隨車起重機雙定量泵合流多路閥的設計與研究

黃文俊 張 戚

江蘇宏昌天馬物流裝備有限公司 揚州 225003

0 引言

直臂隨車起重機是一種多用途機械，具有吊裝運輸快速便捷的特點，其主要作業(yè)動作包括卷揚、變幅、伸縮及轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)。目前，單定量泵系統(tǒng)仍是隨車起重機液壓系統(tǒng)的主流[1]，但高效、綠色的技術理念已成為現(xiàn)今時代的要求，現(xiàn)有的小排量單泵系統(tǒng)逐漸難以滿足隨車起重機的動作的速度要求，而大排量單泵系統(tǒng)的配置受底盤發(fā)動機扭矩輸出的限制，難以解決高負載壓力下的發(fā)動機憋壓熄火問題。文獻[2]提及的一種隨車起重機雙定泵合流多路閥，采用卷揚動作時主泵與副泵合流、其余工況均不合流的技術方案，僅能實現(xiàn)卷揚動作時的雙泵合流，且主、副泵工作壓力設定等級應相同。因此，除僅能實現(xiàn)卷揚工況合流外，副泵不能在主泵系統(tǒng)高壓時低壓卸荷，易造成底盤發(fā)動機功率扭矩輸出不足而憋壓熄火；其副泵也難以采用壓力等級低、價格優(yōu)勢更大的油泵。

本文設計研究的隨車起重機雙定泵合流多路閥，除回轉(zhuǎn)聯(lián)外其余聯(lián)均合流的技術方案，其在系統(tǒng)工作壓力達到設定壓力時，副本能及時低壓卸荷的特點，能確保底盤發(fā)動機不因輸出功率與扭矩不足而熄火。

1 雙定量泵多路閥的分合流原理設計

為提升直臂隨車起重機作業(yè)效率，除卷揚提升動作外，其變幅抬臂、臂架外伸這2個動作也需大流量合流、雙泵供油工作。當轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)聯(lián)工作時，相對需求油量小、工作壓力低，為此，設計了一種雙定量泵合流多路閥系統(tǒng)[3]，其雙泵分合流控制的思路為轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)聯(lián)動作時，確保僅副泵向回轉(zhuǎn)聯(lián)供油；而其他工作聯(lián)動作時，主泵與副泵合流、同時向工作聯(lián)供油；如系統(tǒng)在合流狀態(tài)下，工作負載壓力升至設定值時，雙定量泵合流狀態(tài)及時切換到分流狀態(tài)。此時，如回轉(zhuǎn)聯(lián)不工作，則副泵將處于低壓卸荷狀態(tài)；如回轉(zhuǎn)聯(lián)也同時工作，則副泵獨立向回轉(zhuǎn)聯(lián)供油、主泵獨立向回轉(zhuǎn)聯(lián)以外的工作聯(lián)獨立供油。具體的合流多路閥設計原理圖如圖1所示。

上述雙定量泵合流控制多路閥的雙定量泵分合流聯(lián)左側(cè)設置有主泵頭聯(lián)、卷揚聯(lián)、變幅聯(lián)和伸縮聯(lián)或其他組合，右側(cè)設置有副泵頭聯(lián)與回轉(zhuǎn)聯(lián)，主泵頭聯(lián)溢流閥壓力設置為整系統(tǒng)最高工作壓力31 MPa，副泵頭聯(lián)溢流閥設定壓力為中壓17 MPa，分合流聯(lián)的壓力切斷閥壓力設定16 MPa，阻尼12用于控制分合流控制閥動作速度；單向閥10用于高壓脈沖的反向截止以保護副泵；常態(tài)下分合流閥呈導通狀態(tài)。

