機(jī)構(gòu)基于壓力換向的高位垃圾車降低油溫方法研究

李偉濤1 郭騰偉2

LI Wei-tao et al

1.深圳東風(fēng)汽車有限公司 廣東深圳 518000

2.神龍汽車有限公司 湖北武漢 430056

1 前言

高位垃圾車的壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)時(shí),是一種自動(dòng)循環(huán)作業(yè)的模式。每個(gè)動(dòng)作與下一個(gè)動(dòng)作的銜接和順序切換時(shí)，采用將作業(yè)過(guò)程中上一動(dòng)作液壓油缸的壓力作為切換下一動(dòng)作的信號(hào)，輸入PLC后，PLC按壓力信號(hào)的有效性和條件符合性進(jìn)行判斷與運(yùn)算，并發(fā)出下一動(dòng)作的執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)每個(gè)動(dòng)作的自動(dòng)循環(huán)作業(yè)，這就是機(jī)構(gòu)基于壓力換向的高位垃圾車控制原理。

本文將從液壓油缸的壓力信號(hào)捕捉方法上進(jìn)行分析和研究，使壓力信號(hào)捕捉邏輯更加完善和優(yōu)化，減少液壓系統(tǒng)的高壓溢流時(shí)間，達(dá)到降低油溫的目的，提高車輛的可靠性及作業(yè)效率、使用壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)，提升高位垃圾車的技術(shù)水平。

2 高位垃圾車結(jié)構(gòu)組成及高油溫的危害

2.1 高位垃圾車結(jié)構(gòu)組成

高位垃圾車是在二類底盤上配置專用裝置，用于收集轉(zhuǎn)運(yùn)生活垃圾的環(huán)衛(wèi)用車，專用裝置主要由進(jìn)料壓縮機(jī)構(gòu)（翻轉(zhuǎn)架、刮板、滑板）和卸料機(jī)構(gòu)（插銷、后門、推鏟）組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 高位垃圾車結(jié)構(gòu)組成圖

其中，垃圾的壓縮機(jī)構(gòu)為刮板和滑板，其工作模式為自動(dòng)循環(huán)作業(yè)，動(dòng)作順序?yàn)椋涸?刮板張開(kāi)-滑板伸出-刮板刮合-滑板壓縮-原位。每個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作均由液壓系統(tǒng)控制油缸，液壓油缸驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

壓縮機(jī)構(gòu)是高位垃圾車作業(yè)頻次最高的循環(huán)作業(yè)機(jī)構(gòu),其作業(yè)過(guò)程中，液壓系統(tǒng)將產(chǎn)生大部份熱量，促使液壓油溫隨作業(yè)過(guò)程而升高。壓縮機(jī)構(gòu)循環(huán)作業(yè)過(guò)程是油溫升高的主要來(lái)源和因素，高位垃圾車降低油溫的關(guān)鍵在于壓縮機(jī)構(gòu)循環(huán)作業(yè)過(guò)程中，如何對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行捕捉，才能使無(wú)效做功最少，則產(chǎn)生熱量就少，油溫就會(huì)下降至理想水平。

2.2 高油溫的危害

液壓系統(tǒng)高油溫的危害非常大，據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓系統(tǒng)60%～70%的失效和故障是由于高油溫引起的。高油溫會(huì)降低液壓系統(tǒng)的效率、可靠性和使用壽命，如何降低油溫、使系統(tǒng)在最合適的油溫下工作是衡量液壓系統(tǒng)優(yōu)劣和水平高低的重要標(biāo)志。高油溫的危害如下：

a. 油溫過(guò)高使運(yùn)動(dòng)部位油膜遭到破壞，摩擦阻力增加，磨損加劇，降低了液壓系統(tǒng)的效率；

b. 油溫過(guò)高使液壓油黏度顯著降低，泄漏增加，造成滲漏油，污染環(huán)境的同時(shí)造成系統(tǒng)的故障，降低了系統(tǒng)的可靠性；

c. 油溫過(guò)高使油液氧化加劇，油液壽命降低，使油液形成膠狀物質(zhì)，堵塞各種控制小孔，導(dǎo)致系統(tǒng)失效；

d. 油溫過(guò)高會(huì)造成液壓系統(tǒng)的控制閥芯高溫膨脹，增加閥芯卡死的幾率；

e. 油溫過(guò)高加速橡膠密封件、軟管老化，變質(zhì)，降低了系統(tǒng)的使用壽命。

3 機(jī)構(gòu)基于壓力換向的降低油溫方法及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 液壓控制系統(tǒng)及壓力換向的原理

