JHP26型高空作业车液压控制系统研究.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 3 1 J H P 2 6型高空作业车液压控制系统研究 赵静一。 ，安东亮 ，程 斐 ，敖文艳 1 ．燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 ； 2 ．东风汽车泵业有限公司，湖北十堰 4 4 2 0 0 1 摘要简述 J HP 2 8型高空作业车液压系统的设计思路 ，分析高空作业车驱动、上车、下车和工作斗液压系统原理，介 绍阀控负载敏感和泵控负载敏感在高空车上的应用，并对其进行比较。 关键词高空作业车；压力补偿；负载敏感 中图分类号 T H 2 1 1 ． 6 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 1 3 0 9 9 4 Re s e a r c h o n Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m f o r J HP2 6 Ae r i a l W o r k P I a t for m Z HAO J i n g y i ，AN D o n g l i a n g ， C HE NG F e i ， AO We n y a n 1 ． He b e i Ke y L a b o r a t o r y o f He a v y Ma c h i n e ry F l u i d P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l 。Y a n s h a n U n i v e r s i t y ． Q i n h u a n g d a o He b e i 0 6 6 0 0 4，C h i n a ；2 ． D o n g f e n g Mo t o r P u m p C o ． ，L t d ． ，S h i y a n H u b e i 4 4 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t D e s i g n i d e a o f J HP 2 6 a e r i a l wo r k p l a tf o r m wa s s u mma r i z e d ．T h e p ri n c i p l e s o f p o w e r h y d r a u l i c s y s t e m，u p s i d e h y d r a u l i c s y s t e m ，u n d e r n e a t h h y d r a u l i c s y s t e m a n d w o r k i n g b u c k e t h y d r a u l i c s y s t e m w e r e a n a l y z e d ． T h e a p p l i c a t i o n s o f p u mp c o n t r o l l e d l o a d s e n s i n g s y s t e m a n d v a l v e c o n t r o l l e d l o a d s e n s i n g s y s t e m we r e i n t r o d u c e d a n d c o mp a r e d ． Ke y wo r d s Ae ri a l wo r k p l a t f o r m ；P r e s s u r e c o mp e n s a t i o n；L o a d s e n s i n g 高空作业机械 高空作业车作为工程机械领 域的一个重要分支 ，现广泛应用在船舶 、建 筑、消 防、港口货运等行业，是新兴的技术产业，有着广阔 的发展前景。高空作业车的作业装置包括 回转平台、 工作斗 、工作臂 、液压系统和操纵装置等 。