挖掘機(jī)工作裝置復(fù)合動作性能提升分析與試驗

劉志東，王青云，魏志民，常文爽

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)汽車與軌道交通學(xué)院，天津 300350)

0 前言

近年來，隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，挖掘機(jī)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面仍有較大的市場需求空間。國內(nèi)外大型液壓挖掘機(jī)作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)是系統(tǒng)可靠性和平穩(wěn)性，由于經(jīng)常進(jìn)行啟動、換向、制動操作，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)外負(fù)載變化較大，振動與沖擊明顯，嚴(yán)重影響挖掘作業(yè)的協(xié)調(diào)性。而挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的性能不僅與零件的可靠度、整機(jī)的安裝等有關(guān)，還與系統(tǒng)的匹配程度有關(guān)。挖掘機(jī)對動臂、斗桿、鏟斗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載復(fù)雜性及動作協(xié)調(diào)性要求較高。因此，分析工作裝置液壓系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性對大型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計制造具有重要意義。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，通過對現(xiàn)有挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行試驗分析，結(jié)合數(shù)據(jù)對比和駕駛員操作反饋，逆向修正和優(yōu)化液壓系統(tǒng)，對降低開發(fā)成本和縮短周期效果明顯。

本文作者以液壓系統(tǒng)的區(qū)別為分析點，采用在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)和動力臂相應(yīng)位置布局檢測傳感器的方式，對同等負(fù)載等級的3臺大型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行工作裝置復(fù)合動作的對標(biāo)試驗。結(jié)合數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計結(jié)果，分析挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)流量分配特性對工作裝置復(fù)合動作性能提升的影響。根據(jù)分析結(jié)果對某一挖掘機(jī)進(jìn)行液壓系統(tǒng)改進(jìn)前、后的復(fù)合動作性能試驗，從而總結(jié)出工作裝置液壓系統(tǒng)的較佳匹配方式，為設(shè)計人員提供參考。

1 對標(biāo)試驗方法

挖掘機(jī)工作裝置包括動臂、斗桿和鏟斗3個機(jī)構(gòu)，每個機(jī)構(gòu)均由液壓缸驅(qū)動，3個工作機(jī)構(gòu)可以單獨動作，也可以同時動作。在挖掘機(jī)工作時，為充分利用發(fā)動機(jī)功率、提高作業(yè)效率，通常要求多個機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合動作，相互配合，其中，動臂、鏟斗、斗桿在挖掘過程中的復(fù)合動作頻繁、消耗能量大。駕駛員通過操縱手柄控制多路閥的閥芯開度來控制挖掘機(jī)的工作裝置運(yùn)動，實現(xiàn)挖掘作業(yè)。

為能夠?qū)ν诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗采集，需要在各檢測位置安裝相應(yīng)的傳感器，通過傳感器數(shù)據(jù)，分析操作過程、液壓系統(tǒng)參數(shù)變化、工作裝置運(yùn)動之間的協(xié)調(diào)性。

1.1 傳感器布局

根據(jù)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)組成，需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，傳感器布局如圖1所示。由便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備對相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集,傳感器包括：動臂、斗桿、鏟斗驅(qū)動液壓缸上安裝的0～2.5 m拉繩位移傳感器，用于進(jìn)行伸縮位移的實時檢測；在主泵1、2的出口測壓孔位置和動臂、斗桿、鏟斗各驅(qū)動液壓缸大小腔的入口管路上安裝的0～45 MPa壓力傳感器；液壓油箱和主泵1、2之間分別安裝的1～250 L/min齒輪流量計；先導(dǎo)操作閥組處安裝的0～10 MPa先導(dǎo)壓力檢測傳感器。

圖1 傳感器布局

1.2 試驗方法

挖掘機(jī)工作裝置在挖掘過程中的復(fù)合動作過程：動臂、鏟斗、斗桿3個液壓缸由全收縮狀態(tài)，經(jīng)同步操作，直到3個液壓缸都到達(dá)全伸出狀態(tài)。

