剪叉式液壓升降臺速度控制方法及仿真分析

羅寧

（索恩格汽車部件（中國）有限公司，長沙 410129）

0 引言

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

近幾年，有關液壓升降平臺的研究主要通過優(yōu)化剪叉結構參數(shù)、液壓缸安裝位置等方法提高結構強度，減小液壓系統(tǒng)壓力[5-7]，升降平臺的運行速度控制也逐漸得到重視。張博利等[8]采用Matlab軟件對液壓剪叉式升降臺速度和活塞推力隨起升高度的變化關系進行了仿真分析，指出可以通過該變液壓缸的鉸鏈位置、液壓系統(tǒng)流量和液壓油路的設計，調(diào)節(jié)平臺運動速度和液壓缸的推力；剡昌鋒等[9]以雙層液壓剪叉機構為例，研究了液壓缸活塞速度、流量與起升角度之間的變化關系；趙海霞等[10-11]采用AMESim軟件分別對一種單級和多級剪叉式升降臺液壓系統(tǒng)進行了仿真分析，結果表明，采用較小的節(jié)流開口可以改善起升初始和臨近復位兩個階段的速度劇增，但節(jié)流造成的升降運行速度問題沒有解決；劉志等[12]以六級剪叉機構為研究對象，采用虛功原理對剪叉機構進行了動力學分析，建立液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型，分別對采用節(jié)流閥、蓄能器和調(diào)速電動機3種方式的調(diào)速方案進行了仿真驗證。剪叉式液壓升降臺中普遍節(jié)流調(diào)速，但較小的節(jié)流開口在改善速度突增的同時，也會減小升降臺的運行速度，進而影響工作效率。

本文從減小升降臺初始起升段和臨近復位段速度激變的角度出發(fā)，結合分段快慢調(diào)節(jié)思想，提出一種采用組合節(jié)流實現(xiàn)的剪叉式升降臺液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案。通過仿真分析對其動態(tài)調(diào)節(jié)特性進行研究，并與傳統(tǒng)單節(jié)流閥的調(diào)速結果進行對比，為升降臺液壓系統(tǒng)設計提供參考。

1 剪叉升降機構

以某三級剪叉式升降平臺為研究對象，其結構如圖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。每根叉臂長度相等，兩端相互依次鉸接，同時繞中間鉸接點旋轉(zhuǎn)。工作臺最大升高量為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0.3 m。液壓缸伸出推動剪叉機構拉伸，平臺升高，液壓缸縮回帶動剪叉機構壓縮，平臺回落。

圖1 三級液壓剪叉式升降平臺結構示意圖

在機構運動平面上，根據(jù)幾何關系及工作原理，利用速度瞬心法求解剪叉機構的運動學關系[13]，機構運動分析簡圖如圖2所示。

圖2 剪叉機構運動分析簡圖

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

由幾何關系可知，工作平臺的舉升高度h為

對于出廠設備，剪叉臂長度l及油缸鉸接點位置a、b、c、d均為定值。由式（7）可知，平臺升降速度與液壓缸活塞桿伸縮速度成正相關，但同時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，剪叉式升降臺速度變化較快。

2 液壓系統(tǒng)設計

設計一種基于行程分段調(diào)速的液壓缸，結構示意圖如圖3所示。液壓缸無桿腔端設置2個油口，兩油口之間的距離與活塞密封距離相對應。如圖3（a）所示，在初始啟動行程，活塞將油口2封閉，油液經(jīng)油口1進出液壓缸無桿腔，液壓缸低速運行。如圖3（b）所示，隨著液壓缸活塞行程增加，油口2接入液壓缸無桿腔，液壓缸以正常速度運行。

