双向液压锁安全功能的仿真分析研究*

龚 文

上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062

0 引言

双向液压锁是工程起重机械的重要安全元件，一般与重要的执行元件液压缸刚性连接，用于可靠锁定执行元件，确保作业安全[1]。以常见的轮胎起重机和汽车起重机为例，由于行走用的充气轮胎承载时变形较大且能力有限，因此，为满足起重机起吊重物的作业要求，在起重机的左右两侧各设置2组由液压缸驱动的可展开和升降的支腿[2，3]。当起吊作业时，操纵多路阀将4个支腿展开到位，再将升降液压缸的活塞杆伸出，起重机整体被支起。通过微调活塞杆伸出的长度实现车身水平，则起重机自重和吊重的负载全部由4个支腿承受。作业过程中，若某一支腿出现回缩，极有可能导致起重机倾覆事故，故双向液压锁的作用显得尤为重要。本文针对典型双向液压锁的结构，在对双向液压锁动力学分析基础上，建立基于Amesim的液压系统仿真模型，分析了双向液压锁实现锁定作用的动态过程，为双向液压锁的日常使用和故障诊断提供技术依据，保证设备安全使用。

1 双向液压锁结构和工作过程

双向液压锁主要由左单向阀阀芯、左复位弹簧、右单向阀阀芯、右复位弹簧、控制阀阀芯、控制阀阀芯复位弹簧、阀体和密封件等组成[4]。其图形符号如图1所示。

图1 双向液压锁结构简图和图形符号

阀体上开有 4个油口 A1、A2、B1、B2，其中A1、B1分别连接换向阀的A口和B口，A2、B2分别连接液压缸的有杆腔和无杆腔，液压系统如图2所示。

图2 液压系统原理图

当换向阀处于中位时，A1和B1口直接与油箱相连，此时左单向阀阀芯在左复位弹簧的推力下，处于关闭状态；右单向阀阀芯在右复位弹簧的推力下，处于关闭状态；控制阀阀芯在控制阀芯复位弹簧的推力作用下，处于复位状态，位于中间位置。当换向阀处于左位时，高压油进入B1口，右单向阀阀芯在液动力作用下，处于开启状态，B1和B2连通；控制阀阀芯在液动力作用下，位于左侧位置，推动左单向阀芯开启，A1和A2连通。此时油路方向为B1→B2和A2→A1。当换向阀处于右位时，高压油进入A1口，左单向阀阀芯在液动力作用下，处于开启状态，A1和A2连通；控制阀阀芯在液动力作用下，位于右侧位置，推动右单向阀芯开启，B1和B2连通。此时油路方向为A1→A2和B2→B1。

2 双向液压锁元件与液压系统建模

本文采用AMESim软件建立元件级模型和工作液压回路的系统级模型。AMESim是多学科领域的复杂系统建模与仿真平台，其提供的机械库、信号控制库、液压库（包括管道模型）、液压元件设计库等在机械-液压耦合系统建模和仿真方面得到广泛应用。

2.1 双向液压锁元件建模

根据双向液压锁结构，在动力学分析基础上，构建元件级模型。根据双向液压锁结构，将其分为左单向阀、右单向阀和控制阀3个模块，采用Amesim中一维机械库（1D Mechanical library）中带摩擦和止动块的质量（mass with friction and endstops）和弹簧（ideal linear spring）；液压元件设计库（Hydraulic Component Design library）中带锐边阀座的阀（poppet with sharp edge seat）、带弹簧的活塞（piston with spring）和活塞（piston）等模块建立双向液压锁元件级模型，如图3所示。各模块的输入输出参数如图4所示[5]。

图3 双向液压锁Amesim模型

图4 双向液压锁模型中各模块的输入输出参数

2.2 液压系统建模

构建完整的液压系统为双向液压锁元件级匹配输入和输出参数。对图3液压系统分析可知，除双向液压锁外，液压系统还包括液压泵、安全阀、换向阀、液压缸、负载等部分，采用Amesim中液压设计库（Hydraulic library）的液压泵（ideal fixed displacement hydraulic pump）、安全阀（hydraulic relief valve）、3位4通换向 阀（3 position 4 port hydraulic open center valve）、液压缸（mass with double hydraulic chamber and single rod）等模块建立完整的液压系统模型。各模块的输入输出参数如图5所示，建立完整的液压系统Amesim模型如图6所示。

