清雪车液压避障系统的设计.pdf

2 0 1 1年 8月 第 3 9卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 1 Vo I ． 3 9 No ．1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 6 ． 0 2 5 清雪车液压避障系统的设计 陈立东，董丽涛 ，冯利臻，石磊，孙秀英 河北科技师范学院机电工程学院，河北秦皇岛0 6 6 6 0 0 摘要为实现清雪车的自动避障性能，在多功能路面清雪车的基础上对某型清雪车清雪铲液压系统进行改进设计。采 用双摇杆机构与液压驱动相结合的避障方式，既能够实现弱障碍条件下的机械避障，又能够实现强障碍条件下的液压提升 避障，以提高清雪车在不同道路条件下的自动避障功能。 关键词清雪车；液压系统；避障 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 6 0 6 9 3 De s i g n o f Hy dr a ul i c Av o i di ng Obs t a c l e S y s t e m i n Sn o w Re mo v e r CHEN Li do n g， DONG L i t a o， FENG L i z h e n， S HI Le i ， SUN Xi u y i n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e ri n g ，H e b e i N o r m al U n i v e r s i t y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 6 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T o r e a l i z e t h e a u t o ma t i c a v o i d i n g o b s t a c l e o f s n o w r e mo v e r ， a n i mp r o v e me n t d e s i g n f o r t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f a e e r - t a i n t y p e o f s n o w r e mo v e r b a s e d o n a mu l t i - f u n c t i o n al r o a d r e mo v e r ． I n o r d e r t o i mp r o v e t h e a u t o ma t i c a v o i d i n g o b s t a c l e f u n c t i o n u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n r o a d s ，u s i n g o b s t a c l e a v o i d i n g mo d e c o mb i n i n g d o u b l e r o c k e r o r g a n i z a t i o n a n d h y d r a u l i c d ri v e ，i t c a n a c h i e v e me e h a n i c al a v o i d i n g b a r ri e r u n d e r we a k c o n d i t i o n a n d h y d r a u l i c a s c e n d i n g o b s t a c l e a v o i d a n c e u n d e r s t r o n g b a r r i e r c o n d i t i o n ． Ke y wo r d s S n o w r e mo v e r ；Hy d r a u l i c s y s t e m；Av o i d i n g o b s t a c l e 随着社会的发展及机械化技术水平的不断提高， 针对浮雪 、冰以及冰雪混合物 ，人们迫切需要有一种 性能良好、自动化程度较高的机械来代替传统的清雪 方法。清雪车在路面上进行清雪作业时，雪层下面可 能会有障碍物，比如突起的台阶或下水道井盖以及散 落的重物块等。由于它们被积雪覆盖 ，驾驶员无法看 到。如果不能及时避障 ，就会造成清雪车铲雪机构的 损害，甚至造成人员的伤害。因此研制清雪车的自动 避障系统显得非常重要 。 1 液压避障系统的结构 清雪车液压避障系统由双摇杆机构和液压传动避 障系统组 成，双摇 杆 机构 由上 、下摇杆 ，摇 杆座、复 位弹簧 等组 成 ，用 于避 让弱 障 碍物；液 压传动避 障 系统用 于避 让强障碍 物 1 5～ 2 5 i n n l 高度的 障碍物 。液压传动避 障系统如图 1 所示。 图 1 液压传动避障 系统的结构 2液压系统的设计 2 ． 