重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸懸置狀態(tài)仿真分析

張家昌 肖志權(quán) 陳玲莉 張明明 庹明偉

摘? 要：針對(duì)某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的泄漏等問(wèn)題，對(duì)其翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)進(jìn)行了基于AMESim的建模與仿真?？紤]翻轉(zhuǎn)缸縮回至活塞處于缸筒擴(kuò)孔區(qū)，且活塞桿隨駕駛室一起做微幅振動(dòng)的狀態(tài)，分析了振動(dòng)頻率、幅值、等效縫隙值對(duì)于翻轉(zhuǎn)缸兩腔壓力的影響，及振動(dòng)過(guò)程中兩腔的流量變化。分析結(jié)果顯示，懸置狀態(tài)翻轉(zhuǎn)缸會(huì)產(chǎn)生缸內(nèi)負(fù)壓，造成氣穴乃至氣蝕現(xiàn)象，其程度主要與翻轉(zhuǎn)缸的振動(dòng)頻率、幅值和等效縫隙值有關(guān)，甚至是翻轉(zhuǎn)缸泄漏的原因之一。

關(guān)鍵詞：液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);翻轉(zhuǎn)缸;AMESim;氣穴現(xiàn)象

中圖分類(lèi)號(hào)：463.81+5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2021）01-0025-06

Abstract： Aiming at the leakage of a heavy truck cab hydraulic overturning mechanism，? a model and simulation based on AMESim is carried out on the overturning cylinder in the suspended state. Considering that the cylinder retracts to the piston in the cylinder reaming area and the piston rod vibrates slightly with the cab， the influences of vibration frequency，? amplitude and equivalent gap value on the pressure and flow of the two Chambers of the cylinder are analyzed. The analysis results show that the overturning cylinder in the suspension state generates negative pressure in both chambers of the cylinder， resulting in cavitation or even cavitation erosion under impact pressure， the degree of which is mainly related to the vibration frequency， amplitude and equivalent gap value of the overturning cylinder. This may be one of the reasons of the leakage of the overturning cylinder.

Key Words： Hydraulic Overturning Mechanism; Overturning Cylinder; Amesim; Cavitation

1? ? 引言

駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)因其承載翻轉(zhuǎn)力大、工作平穩(wěn)、安全可靠而越來(lái)越多地應(yīng)用于商用車(chē)、自卸車(chē)、中、重型載貨車(chē)等多種車(chē)型。液壓翻轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下，翻轉(zhuǎn)缸作為液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓執(zhí)行元件，以液壓為動(dòng)力使駕駛室繞其翻轉(zhuǎn)軸有限度的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)駕駛室的舉升、翻轉(zhuǎn)、下降、收回等動(dòng)作。由于工作位置的不同，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有外推和內(nèi)推等不同形式。已有一些針對(duì)駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究，其中李偉、茍煒偉等[1]對(duì)差動(dòng)液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和測(cè)試，何嘉欣[2]對(duì)卡車(chē)駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，于保軍、于文函[3]等針對(duì)翻轉(zhuǎn)缸的實(shí)際工況，設(shè)計(jì)出一種試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)，姜帆[4]-[5]對(duì)駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用MATLAB /Simulink對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，徐金志[6]-[7]對(duì)重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，徐勇剛、何仁等[8]對(duì)重型汽車(chē)駕駛室的電動(dòng)/手動(dòng)液壓缸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析。

盡管已有上述相關(guān)研究，但注意到鮮有關(guān)于液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在翻轉(zhuǎn)缸縮回并處于懸置狀態(tài)的液壓系統(tǒng)研究。所謂翻轉(zhuǎn)缸的懸置狀態(tài)，是指翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不處于翻轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，駕駛室回到原始位置，翻轉(zhuǎn)缸縮回且活塞桿隨駕駛室一起做微幅振動(dòng)，此時(shí)，液壓翻轉(zhuǎn)缸類(lèi)似于液壓減震器的狀態(tài)。但不同于液壓減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，翻轉(zhuǎn)缸主要為液壓翻轉(zhuǎn)而非懸置狀態(tài)而設(shè)計(jì)，沒(méi)有通常液壓減震器的雙筒結(jié)構(gòu)。因此，在翻轉(zhuǎn)缸處于懸置狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)“空提”，進(jìn)而造成氣穴等現(xiàn)象。本文針對(duì)某型重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)懸置狀態(tài)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，在對(duì)其進(jìn)行AMESim仿真建模的基礎(chǔ)上，分析了懸置狀態(tài)下問(wèn)題的原因及其影響因素。