图5 液压系统模型中各模块的输入输出参数

图6 液压系统Amesim模型

3 仿真和分析

支腿伸缩液压缸工作时主要为空载伸缩和负载伸缩2个过程。由于动态外部负载难以模拟，故用恒定外力来代替外部负载。对上述2个过程分别进行仿真，得到相应的仿真曲线。为便于分析，对各仿真数值进行归一化处理。假设换向阀控制信号为xk时处于左位，为0时处于中位，为-xk时处于右位。单向阀阀芯开口位移的最大值分别为xd1和xd2。

3.1 液压缸空载伸缩过程仿真分析

支腿液压缸空载伸缩时，液压缸活塞杆、双向液压锁控制阀阀芯位移、右侧单向阀阀芯和左侧单向阀阀芯动态仿真曲线如图7所示。

图7 空载时，动态仿真曲线

1）A～B段时，换向阀处于左位；双向液压锁的控制阀阀芯位移为xk，处于左侧。右侧单向阀与高压油相连，由于没有外部负载，压力较低，压力不足以将其阀芯完全开启，故阀芯开口位移小于xd1，处于非全开口状态，且足以使液压油全流量通过；压力足以推动控制阀阀芯将左侧单向阀阀芯完全开启，故左侧单向阀阀芯开口位移为xd2，处于全开口状态；活塞杆外伸。

2）B～C段时，换向阀处于中位；双向液压锁的控制阀阀芯位移为0，处于中间。右侧单向阀与回油口相连，压力为0，故阀芯开口位移为0，处于关闭状态；左侧单向阀与回油口相连，压力为0，故阀芯开口位移为0，也处于关闭状态；控制阀阀芯左右两侧压力为0，在复位弹簧作用下回到中间位置；活塞杆停止。

3）C～D段时，换向阀处于右位；双向液压锁的控制阀阀芯位移为-xk，处于右侧。左侧单向阀与高压油相连，由于活塞杆自重，压力较高，压力足以将其阀芯完全开启，故阀芯开口位移为xd2，处于全开口状态；压力足以推动控制阀阀芯将右侧单向阀阀芯完全开启，故右侧单向阀阀芯开口位移为xd1，处于全开口状态；活塞杆回缩。

3.2 液压缸负载伸缩过程仿真分析

支腿液压缸负载伸缩时，换向阀控制信号、液压缸活塞杆、右侧单向阀阀芯和左侧单向阀阀芯动态仿真曲线如图8所示。

图8 负载时，动态仿真曲线

1）A～B段时，换向阀处于左位；双向液压锁的控制阀阀芯位移为xk，处于左侧。右侧单向阀与高压油相连，由于外部负载作用，压力较高，压力足以将其阀芯完全开启，故阀芯开口位移为xd1，处于全开口状态；压力足以推动控制阀阀芯将左侧单向阀阀芯完全开启，故左侧单向阀阀芯开口位移为xd2，处于全开口状态；活塞杆外伸。

2）B～C段时，换向阀处于中位；双向液压锁的控制阀阀芯位移为0，处于中间。右侧单向阀与回油口相连，压力为0，故阀芯开口位移为0，处于关闭状态；左侧单向阀与回油口相连，压力为0，故阀芯开口位移为0，也处于关闭状态；控制阀阀芯左右两侧压力为0，在复位弹簧作用下回到中间位置；活塞杆停止。

3）C～D段时，换向阀处于右位；双向液压锁的控制阀阀芯位移为-xk，处于右侧。左侧单向阀与高压油相连，由于外部负载作用，压力较低，压力不足以将其阀芯完全开启，故阀芯开口位移小于xd2，处于非全开口状态，且足以使液压油全流量通过；压力足以推动控制阀阀芯将右侧单向阀阀芯完全开启，故右侧单向阀阀芯开口位移为xd1，处于全开口状态；活塞杆回缩。

从仿真结果可知，当换向阀复位处于中位时，不论外部负载如何变化，液压缸活塞杆保持停止，因此，可防止起重机在作业时发生支腿回缩的“软腿”现象，以及起重机行驶、停放时支腿自行下落，实现可靠锁定。当换向阀处于左位或右位时，若换向阀与双向液压锁之间的进油软管出现破裂等情况，双向液压锁进油侧单向阀压力不足，将立即关闭，防止活塞杆反向运动，同样实现可靠锁定。当受到一定外部负载作用时，空载时处于部分开启状态的单向阀阀芯可能变为完全开启状态，而完全开启状态的单向阀阀芯也有可能变为部分开启状态。空载和负载情况下，活塞杆的外伸速度差别不大，但回缩速度有明显差别。后续可建立相应的故障模型，注入仿真模型，进一步研究不同故障下双向液压锁的动态特性。