（机械电子工程专业论文）扫洗机液压系统全性能分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 扫洗机主要用于城市道路的清洁，集行走、扫地、洗地、吸尘、吸水于一体， 自动化程度与工作效率均高于传统的清洁设备，有望成为未来市场的主流产品。 目前中小型的扫洗机整机采用静液驱动，机型更小，效率更高，因此，对扫洗机 液压系统的分析和研究成为扫洗机研究中的重要课题，为扫洗机的设计和实际应 用提供参考。 扫洗机的综合性能指标以作业质量为主，而作业质量的稳定性受行走系统影 响最大，故本文以行走系统的研究为重点。 首先，对扫洗机的功能和分类进行了阐述，并对扫洗机的整体结构、计算机 测控系统和机械、液压系统逐一进行了剖析。 其次，针对扫洗机作业特点，通过对目前工程车辆上常见的发动机控制形式 和行走系统静液驱动形式进行比较，在优先考虑作业质量的基础上，确定发动机 恒转速控制和变量泵一单定量马达控制方案； 再次，在运动学、动力学和牵引特性分析的基础上对行走系统进行了参数匹 配，并对发动机、泵、马达等关键元件进行了选型和校核；由于容积效率影响行 走系统的速度输出和稳定性，机械效率影响带负载起动能力，最终影响作业质量， 因此本文对液压元件的容积效率和机械效率也进行了研究。 最后，为深入研究行走系统的响应速度，建立了该系统的数学模型，探讨了 系统内部参数对其响应速度的影响，并通过a m e s i m 仿真进行验证。还通过仿 真得到了外部参数对扫洗机动态特性的影响规律。最终结合工程实际应用，提出 了提高系统响应速度的具体方法。 关键词：扫洗机，行走系统，匹配，效率，速度特性 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s c r u b b e r s w e e p e ri sam a c h i n em a i n l yu s e dt oc l e a nc i t yr o a d ，w i t h t h ef u n c t i o no fw a l k i n g ，s w e e p i n g ，w a s h i n g ，c l e a n i n g ，d u s ta b s o r p t i o n a n dw a t e ra b s o r p t i o n ，h a sah i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n s m a l la n d m e d i u ms c r u b b e r - s w e e p e r sa r es m a l l e ra n dm o r ee f f i c i e n tf o r t h e h y d r o s t a t i cd r i v i n g ；t h e y a r e e x p e c t e dt ob e c o m et h em a i n s t r e a mo f m a r k e t a n a l y s i sa n dr e s e a r c h o nt h e h y d r a u l i c d r i v es y s t e mf o r s c r u b b e r - s w e e p e r a r e h e l p f u l t ot h e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f s c r u b b e r - s w e e p e r t h i sp a p e rf o c u s e do nr u n n i n gs y s t e m ，b e c a u s et h e w o r kq u a l i t yw a st h em o s ti m p o r t a n tp r o p e r t ya n dt h es t a b i l i t yo fw o r k q u a l i t yw a sa f f e c t e db yr u n n i n gs y s t e m f i r s t l y , t h ef u n c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fs c r u b b e r - s w e e p e r sa n dt h e c o m p u t e rt e s t i n gs y s t e ma n dm e c h a n i c a l h y d r a u l i cs y s t e mw a sa n a l y z e d s e c o n d l y , c o m p a r i n gw i t ht h ee n g i n ec o n t r o lf o r m sa n dh y d r o s t a t i c d r i v ew a yc o m m o n l yu s e di nc o n s t r u c t i o nv e h i c l e s ，t h em e t h