（光学工程专业论文）基于amesim的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密叫。 学位论文作者签名：刍1 瘸 2 - o | 年多月乃日 指导溯签名卜狐唯指导教师签名：一。卜 拍f ，年6 月哆日 基于a m e s im 的混凝土泵车泵送系统 缓冲结构研究 s t u d yo nt h eb u f f e rs t r u c t u r eo fp u m p i n gs y s t e mo fc o n c r e t e p u m pt r u c kb a s e do n 4 e v i e s i m 2 01 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 混凝土泵车在现代建筑施工中扮演着越来越重要的角色。混凝土泵车工作时 存在较严重的液压冲击与振动，如果液压系统中主缸两端的缓冲结构设计不合 理，会造成活塞与端盖的剧烈机械碰撞，在液压系统中产生极大的峰值压力，形 成液压冲击。液压冲击对混凝土泵车的危害是巨大的，不但产生噪声、引起振动， 而且将降低混凝土泵车的使用寿命。 本文首先对混凝土泵车液压系统的工作原理和液压冲击进行了理论分析，基 于流变学原理分析了混凝土在输送管道内的流动状态，得出混凝土泵送系统的负 载特性方程。并采用a m e s i m 软件建模方法，建立了混凝土泵车泵送系统、摆动 系统以及搅拌风冷系统的数学模型。利用打水实验方法采集实车上的压力和流量 数据，修改完善了仿真模型。最后利用仿真模型对主缸各个缓冲位置点以及缓冲 结构中各阻尼孔孔径分别进行了仿真，研究表明：在没有主泵排量控制方式的混 凝土泵车中，主缸缓冲结构的布置位置对液压系统的缓冲效果影响较小，它只影 响活塞速度开始下降的时刻，但活塞下降的程度是一样的。缓冲效果与阻尼孔孑l 径关系较大，且两者之间存在着相互矛盾的关系。孔径越大活塞的顶缸速度越小， 越能减轻液压冲击与振动，但这样却降低了泵车工作效率；孔径越小则换向时间 越短，工作效率越高，但活塞顶缸速度越大，液压冲击也越大。 因此，在设计泵车缓冲结构时不应太看重缓冲位置点的分布，而应重点考虑 阻尼孔孔径对缓冲效果的影响，结合泵送效率和缓冲效果两者之间的矛盾关系， 选择合适的阻尼孔孔径。本文所做的研究工作对于提高国产混凝土泵车的技术水 平具有一定的理论意义和工程应用价值。 关键词：混凝土泵车，缓冲，液压系统，仿真， a m e s i m 基于a m e s i m 的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究 i nt h em o d e mc o n s t r u c t i o n ，c o n c r e t ep u m pt r u c k sp l a ya l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t r o l e t h e r ei ss e r i o u sh y d r a u l i cs h o c ka n dv i b r a t i o nw h e nc o n c r e t ep u m pt r u c k s w o r k i n g i ft h eh y a r a u l i cs y s t e md e s i g no fb u f f e rs t r u c t u r e sa tb o t he n do f t h em a s e r c y l i n d e ri si r r a t i o n a l ，i tw i l lc a u s em a c h i n ec o l l i s i o nb e t w e e nt h ep i s t o na n dt h ee n do f c y l i n d e r ，s ot h eh y d r a u l i cs y s t e mc a np r o d u c eg r e a tp r e s s u r ep e a ka n dh y d r a u l i cs h o c k i th a sa ne n o r m o u si m p a c to nt h ec o n c r e t ep u m pt r u c k s ，n o to n l yc a u s i l l gn o i s e ，b u t a l s oc a u s i n gv i b r a t i o n ，a n di tw i l lr e d u c et h es e r v i c el i f eo fc o n c r e t ep u m p s s oi t n e e d sf o rt h ec o n c r e t ep u m pt oe s t a