羅寧

（索恩格汽車部件（中國(guó)）有限公司，長(zhǎng)沙 410129）

0 引言

剪叉式液壓升降平臺(tái)承載能力高、起降穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用在重物舉升和高空作業(yè)等領(lǐng)域[1-2]。由于剪叉機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系隨升降高度變化，液壓缸的負(fù)載和速度呈非線性變化，導(dǎo)致升降平臺(tái)在初始起升段和臨近復(fù)位段均出現(xiàn)明顯的速度激變[3-4]。

近幾年，有關(guān)液壓升降平臺(tái)的研究主要通過(guò)優(yōu)化剪叉結(jié)構(gòu)參數(shù)、液壓缸安裝位置等方法提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小液壓系統(tǒng)壓力[5-7]，升降平臺(tái)的運(yùn)行速度控制也逐漸得到重視。張博利等[8]采用Matlab軟件對(duì)液壓剪叉式升降臺(tái)速度和活塞推力隨起升高度的變化關(guān)系進(jìn)行了仿真分析，指出可以通過(guò)該變液壓缸的鉸鏈位置、液壓系統(tǒng)流量和液壓油路的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度和液壓缸的推力；剡昌鋒等[9]以雙層液壓剪叉機(jī)構(gòu)為例，研究了液壓缸活塞速度、流量與起升角度之間的變化關(guān)系；趙海霞等[10-11]采用AMESim軟件分別對(duì)一種單級(jí)和多級(jí)剪叉式升降臺(tái)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，采用較小的節(jié)流開(kāi)口可以改善起升初始和臨近復(fù)位兩個(gè)階段的速度劇增，但節(jié)流造成的升降運(yùn)行速度問(wèn)題沒(méi)有解決；劉志等[12]以六級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，采用虛功原理對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，建立液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型，分別對(duì)采用節(jié)流閥、蓄能器和調(diào)速電動(dòng)機(jī)3種方式的調(diào)速方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。剪叉式液壓升降臺(tái)中普遍節(jié)流調(diào)速，但較小的節(jié)流開(kāi)口在改善速度突增的同時(shí)，也會(huì)減小升降臺(tái)的運(yùn)行速度，進(jìn)而影響工作效率。

本文從減小升降臺(tái)初始起升段和臨近復(fù)位段速度激變的角度出發(fā)，結(jié)合分段快慢調(diào)節(jié)思想，提出一種采用組合節(jié)流實(shí)現(xiàn)的剪叉式升降臺(tái)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案。通過(guò)仿真分析對(duì)其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)單節(jié)流閥的調(diào)速結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為升降臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 剪叉升降機(jī)構(gòu)

以某三級(jí)剪叉式升降平臺(tái)為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，剪叉臂2和剪叉臂5分別可沿水平方向自由滑動(dòng)。每根叉臂長(zhǎng)度相等，兩端相互依次鉸接，同時(shí)繞中間鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。工作臺(tái)最大升高量為8.5 m，最大載重為400 kg。液壓缸布置在剪叉臂1和剪叉臂3之間，液壓缸兩端安裝位置分別距離叉臂端部鉸接點(diǎn)0.3 m。液壓缸伸出推動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)拉伸，平臺(tái)升高，液壓缸縮回帶動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)壓縮，平臺(tái)回落。

圖1 三級(jí)液壓剪叉式升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平面上，根據(jù)幾何關(guān)系及工作原理，利用速度瞬心法求解剪叉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系[13]，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 剪叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖

以底盤(pán)固定鉸接點(diǎn)A建立坐標(biāo)系，B點(diǎn)和D點(diǎn)有X方向自由度，G點(diǎn)有Y方向自由度，M、N分別為液壓缸的上下鉸接點(diǎn)。設(shè)單根叉臂長(zhǎng)度為l，叉臂與水平面夾角為α，液壓缸與水平面的夾角為θ，液壓缸上鉸接點(diǎn)距離中心旋轉(zhuǎn)點(diǎn)O3的垂直距離分別為a、b，液壓缸下鉸接點(diǎn)距離中心旋轉(zhuǎn)點(diǎn)O1的垂直距離分別為c、d。

由幾何關(guān)系可知，工作平臺(tái)的舉升高度h為

對(duì)于出廠設(shè)備，剪叉臂長(zhǎng)度l及油缸鉸接點(diǎn)位置a、b、c、d均為定值。由式（7）可知，平臺(tái)升降速度與液壓缸活塞桿伸縮速度成正相關(guān)，但同時(shí)受到叉臂及液壓缸與水平面的夾角的影響。大量研究表明，液壓缸速度一定的情況下，叉臂與水平面夾角α較小時(shí)，剪叉式升降臺(tái)速度變化較快。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種基于行程分段調(diào)速的液壓缸，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。液壓缸無(wú)桿腔端設(shè)置2個(gè)油口，兩油口之間的距離與活塞密封距離相對(duì)應(yīng)。如圖3（a）所示，在初始啟動(dòng)行程，活塞將油口2封閉，油液經(jīng)油口1進(jìn)出液壓缸無(wú)桿腔，液壓缸低速運(yùn)行。如圖3（b）所示，隨著液壓缸活塞行程增加，油口2接入液壓缸無(wú)桿腔，液壓缸以正常速度運(yùn)行。

