大型工程机械车辆液压回转运动分析与研究

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(徐州重型机械有限公司 技术中心， 江苏 徐州　221000)

引言

随着起重机、消防车等工程机械车辆向着大型化方向发展，人们对其可靠性能也提出了更严格的要求[1-3]。回转是车辆工作过程中最频繁动作之一，对车辆的工作效率、操控性能有重大影响[4]。大型车辆回转加减速过程的平稳性问题由来已久，在制动、换向的过程中，产生了严重的液压冲击，液压冲击产生的瞬时峰值压力比正常压力高几倍，引起管路和车辆的振动和噪声，缩短了回转液压元件的寿命，严重影响了操作者的舒适性，甚至安全感[5，6]。

大型工程车辆回转动作大都采用液压驱动，虽然在回转的液压系统上采用了平衡阀用于改善制动、换向性能的平稳性，但改善效果仍然存在着一定的局限性[7]。在实际的回转过程中，尤其是大型工程机械车辆，存在着回转速度过快、不易控制，回转停止惯性冲击大、停转不平稳的难题。

因此，本研究在分析液压回转系统原理的基础上，相应地改进液压回转系统原理，以获得良好回转性能。

1　现状问题分析

如图1所示，通过调研大型起重机、消防车等工程机械车辆的实际作业状况，发现在回转动作中主要存在以下共性难题：

图1　液压回转系统原理图

(1) 回转速度过快，不易控制；

(2) 回转动作停止时惯性冲击大，停止动作不平稳。

原因分析：由于大型工程机械车辆自身结构重量庞大，且回转系统背压较小，流量较大，没有节流，导致控制回转动作的速度及平稳性存在一定困难。

2　液压回转系统的原理改进

在研究现有的“不堵T口”的回转系统(如图1a)的基础上，可以堵住回转缓冲阀的T口或者增加阻尼，得到改进后的原理图如图1b、如图1c所示。

由此可知：

(1) 堵上回转缓冲阀T口，使其不连接泄油口，背压增加，比例伺服阀压差减小，促使流量减小，起到了回流节流作用，一定程度上减轻了压力冲击差，提高了控制范围，增强了抗干扰能力，进而控制了回转速度；

(2) 在堵住T口的基础上，缓冲阀C1、C2口各增加一个长3 mm，孔径2 mm的阻尼节流孔，对马达回转起到了节流作用，进一步增加了背压，减小了伺服阀压差，减小冲击流量，进而减小压力冲击使马达更加平稳的启停或制动。

3　回转速度及平稳性的验证

根据以上分析，改进现有液压回转系统，然后通过测试一台大型消防车，如图2所示，对比验证回转系统改进前、后的运动效果。

1.被测车辆　2.压力传感器　3.流量传感器　4.回转缓冲阀5.液压马达　6.数据采集仪图2　大型消防车回转性能测试图

3.1　回转速度的测试验证

回转速度具体指回转动作的运动快慢，由回转系统的元件包括回转马达、伺服阀的压力流量等决定[8]。故回转速度的测试包括测量车辆回转动作的具体速度，测量回转系统元件(回转马达及伺服阀)的压力及流量曲线。

按照图1所示的液压回转系统，设置变量因子“不堵T口”、“堵T口”、“堵T口+阻尼”，分别在相同的工况，即在一、二号臂变幅最大，空载的情况下，进行回转测试，得到其回转马达及伺服阀的压力流量曲线图，如图3～图5所示， 经过数据记录分析得到回转速度特性表，见表1所示。

表1　回转过程的速度特性表

图3　没堵T口,一二号臂基本臂,变幅最大,空载,正常操作

图4　堵T口, 一二号臂基本臂变幅最大, 空载, 正常操作

图5　堵T口加阻尼, 一二号臂基本臂变幅最大,空载, 正常操作

从图3～图5的压力流量曲线图，结合表1，可以看出：

(1) 对比压力流量曲线图，不堵T口与堵住T口或者增加阻尼后，马达B口流量明显减小，动作比较平稳；

(2) 对比压力流量曲线图，不堵T口，伺服阀的压差由原来的6 MPa，在堵住T口或者增加阻尼后，压差减小为3 MPa，而且在回转过程中，压力由波动较大逐步减小变得比较平稳；

