电力塔材运输车液压系统设计计算与仿真.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.012电力塔材运输车液压系统设计计算与仿真曾利（湖南中联重科应急装备有限公司，湖南长沙410 0 0 0）摘要：为解决电力塔材运输问题，设计了一套电力塔材运输车液压系统，此系统以双闭式泵和一开式泵为动力基础，采用轮履复合式底盘液压驱动，对行走系统和功能系统进行了设计计算和液压元件选型，校核了选型参数可以满足使用要求。运用AMESim仿真软件对行走液压系统进行了建模仿真运算，仿真结果表明行走液压系统满足设计要求。关键词：液压系统设计；轮履复合底盘；元件选型；校核计算；AMESim仿真中图分类号：TH137ZENG Li(Hunan Zoomlion Emergency Equipment Co.,Ltd.,Changsha 410000,China)Abstract:In order to solve the transportation problem of electric-tower material,the electric-tower material transport vehicle hydraulic systemis designed.The system is based on double-closed pump and one-type pump,and adopts wheel-track chassis hydraulic drive.The designcalculation and selection of hydraulic components are carried out on the walking system and functional system,and verifies that the selectionparameters can meet the use requirements.AMESim simulation software was used to conduct modeling and simulation of the traveling hydraulicsystem,and the simulation results showed that the traveling hydraulic system met the design requirement.Key words:hydraulic system design;wheel-track chassis;component selection;calibration calculation;AMESim simulation0引言目前国家电网施工单位在进行高压电线塔搭建时，塔材生产制造厂家一般先把制作好的塔材从厂房运输到交通便利大型货车可以停放的地点，然后再通过人力搬运或小型设备转运到塔材施工安装地。当遇到山地、水田、沼泽等其他恶劣的地形或塔材体积大、重量重时，靠人力搬运或小型设备转运就非常困难，同时转运效率低存在危险性。有些厂家针对上述状况制造了一些专用设备，但功能单一,适用性不高。为满足使用需求设计了一种全地形电力塔材运输车，以液压传动为动力传动系统，和其他传动方式相比，液压传动具有功率体积比大、可无级调速、能实现自动化控制 ,适合铺装路面和其他非铺装路面行驶，带起重吊臂，工作效率高，危险地段可无线遥控驾驶，降低对操作人员的人身伤害隐患。收稿日期：2 0 2 3-11-10作者简介：曾利（1991-）,男,湖南常德人，工程师,硕士，主要从事消防车、特种装备液压技术方面工作。文献标志码：B文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 4-0 0 7 9-0 8Design Calculation and Simulation of Hydraulic System forElectric-tower Transport Vehicle参数来模拟两种行走工作状态。1液压系统设计电力塔材运输车液压系统由行走系统和功能系统两部分组成。行走系统分为轮式行走和履带行走两套系统，两种行走方式不同时工作，为整个电力塔材运输车提供行走动力；功能系统实现塔材运输车行走速度控制、轮履两种行走方式切换以及塔材吊装功能。轮式行走时，轮式行车制动阀、行车制动冲洗阀和转向系统共同工作，当整车停下后，功能阀组或吊机阀组才能在电气逻辑控制下进行工作，电力塔材运输车液压系统原理如图1所示。