70t矿用自卸车转向液压系统设计与仿真研究

分类号:TH1210710-2010125028硕士学位论文 70t 矿用自卸车转向液压系统设计与仿真研究柳琼璞导师姓名职称焦生杰教授申请学位级别硕士学科专业名称机械电子工程论文提交日期 2013 年 6 月 17 日论文答辩日期 2013 年 6 月 19 日学位授予单位长安大学Design and Simulation of Hydraulic Steering System in70t Mining Dump TruckA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate :LiuQiongpuSupervisor :Prof. Jiao ShengjieChang ’ an University, Xi’ an, China摘要矿用自卸车是应用于露天矿区、水利水电建设现场运输岩石、渣土的一种专用车辆 , 其载重吨位大 ,工况恶劣 ,道路爬坡多、转弯多、路况差 ,行驶速度低 ,多发安全事故 , 对车辆的操纵性能提出了较高的要求。

转向系统作为车辆的重要组成部分 , 是车辆直线行驶或转向的操纵执行机构 ,其性能的好坏直接影响到车辆的操纵稳定性和行驶安全性。

因此 ,对矿用自卸车转向系统进行研究有重要工程意义。

本论文以载重量为70t 的 TL87 型宽体矿用自卸车转向系统为研究对象。

论文简要介绍了国内外矿用自卸车转向技术发展概况、研究现状及本文研究内容;概括了转向系统分类及转向性能要求 ;对比分析了国内外 5 家 70t 矿用自卸车转向系统的技术特点 ; 针对车辆在下坡转弯行驶工况中产生的转向沉重现象和无应急转向装置提出了转向系统的改进方案 ,对转向液压系统的元件进行选型计算 ;设计了发动机熄火状态下的应急转向液压系统 ;利用 AMESim 仿真软件建立了转向液压系统中转向器、优先阀、转向液压缸、应急换向阀等元件的仿真模型 ,搭建了带应急转向装置的全液压转向系统仿真模型和机械式液压助力转向系统仿真模型 ;对实际中的四种典型工况下进行了仿真分析 ,分析结果表明本文所设计的转向系统性能达到了设计要求。

矿用自卸车转向设计计算说明书设计：陈琼校核：审核：批准：目录一、转向系统相关参数 (2)二、最小转弯半径计算 (3)三、理论转角和实际转角关系 (4)四、转向阻力矩计算 (5)五、转向机的选择计算 (5)六、转向动力缸的选择计算 (8)七、转向油泵的匹配计算 (9)1、转向机理论流量计算2、动力缸理论流量计算3、油泵排量计算4、油泵的选择八、转向升缩轴升缩量计算 (13)九、动力缸行程计算 (14)十、转向系的运动校核 (17)设计原则本车转向系统的设计应使得整车具有良好的操纵稳定性，转向轻便性，并使得上述性能达到国外同类车型的先进水平，保证车辆行驶安全性。

一、转向系统相关参数表一整车参数前轮胎采用14.00-25，轮辋偏置距207.5mm，负荷下静半径为640mm，满载下前胎充气压力850kpa二、最小转弯半径：对于只用前桥转向的三轴汽车，由于中轮和后轮的轴线总是平行的，故不存在理想的转向中心。

计算转弯半径时，可以用一根与中、后轮轴线等距离的平行线作为似想的与原三轴汽车相当的双轴汽车的后轮轴线。

图一转弯半计算图最小转弯半径R=9975+（2471-2100）/2=10160.5mm二、理论转角和实际转角关系图2 内外轮实际转角关系图图3 内外轮理论转角关系图根据图2和图3得出表二数据表二外轮转角(°) 0 5 10 15 20 25 27.3 阿克曼理论内轮转角(°) 0 5.1 10.6 16.4 22.8 30.7 34.1由上图可见在外轮转角在0°—27.3°范围内，实际转角关系与阿克曼转角关系较接近，与阿克曼理论值差值在2°以内，转向桥梯形臂符合设计要求。

