基于FluidSim汽車(chē)起重機(jī)平衡回路的分析

曹 娟

(太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，山西 太原 030027)

0 引言

汽車(chē)起重機(jī)是一種起吊作業(yè)設(shè)備，具有機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能在沖擊、振動(dòng)、溫差大、環(huán)境差等野外作業(yè)，因而在城市建設(shè)、水利水電、消防、物流等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。汽車(chē)起重機(jī)起重作業(yè)機(jī)構(gòu)主要包括支腿機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、伸縮臂機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)五個(gè)部分。各機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，均采用液壓形式驅(qū)動(dòng)，汽車(chē)起重機(jī)是由液壓系統(tǒng)控制的，其液壓系統(tǒng)以執(zhí)行元件為中心劃分，可以分為支腿回路、起升回路、變幅回路、起重臂伸縮回路和回轉(zhuǎn)回路等。將這些復(fù)雜的回路進(jìn)行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)支腿、起升、變幅、起重臂伸縮回路都是由平衡回路、鎖緊回路、制動(dòng)回路等液壓基本回路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)液壓基本功能。

平衡回路廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)起重機(jī)的吊重起升回路、變幅回路、起重臂伸縮回路，本文基于FluidSim軟件對(duì)汽車(chē)起重機(jī)的起升、變幅、起重臂伸縮中的平衡回路進(jìn)行分析，以獲得汽車(chē)起重機(jī)實(shí)際工作的狀況。

1 平衡回路

當(dāng)汽車(chē)起重機(jī)在起吊重物時(shí)，因執(zhí)行元件與垂直部件相連，負(fù)載力方向與運(yùn)動(dòng)方向相同，所以負(fù)載力助長(zhǎng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)。若此時(shí)回油路上無(wú)壓力，將會(huì)導(dǎo)致負(fù)載因自重而自行下降，或負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度越來(lái)越快。為了防止這兩種情況發(fā)生，在回油路上設(shè)置液壓阻力，以平衡負(fù)載，即平衡回路。常見(jiàn)的平衡回路包括3種，分別是單向順序閥組成的平衡回路、液控平衡閥組成的平衡回路和節(jié)流閥組成的平衡回路，如圖1～圖3所示。

1.1 利用單向順序閥組成的平衡回路

單向順序閥組成的平衡回路是由液壓泵、溢流閥、三位四通電磁換向閥、單向順序閥和立式液壓缸組成，此時(shí)單向順序閥串接在下行的回油路上，調(diào)節(jié)單向順序閥開(kāi)啟壓力，開(kāi)啟的背壓使其能夠支撐活塞及其工作部件的自重。當(dāng)換向閥處于左位時(shí)，活塞下行，由于回油路上存在一定的背壓支撐重力負(fù)載，活塞會(huì)平穩(wěn)下降；當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，活塞停止運(yùn)動(dòng)，不再繼續(xù)下移。這里的單向順序閥又稱(chēng)作平衡閥。這種平衡回路由于有背壓，功率損失會(huì)比較大，當(dāng)活塞及工作部件鎖住時(shí)會(huì)因單向順序閥和換向閥的泄漏而緩慢下落，因此立式液壓缸活塞不可能長(zhǎng)時(shí)間停止，所以這種回路通常只適應(yīng)于工作部件質(zhì)量不大、活塞鎖住時(shí)定位要求不高的場(chǎng)合。

