工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 麗, 黃續(xù)芳, 羅 驍, 文仁興, 李旭東

(1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 四川 瀘州 646099;2.四川邦立重機(jī)有限責(zé)任公司, 四川 瀘州 646099)

引言

工程機(jī)械(如平地機(jī)、挖掘機(jī)、推土機(jī)等)鏟刀在道路清掃、修坡、平地、越障等土方作業(yè)中,鏟刀聯(lián)主閥芯處于下降工作位,控制鏟刀油缸活塞伸出至接觸地面或扎入土方一定深度,鏟刀刀頭與地面一般為剛性接觸,易產(chǎn)生剛性沖擊[1-3],鏟刀刀頭極易變形,從而影響鏟刀刀頭使用壽命,故鏟刀與地面的剛性沖擊問(wèn)題亟待解決。

為此引入一種液壓浮動(dòng)技術(shù),在鏟刀平地作業(yè)中,控制鏟刀油缸大小腔同時(shí)接通油箱,避免鏟刀重載下無(wú)法抬起,從而損壞鏟刀刀頭。有關(guān)液壓浮動(dòng)技術(shù)的公開(kāi)文獻(xiàn)不多:曹竹等[4]設(shè)計(jì)了一種平地機(jī)前推浮動(dòng)液壓系統(tǒng),在前推液壓缸兩腔增設(shè)浮動(dòng)換向閥,浮動(dòng)位為Y型機(jī)能,浮動(dòng)工況下前推液壓缸兩腔合流后與油箱連接;范楊等[5]提出一種平地機(jī)鏟刀下壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了鏟刀油缸提升的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),鏟刀可隨地面起伏自動(dòng)升降;白健信等[6]對(duì)平地機(jī)鏟刀自由浮動(dòng)原理、可調(diào)浮動(dòng)原理、超級(jí)浮動(dòng)原理進(jìn)行了比較研究,指出了自由浮動(dòng)的缺陷,而超級(jí)浮動(dòng)能適應(yīng)多工況平地作業(yè),僅停留在原理可行性層面,并未進(jìn)行虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。

綜上:(1)現(xiàn)有液壓浮動(dòng)技術(shù)均通過(guò)開(kāi)關(guān)閥實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)缸兩腔連通油箱,成本高且效果差;(2)有關(guān)一些液壓浮動(dòng)技術(shù)主要在專利上發(fā)表,仍缺乏理論和驗(yàn)證的深入研究;基于此,本研究針對(duì)工程機(jī)械鏟刀平地作業(yè)中鏟刀與地面的剛性沖擊問(wèn)題,提出了一種工程機(jī)械平地作業(yè)液壓浮動(dòng)系統(tǒng),通過(guò)增加閥芯行程在鏟刀聯(lián)主控閥芯上增加浮動(dòng)工作位,詳細(xì)闡述了液壓浮動(dòng)系統(tǒng)工作原理,基于AMESim搭建負(fù)載敏感控制的鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行了仿真參數(shù)設(shè)置,仿真模擬了鏟刀平地越障浮動(dòng)升降過(guò)程,得到了鏟刀油缸壓力和位移動(dòng)態(tài)性能特性曲線,并基于平地越障鏟刀油缸易產(chǎn)生震動(dòng)問(wèn)題,對(duì)原設(shè)計(jì)的鏟刀浮動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)研究,在鏟刀油缸大腔增加蓄能器進(jìn)行吸能減震,鏟刀在相同負(fù)載工況下進(jìn)行了浮動(dòng)升降仿真驗(yàn)證,該研究對(duì)工程機(jī)械如平地機(jī)鏟刀液壓浮動(dòng)、挖掘機(jī)和推土機(jī)推土鏟液壓浮動(dòng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用具有較好的理論指導(dǎo),對(duì)后續(xù)液壓浮動(dòng)技術(shù)改進(jìn)也提供了理論基礎(chǔ)。

1 工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工程機(jī)械鏟刀裝置示意圖如圖1所示,鏟刀升降通過(guò)液壓缸伸縮實(shí)現(xiàn)。

圖1 工程機(jī)械鏟刀裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of blade device for construction machinery

工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)工作原理:

