基于Amesim的取绞车液压系统设计与仿真

任务书题 目 基于 Amesim 的取绞车液压系统设计与仿真题目来源 教师自拟学生姓名 学 号 专业班级指导教师 职 称 教 研 室毕业论文（设计）任务与要求设计一种额定载荷为 4000T 的液压工程绞车的液压控制系统，要求回路设计合理，并能实现自动控制，具体要求如下：1. 根据额定载荷设计液压控制回路。2. 绘制自动控制电器回路图。3. 对主要元器件的工作原理用 Amesim 进行仿真4. 对主要回路用 Amesim 进行仿真。5. 编写毕业论文一份。毕业论文（设计）工作进程起止时间 工作内容2018.1.22018.3.12018.3.152018.3.222018.3.292018.4.72018.4.142018.4.281) 查阅相关资料，记录所需的信息，确定可行性方案。2) 理清研究思路，学习其他设计产品的优秀方法。3) 设计初期方案，初步计算所需液压回路的各个元件。4) 分析方案，对其进一步优化。5) 初步确定方案，再次并对其可行性以及性能分析并改进。6) 对改进后的结构进行分析，确定设计方案。 7) 使用 Amesim 软件对主要元器件和主要液压回路进行仿真。8) 根据分析结果，仿真结果，对其最后进行改进并反思总结。指导教师（签字） 毕业论文工作组组长（签字） 学生（签字） 毕业论文（设计）起止时间：20XX 年 12 月 27 日 至 20XX 年 5 月 25日 注：本表由指导教师填写，于每学年第 1 学期 18 周，经毕业论文工作组审批，随毕业论文装订由学院存档。开题报告论文（设计）题目 基于 Amesim 的取绞车液压系统设计与仿真学生姓名 学号 指导教师1、研究本课题的目地和意义1、研究目地液压绞车是国家大力发展的一门工科学科，液压绞车作为一种通过使用液压马达传动或者直接使用齿轮传动使卷筒缠绕钢丝绳或者链条提升牵引重物的起重设备。液压绞车的系统速度调节是通过马达的速度调节实现的。液压绞车相比于其他形式的绞车而言，构造精简、节省空间、单位重量下功率大、动力扭矩高、开启运行稳定、速度调节精确便捷、运行过程安全等诸多特点，被大范围应用于各种实际工程领域，受到诸多使用者的喜爱。因此研究液压绞车系统对于工程领域的使用有着极为显著的贡献。液压绞车以其稳定、安全、功率大等诸多优点被广泛的运用在矿产、建筑、海洋、工程等领域。本设计中主要针对液压绞车系统进行设计，尤其是针对液压绞车的主要元件和主要回路使用 Amesim 软件进行仿真和检测。本设计的设计重点在于针对额定载荷进行设计液压控制回路，实现回路的设计合理和自动控制功能。并对主要的液压回路元件进行 Amesim 软件仿真和对主要控制回路进行 Amesim 仿真2、研究意义本设计的主旨在于设计一款 4000T 的液压工程绞车的液压控制系统，设计此系统需要对液压绞车系统进行深入的计算和对 Amesim 软件有一定的学习。其意义有：通过设计本课题，让我对液压绞车和 Amesim 软件的基本内容以及设计原则有了深刻的了解。例如在设计液压回路的时候需要计算液压绞车的负载扭矩、绞车转速，需要选择液压马达的型号、主传动回路泵、主传动回路电机、油箱和控制回路 。本次毕业设计的经历，将对我以后在液压绞车和 Amesim 软件方面的知识掌握相关有很大的帮助。 2、国内外的液压绞车发展状况1、国内的液压绞车发展现状及前景国内的液压绞车发展现状，2005 年国内直径最大的液压防爆绞车在河南省洛阳中信重机公司试车成功，并且顺利的发向内蒙古大雁煤业公司。这台液压防爆绞车直径达 3M，高度达52M，最大静张力为 120KN，最大容绳量 1767M，最大提升速度为 4s/m，具有良好的防爆性能、稳定的无级调速性能和低速运转性能，节能效果明显。这台绞车的直径和提升力均称得上是国内之最。2、国外的液压绞车发展现状及前景20 世纪年代后期，日本、美国又开始推广应用液压马达-机械传动绞车。其优点是高速小扭矩，液压马达具有制造容易、质量稳定、寿命长、传动效率高、噪音低、体积小等优点。国外由于电器技术水平较高，机械化程度高，较早的开始推广防爆绞车，主要是绕线行电机转子外接电子调速。其缺点为发热严重，占地面积大，电控系统复杂，成本高，调整型差。随着液压技术的不断成熟和发展，推出了轴向柱塞式和径向柱塞式液压马达系列。在国外，液压绞车根据起结构形式分为两大类：一类是运用低速大扭矩柱塞液压马达直接带动绞车卷筒的全液压式传动；另一类是采用高速的小扭矩柱塞液压马达经过减速器在带动绞车卷筒的液压-机械传动式。3、研究内容本课题研究的主要内容有：1. 根据额定载荷设计液压控制回路。2. 绘制自动控制电器回路图。3. 对主要元器件的工作原理用 Amesim 进行仿真4. 对主要回路用 Amesim 进行仿真。5. 编写毕业论文一份。