新式轻巧型曲臂高空工程作业车液压控制系统的设计与分析.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ．1 4 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 4 ． 0 1 2 新式轻巧型曲臂高空工程作业车液压控制系统的设计与分析 孙骅 ，王业潘 广州大学机电工程学院，广东广州 5 1 0 0 0 6 摘要在自行设计的一种 “ 新式轻巧型曲臂高空工程作业车”的基础上，介绍其上车、下车液压控制系统回路的设 计，并简要介绍系统的功能与特点。 关键词轻巧型；折叠曲臂；高空工程作业车；液压系统 中图分类号 T H 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 4 0 3 1 4 De s i g n a n d Ana l y s i s o f Hy dr a u l i c Co nt r o l Sy s t e m o f Li g h t - du t y Cr a nk a nd Hi g h- a l t i t ud e Co ns t r uc t i o n W o r k Tr u c k S UN Hu a． W ANG Ye p a n I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c al E n g i n e e r i n g ，G u a n e h o u U n i v e r s i t y ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e n e w l i g h t d u t y c r a n k a n d h i g h - a l t i t u d e c o n s t r u c t i o n w o r k t r u c k d e s i g n e d b y a u t h o r ，t h e d e s i g n s o f t h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e ms w e r e i n t r o d u c e d ． T h e f u n c t i o n s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s s y s t e m w e r e i n t r o d u c e d ． Ke y wo r d s L i g h t d u t y ； F o l d i n g c r a n k a r m ； Hi g h a l t i t u d e c o n s t r u c t i o n w o r k t r u c k；Hy d r a u l i c s y s t e m 高空作业车是指 3 i n以上 ，由液压或电动 系统支 配多支液压油缸 ，能够上下举升进行作业的一种车 辆。采用液压传动的载人高空作业车，是当代先进的 物种机械设备。作者新研制出的一款高空工程作业车 属于履带自行式折叠曲臂型的，它与传统高空作业车 的区别就在于 轻巧 、多折叠曲臂 、履带 自行式且人 在车外控制其行走。其液压系统含上车和下车控制系 统，其中上车控制系统主要包括回转、调幅、伸缩和 工作平台的调平系统；下车控制系统则主要包括支腿 和行走系统。作者介绍了各个液压系统和各个液压控 制系统 回路 的分析和设计 。 1 “ 轻巧型” 曲臂高空工程作业车对液压 系统技 术要求的分析与确立 “ 轻巧型” 衄臂高空工程 作业车 结构设 计 如图 1 示 。 1 ． 1 结构 与性 能分析 1 ． 1 ． 