（机械设计及理论专业论文）履带起重机变幅机构动态特性研究.pdf

ff1lf at h e s i si nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y l i i ii iii i ii l li ll l lilll y 1716 4 4 1 r e s e a r c ho f d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so n l u f f i n gm e c h a n i s m o fc r a w l e rc r a n e b yd o n gy o n g p i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ng u i y u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 一 协 一 一 l 上 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东北大学有关保留、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。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 。半年心 一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：毒泉平 签字日期：伽歹、厶 导师签名：你裴褊 签字目期： 弘。，乡。 j 。 一 x 东北大学硕士学位论文摘要 履带起重机变幅机构动态特性研究 摘要 履带起重机变幅机构的功能是实现臂架在变幅平面内的运动，达到扩大起重 机工作范围的目的。变幅机构主要由驱动装置、传动装置、工作装置等组成，各 个部分的零部件在带载起动、制动与调速等不稳定状态下运行时，由于惯性、冲 击和振动，会产生动载荷，影响起重机的平稳性。目前国内外对于起重机变幅机 构动态特性的研究比较少，而且研究不够全面。因此对履带起重机变幅机构整体 动态特性的研究是必要的。 本文以抚顺挖掘机制造有限公司和东北大学合作的省级重大科技项目“大型 履带起重机总体设计软件系统研制和开发 为背景，针对变幅机构驱动装置、工 作装置和传动装置的工作特点分别建立了相应的动态系统模型，并对其动态模型 进行了仿真和分析。 文中根据液压马达驱动的开式回路系统的特点推导出以换向阀阀芯位移为输 入，液压马达转角和负载压力为输出的液压系统的传递函数，并绘制出了该系统 的方框图。以此输出作为工作装置的输入信号建立了变幅机构工作装置的3 质量 3 自由度动态系统模型，并采用自适应步长的四阶r u n g e k u t t a 法对不同工作状态 下的动态系统模型进行仿真，得到了变幅机构吊重和臂架各变量的动态响应曲线。 经分析可知：变幅机构在某一初始角度下开始变幅工作时，为方便计算机构最大 动载荷，臂架与水平夹角可以看成常数，将系统简化为双质量双自由度的模型； 在驱动系统为液压开式回路系统的变幅机构中，油液压缩性对系统动态特性的影 响很小，可以忽略不计；在变幅机构作业过程中，由于钢丝绳弹性引起的动载荷 比较小，在计算动载荷时可以不考虑。 根据变幅机构自身的特点建立了变幅机构传动装置的动态系统模型，计算出 了传动装置的动载荷，并对影响动载荷的因素进行了详细分析。计算和研究结果 表明：为了确定传动系统的动载荷，建议将传动系统等效到马达- n 动器输出轴上 来计算。 综上所述，本文对履带起重机整个变幅机构的动态特性进行了研究，得到了 变幅机构在起臂过程中的各个装置的动态响应规律，这样就能够为变幅机构设计 和计算提供准确的理论模型和可靠的依据。 关键词：履带起重机；变幅机构；动态特性；液压系统 - i i - 。， ，“ 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i s mo fc r a w l e rc r a n e a b s t r a c t t h ef u c t i o no fl u f f i n gm e c h a n i a mo fc r a w l e rc r a n ei st oa c h i e v eb o o m sm o t i o ni n t h el u f f i n gp l a n ei no r d e rt oe x p a n dt h ew o r k i n gr a n g e l u f f i n gm e c h a n i a mi sm a d eu p o fd r i v i n gd e v i c e ，t r a n s m i s s i o nd e v i c ea n d w o r k i n gd e v i c e v a r i o u sp a r t so fc