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小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 摘要 随着城市的快速发展，对城市道路、公共设施的清扫和保洁任务量越来越大，对 市政与环卫作业机械化程度的要求越来越高，因此研究适合我国城市道路的特点，适 应现代化环卫发展要求的新型、高效、环保、用于城市清扫的小型垃圾清扫车，对清 扫机械的发展具有重要的指导意义和实用价值。 本文首先分析了国内外清扫车的发展现状，通过分析对小型垃圾清扫车的技术要 求，提出了清扫车行走机构和各工作机构的液压驱动方案，并对不同的设计方案进行 了分析。为了保障作业安全，在清扫和转向系统中采用了转向优先分流控制技术；为 了保证清扫车对作业工况有较好的适应性，行走系统采用静液压无级变速驱动技术； 其次，对垃圾清扫车盘刷和转向装置、垃圾箱及风机装置及行走装置进行参数计算和 元件选择，同时对液压系统的功率和热平衡进行计算分析；再次，利用a m e s i m 仿真 软件对液压系统进行建模和仿真，通过设置外部负载信号源不同的参数，研究各种不 同运行工况下各回路的压力、流量和功率的变化规律。仿真结果表明：所设计的小 型垃圾清扫车液压传动系统是合理的；在发动机的功率选择方面，企业原来提出用 1 8 千瓦的发动机，不能满足在1 5 。坡度的道路进行清扫作业及转场运输，若要拓宽 清扫车的使用范围，需要增大发动机功率；最后，通过对小型垃圾清扫车液压传动系 统的控制要求的分析，提出基于p l c 技术的控制方案，并进行了系统的硬件选择、接 口设计和控制程序编制，利用本校实验室的开放式液压p l c 控制系统对所编程序进行 了程序调试。 关键词：小型垃圾清扫车，液压系统设计，a m e s i m 仿真，p l c 控制 t h ed e s i g n a n dr e s e a r c h o nh y d r a u l i c t r a n s m i s s i o n a n dc o n t r o l s y s t e mo fs m a l l g a r b a g es w e e p e r a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e r i to ft h ec i t y ，t h ev o l u m eo f t h ec l e a n i n gt a s k so fp u b l l c f a c i l i t i e ss u c ha sm u l l i e i p a l 、 r o a d s 、s q u a r e s 、r e s i d e n t i a la r e a s 、p 2 u r k sa n de m e 印n s e 5 1 s i n c r e a s e d ，m ed e g r e eo f m e c h a i 】_ i z a t i o no fm u n i c i p a la n ds a n i t a t i o no p e a t i o n s h a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g i th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t l c a l v a l u eo n l e a n i n g m a c h i n e r yt or e s e a r c ho f s u i t a b l ef o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu r b 孤r o a d , a d a p t t o m er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e v e l o p m e n t o fm o d e r ns a n i t a t i o n , t h e n e w 、 e 士t l c l e n t 、 e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l ys m a l lc i t yg a r b a g es w e e p e r i nt h i sp a p e r ，t h ei n t r o d u c t i o nt ot h ep r e s e n td e v e l o p i n gs i t u a t i o n o 。