高空作業(yè)車調(diào)平控制分析與閥組設(shè)計(jì)

陳 磊

（徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州 221004）

1 高空作業(yè)車調(diào)平控制技術(shù)分析

高空作業(yè)車作為典型的工作斗舉升作業(yè)裝置，工作斗調(diào)平系統(tǒng)安全可靠、快速穩(wěn)定是其核心需求。目前，典型的工作斗調(diào)平系統(tǒng)分為機(jī)械調(diào)平、靜液壓調(diào)平和電液控制調(diào)平三種。針對(duì)不同的作業(yè)高度、車型，三種調(diào)平方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。機(jī)械調(diào)平和靜液壓調(diào)平是目前中小米數(shù)高空作業(yè)車經(jīng)常使用的技術(shù)方式，而作業(yè)高度在28m以上的高空作業(yè)車須使用電液控制調(diào)平。大米數(shù)、快響應(yīng)、大幅度是高空作業(yè)車重要的發(fā)展方向，其中電液控制調(diào)平技術(shù)是高空作業(yè)車工程領(lǐng)域必須掌握的核心技術(shù)。

1.1 機(jī)械調(diào)平系統(tǒng)

機(jī)械調(diào)平一般采用拉桿機(jī)械調(diào)平或鏈條機(jī)構(gòu)調(diào)平，其機(jī)械調(diào)平結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多用于折疊臂類高空作業(yè)車或混合臂類高空作業(yè)車，其中拉桿機(jī)械調(diào)平成本低廉、較為可靠，但機(jī)構(gòu)制造較復(fù)雜、重量較大，影響舉高臂架的作業(yè)幅度范圍。

1.2 靜壓調(diào)平系統(tǒng)

靜液壓調(diào)平采用雙液壓缸等容積靜液壓驅(qū)動(dòng)控制，多用于28m 以下伸縮臂類或折疊伸縮混合式臂體高空作業(yè)車，受雙液壓缸之間液壓油可壓縮性和軟管彈性的限制，當(dāng)管道長(zhǎng)度超過(guò)臨界值時(shí)，在臂架的舉升過(guò)程中難以滿足工作斗水平動(dòng)態(tài)傾角小于5°的標(biāo)準(zhǔn)要求。

靜液壓調(diào)平技術(shù)一般應(yīng)用在伸縮臂高空作業(yè)車中，通常只采用單組雙缸組合等容積液壓缸方案。等容積雙液壓缸主要技術(shù)原理為與變幅機(jī)構(gòu)相連接的泵工作液壓缸通過(guò)變幅運(yùn)動(dòng)壓出液壓油，高壓油壓入調(diào)平工作缸。因調(diào)平工作缸的缸筒杠桿尺寸與泵工作液壓缸相同，故兩缸的伸出與回縮長(zhǎng)度對(duì)等，通過(guò)工作斗運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿形運(yùn)動(dòng)使工作斗變幅角度與臂體機(jī)構(gòu)變幅角度保持一致，繼而保證工作斗水平。

杭州某公司一種典型的復(fù)雜的雙組應(yīng)用方案，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用了兩組雙缸組合等容積液壓缸來(lái)完成較高舉升臂的工作斗調(diào)平[1]。該方案受限于管道長(zhǎng)度和折疊機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的影響較大，其采用的下伸縮油缸組拉桿機(jī)械連接上伸縮油缸組方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造經(jīng)濟(jì)性不佳。

圖1 兩組等容雙缸組合靜液壓調(diào)平技術(shù)

1.3 電液調(diào)平系統(tǒng)

