（车辆工程专业论文）多轴液压平板车的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 期：望! ! ! 羔! ! 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权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。本人授权武汉理工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、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论 文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录 本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签孙易如导师c 签孙瘦弛期：圳上旧 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济发展与工业进步，工程车辆在现代化建设当中起着越来越重要的 作用，其中多轴平板车在货物和制造设备的运输过程中得到广泛应用。多轴平 板车技术也在计算机、液压、电控技术的发展中日新月异，特别是机电液一体 化的发展更是使平板车走向了智能化、节能化。 本文主要以设计一款液压驱动的多轴平板车为主要内容，对其动力传动系 统进行了匹配计算与选型以期达到设计的要求。首先本文绪论部分介绍了平板 车的发展背景、现状和液压系统的特点、现状以及优势等，对以液压系统为驱 动的多轴平板车的关键技术进行了总结。接着本文着重分析了发动机、液压泵、 液压马达之间的功率、扭矩、流量以及压力的匹配，这几个关键参数的匹配的 优劣直接决定了发动机以及液压系统的工作性能和效率，也影响到系统运行的 稳定性和可靠性。 论文的第三章节首先根据设计主要思想即恒功率控制，采用以变量泵、变 量马达组成的容积式闭式液压回路。而两个轮组的四个驱动马达为并联方式。 该液压平板车采用的液压驱动回路可以根据负载及运行工况的变化改变车速， 从而保证发动机的转速和功率的稳定。采用闭式回路和并联的方式可以减少所 需要的传动介质量和保证轮组运转一致性。 液压系统拟定之后，本文通过理论计算推导，根据动力匹配的原则对发动 机、变量泵、变量马达进行选型。本章末尾部分在假设该液压平板车需要载重 6 0 0 t 的货物，为满足行驶工况对其设计一牵引车，并对牵引车的发动机、自动 变速器、主减速器进行了选型与计算。 文章的第四章是对该发动机与变量泵、变量马达组成的液压驱动系统进行 动力学仿真，使用a m s i m 软件进行建模和仿真以检验各部件的运行参数是否满 足设计要求。 最后，本文对该液压平板车的设计过程进行了总结，并对平板车这一行业 进行了展望，希望在国家“十二五”规划的推动下，平板车行业能够快速稳定的发 展。 关键词：平板车，液压驱动，恒功率控制，动力匹配 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n di n d u s t r i a lp r o g r e s s ，e n g i n e e rv e h i c l e sa i e p l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ed u r i n gt h em o d e r n i z a t i o np r o j e c t ，i n c l u d i n g m u l t i a x i sf l a t b e dw h i c hi s w i d e l yu s e d i nt h et r a n s p o r tp r o c e s so fc a r g oa n d m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t s m u l t i a x i sf l a t b e dt e c h n o l o g yi sc h a n g i n gr a p i d l yw h i l e t h e c o m p u t e r , h y d r a u l i c , e l e c t r o n i c c o n t r o lt e c h n o l o g y c h a n g e s ，e s p e c i a l l y t h e d e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ci n t e g r a t i o nd r i v et h ef l a t b e df o r w a r dt ot h e i n t e l l i g e n t ，e n e r g y 。