一種高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真

劉 軍

(青島中汽特種汽車有限公司，山東青島 266000)

引言

高空作業(yè)車是將工作人員和裝備運(yùn)送到指定高度進(jìn)行作業(yè)的一種設(shè)備，由起重機(jī)械發(fā)展而來。由于需要載人作業(yè)，其安全性和可靠性要求遠(yuǎn)高于通用起重機(jī)械，屬于特種作業(yè)設(shè)備[1]。近年來，隨著國內(nèi)外高空作業(yè)車品種和功能的多樣化發(fā)展，高空作業(yè)車的應(yīng)用范圍越來越廣。液壓系統(tǒng)的節(jié)能性、穩(wěn)定性以及可靠性在高空作業(yè)車中起著重要的作用，特別是車載式帶電作業(yè)高空作業(yè)車，一般需要長時間作業(yè)，同時由于工作人員需要帶電作業(yè)，為保證工作人員的安全，對液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求更高。而傳統(tǒng)的定量泵+溢流閥的液壓系統(tǒng)具有很大的功率損失[2-3]不能滿足需求。

本研究針對現(xiàn)有高空作業(yè)車功率損失大、上裝和支腿動作不能互鎖等問題，結(jié)合現(xiàn)有高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)配置，設(shè)計一種高空作業(yè)車變量泵液壓系統(tǒng)，采用理論分析和建模仿真相結(jié)合的方式進(jìn)行研究。首先構(gòu)建液壓系統(tǒng)的原理圖，介紹其工作原理；然后利用AMESim仿真軟件建立其的仿真模型；最后對其工作原理和壓力調(diào)節(jié)特性進(jìn)行仿真和分析。研究結(jié)果表明：液壓系統(tǒng)采用變量泵，降低了系統(tǒng)功率損失，還可以實現(xiàn)支腿和上裝動作互鎖，增加液壓系統(tǒng)的安全性，滿足了高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)的需求。

1 液壓系統(tǒng)工作原理

1.1 原理圖構(gòu)建和液壓件功能介紹

根據(jù)目前高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)對節(jié)能和安全可靠性的需求，結(jié)合現(xiàn)有高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)配置，構(gòu)建如圖1所示液壓系統(tǒng)原理圖，以支腿(中央回轉(zhuǎn)接頭以下部分)液壓系統(tǒng)為主進(jìn)行分析。

液壓件功能介紹：

(1) 變量泵組件：由斜盤式軸向柱塞泵1、變量缸彈簧腔2、變量缸大腔3、負(fù)載敏感閥4、壓力切斷閥5等組成，此組件為一個整體，簡稱變量泵，有4個外接油口，分別是吸油口、高壓口、泄漏油口以及負(fù)載敏感油口。通過調(diào)節(jié)負(fù)載敏感閥4和壓力切斷閥5的彈簧力，可以分別設(shè)定系統(tǒng)待機(jī)壓力和系統(tǒng)最高壓力；

(2) 支腿-上裝選擇閥6：用來實現(xiàn)支腿油路和上裝油路的切換，采用三位四通電磁換向閥，M形中位機(jī)能，配有溢流閥作為安全閥，其設(shè)定壓力可以作為整個系統(tǒng)的安全壓力，壓力設(shè)定值比右支腿操作閥的溢流閥設(shè)定壓力高2 MPa左右。將支腿-上裝選擇閥6和支腿鎖上裝電磁閥17兩者結(jié)合，通過電控系統(tǒng)可以實現(xiàn)支腿和上裝動作的互鎖；

(3) 右支腿操作閥7和左支腿操作閥8：分別用來控制車輛右側(cè)兩支腿和左側(cè)兩支腿的伸出和縮回。右支腿操作閥中的溢流閥起安全閥的作用，為了避免支腿油路憋壓時產(chǎn)生高壓溢流損失，其設(shè)定壓力應(yīng)高于支腿限壓閥設(shè)定壓力2 MPa左右；

(4) 支腿油缸組件：支腿油缸9和支腿油缸液壓鎖10通常通過法蘭連接成一體，組成支腿油缸組件，用來實現(xiàn)支腿伸出和縮回，并能確保支腿伸出并支撐后，整車車身能夠可靠地支撐和鎖緊，保證工作人員作業(yè)時的安全；

