斗轮堆取料机俯仰液压系统设计与优化

2013-03-17肖艳军孟照建梁新宇郭伟鑫郭迪明关玉明

机床与液压 2013年16期

肖艳军，孟照建，梁新宇，郭伟鑫，郭迪明，关玉明

(1.河北工业大学机械学院，天津300130;2.天津重钢机械装备股份有限公司，天津300459)

悬臂式斗轮堆取料机主要由行走机构、俯仰机构(变幅装置)、斗轮机构、上部回转机构和平台、底架、斗臂架和斗臂架带式输送机(既受料、又卸料)、门架、平衡梁架和配重、司机室、液压系统、电气设备等组成。俯仰机构有机械和液压变幅两种形式，由于液压系统在悬臂俯仰运动过程中能对俯仰进行灵活的控制和平稳的启停，而且具有结构小巧、配置灵活、组装方便、可靠耐用等独到的特点，因此液压系统在堆取料机和其他装卸设备中得到了更为广泛的应用。俯仰机构的作用是支承取料斗轮、悬臂机构及配重装置的重量，并在俯仰液压缸的牵引下，改变取料斗轮的高度，使斗轮机构可以在原、燃料场中的不同高度的料堆上方便地进行堆料和取料作业，俯仰机构的工作安全可靠性非常重要，一旦因俯仰机构失效而引发悬臂架高空坠落，不仅会造成斗轮堆取料机整体永久破坏，还会严重危害到操作人员的人身安全。传统的液压系统回路存在运行不可靠、稳定性差、使用寿命短等不足，因此，有必要对液压系统回路进行优化设计，以增强设备运行的平稳性，延长使用寿命，减少维护量，降低运行成本，提高斗轮堆取料的工作效率。

1 液压系统类型选择

液压系统的类型即油路循环方式有开式和闭式两种。开式回路，即执行元件的排油回油箱，油液经过沉淀、冷却后再进入液压泵的进口。该系统采用开式还是采用闭式，主要取决于它的调速方式和散热要求。一般来说，凡备有较大空间可以存放油箱且不另设置散热装置的系统、要求结构尽可能简单的系统，或采用节流调速或容积－节流调速的系统，都宜采用开式;凡允许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却的目的的系统、对工作稳定性和效率有较高要求的系统，或采用容积调速的系统，都宜采用闭式，行走装置或者航空航天等装置为了减轻体积和质量可选用闭式回路。因此，液压系统选用开式回路。

2 液压回路优化设计

选择系统的液压回路是根据系统的设计要求和工况，从众多的成熟方案中挑选出来的。挑选时既要保证满足各项主机要求，也要考虑符合节省能源、减少发热、减少冲击等原则。由设计要求可知，此设计中是靠2 个液压缸同步动作来实现悬臂的频繁间歇上下运动，并要保证悬臂在某一位置能够保持不动，即不能因悬臂重力使之下降。因此需考虑的基本回路有卸荷回路、锁紧回路、平衡回路、同步回路等。

2.1 卸荷回路

卸荷回路的功用是在液压泵驱动电动机不频繁启闭的情况下，液压泵在功率损耗接近零的情况下运转，以减少功率损耗，降低系统发热，延长泵和电动机的寿命。因为液压泵的输出功率为其流量和压力的乘积，因而，两者任一近似为零，功率损耗即近似为零，因此液压泵的卸荷有流量卸荷和压力卸荷两种，前者主要是使用变量泵，使泵仅为补偿泄漏而以最小流量运转，此方法比较简单，但泵仍处在高压状态下运行，磨损比较严重。压力卸荷的方法是使泵在接近零压下运转，使其输出流量在压力很低的情况下流回油箱，传统系统采用电液换向阀作为主换向阀，但是系统中的三位阀是Y 型中位机能，油泵不能卸荷，在系统非工作状态下，必须使电机停止，这会造成电机频繁起动。基于对传统方式的优化，将此处的电液换向阀采用M 型中位机能，当三位换向阀处于中位时，油泵可以卸荷，系统在非工作状态时电机不必停止，避免了电机频繁起动。图1所示为采用M型中位机能的电液换向阀的卸荷回路。这种回路切换时压力冲击小，但回路中必须设置单向阀，以使系统能保持0.3 MPa 左右的压力，供控制油路之用。