o do fe n g i n e c o n s t a n ts p e e dc o n t r o l l i n ga n dc o n s t a n tv a r i a b l ep u m p - s i n g l eq u a n t i t a t i v e m o t o rc o n t r o l l i n gw e r ed e t e r m i n e d t h i sc o n c l u s i o nw a sb a s e do nt h e w o r k i n gf e a t u r e sw h i l eg i v i n gp r i o r i t yt ow o r k i n gq u a l i t y t h i r d l y , m a r c h i n gp a r a m e t e r so fr u n n i n gs y s t e mw e r ec a r d e do u t b a s e do nk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n dt r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s e n g i n e ，p u m p ， m o t o ra n do t h e rc o m p o n e n t sw e r es e l e c t e da n dc h e c k e d t h eo u t p u t s p e e da n ds t a b i l i t yw e r ea f f e c t e db yt h ev o l u m e t r i c ，t h eo n - l o a ds t a r t i n g c a p a b i l i t yw e r ea f f e c t e db y m e c h a n i c a l e f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h e v o l u m e t r i ca n dm e c h a n i c a l e f f i c i e n c y o fh y d r a u l i cc o m p o n e n tw a s a n a l y z e d a tl a s t ，i no r d e rt os t u d yt h er e s p o n s es p e e do fr u n n i n gs y s t e m ，t h e l a wo fi n t r i n s i cp a r a m e t e r sa f f e c t e dr e s p o n s es p e e dw a sa n a l y z e da f t e rt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d t h el a ww a sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n 江苏大学硕士学位论文 i na m e s i m m e a n w h i l e ，t h el a wo fe x t e r n a lp a r a m e t e r sa f f e c t e dr e s p o n s e s p e e dw a sa n a l y z e di na m e s i m t h em e t h o dt oi m p r o v et h er e s p o n d i n g s p e e dw a sp r o p o s e df o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s c r u b b e r - s w e e p e r s ，r u n n i n g s y s t e m ，m a t c h i n g ， e f f i c i e n c y , s p e e dc h a r a c t e r i s t i c s ! 1 1 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，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函。 学位论文作者签名：穆指导教师签名：翌确 矽肛年铜厂日 少加年肩厂e i 独创性声明 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。除文中己注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或 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。