t h es m a l lu r b a n c l e a n i n gg m a g e a th o m ea n da b r o a di sa n a l y z e di nf i r s t l y ；t h r o u g ht h ea n a l y s l 8 o c l e a n v e h i c l et e c h n o l o g i e sf o rs m a l lg a r b a g e ，h y d r a u l i cd r i v ep r o g r a mo n t h es w e e p e rm n n l n g g e a ra n dw o r k i n gb o d i e sh a v eb e e np r o p o s e d ，a n d d i f f e r e n td e s i g no p t i o n sw e ea n a l y z e d i no r d e rt op r o t e c tt h es a f e t yo fo p e r a t i o n s ，t h es t e e r i n gp r i o r i t ys h u n t c o n t r o lt e c l m o l o g y h a v eb e e nu s e di nc l e a n i n ga n ds t e e r i n gs u b s y s t e m ；a n d i no r d e rt oe n s u r es w e e p e rh a s b e t t e ra d a p t a b i l i t yt ow o r k i n gc o n d i t i o n ，w a l k i n gs y s t e mu s e sh y d o s t a t i cs t e p l e s 5 s p e e d d r i v et e c h n 0 1 0 9 y ，a tt h es a m et i m e ，t h ep o w e ra n dh e a tb a l a n c e o fh y d r a u l l cs y s t e ma r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e d ；s e c o n d l y , t h ep a r a m e t e r so fb r o o m a n ds t e e r i n gd e v i c e s , b i n sa n d f a n ，a n dw a l k i n gd e v i c ea r ec a l c u l a t e d ，a n dc o m p o n e n t a r es e l e c t e d a g a l n ，b yu s i n g a m e s i ms i m u l a t i o ns o l - w a r e ，t h e m o d e la n ds i m u l a t i o n o fh y d r a n l i cs y s t e m w e 。e e s t a b l i s h e d b ys e t t i n gt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r o fe x t e r n a ll o a ds o u r c e ，t h ev a r i o u so p e r k i n g c o n d i t i o n ，t h e1 0 0 pp r e s s u r ef l o wa n dp o w e rv a r i a t i o nw e r es t u d i e d s i m u l a t i o n r e 8 u l t s s h o wt h a t ： t h ed e s i g no ft h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mf o r s m a l lg a r b a g ei sr e a s o n a b l e ；u n t h ec h 。ic eo fe n gin ep o w e r ，t h ec o m p a n i e so r i g i n a l l yp r o p o s e da 18k we n g i n e ，c a nn o t m e e tm ec l e a n i n go p e r a t i o no nt h er o a dw i t has l o p e o f15d e g r e e s ，t h ee n 9 1 n ep o w e rn e e d s i i t 。b ei n c r e a s e dt 。b r 。a d e nt h eu s e o ft h es w e e p e r ；f i n a l l y ，p l cc 。n t r 。ls c h e m e sh a v eb e e n p r o p o s e db y t h ea n a l y s i s 。fs m a l lg a r b a g es w e e p e rh y d r a u l i c d r i v es y s t e m c 。n t r 。1 r e q u i r e m e n t s ；a l s o ，t h eh a r d w a r e o ft h e8 y s t e m t h ec o n t r 0 1p r o c e d u r e s w e r ep r e p a r a t e d w a ss e l e c t e d ，t h ei n t e r f a c ew a sd e s i g n e da n d k e yw o r d s ：s m a l lg a r b a g es w e e p e r ，t h ed e s i g n 。