四、转向力计算1.转向阻力矩计算转向时驾驶员作用到转向盘上的手力与转向轮在地面上回转时产生的转向阻力矩有关。

影响转向阻力矩的主要因素有转向轴的负荷、轮胎与地面之间的滑动摩擦系数和轮胎气压。

液压助力转向系统建模与仿真分析 ---------机械工程10401006 李 为摘要：考虑汽车液压转向器中的机械子系统与液压子系统，建立了相应的数学模型并利用Matlab/simulink 控制系统仿真软件建立了汽车液压助力转向系统的仿真模型。

仿真分析了活塞有效面积、扭杆刚度和系统供油流量的变化对系统响应的影响情况，结果表明：增加系统供油流量，减小扭杆刚度都会转向器的助力油压增大，此时齿条的位移将增大从而使稳定时间延长，活塞有效面积的大小几乎不影响助力油压的大小，齿条助力将随活塞有效面积成正比例变化。

一、模型建立1.1液压助力转向系统机械模型整个液压助力转向系统由机械部分和液压部分组成，机械部分主要包括方向盘、转向轴、齿轮和齿条、转向传动机构和转向车轮；液压部分主要包括转向控制阀、转向油泵、液压动力缸及液压管路等，如下图示。

图I 液压助力转向系统示意图1.2方向盘到转向齿轮的数学模型忽略方向盘与传动轴传动间隙，转向轴与轴套之间的摩擦，还忽略转向轴、扭杆、主动小齿轮以及与扭杆销联的阀芯、阀套的转动惯量，不考虑阀芯与阀套之间的摩擦力以及阀中液动力对阀芯、扭杆的影响，可以得到： { r x M k c d αθθθθθcos )(11==-++Ip d A p p r rx k kx x D x m )(cos )cos (21-+-=++ααθ 式中：I 是方向盘的转动惯量,c 是转向器的等效阻尼系数，d k 为转身轴中扭杆的刚度，θ是方向盘转角，1θ是小齿轮转角，x 是齿条的位移，m 是齿条等效质量，D 是液压缸阻尼系数，k 是等效外界刚度，r 是小齿轮的基圆半径，α是齿条的螺旋齿形角，1p 、2p 是动力缸的进出腔的油液压力，p A 是活塞的有效面积。

1.3转向阀数学模型转向阀是对称的结构，其工作原理及等效模型如下图所示：由图可得到如下关系：)]([)]([22122422122314121θθθθρ--==-+==∆=-=+=L W A A L W A A p A C Q Q Q Q Q Q Q i d i L S (i=1，2，3，4)式中：S Q 为流入转阀口的流量，i Q 为第i 阀口的流量，R 为阀芯与阀套的配合半径，2W 为阀口的预开间隙的轴向长度，2L 为预开间隙的宽度。

