基于沖壓壓力的靜液壓調(diào)平液壓系統(tǒng)研究

蔡忠貴 曉峰

摘要：目前高空作業(yè)車工作平臺普遍存在調(diào)平滯后及調(diào)不平的問題，工作平臺高度越高，該問題越突出，嚴(yán)重影響高空作業(yè)車的操作體驗(yàn)和安全性。基于液壓調(diào)平系統(tǒng)基本工作原理，針對調(diào)平系統(tǒng)存在的不足，提出向液壓調(diào)平系統(tǒng)沖壓的方案。通過試驗(yàn)測試，對靜液壓液壓調(diào)平系統(tǒng)采用不同沖壓方式及沖壓壓力，對比調(diào)平效果，選擇最優(yōu)沖壓方案。試驗(yàn)結(jié)果表明：對液壓調(diào)平系統(tǒng)選取合適的沖壓壓力及沖壓方式，可有效解決高空作業(yè)車工作平臺調(diào)平滯后及不平問題。

關(guān)鍵詞：工作平臺；液壓；調(diào)平；沖壓

中圖分類號：G232? 收稿日期：2023-06-01

DOI：1019999/jcnki1004-0226202308016

1 前言

隨著高空作業(yè)車越來越廣泛地用于各種領(lǐng)域，為保證其安全作業(yè)的工作平臺調(diào)平裝置越來越受到關(guān)注[1]。相比機(jī)械調(diào)平或者電氣調(diào)平的方式，靜液壓調(diào)平系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、重復(fù)精度好、可靠性高、可維護(hù)性好等特點(diǎn)，目前被廣泛用于28 m以下的高空作業(yè)車中，但是在工作平臺調(diào)平時普遍存在明顯的滯后及調(diào)不平的現(xiàn)象，給客戶帶來不安全感。

經(jīng)過分析與研究，認(rèn)為主要原因有以下幾方面：a.鉸點(diǎn)有加工誤差；b.連接調(diào)平油缸的液壓膠管太長；c.液壓閥有泄露；d.膠管的熱脹冷縮問題；e.液壓油的壓縮性問題；f.平衡閥的設(shè)定壓力及先導(dǎo)比問題等。如果工作欄水平度超過一定幅度，這是不符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求的，存在比較大的安全問題。因此本文從該系統(tǒng)的原理著手，研究系統(tǒng)存在的缺陷，并基于這些缺陷，進(jìn)行有針對性的改進(jìn)。

2 高空作業(yè)車靜液壓調(diào)平工作原理

2.1 靜液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)

高空作業(yè)車液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)如圖1所示[2]，主要構(gòu)成部件：上調(diào)平油缸、下調(diào)平油缸、液壓油管、臂架、轉(zhuǎn)臺等。下調(diào)平油缸一端安裝在轉(zhuǎn)臺上，另一端安裝在臂架上并與臂架安裝孔組成下調(diào)平三角形ABC；上調(diào)平油缸一端安裝在臂架上，另一端安裝在工作欄連接支架上，與連接支架的另一鉸點(diǎn)組成上調(diào)平三角形A[′]B[′]C[′]，兩個三角形相似。

2.2 靜液壓調(diào)平液壓系統(tǒng)

上調(diào)平油缸無桿腔與下調(diào)平油缸無桿腔相通并通過液壓膠管連接，上調(diào)平油缸有桿腔與下調(diào)平油缸有桿腔相同并通過液壓膠管相通，通過雙向液壓鎖形成密閉區(qū)間。當(dāng)臂架變幅上時，臂架拉動下調(diào)平油缸向上運(yùn)動，有桿腔壓力增大開啟無桿腔平衡閥，上調(diào)平油缸開始縮回。臂架變幅下的原理與變幅上相同，具體原理如圖2所示。

變副機(jī)構(gòu)在變幅油缸驅(qū)動下，帶動臂架角度變化（增大或減少），臂架帶動下調(diào)平油缸伸出或縮回，上調(diào)平油缸在下調(diào)平油缸排出液壓油推動下，同步運(yùn)動（伸出或縮回），兩個相似三角形同步變形，保持同步相似，這樣無論臂架變幅角度如何變化，高空工作欄始終保持初始水平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了工作欄的調(diào)平功能。

