多功能救援車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

惠記莊，魏芳勝，高 凱

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

多功能救援車集鏟裝、挖掘、推土、破碎等多種功能于一機(jī)，是一種適應(yīng)性較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)施工與救援機(jī)械，廣泛應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣、工作狀態(tài)復(fù)雜多變、復(fù)合運(yùn)動(dòng)較多的場(chǎng)合.國(guó)外多功能救援車研究起步較早，形式多樣化，車型比較齊全，如美國(guó)“山貓”、“凱斯”多功能滑移轉(zhuǎn)向裝載機(jī)，具有體積小巧、自重輕、功能多、越野性能好、適應(yīng)救援現(xiàn)場(chǎng)能力強(qiáng)、遙控功能強(qiáng)、作業(yè)范圍較大的特點(diǎn)［1］.國(guó)內(nèi)對(duì)多功能搶險(xiǎn)救援車的研究起步較晚，在20世紀(jì)70年代初才開始自行開發(fā)設(shè)計(jì)挖掘裝載機(jī)，技術(shù)水平落后國(guó)外不少，主要體現(xiàn)在部分產(chǎn)品安全性能和可靠性不能滿足搶險(xiǎn)救援的需要，主機(jī)故障率高，作業(yè)性能不穩(wěn)定等.

多功能救援車的平穩(wěn)性和可靠性是保證救援工作質(zhì)量的重要指標(biāo)，而救援車各機(jī)構(gòu)經(jīng)常起動(dòng)、換向、制動(dòng)，外負(fù)載變化比較大，振動(dòng)和沖擊多，這對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，通常需要采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)性和可靠性，因此，液壓系統(tǒng)是多功能救援車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一.本文針對(duì)多功能救援車所受大而時(shí)變外負(fù)載的特點(diǎn)，對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，并對(duì)各部件進(jìn)行了性能分析.

1 多功能救援車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能救援車由工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)大部分組成.工作裝置包括動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)、鏟斗連桿機(jī)構(gòu)、通用連接器、具體工作元件.上述所有機(jī)構(gòu)的動(dòng)作均由液壓驅(qū)動(dòng)來完成.另外在工作的過程中還需要液壓支架來保證多功能救援車工作的平穩(wěn)性.考慮到功率的損耗情況以及制造成本等眾多問題，采用單變量泵液壓系統(tǒng).

1.1 液壓系統(tǒng)工作原理

該救援車液壓部分主要由主軸箱液壓系統(tǒng)組成.其主要元件有液壓油箱、液壓電機(jī)、泵以及輔助設(shè)備等.工作方式為單獨(dú)控制或復(fù)合控制動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和工作元件油缸的伸縮，來滿足工作元件走到指定目的地并進(jìn)行挖掘、破碎等具體工作的要求.行走裝置分別由左右2個(gè)液壓行走馬達(dá)來控制速度.當(dāng)左右2個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速不一樣的時(shí)候，比如說左行走驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速比右行走驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速大，救援車就可以完成右轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作;反之，則可以完成左轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作.多功能救援車下端還設(shè)計(jì)有小型推土鏟，為救援車行走驅(qū)逐障礙，推土鏟的實(shí)際具體位置由推土鏟控制油缸的伸縮來控制.在完成不同工作元件更換的時(shí)候，通用連接器的快換油缸的伸縮可以控制活動(dòng)鎖舌的開啟與閉合.同時(shí)，該救援車還設(shè)計(jì)有2個(gè)備用的液壓回路，在特殊情況下，救援車可以當(dāng)作一個(gè)液壓泵站，用來充當(dāng)千斤頂或手動(dòng)液壓工具等的動(dòng)力源［2］.

1.2 液壓系統(tǒng)的基本回路

多功能救援車液壓系統(tǒng)的基本回路主要包括回轉(zhuǎn)回路、行走回路、工作裝置回路等.

1.2.1 回轉(zhuǎn)回路

救援車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上車質(zhì)量比較大，在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也比較大，尤其是啟動(dòng)、瞬間制動(dòng)或突然換向時(shí)，都會(huì)引起較大的液壓沖擊.液壓沖擊通常會(huì)對(duì)整個(gè)救援車的液壓系統(tǒng)以及元件產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)和噪聲.為此，救援車的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用特殊回路來保護(hù)元件，保證正常的回轉(zhuǎn)動(dòng)作.回轉(zhuǎn)液壓回路見圖1.

