（机械工程专业论文）龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究.pdf

摘要 汽车举升机在汽车维修行业是最重要，最基本的工具之一，是将汽车从一个 高度提升至另一高度进行维修的设备，具有至关重要和不可替代的作用。它能否 正常运转会直接影响到维修车辆、维修人员的安全，甚至会直接影响到汽车维修 业务的兴衰。 龙门双柱式液压举升机具有承载力高、适应性强、维护及安装方便等优点。 它可以适应不同类型的车辆维修。随着汽车工业的不断发展，汽车维修设备也发 展到一个更高的阶段。 对龙门双柱式液压举升机的液压系统分析、研究对于正确合理的设计和使用， 对于提高液压举升设备的工作品质和技术经济性能具有重要意义。 因而，对液压双柱式举升机的系统运动学、动力学的研究很有必要。为以后 的研发、改进提供必要的帮助。 本文针对液压举升机的特点和发展趋势，以现有的液压举升设备为基础，改 进液压举升设备的液压系统，提出了液压系统的动力学数学模型，进行了液压举 升设备的静、动态分析。论文主要研究内容如下： 1 进行了液压系统设计，确定了液压系统回路，选择了控制方式，进行了压力、 流量的计算。 2 对液压缸、液压泵、系统中所有的阀进行了静态特性分析，分析了它们之间 所受的压力、流量等主要参数之间的关系。 3 分析了上升、下降过程中，系统所产生的振动原因，对振动原因进行了深入 分析，建立了振动元件的数学模型，提出了解决方法。 4 对液压系统的研究中利用基于功率键合图的建模方法，建立了液压系统的功 率键合图模型，并把键合图模型转化为液压系统的动态数学模型。然后将液压系 统的动态方程与大型工程软件m a t l a b 的仿真工具箱s i m u l i n k 结合起来，把动态 方程转化为s i m u l i n k 仿真程序，从而建立起液压系统的计算机仿真模型并进行仿 真。 5 采用柱塞式液压缸和其他方法，解决了双缸同步问题。 6 在分析原有液压举升设备的继电器控制系统和典型液压举升机电气控制原 理的基础上，提出了应用p l c 控制的基本方法和途径。 关键词：液压举升机液压系统参数设计功率键合图 m a t l a bp l c 控制 a bs t r a c t 1 1 1 ec a rl i f t e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n df u n d a m e n t a li n s t r u m e n t smt h e a u t o r e p a i r i n gi n d u s t r y l i f t i n gac a l f r o mac e r t a i nh e i g h tt oa n o t h e r i sa ni n d i s p e n s a b l e p r o c e d u r e ，s oi m p o r t a n tt h a tt h el i f t e r sn o r m a lo p e r a t i o nn o to n l yd e t e r m i n e st h es a f e t y f a c t o rft h es u b j e c tv e h i c l ea n dw o r k m a n ，b u ta l s ot h ep r o s p e r i t yo ft h ea u t o - r e p a i r i n g i n d u s t r y 1 1 1 ed o u b l eg a n t r yh y d r a u l i cl i f t e ri so fs e v e r a la d v a n t a g e s s u c ha sh i g h e rl o a d i n g a d a p t i v ec a p a c i t i e s ，a n de a s ym a i n t e n a n c e ，w h i c hs u i t sr e p a i rr e q u i r e m e n t sf o rd i f f e r e n t c a l t y p e s 、矾t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t oi n d u s t r y , t h ea u t or e p a i r i n ge q u i p m e n t s h a v ea l s ob e e ni m p r o v e dt oan e ws t e p a st ot h ed o u b l eg a n t r yh y d r a u l i cl i f t e r , a n a l y z i n gi t sh y d r a u l i cs y s t e m ，d e s i g n m e t h o da n da p p l i c a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v i n gi t sw o r k i n