液压举升系统论文（精选4篇）
液压举升系统论文 篇1
0 引言
随着汽车行业的不断发展, 汽车维修设备发展到一个更高的阶段。龙门液压双柱举升机具有高承载能力, 易于安装和维护, 适应性强, 适应于不同类型的车辆维修。
研究和分析龙门液压双柱式举升机的设计和使用有非常重要的意义, 对提升液压举升设备工作品质、技术的经济性能很有必要。而且研究和分析其液压系统运动和动力学, 可为后续研发和改进提供帮助。
龙门液压双柱式举升机通过集流阀来实现双柱的同步运动, 液压冲击是造成液压系统振动的主要原因。液压系统中的振动[1]主要来自机械系统和液压系统 (液压泵、阀元件) , 以及液流振荡等。振动包括自激式振动、强迫式振动两种[2]:强迫式振动主要是由液压泵及压力控制阀的流量脉动导致的;自激式振动主要是由液压 (质量、相互作用力、流量、压力等) 系统参数导致的, 同时管路中液体的涡流引起阀体壁振动以及导阀 (如先导式溢流阀) 经常会处于不稳定的高频振动[3]。
1 液流力的动态特性分析
1) 稳态液流力。
稳态液流力是指通过阀腔液流的流量不变时, 根据动量定理, 可得射流力Ff=d (muj) /dt。 (1) 式中:m为液流质量;uj为通过控制窗口的液流速度;t为油液流过的时间。
将射流力Ff沿阀芯和垂直阀芯的轴向进行分解得出:
式中, θ为射流角。射流速度
式中:c1为收缩系数, 常取0.62;x为阀芯移动位移。
由以上公式可得出射流角与阀芯位移的关系曲线如图1所示。
由图1可知, 射流角θ随x/cr而变化, 阀芯的位移x越小, 导致径向间隙cr对于射流角θ影响越大。
2) 瞬态液流力。瞬态液流力是指当阀芯的窗口面积突然改变时, 会导致阀腔中液流速度发生改变, 形成轴线方向的液流力Ft, Ft与加速度有关, 如图2。
根据牛顿第二定律, 有以下关系:
式中:A为阀腔液流断面积;L为进油与控制窗口距离;v为阀腔内液流速度;t为油液流过的时间。
由Q=v A, 得dv/dt=d Q/Adt。
将△P设为常数, 经简化有:
液流流入与流出控制窗口的瞬态液流力方向不同。
由此可以得出, 阀芯沿轴向的总液流力:
式中:Kf为类似弹簧刚度;Kt为相当于阻尼系数。
2 元件的动态特性分析
1) 单向阀。单向阀芯与弹簧构成“质量—弹簧”振动系统[4], 在工作状态时易发生振动。
其单向锥阀的开口截面面积可表示为:
由薄壁小孔的节流原理可知:
式中:为类似弹簧的刚度;x为阀的开度。
当忽略摩擦力及液动力的情况下, 可得到开度为x0时阀芯运动的微分方程式:
式中:m为阀芯及弹簧质量1/3之和;F为阀芯所承受的压力差有效面积。
为避免共振和激烈振动, 必须要求此频率和液压泵或者其它振动圆频率不同, 同时还需要对单向阀本身的自激振动进行分析。
当油液流经单向阀时由于局部阻力的原因, 导致节流损失:
式中:ξ为阻力系数;P1、P2为阀芯节流的前后压力。
ξ (x) 为阀芯开度x的函数。由上式可知, 当P1为常数, 同时Q不变时, 则P2取决ξ (x) 的值, 关系如图3。
图3可以得出, ξ (x) 是非单值函数。实线是阀芯沿着打开的方向运动的ξ (x) 值;虚线是阀芯沿关闭的方向运动的ξ (x) 值。当x在x1和x2之间, ξ (x) 具有上升的特性, 在此范围工作的阀芯就会发生自激式振动。
为了防止自激振动的发生, 须避免ξ (x) 在x1和x2之间工作, 确保ξ (x) 在其工作的范围中具有单值下降特性。
2) 溢流阀的振动。系统使用先导式溢流阀。由于先导阀芯的质量和黏滞阻力通常非常小, 可以忽略不计, 所以通过主阀的流量:
主阀芯运动的平衡条件:
对其拉氏变换可得:△QR1=KQ△x+Kp△P, (18)
式中:KQ=QR1/x;KP=QR1/ (2P) 。
溢流阀的信号传递函数为:
3 液压系统的振动的解决方法
由以上分析, 实际调控可利用以下方法:
1) 增加阻尼。在换向液控单向阀的支路油口处, 加装一个阻尼, 从而限制单向阀开启的速度, 此方法简单便于操作。
2) 增加节流阀。在液控单向阀出口安装单向节流阀, 液压缸举升时油液流经单向阀, 节流阀此时不起作用, 液压缸回落时单向阀关闭, 回油被迫流经节流阀, 此时节流阀具有节流与调速的作用, 使得液压缸的回油流量不发生突变, 同步阀阀芯可以起到同步控制的作用。
4 结论
本文通过对龙门液压双柱式举升机的振动分析, 找出振动产生的原因, 并对系统中液压元件进行动态特性分析[5], 建立振动的数学模型, 经拉氏变换, 得到特征方程与系统传递函数, 并导出主要的液压阀参数 (阻尼振动频率、阻尼系数及频率) , 提出并找到解决液压系统的振动方案, 经实验验证, 举升机工作时系统振动大幅度减少, 满足实际要求。
摘要：对液压系统中主要的阀进行了静、动态特性分析, 分析了液压举升机在上升、下降过程中, 系统产生振动的原因, 建立了振动元件数学模型并提出了解决方案。
关键词：液压式举升机,液压系统的参数设计,振动,动态特性
参考文献
[1]王存堂.工程机械液压系统及故障维修[M].北京:化学工业出版社, 2007:267-269.
