重卡駕駛室液壓翻轉機構翻轉缸懸置狀態仿真分析

張家昌 肖志權 陳玲莉 張明明 庹明偉

摘? 要：針對某重卡駕駛室液壓翻轉機構出現的泄漏等問題，對其翻轉缸在懸置狀態進行了基于AMESim的建模與仿真。考慮翻轉缸縮回至活塞處于缸筒擴孔區，且活塞桿隨駕駛室一起做微幅振動的狀態，分析了振動頻率、幅值、等效縫隙值對于翻轉缸兩腔壓力的影響，及振動過程中兩腔的流量變化。分析結果顯示，懸置狀態翻轉缸會產生缸內負壓，造成氣穴乃至氣蝕現象，其程度主要與翻轉缸的振動頻率、幅值和等效縫隙值有關，甚至是翻轉缸泄漏的原因之一。

關鍵詞：液壓翻轉機構;翻轉缸;AMESim;氣穴現象

中圖分類號：463.81+5? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）01-0025-06

Abstract： Aiming at the leakage of a heavy truck cab hydraulic overturning mechanism，? a model and simulation based on AMESim is carried out on the overturning cylinder in the suspended state. Considering that the cylinder retracts to the piston in the cylinder reaming area and the piston rod vibrates slightly with the cab， the influences of vibration frequency，? amplitude and equivalent gap value on the pressure and flow of the two Chambers of the cylinder are analyzed. The analysis results show that the overturning cylinder in the suspension state generates negative pressure in both chambers of the cylinder， resulting in cavitation or even cavitation erosion under impact pressure， the degree of which is mainly related to the vibration frequency， amplitude and equivalent gap value of the overturning cylinder. This may be one of the reasons of the leakage of the overturning cylinder.

Key Words： Hydraulic Overturning Mechanism; Overturning Cylinder; Amesim; Cavitation

1? ? 引言

駕駛室液壓翻轉機構因其承載翻轉力大、工作平穩、安全可靠而越來越多地應用于商用車、自卸車、中、重型載貨車等多種車型。液壓翻轉工作狀態下，翻轉缸作為液壓翻轉機構的液壓執行元件，以液壓為動力使駕駛室繞其翻轉軸有限度的旋轉，實現駕駛室的舉升、翻轉、下降、收回等動作。由于工作位置的不同，翻轉機構有外推和內推等不同形式。已有一些針對駕駛室液壓翻轉機構的相關研究，其中李偉、茍煒偉等[1]對差動液壓翻轉系統進行了分析和測試，何嘉欣[2]對卡車駕駛室翻轉系統進行了設計和優化，于保軍、于文函[3]等針對翻轉缸的實際工況，設計出一種試驗臺檢測系統，姜帆[4]-[5]對駕駛室液壓翻轉機構進行設計，并用MATLAB /Simulink對液壓翻轉機構進行了仿真分析，徐金志[6]-[7]對重卡駕駛室液壓翻轉機構進行了設計和改進，徐勇剛、何仁等[8]對重型汽車駕駛室的電動/手動液壓缸翻轉機構進行了分析。

盡管已有上述相關研究，但注意到鮮有關于液壓翻轉機構在翻轉缸縮回并處于懸置狀態的液壓系統研究。所謂翻轉缸的懸置狀態，是指翻轉機構不處于翻轉工作狀態，駕駛室回到原始位置，翻轉缸縮回且活塞桿隨駕駛室一起做微幅振動，此時，液壓翻轉缸類似于液壓減震器的狀態。但不同于液壓減震器的結構設計，翻轉缸主要為液壓翻轉而非懸置狀態而設計，沒有通常液壓減震器的雙筒結構。因此，在翻轉缸處于懸置狀態下會出現“空提”，進而造成氣穴等現象。本文針對某型重卡駕駛室液壓翻轉機構懸置狀態液壓系統出現的問題，在對其進行AMESim仿真建模的基礎上，分析了懸置狀態下問題的原因及其影響因素。

2? ? 液壓翻轉缸工況描述

以某重卡駕駛室液壓翻轉系統為例，液壓翻轉系統原理如圖1所示，系統主要由1.油箱 2.單向閥 3.手動泵 4.溢流閥 5.單向閥 6.換向閥 7.過濾器 8.節流閥 9.液控單向閥 10.懸置鎖緊缸 11.液壓翻轉缸組成。其中單向閥可以防止油液倒流;液壓翻轉缸作為系統執行元件，上下支撐點分別于駕駛室和底盤相連;液控單向閥可以使液壓翻轉缸在下降的時候懸停在任意位置;節流閥可以使液壓翻轉缸平穩的下降。

