用于工程改裝車平臺的作業液壓系統設計及仿真

司癸卯， 許天澤， 霍富強， 王 貝

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064)

引言

在不同地形地貌上對道路進行修補、填坑等作業時，目前唯一的辦法就是使用不同的道路養護機械，每一個工序都需配備專用的機械設備[1]。所配備的機械種類繁多，而且由于間歇性作業，每個機械設備使用的次數不多，使得部分設備閑置率高，增加了相應的購置費，同時降低了作業效率。針對這一問題，國外已有學者提出將單一設備系統化、零散作業集合化，具有相同特征的作業模式組合于一體，可“一機多用”的底盤[2]。但此類綜合養護機械在國內尚屬空白。盡快開發出我國自主研發并生產的、可“一機多用”的底盤是提高我國道路養護作業效率的可行辦法，也為養護機械開創更廣闊的未來提供了可行思路。

1 工程改裝車平臺作業液壓系統原理設計

所設計平臺為輪式工程機械通用平臺，可通過匯總各類輪式公路養護車輛的結構參數，對比和仿真得出平臺基本參數。公路養護專用車包括稀漿封層車、同步碎石車以及瀝青路面綜合養護車，輔助養護車包括道路除雪車、道路清掃車等，公路養護車參數配置表數據如表1所示。

表1 公路養護車參數配置表

所設計平臺為可“一機多用”的平臺，要滿足至少2臺設備的作業工況要求，從表中數據可以看出，若取平臺最大質量16000 kg，最高車速90 km·h-1，工作速度1～20 km·h-1，那么設計出的平臺可基本滿足大部分公路養護機械的生產制造要求。

將一系列公路養護機械車的作業液壓系統的執行液壓缸與液壓馬達進行整理與匯總，如表2所示，可分析繪制出平臺的作業液壓系統圖，并將稀漿封層車[3]、同步碎石車[4]、瀝青路面綜合養護車[5]、除雪車[6]以及清掃車[7]等一系列公路養護機械車輛的作業液壓系統的執行液壓缸與液壓馬達對應的回路在示意圖下方標出，使平臺發揮可“一機多用”作用時，只需參照圖解，根據作業方式更換執行機構即可, 圖1所示為平臺作業液壓系統圖。

平臺的作業液壓系統采用以雙聯齒輪泵作為動力輸出的雙回路系統，每條回路在輸入液壓油后都會有1個執行元件進行動作。因此，整個回路中至少會有2個執行元件同時進行動作。該系統的優點是：功率利用較好、動作正確、操作方便[8]。

表2 不同公路養護車作業液壓系統執行機構

不同的作業狀態需選擇不同中位機能的電磁閥，若要求執行機構可以平穩、準確地停留在既定位置上，選用中位機能為“O”形的三位六通電磁換向閥6，7，8，31，32以保證執行機構可以在任意位置保持靜止不動。若執行機構不需要停留在中間位置，則選用中位機能為“Y”形的三位六通電磁換向閥9，10，11，27，28，29，30。設置背壓閥12，13，14，15，16，31，32的目的是保證執行機構平穩動作，同時還起到液壓鎖的作用，使機構運行更加可靠[9]。

執行機構圖1中,20，21，22，23，24，39，40分別為平臺不同工作狀態下的執行液壓缸。當處在稀漿封層車工作狀態時，其分別為攤鋪器舉升液壓缸、攤鋪器分料液壓缸、攤鋪器橫移液壓缸、攤鋪器伸縮液壓缸；當處在同步碎石車工作狀態時，其分別為料斗舉升液壓缸、噴灑桿升降液壓缸、噴灑桿橫移液壓缸、噴灑桿升降液壓缸；當處在瀝青路面綜合養護車工作狀態時，其分別為加熱墻橫移液壓缸、加熱墻升降液壓缸、上料機構舉升液壓缸、加熱墻翻轉液壓缸、壓路機提升液壓缸；當處在除雪車工作狀態時，其分別為振動鏟提升液壓缸、振動鏟擺動液壓缸；當處在清掃車工作狀態時，其分別為左(右)前盤刷伸縮液壓缸、左(右)后盤刷伸縮液壓缸、垃圾箱傾翻液壓缸、垃圾箱尾門液壓缸、吸嘴液壓缸。