1 技术要求分析 1 该车采用的是折叠式曲臂升降工作台，且 机臂 比普通的多了一段伸缩臂 ； 2 该 车要求 可 自行行走 ，其 行走 系 统采用 的 是液压马达带动履带式系统； 3 该车的载重量为 2 0 0 k g ，可 以乘坐 2个工作 人员 ； 4 此车采用 x式 的支腿支撑 ，横 向宽度 为 1 ． 2 in a 整 体 完全折 叠 b 水 平作 业 c 最 商 位 作 业 图 1 高空作业车工作位示意图 5 其最高作业位高度为 9 in，水平工作作业位 宽度达 4 ． 2 I n ；整 车折 叠后 总尺 寸 3 ． 5 In i I n x 1 ． 8 in，其主机和底盘部分总尺寸仅为1 mI in 0 ． 7 in。 因此这是一 台 “ 轻巧 型 ” 的高 空作 业 车，要 求 控制灵活、易于操控。 1 ． I ． 2 液压系统结构 该车是具有液压多执行元件的系统。其中上车液 压 系统包含 4个机 臂变幅 液压缸 、1个用 于工 作 台 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 3 作者简介孙骅 1 9 5 8 一 ，女，研究生，副教授，主要研究方向为机械设计与创新。电话1 3 3 4 2 8 8 4 3 2 6 ，E m a i l a l i s a s u n g z h u ． e d u ． c n 。 3 2 机床与液压 第 3 8卷 的调平液压缸 、1 个机臂伸缩 缸及 1 个 回转 马达 ；下 车液压 系统含有 驱 动小车履 带的行走 液压 马达 、4 个平衡支腿支撑液压缸。 1 ． 2 液压执行器配置的分析及 负载分析计算 1 ． 2 ． 1 各机构液压执行器的配置及负载分析 图 1 所示工程车的各工位要求，通过对其工作台 调平 、小臂变幅 、中臂变幅 、平衡下 支腿 、第一和第 二下臂液压变幅缸工作状况及工位进行液压执行器 的 配置及负载分析 详细分析求解过程此处不赘述 ， 可知整个液压 系统 的执 行件相 关运 动参 数如 表 1 所 示。 表 1 液压系统执行件相关运动参数 液 压 缸 名 称 行 程 s 鋈 篓 1 ． 2 ． 2 回转机构的液压驱动马达 在质量较大的回转装置中，回转液压马达的负载 实际上相当于飞轮的转动；故此处将小车的回转机构 看成是一个外径为 4 0 0 0 m m、宽度为 1 0 0 0 m m、重 力为 2 4 5 0 N及 回转 速度 为 2 r ／ m i n的飞轮 。当工作 机构作旋转运动时，液压马达必须克服的负载力矩为 M M Mt M 式中 为工作负载力矩 ，空载启动时 ，M 0 ； 为 静 摩 擦 力 力 矩 ，启 动 时 ，M G R 0 ． 2 2 4 5 0 X 0 ． 1 4 9 N 1 T I ， 为静摩 擦系数 ，取 为 0 ． 2，R 0 ． 1； M 。为惯性力距 ，启动时的惯性负载 M。 3 5 2 ． 7 9 6 N m，G D 为回转部件 的飞轮效应。 则 M f M 3 5 2 ． 7 9 64 94 01 ． 7 9 6 N I n 2 液压控制系统方案的确定及液压原理图的拟定 2 ． 1 液压控制 系统特点分析 2 ． 1 ． 1 油路形式分析 由于该车最大的特点是 “ 轻巧 ” 折 叠起来仅 只有 1 ． 5 m高 ；要求可以自行行走；其变幅机构比 普通高空作业车多出一段伸缩臂结构。考虑到这些特 点，该车采用双泵回路系统 ，其中主泵主要为变幅、 伸缩 、回转系统和工作 台的调平机构 以及行走 系统供 油 ，而小泵主要为平衡 支腿 回路供油 。 考虑到该 车变 幅 、伸缩 、回转 和工作 台调平机构 系统与小车的行走 系统是两个 的独立系统 ，则要求在 高空作业时小车不能运动；同样在行走的时候也不能 进行高空作业工作。因此为了充分利用系统的效率， 在上车系统和行走系统之问设置了一个两位三通换向 阀。这 样 虽 然 两个 系 统 都是 由 同一 个 主泵 供 油 ，但 这一 手 动 换 向阀 ，确保 了两 个 运动 的独 立性，即它们不可能同时工作， 这就确保 了小车在高空作业的 时候，不会因为人为的误操作 而使 小 车 运 动 ，增加 高空 作 业 的危 险性 。