（机械电子工程专业论文）车辆静液压驱动及控制系统.pdf

摘要 本文的题目为车辆静液压驱动及控制系统。 本文研究的中心任务就是应用静液压技术来完成车辆的驱动，并结合电液比例技术进行 控制，而设计的代表车型为叉车。 对静液压技术的一些基本概念、国内外的应用现状作简单介绍，重点强调了闭式系统与 开式系统的概念、油泵与马达组配的调速形式及马达驱动的高速、低速方案。而后分析了叉 车行走系统、工作装置及转向系统各自的特性要求，在此基础上提出了单泵驱动方案，并从 分系统着手，进而完成整车的液压系统设计。 然而所采用的大金双档恒压泵系统存在着成本高，节流损失高的不利因素，因此结合电 液比例控制技术，将兰州永新的j b p 径向变量柱塞泵改造成电液比例阀控泵，用于液压系 统能提高整车效率。设计前，针对电控系统对变量泵提出特性要求，并结合特性要求进行仿 真，证明方案的可行性。然后对电液比例阀控泵的机械结构进行了详细设计，并进行台架试 验，对电控泵的性能进行测试。 试验验证了电控部分能起到应有控制效果，将其运用到叉车的驱动系统或者移植到其它 行走车辆的驱动系统中，具有良好的市场前景。 关键词：静液压技术，电液比例技术，系统仿真 a b s t r a c t t h ec e n t r a la s s i g n m e n to ft h ea r t i c l ei st ou s et e c h n i q u eo fh y d r a u l i cp r e s s u r et of u l f i l lt h e t r a n s m i s s i o no fv e h i c l e ，c o m b i n e dw i t he l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt oc o n t r o ls y s t e m t h e t y p i c a lo b j e c t t ob es t u d i e di sf o r k l i f t t h ea r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p t i o no ft e c h n i q u eo fh y d r a u l i cp r e s s u r ea n d c u r r e n to fa p p l i c a t i o n ，e m p h a s i z i n gt h ec o n c e p t i o no fc l o s el o o ps y s t e ma n do p e nl o o ps y s t e m ， a n dl o w s p e e ds c h e m ea n dh i g h s p e e ds c h e m eo ft r a n s m i s s i o no f m o t o r t h e nt h ea r t i c l ea n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i cr e q u i r e m e n to fm o v i n gs y s t e m ，w o r k i n gs y s t e ma n dt u r n i n gs y s t e m ，0 1 1t h eb a s e o fw h i c ht h ea r t i c l eb r o u g h ti nt h es c h e m eo ft r a n s m i s s i o nw i t hs i n g l ep u m p ，f r o mt h es u b s y s t e m t ot h ew h o l ef o r k l i f t ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h ed a i k i np u m pw eu s e d ，h o w e v e r , h a ss o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sh i 曲c o s ta n dh i 【曲 l o s i n gp r e s s u r e ，w ec h a n g e dt h ej b p r a d i a l p i s t o np u m pt o t h ep u m pc o n t r o l l e d b y e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ，s ot h a tt h ee f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e d f i r s t l y , i na c c o r dw i t h t l l ee l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l l e ds y s t e m w eb r o u g h to u tt h ec h a r a c t e r i s t i cr e q u i r e m e