图1 卸荷回路

2.2 锁紧回路(保压回路)

锁紧回路的功用是在液压执行元件不工作时切断其进、出油液通道，确切地使它保持在既定位置上。图2所示为一种使用液控单向阀的双向锁紧回路，它能在液压缸不工作时使活塞迅速、平稳、可靠且长时间地被锁住，不为外力所移动。此回路不仅可以应用于堆取料机中，还可以广泛应用于工程机械、起重运输机械等有锁紧要求的场合。

图2 使用液控单向阀的双向锁紧回路

2.3 平衡回路

平衡回路是指在油路设计中设置的某种回路，用来阻止因自重等因素而下降。平衡回路是具有立式(垂直地面)液压缸的机械设备必不可少的一种回路，它的功用在于防止垂直放置的液压缸和与之相连的工作部件因自重而自行下落。因为起重液压机械在非起重状态时，无论是处于停止状态还是工作状态都会因重力作用而具有向下运行的趋势，故必须阻止这种有害现象，使之达到平衡。

图3所示为一种现在常使用单向顺序阀的平衡回路。由图可见，当换向阀2 左位接入回路使活塞下行时，回油路上存在着一定的背压;只要调节单向顺序阀3 使液压缸内的背压能支撑得住活塞与之相连的工作部件，活塞就可以平稳地下落。当换向阀处于中位时，活塞就停止运动，不再继续下移。这种回路在活塞向下快速运动时功率损失较大，锁住时活塞和与之相连的工作部件会因单向顺序阀3 和换向阀2 的泄漏而缓慢下落，因此它只适用于工作部件自重不大、活塞锁住时定位要求不高的场合。因此，若在单向顺序阀和液压缸之间增加一液控单向阀，由于液控单向阀密封性能好，就可以防止活塞因单向顺序阀泄漏而下降。最终选用的平衡回路如图4所示。

图3 单向顺序阀的平衡回路(优化前)

图4 单向顺序阀加液控单向阀的平衡回路(优化后)

2.4 同步回路

液压同步回路是指在各类机器、设备、装置中，实现同步运行功能，是由液压元件、管路按一定规律组合，并以液流介质传递，控制驱动两个或者两个以上的执行器(液压缸或液压马达)产生相同的线位移或角位移和相同的位置的回路。液压同步回路是液压系统中回路之一，一般是由控制同步运动的液压件，经管道至执行器，执行器的回油口经管路至油箱部分，即同步回路组成部分。这种回路实质上也是流量(调速)控制回路的一种，也是多缸控制回路的一种。

同步回路分为容积控制液压同步回路和流量控制液压同步回路两种。其中容积控制液压同步回路利用封闭容积变化通过管道等组件向尺寸精度、结构相同的数个执行器(液压缸或者液压马达)输入等体积的液体使其产生同步运动。此方法效率高，精度高;但结构复杂，价值昂贵，故不采用。另一种流量控制液压同步回路是通过流量阀调节控制进入或排出液压点是精度不高。故采用此方法，实践证明可行。流量控制液压同步回路如图5所示。

流量控制液压同步系统常用的控制元件有节流阀、调速阀、同步阀等。这些阀都是通过改变节流口开度的大小，来调节流量的多少，改变同步执行器中运动件的运动速度快慢以期达到执行器中运动件同步运动的目的。执行器(液压缸或者液压马达)中的流量，使液压执行器中运动件运动速度相等，实现速度同步等。流量控制同步系统最大的优点是结构简单、成本低;缺

图5 流量控制液压同步回路

3 集成液压系统

集成液压系统是把各种液压回路综合在一起，进行归纳整理，增添必要的元件或辅助油路，使之成为完整的系统，并在最后检查一下:这个系统能否完美实现所要求的各项功能，是否需要再进行补充或者修正，有无作用相同或者相近的元件或者油路可以合并等。这样才能使设计出来的液压系统结构简单、紧凑、工作安全可靠，动作平稳、效率高，使用和维护方便。俯仰机构液压系统原理图如图6所示。