當(dāng)作業(yè)米數(shù)高于28m 時(shí)需使用電液控制調(diào)平，電液控制調(diào)平一般采用工作斗傾角傳感器作為閉環(huán)控制信號(hào)，通過(guò)定制PCB 控制板卡或PLC 可編程控制器調(diào)制閉環(huán)控制系統(tǒng)，PCB 板卡或PLC 可編程控制器輸出電流驅(qū)動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)換向閥或電子比例換向閥來(lái)控制調(diào)平油缸完成工作斗調(diào)平。采用電磁開(kāi)關(guān)換向閥驅(qū)動(dòng)調(diào)平油缸的方案，受電磁開(kāi)關(guān)換向壓力沖擊和過(guò)油流量無(wú)法精確控制等因素的影響，工作斗調(diào)平傾角偏差較大、穩(wěn)定性和安全性較差。

重慶某公司采用調(diào)速閥串聯(lián)比例閥驅(qū)動(dòng)調(diào)平油缸的方案。此方案技術(shù)特點(diǎn)為調(diào)平油缸的液壓油流量受調(diào)速閥和調(diào)平比例閥雙重串聯(lián)控制。通過(guò)調(diào)速閥和接受控制器PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)的電子比例閥共同控制調(diào)平油缸伸縮來(lái)完成工作斗前傾或后傾，從而完成工作斗調(diào)平控制[2]，其方案如圖2 所示。

圖2 調(diào)速閥串聯(lián)比例閥調(diào)平

該方案調(diào)速閥流量壓力控制響應(yīng)需要時(shí)間且因閥芯運(yùn)動(dòng)振蕩造成壓力沖擊，導(dǎo)致臂架起動(dòng)時(shí)工作斗調(diào)平傾角容易超限緊急停車，降低了調(diào)平油缸響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性，從而影響工作斗作業(yè)的安全性和可靠性。

2 高空作業(yè)車調(diào)平控制閥組設(shè)計(jì)

高空作業(yè)車調(diào)平閥組流量通常在10L/min 以下，工作壓力一般低于20MPa。針對(duì)這種特定的小流量中壓工況，節(jié)流閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力能補(bǔ)償閥口壓差變大導(dǎo)致流量上升的信號(hào)控制偏差效應(yīng)是閥組設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)。液動(dòng)力與控制窗口的面積梯度、壓力降和閥芯位移有關(guān)的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力表達(dá)式為F=K1WxΔp，式中K1為增益系數(shù)，x為閥芯的軸向行程，W為閥口的周向開(kāi)度，Δp為節(jié)流閥前后壓差[3]。在一定閥芯位移x行程范圍內(nèi)，隨著x增大液壓動(dòng)力F隨之增大，而這種液壓力的增大能使閥口有向小的趨勢(shì)。對(duì)于Δp亦是如此，當(dāng)Δp增大時(shí)，液動(dòng)力F上升，閥芯位移x變小，從而導(dǎo)致了閥芯通流面積減小，繼而導(dǎo)致流量下降趨勢(shì)補(bǔ)償了Δp上升帶來(lái)的流量增大，使一定范圍內(nèi)控制流量受負(fù)載Δp的影響較小。

2.1 調(diào)平控制閥組設(shè)計(jì)方案

調(diào)平閥組是工作斗調(diào)平控制的核心元件，其原理直接決定了調(diào)平系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、快速性、穩(wěn)定性、功能多樣化的集成和防沖擊能力。如何實(shí)現(xiàn)調(diào)平油缸安全可靠的比例伸縮，電控制信號(hào)快速響應(yīng)和多功能集成降低成本是需要解決的問(wèn)題。

結(jié)合以上調(diào)平控制閥組需求，我們提出一種工作斗調(diào)平閥組，當(dāng)應(yīng)用于舉升臂架工作斗控制時(shí)，能完成工作斗調(diào)平油缸比例調(diào)速伸縮、工作斗擺動(dòng)油缸比例調(diào)速旋轉(zhuǎn)、待機(jī)緩沖卸荷、工作斗運(yùn)動(dòng)的緊急停止卸荷等功能。工作斗調(diào)平閥組包括溢流閥、卸荷電子比例閥、無(wú)桿腔電子比例閥、有桿腔電子比例閥、電磁開(kāi)關(guān)換向閥、第一單向回油節(jié)流閥、第二單向回油節(jié)流閥、回油單向閥。該閥組控制系統(tǒng)的液壓原理如圖3 所示。

