摘 要：為滿足各種輪胎式、履帶式挖掘機(jī)抓料機(jī)和救援機(jī)器上快速更換不同的配套屬具需求，采用屬具快換控制液壓系統(tǒng)進(jìn)行屬具快換控制。以德國(guó)HKS公司的TR-K180[1]的屬具快換機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，淺談屬具快換的結(jié)構(gòu)及工作原理，屬具快換對(duì)液壓系統(tǒng)控制的技術(shù)要求以及屬具快換控制液壓系統(tǒng)原理分析。結(jié)果表明通過(guò)深入的工況使用分析和地震救援現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的試驗(yàn)均驗(yàn)證了這種屬具快換液壓系統(tǒng)無(wú)論是在功能上還是在安全設(shè)計(jì)考慮角度方面都能很好了滿足屬具快換的工作需求。

關(guān)鍵詞： 屬具;快換控制;液壓油缸;液壓系統(tǒng)

引言

在工程機(jī)械產(chǎn)品使用上，尤其是在輪胎式、履帶式挖掘機(jī)、抓料(鋼)機(jī)和救援機(jī)器上，很多時(shí)候根據(jù)使用工況不同，需要快速更換不同的配套屬具，使機(jī)器充分發(fā)揮效能，完成多種作業(yè)，提高了機(jī)器的性價(jià)比。傳統(tǒng)作業(yè)屬具的更換方法須通過(guò)人工拆裝連接軸銷來(lái)進(jìn)行更換，需要專用的拆卸和安裝工具，熟練工人更換一次作業(yè)裝置耗時(shí)在1h以上，這種更換方式既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。如果安裝了屬具快換機(jī)構(gòu)及其快換控制液壓系統(tǒng)，駕駛員在駕駛室內(nèi)通過(guò)操縱手柄和按鈕控制，就能輕松在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完成各種作業(yè)裝置的快速拆裝，既保證了施工安全，又減少了拆卸安裝時(shí)間，還能避免銷軸在拆裝過(guò)程中的損壞。本文以國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目：20噸型“雙動(dòng)力雙臂手智能型救援工程機(jī)械”一個(gè)工作臂上配套的德國(guó)HKS公司TR-K180屬具快換機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)為例，淺談屬具快換液壓系統(tǒng)工作控制原理。

1 屬具快換的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為HKSTR-K180 快換結(jié)構(gòu)外形圖，共有三個(gè)部分組成：(1)與主機(jī)工作臂頭部連接機(jī)構(gòu)：通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)可以很靈活的與各種挖掘機(jī)、抓料機(jī)和救援機(jī)器上吊臂頭部進(jìn)行機(jī)械連接;(2)快換鎖緊機(jī)構(gòu)：這兩根單桿活塞液壓油缸的活塞桿可以分別當(dāng)作連接軸銷使用，通過(guò)兩根液壓油缸的全程往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)分別實(shí)現(xiàn)與各種屬具的連接和脫開(kāi)。當(dāng)這兩根液壓油缸無(wú)桿腔都進(jìn)入一定值壓力油后，會(huì)推動(dòng)液壓油缸活塞桿全部伸出去，活塞桿會(huì)穿過(guò)屬具上的連接孔后，將快換機(jī)構(gòu)與屬具連接為一體，實(shí)現(xiàn)了與屬具的快速安裝功能;相反當(dāng)這兩根液壓油缸有桿腔都進(jìn)入一定值壓力油后，會(huì)推動(dòng)液壓油缸活塞桿全部縮回來(lái)，活塞桿會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)與屬具上的孔連接，這樣就實(shí)現(xiàn)了快換機(jī)構(gòu)與屬具快速與自動(dòng)脫開(kāi)功能;(3)與屬具連接機(jī)構(gòu)：通過(guò)在快換機(jī)構(gòu)和屬具連接機(jī)構(gòu)上分別安裝配套的公母快速接頭體，就實(shí)現(xiàn)了吊臂上屬具工作油路通過(guò)快換機(jī)構(gòu)后能與下部的屬具油路快速自動(dòng)接通與脫開(kāi)功能。