[2]张应杰:汽车举升机作业安全技术[M].北京:中国计量出版社, 2005.
[3]田继宏.专用液压提升机控制系统研究[D].大连:大连理工大学, 2004:30-47.
[4]陆一心.液压与气动技术[M].北京:化学工业出版社, 2004.
[5]卫江.龙门双柱式液压举升机的液压系统建模仿真与控制研究[D].西安:西安电子科技大学, 2008:47-52.
液压举升系统论文 篇2
矿用电动轮自卸卡车以其载重量大、作业效率高、机动灵活、运输速度快、运营成本低等特点,已成为国内外露天矿山的理想运输工具,而大型化是其重要的发展趋势之一。江铜德兴铜矿(简称德铜)铜厂和富家坞采区日采选矿石13万t/d,矿石年采剥总量巨大,达1.32亿t/a。故采用十几台大型电动挖掘机和配套的70多台电动轮卡车进行采矿作业[1]。
液压传动系统具有灵活可靠、高效高速、低噪声、经久耐用、体积小、重量轻、高度集成化等优点,故自卸卡车的转向、制动及举升系统皆采用了液压技术,其中举升液压系统是电动轮自卸卡车的核心部分,其状态的好坏,直接影响机器工作效率及工程进度[2]。因此,该系统必须具有良好的动力性、平稳性、紧凑性、卸料性及免维护性。自卸卡车工况极其恶劣,作业条件苛酷且强度高,装载任务繁重,国外自卸车多采用专用技术及元件,制造精度要求很高,而国内针对性的相关研究较少,该系统故障时,不易查找原因和维修。对此,对举升液压系统出现的故障及时进行处理十分重要。
2 举升液压系统主要结构参数
2.1 系统主要结构组成
该举升液压系统具备三种功能:转向、制动和举升。其中:举升系统为举起车斗倾斜物料提高动力,图1为卡车举升液压系统图,主要由举升油泵、高压过滤器、举升阀、举升先导阀、举升限制电磁阀、平衡阀、排放分油器、卸荷阀、单向阀、针阀、速断接头、举升油缸及油箱等组成。
1—举升油缸;2—举升阀;3—先导操作单向阀;4—举升限制电磁线圈;5—高压过滤器;6—举升先导阀;7—卸荷阀;8—从制动和流量放大阀回流;9A—举升泵;9B—转向/制动泵;10—液压油箱;11—速断接头;12—平衡阀;13—排放分油器;14—至转向和制动蓄能器;15—单向阀;16—针阀;17—中上方分油器
举升油泵:为齿轮式,由穿过交流发电机端的驱动轴驱动。主要提供翻斗举升所需的液压油。其输出的油压和油量取决于举升速度、翻斗装载量及油泵的转速。泵在1 900r/min时,总成输出为511L。一个较小额定值257L/(1 900r/min)、连接至举升泵的叶片式泵将油通过一个卸荷阀分别供至转向系统和制动系统。
高压过滤器:位于燃油箱内侧。举升泵的输出油被引导至该过滤器,过滤器滤芯堵塞严重时,总成配有旁通阀允许油流过。
举升阀总成:为对开阀芯,位于一个包含举升阀、分油器和两个液压泵的模块总成上。其进油口部分包括:流量控制和主溢流阀、低压溢流阀、载荷单向提升阀和防空穴提升阀等。该总成由螺栓固定连接至主交流发电机后车架梁支架上。来自液压泵和卸荷阀的液压油通过高压过滤器被引导至该阀,阀芯操作与其配对的阀芯同步或相反,而主阀则遵循由举升先导阀产生的压差输入信号。其压力通过一个位于举升控制阀内溢流阀而被限制至17235kPa。
卸荷阀:起着从转向系统至举升系统流量调配的作用,优先供给转向系统。转向系统达到设定压力值时,卸荷阀使压力油流向举升系统,若此时举升系统不工作,油卸载回油箱;而转向系统压力降至某设定压力值时,卸荷阀则关闭流向举升系统油路。
举升油路过滤器:位于右车架梁下面的燃油箱上。其对流向举升阀和举升油路部件的液压油提供二级过滤保护。
转向/制动油路过滤器:位于燃油箱内侧。过滤器对于流向转向和制动系统的排放分油器阀的液压油提供二级过滤保护。
举升先导阀:位于驾驶室后的液压部件操纵箱内。通过电缆与位于司机与乘客座椅之间控制台上的操纵杆连接。移动操纵杆时,先导阀芯移动且将先导油流引导至举升阀适当的先导油口;主阀芯将先导油流引导至举升油缸。配有单程载荷单向阀,该阀包含限制至10 341 kPa动力下降溢流阀。
