（机械电子工程专业论文）混凝土泵送系统液压冲击与行程偏差优化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 混凝土泵送机械是国民经济建设不可缺少的装备，其浇注混凝土的高效率、 高质量特性以及灵活的机动性保证了建筑施工的顺利进行，彻底改变了施工现场 的面貌，具有很好的经济效益，越来越赢得建筑行业的青睐。液压系统是混凝土 泵送系统中最重要的组成部分，其设计的正确、合理与否对泵送系统的技术性能 有很大的影响。目前国产混凝土泵送系统还存在一些关键技术问题没有解决，随 着混凝土的泵送向高压、大排量方向发展，这些问题将越来越突出。 本课题以开式液控泵送系统为研究对象，建立了泵送液压系统仿真模型和泵 送新拌混凝土负载模型，并在泵送系统试验台上分别通过泵送水试验和泵送新拌 混凝土负载试验对仿真模型进行了修正。之后通过仿真分析探索了多个液压系统 关键参数对于泵送系统液压冲击和行程偏差的影响规律并对液压系统进行了优 化改进。 论文主要内容分为7 章，现分述如下： 第一章对混凝土泵送技术的特点和应用进行了概述，分析了国内外混凝土泵 送技术的发展概况和发展趋势；之后对泵送液压系统的工作原理进行了重点说 明，并阐述了课题的研究意义、研究目标和研究内容等。 第二章应用动力学仿真软件伽s i m 对泵送液压系统进行了仿真建模，包 括泵送液压回路和分配液压回路的仿真建模。 第三章通过试验的方式对泵送液压系统中的泵送液压回路换向阀组和分配 液压回路换向阀组的动态特性进行了测试，并对试验结果进行了重点分析。 第四章在泵送系统试验台上进行了泵送水试验，并依据试验结果对泵送液压 系统仿真模型进行了修正。 第五章对新拌混凝土流变特性进行了理论分析和试验，建立了泵送新拌混凝 土负载模型，之后在泵送系统试验台上进行了泵送新拌混凝土试验，并依据试验 结果对泵送新拌混凝土负载模型进行了修正。 第六章通过仿真分析探索了多个液压系统关键参数对于泵送液压系统特性 的影响规律，包括泵送系统液压冲击变化规律和泵送液压缸活塞行程变化规律， 之后根据得到的规律特性对液压系统进行了优化改进。 第七章对本课题研究工作进行了总结与展望。 关键词：混凝土泵，液压系统，液压冲击，行程偏差，a m e s i 驰仿真分析 浙江大学硕士学位论文 a b s t 忍c t a b s t r a c t c o f l c r e t ep 啪p i i 培m a c h i i l ei so n eo ft l l ei n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n t si nt l l en a t i o n a l e c o n 0 i i l i cc o n 删i o 玛w h i c hc o m p l e t e l yc h a i l g e dt h ef - a c eo ft h ec o n 鼬m c t i o ns i t e i t h a sg o o de c o n o 血cb e n e f i t s 强dc 锄p o u rc o n c r e t ew 曲e x c e l l e mf e a t u 】沱s ，s u c h 硒 l l i g he m c i e n c y ，l l i 曲q u a l 时觚dn e x i b i l 埘h y d m u l i cs ) ，s t e mi so n eo fm em o s t 曲p o r t a n tc o m p o n e n t so nc o n c r e t ep 啪p s ot l l ed e s i g np a m i n e t e r so ft l l eh y d r a u l i c s y s t e mh a v eg r e a t 砌u e n c eo nt t l et c c m c a lc l l a r a c t e r i s t i c so fc o n c r e t ep u i 】叩a t p r e s e n t ，t 1 1 e r ea r es o m ek e yt e c l l l l i c a li s s u e sw 1 1 i c hh a v eb e e nn o tr e s o l v e df o r d o m e s t i cc o n c r e t ep u l 】1 p t h e s ei s s u e s 谢l lb e c o m ei n c r e a s i i l 9 1 yp r o i i l i n e n ti nt h e 矗l t l l r e i i lt h i sn l e s i s ，a no p e nc i i u i t h y d r a l l l i cc o n 舡ds y s t e mi sr e s e a r c h e d t h e h y d r a u i i cs y s t e m 锄dt l l el o a do f 矗s hc o n c