（机械工程专业论文）混凝土泵送模拟系统的设计和应用.pdf

摘要 本文以某公司泵送模拟教学系统开发项目为背景，研究了困内外混凝土泵送设备的 现状及发展趋势。根据泵送系统教学要求和泵送系统的结构及工作原理，制定了泵送 模拟系统研究方案。 系统采用模块化设计方法，将混凝土泵送模拟系统分为液压，电气和故障模拟三个 模块，给出了各模块功能的实现方法，并确定了关键技术参数。基于s o l i d w o r k s 开发平 台，设计了液压系统主阀块。基于s 7 2 0 0 p l c 硬件环境及s t e p 7m i c r o w i n 3 2 软件 平台，设计了泵送模拟控制系统，实验结果证明，该控制系统能较好的满足模拟教学的 需求，达到了预期目标。运用人机工程设计方法，完成了电气系统操作台的硬件设计， 并建立了电气故障模拟系统，有效的提高了教学效果。 关键词：混凝土泵、泵送模拟系统、液压模拟系统、电气模拟系统、故障模拟系统 a b s t r a c t w i t ht h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ho fc o n c r e t ep u m ps i m u l a t i o ns y s t e mi ns o m e c o m p a n y , t h et h e s i sa n a l y z e dt h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h ee q u i p m e n ti n b o t hd o m e s t i ca n df o r e i g na r e a s w i t hr e q u i r e m e n t so ft e a c h i n ga n da n a l y s i so fs t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee q u i p m e n t ，c o n c r e t ep u m ps i m u l a t i o ns y s t e ms c h e m e a r eg i v e n t h em o d u l a rd e s i g n i n gm e t h o dw a su s e di nt h ec o n c r e t ep u m ps i m u l a t i o ns y s t e m t h e s y s t e mi s d i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s ，h y d r a u l i c ，e l e c t r i ca n df a u l ts i m u l a t i o nm o d u l e s m o r e o v e r , t h et h e s i sp r e s e n t e dt h ei m p l e m e n t a t i o nm e a s u r eo fe v e r ym o d u l ea n dc o n f i r m e d t h ek e yt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa tt h es a m et i m e f u r t h e r m o r e ，h y d r a u l i cs y s t e mv a l v eb l o c kw a s d e s i g n e db a s e do nt h es o l i d w o r k sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m c o n c r e t ep u m ps i m u l a t i o nc o n t r o l s y s t e m w a sd e s i g n e db a s e do nt h es 7 - 2 0 0 p l ch a r d w a r ee n v i r o n m e n ta n ds t e p 7 m i c r o w i n 3 2s o f t w a r ep l a t f o r m ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e m c o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f s i m u l a t i o nt e a c h i n ga n dr e a c h e dt h ee x p e c t e dt a r g e t b yu s i n g t h ed e s i g nm e t h o do fm a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g ，h a r d w a r ed e s i g no f d e c t f