裝載機(jī)液壓系統(tǒng)實驗研究分析

摘要：對裝載機(jī)整機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了全面的研究。對裝載機(jī)液壓系統(tǒng)若干理論問題進(jìn)行了理論分析；分析了不同工況下裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的實驗結(jié)果；討論了換向閥控制工作油缸時的壓力損失，對具有同軸流量放大轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。
　　　1、裝載機(jī)整機(jī)液壓系統(tǒng)的應(yīng)用：
　　　1.1　裝載機(jī)整機(jī)液壓系統(tǒng)實驗測試的工程背景及意義：
　　裝載機(jī)是工程機(jī)械中重要的機(jī)種，是一種集鏟、運(yùn)、裝、卸作業(yè)于一體的自行式機(jī)械。今后輪式裝載機(jī)仍將是工程機(jī)械中最重要的機(jī)種之一。一個液壓系統(tǒng)是由多個元件相互連接而成的，每個元件的工作性能往往不能代表整個液壓系統(tǒng)的性能。因此有必要對整機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行較全面的分析研究。
　　1.2　實驗準(zhǔn)備及實驗過程：
　　實驗在實驗室、試驗沙場、野外原生土實驗現(xiàn)場等場地進(jìn)行。具體如下，針對產(chǎn)品特點設(shè)計了實驗方案。對裝載機(jī)液壓系統(tǒng)如下參數(shù)進(jìn)行了分工況測量，測量參數(shù)為：(1)工作泵出口壓力；(2)動臂油缸無桿腔壓力‘(3)動臂油缸有桿腔壓力；(4)轉(zhuǎn)斗油缸無桿腔壓力；(5)轉(zhuǎn)斗油缸有桿腔壓力I(6)轉(zhuǎn)向泵出口壓力；(7)轉(zhuǎn)向器人口壓力；(8)轉(zhuǎn)向油缸壓力(左、右)；(9)先導(dǎo)控制減壓閥控制壓力；(10)動臂的角位移。分別在如下工況下進(jìn)行測試空載工況；①標(biāo)準(zhǔn)載荷工況(1.4噸，2.0噸，3.6噸，5.0噸)；②沙場實時裝載工況；③野外原生土實時裝載工況。
　　2、裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)的實驗分析：
　　2.1　概述：
　　所示為裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)。它由四個部分組成；
　　1　轉(zhuǎn)斗液壓缸；2　動臂液壓缸；3　動臂液壓缸換向閥；4　轉(zhuǎn)斗液壓缸換向閥；5　單向閥；6　液壓泵；7　濾油器；8　溢流閥；9　緩沖補(bǔ)油閥；10　油箱
　�、賱恿υ�——液壓泵；②執(zhí)行元件——兩個轉(zhuǎn)斗液壓缸和兩個動臂液壓缸；③輔助元件；④控制調(diào)節(jié)裝置——用來控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)各部分流體壓力、流量和方向的閥。
　　在該系統(tǒng)中設(shè)有方向控制閥、過載閥和溢流閥。
　　(1)方向控制閥——設(shè)有動臂液壓缸換向閥和轉(zhuǎn)斗液壓缸換向閥，用來控制轉(zhuǎn)斗液壓缸的和動臂液壓缸的運(yùn)動方向，使鏟斗和動臂能停在某一位置，并可以通過控制換向閥的開度來獲得液壓缸的不同速度。轉(zhuǎn)斗液壓缸換向閥是三位六通滑閥，它可控制鏟斗前傾、后傾和固定在某一位置等三個動作，動臂液壓缸換向閥是四位六通滑閥，它可控制動臂上升、下降、固定和浮動等四個動作。動臂浮動位置可使裝載機(jī)在平地堆積作業(yè)時，工作裝置能隨地面情況自由浮動。
　　(2)溢流閥——控制系統(tǒng)壓力。
　　(3)緩沖補(bǔ)油閥(雙作用閥)——它由過載閥和單向閥組成，并聯(lián)裝在轉(zhuǎn)斗液壓缸的回路上，其作用由三個：①當(dāng)轉(zhuǎn)斗液壓缸滑閥在中位時，轉(zhuǎn)斗液壓缸前后腔均閉死，如鏟斗受到額外沖擊載荷，引起局部油路壓力劇升，將導(dǎo)致?lián)Q向閥和液壓缸之間的元件、管路的破壞。設(shè)置過載閥即能緩沖該過載油壓。②在動臂升降過程中，使轉(zhuǎn)斗液壓缸自動進(jìn)行泄油和補(bǔ)油。裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)上設(shè)有限位塊，當(dāng)動臂在升降至某一位置時，可能會出現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)的干涉現(xiàn)象。③裝載機(jī)在卸載時，能實現(xiàn)鏟斗靠自重快速下翻。并順勢撞擊限位塊，使斗內(nèi)剩料卸凈。當(dāng)卸料時，壓力油進(jìn)入轉(zhuǎn)斗液壓缸前腔實現(xiàn)轉(zhuǎn)斗。當(dāng)鏟斗重心越過斗下餃點后，鏟斗在重力作用下加速翻轉(zhuǎn)。