r e t ea r em o d e l e d 锄ds i l l l l l l a t e d a n dt 1 1 e t e s t so fp 啪p i n gw a t e ra n dp l m l p i n gf 琵s hc o n c r e t ea r e 呻l e m e n t e do nm et e s tr i go f c o n c r e t ep u m p t h e nt h es i i l m l a t i o nm o d e l so ft h eh y d r a ：u l i cs ) ，s t e m 趾d 协el o a do f 骶s hc o n c r e t ea r e 锄e n d e db yt l l er e s u l t so ft e s t so fp u r i l p i n gw a 旧锄dp 啪p i n g 舶s hc o n c r e t e f i 砌l ym eh y d r a u l i ci m p a c t 粕d 咖k ed e v i a t i o no fm e 科s t e mi s o p t i i 】：l 捌锄di i l l p r o v e db ym em o d e l s t l l em e s i sc 锄b ed i v i d e d s e v e nc h a p t l 潞嬲f o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，t l l ec h 锄t e r i s t i c s 锄da p p l i c a t i o 璐o fc o n c r e t ep u i l 叩a r ei n n o d u c e d a n dt h ed e v e l o p i i l gn i e n d so fd o i n e s 畦c 觚di 1 1 t e m a t i o 蹦c o n c r e t ep u l pa i l cd e s c r i b e d t h e n 恤w o 妇g 面n c i p l eo fm eh y 缸m l i cs y s t e mi se x p l a i n e d i n 龇e n d ，m e r e s e a r c hs i g i l i f i c a n c e ，r e s e a r c ho b j e c t i v e s 锄dr e s e a r c hc o n t e m sa r ei l l u r i l i n a t e d i nc l 即t e r2 ，s i i i l _ u l a t i o nm o d e lo fm eh y d 舢l i cs y 蜘i sb u i l tb ys i m u l a t i o n s o f b a 舱a m 匣s i i 玛i i l c l u d i l l gt 1 1 es i m u l a t i o nm o d e l so fm ep u m p i n gc i r c l l i ta n dm e d i 、r i d i n gc i r c u i t i nc h a i t e r3 ，l ed y 删cc k m l c t e r i s t i c so f 也e 、r a l v e 掣0 u p so ft 1 1 eh y d r a u l i c s ) ，s t e ma r et e s t e d 觚dt h et e s tr e s u l t sa r e 柚a l y z e d i i lc l l 町) t e r4 ，m et e s to fp m n p i i 培w a t e r0 n l et e s tr i go fc o n c r e t ep i l m pi s i n l p l e m e n t e d a n dt h e nm es 岫眦a t i o nm o d e lo f 1 eh y 蛔l i cs y 妣mi s 锄l e n d e db y t l l e t e s t r e “t s i n c h 印t e r5 ，n 豫r h e o l o g i c a lp r o 唧i e so f 饥s hc o n c r e t ca r e 锄a l y z e db y 也e o r e 6 c a la n a l y s i s 锄de x p e r i m e n t s a n d l es i m u l a t i o nm o i i e lo fn l el o a do f 矗e s h c o n c r e t ei sm o d e l e d t h e nt h et c s to fp l 埘p i r 峪6 s hc o n c r e t eo nt h et e s t r i go f 浙江大学硕士学位论文 a b s 仃a c t c o n c r