4、研究方案及步骤经分析，本课题的设计可分为以下阶段：第一阶段：1)查阅相关资料，记录所需的信息，确定可行性方案。2)理清研究思路，学习其他设计产品的优秀方法。3)设计初期方案，初步计算所需液压回路的各个元件。第二阶段：1)分析方案，对其进一步优化。2)初步确定方案，再次并对其可行性以及性能分析并改进。3)对改进后的结构进行分析，确定设计方案。 第三阶段：1)使用 Amesim 软件对主要元器件和主要液压回路进行仿真。2)最后根据分析结果，仿真结果，对其最后进行改进并反思总结。5、论文提纲第 1 章 绪论1.1 研究的目的及意义1.2 国内外液压绞车发展现状1.3 国内外 Amesim 软件的发展现状1.4 绞车的功能和结构、分类和工程应用领域概述1.5Amesim 软件在液压系统设计分析中的应用第 2 章 液压系统的工作原理2.1 闭式回路和开式回路的比较分析2.2 液压绞车驱动系统的制动回路的设计2.3 液压绞车驱动系统的冲洗回路的设计2.4 恒张力液压绞车控制回路的设计2.5 绞车液压系统的工作原理第 3 章 液压绞车的液压系统的工作原理3.1 技术要求3.1.1 绞车负载扭矩的计算3.1.2 绞车转速计算3.2 液压马达的选择和扭矩验算3.3 主传动回路泵的选择和验算3.4 主传动回路电机的选择与验算3.5 油箱及控制回路的设计3.6 液压绞车的液压系统主要阀块的设计及整体布置3.7 液压电控系统电控部分设计第 4 章 液压绞车液压系统主回路的数学模型和建模仿真4.1 液压绞车液压系统主回路数学模型的建模4.2Amesim 软件的介绍4.3Amesim 液压仿真分析4.4 液压绞车系统的 Amesim 模型建立4.3 液压绞车液压系统主回路仿真4.4 液压绞车液压系统主要元器件的仿真第 5 章 模型验证与结果分析第 6 章 结论与展望第七章 总结参考文献致谢附件6、论文（设计）工作量的估计、工作条件1、工作量估计1)查阅并记录所需资料。2)液压回路系统基本性能参数的确定；3)液压回路系统各个参数的选择与计算；4)学习使用 Amesim 软件的使用方法；5)使用 Amesim 软件对液压回路系统进行仿真； 6)制作毕业答辩的 PPT。2、工作条件1)Amesim 软件。2)在图书馆查阅相关资料以及在国内外知名网站上查阅所需的资料。3)实验室和工训中心提供的有利条件。参考文献1许福玲，陈尧明液爪与气传动.北京：机械业出版社，2008.2雷天觉，新编液压程手册.北京：北京理大学出版社，1998.3设计手册，第四版.北京：化学工业出版社，20024Andersen T.O., Hansen M.R. Evaluation of Velocity Control Concepts Involving Counterbalance Valves in Mobile CranesJ. Fifth International Conference on Fluid Power Transmission and Control,2001:311-315.5朱熙耕，45 吨静液压绞车的研制J.天津：天津大学，20056张利平,液压传动系统及设计m.北京：化学业出版社,2005,248-2617卢长耿,液压拧制系统的分析与设计M,机械工业出版社,1991,80-1208李洪人,液压控制系统.北京：国防工业出版社，1981，93-2159香良光雄，中村峻.液压传动装置M.吴伦楷等泽,北京:国防工业出版社,1977.10机械设计手册编委会，机械设计手册S.北京:机械一工业出版社，2004(4): 98-512.11濮良贵，名刚.机械设计（第七版）.北京：高等教育出版社，2001，335-34912秦家升，游善兰.AMESim 软件的特征及其应用J.工程机械，2004（12）：6-813刘昕晖，陈晋.AMESim 仿真技术在液压系统设计分析中的应用，文章编号 1000-4858(2015)11-0001-0614冀谦.基于 AMESim 的小型液压挖掘机液压回路仿真研究，文章编号:1006-4414(2009)05-0042-0315付永领,祁晓野.AMESim 系统建模和仿真从入门到精通M.北京航空航天大学出版社,2006.16吴跃斌，谢英俊，徐立 液压仿真技术的现在和未来J.液压与气动，2002，(11) : 1317余佑官，龚国芳，胡国良AMESim 仿真技术及其在液压系统中的应用J液压气动与密封，2005，(3):2831.18P德兰斯菲尔德.液压控制系统的设计与动态分析M.北京: 科学出版社，198719吴晓光，宋海涛，殷新胜等.基于 AMESim 的钻井负载敏感液压系统仿真分析J.