消防云梯车变幅液压驱动系统的建模仿真-.pdf

第 1 2卷第 1 期 2 0 1 4年 2月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O UR N AL OF C O N S T R U C T I O N MA C HI NE R Y Vo 1 ． 1 2 No． 1 F e b． 2 01 4 消 防云梯车变幅液压驱动 系统 的建模仿真 陈 刚， 李 平， 崔壮平， 曾 杨， 蒲鹏飞 中联重科股份有限公司 ， 湖南 长沙 4 1 0 0 1 3 摘要简述了消防云梯车的功能、 上车结构以及变幅液压驱动系统的组成 ， 通过对比例 阀、 液压缸、 平衡阀组成 的液压系统的动静态响应特性以及油缸与臂架运动的非线性关系的研究 ， 完成了液压系统模型在 MA T L A B ／ S i mu l i n k中的仿真． 通过仿真模型的输出结果与实车测试结果对比， 仿真模型在动静态特性指标上能满足消防 云梯车臂架智能控制的要求． 关键词 消防云梯车 ；变幅液压驱动系统 ； 仿 真 ； MA T L A B 中图分类号T P 6 9 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 4 0 1 0 0 0 7 0 6 M o d e l i ng a n d s i mul a t i o n o n hy d r a u l i c a l l y - d r i v e n l uf f i ng s ys t e m f or f i r e l ad de r t r uc ks C H E N G a n g ，L I ，C U I Z h u a n g - p i n g， Z E NG Y a n g ，P U P e n g - f e i Re s e a r c h Ce nt e r o f Z o o ml i o n， C h a n g s h a 4 1 0 0 1 3， Ch i n a Ab s t r a c t F i r s t l y ， t h e f u n c ti o n ， b o a r d i n g s t r u c t u r e a n d h y d r a u l i c a l l y - d r i v e n 1 u ff i n g s y s t e m o f f i r e l a d d e r t r u c k s a r e s u mma r i z e d ． B y c o mp a r i n g t h e s t a ti c a n d d y n a mi c r e s p o n s e s f r o m h y d r a u l i c s y s t e m 、 t h p r o po r t i o n a l v a l v e ， h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d b a l a n c i n g v a l v e ， a n d s t u d y i n g t h e n o n l i n e a r mo t i o n a l r e l a t i o n s h i p b e t we e n c y l i n d e r a n d b o o m． th e h y d r a u l i c s y s t e m m o d e l i s t h e n s i m u l a t e d u s i n g MA T L A B ／ S i mu l i n k m． F i n a l l y 。 i n c o mp a r i s o n o f s i mu l a ti o n mo d e l o u t p u t s wi th a c t u a l t e s t i n g r e s u l t s ， the i n t e l l i g e n t c o n t r o l r e q u i r e me n ts o f f i r e 1 a d d e r t r u c k b o o m c a n be s a t i s fi e d i n ter ms o f s t a ti c a n d d y n a mi c p e r f o r ma n c e c r i t e ria ． Ke y wo r d s f i r e l a d d e r t r u c k ；h y d r a u l i c a l l y d r i v e n l u f f i n g s y s t e m；s i mu l a t i o n ；MA TL AB 1 引言 消防云梯车在高层建筑火灾抢险 中担任着非 常重要的角色 ， 承担着压制火情 、 高空抢险、 人员施 救的重要任 务l 1 ] ， 其 实车如 图 1所示 ． 