基于AMESim的百米登高平台消防车工作平台液压系统仿真

第１０卷第３期　２０１２年９月　中国工程机械学报　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｖｏ１．１０　Ｎｏ．３　Ｓｅｐ．２０１２　

基于ＡＭＥＳｉｍ的百米登高平　

工作平台液压系统仿真　

高顺德，邓　梁，曹旭阳，崔竹君　

（大连理工大学机械工程学院，大连１１６０２３）　防车　

摘要：随着登高平台消防车作业高度的不断增加，动力源与执行机构之间的距离也越来越远，它们之间的长管　

道对系统的动态特性和静态特性带来的影响已不容忽视．在考虑长管道对液压系统的动态特性影响的情况下，　

对百米登高平台消防车的工作平台液压系统进行分析，对比２种液压设计方案，并运用ＡＭＥＳｉｍ软件提供的液　

压模型库、管道子模型库对液压系统进行动态仿真，研究阀块的布局位置对系统动态特性的影响，最终设计出适　

合百米登高平台消防车工作平台液压系统的最佳方案．　

关键词：登高平台消防车；长管道；动态特性；ＡＭＥＳｉｍ　

中图分类号：　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—５５８１（２０１２）０３—０２９１—０６　

ＡＭＥＳｉｍ－ｂａｓｅｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　

ｆｏｒ　１００一ｍｅｔｅｒ　ａｅｒｉａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｉｒｅ　ｔｒｕｃｋｓ　

ＧＡＯ　Ｓｈｕｎ—ｄｅ，ＤＥＮＧ　Ｌｉａｎｇ，ＣＡＯ　Ｘｕ一　，ＣＵＩ　Ｚｈｕ－ｊｕｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　１１６０２３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ￣Ｗｉｔｈ　ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ａｅｒｉａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｉｒｅ　ｔｒｕｃｋｓ，ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｏｗｅｒ　

ｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｌｏｎｇｅｒ．Ａｓ　ｓｕｃｈ，ｔｈｅ　ｌｏｎｇ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｍ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｉｍｐａｃｔｓ　ｕｐｏｎ　

ｓｙｓｔｅｍ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｂｙ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｌｏｎｇ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　

ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｆｉｒｓｔ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　１００一ｍｅｔｅｒ　ａｅｒｉａｌ　

ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｉｒｅ　ｔｒｕｃｋｓ．Ｉｎ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｐｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ　

ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅ　ａｎｄ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｕｂ—ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅ　ｏｆ　ＡＭＥＳｉｍＴＭ．Ｔｈｅｎ。ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　

ｖａｌｖｅ　ｂｌｏｃｋ　ｌａｙｏｕｔ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｉｓ　ｓｐｅｃｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｏｐｔｉｏｎ　ｉｓ　

ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　１００－ｍｅｔｅｒ　ａｅｒｉａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｉｒｅ　ｔｒｕｃｋｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｉａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｉｒｅ　ｔｒｕｃｋ；ｌｏｎｇ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙ；ＡＭＥＳｉｍ　

