（车辆工程专业论文）高空作业车举升执行机构机电液一体化仿真.pdf

- - - 一 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意i ( i i i 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 重 日期：知，j 年r 月矽r 学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查1 ) l 币u 借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名 同期：1 1 年j 指导教师 同期 涂 同 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 享受相关权益。 学位论文作者签名： f l ! , j l ：妇1 1 年j 只 指导教帅签名 乡缈 同期：u 年如y 1 高空作业车是一 程机械设备。目前， 需要，高空作业车的 作业时的人身安全， 分析就成为高空作业 本文以与某公司 其结构进行详细分析 举升臂的有限元模型 析，获得了各工况下 计算结果表明举升臂 行过程中由于频繁启 平台的高空作业车举 证了所耿参数的合理 析，结果表明仿真分 本文的研究结果 其强度及刚度是否满足要求，为后续的结构优化设计打下基础。在满足安全要求 的前提下，能够大大缩短设计周期、降低设计成本，具有工程实用价值，为类似 实际工程问题的研究提供了参考；分别使用m a t l a b 和a m e s i m 进行可靠性分 析及控制系统仿真，对g k z l 4 型高空作业车举升执行机构液压系统的性能分析和 智能控制的应用研究具有实际应用价值。 关键词：举升执行机构；有限元分析；液压系统；可靠性分析；控制系统仿真 l a b s t r a c t a e r i a lw o r k i n gp l a t f o r m ( a w p ) i sak i n do fe n g i n e e r i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi su s e d t oc o n v e yt h ew o r k e r sa n de q u i p m e n t st ot h ea e r i a la p p o i n tp l a c ef o rw o r k i n g r e c e n t l y b e c a u s et h a tt h ef i e l do fi ta p p l i c a t i o ni se x p a n d e dd a yb yd a y ，t h eh e i g h to fo p e r a t i o n b e c o m e sm o r eh i g h i nt h i ss i t u a t i o n ，i ti sn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt o r e s e a r c ht h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew o r k i n ga r ma n dt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i s ( r a ) o fl i f t i n g a c t u a t o rh y d r a u l i cs y s t e mi nt h ed e s i g nf i e l do fa e r i a lw o r k i n gp l a t f o r mf o re n s u r i n gt h e p e r s o n a ls a f e t yi na e r i a lw o r k i n g i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho b j e c tw a st h ew o r k i n ga i mo ft h ef o l d i n gk 氐飞w i t h1 4 m e t e r s b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so fw o r k i n ga r ms t r u c t u r e ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o ft h ew o r k i n ga r mw a se s t a b l i s h e dr e a s o n a b l yw i t ht h ea n s y s t h e nb a s e do