（机械设计及理论专业论文）中小吨位汽车起重机液压工作回路仿真及实验研究.pdf

硕士研究生学位论文 abstract i 摘 要 汽车起重机是广泛应用于国民经济各领域的一种流动式起重设备。随着我国经济建设 的发展，对其需求量越来越大，对其性能的要求也越来越高。回转机构和起升机构是汽车 起重机重要的机构，其液压系统特性直接影响整个起重机的工作性能。目前，国内汽车起 重机的制造厂商主要依据经验及类比的方法来进行液压系统的设计，再通过样机试验来发 现问题。这既花费了大量的时间和精力，又增加了设计成本。 本文首先对汽车起重机液压系统的组成及特点和液压仿真技术进行了介绍，阐述了液 压系统仿真建模的几种方法，对汽车起重机回转机构、起升机构的液压回路进行了分析， 简化出相应的液压系统原理图。其次，借助法国amesim软件，分别建立了qy20汽车起重 机回转机构和起升机构的机液一体化仿真模型，恰当选择了系统元件的子模型，通过现场 实测验证了仿真模型的正确性。最后，设计了仿真实验，对回转机构的制动精度以及转动 惯量、回转阻力矩、制动时间、换向阀阀口开度、溢流阀调定压力等因素对汽车起重机回 转机构和起升机构液压系统的影响进行了分析。仿真结果表明，工作状态改变时，系统会 产生压力冲击，而以上影响因素对回转机构和起升机构液压系统的压力冲击较为明显，在 系统设计中必须合理匹配才能获得满意的系统动态特性。 本文讨论了汽车起重机起升系统存在的二次下滑现象，阐述了解决二次下滑现象的基 本途径，选取了将制动器油路中的单向节流阀的控制方式由手动控制改为液控，利用起升 马达进、出油口的压力差来调整节流口通流面直径，间接控制制动器开启时间，从而达到 消除二次下滑现象的最终目的。在此基础上，基于a m e s i m 软件对改进后的系统进行建模仿 真，利用仿真结果，给出了负载与起升马达建立所需压力的时间、制动器开启时间之间的 对应关系，为通过改进单向节流阀内部结构来消除二次下滑现象并改善二次起升性能提供 了方法和理论依据。这种基于仿真技术的系统分析方法对其它液压系统的设计研究具有借 鉴意义。 关键词：汽车起重机；液压系统；二次下滑；动态仿真 ii abstract 硕士研究生学位论文 abstract truck crane is widely applied in various areas of the national economy as a mobile lifting equipment. with the development of our countrys economic construction, it is demanded more and requirements for its performance are higher. swing mechanism and hoisting mechanism are important institution cranes; its dynamic characteristics directly affect the entire crane work performance. at present, the domestic truck crane manufacturer is mainly based on experience and analogy method for hydraulic system design, and then problems are found through the prototype test. it has spent a lot of time and energy, and adds design cost. firstly, truck crane hydraulic system composition and characteristics and hydraulic simulation technology are introduced; the hydraulic system simulation modeling of some methods to automobile crane swing mechanism are expounded; hoisting mechanism of hydraulic circuits are analyzed. then the corresponding hydraulic system diagram is simplified and the amount of qy20 truck crane swing mechanism and hoisting mechanism hydraulic loop are calculated. secondly, with french amesim software, we establish qy20 truck crane swing mechanism and hoisting mechanism of machine electrohydraulic