gq u a l i t ya n d e c o n o m i c a lp r o p e r t i e st e c h n i c a l l y s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yk i n e t i c sa n dd y n a m i c sf o rt h a tm a c h i n e ，w h i c ho f f e r s g r e a th e l pf o ri t ss u c c e s s i v ed e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt ot h el i f t e r sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt e n d e n c yn o w a d a y s ，b a s e do nt h e e x i s t i n ge q u i p m e n t ，i t sh y d r a u l i cs y s t e mi si m p r o v e d ，a n di t sd y n a m i c a lm a t h e m a t i c a l m o d e li sb r o u g h to u t f u r t h e r , i t ss t a t i ca n dd y n a m i c a lp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d s p e c i f i c d e t a i l sa r ea sf o l l o w s ， 1 t h eh y d r a u l i cs y s t e mi sd e s i g n e d n l eh y d r a u l i cc i r c u i ti sc o n f i r m e d ，t h ec o n t r o l s 打a t e g yi ss e l e c t e d ，a n dt h ep r e s s u r e ，f l u xa r ec a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y 2 t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fa l lt h eh y d r a u l i ce n g i n e s ，p u m p sa n dv a l v e sh a v e b e e na n a l y z e d ，i n c l u d i n gs u c hm a i np a r a m e t e r sa sp r e s s u r e ，f l u xa n dt h e i ri n t e r a c t i v e r e l a t i o n s 3 t h ev i b r a t i o nm e c h a n i s mh a sb e e na n a l y z e dc a r e f u l l yd u r i n gt h ea s c e n d i n ga n d d e s c e n d i n gp r o c e s s e s i t sm a t h e m a t i c a lm o d e li sc r e a t e da n d t h es o l u t i o ni sb r o u g h to u t 4 b a s e do nt h ep o w e rb a n dg r a p hm e t h o du s e di nh y d r a u l i cm o d e l i n g ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e li sc r e a t e d ，f o l l o w e db yc o n v e r t i n gi n t oi t sd y n a m i c a lm o d e l t h e m o d e li si n c o r p o r a t e di n t ot h es o f t w a r em a t l a ba n dt h es i m u l a t o rs i m u l i n k ，w h i c h i n v e r t st h em o d e li n t ot h es i m u l a t i o np r o g r a m ，b u i l d i n gu pt h es i m u l a t i o nm o d e lf o rt h e h y d r a u l i cs y s t e m 5 t h ed o u b l ep u m p s s y n c h r o n o u sp r o b l e mi sw o r k e do u tb ya d o p t i n