1.1行走系统液压原理设计行走系统由2 台电比例排量控制闭式泵、1个切换阀组、1个控制阀、2 台低速大扭矩轮式行走马达、2 台79整个液压系统采用2 台闭式柱塞泵和1台开式柱塞泵为动力源，通过实际工况要求理论计算出各个液压元件的参数，并选择确定相应的液压元件型号和规格,然后通过逻辑控制来实现所需功能。同时利用AMESim软件建立行走液压系统仿真模型,设定相应的液压气动与密封/2 0 2 4年第4期行走系统M功能系统行车制动PPIR冲洗阀轮式行车制动控制阀转向油缸转向系统右侧塔材升降左侧塔材升降驾驶室履带轮伸缩升降前桥摆动正机后桥摆动轮式行走马达履带行走马达轮式行走马达P2BIA功能阀组变量控制阀卷扬回转变幅伸缩BABABABA电比例减压阀吊机阀组45切换阀组1发动机口切换阀组开式泵闭式泵油箱图1电力塔材运输车液压系统原理Fig.1 Hydraulic system for electric-tower transport vehicle履带行走马达组成。其中,2 台电比例排量控制闭式泵内置补油泵和冲洗阀。轮式行走采用前轮转向，后轮驱动,左右各1台低速大扭矩轮式行走马达。其中,轮式行走马达的X口为停车制动油口;XD口为行车制动油口;1,3口为行车制动冲洗油口;2 口为马达泄油口；Y口为马达两点变量油口。履带行走采用前置驱动轮驱动行走，当切换到履带行走时,液压油通过切换阀组逻辑控制分别作用在2台履带行走马达上，履带行走马达内部带停车制动,Ps口为两点变量油口，T口为泄油口。1.21功能系统液压原理设计功能系统由1台负载敏感柱塞泵、1个电比例减压阀、1个变量控制阀、1个切换阀组、1个轮式行走制动阀、1套转向系统、1套功能阀组、1套吊机阀组组成。变量控制阀控制轮式行走马达或履带行走马达的最大和最小排量，满足不同行走工况下的排量需求，两种行走方式不可以同时工作，因此用1个二位四通控80制阀就能够实现控制。通过对负载敏感柱塞泵、电比例减压阀和切换阀组的不同电气逻辑控制为刹车制动、转向系统、功能阀组、吊机阀组提供动力。2液压元器件参数计算及选型根据设计要求整车质量为12 t，最大承载能力为8t。轮式行走平路行驶设计最高速度为2 0 km/h,坡度角2,越野行驶最高速度为5km/h,坡度角10；履带行走平路行驶设计最高速度为5km/h,坡度角5,越野行驶最高速度为2 km/h,坡度角30 查阅相关文献资料确定轮式行走时滚动阻力系数=0.05;履带行走时滚动阻力系数,f,=0.222.1行走液压系统参数计算及选型1）轮式行走马达轮式行走主要是在车辆高速行驶转场时使用，根据设计要求驱动轮直径Dk=1060mm。平路高速行驶时最高转速：2486.3kWHydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024(Cf.cosy+Csiny)91.7 kWn=60mDk 10 100.1 r/min式中:va=20 km/h。平路高速行驶时驱动功率：(Cficos+Gsin)aP=3599m式中：G=201039.8=196000N;=2;n为机械效率,n=0.85。由式(1)可知,越野高速行驶时最高转速：n2=6 10 25 r/min60元Dk式中:Up=5 km/h。由式(2)可知,越野高速行驶时驱动功率：(Cficos+Csinp)71.4 kWP2=3599m式中:=10其中越野高速行驶时扭矩最大，最大扭矩为：(Gficos+Csinp)D 23154 N mMLu=2 103单边扭矩:M,=0.5MLu=11577Nm。根据设计要求，轮式行走时还需满足驻车制动和行车制动,通过查阅、对比相关厂家的马达样本，最终选择波克兰POCLAIN（MH P2 0）低速大扭矩马达，马达主要参数如表1所示。表1波克兰马达参数Tab.1 Poclain motor parameters参数排量/mL r-1持续最高转速/rmin=1最高工作压力/MPa最大输出扭矩/Nm10MPa2）履带行走马达履带行走主要是在山地、丘陵等恶劣工况下使用，根据设计要求驱动轮分度圆直径D,=520mm。由式(1)可知，平路高速行驶时最高转速：n3=10 51 r/min60DL式中:ve=5 km/h。由式(2)可知,平路高速行驶时驱动功率：(1)108.8kW(2)(3)数值2427/910240/300503836/1448P:=式中:=5由式(1)可知,越野高速行驶时最高转速：n460DL 10 20.4 r/min式中:Ua=2 km/h。由式(2)可知,越野高速行驶时驱动功率：P=(Cf,cosw+Gsino)ua3599m式中:=30 由于履带行走时存在滚动摩擦阻力、空气阻力、加速阻力和坡道阻力且无法进行精确的计算，根据参考文献可知履带式工程车辆的行走牵引力T。