simulation model, properly choosing system components of soliton model, testifying the simulation model by field measurement. finally, simulation experiments are designed; the design of swing mechanism of braking accuracy and inertia, rotary resistance torque, braking time, reversing valve mouth open degree, overflow valve pressure adjustment for other factors on the truck crane swing mechanism and hoisting mechanism hydraulic system are analyzed. simulation results show that with the working status changing, the system will generate pressure impact; but pressure shock of above influencing factors to swing mechanism and lifting mechanism hydraulic system is obvious. in system design, reasonable matching is needed to achieve content system dynamic characteristics. this paper discussed the truck crane hoisting system s second decline and the solutions to the decline of the second basic ways； the unidirectional throttle valve will brake oil control mode by manual control instead of hydraulic controlled, using lifting motor oil into or out of the mouth of the pressure difference to adjust the flow restrictor mouth diameter, indirectly controlling brake face turn on time, thus the final purpose of secondary decline can be eliminated. on this basis, based on amesim software for improved system modeling and simulation, using the simulation results, the hypothesis of system transition process quality and stability, and giving the corresponding relationship between pressure times for the requirements under load and establishing lifting motor and open time for the detent, which provides theoretical basis of improving the unidirectional throttle valve internal structure to eliminate the secondary decline and improving secondary hoisting performance. the simulation system analysis method has 硕士研究生学位论文 abstract iii research significance to other hydraulic system design. keywords: truck crane; hydraulic system; second decline; dynamic simulation 声 明 本人声明， 所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我共同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、 使用 学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 （如作者 和导师同意论文交流，请在下方签名；否则视为不同意。 ） 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 不限 半年 一年 一年半 两年 作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 1 摘 要 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1.1 论文的目的和意义 汽车起重机是广泛应用于国民经济各领域的一种流动式起重设备。这种设备能以较快 速度行走，具有机动性好、适应性强、自备动力不需要配备电源、能在野外作业、操作简 便灵活等优点，因此在交通运输、城建、消防、大型物料场、基建、急救等领域得到广泛 的应用。随着我国经济建设的发展，对其需求量越来越大，对其性能的要求也越来越高。 回转机构是汽车起重机重要的机构之一，其动态特性直接影响整个起重机的工作性 能。回转机构最重要的参数是定位精度，定位精度的好坏影响着汽车起重机作业的效果。 同时，定位精度也是由液压系统的决定的。 二次起升是汽车起重机的一种常见工况，传统的汽车起重机泵控起升系统中，二次下 滑是一种常见现象。业内人士对此做过许多研究，采取了很多措施，但是，由于系统局限 性的原因，始终没能做到对制动器开启时机和系统流量大小的合理控制，二次下滑现象依 然存在。 随着机电液一体化技术日新月异的发展，液压设备在工程机械造价中所占的比例逐年 攀升，增长了 20%左右。运用计算机仿真技术对液压系统进行设计和分析，不仅可以在设 计过程中预测系统的性能，还可以根据仿真对所设计系统的整体分析和评估修正系统，从 而达到优化系统、缩短设计周期和提高系统稳定性的目的，具有显著的经济效益。 基于上述认识，本文以qy20汽车起重机液压系统为研究对象，对工作回路进行建模仿 真，并分析影响系统动态特性的因素；以仿真为手段，对单向节流阀节流口的控制方式进 行了研究，以提高起升机构的工作安全性。 图 1- 1 qy20 汽车起重机整机 硕士研究生学位论文 摘 要 2 1.2 液压仿真技术国内外研究现状及趋势 近年来，国民经济发展迅猛，汽车起重机作为主要施工设备在国家经济建设中的作用 越来越重要。如果没有汽车起重机的参与，高速铁路等大型工程是根本无法完成的。液压 传动具有诸多突出优点，例如易于实现直线运动、便于冷却散热、功率密度高、速度刚性 大、动作实现容易等，因而在汽车起重机中得到了广泛的应用。目前，几乎所有的汽车起 重机上都装有液压设备，采用液压技术的程度已成为衡量汽车起重机性能的重要指标1。 液压仿真技术至今已诞生 40 多年，在我国也已经发展了 30 多年。在计算机技术和相 关学科发展的同时，该技术也日益成熟，作为设计液压系统或元件的必要手段，已被业界 广泛运用，逐步成为液压系统设计师不可或缺的工具。随着科学技术、仿真理论及计算机 技术的不断发展，液压仿真技术不断提高2。在当今的科学研究中，液压仿真技术缩短了 研究周期、提高了科学研究水平、促进了各个不同领域的融合、降低了科学研究成本及风 险、加速了科研成果转化为生产力的进程。可以说，液压仿真技术已成为科学研究中必不 可少的实用技术。 在现代工业中，随着对汽车起重机的性能要求以及机电液一体化程度的不断提高，对 液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求，传统的以完成设备工作循环 和满足静态特性为目的的液压系统设计方法已不能适应现代产品的设计和性能要求。如果 要对液压机械系统进行动态特性分析和采用动态设计方法，就需要运用计算机仿真技术， 它是利用计算机技术研究液压机械系统动态特性的一种新方法3。 上世纪90年代，计算机技术获得长足的发展，使得在液压系统中应用现代控制理论成 为可能，加快了液压技术的发展。由单片机控制的变量泵，大大提高了液压系统的效率。 在此期间，工程师们成功研制了智能型液压汽车起重机，使得汽车起重机的作业精度及发 动机的功率利用率得到了显著的提高。计算机仿真技术在液压技术中的应用标志着现代汽 车起重机液压传动与控制已发展到一个较高的水平。随着计算机技术与液压技术结合的深 入，推动了液压系统计算机仿真的发展。在计算机技术的大力支持下，液压系统仿真技术 日趋成熟，在液压系统设计的过程中所起的作用越来越大。 液压仿真技术的主要应用领域： （1）通过理论推导建立已有液压元件或系统的数学模型，用实验结果与仿真结果进行 比较，验证数学模型的准确性，并把这个数学模型作为今后改进和设计类似元件或系统的 仿真依据； （2）通过建立数学模型和仿真实验，确定已有系统参数的调整范围，从而缩短系统的 调试时间，提高效率； （3）通过仿真实验研究测试新设计的元件各结构参数对系统动态特性的影响，确定参 数的最佳匹配，提供实际设计所需的数据； （4）通过仿真实验验证新设计方案的可行性及结构参数对系统动态性能的影响，从而 确定最佳控制方案和最佳结构。 3 摘 要 硕士研究生学位论文 1.2.1 国外研究现状 早在上个世纪50年代，nightingale与hanpun就采用传递函数法，针对液压伺服系统进 行了动态性能分析，当时只分析系统的稳定性和频率响应。