(1) 鏟刀不工作時(shí),變量泵通過(guò)中位卸荷閥低壓卸荷[7];

(2) 主控閥芯左側(cè)給定先導(dǎo)壓力時(shí),主控閥芯處于快速上升位,變量泵給鏟刀油缸小腔供液,鏟刀升起,其大小腔壓力通過(guò)LS油路傳遞至變量泵敏感閥右側(cè),使主泵輸出壓力和LS壓差恒定;

(3) 同理,主控閥芯右側(cè)給定先導(dǎo)壓力p1時(shí),主控閥芯處于快速下降位,變量泵給鏟刀大腔供液,鏟刀下降;

(4) 同理,主控閥芯右側(cè)給定先導(dǎo)壓力p2(p2>p1)時(shí),主控閥芯處于浮動(dòng)位,變量泵給鏟刀大腔供液,同時(shí)鏟刀大腔連通油箱,如此P→T、A→T、B→T,也即鏟刀處于浮動(dòng)狀態(tài)。

工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

1.液壓油箱 2、5.變量柱塞 3.變量泵 4.電機(jī) 6壓力切斷閥 7.敏感閥 8.主控閥芯 9.梭閥 10.鏟刀油缸 11.中位卸荷閥圖2 工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)Fig.2 Hydraulic floating system of construction machinery flat operation shovel blade

2 工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)建模

基于AMESim搭建工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)[8-10]仿真模型如圖3所示,系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵仿真參數(shù)Tab.1 Key simulation parameters of system

圖3 工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)模型Fig.3 Model of hydraulic floating system for construction machinery leveling operation blade

3 工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)仿真

按表1設(shè)置鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)仿真模型參數(shù),其中主控閥芯下降過(guò)程通流面積按如圖4所示設(shè)置。

圖4 主控閥芯下降過(guò)程P→LS-B通流面積Fig.4 Flow area(P→LS-B) during lowering process of main control valve core

主控閥芯行程在0～5.5 mm過(guò)程,其通流面積線性增加至20 mm2,5.5～6.5 mm保持通流面積不變,6.5 mm開(kāi)始瞬間降低至浮動(dòng)通流面積0.8 mm2。

鏟斗下落過(guò)程,先導(dǎo)壓力按如圖5所示設(shè)置,先導(dǎo)壓力在1 s內(nèi)線性增大至4 MPa,保持20 s;地面對(duì)鏟刀的剛性沖擊按如圖6所示設(shè)置。11 s開(kāi)始對(duì)鏟刀施加100 kN剛性沖擊力,保持0.2 s,循環(huán)3次,每次間隔1 s。間隔0.001 s,仿真持續(xù)20 s得到鏟斗油缸大小腔壓力變化曲線如圖7、圖8所示的鏟刀油缸位移曲線及如圖9所示的鏟刀油缸位移曲線。

圖5 先導(dǎo)壓力Fig.5 Pilot pressure

圖6 地面剛性沖擊Fig.6 Ground rigid impact

圖7 鏟刀油缸大小腔壓力Fig.7 Blade cylinder chamber pressure

圖8 鏟斗油缸位移曲線Fig.8 Bucket cylinder displacement curve

圖9 鏟斗油缸速度曲線Fig.9 Bucket cylinder speed curve

從圖5～圖9數(shù)據(jù)曲線得出:

(1) 先導(dǎo)壓力由0逐漸增加至4 MPa過(guò)程中,主控閥芯從非浮動(dòng)位過(guò)渡至浮動(dòng)位,非浮動(dòng)位鏟刀下落速度快,在浮動(dòng)位,鏟刀依靠自重下落,下落過(guò)程小腔維持0.8 MPa的壓力,下落速度為0.05 m/s;

(2) 浮動(dòng)狀態(tài)下,鏟刀在施加剛性沖擊時(shí),鏟刀油缸大腔壓力瞬時(shí)峰值至52 MPa左右,鏟刀油缸瞬時(shí)沖擊速度約16.5 m/s,鏟刀易升起,當(dāng)鏟刀升起后即完成越障,故浮動(dòng)設(shè)計(jì)有助于提升鏟刀使用壽命[13-14];

