汽车专用升降机典型液压系统建模与仿真分析.pdf

汽车专用升降机典型液压系统建模与仿真分析 龚文俞中建 上海市特种设备监督检验技术研究院上海2 0 0 3 3 3 摘要分析了液压驱动汽车专用升降机典型液压系统 ，建立了通用的模块化仿真模 型。通过实例研 究了初始容腔体积和负载变化对液压系统动态性能的影响，得到如下结论 初始容腔体积和负载的增加都 有利于减小液压系统启动瞬间的液压冲击，但对停止瞬间的动态性能产生不利影响，并使达到稳定状态的 时间增 加 。 关键词汽车专用升降机；液压系统；建模；仿真 中图分类号T H 2 1 1 ． 6 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 3 1 0 0 0 1 4 0 3 Ab s t r a c t Th e p a p e r a n a l y z e s t h e t y p i c a l h y d r a u l i c s y s t e m f o r h y d r a u l i cd r i v e v e h i c l e l i ft，w i t h t h e u n i v e r s a l mo d u l a r s i mu l a t i o n mo d e l b u i h ． R e s e a r c h o n e f f e c t o f c h a n g e s o f i n i t i al v e s s e l v o l u me a n d l o a d o n d y n a mi c p r o p e r t y o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m i s d o n e t h r o u g h e x a mp l e s ，w h i c h s h o w s t h a t i n c r e a s e of e i t h e r i n i t i a l v e s s e l v o l u me o r l o a d i s b e n e fi c i a l t o r e d u c e t h e h y d r a u l i c i mp a c t a t s t a r t u p o f t h e h y d r a uli c s y s t e m ， b u t h a s a d v e r s e i mp a c t o n d y n a mi c p r o p e r t y a t s h u t d o w n mo me n t a n d i n c r e a s e s t h e t i me of r e a c h i n g t h e s t l e s t a t u s ． Ke y wo r ds v e h i c l e l i ft；h y dr a u l i c s y s t e m； mo d e l i n g；s i mul a t i o n 汽车专用升降机是机械式停 车设备 中重要 的 设备 ，用于实现汽车在不同平面层 的升降搬运 J 。 汽车专用升降机一般 只用于汽车垂直方 向的搬运 ， 并无直接存取汽车 的功能。汽车专用升降机 的优 势在于当空 间狭小 而无法建设 自走式坡道车库 时，采用汽车专用升降机将汽车直接升降，替代 汽车进入 车库的斜坡道 ，可大大节省空 间，提 高 车库的利用率 。汽车专用升 降机按驱动方式可分 为曳引式 、链 轮 一链 条式 、卷筒 一钢丝绳式 和液 压式 等。液 压 驱动 的汽 车专 用 升 降机 因具 有功 率 一质量 比大 、抗负载 刚度大、可靠性高 、体 积 小 、集成度高、控制精度 高、过载保护容易 、运 行噪声低 等诸 多优点 ，得 到 了广泛应 用。但是 ， 由于液压系统在启停和负载突变时存在液压冲击 现象 ，影响设备的动态运行特性 ，过 大的液压 冲 击将对液压泵 、液压 阀等液压元件 的寿命 产生不 利影响，使液压缸 的密封性能下 降，系统 内泄漏 和外泄漏加剧 ，设 备效率下 降，能耗增加 ，舒 适 性 、可靠性和安全性降低 ，甚至造成事故。因此， 对液压驱动汽车专用升降机液压系统动态特性进 行研究 ，对指导其液压系统 的设计 ，改善 液压系 上海市科学技术委员会资助课题 1 2 D Z 0 5 0 0 7 0 0 一 1 4 一 统性能 ，提高设 备的可靠性 和安全性都具有 重要 意义。 1 汽车专用升降机液压系统 液压驱动 的汽车专用升降机典 型液压 系统如 图 1所示 ，由动力元件液压泵 1 、压力控制元件安 全阀 2 、方 向控制元件电磁换向阀 3 、速度控制元 件防爆阀 4和执行元件柱塞缸 5等组成。