实现液压挖掘机振动挖掘的H型偏零开IEI液脉冲控制伺服阀开发.pdf

2 0 1 2年 1 0月 第 4 0卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Oc t ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 0 ． 0 2 5 实现液压挖掘机振动挖掘的 H型偏零开 口液脉冲控制伺服阀开发 韩成春 ，席建中，张宁 徐 州工程 学院信 电学院，江苏徐 州 2 2 1 1 1 1 摘要开发一种在核心技术上具有自主知识产权的H型偏零开E l 液脉冲控制伺服阀，利用结构设计和液压油路控制， 实现高效节能液控振动挖掘机的振动挖掘方式，将传统的静态挖掘力变革为动态瞬间大的冲击挖掘力，目的是解决挖掘机 在硬地面、矿山碎石地面、山石地震等复杂地面施工中出现的效率低、耗能高等问题 ，同时克服传统伺服阀的加工困难 、 造价高 、抗污染能力差、滤油回路设计复杂、滤油器制造困难等问题。 关键词 H型偏零开 口液脉冲控制伺服阀；液压挖掘机；振动挖掘 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 0 0 8 5 3 De v e l o pme nt o f H t y pe Ze r o Ope ni n g Hy d r a u l i c Pul s e Co n t r o l S e r v o Va l v e f o r t he Vi b r a t i o n Di g g i ng I mpl e me nt at i o n o f Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r HAN C h e n g c h u n，XI J i a n z h o n g ，Z HANG N i n g D e p a r t me n t o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，X u z h o u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Xu z h o u J i a n g s u 2 2 1 1 1 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A H t y p e z e r o o p e n i n g h y d r a uli c p u l s e c o n t r o l s e r v o v a l v e w i t l l i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u al p rop e r t y i n t h e c o r e t e c h n o l o g y w a s d e v e l o p e d ． T o r e a l i z e v i b r a t i o n mi n i n g wa y o f t h e e n e r g y e ffic i e n c y h y d r a u l i c c o n t r o l l e d v i b r a t i o n e x c a v a t o r w i t h th e s t r u c t u re d e s i g n a n d h y d r a uli c o i l c o n t r o l s y s t e m，t h e t r a d i t i o n al s t a t i c d i g g i n g f o r c e w a s c h a n g e d i n t o d y n a mi c d i g g i n g f o r c e ． T h e