该方法仅适用于单输入单输 出的线性定常系统的分析，无法准确描述系统内部各个变量的特征，也不能正确处理液压 系统中普遍存在的非线性问题。经过20多年的发展，国外研究机构开始尝试进行液压系统 及元件的计算机仿真，但输入数据过程复杂，且只能分析动态性能。到了70年代后期，随 着液压流体力学、控制理论、优化设计、仿真、计算机等学科的发展，液压系统的数学模 型终于能准确建立。近年来，液压仿真技术在欧洲得到了飞速发展，各国纷纷推出液压仿 真软件的新版本，如德国的dsh+，英国的bathfp，瑞典的hopsan等。近年来，一些综合性 的系统仿真软件异军突起，具代表性的有法国的amesim，波音公司的esay5等。 1.2.2 国内研究现状 我国的液压仿真技术起步晚于其他国家，70 年代末才开始研究。以浙江大学、上海交 通大学、大连理工大学为首的一些重点高校和研究机构通过改进国外仿真软件和自主开 发，均取得了一些进展。如浙江大学通过引进德国 dsh液压仿真软件进行二次开发，在 此基础上推出了 simul/zd液压仿真专用软件；此外，浙江大学流体传动与控制研究所与 国营 183 厂合作开发了液压系统及元件仿真软件系统 dlysim；北京航空学院研制出 fps 通用仿真程序；上海交通大学自主研制开发的针对液压原理图的仿真软件包 hycad4。 不过，从总体上说，国内的液压仿真技术与国外的技术水平还是均在着较大的差距。 目前，国内几所重点高校还在不遗余力地进行着这方面的研究工作。 1.2.3 发展趋势 （1）深入研究先进的建模方法 模型是仿真的根本，能否正确建立的模型，直接影响着能否更深刻、更集中地反映实 体的主要特征和运动规律，从而达到对所研究对象的准确描述。因此应大力发展系统自动 建模技术、一体化开放性的图形建模技术、具有在线自动调试功能的建模技术和采用高精 度自适应的模型及算法， 来提高模型的精度和可靠性，为系统设计和分析提供准确的依据。 （2）大力发展分布交互式仿真技术 分布交互式仿真技术是当前仿真技术研究的重要领域之一，其在工程技术方面有深远 的应用价值。其基本任务是定义一个层次化结构，主要提供接口标准、通讯结构、管理结 构、置信度指标、技术规范以及将异构仿真器加入到一个统一、无缝的综合环境中所必需 的要素，可将现有的不同用途、不同技术水平以及不同生产商提供的仿真设备集成一体， 并实现交互使用，这对液压系统仿真来说是很重要的。 （3）进行面向对象仿真技术的研究 面向对象仿真技术在理论上突破了传统仿真方法的观念，它根据组成系统的对象及其 相互作用关系来构造仿真模型，模型的对象通常表示实际系统中相应的实体，从而弥补了 模型与实际系统之间的差距，而且它分析、设计和实现系统的观点与人们认识客观世界的 硕士研究生学位论文 摘 要 4 自然思维方式一致，因而增强了仿真研究的直观性和易理解性。 （4）开展人机和谐仿真环境的研究 面向对象的仿真方法，提供了更为自然、直观的系统仿真框架，实施框架则要进一步 创建高逼真感觉的信息环境，使真实化环境、模型化物理环境与用户融为一体，使研究主 体 人产生身临其境的感受，这就是人机和谐的仿真环境。 （5）在液压系统仿真技术中引入数据库技术 在液压系统仿真技术中存在大量的元件模型，相同的元件又由于参数、系统要求和使 用环境的不同而不同，同时由于现代科学技术的飞速发展，液压元件又会出现大量新的品 种，因此如何处理这些问题是液压系统仿真软件研究人员必须考虑的问题。 1.2.4 当前液压系统仿真的主要问题 当前，液压系统的仿真主要有以下几个问题： （1）系统建模不易 对液压系统进行仿真首要任务就是建立数学模型，最困难的也是进行建模，然后才可 以进行计算机仿真研究，而建模是一件相当复杂的工作。模型建立的好坏直接关系到仿真 的结果，不恰当的模型有可能得出相反的结论，但建立者还有可能不知道，从而可能造成 巨大的损失。目前绝大多数软件采用状态方程建模，这些对一般的液压工作者来说，难度 是相当大的，尤其是用键合图进行建模，对仿真工作者的要求就更高。 （2）系统仿真的精度和可靠性不高 我们知道要是系统仿真技术真正适用，就必须提高仿真结果的精度和可靠性。在系统 容许的条件下，精度越高，仿真结果就越准确和可靠，但由于液压仿真软件本身和仿真技 术等方面的原因，仿真结果的精度不可能很高。如系统的刚性、病态方程、模型简化、对 模型原始数据的选取存在偏差和计算机性能的影响，都会降低仿真结果的精度，这些问题 在当今还没有解决，肯定会影响仿真技术的应用和发展。 （3）仿真模型库不完善 在大多数液压系统仿真软件中，一般将仿真元件简单分为液压泵、液压马达、液压阀、 液压缸和液压辅件等五类，然而据此建立的模型库都是标准元件，而在实际液压系统中还 存在许多元件是模型库中没有的，因此一些元件型号和元件参数不能通过操作液压系统原 理图直接选取，还需要另外变成输入，这不仅影响了建模和仿真的效率，而且有可能减低 仿真结果的精度和可靠性。 （4）仿真软件的通用性不好 许多仿真软件都是某一专业领域的，对液压系统中的元件和仿真参数都有严格要求， 并且要求是在自带的仿真支撑环境中使用，因此使用不同的仿真软件即使对同一系统进行 仿真也需要编写不同的仿真程序，即这些软件的移植性和其他软件的接口性不好。 5 摘 要 硕士研究生学位论文 1.3 本文主要研究内容 本文的具体研究思路和工作内容如下： （1）查阅大量相关的国内外文献，了解当前汽车起重机液压系统及仿真技术的发展现 状，对回转机构和起升机构的工作原理进行深入研究。 （2）借助 amesim 软件平台，建立起升机构、回转机构液压回路的仿真模型，对主要 仿真元件的参数进行计算和确定，设定工况，对两个系统进行仿真分析。试验验证模型正 确。 （3）阐明影响中小型汽车起重机起升机构液压系统出现二次下滑现象的主要因素及解 决途径，对制动器油路进行添加可变节流口的改进设计，仿真分析，通过仿真曲线对比改 进前后起升机构的工作特性，验证设计的可行性。 1.4 本章小结 本章论述了液压仿真技术的发展历史及其在国内外的研究现状，指出了液压仿真技术 当前的发展趋势及其所面临的主要问题，在此基础上，阐明了论文的研究目的和意义，明 确了本文的研究思路和研究内容。 硕士研究生学位论文 摘 要 6 第二章 汽车起重机液压系统 2.1 液压系统基本组成 液压系统利用压力能来传递动力施加控制。除工作介质液压油液外，液压系统由四部 分组成，分别为5： 动力元件：是将发动机机械能转换为油液压力能的装置，即液压泵，它是液压系统的 动力源。按结构不同，液压泵主要分为齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。其中齿轮泵成本低、体 积小、工作可靠、对液压油的污染不太敏感，因而国内中小吨位的汽车起重机多采用齿轮 泵。 执行元件：是将油液压力能转换为机械能做功的装置，即油缸和马达，它往往驱动系 统的工作机构。其中油缸输出直线运动，马达输出转动。考虑到成本原因，目前国内中小 吨位的汽车起重机回转机构多采用马达通过减速器驱动转台回转的传动方式，而不是使用 低速大扭矩马达直接驱动。 控制调节元件：是对系统施加控制的装置，主要是各种阀类元件，按照作用不同分为 压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等。其中压力控制阀主要有溢流阀、顺序阀、减压 阀和压力继电器，流量控制阀主要有节流阀和调速阀，常用的方向控制阀主要是换向阀、 单向阀等。这些元件通过对系统压力、流量和油液流动方向施加控制，来实现系统的工作 特性。 辅助元件：对系统正常工作起辅助作用的管路、接头、蓄能器、滤油器、油箱等元件。 这四类元件通过不同的组合方式、不同的参数匹配，可获得不同传动和控制特性的液 压系统。 2.2 汽车起重机液压系统 汽车起重机是将起重机安装在汽车底盘上的一种起重运输设备，由于其灵活便捷的工 作特性，使其在建筑、安装和城市建设领域得到了广泛应用。汽车起重机主要由起升、回 转、变幅、吊臂伸缩和支腿伸缩等 5 部分工作机构组成，这些工作机构动作的完成都是由 液压系统来实现。对于汽车起重机的液压系统，一般的要求为输出力大，动作要平稳，耐 冲击，操作灵活、方便，系统安全、可靠。 汽车起重机是一种流动型起重机，图 2- 1 为其液压系统原理图，按照功能不同，可分 为起升、回转、变幅、吊臂伸缩和支腿伸缩 5 个子系统。这是一种通过手动操纵来实现多 缸各自动作的系统。在轻载情况下，各串联的执行元件可任意组合。该系统液压泵的动力 由汽车发动机通过装在底盘变速箱上的取力箱提供。液压泵通过中心回转接头 5 从油箱吸 油。 7 摘 要 硕士研究生学位论文 2.2.1 起升机构液压回路 工程起重机械，为了完成垂直运输任务，必须设置起升机构。它是工程起重机械的主 要机构，在工程起重机械中具有重要的地位。起升机构性能的优劣，直接影响工程起重机 械的工作性能。起升机构的作用是实现重物的升降运动，控制重物的升降速度，并可使重 物停止在空中某一位置，以便进行装卸和安装作业。 起升机构的传动方式有机械传动、电力传动、液压传动等形式。由于液压传动具有出 图 2- 1 汽车起重机液压系统图 1- 油箱 2- 回油滤油器 3- 三联齿轮泵 4- 支腿操纵阀 5- 回转接头 6- 顺序阀 7- 溢流阀 8- 回转马达 9- 平衡阀 10- 伸缩臂液压缸 11- 平衡阀 12- 变幅液压缸 13- 梭阀 14- 平衡阀 15- 起升马达 16- 离合器液压缸 17- 制动器液压缸 18- 单向阻尼阀 19- 多路换向阀 20- 操纵阀 21- 蓄能器 22- 组合阀 23- 垂直液压缸 24- 液压锁 25- 转阀 26- 水平液压缸 硕士研究生学位论文 摘 要 8 力大、体积小、重量轻、结构简单、传动平稳、操纵省力、易实现无级变速和自动控制等 优点，液压传动的起升机构获得越来越广泛地应用。起升机构的液压系统通常由液压泵、 液压马达、平衡阀、制动器、离合器和相关辅件等组成。 一个低速大扭矩马达带动的卷扬机组成了汽车起重机起升机构，多 路换向阀 19.6 控制 起升液压马达的转动方向。汽车起重机通过改变发动机的转速从而调整液压泵的输出流量 和起升液压马达的输入流量来实现起升机构起升速度的调节。