（机械电子工程专业论文）汽车起重机回转控制阀性能优化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 汽车起重机将吊装作业部分安装在通用汽车底盘上，具有机动灵活，行驶速 度高，可快速转移等优点，是工程建设中必不可少的设备。汽车起重机的液压系 统包括上车液压系统和下车液压系统，上车液压系统又分起升、伸缩、变幅和回 转四大部分。起重机的整个上车部分相对于下车部分的旋转运动称为回转。当前， 国内中、小吨位汽车起重机产品的回转液压系统主要采用三位六通旁路节流形 式，在工作时不同程度上存在着失速、抖动和起、制动压力冲击过高等问题。这 些问题的出现程度与负载变化剧烈程度、操纵习惯、主闯阀口特性液压系统特 性等因素有关。 本课题以国内某公司的2 5 吨汽车起重机为研究对象，通过仿真建模与试验 测试的方法，对其回转液压系统进行研究，找出引起回转液压系统工作压力偏高 和起、制动压力冲击大等问题的原因，提出解决方案并进行试验验证，达到了降 低回转工作压力和压力冲击的目的。本课题的研究工作对我国中、小吨位汽车起 重机或者其他车型回转阀的设计、开发具有重要的理论指导意义和工程实用价 值。 本论文的主要内容可以分为五章，分别阐述如下： 第一章，简要介绍了工程起重机的分类、主要生产基地，汽车起重机的国内 外使用现状以及发展趋势，介绍了汽车起重机回转液压系统的主要组成部分、常 用的换向回路以及缓冲补油回路的分类和特点。最后指出课题背景、研究目标和 研究内容。 第二章，分析了本课题所研究的回转控制阈的组成和工作原理。对回转控制 阀以及整个回转液压系统进行了a m e s i m 建模，并进行了初步仿真分析。建立了 回转液压系统负载模型，并进行实车试验得到负载参数的近似值。将负载参数代 入模型中进行仿真，复现了系统的问题工况，也验证了仿真模型的准确性和有效 性。 第三章，在仿真模型的基础上，对回转液压系统工作压力偏高和起、制动压 力冲击大的原因进行了深入分析，指出了阀杆回油口安装调速阀的优势和不足。 分别从降低压力和降低冲击两个方面提出了两种改进方案，并分别进行了仿真和 实车试验。 i i 浙江大学硕士学位论文摘要 第四章，搭建了专用的回转阀测试试验台，模拟实车试验工况，对两个方案 改进后的回转控制总成进行定量测试，更加详细的对比两改进方案各自的优缺 点。 第五章，概括了课题的主要研究工作和成果，并展望了将来需要进一步研究 或者可以进行更深入探索的方向。 关键词：汽车起重机回转液压系统旁路节流调速调速阀缓冲阀压力冲 击仿真优化 i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s 汀a c t a b s t r a c t t u c kc m ei st h ee s s e n t 试c o r l s t m c t i o ne q u i p m e mw h j c hm a k e st l l el i r i n g o p e 嘶o np a r t si n s t a l l e do ng e n e r a la u t o m o b i l ec h a s s i sa i l dh a st l l em e r i t so ff l e x i b l e ， l l i 曲s p e e d 锄df 酞t 咖s f i e r t h ew h o l eb yd m _ u l i c 夥s t e mo ft u c kc r a n ec o m p r i s e s u p p e rp a n 锄dl o w e rp a nh y d r “i cs ) ，s t e 船a 1 1 d 恤u p p e rp a nb y 血m l i cs y s t e m i i l c l u d e s l i 衔n g ，t c l e s c o p i l l g ，l u m n g 锄ds l e w i i l g 夥s t e l _ i l s t h e r e l a t i v e r o t a 】嗲 m o v e i n e mb e t 、7 佗e nu p p e rp a na n dl o w e rp a r to ft l l ec r a n ei sc a l l e ds l e w i i l gm o t i o n 1 k c e m l yt l l es l e w i n gh y d r a u l i cs y s t e mo fd o m e s t i cl i g h t0 rm e d i 啪一t o 彻a g e 仃l i c k c m ei sm o s t l yu s i n g 也eb y p a s st l l r o t t l eo r i f i c ec i r c u i 住加1 d v e r a lp r o b l 