當卷揚、變幅及伸縮的任一工作聯(lián)開始動作，由于回轉(zhuǎn)聯(lián)不動作、位置M處壓力趨于0，壓力切斷閥也處于截止狀態(tài)，則由于阻尼12的作用，確保了分合流切換閥的控制腔壓力趨于0，并在閥芯彈簧作用下保持導通狀態(tài)，而此時副泵頭聯(lián)流量匹配器則均工作，使主副泵均建壓向卷揚、變幅與伸縮中的工作聯(lián)合流供油；隨著系統(tǒng)工作壓力的升高，達到16 MPa的壓力切斷閥的設定壓力時，該閥將切換到導通狀態(tài)，系統(tǒng)負載敏感LS油路的壓力油通過壓力切斷閥導入分合流切換閥的控制腔，使閥芯克服彈簧由導通狀態(tài)切換到截止狀態(tài)，切斷主副泵的主油路與負載敏感LS油路的連通，此時，單向閥6反向截止，確保分合流切換閥控制腔壓力油不會反向流入到回轉(zhuǎn)聯(lián)。主泵頭聯(lián)流量匹配器的LS油路由于依然能獲得卷揚、變幅與伸縮中工作聯(lián)的負載反饋壓力而繼續(xù)工作，但副泵由于回轉(zhuǎn)聯(lián)不工作，副泵頭聯(lián)流量匹配器的LS油路采集不到負載壓力，而以待機壓力低壓卸荷副泵，由此確保液壓系統(tǒng)的取用功率不至于工作壓力的過高、底盤發(fā)動機輸出功率或扭矩不足，而導致底盤發(fā)動機熄火。

在任何工況下，只要回轉(zhuǎn)聯(lián)工作，則其M點位置將能采集到工作液壓油、通過單向閥6流入到分合流切換閥的控制腔，使合流切換閥切斷主副泵的油路連通，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)聯(lián)只能由副泵獨立供油工作。此時，壓力切斷閥確保了從回轉(zhuǎn)聯(lián)采集的控制油，不會流入到主泵系統(tǒng)。由于回轉(zhuǎn)聯(lián)實際工作壓力較低，使副泵由此可采用廉價的中壓油泵、進一步降低系統(tǒng)的制造成本。

2 合流多路閥技術的建模仿真驗證

為了更好地驗證上述設計的雙定量泵合流多路閥功性能，首先利用AMESim軟件仿真平臺，搭建出該分合流多路閥的計算機仿真模型并先行進行虛擬驗證[4，5]，其仿真模型如圖2所示。

根據(jù)圖1中原理圖所示，由于卷揚、變幅及伸縮3組工作聯(lián)均位于合流聯(lián)同一側(cè)，對于雙泵分合流功性能驗證而言不失一般性，此處僅建立了卷揚聯(lián)模型，且其與主泵、主泵頭聯(lián)，一起布置于分合流控制聯(lián)一側(cè)；回轉(zhuǎn)聯(lián)與副泵、副泵頭聯(lián)一起布置于分合流控制聯(lián)另一側(cè)；卷揚聯(lián)及回轉(zhuǎn)聯(lián)的負載，分別用一只液壓缸及質(zhì)量塊來模擬，且由速度傳感器檢測液壓缸運行速度，根據(jù)各液壓缸運行速度，對相應質(zhì)量塊施加阻力載荷，以模擬工況載荷；2個f (x)函數(shù)塊用以便于調(diào)節(jié)卷揚與回轉(zhuǎn)不同負載的大小。

在圖2所示模型中，為了實現(xiàn)主副泵流量的柔性分合流控制，特對雙定量泵分合流聯(lián)的主油路分合流閥芯與LS油路分合流閥芯，均采用過渡節(jié)流槽閥芯建模，并控制相應閥芯的周向節(jié)流槽口的設置數(shù)量，來控制2處閥芯的通流面積與各自實際流量匹配[6]。

模型中的卷揚聯(lián)、回轉(zhuǎn)聯(lián)及各自頭聯(lián)均采用了市場常用的DCV95系列負載敏感多路閥結(jié)構(gòu)參數(shù)建模，其具體參數(shù)此處從略；而涉及雙定量泵分合流控制的部分，其具體仿真參數(shù)設置如表1所示。

表1 模型仿真分合流控制主要設置參數(shù)

通過圖2中所建模型，采用常規(guī)求解器、動態(tài)仿真模式及變步長仿真運算，典型結(jié)果如圖3～圖5所示。

從圖3的卷揚獨立工況系統(tǒng)仿真曲線可知，卷揚聯(lián)獨立工作時實際流量為85.7 L/min，此時主泵的輸出流量為58 L/min，副泵的輸出流量為28.9 L/min，此數(shù)據(jù)說明卷揚聯(lián)工作在雙泵合流狀態(tài)。

由圖4可知，在卷揚獨立工作、系統(tǒng)處于合流供油狀態(tài)下，啟動回轉(zhuǎn)聯(lián)工作時，合流聯(lián)閥芯將立即動作、多路閥從合流狀態(tài)切換到分流狀態(tài)，使主、副泵分別獨立向卷揚聯(lián)與回轉(zhuǎn)聯(lián)供油。說明本文所述多路閥能很好滿足圖4工況下的分合流功能。

