多路阀控液压系统在工程机械中的应用研究.pdf

２０１６ 年 ２ 月 第 ４４ 卷 第 ４ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｆｅｂ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ４ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０４􀆱 ０２１ 收稿日期 ２０１４－１２－２３ 基金项目 南京工程学院校青年基金资助项目 （ＱＫＪＡ２０１２０１）； 江苏省自然科学青年基金资助项目 （ＢＫ２０１３０７４１）； 江苏省 大学生实践创新训练计划项目 （２０１４１１２７６０１１Ｚ） 作者简介 贾文华 （１９８０）， 博士， 副教授， 主要研究方向为工程机械与流体传动。 Ｅ－ｍａｉｌ ｇｅｏｖｒｍｌ＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 多路阀控液压系统在工程机械中的应用研究 贾文华１， 殷晨波２， 冯勇１， 吴婷婷１ （１􀆱 南京工程学院机械工程学院， 江苏南京 ２１１１６７； ２􀆱 南京工业大学车辆与工程机械研究所， 江苏南京 ２１０００９） 摘要 针对挖掘机挖掘工况的复杂性， 采用 ＡＭＥＳｉｍ 以铲斗挖掘为例对挖掘机的多路阀控液压系统进行分析。 结果显 示 在铲斗齿尖过垂直位置之前， 有杆腔压力一直大于无杆腔压力， 在开始阶段液压泵出口压力为 ０， 随着阀芯的移动， 中位过流面积逐渐减小， 系统开始建立压力。 关键词 挖掘机； ＡＭＥＳｉｍ 仿真； 多路阀 中图分类号 ＴＨ１３７􀆱 ５ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ４－０７０－３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ⁃ｗａｙ Ｖａｌｖｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ＪＩＡ Ｗｅｎｈｕａ１， ＹＩＮ Ｃｈｅｎｂｏ２， ＦＥＮＧ Ｙｏｎｇ１， ＷＵ Ｔｉｎｇｔｉｎｇ１ （１􀆱 Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１１１６７， Ｃｈｉｎａ； ２􀆱 Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１０００９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｏｒｓ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ， ｔｈｅ ｂｕｃｋｅｔ ｄｉｇｇｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｂｕｃｋｅｔ ｔｏｏｔｈ ｔｉｐ ｉｓ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ， ｒｏｄ ｃｈａｍｂｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｒｏｄｌｅｓｓ ｃｈａｍｂｅｒ； ａｔ ｔｈｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ， ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｏｕｔｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｚｅｒｏ； ａｓ ｔｈｅ ｓｐｏｏｌ ｍｏｖｉｎｇ， ｔｈｅ ｆｌｏｗ ａｒｅａ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ， ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅ⁃ ｇｉｎｓ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｅｘｃａｖａｔｏｒｓ； ＡＭＥＳｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； Ｍｕｌｔｉ⁃ｗａｙ ｖａｌｖｅ 液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大， 它 完成各种主要动作时， 阻力与作业速度随时变化， 液 压缸 和 马 达 的 压 力 和 流 量 也 会 相 应 变 化［１］。 