根據(jù)挖掘機(jī)左右手柄功能，同時操作左先導(dǎo)閥水平向后移動進(jìn)行斗桿收回、右先導(dǎo)閥向左后方45°角移動，控制動臂提升、鏟斗挖掘。左右手柄由初始狀態(tài)同時移動到先導(dǎo)閥極限位置的過程，挖掘機(jī)工作裝置由全伸狀態(tài)運(yùn)動為動臂提升極限、斗桿和鏟斗全收縮狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 試驗操作狀態(tài)

2 試驗數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 數(shù)據(jù)分析方法

液壓系統(tǒng)中的壓力、流量、位移信號屬于低頻信號，選擇10 ms的采樣周期足以保證采集到的信號不失真。將參與試驗的3臺大型液壓挖掘機(jī)型號分別定義為A、B、C型。

挖掘機(jī)在挖掘過程中，在動臂提升且斗桿和鏟斗收縮的復(fù)合動作中，數(shù)據(jù)分析以先導(dǎo)壓力開始上升的時間作為起始時間點，分別以動臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸開始緩沖的時間點作為動臂提升完成、斗桿和鏟斗收縮完成的時間點，統(tǒng)計各動作所用時間。分別統(tǒng)計動臂提升和鏟斗收縮的時間差值、動臂提升和斗桿收縮的時間差，以及各液壓缸在不同計時節(jié)點處的伸出行程比例，結(jié)合液壓系統(tǒng)的實時壓力和流量數(shù)據(jù)信息，分析由液壓系統(tǒng)的區(qū)別而導(dǎo)致的工作裝置復(fù)合動作協(xié)調(diào)性的差異。

2.2 工作裝置運(yùn)動時間

工作裝置各驅(qū)動液壓缸的尺寸如表1所示?？芍築型挖掘機(jī)動臂和斗桿的缸徑最大，因此負(fù)載也最大。

表1 液壓缸尺寸(缸徑×桿徑×行程) 單位:mm

運(yùn)動時間和液壓缸位移比例統(tǒng)計分別如表2、3所示?？芍築型挖掘機(jī)動臂與鏟斗運(yùn)動時間差最小，A型挖掘機(jī)最大。根據(jù)駕駛員土方挖掘經(jīng)驗，挖掘過程中動臂和鏟斗運(yùn)動同步性越高，操作舒適性、協(xié)調(diào)性越好。

表2 改進(jìn)前工作裝置運(yùn)動時間 單位:s

表3 改進(jìn)前工作裝置位移比例

任一液壓缸達(dá)到全伸狀態(tài)作為第一時間點，A型挖掘機(jī)鏟斗液壓缸先到達(dá)到全伸狀態(tài)，B、C型挖掘機(jī)斗桿液壓缸先達(dá)到全伸狀態(tài)。在第一時間點，A、B、C型挖掘機(jī)動臂液壓缸的伸出比例分別為4.5%、23.6%、1.4%。

兩個液壓缸達(dá)到全伸狀態(tài)作為第二時間點，A、B、C 3臺挖掘機(jī)都是斗桿和鏟斗液壓缸先達(dá)到100%的全伸狀態(tài)，此時，動臂液壓缸的伸出比例分別為21.9%、53.6%、13.2%。

由以上分析可知，B型挖掘機(jī)在工作裝置復(fù)合動作中，動臂一直保持穩(wěn)定的提升狀態(tài)，而A、C型挖掘機(jī)在鏟斗液壓缸未達(dá)到全伸狀態(tài)時，動臂提升很小，幾乎無動作。

2.3 液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)對標(biāo)

圖3所示為A、B、C 3臺大型挖掘機(jī)工作裝置復(fù)合動作周期中液壓系統(tǒng)參數(shù)及液壓缸位移數(shù)據(jù)采集對標(biāo)結(jié)果。