gp i s t o nt y p e c y l i n d e ra n do t h e r s 6 n ep l cc o n t r o lm e t h o da n di m p l e m e n t a t i o na r ea d o p t e db a s e do na n a l y z i n gt h e r e l a ys y s t e mo ft h ef o r m e re q u i p m e n t ，a sw e l la st h et y p i c a lc o n t r o lt h e o r i e so ft h a t h n d 【k e yw o r d s l h y d r a u l i cl i f t e r , p a r a m e t e rd e s i g n o fh y d r a u l i c ，p o w e rb a n d g r a p h ，m a t l a b ，p l cc o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特，l i j ) j n 以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：卫逛本人签名：卫烙 日期：塑坠篁! 兰笙 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：二圣l 盗日期：2 望墨：皇：涩一 导师签名：奎塑丝 日期： 泸主z 毫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 举升机使用背景分析 随着汽车工业的快速发展和人民生活水平的日益提高，各种汽车的普及率越 来越高，因此，汽车维修行业也得到迅速发展。在汽车维修特别是汽车底盘维修 过程中，维修人员必须在汽车底盘下面进行作业，为了维修方便，需要给维修人 员设置足够的操作空间，也就是要求将汽车抬起。常用的方法是在汽车维修场地 修建维修沟，这种方法占地面积大，操作空间狭小，光线阴暗，不利于维修人员 长时间工作，也就降低了维修的效率和精度。为了解决这个问题，设计人员进行 了有益的探索，设计了液压和机械举升机。举升机是根据维修工况，将汽车抬至 合适的高度，进行维修操作，使维修工作方便。 不同的维修企业根据财力、维修项目、车间大小的不同，举升机需求类型也 不仅相同。根据调研，两柱举升机是当前被广泛采用的主流举升机，是7 3 的经 销商销量最大的举升机类型。 四柱举升机国产设备的价位在1 0 - 3 5 万元，进口品牌在1 8 4 5 万元， 价格随着举升吨位的提高而增加。可适用于大多数车型。但是四柱举升机宽大的 支承装置往往会妨碍工人干活。主要用户为快速保养为主的小型企业，因为快速 保养业务需要车辆能够快速起降，如果购买两柱举升机则需要在车辆起降过程中 花费一些时间。同时4 s 店对四柱举升机也有很大的需求。 剪式举升机使用方便，不用时不占空间，受到很多实力雄厚的特约维修站的 欢迎，这也是未来举升机的发展方向。一般国产设备价位在1 0 - 4 0 万元，进口 产品在1 5 - 4 5 万元。但剪式举升机较为精密，做工不好或者设计不好就容易导 致台面不平、单边升降等危险发生，如果利用剪式举升机作四轮定位仪的平台， 要求就更加严格。 对于国内使用较为普遍的一些两柱举升机品牌而言，国产的价位约在0 6 1 4 万元，进口的约在1 8 万 - 2 8 万元。这种举升机安装起来很快，不需要大范 围地开挖，也不需要对维修厂的整体布局进行一些永久性的变动。两柱举升机噪 声较小，升降平稳，可调整不同车型的支撑部位。这种举升机适用于举升中小汽 车进行维修及装配工作。主要用户为以总成大修为主的修理厂及4 s 店。 随着中国汽车保有量的不断增多，私人购买成为购车的主流，售后市场也将 得到蓬勃发展，举升机在未来的需求量也将不断增加，据业内专家预测，在未来 三年内，举升机市场将维持在8 1 2 的增长率。 三龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究 1 2 本论文选题背景和意义 经常大量的调研工作，现在市场上使用的大多是单液压缸举升机。由于这种举 升设备的承载重量小，举升高度低，对于小型汽车的举升是合适的。但对于专用 汽车的举升要求是无法满足的， 对汽保行业而言，举升机一定要安全可靠、维护简单，否则在一定程度上会 影响工作效率。而传统的机械式举升机安全性较差，所需的维护工作较多，被液 压式举升机取代也是大势所趋。液压式举升机，它具有安全性能好、维护周期长 以及工作效率高等优点。 本文通过大量调查，拟采用双作用双缸举升方式，将汽车从一楼举升至二楼进 行各种维修操作，设计参数均以实际应用的为准。通过建立工作过程中各个阶段 的数学模型，以保证举升和下降过程中运行同步，保证运行平稳为核心任务，采 用集成设计方法，解决上述问题口】。 1 3 本论文主要内容 根据专用汽车的维修工况要求，本文主要进行了以下几个方面研究工作： 1 分析液压举升机的组成、工作原理及工作过程； 2 液压举升机液压系统设计； 3 分析液压系统的静态和动态特性分析： 4 对举升机液压系统动力学特性及液压系统主要元件进行了仿真； 4 举升机系统振动分析； 5 采用p l c 对液压举升机控制系统进行了设计。 