浅谈属具快换液压系统工作控制原理

马广奇

（江苏八达重工机械股份有限公司，江苏新沂,221400）

浅谈属具快换液压系统工作控制原理

马广奇

（江苏八达重工机械股份有限公司，江苏新沂,221400）

为满足各种轮胎式、履带式挖掘机、抓料机和救援机器上快速更换不同的配套属具需求，本文介绍采用属具快换控制液压系统进行属具快换控制。以德国HKS公司的TR-K180[1]属具快换机构液压系统设计为例，粗略分析属具快换的结构及工作原理、属具快换对液压系统控制的技术要求以及属具快换控制液压系统原理。通过深入的工况使用分析和地震救援现场产品的试验，验证了这种液压系统无论在功能上还是在安全设计方面都能很好满足属具快换的工作需求。

机器人，属具，快换控制，液压油缸，液压系统

0 引言

工程机械产品，如轮胎式、履带式挖掘机、抓料（钢）机和救援机器等，根据使用工况不同，很多时候需要快速更换不同的配套属具，使机器充分发挥效能，完成多种作业，提高机器的性价比。传统作业属具的更换方法须通过人工拆装连接轴销来进行更换，需要专用的拆卸和安装工具，熟练工人更换一次作业装置耗时在1小时以上，这种更换方式既费时又费力。如果安装了属具快换机构及其快换控制液压系统，驾驶员在驾驶室内通过操纵手柄和按钮控制，就能轻松在作业现场完成各种作业装置的快速拆装，既保证了施工安全，又减少了拆卸安装时间，还能避免销轴在拆装过程中的损坏。本文以国家“十二五”科技支撑计划项目——20吨型“双动力双臂手智能型救援工程机械”配套的德国HKS公司TR-K180属具快换机构液压系统选型设计为例，浅谈属具快换液压系统工作控制原理。

1 属具快换的结构及工作原理

图1为HKS TR-K180 快换结构外形图，共有三个部分组成：

1）与主机工作臂头部连接机构：通过四连杆机构可以很灵活地与各种挖掘机、抓料机和救援机器上吊臂头部进行机械连接。

2）快换锁紧机构：两根单杆活塞液压油缸的活塞杆可以分别当作连接轴销使用，通过两根液压油缸的全程往复运动来分别实现与各种属具的连接和脱开。当这两个液压油缸无杆腔都注入一定值压力油后，会推动液压油缸活塞杆全部伸出去，活塞杆会穿过属具上的连接孔，将快换机构与属具连接为一体，实现与属具的快速安装功能；反之，当这两个液压油缸有杆腔都注入一定值压力油后，会推动液压油缸活塞杆全部缩回来，活塞杆会自动断开与属具上的孔连接，实现快换机构与属具脱开功能。

3）与属具连接机构：通过在快换机构和属具连接机构上分别安装配套的公母快速接头体，可实现吊臂上属具工作油路通过快换机构后能与下部的属具油路快速自动接通与脱开功能。

图1 HKS TR-K180 快换结构外形图

2 属具快换对液压系统控制的技术要求

本文的研究重点是属具快换液压系统工作控制原理分析。根据HKS TR-K180快换机构使用说明书介绍，当快换锁紧机构的两个液压油缸无杆腔始终保存至少11MPa压力油后，会推动液压油缸活塞杆始终处于全部伸出状态，这样活塞杆就会始终穿过属具上的连接孔，将快换机构与属具连接为一体，整机就可以利用此属具进行工况作业；当完成此工况作业后需要快速更换属具，则通过驾驶员操作控制，给这两个液压油缸有杆腔都注入一定值压力油，推动液压油缸活塞杆全部缩回来，活塞杆就会自动断开与属具上的孔连接，这样快换机构与此属具快速自动脱开。

根据上述工作过程，对属具快换控制液压系统设计选型提出以下技术要求：只有液压油缸无杆腔始终存在至少11MPa压力油，才能确保活塞杆始终以全伸出去状态穿过属具上的连接孔，与属具牢固连接。属具与快换机构连接后，考虑属具会长时间随着主机进行各种复杂工作，在此工作过程中会对此液压油缸产生很大冲击力，同时考虑液压油缸都存在一定的内泄，所以液压系统控制上一定要考虑增加液压油缸无杆腔安全锁紧功能控制，并始终需要给液压油缸的无杆腔进行补油，并随时可以检测其工作压力值，可进行低压报警；当液压油缸的有杆腔注入一定值压力油后，要求控制活塞杆快速平稳地全部缩回到缸筒内；对于快换控制要求操作要简单可靠，并且要考虑充分利用主机液压系统中的现有液压动力源，而不必再额外增加液压动力源实现控制功能。