机床与液压，2008，36（3）：163-164.20Yokota S, Hiramoto K. Ultra high-speed electro-hydraulic servo valve by making use of a multilayered piezoelectric device (PZT) (compensation of a hysteresis by introducing a software algorithm) J.Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Part B, 1991, 57 (533): 182 一 I 87.21Ruan J, Ukrainetz P, Burton R. Frequency domain modelling and identification of 2D digital servo valve J. International Journal of Fluid Power, 2000, I (2): 76-85.22Morgan J M, Milligan W W. A 1kHz servohydraulic fatigue testing system C. Proceedings of the conference on high cycle fatigue of structural materials, Warrendale PA, USA: The Minerals, Metals&Materials Society, 1997, 305-312.指导教师意见及建议（从选题、理论与实证准备、研究（设计）方法、工作安排等方面给出评价，并提出指导意见）：选题符合专业要求,学生通过此论文能将理论和实际相结合 ,锻炼实际动手能力,工作量饱满,现同意开提, 继续进行后期工作!指导教师签名： 年 月 日毕业论文工作组意见及建议毕业论文工作组组长签字： 年 月 日注：1.此表由学生填写后，交指导教师签署意见，经毕业论文（设计）工作组审批后，才能开题。中期检查表论文（设计）题目 基于 amesim 的取绞车液压系统设计与仿真学生姓名 学号 指导教师计划完成时间 20XX 年 5 月 4 日按照进度安排应完成的任务1.根据额定载荷设计液压控制回路。2.绘制自动控制电器回路图。3.对 主 要 元 器 件 的 工 作 原 理 用 Amesim 进 行 仿 真4.对 主 要 回 路 用 Amesim 进 行 仿 真 。5.编写毕业论文一份。实际完成情况1.根据额定载荷设计液压控制回路。2.绘制自动控制电器回路图。3.对 主 要 元 器 件 的 工 作 原 理 用 Amesim 进 行 仿 真4.对 主 要 回 路 用 Amesim 进 行 仿 真 。目前有哪些问题和困难，拟采取的解决方法Amesim 软 件 为 全 英 文 软 件 ， 在 元 件 库 和 参 数 设 置 、 元 器 件 调 控 方 面 并 没 有 汉 化 ， 是 的 翻 译 方面 出现 差 异 。 解 决 方 法 ： 继 续 查 阅 资 料 ， 寻 找 别 人 对 此 处 的 翻 译 ， 对 比 不 同 翻 译 ， 结 合 实 际 测 试得 出 最 终 结 果 。检查中发现的问题与建议毕业论文工作组组长签名：年 月 日注：1.最后一栏由指导教师填写。2.此表随毕业论文装订并由学院存档。指导教师评分表学院：XXX 专业班级： XXX 学生姓名： XXX 学号：XXXX毕业论文题目 基于 Amesim 的取绞车液压系统设计与仿真评 价 项 目（参考） 分值 打分01 工作态度，工作作风工作态度 02 毕业论文完成情况 20 2003 查阅文献资料能力04 综合运用知识能力05 研究方案的设计能力06 研究方法和手段的运用能力能力水平07 外文应用能力40 3008 文题相符程度09 写作水平10 写作规范程度11 篇幅，论文工作量论文质量12 论文的理论或实际价值40 28综合评定成绩 78评价意见1. 学习态度较认真，能按时参加定期辅导，并按要求完成规定的任务工作量。2. 论文内容设计较合理，工作量基本符合要求；通过设计过程很好了得锻炼了学生的设计分析能力，分析结果具有一定的实用性。 3. 论文写作较规范，格式符合要求。 达到了本科生的毕业设计要求，同意答辩。是否同意答辩 同意答辩指导教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。评阅教师评分表学院：XXX 专业班级： XXX 学生姓名： XXX 学号：XXXX毕业论文题目 基于 Amesim 的取绞车液压系统设计与仿真评 价 项 目（参考） 分值 打分01 查阅文献资料能力02 综合运用知识能力03 研究方案的设计能力04 研究方法和手段的运用能力能力水平05 外文应用能力50 3506 文题相符程度07 写作水平08 写作规范程度09 篇幅，论文工作量论文质量10 论文的理论或实际价值50 36综合评定成绩 71评价意见论文对绞车液压系统进行设计和仿真，选题具有一定的应用价值。