（机械工程专业论文）堆高机制动液压系统研究.pdf

摘要 集装箱空箱堆高机是港口、堆场常用的一种物流搬运设备，其工作时空问狭窄，需 要频繁的起动、转向、制动，因此整车需要具备安全有效的制动系统。目前全液压制动 系统代表着堆高机制动系统研究和应用的方向。 液压制动系统是影响堆高机整机性能的关键技术之一，本文对集装箱空箱堆高机制 动系统的性能进行了理论分析和实验研究。首先介绍了堆高机的机械机构、液压原理及 电气控制。接着对比分析了国内外知名品牌堆高机s d c y 9 0 与d c e 铝t j 动系统异同，并重 点分析了两者的性价比。然后根据堆高机制动原理，建立其数学模型，由建立的数学模 型和制动系统的原理在a m e s i m 软件平台上搭建了仿真模型，之后运用仿真软件 a m e s i m 对模型进行仿真研究，分析了液压系统参数对制动性能的影响。根据仿真结果 提出在保持蓄能器压力一定的情况下，增加管径和减少管路长度将提高制动的响应速 度。 最后针对s d c y 9 0 堆高机的液压制动系统性能进行了实验研究，研究结果表明：在 蓄能器容积1 0 l 充压1 4 0 b a r 的情况下，连续制动7 8 次的情况下仍能满足制动要求； 在原地制动工况、空载不同车速制动工况和吊载制动工况下，实验结果与仿真结果基本 一致，说明仿真建模是正确的。 关键词：堆高机，液压制动，a m e s i m ，仿真，实验 a b s t r a c t e m p t yc o n t a i n e rh a n d l e ri sal o g i s t i c sh a n d l i n ge q u i p m e n tu s e di nh a r b o ra n ds t o r a g e y a r d b e c a u s eo ft h en a r r o ww o r ks p a c e ，f r e q u e n t l ys t a r t i n g ，s t e e r i n g ，b r a k i n g ，t h ev e h i c l e n e e dt oe q u i pas a f ea n de f f e c t i v e b r a k i n gs y s t e m h y d r a u l i cb r a k es y s t e mc u r r e n t l y r e p r e s e n t st h ee m p t yc o n t a i n e rh a n d l e rb r a k es y s t e mr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nd i r e c t i o n h y d r a u l i cb r a k es y s t e mi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sa f f e c tt h ew h o l ee m p t yc o n t a i n e r h a n d l e rp e r f o r m a n c e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ee m p t yc o n t a j n e r h a n d l e rh y d r a u l i cb r a k es y s t e mp e r f o r m a n c ei sm a d ei nt h i sp a p e r f i r s ti n t r o d u c e de m p t y c o n t a i n e rh a n d l e ro fm e c h a n i c a lm a c h i n e s ，h y d r a u l i cp r e s s u r ep r i n c i p l e ，e l e c t r i c a lc o n t r o l ； t h e nc o m p a r e dt h es d c y 9 0a n dd c ee m p t yc o n t a i n e rh a n d l e ro nb r a k es y s t e ms i m i l a r i t i e s a n dd i f f e r e n c e s ，a n df o c u s e da n a l y s i so fb o t hc o s t e f f e c t i v e ，a n dt h e n s t a c k e rb r a k i n g p r i n c i p l e ，am a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ep r i n c i p l eo ft h eb r a k i n g s y s t e ma m e s i m s o f t w a r ep l a t f o r mb u i l ti nt h es i m u l a t i o nm