（机械制造及其自动化专业论文）叉车液压系统的设计及液压故障诊断的研究.pdf

摘要 本文首先对叉车的行走部分在结构上进行优化，将传统的机械传动或液力传动的 形式设计简化为液压驱动的形式。根据叉车要实现启动、制动、换向和调速的要求， 在设计时采用了变量泵定量马达的闭式油路，马达输出转矩由负载决定，不因调速 而发生变化，调速范围大，能使叉车在承受最大负载时能在最高车速范围内平稳地行 走。转速的调节是通过调节泵的排量来实现的。由于液压系统具有传递功率密度大、 启动换向平稳、易于频繁操纵、易于实现自动控制等特点，简化了叉车行走部分的结 构，除了满足车辆平稳地启动、制动外，还能方便地实现无级变速，便于操作。采用 泵一马达式容积调速的闭式油路，简化了能量传递的结构，提高了传递效率。 经过结构优化后的叉车各部分都由液压装置驱动，为叉车的生产和检测带来了方 便。由于在液压系统中，出现的故障现象和原因之间表现出明显的的非线性特征，许 多故障征兆和故障原因用模糊概念描述比较合理。在各种液压系统中，由于各系统及 元件具有一定的相似性，所以各系统及元件的故障具有一定的共同特点，并且在这一 领域积累了大量的专家知识，为发展液压系统的故障诊断专家系统创造了条件。全液 压叉车的液压系统分为五个部分：行走液压系统、转向液压系统、升降液压系统、倾 斜液压系统及属具液压系统。每个液压系统都是由若干个元件和回路组成的，本文以 转向系统为例，利用模糊诊断的方法对液压系统出现的各种故障症状进行排序和归 类，利用故障原因的权重系数来建立隶属度，采用模糊推理的形式进行分析，找出故 障原因；或者利用测量仪器或传感器获得的故障参数对故障原因进行分类，并将参数 误差模糊化，建立模糊关系矩阵，采用模糊控制的形式进行分析，找出故障原因。 【关键词】优化设计、液压传动、行走系统、故障诊断、模糊控制 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l ef o r k l i f tw a l k i n gp a r to p t i m i z e di ns t r u c t u r ei sf l r s ti n t r o d u c e d t h e t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lo r h y d r o d y n a m i c t r a n s m i s s i o ni ss i m p l i f i e da n d d e s i g n e d f o r h y d r a u l i c d r i v e f o r m a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t s o ff o r k l i f t s t a r t i n g ，b r a k i n g ，r e v e r s i n ga n dc h a n g i n gs p e e d ，t h ed e s i g no ft h ev a r i a b l ep u m p q u a n t i t a t i v em o t o rc l o s e dc i r c u i t i s a d o p t e d t h a tm e a n ，t h a tm o t o r o u t p u t t o r q u e i sd e t e r m i n e db yt h el o a dn o tt h es p e e dc h a n g e s p e e d r a n g e sw i d l y ，a n d t h ef o r k l i f tc a l lb e r u n n i n gs m o o t h l y u n d e rt h em a x i m u ms p e e d r a n g e i n t h em a x i m u ml o a d t h e s p e e d i sa d j u s t e db yt h ep u m pd i s p l a c e m e n t b e c a u s e t h e h y d r a u l i cs y s t e m h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g hp o w e r - t r a n s m i t t e dd e n s i t y ， s t a b l e s t a r t i n gr e v e r s e ，e a s i l yf r e q u e n to p e r a t i o n a n da u t o m a t i cc o n t r o l ，e t c ，i t s i m p l i f i e st h es t r u c t u r eo ff o r k l i f tr u n n i n gp a r t i tn o to n l ym e e t st h er e q u i r e m e n t so f v e h i c l es m o o t h l ys t a r t i n ga n db r a k i n g ，b u ta l s oc a nc o m p l e t es t e p l e s ss p e e dc h a n g e c o n v e n i e n t l ya n dg e a rr e d u c i n gf o rg o o do p