f1 4 y d r a u l i c ， a m e s i ms i m u l a t i o n ，p l cc o n t r o l l i i 广西大学工程硕士论文小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 第一章绪论 随着经济的发展和社会进步，我国各大城市区域面积呈逐年增长趋势，随之而来 的是大量的人流、车流以及道路垃圾的增多，需要清理频率也越来越快，因此，各地 环卫部门加快了提高城市道路清扫作业机械化程度的步伐。作为环卫设备之一的清扫 车，是一种集路面清扫，垃圾回收和运输为一体的新型高效的清扫设备，它不但可以 快速有效地清扫垃圾，保护了道路的美观，维护环境的卫生和路面的良好工作状况， 而且减少和预防了交通事故的发生，进一步延长了路面的使用寿命，因此广泛应用于 城市道路，住宅区、公园等道路的清扫。近年来我国道路清扫车市场发展很快，清扫 车从单一的纯扫式发展到目前的多种型式，产品的性能和质量也在不断迅速地提高。 但是我国道路清扫车的水平与国外发达国家相比，还存在一定的差距，尤其是在产品 的可靠性方面。为了尽快提高我国清扫车的水平，缩小与发达国家的差距，研究适合 我国城市道路的特点，适应现代化环卫发展要求的新型、高效、环保的清扫车的开发 工作刻不容缓。 1 1 国内外道路清扫车的发展概况 1 1 1 国外清扫车的发展概况 国外发达国家从2 0 世纪4 0 年代就开始批量生产清扫车，像美国e l g i n 、英国 j o h n s t o n 、德国f a u n k u k a 、日本k a t o 等公司，目前不管在销量规模、还是技 术档次都处于世界的前列u 。国外清扫车在技术上比较成熟，产品性能较为完善，所 生产的清扫车具有高效能、优质量、操作舒适可靠、环保等优点。! z l a e b i 公司的m f h 5 0 0 0 扫路车除了日常的扫路功能外，还有许多附加功能，如除雪、道路清洗等功能；意大 利的r a v 0 扫路车公司的r a v 04 系列扫路车装载了压缩天然气发动机，几乎没有二氧化 碳和废气颗粒排放，噪声也减少了近7 0 ，非常适合在城市和人群密集的地方工作； j o h n s t o nc 2 0 0 系列扫路车将控制键放置在伸手可及的地方，使用手动杆控制扫盘。 人性化的设计让操作中的手掌可以靠在仪器上，不易疲劳皑。目前国外先进的清扫车 都在不断地提高其机电液一体化智能水平，如美国公司生产的清扫车上使用了温度、 转速、货重、物位、倾角、液位、避障、压力、电量等多种传感器，通过传感器采集 清扫车控制所需的各种信息中央控制计算机进行存储、运算、变换、加工等处理，由 广西大学工程硕士论文 小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 控制系统发出各种命令，执行机构完成要求的功能，达到了机电液一体化智能控制的 1 1 2 国内清扫车的发展现状 在我国，清扫车的开发和研究起步较晚。2 0 世纪6 0 年代，我国研制生产出了第一 代扫路机，从此揭开了我国研发清扫车的序幕。但由于当时的清扫车性能差、质量差、 外观差及清扫效果均较差，加上受到当时使用条件的限制，因此只有少数大城市使用 。7 0 年代后国内相关科研机构、生产厂家加大了清扫车的研究开发力度，北京和上 海研制出的s 31 型、$ 3 2 型并h s l 5 型等大、中、小三种规格的纯扫式扫路机相继投入使 用，天津研制的干式纯吸式扫路机小批量投入使用。与第一代技术水平相比，第二代 有了较大的提高，但由于纯扫式的清扫效率不高、除尘系统可靠性问题等原因，使该 类扫路机的推广使用受到极大限制。直到8 0 年代中期，根据国家计委和建设部下达 的科研任务，建设部长沙建设机械研究院经过多年的研究，开发出了我国第一代湿式 吸扫结合的扫路车s h z 2 0 型扫路车，填补了国内空白，同时标志着我国第三代扫 路机的诞生。该扫路车采用扫刷清扫与真空气力输送相结合以及湿式除尘的方法，使 清扫效率提高到吸扫式的9 0 左右，而且解决了清扫时扫刷的二次扬尘污染及垃圾箱 内垃圾尘土与空气的分离问题。 进入9 0 年代，国家经济形势好转，国民生活水平不断提高，清扫车的市场需求曰 益扩大，各地纷纷开发生产清扫车，各种类型和规格的吸扫式清扫车不断涌现，清扫 车在短时间内迅速完成了由单一品种到多品种的转化，形成了白行开发和引进国外技 术相结合的格局。内蒙古北方重工业集团有限公司研制出- f q s j 2 8 型道路清扫机，该 机的行走系统采用了液压传动，可以实现无级变速；采用吸扫结合方式，反吹风吸嘴 的设计减少了由于风机产生的气流对环境的二次污染；干湿两用，解决寒冷气候条件 下清扫作业的问题。重庆凯瑞特种车制造厂2 0 0 5 年开发出的一种实用新型多功能清扫 车，具有清洗、洒水、吸扫等多种作业功能，单车就能完成清洗、洒水、扫路等多项 工作，清扫率达到9 5 ，且水可以部分回收二次使用；无副发动机”。中联重科环卫 机械分公司开发的s h z 2 2 型全液压扫路机，采用四轮转向机构，灵活性更强；清扫装 置采用液压控制扫盘自适应调整装置，简化了操作与调整；前、后桥均采用了减震器 广西大学工程硕士论文! ：型垫壑堕塑至壅垦堡塾墨塑鱼! 