《液压传动》网络课程研究型教学实验报告Q28型汽车起重机回路分析及其仿真报告

NANCHANG UNIVERSITY 液压传动网络课程研究型教学实验报告题 目： Q2-8型汽车起重机回路分析及其仿真 专 业： 机制 完成人： 学号： 5901107052 指导教师： 职称： 副教授 液压传动网络课程“液压系统性能仿真动画（基于性能分析）”新型教学模块目的、要求与任务说明1. 目的（1）结合典型系统分析液压系统的基本回路、回路性能以及液压系统参数对回路性能的影响，加强学生进一步对液压系统的深入理解和掌握；（2）将液压系统基本回路做成仿真动画，为课堂教学提供直观辅助教材，让同学能够享受自己所做的成果；（3）在掌握液压传动基本知识和结合自己爱好的基础上，掌握一门动画创作基本技能。2. 要求（1）深入掌握和理解液压传动基本知识；（2）充分发挥自己爱好兴趣和特长，促进课程知识掌握；（3）态度要认真，要多交流。3. 主要任务（1）结合液压传动教材第十章典型液压系统分析，选择自己感兴趣的典型液压系统，做出系统具体分析；（2）对组成该液压系统的基本回路、回路特点做出具体分析；（3）液压系统基本参数的变化对各个基本回路与液压系统性能的影响，做出变化规律曲线，用于系统仿真；（4）对所选液压系统做出性能基本回路动画仿真分析和直观动画；（5）完成任务，做出总结报告。40目录第一章 汽车起重机概述11.1汽车起重机概述11.2汽车起重机分类11.3汽车起重机的规格型号表示方法21.3.1国产汽车起重机的型号编制规则及表示法21.3.2进口汽车起重机的型号表示法示例21.4汽车起重机的发展现状与趋势21.4.1国内基本现状21.4.2国外汽车起重机概况31.4.3国内外汽车起重机发展趋势3第二章 Q2-8汽车起重机液压系统与回路分析42.1Q2-8汽车起重机的结构42.2液压系统分析52.3各回路动作分析62.3.1支腿缸收放回路62.3.2吊臂回转回路72.3.3伸缩回路72.3.4变幅回路82.3.5起升回路82.3.6性能分析82.4论文所研究回路的特性分析92.4.1吊臂变幅机构回路91.变幅速度92.变幅液压缸负载93.缸筒内径D及活塞杆直径d的计算104.回路元件选择115.Flash仿真静态特性计算公式116.液压缸动态特性分析122.4.2吊臂起升机构回路141.起升速度142.液压马达工况分析153.液压马达型号选择154.回路元件型号选择165.Flash仿真静态特性计算公式166.液压马达动态分析17第三章 Q2-8汽车起重机液压系统Flash仿真203.1Adobe Flash简介203.2变幅机构回路动画制作203.2.1目标液压回路203.2.2回路元件的制作203.2.3变幅回路动画制作233.2.4变幅回路计算功能实现影片剪辑制作253.3升降回路动画制作273.3.1目标液压回路273.3.2回路元件的制作273.3.3升降回路动画制作303.3.4升降回路计算功能实现影片剪辑制作303.4完整动画制作313.4.1MC元件命名313.4.2控制元件及脚本32总 结38参考文献39第一章 汽车起重机概述1.1 汽车起重机概述汽车起重机是一种重要的起重机械，属于工程机械大家族中的一个重要部分，既可以像其他起重机械一样在一定范围内将重物垂直起升并作短距离水平移动，又可以像普通轮式载货汽车一样快速行驶。从使用性能上看，汽车起重机具有行驶速度快、机动性好、灵活性大、转场方便、幅度长、功能多、起重能力强、使用成本低等优点。在工程施工和城市建设中担负着重要的角色。汽车起重机隶属于自行式起重机，自行式起重机是起重机大家族中的一类，具体可分为轮式起重机和履带式起重机。轮式起重机又可分为汽车起重机和轮胎式起重机以及特种底盘起重机。从基本概念上看，汽车起重机和轮胎起重机并不相同，但两者常常被混淆，可能是由于两者的行驶系统中的主要装置都是轮胎的缘故。这里简单说明一下，汽车起重机和轮式起重机的区别。人们习惯上将装在通用或专用汽车底盘上的起重机称为汽车起重机。而由一个专用的自行轮胎底盘组成的起重机称为轮胎式起重机，这种底盘不是汽车式的。一般汽车起重机轴距较长。另外，轮胎式起重机一般只有一个驾驶室，而汽车起重机通常有两个驾驶室。1.2 汽车起重机分类1. 按额定起重量分类：有轻型、中型、大型三类。其中轻型（起重5t以下），中型汽车起重机起重量在515t，重型汽车起重机起重量在550t，超重型汽车起重机起重量在50t以上。近年来，由于使用要求，其起重量有提高的趋势，如今已有50100t的大型汽车起重机。2. 按吊臂结构分类：有定长臂式、接长臂汽车式和伸缩臂式三类。3. 按支腿形式分类：有蛙式支腿、X形支腿、H形支腿三类，其中，蛙式支腿跨距较小，仅适用于较小吨位的起重机；X形支腿容易产生滑移，也很少采用；H形支腿可实现较大跨距，对整机的稳定有明显的优越性，适用于大、中、小各型起重机。4. 按照底盘轮轴的数量分类：轮轴的数量决定了轮式起重机转向桥和驱动桥总数的多少，也决定了底盘的基本形式。驱动桥的多少取决于所需牵引大小，而轮轴的多少取决于整机重量。国产轮式起重机有两桥底盘、四桥底盘、五桥底盘，以及六桥底盘起重机等。5. 