多功能救援车液压系统设计与仿真-.pdf

第 l 1 卷第 2 期 2 0 1 3年 4月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O UR N A L O F C O NS T R U C T I O N MA C HI N E R Y V0 1 ． 1 1 No． 2 Ap r ．2 0 1 3 多功能救援车液压 系统设计与仿真 惠记庄 ， 魏芳胜 ，高 凯 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 摘要 针对抢险救援车工作平稳性及可靠性的要求， 设计出了多功能救援车全液压驱动系统． 利用 A ME S i m软 件建立了液压系统模型， 通过设置主要参数 ， 实现了液压系统动态仿真， 同时对各部件进行了性能分析， 得出多 功能救援车在工作过程中回转马达与行走马达输 出转矩、 负载、 流量以及工作压力随时间的变化曲线． 结果表 明 救援车各液压执行部件在外负载变化时运动平稳 ， 整个液压系统在外部复杂条件变化时能够有效地进行工 作， 验证了设计的合理性． 关键词多功能救援车； 液压系统 ； A ME s i m； 仿真 中图分类号 T H 1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 3 0 2 0 1 1 7 0 5 Hy d r a ul i c s y s t e m d e s i g n a n d s i mu l a t i o n 0 n 1． ．n 』 ● 1 1 ● ● m ul tl I Unctl 0nal reSCUe Venl Cl eS HU IJ i z h ua ng，WEI Fa n g - s h e n g，GAO Ka i Ke y L a b o r a t o r y f o r Hi g h wa y Co n s t r u c t i o n Te c h n o l o g y a n d E qu i p me nt o f Mi ni s t r y o f Ed u c a t i o n， Ch a ng’ a n Uni v e r s i t y， Xi ’ a n 71 0 06 4， Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t s o f wo r k i n g s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y f o r t h e mu l t i f u n c t i o n a l r e s c u e v e h i c l e ， a f u l l h y d r a u l i c s y s t e m d r i v i n g s y s t e m o f mu l t i f u n c t i o n a l r e s c u e v e h i c l e s i s f i r s t d e s i g n e d ．Th e n， t h e h y d r a u l i c s y s t e m mo d e l i s e s tab l i s h e d u s i n g A ME S i ． B y s e t t i n g t h e ma j o r p a r a me t e r s 。 t h e d y n a mi c s i mu l a t i o n i S c a r r i e d o u t ． Me a n wh i l e ， e a c h c o mp o n e n t i S c o n d u c t e d v i a p e r f o r ma n c e a n a l y s i s ． Ne x t ， t h e o u t p u t t o r q u e， l o a d i n g ， f l o w v o l u me a n d wo r k i n g p r e s s u r e c u r v e s o f r o t a r y a n d d r i v i n g mo t o r s a r e o b t a i n e d o v e r t i me s ca l e ． F i n a l l y。 i t i S o b ser v e d f r o m r e s u l t s t h a t e a c h h y d r a u l i c e x e c u t o r i S o pe r a t e d s tab l y wi t h v a r i a t i o n o f e x t e r n a l l o a d s ． F u r t h e r s t u d i e d ， t h e e n t i r e h y d r a u l i c s y s t e m ， wh i c h ca n e f f e c t i v e l y wo r k u n d e r e x t e r n a 1 c o mp l i cat e d c o n d i t i o n s 。 