（机械电子工程专业论文）tlk21型高空作业车电液控制系统研究.pdf

摘要 摘要 本文针对国内高空作业车的生产技术水平落后于国外的现状，在对国 内外高空作业车的关键技术及发展趋势认真分析和对比的基础上，结合客 户的实际需求，消化吸收国外先进技术，对t l k 2 1 型高空作业车的液压驱 动系统、调平系统和微电控制系统展开设计研究。 本文首先在分析比较国外同类型的产品的基础上，设计了t l k 2 1 型高 空作业车主要执行装置和机构的液压驱动系统，其中包括转向装置、回转 装置、伸缩臂变i 嚆装置等等。由于系统要求的控制量较多，而且多个控制 量要求采用电液比例控制，因此系统采用了负载敏感式比例多路阀对主要 执行元件进行控制。然后针对该车的行走液压驱动系统展开深入研究，因 为它是该车需要解决的关键技术之一，直接影响到车辆的机动性能。接下 来采用m a t l a b 仿真和机械最优化设计的方法对该车的作业斗调平机构 进行设计，通过误差分析证明得到的设计结果是最优的。最后，将c a n 总线技术引入到该车微电控制系统中来，设计了该车微电控制系统的硬件 网络，并完成了电液控制程序的编写。 目前，所设计的全液压驱动自行式高空作业车已经安装、调试完毕， 并已交付用户使用。该车在实际生产中达到了预期目标，提高了生产效率， 取得了定的经济效益。 关键词高空作业车；液压驱动；最优化设计；调平机构；c a n 总线控制 垫当奎兰= 兰至兰兰丝堕奎 a b s t r a c t a i m i n ga tc o n d i t i o nt h a t t h ei n t e m a lt e c h n i c a ll e v e lo fa e r i a lw o r k p l a t f o r mi sl o w e rt h a nt h ee x t e r n a lo n e ，a n db a s e do na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n o ft h ek e yt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo ft h ee x t e r n a la e r i a lw o r k p l a t f o r m ，t h i sp a p e rd e s i g n e dh y d r a u l i cs y s t e m ，h o r i z o n t a la d j u s t m e n ts y s t e m a n de l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo f t l c 2 1t y p eo f a e r i a lw o r kp l a t f o r ma c c o r d i n gt o c u s t o m e r sa c q u i r e m e n ta n de x t e m a la d v a n c et e c h n o l o g y f i r s t l y ，b a s e do na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fe x t e r n a la l i k ep r o d u c t i o n s t h i sp a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c et h ed e s i g no fm a i na p p a r a t u sa n dh y d r a u l i c d r i v es y s t e mi n c l u d i n go fs t e e r i n ga p p a r a t u s ，t o m i n ga p p a r a t u s ，t e l e s c o p i ca r m a p p a r a t u se t c b e c a u s et h e r ea r em a n ya p p a r a t u st h a tm u s tb ec o n t r o l l e da n d s o m eo fa p p a r a t u sn e e de 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 l ，l o a d s e n s i n g p r o p o r t i o n a ls a n d w i c hv a l v e sa r ea p p l i e dt oc o n t r o lm a i na p p a r a t u si n t h i s s y s t e m a n dt h e nr e s e a r c ho fd r i v i n gh y d r a u l i cs y s t e mi sc a r r i e do u t ，b e c a u s e t h i si sa k e yt e c h n o l o g