墨堕塑堡生! 堑翌 与板簧悬挂，车辆运行更加平稳。该扫路机还配备了语音报警功能，提高了系统安全 性。上海交大神舟汽车设计开发有限公司研制生产出j o s 系列高效真空吸尘车，该车 采用负压吸尘原理，简化了结构，操作简便，具有吸尘范围广、吸净率高、无蓄水、 无洒水、无扫刷、绝无二次扬尘、工作效率高等优点。 近年来国内各清扫车企业己经开始意识到产品自主研发的重要性，逐渐加大对清 扫车科研工作的投资力度，其中不乏较为先进的研究成果，已经取得的一些科技成果 有： 张巍利用智能技术中的人工神经元网络对于清扫车清扫机构的盘刷速度进行控 制，使清扫车的盘刷随路面情况调节转速，提高了清扫效率；采用超声波的方法对障 碍物进行探测及分析以及采用相应的避障措施，从而提高了清扫车盘刷的自适应能力 实现自动避障。邵志刚研究设计了以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心的软硬件控制系统，利 用m a t l a b 软件，使盘刷转速能够根据车速在清扫率和作业效率不降低的情况下实现自 动调节1 。南京理工大学的宴争研究一种应用在大型扫路车上的新型前刷装置，实现 清扫路面和清洗护栏的双重功能u 。 虽然我国清扫车技术发展较快，国产清扫车在清扫效率、清扫能力、除尘效果等 清扫作业性能方面与发达国家的水平相当，但国产清扫车与国外相比，还存在不少的 差距，主要表现为以下三个方面u 川： l 、清扫车的机械品种、规格较少，产品缺乏系列化。目前国产清扫车基本上是 单独的清扫车即只能扫路、不作它用，无法满足养护部门工作的多样性。 2 、清扫车的基础件由于质量不稳定、制造工艺问题、技术不完善等原因，其可 靠性较差。 3 、清扫车工作过程中的尾气排放和噪声污染较大，舒适性较差，所生产的清扫 车水平和质量不高，特别是专用底盘全液压清扫车，仅相当于发达国家2 0 世纪8 0 年 代末到9 0 年代初的水平。 1 2 国内外液压技术在道路清扫车的应用与研究动态 道路清扫车在工作时路况比较复杂，路面垃圾不均，杂物清理的难易程度不同， 广西大学工程硕士论文 小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 车辆载荷变化，这些都会影响到清扫车发动机负荷和车辆作业速度的变化，最终影响 清扫车的清扫效率。清扫车采用液压传动可较好适应作业工况复杂、负荷变化较大的 工作条件。 国外先进的清扫车其机械动力大多采用液压传动，整机采用一台发动机，集行走、 扫地、吸尘于一体，具有整机体积小、清扫效率高、操作简单、环境污染小等优点。 如意大利的d o l e v o 扫路车公司的扫地车产品采用全液压驱动系统，实现防尘、防水， 耐低温、高温，即使在极其恶劣的环境下，仍能正常工作。 我国中小型全液压清扫车的开发从2 0 世纪9 0 年代初就已经开始，采用单台发动机 传动，油耗低；行驶无级变速，清扫效果好，清扫效率高，驾驶室视野好，备受用 户青睐。烟台海德专用汽车厂研制生产的y h d5 0 5 0t s l 清扫车，成功地将汽车行走 和清扫工作所需动力综合到一台发动机上，发动机驱动串联泵组合完成行走驱动，风 机、扫刷和水泵的运转，液压转向等，全部动力由液压传动，因此整车结构紧凑、传 动效率高、维护简便、操作简单u 引。长沙高新技术产业开发区中标实业股份有限公司 开发了型号为s h z l 5 的扫路机，其行走和工作装置均采用液压驱动，具有机动灵活、 操作简单、能耗低、噪声小、对轻飘垃圾有破碎压缩功能等特点u 。龙马专用车辆制 造有限公司自主开发的s h z 2 2 型单发动机全液压驱动扫路机具有很强的清扫能力，可 随意清扫道路两侧和死角，并有扫刷避障和调节地距功能。清扫刷( 盘刷) 前置，由液 压系统驱动，它最大的特点是只有一个发动机，启动后带动变量泵、双联泵，通过液 压系统传递动力，实现清扫作业系统、风机工作系统、行走系统、转向系统及其他系 统各项作业，是名副其实的全液压驱动。南京航天晨光股份有限公司生产的清扫 车采用发动机转速变化的液压反馈控制，实现闭环控制车辆作业和行驶所需功率的变 化，使清扫车能适应各种不同的行驶状态；通过调节变量泵的排量，满足发动机的负 载功率，使车辆获得更好的动力性能，实现高效、自动化、低油耗控制1 1 。但是我国 液压清扫车的国产配套液压件不能满足产品的需要，产品品种少、产量低，所开发出 的中小型全液压清扫车不能满足市场的要求，同时中小型全液压扫路车也存在舒适性 差、噪声大、空车质量大、外观不够美观等缺点。 广西大学工程硕士论文小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 1 3a m e sim 仿真技术 随着液压技术的不断发展、进步和应用范围的不断扩大，液压传动与控制系统日 益复杂，对各项性能要求也越来越高。现代液压系统的设计不仅要求设计出的液压系 统能完成预定的工作循环即满足静态性能指标，更要求系统具有良好的动态特性。计 算机技术的发展和应用为液压系统动态特性研究开辟了新的方法和途径，利用计算机 对液压系统与控制系统进行数字仿真不仅可以分析简单线性系统，而且可以分析多输 入、多输出的多变量复杂非线性系统，模拟出任何输入函数作用下系统中各参变量的 变化情况，从而获得对系统动态过程直接和全面的了解。 