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(1.三一汽車起重機械有限公司 研究院， 湖南 長沙　410600；2.江西科技學(xué)院 工程中心， 江西 南昌　330098)

引言

支腿鎖是汽車起重機在駐車時非常重要的安全保護鎖，讓起重機在負(fù)載情況下，鎖住支腿油缸兩腔的油液，用油液的不可壓縮性來支撐起重機所承載的重量。

當(dāng)支腿鎖出現(xiàn)故障時，如果是有泄漏，則會在負(fù)載時導(dǎo)致時車身下沉，發(fā)生安全事故； 如果是在伸縮支腿時閥芯打不開，則會在油缸內(nèi)產(chǎn)生高壓，損壞油缸。

1　故障現(xiàn)象與測試分析

1.1　故障現(xiàn)象

在對某起重機調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單伸某一根支腿油缸時，支腿油缸部位會緩慢伸出并伴隨著刺耳的異響，甚至有液壓油從支腿油缸有桿腔的導(dǎo)向套處滲漏出來的情況發(fā)生。

從圖1所示的工作原理可看出：如果支腿油缸的無桿腔進高壓油時，假設(shè)雙向支腿鎖連接在油缸有桿腔的閥芯未打開，則會在有桿腔產(chǎn)生高壓，而該高壓將閥芯打開了，則打開的瞬間產(chǎn)生較大的沖擊，若閥芯在高壓下仍然打不開，則會損壞油缸內(nèi)部的密封件。

1.支腿油缸　2.支腿鎖　3.換向閥圖1　支腿原理圖

1.2　現(xiàn)場測試

為了找到在油缸伸出時產(chǎn)生刺耳異響的原因，筆者在有桿腔接入了壓力傳感器及手持式壓力曲線記錄儀，實時記錄了在油缸伸出過程中的壓力變化曲線，該測試是在發(fā)動機怠速(650 r/min)以及高速(發(fā)動機1200 r/min)兩種工況下進行的。

如圖2所示，當(dāng)發(fā)動機在650 r/min時，通過支腿鎖進入支腿油缸無桿腔的流量較小，同樣，從支腿油缸有桿腔通過支腿鎖的流量也較小，在前20 s的時間內(nèi)，支腿有桿腔的壓力在200 bar以內(nèi)，后面的壓力在10 s內(nèi)上升到了320 bar，這說明有桿腔的油被憋住了，產(chǎn)生了高壓。

圖2　有桿腔壓力變化曲線(發(fā)動機650 r/min時)

當(dāng)發(fā)動機在1200 r/min時，通過支腿鎖進入支腿油缸無桿腔的流量較大，如圖3所示，幾乎是在一開始，油缸有桿腔的壓力便上升到了300 bar，并迅速上升到驚人的550 bar。

圖3　有桿腔壓力變化曲線(發(fā)動機1200 r/min時)

1.3　原因分析

正常工況下，當(dāng)支腿油缸無桿腔進壓力油時，其無桿腔的壓力應(yīng)該只是起重機的自重作用在活塞工作面上產(chǎn)生的壓力，而其有桿腔由于無外力作用，應(yīng)該只有油管及閥芯等處產(chǎn)生的回油背壓，但是測試顯示其油缸有桿腔的壓力有200 bar以上。這說明在無桿腔進油時，支腿油路并不暢通。從支腿油路的原理圖(圖1)來看，可能是支腿鎖產(chǎn)生了故障，故需要從該支腿鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手，圖4是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖。

圖4　支腿閥芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

從結(jié)構(gòu)圖可知，其閥體內(nèi)部的控制活塞直徑與主級閥芯直徑相等，均為15 mm，先導(dǎo)閥芯的直徑是5 mm，故控制活塞與主級閥芯的面積比是:

而活塞與先導(dǎo)閥芯的面積比為：

假如A1連接無桿腔，B1連接有桿腔，該液壓鎖工作原理如下：

收縮支腿時，由于起重機整個重量由四條支腿支承，根據(jù)起重機自重估算出無桿腔A1口壓力，比如:

pA1=200 bar，則根據(jù)面積比，先導(dǎo)壓力為：

pX=pA1/9=200/9=22.2 bar時先導(dǎo)級閥芯打開，先導(dǎo)級閥芯打開后，由于進油阻尼和回油阻尼都是1 mm，彈簧腔的壓力:

pt=(pA1-pA)/2

當(dāng)由B口進油時，A口的壓力就是系統(tǒng)的回油背壓，現(xiàn)假如回油背壓為20 bar，則彈簧腔的壓力：

pt=(pA1-pA)/2=(200- 20)/2=90 bar

由于彈簧腔壓力較高，主級閥芯會一直保持關(guān)閉狀態(tài)，直到支腿油缸慢慢縮至起重機的車輪接地。輪胎接地后，車身的重量壓在輪胎上，故支腿油缸承受的力大幅度減小，油缸無桿腔的壓力pA1也會下降至一個較小的值，同時彈簧腔的壓力也降低，此時主級閥芯打開，允許較大的流量通過，從而使支腿快速收起。

