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西安建筑科技犬学硕士学位论文 活塞式液压混凝土泵研究 专业：机械设计及理论 硕士生：梁涛年 指导教师：陈宜通副教授 摘要 混凝土泵是通过管道依靠压力输送混凝土的施工设备，它能一次连续地完成 水平输送和垂直输送。若将预拌混凝土的生产与泵送施工相结合，利用混凝土搅 拌运输车进行中间运送，可实现混凝土的连续泵送和浇注。混凝土泵液压系统的 动态特性是混凝土泵研究的关键技术。通过对现有液压系统的仿真试验研究，可 以了解系统各部分的结构参数对其动态特性的影响，从而找出满足要求的最佳匹 配参数范围，为以后的系统改进提供数据依据。本文在对h b t 6 0 1 3 - - 9 0 s 混凝土 泵液压系统的研究中利用基于功率键合图的建模方法，建立了液压系统的功率键 合图模型，并把键合图模型转化为液压系统的动态数学模型。然后将液压系统的 动态方程与大型工程软件m a t l a b 的仿真工具箱s i r n u l i n k 结合起来，把动态方程 转化为s i m u l i n k 仿真程序，从而建立起混凝土泵液压系统的计算机仿真模型并 进行仿真。通过对液压系统元件参数的不断调整得到合理的仿真结果，从而为液 压系统的设计和参数优化提供了有益的借鉴。最后，在深入的分析了h b t 6 0 1 3 9 0 s 混凝土泵控制系统的功能和要求后，采用了以现代计算机技术为基础的新 型工业控制器一西门子s 7 2 0 0 系列可编程控制器( p l c ) ，设计出了混凝土泵 液压系统的电控系统。p l c 有极强的抗干扰能力、可靠性高、体积小、功能强、 能适应恶劣建筑旌工环境，成本逐渐降低。在混凝土泵中采用p l c 控制是混凝 土泵控制系统发展的一种趋势。 关键词：混凝土泵液压系统数学模型动态特性功率键合图可编 程控制器 论文类型：应用基础 西安建筑科技大学硕士学位论文 p i s t o nt y p eh y d r a u l i cc o n c r e t ep u m ps y s t e mr e s e a r c h 【s p e c i a l t y m e c h a n i c sd e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e l i a n gt a on i a n i n s t r u c t o r a s s o c i a t ep r o f c h e ny it o n g t h ec o n c r e t ep u m pi sc o n s t r u c t i o nf a c i l i t yt h a tt r a n s p o r t st h ec o n c r e t eb yv i r t u e o f p r e s s l h r o u g ht h ep i p l ea n d i tc a r lt r a n s p o r tt h ec o n c r e t ew i mh o r i z o n t a la n dv e r t i c a l f o r mc o n t i n u o u s l y i fi tc o r r e s p o n dw i t ht h ec o n c r e t ea g i t a t i o na n dp u m pt r a n s p o r t ， a n du s et h ec o n c r e t ea g i t a t i o nv e h i c l et ot r a n s p o r tt h ec o n c r e t e ，b yt h i sf o r mi tc a n r e a l i z et h ep u m pt r a n s p o r a n ta n dc o n c r e t ec o n s t r u c t i o ne o n s t i n u o u s l y t h ed y n a m i c c h a r a c t e d s t r i co ft h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h ec o n c r e t ep u m pi st h ek e yt e c h n o l o g yo f t h ec o n c r e t ep u m ps t u d y t h e d y n a m i ce f f e c t c h a r a c t e r i s t r i co ft h ee a c hp a r to f s t r u c t u r ep a r a m e t e rw i l lb ea c q u i r e db yt h es i m u l a t i o ns t u d yo fh y d r a u l i cs y s t e m t h e r e f o r e ，t h em o s to p t i m a lp a r a m e t e rm a t er a n g ew i l lb eo b t a i n e dt