利用 AMESim 对4000T 液压绞车系统进行仿真，对其设计合理性验证具有一定作用。论文撰写认真，格式规范，工作量适中，表达个别部分欠流畅，结论重复且言之无义，建议修改。是否同意答辩评阅教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。答辩及成绩评定表学生姓名 学号 专业名称答辩时间 答辩地点 指导教师题 目 基于 Amesim 的取绞车液压系统设计与仿真 记录人姓 名 职 称 姓 名 职 称答辩小组成 员提问及回答情况记录（34 个主要问题）：1.PPT 中 A 口 B 口流量曲线起始位置纵坐标横坐标分别是什么？答：PPT 中电磁换向阀的流量曲线图 A、B 两口的起始位置的横坐标为时间，单位是秒（s）；纵坐标是流量大小，单位是升每分钟（L/min）2.设计是否从流量开始控制？答：本设计的设计思路是基于定载荷所需扭矩大小得到液压马达的输出功率从而推出液压泵和其他元器件的最大负载时所需的压力、流量等数据。仿真时是通过负载的变化观察其余物理量的变化是否符合设计要求。3.液压回路中各种管路如何设计？是否考虑压力？答：本设计所设计的液压回路考虑的是理想模型下的液压回路变化和液压元器件的物理量变化，所以对于管路的设计也是理想模型下的液压管路即各个管路中不存在泄露，不发生损耗，不损失能量。所以管路的设计中并没有考虑压力。记录人签字：年 月 日答辩小组评语及成绩：答辩小组组长签字： 年 月 日指导教师成绩 40% =评阅教师成绩 20% =答辩成绩 40% =毕业论文总评成绩论文 等级毕业论文工作组意见：毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1、总评成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%。2、论文等级分优秀（90 分）、良好（80-89 分）、中等（70-79 分）、及格（60-69 分）、不及格（60 分）。3、此表随毕业论文装订并由学院存档。I基于 Amesim 的取绞车液压系统设计与仿真摘要：随着液压绞车的快速发展以及液压绞车大量的被应用于海洋船舶、矿产开发、冶炼金属、运输起重等工程领域，对于液压绞车液压系统的设计要求越来越高，设计的高效性、准确性、安全性越来越被人所关注。Amesim 软件的使用能够让设计者快速、准确、便捷的提供出符合设计者要求的液压系统回路，其庞大的子模型库和众多的模型系统为设计者减轻了负担，是的设计者不再需要去浪费大量的时间在程序编写和数学模型的建立上，而能专注于物理模型的建立和系统回路的仿真。本设计主要研究的是 4000T 的液压工程绞车的液压控制系统，并对其主要回路和主要元器件运用 Amesim 软件进行仿真，检验其稳定性和合理性。关键词： 液压绞车 Amesim 软件 仿真 建模IIDesign and Simulation of Winch Hydraulic System Based on Amesim.Abstract：With the rapid development of the hydraulic winch and a large quantity of hydraulic winch is used in ocean shipping, mineral development, smelting metal, transport hoisting engineering field, such as for the design of the hydraulic winch hydraulic system demand is higher and higher, the efficiency and accuracy of design, safety is more and more attention by people. Using Amesim software designers can make rapid, accurate, convenient provided meet the requirements of the designers of the hydraulic system circuit, its massive model library and numerous model system for designers to reduce the burden, yes designers no longer need to waste a lot of time on the programming and the establishment of the