高空作業(yè)車工作平臺(tái)調(diào)平液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究

肖 寧，黎中銀，肖 清，何 維

XIAO Ning1, LI Zhong-yin2, XIAO Qing3, HE Wei1

（1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，柳州 545000；2.三一重工股份有限公司，珠海 519000；3.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 410000）

0 引言

高空作業(yè)車用來將人伸至高空進(jìn)行作業(yè)，在作業(yè)過程中，由于內(nèi)外各種干擾的影響，工作斗產(chǎn)生抖動(dòng)；而在高空作業(yè)車的實(shí)際作業(yè)過程中，工作斗調(diào)平運(yùn)動(dòng)隨著工作斗在工作空間中位置的變化而伺服運(yùn)動(dòng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能有較高的要求。課題主要從液壓系統(tǒng)方面著手，通過減弱液壓系統(tǒng)工作過程的壓力沖擊來使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行更加平穩(wěn)；以工作斗調(diào)平運(yùn)動(dòng)為攻克對(duì)象，設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，并通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，從而得到最適合工程實(shí)用的方案。利用AMESim來搭建液壓系統(tǒng)模型，并分析調(diào)平液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間等動(dòng)態(tài)特性，針對(duì)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)不夠理想等情況，采取了在液壓系統(tǒng)中加入阻尼孔、長(zhǎng)管道和蓄能器等元件來提高調(diào)平液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[1]。

在AMESim中搭建模型一般分為四個(gè)步驟：草稿模式、子模型模式、參數(shù)模式和運(yùn)行模式。依次按照這四個(gè)模式進(jìn)行，便可搭建所需系統(tǒng)模型。首先在AMESim中建立如圖1所示的工作斗調(diào)平液壓系統(tǒng)；其次在AMESim中進(jìn)行仿真，由圖2可以看出，液壓系統(tǒng)在系統(tǒng)建立壓力的開始階段，液壓管路中的壓力波動(dòng)是十分劇烈的，壓力沖擊顯而易見。2s時(shí)，電磁閥得電，液壓管路中開始建立壓力，5s時(shí)即達(dá)到了系統(tǒng)的工作壓力120bar。

圖1 液壓系統(tǒng)的AMESim模型

工作斗調(diào)平液壓系統(tǒng)在實(shí)際工作中會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，分析其原因可能是電磁閥的瞬間開啟和關(guān)閉使得液壓管道中的壓力發(fā)生了較大變化；或是工作斗中負(fù)載發(fā)生較大變化時(shí)使得油缸的負(fù)載發(fā)生了較大變化，從而使管路中的液壓油對(duì)液壓閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了沖擊；當(dāng)高空作業(yè)車在臂架變幅運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)平比例閥安裝在工作斗附近，與調(diào)平油缸距離很近，而液壓系統(tǒng)采用了定量泵，且比例閥前管道是很長(zhǎng)的，管道始終處于高壓狀態(tài)，當(dāng)調(diào)平電磁閥瞬時(shí)開啟或關(guān)閉，必然會(huì)對(duì)電磁閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)造成壓力沖擊，因而需采取措施來吸收液壓管路中的壓力沖擊[1]。

圖2 B口和S口壓力對(duì)比

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 阻尼孔方案設(shè)計(jì)

利用阻尼孔具有減小液壓沖擊的作用，在三通流量控制閥的控制口處加入一阻尼元件，得到如圖3所示的配置了阻尼孔的AMESim調(diào)平液壓系統(tǒng)，通過選擇特定的孔徑和孔形，能夠使阻尼孔有效的減小液壓管路中的壓力沖擊，課題選擇的是2mm孔徑的薄壁小孔。

圖3 配置阻尼孔液壓系統(tǒng)模型

圖4 配置阻尼孔B口和S口壓力對(duì)比

圖4 是配置阻尼孔的液壓系統(tǒng)B口和S口的壓力對(duì)比，可以從仿真結(jié)果看出，在電磁閥開啟的瞬間，管路中的液壓沖擊明顯減弱，說明阻尼孔對(duì)壓力沖擊有明顯的衰減作用。但阻尼孔會(huì)降低液壓系統(tǒng)的效率，因此阻尼孔方案可作為一個(gè)有效的備選方案。

1.2 長(zhǎng)管道方案設(shè)計(jì)

圖5為配置長(zhǎng)管道后的AMESim調(diào)平液壓系統(tǒng)模型，當(dāng)橡膠軟管的彈性模量減小時(shí)，油液的等效體積模量也會(huì)隨之減小，故可利用此特性來用橡膠軟管吸收管路中的液壓沖擊，此處不用長(zhǎng)鋼管的原因是其吸收液壓沖擊時(shí)調(diào)整時(shí)間較快。在AMESim中通過仿真來驗(yàn)證橡膠軟管對(duì)液壓沖擊的吸收能力，得到B口和S口的壓力曲線如圖6所示。由仿真結(jié)果可以看出，在電磁閥開啟的瞬間，三通控制閥S口的液壓沖擊明顯減小，且對(duì)液壓沖擊的吸收效果要優(yōu)于配置阻尼孔的方案，但在實(shí)際工程中，布置較長(zhǎng)的液壓軟管需占據(jù)較大空間，且增加生產(chǎn)成本，同時(shí)需要較長(zhǎng)的液壓軟管對(duì)壓力的衰減才會(huì)比較明顯，這顯然會(huì)降低液壓系統(tǒng)的效率，故在實(shí)際應(yīng)用中存在較苛刻的條件，在此僅作為備選方案。