第二章汽车举升机的结构及工作原理 第二章汽车举升机的结构及工作原理 一、汽车举升机基本概念 根据j t t 1 5 5 - 2 0 0 4 的定义，用以支承在汽车底盘或车身的某一部位，使汽车 升降的设备瞄。 二、汽车举升机的基本构成 汽车举升机主要由以下几部分组成： 升降台( 架、臂) ：活动架、托臂、升降台面、升降横梁。 机械系统：动力箱、液压装置、钢丝绳与滑轮等。 电气系统：电气控制装置、电气操作装置、电气信号和线路等。 机架：立柱、各式机架、固定支架、底架等。 安全保护装置：托臂下降保险( 机械锁止止退装置) 、钢丝绳断裂保护装置 托臂。 辅助装置：防护罩、支承垫、橡胶缓冲垫、加高支承等。 三、汽车举升机的分类 ( 一) 按结构类型分类 汽车举升机按结构主要分为柱式举升机和无柱式举升机。 1 柱式举升机 柱式举升机主要有：双柱式汽车举升机、门式举升机、四柱汽车举升机、汽 车升降平台两种。 本论文主要研究双柱式汽车举升机，该种举升机的特点主要有：工艺先进、 结构简单、操纵简单、使用寿命长；采用液压传动、运行平稳、噪音低、效率高； 设置有同步结构、保证同步精度高；拖盘可调节高度，适合多种车型支承要求： 设有防坠保险装置等安全装置，运行安全可靠。 2 无柱式举升机 无柱式举升机主要有折叠式举升机、大剪式子母双层液压举升机两类。 ( 二) 按传动形式分类 汽车举升机按传动方式主要可分为机械传动举升机和液压传动举升机两类。 1 机械传动举升机主要的特点 机械传动举升机主要采用螺纹丝杠与工作螺母传动，结构简单，价格便宜， 但所需的维护工作较多，较易发生丝杠或工作螺母滑扣，导致所举汽车跌落或丝 3 龙fj 烈柱式液压学升机的液压系统建模仿真。j 控制研究 杠卡死等故障。因此，正逐渐被液压式举升机所取代。 2 液压传动举升机主要的特点 液握举爿机是目前卡流的举升机产品类型，它具有安全性能好、运行平稳维 护简单以及工作效率较高等特点。 液压举升机分为全液压型和半液压型。 ( 三) 按行q k 标准分类 主要分为汽车维修作业举升吊运成套设备、打式、菱架式、倾斜式、地坑式 等汽车举升设备。 四、液压举升机的总体结构 根据汽车举升的特点和重量要求克服了原有机械式举升机的结构复杂， 造价高，上升同步难以保证的缺点，采用液压举升式结构，如图2l 所示。 圈21 液压举升机外形结构圈 五、液压举升机的组成 ( 1 ) 液压泵 为整个举升机系统提供液压动力能量。 ( 2 ) 液压控制装置 控制装置主要包括各种被压阀，根据丁况要求，实现油路控制 ( 3 ) 执行元件 第二章汽车举升机的结构及工作原理 液压系统的执行元件为液压缸和液压马达，本系统执行元件为液压缸。 ( 4 ) 辅助装置 主要包括油管、压力表、蓄能器、液压油箱等。 六、液压举升机的主要参数 液压举升机主要工作任务把汽车从一楼举升至二楼，举升位置自动控制，可以 多地控制，开启时举升动作位置自动控制。经过广泛的调查，确定举升机的主要 技术参数2 3 如下： 1 举升高度：3 8 m ； 2 上升时速度：0 0 6 m s ； 3 下降时速度：0 0 4 m s ； 4 最大举升质量：3 吨。 七、液压举升机工作原理 根据图2 1 所示，液压举升机主要由滑动部分、放置汽车的轿箱、液压缸体、 举升机架、液压动力部分组成。 专用汽车举升机的举升和下降动作主要依靠液压缸来完成。门字形机架的立 柱内空。置两个液压缸于立柱内，液压缸活塞杆铰接滑轮，绳轮上的钢丝绳一端 固定，另一端与滑车联接，当液压缸活塞上升时，带动轿箱上升，根据滑轮的原 理，轿厢上升两倍的液压杆上升高度，放置轿厢中的汽车随之上升或下降。 八、液压举升机的工作过程分析 根据图2 2 举升机液压系统原理图分析，其工作过程： 1 上升过程 按下举升按钮，电磁铁1 d t 得电，换向阀2 换向到左位，油泵压力油经集流 阀3 再经两路单向阀分别进入两液压缸，使液压缸活塞上升带动钢绳上升，带动 轿厢一同上升。 2 下降过程 需要下降时，按下下降按钮，主换向阀的电磁阀2 d t 、3 d t 、4 d t 得电，靠整 个装置的自重，主回路压力油经主换向阀右位液控单向阀打开，液压缸中的油排 出。 5 一6 龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究 图2 2 举升机液压系统原理图 3 空载运行 在举升动作之前，打开总开关，启动泵用电机，电动机使液压泵运转，液压 油经换向阀2 回油至换向阀6 回到油箱，空载运行。 4 停止运行 停止时，将轿厢落地，先按电机停止运行按钮，使电机停止运行，再关闭总 开关。频繁使用时，无须关闭泵用电机，直接上升或下降即可。 第三章液压系统设计 第三章液压系统设计 3 1 液压传动系统及液压原理图 7 一、液压系统的组成 液压举升机液压传动系统为开式系统。液压泵从液压油箱吸油，通过换向阀给 液压油用以驱动执行机构，回油时，再经换向阀回油，在泵出口安装溢流阀，起 系统保护作用1 。 二、液压传动系统的组成 本液压系统由液压泵、液压缸、油路控制阀、油箱、油管、滤油器及控制元器 件组成h 。 