為了滿足駕駛舒適性要求，液壓翻轉缸在懸置狀態下，駕駛室由懸置鎖緊缸可靠的鎖緊支撐，這種懸置支撐可以使液壓翻轉缸隨著駕駛室運動。由于液壓翻轉缸在懸置狀態下，做自由振動，一般選用擴孔式液壓翻轉缸。如圖2所示，擴孔式液壓翻轉缸在翻轉缸尾部有一段缸筒內徑增大，即尾部擴孔的內徑D大于活塞直徑d，尾部擴孔的長度L大于活塞上下振動的浮動量，這樣可以保證駕駛室在行駛過程中，活塞不會與缸底產生干涉從而造成駕駛室或油缸的損壞。但是在擴孔區域內液壓翻轉缸長期上下振動，會使液壓翻轉缸的活塞桿處有泄漏、阻力過大等問題。下面基于AMESim對液壓翻轉缸懸置狀態進行建模仿真分析。

3? ? 液壓翻轉缸懸置狀態下AMESim建模

以某重卡駕駛室液壓翻轉系統的翻轉缸為例，由于液壓翻轉缸尾部擴孔，又考慮了液壓翻轉缸懸置振動狀態下，尾部擴孔的長度大于活塞上下振動的浮動量，所以液壓翻轉缸的建模如圖3所示，其中因翻轉缸筒擴孔形狀為非規則圓環，為了分析擴孔形狀和尺寸的影響，將擴孔簡化等效為AMESim中的縫隙元件，等效縫隙值0.5～0.8mm。

4? ? 仿真分析

根據某重卡駕駛室液壓翻轉系統翻轉缸的實際結構情況，對仿真模型的主要參數設置如表1所示：

由于液壓翻轉缸處于懸置狀態，隨著駕駛室的振動，液壓翻轉缸上下自由振動。根據對工況的了解，選取了振動頻率為1Hz-2Hz，振幅為0.01m-0.018m的標準正弦信號作為振動輸入信號，對液壓翻轉缸進行仿真分析。

液壓翻轉缸的氣穴現象受到很多因素的影響，AMESim通過對一些不同的影響因素進行仿真分析，可以得到影響液壓翻轉缸氣穴現象程度的主要因素。

4.1? ?振動頻率的影響

在標準的正弦激勵下進行仿真，液壓翻轉缸的振動頻率從1Hz增加至2Hz，信號振幅為0.01m，仿真時間為3s，其他參數不變的情況下，仿真結果如圖4、5所示：

圖4、圖5顯示，液壓翻轉缸開始運動時，隨著振動頻率由1Hz增加為2Hz，啟動時有桿腔的第一個壓力峰值就由9.2bar上升為24.7bar，無桿腔的第一個壓力峰值由11.9bar上升為29.5bar。從第二個周期以后，壓力峰值相應的減小，從相對關系考慮，隨著振動頻率的增加，兩腔的壓力峰值也會增大。

以液壓翻轉缸開始振動的平衡初始位置為零位，從第二個周期以后，當液壓翻轉缸向下振動的總位移為0.008m時，液壓翻轉缸的兩腔會產生壓力沖擊。當液壓翻轉缸的振動狀態由向下振動轉為向上振動時，液壓翻轉缸的無桿腔先出現負壓，液壓翻轉缸的有桿腔隨后也出現負壓。液壓翻轉缸在擴孔區域內振動，其中無桿腔的負壓出現在，由液壓翻轉缸底部向上振動到頂，再由液壓翻轉缸頂部向下振動到初始零位。當液壓翻轉缸將要振動到頂時，液壓翻轉缸的有桿腔出現負壓，再由頂部向下振動的總位移為0.0073m時，有桿腔的負壓消失。

4.2? ?振動幅值的影響

在標準的正弦激勵下進行仿真，液壓翻轉缸振動頻率1Hz，信號振幅從0.01m增加至0.018m，仿真的時間為3s，其他參數不變的情況下，仿真的結果如圖6、7所示：

圖6、圖7顯示，液壓翻轉缸開始運動時，隨著振動幅值由0.01m增加到0.018m，啟動時的有桿腔的第一個壓力峰值由9.2bar上升為23.2bar，無桿腔的第一個壓力峰值由11.9bar上升為27.6bar。從第二個周期以后，壓力峰值相應的減小，從相對關系考慮，隨著振動幅值的增大，兩腔的壓力峰值也會增大。