圖5為該模型仿真輸出的、合流系統(tǒng)壓力超設定值，副泵脫開合流狀態(tài)，轉(zhuǎn)入低壓卸荷的仿真運算曲線。由圖可知，合流聯(lián)閥芯在系統(tǒng)壓力為16 MPa時開始切換，且切換動作有明顯的斜坡，這有利于實現(xiàn)系統(tǒng)分合流柔性切換；由圖5中還可看出，副泵低壓卸荷壓力為2.7 MPa，這是卸荷后副泵負載敏感系統(tǒng)頭聯(lián)設定的待機壓力。

3 合流多路閥的實車驗證

通過上述雙定量泵合流多路閥的設計與其虛擬仿真性能驗證，表明本文的合流多路閥技術可行性高、能滿足設計要求。如圖6所示，對該合流多路閥技術實現(xiàn)了裝車應用，并對其進行了完整的功性能測試驗證。

實車試驗數(shù)據(jù)測試，得到該閥系統(tǒng)在卷揚聯(lián)獨立工作時，主、副泵合流向卷揚共同提供油源的實測曲線見圖7。由圖7可知，卷揚獨立工作時其工作流量實測約為86.4 L/min，此時主泵提供流量為59 L/min、主泵工作壓力為8.3 MPa；而副泵提供流量為28 L/min、主泵工作壓力為8.5 MPa，顯然卷揚實際工作流量為主副泵合流后的供給流量。

在卷揚聯(lián)獨立工作、主副泵合流向其供油的工況下，啟動回轉(zhuǎn)聯(lián)工作，實測系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。圖中曲線顯示卷揚聯(lián)獨立工作時，主副泵合流、共同向卷揚提供液壓油，此狀態(tài)實測流量為87.6 L/min；啟動回轉(zhuǎn)聯(lián)工作后，主副泵獨立工作，分別向卷揚聯(lián)與回轉(zhuǎn)聯(lián)供油，此時，卷揚聯(lián)實測工作流量為59 L/min、回轉(zhuǎn)聯(lián)實測工作流量為23 L/min。卷揚聯(lián)工作壓力偏低、回轉(zhuǎn)聯(lián)工作流量偏少，是因為卷揚聯(lián)工作于空載狀態(tài)下測試、副泵為齒輪泵容積效率偏低的緣故；考慮到安全因數(shù)，回轉(zhuǎn)聯(lián)工作的啟動，采用緩慢手柄操作的模式，由此圖中回轉(zhuǎn)聯(lián)啟動工作后，其實測流量的曲線增長坡度較卷揚曲線緩慢。

為了實測合流多路閥的低壓卸荷功能，特采用卷揚聯(lián)提升12 t載荷工況，緩慢操作多路閥手柄、逐漸加載，其測試的相關數(shù)據(jù)曲線如圖9所示?？芍頁P聯(lián)工作剛開始時，系統(tǒng)壓力較低，主副泵合流向卷揚聯(lián)供油，直到卷揚工作壓力達到17 MPa時，副泵開始卸荷，此后的卷揚聯(lián)僅由主泵供油，其工作壓力隨著多路閥手柄開度的加大，負載壓力繼續(xù)上升直至超過20 MPa；而副泵卸荷后的輸出壓力實際保持在1.86 MPa、即副泵頭聯(lián)三通流量匹配器限定的LS負載敏感待機壓力。如是的副泵低壓卸荷，確保了系統(tǒng)在低負載工況下，獲得更多液壓油工作流量的同時，其高負載工況下，也不會發(fā)生底盤發(fā)動機因輸出功率或扭矩不足而憋壓熄火現(xiàn)象。

4 總結(jié)

1）除回轉(zhuǎn)聯(lián)外、其余如卷揚等工作聯(lián)均能利用雙泵合流的技術優(yōu)勢、更利于提升作業(yè)效率；

2）在底盤輸出扭矩受限下，副泵的高負載下低壓卸荷，確保了不發(fā)生發(fā)動機憋壓熄火現(xiàn)象；

3）回轉(zhuǎn)聯(lián)工作壓力低，由副泵獨立供油，使其可配置廉價的中低壓齒輪泵，利于降低制造成本。