与整机的重量G取下列比例 3。引用经验公式：T。=(0.7 0.8 5)G本液压系统中系数取0.8,则T。=0.8 2 0 10 9.8=156800 N。单侧履带行驶阻力力矩：DLMLw=0.5T。Q2 10-3=20384 N m根据实际使用需求，液压马达需高、低两个挡位来满足平路行驶和越野行驶两种工况，因此根据上述计算结果，最终选择斗山DOOSAN(ZTM22）行走马达，主要参数如表2 所示。表2 斗山马达参数Tab.2Doosan motor parameters参数排量/mL r-1持续最高转速/rmin-1最高工作压力/MPa最大输出扭矩/Nm减速比3）发动机根据对上述轮式行走和履带行走的平路和越野挡的最大功率进行计算，最大功率为轮式行走平路高速行驶时:Pl=108.8kW，根据实际需求选用东风康明斯型号为B5.9CS4210C发动机，发动机功率Pp=154kW,最大扭矩M=820Nm，额定转速为nz=2200 r/min。813599m(4)(5)数值54/8251/3434.314000/240001/53.7液压气动与密封/2 0 2 4年第4期4）行走闭式泵在此系统中，两台行走闭式泵分别为轮式行走马达或履带行走马达提供动力，无其他作业需求。根据上述计算选型，轮式行走马达越野挡行驶时的工作压力最大,最大值为：MPLu 100 30.18 MPat式中：ti为波克兰马达大排量Vl=2427mL/r时的当量扭矩,ti=3836Nm10MPa。轮式行走马达最大流量为平路高速行驶时，最大流量为：QLu1000式中：Vg为波克兰马达小排量，V=910mL/r。根据上述计算选型，履带行走马达越野挡行驶时的工作压力最大，最大值为：20mMlz 30.3 MPaPLv=iVe3式中：i为马达减速比，i=53.7;V为马达大排量，V=82mL/r;n、为马达容积效率,n=0.96。履带行走马达最大流量为平路高速行驶时，最大值为：QLw=1000mvin.a 154/min式中：Vg4为马达小排量,V4=54mL/r。根据上述计算泵的排量为：1000QV=73.7 mL/rnmm式中：mm为泵的容积效率,mm=0.95。根据上述计算结果，选择恒立HENGLI（H P4VG 7 5）高压轴向柱塞泵,排量为7 5mL/r,额定转速330 0 r/min，额定压力40 MPa,最高压力45MPa。2.2功能液压系统参数计算及选型1)功能阀组功能阀组控制前桥摆动、后桥摆动、驾驶室升降、驾驶室锁止、左侧塔材升降、右侧塔材升降、履带轮伸缩7 个功能,所有执行机构都为液压缸,计算选型模式一样,只有前、后桥摆动液压缸(轮履切换液压缸)存在组合动作，因此选取前、后桥摆动液压缸作为计算参照。根据设计要求车辆满载时整车质量为2 0 t,重心在中间，前后桥共4根液压缸，液压缸最大推力工况为前后桥与履带同时水平接地时,此时液压缸与车架夹角82=11,预设系统压力Pg=22MPa,根据空间设计要求液压缸最大行程S=191mm,要求液压缸伸出速度 mx25 mm/s。此时液压缸推力：F=G256800 N4sino(6)液压缸缸径为：4FD=121.9 mmTPg根据液压缸尺寸参照表,取D=125mm。选用45钢材质，液压缸缸筒壁厚为：91.1 L/min(7)(8)(9)(10)(11)(12)8=np.D=12.5 mm2b式中：,45 钢抗拉强度,取,=330MPan一安全系数,取 n=3液压缸缸筒外径为:D,=D+28=150mm。液压缸缸体底部厚度为：nP81=0.433D2.22.27 mm液压缸缸体底部厚度,取8 i=25mm。式中：D，为计算厚度外直径,取D，=115mm。按照=1.46 的速比,液压缸活塞杆杆径为：d=DV1-1/70.2mm根据液压缸尺寸参照表,取d=70mm。前后桥车架由两根液压缸支撑，因此液压缸无杆腔有效容积为：TD?Vi=S 2 4.69 L4 10液压缸有杆腔有效容积为：4 106无杆腔操作阀阀芯流量规格为：Q=Vmax6036.8 L/minS取 Qi=40 L/min。有杆腔操作阀阀芯流量规格为：Q2Umax 60 25.3 L/minS取 Qz=25 L/min。整个阀组的最大流量为前后桥一起动作时，此时最大流量Qg=2Q=80L/min。根据上述计算结果，查阅相关多路阀样本资料，选择诺玛RADK-TECH（R T-PSV 3G 1/D 2 50-3）比例多路(13)(14)(15)(16)(17)(18)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024阀，主溢流压力设定为2 5MPa，进油联允许最大流量为FLPL=6MPa160 L/min。