p u r p o s e i s t o s o l v e l o w e ffi c i e n c y a n d l a r g e e n e r g y c o n s u mp t i o n o f e x c a v a t o r i n t h e c o mp l e x g r o u n d c o n s t r u c t i o n w o r k s ， s u c h a s h a r d g r o u n d s u r f a c e ， mi n i n g g r a v e l g r o u n d，roc k e a r t h q u a k e g r o u n d a n d e t c ． At t h e s a me t i me ，s o me p r o b l e m a r e o v e r c o me，s u c h as tra d i t i o n al s e r v o v alv e p r o c e s s i n g d i ffic u l t i e s ，h i g h c o s t an d p o o r p o l l u t i o n r e s i s t a n t a b i l i t y，an d c o mp l e x i n o i l fi l t e r c i r c u i t d e s i gn an d d i ffi c u l t y i n f i l t e r ma n u f a c t u rin g ． Ke y wo r d s H t y p e z e ro o p e n i n g h y dra u l i c p u l s e c o n t rol s e r v o v alv e ； Hy dra u l i c e x c a v a t o r ； Vi b r a t i o n d i g g i n g 目前 国内外学者对挖掘机 节能技 术的研 究主要集 中于改进动力 、传动系统以及优化动力匹配等，达到 高效节能及减小环境污染的目的。但这些技术致力于 内部挖潜，并没有实质性地改变挖掘机的工作受力状 态 ，即挖力矩与配重力矩平衡而产生 的静态挖力 。因 此 当外界 阻力 大 于最 大 挖掘 力 时 ，挖掘 机 将无 能 为 力，其结果降低了挖掘工作效率 ，并增加了能量消 耗。针对挖掘机的静态挖掘，各国学者开始研究开发 减少挖掘阻力、提高挖掘工效以及降低功率损耗的新 的挖 掘方式 。 早在 2 0世 纪 5 0年代 ，美 国工程 师 MO G A MI 等⋯通过沙地实验得知 振动致使挖掘阻力减小并促 使刀具在压力的作用下继续向土壤中插入，有利于土 壤的挖掘。C O O P E R等 在黏土上做过实验，得知 振动使土壤抗剪强度降低 ，甚至完全丧失，导致剪切 阻力迅速减少。1 9 6 2年，S Z A B O等 通过推土机推 土试验得出推土机铲刃的振动使牵引力减少 9 3 ％ ， 可提高推土作业效果。1 9 6 7年，B O Y D等 研究振动 参数对掘削阻力和功率消耗的影响，通过模拟铲刃的 水平振动挖掘试验得出随着频率、振幅的增大，平 均挖掘阻力会减少为不振荡情况时的2 5 ％。1 9 7 6年， Y O W等 对铲刃进行了理论研究，认为虽然振动挖 掘消耗 的总能量大 于无振荡 时消耗 的总能量 ，增加 的 部分用于实现铲刃的振动，其挖掘阻力最多减少 了 4 0 ％。国内也有过类似的振动挖掘实验。早在 1 9 9 4 年，吉林工业大学殷涌光等 利用装载机模型，在砂 堆上进行了机械方式的铲刃振动实验，经研究发现 在相同时间内，采用振荡方式可以增加 1 倍以上的插 入深度 ，且振动时的全部功耗仅 占无振动时功耗的 4 8 ％。2 0 0 5年，中南大学的老师与山河智能工作人 员合作 ，也做过液压挖掘机的土壤振动掘削实验 ，其 结果表明采用正 弦波振荡掘 削使挖掘 阻力降低 7 0 ％左右，功率损耗降低到 8 0 ％左右 。 