本回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓回路設(shè)計(jì)中，溢流閥起壓力控制作用，2個(gè)單向閥起補(bǔ)油的作用，緩沖回路由2個(gè)緩沖閥并聯(lián)組成.其中每一個(gè)緩沖閥的高壓油口都與另外一個(gè)緩沖閥的低壓油口相連接，當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)突然制動(dòng)、停止或者反轉(zhuǎn)時(shí)，高壓腔中的液壓油可以經(jīng)過緩沖閥直接進(jìn)入低壓腔，能夠緩解壓力沖擊.并且這種回路還有補(bǔ)油量少，背壓低，高工作效率的特點(diǎn)［3］.

圖1 回轉(zhuǎn)回路液壓圖Fig.1 Rotary loop hydraulic diagram

1.2.2 行走回路

如圖2所示，在行走回路中設(shè)置有制動(dòng)油路，制動(dòng)油路與馬達(dá)的液壓鎖油缸相連接，制動(dòng)油缸為常閉式.非工作狀態(tài)時(shí)，閥1打到中間擋上，變量馬達(dá)處于鎖定狀態(tài).當(dāng)油泵開始向行走馬達(dá)供油時(shí)，壓力油推動(dòng)閥1置于其他擋位時(shí)，壓力油可以經(jīng)過閥1進(jìn)入制動(dòng)油缸，壓縮彈簧，馬達(dá)液壓鎖解除.此外，行走回路中還設(shè)計(jì)有變速回路.變速閥由先導(dǎo)壓力進(jìn)行控制，當(dāng)變速閥上無先導(dǎo)壓力作用時(shí)，變量馬達(dá)以正常的速度運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)變速閥上有先導(dǎo)壓力時(shí)，閥體壓縮彈簧上移，控制壓力油則可以進(jìn)入變速馬達(dá)控制油缸，從而調(diào)節(jié)行走變量馬達(dá)的斜盤，使行走馬達(dá)排量增大，并且以較高的速度運(yùn)轉(zhuǎn).與回轉(zhuǎn)回路一樣，行走回路中也設(shè)計(jì)有補(bǔ)油及緩沖回路，2組變速閥2并聯(lián)于主油路中并且與氣液轉(zhuǎn)換器相連接.當(dāng)其中一個(gè)閥2處于高壓但不足以頂開閥2時(shí)，壓力油會(huì)進(jìn)入氣液轉(zhuǎn)換閥的一端，同時(shí)氣液轉(zhuǎn)換閥的另一端液壓油壓力增大會(huì)頂開單向閥進(jìn)行回路補(bǔ)油.當(dāng)馬達(dá)突然制動(dòng)或反轉(zhuǎn)時(shí)，此氣液轉(zhuǎn)換閥可以起到緩沖油壓的作用，有效地減少了油壓對(duì)馬達(dá)的沖擊.

1.2.3 工作裝置回路

救援車工作裝置回路主要包括動(dòng)臂、斗桿、具體工作元件、通用連接器快換缸和2個(gè)備用回路.這些工作裝置基本上由液壓缸驅(qū)動(dòng)，而且在工作的時(shí)候均承受較大的力.所設(shè)計(jì)的液壓回路如圖3所示.因?yàn)橛透姿惺艿膲毫Ρ容^大，當(dāng)工作中遇到較大的阻力時(shí)，液壓油管中的壓力也在不斷增大，為避免液壓元件和油管被強(qiáng)大的壓力破壞，在進(jìn)油路中設(shè)有溢流閥，當(dāng)油壓力足夠大并且超過溢流閥限制壓力時(shí)，液壓油則會(huì)頂開閥體泄油至油箱.回路中的2個(gè)單項(xiàng)閥直接接油箱，起補(bǔ)油作用.備用回路中接有三通球閥與截止閥，可以有效方便地控制連接備用元件油路的通斷［4-7］.

圖2 行走回路液壓圖Fig.2 Walking loop hydraulic diagram

圖3 工作裝置回路Fig.3 Working device loop

2 液壓系統(tǒng)建模

在液壓系統(tǒng)仿真軟件AMESim環(huán)境下，對(duì)救援車液壓系統(tǒng)進(jìn)行合理假設(shè)與簡(jiǎn)化.液壓系統(tǒng)中有些部分無法完全按照設(shè)計(jì)的元件照搬，對(duì)其作了部分替換，但都遵循不改變系統(tǒng)特性的原則，完整的液壓系統(tǒng)模型建立如圖4所示［8］.

