基于AMESim的全液压轮胎起重机行走系统仿真与优化.pdf

2 0 1 0年 5月 第 3 8卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS Ma v 2 0 1 0 V0 1 ． 3 8 No ． 1 0 D O I i O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 0 ． 0 1 9 基于 A M E S i m的全液压轮胎起重机行走系统仿真与优化 刘茂福 ， 1 ．湖南机 电职业技术学院，湖南长沙 4 1 0 1 5 1 ； 曹显利 2 ．三一重工股份有限公 司，湖南长沙 4 1 0 1 0 0 摘要分析全液压轮胎起重机行走系统的工况要求 ，根据全液压轮胎起重机的工况要求提出行走系统采用液压传动系 统 驱动桥的传动方案和元件参数，并采用 A ME S i m仿真平台构建了全液压轮胎起重机行走驱动系统机械 一液压 一控制系 统模型 ，通过对模型 的制 动性 能进 行虚 拟 测试 和 参数 优 化 ，得 出了全 液压 轮 胎 起重 机 行走 液 压 系统 制动 阀中位 流量 为 2 6 0 L ／ mi n 、压差为 5 MP a时具 有合适的压力特性 和制 动时间的结论 。 关键词A ME S i m；全液压轮胎起重机；行走系统；仿真 ；优化 中图分类号 T B 2 4 文献标 识码 B 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 01 00 5 5 2 S i mu l a t i o n a nd Opt i mi z a t i o n o f Hy d r a u l i c W he e l Cr a n e Tr a v e l i n g S y s t e m Ba s e d o n AM ES i m U U Ma o f u ． CAO Xi a n l i 1 ． Hu n a n Me c h a n i c a l El e c t r i c a l P o l y t e c h n i c ．C h a n g s h a Hu n a n 4 1 01 5 1 ， C h i n a ； 2 ． S A N Y H e a v y I n d u s t C o ． ，L t d ． ，C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 1 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c o n d i t i o n r e q u i r e me n t s o f t r a v e l i n g s y s t e m o f h y d r a u l i c wh e e l c r a n e we r e a n a l y z e d ． A c c o r d i n g t o r e q u i r e me n t s o f h y d r a u l i c w h e e l c r a n e ， t h e t r a v e l i n g s c h e me o f h y d r a u l i c t r a v e l i n g s y s t e m w i t h d ri v i n g b rid g e w a s p u t f o r w a r d， t h e c o mp o n e n t p a me t e r s o f t r a v e l i n g s y s t e m w e r e d e t e r mi n e d ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t r a v e l i n g s y s t e m o f h y d r a u l i c w h e e l c r a n e w a s b u i l t b a s e d o n AMES i m a n d v i r t u a l t e s t s w e r e ma d e t o s i mu l a t e t h e b r a k e p e r f o r ma n c e ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t a h t w h e n fl o w i s 2 6 0 L ／ mi n a n d p r e s - s u r e d i f f e r e n c e i s 5 MP a o f b r a k e v a l v e mi d d l e p o s i t i o n， t h e t r a v e l i n g s y s t e m h a s p r o p e r p r e s s u r e p r o p e r t y a n d b r a k e t i me ． Ke ywor d sAMESi m ； Hy d r a u l i c wh e e l c r a ne； Tr a v e l i n g s y s t e m ；Si mu l a t i o n； Opt i mi z a t i o n A ME S i m是法 国 I M A G I N E公 司 开发 的一 款多 学 科 仿真平 台 ，A ME S i m提供 了一个 系统工 程设计 的完 整平台 ，使得用 户可以在一个平台上建立复杂 的多学 科 领域 系统的模 型 ，并 在此基 础上进行仿真计算和深 入 的分析 。