（机械电子工程专业论文）汽车起重机起升系统分析与仿真.pdf

摘要 汽车起重机是一种应用非常广泛的行走式起重设备，其起升系统动态性能的好坏对 于产品的整机性能至关重要。当前国内汽车起重机液压系统的设计和各个元器件的选择 是按系统的静态性能进行理论计算以及凭设计人员的经验，所设计的系统需要等到产品 成型之后经过测试才能够清楚其动态使用性能的好坏。如果系统设计不合理，动态性能 不够理想，就必须进行重新设计，这将延长产品的设计周期并增加研发成本。在系统设 计完成以后，采用计算机仿真技术对其进行分析，对系统的动态性能作出评估，当发现 有不足之处时改进系统的结构或者修正系统的参数，可使结果满足要求。 本文以某型汽车起重机的起升系统作为研究对象，利用a m e s i m 仿真软件深入分 析了起升系统的动态特性。 ( 1 ) 分析了起升机构及液压系统的原理，然后对整个起升系统的设计过程进行了反 推计算，确定了起升系统大部分参数，为后续的仿真工作打下了基础。 ( 2 ) 利用a m e s i m 仿真软件对起升系统下降工况的关键元件平衡阀进行了仿真建 模，并初步确定了模型的正确性。 ( 3 ) 对整个起升系统进行了仿真建模，将其分为起升和下降两个典型的工况进行分 析，同时对起升系统经常出现的二次下滑现象进行了仿真研究，找出了影响其幅度的主 要因素，并提出了相应的解决方案。 ( 4 ) 分析了起升系统下降工况的液压泵的能耗，阐明了负载敏感平衡阀较之于传统 平衡阀更为节能的原因，同时指出，起升工况中根据负载的大小适当调节变量泵的排量 有利于降低柴油发动机的油耗率，减少能量损耗。 本文利用a m e s i m 软件建立了起升系统的模型，对各个变量的仿真结果进行了分 析和研究，为汽车起重机起升系统的设计和改进提供了相关的理论依据，同时将 a m e s i m 仿真软件应用到了汽车起重机起升系统的研究当中，具有现实意义。 关键词：汽车起重机起升系统动态特性仿真分析 a b s t r a c t t r u c kc r a n ei sak i n do fm o b i l ec r a n ee q u i p m e n tw h i c hi sv e r ye x t e n s i v ea p p l i e da n dt h e q u a l i t yo fd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fi t sh o i s t i n gs y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo f t h ep r o d u c t i nr e c e n t ，b e c a u s et h ei n t e r n a ld e s i g no f h y d r a u l i cs y s t e ma n dt h e s e l e c t i o no fe a c hc o m p o n e n to fc r a n ea l eo n l yb a s e do nt h es t a t i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m , t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h e d e f i n e r s p r e v i o u se x p e r i e n c e ，t h eq u a l i t yo ft h es y s t e m s d y n a m i cp e r f o r m a n c ec a n n o tb ee x a m i n e du n t i lt h ep r o d u c ti sm o l d e di n t os h a p e i ft h e d e s i g no ft h es y s t e mi si m p r o p e ra n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei sn o tg o o de n o u g h , t h e s y s t e ms h o u l db er e d e s i g n e dw h i c hw o u l dg r e a t l ye x t e n dt h ed e s i g nc y c l ea n di n c r e a s et h e c o s to fr e s e a r c ha n di n v e n t i o n w h i l eb yu s i n gt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt oa n a l y z et h ed e s i g n a n de v a l u a t ei t sd y n a m i cp e r f o r m a n c ea f t e rt h es y s t e m sp r e l i m i n a r