雙向液壓鎖安全功能的仿真分析研究*

龔 文

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200062

0 引言

雙向液壓鎖是工程起重機(jī)械的重要安全元件，一般與重要的執(zhí)行元件液壓缸剛性連接，用于可靠鎖定執(zhí)行元件，確保作業(yè)安全[1]。以常見的輪胎起重機(jī)和汽車起重機(jī)為例，由于行走用的充氣輪胎承載時(shí)變形較大且能力有限，因此，為滿足起重機(jī)起吊重物的作業(yè)要求，在起重機(jī)的左右兩側(cè)各設(shè)置2組由液壓缸驅(qū)動(dòng)的可展開和升降的支腿[2，3]。當(dāng)起吊作業(yè)時(shí)，操縱多路閥將4個(gè)支腿展開到位，再將升降液壓缸的活塞桿伸出，起重機(jī)整體被支起。通過微調(diào)活塞桿伸出的長度實(shí)現(xiàn)車身水平，則起重機(jī)自重和吊重的負(fù)載全部由4個(gè)支腿承受。作業(yè)過程中，若某一支腿出現(xiàn)回縮，極有可能導(dǎo)致起重機(jī)傾覆事故，故雙向液壓鎖的作用顯得尤為重要。本文針對典型雙向液壓鎖的結(jié)構(gòu)，在對雙向液壓鎖動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)上，建立基于Amesim的液壓系統(tǒng)仿真模型，分析了雙向液壓鎖實(shí)現(xiàn)鎖定作用的動(dòng)態(tài)過程，為雙向液壓鎖的日常使用和故障診斷提供技術(shù)依據(jù)，保證設(shè)備安全使用。

1 雙向液壓鎖結(jié)構(gòu)和工作過程

雙向液壓鎖主要由左單向閥閥芯、左復(fù)位彈簧、右單向閥閥芯、右復(fù)位彈簧、控制閥閥芯、控制閥閥芯復(fù)位彈簧、閥體和密封件等組成[4]。其圖形符號(hào)如圖1所示。

圖1 雙向液壓鎖結(jié)構(gòu)簡圖和圖形符號(hào)

閥體上開有 4個(gè)油口 A1、A2、B1、B2，其中A1、B1分別連接換向閥的A口和B口，A2、B2分別連接液壓缸的有桿腔和無桿腔，液壓系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，A1和B1口直接與油箱相連，此時(shí)左單向閥閥芯在左復(fù)位彈簧的推力下，處于關(guān)閉狀態(tài)；右單向閥閥芯在右復(fù)位彈簧的推力下，處于關(guān)閉狀態(tài)；控制閥閥芯在控制閥芯復(fù)位彈簧的推力作用下，處于復(fù)位狀態(tài)，位于中間位置。當(dāng)換向閥處于左位時(shí)，高壓油進(jìn)入B1口，右單向閥閥芯在液動(dòng)力作用下，處于開啟狀態(tài)，B1和B2連通；控制閥閥芯在液動(dòng)力作用下，位于左側(cè)位置，推動(dòng)左單向閥芯開啟，A1和A2連通。此時(shí)油路方向?yàn)锽1→B2和A2→A1。當(dāng)換向閥處于右位時(shí)，高壓油進(jìn)入A1口，左單向閥閥芯在液動(dòng)力作用下，處于開啟狀態(tài)，A1和A2連通；控制閥閥芯在液動(dòng)力作用下，位于右側(cè)位置，推動(dòng)右單向閥芯開啟，B1和B2連通。此時(shí)油路方向?yàn)锳1→A2和B2→B1。

2 雙向液壓鎖元件與液壓系統(tǒng)建模

本文采用AMESim軟件建立元件級模型和工作液壓回路的系統(tǒng)級模型。AMESim是多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)，其提供的機(jī)械庫、信號(hào)控制庫、液壓庫（包括管道模型）、液壓元件設(shè)計(jì)庫等在機(jī)械-液壓耦合系統(tǒng)建模和仿真方面得到廣泛應(yīng)用。

