多功能救援车液压系统设计与仿真_惠记庄

年代初才开始自行开发设计挖掘装载机，技术水平 落后国外不少，主要体现在部分产品安全性能和可 靠性不能满 足 抢 险 救 援 的 需 要，主 机 故 障 率 高，作 业性能不稳定等．
多功能救援车的平稳性和可靠性是保证救援 工作质量的 重 要 指 标，而 救 援 车 各 机 构 经 常 起 动、 换向、制动，外 负 载 变 化 比 较 大，振 动 和 冲 击 多，这 对传动系统的设计带来了很大的困难，通常需要采 用液压驱动 的 方 式 实 现 平 稳 性 和 可 靠 性，因 此，液
1 多功能救援车液压系统设计
缓冲阀并联组成． 其中每一个缓冲阀的高压油口都 与另外一个缓冲阀的低压油口相连接，当回转机构 突然制动、停 止 或 者 反 转 时，高 压 腔 中 的 液 压 油 可 以 经 过 缓 冲 阀 直 接 进 入 低 压 腔，能 够 缓 解 压 力 冲 击． 并且这种回路还有补油量少，背压低，高工作效 率的特点［3］．
其他元件都采用系统的默认参数，最后对救援 车全液压系统进行 30 s 的仿真，步长为 0． 05 s，前 10 s电磁阀 1 接通，只给油缸添加负载； 中间 10 s 电 磁阀 2 也接通，回转马达与液压油缸同时接通； 最 后时间，接通电磁阀 3，所有执行元件共同工作，得 到液压系统的响应情况［9］．
摘要： 针对抢险救援车工作平稳性及可靠性的要求，设计出了多功能救援车全液压驱动系统． 利用 AMESim 软 件建立了液压系统模型，通过设置主要参数，实现了液压系统动态仿真，同时对各部件进行了性能分析，得出多 功能救援车在工作过程中回转马达与行走马达输出转矩、负载、流量以及工作压力随时间的变化曲线． 结果表 明： 救援车各液压执行部件在外负载变化时运动平稳，整个液压系统在外部复杂条件变化时能够有效地进行工 作，验证了设计的合理性．
该救援车液压部分主要由主轴箱液压系统组 成． 其主要元件有液压油箱、液压电机、泵以及辅助 设备等． 工作方式为单独控制或复合控制动臂油 缸、斗杆油缸 和 工 作 元 件 油 缸 的 伸 缩，来 满 足 工 作 元件走到指定目的地并进行挖掘、破碎等具体工作 的要求． 行走装置分别由左右 2 个液压行走马达来 控制速度． 当左右 2 个马达的转速不一样的时候， 比如说左行走驱动马达的转速比右行走驱动马达 的转速大，救援车就可以完成右转弯的动作； 反之， 则可以完成左转弯的动作． 多功能救援车下端还设 计有小型推 土 铲，为 救 援 车 行 走 驱 逐 障 碍，推 土 铲 的实际具体位置由推土铲控制油缸的伸缩来控制． 在完成不同工作元件更换的时候，通用连接器的快 换油缸的伸缩可以控制活动锁舌的开启与闭合． 同 时，该救援车还设计有 2 个备用的液压回路，在特 殊情况下，救 援 车 可 以 当 作 一 个 液 压 泵 站，用 来 充 当千斤顶或手动液压工具等的动力源［2］． 1． 2 液压系统的基本回路
第 11 卷第 2 期 2013 年 4 月
中国工程机械学报 CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY
Vol． 11 No． 2 Apr． 2013
多功能救援车液压系统设计与仿真
惠记庄，魏芳胜，高 凯
（ 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）
Abstract： According to the requirements of w orking stability and reliability for the multifunctional rescue vehicle，a full hydraulic system driving system of multifunctional rescue vehicles is first designed． T hen，the hydraulic system model is established using AM ESim T M ． By setting the major parameters，the dynamic simulation is carried out． M eanw hile，each component is conducted via performance analysis． Next，the output torque，loading，flow volume and w orking pressure curves of rotary and driving motors are obtained over time scale． Finally ，it is observed from results that each hydraulic executor is operated stably w ith variation of external loads． Further studied，the entire hydraulic system ，w hich can effectively w ork under external complicated conditions，is verified in terms of design rationality ． Key words： multifunctional rescue vehicle； hydraulic system ； AM Esim ； simulation
基金项目： 陕西省自然科学基金资助项目（ 2011JM7007） 作者简介： 惠记庄（ 1963 － ） ，男，教授，工学博士． E-mail： huijz6363@ chd． edu． cn
