【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 液壓系統(tǒng)中主泵、多路閥是整體液壓系統(tǒng)的核心部件，而工作裝置中動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的運(yùn)動(dòng)學(xué)是整機(jī)工作裝置機(jī)液系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，本章將著重分析主泵、多路閥及負(fù)流量系統(tǒng)工作原理，并對(duì)工作裝置液壓系統(tǒng)特性以及工作裝置機(jī)械部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。液壓元件是構(gòu)成液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元素，承載著系統(tǒng)動(dòng)力輸出與操縱控制的作用。本小節(jié)將對(duì)液壓系統(tǒng)中主要液壓元件進(jìn)行分析，包括主泵、多路閥，為后續(xù)工作提供理論支持。K3V泵是斜盤式雙泵串列式柱塞泵，前泵與后泵結(jié)構(gòu)相同，通過齒輪聯(lián)接套連接，泵軸利用花鍵與缸體相連，9個(gè)柱塞平行插入缸體中。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過聯(lián)軸器傳遞到泵軸，泵軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)柱塞和缸體一起旋轉(zhuǎn)，柱塞沿靴板的表面滑動(dòng)，斜盤與柱塞有一定的傾角，使柱塞在缸體的孔中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)吸入和排出液壓油，而且可以利用泵變量機(jī)構(gòu)中伺服柱塞對(duì)斜盤傾角的控制來改變泵的排量。伺服柱塞是通過泵調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)其左右兩腔壓力來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)[30]。K3V泵的變量是通過以下方式實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)原理圖如圖21所示：圖21 K3V泵控系統(tǒng)原理（負(fù)流量控制）。如圖22所示，當(dāng)操縱某一操縱桿時(shí)，柱塞將向右移動(dòng)，從而帶動(dòng)伺服閥右移，使斜盤傾角減小，泵的輸出流量降低；隨著負(fù)反饋壓力的增加，泵的排量降至最小，PQ曲線如圖23（a）所示。（總功率控制）。K3V雙聯(lián)泵中的兩個(gè)液壓泵各自配置有一個(gè)調(diào)節(jié)器，兩個(gè)液壓泵輸出的壓力油分別進(jìn)入到自身泵調(diào)節(jié)器上功率控制柱塞的環(huán)行腔和另外一個(gè)液壓泵調(diào)節(jié)器功率控制柱塞的小端面腔，因?yàn)楣β士刂浦系男《嗣媲幻娣e與環(huán)行腔面積相等，所以兩個(gè)液壓泵壓力的變化對(duì)調(diào)節(jié)器的推動(dòng)作用效果是一樣的。在不考慮負(fù)流量控制的前提下，這種控制效果將使得兩個(gè)液壓泵的斜盤擺角始終是相等的，即輸出流量相等。因此，當(dāng)兩者的平均壓力增加到超過設(shè)定的PQ曲線，泵調(diào)節(jié)器根據(jù)超出PQ曲線的壓力減少兩泵的流量，總的泵輸出流量返回到設(shè)定的PQ曲線內(nèi)，因此可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)過載。PQ曲線要求共同調(diào)節(jié)兩泵，所以兩泵的流量調(diào)節(jié)幾乎相同。如圖22（b）所示，泵調(diào)節(jié)器接收自身的泵輸油壓力P1和另一泵的輸油壓力P2，將其作為控制信號(hào)壓力。當(dāng)泵輸油壓力P1+ P2增加時(shí)，補(bǔ)償柱塞使補(bǔ)償桿向右移動(dòng)，與彈簧力平衡后推動(dòng)伺服閥柱移動(dòng)，泵輸油壓力P通過閥柱進(jìn)入伺服柱塞的大腔中，伺服柱塞右移，斜盤傾角減小，泵輸出流量降低。反之，伺服柱塞左移，斜盤傾角增大，泵輸出流量增加。