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 声年6 月歹 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 扫洗机液压系统研究的背景及意义 目前我国各大城市区域面积呈逐年增长趋势，但路面清洁工作与发达国家相 比还非常落后，主要依靠人工完成，自动化水平不高。按目前的城市的发展水平 来看，今后这些工作全由人力来完成不仅是不可能的，而且也是一种非常浪费人 力资源、城市资源的不符合国家可持续发展大战略的方法。机械化作业效果好、 效率高、速度快、好管理，是城市环卫作业发展的必然趋势。 相比于国内现有产品，国际上先进的扫沈工程机械动力的传递形式为液压传 动，整机采用一台发动机，集行走、扫地、洗地、吸尘、吸水于一体，结构复杂， 运动耦合性强。根据国情和市场需求，研发性能先进、可靠性高的扫洗机的需求 日益迫切。 国外的扫洗机理论和技术处于保密状态，而我国在扫洗机这块刚刚处于起步 阶段，理论研究较缺乏。针对国内扫洗工程机械的不足，提高扫洗工程机械的水 平，必须从基础研究着手。据研究，随着机电液一体化在现代设备中的应用，液 压装置在工程车辆中的造价达到了2 0 - 3 0 ，有的甚至超过5 0 【1 1 ，故扫洗机 液压系统的研究对于提高扫洗机的综合性能的提高至关重要。因此，本文所进行 的扫洗机功能、原理剖析，行走系统控制方案的研究、参数匹配、效率分析和动 态特性研究具有积极的意义。 1 2 扫洗机国内外发展现状 1 国外研究现状 近十年来，国外的扫洗机液压技术得到充分发展，特别是扫洗机的静液化得 到充分发展。目前对于扫洗机研究的主要公司有美国的t e n n n a n t 、m i n u t e m a n 公 司，丹麦的n i l f i s k ，德国的h a k o m a t i c 等公司。国外的扫洗机呈以下特点： a 底盘有两种形式：一种是利用通常标准汽车底盘改装，这样可以利用原 车的传动系统、悬挂系统、转向系统、电器设备等，清扫系统按底盘尺寸和性能 进行设计；第二种形式是中小型的扫路机，它脱离了传统的汽车结构布局，底盘 形式是根据扫洗机的需要设计的，动力传递形式为液压传动，整机只有一台发动 机。 1 江苏大学硕士学位论文 b 扫洗机的静液化得到充分发展。中小型的扫洗机整机采用静液驱动，整 机更小，效率更高。静液驱动采用泵马达闭式回路，通过对泵的控制可实现无 级变速。另外，由于工作装置和行走系统均为液压驱动，发动机输出功率可在工 作装置和行走系统之间合理匹配，避免了发动机过热、过载情况的发生。 c 大多数的扫路机采用洗、扫复合式的工作原理，集成了扫地机和洗地机 的功能。另有相当一部分的扫路机采用湿式除尘方法，把水洒到地面上，除去气 流中的灰尘，而且垃圾中的水可以和垃圾分离，再次进入喷雾除尘系统。 2 国内发展现状 与国外相比，国产扫路机技术还存在不小差距。国内中小型扫路机功能上现 在仅有单纯的扫地功能和洗地功能，集成化程度不高；在结构上主要采用电力驱 动，目前仅有中联重科的s h z l 8 a 、s h z 2 2 扫路机采用部分液压驱动。大型产品 所占比例不大，产品品种较少，产量也较低。我国的扫地机在清扫效率、清扫能 力、除尘效果、噪声、废气排放、可靠性、舒适性、自动调整等方面仍存在较大 的差距。 3 扫洗机发展趋势【1 】 在发达国家的扫路车市场上，中小型全液压扫洗车的数量远远高于严。车底盘 改装车的数量，这主要因为发达国家路面较清洁，垃圾为生活垃圾，垃圾量也较 少。随着我国经济的发展，城市垃圾成份的单一化，中小型全液压扫路车的使用 比例将迅速增加。中小型全液压扫路机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，驾驶室视野好等优点，备受用户青睐，因此， 有望成为未来市场的主流产品。为适应市场发展的需要，对中小型全液压扫路车 的研究工作己刻不容缓。 1 3 扫洗机的技术特征及技术难点分析 1 技术特征 a 综合性：扫洗机系统集中了机、电、液、水、气、车辆工程等相关技术， 还涉及到计算机测量、机电系统故障诊断。控制技术作为整个系统的纽带，技术 本身涉及到多个技术领域，具有很强的综合性。 b 集成性：首先，多种技术围绕着地面快速扫洗这一具体任务进行了有机 融合，并不是单一技术的叠加，技术密集。其次，作为工程车辆，机、电、液、 江苏大学硕士学位论文 气、水相关的硬件集中在有限的空间，在空间位置上高度集中，所以集成度很高。 c 技术的继承性：样机的生产商一美国坦能公司是一家长期生产路面清扫机 械的国际跨国公司，多年来在技术开发、产品开发、专利申请等方面有着长期的 积累，目前的技术和产品是多年技术不断更新、工艺经验不断积累的结果，在技 术上有雄厚的基础和继承性。 d 知识产权保护：国外公司产品每升级换代一步都有相应的专利申请来维 护自己的知识产权，而且就每一个专项技术都有专利的申请，技术及技术储备不 仅起点高，而且做到了精益求精，知识产权保护体系比较完善。 e 集多种高新技术为一体：从整个清扫机的来看，整体技术基于多项专利 技术，具有很高的技术水准，以控制技术、计算机测控技术为纽带的机、电、液、 水、气系统的协调工作以及工作过程中的故障报警、故障诊断都代表着当今机电 技术发展的新成果。像真空吸尘中的液体回收、固液分离都代表着路面清扫技术 的最新成果和发展方向，技术水准高，技术方案新颖。 