锄se 】( i s t w h e ns l e w i n gs y s t e mi sw o r k i n g ，s u c i h 硒s t a j l i i l g ，w l l i p p i i 玛，m g hs ) r s t e mp r e s s u r e ， g r e a th y d r a u l i ci l i l p a c t ，锄ds 0o n t h e s ep m b l e m sa r er e l a t e dt 0m ec l l a n g i n go fl o a d ， t h ei m 也o do fm a i l i p u l a t e ，t h ec h 乏锨e r i s t i c so f l ev a l v ep o r t so f 廿l ed i r e c t i o i l a l c o n 仃o lv a l v e 锄dm ec h 聪l c t e r i s t i c so ft l l ew h o l es l e 丽n gh y d 训cs y 啦m i i l 也i st h e s i s ，t l l e2 5 t o nn 1 j c kc r 锄ei st 1 1 es u b j e c ti n v e s t i g a t e d 1 1 1 ec h a 船c t e r i s t i c s o f l es l e 、析n gh y d r a u l i cs y s t e mo f 圮仃u c kc 姗ea r es t u d i e dm r o u g hn l o d e l 面唔， s i m u l a t i n g 雒l dt c s t i i 培t h er e a s o l l so fl l i 曲s y s t e mp r e s s u f ea n dg r e a th y d m l l l i ci m p a c t a r ef o u n do u t 舡l d 也ei m p r 0 v i n gm e t l l o d sa r ep r e s e n t e d t h er e s e a r c hw o r ko f “s t o p i ch a si l l l p o n a m tm e o r e t i ca n dp r a c t i c a ls i g i l i f i c 锄c e st ot l l ed e s i g l l 觚dd e v e l o p m e m 、o r ko f 血es l e w i i 培c o m r o lv m v eo f d o m e s t i co ro m e r 够p e so f 协l c kc r a n e t 1 l i st l l e s i sc o m p r i s e sf i v ec h a p t i 粥，w m c ha r ei l l l l s t 例 e da s 向l l o w s i nc h a p t e r1 ，廿l e 够p e so fe i 培i i l e e r i i 坞c r a n e ，t l l em a j i lp r o d u i c t i o nb a s eo f “，吐l e p r e s e n ts t a m s 龇l dd e v e l o p i i 玛n e i l do f 仃u c kc r 锄ea r ei i l 帆) d l l c e db r i e n y t h em a i n c o i i l l ，0 n e n _ t so fs l e 沌gh y d r a u l i cs y 咖m0 f 饥l c kc r 锄e ，m e 够p e sa n df b a t l 鹏so f m o s t l yu s e dd n c t i o n a lh y d r 孤l i cc n u i t s 觚dc u s l l i o nh y d r a u l i cc i r c u i t sa r e 面d u c e d f i m l l yt l l eb a c k g r o l l i l d ，r e s e a r c ho b j e c ta n dr e s e a r c hc o n t e n t so f 吐l i st t l e s i sa r ep o i n t e d o u t i nc h a p t e r2 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f i c eo ft 1 1 ev a j v er o da r ep o i m e do u t n l e n 铆oi i l l p r 0 v i n gm e