工程机械平地作业铲刀液压浮动系统设计

张 丽, 黄续芳, 罗 骁, 文仁兴, 李旭东

(1.四川化工职业技术学院 机械工程学院, 四川 泸州 646099;2.四川邦立重机有限责任公司, 四川 泸州 646099)

引言

工程机械(如平地机、挖掘机、推土机等)铲刀在道路清扫、修坡、平地、越障等土方作业中,铲刀联主阀芯处于下降工作位,控制铲刀油缸活塞伸出至接触地面或扎入土方一定深度,铲刀刀头与地面一般为刚性接触,易产生刚性冲击[1-3],铲刀刀头极易变形,从而影响铲刀刀头使用寿命,故铲刀与地面的刚性冲击问题亟待解决。

为此引入一种液压浮动技术,在铲刀平地作业中,控制铲刀油缸大小腔同时接通油箱,避免铲刀重载下无法抬起,从而损坏铲刀刀头。有关液压浮动技术的公开文献不多:曹竹等[4]设计了一种平地机前推浮动液压系统,在前推液压缸两腔增设浮动换向阀,浮动位为Y型机能,浮动工况下前推液压缸两腔合流后与油箱连接;范杨等[5]提出一种平地机铲刀下压力调节系统,实现了铲刀油缸提升的无级调节,铲刀可随地面起伏自动升降;白健信等[6]对平地机铲刀自由浮动原理、可调浮动原理、超级浮动原理进行了比较研究,指出了自由浮动的缺陷,而超级浮动能适应多工况平地作业,仅停留在原理可行性层面,并未进行虚拟仿真和实验验证研究。

综上:(1)现有液压浮动技术均通过开关阀实现浮动缸两腔连通油箱,成本高且效果差;(2)有关一些液压浮动技术主要在专利上发表,仍缺乏理论和验证的深入研究;基于此,本研究针对工程机械铲刀平地作业中铲刀与地面的刚性冲击问题,提出了一种工程机械平地作业液压浮动系统,通过增加阀芯行程在铲刀联主控阀芯上增加浮动工作位,详细阐述了液压浮动系统工作原理,基于AMESim搭建负载敏感控制的铲刀液压浮动系统仿真模型,进行了仿真参数设置,仿真模拟了铲刀平地越障浮动升降过程,得到了铲刀油缸压力和位移动态性能特性曲线,并基于平地越障铲刀油缸易产生震动问题,对原设计的铲刀浮动系统进行了进一步改进研究,在铲刀油缸大腔增加蓄能器进行吸能减震,铲刀在相同负载工况下进行了浮动升降仿真验证,该研究对工程机械如平地机铲刀液压浮动、挖掘机和推土机推土铲液压浮动技术实际应用具有较好的理论指导,对后续液压浮动技术改进也提供了理论基础。

1 工程机械平地作业铲刀液压浮动系统设计

工程机械铲刀装置示意图如图1所示,铲刀升降通过液压缸伸缩实现。

图1 工程机械铲刀装置示意图Fig.1 Schematic diagram of blade device for construction machinery

工程机械平地作业铲刀液压浮动系统工作原理:

(1) 铲刀不工作时,变量泵通过中位卸荷阀低压卸荷[7];

(2) 主控阀芯左侧给定先导压力时,主控阀芯处于快速上升位,变量泵给铲刀油缸小腔供液,铲刀升起,其大小腔压力通过LS油路传递至变量泵敏感阀右侧,使主泵输出压力和LS压差恒定;

(3) 同理,主控阀芯右侧给定先导压力p1时,主控阀芯处于快速下降位,变量泵给铲刀大腔供液,铲刀下降;

(4) 同理,主控阀芯右侧给定先导压力p2(p2>p1)时,主控阀芯处于浮动位,变量泵给铲刀大腔供液,同时铲刀大腔连通油箱,如此P→T、A→T、B→T,也即铲刀处于浮动状态。

工程机械平地作业铲刀液压浮动系统原理图如图2所示。

1.液压油箱 2、5.变量柱塞 3.变量泵 4.电机 6压力切断阀 7.敏感阀 8.主控阀芯 9.梭阀 10.铲刀油缸 11.中位卸荷阀图2 工程机械平地作业铲刀液压浮动系统Fig.2 Hydraulic floating system of construction machinery flat operation shovel blade

2 工程机械平地作业铲刀液压浮动系统建模

基于AMESim搭建工程机械平地作业铲刀液压浮动系统[8-10]仿真模型如图3所示,系统关键参数如表1所示。

表1 系统关键仿真参数Tab.1 Key simulation parameters of system

图3 工程机械平地作业铲刀液压浮动系统模型Fig.3 Model of hydraulic floating system for construction machinery leveling operation blade

3 工程机械平地作业铲刀液压浮动系统仿真

按表1设置铲刀液压浮动系统仿真模型参数,其中主控阀芯下降过程通流面积按如图4所示设置。

图4 主控阀芯下降过程P→LS-B通流面积Fig.4 Flow area(P→LS-B) during lowering process of main control valve core