h a tc a ns a t i s f y t h eh y d r a u l i cs y s t e mn e e d i th a se s t a b l i s ht h ed a t ab a s i sf o ri m p r o v et h eh y d r a u l i c s y s t e mo fc o n c r e t ep u m p t h i sp a p e ru s et h eh b t 6 0 1 3 - - 9 0 sh y d r a u l i cs y s t e mo f c o n c r e t ep u m pa st h es t u d ya i m ，n s em o d e l i n gm e t h o do ft h ep o w e rb o n dg r a p h sa n d e s t a b l i s ht h ep o w e rb o n dg r a p h sm o d e lo fh y d r a u l i c s y s t e m ，t h e no nt h i sb a s e t r a n s f o r mt h ep o w e rb o n dg r a p h sm o d e lt ot h ed y n a m i cm a t hm o d e l a n dt h e n c o m b i n et h ed y n a m i ce q u a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e mw i lt h es i m u l i n kt o o l b o xo f e n g i n e e rs o f t w a r em a t l a b t h ed y n a m i ce q u a t i o n so ft h eh y d r a u l i cs y s y t e ma r e t r a n s f o r m e di n t ot h es i m u l a t i o np r o g r a mo fs i m u l i n k b yt h i sw a y , t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nm o d e lo fh y d r a u l i cs y s t e mo fc o n c r e t ep u m pi se s t a b l i s h e d ，a n dt h e nr u n t h es i m u l a t i o np r o g r a m t h ep r o p e rs i m u l a t i o nr e s u l tw i l lo b t a i nb ya d j u s tt h ep a r t p a r a m e t e ro fh y d r a u l i cs y s t e mc o n t i n u o u s l y ：a c c o r d i n g l y , i tp r o v i d e st h ea v a i l a b i l i t y r e f e r e n c ef o r t h eh y d r a u l i cs y s t e md e s i g na n do p t i m i z e f i n a l l y , u n d e rd e t a i l e da n a l y s i so ff u n c t i o na n dr e q u i r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mf o r t h eh b t 6 0 - - 9 0 sc o n c r e t ep u m p ，t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p tm o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g ya sb a s ea n da d o p tn e wt y p ei n d u s t r yc o n t r o l l e r - - s i e m e n ss 7 _ 2 0 0 s e r i e st h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) t od e s i g nt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m 西安建筑科技大学硕士学位论文 f o rh y d r a u l i cs y s t e m t h e r ea r em a n ya d v a n t a g ef o rt h et h ep r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) f o re x a m p l e ，i th a ss