yt h a tm u s tb es o l v e d a f t e r w a r d ，h o r i z o n t a la d j u s t m e n t a p p a r a t u si sd e s i g n e dw i t hm a t l a bs i m u l a t i o na n dm e c h a n i c a lo p t i m i z a t i o n d e s i g nm e t h o d s f i n a l l y , c a n - b u st e c h n o l o g yi sa p p l i e dt oe l e c t r i cc o n t r o l s y s t e m ，h a r d w a r en e t w o r ko fe l e c t r i cc o n t r o li sd e f i g n e da n dp r o g r a m so f e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o la r ef i n i s h e d a tp r e s e n t ，t h ee n t i r eh y d r a u l i cd r i v ee n g i n e e r i n ga e r i a lw o r kp l a t f o r m s h a v eb e e np r o v i d e dt oc u s t o m e ra f t e ra s s e m b l e da n dd e b u g g e db yt o n g l i a n c o m p a n y t h ev e h i c l e sh a v ea c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dg o a l s ，i m p r o v e dt h e p r o d u c i n ge f f i c i e n c ya n do b t a i n e dt h ec o n s i d e r a b l ee c o n o m i cp r o f i t k e y w o r d s a e r i a lw o r kp l a t f o r m ；h y d r a u l i cd r i v e ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； h o r i z o n t a la d j u s t m e n t ；c a n b u sc o n t r o l l 】 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文t l k 2 1 型高空作业车 电液控制系统研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果 将完全由本人承担。 作者签字易铤日期：久圻年妒居日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 t l k 2 1 型高空作业车电液控制系统研究系本人在燕山大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人 员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文， 可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：马穹、k 日期：卅年广月肜日 导师签名： 日期：2 1 年r 月 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 工程机械广泛应用于经济建设的各部门，并且在整个经济发展中占有 十分重要的地位。建国以来，我国的机械工业在十分薄弱的基础上，经过 五十多年的艰苦努力，从小到大，从修配到制造，从仅仅仿造一般机械产 品到能制造大型、中型精密设备，从制造单机到制造重大成套设备，逐步 形成了一个门类比较齐全，具有较大规模，较先进技术水平和成套水平不 断提高的工业体系。 高空作业机械( 高空作业车) 作为工程机械领域的一个重要分支，现在 广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口货运等行业，是新兴的技 术产业，有着广阔的发展前景。我国高空作业机械只有二十几年的发展历 史，发展初期由于经济环境和技术水平限制，没有得到很好的发展。而这 一时期，国外高空作业机械行业伴随着新技术的不断应用取得了长足的发 展，涌现出一批国际知名的专业生产制造企业【1 l 。 近年来，随着我国经济建设的飞速发展，国内对包括高空作业车在内 的工程机械的需求量和保有量连年快速增长。例如在船舶行业，当前我国 造船业发展迅猛，逐步进入了国际船舶市场。船舶产量从2 0 世纪8 0 年代 初的3 0 多万吨，提高到现在的2 0 0 多万吨，约占世界船舶市场份额的6 。 