2? ? 液壓翻轉(zhuǎn)缸工況描述

以某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)為例，液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由1.油箱 2.單向閥 3.手動(dòng)泵 4.溢流閥 5.單向閥 6.換向閥 7.過(guò)濾器 8.節(jié)流閥 9.液控單向閥 10.懸置鎖緊缸 11.液壓翻轉(zhuǎn)缸組成。其中單向閥可以防止油液倒流;液壓翻轉(zhuǎn)缸作為系統(tǒng)執(zhí)行元件，上下支撐點(diǎn)分別于駕駛室和底盤(pán)相連;液控單向閥可以使液壓翻轉(zhuǎn)缸在下降的時(shí)候懸停在任意位置;節(jié)流閥可以使液壓翻轉(zhuǎn)缸平穩(wěn)的下降。

為了滿足駕駛舒適性要求，液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，駕駛室由懸置鎖緊缸可靠的鎖緊支撐，這種懸置支撐可以使液壓翻轉(zhuǎn)缸隨著駕駛室運(yùn)動(dòng)。由于液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，做自由振動(dòng)，一般選用擴(kuò)孔式液壓翻轉(zhuǎn)缸。如圖2所示，擴(kuò)孔式液壓翻轉(zhuǎn)缸在翻轉(zhuǎn)缸尾部有一段缸筒內(nèi)徑增大，即尾部擴(kuò)孔的內(nèi)徑D大于活塞直徑d，尾部擴(kuò)孔的長(zhǎng)度L大于活塞上下振動(dòng)的浮動(dòng)量，這樣可以保證駕駛室在行駛過(guò)程中，活塞不會(huì)與缸底產(chǎn)生干涉從而造成駕駛室或油缸的損壞。但是在擴(kuò)孔區(qū)域內(nèi)液壓翻轉(zhuǎn)缸長(zhǎng)期上下振動(dòng)，會(huì)使液壓翻轉(zhuǎn)缸的活塞桿處有泄漏、阻力過(guò)大等問(wèn)題。下面基于AMESim對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)缸懸置狀態(tài)進(jìn)行建模仿真分析。

3? ? 液壓翻轉(zhuǎn)缸懸置狀態(tài)下AMESim建模

以某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)缸為例，由于液壓翻轉(zhuǎn)缸尾部擴(kuò)孔，又考慮了液壓翻轉(zhuǎn)缸懸置振動(dòng)狀態(tài)下，尾部擴(kuò)孔的長(zhǎng)度大于活塞上下振動(dòng)的浮動(dòng)量，所以液壓翻轉(zhuǎn)缸的建模如圖3所示，其中因翻轉(zhuǎn)缸筒擴(kuò)孔形狀為非規(guī)則圓環(huán)，為了分析擴(kuò)孔形狀和尺寸的影響，將擴(kuò)孔簡(jiǎn)化等效為AMESim中的縫隙元件，等效縫隙值0.5～0.8mm。

4? ? 仿真分析

根據(jù)某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)缸的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，對(duì)仿真模型的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示：

由于液壓翻轉(zhuǎn)缸處于懸置狀態(tài)，隨著駕駛室的振動(dòng)，液壓翻轉(zhuǎn)缸上下自由振動(dòng)。根據(jù)對(duì)工況的了解，選取了振動(dòng)頻率為1Hz-2Hz，振幅為0.01m-0.018m的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)作為振動(dòng)輸入信號(hào)，對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)缸進(jìn)行仿真分析。

液壓翻轉(zhuǎn)缸的氣穴現(xiàn)象受到很多因素的影響，AMESim通過(guò)對(duì)一些不同的影響因素進(jìn)行仿真分析，可以得到影響液壓翻轉(zhuǎn)缸氣穴現(xiàn)象程度的主要因素。

4.1? ?振動(dòng)頻率的影響

在標(biāo)準(zhǔn)的正弦激勵(lì)下進(jìn)行仿真，液壓翻轉(zhuǎn)缸的振動(dòng)頻率從1Hz增加至2Hz，信號(hào)振幅為0.01m，仿真時(shí)間為3s，其他參數(shù)不變的情況下，仿真結(jié)果如圖4、5所示：