nt h e s t a t i cs t r u c t u r a la n a l y s i so fw o r k i n ga r mi n t h r e et y p i c a lc o n d i t i o n s ，w e g e tt h e d a n g e r o u sw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h es t r e s s d i s t r i b u t i o n ，t h ed e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n b y c h e c k i n gt h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，t h ed e s i g no fw o r k i n ga r m m e t t h ed e m a n d s t ot h e v i b r a t i o na n ds h o c kb e c a u s eo ff r e q u e n t l ys t a r t i n ga n db r a k i n gi nt h eo p e r a t i o no f f o l d i n ga w p , t h er e l i a b i l i t ya n a l y s i s ( r a ) m e t h o d s o fl i f t i n ga c t u a t o rh y d r a u l i cs y s t e m f o ra w pb a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n kw e r ed e v e l o p e da n dd e t e r m i n e d ，w h i c h v e r i f i e dt h er e a s o n a b l e n e s so ft h e p a r a m e t e r s t a k e n t h e nb a s e do na m e s i m ，t h e p h y s i c a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw a sb u i l ta n d s i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h es i m u l a t i o na n a l y s i sc o n s i s t e dw i t ht h er e l i a b i l i t ya n a l y s i s a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c hi nt h ep a p e r , t h em e t h o d ，t h a ta n a l y z i n gt h es t a t i c s t r u c t u r a la n df o l l o w u po p t i m i z i n gs t r u c t u r e sb yu s i n ga n s y s ，c a nm e e tt h es a f e t y r e q u i r e m e n t s ，s h o r t e nd e s i g np e r i o d ，r e d u c e t h ec o s to fd e s i g na n dg a i na c c u r a t e r e s u l t t h er e s e a r c h p r o v i d e s t h ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u e sf o rs o l v i n gs i m i l a r e n g i n e e r i n gp r o b l e m s a n dt h e n t h er ab a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n ka n dt h e s i m u l a t i o no fc o n t r o ls y s t e mb a s e do na m e s i m ，h a v eh i g h e rp r a c t i c a lv a l u ei n p e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h eh y d r a u l i cs y s t e ma n da p p l i e dr e