e t ep u i n pi si m p l e m e n t e d l a s t l yt l l es i i i l u l a t i o nm o d e lo ft l l el o a do ff k s h c o n c r e t ei s 锄e n d e db yt l l et e s tr e s u l t s i nc h a p t e r6 ，n l ei n f l u e i l c eo f m ek e yp 缸a m 或e 硌f 1 0 rn l e 吐瞰犹t e r i s d c so ft h e h y d r a u l i cs y s t e mi ss i r n u l a t e d ，i n c l u d i n gm ev a r i a t i o no f l eh y d m l l l i ci i n p a c t 锄d 也e 谢a t i o no ft l l ep i s t o ns 臼o k e f i i l a l l yt l l eh y d r a u l i cs y s t e mi so p t i i i l i z e da i l di m p r o v e d b y m e v a r i a t i o i l s i nc h a m e r7 ，n l ec o n c l u s i o n so fm er e s e a r c ha r es u m m a r i z e da r l dt l l e f i l t i l r e p r o p o s a l so f n 圮i e s e a r c ha r es u g g e s t e d k 秘啊o r d s ：c o n c r e t ep u m p ，h y d m _ u i i cs y s t e 驰h y 血m l i ci i n p a c t ，s t r o k ed e v i a t i o i l ， a m e s i m s i i n u l a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 第l 章绪论 【摘要】本章首先对混凝土泵送技术的特点和应用进行了概述，指出了泵送技术 对于经济建设的重要作用；然后分析了国内外混凝土泵送技术的发展概况和发展 趋势；之后对泵送系统的工作原理进行了重点说明，并阐述了课题的研究意义、 研究目标和研究内容等。 1 1 混凝土泵送技术概述 混凝土泵送机械是国民经济建设不可缺少的装备，目前我国要建一大批大型 煤田、油田、电站、机场、港口、高速铁路和高速公路等重点工程，同时也要进 行大量的城市道路、城镇住宅的开发和建设等，这些建设都离不开混凝土泵送机 械【1 叫。 工业设施 交通运输 水利建设 图1 1混凝土泵送技术的典型应用 城市建设 经过几十年的发展，我国混凝土泵送机械已经成为建设机械的重要组成部 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 分，在整个建设机械行业占有相当大的比重，形成了较大规模的生产能力，其浇 注混凝土的高效率、高质量特性以及灵活的机动性保证了建筑施工的顺利进行， 彻底改变了施工现场的面貌，具有很好的经济效益，越来越赢得建筑行业的青睐 【卜1 0 】。其中混凝土泵送技术的典型应用如图1 1 所示。 混凝土泵送系统是通过管道依靠压力连续输送混凝土的现代化施工设备，传 输距离长、输送排量大，具有效率高、劳力省、费用低的显著优点，是现有混凝 土输送设备中比较理想的一种l o5 1 。 1 2 混凝土泵送技术的发展概况与发展趋势 1 2 1 混凝土泵送技术的发展概况 1 9 0 7 年德国制造出世界上第一台混凝土泵标志着混凝土泵送技术的出现。 1 9 2 7 年德国人f 血h e u 设计的混凝土泵第一次获得实际应用。1 9 3 0 年德国产生 了由曲柄和摇杆传动的立式单缸球阎活塞泵，如图1 2 所示，工作性能较差。 1 活塞；2 混凝土缸；3 连杆；4 摇杆；5 气筒；6 喂料叶片； 7 、9 球塞；8 连通管；1 0 混凝土输送管； 图1 2 立式单缸球阀活塞泵 之后荷兰人j c k 0 0 y m 叭将立式单缸球阎活塞泵改进为卧式缸，如图1 3 所示，这种混凝土泵的主要结构包括一个卧式缸和两个由连杆操纵联动的旋转 阀，从而成功的解决了混凝土泵的构造问题，提高了混凝土泵的工作可靠性 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 活塞；2 混凝土缸；3 吸入阀；删 出阀；5 操作吸入阀连杆； 6 操作排出阀连杆；7 料斗；8 混凝土输送管； 图l - 3j c k 唧柚型混凝土泵 在j c k 0 0 煳型混凝土泵的基础上，荷兰、德国、英国、法国、美国、 苏联开始产生各种卧式缸的机械活塞泵，并在混凝土施工中陆续得到应用。5 0 年代中期，德国t o 幽俄公司研究出以水作为工作介质的液压泵，使混凝土泵的 发展进入了一个新的阶段。