3 靜液壓調(diào)平系統(tǒng)的不足

3.1 靜液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)誤差

由上述原理可知，由于加工誤差導(dǎo)致調(diào)平三角形邊長變化過大將導(dǎo)致工作平臺無法調(diào)平。下面以某車型為例計算調(diào)平三角形加工偏差對工作平臺調(diào)平的影響。

按圖1所示，代入下調(diào)平三角形原始尺寸AC、AB、BC，上調(diào)平三角形原始尺寸A[′]C[′]、A[′]B[′]、B[′]C[′]，通過計算來求取此時調(diào)平機(jī)構(gòu)本身的誤差。

由計算可知，當(dāng)調(diào)平三角形尺寸均滿足設(shè)計要求時，該調(diào)平誤差保持在0.5°以內(nèi)（國標(biāo)要求5°以內(nèi)[2]），計算結(jié)果如圖4所示。假如由于加工導(dǎo)致1 mm誤差，則其靜液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最大誤差變?yōu)?.99°，幾乎增大了一倍，具體如圖5所示。

3.2 靜液壓調(diào)平液壓系統(tǒng)誤差

由上述原理分析可知雙向液壓鎖及溢流閥的泄漏會導(dǎo)致工作平臺調(diào)不平，本文主要基于液壓油的可壓縮性分析，不考慮液壓閥的泄露量。

從圖6測試曲線可知，變幅下時，無桿腔壓力由0升高至4.2 MPa，上調(diào)平油缸才開始動作，變幅到位后有桿腔壓力降至1.8 MPa。變幅上時，有桿腔壓力需要由1.8 MPa升高直至5 MPa，上調(diào)平油缸才開始動作，變幅到位后無桿腔壓力降至0。結(jié)合某型號高空作業(yè)車調(diào)平液壓系統(tǒng)的具體參數(shù)計算變幅時，下調(diào)平油缸動作多大行程后，上調(diào)平油缸開始動作，考慮液壓油的壓縮性彈性模量取1 000 MPa，壓差按圖5的曲線所示，變幅上有桿腔壓差為3.2 MPa，變幅下無桿腔壓差為4.2 MPa。計算結(jié)果如表1所示。

通過表1的計算可知：變幅上時，下調(diào)平油缸被拉出2.7 mm的行程后上調(diào)平油缸開始動作;變幅下時，下調(diào)平油缸被壓縮2.85 mm的行程后上調(diào)平油缸開始動作?，F(xiàn)場實(shí)際測量此車變幅上時，當(dāng)下調(diào)平油缸被拉出2.7 mm時，臂架角度由-21.5°變?yōu)?19°，此時用水平儀測量工作平臺調(diào)平角度為3.2°，繼續(xù)變幅上由于上調(diào)平油缸開始動作，工作平臺開始調(diào)平，變幅至上到位時，實(shí)測調(diào)平角度為4.2°（行業(yè)調(diào)平角度控制標(biāo)準(zhǔn)為3°）。

從測試及計算來看，由于無桿腔及有桿腔交替出現(xiàn)低壓，且由于液壓油具有一定的壓縮性，打開平衡閥需要一定的壓力，導(dǎo)致調(diào)平滯后，從而引起工作平臺不平。

3.3 膠管變形量、膠管通經(jīng)及溫度的影響

液壓膠管越長通經(jīng)越大，相同壓力變化時內(nèi)部體積越大所需的液壓油越多。假設(shè)調(diào)平液壓系統(tǒng)彈性模量為1 000 MPa，膠管受壓時膠管變形量取0.1%，根據(jù)彈性模量公式計算，膠管變形會引起1 MPa的壓力變化。8通經(jīng)膠管與6通相同長度的膠管相比，相同壓力變化，液壓油體積變化增加77%，即需要額外增加77%的液壓油。

膠管越長膠管變形量所需填充的液壓油量越大，具體表現(xiàn)為高空作業(yè)車的作業(yè)高度越高，工作欄調(diào)平就越滯后，工作欄越難調(diào)平。這也是液壓調(diào)平不用在超高米段（如超過30 m）的高空車或者自行式高空作業(yè)平臺中工作的原因。

3.4 液壓油具有可壓縮性

液壓油在壓力影響下，體積也會變?。蓧嚎s性），這也會導(dǎo)致兩個油缸壓縮量不一致。液壓油的可壓縮性用彈性模量表示，一般壁厚4 mm的鋼管彈性模量可達(dá)到2 000 MPa[4]，相同的液壓膠管彈性模量只有700 MPa。具體到調(diào)平液壓系統(tǒng)中，由于液壓油中存在空氣以及調(diào)平管路連接均采用液壓膠管與鋼管的混裝模式，導(dǎo)致調(diào)平液壓系統(tǒng)液壓油的彈性模量變小，相同的壓力變化需要向調(diào)平液壓系統(tǒng)沖入的液壓油越多。