液压系统仿真技术的研究与应用已有3 0 多年的发展历史，从2 0 世纪7 0 年代初 开始，国外就开始了液压系统和元件的计算机数字仿真研究，德国a a c h e n 工业大学， 英国b a t h 大学和美国麦道公司等都成功地开发出液压系统仿真软件。我国开始研究 液压系统仿真技术是在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，如浙江大学开发的液压系统及 元件仿真软件系统d l y s i m ，上海交通大学针对液压原理图的仿真软件包h y c a d 等u 引。 目前，国内外使用的液压仿真软件主要有h o p s a n ，a d a m s h y d r a u l i c s ， m 砒1 a b s i m u l i n k ，a m e s i m 等。近年来，液压控制系统在各个行业各项领域中都得到 了广泛的应用，提高了对元件和系统性能的要求，对一些液压软件也进行了改进，尤 其是m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱、法国的a m e s i m ，波音公司的e a y 5 等，得到了 广泛的应用。a m e s i m 软件具有强大的元件库、多层次的建模方式、多种仿真运行模 式、丰富的软件接口，在设计仿真过程中，其友好的界面，方便、快捷、准确的优点， 为工程技术人员节约了大量时间，因此成为近些年来应用较为成功的一种系统仿真软 件，它尤其适合于液压控制系统的建模与仿真。 1 3 1a m e sim 软件简介 a m e s i m ( a d v a n c e dm o d e l i n ge n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o n so fe n g i n e e r i n g s y s t e m ) 是法国i m a g i n e 公司于1 9 9 5 年开发的一种新型的高级建模和仿真软件，主 要应用于机械、流体动力和控制系统的仿真及动力学分析。a m e s i m 软件能为用户提供 一个系统工程设计的完整平台，使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案研究 任何元件或回路的动力学特性。它主要用于各种系统的建模、仿真和动态性能分析。 a m e s i m $ 是据仿真步骤自然地分为4 个工作模式：草图模式：根据实际工程系统的 广西大学工程硕士论文 一 ! ! 型些墨童塑垩婆垦堡垫垄鳖型墨堑塑垫堕竺堕 一一 工作原理，利用元件库中的元件图标搭建系统模型，建立连接；予模型模式：为每 个元件选择合适的子模型( 即数学模型) ，根据实际情况选择最合适的；参数模式： 分析系统或元件的特性，为每个元件设定必要的参数，如活塞直径、滑阀开度和所加 控制信号等；运行模式：设置好仿真时间、采样间隔等初始条件后运行仿真，仿真 结束后对需要的参数进行绘图及分析研究，或对系统进行线性化，并进行时域和频域 的相关分析订。 1 3 2a m e s i m 的主要特点n 钊： i 、a m e s i m 在统一的平台上实现了机械、液压、气动、热、电和磁等物理领域的 系统工程的建模和仿真，不同领域的模块可直接连接。从而为多学科领域系统工程提 供建模和仿真的标准环境。 2 、a m e s i m 为用户提供了线性化分析、模态分析、频谱分析以及模型简化等齐全 的分析工具，以便用户分析和优化自己的系统。内嵌的设计分析功能模块，使得用户 可以直接在a m g g i m 中进行试验分析、优化分析和质量分析。 3 、a m e s i m 采用工程技术语言作为建模的语言，用户通过图形界面( g u i ) 即可实 现仿真模型的建立扩充或改变，图形化建模仿真界面直观易懂，不用编制任何程序代 码，使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来，只专注于物理系统本身的设计。 4 、a m e s e t 作为a m e s i m 系列产品之一，为用户提供一个标准化、规范化和图形化 的二次开发平台，用户可以直接调用a m e s i m 所有模型的源代码，也可以把自己的c 或f o r t r a n 代码模型以图形化模式的方式综合进a m e s i m 软件包，使用起来非常方 便。 5 、a m e s i m 中有自带的鲁棒性极强的智能求解器，能够根据用户所建立的模型的 数学特性自动选择最佳的积分算法，并在不同的仿真时刻根据系统的特点动态地切换 积分算法和调整积分步长，这样可以提高仿真精度和缩短仿真时间。 6 、a m e s i m 为用户提供非常丰富的接口，可充分利用每个软件的特长，实现m a f l a b 、 a d m a s 等软件的联合仿真。 1 3 3a m e s i m 的建模方法 a m e s i m 的建模方法特点主要有髓： 6 广西大学工程硕士论文 小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 1 、a m e s i m 软件采用的建模方法类似于功率健合图法，以图形方式来表达系统中 各元件间的相互关系，反映元件间的负载效应及系统中的功率流动情况。元件间均可 反向传递数据。 2 、a m e s i m 规定的变量具有物理意义，非常直观地反映系统的工作原理。