排放分油器阀:位于左车架梁上,在流量放大器之后。先导阀/举升阀液压油路通过其而被规定线路。其配置的油路部件主要有:蓄能器排放电磁阀、溢流阀、低转向压力开关和先导操作单向阀;也配备有辅助动力装置油口和速断接头,以供外部油供给和回流之用;接收来自高压过滤器的油,并将油引导至蓄能器、制动油路和流量放大器;供转向控制阀和转向油缸的油,则经由流量放大器之后被供给。
平衡分油器:包括平衡阀,位于举升阀后部的泵模块上。本体接近最大卸载角度时,该阀控制举升油缸齿圈区域中油的缓冲压力。该阀通过溢流超过20400kPa压力来限制集结的最大压力,以防密封损坏。
举升限制电磁阀:为常开型,由位于车身枢轴和右后悬挂上部支架附近的接近开关即举升限制开关控制,可防止举升油缸最大量伸出。当车身接近完全举升时,车身激发电磁接近开关,给电磁线圈发信号,使其打开至油箱的举升先导管路,阻止油流入举升油缸。该阀除“O”型圈外不可修理。
先导操作单向阀:电磁线圈被举升限制开关励磁时,该阀由先导供油压力下降打开,允许举升油口油流至举升限制电磁线圈的旁通部分,以进行初始动力下降操作。
举升油缸:由三级油缸、活塞杆、轴承、轴承定位器、衬套总成、刮油环、支承环、缓冲环、上下支架及密封组件等组成。
液压油箱:位于左侧后轮前部车架梁上。用于给起升、转向和制动液压油路供油。
液压过滤器指示开关:工厂预设275kPa时启动且不可修理。其可传感到滤芯的流量限制,将打开驾驶室内红色报警灯。滤芯堵塞达276kPa时,指示灯亮;堵塞达345kPa时,导致实际的过滤器旁通。必须定期测试开关和报警灯是否正确地工作。
2.2 系统主要性能参数
举升齿轮泵:513L/min,17 240kPa,1 900r/min;压力释放—举升:17 240 kPa;举升油缸:两个三级液压油缸;液压油箱:垂直—圆柱形、非受压、工作容量7 31 L;过滤装置:直列可更换滤芯;吸油装置:单、全流式、100目;举升高压过滤器:双、全流式、7μm、B12额定值=200。
3 系统工作原理
如图1所示,大型电动轮自卸卡车举升液压系统。液压油被导向一个连接至叶片式转向/制动系统泵(9B)的齿轮式泵(9A)。该举升泵由牵引交流发电机端的副驱动装置驱动,泵输出被引导至安装在燃油箱内侧的高压过滤器(5),来自举升过滤器的液压油则被引导至安装在泵上方的举升阀(2);举升阀将油引导至举升油缸(1)的缸体,以便举升和下降倾卸式车身。而举升阀的运行,可通过连接至位于液压部件操纵箱内的举升先导阀(6)的操纵杆来控制,位于液压部件操纵箱内的举升限制电磁线圈,可防止举升油缸伸出至极限位置。举升操纵杆工作模式可分为:动力举升、保持、浮动、迫降,如图2所示。
4 系统常见故障剖析及处理
4.1 举升泵故障
(1)泵区域可见的损坏。该泵区域可见的损坏有:压力板孔周围的喷砂带;压力板面上的角度凹槽;扩大的润滑凹槽和变圆的边缘;齿根部轴上的钝化区域;轴承区域的轴的钝化磨光;壳体内的喷砂的齿轮孔。主因是由供油中眼睛不可见的细污染物即细粒子、灰尘引起的磨损。
应及时更换液压油或液压过滤器;确认过滤器滤芯是否正确使用;排查举升和转向油缸是否有凹痕、刮伤或密封损坏;对整个液压系统,应按冲洗程序进行彻底清洁。
(2)压力板、轴及齿轮孔刮伤。此类刮伤通常是由眼睛可见的粗污染物即金属粒子引起的,会导致垢磨损。需尽可能按相关冲洗程序对整个液压系统进行彻底的清洁;同时,应排查其它液压系统部件是否为可能的污染源。
(3)泵外部、壳体或法兰损坏。泵外部损坏主因是安装不正确而引起的,若需要,应及时拆卸并进行修复;而壳体或法兰损坏通常是因压力过大所致,应重新检查溢流阀设定的压力是否正确;确认溢流阀是否能正确地工作。