壓縮機(jī)構(gòu)液壓原理如圖2所示，刮板油缸驅(qū)動(dòng)刮板，滑板油缸驅(qū)動(dòng)滑板，DT1（+）刮板張開(kāi)，DT3（+）滑板伸出，DT2（+）刮板刮合，DT4（+）滑板壓縮。電磁鐵通電順序?yàn)镈T1（+）-DT3（+）-DT2（+）-DT4（+）,其動(dòng)作相應(yīng)順序?yàn)楣伟鍙堥_(kāi)-滑板伸出-刮板刮合-滑板壓縮，形成了壓縮機(jī)構(gòu)壓縮垃圾的工作循環(huán)。

圖2 壓縮機(jī)構(gòu)液壓原理圖

設(shè)液壓系統(tǒng)主進(jìn)油壓力為P，流量為Q；進(jìn)油口處設(shè)置有主溢流閥，壓力調(diào)定為系統(tǒng)壓力P1，高壓溢流時(shí)流量為Q1;進(jìn)油口處還設(shè)置有壓力繼電器,設(shè)定壓力為Pi;進(jìn)入液壓油缸工作流量為Q2，Q=Q1+Q2，當(dāng)無(wú)高壓溢流時(shí)，Q1=0，Q=Q2，全部流量進(jìn)入油缸工作，當(dāng)有高壓溢流時(shí)，Q2通過(guò)溢流閥溢流，系統(tǒng)產(chǎn)生了無(wú)用做功，這將全部產(chǎn)生熱量，熱量W=P1×Q1×T，高壓溢流流量Q1越大，時(shí)間T越長(zhǎng)，無(wú)用做功越多，發(fā)熱越多，油溫越高。

壓縮機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)，采用的是一種自動(dòng)循環(huán)作業(yè)的模式。每個(gè)油缸對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力P隨作業(yè)過(guò)程發(fā)生變化。每個(gè)動(dòng)作與下一動(dòng)作的銜接和順序切換時(shí)，采用將作業(yè)過(guò)程中的液壓系統(tǒng)壓力P作為切換下一動(dòng)作的信號(hào)，實(shí)時(shí)捕捉壓力信號(hào)P，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)輸入可編程控制器PLC后，PLC將按壓力信號(hào)P的有效性和條件符合性進(jìn)行判斷與運(yùn)算，并發(fā)出下一動(dòng)作的執(zhí)行指令，以實(shí)現(xiàn)每個(gè)動(dòng)作的自動(dòng)循環(huán)作業(yè)。

3.2 傳統(tǒng)“捕捉壓力信號(hào)”方法的短板

傳統(tǒng)捕捉壓力信號(hào)方法，是一種“全程壓力維持”法，其傳統(tǒng)方法的動(dòng)作與壓力工作曲線圖如圖3所示，T1是刮板張開(kāi)動(dòng)作的結(jié)束時(shí)刻，T2是滑板伸出的結(jié)束時(shí)刻，T3是刮板刮合動(dòng)作的結(jié)束時(shí)刻，T4是滑板壓縮動(dòng)作的結(jié)束時(shí)刻。

圖3 傳統(tǒng)方法壓力曲線圖

從液壓控制系統(tǒng)和壓力換向的原理可以看出，壓縮機(jī)構(gòu)作業(yè)過(guò)程中，壓力P隨作業(yè)過(guò)程不斷發(fā)生變化，每一個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作前開(kāi)始啟動(dòng)階段，機(jī)構(gòu)有一個(gè)由靜到動(dòng)的狀態(tài)變化，反饋到壓力P上就會(huì)有一個(gè)壓力沖擊波，其壓力沖擊波時(shí)長(zhǎng)一般小于0.3 s。