这 一 换 向装 置 原 理 如 图 2所示。 2 ． 1 ． 2 控制方式分析 图2 行走与上车系 统切换原理图 从控制方式分析 ，考虑到该小车没有操作室，控 制装置多数是裸露在外面，且高空作业车多数是处于 暴晒 、雨淋等户外工作环境 。在这种环境下如果使用 电磁换 向阀的话 ，因没有很好 的遮蔽 ，容易造成这些 电控装置的失灵，造成高空作业时 的潜在危 险。由 此 ，该小车除 了工作 台的调平机构使用 自动电控装置 外，其他控制系统一律采用全液压控制。 2 ． 2 上车液压控制 系统 上车系统由变幅、伸缩、回转以及工作台调平液 压系统组成，对这些液压系统进行工作分析，确定其 液压控制系统 回路 。 2 ． 2 ． 1 变幅机构液压系统 回路 该系统的变幅机 构全 部采用双作用液压缸 作变 幅 回路 ，这也 是折叠臂 式 必用的变幅机构 ，其 原理 图如图 3所示 ，变幅液 压 缸承受 载重 G与机臂重 力 之和的分力 作用。考虑到 高空作业车对安全性的要 求很高，因此应采用平衡 阀来达到负重匀速下降的 要求，当三位四通换向位 图3 变幅机构液压回路 于右位 ，变 幅液压缸 克服 负载重力作 功时，液压油直接通过平衡 阀中的单向阀 做功；当三位四通换向阀位于左位，变幅臂缩回时， 在受到负载重力作用下，使机臂下降速度增加，故此 处采用平衡 阀，以达到在 负重 的同时且能匀速下降 的 要求 。 第 1 4期 孙骅 等新式轻巧型曲臂高空工程作业车液压控制系统的设计与分析 3 3 2 ． 2 ． 2 伸缩 机构液压系统 回路 为了增加该车的作业 高度 和水平宽度 ，特设置了 伸缩结构。伸缩液压缸安装在中臂变幅臂上，其液压 原理如 图 4所示 ，通 过手动 三位 四通 换 向阀的换 向， 便可 以实现伸缩液压缸 的伸展和缩 回，从 而实 现伸缩 臂的伸与缩。平衡阀的作用与前述变幅机构 中的一 样，是为了保持伸缩臂在缩回时，能匀速下降，从而 减少不必要 的危险 。 图 4 伸缩机构液压 回路原理 图 制 图 5 回转机构液压 回路原理 图 阀 四通 阀 2 ． 2 ． 3 回转机构液压 回路 该高空作业车的工作手臂 ，要求能作 3 6 0 。 旋转 运动 ，用 回转液压机构来实现这种功能。其工作原理 如 图 5 所 示 ，液压马达通过大 、小齿轮 的啮合 ，驱动 作业架 回转 ；再经过切换三位 四通换 向阀 ，便可 以实 现作业架的旋转 ；通过对或门型梭 阀的控制 ，便可 以 实现 无论 回转 马达朝何方向旋转 ，制动缸只要有油 通过，都可将制动油缸打开；当换 向阀处于中位时， 液压马达停止旋转 ，制动油缸 由于通油 ，而不能打 开 ，从而起到 了制动的作用 。另外 ，此处还设置 了一 对缓 冲阀，起到调节油压 、保护马达和管道的作用 。 2 ． 2 ． 4 工作 台调平机构液压 回路 经过分析与 比较调平机构的几种常见形式 ，该车 控制系统采用电液 自动调平机构 ，其基本原理为 通 过安装在工作平台上的水平传感器来感知平台的状 态，并产生一个相应的电流来控制调平油缸的动作 ， 最终使平 台保 持水 平状态 。其 液压 原 理 图如 图 6所 示 ，机构 由溢流阀 、电磁换 向阀、调平液压缸 和液压 锁组成 。在作业过程 中 ，当工作平 台处于非水平位置 时，来 自调平电路的电流，实施控制电磁换向阀换向 动作，并打开液压锁，调平油缸即产生伸缩动作 ，使 平 台恢复到水平状态 。 自动调平机构电控部分，如图7所示，水平传感 器位于工作平台上，其工作与否是由开关控制，开关 闭合后水平传感器才开始工作，根据作业平台的倾斜 状况 向电磁换向阀的电磁 线圈 1 或 电磁 线圈 2输 出电 流，使电磁换向阀工作，调平油缸伸缩，最终使作业 平台趋于水平 。另外在电路中还设置 了一个紧急手动开 关，在自动调平机构停止工作的时候，可以通过该紧急 手动开关来确保平台处于水平状态 ，以免发生事故。 