按其作业 臂的基本型式高空作业车主要分为 3种伸缩臂式、 垂直升降式、折叠臂式。J H P 2 6型高空作业车属于伸 缩臂式高空作业车 。 J H P 2 8型高空作业车以液压控制为主，它的液压 控制系统包括驱动系统、上车系统、下车系统和工作 斗 系统等主要 系统 。同时具 有 辅助 P L C的基 于 C A N 总线的智 能控 制 系统 ，使 得设 备 具有 更好 的可操 作 性 。 1 液压系统原理分析 高空作业车液压系统总体设计思想 驱动系统 采用闭式系统 ，由变量泵和变量马达组成；其他系 统采用开式系统 ，其中上车系统采用泵控负载敏感 系统 ，由一 台负载敏 感 变量 泵 为其 供油 ；下 车 系统 和工作斗 系统采用 阀控 负载 敏感 系统 ，由 同一 台定 量齿轮泵为下车系统和工作斗系统供油。同时还装 有一台应急齿轮泵 ，在因发动机熄火等故障导致作 业平台不能动作的紧急情况下 ，保证高空作业人员 能安 全返 回地面 。 发动 机 电动 机 闭式变 量 泵 驱动 阀块 驱动 马 达 十上车 主 阀块 嘉 感 变 量 泵 丁上 牛 王 心 坎 r ’甲 拙 I L转台回 定 墨 尊 泵 -- I 广 小 臂 调 各 j F-- T 作 斗 阀 块 _ LT fF I I L工作斗 定量齿轮泵 I 广扩 桥油 L 下车主阀块斗顶升油 L转 向油 图 1 液压系统结构简图 马 达 油 缸 动 油缸 1 ． 1 液压 驱动 系统分析 高空作业车的驱动系统采用闭式泵控系统，通过 改变变量泵或者变量马达的斜盘倾 角实现油液流 向和 流量的变化 ，从 而调节行走 马达的转速 ，实现行走 的 无级变速 ，不 存 在节 流损 失 ，减 小 了 系统 的 能量损 耗。另外闭式液压系统还有功率密度高、布局方便、 过载保护能力强和控制方式灵活等特点。 J H P 2 6型高空作业 车驱动 系统 的变量泵选用 萨奥 的 MP V泵 。该泵 采用平 行布 置轴 向柱塞 及滑靴 ，并 通过 电气排量控制方式 ，通过控制可倾斜式斜盘改变 柱塞冲程进而实现泵排量改变。泵出口油液方向随斜 盘方向变化而改变 ，从而实现马达输出轴正／ 反转 向 切换。该泵除有一个柱塞泵外还集成一个小的齿轮 收稿 日期 2 0 1 0 0 42 2 作者简介赵静一 1 9 5 7 一 ，男 ，博士，教授，主要研究方向为流体传动与控制系统的创新设计与可靠性研究以及新型流 体元件 的开发与应用研究 。Em a i l z j y y s u ． e d u ． e n 。 缸 缸 转节 缸 摆缸 缸 缸 1 0 0 机床与液压 第3 8卷 泵，用来补充系统 中泵 、马达和管路等处的泄漏损 失。 由于闭式系统是个封闭的液压系统 ，液压元件之 间的摩擦和液压油做功产生的热量 ，不能很好地散发 出去。过高的油温不仅会降低液压油的寿命，而且还 会减少液压元件和系统的寿命。为此在回路中安装冲 洗阀，冲洗阀可对回路中的油液进行冷却、过滤，改 善工作液体的质量 ，避免长期工作时油温过高对系统 元件的损害，延长了元件的工作寿命。 l 一变量泵2 ～冲洗阀3 一分流集流阀4 一变量马达 图 2 驱 动系统原理图 1 ． 2上车 液压 系统分析 上车系统原理 图如图 3所示 。主要由上车 主阀块 控制的臂架 伸缩油缸 、大臂变幅油缸及转台 回转马达 组成 。 L ． ． ． ． ． ． ． ， ． ． ． ． ，J 图 3 上车液压系统 原理 图 伸缩油缸 、变 幅油缸及 回转马达均接有螺纹插装 式平衡阀，用来防止伸缩臂因钢管或输油软管等破裂 而失速下降 。在变 幅油缸两个腔的油路中分别安装有 压力传感器，构成全 自动力矩限制系统的一部分，用 于测定两个腔的压力 ，将压力电信号送入控制器，通 过程序计算系统 的即时力矩，保障整车工作的安全 性 。 伸缩油 缸采用特殊 的结构 ，其结构 如图 4所示 。 活塞杆端部集成块 1 铰接于基本臂的尾部，油缸缸体 有杆腔侧 的端部铰接于二节臂 的尾部 。 1 一端部集成块2 一活塞杆3 一活塞4 一缸体 图4 伸缩油缸结构示意图 1 ． 3 工作斗液压 系统分析 工作斗系统原理图如图 5 所示。