雙向液壓鎖安全功能的仿真分析研究*

龔 文

上海市特種設備監督檢驗技術研究院 上海 200062

0 引言

雙向液壓鎖是工程起重機械的重要安全元件，一般與重要的執行元件液壓缸剛性連接，用于可靠鎖定執行元件，確保作業安全[1]。以常見的輪胎起重機和汽車起重機為例，由于行走用的充氣輪胎承載時變形較大且能力有限，因此，為滿足起重機起吊重物的作業要求，在起重機的左右兩側各設置2組由液壓缸驅動的可展開和升降的支腿[2，3]。當起吊作業時，操縱多路閥將4個支腿展開到位，再將升降液壓缸的活塞桿伸出，起重機整體被支起。通過微調活塞桿伸出的長度實現車身水平，則起重機自重和吊重的負載全部由4個支腿承受。作業過程中，若某一支腿出現回縮，極有可能導致起重機傾覆事故，故雙向液壓鎖的作用顯得尤為重要。本文針對典型雙向液壓鎖的結構，在對雙向液壓鎖動力學分析基礎上，建立基于Amesim的液壓系統仿真模型，分析了雙向液壓鎖實現鎖定作用的動態過程，為雙向液壓鎖的日常使用和故障診斷提供技術依據，保證設備安全使用。

1 雙向液壓鎖結構和工作過程

雙向液壓鎖主要由左單向閥閥芯、左復位彈簧、右單向閥閥芯、右復位彈簧、控制閥閥芯、控制閥閥芯復位彈簧、閥體和密封件等組成[4]。其圖形符號如圖1所示。

圖1 雙向液壓鎖結構簡圖和圖形符號

閥體上開有 4個油口 A1、A2、B1、B2，其中A1、B1分別連接換向閥的A口和B口，A2、B2分別連接液壓缸的有桿腔和無桿腔，液壓系統如圖2所示。

圖2 液壓系統原理圖

當換向閥處于中位時，A1和B1口直接與油箱相連，此時左單向閥閥芯在左復位彈簧的推力下，處于關閉狀態；右單向閥閥芯在右復位彈簧的推力下，處于關閉狀態；控制閥閥芯在控制閥芯復位彈簧的推力作用下，處于復位狀態，位于中間位置。當換向閥處于左位時，高壓油進入B1口，右單向閥閥芯在液動力作用下，處于開啟狀態，B1和B2連通；控制閥閥芯在液動力作用下，位于左側位置，推動左單向閥芯開啟，A1和A2連通。此時油路方向為B1→B2和A2→A1。當換向閥處于右位時，高壓油進入A1口，左單向閥閥芯在液動力作用下，處于開啟狀態，A1和A2連通；控制閥閥芯在液動力作用下，位于右側位置，推動右單向閥芯開啟，B1和B2連通。此時油路方向為A1→A2和B2→B1。

2 雙向液壓鎖元件與液壓系統建模

本文采用AMESim軟件建立元件級模型和工作液壓回路的系統級模型。AMESim是多學科領域的復雜系統建模與仿真平臺，其提供的機械庫、信號控制庫、液壓庫（包括管道模型）、液壓元件設計庫等在機械-液壓耦合系統建模和仿真方面得到廣泛應用。

2.1 雙向液壓鎖元件建模

根據雙向液壓鎖結構，在動力學分析基礎上，構建元件級模型。根據雙向液壓鎖結構，將其分為左單向閥、右單向閥和控制閥3個模塊，采用Amesim中一維機械庫（1D Mechanical library）中帶摩擦和止動塊的質量（mass with friction and endstops）和彈簧（ideal linear spring）；液壓元件設計庫（Hydraulic Component Design library）中帶銳邊閥座的閥（poppet with sharp edge seat）、帶彈簧的活塞（piston with spring）和活塞（piston）等模塊建立雙向液壓鎖元件級模型，如圖3所示。各模塊的輸入輸出參數如圖4所示[5]。

圖3 雙向液壓鎖Amesim模型

圖4 雙向液壓鎖模型中各模塊的輸入輸出參數

2.2 液壓系統建模

構建完整的液壓系統為雙向液壓鎖元件級匹配輸入和輸出參數。對圖3液壓系統分析可知，除雙向液壓鎖外，液壓系統還包括液壓泵、安全閥、換向閥、液壓缸、負載等部分，采用Amesim中液壓設計庫（Hydraulic library）的液壓泵（ideal fixed displacement hydraulic pump）、安全閥（hydraulic relief valve）、3位4通換向 閥（3 position 4 port hydraulic open center valve）、液壓缸（mass with double hydraulic chamber and single rod）等模塊建立完整的液壓系統模型。各模塊的輸入輸出參數如圖5所示，建立完整的液壓系統Amesim模型如圖6所示。