按转台的回转范围分类：有全回转式和非全回转式两类。其中，非全转汽车起重机的转台回转角小于270度，全回转式汽车起重机装置在水平面内，转台可任意在360度范围回转。6. 按传动装置的传动方式分类：有机械传动、电传动、液压传动三类。电传动主要应用于一些固定场所的专用起重机；机械传动和液压传动在移动式起重机上应用广泛。7. 根据路面适应能力分类：根据汽车起重机对不同路面的适应能力，可分为非全路面汽车超重机和全路面汽车起重机。1.3 汽车起重机的规格型号表示方法1.3.1 国产汽车起重机的型号编制规则及表示法汽车起重机的型号编制规则是用汉语拼音字母和数字组成的字符串来表示；字母Q表示汽车起重机，字母Y表示液压传动，字母D表示电力传动，不标字母时表示机械传动,AY表示全路面式；字母后面的数字表示起重机的吨位。在型号的末尾还用A、B、C、E等字母表示该起重机的设计序号。型号含义举例：QY8表示最大额定起重量为8吨的液压汽车起重机。QAY160表示最大额定起重量为160吨的全路面液压汽车起重机（又称AT起重机）。1.3.2 进口汽车起重机的型号表示法示例国外移动式工程起重机型号都是由生产厂家自行规定的，所以比较繁杂。但基本上是以英文大写字母表示生产厂家名称第一字母与机型，用数字表示起重量。这里举例说明一下进口汽车起重机的型号识别方法。1) 日本多田野公司（TADANO）产品。TG-752：首位字母T-多田野汽车起重机；第二位字母表示产品起重量级别：G-大型；L-中型；S-小型。前两位数字75表示起重量75t；最后一位数字表示产品改进序号。2) 德国利勃海尔起重机。LT-1200S：首位字母；L-利勃海尔起重机；第二位字母T表示汽车式；首位数字1-该公司产品系列代号；后面数字200表示起重量200t；最后一位字母表示带“超起”附加装置。1.4 汽车起重机的发展现状与趋势1.4.1 国内基本现状我国汽车起重机行业自20世纪五六十年代开始建立，而后逐步发展壮大，如今已经形成了具有相当规模、至关重要的企业群体并服务于国民经济建设的各行各业。近年来，国内起重机企业推出新产品的速度越来越快，吨位节节攀升，但与利勃海尔、特雷克斯德马格、马尼托瓦克和神钢等国外知名起重机企业相比仍有比较大的差距。这一是因为我国汽车起重机行业起步较晚，二是受国家整体工业水平和制造业发展状况的限制。总体来看，国产汽车起重机还存在以下几方面的问题和差距。1) 新产品开发能力较弱，缺乏核心知识产权；2) 制造工艺水平较低，产品综合性能一般；3) 产品检测力水平不高，质量问题影响较大；4) 产品品种比较单一，整机质量稳定性差；5) 产品技术标准滞后，消化创新能力不足。1.4.2 国外汽车起重机概况自20世纪90年代以来，世界上汽车起重机行业发生了很大变化。由于对于现场移动的敏感、狭窄场所的进入限制及对作业性能的要求，相继出现了越野型、微型和全地面型流动式起重机。就产品种类而言，最大的变化是越野轮胎起重机和全路面起重机的迅速发展，这对中国以汽车起重机单一产品为主的工程起重机行业而言，其影响是很大的。1.4.3 国内外汽车起重机发展趋势随着现代科学技术的发展，各种新技术、新材料、新结构、新工艺在工程起重上得到了广泛的应用，有力促进了汽车起重机技术性能的全面提升，总体上朝着大型化、液压化、多功能、高性能发展，朝着提高零部件可靠性和使用寿命、改善驾驶员操作条件的方向努力。具体来看，主要体现在以下几个方面。1) 采用新技术、新材料、新结构、新工艺；2) 目前，各国在发展工程起重机新产品中都很重视标准化、系列化、通用化；3) 重视技术整合，向机电液一体化方向发展；4) 通用型机以中小型为主，专用型机向大型化发展；5) 发展越野及全地面汽车超重机；6) 发展一机多用产品。第二章 Q2-8汽车起重机液压系统与回路分析2.1 Q2-8汽车起重机的结构图2-1为Q2-8汽车起重机的外形简图，这种起重机采用液压传动，最大起重量为8t（幅度为3m时），最大起重高度为11.5m，起重装置连续回转。它主要由如下五个部分构成1. 支腿装置：起重作业时使汽车轮胎离开地面，架起整车，不使载荷压在轮胎上，并可调节整车的水平度，一般为四腿结构。2. 吊臂回转机构：使吊臂实现3600任意回转，在任何位置能够锁定停止。3. 吊臂伸缩机构：使吊臂在一定尺寸范围内可调，并能够定位，用以改变吊臂的工作长度。一般为3节或4节套筒伸缩结构。4. 吊臂变幅机构：使吊臂在150800之间角度任意可调，用以改变吊臂的倾角。5. 吊钩起降机构：使重物在起吊范围内任意升降，并在任意位置负重停止，起吊和下降速度在一定范围内无级可调。图2-1 Q2-8汽车起重机外型简图1-载重汽车 2-回转机构 3-支腿 4-吊臂变幅缸 5-吊臂伸缩缸 6-起升机构 7基本臂44收放FEDCBAA、B、C、D、E、F-手动换向阀图2-2 Q2-8型汽车起重机液压系统图1、2-手动阀组 3-安全阀 4-双向液压锁 5、6、8-平衡阀 7-单向节流阀9-中心回转接头 10-开关 11-过滤器 12-压力表 放收闸缸减幅增幅缩伸后支腿液压缸前支腿液压缸起升液压马达变幅液压缸伸缩液压缸回转液压马达取力箱12111098765443212.2 液压系统分析Q2-8型汽车起重机液压系统如图2-2所示。