m o d 豳e da tr e d u c i n gs y s t e mp r e s s u r ea r l dr e d u c i n gh y d r a u l i ci m p a c ta r ep r e s e n t e d ， s i m u l a t e d 趾dt e s t e d ，r e s p e c t i v e l y i nc h a p t e r4 ，t l l et e s tb e n c ho fs l e 、析n gh y 出 l u l i cs y s t c - mi sc o n s 咖c t c d t h e q 呻n t i t a t i v e t e s to f 也et w o 呻r 0 e ds l e w i i l gc o m r 0 1v a l v ei sp e r f 0 锄e d b y c o m p a r i n gn l et e s t i n gr e s u l t s ，t l l ea d v a m a g e s 舡l dd i s a d v 锄t a g e so f 吐1 et w oi l l l p r o v i n g m e 1 0 da i ec o n c l u d e d i nc h a p t e r5 ，t i 圮m a i nr e s e a r c hw o r k 觚da c l l i e v 锄e n t so f 廿l i sm e s i sa r e s l m 加1 撕z e d t h e ns o m e 如_ t u r er e s e a r c hs u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：1 m c kc r 锄e ，s l e 丽n gh y d r a u l i cs y 啦m ，b y p 嬲sn l r o t t l e o r i f i c e s p e e d - r c g u l a t i n g ，s p e e d - r e g u l a t i n g v a l v e ， c 邯l l i o nv a l v c ， h y d r a u l i ci m p a c t ， s i m u l a t i o i l ，o p t i m i z a t i o n v 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本学位论文是在导师谢海波副研究员悉心指导下完成的，论文的完成凝聚了 谢老师的智慧和心血。承蒙谢老师精心指导和培养，使我在科学研究上取得了长 足进步和全面提高。谢老师诲人不倦的高尚品德、严谨求是的治学态度和扎实勤 勉的工作作风将时刻鞭策我在未来人生旅程中锐意进取。值此论文完成之际，谨 向谢老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。 感谢杨华勇教授、徐兵教授、龚国芳教授、欧阳小平副教授、张斌老师、董 姣老师和葛耀峥老师。感谢流体传动及控制国家重点实验室所有帮助过我的老师 和同学，感谢他们对本人所从事研究课题的帮助和支持。 感谢谢老师课题组的任好玲博士生、刘志斌博士生，已毕业的王承震硕士、 吕振军硕士和赵新泊硕士在学习和工作上对我的热情指导和无私帮助，感谢林树 勇硕士生、段小明硕士生和胡松涛硕士生在研究生阶段日常学习和生活上对我的 照顾和勉励，希望我们友谊长存，希望他们学习、工作一帆风顺。感谢同实验室 的张国龙、胡滨、刘丰、庄莉、陈健、洪啸硕士生，祝愿他们在将来的学业、工 作和生活中顺利、愉快。感谢大课题组的高锋博士生，王平、魏颖、郑贺峰等硕 士生在科研、生活上对我的帮助。 感谢甄或主任、张劲研究员、宋建清工程师，感谢左春庚、郭海宝、黄珍、 向志平、杨红，刘先爱、魏星、李美香、邹婿邵、袁野、陶军、向鹏、曾春峰、 简桃凤、何伟、杨翔、黄永辉等技术员在课题进展及现场调试过程中提供的无私 帮助。 最后，要特别感谢我慈爱的父母! 在浙江大学求学期间，与家人总是聚少离 多，但我无时无刻不在感受着他们对我的支持与关爱，无时无刻不感受到他们殷 殷期盼的目光。也将此文献给我的父母，请他们与我一起分享喜悦和荣耀。 衷心感谢所有关心、指导、帮助过我的人们! 署名刘剑 2 0 1 2 年1 月4 日 于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 本章介绍了工程起重机的分类、主要生产基地，汽车起重机的国内外使用现 状以及发展趋势。介绍了汽车起重机回转液压系统的主要组成部分，对常用换向 回路以及缓冲补油回路的特点和分类进行了简要说明。最后指出课题开展的意义 和必要性，并指出本课题的研究目标研究内容以及采用的技术方案。 