2 关键技术描述 a 驱动与控制技术：驱动系统的原动机为汽油机，传动系统以液压传动为 主，电气传动为辅，需要驱动的有多个旋转、直线运动的机械单元，包括清水、 污水输运、垃圾扫除、抽取输送部分等。由于扫洗机会处于不同的工作模式，不 同模式下各部分的运动控制的协调不仅要了解整个扫洗机的原理和工艺，更主要 的是要将各部分的驱动及控制融入到主机的大框架中。因此，机电、液、气、水 系统的驱动与控制是整个扫洗机协调工作的重要环节。 b 真空固、液分离技术：扫洗机的工作质量在很多程度上与抽真空密切相 关，该系统要在不完全密封状态下达到一定的真空度，以便水分、垃圾的吸取， 并将液体与垃圾分离，而该真空度的产生与车辆的行驶速度、地面的形貌、垃圾 的形式以及围裙、吸水扒与地面的接触力有直接关系，而且在许多情况下具有随 机性。 c 清水喷洒及污水回收技术：在洗扫过程中，清水喷洒不仅有流量的控制， 也有喷洒方式、喷洒部位的选择，应以尽可能少的清水损耗来完成洗地作业，控 制方式要极其精细。污水回收的技术难度就更大，分散的污水通过吸扒回收后进 入污水箱，需要深入研究分散液体在较低压力下的回收机理和过程，在技术上具 有较高的难度。 江苏大学硕士学位论丈 d 系统的故障诊断技术：故障诊断的基本思想是用不完整的信息获得相对 正确的结果，完成这一工作不仅要有计算机测控硬件的支持，还要有反映诊断思 想的软件程序以及相应的信号处理程序和手段，更要有对整个洗扫机工艺流程的 精确把握。所以对整机的主要故障的诊断涉及到多个学科和技术分支。 e 材料及材料成型：在工作过程中无论是清扫还是洗刷，都有相应的材料 与地面在较高的压力下产生持续的高速运动，从短期看会影响到扫洗性能，从长 远看，会影响到整个设备的寿命。 1 4 变速器的分类及优缺点 根据变速器的传动形式，变速器可分为有级变速器和无级变速器，具体分类 见图1 1 。 变速器 无级变速器 有级变速器 机械式 电动式 r 胶带式 带传动式 金属带式 【- 链式 牵引传动式罢茎茎筒式 l 滚珠式 流体式 二二二。静液驱动， 图1 1 变速器的分类 有级变速器结构简单、易于生产、工作可靠、成本低廉、效率高而稳定，至 今应用最为广泛。但配备这种变速器的车辆需要频繁换挡变速以满足整车动力性 要求，劳动强度大，作业效率低，换档操纵频繁，很难保证发动机始终工作在最 佳动力性或最佳经济性工作状态【2 】【3 j ，换档时会中断动力且产生摩擦功率消耗， 严重制约了车辆性能的提高。此外，挡位的有级变化不能与循环作业工序中波动 剧烈而周期短暂的负荷要求实现最合理的匹配，因而无法保持车辆在最佳状态工 江苏大学硕士学位论文 作，综合性能指标将降低【6 】。 无级变速器可以有效地解决有级变速器存在的一些问题，其操作方便，降低 了操作人员的劳动强度；可以控制发动机的转速在小范围变化而车速在较宽的范 围内变化。能使发动机的工作状态比较稳定，使工程车辆保持在较适宜的状态【3 】 【6 】。因此，扫洗机行走系统采用无级变速器。 无级变速器主要有以下四种方式，即流体式、机械式、液压机械式和电动式。 1 机械式 结构简单、工作可靠、成本低、稳态传动效率高并可利用柴油机运动零件的 惯性进行作业。但一般只能进行有级变速，并且布局方式受到限制，司机劳动强 度高。因此，机械传动适用于行驶阻力比较稳定的连续作业机械【1 1 】。 2 电动式 电动式以电流输出电机以驱动工程机械，动力装置和车轮之间无刚性联系， 便于布局；电动式结构简单、尺寸小，但它的功率密度低、成本高( 比机械传动 高2 0 左右) 。目前仅用于大功率的自卸式载重汽车及轮式装载机上。 3 流体式 流体式可分为液力式和液压式。 a 液力式 具有分段无级调速能力；输出轴和输入轴之间没有刚性的机械联系，减小了 传动系及发动机零件的冲击、振动；变矩器的功率密度大而负荷应力较低；成本 低。这些特点使它广泛应用于大中型铲土、起重、运输等工程机械中。 液力传动存在很多缺点：加速性能较差，不能利用发动机制动；液力传动缺 乏固定速比，不能准确调速；起动力矩小，低速传动效率低：高效区范围低于液 压传动；传动效率随着调节范围的扩大而迅速降低；变矩器不能反转，倒档需采 用机械传动，会引起换挡时的动力中断；布局受限【1 1 】。 b 液压式 作为一种比较理想的无级调速装置，广泛应用于工程机械中，其主要依靠液 体压能的变化来传递或变换能量。液压传动可控性好，而且，液压系统具有容易 实现正反转、能防止发动机超负荷等一系列特点，所以使传统的靠操作者经验和 感觉来进行的人工操纵节气门踏板和变速杆的操作大大简化了，并且使机械的性 能和作业效率都大大提蒯6 】。液压式单位质量输出功率大，容易获得较大的驱动 江苏大学硕士学位论文 力和驱动力矩；液压元件成本较高，但其效益足以补偿由于采用液压传动引起的 制造成本的提高( 液压元件的价格较前已大大降低，再辅以合理的系统设计，成 本不一定增加) 。 4 液压机械式 液压机械传动是液压传动与机械( 非摩擦式) 传动的结合，相当于液力变矩 器与机械传动结合组成的液力机械传动【6 】。 液压无级变速的传动效率较高，因其大部分功率通过机械元件传递，液压部 分只承担较小的功率；通过液压元件的排量来实现调速比调节，调节方便、简单， 可靠性高；适用于大功率系统，但调速比不能过大，结构比较复杂，对制造精度 要求较高，成本高。 