圖5 配置長(zhǎng)管道液壓系統(tǒng)模型

圖6 配置長(zhǎng)管道B口和S口壓力對(duì)比

1.3 蓄能器方案設(shè)計(jì)

在三通流量控制閥的S口加入蓄能器，得到配置蓄能器的AMESim調(diào)平液壓系統(tǒng)如圖7所示，蓄能器能夠有效地吸收液壓管路中產(chǎn)生的壓力沖擊。三通流量控制閥的S口接入液壓系統(tǒng)中的最大工作壓力，同時(shí)S口的另一側(cè)接入液壓泵的出口壓力，因此液壓泵B口壓力和該系統(tǒng)中的最大壓力的差值會(huì)是一定值，該值即為三通流量控制閥補(bǔ)償器彈簧的設(shè)定值，于是保證系統(tǒng)在不工作時(shí)是在較低的溢流壓力環(huán)境下卸荷，和原系統(tǒng)相比降低了能量損耗，采用配置蓄能器的方案液壓系統(tǒng)的工作效率更高[2]。

通過AMESim模型仿真，得到配置蓄能器后液壓系統(tǒng)B口和S口的壓力對(duì)比如圖8所示，可以看出S口的壓力沖擊明顯減弱，說明蓄能器能夠有效吸收液壓管路中的壓力沖擊，相比于前兩種方案，蓄能器在系統(tǒng)壓力較高時(shí)吸收壓力，在系統(tǒng)壓力較低時(shí)釋放壓力，因而節(jié)能效果更加顯著。

圖7 配置蓄能器液壓系統(tǒng)模型

圖8 配置蓄能器B口和S口壓力對(duì)比

2 設(shè)計(jì)方案結(jié)果分析

液壓系統(tǒng)一般在以下情況下會(huì)產(chǎn)生壓力沖擊現(xiàn)象，如負(fù)載劇烈變化或者電磁閥換向、關(guān)閉時(shí)，由于管路中液壓油的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生急劇變化會(huì)導(dǎo)致壓力沖擊，盡管液壓系統(tǒng)中都會(huì)設(shè)有卸荷閥，但其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，無法減弱沖擊，這情況下壓力一般比較高，能達(dá)到正常壓力值的幾倍。另外劇烈的壓力沖擊會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)中的元件出現(xiàn)故障：噪聲或執(zhí)行機(jī)構(gòu)振動(dòng)，因而需采取措施來減弱液壓沖擊，根據(jù)上述分析，通過在液壓系統(tǒng)中引入蓄能器能夠有效的衰減系統(tǒng)的壓力沖擊，同時(shí)提高液壓系統(tǒng)的工作效率，能夠使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。如圖9所示為采用上述三種方案后液壓缸壓力曲線變化的對(duì)比，可以看出，原系統(tǒng)的壓力響應(yīng)時(shí)間是最迅速的，但此刻產(chǎn)生的沖擊壓力也是最大的，這會(huì)使液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)。而配置蓄能器后，液壓油缸的壓力響應(yīng)時(shí)間是最遲鈍緩慢，同時(shí)沖擊壓力也較小，其主要原因是蓄能器首次工作時(shí)，氣囊壓力的建立需要花費(fèi)一定時(shí)間，因而建立油缸壓力的時(shí)間最慢，又因?yàn)樾钅芷鬟€具有保壓得功能，故在后續(xù)的工作過程中，系統(tǒng)壓力都是在上一次基礎(chǔ)之上建立的，油缸壓力的建立時(shí)間將會(huì)顯著縮短。配置阻尼孔和配置長(zhǎng)管道的方案，系統(tǒng)的壓力建立時(shí)間比原有系統(tǒng)要稍長(zhǎng)，但同時(shí)系統(tǒng)中的液壓沖擊也減弱[3]。

圖9 液壓缸壓力曲線變化

圖10 控制閥關(guān)閉瞬間液壓缸壓力曲線對(duì)比

3 結(jié)論

為了更加明顯對(duì)比三種方案對(duì)液壓沖擊的衰減作用，將電磁換向閥在8s時(shí)停止工作，得到不同方案的調(diào)平液壓缸壓力曲線對(duì)比如圖10所示，可以看出，不同配置方案所導(dǎo)致的壓力沖擊效果差別很大，總的來說，壓力沖擊由大到小依次為原系統(tǒng)、配置阻尼孔、配置長(zhǎng)管道、配置蓄能器。配置蓄能器后，系統(tǒng)的壓力沖擊不僅最小，且壓力進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也最短，同時(shí)配置蓄能器方案還有利于系統(tǒng)節(jié)能，同時(shí)，在實(shí)際工程中，蓄能器技術(shù)較為成熟，故配置蓄能器是較為理想的方案。

[1] 周景松.蓄能器在高空作業(yè)車中的應(yīng)用和研究[D].大連∶大連理工大學(xué),2012.

[2] 王繼紅.蓄能器在工程起重機(jī)上的新應(yīng)用[J].工程機(jī)械,2001,32(9)∶34-35,54.

[3] 董春芳,朱玉杰,馮國(guó)紅.基于AMESim的長(zhǎng)管道液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真[J].煤礦機(jī)械,2010,31(1)∶89-91.