圖4 救援車全液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Whole hydraulic system of rescue vehicle simulation model

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在AMESim軟件仿真時(shí)，系統(tǒng)所有模型均被參數(shù)化，各元件主要參數(shù)設(shè)置如下:三位四通電磁閥各通路流量為30 L·min－1;溢流閥最大工作壓力為 31.5 MPa;泵的排量為 268 ml·r－1;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r·min－1;液壓缸內(nèi)徑為80mm;活塞桿直徑為55mm;液壓缸行程為1 m，質(zhì)量為500 kg;回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量為 172 ml·r－1，轉(zhuǎn)速為 310 r·min－1;行走馬達(dá)排量為129 ml·r－1，轉(zhuǎn)速為500 r·min－1;馬達(dá)負(fù)載庫侖摩擦力2000 N，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1 kg·m2;黏滯摩擦系數(shù)為1;庫侖摩擦系數(shù)為0.1;油液密度為 850 kg·m－3;體積彈性模量為1.7 GPa;絕對(duì)黏度為0.051 Pa·s;油溫為40 ℃.

其他元件都采用系統(tǒng)的默認(rèn)參數(shù)，最后對(duì)救援車全液壓系統(tǒng)進(jìn)行30s的仿真，步長(zhǎng)為0.05 s，前10 s電磁閥1接通，只給油缸添加負(fù)載;中間10 s電磁閥2也接通，回轉(zhuǎn)馬達(dá)與液壓油缸同時(shí)接通;最后時(shí)間，接通電磁閥3，所有執(zhí)行元件共同工作，得到液壓系統(tǒng)的響應(yīng)情況［9］.

3.2 液壓油缸仿真結(jié)果

采用閉環(huán)控制的液壓缸系統(tǒng)，將活塞桿的位移作為反饋信號(hào)與輸入信號(hào)來進(jìn)行比較，其差值信號(hào)直接作用于電磁閥來控制油路的通斷，如圖5所示.由圖5可以看出，活塞桿位移比起輸入的信號(hào)指令雖有些滯后，但是很好地起到了位置跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)跟蹤效果，體現(xiàn)出了閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性.

圖5 液壓缸位移曲線Fig.5 Hydraulic cylinder displacement curve

3.3 回轉(zhuǎn)馬達(dá)仿真結(jié)果

回轉(zhuǎn)馬達(dá)工作時(shí)油路的通斷由比例電磁閥2來控制，見圖6.當(dāng)給電磁閥2添加輸入信號(hào)后，液壓回路接通，同時(shí)添加逐漸增大直到理論計(jì)算的最大值時(shí)再緩慢減小負(fù)載信號(hào).系統(tǒng)在馬達(dá)與負(fù)載中裝有扭矩轉(zhuǎn)換器，可以將馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為信號(hào)，并且與輸入信號(hào)比較，形成一個(gè)環(huán)閉的控制系統(tǒng)，其信號(hào)差值直接作用于比例電磁閥2，可以根據(jù)負(fù)載的大小來控制閥2的大小，進(jìn)而控制壓力，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)液壓系統(tǒng)元件得到保護(hù).在添加實(shí)際負(fù)載后，液壓馬達(dá)可以正常工作，隨著負(fù)載緩慢增大，馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩也隨其改變(見圖7)，并且可以達(dá)到理論計(jì)算的最大值460 N·m.

圖6 比例電磁閥2輸入信號(hào)Fig.6 Input signal of proportional solenoid valve 2

回轉(zhuǎn)馬達(dá)啟動(dòng)瞬間，負(fù)載急劇加大并且引起液壓系統(tǒng)工作壓力的變化，系統(tǒng)能夠根據(jù)輸出轉(zhuǎn)矩的反饋信號(hào)合理地調(diào)整比例電磁閥閥口的大小，在保護(hù)液壓元件的前提下輸出更適合外負(fù)載變化的轉(zhuǎn)矩.

