道，確切地使它保持在既定位置上。圖2所示為一種使用液控單向閥的雙向鎖緊回路，它能在液壓缸不工作時使活塞迅速、平穩(wěn)、可靠且長時間地被鎖住，不為外力所移動。此回路不僅可以應(yīng)用于堆取料機中，還可以廣泛應(yīng)用于工程機械、起重運輸機械等有鎖緊要求的場合。

圖2 使用液控單向閥的雙向鎖緊回路

2.3 平衡回路

平衡回路是指在油路設(shè)計中設(shè)置的某種回路，用來阻止因自重等因素而下降。平衡回路是具有立式(垂直地面)液壓缸的機械設(shè)備必不可少的一種回路，它的功用在于防止垂直放置的液壓缸和與之相連的工作部件因自重而自行下落。因為起重液壓機械在非起重狀態(tài)時，無論是處于停止?fàn)顟B(tài)還是工作狀態(tài)都會因重力作用而具有向下運行的趨勢，故必須阻止這種有害現(xiàn)象，使之達(dá)到平衡。

圖3所示為一種現(xiàn)在常使用單向順序閥的平衡回路。由圖可見，當(dāng)換向閥2 左位接入回路使活塞下行時，回油路上存在著一定的背壓;只要調(diào)節(jié)單向順序閥3 使液壓缸內(nèi)的背壓能支撐得住活塞與之相連的工作部件，活塞就可以平穩(wěn)地下落。當(dāng)換向閥處于中位時，活塞就停止運動，不再繼續(xù)下移。這種回路在活塞向下快速運動時功率損失較大，鎖住時活塞和與之相連的工作部件會因單向順序閥3 和換向閥2 的泄漏而緩慢下落，因此它只適用于工作部件自重不大、活塞鎖住時定位要求不高的場合。因此，若在單向順序閥和液壓缸之間增加一液控單向閥，由于液控單向閥密封性能好，就可以防止活塞因單向順序閥泄漏而下降。最終選用的平衡回路如圖4所示。

圖3 單向順序閥的平衡回路(優(yōu)化前)

圖4 單向順序閥加液控單向閥的平衡回路(優(yōu)化后)

2.4 同步回路

液壓同步回路是指在各類機器、設(shè)備、裝置中，實現(xiàn)同步運行功能，是由液壓元件、管路按一定規(guī)律組合，并以液流介質(zhì)傳遞，控制驅(qū)動兩個或者兩個以上的執(zhí)行器(液壓缸或液壓馬達(dá))產(chǎn)生相同的線位移或角位移和相同的位置的回路。液壓同步回路是液壓系統(tǒng)中回路之一，一般是由控制同步運動的液壓件，經(jīng)管道至執(zhí)行器，執(zhí)行器的回油口經(jīng)管路至油箱部分，即同步回路組成部分。這種回路實質(zhì)上也是流量(調(diào)速)控制回路的一種，也是多缸控制回路的一種。

同步回路分為容積控制液壓同步回路和流量控制液壓同步回路兩種。其中容積控制液壓同步回路利用封閉容積變化通過管道等組件向尺寸精度、結(jié)構(gòu)相同的數(shù)個執(zhí)行器(液壓缸或者液壓馬達(dá))輸入等體積的液體使其產(chǎn)生同步運動。此方法效率高，精度高;但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價值昂貴，故不采用。另一種流量控制液壓同步回路是通過流量閥調(diào)節(jié)控制進(jìn)入或排出液壓點是精度不高。故采用此方法，實踐證明可行。流量控制液壓同步回路如圖5所示。

流量控制液壓同步系統(tǒng)常用的控制元件有節(jié)流閥、調(diào)速閥、同步閥等。這些閥都是通過改變節(jié)流口開度的大小，來調(diào)節(jié)流量的多少，改變同步執(zhí)行器中運動件的運動速度快慢以期達(dá)到執(zhí)行器中運動件同步運動的目的。執(zhí)行器(液壓缸或者液壓馬達(dá))中的流量，使液壓執(zhí)行器中運動件運動速度相等，實現(xiàn)速度同步等。流量控制同步系統(tǒng)最大的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低;缺

圖5 流量控制液壓同步回路

3 集成液壓系統(tǒng)

集成液壓系統(tǒng)是把各種液壓回路綜合在一起，進(jìn)行歸納整理，增添必要的元件或輔助油路，使之成為完整的系統(tǒng)，并在最后檢查一下:這個系統(tǒng)能否完美實現(xiàn)所要求的各項功能，是否需要再進(jìn)行補充或者修正，有無作用相同或者相近的元件或者油路可以合并等。這樣才能使設(shè)計出來的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作安全可靠，動作平穩(wěn)、效率高，使用和維護(hù)方便。俯仰機構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 俯仰機構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)論

優(yōu)化后的斗輪堆取料機俯仰機構(gòu)液壓系統(tǒng)在細(xì)節(jié)設(shè)計上更加精細(xì)合理，克服了原系統(tǒng)所存在的缺點，增強了設(shè)備運行的平穩(wěn)性，延長了使用壽命，減少了維護(hù)量，降低了運行成本，不僅起到了節(jié)能降耗的作用，還大幅提高了斗輪堆取料機堆、取料的工作效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

【1】王益群，張偉.液壓傳動及控制技術(shù)的評述［J］.機械工程學(xué)報，2003(10):95－99.

【2】官忠范，李笑，楊敢.液壓系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)節(jié)失誤實例分析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995.

【3】趙應(yīng)樾.名優(yōu)機械液壓系統(tǒng)及其修理［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2002.

【4】郭鐵橋，劉長青.臂式斗輪堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)分析［J］.物流技術(shù)，2000(3):14－15.

【5】吳元道.工程機械靜液壓傳動裝置［J］.液壓氣動與密封，2002(4):46－48.

【6】王玉興，唐艷芹，魏民祥.懸臂式斗輪堆取料機的發(fā)展及研究動向［J］.建筑機械，1988(8):25－29.

【7】朱春波，李偉.懸臂式斗輪堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)故障分析［J］.設(shè)備管理與維修，2010(7):20－22.

【8】王意.靜液壓傳動工程機械的制動系統(tǒng)［J］.工程機械，2000(1):38－40.