(5) 泵控制閥：由泄壓阻尼孔11、先導(dǎo)過濾器12、支腿信號閥13、支腿限壓閥15、支腿鎖上裝電磁閥17等組成。泄壓阻尼孔11用來實現(xiàn)支腿信號閥13液控口液壓油的建壓和泄壓，保證支腿動作時，支腿信號閥13工作位置能夠順利切換。先導(dǎo)過濾器12用來過濾進(jìn)入支腿信號閥13液控口和泄壓阻尼孔11的液壓油，防止泄壓阻尼孔11阻塞。支腿信號閥13用來感應(yīng)支腿油路信號，實現(xiàn)支腿動作和上裝動作信號油路的切換。為保證液壓系統(tǒng)正常工作，切換支腿信號閥13所用的壓力應(yīng)低于系統(tǒng)待機(jī)壓力。支腿鎖上裝電磁閥17用來實現(xiàn)4個支腿都觸地并支撐牢固后，支腿處的微動開關(guān)通過電控系統(tǒng)給支腿鎖上裝電磁閥17信號，使其通電，這時候上裝才能動作，起到安全保護(hù)作用。

1.2 工作原理分析

1) 支腿未伸出時待機(jī)工況

在整車通電的情況下，閥6默認(rèn)在支腿位置，即支腿側(cè)線圈通電，此時若不執(zhí)行任何操作，泵出口壓力油經(jīng)過閥6的A口，進(jìn)入閥7和閥8，通過2個支腿操作閥的中位油路進(jìn)入泵控制閥的ORPB口，經(jīng)先導(dǎo)過濾器12后，一方面作用于閥13的液控口，另一方面經(jīng)過泄壓阻尼孔11流回油箱，液壓油在閥13液控口處建立起壓力。當(dāng)此壓力大于閥13的設(shè)定壓力時，推動閥芯移動，使閥13右位接入系統(tǒng)。此時，閥16的左側(cè)通過閥15(該閥的實際功能相當(dāng)于減壓閥，在出口壓力未達(dá)到設(shè)定壓力之前，閥口全開，進(jìn)口和出口壓力相同)和閥13右位與油箱相通，閥16左側(cè)壓力接近0，在閥16的右側(cè)，上裝信號油路S被支腿鎖上裝電磁閥切斷，因此，閥16的左右兩側(cè)沒有壓力信號經(jīng)過閥16和閥14作用在泵的負(fù)載敏感油口。與此同時，泵出口壓力作用于閥4的左側(cè)，推動閥4閥芯移動，使其左位接入系統(tǒng)，壓力油經(jīng)過閥4左位和閥5右位進(jìn)入變量缸大腔，推動斜盤，使斜盤傾角迅速減小，泵僅輸出維持系統(tǒng)待機(jī)和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量，液壓系統(tǒng)處于低壓小流量的待機(jī)工況[4-7]。此時由于支腿未伸出，即使將閥6切換至上裝位置，即閥6上裝側(cè)線圈通電，由于支腿鎖上裝電磁閥未通電，上裝信號油路S被切斷，上裝不能動作。

1.斜盤式軸向柱塞泵 2.變量缸彈簧腔3.變量缸大腔 4.負(fù)載敏感閥 5.壓力切斷閥6.支腿-上裝選擇閥 7.右支腿操作閥 8.左支腿操作閥9.支腿油缸 10.支腿油缸液壓鎖 11.泄壓阻尼孔12.先導(dǎo)過濾器 13.支腿信號閥 14.電磁閥15.支腿限壓閥 16.梭閥 17.支腿鎖上裝電磁閥18.測壓接頭 R1、R2、R3.變量泵內(nèi)置阻尼孔圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