n to fv a r i a b l e p u m p c o m b i n e dw i t ht h e s er e q u i r e m e n t sw ed i ds e r i e so fs i m u l a t i o n , w h i c hp r o v e dt h es c h e m ei s f e a s i b l e s e c o n d l y , w ed o n ed e t a i l e dd e s i g n o ft h es t r u c t u r eo ft h ep u m pc o n t r o l l e db y e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e f i n a l l y , w ed i de l e c t r o - h y d r a u l i ct e s t o nt h ep u m pt ot e s t p e r f o r m a n c e ，a n de f f e c to f t h ee l e c t r o c o n t r o lp a r t t h es c h e m eo fe l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o li ss t i l lr e a d yt ob ei m p r o v e d ，i ft h e s c h e m ei su s e do i lt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ef o r k l i f to rr e p l a n t e do nt h eo t h e rk i n do fv e h i c l e ， i tw i l lh a v eav e r yb r i g h tf u t u r e k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s u r e ，e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e c h n i q u e ，s y s t e m s i m u l a t i o n 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第一章一绪论 第一章绪论 1 1 静液压传动技术的国内外发展情况 静液压传动技术指发动机动力通过变量泵、液压马达来驱动变速器。工程机械等行走车 辆的静液压传动是指发动机( 内燃机或电动机) 输出的机械能在液压泵中转化为液压能，经 管道和控制阀等传输到液压马达，在马达处重新转化为能克服负荷引起的扭矩和达到所需转 速的机械能，并由马达直接或间接输出这一机械能，带动车轮( 或履带) 转动，达到车辆行 走的目的。1 1 】 行走车辆上采用静液压传动的驱动型式，已经有几十年的发展历史，最初，尤其在各种 工程机械上的应用更为广泛，以挖掘机为例，在6 0 年代，世界各国的液压挖掘机总产量与 挖掘机总产量相比，平均以达到8 0 以上。近年来，随着液压技术的发展，各种采用静液 压传动的行走车辆越来越多，车辆行走机构采用液压传动越来越引起人们的重视。美国的卡 特彼勒工程机械，日本的日立建筑机械，德国利勃赫尔装载机等均采用静液压驱动，并进入 我国市场，与此同时，对于车辆静液压传动系统特性及应用技术的研究已经成为近几年十分 热门的课题。 静液压技术在工程机械中具有良好的应用前景，但是在铲土运输机械和起重机械中作为 主要传动应用却很少，其主要问题在于国内液压元件质量差，而国外的液压元件价格又太高， 会造成主机成本过高，9 0 年代以来，国内已引进了林德公司静液压叉车，以及利勃赫尔公司 静液压推土机和装载机，但在国内市场份额很小。 1 2 静液压传动技术的特点 1 功率重量比大，调速性能好，可实现无级调速，并且调速平稳、均匀、准确、加速性能 好； 2 起动力矩可以很大； 3 总体匹配容易，随着选定动力源的参数变化，可以改变变量泵或者变量马达的排量和系 统压力，从而可以得到比较满意的匹配效果； 4 动力性能好，静液压传动车辆的牵引性能、爬坡能力及最高车速均比较好，且当进行最 大爬坡时，还能够保持较高的车速； 5 调节变量泵的排量，车辆系统可以用很小的速度运行，微动性能好； 6 传动系统结构简单； 7 在高速下，变量泵、定量马达的最高效率在高速区段； 8 高效率区范围宽。 1 3 静液压技术的发展趋势及待解决的问题 一、静液压驱动技术的国际发展趋势 1 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第一章一绪论 1 采用的液压元件高压化，连续工作压力达至u 4 0 m p a ，瞬间最高压力达到4 8 m p a ； 2 调节和控制方式多样化； 3 进一步改善调节性能，提高动力传动系统的效率； 4 发展与机械、液力、电力传动组合的复合式调节传动装置； 5 发展具有节能、储能功能的高效系统； 6 进一步降低噪声； 7 应用液压螺纹插装阀技术，紧凑结构、减少漏油。 