s a v i n g - ht h i sp a p e r , t od e s i g nam u l t i a x i sh y d r a u l i cd r i v ef l a t b e dt r u c ka st h em a i n c o n t e n to fi t sp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n ds e l e c t i o no ft h em a t c h i n gc a l c u l a t i o nt o a c h i e v et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i r s t t h i sp r e f a c ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t b a c k g r o u n do ff l a t b e d ，s t a t u sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cs y s t e ma n do t h e r a d v a n t a g e s ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mw h i c ha st h ek e yd r i v e ro ft h em u l t i a x i sf l a t b e d t e c h n o l o g yi ss u m m a r i z e d t h e nt h i sp a p e ra n a l y z e st h ee n g i n e ，h y d r a u l i cp u m p s ， h y d r a u l i cm o t o r sb e t w e e nt h ep o w e r , t o r q u e ，f l o wa n dp r e s s u r eo ft h em a t c h ，t h i s m a t c ho faf e wk e yp a r a m e t e r sd i r e c t l yd e t e r m i n et h em e r i t so ft h ee n g i n ea n d h y d r a u l i cs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h ee f f i c i e n c yo fa f f e c ts y s t e ms t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y i nt h et h i r ds e c t i o no ft h i sp a p e r ，i tb a s e do nt h em a i nd e s i g ni d e ao fc o n s t a n t p o w e rc o n t r o lf i r s t l y ，t h eu s eo ft h ec l o s e dh y d r a u l i cc i r c u i tt h a tc o m p o s e do ft h e v a r i a b l ep u m pa n dv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tm o t o r t w oo ft h ef o u rd r i v em o t o r so ft h e t w ow h e e l sa r ep a r a l l e lc o n n e c t i o n t h eh y d r a u l i cc i r c u i to ft h i sf l a t b e dt r u c kc a n c h a n g e st h es p e e do ft h et r u c ka c c o r d i n gt ot h el o a da n dc o n d i t i o n s ，a n dk e e pt h e e n g i n e ss p e e da n dp o w e rs t a b i l i t y n eh y d r a u l i cc i r c u i tc a nt or e d u c et h eq u a l i t yo f t r a n s m i s s i o nm e d i u ma n dk c e dt h ec o n s i s t e n c yo ft h ew h e e l so p e r a t i n g a f t e