矿卡举升液压系统提升可靠性的设计方法与应用调试_冯文彬.pdf

Jun.2023Fluid Measurement&ControlVol.4 No.3 矿卡举升液压系统提升可靠性的设计方法与应用调试Design Method and Application Debugging of Offhighway Mining Dump Trucks Elevator Hydraulic System to Improve Reliability冯文彬1，2（1.太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024；2.智能采矿装备技术全国重点实验室，山西 太原 030024）FENG Wenbin1，2（1.Taiyuan Heavy Industry Technology Center，Taiyuan 030024，Shanxi，China；2 National Key Laboratory of Intelligent Mining Equipment Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）摘要：针对非公路矿用自卸卡车举升液压系统，分析了其液压元件在设计和调试过程中，有助于提升系统可靠性的要点，提出了现场对系统问题调试的解决方案，为以后设计调试过程提供了参考。关键词：非公路矿用自卸卡车；液压系统；平衡阀；多级油缸；泵Abstract：Aiming at the mine elevator hydraulic system，this paper analyzes the key points which are helpful to improve the system reliability in the design and commissioning process of its hydraulic components，and puts forward the debugging solution of the system problems on site，which provides a reference for the design and commissioning process in the future.Key words：off-highway mining dump truck；hydraulic system；load control valve；multi-stage cylinder；pump中图分类号：TH 137 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）03-0020-041前言非公路矿用自卸卡车（简称“矿卡”）用于大型露天矿山物料运输作业，其主要功能是实现短距离散料的装卸和运送1。实现货箱的举升和下降动作是矿卡的基本功能要求，举升和下降的性能优劣影响着矿卡工作效率的高低。目前，液压传动是实现货箱举升、下降动作的主要方式。矿卡的举升液压系统主要由举升油缸、举升分配阀、举升先导控制阀、举升平衡阀组、举升泵等液压元件组成，这些元件的合理设计与正确使用严重影响着举升系统的可靠性。2举升系统的平稳性要求除了满足举升和下降等基本动作外，举升液压系统还需要进行一些有利于平稳性的设计，以保证整车在工作过程中的平稳可靠性。在设计时需要考虑到的情况如：在货箱举升的最后阶段，由于物料在货箱底部堆积，可能会造成举升液压缸突然加速伸出而损坏液压缸，也就是通常所说的“拔缸”；举升液压缸由于有杆腔和无杆腔面积差距较大，所以液压有杆腔的流量在举升时小，下降时却较大；由于到达举升终点时，整车重心比较高，末级作用举升液压缸回路上一般都有节流措施，使货箱的最后一级举升平稳，避免过大冲击，同时在到达下降终点时，也要避免货箱冲击大梁，需要设置缓冲机构，避免冲击。总之，确保举升和下降动作过程平稳可靠是矿卡举升液压系统的重要指标。针对举升液压系统的平稳性要求，需从元件层面考虑，在设计和调试过程中避免其问题的出现。3举升平衡阀组的介绍与调试举升平衡阀组是一种能够控制举升下降过程的多功能组合阀，其结构与工作原理是所有液压阀种中最为复杂的，矿卡举升液压系统中设置平衡阀组是为了防止举升最后阶段出现负负载，导致举升缸出现“拔缸”的情况。矿卡上使用的平衡阀块，采用了 3个螺纹插装阀的组合形式，分别为平衡阀、单向节流阀、单向阀，如图 1所示。其中，平衡阀是为了通过举升时的举升油缸有杆腔回油而设置的，当进行举升动作时，举升油缸有杆腔中的油液必须通过平衡阀回油，而平衡阀阀芯开启的大小、平衡阀控制腔的压力和负载压力相关。只有 202023年 6月流体测量与控制第 4卷第 3期（总第 16期）当 2个压力之和大于平衡阀的设定值时，平衡阀阀芯才会开启，保证了当出现负负载时，平衡阀能够及时关闭，防止出现举升油缸拔缸的情况。平衡阀组上的单向节流阀是为了控制平衡阀控制腔的压力波动。平衡阀在液控节流时，阀芯处在一个动态平衡位置，控制压力的波动会引起阀芯位置的波动，进而引起开口面积的波动，最后导致负载运动速度的波动2，引起整车的抖动，将影响矿卡驾驶员的正常操作。所以设置单向节流阀可以减缓控制腔压力随着油缸大腔压力的波动，降低油缸大腔压力波动对平衡阀阀芯的影响。在平衡阀组上设置单独的单向阀，因为举升油缸有杆腔在举升动作时需求流量少，在下降时需求流量大，而平衡阀自带的单向阀通径不足以满足下降时的流量需求，所以应增加大通径单向阀的通流面积。平衡阀的参数主要有控制比和平衡阀设定值，控制比决定了开启液控节流功能所需的最低控制压力。控制比低，则稳定性好，但能耗高，因为控制压力通过液压缸增加了另一腔，即平衡阀负载口的压力3。