t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , d e p e n d a b i l i t y , a n df u n c t i o n ，a n di ta l s oh a ss m a l lv o l u ma n dc a na d a p tt h ea t r o c i o u sb u i l d i n g c o n d t r u c t i o nc i r c u m s t a n c e ，t h e r e f o r e ，i tr e d u c et h ec o s to ff a c i l i t y i ti sd e v e l o pt r e n d i nt h ec o n c r e t ep u m pc o n t r o ls y s t e ma d a p tt h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) k e yw o r d s 】c o n c r e t ep u m p h y d r a u l i cs y s t e m m a t h e m a t i cm o d e l d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp o w e rb o n dg r a p h s t h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r t h e s i st y p e 】a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t 声明 v8 1 5 2 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：梁獬 日期：2 护口石乒厂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 敝储躲梁獬导师签名聒眩通吼剃矗舌 注：请将此页附在论文酋页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 混凝土泵简介 1 绪论 混凝土泵是一种在施工现场将符合泵送条件的混凝土通过水平或垂直铺设 的管道连续地输送到浇注点的混凝土输送机械，是现有混凝土输送设备中最理想 的一种设备。而在混凝土施工过程中，混凝土的现场输送和浇注是一项关键的工 作。它要求迅速、及时，并且保证质量以及降低劳动消耗，从而在保证施工要求 的前提下降低施工造价。尤其是对于一些混凝土量很大的大型钢筋混凝土构筑 物，如何正确选择混凝土运输工具和浇注方法就更为重要。混凝土泵是一种通过 管道依靠压力输送混凝土的施工设备。如将预拌混凝土生产与泵送相结合，利用 混凝土搅拌运输车进行中间运送，可实现混凝土的连续泵送和浇注。随着我国建 筑旆工机械化的发展，混凝土泵及其泵送混凝土施工方法已得到迅速普及和提 高，被广泛地用于城建、矿山、电力能源、交通及其它部门的混凝土建筑工程中。 1 1 1 混凝土泵施工的优点 ( 1 ) 机械化程度高，需要的劳动力少，施工组织简单； ( 2 ) 混凝土的输送和浇注作业是连续进行的，施工效率高，工程进度快，并 可保证施工质量； ( 3 ) 对施工作业面的适应性强，作业范围广。混凝土输送管道可以铺设到其 它设备难以达到的地方，以满足各种旌工要求； ( 4 ) 与其它施工机械的相互干扰小。在泵送的同时，施工管道附近还可以进 行其它施工作业； ( 5 ) 在正常泵送条件下，混凝土在管道中输送不会污染环境，能做到文明施 工： ( 6 ) 在施工布置得当的情况下，能够降低施工造价。 1 1 2 混凝土泵泵送施工方法的局限性 ( 1 ) 混凝土配合比除了应符合工程质量的要求外，还要符合用管道输送的条 件，如对于坍落度、混凝土骨料最大粒径，水泥及粗细骨料的级配等都有一定要 求； 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 混凝土的输送距离受到输送管径、最大出口压力及混凝土坍落度的限制： ( 3 ) 混凝土泵操作人员必须有一定的技术水平，不仅要掌握机械的使用方法， 还应懂得一些混凝土施工工艺方面的知识，能够判断混凝土的质量和可泵性。 1 1 3 混凝土泵的分类 混凝土泵的种类很多，可以按排量大小、工作原理、行走装置或配备其它的 装置的情况分类。 ( 1 ) 按排量大小分类 混凝土泵按排量大小可分为小型、中型、大型三类。排量不足3 0 m 3 h 的属 于小型泵；排量3 0 8 0 m 3 h 的为中型泵；排量超过8 0 m 3 h 的为大型泵。目前 应用最多的是中型泵。 ( 2 ) 按工作原理分类 混凝土泵多数是按照工作原理进行分类。其分类如下： 1 ) 活塞式混凝土泵 这种泵的泵送压力较高，输送距离较远，而且易于控制，技术也比较成熟， 所以应用最为广泛。活塞式混凝土泵靠活塞在缸内往复运动，在分配阀的配合下 完成混凝土的吸入和排出。早期的机械传动式混凝土泵在液压技术发展以后，已 被液压传动式所取代。活塞式混凝土泵还可按工作缸分为单缸和双缸两种；按混 凝土分配阀的形式分为管型阀、闸板阀、蝶型阀等液压混凝土泵。 