每個(gè)動(dòng)作的后階段，即壓力P達(dá)到壓力繼電器壓力Pi后，由于執(zhí)行動(dòng)作不同、垃圾量及成份不同，壓力P繼續(xù)上升達(dá)到溢流閥壓力P1時(shí)長(zhǎng)不盡相同，最長(zhǎng)的時(shí)長(zhǎng)將達(dá)到0.6 s。

為了保證壓縮機(jī)構(gòu)循環(huán)作業(yè)的實(shí)現(xiàn)和壓縮效果，必須充分考慮動(dòng)作的前階段和后階段，即前階段0.3 s壓力沖擊波及后階段最高壓力P1到達(dá)時(shí)長(zhǎng)0.6 s，“全程壓力維持”法采用了每個(gè)動(dòng)作均全行程監(jiān)控壓力P，只要壓力P＞Pi維持0.6 s，就會(huì)作為有效信號(hào)，判斷該動(dòng)作已完成，并激活下一動(dòng)作的執(zhí)行，以此類推,實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)構(gòu)的全循環(huán)作業(yè)。

從壓力工作曲線圖3可看出，該“全程壓力維持”的信號(hào)捕捉方法，有如下技術(shù)短板：

a. 無(wú)法動(dòng)態(tài)識(shí)別因執(zhí)行動(dòng)作不同、垃圾量及成份不同等因素導(dǎo)致的影響，不能動(dòng)態(tài)調(diào)整壓力維持時(shí)長(zhǎng)0.6 s；

b. 一些動(dòng)作和工況，會(huì)不斷出現(xiàn)高壓溢流，且時(shí)長(zhǎng)可達(dá)0.6 s，如刮板張開(kāi)后階段, 熱量W=P1×Q1×T，高壓溢流時(shí)間越長(zhǎng)，無(wú)用做功越多，發(fā)熱越多，油溫越高；

c. 壓力維持時(shí)長(zhǎng)0.6 s不可改變，作業(yè)循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，作業(yè)效率較低。

3.3 創(chuàng)新“捕捉壓力信號(hào)”方法的分析

從傳統(tǒng)的方法分析可以看出，其產(chǎn)生高壓溢流時(shí)間長(zhǎng)，是系統(tǒng)產(chǎn)生熱量導(dǎo)致油溫升高的根本原因，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于減少高壓溢流時(shí)間，同時(shí)又能保證壓力信號(hào)的有效性，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)構(gòu)的作業(yè)循環(huán)。

“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號(hào)捕捉方法，是一種創(chuàng)新的技術(shù)方法，其對(duì)應(yīng)的壓力工作曲線如圖4所示，T1是刮板張開(kāi)動(dòng)作的結(jié)束時(shí)刻，T2是滑板伸出的結(jié)束時(shí)刻，T3是刮板刮合動(dòng)作的結(jié)束時(shí)刻，T4是滑板壓縮動(dòng)作的結(jié)束時(shí)刻。

圖4 創(chuàng)新方法壓力曲線圖

如圖4工作曲線圖所示，T1、T2、T3、T4(0)是每個(gè)動(dòng)作的結(jié)束時(shí)刻，也是下一動(dòng)作的開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)刻。每一個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作前開(kāi)始啟動(dòng)階段，機(jī)構(gòu)有一個(gè)由靜到動(dòng)的狀態(tài)變化，反饋到壓力P上就會(huì)有一個(gè)壓力沖擊波，其壓力沖擊波時(shí)長(zhǎng)一般小于0.3 s。壓力沖擊波產(chǎn)生的壓力信號(hào)P是動(dòng)作換向的干擾信號(hào)，在各個(gè)動(dòng)作前啟動(dòng)時(shí)刻的前0.3 s(T+0.3),采用屏蔽壓力信號(hào)P的方法,即在前啟動(dòng)階段,系統(tǒng)不采集壓力P的信號(hào),以避免此時(shí)干擾信號(hào)對(duì)動(dòng)作換向的影響，保證動(dòng)作換向的順利實(shí)現(xiàn)，這種是一種“前壓力屏蔽”方法。