诸多实验结果表明采用振动挖掘方式可有效地 减小挖掘阻力、降低功率损耗以及提高挖掘工效，是 今后液压挖掘机的发展趋势。目前国外对液控振动挖 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 0 2 作者简介韩成春 1 9 7 1 一 ，男，讲师，主要从事电气工程及其自动化领域研究。Em a i l h a rt c h e n g c h u n 1 6 3 ． c o m。 8 6 机床与液压 第 4 0卷 掘机 的研制开发还处 于基础研究 阶段 ，多数在实验室 内软砂堆上进行 。预期振 动挖掘机 如同压路机 和振 动 压路机 、钻和 冲击 钻 一样 ，在硬 地 面 、矿 山碎 石地 面 、山石地震地面等复杂地面施工中实现高效节能问 题 ，将会 占领一定 的市场份额 ，容易形成足够大的稳 定市场 ，并可以 自足定价 ，产业化前景特别优越 。 目前 电液伺服 阀是 电液伺服控制系统的主流核心 部件 ，其作用是将输入的小功率电信号精确快速地转 换 为大功率的液 压能输 出 ，其性能优劣直接决定着 电 液伺服控制系统的性能。经查阅文献得知，国内外伺 服 阀发展 至今在工作原理上没有改变 ，只是拓宽了阀 的控制领 域及结 构变化 。一方 面向大流量 、高频相 以 及机 、电、液高精尖一体化控制方向发展 ，如在三维 空间航天器对接 、德 国研 制深海 智能 随动机 械手等 ； 另一方 面向低成本 、抗污染专用伺服阀发展。前者在 阀的结构制造精度 、组合控制精度 、输 出参数 的准确 精度上要求高，属于高性能、高价格伺服阀，却不能 应用于挖掘机针对硬地面 、矿 山碎石地面 、山石地震 地面等复杂施工作业面，其缺点如下 1 加工 困难 ，造价高 ； 2 抗污染 能力 差 ，滤 油 回路设 计 复 杂 ，滤 油 器制 造困难 。 为了克服上述 缺点 ，研 制开 发 的 H 型偏零 开 口 液脉冲控制伺服阀，是挖掘机实现振动挖掘方式的核 心部件，具有 自主知识产权。该阀的利用 ，不仅实现 了挖掘机的振动挖掘方式 ，同时克服传统伺服阀的加 工困难、造价高、抗污染能力差、滤油 回路设计复 杂、滤油器制造困难等问题。 1 高效节能液控振动挖掘机工作原理 高效节能液控振动挖掘机设计可分为整体式和组 合式。整体式需要设计出液压油路控制系统并安装在 挖掘机主机 内。组 合 式需要 挖 掘机 主机 提供 油路 接 口、可换执行部件组装连接面，在连接面处安装上振 动挖斗 可以组合成振动挖掘机 ，安装上装载机铲斗可 以组合成装载机，还可以安装振动钎 、振动锤等。其 工作原理 如下 振 动 挖掘 机 的执行 部件 可 以是 挖 斗 或斗 齿 ，由液 压 伺 服 系 统 控制 的液压缸 的往复运动传动 到执行部件实现挖斗 或斗 齿 的往 复 运 动 ，液 压 伺 服 系统控制液 压缸往 复运动 的行 程 ，通过传动和放大即可实现 对振 幅的控 制 ；液压伺服 系统 控制 液压 缸往 复运 动 的速度 ， 即可实现 对 振 动频 率 的控制 。 振动形成巨大 的冲击力 ，与静 位 移 振 动挖 掘 力 图 1 实现液压挖掘机 振动挖掘方式 的原理示意 图 态挖掘力叠加 作用在 挖掘物体上 ，实现液压挖掘机 的 振动挖掘 ，如 图 1 所示 。 实现液压挖掘机振动挖掘方式 的核心技术在于液 压伺 服系统和 执行部 件 。尤其 是 H 型偏零 开 口液 脉 冲控制伺 服阀 ，也是实 现 高效节 能液 控振 动挖 掘 机振动挖掘方式的核心部件。此外高效节能液控振动 挖掘机在主机 、组合 式安装 连接 面 、挖斗和大臂处 的 连杆等关键部位装上消振装置，用以消除振动挖掘时 对主机 的影 响 。 