o d e l t h eu s eo fs i m u l m i o ns o f t w a r ea m e s i ma f t e r 也em o d e ls i m u l m i o n a n a l y s i so f 也e h y d r a u l i cs y s t e mp a r a m e t e r so nt h eb r a k ep e r f o r m a n c e ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l m i o nr e s u l t s p r e s e n t e di nt h ea c c u m u l a t o rp r e s s u r et om a i n t a i nac e r t a i nc a s e ，a ni n c r e a s ei np i p ed i a m e t e r a n dr e d u c et h el e n g t ho fp i p ew i l li m p r o v eb r a k i n gr e s p o n s et i m e f i n a l l y ，s d c y 9 0e m p t yc o n t a i n e rh a n d l e rh y d r a u l i cb r a k es y s t e mp e r f o r m a n c ew e r e s t u d i e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ea c c u m u l a t o rv o l u m ef i l l i n gp r e s s u r e14 0 b a rl0 l c i r c u m s t a n c e s ，c o n t i n u o u sb r a k e7t o8t i m e sa n ds t i l lg e tt om e e tt h eb r a k i n gr e q u i r e m e n t s ； i ns i t u b r a k i n gc o n d i t i o na n dd i f f e r e n ts p e e d sn o l o a db r a k ea n dl o a dc o n d i t i o n sb r a k i n g c o n d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nm o d e li sc o r r e c t k e yw o r d s ：e m p t yc o n t a i n e rh a n d l e r , h y d r a u l i cb r a k e ，a m e s i m ，s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t t 程硕j j 学位论文 第一章绪论帚一早瑁化 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 集装箱空箱堆高机，英文名e m p t yc o n t a i n e rh a n d l i n gt r u c k s 或e m p t y c o n t a i n e rh a n d l e r ，有人直译为集装箱空箱作业叉车。目前叉车按动力方式分为内 燃叉车和电动叉车，按叉车类型可分为通用叉车系列、集装箱叉车系列、蓄电池 叉车系列和特种叉车系列等，而集装箱叉车系列分为集装箱空箱作业叉车、集装 箱重箱作业叉车和进箱作业叉车，集装箱空箱堆高机是在通用叉车的基础上逐步 发展起来的【。 国外叉车发展较早，从美国克拉克公司于1 9 3 2 年向市场提供第一台叉车起， 至今已有7 0 年历史。进入上世纪9 0 年代以来，全世界大约有2 5 0 多家叉车生产企 业，主要的国家有德国、日本、美国、保加利亚和瑞典。亚洲则主要有日本、韩 国和中国。1 9 9 0 年世界叉车产量达到5 5 8 万台、美国3 4 万台、瑞典1 1 万台、波 兰8 0 0 0 台、捷克7 0 0 0 台；在亚洲日本1 6 万台、韩国2 7 万台、中国1 6 万台。从 1 9 9 0 - 2 0 0 1 年全球叉车的年总规模在5 5 - 6 0 万台。世界叉车市场上电动叉车呈上升 趋势，内燃叉车略有下降，这与全球重视环保的因素有关。目前，国内外对内燃 叉车正在推行环境治理，如采用欧i 、欧i i 标准。近几年日本叉车市场上电动叉 车、汽油叉车的销售量大约各占三分之一，欧洲国家电动叉车所占比例达到5 0 左右。由于竞争的加剧，同2 0 世纪8 0 年代相比，上世纪9 0 年代以来世界叉车工业 出现了销售额增长、盈利减少的反常现象，为了改变这种状况，叉车巨头纷纷在 中国建厂，以便降低成本，维持盈利。