船舶的设计和建造，从建造万吨级散货船开始，发展到能建造六万吨级巴 拿马型船舶和十五万吨级大型油船。最近几年，又开始建造高速集装箱船、 成品油船、液化气船和自卸式散货船等技术难度大、附加值高的船舶。随 着船舶行业的发展，大型船舶增多，造船和修船中越来越多的需要高空作 业，因此高空作业车的应用也是与日增加。中国船舶系统，需要直臂式 1 6 - - - 2 5m 高空作业平台大约8 0 1 0 0 台左右。公安消防系统中，随着大中城 市高层建筑增多，消防设施“滞后”，登高平台消防车己属紧迫需要。我国 燕山大学t 学硕士学位论文 百万人口城市3 0 个，以平均每个城市需要作业高度3 0 5 0m 大型登高平 台消防车4 台计算，需要量为1 2 0 台左右。全国几十万人口以上的城市近 5 0 0 个，以平均每个城市拥有1 6 - 2 0m 中型登高平台消防车2 台计算，需 要量为1 0 0 0 台左右。在全国的城市路灯园林部门，需要缸1 6n l 中小型高 空作业车大约1 0 0 0 台左右。通过上面的分析可以看出，仅在这三个行业就 有大量市场需求，上面的统计是不完全统计，随着企业的发展和城市规模 的不断扩大，每年的市场需求量也不断的在增长【2 】。 国外高空作业机械制造企业早已意识到了中国巨大的市场潜力，纷纷 携带这自己的产品抢占中国市场。由于国外的产品技术先进、种类齐全， 具有良好的安全性和使用性，以及完善的维修和技术支持体系，因此对国 内高空作业机械制造企业冲击很大。国内高空作业机械制造企业也已经意 识到了该产品市场的巨大蕴涵量，目前在引进国外先进产品的同时，积极 消化吸收国外先进技术，不少企业已经推出了达到国外技术水平的产品。 但是总体上我国的生产技术水平与国外相比仍然存在一定的差距。 综上所述，在我国目前的高空作业车的生产水平上，改进高空作业车 的工作性能，开发研制机动灵活、技术含量高、安全可靠的高空作业机械 具有现实的意义。 1 2 高空作业车国、内外发展现状 1 2 1 高空作业车国外发展现状 国外高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的高新技术产业 系统，只有近四十年的历史。但是其高空作业机械，发展十分迅速，技术 水平不断提高，现已形成一个完整的专用产品研发、生产体系。工业发达 国家，一般都有专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械，如美国 的c r o v e ( 格洛夫) 、g e n i e ( 吉尼) 、英国的c o l e s ( 西蒙) 、意大利的 r j c o ( 利高) 、芬兰的b r o n t o ( 布朗托) 公司、日本的多田野和爱知株式会 社等，并且它们的产品各有特点和不同的应用侧重，如b r o n t 0 侧重于 高空消防车系列，c o l e s 侧重于车载高空作业平台等等口l 。 第1 章绪论 为了满足不同行业、不同作业性能要求，国外高空作业机械制造企业 已经开发了不同种类、规格齐全的系列化产品，如图1 1 所示。为了满足 实际工程的需要，高空作业车的作业高度越来越高，随之作业半径也越来 越大。如西蒙公司$ 6 0 0 高度已达6 2i n 、芬兰b r o t o 公司产品最高已达 7 2m ，自命为“天梯”，高空作业车的下车、工作斗均采用嵌入式控制系 统进行操纵1 4 】。 高空作业车 升降男夏_ 荔鬲1 方式 厂t t 1 上_ r r _ 厂叶1 组 旋折垂伸剪固自手车 合转叠直缩叉定行推载 式式 臂升臂 式式式式式 式降式 图1 - 1 高空作业车分类 f i g 1 - 1 t h es o r to f a e r i a lw o r kp l a t f o r m 为了满足高空作业的复杂情况，要求人们不断改进高空作业机械，以 适应施工、灭火等需要，另外高空作业机械制造企业间日趋激烈的竞争， 也促进了高空作业车技术的发展。其产品的基本特点可以从结构方面、液 压系统方面和电气控制方面加以概括。 在结构设计方面具有下列特点： ( 1 ) 国外高空作业车一般采用三种升降机构，即伸缩臂式、折臂式和剪 叉式高空作业车，还有其它特殊形式的升降机构，但是应用不广泛。图1 - 2 给出了美国g e n i e 公司的生产的三种升降型式的高空作业车。 ( 2 ) 国外高空作业机械的底盘结构分通用型和专用型。采用通用汽车底 盘的高空作业机械，机动灵活，能快速转移，作业高度较高；采用专用底 盘的高空作业机械，即自行式高空平台车，适用于固定场所作业，具有微 动行驶、扩大作业半径等特点f 5 1 。 ( 3 ) 国外高控作业车采用多种作业斗调平方式，对于作业高度小于3 0m 的高空作业车一般采用自重式、机械式及液压式的调平方法。对于作业高 度3 01 1 1 以的高空作业车一般采用电液调平方式。 燕山大学t 学硕上学位论文 ( a ) 伸缩臂式( b ) 剪叉式( c ) 折臂式 图1 - 2g e n i e 公司高空作业车 f i g 1 - 2 t h ea e r i a lw o r kp l a t f o r m sp r o d u c e db yg e n i e 在液压系统设计方面，高空作业车的主要工作装置，如转台的回转、 伸缩臂的变i 晤及伸缩等，均采用液压驱动的方式工作。