隨車起重機(jī)雙定量泵合流多路閥的設(shè)計(jì)與研究

黃文俊 張 戚

江蘇宏昌天馬物流裝備有限公司 揚(yáng)州 225003

0 引言

直臂隨車起重機(jī)是一種多用途機(jī)械，具有吊裝運(yùn)輸快速便捷的特點(diǎn)，其主要作業(yè)動(dòng)作包括卷揚(yáng)、變幅、伸縮及轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)。目前，單定量泵系統(tǒng)仍是隨車起重機(jī)液壓系統(tǒng)的主流[1]，但高效、綠色的技術(shù)理念已成為現(xiàn)今時(shí)代的要求，現(xiàn)有的小排量單泵系統(tǒng)逐漸難以滿足隨車起重機(jī)的動(dòng)作的速度要求，而大排量單泵系統(tǒng)的配置受底盤發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出的限制，難以解決高負(fù)載壓力下的發(fā)動(dòng)機(jī)憋壓熄火問題。文獻(xiàn)[2]提及的一種隨車起重機(jī)雙定泵合流多路閥，采用卷揚(yáng)動(dòng)作時(shí)主泵與副泵合流、其余工況均不合流的技術(shù)方案，僅能實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)動(dòng)作時(shí)的雙泵合流，且主、副泵工作壓力設(shè)定等級(jí)應(yīng)相同。因此，除僅能實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)工況合流外，副泵不能在主泵系統(tǒng)高壓時(shí)低壓卸荷，易造成底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率扭矩輸出不足而憋壓熄火；其副泵也難以采用壓力等級(jí)低、價(jià)格優(yōu)勢(shì)更大的油泵。

本文設(shè)計(jì)研究的隨車起重機(jī)雙定泵合流多路閥，除回轉(zhuǎn)聯(lián)外其余聯(lián)均合流的技術(shù)方案，其在系統(tǒng)工作壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，副本能及時(shí)低壓卸荷的特點(diǎn)，能確保底盤發(fā)動(dòng)機(jī)不因輸出功率與扭矩不足而熄火。

1 雙定量泵多路閥的分合流原理設(shè)計(jì)

為提升直臂隨車起重機(jī)作業(yè)效率，除卷揚(yáng)提升動(dòng)作外，其變幅抬臂、臂架外伸這2個(gè)動(dòng)作也需大流量合流、雙泵供油工作。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)聯(lián)工作時(shí)，相對(duì)需求油量小、工作壓力低，為此，設(shè)計(jì)了一種雙定量泵合流多路閥系統(tǒng)[3]，其雙泵分合流控制的思路為轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)作時(shí)，確保僅副泵向回轉(zhuǎn)聯(lián)供油；而其他工作聯(lián)動(dòng)作時(shí)，主泵與副泵合流、同時(shí)向工作聯(lián)供油；如系統(tǒng)在合流狀態(tài)下，工作負(fù)載壓力升至設(shè)定值時(shí)，雙定量泵合流狀態(tài)及時(shí)切換到分流狀態(tài)。此時(shí)，如回轉(zhuǎn)聯(lián)不工作，則副泵將處于低壓卸荷狀態(tài)；如回轉(zhuǎn)聯(lián)也同時(shí)工作，則副泵獨(dú)立向回轉(zhuǎn)聯(lián)供油、主泵獨(dú)立向回轉(zhuǎn)聯(lián)以外的工作聯(lián)獨(dú)立供油。具體的合流多路閥設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

上述雙定量泵合流控制多路閥的雙定量泵分合流聯(lián)左側(cè)設(shè)置有主泵頭聯(lián)、卷揚(yáng)聯(lián)、變幅聯(lián)和伸縮聯(lián)或其他組合，右側(cè)設(shè)置有副泵頭聯(lián)與回轉(zhuǎn)聯(lián)，主泵頭聯(lián)溢流閥壓力設(shè)置為整系統(tǒng)最高工作壓力31 MPa，副泵頭聯(lián)溢流閥設(shè)定壓力為中壓17 MPa，分合流聯(lián)的壓力切斷閥壓力設(shè)定16 MPa，阻尼12用于控制分合流控制閥動(dòng)作速度；單向閥10用于高壓脈沖的反向截止以保護(hù)副泵；常態(tài)下分合流閥呈導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)卷揚(yáng)、變幅及伸縮的任一工作聯(lián)開始動(dòng)作，由于回轉(zhuǎn)聯(lián)不動(dòng)作、位置M處壓力趨于0，壓力切斷閥也處于截止?fàn)顟B(tài)，則由于阻尼12的作用，確保了分合流切換閥的控制腔壓力趨于0，并在閥芯彈簧作用下保持導(dǎo)通狀態(tài)，而此時(shí)副泵頭聯(lián)流量匹配器則均工作，使主副泵均建壓向卷揚(yáng)、變幅與伸縮中的工作聯(lián)合流供油；隨著系統(tǒng)工作壓力的升高，達(dá)到16 MPa的壓力切斷閥的設(shè)定壓力時(shí)，該閥將切換到導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)負(fù)載敏感LS油路的壓力油通過壓力切斷閥導(dǎo)入分合流切換閥的控制腔，使閥芯克服彈簧由導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)，切斷主副泵的主油路與負(fù)載敏感LS油路的連通，此時(shí)，單向閥6反向截止，確保分合流切換閥控制腔壓力油不會(huì)反向流入到回轉(zhuǎn)聯(lián)。主泵頭聯(lián)流量匹配器的LS油路由于依然能獲得卷揚(yáng)、變幅與伸縮中工作聯(lián)的負(fù)載反饋壓力而繼續(xù)工作，但副泵由于回轉(zhuǎn)聯(lián)不工作，副泵頭聯(lián)流量匹配器的LS油路采集不到負(fù)載壓力，而以待機(jī)壓力低壓卸荷副泵，由此確保液壓系統(tǒng)的取用功率不至于工作壓力的過高、底盤發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率或扭矩不足，而導(dǎo)致底盤發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