動臂大腔、斗桿大腔、鏟斗大腔流量，根據(jù)公式(1)和(2)可求得：

=d/d

(1)

(2)

其中:為液壓缸的位移;為位移對時間求導(dǎo)得到的實時運(yùn)動速度;為液壓缸活塞的直徑;為液壓缸大腔流量。基于MATLAB的液壓缸流量計算程序如下：

%三個液壓缸的活塞面積，單位m

A_boom=3.14*D_boom*L_boom/4;

A_arm=3.14* D_ arm*L_ arm/4;

A_bkt=3.14* D_ bkt *L_ bkt/4;

%三個液壓缸的伸縮速度,單位m/s

v_boom=[diff(S_boom),0];

v_arm=[diff(S_arm),0];

v_bkt=[diff(S_bkt),0];

%三個液壓缸的大腔流量,單位L/min

F_boom=v_boom*A_boom*1000*100*60*2;

F_arm=v_arm*A_arm*1000*100*60;

F_bkt=v_bkt*A_bkt *1000*100*60;

其中：A_boom、A_arm、A_bkt分別為動臂、斗桿、鏟斗液壓缸的活塞面積；D_boom、D_ arm、D_ bkt分別為動臂、斗桿、鏟斗液壓缸的活塞直徑；S_boom、S_arm、S_bkt分別為動臂、斗桿、鏟斗液壓缸的伸縮位移；v_boom、v_arm、v_bkt分別為動臂、斗桿、鏟斗液壓缸的伸縮速度；F_boom、F_arm、F_bkt分別為動臂、斗桿、鏟斗液壓缸的大腔流量。

3臺挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)對主泵1、2的流量分配設(shè)計相同，即動臂提升和斗桿回收由主泵1、2進(jìn)行閥內(nèi)合流供應(yīng)，鏟斗運(yùn)動所需流量由泵2提供。

工作裝置復(fù)合動作試驗以手柄先導(dǎo)閥壓力上升為起點，以各液壓缸開始緩沖時間點為終點。由圖3可知，A型和C型挖掘機(jī)在工作裝置復(fù)合動作過程中，主泵出口壓力和各工作腔入口壓力有明顯波動，主泵1、2的流量優(yōu)先流向斗桿和鏟斗液壓缸，當(dāng)鏟斗液壓缸完全伸出時，主泵流量會瞬間分流給動臂提升運(yùn)動，由于主泵流量供應(yīng)瞬間切換，造成整車晃動明顯，復(fù)合運(yùn)動協(xié)調(diào)性差，降低了駕駛員的操作舒適性和效率。而B型挖掘機(jī)主泵出口壓力和各工作腔入口壓力數(shù)據(jù)曲線穩(wěn)定，同步率高，動臂和鏟斗同步協(xié)調(diào)運(yùn)動，保持了穩(wěn)定流量供應(yīng)。當(dāng)斗桿液壓缸伸出至緩沖位置時，泵2流量進(jìn)行了2次有效的調(diào)節(jié)，保證對動臂和鏟斗液壓缸的流量供應(yīng)，延續(xù)之前的穩(wěn)定運(yùn)行速度，沒有出現(xiàn)明顯的頓挫現(xiàn)象，增強(qiáng)了工作裝置運(yùn)動的協(xié)調(diào)性，駕駛員不必通過頻繁調(diào)整操作手柄實現(xiàn)有效的挖掘工作，操作舒適性強(qiáng)。

圖3 采集到的液壓系統(tǒng)及液壓缸位移數(shù)據(jù)

