起重機(jī)臂架再生式自適應(yīng)落幅技術(shù)仿真研究

張 戚

江蘇宏昌天馬物流裝備有限公司 揚(yáng)州 225003

0 引言

起重機(jī)臂架的液壓缸連桿變幅機(jī)構(gòu)是各類起重機(jī)的重要組成部分，它通過液壓缸的伸縮在垂直平面中實(shí)現(xiàn)起重機(jī)臂架繞臂根鉸銷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變起重機(jī)臂架的實(shí)際工作幅度。目前，主流的起重機(jī)臂架落幅方式有兩類：一是向臂架變幅液壓缸小腔供油、壓力油同時(shí)打開液壓缸大腔壓力型平衡閥，采用壓力油驅(qū)動(dòng)臂架液壓缸回縮落幅，臂架落幅速度可控，但能耗大、系統(tǒng)油溫高，且落幅時(shí)臂架易發(fā)生抖動(dòng)爬行；二是以某公司推出的綠閥為代表，通過獨(dú)立控制油源控制變幅液壓缸上安裝的運(yùn)動(dòng)型平衡閥開口、對(duì)起重機(jī)變幅液壓缸大腔放油，臂架在其自重的作用下實(shí)現(xiàn)落幅。由于運(yùn)動(dòng)型平衡閥控制口開啟所需控制壓力很小，系統(tǒng)在臂架落幅時(shí)耗能很小。這種臂架落幅方式，在臂架與地面仰角大、吊載少、落幅重力力矩小時(shí)，其臂架落幅速度很慢，落幅速度不均勻、操控性差。

本文研究的起重機(jī)變幅技術(shù)，綜合了臂架重力落幅與動(dòng)力落幅兩者優(yōu)勢的同時(shí)，還具有液壓油充分再生利用、消除液壓缸有桿腔負(fù)壓吸空、無需獨(dú)立控制油源等特點(diǎn)[1,2]。

1 再生式自適應(yīng)落幅技術(shù)原理

本文提出的技術(shù)主要涉及一種新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的平衡閥，其原理如下圖1所示。V2、V1分別為多路閥向起重臂變幅液壓缸大腔、小腔供油的平衡閥進(jìn)油口；C2、C1為平衡閥直連液壓缸大、小腔的出油口；T為通油箱的回油口。

圖1 再生式自適應(yīng)落幅平衡閥原理圖

起重機(jī)臂架需抬臂升幅操作時(shí)，多路閥通過再生自適應(yīng)平衡閥的進(jìn)油口V2、單向閥1、單向閥3及油口V2，直接向變幅液壓缸大腔供油、變幅液壓缸活塞桿做外伸運(yùn)動(dòng)，而變幅液壓缸有桿腔中液壓油通過油口C1、單向閥8及油口V1，流經(jīng)多路閥回油箱；起重機(jī)臂架落幅操作時(shí)，液壓系統(tǒng)通過多路閥、油口V1、順序閥9及油口C1，向變幅液壓缸的有桿腔供油，此時(shí)，流經(jīng)直動(dòng)式順序閥9的液壓油，將在順序閥9進(jìn)油口產(chǎn)生一個(gè)較小的壓差（約0～25 bar），該壓差恰好能通過阻尼孔5、完全控制打開運(yùn)動(dòng)型平衡閥2（其控制壓力范圍：1.6～25 bar）。因此，變幅液壓缸無桿腔的液壓油可通過油口C2、流過運(yùn)動(dòng)型平衡閥2、單向閥1及油口V2，流入多路閥回油箱，變幅液壓缸活塞桿回縮運(yùn)動(dòng)、起重臂落幅。