i cs y s t e mo p e r a t i n g p l a t f o r mw a sc o m p l e t e da n de l e c t r i cf a u l ts i m u l a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，t e a c h i n ge f f e c t w a si m p r o v e d e f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：c o n c r e t ep u m p ：c o n c r e t ep u m ps i m u l a t i o ns y s t e m ：h y d r a u l i cs i m u l a t i o ns y s t e m ： e l e c t r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m ：f a u l ts i m u l a t i o ns y s t e m n 长安大学硕上学位论文 1 1 混凝土泵概述 第一章绪论 在混凝土工程施工的过程中，混凝土的运输和浇灌是一项关键性工作，它要 求迅速、及时、保证质量和降低劳动强度，尤其是对一些混凝土量很大的钢筋混 凝土建筑物，如何选择混凝土运输工具和浇注方法更为重要。混凝土泵就是实现 混凝土运输工具和浇注机械化的专业产品。 1 1 1 混凝土泵的发展及现状 混凝土泵的发展迄今已有百年的历史，1 9 0 7 年，德国就提出混凝土泵的专 利，1 9 1 3 年，美国考耐尔和吉也提出了混凝土泵的建议，并取得了设备专利。 1 9 2 3 年研制出第一台得到成功应用的机械传动式混凝土泵。自二十世纪7 0 年代 至今，随着科学技术的进步、新材料、新工艺的应用，各国的混凝土泵均有较大 的发展，混凝土泵采用机、电、液集成技术，在可靠性、技术性能、维修性、操 作性等方面都取得了突破性的进展。 目前，混凝土泵送产品的主要生产厂家有：中国的三一重工、中联重科；德 国的普茨迈斯特( p u t z m e i s t e r ) 、施维茵( s c h w i n g ) ；意大利的s e r m a c 、 c i f a 、m e c b o ；日本的极东开发( k y o k u t o ) 和韩国的全进。德国混凝土泵 的发展应用走在世界前列，中国混凝土泵技术起步较晚，但随着我国建设事业的 迅速发展，混凝土泵技术发展非常迅速，以三一为代表的混凝土泵已达到世界先 进水平【1 - 3 1 。 1 1 2 混凝土泵的应用 目前，混凝土泵的应用主要是指拖式混凝土泵( 简称拖泵) 和混凝土泵车。 1 、拖式混凝土泵 拖式混凝土泵( 拖泵) 是一种将混凝土通过水平或垂直铺设的管道连续输送 到浇注施工现场的高效混凝土旋工设备，是混凝土机械化施工不可缺少的重要设 备之一。使用拖泵施工，可连续输送和浇注混凝土，施工效率高，工程进度快， 第一章绪论 被广泛应用于现代城市、机场、道路、桥梁、电力等混凝土建筑工程中。 拖泵根据分配阀的不同来进行分类，目前主要使用的有闸板阀泵与s 阀泵， 根据动力不同又有电动泵与柴油机泵，根据冷却方式又有水冷式与风冷式。它们 由支承行走机构、动力装置、泵送机构、搅拌机构、液压系统、电控系统、润滑 系统、冷却系统、清洗系统等组成。如某公司两种主要产品h t b 6 0 a 与h t b 6 0 c 的主要差别在于泵送机构的分配阀分别为闸板阀与s 阀，及其所带来的一些其它 变化。 2 、混凝土泵车 混凝土泵车也称臂架式混凝土泵车，是将混凝土泵和液压折叠式臂架都安装 在汽车或拖挂车底盘上，并沿臂架铺设输送管道，最终通过末端软管输出混凝土 的机器。 混凝土泵车主要由底盘、臂架系统、支腿系统、泵送机构、液压系统和电气 系统六大部分组成，如图1 1 所示。 车底盘 图1 1 泵车实物 由于混凝土泵车的臂架具有变幅、折叠和回转功能，可以在臂架所能及的范 围内布料。混凝土泵车虽然需求量小，但技术含量和产品附加值较高。 目前，在国家重点建设项目的混凝土施工中都采用了混凝土泵车泵送技术， 其使用范围已经遍及水利、水电、地铁、桥梁、大型基础、高层建筑和民用建筑 等工程中。近年来已经成为泵送混凝土施工机械的首选机型。 混凝土泵车可以一次同时完成现场混凝土的输送和布料作业，具有泵送性能 好、布料范围大和转移方便等优点，在基础、低层施工及需频繁转移工地时，使 2 k 安大学硕上学位论文 用混凝土泵车更能显示其优越性，它在臂架活动范围内可任意改变混凝土浇筑位 置，不需在现场临时铺设管道，这样可节省辅助时间，提高工效。混凝土泵车特 别适用于混凝土浇筑需求量大、超大体积及超厚基础混凝土的一次浇筑和质量要 求高的工程，目前，地下基础的混凝土浇筑有8 0 是由混凝土泵车来完成的。 从2 0 世纪印年代视开始，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、中联重科等为代表的第一梯队，第二梯队以徐工重型、辽宁海 诺、湖北建机、安徽星马等企业为主，它们的产量占了全行业的9 0 以上1 4 巧1 。 