rs t u d yo u tt h eh y d r a u l i cs y s t e m ，t h i sa r t i c l es e l e c tt h em o d e lf o rp o w e r e n g i n e ，v a r i a b l ep u m p s ，v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tm o t o r sd e r i v e db yt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm a t c h i n g a tt h ee n dp a r to ft h i sc h a p t e r ，i t s u p p o s et h a tt h eh y d r a u l i cf l a t b e dt r u c kn e e dt od r i v i n g6 0 0t o no fg o o d s ，n o wi d e s i g nat r a c t o rt om e e ti t sd r i v i n gc o n d i t i o n ，a n dd ot h e t h es e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o n f o rt h et r a c t o r se n g i n e ，a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，f i n a ld r i v e t h ec h a p t e rf o u ro ft h ea r t i c l e sd ot h ed y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h eh y d r a u l i c d r i v es y s t e mc o n t a i n se n g i n e ，v a r i a b l ep u m p sa n dv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tm o t o rb y s o f t w a r eo fa m s i mf o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt ot e s tt h ev a r i o u sp a r a m e t e r sb eo r n o tt om e e td e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , ls u m m a r i z e dt h eh y d r a u l i cf l a t b e dt r u c k sd e s i g np r o c e s s a n dm a k et h e o u t l o o ka b o u tt h i si n d u s t r y , lh o p et h a ti tm a yb ed e v e l o p i n gq u i c k l ya n ds t a b l eu n d e r t h ef i v e y e a rp l a no ft w e l f t h n 武汉理工大学硕士学位论文 k e yw o r d ：p l a t f o r mt r u c k ；h y d r a u l i cd r i v e n ；t h ec o n t r o lo fc o n s t a n tp o w e r ；d y n a m i c m a t c h i n g i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 j 商要1 a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 多轴平板车2 1 2 1 平板车的特点及发展3 1 3 液压系统介绍3 1 3 1 液压系统的基本组成4 1 3 2 液压系统的相关参数5 1 3 3 液压技术的现状。6 1 3 4 液压技术的发展趋势7 1 3 5 液压驱动优势8 1 3 6 液压系统设计的原则9 1 3 7 液压节能技术介绍9 1 4 液压平板车关键技术1 0 1 5 本文研究目标、研究内容和拟解决的关键问题1 1 1 5 1 研究目标。1 1 1 5 2 研究内容。1 1 1 5 3 关键问题j 。1 1 1 6 课题的研究意义1 1 1 7 本章小结。1 2 第2 章发动机与液压传动系统的匹配1 3 2 1 发动机与液压泵的匹配1 3 2 1 1 功率匹配1 3 2 1 2 扭矩匹配1 5 2 2 液压泵与液压马达的匹配1 5 2 2 1 压力的匹配1 5 2 2 2 转速的匹配。