圖3 行程分段式液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖

基于上述液壓缸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)分段組合節(jié)流的剪叉式升降臺(tái)液壓系統(tǒng)，如圖4所示。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵作為油源，三位三通閥用于控制升降臺(tái)的上升、停止和下降，兩個(gè)節(jié)流閥分別安裝在液壓缸無(wú)桿腔的2個(gè)油口。對(duì)于型號(hào)確定的升降臺(tái)設(shè)備，節(jié)流閥節(jié)流口固定，節(jié)流閥3可采用阻尼片替代，并直接嵌入在液壓缸的油口內(nèi)。

圖4 剪叉式升降臺(tái)液壓回路

工作臺(tái)舉升時(shí)，液壓泵啟動(dòng)，1YA得電，主換向閥處于左位。高壓油經(jīng)節(jié)流閥3-1進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，油缸推動(dòng)剪叉升降臺(tái)從初始位置緩慢上升。當(dāng)液壓缸行程達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，節(jié)流閥3-2導(dǎo)通，油液同時(shí)流經(jīng)2個(gè)節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，剪叉升降臺(tái)以正常速度上升。

工作臺(tái)回落時(shí)，2YA得電，主換向閥處于右位，在剪叉機(jī)構(gòu)重力作用下，液壓缸縮回，無(wú)桿腔的油液同時(shí)流經(jīng)2個(gè)節(jié)流閥3-1和3-2流出，剪叉升降臺(tái)快速下降。當(dāng)液壓缸行程達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，節(jié)流閥3-2被封住，油液流經(jīng)節(jié)流閥3-1進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，剪叉升降臺(tái)緩慢回落至初始狀態(tài)。

3 仿真驗(yàn)證

在AMESim軟件中搭建剪叉式液壓升降臺(tái)仿真模型[14-15]，如圖5所示。模型中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵作為液壓源，設(shè)置液壓泵排量為6.3 mL/r，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1430 r/min，溢流閥壓力為12 MPa，液壓缸內(nèi)徑為80 mm，活塞桿直徑為60 mm，液壓缸有效行程為2 m，油管內(nèi)徑為8 mm，2個(gè)節(jié)流閥的通徑分別為0.8 mm和1 mm，第2個(gè)節(jié)流閥切換對(duì)應(yīng)的活塞行程預(yù)設(shè)為150 mm。從第3 s開(kāi)始，給電磁鐵信號(hào)，使升降臺(tái)完成“上升-停止-下降”的全行程仿真試驗(yàn)。

圖5 剪叉式液壓升降臺(tái)AMESim仿真模型

為了說(shuō)明節(jié)流調(diào)速對(duì)工作臺(tái)升降過(guò)程的影響，對(duì)不同節(jié)流開(kāi)度下采用傳統(tǒng)單節(jié)流調(diào)速的剪叉式升降臺(tái)進(jìn)行仿真，得到工作臺(tái)的升降速度和位置高度響應(yīng)曲線，如圖6和圖7 所示。結(jié)果表明，通過(guò)增加節(jié)流阻尼降低液壓缸的速度，可以減小速 度 突變。然而，節(jié)流閥在整機(jī)裝配好之后不再改變，過(guò)渡節(jié)流調(diào)速能夠減小起始段的速度突變，也減小了油缸進(jìn)出油流量，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的整體工作效率降低。

圖6 不同節(jié)流開(kāi)度下工作臺(tái)升降速度響應(yīng)曲線

圖7 不同節(jié)流開(kāi)度下工作臺(tái)位置高度變化曲線

在相同參數(shù)下，分別對(duì)傳統(tǒng)單節(jié)流調(diào)速和本文提出雙節(jié)流組合進(jìn)行仿真，得到工作臺(tái)升降過(guò)程的速度、位置和加速度響應(yīng)曲線，如圖8～圖10所示。由圖8和圖9可以看出，在升降臺(tái)的初始啟動(dòng)和臨近復(fù)位處，采用雙節(jié)流組合調(diào)速能夠有效改善速度突變，將速度峰值從±0.15 m/s降低至±0.09 m/s左右。特別在復(fù)位行程的末端，采用雙節(jié)流組合調(diào)速抑制速度波動(dòng)效果非常明顯。整個(gè)行程中，兩種節(jié)流調(diào)速方案下工作臺(tái)的升降效率基本相同。由圖10可以看出，采用雙節(jié)流組合調(diào)速有效減小了工作平臺(tái)的升降加速度，這有利于改善乘坐舒適性，降低結(jié)構(gòu)的慣性沖擊。

圖8 2 種調(diào)速方案下工作臺(tái)升降速度對(duì)比曲線

圖9 2 種調(diào)速方案下工作臺(tái)位置高度對(duì)比曲線

圖10 2 種調(diào)速方案下工作臺(tái)升降加速度對(duì)比曲線

2 個(gè)節(jié)流閥切換過(guò)程中升降臺(tái)的速度有一定波動(dòng)，這是由于油口切換時(shí)間很短，流量有突變。此外，兩個(gè)并聯(lián)節(jié)流口的開(kāi)度大小不是固定的，需要根據(jù)剪叉式升降臺(tái)整機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)論

1）減小節(jié)流口徑有利于改善升降臺(tái)的速度突變，但同時(shí)減小了升降臺(tái)工作速度，降低了工作效率。因此，通過(guò)減小節(jié)流閥的過(guò)流口徑改善升降臺(tái)的速度突變有較大局限性。

2）采用并聯(lián)阻尼分段調(diào)節(jié)的方案，能夠有效減小升降臺(tái)初始啟動(dòng)和復(fù)位末端的速度突變，且升降效率得到保障。