这种起重机的作业操作，主要通过手动操纵来实现多缸各自动作。起重作业时一般为单个动作，少数情况下有两个缸的复合动作，为简化结构，系统采用一个液压泵给各执行元件串联供油方式。在轻载情况下，各串联的执行元件可任意组合，使几个执行元件同时动作，如伸缩和回转，或伸缩和变幅同时进行等。该系统液压泵的动力由汽车发动机通过装在底盘变速箱上的取力箱提供。液压泵为高压定量齿轮泵，由于发动机的转速可以通过油门人为调节控制，因此尽管是定排量泵，但其输出的流量可以在一定的范围内通过控制汽车油门开度的大小来人为控制，从而实现无级调速；该泵的额定压力为21MPa，排量为40mlr，额定转速为1500rmin，实际工作压力由压力表12显示。安全阀3用来防止系统过载，调整压力为19MPa；液压泵通过中心回转接头9、开关10和过滤器11从油箱吸油；输出的压力油经回转接头9、多路换向阀手动阀组l和2的操作，将压力油串联地输送到各执行元件，当起重机不工作时，液压系统处于卸荷状态。系统工作情况与手动换向位置的关系见表2-1。表2-1 Q2-8型汽车起重机液压系统的工作情况手动换向阀位置系统工作情况阀A阀B阀C阀D阀E阀F前支腿液压缸后支腿液压缸回转液压马达伸缩液压缸变幅液压缸起升液压马达制动液压缸左位中位中位中位中位中位伸出不动不动不动不动不动制动右位缩回中位左位不动伸出右位缩回中位左位不动正转右位反转中位左位不动缩回右位伸出中位左位不动减幅右位增幅中位左位不动正转松开右位反转2.3 各回路动作分析2.3.1 支腿缸收放回路该汽车起重机的底盘前后各有两条支腿，通过机械机构可以使每一条支腿收起和放下。在每一条支腿上都装着一个液压缸，支腿的动作由液压缸驱动。两条前支腿和两条后支腿分别由多路换向阀1中的三位四通手动换向阀A和B控制其伸出或缩回。换向阀均采用M型中位机能，且油路采用串联方式。确保每条支腿伸出去的可靠性至关重要，因此每个液压缸均设有双向锁紧回路，以保证支腿被可靠地锁住，防止在起重作业时发生“软腿”现象或行车过程中支腿自行滑落。此时系统中油液的流动情况为前支腿进油路：取力箱液压泵多路换向阀1中的阀A两个前支腿缸进油腔；回油路：两个前支腿缸回油腔多路换向阀1中的阀A阀B中位旋转接头9多路换向阀2中阀C、D、E、F的中位旋转接头9油箱。后支腿进油路：取力箱液压泵多路换向阀1中的阀A的中位阀B两个后支腿缸进油腔；回油路：两个后支腿缸回油腔多路换向阀1中的阀A的中位阀B旋转接头9多路换向阀2中阀C、D、E、F的中位旋转接头9油箱。2.3.2 吊臂回转回路吊臂回转机构采用液压马达作为执行元件。液压马达通过蜗轮蜗杆减速箱和一对内啮合的齿轮传动来驱动转盘回转。由于转盘转速较低，每分钟仅为1-3转，故液压马达的转速也不高，因此没有必要设置液压马达制动回路。系统中用多路换向阀2中的一个三位四通手动换向阀C来控制转盘正、反转和锁定不动三种工况。此时系统中油液的流动情况为进油路：取力箱液压泵多路换向阀1中的阀A、阀B中位旋转接头9多路换向阀2中的阀C回转液压马达进油腔；回油路：回转液压马达回油腔多路换向阀2中的阀C多路换向阀2中的阀D、E、F的中位旋转接头9油箱。2.3.3 伸缩回路起重机的吊臂由基本臂和伸缩臂组成，伸缩臂套在基本臂之中，用一个由三位四通手动换向阀D控制的伸缩液压缸来驱动吊臂的伸出和缩回。为防止因自重而使吊臂下落，油路中设有平衡回路。此时系统中油液的流动情况为进油路：取力箱液压泵多路换向阀1中的阀A、阀B中位旋转接头9多路换向阀2中的阀C中位换向阀D伸缩缸进油腔；回油路：伸缩缸回油腔多路换向阀2中的阀D多路换向阀2中的阀E、F的中位旋转接头9油箱。2.3.4 变幅回路吊臂变幅是用一个液压缸来改变起重臂的俯角角度。变幅液压缸由三位四通手动换向阀E控制。同样，为防止在变幅作业时因自重而使吊臂下落，在油路中设有平衡回路。此时系统中油液的流动情况为进油路：取力箱液压泵阀A中位阀B中位旋转接头9阀C中位阀D中位阀E变幅缸进油腔；回油路：变幅缸回油腔阀E阀F中位旋转接头9油箱。2.3.5 起升回路起升机构是汽车起动机的主要工作机构，它由一个低速大转矩定量液压马达来带动卷扬机工作。液压马达的正、反转由三位四通手动换向阀F控制。起重机起升速度的调节是通过改变汽车发动机的转速从而改变液压泵的输出流量和液压马达的输入流量来实现的。在液压马达的回油路上设有平衡回路，以防止重物自由落下；在液压马达上还设有单向节流阀的平衡回路，设有单作用闸缸组成的制动回路，当系统不工作时通过闸缸中的弹簧力实现对卷扬机的制动，防止起吊重物下滑；当吊车负重起吊时，利用制动器延时张开的特性，可以避免卷扬机起吊时发生溜车下滑现象。此时系统中油液的流动情况为进油路：取力箱液压泵阀A中位阀B中位旋转接头9阀C中位阀D中位阀E中位阀F卷扬机马达进油腔；回油路：卷扬机马达回油腔阀F旋转接头9油箱。2.3.6 性能分析从图2-2可以看出，该液压系统由调压、调速、换向、锁紧、平衡、制动、多缸卸荷等基本回路组成，其性能特点是：1)在调压回路中，采用安全阀来限制系统最高工作压力，防止系统过载，对起重机实现超重起吊安全保护作用。2)在调速回路中，采用手动调节换向阀的开度大小来调整工件机构(起降机构除外)的速度，方便灵活。