公路護欄打樁機負載敏感液壓系統(tǒng)設計

陳世其，鄒躍云，趙亮，高大偉，何志佩

（1.中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇徐州 221116；2.徐州恒興金橋機械科技有限公司，江蘇徐州 221116）

0 引言

護欄打樁機是一種專用于護欄樁施工的工程設備，根據(jù)底盤不同分為履帶式護欄打樁機和輪式護欄打樁機。履帶式護欄打樁機單位面積下能承受更大的載荷，行走平穩(wěn)，適用于比較惡劣的作業(yè)環(huán)境。而輪式護欄打樁機行走靈活、速度較快，便于切換工作場所，更適合公路打樁作業(yè)，因此廣泛應用于公路護欄樁的施工現(xiàn)場[1]。

公路護欄打樁機采用全液壓驅動，通過液壓系統(tǒng)中的液壓油將動力傳遞到各個執(zhí)行機構，并在各個執(zhí)行機構的共同配合下完成打樁作業(yè)。因此打樁機液壓系統(tǒng)的性能將直接影響到打樁機的整體性能[2-3]。為了實現(xiàn)不同作業(yè)工況下的工作效果、提高打樁機的動態(tài)性能、降低運行成本、達到高效節(jié)能的目的，本文采用負載敏感泵與負載敏感比例多路換向閥聯(lián)合控制技術對打樁機負載敏感液壓系統(tǒng)進行設計。

1 公路護欄打樁機主要工作階段及要求

公路護欄打樁機屬于循環(huán)作業(yè)的工程機械，需要在一個工作環(huán)境下完成多次打樁作業(yè)。其主要工作過程包括行走、樁架豎起、自動打樁和更換打樁位置4個階段。

1）行走階段。打樁機從拖車上駛下，到達公路后通過方向盤和操縱桿來控制打樁機的方向和速度使其行駛至工作位置。其中操縱桿有兩個，分別控制左右行走馬達，每個馬達都能進行高低速切換。

2）樁架豎起階段。由于樁架重心高，會影響行駛的穩(wěn)定性，所以設計成可起落結構。在行駛過程中放下樁架，降低其重心以保證行駛的穩(wěn)定性。當完成行駛階段，打樁機到達工作位置時需要豎起樁架，升起液壓錘，才可以進入施工狀態(tài)[4]。同時考慮到有些施工場所可能會存在一定的縱向坡度或者橫向坡度，為了確保護欄樁鉛垂安裝，不僅需要樁架在縱向和橫向上移動，還需要其以一定的幅度擺動。

3）自動打樁階段。此時樁架和樁錘分別由提升油缸和升降馬達控制，并在平衡閥的作用下保持在一定的高度。將樁安裝到樁帽上，利用樁架自動扶正功能使得樁架、液壓錘、護欄樁在同一軸線上。再通過控制自動打樁回路利用液壓錘進行打樁工作。

4）更換打樁位置階段。當結束一次打樁工作時，打樁機通過自動測距系統(tǒng)找到下一個打樁位置，液壓系統(tǒng)在接收到信號后控制打樁機行駛至下一個打樁位。與此同時仍需要樁架保持垂直并升起液壓錘、安裝護欄樁，再次進入自動打樁階段[4]。

2 負載敏感泵和比例多路換向閥的應用

護欄打樁機常規(guī)的液壓系統(tǒng)是一種典型的定量泵閥控系統(tǒng)，在該液壓系統(tǒng)中，定量泵提供恒定的流量以滿足負載的流量需求。其出口壓力取決于負載，當遇到負載較大的工況時，系統(tǒng)的壓力也會隨之增大，定量泵提供的流量會有剩余，這部分剩余的液壓油通過高壓溢流的方式流回油箱。在這個過程中會產(chǎn)生溢流損失，造成能量損耗[5]。