2 H型偏零开口液脉冲控制伺服阀的原理分析和 要重点解决的关键技术问题 H型偏零 开 口液 脉冲控制伺服 阀的 目的是解决挖 掘机针对硬地面 、矿 山碎石地面 、山石地震地面等复 杂施工作 业面的振动挖掘 问题 ，同时克服传统伺服 阀 的加工困难 、造价高 、抗污染能力差 、滤油 回路设计 复杂 、滤油器制造困难等问题。H型偏零开 口液脉 冲 控制伺 服阀组成 的连杆式反馈结构原理如 图 2 所示 。 P k Qk 4 8 3 9 l 一油箱2 一阀体 3 一耐冲击 液压缸4 一 反馈 刚体连杆5 ～ 脉冲复位弹簧 6 一伺服 阀阀芯7 一脉冲液压缸8 一活塞9 一 活塞杆l O 一第一回油口 l l 一第二回油 口 l 2 一第一轴肩 l 3 一第二轴肩 l 4 ～第三轴肩 1 5 一第二主油路 出口l 6 一第一主油路 出口 P Q一主油路P k Qk 一控制油路 图2 H型偏零开口液脉冲控制伺服 阀连杆反馈结构原理图 如图2所示 ，H型偏零开口液脉冲控制伺服阀阀 体 上有控制油路 口 、主油路入 口、主油路出 口和 回油 口，回油 口通过管道与油箱 1连接 ；在 阀体 的一端 有 脉冲液压缸 7 ，在脉 冲液压 缸 7内有控 制活塞 ，在 脉 冲液压缸 7的端部有控制油路 口；在伺服 阀的 阀体 2 内有伺服阀芯 6 ，伺服阀芯 6中心 有轴 ，轴上有 3个 轴肩，在第二轴肩 1 3处的阀体上有主油路入口，在 主油路 的另一侧有 主油路 出 口，在第 二轴 肩 1 3与 主 油路人口之间构成两个环形 阀口，分别为环形 阀口 A 以 和环形阀口B ． B ；伺服阀芯轴的一端通过反馈刚 体连杆 4与耐冲击液压缸 3的一端连接 ，耐冲击液压 缸 3的另一端为活塞杆 9输 出 ，该活 塞杆 9通过振 幅 放大器组件为功率输出轴 ；伺服阀芯轴的另一端与脉 冲液压缸的活塞轴相连接 ，在脉 冲活塞 与伺 服阀芯内 第 2 O期 韩成春 等实现液压挖掘机振动挖掘的 H型偏零开口液脉冲控制伺服阀开发 。8 7 壁之 间有脉 冲复位 弹簧 5 ，脉 冲复位 弹簧 5套 接在脉 冲液压缸 7的轴上 ，主油路和控制油路 与泵站 连接 。 工作过程如下 控制油路 P Q 从控制油路 口发送 脉冲控制信号，一个脉冲控制信号进入脉冲液压缸 7 内，脉冲控制信号推动脉冲液压缸 7内的活塞向左运 动 由于脉冲液压缸 7的活塞轴与伺 服 阀芯 6的轴 连 接，伺服阀芯6的轴同时向左运动，伺服阀芯6上的3 个轴肩向左运动，在第二轴肩 l 3 与主油路入口之间有 环形阀口A ． A和 B ． B ，第三轴肩 1 4挡住了第二回油口 1 1 ，第一轴肩 1 2打开了第一回油 口1 0 ，第二轴肩 1 3 遮挡住了环形阀口 B B，同时还遮挡住了第二主油路 出口 l 5 ，主油路 的液压油从 环形 阀口 A A输入 ，通过 第一 主油路出 口 l 6向耐冲击 液压缸 3的左端充液 ，耐 冲击 液压缸 的活塞 8向右端运 动 ，耐 冲击液压缸 的活 塞杆9向右端运动时，推动反馈刚体连杆 4向右端运 动；反馈刚体连杆 4向右端运动时，推动伺服阀芯 6 向右运动 ，伺服阀芯 6 上的3 个轴肩同时又向右运动， 第三轴肩 1 4释放了第二回油 口1 1 ，第一轴肩 1 2遮挡 了第一回油口1 0 ，第二轴肩 1 3遮挡住了环形阀口A A 和打开 B ． B，同时还遮挡住了第～主油路出口l 6和打 开第二主油路 出 口 1 5 。反 向时 ，撤 消控制油 路 P Q ， 在脉动复位弹簧 5的作用下伺服阀芯 6右移，主油路 的液压油从环形阀口 B ． B输入，通过第二主油路出口 1 5向耐冲击液压缸 3的右端充液，耐冲击液压缸 3的 活塞向左端运动，不断循环振荡工作，在动力输出轴 上产生振荡的冲击动力。 由于采用了上述方案 ，该阀的径向配合及轴肩油 口配合精度介于伺服阀和换向阀之间，使之具有该专 用伺服 阀一级能量放大及反馈 复位功能 ，又具有滑 阀 启闭的灵活性，同时还降低了控制油路的压力。解决 了不能应用于挖掘机针对 硬地面 、矿 山碎石 地面 、山 石地震地面等复杂施工作业面的振动挖掘问题，同时 还克服了传统伺服阀的加工困难 、造价高、抗污染能 力太差、滤油回路设计复杂、滤油器制造困难的问题。 