o m p o n e n t s a r er u n n i n gi nt h eu n s t a b l ec o n d i t i o ns u c ha ss t a r t u p ，b r a k i n ga n ds p e e d g o v e r n i n gw i t h l o a d i n g b e c a u s eo fi n e r t i a , i m p a c ta n dv i b r a t i o n ，i tw i l lb eb r i n ga b o u td y n a m i cl o a d s ， a n di n f l u e n c es t a b i l i t yo fc r a n e a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so n l u f f i n gm e c h a n i s mo fc r a w l e rc r a n ei sr e l a t i v e l yl a c k i n ga th o m ea n da b r o a d ，a n di sn o t e n o u g ho v e r a l l t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc r a n e t h i sp a p e ri si nt h eb a c k g r o u n do fm a j o rp r o v i n c i a lp r o j e c t s t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fs o f t w a r es y s t e mo fl a r g ec r a w l e rc r a n e so v e r a l ld e s i g n ”，w h i c hi s d e v e l o p e db yf u s h u ne x c a v a t o rm a n u f a c t u r i n gc o l t d a n dn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y w i t ht h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd r i v i n gd e v i c e ，t r a n s m i s s i o nd e v i c ea n dw o r k i n g d e v i c e ，t h em o d e l sa r er e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e d a n di t sm o d e l sa r es i m u l a t e da n d a n a l y z e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fo p e n l o o pa n dv a l v ec o n t r o l l e ds y s t e m ，w h i c hi s d r i v e nb yh y d r a u l i cm o t o r , t h et r a n s f e rf u n c t i o n si sd e r i v e d t h es y s t e m st r a n s f e r f u n c t i o n si sb yt h es p o o ld i s p l a c e m e n to fr e v e r s i n gv a l v ea si n p u t ，a n di sb yt h ea n g l e o fh y d r a u l i cm o t o ra n dl o a dp r e s s u r ea so u t p u t t h e nt h eb l o c kd i a g r a mo fh y d r a u l i c s y s t e m i sd r a w n ，a n dt h ei n f l u e n c eo fh y d r a u l i cs y s t e mp a r a m e t e r st o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e d a c c o r d i n gt od y n a m i c a lm o d e l l i n gt h e o r ya n dw o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl u f f i n gm e c h a n i s m ，3m a s s3 - d o fs y s t e md y n a m i cm o d e lo fw o r k i n g d e v i c ei se s t a b l i s h e d a f t e rs i m u l a t e df o r t h em o d e lu s e df o u r - o r d e rr u n g e - k u t t a m e t h o di nt h ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ed y n a m i cr e s p o n s ec u r v eo fl o a da n d b o o mi so b t a i n e d f r o mt h ea n a l y s i s ，i tc a nb eg a i n e dt h a t ：w h e nt h el u f f i n g m e c h a n i s mi ss t a r t i n ga to n eb e g i n n i n ga n g l e , i no r d e rt oc a l c u l a t em a x i m u md y n a m i c l o a do ft h em a c h a n i s m ，i ti sf e a s i b l et or e g a r dt h ea n g l eb e t w e e nb o o ma n dh o r i z o n t a l 1 1 1 、0 东北大学硕士学位论文 p l a n ea sc o n s t a n t ，a n di ti sr e d u c e dt oa d o u b l em a s sd o u b l ed e g r e e o f - f r e e d o mm o d e l ； i n f l u n c eo fc o m p r e s s i b i l i t yt oh y d r a u l i cs y s t e mi sn e g l i g i b l e ，w h e ne s t a l i s h i n ga n d a n s y s i n gt h em o d e lo fo p e n l o o ps y s t e m ；w h e nt h el u f f i n gm e c h a n i s m i sw o r k i n g ，t h e d y n a m i cl o a d i n gc a u s e da st h ee l a s t i c i t yo fs t e e lw i r ei sr e l a t i v e l ys m a l l ，a n di t i s i g n o r e dw h e nc a l c u l a t i n gd y n a m i cl o a d i n g s t h ed y n a m i cm o d e lo ft r a n s m i s s i o nd e v i c ei se s t a l i s h e da c c o r d i n gt ol u f f i n g m e c h a n i s m sc h a r a c t e r i s t i c s t h e nt h ed y n a m i cl o a d i n go ft r a n s m i s s i o nd e v i c ei s c a l c u l a t e d ，a n dt h ef a c t o r so fi n f l u n c i n gd y n a m i cl o a d i n g a r ea n a l y z e d f r o m c a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n g ，i tc a nb eg a i n e dt h a t ：i no r d e rt o d e t e r m i n et h ed y n a m i c l o a d i n go ft r a n s m i s s i o nd e v i c e ，i ti sp r o p o s e dt h a ti ti sr e l i a b l et ob ee q u i v a l e n tl u f f i n g m e c h a n i s mt ot h eo u t p u ts h a f to fh y d r a u l i cm o t o r - b r a k e t os u mu p ，t h i sp a p e rs t u d i e sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l el u f f i n g m e c h n i s mo fc r a w l e rc r a n e ，a n dg a i n st h ed y n a m i cr e s p o n s e r u l eo fl u f f i n g m e c h a n i s m sv a r i o u sd e v i c e si nt h ep r o c e s so fb o o mr i s i n g i tc a nb ep r o v i d et h e t h e o r e t i c a lm o d e la n dr e l i a b l eb a s i sf o rt h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n o fl u f f i n g m e e h a n i s m k e yw o r d s ：c r a w l e rc r a n e ；l u f f i n gm e c h a n i s m ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；h y d r a u l i c s y s t e m 一 一 气 叁 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题来源、选题依据和背景l 1 2 国内外研究现状及发展动态2 1 3 课题研究的目的及意义4 1 4 课题研究的主要内容4 第2 章变幅机构驱动装置动态特性研究6 2 1 变幅机构液压驱动装置工作原理6 2 1 1 液压驱动装置的选择6 2 1 2 液压变幅回路的工作原理8 2 2 变幅机构液压回路动态特性研究9 2 2 1 液压回路动态模型的建立“9 2 2 2 液压回路动态特性分析1 2 2 3 本章小结1 9 第3 章变幅机构工作装置动态模型的建立及参数计算2 0 3 1 起重机动态系统模型概述2 0 3 1 1 动态系统模型建立概述2 0 3 1 2 起重机动态系统模型的建立理论2 0 3 1 3 起重机动态模型等效参数的计算2 2 3 2 变幅机构工作装置动态模型的建立一一2 5 3 2 1 变幅工作时的计算载荷2 5 3 2 2 工作装置动态模型的建立2 8 3 3 变幅机构动态模型参数计算3 0 3 3 1 等效质量和等效转动惯量计算31 v 东北大学硕士学位论文 3 3 2 等效刚度的计算” 3 3 3 等效阻尼的计算“ 3 3 4 等效驱动力矩的计算 3 4 本章小结 第4 章变幅机构工作装置动态特性分析一 4 1 不同工作状态下的工作装置动态模型仿真 4 2 工作装置动态特性分析 4 2 1 仿真结果动态分析 4 2 2 油液压缩性和阀系数对系统动态特性的的影响 4 2 3 动载荷及动载系数计算 4 3 本章小结 第5 章变幅机构传动装置动态特性研究” 5 1 变幅机构传动装置动态系统模型的建立和参数计算5 9 5 1 1 传动装置动态系统模型的建立5 9 5 1 2 传动装置动态模型等效参数计算6 1 5 2 起重机传动装置动载荷计算“ 5 2 1 传动装置有间隙时的动载荷计算6 4 5 2 2 传动装置有预紧力时的动载荷计算6 7 5 3 变幅机构传动装置动态特性分析6 8 5 3 1 高速轴等效系统动载系数的计算和分析6 9 5 3 2 低速轴等效系统动载系数的计算和分析7 2 5 4 本章小结”7 3 第6 章结论和展望7 4 6 1 结论”7 4 6 2 展望7 5 参考文献7 6 致谢7 9 v i - 石 尹 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源、选题依据和背景 近年来，随着我国综合国力的增强和基础建设规模的不断扩大，大型吊装工 程的不断增多，使履带起重机向大型化、复杂化方向发展 1 1 , 1 2 1 ，对其性能要求也越 来越高。履带起重机的设计也从静态设计逐渐向动态设计转化，其动态特性的优 劣与否直接影响起重机的的平稳工作性能。 履带起重机变幅机构通过臂架的转动来改变工作幅度，实现吊重在起升平面 内的运动，从而来扩大起重机的工作范围。变幅机构主要由驱动装置、传动装置、 工作装置等组成1 3 1 ，各部分又包括一定数量的零部件，每个部件既互相联系又具有 相对独立性。而且由于变幅机构各个部分的零部件总是有一定弹性的，各部分在 经常带载作频繁的起动、制动与调速等不稳定状态下运行，会产生巨大的振动。 虽然，由瞬态激励产生的瞬态振动随时间变化很快衰减，但它在短时间内产生的 巨大的动力响应，瞬态振动出现的次数十分频繁，使变幅机构的构件承受附加的 交变应力，使它产生疲劳破坏，同时这种振动降低了吊重就位精度，增加了作业 辅助时间和作业的危险性，对机体产生附加的周期性力矩，影响起重机的稳定性并 对起重机的零部件特别是起重臂产生附加的动载荷。