2) 支腿油缸伸縮工況

根據(jù)圖1所示，當(dāng)操作閥7或閥8任一手柄時，支腿操作閥中位油路被切斷，此時閥13液控口處的壓力油經(jīng)過泄壓阻尼孔11逐漸流回油箱，閥13液控口處的壓力逐漸降低，當(dāng)壓力低于設(shè)定壓力時，其閥芯在彈簧力作用下向右移動，閥13左位接入系統(tǒng)，閥6的A口處壓力信號油路進(jìn)入泵控制閥OR口，通過閥13左位、閥15、閥16、閥14，作用于變量泵的負(fù)載敏感油口，與此同時，泵的主油路經(jīng)過閥6的A口進(jìn)入閥7或閥8，通過操作支腿操作閥手柄，壓力油進(jìn)入相應(yīng)的支腿油缸，支腿油缸開始伸出或者縮回，泵的輸出壓力與支腿伸出時的負(fù)載壓力相適應(yīng)。當(dāng)支腿油缸完全伸出或縮回后，若繼續(xù)操作支腿操作閥手柄，系統(tǒng)開始憋壓，當(dāng)壓力達(dá)到閥15的設(shè)定壓力時，閥15開始起作用，作用到變量泵負(fù)載敏感油口的最大壓力為支腿限壓閥的設(shè)定壓力，此時泵出口壓力為閥15的設(shè)定壓力與負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力(待機(jī)壓力)之和，同時泵出口壓力作用于閥4左側(cè)，并推動閥4閥芯移動，使負(fù)載敏感閥左位接入系統(tǒng)，泵出口壓力油通過負(fù)載敏感閥左位和閥5右位進(jìn)入變量缸大腔，推動斜盤，使斜盤傾角迅速減小，泵僅輸出維持系統(tǒng)保壓和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量，此時泵在一定壓力(閥15與閥4的設(shè)定壓力之和)和小流量狀態(tài)下工作，有效降低了功率損失。

3) 操作上裝工況

當(dāng)4個支腿伸出并將車身支撐牢固后，支腿處的微動開關(guān)通過電控系統(tǒng)給閥17信號，使其通電。此時將閥6切換至上裝位置，即上裝側(cè)電磁閥通電，泵輸出壓力油經(jīng)過閥6的B口進(jìn)入中央回轉(zhuǎn)接頭P口，通過中央回轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入上裝操作閥(液壓系統(tǒng)原理圖中未體現(xiàn)，可結(jié)合后面仿真模型中的上裝負(fù)載進(jìn)行理解)。此時若上裝不動作，上裝負(fù)載壓力感應(yīng)信號油路S無壓力反饋到變量泵的負(fù)載敏感油口，因此系統(tǒng)仍處于低壓小流量的待機(jī)工況。當(dāng)操作上裝某一動作(如下臂舉升)時，上裝壓力感應(yīng)信號經(jīng)過中央回轉(zhuǎn)接頭、閥17、閥16、閥14作用到變量泵的負(fù)載敏感油口，此時下臂即可實現(xiàn)舉升動作；當(dāng)下臂舉升油缸完全伸出時，若操作上裝操作閥手柄，繼續(xù)執(zhí)行舉升動作，則系統(tǒng)壓力繼續(xù)上升，直到達(dá)到閥5的設(shè)定壓力。這時閥5開始起作用，泵出口壓力油同時作用在閥5的左側(cè)，推動其閥芯移動，使其左位接入系統(tǒng)，壓力油通過閥5左位，進(jìn)入變量缸大腔，推動斜盤，使斜盤傾角迅速減小，泵僅輸出維持系統(tǒng)高壓和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量，此時泵處在高壓小流量狀態(tài)下工作，有效降低了液壓系統(tǒng)功率損失，減少了液壓系統(tǒng)發(fā)熱[8]。

1.3 支腿和上裝動作互鎖原理分析

支腿和上裝動作互鎖原理圖,如圖2所示，圖中SQ1，SQ2，SQ3，SQ4分別為右前支腿、右后支腿、左前支腿、左后支腿處的微動開關(guān)，SQ5為上裝臂架處接近開關(guān)，S為控制閥6兩側(cè)線圈通斷電開關(guān)，有2個工作位置，分別是支腿位置和上裝位置，默認(rèn)狀態(tài)下處于支腿位置；K1，K2，K3，K4，K5，K6為中間繼電器；Q1和Q2分別為閥6支腿側(cè)和上裝側(cè)線圈，Q3為閥17線圈。