二、国内静液压传动的研究现状 我国在联合收割机、拖拉机、叉车等主机产品上，先后进行过静液压传动技术的应用研 制工作，但由于相应的液压元件不配套，质量不过关，系统设计不合理等原因，都未能商品 化；目前，行走机械中的静压传动装置主要靠进口，在静液压传动的关键技术负荷传感技术 的应用上，由于国内开发了负荷传感全液压转向器、多路阀、优先阀和负荷传感变量泵等关 键元件，所以已有国产的泵控和阀控的负荷传感调节系统产品，在装载机、叉车、塑料注射 机和压铸机上得到应用，并有近干台的生产能力。但仍因为对该项技术缺乏全面、深入的理 论分析和试验研究，系统缺乏优化匹配，合理性欠佳等原因，往往达不到预期节能效果，而 且开发周期又太长，都影响了在主机中的应用。这些均有待尽快提高，早日使更多的国产静 液压传动及负荷传感调节装置，满足我国行走机械等主机产品发展的需求。【2 j 【3 l 三、国内静液压传动急需解决的问题 1 国内液压系统的基础元件制造能力较低，比如各种性能优异的性能调节泵，电液比例泵 大多依赖国外引进；多路阀和负荷敏感阀的制造加工能力也十分有限；针对于马达发展 的现状，高速马达及减速器和低速大扭矩马达将是重点突破口。 2 在系统控制方面，国内的技术也相对落后。为了使液压系统具有良好的工作性能和控制 性能，压力补偿、负荷敏感技术以及相关的控制理论、方案和技术还有待进一步发展。 1 4 静液压传动在叉车上的应用 本文将采用叉车作为所研究讨论的对象，因此有必要对叉车的静液压驱动，特别是行走 系统的液压传动的应用有所了解。 叉车类机动工业车辆的燃油消耗、噪声及作业生产率是设计转动系统时最重要的技术特 性，平衡重叉车传动系统通常有机械传动、液力传动及静液压传动三种类型，其中，静液压 传动具有优异的性能。以德国的林德( l i n d e ) 公司为代表的行走闭式静液压传动叉车是目 前国内外堪称一流的产品，但因其生产成本居高不下，一直难以普及应用。近年来逐渐推行 的开式静液压传动系统，是一种价格低廉的结构，引起人们的普遍关注。1 4 1 采用了静液压传动的叉车的特点： 1 静液压行走传动( 或称容积式传动) 系统主要由液压泵和液压马达组成，发动机与行走 2 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第一章一绪论 系统间不存在机械联系，便于车辆总体布置。根据液压泵和液压马达的不同组合，可以 使叉车获得各种不同的牵引特性；通过对液压泵排量、转速及压力的合理配置，可以获 得满意的动力匹配特性，且总体匹配容易、发动机选型范围比较宽：发动机功率在行走 系统和工作装置液压系统间自动分配，可使发动机功率得以充分发挥。 2 当行走负荷小于预定值时，静液压传动系统压力只随行走负荷而变化，与发动机转速无 关，车辆的起步、加速性能好，特别是在发动机低转速下出色的牵弓 特性和爬坡性能， 无论在平地或坡道上均可以平稳起步，符合叉车的工况要求。 3 静液压传动依靠控制、改变行走液压系统流量的大小、方向，使马达的转速、转向发生 变化，从而改变车速和走向。这种调速方式可以方便地实现无级变速及实现微动行驶， 车速变化范围大，可以在叉车行进中可实现不停车高、低档车速自动或手动变化，应急 时，还可于车辆行进间换向。 4 静液压传动可以实现匾功率调节，当行走负荷增加( 如道路坡度变化) 至发动机输出功 率达到规定值时，叉车的行走速度将随之自动降低，使发动机功率得以充分利用。而且 高牵引效率区域较宽、特别是在低车速、大牵引力时能保持高的牵引效率。 5 与液力传动系统比较，静液压传动系统的传动效率较高，在发动机低转速工况下尤为突 出。 6 微动行走是叉车的一项重要性能指标。静液压传动叉车只要控制，改变行走液压系统的 流量大小，即可实现微动行走。微动精度可以以毫米计量，这是机械传动叉车和液力传 动叉车所无法比拟的。 7 静液压传动系统结构简单、液压元件总称的体积、重量相对小、车体内空间布置较为宽 松，易于拆装，作业现场易于换件维修。能满足叉车频繁的起步、变速、换向和“微动” 操作的要求。 一、论文任务 1 5 本论文的主要研究内容 电动叉车的传统驱动技术是电机机械的机械传动方式，即直流调速电机通过减速器， 驱动整车的行走，该方案需要价格昂贵的电调速系统，而目前的电调速系统基本上由国外进 口，这为电动叉车在国内的发展带来了一定的障碍。本课题正是从这一着眼点出发，充分利 用机械电子工程专业的学科优势，在电动叉车上以静液压驱动系统代替传统的机械驱动系 统，重点研究静液压传动系统特性，使得该项技术不仅在技术上可行，而且在实用性上也易 于操作，并且具有很好的移植性，可以很方便地把静液压传动技术应用到其它的行走机械上。 由于液压传动具有布局灵活方便，无级调速范围宽，输出扭矩与转速可以在相当大程度 上与输入转速无关地进行调节，从而使原动机能经常在稳定、高效的工况下运行、起步、调 速，换向柔和、迅速、冲击小，微动特性优异，操作舒适，从最高车速直到完全静止均可利 用动力一传动装置本身实现可控制的制动等诸多的优点。故可见，将静液压技术运用于车辆 的驱动及控制系统中是现代化机械发展的方向，针对国内在此方面尚不成熟的技术，更显示 出此项技术开发的迫切性。 3 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第一章一绪论 二、论文内容 1 车辆液压系统的分析 对叉车的液压系统中的行走系统、工作装置和转向系统进行分析，针对目前常见的多 泵驱动系统所存在的缺陷，创新提出单泵驱动方案，讨论实现单泵驱动方案存在的难点。 