(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221008)

引言

多路閥作為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的核心部件，對(duì)整機(jī)的操控性與經(jīng)濟(jì)性能起著決定性作用[1，2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)多路閥的工作特性進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3]對(duì)挖掘機(jī)負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)中的多路閥進(jìn)行了研究，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)多路閥進(jìn)行建模仿真，提出壓力補(bǔ)償彈簧剛度和閥芯直徑變化對(duì)多路閥流量的影響；文獻(xiàn)[4]以一種典型的挖掘機(jī)多路閥為對(duì)象，利用AMESim?軟件的液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(Hydraulic Components Design，HCD)搭建挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型，分析了多路閥的動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)總結(jié)已有的研究可知，對(duì)于多路閥的研究大多是基于仿真提出建議，并未對(duì)優(yōu)化后的多路閥進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

本研究以某液壓挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)多路閥為對(duì)象，采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用MATLAB?計(jì)算多路閥芯節(jié)流槽過(guò)流面積，在AMESim仿真平臺(tái)上應(yīng)用HCD搭建多路閥芯模型，通過(guò)仿真分析提出優(yōu)化方案，并結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)和整機(jī)實(shí)際工況對(duì)優(yōu)化后的閥芯進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 鏟斗聯(lián)問(wèn)題分析

1.1 問(wèn)題描述

某液壓挖掘機(jī)在實(shí)際作業(yè)中出現(xiàn)挖掘乏力、燃油消耗率高及整機(jī)協(xié)調(diào)性差等情況。為找到問(wèn)題原因，對(duì)其進(jìn)行了整機(jī)試驗(yàn)。在鏟斗油缸大腔、小腔油口處分別安裝量程為400 bar的壓力傳感器，鏟斗油缸上安裝量程為2500 mm的位移傳感器，試驗(yàn)場(chǎng)地為原生土場(chǎng)。

整機(jī)測(cè)試曲線如圖1所示，在298.5～307 s時(shí)鏟斗處于挖掘狀態(tài)，耗時(shí)8.5 s，過(guò)程中鏟斗油缸進(jìn)油壓力均值為179 bar，回油壓力均值為108 bar。

圖1 鏟斗聯(lián)單動(dòng)作測(cè)試曲線

1.2 鏟斗聯(lián)液壓工作原理

鏟斗聯(lián)的液壓原理如圖2所示。當(dāng)鏟斗聯(lián)閥芯處于中位時(shí)，從主泵輸出的高壓油經(jīng)鏟斗聯(lián)中位直接回油箱，鏟斗位置保持不變；當(dāng)pa通先導(dǎo)油時(shí)鏟斗聯(lián)左位工作，高壓油經(jīng)多路換向閥進(jìn)入鏟斗油缸小腔，實(shí)現(xiàn)鏟斗外擺；當(dāng)pb通先導(dǎo)油時(shí)鏟斗聯(lián)右位工作，高壓油進(jìn)入鏟斗油缸大腔，實(shí)現(xiàn)鏟斗內(nèi)收。

圖2 鏟斗聯(lián)液壓工作原理簡(jiǎn)圖

根據(jù)液壓工作原理以及測(cè)試結(jié)果，對(duì)比同類產(chǎn)品判斷該回油壓力偏高，導(dǎo)致鏟斗挖掘乏力；同時(shí)鏟斗油缸回油功率損失增加了整機(jī)燃油消耗。造成這一現(xiàn)象的根本原因是多路閥結(jié)構(gòu)不合理。

1.3 鏟斗閥芯分析

鏟斗聯(lián)液壓系統(tǒng)的流量控制是通過(guò)閥芯節(jié)流槽來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)采用不同開(kāi)口形式的節(jié)流槽組合即可得到不同的流量梯度。鏟斗聯(lián)閥芯節(jié)流槽開(kāi)口形式主要是U-U組合，中位空流采用漸擴(kuò)U型槽。

式中：Q為閥口流量；C為閥口流量系數(shù)；A為閥口過(guò)流面積；Δp為閥口壓差；ρ為液壓油密度。

由上述公式分析可知，在保證Q不變的情況下，可以通過(guò)改變閥口過(guò)流面積調(diào)整系統(tǒng)壓力。為了解決前述問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化閥口過(guò)流面積：閥芯小開(kāi)口時(shí)為保證良好的操控性，應(yīng)盡量減小過(guò)流面積梯度；大開(kāi)口時(shí)為保證較小的回油背壓，應(yīng)盡量增大過(guò)流面積。

圖3 U型節(jié)流槽結(jié)構(gòu)圖

參考文獻(xiàn)[5-8]對(duì)U型和U-U型節(jié)流槽過(guò)流面積進(jìn)行計(jì)算。以U型槽頂點(diǎn)為零點(diǎn)，軸向?yàn)閤方向建立一維坐標(biāo)系，如圖3c中所示。

(1) 當(dāng)閥口開(kāi)度x∈[0,r]時(shí)

根據(jù)圖3c所示可得到W的表達(dá)式為：

式中,r為節(jié)流槽特征半徑。

進(jìn)一步可以得到角度α：

再根據(jù)圖3b可以得到角度β：

式中,R為閥芯半徑。

那么就可以得到槽頂?shù)捷S線的距離H：

則按照?qǐng)D3d中的過(guò)流面積定義可知：

式中,D為節(jié)流槽特征深度。

(2) 當(dāng)閥口開(kāi)度x∈(r,L]時(shí)：

進(jìn)而可以推出：

其中,L為節(jié)流槽長(zhǎng)度。

(3) 等效過(guò)流面積AU

根據(jù)節(jié)流面串并聯(lián)效應(yīng)原理可以得到節(jié)流口等效過(guò)流面積為：

以上過(guò)程得到的是節(jié)流槽個(gè)數(shù)為1時(shí)的閥芯等效過(guò)流面積，如果有n個(gè)節(jié)流槽則將結(jié)果乘以n即可。

