雙缸變幅系統(tǒng)的防偏載研究

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214000)

引言

多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)部件，在工程機(jī)械、航空、機(jī)械制造等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多[1]，但在這些應(yīng)用中，由于系統(tǒng)非線性、元件泄漏、負(fù)載變化、元件死區(qū)及滯環(huán)等影響，系統(tǒng)存在偏載現(xiàn)象[2-4]，由此帶來(lái)安全隱患。以工程機(jī)械產(chǎn)品為例，其主臂所需的承載能力要求越來(lái)越高，單個(gè)變幅油缸的推力往往不能滿足要求，因此多采用雙缸變幅形式提升動(dòng)力[5-7]。但雙缸變幅下落時(shí)存在負(fù)載向其中一側(cè)油缸偏載的現(xiàn)象，導(dǎo)致液壓缸缸筒和活塞桿變形，臂架難以落入臂架支架內(nèi)[8-9]；偏載嚴(yán)重時(shí)引起油缸爆裂、翻車等安全事故。

目前對(duì)于雙缸變幅系統(tǒng)防偏載的研究主要集中于系統(tǒng)中平衡閥的研究[10-14]，本研究以某款消防車的雙缸變幅系統(tǒng)為載體，結(jié)合機(jī)電液系統(tǒng)建模仿真和整機(jī)測(cè)試分析，從變幅系統(tǒng)液壓回路優(yōu)化方面進(jìn)行防偏載技術(shù)研究。

1 系統(tǒng)測(cè)試

圖1為某款消防車的雙缸變幅液壓系統(tǒng)原理圖，主臂依靠平衡閥單向?qū)üδ軐?shí)現(xiàn)變幅起，依靠平衡閥反向節(jié)流功能控制變幅下落速度[15-18]。

圖1 雙缸變幅液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of double cylinder luffing hydraulic system

通過(guò)對(duì)其變幅液壓系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：在變幅下落至主臂接近水平狀態(tài)的極限工況，變幅雙缸無(wú)桿腔的壓力存在較大偏差，典型的測(cè)試曲線如圖2所示。

圖2 原雙缸變幅液壓系統(tǒng)測(cè)試曲線Fig.2 Test curves of original double cylinder luffing system

由圖2可知：

(1) 變幅起 發(fā)動(dòng)機(jī)高速(2200 r/min)、空載、手柄全開(kāi)下，主臂變幅角度θ從6°起升至58°，整個(gè)起升過(guò)程兩缸無(wú)桿腔壓力保持一致；

(2) 變幅下落 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速(800 r/min)、空載、手柄全開(kāi)下，主臂變幅角度θ從58°下落到24°時(shí)停止10 s 后繼續(xù)下落至8°，整個(gè)下落過(guò)程兩缸無(wú)桿腔的壓力出現(xiàn)較大偏差，最大壓力差達(dá)到15 MPa。

2 問(wèn)題分析與改進(jìn)措施

2.1 問(wèn)題分析

實(shí)際工程中，通常應(yīng)用液壓同步閥保證雙油缸伸長(zhǎng)量一致[19],在消防車產(chǎn)品上，大多通過(guò)主臂機(jī)械結(jié)構(gòu)保證其同步性，主臂變幅下落速度主要依靠平衡閥的開(kāi)度進(jìn)行控制，由于平衡閥滯環(huán)差異、零部件制造不一致等原因，平衡閥在負(fù)載壓力不同時(shí)，流量特性曲線不完全一致，同型號(hào)平衡閥在相同的控制壓力下，閥口通流面積不完全一致[20-21]。

平衡閥閥口流量公式為：

(1)

式中，Cq—— 流量系數(shù)

A—— 閥口通流面積

Δp—— 平衡閥閥口前后壓差

ρ—— 液壓油密度

平衡閥壓差公式為：

Δp=pB-pA

(2)