1 9 5 9 年德国s c 公司生产出第一台全液压混凝 土泵，用油作为工作介质驱动活塞和阀门。6 0 年代中期将混凝土泵安装在汽车 底盘和专用车辆上的混凝土泵车开始出现。 目前，欧美等发达国家的混凝土泵送技术具有较高水平，并拥有一批技术实 力雄厚、生产规模较大的混凝土泵送机械制造企业，包括德国的s c h 讹g 、 p 眦醐e i s 旧、e l - b a 等公司，意大利的c i f a 、w r o n l l i n g t o n 、s e m i a c 、黜g e l 等公司， 美国的r 0 、e d e 、h o m e t 等。另外日本的混凝土泵送机械制造企业发展迅速， 目前三菱重工、石川岛播磨重工、极东开发、新泻铁工所等公司均具有较高的混 凝土泵送机械制造水平【1 每2 0 】。 我国于2 0 世纪8 0 年代开始大量从国外引进较先进的混凝土泵送技术，国产 混凝土泵送机械技术水平大幅提高。1 9 8 7 年在德国p u 协c i 淞司b s a l 4 0 6 型 混凝土泵送技术基础上设计制造的h b t 6 0 型拖式混凝土泵在实际生产中开始获 得广泛应用。目前国内的混凝土泵送机械制造企业主要有中联重科、三一重工等 【2 l - 2 5 1 。 1 2 2 混凝土泵送技术的发展趋势 国外混凝土泵送技术的发展从工作方式上经历了从活塞式到挤压式再到活 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 塞式，从泵送能力上由低压逐渐向高压发展，应用型式上则由固定式到拖式再到 汽车式。国外混凝土泵的发展如图1 _ 4 所示。 _ q 堕蔓) ( 垂委d 液压式 ) 国外混凝土泵的发震j = 二二= = = 二= 砀时 ，( ，) = v ( ) 时，= 等妾一半 式( 5 - 4 ) 式( 5 7 ) 所以b i l l g l 姗体在管道中流动时的流速分布如图5 3 所示，在半径r 0 以内， b i n 9 1 1 a m 体以等速、如柱塞似的向前流动，而柱塞内部无相对运动。 图5 - 3 b i n g h 啪体在管道中流动时的流速分布 设流体流经管道的流量为q ，则由b i n g h 锄体流动速度v ( r ) 得到式( 5 8 ) 削舻冉展p 妾一警卜扪剐 由式( 5 8 ) 得到式( 5 9 ) q = 詈去 一融捌卜”， 设流体流经管道的平均速度为v ，流量q 和v 的关系如式( 5 1 0 ) 9 = 砌口2 由式( 5 9 ) 和式( 5 1 0 ) 得到式( 5 1 1 ) 式( 5 1 0 ) 浙江大学硕士学位论文第5 章新拌混凝土负载特性研究与建模 y ：垒 即出 弓黼三糊 其中式( 5 1 1 ) 中字表示b 岖h 锄体流经单位长度管道时产生的压力降。 q x 通过式( 5 1 1 ) ，在测得新拌混凝土屈服剪切应力和粘度系数p 的情况下，可 直接得到泵送速度v 与泵送过程单位长度压力降字的关系。 q x 工程上常求粤的近似解，使用较多的是古宾b e 给出的近似解公式( 5 1 2 ) 尘：鱼+ 丝咿竺+ 三 d x口口谚口口 其中缈= 厨+ ，当p = ( 2 压) 且嗽时，计算得到的值与近似解的最 大偏差小于6 7 【6 5 - 7 0 1 。 综上新拌混凝土泵送过程中产生的负载特性可通过以上理论公式计算，且该 公式需要通过实际泵送试验验证后进一步修正。 5 1 2 新拌混凝土流变特性试验 目前常用的计算新拌混凝土流经泵送管道时的阻力损失公式是s m o r i n a g a 于1 9 7 3 年提出的经验公式( 5 1 3 ) f = 墨+ 心y 式( 5 1 3 ) 其中f 为摩擦阻力，k 。为粘度系数，k ，为速度系数，v 为新拌混凝土流经 泵送管道时的速度。其中k ，与k ，的取值与新拌混凝土坍落度有关【7 卜7 3 1 。 分析得到s m o r i l l a g a 经验公式仅仅以新拌混凝土坍落度作为依据，而相关 研究证明，坍落度的决定因素是新拌混凝土屈服剪切应力，而粘度系数“对其 影响不大，所以仅仅考虑坍落度的经验公式适用范围有限且不够准确，实际情况 也证明了这一点，所以从新拌混凝土流变特性角度考虑出发，全面细致的研究新 拌混凝土内部因素与流经泵送管道时的阻力特性的关系十分必要。 因此运用流变仪对新拌混凝土进行流变特性试验，研究新拌混凝土的内部特 性参数，包括屈服剪切应力和粘度系数“等，为进一步探索不同流变特性的新 拌混凝土流经泵送管道时的负载阻力特性提供依据。图5 4 所示为新拌混凝土流 变特性试验现场。 4 7 浙江大学硕士学位论文第5 章新拌混凝土负载特性研究与建模 图5 - 4 新拌混凝土流变特性试验现场 新拌混凝土流交特性测试流变仪由多个构件组成，包括驱动器( 内置电动机 和扭矩传感器) 、安装在驱动器卡盘上的四片装叶轮转子、新拌混凝土容器筒、 用于连接驱动器和容器筒的卡盘。新拌混凝土容器筒筒壁内设垂直棱条，以避免 试验过程中新拌混凝土滑移。 ：e 缎敬t 撕目 q a 蕞n 望l 斜l 慧l l b 僦i 冉b 婀量j 堂辩 静岍。h 。神- 0 4 * h t ，埘“p ， l 4 l l 耵觑：， 一”落：0 嚣。