在任何工況下，只要回轉(zhuǎn)聯(lián)工作，則其M點(diǎn)位置將能采集到工作液壓油、通過單向閥6流入到分合流切換閥的控制腔，使合流切換閥切斷主副泵的油路連通，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)聯(lián)只能由副泵獨(dú)立供油工作。此時(shí)，壓力切斷閥確保了從回轉(zhuǎn)聯(lián)采集的控制油，不會(huì)流入到主泵系統(tǒng)。由于回轉(zhuǎn)聯(lián)實(shí)際工作壓力較低，使副泵由此可采用廉價(jià)的中壓油泵、進(jìn)一步降低系統(tǒng)的制造成本。

2 合流多路閥技術(shù)的建模仿真驗(yàn)證

為了更好地驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的雙定量泵合流多路閥功性能，首先利用AMESim軟件仿真平臺(tái)，搭建出該分合流多路閥的計(jì)算機(jī)仿真模型并先行進(jìn)行虛擬驗(yàn)證[4，5]，其仿真模型如圖2所示。

根據(jù)圖1中原理圖所示，由于卷揚(yáng)、變幅及伸縮3組工作聯(lián)均位于合流聯(lián)同一側(cè)，對(duì)于雙泵分合流功性能驗(yàn)證而言不失一般性，此處僅建立了卷揚(yáng)聯(lián)模型，且其與主泵、主泵頭聯(lián)，一起布置于分合流控制聯(lián)一側(cè)；回轉(zhuǎn)聯(lián)與副泵、副泵頭聯(lián)一起布置于分合流控制聯(lián)另一側(cè)；卷揚(yáng)聯(lián)及回轉(zhuǎn)聯(lián)的負(fù)載，分別用一只液壓缸及質(zhì)量塊來模擬，且由速度傳感器檢測(cè)液壓缸運(yùn)行速度，根據(jù)各液壓缸運(yùn)行速度，對(duì)相應(yīng)質(zhì)量塊施加阻力載荷，以模擬工況載荷；2個(gè)f (x)函數(shù)塊用以便于調(diào)節(jié)卷揚(yáng)與回轉(zhuǎn)不同負(fù)載的大小。

在圖2所示模型中，為了實(shí)現(xiàn)主副泵流量的柔性分合流控制，特對(duì)雙定量泵分合流聯(lián)的主油路分合流閥芯與LS油路分合流閥芯，均采用過渡節(jié)流槽閥芯建模，并控制相應(yīng)閥芯的周向節(jié)流槽口的設(shè)置數(shù)量，來控制2處閥芯的通流面積與各自實(shí)際流量匹配[6]。

模型中的卷揚(yáng)聯(lián)、回轉(zhuǎn)聯(lián)及各自頭聯(lián)均采用了市場(chǎng)常用的DCV95系列負(fù)載敏感多路閥結(jié)構(gòu)參數(shù)建模，其具體參數(shù)此處從略；而涉及雙定量泵分合流控制的部分，其具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型仿真分合流控制主要設(shè)置參數(shù)

通過圖2中所建模型，采用常規(guī)求解器、動(dòng)態(tài)仿真模式及變步長(zhǎng)仿真運(yùn)算，典型結(jié)果如圖3～圖5所示。

從圖3的卷揚(yáng)獨(dú)立工況系統(tǒng)仿真曲線可知，卷揚(yáng)聯(lián)獨(dú)立工作時(shí)實(shí)際流量為85.7 L/min，此時(shí)主泵的輸出流量為58 L/min，副泵的輸出流量為28.9 L/min，此數(shù)據(jù)說明卷揚(yáng)聯(lián)工作在雙泵合流狀態(tài)。

由圖4可知，在卷揚(yáng)獨(dú)立工作、系統(tǒng)處于合流供油狀態(tài)下，啟動(dòng)回轉(zhuǎn)聯(lián)工作時(shí)，合流聯(lián)閥芯將立即動(dòng)作、多路閥從合流狀態(tài)切換到分流狀態(tài)，使主、副泵分別獨(dú)立向卷揚(yáng)聯(lián)與回轉(zhuǎn)聯(lián)供油。說明本文所述多路閥能很好滿足圖4工況下的分合流功能。