A2）刹车制动阀式中：A为液压缸无杆腔面积，取A=1.9610m。根据上述计算选型可知履带行走马达内置制动根据计算结果及安装空间，选用伊顿BZZ500轮式器，无外接控制油路，所以只考虑轮式行走马达制动。转向器，最高工作压力2 0 MPa，最大流量40 L/min，溢轮式行走马达需行车制动和驻车制动，根据波克兰流压力15 MPa。POCLAIN马达参数以及查阅相关的制动阀样本资料，4）吊机阀组选择力士乐REXROTH（L T 17 M4）制动阀，额定压力根据设计要求，吊机阀组有卷扬、回转、变幅、伸10MPa,最大流量7 0 L/min。同时对制动阀蓄能器进缩4个功能，各个动作之间不存在组合动作,最大工行计算选型，根据理论公式得到：作压力2 3MPa,最大流量40 L/min，查阅液压阀组样V(p/po)n本资料，选择诺玛RADK-TECH（R T-PSV 3G 1/D 2 50-1664 mL(19)式中：V。一蓄能器容积V、一蓄能器工作容积，通过计算，取V、=192 mLPo充气压力,且0.9piPo0.25p2,取po=5 MPaPI一系统最低工作压力,取p1=10 MPaP2系统最高工作压力,取p2=13MPan一一指数(等温时取1,绝热时取1.4）,取n=1根据理论计算结果选择黎明液压LEEMIN（NX Q-A-2/20）蓄能器，公称容积为2 L，公称压力为2 0 MPa。3）轮式转向器根据Taborek公式 4,轮式转向时，轮式转向器需要克服的总摩擦力矩为：M,=0.05G.1+e/B 200 0.71BU.3534 N:m式中：U。为轮胎与路面的附着系数，一般为0.10.9,塔材运输车主要在平路转场高速行驶时工作，路况一般较好,取U。=0.5;G，为转向桥总负荷,为整车重量的半,取G=0.5201039.8=98000N;B为转向轮胎宽度,根据轮胎型号规格确定,取B=367mm;e为转向轮摆动半径，根据整车设计参数确定，取e=300 mm。转向液压缸的最大推力为：MLFL.=11779 N式中：r为最小转向阻力臂,取r=0.3m。根据安装空间和液压缸最大推力，选用缸径为50 mm,杆径2 5 mm的液压缸。工作压力为：(22)2）比例多路阀，主溢流压力2 5MPa，允许最大流量100 L/min。5）工作液压泵根据对上述元件计算参数进行工作液压泵选型，需满足上述3种不同工况的使用要求，最大压力需求为2 3MPa,最大流量需求Q=80L/min,此时工作泵的排量为：1000 38.3 m/V=nnmm式中：n发动机额定转速，nz=2200r/minnm泵的容积效率,nm=0.95查阅相关的液压泵样本资料,选择恒立 HENGLI（H P5V G 45）轴向柱塞泵，排量为45mL/r，额定转速2700r/min，额定压力32 MPa,最高压力35MPa,满足系统所需。3液压系统主要参数校核(20)3.1行走泵压力机械设备液压元件的最大设定压力和额定压力需根据外负载的变化进行匹配，所以液压元件受到的液压冲击无法避免 5。现阶段对于工程机械行走液压元件型号规格的选择,通常用额定压力的降额原则来进行确定，即对行走机械液压元件的额定压力Ph以该元件的最高压力Pm=45MPa为基准,取Ph=（0.550.65)p.l),所以 p,取 2 47.5 2 9.2 5 MPa。行走液压系统的工作压力p的校核，是在发动机的常备功率Pp=154kW下（忽略功率损失）7 ,液压(21)泵在以最大排量为 7 5 mL/r,在发动机额定转速为2200r/min所提供的最大工作流量Qmax=165L/min下进行动作,即：p=6002Qmax(23)P.mm 26.6 MPa(24)83液压气动与密封/2 0 2 4年第4期根据计算pph，即2 6.6 MPa29.25MPa,所以液压泵在这个压力下工作，可以满足塔材运输车的使用要求。3.2济液压泵排量1）行走系统液压泵排量行走系统液压泵选择恒立HENGLI(HP4VG75）高压轴向柱塞泵，排量为7 5mL/r,发动机额定转速为2200r/min，其所提供的最大工作的流量Qmax=165 L/min。液压系统工作所需的最大流量是履带在平路上高速行驶时,即QL=154L/min。Q L v Q ma x，油泵满足需求。2）功能系统液压泵排量工作系统液压泵选择恒立HENGLI(HP5VG45）轴向柱塞泵，排量为45mL/r，发动机额定转速为2200r/min，其所提供的最大工作流量Qmaxl=99L/min，最大流量工况为前后桥同时动作时，此时最大流量Qg=80 L/min,Qgni,满足需求。