1 6 2 3 本章小结1 7 第3 章动力传动系统的设计与计算1 9 3 1 恒功率控制。1 9 3 2 驱动形式与基本参数选取2 0 3 3 制定调速方案。2 0 3 3 1 变量泵和变量液压马达组成的调速回路2 1 3 3 2 闭式液压系统2 2 3 3 3 拟定液压系统原理图2 3 3 4 发动机及液压元件选型匹配计算2 4 3 4 1 液压马达的初步选定2 4 3 4 2 液压泵的选定2 6 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 3 发动机的选定。2 8 3 5 牵引车动力匹配计算与选型3 0 3 5 1 牵引部分总体设计一3 0 3 6 本章小结。3 3 第4 章液压系统动力学仿真。3 4 4 1a m s i m 简介。3 4 4 2a m s i m 仿真模型建立3 6 4 2 1 水平路面行驶。3 6 4 2 2 坡度为5 的路面上行驶3 8 4 3 本章小结。4 0 第5 章总结与展望4 1 5 1 总l 砉4 1 5 2 展望4 2 参考文献4 3 1 i ! i ：谢4 1 i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着科技进步和社会发展，交通业、物流业变的繁重和复杂。在中国，尤 其是近十年的经济突飞猛进，形形色色的货物从城市运到农村，从沿海运到西 部，各大港口、运输中心，车流、人流川流不息，到处可见堆积的货物，拥挤 和杂乱已成为人们不堪忍受的社会事实。 在这其中，货物在码头和工厂内部的短距离的转移已经严重影响到物流业 的效率，这不仅要求先进的合理的场地陪送管理，同时还需要工业发展带来的 设备的更新换代。重型平板车在货物的转移过程中起着重大作用，它的技术创 新和机构的优化会大大提高货物转移的灵活性和速度，因此也受到了相关行业 的重视。 图1 - 1 多轴平板车 2 0 世纪3 0 年代初， 欧洲、日本等一些发达国 家已经开始研发各种场合 使用的重型平板车，由于 结合了计算机、自动控制、 液压控制等先进技术模 块，从而把重型平板车技 术推进到了一个崭新的平 台。法国的n i c o l a s 和 意大利的n i c o l a 、 c o m e t r o 以及德国的k a m a g 、s c h e u e r l e 、g o l d h o f e r 、k i r o w 等。 亚洲日本神钢电机( s h i n k o ) 、日本车辆( n i p p o ns h a r y o ) 。这些系列产品在全球造 船、钢铁和物流行业得到广泛应用。他们已经做到模块化，根据客户的需要， 因地制宜，可以进行针对性的改装设计、更改结构外形尺寸，达到满足用户不 同场地和货物的需要。 新的事物会因市场的需求而应运而生。中国这几年的经济发展，物流和造 船等行业对重型平板车的需求不仅仅在数量上，也在技术质量上也有了较高的 要求。于是在中国也出现了生产制造重型平板车的企业，他们通过和一些高校 武汉理工大学硕士学位论文 联合，也开发设计了符合中国特殊环境需要的各种自动行驶的液压驱动的平板 车。 由于起步晚和整个中国的工业的落后，国内的重型平板车的研究与制造水 平相对较低，大型自行式液压平板车的设计制造仍没有一整套准确的理论和参 考数据做指导，因此存在这很多的问题，主要内容如下： 第一，制造水平低下导致关键零部件过于依赖国外进口，从而在很多元件 上的生产、维护、保养等方面受到严重制约； 第二，我国的自主研发落后，特别是核心技术无法跟上国际先进水平，大 部分靠国外的技术或是模仿参照，因此在性能上、功能上是形似而神不似； 第三，整机产品可靠性和寿命远落后于国际水平，国内的整体的工业生产 落后，另外加上一些管理上的混乱导致产品的可靠性和寿命成为了重型平板车 发展的短板，这也是我国重型平板车在国际上缺乏竞争力的主要问题； 第四，科研开发力量薄弱，科研经费短缺，科研手段落后，人才缺乏和人 才流失严重等等一系列问题，导致重型平板运输车在机电液一体化水平、智能 控制技术水平、功率匹配技术、静液压传动技术和负荷传感调节技术水平等上 面较国际先进技术水平有较大差距【1 j 。 1 2 多轴平板车 平板车是一种非道路用物流转用设备( 造型如下图所示) ，多轴平板车即 图1 - 2 平板车 为具有三个或以上 车轴的平板车，它 以牵引车、叉车、 拖拉机等所提供的 牵引动力来行走。 我们在机场、港口、 船厂、大型工厂等 很多的大型物流场 所或是制造厂都会 看到。当载重超过5 0 t 的成为重型平板车，一般具有自行走和液压提升装置，它 们体积庞大，所运载的货物也是普通的货车无法比拟的。重型平板车是路桥施 工、船舶建造、冶金、军事的个大件运输领域不可缺少的设备。