式中，pB—— 變幅下落時(shí)平衡閥入口壓力，即油缸無(wú)桿腔壓力

pA—— 變幅下落時(shí)平衡閥出口壓力

根據(jù)式(1)和式(2)可知，變幅下落時(shí)，兩側(cè)平衡閥即使通過(guò)相同流量，由于閥口通流面積A不同，導(dǎo)致左右兩側(cè)的平衡閥壓差Δp不一致，而兩側(cè)平衡閥回油均通過(guò)管路至同一回路，因此最終表現(xiàn)為兩側(cè)油缸無(wú)桿腔壓力pB不同，即偏載。平衡閥過(guò)流面積偏小的一側(cè)，平衡閥前后壓差大，此側(cè)油缸無(wú)桿腔承載壓力大，反之，另一側(cè)的油缸承載大。

2.2 改進(jìn)措施

為解決變幅下落時(shí)兩側(cè)油缸無(wú)桿腔壓力不一致且偏差大的問(wèn)題，結(jié)合以上分析，提出以下改進(jìn)方案：在變幅平衡閥和主閥之間增加防偏載閥并設(shè)置合理的壓力調(diào)定值，增大變幅下落時(shí)兩側(cè)平衡閥共同回油背壓，進(jìn)而減小兩側(cè)油缸無(wú)桿腔壓力偏差。防偏載閥的原理和結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖4為安裝防偏載閥后的雙缸變幅液壓系統(tǒng)原理圖。

防偏載閥的閥芯受力平衡方程為：

A1p1-A2p2=ky(y0+y)+G±Ff

(3)

式中，p1，p2—— 變幅下落時(shí)防偏載閥進(jìn)油壓力和回油壓力

A1，A2——p1和p2的有效作用面積

ky—— 防偏載閥的彈簧剛度

y0—— 彈簧的預(yù)壓縮量

y—— 閥口的開(kāi)度

Ff—— 閥芯與閥體間的摩擦力

G—— 閥芯自重

圖3 防偏載閥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of anti-biased load valve

1.主閥 2.防偏載閥 3.左側(cè)平衡閥 4.左側(cè)變幅油缸5.右側(cè)變幅油缸 6.右側(cè)平衡閥 7.單向閥8.二次溢流閥 9.主溢流閥圖4 安裝防偏載閥后的雙缸變幅液壓系統(tǒng)原理圖Fig.4 Diagram of double cylinder luffing hydraulic system with anti-biased load valve

忽略管路壓損，變幅下落時(shí)防偏載閥進(jìn)油壓力p1即為變幅下落時(shí)平衡閥出口壓力pA，防偏載閥回油壓力p2與主閥變幅聯(lián)回油時(shí)閥芯開(kāi)度有關(guān)，而回油時(shí)主閥變幅聯(lián)通常全開(kāi)，因此，p2值可視為恒定值。

聯(lián)立式(1)～式(3)，可推導(dǎo)出：

(4)

從上式可知，對(duì)油缸無(wú)桿腔壓力pB影響最大且易調(diào)節(jié)的參數(shù)為偏載閥彈簧力，即偏載閥調(diào)定壓力。但是，防偏載閥調(diào)定壓力設(shè)定過(guò)大，將降低變幅下落速度；防偏載閥調(diào)定壓力設(shè)定過(guò)小，仍將出現(xiàn)偏載。因此，如何合理設(shè)計(jì)防偏載閥的調(diào)壓參數(shù)至關(guān)重要。

3 仿真優(yōu)化與驗(yàn)證

根據(jù)變幅液壓系統(tǒng)元件配置，建立含防偏載閥的雙缸變幅系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后雙缸變幅系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of optimized double cylinder luffing system

在仿真軟件中，設(shè)置雙缸變幅液壓系統(tǒng)各元件的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 雙缸變幅系統(tǒng)仿真模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of simulation model of double cylinder luffing system

仿真模型中通過(guò)輸入電磁換向閥的控制信號(hào)控制主臂變幅起和落，同時(shí)仿真工況保持與原系統(tǒng)測(cè)試工況一致，仿真對(duì)比防偏載閥在不同的調(diào)定壓力下兩側(cè)油缸無(wú)桿腔壓力偏差及變幅速度。