1 1 工程起重机简介 1 1 1 工程起重机的分类 工程起重机是各种工程建设广泛应用的重要设备，它对减轻劳动强度，节省 人力，降低建设成本，提高施工质量，加快建设速度，实现工程施工机械化起着 十分重要的作用【1 2 】。 。 工程起重机分类繁杂，其中包括轮胎式起重机、履带式起重机、塔式起重机、 桅杆式起重机、缆索式起重机以及施工升降机等。其中轮胎式起重机既是工程起 重机的主要品种，又是一种使用范围广、作业适应性好的通用性起重机。轮胎式 起重机又分为汽车起重机和轮胎起重机两种类型 通常把安装在通用或专用载重汽车底盘上的起重机称为汽车起重机，其具有 汽车的行驶通过性能，机动灵活，行驶速度高( 5 0 ) ，可快速转移，转移到 作业场地后能迅速投入工作，因此特别适用于流动性大、不固定的作业场所。这 种起重机一般备有上、下车两个操纵室，起重作业时必需伸出支腿保持稳定。起 重量的范围很大，可从8 吨1 0 0 0 吨，底盘的车轴数，可从2 根l o 根。是产量 最大，使用最广泛的起重机类型。汽车起重机的弱点是起重机总体布置受汽车底 盘的限制，一般车身都较长，转弯半径大，并且只能在起重机左右两侧和后方作 业【3 圳。 轮胎起重机将起重作业部分安装在专门设计的自行轮胎底盘，因为其底盘不 是汽车底盘，设计时不受汽车底盘的限制。一般轴距小，车身短，转弯半径小， 适用于狭窄的作业场所。并可以前后左右四面作业，在平坦的地面上可以不用支 腿吊重以及吊重慢速行驶。其弱点是行驶速度比汽车起重机慢，一般不超过 3 0 呲，机动性不及汽车起重机而7 0 年代起，在传统轮胎起重机的基础之上， 浙江大学硕士学位论文绪论 出现了一种新型越野轮胎起重机，其独特的四轮驱动的底盘结构形式带来了行驶 和越野性能的显著提高，是一种性能扩展了的、强力而灵活的轮胎起重机。 全地面起重机则是一种兼有汽车起重机和越野轮胎起重机特点的高性能产 品。它综合了汽车起重机快速转移和越野轮胎式起重机能越野、负载行驶等主要 特点。这种机型在国际市场上的销量仅次于汽车起重机。全地面起重机将是今后 工程起重机发展的一个方向。 1 1 2 工程起重机主要生产基地 欧洲作为工程起重机的发源地，代表轮式起重机的最高水平，最负盛名的生 产企业有利勃海尔、德马克、格鲁夫等，主要生产全地面起重机、履带起重机、 汽车起重机，其中全地面起重机、履带起重机以大吨位为主。 美国工程起重机的主要生产企业为马尼托瓦克，主要生产轮胎起重机、履带 起重机、全地面起重机等，特点是技术较先进、性能较高。 日本的主要生产企业为多田野、加藤、神钢等企业，以生产汽车起重机、履 带起重机、越野轮胎起重机和全地面起重机为主，其中越野轮胎起重机产量最大。 作为全球经济发展最快、最活跃的中国，工程起重机取得了长足的发展，使 我国成为亚太地区乃至全球最大的工程起重机生产大国。经过近几年的快速发 展，工程起重机行业的规模日益壮大，2 0 0 6 年l 5 月，仅汽车起重机销量就已突 破6 0 0 0 台，超越了1 9 9 3 年行业最高峰时的总量。但是国内各个生产厂家在不断 完善产品系列、不断提高产品作业性能时，相对忽视了对产品可靠性的改进，对 结构创新、新技术的运用推广相对较少，从某种程度上制约了我国工程起重机行 业技术进步的步伐。 其他地区如印度主要生产小吨位汽车起重机、移动式起重机等，产量较低， 技术较落后【5 引。 1 2 汽车起重机发展概况 1 2 1 汽车起重机的生产和使用现状 汽车起重机是在二战后修复战争创伤和经济建设中开始得到了广泛应用。早 期的汽车起重机大多采用机械传动结构的桁架式吊臂。随着6 0 年代中期液压技 术的发展，液压伸缩臂汽车起重机得到迅速发展，到8 0 年代末，新生产的汽车 起重机几乎全采用了液压伸缩式吊臂。 浙江大学硕士学位论文绪论 目前，汽车起重机的主要生产国为日本、美国、德国、意大利和法国等，生 产厂有1 0 0 家以上，但著名的世界级大公司仅有1 0 来家，如德国利勃海尔公司、 日本的多田野公司、加藤公司等。 我国汽车起重机的生产大致经历了以下几个阶段：1 9 5 7 1 9 6 6 年，以生产5 t 机械式汽车起重机为主；1 9 6 7 1 9 7 6 年，以生产1 2 t 以下小型液压汽车起重机为 主；1 9 7 7 1 9 9 6 年，1 6 t 5 0 t 的中吨位液压汽车起重机产品产量上升较快。自1 9 7 9 年以来，国内一些起重机生产厂商采用技贸结合方式，分别引进了日本加藤、多 田野等起重机产品技术，经过多年来对引进技术的消化、吸收、移植，使国产起 重机某些新技术的性能水平达到了国际8 0 年代初的水平，产品产量也逐年有所 提高但是由于多方面原因，目前国内汽车起重机产品与国际水平仍然有较大差 距，差距主要表现在以下几方面：质量稳定性差；产品品种单一；采用的材料落 后，产品比较笨重；产品的自动化，智能化方面与国外差距较大。 1 2 2 汽车起重机的发展趋势 ( 1 ) 机电液一体化的地位越来越重要 机电液一体化的提高使起重机的操纵越来越简单，大型起重机的遥控技术在 未来几年将有大的发展。 ( 2 ) 专业化程度越来越高，生产方式越来越像汽车制造厂 利勃海尔公司和格鲁夫公司除发动机、液压元件、电器元件等依靠采购外， 连专业特点非常强的车架、转台、吊臂臂筒等结构件的生产也都转移到其他专业 厂生产，主机厂集中精力搞产品开发、装配和销售。这种生产方式非常有利于扩 大生产规模和保证产品质量。 ( 3 ) 越来越注重环保 各厂家非常重视噪声的控制。如格鲁夫公司在其g m k 系列产品底盘的传动 系两边增加了泡沫隔音板，有效地封闭了传动系噪声的外泄。从感觉上，几十吨 重的起重机从身边开过去，声音比轿车大不了多少。 ( 4 ) 发展超大型起重机 出于各重点工程向大型化发展，所需构件和配套设备重量不断增加，对超大 型起重设备的需求日趋增长。1 9 9 2 年2 0 t 以上伸缩臂式起重机的世界销量为9 0 台，到1 9 9 7 年增至1 3 0 台。德国厂商在起重机大型化发展进程中处于领先地位。 世界市场中1 5 0 t 以上的大吨位起重机多数是由利勃海尔和德马克公司提供的。利 浙江大学硕士学位论文绪论 勃海尔l t m l 8 0 0 型起重量达8 0 优，l t m l l 0 0 0 d 型，最大起重量达1 0 0 0 t ( 5 ) “迷你”起重机大量涌现 起重机向微型化发展，也是适应现代建设要求而出现的新趋势。小松公司的 l t 3 0 0 型与l t s 0 0 型是世界首批装有全自动水平伸缩副臂的轮式起重机它们将 轮式起重机公路行驶能力与专用伸缩臂架技术融为一体，且具有塔机功能，可越 过屋顶或其他障碍物靠近作业面，能替代小型自行架设塔机或大型折叠臂式随车 起重机 ( 6 ) 伸缩臂结构不断改进 利勃海尔l 1 m 1 ( 1 6 0 t ) 型产品，采用了装有“t e l e m t i 峪单缸自动伸缩系统 的卵圆形截面主臂，在减轻结构重量和提高起重性能方面有良好效果格鲁夫 g m k 6 2 5 0 采用了装有双销双锁自动伸缩系统的u 形截面主臂，伸臂速度快，伸 缩系统由电子式起重机操作装置控制，可将主臂自动伸至各种选定臂长【9 以4 1 。 1 3 汽车起重机回转液压系统 由于液压传动具有体积小、重量轻、结构紧凑、能实现无级调速、操纵轻便、 运转平稳和工作安全的优点，在国内外各种类型的工程起重机上得到了广泛的应 用。目前9 5 以上的起重机都采用了液压技术。汽车起重机的液压系统包括上车 液压系统和下车液压系统。上车液压系统分起升、伸缩、变幅、回转四大部分。 起重机之所以能够将重物送到指定工作范围内的任意空间位置，除了依靠起升机 构实现重物的垂直位移外，还必须依靠回转运动实现水平位移。起重机整个上车 起重作业部分相对于下车底盘部分的旋转运动称为回转，回转运动使起重机作业 范围从线、面扩大为一定的空间。回转液压系统简图如图1 1 所示，其核心元件 为回转控制阀，回转控制阀一般由换向部分和缓冲部分组成【1 5 锄】。 3 l 一上车部分2 一回转马达3 一回转泵源4 _ 一回转缓冲阀孓一回转换向阀 图1 1 回转液压系统简图 4 浙江大学硕士学位论文绪论 1 3 1 换向回路 工程机械液压系统中应用最广泛的换向部件为多路换向阀，它是以两个以上 的换向阀为主体，集换向阀、单向阀、过载阀、补油阀和制动阀等于一体的多功 能集成阀。在汽车起重机液压系统中，伸缩、变幅、主卷扬和副卷扬系统就是采 用的四联多路阀集成控制。由于在汽车起重机液压系统中回转系统一般都是单泵 供油，故回转换向联一般不集成在多路阀中，而是与缓冲阀、补油阀、安全阀、 自由滑转控制阀等构成专门的回转控制总成控制所有的回转动作。按换向阀的通 道数分类有四通型，五通型和六通型，直至特殊的多通型。目前中，小吨位汽车 起重机上的回转换向阀应用最广泛的为手动或液动六通型换向阀，其具有流量微 调特性和操作、替换简单的优点，原理如图1 2 所示【2 卜2 8 1 。 pp l 了 图1 2 六通型换向阀的结构 当六通阀的主阀芯在中位时，尽管p 口与a 、b 、t 三个口都不相通，但系 统可以马上通过p _ p l _ c _ t 的通路实现卸荷。因此可以将六通型换向阀理解为 是由“3 位4 通咖2 位2 通”组成，其中的2 位2 通解决中位卸荷。而六通换向阀 从中位卸荷的p l c _ t 状态过渡到h b t 状态( 卜a ，b _ t 阀口完全 打开) 的过程如下： ( 1 ) p _ p l _ c t 单独流动期 阀芯处于中位，p l c 中位卸荷油口全开，全部压力油以最低压力卸荷；以 及阀芯虽然离开中位，但位移量小于阀口遮盖量，p a 阀口尚未打开，没有油 液流向负载。 ( 2 ) p - a b 一t 与p 1 _ c _ t 并联流动期 在这期间，p _ a 阀口打开，而卸荷阀关小，但未关闭；部分油液流向负载， 另一部分油液以比最低卸荷压力为高的压力，流回油箱。随着阀芯位移量的加大， 浙江大学硕士学位论文 绪论 流向负载的流量逐步增大，流向油箱的那一部分油液的压力，也逐渐升高，这一 转变过程引来阀的重要特性。 ( 3 ) p a _ b t 单独流动期 卸荷阀口全部关闭，由于系统一般只配置安全阀，所以油源油液全部进入系 统。 以上分析说明： ( 1 ) 过程的实质是：先为旁路节流，后油源全流量通过换向阀主阀口进入 系统。 ( 2 ) 六通阀很难构成负载压力补偿或负载适应控制。在上述并联流动期， 流向油箱与流向负载的流量是随着阀芯位移的增大，根据两处相应液阻的大小自 动进行分配的。这时，不论用定差减压阎还是定差溢流阀，企图稳定去负载阀口 的压差，实现所谓的负载压力补偿或适应，显然是无意义的。 六通型换向阀的基本特性为流量压力损失特性、阀芯行程压力特性、阀 芯行程操作力特性和流量微调特性。其中最为重要的为流量微调特性，如图1 3 所示，它表示了阀芯位移与进入执行器流量之间的关系。它实际上是一种初级的 手动比例控制特性，但有较大的零位死区，而且比例控制范围还受负载压力的很 大影响，随着压力升高，比例范围减小。正由于比例控制范围本身就小，又受负 载压力影响，其可控作用，实际上只相当于阀口打开的开始一小段，不仅有一个 与普通四通换向阀阀口开缓冲槽一样的缓冲效果，而且还可以粗略地小行程地调 节流量。因此在工程上，将此称为微调特性，要比称比例控制特性更合理【2 蝴】。 o359 开度m m 图l - 3 六通型换向阀流量微调特性 1 3 2 缓冲补油回路 工程机械驱动的负载惯量较大，而且起、制动频繁，在起动、制动和突然换 向时，液压缸或者液压马达的两个工作腔分别产生高压和负压，若不采取措施， 6 浙江大学硕士学位论文绪论 液压系统会产生很大的冲击和噪声，甚至会引起元件和结构件的破坏，因而在工 程机械液压回路中，一般要安装缓冲补油阀，对高压腔予以缓冲，负压腔予以补 油。 缓冲回路是在液压回路中采取某种措施，使工作部件在行程终点前预先减 速，延缓其停止或换向时的时间，或者延缓系统的卸荷和升压过程来达到缓冲的 目的。 图1 4 所示为采用行程阀的缓冲回路，图中在液压缸2 有杆腔的油路上接入 行程阀4 ，当活塞向右运动到预定位置时，活塞杆上的挡块3 压下行程阀的阎芯， 使行程阀中的阀芯与阀体间的节流口逐渐减小直至关闭，从而使运动部件逐渐减 速直至停止。这种缓冲回路在缓冲过程中，活塞运动速度逐渐减小，但缓冲行程 固定不变。 图1 5 所示是采用反应灵敏的小型直动式溢流阀的缓冲回路。图中当活塞向 右运动而换向阀2 突然切换至中位时，活塞右侧的压力由于运动部件的惯性而突 然升高，当压力超过反应灵敏的小型直动式溢流阀时3 的设定压力时，溢流阀3 打开液流，以减缓管路中的液压冲击；同时，通过单向阀4 向液压缸左腔补油。 作缓冲用的液流阀3 的设定压力一般比主油路溢流阀1 的设定压力高5 1 0 。 由于溢流阈3 溢出一小部分油液即可减缓冲击，故只需采用反应灵敏的小型溢流 阀。 l 一电磁换向阀 2 一液压缸 3 挡块晰程阀 图1 4 采用行程阀的缓冲回路 7 l 上_ ， l 谥流阀扛电磁换向阀 3 小型直动式溢流阀“向阀 图1 5 采用小型直动式溢流阀的缓冲回路 浙江大学硕士学位论文绪论 图1 “图1 8 所示是对执行元件为液压回转马达的回路实现缓冲和补油的回 路。图1 6 所示为采用将两个溢流阀跨接于液压回转马达进出油路上的缓冲补油 回路。该回路适用于回转马达正、反转时负载不同的场合，将溢流阀缓冲出来的 油液直接接入低压的另一腔，防止负压的产生，这是直接补油法，缺点是由于回 转马达本身有内泄漏，并不能完全补偿另一腔的流量，故该回路的补油不够充分。 更好的方法可以采用单向补油阎。单向补油阀和缓冲阀一般成对使用，有图1 7 和图1 8 所示的两种布置方案。 l 山 l 液压马达2 - 缓冲阀 图1 6 有补油作用的缓冲回路 l 一单向补油阀2 - 一缓冲阀 3 一背压阀 图1 7 双单向阀双溢流阀缓冲补油回路 l 单向阀2 - 缓冲阀 3 埠向补油阀4 一一背压阀 图1 8 全桥式缓冲补油回路 浙江大学硕士学位论文 绪论 图1 7 所示为使用两只单向补油阀和两只缓冲阀的缓冲补油回路，单向补油 阀l 的补油压力由背压阀3 来提供，补油背压一般为0 3 0 5 m p a ，这种回路不仅 能起缓冲，而且能达到完全补油效果，并且使用于马达正、反转时负载不同的场 合。 图1 8 所示是由一只缓冲阀和四只单向阀组成的全桥式缓冲补油回路，单向 阀1 可以保证两缓冲油液都能通过缓冲阀2 ，单向阀3 起两个方向的补油作用， 其补油压力也由背压阀4 来提供，这种油路也能保证缓冲和完全补油的效果。 除了使用缓冲阀来起缓冲作用之外，有的液压系统还使用蓄能器起缓冲作 用，其效果也很好。为了缓冲动作迅速，可使用皮囊式充气蓄能器，蓄能器充气 压力一般约为三分之二的起动压力。此外，连接液压元件的管路应尽量缩短和减 少不必要的弯曲，在振动的地方接入软管等，都可以有效地减小液压冲击，起到 缓冲效果h 1 4 9 1 。 