整個(gè)臂架落幅的狀態(tài)過程如圖2所示。在落臂操作的初期狀態(tài)階段，臂架仰角θ較大，臂架自重與吊重載荷的重力力矩L2、L1均較小、相應(yīng)產(chǎn)生的臂架重力落幅力矩很小，如采用綠閥形式的單獨(dú)重力落幅時(shí)，臂架落幅速度必定很慢，而本文的新結(jié)構(gòu)平衡閥，此狀態(tài)下油泵將通過順序閥9向落幅液壓缸小腔全流量供油，動(dòng)力推動(dòng)變幅液壓缸活塞桿回縮，既實(shí)現(xiàn)臂架動(dòng)力落幅，又保證了落幅速度。

圖2 起重機(jī)臂架落幅狀態(tài)示意圖

當(dāng)臂架落幅運(yùn)動(dòng)到中后期狀態(tài)階段，臂架仰角θ較小，臂架自重與吊重載荷的重力力矩L2、L1均較大、相應(yīng)產(chǎn)生的臂架重力落幅力矩很大，臂架的落幅運(yùn)動(dòng)主要是重力力矩主導(dǎo)推動(dòng)，落幅速度較快，在此重力落幅的狀態(tài)下，油泵供油量將逐漸不能滿足變幅液壓缸回縮運(yùn)動(dòng)的需求，其有桿腔將出現(xiàn)一定的真空度，而本文新結(jié)構(gòu)平衡閥的單向閥6，由于其前后壓差作用將被打開，導(dǎo)致從液壓缸無桿腔流出、經(jīng)平衡閥2回油的一部分液壓油，通過打開的單向閥6流回變幅液壓缸有桿腔、直接再生利用。

2 某型起重機(jī)原變幅系統(tǒng)的建模仿真

為了更好研究起重臂架落幅系統(tǒng)的性能，首先結(jié)合國內(nèi)某型起重機(jī)落幅系統(tǒng)，本文利用AMESim仿真平臺(tái)軟件，搭建了原臂架落幅系統(tǒng)的仿真模型[3,4]，如圖3所示。

圖3 起重機(jī)原臂架落幅系統(tǒng)AMESim模型

該AMESim系統(tǒng)模型由臂架轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)、變幅液壓缸（左）、變幅液壓缸（右）、平衡閥（左）、平衡閥（右）、比例多路閥組及油源等組成。

臂架轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)采用AMESim的PLM庫，根據(jù)某型起重機(jī)實(shí)際機(jī)構(gòu)尺寸、重心位置、及相關(guān)配合與運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系，搭建相關(guān)桿件集合體模型，并通過三維CAD模型導(dǎo)出的*.stp格式文件替代模型中的桿件，模型建成運(yùn)行后雙擊平面庫圖標(biāo)，將展現(xiàn)臂架轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，如圖4所示。

圖3中左右兩變幅液壓缸模型，在液壓系統(tǒng)仿真輸出的運(yùn)動(dòng)學(xué)參量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，將推動(dòng)圖4臂架結(jié)構(gòu)模型做變幅運(yùn)動(dòng)，其所產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)參量數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)反饋到液壓缸模型的活塞桿上，成為液壓系統(tǒng)仿真運(yùn)行的負(fù)載輸入。

圖4 臂架轉(zhuǎn)臺(tái)AMESim平面庫動(dòng)力學(xué)模型

圖3模型中的平衡閥，為該型起重機(jī)變幅液壓缸原狀態(tài)平衡閥，根據(jù)其實(shí)際結(jié)構(gòu)，列出如表1所示模型的仿真參數(shù)，模型其余參數(shù)從略。

表1 原平衡閥AMESim模型仿真參數(shù)

模型設(shè)置泵的輸出流量為120 L/min，臂架吊載14 t，仿真時(shí)間30 s，前5 s保持起重臂架不動(dòng)，后25 s以比例多路閥為最大開度落放起重臂架，常規(guī)求解器、動(dòng)態(tài)仿真模式及變步長仿真[5,6]，其仿真運(yùn)算的典型結(jié)果如圖5所示。由圖可知，比例多路閥大開口變幅落放吊載臂架時(shí)，由于負(fù)載的劇烈變化，變幅液壓缸有桿腔壓力發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而造成平衡閥閥芯啟閉位移的一定量的振動(dòng)，使臂架落放速度不均勻，而所吊砝碼下放過程中在空中出現(xiàn)了爬行落放的現(xiàn)象。