其基本特点可以概 括如下： ( 1 ) 国外高空作业车的主要执行机构几乎均采用电液比例控制技术。广 泛的应用发展已经较成熟的比例多路阀实现执行机构的比例控制。大为简 化了系统的设计，控制方式灵活可靠。 ( 2 ) 在行走驱动系统中广泛采用液压传动作为驱动装置，它不仅可实现 车辆行走机构无极调速，而且是实现机、电、液一体化的操作与控制的保 证，所以全液压技术是高空作业车的一个重要发展方向。国外自行式高空 作业车几乎均采用这种行走驱动方式【6 】。 ( 3 ) 系统中多采用防爆阀和平衡阀，充分保证液压系统的安全性和可靠 性。整个系统趋向于集成化、封闭式设计，采用封闭式循环油路设计，可 以有效的防止泄露和污染，更重要的是防止灰尘、污染、化学物质侵入系 统，延长了液压系统的使用寿命。 电气系统设计包括强电系统和弱电系统。强电系统包括照明灯、转向 灯、报警灯等。弱电系统主要是p l c 控制系统以及各种显示仪表。国外高 空车的发展主要体现在其弱电控制系统中，国外早已经摒弃了应用几十年 的继电器的控制方式，现在国外生产的所有高空作业车均采用了嵌入式控 制系统，采用为工程机械专门设计的控制器实现整车的自动控制。c a n 总 线技术广泛的应用于车辆的控制系统中，保证了多任务协同控制系统的实 第1 章绪论 时通信，大量特别设计的基于c a n 总线的设备，如控制器、显示器，非 常方便c a n 网络的构建。 综上所述，伴随着各种新技术的不断运用，国外高空作业车的可靠性、 安全性、舒适性、操作方便性等方面都有较大提高，特别随着电子计算机 的普及和发展以及机、电、液一体化研究的进展，国外各大公司竞相采用 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。 归纳起来，国外高空作业车主要发展方向是实现六化、三性，六化即 液压化、最优化( 采用计算机辅助设计) 、轻量化( 采用高强度材料、减轻构 件重量) 、机电液一体化( 如安全保护、报警装置等) 、通用化、系列化。三 性即可靠性、安全性和舒适性【7 1 。 1 2 2 高空作业车国内发展现状 在我国。虽然对高空作业车的研制、生产起步较晚，但是随着我国经 济的快速发展，高空作业车的使用面、服务领域不断扩大，现正处于较快 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，开发新品 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。 如浦沅集团公司己能生产作业高度6m 到6 0m 共1 2 种规格近3 0 个 品种的高空作业车，杭州园林机械厂引进日本先进技术和管理经验，在近 几年内开发出适合国内用户需要的l o 多个新品种，能生产2 6m 内的各种 绝缘及通用高空作业车，形成年产3 5 0 台以上的生产能力，占有国内中小 高度高空作业车市场5 0 左右的份额，并有部分产品出口；抚顺起重机总 厂锦州重型机械股份有限公司和徐州重型机械厂针对国内大高度消防救援 作业车依赖进口状况，先后开发了3 0m 以上的高空消防作业车，产销良 好，深受用户欢迎；徐工集团主要生产适合路灯、隧道维护使用的2 0m 以内的高空作业车，并完成了5 3m 大高度高空消防车的研制。有关专家 预测，我国高空作业车在未来几年仍将保持较高的产销增长率，特别是大 中城市基础设施建设和维护等方面的需求增长更快【8 ，9 】。 燕山大学t 学硕士学位论文 尽管我国在高空作业车设计制造上取得了一些成绩，但足国内生产制 造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距，主 要表现为： ( 1 ) 没有上规模、产品系列化、产品质量达到国际水平的生产厂家，大 多数厂家产品单一，型号老化，产量小。 ( 2 ) 部分企业技术创新能力较差，技术储备明显不足，企业不重视产品 的更新改进和产品开发，市场经营范围窄，企业效益差。 ( 3 ) 基础材料质量参差，基础零部件配套水平较差，国内基础材料研发 水平较低，为达到质量要求，许多原材料必须依靠进口，基础零部件配套 厂家少，规格品种少，产品质量、性能可靠性不高，不稳定。 ( 4 ) 专业化、机械化生产水平低，工艺落后，装配水平较低，劳动生产 率低下。 ( 5 ) 主机( 底盘) 厂的配套产品研制水平较低，专业性不够，不能完全满 足生产厂的组装要求，主机型号单一，直接影响到新产品的开发。 ( 6 ) 产品的售后服务水平较差，维修水平较低，缺乏专业的检测、维修 设备、维修人员专业技能不足，不能形成完善的售后服务体系。 ( 7 ) 国家对高空作业车等专用车的管理政策存在一些问题，政策滞后， 不利于小批量生产的特种高空车的改装及生产的发展。 为了提高我国高空作业的生产水平，从目前的状况存在的问题来看应 应从如下的几个方面来进行： ( 1 ) 解决工程汽车底盘问题，这样才可使高空作业车轻便、可靠，使用 上既灵活又可承担繁重的工作任务； ( 2 ) 提高液压元件的制造质量，这样就可以提高使用寿命和可靠性，相 应的也就提高了高空作业车的质量； ( 3 ) 改变高空作业车的生产方式，向规模化发展，这不但可保证质量还 可降低成本； “) 扩大新型高空作业车的使用范围，可刺激本行业的发展，并投入力 量加强对新产品的开发： ( 5 ) 用现代的设计方法和手段对现有的产品进行改造。 