談屬具快換液壓系統(tǒng)工作控制原理

摘 要：為滿足各種輪胎式、履帶式挖掘機抓料機和救援機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HKS公司的TR-K180[1]的屬具快換機構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計為例，淺談屬具快換的結(jié)構(gòu)及工作原理，屬具快換對液壓系統(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)果表明通過深入的工況使用分析和地震救援現(xiàn)場產(chǎn)品的試驗均驗證了這種屬具快換液壓系統(tǒng)無論是在功能上還是在安全設(shè)計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

在工程機械產(chǎn)品使用上，尤其是在輪胎式、履帶式挖掘機、抓料(鋼)機和救援機器上，很多時候根據(jù)使用工況不同，需要快速更換不同的配套屬具，使機器充分發(fā)揮效能，完成多種作業(yè)，提高了機器的性價比。傳統(tǒng)作業(yè)屬具的更換方法須通過人工拆裝連接軸銷來進(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)裝置耗時在1h以上，這種更換方式既費時又費力。如果安裝了屬具快換機構(gòu)及其快換控制液壓系統(tǒng)，駕駛員在駕駛室內(nèi)通過操縱手柄和按鈕控制，就能輕松在作業(yè)現(xiàn)場完成各種作業(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間，還能避免銷軸在拆裝過程中的損壞。本文以國家“十二五”科技支撐計劃項目：20噸型“雙動力雙臂手智能型救援工程機械”一個工作臂上配套的德國HKS公司TR-K180屬具快換機構(gòu)液壓系統(tǒng)選型設(shè)計為例，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，共有三個部分組成：(1)與主機工作臂頭部連接機構(gòu)：通過四連桿機構(gòu)可以很靈活的與各種挖掘機、抓料機和救援機器上吊臂頭部進(jìn)行機械連接;(2)快換鎖緊機構(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，通過兩根液壓油缸的全程往復(fù)運動來分別實現(xiàn)與各種屬具的連接和脫開。當(dāng)這兩根液壓油缸無桿腔都進(jìn)入一定值壓力油后，會推動液壓油缸活塞桿全部伸出去，活塞桿會穿過屬具上的連接孔后，將快換機構(gòu)與屬具連接為一體，實現(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，會推動液壓油缸活塞桿全部縮回來，活塞桿會自動斷開與屬具上的孔連接，這樣就實現(xiàn)了快換機構(gòu)與屬具快速與自動脫開功能;(3)與屬具連接機構(gòu)：通過在快換機構(gòu)和屬具連接機構(gòu)上分別安裝配套的公母快速接頭體，就實現(xiàn)了吊臂上屬具工作油路通過快換機構(gòu)后能與下部的屬具油路快速自動接通與脫開功能。

2 屬具快換對液壓系統(tǒng)控制的技術(shù)要求

本文的研究重點是屬具快換液壓系統(tǒng)工作控制原理分析，根據(jù)HKSTR-K180快換機構(gòu)使用說明書中介紹，當(dāng)快換鎖緊機構(gòu)的兩根液壓油缸無桿腔始終保存至少大于11MPa壓力油后，會推動液壓油缸活塞桿始終處于全部伸出去狀態(tài)，這樣活塞桿就會始終穿過屬具上的連接孔后，將快換機構(gòu)與屬具連接為一體，整機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，會推動液壓油缸活塞桿全部縮回來，活塞桿就會自動斷開與屬具上的孔連接，這樣快換機構(gòu)與此屬具就實現(xiàn)了快速自動脫開。根據(jù)上述的屬具作業(yè)工況和屬具與快換機構(gòu)連接和脫開過程，對屬具快換控制液壓系統(tǒng)設(shè)計選型提出以下幾點技術(shù)要求：只有液壓油缸無桿腔始終存在至少大于11MPa壓力油，才能確保活塞桿始終以全伸出去狀態(tài)穿過屬具上的連接孔，與屬具牢靠的連接。屬具與快換機構(gòu)連接后，考慮屬具會長時間隨著主機進(jìn)行各種復(fù)雜工作，在此工作過程中會對此液壓油缸產(chǎn)生很大沖擊力，同時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桿腔安全鎖緊功能控制，并始終需要給液壓油缸的無桿腔進(jìn)行補油，并時時可以檢測其工作壓力值，并可進(jìn)行低壓報警功能;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);對于快換控制要求操作要簡單可靠，并且要考慮充分利用主機液壓系統(tǒng)中的現(xiàn)有液壓動力源來控制，而不必再另外增加液壓動力源。

