用于工程改裝車平臺的作業(yè)液壓系統(tǒng)設(shè)計及仿真

司癸卯， 許天澤， 霍富強， 王 貝

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064)

引言

在不同地形地貌上對道路進(jìn)行修補、填坑等作業(yè)時，目前唯一的辦法就是使用不同的道路養(yǎng)護(hù)機械，每一個工序都需配備專用的機械設(shè)備[1]。所配備的機械種類繁多，而且由于間歇性作業(yè)，每個機械設(shè)備使用的次數(shù)不多，使得部分設(shè)備閑置率高，增加了相應(yīng)的購置費，同時降低了作業(yè)效率。針對這一問題，國外已有學(xué)者提出將單一設(shè)備系統(tǒng)化、零散作業(yè)集合化，具有相同特征的作業(yè)模式組合于一體，可“一機多用”的底盤[2]。但此類綜合養(yǎng)護(hù)機械在國內(nèi)尚屬空白。盡快開發(fā)出我國自主研發(fā)并生產(chǎn)的、可“一機多用”的底盤是提高我國道路養(yǎng)護(hù)作業(yè)效率的可行辦法，也為養(yǎng)護(hù)機械開創(chuàng)更廣闊的未來提供了可行思路。

1 工程改裝車平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計

所設(shè)計平臺為輪式工程機械通用平臺，可通過匯總各類輪式公路養(yǎng)護(hù)車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對比和仿真得出平臺基本參數(shù)。公路養(yǎng)護(hù)專用車包括稀漿封層車、同步碎石車以及瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車，輔助養(yǎng)護(hù)車包括道路除雪車、道路清掃車等，公路養(yǎng)護(hù)車參數(shù)配置表數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 公路養(yǎng)護(hù)車參數(shù)配置表

所設(shè)計平臺為可“一機多用”的平臺，要滿足至少2臺設(shè)備的作業(yè)工況要求，從表中數(shù)據(jù)可以看出，若取平臺最大質(zhì)量16000 kg，最高車速90 km·h-1，工作速度1～20 km·h-1，那么設(shè)計出的平臺可基本滿足大部分公路養(yǎng)護(hù)機械的生產(chǎn)制造要求。

將一系列公路養(yǎng)護(hù)機械車的作業(yè)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行液壓缸與液壓馬達(dá)進(jìn)行整理與匯總，如表2所示，可分析繪制出平臺的作業(yè)液壓系統(tǒng)圖，并將稀漿封層車[3]、同步碎石車[4]、瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車[5]、除雪車[6]以及清掃車[7]等一系列公路養(yǎng)護(hù)機械車輛的作業(yè)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行液壓缸與液壓馬達(dá)對應(yīng)的回路在示意圖下方標(biāo)出，使平臺發(fā)揮可“一機多用”作用時，只需參照圖解，根據(jù)作業(yè)方式更換執(zhí)行機構(gòu)即可, 圖1所示為平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)圖。

平臺的作業(yè)液壓系統(tǒng)采用以雙聯(lián)齒輪泵作為動力輸出的雙回路系統(tǒng)，每條回路在輸入液壓油后都會有1個執(zhí)行元件進(jìn)行動作。因此，整個回路中至少會有2個執(zhí)行元件同時進(jìn)行動作。該系統(tǒng)的優(yōu)點是：功率利用較好、動作正確、操作方便[8]。

表2 不同公路養(yǎng)護(hù)車作業(yè)液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)

不同的作業(yè)狀態(tài)需選擇不同中位機能的電磁閥，若要求執(zhí)行機構(gòu)可以平穩(wěn)、準(zhǔn)確地停留在既定位置上，選用中位機能為“O”形的三位六通電磁換向閥6，7，8，31，32以保證執(zhí)行機構(gòu)可以在任意位置保持靜止不動。若執(zhí)行機構(gòu)不需要停留在中間位置，則選用中位機能為“Y”形的三位六通電磁換向閥9，10，11，27，28，29，30。設(shè)置背壓閥12，13，14，15，16，31，32的目的是保證執(zhí)行機構(gòu)平穩(wěn)動作，同時還起到液壓鎖的作用，使機構(gòu)運行更加可靠[9]。

執(zhí)行機構(gòu)圖1中,20，21，22，23，24，39，40分別為平臺不同工作狀態(tài)下的執(zhí)行液壓缸。當(dāng)處在稀漿封層車工作狀態(tài)時，其分別為攤鋪器舉升液壓缸、攤鋪器分料液壓缸、攤鋪器橫移液壓缸、攤鋪器伸縮液壓缸；當(dāng)處在同步碎石車工作狀態(tài)時，其分別為料斗舉升液壓缸、噴灑桿升降液壓缸、噴灑桿橫移液壓缸、噴灑桿升降液壓缸；當(dāng)處在瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車工作狀態(tài)時，其分別為加熱墻橫移液壓缸、加熱墻升降液壓缸、上料機構(gòu)舉升液壓缸、加熱墻翻轉(zhuǎn)液壓缸、壓路機提升液壓缸；當(dāng)處在除雪車工作狀態(tài)時，其分別為振動鏟提升液壓缸、振動鏟擺動液壓缸；當(dāng)處在清掃車工作狀態(tài)時，其分別為左(右)前盤刷伸縮液壓缸、左(右)后盤刷伸縮液壓缸、垃圾箱傾翻液壓缸、垃圾箱尾門液壓缸、吸嘴液壓缸。