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 平板车的特点及发展 平板车的结构较简单，部件不多，它的设计和制造关键是品质、成本、可 靠性。那么它的主要特点为：第一，车轴和轮胎较多，可设计为承受较大载荷 的重型平板车；第二，体积较大，多个车轴导致转向结构复杂，车辆因此也欠 缺灵活性；第二，运输货物的多样性强，可满足不同外形、体积的物品运输。 随着车辆设计、制造技术的发展，平板车功能在不断的延伸，它的技术也 日趋先进和复杂。现在随着需求的提高，平板车的吨位不断增加。额定载重量 的加大，对于转向系统和悬架系统的设计产生了很大的影响。在大吨位的平板 车中，有一些车上出现了气压和液压的停车制动、驻车制动，那么在这种质量 惯性如此的情况下如果避免制动滞后的现象产生也是平板车发展中需要解决的 重要问题。现在在转向助力上采用的都是液压助力，由于轮组数量多体积大的 特点，平板车的转向结构的协调性也是设计制造工程中的重要问题之一。由于 车身较长，因此如何缩小转弯半径也是很关键的问题，目前也已经出现了采用 液压马达带动齿轮进行转向的技术。 自带动力源的平板车在最近几年也逐步发展起来，特别是在重型平板车上 面得到更多的采用。多轴平板车结合液压传动及驱动系统技术，让一些大型的 平板车在不需要牵引车的情况下，也可以独自的行驶，这种技术给平板车的发 展带来了另一片的发展空间。而且现在液压驱动结合现代微电子控制系统进行 控制，形成一种机、电、液一体化的新型工程机械体系，更受到了工程机械行 业的青睐【2 1 。 1 3 液压系统介绍 随着机械行业的发展，液压系统的优势特点逐渐显示，各种各样的液压传 动系统配合机械装置实现自动化的机构随处可见，与机械传动相比，液压传动 在工程机械中的优点使其得到了广泛的应用。几乎所有工程机械装备都有液压 传动技术的痕迹。如汽车液压制动系统、液压举升机构等。液压传动在机械设 备中越来越发挥出巨大的作用。那么其主要的特点有： 第一，结构简单，体积小，容易进行结构布置； 第二，传递的力矩较大，可承载大负荷。由于安全阀、溢流阀等压力控制 阀的作用，因此不用担心过载的问题； 3 武汉理工大学硕士学位论文 第三，速度控制平稳，可实现无级变速，调速范围可达到1 ：2 0 0 0 ； 第四，液体介质容易受到温度的影响，温度高粘度低，温度低粘度高，就 会导致压力变化： 第五，液压传动系统由于沿程压力损失和局部压力损失，因此能量损耗较 大： 第六，液压管路的管接头、阀体制造精度要求高，如发生泄露、进水气现 象会导致严重后果发生【3 】o 1 3 1 液压系统的基本组成 液压系统指“以油液作为工作介质，利用油液的压力能并通过控制阀门等 附件操纵液压执行机构工作的整套装置。一 液压系统由信号控制和液压动力两部分组成( 如图2 1 ) 。信号控制部分用 于驱动液压动力部分中的控制阀动作。液压动力部分主要包括动力元件、执行 元件、控制元件、辅助元件和液压油( 工作介质) 五个部分【4 1 。 图2 2 液压驱动系统示意图 动力元件指的是将机械动力转化为液压能的元件，能够为整个液压系统提 供压力，它就是我们平时所说的液压泵。 执行元件能够将液体的压力能转换为机械能，驱动机械进行直线或是旋转 运动。执行元件就是液压系统中的液压马达或是液压缸。 控制元件在液压系统中就是起到控制和调节液体的压力、流量和方向的作 用，即是液压系统中的各类阀体。根据控制功能的不同，液压阀又分为方向控 制阀、压力控制阀以及流量控制阀。 辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、胶管总成、测压接 头、压力表、油位油温计等等。这些元件在液压系统中也有着关键的作用，它 们的制造、安装精度、可靠性、密封性能对整个系统的影响很大，出现问题会 4 武汉理工大学硕士学位论文 导致系统的压力降低，油液的泄露会造成环境的污染。 液压系统中的工作介质即液压油主要作用是传递能量，同时还可以对系统 本身进行润滑。它主要有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。液压 油的特点如下1 5 j ： 为了用解析数学来描述液压油的运动规律，我们对首先对它进行连续性假 设。这样就可以把油液的运动参数看作是时间和空间的连续函数，并有可能利 用。 其次液压油不抗拉性，由于油液分子间的内聚力极小，几乎不能抵抗任何 拉力而只能承受较大的压应力，不能抵抗剪切变形但是对流动的速度和方向变 化发生一定的阻力。 3 ) 易流性。不管作用在它上面的剪力怎样微小，油液总会发生连续的变形， 这就是油液的易流性。它使得油液本身不能保持一定的形状，只能呈现所处容 器的形状。 4 ) 均质性。油液的密度是均匀的，物理特性是相同的。 1 3 2 液压系统的相关参数 1 ) 压力 工作压力，在实际工作过程总液压泵的输出压力称为工作压力，是液压 系统中的主要技术参数，是设计液压系统和选择液压元件的主要依据。液压系 统中的工作压力决定于外部的载荷和管路的压力损失，与液压泵的流量无关。 