1、3.濾油器 2.冷卻器 4.雙聯定量泵 5、33.溢流閥 6～8、31、32.三位六通O形換向閥 9～12、26～30.三位六通Y形換向閥 15～19、35、36.背壓閥 13、14、37、38.預留口 20～24、39、40.液壓缸 25.單向閥 34.緩沖限壓閥 41～43.液壓馬達圖1 平臺作業液壓系統

41，42，43分別為平臺不同工作狀態下的執行液壓馬達，當處在稀漿封層車工作狀態時，其分別為攤鋪器旋轉馬達、高壓清洗馬達；當處在同步碎石車工作狀態時，其分別為布料輥馬達、導熱油馬達；當處在瀝青路面綜合養護車工作狀態時，其分別為旋轉料倉馬達、乳化瀝青馬達、熱瀝青馬達；當處在除雪車工作狀態時，其分別為滾刷馬達、振動鏟馬達；當處在清掃車工作狀態時，其分別為左(右)前盤刷馬達、左(右)后盤刷馬達。

馬達回路中設置緩沖減壓閥34的作用是，當作業馬達在工作中發生啟停、翻轉及制動等動作時，它可將液壓油從高壓腔通入低壓腔進行補油動作，降低系統由液壓造成的沖擊，所以該回路選用中位機能為“O”形的三位六通換向閥30。同理，若馬達不需進行翻轉、制動等動作則可選用中位機能為“Y”形的三位六通換向閥31，32，13，14，37，38為多路閥預留口，以備其他機械設備需要。

2 作業液壓系統計算

2.1 工作壓力確定

所設計平臺的作業執行機構是要集稀漿封層車、同步碎石車、瀝青路面綜合養護車、除雪車以及清掃車的作業方式于一體，以體現“一機多用”的設計理念。通過分析表1可知，瀝青路面綜合養護車與同步碎石車的理論結構數據較為相似，因此本研究將具有相同工作環境、相似結構尺寸的瀝青路面綜合養護車與同步碎石車的作業系統結合，為此為例進行設計。

由表2和圖1可知，瀝青路面綜合養護車的作業方式有加熱墻的橫移、升降以及翻轉動作，上料機構的上下舉升物料動作，壓路機的提升動作，旋轉料倉的翻轉動作，乳化瀝青和熱瀝青的噴灑動作。同步碎石車的作業內容為瀝青結合料的噴灑與骨料的撒布，二者同時進行涉及的作業方式有噴灑桿橫移、升降以及料斗舉升等動作。將二者的作業方式結合，則平臺作業液壓系統的執行機構需要實現的作業方式為：使加熱墻與噴灑桿實現橫移、升降動作；使上料機構(料斗)與壓路機實現舉升動作；使加熱墻、旋轉料倉實現翻轉動作；使瀝青實現噴灑動作。通過各類瀝青路面綜合養護車與同步碎石車資料，確定平臺作業液壓系統的工作壓力值為14 MPa[4]。

2.2 主要元件參數的確定

1) 執行元件載荷大小和主要參數確定

執行元件的液壓缸選用雙作用、單活塞桿HSG型工程用液壓缸，馬達選用齒輪馬達完成既定工況作業[10]，整理集合各執行元件的載荷及主要參數見表3。

2) 液壓缸的工作壓力大小

(1)

式中,p1—— 液壓缸實際工作壓力

p2—— 液壓缸回油腔壓力

F—— 外負載

表3 作業液壓系統執行元件的主要參數

A1—— 液壓缸無桿腔面積

A2—— 液壓缸有桿腔面積

3) 作業液壓馬達的工作壓力大小

(2)

式中，T—— 液壓馬達載荷轉矩

V—— 液壓馬達排量

4) 作業液壓缸的流量大小

Q=Av×103

(3)