mathematical model, and can focus on the establishment of physical model and the system circuit simulation.This design mainly studies the hydraulic control system of 4000T hydraulic engineering winch, and simulates its main circuit and main components using Amesim software to test its stability and rationality.Keywords: Hydraulic winch Amesim software Simulation modeling.III目录第 1 章 绪论 .11.1 研究的目的及意义 .11.2 国内外液压绞车发展现状 .11.3 国内外 Amesim 软件的发展现状 .21.4 绞车的基本概述 .21.5 Amesim 软件的应用 .3第 2 章 液压系统的工作原理 .52.1 液压系统的闭式回路和开式回路的分析 .52.2 液压绞车驱动系统的保压回路的设计 .62.3 绞车液压系统的工作原理 .7第 3 章 相关数据计算 .83.1 技术要求 .83.2 液压马达的选择和扭矩验算 .83.3 传动回路泵的选则和验算 .93.4 传动回路电机的选择与验算 .93.5 油箱及控制回路的设计 .103.6 液压阀的设计 .10第 4 章 液压系统主回路的数学模型和建模仿真 .124.1 液压系统主回路的数学模型 .124.2 Amesim 软件的介绍 .134.3 Amesim 液压仿真分析 .134.4 液压绞车系统的 Amesim 模型建立 .164.5 液压系统的主回路仿真 .214.6 液压绞车液压系统主要元器件的仿真 .27第 5 章 结论与展望 .31第 6 章 总结 .33参考文献 .34致 谢 .351第 1 章 绪论1.1 研究的目的及意义液压绞车的快速发展和广泛应用迫使液压系统的控制方法得到不断的改进和发展，并且随着在液压绞车中 PLC 和单片机等控制模块的广泛使用及其自动化、智能化程度越来越高，使得液压绞车的液压系统更加的简便，其可操作性、安全程度、准确性都得到了大幅的提高。在液压绞车的控制和检测方面集成化、模块化的控制方式和数字化高效化的检测方式已经在液压绞车上得到了完整成熟的应用。而关于液压绞车层次输出方式方面液压绞车已经能够完美的完成一定速度下的输出或者一定的张力输出下的输出方式。在液压绞车的测试方式方面，测试者使用压力传感器测量液压马达的进油口和出油口的压力值大小通过计算或智能模块的数据转换得到马达的输出扭矩。测试者能够使用光电编码器来测量缆绳的收放速度快慢在通过计算或智能模块的数据转换来得到缆绳的长度。本设计中主要针对液压绞车系统进行设计，尤其是针对液压绞车的主要元件和主要回路使用 Amesim 软件进行仿真和检测。本设计的设计重点在于针对额定载荷进行设计液压控制回路，实现回路的设计合理和自动控制功能。并且针对主要的液压控制回路和液压回路主元件使用 Amesim 软件进行模拟仿真。本设计的主旨在于设计一款 4000T 的液压工程绞车的液压控制系统，设计此系统需要对液压绞车系统进行深入的计算和对 Amesim 软件有一定的学习。其意义有：通过设计本课题，让我对液压绞车和 Amesim 软件的基本内容以及设计原则有了深刻的了解。例如在设计液压回路的时候需要计算液压绞车的负载扭矩、绞车转速，需要选择液压马达的型号、主传动回路泵、主传动回路电机、油箱和控制回路 。本次毕业设计的经历，将对我以后在液压绞车和 Amesim 软件方面的知识掌握相关有很大的帮助。 1.2 国内外液压绞车发展现状国内的液压绞车发展现状:在 2005 年，在中国河南省洛阳市有一台直径长达3 米，高度高至 52 米，最大净张力达 120 千牛的液压防爆绞车在河南省中信重型2机械公司测试成功，并成功通过运输到达到内蒙古大雁煤业公司。这台当时在中国称得上是最大的液压防爆绞车的最大绳索容积长达 1767 米，最大提升速度为4 米每秒，它防爆炸的性能十分好，无级化的调速性能非常稳定，低速运行的性能好。节能的效果十分明显。这台液压绞车的直径和提升力均称得上是国内之最。而目前，在中国最大的水轮机 350T，设备达到了自重 150T。国外的液压绞车发展现状:在 1980 年前后，一场由日本和美国带动的新的改变在悄悄的影响着世界，他们相继开始采用液压马达来带动绞车。这种使用液压马达的机械传动绞车的主要优点就是转动速度快，转动扭矩小。而且这种液压马达有着使用寿命长、形状体积小、工作噪音低、运行质量稳定、生产制造容易、机械传动效率高等等突出的亮点。