国际上专业化生产集装箱叉车的厂家主要 有瑞典的卡尔玛( k a l m a r ) 、意大利的范特斯( f a n t u z z i ) 、德国的林德( l i n d e ) 、 瑞典的s m v 、意大利的c v s 、芬兰的s i s u 和美国的海斯特( h y s t e r ) 等。 我国叉车工业起步于2 0 世纪5 0 年代末，自1 9 8 5 年大连叉车总厂生产了第 一台仿苏叉车后，从7 0 年代后期到8 0 年代中期，全行业组织了二次联合设计， 各叉车生产厂纷纷引进国外先进技术。目前国内全行业生产叉车产品的主要企业 5 7 家( 包括独资、合资的1 0 家企业) ，他们是：林德厦门叉车有限公司、安徽 t c m 叉车有限公司、大宇重工烟台有限公司、上海海斯特叉车制造有限公司、 上海力至优叉车制造有限公司和衡阳大杨叉车制造有限公司等，按照小行业分， 属于内燃叉车的主要生产企业3 2 家；属于电动车辆的主要生产企业1 2 家；属于 第一章绪论 轻小型搬运车辆主要生产企业1 3 家。近年来，原制造内燃叉车的生产企业同时 生产电动车辆和轻小搬运车辆，原电动车辆生产企业也生产内燃叉车和轻小搬运 车辆，因此，小行业的划分也是相对的。现国内专业化生产集装箱堆高机的厂家 主要有三一重工股份有限公司、大连叉车总厂、安徽合力股份有限公司和衡阳三 创工程机械有限公司。三一重工自主研制了全液压的s d c 9 0 k 8 、s d c 9 0 k 7 和液 力s d c y 9 0 k 8 、s d c y 9 0 k 7 两类品种多种系列堆高机。 1 1 2 课题研究的意义 集装箱空箱堆高机是港口、堆场常用的一种物流搬运设备，其工作时空间狭 窄，需频繁的起动、转向、制动，因此整车需要具备安全有效的制动系统，而且 堆高机的制动性能直接影响到其堆箱的效率。目前全液压制动系统代表着堆高机 制动系统研究和应用的方向，液压制动系统也是影响堆高机整机性能的关键技术 之一，因此对集装箱空箱堆高机制动系统的性能进行了理论分析和实验研究具有 积极的意义。 1 2 堆高机国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外集装箱堆高机的研究现状 1 产品的系列化与多样化 系列化是叉车发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化，形 成了微型到特大型不同规格的产品。与此同时，产品更新换代的周期明显缩短。 各叉车公司皆以产品种类、系列的多样化去充分适应不同用户、不同工作对象和 不同工作环境的需要。并不断推出新结构新车型，以多品种小批量满足用户的个 性要求。 内燃叉车以柴油发动机为动力，功率强劲，使用范围广，缺点是排气和噪声 污染环境，有害人类健康；电动叉车具有能量转换效率高、无废气排放、噪声小 等突出优点，是室内物料搬运的首选工具，但其受蓄电池容量限制，功率小，作 业时间短。未来叉车将广泛采用电子燃烧喷射和共轨技术。发动机尾气催化、净 化技术的发展将有害气体和微粒的排放。l p g 、c n g 等燃料叉车及混合动力叉 车将进一步发展。 2 节能和机电液一体化高新技术应用 微电子技术、传感技术、信息处理技术的发展和应用，对提高叉车作业整体 2 t 程硕十学位论文 水平，实现复合功能，以及保证整机及系统的安全性、控制性和自动化水平的作 用将更加明显，使电子与机械、电子与液压的结合更加密切。未来叉车的发展在 于电子技术的应用水平 3 运用人机工程学原理，追求操纵舒适性 各叉车公司不断优化改进叉车人机界面，使操纵简便省力、迅速准确，充分 发挥人机效能。例如，配备醒目的数字化仪表、报警装置，实现工况的在线监控； 采用浮动驾驶室( 可移动、升降) ，使操作者获得全方位视野，以集中手柄控制 替代多个手柄控制，电控替代手控；以及逐渐将电子监测器和高度显示器作为高 升程叉车的标准配置。 4 工业造型设计 近年来各大企业皆推出了外观造型令人瞩目的新车型，体现了叉车造型轿车 化的发展趋势。流线型、大圆弧过渡加之明快的色彩搭配。随之计算机技术的发 展，虚拟样机设计、三维实体造型、快速成型等先进设计手段和先进制造技术的 运用，叉车造型将越来越具有新意和特色。 1 2 2 国内集装箱堆高机的研究现状 国内生产叉车厂家的技术来源最初是由北京起重运输机械研究所提供的统 一图纸，包括合力叉车、大连叉车和杭州叉车等。从上世纪9 0 年代起一些骨干 企业开始引进国外先进的产品技术和制造技术，大大提高了产品技术水平和产品 质量。 本世纪初，三一重工在广泛研究国内外同类产品先进技术及发展趋势的基础 上，应市场和用户需求，自主创新、自主研制的s d c 9 0 系列集装箱空箱堆高机 全面推向市场。s d c 9 0 系列集装箱空箱堆高机博采众长，吸收国内外先进技术， 应用科学设计手段，整机优化设计。具有卓越的整机性能，高可靠性，高档配置， 先进的电液控制系统，完备的安全保护系统，舒适的驾驶环境及方便的操作系统； 且具有多项专利技术，整机性能达到和超越先进产品技术水平。 综上所述，目前国内叉车产品多以引进技术为主，三一重工和合力叉车的综 合技术水平在国内处于领先地位，杭州叉车其次。 1 2 3 堆高机制动系统的研究现状 集装箱堆高机整车行走一般为前桥驱动，后桥转向。堆高机门架重心较高， 3 第章绪论 尤其是满载行驶时，对制动提出了更高的要求，通常用纵向稳定性这一指标来评 价。 