式中，A—— 液體流通截面積

v—— 液壓油流速

由執行機構作業時間確定活塞速度，已知各執行機構的作業時間要求為：

(1) 加熱墻完成橫移動作的時間為18 s；

(2) 加熱墻完成升降動作的時間為4 s；

(3) 上料機構完成舉升動作的時間為12 s；

(4) 噴灑桿完成橫移動作的時間為8 s；

(5) 加熱墻完成翻轉動作的時間為15 s；

(6) 噴灑桿完成舉升動作的施加時間為17 s。

由式(3)計算液壓缸流量。

5) 作業液壓馬達的流量大小

Q=Vn×103

(4)

式中，n為馬達轉速。

計算所得的作業液壓系統液壓缸和液壓馬達各個參數如表4、表5所示。

2.3 作業液壓泵選型

1) 作業液壓泵的最大工作壓力大小

p=p3+∑Δp

(5)

式中，p3為執行元件最大工作壓力。由表4可知，執行元件的最大工作壓力為壓路機在提升液壓缸時的工作壓力[11]，即：p3=12.8 MPa；∑Δp為總管路損失壓力，∑Δp=(0.2～0.5)MPa，取∑Δp= 0.5 MPa。

表4 液壓缸參數

表5 液壓馬達參數

由式(5)計算作業液壓泵的最大工作壓力大小為pp=13.3 MPa。

2) 作業液壓泵的流量大小

qvp≥K(∑Qmax)

(6)

式中，K為泄漏系數，一般K=1.1～1.3，取K=1.3；∑Qmax為同一時間作業的所有執行元件的流量之和。

由表4計算得：左回路：∑Qmax左=0.812 L·s-1；右回路：∑Qmax右=1.039 L·s-1；則由式(6)計算可得，雙聯泵前泵流量qvp前=1.056 L·s-1=63.36 L·min-1，后泵流量qvp后=1.351 L·s-1=81.04 L·min-1。選用CBF-F25/31.5APX型雙聯齒輪液壓泵作為作業液壓系統的動力輸出泵，額定工作壓力為20 MPa，額定工作轉速為2500 r·min-1，前泵排量為25 mL·r-1，后泵排量為31.5 mL·r-1。

3 平臺作業液壓系統仿真

3.1 系統建模

在AMESim中對平臺作業液壓系統進行建模[12]，所建模型如圖2所示。

圖2 平臺作業液壓系統模型

3.2 平臺作業液壓系統AMESim仿真

以旋轉料倉馬達為例對仿真結果進行分析[13]。根據所計算旋轉料倉馬達的排量80 mL·r-1，扭矩為77.92 N·m，選擇型號為Eaton87的斜軸定量馬達，其排量為87 mL·r-1，額定轉矩為485 N·m，最高轉速為3750 r·min-1[14]，旋轉料倉馬達的仿真結果如圖3所示。

圖3 平臺作業液壓系統仿真結果

由仿真結果可知，平臺作業液壓系統旋轉料倉馬達流量為78.739 L·min-1，轉速為899.6183 r·min-1，扭矩為78.932 N·m，所以馬達實際工作排量為87.524 mL·r-1與理論結果誤差僅在0.6%左右，故所設計的系統滿足要求。

4 結論

(1) 提出一種可“一機多用”的多用途底盤，通過分析一系列公路養護車的作業模式，設計了工程改裝車平臺作業液壓控制系統，并繪制出作業液壓系統的原理圖，該平臺可適應至少兩種不同的作業工況，實現了“一機多用”的設計目的，可以安全、準確、穩定的完成作業;

(2) 基于AMESim仿真軟件，搭建了該作業液壓系統的仿真模型對其進行仿真分析，并以旋轉料倉馬達為例對仿真結果進行分析，結果表明設計滿足要求;

(3) 所設計平臺不僅有利于節約資源、降低生產和使用成本，同時還能減少對環境的污染，同時為道路養護機械生產廠家提供了理論依據，具有現實指導意義。