韋家義
(廣西玉柴重工有限公司,廣西 玉林 537005)
平整作業(yè)是小型液壓挖掘機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“小挖”)的一種常用的作業(yè)形式,其主要工況有平整地面、修坡等,其中使用斗尖進(jìn)行平整作業(yè)居多。平整作業(yè)主要是通過(guò)斗桿與動(dòng)臂這兩個(gè)部件的復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此,平整作業(yè)性能本質(zhì)是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)的操縱性能,平整作業(yè)操縱舒適性主要體現(xiàn)在斗桿與動(dòng)臂的動(dòng)作協(xié)調(diào)性,良好的動(dòng)作協(xié)調(diào)性是靠匹配出來(lái)的,那么,平整作業(yè)性能的匹配即斗桿與動(dòng)臂兩者之間的性能匹配就顯得很重要,值得深入研究。
研究挖掘機(jī)的各種作業(yè)性能,都需要從作業(yè)姿態(tài)入手,結(jié)合不同工況進(jìn)行,不同的姿態(tài)在不同的工況下體現(xiàn)不同的性能,平整作業(yè)也不例外。
在平整作業(yè)時(shí),需操縱動(dòng)臂先導(dǎo)控制手柄(右手柄)和斗桿先導(dǎo)控制手柄(左手柄)同時(shí)向后拉實(shí)現(xiàn)鏟斗的平整刮土動(dòng)作,同時(shí)向前推實(shí)現(xiàn)鏟斗的平整推土動(dòng)作。如圖1所示,是一種采用斗尖進(jìn)行平整作業(yè)的姿態(tài)變化圖,以停機(jī)面為平整作業(yè)面,姿態(tài)Ⅰ為平整作業(yè)初始位置,鏟斗處于垂直挖掘姿態(tài),斗桿油缸全縮;姿態(tài)Ⅱ?yàn)槠秸鳂I(yè)目標(biāo)終了位置;平整作業(yè)從姿態(tài)Ⅰ開(kāi)始到姿態(tài)Ⅱ過(guò)程中,鏟斗油缸始終不動(dòng)作。
在評(píng)價(jià)平整作業(yè)性能水平時(shí),考核指標(biāo)是:要求從姿態(tài)Ⅰ到姿態(tài)Ⅱ,平整作業(yè)的平整距離(L)達(dá)到鏟斗與推土鏟距離(A)的30%以上,姿態(tài)Ⅱ的斗尖離地高度(B)不超過(guò)100mm,這樣才算是具有良好的作業(yè)性能,即L≥30%A,B≤100mm。
平整作業(yè)時(shí)斗桿與動(dòng)臂的性能匹配,首先要了解和研究斗桿油缸和動(dòng)臂油缸的行程變化與平整點(diǎn)(鏟斗斗尖)的軌跡。
如圖2所示,平整作業(yè)姿態(tài)Ⅰ時(shí)的油缸行程計(jì)算模型圖,建立以動(dòng)臂與平臺(tái)的鉸點(diǎn)O為原點(diǎn)、向左為X軸、向上為Y軸的坐標(biāo)。
圖2 挖掘機(jī)平整作業(yè)姿態(tài)Ⅰ時(shí)的油缸行程計(jì)算模型圖
圖中LD0——?jiǎng)颖塾透组L(zhǎng)度,mm;
β——?jiǎng)颖蹆?nèi)側(cè)與水平夾角,°;
Φ——斗桿內(nèi)側(cè)與水平夾角,°;
ε——斗桿外側(cè)與水平夾角,°;
H——?jiǎng)颖劢g點(diǎn)Y距離,mm;
LD1——?jiǎng)颖鄞笄唤g點(diǎn)X距離,mm;
HD1——?jiǎng)颖鄞笄唤g點(diǎn)Y距離,mm;
B——?jiǎng)咏g到斗桿油缸大腔絞點(diǎn)距離,mm;
C——?jiǎng)颖劢g點(diǎn)到斗桿絞點(diǎn)的距離,mm;
D——斗桿絞點(diǎn)到平土點(diǎn)距離,mm;
E——斗桿油缸小腔絞點(diǎn)到平土點(diǎn)距離,mm。
經(jīng)運(yùn)算,可得到一種平整作業(yè)時(shí)油缸行程匹配關(guān)系(圖3)、平整作業(yè)時(shí)斗尖運(yùn)動(dòng)軌跡匹配關(guān)系(圖4)。由此可見(jiàn),斗桿油缸行程與動(dòng)臂油缸行程之間為非線性關(guān)系,斗尖運(yùn)動(dòng)軌跡非直線運(yùn)動(dòng)。
圖3 一種平整作業(yè)時(shí)挖掘機(jī)油缸行程匹配關(guān)系圖
圖4 一種平整作業(yè)時(shí)挖掘機(jī)斗尖運(yùn)動(dòng)軌跡匹配關(guān)系圖
如圖5所示,從圖1和圖2得到平整作業(yè)時(shí)動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)變化圖(同XOY坐標(biāo)系)。從姿態(tài)Ⅰ到姿態(tài)Ⅱ,動(dòng)臂油缸從位置2到位置3,油缸行程伸長(zhǎng)量為ΔS動(dòng)臂。