圖5 臂架轉(zhuǎn)臺(tái)AMESim平面庫動(dòng)力學(xué)模型

由圖5還可看出：變幅液壓缸小腔在整個(gè)過程中壓力很低，而變幅液壓缸小腔與平衡閥啟閉控制口直接連通，故較低的控制壓力（1.6～25 bar）就能打開平衡閥、使起重臂架落放。由此體現(xiàn)了該類運(yùn)動(dòng)型平衡閥的性能特點(diǎn)。

當(dāng)系統(tǒng)向變幅液壓缸的供油量不足時(shí)，臂架在平衡閥開啟后、負(fù)載作用下快速下落，將造成變幅液壓缸小腔吸空、平衡閥控制口失壓。圖6所示的仿真曲線展示的是該類情況發(fā)生時(shí)，平衡閥芯的啟閉對(duì)于控制口壓力波動(dòng)過于敏感，控制口失壓波動(dòng)引發(fā)了平衡閥芯頻繁啟閉振蕩、臂架落幅抖動(dòng)現(xiàn)象。

圖6 原落幅系統(tǒng)落幅抖動(dòng)的變量曲線

通過對(duì)原變幅系統(tǒng)的建模仿真研究，可知其采用的運(yùn)動(dòng)型平衡閥控制壓力低，有利于系統(tǒng)節(jié)能降耗?？刂茐毫Σ▌?dòng)對(duì)該類平衡閥工作狀態(tài)影響很大，在變化負(fù)載下，閥芯工作位移易波動(dòng)，造成起重臂架落放爬行。特別是原系統(tǒng)臂架落放過程中，變幅液壓缸小腔存在吸空現(xiàn)象，將直接造成平衡閥芯啟閉劇烈振蕩，影響變幅系統(tǒng)落放穩(wěn)定性。

3 再生式自適應(yīng)落幅系統(tǒng)仿真研究

針對(duì)本文新型再生式自適應(yīng)落幅系統(tǒng)平衡閥結(jié)構(gòu)原理，建立AMESim仿真模型如圖7所示。

將圖7中新型再生式自適應(yīng)平衡閥AMESim模型，替代圖3起重機(jī)原臂架落幅系統(tǒng)模型中的左右平衡閥模型，然后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，起重臂先抬臂至最大仰角再落臂操作。圖8為再生自適應(yīng)平衡閥與普通自重落幅平衡閥的性能比較輸出曲線。

圖7 新型再生式平衡閥AMESim模型

由圖8可知，相較于采用普通重力落幅平衡閥的起重機(jī)落幅系統(tǒng)，采用再生自適應(yīng)平衡閥的起重機(jī)落幅系統(tǒng)，在落幅效率上明顯得到提高，特別是在臂架大仰角初始落幅階段其優(yōu)勢更為明顯。

圖9新型平衡閥落幅系統(tǒng)各變量仿真曲線表明，再生自適應(yīng)平衡閥落幅系統(tǒng)的落臂狀態(tài)，全程無抖動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)。平衡閥控制腔壓力比變幅液壓缸小腔缸內(nèi)壓力始終高約25 bar，正是圖1中直動(dòng)式順序閥9所產(chǎn)生的效果。此壓差能確保即使落臂過程中變幅液壓缸小腔內(nèi)供油不足、出現(xiàn)吸空狀態(tài)，平衡閥控制腔內(nèi)壓力也足以打開平衡閥、保持平衡閥芯開啟狀態(tài)的穩(wěn)定性。這點(diǎn)在圖9中第31 s落臂操作后，其平衡閥芯開啟的位移曲線上清楚表明。