結(jié)合圖1和圖2可知，整車通電后，車輛在初始狀態(tài)下，工作臂未離開臂架，接近開關(guān)SQ5接通，中間繼電器K5線圈通電，其常開觸點K5閉合，此時閥6支腿側(cè)線圈Q1通電，在支腿未伸出的情況下，如果將閥6的按鈕開關(guān)切換至上裝位置，則上裝側(cè)線圈Q2通電，由于支腿未伸出，所以中間繼電器線圈K6未通電，因此閥17線圈Q3未通電，結(jié)合液壓系統(tǒng)原理可知，此時上裝不能動作。當(dāng)4個支腿伸出并將車身支撐牢固后，支腿處的微動開關(guān)SQ1～SQ4接通，中間繼電器K1～K4線圈通電，其常開觸點K1～K4閉合，中間繼電器線圈K6通電，其常開觸點K6閉合，此時支腿鎖上裝電磁閥17線圈Q3通電，結(jié)合液壓系統(tǒng)原理可知，此時上裝可以動作。以上過程實現(xiàn)了支腿對上裝動作的鎖止，即支腿未伸出或伸出后未觸地并支撐牢固，上裝不能動作。

當(dāng)車輛高空作業(yè)完成后，若上裝工作臂離開臂架未回位，此時閥6的按鈕開關(guān)切換至支腿位置，由圖2可知，由于上裝工作臂未回位，所以接近開關(guān)SQ5斷開，中間繼電器K5線圈斷電，其常開觸點K5斷開，此時閥6支腿側(cè)線圈Q1斷電，因此，若上裝工作臂未回位，即使將閥6的按鈕開關(guān)切換至支腿位置，支腿也不能動作。以上過程實現(xiàn)了上裝對支腿動作的鎖止，即上裝工作臂未回位，支腿不能動作。

圖2 上裝和支腿動作互鎖電氣原理示意圖

2 液壓系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)圖1所示的液壓原理圖，利用AMESim仿真軟件中的液壓庫、信號庫、機(jī)械庫、HCD庫建立如圖3所示的仿真模型[9-12]，其中右支腿操作閥和左支腿操作閥用液壓庫中的三位六通電磁換向閥來模擬液壓原理圖中的手動換向閥，用三位四通電磁換向閥、梭閥、液壓缸來模擬上裝負(fù)載，仿真模型主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.1 工作原理仿真分析

液壓系統(tǒng)工作原理仿真主要包含待機(jī)工況、支腿油缸伸出工況、上裝負(fù)載油缸伸出工況3個過程。為了提高仿真效率，在保證仿真精度的前提下，支腿油缸伸出工況只針對1個支腿油缸伸出過程進(jìn)行仿真。

表1 仿真模型參數(shù)

如圖4所示，0～12 s內(nèi)，設(shè)置支腿-上裝選擇閥22輸入信號為-40 mA,此時閥22支腿側(cè)線圈通電，通往支腿油路的閥口全開；12～22 s內(nèi)，設(shè)置閥22輸入信號為40 mA,此時閥22上裝側(cè)線圈通電，通往上裝油路的閥口全開。

支腿電磁閥輸入信號和與其對應(yīng)的支腿油缸21負(fù)載力設(shè)置如圖5所示，0～2 s內(nèi)，設(shè)置支腿電磁閥輸入信號和支腿油缸負(fù)載力都為0；2～10 s內(nèi)，設(shè)置支腿電磁閥輸入信號為40 mA，此時支腿電磁閥閥口全開。2～6 s內(nèi)，設(shè)置支腿油缸負(fù)載力為20 kN,此階段用來模擬從支腿油缸伸出到未觸地之前的工況；6～10 s 內(nèi)，設(shè)置支腿油缸負(fù)載力從20～70 kN之間線性增加，此階段用來模擬支腿觸地之后，隨著車身重量和地面摩擦力逐漸作用到支腿上，支腿油缸負(fù)載力逐漸增大的工況；10～22 s內(nèi)，支腿電磁閥輸入信號和支腿油缸負(fù)載力都設(shè)置為0。

上裝負(fù)載電磁閥輸入信號和上裝油缸負(fù)載力設(shè)置如圖6所示。0～15 s內(nèi)，上裝負(fù)載電磁閥輸入信號和上裝油缸負(fù)載力都設(shè)置為0；15～22 s內(nèi)，設(shè)置上裝負(fù)載電磁閥輸入信號為40 mA，此時上裝負(fù)載電磁閥閥口全開，設(shè)置上裝油缸負(fù)載力為40 kN。