ＳＹ２１０Ｃ８Ｍ 液压挖掘机采用的是川崎 ＫＭＸ１５ＲＡ 开中 心多路阀系统［２］， 该阀采用的是整体式结构， 能够实 现两级安全保护且具有良好的静态特性， 其最大流量 为 ２５０ Ｌ／ ｍｉｎ， 关键是提供了分片式多路阀不能实现 的一些特殊功能， 比如双泵合流、 正流量控制、 斗杆 锁定、 动臂提升优先和回转优先［３］等， 适用于需要双 泵双回路的高压变量系统。 铲斗作为液压挖掘机挖掘 过程的主要工作机构， 只通过多路阀中的一联进行控 制， 且只有一个泵为其供油。 １ 铲斗操纵回路原理分析 ＳＹ２１０Ｃ８Ｍ 挖掘机液压系统采用的是近似恒功率 的泵控系统， 其铲斗液压操纵回路如图 １ 所示。 铲斗 是液压挖掘机实现挖掘动作的关键部件， 主要通过铲 斗阀 ２ 对铲斗的外摆和内收实现调节控制。 图 １ ＳＹ２１０Ｃ８Ｍ 液压挖掘机铲斗液压系统操纵回路 液压挖掘机多路阀是多联三位六通阀的组合［４］， 铲斗挖掘开始前， 铲斗主控阀 ２ 工作在左位， 缸的有 杆腔进油， 铲斗实现外摆， 为挖掘动作做准备； 当铲 斗主控阀阀芯移到右位时， 缸的无杆腔进油， 活塞杆 伸出， 铲斗开始挖掘作业。 在铲斗内收挖掘中， 铲斗 合流阀 ３ 处于断开状态， 液压泵后泵的部分或全部输 出压力油与液压泵前泵输出的压力油进行合流， 经铲 斗主控阀的右位供给铲斗缸大腔， 提高挖掘效率； 当 铲斗外摆实现卸载的过程中， 铲斗合流阀 ３ 处于通路 状态， 后泵的流量不再与前泵合流。 防反转阀 ４ 的作 用是防止当挖掘负载压力过大时可能出现的铲斗活塞 反向动作。 ２ 铲斗挖掘动作模型的建立 根据液压挖掘机铲斗液压系统原理图， 建立铲斗 单动作的 ＡＭＥＳｉｍ［３，５］液压系统模型， 如图 ２ 所示。 图 ２ 铲斗单动作时的 ＡＭＥＳｉｍ 液压系统模型 其中， 液压系统中铲斗缸的活塞杆与机械模型中 表示铲斗缸的模块 相接。 ＰＬＭ 传感器将液压系统中 的输出量以力的形式作用于液压缸， 实现机械系统模 型中铲斗在一定先导压力信号下的动作。 ３ 仿真结果与分析 模型中的各个元件的参数设置完成后， 分别为铲 斗联阀左端和右端施加先导压力信号 ＰＩＬＯＴ ＰＲＥＳ⁃ ＳＵＲＥ１ 和 ＰＩＬＯＴ ＰＲＥＳＳＵＲＥ２， 得到执行机构的相应 动作过程 （见图 ３） 和执行机构液压缸的压力仿真曲 线 （见图 ４）。 图 ３ 铲斗内收和外摆过程中的动作示意图 １７第 ４ 期贾文华 等 多路阀控液压系统在工程机械中的应用研究 挖掘机铲斗内收是缸无杆腔进油、 有杆腔回油的 进油过程， 图 ４ 所示的曲线 ｔ＝ ５􀆱 ５ ｓ 之前， 有杆腔的 压力一直大于无杆腔的压力。 这是因为铲斗内收， 铲 斗齿尖过垂直位置之前， 重力做功为正功， 为使铲斗 自重不影响运动速度， 回油路中必须保持一定的背 压， 故有杆腔的压力大于无杆腔的压力。 约 ｔ＝５􀆱 ５ ｓ， 铲斗与斗杆平行， 铲斗继续内收过程中必须克服自重 才能保证顺利进行， 故 ｔ＝６～１２ ｓ， 进油路 （无杆腔） 的压力必须大于回油路 （有杆腔） 的压力。 开始阶段， 泵出口压力接近 ０， 大约 ２􀆱 ８ ｓ 后才 开始有压力并逐渐增加。 这是因为开始时阀处于中 位， 过流面积全开且液压油从中位回油箱时没有考虑 背压， 随着阀芯的移动， 过流面积逐渐减小， 系统才 开始建立压力。 在 ｔ＝２􀆱 ８ ｓ 之前， 无杆腔压力一直为 ０， 这是因 为液压缸在不动作时里面也充满了液压油， 而仿真时 不考虑此种状态， 且阀口存在一定的死区长度， 在阀 芯位移小于死区长度时， 进油阀口没有油液通过， 所 以铲斗缸无杆腔压力在 ｔ＝２􀆱 ８ ｓ 前为 ０。 