陳世其，鄒躍云，趙亮，高大偉，何志佩

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.徐州恒興金橋機(jī)械科技有限公司，江蘇徐州 221116）

0 引言

護(hù)欄打樁機(jī)是一種專用于護(hù)欄樁施工的工程設(shè)備，根據(jù)底盤不同分為履帶式護(hù)欄打樁機(jī)和輪式護(hù)欄打樁機(jī)。履帶式護(hù)欄打樁機(jī)單位面積下能承受更大的載荷，行走平穩(wěn)，適用于比較惡劣的作業(yè)環(huán)境。而輪式護(hù)欄打樁機(jī)行走靈活、速度較快，便于切換工作場(chǎng)所，更適合公路打樁作業(yè)，因此廣泛應(yīng)用于公路護(hù)欄樁的施工現(xiàn)場(chǎng)[1]。

公路護(hù)欄打樁機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)液壓系統(tǒng)中的液壓油將動(dòng)力傳遞到各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并在各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的共同配合下完成打樁作業(yè)。因此打樁機(jī)液壓系統(tǒng)的性能將直接影響到打樁機(jī)的整體性能[2-3]。為了實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)工況下的工作效果、提高打樁機(jī)的動(dòng)態(tài)性能、降低運(yùn)行成本、達(dá)到高效節(jié)能的目的，本文采用負(fù)載敏感泵與負(fù)載敏感比例多路換向閥聯(lián)合控制技術(shù)對(duì)打樁機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 公路護(hù)欄打樁機(jī)主要工作階段及要求

公路護(hù)欄打樁機(jī)屬于循環(huán)作業(yè)的工程機(jī)械，需要在一個(gè)工作環(huán)境下完成多次打樁作業(yè)。其主要工作過(guò)程包括行走、樁架豎起、自動(dòng)打樁和更換打樁位置4個(gè)階段。

1）行走階段。打樁機(jī)從拖車上駛下，到達(dá)公路后通過(guò)方向盤和操縱桿來(lái)控制打樁機(jī)的方向和速度使其行駛至工作位置。其中操縱桿有兩個(gè)，分別控制左右行走馬達(dá)，每個(gè)馬達(dá)都能進(jìn)行高低速切換。

2）樁架豎起階段。由于樁架重心高，會(huì)影響行駛的穩(wěn)定性，所以設(shè)計(jì)成可起落結(jié)構(gòu)。在行駛過(guò)程中放下樁架，降低其重心以保證行駛的穩(wěn)定性。當(dāng)完成行駛階段，打樁機(jī)到達(dá)工作位置時(shí)需要豎起樁架，升起液壓錘，才可以進(jìn)入施工狀態(tài)[4]。同時(shí)考慮到有些施工場(chǎng)所可能會(huì)存在一定的縱向坡度或者橫向坡度，為了確保護(hù)欄樁鉛垂安裝，不僅需要樁架在縱向和橫向上移動(dòng)，還需要其以一定的幅度擺動(dòng)。

3）自動(dòng)打樁階段。此時(shí)樁架和樁錘分別由提升油缸和升降馬達(dá)控制，并在平衡閥的作用下保持在一定的高度。將樁安裝到樁帽上，利用樁架自動(dòng)扶正功能使得樁架、液壓錘、護(hù)欄樁在同一軸線上。再通過(guò)控制自動(dòng)打樁回路利用液壓錘進(jìn)行打樁工作。

4）更換打樁位置階段。當(dāng)結(jié)束一次打樁工作時(shí)，打樁機(jī)通過(guò)自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)找到下一個(gè)打樁位置，液壓系統(tǒng)在接收到信號(hào)后控制打樁機(jī)行駛至下一個(gè)打樁位。與此同時(shí)仍需要樁架保持垂直并升起液壓錘、安裝護(hù)欄樁，再次進(jìn)入自動(dòng)打樁階段[4]。

2 負(fù)載敏感泵和比例多路換向閥的應(yīng)用

護(hù)欄打樁機(jī)常規(guī)的液壓系統(tǒng)是一種典型的定量泵閥控系統(tǒng)，在該液壓系統(tǒng)中，定量泵提供恒定的流量以滿足負(fù)載的流量需求。其出口壓力取決于負(fù)載，當(dāng)遇到負(fù)載較大的工況時(shí)，系統(tǒng)的壓力也會(huì)隨之增大，定量泵提供的流量會(huì)有剩余，這部分剩余的液壓油通過(guò)高壓溢流的方式流回油箱。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溢流損失，造成能量損耗[5]。

