高空作業車調平控制分析與閥組設計

陳 磊

（徐州徐工隨車起重機有限公司，江蘇 徐州 221004）

1 高空作業車調平控制技術分析

高空作業車作為典型的工作斗舉升作業裝置，工作斗調平系統安全可靠、快速穩定是其核心需求。目前，典型的工作斗調平系統分為機械調平、靜液壓調平和電液控制調平三種。針對不同的作業高度、車型，三種調平方式各有優缺點。機械調平和靜液壓調平是目前中小米數高空作業車經常使用的技術方式，而作業高度在28m以上的高空作業車須使用電液控制調平。大米數、快響應、大幅度是高空作業車重要的發展方向，其中電液控制調平技術是高空作業車工程領域必須掌握的核心技術。

1.1 機械調平系統

機械調平一般采用拉桿機械調平或鏈條機構調平，其機械調平結構復雜，多用于折疊臂類高空作業車或混合臂類高空作業車，其中拉桿機械調平成本低廉、較為可靠，但機構制造較復雜、重量較大，影響舉高臂架的作業幅度范圍。

1.2 靜壓調平系統

靜液壓調平采用雙液壓缸等容積靜液壓驅動控制，多用于28m 以下伸縮臂類或折疊伸縮混合式臂體高空作業車，受雙液壓缸之間液壓油可壓縮性和軟管彈性的限制，當管道長度超過臨界值時，在臂架的舉升過程中難以滿足工作斗水平動態傾角小于5°的標準要求。

靜液壓調平技術一般應用在伸縮臂高空作業車中，通常只采用單組雙缸組合等容積液壓缸方案。等容積雙液壓缸主要技術原理為與變幅機構相連接的泵工作液壓缸通過變幅運動壓出液壓油，高壓油壓入調平工作缸。因調平工作缸的缸筒杠桿尺寸與泵工作液壓缸相同，故兩缸的伸出與回縮長度對等，通過工作斗運動機構的仿形運動使工作斗變幅角度與臂體機構變幅角度保持一致，繼而保證工作斗水平。

杭州某公司一種典型的復雜的雙組應用方案，其結構如圖1 所示，采用了兩組雙缸組合等容積液壓缸來完成較高舉升臂的工作斗調平[1]。該方案受限于管道長度和折疊機構特點的影響較大，其采用的下伸縮油缸組拉桿機械連接上伸縮油缸組方案，結構復雜，制造經濟性不佳。

圖1 兩組等容雙缸組合靜液壓調平技術

1.3 電液調平系統

當作業米數高于28m 時需使用電液控制調平，電液控制調平一般采用工作斗傾角傳感器作為閉環控制信號，通過定制PCB 控制板卡或PLC 可編程控制器調制閉環控制系統，PCB 板卡或PLC 可編程控制器輸出電流驅動電磁開關換向閥或電子比例換向閥來控制調平油缸完成工作斗調平。采用電磁開關換向閥驅動調平油缸的方案，受電磁開關換向壓力沖擊和過油流量無法精確控制等因素的影響，工作斗調平傾角偏差較大、穩定性和安全性較差。

重慶某公司采用調速閥串聯比例閥驅動調平油缸的方案。此方案技術特點為調平油缸的液壓油流量受調速閥和調平比例閥雙重串聯控制。通過調速閥和接受控制器PWM 脈寬調制信號的電子比例閥共同控制調平油缸伸縮來完成工作斗前傾或后傾，從而完成工作斗調平控制[2]，其方案如圖2 所示。

圖2 調速閥串聯比例閥調平

該方案調速閥流量壓力控制響應需要時間且因閥芯運動振蕩造成壓力沖擊，導致臂架起動時工作斗調平傾角容易超限緊急停車，降低了調平油缸響應的快速性和穩定性，從而影響工作斗作業的安全性和可靠性。

2 高空作業車調平控制閥組設計

高空作業車調平閥組流量通常在10L/min 以下，工作壓力一般低于20MPa。針對這種特定的小流量中壓工況，節流閥穩態液動力能補償閥口壓差變大導致流量上升的信號控制偏差效應是閥組設計的技術要點。液動力與控制窗口的面積梯度、壓力降和閥芯位移有關的穩態液動力表達式為F=K1WxΔp，式中K1為增益系數，x為閥芯的軸向行程，W為閥口的周向開度，Δp為節流閥前后壓差[3]。在一定閥芯位移x行程范圍內，隨著x增大液壓動力F隨之增大，而這種液壓力的增大能使閥口有向小的趨勢。對于Δp亦是如此，當Δp增大時，液動力F上升，閥芯位移x變小，從而導致了閥芯通流面積減小，繼而導致流量下降趨勢補償了Δp上升帶來的流量增大，使一定范圍內控制流量受負載Δp的影響較小。

2.1 調平控制閥組設計方案

調平閥組是工作斗調平控制的核心元件，其原理直接決定了調平系統的準確性、快速性、穩定性、功能多樣化的集成和防沖擊能力。如何實現調平油缸安全可靠的比例伸縮，電控制信號快速響應和多功能集成降低成本是需要解決的問題。

結合以上調平控制閥組需求，我們提出一種工作斗調平閥組，當應用于舉升臂架工作斗控制時，能完成工作斗調平油缸比例調速伸縮、工作斗擺動油缸比例調速旋轉、待機緩沖卸荷、工作斗運動的緊急停止卸荷等功能。工作斗調平閥組包括溢流閥、卸荷電子比例閥、無桿腔電子比例閥、有桿腔電子比例閥、電磁開關換向閥、第一單向回油節流閥、第二單向回油節流閥、回油單向閥。該閥組控制系統的液壓原理如圖3 所示。