3 液壓系統(tǒng)改進(jìn)試驗

動臂提升、斗桿收縮和鏟斗收縮復(fù)合動作多用于挖掘作業(yè)的后半段，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，結(jié)合挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖可知，由于A型和C型挖掘機(jī)沒有鏟斗大腔限流功能，在動臂和鏟斗同時動作時，動臂提升需要較大的壓力，泵2的流量優(yōu)先供應(yīng)鏟斗翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致鏟斗液壓缸快速伸出，而動臂幾乎無動作。液壓挖掘機(jī)屬于典型多執(zhí)行器系統(tǒng),其典型特點是多執(zhí)行器并行動作及負(fù)載頻繁變化,這就要求其液壓系統(tǒng)必須具有較好的流量分配特性。參照B型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)特點，以A型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)為改進(jìn)對象，增加鏟斗大腔限流功能，限制泵2對鏟斗的流量供應(yīng)，分流出部分流量用于動臂提升；同時，在動臂大腔和斗桿大腔之間增加了斗桿調(diào)速閥，實現(xiàn)斗桿調(diào)速功能。改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的A型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)

對A型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，以同樣的復(fù)合動作操作標(biāo)準(zhǔn)，由同一名駕駛員進(jìn)行工作裝置復(fù)合運(yùn)動試驗，現(xiàn)場試驗過程如圖5所示。

圖5 復(fù)合動作試驗現(xiàn)場

根據(jù)液壓系統(tǒng)改進(jìn)前、后的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，得出各液壓缸實時的大腔流量和液壓缸位移數(shù)據(jù)如圖6 所示。可知：液壓系統(tǒng)改進(jìn)后，由先導(dǎo)操作開始，動臂液壓缸即獲得穩(wěn)定的流量供應(yīng)，斗桿達(dá)到全伸狀態(tài)后，泵2流量進(jìn)行了2次有效的調(diào)節(jié)，使動臂液壓缸流量保持相對穩(wěn)定，避免出現(xiàn)流量的瞬間增大，造成整車晃動；鏟斗大腔流量供應(yīng)受到限制，保持穩(wěn)定運(yùn)動，與動臂提升同步性增強(qiáng)，更符合挖掘作業(yè)過程運(yùn)動規(guī)律，明顯提高了工作裝置復(fù)合動作協(xié)調(diào)性。

圖6 液壓系統(tǒng)改進(jìn)前后的試驗數(shù)據(jù)

液壓系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計后，工作裝置液壓缸的運(yùn)動時間和伸出位移分別如表4、表5所示。可知：動臂、斗桿、鏟斗液壓缸的運(yùn)動時間分別為13.95、6.60、12.70 s，動臂與鏟斗運(yùn)動時間差為1.25 s;在第一時間點，斗桿液壓缸先達(dá)到全伸狀態(tài)，動臂液壓缸的伸出比例為24.5%，比改進(jìn)前提高了20%；在第二時間點，動臂液壓缸的伸出比例為49.0%，比改進(jìn)前提高了27.1%。

表4 改進(jìn)后的液壓缸運(yùn)動時間 單位:s

表5 改進(jìn)后液壓缸位移比例

通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)可知，駕駛員實際的挖掘過程時間約為9～15 s，動臂和鏟斗復(fù)合動作時間的有效延長，可明顯提高操作的舒適性和作業(yè)效率，降低了由于某一工作裝置運(yùn)動過快而導(dǎo)致駕駛員頻繁操作先導(dǎo)手柄進(jìn)行作業(yè)調(diào)節(jié)而造成的駕駛疲勞，同時減小了由于整車重載結(jié)構(gòu)頻繁晃動而造成的系統(tǒng)功率損失。

4 結(jié)語

本文作者針對挖掘機(jī)工作裝置復(fù)合動作協(xié)調(diào)性的差異，對3個品牌的大型挖掘機(jī)進(jìn)行性能對標(biāo)試驗。根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果，采用MATLAB軟件對結(jié)構(gòu)位移和液壓系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，結(jié)合工作時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)，總結(jié)出導(dǎo)致工作裝置復(fù)合動作協(xié)調(diào)性不同的原因。以某機(jī)型為例，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，優(yōu)化流量分配，驗證了增加鏟斗限流閥和斗桿調(diào)速閥對復(fù)合動作中，主泵流量的合理分配具有重要意義，可有效提高操作效率和舒適性。