yd e s i g n , t h ed e s i g n e rc a l l i m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mo rc o r r e c tt h ep a r a m e t e r sa n df i n a l l yg e tt h ei d e a lr e s u l t s t h ee m p h a s i so ft h i sd i s s e r t a t i o ni st om a k ed e e pa n a l y s i so ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o ft h eh o i s t i n gs y s t e m 、) l ，i t l lt h eo p e r a t i o no fa m e s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e a n dt h ea u t h o r t a k e ss o m et y p eo ft r u c kc l a l ea st h er e s e a r c ho b j e c t ( 1 ) t h ed i s s e r t a t i o nf i r s ta n a l y s e st h es t r u c t u r eo ft h eh o i s t i n gs y s t e ma n dt h et h e o r yo f h y d r a u l i cs y s t e m ，t h e nm a k e sar e v e r s ep r o o fw h i c ha s c e r t a i n sm o s to ft h ep a r a m e t e r s a n d l a y st h ef o u n d a t i o no f t h ef o l l o w - u ps i m u l a t i o nw o r k ( 2 ) b yu s i n g t h ea m e s i ms i m u l a t i o n s o f t w a r e ，t h ed e s i g n e rm o d e l st h ek e y c o m p o n e n t s - - b a l a n c i n gv a l v ei nt h ed e s c e n d i n gc o n d i t i o no ft h eh o i s t i n gs y s t e ma n d p r e l i m i n a r i l yd e t e r m i n e st h ea c c u r a c yo ft h em o d e l ( 3 ) t h ed e s i g n e ri n a k e sas i m u l a t i o nm o d e lo ft h ew h o l eh o i s t i n gs y s t e ma n da n a l y s e si tb y d i v i d i n gi ti n t ot w ot y p i c a lc o n d i t i o n s r i s i n ga n dd e s c e n d i n g m e a n w h i l e ，t h ed e s i g n e r a n a l y s e st h ep h e n o m e n o no fs e c o n d a r ys l i d ew h i c ho f t e no c c u r si nh o i s t i n gs y s t e m ， f i n d st h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gi t ss l i d i n gr a n g ea n dp u t sf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n g s o l u t i o r s ( 4 ) t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fh y d r a u l i cp u m pi nt h ed e s c e n d i n g c o n d i t i o n ，i l l u s t r a t e st h er e a s o nt h a tl o a d ss e n s i t i v eb a l a n c i n gv a l v ei sm o r ee f f i c i e n t w h e nc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e ，a n da l s op o i n t so u tt h a tt h ev a r i a b l ep u m