2 ) 挤压式混凝土泵 挤压式混凝土泵的作用原理与挤牙膏相似。在这种泵的泵室内装有挠性的橡 胶软管，中间回转的转子上装有几个滚轮；通过滚轮挤压软管，将混凝土吸入软 管中然后排出。 3 ) 压缩空气输送罐 它是靠压缩空气将每一罐混凝土进行间断的输送。压缩空气输送罐的操作顺 序是先打开罐的上盖装入混凝土后再将上盖压紧，打开气阀向罐内输入压缩空 气，当用于显示罐内压力的压力表到达额定值时，关闭气阀压送混凝土。压送后 将罐内的剩余压力全部泄放，然后打开上盖，重复进行泵送。 另外按移动方式可分为固定式、拖挂式和自行式( 即车载混凝土泵和带布料 杆得混凝土泵车) 。按驱动方式分类可分为电动式、内燃式。 1 1 4 液压活塞式混凝土泵 拖式液压活塞式混凝土泵是由动力系统、泵送系统( 包括：推送机构、分配 西安建筑科技大学硕士学位论文 阀及料斗) 、液压传动系统、电控系统、润滑系统和水洗装置等所组成。 泵送系统是混凝土泵的晟重要的一个系统，其中分配阀又是其中最关键的 个部件，它直接影响整个机器的结构性能，如料斗高度、搅拌装置的布置、泵的 出口形式、堵管问题、吸料性能及工作可靠性等。分配阀的种类很多，有管型分 配阀、闸板阀、蝶型分配阀等。 混凝土泵的种类很多，目前应用最为广泛的是活塞式混凝土泵。目前国内外 活塞式混凝土泵全部采用液压双缸的形式，其两个油缸交替工作吸入和排出混凝 土，使混凝土的输送比较平稳、连续而且排量也大为增加，充分利用了原动机的 功率。其工作原理根据分配阀和控制方式的不同也有所不同，但主要区别在换向 动作的实现上。本研究课题以s 形管型分配阀、电控换向介绍其工作原理。 图1 1 泵送原理 1 、2 一主油缸；3 一水箱；4 一换向机构；5 、6 一混凝土缸；7 、8 一混凝土活塞；9 一料斗； l o 一分配阀；1 1 一摆臂；1 2 、1 3 一摆动油缸；1 4 一出料口 如图1 1 所示，混凝土缸活塞( 7 、8 ) 分别与主油缸( 1 、2 ) 活塞杆相连， 在主油缸压力的作用下，作往复运动，一缸前进，一缸后退；混凝土缸出口与料 斗连通，分配阀一端接出料口，另一端通过花键轴与摆臂相连，在摆动油缸的作 用下，可以左右摆动。 泵送混凝土时，在主油缸油压的作用下，混凝土缸活塞7 前进，混凝土缸活 塞8 后退，同时在摆动油缸的作用下，分配阀1 0 与混凝土缸5 连通，混凝土缸 6 与料斗9 连通。这样混凝土缸活塞8 后退，便将料斗9 内的混凝土吸入混凝土 缸；混凝土缸活塞7 前进，将混凝土缸内的混凝土送入分配阀后排出。 当混凝土缸活塞后退至行程终端时，其上的感应圈触发水箱3 中的换向装置 4 ( 接近开关) ，通过系统中的电液换向阀使主油缸1 、2 换向，同时摆动油缸1 2 、 1 3 换向，使分配阀1 0 与混凝土缸6 连通，混凝土缸5 与料斗9 连通，这时混凝 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 苎曼暑皇詈! 暑曼曼毫皇皇! 鼍鼍葛鲁皇毫! ! 鼍! 皇詈皇曼竺! 兰! ! ! ! 土缸活塞7 后退，8 前进。如此循环，从而实现连续泵送。 当混凝土泵发生堵管现象或需要停机时，应该把输送管道中的混凝土抽回， 这种情况下，通过反泵操作，使处于吸入行程的混凝土缸与分配阀连通，处于推 送行程的混凝土缸与料斗连通，从而将输送管道中的混凝土抽回料斗，如图1 2 所示。 a 正泵状态 b 反泵状态 图1 2 正反泵工作状态 1 2 国内外混凝土泵发展概况和趋势 l _ 2 1 国外混凝土泵的发展概况 混凝土泵的发展已经有8 0 多年的历史。前西德是最早发明混凝土输送泵的 匡l 家，在泵送机械的发展方面始终走在前列，它代表了当今世界混凝土泵发展的 最高水平。1 9 0 7 年德国人最先取得混凝土泵的专利权，1 9 1 3 年美国的c o r n e lk e e 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 设计并制造出了第一台曲轴机械式混凝土泵，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 在前人的基础上进行改 进，成功地设计并制造出第一台卧式缸的k o o y m a n 混凝土泵。此后的发展基本 上是在k o o y m a n 混凝土泵的基础上进行改进。2 0 世纪5 0 年代中期，德国的t o r k r e t 公司首先设计出以水作为介质的混凝土泵，标志着混凝土泵的发展进入了一个新 的发展阶段；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混凝土泵，它采 用液压驱动，功率大、震动小、排量大并可实现无级调节，并可以实现反泵操作， 减少了堵管现象；从此混凝土泵送技术日趋完善，混凝土泵也进入大规模应用阶 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泵车。 同时为了使混凝土泵浇注更加方便，又在混凝土泵车上加装了可以回转和伸缩的 布料杆。 国外混凝土泵的主要生产厂商有：德国的施文英( s c b j n g ) 公司、普兹迈斯 特( p u t z m e i s t e r ) 公司、赛勒( s c h e e l e ) 公司和施泰特( s t e t t e r ) 公司；美国的 查伦一考克兄弟( c h a l l e n g e c o o k eb r o s 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。