除雪车前置推铲浮动控制设计

陈泳松，郭丙锋

（中国重汽集团柳州运力专用汽车有限公司，广西 柳州545112）

0 引言

每年在我国的北方地区，都会普遍降雪，尤其是近几年，极端天气频现，时常出现大雪甚至暴雪，同时降雪区域开始向南扩散。越来越多的前置推雪铲的除雪车作为应急救援设备被用于机场及城市道路等各个地方的除雪作业。前置推雪铲的除雪车通过推雪铲机械性的铲除积雪，高效、快捷。为了使设备能适应更多的扫雪场景，前置的属具需要具备有一定的避障能力，既需要使推铲在遇到凸起时跳过障碍，也需要使推铲遇到下坡及凹坑时能紧贴地表，保持足够的除净度。

目前，前置推雪铲的避障方式主要有两种，一种为机械式的弹簧控制，主要是让推雪铲的铲具与连接架通过铰接的方式安装，使铲具与连接架间在遇到障碍物时能够通过转动避让障碍物，同时在铲具背部使用弹簧与连接架连接，使得铲具在避让障碍物后自动回位（如图1所示）。这种方式的缺点是在作业时，前置推铲的全部重量会通过铲刃与地面的支撑达到平衡，容易导致推雪铲作用在地面的力过大，从而在作业时损害路面。本文所设计的除雪车前置推雪铲通过浮动控制的方式使铲刃与地面的接触力可控，同时能使推铲与地面的始终保持接触状态，保证设备的除雪除净度，克服上述方案所不可避免的缺点[1]。

图1 机械避障推铲示意图

1 结构组成

除雪车前置推铲结构如图2所示，其主要是将推铲支架3通过液压油缸2与连接架1相连接，控制铲刃的离地高度。同时液压油缸的上下面均有销轴形式连接的定位板，用于控制铲刃在需求运动的几个方向外的其他方向无法自由运动，使得整个推铲能精准调向。其中液压油缸2安装方式为有杆腔向上伸出，油缸受推雪铲自重的影响，柱塞杆受到使之收回的力。

图2 液压控制避障推铲示意图

2 工作原理与液压系统

2.1 工作原理

除雪车前置的推雪铲的浮动功能主要是通过液压系统控制提升属具的油缸来实现功能。具体是推雪铲与连接架连接后，推雪铲通过油缸的伸缩来控制铲刃的垂直方向的运动。而推铲自重使油缸的有杆腔受力，从而液压杆有收回的趋势。而该液压系统则通过调节回路总的溢流阀压力，使得油缸无杆腔的油压提供的支撑力小于平衡自重所需要的力，但是压力油能平衡一部分推铲自重，使得推铲与地面的接触力很小，达到保护道面的作用。液压缸的无杆腔提供了一个相对低的压力能保证推铲时刻能够在自重的作用下向下运动而接触地面。当前端推铲遇到下坡或者凹坑而产生悬空状态时，在自重的作用下推铲会随即下行运动至地面，保持贴地状态。而当前端遇上坡或凸起障碍时，推铲大部分的重力作用于推铲的铲面，提升推铲的油缸则有富余的提升力使推铲提升，从而达到避障的目的及推铲，最终实现推铲的浮动作用[2]。

2.2 液压系统

除雪车前置推铲浮动控制主要通过实时控制油缸受力端的压力，油缸保持托举推铲的力实现浮动控制的目的。液压系统如图3所示。其中：1为液压油箱；2为液压泵，提供系统所需要的压力油：3为常开式液压锁，作为液压系统的总阀，在电磁铁不得电状态下为打开状态，压力油直接回液压油箱1，使得系统无法建立高压，系统输出最小，节省能源：4为溢流阀，在总阀关闭时，设定系统最高压力，保护系统内各液压原件的。在非浮动状态下，通过控制换向阀7，同时换向阀7任何一组电磁阀得电时，液压锁11同时得电，从而控制液压油缸的伸出或收回，从而实现对推铲的提升及放下操作。其中节流阀9、节流阀10起控制油路流量作用，用于控制液压缸的动作速度。在浮动状态开启下，换向阀位于中位，即为液压锁8及液压锁11开启，溢流阀6起作用，溢流阀6设置为一个压力小于油缸由于受到前置推铲自重所产生的压力，使得推铲即能因自重而下降，同时由于液压系统产生部分将推铲往上提升的力，推铲实际作用到地面的力减小，从而有效保护作业所经过的地面。因为溢流阀6为压力可调，所以该系统装配在不同大小的推铲或其他属具上时可以根据属具的重量调节溢流压力，达到适当调节属具适当接地的状态。在浮动开启时，属具遇到凸起障碍或凹坑时，油缸由于两侧压力变化，产生压差，从而向压力相对小的一侧运动，从而达到浮动调节的作用[3]。

图3 液压原理图

3 设计验证

试制样车制造完成后，选择在凹凸不平的路面进行测试。以下是传感器显示的压力测试结果[4]。

凸台障碍测试：测试时，推雪铲开至浮动动能，使推雪铲接地。同时在举升油缸的举升压力腔安装压力传感器，用于检测浮动动能开启后举升腔的压力状况。车辆以车速10 km/h的速度经过100 mm凸起障碍路段时的压油举升油缸举升压力腔的压力变化情况如图4、5所示。

图4 过不平路面时油缸举升压力腔的压力变化情况

图5 过有凹坑路面时油缸举升压力腔的压力变化情况

结论：通过测试所的的传感器数据可以看出，在推铲遇到凸起障碍时，推铲大部分重量承托于障碍，油缸的压力腔压力瞬间减小后恢复，油缸的支撑力未减小的情况下地面给推铲的支撑力增加，此时推铲根据地势提升高度，使油缸压力腔维持于系统设定值附近。同时当推铲遇到凹坑时，推铲靠地面支撑的里减小或消失，此时油缸的力不足以支撑推铲自重，所以推铲会下降至与地面接触位置，从而实现了推铲的“贴地”功能，即浮动功能，从而验证了该系统能达到设计所需要的功能。

4 主要性能特点

4.1 有效保护性

该液压系统能使推铲达到与地面保持相对稳定的着地力，达到浮动的功效；能有效得保护地面，同时也可以在遇到凸起的障碍时有效保护铲刃不被突然的冲击而导致破坏，延长设备的使用寿命。

4.2 较高的可靠性

同时该系统使用的液压原件为简单的换向及调节原件，结构简单。所组成的液压系统同样简洁并且高效，可以有效减小故障率，并且该液压系统为中压液压系统，元器件的替换方便、快捷。能保证设备有较高的保障性能。

5 结论

除雪车前置推铲使用以上液压系统能实现在作业时浮动功能开启状态后的保持与地面接触力几乎不变的浮动状态，能在设备除雪作业时有效保护地面。同时系统所使用的元器件常规且系统简单，能有效保证系统作业时的稳定性，提高作业效率。根据以上的测试情况可以知道，该系统方案能达到预期的设计效果。