6 第1 章绪沦 1 3 课题来源及论文主要研究内容 本课题是在秦皇岛通联特种车辆公司的高空作业车设计研发项目的基 础上进行的。首辆产品于2 0 0 6 年8 月完成现场安装和调试，进行了出厂验 收并交付使用。 课题研究的主要内容包括如下几项： ( 1 ) 在充分研究国内外同类产品的基础上，根据用户方面的实际使用要 求进行液压系统的设计工作。由液压系统设计任务的要求，液压控制系统 需要控制的执行元件有转向油缸、回转油缸、伸缩臂变幅油缸、伸缩臂伸 缩油缸、作业斗横向摆动油缸、车桥扩张油缸等，需要控制的执行元件较 多，而且很多执行机构需要采用电液比例控制，且存在不同负载的执行元 件同时工作的工况，因此采用负载敏感式比例多路阀来实现这些元件的控 制，简化系统的设计，提高系统操作的方便性。 ( 2 ) 这里所设计的高空作业车属于自行式全液压高空作业车，因此液压 系统设计方面，除了要解决高空作业车主要执行装置的液压驱动问题，行 走驱动液压系统是该车需要解决的关键技术之一。行走驱动系统必须要有 良好的远程调速性能，同时应该采取相应地措施合理地设计驱动液压系统， 使系统能够较好的实现自动差力差速控制。 ( 3 ) 对于高空作业机械来说，作业斗的调平设计是保证作业安全性的关 键技术之一。作业斗的意外摆动、倾翻极有可能导致作业人员发生生命危 险，因此必须采用合理的调平方法和恰当设计参数。这就需要在设计的过 程中展开仿真研究，以验算所设计的结果是否满足性能要求，能否达到设 计目标，这个设计与修改的过程避免了试制样机进行实测实验的时间及成 本投入，缩短了整个设计周期。我们这里采用国际上广泛使用的科学计算 和仿真软件平台m a t l a b 完成仿真和最优化设计工作，减少了编制与调 式高级语言程序的诸多不便，使主要精力可以放在改进设计方面。 ( 4 ) 微电控制系统是车辆按设计功能正常运行的根本保证，它在在某种 程度上体现了车辆的技术先进性、使用可靠性、操作方便性。因此该车基 于国际上广泛采用的c a n 总线技术，设计了t l k 2 1 型高空作业车微电控 7 燕山大学丁学硕士学位论文 制系统的控制网络。根据系统控制律的要求选取恰当的控制器、显示器， 完成了控制网络的构建。在软件编写部分，采用多种编程语言，在c o d e s y s 软件环境中完成了电液控制程序的编写。 总体来说，下面的四章内容每一章围绕上述四点的其中之一展开，第 2 章主要是对该车主要装置及机构的介绍和主要装置液压驱动系统设计的 内容，第3 章是该车行走驱动系统设计，第4 章是对作业斗调平系统的仿 真和优化设计，第5 章是该车微电控制系统的设计。 8 第2 章t l k 2 1 型高空作业车系统设计 第2 章t l k 2 1 型高空作业车系统设计 2 1t l k 2 1 型高空作业车主要技术参数 t l k 2 1 型高空作业车是为造船厂设计制造的专用轮式车辆，广泛的应 用于船体喷砂、喷漆等高空作业工作，该车设计先进、自动化程度较高， 采用多种安全装置，可靠性高。额定装载质量为2 5 0 公斤。图2 - 1 为t l k 2 1 的整车外观简图。 1 2 345 o l 底盘2 转台3 调平油缸4 变幅油缸5 伸缩臂6 作业斗总成 图2 - 1t l k 2 1 的外观简图 f i g 2 ia p p a r e n ts c h e m a t i cd i a g r a mo f t l k 2 1 t l k 2 1 高空作业车由液压系统、动力系统、微电控制系统、行走装置、 转向装置、回转装置、伸缩臂变幅装置、伸缩臂伸缩装置、作业斗横向摆 动装置、车桥扩张装置、操作装置( 上部、下部、车桥扩张) 、作业斗自动 调平装置及安全装置等构成。t l k 2 1 型高空作业车的主要技术参数见表 2 1 所示。 9 燕山大学t 学顼上学位论文 表2 - 1t l k 2 1 的主要技术参数 t a b 2 1t h em a i nt e c h n i cp a r a m e t e ro f t l k 2 1 裁 额定装载质量 2 5 0 k g 重 质 最大装载质量 5 0 0k g 量 车辆自身质量1 4 0 0 0 k 2 作业高度2 1m 伸缩臂长度 8 7 m 2 0 5 m 作变幅角度 1 4 。7 0 。 业 酬转角度3 6 0 。连续 性 能 j 转速度0 8r d m 作业斗摆动角度先右6 0 。 最高牟速 0 4k m h 爬坡能力 6 轮 轮胎规格9 0 0 - 2 0 胎 轮胎数量 4 轮 辋 轮辋规格7 0 - 2 0 轮辋数量 4 车体全长1 0 6 5 5 m m 生 车体全宽( 车轴收缩时)2 4 0 0 m m 体 车体全宽( 车轴伸出时，3 1 0 0 m m 尺 寸 车体全高2 6 0 0 m m 车体轴距3 1 0 0 f i l m 年伴尾部口i 转半径2 7 8 0 1 t i i n 发 发动机东风康明斯水冷柴油机 动 发动机型号4 b t 3 吼c 6 0 机 发动机功率庳 速6 0k w l 2 2 0 0l p m 发动机逊气形式 涡轮增压式 t l k 2 1 型高空作业车主要技术特征为： ( 1 ) 该车是典型的“机电液”楣结合的高技术产品。