当外部的载荷增大或减小时，液压系统也会随着增大或减小，正常工作中的压 力要比液压泵或液压马达所规定的额定压力小。 额定压力。液压泵( 或液压马达) 在正常的工作条件下，按试验标准规 定能够连续运转所允许的最高压力称为液压泵( 或液压马达) 的额定压力。 最高允许压力。根据试验标准规定，在超过额定压力的条件下，系统所 允许液压泵( 或液压马达) 短暂运行的最高压力植，称为液压泵( 液压马达) 的最高允许压力【6 1 。 2 ) 液压泵( 液压马达) 的流量和排量 排量v 。液压泵或马达在旋转一周时所引起密封容积结构尺寸的变化，因 而得到被排出的液体的体积叫液压泵( 或液压马达) 的排量。 理论流量q 。理论流量是指在不考虑液压泵( 或液压马达) 的泄漏流量 的情况下，在单位时间内元件所排出的液体体积。如果液压泵( 马达) 的排量 5 武汉理工大学硕士学位论文 为v ，其主轴转速为n ，则该液压泵( 马达) 的理论流量q 为： q t 。y 1 1 ( 1 - 1 ) 上式中v 为液压泵( 马达) 的排量( m l r ) ，n 为主轴转速( r r a i n ) 实际流量q 。液压泵( 马达) 在实际工作中的某一具体工况下，单位时间 内所排出的液体体积称为实际流量，它等于理论流量q 减去泄漏和压缩损失后 的流量q 。，即： q = q t q l ( 1 2 ) 额定流量q 。在正常工作条件下，按照试验标准规定( 如在额定压力和 额定转速下) 液压系统必须保证的流量川。 3 ) 容积效率和机械效率 容积效率。容积效率用符号仇表示，反映液压泵或液压马达抵抗泄露的 能力。容积损失指的是是因液体的泄露、压缩等损失的能量，容积损失是指液 压泵或马达在流量上的损失，液压泵或马达的实际输出流量总是小于其理论流 量。容积效率与工作压力、液压泵或马达腔中的摩擦副间隙大小、工作液体的 粘度以及泵或马达的转速有关，它等于液压泵的实际输出流量q 与其理论流量 q t 之比，即： 玑t 旦一坠丑一l 一生( 1 - 3 ) q t q tq t 那么液压泵或马达的实际输出流量q 为： q = q t r = v n r t ， ( 1 - 4 ) 机械效率。机械效率是用来表征系统内的机械损失。机械损失是因摩擦 而造成的功率损失。机械效率等于液压泵或马达的理论转距z 和实际输入转距r 之比( 设转距损失为r ) ，即： 竹。墨：j l 。上 吖m t 互+ 互1 + 互 ( 1 5 ) 互 1 3 3 液压技术的现状 液压技术发展趋势液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世 6 武汉理工大学硕士学位论文 界各国对液压工业的发展都给予很大重视。据统计，世界各主要国家液压工业 销售额占机械工业产值的2 - - 3 5 ，而我国只占1 左右，这充分说明我国液 压技术使用率较低，努力扩大其应用领域，将有广阔的发展前景l 剐。 而发展至今，液压传动与控制技术是现代传动与控制的关键技术之一，我 们北京奥运会的体育场鸟巢的建造过程也与之有着紧密的关系。鸟巢的钢结构 在焊接过程中，就是靠着许多的液压千斤项将钢结构顶到合适位置，由焊接工 人焊接完成。那么这些钢筋结构的位置上升和停止状态的控制精确程度直接影 响到焊接效果的优劣，而这个这个力度和高度的控制正是由计算机控制液压系 统来实现的。这充分说明了液压传动技术在现代化工业建设中的作用。 尽管液压系统有很多的优点，也在国民经济建设中的多个领域中已得到广 泛的应用，但是液压系统的故障多样性、隐蔽性等等各种复杂的因素较多，给 液压设备的使用和操作带来了一些神秘感。随着更多的工程技术人员对液压系 统的关注和研究，这项技术也不再神秘难于控制【9 l 。 1 3 4 液压技术的发展趋势 随着计算机、电子技术的发展，液压传动，可以很方便地实现对液压系统 的各种调节和控制，逐步向智能化、自动化的方向发展。计算机控制技术结合 各种新型的传感元件不仅提高了液压元件的工作性能也扩大了工作范围。各种 的液压泵和液压马达等重要元件与各种控制阀传感器集成一体，简化了结构、 降低了液压系统的复杂性。另外通过传感器监测整个液压设备的各种运行状态 参数，经过计算机运算处理后输出控制目标指令信号，合理的调整液压泵和马 达的流量、转速等，使系统在整个工作范围内实现自动化控制。具体的来说液 压技术的发展主要为以下几个方向： 第一，机、电、液一体化的设计理念的深入和发展。越来越多的先进的液 压技术被逐渐开放出来。在机电液集成化设计当中，液压元件则是重要接口器 件，是充分结合了液压技术的特点，而开发研制出的新产品及其组成系统。这 种新的系统集液压、电子、传感技术于一身，具有电气和液压技术的双重优势。 如内藏位移传感器的液压缸用于高精度闭环控制时，可实现工况监视和长感功 能，以及低耗高速电磁铁与字式电液器件，可作为直接接口的电液转换器。这 些液电技术的融合使得液压传动技术超出自身传统的科学领域，向着传动控制 与检测综合的自动化技术方向发展【1 0 】。 