基于AMESim的65噸汽車起重機支腿液壓系統(tǒng)設計與仿真

馬麗英 王龍軒 張振

摘要：隨著社會資源開發(fā)，起重機的使用逐漸增多，同時施工作業(yè)時由于支撐不穩(wěn)定引發(fā)側翻等問題引發(fā)的安全事故也在上升。本文提出運用液壓鎖在支腿系統(tǒng)工作時能夠將其鎖死，防止其發(fā)生“軟腿”，提高起重機支腿的支撐穩(wěn)定性，設計優(yōu)化起重機支腿液壓系統(tǒng)。利用AMESim對其系統(tǒng)建模并進行仿真分析，通過閉鎖壓力變化曲線分析系統(tǒng)工況。結果表明：整個支腿液壓系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運行，滿足起重機的工況要求。

Abstract： With the development of social resources， the use of cranes has gradually increased. At the same time， problems such as rollovers caused by unstable supports during construction operations have caused an increase in major safety accidents. This paper proposes that the hydraulic lock can be used to lock the outrigger system when it is working， prevent it from "soft legs"， improve the support stability of the crane outriggers， and design and optimize the hydraulic system of the outriggers of the crane. Use AMESim to model the system and perform simulation analysis， and analyze the system working conditions through the blocking pressure change curve. The results show that the entire outrigger hydraulic system can operate safely and stably to meet the requirements of the crane's working conditions.

關鍵詞：汽車起重機;AMESim仿真;支腿;液壓系統(tǒng)

Key words： truck crane;AMESim simulation;outrigger;hydraulic system

中圖分類號：F407.471 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0001-04

0 ?引言

在施工建設中，汽車起重機相比于其他起重機有著特有的機動性，并且在其中扮演著至關重要的角色[1]。尤其起重機支腿機構更是一種需要同時承擔不同工況下的關鍵輔助機構，是裝在車架上可折疊或收放的支撐構件，直接關乎施工人員駕駛作業(yè)時的安全問題及影響著汽車起重機的工作性能[2][3]。汽車起重機的支腿一般有四個，均布于起重機側面，以提高起重機支撐平面輪廓寬度，從而增加起重機的抗傾覆穩(wěn)定性。本文主要是針對QY65型汽車起重機H式支腿進行建模并仿真，分析支腿在起重機不同工況下的液壓系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

在液壓控制系統(tǒng)工程設計[4][5]中AMESim軟件[6][7][8][9]能夠發(fā)揮其精確靈活的建模仿真特性，且該軟件應用廣泛。此軟件可以建立復雜系統(tǒng)模型，并且進行仿真計算和進一步分析[10][11][12][13]。能夠為液壓系統(tǒng)的設計提供可靠的理論依據(jù)。

1 ?液壓支腿工作原理

液壓支腿分為以下五種基本工作狀態(tài)：無動作、水平同步伸、水平同步縮、垂直同步伸、垂直同步縮[14]。無動作：液壓油通過泵吸入主油路，經(jīng)換向閥到回油路經(jīng)過濾后返回油箱[14]。垂直同步伸：液壓油通過泵吸入主油路，經(jīng)換向閥進入垂直液壓缸上側的無桿腔，實現(xiàn)垂直伸的動作，有桿腔的回油經(jīng)過單向順序閥后過濾回油箱[14]。垂直同步縮：液壓油經(jīng)過泵吸入主油路，經(jīng)換向閥進入垂直液壓缸下側的有桿腔，實現(xiàn)垂直縮的動作，無桿腔的油經(jīng)過濾后回油箱[14]。在液壓缸實現(xiàn)垂直同步伸縮時三位四通閥左右位分別得電使系統(tǒng)得到相應的加壓，剩余的壓力經(jīng)溢流閥返回油箱[14]。如圖1所示。

2 ?支腿液壓系統(tǒng)設計

2.1 支腿液壓系統(tǒng)設計

2.1.1 支腿壓力的計算

起重機的最大支腿反力是指在起重機吊重過程中支腿所受到的最大法向反作用力。而打開支腿是在不進行吊重作業(yè)的情況下完成的。支腿載荷為整個起重機的質量。所以，支腿液壓回路工作壓力必須通過開啟支腿時的支腿反力來確定[14]。

2.1.2 打開支腿反力時支腿反力的計算

支腿打開時的載荷為整車自重G。縱向距離e=1/6=6.9/6=1.15，滿足穩(wěn)定性的前提是重心偏矩e<1.16，故確定前后支腿到重心的跨距a=3.0，b=3.9。由此可以計算出支腿反力R。