综合比较，液压无级变速操纵简单，可控性好，驱动力和力矩较大，故扫洗 机行走系统采用液压无级变速。 1 5 液压无级变速方式原理及国内外研究现状 实现液压无级变速的方式主要有两种，即节流变速式和容积变速式。节流调 速式存在较大的溢流损失和节流损失，效率较低，一般应用于小功率、轻载或低 速的中、低压系统；容积调速回路机械特性较好，调速范围较大，功率高，发热 小，因此工程车辆中通常采用的是容积调速式。其主要由液压泵与液压马达构成， 它是利用工作腔的容积变化来工作的。液压泵将发动机输出功率变为工作油压并 由控制组件及管路将其输入液压马达。其工作油压p 驱动车轮，系统p 的大小取 决于负载，车辆速度的变化取决于系统流量q 。其较大的调速比范围可以适应机 器在作业工况的负载波动而无须机械变速的切换操作；可前进、倒退、驱动、制 动四个象限内平稳过渡；其对波动剧烈、变化幅度较大的动态负荷之间有着较好 的适应性；在高效区无级调速范围较大且容易控制；液体组件间用管路连接，便 于总布置实现合理布局。另外，尽管由于泵和马达的成本较高，但采用静液驱动 减少了系统辅件的成本，整机系统成本反而有所降低。因此，近年来在工程车辆 上，特别是推土机、装载机、扫洗机等工程机械上获得了应用。 零部件方面，国外已有大型的液压公司有相应产品提供市场，如b o s c h 公司 4 v g 系列泵和a 6 v e 系列马达、e a t o n 公司的7 0 3 6 0 系列泵和v i s 系列马达。目 前国内容积调速产品输出速度随外载荷的变化波动较大，不适合需要稳定输出的 江苏大学硕士学位论文 场合，并且目前该类产品容积效率较低，承载能力较低。另外，该类型的液压无 级变速器转子与定子目前采用固定式结构，使传动过程中配流轴所受不平衡径向 力较大，易于损坏，使变速器的工作寿命和可靠性受到影响，故此类液压无级变 速器只能适合于轻载非连续工作场合。相对于国外，国内产品差距较大。 我国在静液驱动理论方面的研究比较缺乏。国内对其工作机理，参数设计计 算和结构设计的系统研究较少，所以对我国静液驱动产品的研制和应用带来不少 困难，导致其发展缓慢。 1 6 课题的提出 我国对于全液压扫洗机的研究还处于起步阶段，没有形成比较完整的理论体 系和研究方法，研究手段比较单一，国内公司也无相应产品提供市场。根据国情 和市场需求，研发性能先进、可靠性高的扫洗机的需求日益迫切。针对国内相关 资料较为缺乏的现状，本文以国外市场上主流扫洗机为例，就扫洗机的功能进行 剖析，对其主要的机械结构和液压系统进行分析，为国内的相关研究提供参考。 作业质量指标作为扫洗机综合性能中最重要的性能指标，而作业质量的稳定性受 行走系统影响最大，故本文的研究重点为行走系统。发动机的控制形式、行走液 压系统的驱动形式、系统的参数匹配、容积效率、机械效率、动态特性都影响扫 洗机的作业质量。因此，需对这些影响因子进行选择、分析和研究。基于以上原 因提出本课题。 1 7 论文研究的主要内容 1 对扫洗机的功能进行剖析，对主要的机械结构、液压系统进行分析；绘制 扫洗机液压系统原理图； 2 对目前工程车辆上常见的发动机控制形式和行走液压系统系统驱动形式 进行比较，结合扫洗机特点，选择适合于扫洗机行走系统的发动机控制形式及行 走液压系统驱动形式； 3 在对行走系统运动学、动力性、牵引特性分析的基础上，对行走系统进行 参数匹配；对驱动系统进行元件选型和校核；对液压元件的容积效率、机械效率， 行走系统的总效率和牵引特性进行分析研究； 4 建立行走系统的数学模型，分析行走系统的速度特性，探讨了系统内部参 江苏大学硕士学位论文 数对其响应速度的影响，并通过a m e s i m 仿真进行验证。还通过仿真得到了外 部参数对扫洗机动态特性的影响规律。最后，结合实际应用，提出提高系统响应 速度的具体措施。 江苏大学硕士学位论文 第2 章扫洗机功能剖析 2 1 扫洗机基本功能及分类 1 作业功能 扫洗一体机传递形式为液压传动，整机采用一台发动机，集行走、扫地、洗 地、吸尘、吸水于一体，结构复杂，运动耦合性强。其扫洗作业功能如图2 1 。 图2 1 扫洗机作业功能 2 扫洗机子系统及构成 扫洗机由车身及驾乘系统、动力系统、扫洗及扫洗机构、垃圾真空收集与除 尘系统、洒水系统、污水的真空吸附与除雾系统、升降机构、控制机构和其它机 构组成。其详细的子系统及构成见表2 1 。 表2 1 扫洗机的子系统及构成 主要结构 组成 车身及驾乘系统底盘三轮或四轮结构 动力系统电瓶或柴油动力装置、电机或液压驱动系统 清扫及扫洗机构主刷、边刷 垃圾真空收集系统垃圾箱、真空风扇、垃圾过滤装置 “ 江苏大学硕士学位论文 除尘系统真空吸尘 洒水系统水泵、喷嘴、管路 吸水扒、污水箱、清水箱、真空风扇、除雾集水通 污水的真空吸附与除雾 道、过滤网 主、边刷升降装置、吸水扒升降装置、垃圾箱提升 升降机构 机构 控制系统微电脑、操纵按键、显示屏、传感器、继电器等 其它结构车灯、清洁剂加注装置、防碰撞机构等 2 2 扫洗机结构 扫洗机采用毛刷清扫扫洗，利用真空吸附作用收集垃圾和和扫洗液。其作业 过程为：风机运转过程中，在其入口处产生负压，负压逐级传递到吸尘口。