b l i s hah y d r a u l i cs y s t e md y n a m i c sm o d e la n dd o o r e t i c a la n a l y s i st op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ed e s i g no ft h eb u f f e rs t r u c t u r e t h i sa r t i d ef i r s td ot h et h eo r e t i c a la n a l y s i so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw o r k i n g p r i n c i p l ea n dh y d r a u l i cs h o c k so fc o n c r e t ep u m pt r u c k , t h e na n a l y s i st h ec o n c r e t e f l o ws t a t ei nt h ep i p e l i n ei n - d e p t h l yb a s e do nt h ep r i n c i p l e so fr h e o l o g y ，a n dd r a wt h e e q u a t i o n so f c o n c r e t el o a dc h a r a c t e r i s t i c so f p u m p i n gs y s t e m u s i n ga m e s i m s o f t w a r ee s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp u m p i n gs y s t e m s ，o s c u l a t i n gs y s t e m ， m i x i n ga n da i rc o o l i n gs y s t e m t h e nr e v i s ea n di m p r o v et h es i m u l a t i o nm o d e lb y u s i n gs d e n c ea n dr i g o r o u se x p e r i m e n t a lm e t h o dt oc o l l e c tt h ep r e s s u r ea n df l o wd a t a f i n e l y ，t h em o d e lw a ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y 丽t hv a r i o u sb u f f e rp o i n t so fm a s e r c y l i n d e ra n dv a r i o u so r i f i c ed i a m e 觚o f b u f f e rs t r u c t u r ei no r d e rt os t u d yt h e i j re f f e c t s o nh y d r a u l i cs h o c k s t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sh a sac e r t a i nt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f o ri m p r o v i n gt h et e c h n o l o g i c a ll e v e lo fc h i n a - m a d et ? , o n c r e t ep u m pt r u c k s k e yw o r d s ：c o n c r e t g p u m pt r u e lb u f f e r ，h y d r a u l i cs y s t e m ，s i m u l a t i o n ，a m e s i m 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 第三章 目录 1 研究背景意义1 泵车结构介绍2 泵车发展现状3 1 3 1 国外泵车现状。3 1 3 2 国内泵车现状。4 泵车仿真研究现状4 本文研究内容一6 泵车液压系统与液压冲击系统分析7 泵送系统原理7 摆动系统8 2 2 1 系统组成8 2 2 2 泵送和摆动系统协调工作原理8 搅拌和风冷系统1 0 2 3 1 系统组成。1 0 2 3 2 工作原理1 0 液压冲击与缓冲结构1 0 2 4 1 液压冲击1 0 2 4 2 缓冲控制1 3 泵送负载特性分析1 4 2 5 1 流变学原理及流变模型1 4 2 5 2 混凝土泵送压力与流速的计算1 6 2 5 3 泵送负载等效处理。