该阀制造成本低，价格便宜 ，抗油污染能力强， 滤油系统设计简单 ，滤油器易于制造，系统不易堵 塞 ，系统不易发热，脉冲油路控制简单，可以直接从 系统 当 中引 出。其优点如下 1 输出功率与该阀质量 比较大。 2 响应速度较快 ，可以做到高频。 3 负载刚性较高 ，惯性较小 。 4 抗污 染 能 力 强 ，液 压 滤 油 系 统 设 计 简 单 ， 发热量小 。 5 由于流 量增 益 大 、压 力 增 益大 ，所 以滑 阀 的冲击力大 。反 向复位 采用较软弹簧控制反 向冲击力 小 ，符合工况要求 。 3特 色 和创新 之 处 1 开发一种在核心技术上具有 自主知识产权 的 H型偏零开 口液脉冲控制伺服阀，利用其结构设 计和液压油路控制 ，实现高效节能液控振动挖掘机 的 振动挖掘方式，将传统的静态挖掘力变革为动态瞬间 大的冲击挖掘力。彻底改变传统挖掘机的受力状态， 由原来的静态挖力变为瞬态振动冲击力与原来静态挖 力的迭加 ，使其挖力由量变到质变 ，进而产生一个质 的飞跃 。 2 H型偏零开 口液脉冲控制伺服阀是实现高 效节 能液控振 动挖掘机振动挖掘方式的核心部件 ，它 的研 制成功会使挖掘机增添新 的活力 ，在高效 、节能 方面将会 有 新 的发 展 ，形 成 一 类 新 的 挖 掘 机 型 号 如同压路机和振动压路机 ，解决 了当外界阻力大 于最大挖掘力时，传统挖掘机将无能为力，其结果降 低了挖掘工作效率 ，增加了能量消耗的问题。解决了 耗 能大户挖 掘机在硬地面 、矿山碎 石地 面 、山石地震 地面等复杂地面施工中出现的效率低、耗能高问题。 振动挖 掘机的研制成功可以为振动装载机等的研 制奠 定技术基础 。 3 H型偏零开 口液脉冲控制伺服阀的结构创 新设计和液控振动系统创新设计，克服了传统伺服阀 的加工困难 、造价高、抗污染能力差、滤油回路设计 复杂 、滤油器制造 困难等问题 。 4 结束语 随着 “ 十二 五 ” 规 划 启 动 实 施 ，农 田、水 利 、 高铁 、西部开发等基础设施的大力开发，急需大量工 程机械。根据工程机械学会预测每年工程机械以 2 0 ％ 一 3 0 ％的速度增长 ，其中挖掘机 以 6 0 ％ 一8 0 ％ 的速度增长，同时国内工程机械迅速 占有国际市场。 以徐工集团为例，2 0 0 5年初步创汇 1亿美元 ，2 0 0 7 年2亿美元 ，2 0 1 0年 1 0亿美元，表明国内外市场工 程机械市场潜 力巨大。 开 发的具 有 自主知识 产权的高效节能液控振动挖 掘机是一种挖掘阻力减少、挖掘工效提高以及功率损 耗降低 的新型挖掘机 。与不振动挖掘方式相 比 ，减少 挖掘阻力和提高挖掘工效2 5 ％以上、节能 2 0 ％左右， 为建筑工程机械行业提供一种新型、高效、节能的挖 掘机一 高效节能液控振动挖掘机 ，从而推动挖掘机产 业向高效、节能方面发展。同时在市场竞争中处于优 势地位，增加企业利润 ，其产业化前景十分广阔，预 期具有显 著的社会 经济效益 。 参考文献 【 1 】M O G A M I T ， K U B O K ． T h e B e h a v i o r o f S o i l D u ri n g V i b r a t i o n [ C ] ／ ／ P r o c e s s i n g s o f t h e Thi r d I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e of S o i l Me c h a n i c s a n d F o u n d a t i o n E n g i n e e r i n g ， 1 9 5 3 1 5 1 1 5 5． 下转第 9 5页 第 2 O期 房小立 等流量控制阀在压力控制系统中的应用 9 5 3压 力控 制 实验 采用一 个 泄 漏 量 已 经 达 到 2 0 L ／ m i n的 伺 服 阀 型号为 MO O G D 6 3 4 作 为 压力 控 制系 统 的控 制元 件 ，实验系统 图如 图 4所示 。 