消 防云梯 车的臂架系统连接在通用汽车底盘基座上 ， 可 以完 成 3个 自由度 的运动 绕垂直轴线 的转动 、 在垂直 平面的升降运动及臂架的伸缩运动， 其上车结构示 意图如图 2所示 ． 图 2中， c 为臂架长度 ； 0为臂架 变幅角度 ； 为臂架 回转角度 ． 变幅运动是 消防云梯 车完成功能 的一个 主要 运动， 如果对其 实施智 能控制， 则能显著提高 云梯 车 的工作效率 ， 挽救更多的生命财产_ 3 ] ． 国外 已有 图 1消防云梯车实车 Fi g． 1 Fi r e l a d d e r t r u c k 企业对消防云梯车实施了智能臂架项 目， 取得了很 好的市场反应 ． 获取简单而有效 的液压驱动系统模 型是实施智能臂架 的前提 ， 本文 以中联重科 的消防 云梯车为对象 ， 通过研究分析液压驱动系统 中各元 件 的动静态特性 ， 为消防云梯车臂架的智能控制提 基金支持 湖南 省 自然科学基金 资助项 目 1 3 J J 3 1 3 1 作者简介 陈刚 1 9 7 7 一 ， 男 ， 博士后 ， 高级工程 师． E ． ma i l a n d s e n 8 7 0 1 1 6 3 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 2卷 图 2 消防云梯车上车结构示意 图 Fi g． 2 Fir e l a d d e r t r u c k o n t he c a r s s t r u c t u r e d i a g r a m 供合适的液压驱动系统模 型l_ 4 ] ． 其液压驱动系统 如图 3所示． 图 3中， 1为具有压力补偿功能的电流 比例流量控制 阀； 2 ， 3为平衡阀； 4为单杆活塞缸 ． 平衡 阀 3是为了使臂架下降时不失速 ， 平衡阀 2是 为了使臂架停止时不产生向上的过冲． P 为液压 缸无杆腔压力 ； P 。为液压 缸有杆腔压力 ； P 。为 比 例阀出油 口压力 ； P 为 比例阀 回油 口压力 ； A 为 液压缸无杆腔有效面积 ； A。 为液压缸有杆腔 有效 面积 ； Q 为 比例阀出 口流量 ； Qz为 比例阀 回油 口 流量 ． 本 文 利 用 MA T L A B语 言 中 的 仿 真 工 具 箱一S i mu 1 i n k建立消防云梯 车变幅液压驱 动系 统的仿 真 模 型， 研 究 其 运 动 过程 中 的动 静 态 特 性l 7 ] ． 由于主泵为变量泵 ， 且对 于单一 的变幅运 动 ， 主泵能提供足够 的流量 ， 故忽略主泵对液压 系 统的影响． 出于实际应用考虑 ， 本文忽略管道 的影 响 ， 分别对 比例 阀、 平衡 阀和液压缸 以及油缸与 云 梯铰接处建立模 型， 并与实车测试结果对 比， 以验 证模型的正确性． 图 3 消防云梯车的变幅液压驱动系统 Fi g ． 3 Fi r e l a d d e r t r uc k’ S h o m h y d r a ul i c d r i v e s y s t e m 2 变幅液压驱动系统的建模与仿真 液压缸为单杆活塞缸 ， 结构上的不对称直接导 致了其变幅上升和变幅下降时对应的数学模 型不 同； 平衡阀正反向工作时， 其工作机理也不一样 ； 为 了匹配液压缸和平衡阀， 比例阀的机械限位在变幅 上升和变幅下降时也是不一样的． 因此 ， 需对变幅 上升和变幅下降分别建立数学模型． 由于变幅上升 和变幅下降模型的不同仅仅体现在参数设 置上 ， 故 本文仅针对变幅上升模型给出详细推导过程 ． 2 ． 1 比例 阀的建模 当比例阀阀芯的运动方 向如图 4所示时， 比例 阀进油 口的流量 q 由伯努利方程可得 一 q l C d W X ／ P 一p 1 1 V 式 中 C a为电液 比例方 向阀的流量系数 ； c U为 阀口 的面积梯度 ； 为 电液 比例方 向阀的 阀芯位移 ； lD 为液压油的密度 ； P 为电液比例阀进 口压力 ． 图 4阀控缸 的结构简 图 Fi g ． 4 Cy l i n d e r v a l v e c o n t r o l s t r u c t u r e di a g r a m 图 4中， q 为 比例阀的回油流量 ； F 为负载所 受外力 ； B 为油缸与负载连接处的黏性阻厄系数 。 流量方程为非线性的， 对式 1 进行线性化 ， 在 原点附件对式 1 进行泰勒展开 ， 由于 阀芯在原点 附件运动 ， 故高阶无穷小可 忽略， 对流量方程线性 化可得 q l k 。 