高空作業(yè)車工作平臺調(diào)平液壓系統(tǒng)動態(tài)特性研究

肖 寧，黎中銀，肖 清，何 維

XIAO Ning1, LI Zhong-yin2, XIAO Qing3, HE Wei1

（1.廣西科技大學 機械工程學院，柳州 545000；2.三一重工股份有限公司，珠海 519000；3.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 410000）

0 引言

高空作業(yè)車用來將人伸至高空進行作業(yè)，在作業(yè)過程中，由于內(nèi)外各種干擾的影響，工作斗產(chǎn)生抖動；而在高空作業(yè)車的實際作業(yè)過程中，工作斗調(diào)平運動隨著工作斗在工作空間中位置的變化而伺服運動，對運動的平穩(wěn)性和動態(tài)響應性能有較高的要求。課題主要從液壓系統(tǒng)方面著手，通過減弱液壓系統(tǒng)工作過程的壓力沖擊來使執(zhí)行機構運行更加平穩(wěn)；以工作斗調(diào)平運動為攻克對象，設計改進方案，并通過仿真分析和試驗驗證，從而得到最適合工程實用的方案。利用AMESim來搭建液壓系統(tǒng)模型，并分析調(diào)平液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應時間等動態(tài)特性，針對動態(tài)特性指標不夠理想等情況，采取了在液壓系統(tǒng)中加入阻尼孔、長管道和蓄能器等元件來提高調(diào)平液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能[1]。

在AMESim中搭建模型一般分為四個步驟：草稿模式、子模型模式、參數(shù)模式和運行模式。依次按照這四個模式進行，便可搭建所需系統(tǒng)模型。首先在AMESim中建立如圖1所示的工作斗調(diào)平液壓系統(tǒng)；其次在AMESim中進行仿真，由圖2可以看出，液壓系統(tǒng)在系統(tǒng)建立壓力的開始階段，液壓管路中的壓力波動是十分劇烈的，壓力沖擊顯而易見。2s時，電磁閥得電，液壓管路中開始建立壓力，5s時即達到了系統(tǒng)的工作壓力120bar。

圖1 液壓系統(tǒng)的AMESim模型

工作斗調(diào)平液壓系統(tǒng)在實際工作中會產(chǎn)生沖擊振動，分析其原因可能是電磁閥的瞬間開啟和關閉使得液壓管道中的壓力發(fā)生了較大變化；或是工作斗中負載發(fā)生較大變化時使得油缸的負載發(fā)生了較大變化，從而使管路中的液壓油對液壓閥和執(zhí)行機構產(chǎn)生了沖擊；當高空作業(yè)車在臂架變幅運動時，調(diào)平比例閥安裝在工作斗附近，與調(diào)平油缸距離很近，而液壓系統(tǒng)采用了定量泵，且比例閥前管道是很長的，管道始終處于高壓狀態(tài)，當調(diào)平電磁閥瞬時開啟或關閉，必然會對電磁閥和執(zhí)行機構造成壓力沖擊，因而需采取措施來吸收液壓管路中的壓力沖擊[1]。

圖2 B口和S口壓力對比

1 實驗方案設計

1.1 阻尼孔方案設計

利用阻尼孔具有減小液壓沖擊的作用，在三通流量控制閥的控制口處加入一阻尼元件，得到如圖3所示的配置了阻尼孔的AMESim調(diào)平液壓系統(tǒng)，通過選擇特定的孔徑和孔形，能夠使阻尼孔有效的減小液壓管路中的壓力沖擊，課題選擇的是2mm孔徑的薄壁小孔。

圖3 配置阻尼孔液壓系統(tǒng)模型

圖4 配置阻尼孔B口和S口壓力對比

圖4 是配置阻尼孔的液壓系統(tǒng)B口和S口的壓力對比，可以從仿真結果看出，在電磁閥開啟的瞬間，管路中的液壓沖擊明顯減弱，說明阻尼孔對壓力沖擊有明顯的衰減作用。但阻尼孔會降低液壓系統(tǒng)的效率，因此阻尼孔方案可作為一個有效的備選方案。

1.2 長管道方案設計

圖5為配置長管道后的AMESim調(diào)平液壓系統(tǒng)模型，當橡膠軟管的彈性模量減小時，油液的等效體積模量也會隨之減小，故可利用此特性來用橡膠軟管吸收管路中的液壓沖擊，此處不用長鋼管的原因是其吸收液壓沖擊時調(diào)整時間較快。在AMESim中通過仿真來驗證橡膠軟管對液壓沖擊的吸收能力，得到B口和S口的壓力曲線如圖6所示。由仿真結果可以看出，在電磁閥開啟的瞬間，三通控制閥S口的液壓沖擊明顯減小，且對液壓沖擊的吸收效果要優(yōu)于配置阻尼孔的方案，但在實際工程中，布置較長的液壓軟管需占據(jù)較大空間，且增加生產(chǎn)成本，同時需要較長的液壓軟管對壓力的衰減才會比較明顯，這顯然會降低液壓系統(tǒng)的效率，故在實際應用中存在較苛刻的條件，在此僅作為備選方案。