圖7 回轉(zhuǎn)馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.7 Rotary motor output torque

3.4 行走馬達(dá)仿真結(jié)果

行走馬達(dá)的負(fù)載變化曲線如圖8所示，所添加的負(fù)載由零緩慢增加到理論最大值415 N·m，并且超越最大值到500 N·m;然后緩慢下降并趨向于一個(gè)定值，完全模擬實(shí)際中救援車行走起步時(shí)以及起步后平穩(wěn)行走的狀況.在這種工況下，行走馬達(dá)流量變化如圖9所示，在救援車啟動(dòng)一瞬間，流量由零突然增大，再緩慢減小，與負(fù)載的變化完全類似.行走馬達(dá)的進(jìn)出口壓力變化如圖10所示，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變大時(shí)，馬達(dá)進(jìn)油口壓力也隨其變大，最大壓力為30 MPa，符合系統(tǒng)中的最高壓力設(shè)計(jì)，出油口壓力變化情況則與進(jìn)油口恰恰相反.

圖8 行走馬達(dá)負(fù)載變化曲線Fig.8 Load changing curve of walking motor

4 結(jié)論

(1)分析了多功能救援車液壓系統(tǒng)的工作原理及基本回路，完成了救援車液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

(2)利用AMEsim液壓軟件對(duì)救援車全液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，得出不同工作狀態(tài)下各個(gè)執(zhí)行元件的變化響應(yīng)情況，表明該液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以根據(jù)外負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)排量的大小，能夠滿足所設(shè)計(jì)的平穩(wěn)性要求.

圖9 行走馬達(dá)流量變化曲線Fig.9 Flow rate changing curve of walking motor

圖10 行走馬達(dá)進(jìn)出口壓力變化曲線Fig.10 Inlet pressure and outlet pressure changing curves of walking motor

(3)本文研究結(jié)果對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試具有指導(dǎo)意義，能夠提高設(shè)計(jì)可靠性和工作效率，降低設(shè)計(jì)成本.

［1］徐曉光，喻道遠(yuǎn)，饒運(yùn)清.工程機(jī)械的智能化趨勢(shì)與發(fā)展對(duì)策［J］.工程機(jī)械，2002(6):9 －10.XU Xiaoguang，YU Daoyuan，RAO Yunqing.Intelligent trend and development countermeasure of constrution machinery［J］.Constrution Machinery and Equipment，2002(6):9 － 10.

［2］宋曉軍，劉幫成.一種新型多功能液壓車液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(6):42 －43.SONG Xiaojun，LIU Bangcheng.Design of hydraulic system of a new multifunctional hydraulic power cart［J］.Development ＆Innovation of Machinery ＆ Electrical Products，2010，23(6):42－43.

［3］NYE T J，ELBADAN A M，BONE G M.Real-time process characterization of open die forging for adaptive control［J］.Journal of Engineering Materials and Technology，2001，123(4):511－516.

［4］姚懷新.行走機(jī)械液壓傳動(dòng)與控制［M］.北京:人民交通出版社，2002.YAO Huaixin.Walking machine hydraulic transmission and control［M］.Beijing:China Communications Press，2002.

［5］徐紅旗，孫成波，馬慶國(guó).110MN鍛造液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2010(11):56 －58.XU Hongqi，SUN Chengbo，MA Qingguo.Design of hydraulic system for 110MN forging press［J］.Chinese Hydraulics ＆Pneumatics，2010(11):56 －58.

［6］黃宗益，葉偉，李興華.液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述［J］.建筑機(jī)械化，2003(9):14－16.HUANG Zongyi，YE Wei，LI Xinghua.A survey of hydraulic system in hydraulic excavators［J］.Construction Mechanization，2003(9):14－16.

［7］WU Duping.Modeling and experimental evaluation of a loadsensing and pressure compensated hydraulic system［D］.Saskatoon:University of Saskatehewan，2003.

［8］陳永峰，陳杰榮.工程車輛AMESim建模與轉(zhuǎn)向性能仿真［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，6(12):411 －412.CHEN Yongfeng，CHEN Jierong.AMESim modeling and steering performance simulation for construction vehicles［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2008，6(12):411 －412.

［9］惠記莊，羅聯(lián)社，紀(jì)真.新型泥漿泵液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2009，28(10):1271 －1274.HUI Jizhuang，LUO Lianshe，JI Zhen.Design and analysis of the hydraulic system of a mud pump［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2009，28(10):1271－1274.