s e a r c hi ni n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：l i f t i n ga c t u a t o r ；f i n i t ea n a l y s i s ；t h eh y d r a u l i cs y s t e m ；r e l i a b i l i t y a n a l y s i s ( r a ) ；s i m u l a t i o no fc o n t r o ls y s t e m 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 高空作业车综述1 1 2 1 高空作业车的分类及其各自特点1 1 2 2 高空作业车的主要性能参数3 1 3 高空作业车发展现状3 1 3 1 国外高空作业车发展现状3 1 3 2 国内高空作业车发展现状4 1 4 机电液一体化技术发展综述4 1 4 1 机电液一体化技术概况j 4 1 4 2 国内外机电液一体化技术发展现状5 1 4 3 国内外机电液一体化技术发展趋势6 1 5 选题依据和研究内容及手段7 1 5 1 选题依据7 1 5 2 研究内容7 1 5 3 研究手段8 第二章液压传动与控制系统9 2 1 液压传动与控制系统概述9 2 2 液压传动系统的组成及工作原理9 2 2 1 液压传动系统的组成9 2 2 2 液压传动系统的工作原理1 0 2 3 液压传动的优缺点及应用1 l 2 3 1 液压传动的优缺点1 1 2 3 2 液压传动技术的应用1 2 2 4 液压传动技术的发展概况1 3 第三章高空作业车举升执行机构1 5 3 1s o li d w o r k s 简介1 5 3 1 1s o li d w o r k s 软件特点1 5 3 1 2s o l i d w o r k s 主要模块1 6 3 2g k z l4 型高空作业车举升执 3 2 1 转台 3 2 2 下臂 3 2 3 吊臂 3 2 4 中臂 3 2 5 上臂 3 2 6 托架 第四章高空作业车举升执行 4 1 有限元法理论 4 1 1 有限元法概述 4 1 2 有限元法分析步骤 4 1 3 有限元法发展概况2 2 4 2 有限元分析软件a n s y s 2 3 4 2 1a n s y s 软件概述2 3 4 3a n s y sw o r k b e n c h 简介2 5 4 3 1a n s y sw o r k b e n c h 软件特点2 5 4 3 2a n s y sw o r k b e n c h 产品设计流程2 6 4 4 高空作业车举升执行机构有限元分析2 7 4 4 1 计算工况2 7 4 4 2 有限元优化分析及结果2 8 4 4 3 有限元分析结果验证4 3 第五章高空作业车举升执行机构液压系统可靠性分析4 5 5 1 高空作业车举升执行机构液压系统4 5 5 2 系统可靠性简述及判定4 6 5 2 1 系统稳定性简述及判定4 6 5 2 2 系统可控性简述及判定4 7 5 2 3 系统可观性简述及判定4 8 5 3 传递函数的确定4 8 5 3 1 液压缸传递函数的确定4 8 5 3 2 电液方向阀传递函数的确定5 2 5 3 3 比例放大器传递函数的确定5 3 5 3 4 位置传感器传递函数的确定5 3 5 3 5 下臂传递函数的确定5 3 5q6 仿真模型的创建5 3 5 4 可靠性设汁论证：5 3 5 4 1 稳定性论证5 4 5 4 2 可控性论证5 5 5 4 3 可观性论证5 5 5 4 4m a t l a b 仿真5 5 第六章高空作业车举升执行机构液压系统仿真5 6 6 1a m e s i m 简介5 6 6 2p i d 控制5 6 6 2 1 控制与性能分析5 7 6 2 2p i d 控制参数的整定5 8 6 3 高空作业车举升执行机构液压系统仿真5 9 6 3 1 下臂油缸6 1 6 3 2 中臂油缸6 3 6 3 3 上臂油缸6 4 第七章结论与展望6 7 7 1 结论6 7 7 2 展望6 7 致谢6 8 参考文献6 9 攻读学位期问发表的论文及取得的科研成果7 2 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 工程机械( c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ) 是我国装备工业的重要组成部分。概括 地说：凡土方工程、石方工程、流动起重装卸工程、人货升降输送工程和各种建 筑工程，综合机械化施工以及同上述工程相关的工业生产过程等机械化作业所必 需的机械设备，称为工程机械i lj 。工程机械用途广泛，市场遍布于国民经济各部门， 其中主要有交通运输( 铁路建设、公路建设、水运建设、民航建设、管道建设) 、 能源( 电力建设、煤炭发展、石油发展) 、原材料( 黑色金属发展、有色会属发展、 化工原料和建筑材料发展) 、农林水利( 农村经济建设、林业发展、水利事业) 、 城乡发展以及现代化国防六大领域。