圖5 配置長管道液壓系統(tǒng)模型

圖6 配置長管道B口和S口壓力對比

1.3 蓄能器方案設計

在三通流量控制閥的S口加入蓄能器，得到配置蓄能器的AMESim調(diào)平液壓系統(tǒng)如圖7所示，蓄能器能夠有效地吸收液壓管路中產(chǎn)生的壓力沖擊。三通流量控制閥的S口接入液壓系統(tǒng)中的最大工作壓力，同時S口的另一側接入液壓泵的出口壓力，因此液壓泵B口壓力和該系統(tǒng)中的最大壓力的差值會是一定值，該值即為三通流量控制閥補償器彈簧的設定值，于是保證系統(tǒng)在不工作時是在較低的溢流壓力環(huán)境下卸荷，和原系統(tǒng)相比降低了能量損耗，采用配置蓄能器的方案液壓系統(tǒng)的工作效率更高[2]。

通過AMESim模型仿真，得到配置蓄能器后液壓系統(tǒng)B口和S口的壓力對比如圖8所示，可以看出S口的壓力沖擊明顯減弱，說明蓄能器能夠有效吸收液壓管路中的壓力沖擊，相比于前兩種方案，蓄能器在系統(tǒng)壓力較高時吸收壓力，在系統(tǒng)壓力較低時釋放壓力，因而節(jié)能效果更加顯著。

圖7 配置蓄能器液壓系統(tǒng)模型

圖8 配置蓄能器B口和S口壓力對比

2 設計方案結果分析

液壓系統(tǒng)一般在以下情況下會產(chǎn)生壓力沖擊現(xiàn)象，如負載劇烈變化或者電磁閥換向、關閉時，由于管路中液壓油的流動狀態(tài)產(chǎn)生急劇變化會導致壓力沖擊，盡管液壓系統(tǒng)中都會設有卸荷閥，但其響應時間較長，無法減弱沖擊，這情況下壓力一般比較高，能達到正常壓力值的幾倍。另外劇烈的壓力沖擊會導致液壓系統(tǒng)中的元件出現(xiàn)故障：噪聲或執(zhí)行機構振動，因而需采取措施來減弱液壓沖擊，根據(jù)上述分析，通過在液壓系統(tǒng)中引入蓄能器能夠有效的衰減系統(tǒng)的壓力沖擊，同時提高液壓系統(tǒng)的工作效率，能夠使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。如圖9所示為采用上述三種方案后液壓缸壓力曲線變化的對比，可以看出，原系統(tǒng)的壓力響應時間是最迅速的，但此刻產(chǎn)生的沖擊壓力也是最大的，這會使液壓缸運動時產(chǎn)生抖動。而配置蓄能器后，液壓油缸的壓力響應時間是最遲鈍緩慢，同時沖擊壓力也較小，其主要原因是蓄能器首次工作時，氣囊壓力的建立需要花費一定時間，因而建立油缸壓力的時間最慢，又因為蓄能器還具有保壓得功能，故在后續(xù)的工作過程中，系統(tǒng)壓力都是在上一次基礎之上建立的，油缸壓力的建立時間將會顯著縮短。配置阻尼孔和配置長管道的方案，系統(tǒng)的壓力建立時間比原有系統(tǒng)要稍長，但同時系統(tǒng)中的液壓沖擊也減弱[3]。

圖9 液壓缸壓力曲線變化

圖10 控制閥關閉瞬間液壓缸壓力曲線對比

3 結論

為了更加明顯對比三種方案對液壓沖擊的衰減作用，將電磁換向閥在8s時停止工作，得到不同方案的調(diào)平液壓缸壓力曲線對比如圖10所示，可以看出，不同配置方案所導致的壓力沖擊效果差別很大，總的來說，壓力沖擊由大到小依次為原系統(tǒng)、配置阻尼孔、配置長管道、配置蓄能器。配置蓄能器后，系統(tǒng)的壓力沖擊不僅最小，且壓力進入穩(wěn)態(tài)的時間也最短，同時配置蓄能器方案還有利于系統(tǒng)節(jié)能，同時，在實際工程中，蓄能器技術較為成熟，故配置蓄能器是較為理想的方案。

[1] 周景松.蓄能器在高空作業(yè)車中的應用和研究[D].大連∶大連理工大學,2012.

[2] 王繼紅.蓄能器在工程起重機上的新應用[J].工程機械,2001,32(9)∶34-35,54.

[3] 董春芳,朱玉杰,馮國紅.基于AMESim的長管道液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真[J].煤礦機械,2010,31(1)∶89-91.