(3) 浮動(dòng)狀態(tài)下,鏟刀在受地面剛性沖擊下,油缸大腔壓力波動(dòng)嚴(yán)重,易引起鏟刀裝置震動(dòng)。

因此,對(duì)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),引入蓄能器加以吸震[11-12]。

4 工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)

4.1 鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)

在鏟刀油缸大腔通過(guò)開(kāi)關(guān)閥連接蓄能器對(duì)大腔壓力震動(dòng)進(jìn)行吸收[15-16],如圖10所示為改進(jìn)后的工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)原理圖。

1.液壓油箱 2、5.變量柱塞 3.變量泵 4.電機(jī) 6.壓力切斷閥 7.敏感閥 8.主控閥芯 9.梭閥 10.鏟刀油缸 11.中位卸荷閥 12.電磁開(kāi)關(guān)閥 13.蓄能器圖10 工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)Fig.10 Optimization of hydraulic floating system for construction machinery leveling operation blade

4.2 改進(jìn)后的鏟刀浮動(dòng)液壓系統(tǒng)建模

在原工程機(jī)械平地作業(yè)鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)仿真模型基礎(chǔ)上搭建改進(jìn)后的系統(tǒng)如圖11所示,在地面剛性沖擊(越障)時(shí)控制電磁開(kāi)關(guān)閥換向,使鏟斗油缸大腔與蓄能器連通,蓄能器容積設(shè)置為6.3 L,充氣壓力設(shè)置為10 MPa[17-18],仿真20 s得到改進(jìn)后的鏟斗油缸大腔壓力、位移、速度如圖12、13、14所示及蓄能器容積變化如圖15所示。

圖11 液壓浮動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)仿真模型[19]Fig.11 Optimization simulation model of hydraulic floating system

圖12 改進(jìn)后的鏟刀油缸大腔壓力Fig.12 Optimized blade cylinder large chamber pressure

圖13 改進(jìn)后的鏟刀油缸位移Fig.13 Optimized blade cylinder displacement

圖14 改進(jìn)后的鏟刀油缸速度Fig.14 Optimized blade cylinder speed

圖15 蓄能器容積變化情況Fig.15 Accumulator volume change

從圖11～圖15數(shù)據(jù)曲線可知:

(1) 改進(jìn)后的鏟斗浮動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到改善,鏟刀大腔壓力震動(dòng)減弱,瞬時(shí)壓力峰值降低至36 MPa;鏟刀油缸瞬時(shí)沖擊速度降低至8.5 m/s;

(2) 蓄能器對(duì)鏟刀油缸大腔沖擊吸收具有較好作用,蓄能器容積由6.3 L降低至6 L, 可儲(chǔ)存0.3 L的壓力沖擊能。

5 結(jié)論

工程機(jī)械鏟刀平地土方作業(yè)中,鏟刀與地面一般為剛性接觸,易產(chǎn)生剛性沖擊,基于此提出了鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng),通過(guò)增加閥芯行程在鏟刀聯(lián)主控閥芯上增加浮動(dòng)工作位,詳細(xì)闡述了液壓浮動(dòng)系統(tǒng)工作原理,基于AMESim軟件搭建了負(fù)載敏感控制的鏟刀液壓浮動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行了仿真參數(shù)設(shè)置,模擬了鏟刀平地越障浮動(dòng)升降過(guò)程,得到了鏟刀油缸壓力和位移動(dòng)態(tài)曲線,并基于平地越障鏟刀油缸易產(chǎn)生震動(dòng)問(wèn)題,在鏟刀油缸大腔增加蓄能器進(jìn)行減震,鏟刀相同負(fù)載工況下進(jìn)行了浮動(dòng)升降仿真,主要得出以下結(jié)論:

(1) 鏟刀浮動(dòng)平地作業(yè)越障易抬起鏟刀,可有效提升鏟刀使用壽命;

(2) 蓄能器對(duì)鏟刀油缸平地越障的震動(dòng)具有較好的吸能減震作用;

(3) 浮動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)后,鏟刀油缸大腔沖擊壓力降低16 MPa,約31%;活塞沖擊速度降低7 m/s,約42%。