p p r o p e rs h o u l db ea d j u s ta c c o r d i n gt ot h es i z eo ft h el o a di nt h ec o n d i t i o no fh o i s t , s oi t i i c a l lb eh e l p f u lt or e d u c et h ee n g i n e ss p e c i f i cf u e lo i lo fc o n s u m p t i o na n de n e r g y c o n s u m p t i o n n l ed i s s e r t a t i o ns u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h e st h em o d e lo fh o i s t i n gs ) 7 s t e mb yu s i n gt h e a m e s i ms o f t w a r e ，m a k e sad e e pa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o nr e s u l t so fe a c h v a r i a t i o nw h i c hp r o v i d er e l e v a n tt h e o r e t i c a le v i d e n c ef o rt h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to ft m c k c r a n e sh o i s t i n gs y s t e m ，a n dm a k e sap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo nt h er e s e a r c ho fc r a n eh o i s t i n g s y s t e mb yu s i n gam e s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e k e yw o r d s ：t r u c kc l a n eh o i s t i n gs y s t e m d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i m u l a t i o n a n a l y s i s 1 1 1 i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 汽车起重机广泛应用于建筑领域、港口装卸码头、铁路以及货场等作业场所的起吊 工况和安装作业，其对经济建设的贡献日益增大。随着我国未来几十年城市化进程速度 的加快，国家对基础设施建设的投入也将逐步增加，汽车起重机作为一种具有机动性较 强、操作方式简捷而使用效率又高等优点的起重运输机械，其市场需求量必将越来越大， 同时广大用户对它的技术和使用上的要求也会越来越高，这就使得汽车起重机的各大厂 家必须加大投入以确保产品技术上的不断更新，汽车起重机将不断向系列化、大吨位化 以及电控化方向发展，随着全球能源和环境危机的出现又对它提出了节能和环保方面的 要求。 图1 1 汽车起重机 当前，虽然我国的汽车起重机在国内拥有巨大的市场，部分产品能出口到中亚、非 洲甚至欧洲，但与德国、美国和日本等一些发达国家相比，整体上技术含量并不高，还 有待进一步的提高和完善。随着经济的发展，生产规模的不断扩大，作业效率的不断提 高，使得大吨位和高作业速度的汽车起重机产量不断上升。汽车起重机的最大起重能力 越来越强，起升速度也越来越高，各个厂家要想获得大的i 订场占有率就必须加大对研发 的投入，尽量缩短新产品的研发周期，小断推出高性能高品质的改进或新机型，以满足 第一章绪论 用户的需求。 1 2 汽车起重机液压系统的发展趋势 1 2 1 汽车起重机采用液压传动的优势和不足 目前汽车起重机普遍采用液压传动，它与机械传动和电力传动相比，具有许多明显 的优点，主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 在输出功率一样的前提下，采用液压传动所需装置的体积小、质量轻并且能 够使得各个结构之间的连接更为合理和紧凑。 ( 2 ) 采用液压传动能够获得更大的传动比和实现更大范围内的无级调速，作业平 稳可靠，所需成本也不高。 ( 3 ) 液压系统各个元件可以自行润滑，减少了各个机构的干摩擦，使得维修的时 间更短而使用寿命更长。 ( 4 ) 采用液压传动，更容易实现标准化、系列化和通用化，有利于在大规模生产 时运用先进的工艺。 其不足和需要改善的方面主要有： ( 1 ) 液压元件( 如液压泵、马达和各种阀) 存在难以避免的摩擦和泄露，导致整 个系统在一定的条件下的能量损失很大。 ( 2 ) 温度的升高对系统的危害很大，特别是在炎热的夏季进行作业时使得系统的 发热极大，严重影响系统的性能和元件的寿命。 ( 3 ) 采用液压传动技术含量要求较高，且在系统某处发生故障时查找很麻烦。 