圖3 工作斗調(diào)平閥組原理圖

工作斗調(diào)平閥組及其液壓控制系統(tǒng)，因兩位三通電子比例閥負(fù)載自補(bǔ)償能力無(wú)需前置調(diào)速閥補(bǔ)償負(fù)載壓力，能完成調(diào)平油缸比例調(diào)速穩(wěn)定伸縮。無(wú)桿腔電子比例閥和有桿腔電子比例閥分體布置，兩電子比例閥流量分體布置容易實(shí)現(xiàn)對(duì)不對(duì)稱受壓面積的調(diào)平油缸小流量高分辨率的流量精確控制。

單向回油節(jié)流閥形成的回油節(jié)流背壓和旁路布置的卸荷電子比例閥的比例開(kāi)啟能實(shí)現(xiàn)工作斗擺動(dòng)油缸比例調(diào)速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)卸荷電子比例閥的開(kāi)啟時(shí)間及開(kāi)口大小的比例設(shè)定實(shí)現(xiàn)工作斗待機(jī)緩沖卸荷、工作斗運(yùn)動(dòng)的緊急停止卸荷功能；通過(guò)回油單向閥能實(shí)現(xiàn)隔絕卸荷電子比例閥緊急停止卸荷時(shí)工作斗調(diào)平閥組回油口形成的高速流體對(duì)調(diào)平油缸壓力沖擊。工作斗調(diào)平閥組的集成設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)管路布置，卸荷電子比例閥的多功能設(shè)定降低了液壓系統(tǒng)成本。

2.2 調(diào)平控制閥組功能分析

調(diào)平控制閥組主要功能分為調(diào)平油缸比例調(diào)速穩(wěn)定伸縮、擺動(dòng)油缸比例調(diào)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)、工作斗動(dòng)作緊急卸荷三大功能。在該控制閥組應(yīng)用的過(guò)程中也遇到因長(zhǎng)管路蓄能器效應(yīng)導(dǎo)致的釋壓沖擊問(wèn)題。下面針對(duì)這些需求和問(wèn)題進(jìn)行展開(kāi)分析。

2.2.1 調(diào)平油缸比例調(diào)速穩(wěn)定伸縮

當(dāng)卸荷電子比例閥接受控制器信號(hào)關(guān)閉、無(wú)桿腔電子比例閥接受控制器信號(hào)處于左位比例開(kāi)啟、有桿腔電子比例閥處于默認(rèn)彈簧位時(shí)，壓力油從工作斗調(diào)平閥組進(jìn)油口流經(jīng)無(wú)桿腔電子比例閥到達(dá)無(wú)桿腔工作油口，繼而流經(jīng)第一平衡閥流入調(diào)平油缸無(wú)桿腔，推出調(diào)平油缸活塞桿。當(dāng)卸荷電子比例閥接受控制器信號(hào)關(guān)閉、有桿腔電子比例閥接受控制器信號(hào)處于右位比例開(kāi)啟、無(wú)桿腔電子比例閥處于默認(rèn)彈簧位時(shí)，壓力油從工作斗調(diào)平閥組進(jìn)油口流經(jīng)有桿腔電子比例閥到達(dá)有桿腔工作油口，繼而流經(jīng)第二平衡閥流入調(diào)平油缸有桿腔，推回調(diào)平油缸活塞。

無(wú)桿腔電子比例閥和有桿腔電子比例閥閥芯的自動(dòng)補(bǔ)償能自動(dòng)補(bǔ)償負(fù)載壓力，保證輸出流量穩(wěn)定響應(yīng)控制器信號(hào)。無(wú)桿腔電子比例閥和有桿腔電子比例閥采用螺紋插裝分體布置，兩閥芯額定流量不對(duì)稱布置容易實(shí)現(xiàn)對(duì)不對(duì)稱受壓面積的調(diào)平油缸小流量高分辨率的流量精確控制。