機(jī)構(gòu)動(dòng)作經(jīng)過(guò)前啟動(dòng)階段后，系統(tǒng)恢復(fù)監(jiān)控壓力信號(hào)P的變化，機(jī)構(gòu)作業(yè)并由空載開(kāi)始向壓縮垃圾和加載方向轉(zhuǎn)變，壓力P開(kāi)始上升，當(dāng)壓力P上升到壓力繼電器設(shè)定壓力Pi時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)可編程控制器PLC確認(rèn)此時(shí)機(jī)構(gòu)開(kāi)始重載作業(yè)，此時(shí)刻為機(jī)構(gòu)重載作業(yè)G點(diǎn)，G1、G2、G3、G4分別是刮板張開(kāi)、滑板伸出、刮板刮合、滑板壓縮等4個(gè)動(dòng)作的重載點(diǎn)。

機(jī)構(gòu)作業(yè)開(kāi)始重載作業(yè)G點(diǎn)后，由于執(zhí)行動(dòng)作不同、垃圾量及成份不同，壓力P繼續(xù)上升達(dá)到溢流閥壓力P1時(shí)長(zhǎng)不盡相同，此時(shí)摒棄傳統(tǒng)的壓力維持法，避免高壓溢流，采用一種“后壓力上升率”的方法。

壓力上升率K=△P/S，即在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的壓力上升值。一般機(jī)構(gòu)壓力上升率K=3即可，也就是說(shuō)，在0.1 s內(nèi)上升0.3 MPa。如果K≥3,說(shuō)明壓力在0.1 s內(nèi)上升超過(guò)0.3 MPa,油缸還在繼續(xù)重載作業(yè)，液壓系統(tǒng)沒(méi)有高壓溢流，沒(méi)有發(fā)熱；如果K＜3,說(shuō)明壓力在0.1 s內(nèi)上升小于0.3 MPa,壓力已上升到高壓溢流壓力P1，油缸停止重載作業(yè)，此時(shí)機(jī)構(gòu)已停止動(dòng)作，如果沒(méi)有切換到下一動(dòng)作，將進(jìn)行高壓溢流，產(chǎn)生熱量。

機(jī)構(gòu)作業(yè)開(kāi)始重載作業(yè)G點(diǎn)后，系統(tǒng)開(kāi)始監(jiān)控壓力上升率K值，如果K值大于或等于3，此時(shí)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)油缸將繼續(xù)動(dòng)作，實(shí)施重載作業(yè)，保證最佳壓縮效果；如果K值小于3，此時(shí)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)油缸動(dòng)作已停止，壓力P已上升到高壓溢流壓力P1，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切換到下一動(dòng)作作業(yè)，避免高壓溢流。由于系統(tǒng)檢測(cè)響應(yīng)精度的限制，此時(shí)高壓溢流時(shí)間是系統(tǒng)檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間0.1 s，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法中高壓溢流時(shí)長(zhǎng)0.6 s，大大減少了高壓溢流時(shí)間，減少了發(fā)熱量，液壓油溫將大大降低。

圖5 創(chuàng)新方法控制策略流程圖

“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號(hào)捕捉方法，是一種創(chuàng)新的技術(shù)方法,保證了壓力信號(hào)P的有效性，在實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)構(gòu)的作業(yè)循環(huán)的基礎(chǔ)上，減少高壓溢流時(shí)間，降低了液壓油溫。

3.4 新技術(shù)的控制策略

通過(guò)新技術(shù)方法的技術(shù)分析可以得知，新技術(shù)有效地減少了各動(dòng)作作業(yè)時(shí)的高壓溢流時(shí)間，減少了發(fā)熱，降低了油溫，圖5為創(chuàng)新方法的控制策略流程圖。

新技術(shù)方法由壓縮機(jī)構(gòu)（刮滑板）循環(huán)開(kāi)關(guān)觸發(fā)作業(yè)，1刮板張開(kāi)-2滑板伸出-3刮板刮合-4滑板壓縮，形成了壓縮機(jī)構(gòu)完整的作業(yè)循環(huán)。每個(gè)動(dòng)作中均采用了“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號(hào)捕捉方法，實(shí)時(shí)捕捉壓力信號(hào)P，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)輸入可編程控制器PLC后，PLC按圖5所示的控制策略程對(duì)壓力信號(hào)P的有效性和條件符合性進(jìn)行判斷與運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)動(dòng)作與下一動(dòng)作的銜接和順序切換，保證了完整的作業(yè)循環(huán)功能,并減少了高壓溢流時(shí)間，即減少了系統(tǒng)的無(wú)用做功，降低了油溫。

