基于AMESim的65噸汽車起重機支腿液壓系統設計與仿真

馬麗英 王龍軒 張振

摘要：隨著社會資源開發，起重機的使用逐漸增多，同時施工作業時由于支撐不穩定引發側翻等問題引發的安全事故也在上升。本文提出運用液壓鎖在支腿系統工作時能夠將其鎖死，防止其發生“軟腿”，提高起重機支腿的支撐穩定性，設計優化起重機支腿液壓系統。利用AMESim對其系統建模并進行仿真分析，通過閉鎖壓力變化曲線分析系統工況。結果表明：整個支腿液壓系統能夠安全穩定的運行，滿足起重機的工況要求。

Abstract： With the development of social resources， the use of cranes has gradually increased. At the same time， problems such as rollovers caused by unstable supports during construction operations have caused an increase in major safety accidents. This paper proposes that the hydraulic lock can be used to lock the outrigger system when it is working， prevent it from "soft legs"， improve the support stability of the crane outriggers， and design and optimize the hydraulic system of the outriggers of the crane. Use AMESim to model the system and perform simulation analysis， and analyze the system working conditions through the blocking pressure change curve. The results show that the entire outrigger hydraulic system can operate safely and stably to meet the requirements of the crane's working conditions.

關鍵詞：汽車起重機;AMESim仿真;支腿;液壓系統

Key words： truck crane;AMESim simulation;outrigger;hydraulic system

中圖分類號：F407.471 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0001-04

0 ?引言

在施工建設中，汽車起重機相比于其他起重機有著特有的機動性，并且在其中扮演著至關重要的角色[1]。尤其起重機支腿機構更是一種需要同時承擔不同工況下的關鍵輔助機構，是裝在車架上可折疊或收放的支撐構件，直接關乎施工人員駕駛作業時的安全問題及影響著汽車起重機的工作性能[2][3]。汽車起重機的支腿一般有四個，均布于起重機側面，以提高起重機支撐平面輪廓寬度，從而增加起重機的抗傾覆穩定性。本文主要是針對QY65型汽車起重機H式支腿進行建模并仿真，分析支腿在起重機不同工況下的液壓系統的安全穩定性。

在液壓控制系統工程設計[4][5]中AMESim軟件[6][7][8][9]能夠發揮其精確靈活的建模仿真特性，且該軟件應用廣泛。此軟件可以建立復雜系統模型，并且進行仿真計算和進一步分析[10][11][12][13]。能夠為液壓系統的設計提供可靠的理論依據。

1 ?液壓支腿工作原理

液壓支腿分為以下五種基本工作狀態：無動作、水平同步伸、水平同步縮、垂直同步伸、垂直同步縮[14]。無動作：液壓油通過泵吸入主油路，經換向閥到回油路經過濾后返回油箱[14]。垂直同步伸：液壓油通過泵吸入主油路，經換向閥進入垂直液壓缸上側的無桿腔，實現垂直伸的動作，有桿腔的回油經過單向順序閥后過濾回油箱[14]。垂直同步縮：液壓油經過泵吸入主油路，經換向閥進入垂直液壓缸下側的有桿腔，實現垂直縮的動作，無桿腔的油經過濾后回油箱[14]。在液壓缸實現垂直同步伸縮時三位四通閥左右位分別得電使系統得到相應的加壓，剩余的壓力經溢流閥返回油箱[14]。如圖1所示。

2 ?支腿液壓系統設計

2.1 支腿液壓系統設計

2.1.1 支腿壓力的計算

起重機的最大支腿反力是指在起重機吊重過程中支腿所受到的最大法向反作用力。而打開支腿是在不進行吊重作業的情況下完成的。支腿載荷為整個起重機的質量。所以，支腿液壓回路工作壓力必須通過開啟支腿時的支腿反力來確定[14]。

2.1.2 打開支腿反力時支腿反力的計算

支腿打開時的載荷為整車自重G?？v向距離e=1/6=6.9/6=1.15，滿足穩定性的前提是重心偏矩e<1.16，故確定前后支腿到重心的跨距a=3.0，b=3.9。由此可以計算出支腿反力R。

2.1.3 吊重時最大支腿反力的計算

①當吊重工作支承在A、B、C、D四支腿上。如圖2（a，b）所示。

以坐標原點為支腿重心，吊臂定位在離起重機縱軸線（X軸）的？漬角處，底盤不回轉部分的質量G2，重心距離e2，起重機回轉重心O0，到支腿重心的距離為e0。上車質量G1，臂架質量Gb，轉臺與配重物及其它質量G3，計算起升載荷Pq，合力為G0，即：

?若結果中有某個支腿出現負值，則需重新按三點支承計算支腿反力。

②按三點支承的支腿反力計算公式如下：

當車架剛度較大，支腿或支撐面有彈性，則起重機吊重正常工作時，四個支腿中就會有一個支腿離地，形成三點支承。起重機在正常吊重情況下，呈現三點支承的頻率相對較高，在此根據三點支承來計算支腿壓力[15]。