1、3.濾油器 2.冷卻器 4.雙聯(lián)定量泵 5、33.溢流閥 6～8、31、32.三位六通O形換向閥 9～12、26～30.三位六通Y形換向閥 15～19、35、36.背壓閥 13、14、37、38.預(yù)留口 20～24、39、40.液壓缸 25.單向閥 34.緩沖限壓閥 41～43.液壓馬達(dá)圖1 平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)

41，42，43分別為平臺不同工作狀態(tài)下的執(zhí)行液壓馬達(dá)，當(dāng)處在稀漿封層車工作狀態(tài)時，其分別為攤鋪器旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、高壓清洗馬達(dá)；當(dāng)處在同步碎石車工作狀態(tài)時，其分別為布料輥馬達(dá)、導(dǎo)熱油馬達(dá)；當(dāng)處在瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車工作狀態(tài)時，其分別為旋轉(zhuǎn)料倉馬達(dá)、乳化瀝青馬達(dá)、熱瀝青馬達(dá)；當(dāng)處在除雪車工作狀態(tài)時，其分別為滾刷馬達(dá)、振動鏟馬達(dá)；當(dāng)處在清掃車工作狀態(tài)時，其分別為左(右)前盤刷馬達(dá)、左(右)后盤刷馬達(dá)。

馬達(dá)回路中設(shè)置緩沖減壓閥34的作用是，當(dāng)作業(yè)馬達(dá)在工作中發(fā)生啟停、翻轉(zhuǎn)及制動等動作時，它可將液壓油從高壓腔通入低壓腔進(jìn)行補油動作，降低系統(tǒng)由液壓造成的沖擊，所以該回路選用中位機能為“O”形的三位六通換向閥30。同理，若馬達(dá)不需進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、制動等動作則可選用中位機能為“Y”形的三位六通換向閥31，32，13，14，37，38為多路閥預(yù)留口，以備其他機械設(shè)備需要。

2 作業(yè)液壓系統(tǒng)計算

2.1 工作壓力確定

所設(shè)計平臺的作業(yè)執(zhí)行機構(gòu)是要集稀漿封層車、同步碎石車、瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車、除雪車以及清掃車的作業(yè)方式于一體，以體現(xiàn)“一機多用”的設(shè)計理念。通過分析表1可知，瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車與同步碎石車的理論結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)較為相似，因此本研究將具有相同工作環(huán)境、相似結(jié)構(gòu)尺寸的瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車與同步碎石車的作業(yè)系統(tǒng)結(jié)合，為此為例進(jìn)行設(shè)計。

由表2和圖1可知，瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車的作業(yè)方式有加熱墻的橫移、升降以及翻轉(zhuǎn)動作，上料機構(gòu)的上下舉升物料動作，壓路機的提升動作，旋轉(zhuǎn)料倉的翻轉(zhuǎn)動作，乳化瀝青和熱瀝青的噴灑動作。同步碎石車的作業(yè)內(nèi)容為瀝青結(jié)合料的噴灑與骨料的撒布，二者同時進(jìn)行涉及的作業(yè)方式有噴灑桿橫移、升降以及料斗舉升等動作。將二者的作業(yè)方式結(jié)合，則平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)需要實現(xiàn)的作業(yè)方式為：使加熱墻與噴灑桿實現(xiàn)橫移、升降動作；使上料機構(gòu)(料斗)與壓路機實現(xiàn)舉升動作；使加熱墻、旋轉(zhuǎn)料倉實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動作；使瀝青實現(xiàn)噴灑動作。通過各類瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車與同步碎石車資料，確定平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)的工作壓力值為14 MPa[4]。

2.2 主要元件參數(shù)的確定

1) 執(zhí)行元件載荷大小和主要參數(shù)確定

執(zhí)行元件的液壓缸選用雙作用、單活塞桿HSG型工程用液壓缸，馬達(dá)選用齒輪馬達(dá)完成既定工況作業(yè)[10]，整理集合各執(zhí)行元件的載荷及主要參數(shù)見表3。

2) 液壓缸的工作壓力大小

(1)

式中,p1—— 液壓缸實際工作壓力

p2—— 液壓缸回油腔壓力

F—— 外負(fù)載

表3 作業(yè)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的主要參數(shù)

A1—— 液壓缸無桿腔面積

A2—— 液壓缸有桿腔面積

3) 作業(yè)液壓馬達(dá)的工作壓力大小

(2)