（轉(zhuǎn)速傳感控制）。對(duì)于恒功率變量泵而言，其起調(diào)壓力的高低決定了最大輸出功率。起調(diào)壓力越低，則液壓泵的輸出功率就越??；相反，起調(diào)壓力越高，則液壓泵的輸出功率就越大。K3V系列泵的起調(diào)壓力是由泵調(diào)節(jié)器中排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈簧預(yù)緊力調(diào)定的，其恒功率雙曲線是采用內(nèi)外兩根彈簧來近似模擬的，起調(diào)壓力通常調(diào)定后在泵工作過程中不能改變，因而此時(shí)泵的最大輸出功率也是不變的。而K3V系列液壓泵本身帶有的電液比例減壓閥，輸出的二次壓力作用在功率控制柱塞上，相當(dāng)于在起調(diào)彈簧力的相反方向作用了一個(gè)電可控的液壓力，從而使得起調(diào)壓力點(diǎn)能隨作業(yè)工況的變化而變化，這樣液壓泵就能夠隨著負(fù)載的變化而完全吸收柴油機(jī)的輸出功率。泵控制器根據(jù)負(fù)載大小實(shí)時(shí)改變電磁比例減壓閥輸入電流的大小，從而可改變它的二次壓力，二次壓力與彈簧力共同作用，決定了液壓泵的起調(diào)壓力點(diǎn)，從而也決定了液壓泵的輸出功率大小[31]。不同的二次壓力作用在流量控制柱塞上，使液壓泵的排量發(fā)生變化，形成不同的功率特性曲線，液壓泵變?yōu)楣β士煽乇?。如圖23（c）所示，來自扭矩控制電磁閥提供扭矩控制壓力Pg作用在補(bǔ)償柱塞斷面上推動(dòng)補(bǔ)償柱塞和補(bǔ)償桿右移，進(jìn)而使伺服閥柱右移，泵輸油壓力進(jìn)入伺服缸大腔，伺服柱塞右移，斜盤傾角減小，泵輸出流量降低。（泵最大流量限制）。當(dāng)電腦板收到工作模式開關(guān)、壓力傳感器或附件模式開關(guān)的信號(hào)后，向泵最大流量控制電磁閥發(fā)出指令，電磁閥起減壓閥的作用，限制泵控制壓力Pi。此時(shí)工作原理與通過泵控制壓力起作用時(shí)相同。圖22 K3V單泵控制原理圖23 K3V泵壓力流量特性曲線多路換向閥（簡(jiǎn)稱多路閥）是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的重要部件，它決定了液壓泵向執(zhí)行元件的供油路線和方式，復(fù)合動(dòng)作時(shí)的合流、優(yōu)先和流量分配以及挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的可控和操縱性能等等[32]。多路閥有以下幾類分類方法：按閥體結(jié)構(gòu)形式，可分為整體式和分片式；按油路連接方式，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、串并聯(lián)式和復(fù)合油路式；按液壓泵的卸荷方式，可分為中位卸荷式和安全閥卸荷式；按多路閥控制方式，可分為先導(dǎo)式和手動(dòng)式；按多路閥的成型方式，可分為鑄造式和機(jī)加式。本文研究的某型挖掘機(jī)采用的是日本KYB公司生產(chǎn)的KVMG系列多路閥，其外觀和閥芯布置如下圖24所示。圖24 KVMG系列多路閥外形圖圖25為KVMG系列多路閥的斗桿聯(lián)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)圖。以斗桿閥聯(lián)為例說明，當(dāng)多路閥右端先導(dǎo)口通先導(dǎo)液壓油時(shí)，多路閥芯工作在左位時(shí)，從串聯(lián)油路的P口來的液壓油一部分由串聯(lián)路進(jìn)入下一聯(lián)，另一部分經(jīng)負(fù)載單向閥進(jìn)入斗桿換向閥，從并聯(lián)油路P口來的液壓油經(jīng)過動(dòng)臂優(yōu)先閥后在負(fù)載單向閥后合流進(jìn)入斗桿換向閥；斗桿合流閥部分：從串聯(lián)油路的P口來的液壓油一部分與并聯(lián)油路P口經(jīng)合流閥后的液壓油一起合流至斗桿換向閥前后，最后兩部分的液壓油由斗桿換向閥控制進(jìn)入斗桿液壓缸無桿腔。從斗桿液壓缸有桿腔回的液壓油一部分通過閥芯內(nèi)單向閥再生回?zé)o桿腔，減少了液壓能的損失，而另一部分則返回油箱。當(dāng)進(jìn)油壓力過大時(shí)，再生解除閥7切換到左位，回油背壓快速下降，有桿腔油液直接返回油箱，再生解除，提高了斗桿挖掘力。