2.1 雙向液壓鎖元件建模

根據(jù)雙向液壓鎖結(jié)構(gòu)，在動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建元件級模型。根據(jù)雙向液壓鎖結(jié)構(gòu)，將其分為左單向閥、右單向閥和控制閥3個(gè)模塊，采用Amesim中一維機(jī)械庫（1D Mechanical library）中帶摩擦和止動(dòng)塊的質(zhì)量（mass with friction and endstops）和彈簧（ideal linear spring）；液壓元件設(shè)計(jì)庫（Hydraulic Component Design library）中帶銳邊閥座的閥（poppet with sharp edge seat）、帶彈簧的活塞（piston with spring）和活塞（piston）等模塊建立雙向液壓鎖元件級模型，如圖3所示。各模塊的輸入輸出參數(shù)如圖4所示[5]。

圖3 雙向液壓鎖Amesim模型

圖4 雙向液壓鎖模型中各模塊的輸入輸出參數(shù)

2.2 液壓系統(tǒng)建模

構(gòu)建完整的液壓系統(tǒng)為雙向液壓鎖元件級匹配輸入和輸出參數(shù)。對圖3液壓系統(tǒng)分析可知，除雙向液壓鎖外，液壓系統(tǒng)還包括液壓泵、安全閥、換向閥、液壓缸、負(fù)載等部分，采用Amesim中液壓設(shè)計(jì)庫（Hydraulic library）的液壓泵（ideal fixed displacement hydraulic pump）、安全閥（hydraulic relief valve）、3位4通換向 閥（3 position 4 port hydraulic open center valve）、液壓缸（mass with double hydraulic chamber and single rod）等模塊建立完整的液壓系統(tǒng)模型。各模塊的輸入輸出參數(shù)如圖5所示，建立完整的液壓系統(tǒng)Amesim模型如圖6所示。

圖5 液壓系統(tǒng)模型中各模塊的輸入輸出參數(shù)

圖6 液壓系統(tǒng)Amesim模型

3 仿真和分析

支腿伸縮液壓缸工作時(shí)主要為空載伸縮和負(fù)載伸縮2個(gè)過程。由于動(dòng)態(tài)外部負(fù)載難以模擬，故用恒定外力來代替外部負(fù)載。對上述2個(gè)過程分別進(jìn)行仿真，得到相應(yīng)的仿真曲線。為便于分析，對各仿真數(shù)值進(jìn)行歸一化處理。假設(shè)換向閥控制信號(hào)為xk時(shí)處于左位，為0時(shí)處于中位，為-xk時(shí)處于右位。單向閥閥芯開口位移的最大值分別為xd1和xd2。

3.1 液壓缸空載伸縮過程仿真分析

支腿液壓缸空載伸縮時(shí)，液壓缸活塞桿、雙向液壓鎖控制閥閥芯位移、右側(cè)單向閥閥芯和左側(cè)單向閥閥芯動(dòng)態(tài)仿真曲線如圖7所示。

圖7 空載時(shí)，動(dòng)態(tài)仿真曲線

1）A～B段時(shí)，換向閥處于左位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為xk，處于左側(cè)。右側(cè)單向閥與高壓油相連，由于沒有外部負(fù)載，壓力較低，壓力不足以將其閥芯完全開啟，故閥芯開口位移小于xd1，處于非全開口狀態(tài)，且足以使液壓油全流量通過；壓力足以推動(dòng)控制閥閥芯將左側(cè)單向閥閥芯完全開啟，故左側(cè)單向閥閥芯開口位移為xd2，處于全開口狀態(tài)；活塞桿外伸。

2）B～C段時(shí)，換向閥處于中位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為0，處于中間。右側(cè)單向閥與回油口相連，壓力為0，故閥芯開口位移為0，處于關(guān)閉狀態(tài)；左側(cè)單向閥與回油口相連，壓力為0，故閥芯開口位移為0，也處于關(guān)閉狀態(tài)；控制閥閥芯左右兩側(cè)壓力為0，在復(fù)位彈簧作用下回到中間位置；活塞桿停止。