主要由工作斗阀 块控制的小臂升降油缸、工作斗调平油缸及工作斗摆 动油缸组成 。工作斗摆动油缸为一 螺旋摆动油缸 ，其 结构如图 6 所示 。 工作 斗 工作 斗 小臂 摆动 油缸 调平 油缸 升 降油缸 Pl P T 图5 工作斗液压系统原理图 图 6 摆动油缸结构示 意图 工作斗采用 电液 比例 调 平 ，其 原理 图如 图 7所 示。电液比例调平机构由倾角传感器、调平液压缸、 第 l 3期 赵静一 等J H P 2 6型高空作业车液压控制系统研究 1 0 1 电液 比例换 向阀和 比较放 大器组成 。倾 角传感器输 出 信号的大小与工作平台的倾斜角度成正比。当臂杆变 幅时，工作平台与水平面产生一定的夹角，水平传感 器输出相应大小的信号，经比较放大器放大、判定方 向后，输入到电液比例换向阀中相应的比例电磁铁 ， 使 比例 阀的阀芯产生位移 ，输 出压 力油 ，压力油 的流 量与控 制电流成 比例 ，即与工作平 台的倾 斜角度 成正 比，压力油作用于调平液压缸两腔中的一腔，使活塞 杆伸长或缩短 ，控制工作平台发生与原倾斜角度方向 相反的转动，使工作平台恢复到水平状态。此方案调 平过程连续 、平稳 、调平性能好 、控制精度高、动态 响应快 1 一水平传感器2 一工作斗3 一调平液压缸4 一臂杆 5 一平衡阀6 一电液比例换向阀7 一比较放大器 图 7 电液比例调平示意图 1 ． 4下车 液压 系统 分析 下车液压系统原理 图如 图 8所示 。主要 由下车功 能阀块控制 的顶升油缸 、扩桥油缸及转 向油缸组成 。 Tl 图 8 下车液压系统原理 图 根据需要前后车桥设计成 可伸缩形式 ，这样 不仅 满足 了公路运输 的要求也满 足了客户在 窄小工作 环境 下正常工作 的需要 。转 向机 构和扩桥机 构原理 如图 9 所示 ，由底盘 、车桥 、转 向油缸 、扩桥油缸和顶升油 缸组成 。车桥分成两个半桥安装在底 盘 4上 ，轴 向可 以伸缩。扩桥油缸 3的缸体铰接在其中一个半桥上 ， 而活塞杆铰接在另一个半桥上 ，这样 当扩桥油缸伸 出 或缩 回时 ，两个 半桥 随 之动 作 可实 现扩 桥或 回收动 作 。顶升油缸 5焊接在底盘 4上 ，其 活塞杆伸出时可 以使车桥离开地面，保证扩桥时两个轮胎离开地面， 以减少扩桥阻力。转向机构由转向油缸 、角度传感器 组成，车轮的转角由安装在转向轴上的角度传感器进 行检测 ，转向信号由安装在下车上的控制器发出。由 于扩桥 的需要 ，转 向油缸 的一端 铰接在 转 向叉 1 上 ， 另一端 固定在半桥上而不是底盘上 。 1 一转向叉2 一车桥3 一扩桥油缸4 一底盘5 ～顶 升油缸6 一转向油缸 图9 转向、扩桥装置原理图 2负荷传感系统的应用与比较 工程机械 中许多产 品都要求实 现多个工作系统 的 协调动作 。在用 单泵 或一 组泵 驱动 多个 动作 的 液压系统 中，有两个 问题 需要 妥善解 决 1 要解 决好单个动作系统工作时的速度控制问题，具体说就 是 当操纵杆位置给定 时 ，无论 负载 怎样变化 ，相应动 作系统的速度都要保持恒定； 2 要解决好多个动 作系统运动的同步问题 ，也就是当各操纵杆位置给定 时 ，各动作系统 的流量分配 比例保持恒定 。 负荷传感液压 控制 L o a d S e n s i n g H y d r a u l i c C o n ． t r o l ，L S 技 术是一 种 比较 理想 的解决 方案 。它 主要 利用负荷传感和压力补偿技术 ，可用单泵 或一组 泵驱动多个工作系统，使流量按照需求比例分配 到各工作系统，且各动作间相互独立 、互不干扰，从 而解决节能 、调速和复合动作等 问题 。 负荷传感 系统一般是按 负载 的需要控制 变量 泵的 输出流量或采用负荷传感阀调节定量泵的流量来满足 负载的需要使系统达到节能的效果 ，前者称之为泵控 负荷传感系统 闭芯式 负荷传感系统 ，为容积调 速，后者称之为阀控负荷传感系统 开芯式负荷传 感 系统 ，为节流调速 。 高空作业车上车液压系统采用的是泵控负载敏感 系统，下车液压系统和工作斗液压系统采用的是阀控 负载敏感 系统 。 