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排出的壓力油通過流量控制閥2優(yōu)先分流一部分壓力油依次通過單向閥3、節(jié)流閥4后進(jìn)入電磁換向閥，然后再依次流過減壓閥11、液控單向閥7后進(jìn)入液壓油缸9的無桿腔，推動液壓油缸活塞桿伸出去，直到控制活塞桿全部伸出去, 活塞桿會正好穿過屬具上的連接孔后，將快換機構(gòu)與屬具連接為一體，這樣主機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)全過程中，減壓閥起到給液壓油缸無桿腔補油作用，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，以保證液壓油缸無桿腔壓力值穩(wěn)定15MPa，比HKS說明書中規(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不但能滿足短時間獨立給液壓油缸無桿腔補油還可以吸收液壓油缸內(nèi)沖擊力。通過手動調(diào)節(jié)節(jié)流閥4的開口大小就可以控制液壓油缸活塞桿伸出去速度的快慢，另外通過設(shè)置壓力傳感器8的壓力值，我們設(shè)定為13MPa，當(dāng)液壓油缸無桿腔的壓力值低于此壓力值，壓力傳感器就會自動接通電路控制進(jìn)行低壓值報警，以提醒駕駛員需要對液壓油缸無桿腔進(jìn)行補油或者系統(tǒng)無法補油需要進(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流量控制閥優(yōu)先分流一部分壓力油依次通過單向閥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，推動活塞桿全部縮回到缸筒內(nèi)，同時一部壓力油會作用在液控單向閥的控制油口，使其反向通油。液壓油缸無桿腔的回油則依次通過液控單向閥、單向閥6、電磁換向閥和單向閥12后直接回到液壓油箱15，這樣快換機構(gòu)與此屬具就實現(xiàn)了自動快速脫開。單向閥6的開啟壓力很小起到反向快速通過液壓油作用，單向閥12的開啟壓力較高有0.45MPa，起到回油背壓作用，以控制液壓油缸運動的平穩(wěn)性。

流量控制閥是利用負(fù)載敏感壓力補償來進(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，沒有產(chǎn)生壓力損失，可以提供穩(wěn)定的負(fù)載壓力反饋信號，起到補償器閥芯在移動過程中穩(wěn)定性控制作用。

4 結(jié)論

通過對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)計選型的時候，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)計時候增加了多重安全設(shè)計考慮 ：通過增加液控單向閥，可以鎖緊液壓油缸無桿腔;通過減壓閥可以時時補油，解決了油缸內(nèi)泄對快換的影響，保證液壓油缸無桿腔內(nèi)壓力值恒定;通過安裝蓄能器可以在快換或者主機液壓系統(tǒng)出故障時候，短時間內(nèi)給液壓油缸無桿腔補油，保證液壓油缸無桿腔壓力值恒定，給配套快換機構(gòu)的屬具工作臂快速下落到安全位置提供時間;通過壓力傳感器提供了低壓提前報警功能。另外通過選用流量控制閥，可以利用主機上已有的液壓泵給快換控制提供液壓動力源，而不必再增加主機上液壓泵的數(shù)量。通過在20噸型“雙動力雙臂手智能型救援工程機械”一個工作臂上工廠內(nèi)部試驗，尤其是在四川雅安地震救援現(xiàn)場的實際救援作業(yè)，驗證了這種屬具快換控制液壓系統(tǒng)無論是在功能原理上還是在安全設(shè)計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.