工程机械是保证各种工程建设进行高速度、 高质量、低成本施工的重要手段。世界经济发展经验证明：现代化建设速度，在 很大程度上取决于工程建设速度；而工程机械水平的高低，又直接对工程建设速 度发挥着促进或抑制作用。因此，世界工业发达国家都把工程机械作为重点行业 发展【2 1 。 高空作业机械( a e r i a lw o r km a c h i n e r y ) 作为工程机械领域的一个重要分支， 是用末运送工作人员和使用器材到指定高度进行作业的特种工程车辆设备的统 称。作为最具代表性的高空作业机械高空作业车广泛应用在船舶、建筑、市 政建设、港口等行业，是新兴的技术产业，有着广阔的发展前景【引。 1 2 高空作业车综述 1 2 1 高空作业车的分类及其各自特点 高空作业车有多种分类方式。按臂架的形状分类，有直臂式和曲臂式两种基 本型式；按工作臂的型式分类，有四种基本型式，分别为：垂直升降式、折叠臂 式、伸缩臂式和混合臂式1 4 。5 】。高空作业车一般设有变幅机构、回转机构、平衡机 构和行走机构。依靠变幅机构和回转机构实现载人工作斗在水平和垂直方向的移 动；依靠平衡机构实现工作斗和水平面之间的夹角保持不变，依靠行走机构实现 工作场所的转移l 引。 2 第一章绪论 、， k ，i撬。、 咎咎谢 ( a ) 垂直升降式 缓固 ( b ) 伸缩臂式 扩 鑫妻囝 图1 1 高空作业车结构形式 f i g 1 1t y p e so fa e r i a lw o r k i n gp l a t f o r m 垂直升降式高空作业车的升降机构有剪叉式和套筒式两种，其中剪叉式应用 较为广泛。剪叉式升降机构由多组铰接成剪形的交叉连杆框架组成，其结构形式 如图1 1 ( a ) 所示( g e n i e 公司出品) 。剪叉式升降机构在连杆框架问装有液压缸， 通过液压缸的伸缩来改变连杆交叉的角度，从而达到改变升降高度的目的。该型 式的主要特点是结构简单、工作平稳、负载能力强，适合较低高度的作业，但其 升降机构只能做垂直运动，这导致其作业范围狭小，所以它的使用场合较少。 伸缩臂式高空作业车的升降机构由多节套叠、可伸缩的箱形臂组成，其结构 形式如图1 1 ( b ) 所示( 京城重工机械有限责任公司出品) 。当行驶时，作业臂收 缩套叠；当工作时，各节臂采用或独立、或顺序、或同步的方式伸缩，以此改变 臂架的伸出长度来满足不同的作业需求。该型式的主要特点是操作简单、动作平 稳，同时可以获得较大的作业高度与作业幅度，因此应用非常广泛。 折叠臂式高空作业车的升降机构是由多节箱形臂铰接而成的，其结构形式如 图1 1 ( c ) 所示( g e n i e 公司出品) 。折叠臂式通常采用2 3 节折叠臂，各节臂 的折叠和展开运动由各节臂的液压缸完成。该型式的主要特点是适合较低高度的 作业，升降机构灵活多样、适应性好、越障能力较强，因此它的应用也比较广泛。 目前，国内生产的高空作业车绝大多数是折叠臂式的。 将折叠臂和伸缩臂结合在一起组成的臂架型式被称为混合臂式，这种臂架型 式融合了两种基本型式臂架的优点，不仅作业高度和作业幅度较大，越障能力也 较强，但它的结构也最为复杂1 7 - 8 1 。 影弋 警 沁，耖、 一：& 黪b 式- 第一章绪论 1 2 2 高空作业车的主要性能参数 作业高度h 作业高度是指工作平台底面离地高度与工作人员手臂所能到达的平均高度之 和【9 1 。通常把作业高度分为最大作业高度h m a x 和最大作业幅度时的作业高度h 。 作业幅度r 作业幅度是指高空作业车回转中心线( 对于垂直升降式高空作业车为升降的 中心线) 至工作平台外边缘的水平距离r 。 作业速度v 高空作业车的作业速度包括工作平台在垂直方向起升的平均速度和下降的平 均速度，以及工作平台的回转速度。 工作平台的装载质量q 高空作业车工作平台的装载质量是指标定装载质量，不包含工作平台的自身 质量。 1 3 高空作业车发展现状 1 3 1 国外高空作业车发展现状 高空作业车在世界上已有5 0 多年的发展历史。最早的高空作业车大约于1 9 5 0 年诞生于英国，由于是用于路灯维修，所以其作业高度集中于1 2 - - 1 5 m 。此后1 0 年间，高空作业车的发展极其缓慢。直到1 9 6 0 年美国丌始使用高空作业车后，高 空作业车的发展彳有了较大突破，作业高度扩展到4 6 m 。1 9 7 3 年，同本也加入到 高空作业车的生产行列，并迅速成为产量最多的国家之一。进入上世纪8 0 年代以 后，由于市场需求量的扩大以及技术水平的不断提高，高空作业机械行业进入快 速发展期。 目前，高空作业车在国外己形成一个完整的专用产品研发、生产体系，尤其 是在美国、英国、日本、意大利、德国等发达国家，一般都有专门的公司和集团 主营或兼营高空作业机械，其中较为著名的如美国c r o v e 公司和g e n i e 公司、 英国c o l e s 公司和s i m o n 公司、意大利r i c o 公司、芬兰b r o n t o 公司以及 同本多田野和爱知株式会社等。