1 液压避 障 系统 的 工作原 理 1 一液压泵2 、l 1 、l 卜 单向阀3 一溢流阀4 一蓄能器 s 、6 _ - 三位 四通 电磁换向阔卜 液控单向阀8 一可调单向节流阀 9 - - - 节流阀l 0 一分流集流阀l 2 、l 3 一压力继电器 l 4 一压力表开关l 5 一压力表l 6 一行程开关l 8 一滤油器 图 2 液压系统原理图 收稿 日期 2 0 1 0 0 82 2 作者简介陈立东 1 9 7 3 一 ， 男，硕士，副教授，研究方向为机械创新设计与实验研究。电话1 3 7 2 2 5 5 2 3 8 5 ，E m a i l e h e n t i a n一9 4 0 3 0 8 1 6 3 ． C O rn。 7 0 机床与液压 第 3 9卷 液压避障系统由位于清雪车上的液压泵站、液压 控制元件等组成 ，原理如图2所示。 图中单向阀2可防止油倒流，起保护液压泵的作 用；溢流阀 3 起调节工作压力的作用；蓄能器4起短 期供油作用，为液压系统蓄能；三位四通电磁换向阀 5和6起换向作用 ，分别实现清雪铲的上升、下降和 后退、回位动作；液控单向阀7起平衡作用，对平衡 回路的锁定性好；可调单向节流阀 8 起平衡油路的作 用 ，可控制活塞的下降速度 ，起背压作用 ；节流阀 9 起调节下降速度的作用 ，工作时流量最大；分流集流 器 1 0在受不均载荷时可确保流量相同，从而保证系 统 同步 。 2 ． 2液压 回路 的选择 2 ， 2 ． 1 供油方式的选择 由于液压缸在工作时的 Q ⋯和 Q 值相差很大， 从提高系统效率、减小体积和简化结构 、提高工作可 靠性、节省能量等方面考虑，故决定采用单泵供油 定量泵 。 2 ． 2 ． 2 调速方式 的选择 液压调速回路分为节流调速、容积调速和联合调 速三大类 。通过工况图，找出最高压力、最高流 量和最大功率及其相应参数。因为该系统的压力不 高 、流量不大、功率较小、负载变化不大、工作平稳 性要求不高，故可采用节流阀调速回路。这种调速回 路具有结构简单、工作可靠、成本低廉 、使用维护方 便 、调速范围广等优点，但是其能量损失大、效率 低 、发热量大。为了防止动力部件前冲现象发生，在 回油路上增加背压。 2 ． 2 ． 3 速度换接方式的选择 该系统要求液压缸能进能退，且需要在行程结束 后停止保压 ，故选用三位四通电磁换向阀。其特点是 换向简单、调速比较方便、阀的安装也比较容易，但 是速度换向的平稳性低。 2 ． 2 ． 4 平衡 回路的选择 为了防止立式液压缸及其工作部件 因自重而 自 行下落 ，或在下行运动 中由于 自重而造成失控、失 速的不稳定运动，可设置平衡回路，即在立式液压 下行的回路上产生适 当的阻力，以平衡 自重。故决 定采用单向节流阀限速 、液控单向阀锁紧的平衡回 路。 2 ． 2 ． 5同步回路的选择 同步回路分为容积式 同步回路、节流式 同步回 路。为了保证系统 中的两个液压缸在运动过程 中以 相同的位移或相同的速度 或固定的速 比运动 ， 故决定采用分流集流阀的同步回路。这种同步回路 的优点是简单、方便 ，并能承受载荷的变化。但是 这种回路 的精度不高 ，单行程 中同步精度一般为 2 ％ ～ 5 ％ 同步精度为多缸间最大位置误差与行程 的百分 比 。 2 ． 2 ． 6 卸压回路的选择 液压系统在工作过程中储存了一定的压力能，当 迅速改变运动状态时将产生液压冲击。因此，对于液 压缸直径大于 2 5 c m、压力大于 7 M P a的液压系统， 通常需设置卸压回路，使液压缸高压腔中的压力能在 换向前缓慢地释放。 2 ． 3 液压 系统主要参数的确定 2 ． 3 ． 1 液压泵 根据对泵的性能要求、压力和流量等选择液压泵 规格，首先确定液压泵的工作压力。计算液压泵的工 作压力为 P 。 ≥p l ∑A P 1 0 21 2 MP a 1 式中P 。 为执行元件的工作压力，取P 1 0 MP a 。 液压泵的流量为 Q 。 ≥K ∑Q 1 ． 1 0 ． 6 2 0 ． 4 5 2 L ／ s 1 3 8 ． 6 I Jm i n 2 式中 为考虑系统泄漏和溢流阀有一定流量的系 数 ，一般取 1 ． 1～1 ． 3 ，大流量 时取小值，取 K 1 ． 1 ； ∑Q 为同时工作的执行元件所需流量之 和的最大值。 考虑到泵的额定流量应与计算所需流量相当，不 要超过太多，但泵的额定压力可以高出2 5 ％ ～ 6 0 ％， 使液压泵有一定的压力储备 ，确定液压泵 G B G 2 0 6 3 型外啮合齿轮泵作为供油泵。其额定压力为 1 6 M P a， 理论排量 6 3 m L ／ r ，额定转速 2 5 0 0 r ／ m i n ，驱动功率 4 0 ． 7 k W ，容积效率 为 r ／ ≥0 ． 9 1 ，总效率为 。 ≥ 0 ． 8 1。 Qq o n r ／ 1 0 一 6 32 5 0 00 ． 9 11 0 一 1 4 3 ． 3 3 L ／ mi n 因此，Q值与计算的Q 值相当，满足使用要求。 2 ． 3 ． 2 液压缸 液压系统包括两个竖直缸和两个水平缸，因此其 负载需要分别计算 ，单个液压缸的负载为最大负载的 一 半 。即 竖直缸 F 7 7 8 5 ． 6 0 ． 5 3 8 9 2 ． 8 N，按负载 选取压力P 0 ． 9 MP a 水平缸 F2 0 7 1 4 ． 