堆高机满载行驶时的纵向稳定性工况是指堆高机门架后倾，满载并使集装箱 底面高出地面4 5 m ，在平道上以全速行驶突然制动，堆高机受到惯性力和重力 作用的工况。这是一个动态稳定性问题，一般的研究方法因在平台上只能进行静 态试验，所以采用增大平台倾角的办法把一个惯性力作用问题，简化为重力问题 处理。 为保证制动的可靠性，堆高机的行车制动一般具有独立的制动系统，因此行 走制动十分可靠，并且使用寿命长。 1 3 本文研究的主要内容 1 3 1 项目课题简介 三一重工自主研发的s d c 9 0 系列堆高机是目前国内技术水平最先进、市场 占有率第一位的高性能品牌堆高机。自2 0 0 7 年在产品研发的早期就如何改善堆 高机的制动系统冲击问题，三一重工和长安大学工程机械学院数度合作，经过双 方辛勤工作努力探索，也极大的提升了堆高机制动性能。本项目的研究方向就是 在原来双方研究成果的基础上，对制动系统的性能作进一步深入的研究和探讨。 1 3 2 主要研究工作 本文主要研究的是集装箱空箱堆高机液压制动系统制动的数学模型，以及依 据数学模型和制动原理的仿真分析，最后根据实验结果对制动性能做进一步分析 和验证。 在液压传递过程中，当有动作启动、停止时系统或多或少都有一定的液压冲 击，这主要产生于油泵液压油的突然输出、终止；控制阀的突然中断；油缸的到 位和启动等因素。产生的冲击不但对整机的结构件造成损害，还将影响整机的性 能，严重时还将产生事故，因此研究相关液压制动系统性能对提升产品品质是一 件非常有意义的事。 现在对相关液压冲击的研究方法很多，通过搭建系统模型进行仿真研究目前 是一种很流行也很有效的方法。通过仿真研究能快速的搭建研究模型，既减少成 本也节约时间，并且能完成很多在现实中无法现场进行的实验研究，而其实验结 果也往往是真实现场研究的客观反映，具有很强的设计参考价值。 4 工程硕士学位论文 提升整机制动性能是本文研究的最终目标，本文将通过仿真时改变液压系 统相关参数不同的值来仿真分析制动性能与液压系统的关系，之后通过实验方式 来验证制动性能与不同工况的关系，最后得到液压制动系统的最佳工作参数。 5 第二章堆高机制动系统制动下况分析 第二章堆高机制动系统制动工况分析 针对前述本文研究的方向及要求，本章将对堆高机的机、电、液系统进行分 析，引出并重点研究堆高机的制动工况及对液压系统的要求。 2 1 堆高机的组成及功用 2 1 1 机械系统 堆高机是通过吊具旋锁锁住集装箱；举升油缸的活塞杆的伸缩带动链条使集 装箱沿着门架上下移动；摇摆油缸的伸缩，实现门架前倾后仰；通过柴油发动机 输出动力，使整车行驶，从而实现集装箱空箱堆垛作业或场内运输的工业搬运功 能。 堆高机工作原理如图2 1 所示。 图2 1 堆高机工作原理图 注：可堆码8 层集装箱的k 8 系列堆高机具有二级链条和二级链条链轮 堆高机以柴油发动机作为动力装置通过变速箱和驱动桥的动力传递、电气系 统的控制实现车辆的行驶和吊具、门架等的工作，通过操作手的控制从而实现集 装箱空箱的堆垛和搬运作业。 堆高机的主要运行动作有吊具升降、门架摇摆、吊具伸缩、吊具侧移、后桥 转向和整车行驶。主要由动力传动系统、转向系统、车架系统、门架系统、吊具 系统、驾驶室及操纵系统、空调系统、润滑系统、电气系统及液压系统等组成。 6 t 程坝f j 学位论文 1 动力系统 动力传动系统是堆高机动力来源，其主要功能是为整车驱动、制动及为其它 工作系统的提供动力来源。 堆高机动力传动系统由发动机、动力换档变速箱( 包括液力变矩器) 、传动 轴、驱动桥、轮胎等几部分组成，如图2 2 所示。 发动机通过液力变矩器驱动三档变速箱。变速箱除了提供行驶档位控制功能 外还能为液压系统提供取力口，变速箱的离合、换档功能主要通过控制多个电磁 阀实现。 变速箱的动力通过传动轴传到驱动桥，驱动桥采用双减速差速式重载型，带 行星式轮边减速器和多片湿式制动器，多片湿式制动器用于行车制动。差速器输 入端装有盘式制动器，用于驻车制动和紧急制动。 堆高机采用液力传动技术，其动力传动路线是：发动机一变矩器变速箱一 传动轴一驱动桥一轮胎。 固 照：，0 9 叠 o9 1 发动机2 变矩器一变速箱3 传动轴4 驱动桥5 轮胎 图2 2 动力传动系统图 ( 1 ) 发动机 发动机是整个设备动力源，因此配备一台功率强大、技术先进、质量可靠、 匹配合理的发动机对整台设备至关重要。 7 。 熏 。罐l遵霉 第二章堆高机制动系统制动t 况分析 三一堆高机动力装置采用柴油发动机，主要给液压系统和行走系统提供动 力。该装置由进气系统、排气系统、燃油系统、冷却系统、电气系统、发动机本 体和发动机支撑等部分组成。 ( 2 ) 变矩器一变速箱 变矩器起柔性传递力矩，并增加力矩的作用，位于发动机和变速箱之间。变 速箱的作用是传递行车驱动力矩，并提供档位控制以变换行车速度和方向。 s d c y 系列堆高机变速箱采用美国d a n ac l a r k 带液力变矩器的动力换档变 速箱，由液力变矩器和变速箱组成。 变矩器由泵轮、导轮和涡轮组成，泵轮通过变矩器输入轴上的柔性盘与发动 机相连，输入动力，泵轮是变矩器的主动部件，驱动传动液运动；涡轮在传动液 的驱动下转动，涡轮安装在变矩器的输出轴上，将动力输入到变速箱中；导轮的 作用是改变变矩器中传动液运动方向，增大输出力矩。 