1.動力源(取力器) 2.斜盤式軸向柱塞泵 3.斜盤傾角轉(zhuǎn)換模塊 4.變量缸彈簧腔 5.變量缸大腔6.負(fù)載敏感閥 7.壓力切斷閥 8.壓力傳感器 9.流量傳感器 10.泄壓阻尼孔 11.先導(dǎo)過濾器12.支腿信號閥 13.電磁閥 14.支腿限壓閥 15.梭閥 16.支腿鎖上裝電磁閥 17.泵輸出功率計算模塊18.右支腿操作閥 19.左支腿操作閥 20.支腿油缸液壓鎖 21.支腿油缸 22.支腿-上裝選擇閥 23.上裝負(fù)載圖3 液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型

圖4 支腿-上裝選擇閥輸入信號

圖5 支腿電磁閥輸入信號和支腿油缸負(fù)載力

圖6 上裝負(fù)載電磁閥輸入信號和上裝油缸負(fù)載力

設(shè)置系統(tǒng)仿真時間為22 s，采樣時間間隔為0.001 s，按照以上設(shè)置進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7～圖11所示。結(jié)合圖5、圖7可知，在0～2 s內(nèi)，支腿電磁閥關(guān)閉，支腿未伸出，液壓系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，泵的輸出壓力為2.5 MPa左右,泵僅輸出維持系統(tǒng)待機(jī)和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量，結(jié)合圖11可知，此時液壓系統(tǒng)輸出功率很小。

如圖5所示，在第2秒時，支腿電磁閥閥口全開，理論上，泵的輸出壓力和流量會發(fā)生明顯變化，但是，如圖7所示，在2～3 s之間，泵的輸出壓力和流量依然維持原狀，系統(tǒng)仍處于待機(jī)狀態(tài)。如圖8所示，在2～3 s內(nèi)，隨著支腿電磁閥中位油路的切斷，支腿信號閥12液控口處的壓力油通過泄壓阻尼孔10開始逐漸泄壓。當(dāng)閥12液控口處的壓力低于1 MPa(支腿信號閥設(shè)定壓力)時，閥12才能完成工作位置的切換，正如圖7所示，在3 s左右時，泵的輸出壓力和流量才會發(fā)生明顯變化。

圖7 泵輸出壓力和流量

圖8 支腿信號閥液控口壓力

圖9 支腿油缸活塞位移

如圖7所示，3～7.7 s內(nèi)，泵的輸出流量為全排量輸出，泵的輸出壓力隨著負(fù)載變化而變化。由圖9可知，從3 s開始，隨著支腿油缸的伸出，油缸活塞位移線性增加，在7.7 s左右時，支腿油缸完全伸出。結(jié)合5和圖7可知，在7.7～10 s內(nèi)，支腿電磁閥閥口仍處于全開，支腿油缸繼續(xù)保持伸出的狀態(tài)，但是，此時支腿油缸已完全伸出，系統(tǒng)開始憋壓，當(dāng)壓力達(dá)到閥14的設(shè)定壓力時，閥14開始發(fā)揮作用，作用在變量泵負(fù)載敏感油口的最大壓力為閥14的設(shè)定壓力(12 MPa)，此時泵的輸出壓力保持在14.5 MPa(閥14和閥6設(shè)定壓力之和)左右不再上升，泵的輸出流量迅速減小，僅輸出維持系統(tǒng)保壓和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量，結(jié)合圖11可知，在此時間段內(nèi)，泵的輸出功率很小，相對于定量泵液壓系統(tǒng)支腿油缸憋壓時的高壓溢流損失，具有明顯的節(jié)能效果。

圖10 上裝油缸活塞位移

圖11 泵輸出功率

由圖4和圖5可知，在10～12 s內(nèi)，支腿-上裝選擇閥22依然保持支腿側(cè)線圈得電，支腿電磁閥輸入信號為0，支腿電磁閥關(guān)閉。由圖8可知，隨著支腿電磁閥的關(guān)閉，支腿電磁閥中位通往閥12液控口的油路重新接通，閥12液控口的壓力又回到2.5 MPa(待機(jī)壓力)左右，此階段屬于支腿伸出并將車身支撐牢固后的待機(jī)工況。由圖7可知，此階段泵輸出壓力為2.5 MPa左右，泵僅輸出維系統(tǒng)待機(jī)和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量，結(jié)合圖11可知，此階段，泵的輸出功率很小。