圖4、圖5顯示，液壓翻轉(zhuǎn)缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著振動(dòng)頻率由1Hz增加為2Hz，啟動(dòng)時(shí)有桿腔的第一個(gè)壓力峰值就由9.2bar上升為24.7bar，無(wú)桿腔的第一個(gè)壓力峰值由11.9bar上升為29.5bar。從第二個(gè)周期以后，壓力峰值相應(yīng)的減小，從相對(duì)關(guān)系考慮，隨著振動(dòng)頻率的增加，兩腔的壓力峰值也會(huì)增大。

以液壓翻轉(zhuǎn)缸開(kāi)始振動(dòng)的平衡初始位置為零位，從第二個(gè)周期以后，當(dāng)液壓翻轉(zhuǎn)缸向下振動(dòng)的總位移為0.008m時(shí)，液壓翻轉(zhuǎn)缸的兩腔會(huì)產(chǎn)生壓力沖擊。當(dāng)液壓翻轉(zhuǎn)缸的振動(dòng)狀態(tài)由向下振動(dòng)轉(zhuǎn)為向上振動(dòng)時(shí)，液壓翻轉(zhuǎn)缸的無(wú)桿腔先出現(xiàn)負(fù)壓，液壓翻轉(zhuǎn)缸的有桿腔隨后也出現(xiàn)負(fù)壓。液壓翻轉(zhuǎn)缸在擴(kuò)孔區(qū)域內(nèi)振動(dòng)，其中無(wú)桿腔的負(fù)壓出現(xiàn)在，由液壓翻轉(zhuǎn)缸底部向上振動(dòng)到頂，再由液壓翻轉(zhuǎn)缸頂部向下振動(dòng)到初始零位。當(dāng)液壓翻轉(zhuǎn)缸將要振動(dòng)到頂時(shí)，液壓翻轉(zhuǎn)缸的有桿腔出現(xiàn)負(fù)壓，再由頂部向下振動(dòng)的總位移為0.0073m時(shí)，有桿腔的負(fù)壓消失。

4.2? ?振動(dòng)幅值的影響

在標(biāo)準(zhǔn)的正弦激勵(lì)下進(jìn)行仿真，液壓翻轉(zhuǎn)缸振動(dòng)頻率1Hz，信號(hào)振幅從0.01m增加至0.018m，仿真的時(shí)間為3s，其他參數(shù)不變的情況下，仿真的結(jié)果如圖6、7所示：

圖6、圖7顯示，液壓翻轉(zhuǎn)缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著振動(dòng)幅值由0.01m增加到0.018m，啟動(dòng)時(shí)的有桿腔的第一個(gè)壓力峰值由9.2bar上升為23.2bar，無(wú)桿腔的第一個(gè)壓力峰值由11.9bar上升為27.6bar。從第二個(gè)周期以后，壓力峰值相應(yīng)的減小，從相對(duì)關(guān)系考慮，隨著振動(dòng)幅值的增大，兩腔的壓力峰值也會(huì)增大。

4.3? ?等效縫隙值的影響

在標(biāo)準(zhǔn)的正弦激勵(lì)下進(jìn)行仿真，液壓翻轉(zhuǎn)缸振動(dòng)頻率1Hz，信號(hào)振幅為0.01m，仿真的時(shí)間為3s，液壓翻轉(zhuǎn)缸的等效縫隙值由0.5mm增加到0.8mm，其他參數(shù)不變的情況下，仿真的結(jié)果如圖8、9所示：

圖8、圖9顯示，液壓翻轉(zhuǎn)缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著液壓翻轉(zhuǎn)缸的等效縫隙值由0.5mm增大為0.8mm，啟動(dòng)時(shí)有桿腔的第一個(gè)壓力峰值由9.2bar下降為9bar，無(wú)桿腔的第一個(gè)壓力峰值由11.9bar下降為9.7bar。從第二個(gè)周期以后，兩腔的壓力峰值會(huì)相應(yīng)的減小，當(dāng)液壓翻轉(zhuǎn)缸等效縫隙值增大為0.6mm時(shí)，兩腔的壓力峰值下降程度最大，在其等效縫隙值增大為0.6mm后，其兩腔的壓力峰值將維持基本恒定。隨著液壓翻轉(zhuǎn)缸的等效縫隙值由0.5mm增大為0.8mm，有桿腔負(fù)壓維持的時(shí)間由占一個(gè)周期的42%上升為90%。

