淺談屬具快換液壓系統(tǒng)工作控制原理

馬廣奇

（江蘇八達重工機械股份有限公司，江蘇新沂,221400）

淺談屬具快換液壓系統(tǒng)工作控制原理

馬廣奇

（江蘇八達重工機械股份有限公司，江蘇新沂,221400）

為滿足各種輪胎式、履帶式挖掘機、抓料機和救援機器上快速更換不同的配套屬具需求，本文介紹采用屬具快換控制液壓系統(tǒng)進行屬具快換控制。以德國HKS公司的TR-K180[1]屬具快換機構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計為例，粗略分析屬具快換的結(jié)構(gòu)及工作原理、屬具快換對液壓系統(tǒng)控制的技術(shù)要求以及屬具快換控制液壓系統(tǒng)原理。通過深入的工況使用分析和地震救援現(xiàn)場產(chǎn)品的試驗，驗證了這種液壓系統(tǒng)無論在功能上還是在安全設(shè)計方面都能很好滿足屬具快換的工作需求。

機器人，屬具，快換控制，液壓油缸，液壓系統(tǒng)

0 引言

工程機械產(chǎn)品，如輪胎式、履帶式挖掘機、抓料（鋼）機和救援機器等，根據(jù)使用工況不同，很多時候需要快速更換不同的配套屬具，使機器充分發(fā)揮效能，完成多種作業(yè)，提高機器的性價比。傳統(tǒng)作業(yè)屬具的更換方法須通過人工拆裝連接軸銷來進行更換，需要專用的拆卸和安裝工具，熟練工人更換一次作業(yè)裝置耗時在1小時以上，這種更換方式既費時又費力。如果安裝了屬具快換機構(gòu)及其快換控制液壓系統(tǒng)，駕駛員在駕駛室內(nèi)通過操縱手柄和按鈕控制，就能輕松在作業(yè)現(xiàn)場完成各種作業(yè)裝置的快速拆裝，既保證了施工安全，又減少了拆卸安裝時間，還能避免銷軸在拆裝過程中的損壞。本文以國家“十二五”科技支撐計劃項目——20噸型“雙動力雙臂手智能型救援工程機械”配套的德國HKS公司TR-K180屬具快換機構(gòu)液壓系統(tǒng)選型設(shè)計為例，淺談屬具快換液壓系統(tǒng)工作控制原理。

1 屬具快換的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為HKS TR-K180 快換結(jié)構(gòu)外形圖，共有三個部分組成：

1）與主機工作臂頭部連接機構(gòu)：通過四連桿機構(gòu)可以很靈活地與各種挖掘機、抓料機和救援機器上吊臂頭部進行機械連接。

2）快換鎖緊機構(gòu)：兩根單桿活塞液壓油缸的活塞桿可以分別當作連接軸銷使用，通過兩根液壓油缸的全程往復(fù)運動來分別實現(xiàn)與各種屬具的連接和脫開。當這兩個液壓油缸無桿腔都注入一定值壓力油后，會推動液壓油缸活塞桿全部伸出去，活塞桿會穿過屬具上的連接孔，將快換機構(gòu)與屬具連接為一體，實現(xiàn)與屬具的快速安裝功能；反之，當這兩個液壓油缸有桿腔都注入一定值壓力油后，會推動液壓油缸活塞桿全部縮回來，活塞桿會自動斷開與屬具上的孔連接，實現(xiàn)快換機構(gòu)與屬具脫開功能。

3）與屬具連接機構(gòu)：通過在快換機構(gòu)和屬具連接機構(gòu)上分別安裝配套的公母快速接頭體，可實現(xiàn)吊臂上屬具工作油路通過快換機構(gòu)后能與下部的屬具油路快速自動接通與脫開功能。

圖1 HKS TR-K180 快換結(jié)構(gòu)外形圖

2 屬具快換對液壓系統(tǒng)控制的技術(shù)要求

本文的研究重點是屬具快換液壓系統(tǒng)工作控制原理分析。根據(jù)HKS TR-K180快換機構(gòu)使用說明書介紹，當快換鎖緊機構(gòu)的兩個液壓油缸無桿腔始終保存至少11MPa壓力油后，會推動液壓油缸活塞桿始終處于全部伸出狀態(tài)，這樣活塞桿就會始終穿過屬具上的連接孔，將快換機構(gòu)與屬具連接為一體，整機就可以利用此屬具進行工況作業(yè)；當完成此工況作業(yè)后需要快速更換屬具，則通過駕駛員操作控制，給這兩個液壓油缸有桿腔都注入一定值壓力油，推動液壓油缸活塞桿全部縮回來，活塞桿就會自動斷開與屬具上的孔連接，這樣快換機構(gòu)與此屬具快速自動脫開。

根據(jù)上述工作過程，對屬具快換控制液壓系統(tǒng)設(shè)計選型提出以下技術(shù)要求：只有液壓油缸無桿腔始終存在至少11MPa壓力油，才能確?；钊麠U始終以全伸出去狀態(tài)穿過屬具上的連接孔，與屬具牢固連接。屬具與快換機構(gòu)連接后，考慮屬具會長時間隨著主機進行各種復(fù)雜工作，在此工作過程中會對此液壓油缸產(chǎn)生很大沖擊力，同時考慮液壓油缸都存在一定的內(nèi)泄，所以液壓系統(tǒng)控制上一定要考慮增加液壓油缸無桿腔安全鎖緊功能控制，并始終需要給液壓油缸的無桿腔進行補油，并隨時可以檢測其工作壓力值，可進行低壓報警；當液壓油缸的有桿腔注入一定值壓力油后，要求控制活塞桿快速平穩(wěn)地全部縮回到缸筒內(nèi)；對于快換控制要求操作要簡單可靠，并且要考慮充分利用主機液壓系統(tǒng)中的現(xiàn)有液壓動力源，而不必再額外增加液壓動力源實現(xiàn)控制功能。

