基于FluidSim汽车起重机平衡回路的分析

曹 娟

(太原城市职业技术学院 机电工程系，山西 太原 030027)

0 引言

汽车起重机是一种起吊作业设备，具有机动灵活、适应性强等特点，能在冲击、振动、温差大、环境差等野外作业，因而在城市建设、水利水电、消防、物流等领域得到广泛应用。汽车起重机起重作业机构主要包括支腿机构、回转机构、起升机构、伸缩臂机构和变幅机构五个部分。各机构相对独立，均采用液压形式驱动，汽车起重机是由液压系统控制的，其液压系统以执行元件为中心划分，可以分为支腿回路、起升回路、变幅回路、起重臂伸缩回路和回转回路等。将这些复杂的回路进行归纳总结，发现支腿、起升、变幅、起重臂伸缩回路都是由平衡回路、锁紧回路、制动回路等液压基本回路构成，实现液压基本功能。

平衡回路广泛地应用于汽车起重机的吊重起升回路、变幅回路、起重臂伸缩回路，本文基于FluidSim软件对汽车起重机的起升、变幅、起重臂伸缩中的平衡回路进行分析，以获得汽车起重机实际工作的状况。

1 平衡回路

当汽车起重机在起吊重物时，因执行元件与垂直部件相连，负载力方向与运动方向相同，所以负载力助长执行元件运动。若此时回油路上无压力，将会导致负载因自重而自行下降，或负载运动速度越来越快。为了防止这两种情况发生，在回油路上设置液压阻力，以平衡负载，即平衡回路。常见的平衡回路包括3种，分别是单向顺序阀组成的平衡回路、液控平衡阀组成的平衡回路和节流阀组成的平衡回路，如图1～图3所示。

1.1 利用单向顺序阀组成的平衡回路

单向顺序阀组成的平衡回路是由液压泵、溢流阀、三位四通电磁换向阀、单向顺序阀和立式液压缸组成，此时单向顺序阀串接在下行的回油路上，调节单向顺序阀开启压力，开启的背压使其能够支撑活塞及其工作部件的自重。当换向阀处于左位时，活塞下行，由于回油路上存在一定的背压支撑重力负载，活塞会平稳下降；当换向阀处于中位时，活塞停止运动，不再继续下移。这里的单向顺序阀又称作平衡阀。这种平衡回路由于有背压，功率损失会比较大，当活塞及工作部件锁住时会因单向顺序阀和换向阀的泄漏而缓慢下落，因此立式液压缸活塞不可能长时间停止，所以这种回路通常只适应于工作部件质量不大、活塞锁住时定位要求不高的场合。

图1 单向顺序阀平衡回路 图2 液控平衡阀平衡回路

1.2 利用液控平衡阀组成的平衡回路

液控平衡阀平衡回路其核心元件是液控平衡阀，是由液控顺序阀和单向阀组合而成的组合阀。当活塞下行时，换向阀左位接通，进入外控顺序阀的外控油口X压力大于顺序阀的限定压力，此时顺序阀打开，背压消失，立式液压缸有杆腔的油液经顺序阀、换向阀流回油箱。当立式液压缸停止工作时，液控顺序阀关闭，可以防止活塞因自重下降，并且只有立式液压缸上腔进油，活塞才可以下行[1]。由于液控顺序阀采用锥面密封，因此其泄漏量小，闭锁性能好。回油路上单向阀的作用是保证活塞向下运动的平稳性。假如回油路上没有单向阀，当活塞下行时，液控顺序阀将控制油路打开，回油腔无背压，活塞会加速下降，使得液压缸上腔供油压力不足，单向阀因控制油路失压而关闭，此时液控顺序阀控制油路重新建立压力，再将液控顺序阀打开，导致活塞下行不稳定，易产生振动和冲击。但是这种平衡回路的回路效率比较高，当活塞停止工作时，液控顺序阀关闭，防止活塞及其工作部件因自重而下降。所以这种液控顺序阀组成的平衡回路适用于运动部件质量不是很大而且停留时间比较短的液压系统中。

1.3 利用节流阀组成的平衡回路

节流阀平衡回路，与上述两种平衡回路不同的是在回油路上串联了单向节流阀，回油路中串联单向阀，产生一定的背压，平衡负载，从而防止负载加速下降；液控单向阀利用其单向阀良好的密封性能，防止活塞因停止运动后产生自行下滑，同时不影响负载正常提升运动。