三、液压原理图拟定 ( 一) 液压执行元件的确定 液压举升机的工作工况较为简单，为上升、下降及停止三个工况，且为直线往 复运行，以采用两个液压缸作为系统执行元件，使轿厢实现举升动作。采用滑轮 机构，可以缩短缸体的长度。另外要在液压原理图设计中考虑使双液压缸同步运 行，保证轿厢水平上下运动。 ( - - ) 液压基本回路方案拟定 1 液压缸不同步的原理 该举升设备的主要难点和重点是双液压缸运行同步的问题。，因此解决同步问 题是液压系统设计的重牛之重。 ( 1 ) 双缸同步误差产生机理分析： 在本举升设备中，由于双柱承受的负载不尽相同，负载大的一侧速度慢，负载 小的一侧速度快。 ( 2 ) 液压缸的运动副常靠密封件或间隙密封，摩擦力大小影响同步运行。 ( 3 ) 液压缸的制造精度不同，也会造成不同步问题。 ( 4 ) 两个液压缸进出管路的液阻不同。 2 解决液压缸不同步的途径 ( 1 ) 利用齿条机构，作为导向机构，实现同步问题。 ( 2 ) 选用变量泵，通过调节排量实现同步。 ( 3 ) 两个相同作用面积的双活塞杆串联的方法，如图3 - 1 。 ( 4 ) 采用同步器的方法，如图3 - 2 。 璺龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究 图3 - 1 采用液压缸串联示意图 同步器是把两个相同的双活塞缸体和活塞杆连成一体。即当换向阀处于左位 时，液压油进入同步器，从而使油液同时进入两液压缸无杆腔。使活塞杆向上移 动。反之向下移动，推动活塞运动7 1 。 同步器的同步精度要求高，相应对其制造精度和密封要求较严。对于由于上述 原因造成的不同步问题，可以在缸盖顶开单向阀，实现同步。 图3 2 同步器示意图 综合以上几种方法，采用集流阀控制两缸同步方法比较简便。 四、液压原理图 基于满足举升机工作工况要求及液压缸同步的考虑，确定液压原理图，如图 2 2 。 第三章液压系统设计 3 2 液压系统绿色设计 3 2 1 液压系统绿色设计原则 9 该设计原则是在传统液压系统设计中通常依据的技术原则、成本原则和人机工 程学原则的基础上纳入环境原则，并将环境原则置于优先考虑的地位。液压系统 设计的原则可概括如下： 1 资源最佳利用率原则 少用短缺或稀有有原材料，尽量寻找其代用材料，多用废料，余料或回收材料 作为原材料；提高产品的可靠性和使用寿命；尽量减少产品中材料的种类，以利 于产品废弃后的有效回收等。 2 能量损耗最少原则 尽量采用相容性好的材料，不采用难以回收或无法回收的材料；在保证产品耐 用的基础上，赋予产品合理的使用寿命，努力减少产品使用过程中的能量消耗。 3 零污染原则 尽量少用或不用有毒有害的原材料。 4 技术先进性原则删 优化产品性能，在结构设计中树立“小而精 的设计思想，有同一性能情况下， 通过产品的小型化尽量节约资源的使用量，如采用轻质材料，去除多余的功能、 避免过度包装等，减轻产品重量；简化产品结构，提倡“简而美”的设计原则， 如减少零部件数目，这样既便于装配、拆卸，又便于废弃后的分类处理；采用模 块化设计，此时产品是由各功能模块组成，既有利于产品的装配、拆卸，又便于 废弃后的回收处理，在设计过程中注重产品的多品种及系列化；采用合理工艺， 简化产品加工流程，减少加工工序，简化拆卸过程，如结构设计时采用易于拆卸 的连接方式、减少紧固件用量、尽量避免破坏性拆卸方式等；尽可能简化产品包 装且避免产生二次污染。 5 整体效益最佳原则 考虑产品对环境产生的附加影响，提供有关产品组成的信息，如材料类型及其 回收再生性能等。 卫 龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究 3 2 2 液压系统绿色设计策略 1 工作介质污染控制 液压系统一思想污染物、入侵污染物和生成污染物。在产品设计过程中应本着 预防为主、治理为辅的原则，充分考虑如何消除污染源，从根本上防止污染。 在设计阶段除了要合理选择液压系统元件的参数和结构外，可采取以下措施控 制污染物的影响。在节流阀前后装上精滤油器，滤油器的精度取决于控制速度的 要求。所有需切削加工的元器件，孔口必须有一定的倒角，以防切割密封件且便 于装配。所有元器件、配管等在加工工序后都必须认真清洗，消除毛刺、油污、 纤维等；组装前必须保持环境的清洁，所有元器件必须采用干装配方式。装配后 选择与工作介质相容的冲洗介质认真清洗。投入正常使用时，新油加入油箱前要 经过静置沉淀，过滤后方可加入系统中，必要时可设中间油箱，进行新油的沉淀 和过滤，以确保油液的清洁。 工作介质污染的另一方面是介质对外部环境的污染。应尽量使用高黏度的工作 油，减少泄漏；尽快实现工程机械传动装置的工作介质绿色化，采用无素液压油； 开发液压油的回收再利用技术；研制工作介质绿色添加剂等。 2 液压系统噪声控制 液压系统噪声是对工作环境的一种污染，分机械噪声和流体噪声。在液压系统 中，电动机、液压泵和液压马达等的转速都很高，如果它们的转动部件不平衡， 就会产生周期性的不平衡力，引起转轴的弯曲振动。这种振动传到油箱和管路时， 会因共振而发出很大的噪声，应对转子进行动平衡试验，且在产品设计时应应注 意防止其产生共振。