臂架變幅機(jī)構(gòu)負(fù)載下降時(shí)的平穩(wěn)性研究

王子坡， 胡軍科， 楊文彬， 桂永恒

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410012；2.湖南星邦重工有限公司，湖南 長沙 410012）

0 引言

臂架變幅機(jī)構(gòu)廣泛用于高空作業(yè)車、起重機(jī)、挖掘機(jī)和裝載機(jī)等工程機(jī)械中，用于改變臂架的位置，增加主機(jī)的工作范圍。變幅機(jī)構(gòu)有舉重上升、承載靜止及負(fù)載下降3種工況［1］。在負(fù)載下降時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)臂架下降、停止交替的抖動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了整機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。因此，尋找合適的方法防止臂架負(fù)載下降時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象，具有重要的理論和實(shí)際意義。

文獻(xiàn)［2］給出雙液壓油缸伸縮運(yùn)動(dòng)與臂架轉(zhuǎn)動(dòng)之間的映射關(guān)系，認(rèn)為安裝和制造誤差以及控制方面產(chǎn)生的變幅缸伸縮不協(xié)調(diào)都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生臂架有害抖動(dòng)；文獻(xiàn)［3］分析研究了液壓舉升機(jī)構(gòu)在下降過程中產(chǎn)生振動(dòng)的原因，提出在油路中采用外泄液控單向閥以消除系統(tǒng)振動(dòng)的方案；文獻(xiàn)［4］分析了幾種汽車起重機(jī)中的液壓平衡回路的工作原理及性能，提出采用FD型平衡閥消除系統(tǒng)產(chǎn)生的抖動(dòng)，從而使臂架下降平穩(wěn)；文獻(xiàn)［5］建立了帶有螺紋插裝式平衡閥的液壓平衡回路的AMESim仿真模型，仿真分析了液壓缸負(fù)重和平衡閥內(nèi)阻尼孔、閥口錐角及彈簧剛度等主要參數(shù)對液壓缸下行運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)性的影響。

本文以25m高空作業(yè)車為例，對臂架變幅抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析，運(yùn)用AMESim軟件建立了變幅機(jī)構(gòu)液壓回路的仿真模型，通過仿真分析，尋找影響臂架抖動(dòng)的參數(shù)，進(jìn)而提出改善抖動(dòng)現(xiàn)象的措施。

1 臂架變幅機(jī)構(gòu)的工作原理

變幅機(jī)構(gòu)的液壓原理如圖1所示。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)液壓原理圖

在一般的變幅機(jī)構(gòu)中，換向閥是手動(dòng)的，可以實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。高空作業(yè)車有地面和工作臺(tái)2個(gè)控制面板，需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，手動(dòng)換向閥不能滿足這一要求，因此將其改為電磁換向閥，并在回路中添加比例調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。電磁換向閥和比例調(diào)速閥配合使用，比單純的手動(dòng)換向閥調(diào)節(jié)精度更高。比例調(diào)速閥由比例流量閥和定差減壓閥組成，通過閥后補(bǔ)償技術(shù)，使進(jìn)入變幅油缸的流量只與比例流量閥的開度有關(guān)，保證流量不受負(fù)載變化的影響。平衡閥在回油路上形成背壓，控制變幅油缸的速度；同時(shí)，由于平衡閥采用錐面密封，基本上沒有泄漏，從而使液壓缸可靠地停在任意位置，避免因爆管等造成的臂架失速下降，起到安全保護(hù)的作用［6］。變幅機(jī)構(gòu)的3種工況如下：

（1）舉重上升時(shí)，電磁換向閥的2YA得電，變幅油缸的無桿腔壓力平衡負(fù)載作用力，由于恒流閥的作用，進(jìn)油流量一直保持恒定，所以運(yùn)行平穩(wěn)。

（2）承載靜止時(shí)，電磁換向閥處于中位，平衡閥關(guān)閉，截止了變幅油缸在負(fù)載作用力下的回油，使臂架按需要停止在任意位置。

（3）負(fù)載下降時(shí)，電磁換向閥的1YA得電，平衡閥中的順序閥被打開，起到節(jié)流的作用，在油缸無桿腔形成背壓，防止臂架在重力負(fù)載作用下的超速下降。

2 負(fù)載下降時(shí)臂架抖動(dòng)原因分析

2.1 平衡閥工作原理

由于平衡閥的性能對臂架抖動(dòng)具有較大的影響，因此，必須分析平衡閥的工作原理及其性能。平衡閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平衡閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 中，Ⅰ為負(fù)載端口，Ⅱ?yàn)閾Q向閥端口，Ⅲ為控制端口。