圖2 屬具快換控制液壓系統(tǒng)原理圖

3 屬具快換控制液壓系統(tǒng)原理分析

圖2為屬具快換控制液壓系統(tǒng)原理圖，當控制電磁換向閥5的線圈Y1處于無電狀態(tài)下，電磁換向閥處于左側(cè)工作位，液壓泵1排出的壓力油通過流量控制閥2優(yōu)先分流一部分壓力油依次通過單向閥3、節(jié)流閥4后，進入電磁換向閥，然后再依次流過減壓閥11、液控單向閥7，進入液壓油缸9的無桿腔，推動液壓油缸活塞桿伸出去，直到控制活塞桿全部伸出, 活塞桿穿過屬具上的連接孔，將快換機構(gòu)與屬具連接為一體。這時，主機就可以利用此屬具進行工況作業(yè)。液壓油缸有桿腔的回油則依次通過電磁換向閥、單向閥12后，直接回到液壓油箱15。

在此屬具作業(yè)全過程中，減壓閥起到給液壓油缸無桿腔補油作用，始終確保其出口壓力值為設(shè)定值15MPa。

為了安全考慮，我們適當提高快換控制壓力，以保證液壓油缸無桿腔壓力值穩(wěn)定為15MPa，比HKS說明書中規(guī)定的最小值11MPa要大些。

液控單向閥起到鎖緊液壓油缸無桿腔作用。

另外，為了控制更可靠和平穩(wěn)，蓄能器10不但能滿足短時間獨立給液壓油缸無桿腔補油，還可以吸收液壓油缸內(nèi)沖擊力。通過手動調(diào)節(jié)節(jié)流閥4的開口大小，可以控制液壓油缸活塞桿伸出速度的快慢。

壓力傳感器8的壓力值設(shè)定為13MPa，當液壓油缸無桿腔的壓力值低于設(shè)定值，壓力傳感器就會自動接通電路控制進行低壓值報警，提醒駕駛員需要對液壓油缸無桿腔進行補油，或者系統(tǒng)無法補油需要進行檢修。

當控制電磁換向閥的線圈Y1處于得電狀態(tài)下，電磁換向閥換向到右側(cè)工作位，液壓泵排出的壓力油通過流量控制閥，優(yōu)先分流一部分壓力油依次通過單向閥3、節(jié)流閥4，再進入電磁換向閥，然后直接進入液壓油缸的有桿腔，推動活塞桿全部縮回到缸筒內(nèi)，同時，一部分壓力油會作用在液控單向閥的控制油口，使其反向通油。液壓油缸無桿腔的回油則依次通過液控單向閥、單向閥6、電磁換向閥和單向閥12后，直接回到液壓油箱15。這時，快換機構(gòu)與屬具實現(xiàn)自動快速脫開。

單向閥6的開啟壓力很小，起到反向快速通過液壓油的作用，單向閥12的開啟壓力較高，有0.45MPa，起到回油背壓的作用，以控制液壓油缸運動的平穩(wěn)性。

流量控制閥利用負載敏感壓力補償進行優(yōu)先控制分流，其始終保證將液壓泵出口的壓力油優(yōu)先分流給優(yōu)先口屬具快換控制使用，C口壓力油可以控制主機液壓系統(tǒng)的其他負載，溢流閥14可以限制優(yōu)先口負載最大工作壓力值，節(jié)流閥13是靜態(tài)傳動，沒有產(chǎn)生壓力損失，可以提供穩(wěn)定的負載壓力反饋信號，起到補償器閥芯在移動過程中的穩(wěn)定性控制作用。

4 結(jié)論

通過對屬具快換控制液壓系統(tǒng)原理的分析，我們不難看出，在屬具快換控制液壓系統(tǒng)設(shè)計選型的時候，要全面考慮快換使用工況需求及其安全保護措施。

此系統(tǒng)在設(shè)計時增加了多重安全設(shè)計：通過增加液控單向閥，可以鎖緊液壓油缸無桿腔；通過減壓閥可以即時補油，解決油缸內(nèi)泄對快換的影響，保證液壓油缸無桿腔內(nèi)壓力值恒定；通過安裝蓄能器可以在快換或者主機液壓系統(tǒng)出故障時，短時間內(nèi)給液壓油缸無桿腔補油，保證液壓油缸無桿腔壓力值恒定，給配套快換機構(gòu)的屬具工作臂快速下落到安全位置提供時間；通過壓力傳感器提供低壓提前報警功能。

另外，通過選用流量控制閥，可以利用主機上已有的液壓泵給快換控制提供液壓動力源，而不必再增加主機上液壓泵的數(shù)量。

通過在20噸型“雙動力雙臂手智能型救援工程機械”的一個工作臂上進行工廠內(nèi)部試驗，以及在四川雅安地震救援現(xiàn)場的實際救援作業(yè)，均驗證了這種屬具快換控制液壓系統(tǒng)無論在功能原理上還是在安全設(shè)計方面，都能很好地滿足屬具快換的工作需求。