由于 吸尘口的内外压力差，空气从外部进入到吸尘口内，在气流和压力的双从作用下， 固体颗粒和空气的混合物，从吸尘口沿着导管进入一级沉降箱。气流进入沉降箱 后由于截面积突然加大，气流速度降低，粒径较大的颗粒得以沉降下来，粒径较 小的颗粒会和气流继续一起向风机的管路方向运动。经过一些过滤设备如旋风 筒、滤袋、滤筒等，细小的固体颗粒也被过滤掉，只有纯净的空气经过风机排出 到空气。这个过程就起到清除地面尘土和排放清洁空气的作用。全车主要由动力 系统、车身及行驶系统、清扫扫洗机构、真空吸附系统、垃圾收集装置、水循环 系统、控制系统等组成，图2 2 为扫洗机结构示意图。 车身方自盘发动机座符燃油箱机油箱真空风魔涪水箱污水箱后挂絮 图2 2 扫洗机结构示意图 江苏大学硕士学位论文 扫洗机系统是集自动控制技术、传动技术、计算机控制技术、机械工程技术、 传感技术、车辆技术等为一体的典型的机电一体化系统，具体涉及到以下系统： 计算机控制系统，发动机系统，液压系统，机械位置系统，真空系统，水系统， 行走系统，电气系统等。这些不同技术领域的单元技术在计算机的控制下，根据 自动控制原理的构思，以传感器为信息传递通道，以液压传动和电传动为动力传 递方式，通过机械机构来实现复杂的扫洗功能，并具有一定的智能来完成工作过 程中的状态监控和故障诊断。图2 3 为扫洗机总体构成框图。 图2 3 扫洗机总体构成 2 2 1 计算机测控系统 测控系统的主要测控对象为发动机、液压系统、真空系统、水系统、机械系 统、行走系统、报警系统等，测量和控制的参数包含运动、状态两大类，主要有 运动速度、位置、流量、温度，液位、压紧力等，测量除为控制提供信号外，还 作为故障的检测及报警的信号源。所控制的物理量有开关量，控制量以开关量为 主，也有模拟量。因此测控系统是以计算机硬件、接口、功率放大、信号转换、 各类传感器为载体，配以相应的软件的计算机测控系统。 1 测量信号及软件 a 故障报警与指示：扫洗机的故障经信息提取、智能评判后以数字代码的形 江苏大学硕士学位论文 式显示在计算机的液晶显示屏上，关键单元可设置声、光报警。 b 系统监视与自检：用于高级操作者访问配置和诊断摸式，是以故障诊断 的阈值设定和知识库为核心的软、硬件单元。 c 工作灯、危险信号灯、警告灯，开关、模拟测控单元。 d 记忆存储：燃油剩余量、工作时间、工作参数可通过传感器传入计算机， 并予以记忆存储。 2 控制参数 测控软件模块一吸尘真空度控制i e ：。矗 l = j ，j 、：，v l ，x 】工r 0 计 模拟蕾测控 一喷水流量控制l 算 机 测 开关量测控 一誓涤剂流芋孥到 控 系 统 工作方式切换 一主最劳型翥_ | 硬 件 一嘉遗嫠裂磊l 厂故障诊断一- 1 一麓辫l 信息储存及处理 一警示系统控制l 图2 4 计算机测控系统框图 图2 4 为计算机测控系统框图。 a 在自动扫、洗地模式下：此时的控制系统要与车辆行走、水、真空、液 压等系统的参数相关、协调，调试完成后应有一个稳定的工作点对应较优的扫、 洗地工况。 b 在普通洗扫、泡沫洗扫、扩展洗扫等不同的洗地、扫地模式下，控制系 统将向不同的控制参数进行切换，参数以软件的形式存在于计算机内部，操作者 根据需要进行控制策略的切换。 c 清水流量的控制是通过对水泵的驱动马达的有级调速来实现。 d 主刷着地压力通过分级位置、力控制来实现重扫和轻扫。 e 工作参数具有记忆功能：当某种工作状态完成，其工况参数储存在计算 江苏大学硕士学位论文 机中，作为下一次操作的默认模式。 2 2 2 机械传动与液压系统 1 发动机系统 发动机功率的大部分用于驱动多联液压泵，液压泵提供的动力源向以下几部 分分流：a 连续工作机构：该机构包括：主、边刷旋转驱动马达，行走液压马达 以及转向器系统。若转向系统无优先阀时，行走系统需要独立油源及一补油泵， 其余工作机构通过双联泵另外获得动力。b 间歇工作机构：包括裙边升降，主、 边刷升降，垃圾箱升降，吸水扒升降，这些系统在扫、洗地开始前或结束后进行 工作，到位后立即停止，其需要的油液可以由其它泵取出，无须单独供油。 此外，发动机通过皮带驱动交流发电机向照明及相关系统供电，并向蓄电瓶 充电，电气系统用于泵的直接驱动和阀的先导驱动，由蓄电瓶提供或通过整流电 路来提供低压电。图2 5 为动力系统原理图。 液压泵组 发动机发电机 一 m 图2 5 动力系统原理图 2 行走、转向、制动系统 扫洗机行走系统采用液压静液驱动直接驱动驱动轮，这是一种比较理想的无 级调速装置。静液驱动较大的调速比范围可以适应扫洗机在作业工况的负荷波 动，目前通用型液压元件的性能、可靠性、成本已完全满足扫洗机的要求。行走 系统部分将在第三章作详细讨论。 车辆行走时，转向运动是最基本的运动。转向系统主要由方向盘、全液压转 向器、转向油缸和油源组成。司机通过方向盘带动全液压转向驱动转向油缸来操 纵和控制扫洗机的行驶方向，从而实现操纵者的行驶意图。转向器总成由转阀、 计量马达、安全阀及单向阀等部件组成。图2 6 为转向液压原理图。当转阀处于 中立位置时，来自液压泵的高压油经过转向器后返回油箱，液压泵卸荷。转向油 缸以及计量马达两侧油腔里的油液都处于封闭位置，从而保证了车辆的直线行 驶。当车辆需要改变行驶方向时，操作方向盘带动转阀向左或者向右转向。