随着各种新技术的大量应用，国外高空作业车的 安全性、可靠性、舒适性及操作简易性都有了很大提高。在德国慕尼黑举办的 “b a u m a2 0 0 7 ”博览会上，约有3 0 余家高空作业车生产厂家参会，他们展出的产 品作业高度从8 m 到1 0 1 m 档次密集，不仅型式丰富，性能也十分优越，充分显示 了欧、美、同等发达国家设计技术的成熟【1 2 j 。 4 第一章绪论 从各大知名公司推出的高空作业车新产品上可以发现国外高空作业车的主要 发展趋势是实现产品的通用化、系列化、最优化( 采用计算机辅助设计) 、液压化、 轻量化( 采用高强度材料、减轻构件重量) 和机电液一体化1 1 3 l 。 1 3 2 国内高空作业车发展现状 我国高空作业车的生产起步于2 0 世纪7 0 年代未，至今已有3 0 多年的发展历 史。 目前，我国的高空作业机械生产企业已由最初的7 、8 家增加到1 0 0 余家，其 中，有4 家是与国外合资或者合作生产的企业【3 】。在产品的种类上，国内生产的高 空作业车主要是折叠臂式，产品品种规格较为单一。但是随着我国经济和城市建 设的快速发展，高空作业车的服务领域也在迅速扩大，为了满足不同行业和不同 作业性能的需求，新产品的丌发已经迫在眉睫。针对这种情况，国内高空作业机 械行业的一些骨干企业在原有产品的基础上，不断加大新产品的丌发力度。如杭 州爱知车辆有限公司在短时问内先后完成了绝缘型高空作业车等1 0 多种系列高空 作业车产品的研制，并丌发了全液压驱动自行伸缩臂式高空作业平台，其最大作 业高度为2 6 7 m ，填补了国内该型式产品的空白，为船舶修造、建筑、机场及工矿 企业的安装检修等提供了新产品。此外，锦州重型机械股份有限公司、扰顺起重 机总厂、徐州工程机械集团以及重庆大江工业( 集团) 有限公司等也先后开发了 3 0 m 以上的高空消防作业车，彻底打破了以往该类型产品只能依赖国外进口的局 面1 1 4 。15 。在产品性能上，我国高空作业机械行业的一些骨干企业通过学习、引进 和消化国外先进技术，不断提高新产品的技术水平和质量性能，已有部分产品达 到或接近国际同类产品的水平i l5 1 。这些企业新产品的开发对推动整个行业技术的 进步起到了一定作用，但总体来说，国内生产的高空作业车与国外同类型产品相 比仍存在一定的差距，主要表现为产品型谱未系列化、高空作业车专用底盘缺乏、 基础零部件配套水平较差、关键技术不成熟等。在今后的开发研制中，应针对这 些问题采取有效措施，通过引进、学习、消化国外先进技术和企业自主技术攻关， 不断提高产品的质量与技术水平，逐渐缩小国内外产品的差距。 1 4 机电液一体化技术发展综述 1 4 1 机电液一体化技术概况 目前，工程机械产品( 包括高空作业车) 普遍采用机电液一体化技术。当前 工程机械的先进技术大部分集中在操作与控制上。要解决控制问题，只从机械和 液压角度来考虑很难使产品有质的飞跃，必须引入具有良好控制性能和信息处理 第一章绪论 5 能力的电子技术、传感器技术和电流转换技术等，结合起来即机电液一体化技术。 在这一领域内，紧紧围绕着两个方面的内容进行研究：一是以简化驾驶员操 作，提高车辆的动力性、经济性以及作业效率，节省能源等为目的的机械、电子、 液压融合技术；二是以提高作业质量为目的的机电液一体化控制技术【1 6 】。电液控 制技术兼备了电子和液压技术的双重优势，形成了具有强大竞争力的自身技术特 点，为各种工程机械自动控制提供了一种新的手段1 1 。机电液一体化技术的发展 使传统的液压系统和元件发生了实质性的变化。 1 4 2 国内外机电液一体化技术发展现状 近些年来，随着超大规模集成电路、微型计算机、电液控制技术等的迅速发 展，欧、美、同等发达国家都十分重视在工程机械中应用这些先进技术，并研发 出适用于各类工程机械的机电液一体化系统，如德国的b o s c hr e x r o t h 和s i e m e n s 、 芬兰的e p e c 、日本的h i t a c h i 和m i t s u b i s h i 等公司生产的工程机械1 1 8 】。特别的， 国外还广泛利用机电液一体化技术丌发建立了自动驾驶作业系统，如德国宝马公 司推出自动滑转控制系统：压路机可爬6 8 的陡坡；通过操作显示灯、提示灯和 电器开关互锁来防止误操作；通过操作座椅上的开关在压路机行驶过程中进行牵 引与行驶液压回路的转换1 1 9 锄j 。正是因为采用这种先进的机电液一体化技术，使 整机的各项性能及生产效率都有很大提高，这主要表现在节约能源、略持以人为 本、完善的控制系统、自主安全性等方面1 2 。 而当七、八十年代国外开始从事工程机械的机电液一体化研发工作时，国内 f 在进行机械式控制向机械液压控制的转变。目前总体技术仅相当于国夕l - j k 十年代初的水平。