如圖6所示,從圖1和圖2得到平整作業(yè)時(shí)斗桿油缸鉸點(diǎn)變化圖(同XOY坐標(biāo)系)。從姿態(tài)Ⅰ到姿態(tài)Ⅱ,斗桿油缸從位置C到位置D,油缸行程伸長(zhǎng)量為ΔS斗桿。
由此可得,斗桿油缸與動(dòng)臂油缸的行程變化關(guān)系:
由如圖3可知,k1非線性。
圖5 挖掘機(jī)平整作業(yè)時(shí)動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)變化圖
圖6 挖掘機(jī)平整作業(yè)時(shí)斗桿油缸鉸點(diǎn)變化圖
斗桿油缸大腔與動(dòng)臂油缸大腔的面積比:
一般,斗桿油缸小于動(dòng)臂油缸,則k2<1。
則有斗桿油缸大腔與動(dòng)臂油缸大腔的容積比即為單位時(shí)間的流量比:
在油缸參數(shù)確定后,k2即為常量C。
由上述計(jì)算可知,平整作業(yè)時(shí),斗桿油缸的行程大于動(dòng)臂油缸行程,相同時(shí)間內(nèi)斗桿油缸大腔的流量需求大于動(dòng)臂油缸大腔的流量需求,這正是平整作業(yè)性能匹配的根本出發(fā)點(diǎn)。
式(4)中,行程、缸徑、流量(排量)以及結(jié)構(gòu)件這些參數(shù),都是與設(shè)計(jì)輸入值相關(guān),一旦選定或定型,動(dòng)臂、斗桿的油缸運(yùn)動(dòng)速度就基本確定下來(lái)了。也就是說(shuō),平整作業(yè)特性是挖掘機(jī)的一個(gè)固有特性,需要在設(shè)計(jì)開(kāi)始階段做好匹配,否則后續(xù)再怎么整改優(yōu)化,也將于事無(wú)補(bǔ)。
需注意的是,如果斗桿油缸桿頭鉸點(diǎn)對(duì)斗桿轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)的距離(圖4所示的LBC)過(guò)長(zhǎng),那么斗桿的轉(zhuǎn)角就越大,行程就會(huì)越長(zhǎng),流量需求也就會(huì)越大,可能導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)平整作業(yè)。
三泵系統(tǒng)具有良好的操縱性能,是小挖主流的液壓系統(tǒng)。但是,不同主機(jī)廠,對(duì)P1、P2、P3泵的匹配策略各不相同,因此平整作業(yè)性能也就有所不同。如圖7所示,是一種三泵系統(tǒng)的油源匹配策略圖。
圖7 一種三泵系統(tǒng)的油源匹配策略圖
這個(gè)三泵系統(tǒng)的油源匹配策略是:P1泵供壓力油給動(dòng)臂油缸,P2和P3泵合流供壓力油給斗桿油缸。
1)當(dāng)提動(dòng)臂、收斗桿時(shí),P1泵供壓力油給動(dòng)臂油缸大腔,P2泵和P3泵合流供壓力油給斗桿油缸大腔。
2)當(dāng)下動(dòng)臂、放斗桿時(shí),P1泵供壓力油給動(dòng)臂油缸小腔,P2泵和P3泵合流供壓力油給斗桿油缸小腔。
這個(gè)三泵系統(tǒng)的油源匹配策略的目的是:平整作業(yè)時(shí),為了獲得更大的平整距離、更流暢的操縱感受、斗桿與動(dòng)臂的動(dòng)作更加協(xié)調(diào),需提高斗桿的動(dòng)作速度,降低動(dòng)臂的動(dòng)作速度,避免動(dòng)臂過(guò)快而導(dǎo)致等待斗桿的現(xiàn)象。由于平整作業(yè)時(shí)動(dòng)臂油缸的行程小而斗桿油缸的行程大,這就是意味著斗桿油缸需要更多的流量。
斗桿大腔需求容積
動(dòng)臂大腔需求容積
斗桿與動(dòng)臂大腔需求容積比
斗桿與動(dòng)臂大腔需求流量比
由于單位時(shí)間內(nèi),斗桿與動(dòng)臂大腔需求流量比=斗桿與動(dòng)臂大腔需求容積比,在平整作業(yè)時(shí),無(wú)論高速還是低速作業(yè),司機(jī)都希望獲得一個(gè)穩(wěn)定操縱手感(流量配比),避免忽快忽慢而難以操控,則λ=ν=C(常量)成立。
根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),斗桿與動(dòng)臂大腔需求的容積比的取值范圍是:2.2≤λ≤2.5。
需注意的是,如果λλ取值越大,則流量需求越大,主泵或系統(tǒng)需提供的流量就會(huì)越大,匹配的難度也會(huì)加大,甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn);反之,如λ取值偏小,則無(wú)法實(shí)現(xiàn)平整作業(yè)。
在設(shè)計(jì)策劃階段,要驗(yàn)算主泵的排量選擇和采用的三泵系統(tǒng)匹配策略是否能滿足流量配比的需求。根據(jù)上述的三泵系統(tǒng)的油源匹配策略,可得:
P1泵供給動(dòng)臂大腔的流量
P2泵供給斗桿大腔的流量
P3泵供給動(dòng)臂大腔的流量
P2與P3泵合流斗桿大腔的流量
泵供給斗桿與動(dòng)臂流量比
若φ≈λ,在λ的取值范圍內(nèi),則說(shuō)明流量充足,滿足平整作業(yè)要求;若φ<λ,即泵供給斗桿與動(dòng)臂的流量比小于斗桿與動(dòng)臂需求的容積比,則無(wú)法滿足平整作業(yè)要求,需采取措施提高流量。如果在滿足其它性能匹配的前提下,可以考慮在液壓多路閥的動(dòng)臂閥芯處增加分流回油,減少動(dòng)臂油缸的流量供給,從而實(shí)現(xiàn)泵供給斗桿與動(dòng)臂的流量比達(dá)到或接近斗桿與動(dòng)臂需求的容積比。
平整作業(yè)的負(fù)荷不大,為了降低油耗,一般要求發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)即可進(jìn)行平整作業(yè)。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速區(qū)一般取ne=1400~1500rpm。式中
DA——斗桿油缸缸徑(mm);
DB——?jiǎng)颖塾透赘讖剑╩m);
nA——斗桿油缸數(shù)量(個(gè));
NB——?jiǎng)颖塾透讛?shù)量(個(gè));
SA——平土作業(yè)時(shí)斗桿油缸行程(mm);
SB——平土作業(yè)時(shí)動(dòng)臂油缸行程(mm);
VA——斗桿大腔需求容積(L);
VB——?jiǎng)颖鄞笄恍枨笕莘e(L);
QA——斗桿大腔需求流量(L/min);
QB——?jiǎng)颖鄞笄恍枨罅髁浚↙/min);
ν——斗桿與動(dòng)臂大腔需求容積比;
λ——斗桿與動(dòng)臂大腔需求流量比;
q1——P1泵的排量(cc/rev);
q2——P2泵的排量(cc/rev);
q3——P3泵的排量(cc/rev);
ne——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm);
Q1——P1泵供給動(dòng)臂大腔的流量(L/min);
Q2——P2泵供給斗桿大腔的流量(L/min);
Q3——P3泵供給斗桿大腔的(L/min);
φ——泵供給斗桿與動(dòng)臂流量比。
提高平整作業(yè)的性能還可以通過(guò)在液壓多路閥內(nèi)設(shè)置斗桿回油再生功能的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。斗桿回油再生功能提速部分的主要作用是彌補(bǔ)三泵系統(tǒng)受不完全發(fā)揮功率影響的速度。如斗桿沒(méi)設(shè)置有再生功能,為遷就斗桿,必須降低動(dòng)臂速度,動(dòng)臂油缸的流量就會(huì)被分流,這就導(dǎo)致整體速度被拉低。斗桿回油再生功能可以提高斗桿動(dòng)作速度,從而提高平整作業(yè)效率。
根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)于2.5t以上的小挖,有必要設(shè)置斗桿回油再生功能;而對(duì)于2.5t以下的小挖,由于P2泵與P3泵的合流已可滿足斗桿在平整作業(yè)中需求,可不設(shè)置斗桿再生功能。如圖8所示的斗桿再生原理圖;如圖9所示的斗桿再生功能圖;如圖10所示的斗桿閥片閥芯(再生作用)的剖面圖。當(dāng)斗桿內(nèi)收進(jìn)行平整作業(yè)時(shí),通過(guò)斗桿油缸小腔的回油進(jìn)入斗桿油缸大腔來(lái)實(shí)現(xiàn)斗桿速度的提升。
圖8 斗桿再生原理圖
圖9 斗桿再生功能圖
圖10 斗桿閥片閥芯(再生作用)的剖面圖
小挖進(jìn)行平整作業(yè)的頻率較高,提高斗桿的運(yùn)動(dòng)速度,使得斗桿與動(dòng)臂更加協(xié)調(diào),這樣不但可獲得良好的操縱感受,還可以提高平整作業(yè)效率。除本文所介紹的幾種行之有效的技術(shù)手段外,還有一些其它方式,如雙斗桿閥芯合流技術(shù)等,可根據(jù)產(chǎn)品自身需求來(lái)選擇與匹配。
[1]陳國(guó)俊.液壓挖掘機(jī)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2011.
[2]郝前華.挖掘機(jī)平整作業(yè)特性分析及性能優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2012.
[3]韋家義.小型液壓挖掘機(jī)三泵系統(tǒng)的匹配[J].建筑機(jī)械化,2018,(5):17-20.