1 2 2 汽车起重机起升系统的发展趋势 现代化的施工作业对汽车起重机提出了更多更高的要求，在能源日益紧张、环境逐 渐恶化的大背景下，高端的全液压汽车起重机液压系统越来越趋向于节能和环保，汽车 起重机的液压系统总共分为5 个部分，分别为起升、回转、变幅、伸缩臂以及支腿回路， 其中起升液压系统中起升和下降工况最为常见。当前世界各大厂家采用的典型起升液压 系统一般为泵控马达开式系统，为了达到节能、环保、高作业效率以及微动性能高的目 的，目前普遍存在于起升系统中的定量泵将会被更换为负载敏感泵，使得液压泵的输出 功率能够不受负载的影响而保持恒定，相应的液压马达也将更换为电控马达。 2 长安大学硕士学位论文 1 3 液压系统动态特性研究和仿真技术综述 1 3 1 液压系统的动态特性 液压系统的动态特性是指系统的压力和流量等变量在其动态变化的过程中随时间 不断变化的特性。液压系统动态特性的好坏很大程度上取决于传动控制系统是否合理以 及系统其它一些干扰因素。通过对液压系统压力和流量等变量结果曲线的分析，可以很 方便的找出相应变量的响应时间和最大超调量并了解整个曲线的振荡情况，进而分析出 哪些因素能够明显影响系统的稳态时间以及过渡过程品质。 当前对液压系统动态特性的研究主要采用以下两种方法。 ( 1 ) 传递函数法 传递函数法基于经典控制论，非常适合分析线性系统的稳定性。当需要对系统的某 个瞬态响应进行求解时，首先对其做一个适当的线性化，不考虑系统非线性元素对系统 造成的影响，之后完成整个系统的数学模型，最后通过对相关的结果曲线进行分析来评 估系统的动态响应特性，由于未考虑的非线性元素有可能对整个系统造成很大的干扰， 采用这种方法所引起的误差有可能很大。 ( 2 ) 数字仿真法 数字仿真法基于现代控制论和计算机技术，由于能够很容易的引入各种非线性元 素，与传递函数法相比较它所引起的误差要小的多，当需要求解瞬态响应时，只需创建 相应的状态方程，就能够利用计算机得到系统各个变量在整个变化过程的时间响应曲 线。如果建立的模型足够精确，采用这种方法能够在很大程度上预知系统的动态性能的 好坏，在其动态性能达不到相应的要求时，可对系统进行相应的修改，直到其性能达标 为止。和其他方法比起来，数字仿真法精度更高且耗时更短。 1 3 2 液压系统仿真技术的意义和现状 随着液压仿真技术的发展，各种高效、实用仿真软件的相继推出，改善产品液压系 统的动态性能越来越离不开液压系统在产品成型以前的仿真研究。美国俄克拉和马州立 大学在上世纪7 0 年代研制出了第一款液压系统仿真软件h y d s i m ，初次运用液压功率 模型建模。随后欧美一些发达国家又先后研制出了h a s p 、p e r s i m 和h o p s a n 等一批 实用性很强的液压仿真软件包，通过几十年来的研究，液压仿真软件包已经发展到了精 度高且速度快的阶段。国内在液压仿真技术方面的研究比较落后，浙大、清华等高校通 过引进、消化和自主研发都取得了一定成果，但与国外比起来还存在很大差距。当今比 第一章绪论 较流行的液压仿真软件主要有e a s y 5 、m s c a d a m s 、m a t l a b 、d s h 以及a m e s i m 岔占 寸o 液压系统仿真技术研究的内容一般分为以下3 部分：液压系统里面的流体力学计算、 液压系统动态特性分析和系统的优化设计。充分发挥和利用先进液压仿真技术的意义主 要包括以下两方面： ( 1 ) 减少液压元件和控制系统的设计时间 由于液压系统本身存在的非线性以及大刚性等复杂特性，非常不利于对液压系统进 行分析、设计和改进。一般在忽略液压系统的非线性因素、经过一定简化的前提下通过 相关的实验来进行设计和改进。当液压系统的设计要求很高并且又复杂时，如果试图得 到理想而又准确的结果，就必须进行多次的实验，花费更多的时间。采用液压仿真技术 则无需得到实验结果就能分析出相关的改善系统性能的结论，只要仿真所构建的模型能 够达到一定的精确度，就能够很好的预测出液压系统的过渡过程品质，从而减少液压元 件和整个系统的设计时间。 ( 2 ) 降低设计和研发的成本 在实际中，构建液压系统回路或者对其进行测试的成本往往较高，而液压系统某些 特定的参数很小的改变就能够明显影响到系统的动态响应特性，如果通过实验的方法一 一进行测定，其所花费的成本将会大大增加。采用液压仿真技术能够随意修改这些特定 的参数，通过对仿真结果的对比分析较易确定这些参数的范围，同样，当需要改善液压 系统的某个性能，替换相应的液压元件时，采用仿真技术能够直接得出新系统的动态响 应性能( 所构建的模型足够精确) 。 1 3 3 当前避免二次下滑现象采取的方法及其缺点 二次下滑现象是液压起重机中经常出现的有害现象，严重影响液压系统的动态响应 性能，当前消除或者抑制此种现象，以下2 方面的思路和方法比较多见： ( 1 ) 设计结构尽可能紧凑的系统布局，将总容腔的体积限制在更小的范围之类，减 轻因油液的可压缩性等能够促使液压马达反转的程度，但是，总容腔的体积不可能被无 限缩小，在一定条件下二次下滑现象仍会发生。 ( 2 ) 在整车装配之前事先进行相关的实验，以保证制动器释放阀具有一定的开启时 间和开启压力值，如采用单项阻尼阀延迟制动器的开启时间，使得制动器在将要开启时 系统已经建立起了足够的压力。