陳 磊/CHEN Lei

(徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州 221004)

高空作業(yè)車作為一種典型的臂架類載人舉高作業(yè)車輛，近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。整車技術(shù)特點(diǎn)快速向輕量化方向迭代改進(jìn)。行業(yè)主要特點(diǎn)為采用輕量化藍(lán)牌二類底盤作為改制平臺，整車重量的大幅下降極大地降低了整車售價，駕駛員C 照低要求和低售價門檻快速拓展了車載高空作業(yè)車應(yīng)用與普及。在市場競爭日趨激烈的市場環(huán)境下，整車成本控制要求使得液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加重視元件參數(shù)的匹配與模塊集成，在控制參數(shù)優(yōu)化方面做出更多的努力。

1 支腿液壓回路技術(shù)分析

高空作業(yè)車支腿液壓回路由支腿油缸、液壓鎖、支腿多路閥組成，結(jié)構(gòu)相對比較簡單。簡化模型如圖1(a)所示，油缸整體倒置，活塞桿與支腳盤雙軸鉸接觸地，缸筒頂端與車架支腿結(jié)構(gòu)鉸接承載整車重量。四支腿八油缸共用一聯(lián)換向閥，支腿多路閥換向聯(lián)控制支腿油缸伸出時，支承車架升高至底盤輪胎離地，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)要求。

實(shí)際作業(yè)過程中，操作者經(jīng)常將油缸完全伸出，此操作將導(dǎo)致油缸大腔殘存有系統(tǒng)溢流壓力的高壓。當(dāng)作業(yè)完畢回收支腿時，支腿多路閥換向聯(lián)控制支腿油缸回縮，容易因重力負(fù)載超速導(dǎo)致液壓鎖快速啟閉振蕩從而導(dǎo)致車架震顫，繼而影響車輛單支腿調(diào)整或回收作業(yè)的安全性，而且油缸大腔內(nèi)殘存的高壓則會加重液壓鎖振蕩問題。當(dāng)作業(yè)地面不平整時，有時需要對單個支腿進(jìn)行動作調(diào)整，需要換向聯(lián)在小流量工況下進(jìn)行微調(diào)回縮作業(yè)，此時液壓鎖振蕩問題更會增加微調(diào)難度，繼而影響作業(yè)效率與支腿調(diào)平精度。針對油缸運(yùn)動振動問題，擬從回路液阻匹配角度來尋求穩(wěn)定控制的優(yōu)化方法。

為平衡重力負(fù)載一般教科書或培訓(xùn)教材提供的方法為在系統(tǒng)回路中增加固定液阻，即在液壓鎖與油缸之間增加單向節(jié)流閥[1]，該方法基本原理如圖1(b)所示。此方法在額定流量下可通過節(jié)流插件或管式單向節(jié)流閥對負(fù)載和固定流量產(chǎn)生平衡阻尼，能較好地抑制速度波動，但因節(jié)流孔為固定液阻，當(dāng)流量較小時，節(jié)流孔效果不佳。專用車整車尺寸緊湊，支腿空間狹小，難以加裝單向節(jié)流插件或布置管式單向節(jié)流閥。

圖1 支腿回路模型原理圖

為更好地滿足支腿微動回縮及兼顧安裝空間與成本各方面的要求，需對系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行建模并匹配合理的回路液阻。主要技術(shù)方案為在三位六通換向閥垂直支腿油缸無桿腔回油路上設(shè)計(jì)節(jié)流槽，達(dá)到較好的運(yùn)動速度控制特性。

2 支腿液壓回路物理建模分析

中小米數(shù)高空作業(yè)整車質(zhì)量一般不超過6t，作業(yè)高度一般不超過22m，本文以典型作業(yè)高度21m 型號GKS21 高空作業(yè)車支腿為建模對象。垂直支腿油缸尺寸為?80×?56×800mm，支腿回路單支腿額定流量為16Lpm，單垂直腿負(fù)載質(zhì)量為1·5t。通過Amesim 液壓系統(tǒng)模塊、HCD 模塊和機(jī)械及信號模塊等對其進(jìn)行物理建模。其中負(fù)載簡化為1·5t 質(zhì)量塊，雙向液壓鎖采用HCD液壓元件庫建模，三位六通換向閥先使用液壓系統(tǒng)模塊進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)。支腿液壓回路物理建模示意圖如圖2 所示，模型具體要點(diǎn)如下：①單向閥HCD 模型設(shè)計(jì)通徑為6mm，額定流量為40Lpm，閥芯彈簧腔控制節(jié)流阻尼不能過小，會引起增壓和堵塞等問題，本模型設(shè)置為?1mm；②換向閥模型額定流量為16Lpm，A 至T面積梯度為線性增加，小行程節(jié)流效果較強(qiáng)，與實(shí)際換向閥設(shè)計(jì)模型有偏差，可通過HCD 模型進(jìn)行更為精確的仿真分析。

圖2 支腿液壓回路物理建模

通過運(yùn)行物理模型，設(shè)置不同的支腿多路閥無桿腔節(jié)流梯度阻尼，得出優(yōu)化支腿油缸穩(wěn)定回縮的對應(yīng)多路閥節(jié)流液阻。如圖3 所示，當(dāng)換向閥回油背壓設(shè)定為10bar@16Lpm 時，支腿回路從油缸全伸極限位置回縮，支腿速度波動幅值小于10%。此速度小幅波動主要是因?yàn)橹扔透谉o桿腔伸出至極限位導(dǎo)致憋壓時產(chǎn)生殘余高壓，無桿腔殘余高壓瞬間釋放沖擊與油缸油液彈簧共同作用導(dǎo)致振動。

