用于工程改装车平台的作业液压系统设计及仿真

2021-04-23司癸卯许天泽霍富强

液压与气动 2021年4期

司癸卯，许天泽，霍富强，王贝

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710064)

引言

在不同地形地貌上对道路进行修补、填坑等作业时，目前唯一的办法就是使用不同的道路养护机械，每一个工序都需配备专用的机械设备[1]。所配备的机械种类繁多，而且由于间歇性作业，每个机械设备使用的次数不多，使得部分设备闲置率高，增加了相应的购置费，同时降低了作业效率。针对这一问题，国外已有学者提出将单一设备系统化、零散作业集合化，具有相同特征的作业模式组合于一体，可“一机多用”的底盘[2]。但此类综合养护机械在国内尚属空白。尽快开发出我国自主研发并生产的、可“一机多用”的底盘是提高我国道路养护作业效率的可行办法，也为养护机械开创更广阔的未来提供了可行思路。

1 工程改装车平台作业液压系统原理设计

所设计平台为轮式工程机械通用平台，可通过汇总各类轮式公路养护车辆的结构参数，对比和仿真得出平台基本参数。公路养护专用车包括稀浆封层车、同步碎石车以及沥青路面综合养护车，辅助养护车包括道路除雪车、道路清扫车等，公路养护车参数配置表数据如表1所示。

表1 公路养护车参数配置表

所设计平台为可“一机多用”的平台，要满足至少2台设备的作业工况要求，从表中数据可以看出，若取平台最大质量16000 kg，最高车速90 km·h-1，工作速度1～20 km·h-1，那么设计出的平台可基本满足大部分公路养护机械的生产制造要求。

将一系列公路养护机械车的作业液压系统的执行液压缸与液压马达进行整理与汇总，如表2所示，可分析绘制出平台的作业液压系统图，并将稀浆封层车[3]、同步碎石车[4]、沥青路面综合养护车[5]、除雪车[6]以及清扫车[7]等一系列公路养护机械车辆的作业液压系统的执行液压缸与液压马达对应的回路在示意图下方标出，使平台发挥可“一机多用”作用时，只需参照图解，根据作业方式更换执行机构即可, 图1所示为平台作业液压系统图。

平台的作业液压系统采用以双联齿轮泵作为动力输出的双回路系统，每条回路在输入液压油后都会有1个执行元件进行动作。因此，整个回路中至少会有2个执行元件同时进行动作。该系统的优点是：功率利用较好、动作正确、操作方便[8]。

表2 不同公路养护车作业液压系统执行机构

不同的作业状态需选择不同中位机能的电磁阀，若要求执行机构可以平稳、准确地停留在既定位置上，选用中位机能为“O”形的三位六通电磁换向阀6，7，8，31，32以保证执行机构可以在任意位置保持静止不动。若执行机构不需要停留在中间位置，则选用中位机能为“Y”形的三位六通电磁换向阀9，10，11，27，28，29，30。设置背压阀12，13，14，15，16，31，32的目的是保证执行机构平稳动作，同时还起到液压锁的作用，使机构运行更加可靠[9]。

执行机构图1中,20，21，22，23，24，39，40分别为平台不同工作状态下的执行液压缸。当处在稀浆封层车工作状态时，其分别为摊铺器举升液压缸、摊铺器分料液压缸、摊铺器横移液压缸、摊铺器伸缩液压缸；当处在同步碎石车工作状态时，其分别为料斗举升液压缸、喷洒杆升降液压缸、喷洒杆横移液压缸、喷洒杆升降液压缸；当处在沥青路面综合养护车工作状态时，其分别为加热墙横移液压缸、加热墙升降液压缸、上料机构举升液压缸、加热墙翻转液压缸、压路机提升液压缸；当处在除雪车工作状态时，其分别为振动铲提升液压缸、振动铲摆动液压缸；当处在清扫车工作状态时，其分别为左(右)前盘刷伸缩液压缸、左(右)后盘刷伸缩液压缸、垃圾箱倾翻液压缸、垃圾箱尾门液压缸、吸嘴液压缸。

1、3.滤油器 2.冷却器 4.双联定量泵 5、33.溢流阀 6～8、31、32.三位六通O形换向阀 9～12、26～30.三位六通Y形换向阀 15～19、35、36.背压阀 13、14、37、38.预留口 20～24、39、40.液压缸 25.单向阀 34.缓冲限压阀 41～43.液压马达图1 平台作业液压系统

41，42，43分别为平台不同工作状态下的执行液压马达，当处在稀浆封层车工作状态时，其分别为摊铺器旋转马达、高压清洗马达；当处在同步碎石车工作状态时，其分别为布料辊马达、导热油马达；当处在沥青路面综合养护车工作状态时，其分别为旋转料仓马达、乳化沥青马达、热沥青马达；当处在除雪车工作状态时，其分别为滚刷马达、振动铲马达；当处在清扫车工作状态时，其分别为左(右)前盘刷马达、左(右)后盘刷马达。