2 屬具快換對(duì)液壓系統(tǒng)控制的技術(shù)要求

本文的研究重點(diǎn)是屬具快換液壓系統(tǒng)工作控制原理分析，根據(jù)HKSTR-K180快換機(jī)構(gòu)使用說(shuō)明書(shū)中介紹，當(dāng)快換鎖緊機(jī)構(gòu)的兩根液壓油缸無(wú)桿腔始終保存至少大于11MPa壓力油后，會(huì)推動(dòng)液壓油缸活塞桿始終處于全部伸出去狀態(tài)，這樣活塞桿就會(huì)始終穿過(guò)屬具上的連接孔后，將快換機(jī)構(gòu)與屬具連接為一體，整機(jī)就可以利用此屬具進(jìn)行工況作業(yè)，當(dāng)完成此工況作業(yè)后需要快速更換屬具，則通過(guò)駕駛員操作控制給這兩根液壓油缸有桿腔都進(jìn)入一定值壓力油后，會(huì)推動(dòng)液壓油缸活塞桿全部縮回來(lái)，活塞桿就會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)與屬具上的孔連接，這樣快換機(jī)構(gòu)與此屬具就實(shí)現(xiàn)了快速自動(dòng)脫開(kāi)。根據(jù)上述的屬具作業(yè)工況和屬具與快換機(jī)構(gòu)連接和脫開(kāi)過(guò)程，對(duì)屬具快換控制液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型提出以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：只有液壓油缸無(wú)桿腔始終存在至少大于11MPa壓力油，才能確?；钊麠U始終以全伸出去狀態(tài)穿過(guò)屬具上的連接孔，與屬具牢靠的連接。屬具與快換機(jī)構(gòu)連接后，考慮屬具會(huì)長(zhǎng)時(shí)間隨著主機(jī)進(jìn)行各種復(fù)雜工作，在此工作過(guò)程中會(huì)對(duì)此液壓油缸產(chǎn)生很大沖擊力，同時(shí)考慮液壓油缸都存在一定的內(nèi)泄，所以液壓系統(tǒng)控制上一定要考慮增加液壓油缸無(wú)桿腔安全鎖緊功能控制，并始終需要給液壓油缸的無(wú)桿腔進(jìn)行補(bǔ)油，并時(shí)時(shí)可以檢測(cè)其工作壓力值，并可進(jìn)行低壓報(bào)警功能;當(dāng)液壓油缸的有桿腔進(jìn)入一定值壓力油后，要求控制活塞桿快速平穩(wěn)的全部縮回到缸筒內(nèi);對(duì)于快換控制要求操作要簡(jiǎn)單可靠，并且要考慮充分利用主機(jī)液壓系統(tǒng)中的現(xiàn)有液壓動(dòng)力源來(lái)控制，而不必再另外增加液壓動(dòng)力源。

3 屬具快換控制液壓系統(tǒng)原理分析

在圖2屬具快換控制液壓系統(tǒng)原理圖中，當(dāng)控制電磁換向閥5的線圈Y1處于不得電狀態(tài)下，電磁換向閥處于左側(cè)工作位，液壓泵1排出的壓力油通過(guò)流量控制閥2優(yōu)先分流一部分壓力油依次通過(guò)單向閥3、節(jié)流閥4后進(jìn)入電磁換向閥，然后再依次流過(guò)減壓閥11、液控單向閥7后進(jìn)入液壓油缸9的無(wú)桿腔，推動(dòng)液壓油缸活塞桿伸出去，直到控制活塞桿全部伸出去, 活塞桿會(huì)正好穿過(guò)屬具上的連接孔后，將快換機(jī)構(gòu)與屬具連接為一體，這樣主機(jī)就可以利用此屬具進(jìn)行工況作業(yè),液壓油缸有桿腔的回油則依次通過(guò)電磁換向閥、單向閥12后直接回到液壓油箱15。在此屬具作業(yè)全過(guò)程中，減壓閥起到給液壓油缸無(wú)桿腔補(bǔ)油作用，始終確保其出口壓力值為設(shè)定值15MPa，為了安全考慮我們適當(dāng)提高快換控制壓力，以保證液壓油缸無(wú)桿腔壓力值穩(wěn)定15MPa，比HKS說(shuō)明書(shū)中規(guī)定的最小值11MPa要大些，液控單向閥起到鎖緊液壓油缸無(wú)桿腔作用，另外為了控制更可靠和平穩(wěn)，蓄能器10不但能滿足短時(shí)間獨(dú)立給液壓油缸無(wú)桿腔補(bǔ)油還可以吸收液壓油缸內(nèi)沖擊力。通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥4的開(kāi)口大小就可以控制液壓油缸活塞桿伸出去速度的快慢，另外通過(guò)設(shè)置壓力傳感器8的壓力值，我們?cè)O(shè)定為13MPa，當(dāng)液壓油缸無(wú)桿腔的壓力值低于此壓力值，壓力傳感器就會(huì)自動(dòng)接通電路控制進(jìn)行低壓值報(bào)警，以提醒駕駛員需要對(duì)液壓油缸無(wú)桿腔進(jìn)行補(bǔ)油或者系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)油需要進(jìn)行檢修。