1 8 d 、结】1 8 泵车液压系统建模1 9 3 1栅i m 软件介绍1 9 3 2 泵送系统建模2 0 3 2 1 建模目标2 0 3 2 2 建模处理2 0 3 2 3 关键元件建模。2 0 3 2 4 泵送系统模型构建3 0 基于a m e s i m 的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究 3 3 3 4 3 5 3 6 第四章 4 1 4 2 4 3 3 2 5仿真模型系统参数3 1 摆动系统建模。3 2 3 3 1 建模处理3 2 3 3 2 关键元件建模3 2 3 3 3 摆动系统模型构建3 4 3 3 4 仿真模型系统参数3 5 搅拌和风冷系统a m e s i m 建模3 5 三个系统联合建模。3 6 d 、结3 6 实验研究与分析3 7 液压系统实验研究3 7 4 1 1 实验方案3 7 4 1 2 泵车实验4 1 实验结果与分析4 2 4 2 1主泵泄漏系数分析。4 2 4 2 2 主缸进油段压力损失计算4 5 4 2 3 主缸吸料和摩擦阻力分析4 6 d 、结4 7 第五章缓冲结构仿真研究 5 1 模型修正4 8 5 1 1 主缸吸料和摩擦阻力4 8 5 1 2 主泵泄漏系数修正。4 8 5 1 3 摆动模型验证4 9 5 2 缓冲位置仿真5 1 5 3 阻尼孔孔径研究5 4 5 4 j 、结5 9 第六章结论与展望 6 1 研究总结6 0 6 2j i 9 e 望6 0 参考文献 致谢 发表论文及参加项目情况 i v 6 2 6 4 6 5 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景意义 第一章绪论 混凝土泵车是一种广泛用于输送和浇筑混凝土的专用机械，它配有可折叠的 管道，可以将混凝土从地面输送到各种浇筑现场，如：高层建筑、地下建筑和大 型建筑物，以其高质量、高效率、低消耗、低成本、劳动强度低等优点，正迅速 取代传统混凝土浇筑施工方法，逐步成为建筑施工中不可或缺的必要设备。 混凝土泵车工作时存在较严重的液压冲击与振动，其液压冲击是由两活塞缸 交替工作产生的n 3 。当一缸从泵料转换成吸料，另一缸则从吸料转换成泵料时， 由于外载荷的突然变化相应油管中的油压会从高压转化为低压或从低压转化为 高压，同时油液的流向也会发生改变，油液流动的急剧变化，在液压系统中不可 避免地会产生液压冲击。如果液压系统中主缸两端的缓冲结构设计不合理，会造 成活塞与端盖的剧烈机械碰撞，在液压系统中产生极大的峰值压力，形成液压冲 击。液压冲击对混凝土泵车的危害是巨大的。其危害主要体现在如下三个方面： ( 1 ) 对液压系统的危害。冲击压力可高达正常工作压力的3 4 倍，使液压系 统中的元件、管道、仪表等遭到破坏；液压冲击使压力继电器误发信号，干扰液 压系统的正常工作，影响液压系统的工作稳定性和可靠性；液压冲击引起震动和 噪声、连接件松动，造成漏油、压力阀调节压力改变。 ( 2 ) 液压冲击会引起泵车机体和臂架的振动。由于现在的泵车的臂架长度普 遍在4 0 米以上，三一公司最长臂架已长达7 2 米，液压冲击在机体中产生的微小 振动都会引起臂架的摆动。当泵车换向次数的频率和臂架的最低阶固有频率相吻 合时会引起两者的共振，加剧臂架产生疲劳裂纹，从而增加臂架断裂的危险性； 另外，上端臂架的大幅摆动会引起泵车稳定性下降，甚至引起侧翻。 ( 3 ) 对施工质量的影响。液压冲击引起臂架在水平面上的摆动和在垂直面上 的振动，使得输送管末端的软管在浇筑时无法可靠定位，尤其是在施工面积较小 的工地，更增加了施工难度，影响施工质量。 因此，研究混凝土泵车的液压冲击，找出引起液压冲击原因，提出减小冲击 的措施，并研究出适应于泵车工况的、工作平稳无冲击的泵送系统，这对于提高 机械设备的可靠性，延长液压元件的使用寿命，改善浇筑工程质量都有十分重要 基于a m e s i m 的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究 的现实意义，也将会对泵车的技术指标、可靠性等诸方面产生巨大的影响。 1 2 泵车结构介绍 当今，在整个建筑行业中使用经济型的带有折叠式布料杆系统的混凝土泵车 输送混凝土已经成为全世界的标准。混凝土泵车的主要结构如图1 1 所示乜1 。 图1 1 混凝土泵车主要结构原理图 f i 9 1 1m a i nc o m p o n e n 协o fac o n c r e t ep u m pt r a c k 混凝土泵车分为汽车底盘、分动装置和液压系统、泵车底架和支腿、料斗和 泵送结构、折叠式臂架、电控系统和遥控装置等几大部分。汽车底盘完成泵车的 牵引和提供动力，分动装置和液压马达是核心的部件，它被放置在底架上。底架 和支腿确保系统的稳定性。