主控阀芯行程在0～5.5 mm过程,其通流面积线性增加至20 mm2,5.5～6.5 mm保持通流面积不变,6.5 mm开始瞬间降低至浮动通流面积0.8 mm2。

铲斗下落过程,先导压力按如图5所示设置,先导压力在1 s内线性增大至4 MPa,保持20 s;地面对铲刀的刚性冲击按如图6所示设置。11 s开始对铲刀施加100 kN刚性冲击力,保持0.2 s,循环3次,每次间隔1 s。间隔0.001 s,仿真持续20 s得到铲斗油缸大小腔压力变化曲线如图7、图8所示的铲刀油缸位移曲线及如图9所示的铲刀油缸位移曲线。

图5 先导压力Fig.5 Pilot pressure

图6 地面刚性冲击Fig.6 Ground rigid impact

图7 铲刀油缸大小腔压力Fig.7 Blade cylinder chamber pressure

图8 铲斗油缸位移曲线Fig.8 Bucket cylinder displacement curve

图9 铲斗油缸速度曲线Fig.9 Bucket cylinder speed curve

从图5～图9数据曲线得出:

(1) 先导压力由0逐渐增加至4 MPa过程中,主控阀芯从非浮动位过渡至浮动位,非浮动位铲刀下落速度快,在浮动位,铲刀依靠自重下落,下落过程小腔维持0.8 MPa的压力,下落速度为0.05 m/s;

(2) 浮动状态下,铲刀在施加刚性冲击时,铲刀油缸大腔压力瞬时峰值至52 MPa左右,铲刀油缸瞬时冲击速度约16.5 m/s,铲刀易升起,当铲刀升起后即完成越障,故浮动设计有助于提升铲刀使用寿命[13-14];

(3) 浮动状态下,铲刀在受地面刚性冲击下,油缸大腔压力波动严重,易引起铲刀装置震动。

因此,对铲刀液压浮动系统进行改进,引入蓄能器加以吸震[11-12]。

4 工程机械平地作业铲刀液压浮动系统改进

4.1 铲刀液压浮动系统改进

在铲刀油缸大腔通过开关阀连接蓄能器对大腔压力震动进行吸收[15-16],如图10所示为改进后的工程机械平地作业铲刀液压浮动系统原理图。

1.液压油箱 2、5.变量柱塞 3.变量泵 4.电机 6.压力切断阀 7.敏感阀 8.主控阀芯 9.梭阀 10.铲刀油缸 11.中位卸荷阀 12.电磁开关阀 13.蓄能器图10 工程机械平地作业铲刀液压浮动系统改进Fig.10 Optimization of hydraulic floating system for construction machinery leveling operation blade

4.2 改进后的铲刀浮动液压系统建模

在原工程机械平地作业铲刀液压浮动系统仿真模型基础上搭建改进后的系统如图11所示,在地面刚性冲击(越障)时控制电磁开关阀换向,使铲斗油缸大腔与蓄能器连通,蓄能器容积设置为6.3 L,充气压力设置为10 MPa[17-18],仿真20 s得到改进后的铲斗油缸大腔压力、位移、速度如图12、13、14所示及蓄能器容积变化如图15所示。

图11 液压浮动系统改进仿真模型[19]Fig.11 Optimization simulation model of hydraulic floating system

图12 改进后的铲刀油缸大腔压力Fig.12 Optimized blade cylinder large chamber pressure

图13 改进后的铲刀油缸位移Fig.13 Optimized blade cylinder displacement

图14 改进后的铲刀油缸速度Fig.14 Optimized blade cylinder speed

图15 蓄能器容积变化情况Fig.15 Accumulator volume change

从图11～图15数据曲线可知:

(1) 改进后的铲斗浮动系统动态性能得到改善,铲刀大腔压力震动减弱,瞬时压力峰值降低至36 MPa;铲刀油缸瞬时冲击速度降低至8.5 m/s;

(2) 蓄能器对铲刀油缸大腔冲击吸收具有较好作用,蓄能器容积由6.3 L降低至6 L, 可储存0.3 L的压力冲击能。

5 结论

工程机械铲刀平地土方作业中,铲刀与地面一般为刚性接触,易产生刚性冲击,基于此提出了铲刀液压浮动系统,通过增加阀芯行程在铲刀联主控阀芯上增加浮动工作位,详细阐述了液压浮动系统工作原理,基于AMESim软件搭建了负载敏感控制的铲刀液压浮动系统仿真模型,进行了仿真参数设置,模拟了铲刀平地越障浮动升降过程,得到了铲刀油缸压力和位移动态曲线,并基于平地越障铲刀油缸易产生震动问题,在铲刀油缸大腔增加蓄能器进行减震,铲刀相同负载工况下进行了浮动升降仿真,主要得出以下结论:

(1) 铲刀浮动平地作业越障易抬起铲刀,可有效提升铲刀使用寿命;

(2) 蓄能器对铲刀油缸平地越障的震动具有较好的吸能减震作用;

(3) 浮动系统改进后,铲刀油缸大腔冲击压力降低16 MPa,约31%;活塞冲击速度降低7 m/s,约42%。