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當(dāng)控制電磁換向閥的線圈Y1處于得電狀態(tài)下，電磁換向閥換向到右側(cè)工作位，液壓泵排出的壓力油通過(guò)流量控制閥優(yōu)先分流一部分壓力油依次通過(guò)單向閥3、節(jié)流閥4后進(jìn)入電磁換向閥，然后直接進(jìn)入液壓油缸的有桿腔，推動(dòng)活塞桿全部縮回到缸筒內(nèi)，同時(shí)一部壓力油會(huì)作用在液控單向閥的控制油口，使其反向通油。液壓油缸無(wú)桿腔的回油則依次通過(guò)液控單向閥、單向閥6、電磁換向閥和單向閥12后直接回到液壓油箱15，這樣快換機(jī)構(gòu)與此屬具就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)快速脫開(kāi)。單向閥6的開(kāi)啟壓力很小起到反向快速通過(guò)液壓油作用，單向閥12的開(kāi)啟壓力較高有0.45MPa，起到回油背壓作用，以控制液壓油缸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

流量控制閥是利用負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償來(lái)進(jìn)行優(yōu)先控制分流的，其始終保證將液壓泵出口的壓力油優(yōu)先分流供給優(yōu)先口屬具快換控制使用，C口壓力油可以去控制主機(jī)液壓系統(tǒng)的其他負(fù)載，溢流閥14可以限制優(yōu)先口負(fù)載最大工作壓力值，節(jié)流閥13是靜態(tài)傳動(dòng)，沒(méi)有產(chǎn)生壓力損失，可以提供穩(wěn)定的負(fù)載壓力反饋信號(hào)，起到補(bǔ)償器閥芯在移動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定性控制作用。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)屬具快換控制液壓系統(tǒng)原理圖分析，不難看出在屬具快換控制液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型的時(shí)候，要全面考慮快換使用工況需求及其安全保護(hù)措施，在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候增加了多重安全設(shè)計(jì)考慮 ：通過(guò)增加液控單向閥，可以鎖緊液壓油缸無(wú)桿腔;通過(guò)減壓閥可以時(shí)時(shí)補(bǔ)油，解決了油缸內(nèi)泄對(duì)快換的影響，保證液壓油缸無(wú)桿腔內(nèi)壓力值恒定;通過(guò)安裝蓄能器可以在快換或者主機(jī)液壓系統(tǒng)出故障時(shí)候，短時(shí)間內(nèi)給液壓油缸無(wú)桿腔補(bǔ)油，保證液壓油缸無(wú)桿腔壓力值恒定，給配套快換機(jī)構(gòu)的屬具工作臂快速下落到安全位置提供時(shí)間;通過(guò)壓力傳感器提供了低壓提前報(bào)警功能。另外通過(guò)選用流量控制閥，可以利用主機(jī)上已有的液壓泵給快換控制提供液壓動(dòng)力源，而不必再增加主機(jī)上液壓泵的數(shù)量。通過(guò)在20噸型“雙動(dòng)力雙臂手智能型救援工程機(jī)械”一個(gè)工作臂上工廠內(nèi)部試驗(yàn)，尤其是在四川雅安地震救援現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際救援作業(yè)，驗(yàn)證了這種屬具快換控制液壓系統(tǒng)無(wú)論是在功能原理上還是在安全設(shè)計(jì)方面都能很好的滿足屬具快換的工作需求。

參考文獻(xiàn)

[1]HKS TR-K180 .用戶手冊(cè).