一种挖掘机阻尼式旋转工作台的开发

席建中，韩成春，王小磊

(徐州工程学院信电工程学院，江苏徐州221111))

一种挖掘机阻尼式旋转工作台的开发

席建中，韩成春，王小磊

(徐州工程学院信电工程学院，江苏徐州221111))

开发一种在核心技术上具有自主知识产权的挖掘机阻尼式旋转工作台，通过设计油缸活塞的结构和控制液压油路增加液体流动的行程，通过液体流动阻尼和压力降，以此吸收振动能量，达到减振的目的。采用该减振技术将旋转工作台停止时的冲击能通过能量吸收器转换为热能，从而降低和消除振动对挖掘机旋转工作台的影响，提高挖掘机工作效率。

挖掘机;旋转工作台;减振技术;冲击能量吸收

随着国民经济的发展工程机械的需求量增大同时，严格要求工程机械的节能减排。针对工程机械的节能减排，各生产厂家投入大量资金和人力完善和攻克工程机械的发动机、液压系统等部件节能环保。其中以振动方式工作的工程机械，既提高工作效率又节约能源消耗，能够达到高效节能而得到消费者的高度关注［1－3］，比如振动压路机、振动钎、破碎机、冲击钻床以及作者所在课题组正在研制开发中的“高效节能液控振动挖掘机［4－5］”。但是振动会造成机械零、部件的抗疲劳强度下降，装配联接部分松动，同时振动产生的噪声会造成环境污染。因此在非工作区域之外必须采用减振、消振措施。以液压挖掘机为例，挖斗装满物料后往往需要转动方向将物料卸除，尤其是往车辆等限定部位卸料时，转动速度需要人工控制供油量来完成，不仅影响装卸速度，也会产生冲击，即转动时形成的转动惯量很大，在短时间停止时形成冲击，将会造成油路系统故障同时也会引起整机振动。目前没有相关的技术方案来解决冲击动能的吸收问题，成为了该领域技术人员有待解决的技术问题。

作者设计的挖掘机阻尼式旋转工作台是属于旋转工作台减振技术，也是一种吸收振动能量的减振装置［6］。该减振技术将旋转工作台停止时所产生的冲击能通过能量吸收器［7－9］转换为热能，从而消除振动源传递给挖掘机旋转工作台的振动以及振动危害。

1 基本结构

如图1所示，挖掘机阻尼式旋转工作台是由下车架、内齿圈、回转支撑、减速齿轮机构、回转工作台、回转马达、振波吸收器组成，其中振波吸收器固定在回转工作台上，其油路与回转马达的油路联通。

图1 挖掘机阻尼式旋转工作台

如图2所示，振动能量吸收的液压系统是由第一换向阀、第二换向阀、第一单向阀、第二单向阀、油箱、第一吸收器、第二吸收器、换向阀组成，第一换向阀进液口分别与回转马达、第一单向阀用管路联通，第一换向阀的出液口分别与油箱、第一吸收器的A、B'口用管路联通，第一换向阀进液口经第一单向阀、第一吸收器的回油口B'以及主油路P联通;同样，第二换向阀进液口分别与回转马达、第二单向阀用管路联通，第二换向阀的出液口分别与油箱、第二吸收器的A、B'口用管路联通，第二换向阀进液口经第二单向阀、第二吸收器的回油口B'以及主油路O联通。

图2 旋转工作台冲击能量吸收的液压系统结构图

如图3所示，第一吸收器和第二吸收器是由阻尼壳体、调节滑块、压差平衡器、端盖和预压调整片组成。其中调整滑块位于阻尼壳体内腔并与内腔壁密封配合，调整滑块一侧与压差平衡器一端连接，压差平衡器另一端与压盖连接，压盖的中心有回油口B'，压盖和阻尼壳体间有预压调整片。

图3 吸收器内部结构图

阻尼壳体中间有内腔，在阻尼壳体的一侧有液阻通道，截面中心有振波接收孔，振波接收孔与阻尼壳体中间的内腔相联通，内腔侧壁上有液阻螺旋槽，液阻螺旋槽与液阻通道联通。调整滑块为圆柱体，在圆柱体中心有稳流室，该稳流室为一轴向的盲孔，圆柱体侧面有压降通道，压降通道为径向孔，该压降通道与稳流室联通。压差平衡器是变力弹簧或记忆弹片。预压调整片是刚性或弹性垫片。

由于采用了上述结构，当回转工作台停止工作时，产生的惯性力使回油压力剧增，瞬间高压油通过吸收器时被自整定阻尼，将高压油携带的能量瞬间转换为热能，可以实现回转工作台瞬间停止，解决了由此产生的振动以及对系统的破坏。