圖9 新型平衡閥落幅系統(tǒng)各變量仿真曲線

圖10是在兩種平衡閥狀態(tài)下、系統(tǒng)變幅液壓缸有桿腔的流量、壓力仿真的對(duì)比曲線。由此可知，變幅液壓缸在第31 s開始的落幅過程中，重力落幅平衡閥狀態(tài)下，缸內(nèi)壓力基本處于負(fù)壓狀態(tài)。而本文再生自適應(yīng)平衡閥的系統(tǒng)在起重臂落幅的整個(gè)過程中，油泵始終向變幅液壓缸有桿腔全流量供油，在臂架仰角較大、臂架自重及吊載的綜合落幅力矩很小時(shí)，臂架依靠重力落幅，則落幅速度很慢，此時(shí)油泵的供油在變幅液壓缸有桿腔產(chǎn)生油壓升高（圖10中有桿腔壓力曲線相應(yīng)出現(xiàn)一段峰值）、動(dòng)力推動(dòng)變幅液壓缸活塞桿回縮落幅；而當(dāng)落幅過程中臂架仰角小于一定值、臂架自重及吊載的綜合落幅力矩足以驅(qū)動(dòng)臂架快速落幅時(shí)，雖然油泵仍舊全流量供油，但變幅液壓缸有桿腔內(nèi)油壓整體不高，系統(tǒng)相當(dāng)于低壓卸荷狀態(tài)。從動(dòng)力落幅到重力落幅，起重臂的這兩種落幅狀態(tài)自然切換過渡。

圖10 變幅液壓缸有桿腔流量壓力曲線

仿真結(jié)果表明，本文新型平衡閥系統(tǒng)變幅落臂時(shí)，流量再生利用功能明顯。圖11中變幅液壓缸落幅狀態(tài)下，其有桿腔入口流量的組成中，清楚表明了再生流量的利用情況。圖12的系統(tǒng)仿真流量曲線，則顯示再生自適應(yīng)平衡閥的起重臂落幅系統(tǒng)，在落臂效率更高、變幅液壓缸無桿腔出口流量更多的情況下，由于流量再生分流利用的一部分，通過多路閥閥芯的流量幾乎并未增長多少，而普通平衡閥系統(tǒng)落幅狀態(tài)下，其變幅液壓缸無桿腔出口流量與通過多路閥閥芯的流量幾乎同步增長、保持一致。這種流經(jīng)多路閥閥芯流量的減少，對(duì)于降低多路閥閥芯液動(dòng)力、提高落幅操控性等具有意義。

圖11 再生自適應(yīng)平衡閥系統(tǒng)流量曲線

圖12 兩類平衡閥落幅系統(tǒng)落臂流量曲線

4 結(jié)語

1）動(dòng)力落幅與重力落幅兩種狀態(tài)，通過單向閥檢測其前后壓差及自動(dòng)啟閉來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。重力落幅力矩小時(shí)，采用液壓泵供油動(dòng)力落幅，確保落幅速度要求，而重力落幅力矩足夠大時(shí)，采用起重臂重力落幅，充分利用臂架重力勢能，做到節(jié)能降耗，且系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整兩種落幅狀態(tài)。

2）由于液壓油的再生利用，使臂架落幅時(shí)變幅液壓缸無桿腔通過新結(jié)構(gòu)平衡閥、流入多路閥回油的液壓油量分流減少，從而降低了多路閥閥芯穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)液動(dòng)力，提高了多路閥操控性，也降低了多路閥配置的流量規(guī)格，從而做到降低成本。

3）平衡閥控制口與變幅液壓缸有桿腔間設(shè)置的順序閥，使落幅過程中平衡閥控制壓力，較變幅液壓缸小腔壓力始終高約25 MPa，確保即使變幅液壓缸內(nèi)出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，平衡閥芯也能在落放臂架時(shí)穩(wěn)定開啟；另外，由于系統(tǒng)的再生功能，變幅液壓缸有桿腔落幅時(shí)杜絕了吸空的現(xiàn)象，這些均確保臂架變幅落放的平穩(wěn)運(yùn)行。