变速箱有两个取力口，给液压系统提供动力。变速箱具有三个前进档和三个 后退档，有自动手动两种换档方式，并装有前进倒退防逆转装置并可根据设备 行驶状况自动调整档位。 ( 3 ) 传动轴 传动轴在变速箱和驱动桥之间，采用万向传动轴相连，变速箱输出轴输出功 率通过传动轴传递给驱动桥，以便使整机前进和后退。 ( 4 ) 驱动桥 驱动桥用于前轮驱动，空载时，驱动桥约承受整机重量的5 0 ，吊重时，驱 动桥必须承受整机重量( 包括吊重) 的8 5 9 0 ，极限情况可达1 0 0 ，因此 驱动桥需要有足够大的动载、静载承受能力。 如图2 4 所示是一种采用了德国生产的k e s s l e r 重型驱动桥的堆高机。它由 主减速器、差速器、半轴、轮边减速器、盘式行车制动器、驻车制动器和壳体等 组成。其详细技术参数如表2 1 。 8 t 程颂 j 学位论文 o oo j 。e 2 3 。、 鼍式铆 一贰一0j o ，? oo o 1 、2 主减速器和差速器3 驻车制动器4 半轴( 壳体内) 5 行车制动器6 轮边减速器 图2 3 驱动桥 表2 1 驱动桥相关参数 二芝s d c y 9 0 k 8 i is d c y 9 0 k 7i i s d c y 8 0 k 6i i s d c y 8 0 k 5i i技术参数 型号 ke sslerd81p l488kess1erd81pl478 制动方式全液压湿盘式制动全液压湿盘式制动 行车制动 最大制动扭矩3 8 4 0 0 n m 边2 5 0 0 0 n m 边 弹簧制动液压释放的中央钳盘式弹簧制动液压释放的中央钳盘式 制动方式 驻车制动 制动制动 最大制动扭矩 4 1 0 0 n m4 1 0 0 n m 静载承重宦( 最大允许桥荷) 6 0 0 k n5 0 0 k n 动载承重 4 2 0 k n3 8 0 k n 润滑系统 相对独立相对独立 a 主减速器 主减速器位于驱动桥的输入端，由一对轴线垂直的伞齿轮组成，它的作用是 将输入动力传递给半轴( 右半轴) 并降低转速增大驱动力矩。 b 差速器 位于驱动桥中部，由四个差速伞齿轮和两个装在左右半轴上的伞齿轮组成， 差速齿轮装在两个半轴上伞齿轮中间，当差速齿轮在半轴上伞齿轮滚动时，左右 半轴的转速不同，产生差速运动。差速器作用保证变速箱传递来的力矩传给两根 半轴，同时保证左右两侧驱动轮由不同的转速转动，使驱动轮相对地面的运动接 近于纯滚动。 c 半轴 半轴是差速器与轮边减速器之间的传动部件，其作用是将差速器传递的动力 9 第二章堆高机制动系统制动t 况分析 传递给轮边减速器。 d 轮边减速器 轮边减速器为行星减速器，由中间齿轮，齿圈以及齿轮、齿圈间的行星齿轮 组成，其作用是降低转速，增大驱动力矩。 e 驻车制动器 驻车制动器位于驱动桥轴的输入端，为弹簧制动液压释放浮动卡钳盘式制动 器，由制动盘和制动卡钳组成。当制动释放油路无压力时，制动卡钳在制动弹簧 的作用下抱死制动盘，此时制动器制动，当制动释放油路有压力时，制动油通过 制动卡钳内的活塞推动制动弹簧，制动卡钳松开，此时制动器不制动。此制动器 用于驻车制动和紧急制动。 行车制动器 行车制动器为多片湿式制动器，由制动片和摩擦片组成。行车制动器由液压 油进行控制操作，制动冷却油进行冷却。当制动油路有压力时，压力油推动活塞 压紧制动片和摩擦片，此时行车制动器制动。 堆高机通常整车行走为前桥驱动，且因为门架重心较高，因此需要良好的制 动安全性来保证。堆高机通常带有可靠的毂式制动器，能调节制动问隙，因此行 走制动十分可靠，并且使用寿命长。 ( 5 ) 轮胎轮辋 堆高机轮胎通常采用港口专用重吊用内胎充气轮胎，其采用加厚花纹e 4 j ， 以增加耐磨性：轮辋分别为无轮辐重载轮辋，前桥4 个，后桥2 个，单个轮胎可 承受最大静载2 4 t ，承载能力大，耐磨性好。 2 转向系统 转向系统主要功能是实现整车行驶、工作时的方向控制。 转向系统的工作原理是：当双作用油缸活塞杆向左伸出时，就会通过双向转 向油缸和四连杆机构推动左后轮连杆和拉动右后轮连杆同时向左摆动，两个后轮 就会同时向右转向；反之，当双作用油缸活塞杆向右伸出时，就会推动右后轮连 杆和拉动左后轮连杆同时向右摆动，两个后轮就会同时向左转向。 3 车架系统 车架系统是堆高机各部件的安装基础件，它主要起到支撑各部件的作用。 堆高机车架系统由低合金钢板焊接而成，采用气体保护焊焊接，很好的保证 丁程顾卜学位论文 了焊接质量。头部、尾部进行焊后机加工，保证各安装尺寸，其结构如图2 4 所 示。 车架体除承受静载荷外，还要承受整车行驶时产生的动载荷，因此车架体必 须满足下列要求：a 满足总布置的要求；b 强度高；c 刚性好；d 结构简单； e 重心低。 4 门架系统 门架系统主要功能是承载堆高机吊具，使之通过门架系统上升或下降，实现 集装箱吊装的功能。 堆高机门架系统的基本动作有升降和摇摆两种，门架系统分为两种运动形 式，即一级链条式和二级链条式，两者都为内# b l - j 架结构。其基本工作原理是通 过5 b f - j 架与车架连接，靠油缸作用使内门架上下运动，从而带动吊具上下运动， 如图2 5 所示为门架运动简图。 