2 叉车静液压驱动系统设计 行走系统是该叉车液压系统中最重要也是最复杂的系统，所以首先把行走系统进行细 化，然后在进行倾斜系统、升降系统和转向系统的细化设计，最后形成整车的液压系统。 3 电液比例阀控系统中变量泵的特性研究 对静液压驱动方案中所采用的变量泵的变量原理和变量特性进行分析，并同时指出，此 变量泵还属于有级调速的范畴。根据液压系统对节能的要求特点，分析得到采用具有更好节 能特点的电液比例阀控变量泵是比较理想的方案，对电液比例阀控泵所需具备的特性进行分 析。 4 电液比例阀控方案的仿真 在电液比例阀控系统的变量泵特性研究基础上，对电液比例控制系统方案的行走系统进 行仿真试验，得到油泵的仿真工作特性，证明电控方案的可行性。 5 电液比例阀控变量泵的设计 在仿真论证了电液比例阀控系统的可行性之后，对电液比例阀控泵的机械结构进行设 计，改造，以满足电液比例控制系统的特性要求。 6 电液比例阀控变量泵的液压试验 介绍液压试验的硬件设施及结构原理，然后结合电子控制器对液压泵进行5 个档位的恒 功率工况测试，试验结果证明变量泵的机械结构是基本合理的，电控方法也是可行的。 7 全文总结 总结全文要点，提出了本文设计仍然存在的问题，提出了改进的方向，并且对电液比例 控制系统的进一步改善提出设想。 4 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第二章一叉车液压系统的分析 第二章叉车液压系统的分析 静液压技术在叉车上的主要驱动对象分为行走系统，转向系统和工作装置，其中工作装 置又可细分为倾斜装置和提升装置。要设计出一套叉车的液压驱动系统就必须首先了解这些 被驱动对象的工作要求和工况。 2 1 叉车被驱动对象的分析 一、行走系统的分析 叉车行走系统的基本作用是将原动机产生的运动与转矩加以一定的变化后，通过传动系 统，传给驱动车轮，使之产生必要的牵引力，推动叉车前行或者后退，且有较大的速度变化。 【6 】 为了保证叉车的正常运行，首先要求叉车在各种运行工况下具有合适的运行速度及必要 的牵引力。叉车工作场所或者场地情况不同，行驶阻力也不同。在平坦的良好路面( 沥青路 面、混凝土路面) 上行驶时，滚动阻力较小，坡度阻力近于零，总行驶阻力只有叉车总重力 的1 5 。2 左右。若叉车爬行很大的坡度( 2 0 ) 左右，且路面又很差时，总阻力就很大， 可达到3 0 3 5 。叉车起动加速时还有惯性阻力。由于叉车的工作环境是多样、变化的， 因此叉车所受到的阻力也是随时变化的，并且变化的幅度相当大，一般情况下可相差4 5 倍，在某些情况下相差可达1 0 多倍甚至2 0 多倍。这就要求叉车的牵引力随外界的总阻力变 化而变化，同时行驶速度也相应变化。一般当行驶阻力小时，叉车允许以高速行驶；行驶阻 力大时，叉车被限定以低速运行。 其次要求叉车能以各种速度反向行驶( 倒退) ，以适应叉车装卸作业时前进和后退行驶 机会几乎相等的情况。 此外，还要求叉车能平稳地起步( 起动) ；在曲线行驶时能够协调地将转矩按一定的比 例分配给左右驱动车轮。 上述这些要求，是依靠原动机和传动系统共同完成的。由于叉车所用的原动机( 电动机 或内燃机) 的性能不同，因而传动系统的功用及组成也有差别。 对于一台机动灵活，而又效率较高的车辆，其行走系统的传动方案一般要考虑以下几个 要点： 1 可以连续调节输出转速和扭矩，即可以进行无级调速； 2 可以灵活配置传动部件； 3 便于实现各种控制模式( 程控、遥控及过载保护) 。 但是从上面的出发点考虑，为此而付出的代价是要采取较复杂的结构、较高的制造成本、 以及在传动过程中因能量转换不可避免的功率损失。因此就存在一个在各种传动方式中如何 合理选型和优化配置的问题。 二、转向系统的分析 5 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第二章一叉车液压系统的分析 叉车转向系统所需具备的要求： 工作可靠；操纵轻便，叉车作业时转向频繁，故要求操纵轻便，施加在方向盘上的手力 不应大于1 0 0 n ；方向盘的回转圈数要少；要有路感，转向时转向轮所受的侧向力要适当地 反馈到方向盘上，但反馈不能太大。以免出现“打手”现象，并使转向系统零件承受过大冲 击载荷；转向灵敏；调整、维修方便。 三、工作装置的分析 控$ l j f - j 架起升与倾斜的液压系统是叉车的关键油路。由于叉车的工作起升高度和作业载 荷比较大，因此在满足液压缸强度和刚度的条件下，一般选择的工作压力较高。 门架倾斜液压缸相对于起升液压缸的载荷小，速度也低。根据安全要求，不允许叉车起 升作业与倾斜动作同时进行，因此只需按起升液压缸流量选配油路。 叉车在行走过程中，要可以进行倾斜油缸或者升降油缸的动作，但此时倾斜油缸或者升 降油缸都不需要很大的流量，一般都是为了叉取货物而进行的一些简单调整。 四、结论 从以上简单分析可知，叉车行走系统的工况相对于工作装置系统和转向系统来说最为复 杂，而需达到的控制要求也最为复杂，所涉及的元器件数目也最多。行走系统的负载特点变 化频繁，针对如此工况，对行走系统提出的要求是速度受负载限制，低负载允许高速行驶， 高负载则速度被限制在很小的范围，除此之外，根据驾驶员的需要，还经常需要进行调速， 就是在同一负载阻力的工况下，叉车也可以不同的速度行驶。 