等荔 。u m ? *d ” i 鲎黧t ”1 ” 些嗍。j _ i i 融 洲删伸f 岬翱# ”4 船镰m 铀槲嚣涮 黼! # u t r 3 蕾b 释 增口略舯 j 噩函磁 譬如a 田量1 j a 啊- t 一 h 0 t u m 兰誓 蕾o 矗摹l j1 ：藩描 焉也0t 4 o。- j矗e s 叫l t 瓣 i _ 9 蝌瀑 h 哇工血秘瞳虽l _ 吣_ 虽- 曲 p 州- 翻时r 口囊_ 材洲 _ 柏时_ 蛳j ：i 1 - f ， i _ 辩 韬话- 话r ”鬣磷一鬣蠢笛旨f 蛹rt 繇| 裁谴 图5 5 新拌混凝土流变特性测试流变仪配套软件 浙江大学硕士学位论文第5 章新拌混凝士负载特性研究与建模 图5 5 所示为新拌混凝土流变特性测试流变仪配套软件，应用便携式电脑通 过配套测试软件控制驱动器，记录测试过程中的转矩，计算新拌混凝土流变参数。 新拌混凝土流变特性测试原理为：叶轮转子转动时，带动叶轮转子与容器筒 间隙内的新拌混凝土流动，此时叶轮转子上产生对应扭矩。测试过程中，叶轮转 子首先以一个较大的转速转动，之后在每个测试阶段，叶轮转子相应减速并保持 恒定，测试过程进行多个阶段，由配套测试软件记录转矩，计算测试结果并保存 数据。另外新拌混凝土的屈服剪切应力和粘度系数p 可以直接从配套测试软件 上读出。 厂_ 一 m s u 南v a i u i = = 丽i 鬲而而歪面菊石i 、 e z ， o j e o 卜 0 r o t a a o ns p e e di r a d 触c ) 图5 6 新拌混凝土流交特性测试试验数据 4 图5 6 所示为新拌混凝土流变特性测试试验数据，流变仪测得扭矩与叶轮转 子转速的关系，借此推算新拌混凝土屈服剪切应力t 。和粘度系数“，图中红色点 为实测数据点，蓝色线为配套软件拟合出的曲线。 毒毫：_ 具体测得的新拌混凝土流变特性试验数据如表5 1 所示。测试起始速度 0 6 r 州s ，终止速度0 1 r e v s ，取点数8 ，其中每个转速下稳定测试时间5 s 。表中 r 2 为相关系数，相关系数越大说明测试数据越准确；m s e 为方差，方差越小说明 测试越准确。 浙江大学硕士学位论文 第5 章新拌混凝七负载特性研究与建模 表5 1 试验数据详细列表 v ( r e v s ) t ( n m ) i 毪m s e f o ( p a ) “( p a s ) 10 6 0 01 1 3 1 2 0 5 2 91 1 2 1 30 4 5 71 0 6 2 40 3 8 61 0 3 7 o 9 6o 0 3 02 1 5 o4 2 50 3 1 41 0 2 4 60 2 4 3o 9 3 4 70 1 7 1 o 9 3 0 80 1 0 0o 8 6 l 从表5 - l 中可以得到，试验测试用新拌混凝土的屈服剪切应力为2 1 5 p a ， 粘度系数p 为4 2 p a s o 另外为配合接下来进行的以新拌混凝土为负载的泵送系统 试验台测试，以上流变特性测试用新拌混凝土为模拟混凝土( 模拟混凝土是对普 通混凝土配比进行一定程度的改动使其不易凝固可以循环泵送) ，流变特性参数 可能与普通新拌混凝土有所不同。 5 2 新拌混凝土负载特性建模 结合新拌混凝土负载特性理论分析与流变特性试验，新拌混凝土负载特性仿 真建模如图5 7 所示。 _ 一一母! 一 ! 由圆阳f ； ： 图5 7 新拌混凝土负载特性仿真模型 仿真模型中通过弹簧来模拟新拌混凝土的可压缩性，两个负载力分别代表新 5 0 浙江大学硕士学位论文第5 章新拌混凝土负载特性研究与建模 拌混凝土流经水平泵送管道( 包括直管道、弯管道和锥管道) 的阻力损失和因重 力造成的阻力损失，其中水平泵送管道的阻力损失与新拌混凝土流速有关，流速 越大阻力越大。单位长度直管道造成的泵送阻力损失如式( 5 - 1 2 ) ，其中新拌混 凝土屈服剪切应力和粘度系数p 依据流变特性试验测试数据写入理论推导公 式，弯管道和锥管道的阻力损失通过与直管道阻力损失的换算关系得到，具体换 算关系通过以新拌混凝土为负载的泵送系统试验台测试得到并通过多次试验予 以修正。 5 3 新拌混凝土负载试验修正仿真模型 为保证新拌混凝土负载特性仿真模型的准确性，在泵送系统试验台上以新拌 混凝土为负载进行试验。试验过程中，负载压力通过改变新拌混凝土输送管道长 度和管道型式调定，试验设定多组负载压力工况。试验采集的压力信号包括：恒 功率泵出口压力，泵送液压缸有杆腔压力，泵送液压缸无杆腔压力，泵送液压回 路液控换向主阀两端控制腔压力，泵送液压回路液控换向先导阀两端控制腔压 力，分配液压回路液控换向主阀两端控制腔压力，分配液压回路液控换向先导阀 两端控制腔压力；采集的流量信号是恒功率泵出口流量；采集的位移信号是泵送 液压缸活塞行程。试验采样频率为1 0 0 0 h z 。 测量得到的试验数据与仿真模型在同工况下的仿真数据进行比较并对仿真 模型进行修正，修正后仿真曲线与试验曲线在多种工况下的对比情况如图5 8 到 图5 2 3 所示。 典型工况一：泵送模拟混凝土的情况，恒功率泵压力1 0 m p a ，恒功率泵流 量2 9 0 l 埘曲，泵送液压缸无杆腔为联通腔。 