e r a t i o n t h e r e f o r e ，i ts i m p l i f i e st h es t r u c t u r eo f e n e r g yt r a n s f e rt oa d o p tt h ep u m pm o t o rs p e e dc l o s e dt y p ev o l u m e o i lc i r c u i t t h e r ea r eh y d r a u l i cd r i v e si ne v e r y p a r ta f t e rt h es t r u c t u r ei so p t i m i z e d i tb r i n g sg r e a t c o n v e n i e n c ef o rt h ep r o d u c t i o na n dd e t e c t i o no ff o r k l i f t t h e r ea l em a n yo b v i o u sn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nf a u l tp h e n o m e n aa n dr e a s o ni nt h eh y d r a u l i cs y s t e m s oi t i s r e a s o n a b l et od e s c r i b et h ef a u l tp h e n o m e n aa n dr e a s o n s 晰t 1 1 勉巧c o n c e p t s i na l lk i n d so f h y d r a u l i cs y s t e m s ，t h e r ea r es o m ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c s ，f i t sa r e s u l to fc e r t a i ns i m i l a r i t i e s b e t w e e ns y s t e m sa n dc o m p o n e n t s i nt h i sa r e a , t h e r ea r em u c he x p e r te x p e r i e n c e s ；i tc r e a t e s g o o dc o n d i t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f f a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m f u l lh y d r a u l i cf o r k l i f t s y s t e mc o n s i s t so f5p a r t s ，a sb e l o w ：w a l k i n gh y d r a u l i cs y s t e m ，s t e e r i n gh y d r a u l i cs y s t e m ， l i f t i n gh y d r a u l i cs y s t e m , i n c l i n e dh y d r a u l i cs y s t e m , b e l o n g i n g sh y d r a u l i cs y s t e m e a c h h y d r a u l i cs y s t e mi sc o m p o s e do f s o m ec o m p o n e n t sa n dc i r c u i t i nt h i sa r t i c l ei tc a ns o r ta n d c l a s s i f yf a u l ts y m p t o m sw h i c ha l es h o w e di nt h eh y d r a u l i cs y s t e m ，u s i n gf u z z ym e t h o d s ， f o re x a m p l ei ns t e e r i n gs y s t e m i 沁f 酹t ot h ep r o b a b i l i t yv a l u e sc a u s e db yf a u l tr e a s o n st o e s t a b l i s hm e m b e r s h i p ，t h e na d o p tf u z z yr e a s o n i n ga n a l y z et h ep a r a m e t e re r r o r ，a tl a s t f i n do u tt h ec a u s eo ft h em a l f i l n c t i o n ；o ru s i n gt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n dt h es e n s o rt o g a i nf a u l tp a r a m e t e rc h a n g e s ，a n dm a k et h ee l r o ro fp a r a m e t e r sf u z z y ，t h e na d o p tc o n t r o l a n a l y z et h ep a r a m e t e r e r r o rt of r e do u tt h ec a u s