机械噪声还包括机械零件缺陷和装配不合格而引起的高频噪 声。因此，必须严格保证制造和安装的质量0 j ，产品结构设计应科学合理。 在液压系统噪声中，流体噪声占相当大的比例，这种噪声是由于油液的流速、 压力的突变、流量的周期性变化以及泵的困油、气穴等原因引起的，以液压泵为 例，在液压泵的吸油和压油循环中，产生周期性的压力和流量变化，形成压力脉 动，从而引起液压振动，并经出油口传播至整个液压系统，同时，液压回路的管 路和阀类元件对液压脉动产品反射作用，在回路中产生波动，与泵发生共振，产 生噪声。 开式液压系统中混入了大约5 的空气。当系统中的压力低于空气分离压时， 第三章液压系统设计 油中的气体就迅速地大量分离出来，形成气泡，当这些气泡遇到高压便被压破， 产生较强的液压冲击。因此在设计液压泵时，齿轮泵的齿轮模数应量取小值，齿 轮取最大数，卸荷槽的形状和尺寸要合理，以减小液压冲击；柱塞泵的柱塞数的 确定应科学合理，并在吸、压油配流盘上对称的开出三角槽，以防柱塞泵困油； 为防止空气混入，泵的吸油口应足够大，而且应没入油箱液面以下一定深度，以 防吸油后因液面下降而吸入空气，为减少液压冲击，可以延长阀门关闭时间，并 在易产生液压冲击的部位附近设置蓄能器，以吸收压力波；另外，增大管径和使 用软管，对减少和吸收振动都很有效。 3 液压元件的连接与拆卸性的设计 液压系统设计应尽量提高液压系统的集成度，采用原则是对多个元件的功能进 行优化组合，实现系统的模块化，并尽可能使液压回路的结构紧凑，如减小液压 元件间的连接，设计易于拆卸的元件等。在满足其功能的基础上，设计的重点是 液压元件地连接技术，不同连接结构的装配和拆卸的复杂程度不同，焊接连接的 装配和拆卸的复杂程度最高，易导致零部件破坏性拆卸，螺钉连接的装配容易而 可拆卸程式度要受环境影响，如果生锈则会导致拆卸复杂，铆钉连接的机械装配 性较好但拆卸复杂，嵌人咬合是装配性的拆卸性均较好的一种连接方式，但在连 接强度要求高的情况下，其连接的安生性降低。 为了使液压系统结构更紧凑，根据其安装型式的不同，间类元件可制成各种结 构型式；管式连接和法兰式连接的阀；插装阀便于将几个插装式元件组合成复合 阀，板式连接的普通液压阀可安装到集成块上，利用集成块上的孔道实现油路间 的连接，或可直接将阀做成叠加式结构即叠加阀，叠加阀上有进、出油口及执行 元件的接口、其接头可做成快速双向接头，提高装配性和可拆卸性u 。 4 液压系统的节能设计 液压系统的节能设计不但要保证系统的输出功率要求，还要保证尽可能经济、 有效的利用能量，达到高效、可靠运行的目的，液压系统的功率损失会使系统的 总效率下降、油温升高、油液变质，导致液压设备发生故障。因此，设计液压系 统时必须多途径地降低系统的功率损失。 在元件的选用方面瞄驯，应尽量选用那些效率高、能耗低的元件，如选用效率较 高的变量泵，可根据负载的需要改变压力，减少能量消耗，选成集成阀以减少管 连接的压力损失，选择压降小、可连续控制的比例阀等。 龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究 采用各种现代液压技术也是提高液压系统效率、降低能耗的重要手段，如压力 补偿控制、负载感应控制以及功率协调系统等u 引，采用定量泵+ 比例换向阀、多联 泵( 定量泵) + 比例节流溢流阀的系统，效率可以提高2 8 4 5 ，采用定理泵增速液 压缸的液压回路，系统中的溢流阀起安全保护作用，并且无溢流损失，供油压力 始终随负载而变，这种回路具有容积调速以及压力自动适应的特性，能使系统效 率明显提高啼1 。 第四章液压系统工作压力及流量的计算旦 第四章液压系统工作压力及流量的计算 4 1 设计依据 4 1 1 举升机对液压系统的要求 液压系统是举升机的主要部分，根据举升机的工作工况，对液压系统有以下 的要求： ( 1 ) 要求采用双缸结构，且同步上升。 ( 2 ) 要求举升汽车时速度平稳，满足举升和下降时的速度和重量要求： ( 3 ) 适合于室外作业。 4 1 2 系统工作压力p 。的确定 确定系统工作压力要考虑以下因素： ( 1 ) 液压元件的安装体积大小； ( 2 ) 液压系统重量大小； ( 3 ) 液压系统的可靠和安全性能； ( 4 ) 液压元件的性能价格比； ( 5 ) 液压系统中选用元件的市场供应情况。 4 2 工作过程负载分析计算 液压缸需要克服的外负载： f = 匕+ 毋+ c ( 4 1 ) 式( 4 1 ) 中：瓦一工作负载，即举升重物的重量，取7 x1 0 3 姆， 毋一摩擦阻力，乃= m z = 0 0 2 x7 = o 1 4 x1 0 3 堙 聃懒载，f a - r a g - - 詈古= 等= o 0 1 5 xl o a 姆 所以： ，= 巴+ b + c = ( 7 + o 1 4 + 0 0 1 5 ) x1 0 3 堙= 7 1 5 5 x1 0 3 k g 竺龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究 4 3 液压缸主要参数计算 4 3 1 选择计算液压缸的技术要求： 液压缸的设计要考虑下列基本技术要求1 钔1 副： 液压缸承受最大的负载力； 输出最大速度或动作时间t ； 最大行程l 。 