3.5 油缸及液壓閥的泄露

油缸密封性存在差異，泄露量不一致，液壓閥件也有泄露量，也會導(dǎo)致兩個油缸伸縮量不一致。

3.6 平衡閥的設(shè)定壓力及先導(dǎo)比

一般調(diào)平油缸由平衡閥鎖定，平衡閥的設(shè)定壓力一般為最大負(fù)載的1.3倍，如果由于某種原因?qū)е缕胶忾y的設(shè)定壓力過高，打開平衡閥所需的壓力過大，從而引起調(diào)平滯后。對于相同設(shè)定壓力，平衡閥先導(dǎo)比越大，打開平衡閥所需的壓力就越小，平衡閥越易打開，工作欄越容易調(diào)平。

4 靜液壓調(diào)平問題的解決方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 方案一：對靜液壓調(diào)平系統(tǒng)采用手動沖壓

從上述分析可知，臂架制造加工誤差、閥的內(nèi)泄、液壓管路的膨脹、液壓油的壓縮性（即彈性模量）及有桿腔及無桿腔交替出現(xiàn)的低壓均會導(dǎo)致高空作業(yè)車作業(yè)時工作平臺不平。下面采用手動沖壓方式進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7、圖8所示。

從圖7和圖8測試曲線可知：有桿腔沖壓后，有桿腔壓力為11.4 MPa，無桿腔壓力為5.4 MPa，變幅上時，有桿腔壓力由11.4 MPa增大至11.5 MPa，上調(diào)平油缸即開始動作；變幅下時，無桿腔壓力由6.5 MPa增大至7.1 MPa，上調(diào)平油缸即開始動作。取液壓油彈性模量取1 100 MPa（沖壓后管路彈性模量增大）進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。

表2 沖壓后靜液壓調(diào)平液壓系統(tǒng)計算

[膠管直徑，mm 6 膠管長度，mm 21 400 無桿腔容積，L 0.726 1 有桿腔容積，L 0.498 4 無桿腔封閉容積，L 1.801 2 有桿腔封閉容積，L 1.573 5 彈性模量，MPa 1 100 有桿腔容積變化量，L 0.005 19 變幅上下調(diào)平油缸行走距離，mm 0.07 有桿腔容積變化量，L 0.007 56 變幅上下調(diào)平油缸行走距離，mm 0.37 ]

通過計算可知：變幅上時，有桿腔沖壓后，有桿腔壓力增加0.1 MPa，下調(diào)平油缸被拉出0.07 mm，上調(diào)平油缸開始調(diào)平；變幅下時，無桿腔沖壓后，無桿腔壓力增加0.6 MPa，上調(diào)平油缸開始調(diào)平?，F(xiàn)場實(shí)測沖壓后工作欄幾乎沒有滯后，變幅至上到位時，實(shí)測調(diào)平角度為1.3°，變幅下到位，實(shí)測調(diào)平角度為1.4°。這個調(diào)平誤差是調(diào)平機(jī)構(gòu)加工誤差以及液壓油的可壓縮性（彈性模量不可能無限大）造成的，屬于調(diào)平機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)誤差。

從圖9某車型的實(shí)際測試結(jié)果看，變幅上時對調(diào)平液壓系統(tǒng)有桿腔沖壓，變幅下時對調(diào)平液壓系統(tǒng)無桿腔沖壓，不僅可以消除調(diào)平滯后問題，使工作調(diào)平效果更好（如1#車未沖壓調(diào)平最大角度為2°，沖壓后調(diào)平最大角度變成0.7°），而且可以解決由于調(diào)平鉸點(diǎn)加工誤差導(dǎo)致工作平臺調(diào)不平的問題。圖9中4#車由于鉸點(diǎn)加工偏差，不沖壓調(diào)平角度為4.2°，沖壓后最大為1.6°（4#車調(diào)平鉸點(diǎn)誤差與設(shè)計值相差1mm，導(dǎo)致工作平臺調(diào)平超過3°）。