行走系统的工作特性应符合等功率双曲线，当道路情况良好，行驶阻力较小，此时要求 叉车以高速行驶，当路面隋况恶劣，行驶阻力较大，此时要求叉车以低速行驶。而与此不同 的是，叉车起升机构工作速度要求相对稳定，即无论起升负载的大小如何变化，起升速度都 不能相差太大，否则可能会造成事故发生。 根据叉车的工作特点，必须强调的是，无论在任何工况下，如果电机处于运转状态，就 首先要保证车轮能够进行转向，所以具有转向机构和其它机构可以同时动作的要求，并且要 优先保证转向机构能够优先获得转向所需要的流量。 一、多泵驱动方案 2 2 叉车驱动方案探讨 目前常见的驱动方案为多泵供油，即用多个油泵分别驱动行走机构、转向机构和工作装 置。在少数情况下，也将工作装置和转向机构共泵分流来驱动。 使用多泵驱动的优点在于： 1 各个工作机构之间独立驱动工作，互相干扰影响不大。 2 由于供工作装置压力的泵工作时间短，液压油呈空循环状态，从而减少了液压油升温。 从而延长了液压件、密封件、液压油的工作寿命。【7 】 6 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第二章一叉车液压系统的分析 可是多泵驱动也存在不少显著的问题，简单归纳就是制造成本增加，结构复杂，浪费严 重。而且由于油泵数量多，电机增多，对于防爆型叉车来说是不利的。 正是现在的多泵驱动方案还存在一些明显的缺点，如何解决这些问题成为我们探讨研究 的方向。在此基础上，我们创新地提出了单泵分流的驱动系统。 单泵分流驱动方案 与前面提到过的仅仅将工作装置和转向装置合在一起用一个泵来驱动的概念不同，我们 所提出的单泵分流驱动是真正的单泵。该方案只采用一个电机、一个油泵来驱动行走机构， 工作装置和转向机构。 由于叉车对各执行机构进行复合动作的要求并不高，所以计划在普通叉车的液压系统的 基础上进行改造，主要的任务就是把行走系统加到整个系统中，而且所有的系统在利用单泵 供油的条件下，可以完成叉车所需要的动作。在这样一个思路下，得到图2 1 所示的全液压 叉车液压系统框图。 从图2 1 可以看出，为了满足叉车在工作状态下，即电机处于稳定运转状态下能够随时 进行转向，在马达的出口处，首先使液压油流向优先阀，优先阀使油泵供应的流量首先优先 供给转向机构，可以使叉车在任何工况下，完成车轮转向的动作。为了使叉车能够进行复合 动作，系统中采用了改进设计的多路阀，多路阀使行走机构、升降机构和倾斜机构相互并联， 使每个机构可以互不干扰，由此完成复合动作，可以完全满足叉车各执行机构的动作要求。 该方案具有以下优点： 1 单电机单泵，使得结构简单，液压元件减少，整个系统布局更简单化。 2 由于省去了多余的泵、电机和其余配套的液压元件，整个叉车的液压系统的成本也降低 了。 3 单电机单泵驱动，由于减少了电机和油泵数目，减少了发热源，使防爆技术改造叉车更 为便利。 4 在传统的多泵驱动方案中，往往只是行走系统要求较高，采用了变量泵驱动，而工作装 置和回转装置往往采用的是定量泵驱动，因此损耗较大。而我们所采用单泵分流驱动方 7 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第二章一叉车液压系统的分析 案中，使用一个变量泵，就能覆盖到行走、工作、回转三个系统中，即整个叉车的功率 利用率也提高了。 5 在我们提出的单泵驱动方案中，由于行走、工作、转向系统都使用的是变量泵，因此不 存在溢流损失。 三、方案难点 单泵驱动方案确实具备有许多突破性的优点，可是真要将构想化作现实也是存在不少难 点的，主要难点如下： 1 要将行走系统，转向系统和工作装置共用一泵来驱动，而它们本身的工作特性各不相同， 因此如何做好它们之间的匹配是一个难题。 2 当转向系统快速转向工作时，工作流量过大，需要用优先阀进行保护。 2 3 本章小节 1 对叉车被驱动对象进行分析，分别介绍了行走系统、工作装置和转向机构所需满足的要 求及工作特性。 2 列举了目前最常见的多泵驱动方案，指出了它所存在的缺点。然后创新地提出了单泵驱 动方案，指出了单泵驱动的优点及实现方案所存在的难点。 8 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第三章一液压系统的设计 第三章液压系统的设计 根据第二章的分析，提出了全液压叉车的液压系统构成方案，现在需要做的就是根据液压系统 的构成方案，进行系统的细节构建工作。行走系统是该叉车液压系统中最重要也是最复杂的系统， 所以首先把行走系统进行细化，然后在进行倾斜系统、升降系统和转向系统的细化设计，最后形成 整车的液压系统。 3 1 行走系统的设计 一、行走系统的基本配置 所设计的叉车的液压行走系统应该以图l l 所示的开式液压传动系统为基础，首先考虑到系统 采用低速方案，即采用低速大扭矩液压马达直接驱动车轮，而不采用高速马达驱动减速箱的方案， 所以行走系统需要2 个马达，而这两个马达要同时驱动叉车前轮的左右轮，它们之间的联接方案必 须采用2 个马达并联的方案，所以可以得到图3 1 所示的行走系统初步方案。 图3 1 行走系统的基本配置 图3 一l 中可以看出，因为所设计的系统为开式系统，所以在主进油路和回油路还要有滤油装置， 以保证系统的清洁。同时，为了保证系统的安全性，还要设置一个安全阀，安全阀的调定压力根据 必须符合油泵能安全工作的要求，所以比额定工作压力略高。