1 1 3 混凝土泵的发展趋势 随着计算机信息技术、智能技术等技术的发展以及实际需要对设备的要求越 来越高，混凝土泵送技术主要朝着以下方向发展： ( 1 ) 大排量：目前，混凝土泵以中等排量占多数，大部分泵送排量在6 0 m 3 h - - - 8 0m 3 h 。但随着大型工程建设的需要和施工进度的加快，排量有增大的 趋势，如在东海大桥普遍采用h b t l 2 0 c 2 1 2 0 d 拖泵进行施工。 ( 2 ) 高压：随着世界高层标致性建筑的兴建，泵送压力也有增大的要求， 上海环球金融中心和阿联酋迪拜塔现在用的混凝土泵输送压力都达到了3 5 m p a 。 ( 3 ) 控制集成化：液压控制技术普遍采用开式系统，全液压自动换向和换 向缓冲技术，采用计算机控制，朝机、电、液集成控制方向发展。 ( 4 ) 智能化：采用无线遥控、砼活塞自动退回，高低压自动切换和故障自 动诊断技术，通过g p s 远程监控各种实时数据，实现故障的自动检测及诊断。 ( 5 ) 易损件寿命：通过对耐磨损技术的研究，采用新材料、新工艺进一步 提高眼镜板、切割环、砼活塞、输送缸和输送管等易损件寿命。 ( 6 ) 分配阀：目前，普遍采用s 管阀，此外，还有闸板阀、裙阀、象鼻c 阀 等。通过对分配阀进行不断改进和创新，以适应干硬性、粗骨料混凝土的高压泵 送，进一步提高分配阀的耐磨性和吸料性。 ( 7 ) 混凝土可泵性：增加混凝土的可泵性，特别是增加高强度、干硬性和 3 笫一章绪论 大骨料混凝土的可泵性，某公司研制的h b t l 2 0 a _ 三级配拖泵现已能泵送混凝土 的最大骨料粒径可达8 0 m m - - - 1 0 m m 。 1 2 课题的背景和意义 本课题来自三一工学院的泵送模拟系统研制项目。三一工学院是一所企业大 学，兼学历教育和员工培训的双重任务，混凝土泵送产品是某公司的核心产品， 泵送系统的培训教学是三一工学院最重要的教学内容之一。 目前，工程实践培训和教学方面都普遍存在一个问题：缺乏合适的培训设备， 从而导致教学效率较低。其原因是：( 1 ) 试验设备价格昂贵，设备数量不能满足 学生的正常使用；( 2 ) 很多设备体积庞大，具有复杂的内部机电液构造，给教学 带来不便，学生也不易接受理解。 由于混凝土泵的内部结构复杂，在培训教学过程中往往采用解剖教具，使 学生能直观认识其内部结构，合适的教具能很好的解决泵送系统教学中遇到的问 题。教具是为教学用的辅助工具，它可让学生从视觉上、触觉上先认识表面事物， 获得较强的感性认识，再由老师从理论上解析出事物的内涵，这样很容易让学 生在大脑空间产生清晰的印象，从而达到感性认识与理性知识的完美结合，是 十分符合教学规律的，在培训教学中被广泛应用。目前，市场上实物解剖教具 以汽车系列产品为主，属于专业车辆类的混凝土泵送产品的相关教具比较少。解 剖教具一般都将其壳体解剖，能看清内部部件的相对安装位置，但无法进行工 作过程和动力传递的动态演示，如果解剖教具在解剖的基础上能实现泵送动作演 示及故障模拟过程，就可以更好地满足实践教学的需要。 三一工学院积极摸索先进的培训理念，寻求先进的培训方式和工具，以构建 先进的培训模式。经过多年的摸索，目前已逐渐形成了一套具有企业特色的培训 教学模式。因泵送系统模型具有小巧轻便、易教易懂、投资少、功能多、可融合 先进的培训理念等特点，对泵送教学和培训模式的构建具有重要意义，本文结合 培训的实际情况，对泵送模拟系统进行研究和设计，以解决培训教学过程中遇到 的多种难题，并探索和建立泵送培训教学的新模式。 长安人学硕：l 学位论文 1 3 本文研究的内容 本文在充分分析培训需求和教学设计的基础上，以某公司的代表性产品拖泵 h b t 6 0 c 的泵送系统为原型，结合先进培训手段，采用计算机辅助设计、人机工 程等方法和技术，建立泵送模拟系统，主要研究内容如下： ( 1 ) 根据培训教学的需求，重新调整和设计混凝土泵的液压系统和电气系 统；采用p v c 等透明材料，设计并制作了包含泵送工作原理和控制动作全过程的 模拟演示系统； ( 2 ) 根据模拟系统的要求，设计制作泵送系统的核心部件主阀块； ( 3 ) 实现泵送过程中各种动作的协调控制，并对系统进行人机工程和适合 培训模式的改进，使教学系统操作方便、应用简单； ( 4 ) 对泵送系统的各类故障( 特别是电气故障) 进行分析研究和汇总，并 根据工程实际和系统的实际情况对线路故障进行模拟设计； ( 5 ) 通过实践应用验证泵送模拟系统的可行性。 其中，在泵送模拟系统设计中，液压系统的压力和流量的调整、主阀块的设 计、电气系统的控制信号输入和协调控制及泵送系统的故障分析等是本文研究的 重点和难点。 5 第一帝混跚。卜泉送模拟系乡危总1 本方案例f 究 第二章混凝土泵送模拟系统总体方案研究 2 1 混凝土泵送原理 2 1 1 混凝土泵送系统的组成 泵送系统是混凝土泵的核心部件，也是本文研究的重点。它提供混凝土的 压力，通过泵送执行机构，把混凝土通过输送管道压送到浇筑地点。泵送系统首 先利用油缸带动混凝土输送活塞作往复运动，利用分配阀使活塞回动时从料斗中 吸入混凝土，活塞前进时把混凝土压送入输送管。一般采用双输送缸，两个缸一 吸一送，达到连续输出混凝土的目的。