4 3 2 主要参数计算 1 液压缸形式选择 根据举升机的工作情况，拟选用柱塞式液压缸。其形式如图4 - 1 。 毳 图4 1 柱塞式液压缸结构图 2 最大行程l 确定： 由于本举升机所需的举升高度为3 8 米，采用柱塞式液压缸，上升过程依靠 液压油压力推进，下降时在背压作用下依靠汽车自重完成，这种缸体从机械加工 工艺来说，属于粗加工工工艺，适于用作长行程。 系统工作压力确定： p = f a ( 4 - 2 ) 上式中：l r 系统工作压力；根据公称压力的国家标准g b t 2 3 4 6 - 19 8 8 ) ( 见 表4 1 ) ，取优先系列数据。拟选取1 0 m p a 。 第四章液压系统工作压力及流量的计算 堕 表4 1 液压一公称压力系列 ( g b i t 2 3 4 6 19 8 8 ) m p a 0 0 1 00 0 1 60 0 2 5 0 0 4 0 0 0 6 30 1 00 1 6 ( 0 2 0 ) 0 2 5 0 4 00 6 3 ( 0 8 0 ) 1 01 62 5 4 0 6 3 ( 8 0 ) 1 0 0 12 516 02 0 02 5 o3 1 5 4 0 0 5 0 。0 6 3 o8 0 01 0 0 注：1 括号内公称排量值为非优先用值。 2 超出本系列10 0 m p a 时，应按g b 3 2 1m l9 8 0 优先数和优先数系 中r 10 数系选用。 卜- 液压缸所承受的外负载，f = 7 1 5 5 t 。 a 液压缸的有效工作面积。 彳= 翮2 4 ( 4 3 ) 式( 4 - 2 ) 和( 4 - 3 ) 可求出：柱塞的直径d = 9 5 5 c m 。 结合表( 3 2 ) 液压缸内径尺寸系列( g b t 2 3 4 8 1 9 9 3 ) 和g b 3 2 1 8 0 与计 算结果取d = 7 0 c m 。 表4 2 液压缸内径尺寸系列 ( 摘白g b t 2 3 4 8 - - 1 9 9 3 )( m m ) 84 012 5 ( 2 8 0 ) 1o5 0 ( 14 0 ) 3 2 0 126 316 0 ( 3 6 0 ) 168 0 ( 18 0 ) 4 0 0 2 0 ( 9 0 ) 2 0 0 ( 4 5 0 ) 2 5 10 0( 2 2 0 )5 0 0 3 2 ( 1 1o ) 2 5 0 注：圆括号内的尺寸为非优先选用尺寸。 上升过程的上腔所需油液流量为： a = i ，彳 ( 4 4 ) 其中：，一上升过程时的速度0 0 3 1m s 。 么一液压缸有效工作面积，m 2 。 根据式( 4 4 ) 可以计算出双缸上升时的流量为2 9 2 l m i n 。 一1 6 龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究 4 4 1 液压泵的工作原理 4 4 液压泵的选择 液压泵是将机械能转换为流体压力能的设备。主要涉及以下几个方面： 1 液压泵是一个或几个密封腔油腔容积作周期变化来进行工作的。泵的输出 油量取决于密封容积的体积变化和变化频率。 2 为了保证密封容积变大时只与排油管相连接，容积变小时只与吸油管相连 接，根据本系统需要，设置两个单向阀。 3 容积式油泵的排油压力取决于排油管道中油液所受到的负载大小，吸油时 容积增大，形成一定的真空，油液在泵内的压力差有作用下进行了密封容积。 4 4 2 液压泵的形式 液压油泵的形式包括定量泵和变量泵两种。选择油泵时考虑的主要因素有： 打击频率和打击能量对系统流量的要求、流量波动变化范围、泵本身的可靠性及 稳定性等。 1 定量泵 与变量泵相比，定量泵具有价格低廉、耐冲击、承受最高工作压力高、可靠 性好等优点。如果工作过程中流量变化范围不大，系统流量变化可以通过蓄能器 来均衡，则可以考虑用定量泵，对于双缸液压举升机而言，在其上升阶段，上升 速度近似匀速，所需泵流量相对平稳；下降阶段，主要依靠自重完成，流量变化 范围不大，因此选用定量泵。 2 变量泵 采用变量泵可以满足液压举升机各种不同工况对打击频率和打击能量的要 求。同时调节变量泵排量可以满足液压举升机工作过程中系统流量变化的要求。 相同行程的条件下，举升高频率越大则变量泵排放的流量越大，采用变量泵来调 节打击频率和打击能量。变量泵适合于工作过程中流量变化范围大的场合。 4 4 3 液压泵的形式 液压泵的分类( 见图4 - 2 ) 第四章液压系统工作压力及流量的计算 旦 图4 2 液压泵分类 4 4 4 液压泵主要参数计算及型号选择 液压泵的主要参数为工作压力和流量。 1 液压泵工作压力p 计算： 液压泵的工作压力是指液压泵出口压力，它取决于外负载。外负载主要是指 导管路的阻力及液压运动件的摩擦阻力等。 确定液压泵压力需要考虑以下因素：系统压力，管路压力损失，液压 油通过调节元件的压力损失，系统运行中的系统压力动态特性。 液压泵的工作压力为： r = 尸+ 罗纰 ( 4 5 ) 一 i 。 其中：p 工一液压泵的工作压力。 p 一执行元件工作压力。为9 1 1 5 m p a 。 凹一进入管路的压力损失，根据经验值，得 简单系统：为0 2 0 5 m p a 。 复杂系统：o 5 1 5 m p a 。 