加油車液壓系統(tǒng)設計及負載互鎖問題研究

張新福，黃海波，王爭榮

(92117部隊，北京 100072)

加油車作為連接油庫和大型裝備的通路，因應用場合和使用環(huán)境的特殊性，要求其必須依靠自身動力驅(qū)動所有上裝設備。某加油車就是在汽車底盤發(fā)動機變速箱加裝取力器直接取力，通過萬向傳動軸驅(qū)動液壓油泵，經(jīng)液壓系統(tǒng)分配驅(qū)動進油軟管卷盤、出油軟管卷盤、空氣壓縮機、回抽油泵等設備。其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

根據(jù)加油車的作業(yè)流程及安全性要求，進出油軟管卷盤、空氣壓縮機、回抽油泵不能同時工作，因此，在設計液壓系統(tǒng)時要考慮負載互鎖問題。

1 液壓系統(tǒng)組成及工作原理

液壓系統(tǒng)由液壓齒輪泵、液壓閥組、液壓馬達、液壓油箱以及輔件等組成。液壓系統(tǒng)的功能是驅(qū)動空壓機、回抽泵、進出油軟管卷盤平穩(wěn)可靠地運轉(zhuǎn)。

液壓系統(tǒng)工作原理見圖2，液壓泵由發(fā)動機變速箱加裝的取力器來驅(qū)動，液壓閥組由換向閥、節(jié)流閥、溢流閥等疊加形成四聯(lián)閥，分別控制系統(tǒng)壓力和驅(qū)動4個液壓馬達運行?？諌簷C、回抽泵、進出油軟管卷盤不能同時動作。為實際操作方便，控制進出油軟管卷盤的液壓閥需安裝在卷盤附近，其他控制閥均安裝在控制箱附近。液壓系統(tǒng)根據(jù)功率和使用時間頻率不同，設置兩級壓力控制，可使系統(tǒng)流量匹配，減少系統(tǒng)能量損失，確保系統(tǒng)具有較高的效率和可靠性。

2 液壓元件選型及計算

(1)系統(tǒng)壓力選擇

加油車液壓系統(tǒng)為車載式裝備，為減少設備體積、質(zhì)量，便于車載設備整體布置，初定選擇系統(tǒng)壓力為15 MPa。

(2)空壓機馬達計算

根據(jù)工況需要，空壓機采用V-1.05/12.5型，功率為7.5 kW，轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，輸入扭矩為52.36 N·m;液壓馬達工作壓力為14 MPa，則空壓機液壓馬達計算排量為:

根據(jù)空壓機液壓馬達的工作情況，選擇由長江液壓生產(chǎn)的CMK1025-C1D-VS馬達，公稱排量Vr=25 mL/r。則空壓機液壓馬達公稱輸入流量為:

空壓機液壓馬達輸入流量為:

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

空壓機液壓馬達輸出功率為:

(3)液壓油泵的計算

根據(jù)加油車工作狀況分析，各個馬達單獨工作，因此系統(tǒng)的最大負荷出現(xiàn)在空氣壓縮機工作的狀態(tài)，此時馬達的輸入流量為42.35 L/min，也即液壓油泵的輸出流量。為了與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相匹配，液壓油泵轉(zhuǎn)速取1 200 r/min，則液壓油泵的計算排量為:

根據(jù)液壓油泵的排量和轉(zhuǎn)速，可選擇長江液壓生產(chǎn)的齒輪泵，其型號為GSA2045，該泵的公稱排量為40.1 mL/r，額定壓力23 MPa，可以滿足要求。泵的輸出流量為:

空壓機馬達工作壓力14 MPa，管道系統(tǒng)壓力損失1.0 MPa，液壓油泵最大工作壓力為15 MPa，滿載情況下工作時，液壓油泵輸出功率為:

液壓油泵輸入功率為:

液壓油泵總效率為:

液壓系統(tǒng)總效率為:

(4)進出油軟管卷盤驅(qū)動馬達計算

根據(jù)卷盤低轉(zhuǎn)速和大扭矩的工況要求，選用濟寧伊頓生產(chǎn)的低速大扭矩馬達，其型號為BM3S-315/T，則卷盤馬達輸出功率為1.69 kW，液壓油泵輸入功率為2.57 kW，系統(tǒng)總效率為0.66，功率損失0.88 kW。