3)在锁紧回路中，采用由液控单向阀构成的双向液压锁将前后支腿锁定在一定位置上，工作可靠，安全，确保整个起吊过程中，每条支腿都不会出现软腿的现象，即使出现发动机死火或液压管道破裂的情况，双向液压锁仍能正常工作，且有效时间长。4)在平衡回路中，采用经过改进的单向液控顺序阀作平衡阀，以防止在起升、吊臂伸缩和变幅作业过程中因重物自重而下降，且工作稳定、可靠，但在一个方向有背压，会对系统造成一定的功率损耗。5)在多缸卸荷回路中，采用多路换向阀结构，其中的每一个三位四通手动换向阀的中位机能都为M型中位机能，并且将阀在油路中串联起来使用，这样可以使任何一个工作机构单独动作；这种串连结构也可在轻载下使机构任意组合地同时动作；但采用6个换向阀串接，会使液压泵的卸荷压力加大，系统效率降低，但由于起重机不是频繁作业机械，这些损失对系统的影响不大。6)在制动回路中，采用由单向节流阀和单作用闸缸构成的制动器，利用调整好的弹簧力进行制动，制动可靠、动作快，由于要用液压缸压缩弹簧来松开刹车，因此刹车松开的动作慢，可防止负重起重时的溜车现象发生，能够确保起吊安全，并且在汽车发动机死火或液压系统出现故障时，能够迅速实现制动，防止被起吊的重物下落。2.4 论文所研究回路的特性分析由于缺少具体的参数，本论文均根据一般参数进行分析计算。2.4.1 吊臂变幅机构回路1. 变幅速度变幅速度是指起重机在水平路面上吊臂从最大幅度变到最小幅度的平均速度，单位为m/min。俯仰变幅起重臂的变幅速度也就是升臂和落臂的速度，一般落臂速度大于升臂速度。也有以完成变幅全过程所需时间表示，单位为s，一般为15150s。最大幅度为起重臂接近水平的夹角为13 o时的幅度，最小幅度为起重臂仰到最大角度（一般与水平夹角78 o）时的幅度。起重臂变幅时间（起/落）为41/26s，由几何计算可知变幅速度为VB(起/落)=0.23/0.36m/s。2. 变幅液压缸负载在幅度为3m时，起重机最大起重量为80KN，最大起重高度为11.5m，此时起重臂水平夹角约为70o。由几何关系分析可知，当起重机起重量为80KN，起重高度为11.5m时，变幅液压缸的推力最大FB=22.72KN。结合图2-3，可求得臂长：图2-3 几何关系图变幅距离：变幅速度：，变幅液压缸最大推力： 3. 缸筒内径D及活塞杆直径d的计算由上述陈述可知，变幅液压缸的压力、推力、流量、速度均为已知。所以缸筒参数的确定可分别根据压力推力、流量速度关系求出，并取能满足全部条件的结果。a. 按压力推力关系表2-2执行元件背压力系统类型背压力/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短且直接回油可忽略不计系统最大压力为P1=19MPa，即不计进油路压力损失，进油腔压力为19 Mpa，变幅液压缸上升时的最大推力为22.72KN。根据表2-2可知，工程机械执行元件背压一般为1.23MPa，这里由于回油路相对比较简单，回油压力近似取为P2=1.5MPa。 所以：b. 按流量速度关系系统最大流量为Q=60L/min，即不计泄漏情况下，进油腔最大流量为60 L/min。升臂变幅速度为0.23m/s，落臂变幅速度为0.36m/s。综合上述分析可知，变幅液压缸内径应选74，活塞杆直径选45。根据表2-3进行圆整，液压缸内径为D=63；活塞杆外径，圆整为d=40。表2-3 液压缸内径及活塞杆外径系列（摘自GB/T 23481993）表2-3.1 液压缸缸筒内径尺寸系列： mm表2-3.2 液压缸的活塞杆外径尺寸系列： mm4. 回路元件选择系统最高工作压力为19MPa，液压泵额定最高压力为21MPa，所以可以选取额定压力大于或等于21MPa的各种元件，其流量按实际情况分别选择。表2-4 变幅回路元件列表序号元件名称估计通过流量L/min最大流量L/min额定压力MPa型号、规格1安全阀603302.563DBDA1/2G2三位四通阀6050021DMT-103D60-303单向平衡阀6080<=31.5DZ10DP3-40/210XY4节流阀305031.5MG10G1.25. Flash仿真静态特性计算公式a. 变幅速度：VB(起/落)0.23/0.36m/s；若已知升臂速度，则有流量：逆推可得：马达转速：若已知降臂速度，则有流量：逆推可得：马达转速：b. 忽略起重臂自重，变幅缸负载大小范围为522.72KN。系统压力：根据系统压力可以计算系统的泄漏特性，根据设计手册提供参数可知，泄漏系数K一般取1.2，所以系统泄漏量6. 液压缸动态特性分析随着现代液压技术的发展，对液压系统仅仅做静态特性分析和设计已经远远不够了。液压系统在工作时，经常会出现突然卸载、换向阀突然换向等问题，再加上来自系统外部及内部的干扰，所有这些因素都会破坏系统运转的原平衡状态而使系统处于动态过程，因此, 对动态系统进行动态分析显得尤为重要。本小节，考虑到工作量与时间的冲突，笔者拟对变幅回路中的液压缸进行动态分析。液压缸在输入流量不变、负载发生变化，或负载不变、输入流量发生变化时，活塞或缸筒的运动就会出现加速或减速的瞬态过程。液压缸的动态分析就是对瞬态过程中的这些变化关系进行分析。