这里的关键是分配阀要能保证输送缸在吸 料时其进出口接通料斗，而在输送缸压送时进出口接通输送管。目前分配阀的形 式有很多，常用的有闸板阀、s 阀、象鼻阀、裙阀等 6 - 8 1 。 由于分配阀的不同，导致其它结构也不相同。本文重点介绍与本文内容相关 的s 阀泵送执行机构。 s 管阀泵送机构主要包括主油缸、水箱、输送缸、砼活塞、摇摆机构、搅拌 机构、料斗和s 管阀等主要零部件，如图2 1 所示。 23 a4 a5 a67 皤 1 a 一主油缸：l b 一主油缸：2 一水箱；3 a 一输送缸：3 b 一输送缸：4 a 一砼活塞： 4 b 一砼活塞；5 a 一摆阁油缸：6 一搅拌系皎：7 - 料斗：8 一s 管嗣 图2 1s 管阀泵送机构结构图 s 管阀泵送机构通过摆摇机构来实现s 管阀的换向，摆摇机构如图2 2 所示， 主要由摆缸固定座、左右摆阀油缸、摇臂和摆缸卡板等零部件组成。一般安装在 料斗的后方。摆摇机构的工作原理是在液压油的作用下，推动左右两个摆阀油缸 6 长安人学硕上学位论文 的活塞杆，活塞杆驱动摇臂，摇臂带动s 管阀左右摆动，从而实现s 管阀的换向。 誉管罐鬻摹 。 卜 溪一 - ! 一i i m 所曰 【一愿i w 棚“，) 一口置，。赝mi 似 图2 2 摆摇机构 2 1 2 混凝土泵送系统工作原理 泵送系统液压回路有正泵和反泵两种操作功能，高压和低压两种工作方式， 这些都是通过液压和电气系统控制完成的。正泵将料斗中的混凝土通过泵送机构 及管道源源不断的送到作业面，反泵将管道中的混凝土吸回料斗，作为排堵、清 洗之用。 泵送动作模拟演示如图2 3 所示。泵送混凝土时，在主油缸的作用下，砼活 塞前进，另一缸的砼活塞后退，摆阀油缸处于伸出状态，通过摆臂的作用下，s 阀管接通输送缸，混凝土在活塞的推动下，进入输送管道，同时在另一侧，料斗 里的混凝土不断被后退的活塞吸入混凝土输送缸。到位后，发出控制信号，反向。 如此反复动作完成混凝土料的泵送。 图2 3 泵送动作模拟 7 第一二章混凝十象送模拟系统总体方案研究 2 2 混凝土泵送模拟系统的要求 2 2 1 教学要求 1 、教学模式对模拟系统的要求 三一工学院技术培训部是某公司的技术培训中心，同时为公司员工提供培训 和为三一工学院的学生提供职业教学，泵送产品为其拳头产品，因此泵送系统的 培训教学一直是重中之重。学院通过参考国内外校企合作进行人才培养的先进经 验，结合自身特色，经过多年探索，逐步形成了具有自身特色的培养模式。这种 培养模式以当前职业教育“就业导向、模块化、教室与实训场地一体化、企业文 化导入 的主流思想为主体，结合培训的实际情况和相关技巧，采用“体验式教 学方式 ，以学员学生为主体，全面培养学员学生的“人文素质、专业素质、创 新素质和心理素质”，真正实现“零距离 上岗的培训和教学的要求。 泵送模拟系统在本教学模式中扮演重要的角色，主要体现在教学要素、硬件 的构成和教学流程的组织应用。 一体化教室的建设和教材的建设是“体验式教学方式 的基础内容，以职业 实践为主线，以任务驱动为主体，对课程内容进行创新整合，根据企业用人的具 体要求和学校的实际情况，对教材内容进行必要的取舍与组合，对教室布置进行 必要性建设，充分体现“教、学、做合一 的职教思想。 教学采用“做中学”的方式，不再分理论教学与实训教学两块，而是把理论 课堂搬到了实训场地上，实训场地上不仅有整机设备、关键零部件、课桌，也有 模型、原理挂图、元件卡片、剖切元件以及设备、元件的3 d 计算机模型( 见图 2 4 、2 5 ) 等。整机用于相关设备的操作、保养、调试、易损件拆装以及故障排 除，零部件主要用于学生拆装，了解关键元件的结构以及原理。课桌设计成8 人 座，方便学员以小组方式进行讨论。结合发放的教材，建立立体式教学环境，让 学生通过多种途径获得任何想要的知识。 8 长安人学硕上学位论文 钳工桌讨论桌零件架 图2 4 液压一体化教学室( 部分) 图2 5 液压一体化教学室示意图 与传统的教室相比，本教室不仅是提供了教学相关的模型、实物、教学软件、 模拟软件等高科技产品，其布局和配置是根据教学流程和要求，采用自主式学习 模式设计，具有教学效率高、实践能力强及能充分激发学员学习积极性的自助式 学习模式。 教学模型包括主要液压元件模型和本文设计的模拟演示系统，不仅用于前期 的认知和中后期的模拟教学，对整个知识理解的辅助教学也非常重要。因此，泵 送模拟系统不仅要求有较强的教学针对性，还需与其他各元素一起构建整体教学 模式，并充分考虑与教学软件、实物模型、其他模型的衔接和配合，采用由整体 到局部的方法进行设计。 2 、教学表现的要求 9 鐾簧 第二章混凝十泉送模拟系统总体方案研究 泵送模拟系统作为一典型的教具，在培训教学中的应用主要是保证教学的直 观性和过程的互动性。 直观性教学原则是前苏联教育家凯洛夫提出的。顾名思义，就是要求教学过 程尽量直观、明了，将深奥的理论与复杂的内容借助于一些工具或手段以浅显的 形式表现出来，以便于学生理解与接受。 “互动式 教学也称“双向互动式教学”，专注于学习者和教授之间的互动 行为。互动就是指人物之间通过行为互动，互相影响的过程。