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起重机液压底盘 自动挡行驶 系统及仿真 测试 韩慧仙 刘茂福 曹显利 1湖南机 电职业技术学院 长沙4 1 0 1 5 1 2三 一 重工股 份有 限公 司 长 沙4 1 0 1 0 0 摘要 分析 了起重机行 走系统的工况要求 ，介 绍 了 自动挡 系统 的液 压系统 和操 纵控制 系统设计 方案 ，对 车辆行走速度系统的控制策略和控制方法进行了深入的分析和探讨 ，并以实车的液压和操控系统硬件和自动挡 行驶驱动控制策 略和控制方法 为蓝本 进行 建模 和 仿真 测试 ，通过 虚拟 测试 验证 了软硬 件结合 的车辆 速度 控制 效果 。 关键词 全液压起 重机 ；液压 底盘 ；自动挡 ；仿真 中图分 类号 T H1 3 7 ． 3 3 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 0 0 6 0 0 2 3 0 4 Abs t r a c t Th e wo r ki n g c o nd i t i o n r e q u i r e me n t on c r a n e t r a v e l i n g s y s t e m i s a na l y z e d，t he h y d r a u l i c s ys t e m a n d c o n t r o l s y s t e m de s i g n s c h e me i s i n t r o du c e d，t h e i n de pt h a na l y s i s a n d di s c us s i o n o n t he c o n t r o l s t r a t e g y a nd c o nt r o l me t h o d o f c r a n e t r a v e l i n g s p e e d s y s t e m a r e c o n d u c t e d，a n d mo d e l i n g a n d s t i mu l a t i o n t e s t b a s e d o n t h e h a r d w a r e o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m a n d c o n t r o l s t r a t e gy a n d c o nt r o l me t ho d o f a u t o ma t i c s h i ft dr i v i n g d r i v e a r e c o n du c t e d．The c r a n e s pe e d c o n t r ol e f f e c t t ha t c o mbi n e s s o f t wa r e a n d h a r d wa r e i s v e r i fie d t h r o u g h s i mu l a t i o n t e s t ． Ke y wo r dsf u l l h yd r a u l i c c r a n e；h y d r a u l i c c ha s s i s；a u t oma t i c s hi fti n g；s i mul a t i o n 1 引言 起重机主机是 1个 基本平 台，一般布置有 动 力系统 、液压油源系 统 、驾驶操 作系统 、散热 系 统等。臂架系统是完成 预定功能 的主要装置 ；底 盘系统包括行走驱动系 统 、转 向系统 、制动 系统 和支腿系统等。对于液压起 重机 ，发动机 的动力 经过液压 系统 的转换 和传递 ，由液压 缸和液压 马 达驱动工作装 置工作 。如果行走装 置也 由液压驱 动 ，则称为全液压起重机 。 液压驱动 的行 走装置也称 为液压底盘 ，主要 包括液压行走驱 动系统 、液压转 向系统 、液 压制 动系统 和液压支腿 系统等。传统 的起重机底 盘类 似于汽车底盘 ，一般 采用机械式传动方式或 液力 机械式传动方式 ，驾驶员 已经 习惯 了传统 的传 动 系统中的离 合器 、换 挡变 速和 油 门的操作 方式 。 在液压底盘之前 ，起重机一般采 用机械式行走驱 动系统或液力机 械式行走驱动系统 。在开发液压 底盘时 ，如何兼容原有 系统的驱动功 能、兼顾驾 驶员的操 作习惯并 充分发挥液压底 盘的优势 ，是 设计人员需要考虑的问题。 