液压缸上总是边着油管的，因此在分析液压缸的动态特性时，要使用如图2-4所示的简图。为了简化分析，假定液压缸回油腔直通油箱，而且进油管较短，只需考虑其容积的影响。图2-4液压缸简图活塞上的受力方程为：式中：A活塞有效工作面积； P液压缸工作腔压力； M液压缸所驱动的工作部件质量； V起活塞移动速度； B粘性阻尼系数； FL外负载力。液压缸工作腔的流量连续方程为：式中：k液压缸工作腔的泄漏系数； V液压缸工作腔和进油管内的油液体积； K油液的体积模量。上两式取增量，经拉氏变换后整理得-由以上两式可作出带管道的液压缸的方框图，并综合成下式图2-5 变幅液压缸的方框图外负载FL恒定（即FL(s)=0）时的液压缸传递函数为输入流量q恒定（即q(s)=0）时液压缸的传递函数为其中和分别代表液压缸的固有角频率和阻尼比，其表达式为：由以上的公式可以看出变幅液压缸可以简化成一个二阶系统，它的特征方程式中的系数都是正值，因此一般来说它是能够稳定工作的。这里分析液压缸起动时的瞬态响应特性，液压缸起动时，负载恒定，输入流量变化。此时，如果对液压缸输入一阶跃流量，即，其中为常量，于是有：经过反拉氏变换得到：由此可知，速度围绕在稳态值=上下波动，并逐渐衰减趋向于稳态值。阻尼比越大，则波动越小。2.4.2 吊臂起升机构回路1. 起升速度起升速度是指额定载荷下起重吊钩上升和下降的速度，单位为m/min。一般为215m/min。起重的起升速度与起升机构的卷扬牵引速度和吊钩滑轮组的倍率有关。一般表示起升速度参数，要注明绳数。这里分析过程中假设起升速度为=6m/min，绳数为单绳。卷扬筒取直径为D=300mm。2. 液压马达工况分析 根据系统工作特点，选用内曲线径向柱塞马达，内曲线径向柱塞马达是一种多作用低速大扭矩液压马达，具有尺寸小、重量轻、扭矩脉动小，径向力平衡、起动效率高，并能在很低的转速下稳定地运转等优点。在选用低速大扭矩液压马达的情况下，可直接与卷扬筒连接。要正常工作，液压马达需要提供的转矩和转速如下：液压马达输出转矩：液压马达转速：3. 液压马达型号选择不计进油路压力损失及泄漏，可知进油腔最大压力为19MPa，流量为60L/min。由上述陈述可知，液压马达的进、回油腔压差，输出转矩，输入流量和输出转速均为已知。所以液压马达的排量可分别根据进、回油腔压差输出转矩、输入流量输出转速关系求出，并取能满足全部条件的结果。不计容积效率和机械效率情况下：a. 进、回油腔压差输出转矩进、回油腔压差为，输出几何转矩为T=12000。所以，液压马达的几何排量为：b. 输入流量输出转速输入流量为60L/min，输出转速为6.4r/min。所以，液压马达的几何排量：综合上述分析，可选择排量在4.3069.375之间的液压马达，考虑到计算过程中忽略了容积效率和机械效率，查机械设计手册可以选择MA-141型内曲线马达。其参数如下表：表2-5 MA-141型内曲线马达技术参数马达型号排量/（L/r）转速范围/（r/min）最大工作压力/（MPa）单位压力扭矩/（/MPa）MA-1418.8980503514104. 回路元件型号选择系统最高工作压力为19MPa，液压泵额定最高压力为21MPa，所以可以选取额定压力大于或等于21MPa的各种元件，其流量按实际情况分别选择。表2-4 起升回路元件列表序号元件名称估计通过流量L/min最大流量L/min额定压力MPa型号、规格1安全阀603302.563DBDA1/2G2三位四通阀6050021DMT-103D60-303单向平衡阀6080<=31.5DZ10DP3-40/210XY4节流阀305031.5MG10G1.25单向节流阀305031.5MK10G1.25. Flash仿真静态特性计算公式a. 升降速度：6m/min即若已知升降速度，则有：逆推可得：液压泵转速：b. 忽略钓钩自重，回路负载F大小范围为080KN进、回油腔压差：系统压力6. 液压马达动态分析图2-6升降回路工作简化原理图图2-6所示为升降回路中泵-定量马达回路简化原理图。由定量马达驱动负载旋转。当通过油门来改变泵的流量或马达的负载转矩发生变化时，由于油液的压缩性、负载的惯性和阻尼等因素的影响，会使回路内各处的压力和流量发生瞬时变化，使液压马达的输出转速出现加速或减速的瞬态过程。液压马达轴上的转矩平衡方程为：式中：马达排量和角速度； 回路进油管压力和背压；折算到马达轴上的等效转动惯量；粘性阻尼系数；外负载转矩。回路高压管路的流量连续性方程为：式中：泵的排量和角速度；回路的泄漏系数；高压油路和油腔内油液的体积；油液的体积模量。上两式取增量，经拉氏变换后整理得由上两式可以作出升降回路泵-定量马达回路的方框图，并综合成下式。-+图2-7 升降回路泵-定量马达回路方框图负载转矩TL恒定（即TL(s)=0）时以定量泵角速度为输入量的传递函数为输入流量恒定（即=0）时以负载转矩为输入量的传递函数为其中和分别代表液压回路元件的固有角频率和阻尼比，其表达式为：由以上的公式可以看出变幅液压缸可以简化成一个二阶系统，它的特征方程式中的系数都是正值，因此一般来说它是能够稳定工作的。这里分析液压马达开始转动时的瞬态响应特性，液压马达起动时，负载恒定，输入流量变化。