2 工作过程

由图2，压力油P经过换向阀下端，经第一单向阀到回转马达上端，下端回油经第二换向阀回油箱，马达转动工作。当第二换向阀处在上端位置时，换向阀处在中间位置，回转马达下端回油，经第二换向阀到第二级吸收器的P1及P1z口将惯性能转换为热能，由B'口经换向阀，再经第一单向阀8到回转马达上腔。反之，换向阀处在上端，压力油P经第二单向阀到马达下端，马达上端回油经由第一换向阀回油箱，马达反转工作。

由图3，进入吸收器的外界振动压力信号p1z分为两路:一路通过阻尼壳体的A孔进入滑块的S1端，根据S1的有效面积运算出振动力的大小，完成振动信号的接收、计算、测定过程;另一路压力信号p1z及流量Q1同时进入阻尼壳体的B－C－D－S2腔，压力由p1z降至p2z，根据S2的有效面积计算出液体流经B到S2全过程共消耗多少能量及抵消到多少振动力，完成振动力消耗的接收、测定、计算过程。通过调整滑块对S1、S2的比较，其差值与压差平衡器再平衡处理，最终确定滑块在这一时刻的最佳位置，达到由液压阻力完全消除振动力的目的，保护各类系统平稳状态。自整定前、后振动波形的变化如图4和图5所示。

图4 自整定前振动波形 图5 自整定后振动波形

图4为采用现有技术产生的很大的振动波。引起的振动不仅影响挖掘机的工作安全，也影响操作人员的健康。

图5为采用自整定装置后振动波形。

由此可知，该装置利用了能量吸收器将把冲击能转换为热能的特征，有效地降低和消除各种振动对旋转工作台的振动影响和危害。

3 结束语

设计了新型能量吸收器及其液压系统，通过能量吸收器的液体流动阻尼和压力降，把旋转工作台停止时的冲击能通过能量吸收器转换为热能，从而达到工作台减振、消振的目的，同时提高了挖掘机工作效率。其优点归纳如下:

(1)振动源产生的振动被快速吸收，减少了振动对旋转工作台的危害。

(2)减少了对内齿圈的刚性冲击，提高了使用寿命。

(3)降低了对操作人员技能的要求，提高了工作效率，降低了能量损耗。

【1】殷涌光，李俊明，王国强.二维振动铲装的试验研究［J］.农业机械学报，1994，25(2):18 －23.

【2】朱建新，郭鑫，邹湘伏，等.岩土振动掘削技术研究现状及其发展趋势［J］.工程机械，2006，37(1):33－38.

【3】朱建新.液压挖掘机振动掘削机理及其过程优化建模与智能控制策略研究［D］.长沙:中南大学，2008.

【4】席建中，韩成春，范庆益.液控振动挖掘机挖力的控制方法及专用伺服阀:中国，ZL201110031041.3［P］.2011 －08－10.

【5】韩成春，范庆益，席建中.H型偏零开口液脉冲控制伺服阀:中国，ZL201120030178.2［P］.2011 －08 －03.

【6】韩成春，席建中.一种挖掘机阻尼式旋转工作台:中国，201110232817.8［P］.2011 －08 －05.

【7】韩成春，潘晓博，肖洋，等.自整定式液压震动波能量吸收装置:中国，ZL201120142614.5［P］.2011 －11 －09.

【8】席建中，范庆益，韩成春，等.自整定式液压震动波能量吸收的方法与装置:中国，201110117133.3［P］.2011 －11－30.

【9】黄为勇，韩成春，席建中，等.一种液压减震器:中国，ZL201120142624.9［P］.2012 －01 －04.

Development of a Damping Rotary Worktable for Hydraulic Excavator

XIJianzhong，HAN Chengchun，WANG Xiaolei
(Department of Information and Electrical Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou Jiangsu 221111，China)

The excavator damping type rotary worktable with independent intellectual property rights in core technology was developed.By designing the structure of hydraulic cylinder piston and controlling hydraulic oil flow to increase fluid trip，through the liquid flow damping and the pressure drop to absorb vibration energy，the purpose of reducing vibration was achieved.The impact energy when the rotary worktable stopped was converted to heatenergy through the energy absorber by using this damping technology.Thereby influence of vibration on the excavator rotary worktable was reduced and eliminated，and the working efficiency of excavator was improved.

Excavator;Rotary worktable;Damping technology;Impact energy absorption

TH137;TP271

A

1001－3881(2013)2－085－2

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.02.030

2012－01－19

席建中 (1957—)，男，副教授，主要从事计算机应用、机电工程方面的研究。E－mail:xijz@xzit.edu.cn。通信作者:韩成春，E－mail:han_chengchun@163.com。