用户可 以在 A ME S i m平 台上研究元件 或系 统 的稳态 和 动态 性 能 ，例 如其 在燃 油 喷 射 、制 动 系 统 、动力传动 、机 电系统 和冷却 系统 中的应 用 。面向 工程应用 的定位使得 A ME S i m成为汽车 、液压和航 天 航空工业研发部 门的理想选择 。工程设计 师完全可以 应用集成 的一 整套 A ME S i m应 用库来 设计 一个 系统 ， 所 有这些来 自不 同物理领域的模型都是经过严格 测试 和实验验 证的。A M E S i m使得工程 师迅速 达到建模 仿 真的最终 目标 分析和优化工程师的设计，从而帮助 用户 降低 开发成本 和缩 短开发周期 。 1 全液压轮胎起重机行走工况分析 作者在 A ME S i m平 台上对某型全液压轮胎起重 机 行走液压 系统进行建模 和仿真 。 全液压轮胎起重机的工作装置与履带起重机类 似 ，其行走系统采用液压驱动 。全液压轮胎起 重机是 将起重作业部分装在专门设计的自行轮胎底盘上组合 而成 。全液压式起 重机总体 布 置不受 底盘 结构 限制 ， 轮距较宽 ，稳定性好 、轴距小、车身短小、转弯半径 小，可适用于狭窄的作业场所。全液压轮胎起重机可 前后、左右四面作业 ，在平坦的地面上可不用支腿吊 重并能 吊重慢速行驶 。全液压 轮胎起 重机行驶速度 比 汽车起重机慢 ，其机动性不及汽 车起 重机 ，但 与履带 式起 重机相 比，具有便于转移和 可在城 市道路 上通过 的性 能 。全液压轮胎起重机采用行驶操纵 和起 重作业 操作 合一 的驾驶 室 ，可在 驾驶 室 中控 制 上下 车 的动 作。例如 “ 徐工”生产 的全液压轮胎起重机具有伸 缩式箱型主臂、桁架式副臂、液压油缸前支变幅、先 导式液压操纵 系统 、全 轮液压转 向的结构特点 。整机 配备了完善的安全装置，如自动力矩限制器、高度限 位器，整机性能优越 、作业可靠性好。 行走系统采用液压传动的全液压轮胎起重机，最 高行驶速度在 2 0 k m ／ h 左右 ，其行驶工 况主要 是短距 离的转场行驶，要求低速行驶稳定性好 ，高速行驶效 率高，行驶平顺性好，具有快速平滑的启动和制动性 能 ，在坡 道上行驶时安全可靠 。 基于以上工况要求，液压系统需要具备 以下性 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 2 0 作者简介刘茂福 1 9 6 4 一 ，男，副教授，研究方向为机械制造技术 、高职教育。Em a i l l m a o f 1 6 3 ． e o m。 5 6 机床与液压 第3 8卷 能启动时具有较高的溢流压力 ，以获取较好 的加 速性 ；制动时低压腔无吸空现象；具有液压离合器功 能，以获得坡道滑行功能；具有滑行高速限制功能， 以防止长距离滑行时超速 。 2液压系统方案 根据行驶工况的要求，全液压起重机行走系统采 用液压传动系统 驱动桥的传动方案，即动力由发动 机经液压泵 、主控制 阀、行走功能阀组 、液压马达传 到驱动桥 。液压系统具有布置灵活 、控制方便 、低速 性好等优 点 ，驱 动桥 具有 成熟 稳 定 ，同时集 成 了减 速、差速的驱动功能等优点，所以此传动方案具有突 出的优点和实用价值。 全液压轮胎起重机的行走液压系统采用开式传动 方案，液压泵采用 A 8 V O 1 0 7双联轴向电比例柱塞泵 ； 主控制 阀采用三位六通电 比例方 向控制阀 ；行走 功能 阀组包括行走制动阀和补油溢流阀 ，能够 防止液压系 统压力过高和吸空 ，同时使 系统制 动平稳 ；液压 马达 采用 A 6 V M 2 0 0 E P 2双 向变量马达 。 3 液压系统建模与参数设置 根 据全 液压轮胎起 重机行走 液压系统 结构和各液 压元件的样本参数 ，建立其行走液压驱动系统的仿真 模 型如图 1 所示 。 6 1 -- 液 压 马达 2 一 补 油溢 流 阀 3 一 行 走制 动 阀 4 一主 控制 阀 _ - 主 溢流 阀 6 - - - 背 压单 向阀 7 -- 液 压泵 图 1 全液压轮胎起重机行走液压系统仿真模型 4 仿真测试与参数分析 作者在对全液压轮胎起重机行走液压系统进行仿 真实验时 ，主要研究液压系统在制动时的压力变化、 制动时间和速度平顺性等。 全液压轮胎起重机制动时，高压腔需要有较高的 压力，但持续时间不能过长 ；低压腔压力不能过低。 速度平顺性是 全 液压 轮胎 起 重机 制动 性 能的综 合评 价 ，其主要评价指标包括溢流时间、吸空时间、最低 压力 、制动时 间等 。 制动阀中位的通流面积对制动速度平顺性有极大 影响 ，此开 口面积 较大时 ，可 以减 少高压溢流 的时间 和低压 吸空的时 间，提高吸空时 的最低 压力 ，这 对改 善系统的制动性能极有好处，但会降低系统的制动能 力 ，延长制动 时 间。所 以，存 在一 个最 佳开 口面积 ， 可 以通过仿真测试和虚拟实验 的方式确定此开 口面积。 采用在 P T之间产生 的压 差和流量 来表征 其开 口 面积 ，并 分 别 取 其 流 量 为 1 6 0 lMm i n 、2 1 0 l Mm i n 、 2 6 0 lM mi n。 图 2 4 是 在这 3个 流量 下 的溢 流时 间、吸空 时 间、最低吸空压 力和制 动时 间曲线 图。起 重机在 t 4 0 s 时 已经达 到最高 速度 ，从 t 4 0 s 开 始 液压 制 动 ，即， 主 泵 排 量 回 到 满 排 量 的 1 5 ％ ；主 控 制 阀 回到 中位 ， 液压系统进入 制动状 态 ；行 走制动阀也 回到 中位 ，开始 制动。 