i s v e r i f i e d i n t e r ms o f d e s i g n r a t i o n a l i t y ． Ke y wo r d s mu l t i f u n c t i o n a l r e s c u e v e h i c l e ；h y d r a u l i c s y s t e m； Es i m ；s i mu l a t i o n 多功能救援车集铲装、 挖掘、 推土、 破碎等多种 功能于一机， 是一种适应性较强 的现场施工 与救援 机械 ， 广泛应用于工作环境恶劣 、 工作状 态复杂多 变、 复合运动较多的场合． 国外多功能救援车研究 起步较早 ， 形式多样化 ， 车型 比较齐全 ， 如美 国“ 山 猫” 、 “ 凯斯” 多 功能滑 移转 向装 载机 ， 具有体 积小 巧、 自重轻 、 功能多 、 越野性 能好 、 适应救 援现场能 力强、 遥控功能强、 作业范围较大 的特点[ 1 ] ． 国内对 多功能抢险救援车的研究起步较晚， 在 2 0 世纪 7 0 年代初才开始自 行开发设计挖掘装载机， 技术水平 落后国外不少， 主要体现在部分产品安全性能和可 靠性不能满足抢险救援的需要， 主机故障率高， 作 业性能不稳定等． 多功能救援车的平稳性和可靠性是保证救援 工作质量的重要指标 ， 而救援 车各机构经 常起 动、 换向、 制动， 外负载变化 比较大， 振动和冲击多， 这 对传动系统的设计带来了很大的困难， 通常需要采 用液压驱动的方式实现平稳性和可靠性， 因此， 液 基金项 目 陕西省 自然科学基金资助项 目 2 O l l J M7 0 0 7 作者简介 惠记庄 1 9 6 3 一 ， 男， 教授， 工学博士． E - m a i l h u ij z 6 3 6 3 c h d ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 8 中国工程机械学报 第 l 1 卷 压系统是多功能救援车设计的关键之一． 本文针对 多功能救援车所受大而时变外负载的特点 ， 对其液 压系统进行了设计和仿真， 并对各部件进行了性能 分析 ． 1 多功能救援车液压系统设计 多功能救援车由工作装置 、 回转机构及行走机 构大部分组成 。 工作装置包括动臂机构 、 斗杆机构 、 铲斗连杆机构、 通用连接器 、 具体工作元件 ． 上述所 有机构的动作均由液压驱动来完成． 另外在工作的 过程中还需要液压支架来保证多功能救援车工作 的平稳性． 考虑到功率的损耗情况以及制造成本等 众多问题， 采用单变量泵液压系统． 1 ． 1 液压 系统工作原理 该救援车液压部分主要 由主轴箱液压 系统组 成． 其主要元件有液压油箱、 液压电机 、 泵 以及辅助 设备等． 工作方式为单独控制或复合控制动臂油 缸、 斗杆油缸和工作元件油缸的伸缩， 来满足工作 元件走到指定 目的地并进行挖掘、 破碎 等具体工作 的要求． 行走装置分别由左右 2 个液压行走马达来 控制速度 ． 当左右 2个马达 的转速不一样 的时候 ， 比如说左行走驱动马达 的转速 比右行走驱动马达 的转速大， 救援车就可以完成右转弯的动作； 反之， 则可以完成左转弯的动作． 多功能救援车下端还设 计有小型推土铲， 为救援车行走驱逐障碍， 推土铲 的实际具体位置 由推土铲控制油缸 的伸缩来控制 ． 在完成不同工作元件更换的时候 ， 通用连接器的快 换油缸的伸缩可 以控制活动锁舌 的开启与闭合 ． 同 时， 该救援车还设计有 2个备用 的液压 回路 ， 在特 殊情况下 ， 救援 车可以当作一个 液压 泵站 ， 用来 充 当千斤顶或手动液压工具等的动力源[ 2 ] ． 1 ． 2 液压 系统的基本回路 多功能救援车液压系统 的基本 回路主要包括 回转 回路 、 行走 回路 、 工作装置回路等 ． 1 ． 2 ． 1 回转 回路 救援车回转机构上车质量比较大， 在做回转运 动时转动惯量也比较大， 尤其是启动、 瞬间制动或 突然换向时， 都会引起较大的液压冲击． 液压冲击 通常会对整个救援车 的液压 系统 以及元件产生较 强的振动和噪声． 为此 ， 救援车的 回转机构采用特 殊回路来保护元件， 保证正常的回转动作． 回转液 压 回路见图 1 ． 本 回转机构液压 回路设计 中， 溢流阀起压力控 制作用 ， 2个单 向阀起补油的作用 ， 缓冲回路 由2个 缓 冲阀并联组成． 其中每一个缓 冲阀的高压油 口都 与另外一个缓 冲阀的低压油 口相连接 ， 当回转机构 突然制动、 停止或者反转时， 高压腔中的液压油可 以经过缓 冲 阀直接进 入低压腔 ， 能够缓解 压力 冲 击． 并且这种 回路还有补油量少 ， 背压低 ， 高工作效 率的特点L a 3 ． 1 硅 ] 【 一 i l l I 1 ． 回转马达；2 ．缓冲阀；3 ． 溢流阀 图 1回转 回路液压 图 Fi g． I Ro t a r y l o o p h y d r a ul i c di a g r a m 1 ． 2 ． 2 行走 回路 如图 2 所示 ， 在行走 回路 中设 置有制动油路 ， 制动油路与马达 的液压锁油缸相连接 ， 制动油缸为 常闭式 ． 非工作状态时， 阀 1打到中间挡上 ， 变量 马 达处于锁定状态 ． 当油泵开始 向行走马达供油 时， 压力油推动阀 1 置于其他挡位时， 压力油可以经过 阀 1 进入制动油缸 ， 压缩弹簧 ， 马达液压锁解除． 