1 4 课题研究意义 目前国内某公司2 5 吨位汽车起重机的回转液压系统存在以下几点问题： ( 1 ) 回转液压系统工作压力偏高； ( 2 ) 回转液压系统在起动和制动时存在较大的压力冲击； ( 3 ) 回转机构在起动时有失速现象，低速容易抖动； 本课题主要以该公司2 5 吨位汽车起重机的回转液压系统为研究对象，拟采 用舳s i m ，m a t l a b 等软件对回转系统核心元件及回转液压回路进行建模分析， 复现系统的问题工况，找到引起这些问题的原因，并根据所确定的原因对回转换 向阀、缓冲阀以及回转回路进行优化改进，在最大程度上解决回转系统的稳态工 作压力偏高、动态液压冲击大等问题。改进思路和改进方案可以应用到其他吨位 的汽车起重机上，对于汽车起重机液压系统设计和回转换向阀、回转缓冲阀的设 计制造都有一定的指导意义。 1 5 课题研究目标和研究内容 1 5 1 课题研究目标 课题研究思路如图1 9 ： 9 浙江大学硕士学位论文绪论 f2 5 吨汽车起重机1 商向 l 一h 弋夕弋夕 厂、 l 理论分析、仿真模型j 文乡抄弋7之多之乡 穗型龟蚓试警参数试叫 之乡寻乡之多之多 a m e s i m 工作压力偏高核心元件i 降低压力 m a t i a b 起制动压力冲击 关键回路 i 减小冲击 图1 9 研究思路 1 5 2 课题研究内容 ( 1 ) 核心元件仿真模型的建立与验证玮i 用仿真软件和相关参数建立的 回转控制总成( x c h z f 1 5 l a ) 等核心元件的仿真模型。对建好的模型进行调试， 并进行静态和动态分析，同时对元件进行静态和动态试验，对比分析仿真和试验 数据，验证仿真模型并修正； ( 2 ) 回转液压系统模型的建立与验证在核心元件模型基础上，建立回 转液压系统的仿真模型。对建好的系统模型进行调试，并进行静态和动态分析， 同时对系统进行验证性试验，对比分析仿真结果和试验数据，修正与验证仿真模 型： ( 3 ) 仿真分析与系统优化方案的提出对液压系统模型进行仿真，并进 行运动学和动力学分析，根据仿真分析结果找出回转问题的原因并提出优化方 案； ( 4 ) 优化方案的实施与试验验证实施优化方案并对优化后回转液压系 统进行上车试验，验证优化结果 本课题回转性能主要评价指标如下： ( 1 ) 回转液压系统在怠速正常载荷工况下，小开口起动压力降至2 3 m p a ， 全开口工作压力控制在5 m p a 以内，全速全开口工况下系统压力控制在1 2 m p a 以 l o 浙江大学硕士学位论文 绪论 内； ( 2 ) 回转控制总成操控性和各开口区间尤其是小开口流量稳定性明显改善； ( 3 ) 怠速正常工况下，回转起动平稳无明显压力冲击和抖动，制动时最高 压力冲击8 a 左右； ( 4 ) 主阀设计需满足回转马达最小稳定流量要求( 2 3 l 血n ) 。 1 5 3 技术路线和研究难点 采用理论分析、仿真、试验相结合的研究方法。总体技术路线如图1 1 0 ： 图1 1 0 技术路线 拟解决以下关键问题： ( 1 ) 准确建立代表阀杆实际过流面积的a m e s i m 模型； ( 2 ) 综合考虑外界环境如臂架的惯性摆动、起重车未调平、风力等因素的 影响，建立符合实际的回转系统负载模型； ( 3 ) 在正确的仿真模型基础上，找到系统工作压力、液压冲击大小的相关 浙江大学硕士学位论文绪论 联因素，对回转系统换向阀、缓冲阀如何进行相关参数优化改进。 浙江大学硕士学位论文系统建模与仿真 第2 章系统建模与仿真 本章详细介绍了本课题所研究的回转控制总成的组成和工作原理，包括换向 阀部分和缓冲阀部分，然后对回转控制阀进行了伽s i i i l 建模，包括结构模型以 及负载模型。通过实车试验所得到的数据和曲线，一方面计算出不同工况下的动 摩擦力、粘性摩擦系数和上车转动惯量近似值代入仿真模型，另一方面与仿真曲 线比较验证了仿真模型的准确性和有效性。 2 12 5 吨汽车起重机回转控制阀原理 本课题所研究的2 5 t 汽车起重机的液压系统主要由四大部分组成：支腿液压 系统；回转液压系统；先导液压系统；起升、变幅、伸缩液压系统。其中回转液 压系统和支腿液压系统由同一定量泵供油，但油路先经过一手动换向分配阎，使 同一时刻泵的流量只能通往其中某一个系统，从而使支腿和回转动作相互隔离。 手动换向分配阎处于中位时泵的流量供往回转回路，由回转控制总成 ( x c h z f 1 5 l z ) 控制双向定量回转马达的左右运转实现回转动作。图2 1 和图 2 2 分别为回转控制总成外形图和液压原理图，回转控制总成按功能可分为两部 分：换向阀部分和缓冲阀部分。其结构上也是由换向阎和缓冲阀板式连接而成。 l 一回转换向阀2 - 一回转缓冲阀 图2 1 回转控制总成外形图 浙江大学硕士学位论文 系统建模与仿真 t b pga l 一安全阀2 _ 主换向阀3 一补油单向阀4 _ 一自由滑转阀碰流单向阀 仁缓冲阻尼塞7 _ 缓冲切断滑阀蝴调控制阻尼蝴冲溢流阀 图2 2 回转控制总成液压原理图 2 1 1 换向阀部分原理 换向阀部分包括主换向阀和安全阀r b ，主换向阀如图2 2 所示，其原理为在 传统液控三位六通型换向阀的基础上，在回油口上嵌入了一个调速阀。