这种方法的缺点是延迟时间一般不够精确，如果开启过 4 长安大学硕士学位论文 晚还会使得启动过程过于猛烈，对整个机构造成损害。 1 4 课题研究的内容、意义和方法 1 4 1 课题研究的内容 本课题研究的内容主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 首先对汽车起重机的起升机构作业原理及液压系统原理进行了分析和研究， 根据某型号的汽车起重机起升系统所选用的元器件型号确定了系统大部分参数，这相当 于对起升系统的设计过程进行了反推计算。 ( 2 ) 对起升系统的能量损失进行了详细的分析，并提出了相应的节能措施。 ( 3 ) 基于a m e s i m 仿真软件，建立了整个起升系统的模型，将起升系统分成了两 个典型的作业工况：负载的起升和下降，得出了系统各变量的动态响应结果，并对各结 果进行了分析。 ( 4 ) 对实际工况中起升系统经常出现的二次下滑现象进行了仿真研究，分析了影 响二次下滑幅度的因素，并提出了消除该现象的方法。 ( 5 ) 分析了下降工况系统的能耗以及柴油发动机与液压泵的匹配关系，并提出了 f 各自的节能方案。 1 4 2 课题研究的意义 课题研究的目的是为了改善汽车起重机起升系统的动态响应性能，消除二次下滑现 象，并使系统更为节能和高效。采用a m e s i m 仿真软件分析和预测液压系统的动态性 能，对液压系统设计不够合理的地方进行改进和优化，能够明显减少系统设计时的盲目 性，缩短液压系统的设计周期，降低实验可能带来的风险和高成本。 1 5a m e s i m 仿真软件介绍 1 5 1a m e s i m 软件简介 a m e s i m ( a d v a n c e dm o d e l i n ge n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o n so fe n g i n e e r i n gs y s t e m s ) 是法国i m a g i n e 公司在1 9 9 5 年推出的专门适用于液压和机械系统的建模、仿真以及 动力学分析软件。a m e s i m 基于功率键合图的思想，应用了该公司的先进技术，为液压 和机械系统的设计和优化提供了一个很好的平台。a m e s i m 特别适合分析和研究类似于 汽车起重机起升系统这种机械和液压结构同时存在的系统，为机械、流体以及控制系统 提供了理想的仿真模拟氛围和多变的系统设计办法。a m e s i m 可以让用户利用它方便的 5 第一章绪论 界面来分析任意元件和系统的动态特性，其主要特点包含以下几个方面： ( 1 ) 多学科融合的仿真平台 不同学科( 液压、机械、电气等) 的元件在a m e s i m 中可以直接连接在一起，让 a m e s i m 成为多学科系统仿真的综合平台。 ( 2 ) 图形化物理建模方式 建模通过图形界面来进行，能够让用户省去许多复杂的数学推导过程而专注于系统 的设计和改进。 ( 3 ) 鲁棒性极强的智能求解器 a m e s i m 的智能求解器依据构建的系统模型的数字特点自行采用合适的积分算法。 ( 4 ) 强大的二次开发能力 用户不但能够调用a m e s i m 中已有模型的源代码，而且能将用户自己得c 或 r o r t e a n 代码模型以图形化模块导入a m e s i m 软件包。 1 5 2 系统仿真的步骤 运用a m e s i m 软件对液压机械系统进行仿真总共分为四步： ( 1 ) 草图模式。根据系统的原理图直接从各个模型库中调用已有的图形模块和利用 液压元件设计库搭建液压库中没有的元件。 ( 2 ) 选择合适的子模型。在该模式下，参照实际情况为系统的每个元件选择一个最 佳的数学模型。 ( 3 ) 参数设置。仿真过程最为重要的一环，为每个选定的图形模块设置合理的参数 值。 ( 4 ) 运行仿真。设定采样间隔时间和仿真时长，对相关变量的结果曲线进行分析和 总结。 a m e s i m 软件为液压机械系统的设计人员开辟了一条高效而又简捷的仿真新途 径，通过它不仅可以评估产品的系统性能，修正系统不合理的参数，同时还可以对系统 出现的问题或者故障进行仿真分析。在国外的许多大学以及科研院所，a m e s i m 已经成 为建模和仿真领域的一款标准软件，因此，运用a m e s i m 软件对系统进行仿真分析应 当成为未来我国工程机械产品设计开发过程中不可缺少的一环。 本课题主要运用了a m e s i m 仿真软件中的液压元件库、液压元件设计库、机械库、 信号控制元件库以及传动系统库中的元件模型来创建汽车起重机起升系统的模型。 6 长安大学硕士学位论文 第二章汽车起重机起升机构及液压系统 2 1 起升机构概述 2 1 1 起升机构的组成 汽车起重机的起升机构主要由驱动装置、传动装置、卷绕装置、取物装置以及制动 器组成。中大吨位的汽车起重机一般设置主起升机构和副起升机构2 个工作机构，其中 主起升机构用于起吊较重的重物，副起升机构一般用于起吊最大起重量3 0 以下的重 物。 ( 1 ) 驱动装置动力源一般为柴油发动机，发动机通过取力器驱动液压泵从而为整个 系统提供动力。 ( 2 ) 传动装置由减速器、联轴器和传动轴组成。 ( 3 ) 卷绕装置由卷筒、钢丝绳和滑轮组组成。卷筒主要用来卷绕钢丝绳，承受负载 的重力，收紧或者下放钢丝绳，以实现负载重物的起升与下降。滑轮组的倍率指的是滑 轮组省力的倍数，同时也是负载重物相对于单根钢丝绳减速的倍数，在忽略摩擦的前提 下，倍率值要等于负载重量与钢丝绳单绳拉力的比值，也等于钢丝绳单绳速度与负载重 物速度的比值。 ( 4 ) 取物装置一般为吊钩。 ( 5 ) 制动器为常闭式，既是工作装置( 精确定位) ，又起安全保护的作用。 汽车起重机起升系统一般由液压系统驱动，通过执行机构( 液压马达) 的动作控制 负载重物的起升与下降，工作平稳，结构简单而紧凑，能在大范围内实现无级调速，并 且易于实现过载保护，其缺点是无法避免能量损失和泄露。起升机构的参数有最大起重 量、起重级别和起升速度。出于工作效率和安全性的考虑，小吨位的汽车起重机其起升 速度可以适当选用高速，中大吨位的汽车起重机其起升速度不宜过快，应符合轻载高速、 重载低速的要求。 2 1 2 起升机构的工作原理 如图2 _ 1 所示为汽车起重机起升机构的工作原理图，液压执行元件一马达1 0 通过 传动轴和减速器的高速轴相连接，减速器的低速轴带动卷筒旋转，吊钩6 与缠绕在卷筒 上的钢丝绳滑轮组相连接。当液压马达1 0 正转时，它会驱动与之相连接的减速器旋转， 滑轮组通过钢丝绳3 的作用带动吊钩和负载重物起升，当改变液压系统的供油方向，就 7 第二章汽车起重机起升机构及液压系统研究 可以使得液压马达反方向旋转，滑轮组通过钢丝绳的作用带动负载重物下降，实质上是 将液压系统执行原件马达的旋转运动转化为负载重物的垂直升降运动。常闭式制动器在 松闸时，机构可自由运转，制动时吊钩和负载重物一起停止升降并能够停留在指定的某 一位置。当负载重物达到额定最大起重量的8 0 以上时，起重量限制器将发出警示信号， 达到或者超过最大起重量时，制动器关闭，起升机构将停止运行。 l 主减速器；2 一副减速器；3 钢丝绳；4 一定滑轮组；5 动滑轮组：6 一吊钩：7 主 臂；8 变幅油缸；9 一回转台；l o 液压马达 图卜1 汽车起重机起升机构工作原理图 2 2 起升液压系统原理 起升系统的液压系统根据液压泵和液压马达连接方式的不同可以分为开式和闭 式系统两类。其中开式系统中的液压泵从油箱中直接吸油，液压马达的回油返回至油 箱，而闭式系统中液压马达的回油不通油箱直接流向液压泵的入油口，由于闭式系统 与开式系统相比，结构较为复杂，因而当前我国汽车起重机的起升液压系统多被设计 为开式系统。根据液压泵输出流量是否可变可分为定量系统与变量系统，定量泵系统 长安大学硕士学位论文 的输出流量较为恒定，因而负载的运行速度一般较为稳定，采用变量系统的优点是系 统能够在液压泵所能调节的范围之内充分发挥柴油发动机的输出功率，减少发动机不 必要的功率浪费，不足之处是变量泵与定量泵相比结构较为复杂，并且其制造工艺的 要求和成本均较高，因此国内仍有许多汽车起重机的液压系统采用定量系统。 汽车起重机的起升液压系统原理大同小异，如图2 2 所示为国产某型汽车起重 机的起升系统原理图。 1 一液压泵2 三位四通换向阀域全阀4 梭阀5 平衡阀吨升马达7 一制动液压缸8 一 单项阻尼阀9 两位三通换向阀l o 滤油器 图2 2 某型汽车起重机的起升系统原理图 当三位四通换向阀2 置于左位时，液压泵l 出来的液压油一部分经过梭阀2 、两位 三通换向阀9 和单项阻尼阀8 进入到制动液压缸7 ，制动器被开启。另一部分在经过平 衡阀5 中的单向阀之后进入液压马达6 的左侧油口，待制动器开启之后再通过换向阀返 回至油箱，负载重物被起升。 当三位四通换向阀2 置于右位时，液压油一方面开启制动器，另一方面进入液压马 达6 的右侧油口，待制动器开启之后再通过平衡阀5 的节流缝隙和换向阀返回至油箱， 负载重物在平衡阀的作用下限速下降。 当两位三通换向阀9 置于下位时，制动液压缸的弹簧在预紧力的作用下复位，制动 9 第二章汽车起重机起升机构及液压系统研究 器处于抱闸制动的状态。单泵供油时，三联齿轮泵( 图中未画出) 中的1 2 号泵单独供 给起升系统。双泵联合供油时1 2 号泵与1 1 号泵一起合流供给起升系统，能够实现负 载重物的快速起升或者下降。其中与制动液压缸7 相连的单项阻尼阀8 起着延缓制动器 开启的作用，防止起升工况因系统压力还不足以达到负载所需压力值时制动器已经开启 而导致负载重物先下滑一段距离再起升，即二次下滑现象。 2 3 起升机构技术参数及液压系统主要参数的确立 1 三联齿轮泵 ( 1 ) 型号c b k p 6 3 5 0 3 2 ( 徐州科源液压有限公司生产) 性能参数：额定压力 圪= 2 0 胁 最高压力p = 2 5 m p a 额定转速刀。= 2 0 0 0 r m i n 最高转速，2 区= 2 5 0 0 r m i n 容积效率r 肼= 9 0 以上 机械效率叼硎= 9 1 以上 ( 2 ) 液压泵排量1 号泵l = 6 3 c c r 2 号泵圪2 = 5 0 c c r ( 3 ) 液压泵实际输出流量 双泵合流输出流量绯= 刀( 0 。