圖1 單向順序閥平衡回路 圖2 液控平衡閥平衡回路

1.2 利用液控平衡閥組成的平衡回路

液控平衡閥平衡回路其核心元件是液控平衡閥，是由液控順序閥和單向閥組合而成的組合閥。當(dāng)活塞下行時(shí)，換向閥左位接通，進(jìn)入外控順序閥的外控油口X壓力大于順序閥的限定壓力，此時(shí)順序閥打開(kāi)，背壓消失，立式液壓缸有桿腔的油液經(jīng)順序閥、換向閥流回油箱。當(dāng)立式液壓缸停止工作時(shí)，液控順序閥關(guān)閉，可以防止活塞因自重下降，并且只有立式液壓缸上腔進(jìn)油，活塞才可以下行[1]。由于液控順序閥采用錐面密封，因此其泄漏量小，閉鎖性能好。回油路上單向閥的作用是保證活塞向下運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。假如回油路上沒(méi)有單向閥，當(dāng)活塞下行時(shí)，液控順序閥將控制油路打開(kāi)，回油腔無(wú)背壓，活塞會(huì)加速下降，使得液壓缸上腔供油壓力不足，單向閥因控制油路失壓而關(guān)閉，此時(shí)液控順序閥控制油路重新建立壓力，再將液控順序閥打開(kāi)，導(dǎo)致活塞下行不穩(wěn)定，易產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊。但是這種平衡回路的回路效率比較高，當(dāng)活塞停止工作時(shí)，液控順序閥關(guān)閉，防止活塞及其工作部件因自重而下降。所以這種液控順序閥組成的平衡回路適用于運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量不是很大而且停留時(shí)間比較短的液壓系統(tǒng)中。

1.3 利用節(jié)流閥組成的平衡回路

節(jié)流閥平衡回路，與上述兩種平衡回路不同的是在回油路上串聯(lián)了單向節(jié)流閥，回油路中串聯(lián)單向閥，產(chǎn)生一定的背壓，平衡負(fù)載，從而防止負(fù)載加速下降；液控單向閥利用其單向閥良好的密封性能，防止活塞因停止運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生自行下滑，同時(shí)不影響負(fù)載正常提升運(yùn)動(dòng)。

2 起重機(jī)工況分析

汽車(chē)起重機(jī)液壓回路分為支腿回路、起升回路、變幅回路、起重臂伸縮回路以及回轉(zhuǎn)回路，如圖4所示。

其中，支腿回路是下車(chē)液壓系統(tǒng)，其他回路是上車(chē)液壓系統(tǒng)。在汽車(chē)起重機(jī)液壓系統(tǒng)中，安全溢流閥共有1個(gè)。下車(chē)支路安全閥主要用于調(diào)定系統(tǒng)的安全壓力，最大壓力為20 MPa。

圖3 節(jié)流閥平衡回路

2.1 汽車(chē)起重機(jī)吊重起升回路控制過(guò)程

起升回路是汽車(chē)起重機(jī)液壓系統(tǒng)的主要工作油路，用來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)，使其完成重物的提升、下放和重物吊在空中停止不動(dòng)等工作。起升回路主要由起升回路換向閥11、起升回路平衡閥10、變量馬達(dá)9、制動(dòng)器液壓缸8、單向阻尼閥7等元件組成。當(dāng)起升換向閥11處于中位時(shí)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)吊鉤下降時(shí)的回油路鎖死，制動(dòng)器可靠地將起升減速器制動(dòng)，不會(huì)因吊鉤及所掛重物自重而下降。采用FluidSim軟件對(duì)起升回路模擬仿真，如圖5所示。

圖4 起重機(jī)液壓回路

2.2 汽車(chē)起重機(jī)變幅回路控制過(guò)程

汽車(chē)起重機(jī)變幅回路的作用是控制和驅(qū)動(dòng)起重臂作俯仰運(yùn)動(dòng)，并使起重臂可靠地停在所需的仰角位置[2]。變幅回路包括變幅回路換向閥4、平衡閥6、變幅液壓缸5等。當(dāng)伸縮換向閥1處于中位時(shí)，來(lái)自伸縮臂回路中的液壓油進(jìn)入到變幅回路換向閥4，安裝平衡閥6的目的是避免因下游回路的工作造成竄油導(dǎo)致起重臂自行下落。當(dāng)變幅回路換向閥4處于中位且無(wú)桿腔的壓力低于液控順序閥的開(kāi)啟壓力時(shí)，油路被封閉，此狀態(tài)下起重臂不升也不降。當(dāng)向后拉變幅回路換向閥4的手柄使得換向閥4右位工作，此時(shí)來(lái)自換向閥12的液壓油經(jīng)液控平衡閥6中的單向閥進(jìn)入到液壓缸5的無(wú)桿腔，推動(dòng)液壓缸5的活塞向上移動(dòng)，從而改變吊臂的起落角度。變幅回路要求工作平穩(wěn)可靠，故在油路中也設(shè)置了液控平衡閥6。增幅或減幅運(yùn)動(dòng)由換向閥4控制，其油流路線(xiàn)類(lèi)同于伸縮支路。利用FluidSim軟件對(duì)汽車(chē)起重機(jī)變幅回路仿真模擬，如圖6所示。