相反，在伸支腿時，B1側(cè)液壓鎖起作用，只打開先導(dǎo)級液壓鎖時，通油流量很小，隨著無桿腔進油口A的壓力增加，有桿腔的壓力pB1也要增加，同樣假如回油背壓為20 bar，同樣由于進油阻尼與回油阻尼都為1 mm，先導(dǎo)壓力要達到多少才能打開主級閥芯，可以通過實際測試得到。經(jīng)過測試，如圖3所示，pB1達到了550 bar，則其先導(dǎo)壓力應(yīng)為：

pt=(pB1-pB)/2=(550-20)/2=265 bar

主級才能打開，但實際工況是，主系統(tǒng)的壓力設(shè)定在20 MPa，故主級閥芯一直不能打開。因此，油缸的活塞桿在這樣的高壓小流量工況下產(chǎn)生緩慢爬行及刺耳的異響，并對油缸產(chǎn)生破壞性的影響。

2　改進對策及驗證

根據(jù)以上分析，改進方法有如下兩種：

第一種方法：降低連接油缸有桿腔側(cè)的主閥芯彈簧腔的壓力開啟等級，讓較低的先導(dǎo)壓力即可打開主級閥芯，及時通過大流量，避免憋壓，這可以通過改變該側(cè)主級閥芯的進油阻尼孔徑與出口阻尼孔徑的比值來實現(xiàn)；

第二種方法是取消這種油缸的進、回油雙向液壓鎖結(jié)構(gòu)，而改用油缸無桿腔側(cè)用液控單向閥，有桿腔側(cè)用順序閥加單向閥來降低閥芯的開啟壓力；根據(jù)實際工程需要，選擇了第二種方法，只保留無桿腔的液壓單向鎖結(jié)構(gòu)，而將有桿腔的回油采用單向順序閥的結(jié)構(gòu)，其原理如圖5所示。

圖5　改進后的支腿原理圖

從圖5可看出，油缸的無桿腔仍然采用液控單向閥的結(jié)構(gòu)，而油缸的有桿腔采用了單向閥加順序閥的結(jié)構(gòu)，在油缸的活塞桿縮回在缸筒內(nèi)時，有桿腔只承受活塞桿的自重所產(chǎn)生的壓力，故可以利用順序閥的背壓來保持活塞桿的運動狀態(tài)。而在油缸伸出時，只要克服順序閥的設(shè)定背壓即可。改進后的閥芯結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　改進后的閥芯結(jié)構(gòu)示意圖

分析改進后的支腿鎖原理可知，有桿腔采用這種結(jié)構(gòu)還具有熱溢流功能，當(dāng)支腿油缸兩腔的油液溫度升高后，由于無桿腔的容積遠大于有桿腔，故溫升對油液體積的影響會遠大于有桿腔，無桿腔的油液的體積隨溫度升高而膨脹，從而會在活塞上產(chǎn)生一個壓力，推動活塞桿產(chǎn)生外伸的運動趨勢，從而會使有桿腔壓力升高。使用這種原理的支腿鎖后，有桿腔的高壓只要高于順序閥的設(shè)定壓力值，就會經(jīng)順序閥卸荷，從而有效保護油缸。

支腿鎖的閥芯結(jié)構(gòu)改進后，在同樣的工況下再一次對支腿油缸的有桿腔壓力曲線進行了測試，測試結(jié)果如圖7和圖8所示。

從圖7可以看出，當(dāng)作伸油缸動作時，其有桿腔在開始運動時的壓力波動很小，開啟后一直保持在一個較低的壓力值(50 bar)，該值為順序閥的壓力設(shè)定值，油缸在這樣的背壓下運動，不會產(chǎn)生異響，也不會對油缸的活塞及導(dǎo)向套的密封件產(chǎn)生惡性影響。

圖7　改進后有桿腔壓力變化曲線(發(fā)動機在650 r/min)

分析圖8的壓力變化曲線可知，應(yīng)用這種改進后的液壓鎖，即使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速提高，對有桿腔的壓力影響也非常有限，基本與圖7的壓力曲線保持了一致，從而有效避免了在有桿腔產(chǎn)生高壓的缺陷。

圖8　改進后有桿腔壓力變化曲線(發(fā)動機在1200 r/min)

3　結(jié)論

針對某起重機支腿在伸縮時產(chǎn)生的普遍故障現(xiàn)象采取深入分析垂直油缸上、下兩腔各自的工作特點，以及控制油缸進回油的液壓鎖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采取有針對性的改進設(shè)計，有效避免了主級閥芯打不開而造成的憋壓問題。通過對支腿鎖閥芯結(jié)構(gòu)的改進，實現(xiàn)了對故障點的有效排除，同時還可以形成新的油缸保護方法。而且，采用這樣的改進閥體內(nèi)部閥芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，無需修改液壓管路及安裝孔位置，在裝配以及其他車輛的整改時與舊方案有互換性，也降低了整改成本，對其他的故障分析及解決具有一定的借鑒意義。

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