但其速度受到液壓泵供油速度的限制，由于緩沖補(bǔ)油閻中的單向閥及時向轉(zhuǎn)斗液壓缸前腔補(bǔ)油，使鏟斗能快速下翻，撞擊限位塊，實現(xiàn)撞斗卸料。為了提高裝載機(jī)的作業(yè)效率，該系統(tǒng)采用雙泵合流、分流、轉(zhuǎn)向優(yōu)先的卸荷系統(tǒng)。當(dāng)轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向泵向工作系統(tǒng)提供多余的油液。不轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向泵的全部油液經(jīng)合流單向閥進(jìn)入工作裝置系統(tǒng)。當(dāng)工作裝置系統(tǒng)壓力達(dá)到卸荷閥調(diào)定的壓力，轉(zhuǎn)向泵提供給工作裝置的油液經(jīng)卸荷閥流回油箱，從而使液力機(jī)械傳動系統(tǒng)提供更大的鏟入力。合理的利用了發(fā)動機(jī)的功率，提高了整機(jī)的作業(yè)效率。
　　2.2　空載工況實驗
　　2.2.1　空載實驗的實驗環(huán)境
　　空載實驗是在工作裝置無負(fù)載的情況下進(jìn)行的，它表明了系統(tǒng)在無負(fù)載干擾的情況下系統(tǒng)自身的性能。通過對該工況的實驗，可以了解整機(jī)液壓系統(tǒng)的原始特性以及整機(jī)工作時的機(jī)構(gòu)運(yùn)動情況空載實驗在實驗室進(jìn)行，分別在發(fā)動機(jī)低速、中速、高速等三種情況下，完成裝載機(jī)工作裝置的收斗、動臂起升、卸斗、動臂下降等動作。在此期間測試并紀(jì)錄轉(zhuǎn)向泵出口、工作泵出口、動臂油缸下腔、動臂油缸上腔、轉(zhuǎn)斗油缸有桿腔、轉(zhuǎn)斗油缸無桿腔等6個點的壓力，以及動臂轉(zhuǎn)角、鏟斗轉(zhuǎn)角等共計8個物理量的動態(tài)過程。
　　2.2.2　空載實驗典型實驗
　　分別是三種不同的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下工作裝置5個物理量的時域陣列曲線。這5個物理量分別是：1通道：轉(zhuǎn)向泵壓力；2通道；工作泵壓力；3通道：動臂油缸下腔的壓力；4通道：轉(zhuǎn)斗油缸無桿腔壓力，5通道：轉(zhuǎn)斗油缸有桿腔壓力。其橫坐標(biāo)描述的時間歷程包括了收斗、動臂上升、卸斗、鏟斗放平、動臂下降等5個裝載機(jī)完成鏟裝工作的動作。
　　2.3　工作裝置連桿機(jī)構(gòu)干涉狀態(tài)實驗
　　實驗用裝載機(jī)采用轉(zhuǎn)斗油缸后置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)有如下特點；(1)轉(zhuǎn)斗油缸無桿腔進(jìn)油時轉(zhuǎn)斗鏟取物料，并且連桿系統(tǒng)的倍力系數(shù)能設(shè)計成較大值，所以可以獲得較大的鏟取力；(2)恰當(dāng)?shù)倪x擇各構(gòu)件尺寸，不僅能得到良好的鏟斗平動性能，而且可以實現(xiàn)鏟斗的自動放平；(3)結(jié)構(gòu)十分緊湊，前懸小，司機(jī)視野好。缺點是搖臂和連桿布置容易發(fā)生構(gòu)件相互干涉。實驗時將轉(zhuǎn)斗油缸縮回，使鏟斗處于完全卸斗狀態(tài)。此時提升動臂，在動臂提升過程中，測試結(jié)果表明有明顯的機(jī)構(gòu)干涉現(xiàn)象。
　　3、裝載機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)實驗
　　3.1　空載原地轉(zhuǎn)向?qū)嶒?br /> 　　與裝載機(jī)工作裝置液壓控制系統(tǒng)不同，轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)常見的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)有：(1)助力型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；(2)負(fù)荷傳感器全液壓轉(zhuǎn)向器和優(yōu)先閥組成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)}(3)流量放大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)I(4)雙泵卸荷轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空載實驗是在鏟斗內(nèi)不裝物料時進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向，實驗時分別在發(fā)動機(jī)不同工作轉(zhuǎn)速下測試轉(zhuǎn)向泵出口、轉(zhuǎn)向器入口，左右轉(zhuǎn)向油缸人口等4個壓力值。實驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向器自身是穩(wěn)定的。
3.2　沙場模擬工況實驗