2）履带行走最高速度液压泵提供的最大流量Qmax=165L/min，当需要最大速度行驶时，履带行走马达为小排量54mL/r，减速比i=53.7,则最大转速nL56.9r/m in,所需转速ng51 r/min,即 nLvng,满足需求。4?行走液压系统建模与仿真根据行走液压系统原理图在AMESim软件工作环境中建立行走液压系统仿真模型 8 ，如图2 所示，根据实际工况选择相应的子模型以及运用软件中的HCD库建立相应的液压元件仿真模型 9，根据上述计算结果对仿真中的元件参数进行设定，设置发动机转速5s到达最大，仿真时间设置10 s，运行仿真软件，分别得到轮式行走和履带行走时的马达压力、流量及转速的动态仿真结果。4.1轮式行走液压回路仿真结果分析以整车2 0 t、坡度角10 爬坡速度5km/h、轮式行走马达爬坡时排量2 42 7 mL/r、最大扭矩1157 7 Nm的工况进行轮式行走液压系统仿真，仿真结果如图3所示。84O图2 行走液压系统模型Fig.2Model of traveling hydraulic system从图3可知，轮式行走马达开始动作时，整个液压系统的转速、流量、压力有一定的波动,其中压力最大波动为5MPa,流量最大波动为15L/min,转速最大波动为7 r/min,经过1.2 3s后整个液压系统达到稳定状态，稳定后的转速仿真结果与理论计算结果2 5r/min的误差为6.12%；流量仿真结果与理论计算结果60.7L/min的误差为0.6 4%；压力仿真结果与理论计算结果30.18 MPa误差为0.6%。从上述仿真结果可知轮式行走液压系统AMESim仿真模型建立正确，整个液压系统稳定性较好。4.2履带行走液压回路仿真结果分析以整车2 0 t、坡度角30 爬坡速度2 km/h、履带行走马达爬坡时排量8 2 mL/r、减速比i=53.7、最大扭矩20384Nm的工况进行履带行走液压系统仿真，仿真结果如图4所示。山山Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.202435353030X=525J_1=300.019120151050706050.uU.406.3020100302520.uu./u151050图3轮式行走马达动态仿真结果Fig.3 Wheel walking motor dynamic simulation results 从图4可知，履带行走马达开始动作时，整个液压系统的转速、流量、压力有一定的波动，其中压力最大波动为3.5MPa，流量最大波动为10 L/min，转速最大波动为2.5r/min,经过1.18 s后达到稳定状态，稳定后的转速仿真结果与理论计算结果2 0.4r/min的误差为6.32%；流量仿真结果与理论计算结果8 9.8 L/min的误差为0.2 9%；压力仿真结果与理论计算结果30.3MPa的误差为0.2 5%。从上述仿真结果可知整个履带行走液压系统AMESim仿真模型建立正确，整个液压系统稳定性较好。5结论本研究对电力塔材运输车液压系统原理进行了设计以及对主要液压元件进行了详细的计算选型和校核，校核结果表明所选择的液压元件符合设计要求。X=525J_1=302.2251.1510524t/s(a）轮式行走马达压力(a)Wheel walking motor pressurex=5J_1=61.0991524t/s(b）轮式行走马达流量(b)Wheel walking motorflowX=5y_1=26.5142224t/s(c）轮式行走马达转速(c)Wheel walking motor speed666888101010010080I-uu.T60402002520151050图4履带行走马达动态仿真结果Fig.4Crawler walking motor dynamicsimulation results同时利用AMESim软件对行走液压系统进行了建模仿真分析,仿真结果与理论计算结果基本一致,整个系统稳定可靠，说明了该设计方案具有可行性,同时为后续的车辆调试及性能测试奠定基础。参考文献1姚怀新.工程机械底盘理论M.北京：人民交通出版社,2 0 0 2.YAO Huaixin.Theory of Engineering Machinery Chassis M.Beijing:China Communication 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