汽车专用 升降机有停止 、上升和下降 3个运动状态。1 当 电磁换向阀3处于中位时 ，液压油经液压泵 1和电 磁换 向阀 3直接流 回油箱 ，此时系统处于卸荷状 态，泵的出口压力 为系统背压 ，系统 能耗 低 ；柱 塞缸 5回油通道在 电磁换 向阀 3处截止 ，搬运器 6处于停止状态 。2 当电磁换 向阀 3处 于左位 时 ，液压油经液压泵 1 、电磁换 向阀 3 、防爆 阀 4进入 柱 塞 缸 5 ，建 立 压 力 后 推动 搬 运 器 6上 升 ，并联 在泵出 口的安 全 阀 2起 过载保护 作用 。 3 当电磁换 向阀 3处于右 位时 ，搬运器 6利用 自重推动柱塞缸 5下 降 ，液压油经柱塞缸 5、防 爆阀 4、电磁换向 阀 3流 回油箱 ，此 时液压泵 1 处于停 止状态。 起重运输机械 2 0 1 3 1 0 L ． 厂 、 L ／ “／ ．_ r] I _ 1 ．液压泵2 ．安全阀3 ．电磁换向阀 4 ．防爆 阀5 ． 柱塞缸6 ． 搬运器 图 1 液压系统原理 图 2 液压 系统数学模型 的建立 2 ． 1 液压泵的数学模型 q n qC p P 1 式 中q 。 为液压泵输 出流量 ，儿为液 压泵转 速 ，q为液压 泵排 量 ，C 。为液 压泵 内泄 漏 系数 ， P 。 为液压泵 出口压力 。 2 ． 2 安全阀的数学模型 Q K 。 P 。 2 式中q 为安全阀溢流流量 ， 为溢流阀流 量 一压力系数 ，P 为液压泵出 口压力 。 2 ． 3 泵出口与柱塞缸入 口间容腔的数学模型 ／ - P f Q 一 O 一 Q i d t 3 ’ P 式中P 为液压泵 出 口压力 ， 为液压 油体 积弹性模量， 为泵出口与柱塞缸入 口间容腔体 积 ，q 。 为液 压泵输 出流量 ，P 为安 全 阀溢流 流 量 ，Q i 为进人柱塞缸流量 。 进入柱塞缸流量的数学模型为 q i A 曼 4 式中 q ； 为进人柱塞 缸流量 ，A为柱塞 作用 面积 ， 为柱塞位移。 2 ． 4 柱塞缸的数学模型 m P 。 A m g- f 5 起重运输机械 2 0 1 3 1 0 式中m为液压系统负载质量，包括柱塞、 搬运器和汽车质量 ； 为柱塞位移 ；P 。为液压泵 出口压力 ；A为柱塞作用面积 ；g为重力加速度 ； f 为柱塞所受摩擦力。 根据经典摩擦 学理论 ，当柱塞静 止时 ，受静 摩擦力作用 ；当柱塞运动 时，同时受库伦摩擦力 和黏 性摩 擦 力作 用 ，得 到 柱 塞摩 擦 力 的数 学模 型 为 。 ] c gn 曼 曼 兰 式中 为柱塞库伦摩擦力 ， 为柱塞黏性摩 擦因数 ， 为柱塞位移 ， 为柱塞静摩擦力。 联立方程得到液压系统的数学模型 Q p n qC p P p Q K c P p P J Q 一 q 一 Q i d Q iA m 是P p Am g f 3液压 系统仿真分析 对某生产厂 的汽车专用升 降机 液压系统建立 相应的数学模型 ，液压 系统 压力动态仿 真 曲线如 图2 所示。其中，初始容腔体积 V 1 v 2 v 3 。 3 ． 1 初始容腔体积对动态性能的影响 在空载和额定载荷条件下，随着初始容腔体 积的增 加 ，启 动 瞬间 的液 压 冲击显 著 减小 ，说 明初始 容 腔体 积 的增 大 有 利 于 减小 液 压 冲击 ， 可改善液压系 统启 动 瞬 间 的动 态性 能 。但 同时 发现 ，随着 初 始容 腔 体积 的增 加 ，停 止 瞬 间 的 液压冲击略有 增 大 ，且达 到稳 定停 止 状态 的时 间会 增加 。 3 ． 2 负载条件对动态性能的影响 在相同的初始容腔体 积条件下 ，随着负 载的 增加 ，启动瞬 间的液压 冲击减 小 ，说 明负载 的增 加同样有利 于减 小液压冲击 ，可改善液压 系统启 动瞬间的动态性 能。但在液压 系统得 到改善 的 同 时发现 ，不管是启动后达到稳定运行状态 的时间 ， 还是停止后达到稳定停止状态 的时间都随着负载 的增力 Ⅱ 而增力 Ⅱ 。 一 1 5 7 6 5 3 出 2 1 0 L r _ l l J 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 时 间／ s a L r l l l I O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 时间／ s k 日 5 耋 ； 0 9 ； f I 。 _ _ 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 时间， s b 时间／ s D 4 结论 从仿真分析结果可 以发现 ，初始容腔体积 和 负载 的增加都有利于减小液压 系统启动瞬 间的液 压冲击 ，但会对停止瞬间的动态性能产生不利影 响 ，影响搬运器平层 的精确控制 ，使设备运行过 程的舒适性降低 。