图2 属具快换控制液压系统原理图

3 属具快换控制液压系统原理分析

图2为属具快换控制液压系统原理图，当控制电磁换向阀5的线圈Y1处于无电状态下，电磁换向阀处于左侧工作位，液压泵1排出的压力油通过流量控制阀2优先分流一部分压力油依次通过单向阀3、节流阀4后，进入电磁换向阀，然后再依次流过减压阀11、液控单向阀7，进入液压油缸9的无杆腔，推动液压油缸活塞杆伸出去，直到控制活塞杆全部伸出, 活塞杆穿过属具上的连接孔，将快换机构与属具连接为一体。这时，主机就可以利用此属具进行工况作业。液压油缸有杆腔的回油则依次通过电磁换向阀、单向阀12后，直接回到液压油箱15。

在此属具作业全过程中，减压阀起到给液压油缸无杆腔补油作用，始终确保其出口压力值为设定值15MPa。

为了安全考虑，我们适当提高快换控制压力，以保证液压油缸无杆腔压力值稳定为15MPa，比HKS说明书中规定的最小值11MPa要大些。

液控单向阀起到锁紧液压油缸无杆腔作用。

另外，为了控制更可靠和平稳，蓄能器10不但能满足短时间独立给液压油缸无杆腔补油，还可以吸收液压油缸内冲击力。通过手动调节节流阀4的开口大小，可以控制液压油缸活塞杆伸出速度的快慢。

压力传感器8的压力值设定为13MPa，当液压油缸无杆腔的压力值低于设定值，压力传感器就会自动接通电路控制进行低压值报警，提醒驾驶员需要对液压油缸无杆腔进行补油，或者系统无法补油需要进行检修。

当控制电磁换向阀的线圈Y1处于得电状态下，电磁换向阀换向到右侧工作位，液压泵排出的压力油通过流量控制阀，优先分流一部分压力油依次通过单向阀3、节流阀4，再进入电磁换向阀，然后直接进入液压油缸的有杆腔，推动活塞杆全部缩回到缸筒内，同时，一部分压力油会作用在液控单向阀的控制油口，使其反向通油。液压油缸无杆腔的回油则依次通过液控单向阀、单向阀6、电磁换向阀和单向阀12后，直接回到液压油箱15。这时，快换机构与属具实现自动快速脱开。

单向阀6的开启压力很小，起到反向快速通过液压油的作用，单向阀12的开启压力较高，有0.45MPa，起到回油背压的作用，以控制液压油缸运动的平稳性。

流量控制阀利用负载敏感压力补偿进行优先控制分流，其始终保证将液压泵出口的压力油优先分流给优先口属具快换控制使用，C口压力油可以控制主机液压系统的其他负载，溢流阀14可以限制优先口负载最大工作压力值，节流阀13是静态传动，没有产生压力损失，可以提供稳定的负载压力反馈信号，起到补偿器阀芯在移动过程中的稳定性控制作用。

4 结论

通过对属具快换控制液压系统原理的分析，我们不难看出，在属具快换控制液压系统设计选型的时候，要全面考虑快换使用工况需求及其安全保护措施。

此系统在设计时增加了多重安全设计：通过增加液控单向阀，可以锁紧液压油缸无杆腔；通过减压阀可以即时补油，解决油缸内泄对快换的影响，保证液压油缸无杆腔内压力值恒定；通过安装蓄能器可以在快换或者主机液压系统出故障时，短时间内给液压油缸无杆腔补油，保证液压油缸无杆腔压力值恒定，给配套快换机构的属具工作臂快速下落到安全位置提供时间；通过压力传感器提供低压提前报警功能。

另外，通过选用流量控制阀，可以利用主机上已有的液压泵给快换控制提供液压动力源，而不必再增加主机上液压泵的数量。

通过在20吨型“双动力双臂手智能型救援工程机械”的一个工作臂上进行工厂内部试验，以及在四川雅安地震救援现场的实际救援作业，均验证了这种属具快换控制液压系统无论在功能原理上还是在安全设计方面，都能很好地满足属具快换的工作需求。