臂架舉重上升時(shí)，油液從Ⅱ流向Ⅰ，由于復(fù)位彈簧力較小，只需較小的壓差就使閥桿運(yùn)動(dòng)到最下端，閥口開度大，為自由流工況。臂架承載靜止時(shí)，由于負(fù)載作用面積AF較小，作用力小于調(diào)定壓力，閥口關(guān)閉。臂架負(fù)載下降時(shí)，控制油通過阻尼孔作用在面積AC上，負(fù)載作用在面積AF上，當(dāng)負(fù)載與控制壓力之和達(dá)到彈簧的調(diào)定壓力時(shí)，平衡閥開啟，臂架下降。由于控制壓力的大小等于變幅油缸有桿腔的壓力，當(dāng)作用在活塞桿上的力增大時(shí)，變幅油缸有桿腔壓力減小，節(jié)流口隨之變小，油缸無桿腔背壓增大，從而平衡了增大的負(fù)載；當(dāng)作用在活塞桿上的力減小時(shí)，變幅油缸有桿腔的壓力增大，節(jié)流口增大，背壓減小，從而適應(yīng)了減小的負(fù)載。

2.2 臂架抖動(dòng)原因分析

在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)高空作業(yè)車臂架變幅時(shí)，臂架抖動(dòng)現(xiàn)象主要發(fā)生在從最大角度開始下降的初始階段，隨后臂架下降平穩(wěn)。究其原因，這是因?yàn)橄陆禃r(shí)變幅油缸承受較大的負(fù)載，而且從75°到60°變幅時(shí)，負(fù)載變化的速率較快，如圖3所示。造成臂架下降速度過快，變幅油缸上腔油液不能及時(shí)補(bǔ)充，液壓缸無桿腔形成的空間必然在整個(gè)進(jìn)油路及液壓缸活塞上產(chǎn)生短時(shí)的負(fù)壓效應(yīng)，導(dǎo)致平衡閥的控制油路壓力急降，從而使平衡閥關(guān)閉，液壓缸急停。

由于臂架是一個(gè)大慣量機(jī)構(gòu)，平衡閥關(guān)閉時(shí)，液壓缸無桿腔壓力迅速升高，平衡閥又打開，臂架再次快速下降，如此反復(fù)，導(dǎo)致系統(tǒng)抖動(dòng)。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，也能導(dǎo)致臂架抖動(dòng)，此時(shí)機(jī)液耦合之間的相互作用將進(jìn)一步放大臂架的抖動(dòng)。

圖3 負(fù)載下降時(shí)變幅油缸活塞桿受力

3 數(shù)學(xué)模型和仿真模型的建立

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

變幅油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)微分方程為：

其中，F(xiàn)L為油缸活塞桿所受的力；p1為油缸有桿腔壓力；A1為油缸有桿腔面積；p2為油缸無桿腔壓力；A2為油缸無桿腔面積；m1為油缸活塞質(zhì)量；t為從75°開始向下變幅的時(shí)間；x為油缸活塞位移；B1為油缸活塞的運(yùn)動(dòng)黏性阻尼系數(shù)。

平衡閥閥芯運(yùn)動(dòng)微分方程為：

其中，pC為平衡閥控制壓力（pC＝p1）；F0為調(diào)壓彈簧預(yù)緊力；y為平衡閥閥芯位移；m2為平衡閥閥芯質(zhì)量；B2為平衡閥閥芯運(yùn)動(dòng)黏性阻尼系數(shù)。

不考慮泄漏，變幅油缸有桿腔的流量連續(xù)性方程［7］為：

其中，Q1為進(jìn)油側(cè)供油流量；V1為進(jìn)油側(cè)體積；β為油液體積彈性模量。

變幅油缸無桿腔的流量連續(xù)性方程為：

其中，V2為油缸出油側(cè)體積；Q3為平衡閥閥口流量?；赜徒佑拖鋲毫苄?，可近似為0，則

其中，Cd為平衡閥閥口流量系數(shù)；d為平衡閥通流截面直徑；φ為平衡閥閥芯半錐角；ρ為液壓油的密度。

由（5）式可求得流量增益為：

流量壓力系數(shù)為：

則（5）式可線性化為：

3.2 仿真模型的建立

由圖1可以看出，負(fù)載下降時(shí)，油液從平衡閥右邊的單向閥進(jìn)入變幅油缸的無桿腔，右邊的平衡閥只起單向閥的作用，建模時(shí)可將其省略，只保留左邊的平衡閥。根據(jù)圖1所示的變幅機(jī)構(gòu)液壓原理，在 AMESiM中建立仿真模型［8－9］，如圖4所示。