如果 是左转向，则通过方向盘使转阀转到图2 6 中左的油路位置，此时高压油经过转 江苏大学硕士学位论文 阀后进入了计量马达的右腔。马达的转子开始转动，另外一侧的压力油则通过转 阀中相应的油道进入转向油缸中的相应油腔，从而推动活塞杆工作，同时油缸另 一侧的油液通过转向器中的相应油道返回油箱，达到转向的目的。而此时计量马 达转子转动的方向和方向盘是一致的，当方向盘停止转动的时候，转阀阀芯也停 止转动。由于计量马达的转子带动阀套一起转动，从而消除了转阀中的阀芯和阀 套之间的相对转角，使得转阀又处于中立位置，整个转向机构停止转向。当液压 泵不工作时，如果需要转向，则操作方向盘通过转阀带动计量马达，此时的计量 马所起的作用相当于手动油泵。不断转动方向盘，系统中的液压油在计量马达、 转阀、转向油缸等所形成的油路中不断循环，从而达到手动转向的目的。 车辆刹车系统采用机械毂制动方式，停车制动与行走制动混用，两个后轮各 有一个制动毂，制动毂的控制通过脚踏板进行。停车制动和行走制动实现常闭、 常开制动。制动系统采用电控式。图2 7 为行走、转向、制动系统结构图。 1 转向油缸2 单向阀3 溢流阀 4 计量马达5 转阀6 单i 柚阀7 安令阔 8 单向阀9 油泵1 0 粗滤油器1 1 油箱 图2 6 转向液压原理图图2 7 行走、转向、制动结构图 3 抽真空吸水吸尘系统 真空泵系统采用齿轮马达驱动的旋片式真空泵。真空泵的真空抽取回路通往 以下几路：1 ) 主刷上部局部空间2 ) 边刷上部空间3 ) 吸水扒的吸水材料上部。 1 ) 、2 ) 两部分通过裙的包围在清扫刷扬尘空间形成局部真空，被抛起的纸屑、 粉尘通过抽吸送入垃圾箱。3 ) 中的脏水回吸通过在吸水扒的局部空间形成真空 导致吸附物质中的脏水汽化，最后再凝结回收到污水箱。图2 8 为真空泵系统原 理图。 江苏大学硕士学位论文 图2 8 真空泵系统原理图 4 边裙、吸水扒升降系统 a 吸水扒上升与下降是由四连杆机构产生的平动，在机械弹簧和液压缸的驱 动下升降，与地面间的接触力和密封状态由液压系统控制。 b 两侧裙边与地面的接触及密封，也是由连杆机构构成的平动机构，升、降 和密封的驱动也是由液压系统和复位弹簧联合作用的结果。图2 9 为吸水扒和 围裙运动机构原理图。 图2 9 吸水扒和围裙运动机构原理图 5 主刷旋转、升降系统 主刷的升降及旋转：两主刷在的运动分为主刷旋转和主刷系统的垂直升降， 两主刷同装在一个机械固定架上，机架的垂直运动也是由上而下的平动，为了保 证主刷与地面的良好接触，主刷应具有定位功能，其驱动方式也是机械弹簧和液 压缸联合驱动。盘刷的升降是由于盘刷清扫时需要盘刷触地，而清扫结束后为不 影响车辆的行驶通过性需要将其升起。主刷的旋转是由两个液压马达独立驱动， 主刷的滚筒相向旋转，将垃圾从地面扬起，使其进入真空吸尘区。图2 1 0 为主 刷的升降及旋转系统运动机构原理图，图2 11 为主刷清扫及真空吸附原理图。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 0 主刷的升降及旋转系统运动机构原理图。 图2 1 l 主刷清扫及真空吸附原理 6 垃圾箱升降、箱门启闭系统 垃圾箱的收放，垃圾袋装满后应将垃圾运往垃圾堆放场，打开垃圾箱盖，将 其倒掉，垃圾倒完后，垃圾箱归位，在机械上主要是盐柄一摇杆机构和相应的机 械限位装置，运动的原动力是由液压缸提供。图2 1 2 为垃圾箱运动机构原理图。 箱盖起闭 图2 1 2 垃圾箱运动机构原理图 7 边刷摆动、升降、旋转系统 江苏大学硕士学位论丈 边刷的旋扫运动及升、降运动。旋转运动的边刷由液压马达驱动，机构立式 放置，整个系统的升、降由液压缸和机械弹簧联合驱动，边刷裙的升降与边刷的 整体升降是同步的。与地面的接触力及密封效果通过机械系统、液压系统联合作 用获得。图2 1 3 为边刷的升降及旋转系统运动机构原理图。 图2 1 3 边刷的升降及旋转系统运动机构原理图 8 其余部分 清洁剂输送系统：向洗地终端供清洁剂，清洁剂输送泵排量极小。清洁剂泵 由直流电动机驱动。图2 1 4 为清洁剂输送系统原理图。 图2 1 4 清洁剂输送系统原理图 清水泵向工作地面喷洒清水，供水量为高、低两种工况，清水泵由双速直流 电机驱动。图2 1 5 为清水输送系统原理图。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 5 清水输送系统原理图 9 液压系统 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，另有部分执 行机构由电机提供动力。根据前面对扫洗机的机械机构的分析，液压系统原理 图可细分为如图2 1 6 的几个部分： 厂、 i f ，k 厂、 电 唯j u ，飞液 u 控 甘q 卜 n 生i厂t _ 叫 u 巾i j ii一 单 型y ( 卜 j 兀 j 寸芒手 1 e 二寻 _ j 一 广了h 1 一 行走、转向一：甘 控制单元厂孓 i r 图2 1 6 液压传动与控制系统原理图 a 真空泵驱动：通过两液压马达分别驱动吸尘真空泵和吸水真空泵； b 边裙升降和吸水扒升降：通过两个液压同步，实现连个边裙同步升降。