當(dāng)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于定量泵提供的流量無(wú)法同時(shí)滿足各執(zhí)行回路的最大流量需求，導(dǎo)致部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)指定的動(dòng)作；當(dāng)任一回路的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響其他回路中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，難以根據(jù)負(fù)載的變化來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)回路的流量分配[6]。而負(fù)載敏感技術(shù)采用負(fù)載敏感泵通過(guò)感受負(fù)載的變化從而自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，以適應(yīng)打樁機(jī)液壓系統(tǒng)在各個(gè)工作階段的協(xié)調(diào)工作[7]。利用負(fù)載敏感比例多路閥可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓回路獨(dú)立運(yùn)行、互不干擾，解決常規(guī)液壓系統(tǒng)中存在的問(wèn)題[8]。

2.1 負(fù)載敏感泵的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

負(fù)載敏感泵的液壓原理如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)包括變量泵、壓力切斷閥、負(fù)載敏感閥、變量缸彈簧腔和變量缸敏感腔。變量泵可以通過(guò)感受負(fù)載或負(fù)載變化從而對(duì)系統(tǒng)的壓力需求做出響應(yīng)，同時(shí)系統(tǒng)的流量需求通過(guò)反饋通道反饋給變量泵，使整個(gè)液壓系統(tǒng)具有根據(jù)載荷情況提供工作所需的壓力-流量特性[9]。

圖1 負(fù)載敏感泵液壓原理圖

2.2 比例多路換向閥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

比例多路換向閥可以通過(guò)調(diào)節(jié)各路換向閥閥芯的開口大小來(lái)控制各回路負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度，它是由2片以上的功能塊組合在一起的閥組，可以根據(jù)不同液壓回路的需要對(duì)每片功能塊的參數(shù)單獨(dú)設(shè)置，也可以按照實(shí)際的工況來(lái)選擇功能塊的最優(yōu)組合[10]。根據(jù)護(hù)欄打樁機(jī)的實(shí)際工作需求選用8聯(lián)比例多路換向閥作為打樁機(jī)液壓系統(tǒng)的控制部分。它是由連接塊和換向閥塊組成，其中連接塊主要包括溢流閥、減壓閥、電磁換向閥；換向閥塊主要包括換向閥主閥、溢流閥、二次溢流閥、定差減壓閥、梭閥。

當(dāng)系統(tǒng)中多個(gè)執(zhí)行回路同時(shí)工作時(shí)，流過(guò)換向閥的流量可由下列計(jì)算公式得出[11]：

式中：Q為通過(guò)閥的流量；Cd為流量系數(shù)；A為閥芯面積；ρ為油液黏度；Δp為閥口前后壓差。

由于閥口前后壓差Δp由定差減壓閥設(shè)定為一常數(shù)，從而確保流過(guò)比例換向閥的流量只取決于閥口開度，而不受負(fù)載變化影響，具有較高的速度控制精度[12]。

3 公路護(hù)欄打樁機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用負(fù)載敏感泵與負(fù)載敏感比例多路換向閥聯(lián)合控制系統(tǒng)作為公路護(hù)欄打樁機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)主要包括負(fù)載敏感變量泵回路2，8聯(lián)多路閥集成20，先導(dǎo)閥組10，反饋回路和8個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)：左行走馬達(dá)26、右行走馬達(dá)27、左右油缸29、前后油缸30、變幅油缸31、提升油缸32、液壓錘28和升降馬達(dá)33。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)在液壓控制系統(tǒng)的作用下分別實(shí)現(xiàn)打樁機(jī)的4個(gè)主要工作階段。打樁機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 公路護(hù)欄打樁機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)原理圖

當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)各路換向閥主閥閥芯22都處于中位待機(jī)狀態(tài)，負(fù)載敏感變量泵以很小的壓力（約1.4～2.5 MPa）和很小的流量處于卸荷狀態(tài)，具有很好的節(jié)能效果。當(dāng)系統(tǒng)任一回路受到負(fù)載，該回路的換向閥主閥閥芯22離開中位，液壓油經(jīng)過(guò)換向閥20進(jìn)入該執(zhí)行回路，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)液壓換向閥的進(jìn)油口和執(zhí)行油口產(chǎn)生的壓降傳遞至負(fù)載敏感泵2中的負(fù)載敏感閥7，通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵3的斜盤，從而使得變量泵輸出的壓力自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載變化，輸出的流量自動(dòng)與換向閥口開度相適應(yīng)[13]。當(dāng)系統(tǒng)中其它執(zhí)行元件也開始工作，為了保證各回路之間的運(yùn)行互不影響，在每個(gè)回路都設(shè)置了反饋回路，并通過(guò)梭閥閥組21選出換向閥的最高負(fù)載壓力信號(hào)并傳遞到負(fù)載敏感變量泵的變量機(jī)構(gòu)，變量機(jī)構(gòu)根據(jù)負(fù)載壓力的大小調(diào)整變量泵的排量，可實(shí)現(xiàn)變量泵輸出的壓力和流量與負(fù)載相匹配[14]。避免能源損失過(guò)大，達(dá)到高效節(jié)能的設(shè)計(jì)目的。