圖3 行程分段式液壓缸結構示意圖

基于上述液壓缸結構，設計分段組合節(jié)流的剪叉式升降臺液壓系統(tǒng)，如圖4所示。電動機驅(qū)動液壓泵作為油源，三位三通閥用于控制升降臺的上升、停止和下降，兩個節(jié)流閥分別安裝在液壓缸無桿腔的2個油口。對于型號確定的升降臺設備，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 剪叉式升降臺液壓回路

工作臺舉升時，液壓泵啟動，1YA得電，主換向閥處于左位。高壓油經(jīng)節(jié)流閥3-1進入液壓缸無桿腔，油缸推動剪叉升降臺從初始位置緩慢上升。當液壓缸行程達到預設值之后，節(jié)流閥3-2導通，油液同時流經(jīng)2個節(jié)流閥進入液壓缸無桿腔，剪叉升降臺以正常速度上升。

工作臺回落時，2YA得電，主換向閥處于右位，在剪叉機構重力作用下，液壓缸縮回，無桿腔的油液同時流經(jīng)2個節(jié)流閥3-1和3-2流出，剪叉升降臺快速下降。當液壓缸行程達到預設值之后，節(jié)流閥3-2被封住，油液流經(jīng)節(jié)流閥3-1進入液壓缸無桿腔，剪叉升降臺緩慢回落至初始狀態(tài)。

3 仿真驗證

在AMESim軟件中搭建剪叉式液壓升降臺仿真模型[14-15]，如圖5所示。模型中，電動機驅(qū)動定量泵作為液壓源，設置液壓泵排量為6.3 mL/r，電動機轉(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個節(jié)流閥的通徑分別為0.8 mm和1 mm，第2個節(jié)流閥切換對應的活塞行程預設為150 mm。從第3 s開始，給電磁鐵信號，使升降臺完成“上升-停止-下降”的全行程仿真試驗。

圖5 剪叉式液壓升降臺AMESim仿真模型

為了說明節(jié)流調(diào)速對工作臺升降過程的影響，對不同節(jié)流開度下采用傳統(tǒng)單節(jié)流調(diào)速的剪叉式升降臺進行仿真，得到工作臺的升降速度和位置高度響應曲線，如圖6和圖7 所示。結果表明，通過增加節(jié)流阻尼降低液壓缸的速度，可以減小速 度 突變。然而，節(jié)流閥在整機裝配好之后不再改變，過渡節(jié)流調(diào)速能夠減小起始段的速度突變，也減小了油缸進出油流量，會導致系統(tǒng)的整體工作效率降低。

圖6 不同節(jié)流開度下工作臺升降速度響應曲線

圖7 不同節(jié)流開度下工作臺位置高度變化曲線

在相同參數(shù)下，分別對傳統(tǒng)單節(jié)流調(diào)速和本文提出雙節(jié)流組合進行仿真，得到工作臺升降過程的速度、位置和加速度響應曲線，如圖8～圖10所示。由圖8和圖9可以看出，在升降臺的初始啟動和臨近復位處，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。特別在復位行程的末端，采用雙節(jié)流組合調(diào)速抑制速度波動效果非常明顯。整個行程中，兩種節(jié)流調(diào)速方案下工作臺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的升降加速度，這有利于改善乘坐舒適性，降低結構的慣性沖擊。

圖8 2 種調(diào)速方案下工作臺升降速度對比曲線

圖9 2 種調(diào)速方案下工作臺位置高度對比曲線

圖10 2 種調(diào)速方案下工作臺升降加速度對比曲線

2 個節(jié)流閥切換過程中升降臺的速度有一定波動，這是由于油口切換時間很短，流量有突變。此外，兩個并聯(lián)節(jié)流口的開度大小不是固定的，需要根據(jù)剪叉式升降臺整機結構參數(shù)進行調(diào)整。

4 結論

1）減小節(jié)流口徑有利于改善升降臺的速度突變，但同時減小了升降臺工作速度，降低了工作效率。因此，通過減小節(jié)流閥的過流口徑改善升降臺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初始啟動和復位末端的速度突變，且升降效率得到保障。