公路护栏打桩机负载敏感液压系统设计

陈世其，邹跃云，赵亮，高大伟，何志佩

（1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116；2.徐州恒兴金桥机械科技有限公司，江苏徐州 221116）

0 引言

护栏打桩机是一种专用于护栏桩施工的工程设备，根据底盘不同分为履带式护栏打桩机和轮式护栏打桩机。履带式护栏打桩机单位面积下能承受更大的载荷，行走平稳，适用于比较恶劣的作业环境。而轮式护栏打桩机行走灵活、速度较快，便于切换工作场所，更适合公路打桩作业，因此广泛应用于公路护栏桩的施工现场[1]。

公路护栏打桩机采用全液压驱动，通过液压系统中的液压油将动力传递到各个执行机构，并在各个执行机构的共同配合下完成打桩作业。因此打桩机液压系统的性能将直接影响到打桩机的整体性能[2-3]。为了实现不同作业工况下的工作效果、提高打桩机的动态性能、降低运行成本、达到高效节能的目的，本文采用负载敏感泵与负载敏感比例多路换向阀联合控制技术对打桩机负载敏感液压系统进行设计。

1 公路护栏打桩机主要工作阶段及要求

公路护栏打桩机属于循环作业的工程机械，需要在一个工作环境下完成多次打桩作业。其主要工作过程包括行走、桩架竖起、自动打桩和更换打桩位置4个阶段。

1）行走阶段。打桩机从拖车上驶下，到达公路后通过方向盘和操纵杆来控制打桩机的方向和速度使其行驶至工作位置。其中操纵杆有两个，分别控制左右行走马达，每个马达都能进行高低速切换。

2）桩架竖起阶段。由于桩架重心高，会影响行驶的稳定性，所以设计成可起落结构。在行驶过程中放下桩架，降低其重心以保证行驶的稳定性。当完成行驶阶段，打桩机到达工作位置时需要竖起桩架，升起液压锤，才可以进入施工状态[4]。同时考虑到有些施工场所可能会存在一定的纵向坡度或者横向坡度，为了确保护栏桩铅垂安装，不仅需要桩架在纵向和横向上移动，还需要其以一定的幅度摆动。

3）自动打桩阶段。此时桩架和桩锤分别由提升油缸和升降马达控制，并在平衡阀的作用下保持在一定的高度。将桩安装到桩帽上，利用桩架自动扶正功能使得桩架、液压锤、护栏桩在同一轴线上。再通过控制自动打桩回路利用液压锤进行打桩工作。

4）更换打桩位置阶段。当结束一次打桩工作时，打桩机通过自动测距系统找到下一个打桩位置，液压系统在接收到信号后控制打桩机行驶至下一个打桩位。与此同时仍需要桩架保持垂直并升起液压锤、安装护栏桩，再次进入自动打桩阶段[4]。

2 负载敏感泵和比例多路换向阀的应用

护栏打桩机常规的液压系统是一种典型的定量泵阀控系统，在该液压系统中，定量泵提供恒定的流量以满足负载的流量需求。其出口压力取决于负载，当遇到负载较大的工况时，系统的压力也会随之增大，定量泵提供的流量会有剩余，这部分剩余的液压油通过高压溢流的方式流回油箱。在这个过程中会产生溢流损失，造成能量损耗[5]。

当多个执行机构同时运动时，由于定量泵提供的流量无法同时满足各执行回路的最大流量需求，导致部分执行机构无法实现指定的动作；当任一回路的负载发生变化时，会影响其他回路中执行机构的动作，难以根据负载的变化来调节各个回路的流量分配[6]。而负载敏感技术采用负载敏感泵通过感受负载的变化从而自动调节流量，以适应打桩机液压系统在各个工作阶段的协调工作[7]。利用负载敏感比例多路阀可以实现各个执行机构的液压回路独立运行、互不干扰，解决常规液压系统中存在的问题[8]。

2.1 负载敏感泵的结构及特点

负载敏感泵的液压原理如图1所示。其主要结构包括变量泵、压力切断阀、负载敏感阀、变量缸弹簧腔和变量缸敏感腔。变量泵可以通过感受负载或负载变化从而对系统的压力需求做出响应，同时系统的流量需求通过反馈通道反馈给变量泵，使整个液压系统具有根据载荷情况提供工作所需的压力-流量特性[9]。

图1 负载敏感泵液压原理图

2.2 比例多路换向阀的结构及特点

比例多路换向阀可以通过调节各路换向阀阀芯的开口大小来控制各回路负载的运动速度，它是由2片以上的功能块组合在一起的阀组，可以根据不同液压回路的需要对每片功能块的参数单独设置，也可以按照实际的工况来选择功能块的最优组合[10]。根据护栏打桩机的实际工作需求选用8联比例多路换向阀作为打桩机液压系统的控制部分。它是由连接块和换向阀块组成，其中连接块主要包括溢流阀、减压阀、电磁换向阀；换向阀块主要包括换向阀主阀、溢流阀、二次溢流阀、定差减压阀、梭阀。