eo ft h em a l f u n c t i o n k e yw o r d s ：o p t i m i z a t i o nd e s i g n , h y d r a u l i cd r i v i n g ，w a l k i n gs y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ，f u z z y c o n t r o l c o n t en t s 1 1f o r k l i f td e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d 一1 1 2h y d r a u l i ct e c h n o l o g ya p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hs t a t u si nm o b i l em a c h i n e r y 2 1 3f a u l td i a g n o s i sm e t h o d sa n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e m 一量 1 3 1t h et r a d i t i o n a lf a u l td i a g n o s i sm e t h o d 3 1 3 2d e v e l o p i n gf a u l td i a g n o s i sm e t h o d 墨 1 3 3d e v e l o p m e n to ff u z z yd i a g n o s t i ca p p l i c a t i o n s ：； 1 4m a i nr e s e a r c ho ft h i st h e s i s j 5 i 1 4 1p u r p o s eo ft h i sp a p e r 1 5 1 4 2c o n t e n t so fr e s e a r c h ! ； c h a p t e r2f o r k l i f t o v e r a l lc o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e s 2 2 1t h ec o m p o s i t i o na n dt h ef u n c t i o no ff o r k l i f t 2 2 1 1p o w e rs y s t e m 2 2 1 2t r a n s m i s s i o ns y s t e m ：1 2 1 3s t e e r i n gs y s t e m ：z 2 1 4b r a k i n gs y s t e m ：j ； 2 1 6h y d r a u l i cs y s t e m j 2 1 7e l e c t r i c a ls 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l lb ei m p r o v e ；t h e n o i s ea n dp o l l u t i o nc a nb ed e c r e a s e d 1 5 1 3 4 s u m m a r y ! 1 9 1 c h a p t e r4f o u n d a t i o no ff u z z yd i a g n o s i s 一2 1 v i 4 1f u z z ys e t sa n dm e m b e r s h i pf u n c t i o n 烈 4 1 2d u a l i s t i cc o m p a r i s o ns o r tm e t h o d 2 j 4 1 3a s s i g n m e n tm e t h o d 2 2 4 2f u z z yr e l a t i o n sa n df u z z ym a t r i x 丝 4 2 1 f u z z yr e l a t i o n s h i p 丝 4 2 2f u z z ym a t r i x 2 2 4 3f u z z yl a n g u a g ea n dr u l e 罄 4 3 1l i n g u i s t i cv a r i a b l e si nf u z z yc o n t r o l 婺 4 3 2s e l e c t i o no fl a n g u a g ev a r i a b l ev a l u e 瑟 4 3 3f u z z yr u l e ：； ! 4 4f u z z yi n f e r e n c ea n de v a l u a t i o n 2 5 4 4 1f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 一2 5 4 4 2f u z z yi n f e r e n c e 2 7 4 4 3f u z z yd u a l i s t i cc o m p a r i s o nd e c i s i o n 2 墨 ： 4 5s o l u t i o n so fd e f u z z i f i c a t i o n ；j 4 5 1m a x i m u ms u b o r 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l i cp u m pf a u l