圖5 液壓系統模型中各模塊的輸入輸出參數

圖6 液壓系統Amesim模型

3 仿真和分析

支腿伸縮液壓缸工作時主要為空載伸縮和負載伸縮2個過程。由于動態外部負載難以模擬，故用恒定外力來代替外部負載。對上述2個過程分別進行仿真，得到相應的仿真曲線。為便于分析，對各仿真數值進行歸一化處理。假設換向閥控制信號為xk時處于左位，為0時處于中位，為-xk時處于右位。單向閥閥芯開口位移的最大值分別為xd1和xd2。

3.1 液壓缸空載伸縮過程仿真分析

支腿液壓缸空載伸縮時，液壓缸活塞桿、雙向液壓鎖控制閥閥芯位移、右側單向閥閥芯和左側單向閥閥芯動態仿真曲線如圖7所示。

圖7 空載時，動態仿真曲線

1）A～B段時，換向閥處于左位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為xk，處于左側。右側單向閥與高壓油相連，由于沒有外部負載，壓力較低，壓力不足以將其閥芯完全開啟，故閥芯開口位移小于xd1，處于非全開口狀態，且足以使液壓油全流量通過；壓力足以推動控制閥閥芯將左側單向閥閥芯完全開啟，故左側單向閥閥芯開口位移為xd2，處于全開口狀態；活塞桿外伸。

2）B～C段時，換向閥處于中位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為0，處于中間。右側單向閥與回油口相連，壓力為0，故閥芯開口位移為0，處于關閉狀態；左側單向閥與回油口相連，壓力為0，故閥芯開口位移為0，也處于關閉狀態；控制閥閥芯左右兩側壓力為0，在復位彈簧作用下回到中間位置；活塞桿停止。

3）C～D段時，換向閥處于右位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為-xk，處于右側。左側單向閥與高壓油相連，由于活塞桿自重，壓力較高，壓力足以將其閥芯完全開啟，故閥芯開口位移為xd2，處于全開口狀態；壓力足以推動控制閥閥芯將右側單向閥閥芯完全開啟，故右側單向閥閥芯開口位移為xd1，處于全開口狀態；活塞桿回縮。

3.2 液壓缸負載伸縮過程仿真分析

支腿液壓缸負載伸縮時，換向閥控制信號、液壓缸活塞桿、右側單向閥閥芯和左側單向閥閥芯動態仿真曲線如圖8所示。

圖8 負載時，動態仿真曲線

1）A～B段時，換向閥處于左位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為xk，處于左側。右側單向閥與高壓油相連，由于外部負載作用，壓力較高，壓力足以將其閥芯完全開啟，故閥芯開口位移為xd1，處于全開口狀態；壓力足以推動控制閥閥芯將左側單向閥閥芯完全開啟，故左側單向閥閥芯開口位移為xd2，處于全開口狀態；活塞桿外伸。

2）B～C段時，換向閥處于中位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為0，處于中間。右側單向閥與回油口相連，壓力為0，故閥芯開口位移為0，處于關閉狀態；左側單向閥與回油口相連，壓力為0，故閥芯開口位移為0，也處于關閉狀態；控制閥閥芯左右兩側壓力為0，在復位彈簧作用下回到中間位置；活塞桿停止。

3）C～D段時，換向閥處于右位；雙向液壓鎖的控制閥閥芯位移為-xk，處于右側。左側單向閥與高壓油相連，由于外部負載作用，壓力較低，壓力不足以將其閥芯完全開啟，故閥芯開口位移小于xd2，處于非全開口狀態，且足以使液壓油全流量通過；壓力足以推動控制閥閥芯將右側單向閥閥芯完全開啟，故右側單向閥閥芯開口位移為xd1，處于全開口狀態；活塞桿回縮。

從仿真結果可知，當換向閥復位處于中位時，不論外部負載如何變化，液壓缸活塞桿保持停止，因此，可防止起重機在作業時發生支腿回縮的“軟腿”現象，以及起重機行駛、停放時支腿自行下落，實現可靠鎖定。當換向閥處于左位或右位時，若換向閥與雙向液壓鎖之間的進油軟管出現破裂等情況，雙向液壓鎖進油側單向閥壓力不足，將立即關閉，防止活塞桿反向運動，同樣實現可靠鎖定。當受到一定外部負載作用時，空載時處于部分開啟狀態的單向閥閥芯可能變為完全開啟狀態，而完全開啟狀態的單向閥閥芯也有可能變為部分開啟狀態。空載和負載情況下，活塞桿的外伸速度差別不大，但回縮速度有明顯差別。后續可建立相應的故障模型，注入仿真模型，進一步研究不同故障下雙向液壓鎖的動態特性。