本文结合全液压起重机的液压底盘开发经验 ， 起重运输机械 2 0 1 0 6 提供 了 1种起重机液压底盘 自动挡行驶 系统的设 计方案 ，并通过仿真试验 分析了其行驶驱动性 能 和操控性能。 2 起重机液压底盘 自动挡系统设计方案 全液压起重机是 典型 的多执行 机构 的工程机 械 ，其 执行 机构 包括 主卷扬 机 构 、副卷扬 机构 、 臂架 伸缩机 构 、臂架 变 幅机 构 、上车 回转 机构 、 支腿 机构 、液压行 走 驱动机 构 、液压 转 向机构 、 液压制动机构 和冷却 系统等 ，各执行 机构都采用 液 压缸 或 液 压 马 达 驱 动 。这 样 ，液 压 执 行 元 件 的 数量就会远远大于液压 泵的数量。为 了减 少液 压 泵的数量 ，提高油源的复用程 度 ，采用 开式液压 系统作为行走驱动系统 的基本方案 ，液压 系统采 用开式变量泵 、比例方 向阀和双 向变量 马达 构成 行走驱动系统的基本 回路 。为 了完善 系统 的驱动 性能 ，在基本 回路上 增加 了补油 溢流 阀、行走 制 动阀等。全液压起重机行走驱 动 自动挡 系统 的原 理 图如图 1 所示 。 ． 自动挡系统包括先导控制 系统和主液压系统 ， 其 中，主液压系统 由变量柱塞泵 、比例多路 阀和 双向液压马达组成 ，为 了限制 主油 路 中的压力过 一 2 3 图 1 自动挡 系统原理图 高和过低 ，在液压马达上集成了双向补油溢流阀， 比例 阀采用 液控换 向方 式，并在 比例 阀的泵侧 集 成了主溢流阀，用于限制液压泵 出 口的最高压力。 比例阀采用 0形 中位机能，并在 比例阀与油箱之 间设 置 了背压 阀，以利于 液 压 制动 时 向 主油路 补油 。 先导控制系统包括先导 齿轮泵、三通 比例减 压阀、三位 四通 电磁换 向阀和油 门踏板等 。齿轮 泵是先导液压 系统的油源，比例减压 阀从先 导油 源处产生 1个 比例 的压力，该压力经过 电磁 换 向 阀进入三位六通 比例阀，电磁换 向阀的 3个位置 分别控制车辆前进 、停车 和后退。电磁换 向阀由 行车挡位开关 控制，该挡位 开关 有 3个挡 位前 进挡、停车挡和倒车挡 。 由此可 以建 立 全液 压起 重 机 行走 系 统 的基 本控制方 式 油 门踏板 的 角度 信号 同时控 制柴 油机 的 喷 油 量 和柴 油机 转 速 、液压 泵 的 排 量 、 液压马达 的排 量 和 比例减 压 阀的输 出压 力 ，比 例减压 阀的输 出压力 经 过 挡位 开关 控 制 比例 多 路 阀的方 向 和开 度 ，进 而 控 制 车 辆 的行 走方 向 和行走速度。 3 起重机液压底盘自动挡系统控制方案 对于上述 自动挡行驶 系统 ，驾驶 员首先要选 择行车挡位 ，当行 车挡位 开关处 于停 车位 置 时， 所有的行车操作都不起作用 。当行车挡位开关置 于前进或倒车位置 时，驾驶员只需踩油 门即可 实 现开车，柴油机的转速和功率控制 、主液压泵 的 一 24 一 排量控制 、比例 阀的流量控制 和液压 马达的排量 控制都 是 自动匹 配和 自动控 制 的。其 控制 方案 如下 自动挡行驶系统的控制主要包括行走速度控 制和功率匹配控制。功率 匹配控制包括 负载 自适 应控制和柴油机与液压泵 的功率匹配控制 ，本文 略去不述。行走速度控制过程为 】 在初 始状 态 ，发 动 机开 机 处 于怠 速 状 态 ，液压泵处 于 最小 排量 状 态 ，保持 液压 系 统 润滑和冲洗 的最 小 输 出流 量。保 持液 压泵 的最 小 流量 的另一 个 作 用是 ，当驾 驶员 踩 下油 门踏 板 ，液压泵 不是 从 0排量 开 始动 作 ，而 是从 某 一 个 预先 设定 的排 量 开始 动作 ，这样 ，就 提 高 了液压系统的流 量 响应 速 度 ，即提高 了行 驶 系 统 的操 控 性 。 2 开机并启动柴油机 时，控 制系统首先进 行初始化 ，行走 系统 的初 始状态为 液压 马达 的 初始排量在最大排量 ，比例 阀的初始位置在 中位 位置 ，电磁换 向阀的初 始位置也在 中位 ，行 车挡 位开关无论实 际是否在停车位置 ，在初始状态都 输 出停车信号 ，以免 因驾驶 员的疏忽 ，行 车挡位 开关没有 回到停车位置 ，下次一启动发 动机 车就 开始行走了，这既危险又不规范。 3 控制系统完成初 始化后 ，驾驶员首先将 起重机行车挡位开关置于非停车位置 ，然后踩油 门起动起重机。