2.3 汽車(chē)起重機(jī)起重臂伸縮回路控制過(guò)程

起重臂伸縮回路的主要作用是控制與驅(qū)動(dòng)起重臂伸縮液壓缸。起重臂伸縮回路主要由伸縮回路換向閥1、平衡閥3、伸縮機(jī)構(gòu)液壓缸2等組成。伸縮式液壓缸2可以實(shí)現(xiàn)起重臂同步伸縮、停止伸縮以及保持伸縮的長(zhǎng)度。伸縮臂換向閥1處于中位時(shí)，從換向閥12流來(lái)的油液經(jīng)過(guò)伸縮臂換向閥1流入下游的回路，進(jìn)入伸縮臂換向閥1的油口中。

圖5 FluidSim起升回路仿真模擬

圖6 FluidSim變幅回路仿真模擬

當(dāng)伸縮臂換向閥1處于右位時(shí)，來(lái)自換向閥12的油液經(jīng)伸縮臂換向閥1的右位，然后經(jīng)液控平衡閥3中的單向閥進(jìn)入到伸縮液壓缸2的無(wú)桿腔，使得缸筒帶著起重臂伸出，同時(shí)伸縮臂液壓缸2的有桿腔油液流回至伸縮臂換向閥1的T油口，然后流回至油箱，這個(gè)過(guò)程為起動(dòng)臂伸出過(guò)程。當(dāng)拉動(dòng)伸縮臂換向閥手

柄，換向閥1內(nèi)油路換成左位，來(lái)自換向閥12的壓力油經(jīng)換向閥1進(jìn)入伸縮臂的有桿腔，目的是使缸筒帶著伸出的起重臂縮回。若此時(shí)液控平衡閥3中的外控順序閥中控制油口X油壓低于限定壓力，此時(shí)伸縮臂液壓缸2無(wú)桿腔回油路被外控順序閥切斷，所以起動(dòng)臂尚不能回縮。當(dāng)順序閥中控制油口X控制壓力達(dá)到2.9 MPa～4.9 MPa時(shí)，液控平衡閥3中的順序閥打開(kāi)，使伸縮缸無(wú)桿腔的回油路與換向閥1中T口接通，無(wú)桿腔排出的油經(jīng)平衡閥3、換向閥1回油口至回油路，此時(shí)起動(dòng)臂才由伸縮臂缸帶著回縮，即為起重臂收縮過(guò)程。圖7為采用仿真軟件FluidSim模擬起重機(jī)伸縮回路的工作過(guò)程。此時(shí)，平衡閥在伸縮回路中主要防止活塞及其工作部件因自重而下降。

圖7 FluidSim伸縮回路仿真模擬

3 結(jié)論

本文通過(guò)軟件FluidSim對(duì)起重機(jī)起升、變幅、伸縮三個(gè)工況進(jìn)行分析，得到汽車(chē)起重機(jī)工作過(guò)程，清晰地認(rèn)識(shí)到采用液控平衡閥的平衡回路在起重機(jī)的液壓系統(tǒng)中起著非常重要的作用，使得重物在任意位置可以停止，且重物不會(huì)因自身重力原因而自行下落，保證了起重機(jī)工作可靠、操作安全。