2.2.2 擺動(dòng)油缸比例調(diào)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)

當(dāng)卸荷電子比例閥接受控制器信號(hào)比例開(kāi)啟、電磁開(kāi)關(guān)換向閥接受控制器信號(hào)處于右位時(shí)，部分壓力油從工作斗調(diào)平閥組進(jìn)油口流經(jīng)電磁開(kāi)關(guān)換向閥、第一回油單向節(jié)流閥流入擺動(dòng)油缸第一工作油口，繼而流經(jīng)第二平衡閥流入擺動(dòng)油缸推動(dòng)擺動(dòng)油缸左旋。另一部分壓力油流經(jīng)卸荷電子比例閥至工作斗調(diào)平閥組回油口。當(dāng)卸荷電子比例閥接受控制器信號(hào)比例開(kāi)啟、電磁開(kāi)關(guān)換向閥接受控制器信號(hào)處于左位時(shí)，部分壓力油從工作斗調(diào)平閥組進(jìn)油口流經(jīng)電磁開(kāi)關(guān)換向閥、第二回油單向節(jié)流閥流入擺動(dòng)油缸第二工作油口，繼而流經(jīng)第二平衡閥流入擺動(dòng)油缸推動(dòng)擺動(dòng)油缸右旋。另一部分壓力油流經(jīng)卸荷電子比例閥至工作斗調(diào)平閥組回油口。

擺動(dòng)油缸負(fù)載較為穩(wěn)定，擺動(dòng)速度取決于流經(jīng)卸荷電子比例閥至工作斗調(diào)平閥組回油口流量大小。因單向回油節(jié)流閥穩(wěn)定回油節(jié)流背壓使經(jīng)常在小流量下工作的擺動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，從而實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)油缸比例調(diào)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

2.2.3 工作斗停止卸荷與釋壓沖擊

當(dāng)工作斗從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)時(shí)，卸荷電子比例閥接受控制器信號(hào)于設(shè)定時(shí)間內(nèi)比例開(kāi)啟，壓力油直接經(jīng)卸荷電子比例閥流入工作斗調(diào)平閥組回油口，完成緩沖卸荷功能。通過(guò)卸荷電子比例閥設(shè)定時(shí)間的比例節(jié)流開(kāi)啟，將工作斗調(diào)平閥組進(jìn)油口高壓流體緩慢節(jié)流釋放，將壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為熱能，從而達(dá)到避免高壓流體因過(guò)流面突然變大產(chǎn)生高速流體形成的液壓沖擊。

當(dāng)工作斗在危險(xiǎn)工況下從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為緊急停止時(shí)，卸荷電子比例閥接受控制器信號(hào)于設(shè)定極短時(shí)間內(nèi)快速開(kāi)啟，壓力油直接經(jīng)卸荷電子比例閥流入工作斗調(diào)平閥組回油口，完成快速卸荷功能。

工作斗調(diào)平閥組進(jìn)油口于在工作斗運(yùn)動(dòng)時(shí)形成高壓流體，當(dāng)工作斗在危險(xiǎn)工況下從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為緊急停止時(shí)，高壓流體因過(guò)流面突然變大產(chǎn)生高速流體形成的液壓沖擊在回路中流竄?；赜蛦蜗蜷y的單向截止功能能隔絕高速流體反沖至調(diào)平油缸的進(jìn)油口而導(dǎo)致的調(diào)平油缸振蕩。

3 結(jié)語(yǔ)

本文論述了高空作業(yè)車電液調(diào)平控制閥組的設(shè)計(jì)功能滿足方法，以及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中碰到釋壓沖擊和微流調(diào)整的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題解決措施。調(diào)平控制閥組只是調(diào)平自動(dòng)控制技術(shù)的核心一環(huán)，要完成調(diào)平機(jī)構(gòu)可靠快速工作，還需針對(duì)不同車型工況對(duì)相應(yīng)的控制程序和方法進(jìn)行優(yōu)化提升，更好地滿足其工程化需求。