由圖4可知，在12～22 s內(nèi)，閥22上裝側(cè)線圈通電，液壓系統(tǒng)處在上裝工作狀態(tài)，由于支腿已伸出并將車身支撐牢固，此時閥16通電，上裝壓力信號油路S通往變量泵負(fù)載敏感油口的油路被接通。由圖6可知，在12～15 s內(nèi)，上裝負(fù)載電磁閥輸入信號和上裝油缸負(fù)載力都為0，此階段屬于上裝開始工作前的待機(jī)工況。由圖7可知，在此階段內(nèi)，泵的輸出壓力為2.5 MPa左右，泵僅輸出維持系統(tǒng)待機(jī)和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量，結(jié)合圖11可知，此階段內(nèi)，泵的輸出功率很小。

由圖6可知，在15～22 s內(nèi)，上裝負(fù)載電磁閥輸入信號為40 mA，此時電磁閥閥口全開。結(jié)合圖7可知，15～19.7 s內(nèi)，泵的輸出壓力為8 MPa左右，與負(fù)載相適應(yīng)，泵的輸出流量為全部排量輸出。結(jié)合圖10可知，在此階段內(nèi)，上裝油缸活塞位移線性增加，在19.7 s 時，油缸活塞位移達(dá)到最大，油缸已完全伸出，此時系統(tǒng)開始憋壓，當(dāng)壓力達(dá)到變量泵壓力切斷閥7的設(shè)定壓力時，壓力切斷閥開始起作用。由圖7可知，在19.7～22 s內(nèi)，泵的輸出壓力保持在18 MPa左右不再上升，泵僅輸出維持系統(tǒng)保壓和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量，此時系統(tǒng)處在高壓小流量的工況下工作，結(jié)合圖11可知，在此階段內(nèi)，系統(tǒng)輸出功率很小，避免了傳統(tǒng)定量泵液壓系統(tǒng)的高壓溢流損失，具有顯著的節(jié)能效果。

2.2 液壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)特性仿真分析

1) 液壓系統(tǒng)處在支腿工況

閥22支腿側(cè)線圈通電，設(shè)置系統(tǒng)仿真時間為10 s，采樣時間間隔為0.001 s。設(shè)置支腿電磁閥輸入信號和支腿油缸負(fù)載力如圖12所示，0～3 s內(nèi)，設(shè)置支腿電磁閥輸入信號和油缸負(fù)載力都為0；3～10 s內(nèi)，設(shè)置支腿電磁閥輸入信號為40 mA，支腿電磁閥閥口完全開啟。3～6 s內(nèi)，設(shè)置支腿油缸負(fù)載力為20 kN，6～10 s內(nèi)，設(shè)置支腿油缸負(fù)載力20～50 kN線性增加。

圖12 支腿電磁閥輸入信號和支腿油缸負(fù)載力

2) 支腿限壓閥14的壓力調(diào)節(jié)特性

將閥14設(shè)定壓力按照10，13，15 MPa 3種壓力進(jìn)行批處理仿真。由圖13可知，在8.8 s時，支腿油缸活塞位移達(dá)到最大，即支腿油缸完全伸出，此時液壓系統(tǒng)開始憋壓。結(jié)合圖14和圖15可知，8.8～10 s內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到支腿限壓閥設(shè)定壓力10，13，15 MPa 時，泵的輸出壓力分別達(dá)到并保持12.5，15.5，17.5 MPa，不再上升，泵的輸出流量迅速減小，僅輸出維持系統(tǒng)壓力和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量。由此可見，該液壓系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)閥14的設(shè)定壓力，滿足不同車型、不同工況下對支腿油路壓力的需求。

