淺談大型翻轉平臺液壓系統的設計開發

馬彬鋒，賀平均，蔡軍黨，辛向華，焦麗聰

（中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

由于大型翻轉平臺運行中負載大，執行機構的負載高達百噸，因此采用液壓系統作為執行系統。樂華歡樂世界平臺由多支油缸組成，同時完成翻轉動作。為了克服翻轉平臺運行過程中的變載，實現同步以及滿足平臺載人的安全性，該平臺在設計過程中有三個重要的技術要求：（1）液壓系統能夠克服翻轉變載對翻轉速度的影響，能夠保證平臺安全平穩無沖擊運行。（2）液壓系統必須雙重安全措施保證系統在出現緊急狀態下可以保持平臺在任意位置可以停止。（3）必須具備安全降落裝置，當平臺在翻轉過程中故障，可以通過手動裝置平穩將平臺降落至安全維修位置。

1 系統設計指標

本文針對大型翻轉平臺設計了一套液壓控制系統，用于翻轉平臺的翻起與下降的控制。

該系統能夠實現單個平臺的上升、下降功能，上升下降均可以調節。該液壓系統能夠驅動執行油缸實現平臺翻起與落下，通過油缸位移傳感器和極限限位開關，實現平臺到位時軟停止，極限限位在位移傳感器失靈時起到保護作用。該單臺翻轉平臺由四個雙作用油缸實現平臺的整體上升與下降。該系統主要解決三個問題：（1）平臺翻轉下降時，系統要在回油管路建立背壓，確保不會超速下降且停止在任一位置，為此在油路上采用FD 型平衡閥和液壓鎖。（2）4 個雙向缸運動要保持同步，以保證平臺運行時的穩定性，為此在進油管路上裝配有液壓同步馬達。（3）平臺在翻轉過程中液壓閥故障，要保證平臺能夠手動降落到最低位，便于維修更換閥，為此在回油上加裝旁路溢流閥。根據現場調試和實現情況，本系統集成的閥門能夠很好地解決以上三個問題。液壓系統的基本參數：系統額定壓力21MPa，工作壓力16MPa；額定流量為400L/min；平臺重量25T，翻轉速度30°/min,翻轉角度0～90°。

2 系統原理

翻轉平臺液壓控制系統由液壓動力站、翻轉平臺控制閥臺組成。液壓動力站由于向油缸執行元件提供動力，主要由電機、油泵、電磁溢流閥等組成。翻轉平臺控制閥臺由電液換向閥、調速閥、液壓鎖、平衡閥、液壓同步馬達組成，如圖1 所示。

圖1 翻轉平臺控制閥臺原理圖

當電液換向閥1 位于左位時，液壓油進入系統，此時，調速閥2 起作用，液壓鎖3 打開，壓力油經平衡閥4、液壓馬達5 進入液壓缸無桿缸，油缸桿伸出，翻轉平臺翻轉上升。當1 處于中間時，系統處于卸荷狀態，此時，平衡閥被鎖住，液壓鎖也落鎖，液壓缸內的油不能返回系統中。平臺的液壓缸桿被鎖死固定位置，此時，平衡閥同液壓鎖一塊起雙重鎖緊作用。當1 處于右側時，液壓油將液壓鎖、平衡閥打開，有桿腔進油，平臺翻轉向下。當閥1、2、3、4 任意一個閥在工作中故障時，可通過打開溢流閥6 使平臺慢慢落到最低位，再打開管路系統來檢修閥門等。

平臺的翻轉上升速度可通過調速閥來調速，下降速度可通過平衡閥和調速閥來調節。泵的出口有調節壓力的電磁溢流閥，平時通過手動調節好系統壓力，緊急情況下可以通過電磁閥通電來卸荷。

當平臺上升時，有桿腔進油，將平臺向上頂，油缸桿一直受壓力，不需要平衡壓力。當平臺下降時，無桿腔進油，平衡閥串在無桿腔油路上，當平臺下降時負載越來越大時，無桿腔建立起背壓進行平衡。由于下降時翻轉平臺慣性特別大，重心越來越遠，油缸負載越來越大，因此，液壓系統必須確保整個機構的運行平衡性，所以選擇平衡閥是合適的。

單臺翻轉平臺有四個液壓缸，為了保證四個油缸同步，采用同步液壓馬達保證油缸的運行同步。

3 系統計算

（1）液壓缸選型計算。根據液壓缸桿與平臺相對位置、以及翻轉角度的關系計算工得出液壓缸行程2.2m,液壓缸缸徑200。缸桿160，液壓所受最大壓力50T,額定壓力16MP。

（2）平臺翻轉速度計算，由于油缸的行程是2200mm,油缸的速度為734mm/min,四個油缸所需的流量為110L/min，系統額定流量為400L/min，除了其他平臺所需250L/min 外，滿足翻轉平臺所需流量。

4 系統的優化

（1）減小液壓系統水錘效應。由于液壓系統負責整個平臺的5 臺翻轉平臺控制，系統采用分布式布置，即從液壓站引出先鋪設100 多米長的進、回油管，再從主管路上分出各支路，接入各翻轉平臺的就地控制閥臺上。當系統中某個翻轉平臺突然停止，系統主管路的正在前行的液壓油會突然被阻擋，或者液壓站溢流閥卸荷情況時，整個主管路系統會產生嚴重的水錘效應，使得整個主管路系統產生很大的壓力沖擊和振動。管路之間的密封在長時間的振動中會發生液壓油泄漏，使得整個液壓系統處于不穩定狀態。

由于水錘效應不可避免，只能通過優化系統來減小水錘對系統的沖擊。從液壓原理圖來看，液壓泵采用的是定量泵，即無論何種狀態，系統一直按照泵的排量輸出液壓油，當系統卸荷時，主管的液壓油會突然失壓至零使得油液在回油箱時產生巨大的水錘效應。因此，有兩種方案來解決上述問題：①將卸荷閥的卸荷壓力分為兩個壓力等級卸壓，在第一次卸壓時將壓力卸荷到6MPa 左右，再在第二次卸壓時卸荷到0MPa。②將定量泵在改為恒壓變量泵，這樣使得使得泵按照所需流量輸出，減小過多流量卸荷對系統管網的沖擊。實際上，上述兩種方法同時使用效果更好。

（2）減小整個液壓系統發熱量。由于整個液壓系統是采用定量泵供油，在單個翻轉平臺工作時，系統很多液壓油直接帶壓回到液壓油箱，造成大量功率損失變成熱量，使得油溫上升較快。為了解決此問題，可同時通過以下三種方式來解決：①需要將定量泵改為恒壓變量泵，這樣油泵輸出的液壓油是平臺所需的流量，多余的流量直接在泵內部回到油箱，減少系統的發熱量。②在油箱上附加油冷機，可以有效地降低系統油溫。③在各終端閥臺上設置溢液閥，減少液壓油直接通過液壓站油箱上的溢液閥直接回到油箱，遠端溢流閥經過較長的回油管路，也可以達到有效散熱的目的。

采用方案2 改造后，根據現場調試情況，整個系統油溫能夠一直維持在45°以內，達到液壓油比較理想的工作溫度范圍，但只能滿足兩場平臺的演出效果，實際上，3 種方案同時運用效果更好。