图 ５ 所示为铲斗内收、 铲斗缸活塞杆的位移随时 间变化曲线。 ｔ＝ ０～２􀆱 ８ ｓ， 活塞杆位移为 ０， 此阶段 进油阀口未打开； ｔ ＝ １２ ｓ 活塞杆行程达到最大值 １ １２０ ｍｍ， 而实际情况中铲斗内收大概为 １０􀆱 ５ ｓ 左 右。 结果与实际情况吻合， 可以证明模型的合理性。 图 ４ 铲斗内收时液压缸无 杆腔、 有杆腔及泵出 口压力仿真曲线 图 ５ 铲斗内收液压缸 活塞杆位移随 时间变化结果 ４ 结束语 建立了铲斗液压回路 ＡＭＥＳｉｍ 模型， 结果显示 随着阀芯的移动， 中位过流面积逐渐减小， 系统开始 建立压力； 开始时有杆腔压力一直大于无杆腔压力， 而后铲斗与斗杆齐平， 预使顺利进行铲斗内收须克服 自重， 所以无杆腔的压力必须大于回油路有杆腔的压 力。 铲斗内收铲斗缸活塞杆位移随时间的变化曲线显 示结果与实际情况吻合， 能够证明所建模型的合 理性。 参考文献 ［１］ 成凯，张静，王鹏宇，等．挖掘机液压系统建模与仿真 ［Ｊ］．工程机械，２０１０，４１（８）２９－３３． ［２］ 贾文华，殷晨波，曹东辉，等．基于 ＡＭＥＳｉｍ／ Ｍａｔｌａｂ 的液 压换向阀的优化设计［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（８） １８２－１８３． ［３］ 贾文华，殷晨波，曹东辉．挖掘机动臂顶升优先功能的协 调性分析［Ｊ］．煤矿机械，２０１３（５）１２３－１２４． ［４］ 尚刚，权龙．基于 ＡＭＥＳｉｍ 的挖掘机回转液压系统仿真 分析［Ｊ］．液压气动与密封，２００９（５）４９－５１． ［５］ ＣＨＥＮＧ Ｋ，ＺＨＡＮＧ Ｊ，ＤＡＩ Ｑ Ｌ，ｅｔ ａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａ⁃ ｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｂｒｉｄ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，２９ － ３２ ２０７１ － ２０７５． ［６］ 贾文华，殷晨波，曹东辉．比例阀节流负载阀口的匹配特 性研究与结构改进［Ｊ］．液压与气动，２０１３（１）８３－８４． （上接第 ６９ 页） 通过反复实验和几十个小时的可靠性运行试验， 改造后液压马达的回路背压由原来的０􀆱 ５ ＭＰａ 提高到 ３􀆱 ５ ＭＰａ， 最高可达 ４ ＭＰａ。 同时， 为确保液压马达 油封不损坏， 又在液压马达的后部安装了一个安全 阀， 安全阀设定一个压力数值， 超过压力数值时， 液 压马达要安全起跳， 确保全部液压系统运行安全。 ４􀆱 ２ 液动蝶阀不能全部打开 液压缸活塞与液动蝶阀驱动杆的装配位置和角度 不合理， 导致液动蝶阀不能全部打开， 通过调整装 配， 使蝶阀驱动杆行程到位。 经整改后， 依次对其进行了泵站调试、 系统压力 调试以及全功率泵送测试［２］。 当柴油机转速为 ２ ３００ ｒ／ ｍｉｎ、 电磁阀得电时， 油泵马达运转正常。 此时， 柱塞泵出口处流量达到 ８５􀆱 ６ Ｌ／ ｍｉｎ， 泵出口压力为 １５􀆱 １ ＭＰａ； 油泵马达入口压力为 １２􀆱 ９ ＭＰａ， 出口压 力 １􀆱 ８ ＭＰａ。 运行一段时间后， 油箱温度稳定在 ５０􀆱 １ ℃。 分析可知 系统运行状况良好， 各项参数基本与 设计计算相符［３］。 ５ 结论 该泵送装置的液压系统采用远距离液压驱动技 术， 将液压动力单元布置在岸滩上， 通过高压液压油 管为数百米外的卸油泵及阀门提供动力， 操作方便， 提高了系统作业的安全性和适应海况能力。 液压马达 工作压力在１０ ＭＰａ 以上， 回油压力达到２ ＭＰａ 以上， 实现了普通液压马达回油最大耐受压力０􀆱 ５ ＭＰａ 的技 术突破， 具有重要的应用价值。 参考文献 ［１］ 雷天觉．新编液压工程手册［Ｍ］．北京北京理工大学出 版社，１９９８． ［２］ 陈奎生．液压与气压传动［［Ｍ］．武汉武汉理工大学出 版社，２００１． ［３］ 刘永健，胡培金．液压故障诊断分析［Ｍ］．北京人民交 通出版社，１９９７． ２７机床与液压第 ４４ 卷