裝載機(jī)動(dòng)臂矯正液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

梁春芝，王俊梁，李慧瓊

（1.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西柳州545000；2.廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545000）

裝備應(yīng)用技術(shù)

裝載機(jī)動(dòng)臂矯正液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

梁春芝1，王俊梁2，李慧瓊1

（1.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西柳州545000；2.廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545000）

針對(duì)現(xiàn)有的裝載機(jī)動(dòng)臂手動(dòng)矯正裝置液壓系統(tǒng)存在操作繁瑣、只能手動(dòng)及控制精度低等問(wèn)題，在分析現(xiàn)有裝載機(jī)動(dòng)臂矯正裝置工作原理的基礎(chǔ)上，提出了采用雙向電磁組合閥、保壓閥、壓力傳感器、IO卡控制油缸開關(guān)等技術(shù)的新型動(dòng)臂智能矯正液壓系統(tǒng)方案。介紹了該系統(tǒng)的智能工作原理及特點(diǎn)、主要液壓元件的選型，分析了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程。該系統(tǒng)用于裝載機(jī)動(dòng)臂焊后變形的矯正，具有智能操作、保壓、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、控制能力強(qiáng)及精度高等特點(diǎn)。

動(dòng)臂；液壓系統(tǒng)；自動(dòng)操作；保壓

輪式裝載機(jī)是當(dāng)今工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的一種工程機(jī)械，而動(dòng)臂是裝載機(jī)工作裝置的主要承力構(gòu)件，其質(zhì)量狀況對(duì)工作裝置的性能和壽命有直接的影響[1]。在目前無(wú)法消除焊接變形的技術(shù)條件下，動(dòng)臂矯正成了裝載機(jī)動(dòng)臂質(zhì)量保證的重要工序。

動(dòng)臂焊后會(huì)引起動(dòng)臂板變形，導(dǎo)致鏟斗孔與車架孔兩側(cè)的內(nèi)外開檔尺寸有所偏差，目前通用的矯正方法有：火焰矯正法、機(jī)械矯正法和混合矯正法[2]。其中手動(dòng)機(jī)械矯正輔助以火焰矯正方法為最傳統(tǒng)的矯正方式。傳統(tǒng)的矯正方式對(duì)矯正人員的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，且存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、矯正精度低、不能保證對(duì)稱度及提高生產(chǎn)效率等問(wèn)題[3]。

動(dòng)臂矯正液壓系統(tǒng)在原矯正裝置的基礎(chǔ)上添加壓緊油缸、電磁換向閥、減壓閥、保壓閥、組合閥塊等元件，意圖將手動(dòng)矯正系統(tǒng)改造成為自動(dòng)液壓矯正系統(tǒng)，形成一套高效節(jié)能、操作簡(jiǎn)單、精度高的矯正系統(tǒng)。

1 動(dòng)臂矯正裝置的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

裝載機(jī)動(dòng)臂矯正平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由油缸、雙向電磁組合閥、保壓閥、激光傳感器、壓力傳感器、液壓泵、電控柜、油路管道等組成。

圖1 動(dòng)臂矯正裝置

裝載機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由2件動(dòng)臂板和1件橫梁焊接組成。

圖2 動(dòng)臂

1.2 工作原理

動(dòng)臂矯正裝置由液壓泵提供動(dòng)力，首先，將動(dòng)臂吊到矯正裝置中，檢測(cè)變形數(shù)據(jù)，再由電磁閥控制油缸9、10夾緊動(dòng)臂；然后根據(jù)需要通過(guò)電磁閥控制油缸1-8的伸縮，對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行合理的推出反變形，將其矯正到誤差范圍內(nèi)（為防止矯正過(guò)程中，動(dòng)臂擺動(dòng)過(guò)大，采取夾緊一邊矯正另一邊的方式），如動(dòng)臂鏟斗孔一側(cè)向左偏3 mm，則夾緊其他不矯正的三邊，油缸將其向右推出一段距離后縮回，至于推出多少會(huì)根據(jù)動(dòng)臂型號(hào)與偏差距離決定，有時(shí)需進(jìn)行多次矯正才可達(dá)到要求；最后松開所有油缸，將矯正完成的動(dòng)臂吊出裝置。