同樣的道理，可以推導(dǎo)得出U-U型節(jié)流槽等效過(guò)流面積計(jì)算公式：

圖4 U-U型節(jié)流槽過(guò)流面積示意圖

編程計(jì)算鏟斗內(nèi)收回油節(jié)流槽過(guò)流面積，其與閥芯位移之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 鏟斗內(nèi)收回油節(jié)流槽過(guò)流面積曲線

鏟斗內(nèi)收閥芯總位移為12 mm，節(jié)流槽最大位移為10 mm。

2 鏟斗聯(lián)仿真試驗(yàn)分析

根據(jù)多路換向閥性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓力損失測(cè)試的回路要求，將鏟斗聯(lián)各節(jié)流槽面積導(dǎo)入AMESim中建立如圖6所示液壓回路模型。設(shè)置仿真步長(zhǎng)0.1 s，先導(dǎo)油信號(hào)PAC為30 bar以保證閥口全開(kāi)。調(diào)節(jié)泵口流量從0增大到290 L/min，運(yùn)行仿真，得到鏟斗內(nèi)收時(shí)回油口曲線，與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比如圖7所示。

圖6 AMESim仿真模型

圖7 仿真試驗(yàn)回油口壓力曲線

由圖7仿真試驗(yàn)對(duì)比曲線可以看出，回油口壓力仿真值與試驗(yàn)值平均誤差為2.5%，隨負(fù)載口流量的增大誤差也逐漸增大，最大為5%。產(chǎn)生誤差的原因是由于仿真模型忽略了泄漏、摩擦等非關(guān)鍵因素。結(jié)果表明仿真能在一定程度上反映實(shí)際問(wèn)題，可以用仿真模型來(lái)指導(dǎo)閥口優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 鏟斗聯(lián)閥芯優(yōu)化

根據(jù)前文的分析可知，閥芯小開(kāi)口時(shí)為保證良好的操控性，應(yīng)盡量減小過(guò)流面積梯度；大開(kāi)口時(shí)為保證較小的回油背壓，應(yīng)增大過(guò)流面積。對(duì)應(yīng)到圖5中即：在0～4 mm時(shí)曲線斜率應(yīng)盡量?。?～10 mm時(shí)曲線應(yīng)快速上升。這就為優(yōu)化確定了原則。

優(yōu)化前后過(guò)流面積對(duì)比曲線如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后過(guò)流面積對(duì)比曲線

由圖8中曲線可知，優(yōu)化后在0～4 mm時(shí)過(guò)流面積梯度明顯降低，且近似成線性關(guān)系；4～10 mm時(shí)，過(guò)流面積梯度先增大后降低，而過(guò)流面積高于優(yōu)化前。

根據(jù)上述結(jié)果，可以反求出回油口各節(jié)流槽尺寸，并指導(dǎo)加工生產(chǎn)。

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

主閥鏟斗聯(lián)更換新閥新后測(cè)試鏟斗聯(lián)壓力損失，得到鏟斗內(nèi)收回油背壓，優(yōu)化前后回油壓力仿真曲線如圖9所示。

圖9 優(yōu)化前后回油壓力仿真曲線

從圖9回油背壓仿真曲線可以看出，在未改變節(jié)流槽面積前最大回油背壓64 bar，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后最大回油背壓降低到52 bar?？梢?jiàn)適當(dāng)增大過(guò)流面積有利于減小背壓，提高系統(tǒng)能源利用率。

4.2 整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)鏟斗聯(lián)閥芯節(jié)流槽優(yōu)化后再次對(duì)整機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試分析曲線如圖10所示，在253～258.5 s時(shí)鏟斗處于挖掘狀態(tài)，耗時(shí)5.5 s，改進(jìn)后挖掘時(shí)間縮短了3 s，有效地提高了挖掘效率；挖掘過(guò)程中鏟斗油缸進(jìn)油壓力均值為86 bar，回油壓力均值為30 bar，比改進(jìn)前的回油背壓低了72%，有效地減小了鏟斗油缸回油功率損失。結(jié)果表明鏟斗聯(lián)閥芯優(yōu)化效果顯著。

圖10 優(yōu)化后鏟斗聯(lián)單動(dòng)作測(cè)試

5 結(jié)論

以挖掘機(jī)多路閥鏟斗聯(lián)為研究對(duì)象，具體分析了回油口U型節(jié)流槽及U-U組合槽的過(guò)流能力。為了降低回油背壓，在AMESim仿真平臺(tái)上建立了仿真模型，通過(guò)仿真指導(dǎo)閥口設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了臺(tái)架與整機(jī)對(duì)比測(cè)試。由仿真和試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1) 在AMESim上建立鏟斗聯(lián)仿真模型，在忽略內(nèi)泄漏、摩擦力的情況下，通過(guò)仿真與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比，證明了仿真模型的正確性，可以為以后的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)。

(2) 仿真和試驗(yàn)對(duì)比表明：在保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)速率的情況下，適當(dāng)增大過(guò)流面積可以有效減小系統(tǒng)回油背壓，提高整機(jī)作業(yè)經(jīng)濟(jì)性。

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