此 外， 行走回路中还设计有变速回路． 变速阀由先导 压力进行控制 ， 当变速 阀上无先导压力作用 时， 变 量马达以正常的速度运转； 当变速阀上有先导压力 时 ， 阀体压缩弹簧上移 ， 控制压力 油则 可 以进入变 速马达控制油缸 ， 从 而调节行走变量 马达的斜 盘 ， 使行走马达排量增大 ， 并且 以较高 的速度 运转． 与 回转 回路一样 ， 行走回路中也设计有补油及缓冲回 路 ， 2组变速阀 2并联于 主油路 中并且与气液转换 器相连接． 当其中一个 阀 2处于高压但不足 以顶 开 阀2时， 压力油会进入气液转换阀的一端， 同时气 液转换 阀的另一端液 压油压力增 大会顶开单向阀 进行回路补油． 当马达突然制动或反转时， 此气液 转换阀可 以起到缓冲油压的作用 ， 有效地减少 了油 压对马达的冲击 ． 1 ． 2 ． 3 工作装置回路 救援车工作装置回路主要包括动臂、 斗杆、 具 体工作元件、 通用连接器快换缸和 2 个备用回路． 这些工作装置基本上由液压缸驱动 ， 而且在工作 的 时候均承受较大的力． 所设计的液压回路如图 3 所 示． 因为油缸所承受的压力 比较大， 当工作中遇到 较大的 阻力 时， 液 压 油 管 中 的压 力 也 在 不 断增 大 ， 为避免液压元件和油管被强大的压力破坏 ， 在进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 惠记庄， 等 多功能救援车液压系统设计与仿真 1 1 9 ⋯ ⋯ 辩 辫 1 ． 变量马达 ；2 ． 变速 阀；3 ． 蓄能 阎；4 ．换 向阀； 5 按 先导阀 图2 行走回路液压图 Fi g． 2 Wa l ki ng l o o p h y d r a u l i c d i a g r a m 油路 中设有溢流阀， 当油压力足够大并且超过溢流 阀限制压力时 ， 液压油则会顶开 阀体泄 油至油箱． 回路中的2个单项阀直接接油箱， 起补油作用． 备 用 回路 中接有三通球阀与截止 阀， 可 以有效 方便地 控制连接备用元件油路 的通断 ] ． 图 3 工作装置 回路 Fi g． 3 W o r ki n g d e v i c e l oo p 2 液压 系统建模 在液压系统仿真软件 E S i m环境下 ， 对救援 车液压系统进行合理假设 与简化． 液压系统 中有些 部分无法完全按照设计的元件照搬， 对其作了部分 替换， 但都遵循不改变系统特性的原则， 完整的液 压系统模型建立如图4 所示 ． 3 仿真分析 3 ． 1 仿真参数设置 在 A ME S i m软件仿真时， 系统所有模型均被参 数化， 各元件主要参数设置如下 三位四通电磁阀 各通路流量为 3 0 L ra i n ～； 溢流阀最大工作压力 为 3 1 ． 5 MP a ； 泵的排量为 2 6 8 ml r ； 发动机转速 为1 5 0 0 r mi n ～； 液压缸内径为 8 0 ram； 活塞杆直 径为 5 5 mm； 液压缸行程为 1 m， 质量为 5 0 0 k g ； 回 转马达排量为 1 7 2 ml r ～， 转速为 3 1 0 r mi n ～； 行走马达排量为1 2 9 ml r ～， 转速为5 0 0 r rai n 一 1 马 达 负 载 库 仑 摩 擦 力 2 D O 0 N，转 动 惯 量 为 1 m 2 ； 黏滞摩擦系数为 1 ； 库仑摩擦系数为0 ． 1 ； 油液 密度 为 8 5 0 k g m～； 体 积弹性 模量 为 1 _ 7 G P a ； 绝对黏度为 0 ． 0 5 1 P a s ； 油温为 4 0℃． 其他元件都采用系统的默认参数， 最后对救援 车全液压系统进行 3 0 S 的仿真， 步长为 0 ． 0 5 S ， 前 1 0 s 电磁阀 1接通 ， 只给油缸添加负 载； 中间 1 0 S 电磁阀 2也接通 ， 回转马达与液压油缸 同时接通 ； 最后时间， 接通电磁阀 3 ， 所有执行元件共同工作， 得到液压系统的响应情况L 9 ] ． 图 4 救援车全液压系统仿真模型 Fi g． 4 Who l e h y d r a u l i c s y s t e m o f r e s c u e v e h i c l e s i mul a t i o n mo d e l 3 ． 2 液压油缸仿真结果 采用闭环控制 的液压缸 系统 ， 将活塞杆 的位移 作为反馈信号与输入信号来进行比较， 其差值信号 直接作用于电磁阀来控制油路的通断， 如图 5 所 示． 由图 5 可以看出， 活塞杆位移比起输入的信号 指令虽有些滞后 ， 但是很好地起到 了位 置跟踪系统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 l 1卷 的闭环 跟踪 效 果 ， 体 现 出 了 闭环 控 制 系统 的优 越性． 图 5液压 缸位 移曲线 Fi g ． 5 Hy d r a u l i c c y l i n d e r d i s p l a c e me n t c ur v e 3 ． 3 回转马达仿真结果 回转马达工作时油路 的通 断 由比例 电磁 阀 2 来控制， 见图6 ． 当给电磁阀2添加输入信号后， 液 压回路接通， 同时添加逐渐增大直到理论计算的最 大值时再缓慢减小负载信号． 