通过操纵换向阀可以马达的旋转方向， 即改变行车的方向，但是由换向阀的特点和叉车工作时的情况可知，在进行换向时，首先需要把叉 车停下来，必须使换向阀先工作在中位，然后等叉车停下来后，再使换向阀工作在与原来行驶方向 不同的位置上。这样所带来的问题是，在换向阀突然工作在中位时，由于马达的进油路和回油路都 被切断，但是马达惯性很大，还在继续按照原来的方向旋转，所以原理进油路的压力油可能会发生 吸空的现象，而原来回油路的压力油可能会发生压力急剧上升的趋势，同时马达是双向可转的，所 以每路都需要缓冲和补油装置。i s 9 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第三章一液压系统的设计 二、调速系统的配置 1 容积调速系统 图3 1 配置了一个基本的行走系统，它可以实现叉车行走和叉车转向。但是叉车行走系统中一 个重要的问题就是如何解决调速问题，也就是使叉车的调速范围尽量宽，最好能够实现无级调速， 同时又能够最有效的利用有限的能量。 从控制手段上来讲，液压调速一般有节流调速和容积调速两种方案。在进行调速系统的构建时， 首先考虑到使用容积调速系统，因为容积调速系统没有节流损失，可以大大提高系统的效率。如果 使用容积调速系统，首先考虑到使用什么样的系统配置可以达到效率最高，以所开发的叉车为基础， 从容积调速的可行性来说，比较好的匹配方案是变量泵一定量马达系统，在这个系统中，提高系统 效率的有效途径是选择合适的变量泵变量特性，尽量减少液压系统中的压力损失和流量损失。从原 理上分析，可知具有负载敏感特性的变量泵是最理想的交量元件，因为这种变量泵的出口压力和输 出流量可以根据负载的要求而定，没有流量损失，压力损失也很小，一般有0 5 m p a 左右，具有这种 负载敏感功能的变量泵是比较理想的，更有甚者，为了使设计的系统具有功率限制的功能，以避免 系统过载，在泵的设计上，最好使用具有负载敏感+ 压力限制或者是负载敏感+ 功率限制+ 压力限 制功能的变量泵，尤其后者，不但可以避免压力损失和流量损失，还可以限制系统的最大功率，使 系统的调速范围达到最大，充分利用系统的资源，但是如果使用这种泵，所带来的问题是国内没有 这种变量泵，只能依赖进口，所以代价很大。同时为了使这种泵能够用于所设计的叉车中，即单泵 驱动多个执行机构的系统中，需要设计专用的阀组，以对系统进行流量分配和压力补偿，如图3 2 所示，而这种阀组的结构极其复杂，所以代价也很大。在目前的基础上，从变量泵的控制特性来讲， 最具有节能特色的变量泵就是具有恒压控制功能的变量泵，这种泵在正常情况下( 油泵压力没有超 过调定压力) 相当于定量泵，当油泵出口压力超过调定压力后，变量泵可以自动减小流量，以保证 油泵出口压力不超过调定压力。由于叉车在工作中经常需要调速，而只有节流才能控制油泵的输出 流量，所以这种恒压变量油泵经常工作在调定压力处，有一定的压力损失，如图4 2 ，可以看出压力 损失的大小要看负载的大小，负载越大压力损失就越小，所以如果采用这种泵，经常要有压力损失， 为了解决这一问题，我们选择了一种比较灵活的方案，即采用双档恒压变量控制变量泵一双排量马 达的容积调速方案，对于双档恒压变量控制变量泵，具有高压小排量和低压大排量的特点，使泵可 以在不节流的情况下，具有两种排量可以选择，相当于变速箱具有两个档位，同时由于采用双排量 马达，可以使两档恒压控制变量泵和双排量马达进行排量组合，这样可以获得3 档速度，如果操纵 行驶方向换向阀，所设计的叉车就拥有3 个前进档和3 个后退档，相当于3 前3 后的变速箱，在每 个调速档位上，可以得到不同的行走速度，这样无论前进还是后退都具有高、中、低3 个不同的速 度档，如果在每个档位上都以最大速度行驶，系统即没有节流损失，也没有压力损失，可以得到很 高的效率。虽然这种容积调速系统具有有级的速度档位，但是与机械传动不同的是，在每个档位上 除了可以获得不同的最大速度外，还可以进行节流调速，此时油泵处于恒压控制状态，因此形成图 3 3 所示的系统。 1 0 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第三章一液压系统的设计 图3 2 多执行机构负载敏感控制系统的基本构成 图3 3 行走系统的容积调速配置 1 | l | l | _ j 和图3 1 相比，图3 3 多了两个元件，它们是一个减压阀和一个手动换向阀。手动换向阀用 来切换双档恒压变量泵和双排量马达的工作档位，如表3 1 所示的行走系统档位分析表，通过变换 手动换向阀的工作位置，确定了变量泵和马达的不同控制压力，从而把变量泵和马达的最大排量进 行组合，得到不同的马达转速。因为双档恒压变量泵和双排量马达的控制压力不能太大，根据所选 择的变量泵和马达的要求，2 m p a 的控制压力是两者都允许的，所以要使用一个2 m p a 的定值减压阀 以便获得控制压力。 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第三章一液压系统的设计 汰 换档阀位泵最大排量马达最大排量 速度档位 低速左 小大 中速中大大 高速右 大小 表3 1 行走系统速度档位分析表 图3 3 所示的系统现在已经具有了调速的能力，但是它还是属于有级换挡下的有级调速，在 每个档位下只有一种速度，所以这样的系统调速范围并不宽，为了解决这一问题，还需要使用节流 调速，因为节流调速可以控制叉车在每个档位下以每档最大速度下的任意速度行驶，这样可以实现 了有级换挡下的无级调速。 