液压仿真系统实验结论
液压仿真系统是一种模拟液压系统运行的实验设备，通过对液压系统的仿真模拟，可以更好地理解液压系统的工作原理和性能特点。

在进行液压仿真系统实验时，我们得出了以下结论：
1. 液压系统的压力控制能力较强。

在实验中，我们通过调节液压系统的压力控制阀，可以实现对液压系统的压力进行精确控制。

这表明液压系统在工业生产中可以实现对压力的精确控制，从而保证生产过程的稳定性和可靠性。

2. 液压系统的流量控制能力较弱。

在实验中，我们发现液压系统的流量控制能力较弱，难以实现对流量的精确控制。

这表明在液压系统的设计和应用中，需要考虑到流量控制的问题，采取相应的措施来提高液压系统的流量控制能力。

3. 液压系统的能量损失较大。

在实验中，我们发现液压系统的能量损失较大，主要是由于液压系统中的摩擦、泄漏等因素导致的。

这表明在液压系统的设计和应用中，需要采取相应的措施来减少能量损失，提高液压系统的能效性能。

4. 液压系统的稳定性较好。

在实验中，我们发现液压系统的稳定性较好，可以实现对液压系统的稳定控制。

这表明液压系统在工业生产中可以实现对生产过程的稳定控制，从而保证生产过程的稳定性和可靠性。

液压仿真系统实验结论表明液压系统具有压力控制能力较强、流量控制能力较弱、能量损失较大、稳定性较好等特点。

在液压系统的设计和应用中，需要考虑到这些特点，采取相应的措施来提高液压系统的性能和效率。

液压系统仿真与优化设计液压系统是工业中常用的一种能源转换系统，具有高效、可靠、精度高的特点。

然而，为了保证系统的高效性和可靠性，设计师们需要进行大量的设计与试验，这种方法显然不够经济和高效。

因此，液压系统仿真与优化设计的需求逐渐增大。

本文将介绍如何利用现代仿真技术进行液压系统的优化设计。

一、液压系统的基本原理液压系统是一种利用液体传递压力和动能来实现力、速度、位置等特定功能的系统。

液压系统由主机、执行器、液体、控制元件以及管路等组成。

液压系统的优点是可以实现功率方向和角度的转换，从而实现各种工作机构的协调配合。

液压系统的质量和性能关系到整个机械系统的安全稳定、能源利用效率和环境保护等因素，因此必须进行优化设计。

二、液压系统仿真的原理和方法液压系统的仿真是通过软件工具模拟液压系统在不同工作状态下的行为和性能。

仿真模型一般由系统组件和系统控制器两部分组成。

其中系统组件包括液压元件、工作机构以及管路等；系统控制器包括信号处理器、控制算法等。

一般情况下，利用MATLAB/Simulink等软件工具进行仿真模型的构建和仿真过程的实现是非常便捷的方法，能够大大提高仿真效率。

在仿真过程中，必须对系统参数、模型精度等进行合理的选择和调整，以使得仿真结果能够准确反映实际系统性能。

三、液压系统仿真的应用1、机器人及其控制系统的设计机器人是一类典型的应用液压系统的行业。

液压系统的使用可以使机器人运动更加平滑、精确和稳定。

通过液压系统仿真技术可以进行机器人运动方向、速度等参数控制的设计和试验。

此外，在机器人的运动轨迹规划和运动控制算法的优化等方面，液压系统仿真也发挥了重要作用。

2、航空航天领域的设备设计液压系统在航空航天领域中也有着广泛应用。

通过仿真可以模拟不同燃料、不同环境下的设备行为和性能，预测和分析设备的寿命和故障。

此外，仿真还可以在实际使用之前进行设备的性能验证和优化，避免了不必要的损失和风险。

3、车辆制造及安全性能设计液压系统的应用在车辆制造中已得到广泛应用，例如液压助力转向系统、液压制动系统等。

液压元件设计与仿真液压系统在工业控制中扮演着至关重要的角色，无论是工厂输送带上的加工线还是飞机上的起落架，都需要液压系统来传递和控制力。