而斗桿防沉降閥是防止因斗桿鏟斗自重而產(chǎn)生的自然沉降。 5. 溢流補(bǔ)油閥 圖25 斗桿聯(lián)閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖與液壓原理圖 挖掘機(jī)負(fù)流量系統(tǒng)特性分析圖26 負(fù)流量系統(tǒng)原理圖負(fù)流量系統(tǒng)泵六通閥控制系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為圖26所示原理圖，A口、B口和O口分別代表多路閥A口、B口和中央旁通路，NR為旁通回油路的節(jié)流孔，Pi為負(fù)流量控制壓力，其中A、B、O孔為聯(lián)動(dòng)節(jié)流口。負(fù)流量控制是通過輸出旁路回油節(jié)流孔前壓力Pi來控制主泵排量。當(dāng)無先導(dǎo)壓力信號(hào)時(shí)，PO回路全開，主泵輸出流量全部通過旁通路回油，此時(shí)主泵排量最小，只需保證系統(tǒng)泄漏和旁路回油流量。當(dāng)有先導(dǎo)壓力信號(hào)時(shí)，PA口開啟，PO逐漸關(guān)閉，液壓油一部分通過A口流入執(zhí)行油缸并通過B口回油，另一小部分通過O口經(jīng)旁路回油箱，此時(shí)旁路回油逐漸趨少，負(fù)流量信號(hào)Pi變小并控制主泵排量增大以適應(yīng)執(zhí)行液壓缸的動(dòng)作。主泵排量與負(fù)流量控制壓力呈現(xiàn)負(fù)線性關(guān)系，因此，系統(tǒng)稱為負(fù)流量控制系統(tǒng)。由以上分析可見，負(fù)流量系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)基于旁路回油的恒流量控制系統(tǒng)[33]。為方便分析，對(duì)液壓系統(tǒng)做以下假設(shè)：1）執(zhí)行液壓缸內(nèi)、外泄漏忽略不計(jì)；2）液壓管路上的壓力損失視為集中液阻換算到節(jié)流口上；根據(jù)以上假設(shè)并進(jìn)行系統(tǒng)分析易得以下數(shù)學(xué)模型：主泵出口流量壓力方程：（21）A口的流量壓力方程：（22）B口的流量壓力方程：（23）O口的流量壓力方程：（24）負(fù)流量節(jié)流孔的流量壓力方程：（25）我們可以將A、B口的壓力看做是負(fù)載擾動(dòng)輸入，因此，負(fù)流量系統(tǒng)的主泵出口壓力隨負(fù)載的變化可以表示為：（26）相應(yīng)的負(fù)流量節(jié)流孔前壓力隨負(fù)載的變化可以表示為：（27）—泵出口流量；—泵的轉(zhuǎn)速；—泵的排量；—泵內(nèi)泄漏系數(shù)；—泵出口壓力；—通過A口的流量；—流量系數(shù)； —A口過流面積； —A口閥后壓力；—通過B口的流量； —B口過流面積；—B口閥前壓力；—通過中央旁通路PO的流量；—中央旁通路PO的過流面積；—O口后的壓力—通過負(fù)流量節(jié)流孔的流量；—負(fù)流量節(jié)流孔的過流面積；—泵出口壓力隨負(fù)載的變化值；—液壓油的彈性模量；—泵出口至多路閥前的管路容積；—負(fù)流量節(jié)流孔前壓力隨負(fù)載的變化值；—液壓流體的密度；通過對(duì)式（26）、（27）分析可知，在負(fù)流量泵六通多路閥系統(tǒng)中，閥口的流量特性受負(fù)載影響較大。如果提高泵的輸出壓力，則可以降低這種影響，在負(fù)流量控制中，則表現(xiàn)為旁路回油壓力的大小直接影響了系統(tǒng)的操縱性。若旁路回油設(shè)定壓力高，則泵輸出壓力也高，系統(tǒng)調(diào)速性較好，響應(yīng)迅速，司機(jī)操作時(shí)無滯后感；反之，系統(tǒng)調(diào)速性較差，操作時(shí)的滯后感較強(qiáng)。但是，旁路回油壓力過高會(huì)帶來以下問題：1）增加了流量檢測(cè)節(jié)流口上的功率損失，而且有可能在節(jié)流口上產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。2）當(dāng)負(fù)載壓力較低時(shí)，工作口上的壓力損失加大，同樣引起功率損失的增加。因此，在傳統(tǒng)的負(fù)流量控制中，節(jié)能性與操縱性之間的矛盾是難以調(diào)和的[33]。挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)一個(gè)變量泵帶兩個(gè)或多個(gè)負(fù)載時(shí)，可能在執(zhí)行器之間產(chǎn)生耦合作用，這對(duì)液壓系統(tǒng)的伺服控制將帶來不利的影響[34]。因此，在以變量泵源為動(dòng)力源的條件下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行特性分析尤其重要。圖27 變量泵雙閥控系統(tǒng)原理圖下面假定斗桿主控制閥與鏟斗主控制閥同時(shí)由變量泵1進(jìn)行供油，建立此時(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。圖27所示為變量泵源與雙閥雙油缸的液壓系統(tǒng)，負(fù)載為液壓油缸承受的變負(fù)載。各元件的狀態(tài)方程：考慮變量泵內(nèi)部特性和出口容腔的影響,泵源的輸出流量和壓力的傳遞函數(shù)：（28）閥控斗桿系統(tǒng)的狀態(tài)描述：（29）（210）（211）閥控鏟斗系統(tǒng)的狀態(tài)描述：（212）（213）（214）、分別為斗桿和鏟斗大腔壓力；、為斗桿和鏟斗大腔流量；、分別為斗桿和鏟斗控制閥流量系數(shù)； 、為斗桿和鏟斗閥控系統(tǒng)的泄露系數(shù)； 、為斗桿和鏟斗閥控系統(tǒng)的阻尼系數(shù)；、為斗桿和鏟斗閥控系統(tǒng)的負(fù)載質(zhì)量； 、為斗桿閥和鏟斗閥開口面積；、為斗桿和鏟斗油缸位移； 、為斗桿和鏟斗油缸大腔容積及相應(yīng)管路容積和； 、為斗桿、鏟斗大腔有效作用面積； 為油液密度； 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，有如下流量方程（215）對(duì)式（210）、（213）進(jìn)行線性化處理，在系統(tǒng)的工作平衡點(diǎn)上進(jìn)行泰勒展開：（216）（217）令，則；對(duì)式（216）、（217）線性化，得到以下式：（218）（219）對(duì)式（210）、（211）、（213）、（214）、（215）、（216）、（217）進(jìn)行拉氏變化：（220）（221）（222）（223）（224）（225）（226）其中：，。將式（220）至（226）整理得：（227）（228）其中：（229）（230）（231）整理（227）、（228）可得：（232）其中： （233）當(dāng)液壓源為恒壓源（定量泵+溢流閥）時(shí)，相當(dāng)于，即：（234）即，上式分別為斗桿閥控系統(tǒng)和鏟斗閥控系統(tǒng)在恒壓源下的傳遞函數(shù)，顯然，兩個(gè)系統(tǒng)之間無耦合。定量泵由于系統(tǒng)角功率大、發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率低、油耗高，不適合作為液壓挖掘機(jī)動(dòng)力源。為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，又不會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)過載，液壓挖掘機(jī)普遍采用恒功率變量泵。當(dāng)泵源為變量泵源時(shí)，斗桿閥控回路與鏟斗閥控回路之間會(huì)產(chǎn)生一定的耦合，這種耦合關(guān)系在變負(fù)載時(shí)容易產(chǎn)生斗桿與鏟斗復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)不足。在上述簡(jiǎn)化的系統(tǒng)中表現(xiàn)為斗桿閥控回路負(fù)載壓力的變化將引起變量泵的輸出壓力的變化，進(jìn)而影響變量泵的排量，必將引起鏟斗閥控回路壓力和流量發(fā)生變化，從而影響液壓缸的運(yùn)動(dòng)特性。因此，對(duì)于雙泵系統(tǒng)應(yīng)盡量將復(fù)合動(dòng)作較多且要求控制精度高的閥控系統(tǒng)回路的主控制閥錯(cuò)開布置[33]，如斗桿與鏟斗、動(dòng)臂與斗桿以弱化其耦合關(guān)系。但另一方面，在工作裝置進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，需要提高工作裝置的作業(yè)速度與挖掘力，而不是復(fù)合動(dòng)作的操控性能。挖掘機(jī)進(jìn)行復(fù)合挖掘時(shí)，由于斗桿合流閥與鏟斗控制閥由同一主泵供油，存在系統(tǒng)耦合關(guān)系。