某型挖樹機液壓系統設計與分析

楊艷峰

(楊凌職業技術學院 機電工程學院,陜西 楊凌 712100)

0 引言

負載敏感系統是在液壓挖掘機上發展起來的一門技術,已經廣泛應用于液壓系統中。由于挖樹機在工作時,工況比較復雜,因此應該設計一種負載自適應的液壓系統,使得挖樹機的刀具組件能在工作時根據負載的變化,實時調整工作狀態,實現工作過程的負載自適應[1-3]。本文將負載敏感技術應用于刀具組件的液壓回路,實現了刀具組件的負載自適應。本文主要對挖樹機的負載敏感液壓系統的回路進行設計,并對負載敏感系統進行仿真分析。

1 挖樹機負載敏感系統液壓回路的設計

負載敏感系統的可操作性好,負載自適應能力強,尤其是泵控式負載敏感系統應用較廣且系統的能量利用率較高,為實現挖樹機的負載自適應控制提供了技術基礎。該負載敏感系統的液壓回路主要由負載敏感變量泵(包括變量泵、變量油缸、限壓閥和負載敏感閥)、PSV比例多路換向閥、刀具馬達以及回轉支撐馬達組成。在實際工作時,由PSV兩路比例多路閥來控制刀具馬達和回轉支撐馬達[4]。作用于刀具馬達回路梭閥的壓力油與作用于回轉支撐馬達回路梭閥的壓力油相比較,壓力值較高者反饋到負載敏感變量泵的負載敏感閥的敏感腔中,使得變量泵的輸出壓力值高于最高的負載壓力值ΔP,以提高液壓系統的效率。

1.1 系統設計壓力確定

工作壓力是確定執行元件結構參數的主要依據[5]。查表1所示的各類液壓設備常用的工作壓力,同時考慮挖樹機刀具的實際工況要求。參照GB/T 2346—2003標準中流體傳動系統及公稱壓力系列,選取刀具馬達的工作壓力值為20 MPa。

表1 各類設備常用的工作壓力

1.2 液壓元件參數確定

(1)刀具液壓馬達參數的確定

在選取液壓馬達時首先要考慮馬達所需的扭矩和轉速,刀具液壓馬達所需傳遞的負載轉矩為600 N·m,所需轉速為300 r/min。

液壓馬達理論排量V1為:

式中:T為刀具液壓馬達所需扭矩600 N·m;p為刀具液壓馬達工作壓力20 MPa;ηm為刀具液壓馬達機械效率,取ηm=0.9,則V1=209.44 mL/r。

綜合考慮液壓馬達的工作場合及馬達的布置情況,選取擺線液壓馬達。擺線液壓馬達是一種小型低速大扭矩液壓馬達,擺線馬達具有很多優點:首先,體積小,重量輕,同樣尺寸的液壓馬達,擺線式輸出的扭矩更大;其次,擺線式液壓馬達轉速范圍廣,可無級調速,且安裝布置方便;最后,擺線式液壓馬達慣性小,在負載下容易啟動,正反轉都可使用,而且換向時不用停機,很好地滿足了鏈條式刀具的使用工況[5]。根據上述的液壓馬達所需的排量、轉矩和轉速,可以確定液壓馬達的型號為BM6-245,該型號液壓馬達的主要技術參數及工作參數如表2所示。

表2 BM6-245馬達參數表

刀具液壓馬達的流量為:

式中,n1為刀具液壓馬達的轉速,V1為刀具液壓馬達的理論排量,ηV1為刀具液壓馬達的容積效率,這里取ηV1=0.95,則

=77.37 L/min

刀具液壓馬達的實物圖如圖2。

(2)回轉支撐馬達參數的確定

挖樹機工作時,刀具總成繞樹連續回轉運動速度約為3 r/min。蝸輪到回轉支撐齒圈的傳動比為8,蝸輪蝸桿的傳動比為20,則回轉支撐結構總的減速比為160。液壓馬達的工作轉速為480 r/min,取回轉支撐液壓馬達的工作壓力為20 MPa,選取BM5-80擺線式液壓馬達,輸出扭矩為235 N·m。該型號液壓馬達的主要技術參數及工作參數如表3所示。