a m e s i m 建立的系统模型与液压系统工作原理图几乎一样。元件之间传递的数据个数没有限 制，可以对更多的参数进行研究。可以研究功率健合图法所不能处理的气穴等复杂现 象，还可以应用不连续建模技术。 3 、a m e s i m 采用复合接口，即一个接口传递多个变量，简化了模型的规模，使得 不同领域模块之间的物理连接成为可能。 1 3 4a m e sim 的应用领域 a m e s i m 主要应用于车辆、越野设备、航空航天以及重型设备工业的多学科领域， 它可以应用到传动系统、制动系统、气动系统、润滑系统、冷却系统和热力控制系统 的建模仿真；对液压系统中的液压元件、液压泵、液压回路的建模仿真以及对到机械 动力学系统中的起落架、升降机、车辆动力学等的建模仿真。 1 4 课题的提出 本课题来源于广西科技厅科技攻关项目：全液压驱动小型垃圾清扫车的开发研 究。( 项目编号：1 1 1 0 7 0 0 1 1 6 ) 1 5 论文主要研究内容 本论文主要研究的内容主要包括以下几个方面： l 、小型垃圾清扫车整体液压系统的设计。针对小型垃圾清扫车的技术要求，根 据实际情况对液压系统进行分析，确定整机液压系统的选用方案。 2 、参数计算及液压元件的选择。对小型垃圾清扫车盘刷和转向装置、风机及垃 圾箱装置及行走装置进行参数计算和元件选择，同时对液压系统的功率和热平衡进行 计算分析。 3 、液压系统的动态特性分析及仿真。利用a m e s i m 仿真软件，对液压系统进行建 模和仿真，通过仿真得到系统的动态特性及功率特性，分析影响系统性能的主要因素， 广西大学工程硕士论文 小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 并提出改进措施，为物理样机液压系统的设计提供理论参考。 4 、p l c 控制系统的设计。通过对小型垃圾清扫车液压系统工作原理的分析，对 清扫车的液压控制系统进行设计，提出p l c 控制系统硬件和软件设计方案。 1 6 本章小结 本章介绍了国外道路清扫车的发展概况和国内道路清扫车的发展现状，分析了国 内清扫车生产与国外相比存在的差距。通过对液压系统在道路清扫车中应用和国内外 研究动态进行了总结，指出我国现有的全液压清扫车研制生产存在的不足并在此基础 上提出了本课题的研究意义、研究内容以及研究方法，同时对a m e s i m 仿真技术进行了 介绍。 广西大学工程硕士论文 小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 第二章小型垃圾清扫车液压系统设计 2 1 小型垃圾清扫车的总体设计 清扫车的工作原理是利用盘刷将路面上的垃圾扫到吸入区范围内，再由吸入系统 的强风力风机，使垃圾箱内形成较大的负压，将垃圾吸入垃圾箱内。本文所设计的小 型垃圾清扫车由电气系统、驾驶室、底盘、垃圾箱侧围、垃圾箱、发动机、水系统、 扫刷、液压系统、吸口系统等十大部分组成。总体结构如图2 1 所示比。其中发动机 带动液压泵驱动液压马达及油缸来控制盘刷的旋转及升降等动作，发动机通过液压泵 驱动风机旋转，使垃圾箱、吸嘴内产生负压并在吸嘴内产生高速气流，通过前面两个 盘刷把路面垃圾汇集在吸嘴的吸入范围内，在负压和气流的作用下，垃圾通过吸嘴进 入垃圾箱，并在垃圾箱内沉降。垃圾箱门的开闭及伸缩可以由发动机驱动的液压泵带 矧】。 1 电器系统；2 驾驶室；3 底盘；4 垃圾箱侧围；5 垃圾箱； 6 发动机；7 水系统；8 盘刷；9 液压系统；1 0 吸口系统。 图2 1 小型垃圾清扫车的总体结构 f i g 2 1t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f s m a l lg a r b a g es w e e p e r 2 2 小型垃圾清扫车液压系统的组成及特点 2 2 1 小型垃圾清扫车液压系统的组成 本文所设计的小型垃圾清扫车主要应用于城市的慢行道、人行道和地下停车场、 9 广西大学工程硕士论文小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 广场、加油站、车间厂房、展览中心等场所，要求清扫车从结构尺寸上更能适应不同 的工作场合，工作时更加机动灵活、能耗更低，因此采用全液压设计。所设计的液压 系统应能控制清扫车前进和倒退、清扫车的转向、盘刷的旋转和升降、风机的启动和 停止、垃圾箱的推出和收回。 小型垃圾清扫车设计时利用原动机驱动多个液压泵作为动力源，主要的机械执行 机构通过液压缸、液压马达获得驱动功率，其液压系统主要由行走系统、转向系统及 工作系统等三部分组成。 2 2 2 小型垃圾清扫车液压系统的特点 1 、动力及驱动系统 清扫车动力系统按发动机数量可分为单发动机传动和双发动机传动两种。 双发动机动力系统是指清扫车采用两台发动机，其中底盘发动机只提供行驶系统 的动力，而副发动机负责为清扫工作装置提供动力。采用双发动机的优点是：行走系 统和工作装置在动力上各自独立，行走速度和行走操作不会对工作装置的作业效果产 生影响，从而操作人员可根据地面的污染状况选择最合适的清扫速度，进行最有效的 清扫。其缺点是：油耗较大，噪声较高。 单发动机动力系统是指清扫车仅采用一台发动机同时作为行走和工作装置的动 力源，其中又分为定型汽车底盘和自行设计的专用底盘两种型式。