当系统中多个执行回路同时工作时，流过换向阀的流量可由下列计算公式得出[11]：

式中：Q为通过阀的流量；Cd为流量系数；A为阀芯面积；ρ为油液黏度；Δp为阀口前后压差。

由于阀口前后压差Δp由定差减压阀设定为一常数，从而确保流过比例换向阀的流量只取决于阀口开度，而不受负载变化影响，具有较高的速度控制精度[12]。

3 公路护栏打桩机负载敏感液压系统方案

本系统采用负载敏感泵与负载敏感比例多路换向阀联合控制系统作为公路护栏打桩机液压系统的设计方案。所设计的液压系统主要包括负载敏感变量泵回路2，8联多路阀集成20，先导阀组10，反馈回路和8个液压执行机构：左行走马达26、右行走马达27、左右油缸29、前后油缸30、变幅油缸31、提升油缸32、液压锤28和升降马达33。这些执行机构在液压控制系统的作用下分别实现打桩机的4个主要工作阶段。打桩机负载敏感液压系统如图2所示。

图2 公路护栏打桩机负载敏感液压系统原理图

当系统不工作时各路换向阀主阀阀芯22都处于中位待机状态，负载敏感变量泵以很小的压力（约1.4～2.5 MPa）和很小的流量处于卸荷状态，具有很好的节能效果。当系统任一回路受到负载，该回路的换向阀主阀阀芯22离开中位，液压油经过换向阀20进入该执行回路，驱动执行机构运动。此时液压换向阀的进油口和执行油口产生的压降传递至负载敏感泵2中的负载敏感阀7，通过调节变量泵3的斜盘，从而使得变量泵输出的压力自动适应负载变化，输出的流量自动与换向阀口开度相适应[13]。当系统中其它执行元件也开始工作，为了保证各回路之间的运行互不影响，在每个回路都设置了反馈回路，并通过梭阀阀组21选出换向阀的最高负载压力信号并传递到负载敏感变量泵的变量机构，变量机构根据负载压力的大小调整变量泵的排量，可实现变量泵输出的压力和流量与负载相匹配[14]。避免能源损失过大，达到高效节能的设计目的。

4 打桩机主要工况下负载敏感液压系统分析

根据所设计出来的打桩机负载敏感液压系统并结合打桩机实际施工要求对打桩机主要工作阶段进行分析。

1）行走阶段。依靠先导泵9提供先导压力油，确保变量泵3安全启动，从而为液压系统提供稳定的油压。当运行平稳时，通过调节多路阀阀芯22的开口大小控制左右行走马达25、26的转速。其中左右行走马达25、26为双速行走马达，当两位两通电磁换向阀15电磁铁断电时，左右行走马达25、26高低速控制油口通过两位两通电磁换向阀15上位接油箱，行走马达处于低速运行状态；当两位两通电磁换向阀15电磁铁通电时，先导泵9输出高压油通过减压阀11、单向阀12进入左右行走马达25、26高低速控制油口，行走马达处于高速运行状态。

2）打桩准备阶段。主要依靠变幅油缸31和提升油缸32使桩架能始终保持一定高度，并与工作面成铅垂状态，通过双向平衡阀34对其进行负载保持。左右油缸29和前后油缸30的作用是在其行程范围内调整桩架对准打桩孔，并通过双向液压锁37进行行程位置保持。为了提高工作效率，有时需要多个油缸同时运动，主要依靠变量泵3所接受的负载反馈来提供压力油，通过多路阀20进行流量分配。

3）打桩阶段。液压锤28在升降马达33的控制下提升到一定的高度，通过控制换向阀22阀口开度可控制液压锤28的下降速度，使得液压锤28在初始阶段实现低频率慢速打桩；当打桩工作稳定后增大供油流量，锤头在液压油和重力的作用下高频率快速下落进行打桩，到达行程转换开关后慢速低频率打桩，直到护栏桩到达设定高度时停止打桩，然后液压锤上升到原始最高点。由于液压锤在进行打桩工作时会遇到各种类型的土质情况，当土质变硬导致打桩时的负载突然变大，通过反馈通道变量泵输出压力会自动随着负载增加。但液压锤瞬时速度的增大，仅仅依靠液压泵提供油液还满足不了系统瞬时流量的需求，此时蓄能器36起到了辅助能源的作用[15]。

5 结论

近年来负载敏感技术在工程机械液压系统中的应用越来越广泛，大大地提高了工程机械的性能。文中根据轮式护栏打桩机的作业工况及要求，提出并设计了基于负载敏感泵与负载敏感比例多路换向阀共同控制的液压系统。负载敏感变量泵出口压力始终与负载压力相适应，系统无溢流损失，具有明显的节能效果，该系统既可采用电动控制也可采用手动控制。通过工业试验，该护栏打桩机液压系统的设计是合理的。