1 车架总成2 左挡泥板3 右挡泥板4 盖板总成 5 左后挡泥板总成6 右后挡泥板总成7 上配重8 下配重 图2 4 车架总成 第二章堆高机制动系统制动t 况分析 o o o 1 内门架滑轮( 内门架) 2 举升油缸滑轮( # b f - j 架) 3 吊具与集装箱f l 、f 2 举升油缸推力g 1 内门架重量 图2 5 门架运动简图 一级链条式门架系统实现油缸、吊具的移动速度比是l ：2 ，所费力约是2 ： 1 。通过外门架的举升油缸动作，可实现内门架的上下移动；内门架通过链轮对 二级链条起作用，实现吊具的上下移动，如图2 5 左图所示。 优点：整体重量轻、机构少、结构简单； 缺点：油缸细长，稳定性差。 二级链条式门架系统实现油缸、内门架、吊具的移动速度比是1 ：2 ：4 ，所 费力约是4 ：2 ：1 。外门架的举升油缸通过链轮对一级链条起作用，可实现内门 架的上下移动；内门架通过链轮对二级链条起作用，实现吊具的上下移动，如图 2 5 右图所示。 优点：油缸短粗，稳定性好； 缺点：整体重量较重、机构较多、结构较复杂。 除k 8 型堆高机采用二级链条门架系统外，其它型号均采用一级链条门架系 统，其整体重量轻，结构简单。 5 吊具系统 吊具系统是堆高机的主要工作机构，具有取吊集装箱的作用。如图2 6 所示。 1 2 t 程硕l j 学位论文 雹 咚j ， 、 1 横梁总成2 滑移架 图2 6 吊具结构简图 堆高机吊具系统是通过伸缩油缸的伸缩来适应2 0 - 4 0 英尺集装箱；通过转锁 装置来完成旋锁抓取和放开集装箱的功能；通过侧移油缸促使吊具和集装箱左右 移动来方便对箱和堆码。 6 驾驶室及操作系统 驾驶室及操纵系统是操作手的工作空间及对操纵系统的操作控制。 2 1 2 液压系统 堆高机液压系统分为两大部分：行走驱动液压系统和工作装置液压系统，主 要功能为整车行走、转向和制动，门架、吊具等工作机构的运动传递动力来源。 如图2 7 所示。四台齿轮泵安装在液力变矩器取力口上，由发动机驱动，实现以 下功能： a 整车行走时的转向和制动； b 吊具的侧移、伸缩、旋锁； c 控制门架的上升、下降、前倾、后倾。 13 第二章堆廓机制动系统制动t 况分析 图2 7 堆高机液压系统原理图 堆高机液压系统包括门架升降和摇摆系统液压回路、吊具系统液压回路、转 向系统液压回路、制动系统液压回路、冷却系统液压回路等组成。 1 门架升降、摇摆系统液压回路 门架升降、摇摆系统液压原理图如图2 8 所示： 由油泵1 向多路阀供油，通过操作手柄，可实现门架的升降、摇摆动作，还 可对吊具液压系统回路供油。 ( 1 ) 门架升降液压回路 当往前推动手柄时，来自供油系统的压力油经换向阀5 后至液控手柄1 0 的 p i 口，再经液控手柄1 0 的2 口至换向阀3 和4 的p 口，在电磁换向阀3 和4 得电 的情况下，压力油进入多路阀的换向油腔，推动阀芯运动实现多路阀换向功能， 此时油泵1 所供压力油通过多路阀2 、单向节流阀9 、单向阀8 至升降油缸两油 腔，实现差动快速上升。 1 4 1o f 降 j i = 升汕缸。衍倾+ ；甫倾 i i ：升 耍 6 幽 l = r _ 搏 篓慧。 k 人一一j j j 。p1 ：2 3 4 盘 上 卤一 毒液 f 二 | 嬲 函 l p i 4 、5 换向阀6 双平衡阀7 溢流阀8 换向阀9 单向节流阀1 0 液控手柄 2举升液压系统 当往后来自供油系统的压力油经液控手柄1 0 的p i 和4 口，压 力油进入多路阀向油腔，推动阀芯运动实现多路阀换向功能，在电磁换向阀 8得电的情况下时升降油缸中的油通过单向节流阀9、多路阀2回到油箱， 实现门架快速下 ( 2 ) 回路 当左右来自供油系统的压力油经手柄4 的p i 、l 或3 口，压力 油进入多路阀的油腔，推动阀芯运动实现多路阀换向功能，此时油泵l所供 压力油通过多路、双平衡阀6至摇摆油缸无杆腔或有杆腔，实现门架前、后倾。1 5 第二章堆高机制动系统制动丁况分析 2 吊具系统液压回路 吊具系统液压原理图如图2 9 所示： 左伸缩缸 ， y 7iiy 5 右伸缩缸 。 y 8i ly 6 y 9 间yj 脚y 3 左旋缸圃y 2 四iv 4 右旋锁虹赢缸 圈 y 1o 广l o r 十 掣 8 m p a 1 4 m p a t p 1 主系统溢流阀2 溢流阀3 侧移电磁换向阀4 伸缩电磁阀5 旋锁电磁阀6 双向液压锁 2 9 吊具液压系统原理图 吊具液压系统所需油源由齿轮泵提供，流量通过多路阀调节。通过操作手柄 上的按钮，从而控制吊具上的电磁阀实现吊具的左右侧移、2 0 英尺与4 0 英尺之 间转换、旋锁的开、闭。溢流阀l 起安全阀的作用，液压锁的作用是保证吊具在 锁具关闭的位置不会打开，避免发生意外事故。 3 转向系统液压回路 转向系统液压原理图如图2 1 0 所示： 液压油经齿轮泵l 和优先阀6 后到转向器2 ，提供实现转向功能的油源。转 向器在转动过程中，油从其r 口到转向油缸3 的左腔，实现右转向；反之，实 现左转向。 1 6 t 程颂 ：学位论义 1 齿轮泵2 开芯转向器3 转向油缸4 溢流阀5 补油阀6 优先阀7 溢流阀 图2 1 0 转向系统液压原理图 4 制动系统液压回路 制动回路齿轮泵的输出油液经冷却系统后连通充液阀，经单向阀后向蓄能器 充油，当压力达到充液阀设定的压力后，齿轮泵将卸荷。