l 一外置放大器2 一阀内置放大器3 一传感器信号调理单元 4 _ _ 压力传感器5 ． - 压力表6 - -- MOOG D6 3 4 伺服阀 卜 恒压变量泵 图 4 压力控制系统实验原理图 如 图 4所示 ，压力控制是一个 闭环控制 。一个 给 定的输入对应一个输出压力，当输出压力与给定信号 不对应时，反馈与给定控制对应 的阀芯位移，调节 q 。 与 q 的大小使输出压力与给定信号相对应。 K 为压 力控制系统 闭环增益 ，当 0 ． 1 6时 监 测给定 、输出压力 P与反馈 电压 。 ，得到如表 1 所示 的实验数据 。 表 1 测试实验数据 g／V t , ／MPa ／V ug ／V p／MP a ／V 0 ． 0 5 9 0 0 ． 0 7 8 9 ． O 7 5 1 9 ． 6 7 ． 7 8 6 1 ． 0 49 2 ． 7 0 ． 27 4 8． O 43 1 7． 4 6 ．9l 1 ． 9 7 6 4 ． 5 一1 ． 1 7 6 6 ． 9 4 5 1 4 ． 9 5 ． 8 9 3 3 ． 0 6 6 6 ． 8 2 ． 2 2 3 5 ． 9 9 8 1 2 ． 9 4 ． 9 8 5 3 ． 96 8 ．8 3． 0 46 4． 9 59 l 0． 8 3 ． 991 5 ． 0 1 9 1 0 ． 8 4 ． 0 5 5 4 ． 0 8 2 8 ． 8 3 ． 1 4 6 6． 011 1 3 5． o 05 3． 0 54 6 ．8 2 ．1 9 9 7 ． 1 7 2 1 5 ． 5 6 ． 1 0 9 2 ． 0 6 8 4 ． 7 1 ． 2 5 6 8 ． 21 4 1 7． 9 7． 0 82 0． 9 58 2 ． 2 0． 1 6 4 9 ． 04 7 1 9． 6 7． 7 79 0． o 09 0 0． 0 63 1 0 ．1 4 2 2 0． 5 8． 21 4 根据表 1 ，得到 u 与 P的关 系如 图 5所示 。 2 5 2 O l5 窆 l0 5 0 0 2 4 6 8 10 1 2 g ， V 图5 给定 与输出压力P的关系图 通过 图 5可 以看 出 ，输 出压力 P与 ／ ／, 给定 成线性 关 系 ，说明用这种泄漏量大的伺服阀进行压力控制的方 案是 可行 的。 4结论 实验证 明，采用泄漏量大 的伺服 阀进行压力控制 是可行 的。实 际上 ，用泄漏量小 的零开 口或正开 口的 流量控制 阀也可以进行压 力控制 ，不过 这时泵 站的功 率损失增大，温度上升快 ，不能应用于需要长时间进 行压力控制的场合。 参考文献 【 1 】 许益民． 电液比例控制系统分析与设计[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】 吴根茂． 新编实用电液比例技术[ M] ． 杭州 浙江大学出 版社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】 吴根茂． 动态封闭容腔及其压力基本公式 [ J ] ． 流体传 动与控制 ， 2 0 0 7 3 5 4 5 6 ． 上接第 8 7页 【 2 】 C O O P E R A W， M C C R E E R Y W F ． P l a s t i c S u rf a c e s f o r T i l l a g e T o o l s [ J ] ． T r a n s a c t i o n o f t h e A S A E， 1 9 6 1 ， 6 1 6 4 8 6 5 0． 【 3 】 S Z A B O B F ， B A R N E S S ， K O 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