此时，如果对液压缸输入一阶跃流量，即，其中为常量，于是有：经过反拉氏变换得到：由此可知，液压马达角速度速度围绕在稳态值上下波动，并逐渐衰减趋向于稳态值。阻尼比越大，则波动越小。第三章 Q2-8汽车起重机液压系统Flash仿真3.1 Adobe Flash简介Flash是Macromedia公司开发的一个优秀的基于矢量图形的交互式多媒体动画创作软件。它通过符号、按钮、层、帧、场景等一系列组合，能够让用户将音乐、声效、动画以及富有新意的界面融合在一起，制作出形式简洁、却内容丰富, 交互性强、极富感染力、高品质的网页动态效果。它秉承了矢量绘图软件的所有优点，能够制作出声色俱佳、互动性高的动画效果，在CAI课件制作中获得了广泛应用。Flash影片有3种元件类型：影片剪辑型、按钮型和图片型。Flash影片的内部组成元件是用层次结构来组织和管理的。Flash 影片及其影片剪辑型元件的显示内容是按时间和空间二维进行组织和管理的。在时间维上, Flash 影片及其内部的影片剪辑型元件通过时间线工具来控制和管理内容随时间的显示顺序。时间线上按一定间隔分成多个时间片段，每个时间片段显示的内容对应1帧，沿时间线从左到右依次显示各帧内容。在空间维上，Flash影片及其组成元件分层放置其显示内容，上层的内容可覆盖下层内容。Flash内置ActionScript脚本语言，它是面向对象的编程语言，可以使用ActionScript控制Flash中的元件(对象)，创建向导和交互元素，也可以扩展Flash，使Flash表现出强大的交互。脚本代码可以通过每个影片剪辑元件的实例名称访问其成员变量和函数。3.2 变幅机构回路动画制作3.2.1 目标液压回路本节要实现的回路如图3-1所示，该回路中的液压元件主要有齿轮泵、溢流阀、油箱、M型三位四通阀、单向顺序阀组成的平衡阀以及液压缸组成。3.2.2 回路元件的制作图3-1变幅回路要模拟整个回路的运动，建立元件是首先要做的，也是非常重要的第一步。建立元件之前就要预先想要动画要做成什么样的，并根据想象的效果建立元件。本回路制作的元件有油缸、齿轮泵、溢流阀、M型三位四通阀、可调节流阀、顺序阀、单向阀以及液压缸，其中只有齿轮泵由于在影片一开始就要开始转动并要求可以在任何时间控制它停止转动，所以必须建立为单独的影片剪辑。笔者建立的元件效果如以下各图所示，此处不详述制作方法，因为这主要是Flash矢量图的绘制，在各类Flash参考书中会有详细的绘制方法介绍。1. 单向阀：如图3-2所示，该阀分为六个图层绘制，分别为阀体、阀芯、弹簧、油腔、阀芯线以及阀体线。其中阀体、阀芯以及弹簧为单向阀运动动画的主要组成部分。阀芯线和阀体线是用于绘制阀体和阀 芯的线条，为了方便修改，建议全部保留。油腔为中间透明度为30%蓝的部分，图3-2 单向阀元件效果是系统回路动画里进出油动作制作的基础。2. 液压缸如图3-3所示，液压缸分为四个图层绘制。分别为缸体、活塞、缸体线、和油腔。其中活塞由实体直接堆积成，所以并没有所谓的活塞线。图3-3 液压缸元件效果3. 顺序阀如图3-4所示，顺序阀的绘制分为六个图层，具体基本上和单向阀一模一样。图3-4 顺序阀元件效果4. 安全阀如图3-5所示，安全阀结构稍微复杂一点，共有九个图层。与单向阀相比，多出的图层为调图3-5 安全阀元件效果节螺钉、顶板和油腔线。其中前两者为结构上多出的部分。由于结构相比复杂得多，在制作油腔时笔者将用于填充得到油腔的油腔线也保存下来了！5. M型三位四通阀图3-6 M型三位四通阀元件效果M型三位四通阀元件的绘制比较麻烦，因为三位四通阀有三种机能位置，所以其油腔也有三种。如图中所看到的，该阀有中位油腔、左位油腔和右位油腔，分别对应阀的三种机能位置的油腔。这是后面动画制作中油路动画制作的基础。6. 齿轮泵图3-7 齿轮泵元件效果前面已经提到，由于齿轮泵的控制要求比较高，所以齿轮泵制作为影片剪辑，该影片剪辑共由60帧组成，图3-7中的齿轮分别为第2、20、40、60帧的截图，可以看到第60帧的图形和第2帧相同，表明齿轮转完一圈。通过循环播放即可实现齿轮不停转动的效果。为实现预期的效果，在第1帧上加有stop()；第60帧上加有gotoAndPlay(2)。3.2.3 变幅回路动画制作图3-8 变幅回路中位机能如图3-8变幅回路动画共有20个图层，186帧。其中中位机能动画有42帧，左位有73帧，右位机能动画有71帧。在每一个位置机能的第1帧和最后一帧都加上stop()语句。中位机能：换向阀处于中位，安全阀不打开，油液经齿轮泵流回油箱。进油动画通过进油图层实现，如上图所示，进油图层全部为关键帧，通过逐帧擦涂实现，具体每帧的情况可以通过动画中的逐帧观看功能按钮逐帧查看。图3-9 变幅回路动画截图图3-10 变幅回路右位回路右位回路：如图3-10所示，右位回路动画从43帧到115帧。进油层仍然全部为关键帧，通过逐帧擦涂实现；在第81帧到90帧通过补间实现单向阀的打开动画效果；第104帧开始变幅液压缸开始运动，实现升臂功能，同样是通过补间动画实现。最后在第104帧插入文字“升臂”从而使动画播放过程中，变幅缸开始运动时同时显示“升臂”提示字样。图3-11 变幅回路左位回路左位回路：如图3-11所示，左位回路的动画实现为从第116帧到185帧。