式中，T—— 液壓馬達(dá)載荷轉(zhuǎn)矩

V—— 液壓馬達(dá)排量

4) 作業(yè)液壓缸的流量大小

Q=Av×103

(3)

式中，A—— 液體流通截面積

v—— 液壓油流速

由執(zhí)行機構(gòu)作業(yè)時間確定活塞速度，已知各執(zhí)行機構(gòu)的作業(yè)時間要求為：

(1) 加熱墻完成橫移動作的時間為18 s；

(2) 加熱墻完成升降動作的時間為4 s；

(3) 上料機構(gòu)完成舉升動作的時間為12 s；

(4) 噴灑桿完成橫移動作的時間為8 s；

(5) 加熱墻完成翻轉(zhuǎn)動作的時間為15 s；

(6) 噴灑桿完成舉升動作的施加時間為17 s。

由式(3)計算液壓缸流量。

5) 作業(yè)液壓馬達(dá)的流量大小

Q=Vn×103

(4)

式中，n為馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

計算所得的作業(yè)液壓系統(tǒng)液壓缸和液壓馬達(dá)各個參數(shù)如表4、表5所示。

2.3 作業(yè)液壓泵選型

1) 作業(yè)液壓泵的最大工作壓力大小

p=p3+∑Δp

(5)

式中，p3為執(zhí)行元件最大工作壓力。由表4可知，執(zhí)行元件的最大工作壓力為壓路機在提升液壓缸時的工作壓力[11]，即：p3=12.8 MPa；∑Δp為總管路損失壓力，∑Δp=(0.2～0.5)MPa，取∑Δp= 0.5 MPa。

表4 液壓缸參數(shù)

表5 液壓馬達(dá)參數(shù)

由式(5)計算作業(yè)液壓泵的最大工作壓力大小為pp=13.3 MPa。

2) 作業(yè)液壓泵的流量大小

qvp≥K(∑Qmax)

(6)

式中，K為泄漏系數(shù)，一般K=1.1～1.3，取K=1.3；∑Qmax為同一時間作業(yè)的所有執(zhí)行元件的流量之和。

由表4計算得：左回路：∑Qmax左=0.812 L·s-1；右回路：∑Qmax右=1.039 L·s-1；則由式(6)計算可得，雙聯(lián)泵前泵流量qvp前=1.056 L·s-1=63.36 L·min-1，后泵流量qvp后=1.351 L·s-1=81.04 L·min-1。選用CBF-F25/31.5APX型雙聯(lián)齒輪液壓泵作為作業(yè)液壓系統(tǒng)的動力輸出泵，額定工作壓力為20 MPa，額定工作轉(zhuǎn)速為2500 r·min-1，前泵排量為25 mL·r-1，后泵排量為31.5 mL·r-1。

3 平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)仿真

3.1 系統(tǒng)建模

在AMESim中對平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模[12]，所建模型如圖2所示。

圖2 平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)模型

3.2 平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)AMESim仿真

以旋轉(zhuǎn)料倉馬達(dá)為例對仿真結(jié)果進(jìn)行分析[13]。根據(jù)所計算旋轉(zhuǎn)料倉馬達(dá)的排量80 mL·r-1，扭矩為77.92 N·m，選擇型號為Eaton87的斜軸定量馬達(dá)，其排量為87 mL·r-1，額定轉(zhuǎn)矩為485 N·m，最高轉(zhuǎn)速為3750 r·min-1[14]，旋轉(zhuǎn)料倉馬達(dá)的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，平臺作業(yè)液壓系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)料倉馬達(dá)流量為78.739 L·min-1，轉(zhuǎn)速為899.6183 r·min-1，扭矩為78.932 N·m，所以馬達(dá)實際工作排量為87.524 mL·r-1與理論結(jié)果誤差僅在0.6%左右，故所設(shè)計的系統(tǒng)滿足要求。

4 結(jié)論

(1) 提出一種可“一機多用”的多用途底盤，通過分析一系列公路養(yǎng)護(hù)車的作業(yè)模式，設(shè)計了工程改裝車平臺作業(yè)液壓控制系統(tǒng)，并繪制出作業(yè)液壓系統(tǒng)的原理圖，該平臺可適應(yīng)至少兩種不同的作業(yè)工況，實現(xiàn)了“一機多用”的設(shè)計目的，可以安全、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的完成作業(yè);

(2) 基于AMESim仿真軟件，搭建了該作業(yè)液壓系統(tǒng)的仿真模型對其進(jìn)行仿真分析，并以旋轉(zhuǎn)料倉馬達(dá)為例對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明設(shè)計滿足要求;

(3) 所設(shè)計平臺不僅有利于節(jié)約資源、降低生產(chǎn)和使用成本，同時還能減少對環(huán)境的污染，同時為道路養(yǎng)護(hù)機械生產(chǎn)廠家提供了理論依據(jù)，具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。