同时在变幅工作时变幅系统 中会出现突然增加质量或突然卸去质量的情况，这就会使系统的状态发生突然改 变，机械系统或结构就会产生强烈的冲击和振动。 动载荷引起的瞬态振动是起重机变幅机构动态特性研究的一个重要方面，也 是其动态特性分析的关键。另外，随着履带起重机的高速重载化和结构材料的轻 型化，其变幅机构的工作装置，尤其是高速传动装置的振动频率很容易进入或接 近机械结构本身的“共振区 ，引发强烈的共振。因此，对与高速机械装置的支承 结构件及本身均应进行共振验算。 。 起重机的动态特性主要是研究起重机械在起动、制动或其它工作状态突然改 变时系统的弹性振动规律，据此确定系统的动力响应。对于反复短暂工作的起重 机械，起动和制动是经常发生的。随着履带起重机向大型化和复杂化发展，它在 变幅工作过程中的动态特性也非常明显地表现出来，这对起重机变幅机构，乃至 整个系统都会产生不利的影响。该课题j 下是基于以上问题提出的。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状及发展动态 履带起重机是一种进行物料起重、运输、装卸和安装等作业的移动式起重机， 是装卸设备中最重要的主力起重机之一。它以其接地比压小、可吊重行走和稳定 性好等独特的优势逐渐从众多起重机中脱颖而出，成为大型吊装工程的首选机型。 因此，进行履带起重机现代设计方法的研究是在必行，其中履带起重机动态特性 研究尤为重要1 2j 4 1 。 长期以来，国内外对起重机的动态研究一直采用动载系数的概念来考虑起重 机的动态响应，确定起重机零部件的计算载荷。引用动载系数加大静载后，将问 题转化为静态处理，使得计算方便、工作量少，受到设计人员的广泛欢迎。近些 年公布的国内1 5 j 、外标准及i s o 新标准在起重机设计的驱动选择、金属结构设计、 传动装置及零部件设计等仍多是以动载系数来考虑动力载荷的影响的。这样动载 系数的确定就成为了起重机动态特性研究的一个重要目的。近4 0 年来，国内外对 于起升机构动载系数的计算提出了多种计算公式1 6 l ，这为起重机提供了一个较为 可靠且简便的方法。但对于变幅机构动载系数的计算并没有明确的计算方法和公 式。而且以往确定动载系数多采用简化计算模型推导出来的，以单一的动载系数 反映系统的动载荷，故难以准确描述系统各部位的动载差异以及它和质量、刚度 等参数的关系。对于桥式起重机起升质量离地上升的工况来说，用但自由度模型 计算，所得到的结果和实验比较符合【9 j 。但对于履带起重机变幅机构这样复杂的系 统，在建立系统模型时，如简化为单自由度或双自由度系统模型，这样虽然可以 使问题简单化，简化后的模型与实际结构有较大差别，不能准确地反映起重机的 实际工况和动态特性，从而导致分析设计的不合理性和不准确性。 随着计算机的发展和普及，国内外学者提出了利用动态分析法对起重机的机 构进行振动分析，并利用计算机进行计算和求解，得到比较精确合理的动载系数 的值1 0 。动态分析法即用计算机对机构和结构在各种工况下承受的载荷和结构响 应仿真模拟其运行状态及随时间变化的过程，得到输出的参数和结果，并对其位 移、速度、加速度以及载荷响应作幅域、时域及频域的统计分析，以此来估计和 推断实际运行的各种数据，其结果供实际设计使用。由于动态分析法是利用计算 机进行数值求解的，可以将原系统等效为3 自由度或3 自由度以上的等效系统，这 样通过仿真计算出来的值能更好地接近真实值。近年来，应用动态分析法获得起 重机结构动态特性和动力响应，已成为国内外众多学者所采用，应用于各类起重 - 2 - l 1 - i - ，l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 机的设计和自动控制中l l l j 。 国外对起重机动态特性的研究和开发比较早1 1 2 - 1 3 j ，目前处于领先水平，尤其 是欧美及日本等国在履带起重机的研制开发和制造技术改进方面又有了较大发 展。如苏联学者m c 柯马罗夫早在上世纪5 0 年代将起重机工作装置简化为多质体弹 簧振动模型，并对系统动态特性进行了较为详细的分析与研究1 1 4 j 。但是，对于臂 架起重机的动力学未作十分详细的论述。日本学者坂和爱幸( y s a k a w a ) 在文献l j 中针对具有副臂的回转起重机，建立了同时考虑回转、主臂变幅和副臂提升三种 机构运动的动力学模型。在建模时主副臂铰接点通过等效线性弹簧连接，利用动 力学方程推导出了系统的动力学方程，分析了起重机的动态特性。近年来国外对 起重机动态特性的研究大都集中在以控制为主的研究上，如2 0 0 1 年a l m o u s a 将模糊 控制技术用于回转起重机，设计两套模糊逻辑控制器，每一套控制器独立操作， 仿真结果表明在执行过程中模糊逻辑控制器能消除平面内和平面外的摆动，也可 以阻尼掉干扰引起的摆动，控制策略增加了执行时间【16 。