选用单发动机驱动 整车各个作业装置，整车运行与清扫作业有机协调，其噪音低、占用空间位置小，油 耗低比引。本课题选用单发动机动力系统。 清扫车底盘一般采用定型二类货车底盘，或专用底盘。专用底盘的优点是总体布 局限制条件少，结构较合理。但是专用底盘的制造需要投入大量的人力、物力和财力， 研制周期较长，成本高；定型底盘技术性能较好，质量稳定，可靠性和使用寿命较好， 成本较低。只需在底盘上增设垃圾清扫、提升收集、自卸等机构，就能满足清扫车的 总体要求。经过比较和分析，故采用拖拉机底盘改装而成。所设计的清扫车行驶环境 是城市路面，要求发动机排污量少，所以选用柴油发动机。采用k u b o t a 久保田柴油 发动机作为动力，发动机为直列三缸、四冲程，额定功率为1 8 1 k w ，冷却方式是水冷， 其优点是冷却均匀可靠，散热性好，噪声小。发动机布置在驾驶室后的垃圾箱下方。 所设计的小型垃圾清扫车驱动部分采用泵控马达型式，风机的运转和扫刷的运转 l o 广西大学工程硕士论文 小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 和风机的运转也是泵控马达的型式，所以清扫车液压油泵有三个液压油泵，采用直连 的布置型式。由于省略了离合器和变速箱，使得整车结构紧凑，传动效率高，维护简单， 操作简便。 小型垃圾清扫车液压系统的总体构成如下图2 2 所示： 图2 2小型垃圾清扫车液压系统的总体构成 f i g 2 - 2t h eo v e r a l lc o m p o s i t i o no fh y d r a u l i cs y s t e mf o rs m a l lg a r b a g es w e e p e r 2 、行走系统 行走液压系统采用闭式回路：发动机通过三角皮带驱动液压油泵，液压油泵输出 的压力油驱动液压马达旋转，从而带动前轮旋转，从而带动清扫车行走。清扫车行驶 速度的控制由操作人员通过控制脚踏板的位置来控制液压油泵的排量来实现。行走控 制部分由左、右行驶马达和换向阀组成，主要控制清扫车的行驶速度和转向。通过控 制变量泵的排量来控制清扫车的行驶速度，实现无级变速。 3 、转向系统的选择 应用在各种行走车辆上的转向装置，有机械式、液压助力式和全液压式3 种。其 中全液压装置具有操纵灵活省力、结构紧凑、总体布置合理及动力油源中断后仍能实 现人力转向等优点，因此广泛应用于叉车、装载机、压路机、联合收割机、拖拉机及 其他低速重型车辆上，其突出的特点是转向器与转向轮之间没有任何机械联系比。本 转向系统采用由方向盘、全液压转向器、转向油缸和油源组成的全液压传动，司机通 广西大学工程硕士论文 型：型些墨堕塑垩婆垦堡塾壑笙型墨堑塑堡盐婴壅 _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ 一一一 过方向盘带动全液压转向驱动转向油缸来操纵和控制清扫车的行驶方向，该设计结构 简单、体积小、质量轻，惯性小，启动、制动迅速，运动平稳，变速和换向灵活，操 作方便，能实现无级调速。 4 、工作系统 工作液压系统采用开式回路，利用双联齿轮泵为系统提供动力。工作装置主要包 括：盘刷旋转、升降系统，垃圾箱伸缩系统以及风机系统。 ( 1 ) 盘刷旋转、升降系统 小型垃圾清扫车的清扫方式采用立扫，主要是用来增加清扫车的清扫宽度，更好 地清扫路边的垃圾。在车辆驾驶室前方设置两个立式盘形扫盘，对称布置于车辆左右 两侧，便于操作人员在清扫作业时观察立扫位置，便于清扫道路急转弯处的角落区域。 盘刷清扫时，需要盘刷触地并旋转，实现清扫作业；清扫结束后为不影响车辆的行驶 通过性，需要将盘刷升起。工作时，由液压油缸以及机械系统控制扫盘的升降，摆线 液压马达驱动盘刷旋转，通过调节液压马达的转速，可改变扫丝的接地压力，以便根 据地面不同的脏污情况用不同压力清扫，在达到最佳清扫效果的同时尽量使盘刷的磨 损程度最小。盘刷的控制部分由溢流阀、节流阀、电磁换向阀等控制元件组成，其中 盘刷的换向和调速分别由电磁换向阀和调速阀控制。液压油缸由电磁换向阀和节流阀 控制，其中电磁换向阀控制其升降，节流阀保证盘刷下降的平稳性。 ( 2 ) 风机 风机布置在垃圾箱前，位于吸嘴后垃圾箱下。风机吸风口管与吸嘴吸管相连接， 其排风口与垃圾箱进风口对接。风机采用液压传动方式，提高了传动效率，并使风机 布置十分紧凑。利用液压高速马达驱动风机旋转产生风量，以保证清扫车的吸扫能力。 其结构较简单，也有利于风机的控制和在垃圾箱上的布置。 ( 3 ) 垃圾箱 垃圾装满后应将垃圾运往垃圾堆放场，打开垃圾箱盖，将垃圾倒完后，垃圾箱归 位。垃圾箱运动的原动力是由液压缸提供。所设计的垃圾箱位于驾驶室后、机架上方。 箱体用不锈钢制成，具有耐腐蚀等特点。垃圾箱内底板上装有不锈钢垫板用以防止吸 入的石块直接敲击箱板。垃圾箱进风口与风机排风口对接。垃圾箱控制部分由溢流阀、 电磁换向阀等控制元件组成，主要控制垃圾箱的伸缩。 1 2 广西大学工程硕士论文 小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 2 3 小型垃圾清扫车液压系统分析 小型垃圾清扫车工作时主要由行走、转向、盘刷转动和升降、风机转动、垃圾箱 启闭等五个动作组成，各动作间有顺序控制的要求。