马达回路中设置缓冲减压阀34的作用是，当作业马达在工作中发生启停、翻转及制动等动作时，它可将液压油从高压腔通入低压腔进行补油动作，降低系统由液压造成的冲击，所以该回路选用中位机能为“O”形的三位六通换向阀30。同理，若马达不需进行翻转、制动等动作则可选用中位机能为“Y”形的三位六通换向阀31，32，13，14，37，38为多路阀预留口，以备其他机械设备需要。

2 作业液压系统计算

2.1 工作压力确定

所设计平台的作业执行机构是要集稀浆封层车、同步碎石车、沥青路面综合养护车、除雪车以及清扫车的作业方式于一体，以体现“一机多用”的设计理念。通过分析表1可知，沥青路面综合养护车与同步碎石车的理论结构数据较为相似，因此本研究将具有相同工作环境、相似结构尺寸的沥青路面综合养护车与同步碎石车的作业系统结合，为此为例进行设计。

由表2和图1可知，沥青路面综合养护车的作业方式有加热墙的横移、升降以及翻转动作，上料机构的上下举升物料动作，压路机的提升动作，旋转料仓的翻转动作，乳化沥青和热沥青的喷洒动作。同步碎石车的作业内容为沥青结合料的喷洒与骨料的撒布，二者同时进行涉及的作业方式有喷洒杆横移、升降以及料斗举升等动作。将二者的作业方式结合，则平台作业液压系统的执行机构需要实现的作业方式为：使加热墙与喷洒杆实现横移、升降动作；使上料机构(料斗)与压路机实现举升动作；使加热墙、旋转料仓实现翻转动作；使沥青实现喷洒动作。通过各类沥青路面综合养护车与同步碎石车资料，确定平台作业液压系统的工作压力值为14 MPa[4]。

2.2 主要元件参数的确定

1) 执行元件载荷大小和主要参数确定

执行元件的液压缸选用双作用、单活塞杆HSG型工程用液压缸，马达选用齿轮马达完成既定工况作业[10]，整理集合各执行元件的载荷及主要参数见表3。

2) 液压缸的工作压力大小

(1)

式中,p1—— 液压缸实际工作压力

p2—— 液压缸回油腔压力

F—— 外负载

表3 作业液压系统执行元件的主要参数

A1—— 液压缸无杆腔面积

A2—— 液压缸有杆腔面积

3) 作业液压马达的工作压力大小

(2)

式中，T—— 液压马达载荷转矩

V—— 液压马达排量

4) 作业液压缸的流量大小

Q=Av×103

(3)

式中，A—— 液体流通截面积

v—— 液压油流速

由执行机构作业时间确定活塞速度，已知各执行机构的作业时间要求为：

(1) 加热墙完成横移动作的时间为18 s；

(2) 加热墙完成升降动作的时间为4 s；

(3) 上料机构完成举升动作的时间为12 s；

(4) 喷洒杆完成横移动作的时间为8 s；

(5) 加热墙完成翻转动作的时间为15 s；

(6) 喷洒杆完成举升动作的施加时间为17 s。

由式(3)计算液压缸流量。

5) 作业液压马达的流量大小

Q=Vn×103

(4)

式中，n为马达转速。

计算所得的作业液压系统液压缸和液压马达各个参数如表4、表5所示。

2.3 作业液压泵选型

1) 作业液压泵的最大工作压力大小

p=p3+∑Δp

(5)

式中，p3为执行元件最大工作压力。由表4可知，执行元件的最大工作压力为压路机在提升液压缸时的工作压力[11]，即：p3=12.8 MPa；∑Δp为总管路损失压力，∑Δp=(0.2～0.5)MPa，取∑Δp= 0.5 MPa。

表4 液压缸参数

表5 液压马达参数

由式(5)计算作业液压泵的最大工作压力大小为pp=13.3 MPa。

2) 作业液压泵的流量大小

qvp≥K(∑Qmax)

(6)

式中，K为泄漏系数，一般K=1.1～1.3，取K=1.3；∑Qmax为同一时间作业的所有执行元件的流量之和。

由表4计算得：左回路：∑Qmax左=0.812 L·s-1；右回路：∑Qmax右=1.039 L·s-1；则由式(6)计算可得，双联泵前泵流量qvp前=1.056 L·s-1=63.36 L·min-1，后泵流量qvp后=1.351 L·s-1=81.04 L·min-1。选用CBF-F25/31.5APX型双联齿轮液压泵作为作业液压系统的动力输出泵，额定工作压力为20 MPa，额定工作转速为2500 r·min-1，前泵排量为25 mL·r-1，后泵排量为31.5 mL·r-1。