溢 流 阀 图 6 调平液压缸控制原理 图7 调平机构电路图 2 ． 3 下车液 压控制 系统 2 ． 3 ． 1 平衡支腿机构液压系统回路 该车 由于底 盘小 ，无法支撑作业时的负载 ，因此 必须在车架上安装支腿，确保作业车工作时的稳定。 该车的支腿采用 x式 ，其工作液 压原理如 图 8所示。 整个平衡 支撑腿 的回路采用并联系统 ，由于每个支腿 受力都一样 ，所 以可 以同时实现复合运动 ；另外 每个 支撑缸还设置 了液压锁 ，当支腿支撑架处于静止状态 时 ，由于承受重力负载 ，为 了避免支撑腿 缩回 ，故需 要用单向阀起锁紧作用，防止俗称的软腿现象；同理 当支腿 收 回处 于非 工作状 态 竖直 状态 时 ，由于 受液压缸和重力的影 响会使支撑腿掉下来 ，故用一个 液压单向阀，将它锁紧，防止掉腿。 图 8 支腿 回路原理图 2 ． 3 ． 2 整车行走系统液压 回路 该高 空作 业 车 的行 走系统 主要 由两 个旋 转 马 达 来 驱 动 履 带 运 动 ， 从 而 带 动 整 车 的 运 动 。 由于要求该车是 “ 轻巧 型” ，没 设 操 作 车 箱， 因此工作人员是在小车 外部控制其运动 的，从 而行走速度较慢，与人 行走 的速 度一 样 。所 以 在 小 车 的转 向 机 构 上 ， 主系统采用 的是定理泵 ， 图9 行走系统回路图 3 4 机床与液压 第3 8卷 其转 向方法为一边运动 ，另一边不运动 ，通过惯性实 现转 向。整个行走 系统液压原理如图 9所示 。 I 1 6 I I 1 6 三 三 蜜 溶要 l I ． 轻 巧 型 高 空 作 业 车 液 压 系 统 1 一 油箱2 一 滤 油器3 一 泵4 一 二位 三通 手动 换 向 阀 5 _ 电磁 换 向阀6 一 六联 多路 换 向阀 门 7 一 缓 冲 阀 8 一 回 转马达 9 - - 平衡 阀1 第 一下 臂变 幅油 缸l l 一 第 二下 臂变 幅油 缸1 2 一 中臂变 幅油缸1 3 ～ 伸 缩油 缸l 4 一 小臂 变幅 油缸 l 5 一 支腿油 缸 l 6 一双向 液 压锁 l 7 一四 联多 路 换向阀 l 8 ～自 动调 平油 缸仁 三 三 E _二 j _ l 9 一二联多路换向阀 2 o 一行走马达 2 l 一制动油缸 2 2 一或门型梭 阀臣 _二 ～ 2 3 一 溢 流 阀 图 1 O 轻巧型高空作业车液压系统回路原理图 根据 以上分析 ，最终确定整车的液压原理 图如 图 按 G B ／ T 2 3 4 8 1 9 9 3 ，取标准值 D 5 0 m m 1 O所示 ，该液压系统采用单泵并联系统，其 中上车 查表可得活塞直径 和支腿系统采用同一条支路；而行走系统采用另一条d0 ． 7 D0 ． 7 x 5 03 5 m m，取 标 准值 d 支路。这两条支路是相互独立、不同时工作的，可通 过换 向阀切换供油状态 ，即上车系统供油 时，行走系 统是断开的。由于两个系统在工作时所需要的压力 、 流量基本相同 ，所 以这样的设置能更好地利用系统的 功率 。 出于安全和工作时的需要 ，在行走系统这一支路 中还并联了 4个换 向阀，分别 控制第 一 、第二下臂 、 中臂和伸缩臂调幅缸；遇到警戒情况或者工作需要时 可 以切换按扭 ，让地面的人操作高空作业车。 3执行元件设计与选用 3 ． 1 各液压缸技术参数计算 先求工作台调平液压缸参数。预选液压缸的设计 压力 P 1 4 M P a 。将液压缸的无杆腔作为主工作腔， 考虑到液压缸下行时，为重力做功，采用液压方式平 衡，则可计算出液压缸无杆腔的有效面积 A 丝 0 ． 0 01 9 4 m2 叼 P1 0 ． 91 41 0。 叵 则液压缸的内径D ／ 0 ． 0 4 9 m V耵 式中F 2 4 5 3 2 N 见表 1示 ，叼 为液压缸机 械效率，取其值为 0 ． 9 0 。 3 5 mm。 液压缸作用有效面积为 A 子 D 一 d 2 “IT 0 ． 0 5 0 ． 0 3 5 1 ． 