系统在马达与负载中 装有扭矩转 换器 ， 可 以将马达输 出转矩转换 为信 号， 并且与输入信号 比较 ， 形成一个 环闭的控制系 统， 其信号差值直接作用于比例电磁阀 2 ， 可以根据 负载的大小来控制 阀 2的大小 ， 进 而控制压力 ， 使 回转马达液压系统元件得到保护 ． 在添加实际负载 后 ， 液压马达可以正常工作 ， 随着负载缓慢增大 ， 马 达的输出转矩也随其改变 见图 7 ， 并且可以达到 理论计算的最大值 4 6 0 N m． 图 6比例 电磁 闷 2输入信号 Fi g． 6 I n p u t s i g na l o f p r o p o r t i o n a l s o l e n o i d v a l v e 2 回转马达启动瞬间， 负载急剧加大并且引起液 压系统工作压力的变化， 系统能够根据输出转矩的 反馈信号合理地调整比例电磁阀阀口的大小， 在保 护液压元件 的前提下输出更适合外负载变化 的 转矩 ． 晕 ＼ 埤 图 7回转马达输出转矩 Fi g ． 7 Rot a r y mo t o r o u t p u t tor q u e 3 ． 4 行走马达仿真结果 行走马达的负载变化曲线如图 8 所示， 所添加 的负载由零缓慢增加到理论最大值 4 1 5 N m， 并 且超越最大值到 5 0 0 Nm； 然后缓慢下降并 趋 向 于一个定值， 完全模拟实际中救援车行走起步时以 及起步后平稳行走 的状况． 在这种工况下 ， 行 走马 达流量变化如图 9所示 ， 在救援车启动一瞬 间， 流 量 由零突然增大 ， 再缓慢减小 ， 与负载的变化完全 类似． 行走马达的进出口压力变化如图 l 0 所示， 当 负载转矩变大时 ， 马达进油 口压 力也 随其变大 ， 最 大压力为 3 0 IV I P a ， 符合系统中的最高压力设计， 出 油口压力变化情况则与进油 口恰恰相反． 舍 ＼ 蜒 鼋 I 5 图 8 行走马达负载变化曲线 Fi g ． 8 Lo a d c h a ng i ng c u r v e o f wa l k i n g mo t o r 4 结论 1 分析了多功能救援车液压系统的工作原 理及基本 回路 ， 完成了救援车液压系统的设计 ． 2 利用 皿s i re 液压软件 对救援 车全 液压 系统进行建模仿真， 得出不同工作状态下各个执行 元件的变化响应情况， 表明该液压系统的设计可以 根据外负载的变化自动调节排量的大小， 能够满足 所设计的平稳性要求 ． ∞ ∞ ∞ ∞ 如 ∞ 如 ∞ 如 O 如 4 4 3 3 2 2 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 惠记庄 ， 等 多功能救援车液压系统设计与仿真 1 2 1 2 O - 2 一_ 4 ．口一 6 一 8 栅 一 1 O 爝 一 1 2 - 1 4 1 6 一 l 8 O 5 1 O l 5 2 0 2 5 3 O 时间 ／ S 图9 行走马达流量变化曲线 F i g ． 9 Fl o w r a t e c h a n g i n g c u r v e of wa l ki n g mo t o r 出 ＼ 出 5 l O l 5 2 O 25 3 O 时间 ／ S 圈 1 0行走马达进出口压力变化曲线 F i g ． 1 0 I n l e t p r e s s u r ea n d o u t l e t p r e s s u r ec h a n gin g c u r v es o fwa l ki n g mo t o r 3 本文研究结果对实际系统的设计和调试 具有指导意义， 能够提高设计可靠性和工作效率， 降低设计成本． 参考文献 [ 1 ] 徐晓光， 喻道远， 饶运清． 工程机械的智能化趋势与发展对策 口] ． 工程机械， 2 0 0 2 6 9 1 0 ． XU Xia o g u a n g。 YU Da o y u a n，I 己 A 0 Y u n qi n g．I n t e l l i g e nt t r e n d a n d d e v e l o p m e n t c o u n t e r me a s u r e o f c o n s t r u t io n m a c h in e r y E J ] ． Co n s t r u t i o n Ma c h i n e r y a n d E q u i p me n t ， 2 0 0 2 6 91 0． E 2 ] 宋晓军， 刘帮成． 一种新型多功能液压车液压系统的设计E J ] ． 机 电产 品开发与创新 ， 2 0 1 0 ， 2 3 6 4 2 4 3 ． S I ] N G X i a o j u n 。 