2 起重机工况分析

汽车起重机液压回路分为支腿回路、起升回路、变幅回路、起重臂伸缩回路以及回转回路，如图4所示。

其中，支腿回路是下车液压系统，其他回路是上车液压系统。在汽车起重机液压系统中，安全溢流阀共有1个。下车支路安全阀主要用于调定系统的安全压力，最大压力为20 MPa。

图3 节流阀平衡回路

2.1 汽车起重机吊重起升回路控制过程

起升回路是汽车起重机液压系统的主要工作油路，用来控制和驱动起升机构，使其完成重物的提升、下放和重物吊在空中停止不动等工作。起升回路主要由起升回路换向阀11、起升回路平衡阀10、变量马达9、制动器液压缸8、单向阻尼阀7等元件组成。当起升换向阀11处于中位时，液压马达驱动吊钩下降时的回油路锁死，制动器可靠地将起升减速器制动，不会因吊钩及所挂重物自重而下降。采用FluidSim软件对起升回路模拟仿真，如图5所示。

图4 起重机液压回路

2.2 汽车起重机变幅回路控制过程

汽车起重机变幅回路的作用是控制和驱动起重臂作俯仰运动，并使起重臂可靠地停在所需的仰角位置[2]。变幅回路包括变幅回路换向阀4、平衡阀6、变幅液压缸5等。当伸缩换向阀1处于中位时，来自伸缩臂回路中的液压油进入到变幅回路换向阀4，安装平衡阀6的目的是避免因下游回路的工作造成窜油导致起重臂自行下落。当变幅回路换向阀4处于中位且无杆腔的压力低于液控顺序阀的开启压力时，油路被封闭，此状态下起重臂不升也不降。当向后拉变幅回路换向阀4的手柄使得换向阀4右位工作，此时来自换向阀12的液压油经液控平衡阀6中的单向阀进入到液压缸5的无杆腔，推动液压缸5的活塞向上移动，从而改变吊臂的起落角度。变幅回路要求工作平稳可靠，故在油路中也设置了液控平衡阀6。增幅或减幅运动由换向阀4控制，其油流路线类同于伸缩支路。利用FluidSim软件对汽车起重机变幅回路仿真模拟，如图6所示。

2.3 汽车起重机起重臂伸缩回路控制过程

起重臂伸缩回路的主要作用是控制与驱动起重臂伸缩液压缸。起重臂伸缩回路主要由伸缩回路换向阀1、平衡阀3、伸缩机构液压缸2等组成。伸缩式液压缸2可以实现起重臂同步伸缩、停止伸缩以及保持伸缩的长度。伸缩臂换向阀1处于中位时，从换向阀12流来的油液经过伸缩臂换向阀1流入下游的回路，进入伸缩臂换向阀1的油口中。

图5 FluidSim起升回路仿真模拟

图6 FluidSim变幅回路仿真模拟

当伸缩臂换向阀1处于右位时，来自换向阀12的油液经伸缩臂换向阀1的右位，然后经液控平衡阀3中的单向阀进入到伸缩液压缸2的无杆腔，使得缸筒带着起重臂伸出，同时伸缩臂液压缸2的有杆腔油液流回至伸缩臂换向阀1的T油口，然后流回至油箱，这个过程为起动臂伸出过程。当拉动伸缩臂换向阀手

柄，换向阀1内油路换成左位，来自换向阀12的压力油经换向阀1进入伸缩臂的有杆腔，目的是使缸筒带着伸出的起重臂缩回。若此时液控平衡阀3中的外控顺序阀中控制油口X油压低于限定压力，此时伸缩臂液压缸2无杆腔回油路被外控顺序阀切断，所以起动臂尚不能回缩。当顺序阀中控制油口X控制压力达到2.9 MPa～4.9 MPa时，液控平衡阀3中的顺序阀打开，使伸缩缸无杆腔的回油路与换向阀1中T口接通，无杆腔排出的油经平衡阀3、换向阀1回油口至回油路，此时起动臂才由伸缩臂缸带着回缩，即为起重臂收缩过程。图7为采用仿真软件FluidSim模拟起重机伸缩回路的工作过程。此时，平衡阀在伸缩回路中主要防止活塞及其工作部件因自重而下降。

图7 FluidSim伸缩回路仿真模拟

3 结论

本文通过软件FluidSim对起重机起升、变幅、伸缩三个工况进行分析，得到汽车起重机工作过程，清晰地认识到采用液控平衡阀的平衡回路在起重机的液压系统中起着非常重要的作用，使得重物在任意位置可以停止，且重物不会因自身重力原因而自行下落，保证了起重机工作可靠、操作安全。