单向阀防止蓄能器中储 备的压力油在齿轮泵待速或停止运行时泄回油箱。蓄能器充有一定压力的氮气， 供应急刹车用。制动液压回路包括驻车制动液压回路和行车制动液压回路，如图 2 1 1 所示。 ( 1 ) 驻车制动回路 驻车制动电磁阀控制驻车制动器，驻车制动器为液压释放、弹簧制动式。操 作驻车制动时，驻车制动电磁阀通电，蓄能器中的压力油通过电磁阀进入驻车制 动器，克服弹簧作用力，将驻车制动器打开。同时，压力继电器s w l 动作，发 出电信号，驻车制动器指示灯熄灭，并解除电器连锁，使动力换档变速箱可挂档 行车。 ( 2 ) 行车制动回路 行车制动器为液压制动、弹簧释放式。行车制动时，脚踩行车制动阀，齿轮 17 第_ 二章堆高机制动系统制动t 况分析 泵油经行车制动阀的进入行车制动器，克服弹簧力，实现行车制动，压力继电器 s w 3 动作，发出电信号，接通行车制动指示灯。行车制动器的压力反馈给行车 制动阀，操作者可以通过脚踏板直观感觉和调节行车制动力的大小。 1 齿轮泵2 刹车阀3 刹车控制阀组4 充液阀5 单向阀6 蓄能器 7 行车制动阀8 驻年制动阀9 平衡阀1 0 过滤器 图2 1 1 制动液压系统原理图 5 冷却系统液压回路 液压系统在高频率作业过程中，不断产生热量，这些热量大都转化为油液的 1 8 t 程硕j j 学f 移论文 内能而使油温升高，液压油的温度过高会给系统带来不利影响，为此需设置专门 的冷却液压回路。 冷却系统液压原理图如图2 1 2 所示 齿轮泵、制动阀、转向器的回油等低压油经散热器流回油箱。当油温达到设 定值，温度传感器7 发讯，换向阀4 得电工作，切断油路，液压油进入马达l ， 推动马达旋转，从而带动风扇旋转，形成对流对液压油进行冷却，冷却系统开始 工作；一旦油温低于设定值，换向阀4 失电，风冷器停止工作。溢流阀5 的作用 是使冷却回路压力值维持在一定范围之内，为风冷器提供动力。 1 冷却马达2 油散热器3 溢流阀4 电磁换向阀5 单向阀6 过滤器7 压力继电器 图2 1 2 冷却液压系统原理图 2 1 3 电气系统 1 系统控制 堆高机电气控制系统主要由行驶控制电路、驱动控制电路、门架控制电路、 吊具控制电路和常规控制电路组成，主要功能为系统通过控制电路对驱动及工作 机构进行控制。电气控制系统的基本架构如图2 1 3 所示。 控制器、显示屏和柴油机控制器之间通过c a n 总线进行通信，系统运行时 控制器对系统进行实时控制，显示屏只进行数据显示不参与控制，发动机的运行 1 9 第二章堆高机制动系统制动工况分析 参数及状态信息通过通信接口送入显示器和控制器。外围电路由驱动控制电路、 门架控制电路、吊具控制电路和常规控制电路组成。 图2 1 3 电气控制系统的框图 2 行驶控制电路 行驶控制系统是堆高机电气控制系统的核心，主要由柴油机控制器、档位手 柄、动力脱档开关、变速箱档位电磁阀、变速箱压力、速度传感器、驻车系统和 刹车系统组成。行驶控制程序决定整个控制系统的性能。下面主要就行驶程序进 行说明。其控制流程如图2 1 4 所示。 图2 1 4 控制系统框图 堆高机行驶控制系统工作的传动路线是：发动机一变矩器一传动轴一驱动桥 一轮胎。 启动发动机后，松开驻车开关，前后拨动方向盘右下方的档位手柄可以控制 整车前进后退，当手柄旋在l 、2 档时，堆高机以固定l 、2 档行驶；当手柄旋在 3 档时，堆高机以自动档行驶，即控制器根据当前行驶速度控制堆高机在2 、3 2 0 t 程硕i j 学位论义 档之间自动切换。当堆高机行驶时，变速箱左侧变速箱速度传感器脉冲信号送到 控制器中，综合显示屏上会有当前速度显示。 驻车系统由一个单独的保险提供电源，当按下方向机上的驻车按钮时，驻 车电磁阀失电，驻车油路中没有压力，驻车器刹住传动轴，油路上的压力开关闭 合，方向机上的驻车灯点亮，整车处于驻车状态。当堆高机以较高的速度行驶时， 控制器强制打开驻车电磁阀，确保高速时不能驻车( 即高速驻车联锁) 。 当在紧急情况下，按下紧停按钮时，发动机停机，且驻车，当紧停按钮没有 复位时，无法启动发动机。 3 驱动控制电路 堆高机驱动控制电路由供电系统和发动机控制系统组成。 4 门架控制电路 门架动作包括前倾、后倾、举升和下降，在吊具未完全锁定或未完全解锁时 门架不能举升、下降；闭合安全旁通开关，故障状态吊具未完全锁定或未完全解 锁时门架可以举升、下降，作为应急使用。 5 吊具控制电路 吊具动作有闭锁、解锁、左侧移、右侧移、伸出( 4 0 英尺) 、缩回( 2 0 英 尺) 。吊具输入除动作信号外，还有工作灯控制信号、安全旁通信号；输出有吊 具总供油阀信号、上升锁定、下降中断，吊具状态闭锁、解锁、着位指示。 吊具有闭锁、解锁、左侧移、右侧移、伸出( 4 0 英尺) 、缩回( 2 0 英尺) 动作信号时，吊具控制器发出总供油阀信号，总供油阀动作，吊具才可以执行这 六个动作。总供油阀无动作时，吊具不能执行这些动作。吊具未完全锁定或未完 全解锁时，吊具控制器发出吊具上升锁定信号，门架不能举升。吊具着位后，机 械活动销上的接近开关脱开，吊具发出下降中断信号，吊具停止下降。