肖艷軍，孟照建，梁新宇，郭偉鑫，郭迪明，關(guān)玉明

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津300130;2.天津重鋼機(jī)械裝備股份有限公司，天津300459)

懸臂式斗輪堆取料機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)(變幅裝置)、斗輪機(jī)構(gòu)、上部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平臺(tái)、底架、斗臂架和斗臂架帶式輸送機(jī)(既受料、又卸料)、門架、平衡梁架和配重、司機(jī)室、液壓系統(tǒng)、電氣設(shè)備等組成。俯仰機(jī)構(gòu)有機(jī)械和液壓變幅兩種形式，由于液壓系統(tǒng)在懸臂俯仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能對(duì)俯仰進(jìn)行靈活的控制和平穩(wěn)的啟停，而且具有結(jié)構(gòu)小巧、配置靈活、組裝方便、可靠耐用等獨(dú)到的特點(diǎn)，因此液壓系統(tǒng)在堆取料機(jī)和其他裝卸設(shè)備中得到了更為廣泛的應(yīng)用。俯仰機(jī)構(gòu)的作用是支承取料斗輪、懸臂機(jī)構(gòu)及配重裝置的重量，并在俯仰液壓缸的牽引下，改變?nèi)×隙份喌母叨?，使斗輪機(jī)構(gòu)可以在原、燃料場(chǎng)中的不同高度的料堆上方便地進(jìn)行堆料和取料作業(yè)，俯仰機(jī)構(gòu)的工作安全可靠性非常重要，一旦因俯仰機(jī)構(gòu)失效而引發(fā)懸臂架高空墜落，不僅會(huì)造成斗輪堆取料機(jī)整體永久破壞，還會(huì)嚴(yán)重危害到操作人員的人身安全。傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)回路存在運(yùn)行不可靠、穩(wěn)定性差、使用壽命短等不足，因此，有必要對(duì)液壓系統(tǒng)回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性，延長(zhǎng)使用壽命，減少維護(hù)量，降低運(yùn)行成本，提高斗輪堆取料的工作效率。

1 液壓系統(tǒng)類型選擇

液壓系統(tǒng)的類型即油路循環(huán)方式有開(kāi)式和閉式兩種。開(kāi)式回路，即執(zhí)行元件的排油回油箱，油液經(jīng)過(guò)沉淀、冷卻后再進(jìn)入液壓泵的進(jìn)口。該系統(tǒng)采用開(kāi)式還是采用閉式，主要取決于它的調(diào)速方式和散熱要求。一般來(lái)說(shuō)，凡備有較大空間可以存放油箱且不另設(shè)置散熱裝置的系統(tǒng)、要求結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，或采用節(jié)流調(diào)速或容積－節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，都宜采用開(kāi)式;凡允許采用輔助泵進(jìn)行補(bǔ)油并通過(guò)換油來(lái)達(dá)到冷卻的目的的系統(tǒng)、對(duì)工作穩(wěn)定性和效率有較高要求的系統(tǒng)，或采用容積調(diào)速的系統(tǒng)，都宜采用閉式，行走裝置或者航空航天等裝置為了減輕體積和質(zhì)量可選用閉式回路。因此，液壓系統(tǒng)選用開(kāi)式回路。

2 液壓回路優(yōu)化設(shè)計(jì)

選擇系統(tǒng)的液壓回路是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和工況，從眾多的成熟方案中挑選出來(lái)的。挑選時(shí)既要保證滿足各項(xiàng)主機(jī)要求，也要考慮符合節(jié)省能源、減少發(fā)熱、減少?zèng)_擊等原則。由設(shè)計(jì)要求可知，此設(shè)計(jì)中是靠2 個(gè)液壓缸同步動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)懸臂的頻繁間歇上下運(yùn)動(dòng)，并要保證懸臂在某一位置能夠保持不動(dòng)，即不能因懸臂重力使之下降。因此需考慮的基本回路有卸荷回路、鎖緊回路、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壓泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不頻繁啟閉的情況下，液壓泵在功率損耗接近零的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，以減少功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的壽命。因?yàn)橐簤罕玫妮敵龉β蕿槠淞髁亢蛪毫Φ某朔e，因而，兩者任一近似為零，功率損耗即近似為零，因此液壓泵的卸荷有流量卸荷和壓力卸荷兩種，前者主要是使用變量泵，使泵僅為補(bǔ)償泄漏而以最小流量運(yùn)轉(zhuǎn)，此方法比較簡(jiǎn)單，但泵仍處在高壓狀態(tài)下運(yùn)行，磨損比較嚴(yán)重。壓力卸荷的方法是使泵在接近零壓下運(yùn)轉(zhuǎn)，使其輸出流量在壓力很低的情況下流回油箱，傳統(tǒng)系統(tǒng)采用電液換向閥作為主換向閥，但是系統(tǒng)中的三位閥是Y 型中位機(jī)能，油泵不能卸荷，在系統(tǒng)非工作狀態(tài)下，必須使電機(jī)停止，這會(huì)造成電機(jī)頻繁起動(dòng)。基于對(duì)傳統(tǒng)方式的優(yōu)化，將此處的電液換向閥采用M 型中位機(jī)能，當(dāng)三位換向閥處于中位時(shí)，油泵可以卸荷，系統(tǒng)在非工作狀態(tài)時(shí)電機(jī)不必停止，避免了電機(jī)頻繁起動(dòng)。圖1所示為采用M型中位機(jī)能的電液換向閥的卸荷回路。這種回路切換時(shí)壓力沖擊小，但回路中必須設(shè)置單向閥，以使系統(tǒng)能保持0.3 MPa 左右的壓力，供控制油路之用。

圖1 卸荷回路

2.2 鎖緊回路(保壓回路)