圖6和圖7分別為防偏載閥調(diào)定壓力對(duì)變幅油缸大腔壓力和變幅速度的影響，當(dāng)防偏載閥調(diào)定壓力為0 MPa時(shí)，即防偏載閥不起作用，用于模擬原變幅系統(tǒng)。由仿真曲線可知，主臂變幅起時(shí)兩側(cè)變幅油缸大腔壓力保持一致，隨著主臂變幅往下落，左右兩側(cè)變幅缸無(wú)桿腔壓力差越來(lái)越大，與圖2原系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試曲線趨勢(shì)一致。

圖6 調(diào)定壓力對(duì)油缸無(wú)桿腔壓力的影響Fig.6 Influence of setting pressure on pressure ofcylinder rodless chamber

圖7 調(diào)定壓力對(duì)變幅速度的影響Fig.7 Influence of setting pressure on luffing speed

3種不同防偏載閥調(diào)定壓力(0，2，4 MPa)的仿真工況均為主臂從第2.5秒由0°開(kāi)始變幅起升，經(jīng)過(guò)16 s 后至54°再保持5 s，之后從第23秒由55°開(kāi)始變幅下落，經(jīng)過(guò)40 s后，到第63秒時(shí)變幅下落停止，此時(shí)主臂角度分別為0.8°，2°，5°，兩側(cè)油缸無(wú)桿腔最大壓力偏差分別為11，6.1，0 MPa?？梢?jiàn)，兩側(cè)油缸無(wú)桿腔壓力偏差幅值隨著調(diào)定壓力變大而明顯減小，而變幅下落速度隨著調(diào)定壓力變大也有所降低，當(dāng)調(diào)定壓力設(shè)定為4 MPa時(shí)兩側(cè)無(wú)桿腔壓力保持一致。

根據(jù)該技術(shù)方案對(duì)此款消防車產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，在滿足系統(tǒng)要求速度下，對(duì)防偏載閥調(diào)定壓力進(jìn)行合理設(shè)置，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、控制手柄開(kāi)度及外載荷保持與原變幅液壓系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值一致，將主臂變幅下落至水平狀態(tài)進(jìn)行了整機(jī)驗(yàn)證，防偏載閥裝機(jī)試驗(yàn)圖及典型的整機(jī)測(cè)試曲線如圖8和圖9所示。t在27～79 s 時(shí)間段，主臂變幅角度θ由58°逐漸下落到0°，變幅下落的中間過(guò)程中左右兩側(cè)變幅油缸大腔壓力一致，變幅下落啟動(dòng)(變幅角度58°)和停止(變幅角度0°)時(shí)，兩缸無(wú)桿腔的最大壓力偏差由原來(lái)的15 MPa降低到1.5 MPa，防偏載效果顯著。

1.主閥 2.右側(cè)平衡閥 3.防偏載閥 4.右側(cè)變幅油缸5.左側(cè)變幅油缸 6.左側(cè)平衡閥圖8 防偏載閥裝機(jī)試驗(yàn)圖Fig.8 Machine test after installing anti-biased load valve

4 結(jié)論

針對(duì)雙缸變幅系統(tǒng)在變幅下落時(shí)兩側(cè)油缸無(wú)桿腔壓力不一致且偏差大的問(wèn)題，以某款消防車的變幅系統(tǒng)為載體進(jìn)行防偏載技術(shù)研究，仿真結(jié)果和整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)表明：

圖9 安裝防偏載閥后的整機(jī)測(cè)試曲線Fig.9 Test curves after installing anti-biased load valve

(1) 雙缸變幅系統(tǒng)中采用防偏載閥，能有效降低空載、變幅下落至主臂接近水平狀態(tài)的極限工況下兩側(cè)變幅油缸壓力偏差幅值，防偏載效果顯著；

(2) 防偏載閥調(diào)定壓力越大，系統(tǒng)糾偏能力越強(qiáng)，但調(diào)定壓力過(guò)大，會(huì)降低主臂變幅下落速度，調(diào)定壓力過(guò)小，則起不到應(yīng)有的防偏載作用，因此，防偏載閥需結(jié)合產(chǎn)品性能要求設(shè)定合理的調(diào)壓值。