(4)泵壳体或压力板腐蚀。至泵入口的供油量不足或油液中混入一定量的空气导致气蚀,腐蚀损坏泵壳体或压力板。应检查液压油箱的油位;确认油的粘度是否正确;排查泵进油管路是否堵塞或油泄漏;接头、卡箍等是否松动等。
(5)驱动齿轮后部及压力板损坏。泵驱动轴发生故障时,会导致此类损坏。应检修泵驱动轴;确认十字座与轴承是否平稳工作;保证足够的接头润滑等。
(6)压力板上或齿轮端部过度磨损。因缺油而造成润滑不良,导致压力板上或齿轮端部产生过度磨损,应检查液压油的油位;排查泵进油软管是否堵塞或泄漏。
(7)壳体刮伤、进油口敲坏或轮齿卡物。通常是因金属物而导致的损坏,或在以前的故障修理期间,物体未被及时清除,必须彻底清洁并冲洗液压系统;排查其它系统部件是否为可能的金属物来源。
(8)压力板、齿轮、轴颈变黑或“O”型圈及密封变脆。油泵内部零件磨损会造成内漏,磨损内漏的齿轮泵容积效率下降,油泵输出功率大大低于输入功率,损耗全部转变为热能,引起油泵过热,导致压力板、齿轮、轴颈变黑,“O”型圈及密封变脆,应检查举升系统溢流阀的设定是否正确;确认液压油的油位和油的粘度是否正确等。
(9)泵传动轴变形或损坏。传动轴安装间隙过小、油泵动平衡差、油路受阻、油温过高、严重超载及举升过猛,或压力过大,会造成传动轴变形或损坏,使倾卸机构完全失去效能。应及时进行检修或更换;工作时尽量避免传动轴损伤;满载举升开始,操纵手柄提到举升位置时,应操作平稳,动作不粗暴,宜缓慢放开离合器踏板,使油泵运转,让厢斗徐徐升起;厢斗带载下落过程中,切忌将分配阀扳至举升位置,否则极易引起强烈冲击,导致传动轴过早损坏;应检查传动轴的安装间隙、传动轴与万向节叉啮合长度是否适宜;重新检查溢流阀压力,确认溢流阀是否正确工作。
(10)泵漏油。后盖与壳体结合处密封面不良时,应检查密封面是否有脏物、变形、毛刺或刮伤;泵主动轴骨架油封损坏时,必须更换新骨架油封;而出油口法兰密封面不良时,若检查密封圈已损坏,应及时修整或更换。
4.2 举升阀泄漏或零件损坏
(1)“O”型圈泄漏。一般不必拆卸单独的举升阀部分,除非紧急现场修理时,为防泄漏而更换各部分之间“O”型圈。主阀连杆螺母松开和重新拧紧时,易变形,造成粘合或与柱塞、提动头和阀芯的严重粘结,应检查机器密封面是否有刮伤或裂痕,若有则用精细研磨剂在一个光滑扁钢表面上研磨。
(2)进油部分零件损坏。排查所有的弹簧是否已断裂或变形;提动头座表面是否有裂缝或过度磨损;所有的座必须光滑且无裂缝;所有的孔和滑动零件的表面是否有裂纹、刮伤或过度磨损;提动头是否与它们各自的孔配合;提动头应能无粘连地自由地移动一整圈;阀套与低压溢流阀之间的配合和移动是否正确等;应更换所有的“O”型圈和支承环,在溶剂中清洁所有零件,且用压缩空气吹干。
4.3 举升先导阀零件损坏
检查密封埋头孔,无裂纹或凹痕;弹簧是否已断裂或变形;阀芯应无纵向刮伤痕迹、裂纹或凹痕;测试阀芯在阀芯壳体中是否配合,阀芯必须自由地配合且无粘连地旋转一整圈;应在溶剂中清洁包括壳体的所有零件,且用压缩空气吹干。阀芯壳体、阀芯、进出油壳体都不可单独地维护,若更换其中任何一个,则必须更换整个控制阀。
4.4 操纵阀卡死或操纵杆磨损
一旦液压油中存在污染淤渣或颗粒时,极易卡死操纵阀,会导致极其严重的后果。此时,必须更换全部液压油,清除其中杂质;传动箱主轴与油泵连接脱离或损坏时,应立即修整或更换传动箱主轴与油泵的连接件;而操纵阀杆磨损过大时,易导致液压油从阀杆处渗漏,应配换阀杆且重新研配。
4.5 举升油缸零件磨损或拔缸
(1)缸孔或电镀表面过度磨损或损坏。若油缸孔或电镀表面产生过度磨损或有凹槽,则必须更换该零件;或者可能的话,可将其重新加工和电镀至原始技术规格。
(2)油缸中无止回球和螺塞。若失去一个螺塞,且油缸中未发现止回球,则必须检查举升油缸的相反侧和通向举升阀的管路是否已损坏;检查举升阀本身,看止回球或螺塞是否已造成阀芯内部的损坏,可能会导致阀芯压缩部分的喷砂;此情况下,也可能出现阀芯的粘连。