吊具系统 得电后，吊具控制器发出吊具工作状态指示信号，实时显示吊具状态。 6 常规控制电路 堆高机常规控制电路包括空调电路、刮水洗涤电路、行驶和工作照明系统和 辅助电气系统。 2 2 堆高机制动工况分析 集装箱空箱堆高机制动是靠刹车高压油抱紧轮毂，靠摩擦片摩擦制动的。但 由于整车本身以下特点照成制动时冲击很大。 2 l 第二章堆高机制动系统制动t 况分析 首先集装箱空箱堆高机由于本身质量很大达到3 2 吨，而堆高机的吊载能力 最大可达到9 吨，那么加上整机质量将达到4 1 吨，可见其惯性力非常大，在一 定速度下( 最高速可达到2 5 k i n h ) 紧急刹车往往给整车带来巨大的冲击。 其次集装箱空箱堆高机整车的重心离地面较高，这主要由于门架( 全部缩回 时) 离地有8 5 6 米，驾驶室离地有3 2 米，这样导致整机重心离地大约有1 5 米 左右。当紧急刹车时整车的惯性倾翻力矩将很大，这也是造成制动过程冲击很大 的一个重要原因。 再者制动对防倾翻的要求。整车重载紧急制动时由于惯性整车倾翻力矩很 大，增加稳定力矩( 比如增加配重重量，增加轴距等措施) 是保证整车安全性的重 要方法，但是良好的制动性能也是提高制动安全性能的重要措施。 2 3 堆高机制动工况对液压系统的要求 根据以上分析可知，为了保证堆高机制动时制动系统的稳定可靠，制动液压 系统需具备如下性能： 1 任何情况下安全制动的需要。这需要在行车时或发动机突然熄火后液压 制动系统仍然具备良好的连续制动性能。在液压制动系统中蓄能器的设计需满 足：发动机在停止充液时，连续踩踏制动踏板，蓄能器的刹车油仍能满足7 8 次制动的要求，这主要涉及到蓄能器的容积和充氮压力，另外对整个回路的泄漏 也提出了很高的要求 2 制动时液压系统快速响应的要求。在目前工程机械上制动主要存在着气 体制动、气液混合制动、液压制动这三种制动形式，响应最快的是全液压制动， 根据堆高机制动时的要求在l o k m h 时制动距离不能大于1 2 m ，这需要液压制动 系统的响应时间不能大于0 6 s 。 3 刹车稳定性的要求，由于整车在吊载制动时整车质量较大，巨大的惯性 往往会导致刹车稳定性的减弱，也就是在刹车时整车产生晃动，这在液压系统上 表现为刹车压力突变往往产生压力峰值。一旦出现这些情况极易导致整车倾翻， 故在制动时液压制动系统需要制动压力平稳没有剧烈波动。 2 4 本章小结 本章首先对集装箱空箱堆高机的机电液各系统进行了详细的分析，包括机械 系统的整机功能概述、动力行驶系统、转向系统、车架系统、车架系统、吊具系 t 程硕l j 学位论文 统、驾驶室与操纵系统；液压系统的系统原理图、门架举升摇摆液压系统、吊具 液压系统、转向液压系统、行车制动液压系统、冷却液压系统；以及对电气系统 的详细研究。如此对理解和分析整车制动性能能起到辅助作用。 随后两节根据前述分析提出了堆高机制动系统的工况和制动时对液压的要 求，由于集装箱空箱堆高机自身的结构和功能复杂、工况的多样性，较大的质量 和倾翻力矩需要制动时满足下面三个要求： a 在任何情况下蓄能器的刹车油仍能满足连续7 8 次制动的要求； b 制动时液压系统快速响应的时问不能大于0 6 s ； c 在制动时液压制动系统需要制动压力平稳没有剧烈波动。 2 3 第三章堆高机制动液胝系统设计 第三章堆高机制动液压系统设计 上一章对堆高机各系统各工况进行了分析与研究，并提出了制动工况对液压 系统的要求，本章将重点分析堆高机的制动液压系统及设计要求。 3 1 堆高机制动液压系统原理 3 1 1 制动液压系统介绍 目前国内一些工程机械的制动系统多采用气顶液的结构形式，以实现整机的 高压制动效能。但是这也存在一些问题，首先对于集装箱空箱堆高机这种制动力 矩要求很大，且在堆场频繁制动的场合，气液制动无法保证很好的制动效果。此 外气液制动系统需要单独的压缩气源，元件数量多，且尺寸较大，给整机布置带 来了不便。而且排出的油气污染环境，它需要气液两套管路，排气时噪声较大， 液压管路易混入空气而造成制动失灵等故障。 随之液压制动技术的不断完善和湿式制动器制造技术改进，可靠性更高的液 压制动系统在工业发达国家已普遍采用。近年来，国外主要堆高机制造商( 如 k a l m a r 、f a n t u z z i 、l i n d e 、s m v 、c v s ) 大部分都采用全液压制动系统，它是性 能良好的制动系统，与气液制动系统一样，也属于动力制动系统，其主要优点是 系统制动压力高，产生的制动力矩大，液压管路为全封闭的回路，污染性很小， 工作效率高。 本章将以三一重工自行研制生产的s d c y 9 0 k 7 堆高机制动系统为例，全面 论述全液压制动系统，并建立其数学模型。 s d c y 9 0 k 7 堆高机的制动液压系统如图3 1 所示，该制动液压为双回路全液 压制动系统。该系统主要由刹车油泵、蓄能器、充液阀、平衡阀、驻车电磁阀、 球阀、压力传感器、蓄能器、脚踏制动阀、制动器等部分组成。制动器为湿式盘 式制动器，蓄能器充液阀和脚踏制动阀为该系统关键元件。 充液阀的外观如图3 2 所示，原理示意图如图3 4 所示，它由滑阀式主阀芯、 滤芯、单向阀、节流孔、梭阀、球阀、弹簧、阀体等组成，是一个集成度较高、 比较复杂的阀，它负责给蓄能器充液。 2