2 動(dòng)臂矯正平臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

動(dòng)臂矯正裝置的工作環(huán)境比較惡劣，具有元件安裝空間有限、噪聲及灰塵較多等問(wèn)題。目前，現(xiàn)有的矯正裝置液壓系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、只能手動(dòng)操作及控制精度低等問(wèn)題。因此，新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)除滿足基本要求外，還需盡量解決上述問(wèn)題，最終系統(tǒng)的完成需達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：

（1）該系統(tǒng)屬于智能控制系統(tǒng)，程序的出錯(cuò)或其他等原因可能會(huì)出現(xiàn)油缸一直推出的情況，稱之為推死，為防止這一問(wèn)題出現(xiàn)在液壓管路中添加油壓監(jiān)控設(shè)備；

（2）為保證液壓泵提供的油壓在合適的范圍之內(nèi)，在管路安裝壓力傳感器；

（3）油缸9、10是壓緊油缸，工作時(shí)需持續(xù)保持壓力，在此兩路管路中需安裝保壓閥；

（4）壓緊油缸9、10的保壓閥的保壓壓力也需設(shè)置在合適范圍內(nèi)，防止保壓壓力過(guò)大，引起整個(gè)裝置的變形，不利于對(duì)動(dòng)臂準(zhǔn)確位置的確定，因此在管路中增加了減壓閥；

（5）安裝整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)運(yùn)行控制，當(dāng)工裝停止運(yùn)行時(shí)，需及時(shí)將液壓系統(tǒng)暫停或關(guān)閉，減少能耗；

（6）優(yōu)化液壓管路設(shè)計(jì)，該裝置還有電氣系統(tǒng)，為防止管路及電線交叉影響，需盡量簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)；

（7）采用雙向電磁組合閥和IO卡控制電磁開關(guān)等技術(shù)，可盡量將管路連接數(shù)簡(jiǎn)化，降低發(fā)生漏油等故障頻率。

2.2 液壓系統(tǒng)基本回路

動(dòng)臂矯正液壓系統(tǒng)主要由液壓站、油缸、雙向電磁組合閥、保壓閥、溢流閥、減壓閥、壓力傳感器等液壓元件組成。液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

為達(dá)到動(dòng)臂矯正過(guò)程的自動(dòng)化，需要對(duì)矯正過(guò)程中液壓系統(tǒng)的壓力大小和動(dòng)臂的位置進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)采用的雙向電磁組合閥可簡(jiǎn)化油路，讓系統(tǒng)的檢驗(yàn)與維修，如圖4所示，將4個(gè)雙向電磁閥、減壓閥和保壓閥裝配在一個(gè)油路塊上，不僅減少了管路的連接、簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，而且使系統(tǒng)更加穩(wěn)固[4]。

圖4 集成閥組

2.3 主要參數(shù)和液壓元件的選型設(shè)計(jì)

（1）主要參數(shù)

動(dòng)臂校正原理主要是通過(guò)外界力作用在動(dòng)臂板上，使其產(chǎn)生反變形，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)位置。作用力需要一個(gè)合理的值，所以必須對(duì)動(dòng)臂板進(jìn)行受力分析，如圖5所示。

圖5 動(dòng)臂板進(jìn)行受力分析

擾度：WB=-Fa2（3l-a）/6EI

慣性矩：I=bh3/12

公式轉(zhuǎn)換：F=-WB6Ebh3/12a2（3l-a）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，校正變形≤150 mm即能滿足產(chǎn)品校正要求，即WB=-150 mm：彈性模量：E=200 GPa；b為截面寬度，b=60 mm；h為截面高度，h=352 mm；a、l如圖5，分別為受力點(diǎn)和變形點(diǎn)位置尺寸距離，a=885 mm，b=119 mm，代入公式，得出：F=115.8×106N.

（2）油缸

根據(jù)上述公式得出油缸輸出推力F不小于115.8×106N才能完成矯正工作，油缸桿徑可選，初選桿徑90 mm，輸出壓強(qiáng)P=F/S=F/πr2=18.2 MPa.為了以后產(chǎn)品更新?lián)Q代后，工裝可以改進(jìn)繼續(xù)使用，因此預(yù)留了1.5倍壓強(qiáng)，所以油缸選擇可承受壓強(qiáng)30 MPa，油缸選型參數(shù)如表1所列。

表1 油缸選型參數(shù)表

（3）液壓站設(shè)計(jì)

液壓站增加風(fēng)冷裝置，保證使用頻率30臺(tái)/班，每臺(tái)操作時(shí)間10 min左右，風(fēng)冷可滿足冷卻要求，預(yù)留水冷接口，預(yù)防產(chǎn)量增加可水冷。液壓站采用柱塞變量泵，噪音不大于75 dB，壓力可調(diào)，保證輸出壓強(qiáng)可調(diào)范圍至少滿足0~30 MPa，預(yù)留安全系列，各部件承受壓力不低于35 MPa.