(3)衬套总成紧密性差。衬套总成未被预先点焊过时,应检查其紧密性,通过使用专用工具SS1143且施加1 356N·m拧紧扭矩,检查衬套总成紧密性;若衬套总成移动,应拆下衬套,清洁盖总成和衬套内的螺纹,并按照衬套安装中的相关技术规范重新安装。任何油缸修理期间,必须检查螺塞,以确保其都紧密。若发现有任何移动,则应拆卸,并检查衬套中球座是否已变形。若出现球座变形,应更换衬套;若球座未变形,则应测量塞的厚度,采用新塞子,并确保衬套管中及螺塞上的螺纹清洁且干燥,即无油和溶剂。
(4)倾料使油缸、车架及铰链销损坏。重载举升倾料时,易造成卡车突然猛烈移动,导致举升油缸、车架和车身铰链销损坏及操作人员受伤,应避免载荷变化太快。若快速卸载,粘性物料不能从车身自由卸下,且促使卡车突然移动,必须杜绝装载有效载重量10%及以上的大块岩石。
(5)举升油缸拔缸现象。厢斗空车举升时,皆能按预定位置停止;而重车举升卸货时,举升到预定高度使限位装置动作时,仍未停止且继续上升,直到油缸伸至极限位置,活塞与缸筒产生机械冲击停止,长期作业会发生拔缸故障[3];而因其自身设计缺陷和存在劣化倾向,大斗定位销孔、举升缸销间隙磨损、变形等原因,举升缸重载升至极限位置时,重心后移致使举升限位开关间隙或位置无法保证,限位失败导致拔缸故障,即举升缸超出举升长度,双缸损坏液压油大量地泄漏。可将原预焊接在车斗底板上的液压缸上支座改为在举升最大高度时现场焊接装配,且对举升缸销及大斗销实施换型技术创新。
(6)举升油缸泄漏。泄漏有内泄漏和外泄漏之分。但缸筒之间的外漏是主要泄漏部位。因套筒密封部位承受着高压,对油缸的质量和使用条件具有更高的要求,长期厢斗歪斜卸货、油缸偏载超载受力,使用方法不当、维修养护不及时、运行环境恶劣等情况下,极易使油缸产生外漏。必须尽量保证缸体内壁光亮、无锈蚀或腐蚀痕迹,且装配密封件时,密封件通过缸体、活塞和活塞杆台肩时,需加设防护导向锥;通过环形沟槽时,须用适宜直径的电工保险丝,保证其顺利通过;通过螺纹部分时,应套外涂润滑油的旧薄铁皮防护套或硬纸包上;活塞杆处密封不宜太紧,杆伸出时表面留有薄油膜,返回即被擦下,可显著提高活塞杆和密封的寿命。
4.6 污染物堵塞导致系统油温高
油温过高是卡车的常见故障。一般是指大型电动轮卡车液压油温≥65℃。易使系统油的粘度下降,阀件温度升高,导致阀件及油管接头密封件等高温老化,也会使阀件难以回位,无法正常工作[4]。若油液受到污染,即使元件质量好,泵和阀磨损产物增多,形成恶性循环,导致系统油温过高。常见污染物有:投入使用前残存的橡胶碎片、氧化皮、铁屑等原有污染物;油液的氧化物、化学物沉淀、金属磨粒及橡胶管脱落物等自生污染物;密封不严、维修中不清洁、现场更换或补充新油时带来的外界污染物等。
一旦污染淤渣或颗粒堵塞系统,会加剧机件的磨损、卡滞和失灵。原有污染物对新车影响严重,对老车影响较小,会促使元件运动副磨损加快,系统效率低,元件寿命短,发热严重甚至烧毁泵;自生污染物进入精密阀体和阀芯配合元件或滑阀缝隙时,易粘着或卡住阀芯,导致阀件频繁失效及执行器故障;外界污染物将使阻尼孔、节流口、控制油口及管路面积减小,甚至被堵死,致使能量损失加剧,导致系统过热[5],应立即停机排查系统压力、卸载周期、油液液面、油清洁度;或泵的出油管路能保证溢流阀压力正常、换向阀中位,泵能低压下卸载。否则,将导致烧毁泵,污染整个液压系统。
5 结语
举升液压系统是大型矿用电动轮自卸卡车的关键系统。其运行是否平稳,将直接影响到自卸卡车的生产效率、生产成本和能耗水平。通过对其举升液压系统进行长期、深入的技术探究及处理,能确保矿山的安全生产,大幅提高生产效率,有效地延长卡车的使用寿命,提高车辆完好率,大幅降低生产成本,可为提高矿山的技术经济和环保效益提供强有力的技术保障。
参考文献
[1]张伟旗.电动挖掘机钢丝绳失效形式探究及其预防[J].工程机械,2011,(7):65.