圖13 支腿油缸活塞位移

圖14 泵輸出壓力

圖15 泵輸出流量

3) 負(fù)載敏感閥6的壓力調(diào)節(jié)特性

將閥6設(shè)定壓力(待機(jī)壓力)按照1.5，2.0，2.5 MPa 3種壓力進(jìn)行批處理仿真，仿真結(jié)果如圖16～圖19所示。由圖16和圖17可知，0～3 s內(nèi)，系統(tǒng)處于待機(jī)工況，泵的輸出壓力分別為1.5，2.0，2.5 MPa，泵僅輸出維持系統(tǒng)待機(jī)和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量。由圖19可知，在3 s時，支腿信號閥12液控口處的壓力油開始泄壓，負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力越小，液控口處壓力達(dá)到支腿信號閥設(shè)定壓力的時間越短，結(jié)合圖16～圖18可知，隨著負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力的增大，泵輸出的壓力和流量由待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)到支腿正常伸出的狀態(tài)所用的時間越長，支腿油缸開始伸出的時間越延遲，支腿完全伸出的時間也就越延后。由圖16和圖17可知，隨著負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力的增大，泵輸出壓力達(dá)到支腿限壓閥設(shè)定壓力的時間越延遲，而且當(dāng)壓力達(dá)到閥14的設(shè)定壓力時，泵的輸出壓力隨著負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力的增大而增大，泵輸出流量轉(zhuǎn)變?yōu)樾×髁枯敵龅臅r間也越滯后。由此可見，負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力的不同，可以影響到系統(tǒng)由待機(jī)狀態(tài)到支腿正常動作的延遲時間，而且還會影響到支腿伸出和縮回時泵的最高輸出壓力。在滿足液壓系統(tǒng)正常工作的前提下，負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力可以適當(dāng)小一些，但是考慮到液壓系統(tǒng)壓力損失等因素，過小的負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力也會影響液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此負(fù)載敏感閥壓力設(shè)定的大小應(yīng)該根據(jù)液壓系統(tǒng)需求綜合考慮。

圖16 泵輸出壓力

圖17 泵輸出流量

圖18 支腿油缸活塞位移

圖19 支腿信號閥液控口壓力

4) 液壓系統(tǒng)處在上裝工況時

閥22上裝側(cè)線圈得電，設(shè)置系統(tǒng)仿真時間為10 s，采樣時間間隔為0.001 s。設(shè)置上裝負(fù)載電磁閥輸入信號和上裝油缸負(fù)載力如圖20所示，0～3 s內(nèi)，設(shè)置上裝負(fù)載電磁閥輸入信號和油缸負(fù)載力都為0，3～10 s內(nèi)，設(shè)置上裝負(fù)載電磁閥輸入信號為40 mA，上裝負(fù)載電磁閥閥口完全開啟，設(shè)置上裝油缸負(fù)載力為50 kN。

圖20 上裝負(fù)載電磁閥輸入信號和上裝油缸負(fù)載力

圖21 泵輸出壓力

5) 壓力切斷閥7壓力調(diào)節(jié)特性

將閥7設(shè)定壓力按照12，15，18 MPa 3種壓力進(jìn)行批處理仿真。由圖21～圖23可知，當(dāng)上裝負(fù)載油缸完全伸出后，系統(tǒng)開始憋壓，當(dāng)壓力達(dá)到壓力切斷閥的設(shè)定壓力時，壓力切斷閥開始起作用，泵的輸出壓力分別達(dá)到并保持12，15，18 MPa，此時泵的輸出流量都迅速降低，僅輸出維持保壓和補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所需要的流量。由此可見，該系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)壓力切斷閥設(shè)定壓力，來滿足不同車型、不同工況下液壓系統(tǒng)對最高壓力的需求。

圖22 泵輸出流量

圖23 上裝油缸活塞位移

3 仿真與實際特性對比

通過對該液壓系統(tǒng)工作原理分析可知，在變量泵的工作壓力未達(dá)到壓力切斷閥設(shè)定壓力之前，通過對變量泵負(fù)載敏感油口處壓力的控制，可以實現(xiàn)變量泵低壓小流量待機(jī)狀態(tài)和正常工作狀態(tài)的切換，液壓原理圖中，泵控制閥的主要作用是實現(xiàn)變量泵負(fù)載敏感油口處壓力的控制。液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果顯示：當(dāng)負(fù)載敏感油口處壓力為0或者通往負(fù)載敏感油口的油路被切斷，這時系統(tǒng)處于待機(jī)工況，此時泵的工作壓力為負(fù)載敏感閥的設(shè)定壓力。泵控制閥中支腿限壓閥可以在支腿動作時，限制作用在負(fù)載敏感油口的最大壓力，從而限制支腿伸出或縮回工況下，泵輸出的最高壓力(支腿限壓閥設(shè)定壓力與負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力之和)。操作上裝動作時，當(dāng)泵的輸出壓力達(dá)到變量泵壓力切斷閥的設(shè)定壓力時，壓力切斷閥起作用，系統(tǒng)處于高壓(壓力切斷閥設(shè)定壓力)小流量的工作狀態(tài)。