（4）電磁閥選型

首先根據(jù)裝載機(jī)動(dòng)臂矯正過(guò)程控制油缸的組合閥塊，為減少閥塊的復(fù)雜程度，避免孔道過(guò)長(zhǎng)、過(guò)多而不便于加工，在一塊油路板上安裝元件的數(shù)量一般不超過(guò)10~12個(gè)，選擇雙向電磁閥。最終選擇了帕克電磁閥，型號(hào)：D1VW001CNTW、最大工作壓力：35 MPa、最大流量：80 L/min、工作循環(huán)/切換時(shí)間：32 ms（直流）/13 ms（交流）、切換頻率：15 000次/h.

（5）壓力傳感器選型

壓力傳感器選型液壓泵的工作壓力為0~30 MPa，根據(jù)性價(jià)比選擇為三友HSTL-902數(shù)顯型（4~20 mA）.

（6）保壓閥選型

液壓泵的工作壓力為0~30 MPa，保壓閥的作用主要用于動(dòng)臂的夾緊工序，而壓力過(guò)大會(huì)引起整個(gè)裝置的變形，綜合考慮后選擇油研疊加式液控單向閥MP-01-40、疊加閥減壓閥MR-01-30最高工作壓力：31.5 MPa、最大流量：35 L/min.安裝時(shí)將其與雙向電磁閥組合起來(lái)控制一個(gè)油缸，從而達(dá)到保壓的作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

新液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)后具有如下優(yōu)點(diǎn)：一，相對(duì)于同類產(chǎn)品系統(tǒng)具有易操作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于檢查與維修的優(yōu)點(diǎn)；二，該系統(tǒng)采用雙向電磁組合閥塊、IO卡控制油缸伸縮、傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)壓力等技術(shù)，提高了動(dòng)臂矯正精度、效率；三，保證了動(dòng)臂矯后對(duì)稱度并減少了矯正后的返修率。

經(jīng)測(cè)試，裝載機(jī)動(dòng)臂矯正平臺(tái)液壓系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。該系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)與應(yīng)用為裝載機(jī)生產(chǎn)線的自動(dòng)化提供了有力的改造依據(jù)。

[1]余成波，馮麗輝，潘盛輝.虛擬儀器技術(shù)與設(shè)計(jì)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2006.

[2]陳東升.挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接工藝及變形研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

[3]孫云飛，徐武彬，花慶寶，等.裝載機(jī)動(dòng)臂焊后變形矯正影響因素研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2016（01）：63-65.

[4]付寧，雷堅(jiān).地下鑿巖臺(tái)車鉆孔液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2016，44（8）：136-138.

The Design of the Hydraulic System of the Loader Boom

LIANG Chun-zhi1，WANG Jun-liang2，LI Hui-qiong1
（1.Guangxi Liugong Machinery Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545000，China；2.School of Mechanical Engineering Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545000，China）

The loader arm manual correction device of the hydraulic system are complicated operation，only manual operation and low control precision，based on the analysis of the existing loader boom correction device principle，proposed a bidirectional electromagnetic combination valve，pressure retaining valve，pressure sensor，IO card control cylinder switch technology model boom intelligent correction hydraulic system.This paper introduces the principle and characteristics of the system，the selection of the main hydraulic components，and analyzes the operation process of the system.The system is used to correct the deformation of the flexible arm after loading，which has the characteristics of intelligent operation，maintaining pressure，simple structure，easy maintenance，high control ability and high precision.

moving arm correction；hydraulic system；automatic operation；holding pressure

TD422.3

B

1672-545X（2016）11-0156-03

2016-08-18

梁春芝（1982-），男，湖南漣源人，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)件工藝、工藝裝備設(shè)計(jì)工作；王俊梁（1991-），男，江蘇泰州人，碩士研究生，主要研究機(jī)械結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。