表3 BM5-80液壓馬達參數

回轉支撐液壓馬達的流量為:

式中,n2為回轉支撐液壓馬達的轉速,V2為回轉支撐液壓馬達的理論排量,ηV2為回轉支撐液壓馬達的容積效率,這里取ηV2=0.95,則

回轉支撐液壓馬達的實物圖如圖3。

(3)負載敏感變量泵參數的確定

液壓泵的流量應滿足

QP≥K∑Qmax

式中,QP為液壓泵所需流量;K為泄漏系數,一般取K為1.1～1.3,這里取K為1.2;∑Qmax為液壓執行元件的總流量,則

QP≥K∑Qmax=1.2×(77.37+40.42)

=141.35 L/min

斜盤式軸向柱塞泵的許用工作壓力和轉速都較高,變量性能優異,且結構緊湊,功率密度高,能較方便地同軸安裝各種輔助泵或組成雙聯泵組、多聯泵組,被廣泛應用于工程機械和農用機械中[5]。因此挖樹機負載敏感系統的壓力源選取德克液壓公司生產的D-A10VSO71DFLR/31R軸向柱塞變量泵。該變量泵的流量正比于驅動轉速和排量,并能通過調節斜盤傾角實現無極變量,且具有優良的吸入性能,允許連續運行的壓力可達28 MPa。該泵的輸出流量為156 L/min,排量為71 mL/r,滿足系統的最大流量需求,圖4為變量泵的實物圖。

(4)比例多路閥參數的確定

PSV型比例多路閥用于控制液壓執行元件的運動方向和運動速度,可使多個執行元件同時并相互獨立地以不同的速度和壓力工作,并且將負載壓力反饋到變量泵上,使得變量泵的輸出流量和輸出壓力與負載相匹配。根據刀具液壓馬達與回轉支撐液壓馬達的流量與工作壓力以及負載,選擇德國哈威公司生產的PSV比例多路閥,具體型號為PSV3-32O80/80EA―32J63/63EA,最大工作壓力為42 MPa。

2 挖樹機負載敏感系統的建模與分析

2.1 挖樹機負載敏感系統模型的建立

挖樹機負載敏感系統比較復雜,尤其是比例多路閥的建模比較困難,因此可以對系統進行適當的簡化處理。本文選用的是PSV兩路比例多路閥,在結構上主要有主閥塊和兩個換向閥,主閥塊中的安全閥和減壓閥均可在Hydraulic庫(液壓庫)中找到相對應的模型。每一路換向閥均含有一個二通壓力補償閥和一個梭閥,二通壓力補償閥與換向閥的節流口串聯,形成調速閥的功能,最終經過換向閥的流量僅取決于閥芯的開口大小。而通過對比作用于兩路換向閥梭閥的壓力,將兩條回路中壓力較高者反饋給負載敏感變量泵,使得變量泵的出口壓力高于最高負載壓力一定值。通過分析可知,換向閥可以用二通壓力補償閥、節流閥和梭閥進行替代,而梭閥和節流閥均有對應的模型,因此,只對二通壓力補償閥進行建模即可[6]。

根據二通壓力補償閥的原理,構建如圖5所示的模型。二通壓力閥位于換向閥的進油口前端,負載壓力的變化會使二通壓力補償閥的彈簧腔壓力發生變化,導致二通壓力閥補償閥的閥芯受力失衡,閥芯進行動作來保證換向閥兩側的壓差衡定[7]。

樹機負載敏感系統的負載由分段線性信號源、扭矩單元、旋轉負載與馬達構成,同時結合上節建立的負載敏感系統的AMESim模型,建立挖樹機的負載敏感系統,如圖6所示。

挖樹機負載敏感系統中液壓元件的參數設置[8-9],如表4所示。

表4 挖樹機負載敏感系統元件參數表

2.2 挖樹機負載敏感系統的工況分析

挖樹機的負載敏感系統在工作時有三種工況:

①挖樹機在剛啟動時只有刀具馬達進行工作,輔助液壓系統中的角度調整油缸不斷調整刀具組件切入土壤的角度,使得刀具液壓馬達的負載不斷增加;②當刀具組件切入土壤一定深度后,刀具液壓馬達和回轉支撐液壓馬達同時工作,回轉支撐液壓馬達通過回轉支撐組件帶動刀具組件進行回轉,挖掘成一個完整的土球后,回轉支撐液壓馬達停止工作;③當挖掘工作完成后,輔助液壓系統中的角度調整油缸帶動刀具組件脫離土壤,刀具液壓馬達停止工作,回轉支撐液壓馬達帶動刀具組件回歸于初始位置。下面將對這三種工況的負載壓力與泵出口壓力進行分析。

工況一:刀具液壓馬達單獨工作,為了模擬刀具液壓馬達從啟動到正常工作的壓力變化,刀具液壓馬達的負載從零緩慢增加到600 N·m,刀具液壓馬達的負載與壓力變化如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知,馬達的進口壓力曲線的變化趨勢與馬達外加負載曲線的變化趨勢一致,且變量泵的出口壓力始終比馬達進口壓力高出約2 MPa的壓力值。

工況二:刀具液壓馬達和回轉支撐液壓馬達同時工作,為了模擬刀具液壓馬達在遇到突變負載時的壓力變化情況,給刀具馬達的負載施加一段突變負載,具體的加載曲線以及刀具液壓馬達和回轉支撐液壓馬達的壓力變化如圖9和圖10所示。

圖1 負載敏感系統液壓回路

圖2 刀具液壓馬達BM6-245

圖3 回轉支撐液壓馬達BM5-80

圖4 D-A10VSO71DFLR/31R 軸向柱塞變量泵

圖5 二通壓力補償閥的AMESim模型

圖6 挖樹機負載敏感系統的AMESim模型

圖7 工況一下刀具液壓馬達加載曲線

圖8 工況一下變量泵出口壓力與馬達進口壓力變化曲線

圖9 工況二下馬達加載曲線

圖10 工況二下變量泵出口壓力與馬達進口壓力變化曲線

對圖10進行分析可知,在0～5 s內由于負載的變化較快,導致變量泵的出口壓力與馬達進口壓力波動較大,在5～30 s內變量泵的出口壓力與馬達的進口壓力趨于穩定且呈線性變化。在30～40 s內刀具馬達負載突然增加,導致變量泵出口壓力和馬達進口壓力突變,但很快壓力又趨于穩定。在40～50 s內,刀具馬達負載突然下降,變量泵出口壓力與馬達進口壓力出現了短時間的波動。在這一工況下,變量泵的出口壓力比負載最高壓力即刀具馬達的進口壓力高出約2 MPa的壓力值。

工況三:回轉支撐液壓馬達單獨工作,回轉支撐液壓馬達的負載緩慢地從0增加到150 N·m,回轉支撐液壓馬達的負載與壓力變化如圖11和圖12所示。

圖11 工況三下馬達加載曲線

圖12 工況三下變量泵出口壓力與馬達進口壓力變化曲線

從圖12可以看出,變量泵的出口壓力與馬達進口壓力在0～3 s內出現一定程度的波動,之后隨著馬達進口壓力的增加,變量泵的出口壓力也隨之增加且比馬達進口壓力高出約2 MPa的壓力值。

3 結論

本文主要設計了挖樹機的負載敏感液壓系統,并對刀具液壓馬達、回轉支撐液壓馬達以及負載敏感泵進行了參數的選型與計算。最后利用AMESim對負載敏感系統的三種工況進行了仿真分析,得出刀具液壓馬達和回轉支撐液壓馬達在單獨工作和同時工作時,變量泵出口壓力始終比最高負載的壓力高出一定壓力值,表明挖樹機負載敏感系統具有負載自適應的能力。