基于国外的机械化程度和由于国外的电气技术水平和机械化程度比较高。早期防爆绞车的推广主要就是靠绕线电机转子的外部电子调速。但是缺点是发热严重、面积大、电气控制系统复杂、成本高、调节不好。随着液压技术的不断成熟和发展，逐渐推出了轴向柱塞式和径向柱塞式液压马达系列。在国外，液压绞车根据起结构形式分为两大类：一类是运用低速大扭矩柱塞液压马达直接带动绞车卷筒的全液压式传动；另一类是采用高速的小扭矩柱塞液压马达经过减速器在带动绞车卷筒的液压-机械传动式。1.3 国内外 Amesim 软件的发展现状AmeSim 是一款系统工程高级建模和仿真平台的软件(Advanced Modeling Environment for Simulations of Engineering Systems)。在 1995 年 IMAGINE 公司创造了一款专门应用于液压和机械系统建模的软件，这就是 Amesim。Amesim 是一款针对于系统建模、仿真和运动学分析的优秀的软件。Amesim 软件作为一款针对液压和机械系统建模的软件为使用者提供了一个完整的优秀的仿真环境。Amesim 软件以其灵活性、友好性和面向实际的应用方案优于同类型软件，成为同类型软件中的佼佼者。Amesim 软件通过建立大量的模型库和数据库来使使用者研究各种原件或回路的动力学特征，而 Amesim 的模型库和数据库在使用者的使用过程中得到不断地积累进而不断地升级和改进。IMGINE 公司本身是一个从事技术咨询的公司，该公司通过开发 Amesim 软件并将其应用在世界上与其合作的著名公司和研究所。在这些共同开发的近千个3技术咨询项目中为 Amesim 积累了大量的经验和知识，在这些项目的开发中还汇聚了各个尖端研究领域的专家，这些专家在项目开发中总结出一套行之有效的方法并且将这些方法和经验传授给他们的客户和朋友学生等，使得 Amesim 软件的到了大范围的推广。由于这些人的使用和推广加之 Amesim 自身优秀的特点使得 Amesim 软件在国外成为了在建模和仿真领域的一种标准软件。在国内近几年来国内的学者们因为在其使用过程中感觉到的使用方便、快速、准确使得国内也有越来越多的人开始使用和学习 Amesim 软件 。这款软件作为一款优秀的高级建模和仿真软件一定能在建模和仿真领域对使用者有所帮助，也能为自主创新和模拟仿真提供一个优秀的环境。1.4 绞车的基本概述在冶炼金属的过程中、在矿产开发的应用中和在海洋船舶的使用中经常会用到一种有着悠久历史的工程领域常用的装置-绞车。从古代社会开始绞车的用途就确定在了运输重物上，恰当的使用绞车能够使得使用者放大自身的力量来运输一些重量远超自身力量的物体从而节省力气提高效率。古代的绞车就是绞盘，这种绞盘由轴和轮组成，在垂直于两侧的支撑架的滑轮和滑轮上的缆绳也是绞盘不可或缺的必要组成。缆绳的作用是用来连接重物和绞盘，使用者用力转动手柄使得滑轮缆绳和物体一起提升。如图 1.1 所示是一种古代绞车。图 1.1 古代绞车卷扬机，也就是现代的绞车它是由古代的绞盘通过不断地演化和改进发展而来。卷扬机是由电机带动滚筒旋转使得缆绳或者铁丝在滚筒上缠绕或者释放从而达到提起或者放下物体的动作。现代的绞车使用的方式有很多，它的应用方位也很广泛比如海洋建筑和矿产等各个领域。如图 1.2 所示为现代的一种液压绞车。4图 1.2 现代液压绞车现代绞车的结构上主要是用滚筒的旋转来带动缆绳或者铁丝来收放物体。现代绞车一般有三个部分分别是动力、承载和辅助装置。动力装置是使滚筒旋转带动缆绳或者铁丝收放的设备包含有驱动机构、传动机构和控制机构。承载装置就是收集缆绳和排放缆绳的装置，其包含了容纳缆绳的容绳机构和控制缆绳运动的排缆机构。辅助装置包含负责运动滑轮机构、负责导向的导向轮机构、检测速度的速度反馈模块、检测压力大小的压力反馈模块、检测物体距离的距离反馈模块等。绞车根据其不同的特征有着许多种分类方式，绞车可以根据动力装置来分类，可以根据适用范围和应用情况来分类，也可以根据工作方式来分类 。1.5 Amesim 软件的应用Amesim 软件是一款在工程系统模型建立方面提供图形化的时域和频域仿真环境的优秀软件，它能使使用者在模型建立、仿真和动态分析方面提供大量的帮助。Amesim 软件的数据库和模型库中包含的已经存在的模型可以来桂枝所需的实际模型，如果 Amesim 软件的数据库和模型库中不存在使用者所需要的模型使用者也可以简历不存在的新的子模型元件来构建时机模型。在 Amesim 软件中使用者也可以去修改现有的模型或者新建的子模型，通过修改子模型和改变模型参数来进行动态仿真，在动态仿真结束后可以直接来绘制使用者所需要的某种数据的曲线来分析仿真的结果。Amesim 软件的操作界面简便友好，操作方法简单易上手。使用 Amesim 软件可以让使用者迅速的完成建模的最终目标，也能够让使用者在建模结束后来分析和优化设计，从而降低在设计开发环节的成本和周期。