国外其它文献中也对起 重机动态系统特性和控制方面进行了详细的研究1 1 7 - 2 0 j ，其中以伺服控制研究得比 较多。 国内对起重机动态特性的研究正处于发展时期，目前大量文献和文章中对起 重机的起升机构、回转机构和运行机构的动态特性研究的比较多【2 i h 3 1 ，而对于起 重机的变幅机构的动态特性研究的比较少，并且研究不够全面。如1 9 9 8 年东北大 学王帮峰将机器人动力学方法引入起重机动力学的研究中1 2 引，建立了液压履带起 重机变幅运动时的多刚体动力学模型，用牛顿一欧拉方法得到载荷摆振的动力学 方程，为起重机设计和载荷摆振控制提供了理论依据。但没有对履带起重机整个 变幅机构的动态特性做详细的研究。1 9 9 0 年武汉钢铁学院的过玉卿和杨武山在文 献1 2 3 j 中将桥式起重机起升机构等效为九质量八自由度的动力学模型，得到了其动 态特性和沿机构传动链动载系数的变化规律，然后用计算机对起升机构的动态参 数及其匹配进行优化，对提高起重机的设计质量具有实用价值。2 0 0 3 年张大可在 文献1 2 4j 中，就起重机机械起升机构多质点动力学系统建立了多质量多自由度的动 力学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 构造相应的仿真系统，采用自适应步长四阶 r u n g e k u t t a 法求解系统的微分方程组，对瞬间离地、悬空起动、空中制动等一系 列典型工况进行动态仿真，对起升机构的动态性能进行了初步探讨并获得了有实用 价值的成果。2 0 0 7 年大连理工大学的刘家辉在文献【2 5 j 中，利用虚拟样机技术中的 多种仿真软件建立履带起重机的虚拟样机模型，并进行动力学仿真，分别对起臂、 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 起升和回转等多种典型作业工况进行仿真分析，并应用软件，采用最小二乘法对 回转动载系数进行曲线拟合。2 0 0 8 年士林大学的安振伟在文献1 2 6 j 中，讨论了起重 机起升系统存在二次起升现象及解决二次起升现象的基本途径，在控制系统的研 究中，建立系统的数学模型，进行了仿真研究。但他们仍没有对起重机变幅机构 液压驱动及传动装置加以研究和分析。 不管采用数值法建立系统的数学模型，还是采用虚拟样机软件建立系统动态 系统模型，对起重机动态特性分析的关键在于系统建模的准确性和数值求解的难 易程度。以往的动态分析研究，基本上都是对单一的、局部的机构加以研究，并 做了较多的简化处理，如在研究中，仅考虑传动装置进行分析或仅考虑工作装置 进行分析，而对起重机变幅机构整体动态分析的探索还不够。 1 3 课题研究的目的及意义 对起重机动态特性研究的目的就是根据起重机的实际工况，求得最大动载荷 并了解系统动态特性的变化规律，将其结果供实际设计使用。履带起重机的变幅 是属于非平衡性变幅，其特点是：通过摆动臂架完成水平运移物品时，臂架和吊 重都要升高或降低，需要耗费很大的驱动功率；而在增大幅度时，则引起较大的 动载荷，会对起重机本身机构和其稳定性产生不利影响；变幅机构起动时，制动 器以后的传动件工作时始终有静阻力矩作用着。本课题研究的目的就是根据履带 起重机变幅机构的实际工作特点，确定变幅机构在不同工作条件下的动态特性规 律，提出计算动载系数的动态系统模型和方法，从而为起重机动态设计和控制提 供可靠的依据。 在起重机设计时，力求减轻自重，提高起重机的可靠性、耐久性和在工作过 程中的平稳性，研究起重机变幅机构的动态特性具有很大的意义。首先，研究变 幅机构的动态特性可以得到变幅机构工作时的各零部件的动态响应规律和影响整 个变幅机构动载荷的因素，为起重机动态设计提供必要的理论基础；其次，随着 起重机的自动化控制逐渐成为研究的重点，多数集中于自动控制提供动态系统模 型的工作上，研究变幅机构的动态特性也可以为实现起重机自动控制提供理论模 型。 1 4 课题研究的主要内容 由于目前对起重机变幅机构动态特性研究不够充分，特别是结合液压驱动回 4 - 一 i ， ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 路对变幅机构动态特性的研究更少。本文以抚顺挖掘机制造有限公司和东北大学 合作的省级重大科技项目“大型履带起重机总体设计软件系统研制和开发为背 景，针对履带起重机变幅机构的动态特性要进行研究。其主要内容如下： ( 1 ) 阐述起重机变幅机构驱动装置的工作原理和选择依据，建立其液压驱动 回路的动态模型，分别考虑液压固有频率、液压系统阻尼比、换向阀流量增益和 负载阻力矩等因素，对变幅回路动态特性的进行分析。 ( 2 ) 根据起重机动态系统的相关建模理论，建立较为精确的3 质量3 自由度 的履带起重机变幅机构工作装置的动态系统模型，并对系统等效参数进行计算。 ( 3 ) 利用数值分析法对起重机变幅机构工作装置的动态系统模型方程进行仿 真，通过考虑起动平稳性、负载阻力矩的干扰和油液弹性等因素，对仿真结果进 行分析。 ( 4 ) 根据变幅机构传动装置的特点，建立双质量单自由度动态系统模型，并 确定传动装置的动载荷和动载系数的计算公式，然后分析影响动载荷的各种因素 并提出降低动载荷的具体措施。 _ 5 一 东北大学硕士学位论文 第2 章变幅机构驱动装置动态特性研究 第2 章变幅机构驱动装置动态特性研究 驱动装置是用来驱动各种工作机构的动力设备，它是起重机械的重要组成部 分，其性能好坏在很大程度上决定着起重机械的工作性能。目前起重机械常用的 驱动型式有：电力驱动、内燃机驱动、柴油机驱动、液力或液压驱动 2 7 - 2 9 l 。其中 液压驱动机构紧凑、操作方便、运动平稳和可实现无级调速等优点广泛用于起重 机械中。目前对起重机变幅机构驱动装置的动态特性研究不够充分，文献和文 献1 2 6 j 中只研究了一部分内容。 本章以液压履带起重机变幅机构的驱动装置为研究对象，根据液压系统工作 原理建立了变幅机构液压驱动装置的动态模型，然后对其动态特性进行了分析。 2 1 变幅机构液压驱动装置工作原理 2 1 1 液压驱动装置的选择 1 一原动机2 一液压泵3 一液压马达4 一变幅卷筒 图2 1 液压驱动的变幅机构示意图 f i g 2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fl u f f i n gm e c h a n i s mo fh y d r a u l i cd r i v i n g 如图2 1 所示为液压驱动的变幅机构示意图，由原动机带动液压泵，将工作 油输入执行元件( 这里具体指液压马达) ，通过执行元件来驱动变幅卷筒，从而实 现臂架的变幅。 不同的工作机构需要不同的液压系统来驱动，设计液压驱动装置时，要根据 工作机构的具体工作要求来选择驱动装置。下面通过对液压控制系统、液压回路 和液压驱动装置的类型等方面对履带起重机变幅机构的驱动装置进行选择。 - 6 - ， r 东北大学硕士学位论文第2 章变幅机构驱动装置动态特性研究 ( 1 ) 液压控制系统的选择 执行元件采用液压元件，用液体作传递能量的工作介质的控制系统称为液压 控制系统。液压控制系统是实现对执行元件速度进行控制的系统，通常由改变输 入执行元件的流量来实现。常用的控制方式有变量泵控制和阀控制两种。前者由 变量泵供油给液压马达，通过改变泵的排量来控制流体的流量，从而改变输出速 度。该控制由于必须逐渐建立起压力，同时包含的容积较大，以及排量伺服系统 的响应较慢，整个系统的响应速度较慢。后者通过改变阀芯通流面积来控制流量 的大小，由排量可控制的变量泵或溢流阀和定量泵的组合来调定系统压力，由于 包含的容积小，而且供油压力恒定，因此对阀和负载的响应都很快。 泵控系统可以达到系统的压力、流量与载荷对它们的要求值相匹配，所以其 效率较高，多用于大功率系统中。而阀控系统理论工作效率比较低，但它具有较 快的响应能力，动力元件结构简单，造价低等优点，适用于中、小功率的液压调 速系统。 ( 2 ) 液压回路的选择 液压系统有开式回路和闭式回路两种。闭式回路油液在泵和马达之间来回循 环，油箱中的油液只供补充泄露用，补油泵将油液打入循环油路补油。通常是通 过控制泵来实现系统的动作要求的。闭式回路效率高，功率损失小，但其系统复 杂，造价高，一般用于大功率容积式液压调速系统。 而开式回路油液循环全部经过油箱，一般用于油泵一多个液压马达、油泵一 油缸一液压马达等油路中。该回路系统的控制主要靠换向阀来控制，由于具有系 统简单、油液循环冷却效果好等优点，常用于中小功率的液压节流调速系统1 3 引。 ( 3 ) 液压驱动装置类型的选择 按照液压驱动装置驱动马达的类型，液压变幅机构分为高速液压马达驱动和 低速大扭矩液压马达驱动两种型式。 1 ) 高速液压马达驱动 高速液压马达驱动需要经过减速器带动变幅卷筒，实现变幅作业。这种类型 的驱动装置的特点是工作可靠，体积小，寿命长，起动和换向速度快，工作效率 高，但需要配备机械减速装置，一般用于转速较高、扭矩较小的机构。 2 ) 低速大扭矩液压马达驱动 低速大扭矩液压马达驱动可直接或通过一级歼式齿轮带动变幅卷筒，实现变 幅作业。其特点为转速低，输出扭矩大，由于不需要减速器，整个机构重量轻、 - 7 - 东北大学硕士学位论文第2 章变幅机构驱动装置动态特性研究 体积小，当输出扭矩增大时，这一优点更加明显。因此，低速大扭矩液压马达适 用于运行机构和大起重量的其它机构。 综上所述，本文所研究的液压变幅机构为中、小功率系统，且要求变幅响应 速度快、经济适用、结构简单，因此选用高速液压马达驱动的开式回路系统，由 换向阀控制液压马达的转动速度。 