3）C～D段時(shí)，換向閥處于右位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為-xk，處于右側(cè)。左側(cè)單向閥與高壓油相連，由于活塞桿自重，壓力較高，壓力足以將其閥芯完全開啟，故閥芯開口位移為xd2，處于全開口狀態(tài)；壓力足以推動(dòng)控制閥閥芯將右側(cè)單向閥閥芯完全開啟，故右側(cè)單向閥閥芯開口位移為xd1，處于全開口狀態(tài)；活塞桿回縮。

3.2 液壓缸負(fù)載伸縮過程仿真分析

支腿液壓缸負(fù)載伸縮時(shí)，換向閥控制信號(hào)、液壓缸活塞桿、右側(cè)單向閥閥芯和左側(cè)單向閥閥芯動(dòng)態(tài)仿真曲線如圖8所示。

圖8 負(fù)載時(shí)，動(dòng)態(tài)仿真曲線

1）A～B段時(shí)，換向閥處于左位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為xk，處于左側(cè)。右側(cè)單向閥與高壓油相連，由于外部負(fù)載作用，壓力較高，壓力足以將其閥芯完全開啟，故閥芯開口位移為xd1，處于全開口狀態(tài)；壓力足以推動(dòng)控制閥閥芯將左側(cè)單向閥閥芯完全開啟，故左側(cè)單向閥閥芯開口位移為xd2，處于全開口狀態(tài)；活塞桿外伸。

2）B～C段時(shí)，換向閥處于中位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為0，處于中間。右側(cè)單向閥與回油口相連，壓力為0，故閥芯開口位移為0，處于關(guān)閉狀態(tài)；左側(cè)單向閥與回油口相連，壓力為0，故閥芯開口位移為0，也處于關(guān)閉狀態(tài)；控制閥閥芯左右兩側(cè)壓力為0，在復(fù)位彈簧作用下回到中間位置；活塞桿停止。

3）C～D段時(shí)，換向閥處于右位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為-xk，處于右側(cè)。左側(cè)單向閥與高壓油相連，由于外部負(fù)載作用，壓力較低，壓力不足以將其閥芯完全開啟，故閥芯開口位移小于xd2，處于非全開口狀態(tài)，且足以使液壓油全流量通過；壓力足以推動(dòng)控制閥閥芯將右側(cè)單向閥閥芯完全開啟，故右側(cè)單向閥閥芯開口位移為xd1，處于全開口狀態(tài)；活塞桿回縮。

從仿真結(jié)果可知，當(dāng)換向閥復(fù)位處于中位時(shí)，不論外部負(fù)載如何變化，液壓缸活塞桿保持停止，因此，可防止起重機(jī)在作業(yè)時(shí)發(fā)生支腿回縮的“軟腿”現(xiàn)象，以及起重機(jī)行駛、停放時(shí)支腿自行下落，實(shí)現(xiàn)可靠鎖定。當(dāng)換向閥處于左位或右位時(shí)，若換向閥與雙向液壓鎖之間的進(jìn)油軟管出現(xiàn)破裂等情況，雙向液壓鎖進(jìn)油側(cè)單向閥壓力不足，將立即關(guān)閉，防止活塞桿反向運(yùn)動(dòng)，同樣實(shí)現(xiàn)可靠鎖定。當(dāng)受到一定外部負(fù)載作用時(shí)，空載時(shí)處于部分開啟狀態(tài)的單向閥閥芯可能變?yōu)橥耆_啟狀態(tài)，而完全開啟狀態(tài)的單向閥閥芯也有可能變?yōu)椴糠珠_啟狀態(tài)?？蛰d和負(fù)載情況下，活塞桿的外伸速度差別不大，但回縮速度有明顯差別。后續(xù)可建立相應(yīng)的故障模型，注入仿真模型，進(jìn)一步研究不同故障下雙向液壓鎖的動(dòng)態(tài)特性。