因此 ，在对采用液压驱动方式 的汽车专用升降机进行设计 时，应综合考虑上述 因素对设备动态性能的影 响，选择合适 的初始容 腔体 积 、负 载 质 量 、升 降 高 度 和 柱 塞 缸 结 构 参数 。 参考文献 [ 1 ]中国重型机械工业协会停车设备管理委员会 ．机械式 立体停车库[ M] ． 北京海洋出版社，2 0 0 1 ． [ 2 ]龚文 ，王庆丰 ．液压挖掘机上车结构参数与液压缸摩 擦力参数辨识[ J ] ． 中国机械工程 ，2 0 1 0 9 ． a 空载时，初始容腔体积 b 空载时，初始容腔体积 c 空载时，初始容腔体积 d 额定载荷时， 作 者龚文 初始容腔体积 V I e 额定载荷时，初始容腔体积 地 址上海市怒江北路3 9 9号 3 0 6室 f 额定载荷时，初始容腔体积 邮 编2 0 0 3 3 3 图2 液压系统压力动态仿真曲线 收稿 日期2 0 1 3一O 2 2 1 2 0 0 t 桥式起重机起升机构的动力学仿真分析 刘世 杰张亮有 太原科技大学机械工程学院太原0 3 0 0 2 4 摘要对桥式起重机的起升机构进行动力学仿真分析，建立起升机构的动力学理论模型和振动微分方程， 推导出起升工况下的动载系数；探讨了起升机构中柔性体钢丝绳的建模方法，并在 A D A MS中建立起升机构的动 力学仿真模型，进行仿真分析 ，验证理论推导的起升动载系数 ，分析机构中零部件的受力状况 ，为起重机整机 的设计及分析时力的加载提供依据 。 关键词桥式起重机 ；起升机构；动力学；仿真分析 中图分类号 T H 2 1 5 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 3 1 0 0 0 1 6 0 4 Ab s t r a c t Dy n a mi c s s i mu l a t i o n a n a l y s i s f o r h o i s t i n g me c h a n i s m o f b r i d g e c r a n e i s p e r f o r me d t o b u i l d t h e d y n a mi c t h e o r e t i c al mo d e l a n d o s c i l l a t o r y d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n f o r t h e h o i s t i n g me c h a n i s m a n d d e d u c e t h e d y n a mi c l o a d f a c t o r s u n d e r t h e l i ft i n g c o n d i t i o n；t h e mo d e l i n g me t h o d f o r fl e x i b l e wi r e r o p e o f h o i s t i n g me c h a n i s m i s d i s c u s s e d， w i t h i t s d y n a mi c s i mu l a t i o n mo d e l b u i l t i n ADAMS f o r f u r t h e r s i mu l a t i o n a n a l y s i s t o v e ri f y t h e h o i s t i n g l o a d f a c t o r s a n d a n aly z e t h e f o r c e d c o n d i t i o n s o f c o mp o n e n t s ，p r o v i d i n g r e f e r e n c e f o r l o a d i n g o f f o r c e o f t h e d e s i g n o f wh o l e c r a n e a n d a n a l y s i s ． Ke y wo r d s b r i d g e c r a n e；h o i s t i n g me c h a n i s m ；d y n a mi c；s i mu l a t i o n a n a l y s i s 桥式起重机 的起升机构通过柔性 的钢丝绳来 起吊重物 ，在工作过程 中会产生振动 ，使起重机 一 1 6 一 产生附加 的动载荷 ，本文对 起升 工况进行 研究 ， 建立起升机构 的理论模型和振动微分方程 ，运 用 起重运输机械 2 0 1 3 1 0