在137到142帧之间，顺序阀打开，动画效果通过补间实现。从140帧开始变幅液压缸开始运动，实现落臂功能，同样是通过补间动画实现。最后在第140帧插入文字“落臂”从而使动画播放过程中，变幅缸开始运动时同时显示“落臂”提示字样。3.2.4 变幅回路计算功能实现影片剪辑制作图3-12 计算功能影片剪辑共有3个图层，3帧，每一帧都加上stop()语句。第一帧放置由Matlab生成的图片和参数计算、回路图两个按钮；该界面主要是显示在正常范围内的升臂速度流量图、升臂速度电机转速图、负载压力图并提供进入其它两个界面的操作按钮。Matlab绘图程序如下：clear;x=0.23:0.01/100:0.32;x1=5:0.01:22.72;y1=187*x;y2=4700*x;y3=(4000*x1-11157.99)/12462.66;subplot(1,3,1);plot(x,y1,r);axis(0.23,0.32,0,80);xlabel(升臂速度(m/s);ylabel(流量(L/min);title(升臂速度-流量);subplot(1,3,2);plot(x,y2,r);axis(0.23,0.32,1000,1600);xlabel(升臂速度(m/s);ylabel(电机转速(r/min);title(升臂速度-电机转速);subplot(1,3,3);plot(x1,y3,r);axis(5,22.72,0.7,6.4);xlabel(m/s);ylabel(电机转速(r/min);title(升臂速度-电机转速);控制按钮上添加的脚本非常简单：参数计算按钮上为：on (press) gotoAndPlay(2);回路图按钮上为：on (press) gotoAndPlay(3);第二帧如图3-13所示放置计算界面和计算、置零、返回三个按钮；计算界面的制作方法是添加三个输入文本框分别输入升臂速度、落臂速度和负载并分别赋变量名为a、b、c。另外添加三个动态文本框，用以显示流量、转速和压力的计算结果并分别赋变量名为p1、p2、p3。图3-13 计算界面控制按钮上需要添加一些语句：计算按钮上的脚本为：on (release, keyPress "<Enter>") if (a>=0.23 && a<=0.32) p1 = 187*a;p2 = 4700*a; else if (b>=0.36 && b<=0.54) p1 = 112*b;p2 = 2800*b; else p1 = "速度错误"p2 = "速度错误"if (c>=5 && c<=22.72) p3 = (4000*c-11157.99)/12462.66; else p3 = "负载错误"功能是按下按钮时判断输入是否正确，如果输入量不在正确范围内则在相应的位置提示输入错误；如果输入正确，则通过相应的计算给出结果。置零按钮上的脚本为：on (release) a=0;b=0;c=0;p1=0;p2=0;p3=0;作用是在按钮按下后，将所有输入框和显示框的内容全部重新置零。返回按钮上的脚本为：on (press) gotoAndPlay(3);功能是回到第一帧的界面。第三帧放置通过AutoCAD绘制的回路图和返回按钮。变幅回路图在本节最开始已经给出，即目标回路图，方便使用者对比原理图观看动画。返回按钮功能和脚本都和第二帧上的返回按钮相同，可以直接复制使用。3.3 升降回路动画制作3.3.1 目标液压回路本节要实现的回路如图3-14所示，该回路中的液压元件主要有齿轮泵、溢流阀、油箱、M型三位四通阀、单向顺序阀组成的平衡阀以及液压马达组成。3.3.2 回路元件的制作图3-14升降机构液压回路该回路除将压力能转换为机械能的液压马达与变幅回路不同之外，其它全部相同，所以齿轮泵、溢流阀等元件均可直接使用前面已经制作的元件。至于液压马达，本文中选择的是内曲线马达，本节只演示该马达的元件制作。由于马达的控制功能需求，马达元件同样制作为影片剪辑元件。在左位和右位两种不同的位置机能下，马达的工作状态不同，所以为完整演示回路中马达的动作，需要分别制作相应位置机能下的马达动画。左位马达：图3-15 左位液压马达如图3-15所示，左位液压马达动画共12个图层，45帧。其中110帧是单纯的进油；第11帧液压马达开始工作，并继续进油，填补空的油腔，到第27帧为止，油腔全部被油液充满；从第27帧开始液压马达继续工作，油液开始从出油管流出，这一效果将在整体动画中通过帧频和时间的转换关系表现出来；为实现进油后动画持续循环，需要在第45帧上添加脚本“gotoAndPlay(27)；”，为使动画可以被控制在特定时刻开始播放，需要在第一帧上添加脚本“stop();”。该动画虽然简单，但制作过程相对是比较繁杂的，从图中可以看到活塞、阀体、球体、活塞进油、活塞油腔、进油、出油等图层的画面均在逐帧变化，需要通过逐帧制作来实现，所以在制作之前一定要预想好是要实现怎样的效果，不然最后做完发现了问题，修改起来是比较麻烦的！图3-15中的马达工作截图分另为第1、10、27帧的画面。右位马达：图3-16 右位液压马达右位液压马达动画的制作过程和左位一样，只是逐帧动画里显示的动作不一样。进出油口做一个颠倒。