在制造工艺与装备方面，我国与工业发达国相比也有较大的差 距。目前我国尚不能生产高精密、高速与高效的制造装备，国际上先进的制造工 艺和装备在我国企业工业生产中应用的相当少。受引进技术水平的限制，至今关 键技术仍大大落后工业发达国烈2 2 。 虽然我国对机电液一体化技术的研究较晚，但是随着我幽经济的快速发展， 工程机械的使用面、服务领域不断扩大，现讵处于较快的发展阶段，特别是各生 产厂家积极引进和消化国外先进技术，丌发新品种，提高产品技术和质量水平， 已有部分产品达到国际同类产品的水平。在b a u m ac h i n a2 0 0 8 展会上，广西玉柴、 柳工股份、三一重工、河北宣工、徐州重工、山河智能、龙工集团等国内主要的 工程机械生产厂商都展出了自己特色的产品。根据发动机、泵、马达和阀的液压、 液力、流量及适应各种工况的问题，设计、调整匹配方案，对不同的方案反复进 行判断、评价、分析，选择最佳方案，应用于主机装配，提高整机的稳定性、可 靠性及操作方便性，这就是电液控制智能化技术的具体表现l 。 6 第一章绪论 综卜所述，伴随着各种新技术的不断运用，特别是随着电子计算机的普及和 发展以及机电液一体化技术研究的进展，各大公司竞相采用嵌入式车载微电操控 系统，极大地提高了整机性能；性能优异的比例多路阀的广泛使用，减少了整机 液压元件的数量，减小了整机体积及重量，提高了操控的精度与灵敏度。 1 4 3 国内外机电液一体化技术发展趋势 随着机电液一体化技术在工程机械上应用范围越来越广泛，机电液一体化技 术将进一步向前发展和提高【2 l - 2 6 1 。未来的机电液一体化技术将集中体现在操作性 能、性价比的提高、完善液压系统，智能化、无人化操作和工业机器人的使用等 方面。 系列化、多用途化 系列化、多用途化的设计可以全方位地满足不同用途的需求。目前，工程机 械正朝着系列化、多用途方向发展。工程机械发展的重要趋势之一是逐步实现从 微型到特大型不同规格的产品系列化。 液压系统向高压化方向发展 工程机械液压系统的特点就是输出的力矩和功率大，而这主要是依赖于高压 系统。随着大型特大型工程机械和矿山机械的出现，继续向高压发展是液压系统 发展的一个趋势。 使用高速微处理器、敏感元件和传感器 根据实际施工的需要，工程机械向多功能化和智能化方向发展，这就使得工 程机械有很强的数掘处理能力和精度很高的“感知”能力。使用高速微处理器、 敏感元件和传感器不只是能满足多功能和智能化要求，还可以提高整机的动态性 能，缩短响应时间，使工程机械面对急剧变化的负载能快速做出动作反应。 更注重节能增效 能源危机是全球面临的共同难题，因此工程机械设计也必须考虑节能的需要。 使用电喷发动机，对燃油和功率进行自动控制是节能的一条有效的途径，这也是 保护环境的必然要求。另外，液压驱动系统为大功率作业提供了保证，但是液压 系统由于节流损失和容积损失导致整体效率不高。因此新型材料的研制和零部件 装配工艺的提高也是提高工程机械工作效率的必然要求。 多机电系统的总线管理总线技术的发展 该技术的发展，特别是针对运动系统实时控制的现场总线的发展，为工程机 械的闭坏实时控制提供了方便。广泛采用数据总线、多处理器、信息融合与调度 技术，摒弃每个机电液子系统单独配备一套电子控制系统的传统模式，运用先进 的系统管理策略，使机电液子系统的控制管理具有余度、任务重构和故障覆盖与 第一章绪沦 7 自修复功能。 控制系统可靠性进一步加强 广泛应用于工程机械产品设计中的集液压、微电子及信息技术于一体的智能 控制系统成为主流丌发方向。计算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系 统将依托微电子技术与信息技术的广泛应用而不断完善；电子监控和自动报警系 统、自动换挡变速装置将被广泛采用；数字系统更容易实现多回路控制，在位置 闭环控制中加上压力反馈( 动压反馈) ，可扩展液压系统的频带。 主动维护，提高故障诊断水平 要实现主动维护技术，必须要加强工程机械故障诊断方法的研究，使故障诊 断现代化。加强故障诊断的理论研究，提高故障诊断的可行性，并深入应用模糊 数学理论、灰色系统理论、神经网络理论进行故障诊断，不断提高故障诊断的理 论水平和实用性。 1 5 选题依据和研究内容及手段 1 5 1 选题依据 目前，国内生产的高空作业车绝大多数是折叠臂型式的，首先是因为国内在 7 0 年代最早引进的高空作业车就是折叠臂式的，而且国内对高空作业车需求仍然 以2 0 米以下低高度为主，折叠臂式在功能上能够实现，再加上折叠臂式结构简单， 价格低，因此折叠臂式仍然比伸缩臂式有更大的市场需求；其次伸缩臂和混合臂 车型在技术、制造等方面的要求远远高于折叠臂车，其结构可靠性设计、工作斗 调平技术、工作半径的限制技术、液压和电气管路输送、电子自动控制等关键技 术，国内生产厂商仍需要攻关创别2 7 j 。 1 5 2 研究内容 根据高空作业车的整体设计要求特别是用户的使用要求，确定合理的车辆 举升臂结构及强度。