产品种类、规格都很 齐全，各自拥有独特的核心技术。如普茨迈斯特公司主要采用闭式液压系统、s 管分配阀等，而旌文公司则是采用开式液压系统、采用独一无二的裙阀。混凝土 泵在联邦德国的应用也相当普遍。 日本则是从1 9 5 0 年开始，由石川岛播磨从西德引进的机械式输送泵，到上 世纪七十年代才迅速发展的，主要厂商有：石川岛播磨重工、三菱重工、极东开 发、新协、新泻和新明和等。但进入二十世纪末，由于亚洲经济危机和日本经济 的不景气，使得混凝土泵送机械的发展也缓慢下来。 美国的混凝土泵也走在世界的前列，自1 9 2 3 年美国雷克斯( r e x ) 研制出 了第一台机械式混凝土泵，至今已有8 0 年的历史。在2 0 世纪五十年代，液压式 混凝土泵已有生产，六十年代中期出现了汽车拖动式混凝土输送泵，随着分配阀 等关键问题的解决，特别是带布料杆的混凝土泵车和独立式布料杆的研制成功， 进一步推进了混凝土泵的发展。 自二十世纪七十年代至今，各国的混凝土泵均有很大的发展，尤其是近几年， 在混凝土泵的机动性、稳定性、使用性能、技术性能等方面，都取得了突破性的 进展，并被广泛使用。 1 2 2 国内混凝土泵的发展概况 我国在2 0 世纪五十年代也生产过机械式混凝土泵，六十年代则开始研制液 压泵，当时的技术水平很低，生产批量也很少，在t 9 8 0 年初，国产混凝士泵的 西安建筑科技大学硕士学位论文 总保有量尚不足2 0 0 台，泵车更是没有。在此期间，我国的一些大型混凝土浇筑 工程，在很大程度上基本依靠进口设备。如上海宝钢浇灌电站沉井和热风炉基础 等。 2 0 世纪八十年代以后，我国混凝土泵研制取得了长足的发展，特别是近十 年来，更是得到了飞速发展，且己形成了较大的规模，据统计，我国的混凝土泵 生产厂家已达到数十家，几乎遍及全国各地，极大限度地满足了市场需求，几乎 替代了进口产品。但是，各厂家产品的技术水平、制作工艺、生产能力等参差不 齐，差距较大，大致可以分成三个层次，形成了以三一、中联为代表的第一梯队， 为当今国内最高水平，其次是楚天、鸿得利等为代表第二梯队，发展后劲很足， 第三梯队则是其它技术水平、生产能力都相对较小的厂家。 目前我国混凝土泵的主要生产厂家有：中联重工科技发展股份有限公司、三 一重工集团有限公司、夹江水工机械厂、沈阳盛港机械有限公司、湖北建设机械 有限公司、山东建设机械股份有限公司、山东方圆集团公司、枫阳液压总厂、华 东建设机械厂、扬州机械厂、徐州混凝土机械厂、深圳重科机械有限公司和广州 五羊建设机械有限公司等。 在稳定性和某些工艺参数上，国产混凝土泵虽然与世界发达国家的产品还存 在一些差距，但差距并不明显，相反，我们在价格、售后服务等方面具有比较优 势，且更加符合我国的实际施工情况。 同时，随着中国加入w t o ，市场竞争加剧，各厂家充分挖掘自己的潜力， 发挥自身的优势，产品质量不断提高，有的产品接近或达到世界先进水平，并参 与国际竞争。如三一重工的混凝土泵，无论在泵送压力、泵送排量，还是在稳定 性、可靠性等方面，都可与国外著名品牌产品篦美。2 0 0 2 年9 月，三一重工的 9 0 c h 2 1 2 2 d 混凝土泵，在香港创造了单机垂直泵送c 6 0 高强混凝土3 9 0 米高的 当今世界纪录。 1 2 3 混凝土泵发展趋势 1 ) 国外发展趋势 除了具体结构和技术性能参数等方面外，如功率进一步增大，泵送压力提高， 排量也随之增加，活塞行程增长等；在材料科学、配套件等方面也取得了较大的 发展。 2 ) 国内发展趋势 产品型谱和生产企业不断增加，产品性能、质量都在迅速提升。 随着商品混凝土的发展，混凝土泵规格更全，档次更高，泵车布料臂架朝更 长的方向发展，由过去的3 7 m 占主流，逐步过渡到4 2 4 5 m 为主，4 7 5 6 m 同 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 样受到市场青睐，如三一重工生产的s y 5 5 0 0 t h b 5 6 泵车，臂架长度已达到5 6 m ， 为目前国产最长臂架的泵车。 随着工程进度的加快，泵送排量也有增大的要求，过去排量在6 0 8 0 m s h 的占6 0 左右，现在排量要求8 0 1 2 0 m 3 h 的施工工程越来越多，如杭州湾跨海 大桥使用的混凝土泵，基本上都是1 2 0 m s h 的。 同时，对混凝土泵的机动性要求越来越高。主要表现在泵车的市场增加很快， 2 0 0 2 年比2 0 0 1 年增长9 5 5 6 ，2 0 0 3 年比2 0 0 2 年的增长幅度更大，超过了1 0 0 。 另外，车载泵的市场也逐步活跃起来，三、楚天、中联、鸿得利等厂家都有新 品上市。第三，以柴油机动力的泵越来越多，泵车和车载泵要求使用柴油机动力 自不用说，在拖式泵中所占比例也逐步增大。 液压系统向集成方向发展，普遍采用开式系统及恒功率控制，特别是大流量 的泵，开式系统具有油温低、可靠性高、维修方便等诸多优势。同时，全液压控 制技术、计算机控制技术取得了突破性进展。如三一产品的全液压换向和计算机 闭环控制技术已经广泛应用。 