系统的回油路设置平衡阀， 当起升马达承受负值负载时，用以防止重物自由下落。 2.2.2 伸缩机构液压回路 根据工况要求，控制伸缩机构改变起重臂的工作长度。按照伸缩臂伸缩过程的不同， 伸缩机构有顺序伸缩和同步伸缩两种形式。顺序伸缩回路的工作特征是各节臂按一定顺序 一节一节地伸出或缩回。同步伸缩回路的工作特征是各节臂在伸缩过程中，以相同的行程 比率进行伸缩。 就汽车起重机受力而言，同步伸缩较顺序收缩有利，但同步伸缩机构较为复杂，实际 应用中，中小吨位汽车起重机大多利用液压缸和钢丝绳构成的机械液压组合机构来完成同 步伸缩。 2.2.3 变幅机构液压回路 使用液压缸或液压马达来驱动臂的变幅的液压系统具有工作平稳、结构轻便、造型优 美和易于布置等优点，应用较为广泛。使用液压缸的变幅机构，按液压缸布置形式不同， 可分前倾式、后倾式和后拉式三种。 前倾式因液压缸前倾，其对臂作用力臂较长，变幅缸推力可小些，故缸径较小。因臂 的悬臂长度较短，对臂受力有利。但它有液压缸行程较长，臂下方空间较小的缺点。前倾 式变幅机构可用一只液压缸，也可用两只并联液压缸。 后倾式因液压缸后倾布置，作用力臂较短，缸径粗，但行程较短，臂架受力较差。但 臂前方空间较大。后倾式一般使用双缸驱动。 后拉式的液压缸置于臂的后方，臂向上变幅（这是主要受力工况）时，是以缸的有杆 腔来驱动的，活塞杆受力较好，而且前方有效空间较大。但液压缸较粗，只适用较小的机 械上。 有的起重机变幅机构，不是使用双作用液压缸，而是使用单作用液压缸。它使用两只 单作用液压缸倒置于臂两侧，升臂靠高压油，而落臂靠自重。在相同缸径下，其活塞杆可 做得粗些，受力状况较好。 2.2.4 回转机构液压回路 汽车起重机回转机构通常采用液压马达驱动，回转机构的主要工作流程是：液压系统 驱动回转马达，回转马达输出轴经齿轮副减速后驱动大齿圈，带动转台回转。 9 摘 要 硕士研究生学位论文 由于转台承载着汽车起重机所有工装、起升负载以及配重，且起制动频繁，因而负载 惯性大、会导致系统压力冲击，能量消耗较大。 2.2.5 支腿机构液压回路 汽车起重机设置支腿的目的是扩大作业面积，增加整体稳定性，当起重作业时，完全 由支腿支撑。因此，要求支腿坚固可靠，操纵方便，在行驶时收回，工作时外伸撑地。支 腿油路必须有良好的闭锁能力。 目前，大多数汽车起重机都采用h 型支腿，它由水平支腿和垂直支腿组合而成，支腿 外伸后呈 h 形。每个支腿由一个水平液压缸和一个垂直液压缸完成收放动作。其特点是支 腿跨距大，对地面适应性好，垂直支腿液压缸可以单独操纵，易于调平。但支腿高度较大， 离地间隙减小，影响作业空间。这种结构比通常采用垂直支腿液压缸安全可靠，不致因为 垂直液压缸及液压锁漏油而引起起重机倾翻。 2.3 汽车起重机液压系统的特点 汽车起重机液压系统的特点： （1）通用化程度高 一套液压系统可适用于多种吨位的起重机，元件的通用化有利于 降低成本、容易管理和组织生产。 （2）操作平稳动作精度高 由于操作方便，微动性好，因此对操作者的熟练程度要求 不是很高。 （3）系统刚性大 （4）操作方便并可进行各种复合动作 （5）安全保护措施齐全 多数液压系统采用了下列安全保护措施：微机控制的全自动 超重防止装置，可保证起重机超负荷时液压系统停止工作；采用组合离合器操纵阀，可保 证在起升离合器的接合压力不足时，制动器不能打开；平衡阀全部采用板式或插装式连接， 使整机不会产生平衡腔管路破损的情况；变幅传感器在管路损坏时，由系统保证可自动切 断与平衡腔之间的通路，防止事故的发生。 （6）按机构的动作特点合理选择元件 各元件能充分发挥其性能，减少了元件功能上 的浪费。如对平衡阀来说，变幅要求动作平稳，不能有冲击，动态特性要求也高，因而其 结构就相应地比起升、回转的复杂一些。 （7）其它特点 系统大量使用高压树脂软管，减少了配管难度，且有重量轻，价格低 的优点；为了防止系统发生气蚀，在各主要部位均设有排气阀，但其系统较复杂。 2.4 本章小结 本章在给出液压系统基本组成的基础上，分别介绍了汽车起重机液压系统的主要工作 回路的组成和工作特性，综述了汽车起重机液压系统的特点，从整体性角度为后面研究汽 硕士研究生学位论文 摘 要 10 车起重机回转机构、起升机构液压系统打下了基础。 11 摘 要 硕士研究生学位论文 第三章 仿真建模与参数设定 3.1 系统仿真建模的几种主要方法 3.1.1 几种主要的建模方法 目前，系统仿真常用的建模方法主要有以下几种： 1.传递函数法 传递函数法建模基于古典控制论，通常借助物理学定理定律构建描述系统输入输出关 系的微分方程。利用该方法分析典型元件和系统的动态特性，可以预测元件或系统的动态 特性等。但传递函数只适于描述单输入、单输出、初始条件为零的动态系统，当阶数较高 或对于非线性系统，就会遇到无法求解或误差太大等困难。 2.频域法 频域建模法就是从s域的传递函数g(s)，根据相似原理得到与它相匹配的z域传递函数 g(z)，从而导出其差分模型。