而液压元件就是液压系统中的组成部分，它们起到流体输送和控制的作用。

液压元件设计与仿真的目的是为了优化设计和测试过程，以确保液压系统能够高效、可靠地运行。

液压系统的基本原理在液压系统中，液压元件的主要目的是将液压油从一个地方传递到另一个地方，同时控制液压油的流量和压力。

这项任务是通过液压油流动产生的压力和运动完成的。

液压系统通常由四个基本组件组成：液压油箱、泵、阀门和液压缸（活塞）。

液压油箱包含液压油，泵用于将液压油从油箱中抽取并推送到液压系统中，阀门用于控制液压油的流量和压力，液压缸则将这个能量转化为机械运动。

液压元件的性能和设计液压元件的设计是一项复杂的工作，需要综合考虑多种因素，包括材料的选择、设计形状、流体力学、热力学等。

设计中最关键的部分通常是确定内部孔径的形状和大小，以确保能够安全、稳定地流动液体。

此外，液压元件的密封性和耐磨性也非常重要，这些特性取决于材料的选择和设计的细节。

液压元件的仿真液压元件的仿真是一种有效的技术，可以帮助设计师验证他们的设计，预测元件在不同条件下的性能。

仿真可以使设计师更快地找到最佳的设计方案，并更好地理解设计过程中存在的考虑因素。

运用仿真技术，设计师可以在计算机上建立一个模型，模拟元件的流线、流速和流量。

在此基础上，可以遍历设计参数，快速评估不同参数对液压元件性能的影响。

设计师通常使用计算流体力学软件（CFD）来进行仿真，这些软件可以通过数值模拟方法解决非线性壁面问题，同时可以对复杂流体现象进行模拟。

CFD软件也可以模拟流体的热力学性质，如压力、流量、速度、温度和密度。

通过仿真，设计师可以快速验证设计，并进行性能分析和改进。

液压元件的未来液压元件在未来有着广泛的用途和市场。

随着自动化和智能化工业的发展，液压系统的需求将会继续增长。

液压系统的模拟仿真与分析液压系统是一种将流体力学原理应用到机械领域的重要技术。

液压系统主要将驱动源如液压泵、压缩空气、机械传动等能量源的动力能源，将其通过液压传动部件（液压处置）的转换作用，转化成液压能并输送到执行机构(缸)执行运动，从而实现预期的机械动作。

在实际生产和工程应用中，液压系统总是被广泛应用于各种机床、机器人、冶金设备、船、飞机及各种工业装备和农业机械、林业机械等，尤其在工程实际中，对于液压系统协调性及其动态特性的了解和分析都是非常重要的。

最近，液压系统的模拟仿真与分析工作在机械和自动化行业中也变得越来越重要，这是因为模拟仿真与分析可为液压系统分析和设计提供有效的工具，并能减少原型设计所需的开发时间和费用。

液压系统模拟工作的目标是基于系统及其子系统的建立，通过进行实验、设计和分析，来预测系统的运行和调整，然后确定设计和实际测试所需的最佳方案。

对液压机械系统的研究可帮助提高运转速度和精度，降低噪声和维护成本，提升安全性能和增强设计的经济效益等。

液压系统仿真模拟主要应用于两个方面: 第一个方面是在设计阶段使用仿真对系统进行优化设计和测试，以确保对整个系统进行适当的调整。

第二个方面是在运营阶段，用仿真对系统进行分析和修复。

为了实现这两个方面的目标，需要建立液压系统模拟仿真模型，并使用该模型对系统进行分析和修复。

液压系统仿真的基本原理是使用计算机软件(例如Matlab，Simulink等)构建液压系统的一份模拟，该模拟包括所有的液压元件及其动态特性参数，并通通过仿真模型，用计算机模拟液压系统运动、力和通过液压系统传输介质的流速和压力等信息。

其中，对于液压系统中的液流，常使用较为复杂的流体力学模型来模拟它的行为。

液压系统仿真模拟的建模方法有很多种，包括建立动态数值模型(Dynamic Numeric Model, DNM)、建立星型图结构模型(Flow-mass model)和建立复杂宏结构模型等。