采用液压完成驱 动、转向、回转、伸缩臂变幅、伸缩臂伸缩、作业台摆动、车桥扩张、作 第2 章t l k 2 1 型高空作业车系统设计 业台自动调平等动作。 ( 2 ) 设置多种安全装置，充分保证作业平台的可靠性。例如全自动力矩 限制、紧急停止装置、拉线开关、脚踏开关、紧急用液压泵，安全系数高， 充分保证了作业人员的安全。整车综合性能及技术水平均达到国际先进水 平。 ( 3 ) 该车采用工业现场总线c a n 总线的闭环控制模式，实现了多 任务协同控制，降低了司机的操作要求水平和工作强度，实现控制系统故 障的自动报警与诊断功能，达到了较高的智能化与自动化水平。 2 2t l k 2 1 型高空作业车主要装置设计 2 2 1 高空作业车转向装置 如图2 - 2 所示，转向装置是根据汽车转向原理设计的，采用纵向摇杆 式转向梯形机构，使得车辆在转弯的过程中保持内外轮胎处于纯滚动状态， 避免了轮胎的磨损和车辆在转向离心力作用下产生“侧滑”现象。转向系 统通过转向油缸和转向拉杆来实现前车桥车轮向左向右转向。特别注意的 是由于扩桥的需要，转向拉杆设计成用销钉联接的两节可以伸缩的机构， 因此，当进行扩桥操作时首先应取下联接销钉，然后进行扩桥操作，扩桥 完成后再将销钉放回，缩桥的操作也足如此。 1 底盘2 转向油缸3 转向拉杆4 轮胎5 前桥 图2 2 转向装置原理 f i g 2 2p r i n c i p l es c h e m eo f s t e e r i n ga p p a r a t u s 燕山大学丁学硕士学位论文 2 2 2 高空作业车伸缩臂装置 伸缩臂是由钢板焊制的箱型结构，共三节( 基本臂、二节臂、三节臂) ， 全动力同步伸缩，全部伸出时臂长2 1m ，全部缩回时8 7m 。伸缩机构原 理如图2 3 所示。二节臂采用一个双作用液压缸实现伸缩。液压缸倒置安 装，活塞杆端头用销轴固定在基本臂根部，液压缸中部铰点将缸体联接在 二节臂后端。因此，当活塞杆端头通入压力油后，二节臂随同液压缸体一 同伸出或缩回。 三节臂采用钢丝绳系统进行伸缩。两条伸臂钢丝绳一端固定在基本臂 的前端，然后穿过立装在二节臂前端的滑轮固定在三节臂的后端。两条缩 臂钢丝绳一端固定在基本臂前端，然后穿过固定在基本臂前端及二节臂尾 部的导向滑轮，在固定在三节臂的后端。这样，当二节臂在液压缸作用下 向外推出时，通过伸臂钢丝绳同时将三节臂拉出；同样，二节臂缩回时， 通过缩臂钢丝绳将三节臂拉回。 i234 56 1 基本臂2 伸臂钢丝绳3 三节臂钢丝绳固定点4 二节臂5 三节臂 6 , 9 二节臂上滑轮7 ，1 0 基本臂铡丝绳固定点8 缩臂钢丝绳 图2 - 3 伸缩臂原理图 f i g 2 3p r i n c i p l es c h e m eo f t e l e s c o p i ca r m 2 2 3 高空作业车顶升和扩桥装置 根据需要前车桥和后车桥设计成可伸缩形式，不仅满足了公路运输的 要求也满足了客户在窄小工作环境下正常工作的需要。车桥扩张装置由底 第2 章t l k 2 1 型高空作业车系统设计 盘、车桥、扩桥油缸和项升油缸组成，其原理如图2 4 所示。车桥分成两 个半桥安装在底盘4 上，在轴向可以伸缩，扩桥油缸2 缸体铰接在其中一 个半桥l 上，而活塞杆铰接在另一个半桥2 上，这样当扩桥油缸伸出或缩 回时，两个半桥随之动作实现了扩桥或回收动作。顶升油缸3 焊接在车底 盘上，其活塞杆伸出可以使车桥离开地面，保证扩桥时两个轮胎离开地面， 以减少扩桥阻力。 1 车桥2 扩桥油缸3 项升油缸4 底盘5 轮胎 图2 4 扩桥装置原理图 f i g 2 - 4p r i n e i p l es c h e m eo f e x t e n d i n gv e h i c l e - b r i d g e 2 2 4 高空作业车回转装置 高空作业车的回转装置可以实现作业斗水平运动，作业平台的回转部 分( 转台) 和非回转部分( 底盘) 之间的传力装置称为回转支承装置，驱动部分 则称之为回转机构。回转机构由液压马达、回转减速器、回转轴承以及转 台等构成，回转机构原理如图2 - 5 ( a ) 所示。 转 ( a ) 图2 - 5 回转装置原理图 f i g 2 5p r i n c i p l es c h e m eo f t u r n i n ga p p a r a t u s 燕山大学t 学硕上学位论文 回转马达所产生的回转力通过回转减速器被减速传递给小齿轮。因小 齿轮与回转轴承的大齿圈的外齿啮合，所以在传递给小齿轮的回转力作用 下，转台可在回转机构球支承上连续3 6 0 0 回转。本车采用的“单排球式回 转支承”回转装置是国际先进的四点接触球式结构，如图2 - 5 ( b ) 所示。回 转驱动装置的大齿圈与滚动轴承式回转支承装置的座圈制成一体，才用外 啮合的方式。这种支承是承受轴向力、径向力、倾覆力矩并需相对旋转的 机械最理想的配套件。 2 2 5高空作业车安全装置 2 2 5 1全自动力矩限制全自动力矩限制由p l c 控制器、拉绳传感器、 角度传感器、压力传感器、两轴倾角传感器等组成。