摩天輪液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)平滑剎車(chē)功能的探索

毛洪艷，孫紅霞

(1.沈陽(yáng)交通工程學(xué)校，遼寧沈陽(yáng) 110026;2.鐵嶺師范高等專(zhuān)科學(xué)校，遼寧鐵嶺 112001)

在通常情況下，在公園開(kāi)園期間，當(dāng)摩天輪運(yùn)行后，即便有乘客頻繁地登機(jī)、離機(jī)，中途也很少停車(chē)，除非遇到緊急情況，才會(huì)中途停車(chē)。

國(guó)內(nèi)某些正在運(yùn)行的摩天輪，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩天輪上有乘客，并偶遇突發(fā)事件需要中途停車(chē)時(shí)，因?yàn)橥＼?chē)動(dòng)作很突然、不平滑、不順暢，造成兩個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題:(1)乘客感覺(jué)不舒適，因?yàn)榈跖撛谕＼?chē)動(dòng)作開(kāi)始的20 s左右會(huì)像鐘擺一樣較大幅度地前后搖擺，給乘客心理造成較為嚴(yán)重的恐慌;(2)液壓管路會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)性的噪聲，液壓馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)輪胎之間的驅(qū)動(dòng)軸有損壞現(xiàn)象，大大縮短了該驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命，并會(huì)因此產(chǎn)生其他更為嚴(yán)重的危險(xiǎn)，如斷軸以后出現(xiàn)飛車(chē)事故;這個(gè)問(wèn)題可以歸結(jié)為“剎車(chē)抱死”問(wèn)題。

另外，每當(dāng)夜間停車(chē)遇6級(jí)以上大風(fēng)時(shí)，第二天早上發(fā)現(xiàn)，摩天輪會(huì)被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)50°～90°，平均70°轉(zhuǎn)角，這說(shuō)明停車(chē)后摩天輪的抗風(fēng)性能不佳。

1 問(wèn)題分析及解決方法

1.1 問(wèn)題分析

經(jīng)分析國(guó)內(nèi)這些摩天輪的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回路(如圖1所示)，發(fā)現(xiàn)控制液壓馬達(dá)的主換向閥22是一個(gè)普通的具有開(kāi)關(guān)特性的O型電液換向閥。

圖1 摩天輪液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回路液壓原理圖

原設(shè)計(jì)意圖是想通過(guò)電液換向閥的O型機(jī)能實(shí)現(xiàn)停車(chē)及停車(chē)時(shí)的抗風(fēng)功能，但是，由于閥芯在中位時(shí)的內(nèi)泄問(wèn)題，使得這種方式的抗風(fēng)能力不夠理想。

正常運(yùn)行時(shí)，A通路是高壓油路，壓力在7 MPa左右;B通路是回油油路，因回油節(jié)流閥23的作用，正常運(yùn)行時(shí)B通路的壓力在3.5～4 MPa之間，這也是馬達(dá)30正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的背壓;順序閥25和電磁閥26構(gòu)成剎車(chē)油路，順序閥25的開(kāi)啟壓力設(shè)定為12 MPa;當(dāng)執(zhí)行停車(chē)動(dòng)作時(shí)，主換向閥22關(guān)閉，電磁換向閥26打開(kāi);停車(chē)瞬間使得正常運(yùn)轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)的來(lái)油和回油油路突然被切斷，然而因摩天輪由勻速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)要在瞬間切換到停車(chē)狀態(tài)，這就造成了吊艙因慣性而前后搖擺;搖擺幅度的大小取決于摩天輪的轉(zhuǎn)速。

另外正是由于摩天輪巨大的慣性，在停車(chē)瞬間液壓馬達(dá)30將被迫繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此瞬間，驅(qū)動(dòng)摩天輪的所有液壓馬達(dá)(通常為8～12個(gè))將由馬達(dá)變成了液壓油泵，使得原本的低壓回油B通路瞬間變成高壓油路，因電磁閥26已經(jīng)打開(kāi)，當(dāng)油路B的壓力增大到順序閥25的開(kāi)啟壓力時(shí)，順序閥25打開(kāi)，液壓油將從B通路流回到A通路;當(dāng)B通路的壓力低于順序閥25的開(kāi)啟壓力時(shí)，順序閥關(guān)閉，如此周而復(fù)始地打開(kāi)、關(guān)閉、打開(kāi)、關(guān)閉，造成停車(chē)初始時(shí)液壓管路的振動(dòng)噪聲。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):正常運(yùn)行時(shí)，液壓馬達(dá)A油路上的壓力為6～7 MPa，B油路上的壓力為3.5～4 MPa;中途停車(chē)瞬間，液壓馬達(dá)A油路上的壓力為0～1 MPa，B油路上的壓力為11.5～12 MPa;