圖4 變幅機(jī)構(gòu)AMESim仿真模型

臂架負(fù)載下降時(shí)，變幅油缸活塞桿受力隨著時(shí)間變化，不能簡單地給一個(gè)恒力負(fù)載。根據(jù)圖3中負(fù)載下降時(shí)的受力情況，預(yù)先建立一個(gè)變幅油缸活塞桿受力和時(shí)間關(guān)系的ASCII文件，仿真時(shí)將該文件中的數(shù)據(jù)組導(dǎo)入循環(huán)子模型，即可實(shí)現(xiàn)對變幅油缸活塞桿所受變力的模擬。

4 仿真結(jié)果分析

以高空作業(yè)車為例，設(shè)置模型中的主要參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100r／min，液壓泵排量為22mL／r，溢流閥開啟壓力為20MPa，恒流閥流量為13.4L／min，變幅油缸活塞直徑為180mm，活塞桿直徑為120mm，行程為1 422mm。通過仿真得到負(fù)載下降時(shí)的結(jié)果，如圖5所示。

仿真結(jié)果表明，在臂架負(fù)載下降過程中，前2s活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)幅度很大，之后變小，但是仍然有波動(dòng)；從10s開始，活塞桿開始勻速下降，速度為－0.015 7m／s（向上為正值）。由仿真得到的抖動(dòng)時(shí)間和實(shí)際調(diào)試中的10.5s很接近，說明AMESim模型的建立基本正確，誤差由實(shí)際工況與理想情況的差別及建立仿真模型時(shí)的簡化等引起。

圖5 負(fù)載下降時(shí)的仿真結(jié)果

（1）回油路加節(jié)流閥的影響。為了穩(wěn)定平衡閥芯控制壓力，在75°～60°回油路上接一個(gè)單向節(jié)流閥，降低臂架下降速度，則可在一定程度上減弱臂架抖動(dòng)，結(jié)果如圖6所示。

仿真結(jié)果表明，加上節(jié)流閥后，活塞下降速度明顯減慢，平衡閥控制壓力達(dá)到溢流閥調(diào)定壓力14.5bar，閥芯位移達(dá)到最大，此時(shí)平衡閥相當(dāng)于一個(gè)阻尼孔。

（2）控制腔阻尼的影響?？刂谱枘峥追謩e為0.6、0.4、0.2mm時(shí)，結(jié)果如圖7～圖9所示。仿真結(jié)果表明，阻尼孔對控制壓力的波峰值有明顯的的削弱作用。阻尼孔越小，濾波作用越強(qiáng)，平衡閥芯、變幅油缸活塞運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn)，從而使臂架能夠平穩(wěn)下降。

圖6 回油路加節(jié)流閥后的仿真結(jié)果

圖7 不同控制回路阻尼孔時(shí)平衡閥芯位移

圖8 不同控制回路阻尼孔時(shí)變幅油缸活塞速度

圖9 不同控制回路阻尼孔時(shí)變幅油缸活塞位移

（3）導(dǎo)壓比的影響。臂架抖動(dòng)主要是由平衡閥的控制油路壓力不穩(wěn)定引起，根據(jù)（2）式，可以通過增大控制壓力的作用面積，即增大導(dǎo)壓比的方法彌補(bǔ)控制壓力降低的缺陷，從而使平衡閥能夠在較低的控制壓力下仍能開啟，結(jié)果如圖10～圖12所示。仿真結(jié)果表明，導(dǎo)壓比越大，平衡閥芯、變幅油缸活塞運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn)，從而使臂架能夠平穩(wěn)下降。

圖10 不同導(dǎo)壓比時(shí)平衡閥芯位移

圖11 不同導(dǎo)壓比時(shí)變幅油缸活塞速度

圖12 不同導(dǎo)壓比時(shí)變幅油缸活塞位移

5 試 驗(yàn)

采用導(dǎo)壓比為1∶4.0和控制腔阻尼孔為0.2mm的平衡閥時(shí)，臂架變幅機(jī)構(gòu)負(fù)載下降的運(yùn)動(dòng)最平穩(wěn)，故對其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

在變幅油缸活塞桿上安裝位移傳感器，并通過數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和繪圖，試驗(yàn)曲線如圖13所示。

圖13 變幅油缸活塞桿位移試驗(yàn)曲線

由圖13可以看出，臂架下降很平穩(wěn)，沒有抖動(dòng)現(xiàn)象，從而證明了該措施的可行性。

6 結(jié)束語

由仿真結(jié)果可以看出，臂架變幅下降的初始階段有明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象，可以通過在回油路上加節(jié)流閥、在平衡閥控制油路上加阻尼孔及增大導(dǎo)壓比等措施減小臂架的抖動(dòng)。在回油路上加節(jié)流閥雖然能使臂架平穩(wěn)下降，但會(huì)減慢變幅下降速度，延長下降時(shí)間；在平衡閥控制油路上加阻尼孔和增大導(dǎo)壓比能夠穩(wěn)定臂架變幅下降速度，而且滿足下降時(shí)間的要求。

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