當多個執(zhí)行機構同時運動時，由于定量泵提供的流量無法同時滿足各執(zhí)行回路的最大流量需求，導致部分執(zhí)行機構無法實現(xiàn)指定的動作；當任一回路的負載發(fā)生變化時，會影響其他回路中執(zhí)行機構的動作，難以根據(jù)負載的變化來調(diào)節(jié)各個回路的流量分配[6]。而負載敏感技術采用負載敏感泵通過感受負載的變化從而自動調(diào)節(jié)流量，以適應打樁機液壓系統(tǒng)在各個工作階段的協(xié)調(diào)工作[7]。利用負載敏感比例多路閥可以實現(xiàn)各個執(zhí)行機構的液壓回路獨立運行、互不干擾，解決常規(guī)液壓系統(tǒng)中存在的問題[8]。

2.1 負載敏感泵的結構及特點

負載敏感泵的液壓原理如圖1所示。其主要結構包括變量泵、壓力切斷閥、負載敏感閥、變量缸彈簧腔和變量缸敏感腔。變量泵可以通過感受負載或負載變化從而對系統(tǒng)的壓力需求做出響應，同時系統(tǒng)的流量需求通過反饋通道反饋給變量泵，使整個液壓系統(tǒng)具有根據(jù)載荷情況提供工作所需的壓力-流量特性[9]。

圖1 負載敏感泵液壓原理圖

2.2 比例多路換向閥的結構及特點

比例多路換向閥可以通過調(diào)節(jié)各路換向閥閥芯的開口大小來控制各回路負載的運動速度，它是由2片以上的功能塊組合在一起的閥組，可以根據(jù)不同液壓回路的需要對每片功能塊的參數(shù)單獨設置，也可以按照實際的工況來選擇功能塊的最優(yōu)組合[10]。根據(jù)護欄打樁機的實際工作需求選用8聯(lián)比例多路換向閥作為打樁機液壓系統(tǒng)的控制部分。它是由連接塊和換向閥塊組成，其中連接塊主要包括溢流閥、減壓閥、電磁換向閥；換向閥塊主要包括換向閥主閥、溢流閥、二次溢流閥、定差減壓閥、梭閥。

當系統(tǒng)中多個執(zhí)行回路同時工作時，流過換向閥的流量可由下列計算公式得出[11]：

式中：Q為通過閥的流量；Cd為流量系數(shù)；A為閥芯面積；ρ為油液黏度；Δp為閥口前后壓差。

由于閥口前后壓差Δp由定差減壓閥設定為一常數(shù)，從而確保流過比例換向閥的流量只取決于閥口開度，而不受負載變化影響，具有較高的速度控制精度[12]。

3 公路護欄打樁機負載敏感液壓系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用負載敏感泵與負載敏感比例多路換向閥聯(lián)合控制系統(tǒng)作為公路護欄打樁機液壓系統(tǒng)的設計方案。所設計的液壓系統(tǒng)主要包括負載敏感變量泵回路2，8聯(lián)多路閥集成20，先導閥組10，反饋回路和8個液壓執(zhí)行機構：左行走馬達26、右行走馬達27、左右油缸29、前后油缸30、變幅油缸31、提升油缸32、液壓錘28和升降馬達33。這些執(zhí)行機構在液壓控制系統(tǒng)的作用下分別實現(xiàn)打樁機的4個主要工作階段。打樁機負載敏感液壓系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 公路護欄打樁機負載敏感液壓系統(tǒng)原理圖