2 1 2 液压变幅回路的工作原理 本文选择液压马达驱动的变幅回路作为研究对象，如图2 2 所示为变幅机构液 压回路原理图： l 一液压泵2 一压力控制阀( 溢流阀)3 一换向阀砰衡阀5 一液压马达 卜制动油缸7 _ 单向节流阀 图2 2 变幅机构液压同路原理图 f i g 2 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fh y d r a u l i cc i r c u i to fl u f f i n gm e c h a n i s m 该变幅回路主要由液压泵、换向阀、平衡阀、液压马达和单向节流阀等元件 组成的开式回路。该回路为节流调速回路，在系统工作压力调定及供油量一定时， 通过控制调换三位四通手动换向阀的开口度来调节供给液压马达的流量，从而控 制液压马达的转速；通过调节换向阀的位来实现臂架的上升和下降变幅工作。 具体工作原理为：当换向阀在中位时，液压泵卸荷，液压马达停止工作，制 动油缸在复位弹簧作用下使制动器制动，臂架停在某一角度，这样可以防止马达 内油液泄露而不能使臂架迅速制动，发生臂架坠落现象；当换向阀处于左边工位 时，液压油从液压泵流出，通过管路进入液压马达，同时压力油压缩液压缸弹簧 使制动器脱开，液压马达驱动变幅卷筒实现臂架变幅上升作业；当换向阀处于右 边工位时，马达反转，实现臂架下降作业。 在臂架下降的回油路放置了起限速作用的平衡阀，同时当制动器失灵或液压 8 - i 一 r 东北大学硕士学位论文第2 章变幅机构驱动装置动态特性研究 管路破裂时平衡阀还起液压锁的作用，防止臂架突然下落，造成工程事故。在制 动油缸的进油路上设有单向节流阀，其作用有两个，一个是当液压马达停止工作 时，制动器液压缸油液经单向阀回油，制动器在弹簧作用下迅速制动，从而防止 臂架带动液压马达反转，保证安全；另一个是可以实现臂架平稳启动，当液压马 达转动驱动臂架变幅时，液压泵的油液通过节流阀进入制动液压缸，保证液压马 达具有一定扭矩后，制动器才打开，避免臂架由于自重而产生滑降现象 3 1 - 3 2 j 。 2 2 变幅机构液压回路动态特性研究 在建立变幅机构液压系统动态模型时，为了便于分析做出以下几个假设： ( 1 ) 为保证系统供油量一定，将变量泵的排量调整为一恒定值，且只分析单 泵作用时液压系统动态特性。 ( 2 ) 忽略变幅机构工作时进入制动油缸使制动器脱开的油量； ( 3 ) 忽略在变幅作业时平衡阀对变幅液压回路动态特性的影响； ( 4 ) 系统管路是刚性的且无泄漏，忽略液压马达的外泄漏，内部泄漏用集中 参数表示。 2 2 1 液压回路动态模型的建立 ( 1 ) 换向阀阀口流量方程液压控制阀是一种以机械运动去控制流体动力的元 件，本节所研究的液压控制阀为液压履带起重机常用的正封闭( 负开口) 三位四 通手动换向阀。其结构如2 3 图所示： 图2 3 换向阀结构示意图 f i g 2 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c t i o nv a l v e 该换向阀有一个进油口尸，两个通向执行元件液压马达的工作油口a 和召， 还有两个与油箱相连通的回油口d 和d ，两个回油口合并为个口流出换向阀， - 9 东北大学硕士学位论文第2 章变幅机构驱动装置动态特性研究 该换向阀共有四个通油口，另外该阀有三个凸肩，故称为三位四通换向阀。另外 选用负开口的阀，是因为负开口的阀当阀芯位于中间位置时，其凸肩宽度大于槽 宽的滑阀，它可以降低系统的峰值压力，补偿径向间隙的影响，提高系统的可靠 性换向阀阀口通流面积a ( x o ) 随阀芯位移嘞的变化关系曲线如图2 4 所示： 黜0 黼 劢 图2 4 阀口通流面积a ( x o ) 随阀芯位移而的变化曲线图 f i g 2 4t h e c l l r v ed i a g r a mo fo r i f i c ea r e a a ( x o ) w i t ht h ec h a n g eo fs p o o ld i s p l a c e m e n t 若假定阀芯与窗口对称配置，则通过换向阀各控制窗口的流量为： q l = c a p _ ak 伊 泣。) q 2 叫小。愕 ( 2 2 ) q 3 叫m k 愕 ( 2 3 ) 式中置、最、只一分别为液压马达进出口压力和系统供油压力； q 、q 、q 3 一分别为流经换向阀阀口a 、b 和o 的流量； 4 一j 、a 户- j 、a p o 一分别为换向阀阀口a 、b 和o 的通流面积； q 一阀口流量系数； p 一油液密度。 忽略系统的外泄漏，则负载流量骁可表示为： 统= q l = q ( 2 4 ) 而负载压力p ，可定义为【3 3 埘j ： 最= 互一最 ( 2 5 ) 由式( 2 1 ) 一式( 2 5 ) 可以得到： 1 0 ， l k 、y 一分别为马达进出口两侧油腔的容积和两油腔总压缩容积； 曰一油液的弹性容积模数： 名一换向阀到液压马达的总泄漏系数； 酝一油液流经溢流阀的流量； q 一系统供油流量。 q r q s 0 p r o p t i p tp s 图2 5 溢流阀的启闭特性曲线 f i g 2 5t h eo p e n i n g - c l o