7 武汉理工大学硕士学位论文 的可靠性和稳定性，而且它可使冷却系统的必要性不断缩小，降低其设计 制造第二，环保介质、水基介质和新型的“电流变”液体等液压工作介质在逐 渐的受到重视。这些新的介质的应用对优化系统性能，控制污染有着重要意义。 此外，能耗控制技术也越来越受到重视。 第三，改善液压系统，控制能耗和液压泄流。控制能耗是液压技术中需要 解决的重点问题之一。液压系统工作过程中能量的过度损耗，不仅浪费了能源， 而且损耗的能量会转化为热能导致系统升温，从而导致整个液压系统的故障产 生。因此，有效的控制能耗可以提高液压系统的工作成本。高压、高速是液压 技术的发展方向之一。而由于液压系统的工作压力的不断提高，能耗控制也随 之变得更加重要，相关的理论与实践也不断成熟起来。比如通过采用集成化回 路以及铸造流道等方法来以减少管道损失，减少液压元件因非安全需要的溢流 损失，减少系统的节流损失等一些设计手段和措施来达到控制系统的能耗的目 的。 第四，加强液压系统的故障预测，实现主动维护。必须建立现代化的液压 系统故障诊技术，组织建立和开发完整的、具有学习功能的专家知识库，通过 计算机技术实现人、机系统的信息传递与反馈，推算出故障发生的原因，为使 用者提出维修和预防的措施1 1 1 】。 1 3 5 液压驱动优势 多轴平板车采用液压驱动可实现自动行驶的功能，也可以称作为自行驶液 压平板车。它操作简单，可以改善原本体积大、笨重等一些缺点，因此优势很 明显，在平板车上开始得到青睐和推广。具体的优势如下： 第一，采用液压驱动，动力传输又高压油代替，因此采用了一些高压油管 即可，省去了传统汽车上所必须安装的传动轴、变速器、差速器等机械装置， 大大节约了空间，方便了车桥及减速结构的布置； 第二，操作控制容易，通过控制液压油的流量和液压马达的液压油的流向 就可以实现平板车的行驶和停止。多轴平板车的使用环境及特点决定了它不需 要太复杂的行驶工况，因此在液压系统上结合电磁阀及操控手柄的控制方式， 驾驶员在操控该种形式的平板车就变得非常容易方便； 第三，由于平板车的操控方式的简单化，因此该平板车也不需要特别的驾 驶室，节省了装载的空间，提高了货物的运输量【1 2 j ； 8 武汉理工大学硕士学位论文 第四，液压驱动系统可以实现恒功率控制，发动机可以稳定在最佳的工作 状态，而液压泵和马达组成的容积调速回路可以根据负载的变化而调整排量和 转速，使所需要的输入功率始终维持在一个稳定的数值，充分的利用了发动机 的功率【1 3 1 。 1 3 6 液压系统设计的原则 液压系统是机械系统的一部分，那么我们在使用液压驱动技术的时候不仅 要考虑到机械设计所共有的特点，还需要考虑其特有的性质。在进行设计液压 系统时候，要从实际出发，在结合传统的机械传动形式上充分的发挥液压系统 的优势，要力求做到结构简单可靠、效率高、价格低。那么在液压设计中我们 通常依据的原则为： 1 ) 资源和利用率最佳和能量损耗最低原则。该原则要求在设计过程中，尽 量的采用标配元件以降低成本，合理设计和布置系统，提高设备的可靠性，延 长使用寿命。同时还要求在设计液压元件时，在材料选用上要注意它们之间的 相容性，对不能或是难以回收的材料要保证元件的足够的使用寿命，控制合理 的泄流量，减少液压能的损失，以降低产品使用过程中的能量损耗。 2 ) 环境保护原则。在液压系统设计上要降低有害物质的使用，控制油液的 泄露量以减少对环境的污染【1 4 1 。 3 ) 技术先进性原则。在进行液压系统或是元件的设计时要做到精简结构， 在能同样实现系统性能的基础上，结构要尽量的紧凑简单，不仅节约材料还可 以减轻产品重量。比如现在的液压泵和补油泵、溢流阀等集成化成为一体，这 样液压泵就集各种功能于一身，有利于安装、拆卸和使用者布置空间，提高了 效率。 在设计液压系统过程中，按照以上的原则做到人、资源、环境的和谐统一， 在充分发挥液压驱动在机械行业中的优势的同时，做到低碳、绿色的设计生产 和使用。 1 3 7 液压节能技术介绍 液压系统的效率是衡量系统工作性能的主要指标，这很大程度上体现在液 压系统节能方面，也就是能够在满足工作要求的同时降低功率损耗，提高系统 效率。目前液压节能技术有很多，下面为几种主要的方法： 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 提高元件的性能和优化管路的布置等降低液压的沿程压力损失和局部压 力损失； 2 ) 采用容积式调速回路，降低液压系统的溢流和节流损失； 3 ) 采用蓄能器，充分回收利用液压能源； 4 ) 静压驱动技术及采用恒功率控制，具有较好的负载特性； 5 ) 机电液结合的智能自动化控制系统的开发，减少了液压传动过程中的能 量损失，提高了工作效率。 1 4 液压平板车关键技术 本文设计的多轴液压平板车整备质量在1 8 0 t 左右，属于重型平板车范畴。 