鎖緊回路的功用是在液壓執(zhí)行元件不工作時(shí)切斷其進(jìn)、出油液通道，確切地使它保持在既定位置上。圖2所示為一種使用液控單向閥的雙向鎖緊回路，它能在液壓缸不工作時(shí)使活塞迅速、平穩(wěn)、可靠且長(zhǎng)時(shí)間地被鎖住，不為外力所移動(dòng)。此回路不僅可以應(yīng)用于堆取料機(jī)中，還可以廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械等有鎖緊要求的場(chǎng)合。

圖2 使用液控單向閥的雙向鎖緊回路

2.3 平衡回路

平衡回路是指在油路設(shè)計(jì)中設(shè)置的某種回路，用來(lái)阻止因自重等因素而下降。平衡回路是具有立式(垂直地面)液壓缸的機(jī)械設(shè)備必不可少的一種回路，它的功用在于防止垂直放置的液壓缸和與之相連的工作部件因自重而自行下落。因?yàn)槠鹬匾簤簷C(jī)械在非起重狀態(tài)時(shí)，無(wú)論是處于停止?fàn)顟B(tài)還是工作狀態(tài)都會(huì)因重力作用而具有向下運(yùn)行的趨勢(shì)，故必須阻止這種有害現(xiàn)象，使之達(dá)到平衡。

圖3所示為一種現(xiàn)在常使用單向順序閥的平衡回路。由圖可見(jiàn)，當(dāng)換向閥2 左位接入回路使活塞下行時(shí)，回油路上存在著一定的背壓;只要調(diào)節(jié)單向順序閥3 使液壓缸內(nèi)的背壓能支撐得住活塞與之相連的工作部件，活塞就可以平穩(wěn)地下落。當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，活塞就停止運(yùn)動(dòng)，不再繼續(xù)下移。這種回路在活塞向下快速運(yùn)動(dòng)時(shí)功率損失較大，鎖住時(shí)活塞和與之相連的工作部件會(huì)因單向順序閥3 和換向閥2 的泄漏而緩慢下落，因此它只適用于工作部件自重不大、活塞鎖住時(shí)定位要求不高的場(chǎng)合。因此，若在單向順序閥和液壓缸之間增加一液控單向閥，由于液控單向閥密封性能好，就可以防止活塞因單向順序閥泄漏而下降。最終選用的平衡回路如圖4所示。

圖3 單向順序閥的平衡回路(優(yōu)化前)

圖4 單向順序閥加液控單向閥的平衡回路(優(yōu)化后)

2.4 同步回路

液壓同步回路是指在各類機(jī)器、設(shè)備、裝置中，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行功能，是由液壓元件、管路按一定規(guī)律組合，并以液流介質(zhì)傳遞，控制驅(qū)動(dòng)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的執(zhí)行器(液壓缸或液壓馬達(dá))產(chǎn)生相同的線位移或角位移和相同的位置的回路。液壓同步回路是液壓系統(tǒng)中回路之一，一般是由控制同步運(yùn)動(dòng)的液壓件，經(jīng)管道至執(zhí)行器，執(zhí)行器的回油口經(jīng)管路至油箱部分，即同步回路組成部分。這種回路實(shí)質(zhì)上也是流量(調(diào)速)控制回路的一種，也是多缸控制回路的一種。

同步回路分為容積控制液壓同步回路和流量控制液壓同步回路兩種。其中容積控制液壓同步回路利用封閉容積變化通過(guò)管道等組件向尺寸精度、結(jié)構(gòu)相同的數(shù)個(gè)執(zhí)行器(液壓缸或者液壓馬達(dá))輸入等體積的液體使其產(chǎn)生同步運(yùn)動(dòng)。此方法效率高，精度高;但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)值昂貴，故不采用。另一種流量控制液壓同步回路是通過(guò)流量閥調(diào)節(jié)控制進(jìn)入或排出液壓點(diǎn)是精度不高。故采用此方法，實(shí)踐證明可行。流量控制液壓同步回路如圖5所示。

流量控制液壓同步系統(tǒng)常用的控制元件有節(jié)流閥、調(diào)速閥、同步閥等。這些閥都是通過(guò)改變節(jié)流口開(kāi)度的大小，來(lái)調(diào)節(jié)流量的多少，改變同步執(zhí)行器中運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)速度快慢以期達(dá)到執(zhí)行器中運(yùn)動(dòng)件同步運(yùn)動(dòng)的目的。執(zhí)行器(液壓缸或者液壓馬達(dá))中的流量，使液壓執(zhí)行器中運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)速度相等，實(shí)現(xiàn)速度同步等。流量控制同步系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低;缺

圖5 流量控制液壓同步回路

3 集成液壓系統(tǒng)

集成液壓系統(tǒng)是把各種液壓回路綜合在一起，進(jìn)行歸納整理，增添必要的元件或輔助油路，使之成為完整的系統(tǒng)，并在最后檢查一下:這個(gè)系統(tǒng)能否完美實(shí)現(xiàn)所要求的各項(xiàng)功能，是否需要再進(jìn)行補(bǔ)充或者修正，有無(wú)作用相同或者相近的元件或者油路可以合并等。這樣才能使設(shè)計(jì)出來(lái)的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、工作安全可靠，動(dòng)作平穩(wěn)、效率高，使用和維護(hù)方便。俯仰機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 俯仰機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)論

優(yōu)化后的斗輪堆取料機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上更加精細(xì)合理，克服了原系統(tǒng)所存在的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性，延長(zhǎng)了使用壽命，減少了維護(hù)量，降低了運(yùn)行成本，不僅起到了節(jié)能降耗的作用，還大幅提高了斗輪堆取料機(jī)堆、取料的工作效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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