圖5為該模型仿真輸出的、合流系統(tǒng)壓力超設(shè)定值，副泵脫開合流狀態(tài)，轉(zhuǎn)入低壓卸荷的仿真運(yùn)算曲線。由圖可知，合流聯(lián)閥芯在系統(tǒng)壓力為16 MPa時(shí)開始切換，且切換動(dòng)作有明顯的斜坡，這有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分合流柔性切換；由圖5中還可看出，副泵低壓卸荷壓力為2.7 MPa，這是卸荷后副泵負(fù)載敏感系統(tǒng)頭聯(lián)設(shè)定的待機(jī)壓力。

3 合流多路閥的實(shí)車驗(yàn)證

通過上述雙定量泵合流多路閥的設(shè)計(jì)與其虛擬仿真性能驗(yàn)證，表明本文的合流多路閥技術(shù)可行性高、能滿足設(shè)計(jì)要求。如圖6所示，對(duì)該合流多路閥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裝車應(yīng)用，并對(duì)其進(jìn)行了完整的功性能測(cè)試驗(yàn)證。

實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試，得到該閥系統(tǒng)在卷揚(yáng)聯(lián)獨(dú)立工作時(shí)，主、副泵合流向卷揚(yáng)共同提供油源的實(shí)測(cè)曲線見圖7。由圖7可知，卷揚(yáng)獨(dú)立工作時(shí)其工作流量實(shí)測(cè)約為86.4 L/min，此時(shí)主泵提供流量為59 L/min、主泵工作壓力為8.3 MPa；而副泵提供流量為28 L/min、主泵工作壓力為8.5 MPa，顯然卷揚(yáng)實(shí)際工作流量為主副泵合流后的供給流量。

在卷揚(yáng)聯(lián)獨(dú)立工作、主副泵合流向其供油的工況下，啟動(dòng)回轉(zhuǎn)聯(lián)工作，實(shí)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。圖中曲線顯示卷揚(yáng)聯(lián)獨(dú)立工作時(shí)，主副泵合流、共同向卷揚(yáng)提供液壓油，此狀態(tài)實(shí)測(cè)流量為87.6 L/min；啟動(dòng)回轉(zhuǎn)聯(lián)工作后，主副泵獨(dú)立工作，分別向卷揚(yáng)聯(lián)與回轉(zhuǎn)聯(lián)供油，此時(shí)，卷揚(yáng)聯(lián)實(shí)測(cè)工作流量為59 L/min、回轉(zhuǎn)聯(lián)實(shí)測(cè)工作流量為23 L/min。卷揚(yáng)聯(lián)工作壓力偏低、回轉(zhuǎn)聯(lián)工作流量偏少，是因?yàn)榫頁P(yáng)聯(lián)工作于空載狀態(tài)下測(cè)試、副泵為齒輪泵容積效率偏低的緣故；考慮到安全因數(shù)，回轉(zhuǎn)聯(lián)工作的啟動(dòng)，采用緩慢手柄操作的模式，由此圖中回轉(zhuǎn)聯(lián)啟動(dòng)工作后，其實(shí)測(cè)流量的曲線增長(zhǎng)坡度較卷揚(yáng)曲線緩慢。

為了實(shí)測(cè)合流多路閥的低壓卸荷功能，特采用卷揚(yáng)聯(lián)提升12 t載荷工況，緩慢操作多路閥手柄、逐漸加載，其測(cè)試的相關(guān)數(shù)據(jù)曲線如圖9所示。可知卷揚(yáng)聯(lián)工作剛開始時(shí)，系統(tǒng)壓力較低，主副泵合流向卷揚(yáng)聯(lián)供油，直到卷揚(yáng)工作壓力達(dá)到17 MPa時(shí)，副泵開始卸荷，此后的卷揚(yáng)聯(lián)僅由主泵供油，其工作壓力隨著多路閥手柄開度的加大，負(fù)載壓力繼續(xù)上升直至超過20 MPa；而副泵卸荷后的輸出壓力實(shí)際保持在1.86 MPa、即副泵頭聯(lián)三通流量匹配器限定的LS負(fù)載敏感待機(jī)壓力。如是的副泵低壓卸荷，確保了系統(tǒng)在低負(fù)載工況下，獲得更多液壓油工作流量的同時(shí)，其高負(fù)載工況下，也不會(huì)發(fā)生底盤發(fā)動(dòng)機(jī)因輸出功率或扭矩不足而憋壓熄火現(xiàn)象。

4 總結(jié)

1）除回轉(zhuǎn)聯(lián)外、其余如卷揚(yáng)等工作聯(lián)均能利用雙泵合流的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、更利于提升作業(yè)效率；

2）在底盤輸出扭矩受限下，副泵的高負(fù)載下低壓卸荷，確保了不發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)憋壓熄火現(xiàn)象；

3）回轉(zhuǎn)聯(lián)工作壓力低，由副泵獨(dú)立供油，使其可配置廉價(jià)的中低壓齒輪泵，利于降低制造成本。