+ 0 ：) 叩，= 2 0 0 0 x ( 6 3 + 5 0 ) x 9 0 = 2 0 3 4 0 0 c clm i n = 2 0 3 。4 l | m i n 单泵供油输出流量9 2 = n 0 2 7 7 = 2 0 0 0 5 0 9 0 = 9 0 0 0 0 c c | m i n = 9 0 l | m i n 其中g 为液压泵实际转速。 2 主副起升马达 ( 1 ) 型号a 2 f 1 0 7 w 2 2 2( 北京华德液压工业集团有限责任公司生产) 性能参数：额定压力匕= 31 m p a 最高压力七m = 3 6 m p a 额定转速= 1 8 0 0 r m i n 1 0 最高转速嗽= 2 5 0 0 r m i n 容积效率叩舢= 9 5 以上 机械效率叼肭= 9 0 以上 液压马达排量圪= 1 0 7 c c m i n 液压马达实际转速 双泵供油 刀删= 1 p t 。_ 7 7 w a r = 2 0 3 4 矿0 0 x 9 5 = 1 8 。5 9 厂础 单泵供油 = 学- 7 9 9 1 咖试 卷扬机构 满载时钢丝绳单绳最高速度k = 4 0 m r a i n = 0 6 6 7 m s 满载时钢丝绳最大拉力 f m x = 4 0 k n 卷简直径 q = 3 5 0 m m = 0 3 5 m = 尼2 。吩， 刀，= 华= 点= 3 6 咖i n 3 6 m i n ， 刀；= j 也娶= _ 二二_ 一= 4 r ， 。7 由； 3 1 4 0 3 5 减速器速比 江鱼= 堕翌= 4 9 6 哆 3 6 4 其中，吩一卷筒转速。 假定起吊负载重物重1 6 吨， 滑轮组倍率川= 三- = 1 6 0 0 0 x 9 8 = 3 9 2 ， k 4 0 0 0 0 。 其中，g 一负载重量 故取m = 4 ，钢丝绳倍率可以根据负载重量的不同而调整。 ( 5 ) 起升工况定负载下液压马达稳态时所受扭矩、钢丝绳单绳速度和负载速度 ) i 卿 第二章汽车起重机起升机构及液压系统研究 负载重量g = 1 6 0 0 0 9 8 = 1 5 6 8 0 0 n 减速器速比f = 4 9 6 卷简直径o j = 0 3 5 m 卷筒机械效率叼2 = o 9 8 液压泵最大输出功率 e p i n a x - - 绯吒= 型等型- 7 1 1 9 0 w = 7 1 2 k w 单绳拉力： f = 一g = 1 5 6 8 0 0 = 3 9 2 0 0 n = 3 9 2 k n = = 一= 一= = m4 卷筒扭矩： t = f d j = 3 9 2x 0 3 5 = 7 k 珑 。 2 7 7 2 1 9 6 液压马达所受扭矩 l = 王= j ! 业一= 1 4 8 6 m ， = 二= 一= l 4 f ，v i 肼 f 卵4 9 6x0 9 5 一 其中，7 7 l 一减速器效率 双泵合流时： 液压马达转速= 1 8 0 5 9 r m i n 卷筒转速 行打= 鱼= 1 8 0 5 9 = 3 6 4 r m i n i4 9 6 钢丝绳单绳速度 v h = 万q 。- - - 3 1 4 xo 3 5 3 6 4 = 4 0 m m i n 负载速度 矿= 丘= 竺= 1 0 聊m i n 单泵供油时： 液压马达转速 n 脚2 = 7 9 9 1 r m i n 卷筒转速 长安大学硕士学位论文 刀n = 鱼= 7 9 9 1 = 16 1 ，m i n i 4 9 6 钢丝绳单绳速度 匕- - 万d ，聆，2 = 3 1 4x o 3 5x1 6 1 = 17 6 9 m m i n 负载速度 ”，= 鉴= 一1 7 6 9 = 4 4 2 m m i n ( 6 ) 起升工况定负载时液压马达实际输出功率和液压泵出口压力 液压系统压力取决于外负载 假定负载g = 1 6 t 倍率m = 4 液压马达角速度 c o = 2 r m = 三兰三：! 兰兰! 璺q 兰：竺= 1 8 9 o r a d s 6 0 马达输出扭矩 乙= 1 4 8 6 n m 液压马达实际输出功率 只= c o l = 1 8 9 0 1 4 8 6 = 2 8 0 8 8 0 w = 2 8 0 8 8 k w 液压马达理论转矩 丁= 三= 一1 4 8 6 = 1 5 6 4 2 n 所 叼删 o 9 5 又凹q 讲r 肘= c o t p = 黑= ( 芝一) q 硝7 7 耐 一 = 尝竺生= 9 6 6 2 8 9 3 1 4 p a ：9 6 6 3 胁 竺o 9 5 o 9 5 u u j n l l “ 6 0 x 1 0 p - - a p + e p = 9 6 6 3 + 0 8 = 1 0 4 6 3 舰 式中：舻一马达两端压差： p 1 一回油腔压力近似为0 ； 1 3 第二章汽车起重机起升机构及液压系统研究 尸一液压泵至液压马达高压侧总压力损失。 ( 7 ) 管路直径的确定 管路的推荐流速1 ， 吸油管道： 1 2r r g s 高压油管道：2 5 “m s 回油管道： 1 5 2 5m s 由q = v 彳得 d - 等 式中：d 一管路直径 q 一液压系统流量 吸油管道直径 d l = 取吐= 5 4 r a m 高压油管道直径 d 2 = = 0 0 5 3 6 所= 5 3 6 m m 取d 2 = 3 3 m m 回油管道直径 d 3 = 取d 3 = 4 7 m m = 0 0 3 2 9 优= 3 2 9 m m = 0 0 4 6 5 m = 4 6 5 r a m 2 4 起升系统的能量损失分析 2 4 1 起升系统中的压力损失 油液在管路中流动时通常存在一定的阻力，要克服阻力就会消耗液压系统中的一部 分能量，于是就会产生相应的压力损失，起升液压系统中的压力损失分为两种：沿程压 1 4 长安大学硕士学位论文 力损失和局部压力损失。沿程压力损失是指由于油液内部和外部摩擦力而导致的压力损 失，局部压力损失是指油液通过管路中的障碍( 例如接头、管路横截面积变化处等) 时， 导致油液分子间和分子与管路壁面之间碰撞和摩擦而引起的压力损失。 沿程压力损失可由( 1 ) 式求得： e 圮= k x i lx 譬( 2 _ 1 )“二 局部压力损失可由( 2 ) 式求得： 皿= 军( 2 _ 2 ) 沪谢的允表示沿程阻力融拈罢胤数r = 譬谢p 、p 分 别为油液的密度和动力粘度，v 、，分别为流场的特征速度和特征长度。 ( 2 - - 2 ) 式中芒为局部阻力系数，其值需要通过实验的方法来确定，v 为油液的平 均流速。 2 4 2 起升系统中的流量损失 起升系统中的流量损失主要包括液压元件本身的流量损失和溢流损失两部分。其中 由液压元件引起的流量损失主要指液压泵和马达的容积损失，液压泵的实际输出流量总 要小于其理论流量，造成的最主要的原因是液压泵内部高压腔存在不可避免的泄露、油 液的可压缩性以及液压泵转速过高而使得油液不能够完全充满密封腔，用容积效率7 7 来表示液压泵的容积损失，则液压泵所造成的流量损失为： q 绯= 他x ( 1 7 7 ) ( 2 - 3 ) 同理，油液流经液压马达所造成的流量损失为： 捌色= n e x q ( 1 7 7 肿) ( 2 - 4 ) ( 2 - - 4 ) 式中，假定液压马达的实际流量等于液压泵的输出流量。 起升液压系统中由于负载过重或者启动、制动的短时间内惯性作用而产生的压力冲 击会导致系统压力迅速升高，当系统压力达到安全阀的调定值时，安全阀打开，也就是 这时将呈现出溢流状态，如图2 - _ 3 所示。在负载重物速度由零加速到稳态值的过程当 中，液压泵的部分输出流量将经过安全阀流回至油箱( 负载在刚开始加速的时候溢流流 1 5 第二章汽车起重机起升机构及液压系统研究 量最大，几乎等于液压泵的输出流量，在负载快要加速到稳态值的时候溢流流量降至最 小，之后安全阀关闭，负载重物速度达到稳定，溢流损失为o ) 。特别是当起升工况 图2 - _ 3 起升系统液压泵出口处的安全阀 的负载重量超过最大载重量时，发动机已经不能够提供负载所需要的功率，负载停止上 升，液压泵的输出流量全部经过安全阀返回至油箱，柴油发动机的功率几乎完全损耗在 了安全阀的阀口上，这时候必须采取相应的措施，以避免功率的浪费和因无用功率转化 为油液的内能而导致的温升。 2 4 3 起升系统的机械摩擦损失 对于起升系统来讲，其存在难以避免的机械摩擦损失，主要体现在柴油发动机连接 液压泵之间的传输损失和液压泵本身内部的摩擦损失。特别是当柴油发动机和液压泵的 转速都很高时，二者所造成的机械摩擦损失之和也会明显增加，所以，在起升系统的负 载重量小到一定程度或者空钩起降的时候，应该让柴油发动机保持在一个较低的转速， 以尽量达到降低摩擦损耗的目的。 通过以上对起升系统能量损失的分析，可以从以下一个方面来减少能量的浪费： ( 1 ) 设计合理的系统布局，尽可能选用适合于起升系统的液流速度和粘度，在系统 允许的范围内减小管路的长度，选择压力损失尽可能小的换向阀、梭阀和单向阀等液压 系统的控制元件，将系统的总压力损失降到最低。 ( 2 ) 尽可能选用效率高的液压马达和效率高并且具有压力切断功能的液压泵，以降 低液压系统的流量损失。 ( 3 ) 负载很轻时，使柴油发动机以低速或者怠速运行，以减少机械摩擦损失。 1 6 长安大学硕士学位论文 2 5 本章小结 分析了汽车起重机起升机构及液压系统的原理，根据起升系统所选用的元件确定了 系统的主要参数并分析了系统的各种能量损失，为下一章对起升系统的仿真建模打下基 础。 1 7 第三章基于a m e s i m 的汽车起蕈机起升系统仿真分析 第三章基于a m e s i m 的汽车起重机起升系统仿真分析 3 1 起升平衡阀结构及原理分析 a m e s i m 标准库中没有本起升系统所使用平衡阀的标准模型，因此必须利用a m e s i m 中 液压元件设计库( h y d r a u l i cc o m p o n e n td e s i g n 库) 来构建平衡阀的模型。起升平衡阀的 结构原理和主要参数将作为对其进行建模的依据。 在进行起升液压系统的动态分析时，平衡阀是一个非常重要的元件。起升系统中所 使用的平衡阀在液压系统中的主要功能为：当制动器处于抱闸制动状态时，负载重物能 够安全地保持在空中任何位置并且不会出现下滑现象；防止下降工况时负载重物的加速 下滑并且能够实现一定的微动；防止负载重物下降工况时卷扬机构出现的抖动。下落时 、的抖动是起升机构时常会出现的一种有害现象，这种现象所表现出来的特征为