4 打樁機(jī)主要工況下負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)分析

根據(jù)所設(shè)計(jì)出來(lái)的打樁機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)并結(jié)合打樁機(jī)實(shí)際施工要求對(duì)打樁機(jī)主要工作階段進(jìn)行分析。

1）行走階段。依靠先導(dǎo)泵9提供先導(dǎo)壓力油，確保變量泵3安全啟動(dòng)，從而為液壓系統(tǒng)提供穩(wěn)定的油壓。當(dāng)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)多路閥閥芯22的開口大小控制左右行走馬達(dá)25、26的轉(zhuǎn)速。其中左右行走馬達(dá)25、26為雙速行走馬達(dá)，當(dāng)兩位兩通電磁換向閥15電磁鐵斷電時(shí)，左右行走馬達(dá)25、26高低速控制油口通過(guò)兩位兩通電磁換向閥15上位接油箱，行走馬達(dá)處于低速運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)兩位兩通電磁換向閥15電磁鐵通電時(shí)，先導(dǎo)泵9輸出高壓油通過(guò)減壓閥11、單向閥12進(jìn)入左右行走馬達(dá)25、26高低速控制油口，行走馬達(dá)處于高速運(yùn)行狀態(tài)。

2）打樁準(zhǔn)備階段。主要依靠變幅油缸31和提升油缸32使樁架能始終保持一定高度，并與工作面成鉛垂?fàn)顟B(tài)，通過(guò)雙向平衡閥34對(duì)其進(jìn)行負(fù)載保持。左右油缸29和前后油缸30的作用是在其行程范圍內(nèi)調(diào)整樁架對(duì)準(zhǔn)打樁孔，并通過(guò)雙向液壓鎖37進(jìn)行行程位置保持。為了提高工作效率，有時(shí)需要多個(gè)油缸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，主要依靠變量泵3所接受的負(fù)載反饋來(lái)提供壓力油，通過(guò)多路閥20進(jìn)行流量分配。

3）打樁階段。液壓錘28在升降馬達(dá)33的控制下提升到一定的高度，通過(guò)控制換向閥22閥口開度可控制液壓錘28的下降速度，使得液壓錘28在初始階段實(shí)現(xiàn)低頻率慢速打樁；當(dāng)打樁工作穩(wěn)定后增大供油流量，錘頭在液壓油和重力的作用下高頻率快速下落進(jìn)行打樁，到達(dá)行程轉(zhuǎn)換開關(guān)后慢速低頻率打樁，直到護(hù)欄樁到達(dá)設(shè)定高度時(shí)停止打樁，然后液壓錘上升到原始最高點(diǎn)。由于液壓錘在進(jìn)行打樁工作時(shí)會(huì)遇到各種類型的土質(zhì)情況，當(dāng)土質(zhì)變硬導(dǎo)致打樁時(shí)的負(fù)載突然變大，通過(guò)反饋通道變量泵輸出壓力會(huì)自動(dòng)隨著負(fù)載增加。但液壓錘瞬時(shí)速度的增大，僅僅依靠液壓泵提供油液還滿足不了系統(tǒng)瞬時(shí)流量的需求，此時(shí)蓄能器36起到了輔助能源的作用[15]。

5 結(jié)論

近年來(lái)負(fù)載敏感技術(shù)在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大大地提高了工程機(jī)械的性能。文中根據(jù)輪式護(hù)欄打樁機(jī)的作業(yè)工況及要求，提出并設(shè)計(jì)了基于負(fù)載敏感泵與負(fù)載敏感比例多路換向閥共同控制的液壓系統(tǒng)。負(fù)載敏感變量泵出口壓力始終與負(fù)載壓力相適應(yīng)，系統(tǒng)無(wú)溢流損失，具有明顯的節(jié)能效果，該系統(tǒng)既可采用電動(dòng)控制也可采用手動(dòng)控制。通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)，該護(hù)欄打樁機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的。