4.2 方案二：對非卸荷型平衡閥靜液壓調(diào)平系統(tǒng)采用自動沖壓

上述沖壓是手動調(diào)平?jīng)_壓即有桿腔加壓且無桿腔泄壓的情況。無桿腔沖壓時有桿腔泄壓，雖然調(diào)平效果非常不錯，但是工作平臺正常調(diào)平時不可能這樣操作。

本文通過設(shè)計一種自動沖壓回路來研究沖壓壓力對調(diào)平液壓系統(tǒng)的影響，該沖壓回路可以同時給無桿腔及有桿腔沖相同的壓力。沖壓回路可在變幅開始時同步為調(diào)平系統(tǒng)兩腔充油維持一定的壓力，能有效解決由于膠管長度、通經(jīng)大小、閥的泄露及膠管變形對調(diào)平系統(tǒng)的影響。下面分別測試不同沖壓壓力對調(diào)平液壓系統(tǒng)的影響。

從圖10和表3可知，沖壓后變幅上時調(diào)平系統(tǒng)無桿腔壓力稍高于沖壓壓力，變幅下時有桿腔壓力比沖壓壓力大2 MPa左右，整個調(diào)平液壓系統(tǒng)充滿壓力，臂架拉著下調(diào)平油缸動作時，上調(diào)平油缸立即開始動作，高空作業(yè)車工作時工作平臺調(diào)平無滯后從而保證工作平臺水平。當(dāng)沖壓壓力為3.3 MPa時，最大調(diào)平角度為2.5°。

由圖11、表4可知，當(dāng)沖壓壓力為4.5 MPa時，最大調(diào)平角度為2.6°。

由圖12、表5可知，當(dāng)沖壓壓力為6 MPa時，最大調(diào)平角度為2.85°。

由圖13、表6可知，當(dāng)沖壓壓力為7.5 MPa時，最大調(diào)平角度為3.1°，已超過標(biāo)準(zhǔn)要求的3°。

從測試結(jié)果看，隨著沖壓壓力的升高，工作平臺調(diào)平的效果越差，而且沖壓后的調(diào)平角度也接近3°與圖7測試結(jié)果相差較遠(yuǎn)，其原因?yàn)檠b車的平衡閥為非卸荷平衡閥，回油背壓影響平衡閥開啟壓力。從上述測試曲線可看出，沖壓壓力高，平衡閥開啟壓力也高。

4.3 方案三：對卸荷型平衡閥靜液壓調(diào)平系統(tǒng)采用自動沖壓

由上述分析可知，沖壓壓力對非卸荷平衡閥的開啟壓力有影響，下面測試沖壓壓力對卸荷型平衡閥靜液壓調(diào)平液壓系統(tǒng)的影響，本文中卸荷型平衡閥為通大氣平衡閥。

分別將沖壓壓力調(diào)至2.5 MPa、4 MPa及6 MPa進(jìn)行工作平臺水平度測試，結(jié)果如表7～表9所示。

從裝機(jī)測試結(jié)果來看，沖壓壓力為2.5 MPa時工作平臺調(diào)平角度為1.2°，沖壓壓力為6 MPa時工作平臺調(diào)平角度為1.4°，沖壓壓力越大，調(diào)平效果會稍差一點(diǎn)，但是調(diào)平角度均控制在1.5°以內(nèi)，遠(yuǎn)好于采用非卸荷型平衡閥的效果。

5 結(jié)語

本文針對調(diào)平液壓系統(tǒng)存在的問題，提出幾種解決高空作業(yè)車工作平臺液壓調(diào)平滯后及工作平臺調(diào)不平的方案，并通過實(shí)際測試研究不同方案對靜液壓調(diào)平的影響。測試結(jié)果表明：3種解決方案可以有效解決液壓調(diào)平滯后及工作平臺調(diào)不平的問題，但部分方案也有一定局限性，3個方案優(yōu)劣性對比分析如下：

a.手動沖壓可以有效解決調(diào)平滯后的問題及調(diào)平機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)制造誤差引起的工作臺不平問題，但不便實(shí)施應(yīng)用。

b.沖壓壓力不宜過大，沖壓壓力越大對采用非卸荷型平衡閥的液壓調(diào)平系統(tǒng)，工作平臺調(diào)平效果越差。

c.采用卸荷型平衡閥的液壓調(diào)平系統(tǒng)，沖壓后工作平臺調(diào)平效果最優(yōu)。

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作者簡介：

蔡忠貴，男，1977年生，工程師，研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械。