2.1.3 吊重時最大支腿反力的計算

①當?shù)踔毓ぷ髦С性贏、B、C、D四支腿上。如圖2（a，b）所示。

以坐標原點為支腿重心，吊臂定位在離起重機縱軸線（X軸）的？漬角處，底盤不回轉部分的質量G2，重心距離e2，起重機回轉重心O0，到支腿重心的距離為e0。上車質量G1，臂架質量Gb，轉臺與配重物及其它質量G3，計算起升載荷Pq，合力為G0，即：

?若結果中有某個支腿出現(xiàn)負值，則需重新按三點支承計算支腿反力。

②按三點支承的支腿反力計算公式如下：

當車架剛度較大，支腿或支撐面有彈性，則起重機吊重正常工作時，四個支腿中就會有一個支腿離地，形成三點支承。起重機在正常吊重情況下，呈現(xiàn)三點支承的頻率相對較高，在此根據(jù)三點支承來計算支腿壓力[15]。

?當臂架位于工況Ⅰ時，最大受力支腿是C支腿，令dc/d？漬=0，解得C支腿壓力為最大時的？漬角值，其值為？漬0=arctgb/a。將？漬0值代入公式（9）或將？仔-？漬0代入公式（11）可求得C支腿的最大壓力或D支腿的最大壓力。比較二者大小，大者為計算工況。比較C、D可先用判別式：

G2e2/G0e0=k（12）

如圖3所示，在O上側為正，在下側為負。若判別式k為負且大于-1，則吊臂在工況I時C支腿壓力達到最大值。若判別式k小于-1，則吊臂在工況II時D支腿達到最大值，若e0、e2在同側，可直接判斷出承受最大壓力的支腿。

由G0=841kN得G2e2/G0e0大于-1，則C支腿壓力達到最大值。從而得出Rc=466.442kN。

2.1.4 支腿液壓系統(tǒng)工作壓力的確定

控制系統(tǒng)工作壓力應按系統(tǒng)工作性能需要，并兼顧經(jīng)濟性和液壓控制技術發(fā)展的現(xiàn)狀決定的。在給定的外負載下，若控制系統(tǒng)操作壓力越高，其液壓元件及管路控制系統(tǒng)的尺寸也愈小。從而導致對密封性、鑄造工藝精度和元件材質的要求更高，保養(yǎng)和維修的成本更高[15]。且當系統(tǒng)壓力升高到一定程度后，高壓對壁厚和密封性的要求會進一步提高。在進行系統(tǒng)設計估算并結合實際考慮選擇系統(tǒng)壓力為25MPa。

水平支腿位置的液壓缸作用力較小，起到增加汽車起重機的支撐跨距，確保整車的穩(wěn)定性的作用。參考同類設計，在此假設其承受的最大外負載力是F=100kN。

2.1.5 垂直支腿液壓缸基本參數(shù)的計算

①液壓缸內(nèi)徑D的計算：

2.2 支腿液壓系統(tǒng)仿真

根據(jù)設計參數(shù)，采用AMESim仿真平臺搭建支腿液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。

3 ?仿真結果分析

為了能夠充分反映出所設計的垂直支腿液壓系統(tǒng)的性能，本文仿真出支腿伸出后并鎖定，一段時間后支腿縮回，直到停止的整個過程。以下是仿真結果分析，如圖5所示。

由于液壓缸A和B設置的負載相同，為了便于區(qū)分，故在此曲線中只顯示了液壓缸A、C、D的曲線，通過仿真結果可以得出，三種不同負載下的液壓缸1口的壓力曲線在換向閥保持在中位時的壓力是不同的。如圖6所示。

由圖7可知，在液壓馬達開始工作時，定量泵輸送的流量值最高可達到218.79L/min。

由圖8可以看出活塞桿從0s開始伸出，期間并不能保持狀態(tài)穩(wěn)定，直到60s才保持穩(wěn)定狀態(tài)，60s到354s為支撐鎖緊狀態(tài)。354s到400s，活塞桿以較為平穩(wěn)的狀態(tài)縮回。從仿真結果整體看來伸出和縮回的時間都滿足設計要求。

4 ?結論

①設計滿足工況要求的汽車起重機下車支腿液壓系統(tǒng)。②系統(tǒng)仿真結果，汽車起重機支腿液壓系統(tǒng)在閉鎖壓力下能夠安全穩(wěn)定的運行。③通過仿真數(shù)據(jù)和設計數(shù)據(jù)進行比對后滿足設計要求，對未來起重機在實際應用中提供了一定的參考依據(jù)。

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