(5)回抽油泵馬達計算

根據(jù)相關計算，選用濟寧伊頓生產(chǎn)的低速大扭矩馬達，型號為BM3S-500/T，該馬達的公稱排量535.3 mL/r，則回抽油泵馬達輸出功率為1.72 kW，液壓油泵輸入功率為2.49 kW，系統(tǒng)總效率為0.69，功率損失0.77 kW。

(6)液壓油箱的設計及系統(tǒng)發(fā)熱計算

由于車廂內(nèi)布置空間較小，油泵公稱流量為48.12 L，并且整個液壓管路系統(tǒng)簡單，管路存油較少，則選取液壓油箱容積Vv為100 L。取液壓油有效體積Vo=0.8Vv。

(7)系統(tǒng)極限工作情況下發(fā)熱核算

根據(jù)系統(tǒng)工況分析，空壓機工作時，系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出功率最大。則系統(tǒng)發(fā)熱功率為:

根據(jù)實際工況分析，空壓機充氣時間為t=4 min，管路掃線時間為2 min，則空壓機實際工作時間小于6 min。在系統(tǒng)實際工作中，空壓機實際溫升為:

式中:H為系統(tǒng)發(fā)熱量，W;

K為油箱的散熱系數(shù)，W/(m2·K);

A為油箱的散熱面積，A≈6.66，m2;

t為工作時間，s;

c為液體的比熱容，J/(kg·K);

m為油箱液體質(zhì)量，kg。

計算可知，在空壓機馬達工作6 min時，實際溫升為9.88℃。

回抽油泵馬達最大工作時間約為3 min，則實際溫升約為0.98℃。

進出油軟管卷盤馬達最大工作時間約為2 min，實際溫升均為0.73℃。

當這4個馬達連續(xù)工作時總溫升約為12.32℃。假設系統(tǒng)工作環(huán)境為45℃，則系統(tǒng)工作油溫為57.32℃，在允許工作范圍內(nèi)。

3 負載互鎖設計

為了保證加油車的作業(yè)安全性，進出油軟管卷盤、空壓機、回抽泵不能同時動作，因此在設計液壓系統(tǒng)時必須實現(xiàn)負載互鎖。

進油軟管卷盤操作手柄安裝在車的后部，出油軟管卷盤有兩個操作手柄，分別安裝在車的前部左右兩側(cè);空壓機和回抽泵的開關位于車的左側(cè)中前部。負載操作位置分散，僅從液壓系統(tǒng)本身實現(xiàn)負載互鎖十分復雜，因此，必須結(jié)合電控系統(tǒng)進行負載互鎖設計。圖2中的V21為卸荷閥，負載工作時用于設定系統(tǒng)壓力，負載不工作時應處于卸荷狀態(tài) (S1不能常得電)，使壓力油直接返回油箱，系統(tǒng)壓力等于或接近0，以減少功耗、提高油泵壽命;V20、V19、V18分別為控制空壓機、回抽泵、進出油軟管卷盤液壓馬達油路的電磁閥。根據(jù)負載互鎖要求，這4個電磁閥對應的線圈S1、S2、S3、S4應滿足如表1所示的邏輯關系。

表1 電磁線圈S1、S2、S3、S4邏輯關系

根據(jù)S1、S2、S3、S4的邏輯關系表可知，液壓系統(tǒng)的任意一個負載動作時S1都必須得電，但是必須保證此負載以外的負載所對應的線圈失電，利用二極管的單向?qū)ㄌ匦员憧梢越鉀Q這一問題。實現(xiàn)負載互鎖的邏輯電路如圖3所示，利用常閉觸點SA1、SA2與常開觸點SA3串聯(lián)，常閉觸點SA3與常開觸點SA1和SA2所在分支并聯(lián)回路串聯(lián)，實現(xiàn)進出油軟管卷盤與空壓機、回抽泵互鎖。利用繼電器K1及K2的常開觸點和常閉觸點實現(xiàn)空壓機和回抽泵的互鎖。另外，由于加油車的控制方式分別為手動和自動兩種，因此空壓機的壓力開關信號要作為控制器的輸入信號，同時控制器要輸出兩路信號分別用于控制回抽泵和空壓機的動作。

圖3 負載互鎖邏輯電路圖

4 結(jié)論

針對加油車的實際使用要求，采用在原車底盤發(fā)動機變速箱加裝取力器直接取力的方案，進行液壓系統(tǒng)設計;通過在電控系統(tǒng)中增加邏輯電路，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的負載互鎖。目前，該型加油車已經(jīng)完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，液壓系統(tǒng)運行良好。

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