可以防止高空作业车 因过载而损坏，还可以防止翻车等事故的发生。 2 2 5 2紧急停止装置进行作业时，因周围情况处于危险状态而需要紧 急停止作业时，只要按设在上部操作装置上的紧急停止开关，发动机就会 马上停止下来，使全部动作停止。恢复作业时，经确认周围环境没有危险 后，只要按以下紧急停止开关，使发动机起动，则可进行作业。 2 2 5 3 拉线开关进行作业时，因周围情况处于危险状态而需要紧急停 止作业时，只要用身体一部分碰触拉线开关，就能使全部动作停止，但发 动机不停止，释放则解除停止，可重新作业【1 0 】。 2 2 5 4 脚踏开关脚踏开关安装在作业台底板上，如果没有踏此脚踏开 关则不能进行伸缩臂的伸缩、变幅、回转、行走、作业台横向摆动及转向 等的操作。因此，误接触操作手柄也不会发生动作，可防止误动作。为防 止工人不规范操作，用物体压踏下脚踏开关，一旦发生误动作则非常危险， 特别为脚踏开关设置了7 s 的延时，超过7 s 作业者没有对平台进行操作则 认为此脚踏开关失效，需要重新踏此开关才能进行操作 1 1 , 1 2 】。 2 - 2 5 5紧急用液压泵进行作业时因发动机故障等不能产生液压而使作 业平台不能动作时，为了让作业人员降到地面，本高空作业车上装置了与 直流电机直连的液压泵。 4 第2 章t l k 2 1 型高空作业车系统设计 2 3 t l k 2 1 型高空作业车液压系统设计 2 3 1 高空作业车动力单元 该车采用全液压驱动和电液比例控制系统，需要驱动和控制的执行元 件包括扩桥油缸、项升油缸、转向油缸、行走马达、伸缩油缸、调平油缸、 变幅油缸、回转马达等，系统原理如图2 6 所示，元件明细见表2 3 。 高空作业车液压系统所有动力来自于一台康明斯水冷柴油发动机 ( 4 b t 3 9 c 8 0 ) ，其主要性能参数见表2 2 。它通过弹性联轴器( 扭力减震器) 驱动双联齿轮泵为液压系统提供动力。双联泵3 采用排量分别为5 0m l r 和3 2m l r 、额定压力为2 5m p a 的齿轮泵。其中排量较小的泵为顶升、扩 桥和转向系统供油，同时在这一回路上设置有冷却器3 8 和回油滤油器3 9 ， 从而保证液压系统的正常工作。另外，为防止作业时因发动机故障等原因 不能产生高压液压油，使作业平台不能动作，本高空作业车上设置了与直 流电机直连的应急动力单元5 ，保证作业人员安全降到地面。 发动机油门采用i m d 一3 油门驱动器控制，该电子油门驱动器以其独特 的开关驱动比例调节行程、简单便捷的特点广泛取代原柴油发动机的手动 机械连杆驱动方式。d c 电机线性驱动器安装简单、拉力大、简捷高效、 成本低廉，常用于工程机械的大型柴油机的油门电子调速控制。柔性软轴 连接方式( 标准) ，可与多数厂家的汽油柴油发动机组油门驱动元件匹配。 表2 ，2 发动机性能参数 t a b 2 2p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f e n g i n e 形式：直列4 缸 排量3 9 升 缸径1 0 2 m m 冲程：1 2 0 r a m 燃油系统无锡威孚a 泵r s v 调速器 调速特性8 调速率 最小怠速转速：7 5 0n ，m 最人调速转速( 1 0 额定负载) 2 2 0 0r d m 1 5 燕山大学丁学硕士学位论文 1 6 lu廿鬲苒ollfi雹口liio o宣oli譬曲ld3c=厶 心d - 昱匠 匝螺皤幽餐g iz)i一卜口d匝 雒瘿嚣扩引；盎哩饕犁簪导稚霉辫震叵乱n黎嚣受8c鐾星瓣暑椎襄烽r硝口n匿绪椎写：h”n耳曩蒋雅葛艘鳝簿量cc 蝈唧髯回譬稚巷颦r田1c培霹譬制。n毫匿掘睁，西n厦妊牛抖培暴器，是壁藿辞职饕隧啦h匿足珏蜡替，耳震磬章葛壁拯nn 匿匠举蒋坼n“星鳝牡iz鐾鹾瓣鳝求。n暑辫蟮小一垦辎兽翅驴i垦撼辱一霆定嚣蓬眢2璧壤媲!塌霎雹毒章cl墨童雷件竺 嬉囊末群=塔最肇辖。一样r出小嚣：悻型露水鲻鹫嚣卜冰帮簿垲啦候辞r臀艚避n匿星斟寸啉辞魍n搴播越n蜒零一 第2 章t l k 2 1 型高空作业车系统设计 表2 - 3 液压系统主要元件明细表 t a b 2 3t h em a i nc o m p o n e n ts p e c i f i c a t i o no f h y d r a u l i cs y s t e m 名称规格 数量备注 油箱无1 自制 发动机 4 0 1 2 b g nl东风朝柴 齿轮泵c b z 2 0 5 0 ，2 0 3 2 l 济南液压泵 单向阀s 1 5 a 1 2 bl华德液压 手动换向阀e b m l 2 g y t ( 联)l榆次液压 电磁换向阀4 w e l o g 3 1 b ，c g 2 4 2 4 l 华德液压 马达k c - k 3 8 c n - b r n f2s a u e r d a n f o s s 减速机c d t 2 0 5 l2b r e v i n i 梭阀w v l 0 s2h a w e 分流集流阀 t q 4 p - a 4 lh a w e 节流阀 d v p 6 s 1 1 0 bl华德液压 手动换向阀3 w m m l 0 a 1 0 b f2华德液压 平衡阀 f d l 2 p a l 2 b ，b 3 04华德液压 液控举向阔s