料斗和泵送结构是泵车的泵送混凝土的主要结构，负 责将混凝土泵送出来，而臂架系统则将混凝土输送到指定浇筑点。通常，泵车的 操作人员是通过一个无线遥控装置来控制整个泵车的，它不仅用于控制布料杆的 所有臂节的运动而且用于控制浇筑混凝土的流速等等。 混凝土泵的液压系统主要包括：泵送系统、摆动系统、搅拌系统、风冷系统、 布料杆系统、支腿、回转和辅助系统等。泵送系统通过分配阀的转换完成混凝土 的吸入与排出动作，其泵送混凝土的工作原理如图1 2 所示： 2 图1 2 泵送混凝土的j 【：作原理图 f i 9 1 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fc o n c r e t ep u m pt r u c k 江苏大学硕士学位论文 如图1 2 所示，混凝土输送缸活塞( 2 a 和2 b ) 分别与主油缸( 1 a 、l b ) 的活 塞杆相连，在主油缸压力油的作用下作往复运动，一个前进、另一个后退；输送 缸出口与料斗相通，在泵送混凝土时一个输送缸从料斗中吸入混凝土，另一个则 把混凝土泵送到料斗中的s 管中。泵送混凝土时，在主油缸的作用下活塞3 b 前 进、3 a 后退，此时摆阀油缸4 b 处于伸出状态，4 a 处于后退状态。通过摇杆作用， s 阀接通混凝土输送缸2 b 。2 b 里的混凝土在活塞3 b 的推动下，由s 管进入输送 管道泵送出去；而料斗里的混凝土则被不断后退的活塞3 a 吸入混凝土输送缸2 a 。 当3 b 前进、3 a 后退到位以后，控制系统发信号使摆阀油缸4 a 伸出、4 b 后退， 引起s 型分配阀转动并换向。s 型分配阀换向到位后，发出信号使主油缸1 a 、1 b 换向，推动活塞3 a 前进、3 b 后退，上一轮吸进输送缸2 a 里的混凝土被推入s 管进入输送管道。同时，输送缸2 b 吸料。如此反复动作完成混凝土料的泵送。 当混凝土泵发生堵管现象或其它一些紧急情况需要停机时，首先应当把管道 中的混凝土抽回，这时就要进行反泵操作。反泵时，通过反泵操作( 即4 a 、4 b 两摆缸改变状态) 使吸入行程的混凝土缸与s 管阀连通，使处在推送行程的混凝 土与料斗连通，从而将管路中的混凝土吸回料斗。 1 3 泵车发展现状 1 3 1 国外泵车现状 混凝土泵的发明已有九十余年的历史。1 9 0 7 年德国人最先取得混凝土泵的 专利权，1 9 1 3 年美国c o m e l lk e e 设计并制造出第一台曲轴机械式混凝土泵，但 没能得到应用，1 9 2 7 年德国的f r i t zh e l l 设计制造了第一台得到成功应用的混 凝土泵，荷兰人j c k o o y m a n 在i j 人的基础上进行改进，1 9 3 2 年他成功地设 计并制造出采用卧式缸的k o o y m a n 混凝土泵，成功地解决了混凝土泵的构造原理 问题，大大提高了工作的可靠性。此后混凝土泵的发展都是在k o o y m a n 机械式混 凝土泵的基础上进行的。 第二次世界大战之后，各国陆续开展经济恢复工作，建筑工程同益增大，机 械式混凝土泵的销路较好，应用日益增多。到5 0 年代中叶，德国的t o r k r e t 公 司首先设计出用水作工作介质的混凝土泵，标志着混凝土泵的发展进入了一个新 的阶段。1 9 5 9 年德国的s c h w i n g 公司生产出第一台全液压的混凝土泵，它采用 液压驱动，功率大、振动小、排量大并可实现无级调速，并可以实现反泵操作， 3 基于a m e s i m 的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究 减少了堵管现象。从此，混凝土泵技术日趋完善，泵送混凝土也进入大规模应用 的阶段。此后为了提高混凝土泵的机动性，在6 0 年代中期又研制了混凝土车载 泵，同时为了使混凝土浇筑更加方便又研制出臂架式泵车。 国外混凝土泵的主要生产厂商有：德国的施维英( s c h w i n g ) 公司、普茨迈 斯特( p u t z m c i s t e r ) 公司、赛勒( s c h e e l e ) 和施泰特( s t e t t e r ) 公司，美国的查 伦奇一考克兄弟( c h a l l e n g e c o o k eb r o s ) 公司和汤姆逊( t h o m s e n ) 公司，日本 的三菱重工、石川岛播磨、极东开发和新泻铁工等公司。 1 3 2 国内泵车现状 我国臂架式混凝土泵车的起步开始于2 0 世纪8 0 年代初期，最初基本上是引 进散件组装，或者是通过技贸结合方式引进技术生产与部分零件引进相结合的生 产模式。从2 0 世纪8 0 年代初开始，经过2 0 余年的努力，我国臂架式混凝土泵 车取得了长足的发展，设计水平、制造能力都有了很大提高。据统计，目前我国 混凝土输送泵制造商已达1 0 0 多家，分布于全国各地。但是由于各制造商的技术 水平、制作工艺、生产能力等参差不齐，产品差距也较大。