席建中，韓成春，王小磊

(徐州工程學(xué)院信電工程學(xué)院，江蘇徐州221111))

一種挖掘機(jī)阻尼式旋轉(zhuǎn)工作臺的開發(fā)

席建中，韓成春，王小磊

(徐州工程學(xué)院信電工程學(xué)院，江蘇徐州221111))

開發(fā)一種在核心技術(shù)上具有自主知識產(chǎn)權(quán)的挖掘機(jī)阻尼式旋轉(zhuǎn)工作臺，通過設(shè)計(jì)油缸活塞的結(jié)構(gòu)和控制液壓油路增加液體流動的行程，通過液體流動阻尼和壓力降，以此吸收振動能量，達(dá)到減振的目的。采用該減振技術(shù)將旋轉(zhuǎn)工作臺停止時的沖擊能通過能量吸收器轉(zhuǎn)換為熱能，從而降低和消除振動對挖掘機(jī)旋轉(zhuǎn)工作臺的影響，提高挖掘機(jī)工作效率。

挖掘機(jī);旋轉(zhuǎn)工作臺;減振技術(shù);沖擊能量吸收

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展工程機(jī)械的需求量增大同時，嚴(yán)格要求工程機(jī)械的節(jié)能減排。針對工程機(jī)械的節(jié)能減排，各生產(chǎn)廠家投入大量資金和人力完善和攻克工程機(jī)械的發(fā)動機(jī)、液壓系統(tǒng)等部件節(jié)能環(huán)保。其中以振動方式工作的工程機(jī)械，既提高工作效率又節(jié)約能源消耗，能夠達(dá)到高效節(jié)能而得到消費(fèi)者的高度關(guān)注［1－3］，比如振動壓路機(jī)、振動釬、破碎機(jī)、沖擊鉆床以及作者所在課題組正在研制開發(fā)中的“高效節(jié)能液控振動挖掘機(jī)［4－5］”。但是振動會造成機(jī)械零、部件的抗疲勞強(qiáng)度下降，裝配聯(lián)接部分松動，同時振動產(chǎn)生的噪聲會造成環(huán)境污染。因此在非工作區(qū)域之外必須采用減振、消振措施。以液壓挖掘機(jī)為例，挖斗裝滿物料后往往需要轉(zhuǎn)動方向?qū)⑽锪闲冻?，尤其是往車輛等限定部位卸料時，轉(zhuǎn)動速度需要人工控制供油量來完成，不僅影響裝卸速度，也會產(chǎn)生沖擊，即轉(zhuǎn)動時形成的轉(zhuǎn)動慣量很大，在短時間停止時形成沖擊，將會造成油路系統(tǒng)故障同時也會引起整機(jī)振動。目前沒有相關(guān)的技術(shù)方案來解決沖擊動能的吸收問題，成為了該領(lǐng)域技術(shù)人員有待解決的技術(shù)問題。

作者設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)阻尼式旋轉(zhuǎn)工作臺是屬于旋轉(zhuǎn)工作臺減振技術(shù)，也是一種吸收振動能量的減振裝置［6］。該減振技術(shù)將旋轉(zhuǎn)工作臺停止時所產(chǎn)生的沖擊能通過能量吸收器［7－9］轉(zhuǎn)換為熱能，從而消除振動源傳遞給挖掘機(jī)旋轉(zhuǎn)工作臺的振動以及振動危害。

1 基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，挖掘機(jī)阻尼式旋轉(zhuǎn)工作臺是由下車架、內(nèi)齒圈、回轉(zhuǎn)支撐、減速齒輪機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)工作臺、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、振波吸收器組成，其中振波吸收器固定在回轉(zhuǎn)工作臺上，其油路與回轉(zhuǎn)馬達(dá)的油路聯(lián)通。

圖1 挖掘機(jī)阻尼式旋轉(zhuǎn)工作臺

如圖2所示，振動能量吸收的液壓系統(tǒng)是由第一換向閥、第二換向閥、第一單向閥、第二單向閥、油箱、第一吸收器、第二吸收器、換向閥組成，第一換向閥進(jìn)液口分別與回轉(zhuǎn)馬達(dá)、第一單向閥用管路聯(lián)通，第一換向閥的出液口分別與油箱、第一吸收器的A、B'口用管路聯(lián)通，第一換向閥進(jìn)液口經(jīng)第一單向閥、第一吸收器的回油口B'以及主油路P聯(lián)通;同樣，第二換向閥進(jìn)液口分別與回轉(zhuǎn)馬達(dá)、第二單向閥用管路聯(lián)通，第二換向閥的出液口分別與油箱、第二吸收器的A、B'口用管路聯(lián)通，第二換向閥進(jìn)液口經(jīng)第二單向閥、第二吸收器的回油口B'以及主油路O聯(lián)通。

圖2 旋轉(zhuǎn)工作臺沖擊能量吸收的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，第一吸收器和第二吸收器是由阻尼殼體、調(diào)節(jié)滑塊、壓差平衡器、端蓋和預(yù)壓調(diào)整片組成。其中調(diào)整滑塊位于阻尼殼體內(nèi)腔并與內(nèi)腔壁密封配合，調(diào)整滑塊一側(cè)與壓差平衡器一端連接，壓差平衡器另一端與壓蓋連接，壓蓋的中心有回油口B'，壓蓋和阻尼殼體間有預(yù)壓調(diào)整片。