tp h e n o m e n o na n df a u l tc a u s e s 鲐 i x 6 4 2e s t a b l i s hf u z z yr e l a t i o nm a t r i xb e t w e e nf a u l tp a r a m e t e r sa n df a i l u r ec , a u 5 j f i l 9 6 4 3d e t e r m i n et h em e m b e r s h i p 一鳟 6 4 4f u z z yi n f e r e n c e 1 5 i ； 6 4 5 d e 缸z i f i c a t i o n 1 5 1 5 6 4 6f u z z yr u l e 1 5 1 5 c h a p t e r7c o n c l u s i o na n df o r e g r o u n d 1 5 i s ! r e f e r e n c e o o o o o o o o o o j z i - - - - - 一! ， x 第1 章绪论 1 1 叉车国内外发展及现状 叉车在企业物料的装卸和搬运中起着十分重要的作用，主要以堆垛、上架、 取货等操作为主。利用叉车可以减轻劳动强度、提高劳动生产率和产品质量，降 低生产成本。由于工业的发展，许多机械已具有多种功能和用途，例如叉车属于 搬运车辆，既可以用来装卸物体，也可以起升物体。 在过去的几十年里，由于国内外对叉车产品的需求量很大，我国叉车行业得 到了迅速的发展。我国在2 0 世纪5 0 年代制造了第一台叉车，7 0 年代初期开始 形成规模。我国现在有5 0 多家叉车生产厂家，但多数生产厂家的生产规模较小， 大型生产厂家主要有安徽叉车集团、杭州叉车有限公司等少数几家企业。国外叉 车如德国林德、日本丰田等以合资的形式进入我国市场，以其质量好、价格高占 据着我国的高端叉车市场；国内叉车目前还处于中低端位置，但以其价格低、民 族品牌的优势占据国内9 0 的叉车销售市场，缺点是可靠性差、舒适性差【l 】。由 于2 0 0 8 年全球金融危机的影响，2 0 0 9 年叉车市场除中国小幅度下滑外，其它十 分冷淡。2 0 1 0 年中国叉车市场发展更加迅速。 2 0 0 7 年，中国工业车辆全行业行业生产和销售突破1 5 万台( 包括牵引车) ，较 2 0 0 6 年增长近4 0 ，其中出口叉车约为4 8 万台，较去年增长超过7 0 ，出口 量占全年销售量的3 0 以上。 2 0 0 8 年，中国工业车辆全行业共销1 6 8 万台，较去年增长2 0 左右。中国 内销售1 0 8 万台，较2 0 0 7 年相比下降2 6 8 。出口5 9 万台，较2 0 0 7 年增长2 5 。 2 0 0 9 年全年，中国共销售了1 3 8 9 万台，比上年( 1 6 8 ，1 1 9 台) 下降1 7 3 8 。 其中国内销售i l l ，3 5 0 台，较2 0 0 8 年的1 0 7 ，7 8 6 台增长3 。出口销售为2 7 ，5 5 8 台，与2 0 0 8 年的6 0 ，3 3 3 台相比，下降了5 4 3 2 。 2 0 1 0 年全年，中国共销售了2 3 2 ，4 0 9 台，比上年( 1 3 8 ，9 0 8 台) 增长6 7 3 。 其中电动平衡重乘驾式叉车销售2 2 ，9 6 0 ，电动乘驾式仓储叉车销售7 , 5 0 2 台，电 动步行式仓储叉车销售2 2 ，2 8 0 ，内燃平衡重式叉车1 7 9 ，6 6 7 ，中国内销售约1 9 万台，较2 0 0 9 年的1 1 1 ，3 5 0 台增长7 0 左右。出口销售约为4 万台左右，与2 0 0 9 年的2 7 ，5 5 8 台相比，增长了6 0 左右【2 】。 近几年来，由于全球金融危机的影响和叉车行业的调整和改革，我国叉车行 业的发展方式已发生了转变，由过去单纯的规模式增长、市场驱动型发展，逐步 实现了向价值驱动式发展，综合实力迅速增强，国际竞争力和国际产业地位大大 提升1 2 。虽然取得了很大的进步，但在技术水平、创新能力和产品的层次上，与 国际先进企业还有一定的差距。 从全球叉车生产范围来看，叉车产品及其产业都处于成熟期；但是从国内叉 车的发展状况来看，产品及产业仍然处于发展阶段，产品的技术和结构仍需要继 续发展完善，产品不论在使用范围或使用规模上都没有得到足够的应用，在市场 经济下的产业自身的调整能力仍处于初级阶段，用户的使用意识以及企业研发意 识、能力都明显落后；目前国外企业和用户考虑的是如何更好地运用叉车，使产 品满足多样化、专业化的需求，而国内很多用户由于现实的国情还需要在人力和 叉车之间进行选择，使得企业的生产能力也受到很大的限制，无法满足专业化、 多样化的需求。但从总体来看，我国叉车产业的发展空间仍然很广阔。 1 2 液压技术在行走机械中的应用及研究现状 叉车在结构上主要包括起升系统、倾斜系统、转向系统和行走系统。叉车在 起升系统、倾斜系统和转向系统中都是采用了液压传动技术，在转向系统中采用 液压传动技术，使转向仅需要大约2 0 n 的力，大大降低了司机的体力劳动强度。 传统叉车的行走系统通常采用的是纯机械传动和液力传动的形式，纯机械传动一 般只能进行有级变速，变速范围小，且布局方式受到限制【3 1 。液力传动用变矩器 取代了机械传动中的离合器，具有分段无级变速的能力，传动功率密度大而负荷 应力小等优点而得到广泛的应用。一5 1 ，但是也存在着变矩范围小、制动性能差、 低速负荷特性差，布局受限制等不足。由于液压传动技术具有传递功率密度大， 传递效率可达9 0 9 6 以上，功率利用充分，输出转速能实现无级变速，不需要倒档 齿