一 k。 P 一 P1 2 一 式 中 k c d cU √ p so P l0 ， P sO 为P s 的 初 始 值 ， P 如 为 P 的初始值 c ∞ 为 ∞ 的初始值 ． 对于消防云梯车使用的多路阀， 其 p 一P 为一 定值， 由于阀芯位移为零时， 其流量也为零， 故可得 q 1 忌。 ∞ 3 而从稳态特性考虑， 比例阀的输入 电流与阀芯 位移是成正 比的， 即 K2 i 4 式 中 K 为比例阀的流量电流增益． 故 q 1 K3 i 5 式中 K。 K K。 ， K 为比例阀电控系统的增益． 故从稳态特性考虑 ， 比例阀的输 出流量是与输 入电流成正比的． 在工程应用中， 一般将 比例流量 阀的动态响应 看成一个二阶环节 ， 即 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 陈刚 ， 等 消防云梯车变幅液压驱动系统的建模仿 真 9 S 忐S 2 6 ． ． ， ～ 2 ～。J _ U 8 v 0 2 , s “ 式中 K 为电液 比例方 向阀的流量增益 ； c U 。 为 电 液比例方 向阀的固有频 率 ； 为 电液 比例 方 向阀 的阻尼 比； S为时间变量 ； Q为 比例阀输 出流量 ； I 为比例阀输入 电流． 2 ． 2 液压缸的建模 液压缸作为功率转换元件 ， 其本身的机能是 由 一 系列功率转换 环节组成 的， 如 图 5所示 ， 液压缸 可看成由 4大模块组成 ． 图 5液压缸 的功率 转换模块 Fi g ． 5 Cy l i n d e r p o we r c o n v e r s i o n mo d ul e 1 流量转换压力模 块 当来 自于阀的流量 流入液压缸时 ， 由流量方程可得 p2 c 7 式 中 C 为液压缸 内泄系数 ； C 印为液压缸外 泄系 数 ； 为有效体 积弹性模量 ； V 为液压缸无杆 腔 体积 ； t为时间． 可以看 出， 流入液压缸 的流量有 4个用途 ， 内 泄 、 外泄、 油液压缩产生压力 以及活塞运动的消耗 ． 实车测试的结果表 明， 液压缸 的内泄、 外泄都 可以 忽略 ， 即 ㈣ g 1一 则流量转换压力模块可表示为 专 壶V 1 Q c 卢 2 压力转换力模块 流体 的压力 P作用在 液压缸活塞的端面A 上， 即可以产生与之成比例的 力 F， 因此 ， 压力力转换模块可表示为 F p A 1 0 3 力转换位移模块 液压缸与负载 的连接 可等效为一个质量弹簧系统 ， 由牛顿定律可得液压 缸与负载的受力方程 F m Bp dx d￡ K 1 1 式中 m 为活塞及负载总质量 ； K为负载弹簧刚度． 则力转换位移模块可表示为 F m S B S 1 2 K 4 位移转换流量模块活塞的运动会引起 流量的变化 ， 则位移转换流量模块可表示为 qd d t 1 3 t 一 ⋯ 即 AS 1 4 2 ． 3 平衡阀的建模 由图 6所示可知 ， 平衡 阀可看成是 由单 向阀和 液控溢流阀并联组成的． 当臂架上升时， 3平衡阀的 单 向阀工作 ， 其流量与压差 的关系由阀样本曲线给 出， 如图 7 所示 ， 为一个二次函数曲线， 即 △P K4 Q 1 5 式中 Ap为平衡阀两端压差 ； K 为平衡 阀的压差 流量系数 ． 图 6 平衡 阀的图形符号 Fi g． 6 Va l v e s g r a p hi c s a c c o r d 蛊 昌 ＼ 图 7 单 向阀工作 时压差与流量 关系 Fi g． 7 Re l a t i o ns hi p b e t we e n p r e s s u r e a n d flo w c h e c k v a l v e wo r k 当臂架下降时， 3平衡阀的液控溢流阀工作 ， 为 了使重物受控下降， 平衡 阀会维持两个平衡 力平衡 和速度平衡 流量平衡 ． 图 8为平衡 阀的结构示意 图， 此时溢流阀开始工作． 溢流阀阀芯的开启条件 p 3 A3 KiP 1 A4 ≥ Fg 1 6 式中 A。 为控 制油 口对应 阀芯面积 ； A 为进油 口 对应 阀芯面积； K 为导压 比， 取 1 ． 5 ； F 为弹簧力． 当溢 流 阀稳 态 工 作 时 ， 阀芯 上稳 态 液 动力 F 为 F K5 g 1 7 式中 K 为 比例系数 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 陈刚 ， 等 消防云梯车变幅液压驱动系统的建模仿 真 ◆ ／ 、 J 2 ％ ，I ／ ＼ 一 ⋯ 十⋯ 一一 ⋯⋯⋯J ⋯⋯ ⋯ ⋯⋯⋯， 正⋯一 、 ⋯ ⋯J 一 0 ⋯⋯ 一 ／ ▲ 一 图 1 2比例 阀关键参数 的获取 Fi g． 