泵送压力已经有了大幅度的提高，1 9 7 1 年以前，混凝土泵出口压力大多不 超过2 9 4 m p a ，以后提高到5 8 8 8 3 8 m p a ，现在已达到2 2 m p a ，而且还有继续 提高的趋势。与此同时，液压系统的压力也在不断提高，基本都在3 2 m p a 以上。 因此，输送距离也在不断增加，最大水平输送距离已超过2 0 0 0 m ，最大垂直泵送 高度也可达5 0 0 m 以上。 提高设备的节能、环保性能也是一大趋势，风冷却逐步替代水冷却，发动机 的排放标准提高，大多达到欧i i 或欧标准。 进一步重视混凝土可泵性的研究，主要是对于高强度、大骨料、三级配混凝 土的研究，现已能泵送混凝土的最低坍落度为2 0 m m ，最大骨料粒径可达8 0 1 2 0 m m 。如三一h b t l 2 0 a - 1 4 1 0 d 三级配混凝土泵，已成功地应用于三峡工程的 施工。 除了设备的设计、制造等有了长足的发展外，设备的使用与维护也得到了极 大的发展，广大设备使用人员对混凝土泵的工作原理、结构、操作及日常维护等 越来越熟悉，使设备在施工过程中使用起来得心应手，发挥的作用越来越大。 1 2 4 混凝土泵的前景 随着我国经济建设步伐的加快，许多大的工程建设项目相继上马，市场对混 凝土机械的需求呈猛增势态。 同时，国家已出台在某些大、中城市市区禁止使用现场搅拌混凝土的规定， 使混凝土泵、泵车、混凝土搅拌运输车和混凝土搅拌站等产品火爆起来。 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 随着我国混凝土机械的迅速发展及加入w t o ，在混凝土泵国际市场上已经 占有了一席之地，并将逐步壮大。 这些有利的外部条件，为我国混凝土泵送机械事业的发展提供了广阔的空 间。抓住机遇，共同努力，将我国的混凝土泵产品及市场提升到一个新的高度。 1 3 本课题研究的意义及内容 1 3 1 课题的目的及意义 在混凝土施工过程中，混凝土的现场输送和浇注是一项非常关键的工作。混 凝土泵是理想的现场混凝土输送设备，它通过管道并依靠压力输送混凝土，能连 续的完成水平和垂直输送。若将预拌混凝土生产与泵送施工相结合，利用混凝土 搅拌运输车进行中间运送，则可实现混凝土的连续泵送和浇注。由于泵送混凝土 机械化程度高、效率高、占用人力少、劳动强度低和施工组织简单等一系列优点， 已经在国内外得到广泛应用。 本课题为陕西省教育厅产业化项目( 混凝土泵系列化和产业化研究) 中的予 项目，其目的在于：在项目研究的基础上，进一步提高泵送作业的自动化水平， 提高其工作可靠性，在主要性能指标上达到国内先进水平，形成系列化产品，实 现产业化，推动陕西乃至全国的建筑施工业的发展。 混凝土泵一种集机电液一体化的高科技产品，科技含量较高，利润丰厚( 如 一台h b t - 6 0 混凝土泵成本大约2 0 万元，售价一般在4 0 万元左右) 。实现产业 化后，一方面可以为生产单位带来显著经济效益，另一方面可以实现混凝土泵送 施工的机械化，提高施工效益，改善建筑施工环境，具有良好的社会效益。 1 3 2 本课题研究内容 本课题的主要研究内容为对h b t 6 0 1 3 - 9 0 s 混凝土泵的液压系统进行仿真。对 已有的液压元件和动力系统进行动态特性分析，对液压元件或系统通过理论推导 建立它们的动态模型，然后进行仿真试验，得出定性和定量的结果。对今后系统 设计提供必要的依据，是仿真的主要应用之一。本论文应用功率键合图建模方法 建立混凝土泵液压系统的动态模型；然后应用大型工程软件m a 廿a b 提供的 s i m u l i n k 软件包，把混凝土泵液压系统功率键合图模型转化为适合计算机求解的 动态模型，进行计算机仿真，得出具有指导意义的结论。 在传统的混凝土泵多采用继电器控制，该种控制方式成本低，通用性强，有 较好的稳定性，但是比较笨重，连线也比较复杂，而且出了故障不易检查。近年 来，随着可编程控制器( p l c ) 的迅速发展，其具有设计、连接、编程方便；可 西安建筑科技大学硕士学位论文 靠的稳定性和极强的抗干扰能力等特点，已逐步在混凝土泵的控制系统中，取代 了传统的继电器控制。可编程控制器( p l c ) 是近年来发展起来的一种以微处理 器为基础的新型控制器，它性能可靠，可以在恶劣的环境中工作，适合混凝土泵 的工作环境要求。本文采用西门子s 7 2 0 0 系列的可编程控制器进行混凝土泵的 控制系统设计。 本课题的研究将具有很好的工程实际意义。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 液压系统仿真 2 1 计算机仿真及其在液压系统中的应用 随着当今科学技术的高速发展，计算机仿真技术呈现出越来越强大的活力， 它大大节省了社会的劳动力、物力、时间及成本，在当今教学、科研、生产等各 个领域发挥着巨大的作用。仿真技术提高了科学研究的水平，缩短了科学研究的 周期、降低了科学研究成本及风险，促进了各个不同领域学科的融合，加速了科 研成果转化为生产力。可以说仿真技术已经成为科学研究中必不可少的实用技 术。因此，在现代科学研究及应用中，仿真技术被广泛的应用于数学、物理、通 讯、电子、医学、生物等众多学科领域。 利用计算机作为工具，把实际物理系统变成数学模型在计算机上运行的过程 称之为仿真。