3.5 新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和效果

“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號(hào)捕捉方法相比傳統(tǒng)的技術(shù)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和效果：

a.通過(guò)控制策略和信號(hào)捕捉方法的創(chuàng)新，解決了高位垃圾車油溫高的難題，沒(méi)有增加硬件設(shè)施，不增加成本，是解決技術(shù)難題的最佳途徑；

b.新技術(shù)通過(guò)改變捕捉信號(hào)的方法，減少了高壓溢流時(shí)間，減少了發(fā)熱和無(wú)用做功，降低了油溫，提高了液壓系統(tǒng)效率和可靠性，延長(zhǎng)了液壓系統(tǒng)的使用壽命。

c.新技術(shù)減少了高壓溢流時(shí)間，每個(gè)循環(huán)時(shí)間縮短2s[（0.6-0.1）×4=2]，提高了作業(yè)循環(huán)的節(jié)拍，提高了高位垃圾車的作業(yè)效率。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

“全程壓力維持”方法是傳統(tǒng)的技術(shù)，而“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號(hào)捕捉方法是一種創(chuàng)新的技術(shù)。為了驗(yàn)證新技術(shù)的可行性及新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，筆者采用2臺(tái)總質(zhì)量為18 t的高位垃圾車作為試驗(yàn)樣車，在同一地點(diǎn)同一時(shí)間同時(shí)進(jìn)行裝載作業(yè)試驗(yàn)，以排除環(huán)境溫度及不同工況對(duì)油溫的影響。運(yùn)用傳統(tǒng)技術(shù)的試驗(yàn)車為1號(hào)車，運(yùn)用創(chuàng)新“捕捉壓力信號(hào)”技術(shù)的試驗(yàn)車為2號(hào)車。

2臺(tái)試驗(yàn)樣車進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)4天，每天上午和下午各裝載1車?yán)囼?yàn)樣車裝載作業(yè)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)樣車裝載作業(yè)

其試驗(yàn)檢測(cè)油溫的數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

從表1可以看出，1號(hào)車（傳統(tǒng)技術(shù)）在裝載完一車?yán)嚭蟮臏厣驹?8℃左右，而且2號(hào)車（新技術(shù)）在裝載完一車?yán)蟮臏厣驹?5℃，溫升下降率約為34%，說(shuō)明新技術(shù)應(yīng)用后的高位垃圾車工作時(shí)液壓油溫得到了較大程度的降低，進(jìn)一步驗(yàn)證了創(chuàng)新“捕捉壓力信號(hào)”技術(shù)的可行性，可達(dá)到理想的技術(shù)應(yīng)用效果。

表1 油溫的數(shù)據(jù)記錄表

5 結(jié)語(yǔ)

高位垃圾車通過(guò)“捕捉壓力信號(hào)”的技術(shù)，使液壓油的溫升得到了有效的控制，保證了液壓系統(tǒng)在合適的油溫下運(yùn)行，提高了液壓系統(tǒng)效率和可靠性，延長(zhǎng)了液壓系統(tǒng)的使用壽命，提升了高位垃圾車的技術(shù)水平。

a. 對(duì)油缸動(dòng)作的前啟動(dòng)階段，采用“前壓力屏蔽”法，有效地避免了動(dòng)作由靜到動(dòng)的壓力沖擊帶來(lái)無(wú)效信號(hào)的影響；

b. 對(duì)油缸動(dòng)作的后運(yùn)行階段，在達(dá)到壓力繼電器設(shè)定壓力Pi后，運(yùn)用“后壓力上升率”的信號(hào)捕捉方法，可非常敏銳地采集到油缸動(dòng)作的終點(diǎn)信號(hào)；

c. “前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號(hào)捕捉方法，保證液壓系統(tǒng)的高壓溢流時(shí)間僅為傳統(tǒng)“全程壓力維持”方法的1/6，顯著降低了液壓油溫；

d. 作業(yè)循環(huán)內(nèi)減少了高壓溢流的時(shí)間，即減少了壓縮機(jī)構(gòu)(刮滑板機(jī)構(gòu))作業(yè)循環(huán)的時(shí)間，提高了高位垃圾車的作業(yè)效率。