这里的匹配是指动态性能和稳态性能的匹配，即g(s)的零点、 极点要和g(z)的零点、极点相匹配，而且对同一个输入函数g(s)和g(z)所求出的输出函数应 该具有相同的稳态特性。 3.状态空间法 基于经典控制理论的微分方程模型和传递函数模型，当它们的阶数较高时，用解析法 建模和进行动态响应分析就会遇到困难。第二次世界大战后出现的频域法，虽然避免了求 解高阶微分方程这个难题，但仍然存在着许多局限性。如频域法只适用于可按叠加原理进 行处理的线性定常系统，只能间接地确定系统对阶跃输入、斜坡输入、脉冲输入等几种典 型输入的时域响应，无法描述任何输入作用下的状态变化。传递函数只适用描述单输入、 单输出、初始条件为零的动态系统等。而基于现代控制理论的状态变量模型，完全克服了 上述缺点和局限性，从理论上解决了多输入、多输出和非线性时变系统的动态分析问题。 适应了研究高速、高精度复杂系统动态特性的需要。 4.功率键合图法 功率键合图法（power bond graph）是建立动力学系统数学模型既简便又简明的方法。 键合图是用图形方式来描述系统中各元件间的相互关系。它能反映元件间的负载效应及系 统中功率流动情况，还可以表示出与系统动态特性有关的信息。键合图中规定的各种变量 一般都是有物理意义的变量。利用有关变量间的因果关系，就可很方便地由键合图直接列 写出适合于仿真的状态方程。由于键合图符号是一种广义的网络符号，因此，可以用它们 来模拟许多类型的物理系统，如机械和电气系统等，特别是在液压系统领域的动态特性分 析研究中得到了广泛应用。 5.灰箱法 “灰箱” 法是一种理论分析和实验辨识相结合的一种建模方法。 它将液压系统视为 “灰 箱” ，其中有些参数如元件和系统的结构参数是已知的，而有些性能参数如阀口流量系数 硕士研究生学位论文 摘 要 12 等是待定的。在建立大系统模型时，首先利用数学分析方法根据元件在系统中的功能和作 用建立元件（或子系统）的数学模型，然后根据系统拓扑结构分析、节点特征和元件的作 用、节点拓扑约束条件和边界约束条件将子模型组成液压大系统模型。子模型或液压大系 统模型中待定的性能参数通过对元件或相关系统辨识获得。构成的大系统模型采用状态变 量模型的形式。这种方法充分利用有关液压系统和元件的已知信息和现有参数，利用较少 的实验数据通过参数辨识获得待定的性能参数及用理论方法难以确定的参数，所建立的模 型不仅适合于计算机仿真，而且更能准确地描述系统动态性能。 6.计算机辅助建模 目前各工程领域已有多种类专用仿真软件，比较通用的如matlab中的 simulink， 也有转于某个领域的仿真软件，有限元分析软件ansys、动力学仿真软件adams、液压 仿真软件美国的easy5，法国的amesim以及德国iti公司的simulationx等等。 由于问题域的扩展和仿真支持技术的发展，系统仿真方法学致力于更自然地抽取事务 的属性特征，寻求使模型研究者更自然地参与仿真活动的方法。在这些探索的推动下，系 统仿真技术有了一些新的发展趋势，出现了面向对象仿真的技术、定性仿真、智能仿真、 分布交互仿真、可视化仿真、虚拟现实仿真等。 上述介绍的几种方法都是液压仿真常用的方法，但都有一定的局限性，比如传递函数 法只适用于单输入单输出的系统，频域法只适用于可按叠加原理进行处理的线性定常系 统。随着计算机技术的不断提高，计算机辅助建模开始在液压仿真上得到广泛应用。 amesim软件是基于功率键合图开发的适于机电液系统的综合仿真软件，已开始在机 电液一体化仿真领域广泛应用，并取得了良好效果。因此，本文利于amesim软件来对汽 车起重机回转机构液压系统进行仿真分析。 3.1.2 基于 amesim的仿真建模方法 amesim为用户提供了一个图形化的时域仿真建模环境，用于工程系统建模、仿真和 动态性能分析。可使用已有模型和（或）建立新的子模型元件，来构建优化设计所需的实 际原型，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果，界面比 较友好、操作方便。使用者完全可以应用集成的一整套amesim应用库来设计一个系统， 模型都是经过严格的测试和实验验证。amesim不仅可以令使用者迅速达到建模仿真的最 终目的，而且还可以分析和优化设计，降低开发的成本和缩短开发的周期。amesim使得 工程师从繁琐的数学建模中解放出来，从而专注于物理系统本身的设计，不需要书写程序 代码。 amesim的环境界面如图3- 1所示。它提供了系统工程设计的完整平台，在此平台上， 工程师可以建立复杂的多学科领域系统模型，进行仿真计算和分析。amesim引入了基本 元素的概念，即从模型中提取构成工程系统的最小单元，能够在模型中描述所有系统和零 部件。 13 摘 要 硕士研究生学位论文 amesim使得工程师从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身的设定、 基本元素的概念，即从所有模型中提取出构成工程系统的最小单元，使得工程师可以在模 型中描述所有系统和零部件的功能，而不需要书写任何程序代码。 amesim中的液压库包括： 常用的液压元件， 比如泵、 马达、阀等；管道子模型，压力和流量传感器，流体特性 等。