4.4? ?兩腔的流量變化

在標(biāo)準(zhǔn)的正弦激勵(lì)下進(jìn)行仿真，液壓翻轉(zhuǎn)缸振動(dòng)頻率1Hz，信號(hào)振幅為0.01m，仿真的時(shí)間為3s，其他參數(shù)不變的情況下，仿真結(jié)果如圖10所示：

圖10顯示，當(dāng)液壓翻轉(zhuǎn)缸向下振動(dòng)到平衡初始位置時(shí)，有桿腔的進(jìn)油流量為3L/min，無(wú)桿腔的出油流量為6L/min。當(dāng)液壓翻轉(zhuǎn)缸向上振動(dòng)到平衡初始位置時(shí)，有桿腔的出油流量為3L/min，無(wú)桿腔的進(jìn)油流量為4.9L/min。由于輸入的位移信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)正弦激勵(lì)，所以理想狀態(tài)下液壓翻轉(zhuǎn)缸向上振動(dòng)和向下振動(dòng)到相同位置時(shí)，無(wú)桿腔的進(jìn)油流量應(yīng)該等于無(wú)桿腔的出油流量。但是結(jié)果表明，液壓翻轉(zhuǎn)缸向上振動(dòng)無(wú)桿腔的進(jìn)油流量小于液壓翻轉(zhuǎn)缸向下振動(dòng)無(wú)桿腔的出油流量，導(dǎo)致無(wú)桿腔進(jìn)油不足，無(wú)桿腔出現(xiàn)負(fù)壓，隨后有桿腔也出現(xiàn)負(fù)壓，當(dāng)液壓翻轉(zhuǎn)缸兩腔負(fù)壓的值達(dá)到-0.6bar以下，即液壓翻轉(zhuǎn)缸的兩腔的壓力降低到飽和蒸汽壓范圍以下，液體開(kāi)始蒸發(fā)，出現(xiàn)大量的蒸汽氣泡，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象[9]。氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡隨液流流到壓力較高的部位，會(huì)因承受不了高壓而破滅，產(chǎn)生局部的液壓沖擊和高溫并產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，對(duì)附近的工件產(chǎn)生腐蝕和損害，將這種現(xiàn)象稱(chēng)為氣蝕[10]-[11]。

5? ? 結(jié)論

針對(duì)某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)進(jìn)行了基于AMESim的建模和仿真分析，分析表明，當(dāng)液壓翻轉(zhuǎn)缸在擴(kuò)孔區(qū)域內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)桿腔進(jìn)補(bǔ)油量不足，即所謂“空提”，導(dǎo)致無(wú)桿腔先出現(xiàn)負(fù)壓，由于缸筒擴(kuò)孔產(chǎn)生的縫隙將有桿腔和無(wú)桿腔連通，造成有桿腔隨后也出現(xiàn)負(fù)壓，液壓翻轉(zhuǎn)缸等效縫隙值決定了有桿腔出現(xiàn)負(fù)壓的快慢程度。當(dāng)兩腔的絕對(duì)壓力低于飽和蒸汽壓時(shí)，油液中析出大量的氣泡，從而造成液壓翻轉(zhuǎn)缸里有氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生。經(jīng)分析液壓翻轉(zhuǎn)缸的氣穴現(xiàn)象的程度主要與液壓翻轉(zhuǎn)缸振動(dòng)的頻率、幅值和液壓翻轉(zhuǎn)缸的等效縫隙值有關(guān)。

仿真分析表明，因缸筒擴(kuò)孔產(chǎn)生的縫隙把有桿腔和無(wú)桿腔連通以后，使得缸內(nèi)負(fù)壓及氣穴現(xiàn)象不僅僅產(chǎn)生在無(wú)桿腔，也產(chǎn)生在有桿腔。液壓翻轉(zhuǎn)缸的兩腔都會(huì)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，氣穴產(chǎn)生后馬上迎來(lái)壓力峰值甚至氣蝕現(xiàn)象，且周期性循環(huán)往復(fù)，氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生在有桿腔，就可能對(duì)活塞桿和前端蓋的密封裝置造成損傷。所以針對(duì)這種情況，液壓翻轉(zhuǎn)缸的漏油不僅僅是因?yàn)槊芊馊ψ陨淼睦匣?，還有可能是因?yàn)闅庋ê蜌馕g現(xiàn)象加速了密封圈的老化和損傷。

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