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中国工程机械学报
第 11 卷
压系统是多功能救援车设计的关键之一． 本文针对 多功能救援车所受大而时变外负载的特点，对其液 压系统进行了设计和仿真，并对各部件进行了性能 分析．
Байду номын сангаас
HUI J i-zhuang，W EI Fang-sheng，G AO Kai
（ Key Laboratory for Highw ay C onstruction T echnology and Equipment of M inistry of Education，C hang’an U niversity，X i’an 710064，C hina）
救援车工作 装 置 回 路 主 要 包 括 动 臂、斗 杆、具 体工作元件、通用连接器快换缸和 2 个备用回路． 这些工作装置基本上由液压缸驱动，而且在工作的 时候均承受较大的力． 所设计的液压回路如图 3 所 示． 因为油缸所承受的压力比较大，当工作中遇到 较大的 阻 力 时，液 压 油 管 中 的 压 力 也 在 不 断 增 大，为避免液压元件和油管被强大的压力破坏，在进
关键词： 多功能救援车； 液压系统； AMEsim； 仿真
中图分类号： TH 137
文献标志码： A
文章编号： 1672 － 5581（ 2013） 02 － 0117 － 05
Hydraulic system design and simulation on multifunctional rescue vehicles
第2 期
惠记庄，等： 多功能救援车液压系统设计与仿真
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图 2 行走回路液压图 Fig． 2 Walking loop hydraulic diagram
油路中设有溢流阀，当油压力足够大并且超过溢流 阀限制压力 时，液 压 油 则 会 顶 开 阀 体 泄 油 至 油 箱． 回路中的 2 个单项阀直接接油箱，起补油作用． 备 用回路中接有三通球阀与截止阀，可以有效方便地 控制连接备用元件油路的通断［4-7］．
多功能救援车由工作装置、回转机构及行走机 构大部分组成． 工作装置包括动臂机构、斗杆机构、 铲斗连杆机构、通用连接器、具体工作元件． 上述所 有机构的动作均由液压驱动来完成． 另外在工作的 过程中还需要液压支架来保证多功能救援车工作 的平稳性． 考虑到功率的损耗情况以及制造成本等 众多问题，采用单变量泵液压系统． 1． 1 液压系统工作原理
为 31． 5 MPa； 泵的排量为 268 ml·r － 1 ； 发动机转速 为1 500 r·min － 1 ； 液压缸内径为 80 mm； 活塞杆直 径为 55 mm； 液压缸行程为 1 m，质量为 500 kg； 回 转马达排量为 172 ml·r － 1 ，转速为 310 r·min － 1 ； 行走马达排量为129 ml·r － 1 ，转速为500 r·min － 1； 马 达 负 载 库 仑 摩 擦 力 2 000 N，转 动 惯 量 为 1 kg·m2 ； 黏滞摩擦系数为 1； 库仑摩擦系数为0． 1； 油液 密 度 为 850 kg · m － 3 ； 体 积 弹 性 模 量 为 1． 7 GPa； 绝对黏度为 0． 051 Pa·s； 油温为 40 ℃ ．
多功能救援车集铲装、挖掘、推土、破碎等多种 功能于一机，是一种适应性较强的现场施工与救援 机械，广泛应 用 于 工 作 环 境 恶 劣、工 作 状 态 复 杂 多 变、复合运动较多的场合． 国外多功能救援车研究 起步较早，形式多样化，车型比较齐全，如美国“山 猫”、“凯 斯 ”多 功 能 滑 移 转 向 装 载 机，具 有 体 积 小 巧、自重轻、功 能 多、越 野 性 能 好、适 应 救 援 现 场 能 力强、遥控功能强、作业范围较大的特点［1］． 国内对 多功能抢险救援车的研究起步较晚，在 20 世纪 70
本回转机构液压回路设计中，溢流阀起压力控 制作用，2 个单向阀起补油的作用，缓冲回路由 2 个
图 1 回转回路液压图 Fig． 1 Rotary loop hydraulic diagram
1． 2． 2 行走回路 如图 2 所示，在行走回路中设置有制动油路，
制动油路与马达的液压锁油缸相连接，制动油缸为 常闭式． 非工作状态时，阀 1 打到中间挡上，变量马 达处于锁定状态． 当油泵开始向行走马达供油时， 压力油推动阀 1 置于其他挡位时，压力油可以经过 阀 1 进入制动油缸，压缩弹簧，马达液压锁解除． 此 外，行走回路中还设计有变速回路． 变速阀由先导 压力进行控 制，当 变 速 阀 上 无 先 导 压 力 作 用 时，变 量马达以正常的速度运转； 当变速阀上有先导压力 时，阀体压缩 弹 簧 上 移，控 制 压 力 油 则 可 以 进 入 变 速马达控制 油 缸，从 而 调 节 行 走 变 量 马 达 的 斜 盘， 使行走马达排量增大，并且以较高的速度运转． 与 回转回路一样，行走回路中也设计有补油及缓冲回 路，2 组变速阀 2 并联于主油路中并且与气液转换 器相连接． 当其中一个阀 2 处于高压但不足以顶开 阀 2 时，压力油会进入气液转换阀的一端，同时气 液转换阀的另一端液压油压力增大会顶开单向阀 进行回路补油． 当马达突然制动或反转时，此气液 转换阀可以起到缓冲油压的作用，有效地减少了油 压对马达的冲击． 1． 2． 3 工作装置回路