v l o p a l - 3 0 bl华德液压 平，衡阀 d c l o p 2 1 0 b 3 1 52华德液班 压力传感器5 1 1 9 4 3 0 0 3 5 4 2 2h u b a 【廿】转屿达 x m - f 4 0 ll扁东申力 回转减速机 h e 2 5 0 0l泰安泰山榀神 比例多路阀p s l 3 1 ，2 5 0 - 3 - + - e l g 2 4 l i a w e 压力滤油器 p l f h 1 1 0 5 p l黎明液压 冷却器 s o d l i lo l a r e i 口1 油滤油器 r f a 1 6 0 5 f - y 1黎明液压 空气滤清器p a f 2 0 0 7 - 0 4 5 i o fl黎明液压 溢流阀d b l 0 - 2 5 0 b ，3 1 5l华德液压 双平衡阀0 84 40 7 0 3 0 2 3 03o j l c o n t r o l 双被控单向阀 0 5 5 30 2 - 0 0 - 0 3 0 12o | l c o n t r o i 平衡阀0 8 4 52 0 一0 3 - 0 2 3 5lo i l c o n t r o l 啦向阀s 1 5 a 5 2 bl华德液压 1 7 燕山大学丁学硕上学位论文 2 3 2p s l 型比例多路换向阀组功能原理 2 3 2 1比例多路换向阀组简介从高空作业车的液压系统图2 3 中可以 看到，行走马达、变幅油缸、伸缩油缸，回转马达、摆动油缸，采用p s l 型负载敏感式比例多路换向阀组3 5 控制，该阀组是由连接阀片3 5 a 、比例 流量控制阀片3 5 b - , - 3 5 f 和终端阀片3 5 9 组成。该阀组直接连接于系统的 定量泵不需另外设置溢流回路就可以实现对同时动作的、多个负载不同的 执行元件的比例恒流量控制，每个负载执行元件的流量只与比例换向阀本 身的控制信号有关，与负载的大小、变化量没有关系，因此称之为负载敏 感式比例多路阀，该阀具有如下特点： ( 1 ) 无级调速，与负载变化无关。 ( 2 ) 多执行元件组合动作，满足多个执行元件同时动作。 ( 3 ) 提高液压系统效率，减少发热。 ( 4 ) 良好的减震性能，使系统运动平稳。 ( 5 ) 高集成性，节约安装空间，减轻整机重量。 ( 6 ) 高可靠性，对环境适应能力强。 2 3 2 2 恒流量控制原理恒流量控制的目的是能够与其变化的负载无关 的控制执行元件的流量，该流量应该保持恒定，或者是按照一个任意的比 例控制信号以最小的滞后进行变化。这就需要一个控制机构( 三通流量调节 阀) 使流量与变化的负载持续的匹配该控制机构的一侧持续作用着负载信 号和一个弹簧力，另一侧作用着系统压力。这种方法是根据负载的情况将 泵的剩余压力( 控制压差p ) 与弹簧力相互作用，从而确定了三通流量调节阀 阀芯的浮动位置，其原理如图2 7 所示，图( a ) 是用元件符号表示的原理图， 图( b ) 是实际的结构图。 之所以称之为三通流量控制法是因为该阀有一个进油口两个出油口， 一个出油口为负载供油，另一个出油口将多余流量分流回油箱。三通流量 控制阀位于连接阀片a 中，通过每个比例流量控制阀片上的梭阀3 将控制 阀片中负载的最高压力p ，引入到三通流量控制阀的阀芯2 的左端，系统的 压力p 。通过阀芯内的截留口引入到阀芯的右端，当系统工作时阀芯2 处于 第2 章t l k 2 1 型高空作业车系统设计 平衡状态，即p 0 = p k + p l ，其中p k 为弹簧作用在阀芯上产生的压力。因此 可以得到作用在滑阀阀芯l 上的压差为p 0 - p l = p k ，由于p k 近似为恒定值， 所以滑阀阀芯1 上的压差基本恒定，与负载大小无关，仅与弹簧的调定压 力有关。因此供应负载的流量仅与滑阀阀芯的开口大小有关，实现了与负 载无关的恒流量控制。 1 滑阀阀芯2 三通流量阀冈芯3 般阀4 二通流量阀 ( a )( b ) 图2 7 三通流量控制阀原理 f i g 2 7 p r i n c i p l es c h e m eo f f l o wc o n t r o lv a l v e 2 3 2 3 独立负载控制原理独立负载控制的目的是确保多个不同负载的 执行元件同时工作时，阀组中的各比例换向阀片可以互不影响的在不同的 负载压力下同时工作，而每个比例换向阀片的控制流量只与其比例控制信 号有关与其负载无关。为了实现这一控制机能，必须在阀片之间进行补偿。 对于不同压力负载的执行元件来说，补偿阀应该自动实现不同的压力需求 补偿。由于该压力补偿阀为一进一出两个油口，故称之为“二通流量控制 阀”，其原理如图2 _ 8 所示，图( a ) 是用元件符号表示的原理图，图( b ) 是实 际的结构图。 二通流量补偿阀位于比例流量控制发片b 、c 内，通过每个比例流量控 制阀片上的梭阀3 的选择作用，使系统的最高压力p o 由压力最高的负载决 定。对于负载压力p 。低于最高负载压力的阀片，通过将负载压力引入n - - 通流量控制阀的阀芯2 的右端，将滑阀阀芯l 高压侧的压力p 2 通过阀芯2 1 9 燕山大学t 学硕上学位论文 内部的节流口引入到阀芯2 的左端，使阀芯2 处于平衡状态，同三通流量 控制阀的原理相似，滑阀两端的压力为近似恒定的弹簧的调定