当驾驶员控制油 门踏板 角度不 断 增加时，柴油机的喷油 量不断增加 ，发动机转 速 不断升高 ；油 门信号 同时实时控制液 压泵 的排 量 也随之逐渐增大 ；油 门信号 同时实 时控制 比例减 压阀的输 出压力 ，经过 电磁换 向阀推 动 比例阀动 作 ，控 制 主油路 的流 量，进 而控 制 车辆 的行驶 速度 。 4 在油 门角度变化的开始阶段，液压马达 的排量不变 ，车速的控制主要 由液压泵和 比例 阀 共同确定。其 中，液压泵对 液压 系统的流量进行 初步调节 ，比例阀对液 压系统的流量进行 2次精 细调节 ，液压泵 和比例 阀共 同作用 ，实现速度 的 精细控制 。这种粗调 精调 的流量控制方式具有 比较明显 的操控性能优势和节能性 ，泵控 系统经 济性好 ，阀控 系统 响应快 ，这种流量控制方式 实 用价值很高 。 5 随着油门踏板角度 的增大 ，液 压泵的排 起重运输机械 2 0 1 0 6 量和 比例 阀的开度先后达到最 大位置 ，此 时 ，如 果继续踩下油 门踏板 ，则油 门角度开 始控 制马达 排量减小 ，由此位 直到油 门最大角度。起 重机 的行走速度主要 由发动机转速 和液压马达 的排量 来调节 ，液压泵和 比例 阀分 别处于最 大位 置 ，从 而失去调 速作用 。当油 门踏 板处 于最 大角 度时 ， 液压马达的排量最小 ，车辆处于最高车速状态 。 6 当起重机处 于最大行驶 速度时 ，液压 马 达的最小排量并不是 0排 量 ，液压 马达 的最小排 量受最高转速 、系统传动效率 等条件 限制。在油 门踏板角度的全部范 围内，液压泵排量 、比例 阀 开度 和液压 马达的排量 之 间的关 系如 图 2所 示。 当油门角度 由最 大 回至最小 时，液压泵 、液压 马 达和液压阀的排量控制过程相反。 图 2 传 动系统 元件匹配关系 1 ．液压 泵排 量比2 ．马达排量 比3 ．主阀开度 比 图 2中，横坐标表示油门踏板角度信号 ，1号 线为液压马达排量 的控制规律 ，2号线为 比例 阀的 开度 的控 制 规 律 ，3号 线 为 液 压泵 的排 量 控 制 规 律 。 4 起重机液压底 盘 自动挡 系统仿真测试 按照图 3的相互关 系配置仿真模 型 中液压泵 变量机构、液压 马达变量 机构 、比例阀驱动机 构 的参数 ，按 照液压元件 的参数设 置仿 真模型 中液 压元件的对应 参数。根据上述液压底盘 自动挡 系 统的结构和配置 ，建立系统的 A ME S i m模型如下 在模型巾，液压马达通 过减速器 和驱 动桥驱 动车辆惯性负载 ，三位六通 比例 阀没有现 成 的元 件模型，可采用 三位 四通 比例 阀和二位二 通开关 阀组合代替 ，行车挡位开关采用离散信号源代替 ， 其取值范 围为{ 1 ，0 ， 一1 } ，行 车挡位 开关信号 与油门角度信号的乘积驱动 3位 4通 比例阀和 2位 2通开关阀，实现了行车挡位信号对 比例阀和行车 起重运输机械 2 0 1 0 6 } 方 向的控制 。 图 3 起重机液压 自动挡系统仿真模型 图 发动机怠速转速为 1 3 0 0 r ／ m i n ，额定转速 为 2 1 0 0 r ／ ra i n ，设置发动机油门一转速函数为 n 1 3 0 0 2 0a 式 中n 发动机转速 油门踏板角度 油 门角度与发动机转速的关系曲线见图 4 。 三 量 ● “ 乜 图 4 油 门角度与柴油机转速关 系曲线 图 也可 以设置更 加复 杂的油 门一转 速 函数 ，以 获得与实际发动机转速特性更加符合的仿真特性。 图5 油门角度与车速关系曲线图 带式输送机输送带跑偏时的速度分析 陈艳薛 河 西安科技 大学机械工程学院西安7 1 0 0 5 4 摘要输送带跑偏的危害极大，不仅降低其使用寿命 ，严重时还会引起整机损坏及人员伤亡等恶性事故 的发生。本文采用理论分析和数值模拟的方法对输送带跑偏时的速度进行了分析研究，得到了输送带横向运动 速度与调心托辊 前偏 置角 、托辊旋转速度及输送带速度之 间的关系 ，为带式输送机的纠偏 防偏 提供 了理论指导 。 关键词 带式输送机 ；输送带 ；跑偏 ；速度 中图分类号 T H 2 2 2 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 0 0 6 0 0 2 6 0 3 Abs t r a c tDe v i a t e d b e l t wi l l c a u s e g r e a t h a r m ，whi c h wi l l n o t o n l y r e d uc e i t s s e r v i c e l i f e．