首先是发动机无负载起动，行走 到指定地点后，盘刷转动并放下，同时风机马达起动，开始清扫垃圾，在清扫垃圾时 要求同时可以转向操作，清扫完毕，盘刷马达停止，盘刷升起，风机马达关闭，推出 垃圾桶、倾倒垃圾，垃圾箱缩回。元件的选择顺序是执行器一阀一泵一辅件。对于扫 地盘刷的转动、车轮前驱和风机回转则应选用液压马达作为执行器，扫地盘刷的升降、 车体的液压转向和垃圾箱推出则选用液压缸，而且车体的液压转向需要转向器的辅 助。液压系统动作过程如图2 - 3 所示。 油缸提升侧转场运输倾翻油缸举 刷、吸口起垃圾箱 图2 - 3 液压系统动作过程 f i g 2 3a c t i o np r o c e s sf o rh y d r a u l i cs y s t e m 2 3 1 确定供油方式 本课题研究的小型垃圾清扫车的液压系统作为整个车辆的主传动系统，原动机驱 动多个液压泵向液压系统提供动力，主要的机械执行机构通过液压缸、液压马达获得 驱动功率。为了简化结构、便于操作，采用多泵多执行元件的液压系统。在清扫作业 广西大学工程硕士论文小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 时，行走、清扫、吸尘这三个工作部件是连续运转的，因此必须保证压力和流量的连 续供给；而转向、盘刷升降、垃圾倾倒等动作是间歇性的，可以考虑与连续工作的装 置共用动力源，减少泵的数目。转向和扫盘的工作压力较小，可以考虑将两者共用一 个液压泵，风机回转和垃圾箱推出也可以用一个液压泵，行走驱动功率较大，考虑独 立供油，则整个液压系统需要三个液压泵供油。这样既可以尽量减少泵的使用而使得 液压回路更加紧凑，又使得各个子系统相互独立，降低了不必要的麻烦和风险。 2 3 2 调速方式的选择 本系统的垃圾箱推出采用定量泵、节流阀和电磁溢流阀组成的变压式溢流节流阀 节流调速回路。由表2 1 可知：这种调速回路与容积调速回路、容积节流调速回路相 比较，具有速度刚性好，承载能力好，调速范围较大，效率较高，发热较小的特点， 并适用于小功率、轻载或低速的中、低压系统旧引；本系统的盘刷、风机系统负载变化 不大，且从设备费用上考虑尽可能使费用低廉，所以采用定压式节流调速回路；而为 了使行走速度能适应不同的道路变化和清扫工况，要求有较大的变速范围和驱动功 率，因此行走系统采用容积调速回路可以取得较好的节能效果。 表2 1 三类调速回路主要性能比较 t a b 2 - 1c o m p a r i s o no ft h ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e et y p e so fs p e e dc o n t r o ll o o p 路 节流调速回路容积调速回容积节流调速 路 回路 用节流阀用调速阀或溢( 变量泵定压变压 调速流节流阀调节液压缸式)式式 主要性能 定变压 定压式变压 压 式式 式 机械速度左很差好较好好 特性 刚性 承载 好 较差 好 较好 好 能力 调速特性( 调 大小大较大大 速范围) 功率效率低较高低较高最高较高同 1 4 广西大学工程硕士论文小型垃圾清扫车液压传动及控制系统的设计研究 特性发热大较小大较小最小较小小 适用范围小功率、轻载或低速的中、大功率、重中小功率的中 低压系统载高速的中压系统 高压系统 2 3 3 多执行元件系统的分流方式选择 为了减少液压泵和简化液压原理图，实现盘刷子系统和转向子系统的合并，采用 优先阀进行流量的分配；风机和垃圾箱系统通过二位四通换向阀实现风机的转动或垃 圾箱的伸缩。 液压系统通过溢流阀阀口的溢流，使被控液压系统或油路中的压力维持恒定，实 现稳压、调压或限压作用：当系统压力达到溢流阀的设定压力时，系统中的多余液流 通过溢流阀流回油箱，从而保证系统压力恒定在设定值。在系统正常工作时，溢流阀 处于关闭状态，由于超载等原因使得系统压力达到溢流阀设定的工作压力时，溢流阀 开启溢流，把系统压力限定在设定压力以下，对系统起过载保护作用“。 2 3 4 速度换接方式的选择 除了盘刷子系统中的盘刷的旋转采用二位二通阀分流外，其他均采用三位四通电 磁换向阀来控制各个回路的连通、关断，或变换流动方向，以实现马达工作的正反转 和停止。三位四通电磁换向阀操纵方便，布置灵活，易实现动作转化的自动化。 2 4 小型垃圾清扫车液压系统方案设计 2 4 1 行走液压系统方案设计 该系统的主要功能是实现清扫车的行走，因此要求清扫车具有一定的驱动能力， 满足一定的爬坡度，同时行车速度可以调节，可以使清扫车前进和倒退。设计控制回 路时采用闭式液压行走系统，该系统结构紧凑，传动平稳性好。内设补油泵，以补偿 系统的泄漏并对油液冷却，同时也为控制机构和某些低压工作的辅助机构提供动力。 工作机构的变速和换向通过调节泵或马达的变量机构实现，避免了在开式系统换向过 程中所出现的液压冲击和能量损失，系统效率较开式系统的高心引。 方案一：采用变量泵定量马达控制行走液压系统回路。如图2 4 所示。 旦燮墅墼塑 ! ! 型塑堕塑主壅堕堡塾墨塑墨堕塑堕婴壅 ! 。兰竺竺，同 一十似匝。l 专训及住币u 系现州砹下r 饼氕 1 发动机；2 变量泵；3 补油泵；4 、5 单向阀；6 、7 安全阀； 8 补油溢流阀：9 背压溢流阀；1 0 梭阀：1 1 、1 2 行走马达。 图2 - 4 变量泵定量马达控制行走液压系统回路 f i g 2 - 4w a l k i n gh y d r a u l i cs y s t e ml o o pf