L I U B a n g c h e n g ． D e s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e m o f a n e w m u l t i f u n c t i o n a l h y d r a u l i c p o w e r c a r t [ J ] ． D e v e l o p m e n t ＆ I n n o v a t i o n o f Ma c h i n e r y＆ El e c t r i c a l Pr o d u c t s ， 2 0 1 0， 2 3 6 4 2 4 3． [ 3 ] N Y E T J ， E L B A D A N A M， B O N E G M． R e a l t i m e p r o c e s s c h a r a c ter i z a ti o n o f o p e n d i e f o r g i n g f o r a d a p t i v e c o n t r o l [- J ] ． J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ma ter i a l s a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 ， 1 2 3 4 5 1 15 1 6． [ 4 3 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 ． YA 0 HI l a ix．m．Wa l k i n g ma c h i n e h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n a n d c o n tr o l M] ． B e ij in g C h i n a C o m m u n i c a ti o n s P r e s s ， 2 0 0 2 ． [ 5 3 徐红旗， 孙成波， 马庆国． 1 1 0 M N锻造液压机液压系统设计研 究口] ． 液压与气动, 2 0 1 0 1 1 5 6 5 8 ． X U H o q i ， S U N C h e ngb o ， MA Q i n g g u o ． D e s i g n o f h y d r a u l i c s y s tem f o r l l 0 MN f o r g i n g p r e s s[ J ] ． C h i n e s e Hy d r a u l i c s Pn e u ma t i c s， 2 01 0 1 1 5 65 8． [ 6 ] 黄宗益， 叶伟， 李兴华． 液压挖掘机液压系统概述[ J ] ． 建筑机 械化 ， 2 0 0 3 9 1 4 1 6 ． 删 ANG Zo n g y i ， YE we i ，LI Xing h u a ．A s u r v e y o f h y d r a u l i c s y s t e m in h y d r a u l i c e x c a vat o r s [J] ． C o n s t r u c t i o n Me c h a n i z a tio n， 2 0 03 9 1 41 6． [ 7 ] wu D u p i n g ． Mo d e l i n g a nd e x p e r i m e n t a l e val u a t i o n o f a l o a d - s e n s i n g a n d p r e s s u r e c o m p e n s a t e d h y d r a u l ic s y s te m[ D] ． S a s l 【 l t 0 o n Un i v e r s i t y o f S a s k a teh e wa n， 2 0 0 3． [ 8 ] 陈永峰， 陈杰荣． 工程车辆A A 扣 E s i Ⅱ l 建模与转向性能仿真[ J ] ． 中国工程机械学报 ， 2 0 0 8 ， 6 1 2 4 1 14 1 2 ． C 眦 N Y o n g f e ng。a珏N J i e r o n g ．A 】Ⅷ mo d e l i n g a n d s t e e r i n g p e r f o r m a n c e s i m u l a ti o n f o r c o n s t r u c ti o n v e h i c l e s [ J ] ． C h in e s e J o u r n a l 0 f Co n s t r u c t i o nMa c h ine r y ， 2 0 0 8 ， 6 1 2 4 1 1 4 1 2． [ 9 ] 惠记庄 ， 罗联社， 纪真． 新型泥浆泵液压系统设计与仿真分析 [ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 9 ， 2 8 1 0 1 2 7 1 1 2 7 4 ． HU I J iz h u a ng， I 0 L ia n s h e ， J I Z h e n ． De s i g n a nd a n a l y s i s o f t h e h y d r a u l i c s y s te m o f a m u d p u m p [ J ] ． Me c h a n i c a l S c i e n c e a nd Te c h n o l o g y f o r A e r o s p a c e Eng i n ee r i n g。2 00 9，2 8 1 0 1 2 7 1 一 】 2 74 ． 如 加 m O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m