举升臂是高空作业车最终执行部分的关键部件，其设计是高 空作业车的关键技术之一，其强度的好坏直接关系到该车的性能及作业人员的安 全。利用s o l i d w o r k s 创建举升臂三维模型并用a n s y s 对其进行有限元分析。 控制系统的可靠性包括系统的稳定性、可控性与可观测性，这三个方面对 线性系统控制、最优控制、最优估计及自适应控制的设计至关重要。本文针对高 空作业车的稳定性分析主要从系统是否稳定、是否可控以及是否可观测入手，使 用m a t l a b 对这三个方面分别进行判断验证。 液压系统的动态响应特性是评价液雎系统优劣的重要因素，所以准确地对 第一章绪论 液压系统的动念仿真对于改进液压系统的设计，提高液压系统的可靠性具有重要 的意义。利用a m e s i m 在控制理论的指导下对液压系统进行仿真，以观察其对控 制系统的影响，实现了对液压控制系统的智能设计。 1 5 3 研究手段 利用s o l i d w o r k s 创建举升执行机构三维模型； 利用a n s y s 对举升执行机构进行有限元分析； 利用m a t l a b 对控制系统稳定进行判断并验证； 利用a m e s i m 对液压系统进行仿真。 2 1 液压传动 液压传动与 成所需要的控制回路，再由若干凹路有机组合成能完成各种控制功能的传动系统 进行能量的转换、传递与控制1 2 8j 。 相对于机械传动来说，液压传动是一门新兴的技术。由于它具有许多突出的 优点，近些年来被广泛应用在机械制造、电子、工程机械、交通运输、军事器械、 冶金、石油化工、航空、航海、轻工、农机等各个方面，也被应用在宇宙航行、 海洋开发、核能建设等新的技术领域中。 2 2 液压传动系统的组成及工作原理 2 2 1 液压传动系统的组成 图2 1 a 所示为一个驱动机床工作台作往复运动的液压传动系统。这是一幅半 结构式的工作原理图。它由油箱l 、过滤器2 、液压泵3 、溢流阀4 、换向阀5 、节 流阀6 、换向阀7 、液压缸8 及连接这些元件的油管、管接头等组成。该系统的工 作原理是：液压泵由电机驱动，油液经过滤器2 进入液压泵3 吸油腔，泵输出的 压力油经换向阀5 、节流阀6 、换向阀7 进入液压缸左腔。此时液压缸右腔的油液 经换向阀7 和回油管路排【四油箱，液压缸推动工作台9 向右移动。 当把换向阀7 的手柄移动到如图2 1 b 所示状态时，经节流阀6 的压力油由换 向阀7 进入液压缸的右腔。此时液压缸左腔的油经换向阀7 和回油管排回油箱， 液压缸推动工作台向左移动。因而换向阀7 的主要功能是控制液压缸及工作台的 运动方向。 工作台的移动速度是通过节流阀6 调节的。当节流阀的丌口大时，进入液压 缸的油液流量就大，工作台的移动速度就快；反之，工作台移动速度将减小。因 而节流阀6 的主要功能是控制进入液压缸的流量，进而控制液压缸的运动速度。 液压缸推动工作台移动时必须克服液压缸受到的各种阻力，因而液压缸必须 产生一个足够大的推力。这个推力是由液压缸中的油液压力产生的。要克服的阻 力越大，液压缸中的油液压力越高；反之，压力就越低。系统中输入液压缸的油 液流量由节流阀调节，而液压泵输出的多余油液则经溢流阀排回油箱。只有在压 1 0 第二章液乐传动与控制系统 力管路中的油液压力等于或略大于溢流阀中弹簧的预压力时，油液l 能打丌溢流 阀流回油箱，所以系统中液压泵出口处的油液压力是由溢流阀调定的。一般情况 下，液压泵出口处的压力值大于液压缸中的压力，因而溢流阀在液压系统中的主 要功能是控制系统的工作压力。 当需要短期停止工作台运动时( 如在装卸工件或测量尺寸时) ，可以拨动换向 阀5 的操纵手柄，使其阀芯处于左位，如图2 1 c 所示状态。此时，液压泵输出的 油液经换向阀5 直接排回油箱，不再输到液压缸中去，工作台停止运动。 液压系统中的过滤器2 的作用是滤去油中的污染物，保证油液清洁，使系统 工作正常。 从上面的示例可以看出，一个液压传动系统通常由以下几个部分组蒯2 & 2 9 1 。 能源装置 它是把机械能转换成油液压力能的装置，一般最常用的就是液压泵。 执行装置 它是把油液的压力能转换成机械能的装置。在上例中，它是作直线运动的液 压缸；在其他情况下，也可以是作回转运动的液压马达等。 控制调节装置 它们是控制液压系统中油液的压力、流量和油流方向的装置，如上例中的溢 流阀、节流阀、换向阀等液压元件。这些元件是保证系统正常工作必不可少的组 成部分。 辅助装置 它们是除上述三项以外的其他装置，如上例中的油箱、过滤器、油管等。它 l f x , l 保证液压系统可靠、稳定、持久的工作，有重大作用。 传动介质 传动介质是指传递能量的流体，即液压油。 2 2 2 液压传动系统的工作原理 从以上分析可以看出，液压传动是以液体的压力能传递动力的。任何液压传 动系统，都是通过处于密闭容积内的受压液体的流动传递机械能的【2 9 1 。 