1 6 1 2 幅 也 苫8 4 0 051 0 1 52 02 53 0 t 【s 】 冒 巴 矿 1 0 0 o51 01 52 02 53 0 一1 t 【s 】 图5 8 恒功率泵出口压力图5 - 9 恒功率泵出口流量 浙江大学硕上学位论文 第5 章新拌混凝上负载特性研究与建模 图5 8 所示为恒功率泵出口压力，从图中可以看出，稳定泵送阶段恒功率泵 出口压力为1 0 a 。稳定泵送之前，恒功率泵出口压力呈现较大程度的波动， 可以达到1 6 m p a ，这是由新拌混凝土的负载特性引起的，体现出新拌混凝土的 可压缩性，也就是瞬时的弹性变形。另外换向过程中，液压冲击可以达到1 7 m p a 左右。换向完成之后，在泵送液压缸活塞开始反向运动的过程中恒功率泵压力存 在一个建压过程。 图5 9 所示为恒功率泵出口流量，从图中可以看出，稳定泵送阶段恒功率泵 流量在2 9 0 l m i i l 左右。同样，稳定泵送之前，恒功率泵出口流量呈现较大程度 的波动。另外换向过程中，流量也存在一定程度上的冲击现象，这与恒功率泵的 恒功率控制和压力切断功能发挥作用以起到一定程度的保护有关。 2 5 2 0 1 5 虿1 o 0 5 0 0 051 01 52 02 53 0 t 【s l o51 01 52 02 53 0 t 【s 】 图5 1 0 泵送液压缸一活塞行程图5 1 l 泵送液压缸二活塞行程 图5 1 0 和图5 1 1 所示为泵送液压缸活塞行程，从图中可以看出，活塞最大 行程点2 2 1 5 m 左右，最小行程点0 2 6 m 左右，与泵送水的情况相比，行程范围 明显增大，但对于0 到2 2 9 m 的行程范围，泵送液压缸活塞行程利用仍然不够充 分。泵送液压缸活塞每往返一个行程，需要时间约为6 8 s 。 图5 1 2 所示为泵送液压回路液控换向主阀两端控制腔压力，从图中可以看 出，每次换向过程中，液控换向主阀两端控制腔压力迅速下降，换向结束液控换 向主阀两端控制腔压力在一段时间内由1 3 m p a 上升至1 8 5 m p a 图5 1 3 所示为泵送液压回路液控换向先导阀其中一端的控制腔压力。当液 控换向先导阀此端控制腔开始进油时，有较小的液压冲击，峰值压力为1 6 m p a ， 之后由1 4 m p a 在一段时间内上升至1 9 5 m p a o 5 0 5 0 5 0 2 2 1 ， 0 o e l s 浙江大学硕士学位论文第5 章新拌混凝士负载特性研究与建模 051 01 52 02 53 0 t f s 】 图5 1 2 泵送液压回路液控换向主阀 两端控制腔压力 051 01 52 0 2 53 0 t f s 】 图5 1 3 泵送液压回路液控换向先导阀 控制腔压力 图5 1 4 所示分配液压回路液控换向主阀两端控制腔压力，从图中可以看出， 换向过程中分配液压回路液控换向主阀两端控制腔压力迅速下降，换向结束后， 控制腔压力在一段时间内由1 3 m p a 上升至1 8 5 m p a 。 图5 1 5 所示为分配液压回路液控换向先导阀其中一端的控制腔压力，在 3 8 咿a 左右。 051 01 52 02 53 0 t 【s 】 图5 1 4 分配液压回路液控换向主阀 两端控制腔压力 051 01 52 0 2 5 3 0 t 【s l 图5 1 5 分配液压回路液控换向先导阀 控制腔压力 典型工况二：泵送模拟混凝土的情况，恒功率泵压力1 4 m p a ，恒功率泵流 量4 0 0 l i n i n ，泵送液压缸无杆腔为联通腔。 图5 1 6 所示为恒功率泵出口压力，从图中可以看出，稳定泵送阶段恒功率 泵出口压力为1 4 m p a 。稳定泵送之前，恒功率泵出口压力呈现较大程度的波动， 可以达到2 1 m p a 。另外换向过程中，液压冲击可以达到2 5 a 左右同样，换 向过程完成之后，在泵送液压缸活塞开始反向运动的过程中恒功率泵压力也存在 加 佰 竹 5 0 i e 乱苫 加 俘 伯 5 0 一仃正苫ci 4 3 2 1 0 一再乱苫 加 俘 s 0 【它正乏】d 浙江大学硕士学位论文 第5 章新拌混凝土负载特性研究与建模 一个建压的过程。 2 5 2 0 百1 5 乱 苫 a1 0 5 0 051 01 52 02 53 0 t 【s 】 5 0 0 4 0 0 c 量3 0 0 j 寸 2 0 0 1 0 0 051 01 52 02 53 0 t 【s 】 图5 1 6 恒功率泵出口压力图5 1 7 恒功率泵出口流量 图5 1 7 所示为恒功率泵出口流量，从图中可以看出，稳定泵送阶段恒功率 泵流量在4 0 0 l 珈曲左右。稳定泵送之前，恒功率泵出口流量也呈现较大程度的 波动。 051 01 52 02 53 0 t f s l 0 51 01 52 02 53 0 t 【s 】 图5 1 8 泵送液压缸一活塞行程图5 1 9 泵送液压缸二活塞行程 图5 1 8 和图5 1 9 所示为泵送液压缸活塞行程，从图中可以看出，活塞最大 行程点2 2 2 m 左右，最小行程点0 2 6 m 左右。泵送液压缸活塞每往返一个行程， 需要时间约为5 s 。 