　　模擬工作過程中裝載機(jī)轉(zhuǎn)向的性能，我們可以看到：轉(zhuǎn)向時的壓力振擺依然存在。轉(zhuǎn)向壓力損失較大。
　　.3、滿載障礙轉(zhuǎn)向?qū)嶒?/strong>
　　裝載機(jī)在工作時轉(zhuǎn)向阻力一般較小，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力設(shè)定為14Mpa。主要是考慮到在轉(zhuǎn)向遇到障礙時具有一定的越障能力。為此我們設(shè)計了障礙轉(zhuǎn)向?qū)嶒�。實驗時將裝載機(jī)鏟斗裝滿，小角度轉(zhuǎn)向越過高15cm的垂直障礙。
　4、裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)特性分析
　　4.1　作為主換向閥的對稱四通比例換向閥控制非對稱液壓油缸時的性能分析
實驗樣機(jī)工作裝置液壓控制系統(tǒng)所用的主換向閥為比例方向閥。比例方向閥的節(jié)流面積比通常只有兩種，即對稱型(面積比為1:1)的和非對稱型(面積比為2:1)的。而面積比為1:1或接近1:1的液壓缸由對稱型的閥芯來控制，面積比為2:1或接近2:1的則由非對稱型的閥芯來控制，由于實驗樣機(jī)所用的比例方向閥為對稱型，而工作裝置油缸為單活塞桿式油缸，在裝載機(jī)的使用過程中為了避免由于對稱型比例閥控制非對稱型液壓缸在換向過程中所帶來的壓力躍變，在控制換向過程中將操縱手柄的換向中位設(shè)計了一定的死區(qū)，從而有效的避免了上述情況的發(fā)生。
4.2　換向閥在液壓系統(tǒng)中的壓降損失
　　換向閥是具有液流方向控制功能和流量控制功能的復(fù)合閥。換向閥的壓力損失使油液流經(jīng)換向閥時造成能量損失，引起發(fā)熱，使系統(tǒng)效率降低，嚴(yán)重時會造成閥不能正常工作。我們可依據(jù)換向閥的閥芯結(jié)構(gòu)將其分為對稱類(面積比為1:1)和不對稱類(面積比為2:1)兩種，對稱類的有“O”型、“H”型等l不對稱類的換向閥有“Y”型、“P”型、“M”型。同時我們也知道液壓執(zhí)行元件的負(fù)載也基本上是不對稱的。如油缸的伸出和縮回時受力不同，液壓馬達(dá)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時負(fù)載也不同。這樣，我們就有機(jī)會組合油流方向和負(fù)載方向，使系統(tǒng)作功行程的壓力損失最小。
　5、同軸流量放大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析
　　5.1　液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理
　　本系統(tǒng)為“雙泵合分流同軸流量放大轉(zhuǎn)向優(yōu)先卸荷液壓系統(tǒng)”，簡稱“同軸流量放大卸荷系統(tǒng)”。工作原理如下所示。
　　1、轉(zhuǎn)向油缸；2、雙向緩沖補(bǔ)油閻；3、同軸流量放大轉(zhuǎn)；4、優(yōu)先卸荷閩；5、轉(zhuǎn)向泵；6、濾清器；7、機(jī)油箱；8、工作泵
　　5.2　同軸流量放大轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)與工作原理
同軸流量放大轉(zhuǎn)向器是在擺線轉(zhuǎn)閥式全液壓轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上加以改動而成的一種新型轉(zhuǎn)向器，在原擺線轉(zhuǎn)閥式全液壓轉(zhuǎn)向器的閥套上添加了一排油孔，作為放大油路通道。同時，增加負(fù)荷傳感控制油路。
5.3　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
　　5.3.1　建模時的假設(shè)
　　(1)油液的密度。粘度，彈性模量，阻尼孔的特征系數(shù)為定值；(2)泄漏流置忽略不計I(3)認(rèn)為進(jìn)人轉(zhuǎn)向器的油液流量為恒流量；(4)系統(tǒng)中換向閥和單向閥的局部損失忽略不計。
　　5.3.2　轉(zhuǎn)向教學(xué)模型
　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)左轉(zhuǎn)向模式與右轉(zhuǎn)向模式工作原理完全相同，因此，以向左轉(zhuǎn)向為例分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性。如圖3所示為向左轉(zhuǎn)向時簡化的油路圖，A表示孔R與閥芯上槽j所形成的節(jié)流口；B表示孔短槽i與雙號H孔所形成的節(jié)流口；C表示雙號H孔與閥體上a孔所形成的節(jié)流口ID表示閥體上a孔與單號H孔所形成的節(jié)流口DE表示單號H孔與閥芯上槽j孔所形成的節(jié)流口；F表示閥套孔c1與閥芯上槽j所形成的節(jié)流口；G表示閥套孔c2與閥芯上槽K所形成的節(jié)流口。

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