該液壓系統(tǒng)中的變量泵是選用力士樂A10VSO系列變量柱塞泵，通過查看樣本和相關(guān)參考資料可知，其待機(jī)壓力的設(shè)定可通過以下步驟完成，首先將負(fù)載敏感油口泄壓到油箱，或者關(guān)閉負(fù)載敏感油口，兩者選其一即可，然后關(guān)閉油泵高壓油口，完成以上工作后，啟動變量泵，此時泵的工作壓力即系統(tǒng)待機(jī)壓力。壓力切斷閥設(shè)定壓力可以通過以下步驟完成，首先關(guān)閉負(fù)載敏感閥，使負(fù)載敏感閥不起作用，可以通過將負(fù)載敏感閥調(diào)節(jié)螺釘往里擰到末端，使負(fù)載敏感閥工作位置始終處在右位(液壓原理圖中所示初始位置)，然后將泵出口關(guān)閉，完成以上工作后，啟動變量泵，此時泵的工作壓力即壓力切斷閥的設(shè)定壓力。經(jīng)以上分析可知，液壓系統(tǒng)待機(jī)工況的仿真過程和結(jié)果與樣本中介紹的負(fù)載敏感閥的實際待機(jī)壓力調(diào)節(jié)過程相符。在壓力切斷閥工作工況的仿真過程中，在上裝油缸動作完全伸出并開始憋壓時，泵的出口壓力和變量泵負(fù)載敏感油口壓力接近相同，此時負(fù)載敏感閥在其彈簧力的作用下，始終處在右位工作，相當(dāng)于負(fù)載敏感閥不起作用。

通過對仿真過程和結(jié)果與變量泵本身的實際壓力調(diào)節(jié)特性對比可知，仿真過程和結(jié)果與變量泵的實際壓力調(diào)節(jié)特性基本相符，從側(cè)面驗證了所建仿真模型基本準(zhǔn)確，仿真結(jié)果符合變量泵的實際調(diào)節(jié)特性。

4 結(jié)論

通過對液壓系統(tǒng)工作原理理論分析和模型的仿真研究可得到以下結(jié)論：

(1) 與傳統(tǒng)的定量泵+溢流閥的液壓系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以根據(jù)具體工況，自動調(diào)節(jié)變量泵輸出的壓力和流量，功率損失小，具有顯著的節(jié)能效果；

(2) 通過在液壓系統(tǒng)中采用泵控制閥和支腿-上裝選擇閥等液壓件，并結(jié)合電氣控制，此液壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)支腿和上裝動作的互鎖，與傳統(tǒng)的高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)只具備支腿鎖上裝的功能相比，此設(shè)計方案的安全性和可靠性更高；

(3) 通過仿真結(jié)果與變量泵實際調(diào)節(jié)特性對比可知，所建仿真模型基本準(zhǔn)確，仿真結(jié)果與變量泵的實際工作特性基本相符，為進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)液壓系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)；

(4) 通過對液壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)特性仿真分析可知，此方案可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力、支腿限壓閥設(shè)定壓力、壓力切斷閥設(shè)定壓力、安全閥設(shè)定壓力來滿足不同車型，不同工況對系統(tǒng)壓力的需求，具有廣泛的應(yīng)用空間；

(5) 為了進(jìn)一步研究，可以在此方案的基礎(chǔ)上，對上裝液壓系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化，采用理論分析和建模仿真相結(jié)合的方式，進(jìn)一步研究上裝液壓系統(tǒng)的工作特性，通過對系統(tǒng)重要參數(shù)的批處理仿真，可實現(xiàn)系統(tǒng)重要參數(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化，為液壓系統(tǒng)的升級和改進(jìn)提供技術(shù)支持。