图5 2 0 所示为泵送液压回路液控换向主阀两端控制腔压力，从图中可以看 出，每次换向过程中，泵送液压回路液控换向主阀两端控制腔压力迅速下降，换 向结束后液控换向主阎控制腔压力在一段时间内由1 3 m p a 上升至1 9 御a 。 5 0 5 0 5 0 2 2 1 1 0 0 一e 1 s 5 0 5 0 5 0 2 2 1 1 0 o e 】s 浙江大学硕士学位论文第5 章新拌混凝士负载特性研究与建模 2 0 5 四 也 苫1 0 a 5 0 051 01 52 02 53 0 h s 】 图5 2 0 泵送液压回路液控换向主阀 两端控制腔压力 2 0 1 5 母 正 邑1 0 5 0 0 51 01 52 02 53 0 虹s 】 图5 2 1 泵送液压回路液控换向先导阀 控制腔压力 图5 2 1 所示为泵送液压回路液控换向先导阀其中一端的控制腔压力。当液 控换向先导阀此端控制腔开始进油时，有较小的液压冲击，峰值压力为1 6 m p a ， 之后由1 4 m p a 在一段时问内上升至1 9 5 m p a 2 0 1 5 佰 正 舌1 0 5 0 05 1 01 52 0 2 5 3 0 t 【s 】 图5 2 2 分配液压回路液控换向主阀 两端控制腔压力 051 01 52 02 53 0 t 【s 】 图5 2 3 分配液压回路液控换向先导阀 控制腔压力 图5 2 2 所示为分配液压回路液控换向主阀两端控制腔压力，从图中可以看 出换向过程中液控换向主阀两端控制腔压力迅速下降，换向结束后，液控换向主 阀两端控制腔压力在一段时间内由1 3 m p a 上升至1 8 5 m p a 图5 2 3 所示为分配液压回路液控换向先导阀其中一端的控制腔压力，约为 4 m p a ，与工况一相比控制腔压力值有所增加。这是因为泵送液压缸压力有所增 加，而此控制腔压力引自泵送液压缸。 i 一 从以上两种典型工况中恒功率泵出口压力、恒功率泵出口流量、两个泵送液 压缸活塞行程、泵送液压回路液控换向主阀两端控制腔压力、泵送液压回路液控 5 5 4 3 2 1 0 一再正苫 浙江大学硕上学位论文第5 章新拌混凝土负载特性研究与建模 换向先导阀控制腔压力、分配液压回路液控换向主阀两端控制腔压力和分配液压 回路液控换向先导阀控制腔压力等仿真曲线与试验曲线的比较可以看出，修正后 仿真模型准确，可以对接下来以新拌混凝土为负载的泵送液压系统的规律探索和 优化改进提供依据。 5 4 本章小结 本章是通过理论分析和试验分析相结合的手段对新拌混凝土流变特性进行 研究并建立了泵送新拌混凝土负载模型，之后通过仿真数据和试验数据的比较进 行了修正，主要有以下几个方面的内容： ( 1 ) 新拌混凝土流交特性理论分析和试验，新拌混凝土的流变特性类似 b i n g l 姗体，因而对泵送混凝土可认为是b i n g 蛔m 体在推力作用下沿管道的流 动，屈服剪切应力和粘度系数p 是表征流变特性的主要参数，因而运用流变仪 对新拌混凝土的这两个关键参数进行了测量。 ( 2 ) 泵送新拌混凝土负载模型的建立，根据新拌混凝土流变特性理论分析 和试验，从流变特性角度考虑出发建立了负载模型，新拌混凝土屈服剪切应力t n 和粘度系数p 在负载模型中得到体现。 ( 3 ) 新拌混凝土负载模型的修正，在泵送系统试验台上进行了新拌混凝土 负载试验，并结合试验数据对仿真模型进行了修正，通过修正后仿真数据与试验 数据的一致性说明了新拌混凝土负载模型的准确性。 浙江大学硕士学位论文第6 章规律分析与优化改进 第6 章规律分析与优化改进 【摘要】本章首先分析了多个液压系统关键参数对于泵送液压系统特性的影响规 律，包括泵送系统液压冲击变化规律和泵送液压缸活塞行程变化规律；之后根据 得到的规律特性对泵送液压系统进行了优化改进，并在多种工况下对优化改进前 后进行了仿真比较。 6 1 规律分析 由于所研究泵送液压系统为开式液控系统，对系统性能产生重要影响的液压 系统关键参数众多，研究过程需要分析这些参数对于系统特性的影响规律，可行 的系统优化方案需要综合考虑这些参数并确定最合理的设置。 6 1 1 液压系统关键参数 泵送液压系统中的各个控制阻尼、缓冲阻尼及触发油口位置点设置、缓冲结。 构的型式等关键参数直接影响泵送液压回路与分配液压回路的时序匹配特性和 缓冲过程特性，从而影响泵送系统液压冲击和泵送液压缸活塞行程；因此依据以- 新拌混凝土为负载的泵送液压系统仿真模型，仿真分析各个阻尼及触发油口位置 点设置、缓冲结构型式变化时泵送系统液压冲击和泵送液压缸活塞行程的变化趋 势，可以指导泵送液压系统的优化【件7 引。 液压系统中的各个阻尼包括：蓄能器出口与泵送液压回路液控换向主阀两端 控制腔之间的阻尼( 以下简称泵送液控换向主阀控制阻尼) ，泵送液压回路液控 换向先导阀两端控制腔所连接阻尼( 以下简称泵送液控换向先导阀控制阻尼) ， 蓄能器出口与分配液压回路液控换向主阀两端控制腔之间的阻尼( 以下简称分配 液控换向主阎控制阻尼) ，分配液压回路液控换向先导阀两端控制腔所连接阻尼 ( 以下简称分配液控换向先导阀控制阻尼) ，分配液压回路液控换向先导阀两端 控制腔所并联阻尼( 此并联阻尼与油箱连通，以下简称分配液控换向先导阀并联 阻尼) 。