在amesim中建模可以从amesim元件库中直接得到 液压元件的模型，从中选择液压系统所需的元件型号，也 可以利用hcd库中的模型搭建自己所需要元件。 amesim 采用变步长变阶数变类型鲁棒性强的智能求解器， 根据用 户所建模型的数学特性自动选择最佳的积分算法。 amesim 的模型库多达20 种， 子模型总数多达1500 多个，并且支持数据库管理。其拥有的模型应用库，包括 机械应用库、控制应用库、流体应用库、电磁应用库、热 分析应用库以及内燃机应用库等，如图 3- 2 的一列图表所 示。 所有的应用库都提供了将信号端转换成为结构化的多 通口功能模块，方便工程师利用方块图灵活、迅速地建立 图 3- 1 a m e s i m 的操作环境 图 3- 2 a m e s i m 的元件库列表 硕士研究生学位论文 摘 要 14 物理系统的模型。 hcd （hydraulic component design）含义是液压元件设计。hcd库可以由非常基本的 模块，建造出任一元件的子模型。hcd大大增强了 amesim 的功能。在使用 hcd之前最 好能够熟悉其他 amesim标准子模型。在标准 amesim 库中，不可能提供如此大量的标 记和相应的子模型。因此只提供力一些比较通用的元件标记和子模型。当然，amesim 的 专家用户可以通过 ameset 来添加新的标记和新的子模型。除此之外，还要对子模型进行 测试、纠错和修正。这就意味着子模型的开发需要在机械、物理、数学和计算机科学方面 的综合能力。这就时技术上的问题。同时具有这些技术的人寥寥可数，因此构建优良子模 型的任务时专家级别的工作。 hcd的开发就可以解决这些问题。 上面提到了， 传统 amesim 库使用的模型使用的是标准 iso 标记。这些标记是将模型细分成子模型。很显然这个细分 不是唯一的，也不是最佳的方法。可以将细分应用于更大或更小的单元29。 正是由于amesim在机、电、液系统仿真方面的强大功能，使之成为我们对汽车起重 机回转机构液压系统进行仿真分析的有力工具。 利用 amesim对液压系统进行仿真建模一般要进行以下 4 个步骤：草图模式、子模型 模式、参数模式和运行模式。 （1）草图模式（sketch mode） 运行 amesim软件，默认进入草图模式，如图 3- 3 所示。点击右上角的模型库，从不 同的模型库中选取现存的图形模块来建立系统。在搭建系统图时，首先应仔细考虑各部件 的功能，并将系统的实际模型按功能分成各个部分，再用模型库中的实际元件加以表示。 （2）子模型模式（submodels mode） 图 3- 3 草图模式 15 摘 要 硕士研究生学位论文 草图模式完成后， 点击图 3- 4 工具栏中的第二个图标即进入子模型模 式。在此模式中，根据实际需要为每个元件选择一个数学子模型（给定 合适的建模假设） 。如果所搭建的系统不合理，不能按照 amesim 的要求 组成一个正常的循环，就不能进入子模型模式。通常情况下，如没有特 殊要求可点击如图 3- 4 所示工具栏中最后一个图标， amesim 即为系统元 件选择默认的最简子模型。 （3）参数模式（parameters mode） 点击图 3- 4 第三个图标，进入参数模式，直接点击想要设置参数的元 件图标，即会出现图 3- 5 所示的参数对话框，为每个元件的子模型设定所 需要特定的参数。在此种模式下，amesim 可对系统进行编译，编译器 产生包含系统参数的可执行文件，使我们可以对系统进行仿真。 （4）运行模式（run mode） 点击图 3- 4 所示的第四个图标（run mode） ，即出现运行参数（run parameters） 、开始 运行（start run） 、停止运行（stop run）按钮，如图 3- 6 所示。 对于一般的仿真，用户只需在如图 3- 7 所示的运行参数对话框中 设定仿真开始、结束时间、通信间隔即可进行仿真并分析仿真结果， 而不必关心其背后的复杂运算。 由以上可以看出，主体软件 amesim的使用基本步骤较为简单。 但是真正仿真一个实际系统，使其达到预期的结果并不那么容 易，amesim 对液压系统进行仿真时，不仅系统整体结果的数学模型 图 3- 5 参数对话框 图 3- 4 工具栏 图 3- 6 运行工具栏 硕士研究生学位论文 摘 要 16 起着决定性作用，各个元件子模型中的结构参数也同样重要，合理的设定这些参数往往比 较困难。 因此，设置参数、分析结果并修改参数是仿真中的重要环节。必须仔细研究 amesim 帮助文件中每个元件的注释与数学模型，才能更好的理解各个参数的真正含义。 3.2 汽车起重机工作油路模型建立 3.2.1 回转机构液压系统仿真模型建立 回转机构液压系统的基本型式如图 3- 8（a）所示，但因回转机构回转负载很大，制动 时惯性会对回路造成很大液压冲击。为避免过大的制动冲击，实际中常采用具有缓冲补油 作用的回路，即在回路中安装补油阀和缓冲阀，如图 3- 8（b）所示。它由回转马达、手动 换向阀、缓冲阀等主要元件组成，工作原理是：当手动换向