0 0 1 0～ m 液压缸 的单程平均 速度 0 ． 0 3 m／s 液压缸的实际流量 q_ q - - f 0 ． 0 5 0 ． 0 35 ． 8 81 0一 m ／s 液压缸的实际工作压力 p 4 _ F x 1 0- 6 丝一塑 二 l 3 ．8 8 MP a 叮 T D 1 T0 ． 0 5 0 ． 9 同理可求出小臂变幅液压缸、伸缩液压缸、中臂 变幅液压缸 、第一、二下臂变幅液压缸和支腿液压缸 的参数 篇幅所限不赘述 。 3 ． 2液压 马 达 行 走 液 压 马 达 、回 转 液 压 马 达 的选择和计算 行走马达理论计算排量 L 1 2 1 0 ～m ， ／ X m r 。1 5 9 P M 1 0 1 5 91 4 x0 ． 91 0 ‘ 下转第 6 2页 王 6 2 机床与液压 第3 8 卷 是全景 图像的光流场 ，而 图 e 在差 分的基础上进 行了光流计算；可以看出，经典光流法是对整幅图做 光流计算 ，因此 D S P的耗 时大 ，误差 也 比较大 ；而 采用差分与经典光流法结合的改进算法只对运动区域 计算 ～幅图的 1 ／ 3 ，就会节约 2 ／ 3的 D S P运算时 间；同时丽者结合后运动区域的灰度梯度变化大 ，这 也保证了光流法应用的正确性 ，减小 了光流误差 ，提 高 了系统的稳定性 。 利用 C C S 3 ． 0的分析工具 ，分别 对几种不 同大小 的图像在经过灰度变换 、滤波 、差分和光流场计算处 理后所用的总的时间进行统计 ，并通过 以下方法对软 件程序进行优化 ，结果如表 1 所示。 表 1 优化后的程序处 理时间比较 从表 1 可以看 出，经过优化后 ，处理速度有 了大 幅提高 ，系统对 8 8 7 2大小的 图像 检测速度 达到 了 1 9 ． 6帧／ 秒，平均每帧处理时间达到 5 0 m s 。在处理 帧速控制在 1 2 ． 5 秒 的情况下 ，对于人 的感觉来 说 可以达到实时检测跟踪 的效果 。 5 结束语 将差分法和光流法结合起来 ，发挥两种算法各自 的长处，可以大大降低控制器的计算量，从而提高系 统对目标跟踪的实时性。作者借助于高性能数字信号 处理器 T MS 3 2 0 D M 6 4 2 、现场 可 编程 逻辑 门 阵列 F P G A，构建了嵌入式的硬件平台。相对于人工控制的 P c机监控 系统 具有设计 结构简 洁 、灵 活 、实时性 和 稳定性 高的优点 。 参考文献 【 1 】L i p t o n A l a n J ， F u j i y o s h i H， P a t i l R a j u S ． Mo v i n g t a r g e t c l a s s i fi c a t i o n a n d t r a c k i n g f r o m r e a l t i m e v i d e o【 C] ／ ／ Pr o c ． o f t h e W o r k s ho p o n Ap pl i c a t i o n o f Co mpu t e r Vi s i o n， 1 99 8 1 0 81 4． 【 2 】B e h r a d A l i r e z a ， S h a h r o k n i A l i ， Mo t a me d i S e y e d A h ma d ． A r o b u s t v i s i o n b a s e d mo v i n g t a r g e t d e t e c t i o n a n d t r a c k i n g s y s t e rn[ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ w w w ． e p f1 ． c h ． 【 3 】王栓， 艾海舟． 基于差分图象的多运动目标的检测与跟 踪[ J ] ． 中国图像图形学报 A辑， 1 9 9 9 ， 4 6 4 7 0- 4 7 5 ． 