随着我国的高层建筑物不断增多，高层建筑火灾损失越来越严重，于是登高平台消防车在消防工作中　

起到的作用也日益明显．登高平台消防车是一种用于运送人员或设备到一定高度进行作业的大型工程机　

械设备［１］．作为一种高空运输设备，它的作业高度是主要性能参数，而随着作业高度的加大，又带来了安全　

可靠性的问题［２　］．作业高度的加大，也会使机构动作产生较大的延时和振动，这给作业带来了很大的隐　

患．连接其动力源和执行机构之间的液压管道对系统的动态特性和静态特性都有着较为显著的影响．实践　

证明：管道的长度对于动态特性影响很大，太长的管道会产生振动、噪声、发热及工作效率低下等问题，严　

重影响系统动态特性¨４］，所以必须深入研究具有长管道的液压系统，使其对动态性能的影响降到最小．　

浙江大学的孔晓武、阮晓芳等人对带长管道的负载敏感系统和阀控系统的动态特性进行了研究，并建　

立了长管道系统的数学模型，提出了一定的提高系统动态特性的方案，如改变负载敏感的信号反馈方式和　

作者简介：高顺德（１９６２一），男，高级工程师．Ｅ．ｍａｉ

ｌ：ｇａｏｓｈｕｎｄｅ＠１６３．ｃｏｍ　中国工程机械学报　第１０卷　

加蓄能器来改善系统动态特性＿５　］．但其数学模型过于复杂．兰州理工大学的张玮等人通过ＡＭＥＳｉｍ软件　

分析了管道配置对阀控缸液压系统动态特性的影响，得出了“随着管路长度增加，系统响应滞后增加，液压　

缸活塞杆的速度和位移响应曲线出现波动，软管会造成系统响应明显滞后，并伴有波动”的结论［４］．但在其　

分析的系统中长管道布置位置是在操作阀块与执行器之间，长管道在动力源和操作阀之间的情况并没有　

分析．徐工集团ＸＺＪ５３３０ＪＸＣＤＺ５３型登高平台消防车，额定升高为５３　ｍ，其登高平台上的电液调平系统及　

水炮液压控制系统，与液压源的距离大于５３　ｍ．由于长管道的影响，负载敏感泵的响应严重滞后于外负载　

的变化，有时甚至会对负载变化作出不正确的反应．因此，不得不去除负载敏感回路，采用定量泵工作方　

式，带来系统发热、效率低等弊端．本文以百米登高平台消防车的平台工作液压系统作为研究对象，运用　

ＥＳｉｍ软件进行模拟仿真，对阀块的布置位置以及两套液压系统方案的动态性能进行了研究．　

１　系统方案与分析　

工作平台液压系统采用两种设计方案，方案１采取齿轮泵加压力补偿阀的方法，方案２采用的恒压泵　

加压力补偿阀的方法．方案１工作原理如图１所示．液压泵从油箱吸油，提供液压系统所需的动力，通过集　

成阀控制平台的调平、摆动和飞臂变幅等动作，电比例流量换向阀控制各工作机构的运动方向和所需的流　

量，压力补偿阀保证各机构能够很好地进行复合动作．安全阀限定了系统的最高工作压力，溢流阀限制了　

集成阀的最大工作压力．当机构不动作的时候，液压泵的流量通过三通补偿阀以一个很低的补偿压力卸　

荷；当机构有动作时，通过单向阀将最大的负载压力引到三通阀，这时齿轮泵以最大负载压力加补偿压力　

向系统提供所需流量，多余的流量通过三通补偿阀溢流＿７］．这种系统动力源采用齿轮泵，它的成本比较低．　

泵出口的压力由最大负载决定，能在一定程度上降低压力损失．但是由于齿轮泵的排量不可调，所以并不　

能减少系统的流量损失．　

方案２的工作原理如图２所示．液压泵为恒压泵，压力切断阀使泵的出口压力保持恒定为２５　ＭＰａ．泵　

从油箱吸油，自动调节排量，为系统提供执行器所需的流量．当工作压力超过设定压力，则泵自动摆回较小　

的角度并纠正控制偏差．电比例流量换向阀控制各工作机构的运动方向和所需的流量，压力补偿阀保证各　

机构能够很好地进行复合动作．安全阀限定了系统的最高工作压力．此系统采用的是恒压变量泵，成本相　

对比较高．泵出口流量为系统所需的流量和泄漏流量，几乎没有流量损失，但是出口压力恒定，所以系统有　

一定的压力损失．　

调平摆动　飞臂变　

图１工作平台液压系统方案１原理图　

Ｆｉｇ．１　Ｆｉｒｓｔ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　

ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　调平摆动　飞臂变　油缸油缸　幅油缸　

图２工作平台液压系统方案２原理图　

Ｆｉｇ．２　Ｓｅｃｏｎｄ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　

ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　

阀　第３期　高顺德，等：基于ＡＭＥＳｉｍ的百米登高平台消防车工作平台液压系统仿真　２９３　

２仿真环境与仿真模型　

２．１仿真环境　

ＡＭＥＳｉｍ是一种专业的传动系统和液压一机械系统建模、仿真及动力学分析软件．有着友好的图形化　

界面，使得用户可以通过在完整的应用库中选择需要的图形模块来构建复杂系统的模型并能方便地进行　

优化设计，非常适用于机械与液压领域的设计＿８］．　

在研究长管道液压系统中，液压管道的建模是很重要的一个方面．而流体管道是一个分布参数系统，　

其精确模型中含有复杂的贝赛尔函数和双曲函数，数学模型十分复杂，这给模型的解析和应用带来很大的　

困难嘲．而ＡＭＥＳｉｍ软件中自带了管道模型，免了繁琐的数学模型的建立，为复杂液压系统建模及特性分　

析提供了良好的平台．　

２．２仿真模型的建立　

２．２．１建立液压系统模型　

在　ＥＳｉｍ中，运用液压库、管道子模型库和其他子模型库构建工作平台液压系统的仿真模型．为使　

模型简化并提高运算速度，模型中省略了平台摆动、专用工具接口部分，并把电比例流量换向阀用可调节　

流阀代替，平衡阀用１个背压溢流阀代替，这样的简化处理并不会影响对系统的仿真结果．其中压力补偿　

阀和恒压泵没有标准模型，利用ＨＣＤ（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　Ｄｅｓｉｇｎ）库建立模型＿７］．方案１的仿真模型见　

图３，方案２的仿真模型见图４．　

＠　

图３工作平台液压系统方案１仿真模型　

Ｆｉｇ．３　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　

ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　图４工作平台液压系统方案２仿真模型　

Ｆｉｇ．４　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　

ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　

２．２．２阀块位置布置与管道建模　

在元件的位置布置上也考虑了两种布管方式，一种是集成阀放在工作平台上，泵与集成阀之间使用长　

管道连接；另一种是集成阀放在转台上，执行器与阀块之间使用长管道连接．出于结构走管、管道运动等因　

素，长管道必须使用软管，并且长度达到１００　ｍ左右．这部分长管道必须考虑流体的可压缩性和压力作用　

下管壁的膨胀以及雷诺数和相对粗糙度的影响，因此选取考虑了这些因素的管道模型ＨＬＯ４．对于其他元　

件之间的管道相对于上述管道的影响可以忽略，所以选取不考虑管道影响的管道模型ＤＩＲＥＣＴ．　

３仿真结果分析　

３．１　阀块安装位置对系统动态特性的影响　

给２种方案的可调节流阀输入阶跃信号，图５为阶跃信号曲线，输入信号为１时，阀口全开，开始可调　

节流阀全关，２　ｓ时将可调节流阀全开，８　ｓ时重新关闭．图６为两方案在不考虑管道时的油缸位移曲线，曲　

线１为方案１的油缸位移曲线，曲线２为方案２的油缸位移曲线，从图中可以看出２条位移曲线重合并且