1 2 Ge t t i n g k e y p a r a me t e r s o f p r o p o r t i o n a l v a l v e 表 1 模型 中的参数 T a b． 1 M o d e l p a r a me t e r s 变量名 数值 比例阀的固有频率 ／ r a d S 比例 阀的阻尼 比 } 比例 阀的流量增益 K。 ／ m。 s A 液压油的体积弹性模 量 卢 ／ N m 2 液压缸活 塞大端面积 A2 ／ r n 2 液压缸活塞小端面积 A ／ r n 2 活塞及负载总质量 m／ k g 活塞 与负载连接处 的阻尼 活塞与负载连接处 的刚度 ／ G N m 长度 b ／ m 长度 c ／ m 位移转 换流量 图 1 3 液压驱 动系统 的 S i mu l i n k仿真模 型 Fi g ． 1 3 S i mu l i n k s i mul a t i o n mod e l o f t h e h y d r a u l i c d r i v e s y s t e m 实车测试 ， 绘制出的比例阀阶跃响应 如图 1 5所示 ， 可计算出， 实际 比例阀的上升时间为 8 2 ms ， 超调量 为 1 2 ％， 稳定输 出流量 1 9 ． 4 L rai n ～． 通过 比较 比例阀模型与实际比例阀的动静态特性指标 ， 可 以 得出， 比例阀模型能较好地反映实际比例阀的动静 态特性． 图1 6为液压驱动系统模型在阶跃信号作 用下的液压缸位移输 出曲线 ， 可以得 出， 液压 系统 模型的整个 时延 大约在0 ． 6 S ， 在启动 和制动 时 ， 位 图 1 4比例 阀模 型的阶跃响应 Fi g． 1 4 S t e p r e s p o n s e o f p r o p o r t i ma l v a l v e mod e l 示 波 器 移输出平缓 ， 速度稳定在 0 ． 0 1 6 m s ～． 通过实车 测试 ， 绘制出油缸 的位移输 出曲线， 如 图 1 7所示 ， 可得实 际液压系统的时延也大约为 0 ． 6 S ， 速度稳 定在 0 ． 0 1 5 8 m s ． 仿真模型和实车测试结果具 体指标对 比见表 2 ． 通过对 比例 阀的动静 态特性 以 及整个液压 系统的特性指标进行对 比， 可 以得 出， 变 幅液压驱动系统的 S i mu l i n k模 型较好地 吻合实 车液 压系统 ． Q 图 l 5 实际比例阀的阶跃响应 Fi g ． 1 5 Ac t ua l s t e p r e s p o n s e p r o p o r t i o n a l v a l v e 瞄 一 一 ㈣ 0 0 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 中国工程机械学报 第 1 2卷 2 ． 6 时间 图 l 6 模型 的液压缸位移输 出曲线 Fi g ． 1 6 Hy d r a ul i c c y l i n d e r d i s p l a c e me n t o u t p u t 表 2 结果对 比 Ta b ． 2 Re s u l t s c o n t r a s t 类型 m 帅 s 储 娥 ／ 位移I 图 1 7 实 际液压缸 的位移输 出曲线 Fi g． 1 7 Ac t u a l o ut p u t o f h y d r a u l i c c y l i n d e r d i s p l a c e me nt 3 结论 简单有效的液压驱动系统模型 ， 是实现臂架变 幅运动智能化的前提 ． 通过对液压系统及其元件动 静态特性的研究 ， 得出了整个液压系统 的 S i mu l i n k 模型． 把比例阀的动态特性看成一个二 阶环节 ， 把 液压缸看成 4个不同的功率转换模块 ， 由于平衡阀 的响应 比比例阀快很多 ， 故忽略了平衡阀的动态特 性 ， 通过阀芯稳态受力方程得 出了平衡阀的稳态特 性． 相比于通过阀芯的运动方程建立的模型更加简 单 ， 且动静态特性指标能较好地符合 实际工况 ， 故 更适合作为智能化控制的模型． 参考文献 E l i 吴根茂 ， 邱敏秀， 王庆丰 ， 等 ． 新编实 用 电液 比例技 术 [ M] ． 杭 州 浙江大学出版社 ， 2 0 0 9 ． WU G e n ma o ，QI U Mi n x iu ，WA N G Qi n g f e n g ，e t a 1 ．Ne w p r a c t i c a l e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t io n 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