4.3? ?等效縫隙值的影響

在標準的正弦激勵下進行仿真，液壓翻轉缸振動頻率1Hz，信號振幅為0.01m，仿真的時間為3s，液壓翻轉缸的等效縫隙值由0.5mm增加到0.8mm，其他參數不變的情況下，仿真的結果如圖8、9所示：

圖8、圖9顯示，液壓翻轉缸開始運動時，隨著液壓翻轉缸的等效縫隙值由0.5mm增大為0.8mm，啟動時有桿腔的第一個壓力峰值由9.2bar下降為9bar，無桿腔的第一個壓力峰值由11.9bar下降為9.7bar。從第二個周期以后，兩腔的壓力峰值會相應的減小，當液壓翻轉缸等效縫隙值增大為0.6mm時，兩腔的壓力峰值下降程度最大，在其等效縫隙值增大為0.6mm后，其兩腔的壓力峰值將維持基本恒定。隨著液壓翻轉缸的等效縫隙值由0.5mm增大為0.8mm，有桿腔負壓維持的時間由占一個周期的42%上升為90%。

4.4? ?兩腔的流量變化

在標準的正弦激勵下進行仿真，液壓翻轉缸振動頻率1Hz，信號振幅為0.01m，仿真的時間為3s，其他參數不變的情況下，仿真結果如圖10所示：

圖10顯示，當液壓翻轉缸向下振動到平衡初始位置時，有桿腔的進油流量為3L/min，無桿腔的出油流量為6L/min。當液壓翻轉缸向上振動到平衡初始位置時，有桿腔的出油流量為3L/min，無桿腔的進油流量為4.9L/min。由于輸入的位移信號為標準正弦激勵，所以理想狀態下液壓翻轉缸向上振動和向下振動到相同位置時，無桿腔的進油流量應該等于無桿腔的出油流量。但是結果表明，液壓翻轉缸向上振動無桿腔的進油流量小于液壓翻轉缸向下振動無桿腔的出油流量，導致無桿腔進油不足，無桿腔出現負壓，隨后有桿腔也出現負壓，當液壓翻轉缸兩腔負壓的值達到-0.6bar以下，即液壓翻轉缸的兩腔的壓力降低到飽和蒸汽壓范圍以下，液體開始蒸發，出現大量的蒸汽氣泡，產生氣穴現象[9]。氣穴現象產生的氣泡隨液流流到壓力較高的部位，會因承受不了高壓而破滅，產生局部的液壓沖擊和高溫并產生振動和噪音，對附近的工件產生腐蝕和損害，將這種現象稱為氣蝕[10]-[11]。

5? ? 結論

針對某重卡駕駛室液壓翻轉機構的翻轉缸在懸置狀態進行了基于AMESim的建模和仿真分析，分析表明，當液壓翻轉缸在擴孔區域內向上運動時，無桿腔進補油量不足，即所謂“空提”，導致無桿腔先出現負壓，由于缸筒擴孔產生的縫隙將有桿腔和無桿腔連通，造成有桿腔隨后也出現負壓，液壓翻轉缸等效縫隙值決定了有桿腔出現負壓的快慢程度。當兩腔的絕對壓力低于飽和蒸汽壓時，油液中析出大量的氣泡，從而造成液壓翻轉缸里有氣穴現象產生。經分析液壓翻轉缸的氣穴現象的程度主要與液壓翻轉缸振動的頻率、幅值和液壓翻轉缸的等效縫隙值有關。

仿真分析表明，因缸筒擴孔產生的縫隙把有桿腔和無桿腔連通以后，使得缸內負壓及氣穴現象不僅僅產生在無桿腔，也產生在有桿腔。液壓翻轉缸的兩腔都會產生氣穴現象，氣穴產生后馬上迎來壓力峰值甚至氣蝕現象，且周期性循環往復，氣蝕現象產生在有桿腔，就可能對活塞桿和前端蓋的密封裝置造成損傷。所以針對這種情況，液壓翻轉缸的漏油不僅僅是因為密封圈自身的老化，還有可能是因為氣穴和氣蝕現象加速了密封圈的老化和損傷。

參考文獻：

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