阀杆总行 程为l o m m ，阀杆位移1 5 m m 以内时，进回油口均未开启，旁路节流槽为全周阀 口，此时处于回转停止位，系统流量仅以很小的卸荷压力通过旁路节流槽流回油 箱；阀杆行程1 5 m m 一5 5 m m 时，旁路进入节流区，其过流面积不断减小，系统 压力建立起来并不断增大，同时进油节流槽开启，系统压力最终克服负载使回转 动作，而回转马达仅仅通过调速阀回油，流入回转马达的流量被调速阀所限制， 通过旁路流回油箱的流量也相应被约束。调速阀的最小工作压差约为1 6 m p a ，其 调定流量约为8 l 腼n ；阎杆位移大于5 5 m m 时，旁路节流槽过流面积继续减小， 而回油口节流槽开启，与调速阀并联回油，此时通过旁路节流槽流回油箱和流入 回转马达的流量随着阀芯位移的增大，根据旁路和回转马达油路的液阻大小自动 进行分配；阀芯位移超过8 5 m m 时，旁路节流口完全关闭，全部系统流量通过主 阀进油节流槽进入回转马达油路，并全部通过主阀回油口流回油箱【缸5 4 】。 由于本质上属于旁路节流调速系统，故只配置安全阀i m ，调定压力为 1 2 m p a ，为直动式溢流阀结构，只在踩油门部分工况下开启限压，由此也看出2 5 1 4 浙江大学硕士学位论文 系统建模与仿真 吨汽车起重机的正常负载压力一般较小。 2 1 2 缓冲阎部分原理 如图2 2 所示，缓冲阀部分包括缓冲溢流阀组p r l 、p r 2 ，缓冲切断滑阀，缓 冲阻尼塞、整流单向阀组、可调控制阻尼、补油单向阀组以及自由滑转阀。 缓冲溢流阎组p r l 和p r 2 采用先导式溢流阀结构，其调定压力为5 m p a 。其 先导级和主级均从回转马达一侧通往回转马达另一侧，故而其控制压力取自回转 马达两端的压差，也即回转负载压力。当回转马达起、制动过程中遇到较大静摩 擦力、惯性力，或者稳态下推动如斜坡负载等较大重载时，均有可能使回转负载 压差大于缓冲阀调定值，先导阀和主阀开启，油液从回转马达高压一侧分别经过 缓冲溢流阀、缓冲切断滑阀、缓冲阻尼塞、整流单向阀流入回转马达低压一侧， 再和回转马达出油口的流量合流，共同通过主阀回油口流回油箱。在缓冲阻尼塞 直径确定的情况下，缓冲阀通流时，缓冲阻尼塞两端的压差为负载压力和缓冲阀 调定压力的差值，并决定了缓冲流量的大小。起、制动动态下，缓冲流量能够减 缓回转马达起、制动加速度，减小惯性力，从而降低压力峰值，但是缓冲阀通流 也在一定程度上减小了推负载的能力；极端工况下，比如负载压力波动时，则通 过缓冲阀的分流作用减小压力波动幅度，但此时也有可能会带来一定的流量不稳 定。 缓冲切断滑阀为中位常通式，由回转负载压力通过可调控制阻尼控制其阀芯 的动作。起、制动动态下，由于惯性作用而瞬间过载时，回转马达压差将大于缓 冲阎调定值，缓冲阀开启。同时，回转负载压力作用在缓冲切断滑阎两端，使其 关小，由于可调控制阻尼的作用，缓冲切断滑阀并不能立刻完全关闭，从而使缓 冲回路在动态下保持畅通而使缓冲回路充分发挥通流作用。而重载稳态下，缓冲 切断滑阀在一定时间内能完全关闭，相当于缓冲油路被断开，以此保证推动正常 重载的能力。 当瞬间压力冲击方向和回转马达转向相同，或者制动时由于回转惯性，回转 马达都可能产生负力矩转动，呈现油泵功能，回转马达进油侧可能出现被迫吸空， 产生气穴并可能导致振动以及不稳定，必须对此时的进油侧进行充分补油。本回 路中补油流量来自回转泵源，补油压力由多路阀内的0 3 m p a 背压阀提供，并通 过0 0 5 御a 补油单向阀组整流，实现补油功能。 自由滑转控制阀可保证在斜坡吊重静止状态时，吊重达到静平衡，即起重机 浙江大学硕士学位论文系统建模与仿真 上车部分的重心位于自然最低，避免臂架受到倾覆力矩的作用 2 2 仿真模型的建立 2 2 1 回转控制阀建模 对主换向阀进行伽s i i l l 建模，如图2 - 3 换向阀杆的进油节流槽、回油口 以及旁路节流槽均采用节流槽形式的阀口，包括u 型槽，斜u 型槽，k 型槽等， 采用各开度下阀口进出通道中的最小过流断面面积近似代替此开度下的阀口过 流面积，用m a t l a b 计算各开度下的阀口过流面积并生成文本文档，代入到 a m e s i m 函数阀口子模型中。其余各个结构参数均与零件图中所标尺寸一致【5 5 卅】。 安全阀r b 为直动式溢流阀结构，只在踩油门部分工况下开启限压。采用 h y d r a u l i c 库中直动式溢流阀模型直接代替，以简化建模步骤。 b 1 t 1 a 1 图2 3 主换向阀原理图及仿真模型 缓冲溢流阀的a m e s i m 模型如图2 4 所示。 a a 图2 4 缓冲溢流阀原理图及仿真模型 1 6 c 浙江大学硕士学位论文系统建模与仿真 b 黼莲稍 上 n吲 么 n ：= j 一l 上 u 爷c1 州u l _ 。d a 潦麓一 图2 5 缓冲切断滑阀原理图