第二章液压传动与控制系统 a 图2 1 机床工作台液压系统的工作原理 1 一油箱：2 一过滤器；3 _ 液压泵；4 一溢流阀；5 、7 一换向阀：6 一节流阀；8 一液压缸； 9 一工作台 2 3 液压传动的优缺点及应用 2 3 1 液压传动的优缺点 与机械传动、电力传动等传动方式相比，液压传动具有下列优点： 在传递同等功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结 构紧凑。 1 2 第二章液压传动与控制系统 掘统计，液压马达的重量只有同功率电动机重量的1 0 一- - 2 0 ，而且能够传递 较大的力或转矩。 液压传动装置工作比较平稳、反应快、冲击小，能高速启动、制动和换向。 液压传动装置的换向频率高，对于回转运动每分钟可达5 0 0 次，直线往复运动每 分钟可达4 0 0 - - - - 1 0 0 0 次1 2 8 1 。这是其他传动控制方式无法比拟的。 液压传动装置能在运动过程中进行无级调速，调速方便，调速范围大，而 且调速性能好。其传动比可达1 0 0 ：1 至2 0 0 0 ：l 。 液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便，易于实现自动化， 如与电气控制相配合，可方便地实现复杂的程序动作和远程控制。 液压传动装置易于实现过载保护1 2 9 1 。由于采用油液作为工作介质，液压传 动装置能自行润滑，故使用寿命较长。 液压元件已标准化、系列化和通用化，便于设计和选用。 液压传动的主要缺点如下： 液压传动装置以液体作为传动介质，无法避免泄漏。液体的泄漏和液体的 可压缩性使液压传动无法保证严格的传动比。 液压传动装置由于在能量转换过程中存在着机械摩擦损失、压力损失和泄 漏损失等，不易作远距离传输。 液压传动装置对油温比较敏感，不易在低温和高温条件下工作i 训。液压传 动装置对油液的污染比较敏感，要求有良好的过滤设施。 液压元件制造精度要求高，使用维护要求严；液压传动装置出现故障时不 易追查原因，不易迅速排除。 2 3 2 液压传动技术的应用 由于液压传动技术优点很多，因而在国民经济的各个部门得到广泛应用。目 前，其应用领域仍然在不断扩展，从组合机床、机械手、自动加工及装配线到金 属及非金属压延、注射成型设备，从材料及构件强度试验机到机电液仿真试验平 台，从建筑、工程机械到农业、环保设备，从能源机械调整控制到热力与化工设 备过程控制，从橡胶、皮革、造纸机械到建筑材料生产自动线，从采煤机械到石 油钻探及采收设备，从航空航天器控制到船舶、火车、汽车等运输设备等等，液 压传动与控制技术己成为现代机械工程制造j i 匕的基本要素和工程控制关键技术之 一。 液压传动与控制技术在各个领域和部门中应用的出发点不尽相| 司【3 0 】。例如， 工程机械、矿山机械、起重运输机械、压力机械等领域采用液压传动技术的重要 原冈是取其结构简单、体积小，可输出大力、大功率；航空、航天等领域采用液 第二章液压传动与控制系统 1 3 压传动技术的主要原因是取其单位功率的重量轻、结构尺寸小；机床及其加工自 动线上采用液压传动技术是取其能在工作过程中实现无级调速，易于实现频繁启 动、制动及换向，易于实现自动化等等。液压传动技术在各类机械行业中的应用 见表2 1 。 表2 1 液压传动在各类机械行业中的应用 t a b l e 2 1h y d r a u l i ct r a n s m is s i o na p p l i c a t i o n si nv a r i o u sm a c h i n e r yi n d u s t r i e s 行业名称应用场合举例 工程机械挖掘机、装载机、推土机、高空作业车等 矿山机械凿石机、开掘机、提升机、液压支架 建筑机械打桩机、平地机等 冶金机械轧钢机、压力机、步进加热炉等 船舶港口机械起货机、锚机、舵机等 起重运输机械起重机、叉车、装卸机械等 轻工机械打包机、注塑机、造纸机等 灌装机械食品包装机、真空镀膜机、化肥包装机等 汽车工业自卸式汽车、平板车等 铸造机械砂型压实机、加料机、压铸机等 纺织机械织布机、抛砂机、印染机等 农业机械联合收割机控制系统、拖拉机悬挂装置等 2 4 液压传动技术的发展概况 相对于机械传动来说，液压传动是一门新兴技术。如果从1 7 世纪中叶帕斯卡 ( b p a s c a l ) 提出静压传递原理、1 8 世纪未英国制成世界上第一台水压机算起，液 压传动已有三百年的历史。然而，液压传动的真j 下推广使用却只是近四、五十年 的事情。 1 9 世纪是液压传动技术走向工业应用的世纪。1 8 世纪以自仃奠定的流体力学、 热力学、摩擦学、机构学及控制理论等科学基础及机器制造工艺基础，为2 0 世纪 流体传动与控制技术的发展提供了科学与技术条件。1 9 0 5 年美国人j a n n e y 首先将 矿物油引入液体传动作为传动介质，并设计研制了第一台轴向柱塞泵及其液压驱 动装置。液压油的引入，为改善液压元件的摩擦、润滑和泄漏，为提高液压系统 工作压力创造了条件。由