b u t a l s o wi 1 1 l e a d t o t h e ma c h i n e d a ma g e a n d p e r s o n a l c a s u a l t y ，e t c ．T h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n a r e a d o p t e d i n t h i s a r t i c l e t o a n a l y z e a n d r e s e arc h t h e s p e e d wh e n t h e b e l t i s d e v i a t e d，o b t a i n t h e r e l a t i o n b e t we e n t h e t r a n s v e r s a l mo v e me n t s p e e d o f b e l t a n d fro n t o f f s e t a n g l e o f a l i g n i n g i d l e r ，i d l e r r o t a t i o n s p e e d a n d b e l t s p e e d ，a n d p r o v i d e t h e d e v i a t i e n c o r r e c t i o n a n d p r e v e n t i o n o f b e l t c o n v e y o r wi t h t h e o r e t i c a l g ui d a n c e ． Ke y wo r d s b e l t c o n v e y o r ；b e l t d e v i a t i o n；s p e e d 带式输送 机 由于具有使用方便 、效 率高 、易 实现 自动化控制等优点被广泛应用 于煤炭 、铁矿 、 化肥 、粮食等散货物料的输送。输送 带跑偏是带 式输送机作业过程 中最常 见的故 障，不仅会引起 输送带边沿磨 损破裂 而缩短输 送带 的使 用寿命 ， 严重时还会造成输送带瞬间被撕成条状而报废以 及输送机整机损坏 、人员伤亡等恶性事故 的发生 。 对于带式输送机的跑偏问题众多学者进行 了分析 ， 对上述仿真模 型进行虚拟 测试 ，以检验 自动挡 系 统对车辆行驶速度 的操控 性。当油 门从初始状态 均匀过度 到最 大油门位置 的过程中，油 门角度与 车速的关系如图 5所示。 在油门角度的开始阶段 ，车速保持为 0 ，这种 特性有助 于防止 驾驶 员误操 作。当驾驶员误踩油 门踏板使其产 生一个微小 的角位移时，车辆不会 行走。这种特性主要 由液压 阀的中位死 区等参数 确 定 。 5 总结 本文结合 3 5 t 全液压 起重机液压底 盘行走驱 动系统的 自动挡系统开发和测试经验 ，介绍 了该 系统的液压系统和操纵控制系统设计方案 ，对 车 辆行走速度 系统 的控制策 略和控制方法 进行 了深 入的分析和探讨 ，并 以实例 中的液压和操控 系统 硬件和自动挡行驶驱动控 制策略和控 制方法为蓝 本进行建模 和仿真测试 ，通过虚拟测试验证 了软 硬件结合 的车辆速度控制效果。 一 2 6 一 参考 文献 [ 1 ]李青霞 ，任焱唏，牛赛 ． 基于 L a b V I E W 的工程车辆液 压 系统 的 自动测 试与 分析 系 统 [ J ] ．起重 运输 机 械 ， 2 0 0 3 2 3 63 8 ． [ 2 ]薛晓虎 ．液压系统 阀控 液压马达 回路的动态 特性分析 [ J ] ．起重运输 机械 ，2 0 0 2 8 2 3 2 8 ． [ 3 ]张 国利 ，沈 敏俭 ． Q L Y 2 5全液压 汽车起 重机 的液压 系 统 [ J ] ．起 重运输机械 ，2 0 0 1 9 2 4 2 5 ． [ 4 ]宋又廉 ，张谦 ．随负载调节液 压泵工作 压力 、流量 的 节能液 压 系 统 [ J ] ．起 重 运 输 机 械 ，1 9 9 8 1 8 1 0． [ 5 ]李玉民 ，刘勤 国 ．臂架型堆取料机俯 仰液压 系统 [ J ] ． 起重运输机械 ，2 0 0 8 1 1 8 5 8 8 ． [ 6 ]唐建富 ．起重机械液压系统故障分析[ J ] ．起重运输 机械 ，2 0 0 7 7 8 68 8 ． 作 者 韩慧仙 地 址 湖南省长沙市机电职业技术学院机械系 邮 编 4 1 0 1 5 1 收稿 E t 期 2 0 0 9 0 8 2 7 起重运输机械 2 0 1 0 6 1