5第 2 章 液压系统的工作原理2.1 液压系统的闭式回路和开式回路的分析液压系统的液压回路根据液压油出入液压马达之后的循环方式的不同分成开式液压回路和闭式液压回路。使用液压泵从液压油油箱通过吸油过滤器吸入低压的液压油，通过液压泵转化为高压的液压油到达液压马达的两个腔，液压油流经液压马达最后回流流回液压油油箱，这种循环的方式叫做开式回路。使用开式回路会在液压油从液压马达回流至液压油油箱时产生泄露造成泄漏损失和污染。与开式回路不同在变排量泵与液压马达之间存在着封闭结构的液压回路被称为闭式液压回路。闭式回路虽然整体式封闭结构但是也存在一定量的泄漏损失所以闭式回路必须安装一种叫做补油泵的装置来补充泄露所造成的泄漏损失。补油泵补充的液压油直接流入主液压回路，超出主液压回路的所需的液压油会通过一个单向的溢流阀来流出。闭式液压回路的液压马达的正反转的转向改变是通过变排量泵的排油方法或者通过安装换向阀来改变马达转向的。液压系统的闭式回路是由变排量量泵、补油装置和定量液压马达构成，闭式液压回路的液压原理图如图 2.1 所示，液压绞车执行机构是定排量马达 5。液压油通过定排量马达 5 的回油腔大部分的液压油进入到了 4 中小部分流经换向阀 6和溢流阀，经过散热器的降温流回油箱。闭式回路中这一小部分流回油箱的液压油是通过补油泵 1 的存在来补充的，而补油泵的压力是通过溢流阀来进行调节保护其安全运行的。闭式回路中是在溢流阀和单向阀的共同工作下构成了闭式回路的系统高压保护单元。图 2.1 闭式调速回路图6液压系统的开式调速回路是由变排量泵、电磁换向阀、平衡阀、溢流阀构成。它的工作原理如图 2.2 所示。变排量泵 1 做为控制液压绞车旋转速率的快慢，电磁换向阀 4 用来改变液压绞车的转动方向，溢流阀 2-2 的作用是防止液压马达载荷腔一侧的压力过高，通过是高出部分的液压油流回油箱来保持平衡达到稳定。当液压回路处在提起物体即缆绳回收的状态的时候，三位四通电磁换向阀 4 阀芯位于右侧，这个时候 5 中的单向阀开始工作节流阀不参与工作单向阀 3-1 使液压马达得到了最小的运转压力。当回路位于放下物体即缆绳放开的时候，三位四通电磁换向阀 4 的阀芯位于左侧单向阀 3-2 用来补充所需的液压油防止液压马达的非载荷腔侧为保持平衡而吸入空气对液压马达造成不必要的损伤，此时 5 中进油单向阀不参与工作节流阀开始工作。为了防止物体失去控制的放下造成安全隐患此时由节流阀主动构成和载荷配套的压力用以保证在变量泵全开口状态下，重物放回速度完全由回油节流阀开度大小调节而不会因为负荷的重量发生改变影响，保证物体能够平稳的被放下。图 2.2 开始调速回路图闭式回路与开式回路相比闭式调速回路系统的液压马达的负载油腔不需要使用任何方式就能够使得平衡负荷然而由于闭式系统存在许多执行机构所以很难去共同使用一种液压油。因此在很多情况下液压回路选择开式回路。使用开式调速回路系统时液压绞车必须使用回油节流阀来平衡负荷保护回路，而开式调速系统作业性能和闭式调速系统一样。由于本设计需要大功率液压绞车，故采取开式调速回路来设计液压回路。72.2 液压绞车驱动系统的保压回路的设计图 2.3 保压回路图液绞车驱动系统的保压在液压绞车平时的工作中使液压绞车将物体吊在空中保持不动时能够使液压绞车保持稳定。这个时候的液压绞车液压泵处于卸荷状态，保护液压回路的安全。液压绞车的保压回路大致分为三类一种是利用蓄能器完成的保压回路，一种是利用液压泵完成的保压回路还有一种是利用单向阀完成的保压回路。本设计利用单向阀完成保压回路，图 2.3 为本设计的保压回路图。2.3 绞车液压系统的工作原理如图 2.4 所示为使用 Amesim 软件绘制的本设计的液压回路草图，变排量泵做为控制液压绞车转动速度的高低，三位四通电磁换向阀使液压绞车的旋转方向发生改变，同时溢流阀工作起溢流作用，防止液压马达负载腔侧压力太高，高出的部分流回油箱。当液压回路处在提起物体即收揽状态时，三位四通电磁换向阀的阀芯位于右侧，此时单向阀开始运作，节流阀停止工作，单向阀使液压马达获得最小运转压力。当液压回路位于放下物体即放缆状态时，三位四通电磁换向阀的阀芯位于左侧，单向阀开始补充所需液压油防止液压马达非负载腔侧为保持平衡而吸入空气，产生不必要的损失，此时进油单向阀停止作业，节流阀开始作业，为了防止物体8失去控制的放下造成安全隐患此时由节流阀主动构成和载荷配套的压力用以保证在变量泵全开口状态下，重物放回速度完全由回油节流阀开度大小调节而不会因为负荷的重量发生改变影响。