l 160L， m i n 2 21 0 L／ m i n 3 260 T ． ／ m i n 日 2 堇1 幽 0 1 1 6 0 L／ mi n 2 2 1 0 L／ mi n 3 2 60 L／ m i n 36 皇 3 5 3 4 出 3 3 32 目 宣 宝 蔺 4 0． 0 40 ． 5 41 ． 0 4 1 ． 5 42 ． 0 4 2 ． 5 时 间， s 图2 高压腔溢流 压力曲线 图 3 低压腔吸空压力曲线 图4 制动时间曲线 表 1 不 同流量下的数据统计表 可见 ，在制动 阀的 3个不 同开 口下 ，溢流时间相 差较大，说明制动阀中位开 口对高压溢流有显著影 响；吸空时间与溢流时间相同，说明溢流与吸空同时 发生 ，溢流导致吸空；曲线 1 、2的最低吸空压力接 近真空 ，吸空情况较为恶劣 ，而曲线 3的最低压力达 0 ． 6 5 MP a ，未 出现吸空现象 ；制动 时间相差较大 ，说 明制动阀中位开 口对制动时间有显著影响。 5结论 溢流和吸空是全液压轮胎起重机液压系统本身的 固有缺 陷 ，需要改进设计来消除 。全液压轮胎起重机 一 般另有机械制动器 ，所以，应该确保液压系统本身 下转第 2 2页 2 2 机床与液压 第 3 8卷 工 。其机加工工序如下 1 铣 底 平 面，保 证 尺 寸 8 o m m、壁 厚 1 5 l a i n ，表面粗糙度 R a 6 ． 3 ； 2 钻 2 - M1 2 - 6 H螺纹 底孔 4 , 1 o ． 8 m m，保证 尺 寸 1 4 0 0 ． 3 m m，1 1 5 ． 5 r n l n ，表面粗糙度 R a 6 ． 3 ； 3 倒角至螺纹深 ； 4 攻丝 ； 5 清洗、防锈； 6 检验 。 2 ． 3 精密铸造技术要 求 2 ． 3 ． 1 铸件尺寸公差 铸件尺寸公差和几何形状应符合铸件图规定，铸 件图应根据 产品图和机加工工艺要求制定 。 铸件尺寸公差按 G B 6 4 1 4有关规定执行，公差值 应符合表 1 规定。 表 1 铸件尺寸公差值 2 ． 3 ． 2 铸件化学成分 碳素钢铸件化学成分应符合表 2规定。 表 2 碳素钢铸件化学成分 注Ⅲ类铸件及力学性能符合要求的 I、Ⅱ类铸件，化学 成分允许偏差为 ％S i 0 ． 0 3，Mn 0 ． 0 5 。 2 ． 3 ． 3 碳素钢铸件、合金钢铸件力学性能 碳素钢铸件、合金钢铸件力学性能应符合表 3规 定 。 表 3 牌号 Z G 4 5碳素钢铸件 、合金钢铸件力学性能 2 ． 3 ． 4 铸件金相组织 碳素钢铸件 、合金钢铸件金相组织应符合表 4规 定 。 表 4 铸件金相组织 3结语 经过改进 设 计后 ，简化 了发动 机 后 悬 置 的结 构 过去由悬置支架和悬置安装支座两个零件组成，现在 变成了集二合一的一个零件 ，减轻了质量 总质量降 低了约 2 0 k g ，降低了成本 直接降成本额度为 1 5 0 辆 。经过整 车装 配和用户使用实践证 明，这种改 进是完全科学合理的 ，具有广泛的推广使用价值。 参考文献 【 1 】 邓文英， 郭晓鹏． 金属工艺学 [ M] ． 北京 高等教育出版 社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】王毓敏， 练勇． 金属材料及热处理[ M] ．重庆 重庆大学 出版社． 【 3 】丁根宝． 铸造工艺学[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 5 ． 【 4 】范子杰． 有限元讲义． 【 5 】李双寿． 现代汽车制造技术讲义． 【 6 】东风商用车技术中心发动机部． 发动机安装与评审． 【 7 】 侯家驹． 汽车制造工艺学[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 991 ． 【 8 】东风汽车精密铸造厂． 发动机悬置 1 0 B 5 0 B 0 - O 1 0 4 0工艺 卡 和检验 卡． 上接第 5 6页 的过压保护和欠压保护功能 。 综上所述 ，制动阀 中位通流面积对全液 压轮胎起 重机 的制定平顺性 能有 显著影 响 ，当 之 间的流量 为 2 6 0 L ／ m i n 、压差为 5 0 M P a时具有合适 的压力特性 和制动时间 ，符合全液压轮胎起重机行走制动性能 的 要求 ，是 较为理 想的参数 。 参考文献 【 1 】I N A G I N E ． A ME S i m 4 ． 2 U s e r Ma n u a l [ M／ O L] ． h t t p ／ ／ www． a me s i m． t o m， 2 00 5． 【 2 】 姚怀新． 行走机械液压传动与控制[ M ] ． 北京 人民交通 出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 3 】 冯忠绪． 仿真设计与模型试验[ M] ． 西安 陕西科学技术 出版社 ， 1 9 9 7 ． 【 4 】付永领， 祁晓野． A ME S i m系统建模与仿真 从入门到精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 5 】高顺德 ， 张明辉． 大 型履带起重机回转液压系统仿真 [ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 7 4 4 7 5 1 ．