2 ． 1 压 力补 偿 高空作业车作业 时各执行机构 所受负载力是不停 变化的，而作者希望在控制调速时，速度不受负载压 力变化的影响，能按人的操纵指示来调速 ，负荷传感 系统 中的压力补偿 阀即起到 这个作 用。将 可变节 流 口 进 出油压 力 P 。 和 P 分 别 引到 压力 补 偿 阀 阀芯 的两 1 0 2 机床与液压 第 3 8卷 端，并使节流阀前后压差 A p P 一 P 保持一定，等 于弹簧调定压力 。通过节流阀的流量 p C A／ 、／ P 式 中C为流量系数 ； A为节流 口开 口面积 ； 卸 为电磁换 向阀进 出油 口压力差 ； △ ．p p l ～ p 2 恒定； P为油液密度 。 由上式可知，邸 为定值，则此时流入液压缸中 的流量 Q仅取决 于 A，不受负载压力变化 的影 响，具 有自动补偿功能，保证了转向速度能够按人的意愿来 调节 ，不受负载变化的影响。 多执行机构同时动作时亦是如此 ，每个油缸的速 度只受各 自换向阀开口大小的影响，而开口大小可通 过比例电磁铁得电的大小来人为控制。只要保证各换 向阀开口大小一致 ，就可以保证多油缸动作的同步 性。 负载敏感系统可以实现对同时动作的、多个负载 不同的执行元件的比例恒流量控制 ，每个负载执行元 件的流量只与比例换向阀本身的控制信号有关，与负 载的大小 、变化量没有关 系 。 2 ． 2阀控 负载敏感和泵控 负荷传感的比较 图1 O 开芯式负载 敏感系统 二 杰卜 ， l I 。 △ 一 一 1 J L ．厂 锺 l ＼、 ． 雨 ] 图 1 1 闭芯式负载 敏感系统 前述 的压力补偿 阀的作用在于控制阀 口前后压差 为常数，使进入执行机构的流量只与阀芯开口面积成 正比 ，而与 负载压 力无 关。对 于开 芯式 负载 敏感 系 统，执行机构的最高工作压力通过梭阀传递到二通压 力补偿阀，使定量泵的压力始终高出最高工作压力一 个压差，多余的流量通过二通压力补偿 阀流回油箱。 对 于闭芯式负载敏感 系统 ，执行机构的最高工作压力 通过梭 阀传递到变量泵 的负载敏感阀 ，使变量泵 的压 力始终高出最高工作压力一个压差，当这个压差减小 时，泵的排量增大，压差增大时，泵的排量减小，直 到压差重新达到平衡 。 在节能方面，普通的液压系统大都是定量泵加溢 流阀来控 制系统 流量 ，系统 总是 工作在 最 高压力 上 溢流阀调定压力 ，多余流量在系统最高压力下溢 流，损失大量能量。两种系统功率都为泵的流量 q 。 与压力P 。 的乘积，有用功为负载力 P 与流人负载流 量 q 的乘积，但阀控负荷传感系统泵的压力仅比执 行元件所需压力大一个微小的控制压差，因此功率损 失小很多。阀控负荷传感系统比普通液压系统节能是 因为降低了系统压力 P 。 ，泵控负荷传感系统不仅降 低 了系统压力 P 。 ，而且 也将低 了 系统流量 q 。 ，因此 功率的损耗又减少了许多 。 。 值得说明的是，发动机转速发生变化时，如转速 降低、使变量泵输出流量减少 ，则通过换向阀的流量 减少、换向阀两端压差就降低、此时传感阀在压差的 作用下使变量泵的排量增大 ，直到达到设定值 ；反之 亦然 。这表明 ，流量调节过程与发动机转速无关 ，即 泵控负荷传感系统对速度的控制具有很好的稳定性。 3结语 简要介绍了 J H P 2 6型高空作业车液压系统的设 计思路，给出了高空车驱动、上车、下车和工作斗液 压系统原理，分析了阀控负载敏感和泵控负载敏感在 高空车上的应用，并对其进行了比较。为自行式高空 作业设备和其他自行式工程机械的研制提供了参考。 参考文献 【 1 】张璐． 高空作业车的设计优化及可靠性研究[ D ] ． 秦皇 岛 燕山大学 ， 2 0 0 8 ． 【 2 】王智勇， 赵静一 ， 张齐生． 负荷传感技术在重型平板车液 压控制系统上的应用 [ J ] ． 中国工程机械学报 ， 2 0 0 5 ， 3 4 4 3 5 4 3 8 ． 【 3 】 吴根茂， 邱敏秀， 王庆丰， 等． 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