2 节流调速系统 图3 - 4 进油节流行走调速系统 _ 1 | i l 一 在进行节流调速时，采用进油节流还是回油节流是值得考虑的问题，在进行系统设计时，首先 使用了进油节流调速，如图3 4 ，在进行调试时，如果进行节流调速操作，马达总是有敲击的响声出 现，如果不进行节流调速，反而没有此现象。由此可见，马达敲缸的现象是由于节流调速所引起的。 一般，在马达的回油路上要有一定的背压，根据系统的配置，马达回油路上因为有回油滤油器，同 时还有一段管路，至少有0 5 m p a 的背压，应该能够满足马达的背压要求，但是为什么马达还有敲击 声是值得考虑的问题，但是采用进油节流是存在问题的。 1 2 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第三章一液压系统的设计 图3 5 回油节流行走调速系统 - 1 _ j 在无法采用进油节流之后，另外的节流方法有回油节流，如图3 5 是采用了回油节流方法的行 走调速系统，在进行调试时发现，采用回油节流调速后的系统中马达的敲击声完全消失，节流调速 很顺畅。从图3 5 可以看出，如果系统进行节流调速，那么马达回油路的压力就会很大，但是如果 不节流同样也会出现回油路压力很小的现象，所以肯定不是回油压力小而引起了马达有敲击声的现 象，把回油节流和进油节流对比可知，两则的区别在于进油节流时，节流调速阀把油泵压力油和马 达的进油口有切断的趋势，如果系统进行突然调速，由于油泵出口压力突然增大，所输出的流量很 快减小，而无法提供马达所需要的流量，虽然系统中设置了补油阀，但是马达此时由于惯性仍然以 比较高的速度转动，即便是补油阀也无法满足马达进油口的流量需求，致使马达腔内的压力油过少， 进而有马达腔体内吸空的现象发生，从而出现了敲击声出现的现象。在采用了回油节流之后，在突 然节流时，马达的回油路压力也会很快上升，使得被压很快升高，由于马达回油腔压力的升高，具 有阻止马达继续旋转的趋势，同时油泵的出口压力直接反映了马达的进口压力，如果马达进口要出 现吸空现象，那么进口压力马上要降低，由恒压变量泵的控制特性可知，变量泵马上会输出很大的 流量，这样使得马达腔室内的油液不会出现吸空现象，从而避免了马达的敲缸现象。如图4 5 所示 的叉车调速系统的油泵压力一车速特性。 1 2 051 0 1 5 压力( m p a ) 图3 - 6 车速一油泵压力特性 1 3 o 8 6 4 2 0 上g ) i v 期* 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第三章一液压系统的设计 由图3 - 6 ，可以得到以下结论： 1 据具体使用情况，调节油泵的压力调整螺钉和排量调整螺钉，以改变叉车的最大行驶速度和限 制压力，以满足使用者的特殊要求。 2 可以随意选择叉车行驶档位，如果负载很大，出现应该使用低速档而没有选择此档位时，由于 油泵具有压力限制功能，此时的油泵输出流量几乎为零，全部用于油泵的泄漏，所以叉车无法 行走，只有使换挡阀工作在低速档，才能够使叉车行走；同样，如果叉车负载过大，以至于超 过其额定负载，叉车即使处于低速档，也无法行走，这就说明此时已经超载。 3 空载或者负载很小时，由于马达的进出口压力差很小，那么叉车可以任何一个档位下全速行驶， 也就是说此时可以对速度的要求，选择3 个档位中的一档，而无需进行节流调速。但是在叉取 货物之前，叉车进行一些前后调整，即使处于低档，也需要进行节流调速，但是处于低速档进 行节流调速，损失并不大。 三、制动系统的配置 根据技术要求及通行安全，采用静液压传动的工程机械与常规机械一样，需要具备行走制动、 停车制动和应急制动等3 套制动系统。 1 行车制动系统 行车制动系统应能在所有运行状态下发挥作用。它首先用以使运动中的车辆减速，继而在必要 时使车辆完全停止运动处于静止状态。对行走制动系统的要求是：第一，在车辆运动的整个速度范 围内均能产生足够的制动阻力，使车辆减速直至停车；第二，行走制动装置的作用必须是渐进的； 第三，行走制动系统的操纵功能必须是独立的，不应受其它正常操纵机构的影响，不能在离合器分 离或变速器空档时丧失制动能力。从原则上说，凡是能完全满足上述要求的装置，均可用于行走制 动系统。行走制动是使用最频繁的制动装置，一般称为主制动系统。【8 j 对于液压传动系统，当泵的输出流量大于马达在某一转速下需要的流量时，多余的流量就使马 达驱动车辆加速，而加速力的反作用力通过马达使入口压力升高，液压能转化为车辆的动能增量； 反之，当马达出口阻力增大，使得马达阻碍变量泵的流量时，在马达轴上建立起反向扭矩阻止车辆 行驶，车辆动能将通过车轮反过来的驱动马达使其在泵的工况下运行，并在马达出油口建立起压力， 使泵按马达工况拖动发动机运转，车辆的动能将转化为热能由发动机和液压系统中的冷却器吸收并 耗散掉。由于静液压传动系统产生的阻力( 矩) 原则上只取决于系统压力和马达排量而与行走速度 无关，所以这种系统既能像上述“缓速器”那样使车辆减速，又能使其完全停止运动，不仅能满足 行走制动全部功能要求，而且在制动过程中没有元件磨损且可控性良好。因此，静液压传动系统本 身完全可以作为行走制动装置使用。