如图3-16所示，该动画共12个图层，45帧。110帧进油；11帧开始液压马达动作，油液继续填充油腔；27帧为止，油腔全部被填满，为实现控制与循环播放功能，在第1、45帧上分别加上相应的脚本，具体和左位动画相同。3.3.3 升降回路动画制作图3-17 升降回路动画升降回路动画的制作思路基本和变幅回路一致，只是因为相对更复杂一点，所以帧数相比更多。具体而言，该动画共有19个图层和252帧动画组成。其中第042为中位动画，42158为右位动画，159252为左位动画，在第一阶段动画的第一帧和最后一帧都绑定stop();语句。另外由于动画播放过程中，需要在特定时刻让马达开始动作，所以在特定帧上需要绑定特定的脚本。具体是在第105帧上绑定“_root.m2_mc.mc2.play();”第172帧上绑定“_root.m2_mc.mc3.play();”这两个脚本分别是控制右位马达MC和左位MC开始播放。3.3.4 升降回路计算功能实现影片剪辑制作升降回路计算功能实现影片剪辑的制作同样可以参考变幅回路计算功能实现影片剪辑制作，共三个图层，3帧。只是参数计算公式等不同。图3-18 升降回路计算界面这一段简单介绍一下计算界面：计算界面在该MC的第2帧，有两个输入文本框和3和动态文本框，具体参见右图3-18。输入文本框分别赋变量名为d、e；动态文本框分别赋变量名为p4、p5、p6。计算按钮上添加脚本：on (release, keyPress "<Enter>") if (d>=6 && d<=6.35) p4 = 9.446*d;p5 = 236*d; else p4 = "速度错误"p5 = "速度错误"if (e>=0 && e<=80) p6 = 1.5+0.1059*e; else p6 = "负载错误"进行输入正确与否判断和动态输出计算结果。置零按钮添加脚本：on (release) d=0;e=0;p4=0;p5=0;p6=0;实现将输入框和输出框全部置零。返回按钮同变幅回路计算MC。3.4 完整动画制作将之前所制作的动画按一定的规律拖进舞台，并添加一些控制元件，即可实现最后需要的动画效果。笔者所制作的舞台动画共有7个图层，其中升降回路、变幅回路、计算2、计算1四个图层即放置前面所制作的动画；落叶和界面图层主要是起美化作用，其制作方法不做详细介绍。图3-19 场景图层3.4.1 MC元件命名为实现控制功能需要对部分元件进行命名，以下为笔者所制作的动画的命名。界面MC元件：m0_mc；变幅回路MC元件：m1_mc；升降回路MC元件：m2_mc；计算1MC元件:m3_mc；计算2MC元件：m4_mc；落叶MC元件：m5_mc；齿轮泵MC元件:mc1；右位液压马达MC元件：mc2；左位液压马达MC元件：mc3。3.4.2 控制元件及脚本控制元件主要为按钮元件，这里从界面上的按钮开始介绍。1. 界面MC按钮界面MC按钮有两个，即变幅机构按钮和升降机构按钮，这两个按钮只有文字，具体按钮的制作方法不做介绍。这里只介绍这两个按钮的控制功能实现。图3-20 动画主界面变幅机构按钮：该按钮是实现隐藏界面图层和落叶图层，显示变幅回路图层，并判断变幅回路图层与升降回路图层的深度关系，将变幅回路图层放置在最上层显示；另外还要判断计算1图层与计算2图层的深度关系，将计算1图层旋转在计算2图层上层显示。按钮上绑定的脚本为：（其中变量i、j、p、q是在根时间线上定义的时间线变量）on (release) i=_root.m1_mc.getDepth();j=_root.m2_mc.getDepth();p=_root.m3_mc.getDepth();q=_root.m4_mc.getDepth();this._alpha=0;_root.m5_mc._alpha=0;_root.m1_mc._alpha=100;_root.m3_mc._alpha=100;if(i<j)_root.m1_mc.swapDepths(_root.m2_mc);if(p<q)_root.m3_mc.swapDepths(_root.m4_mc);升降机构按钮：该按钮是实现隐藏界面图层和落叶图层，显示升降回路图层，并判断变幅回路图层与升降回路图层的深度关系，将升降回路图层放置在最上层显示；另外还要判断计算1图层与计算2图层的深度关系，将计算2图层旋转在计算1图层上层显示。按钮上绑定的脚本为：（其中变量i、j、p、q是在根时间线上定义的时间线变量）on (release) i=_root.m1_mc.getDepth();j=_root.m2_mc.getDepth();p=_root.m3_mc.getDepth();q=_root.m4_mc.getDepth();this._alpha=0;_root.m5_mc._alpha=0;_root.m2_mc._alpha=100;_root.m4_mc._alpha=100;if(i>j)_root.m1_mc.swapDepths(_root.m2_mc);if(p>q)_root.m3_mc.swapDepths(_root.m4_mc);2. 变幅回路MC按钮图3-21 变幅回路控制按钮界面变幅回路MC共有10个按钮，如上图所示