(3) 比左右回转的速度与设计值，可以看出回转速度在T口堵住或者系统中C1、C2口加阻尼后，回转速度逐渐减小到合理可控区间，即回转速度明显地得到了有效的控制。

3.2　回转平稳性的测试验证

回转平稳性考量的是回转过程的平稳性以及回转启、停时车辆的平稳性[9]，具体测试是测量回转系统中的元件(回转马达)的压力及压力波动，制动器的压力及压力波动。

同样地，按照图1所示的液压回转系统，设置变量因子“不堵T口”、“堵T口”、“堵T口+阻尼”，在相同的工况即一、二号臂变幅最大，空载的情况下，分别测试，得到其回转过程中的压力冲击测试图，如图6～图8所示，经过数据记录分析得到压力冲击特性表，见表2所示。

图6　没堵T口,一二号臂基本臂,变幅最大,空载,正常操作

　　　　测试量变量因子　　　　　回转冲击左回转冲击差值/MPa右回转冲击差值/MPa对比测试值不堵T口10．7211．62———堵T口4．366．66冲击差值减小60%堵T口+阻尼0．514．04冲击差值减少到原来的34%，左回转几乎没有冲击

图7　堵T口, 一二号臂基本臂变幅最大, 空载, 正常操作

图8　堵T口加阻尼, 一二号臂基本臂变幅最大, 空载, 正常操作

从图6～图8的压力冲击测试图，结合表2，可以看出：

(1) 对比回转过程中的压力冲击测试图，回转缓冲阀T口堵住或者系统中增加阻尼后，随着背压的增大，回转过程中马达及制动器压力曲线较为平稳，压力波动逐步变小，回转比较平稳；

(2) 不堵T口由原来的压力冲击107.2/116.2 bar，加堵后减小了60%，压力冲击值明显地减小，在此基础上增加阻尼，冲击差值减少到原来的34%，压力冲击进一步减小，表明在停止时，回转动作比较平稳。

4　结论

通过对大型工程机械车辆液压回转的速度过快、不易控制及停转冲击等问题的分析与研究，改进了现有液压回转系统，并得出以下结论：

(1) 将回转缓冲阀T口堵上，增加了背压，提高了比例伺服阀的控制性能，起到了回流过程中节流的作用，有效地降低了回转速度，提高了操作稳定性；

(2) 在回转缓冲阀T口堵上的基础上，缓冲阀C1、C2口各增加一个长3 mm、孔径为2 mm的阻尼，减小了压力冲击，增加了控制范围，提高了抗干扰能力。

参考文献：

[1]李宗，王振兴，丁海港，等.超大型液压挖掘机闭式回转系统惯量分析[J]．液压与气动，2015，(5)：100-104．

[2]顾临怡，王庆丰，路涌祥.液压驱动的大惯量负载加减速特性研究[J]．机械工程学报，2002，38(10)：46-49．

[3]王成宾，权龙.大惯量负载液压冲击的主动变阻尼抑制方法[J]．机械工程学报，2014，(3)：1-7．

[4]颜韵琪，贺元成，孟志明，等.基于AMESim的液压挖掘机回转系统仿真研究[J].机械工程师，2013，(12)：98-100．

[5]顾临怡，谢英俊，王庆丰.工程机械大惯性负载起制动平稳性的研究[J]．工程机械，2012，(2)：28-31．

[6]刘学慧.某运输车液压系统故障分析与改进[J]．液压与气动，2015，(1)：114-116．

[7]王松峰，赵虎，金正府，等.大型挖掘机闭式回转系统联合仿真研究[J].液压与气动，2013，(6)：93-98．

[8]Jerman B，Podrzaj P，Kramar J. An Investigation of Slewing-crane Dynamics during Slewing Motion Development and Verification of a Mathematical Model [J]. International Journal of Mechanical Seiences，2004，(46)：729-750.

[9]周宏兵，刘锋，陈桂芳，等.液压挖掘机回转系统制动平稳性研究[J]．计算机仿真，2011，(11)：379-382．