【 4 】G i b s o n川 ， C a r m i c h a e l L ． T h e P e r c e p t i o n o f t h e V i s u a l Wo r l d [ J ] ． S c i e n c e ， 1 9 5 1 ， 1 1 3 2 9 4 0 5 3 5 ． 【 5 】M i l a n S ， V a c l a v H， R o g e r B ． h n a g e p r o c e s s i n g a n a l y s i s a n d ma c h i n e v i s i o n [ M] ． 2版． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 2 ． 【 6 】 周霖． D S P 信号处理技术应用[ M ] ． 北京 国防工业出版 社 ， 2 0 0 4 ． 上接第 3 4页 式 中 为液压 马达机械 效率 ，取 7 “／ 0 ． 9 ， p 为 行走 系统的压力 ，取 P 1 4 M P a 。 故选用低速大扭矩 马达 E P M1 2 5 1 2 3 一 F 。 故液压马达的最大实际流量 q ⋯㈧为 g ⋯ n⋯1 ． 2 3 X 1 0“ X 9 0 田M v 0 ． 96 0 2 ． 0 X 1 0一 m ／s 回转液压 马达 同理 计算 并选 用低速 大 扭矩 马达 E P M 2 5 0 S H 一 2 4 9 一 F 3 ． 3 液压 系统工作压 力的确定和液压泵和柴油机 的选择 3 ． 3 ． 1 液压系统工作压力 的确定 该高空作业小车液压系统为并联系统 ，其 工作压 力即为执行元件中的最大工作压力 PB p ⋯ 1 3 ． 9 1 MP a 。 3 ． 3 ． 2 液压泵和柴油机的选择 根 据分析和计算 选用 1 C B J 3 0 一 E l 2齿轮泵作为供油泵 ，当其额定工 作压力为 1 6 MP a ，额定转 速为 2 0 0 0 r ／ ra i n时 ，流量 为 4 ． 41 0 m ／ s 2 1 0 0 C B 3 5 ． 1 1 ． 0柴 油发动机 ，其 额定 功率 为 r 1 1 k W 。 4 结束语 在认真分析传统的高空工程作业车工作原理、结 构特性和 工况 的基础 上 ，创新 性设 计 出了这种 新式 “ 轻巧型”高空工程作业车，大大拓展了高空工程作 业车的使用范围和空间。为其上车系统和行走系统分 别设计了两个独立的控制系统；液压和电气部分设计 简单 、易于维修和检测 ；另外简易 的操作控制 系统的 设计 ，减少 了操作难度。 作者对其控制系统的设计 和分析 ，以及所 建立的 液压执行器配置负载分析模型和液压控制系统方案的 确定 ，都为将来该行业 中该产 品的发展和创新提供了 有益参 考。 参考文献 【 1 】柏红专， 罗亮平． 国内高空作业机械行业现状及发展方 向[ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 6 8 S 5 4 5 6 ． 【 2 】陈娟， 魏东琦． 液压高空作业设备中有关安全的功能设 计[ J ] ． 江苏石油化工学院学报， 2 0 0 3 2 4 6 4 9 ． 3 】高崇金， 李新华． 高空作业车 自动调平系统的研究[ J ] ． 山西建筑， 2 0 0 8 3 1 3 3 1 3 3 2 ． 【 4 】 张利平． 液压传动系统设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ． 2 0 0 5 ． 【 5 】 雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 j E 京理工大学出 版社 ， 1 9 9 8 ． 【 6 】 王守成． 液压元件及选用[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 n0 7