目前国内生产能力最 强的企业是以三一重工、中联重科、徐州重型及福田重机为代表的第一梯队，第 二梯队中以辽宁海诺、湖北建机、安徽星马和上海鸿得利等企业为主，它们的产 量占了全行业的9 0 以上口1 。 中国臂架式混凝土泵车近年来有了快速的发展，在产品的稳定性和工艺方 面，虽然还不如国外，但在性价比、售后服务等方面，与国外先进产品的差距在 缩小。我国的产品具有明显的竞争优势，且更加符合国内的实际施工情况。另外， 一些新技术也在助推国内混凝土泵车发展h 1 ： ( 1 ) 底盘多元化；( 2 ) 结构件更具适用性；( 3 ) 中心泵送系统压力更高，输 送量更大；( 4 ) 液压系统向集成化方向发展；( 5 ) 控制系统功能更多。 1 4 泵车仿真研究现状 对液压元件和系统利用计算机进行仿真的研究和应用已有3 0 年的历史。从 2 0 世纪7 0 年代初开始，国外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究， 我国也从2 0 世纪7 0 年代术8 0 年代初开始进行液压系统与元件的仿真研究。经 过几十年的研究开发，液压仿真软件包的性能实现了从原先的精度低、速度慢发 4 江苏大学硕士学位论文 展到精度高、速度快；从只能处理单输入、单输出的线性系统发展到能处理多输 入、多输出的非线性系统；从复杂的编程和输入发展到交互友好的图形用户界面 等都有极大提升。特别是近几年，国外尤其在欧洲液压仿真技术得到了飞速发展， 各款老牌的液压仿真软件纷纷推出了面目一新的版本，如英国的b a t h f p 、瑞典 的h o p s a n 、德国的d s h + 等。另外一些擅长液压仿真的综合系统仿真软件在商业 上也获得了很大的成功，具代表性的有法国的a m e s i m ，波音公司的e a s y 5 啼1 。 目前国内对泵车液压系统的研究主要取得了如下成果： 重庆大学建立了h b t 6 0 型号的泵车换向系统的键合图模型，并在s i m u l i n k 里进行了仿真。得出原有系统存在着顶缸现象的结论，需要对系统进行改进。但 其只讨论了缓冲结构尺寸和负载对系统动态特性的影响，并通过优化改进，得出 这种缓冲结构是可行的m 1 。 浙江大学采用a m e s i m 软件分别对开式液压系统泵车的泵送系统、摆动系统、 搅拌系统和臂架系统进行了单独的建模和仿真，并且对各个液压系统仿真结果进 行分析，其研究表明：泵送开始时和泵送结束后电磁阀换向时液压系统会产生压 力冲击，特别是电磁阀换向时压力冲击很大；主液压泵出口压力与泵送混凝土的 过程和混凝土泵活塞位移密切相关盯1 。 吉林大学以h b t 8 0 混凝土输送泵为研究对象，并对其泵送回路进行了建模及 仿真，同时对结果进行了分析。对该泵送系统进行了简化及假设，利用功率键合 图建立了泵送系统模型，采用s i m u l i n k 对混凝土输送泵的闭式系统有、无s n 功能( 一种利用单向阀消除液压冲击的技术) 分别进行仿真。北京杰森建设机械 有限公司对样机进行了试制，循环水加载对液压系统进行了测试，实验结果与仿 真结果相吻合，验证了模型的正确性。仿真表明：在压实后大约o 1 秒后系统出 现压力峰值，此时减少主油泵排量( 即流量) 有助于消除压力峰值和速度峰值田1 。 但该模型和仿真只模拟了泵送启动和推进时的工况，对于油泵从正向到反向的工 况没有进行模拟阳1 。另外，吉林大学还通过列出了泵车摆动系统的动态方程组， 提出了两种摆动系统的改进方案：由机械定位的变节流缓冲、对缸体本身缓冲腔 的改动。但目前系统还不能完全应用到实际生产中，还需要进一步的改进n 1 j 。 长安大学建立了泵车泵送回路和分配回路的数学模型，并分析了在不同的输 入流量( 泵送频率) 和换向时间下，活塞杆的位移和系统的液压冲击情况，提出引 起液压冲击的根本原因为：即分配回路的响应时间( 固定值) 与活塞杆的运动时 5 基于a m e s i m 的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究 间( 变化值) 不相匹配，并提出了相应的改进方法n 训。 综上所述，目前国内对混凝土泵车液压系统的研究主要集中在其中一个或几 个子系统上，而把泵车泵送系统、摆动系统、搅拌系统以及辅助系统联合起来仿 真的较少。但是由于这些系统的液压泵都是连在同一根主轴上的，由同一根主轴 带动转动，三个液压泵之间存在着相互影响的关系。如果只研究其中一个系统而 忽略其他系统，往往导致所建模型不能很好地反映实车状况。故本文采用a m e s i m 软件对某款混凝土泵车泵送系统、摆动系统、搅拌和风冷系统的动态性能进行仿 真与研究，这样使液压系统模型更贴近于实际工况，更具有现实意义。 1 5 本文研究内容 本文主要以国内某大型企业生产的混凝土泵车为研究对象，利用理论分析加 实验验证的方法进行研究，研究的主要内容有： ( 1 ) 了解国内外混凝土泵车的发展状况、结构和工作原理，分析当前混凝土 泵车液压系统的建模方法及建模原理。 ( 2 ) 研究泵车液压泵送系统工作原理及混凝土负载特性，选用a m e s i m 软件 对泵车泵送、摆动和搅拌风冷系统进行建模。 ( 3 ) 根据三个液压系统之间的油压差控制关系及液压泵转轴连接关系进行整 体建模，提高仿真模型的精度与可靠性。 ( 4 ) 通过打水实验采集泵车工作过程中的压力和流量值，进一步修改完善仿 真模型。 ( 5 ) 利用仿真模型对主缸各个缓冲位置点以及缓冲结构中各阻尼孔孔径进行 仿真，并研究它们对液压冲击的影响，为缓冲结构的设计提供参考依据。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章泵车液压系统与液压冲击系统分析 混凝土泵车的液压系统主要包括泵送系统、摆动系统、搅拌系统、风冷系统、 布料杆系统、支腿、回转和辅助系统等。根据建模的需要，本文主要介绍其中的 泵送系统、摆动系统、搅拌和风冷系统。 2 1 泵送系统原理 混凝土泵车液压系统中泵送系统是最重要的系统，泵送系统分为开式系统和 闭式系统二种n 副。开式系统的混凝土泵车又分为两种：单回路系统：单泵顺序 控制，主泵为泵送和摆动系统供油。双回路系统：两泵分别独立供油。本文研 究的某型号的混凝土泵车属于开式双回路系统，其液压原理图如图2 1 所示： 1 一主泵；2 一恒压泵；3 一齿轮泵；4 一回油精滤；5 一出油精滤；6 一单向阀；7 、9 、3 2 _ 压 力表；8 、1 0 、3 1 、3 7 一安全阀；1 1 、2 5 一三位四通液控换向阀：1 2 、2 卜两位四通液动阀； 1 3 一三位四通电磁阀；1 4 一梭阀；1 5 、1 6 、1 7 、1 8 、1 9 、2 0 一插装阀；2 1 、2 2 一缓冲结l 句； 2 3 、2 4 泵送主缸；2 7 一反泵电磁阀；3 0 一高低压切换电磁阀；2 8 、2 9 节流孔；3 3 一风冷 马达；3 4 、3 9 一卸荷球阀；3 5 一蓄能器； 3 6 一风冷开关；3 8 _ 搅拌正反转开关；镧卜一压力 继电器；4 1 一搅拌马达；4 2 、4 3 一摆动油缸 图2 1 某型泵车液压系统原理图 f i 9 2 1h y d r a u l i cs y s t e md i a g r a mo fap u m pt r u c k 7 基于a m e s i m 的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究 图2 1 中的泵送、摆动、搅拌和风冷回路相互独立，各油泵吸油口前安装有1 0 i l 精密过滤器。a 11 v l 0 1 6 0 l r d u 主油泵供泵送油缸，a l o v 0 2 8 d r 恒压泵供摆动油缸， 1 p f 2 g 2 4 x 齿轮泵供搅拌马达和风冷马达。主泵高压安全阀调定压力为3 4 0 b a r ，压 力切断阀调定压力3 6 0 b a r ，补油泵调定压力3 4 b a r ，风冷溢流阀调定压力3 5 b a r 。 泵送系统主要由主泵l 、溢流阀1 0 、换向阀组1 l 一1 3 、插装阀1 5 2 0 、主缸 2 3 。2 4 、缓冲结构2 1 。2 2 和高低压切换阀3 0 等组成。泵的输出流量随负载的大小 而变化，若输送距离小、系统压力低，输出的流量就高；反之若输送距离远、9 0 系统压力高，输出的流量就会自动下降。由于系统的流量q 根据负载压力p 能自 动调节，故能保证系统具有恒功率性能，因而能防止系统过载。电磁溢流阀1 0 设定的系统压力为3 4m p a 。当系统压力超过3 4m p a 时，电磁溢流阀1 0 自动溢 流，以保护液压系统不受损坏。 2 2 摆动系统 2 2 1系统组成 摆动系统主要由恒压泵2 、单向阀6 、溢流阀8 、换向阀组2 5 2 7 、摆缸4 2 4 3 、 蓄能器3 5 、截止阀3 4 、滤油器5 等组成，其中溢流阀8 的设定压力为1 6 m p a 。 2 2 2 泵送和摆动系统协调工作原理 由于混凝土泵车的泵送和摆动系统之间存在密切协调关系：两泵送主缸缓冲 结构中的油压差是摆动系统液控换向阀换向的直接动力，而泵送系统液控换向阀 的动作又受摆缸进、回油之间的油压差控制，因此分析液压系统工作原理时，不 能单独对泵送或摆动系统进行分析，需把两个系统放在一起，这样才能分析泵送 混凝土的动作过程。 如图2 1 所示，泵送系统是双泵双回路( 泵送回路和分配回路) 开式系统， 各回路中换向阀的动作是由对方回路的油压差控制的，即液动顺序互控。其密切 协调控制过程如下： 电磁换向阀d t l 、d t 2 、d t 3 、d t 4 用来控制正泵和反泵。当d t l 、d t 2 得电时 泵车工作在正泵状态，而当d t l 、d t 3 、d t 4 得电时为反泵。当主缸接近行程终点 时，主油缸上的触发结构发出控制油信号，控制液动换向阀2 6 换向，2 6 换向后 使摆动油缸换向。