用于对系统进行仿真的一整套软件或硬件设备称为仿真系统，而研 究能够在计算机上运行的模型的建立和试验方法的学科称为仿真技术。 2 1 1 仿真的基本概念 仿真就是用模型代替实际系统进行试验。系统仿真技术是以相识原理、控制 理论、计算机技术、信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种 物理效应设备为工具，利用系统模型对实际系统进行动态试验研究的一门综合性 技术。仿真技术涉及到控制理论建模、计算机软件、数值方法、嵌入式系统、网 络、工程设计和有关专业领域知识等方面的基础，是学科交叉技术发展的结果。 仿真本质上是一种知识处理的过程。典型的系统仿真过程包括：系统模型建 立、仿真模型建立、仿真程序设计、模型确认、仿真试验和数据分析处理等。其 仿真过程流程如图2 1 所示： 2 1 2 仿真系统的分类 仿真所遵循的原则是相似原则，即几何相似、环境相似和性能相似。根据相 似原理，仿真可分为物理仿真和数学仿真。 按照模型的建立方法，仿真可以分为实物仿真、数学仿真和半实物仿真。 实物仿真又称为物理仿真，是以几何相识或物理相识为基础进行的仿真。这 方面一个的例子就是飞机或导弹进行的风洞试验。此方法具有模型建立复杂、花 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 费多、周期长的缺点，在早期的仿真技术中应用较多。 数学仿真是以数学模型代替实际系统进行试验的仿真方法。广义的讲，广泛 应用的牛顿运动定理、欧几里德几何学都可以看成是对客观世界的仿真，这类仿 真方法的关键在于数学模型的建立和求解，随着计算机技术的发展，数学仿真应 用越来越广泛。 半实物仿真是将物理模型、数学模型与实物相结合进行仿真的方法。很多系 统往往不能被准确地建立数学模型，这时就需要将实际系统模型放置在仿真系统 中进行仿真研究，这种方法往往可以得到较好的结果。 图2 1 仿真过程 其次按照模型的类型，可以分为连续系统仿真、离散系统仿真、连续离散 ( 时间) 混合系统仿真和定性系统仿真；按照仿真实现的方法和手段，可分为物 理仿真、计算机仿真、硬件回路中的仿真和人在回路中的仿真；根据人和设备的 真实程度，可以分为实况仿真、虚拟仿真和构造仿真。 2 1 3 仿真技术要素 计算机仿真的三个基本要素是系统、模型和计算机，联系着它们三项基本活 动是模型建立、仿真模型建立( 又称为二次建模) 和仿真试验。其关系如图2 2 所示： 西安建筑科技大学硕士学位论文 图2 - 2 仿真系统三要素 数字仿真采用数学模型，用数学语言描述系统行为子集的特征。其工作过程 一般是： 1 ) 建立系统的数学模型； 2 ) 建立系统的仿真模型，即设计算法，并转化为计算机程序，使系统的数学模 型能为计算机所接受并能在计算机上运行。 3 ) 运行仿真模型，进行仿真试验，再根据仿真试验的结果，进一步修正系统的 数学模型和仿真模型。 2 1 4 仿真技术在液压系统的应用 液压传动与控制系统在国民经济建设的各个行业得到了广泛的应用，对液压 组件和液压系统性能的要求也越来越高，特别是对组件和系统的动态特性的要求 也更加严格。单纯的进行静态设计已经远远不能满足组件和系统设计的要求。 仿真技术在液压传动与控制系统中的应用主要有以下几个方面： ( 1 ) 对已有的液压元件或系统进行分析。通过理论推导或系统辨识，建立 起描述实物系统的数学模型，然后进行仿真试验，确定参数的合理范围，把所得 的仿真结果与实物试验结果进行比较分析，验证理论的准确程度，反复修改数学 模型，直到两试验结果非常接近，把这个数学模型作为改进液压元件或系统性能 的依据。 ( 2 ) 对于已有或已成熟的系统，通过仿真试验，研究组件各部分结构参对 其动态特性参数的影响，从而确定满足要求的最佳参数的匹配范围，并作为该系 统调试时的依据，从而缩短调试时间和避免损坏设备。 ( 3 ) 在对于新设计的液压组件，可以通过仿真试验，研究元件各个组成部 分以各组成部分的结构参数对其动态特性的影响，从而确定满足性能要求参数的 最佳匹配，给实际设计元件提供必要的参数依据。 ( 4 ) 对于新设计的系统，通过仿真试验验证控制方案的可行性，以及结构 参数对系统动态特性的影响，从而确定最佳控制方案及控制最佳参数的最佳匹 配。 西安建筑科技大学硕士学位论文 通过仿真试验可以得到液压元件和系统的动态特性，它已成为研究和设计液 压元件和系统必不可少的部分。随着电机计算机软件和硬件的不断进步，功能不 断完善，计算机仿真技术将成为科学技术研究的不可缺少的重要手段，特别是它 的计算精度高、计算方法严谨，为科学研究和工程设计提供了更可靠的数学依据。 它的以上特点将给液压元件和系统的设计提供合理的参数依据和最优的控制方 案。此种方法将越来越成为研究液压元件和系统动态特性的最佳方法。 2 2 研究动态系统特性的意义及方法 2 2 1 意义 科学技术的迅速发展使得各个领域中的系统设计与分析变得日益复杂。如何 建立动态系统模型、对动态系统进行仿真与分析，对各个领域的设计与开发具有 及其重要的作用。传统的仿真技术主要包括实物仿真与半实物仿真。实物仿真与 半实物仿真的优点在于系统的仿真结果直接、形象、客观可信：但是仿真模型受 到一定的限制，易于破坏而且难以重新利用，尤其在军事、国防、航空航天以及 核武器试验领域之中，采用实物仿真与半实物仿真不仅费用巨大，而且存在着不 可忽略的安全问题。