“互动式 教学法 是以现代教学思维和教学理论为指导，转变灌输式的教学方式，将以教授为中心 的教学模式变为由教授通过设备引导、鼓励和组织学习者积极参与、人物互动， 集讲解、交流、讨论、质疑、归纳等教学手段于一体的合成式教学运作模式。这 种新型的教育模式能充分激发学生的学习热情，极大提高教学效果【1 2 - 1 4 】。因此， 泵送模拟系统应具有以下特点： 互动性，要求受训者有信息输出流，并且和教学工具之间有互动的信息流， 而不是讲师向受训者单向输出培训信息。 随机化，需要有随机的培训路径，而非一成不变的培训教学过程，针对不同 的受训人群可得到不同的培训内容。 多元化，需要有多种信息流的输出，全面刺激受训者的各种感官，强化培训 效果。 2 2 2 结构要求 泵送模拟系统的控制过程和主要零部件要求与实物一样，以保证系统模拟演 示的真实性。泵送系统包括机械、液压和电气系统。其中液压系统是整个泵送系 统的重点，也是本系统的主要控制对象，本文将在机械结构的基础上，以液压系 统为控制主体，构建一个机电液一体化的泵送模拟系统。 在泵送模拟系统中，故障模拟是本系统一个重要的功能，根据故障原理及相 应症状，通过相关装置设置和线路设置设计相关故障，并经传感装置接入控制设 备，通过对故障设置面板的操作对故障进行相关设置和控制而组成故障模拟部分 也是本系统的一个重要的组成部分。 另外，为了配合教学和演示，将模拟演示系统的油压、电信号等相关信号以 l o 长安人学硕上学位论文 灯光、油压表等方式显示出来，也是本系统的组成部分f 净17 1 。 因此，本系统在泵送主体模拟设备的基础上，结合故障设置部分和显示部分 组成的整体，其示意结构如图2 6 所示。 泵送主体结构 液电 故障模拟 l 显示装置i _ 压气呻 设置系统 系系 统统 机械装置 图2 6 泵送模拟系统组成图 2 2 3 功能要求 泵送模拟系统包括的主要部件及其功能如下： l 、泵送模拟系统包含输送缸动作、分配阀运动及搅拌三大动作，其中搅拌 机构旋转搅拌料斗中混凝土，通过分配阀机构的摆动对控制输送缸中混凝土的输 出方向，结合输送缸中活塞的往复运动一起完成泵送动作，上述三个动作的相互 协调实现泵送过程。 2 、液压系统是泵送系统的核心，它控制和实现泵送系统的各种动作，液压 系统需配置专门的泵站和实现各控制元件集成阀块控制的主阀块。 3 、系统还包括电机供电和对各电磁阀电磁铁及各开关控制的电气系统，采 用p l c 实现对各控制信号的灵活控制，实现与实际相似的控制面板功能，同时 还要对相关故障进行设置。 另外，为系统选定合适的操作台，采用适当的显示装置，也是非常重要的内 容。 泵送模拟系统需同时满足模拟仿真的真实性和培训教学的应用价值两方面 的要求，具体要求如下： l 、泵送模拟系统应能真实地模拟泵送系统的工作过程，并能可视相应的液 压、电气系统的动作和状态； 2 、泵送系统模型应与实际结构原则上按照同比例进行制作，以保证真实的 第二审 混凝f ：泉送模拟系统总体方案f i j f 究 模拟演示效果； 3 、需有较好的内部和动态的可视效果，同时要保证材料的使用寿命； 4 、液压系统需真实模拟包括主阀块在内的各种阀、主油缸、输送缸、润滑 油缸、摆阀油缸的工作过程； 5 、模拟系统使用的阀应尽可能与真阀结构形式相同工。 模拟系统要求与真实的系统有高度的相似性，决定了设计制造时尽可能的与 实际一致，同时，又需考虑其成本、大小、教学适应性等方面，尽可能的对系统 进行改造及优化设计，本模拟系统的设计需在这种矛盾中，根据实际情况来寻求 一种设计的平衡。 2 3 系统设计方案 泵送系统作为一典型的机电液一体化产品，结构较为复杂，一般来说，有实 物模拟及替代元件模拟等方式。 1 、“简化版”实物模拟方案 在培训教学中，对实际情况进行完整的模拟，实际设备具有模型无可比拟的 优势，完全按照泵送系统的实际情况设计，参照泵送相关部分的形状、结构、工 作原理等进行完整的“复制 ，结合教学表达制作一缩小模型的实物模拟系统。 从培训教学和成本的角度考虑，系统在保证泵送系统控制过程及核心元件不 变的情况下，就根据如下原则进行改装： ( 1 ) 在满足功能要求的前提下，选用最小的主油缸及阀块； ( 2 ) 重新计算液压系统，并根据计算数据重新选择和设计动力部分，对各 元件的参数重新设置； ( 3 ) 配置其他系统； ( 4 ) 其他辅助教学设计，如输送缸等可考虑抛开处理等。 “简化版”实物模拟系统大体结构如图2 7 所示。 1 2 长安人学硕上学位论文 液压油箱主油泵生电机主油缸 主阀块电控柜料斗 r ? j 一 图2 7 “简化版”实物模拟系统示意图 此种方案现场真实感更强，学生实践后的适应能力好，缺点是真实的模拟工 况，设计制造成本较高，可视化效果表达受到了一定程度的限制。 2 、有机玻璃模拟方案 在模拟模型制作领域，也流行一种对表达重点进行相似的模拟，在不改变实 物基本结构和工作原理的前提下，对相关的教学难点和重点进行有针对性的表 达，以获得更低的成本和更好的表现效果，使用甲基丙烯酸甲酯( 有机玻璃) 制 作教学模型，使教学模具有较强的透明性，且具有制作工艺灵活、简单等优点。 模拟系统的关键部位仍采用真实的元件，其余部分根据各种教学模型结构特点分 别采用有机玻璃注塑、挤塑、板材加工后粘接等方法完成。 实际培训过程中的重点和难点是模拟系统设计的突破口。