液压系统建模与仿真分析课程设计一、介绍液压系统是将液体作为能量传输介质的机械传动系统。

液压系统广泛应用于工业领域，特别是在重载设备和高要求的位置控制系统中。

为了优化设计和改进系统性能，在液压系统的设计和优化过程中，一定要进行建模与仿真分析。

本文将详细探讨液压系统建模与仿真分析的课程设计。

二、液压系统建模液压系统建模是学习液压系统运动学和动力学的基础。

在设计液压系统时，首先需要了解液压元器件和控制阀的原理，并掌握系统中各部分之间的关系。

液压系统由许多不同的部分组成，包括：油泵、执行器、控制阀和储油器。

为了建立液压系统的数学模型，需要采用质量守恒定律和动量守恒定律来描述系统中的所有流体和固体部分。

液压系统建模最关键的两个部分是流量和压力。

流量是指单位时间内通过管道的液体体积，通常以毫升/秒或升/分钟的形式表示。

压力是指储存在液压系统中的液体压力，通常以帕斯卡（Pa）或巴（Bar）的形式表示。

三、液压系统仿真分析液压系统仿真分析是通过计算机模拟液压系统设计和操作的性能。

通过液压系统仿真分析，可以预测液压系统在不同工作条件下的性能，并评估系统设计的优点和缺点。

一般来说，液压系统仿真分析包括以下步骤：1.构建液压系统模型：利用数学模型和仿真软件构建液压系统模型。

2.确定系统参数：包括油泵、执行器、控制阀的参数等。

3.仿真运行：运用各种不同的仿真技术模拟液压系统的运行并记录数据。

4.数据分析与结果：评估液压系统在不同情况下的性能指标，如流量、压力等，并提供优化方案。

四、液压系统建模与仿真分析的课程设计液压系统建模与仿真分析的课程设计主要分为以下几部分：1.理论基础学习：液压系统动力学和运动学的知识学习。

2.液压系统建模：利用液压系统仿真软件，采用液压元器件和控制阀的原理，构建数学模型，确定系统参数，并进行仿真运行。

3.数据分析与结果：根据仿真数据分析，评估液压系统在不同情况下的性能指标，并提供优化方案。

4.实验室操作：进行液压系统实验室操作，了解液压系统的实际工作环境，掌握液压元器件及控制阀的安装及调试方法。

液压系统建模与仿真分析教学设计引言液压系统是一种广泛应用于机械、工程和设备控制中的动力系统。

它能将液体强制送入管道或设备中，通过压力进行工作和控制，具有输送能力大、能量损失少、工作平稳等优点。

因此，液压系统已成为航空、制造业、汽车工业、生产线等领域的核心技术之一。

本文将介绍一种液压系统建模与仿真分析的教学设计，以提高学生对液压系统的理解和掌握能力。

课程设计课程内容本教学设计主要分为以下三个部分：1.液压系统基本原理和组成部分：包括液体、泵、储油箱、液压马达、液压缸、液压阀门等组成部分的作用和工作原理，以及常见的液压系统组成。

2.液压系统建模：介绍液压系统建模的方法和步骤，如需进行液压系统仿真分析，需要先建立数学模型，然后在仿真软件中进行仿真分析，从而观察液压系统的动态响应、能耗和效率等性能指标。

3.液压系统仿真分析：介绍如何进行液压系统仿真分析并观察系统的动态响应、能耗和效率等性能指标，以及分析仿真结果的意义和价值。

教学方法本课程设计采用如下教学方法：1.理论授课：讲解液压系统的基本原理和组成部分，重点介绍液压系统的建模方法和步骤，以及液压系统仿真分析的方法和意义。

2.实例演示：选取一个简单的液压系统进行建模和仿真分析，通过示范的方式让学生了解具体的建模步骤和仿真过程。

3.实践操作：要求学生在课后自行完成一组液压系统组装和仿真分析，并将仿真结果进行报告、分析和讨论。

教学媒介为了使学生更好地掌握液压系统建模与仿真分析的知识，本课程设计将采用以下教学媒介：1.实物展示：展示液压马达、液压缸等液压系统组成部分，让学生直观了解液压系统的组成和工作原理。

2.仿真软件：使用MATLAB、SimHydraulics等液压系统仿真软件进行实际操作和实验。

同时，远程授课也可以借助在线虚拟仿真实验室或虚拟仿真软件等方式进行。

3.PPT展示：使用PowerPoint等演示工具进行液压系统建模与仿真分析的课程介绍和教学辅助。