通过 独立液压缸实现吸水扒升降； =一：=： 一一 江苏大学硕士学位论文 c 主刷升降、主刷旋转：通过液压缸上下位置变化带动主刷实现重洗或轻洗。 主刷由液压马达带动实现旋转； d 垃圾箱收放、箱门启闭：通过两液压缸同步完成来实现； e 边刷升降、摆动、旋转：边刷升降、摆动由两液压缸独立实现，边刷旋转由 液压马达驱动。 2 3 本章小结 本章首先对扫洗机的功能和分类进行了分析，然后对扫洗机的计算机测控系 统和机械、液压系统逐一进行了剖析。通过剖析，对扫洗机的功能有了充分的理 解和认识，能够在整体上把握扫洗机的性能、特点，为对扫洗机的进一步研究打 好基础。 江苏大学硕士学位论文 第3 章发动机控制形式及行走液压系统驱动形式 扫洗机的性能指标分为动力性、经济性、可靠性寿命、作业质量、作业生产 率、成本，其中以作业质量指标为先。欲对行走系统进行参数匹配，则必须先确 定以下两问题，即发动机的控制形式和行走液压系统驱动形式。本章根据扫洗机 作业特点，在优先考虑作业质量的基础上，对目前工程机械上常见的发动机控制 形式和行走液压系统驱动形式进行比较后，确定二者的最终形式。最后，结合第 二章部分，进行整机的液压系统设计。 3 1 扫洗机动力传递路线 根据图2 3 扫洗机总体构成原理框图和图2 5 动力系统原理图可知，扫洗机 除行走系统还有扫、洗、吸等作业系统，发动机与行走系统之间并不是全功率匹 配。 丽匿 图3 1 扫洗机动力传递路线 扫洗机设计时需考虑如下性能【6 】： a 动力性：任一转速下，发动机的功率应充分利用，液压元件性能应充分 发挥。 b 经济性：任一转速下，发动机应具有较低的比油耗，液压系统有较高传 动效率； c 可靠性寿命：在工程车辆负荷形态下，液压元件寿命合理； d 作业质量：此项仅针对非牵引型车辆，指扫洗机处于作业状态时能够满 足扫、洗、吸的质量要求； e 作业生产率：扫洗机作业时，应具有较高的作业质量； 成本：扫洗机在满足上述指标的前提下，应具有较高的性价比。 行走系统的动力由发动机经分动箱分别传递给变量泵、补油泵和辅助泵，变 量泵的压力和流量经液压元件和管路传递给行走马达驱动前轮行走。由前轮作为 江苏大学硕士学位论文 驱动轮带动扫洗机行走。 扫洗机行走系统主要由发动机、液压泵、液压马达和行走机构组成。对这样 的四部分进行控制方式的选择和参数匹配，可使车辆达到最佳综合性能发挥。 3 2 发动机控制形式 要求发动机功率充分发挥且具有最好的燃料经济性，传动系统有最好的效 率，整个车辆有最好的作业质量，其中以作业质量指标为优先指标。扫洗机的大 部分功率通过内部传动系统直接驱动工作装置，发动机与牵引系统为部分功率匹 配，负载工况变化较复杂。扫洗机研究的一个关键问题是如何简单而又适宜地使 发动机保持和传动系同外部负载之间始终保持最合理的匹配，因此选择合适的发 动机控制形式显得尤为重要。由此提出的发动机控制方式如下1 ： 1 恒转速控制 在调速阶段不论负荷转矩如何变化，都维持一定的转速。随着所需功率的减 少，燃料消耗急剧增加( 在万有特性上表现为低负荷点位于高油耗线上) ，某一 给定转速下的功率利用率( 指实际使用功率与相同转速下的所能发挥的最大功率 之比) 也显著降低。 2 换挡控制 根据负荷的变化来适当调节发动机的供油量( 节气门) 和选择合适的挡位来 满足。但是这种有级的速比调节往往会使负荷所要求的功率和转速得不到满足一 一发动机供油量、挡位、负荷不匹配，机器常常处于不合理的运转状态。 3 恒功率控制 当转速给定后，不论外界负荷转矩的大小如何变化，都要将发动机的输出轴 转矩控制为一定值。即通过液压传动系统的变换作用，使发动机在该转速下的定 值转矩适应变化的负荷转矩。由于发动机的负荷率( 功率利用率) 取决于控制系 统的目标值，因此，若正确给定负荷率，使发动机性能不为外界负荷的变化所影 响，功率利用情况最好，动力性、经济性指标最好，液压传动的效率也能提高。 4 变功率控制 根据外界负荷转矩的变化以及功率需求来控制发动机的转速( 有液压传动的 无级调节作用，对任意的外界负荷，发动机在任意转速下都可以适应，但有一可 以使发动机功率得以充分发挥且燃料经济性最好的工作转速) ，保证发动机的功 江苏大学硕士学位论文 率和燃料经济性对于外负荷始终处于最佳状态，并使驾驶员的操作进一步简化。 变功率控制是根据负荷需要选择最优发动机转速、功率，着重点在提高燃料经济 性。 综合考虑，我们选择发动机恒转速控制。扫洗机多系统工作，动作耦合性强。 在各种不同的作业工况下，由于作业质量的严格要求，必须保持扫洗机行走速度 的稳定性。速度的稳定要求以及大功率要求使发动机节气门只能固定在最大转矩 转速一与额定转矩之间且靠近额定转速处。再考虑扫洗机成本及驾驶员操 作简便性，发动机恒转速控制是一个较合理的控制方案。 3 3 行走液压系统方案选择 3 3 1 方案一：流量耦合一次调节( 变量泵一定量马达) 系统 1 变量泵2 补油泵3 溢流阀4 安全阀5 单向阀 6 梭阀7 背压溢流阀8 马达9 粗滤油器1 0 油箱 图3 2 变量泵一定量马达系统原理图 图3 2 为行走液压系统原理图。通过调节变量泵1 的排量来控制马达8 的转 速和旋转方向。变量泵和马达由两根主管沟通，正常工作时，变量泵出口马达进 口间管道为进油管，其压力由负载决定；马达出口变量泵进口间管道为回油管， 其压力等于补油压