装有静液压传动系统的车辆一般无须另行配置机械制动器，但 系统中不能有驾驶员可随意操纵的使功率流中断的装置( 如液压系统中的短路阀、马达与驱动之间 的离合器或机械换挡装置等) 。 在许多工业发达国家中，允许静液压传动装置作为行走制动系统使用己为相关安全法规所确认。 例如，1 9 8 7 年4 月1 日起生效的德国交通工具及设备和自行式机械“静液压传动装置可以作为行车 制动器使用，前提是这一驱动系统中不含有短路阀，或只装有驾驶员无法直接操纵的短路阀( 例如 1 4 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第三章一液压系统的设计 将短路阀的操纵手柄装于机罩下面) 。” 为了实现叉车的行车制动，根据系统特点，采用液压制动，如图3 7 。在系统中，增加了一个制 动阀，它起到液压制动作用。同时采用了带有制动器的液压马达，即马达中多了一个制动功能，这 是一种常闭式制动器，通过控制制动器中液压油的压力，就可以确定是否使马达处于制动状态。 在所设计的系统中，采用制动阀起到行车制动的作用，在行车过程中，如果放开节流阀，那么 在节流阀弹簧力的作用下，节流阀的a 口和t 口切断，液压马达的出口就被堵死，此时，如果不踩 下制动阀阀芯，那么在叉车惯性的作用下，控制阀块中的单向阀打开，马达回油腔里的油又流回到 马达的进油腔，这样马达独自形成一个回路，即处于滑行状态，此时由于单向阀的作用，马达回油 腔的压力比进油腔的压力略高，这样马达就起到了油泵的作用，而这时，油泵早就因为节流阀的阀 芯关闭，处于压力限制状态，几乎没有压力油输出。如果踩下制动阀杆，在行程很小的时候，通过 单向阀由马达回油腔流回到进油腔的压力油，逐渐受到制动阀芯开口减小的阻碍，此时，马达回油 腔压力就要升高，如果超过2 2 m p a ，多路阀中的缓冲阀就会打开，这时，由于油泵的自动调节作用， 由油泵进行补油，并可以保持输出压力不变。如果制动阀行程增大到马达回油腔与与进油腔的通道 完全堵死，并且进油腔一侧的压力油逐渐与油箱相通，由于叉车的惯性，缓冲阀还在打开，但是随 着行程的增大，进油腔一侧的压力油与油箱的通道逐渐增大，这一通道可以得到越来越大的流量， 开始油泵出口的压力还减小很不明显，但是进油腔一侧的压力油与油箱的通道增大到一定程度时， 这一通道已没有阻碍作用，从而油泵的出口压力最小可达到零，此时，叉车还没有停下来，最大的 制动力为2 2m p a 。如果油泵出口压力逐渐减小到2m p a 后，马达的制动器逐渐开始起作用，并随着 叉车速度的逐渐减小，最后马达的制动器处于抱紧状态。 2 停车制动系统 图3 7 具有制动功能的行走系统 1 l 一 停车制动系统对制动装置的要求是，制动能力应足以防止车辆在各种条件下向任意方向意外移 动，停车制动器与车轮之间不得存在可能使传动链中断的可操纵元件；停车制动的操作都是在车辆 已处于静止状态时进行，纯粹的停车制动器无须具备吸收车辆动能的能力，也不允许在行进过程中 1 5 同济大学硕士学位论文一车辆静液压驱动及控制系统第三章一液压系统的设计 操作；停车制动多在发动机熄火状态下进行操作，机构中的制动力只能由驾驶员人力能控制的纯机 械传输，且必须在不输入任何外界能量的条件下长时间地保持在制动状态。 在所设计的系统中，通过操纵行车换向阀，使其处于中位，就可阻止液压泵的流量供给液压马 达，使油泵的出口压力为零，从而作用在制动器的油没有压力，使制动器抱紧，从而具有停车制动 的作用。 3 应急制动系统 应急制动系统用于主制动系统全部或部分失效时完成制动任务。因此，应该和主制动系统一样， 具备以渐进方式吸收车辆动能的能力。考虑到应急制动系统通常仅车辆发生故障时才使用，无须频 繁操作。对它的其它要求类似于停车制动，不得由驾驶员人力以外的外部能源操作，制动元件与车 轮之间不能存在足以使传动链中断的可操纵元件等。由于停车和应急制动系统在要求上具有相似性， 实践中大多利用可渐进作用的摩擦式停车制动器兼作应急制动器使用。 我们选择的液压马达带有机械制动器，系统中通过制动阀进行应急制动，如果缓慢踩下制动阀， 那么它起到的作用是行车制动作用，如果迅速踩下制动阀，那么油泵马上卸荷，那么马达制动器腔 内的压力油马上就变为零，从而迅速使马达抱紧，从而起到应急制动的作用，但是这种制动并不常 用，一般都使用行车制动，缓慢进行制动，除非遇到紧急情况，才使用这种制动方法。 3 2 升降系统和倾斜系统的设计 叉车的升降系统和倾斜系统比较简单，所设计的全液压叉车的升降系统和倾斜系统基本与一般 叉车的液压系统相同，唯一不同的地方是一般叉车的升降系统和倾斜系统公用一个泵的油源这个油 源一般是定量齿轮油泵，而这个油泵一般并不向其它系统供油，最多有一部分油供给转向系统，而 所设计的全液压叉车中4 个系统共用一个泵的油源。 一、升降系统的设计 升降系统由换向阀、限速阀和升降油缸组成，左右升降油缸并联，这是因为左右油缸基本具有 相同的压力，加之机械同步结构可以同时动作。起升时对工作装置的速度有一定的要求，应采取限 速措施。 考虑到叉车起升下降的速度要求比较灵活，不希望一直快，或者一直慢，比如空载下降，迅速 一些可以提高生产效率，满载下降应该注意安全，缓慢一些，装卸易碎物品更应注意不能冲击等。 所以采用换向阀进行节流调速控制比较灵活，使用限速阀可以保证工作中重物不会超速下降，这样， 即简化了结构，又满足了工作要求。