圖3 吸收器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

阻尼殼體中間有內(nèi)腔，在阻尼殼體的一側(cè)有液阻通道，截面中心有振波接收孔，振波接收孔與阻尼殼體中間的內(nèi)腔相聯(lián)通，內(nèi)腔側(cè)壁上有液阻螺旋槽，液阻螺旋槽與液阻通道聯(lián)通。調(diào)整滑塊為圓柱體，在圓柱體中心有穩(wěn)流室，該穩(wěn)流室為一軸向的盲孔，圓柱體側(cè)面有壓降通道，壓降通道為徑向孔，該壓降通道與穩(wěn)流室聯(lián)通。壓差平衡器是變力彈簧或記憶彈片。預(yù)壓調(diào)整片是剛性或彈性墊片。

由于采用了上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)回轉(zhuǎn)工作臺停止工作時，產(chǎn)生的慣性力使回油壓力劇增，瞬間高壓油通過吸收器時被自整定阻尼，將高壓油攜帶的能量瞬間轉(zhuǎn)換為熱能，可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺瞬間停止，解決了由此產(chǎn)生的振動以及對系統(tǒng)的破壞。

2 工作過程

由圖2，壓力油P經(jīng)過換向閥下端，經(jīng)第一單向閥到回轉(zhuǎn)馬達(dá)上端，下端回油經(jīng)第二換向閥回油箱，馬達(dá)轉(zhuǎn)動工作。當(dāng)?shù)诙Q向閥處在上端位置時，換向閥處在中間位置，回轉(zhuǎn)馬達(dá)下端回油，經(jīng)第二換向閥到第二級吸收器的P1及P1z口將慣性能轉(zhuǎn)換為熱能，由B'口經(jīng)換向閥，再經(jīng)第一單向閥8到回轉(zhuǎn)馬達(dá)上腔。反之，換向閥處在上端，壓力油P經(jīng)第二單向閥到馬達(dá)下端，馬達(dá)上端回油經(jīng)由第一換向閥回油箱，馬達(dá)反轉(zhuǎn)工作。

由圖3，進(jìn)入吸收器的外界振動壓力信號p1z分為兩路:一路通過阻尼殼體的A孔進(jìn)入滑塊的S1端，根據(jù)S1的有效面積運(yùn)算出振動力的大小，完成振動信號的接收、計(jì)算、測定過程;另一路壓力信號p1z及流量Q1同時進(jìn)入阻尼殼體的B－C－D－S2腔，壓力由p1z降至p2z，根據(jù)S2的有效面積計(jì)算出液體流經(jīng)B到S2全過程共消耗多少能量及抵消到多少振動力，完成振動力消耗的接收、測定、計(jì)算過程。通過調(diào)整滑塊對S1、S2的比較，其差值與壓差平衡器再平衡處理，最終確定滑塊在這一時刻的最佳位置，達(dá)到由液壓阻力完全消除振動力的目的，保護(hù)各類系統(tǒng)平穩(wěn)狀態(tài)。自整定前、后振動波形的變化如圖4和圖5所示。

圖4 自整定前振動波形 圖5 自整定后振動波形

圖4為采用現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生的很大的振動波。引起的振動不僅影響挖掘機(jī)的工作安全，也影響操作人員的健康。

圖5為采用自整定裝置后振動波形。

由此可知，該裝置利用了能量吸收器將把沖擊能轉(zhuǎn)換為熱能的特征，有效地降低和消除各種振動對旋轉(zhuǎn)工作臺的振動影響和危害。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了新型能量吸收器及其液壓系統(tǒng)，通過能量吸收器的液體流動阻尼和壓力降，把旋轉(zhuǎn)工作臺停止時的沖擊能通過能量吸收器轉(zhuǎn)換為熱能，從而達(dá)到工作臺減振、消振的目的，同時提高了挖掘機(jī)工作效率。其優(yōu)點(diǎn)歸納如下:

(1)振動源產(chǎn)生的振動被快速吸收，減少了振動對旋轉(zhuǎn)工作臺的危害。

(2)減少了對內(nèi)齒圈的剛性沖擊，提高了使用壽命。

(3)降低了對操作人員技能的要求，提高了工作效率，降低了能量損耗。

【1】殷涌光，李俊明，王國強(qiáng).二維振動鏟裝的試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，1994，25(2):18 －23.

【2】朱建新，郭鑫，鄒湘伏，等.巖土振動掘削技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］.工程機(jī)械，2006，37(1):33－38.

【3】朱建新.液壓挖掘機(jī)振動掘削機(jī)理及其過程優(yōu)化建模與智能控制策略研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2008.

【4】席建中，韓成春，范慶益.液控振動挖掘機(jī)挖力的控制方法及專用伺服閥:中國，ZL201110031041.3［P］.2011 －08－10.

【5】韓成春，范慶益，席建中.H型偏零開口液脈沖控制伺服閥:中國，ZL201120030178.2［P］.2011 －08 －03.

【6】韓成春，席建中.一種挖掘機(jī)阻尼式旋轉(zhuǎn)工作臺:中國，201110232817.8［P］.2011 －08 －05.

【7】韓成春，潘曉博，肖洋，等.自整定式液壓震動波能量吸收裝置:中國，ZL201120142614.5［P］.2011 －11 －09.

【8】席建中，范慶益，韓成春，等.自整定式液壓震動波能量吸收的方法與裝置:中國，201110117133.3［P］.2011 －11－30.

【9】黃為勇，韓成春，席建中，等.一種液壓減震器:中國，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，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、機(jī)電工程方面的研究。E－mail:xijz@xzit.edu.cn。通信作者:韓成春，E－mail:han_chengchun@163.com。