根据式( 4 - 5 ) 计算 岛= p + y 纰：9 1 1 5 + o 5 ：9 6 1 5 m p a o一 j 得出泵的出口实际压力即液压泵的出口处压力为9 6 1 5 m p a 。 2 液压泵流量q b 计算： 液压泵在单位时问内输出的流液体积称为液压泵的流量。一般为执行元件所 豉台皱台 式 式 开啮 啮 盘 轴 胬摆内 斜斜 1 1 合 合 用 用 一 啮 啮作 侮 向 向 外 内单 跚 径 轴 1 泵 泵 泵 泵 轮 片 塞 杆 齿 叶 拄 螺 一 液压泵 旦龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究 需的最大流量与管路中油液损失之和。即： q 。= k ( 邮) 一 ( 4 6 ) 式中：k 一泄漏系数，一般为1 1 1 3 ，取k = i 15 ( 纰) 一一所有执行元件所需流量之和的最大值，根据经验得，2 9 0 l m i n 。 求得。 q 6 = k ( 他) 一= 1 1 5 x 2 9 0 = 3 3 3 5 ( l r a i n ) 3 液压泵型号的确定： 根据主机工况、功率大小和系统对工作性能的要求，首先确定液压泵的类型， 然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格和型号。主要考虑以下几个方面： ( 1 ) 液压泵的类型选择 ( 2 ) 液压泵的工作压力 ( 3 ) 液压泵的流量 前述计算的液压泵的工作的压力，为系统处于静态时的压力，举升机在工作 时，其动态流量会高于理论工作压力，有时峰值达到4 5 以上，因此在选用泵时 既要根据国标规定的优先公称压力值，又要考虑动态压力的峰值，使所选的液压 泵额定压力与计算值相当。 另外，液压泵的转速的选择，要根据主机及液压泵允许的转速、使用寿命、 可靠性等方面加以考虑。 根据上述计算结果及国家标准( g b t 2 3 4 6 19 8 8 ) ( 见表4 1 ) ，取优先系列数 据。系统压力确定后，调整液压回路中的溢流阀调整压力使之与系统压力相适应。 根据经验及公称压力国家校准，系统压力p 系统初步定为16 m p a 。 根据液压举升机工况要求及液压泵的性能特点，拟选用叶片泵，叶片泵具有 流量均匀，运转平稳、噪声小、使用寿命长、容积效率高等特点。可分为单作用 式和双作用式叶片泵两种形式，其主要由定子、转子、叶片、配流盘及壳体组成。 综上所述，液压举升机液压系统的液压泵选用y b e 2 5 卜f 1 型。其基本参 数：其排量为2 5 m l r ，转速为14 4 0 r p m ，工作压力为16 m p a ，其流量为 q = 2 5 x1 4 4 0 x0 9 1 0 0 0 = 3 2 4 ( l r a i n ) 该液压泵的额定压力约高于计算值的6 5 ，满足使用要求。 4 泵用电机选择与计算 电动机的选择主要是根据电动机功率确定。其额定转速要与液压泵的额定转 速相一致。 由式( 4 - 7 ) 可得电动机功率 第四章液压系统工作压力及流量的计算 旦 n = ( q o ) 一佩 ( 4 7 ) ( 乞q o ) 一一液压泵的最大输出功率，液压泵输出压力和输出流量之积的最 大值。 一叶片泵的总效率，叶片泵一般选取0 7 0 8 。拟选取0 7 5 可以计算得到液压叶片泵的功率： r = ( p o 9 - 0 ) 。r l a = 型筹= 6 7 k 形 根据计算结果，选择y 1 3 2 m 一4 ，功率为7 5 k w ，转速为1 4 4 0 r p m 的异步电 动机与叶片泵相连。 4 5 液压阀的性能参数计算与选择 4 5 1 液压阀介绍 液压阀主要分为滑阀和转阀两大类，滑型换向阀应用较广泛，其阀芯上径向 力易于平衡，因此，操纵省力，对油液污染物反应不十分敏感，易于实现多种机 能，工艺性能好。 转阀由于阀芯所受的径向力不易平衡，因此操纵力要较大，且密封性能差。 因此较适合于低压、小流量的系统中。 经实践及对比分析，本系统选用滑阀型换向阀。 滑阀主要由阀体、圆柱形阀芯和操纵机构组成。如图4 3 。 pb 0 图4 - 3 滑阀型换向阀结构示意图 其工作原理是利用圆柱形阀芯在阀体- t l r 的滑动并停留在不同的位置上来改 变油液的通路，其阀芯的滑动是由各种不同的操纵机构来实现的。圆柱形阀芯为 龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究 台肩形，一般有2 5 个台肩，台肩的直径与阀体上阀体孔内的滑动并停留在不同 的位置上来改变油液的通路，而阀芯的滑动是由不同的操纵机构来完成的。台肩 直径与阀体上的阀孔进行配合，既要保证阀芯和阀体之间能相对滑动，又可对油 液起密封作用。不同油路的通断是根据台肩和阀体不同位置实现的。阀芯与阀体 的相对位置不同即可实现油路的换向。 操纵机构产生机理不同，可将液压换向阀可分为电磁换向阀，液控阀、手动 阀等。电磁换向阀是利用电磁铁产生力来操纵阀芯的运动。电磁铁的通断电即可 实现不同油路的换向。因此换向阀的换向通过电磁换向阀易于实现自动控制和远 距离控制。举升机的控制机构放置在二楼，并能多点控制。因此宜选用电磁换向 机构。 4 5 2 液压阀选择原则 液压阀的主要参数为最大工作压力和流经该阀的最大流量。因此在选