计算机技术与数字信号处理技术的快速发展给系统仿真带来 乐翻天覆地的变革，采用计算机进行系统仿真可以很好地解决传统仿真技术中存 在的问题。只要系统设计者能够全面了解系统所处的复杂环境、系统中复杂的对 象并且正确建立系统数学模型，便可以使用计算机对动态系统进行充分地研究与 分析。计算机仿真系统一旦建立起来就可以重复利用，特别是对系统的修改非常 方便、安全，而且代价极小。用户经过不断的仿真修正，逐渐深化对系统的认识， 以采用相应的控制和决策，使系统处于科学的控制和管理之下。 因此，传统的研究静态系统的方法已经不能满足人们对产品的各项要求。而 传统的生产方式，已经不但不能解决生产的数量问题，而且更不能解决产品的质 量问题。高性能的产品必然要求高精度的加工设备，而高精度设备的设计和评价 则需要更加严格的指标。以往传统的、常规的静态设计评价方法是建立在大致的、 粗略的、近似的基础上的方式，而现在的设备除了能完成所需要求的自动工作循 环外，其主要参数选择正确，除了满足静态要求外还要具有良好的动态特性，由 于实际的系统是经常处于动态过程中。 系统的动态特性是指系统随时间变化的工作状态。它客观真实的反映了系统 每个瞬时时刻的工作状况。引起这种工作状况变化的的原因是多方面的，如组成 系统的元件工作状况的变化；外界负载的变化；干扰因素的影响等等。如果系统 的动态特性不好，在动态过程中的工作情况就不能满足要求，甚至无法正常工作。 西安建筑科技大学硕士学位论文 机械系统在工作中的振动、冲击、噪声、加工精度和运动精度不高等等，往往是 由于系统的动态特性不良所致。如果只限于静态的标准，就不可能到达的要求， 只有了解了动态特性，才能对症下药，有的放矢。 系统动态特性研究的内容与静态特性的研究则完全不同，主要包括稳定性和 过渡过程品质问题。系统如能在稳定状态遭受到破坏之后能及时的恢复到新的稳 定状态，这样的系统才可以称之为稳定的系统。稳定是必须的，否则其它方面的 研究就失去了意义。过渡品质是指系统偏离稳定状态的程度和恢复到新的稳定状 态所需的时间快慢，即所谓系统的精度和快慢性。因此稳定特性也就是系统的稳 定性、快速性和精确性 2 2 2 方法 研究系统动态特性的方法，一般用的较多的是古典控制工程中的传递函数分 析法，这种方法主要适用于分析系统的稳定性，而且只限于线性系统，非线性系 统要进行线性化。对于严重非线性系统则难以进行。同时这种方法主要适用于单 输入、单输出、以及初始条件为零的情况。如果直接用传递函数分析法来求解系 统的过渡过程，则只在系统相当简单时才有可能。因此，此方法受到极大的限制。 在传递函数分析法的基础上演变而来的频率分析法使用较普遍。这种方法建 立在试验的基础上，只要有一定的设备，研究起来比较方便，但这种方法仍然只 限于单输入、单输出的系统，也只限于线性系统。 现代控制理论和计算机应用的发展，给系统动态特性的研究开辟了新的途 径。用计算机数字仿真进行辅助分析和设计是非常有效的。仿真所依据的数学模 型就是现代控制理论所叙述的状态方程，用状态方程研究系统动态特性的方法， 称为状态变量法，也称为状态空间法。由它所编制的程序可以在计算机上求解出 系统中各主要变量在过渡过程中的时域解。状态变量法拓宽了研究系统的动态特 性的范围，它可以是多输入、多输出的系统，也可以是非线性系统，而且状态变 量的初始值不一定限于零。 2 3 动态系统的数学模型 在研究一个系统的动态特性时，首先建立它的数学模型，然后才能分析系统 的动态特性。动态系统的数学模型是一组方程式，它应精确地或相当好地表示系 统的动态特性，对于一个给定的系统，其数学模型不是唯一的，一个系统可以用 不同的模型表示。 数学模型可以有多种形式，随着具体系统和具体条件的不同，应该选择不同 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 的数学模型。常用的数学模型主要有传递函数和状态空间表达式，对于各种类型 的功率控制系统，还有基于功率键合图的动态方程组模型。一旦获得了系统的数 学模型，就可以采用各种分析方法和计算机工具对系统进行分析和综合。 2 3 1 传递函数 古典控制理论是以传递函数为基础分析与设计控制系统的理论。以传递函数 为基础，研究单输入单输出的系统，并对一些非线性微分方程经过线性化处理， 由此得到的描述系统的数学模型称为线性微分方程。线性常微分方程系统的传递 函数是指在全部初始条件为零的假设下，输出量( 响应函数) 的拉普拉斯变换与 输入量( 驱动函数) 的拉普拉斯变换之比。 线性定常系统n 阶线性常微分方程描述： d n m 奄卜+ 和m 加) 汜， _ 6 0 等心) + b l 筹心) + - 吨知m 在上式中： c ( f ) 一系统输出量o r ( r ) 一系统输入量： 口。( f = 1 , 2 ，n ) 和b j ( j = 1 , 2 ，m ) 是与系统结构和参数有关的常系数。 设r ( f ) 和c 0 ) 及其各阶导数在t = o 时的值均为零，即零初始条件，则对上式 中各项分别求拉氏变换，可得其系统传递函数为： g ：型：堕：刍! ：兰生= ! ! ( 2 2 ) 、7 r ( s ) a o s ”+ 口l s ”- 1 + - - + a n _