根据实际培训的表 达难点，先确定模拟系统的主要功能，在此基础上，再根据其成本、教学、美观 等方面进行综合设计。为此，本方案的设计思路如图2 8 所示。 广、 第：章混凝十泉送模拟系统总体方案研究 “ 1 泵送模拟演示系统 图2 8 模拟系统结构图 泵送系统由泵送机构、液压系统、电气系统、故障模拟和显示装置等组成。 由泵送活塞输送动作、摆动机构和搅拌等一起组成的泵送机构动作及其液压电气 控制回路是泵送系统的重点和难点，也是本系统表现的重点。为此，模拟系统重 点显示料斗、搅拌装置、摇摆机构及s 管阀、闸板阀、泵送系统的工作过程。对 于冷却、润滑等辅助功能则适当弱化。此外，重点体现泵送系统的技术要点和难 点。主阀块、自动退活塞等体现企业技术核心及培训教学要点的地方，也是模拟 演示系统设计和表达的重点。 泵送模拟演示系统主要使用优质透明有机玻璃及金属构件等原材料制作，透 明要好，特别是要保证液压系统的可视化。液压油路、主阀块、液压元件等相关 用透明材料处理，部分核心元件用实际元件外，通用元件选择简单实用的类型， 需了解其内部结构的用透明材料设计制造。 模拟系统模型与实际结构原则上按照1 ：3 的比例进行制作，具体尺寸根据 美观等方面的要求稍加变动。 3 、方案的选择 “简化版”实物模拟方案完全参照实际设备研制，其结构认识、工作原理等 具有其他模型没有的优势，有机玻璃模拟方案的优势在于其可视化、构建灵活性 和成本等方面。 泵送系统是比较复杂的系统，虽然其功能多且功能关联性大，但其核心基本 集中在以主阀块为纽带的液压控制部分，培训教学的重点难点也多集中于此。完 1 4 k 安大学硕上学位论文 全采用实物模拟，培训教学表达受到一定的限制，增加了对泵送系统最复杂最核 心模块的认识难度，同时也不利于模型的教学可视化和辅助表达处理。 教具的使用，很大程度上是为了降低成本。对泵送模拟系统而言，“简化版” 实物模拟采用真实设备零件和结构，成本在2 0 3 0 万之间，而方案二除关键控制 元件外，大部分零部件使用有机玻璃透明材料代替，成本可降至4 6 万之间。 有机玻璃教具的使用寿命在4 - - 8 年之间，能基本满足教学使用的要求。 综合考虑，本文选用有机玻璃模拟系统方案。 第= ! 帝象送液居系统研究 第三章泵送液压系统研究 液压系统是泵送系统的核心组成，也是本文的研究重点。液压系统是以真车 的液压系统为依据，其设计不仅要结合教学要求对液压系统的基本功能和组成进 行针对性的设计，也要体现出混凝土泵的关键部件和核一t b 技术，达到良好的教学 培训效果。 3 1 泵送系统液压控制回路 3 1 ，1 拖泵h b t 6 0 c 1 8 1 6 液压系统 参考实物拖泵h b t 6 0 c 一1 8 1 6 带蓄能器液压回路，分为主回路、分配阀回路、 自动高低压切换回路、全液压换向回路和搅拌回路，如图3 1 所示。 图3 1s 阀拖泵h b t 6 0 c 液压系统原理 该系统中所包括的回路及功能如下： 1 6 长安大学硕上学位论文 主油路：主回路由主油泵5 、电磁溢流阀1 0 、主四通阀1 6 、主油缸3 2 组成。 主油泵为恒功率并带压力切断的电比例泵，电磁溢流阀1 0 起安全阀的作用，并 控制系统的带载和泄荷。主油缸是执行机构，驱动输送缸内的砼活塞来回运动， 主四通阀1 6 的动作来控制动作的换向。 分配阀油路：该回路由齿轮泵6 、高压过滤器9 、电磁换向阀1 1 、溢流阀1 2 、 单向阀1 3 、摆缸四通阀1 7 、蓄能器1 8 、摆阀油缸3 3 组成。齿轮泵、电磁换向 阀和溢流阀1 2 形成恒压油源，电磁换向阀1 1 在泵送作业时一直处于得电状态， 在待机状态下进行得断电循环，以保证蓄能器的压力，又不致于使齿轮泵的压力 油总处于溢流状态，消耗功能产生的热量。摆阀油缸是执行机构，驱动s 阀左右 摆动，摆缸四通阀的出油口分别与左右摆阀油缸相连，它的换向最终使s 管分配 阀换向。 自动高低压切换回路：该回路由插装阀2 8 、2 9 、电磁阀2 1 2 和梭阀组成。 它的工作原理是利用插装阀的通断功能形成高低压两种回路，并利用电磁阀的来 控制切换这两种工作回路。 全液压换向回路：全液压换向功能实现j 下泵和反泵两种混凝土作业模式，并 由液压系统本身自行完成主油缸和摆阀油缸的切换，包括小液动阀1 9 、电磁换 向阀2 0 、泄油阀2 6 、单向阀3 0 和螺纹插装阀3 l 。电磁阀得电电磁铁不一样， 从而使相关油路发生变化，从而实现正反泵两种不同的状态。 搅拌回路：该回路由溢流阀2 2 、电磁换向阀2 3 、压力继电器2 4 、球阀1 4 2 和搅拌马达2 5 组成。溢流阀2 2 设定搅拌最高压力，当继电器检测搅拌压力达到 设定值时，则通知相应的控制电磁铁得电，电磁阀2 3 动作，搅拌马达反转延时 一定时间后，让电磁阀d t 7 断电，搅拌马达恢复反转。 3 1 2 模拟系统控制方式的选择 混凝土泵液压系统有高压、大排量、全液压切换等特点，某公司h b t 6 0 c 1 8 1 6 混凝土理论大排量泵送排量为7 5 m 3 h ，高压理论输送压力1 6 m p a ，主油缸排量 为1 9 0 c m 3 ，主动力功率为1 6 1 k w ，模拟系统由于低负载和安全性考虑等原因， 其液压系统的压力根据有机玻璃模拟系统本身的特性要求，一般在l 一3 m p a 之 间，流量也将伴随着系统压力的变化发生变化，相应的功能也要根据实际情况进 1 7 第二章泵送液胝系统研究 行适当的调整。