[2]王成虎.矿用自卸车液压举升系统原理及常见故障排除[J].矿业装备,2012,(7):100-101.
[3]韩彦军.630E自卸卡车液压举升系统缺陷分析及改进措施[J].中国科技博览,2010,(1):251-251.
[4]朱平.大型矿用卡车液压系统油温过高原因分析[J].露天采矿技术,2011,(6):90-91.
液压举升系统论文 篇3
直顶式举升机构广泛用于轻型汽车、农用运输车、农用拖卡和自动液压卸货车上,该机构传统的设计是根据整车的结构参数先初定铰支点的位置,再按此位置选择合适的油缸,最后用作图法求出各铰点的位置。这种方法虽然能用,但费力,随意性大,大多数情况下仅满足运动要求,未能实现结构优化,特别是最初开始举升时,阻力最大,导致液压系统油压偏高,影响使用寿命;且能耗大,不经济。下面通过几何模型和数学推导,再利用计算机辅助设计进行优化处理,可迅速求出不同规格型号的油缸铰支点位置,并在相应约束条件下,以在一定的油缸举升力下所产生的转矩最大为目标进行优化,得出理想的铰支点位置。
2 几何模型的建立和数学推导
如图1所示,O点是货厢后端与车架纵梁(或副梁)的铰支点,A点是油缸支座安装在车架(或副架)的铰支点,B、B′分别是油缸上支点与货厢在静止状态及最大举升角状态的铰支点,θ为最大举升角(一般为45°)[1]。从运动学角度来看,AB、AB′为定值(即分别为油缸缩到最小和伸到最大时的长度),是由所选购的油缸规格决定。即在ΔAOB和ΔAOB′中,只知道AB、AB′的长度,但不知道A点和B点(B′点为B点伸到最高时的位置,也即OB=OB′)。这说明在这两个三角形中已知O点和AB、AB′的长度而要求出A、B(B′)两点位置。利用余弦定理,在ΔAOB中:
经换算得
当OB
A点范围的确定如下。
A点必须在后轮和前轮之间,且近前轮较好,过后则顶举时汽车会翻转,而且后轮负荷过重,前轮离地,油缸与后桥会发生干涉等现象。同时必须在车厢下,但又不可以太低,因为汽车底盘的离地距离有限制[2]。本农用车取最小离地距离为120mm,OA最长取1200mm,最短取800mm(此时OA=OD),图1中斜线区域为A点可用位置范围。B点位置只知道在OB直线上(货厢底中轴线)。
3 用计算机算出一系列可用的A、B(B′)两点并且优化处理
具体算法为:在程序设计时设∠AOB及OA为变量,A的起始位置从D处开始,相对应的∠AOB即为∠DOB,再用逐渐变小的∠AOB和逐步变长的OA代入式(1)中,求出一系列对应的OB长,然后再将上述的OB代入式(2)中,求得对应的AB′的长,如果求得的AB′长不等于已知的AB′长(即油缸最大伸长时的值),则此A点不是所要求的解,一直求到AB′的长度等于或接近已知AB′的长(小于5mm认为接近),则A点为有效点,这时相对应的B点也为有效点,得到一系列符合运动参数的A、B(B′)点。
从理论上分析,油缸从静止状态开始举升时,其阻力矩最大,以后逐渐减小,同时在举升过程中如果逐步卸货,则阻力矩减小更快。所以,在启动油缸举升时,如果油缸举升力动力力臂越长,则所需的举升力越小,油缸压力越省,效果越佳[2]。
延长AB,过O点作垂线与AB延长线于C,OC即为动力臂:
求出OC的最大值OCmax。具体就是将前述所求一系列有效点A,B(B′)点所对应的OA、∠BAO数值代入式(3),用计算机算出对应的一系列OC值,其中最大值为本例所优化的结果(即OCmax)。如图2所示。
本例具体参数下的优化结果如下:
油缸最小安装尺寸:270mm;
油缸最大安装尺寸:860m;
OA最小取值:800mm;
OA最大取值:1200mm;
最小初始角∠AOB:5°;
最大初始角:20°;
最大举升角θ:45°。
4 结论
表1中,序号1是该厂XHC3041汽车液压自卸车举升机构铰支点原设计,序号2是取用原油缸参数利用计算机程序设计的方案,动力臂OC比原方案长:(743-644)/644×100%=15%,即同样的油缸参数,系统压力,装载质量一样的情况下,举升力可减少15%。
mm
序号3是采用不同的油缸参数(但缸径与序号1、2相同)计算出来的结果,其动力臂比序号2更长:(869-644)/644×100%=35%,举升力比原方案减少35%,效果更佳。
5 结束语
利用计算机辅助设计优化出来的举升机构铰支点位置,与优化设计前的结果比较,举升机构的动力经济性明显提高,结构更紧凑,且铰支点位置设计快捷、方便。
摘要：针对某农业机械厂XHC3041型液压自卸汽车的直顶式举升机构铰支点位置设计,建立起完整的数学几何模型以及相应的合理边界条件,在此基础上对铰支点位置进行了几何分析与推理,利用计算机辅助设计来优化出理想的铰支点位置,并与优化设计前的结果相比较,验证了优化设计的合理性和经济性。
关键词：直顶式举升机构,铰支点,优化设计
参考文献
[1]周允.汽车百科全书[M].北京:机械工业出版社,1989.