圖3 工作斗調平閥組原理圖

工作斗調平閥組及其液壓控制系統，因兩位三通電子比例閥負載自補償能力無需前置調速閥補償負載壓力，能完成調平油缸比例調速穩定伸縮。無桿腔電子比例閥和有桿腔電子比例閥分體布置，兩電子比例閥流量分體布置容易實現對不對稱受壓面積的調平油缸小流量高分辨率的流量精確控制。

單向回油節流閥形成的回油節流背壓和旁路布置的卸荷電子比例閥的比例開啟能實現工作斗擺動油缸比例調速旋轉，通過卸荷電子比例閥的開啟時間及開口大小的比例設定實現工作斗待機緩沖卸荷、工作斗運動的緊急停止卸荷功能；通過回油單向閥能實現隔絕卸荷電子比例閥緊急停止卸荷時工作斗調平閥組回油口形成的高速流體對調平油缸壓力沖擊。工作斗調平閥組的集成設計簡化了液壓系統管路布置，卸荷電子比例閥的多功能設定降低了液壓系統成本。

2.2 調平控制閥組功能分析

調平控制閥組主要功能分為調平油缸比例調速穩定伸縮、擺動油缸比例調速穩定旋轉、工作斗動作緊急卸荷三大功能。在該控制閥組應用的過程中也遇到因長管路蓄能器效應導致的釋壓沖擊問題。下面針對這些需求和問題進行展開分析。

2.2.1 調平油缸比例調速穩定伸縮

當卸荷電子比例閥接受控制器信號關閉、無桿腔電子比例閥接受控制器信號處于左位比例開啟、有桿腔電子比例閥處于默認彈簧位時，壓力油從工作斗調平閥組進油口流經無桿腔電子比例閥到達無桿腔工作油口，繼而流經第一平衡閥流入調平油缸無桿腔，推出調平油缸活塞桿。當卸荷電子比例閥接受控制器信號關閉、有桿腔電子比例閥接受控制器信號處于右位比例開啟、無桿腔電子比例閥處于默認彈簧位時，壓力油從工作斗調平閥組進油口流經有桿腔電子比例閥到達有桿腔工作油口，繼而流經第二平衡閥流入調平油缸有桿腔，推回調平油缸活塞。

無桿腔電子比例閥和有桿腔電子比例閥閥芯的自動補償能自動補償負載壓力，保證輸出流量穩定響應控制器信號。無桿腔電子比例閥和有桿腔電子比例閥采用螺紋插裝分體布置，兩閥芯額定流量不對稱布置容易實現對不對稱受壓面積的調平油缸小流量高分辨率的流量精確控制。

2.2.2 擺動油缸比例調速穩定旋轉

當卸荷電子比例閥接受控制器信號比例開啟、電磁開關換向閥接受控制器信號處于右位時，部分壓力油從工作斗調平閥組進油口流經電磁開關換向閥、第一回油單向節流閥流入擺動油缸第一工作油口，繼而流經第二平衡閥流入擺動油缸推動擺動油缸左旋。另一部分壓力油流經卸荷電子比例閥至工作斗調平閥組回油口。當卸荷電子比例閥接受控制器信號比例開啟、電磁開關換向閥接受控制器信號處于左位時，部分壓力油從工作斗調平閥組進油口流經電磁開關換向閥、第二回油單向節流閥流入擺動油缸第二工作油口，繼而流經第二平衡閥流入擺動油缸推動擺動油缸右旋。另一部分壓力油流經卸荷電子比例閥至工作斗調平閥組回油口。

擺動油缸負載較為穩定，擺動速度取決于流經卸荷電子比例閥至工作斗調平閥組回油口流量大小。因單向回油節流閥穩定回油節流背壓使經常在小流量下工作的擺動油缸運動更平穩，從而實現擺動油缸比例調速穩定旋轉。

2.2.3 工作斗停止卸荷與釋壓沖擊

當工作斗從運動狀態轉為待機時，卸荷電子比例閥接受控制器信號于設定時間內比例開啟，壓力油直接經卸荷電子比例閥流入工作斗調平閥組回油口，完成緩沖卸荷功能。通過卸荷電子比例閥設定時間的比例節流開啟，將工作斗調平閥組進油口高壓流體緩慢節流釋放，將壓力勢能轉換為熱能，從而達到避免高壓流體因過流面突然變大產生高速流體形成的液壓沖擊。

當工作斗在危險工況下從運動狀態轉為緊急停止時，卸荷電子比例閥接受控制器信號于設定極短時間內快速開啟，壓力油直接經卸荷電子比例閥流入工作斗調平閥組回油口，完成快速卸荷功能。

工作斗調平閥組進油口于在工作斗運動時形成高壓流體，當工作斗在危險工況下從運動狀態轉為緊急停止時，高壓流體因過流面突然變大產生高速流體形成的液壓沖擊在回路中流竄。回油單向閥的單向截止功能能隔絕高速流體反沖至調平油缸的進油口而導致的調平油缸振蕩。

3 結語

本文論述了高空作業車電液調平控制閥組的設計功能滿足方法，以及實際應用過程中碰到釋壓沖擊和微流調整的相關技術問題解決措施。調平控制閥組只是調平自動控制技術的核心一環，要完成調平機構可靠快速工作，還需針對不同車型工況對相應的控制程序和方法進行優化提升，更好地滿足其工程化需求。