因此，在尽量保证其核心控制原理不变的情况下，对液压系统的 供油、元件甚至控制方式进行重新调整和设计。 实物是以液控为主的电液一体化控制方式，模拟系统压力降低，不同的控制 也能保证同样的控制效果，因此，可对控制系统进行调整，以获得更经济合理的 控制方式。 混凝土泵的液压控制方式有电液换向控制、全液压换向控制和二者结合的新 型电液控制方式，国内常见的控制方式主要有三种： ( 1 ) 液压缸信号拾取的顺序控制方式：该方式在主油缸和摆阀油缸上分别 设置不同的信号拾取装置，并通过液压或电液控制的系统控制缸、阀的顺序动作。 ( 2 ) 液压拾取信号：活塞上设有环形油道，当主液压缸到达顶端时，主液 压缸上控制油路接通，拾取口与相应的液控阀连接。 ( 3 ) 采用行程开关拾取压力信号，主油缸到位后的换向信号由行程开关拾 取，通过电气控制系统的p l c 实现分配电磁阀的通断，主缸电磁铁相应的延时得 电，电气控制系统也可通过普通的延时继电器来实现延时功能，但可靠性差。 液压缸信号拾取的顺序控制方式，需在主油缸上另外设置信号拾取装置，不 管是采用小件主油缸或其它材料自制，都会给制作工艺带来一定的困难，参考模 型h b t 6 0 c 一1 8 1 6 采用的是液压拾取信号方式，从控制原理模拟的真实性来说，这 是优先选择的方案，只是此方法要求拾取信号的压力必须大于推动换向阀芯的压 力，一般在0 2 m p a 0 8 m p a 之间，为保证拾取信号的有效性，需有一定的压力预 留空间，而有机玻璃教具长期工作最适宜的压力范围在0 5 2 m p a 之间，对于用有 机玻璃为重要制作材料的模拟系统，采用行程开关拾取压力信号，简化了部分油 路，同时可大大保证信号的有效性，制作也相对简单。经综合考虑，本系统采用 行程开关拾取压力信号的控制方式【1 1 】。 3 1 3 液压回路的调整和设计 系统要求能模拟混凝土泵实物的主体功能，因此系统液压回路的主体结构 采用与实际控制原理相似的设计。泵送系统的正反泵、高低压、搅拌动作、摆 动动作、退砼动作，是泵送系统的典型功能，也是系统表现的重点。各功能其 执行单元和控制方式如表3 1 所示。 1 8 长安大学硕十学位论文 由表3 1 可知，由于系统的功能和控制原理与实物要求有较高的一致性，因 此，其总体的功能回路组成与实物表现出很大的相似性，这也正符合教学实际的 要求，只是根据其使用要求的不同，对总体回路稍微进行调整和设计即可。模拟 系统液压控制回路与真实系统的调整设计有如下几点： 表3 1 泵送系统动作分析 动作功能执行单元 实现方式对应实物路说明 正反泵主油缸换向液压换向叫路插装阀控制 换向控制，串于高低 高低压主油缸切换同路电磁控制 压 退砼小油缸油缸泄压未单独提出电磁控制 摆动摆阀油缸 油压换向分配阀回路液控 搅拌搅拌马达压力油连通搅拌回路可接换向 1 、供油回路的变化 一般情况下，装机功率应按最大的驱动功率计算，由于泵送过程中功率变化 大，瞬时或堵塞状态下驱动功率很难精确计算，通常需要有较大的储备量。若全 部选用大流量变量泵及驱动电机，在多数施工期间电机和液压泵的负载率低，经 常处于欠功率运行，效率不高。混凝土泵实物系统采用开式恒功率液压系统，可 实现液压自动换向、高低压切换、退砼、流量自动适应外载荷变化，保证主油泵 输出功率的恒定，充分利用了电动机的功率。供油回路采用恒功率变量泵组合双 联齿轮泵的供油方式，分别对主油缸、分配阀油缸及转动马达进行供油。模拟演 示系统由于不考虑负载变化，流量、功率和压力要求不高，将三联泵的组合可直 接采用一个定量泵即可。 2 、改变高低压切换形式 由于模拟系统采用水模拟或空载运行，负载很小，自动高低压切换功能在实 际动作中不好模拟，可采用控制面板电控操作控制动作演示高低压切换过程，因 此，其压力切换过程中的控制元件梭阀不再起作用，而蓄能器还起到为分配阀和 小油缸提供压力的作用，因此，在泵送模拟系统中，可对此部分进行调整和简化。 3 、压力信号拾取油路的变化 两个三位四通换向阀分别实现对主油缸和分配阀油缸的控制，主油路的6 个 插装阀通过不同的组合通断，控制着油路的变化为了充分模拟和展示液压控制的 过程，6 个插装阀的控制形式在模拟系统中不变，而在两个主油缸两端的插装阀 1 9 第兰章泵送液乐系统j f i f 究 结构随流量和压力的变化也将随之改变，改为由单向阀和节流孔组成的t r 机构， 起到了缓冲和向连通腔补油的作用，主油缸末端的压力油输出，拾取油缸压力信 号，连通液动换向阀，进行液动控制。同时，由于系统压力降低，在液控换向时， 易造成换向不稳定的状况，因此，本文在油缸端部设计了行程开关，同时采用行 程开关拾取压力信号，双层保障。 4 、大流量控制元件插装阀的应用调整 插装阀是一种较新型的液压控制元件，基本构件为标准化、通用化、模块化 程度很高的插装式阀芯、阀套、插装孔和适应各种控制功能的盖板和适应各种控 制功能的盖板组件，适用于高压大流量的液压系统中，具有流通能力大、密封性 好、自动化程度高等特点。 