触发油口位置点设置以触发至泵送液压缸有杆腔末端缓冲u 型管入口的 距离表示( 以下简称触发至缓冲距离) 。缓冲结构型式包括：缓冲u 型管的长度、 入口型式和缓冲节流孔的型式。 其中几个关键参数在液压系统中的位置示意如图6 1 所示。 5 7 浙江大学硕士学位论文第6 章规律分析与优化改进 1 泵送液控换向主阀控制阻尼；2 泵送液控换向先导阀控制阻尼； 3 分配液控换向主阀控制阻尼；4 分配液控换向先导阀控制阻尼； 5 分配液控换向先导阀并联阻尼；2 1 缓冲u 型管节流孔； 图6 1几个关键参数在液压系统中的位置示意图 一- j 选取泵送液压系统工作时的一种典型工况，仿真分析泵送系统液压冲击和泵 送液压缸活塞行程的变化规律。 典型工况：泵送模拟混凝土的情况，稳定泵送系统压力1 2 m p a ，稳定泵送 系统流量3 0 0 l m i i l ，泵送液压缸无杆腔为联通腔。 另外仿真分析过程中，当液压系统关键参数中的一个参数变化时，其它参数 均为系统的初始参数。这些液压系统关键参数的初始设置如表6 1 所示。 浙江大学硕士学位论文第6 章规律分析与优化改进 表6 1液压系统关键参数初始设置 泵送液控换向主阀控制 2 i 瑚n 分配液控换向主阀控制 1 5 m m 阻尼直径阻尼直径 泵送液控换向先导阀控 0 8 m m 分配液控换向先导阀控 0 8 瑚m 制阻尼直径制阻尼直径 缓冲u 型管节流孔直径 l o n l i n 分配液控换向先导阀并 2 n u n 触发至缓冲距离 4 3 加m联阻尼直径 6 1 2 液压冲击变化规律 分别改变泵送液控换向主阀控制阻尼直径、泵送液控换向先导阎控制阻尼直 径、分配液控换向主阀控制阻尼直径、分配液控换向先导阀控制阻尼直径、分配 液控换向先导阀并联阻尼直径、缓冲u 型管节流孔直径，仿真分析泵送系统液 压冲击变化规律。 爰 邑 忸 殳 坦 疑 1 9 0 5 勺1 9 0 0 乱 = 柑1 8 9 5 是 殴1 8 9 0 疑 1 8 8 5 0 51 o1 s 2 0 2 5 阻尼直径( 咖) 图6 - 2 泵送液控换向主阀控制阻尼直径图6 - 3 泵送液控换向先导阀控制阻尼直径 变化时液压冲击变化规律变化时液压冲击变化规律 图6 2 所示为泵送液控换向主阀控制阻尼直径变化时液压冲击变化规律，从 图中可以看出，随着泵送液控换向主阀控制阻尼直径逐渐变大，液压冲击迅速变 小，当阻尼直径由o 8 1 1 1 m 变化至2 5 i m n 时，液压冲击由3 5 m p a 减小为1 7 m p a 。 这是因为泵送液控换向主阀控制阻尼直径越大，换向时间越短；换向过程中经过 泵送液控换向主阀的过渡机能时间越短，恒功率泵往外供油过程中被堵死的时间 越短，相应的液压冲击峰值也越小 浙江大学硕士学位论文第6 章规律分析与优化改进 图6 3 所示为泵送液控换向先导阀控制阻尼直径变化时液压冲击变化规律， 从图中可以看出，随着泵送液控换向先导阀控制阻尼直径逐渐变大，液压冲击逐 渐变小，变化范围较小，约为o 2 a 因为泵送液控换向先导阎控制阻尼直径 变大时，先导阀换向时间变短，相应液控换向主阀换向时间也缩短。 2 00 1 9 5 罡 = 洁1 9 0 走 墨慨s 1 8 0 0s1 0 15 2 d25 阻尼直径( 册) 图6 - 4 分配液控换向主阀控制阻尼直径 变化时液压冲击变化规律 1 9 6 茁1 9 4 皇 帽 是1 92 龃 疑 伯0 0 51015 2 02 5 阻尼直径( m m ) 图6 5 分配液控换向先导阀控制阻尼直径 变化时液压冲击变化规律 图6 4 所示为分配液控换向主阀控制阻尼直径变化时液压冲击变化规律，从 图中可以看出，随着分配液控换向主阀控制阻尼直径逐渐变大，液压冲击总体趋 势逐渐变大，变化范围在1 6 a 左右。这与泵送液压回路和分配液压回路换向 时间的匹配有关，分配液控换向主阎控制阻尼直径越大，换向时间越短，泵送液 压缸负载切换的时间相应缩短，在一定的时间范围内，使得液压冲击交大。 图6 5 所示为分配液控换向先导阀控制阻尼直径变化时液压冲击变化规律， 从图中可以看出，随着分配液控换向先导阀控制阻尼直径逐渐变大，液压冲击先 变大后变小。同样，这是由泵送液压回路和分配液压回路换向时间的匹配造成的， 分配液控换向先导阀控制阻尼直径越大，先导阀换向时间越短，最终使得分配液 压回路换向时间越短，在一定的时间范围内，液压冲击变大，超出此时间范围后 液压冲击又相应变小。 图6 6 所示为分配液控换向先导阀并联阻尼直径变化时液压冲击变化规律， 从图中可以看出，随着分配液控换向先导阀并联阻尼直径逐渐变大，液压冲击先 稍有变大，之后又逐渐减小。同样，分配液控换向先导阀并联阻尼直径逐渐变大 时最终使得分配液压回路换向时间变长，泵送液压回路和分配液压回路换向时间 的匹配也相应变化。 图6 7 所示为缓冲u 型管节流孔直径变化时液压冲击变化规律，从图中可以 看出，随着缓冲u 型管节流孔直径逐渐变大，液压冲击逐渐变小，当节流孔直 径由5 n u n 变化为l l m m 时，液压冲击减小量在1 4 m p a 左右。因为