如果將順序閥25的開(kāi)啟壓力調(diào)低，比如10 MPa，會(huì)增加剎車(chē)距離。

1.2 解決辦法

在圖2中，將圖1中的普通O型電液換向閥22換成Y型比例電液換向閥22;并在該閥下方疊加一個(gè)雙聯(lián)液控單向閥24。

圖2 改造后的摩天輪液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回路液壓原理圖

其中疊加式液控單向閥24是用來(lái)解決抗風(fēng)問(wèn)題的，因?yàn)楫?dāng)電液比例換向閥22的閥芯在中位時(shí)，液控單向閥24可以完全防止A、B油路內(nèi)液壓油的逆向流動(dòng)，可以克服換向閥22的閥芯在中位時(shí)的內(nèi)泄問(wèn)題，從而解決抗風(fēng)問(wèn)題。從實(shí)際看，新系統(tǒng)裝機(jī)后，摩天輪在停運(yùn)狀態(tài)下，在6～7級(jí)的大風(fēng)天，一個(gè)晚上摩天輪自轉(zhuǎn)大約5°～15°，平均轉(zhuǎn)動(dòng)10°;效果還是非常明顯的。

與電液比例換向閥22配套的比例放大板23的斜坡時(shí)間選擇0～5 s，即最大可延時(shí)5 s。這樣，在摩天輪正常勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果中途突然執(zhí)行停車(chē)指令，電液比例換向閥22不是突然關(guān)閉油路，而是在初始的5 s內(nèi)，按比例均勻地逐漸將閥口關(guān)閉，這很像轎車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)中的ABS防抱死功能。因?yàn)檫@5 s鐘內(nèi)摩天輪的慣性最大，5 s之后，電液比例換向閥22的閥口完全關(guān)閉，此后系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)同改造前一樣，即靠順序閥來(lái)釋放剩余的壓力。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，改造后，在摩天輪勻轉(zhuǎn)速不變的前提下 (即不改變節(jié)流閥25的截流狀態(tài))，當(dāng)中途執(zhí)行停車(chē)動(dòng)作時(shí)，吊艙前后擺動(dòng)的幅度很小，乘客的感覺(jué)比較舒適，大約5 s左右就能自動(dòng)停下來(lái)。

當(dāng)摩天輪的轉(zhuǎn)速較快時(shí)，如果中途執(zhí)行停車(chē)動(dòng)作，B油路的壓力在前5 s內(nèi)從4 MPa逐漸升至12 MPa，這也是順序閥27的設(shè)定壓力，并在12 MPa附近壓力表讀數(shù)不穩(wěn)定;停車(chē)后，壓力表的讀數(shù)逐漸降至4 MPa左右，而且此后壓力表的讀數(shù)在4 MPa附近能維持2 h以上;2 h以后沒(méi)有記錄。

當(dāng)摩天輪的轉(zhuǎn)速較慢時(shí)，B油路的壓力在前5 s內(nèi)從4 MPa逐漸升至10 MPa左右，然后讀數(shù)變小，并趨于4 MPa，此后壓力表的讀數(shù)基本上沒(méi)有變化。因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程B油路的壓力沒(méi)有達(dá)到12 MPa附近，所以可以判斷，當(dāng)摩天輪的轉(zhuǎn)速較慢時(shí)執(zhí)行停車(chē)操作，剎車(chē)順序閥沒(méi)有工作。

為此，可以將剎車(chē)順序閥的開(kāi)啟壓力調(diào)低，如10 MPa，可以進(jìn)一步降低摩天輪在停車(chē)時(shí)的慣性沖擊。

2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)抗風(fēng)問(wèn)題解決的實(shí)際效果比較理想:摩天輪被風(fēng)推動(dòng)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)的角度由原來(lái)的平均70°，降低為平均10°，下降比例a=(70－10)/70=85.7%;

(2)停車(chē)瞬間剎車(chē)的平滑性改進(jìn)明顯;目測(cè)吊艙在改造前，前后擺動(dòng)的持續(xù)時(shí)間大約為20 s，改進(jìn)后，吊艙持續(xù)擺動(dòng)的時(shí)間大約5 s，下降比例b=(20－5)/20=75%;

(3)剎車(chē)瞬間吊艙前后擺動(dòng)的幅度在改造后明顯降低，乘客只有較輕微的擺動(dòng)感覺(jué);

(4)因?yàn)楦倪M(jìn)后剎車(chē)比較平滑，管路的振動(dòng)噪聲也消失了;

(5)不僅剎車(chē)平滑了，而且也實(shí)現(xiàn)了平滑啟動(dòng)，消除了以前啟動(dòng)時(shí)很突兀的抖動(dòng)現(xiàn)象。

【1】王春行.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

【2】李新德.液壓系統(tǒng)故障診斷與維修技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

【3】《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本:液壓傳動(dòng)與控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.