那么对于这种车轴较多、载重较大而又采用液压驱动技术的机、电、液一体化 的产品来讲，可靠性、安全性、控制性能都要求很高，它的很多技术都比较关 键，主要包括以下几点： 1 ) 液压系统在动力驱动过程中的控制技术。多轴液压平板车采用变量泵驱 动液压马达来带动车轮转动，这一液压驱动系统的重点在于如何匹配发动机和 变量泵及变量马达的功率、压差、差速问题。采用闭式系统的自动分流系统可 有效的解决车辆运行中的差速问题，同时采用并联回路，可以同时单独运转， 适用于负载不同的场合。当负载扭矩增大时，发动机如果过载失速则系统压力 降低，则控制变量泵增加排量，防止发动机熄火。通过传感器监测发动机和液 压泵、马达的运行参数，通过电液比例功率匹配系统控制泵和马达的排量和流 向，实现全功率匹配。 2 ) 多轴平板车的转向技术。对于重型平板车辆来说，车身长和轴较多，同 时还要实现不同工况下的转向模式，因此怎样控制好每个轮组按照预先设定的 角度回转而做到协调统一性非常关键。 另外转向系统一般由液压系统提供动 力，做到转向动作响应及时有效也是需 要考虑的问题之一。 3 ) 悬架的调平控制技术。多轴平板 车在载重较大的时候，轮组的支撑形式 即悬架结构至关重要。较多的轮组在遇 到单边坡度不一致，高低起伏的路面时 1 0 图1 3 平板车轮组的液压悬架 武汉理工大学硕士学位论文 就要求它们具有独立的悬挂，每个轮组可以单独的升降，实现整车的平稳运行。 如右图为悬挂的液压缸的伸缩来控制轮组的上下摆动，同时液压管路应安装防 爆设施来保证了车辆的安全运行。 1 5 本文研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 1 5 1 研究目标 1 ) 根据车速、爬坡度和负载选择合适型号的液压泵及驱动马达以及发动机。 2 ) 选择合适的液压系统，满足恒功率控制的要求。 3 ) 通过动力学仿真得出液压平板车理论上的道路行驶的各种参数满足预期 设计要求。 1 5 2 研究内容 本文主要设计一款自行驶多轴液压平板车，通过动力匹配计算进行选择合 适型号参数的发动机、液压马达、液压泵等，再结合计算机仿真软件得到设计 车辆理论的行驶数据参数，节约了设计成本，同时也提高了开发的效率。具体 的内容可以概括为以下两点： 1 ) 发动机功率和液压泵及马达及相互匹配及相关的问题； 2 ) 本液压平板车所采用的液压驱动系统的所属类型及具体方案。 1 5 3 关键问题 1 ) 驱动系统的关键技术包括液压系统与机械系统的参数的匹配，怎么确定 每个元件的型号参数才能满足车辆运行要求； 2 ) 全局功率匹配、功率极限载荷控制以及液压系统回路设计； 3 ) 对车辆仿真结果的分析，验证设计正确性与准确度。 1 6 课题的研究意义 近年来，工程车辆牵引动力学已经进入了液压牵引动力学研究的崭新阶段。 通过液压驱动工程车辆行驶，其研究目的是改善提高车辆在不同的行驶工况下 的工作的适应能力，从而实现车辆性能指标的最优化，操纵的全面自动化和智 武汉理工大学硕士学位论文 能化。在此基础上开发的多轴液压平板车是一种自行走、超重载荷搬运专用运 输车辆，具有机动灵活、高稳定性以及高通过性等优异性能。在一些大型运输 领域，如路桥建设，船舶建造、石油化工等场所应用广泛，应该说已经成为这些 场所不可缺少的一种设备。 随着液压牵引动力学不断的发展，在车辆的系统内部动态过程中发现影响 车辆性能的因素，把静态的参数匹配方法与动态的控制方法相结合，能够实现 液压传动在牵引车辆上的参数合理匹配，达到优化过程控制的目的，从而使车 辆更加适应复杂多变的工况。 国内在液压驱动车辆方面起步较晚，研发实力落后，制造水平和整机的可 靠性相比国外还有很大的差距，大型自行式液压平板车的设计制造仍没有一整 套准确的理论和参考数据做指导。随着国内各企业工程技术人员及高校研发团 队的努力探讨，我们在液压驱动车辆方面也有较快的发展和进步，已经不再单 纯地使用国外的液压技术。 1 7 本章小结 本章主要介绍了多轴平板车的发展概况、我国在这方面与国际先进水平的 差距。欧美等发达国家在平板车领域特别是重型平板车方面，已经取得很大的 成绩，而我国正处于发展阶段，不论是设计理念还是工业制造水平与他们相比 都落后很多。在平板车结合液压驱动技术方面，本章节介绍了该驱动方式具有 的一些优势和液压驱动技术的特点等，不仅方便控制而且在节能减排方面有着 很大的优势。最后部分提出了本文所要研究课题的主要内容及意义。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章发动机与液压传动系统的匹配 当多轴平板车采用液压驱动时，发动机、液压泵、液压马达等元件组成的 闭式液压驱动系统的整体性能不仅在于每个元件的性能优劣，还更取决于各个 元件性能参数的匹配程度。车辆的发动机性能直接影响到工程车辆整体的动力 性和经济性，因此如何使发动机在不同负荷时都能有个很好的工作状态以提高 机械效率和生产效率是设计当中需要注意。 发动机、液压元件自身性能以及各部分元件参数之间匹配程度直接关系到 液压驱动系统、负载与发动机功率匹配的系统