當系統(tǒng)不工作時各路換向閥主閥閥芯22都處于中位待機狀態(tài)，負載敏感變量泵以很小的壓力（約1.4～2.5 MPa）和很小的流量處于卸荷狀態(tài)，具有很好的節(jié)能效果。當系統(tǒng)任一回路受到負載，該回路的換向閥主閥閥芯22離開中位，液壓油經(jīng)過換向閥20進入該執(zhí)行回路，驅動執(zhí)行機構運動。此時液壓換向閥的進油口和執(zhí)行油口產(chǎn)生的壓降傳遞至負載敏感泵2中的負載敏感閥7，通過調(diào)節(jié)變量泵3的斜盤，從而使得變量泵輸出的壓力自動適應負載變化，輸出的流量自動與換向閥口開度相適應[13]。當系統(tǒng)中其它執(zhí)行元件也開始工作，為了保證各回路之間的運行互不影響，在每個回路都設置了反饋回路，并通過梭閥閥組21選出換向閥的最高負載壓力信號并傳遞到負載敏感變量泵的變量機構，變量機構根據(jù)負載壓力的大小調(diào)整變量泵的排量，可實現(xiàn)變量泵輸出的壓力和流量與負載相匹配[14]。避免能源損失過大，達到高效節(jié)能的設計目的。

4 打樁機主要工況下負載敏感液壓系統(tǒng)分析

根據(jù)所設計出來的打樁機負載敏感液壓系統(tǒng)并結合打樁機實際施工要求對打樁機主要工作階段進行分析。

1）行走階段。依靠先導泵9提供先導壓力油，確保變量泵3安全啟動，從而為液壓系統(tǒng)提供穩(wěn)定的油壓。當運行平穩(wěn)時，通過調(diào)節(jié)多路閥閥芯22的開口大小控制左右行走馬達25、26的轉速。其中左右行走馬達25、26為雙速行走馬達，當兩位兩通電磁換向閥15電磁鐵斷電時，左右行走馬達25、26高低速控制油口通過兩位兩通電磁換向閥15上位接油箱，行走馬達處于低速運行狀態(tài)；當兩位兩通電磁換向閥15電磁鐵通電時，先導泵9輸出高壓油通過減壓閥11、單向閥12進入左右行走馬達25、26高低速控制油口，行走馬達處于高速運行狀態(tài)。

2）打樁準備階段。主要依靠變幅油缸31和提升油缸32使樁架能始終保持一定高度，并與工作面成鉛垂狀態(tài)，通過雙向平衡閥34對其進行負載保持。左右油缸29和前后油缸30的作用是在其行程范圍內(nèi)調(diào)整樁架對準打樁孔，并通過雙向液壓鎖37進行行程位置保持。為了提高工作效率，有時需要多個油缸同時運動，主要依靠變量泵3所接受的負載反饋來提供壓力油，通過多路閥20進行流量分配。

3）打樁階段。液壓錘28在升降馬達33的控制下提升到一定的高度，通過控制換向閥22閥口開度可控制液壓錘28的下降速度，使得液壓錘28在初始階段實現(xiàn)低頻率慢速打樁；當打樁工作穩(wěn)定后增大供油流量，錘頭在液壓油和重力的作用下高頻率快速下落進行打樁，到達行程轉換開關后慢速低頻率打樁，直到護欄樁到達設定高度時停止打樁，然后液壓錘上升到原始最高點。由于液壓錘在進行打樁工作時會遇到各種類型的土質情況，當土質變硬導致打樁時的負載突然變大，通過反饋通道變量泵輸出壓力會自動隨著負載增加。但液壓錘瞬時速度的增大，僅僅依靠液壓泵提供油液還滿足不了系統(tǒng)瞬時流量的需求，此時蓄能器36起到了輔助能源的作用[15]。

5 結論

近年來負載敏感技術在工程機械液壓系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，大大地提高了工程機械的性能。文中根據(jù)輪式護欄打樁機的作業(yè)工況及要求，提出并設計了基于負載敏感泵與負載敏感比例多路換向閥共同控制的液壓系統(tǒng)。負載敏感變量泵出口壓力始終與負載壓力相適應，系統(tǒng)無溢流損失，具有明顯的節(jié)能效果，該系統(tǒng)既可采用電動控制也可采用手動控制。通過工業(yè)試驗，該護欄打樁機液壓系統(tǒng)的設計是合理的。