图 2.4 液压回路草图9第 3 章 相关数据计算3.1 技术要求额定载荷为 4000Tg=9.8N/KG经计算额定载荷为 408.16KN绞车负载扭矩的计算绞车的负载扭矩 %)51(*rfFT（取排缆机构负载为钢缆负载的 5%）取绞车直径为 0.8m则绞车半径 r1=0.4m绞车额定负载 F1=408.1KN经计算绞车的卷筒负载扭矩 Tf168KN绞车转速计算绞车卷筒的最高转速为取绞车最高速度 v1=3m/s绞车半径 r1=0.4m经计算绞车卷筒的最高转速 71.7(rpm)3.2 液压马达的选择和扭矩验算液压马达的选取主要是基于所设计液压回路的额定压力和负载扭矩马达本身的空间尺寸和转动速度也是其重要的考虑因素。如果要使用液压马达来达到调节速度的目地的时，也要考虑它的调节方式。由于本设计的液压绞车回路采用的是变排量泵来达到调速的目地的，因此选择的是定排量马达来完成设计要求。根据设计要求本设计选用的是赫格隆（博世）公司生产的 CA 系列定量液压马达。此马达的具体参数如表 3-1。2*16010表 3.1 赫格隆（博世）公司 CA 系列定量液压马达型号表取液压绞车的液压马达工作压力为 31.5Mpa，马达机械效率为 96%，则额定输出扭矩为 2*VFM取液压马达的排量为 8800cm3/rev单位扭矩为 170Nm/bar最大转速为 220rev/min额定转速为 170rev/min经计算额定输出扭矩 M169500（N*m）168KN表 3.2 博世力士乐公司 A11VL0190 参数表113.3 传动回路泵的选则和验算根据液压绞车的卷筒最高转速时液压马达的输入流量为q=8.8*71.7/0.95=664.2（L/min）（取马达容积效率均为 95%）主泵 3 个选择博世力士乐公司 A11VL0190 型比例变量柱塞泵，其具体参数如表 3.2。其主要参数为最小排量 0cm3/r最大排量 193cm3/r驱动惯性扭矩 0.055J最大功率 236kw最大转速 2100rpm装油容量 3.8L重量 95KG最高允许工作压力为 35mpa取电机的额定转速为 1490rpm泵的容积效率为 95%3 个泵的最大输出流量为 3*193*1.49*0.95=819.6L/minq1，满足要求。3.4 传动回路电机的选择与验算设定绞车的卷筒最高转速时 3 个泵的输出流量相同即 q1 的三分之一221.4L/min则驱动功率F1=315q/3=221.495.0*61)v*3q1(VFP12F=100V=11.3v1=1490经计算驱动功率为 125.3KW所以选取 160KW 的电机 Y-315M-2，其具体参数如图 3.3。表 3.3 三项四极异步电机参数表3.5 油箱及控制回路的设计油箱需要按照最大流量的 5 倍设计，即 707.3*5为 3540L 即 3.54m313因此油箱尺寸取长 5700*宽 600*高 1400（mm）其有效容积经计算为 3830L3.6 液压阀的设计根据液压阀的一般选择要求单向阀的选择需要考虑其正向流动方向阻力小开启的压力一般为 0.035 至 0.05MPa，其反向的流动方向不漏油，密封效果良好。所以本设计选择 TLC040A20E-7X/TLFA040WEA-7X 为本设计的单向阀，其公称压力为 31.5MPa。据溢流阀的工作特性溢流阀的选择需要满足其调压范围，在本设计中溢流阀所需的最大压力值为 31.5MPa，所以选取 TTLC040DB20E-7X/TLFA040DBT-7X 为本设计的溢流阀，其最大压力值为 35MPa，完全符合本设计的需求。根据节流阀的一般选择要求，节流阀需要保证其节流口两端的压力差不跟随负载的变化产生变化而本设计的最大负载为 4000T,所以选取德国博世力士乐2FRM 10-3X/10LB，其最大的操作压力是 4600 PSI,最大流量为 42.5 GPM。根据换向阀的基本要求保证其流经各个口的压力损失要小，泄漏量要小，换向要平稳且要符合设计所要求的中位时的性能特点，所以本设计选用 M 型的4WE6M62/EG24N9K4。1415第 4 章 液压系统主回路的数学模型和建模仿真4.1 液压系统主回路的数学模型变量泵的输出流量 BBxVQnma其中 maxBV为液压泵的最大排量n为液压泵的转速Bx为液压泵的调节参数液压马达的扭矩平衡方程为其中 MT为液压马达的理论扭矩mJ为负载和马达在液压马达传动轴上的转动惯量L为负载的 转动惯量B为负载和 马达在液压马达传动轴上的粘性阻尼系数马达的输入流量为其中 mV为液压马达的排量Bn为液压泵的转速为回路的总泄漏系数p为回路的高压侧压力V0 为液压泵出口到液压马达入口的容积为液压油的 体积弹性模量经推导可得传递函数)1()()( 2m2m02m0axVBSJVBSJnsxnGB dtpVxnVQBm0aLmmMTndtTJp164.2 Amesim 软件的介绍LMS Imagine.Lab AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)是多学科领域的复杂系统建模仿真平台。使用者使用 A