?當臂架位于工況Ⅰ時，最大受力支腿是C支腿，令dc/d？漬=0，解得C支腿壓力為最大時的？漬角值，其值為？漬0=arctgb/a。將？漬0值代入公式（9）或將？仔-？漬0代入公式（11）可求得C支腿的最大壓力或D支腿的最大壓力。比較二者大小，大者為計算工況。比較C、D可先用判別式：

G2e2/G0e0=k（12）

如圖3所示，在O上側為正，在下側為負。若判別式k為負且大于-1，則吊臂在工況I時C支腿壓力達到最大值。若判別式k小于-1，則吊臂在工況II時D支腿達到最大值，若e0、e2在同側，可直接判斷出承受最大壓力的支腿。

由G0=841kN得G2e2/G0e0大于-1，則C支腿壓力達到最大值。從而得出Rc=466.442kN。

2.1.4 支腿液壓系統工作壓力的確定

控制系統工作壓力應按系統工作性能需要，并兼顧經濟性和液壓控制技術發展的現狀決定的。在給定的外負載下，若控制系統操作壓力越高，其液壓元件及管路控制系統的尺寸也愈小。從而導致對密封性、鑄造工藝精度和元件材質的要求更高，保養和維修的成本更高[15]。且當系統壓力升高到一定程度后，高壓對壁厚和密封性的要求會進一步提高。在進行系統設計估算并結合實際考慮選擇系統壓力為25MPa。

水平支腿位置的液壓缸作用力較小，起到增加汽車起重機的支撐跨距，確保整車的穩定性的作用。參考同類設計，在此假設其承受的最大外負載力是F=100kN。

2.1.5 垂直支腿液壓缸基本參數的計算

①液壓缸內徑D的計算：

2.2 支腿液壓系統仿真

根據設計參數，采用AMESim仿真平臺搭建支腿液壓系統仿真模型，如圖4所示。

3 ?仿真結果分析

為了能夠充分反映出所設計的垂直支腿液壓系統的性能，本文仿真出支腿伸出后并鎖定，一段時間后支腿縮回，直到停止的整個過程。以下是仿真結果分析，如圖5所示。

由于液壓缸A和B設置的負載相同，為了便于區分，故在此曲線中只顯示了液壓缸A、C、D的曲線，通過仿真結果可以得出，三種不同負載下的液壓缸1口的壓力曲線在換向閥保持在中位時的壓力是不同的。如圖6所示。

由圖7可知，在液壓馬達開始工作時，定量泵輸送的流量值最高可達到218.79L/min。

由圖8可以看出活塞桿從0s開始伸出，期間并不能保持狀態穩定，直到60s才保持穩定狀態，60s到354s為支撐鎖緊狀態。354s到400s，活塞桿以較為平穩的狀態縮回。從仿真結果整體看來伸出和縮回的時間都滿足設計要求。

4 ?結論

①設計滿足工況要求的汽車起重機下車支腿液壓系統。②系統仿真結果，汽車起重機支腿液壓系統在閉鎖壓力下能夠安全穩定的運行。③通過仿真數據和設計數據進行比對后滿足設計要求，對未來起重機在實際應用中提供了一定的參考依據。

參考文獻：

[1]宋曉麗.汽車起重機活動支腿結構改進設計[D].大連理工大學，2015.

[2]GB/T 3811-2008，起重機設計規范[S].中國標準出版社，2008.

[3]李小平，曾遠豪，劉望球.汽車起重機活動支腿設計及運動仿真[J].機電工程技術，2020，49（01）：71-73.

[4]劉雅俊，史露露，蘭中旭，等.液壓系統降額可靠性設計與關鍵液壓元件配置[J].機床與液壓，2018，46（1）：182-184.

[5]段惠玲，常慶玉.液控單向閥在液壓系統回路中的合理設計[J].液壓氣動與密封，2018（1）：77-80.

[6]李鎖牢，李明輝.基于AMESim的盾構管片拼裝機液壓回轉系統仿真分析[J].液壓與氣動，2017，45（1）：35-38.

[7]梁全，蘇齊瑩.液壓系統AMESim計算機仿真指南[M].北京：機械工業出版社，2014.

[8]張德生.基于AMESim的液動連桿機構運動特性仿真研究[J].液壓與氣動，2017（9）：77-81.

[9]趙偉民，張西偉，劉國莉，等.基于AMESim的雙輪銑槽機銑削裝置液壓系統仿真[J].機床與液壓，2016，44（1）：152-154.

[10]何仁，謝達. 基于AMESim的減速帶能量回收裝置換能器特性研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（3）：115-120.

[11]付永領，祁曉野.LMS Imagne.Lab. AMESim系統建模與仿真參考手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[12]鄧紅星，王憲彬.基于AMESim的汽車制動系統性能研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2013，32（5）：1059-1062.

[13]向琴，羅天洪，孫冬梅，等.基于AMESim的自適應柔性夾具機械手指的動態特性研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2012，31（6）：1215-1218.

[14]王騰振.2020年汽車起重機支腿液壓系統設計[OL].道客巴巴2020.4.30.http：//www.doc88.com/p-51761810609887.html.

[15]羅杰.QY65型汽車起重機下車液壓系統設計[D].重慶交通大學，2013.