基于分段控制多级缸举升系统研究 篇4
含有多个活塞杆的多级液压缸由于具有结构紧凑,以及在原始长度相同的情况下比单级缸行程更长的特点而被广泛应用于自卸车的举升系统[1]。而在各级活塞杆依次伸出的过程中,由于活塞杆截面和负载的变化,以及需要通过活塞杆相互碰撞实现限位的情况,使得系统产生过大的冲击,该冲击通过整车车架车身传导到驾驶室,使得即便有减震装置的驾驶室也会产生极大的振动,从而影响驾驶人员的乘坐舒适性及安全。因此,如何克服这些问题成为自卸车举升系统以及和多级缸相关的大型机械装置亟待解决的问题。在变负载系统中,可以通过检测负载压力变化信号,向液压系统进行反馈,实现节能控制,以及流量和调速控制[2]。
目前国内外的研究主要集中在 以下几个 方面:在常规PID控制的基础上,引入了自适应神经元对PID控制参数进行在线调整,实现了对多级缸系统运动过程的智能控制[3];以机动导弹发射架为例,研究了大型液压驱动机械装置起竖过程的控制问题,实现了对液压油源和起竖速度的灵活控制[4];建立二级缸举升系统的模型,并进行仿真研究以及改进的PID控制算法的研究[5,6]。以上研究成果为多级缸举升系统的研究奠定了一定的基础,但无法满足矿用自卸车举升系统的要求。本文根据矿用自卸车应用工况,在力求系统节能、安全、可靠的前提下,提出了负载敏感电液比例举升控制系统方案,并通过分段控制方法即在多级缸正常伸出时采用电比例控制,在换级角度±5°范围内对举升过程采用模糊控制算法进行计算,并通过仿真分析及现场试验进行验证,从而证明了分段控制较采用单一电液比例控制的优越性。
1举升过程参数分析
矿用自卸车举升系统主要由车厢、多级举升缸及车架组成,其结构如图1所示,液压系统通过多级液压油缸为车厢提供动力,实现车厢从水平状态到最大角度状态的运动。
1.车身2.驾驶室3.前轮总成4.车架5.车厢6.多级举升缸7.后轮总成
举升机构的简化形式如图2所示,其中O点为举升缸与车架的铰接点,A点为举升缸与车厢相连的回转中心,B点为车厢与车架的铰接点,C点为举升缸伸出使车厢绕回转中心旋转θ后的位置,车厢与OB的夹角为φ,多级缸伸出时的长度为l+x,其中l为举升缸安装长度,x为多级缸行程,根据几何关系可以得到举升角度与举升缸行程变化之间的关系:
对于△OBC,有
对于△OAB,有
由式(1)、式(2)可得
将该车型举升机构的参数代入式(3),可以得到图3所示的举升角度与举升缸行程变化关系曲线,从图中可以看出举升缸换级时所对应的举升角度,从而为后续的举升控制研究提供依据。
2基于负载敏感电液比例控制方案
由于在举升过程中车厢中的载荷随着举升角度的变化而不断变化,同时还要受到风载荷等随机载荷变化的影响,因此举升缸的受力是不断变化的,采用负载敏感控制即与负载无关的流量控制,使举升缸的运动速度在每一级内运动时不受负载的影响。
图4为举升液压系统原理简化图,该系统由负载敏感变量泵、电液比例举升控制回路组成。其中,CT1、CT2为比例压 力阀,CT3、CT9为梭阀,CT4为压力顺序阀,CT5~CT8为平衡型常闭逻辑阀,CT10为溢流阀,CT11为单向阀,CT12为电磁换向阀。当比例电磁铁1AO获得控制手柄发出的PWM信号后控制比 例压力阀CT1的阀芯开口度,蓄能器3的压力油通过CT1后控制平衡型 常闭逻辑 阀CT6与CT8的先导腔,从而使变量泵的液压油通过逻辑阀CT6进入多级缸的大腔,而小腔的液压油通过CT8回油箱,实现车厢的举升。同样,当比例电磁铁2AO获得手柄发出的PWM信号后,变量泵的压力油通过平衡型常闭逻辑阀CT5进入多级缸的小腔,而大腔的压力油通过CT8回油箱,实现车厢的下降。平衡型常闭逻辑阀具有比例换向功能和双向平衡功能,从而使车箱控制更为可靠和舒适,消除了车箱下降末端对底盘的冲击,同时能够平衡车箱在举升末端物料流动反冲加速货箱的后翻。
1.负载敏感变量泵2.过滤器3.蓄能器4.多级举升缸5.安全阀
当车厢举升或下降时,通过举升手柄来实现举升或下降功能及调节举升速度,这里称之为手柄控制,其实质为将控制手柄的角度信号转化为电比例信号以 驱动比例 压力阀CT1和CT2换向,图5所示为举升手柄摆角与输出流量之间的关系。当多级举升缸需要换级时,由于驾驶员无法判断换级的具体位置,无法对多级缸换级进行控制,而换级时由于截面的变化,负载的变化以及活塞杆之间的相互碰撞实现限位而产生过大的冲击,因此为了降低冲击对整车的影响现采用分段控制方式,其控制流程如图6所示。