若斗桿液壓缸負(fù)載大（如接近溢流壓力），而鏟斗液壓缸負(fù)載小，依然可以進(jìn)行鏟斗挖掘時(shí)，則希望油液盡可能的流向鏟斗油缸，加快鏟斗內(nèi)收速度。此時(shí)系統(tǒng)的函數(shù)模型可用下式表示：，（235）其中：由式235可知，液壓缸輸出位移與眾多系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)，而其中以閥口開度為油缸位移的直接影響變量。對(duì)于挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘工況時(shí)，斗桿、鏟斗主閥開口通常為全開口，但由于鏟斗閥前存在優(yōu)先節(jié)流，可以等效于鏟斗主閥未完全打開。此時(shí)，若增大則鏟斗液壓缸輸出位移增大。實(shí)際表現(xiàn)為挖掘機(jī)挖掘作業(yè)時(shí)，鏟斗聯(lián)斗桿優(yōu)先閥閥口增大會(huì)使系統(tǒng)壓力降低，泵的排量增加，鏟斗液壓缸運(yùn)動(dòng)加快，同時(shí)斗桿合流閥聯(lián)輸入流量出現(xiàn)一定降低。由于挖掘工況中斗桿液壓缸經(jīng)常出現(xiàn)高負(fù)載的工況，此時(shí)斗桿聯(lián)不需要較高的輸入流量，因此理論上可以考慮解除斗桿優(yōu)先閥口節(jié)流以適應(yīng)斗桿液壓缸高負(fù)載的挖掘工況，減少斗桿優(yōu)先閥口節(jié)流損失，提高系統(tǒng)能量利用率。 挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與其重心求解挖掘機(jī)工作裝置是一個(gè)典型的開鏈四桿機(jī)構(gòu)，由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗以及動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸等部件組成。液壓挖掘機(jī)通過液壓系統(tǒng)來控制工作裝置完成挖掘、卸土等動(dòng)作，工作裝置在挖掘作業(yè)過程中負(fù)載力不斷變化，工作裝置自身的姿態(tài)、重心和負(fù)載阻力力臂也隨之發(fā)生變化，從而引起液壓系統(tǒng)負(fù)載瞬時(shí)變化。在研究過程中，通過為了深入研究液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，對(duì)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析顯得非常必要。挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)主要用來研究各工作裝置關(guān)節(jié)空間與鏟斗斗尖的位姿空間的變換關(guān)系。而工作裝置的關(guān)節(jié)空間又可以通過驅(qū)動(dòng)空間和檢測(cè)空間來求得。關(guān)節(jié)空間是通過描述相鄰兩關(guān)節(jié)之間的轉(zhuǎn)角得到的，包括回轉(zhuǎn)平臺(tái)與底座間的回轉(zhuǎn)角，動(dòng)臂相對(duì)上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)角，斗桿相對(duì)動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角，鏟斗相對(duì)斗桿的轉(zhuǎn)角；位姿空間則是鏟斗斗尖位置坐標(biāo)和姿態(tài)角（鏟斗連桿與水平面的夾角）；驅(qū)動(dòng)空間包括回轉(zhuǎn)馬達(dá)角和各油缸伸長(zhǎng)；檢測(cè)空間則是指實(shí)現(xiàn)速度位置閉環(huán)控制時(shí)由傳感器檢查出的空間參數(shù)[36]。其中，關(guān)節(jié)空間與位姿空間為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的主要方面，其求解問題分為運(yùn)動(dòng)學(xué)正解與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題是根據(jù)關(guān)節(jié)空間參數(shù)求解位姿空間；逆問題則是位姿空間（斗尖軌跡