摆动油缸摆动到位后，其进回油路压差发出控制油信号，控制 8 江苏大学硕士学位论文 主液动换向阀1 2 换向，1 2 换向后又使主缸换向，从而完成一个换向过程。 混凝土泵车正泵工作时d t l 、d t 2 得电，电磁换向阀1 3 工作在左位，此时液 动换向阀1 2 工作在右位，从变量泵2 引出的压力油经电磁阀1 3 、液动阀1 2 到 换向阀1 1 的右端，推动阀芯向左移动，使换向阀1 1 工作在右位。此时，主泵l 出口的高压油经换向阀1 1 到插装阀1 8 ( 由于d t 6 低压电磁铁得电，电磁阀3 0 工作在右位，则插装阀2 0 关闭) ，插装阀1 8 导通，高压油进入泵送油缸2 4 的有 杆腔，无杆油腔的液压油被压向插装阀1 9 ( 此时插装阀1 7 不导通) ，高压油再 经插装阀1 9 到泵送油缸2 3 的无杆腔，推动活塞前进，完成右缸的泵送任务。当 活塞接近泵送油缸2 3 的行程终点时，从t r 缓冲结构引来的高压油作用在分配回 路液动阀2 6 的左端，使从变量泵2 引来的压力油经电磁阀2 7 、液动阀2 6 到达 换向阀2 5 的右位，推动其阀芯向左，使换向阀2 5 工作在右位。此时，变量泵2 和蓄能器3 5 向摆动油缸4 2 提供大流量，使分配阀快速切换，完成关闭泵送油缸 2 3 的泵送口、打开泵送油缸2 4 的泵送口的动作。当摆动油缸4 2 完成摆动动作 后，换向阀2 5 仍工作在右位，此时变量泵2 对蓄能器3 5 补充流量，使分配回路 系统的压力恒定在1 6 m p a 。待分配回路的系统压力稳定后，从分配回路中a 点引 入的压力油( 设定压力为1 6 m p a ) 和从b 点引的压力油( 设定压力为1m p a ) 分 别作用在液动阀1 2 的左、右两端，油压差使得液动阀1 2 换向，工作在左位，此 时从变量泵2 所引入的压力油经电磁阀1 3 、液动阀1 2 作用在换向阀1 1 的左端， 主泵1 的高压油经换向阀“、插装阀1 5 到泵送油缸2 3 的有杆腔，无杆腔的高 压油经插装阀1 9 到泵送油缸2 4 的无杆腔，推动活塞前进，完成左缸的泵送任务。 如此往复循环，完成连续泵送任务。 高压泵送时，原理与低压泵送类似，只是d t 5 得电使得插装阀1 6 、1 7 、2 0 工作。主泵1 的高压油首先进入泵送缸2 3 或2 4 的无杆腔，这样与低压状态相比， 同样压力的高压油由于进油腔面积的增大，从而使活塞的推力增大，完成高压状 态泵送。 反泵操作时，吸入行程的输送缸与s 管阀连通，使处在推送行程的泵送缸与 料斗相连，从而将堵塞在管道中的混凝土泵送回料斗，达到排堵的目的。 9 基于a m e s i m 的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究 2 3 搅拌和风冷系统 2 3 1系统组成 如图2 1 所示，搅拌和风冷系统是由齿轮泵3 、滤油器4 、溢流阀3 1 、3 7 、 电磁阀3 6 、3 8 、风冷马达3 3 、搅拌马达4 1 、截止阀3 9 、压力继电器4 0 等组成。 2 3 2 工作原理 d t 9 是风冷电磁铁的开关，得电后风冷马达才能转动，此时齿轮泵流出的高 压油经过风冷马达3 3 经搅拌正反转开关d t 7 到达搅拌马达，其回油经过d t 7 流 回油箱。溢流阀3 7 是保护风扇马达的，当马达卡死后高压油直接经3 7 溢流到搅 拌马达中。另外，若搅拌马达碰到较大颗粒的混凝土而卡死时，继电器压力会急 剧升高并立刻发出电讯号给混凝土泵车控制器，控制器经过处理后会马上让d t 7 得电，从而实现搅拌马达反转。通过不断的让搅拌马达正转、反转，最终能排除 搅拌轴卡死故障。 2 4 液压冲击与缓冲结构 2 4 1 液压冲击 ( 1 ) 管内液流速度突变引起的液压冲击n 3 1 如图2 2 所示的容器内，液面位置及其液面压力保持恒定不变，容器底部连 接一个管道，在管道的输出端装有一个阀门2 ，容器内的液体经阀门2 流出。将 图2 2 管内液流速度突变引起的液压冲击 f i 9 2 2h y d r a u h cs h o c k c a u s e db yl i q u i dh o w s p e e dm u t a t i o n s 阀门突然关闭时，紧靠阀门处的液体则会立刻停止运动，此时液体的动能瞬时全 部转变为压力能，压力急剧上升，出现峰值，产生液压冲击。紧接着，其后面的 1 0 江苏大学硕士学位论文 的动能i 1p n v 2 与阀门关闭后所形成的液体压力能丢等屹一2 大小相等，即 三p i a v 2 = 芝lf l a 妮一2 ( 2 - 1 ) 必一= 厕= 厉夕括川v ( 2 - 2 ) 厉 c _ 居2 燕 仫3 ) 式中：d 管道的内径，m m5 万管道的壁厚，m m ； k 液体的体积模量，m p a 。 