在模拟系统的液压系统中，压力和流量将大大减小，液压系统的主要元件之 一的插装阀将不再必要，考虑到原理的展示，主回路的控制插装阀保留，对于溢 流等常规功能应用可寻找更为简单经济的替代品。具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 主回路的溢流部分，由于系统流量的降低，可直接采用溢流阀溢流， 而去掉插装阀； ( 2 ) 分配阀回路的溢流控制部分，由于模拟演示系统不需要也不宜再设置 待速节约效率等功能，可将其换向控制阀去掉，直接采用溢流阀溢流，简化模型。 5 、增加测压点 为了增强内部工作的可视化和进行教学数据分析，对比较重要的压力参数主 系统压力、换向压力、搅拌压力、各换向控制信号压力油各处设置测压点，以获 得系统运行过程中内部的压力情况实时显示。 经上综合分析，本液压系统原理图如图3 2 所示。 在液压控制过程中，正反泵、高低压及摆动关联紧密，增加了液压控制回路 的设计难度。两油缸的往复运动动作关联着输送缸活塞的动作，控制双线的流向 来实现正反，同时，在双线中各自引入双向，即可形成一四叉的控n j o l 理回路， 实现主油泵的正反向和高低压的切换控制。而对于分配阀联动，将主油缸运动到 顶需进行切换时产生的压力信号引入分配阀控制部分，从而实现与分配阀动作的 联动控制。 长安人学硕上学位论文 由图3 2 可知，系统为采用s 形管型分配阀，根据其作用的不同，可分为： 主泵送系统和搅拌油路系统。主泵系统中如图所示，系统启动后，电机2 带动变 量主油泵3 运转从邮箱吸油，压力油口a 的压力油进入主溢流阀l o 溢流，控制 系统压力，主压力油经主四通换向1 6 阀换向控制，经插装阀2 8 组成的回路进入 主油缸，在液压泵压力油的作用下，缸3 2 1 的活塞杆缩回，缸3 2 2 的活塞杆伸 出，当主液压缸的活塞运行到行程终点时，缸3 2 2 的取信阀在压差的作用下打 开，信号油使液动换向阀1 9 2 动作，从而控制换向阀1 7 动作，使主液压泵压力 油流入摆阀油缸换向，摆阀油缸的油路通过引出的控制油c 3 、c 4 控制液控阀 1 9 1 ，从而实现主四通换向阀1 6 的换向，缸3 2 2 的活塞杆伸出，进入下一个循 环。如此反复，实现两主液压缸活塞杆的交替伸出和缩回，带动与主液压缸活塞 杆相连的混凝土缸活塞的往返运动，完成混凝土的泵送工作。 搅拌回路经电磁换向阀控制方向，同时在压力油端串接压力继电器，使搅拌 机构拥有遇阻反转的功能。 2 l 第三章泵送液肤系统研究 图3 2 液压系统原理图 长安大学硕上学位论文 3 2 泵送液压系统的主要参数确定 压力和流量是液压系统两个最主要的参数，这两个参数是计算和选择液压元 件、辅件和原动机规格型号的依据。根据各液压执行元件的负载，确定系统压力， 既而确定液压缸有效的工作面积和液压马达的排量，根据位移与时间的关系确定 流量【1 抛o l 。 混凝土泵送系统是典型的高压系统，泵送仿真模型中，我们可用水来代替混 凝土进行模拟，工作压力大大降低，作为教学用，透明材料、工艺成本等要求压 力在满足功能要求的情况下尽量的低，但同时，压力太低，设备尺寸和重量就增 加，并也可能影响液控换向功能。因此，系统的压力选定，应综合各方面因素综 合考虑。 1 、系统压力的确定 模拟系统用水代替混凝土，阻力较小，负载较低，泵送时只需克服水的阻力 和砼活塞与输送缸之间的摩擦力，输出压力p 2 = a 2 枣p 1 a 1 * p 2 = m g h m = g h ，h 为 泵送水时输送缸离最高液面的高度，p 2 相对于液压系统来说可以忽略不计，但 需能使液压能克服液控阀法芯动作，不宜太小。 我们取输送泵的输出压力p 0 为o 8 m p a 。h b t 6 0 c 1 8 1 6 泵送系统的主油缸为 1 6 0 1 8 0 0 m m ，根据设计的总体要求，模型与实物的比例大致为1 ：3 ，作为泵送 系统的重点表达部分，主油缸的尺寸应适当放大，同时考虑到美观制作等原因， 我们选择了6 0 m m * 1 0 0 0 的主油缸，输送缸内径为8 0 m m ，于是，主油缸需要的 压力p 1 为： p 1 = a 1 木p 0 a 2 = 1 4 2 m p a( 3 1 ) 2 、流量的确定 模拟系统各执行元件之间进行着一定顺序的周期性动作，在一个周期内，执 行元件耗油的理论最大值v 为各执行元件之和，即 v = v l + v 2 + v3 + v4( 3 2 ) 式3 2 中vl 、v2 、v3 、v4 分别表示主油缸、退砼油缸、摆阀油缸及搅拌马 达的在每个周期中的。 在这几种动力源中，主油缸是最大的流量输出，占整个流量输出的绝大部分。 第三章泵送液压系统研究 为简化计算，本文以主油缸的流量参数作为参考计算数据。 泵送系统为双缸结构，因此，一个周期内，主油缸的耗油量为： k ：2 t o ：2 栖2 ：丝掣- 5 6 5 1 0 _ 3 ( 聊3 ) ( 3 3 ) 1 44 、 混凝土泵送系统理论输送量是指混凝土泵送混凝土体积的理论值，它与主轴 排量、主油泵和混凝土缸内径等主要参数有关，还与分配阀换向时间有关，如式 3 4 ： q = v 宰n( 3 4 ) v 为混凝土每一工作行程的理论容