圖3 支腿油缸回縮速度波動

3 回油節(jié)流阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

高空作業(yè)車支腿一般為四支腿，四支腿共用一聯(lián)換向閥。支腿多路閥通過四聯(lián)選擇閥操作可四支腿同時伸出或回縮，也可以單獨(dú)動作。支腿多路閥額定流量約60Lpm，三位六通換向閥閥芯直徑約為20mm，擬定換向聯(lián)閥芯對應(yīng)油缸無桿回油節(jié)流槽數(shù)為4 條，此布置既保證換向閥受力平衡，又能降低小面積節(jié)流槽加工制造難度。因垂直支腿油缸伸出時負(fù)載值較小約為2·5MPa，通過優(yōu)化入口旁路節(jié)流可達(dá)到入口流量近似線性增加。

參照圖2 模型仿真數(shù)據(jù)，對多路閥換向聯(lián)油缸無桿回油節(jié)流槽建模，如圖4 所示。該模型主要思路為兼顧考慮加工工藝難度和經(jīng)濟(jì)性以及近似等效回油節(jié)流效果。通過設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證可知，較高的回油節(jié)流壓力可提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，故換向閥回油節(jié)流全行程在入口流量線性增加的前提下保證全行程壓力大于10bar 即可。該模型設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

圖4 回油節(jié)流HCD模型

1)回油節(jié)流槽采用簡單的圓柱銑刀直線或傾斜加工，此模型采用R1 和R1·5 兩種圓柱銑刀組合加工，采用較小的圓柱銑刀可使節(jié)流面的面積增益在圓柱部分較小且可控。

2)為獲取線性面積增益可采用槽底深度線性增加的方法，具體加工時可使用夾具定位換向閥芯傾斜一定角度進(jìn)行加工，方法簡單可靠。

3)回油節(jié)流通道單區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格數(shù)應(yīng)盡可能地密集，計(jì)算推薦網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)不小于1 000，否則易導(dǎo)致計(jì)算等效面積出現(xiàn)較大偏差。

4)計(jì)算等效面積是封閉曲面通道簡化計(jì)算的模型，最終輸出的結(jié)果為等效面積，與實(shí)際測試結(jié)果存在一定的偏差。

5)因起始壓力沖擊較高，實(shí)際測試時開啟回油節(jié)流壓力較小，一般為實(shí)際模型有相關(guān)卸荷槽緩沖起始沖擊，故模型并聯(lián)增加起始位為微小卸荷槽進(jìn)行修正。

運(yùn)行模型的過流面積與回油節(jié)流壓力如圖5所示，最大過流面積約為19mm2，最小回油節(jié)流壓力在對應(yīng)的線性流量點(diǎn)約為10bar，最大換向位行程時工作流量為60Lpm。支腿多路換向閥典型工作流量一般為最大換向位60Lpm 和微動換向位5Lpm，故此閥芯模型設(shè)計(jì)可滿足支腿油缸在重力負(fù)載下回縮的操控需求，并且能很好平衡抑制重力負(fù)載導(dǎo)致的液控單向閥啟閉振動。

圖5 回油節(jié)流壓力及過流面積

4 結(jié)語

通過以上設(shè)計(jì)分析基本實(shí)現(xiàn)了在換向閥上集成節(jié)流控制的目標(biāo)，使液壓系統(tǒng)無需使用額外的單向節(jié)流元件或者更為復(fù)雜的平衡閥就實(shí)現(xiàn)了負(fù)載運(yùn)動速度控制。實(shí)際應(yīng)用支腿多路閥如圖6 所示，文中分析的換向節(jié)流具體應(yīng)用在該多路閥從右起第二聯(lián)。該支腿多路閥為專用車液壓系統(tǒng)定制開發(fā)的典型應(yīng)用，集成上下車油路選擇、四垂直支腿油缸和四水平支腿油缸一起或單獨(dú)換向、水平油缸鎖止、上下車電磁閥互鎖等功能。

圖6 多功能支腿多路換向閥

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)對元件設(shè)計(jì)要求與元件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工存在一定的偏差，同時兼顧液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能與經(jīng)濟(jì)性對系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提出了更高的要求。僅僅將設(shè)計(jì)工作停留在單一的理想線性模型要求中無法經(jīng)濟(jì)合理的解決實(shí)際工程問題。合理的利用設(shè)計(jì)仿真計(jì)算工具能為系統(tǒng)工程師與元件工程師之間架起分析溝通的良好平臺，最終的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)還需在液壓試驗(yàn)臺上進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證。

在此多路閥應(yīng)用中存在制造偏差問題，我們通過在系統(tǒng)中合理利用其他元件也能很好補(bǔ)償此類問題。例如在臂架舉高類液壓系統(tǒng)中為了防止管路因整車靜置管路漏空導(dǎo)致油液含氣量偏高問題，一般會在回油管路上增設(shè)背壓單向閥鎖止泄漏，此單向閥產(chǎn)生的開啟壓力和節(jié)流壓損約為3bar，此壓力也能起到很好的負(fù)載波動抑制和制造偏差補(bǔ)償效果。