2 0 ． 51 0 8 7 9 ． 9 8 N ，按 负载选取压力P 2 ． 5 M P a 由液压缸的工况分析选定液压缸的形式为单活塞 杆双作用式液压缸，其有效工作面积为 A 峰 4 8 0 5 ． 9 m m 2 3 A 竖一 p 卵 一0．90 ． 9一 ‘“ “ “ A 4 8 3 5 ． 5 m m 2 4 平一 p r ／ 一2 ． 5 x0 ． 9一 。 ’ “ “ “ 、。 式中F 为液压缸的最大外负载，N； P为液压缸的 第 1 6期 陈立东 等清雪车液压避障系统的设计 7 1 工作压力 ，M P a ；叼 为液压缸 的机 械效率 ，取 0 ． 9～ 0 ． 9 5。 D 竖 N ／ 4 x 4 8 0 5 ． 9 7 8 ． 2 4 m m 5 D 平 ／ 4 x 4 8 3 5 ． 5 7 8 ． 4 8 5 m m 6 当按 G B ／ T 2 3 4 8 - 9 3 将直径圆整成就近标准值时， 得到两缸的 内径值相 同为 D 8 0 m m。 根据液压缸活塞往复运动时 的速度 比 由于公 称压力≤1 0 MP a，所以取 1 ． 3 3 计算液压缸活 塞杆直径 d dD √ √ 一 o - s D - o ．5 s o 4 0 m m 7 当按 G B ／ T 2 3 4 8 - 9 3将直径 圆整成就近标准值时， 得 d 4 0 m m。 2 ． 3 ． 3 液压缸的压力 、流量和功率 压力和流量是液压系统最主要的两个参数。一般 根据这两个参数来设计和选择液压元件、辅件和原动 机的规格型号 。根据前述 D与 d值可估算液压缸 在工作循环中各阶段的压力、流量和功率 ，各参数值 如表 1 所示 。 表 1 液压缸工作循环各阶段压力、流量和功率计算表 3结论 清雪车液压避障系统综合利用了双摇杆机构和液 压避障系统，能够提高清雪车在复杂道路条件下的通 过性能，并能保证清雪效果。 参考文献 【 1 】 邓洪超 ， 马文星， 王智明． 多功能除雪车犁形前雪铲结构 设计[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 5 1 0 1 82 1 ． 【 2 】张建国． 多功能清雪车前雪铲仿真分析与改进研究 [ D] ． 长春 吉林大学， 2 0 0 6 ． 【 3 】成大先． 机械设计手册 单行本 液压传动[ M ] ． 北京 化 学工业出版社， 2 0 0 4 ． 【 3 】许福铃， 陈尧明． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 上接第 2 4页 力也逐渐增大。当． 0 ． 0 6 5～ 0 ． 0 8 m m ／ 齿之间，切 削力的增幅变化不甚 明显 ；当 0 ． 1 m m ／ 齿时，切 削力显著增大。由图 1 0可以看出随着进给量的增 大 ，切削温度上升，但切削温度随进给量增大而升高 的幅度不如切削速度那样显著。从图 1 0也可以看出 当． 0 ． 0 8 m m ／ 齿时，切削温度增幅显著增大。随着 进给量的增大，单位切削量增大，从而提高阳极铜铣 削工作的效率。在条件可能的情况下，每齿进给量选 取较大一些较为有利。通过图 9 、1 0的比较 ，可以发 现 当． 0 ． 0 8 m m ／ 齿时，切削温度、切削力都比较 小。因此 ，在铣 削 阳极铜 时，每齿进 给量 选 取 0 ． 0 8 m m ／ 齿是较佳的。 4结束语 为了检验阳极铜实际的铣削情况与验证模拟的准 确性 ，作者在机床上对阳极铜进行高速铣削实验。实 践表明模拟的结果与机床上得出的结果相 比较小 9 ％，但所反映的规律一致 ，这说明仿真结果是可靠 的。 参考文献 【 1 】S H A T L A M， K E R K C ， A L T A N T ． P r o c e s s M o d e l i n g i n M a - c h i n i n g ． P a r t 2 Va l i d a t i o n a n d Ap p l i c a t i o n s o f t h e De t e r - m i n e d F l o w S t r e s s D a t a f J ] ． I n t e r n a t i o n al J o u rnal o f Ma c h i n e T o o l s＆ Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 1 ， 4 1 1 1 1 6 5 91 6 8 0 ． 【 2 】 袁哲俊． 金属切削刀具 [ M] ． 上海 上海科学技术出版 社 ， 1 9 8 4 ． 1 2 6 4 7 0 ． 【 3 】 董辉跃 ， 柯映林， 成群林． 铝合金三维铣削加工的有限元 模拟与分析 [ J ] ． 浙 江大学学 报 工学版 ， 2 0 0 6 5 75 97 62． 【 4 】周朝辉， 曹海桥 ， 吉卫， 等． D E F O R M有限元分析系统软 件及其应用[ J ] ． 热加工工艺， 2 0 0 3 4 5 1 5 2 ． 【 5 】周泽华． 金属切削原理 [ M] ． 上海 上海科学技术出版 社 。 1 9 9 3 ． 1 1 ．