平衡阀设定值是一个重要参数，平衡阀设定值要大于负载口压力，以实现控制压力大的控制范围，同时，平衡阀设定值不能设定过高，以防出现负负载压力尖峰时平衡阀打不开，导致举升油缸的超压损坏。平衡阀组因为入厂时无法检测阀设定值，在装车后的空载调试过程中，要关注举升时举升油缸小腔的背压。如果出现背压过高和平衡阀组噪声明显的情况，表明平衡阀主要是靠负载口压力打开的。此时，平衡阀设定值过高或者控制口压力过小，如果载重举升，会导致初始举升压力不够而无法举升。建议测量平衡阀控制腔压力，如果控制腔有压力，那么就要考虑重新调整平衡阀的设定值。调整方法为：关闭单向节流阀阀口，然后空载举升，调节平衡阀主弹簧，直到举升油缸小腔背压为需要的设定值；打开单向节流阀，试验在慢速举升时举升油缸是否会出现抖动的现象，如果有抖动的现象，则需适当调小单向节流阀的节流口，再次测举升时的举升压力、小腔压力、控制口压力是否恢复正常范围内，以及明显降低噪声的情况。4举升油缸的设计与调试为了将货箱内的物料完全倾卸干净，矿卡的货箱需 5060的举升角,而且矿卡载重一般都是百吨级别，需要举升液压缸在举升初期提供较大的举升力，所以设计时需平衡举升油缸的行程和举升压力，使其拥有较大的行程、较短的安装距，以及较大的初始举升力。举升液压缸往往采用多级液压缸的形式，如图 2所示。多级油缸第一级液压油作用面积较大，可以在举升动作初期给货箱提供较大的举升力，而且因为多级油缸总行程为各级行程之和，所以总行程可以很长，又因为每一级层层套在一起，完全缩回时长度较短，所以它的安装距较短。总之，举升油缸非常适合采用多级油缸的形式。图 2多级液压缸图 1举升平衡阀组原理 21Jun.2023Vol.4 No.3 Fluid Measurement&Control为防止货箱下落过快撞击车架大梁，造成冲击，在多级油缸的第一级处设置了缓冲装置，当油缸缩回到末端时，油液只能通过缓冲杆和缸筒之间的环形通道通过，通过环形通道的节流作用减缓油缸的缩回速度，从而保证举升油缸回落的平稳性。同样，当接近举升终点时，由于货箱重心变高，在末级举升油缸回油路上一般都有节流措施，使得货箱的最后一级举升平稳，避免过大冲击。而且，由于举升有角度限制，在举升未到达举升油缸行程末端时，举升功能就会被切断，防止举升过高而影响举升的安全。在装车调试时，因为举升油缸腔体内有大量空气，如果此时直接举升，可能会使得货箱初始一段时间运行不畅，也不便于后续的调试，应首先对其进行排气。举升油缸上一般设置有排气螺塞，启动后打开排气塞，直到空气排尽，油液流出为止，如果没有排气塞，必须反复举升，直到举升动作平稳后再进行其他调试工作。5举升分配阀的可靠性设计在举升分配阀的高压通道与回油通道之间，设置防吸空单向阀，当高压通道内出现负压后，回油通道能够及时补油，防止高压通道内的气体导致举升下降过程中出现不稳定的现象，如图 3所示。举升分配阀的有杆腔滑阀上，设置液控换向阀，如图 4所示。在货箱手动下降时，有杆腔滑阀控制口压力变大，阀芯左移，此时 P口连通举升油缸有杆腔。液控换向阀连通 T 口和有杆腔滑阀控制口P1，当货箱自由下降时，有杆腔滑阀控制口压力变小。此时，由于 T 口流量较大，导致 T 背压增大，T口和有杆腔滑阀控制口单向阀处于开启状态，所以此时液控节流阀处于上位，有杆腔滑阀就会在 T 口背压作用下右移，从而使举升油缸变为差动状态，此时举升油缸可较平稳地下降。举升分配阀上设有流量控制阀，当没有举升动作时，流量控制阀打开，举升泵的流量将通过流量控制阀低压溢流，即可在不举升时大大减小举升泵的功率消耗。举升分配阀的溢流阀需要通过较大的流量，尤其是在加速下降时，此时举升分配阀通过的流量甚至要大于举升泵的最大排量，所以在设计举升分配阀的溢流阀时，必须考虑到这一点，根据实际需求选择合适的溢流阀通径，提升举升系统的可靠性。6举升油泵由于举升油缸需要比较大的流量以满足举升时间的要求，所以举升油泵排量一般较大，而且经常为 2 个并联。在设计时，要考虑到一个举升油泵损坏导致整个举升系统失效，要在 2 个泵的高压口分别设置单向阀。当其中一个泵失效时，由于单向阀的阻隔，不会影响另一个泵发挥作用，举升油缸也能够缓慢地完成举升动作，提升了系统的可靠性；进行更换时，可以先将货箱内的重物卸掉，方便后续故障的维修。在国标中，排量、压力的柱塞泵和齿轮泵的噪声在允许范围内。在调试过程中，要注意举升泵的噪声变化，如果出现噪声异常变大的情况，首先要排除是否有油泵吸空的情况，吸空对液压泵危害较大，出现吸空后，随着气体在泵内部的升压过程，会出现气体瞬间爆炸，导致泵内部产生气蚀，将大大缩短液压泵的使用寿命。尤其在大转速的情况下，油泵需求的流量增多，如果此时噪声情况加重，那么有必要去排查是否有造成液压泵吸空的故障出现。油泵吸空可能由多种原因造成，需要逐个排查图 3举升分配阀图 4举升分配阀部分原理 222023年 6月流体测量与控制第 4卷第 3期（总第 16期）确认。首先，确保吸油滤芯是否堵塞，吸油滤芯往往不加旁通阀，以防止滤芯堵塞后油箱中的杂质通过旁通阀进入系统；其次，排查油泵的吸油管路，如果吸油管路中出现渗漏，或者吸油管路明显过细、局部过细等情况，应排除此故障后再次试车。应该注意的是，在举升或者下降过程中出现噪声变大，因为举升或者下降过程中，油箱内的油液变化较大，表明噪声变大可能与油箱上的空气滤清器有关，因为油箱内油液量的改变会引起油箱内空气量的改变，此时需要排查空气滤清器滤芯是否堵塞或者出现了其他故障。7结语本文简单地对矿卡举升液压系统，以及其中的液压元件的基本原理进行了论述，对在调试过程中举升液压系统问题进行了分析，并给出了调试方案。参考文献：1 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