通过安装在车厢上的角位移传感器实时检测举升的角度θ,按照多级缸级间转换的次数将举升过程划分成若干阶段,由于一级缸伸出时,负载及截面的变化并不明显,因此忽略一级缸伸出时的作用,将一级缸到二级缸,二级缸到三级缸过渡的角度值θ0、θ1设为控制点,根据上文对举升缸长度变化和举升角度的变化关系的分析确定两个控制点的角度值,当通过角度传感器采集到的举升角度在这两个角度控制点±5°范围内时,通过模糊控制算法控制比例阀阀芯的位移。
3模糊控制算法设计
当车厢举升或下降时,通过举升角度传感器采集当前的举升角度信号,当举升角度在 (θ05°,θ0+5°)或(θ1-5°,θ1+5°)内时,手柄工作失效,进入分段控制模式,通过模糊控制算法,计算出主阀芯的开口度,通过控制比例压力阀实现主阀芯开口度的调节,从而达到抑制举升缸换级时的速度突变。模糊控制系统的原理如图7所示。
采用角度差和角度差的变化率作为输入,输出控制信号U。控制信号U的论域为[-6,6]。输入变量和输出变量均采用灵敏度较高的三角函数[7,8]。二级缸在换级时,角度差和角度差变化率会发生突变,因此将e的论域扩大 到 [-9,9],的论域扩 大到 [-20,20]。模糊子集采用NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、O、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。其中,E为模糊化后的角度差,EC为模糊化后的角度差变化率,U为模糊输出电压,u为实际输出电压,θ为实际输出角度。根据经验,设计模糊控制规则表[9]如表1所示。
建立举升液压系统的AMESim模型,并进行编译转化为Simulink中常用的S函数形式,实现与Simulink的联合,再利用Simulink中的fuzzy工具箱中的模糊控制器(fuzzylogiccontroller)和其他模块搭建系统的仿真模型,如图8所示,其中AMESim模型中将控制比例减压阀的电压信号作为输入信号,举升角度作为输出信号。手柄控制方式和分段 控制方式 下的仿真 结果如图9所示。
从图9可以看出,在举升过程中第8s和第15s也就是在二级缸和三级缸换级时,多级缸的速度发生显著的波动,两种控制方式差异也是主要发生在二级缸和三级缸换级时,分段控制方式下采用模糊控制算法后的系统稳定性增强,多级缸换级时的振动冲击作用将会明显减弱。
4现场试验验证
为了验证采用分段控制后对系统产生的效果以及仿真分析的正确性,对现场实车进行测试,在实验测试过程中,通过液压测试仪采集举升缸大腔的压力值,并通过液压测试仪屏幕或通过PC联机软件可 以显示各 类分析曲 线[10],如图10所示。
对空载及重载举升过程中压力信号进行采集与对比分析,图11所示为多次空载举升中任意两次压力曲线,从图中可以看出,在整个举升过程中采用手柄控制即电比例控制时,在二级缸和三级缸伸出时均会产生较大的压力峰值,说明多级缸伸出时的冲击主要发生在二级缸和三级缸换级前后,与仿真分析结果相一致,而采用分段控制即换级前后采用模糊控制算法虽然会使举升时间滞后,但仍然在举升设计时间允许的范围内,并且能有效地缓解了换级时的压力冲击,使举升过程中更加平稳。
重载举升时由于惯性作用,启动时的压力会比空载时要大很多,为了使落料更加平稳需要放慢举升速度,随着举升过程的进行,多级缸活塞杆逐级伸出,在二级缸和三级缸伸出时仍然会有冲击作用。图12所示为重载情况下两种控制方式下举升压力测试曲线。通过对比可以发现,在每一级缸伸出的过程中,两种控制方式效果相似,而在换级时能够显示出分段控制方式对于抑制冲击的效果。
5结论
(1)通过对举升机构的模型简化,分析了举升过程中举升缸的长度变化和举升角度关系,为得到多级缸换级时的举升角度提供依据。
(2)对负载敏感举升系统电液比例控制原理进行了分析,并提出了分段控制方式即换级前采用手柄控制,在二级缸、三级缸换级角度±5°范围内采用模糊控制算法。
(3)对模糊控制算法进行设计,并进行仿真研究,表明分段控制方式下采用模糊控制算法后的系统稳定性增强,多级缸换级时的冲击作用将会明显减弱。