必一，便可求得出现液压冲击时管道中的最高压力尼一，即 圪蚴2 p + p ( 2 4 ) 如图2 3 所示，为双杆活塞缸驱动负载情况，设活塞和负载的总质量为z m ， 基于a m e s i m 的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究 液压缸右腔中。此时，由于运动部件( 活塞与负载) 惯性而使液压缸右腔中的液 体受压，引起液体压力急剧上升。运动活塞则因受到右腔内液体压力产生的阻尼 作用而制动。 图2 3 运动部件制动引起的液压冲击 f i 9 2 3h y d r a u l i cs h o c kc a u s e db ym o v i n gp a r t sb r a k i n g 设运动活塞的制动时间为，速度的减小值为衄，则根据动量定理可知： z x p a t ：y m a y( 2 5 )= 。( 一) 则液压缸右腔内液体的冲击压力卸为： 卸：渔( 2 - 6 ) a f 式中：a 液压缸的有效工作面积，m 2 ； 加活塞速度的变化值，m s 。a v = l ，一 ，( v 为活塞制动前的速度：v 。为 活塞经过出时间制动后的速度) 。 对混凝土泵车来说其液压系统的动态冲击主要出现在两个时刻：首先是在泵 送开始时的压力冲击，其次是在换向阀换向时，由于换向后整个系统的负载迅速 降低使系统压力从最大降到接近于零，在换向后，随着系统负载的迅速增大系统 压力也加大，整个过程系统压力从最大降到最小又升到最大，而换向的时间又短， 换向时的压力冲击很大口4 j 。 在闭式液压系统中，泵送系统的换向是利用主油泵的斜盘摆角正负变化来实 现的。由于主油泵换向后，其流量从零逐步增大，因而起动平缓，活塞加速均匀， 可以很好地消除在换向时所产生的液压冲击。但是在开式系统中，换向是通过液 动换向阀的切换来实现的，大流量液动阀在高速换向时，系统会产生剧烈而复杂 的液压冲击。如果泵送回路和分配回路设计不合理，液压系统将产生很大的峰值 压力和更强的液压冲击n0 j 。 江苏大学硕士学位论文 2 4 2 缓冲控制 ( 1 ) 主缸缓冲结构 液压缸上常用的缓冲装置如图2 4 所示，图2 4 ( a ) 为恒节流型缓冲装置， 当活塞运动接近端盖时，活塞上的凸台进入端盖的凹腔，将封闭在回油腔中的油 液从凸台和凹腔之间的环状间隙d 中挤压出去，增大回油阻力，从而使活塞运 动速度逐渐减下来。这种缓冲装置结构简单，但缓冲压力不能调节，实现减速所 需行程较长，适用于移动部件惯性不大，运动速度不高的场合。 t 时b)tc) 图2 4 液压缸的缓冲装置 f i 醇4b u f f e rd e v i c eo fh y d r a u l i cc y l i n d e r 图2 4 ( b ) 为恒节流型节流阀式缓冲装置。当活塞上的凸台进入端盖的凹 腔后，由于凸台和凹腔之间有0 形密封圈挡油，圆环形回油腔中的油液只能通过 针形节流阀1 流出，使回油阻力增大，因而使活塞受到制动作用。这种缓冲装置 可以根据负载情况调整节流阀的开口，因此适用范围较广。 图2 4 ( c ) 为变节流型缓冲装置，它在活塞上开有变截面的轴向三角形槽l 。 当活塞移近端盖时，回油腔油液只能经过轴向三角槽排出，使活塞受到制动作用。 从图中可看出，随着活塞的移动，三角槽的通流截面逐渐变小，阻力作用增大， 因此缓冲作用均匀，冲击压力较小，制动位置精度高。 泵送液压系统在液压缸的两端各有一处缓冲结构，用来减轻活塞行程终点时 的顶缸速度，它是由一个单向阀和一个阻尼管组成的，结构示意图如2 5 所示： 液压缸从a 口进油、b 口出油时活塞便向下运动，当活塞运动到位置2 时恰 好刚刚到达缓冲结构通道。此时活塞继续向下运动，当经过位置2 后但还没到位 置3 时，液压缸有杆腔内的高压油便经过缓冲结构打开单向阀，流过节流孔进入 活塞对侧无杆腔，引起活塞回油阻力增加，活塞两侧的压力差减小，活塞的运行 速度便降低，这样便减轻了活塞与末端顶杆的机械碰撞，从而减轻了液压冲击。 基于a m e s i m 的混凝土泵车泵送系统缓冲结构研究 图2 5 缓冲结构不意图 f i 9 2 5s c h c m 舭d r a w i n go fb u f f e rs t r u c t u r e ( 2 ) 主泵排量控制 泵车液压冲击的控制除了依靠主缸物理结构的阻尼功能外，还新兴了另一种 控制方式主泵排量电流控制。其原理是：当活塞运行到主缸端部的某一特定 位置时，由于此处外接一个压力继电器，所以此时压力继电器会产生一个电信号。 该信号使主泵流量下降，以达到降低换向时主缸顶缸速度的目的。当泵车换向完 成后，主泵排量便又恢复到正常值。 2 5 泵送负载特性分析 2 5 1 流变学原理及流变模型 ( 1 ) 混凝土在输料管中的流动状态【1 6 l 混凝土在输料管中流动时要承受泵送压力和管壁的摩擦力，其流动状态可以 用宾汉姆体流变模型加以研究，其流变方程为： f ：f ，+ ，7 尘 ( 2 7 ) f 2 弓+ 叩瓦 7 式中：t 剪切应力